KR101533619B1 - 원자가 스펙트럼을방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법 - Google Patents

원자가 스펙트럼을방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 밴드갭(Band Gap) 이론의 근거인 보어의 광자 발생론이 스펙트럼이 발생하는 원리를 바르게 설명하지 못하는 문제를 해결한 양성자-전자쌍 이론과 각궤도속도거리적(殼軌道速度距離積) 법칙을 원자가 스펙트럼을 발생하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법에 응용하여 종래의 기술보다 성능과 품질을 개선하고 제조원가를 절감하게 한 것이다.
따라서 본 발명에서는 스펙트럼을 발생시키고자 하는 원자의 이온화 전압으로부터 그 원자의 외각에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)의 각궤도 상에서 회전하는 전자의 속도(v l)와 양성자까지의 거리(r l)를 계산하는 제 1 단계; 각궤도에서의 전자의 속도(v l)와 양성자까지의 거리(r l)를 곱한 각궤도속도거리적(v l r l)의 정수(n)배가 되는 위치에서의 전자의 속도(v n )와 양성자까지의 거리(r n )및 이온화 전압(V ion )을 계산하는 제 2 단계;
원자에서 발생 가능한 스펙트럼의 파장(λ), 속도(v), 양성자이온(P +)이 전자이온(e -)을 잡을 때 전자의 위치(r j ),양성자(P 0)가 잡은 전자를 끌고 온 거리((j 2-n 2)r l) 및 잡힌 전자의 속도(v e )를 계산하는 제 3 단계; 원자에서 일정한 파장(λ)의 스펙트럼을 발생하게 하기 위해 양성자이온(P +)이 전자를 잡아야 하는 위치(r j ) 및 잡힐 전자의 속도(v e )와 잡힌 전자가 다시 이온화 되는 위치(r n )를 결정하는 제 4 단계; 음극에서 양극으로 끌려가는 전자이온(e -)의 속도(v e )가 양성자이온(P +)에게 잡히는 범위 안에 들도록 n-type 반도체의 두께, 원자의 위치, 음극과 양극 간의 거리 및 양극에 인가하는 DC 전압의 크기를 조정하는 제 5 단계; 양성자이온(P +)이 전자이온(e -)을 잡아 이룬 양성자-전자쌍(P 0←e 0)속에서 전자(e 0)가 양성자(P 0)에게 끌려 오다가 선택한 위치에서 이온화 되어 방사하는 스펙트럼의 파장이 원하는 파장이 되게 하는 n위치 및 플라스마 구역 내 정전기장 분포를 조정하여 스펙트럼 발생 기구의 최적 구조와 제조 방법을 결정하는 제 6 단계;를 포함한다.
[색인어] 수소가스등(hydrogen gas lamp), 리드버그공식(Rydberg formula),광자(photon), 스펙트럼(spectrum), 앙성자-전자쌍(proton-electron pair), 원자의 이온화 전압, 양성자이온(proton ion), 전자이온(electron ion), 양성자이온이 전자이온을 잡아 형성한 양성자-전자쌍, 각궤도속도거리적 법칙(The law of velocity distance product at shell orbit), 밴드갭(band gap)이론, 가전자대(valence band), 전도대(conduction band), 원자가전자(valence electron),정전기장 분포(static field distribution),플라스마(plasma), 쿠롬력(Coulomb force), 로렌츠(Lorentz) 힘 공식(force equation), 러더포드(Rutherford)원자모델,가우스(Gauss) 법칙,전기력선(electric flux), n-type 반도체, p-type 반도체,p-n 접합부(junction),음극(cathode),양극(anode),인가 전압, 정공(hole), 퀀텀우물(Quantum Well), 퀀텀장애물(Quantum Barrier)

Description

원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법 {Methods for designing and manufacturing devices that force atoms to emit spectrums}
본 발명은 전자에게 에너지를 공급하여 전자가 공급받은 에너지를 스펙트럼으로 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 이론인 밴드갭(band gap) 이론을 아래에 있는 그림으로 설명하면 DC 전압의 양극을 p-type 반도체에, 음극을 n-type 반도체에 연결하면 n-type 반도체의 전도대(conduction band)에 있던 전자(속이 찬 공으로 표현 됨)가 인가된 전압에 의해 힘을 받아 p-type 반도체와의 접합부(junction)를 지나 p-type 반도체를 통과하여 양극으로 이동하고,p-type 반도체의 가전자대(價電子帶,valence band)에 있던 정공(正孔,hole)(속이 빈 공으로 표현 됨)은 p-n 접합부로 이동하여 전자와 정공이 재결합(recombination)할 때 전자의 에너지밴드갭이 스펙트럼으로 방사된다고 설명하고 있다.
