(51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) H01P 1/04 (2006.01) (21) 출원번호 10-2008-0058664 (22) 출원일자 2008 년 06 월 20 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 9 항 2008 년 06 월 20 일 (54) 규격에따른도파관과윈도우접속구조 (11) 공개번호 10-2009-0132422 (43) 공개일자 2009년12월30일 (71) 출원인 한국기초과학지원연구원 대전광역시유성구어은동 52 번지 (72) 발명자 정진일 대전유성구어은동한빛아파트 101 동 601 호 이규동 충청북도청주시흥덕구복대 2 동 2442 형석타운사랑동 312 호 복민갑 대전광역시유성구송강동 200-1 번지 (74) 대리인 공인복 (57) 요약 본발명은규격에따른도파관접속구조에관한것으로, 각기서로다른규격의진공제품과도파관을용이하게접속함을목적으로한다. 본발명에의한규격에따른도파관접속구조는, 진공제품측의진공면을형성하는윈도우 (10) 와도파관 (20) 의일측단부에형성된플랜지 (22) 의사이에어댑터 (30) 가개재되어접속된다. 상기어댑터는외경이상기윈도우의외경과동일한판상이면서상기도파관에서발생되는전자파가통과하는전자파전송로가구비되고, 진공면의냉각을위한냉각배관이구성된다. 대표도 - 도 4-1 -
특허청구의범위청구항 1 진공제품에결합되어진공면을형성하는윈도우와전자제품과연결되는도파관의단부에형성된플랜지는어댑터를사이에두고접속되되, 상기어댑터의일측은상기윈도우와결합되고상기어댑터의타측은상기도파관의단부에형성된플랜지와결합되며상기어댑터의안쪽은상기윈도우와상기도파관의내부와연통되도록전자파전송로 (32) 가형성되는것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 2 청구항 1에있어서, 상기어댑터에연결되는상기윈도우의직경은상기도파관의플랜지의크기보다큰것이조립되는것을특징으로도파관과윈도우의접속구조. 청구항 3 청구항 1에있어서, 상기어댑터에는윈도우 (10) 의체결공 (11) 과연통되는제1체결공 (31) 과어댑터의전자파전송로의둘레에는상기도파관 (20) 의플랜지 (21) 에형성된체결공 (22) 과연통되는제2체결공 (33) 이구비된것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 4 청구항 1에있어서, 상기도파관의내에전자파를전파하는벽내부는금, 알루미늄, 구리, 은중의하나가코팅되는것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 5 청구항 1에있어서, 상기윈도우와상기도파관의내부와연통되도록형성된어댑터의전자파전송로 (32) 에는금, 알루미늄, 구리, 은중의하나가코팅되는것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 6 청구항 1 또는청구항 5항중한항에있어서, 상기어댑터는상기윈도우와도파관플랜지의사이에냉각수를공급하여냉각하는하나이상의냉각배관이더포함된것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 7 청구항 6에있어서, 상기어댑터는상기윈도우와도파관플랜지사이의진공면의온도를측정하는온도센서가포함되어상기온도센서의감지값을근거로하여냉각수의양을제어하도록구성된것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 8 청구항 1 또는청구항 5항중한항에있어서, 상기어댑터 (30) 는윈도우 (10) 에대해회전가능하게연결하거나도파관 (20) 을어댑터 (30) 에대해회전가능하게연결하는것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 청구항 9-2 -
