KR20230086112A - Vapour Cell - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀은, 투명한 물질로 케비티를 형성하는 진공조; 및 상기 진공조 내부에 배치된 증기 밀도 조절부를 포함한다. 상기 증기 밀도 조절부는: 관통홀을 구비한 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 하부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하는 유리 기판; 및 상기 실리콘 기판의 상부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하고 상기 관통홀 내부와 외부에 배치된 알칼리 금속 증기를 가역적으로 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서를 포함한다.A vapor cell according to an embodiment of the present invention includes a vacuum tank for forming a cavity with a transparent material; and a vapor density adjusting unit disposed inside the vacuum chamber. The vapor density control unit: a silicon substrate having a through hole; a glass substrate disposed on a lower surface of the silicon substrate to seal the through hole; and disposed on an upper surface of the silicon substrate to seal the through hole and to reversibly discharge alkali metal vapor disposed inside and outside the through hole. It includes an alkali metal dispenser that permeates.
Description
본 발명은 알칼리 원자의 전자 전이를 이용한 장치에 사용될 수 있는 증기 셀에 관한 것으로, 특히 가역적 전기화학 디스펜서를 구비한 증기 셀에 관한 것이다.[0001] The present invention relates to a vapor cell that can be used in devices using electron transfer of alkali atoms, and more particularly to a vapor cell with a reversible electrochemical dispenser.
원자가 이상기체의 형태로 존재하는 원자 증기 셀을 이용한 분광 장치는 레이저와 원자 간의 상호 작용으로 원자 에너지 레벨의 좁고 정확한 주파수 성분을 수득할 수 있고, 시스템을 단순하게 구성할 수 있어 시간-주파수 정의를 위한 원자시계 등의 원자 장치 연구에 많이 활용되고 있다.A spectroscopic device using an atomic vapor cell in which atoms exist in the form of an ideal gas can obtain a narrow and accurate frequency component of the atomic energy level through the interaction between a laser and an atom, and can configure a system simply to achieve time-frequency definition. It is widely used in research on atomic devices such as atomic clocks for
원자 장치의 대표적인 사례인 원자시계는 원자의 고유 공명 주파수를 기준으로 구현되는 전자 타이밍 기기로 일반적으로 Rb, Cs, Na, K, Sr 등의 알칼리 금속을 사용한다. 원자시계는 원자의 에너지 레벨이 다른 에너지 레벨로 바뀔 때, 그 변환된 에너지 레벨의 차이에 해당하는 전자기파를 방출하거나 흡수하는 현상을 이용한다. 원자시계를 작동시키기 위하여 증기 셀이 요구된다.An atomic clock, which is a representative example of an atomic device, is an electronic timing device implemented based on the natural resonance frequency of an atom, and generally uses alkali metals such as Rb, Cs, Na, K, and Sr. Atomic clocks use a phenomenon in which, when the energy level of an atom changes to another energy level, electromagnetic waves corresponding to the difference in the converted energy level are emitted or absorbed. A vapor cell is required to operate an atomic clock.
칩 스케일 기기는 집적회로나 칩에 용이하게 합체될 수 있도록 그 크기가 충분히 작은 기기를 말하며, 일반적으로 25mm 이하로 구현된다. 칩 스케일 기기의 예로는 자이로스코프, 자력계, 중력계, 원자시계 등을 들 수 있으며, 이러한 칩 스케일 기기를 제작하기 위해서는 전기적, 기계적 또는 화학적 성질을 변화시키지 않으면서 원하는 미세 크기의 형상을 제작할 수 있는 기술이 필요하다.A chip-scale device refers to a device whose size is small enough to be easily integrated into an integrated circuit or chip, and is generally implemented at 25 mm or less. Examples of chip-scale devices include gyroscopes, magnetometers, gravimeters, and atomic clocks. In order to manufacture such chip-scale devices, a technology capable of manufacturing a desired microscopic shape without changing electrical, mechanical, or chemical properties is required. need this
이에 따라, 칩 스케일 기기는 반도체 공정기술을 기반으로 한 MEMS(Micro Electro Mechanical System; 미세전자제어기술)를 이용하여 제작되며, 보다 구체적으로 칩 스케일 기기는 MEMS를 기반으로 실리콘이나 유리 등의 물질을 정밀 가공함으로써 제작될 수 있다.Accordingly, chip-scale devices are manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical System) based on semiconductor processing technology. More specifically, chip-scale devices are made of materials such as silicon or glass based on MEMS. It can be manufactured by precision machining.
상기 예로 든 칩 스케일 기기 중 하나인 원자시계는 원자의 고유 공명 주파수를 기준으로 구현되는 전자 타이밍 기기이다. 원자시계는 어떤 원자의 에너지 레벨이 다른 에너지 레벨로 바뀔 때, 그 변화된 에너지 레벨의 차이에 해당하는 전자기파를 방출하거나 흡수하는 현상을 이용한 것으로서 매우 높은 수준의 정밀도를 제공한다.An atomic clock, one of the chip-scale devices mentioned above, is an electronic timing device implemented based on the natural resonant frequency of an atom. An atomic clock uses a phenomenon in which, when the energy level of an atom changes to another energy level, electromagnetic waves corresponding to the difference in the changed energy level are emitted or absorbed, and it provides a very high level of precision.
