KR20160082989A - 원석과 다이아몬드를 포함하는 보석을 마킹하는 방법, 및 이 방법에 따라 마킹된 마크 및 마킹된 보석 - Google Patents

원석과 다이아몬드를 포함하는 보석을 마킹하는 방법, 및 이 방법에 따라 마킹된 마크 및 마킹된 보석 Download PDF

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Abstract

물품 표면의 연마 각면의 일부분 위에 있고 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크는, 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들로 이루어진 이차원 또는 삼차원 격자에 의해 형성되는 나노 구조를 포함하고, 상기 개체들은 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 연마 각면의 미리 정해진 영역 내에 그리고 물품의 각면과 공기 사이의 외측 인터페이스면이 형성되고 물품의 각면과 공기 사이의 내측 인터페이스면이 형성되도록 배열된다. 상기 개체들의 상기 사전에 결정된 배열 형태는 불균일하고 비주기적인 배열 형태이고, 상기 개체들은 입사광이 반사될 때 광산란이 일어나도록 그 크기와 형상이 정해지고, 내측 인터페이스면으로부터 외측 인터페이스면까지의 거리는 상기 연마 각면의 마킹된 부분의 폭보다 크다. 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광이 상기 격자에 대해 사전에 결정된 입사각에서 상기 격자에 의해 반사될 때, 상기 격자로부터의 광의 산란으로 인한 간섭이 유도되고, 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 파장의 하나 이상의 극대점(local maximum)을 제공한다. 상기 마크는 극대점이 검출되도록 필요 관찰각으로 경사진 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있다.

Description

원석과 다이아몬드를 포함하는 보석을 마킹하는 방법, 및 이 방법에 따라 마킹된 마크 및 마킹된 보석{METHOD OF PROVIDING MARKINGS TO PRECIOUS STONES INCLUDING GEMSTONES AND DIAMONDS, AND MARKINGS AND MARKED PRECIOUS STONES MARKED ACCORDING TO SUCH A METHOD}
본 발명은 원석과 주얼리(jewellery)를 포함하는 고체 물품에 관한 것이고, 특히 이 고체 물품의 마킹에 관한 것이다.
원석 식별 및 다이아몬드 품질 등급 분류와 분석에 있어서, 원석 또는 다이아몬드의 상면과 직각으로 위에서 보는 관찰과 평가가 GIA(Gemological Institute of America Inc.), IGI(International Gemological Institute), Gem-A(The Gemological Association of Great Britain), NGTC(National Gemstone Testing Center, China) 등을 포함하는 국제 표준 시험 기관들에 의한 보고서에서 인증된 투명도(clarity) 및 컷(cut)과 관련된 적절한 징표와 정보를 제공한다.
소비자 관점에서는, 다이아몬드에 대해서는 다이아몬드의 상면으로부터 그리고 상판(top table)으로부터 주로 관찰하거나 바라보게 되는, 주로 "광택(brilliance)"(다이아몬드에 의해 반사되는 광의 총량) 또는 "광채(fire)"(각기 다른 색광들로의 광의 분산)라는 용어를 사용하여 지칭되는 반짝이는 광도와 같은 파라미터들이 사용될 수 있다.
이는 상업적 목적 및 보안 목적 둘 다를 위하여 원석 또는 다이아몬드와 관련된, 품질, 등급, 컷, 산지를 나타내는 파라미터들과 같은, 원석 또는 다이아몬드의 중요한 파라미터들이다.
시장에는, 예를 들어 원석 또는 다이아몬드 위에 있는 마크 또는 명각(inscription)인 포에버마크(ForevermarkTM)를 포함하여, 원석 또는 다이아몬드를 마킹하는 기존의 방식들이 몇 가지 있다.
그러나, 통상의 현미경 또는 루페를 이용하여 그리고 일반적인 실내등 조건 하에서 이와 같은 원석 또는 다이아몬드를 관찰할 때, 이러한 마크들이 다이아몬드의 광택 또는 광채에 연향을 미친다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 마킹과 관련된 결함들 중 적어도 일부를 적어도 개선하는, 원석 또는 다이아몬드를 포함하는 고체 물품을 마킹하는 방법을 제공하는 것이다.
제1 태양에서, 본 발명은 물품 표면의 연마 각면(polished facet)의 일부분 위에 있고 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크로, 다수의 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 개별 개체들로 이루어진 이차원 또는 삼차원 격자로 형성되는 나노 구조를 포함하고, 상기 개체들은 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 연마 각면의 미리 정해진 영역 내에 그리고 물품의 각면과 공기 사이의 외측 인터페이스면이 형성되고 물품의 각면과 공기 사이의 내측 인터페이스면이 형성되도록 배열되며, 상기 개체들의 상기 사전에 결정된 배열 형태는 불균일하고 비주기적인 배열 형태이고, 상기 개체들은 입사광이 반사될 때 광산란이 일어나도록 그 크기와 형상이 정해지고, 내측 인터페이스면으로부터 외측 인터페이스면까지의 거리는 상기 연마 각면의 마킹된 부분의 폭보다 크며, 이에 따라 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광이 상기 격자에 대해 사전에 결정된 입사각에서 상기 격자에 의해 반사될 때, 상기 격자로부터의 광의 산란으로 인한 간섭이 유도되고, 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 파장의 하나 이상의 극대점(local maximum)을 제공하고, 상기 마크는 극대점이 검출되도록 필요 관찰각으로 경사진 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크를 제공한다.
바람직하게는, 나노미터 크기의 개별 개체들의 상기 이차원 또는 삼차원 격자가 나노 가공 방법으로 형성된다. 나노 가공 방법은 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV) 레이저 빔, 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭 공정을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 이차원 또는 삼차원 격자가 집속 이온 빔에 의해 형성되되, 집속 이온 빔의 초점 크기 및 조사량을 동적으로 제어하는 것을 통해 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 격자의 상기 개체들이 10nm 내지 900nm 범위에서 이격되고, 개별 개체들의 최대 가로 치수는 1nm 내지 899nm 범위이고, 외측 인터페이스면과 내측 인터페이스면 간의 수직 거리가 1nm 내지 200nm 범위이다.
상기 이차원 또는 삼차원 격자는 바람직하게는 상기 광학식 확대 관찰 장치를 통해 관찰할 수 있는 두 개 이상의 색상 피처(color feature)들을 갖는 적어도 하나의 식별 마크를 제공한다.
바람직하게는, 상기 광학식 확대 관찰 장치의 필요 관찰각은 상기 연마 각면과 직교하는 방향이다.
