LTCC(Low temperature Cofiring Ceramics)기판의 고주파특성 평가에 있어서, 기판은 전극 패터닝 공정 방식이 결합된 하나의 시스템으로 평가되어야 한다. LTCC의 경우 시스템마다 상이한 소결 수축 과정, 전극과 기판의 접합 특성(matching) 차이, 사용 도체간 전기 전도도의 차이 등으로 인해 유전 특성 및 신호손실이 차이를 나타내었다. 본 논문에서는 FR-4, Duroid, Teflon등 기존의 상용 PCB(Printed Circuit Board) 와의 상대적인 비교를 통해 현재 사용되고 있는 LTCC 기판의 주파수 응용도를 확인하였으며, 20 ㎓까지 측정을 수행하였다. 측정방식으로는 Ring 공진기와 Series-Gap 공진기를 활용한 마이크로 스트립 공진기 방법을 채택하였으며, 실험 결과 기판손실 측정은 Ring 공진기 방식이 유효하였으며 유전률 측정은 Series-Gap 공진기 방식이 유효함을 확인하였다. 또한 주파수 증가에 따라 LTCC 기판의 전극 패터닝 방식이 시스템의 손실에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
AlN 박막은 Al과 N원자의 부분적 이온결합 특성을 가진 공유결합을 한 육방정계의 wurtzite 경정구조의 화합물 반도체로서, III-V족 반도체 중 가장 큰 에너지 갭(6.2 eV), 결정 구조적 이방성, 화학 양론적 결합구조, 높은 탄성종과 전달속도(약 10$\times$106 m/s)와 높은 열전도도, 고온 안정성, 가시광성.적외선 영역에서의 좋은 투과성과 높은 굴절률, 상온 대기압에서의 유일하게 안정적인 특성을 가지고 있어, 절연재료, 내열재료, 저주파 영역 센서의 압전 트랜스듀서, 광전소자, 탄성파 소자 및 내환경 소자, MIS소자 등으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 BAW 공진기의 활용을 목적으로 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법으로 AIN 압전박막을 제작하여, 증착 조건-질소 농도, 고주파 출력, 전체 스퍼터링 압력, 기판 온도-에 대한 박막의 특성을 조사하였다. AlN 박막의 c축 우선 방위 결정성 및 낮은 투과성, 적당한 굴절률의 특성이 BAW 공진기의 활용을 위한 요건이므로, 각각의 증착 조건하에 제작된 박막은 XRD의 $\theta$/2$\theta$ 스캔 회절상에 의한 결정성의 분석과 우선 성장 결정면의 rocking curve 및 XRD로 측정한 FWHM과 표준 편차로 결정성의 배열성과 소자 응용가능성을 조사하였다. 박막의 표면.단면 미세 구조 및 평활도는 SEM으로 관찰하였으며, Al-N 결합 상태는 XPS와 FT-IR로 분석 조사하였다. 제작된 AlN 박막의 결정성 분석 결과, c축 우선 방위 성장을 위한 스퍼터링 압력에 대한 임계 질소 농도와 임계 스퍼터링 압력이 관찰되었다. 전체 스퍼터링 압력이 6~8 mTorr의 범위에서 나타난 최소 임계질소 농도는 10%, 최대 임계 질소 농도는 60%이며, 4 m Torr 이하 10 m Torr 이상의 전체 스퍼터링 압력에서 박막의 우선 방위성장이 제재된다. 이는 AlN 박막이 형성에 관여하는 질소 이온 양의 충분한 형성에 필요로 하는 질소 가스의 유입량에 따른 것으로 판단된다. AlN 박막의 c축 결정면인 (002) 결정면의 성장을 유도하며 다른 방향으로의 성장을 제어하여 소자 활용에 유용한 박막을 제작하기 위한 고주파 출력은 300W 정도가 적당하며, 기판을 가열하지 않았을 때 낮은 투과도를 나타낸다. 본 연구에 의한 BAW 공진기 활용을 위한 AlN 압전박막의 제작을 위한 최적 증착 조건은 기판의 가열 없이 6~8 mTorr의 전체 스퍼터링 압력에 20~25%의 질소종도, 300W의 고주파 출력이다. 최적 조건에서의 AlN 박막은 약 0.19$^{\circ}$의 FWHM과 약 0.08$^{\circ}$의 표준편차를 가지며, 균일하고 조밀한 표면 미세구조와 주상정 구조의 측면구조, 파장에 대한 약 2.0의 굴절률, 낮은 투과도와 화학 양론적 구조를 가지는 우수한 박막이 형성되었다.
최근에 들어 마이크로 컴퓨터를 비롯하여 사무 자동화 및 가정 자동화와 관련한 전자기기에 쓰이는 1KVA이하의 소용량 UPS의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이와같은 UPS의 응용에서는 UPS의 소형화와 가격 절감이 가장 요구된다. 본 논문에서는 새로운 방식의 직렬 공진형 인버어터와 그의 제어 방법을 제안하였다. 제안한 인버어터는 영전류 스윗칭 방식의 공진형 컨버어터와 고주파 절연 변압기 및 영전류 스윗칭 방식의 싸이클로 콘버어터로 구성되었다. 공진 전류의 평균 크기를 정현적으로 변화시키고 싸이클로 콘버어터를 이용하여 저주파 출력 전압을 발생시킨다. 제안한 인버어터에서는 양방향 전력 전달이 가능하고 절연 변압기의 크기를 대폭 줄이고 가격도 줄일 수 있다. 제안한 제어방법을 simulation과 실험을 통하여 확인하였다.