청구항 1 또는청구항 5 항중한항에있어서, 상기윈도우 (10) 는 Del-Seal CF 규격의제품 ( 표 4 참조 ) 중의하나이고, 도파관은북미 (EIA) 및유럽 (IEC) 표준 을따르는제품 ( 표 3 참조 ) 중의하나인것을특징으로하는도파관과윈도우의접속구조. 명세서 발명의상세한설명 <1> 기술분야본발명은윈도우와도파관접속구조에관한것으로서, 더욱상세하게는도파관을진공제품에접속할때도파관과진공제품을연결하기위한플랜지와윈도우의규격이서로다르더라도이를용이하게접속할수있는규격에따른도파관과윈도우접속구조에관한것이다. <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> 배경기술도파관은마이크로파이상의높은주파수 (1GHz 이상 ) 의전기에너지나신호를전송하기위한전송로의일종인데, 구리등의전기도체로된관 ( 管 ) 내부를전자기파가지나가게한것으로, 각종전자제품에널리사용되고있다이러한도파관은다수개가연쇄적으로연결되거나다른전자제품에연결되어사용된다. 또한플라즈마물리학, 신소재및에너지연구, 관련산업의공정개발등의경우에는흔히도파관의연결이초고진공상태의용기에접속된다. 여기에서초고진공분야의접속기술및그표준은매우다양한형태로발전되어왔으나, 본발명에서는현실적으로실험실및산업분야에서가장손쉽고광범위하게사용되고있는델-실시에프 (Del-seal CF: 세계적인진공부품회사인 MDC에서정한표준규격명, 이하 'Del-seal CF' 라칭함 ) 진공플랜지초고진공규격으로한정한다. Del-Seal CF 진공플랜지초고진공규격은베리언 (Varian) 사에서발명한기술로서세계적인진공부품회사인 MDC에의해오늘날 Del-seal CF 플랜지로알려지며초고진공기술분야에서가장광범위한표준규격으로자리잡은진공체결방법이다. 플랜지자체가일반적으로 1.33인치부터 14인치까지의외경을갖는원형이되도록규격화되어있으며, 각규격에맞는금속재질 ( 일반적으로구리 ) 의오-링 (O-ring) 을통해진공을이룰수있도록구성된다. 이 Del-Seal CF 플랜지는플랜지표면에윈도우, 전력선, 신호선등이설치되어진공내부와외부를연결하는다양한기능구현이용이하도록매우다양한기능성규격들이새롭게고안되고활용되고있다. 본발명은초고진공 Del-Seal CF 규격의상용화제품과, RF(Radio Frequency) 도파관및플랜지의상용화제품의어떠한변형이나조작없이서로다른두기술규격사이를연결할수있는것으로이하에서는이에대해서만기술한다. 도 1은도파관과제품의접합구조를보인것으로, 도 1에서보이는것처럼, 제품 (1) 과도파관 (2) 의마주하는단부에는각각다수의체결공이구비된플랜지 (Del-Seal CF-플랜지 )(1a, 2a) 가형성되어, 이플랜지 (1a, 2a) 들의사이에구리금속오링 (3) 을개재한후상기체결공들에체결구 (4) 를체결함으로써접합이이루어진다. 이들플랜지는 RF 안테나, 리시버등의 RF 구성품을연결하는표준이기도하며알루미늄, 구리, 청동등의소재로만들어지고내벽의전도도를높이기위해은이나니켈등으로도금처리된다. 이러한플랜지는크기에따른활용주파수대역에따라규격이구분되어있으며대표적으로북미지역의표준 (EIA standard) 과유럽지역의표준 (IEC standard) 으로양분화되어있다. 하기의표 1은지역별플랜지의형태와규격을나타낸것이다. - 3 -
