KR100940357B1 - 이온 발생 장치를 포함한 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이온 발생 장치는, 상온에서 기체상인 가스를 장치 내에 공급하기 위한 가스 공급부와, 발생시키고자 하는 이온의 기본 입자들을 포함하는 고체상의 물질인 이온원천물질이 장착되는 스퍼터링 소스와, 전력원에 연결되어 상기 전력원으로부터의 전압을 상기 이온원천물질이 장착된 스퍼터링 소스에 인가하는 전력 공급부 및, 상기 기본 입자들이 이온화될 수 있도록 하전입자들을 방출하는 하전입자 생성부를 포함하여 구성된 이오나이저를 포함하여 구성되어, 금속은 물론 비금속을 포함한 다양한 고체상의 물질로부터 각각 독특한 물리, 화학적 특성을 가진 다양한 비금속 및 금속 이온들을 쉽게 얻을 수 있게 한다.
Description
본 발명은, 이온 발생 장치, 상기 이온 발생 장치를 이용한 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이온화시키려는 물질의 물리적 성질에 구애받지 않고 종류의 제한 없이 용이하게 다양한 이온을 발생시킬 수 있는 이온 발생 장치 및, 이를 이용함과 동시에 표면 처리까지 완벽하게 수행할 수 있는 컬러 보석 제조 장치, 컬러 보석 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 다양한 방면으로 이온을 이용하려는 시도들이 있으며, 이온 조사를 통한 살균 등 일상 생활에까지 그 용도가 확장되고 있는 실정이다.
한편, 이러한 시도들의 일환으로, 이온을 주입함으로써 금속, 세라믹, 중합체 등의 표면을 개질하기 위한 연구 역시 활발하게 진행되고 있다. 통상 이온 주입에 사용되는 이온으로는, 이온화가 용이한 기체 이온, 특히 질소 이온이 흔히 선택되고 있으며, 실제 질소 이온의 주입에 의한 유용한 결과들이 알려지고 있을 뿐 아 니라 정밀기계산업 등에도 이용되고 있다.
그러나, 질소 이온과 같은 기체 이온이 각종 연구, 산업에 널리 이용되는 것은, 전술한 바와 같이 기체 상태 분자들에 통상 하전입자(주로 전자)를 충돌시킴으로써 이온들을 얻게되는 과정 및 그 과정을 통해 얻어진 이온들의 조작이 용이하다는 것이 가장 큰 이유로서, 이용되고 있는 이온이 질소 이온을 위시한 몇몇 기체 이온에 한정된 한계를 극복하기 위하여, 다양한 물리, 화학적 특성을 갖는, 상온에서 고체상인 물질, 특히 다양한 비금속 및 금속을 이온화하여 비금속 및 금속 이온 등을 쉽게 얻을 수 있는 기술의 개발에 대한 필요성이 강하게 대두되고 있다.
예를 들어, 전술한 표면 개질에는 고선량(1017 ions/cm2이상)의 이온 주입이 요구되기 때문에 대전류 이온 소스의 개발이 요구되며, 한계를 가진 기체 이온 주입 방식의 보완, 대체화 및 산업 응용 분야의 다양화를 추구하기 위해, 몇몇 기체 이온에 국한된 현 상황을 타개하고, 주기율표상의 대부분 원소의 이온을 생성할 수 있는 이온화 기술의 개발이 요구되는 것이다.
다양한 종류의 금속 이온 등이 손쉽게 얻어질 수 있는 기술적 뒷받침이 된다고 가정할 때, 이들이 적극적으로 활용될 수 있는 분야는 다음과 같이 크게 4가지로 볼 수 있다.
첫째, 연료전지 관련 분야로서, 대표적인 연구로는 금속이온을 이용한 전극특성향상, 유기 태양전지 등에서의 불순물효과 증대, 태양전지 기판의 전기적 특성 변화를 통한 효율증대, LED 에서의 p형 발광전극소자개발 등을 들 수 있다.
두번째, 반도체 관련 분야로서, MOS소자의 메탈옥사이드박막의 천이금속계열 불순물 도핑효과, 3차원 도핑 공정개발 및 Eu 이온 주입에 의한 차세대 트랜지스터 소자 개발 등에 적용될 수 있다.
세번째, 재료 관련 분야에서는, 에피탁셀 그로쓰 및 금속간화합물 합성 등의 연구에 유용하게 사용될 수 있다.
네번째, 각종 이온을 발광원으로 사용하는 새로운 타입의 레이저 발진과 플라즈마 방전으로 발생하는 자외선을 들뜸 광원으로 하는 플라즈마 디스플레이 등의 표시기능 소자, 컬러 보석관련 신소재 분야, 대화면 컬러브라운관과 디스플레이용 형광체, 빛으로 색이 변하는 유리, 광통신 분야 등의 광학재료 개발에 사용될 수 있다.
현재 이러한 분야들에의 적용을 위해 가장 많이 사용되는 금속 이온을 얻는 방식에는 버나스 타입이나 프리만, RF 직접방식 등이 있으나, 대전류 및 연속 구동방식에서 보완해야 할 점들이 많으며, 현재 판매되는 금속 이온 소재의 가격 또한 이온원천물질과 전원 등을 포함하여 3 ~ 4억원을 호가하는 고가인 점도 금속이온을 용이하게 얻어 적극적으로 활용하는데 큰 제약이 되고 있다. 또한 버나스 타입으로 금속 이온을 얻는 경우, 금속을 용융시켜 기화된 금속으로부터 금속이온빔을 발생시키는 방식이기 때문에, 용융점이 높은 금속 계열은 이온빔을 얻기가 매우 어려워 이온을 얻을 수 있는 금속 물질이 소수 종류에 한정된다는 단점 또한 있다.
한편, 전술한 금속 이온 등을 활용할 수 있는 분야와 관련하여, 보석, 또는 보석의 원석에 이온을 주입합으로써 기존과는 다른 특정한 색상을 발현시키는 기술이 언급되었는데, 이는 발색 원소로서 작용할 수 있는 특정 금속 이온을 보석 내에 주입함으로써 보석 또는 보석의 원석이 최초에 가지고 있던 색상과 다른 색상을 발색 시키는 여러 기술 중 하나로서, 이하에서는 이러한 보석 발색 기술들을 통칭하여 컬러 보석 제조라고 명명한다.
이하, 이러한 컬러 보석 제조와 관련하여 보석이 특정 색상을 가지게 되는 이론적 근거를 간단하게 서술한다.
빛이 보석 광물에 도달하면 해당 광물이 지니고 있는 특성 때문에 여러 가지 광학적 현상이 발생하게 되는데, 이러한 광학적 특성은 보석 광물 내부의 원자 배열 방식 및 화학성분에 의해 영향을 받게 된다.
즉, 보석에 색을 띄게 하는 원인 물질로서 발색소 또는 발색원소 라고 칭하는 것이 있는데, 유색 보석 광물의 색은 대부분 발색소 또는 발색원소에 의해 가시광선 영역의 일부 파장 또는 전부가 흡수 되기 때문에 나타난다.