격자는 바람직하게는 약 400μm x 400μm의 영역에 제공되고, 상기 각면의 비마킹부의 평균 표면 거칠기는 1nm보다 작다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 극대점의 세기의 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호의 세기에 대한 비는 102 자릿수의 값보다 크다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 극대점의 세기의 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호의 세기에 대한 비가 103까지의 자릿수의 값보다 크다.
마크는 바람직하게는 10x 배율보다 큰 배율을 통해 관찰될 수 있다.
바람직하게는, 세기 변화가 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호로부터 사람의 눈 또는 광학 카메라에 의해 구별될 수 있다.
상기 이차원 또는 삼차원 격자의 오목하거나 돌출된 개체들은 그 형상이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 형성된 홀들, 도트들, 디스크들, 필라들 등일 수 있다.
나노미터 크기의 개별 개체들은, 원형으로 배열된 격자, 나선형으로 배열된 격자, 정방형으로 배열된 격자, 삼각형으로 배열된 격자, 육각형으로 배열된 격자, 프랙탈(fractal)형으로 배열된 격자 또는 이들의 다수의 조합으로 제공될 수 있다.
바람직하게는, 회절광으로 인한 세기 변화를 갖는 극대점이 입사광의 회절로부터의 +/-1차광, +/-2차광 또는 +/-3차광이다.
입사광은 단색광 또는 다색광일 수 있고, 다수의 파장들을 가질 수 있다. 바람직하게는, 입사광은 시준된 가간섭성 광이다.
바람직하게는, 개개의 특정 각도(θ)들로 입사하는 단일 파장 또는 다수 파장의 단색광의 조합이 각기 다른 색상들과 결합된 마크를 브랜드 마크 또는 품질 마크로서 형성한다.
마크는 바람직하게는 원석의 연마 각면 상에 있고, 원석은 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
제2 태양에서, 본 발명은 제1 태양에 따른 식별 마크를 그 위에 구비하는 물품을 제공한다.
바람직하게는, 물품은 원석이고, 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
제3 태양에서, 본 발명은 물품 표면의 연마 각면의 일부분 위에 있고 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크를 제공하는 방법으로, 다수의 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 개별 개체들로 이루어진 이차원 또는 삼차원 격자의 나노 구조를 물품의 각면의 일부분 상에 형성하는 단계를 포함하고, 상기 개체들은 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 각면의 미리 정해진 영역 내에 그리고 물품의 각면과 공기 사이의 외측 인터페이스면이 형성되고 물품의 각면과 공기 사이의 내측 인터페이스면이 형성되도록 배열되며, 상기 개체들의 상기 사전에 결정된 배열 형태는 불균일하고 비주기적인 배열 형태이고, 상기 개체들은 입사광이 반사될 때 광산란이 일어나도록 그 크기와 형상이 정해지고, 내측 인터페이스면으로부터 외측 인터페이스면까지의 거리는 상기 연마 각면의 마킹된 부분의 폭보다 크며, 이에 따라 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광이 상기 격자에 대해 사전에 결정된 입사각에서 상기 격자에 의해 반사될 때, 상기 격자로부터의 광의 산란으로 인한 간섭이 유도되고, 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 파장의 하나 이상의 극대점(local maximum)을 제공하고, 상기 마크는 극대점이 검출되도록 필요 관찰각으로 경사진 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 방법을 제공한다.
나노미터 크기의 개별 개체들의 상기 이차원 또는 삼차원 격자가 나노 가공 방법으로 형성될 수 있고, 나노 가공 방법은 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV) 레이저 빔, 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭 공정을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 이차원 또는 삼차원 격자가 집속 이온 빔에 의해 형성되되, 집속 이온 빔의 초점 크기 및 조사량을 동적으로 제어하는 것을 통해 형성될 수 있다.
바람직하게는, 격자의 상기 개체들이 10nm 내지 900nm 범위에서 이격되고, 개별 개체들의 최대 가로 치수는 1nm 내지 899nm 범위이고, 외측 인터페이스면과 내측 인터페이스면 간의 수직 거리가 1nm 내지 200nm 범위이다.
본 발명의 일 실시예에서, 이차원 또는 삼차원 격자가 상기 광학식 확대 관찰 장치를 통해 관찰할 수 있는 두 개 이상의 색상 피처(color feature)들을 갖는 적어도 하나의 식별 마크를 제공한다.
바람직하게는, 격자가 약 400μm x 400μm의 영역에 제공된다.
상기 이차원 또는 삼차원 격자의 오목하거나 돌출된 개체들은 그 형상이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 형성된 홀들, 도트들, 디스크들, 필라들 등일 수 있고, 원형 격자, 나선형 격자, 정방형 격자, 삼각형 격자, 육각형 격자, 프랙탈형 격자 또는 이들의 다수의 조합으로 제공될 수 있다.
바람직하게는, 물품은 원석이고, 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에서 상기 물품에 대한 식별 마크를 관찰하는 방법으로, 상기 식별 마크가 제1 태양에 따른 마크이고, 상기 방법이, 사전에 결정된 입사각으로 식별 마크에 입사되는 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광을 제공하는 단계; 및 극대점이 검출되도록 광학 관찰 장치를 통해 필요 관찰각에서 상기 식별 마크를 관찰하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
또다른 태양에서, 본 발명은 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에서 상기 물품에 대한 식별 마크를 관찰하는 시스템으로, 상기 식별 마크가 제1 태양에 따른 마크이고, 상기 시스템이, 사전에 결정된 입사각으로 식별 마크에 입사되는 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광을 위한 광원; 및 극대점이 검출되도록 광학 관찰 장치를 통해 필요 관찰각에서 상기 식별 마크를 관찰하는 관찰 장치를 포함하는 시스템을 제공한다.
또다른 태양에서, 본 발명은 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에 형성된 식별 마크를 구비한 상기 물품으로, 식별 마크가 제2 태양에 따른 방법에 의해 형성된 물품을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들 및 세부 사항들을 단지 예시로서 설명한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명에 따라 사용되는 광 회절 특성의 일반적인 배경 및 일반적인 설명을 제공하는데, 이는 이론적이고 기술적인 설명 및 이러한 회절 특성의 사용을 예시하는 이론 실험 결과들을 이용하여 설명된다.
도 10 내지 도 14는 고체 재료에 식별 마크를 제공하는 불균일하고 비주기적인 배열 형태로 된 개체들의 격자를 이용한 본 발명의 예들 및 이 예들에 대한 설명을 도시하고 제공한다.