주파수 영역에서 제어기를 설계하기 위해서는 시스템의 대역폭, 초대 주파수 응답, 저주파에서의 이득, 고주파에서의 이득 감쇄 정도를 고려한다. 또한 나이퀴스트 선도, 보우드 선도 등을 활용하여 폐루프 제어 시스템의 이득여유, 위상 여유를 확보할 수 있도록 한다. 일반적으로 저주파 영역에서는 개루프의 이득이 기준치보다 크도록 하고, 고주파수 영역에서는 기준치보다 작도록 설계를 하며, 폐루프 응답에서 대역폭이 유지되고, 공진피크점의 응답 크기는 1에 비하여 과도하게 크지 않도록 설계를 한다.
유도가열용 공진형 인버터는 부하에 전류가 흐르면 전자유도 작용에 의해서 와전류가 발생된다. 이 와전류에 의해 발열체가 가열되는 시스템이다. 그러나 유도가열용 인버터에 사용되는 IGBT나 MOSFET와 같은 스위칭 소자들은 스위칭 시 순간 과전류의 발생이나 외부의 이상과전류로 인해서 소자가 파괴 되거나 오작동을 일으키게 되어 전기기기의 손상을 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여 공급 전원에 비교기를 사용하여 전류의 변화를 감지하고 전류를 차단하는 고주파 직렬 공진형 인버터를 이용한 유도가열 시스템의 안정화에 관한 연구를 하고자 한다.
본 연구에서는 결합계수(K)를 고려한 D급 고주파 공진형 인버터를 연구대상으로 하여 회로구성 및 동작원리에 대해 기술하였다. 본 회로의 기본적인 정상동작특성을 무차원화 제어변수를 도입하여 범용성있게 도설하였고, 부하시정수와 결합계수를 변수로 채용하여 인버터의 운전특성을 평가하였다. 특성평가를 통해 얻어진 자료를 기초로 하여 주회로의 설계기법의 일례를 제시하고, 실험에 의한 실측파형과 이론파형을 비교하여 회로해석의 정당성을 뒷받침 하였고, 제안회로가 전자식 안정기, 전자조리기 등의 실제응용에 적용가능함을 보여주고 있다.
농업용 하우스의 온방장치로 기존의 경유식 온풍기 구조에서 전기식 온풍기 구조로 바뀌고 있으며, 전기식 온풍기의 경우 멸균을 겸하는 고주파 유도가열 온풍기 적용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 자동공진 추정기법을 이용한 정격 시 공진형 영전류 스위칭 방식이 이루어질 수 있고, 온풍기 특성에 맞는 새로운 주파수제어 영역을 사용하여 제어하였다. 또한 새롭게 제안하는 공진점 추종 제어 기법을 사용한 유도가열 시스템을 구현 하여, 이에 대한 시뮬레이션과 실험을 통하여 타당성을 증명하였다.
고주파 여기 방식의 슬랩 도파관 $CO_2$ 레이저를 제작하고 성능을 평가하였다. 실험에 사용된 공진기의 구조는 concave mirror 두 개로 이루어진 negative branch와 concave와 convex mirror로 이루어진 positive branch로서 불안정 공진기의 구조를 이루고 있다. 도파관의 크기는 40$\times$2$\times$400mm이며, 123MHz의 입력 주파수를 사용하였다. 혼합가스의 비율은 $CO_2$:$N_2$:He=1:1:3이다. 압력은 10에서 60 torr, RF 입력 파워는 100에서 900W까지 증가시키면서 출력을 측정하였다 실험 결과 압력이 40 torr, RF 입력파워가 900W일 경우, negative 공진기와 positive branch의 최대파워는 각각 50.7 W와 71.8 W, 효율은 6.5 %와 9.2%이다.
본 논문에서는 SRR-DGS 공진기를 제안하고 그것의 등가회로를 해석하여 저역통과 필터 설계에 적용하였다. 기존의 덤벨형 DGS 구조로 된 것과 비교하였을 때 제안된 구조는 차단주파수 근처에서 스커트 특성과 저주파 대역의 평탄도 특성이 우수하였다. 기본적인 SRR-DGS 셀에서 등가회로의 병렬 커패시턴스를 증가하기 위해 전송선로에 개방 스터브를 추가함으로써 대역외 고주파 억압 특성을 개선하였다. 이와 같은 등가회로의 해석적인 방법으로 개선된 SRR-DGS 셀의 특성이 연구되어 차단 특성이 우수하고 고주파 억압 특성이 35dB이상인 저역통과 필터의 설계에 적용되었다. 그리고 공진기의 측면 길이와 링 간격 등과 같은 물리적 크기와 전송특성과의 관계를 해석하여 나타내었다. 개방 스터브의 면적을 증가하면 차단 주파수 이상의 대역에서 억압 특성이 개선되었다. SRR-DGS에 대해 유도해낸 등가 파라미터와 회로의 정확성을 검증하기 위해 SRR-DGS셀을 이용한 저역통과 필터를 설계하고 제작하였다.
고주파 여기식 $CO_2$ 레이저의 주파수와 출력을 레이저 공진기 자체에서 발생하는 광음향효과를 이용하여 안정화하였다. 레이저 공진기 속의 복사선 세기를 임의로 변화시킬 때 광음향효과에 의해서 레이저 매질가스의 압력이 변화하였다. 공진기 속에 설치한 컨덴서마이크를 사용하여 미세한 압력변화를 전압신호로 변환시켜 록인안정기의 입력신호로 사용하였다. P(20)선에서 발진하는 레이저를 이득곡선의 꼭지점에 레이저의 주파수와 출력을 안정화 시켰을 때, 광주파수 상대 안정도는 5.4${\times}$$10^{-8}$ 이었고, 레이저 출력 변화율은 9.3%로 안정화되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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