보석의 색을 결정하는 발색 원소는 주로 전이원소이며, 전이원소는 전자궤도에서의 전자배치가 전형원소에 비해 다소 특이하다. 대부분의 전형원소에서 각 전자껍질에 있는 부전자각에는 서로 반대 방향으로 도는 전자 두 개가 각기 쌍을 이루고 있으며 이와 같이 쌍을 이루는 전자들은 높은 에너지 준위의 전자껍질로 옮기기 위해 많은 에너지가 필요하나, 전이 원소의 부전자각에는 쌍을 이루지 않는 전 자들이 있으며 이 전자들은 작은 에너지만 흡수하여도 높은 에너지 준위의 전자껍질로 옮겨간다.
따라서, 전이원소 내에 있는 전자는 가시광선의 일부 파장이 가지고 있는 작은 에너지를 흡수하여 높은 준위의 전자껍질로 옮겨가며 이로 인해 특정 파장이 흡수되어 특정 색이 발현되는 현상이 일어난다.
즉, 종래의 컬러 보석 제조 기술은 원칙적으로 보석 결정의 내부에 상기한 바와 같은 발색소 또는 발색 원소를 포함시키도록 하기 위한 공정으로 이루어지며, 이를 위해 종래 컬러 보석 제조를 위해 사용되는 방법은 전술한 이온 주입법을 포함하여 고압가열법, 분말용융법, 화염용융법, 방사능조사법, 표면확산법, 열처리법, 표면코팅 적층법 등이 있다.
이 중, 방사능 조사법은 전자, 중성자, 양성자, 알파선이나 감마선 등의 고에너지 입자를 보석표면에 노출시켜 점 결함을 유발시킴으로서 색을 내는 원리인데, 이와 같이 처리된 보석에서는 방사선이 계속 방출되므로 반감기를 고려한 안전한 수치로 내려오기까지 10년 이상의 많은 시간이 소요되어 상용화하기 어려운 단점이 있으며, 원자로에서 발색 처리를 하는 경우 전자빔 가속기 처리와 함께 방사성 활성 관계로 상업적 거래시 각종 규제가 있으며, 허가 또한 필요하다.
더욱이, 기술적 측면에서도, 이러한 처리는 감마선과 중성자 조사를 제외하고는 대개 근접표면의 색상만 변화시키며, 우산형 채색대상분포, 불균일 채색 등을 유발하는 단점이 있다.
표면 확산법은 보석 주변에 분말 또는 액상 형태의 금속성분을 위치시키고 특정 온도로 상승시켜 열확산에 의해 표면부로부터 금속성분을 확산시키는 방법으로서, 금속 확산원의 산화를 방지할 수 있는 고온로만 있으면 가능하므로 경제적인 장점이 있지만, 면 방향에 따른 확산 정도의 차이로 인한 불균일한 색상분포와 적용 가능한 분말 확산원이 제한적이라는 것이 큰 단점으로 작용한다.
또한, 이러한 방법은 코팅(coating)이나 베이킹(baking)으로 색상변화를 유발하는 방법을 적용하여 코팅이 잘되면 코팅 흔적 없이 색상을 감쪽같이 변화시킬 수 있으나, 코팅막이 벗겨질 경우 미감이 저하되며 색상이 원상 복귀되는 단점이 있다.
분말 용융법은 다결정 산화물 분말에 소량의 불순물을 혼입시켜 많은 에너지를 들여 용융시킨 후 단결정으로 응고시키는 방식인데, 이 방법은 불순물이 혼입되어 다결정을 크게 성장시키기 어렵고, 단결정을 성장시키는 고가의 장비가 불순물에 일단 오염되면 다른 색상 또는 전기적 특성을 갖는 다른 조건의 단결정을 만들기 어렵다는 단점이 있다.
화염 용융법은 비교적 경제적으로 단결정을 만들 수 있으나 직경 1cm 이상의 큰 단결정을 만들기 어렵다는 단점이 있다.
열 확산법은 가공전의 단결정에 실시할 수 있는데 이 경우 사용되는 발색원소인 Fe, Cr 등의 확산거리가 짧고 1300℃ 이상의 고온에서만 활성화되므로 확산 반응에 의해 표면적이 큰 확산원의 경우 폭발 위험성이 있고 표면부에만 얇은 확산층이 형성됨으로 인해 가공후에는 불균일한 색분포를 가진 보석이 제조되어 가치가 하락하는 등의 단점이 있다.
열처리법은 가장 오래된 단결정 처리법으로서, 다양한 색상의 발색이 어려운 단점이 있다.
이온 주입법은, 전술한 바와 같이 특정 이온(발색원소 이온)을 고진공하에서 가속시켜 보석 표면 내부에 주입 하는 방식인데, 이론적으로 이온의 종류에 따라 다양한 발색이 가능하며, 따라서 적정한 종류의 금속 이온들을 이용함으로써 다양한 색상의 발색이 가능하나, 앞서 이온 생성 기술과 관련하여 언급한 바와 같이, 다양한 종류의 이온을 제한 없이 용이하게 얻기 어려워 이온 주입법을 이용한 컬러 보석 제조에는 통상 기체 이온을 주입하게 되는 것이 현실일 뿐만 아니라, 이러한 방식으로 구성된 기존의 컬러 보석 제조 장치에서는 이온 주입 깊이가 1㎛ 이내로 얕아 최종 색상의 질감이 천연석보다 떨어지고, 표면 손상이 발생 되는 등의 단점 또한 있다.
이와 같은 기술적 단점들 및 한계에도 불구하고, 컬러 보석 제조 기술의 지속적인 개발이 필요한데, 보석의 색상은 보석의 가치에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중의 하나로서 색상의 희귀성, 균일성 및 색상에 대한 수요자의 선호도 등은 보석의 가치에 지대한 영향을 미침에도 불구하고, 천연보석은 그 양이 적고 색상 또한 다양하지 못한 경우가 대부분이므로, 고부가가치 창출을 위한 측면에서도 필수적이기 때문이다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 일차적으로 다양한 종류의 이온, 특히 다양한 종류의 비금속 및 금속 이온 들을 저렴한 비용에 용이하게 생성시킬 수 있는 이온 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또다른 목적은, 본 발명에 따른 이온 및 이온빔 발생의 기술적 원리를 적용함으로써, 표면 처리까지 완벽한 고품질의 컬러 보석을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이온 발생 장치는, 금속은 물론 비금속을 포함한 상온에서 고체상의 물질로부터 이온을 발생시키기 위한 이온 발생 장치로서, 상온에서 기체상인 가스를 장치 내에 공급하기 위한 가스 공급부와, 발생시키고자하는 이온의 기본 입자들을 포함하는 고체상의 물질인 이온원천물질이 장착되는 스퍼터링 소스와, 상기 스퍼터링 소스에 장착된 이온원천물질에 전압이 걸리게 함으로써 상기 이온원천물질로부터 발생된 전자가 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스를 이온화시키고(가스이온 생성부), 상기 이온화된 가스이온은 전압이 걸린 상태인 상기 이온원천물질로 입사하여 때림으로써 상기 이온원천물질로부터 기본 입자들이 방출될 수 있도록 하기 위해, 전력원에 연결되어 상기 전력원으로부터의 전압을 상기 이온원천물질이 장착된 스퍼터링 소스에 인가하는 전력 공급부 및, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들과 충돌됨으로써 상기 기본 입자들이 이온화될 수 있도록 하는 하전입자들을 방출하는 하전입자 생성부를 포함하여 구성된 이오나이저(이온원천물질의 이온 생성부)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 가스 공급부에 의해 장치내에 공급되는 가스는 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 전력 공급부로부터 공급되는 전력은 비금속 및 금속 모두를 고려하여 RF전력인 것이 바람직하다.
