KR101867054B1 - 칩 스케일 원자시계 - Google Patents

Abstract

기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 원자시계 물리부가 제공된다. 상기 물리부는 상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며, 상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며, 상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며, 상기 금속배선은 상기 현수프레임의 지지부의 최외곽면까지 연장되어 외부 전원 공급 배선과 연결되는 구성을 가진다.

Description

칩 스케일 원자시계{chip-scale atomic clock}

본 발명은 칩 스케일 원자시계 (chip-scale atomic devices)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 칩 스케일 원자시계에 있어서, 원자의 에너지 레벨 변화를 감지하기 위한 물리부의 구성에 관한 것이다.

원자시계는 원자의 자연 공진 주파수에 의해 지배되는 전자 타이밍 기기이다. 다양한 형태의 원자시계가 있지만, 그들의 기본적 원리는 시간에 대해 극히 안정적인 하나의 주파수에서 전자기 방사를 흡수하고 방출하도록 적절한 환경에서 설정된 원자의 양자화된 에너지 레벨 변화를 이용한다. 본 기술분야의 원자시계는 제1족 원소, 특히 세슘(Cesium)이나 루비듐(Rubidium)의 알칼리 원소를 이용한 원자시계를 포함한다.

원자의 에너지 레벨 변화 및 감지하기 위한 장치인 물리부는 원자시계의 핵심 장치이며, 외부와 격리된 공간에서 광학 요소와 알칼리 원소를 포함한 증기셀 및 증기셀의 자기장 및 온도 제어 기능을 포함한다. 원자시계의 적절한 작동을 위해, 알칼리 증기셀의 온도는 정확하게 제어되는 것이 필요하다. 바람직하게, 원자시계는 그 안정한 작동을 용이하게 하도록 물리부와 외부의 열전도성을 최소화하는 사실상 열 격리 상태로 유지되어야 한다. 더욱이, 물리부의 외부 자기 영향을 줄이기 위해 고투자율의 재료를 이용한 자기자폐 역시 필요하다. 그리고 일정한 정자장을 통해 안정적인 공진 주파수를 얻는 것 이 필요하다.

본 발명은 높은 열저항을 가지며 높은 외부 자기에 대한 차폐능을 가지면서도 소형으로 제작할 수 있는 패키징 구조를 가지는 원자시계 물리부의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 원자시계 물리부가 제공된다.

구체적으로 상기 물리부는 상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며, 상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며, 상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며, 상기 금속배선은 상기 현수프레임의 지지부의 최외곽면까지 연장되어 외부 전원 공급 배선과 연결되는 구성을 가진다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 물리부는 상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며, 상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며, 상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며, 상기 유연기판은 일 단부가 연장되어 상기 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함하며, 상기 배선연장부는 상기 연결관통부 내부에 삽입되고 상기 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결되는 구성을 가진다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 상기 물리부는 상기 지지부 각각에 형성된 제 1 관통영역 및 제 2 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 제 1 연결관통부 및 제 2 연결관통부; 및 상기 제 1 연결관통부의 내부에 배치된 자기차폐막;을 포함하고, 상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며, 상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며, 상기 유연기판은 일 단부가 연장되어 상기 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함하며, 상기 배선연장부는 상기 제 2 연결관통부 내부에 삽입되고 상기 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결되는 구성을 가진다.

본 발명의 변형될 실시예로서, 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상은 자기차폐층을 포함하는 칩 스케일 원자시계의 물리부가 제공된다.

본 발명의 변형될 실시예로서, 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상에는 적층형 코일이 배치되는 칩 스케일 원자시계의 물리부가 제공된다.

상기 상기 유연기판은 고분자 기판의 일면에 금속층이 형성된 것일 수 있으며, 예를 들어 연성동박적층판(FCCL)을 포함할 수 있다.

상기 자기차폐막은 Fe, Ni 및 Co을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.