도 1은 본 발명에 따라 사용되는 광 회절 특성들의 이론적인 배경 및 그에 대한 일반적인 설명을 제공하는, 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 나노-홀들을 7,150배로 확대한 주사전자현미경(SEM: scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 3은 나노-홀들을 80,000배로 확대한 SEM 이미지이다.
도 4a는 원석-공기 인터페이스(gemstone-to-air interface) 또는 다이아몬드-공기 인터페이스(diamond-to-air interface)에서 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이 상에 입사하는 단색광선을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 원석-공기 인터페이스 또는 다이아몬드-공기 인터페이스에서 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이 상에 입사하는 단색광의 그 입사 개시각(incident launch angle)에 대해 계산된 회절각 및 회절 효율을 도시한 그래프이다.
도 5는, 마크를 구비한 각면과 직교하는 광축선에서 마크를 관찰할 때, 각기 다른 파장들을 갖는 단색 입사광의 입사 개시각의 원석-공기 인터페이스 또는 다이아몬드-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 주기성(periodicity)에 대한 종속성을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 마크를 구비한 각면과 직교하는 광축선에서 마크를 관찰할 때, 각기 다른 파장들을 갖는 단색 입사광의 계산된 회전 효율의 원석-공기 인터페이스 또는 다이아몬드-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 주기성에 대한 종속성을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 마크를 구비한 각면과 직교하는 광축선에서 마크를 관찰할 때, 단색 입사광의 파장에 종속적인 단색 입사광의 계산된 회절 효율 및 입사 개시각을 나타낸 그래프이다.
도 8은 마크를 구비한 각면과 직교하는 광축선에서 마크를 관찰할 때, 각기 다른 굴절율을 갖는 원석들에 대해 계산된 회절 효율이 원석-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 물리적인 깊이에 종속되는 것을 나타낸 그래프이다.
도 9는, 마크를 구비한 각면과 직교하는 광축선에서 마크를 관찰할 때, 원석-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 물리적인 깊이에 대한, 주변의 비처리 표면 거칠기와 비교하여 매우 증가되고 향상된 밝기의 색상 마크의 온-오프 명암비를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 오프 상태에서 일반 백색광을 이용하여 각면과 직교하는 광축선에서 볼 때 불균일하고 비주기적인 배열 형태로 된 개체들의 격자를 구비한 매우 증가되고 향상된 밝기의 색상 마크를 구비한 본 발명에 따른 원석 각면 표면 마킹을 예시적으로 나타낸 사진이다.
도 10b는 온 상태에서 일반 백색광과 강한 녹색 단색광을 동시에(오른쪽) 비추어서 본 본 발명에 따른 도 10a의 원석 각면 표면을 도시한다.
도 10c는 오프 상태에서 일반 백색광(위)을 이용하여 각면과 직교하는 광축에서 볼 때 불균일하고 비주기적인 배열 형태로 된 개체들의 격자를 구비한 본 발명에 따른 원석 각면 표면 마킹의 다른 예를 나타낸 사진이다.
도 10d는 온 상태에서 일반 백색광과 강한 적색 단색광을 동시에(하측) 비추어서 본 본 발명에 따른 도 10c의 원석 각면 표면을 도시한다.
도 11은 일반 백색광과 강한 녹색 및 적색 단색광을 이용하여 각면과 직교하는 광축에서 볼 때 불균일하고 비주기적인 배열 형태로 된 개체들의 격자를 구비한 이색 마크(bi-color mark)로 된 본 발명에 따른 원석 각면 표면 마킹을 나타낸 사진이다.
도 12a는 온 상태에서 일반 백색광과 강한 적색 단색광을 동시에 (하측에서) 비추어서 각면과 직교하는 광축에서 본 원석 각면 표면을 보여주는 본 발명의 예를 나타낸 사진이다.
도 12b는 도 12a에 도시된 본 발명에 따른 삼각형 색상 마크의 표면 형태(topography)를 보이는 원자력현미경(AFM: Atomic Force Microscopy) 주사 결과이다.
도 12c는 불규칙하게/비주기적으로 이격된 개체들의 격자를 도시하는, 도 12b에 도시된 본 발명에 따른 관련된 삼각형 색상 마크의 중앙의 관심 영역(ROI: Region of Interest)의 AFM 주사 사진이다.
도 12d는 본 발명에 따른 임의의 간격과 형상들을 가지고 불규칙하게/비주기적으로 이격된 개체들의 격자를 도시하는 도 12c의 ROI의 다른 상세 AFM 주사 사진이다.
도 13a는 도 12d와 유사한 상세 AFM 주사 사진으로, 본 발명에 따라 좌측 상단 모서리에 도시된 바와 같이 X-Y축선으로 임의의 간격과 형상들을 가지고 불규칙하게/비주기적으로 이격된 개체들의 격자를 도시하고 있다.
도 13b는 본 발명에 따른 X축 및 Y축 둘 다에서 최저 깊이(청색)로부터 최상면(적색)까지의 표면 형태(topography) 변화를 나타내고 또한 불규칙하게/비주기적으로 이격된 개체들의 격자를 구비한 임의의 형상들의 구성을 명확하게 나타내는, 청색으로부터 적색까지의 무지개색 범위를 갖는 도 13a의 색상 변환 AFM 주사 사진이다.
도 13c는 본 발명에 따른 임의로 형상들 및 불규칙하게/비주기적으로 이격된 개체들의 격자로 인한 표면 형태의 변화를 도시한 3D 외형 플롯이다.
도 14는 Y축을 따라 다양한 간격들로 그리고 Z축을 따라 다양한 깊이들로 개체들을 제조하도록 원석 패킷의 상면을 가로질러 지나가는 집속 이온 빔을 개략적으로 나타낸다.
본 발명은, 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 전기석(tourmaline) 등을 포함하는, 원석 및 실리콘을 포함하는 기타 고체 재료를 포함하는 고체 재료에 적용되고, 원석의 연마된 각면과 같은 이러한 고체 재료에 적용될 수 있고 육안으로는 보이지 않으며 일반적인 광조건 하에서 현미경을 구비한 일반적인 카메라를 이용할 때 보이지 않는, 정보 마킹에 관한 것이다.
본 발명은 원석 또는 다이아몬드의 투명도 등급과 광택 또는 광채에는 영향을 주지 않으면서, 고에너지 빔 또는 반응성 이온 식각을 이용하여 나노미터 범위의 깊이를 갖는 마크를 형성하는 것에 의해 실시된다.
마크는 임의의 마크 또는 부호(character)일 수 있고, 원석과 다이아몬드가 주로 광학적 특성, 희귀성 및 인식미(perceived beauty)로 인해 귀중하기 때문에, 원석 또는 다이아몬드와 같은 고체 재료의 가치 또는 외관을 손상시키지 않는 방식으로 실시될 수 있으며 바람직하게는 흑화를 나타내지 않아야 한다.