이때, 상기 이오나이저 내의 하전입자 생성부로부터 방출되는 하전입자는 열전자이며, 상기 하전입자 생성부는, 가열됨으로써 열전자를 방출하는 필라멘트일 수 있다.
이때, 상기 비금속 및 금속 이온 생성부인 이오나이저는, 생성된 비금속 및 금속 이온들과 하전 입자를 가속시키기 위한 하전입자 방전 전극을 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 이오나이저는, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들과의 충돌 확률을 높일수 있도록, 상기 하전입자 생성부(필라멘트 등)로부터 방출된 하전입자(열전자 등)에 나선 운동력을 부여하는 자기장을 걸어주기 위한 자기장 발생 장치를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 컬러 보석 제조장치는, 상온에서 기체상인 가스를 장치 내에 공급하기 위한 가스 공급부와, 발생시키고자하는 이온의 기본 입자들을 포함하는 고체상의 물질인 이온원천물질이 장착되는 스퍼터링 소스와, 상기 스퍼터링 소스에 장착된 이온원천물질에 전압이 걸리게 함으로써 상기 이온원천물질로부터 발생된 전자가 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스를 이온화시키고, 상기 이온화된 가스 이온은 전압이 걸린 상태인 상기 이온원천물질로 입사하여 때림으로써 상기 이온원천물질로부터 기본 입자들이 방출될 수 있도록 하기 위해, 전력원에 연결되어 상기 전력원으로부터의 전압을 상기 이온원천물질이 장착된 스퍼터링 소스에 인가하는 전력 공급부 및, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들과 충돌됨으로써 상기 기본 입자들이 이온화될 수 있도록 하는 하전입자들을 방출하는 하전입자 생성부를 포함하여 구성된 이오나이저를 포함하여 구성되어, 이온원천물질로부터 이온을 발생시키는 이온 발생 장치와, 상기 이온 발생 장치에 의해 상기 이온원천물질로부터 생성된 플라즈마 상태중의 이온들이 일정한 방향성 및 속도를 가진 이온빔(ion beam)화 되기 위하여, 전위차를 부여할 수 있는 이온 가속 전극을 포함하여 구성된 이온 가속부 및, 상기 이온 가속부를 거쳐 형성된 이온빔을 표면에 직각으로 조사하여 이온을 주입시키거나, 표면에 비스듬히 부딪히게 하여 표면을 깎아내어 연마하는 방식으로 착색 또는 표면 처리의 대상이 되는 개질 대상물이 장착되는 개질 대상물 장착부를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 가스 공급부에 의해 장치내에 공급되는 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 전력 공급부로부터 공급되는 전력은 비금속 및 금속 모두를 고려하여 RF전력인 것이 바람직하다.
이때, 상기 이오나이저 내의 하전입자 생성부로부터 방출되는 하전입자는 열전자이며, 상기 하전입자 생성부는, 가열됨으로써 열전자를 방출하는 필라멘트일 수 있다.
이때, 비금속 및 금속 이온 생성부인 상기 이오나이저는, 생성된 비금속 및 금속 이온들과 하전입자들을 가속시키기 위한 하전입자 방전 전극을 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 이오나이저는, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들과의 충돌 확률을 높일수 있도록, 상기 하전입자 생성부(필라멘트 등)로부터 방출된 하전입자(열전자 등)에 나선 운동력을 부여하는 자기장을 걸어주기 위한 자기장 발생 장치를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 이온 가속 전극에 걸리는 전압은 적어도 80kV 이상인 것이 바람직하다.
이때, 상기 개질 대상물 장착부는, 상기 개질 대상물 장착부에 장착된 개질 대상물의 이온주입 및 표면연마를 위하여 면에 입사하는 이온빔의 입사 각도를, 직각을 포함하여 다양하게 변경할 수 있도록, 이온빔에 대한 입사각 각도 변경이 가능한 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 개질 대상물 장착부는, 상기 개질 대상물 장착부에 장착된 개질 대상물의 열처리를 위하여 온도를 올리고 유지하고 내리는 세가지 단계로 온도를 제어할 수 있는 열처리부를 더욱 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개질 대상물 장착부에 장착된 개질 대상물의 표면 처리를 위하여, 연마용 가스 입자들을 상기 개질 대상물 장착부 주위에 공급하기 위한 연마용 가스 공급부 및, 상기 연마용 가스 공급부에서 공급된 가스를 이온화 시키고, 상기 이온화된 가스는 상기 개질 대상물 장착부에 장착된 개질 대상물의 표면을 때리게 함으로써 상기 개질 대상물의 표면을 연마하도록 하기 위해, 상기 개질 대상물 장착부에 전력을 공급하는 연마용 전력 공급부를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 연마용 가스 공급부에 의해 장치내에 공급되는 연마용 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 연마용 전력 공급부에서 공급되는 전력은 개질 대상물이 비금속 및 금속인 경우를 모두 고려하여 RF전력인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 컬러 보석 제조 방법은, 스퍼터링 소스의 이온원천물질 장착부에 상온에서 고체상의 물질인 이온원천물질을 장착하는 이온원천물질 장착 단계, 상기 스퍼터링 소스에 장착된 이온원천물질의 주변에 상온에서 기체상인 가스를 공급하는 가스 공급 단계, 상기 스퍼터링 소스에 전력을 공급하여 스퍼터링 소스에 장착된 이온원천물질에 전압이 걸리게 함으로써, 상기 이온원천물질로부터 발생된 전자가 상기 가스 공급 단계에서 공급된 가스를 이온화 시키고, 이온화된 상기 가스 이온은 전압이 걸린 상태인 상기 이온원천물질로 입사하여 때림으로써, 상기 이 온원천물질로부터 기본 입자들이 방출되도록 하기 위한, 전력 공급 단계, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들을 이온화시키기 위하여, 하전입자 생성부에서 생성된 하전입자들을 방출된 상기 기본 입자(비금속 및 금속 원자)들에 공급하여 상호 충돌시키는, 이온화 단계, 상기 이온원천물질로부터 방출된 상기 기본 입자들이 상기 이온화 단계를 거치며 생성된 플라즈마 상태의 이온들에 일정한 방향성 및 속도를 부여하여 이온빔(ion beam)화 될 수 있도록, 이온 가속 전극을 통해 상기 이온들에 전압을 걸어주는 이온 가속 단계 및, 착색 또는 표면 연마의 대상이 되는 개질 대상물에 상기 이온 가속 단계를 거쳐 가속된 이온빔을 조사함으로써, 상기 이온빔을 개질 대상물의 면에 직각으로 조사(이온주입)하여 상기 개질 대상물에 색상을 발현시키거나, 상기 이온빔을 개질 대상물의 표면에 비스듬히 부딪히게 하여 표면을 연마하는 방식으로 착색 또는 표면 연마 작업을 수행할 수 있도록 하는, 개질 대상물 가공 단계를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 가스 공급 단계에서 공급되는 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택될 수 있다.