원자시계는 원자의 에너지 레벨을 변화시키기고 이를 감지하기 위한 물리부와, 상기 감지된 에너지 레벨을 이용하여 시간 간격을 결정하는 제어부로 구성될 수 있다.An atomic clock may include a physical unit for changing and sensing the energy level of atoms, and a control unit for determining a time interval using the sensed energy level.
그 중, 물리부는 특정 파장의 레이저 광을 발생시키는 광 발생부(예를 들어, VCSEL과 같은 레이저 다이오드), 광 발생부에서 발생된 레이저 광을 집속시키는 광학요소, 외부로부터 격리된 공간에 원자를 수용하며 상기 집속된 레이저 광이 입사 및 출사되는 증기 셀, 증기 셀로부터 출사되는 광을 수신하여 원자의 에너지 레벨 변화를 검출하는 광 검출부(예를 들어, 포토 다이오드)를 포함하여 구성될 수 있다.Among them, the physical unit includes a light generating unit (for example, a laser diode such as VCSEL) that generates laser light of a specific wavelength, an optical element that focuses the laser light generated by the light generating unit, and atoms in a space isolated from the outside. It may be configured to include a vapor cell that receives and emits the focused laser light, and a light detector (eg, a photodiode) that receives light emitted from the vapor cell and detects a change in the energy level of an atom.
이러한 원자시계를 작동시켜 그 시간 간격의 정밀도를 높이기 위해서는, 증기 셀 내부에 원자가 수용되어 격리될 수 있는 밀폐된 공간이 확보되어야 하고, 원자들이 비교적 동일한 동작 온도를 가질 수 있도록 상기 밀폐된 공간의 온도를 전체적으로 일정하게 유지시킬 필요가 있다.In order to increase the precision of the time interval by operating such an atomic clock, an enclosed space in which atoms can be accommodated and isolated must be secured inside the vapor cell, and the temperature of the enclosed space so that the atoms can have a relatively same operating temperature. need to be kept constant throughout.
통상적으로 밀폐 공간에 증기화한 알칼리 금속을 주입하며, 밀폐 공간 내의 알칼리 금속 증기 밀도의 조절을 위하여 밀폐된 공간의 온도를 조절하는 것은 느린 반응 속도와 균일한 온도 조절의 문제점을 가진다. In general, injecting vaporized alkali metal into an enclosed space and controlling the temperature of the enclosed space to control the alkali metal vapor density in the enclosed space has problems of slow reaction rate and uniform temperature control.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 증기 셀의 증기 밀도를 고속으로 안정적으로 제어하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to stably control the vapor density of a vapor cell at high speed.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀은, 투명한 물질로 케비티를 형성하는 진공조; 및 상기 진공조 내부에 배치된 증기 밀도 조절부를 포함한다. 상기 증기 밀도 조절부는: 관통홀을 구비한 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 하부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하는 유리 기판; 및 상기 실리콘 기판의 상부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하고 상기 관통홀 내부와 외부에 배치된 알칼리 금속 증기를 가역적으로 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서를 포함한다.A vapor cell according to an embodiment of the present invention includes a vacuum tank for forming a cavity with a transparent material; and a vapor density adjusting unit disposed inside the vacuum chamber. The vapor density control unit: a silicon substrate having a through hole; a glass substrate disposed on a lower surface of the silicon substrate to seal the through hole; and disposed on an upper surface of the silicon substrate to seal the through hole and to reversibly discharge alkali metal vapor disposed inside and outside the through hole. It includes an alkali metal dispenser that permeates.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 알칼리 금속 디스펜서는: 고체 이온 전도체 기판; 상기 고체 이온 전도체 기판의 상부면에 배치된 제1 카본 전극; 상기 제1 카본 전극 상에 배치된 상부 전극; 상기 고체 이온 전도체 기판의 하부면에 배치된 제2 카본 전극; 및 상기 제2 카본 전극 하부에 배치된 하부 전극;을 포함한다. 상기 알칼리 금속 디스펜서의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 DC 전압을 인가하는 제1 전원을 포함하고, 상기 알칼리 금속 증기는 상기 제1 전원의 극성에 따라 상기 관통홀 내부 또는 외부로 수송된다.In one embodiment of the present invention, the alkali metal dispenser comprises: a solid ion conductor substrate; a first carbon electrode disposed on an upper surface of the solid ion conductor substrate; an upper electrode disposed on the first carbon electrode; a second carbon electrode disposed on a lower surface of the solid ion conductor substrate; and a lower electrode disposed under the second carbon electrode. and a first power source for applying a DC voltage between the upper electrode and the lower electrode of the alkali metal dispenser, and the alkali metal vapor is transported into or out of the through hole according to the polarity of the first power source.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고체 이온 전도체 기판은 베타 알루미나이고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 다공성 금속일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the solid ion conductor substrate may be beta alumina, and the upper electrode and the lower electrode may be a porous metal.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 기판의 상기 관통홀 내부에 알칼리 금속 덩어리가 배치될 수 있다,In one embodiment of the present invention, an alkali metal chunk may be disposed inside the through hole of the silicon substrate.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 기판의 상기 관통홀 주위의 상부면과 상기 알칼리 금속 디스펜서의 하부면 사이에 배치된 링 형태의 유테틱 본딩층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a ring-shaped eutectic bonding layer disposed between an upper surface around the through hole of the silicon substrate and a lower surface of the alkali metal dispenser may be further included.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 기판 상에 배치되어 발열하는 상부 저항 패턴; 및 상기 상부 저항 패턴에 전력을 공급하는 상부 가열 전원을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper resistance pattern disposed on the silicon substrate to generate heat; and an upper heating power source supplying power to the upper resistance pattern.