KR102029007B1 - 용액을 위한 정전기 부양 결정 성장 장치 및 그 성장 방법 - Google Patents

용액을 위한 정전기 부양 결정 성장 장치 및 그 성장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기 부양 결정 성장 장치 및 정전기 부양 결정 성장 방법을 제공한다. 이 정전기 부양 결정 성장 장치는 상부 전극; 상기 상부 전극과 수직으로 이격되어 배치된 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 수직 정전기장을 인가하는 전원부; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액을 방출하여 용액 방울(solution droplet)을 형성하는 방울 디스펜서(droplet dispenser)를 포함한다. 상기 용액 방울은 하전 상태(cahrged state)로 유지되고 중력에 반하여 상기 수직 정전기장에 의하여 정전기 부양된다. 상기 용액 방울은 상기 정전기 부양된 상태에서 증발하고, 상기 용액에 용해된 용질은 결정으로 성장한다.

Description

용액을 위한 정전기 부양 결정 성장 장치 및 그 성장 방법{Electrostatic Levitation Crystal Growth Apparatus For Solution And Electrostatic Levitation Crystal Growing Method Of The Same}
본 발명은 결정 성장 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 정전기 부양 결정 성장 장치에 관한 것이다.
본 발명은 2013년도 미래창조과학부의 재원으로 신기술융합형성장동력사업(2013K000307)의 지원을 받아 수행되었다.
단결정이란 원자들이 주기적으로 배열된 고체를 의미한다. 수 나노미터의 결정의 시드를 결정 핵(crystal nucleus)이라 부른다. 이 결정핵이 성장하여 마이크로미터 이상의 크기를 가진 벌크로 성장하는 것을 결정 성장이라 부른다.
단결정 성장은 소재 산업과 물질 연구를 위해 핵심적이다. 예를 들어, 레이저 발진을 위한 물질은 KDP 결정을 요구한다. 또한, 단백질 합성을 위해서는 단백질의 정확한 구조분석을 위한 단백질 결정이 요구된다. KDP 결정은 비선형 광학 물질이고, 광학적 기능을 위하여 고순도의 무결점 단결정을 요구한다. 또한, 단백질 단결정은 신물질 개발을 위하여 고순도의 무결점 단결정을 요구한다. 그러나, 이러한 단결정들은 통상적으로 수백 마이크로미터 내지 수 미터의 크기를 요구한다.
용해(dissolution)는 용질이 용액에 녹는 현상을 의미한다. 용액(solution)은 용질(solute)과 용매(slovent)의 혼합물이다. 용액은 용매와 용질로 나눌 수 있다. 용해도(solubility)는 용질이 용매에 포화상태까지 녹을 수 있는 한도를 말하는데, 보통 용매 100g당 녹을 수 있는 용질의 양(g)을 의미한다. 용해도는 온도, 용매와 용질의 종류 등에 영향을 받는다. 대부분의 경우 온도가 높아질수록 고체의 용해도는 보통 증가한다. 용액의 증기압(Vapor Pressure)은 증기가 고체 또는 액체와 동적 평형 상태에 있을 때 증기의 압력을 의미한다.
용액에서 용매가 증발하면, 용액은 용해도 이상의 포화용액 또는 과포화 용액이 된다. 용해도 이상의 용액에서 용액의 온도가 감소하거나 용매가 증발하면, 용질은 석출된다. 석출(precipitation)은 결정형 고체가 녹은 용액에서 결정이 만들어지는 것이다. 포화용액을 만들때 용매는 주로 물이 사용된다. 수용액 결정 성장법은 통상적으로 용액으로 채워진 수조에 단결정 시드를 매달아 결정을 성장시키는 방법이다. 수용액 결정 성장법은 많은 시간을 요한다.
수용액 결정 성장법은 큰 사이즈의 단결정을 형성할 수 있다. 그러나, 수용액 결정 성장법은 많은 시간과 순도 높은 시드 단결정(seed crystal)을 요한다.
한편, 용기에 수납된 용액은 용매의 증발을 통하여 용질을 석출할 수 있다. 석출된 용질은 단결정 상태로 얻어지기 어렵다. 용기와 용액의 상호 작용은 단결정 형성을 방해하기 때문이다.
단결정(single crystal)을 성장시키기 위하여 결정에 유입되는 불순물 유입의 억제가 요구된다. 불순물 유입의 억제를 달성한 경우에도, 수용액을 담아두는 용기는 불순물로 작용할 수 있다. 이에 따라, 용기는 단결정성장을 방해하여 다결정을 발생시킬 수 있다.
결정 성장 속도 또는 결정 핵의 생성은 수용액의 과포화 정도에 의존할 수 있다. 용기가 있는 경우, 상기 용기가 불순물로 작용하여, 상기 용기의 벽은 과포화 상태의 형성을 어렵게 할 수 있다.
따라서, 용매를 수납하는 수납 용기를 사용하지 않는 비접촉식 결정 성장 방법이 요구된다. 비접촉식 결정 성장 방법은 수용액을 공중에 부양시키고 부양된 방울을 제공한다. 이 부양된 방울은 불순물 역활을 하는 용기와 용매의 상호 작용을 원천적으로 제거한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 방법은 정전기 부양된 용액으로부터 증발을 통하여 단결정을 성장시키는 것이다. 정전기 부양 기술은 용액에 진동 에너지와 같은 외부 충력을 억제할 수 있다. 정전기 부양 기술을 이용한 증발법으로 과포화 상태를 제공하여 결정형성 및 성장을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 장치는 상부 전극; 상기 상부 전극과 수직으로 이격되어 배치된 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 수직 정전기장을 인가하는 전원부; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액을 방출하여 용액 방울(solution droplet)을 형성하는 방울 디스펜서(droplet dispenser)를 포함한다. 상기 용액 방울은 하전 상태(charged state)로 유지되고 중력에 반하여 상기 수직 정전기장에 의하여 정전기 부양된다. 상기 용액 방울은 상기 정전기 부양된 상태에서 증발하고, 상기 용액에 용해된 용질은 결정으로 성장한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용액 방울은 상기 방울 디스펜서와 접촉 대전을 통하여 상기 하부 전극의 전하 형태로 대전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용액 방울은 공기의 대기압에서 정전기 부양될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방울 디스펜서는 예비 용액 방울을 분출하는 노즐부를 포함할 수 있다. 상기 노즐부는 도전성 재질을 포함하고, 상기 도전성 재질은 상기 하부 전극의 전위로 유지되고, 상기 도전성 재질은 상기 예비 용액 방울을 양의 전하로 대전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극은 접지되고, 상기 상부 전극은 음의 전압으로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방울 디스펜서는 예비 용액 방울을 분출하는 노즐부를 포함할 수 있다. 상기 노즐부는 유체 통로를 제공하고 상기 용액을 방출하여 상기 예비 용액 방울을 형성하는 니들(needle); 및 상기 니들을 감싸고 상기 니들의 일단이 통과하도록 벌어지는 구멍을 가지는 상부 커버를 포함하는 방울 절단부를 포함할 수 있다. 상기 니들이 상기 상부 커버 위로 돌출된 상태에서 상기 예비 용액 방울을 방출한 경우, 상기 방울 절단부는 상기 방출된 예비 용액 방울을 절단하여 용액 방울을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방울 절단부의 상부 커버는 원뿔 형상이고, 상기 상부 커버는 상기 상부 커버의 정점에서 반경 방향으로 복수의 슬릿을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 노즐부는 발수성 또는 소수성 재질이거나, 발수성 또는 소수성로 코팅 처리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 커버는 신축성 또는 탄성 재질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방울 디스펜서는 상기 니들에 수직 운동을 제공하는 니들 선형 운동 제공부; 및 상기 방울 절단부의 수직 운동을 제공하는 방울 절단 선형 운동 제공부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방울 디스펜서의 노즐부의 일단은 상기 하부 전극의 중심에 형성된 관통홀을 통하여 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 정전기 부양 결정 성장 장치는 