상기 금속배선과 연결되는 외부 전원 공급 배선은 상기 지지부의 최외각면에 형성된 트렌치 내부에 전도성 물질이 도포되거나 매립된 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 상술한 칩 스케일 원자시계의 물리부를 포함하는, 칩 스케일 원자시계가 제공된다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 의하면 우수한 열안정성과 자기차폐능을 가지면서도 종래에 비해 경제적으로 소형화가 가능하면서도 물리적으로 강한 물리부 및 이를 포함한 원자시계를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 물리부의 단면도 이고, 도 2는 동 실시예의 사시단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 물리부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 물리부의 단면도 이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 사용된 기판의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 사용되는 기판으로서 자기차폐층을 가지는 기판의 구조를 나타내는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 물리부의 단면도가 나타나 있으며, 도 2에는 사시단면도가 나타나 있다. 본 발명의 제 1 실시예를 따르는 물리부는 동작에 필요한 구성 소자들이 현수프레임 상에 장착되는 구조를 가진다. 상기 현수프레임은 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진다. 경우에 따라 장착될 소자가 없을 경우에는 기판이 없이 지지부로만 이루어 질 수도 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 물리부(100)는 복수 개의 현수프레임(101, 103, 105, 107, 109, 111)을 포함한다. 각 현수프레임의 기판에는 기 설계된 대로 필요한 소자들이 장착되며, 기판은 중공형으로서 기판의 단부를 지지하는 일면을 가진 지지부에 의해 지지된다. 예를 들어, 도 1의 물리부(100)의 최하부의 현수프레임(101)은 지지부(101a) 및 지지부(101a)의 상면에 의해 단부가 지지되어 지지부(101a) 높이만큼 현수되는 기판(101b)로 이루어진다.

복수 개의 현수프레임들은 대략 기판(101)에 대해서 수직한 방향으로 적층 배열되는 구조를 가진다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 본 실시예의 물리부(100)의 경우에는 현수프레임(101, 103, 105, 107, 109, 111, 113, 115)은 하방에서 상방으로 순차적으로 적층되는 구조를 가진다.

물리부(100)는 기본적으로 광 발생부(122)와 광 발생부(122)로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀(119) 및 증기셀(119)로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부(118)를 구비한다.

상술한 광 발생부(122), 증기셀(119) 및 광 검출부(118)는 각각 제 1 현수프레임(101), 제 2 현수프레임(107) 및 제 3 현수프레임(111)의 기판(101b, 107b, 111b)의 상면 또는 하면에 장착된다. 도 1에서와 같이 제 2 현수프레임(107)은 제 1 현수프레임(101) 상부에 배치되며, 제 3 현수프레임(109)은 제 2 현수프레임(107)의 상부에 배치된다. 따라서 광 발생부(122), 증기셀(119) 및 광 검출부(118)는 상방향으로 일렬 배치되는 구성을 가진다.

광 발생부(122)는 레이저를 발생시킬 수 있는 소자로서, 예를 들어 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 다이오드와 같은 레이저 다이오드를 포함한다. 광 발생부(122)에서의 레이저 발생을 최적화 하기 위해서는 특정 온도 범위를 유지하는 것이 필요하다. 이에 따라 도 1과 같이, 선택적으로 광 발생부(122)가 장착된 기판(101a)의 반대 면에는 히터(123)가 추가로 장착될 수 있다.

증기셀(119)은 증기화된 알칼리 원자(예를 들어, 세슘(Cs)이나 루비듐(Rb))가 포함되어 있다. 알칼리 원자만 증기셀 내에 주입하고 광펌핑을 하게 되면 활성화된 원자가 증기셀 벽과 충돌을 일으키거나 빠른 이동에 따른 도플러 효과 등으로 인해 안정적인 주파수의 감지가 어렵게 된다. 따라서 알칼리 원자를 적절히 구속하기 위한 버퍼 가스를 같이 주입하게 된다.

증기셀(119)은 광 발생부(122)에서 조사된 레이저가 투과될 수 있도록 레이저가 입사되는 면에 투명한 재질, 예를 들어 유리로 이루어진 윈도우를 포함할 수 있다. 또한 상기 윈도우가 형성된 면의 반대 면에는 증기셀(119) 내부의 알칼리 원자의 에너지 레벨 변화에 따라 방출된 빛이 외부로 출사될 수 있도록 역시 투명한 재질의 윈도우가 형성될 수 있다.