Figure 112013503074131-pat00001
그리고 위에서 설명한 밴드갭이론을 기초로 개발되어 생산되고 있는 초자외선(UV)발광다이오드(LED)의 한 예를 아래 그림에서 살펴보면,
Figure 112013503074131-pat00011
발광다이오드의 파장을400nm에서250nm까지 줄이기 위해 두께가 1.5nm인 Al 0.62 Ga 0.38 N 3 개 층 사이에 두께가 6nm 인 Al 0.77 Ga 0.23 N 두 개를 끼워 넣은 다중퀀텀우물(multiple quantum well)과 두께가 4nm 인 Al 0.95 Ga 0.05 N:Mg 5 개 층 사이에 두께가 2nm 인 Al 0.77 Ga 0.23 N:Mg 4 개를 끼워 넣은 다중퀀텀장애벽(multiple quantum barrier)을쌓았다.
양자역학에서 퀀텀우물과 퀀텀장애벽이 발광 다이오드의 파장을 줄이는 원인을 설명하는 논리를 보면 1970 년 에사키(Esaki)와 쭈(Tsu)가 두께가 1nm=10Å 인 반도체를 다른 두 개의 반도체 기판 사이에 끼워 넣었더니 반도체의 도전대(conduction band)의 최저점(minima)을 높여 주어 전자의 밴드갭이 커지는 현상을 발견한 이래 여러 가지 방법으로 퀀텀우물을 개발하여 다양한 방법으로 사용하고 있다고 한다.
그리고 그러한 퀀텀우물과 퀀텀장애벽을 만들면 아래의 그림과 같이 전자가 통과하는 경로에 전위차우물(potential well)이 만들어져 통과하는 전자의 에너지 밴드갭이 커진다고 한다.
Figure 112013503074131-pat00003
그러나 위 그림과 같은 설명 방법은 가장 단순한 수소원자의 경우를 보더라도 양성자의 질량이 전자의 1,836 배가 되고 양성자와 전자 사이에 작용하는 중력은 쿠롬력(Coulomb force)에 비해 4.418×10-40에 지나지 않으므로 자연 상태에서 전자는 반드시 양성자에게 잡혀있어 위 그림에서와 같은 전위차 우물은 양성자와의 관계에서 이루어져야 하므로 그 설명논리도 양성자와의 관계를 도외시할 수 없는데도 불구하고 전혀 고려하지 않고 있다는데 문제가 있다.
다시 말해서 인가된 DC 전압 또는 퀀텀우물의 구조가 전자의 밴드갭 에너지와 어떤 관계에 있는지를 과학적으로 설명하려면 양성자와의 관계를 고려해야 할 터인데 그저 막연하게 수nm두께의 지극히 얇은 반도체층을 여러 개 겹쳐놓으면 각층을 지날 때 마다 전자가위 그림과 같은 전위차 우물 속에 빠졌다가 나오기 때문에 LED 의 p-n 접합부(junction)를 통과하는 전자의 밴드갭에너지를 높여준다고 설명하고 있다.
그 결과 전 쪽 그림에 있는 초자외선 발광다이오드의 구조도(構造圖)에서 보는 바와 같이 무려 17 개 층의 얇은 반도체 층을 겹쳐 쌓는 복잡한 제조공정을 거치는 어려움을 감수하고 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이며, 본 발명에서 문제를 제기한 기존의 밴드갭 이론은 가전자대(價電子帶, valence band)에 있는 전자가 전도대(電導帶, conduction band)로 이동할 때 에너지준위의 차이를 스펙트럼으로 방사한다는 것으로 1913 년 보어(Bohr)가 발표한 광자(photon) 발생론에 그 근거를 두고 있다.
그러나 보어(Bohr)는;
첫째, 수소가스등에서 이온화 전압이 13.6 볼트인 수소원자는 양극에 인가된 수 천 볼트의 DC 전압으로 말미암아 이온화 된다는 사실을 몰랐다.
둘째, 양성자-전자쌍(P 0 e 0)인 수소원자 속에 있는 전자(e 0)는 모든 전기력선을 양성자(P 0)에게 잡혀서 각궤도(殼軌道)상에서 회전하고 있어 독자적으로 스펙트럼을 방사할 수 없다는 사실도 몰랐다.
셋째, 스펙트럼이 방사되려면 양성자(P 0)에게 잡혀 있던 전자(e 0)가 이온화되어 전자이온(e -)이 되는 순간 지니고 있던 운동에너지를 스펙트럼으로 방사한다는 사실도 몰랐다.