상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제1 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치되고 된 한 쌍의 제1 보조 전극들; 상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제2 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치되는 한 쌍의 제2 보조 전극들; 상기 제1 보조 전극들 사이에 제1 보조 전압을 인가하는 제1 보조 전원; 및 상기 제2 보조 전극들 사이에 제2 보조 전압을 인가하는 제2 보조 전원을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 전기장은 상기 제2 보조 전기장에 수직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 정전기 부양 결정 성장 장치는 상기 부양된 용액 방울에 광을 조사하는 수직 위치 측정용 광원; 상기 위치 측정용 광원에 대향하게 배치되고 상기 부양된 용액 방울의 위치를 검출하는 수직 위치 검출부; 상기 부양된 용액 방울에 접촉하여 결정 형성을 유도하는 결정 유도 탐침; 상기 부양된 용액 방울 감싸고 밀폐된 공간을 제공하는 밀폐부; 상기 밀폐부 내부의 대기의 온도를 조절하는 온도 조절부; 및 상기 밀폐부 내부의 대기의 습도를 조절하는 습도 조절부; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결정은 AH2PO4 (A=K, NH4, Cs), ABCl3 (A=Cs, K, Rb; B= Co, Cu, Zn, Cd, Mn), LiASO4 (A= Cs, K), CuS04 ·5H2O, K3Fe(CN)6, DKDP, KDCO3, NiSO4 ·6H2O, NaKC4H4O6 (Potassium sodium tartrate, Rochelle Salt), (NH2CH2COOH)3·H2SO4 (Triglycine sulfate ;TGS), KD2PO4 (Deuterated potassium dihydrogen phosphate; DKDP), NaCl, 단백질 결정, 또는 KH2PO4(potassium dihydrogen phosphate;KDP)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법은 중력에 반하여 상부 전극과 하부 전극 사이에 수직 정전기장을 인가하는 단계; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액 방울을 부양하는 단계; 상기 용액 방울의 용매를 증발시키어 과포화 용액을 형성하는 단계; 상기 과포화 용액에서 결정 핵을 생성시키는 단계; 및 상기 결정 핵을 성장시키어 결정을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액 방울을 부양하는 단계는: 니들 및 상기 니들을 감싸는 용액 절단부를 상기 하부 전극의 중심에 형성된 관통홀을 통하여 상승시키는 단계; 상기 니들에 상기 상부 전극의 전위보다 높은 직류 전위를 인가하는 단계; 상기 상승된 니들의 일단으로 용액을 토출하여 예비 용액 방울을 형성하는 단계; 상기 예비 용액 방울을 양의 전하로 대전시키는 단계; 상기 니들을 하강시키거나 상기 용액 절단부를 상승시켜 상기 예비 용액 방울을 절단하는 단계; 및 상기 니들 및 니들을 감싸는 상기 용액 절단부를 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액 방울을 부양하는 단계는: 니들을 상기 하부 전극의 중심에 형성된 관통홀을 통하여 상승시키는 단계; 상기 니들에 상기 상부 전극의 전위보다 높은 직류 전위를 인가하는 단계; 상기 상승된 니들의 일단으로 용액을 토출하여 예비 용액 방울을 형성하는 단계; 상기 예비 용액 방울을 양의 전하로 대전시키는 단계; 상기 수직 정전기장의 세기를 증가시키는 단계; 및 상기 니들을 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액 방울을 부양하는 단계는: 니들을 상기 하부 전극의 중심에 형성된 관통홀을 통하여 상승시키는 단계; 상기 상승된 니들의 일단으로 용액을 토출하여 예비 용액 방울을 형성하는 단계; 상기 예비 용액 방울을 양의 전하로 대전시키는 단계; 및 상기 니들을 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결정은 AH2PO4 (A=K, NH4, Cs), ABCl3 (A=Cs, K, Rb; B= Co, Cu, Zn, Cd, Mn), LiASO4 (A= Cs, K), CuS04 ·5H2O, K3Fe(CN)6, DKDP, KDCO3, NiSO4 ·6H2O, NaKC4H4O6 (Potassium sodium tartrate, Rochelle Salt), (NH2CH2COOH)3·H2SO4 (Triglycine sulfate ;TGS), KD2PO4 (Deuterated potassium dihydrogen phosphate; DKDP), NaCl, 단백질 결정, 또는 KH2PO4(potassium dihydrogen phosphate;KDP)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 장치는 정전기 부양을 이용하여 수백 마이크로미터 이상의 고순도 유전체 단결정 또는 단백질 단결정을 성장시킬 수 있다. 상기 결정 성장 방법은 공중에 부양된 수용액은 비접촉식으로 용기를 포함하지 않는다. 상기 결정 성장 방법은 증발에 의해 시드 결정을 사용하지 않고 결정을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 장치는 용기(crucible)을 사용하지 않는다. 따라서, 상기 결정 성장 방법은 이질의 핵성장 자리(heterogeneous nucleation site)를 배제할 수 있다. 또한, 온도 및 습도 조절은 빠른 결정성장을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 장치는 순수한 결정 성장 메커니즘 연구 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 장치는 용액에 과냉각/과포화 상태 를 제공할 수 있다. 이에 따라, 결정 성장 장치는 준안정적 상태의 물질 연구 수단을 제공할 수 있다. 수용액에서 증발을 통한 결정 형성은 결정의 씨앗인 결정 핵(nucleation) 형성과, 상기 형성된 결정 핵의 성장으로 구분될 수 있다. 단결정 성장은 낮은 핵생성율과 높은 결정성장율을 요구한다. 핵생성율과 결정성장 속도는 과냉각 정도 또는 과포화 정도에 의존할 수 있다. 상기 결정 성장 장치는 온도 및 습도 조절을 통하여 과냉각 또는 과포화 정도를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 정전 부양 결정 성장 장치의 평면도이다.
도 3a은 도 1의 방울 디스펜서의 노즐부를 나타내는 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 노즐붕의 단면도이다.
도 4는 도 1의 정전기 부양 장치의 동작을 설명하는 단면도이다.
도 5는 방울 디스펜서를 설명하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 장치를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법으로 성장된 KDP 결정을 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법으로 성장된 NaCl 결정을 나타내는 사진이다.
도 9는 KDP 수용액의 형상 변화를 나타내는 사진들이다.
도 10은 시간에 따른 KDP 수용액의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
부양기법은 음파 부양(acoustic levitation), 초음파 부양(ultrasonic levitation), 자기 부양(magnetic levition), 전기역학 부양(electro-dynamic levitation), 정전기 부양(electrostatic levitation) 등이 있다.
수용액에서 결정 성장는 부양기법에 따라 임계적으로 의존할 수 있다.
음파 부양(acoustic levitation)은 수용액을 쉽게 부양하는 장점을 가진다. 그러나, 부양 상태에서, 음파 또는 초음파는 시료에 음압(sound pressure)을 인가하기 때문에 시료의 내부 요동을 발생시킬 수 있다. 내부 요동은 과포화 상태와 같은 준정전(quasi-static) 상태를 파손시켜 다결정화를 유도할 수 있다. 또한, 상기 음압(sound pressure)는 시료의 모양을 변화시킬 수 있으면, 시료으 온도를 주변부보다 높게 만들 수 있다. 따라서, 음파 부양 장치는 단결정 성장에는 부적합할 수 있다.