이때, 상기 전력 공급 단계에서 공급되는 전력은 비금속 및 금속 모두를 고려하여 RF전력인 것이 바람직하다.
이때, 상기 이온화 단계에서 상기 기본 입자들에 충돌하는 하전입자는 열전자이며, 상기 하전입자 생성부는, 가열됨으로써 상기 열전자를 방출하는 필라멘트로 구성될 수 있다.
이때, 상기 이온화 단계는, 상기 하전입자에 전압을 걸어줌으로써, 상기 하 전입자 생성부로부터 방출된 하전입자를 가속시키는 하전입자 가속 단계를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이온화 단계는, 상기 하전입자와 상기 기본 입자들과의 충돌 확률을 높이기 위하여, 자기장을 걸어줌으로써 상기 하전입자에 나선 운동력을 부여하기 위한, 자기장 인가 단계를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 이온 가속 단계에서 상기 이온 가속 전극에 의하여 걸리는 전압은 적어도 80kV 이상인 것이 바람직하다.
이때, 상기 개질 대상물 가공 단계는, 상기 개질 대상물의 표면에 입사되는 상기 이온빔의 입사각을 직각으로 조절할 경우 상기 개질 대상물 내로의 이온 주입 작용이 일어나도록 하고, 상기 이온빔의 입사각을 비스듬한 각도로 조절할 경우 상기 개질 대상물의 표면을 깎아내어 연마 작용이 일어날 수 있도록 하기 위해, 상기 개질 대상물의 각도를 변경, 조절하는, 개질 대상물 각도 조절 단계를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 개질 대상물 가공 단계는, 상기 개질 대상물에 주입된 이온이 고르게 확산되도록 하기 위해, 상기 개질 대상물의 온도를 올리고 유지하고 내리는 세가지 단계를 거치는, 개질 대상물 열처리 단계를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 개질 대상물 가공 단계는, 상기 개질 대상물 주위에 가스를 공급하는 연마용 가스 공급 단계 및, 상기 연마용 가스를 이온화 시키고, 상기 이온화된 연마용 가스가 상기 개질 대상물의 표면에 부딪히도록 하여 표면 연마가 수행될 수 있도록 하기 위해, 상기 개질 대상물 측에 전력을 공급하는 연마용 전력 공급 단계를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 연마용 가스 공급 단계에 공급되는 연마용 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택될 수 있다.
이때, 연마용 전력 공급 단계에 공급되는 전력은, 개질 대상물이 비금속 및 금속인 경우를 모두 고려하여 RF전력인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 구성에 의하여, 본 발명에 따른 이온 발생 장치는, 다양한 고체상의 물질, 특히 다양한 비금속 및 금속들로부터 각각 독특한 물리, 화학적 특성을 가진 다양한 비금속 및 금속 이온들을 쉽게 얻을 수 있게 하는 효과를 가진다.
한편, 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 장치는, 본 발명에 따라 다양한 비금속 및 금속 이온들을 발생시킬 수 있는 이온 발생 장치를 포함하여 구성됨으로써, 컬러 보석 제조에 있어 기존의 기체 이온 주입 방식의 문제점을 극복하여 다양한 종류의 이온(비금속 및 금속 이온)을 개질 대상물에 주입할 수 있게 하는 효과를 가지며, 개질 대상물의 표면 연마, 주입된 이온의 균일한 확산을 위한 추가적인 구성들을 구비함으로써, 한 장치 내에서 이온 주입에 의한 발색, 발색된 색감의 고도화 및 미세한 표면 처리까지 동시에 수행할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
한편, 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 방법은, 컬러 보석 제조 공정 중 이온 주입법을 기초로 하되 기존에 이용하기 어려웠던 다양한 비금속 및 금속 이온들을 자유로이 선택하여 이용할 수 있는 단계를 포함하도록 구성되며, 연속된 공정 내에서 이온 주입, 개질 대상물의 표면 연마 등을 함께 수행할 수 있도록 구성되어, 컬러 보석 제조와 관련한 종래 기술의 문제점을 극복하는 것은 물론, 표면확산법, 열처리법, 이온 주입법, 미세 연마법 등 종래 기술의 장점만을 동시에 얻을 수 있게 한다.
본 발명에 따른 이온 발생 장치는 전술한 종래의 이온 발생 공정 및 장치의 난제, 특히 용융점이 높은 비금속 및 금속 등의 고체상의 물질로부터 이온을 얻어내기 어려운 점을 극복하여, 간단한 과정을 거쳐 다양한 종류의 이온을 제한 없이 발생시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 장치는, 기본적인 기능을 위주로 명명할 경우 이온 주입기에 해당하며, 이온으로 금속을 적용할 경우 금속 이온 주입기에 해당하게 되는데, 기존의 기체 이온 주입기의 작동 원리를 응용하며, 이에 보석 등 개질 대상물의 바람직한 가공 처리를 위하여 RF magnetron sputter 기술 등을 결합하는 것을 구성상의 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이온 발생 장치, 해당 장치를 포함한 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법을 이용함으로써, 종래에 사용되어온 기체 이온 주입 기술을 보완하여 비반도체 분야는 물론 반도체용으로도 기초적인 적용이 가능할 것이 다.
특히, 금속 이온 중 내식성, 내마모성 등에 응용성이 큰 Cr, Ti, Ta, Sn, Y, Pd 등의 금속 이온과 반도체 공정에 사용되는 B, P, As, O 의 이온 등 다양한 이온의 생성을 극적으로 용이하게 하는 이점을 가진다.
이하, 상기 본 발명에 따른 이온 발생 장치, 해당 장치를 포함한 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법의 구성을, 첨부 도면에 도시된 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컬러 보석 제조 장치의 구성도로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 발생 장치의 구성을 포함하며, 이는 도면상에서 알파벳 대문자 A로 표시된 부분에 해당된다.
또한 본 발명에 따른 보석 제조 방법의 경우, 도 1에 예시된 보석 제조 장치를 이용해 수행되는 과정과 대동소이하므로, 중복되는 부분에 대한 설명은 발명의 논지를 명확히 하기 위해 가급적 피할 것이다.
우선, 도 1에서 알파벳 대문자 A로 표시된 부분인 이온 발생 장치의 바람직한 실시예를 살펴봄으로써, 본 발명에 따른 이온 발생 장치의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 이온 발생 장치는, 고체상의 물질, 예를 들어 상온에서 단단한 금속 결합을 하고 있는 금속으로부터 다량의 금속 이온을 분리해내기 위해, 그 첫 단계로써 가스 이온을 금속 표면에 충돌시킴으로써 금속 원자들(기본 입자 단위가 분자인 경우 특정 원자들의 결합으로 이루어진 분자)을 결합 구조 밖으로 방출시키도록 하는 과정을 거친다.