표 1 <9> <10> <11> 표 1 에서알수있듯이, 각각의지역별표준과형태별표준만정리해보더라도매우다양한종류의 RF 플랜지가 사용되고있음을볼수있다. 상기표 1 에기재된 CPR 과 CMP, UDR, RND 등은호칭에관련된칭호이므로이에대한상세한설명은생략한다. <12> <13> Del-Seal CF 플랜지의규격은플랜지외경의크기에따라 [ 표 1] 과같이일반적으로 14종으로분류된다. 그러나, 각각북미 (EIA) 및유럽 (IEC) 표준을따르는 RF 도파관및플랜지는그크기와형태에따라매우복잡하고다양한형태를취한다. 따라서, 각각의 RF 도파관및플랜지가적당한규격의 Del-Seal CF 플랜지에결합되기위해서는우선다양성과복잡성이매우큰 RF 규격의호환성부터점검해야할필요성이있다즉, 종래기술에의해도파관과진공제품을접속할때먼저진공제품에접속이가능한도파관을먼저결정하여야하는문제점이있다. 즉, 제품의설계시진공제품과도파관의접속을위한규격을반드시반영하여야하는불편함이있고, 만약그렇지않았다면설계를변경하거나진공제품과도파관의규격을변형하여야하는어려움도발생된다. - 4 -
표 2 <14> <15> 표 2 에서 WR650, R14 등은호칭경은나타내며, SQ 는정사각형, RND 는라운드형, F 는플랫형, G 는그로브형을 나타내고, 기타명칭은형태에따라부여된명칭이다. - 5 -
표 3 <16> - 6 -
표 4 <17> 표 5 <18> 발명의내용 - 7 -
<19> 해결하고자하는과제본발명은상기와같은문제점을해결하기위한것으로, 진공제품과도파관을접속할때이들의접속을위한진공제품측윈도우와도파관의플랜지의규격이호환가능하지않더라도간단하고저렴한비용으로접속할수있는규격에따른도파관접속구조를제공하는데그목적이있다. <20> <21> 과제해결수단전술한바와같은목적을달성하기위한본발명에의한규격에따른도파관접속구조, 진공제품의진공면을형성하는윈도우와도파관의플랜지사이에어댑터가개재되어접속되는것을특징으로한다. 상기어댑터는진공면에냉각수를공급하여냉각하는냉각배관이더포함되는것이바람직하다. <22> <23> 효과본발명에의한규격에따른도파관접속구조에의하면, 진공제품에적합한도파관을접속하려할때이들을접속하기위한윈도우와도파관플랜지의규격이서로호환불가능하더라도어댑터를통해이들을접속할수있으므로최초설계에맞는제품을생산할수있고진공제품측윈도우와도파관플랜지를변형하지않아도될것이므로불필요한비용을절약할수있고생산성이우수한효과가있다. 물론, 어댑터도다양한규격의윈도우와도파관을접속하기위해서는다양한규격을갖추어야할것인데, 이는윈도우와도파관플랜지의변형이라든가다양한규격의생산시보다저렴한비용으로가능하기때문에비용을절감할수있는것이다. <24> <25> <26> <27> <28> <29> <30> <31> <32> <33> 발명의실시를위한구체적인내용도 2와도 3에서보이는것처럼, 본발명에의한규격에따른도파관접속구조는, 진공제품측의 Del-Seal CF 규격제품인윈도우 (10) 와북미 (EIA) 또는유럽 (IEC) 표준을따르는 RF 도파관 (20) 이본발명에서제시하는어댑터 (30) 를통해연결되는것이다. 윈도우 (10) 는원주방향을따라다수의체결공 (11) 이구비된링 (ring) 형태이며, 진공제품에용접되어진공제품몸체의일부가된다. 윈도우 (10) 는진공제품측플랜지에진공면의말단역할과동시에 RF파를통과시킬 CF규격의윈도우가결합된다. 도파관 (20) 은연결목적등에따라다양한형태로형성되며여기서는사각단면의도파관 (20) 을예시하였다. 도파관 (20) 의단부에는윈도우 (10) 에연결 ( 실질적으로는어댑터 (30) 에연결됨 ) 되기위한외향플랜지 (21) 가형성된다. 플랜지 (21) 에는어댑터 (30) 에체결되는체결공 (22) 이형성된다. 지금까지설명한윈도우 (10) 와도파관 (20) 은본발명에의해한정되는것이아니라일예인것일뿐이며, 본발명은어댑터 (30) 를통해다양한규격의진공제품과도파관 (20) 을접속할수있는것을특징으로한다. 