자기 부양(magetic levitation)은 자성이 있는 물질만 부양시키는 단점을 가진다.
미국 공개 특허 US2009/0076294A1을 참조하면, 전기역학 부양(electrodynamic levitation)을 이용한 부양 방법이 개시되었다. 상기 전기역학 부양 장치는 용액 방울을 부양하기 위하여 전기자기장(elecromagnetic field)을 이용한다. 그러나, 상기 전기역학 부양에서는, 부양할 수 있는 용액 방울이 수십 내지 수백 마이크로미터이므로, 생성되는 결정의 지름은 밀리미터 이하의 매우 작은 크기이다. 상기 전기역학 부양은 수 밀리미터의 직경을 가지는 단결정 성장을 제공하기 어렵다.
음파 또는 시변 전기장은 부양된 시료의 내부에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 단결정 성장을 위하여 외부 요동이 없는 비접촉식 결정 성장 방법이 요구된다. 또한, 수 밀리미터의 직경을 가지는 단결정 성장을 제공할 수 있는 새로운 결정 성장 방법이 요구된다. 현재까지, 부양된 용액을 이용하여 수 밀리미터의 직경을 가지는 단결정 성장은 지금 까지 보고되지 않았다.
정전기 부양 장치는 대전된 용액 방울을 중력에 반하여 부양할 수 있다. 따라서, 상기 정전기 부양 장치는 결정 성장을 위하여 수납 용기를 제거할 수 있다. 정전기 부양된 용액 방울은 그 표면에만 전하를 가질 수 있다. 따라서, 상기 정전기 부양 장치는 외부 요동을 최소화하면서 안정적으로 용액 방울을 부양할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정 성장 방법은 정전기 부양된 용액으로부터 증발을 통하여 단결정 상태의 용질을 제공할 수 있다. 정전기 부양 기술은 용액의 진동 에너지와 같은 외부 충력을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치에서, 방울 디스펜서의 노즐부는 수 밀리미터 이상의 크기를 가진 대전된 예비 용액 방울을 분출할 수 있다. 그러나, 상기 예비 용액 방울은 점성을 가진다. 따라서, 큰 점성을 가진 상기 예비 용액 방울이 상기 노즐부로부터 분리되는 것이 어렵다. 용액 절단부는 상기 노즐부로부터 상기 예비 용액 방울을 분리할 수 있다. 이에 따라, 수 밀리미터 이상의 크기를 가진 용액 방울은 정전기 부양될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 음압(sound pressure)을 부양된 용액 방울에 인가하지 않는다. 그러나, 음파 부양(acoustic levitation) 또는 초음파 부양(ultrasonic levitation)은 음압을 부양된 용액 방울에 인가한다. 따라서, 상기 정전기 부양 장치는 부양된 용액 방울의 내부에 영향을 주지 않을 수 있다. 상기 정전기 부양 장치는 부양된 용액 방울 내에서 안정적인 결정 성장을 위한 환경을 제공할 수 있다. 또한, 상기 정진기 부양된 용액 방울의 용매가 증발함에 따라, 상기 부양된 용액 방울은 과포화 상태를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 과포화 상태의 용액 방울은 안정적으로 결정을 성장시킬 수 있다.
음파 부양(Acoustic levitation) 또는 초음파 부양(ultrasonic levitation)의 경우, 음압에 의해 시료의 형상이 변형될 수 있다. 따라서, 변형된 형상의 부피 측정은 어렵다. 따라서, 부양된 용액 방울의 밀도 변화 또는 부양된 용액 방울의 농도 변화의 측정은 어렵다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 부양된 용액 방울을 일정한 모양(구형)으로 유지시킬 수 있다. 따라서, 우리는 부양된 용액 방울의 부피를 정확히 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 부양된 용액 방울의 점도 및 표면장력의 측정을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 바이오 분야, 콜로이드 분야, 물리 분야, 화학 분야 등 다양한 분야의 시료에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 수 백 마이크로미터 이상의 크기를 가진 고순도의 단결정을 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 수 밀리미터 이상의 큰 시료를 부양한다. 따라서, 상기 시료의 결정화 메커니즘 또는 결정화 단계는 실시간으로 관찰될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 부양된 용액 방울에 과포화 상태를 제공할 수 있다. 과포화정도는 결정성장의 속도를 결정한다. 일반적인 수조에서의 결정성장은 과포화시 수조바닥 및 벽면으로부터 결정이 생성되어 단결정 성장을 방해한다. 따라서, 일반적인 수조에서의 결정성장은 과포화상태를 크게 만들 수 없다. 따라서, 부양에 의해 수조벽이 제거된 상기 정전기 부양 장치는 매우 큰 과포화상태를 만들 수 있으므로 단결정 성장 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양장치는 타 음압부양장치나 전기역학부양장치와는 달리 외부 힘 (음압, 전자기력)의 변화가 없어 결정성장에 필요한 과포화 정도를 잘 제어할 수 있으므로, 과포화 용액에 결정 성장을 유도할 수 있는 탐침을 접촉시켜 각 과포화 정도에 따른 결정성장 메카니즘을 쉽게 연구할 수 있다.
상기 정전기 부양 장치에 의해 제공되는 과포화 용액은 준안정상태에 있으므로 준안정성의 새로운 물질을 생성하는 것이 가능하다.
자외선 노출은 부양된 폴리머에 균일한 경화를 제공할 수 있다. 자외선 노출은 부양된 단백질 액체에 균일한 상전이를 제공할 수 있다.
*이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 장치를 설명하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 정전 부양 결정 성장 장치의 평면도이다.
도 3a은 도 1의 방울 디스펜서의 노즐부를 나타내는 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 노즐붕의 단면도이다.
도 4는 도 1의 정전기 부양 장치의 동작을 설명하는 단면도이다.
도 5는 방울 디스펜서를 설명하는 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 정전기 부양 결정 성장 장치(100)는 상부 전극(112), 상기 상부 전극(112)과 수직으로 이격되어 배치된 하부 전극(114), 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 수직 정전기장(electrostatic field)을 인가하는 전원부(118), 및 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 용액을 방출하여 용액 방울(solution droplet)을 형성하는 방울 디스펜서(droplet dispenser)를 포함한다. 상기 용액 방울(10)은 하전 상태(charged state)로 유지되고 중력에 반하여 상기 수직 정전기장에 의하여 정전기 부양된다. 상기 용액 방울은 상기 정전기 부양된 상태(electrostatically levitated state)에서 증발하고, 상기 용액에 용해된 용질은 결정으로 성장한다.
상기 상부 전극(112)은 원판 형상으로 도전체일 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 전극(112)은 구리 재질일 수 있다. 상기 상부 전극(112)은 상기 하부 전극에 대하여 음의 전위(electric potential)로 유지될 수 있다. 이에 따라, 수직 정전기장은 상기 하부 전극에서 상부 전극 방향을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 용액 방울이 양의 전하로 대전된 경우, 정전기력(electrosatic force)은 중력에 반하여 상기 용액 방울에 인가될 수 있다. 이에 따라, 상기 용액 방울은 정전기 부양될 수 있다. 상기 상부 전극은 구형 또는 타원형으로 변형될 수 있다.
상기 하부 전극(114)은 상기 상부 전극(112)과 수직으로 정렬될 수 있다. 상기 하부 전극(114)은 도전체일 수 있다. 상기 하부 전극(114)은 구리 재질일 수 있다. 상기 하부 전극(114)은 상기 상부 전극에 대하여 양의 전위로 유지될 수 있다. 상기 하부 전극(114)은 접지될 수 있다. 상기 하부 전극(114)의 중심에는 관통홀(114a)이 배치될 수 있다. 상기 관통홀(114a)의 직경은 5 mm 내지 15 mm일 수 있다.