넷째, 전자(e 0)가 각궤도를 벗어나면 전자이온(e -)이 되어 양성자(P 0)를 중심으로 일정한 거리에서 궤도를 회전할 수 없는 전자이온(e -)이 된다는 사실도 몰랐다.
다섯째, 양성자-전자쌍(P 0 e 0)인 수소원자의 각궤도 밖에 설정한 양자화 궤도는 가상적인 것이지 실제로는 있을 수 없다는 것을 몰랐다,
여섯째, 각궤도 밖 먼 궤도에 있는 전자가 가까이 있는 궤도로 점프할 때 무슨 힘으로 점프하는지 몰랐다,
일곱째, 전자가 궤도를 회전하는 동안 전자는 양성자에게 잡혀있기 때문에 전자가 운동에너지를 방사할 수 없는데도 전자가 에너지준위 차이를 방사한 것이 광자(photon) 또는 스펙트럼이 된다는 착각을 한 것이어서 스펙트럼이 발생하는 현상을 바르게 설명하지 못한 것이다.
본 발명에서는 상기한 보어의 광자(photon) 발생론이 안고 있는 위와 같은 문제를 해결하기 위해서 러더포드(Rutherford) 원자모델에 가우스 법칙(Gauss's law)을 적용한 결과 원자 속에 양성자와 전자가 많이 있다 하더라도 각각 쌍을 이루어 가지고 있는 모든 전기력선을 동원하여 서로 꽉 잡고 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)을 이루고 있음을 입증한 다음 그 양성자-전자쌍 이론을 수소가스등에서 방사하는 수소 스펙트럼의 파장을 정확하게 계산하는 리드버그 공식(Rydberg formula){κ=R H (1/n 2-1/j 2)}속에 있는 정수 j와n의 의미를 해석한 결과;
(1) 수소가스등의 양극과 음극 사이에 인가한 수 천 볼트(volts)가 되는 DC 전압이 수소가스등 내에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)인 수소원자를 이온화 시켜 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11)이 생성되므로 수소가스등에서 스펙트럼이 방사되는 것은 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11)사이에서 일어나는 현상이라는 것,
(2) 리드버그 공식 속에 있는 정수 j는 양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)까지의 거리(r j )와 전자이온의 속도(v j )를 곱한 속도거리적(v j r j )(13)이 수소원자의 각궤도 상에서 회전할 때 전자까지의 거리(r l)와 전자의 속도(v l)를 곱한 각궤도속도거리적(殼軌道速度距離積,v l r l)(16)의j배(v j r j =jv l r l) 일 때 그 전자이온(e -)(11)을 잡아 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)을 이룬다는 것.{양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡으면 양성자이온(P +)(10)이 모든 전기력선을 동원하여 전자이온(e -)(11)을 잡기 때문에 잡는 순간 양성자(P 0)와 전자(e 0)가 되어 쌍을 이루지만 전자(e 0)가 각궤도에 진입하지 않은 상태에 있어 양성자(P 0)가 전자(e 0)를 잡아 각궤도로 끌고 오는 상태에 있으므로 비록 쌍을 이루기는 했으나 완전한 양성자-전자쌍(P 0 e 0)을 이루지 못하고 양성자(P 0)가 전자(e 0)를 잡아 끌고 가는 상태이므로 이를 표시하기 위해서 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)으로 표기한 것임}
(3) 리드버그 공식 속에 있는 정수 n는 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)속에서 양성자(P 0)가 전자(e 0)를 각궤도까지 끌고 오는 도중에 양성자로부터 전자까지의 거리(r n )와 전자의 속도(v n )를 곱한 속도거리적(v n r n )(14)이 수소원자의 각궤도속도거리적(v l r l)(16)의 n배(v n r n =nv l r l) 일 때 다시 이온화되었음을 의미한다는 것,
(4) 전자이온(e -)이 양성자이온(P +)에게 잡힌 거리(r j )에서 다시 이온화 된 거리(r n )까지 끌려 오는 동안 양성자로부터 받은 운동에너지
Figure 112013503074131-pat00012
를 방사한 것이 스펙트럼이 된다는 것이다.
이 결과를 사용하여 수소가스등에서 방사되는 스펙트럼의 파장을 다음 쪽에 계산하였다.
Figure 112014122223191-pat00013
위에 있는 표는 새로이 발견한 양성자-전자쌍 이론과 각궤도속도거리적 법칙이 실험으로 검증된 수소가스등에서 방사하는 스펙트럼을 과학적인 방법으로 정확하게 계산한다는 증거가 되므로 양성자-전자쌍 이론과 각궤도속도거리적 법칙의 진실성이 입증된 것이다.