어댑터 (30) 는다양한규격의진공제품측윈도우 (10) 와도파관 (20) 을접속하기위한매개물로서, 외경은진공제품측윈도우 (10) 의규격과동일하게구성되어진공제품측윈도우 (10) 의외부로돌출되지않는상태로접속되며상기어댑터의표면에는윈도우 (10) 의체결공 (11) 과연통되는제1체결공 (31) 이구비되고, 도파관 (20) 의내부와연통되는전자파전송로 (32) 가구비되며, 또한전자파전송로 (32) 의둘레부에형성되어도파관 (20) 의플랜지 (21) 에형성된체결공 (22) 과연통되는제2체결공 (33) 이구비된다. 여기서제1체결공 (31) 은진공제품측의윈도우체결부이고제2체결공 (33) 은도파관체결부인것이다. 즉, 어댑터 (30) 는양측에서각각윈도우 (10) 와도파관 (20) 이체결고정되는것이며, 다시말하면윈도우 (10) 와도파관 (20) 은서로체결되는것이아니라어댑터 (30) 를통해접속되는것이다. 이와같이윈도우 (10) 와도파관 (20) 이직접연결되지않으므로윈도우 (10) 와도파관 (20) 의규격을바꾸지않아도이들 (10,20) 을연결할수있는어댑터 (30) 만사용함으로써윈도우 (10) 와도파관 (20) 을접속할수있다. 도파관 (20) 내를전파하는전자파는도파관 (20) 내의벽에서반사를반복하면서진행하는데, 이때전자파의주파수와도파관 (20) 의재질에따라전송효율에차이가발생한다. 따라서손실을최소화하기위해서는전송주파수에따른재료선정에각별한주의가필요하다. 전자파의금속재료침투정도는금속의전기저항에비례하고전송주파수에반비례하는경향을보이는데, 일반적으로알루미늄 > 금 > 구리 > 은순의침투깊이정도를보인다. 도파관 - 8 -
(20) 내의전송주파수가상대적으로아주높아지면침투깊이정도가낮아지기때문에전자파는거의표면으로만흐르므로도파관내벽에은으로코팅을해주면도파관내의전송효율을극대화할수있다. 역으로, 전송주파수가상대적으로낮은경우에는전자파의금속침투정도가증가하기때문에도파관의금속재료자체가중요해진다. 따라서, 도파관내의적당한표면코팅이전송효율을결정하는중요한변수가된다. <34> <35> <36> <37> <38> <39> <40> <41> <42> <43> <44> <45> 본발명에의한어댑터 (30) 도어댑터 (30) 를지나는 RF파의관점에서볼때 RF 도파관 (20) 의연장선이며, 그결합부위의재질과정밀도또한 RF파에너지의전송효율과밀접하게관계된다. 따라서, 어댑터 (30) 의가공소재와표면코팅재료의선택은매우중요하다. 본발명에의한어댑터 (30) 는도파관 (20) 과동일한가공소재와코팅소재가사용되거나사용되는주파수와에너지의특성에적합한금속소재 ( 금, 백금, 구리, 은등 ) 와두께를선택하여가공할수있다. 어댑터 (30) 는다양한규격의윈도우 (10) 와도파관 (20) 플랜지 (21) 를접속할수있도록다양한규격으로생산됨은당연하다. 한편, 킬로와트 (kw) 이상의고출력 RF를활용하는응용에있어서, 윈도우 (10) 의진공면과도파관플랜지 (21) 면사이에서발생하는발열에의한갑작스런진공파기및부품손상은실험실수준에서매우빈번한일이다. 이러한일이발생하는이유로는무엇보다, 비용이나구조적인조건혹은경험미숙문제로진공과 RF사이에서의적절한규격을사용하지못했을경우가크다. 다시말해사용주파수와출력에따라열발생을유발할수있는요인을최소화할수있는결합이매우중요함에도이에대한명확한표준이마련되어있지않기에문제가발생하는것이다. 하지만, 이러한문제를모두적절히고려했다하더라도고출력과장시간장치운전으로갈수록빈번해지는과열문제로부터안전성을강화하기위해본발명에서는어댑터 (30) 가윈도우 (10) 에접하는면으로하나이상의냉각배관 (34) 을구비한다. 진공용기관점에서과열상태에이르면가장문제의위험에많이노출되는부분은윈도우 (10) 내부에윈도우 (10) 와금속사이에의용접가공부위가된다. 본발명에서의냉각배관 (34) 은특히이부위에발열손상이최소화될수있는공학적구조를가진다. 