상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 수직 정전기장이 인가될 수 있다. 상기 수직 정전기장의 방향은 상부 전극 방향(음의 z축 방향)일 수 있다. 상기 하부 전극(114)의 직경은 상기 상부 전극(112)보다 클 수 있다. 상기 전기력선은 수직 방향으로 집속될 수 있다. 이에 따라, 집속된 정전기장은 부양된 시료의 수평 방향 안정성을 제공할 수 있다. 상기 상부 전극(112)에 대한 상기 하부 전극(114)의 직경의 비는 2 내지 10 일 수 있다. 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이의 간격은 수십 밀리미터 내지 수 센치 미터일 수 있다.
상기 수직 정전기장의 방향은 음의 z축 방향인 경우, 상기 하부 전극(114)의 상부면에는 양의 표면전하(surface charge)가 유도되고, 상기 상부 전극(112)의 하부면에는 음의 표면 전하가 유도될 수 있다. 상기 하부 전극(114)의 전위는 상기 상부 전극(112)의 전위보다 높을 수 있다. 상기 하부 전극(114)은 접지되고, 상기 상부 전극(112)은 음의 직류 전압으로 유지될 수 있다.
상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이의 공간은 대기로 채워질 수 있다. 상기 대기의 압력은 대기압일 수 있다. 상기 대기에 포함된 먼지는 상기 용액 방울에 불순물로 작용할 수 있다. 이에 따라, 상기 대기 중에 포함된 먼지는 필터를 통하여 제거될 수 있다. 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이의 거리는 수 밀리미터 내지 수 센치미터일 수 있다. 상기 하부 전극(112)과 상부 전극(114) 사이에 인가되는 수직 정전기장의 세기는 유전체 파괴 전기장(dielectic breakdown electric field or dielectric strength)의 수 분의 1 내지 수십 분의 1 일 수 있다.
밀폐부(130)는 상기 부양된 용액 방울을 감싸는 밀폐된 공간을 제공할 수 있다. 상기 하부 전극(114) 및 상기 하부 전극(114)는 상기 밀폐부(130)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 밀폐부(130)는 아크릴 재질의 글러브 박스(glove box)일 수 있다. 상기 밀폐부(130)는 미세 먼지를 제거하는 공기 필터를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 밀폐부(130)는 미세 먼지가 제거된 공기를 밀폐부 내부에 제공할 수 있다. 또한, 상기 밀폐부(130)의 압력은 대기압 또는 대기압보다 높게 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 밀폐부(130)의 공기는 외부로 서서히 유출되면서, 먼지가 상기 밀폐부 내부로 유입되는 것을 억제할 수 있다.
상기 밀폐부(130)는 적외선 대역 또는 가시광선 대역에서 투명한 재질의 유리 또는 아크릴 재질이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 상기 부양된 용액 방울의 위치는 실시간으로 모니터링될 수 있다. 상기 밀폐부(130)는 속이 빈 다각기둥 형태일 수 있다.
구체적으로, 상기 밀폐부(130)는 8각 기둥 형태일 수 있다. 상기 밀폐부의 밑면은 테이블에 장착될 수 있다. 서로 마주보는 한 쌍의 측면에는 수직 위치 측정용 광원(161)과 수직 위치 검출부(162)가 배치될 수 있다. 상기 수직 위치 측정용 광원(161) 및 상기 수직 위치 검출부(162)는 상기 밀폐부(130)의 외부에 배치될 수 있다.
수직 위치 측정용 광원(161)은 상기 부양된 용액 방울에 광을 조사할 수 있다. 수직 위치 측정용 광원(161)은 수 밀리미터의 빔 직경을 가진 레이저 빔을 출력할 수 있다. 상기 레이저 빔은 상기 부양된 용액 방울에서 산란될 수 있다. 수직 위치 측정용 광원(161)은 가시 광선 영역의 헬륨-레온 레이저일 수 있다.
상기 수직 위치 검출부(162)는 상기 수직 위치 측정용 광원(161)에 조사된 상기 부양된 용액 방울의 위치를 검출할 수 있다. 상기 수직 위치 검출부(162)는 위치 검출기(position sensitive detector )일 수 있다. 상기 수직 위치 검출부(162)는 2차원 위치 검출기일 수 있다. 상기 수직 위치 검출부(162)는 용액 방울의 수직 위치(z 축 위치) 및 수평 위치(y 축 위치)를 검출할 수 있다. 상기 수직 위치는 전원부(118)에 제공되고, 상기 전원부(118)는 출력 전압을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 용약 방울의 수직 위치는 제어될 수 있다.
전원부(118)는 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 직류 전압(-Vdc)을 인가할 수 있다. 상기 전원부(118)는 전압 제어부를 포함할 수 있다. 상기 전압 제어부는 비례적분미분(PID) 제어를 수행할 수 있다. 상기 전압 제어부는 수직 위치 측정부로부터 수직 위치 신호를 제공받을 수 있다. 구체적으로, 용액 방울이 기준 위치보다 아래로 이동한 경우, 상기 수직 정전기장의 세기는 증가할 수 있다. 상기 용액 방울이 기준 위치보다 위로 이동한 경우, 상기 수직 정전기장의 세기는 감소할 수 있다.
상기 정전기 부양 장치는 중력에 반하여 수직 정전기장 또는 수직 전압을 제어하여 대전된 시료 또는 대전된 용액 방울을 부양시킬 수 있다. 상기 대전된 용액 방울은 대기압의 공기와 접촉할 수 있다. 상기 공기의 온도는 상온일 수 있다. 구체적으로, 상기 공기의 온도는 섭씨 20 도 내지 섭씨 40일 수 있다. 상기 공기 중의 먼지는 공기 필터를 통하여 제거될 수 있다. 상기 공기의 습도는 일정하게 유지될 수 있다. 상기 공기의 상대습도는 30 퍼센트 내지 90 퍼센트일 수 있다.
통상적인 진공 상태에서 동작하는 정전기 부양 장치와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 장치는 공기의 대기압에서 동작할 수 있다. 진공 상태에서 동작하는 정전기 부양 장치는 중력에 수직한 평면(x-y 평면)에서 시료의 위치를 제어하는 보조 전극들(116a,116b)을 포함할 수 있다.
대기 중에서 동작하는 정전기 부양 장치는 중력에 수직한 평면(x-y 평면)에서 시료의 위치를 제어하는 보조 전극들(116a,116b)이 제거된 구조를 포함할 수 있다. 즉, 대기는 점성을 가진 유체로 상기 부양된 시료에 마찰력 또는 감쇠력(damping force)을 제공할 수 있다.
대기 중에서 동작하는 정전기 부양 장치는 중력에 평행한 수직 방향의 시료의 위치를 용이하게 제어할 수 있다. 즉, 공기는 점성을 가진 매질로 상기 부양된 시료에 마찰력 또는 감쇠력(damping force)을 제공할 수 있다. 따라서, 대기 중에서 동작하는 정전기 부양 장치는 진공 상태보다, 수직 위치의 요동없이 안정적인 수직 위치 제어를 제공할 수 있다.