그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수소가스등에서 수소원자가 방사하는 스펙트럼을 정확하게 계산한 양성자-전자쌍 이론과 각궤도속도거리적 법칙을 다른 원자를 사용한 스펙트럼 발생기구를 설계하고 제조하는데 적용하여 원하는 스펙트럼 발생기구의 개발을 용이하게 하고 그 성능과 품질을 높이며 제조원가를 절감하는 것이다.
본 발명은 밴드갭 이론의 한계가 그 근거가 되는 보어(Bohr)의 광자(photon) 발생론이 태생적으로 모순이기 때문이라는 사실에 착안하여 보어의 광자 발생론의 모순을 찾아 바로잡은 결과를 원자에서 스펙트럼을 발생하게 하는 기구의 설계와 제조에 반영한 것이다.
이 과정에서 새로운 원자모델인 양성자-전자쌍 이론을 수소가스등에서 방사되는 스펙트럼을 계산하는 리드버그 공식(Rydberg formula){κ=R H (1/n 2-1/j 2)}에 적용하여 그 공식 속에 있는 정수n, j가 어떤 의미인가를 분석한 결과 실제로 전자가 에너지를 어디에서 어떻게 획득하여 어떤 조건에서 스펙트럼을 방사하는가를 과학적으로 정확하게 규명할 수 있게 되었기 때문에 임의의 원자로부터 스펙트럼을 발생하게 하는 기구를 설계하여 제조할 수 있게 된 것이다.
이제 새로이 발견한 원자모델인 양성자-전자쌍이론에 근거한 스펙트럼 발생이론인 각궤도속도거리적 법칙을 적용하는 경우와 종래의 스펙트럼 발생이론인 밴드갭(Band Gap)이론을 적용하는 경우를 아래에 있는 표에서 항목별로 비교하였다.
밴드갭이론과 각궤도속도거리적 법칙 비교
Figure 112013503074131-pat00005
위 표에서 각궤도속도거리적 법칙을 사용하는 본 발명의 효과는 밴드갭(Band Gap) 이론에 의존하는 종래의 기술에 비해 월등하다는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로 설명한다면 밴드갭 이론으로는 원자가 어떤 파장의 스펙트럼을 발생할 수 있는지 사전에 예측할 수 없고 스펙트럼이 발생되는 조건을 과학적으로 규명하지 못하기 때문에 스펙트럼 발생 기구를 설계하려 해도 설계 관련 구체적인 제원을 제공하지 못하므로 발생 가능한 스펙트럼의 수가 극히 제한적이며 품질관리와 성능 개선 및 제조원가 절감을 위한 이론을 제공하지 못한다.
이에 비하여 각궤도속도거리적 법칙을 사용한 본 발명은 원자로 하여금 발생하게 할 수 있는 스펙트럼을 계산하여 각각의 스펙트럼을 발생하게 하려면 어떤 조건을 만들어 주어야 하는지 미리 알 수 있으며, 어떤 원자이던지 그 원자가 발생하게 할 수 있는 무수히 많은 스펙트럼 가운데 원하는 파장의 스펙트럼을 선정하여 그 원자가 그 스펙트럼을 발생하도록 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법을 알아내어 설계와 제조과정에 적용할 수 있으므로 신제품의 개발을 용이하게 할 뿐만 아니라 기존 생산공정에 적용하는 경우 품질관리와 성능 개선 및 제조원가 절감을 하기 위한 과학적인 이론을 제공하는 성과를 거둔 것이다.
따라서 본 발명은 종래의 이론과 기술이 지니고 있는 한계를 완전히 해소하여 합리적으로 스펙트럼발생 기구를 설계하고 제조하게 해주어 신제품의 개발을 용이하게 하면서 그 성능과 품질을 개선하고 제조원가를 절감하게 해주는 효과를 기대할 수 있다.