광 검출부(118)는 증기셀(119)로부터 출사되는 광을 검출하는 장치로서, 예를 들어 광 다이오드(photo diode)를 포함할 수 있다.

광 발생부(122)에서 발생한 레이저(125)는 상 방향으로 조사되어 광 발생(122) 상부에 있는 증기셀(119)로 입사된다. 증기셀(119) 내부의 알칼리 원자는 입사된 레이저에 의해 에너지 레벨의 변화를 겪으면서 다시 광을 방출하게 되며, 이렇게 방출된 광은 증기셀(119) 상부에 배치된 광 검출부(118)에 의해 에너지 레벨의 변화가 검출된다.

선택적으로 광 발생부(122) 및 증기셀(119) 사이에는 광 발생부(122)로부터 발생된 선편광 (linear polarization)된 레이저를 원편광 (circular polarization)으로 바꾸기 위해 QWP(quarter wave plate)가 장착된 현수프레임(105)이 배치될 수 있다.

도 1의 기판 중 레이저(125)가 통과하는 경로에는 레이저(125)가 통과될 수 있도록 투명하거나 빈 공간으로 형성되어 있음은 자명하다. 다만, 발생된 레이저의 세기가 필요 이상으로 강할 경우, 레이저의 투과량을 감소 시켜줄 수 있는 ND 필터를 레이저가 통과하여 증기셀 (119)에 도달하는 경로에 포함 할 수 있다.

광 발생부로부터 방출된 특정 파장의 빛을 증기셀의 알칼리 원소가 흡수 및 방출하여 특정 주파수에서 공진하게 된다. 이러한 공진주파수는 매우 미약한 자기장에도 이동하기 때문에 지자기와 같은 외부 자기장의 자폐가 필요하다. 또한 공진주파수의 폭을 좁히기 위해서는 일정 수준의 정자장 역시 필요하다.

이를 위해 본 발명의 제 1 실시예에서는 자기차폐막을 효과적으로 배치하여 증기셀 부분이 외부 자기장으로부터 차폐되도록 구성한다. 도 1을 참조하면, 현수프레임(101 내지 115)의 지지부(101a 내지 115a)에는 상부면으로부터 하부의 반대면까지 지지부를 관통하여 빈 공간이 연장되는 관통영역(101c 내지 113c)이 형성되어 있다. 이러한 각 현수프레임의 관통영역(101c 내지 113c)은 서로 상하로 연결되어 최종적으로 가장 상부에 있는 현수프레임의 지지부로부터 가장 하부에 있는 현수프레임의 지지부까지 관통영역이 중단없이 연결되는 연결관통부를 형성한다. 이렇게 형성된 연결관통부 내부의 빈 공간에는 외부 자기장을 차폐할 수 있는 자기차폐막(116)이 배치된다.

도 1 및 도 2와 같이 자기차폐막(116)은 외부 자기장에 민감한 증기셀(119) 부분에 대한 차폐를 강화하기 위하여 증기셀(119)의 상부 및 하부를 모두 차폐할 수 있도록 물리부(100)의 최상부 및 최하부에도 배치될 수 있다. 따라서 제 1 실시예에 의할 시 자기차폐막(116)은 연결관통부내에 배치되어 증기셀(119)의 측면에서 외부 자기장을 차폐하고, 증기셀(119)의 상부 및 하부에 배치된 자기차폐막(116)에 의해 상부 및 하부로부터 유입되는 외부 자기장을 차폐할 수 있다.

자기차폐막(116)은 시트(sheet) 또는 포일(foil)형태를 가지는 금속재료로 이루어진 것일 수 있다. 자기차폐막(116)의 소재로는 Fe, Ni, Co 등 강자성체 금속원소를 포함하는 합금으로서, Fe-Si계 합금, Fe-Ni계 합금 등을 포함할 수 있다. Fe-Ni계 합금으로는 퍼멀로이(permalloy), 뮤 메탈(mu metal) 등을 포함할 수 있다.

