KR102150637B1 - 광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀 및 이의 제작 방법 - Google Patents

광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀 및 이의 제작 방법 Download PDF

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심규민
김태현
이상경
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Abstract

본 발명은 원자 증기 셀 하부 및 원자 증기 셀 상판을 포함하고, 원자 증기 셀 상판과 원자 증기 셀 하부의 맞닿는 면이 광접합됨으로써 제작되는 원자 증기 셀을 제공한다.

Description

광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀 및 이의 제작 방법 {ATOMIC VAPOR CELL MANUFACTURING BY OPTICAL CONTACT AND METHOD THEROF}
본 개시는 광접합을 이용하여 제작된 원자 증기 셀을 제공한다.
원자 증기 셀을 밀봉하는 대표적인 두 가지 방법은 glass blowing과 anodic bonding이다. 원자를 증기 셀에 주입 한 후, glass stem의 특정 부위에 토치 등으로 열을 가해 유리를 녹여 밀봉하는 방법이 glass blowing이다. Glass blowing은 가장 고전적인 방법으로 많이 사용하지만 밀봉하는 과정에서 셀 내부 진공도가 나빠지거나 대기압에 노출되어 밀봉에 실패할 수 있는 단점을 가지고 있다. Anodic bonding은 실리콘 웨이퍼 등의 재질에 200 V 이상의 고전압을 인가하여 밀봉하는 방법이다. 이렇게 제작한 원자 증기 셀은 기본적으로 2면만 광선 투과가 가능해서 사용용도가 제한적이다. 예를 들면, 4개의 면으로 광선이 투과하는 원자 증기 셀이 필요한 원자스핀 자이로스코프의 경우 anodic bonding으로 제작한 셀은 사용할 수 없다.
최근 레이저를 이용한 원자 증기 셀 접합 기술이 개발된 바 있다. Xe이 들어간 원자 증기 셀을 사용하는 원자스핀 자이로스코프의 경우, 셀의 공간적 비대칭성에 의한 전기장의 불균일성으로 131Xe의 공명 신호에 quadrupole shift가 나타나며 이는 자이로스코프의 바이어스 안정도에 영향을 미친다. Glass blowing으로 제작한 셀의 경우 윗부분에 glass stem이 있어서, 셀의 구조가 비대칭적이다.
따라서, 보다 개선된 원자 증기 셀 제작 기술이 요구되는 실정이다.
한국 등록특허 제10-1774568호(2017.08.29) 한국 등록특허 제10-1709557호(2017.02.17)
광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀 및 이의 제작 방법을 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 광접합 방식으로 원자 증기 셀을 제작하는 방법에 있어서, 원자 증기 셀 하부를 메인 챔버 내 핫 플레이트 상에 배치하는 단계; 상기 메인 챔버를 밀봉하고 상기 메인 챔버에 연결된 펌프를 동작시켜 상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계; 알칼리 원자 금속을 상기 원자 증기 셀 하부에 배치하는 단계; 및 원자 증기 셀 상판을 상기 원자 증기 셀 하부에 올려 놓고 압력을 가함으로써, 상기 원자 증기 셀 상판과 상기 원자 증기 셀 하부를 광접합시키는 단계;를 포함하는, 광접합 방식으로 원자 증기 셀을 제작하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 메인 챔버에 연결된 로타리 펌프 및 터보 펌프를 동작시킴으로써, 상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 메인 챔버와 상기 핫 플레이트를 고온으로 베이킹하는 단계; 및 상기 메인 챔버와 상기 핫 플레이트의 온도를 상온으로 내리는 단계;를 더 포함하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 메인 챔버와 연결된 디스펜서에 전류의 양을 조절함으로써, 상기 원자 증기 셀 하부에 배치될 상기 알칼리 원자 금속의 양을 조절하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 버퍼가스를 상기 메인 챔버에 주입하는 단계;를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판의 서로 맞닿는 면은 super polishing 작업을 거쳐서 nm 스케일의 편평도를 갖는 것인, 방법을 제공할 수 있다.
본 개시의 제2 측면은, 원자 증기 셀 하부; 및 원자 증기 셀 상판;을 포함하고, 상기 원자 증기 셀 상판과 상기 원자 증기 셀 하부의 맞닿는 면이 광접합됨으로써 제작된 원자 증기 셀을 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀은 삼차원적으로 대칭인 정육면체 형상 또는 이차원적으로 대칭은 원통 형상를 갖는 것인, 원자 증기 셀을 제공할 수 있다.