본 발명이 구현되는 방식은 원석의 표면을 마킹할 때 나노미터 스케일의 얕은 깊이 내에서의 나노미터 크기의 주기적 구조의 격자의 광학 회절 특성을 적용하는 것에 의한다. 이러한 회절 특성은 반사광의 간섭을 유도하고 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 극대점을 제공한다. 이로 인해 일반적인 조명하에서는 육안으로는 보이지 않는 식별 마크의 적용이 가능해지고, 이에 의해 마크는 원석의 투명도 등급 또는 색상 등급을 손상시키지 않으면서 집속 에너지 빔 또는 반응성 이온 식각과 같은 나노 가공 기술을 이용하여 원석의 연마된 각면과 같은 고체 재료에 적용될 수 있다.
광학 한계의 레일리 기준(Rayleigh Criterion)으로 인해, 깊이가 수 나노미터인 수백 나노미터 크기의 단일의 혹은 무작위로 배치된 구조는 가시광선 범위에서는 고배율의 광학 현미경으로도 광학적으로 인식될 수 없다.
따라서 나노미터 크기의 주기적 구조의 격자 내의 일반적으로는 광학적으로 보이지 않는 마킹으로 된 본 발명은 특정의 미리 정해진 조건에서만 볼 수 있으며, 가시광선 범위에서는 여전히 보이지 않는다.
본 발명은, 마킹을 제공하기 위해 집속 이온 빔을 이용하는 것에 의해, 개별 개체들로 된 이차원 또는 삼차원 격자로부터 형성되는 고체 재료 상의 마킹 구조를 허용하고, 이에 의해 개체들은 비주기적이고 비대칭인 배열 형태가 된다.
본 발명은, 이러한 개체들의 비주기적이고 비대칭인 배열 형태를 이용하는 것에 의해, 종래 기술에 비해 더 복잡한 마킹을 허용할 뿐만 아니라 동일한 단일의 마킹으로부터 하나 이상의 색상의 광이 쉽게 반사되게 한다. 또한, 본 발명을 사용하면 크기, 형상, 기하학적 배치(geometry) 및 간격이 변할 수 있는 마킹 구조가 가능하고, 이에 따라 더욱 복잡한 마킹 및 다수의 색상 성분들이 보일 수 있게 된다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 사용되는 광 회절 특성의 이론적인 배경 및 그에 대한 일반적인 설명을 이론적이고 기술적인 설명 및 이러한 회절 특성의 사용을 예시하는 이론 실험 결과들을 이용하여 설명한다. 비록 이 도면들에서는 개체들의 규칙적인 어레이 포메이션이 도시되어 있지만, 이는 설명을 위한 목적이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 고체 재료에 식별 마크를 제공하는 비주기적이고 비대칭인 배열 형태로 된 개체들의 격자를 이용한 본 발명의 예들 및 이 예들에 대한 설명이 제공된다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 속성들을 예시하고 설명하는 현상들이 도시되어 있다. 본 발명은 동일한 간격(P, 102)을 갖는 나노미터 크기의 주기적 구조의 어레이에서의 광 회절 특성의 적용 및 그에 따른 간섭에 관한 것이며, 간격은 예시된 각면 표면 상에서의 고체 재료-공기 인터페이스 또는 본 발명의 예에서는 다이아몬드-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 단면도로 도 1에 도시되고 예시된 주기로 규정된다. 또한 이 도면은 동일한 간격의 일정한 주기(P)를 갖는 규칙적인 어레이 포메이션을 도시하는데, 이는 설명을 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
언급하는 것처럼, 나노-홀들 또는 나노-도트들의 단면도는 인터페이스 외부 표면으로서의 상측 인터페이스(101)와 인터페이스 내부 표면으로서의 하측 인터페이스(105) 사이의 종횡비(aspect ratio)에 따라 교체될 수 있다. 원석 또는 공기와 같은 고체 재료와 공기 사이의 상측 인터페이스(101) 및 하측 인터페이스(105) 간의 거리(h, 103)는 홀 깊이 또는 도트 높이로 규정된다.
통상의 기술자라면 이해할 수 있는 것처럼, 나노-홀들 또는 나노-도트들의 측벽(104)은 인터페이스 외부 표면으로서의 상측 인터페이스(101) 또는 인터페이스 내부 표면으로서의 하측 인터페이스(105)와 직교하는 직선형 벽에 제한되지 않으며, 설명하는 본 발명의 기능 태양들을 변경하지 않는 범위에서 경사, 기하학적 배치 또는 형상이 변할 수 있다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 통상의 광학 현미경을 직접 이용하여 나노 구조의 치수 정보 및 구조 정보를 조사하는 것은 광학 한계의 레일리 기준으로 인해 복잡하다.
주사전자현미경(SEM: scanning electron microscopy) 기법을 활용하여, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 7,150X 배율에서 그리고 80,000X 배율(도 3)로 각각 나노 가공 구조들을 볼 수 있고 측정할 수 있다.
도 2에는, 본 발명의 속성들의 현상들에 대한 설명을 통해, 80,000배로 확대된 상태에서 규칙적이고 대칭인 나노-홀(201)들의 어레이(200)가 명확하게 보이고 나노-홀들이 약 180nm의 직경 및 대략 300nm의 주기를 가지는 한편, 도 3에서는 밝은 영역(302)은 인터페이스 외부 표면으로서의 상측 인터페이스(101)로 간주되고 어두운 원(301)은 인터페이스 내부 표면으로서의 하측 인터페이스(105)로 간주됨으로써, 상측 인터페이스(101)와 하측 인터페이스(105)가 도 1을 참조하여 규정되는 것이 도시되어 있다.
도 4a는 나노미터 크기의 주기적 구조에서 공기-원석 인터페이스(401) 또는 공기-다이아몬드 인터페이스에서 일어나는 회절의 효과를 예시하는데, n1은 공기 매질의 굴절율을 나타내고 n2는 고체 재료 매질 또는 공기 매질의 굴절율을 나타낸다. 입사하는 단색광선은, 수직 축선으로부터 θn으로 벗어난, 간섭이 유도됨으로 인해 세기가 변화하여 극대점을 나타내는 각기 다른 수많은 반사 광선들(403 내지 405), 및 수직 축선으로부터 φn으로 벗어난 투과 광선들(403 내지 405)을 만들어내고, 여기서 n=-2, -1, 0, 1 또는 2이며 회절 차수들에 상응하고 이에 따라 극대점들에 상응한다.