이를 위해, 도 1을 통해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 발생 장치는 금속 등의 이온원천물질(13)을 장착하기 위한 스퍼터링 소스(12)를 구비하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 스퍼터링 소스(12)에 장착된 이온원천물질(13)에 가스 이온을 충돌시키기 위해, 상기 이온원천물질(13)의 주위에 가스를 공급하는 가스 공급부(11)를 구비하는데, 이때 공급되는 가스는 이온화가 쉬우며, 장치 안정성 등을 고려하여 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 등이 선택될 수 있다.
공급된 가스 입자들이 이온원천물질(13) 방향으로 가속되어 충돌될 수 있도록 하기 위해, 이들을 전기적 극성을 가진 가스 이온으로 이온화할 필요가 있는데, 이는 전력원에 연결된 전력 공급부(14)로부터 상기 스퍼터링 소스(12)에 전압을 걸어줌으로써 이온원천물질(13)에 전압이 걸리게 하여 수행될 수 있다.
구체적으로 예를 들어 설명하면, 금속으로 이루어진 이온원천물질(13)에 음의 전압을 걸어주면, 전장의 인가에 의하여 상기 금속 이온원천물질(13)로부터 가속된 전자가, 가스 공급부(11)를 통하여 공급된 비활성 가스와 충돌하여 가스 이온 을 생성하며, 생성된 가스 이온은 양이온이 되어 음의 전압이 걸린 금속 이온원천물질(13) 쪽으로 가속되어 이온원천물질(13)을 이루고 있는 금속 원자(고체상 물질을 이루고 있는 기본 입자가 특정 원자들의 결합 구조로 이루어진 분자인 경우에는 분자)를 떼어내게 되는 것이다.
이와 같이 이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 위치하고 있던 원자를 방출시키는 것을 스퍼터링이라고 하는데, 이온원천물질이 금속인 경우 금속 표면에 충돌하는 이온은 통상 20 ~ 30eV 이상의 에너지를 가지고 있어야만 기본 입자를 떼어낼 수 있으며, 이 에너지가 스퍼터링이 일어나기 위한 문턱 에너지가 된다.
이온원천물질(13)이 금속인 경우, 상기 전력 공급부(14)로부터 공급되는 전력은 직류(DC) 전압이어도 무방하나, 비금속일 경우는 직류 전압 대신 반복적인 사이클을 가지는 교류 전압, 특히 RF 전력을 걸어주는 것이 바람직하다.
만약, 비금속 이온원천물질(13)에 직류 전력을 걸어주면, 전술한 예에 적용할 경우 비금속 이온원천물질(13)에 양이온이 축적되어 양전위를 띄게 되므로, 양이온 상태의 가스 이온은 더 이상 이온원천물질(13) 쪽으로 접근하지 못하게 된다.
따라서, 이러한 문제를 방지하기 위해 이온원천물질(13)에 RF 전력을 걸어주게 되면, 주기적으로 양전위와 음전위가 반복되므로 표면에 양이온이 축적되지 않게 된다.
이때의 스퍼터링 작용을 보다 구체적으로 설명하자면, 초기의 반 주기 동안에는 이온원천물질(13)에 전자(음전하)가 충돌하고 다음의 반 주기 동안에는 가스 이온(양전하)이 충돌하는데, 가스 이온의 이동도보다 전자의 이동도가 높기 때문에 이온원천물질(13)에 도착하는 가스 이온의 수는 이미 도착한 전자의 수보다 적게 되므로, 이온원천물질(13)은 음의 전압을 갖게 되어 지속적인 가스 이온의 입사가 가능해지는 것이다.
즉, RF 전력은 금속, 비금속과 무관하게 모든 종류의 고체상 물질로 이루어진 이온원천물질(13) 모두에 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 전술한 스퍼터링 작용을 위한 구성에 RF 전력을 적용함으로써, 금속을 녹여 기화시킨 후 이온화하게 되므로 얻을 수 있는 이온의 종류가 극히 제한적인 종래의 금속 이온 발생 장치 등과는 달리, 금속-비금속에 무관하게 거의 모든 종류의 이온을 제한 없이 얻을 수 있는 전제가 되는 것이다.
더욱이, 도시된 바와 같이, 스퍼터링 소스(12) 내에 마그네트론(5)을 설치하여 자기장을 형성시켜줄 경우, 자기장이 이온원천물질(13) 표면과 평행하게 되어 전기장에 수직하게 하면 전자는 로렌츠 힘을 받아 선회운동을 하며 가속되어 나선 운동을 하여 이온원천물질(13) 근처에 전자가 주변을 선회하도록 하므로 플라즈마가 이온원천물질(13) 표면근처에 유지되어 플라즈마 밀도가 높아져 이온화율이 증가하는 등의 이점을 얻을 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이, 별도의 진공 펌프 등을 이용해 장치 밖으로 가스를 배출하는 방법으로 장치 내의 가스압을 조절할 수 있는데, 보다 정밀한 스퍼터링 과정의 수행과, 특히 이후 상세히 설명할 보석 제조 장치와의 연관시 이온 주입법을 위한 진공 환경의 조성을 위해서도 상기 가스 배출용 진공 펌프 등이 이용될 수 있다.
상기 과정을 거쳐 이온원천물질(13)로부터 방출된 기본 입자들을 최종적으로 이온화시키기 위해, 상기 기본 입자들에 하전입자들을 충돌시킴으로써 이들을 이온화시키기 위한 구성이 필요하며, 이러한 이온화 과정은 도 1에 이오나이저(20)로 도시된 부분의 구성에 의해 수행된다.
도시된 예는 하전입자 생성부(21)로서 필라멘트를 채택한 구조인데, 필라멘트는 가열됨으로써 음전하를 띤 하전입자인 열전자를 방출하게 된다.
필라멘트와 같은 하전입자 생성부(21)로부터 방출된 하전입자들이 상기 기본 입자와 효과적으로 충돌될 수 있도록 하기 위해, 이오나이저(20)는 하전입자 방전 전극(22)을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
하전입자 방전 전극(22)을 통해 열전자를 끌어들여 방전을 일으키게 되면, 열전자 등과 같은 하전입자들은 일방의 하전입자 방전 전극(22)을 향하여 가속되며, 이로 인해 기본 입자와의 충돌확률을 높이고, 이온화에 필요한 충분한 속도를 얻을 수 있게 된다.