또한, 상기 알칼리 원자 금속이 상기 원자 증기 셀 하부에 배치된 상태에서 상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판이 광접합되는 것인, 원자 증기 셀을 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀 하부에는 적어도 하나의 버퍼가스가 존재하는 것인, 원자 증기 셀을 제공할 수 있다.
또한, 상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판의 서로 맞닿는 면은 super polishing 작업을 거쳐서 nm 스케일의 편평도를 갖는 것인, 원자 증기 셀을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광접합을 이용한 원자 증기 셀 제작 장치 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광접합 방식으로 제작된 정육면체 형상의 원자 증기 셀의 예시적인 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 원자 증기 셀 분광 개념도 및 분광 신호를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 free induction decay 신호를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광접합 방식으로 원자 증기 셀을 제작하는 방법의 흐름도이다.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광접합을 이용한 원자 증기 셀 제작 장치 개념도이다.
원자 증기 셀은 기화된 원자를 내부에 담고 있는 밀봉된 투명한 유리나 플라스틱 용기를 가리킨다. 원자는 원자 증기 셀 안에서 기체인 자유 입자 상태로 움직인다. 해당 원자 증기 셀에 원자의 내부 에너지 준위와 공명하는 특정 파장대의 레이저를 조사하면, 원자는 레이저와 상호작용 하여 형광 또는 흡수가 발생한다. 원자 증기 셀은 외부 섭동에 둔감한 원자의 내부 에너지 준위를 기준을 제공하기 때문에 레이저 주파수 안정화용으로 활용된다.
원자 증기셀에는 루비듐(Rb)과 세슘(Cs)과 같은 알칼리 원자가 주로 주입된다. 목적에 따라 질소, 아르곤, 네온, 헬륨 등과 같은 비활성 버퍼가스(buffer gas)를 추가로 주입하기도 한다. 최근 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)을 이용한 원자스핀 자이로스코프(atom spin gyroscope)에서는 Xe이 주입된 원자 증기 셀을 사용한다.
도 1을 참조하면, 광접합을 이용한 원자 증기 셀 제작 장치가 도시된다. 원자 증기 셀 제작 장치는 메인 챔버(103), 핫 플레이트(hot plate)(105), 터보 펌프(106), 로타리 펌프(107)로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
먼저, 원자 증기 셀 하부(101)를 메인 챔버(103) 내 핫 플레이트(105)에 올려 놓는다. 메인 챔버(103)는 copper gasket으로 실링하는 금속 형태의 챔버이다.
메인 챔버(103)를 밀봉하고, 로타리 펌프(107)와 터보 펌프(103)를 동작하여 메인 챔버(103)내 고진공을 확보할 수 있다. 경우에 따라서 핫 플레이트(105)와 메인 챔버(103)를 100℃~150℃의 고온으로 베이킹 하여 10- 8Torr 이하의 고진공을 확보할 수 있다. 베이킹 시간은 일주일에서 이주일 정도 수행한다.
추가적으로 메인 챔버(103)에 이온펌프나 게터펌프를 장착하여 고진공에 도달하는 시간을 단축할 수 있다.
고진공이 확보되면, 메인 챔버(103)와 핫 플레이트(105)의 온도를 상온으로 내린다. 알칼리 원자(104)를 디스펜서나, 화합물 형태, 또는 알칼리 원자 금속 조각을 이용해서 원자 증기 셀 하부(101)에 배치한다. 메인 챔버(103)내 거치되어 있던 원자 증기 셀 상판(102)을 원자 증기 셀 하부(101)에 올려 놓고 압력을 가하면 두 면은 광접합에 의해 달라 붙는다.
버퍼가스(108)가 필요한 원자 증기 셀 제작의 경우, 주입하고자 하는 가스 라인을 메인 챔버(103)에 연결한다. 각 가스 라인의 압력을 조절하면서 원하는 압력 비율로 가스를 채울 수 있다. 예를 들어, 원자스핀 자이로스코프의 경우 Xe 가스, 질소 가스 및 수소 가스를 사용한다. 129Xe은 5Torr, 131Xe은 40Torr, 질소는 250Torr, 수소는 5Torr만큼 주입할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 버퍼가스(108)(제논 가스, 질소 가스, 수소 가스)는 원자 증기 셀의 사용 목적에 따라 다른 조합으로 대체될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광접합 방식으로 제작된 정육면체 형상의 원자 증기 셀의 예시적인 도면이다.