공기 매질에서의 0차 회절광(403), +/-1차 반사광선(404) 및 +/-2차 반사 광선(405) 대신 일 예에서는 원석 또는 다이아몬드의 상측 각면과 직교하게 설정된 관찰점(viewing point)이 원석 또는 다이아몬드 또는 기타 고체 재료 상에 본 발명을 달성하는 데에 사용될 수 있다.
이 점에서, -1차 회절광선(404)이 도 4b 내지 도 9에 도시된 바와 같은 계산 및 도 10a도, 10b 및 도 11에 도시된 실험 결과에서 사용되고, 이에 의해 본 발명의 실시예들은 도 10a, 도 10b 및 도 11에 도시되고 하기에서 더 설명된다. 그러나 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 것처럼, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 대안적인 관찰에서의 다른 관찰점들이 대안적으로 사용될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 1을 참조하여 규정된 나노-홀들 또는 나노 도트들의 격자의 고정 주기(P, 102), 단색 입사광의 고정 파장, -1차 회절광선(404)의 회절 효율 및 회절각이, 맥스웰의 방정식을 무한 대수 방정식들로 분해하여 풀고 나서 고차항들을 삭제내고 유한 정확성 수렴도(finite accuracy convergence)로 수치적으로 푸는 것에 의해 계산되어 그래프로 도시되어 있다.
이 예에서, 회절 효율 또한 입사 단색광 세기의 대략 0.8%이므로, 단색광의 입사 개시각이 대략 36도일 때 반사광이 수직하게 보이는 경우, -1차의 바람직한 회절각(404)은 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 수직 축선으로부터 영도이어야 한다.
-1차 회절광(404)의 관찰각이 원석 또는 다이아몬드의 상측 각면에 직교하게 고정되어 있으므로, 입사광(402)의 개시각은 그것이 단색 입사광(402)의 파장 및 원석-공기 인터페이스 또는 다이아몬드-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 주기성에 매우 종속적인 것으로 계산되는데, 이 계산에서 405nm(청색 가시광), 532nm(녹색 가시광), 650nm(적색 가시광)의 파장들이 적용되고 그 결과는 도 5에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 각기 다른 파장들을 갖는 단색 입사광(402)에 대한 회절 효율의 도 4를 참조하여 규정된 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 주기성에 대한 종속성이 평가되어 그래프로 도시되어 있다.
결과들은, 405nm 청색 단색 입사광이 나노 구조의 도 1을 참조하여 규정되는 동일한 주기(102)에서 계산된 650nm 적색 단색 입사광과 비교하여 적어도 2배 강한 것에 의해, 단색 입사광(402)의 파장이 짧을수록 회절 효율이 향상될 수 있다는 것을 보여 주고 있다.
도 7을 참조하면, 대안적으로, 나노-홀들 또는 나노-도트들의 격자의 도 1을 참조하여 규정되는 주기(102)를 고정시키는 것에 의해, 도 4를 참조하여 규정되는 단색 입사광(402)의 입사 개시각이 단색 입사광의 파장에 종속된다는 것을 도시하고 있다.
평가에 의해, 단색 입사광의 파장이 짧을수록 회절 효율이 크지만 입사 개시각은 작다는 것이 나타난다.
도 8을 참조하면, 회절 효율을 결정할 수 있는 다른 핵심 파라미터는 원석-공기 인터페이스에 있는 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 도 1을 참조하여 규정되고 설명된 물리적 깊이(103)이며, 원석 또는 다이아몬드의 굴절률 역시 중요한 역할을 한다. 도시된 바와 같이, 나노-홀들 또는 나노-도트들의 깊이(103)가 1nm에서 50nm로 변할 때 회절 효율은 103 정도로 극적으로 증가하고, 원석의 굴절율의 값이 0.84 변할 때 대략 8배 향상된다.
도 9를 참조하면, 본 발명에서 그리고 설명을 목적으로, 나노-홀들 또는 나노-도트들에 의해 유도되는 간섭으로부터의 회절로 인한 반사광 세기의 배경 영역의 반사광 세기에 대한 비를 온-오프 명암비(On-Off Ratio contrast)라 한다.
위에서 계산된 결과들을 본 예들에 대해 최적화하면, 관련 마크의 온-오프 명암비의 주변의 비처리 표면 거칠기로부터 계산된 바람직한 결과는 원석-공기 인터페이스에서의 나노-홀들 또는 나노-도트들의 어레이의 물리적인 깊이에 대해 최대 103값의 명암 차이를 제공한다.
그러나, 통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 미킹용 각면의 비처리 표면 거칠기는 단색 입사광(402)으로 조명할 때 특정한 색상 마크의 최종 온오프 비에 대해서 유해한 인자이고, 거친 된 표면은 도 4를 참조하여 규정된 단색 입사광(402)을 산란시키는 역할을 하지 않으며, 관련 마크의 관찰과 간섭할 수 있고, 이에 따라 온-오프 명암비를 감소시킬 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명의 예를 확대하여 예시한 사진이 도시되어 있는데, 본 발명에 따른 식별 마크(1001)를 구비한 원석 표면(1000)이 도시되어 있고, 식별 마크는 사아피어 상에 제공되어 있다. 식별 마크(1001)는 비주기적이고 불규칙적인 구조의 격자 내의 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들로 된 격자로 원석 각면 표면(1000)에 제공된다. 개체들은, 본 발명에 따라, 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 각면의 미리 정해진 영역 내에 배열된다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 식별 마크(1001)를 구비한 원석 각면 표면(1000)을 오프 상태로 도시되어 있는데, 일반 백색광이 단색 입사광에 대해 적용되고 원석 각면 표면과 직교하는 광축선에서 볼 때 원석 각면 표면(1000)에 적용되었다.
이와 대조적으로, 도 10b에 도시된 바와 같이, 일반 백색광과 강한 녹색 단색광(532nm)이 동시에 적용된 원석 각면 표면(1000)이 도시되어 있는데, 식별 마크(1001)는 상당히 증가되고 향상된 밝기를 갖는 온 상태로 도시되어 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 식별 마크(1001)가 온 상태이면, 그레이스케일 형식으로 재현될 때 온 상태인 식별 마크(1001)는 원석 각면 표면(1000)에 대해 어두운 부분으로 표시된다.
