정순신ㆍ김대호 박사팀

가정용 전자레인지 30～40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파를 한꺼번에 출력할 수 있는 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전기전문 출연연구기관인 한국전기연구원(원장 박동욱 www.keri.re.kr) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신ㆍ김대호 박사팀은 최근 지식경제부 산하 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리 및 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있는 고출력ㆍ고효율의 마이크로파 발생 장치이다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다. 이번에 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30～40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파(microwave)의 출력에 해당한다.
현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술로서 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 전무하여 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

이번에 한국전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 △고출력 마이크로파 기술 △전자빔 기술 △고전압 기술 △고진공 기술 △정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용하여 개발 비용과 시간을 줄이고 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련, 2건의 특허가 등록되었고 2건의 특허가 출원되었다.

지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 한국전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다. 아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

한편, 한국전기연구원은 이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용하여 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다.

※보충설명 - 마그네트론 발진기 설명 및 작동원리

마그네트론(Magnetron)은 자기장 속에서 마이크로파(Microwave, 주파수 300MHz～300GHz)를 발진하는 2극 진공관으로 자전관(磁電管)이라고도 한다. 고주파가열ㆍ입자가속기ㆍ레이더 등의 산업응용을 비롯하여 전자레인지와 같은 가정용 기기에도 널리 사용되는 고효율ㆍ고출력의 마이크로파 에너지원이다.

마그네트론의 단계별 동작원리는 다음과 같다.

1. 외부에서 DC 자기장을 가해준다.
2. 음극을 고온으로 가열하여 열전자가 방출될 수 있는 준비 상태로 만들어 준다.
3. 양극과 음극 사이에 DC 고전압이 가해진다.
4. 음극 표면에서 방출된 열전자가 양극 쪽으로 가속된다.
5. 양극 쪽으로 가속되는 열전자가 자기장에 의해 휘어져 음극 주변을 회전한다.
6. 음극 주변을 회전하는 열전자와 마그네트론 회로가 공진(共振 : 진동계가 그 고유진동수와 같은 진동수를 가진 외력[外力]을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 가리킨다. 이를 이용하면 세기가 약한 파동을 큰 세기로 증폭시킬 수 있다)하면서 마이크로파가 강하게 발생한다.