특히 본 발명의 한 실시 예로서 위에서 예시한 파장이 250nm이하가 되는 초자외선 발광 다이오드를 Ga 원자 한가지 만을 사용하여 설계한 경우는 불과 4 개의 매우 단순한 반도체 층을 가지고 Ga 원자 하나에서 파장이 211.2∼275.6nm가 되는 스펙트럼을 발생하게 할 수 있었다. 이에 비하여 종래의 기술로 설계하여 제조한 경우는 무려 17 개 층의 반도체 층을 정밀하게 쌓아서 제조하고 있다는 사실과 비교할 때 본 발명의 효과가 가히 혁명적이라는 것을 입증하고도 남는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 발생기구 설계공정의 흐름도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 초자외선 방사기구 구조의 개략도,
도 3 은 양극과 음극 사이에 있는 4개의 반도체 층의 기능 설명도
[발명의 구성]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 본 발명을 가능하게 한 새로운 발견[원자를 구성하고 있는 양성자와 전자의 수가 많은 경우에도 수소원자와 같이 양성자와 전자가 쌍을 이루고 각각 가지고 있는 모든 전기력선을 동원하여 서로를 잡고 있는 양성자-전자쌍으로 구성되어 있어서 원자의 이온화 전압(V ion )이 그 원자에 인가되면 그 원자의 외각(外殼)에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)을 이온화 시켜 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e - )(11)이 되게 한다는 것을 수소가스등에서 방사되는 스펙트럼의 파장을 정확하게 예측하는 리드버그공식(Rydberg formula){κ=R H (1/n 2-1/j 2)} 속에 있는 두 정수n과j의 의미를 해석하는데 적용한 결과 양성자가 각궤도속도거리적법칙을 지키기 때문에 스펙트럼이 발생된다]을 다른 원자에게 적용하여 스펙트럼을 발생하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법을 획기적으로 개선한 것을 특징으로 한다.
본 발명의제 2 특징에 따르면, 본 발명을 가능하게 한 새로운 발견[원자의 이온화전압(V ion )을 사용하여 그 원자의 외각에 있는 스펙트럼을 방사하는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 각궤도에서 회전하던 전자(e 0)의속도(v l)는 식(
Figure 112013503074131-pat00014
)에서, 양성자까지의 거리(r l)는 식(r l=q/8πε 0 V ion )에서 계산한다]을 사용하여 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 각궤도에서 회전하는 전자의 속도(v l)와 양성자까지의 거리(r l)를 산출하는 방법을 제 제공하는 것 특징으로 한다.
본 발명의제 3 특징에 따르면, 본 발명을 능하게 한 새로운 발견[원자가 이온화된 후, 생성된 양성자이온(P +)(10)이 음극으로 끌려가다가 마주치는 전자이온(e -)(11)까지 거리(r)와 전자이온(e -)(11)의 속도(v)를 감지하여 그 둘을 곱한 전자의 속도거리적(速度距離積,vr)이 각궤도(殼軌道)에서 전자의 속도(v l)와 양성자까지 거리(r l)를 곱한 각궤도속도거리적(v l r l)(16)의 정수배가 되는지 판단하여 정수배가 되는 전자이온(e -)(11)만 잡는다는 각궤도속도거리적 법칙(法則)을 지킨다]는 사실을 활용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4 특징에 따르면, 본 발명을 가능하게 한 새로운 발견[양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡아 각궤도에 진입시킬 때 각궤도속도거리적(v l r l)(16)의 정수배가 되는 위치를 점프하는 경로를 따른다]는 사실을 활용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 5 특징에 따르면, 본 발명을 가능하게 한 새로운 발견[원자의 외각에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)이 이온화되어 생성된 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11) 및 양성자이온(P +)이 전자이온(e -)을 잡아 각궤도로 진입시키는 과정에 있는 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)이 혼재하는 플라스마구역(5)이 생성된다]는 사실을 원자에서 스펙트럼을 발생시키는 기구를 설계하고 제조하는 방법에 활용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 6 특징에 따르면, 본 발명을 가능하게 한 새로운 발견[플라스마구역(5) 내부에 형성하는 정전기장의 분포가 원자에서 원하는 파장의 스펙트럼을 발생하게 하는데 영향을 준다]을 활용하여 플라스마구역(5) 내부의 정전기장 분포를 최적화하여 스펙트럼발생기구의 효율을 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 7 특징에 따르면, 본 발명은, 상기한 플라스마구역(5)에서 정전기장 분포를 최적화하기 위해서 스펙트럼발생기구 속에 있는 발광원자의 분포밀도를 음극과의 접촉면에서부터 양극과의 접촉면에까지 다르게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 8 특징에 따르면, 본 발명은 실제 제품의 시험제조에 착수하기 전에 도상에서 모의작동을 실시하여 개발과정에서의 시행착오를 줄이는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스펙트럼발생기구의 설계와 제조 방법은, 실험적으로 검증된 수소가스등에서의 스펙트럼이 발생하는 원리를 과학적으로 파악한 사실에 근거한 것이므로 설계공정을 합리화 할수 있을 뿐만 아니라, 제품의 성능과 품질의 안정화 및 고도화를 도모 할수 있도록 한다는 특징을 가지고 있다.