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 기판의 하부면에 배치되어 발열하는 하부 저항 패턴; 및 상기 하부 저항 패턴에 전력을 공급하는 하부 가열 전원을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lower resistance pattern disposed on the lower surface of the glass substrate to generate heat; and a lower heating power source supplying power to the lower resistance pattern.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 기판의 하부면에 배치되어 표면 플라스몬 공명 패턴; 및 상기 표면 플라스몬 공명 패턴에 광을 제공하는 광원을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the surface plasmon resonance pattern disposed on the lower surface of the glass substrate; and a light source providing light to the surface plasmon resonance pattern.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 복수의 홀을 포함하는 홀 패턴 또는 라인 및 스페이스를 구비한 빗 패턴일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper electrode and the lower electrode may be a hole pattern including a plurality of holes or a comb pattern having lines and spaces.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀은, 투명한 물질로 케비티를 형성된 진공조; 및 상기 진공조 내부에 배치된 증기 밀도 조절부를 포함한다. 상기 증기 밀도 조절부는, 관통홀을 구비한 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 하부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하는 유리 기판; 및 상기 실리콘 기판의 상부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하고 상기 관통홀 내부에 배치된 알칼리 금속 증기를 가역적으로 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서를 포함한다. 증기 셀의 동작 방법은, 진공 펌프를 사용하여 상기 진공조를 배기하고 상기 진공조를 밸브로 폐쇄하여 실링하는 단계; 상기 관통홀 내부에 배치된 알칼리 금속 덩어리를 레이저 빔을 인가하여 활성화시키는 단계; 및 알칼리 금속 디스펜서에 전압을 인가하여 상기 진공조의 금속 증기 밀도를 제어하는 단계;를 포함한다.A vapor cell according to an embodiment of the present invention includes a vacuum tank in which a cavity is formed of a transparent material; and a vapor density adjusting unit disposed inside the vacuum chamber. The vapor density control unit may include a silicon substrate having a through hole; a glass substrate disposed on a lower surface of the silicon substrate to seal the through hole; and an alkali metal dispenser disposed on an upper surface of the silicon substrate to seal the through hole and reversibly transmit alkali metal vapor disposed inside the through hole. The method of operating the vapor cell includes the steps of evacuating the vacuum chamber using a vacuum pump and closing and sealing the vacuum chamber with a valve; activating the alkali metal mass disposed inside the through hole by applying a laser beam; and controlling the metal vapor density of the vacuum chamber by applying a voltage to an alkali metal dispenser.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실리콘 기판 및 상기 유리 기판 중에서 적어도 하나를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of heating at least one of the silicon substrate and the glass substrate may further include.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 가열은 저항성 히터 또는 표면 플라스몬 공명에 의한 광열 가열일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heating may be photothermal heating by a resistive heater or surface plasmon resonance.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀은 증기 셀의 증기 밀도를 고속으로 안정적으로 제어할 수 있다.The vapor cell according to an embodiment of the present invention can stably control the vapor density of the vapor cell at high speed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 증기 셀에서 증기 밀도를 조절하는 증기 밀도 조절부를 나타내는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 증기 밀도 조절부의 증기 디스펜서의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 증기 디스펜서의 전극의 형태를 나타내는 평면도이다.
도 5는 유리 기판을 나타내는 평면도이다.
도 6은 실리콘 기판을 나타내는 평면도이다.
도 7은 알칼리 금속 디스펜서를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 실리콘 기판과 유리 기판을 포함하는 증기 밀도 조절부의 제조 방법을 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram illustrating a steam cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a vapor density controller for controlling vapor density in the vapor cell of FIG. 1 .
3a and 3b are conceptual views illustrating the operation of the steam dispenser of the steam density controller of FIG. 2 .
4a and 4b are plan views showing the shape of the electrode of the vapor dispenser.
5 is a plan view showing a glass substrate.
6 is a plan view showing a silicon substrate.
7 is a diagram explaining a method of manufacturing an alkali metal dispenser.
8 is a view showing a manufacturing method of a vapor density adjusting unit including a silicon substrate and a glass substrate.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 게시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and will sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In the drawings, elements are exaggerated for clarity. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 셀을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a steam cell according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 증기 셀에서 증기 밀도를 조절하는 증기 밀도 조절부를 나타내는 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a vapor density controller for controlling vapor density in the vapor cell of FIG. 1 .
도 3a 및 도 3b는 도 2의 증기 밀도 조절부의 증기 디스펜서의 동작을 나타내는 개념도이다.3a and 3b are conceptual views illustrating the operation of the steam dispenser of the steam density controller of FIG. 2 .