한편 본 실시예에서는 추가적으로 증기셀에 일정량의 정자장을 가해주기 위하여 증기셀의 상부 및/또는 하부에 적층형 코일을 배치할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이, 증기셀(119)의 하부 및 상부 영역에 배치된 기판(103b, 113b)의 상면 및 하면에는 적층형 코일(121, 117)이 각각 배치되어 있다. 이러한 적층형 코일(121, 117)은 헬름호르츠 코일(Helmholtz coil) 구성으로 배치될 수 있다.

도 5에는 현수프레임의 기판 구조가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 제 1 실시예에 있어서 현수프레임을 이루는 기판(150)은 열저항이 높은 고분자 기판(151)의 일면상에 금속층(152)이 도포된 유연 기판일 수 있다. 대표적으로 폴리이미드 기판의 일면에 구리층이 클래딩된 연성동박적층판(FCCL)일 수 있다. 상기 금속층은 금속배선으로 패터닝되어 기판 상에 장착되는 소자와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 추가적으로 금속층(152)의 상부에는 유연한 절연층(153), 예를 들어 고분자 절연층이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 절연층(153)은 기판간의 전기적 절연이 필요한 경우에 사용될 수 있다.

이러한 고분자 기판 상에 금속층이 도포된 유연기판을 사용할 경우, 주 소재인 고분자 기판의 낮은 열전도에 의해 물리부의 열안전성에 기여할 수 있다. 또한 금속배선을 형성함에 있어서도 반도체 소자의 제조에 이용되는 정밀가공을 이용하지 않고 상대적으로 경제적인 방법으로 패터닝이 가능하다는 점에서 경제적인 측면에서도 장점을 가진다.

제 1 실시예에서 현수프레임의 기판은 소자를 고정하여 지지하는 역할을 수행할 뿐 아니라 기판의 상면에 패터닝된 금속배선에 의해 소자와 전기적 연결을 가능하게 하는 역할도 또한 수행한다. 다른 예로서 전술한 적층형 코일(121, 117)도 고분자 기판 상에 적층된 금속층을 패터닝하여 형성한 것일 수 있다.

각 현수프레임에 있어서, 적어도 일면에 금속배선이 형성된 기판은 현수프레임의 지지부의 최외곽면까지 연장되며, 최외각면에서 외부 전원 공급 배선과 연결되게 된다. 예를 들어 도 1 및 도 2를 참조하면, 광 발생부(122)가 장착된 기판(101b)은 지지부(101a)의 최외곽면까지 연장되며, 최외곽면에서 금속이 내부에 도포된 비아(130) 중 어느 하나와 연결되는 구성을 가진다.

비아는 지지부(101)의 최외곽면에 단면적인 반원인 형태로 상부에서 하부로 연장되는 트렌치(trench)를 형성하고 그 내부에 전도성 물질로 전부 또는 일부가 매립 또는 도포되는 구성을 가진다. 물론 단면적은 반원 형태로 한정되는 것은 아니고 최외곽면 표면의 일부가 소실된 것이라면 임의의 단면 형태를 가지는 것도 무방하다. 이러한 비아는 현수프레임 각각의 지지부 최외곽면에 모두 형성되며 각 현수프레임이 적층배열 때 상하로 서로 연결되어 적층된 현수프레임들의 지지부의 최외곽면을 중단없이 서로 연결하는 구성을 가지게 된다.

비아의 내부는 금속 예를 들어 구리층으로 도포되거나 매립될 수 있다. 다른 예로서 전도성 페이스트로 도포되거나 매립될 수 있다. 도 2에서와 같이, 이러한 비아(131, 132, 133, 134)는 지지부의 최외곽면에 복수개로 형성될 수 있다. 복수로 형성된 비아 각각에는 기 설계안에 따라 특정 현수프레임으로부터 연장된 기판의 금속배선이 연결되며, 상기 기판에 장착된 소자와 외부 전원과의 통전을 담당하게 된다.

도 3에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 물리부(200)의 구조가 도시되어 있다. 제 2 실시예의 경우, 제 1 실시예와 동일한 부분을 생략하고 제 1 실시예의 변형된 부분만을 기술하도록 한다.