용액 방울(10)은 용매에 용해된 용질을 포함할 수 있다. 상기 용매는 물(H2O)과 같은 휘발성 물질일 수 있다. 상기 용질은 비휘발성일 수 있다. 증발 속도를 제어하기 위하여, 용매는 2 개 이상일 수 있다. 상기 용질 또는 결정은 AH2PO4 (A=K, NH4, Cs), ABCl3 (A=Cs, K, Rb; B= Co, Cu, Zn, Cd, Mn), LiASO4 (A= Cs, K), CuS04 ·5H2O, K3Fe(CN)6, DKDP, KDCO3, NiSO4 ·6H2O, NaKC4H4O6 (Potassium sodium tartrate, Rochelle Salt), (NH2CH2COOH)3·H2SO4 (Triglycine sulfate ;TGS), KD2PO4 (Deuterated potassium dihydrogen phosphate; DKDP), NaCl, 단백질 결정, 또는 KH2PO4(potassium dihydrogen phosphate;KDP)일 수 있다.
상기 용질은 섭씨 30도 이상의 고온의 용매에 용해될 수 있다. 이어서, 상기 용질이 용해된 용액은 섭씨 30도 이하의 저온으로 냉각될 수 있다. 이에 따라, 상기 용액은 포화 용액으로 준비될 수 있다.
상기 방울 디스펜서(120)는 상기 용액을 용액 방울(10)로 상기 정전기 부양 장치에 투입할 수 있다. 또한, 상기 방울 디스펜서(120)는 상기 용액 방울(10)을 상기 하부 전극(114)의 표면 전하와 동일한 전하로 대전시킬 수 있다. 상기 방울 디스펜서(120)는 상기 용액 방울(10)을 양의 전하로 대전시킬 수 있다.
상기 방울 디스펜서(120)는 예비 용액 방울을 분출하는 노즐부(122)를 포함할 수 있다. 상기 노즐부(122)는 유체 통로를 제공하고 상기 용액(11)을 방출하여 상기 예비 용액 방울(10a)을 형성하는 니들(needle,123), 및 상기 니들(123)을 감싸고 상기 니들의 일단이 통과하도록 벌어지는 구멍을 가지는 상부 커버(125)를 포함하는 방울 절단부(126)를 포함할 수 있다. 상기 니들(123)이 상기 상부 커버(125) 위로 돌출된 상태에서 상기 예비 용액 방울을 방출한 경우, 상기 방울 절단부(126)는 상기 방출된 예비 용액 방울(10a)을 절단하여 용액 방울(10)을 생성할 수 있다.
상기 방울 디스펜서의 노즐부(122)는 상기 하부 전극(114)의 중심에 형성된 관통홀(114a)을 통하여 삽입될 수 있다. 상기 노즐부(122)의 일단은 상기 관통홀(114a)을 통하여 상기 상부 전극(112)과 하부 전극(114)의 중심 부위에 삽입될 수 있다. 상기 노즐부(122)는 상기 관통홀(114a)을 통하여 수직 운동을 수행할 수 있다. 상기 노즐부(122)는 상기 용액 방울을 형성한 후 바로 하강할 수 있다.
니들(needle)은 도전체로 형성될 수 있다. 상기 니들(123)은 원통 형상일 수 있다. 상기 니들(123)은 내부에 유체 통로를 포함할 수 있다. 상기 니들(123)의 일단은 연장 방향으로 반경이 순차적으로 감소하는 테이퍼 형상(123a)을 가질 수 있다. 상기 테이퍼 형상은 상기 방울 절단부(126)에 의한 충격을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 테이퍼 형상은 상기 절단된 용액 방울의 떨어짐을 억제할 수 있다. 상기 니들(123)은 접지될 수 있다. 상기 니들(123)의 일단과 상기 상부 전극(112) 사이에 정전기장이 생성될 수 있다. 상기 니들(123)의 일단에는 양의 전하가 축적될 수 있다. 상기 니들의 일단은 용액을 토출하고, 상기 니들(123)의 타단은 용액 이송부(128)에 연결될 수 있다.
상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 수직 정전기장이 인가된 경우, 상기 상부 전극(112)의 하부면에는 음의 표면 전하가 유도될 수 있다. 또한, 상기 하부 전극(114)의 상부면에는 양의 표면 전하가 유도될 수 있다. 상기 니들(123)의 일단이 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 위치한 경우, 상기 니들(123)은 상기 상부 전극(112)보다 높은 전위를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 니들(123)의 일단에는 양의 전하가 유도될 수 있다. 상기 니들(123)과 상기 상부 전극(112) 사이의 정전기장은 유전체 파괴 정전기장(dielectric breakdown electrostatic electic field)보다 작을 수 있다.
통상적으로, 상기 예비 용액 방울(10a)은 점성, 노즐부와 표면 장력, 또는 젖음력(wettign force)을 가진다. 따라서, 상기 예비 용액 방울(10a)은 상기 수직 정전기장 또는 상기 니들과 상기 상부 전극 사이의 정전기장에 의하여 노즐부(122)의 일단에서 분리되어 부양되는 것이 어렵다. 따라서 예비 용액 방울을 절단하여 용이하게 부양하는 방법이 요구된다.
상기 니들(123)의 일단은 접촉 대전(Triboelectric charging) 및/또는 유도 대전(induction charging)을 통하여 예비 용액 방울(10a)에 양의 전하를 제공할 수 있다. 상기 니들(123)이 접지된 도체인 경우, 정전기장에 의하여 상기 니들의 표면에 양의 전하가 유도된다. 상기 예비 용액 방울은 상기 니들(123)과 접촉을 통하여 양의 전하로 대전될 수 있다. 접촉 대전(Triboelectric charging)은 마찰(friction), 접촉(contact), 또는 분리(separatation)로 인한 대전을 포함할 수 있다. 상기 용액 방울은 상기 정전기장에 의하여 양의 전하를 가질 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 니들은 부도체일 수 있다. 이 경우, 상기 방울 절단부는 접지된 도전체일 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 정전기장에 의하여 상기 방울 절단부의 표면에 양의 전하가 유도된다. 상기 방울 절단부의 양의 전하는 상기 예비 용액 방울과의 접촉 대전또는 유도 대전을 통하여 상기 예비 용액 방울에 전달될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 니들은 접지된 도전체이고, 상기 방울 절단부는 접지된 도전체일 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 정전기장에 의하여 상기 방울 절단부의 표면 및 상기 니들의 일단에 양의 전하가 유도된다. 상기 방울 절단부의 양의 전하 및 상기 니들의 양의 전하는 상기 예비 용액 방울과의 접촉 대전 또는 유도 대전을 통하여 상기 예비 용액 방울에 전달될 수 있다. 또는, 상기 예비 용액 방울은 상기 수직 정전기장에 의하여 양의 유도 전하를 가질 수 있다.
상기 예비 용액 방울에 제공된 양의 전하와 상기 수직 정전기장에 의한 정전기력(electrostatic force)은 상기 용액 방울의 중력(graviation force)을 상쇄할 수 있다. 그러나, 상기 예비 용액 방울은 상기 니들 내부의 용액과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 유체의 점성에 의하여, 상기 정전기장은 상기 예비 용액 방울을 타원 형태로 변형할 수 있다.
상기 니들의 내부 직경은 수십 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 니들의 외부 직경은 수십 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 니들의 내부 직경은 용액 방울의 크기에 의존할 수 있다. 상기 용액 방울의 직경은 1 mm 내지 10 mm일 수 있다.
젖음이란 고체의 표면에 액체가 부착되었을 때, 고체와 액체 원자간의 상호 작용에 의해 액체가 퍼지는 현상을 의미한다. 젖음각(wetting angle)이 작을 수록 젖음성이 좋다. 상기 니들(123)은 발수성 또는 소수성로 코팅 처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 니들(123)과 상기 예비 용액 방울의 접촉 면적이 감소하고 젖음각이 증가할 수 있다. 상기 예비 용액 방울(10a)은 상기 수직 정전기장에 의하여 쉽게 분리될 수 있다.