냉각배관 (34) 은냉각수를진공면에공급하기위한것으로, 도면에도시되지않은냉각수공급부 ( 에어펌프, 열교환기등 ) 로부터냉각수를공급받는다. 상기냉각수공급부는컨트롤러의제어를받아냉각수를냉각배관 (34) 에공급한다. 냉각배관 (34) 을보완할방법으로서어댑터 (30) 는결합부위의온도를확인할수있는온도센서 (thermocoupler)(35) 가더포함될수도있다. 온도센서 (35) 는 RF 발생장치가일반적으로구비하고있는안전차단장치의논리회로에그정보를준다거나, 혹은매우간단히장치를운전하고있는사람으로하여금안전온도범위내에서연속운전이이루어질수있는매우기본적인정보를제공할수있다. 즉, 온도센서 (35) 는실시간으로진공면의온도를감지하여이감지값을컨트롤러에인가하며, 컨트롤러는온도센서 (35) 의감지값과기저장된기준값 ( 냉각수를공급하거나유속을조절하기위한값 ) 을비교하여감지값이기준값보다높으면냉각수를공급및공급량을조절한다. 도파관 (20) 은 RF파전송목적이나전체장치의물리적조건등에따라 45도단위로접속각을회전해야하는경우가있다. 즉가로와세로의비율이 1:2로이루어진도파관 (20) 의직사각형모양이수직, 수평혹은그사이로정렬되는경우가필요하다. 가장대표적인경우로마이크로파를이용한플라즈마발생에서진공용기내부자장과평행한혹은수직인전자기파를전송하도록선택하는것은매우중요한결합형태의변화가된다. 이를위하여본발명에서는어댑터 (30) 를윈도우 (10) 에대해회전가능하게연결하거나도파관 (20) 을어댑터 (30) 에회전가능하게연결할수있다. 어댑터 (30) 와도파관 (20) 의회전구조는다양한방법이가능할것이다. 본발명에의한진공제품과도파관의접속방법을설명하면다음과같다. 접속대상물인진공제품측윈도우 (10) 와도파관 (20) 을선택한다. 이때, 윈도우 (10) 와도파관 (20) 은각각의규격에맞는것이선택되며, 윈도우 (10) 와규격과도파관플랜지 (21) 의규격은호환가능한것을선택할필요가없으므로이에대해서는무시하여도좋다. 이어서, 어댑터 (30) 를선택한다. 어댑터 (30) 는윈도우 (10) 의규격과도파관 (20) 플랜지 (21) 의규격에맞는것이선택되어야한다. 즉, 윈도우 (10) 와도파관 (20) 의선택시에는호환을무시하여도좋지만, 어댑터 (30) 는윈도우 (10) 와도파관플랜지 (21) 의규격에호환되는것이선택되어야한다. - 9 -
<46> <47> <48> <49> 윈도우 (10) 에어댑터 (30) 를체결하고, 어댑터 (30) 에도파관플랜지 (21) 를체결하여윈도우 (10) 와도파관 (20) 을접속한다. 접속이완료되면어댑터 (30) 의냉각배관 (34) 에냉각수공급관등을연결하여냉각수의공급을준비한다. 이로써, 진공제품측윈도우 (10) 와도파관 (20) 의접속이완료된다. 어댑터 (30) 에장착된온도센서 (35) 는실시간으로진공면의온도를감지하여감지된온도값을컨트롤러에인가하며, 컨트롤러는온도센서 (35) 에서감지된현재온도와기저장된기준온도를비교하여현재온도가기준온도보다높으면냉각배관 (34) 에냉각수를공급하여진공면을냉각토록하고, 현재온도가기준온도보다낮으면냉각을하지않아도오동작이발생되지않으므로냉각수를공급하지않는다. <50> <51> <52> <53> <54> <55> <56> <57> 도면의간단한설명도 1은종래기술에의한도파관접속구조를보인분해사시도. 도 2는본발명에따른규격에따른도파관접속구조를진공면밖에서본분해사시도. 도 3은본발명에따른규격에따른도파관접속구조를진공면안에서본분해사시도. 도 4는본발명에따른규격에따른도파관접속구조를보인종단면도. < 도면의주요부분에대한부호설명 > 10 : 윈도우, 11,22,31,33 : 체결공 20 : 도파관, 21 : 플랜지 30 : 어댑터, 32 : 전자파전송로 도면 도면 1-10 -
도면 2 도면 3-11 -
도면 4-12 -