도 2를 참조하면, 원자 증기 셀 하부(220)에 원자 증기 셀 상판(210)을 올려 놓은 후 압력을 가하면 원자 증기 셀 하부(220)와 원자 증기 셀 상판(210)의 서로 맞닿는 면은 광접합에 의해 달라 붙는다.
구체적으로, 원자 증기 셀 하부(220)와 원자 증기 셀 상판(210)에서 광접합 되어야 할 면은 super polishing 작업을 거쳐서 nm 스케일의 편평도를 갖게 할 수 있다. 이 상태에서 원자 증기 셀 상판(210)을 원자 증기 셀 하부(220)에 올려 놓고 압력을 가하면 광접합에 의해 원자 증기 셀 상판(210)과 원자 증기 셀 하부(220)가 달라 붙는다.
광접합 방식으로 원자 증기 셀(230)을 제작함으로써, 원자 증기 셀(230)은 삼차원적으로 구조가 대칭인 정육면체 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예에서 원자 증기 셀(230)은 이차원적으로 대칭인 원통 형상을 가질 수도 있다. 그러나, 원자 증기 셀(230)의 형상은 이에 제한되지 않는다.
본 개시에 따르면, 광접합 방식으로 원자 증기 셀(230)을 제작함으로써 quadrupole shift를 줄여 안정도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광접합 방식으로 제작된 원자 증기 셀(230)은 삼차원 또는 이차원적으로 대칭인 형태를 가질 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 원자 증기 셀 분광 개념도 및 분광 신호를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 원자 증기 셀(310)에 들어간 알칼리 원자와 버퍼가스의 유무는 레이저(320)를 이용한 흡수분광을 통해서 확인한다. 레이저(320)에서 나온 광선을 원자 증기 셀(310)에 조사한다. 예를 들어, 루비듐의 경우 780 nm 또는 795 nm 파장대의 레이저(320)를 원자 증기 셀(310)에 조사한다.
원자 증기 셀(310)을 통과한 광선을 광검출기(330)로 모니터한다. 제 1 그래프(341)는 루비듐 원자의 흡수신호를 나타낸다. 제논이나 질소와 같은 가스가 들어간 경우 collisional broadening에 의해 제 2 그래프(342)처럼 흡수신호가 넓어진다.
도 4는 일 실시예에 따른 free induction decay 신호를 나타내는 예시적인 도면이다.
알칼리 원자와 제논가스, 또는 헬륨 가스가 들어 가 있는 원자 증기 셀의 경우 제논이나 헬륨 가스의 transverse relaxation time이 중요하다. 이는 해당 원자 증기 셀을 사용하는 센서의 성능을 좌우 한다.
긴 transverse relaxation time을 확보하기 위해, 원자 증기 셀을 충분히 베이킹 하고 알칼리 원자와 가스 주입 전 충분한 고진공을 달성해야 한다. Transverse relaxation time은 free induction decay 방식을 통해서 측정한다. 도 4에는 129Xe의 free induction decay 신호가 도시된다.
도 5는 일 실시예에 따른 광접합 방식으로 원자 증기 셀을 제작하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 단계 510에서 원자 증기 셀 하부는 메인 챔버 내 핫 플레이트 상에 배치될 수 있다.
원자 증기 셀 하부와 결합되는 원자 증기 셀 상판은 메인 챔버 내에 거치되어 있을 수 있다.
단계 520에서 메인 챔버를 밀봉하고 메인 챔버에 연결된 펌프를 동작시켜 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만들 수 있다.
일 실시예에서 메인 챔버가 밀봉된 후, 로타리 펌프와 터보 펌프를 동작시켜 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만들 수 있다.
또한, 메인 챔버와 핫 플레이트를 고온으로 베이킹한 후 온도를 상온으로 내릴 수 있다. 베이킹 과정을 통해 보다 효과적으로 메인 챔버 내부를 고진공으로 만들 수 있다.