도 4a 및 도 4b는 증기 디스펜서의 전극의 형태를 나타내는 평면도이다.4a and 4b are plan views showing the shape of the electrode of the vapor dispenser.
도 5는 유리 기판을 나타내는 평면도이다.5 is a plan view showing a glass substrate.
도 6은 실리콘 기판을 나타내는 평면도이다.6 is a plan view showing a silicon substrate.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 증기 셀(100)은, 투명한 물질로 케비티를 형성하는 진공조(110); 및 상기 진공조(110) 내부에 배치된 증기 밀도 조절부(200)를 포함한다.Referring to Figures 1 to 6, the
상기 증기 밀도 조절부(200)는, 관통홀(246a)을 구비한 실리콘 기판(246); 상기 실리콘 기판(246)의 하부면에 배치되어 상기 관통홀(246a)을 밀봉하는 유리 기판(244); 상기 실리콘 기판(244)의 상부면에 배치되어 상기 관통홀(246a)을 밀봉하고 상기 관통홀(246a) 내부와 외부에 배치된 알칼리 금속 증기를 가역적으로 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서(230)를 포함한다.The
실리콘 기판(246)은 관통홀(246a)을 구비한다. 상기 관통홀(246a)의 직경은 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 실리콘 기판(246)의 두께는 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 관통홀(246a) 내부에는 알칼리 금속 덩어리(alkali metal pill, 250)가 배치될 수 있다.The
유리 기판(244)은 상기 실리콘 기판의 하부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉한다. 상기 유리 기판(244)은 자외선, 가시광선, 및 적외선 영역에 대하여 투명할 수 있다. 실리콘 기판(246)과 유리 기판(244)의 아노딕 본딩을 위하여 유리 기판(244)은 나트륨을 포함할 수 있다. 상기 유리 기판(244)의 두께는 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다.A
열적 평형 상태에서, 고상 및 액상의 증기 밀도는 온도의 함수이다. 알칼리 금속 증기 압력은 증기 셀(100)의 온도에 의존한다. 이러한 증기 셀의 가열에 의한 증기 밀도 제어 방법은 느린 반응 속도를 요구한다. 가장 빠른 반응 속도를 가진 증기 밀도 제어 방법은 비가역적으로 진공 펌프로 펌핑하는 것이다.At thermal equilibrium, the vapor density of the solid and liquid phases is a function of temperature. The alkali metal vapor pressure is dependent on the temperature of the
가역적으로 증기를 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서(230)는 빠른 반응 속도를 제공하고, 진공 펌핑에 의한 증기 소모를 제거할 수 있다. The
고체 전해질 또는 고체 이온 전도체(234)는 알칼리 이온의 플럭스를 전압의 부호에 의하여 가역적으로 제어할 수 있다. 전압이 인가되는 전극(231,232,236,238)은 알칼리 금속에 투과성을 가지도록 설계될 수 있다. The solid electrolyte or
최근 2차전지용 고체 전해질은 양극과 음극 사이에 선택적으로 이온을 전도하는 동시에 전극 사이의 물리적인 접촉을 막는 격리막으로 동작한다. 고체 전해질은 액체 전해질에 비하여 일반적으로 상온에서 낮은 이온 전도도(10-9 S/cm 또는 그 이상)를 나타낸다. 고체 전해질은 베타 알루미나(β/β″-alumina), NASICON, LISICON, KSICON 등으로 대표되는 산화물계, Na3PS4 등 황화물계 글래스, 또는 글래스 세라믹의 칼코지나이드계(chalcogenide), PEO(poly ethylene oxide) 등의 고체 고분자 전해질이 알려져 있다. 이들 중, 나트륨/포타슘 베타 알루미나는 산화물계 전해질로, 열적 안정성이 타 물질에 비하여 우수하고, 전기화학적 안정성이 우수하나, 기계적 유연성이 부족하고, 전극과의 계면 접촉을 향상하기에 어려움이 있다. 하지만, 증기 셀에서는 기계적 유연성이 필요하지 않고 전극과의 계면 접촉 성능이 요구되지 않아 우수한 고체 전해질일 수 있다. 통상적인 이차전지의 고체 전해질은 이온의 이동을 통해 전류를 얻는다. 한편, 본 발명의 알칼리 금속 디스펜서(230)는 전류를 흘려주어 이온을 강제로 이동시킨다.Recently, a solid electrolyte for a secondary battery selectively conducts ions between an anode and a cathode, and at the same time acts as a separator preventing physical contact between electrodes. Solid electrolytes generally exhibit low ionic conductivity (10-9 S/cm or more) at room temperature compared to liquid electrolytes. The solid electrolyte is beta alumina (β/β″-alumina), an oxide-based glass represented by NASICON, LISICON, and KSICON, a sulfide-based glass such as Na3PS4, or a chalcogenide-based glass ceramic, poly ethylene oxide (PEO) Solid polymer electrolytes such as those are known. Among these, sodium/potassium beta alumina is an oxide-based electrolyte and has excellent thermal stability