상기 본 발명의 특징을 구현한 일실시예를 도 1 을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, Ga 원자를 스펙트럼을 발생하는 원자로 선택하였다.
그 다음 Ga 원자의 이온화 전압(V ion )이 5.999volts라는 사실을 이용하여 Ga 원자의 최 외각 각궤도에서 회전하는 전자의 속도(v l) 와 양성자까지의 거리(r l)를 식(
Figure 112013503074131-pat00015
)과 식(r l=q/8πε 0 V ion )에 대입하여 계산한다(S1).
그 다음 각궤도속도거리적(v l r l)의 n(1≤n≤7)배 되는 위치에서 전자의 속도(v n )와 양성자까지 거리(r n ),속도거리적(v n r n ) 및 이온화 전압(V ion )을 아래 표와 같이 계산한다(S2).
Figure 112013503074131-pat00006
위 표는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)이 이온화 되어 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11)으로 분리된 후 양성자이온(P +)(10)은 전자이온(e -)(11)을 다시 잡아 본래의 양성자-전자쌍(P 0 e 0)을 만들려는 의도를 가지고 마주치는 전자이온(e -)(11)의 속도(v)와 거리(r)를 곱한 속도거리적(vr)을 감지하여 본래 각궤도에서의 전자의 속도거리적 즉각 궤도속도거리적(v l r l)(16)의 정수 배가 되는 경우에만 그 전자이온(e -)을 잡는다는 각궤도속도거리적 법칙을 적용하여 만든 표이다.
위 표에 좌측에서 세 번째 줄에 각 위치에서의 전자의 속도(v n )값은 식(v n =v l/n)을 사용하여 계산하고 네 번째 줄에 있는 전자의 거리(r n ) 값은 식(r n =n 2 r l)에 의해 계산한다.
예컨데 양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡는 위치인n값이 3 이면 전자이온(e -)의 속도(v 3)는 식(v 3=v 1/3)에서 결정되고, 거리(r 3)는 식(r 3=32 r l)에 의해 계산된다.다시 말해서 양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 n=3위치에서 잡았다는 것은 전자이온(e -)(11)의 속도가 각궤도에서의 전자의 속도(v l)의 3 분지 1 이고 각궤도에서 전자까지의 거리(r l)의 9 배가 되는 순간에 잡았다는 것을 의미한다.
다음에는 Ga 원자에서 발생 가능한 스펙트럼의 파장(λ), 주파수(v), 양성자이온(P +)이 전자이온(e -)을 잡는 위치r j ,양성자전자쌍(P 0←e 0)속에서 양성자가 전자를 당긴 거리(j 2-n 2)r 1,양성자이온(P +)이 잡는 전자이온(e -)의 속도를 아래에 있는 표와 같이 계산(S3)한다.
Figure 112014122223191-pat00022

예컨대 전 쪽에 있는 표에서 Ga 원자에서 발생하게 할 수 있는 여러 스펙트럼 가운데 파장이 232.8nm가 되는 스펙트럼을 선택했다고 가정하면 전 쪽에 있는 표에서 양성자이온(P +)(10)이 거리가 1.079nm 되는 j=3위치에서 속도 v e =4.839×10+5 m/sec인 전자이온(e -)을 잡아 각궤도(n=1)까지 끌고 와야 한다는 것을 읽고(S4), n-type 반도체에서 방출되는 전자이온(e -)(11)의 속도(v e )가 위의 표에서 주어진 바와 같이 양성자이온(P +)에서 r 3=1.079nm인 위치에서 v e =4.839×10+5 m/sec가 되도록 인가전압(V α )과 p-type 반도체의 두께 및 이온화 되는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)의 위치를 조정한다(S5).
양성자이온( P + )(10)이 거리가 1.079nm 되는 j=3 위치에서 속도 v e =4.839×10+5 m/sec인 전자이온(e -)을 잡아 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)을 이룬 후 전자(e 0)를 각궤도(n=1)까지 이온화 되지 않고 끌고 오도록 하기 위해서 플라스마 구역(5) 안에서 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)에게1.5volts이상의 전압이 걸리지 않도록 정전기장 분포를 조정하여 스펙트럼 발생 기구의 최적 구조가 되도록 설계하고 제조하는 방법을 결정(S6)한다.
도 2 는 스펙트럼 발생기구에서 스펙트럼을 발생하는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)이 이온화된 후양성자이온(P +)(10)이 음극(2)로 끌려 오다가 n-type 반도체기판(4)으로부터 방출되는 전자이온(e -)(11)이 양극(1)과 음극(2) 사이에 인가된 전압(19)에 의해 가속되어 속도(v j )가 되고 양성자이온(P +)(10)으로부터 거리(r j )가 되었을 때 양성자이온(P +)(10)에게 잡혀 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)을 이룬 다음 양성자(P 0)가 전자를 n위치까지 끌고 오다가 다시 이온화되어 스펙트럼(20)을 방사하는 과정을 그림으로 설명한 것이다.