더욱이, 상기 이오나이저(20)는 자기장 발생 장치(15)를 포함하여 구성되는 것이 바람직한데, 자기장 발생 장치(15)를 통하여 이오나이저(20) 내에 비균일 자기장을 걸어줄 경우, 이동하고 있는 하전입자는 자기장의 작용으로 나선 이동을 하게 되어 기본 입자들과의 충돌의 확률이 극적으로 높아져 기본 입자의 효과적인 이온화가 일어날 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 이온 발생 장치의 경우, 도 1에 도시된 바람직한 실시예를 통해 이상에서 설명한 바와 같은 구성에 의해, 고가의 장비, 고온 가열과 같은 극단적인 물리적 환경의 조성 등이 없이도 즉각적이고 비교적 단순한 과정을 거쳐 거의 모든 종류의 고체상 물질로부터 손쉽게 이온을 얻을 수 있게 하므로, 앞서 언급한 다양한 분야에서 보다 적극적으로 활용될 수 있을 뿐 아니라 이온과 관련된 새로운 분야의 연구, 개발에도 큰 도움이 될 수 있을 것이다.
이하에서는, 상기 이온 발생 장치를 이용할 수 있는 한 분야이며, 이로 인해 보다 상승적인 효과를 얻을 수 있는, 상기 이온 발생 장치를 포함하여 구성된 컬러 보석 제조 장치의 구성을 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 컬러 보석 제조 장치를 이용한 보석 발색은, 보석에 광학적 밴드 갭(optical band gap) 변화를 유발할 수 있는 이온을 주입함으로써 발색 변화가 발생하는 현상을 이용한 것이다.
구체적인 예를 들면, 탄소 결합으로 구성된 다이아몬드 결정 내에 특정 이온이 탄소 격자점에 유입되면 이들이 각각 전자주게(electron donor)와 전자받게(electron acceptor)로서 작용하여 밴드갭(band gap)이 가시광선 파장 영역 내의 전자 에너지 전이 수준이 되므로 발색 변화를 유발한다.
즉, 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 장치는, 이러한 원리를 이용하여, 전술한 종래의 발색 방법의 단점들을 극복하면서도, 표면확산법, 열처리법, 이온 주입 법, 미세 연마법 등의 기본적인 원리를 병합하여, 이온빔에 의한 이온 주입, 열처리 및 에칭과 스퍼터링을 이용한 표면처리까지 한 장치 내에서 동시에 처리할 수 있도록 구성된 것으로서, 이를 위한 구체적인 구성은 다음과 같다.
전술한 과정을 거쳐 얻은 비금속 및 금속 이온 등을 보석 등과 같은 개질 대상물(50)에 주입하기 위해서는, 이온 기체와 같은 플라즈마 상태중의 이온들이 일정한 방향성과 속도를 갖는 이온빔화 되도록 하는 것이 필요하다.
이러한 이온빔을 위한 구성이 도 1에 도시되어 있는 이온 가속부(30)이다.
이온 가속부(30)는 도시된 바와 같이 적어도 두 개 이상의 전극으로 구성된 이온 가속 전극(31)을 포함하는데, + 전하는 전위차에 의해 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하고 - 전하는 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하므로, 예를 들어 + 전하를 띤 금속 이온의 경우, 도 1의 도면상 위쪽의 전극에 +150kV의 전압을 걸어주고 개질 대상물(50) 쪽의 전극을 그라운드로 해주면, 상대적으로 전압이 150kV 낮은 개질 대상물(50) 쪽으로 가속되어 이온빔이 된다.
이온빔에 요구되는 속도는 이온 주입하려는 개질 대상물(50)의 물성에 따라 다소 달라지지만, 통상적인 보석의 경우 1가 이온에 대해 80kV 이상의 전압을 걸어주면 이온의 주입이 가능하며, 전압이 높을수록 금속 이온빔의 속도가 빨라져 이온 주입 깊이도 깊어진다.
1가 이온에 80kV의 전압이 걸릴 때 이온의 에너지는 80keV가 되며, 1keV의 에너지를 갖는 이온빔의 속도는 초속 500km이므로, 이온 주입이 가능한 100keV 정 도의 에너지를 갖는 이온빔의 속도는 5,000km/s 속도를 갖는다.
개질 대상물 장착부(40)의 경우, 개질 대상물(50)에 이온을 주입하기 위해 개질 대상물(50)을 장착하기 위한 구성이기도 하지만, 구성의 변경, 추가에 의해 개질 대상물의 표면 처리까지 동시에 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 이온빔의 입사 방향에 대하여 표면이 직각이 되도록 개질 대상물(50)을 장착하였을 경우에는 전술한 바와 같은 이온의 주입 작용이 주로 일어나게 되나, 개질 대상물(50)의 표면을 이온빔의 입사 방향에 대하여 비스듬히 놓이게 할 경우에는, 이온의 주입보다는 이온의 충돌 타격에 의한 표면의 미세 연마 작용이 주로 일어나게 된다.
즉, 개질 대상물 장착부(40)를, 도시된 바와 같이 개질 대상물(50)의 놓인 각도를 변경할 수 있는 구조로 구성할 경우, 각도의 조절에 따라 개질 대상물(50)로의 이온 주입 작용과, 다량으로 고르게 입사하는 다량의 이온들로 구성된 이온빔의 충돌에 의한 표면 연마 작용을 번갈아서 수행할 수 있게 되며, 이는 기존 이온 주입법의 단점 중 하나인 표면 손상을 효과적으로 보완할 수 있는 수단이 된다.
더욱이, 상기 개질 대상물 장착부(40)는 전술한 효과를 더욱 강화하기 위해, 이온빔에 대하여 개질 대상물(50)의 놓인 각도를 조절할 수 있는 구성에 더하여, 대상물 개질 작업의 용이성, 효율 등의 측면에서 개질 대상물(50)을 회전할 수 있게 하는 등의 구성을 더욱 포함하는 것이 바람직할 것임은 물론이나, 이러한 구성은 종래의 기술을 통해 용이하게 구현할 수 있는 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
전술한 이온빔에 의한 표면 연마 작용에 더하여, 추가적인 개질 대상물(50) 표면 연마를 위해 몇가지 구성이 추가될 수 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 연마용 가스 공급부(41)를 통해 공급된 연마용 가스가 개질 대상물(50)의 표면에 충돌하게 하여 표면을 연마할 수 있도록 하는 구조가 포함될 수 있는데, 이에 대한 기본 원리는 앞서 가스 공급부(11), 전력 공급부(14) 등의 구성을 설명할 때 언급된 것과 유사한 것으로서, 연마용 가스 공급부(41)를 통하여 연마용 가스를 공급함과 동시에 연마용 전력 공급부(44)를 통해 개질 대상물 장착부(40) 측에 전력을 공급하게 되면, 상기 연마용 가스가 이온화되어, 전극을 띄는 개질 대상물 장착부(40) 방향으로 가속되어 개질 대상물(50)의 표면에 충돌하게 되므로 표면 연마가 이루어지게 되는 것이다.
이때 역시, 상기 연마용 가스는 이온화가 쉬우며, 장치 안정성 등을 고려하여 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 등이 선택되는 것이 바람직하며, 공급되는 전력은 RF 전력인 것이 바람직한데, 그 이유는 앞서 밝힌 바와 같으므로 여기서는 중복되는 설명은 생략한다.