and excellent electrochemical stability compared to other materials, but lacks mechanical flexibility and has difficulty in improving interfacial contact with electrodes. However, in a vapor cell, mechanical flexibility is not required and interfacial contact performance with an electrode is not required, so it may be an excellent solid electrolyte. A solid electrolyte of a conventional secondary battery obtains current through the movement of ions. Meanwhile, the
본 발명의 일 실시예 따른 상기 알칼리 금속 디스펜서(230)는, 고체 이온 전도체 기판(234); 상기 고체 이온 전도체 기판(234)의 상부면에 배치된 제1 카본 전극(236); 상기 제1 카본 전극(236) 상에 배치된 상부 전극(238); 상기 고체 이온 전도체 기판(234)의 하부면에 배치된 제2 카본 전극(232); 및 상기 제2 카본 전극 하부에 배치된 하부 전극(231);을 포함한다. 상기 알칼리 금속 디스펜서의 상기 상부 전극(238)과 상기 하부 전극(231) 사이에 DC 전압을 인가하는 제1 전원(256)을 포함하고, 상기 알칼리 금속 증기는 상기 제1 전원(256)의 극성에 따라 상기 관통홀(246a) 내부 또는 외부로 수송한다.The
고체 이온 전도체 기판(234)은 고체 전해질 기판으로 유연성을 가지지 않는 것이 바람직하다. 고체 이온 전도체 기판(234)은 이온화된 알칼리 금속을 양단의 전극 방향으로 인가 전압에 따라 이동시킨다. 고체 이온 전도체 기판의 두께는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 고체 이온 전도체 기판(234)은 나트륨 베타 알루미나 등 산화물계 고체전해질 소재일 수 있다.The solid
알칼리 금속 덩어리(alkali metal pill,250)은 안정적 고체 상태로 알칼리 금속을 포함하고 있으며 열을 통해 알칼리 금속을 배출한다. 알칼리 금속 덩어리(250)는 실리콘 기판의 관통홀(246a)에 배치되고, 히터에 의하여 가열되어 알칼리 금속 증기의 소스(source)가 된다. 알칼리 금속 덩어리(250)는 Rb 또는 Cs 등 알칼리 금속을 포함한 Zr-Al alloy 입자를 뭉쳐서 형성한다. 알칼리 금속 덩어리(250)를 활성화하기 위하여, CW 레이저를 조사하는 경우, 알칼리 금속 덩어리(250)는 그 표면에 알칼리 금속이 응결되어 맺힌다. 알칼리 금속 덩어리는 Rb, Cs, Na, K, Sr 등을 포함할 수 있다.The alkali metal pill (250) contains alkali metal in a stable solid state and releases the alkali metal through heat. The
제1 카본 전극(236) 및 제2 카본 전극(232)은 금속 전극(238,231)과 고체 이온 전도체 기판(234) 사이에 알칼리금속 인터컬레이션(intercalation)을 위하여 사용될 수 있다. 알칼리 금속 이온(이온 또는 중성 상태)은 제1 카본 전극(236) 및 제2 카본 전극(232)의 결정 구조 내부로 삽입될 수 있다. 제1 카본 전극(236) 및 제2 카본 전극(232)은 Carbon, graphite, glassy carbon, MXene, graphene, graphene platelets, carbon nanotubes, fullerenes, activated carbon, coke, pitch coke, petroleum coke, carbon black, amorphous carbon, pyrolyzed carbon-containing molecules, pyrolyzed parylene, polyaromatic hydrocarbons 등이 사용될 수 있으며, transition-metal oxide, transition-metal dichalcogenide 혹은 이들과 carbonaceous material의 혼합물 등일 수 있다. 제1 카본 전극(236) 및 제2 카본 전극(232)의 두께는 수 nm 내지 수십 nm일 수 있다. 제1 카본 전극 및 제2 카본 전극은 증착 공정 또는 전사에 의하여 형성될 수 있다.The
상부 전극(238)과 하부 전극(231)은 금속 재질로 제1 전원(256)에 연결된다. 제1 전원(256)은 DC 전압을 인가한다. 상부 전극(238)과 하부 전극(231)은 알칼리 금속 이온에게 전자를 제공하여 중성화시키거나 알칼리 금속 증기에게서 전자를 제거하여 이온화시킬 수 있다. 상부 전극(238)과 하부 전극(231)은 다공성 재질 또는 패턴된 형태로 중성화된 알칼리 금속을 외부로 방출 또는 흡착할 수 있다. 상기 상부 전극(238) 및 상기 하부 전극(231)은 복수의 홀을 포함하는 홀 패턴 또는 라인 및 스페이스를 구비한 빗 패턴일 수 있다. 상부 전극과 하부 전극은 증착 및 포토 리소그라피 공정/리프트 오프 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상부 전극과 하부 전극은 백금(Pt) 또는 금(Au)과 같은 금속층 및 접촉 특성을 향상시키는 Ti 또는 TiN과 같은 접촉층(adhesion layer)을 포함할 수 있다. 상부 전극과 하부 전극의 두께는 각각 수십 nm 내지 수백 nm일 수 있다. 상기 상부 전극(238)은 진공조 내부를 향하며, 상기 하부 전극(231)은 실리콘 관통구조 (246a)를 통해 진공조와 격리된다.The
제1 전원(256)의 DC 전압은 고체 이온 전도체 기판의 이온 전도도를 제어할 수 있다. 제1 전원(256)의 DC 전압의 부호는 이온의 이동 방향을 결정한다. 또한, 고체 이온 전도체 기판(234)의 이온 전도도는 온도에 의존할 수 있다.The DC voltage of the