제 2 실시예의 물리부(200)를 구성하는 현수프레임의 기판은 단부가 연장되어 상기 기판의 일면에 형성된 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함한다. 배선연장부는 연결관통부 내부로 삽입된 후 연결관통부를 따라서 상방에서 하방으로 연장된다. 따라서 도 3에서와 같이 각 현수프레임의 기판으로부터 연장된 배선연장부(102, 104, 106, 108, 110, 112, 114)는 물리부(200)의 최하단부에서 모아지게 된다. 이렇게 모아진 배선연장부는 자기차폐막(116)의 외부 영역까지 연장되어 각각 필요한 외부 전원과 연결될 수 있다.

이때 각 기판으로부터 연장된 배선연장부는 도 5에서와 같이 금속층(152) 상부에 절연층(153)이 형성되어 있다. 따라서 연결관통부 내에서 자기차폐막(116)과 전기적으로 절연이 될 수 있으며, 또한 배선연장부가 모아진 상태에서도 서로 전기적으로 절연될 수 있다.

제 2 실시예가 변형된 제 3 실시예로서 배선연장부는 자기차폐막(116)이 배치되는 연결관통부(이를 제 1 연결관통부라고 함)가 아닌 별도로 제조된 다른 연결관통부(이를 제 2 연결관통부라고 함)에 삽입된 후 제 2 연결관통부를 따라 상방에서 하방으로 연장된 후 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결될 수 있다.

상술한 제 1 내지 제 3 실시예의 변형예로서 증기셀의 상부 및 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상은 자기차폐층을 포함할 수 있다. 자기차폐층은 상술한 자기차폐용 소재로 이루어진 층이다. 도 6에는 자기차폐층을 포함하는 기판의 구성이 예시적으로 나타나 있다. 도 6을 참조하면, 고분자 기판(161, 163) 사이에 금속층(162)이 개재되어 있으며, 고분자 기판(161, 163)이 금속층(162)와 접하는 면의 반대면에는 각각 자기차폐층(164, 166)이 적층되어 있으며, 추가적으로 절연층(165, 167)이 더 형성될 수 있다. 이러한 자기차폐층을 포함하는 기판은 모두 유연한 소재로 이루어져 유연기판을 이루게 된다.

도 4에는 제 1 실시예의 변형으로서 이러한 자기차폐층을 포함하는 물리부(300)가 예시되어 있다. 도 4를 참조하면 증기셀(119)의 하부에 있는 기판(405b)과 상부에 있는 기판(411b)은 자기차폐층을 포함하는 구성을 가진다. 이를 예시적인 구성으로서 증기셀 하부 및 상부에 있는 어떠한 기판, 예를 들어 기판(107b, 109b)이 자기차폐층을 포함하는 구성을 가질 수 있다.

이러한 자기차폐층을 포함하는 기판을 증기셀 상부 및 하부에 배치함으로써 자기차폐막(116)에 의한 자기차폐 효과 외에 추가적으로 더욱 외부 자기장을 차폐하는 효과를 향상시킬 수 있다.

또한 상술한 자기차폐층을 포함하는 기판에서, 금속층(162)과 접하는 양면의 자기차폐층(164, 166)을 이용한 배선연장부(102, 104, 106, 108, 110, 112, 114)는 전자기장 변화와 같은 외부 노이즈를 차단하여 배선연장부에 흐르는 신호를 정확하게 유지시킬 수 있다. 반대로 높은 전류가 흐르는 물리부 (200) 내부의 전열장치 (123) 혹은 주파수 변조된 전류가 흐르는 레이저 발생 장치 (122) 등에서 자기장 발생을 억제하여 물리부 내부의 미약한 자기장 변화에 따른 증기셀의 공진신호가 불안정하게 하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 일반적으로 사용되고 있는 유연 동박 기판을 이용해 현수 한다. 종래의 물리부 현수 구조물의 제조 공정이 반도체 정밀 가공으로 사용함으로써 낮은 생산성 및 높은 제조비용을 특징으로 하고 있으나, 유연 동박 기판 공정을 이용하여 생산성 향상과 제조비용 절감이 가능하다. 특히, 유연 동박 기판의 주 소재가 열전도도가 낮은 폴리이미드이기 때문에 종래의 기술과 비교했을 때 물리부 열안정성 면에서 동등한 효과를 얻을 수 있다.