도 10c와 도 10d를 참조하면, 본 발명의 다른 예를 확대하여 예시한 사진이 도시되어 있는데, 본 발명에 따라 두 개의 식별 마크들(1011, 1012)을 구비한 원석 각면 표면(1010)이 도시되어 있고, 식별 마크들은 사파이어 상에 제공되어 있다. 식별 마크들(1011, 1012)은 비주기적이고 불규칙적인 구조로 된 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들의 격자로 원석 각면 표면(1000)에 제공된다. 개체들은 본 발명에 따라 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 각면의 미리 정해진 영역 내에 배열된다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 식별 마크들(1011, 1012)을 구비한 원석 각면 표면(1010)은 오프 상태이고, 원석 각면 표면(1010)과 직교하는 광축선에서 볼 때 일반 백색광이 단색 입사광에 적용되고 원석 각면 표면(1010)에 적용되었다.
이와 대조적으로, 도 10d에 도시된 바와 같이, 일반 백색광과 강한 적색 단색광(650nm)이 동시에 적용된 원석 각면 표면(1010)이 도시되어 있는데, 식별 마크들(1011, 1012)은 상당히 증가되고 향상된 밝기를 갖는 온 상태로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 식별 마크들(1011, 1012)이 온 상태이고 그레이스케일 형식으로 재현될 때, 온 상태인 식별 마크들(1011, 1012)은 원석 각면 표면(1010)에 대해 어두운 부분들로 표시된다.
도 10d에 도시된 바와 같이, 화상은 두 개의 별도의 색상 마크들(1011, 1012)이 동시에 온 상태에 있는 것으로 비추어질 수 있음을 나타내고 있다.
도 10b 및 도 10d 둘 다에는 단색광이 각각의 사파이어 표면(1000, 1010) 상의 각각의 관련 마크들(1001, 1011, 1012)에 입사한 후에 나타나는 고 온-오프 명암비가 도시되어 있다. 또한, 표면 거칠기와 산란이 상당한 것으로 간주될 수 있는 뚜렷한 연마선들이 도시되어 있는데, 관련 마크는 어떤 임의의 형상들 또는 부호들도 가지도록 디자인될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 예의 확대 사진이 도시되어 있다. 본 예에서는, 다수의 제1 식별 마크(1101)들과 다수의 제2 식별 마크(1102)들을 구비하는 원석 각면 표면(1100)이 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 제1 식별 마크(1101)들은 비주기적이고 불규칙적인 구조로 된 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들의 격자에 의해 형성되고, 다수의 제2 식별 마크(1102)들은 비주기적이고 불규칙적인 구조로 된 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들의 격자에 의해 형성된다.
도시된 바와 같이, 일반 백색광과 강한 녹색 단색광(532nm) 및 강한 적색 단색광(650nm)을 적용하면, 다수의 제1 마크(1101)들과 다수의 제2 마크(1102)들이 매우 증가되고 향상된 밝기를 갖는 온 상태가 되는데, 복합 마크는 두 개의 서로 별개이고 다른 색상들을 갖는다.
도 11에 도시된 바와 같이, 다수의 제1 마크(1101)들과 다수의 제2 마크(1102)들이 온 상태이고 그레이 스케일 형식으로 재현될 때, 온 상태인 식별 마크들(1011, 1012)은 원석 각면 표면(1110)에 대해 어두운 부분들로 표시된다.
도 11의 본 발명의 예에 의해 나타나는 본 발명의 유리한 속성들로, 상술한 계산 결과 및 실험 결과를 적용하는 것에 의해, 다수의 색상 마크가 원석-공기 인터페이스 또는 다이아몬드-공기 인터페이스에서의 광의 입사각, 나노-홀들 또는 나노 도트들의 격자의 개체들의 파라미터와 그 깊이를 적절하게 제어하는 것에 의해 제공될 수 있고 관찰될 수 있다. 그 결과, 브랜드 또는 품질 마크가 구비될 수 있는데, 이는 심미성을 가질 수도 있다. 또한, 보안 목적으로, 관련된 실시예들에서는, 이러한 마크는 알고 있는 광 및 관찰 파라미터들로만 관찰될 수 있는 복잡한 마크를 구비할 수도 있고, 이에 따라 적용되는 특정 물품에 고유의 마크를 제공할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 불균일하고 비주기적인 배열 형태로 된 본 발명에 따른 나노 크기 개체들의 격자 구조가 더 예시되어 있고, 도 12b 내지 도 12d는 본 발명에 따른 도 12a에 도시된 마크를 원자력현미경(AFM)을 이용하여 촬영한 현미경 사진이다.
도 12a는 온 상태로서 일반 백색광과 강한 적색 단색광을 동시에 (하측에서) 비추어서 각면(1200)의 표면과 직교하는 광축선에서 볼 때 광학 현미경으로 관찰되는 본 발명에 따라 적용된 마크(1210)를 구비한 원석 표면(1200)의 사진이며, 마크(1210)는 그레이 스케일로 재현될 때 원석 각면 표면(1200)에 대해 어두운 부분으로 도시된다.
도 12b에 도시된 바와 같은 도 12a의 마킹(1210)의 AFM의 최저 배율 및 해상도로부터, 나노 크기 개체(1220)들의 어레이는, 50μm x 50μm를 AFM을 이용하여 확대하여 보면, 이 배율에서 비교적 규칙적으로 배열되고 비교적 유사한 크기를 갖는 초기 외관을 제공하는 것으로 도시되어 있다.
그러나 도 12c에 도시된 바와 같이, AFM을 이용하여 확대함으로써 도 12a에 도시된 관련 삼각형 색상 마크의 중앙에 있는 15μm x 15μm 이미지 ROI(관심 영역)로 주사 면적을 감소시키는 것에 의해 관찰을 위한 유효 배율을 증가시키면, 임의의 간격과 형상들을 갖는 나노 크기 개체(1220)들로 인해 마킹된 영역을 따라 모든 방향들로 개체(1220)들의 연속성에 뚜렷한 브레이크(1230)들이 존재하고 이러한 개체들의 분포는 불규칙적이고, 비주기적이고 비대칭이라는 것이 도시되고 예시되어 있다.
본 발명에 따른 개체(1220)들의 이렇게 불규칙적이고, 비주기적이고 비대칭인 배열 형태와 분포가 도 12d에 도시된 바와 같이 더 도시되고 예시되는데, AFM을 이용한 확대는 도 12a에 도시된 관련 삼각형 색상 마크의 중앙에 있는 3.5μm x 3.5μm 이미지 ROI(관심 영역)에서 이루어진다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c를 참조하면, 본 발명에 따른 물품에 적용된 마크(1300)의 예의 AFM 주사 사진이 도시되어 있는데, 마크(1300)를 형성하는 개체(1310)들은 임의의 형상으로 형성되고 불규칙적으로/비주기적으로 이격된 개체(1310)들이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명에 따라 물품에 적용되는 마크(1300)를 제공하는, 좌측 상단 모서리에 도시된 바와 같이 X-Y축선을 따라 임의의 간격과 형상들을 구비한 불규칙적으로/비주기적으로 이격된 개체(1310)들을 나타내는 상세 AFM 주사 사진이 도시되어 있다.