특히 양성자이온(P +)(10)은 전자이온(e -)(11)의 속도거리적(v j r j )이 각궤도속도거리적(v l r l)의 정수(j)배(v j r j =jv l r l)(13)가 성립하는 순간 전자이온(e -)(11)을 잡는다는 것과, 양성자전자쌍(P 0←e 0)(12)이 다시 이온화 되는 n위치에서도 전자의 속도거리적(v n r n )이 각궤도속도거리적(v l r l)의 정수(n)배(v n r n =nv l r l)(14)가 되는 순간에 이온화되어 양성자(P 0)에게 잡혀있던 전자(e 0)가 풀려나 전자이온(e -)(11)이 되면서 스펙트럼(20)을 방사한다는 것을 설명하였고, 또한 n-type 반도체기판(4)가까운 곳에 플라스마(5)가 형성되는 구역을 점선으로 표시하였다.
도 3 에서는 스펙트럼을 발생하는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)을 포함하고 있는 반도체기판(7)을 두 실리콘기판(3-1)과 (3-2) 사이에 끼워 넣어 정전기장의 분포가 한편으로는 발광 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)이 이온화 되도록 하면서 다른 한 편으로는 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)이 원하는 위치(n)에서 다시 이온화 되도록 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11) 및 양성자-전자쌍(12)이 혼재하는 플라스마구역(5)속에서의 정전기장의 분포(
Figure 112014122223191-pat00023
)를 조정할 수 있도록 하였다.
n-type 반도체(4)에서 방출되는 전자이온의 운동속도는 음극에서 멀어질수록 빨라지므로 n-type 반도체(4)의 두께를 얇게 하여 전자이온(e -)(11)의 속도가 양극에 인가된 전압(19)의 가속을 받아 너무 빨라져 양성자이온( P + )(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡지 못하는 사태가 발생하지 않도록 하였다.
또한 Ga 원자의 가전자대에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)이 집중되어있는 반도체 기판(7)을 n-type 반도체(4)로부터 적절한 거리를 두도록 하기 위하여 실리콘(Silicon)기판(3-2)을 사이에 끼워 넣어 한 편으로는 플라스마구역(5)에서 발광 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 밀도를 줄이고 다른 한 편으로는 양성자이온(P +)(10)이 원하는 위치에서 전자이온(e -)(11)을 잡도록 플라스마 구역(5) 안에서 정전기장 분포(
Figure 112014122223191-pat00024
)를 조정하여 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)이 원하는 위치에서 다시 이온화 되도록 하였다.
1: 양극(Anode) 2: 음극(Cathode)
3: n-type 반도체 4: 실리콘(Silicon)기판
5: 플라스마구역 6: Ga 원자의 외각양성자-전자쌍:P 0 e 0
7: Ga 원자가 첨가된 기판 8: 양성자: P 0
9: 전자: e 0 10: 양성자이온: P +
11: 전자이온: e - 12: 재결합한양성자-전자쌍: P 0←e 0
13: j 位置속도거리적:v j r j 14: n 위치속도서리적:v n r n
15: 속도거리적: vr 16: 각궤도속도거리적:v l r l
17: 음극과 양극 사이 거리:D 18: Ga 원자와 음극 사이 거리: d
19: 인가전압: V α 20: 스펙트럼

Claims (6)

  1. 원자로부터 스펙트럼을 발생시키는 도구의 설계 및 제조 방법에 있어서
    첫 번째 새로운 발견[원자의 이온화전압(Vion )이 그 원자에 인가되면 그 원자의 외각(外殼)에 있는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)을 이온화 시켜 양성자이온(P +)(10)과 전자이온(e -)(11)이 되게 한다는 것과 이온화 되는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 각궤도에서 회전하는 전자(e 0)의 속도(v l)는 식(
    Figure 112014122223191-pat00017
    )에서 계산하고 양성자까지의 거리(r l)는 식(r l=q/8πε 0 Vion )에서 계산한다]을 사용하여 스펙트럼을 방사하는 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의각궤도에서 전자의 속도(v l)와 양성자까지의 거리(r l)를 계산하는 제 1 단계;