상기 방울 절단부(126)는 상기 예비 용액 방울을 절단할 수 있다. 상기 방울 절단부(126)는 상기 니들에 채워진 용액과 상기 예비 용액 방울을 서로 물리적으로 분리할 수 있다. 이에 따라, 상기 절단된 용액 방울은 정전기 부양될 수 있다. 상기 방울 절단부는 상기 니들을 감싸는 몸체부(124)와 상기 몸체부(124)와 연결된 상부 커버(125)를 포함할 수 있다. 상기 방울 절단부는 상기 니들에 대하여 상대적으로 수직운동을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 방울 절단부는 상기 니들의 일단에 분출된 예비 용액 방울을 절단할 수 있다.
상기 방울 절단부의 상부 커버(125)는 원뿔 형상일 수 있다. 상기 상부 커버(125)의 정점(125a)에서 반경 방향으로 복수의 슬릿(slit)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 상부 커버(125)는 정점(125a)이 벌어질(open) 수 있도록 반경 방향으로 갈라진 틈(gap)을 포함할 수 있다. 상기 니들(123)의 일단이 상기 상부 커버(125)의 정점을 관통하로록 돌출된 경우, 상기 정점(125a)은 벌어질 수 있다. 또한, 상기 니들의 일단이 하강함에 따라, 상기 니들(123)의 테이퍼 형상(123a)은 상기 상부 커버(125)와 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 방울 절단부(126)는 상기 니들을 따라 충격없이, 상기 예비 용액 방울(10a)을 절단할 수 있다.
상기 방울 절단부(126)는 테프론, 실리콘, 염화비닐, 폴리에칠렌, 폴리프로필렌, 폴리우레판, 아크릴, 고무, 구리, 폴리에스테르, 알루미늄, 또는 나일론 일 수 있다. 상기 방울 절단부는 발수성 또는 소수성 재질이거나, 발수성 또는 소수성 물질로 코팅 처리될 수 있다. 상기 방울 절단부가 도전성 물질인 경우, 상기 방울 절단부는 접지되거나 상기 상부 전극 보다 높은 전위를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 방운 절단부는 상기 수직 정전기장 하에서 양의 전하로 대전될 수 있다.
상기 상부 커버(125)는 신축성 또는 탄성 재질일 수 있다. 이에 따라, 상기 니들이 수직 운동을 통하여 상기 상부 커버의 정점 위로 돌출된 경우, 상기 상부 커버는 벌어질(open) 수 있다. 또한, 상기 니들이 수직 운동을 통하여 상기 상부 커버의 내부에 배치된 경우, 상기 상부 커버는 상기 정점이 닫혀 원래의 형상으로 복원될 수 있다.
상기 상부 커버가 상기 예비 용액 방울을 절단함에 따라, 상기 예비 용액 방울은 상기 상부 커버의 정점에 위치할 수 있다. 상기 상부 커버가 발수성 또는 소수성 물질로 코팅 처리된 경우, 상기 예비 용액 방울과 상기 상부 커버의 접촉 면적은 최소화될 수 있다. 이에 따라, 상기 수직 정전기장은 상기 예비 용액 방울을 분리하여 정전기 부양시킬 수 있다. 상기 상부 커버의 정점에 위치한 상기 예비 용액 방울을 부양하기 위하여, 상기 수직 정전기장의 세기는 증가될 수 있다.
상기 방울 디스펜서(120)는 상기 니들에 수직 운동을 제공하는 니들 선형 운동 제공부(127a), 및 상기 방울 절단부의 수직 운동을 제공하는 방울 절단 선형 운동 제공부(127b)를 포함할 수 있다.
상기 니들 선형 운동 제공부(127a)는 상기 방울 절단부의 몸체부에 연결될 수 있다. 상기 니들 선형 운동 제공부(127a)는 모터 또는 피스톤을 이용하여 상기 니들의 수직 운동을 제공할 수 있다. 상기 방울 절단부는 몸체부(124)의 측면에 형성되고 수직으로 연장되는 장홈(long groove,124a)을 포함할 수 있다. 상기 니들 선형 운동부 제공부는 상기 장홈(124a)을 통하여 상기 니들에 연결될 수 있다.
상기 방울 절단 선형 운동부(127b)는 상기 방울 절단부(126)에 연결될 수 있다. 상기 방울 절단 선형 운동부(127b)는 모터 또는 피스톤과 같은 직선 운동 수단을 이용하여 상기 방울 절단부에 선형 운동을 제공할 수 있다. 상기 방울 절단부가 상기 예비 용액 방울을 절단한 경우, 상기 니들 및 상기 방울 전달부는 동시에 빠른 속도로 하강할 수 있다. 이에 따라, 상기 용액 방울은 상기 방울 디스펜서로부터 분리될 수 있다.
상기 니들 선형 운동부(127a) 및 상기 방울 절단 선형 운동부(127b)는 지지판(129) 또는 테이블에 장착될 수 있다. 상기 니들은 접지될 수 있다. 이에 따라, 상기 니들은 상기 용액 방울에 접촉 대전을 통하여 전하를 제공할 수 있다.
용액 이송부(128)는 상기 니들(123)에 압력을 인가하여 용액을 이송시킬 수 있다. 상기 용액 이송부(128)는 배럴(barrel,128a)과 플런저(plunger,128b)를 포함할 수 있다. 배럴의 내부에는 용액이 수납될 수 있다. 상기 플런저는 상기 배럴의 내부에 삽입되어, 압력을 상기 용액에 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 용액은 상기 니들을 통하여 토출될 수 있다. 상기 용액이 상기 니들을 통하여 토출되는 동안, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전기장이 인가될 수 있다. 상기 플런저는 토출하고자 하는 양을 조절하는 압력 조절부에 연결될 수 있다.
한 쌍의 제1 보조 전극들(116a)은 상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제1 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치될 수 있다. 제1 보조 전극들(116a)은 부분 원통 셀(partial cylindrical shell) 형상을 가질 수 있다. 제1 보조 전극들(116a)은 x 축 방향으로 서로 정렬될 수 있다.
한 쌍의 제2 보조 전극들(116b)은 상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제2 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치될 수 있다. 제2 보조 전극들(116b)은 부분 원통 셀(partial cylindrical shell) 형상을 가질 수 있다. 제2 보조 전극들(116b)은 y 축 방향으로 서로 정렬될 수 있다.
제1 보조 전원(164a)은 상기 제1 보조 전극들(116a) 사이에 제1 보조 전기장을 인가할 수 있다. 제2 보조 전원(164b)은 상기 제2 보조 전극들(116b) 사이에 제2 보조 전기장을 인가하는 인가할 수 있다. 상기 제1 보조 전기장 및 제2 보조 전기장은 xy 평면에서 서로 수직(orthogonal)할 수 있다.
제1 수평 위치 광원과 상기 제1 수평 위치 검출부는 상기 제1 보조 전극들(116a)과 나란히 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 수평 위치 광원 및 상기 제1 수평 위치 검출부는 상기 제1 보조 전극들(116a)을 연결하는 x 축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 수평 위치 광원 및 상기 제1 수평 위치 검출부는 상기 밀폐부(130)의 외측에 배치될 수 있다. 상기 제1 보조 전원(164a)은 상기 제1 수평 위치 검출부의 제1 수평 위치 신호를 제공받아 상기 제1 보조 전극들(116a) 사이의 제1 전기장을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 부양된 용액 방출의 제1 방향의 위치는 제어될 수 있다.