안정적인 정자장을 유지하기 위해 종래에는 자기 차폐용 뮤합금 쉴드와 정자장 생성용 솔레노이드 코일을 외부에 추가적으로 사용한다. 특히 종래의 패키징 구조물을 솔레노이드 코일과 전자차폐용 쉴드가 감싸고 있어 소형화에 및 조립 제작에 어려움이 있으며 내부 배선에 흐르는 전류에 의한 자기장으로 증기셀의 공진신호에 영향을 준다.

이에 비해 본 발명의 실시예들에서는 자기차폐막을 물리부 패키징 구조물에 삽입한 구조를 사용하여, 배선으로부터 발생하는 자기장의 영향을 최소화 할 수 있다. 또한 적층형 코일을 증기셀의 상/하부에 배치하여 종래의 외부에 배치되던 솔레노이드 코일을 대체하여, 소형화와 함께 조립 제작을 개선할 수 있다.

종래의 물리부는 와이어 본딩이나 TSV (Through silicon via)등을 이용해 물리부 내에 집적된 히터 및 광 발생부, 광 검출부 등을 제어하였다. 와이어 본딩은 종래의 반도체 공정에서 활용성이 높은 배선공정이나 원자시계 물리부와 같이 고종횡비의 3차원 구조물의 전극 연결시 일정한 길이를 유지하고, 연결에 많은 어려움이 따르며, 물리적으로 취약하다. 또한 TSV등의 반도체 공정 기반 배선 공정 역시 고종횡비 구조에 적용은 현실적으로 불가능에 가까우며, 이러한 배선으로부터 발생하는 자기장 등이 물리부 분광셀에 영향을 줄 것이다.

이에 비해 본 발명의 실시예들은 유연 기판을 활용해 물리부에 집적된 히터 및 광 발생부, 광 검출부 등으로부터 원하는 형태로 배선을 할 수 있다. 특히 종래 와이어본딩에 비해 물리적으로 강하며, 기판의 제작 오차 이내의 균일도를 갖고 있다는 장점이 있다. 또한 TSV 등에 비해서는 낮은 제조비용 및 높은 생산성을 장점으로 하고 있어 물리부 제작에 효율적이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