    두 번째 새로운 발견[양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡을 때 양성자이온(P +)(10)은 전자이온(e -)(11)의 속도거리적을 감지하여 각궤도속도거리적(v l r l)(16)의 정수 j배가 되는 속도거리적(vjrj =jv l r l)(13)상태에 있는 전자이온(e -)(11) 만을 잡아 양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)을 이룬 다음 그 속에서 양성자(P 0)가 전자(e 0)를 각궤도로 진입시키는 과정에서 다시 이온화 되는 위치도 각궤도속도거리적(v l r l)(16)의 정수 n배가 되는 속도거리적(vnrn =nv l r l(14)인 위치에서 이온화된다는 각궤도속도거리적 법칙]을 적용하여 전자의 속도(vn )는 식(vn =v l/n)에 의해서, 양성자까지 거리(rn )는 식(rn =n 2 r l)에 의해서, 이온화 전압(Vion )은 식(
    Figure 112014122223191-pat00018
    )에서 계산하는 제 2 단계;
    세 번째 발견[원자에서 발생 가능한 스펙트럼의 파장( λ )은 식(λ=1/GW ( j,n ),G=2.5167×1024 m -1 j -1)과 식(
    Figure 112014122223191-pat00019
    )에 의해서 결정된다]을 사용하여 스펙트럼의 파장(λ)을 계산하고, 주파수(
    Figure 112014122223191-pat00020
    )는 식(
    Figure 112014122223191-pat00021
    =c/λ ,c=108 m/sec)에서, 양성자이온(P +)이 전자이온(e -)을 잡은 위치(rj )는 식(rj =j 2 r l)에서, 양성자가 잡은 전자를 당긴 거리는 식((j 2-n 2)r l)에서, 양성자이온(P +)에게 잡힌 전자의 속도(ve )는 식(ve =v l/j)에서 계산하는 제 3 단계;
    양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)에서 발생시킬 스펙트럼의 파장과 양성자이온(P +)(10)이 전자이온(e -)(11)을 잡는 위치(rj )는 식(rj =j 2 r l)에서, 잡힌 전자의 속도(ve )는 식(ve =v l/j)에서, 잡힌 전자(e 0)가 다시 이온화 되는 위치(rn )는 식(rn =n 2 r l)에서 파악하는 제 4 단계;
    음극(2)에서 방출되어 양극(1)으로 끌려 가는 전자이온(e -)(11)의 속도를 양성자이온(P +)(10)이 잡을 수 있는 속도가 되도록 인가전압(19)과 실리콘 기판(7)의 두께와 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 위치를 결정하는 제 5 단계;
    양성자-전자쌍(P 0←e 0)(12)속에서 전자(e 0)가 양성자에게 끌려 오다가 선택한 위치(n)에서 이온화 되게 하기 위하여 양성자-전자쌍(P 0←e 0)이 이온화되는 위치 및 플라스마 구역(5)내 정전기장 분포(
    Figure 112014122223191-pat00025
    )를 조정하여 스펙트럼 발생 기구의 최적 구조와 제조방법을 결정하는 제 6 단계;를 포함하는 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스펙트럼을 발생할 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)을 포함하는 반도체 기판(7)을 한 가지가 아닌 다양한 첨가원자를 혼합하여 제조함으로써 각각의 원자에서 특정한 스펙트럼을 발생하게 하는 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    양성자전자쌍(P 0←e 0)(12)이 양성자이온(P +)(10)에서 먼 j=7위치에서 전자이온을 잡아 n=6 위치에서 이온화되도록 인가전압(19)을 조정하거나 두 개의 실리콘(silicon) 기판을 사용하여 발생하는 스펙트럼의 파장을 늘리기 위한 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    양성자전자쌍(P 0←e 0)(12)이 양성자이온(P +)(10)에서 먼 j>7위치에서 형성되고 전자(e 0)가 반드시 각궤도에 진입한 직후 다시 이온화되도록 하기 위하여 인가전압(19)과 양성자-전자쌍(P 0 e 0)(6)의 위치 및 두 개의 실리콘(silicon)기판(3-1, 3-2)의 두께를 조정하거나 다른 반도체구조물을 사용하여 스펙트럼의 파장을 최대한 짧게 줄이기 위한 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    원자의 원자가전자(valence electron)의 밴드갭(Band Gap) 에너지를 아는 경우 밴드갭 에너지를 이온화 전압으로 간주하여 제 1 항에서 정한 방법과 절차에 따라 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    양극에 인가하는 전압(19)의 변환이 이온화되는 원자(6)를 바꾸어 스펙트럼 발생기구에서 방사하는 스펙트럼의 파장을 변환하는 원자가 스펙트럼을 방사하게 하는 기구를 설계하고 제조하는 방법.
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