더욱이, 상기 개질 대상물 장착부(40)는 개질 대상물(50)에 온도 제어가 가능한 열처리부(42)를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
열처리부(42)는 종래 보석 발색 기술인 표면 확산법 등에서 사용되는 기술을 응용한 것인데, 일단 이온이 주입된 상태에서 열처리부(42)를 이용해 개질 대상 물(50)의 온도를 제어하여 열처리를 하게 되면, 주입된 이온이 개질 대상물(50)의 내부로 균일하게 확산되므로, 균일한 색분포를 가진 우수한 색감의 색상을 발색하는 컬러 보석 제조가 가능해진다.
본 발명에 따른 컬러 보석 제조 방법의 경우, 이온 주입법을 기초로 하되, 종래 이온 주입법에 통상 이용되는 기체 이온을 대체하여 본 발명에 따른 이온 발생 장치에서의 이온 발생 원리 및 이를 구체화하는 과정을 통해 얻을 수 있는 다양한 종류의 금속 이온 등을 생성시킬 수 있는 단계를 포함함으로써, 종래 이온 주입법의 단점인 주입 깊이가 깊지 않다는 등의 문제를 해결할 뿐만 아니라, 주입된 이온의 균일한 확산, 충실한 표면 처리를 확보할 수 있는 과정 등을 더욱 포함함으로써 종래에 비해 극적으로 개선된 컬러 보석 제조 방법을 제시하게 된다.
부언하면, 전술한 구성 중 '이온원천물질 장착 단계-가스 공급 단계- 전력 공급 단계-이온화 단계'를 거치며 거의 제한이 없는 다양한 종류의 이온원천물질로부터의 이온 생성이 가능해지며, 이온 가속 단계를 거쳐 이온빔화된 이온들을 개질 대상물에 입사시키는 '개질 대상물 가공 단계'에 '각도 조절 단계', '열처리 단계', '연마용 가스 공급 단계-연마용 전력 공급 단계' 등을 추가함으로써, 이온 주입의 작용 뿐 아니라 전술한 열처리, 표면 연마 등을 동시에 수행하는 것이 가능해지며, 이로 인해 비교적 간단한 공정을 거쳐 저렴한 비용으로 고품질의 컬러 보석을 얻을 수 있도록 한다.
그 밖의 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 방법을 구성하는 단계들에 대한 기 본적인 원리, 구체적인 구성은 앞서 자세히 언급한 컬러 보석 제조 장치에 대한 설명으로 대체한다.
상기한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명에 따른 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법은, 이온빔, 열처리, 에칭과 스퍼터링을 통한 표면 연마를 한 장치 내에서 동시에, 또는 연속된 공정으로 용이하게 수행할 수 있도록 구성되며, 기체 이온이 아닌 다양한 비금속 및 금속 이온 등을 주입함과 동시에 이를 이용한 표면 연마까지 수행할 수 있도록 구성되어, 이온 주입 시 손상된 표면을 치유하여 결정화하고 종래 기술에 비해 상대적으로 깊이 주입된 이온이 보석 내부로 한층 더 침투되어 균일하게 발산되도록 하여 발색을 향상 시키는 것을 가능하게 하며, 이온빔 에너지, 이온 주입량, 이온 종류 등의 조절을 통해 색상의 명도와 농도를 조절하는 것 또한 용이할 뿐만 아니라, 이온 입자들에 의한 미세 표면 연마로 표면 광택 등의 세밀한 처리 공정을 가능하게 한다.
또한, 이온 주입 시 다중 이온이 포함된 다중 이온빔을 이용할 경우 한 보석에 다양한 발색을 낼 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 바람직한 실시예 및 이를 도시한 도면에 의해 설명하였으나, 본 발명은 도시되고 설명된 실시예에 의한 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 발생 장치를 포함하여 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컬러 보석 제조 장치의 구성도이다.
<도면 주요 부호의 설명>
5: 마그네트론 11: 가스 공급부
12: 스퍼터링 소스 13: 이온원천물질
14: 전력 공급부 15: 자기장 발생 장치
20: 이오나이저 21: 하전입자 생성부
22: 방전 전극 30: 이온 가속부
31: 이온 가속 전극 40: 개질 대상물 장착부
41: 연마용 가스 공급부 42: 열처리부
44: 연마용 전력 공급부 50: 개질 대상물
Claims (30)
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- 삭제
- 삭제
- 상온에서 기체상인 가스를 장치 내에 공급하기 위한 가스 공급부(11)와, 발생시키고자하는 이온의 기본 입자들을 포함하는 고체상의 물질인 이온원천물질(13)이 장착되는 스퍼터링 소스(12)와, 상기 스퍼터링 소스(12)에 장착된 상기 이온원천물질(13)에 전압이 걸리게 함으로써 상기 이온원천물질(13)로부터 발생된 전자가 상기 가스 공급부(11)로부터 공급된 가스를 이온화시키고, 상기 이온화된 가스 이온은 전압이 걸린 상태인 상기 이온원천물질(13)로 입사하여 때림으로써 상기 이온원천물질(13)로부터 기본 입자들이 방출될 수 있도록 하기 위해, 전력원에 연결되어 상기 전력원으로부터의 전압을 상기 이온원천물질(13)이 장착된 상기 스퍼터링 소스(12)에 인가하는 전력 공급부(14) 및, 상기 이온원천물질(13)로부터 방출된 상기 기본 입자들과 충돌됨으로써 상기 기본 입자들이 이온화될 수 있도록 하는 하전입자들을 방출하는 하전입자 생성부(21)를 포함하여 구성된 이오나이저(20)를 포함하여 구성되어, 금속은 물론 비금속을 포함한 상온에서 고체상인 물질로부터 이온을 발생시키는 이온 발생 장치와;상기 이온 발생 장치에 의해 상기 이온원천물질(13)로부터 생성된 플라즈마 상태중의 이온들이 일정한 방향성 및 속도를 가진 이온빔(ion beam)화 되기 위하여, 전위차를 부여할 수 있는 이온 가속 전극(31)을 포함하여 구성된 이온 가속 부(30) 및;상기 이온 가속부(30)를 거쳐 형성된 이온빔을 표면에 직각으로 조사하여 이온을 주입시키거나, 표면에 비스듬히 부딪히게 하여 표면을 연마하는 방식으로 착색 또는 표면 처리의 대상이 되는 개질 대상물(50)이 장착되는 개질 대상물 장착부(40);를 포함하여 구성되는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 가스 공급부(11)에 의해 장치내에 공급되는 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 전력 공급부(14)로부터 공급되는 전력은 RF전력인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 하전입자 생성부(21)로부터 방출되는 하전입자는 열전자이며, 상기 하전입자 생성부(21)는, 가열됨으로써 열전자를 방출하는 필라멘트인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 이오나이저(20)는, 상기 하전입자 생성부(21)로부터 방출된 하전입자를 가속시키기 위한 하전입자 방전 전극(22)을 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 이오나이저(20)는, 상기 이온원천물질(13)로부터 방출된 상기 기본 입자들과의 충돌 확률을 높일수 있도록, 상기 하전입자 생성부(21)로부터 방출된 하전입자에 나선 운동력을 부여하는 자기장을 걸어주기 위한 자기장 발생 장치(15)를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 이온 가속 전극(31)에 걸리는 전압은 적어도 80kV 이상인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 개질 대상물 장착부(40)는, 상기 개질 대상물 장착부(40)에 장착된 개질 대상물(50)의 면에 입사하는 이온빔의 입사 각도를, 직각을 포함하여 다양하게 변경할 수 있도록, 이온빔에 대한 입사각 각도 변경이 가능한 구조로 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 개질 대상물 장착부(40)는, 상기 개질 대상물 장착부(40)에 장착된 개질 대상물(50)에 온도를 제어하기 위한 열처리부(42)를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 7 항, 제 14 항, 제 15 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 개질 대상물 장착부(40)에 장착된 개질 대상물(50)의 표면 처리를 위하여,연마용 가스 입자들을 상기 개질 대상물 장착부(40) 주위에 공급하기 위한 연마용 가스 공급부(41) 및;상기 연마용 가스 공급부(41)에서 공급된 가스를 이온화 시키고, 상기 이온화된 가스는 상기 개질 대상물 장착부(40)에 장착된 개질 대상물(50)의 표면을 때리게 함으로써 상기 개질 대상물(50)의 표면을 연마하도록 하기 위해, 상기 개질 대상물 장착부(40)에 전력을 공급하는 연마용 전력 공급부(44);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 연마용 가스 공급부(41)에 의해 장치내에 공급되는 연마용 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 연마용 전력 공급부(44)에서 공급되는 전력은 RF전력인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 장치.