유테틱 본딩층(239)은 상기 실리콘 기판(246)의 상기 관통홀 주위의 상부면과 상기 알칼리 금속 디스펜서(230)의 하부면 사이에 배치되고 링 형태일 수 있다. 유테틱 본딩층(239)의 재질은 Au-In, Cu-Sn, Au-Sn, Au-Si, Al-Ge, Al-Si 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유테틱 본딩층(239)은 증착 공정에 의하여 실리콘 기판 상에 증착되거나 테이프 형태일 수 있다.The
히터는 고체 이온 전도체 기판(234)의 이온 전도도를 제어할 수 있다. 고체 이온 전도체 기판의 이온 전도도는 온도에 영향을 받기 때문에 저전력에서 구동 시 온도 제어가 필요하다. 고체 이온 전도체 기판의 전도 효율(보통 저항의 변화로 나타남)은 온도가 증가함에 따라 증가한다(저항이 감소한다). 낮은 전력소모를 위해서 적절한 온도에서 동작이 필요하며, 이를 위하여 히터가 필요하다.The heater can control the ionic conductivity of the solid
히터의 일 구현 방법은 유리 기판의 표면에 금속 배선을 이용한 저항성 가열 히터가 사용될 수 있다. 또는, 히터의 일 구현 방법은 실리콘 기판 표면의 금속배선 또는 실리콘에 불순물을 선택적으로 주입하여 저항 패턴을 이용한 저항성 히터일 수 있다. 히터의 일 구현 방법은 유리 기판의 나노 금속 패턴을 이용해 특정 파장의 빛 조사를 통한 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance) 기반의 광열 히터일 수 있다. 광열 히터는 저항형식 대비 전기접속이 필요 없다.One implementation method of the heater may be a resistive heater using a metal wire on the surface of the glass substrate. Alternatively, one implementation method of the heater may be a resistive heater using a resistance pattern by selectively injecting impurities into metal wiring or silicon on a surface of a silicon substrate. One implementation method of the heater may be a photothermal heater based on surface plasmon resonance through irradiation of light of a specific wavelength using a nano-metal pattern on a glass substrate. Photothermal heaters do not require electrical connection compared to resistance types.
실리콘 기판 히터는 상기 실리콘 기판 상에 배치되어 발열하는 상부 저항 패턴(248); 및 상기 상부 저항 패턴(248)에 전력을 공급하는 상부 가열 전원(252)을 포함할 수 있다. 상부 저항 패턴(248)은 전극 패드(248a)를 통하여 상부 가열 전원(252)에 연결된다. 상부 저항 패턴(248)은 상기 관통홀을 감싸도록 2 턴을 제공하고, 서로 나란히 연장되는 한 쌍의 도선은 서로 전류 방향이 반대가 되도록 감긴다. 이를 위하여, 외측 상부 반턴(half-turn), 내측 원턴(one-turn), 외측 하부 반턴(half-turn)으로 구성된다.The silicon substrate heater includes an
유리 기판 히터는 상기 유리 기판(244)의 하부면에 배치되어 발열하는 하부 저항 패턴(242); 및 상기 하부 저항 패턴(242)에 전력을 공급하는 하부 가열 전원(254)을 포함할 수 있다. 하부 저항 패턴(242)은 상기 관통홀을 감싸도록 2 턴을 제공하고, 서로 나란히 연장되는 한 쌍의 도선은 서로 전류 방향이 반대가 되도록 감긴다. 이를 위하여, 외측 상부 반턴(half-turn), 내측 원턴(one-turn), 외측 하부 반턴(half-turn)으로 구성된다.The glass substrate heater includes a
광열 히터는 상기 유리 기판(244)의 하부면에 배치되어 표면 플라스몬 공명 패턴(241); 및 상기 표면 플라스몬 공명 패턴(241)에 광을 제공하는 광원(258)을 포함할 수 있다. 상기 광원(258)은 LED, 또는 레이저 광원, 레이저 다이오드일 수 있다. 표면 플라스몬 공명 패턴(241)은 상기 관통홀(246a)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 표면 플라스몬 공명 패턴(241)은 복수의 나노 금속 입자(241a)일 수 있다. 나노 금속 입자는 금(Au)일 수 있다.The photothermal heater is disposed on the lower surface of the
증기 밀도 조절부(200)에 연결된 배선은 전기 피드쑤르(112)를 통하여 외부로 연결될 수 있다. 상기 진공조(110)는 진공 포트(114)를 통하여 진공 펌프(116)에 연결될 수 있다.A wiring connected to the vapor
증기 셀의 동작 방법은, 진공 펌프(116)를 사용하여 상기 진공조(110)를 배기하고 상기 진공조(110)를 밸브(116a)로 폐쇄하여 실링하는 단계; 상기 관통홀(246a) 내부에 배치된 알칼리 금속 덩어리(250)를 레이저 빔을 인가하여 활성화시키는 단계; 및 알칼리 금속 디스펜서(230)에 전압을 인가하여 상기 진공조(110)의 금속 증기 밀도를 제어하는 단계;를 포함한다.The steam cell operation method includes the steps of evacuating the
상기 실리콘 기판(246) 및 상기 유리 기판(244) 중에서 적어도 하나를 가열하는 단계를 더 포함한다. 가열은 저항성 히터 또는 표면 플라스몬 공명에 의한 광열 가열일 수 있다.Heating at least one of the
본 발명의 일 실시예에 따른 증기 밀도 조절부의 제조 방법이 설명된다.A method for manufacturing a vapor density adjusting unit according to an embodiment of the present invention is described.