도 13b를 참조하면, 도 13a의 주사 사진의 색상을, 그레이 스케일로 재현될 때 가장 어두운 부분으로 나타나는 가장 낮은 깊이(청색)로부터 그레이 스케일로 재현될 때 가장 밝은 부분으로 나타나는 상단 표면(적색)까지의 표면 형태 변화를 나타내고 또한 주기성 없이 X축선 및 Y축선 둘 다로 불규칙으로/비주기적으로 이격된 개체(1310)들을 구비한 임의의 형상들로 된 구성 및 배열 형태를 명확하게 나타내는, 청색으로부터 적색까지의 무지개 색 범위로 변환한 모습이 도시되어 있다.
도 13c를 참조하면, 임의의 형상으로 형성되고 불규칙적으로/비주기적으로 이격된 개체들로 인한 표면 형태의 변화를 나타내는 도 13b의 마크의 3D 색상 도표가 도시되어 있다. 이 경우에는 30nm의 범위의 나노 크기 개체(1330)들에 의한, 그레이 스케일로 재현될 때 가장 어두운 부분으로 나타나는 가장 낮은 깊이(청색)로부터 그레이 스케일로 재현될 때 가장 밝은 부분으로 나타나는 상단 표면(적색)까지의 높이/깊이 변화가 도시되어 있다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c에 도시되고 예시된 바와 같이, 마크(1300)를 형성하는 나노 크기 개체들은 3차원적으로 역동적인 크기, 형상, 간격 및 깊이를 가져 나노 크기 개체(1330)들이 불규칙인/비주기적인 격자로 배열되는 것을 나타내고 있다.
본 발명의 예에서, 임의의 형상과 불규칙적인/비주기적인 간격을 갖는 개별 개체(1330)들의 가공은 집속 이온 빔이 유지될 때 시간 및 위치들의 함수로 집속 이온 빔 경로를 제어하는 것에 의해 달성된다.
통상의 기술자라면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV), 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭 공정을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다른 나노 가공 방법들이 본 발명에 따라 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 14를 참조하면, Y축선을 따라 다양한 간격들로 그리고 Z축선을 따라 다양한 깊이들로 개체들을 가공하도록 원석 각면의 상측 표면을 가로질러 지나가는 집속 이온 빔이 개략적으로 도시되어 있다.
집속 이온 빔은 본 예에서는 원석 각면(1400)일 수 있는 물품의 상측 표면(1410)에 위치들(1410, 1411, 1412, 1413)에 각각 있는 이온 빔들(1402, 1403, 1404, 1405)로 예시된 것처럼 시간의 경과에 따라 좌에서 우로 Y축선을 따라 조사되도록 제어되는데, 가속 전압, 프로브 전압 및 조사량(dose) 등과 같은 빔 조건은 시간과 무관하다.
다시, 통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV), 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다른 나노 가공 방법들이 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
본 개략적인 예시 도면에서, 위치들(1410, 1411, 1412, 1413)은,
(i) Y축선에서의 이온 빔(i)의 위치 = 대략적인 희망 간격(nm) + 허용되는 변화 범위(nm) * 난수 발생기(-1 내지 1)에 따라
생성될 수 있고,
i는 원석(1400) 각면의 표면(1401)에 대한 이온 빔 조사 합계(count)이고,
대략적인 희망 간격은 200nm 내지 900nm 범위일 수 있고,
허용되는 변화 범위는 대략적인 희망 간격의 10% 내지 50% 범위일 수 있다.
본 예에서, 개별 개체들의 임의의 형상, 깊이/높이 및 X-Y 치수들은 이온 빔이 위치에서 유지되는 각 시기에 Z축선(1413, 1414, 1415, 1416)을 따르는 이온 빔의 체류 시간과 집속 위치를 변화시키는 것에 의해 제어된다.
체류 시간은,
(ii) 이온 빔(i) 체류 시간 = 대략적인 희망 체류 시간(us) + 허용되는 변화 범위(μs) * 난수 발생기(-1 내지 1)에 따라
생성될 수 있고,
대략적인 희망 체류 시간은 0.1μs 내지 100μs 범위일 수 있고,
허용되는 변화 범위는 대략적인 희망 체류 시간의 10% 내지 50% 범위일 수 있다.
원석(1400)의 상측 표면(1401)에 대해 이온 빔이 집속되는 깊이 위치들(1413, 1414, 1415, 1416)은,
(iii) Z축선에서의 이온 빔(i) 위치 = 대략적인 희망 깊이(nm) + 허용되는 변화 범위(nm) * 난수 발생기(0 내지 1)에 따라
생성될 수 있고,
대략적인 희망 깊이는 0nm 내지 100nm 범위일 수 있고,
허용되는 변화 범위는 대략적인 희망 깊이의 10% 내지 50%일 수 있다.
Y축선 및 Z축선에서의 생성된 이온 빔 위치 파라미터들 및 체류 시간은 집속 이온 빔이 원석(1400) 각면과 같은 고체 재료의 상측 표면(1401) 상에서 추종하고 조사되는 경로 목록으로 제공될 수 있다.
그 결과, 집속 이온 빔이 조사되는 각 장소에서, 상호작용 단면(1406, 1407, 1408, 1409) 및 상호작용 체적은 각 개체를 가공할 때 서로 무관하다. 또한, 불규칙적으로/비주기적으로 이격되고 형성된 개체들의 비대칭 격자의 결과로 개체들 간의 간격들(1417, 1418, 1419)은 도 13에 도시된 X-Y 평면을 따라 변한다.
본 발명은 마크 및 그 형성 방법을 제공하는데, 이는 원석 또는 다른 고체 재료의 각면에 적용될 수 있고, 적용되는 원석의 광학 특성들을 손상시키지 않는다.
이러한 마킹들은 등급 분류 목적, 보안 목적일 수 있으며, 원석의 원산지, 소유자 등을 표시할 수 있다.
통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 각기 다른 파장들의 광으로 인해 다수의 색채들이 임의의 필수 표식을 제공하도록 원석에 적용될 수 있다.