제2 수평 위치 광원(165)과 상기 제2 수평 위치 검출부(163)는 상기 제2 보조 전극들(116b)과 나란히 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 수평 위치 광원(165) 및 상기 제2 수평 위치 검출부(163)는 상기 제2 보조 전극들(116b)을 연결하는 y 축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 수평 위치 광원(165) 및 상기 제2 수평 위치 검출부(163)는 상기 밀폐부(130)의 외측에 배치될 수 있다. 상기 제2 보조 전원(164b)은 상기 제2 수평 위치 검출부의 제2 수평 위치 신호를 제공받아 상기 제2 보조 전극들(116b) 사이의 제2 전기장을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 부양된 용액 방출의 제2 방향의 위치는 제어될 수 있다.
상기 수직 위치 검출부(151)가 2 차원 검출기를 사용하는 경우, 부양된 용액 방울의 y축 위치가 검출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 수평 위치 광원은 상기 수직 위치 광원으로 일체화될 수 있다. 또한, 상기 제2 수평 위치 검출부는 상기 수직 위치 검출부로 일체화될 수 있다.
온도 조절부(140)는 상기 밀폐부(130) 내부의 대기의 온도를 조절할 수 있다. 상기 대기의 온도는 섭씨 20 도 내지 섭씨 40도일 수 있다. 바람직하게는, 상기 대기의 온도는 섭씨 25 도 내지 섭씨 30도일 수 있다. 상기 온도 조절부는 일정한 온도의 유체를 상기 밀폐부의 내부 측면을 따라 순환시킬 수 있다.
습도 조절부(150)는 상기 밀폐부(130) 내부의 대기의 습도를 조절할 수 있다. 습도 조절부는 밀폐부 내부에 습기를 제공하거나 밀폐부 내부의 대기의 습기를 제거할 수 있다. 상기 밀폐부의 내부의 상대 습도는 30 퍼센트 내지 90 퍼센트일 수 있다.
대기압 조절부(190)는 외부 대기를 상기 밀폐부(130) 내부에 제공할 수 있다. 상기 대기압 조절부(190)는 상기 밀폐부 내부의 압력을 대기압에 보다 높도록 유지할 수 있다.
상기 예비 용액 방울 대전시키는 방법은 접촉 대전(triboelectric charging) 또는 유도 대전(induction charging)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상기 예비 용액 방울 대전시키기 위하여, 광전자 하전(photoelectric charging) 등이 사용될 수 있다.
부양된 용액 방울에서, 단결정이 성장하는 경우, 상기 단결정은 용액보다 밀도가 높기 때문에, 상기 단결정은 용액 방울의 하부에 가라앉을 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 정전기 부양 결정 성장 방법이 설명된다.
중력에 반하여 상부 전극(112)과 하부 전극(114) 사이에 수직 정전기장이 인가된다. 상기 상부 전극(112)은 음의 전위로 유지되고, 상기 하부 전극(114)은 접지된 경우, 상기 수직 정전기장은 생성될 수 있다.
이어서, 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 용액 방울(10)은 부양된다. 구체적으로, 방울 디스펜서(120)는 노즐부(122)를 포함할 수 있다. 상기 노즐부(122)는 수직 운동할 수 있다. 상기 노즐부(122)는 용액을 방출하고 접지된 도전성 니들(123) 및 상기 니들을 감싸는 용액 절단부(126)를 포함할 수 있다. 상기 니들(123) 및 상기 니들을 감싸는 용액 절단부(126)는 상기 하부 전극(114)의 중심에 형성된 관통홀()을 통하여 상승될 수 있다. 상기 니들(123)은 상기 상부 전극(112)의 전위보다 높은 직류 전위로 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 니들(123)은 양의 전하로 대전될 수 있다. 상기 상승된 니들(123)의 일단으로 용액이 토출된다. 이에 따라, 상기 니들의 일단에 예비 용액 방울이 형성된다. 상기 예비 용액 방울(10a)은 상기 니들(123) 또는 상기 수직 정전기장에 의하여 양의 전하로 대전될 수 있다. 상기 대전된 용액 방울은 상기 수직 정전기장에 의하여 수직 방향으로 장축을 가지는 타원 형태를 가질 수 있다. 상기 니들(123)을 하강시키거나 상기 용액 절단부를 상승시켜, 상기 대전된 예비 용액 방울은 절단될 수 있다. 상기 용액 절단부(126)는 상기 대전된 예비 용액 방울과 상기 니들의 내부의 용액을 실질적으로 분리할 수 있다. 또는, 상기 용액 절단부(126)는 상기 대전된 예비 용액 방울과 상기 니들의 내부의 용액의 접촉 부위의 크기를 최소화할 수 있다. 상기 니들 및 니들을 감싸는 상기 용액 절단부는 하강할 수 있다. 이에 따라, 전기장이 가해진 상기 절단된 용액 방울은 쉽게 부양된다.
이어서, 상기 용액 방울(10)의 용매는 증발되고, 상기 용액 방울(10)은 과포화 용액을 형성한다. 상기 용매는 물일 수 있다. 상기 용매의 증기압은 온도에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 증발 속도를 조절하기 위하여, 상기 밀폐부의 온도 및 습도가 조절될 수 있다. 대기의 수증기압은 포화수증기압 이하일 수 있다.
이어서, 상기 과포화 용액에서 결정 핵이 생성된다. 상기 결정 핵은 하나인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 과포화 용액에서 불필한 결정 핵의 생성을 억제하기 위하여, 상기 과포화 용액의 대류가 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 과포화 용액의 대류는 적외선 레이저를 이용한 국부 가열을 통하여 수행될 수 있다. 또는 유도 전기장을 이용한 회전력(torque)은 상기 과포화 용액을 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 과포화 용액의 대류가 제공될 수 있다.
이어서, 상기 결정 핵은 성장되어, 결정을 생성한다. 상기 용질 또는 결정은 AH2PO4 (A=K, NH4, Cs), ABCl3 (A=Cs, K, Rb; B= Co, Cu, Zn, Cd, Mn), LiASO4 (A= Cs, K), CuS04 ·5H2O, K3Fe(CN)6, DKDP, KDCO3, NiSO4 ·6H2O, NaKC4H4O6 (Potassium sodium tartrate, Rochelle Salt), (NH2CH2COOH)3·H2SO4 (Triglycine sulfate ;TGS), KD2PO4 (Deuterated potassium dihydrogen phosphate; DKDP), NaCl, 단백질 결정, 또는 KH2PO4(potassium dihydrogen phosphate;KDP)일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 장치를 설명하는 도면이다.
다시, 도 1, 도 2, 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법이 설명된다.
중력에 반하여 상부 전극(112)과 하부 전극(114) 사이에 수직 정전기장이 인가된다. 상부 전극(112)은 음의 전위로 유지되고, 상기 하부 전극(114)은 접지될 수 있다. 이 경우, 상기 수직 정전기장이 생성될 수 있다.
이어서, 상기 상부 전극(112)과 상기 하부 전극(114) 사이에 용액 방울(10)은 부양된다. 구체적으로, 방울 디스펜서(120)는 노즐부(222)를 포함할 수 있다. 상기 노즐부(222)는 수직 운동할 수 있다. 상기 노즐부(222)는 용액을 방출하는 도전성 니들(223)을 포함할 수 있다. 상기 니들은 상기 하부 전극(114)의 중심에 형성된 관통홀(114a)을 통하여 상승될 수 있다. 상기 니들은 상기 상부 전극의 전위보다 높은 직류 전위로 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 니들은 양의 전하로 대전될 수 있다. 상기 상승된 니들의 일단으로 용액이 토출된다. 이에 따라, 상기 니들의 일단에 예비 용액 방울(10a)이 형성된다. 상기 예비 용액 방울은 상기 니들 또는 상기 수직 정전기장에 의하여 양의 전하로 대전될 수 있다. 상기 대전된 용액 방울은 상기 수직 정전기장에 의하여 수직 방향으로 장축을 가지는 타원 형태를 가질 수 있다. 상기 수직 정전기장의 세기를 증가시키면, 상기 대전된 예비 용액 방울은 상기 니들로부터 분리될 수 있다. 이에 따라, 상기 절단된 용액 방울은 부양된다.