도 7은 알칼리 금속 디스펜서를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.7 is a diagram explaining a method of manufacturing an alkali metal dispenser.
도 7을 참조하면, 고체 이온 전도체 기판(234)이 준비된다. 고체 이온 전도체 기판(234)의 상부면 및 하부면 각각 제1 카본층(236)과 제2 카본층(232)이 적층된다. 제1 카본층(236)과 제2 카본층(232)은 증착 공정 또는 전사에 의하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 7 , a solid
상기 제1 카본층(236)과 제2 카본층(232) 상에 각각 상부 전극층과 하부 전극층이 증착된다. 상기 상부 전극층과 하부 전극층을 패터닝하여 상부 전극(238)과 하부 전극(231)이 형성된다. 상기 상부 전극층과 하부 전극층은 다공성 재질 또는 패턴된 형태일 수 있다. 상부 전극(238)과 하부 전극(231)은 포토리소그라피 공정 또는 리프트 오프 공정에 의하여 형성될 수 있다.An upper electrode layer and a lower electrode layer are deposited on the
하부 전극(231)은 실리콘 기판(246)과의 밀봉을 위하여 고체 이온 전도체 기판(230)의 하부 가장자리에는 형성되지 않을 수 있다.The
도 8은 실리콘 기판과 유리 기판을 포함하는 증기 밀도 조절부의 제조 방법을 나타내는 도면이다.8 is a view showing a manufacturing method of a vapor density adjusting unit including a silicon substrate and a glass substrate.
도 8을 참조하면, 실리콘 기판(246)은 그 상부면에 금속 패턴 또는 불순물 이온 주입에 의하여 도전 영역을 형성하여 상부 저항 패턴(248)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 8 , an
이어서, 상기 실리콘 기판(246)은 실리콘 관통 공정을 통하여 관통홀(246a)을 형성할 수 있다.Subsequently, a through
상기 실리콘 기판(246)과 유리 기판(244)은 아노딕 본딩될 수 있다. 아노딕 본딩을 위하여, 상기 실리콘 기판과 유리 기판 높은 온도에서 고압으로 압착될 수 있다. 유리 기판(244)은 그 하부면에 표면 플라스몬 공명 패턴(241)을 포함할 수 있다. 상기 표면 플라스몬 공명 패턴(241)은 상기 관통홀(246a)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 표면 플라스몬 공명 패턴(241)은 복수의 나노 금속 입자(241a)일 수 있다. 나노 금속 입자는 금(Au)일 수 있다. 하부 저항 패턴(242)은 상기 유리 기판(244)의 하부면에 형성될 수 있다.The
이어서, 상기 실리콘 기판(246)의 관통홀(246a)에 알칼리 금속 덩어리(250)가 배치될 수 있다.Subsequently, an
이어서, 알칼리 금속 디스펜서(230)는 상기 실리콘 기판의 관통홀을 덮고, 알칼리 금속 디스펜서(230)는 상기 실리콘 기판(246)과 유테틱 본딩된다. 유테틱 본딩을 위하여, 실리콘 기판의 관통홀 주위의 상부면에 유테틱 본딩층(239)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 유테딕 본딩용 솔더 프리폼이 상기 실리콘 기판의 관통홀 주위의 상부면에 링 형태로 배치될 수 있다. 이어서, 유테딕 본딩을 위하여, 실리콘 기판 및 알칼리 금속 디스펜서는 가열될 수 있다.Then, the
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and the technical idea of the present invention claimed in the claims by those skilled in the art to which the present invention belongs It includes all of the various forms of embodiments that can be practiced within the scope of not departing from.
100: 증기 셀
110: 진공조
200: 증기 밀도 조절부100: vapor cell
110: vacuum chamber
200: vapor density control unit
Claims (12)
상기 진공조 내부에 배치된 증기 밀도 조절부를 포함하고,
상기 증기 밀도 조절부는:
관통홀을 구비한 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 하부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하는 유리 기판; 및
상기 실리콘 기판의 상부면에 배치되어 상기 관통홀을 밀봉하고 상기 관통홀 내부와 외부에 배치된 알칼리 금속 증기를 가역적으로 투과시키는 알칼리 금속 디스펜서를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.A vacuum chamber forming a cavity with a transparent material; and
A vapor density control unit disposed inside the vacuum chamber,
The vapor density control unit:
A silicon substrate having a through hole;
a glass substrate disposed on a lower surface of the silicon substrate to seal the through hole; and
It is disposed on the upper surface of the silicon substrate to seal the through hole and reversibly discharges alkali metal vapor disposed inside and outside the through hole. A vapor cell comprising an alkali metal dispenser that permeates.