단계 530에서 알칼리 원자 금속을 상기 원자 증기 셀 하부에 배치할 수 있다.
알칼리 원자를 디스펜서나, 화합물 형태, 또는 알칼리 원자 금속 조각을 이용하여 원자 증기 셀 하부에 배치할 수 있다. 일 실시예에서 메인 챔버와 연결된 디스펜서에 전류의 양을 조절함으로써, 원자 증기 셀 하부에 배치될 상기 알칼리 원자 금속의 양을 조절할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 버퍼가스를 상기 메인 챔버에 주입할 수 있다. 주입하고자 하는 가스 라인을 메인 챔버에 연결하고, 각 가스 라인의 압력을 조절하면서 원하는 압력 비율로 가스를 메인 챔버에 주입할 수 있다.
단계 540에서 원자 증기 셀 상판을 원자 증기 셀 하부에 올려 놓고 압력을 가하여 원자 증기 셀 상판과 원자 증기 셀 하부를 광접합시킴으로써 원자 증기 셀을 제작할 수 있다.
일 실시예에서 원자 증기 셀 하부와 원자 증기 셀 상판에서 광접합 되어야 할 면을 super polishing 작업하여 nm 스케일의 편평도를 갖게 할 수 있다. 이 상태에서 원자 증기 셀 상판을 원자 증기 셀 하부에 올려 놓고 압력을 가하면 광접합에 의해 원자 증기 셀 상판과 원자 증기 셀 하부가 달라 붙는다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 광접합 방식으로 원자 증기 셀을 제작하는 방법에 있어서,
    원자 증기 셀 하부를 메인 챔버 내 핫 플레이트 상에 배치하는 단계;
    상기 메인 챔버를 밀봉하고 상기 메인 챔버에 연결된 펌프를 동작시켜 상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계;
    알칼리 원자 금속을 상기 원자 증기 셀 하부에 배치하는 단계; 및
    원자 증기 셀 상판을 상기 원자 증기 셀 하부에 올려 놓고 압력을 가함으로써, 상기 원자 증기 셀 상판과 상기 원자 증기 셀 하부를 광접합시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판의 서로 맞닿는 면은 super polishing 작업을 거쳐서 nm 스케일의 편평도를 갖는 것인, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계는,
    상기 메인 챔버에 연결된 로타리 펌프 및 터보 펌프를 동작시킴으로써, 상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 챔버 내부를 고진공 상태로 만드는 단계는,
    상기 메인 챔버와 상기 핫 플레이트를 고온으로 베이킹하는 단계; 및
    상기 메인 챔버와 상기 핫 플레이트의 온도를 상온으로 내리는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 원자 금속을 원자 증기 셀 하부에 배치하는 단계는,
    상기 메인 챔버와 연결된 디스펜서에 전류의 양을 조절함으로써, 상기 원자 증기 셀 하부에 배치될 상기 알칼리 원자 금속의 양을 조절하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 원자 금속을 상기 원자 증기 셀 하부에 배치하는 단계는,
    적어도 하나의 버퍼가스를 상기 메인 챔버에 주입하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  6. 삭제
  7. 원자 증기 셀은,
    원자 증기 셀 하부; 및
    원자 증기 셀 상판;
    을 포함하고,
    상기 원자 증기 셀 상판과 상기 원자 증기 셀 하부의 맞닿는 면이 광접합됨으로써 제작되고,
    상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판의 서로 맞닿는 면은 super polishing 작업을 거쳐서 nm 스케일의 편평도를 갖는 것인, 원자 증기 셀.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 원자 증기 셀은 삼차원적으로 대칭인 정육면체 형상 또는 이차원적으로 대칭은 원통 형상를 갖는 것인, 원자 증기 셀.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 원자 증기 셀 하부에는 알칼리 원자 금속이 배치되고,
    상기 알칼리 원자 금속이 상기 원자 증기 셀 하부에 배치된 상태에서 상기 원자 증기 셀 하부와 상기 원자 증기 셀 상판이 광접합되는 것인, 원자 증기 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원자 증기 셀 하부에는 적어도 하나의 버퍼가스가 존재하는 것인, 원자 증기 셀.
  11. 삭제
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WO2023106505A1 (ko) * 2021-12-08 2023-06-15 한국과학기술원 증기 셀

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