이어서, 상기 용액 방울(10)의 용매는 증발되고 상기 용액 방울은 과포화 용액을 형성한다. 상기 용매는 물일 수 있다. 상기 용매의 증기압은 온도에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 증발 속도를 조절하기 위하여, 상기 밀폐부의 온도 및 습도가 조절될 수 있다. 대기의 수증기압은 포화수증기압 이하일 수 있다.
이어서, 상기 과포화 용액에서 결정 핵이 생성된다. 상기 결정 핵은 하나인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 과포화 용액에서 불필한 결정 핵의 생성을 억제하기 위하여, 상기 과포화 용액의 대류가 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 과포화 용액의 대류는 적외선 레이저를 이용한 국부 가열을 통하여 수행될 수 있다. 또는 유도 전기장을 이용한 회전력(torque)은 상기 과포화 용액을 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 과포화 용액의 대류가 제공될 수 있다.
이어서, 상기 결정 핵은 성장되어, 결정을 생성한다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 예비 용액 방울을 대전시키 위하여, 다른 방법이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 예비 용액 방울 대전시키기 위하여, 광전자 하전(photoelectric charging) 등이 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법으로 성장된 KDP 결정을 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 부양 결정 성장 방법으로 성장된 NaCl 결정을 나타내는 사진이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, KDP(KP2PO4) 단결정이 과포화 용액의 하부에 침전되어 있다. NaCl 단결정이 과포화 용액의 하부에 침전되어 있다. 공중에 부양된 수용액은 무접촉(noncontact) 결정 성장을 제공할 수 있다. 증발에 의해 자발적으로 결정이 형성된다. 따라서, 높은 결정질과 높은 순도의 단결정이 성장될 수 있다.
도 9는 KDP 수용액의 형상 변화를 나타내는 사진들이다.
도 9를 참조하면, 대기의 온도는 섭씨 28도이고, 초기 부양된 용액 방울의 크기는 2.5 mm이다. 상대 습도는 50 퍼센트이다. 좌측으로부터 초기 상태(a), 30분 후(b), 1시간 후(c), 1시간 30분 후(d), 1시간 43분 후(e), 및 다결정화된 이후(f)의 사진 영상들이 각각 표시된다. (f)의 경우, KDP 다결정이 생성되었다.
도 10은 시간에 따른 KDP 수용액의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 도 10은 부양된 KDP 수용액의 시간에 따른 농도변화를 나타내고, C(t)/C(0)가 1일때, 포화농도이다. 1 초과의 상대 농도는 과포화 상태이다. 물 1000 liter에 100 g의 KDP 용질이 용해된 KDP 수용액이 준비된다. 초기 상태의 농도는 C(0)이고, 시간에 따른 농도는 C(t)이다. 상기 KDP 수용액은 정전기 부양되고, 물이 증발함에 따라, 상기 KDP 수용액의 노말농도(normal conentration)는 시간에 따라 변한다. KDP의 분자량은 136.09 g/mol이다. 결정화가 일어날 수 있는 포화 노말농도는 1g/ml이다. 포화 용액의 노말농도는 약 3g/ml 까지 결정 형성 없이 과포화 상태를 유지한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수용액 KDP에서 단결정이 성장하는 모습을 나타내는 사진이다.
도 11을 참조하면, 왼쪽 사진과 오른 쪽 사진은 서로 다른 각도에 대응한다. 사진의 하단에 있는 검정색 줄은 1mm를 나타내는 기준 자(scale bar)이다. 직경 1mm 수준의 단결정 KDP가 얻어질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 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.
112: 상부 전극
114: 하부 전극
120: 방울 디스펜서
122: 노즐부
123: 니들
126: 방울 절단부

Claims (9)

  1. 상부 전극;
    상기 상부 전극과 수직으로 이격되어 배치된 하부 전극;
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 수직 정전기장을 인가하는 전원부 및
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 용액을 방출하여 용액 방울(solution droplet)을 형성하는 방울 디스펜서(droplet dispenser)를 포함하고,
    대기 중에서 상기 용액 방울은 하전 상태(cahrged state)로 유지되고 중력에 반하여 상기 수직 정전기장에 의하여 정전기 부양되고,
    상기 용액 방울은 상기 정전기 부양된 상태에서 증발하여 과포화 용액을 형성하고,
    상기 과포화 용액은 결정 핵을 형성하고,
    상기 결정 핵은 성장하여 결정을 생성하고,
    상기 용액 방울은 상기 방울 디스펜서와 접촉 대전을 통하여 상기 하부 전극의 전하 형태로 대전되고,
    상기 방울 디스펜서는 예비 용액 방울을 분출하는 노즐부를 포함하고,
    상기 노즐부는:
    유체 통로를 제공하고 상기 용액을 방출하여 상기 예비 용액 방울을 형성하는 니들(needle); 및
    상기 니들을 감싸고 상기 니들의 일단이 통과하도록 벌어지는 구멍을 가지는 상부 커버를 포함하는 방울 절단부;를 포함하고,
    상기 니들이 상기 상부 커버 위로 돌출된 상태에서 상기 예비 용액 방울을 방출한 경우, 상기 방울 절단부는 상기 방출된 예비 용액 방울을 절단하여 용액 방울을 생성하고,
    상기 상부 커버는 신축성 또는 탄성 재질인 것을 특징으로 하는 정전기 부양 결정 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 용액 방울은 공기의 대기압에서 정전기 부양되는 것을 특징으로 하는 정전기 부양 결정 성장 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 전극은 접지되고,
    상기 상부 전극은 음의 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 정전기 부양 결정 성장 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제1 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치되고 된 한 쌍의 제1 보조 전극들;
    상기 하부 전극의 중심축에 수직한 평면에 제2 보조 전기장을 인가하고 상기 용액 방울을 중심으로 서로 대향하여 배치되는 한 쌍의 제2 보조 전극들;
    상기 제1 보조 전극들 사이에 제1 보조 전압을 인가하는 제1 보조 전원; 및
    상기 제2 보조 전극들 사이에 제2 보조 전압을 인가하는 제2 보조 전원을 더 포함하고,
    상기 제1 보조 전기장은 상기 제2 보조 전기장에 수직한 것을 특징으로 하는 정전기 부양 결정 성장 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 결정은 AH2PO4 (A=K, NH4, Cs), ABCl3 (A=Cs, K, Rb; B= Co, Cu, Zn, Cd, Mn), LiASO4 (A= Cs, K), CuS04 5H2O, K3Fe(CN)6, DKDP, KDCO3, NiSO4 6H2O, NaKC4H4O6 (Potassium sodium tartrate, Rochelle Salt), (NH2CH2COOH)3 H2SO4 (Triglycine sulfate ;TGS), KD2PO4 (Deuterated potassium dihydrogen phosphate; DKDP), NaCl, 단백질 결정, 또는 KH2PO4(potassium dihydrogen phosphate;KDP)인 것을 특징으로 하는 정전기 부양 결정 성장 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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