상기 알칼리 금속 디스펜서는:
고체 이온 전도체 기판;
상기 고체 이온 전도체 기판의 상부면에 배치된 제1 카본 전극;
상기 제1 카본 전극 상에 배치된 상부 전극;
상기 고체 이온 전도체 기판의 하부면에 배치된 제2 카본 전극; 및
상기 제2 카본 전극 하부에 배치된 하부 전극;을 포함하고,
상기 알칼리 금속 디스펜서의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 DC 전압을 인가하는 제1 전원을 포함하고,
상기 알칼리 금속 증기는 상기 제1 전원의 극성에 따라 상기 관통홀 내부 또는 외부로 수송하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
The alkali metal dispenser:
a solid ion conductor substrate;
a first carbon electrode disposed on an upper surface of the solid ion conductor substrate;
an upper electrode disposed on the first carbon electrode;
a second carbon electrode disposed on a lower surface of the solid ion conductor substrate; and
Including; a lower electrode disposed under the second carbon electrode,
A first power source for applying a DC voltage between the upper electrode and the lower electrode of the alkali metal dispenser,
The vapor cell, characterized in that the alkali metal vapor is transported into or out of the through hole according to the polarity of the first power source.
상기 고체 이온 전도체 기판은 베타 알루미나이고,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 다공성 금속인 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 2,
The solid ion conductor substrate is beta alumina,
The vapor cell of claim 1, wherein the upper electrode and the lower electrode are porous metal.
상기 실리콘 기판의 상기 관통홀 내부에 알칼리 금속 덩어리가 배치된 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
A vapor cell, characterized in that an alkali metal lump is disposed inside the through hole of the silicon substrate.
상기 실리콘 기판의 상기 관통홀 주위의 상부면과 상기 알칼리 금속 디스펜서의 하부면 사이에 배치된 링 형태의 유테틱 본딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
The vapor cell further comprises a ring-shaped eutectic bonding layer disposed between an upper surface around the through hole of the silicon substrate and a lower surface of the alkali metal dispenser.
상기 실리콘 기판 상에 배치되어 발열하는 상부 저항 패턴; 및
상기 상부 저항 패턴에 전력을 공급하는 상부 가열 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
an upper resistance pattern disposed on the silicon substrate to generate heat; and
The vapor cell further comprising an upper heating power source supplying power to the upper resistance pattern.
상기 유리 기판의 하부면에 배치되어 발열하는 하부 저항 패턴; 및
상기 하부 저항 패턴에 전력을 공급하는 하부 가열 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
a lower resistance pattern disposed on the lower surface of the glass substrate to generate heat; and
The vapor cell further comprises a lower heating power source supplying power to the lower resistance pattern.
상기 유리 기판의 하부면에 배치되어 표면 플라스몬 공명 패턴; 및
상기 표면 플라스몬 공명 패턴에 광을 제공하는 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 1,
a surface plasmon resonance pattern disposed on the lower surface of the glass substrate; and
The vapor cell further comprising a light source providing light to the surface plasmon resonance pattern.
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 복수의 홀을 포함하는 홀 패턴 또는 라인 및 스페이스를 구비한 빗 패턴인 것을 특징으로 하는 증기 셀.According to claim 2,
The vapor cell, characterized in that the upper electrode and the lower electrode are a hole pattern including a plurality of holes or a comb pattern having lines and spaces.
진공 펌프를 사용하여 상기 진공조를 배기하고 상기 진공조를 밸브로 폐쇄하여 실링하는 단계;
상기 관통홀 내부에 배치된 알칼리 금속 덩어리를 레이저 빔을 인가하여 활성화시키는 단계; 및
알칼리 금속 디스펜서에 전압을 인가하여 상기 진공조의 금속 증기 밀도를 제어하는 단계;를 포함하는 증기 셀의 동작 방법.a vacuum chamber formed of a transparent material; and a vapor density controller disposed inside the vacuum chamber, wherein the vapor density controller includes: a silicon substrate having a through hole; a glass substrate disposed on a lower surface of the silicon substrate to seal the through hole; and an alkali metal dispenser disposed on an upper surface of the silicon substrate to seal the through hole and reversibly transmit alkali metal vapor disposed inside the through hole.
evacuating the vacuum chamber using a vacuum pump and closing and sealing the vacuum chamber with a valve;
activating the alkali metal mass disposed inside the through hole by applying a laser beam; and
Controlling the metal vapor density of the vacuum chamber by applying a voltage to an alkali metal dispenser.
상기 실리콘 기판 및 상기 유리 기판 중에서 적어도 하나를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 셀의 동작 방법.According to claim 10,
The method of operating a vapor cell, further comprising heating at least one of the silicon substrate and the glass substrate.
가열은 저항성 히터 또는 표면 플라스몬 공명에 의한 광열 가열인 것을 특징으로 하는 증기 셀의 동작 방법.According to claim 11,
A method of operating a vapor cell, characterized in that the heating is photothermal heating by a resistive heater or surface plasmon resonance.
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