- 스퍼터링 소스(12)에 상온에서 고체상의 물질인 이온원천물질(13)을 장착하는 이온원천물질 장착 단계;상기 스퍼터링 소스(12)에 장착된 상기 이온원천물질(13)의 주변에 상온에서 기체상인 가스를 공급하는 가스 공급 단계;상기 스퍼터링 소스(12)에 장착된 상기 이온원천물질(13)에 전압이 걸리게 함으로써, 상기 이온원천물질(13)로부터 발생된 전자가 상기 가스 공급 단계에서 공급된 가스를 이온화 시키고, 이온화된 상기 가스 이온은 전압이 걸린 상태인 상기 이온원천물질(13)로 입사하여 때림으로써, 상기 이온원천물질(13)로부터 기본 입자들이 방출될 수 있도록 하기 위한, 전력 공급 단계;상기 이온원천물질(13)로부터 방출된 상기 기본 입자들을 이온화시키기 위하여, 하전입자 생성부(21)에서 생성된 하전입자들을 방출된 상기 기본 입자들에 공급하여 상호 충돌시키는, 이온화 단계;상기 이온원천물질(13)로부터 방출된 상기 기본 입자들이 상기 이온화 단계를 거치며 생성된 플라즈마 상태중의 이온들에 일정한 방향성 및 속도를 부여하여 이온빔(ion beam)화 될 수 있도록, 이온 가속 전극(31)을 통해 상기 이온들에 전압을 걸어주는 이온 가속 단계 및;착색 또는 표면 연마의 대상이 되는 개질 대상물(50)에 상기 이온 가속 단계를 거쳐 생성된 이온빔을 조사함으로써, 상기 이온빔을 상기 개질 대상물(50)의 면에 직각으로 조사함으로써 이온을 주입하여 상기 개질 대상물(50)에 색상을 발현시키거나, 상기 이온빔을 상기 개질 대상물(50)의 표면에 비스듬히 부딪히게 하여 표면을 연마하는 방식으로 착색 또는 표면 연마 작업을 수행할 수 있도록 하는, 개질 대상물 가공 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 가스 공급 단계에서 공급되는 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 전력 공급 단계에서 공급되는 전력은 RF전력인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 이온화 단계에서 상기 기본 입자들에 충돌하는 하전입자는 열전자이며, 상기 하전입자 생성부(21)는, 가열됨으로써 상기 열전자를 방출하는 필라멘트인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 이온화 단계는, 상기 하전입자에 전압을 걸어줌으로써, 상기 하전입자 생성부(21)로부터 방출된 하전입자를 가속시키는 하전입자 가속 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 이온화 단계는, 상기 하전입자와 상기 기본 입자들과의 충돌 확률을 높이기 위하여, 자기장을 걸어줌으로써 상기 하전입자에 나선 운동력을 부여하기 위한, 자기장 인가 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 이온 가속 단계에서 상기 이온 가속 전극(31)에 의하여 걸리는 전압은 적어도 80kV 이상인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방 법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 개질 대상물 가공 단계는, 상기 개질 대상물(50)의 표면에 입사되는 상기 이온빔의 입사각을 직각으로 조절할 경우 상기 개질 대상물(50) 내로의 이온 주입 작용이 일어나도록 하고, 상기 이온빔의 입사각을 비스듬한 각도로 조절할 경우 상기 개질 대상물(50)의 표면을 깎아내어 연마 작용이 일어날 수 있도록 하기 위해, 상기 개질 대상물(50)의 각도를 변경, 조절하는, 개질 대상물 각도 조절 단계를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 개질 대상물 가공 단계는,상기 개질 대상물(50) 주위에 가스를 공급하는 연마용 가스 공급 단계 및;상기 연마용 가스를 이온화 시키고, 상기 이온화된 연마용 가스 이온이 상기 개질 대상물(50)의 표면에 부딪히도록 하여 표면 연마가 수행될 수 있도록 하기 위해, 상기 개질 대상물(50) 측에 전력을 공급하는 연마용 전력 공급 단계;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 19 항, 제 26 항, 제 27 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 개질 대상물 가공 단계는, 상기 개질 대상물(50)에 주입된 이온이 고르게 확산되도록 하기 위해, 상기 개질 대상물(50)을 열처리하는, 개질 대상물 열처리 단계를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 연마용 가스 공급 단계에 공급되는 연마용 가스는, 화학 반응성이 낮은 비활성 기체인 산소, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
- 제 27 항에 있어서, 연마용 전력 공급 단계에 공급되는 전력은, RF전력인 것을 특징으로 하는, 컬러 보석 제조 방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090028048A KR100940357B1 (ko) | 2009-04-01 | 2009-04-01 | 이온 발생 장치를 포함한 컬러 보석 제조 장치 및 컬러 보석 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100940357B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101284706B1 (ko) * | 2010-12-21 | 2013-07-10 | (주)유아이피 | 오염물질 분해 및 살균용 친환경 소재 및 그 제조 방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61227163A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 高硬度窒化ホウ素膜の製法 |
| JPS62149870A (ja) | 1985-12-24 | 1987-07-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 蒸着装置 |
| JP2000144392A (ja) * | 1998-11-06 | 2000-05-26 | Canon Inc | 薄膜形成装置及び薄膜形成方法 |
| KR100268216B1 (ko) | 1997-12-31 | 2000-10-16 | 김동원 | 대구경중공음극방전건을이용한이온플레이팅장치및그방법 |
-
2009
- 2009-04-01 KR KR1020090028048A patent/KR100940357B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61227163A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 高硬度窒化ホウ素膜の製法 |
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