1. 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 칩 스케일 원자시계 물리부에 있어서,
   상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며,
   상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며,
   상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며,
   상기 금속배선은 상기 현수프레임의 지지부의 최외곽면까지 연장되어 외부 전원 공급 배선과 연결되고,
   상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상은 자기차폐층을 포함하고,
   상기 자기차폐막 내부의 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판에 형성된 한 쌍의 적층형 코일이 배치되고,
   상기 증기셀에 일정량의 정자장을 가해줄 수 있도록 상기 적층형 코일의 중심축은 상기 증기셀의 중심축과 동축을 가지고, 상기 적층형 코일의 반경방향은 상기 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임이 형성된 방향과 평행하게 형성되는, 칩 스케일 원자시계의 물리부.
2. 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 칩 스케일 원자시계에 있어서,
   상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며,
   상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며,
   상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며,
   상기 유연기판은 일 단부가 연장되어 상기 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함하며,
   상기 배선연장부는 상기 연결관통부 내부에 삽입되고 상기 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결되고,
   상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상은 자기차폐층을 포함하고,
   상기 자기차폐막 내부의 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판에 형성된 한 쌍의 적층형 코일이 배치되고,
   상기 증기셀에 일정량의 정자장을 가해줄 수 있도록 상기 적층형 코일의 중심축은 상기 증기셀의 중심축과 동축을 가지고, 상기 적층형 코일의 반경방향은 상기 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임이 형성된 방향과 평행하게 형성되는, 칩 스케일 원자시계의 물리부.
3. 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 칩 스케일 원자시계에 있어서,
   상기 지지부 각각에 형성된 제 1 관통영역 및 제 2 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 제 1 연결관통부 및 제 2 연결관통부; 및
   상기 제 1 연결관통부의 내부에 배치된 자기차폐막;을 포함하고,
   상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며,
   상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며,
   상기 유연기판은 일 단부가 연장되어 상기 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함하며,
   상기 배선연장부는 상기 제 2 연결관통부 내부에 삽입되고 상기 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결되고,
   상기 자기차폐막 내부의 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판에 형성된 한 쌍의 적층형 코일이 배치되고,
   상기 증기셀에 일정량의 정자장을 가해줄 수 있도록 상기 적층형 코일의 중심축은 상기 증기셀의 중심축과 동축을 가지고, 상기 적층형 코일의 반경방향은 상기 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임이 형성된 방향과 평행하게 형성되는, 칩 스케일 원자시계의 물리부.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판 중 어느 하나 이상은 자기차폐층을 포함하는 것인,
   칩 스케일 원자시계의 물리부.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 유연기판은 고분자 기판의 일면에 금속층이 형성된 것인,
   칩 스케일 원자시계의 물리부.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유연기판은 연성동박적층판(FCCL)을 포함하는,
   칩 스케일 원자시계의 물리부.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기차폐막은 Fe, Ni 및 Co을 포함하는 합금을 포함하는,
   칩 스케일 원자시계의 물리부.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속배선과 연결되는 외부 전원 공급 배선은 상기 지지부의 최외각면에 형성된 트렌치 내부에 전도성 물질이 도포되거나 매립된 형태를 가지는,
   칩 스케일 원자시계의 물리부.
10. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 칩 스케일 원자시계의 물리부를 포함하는, 칩 스케일 원자시계.
11. 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 칩 스케일 원자시계 물리부에 있어서,
    상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며,
    상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며,
    상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며,
    상기 금속배선은 상기 현수프레임의 지지부의 최외곽면까지 연장되어 외부 전원 공급 배선과 연결되고,
    상기 자기차폐막 내부의 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판에 형성된 한 쌍의 적층형 코일이 배치되고,
    상기 증기셀에 일정량의 정자장을 가해줄 수 있도록 상기 적층형 코일의 중심축은 상기 증기셀의 중심축과 동축을 가지고, 상기 적층형 코일의 반경방향은 상기 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임이 형성된 방향과 평행하게 형성되는, 칩 스케일 원자시계의 물리부.
12. 기판 및 상기 기판의 단부를 지지하여 소정의 높이로 현수할 수 있는 지지부로 이루어진 현수프레임을 복수 개로 포함하며, 상기 복수 개의 현수프레임이 적층 배열되는 구조를 가지는 칩 스케일 원자시계에 있어서,
    상기 지지부 각각에 형성된 관통영역이 서로 상하로 연결되어 형성된 연결관통부 내부에는 자기차폐막이 배치되며,
    상기 자기차폐막으로 둘러싸인 내부 영역에는 광 발생부가 장착된 제 1 현수프레임, 상기 제 1 현수프레임의 상부에 배치되고 상기 광 발생부로부터 발생된 레이저 광이 입사되고 출사되는 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임 및 상기 제 2 현수프레임 상부에 배치되고 상기 증기셀로부터 출사되는 광을 수신하는 광 검출부가 장착된 제 3 현수프레임이 포함되며,
    상기 현수프레임 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 금속배선이 형성된 유연기판이며,
    상기 유연기판은 일 단부가 연장되어 상기 금속배선이 연장되는 배선연장부를 포함하며,
    상기 배선연장부는 상기 연결관통부 내부에 삽입되고 상기 자기차폐막 외부 영역까지 연장된 후 외부 전원과 연결되고,
    상기 자기차폐막 내부의 상기 증기셀 보다 상부에 배치한 기판 및 상기 증기셀 보다 하부에 배치된 기판에 형성된 한 쌍의 적층형 코일이 배치되고,
    상기 증기셀에 일정량의 정자장을 가해줄 수 있도록 상기 적층형 코일의 중심축은 상기 증기셀의 중심축과 동축을 가지고, 상기 적층형 코일의 반경방향은 상기 증기셀이 장착된 제 2 현수프레임이 형성된 방향과 평행하게 형성되는, 칩 스케일 원자시계의 물리부.

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