또한 통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 규칙적이거나 혹은 불규칙적인 형상으로 형성된 홀들, 도트들, 디스크들, 필라(pillar)들 등, 원형 어레이, 나선형 어레이, 정방형 어레이, 삼각형 어레이, 육각형 어레이, 다수의 주기 또는 이들의 조합과 같은 각기 다른 수많은 기하학적 속성들이 마크에 적용될 수 있다.
다음은 본 발명의 장점들을 강조하는데, 이에 의해 본 발명은 종래 기술에 의해서는 달성될 수 없는 이득들이 얻어질 수 있게 하는, 종래 기술에 비해 우수한 수많은 장점들을 제공한다.
본 발명에 의해, 홈(groove)들로 이루어지지 않고 그리고 주기성을 포함하거나 요구하지 않으며 오히려, 더 복잡한 마킹 및 하나 이상의 색상의 광이 동일한 단일의 마킹으로부터 용이하게 반사될 수 있게 하는, 비주기적이고 비대칭인 배열 형태로 된 개별 개체들의 격자를 포함하는 마킹 구조를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명을 사용하면 크기, 형상, 기하학적 배치(geometry) 및 간격이 변할 수 있는 마킹 구조가 가능하고, 이에 따라 더욱 복잡한 마킹 및 다수의 색상 성분들이 보일 수 있게 된다.
본 발명에 따른 예들 또는 실시예들의 장점은 다음과 같다.
(i) 더 복잡한 마킹들,
(ii) 하나 이상의 파장의 반사광, 및
(iii) 더 적은 수의 제조 단계들 및 이에 따른 더 효율적인 마킹 공정의 제공.
예를 들어 집속 이온 빔을 사용하여 마킹을 제공하는 본 발명의 실시예들은 종래 기술과 대조적으로, 산화제의 사용을 필요로 하는 단계를 제거한다.
이러한 단계의 제거로 인해, 수많은 부산물이 없어지거나 제거되고, 종래 기술에서 아용되는 일반적인 화학물질, 용융 질산칼륨에 대한 요구를 없애는 것을 포함하여 직업 보건 및 안전 그리고 환경 문제들이 제거되는데, 이는 다음을 포함한다.
(i) 더 낮은 비용,
(ii) 화학 물질의 연기에 노출되는 건강 위험이 없으며, 이에 따라 직업 보건 및 안전이 증가됨,
(iii) 질산칼륨의 폭발 위험이 없음.
(iii) 폐기물 관련 위험(OHS) 용해 질산칼륨의 처리가 없으며, 이에 따라 다시 직업 보건 및 안전이 증가됨, 그리고
(iv) 용해 질산칼륨을 처리하기 위한 폐기 비용과 관련된 비용 없음.
본 발명의 마크는 특정 각도에서의 입사 단색광에 의해 원석 또는 다이아몬드의 마킹된 각면을 포함하는 고체 재료의 사전에 정해진 방향으로부터, 바람직하게는 수직 방향으로부터 적당한 배율의 현미경 대물렌즈 하에서만 보이고, 여기서 입사 단색광 또는 다색광이 세지만, 입사광이 시준되고 가간섭성(coherent)인 경우에 더 큰 이미지 명암이 얻어질 수 있다.
본 발명은 현미경 대물렌즈로 들어가는 광이 0차가 아닌 임의의 회절광이거나 혹은 직접 반사광인 미국 특허 US6,391,215와 같은 종래 기술과 구별된다.
또한, 본 발명은 원석 마킹 분야에서 회절 광학 특성을 적용하는 해당 기술 분야의 다른 기술들과 구별되는데, 이러한 종래 기술은 일반 광 하에서의 원석 또는 다이아몬드의 광학 특성 향상(미국 특허 US 8,033,136 B2) 및 원석 또는 다이아몬드의 장식(decorative and ornamental) 향상(미국 특허 US 8,333,218 B2)에 관한 것이다.
대조적으로, 본 발명의 마크는 회절 차수에 의한 강한 온-오프 명암을 사용하고, 이에 따라 비처리 표면으로부터, 유도된 간섭에 세기 변화를 조래하여, 비가시성 일련번호의 마킹 또는 비가시성 브랜드 마크 또는 품질 마크와 같은, 원석을 포함하는 고체 재료의 식별에 관한 정보를 나타낸다.

Claims (39)

  1. 물품 표면의 연마 각면의 일부분 위에 있고 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크로,
    나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 다수의 개별 개체들로 이루어진 이차원 또는 삼차원 격자로 형성되는 나노 구조를 포함하고, 상기 개체들은 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 연마 각면의 미리 정해진 영역 내에 그리고 물품의 각면과 공기 사이의 외측 인터페이스면이 형성되고 물품의 각면과 공기 사이의 내측 인터페이스면이 형성되도록 배열되며,
    상기 개체들의 상기 사전에 결정된 배열 형태는 불균일하고 비주기적인 배열 형태이고, 상기 개체들은 입사광이 반사될 때 광산란이 일어나도록 그 크기와 형상이 정해지고, 내측 인터페이스면으로부터 외측 인터페이스면까지의 거리는 상기 연마 각면의 마킹된 부분의 폭보다 크며, 이에 따라
    하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광이 상기 격자에 대해 사전에 결정된 입사각에서 상기 격자에 의해 반사될 때, 상기 격자로부터의 광의 산란으로 인한 간섭이 유도되고, 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 파장의 하나 이상의 극대점(local maximum)을 제공하고,
    상기 마크는 극대점이 검출되도록 필요 관찰각으로 경사진 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  2. 제1항에 있어서,
    나노미터 크기의 개별 개체들의 상기 이차원 또는 삼차원 격자가 나노 가공 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나노 가공 방법이 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV) 레이저 빔, 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭 공정을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자가 집속 이온 빔에 의해 형성되되, 집속 이온 빔의 초점 크기 및 조사량을 동적으로 제어하는 것을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자의 상기 개체들이 10nm 내지 900nm 범위에서 이격되고, 개별 개체들의 최대 가로 치수는 1nm 내지 899nm 범위이고, 외측 인터페이스면과 내측 인터페이스면 간의 수직 거리가 1nm 내지 200nm 범위인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자가 상기 광학식 확대 관찰 장치를 통해 관찰할 수 있는 두 개 이상의 색상 피처(color feature)들을 갖는 적어도 하나의 식별 마크를 제공하는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학식 확대 관찰 장치의 상기 필요 관찰각은 상기 연마 각면과 직교하는 방향인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자가 약 400μm x 400μm의 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각면의 비마킹부의 평균 표면 거칠기가 1nm보다 작은 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 극대점의 세기의 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호의 세기에 대한 비가 102 자릿수의 값보다 큰 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 극대점의 세기의 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호의 세기에 대한 비가 103까지의 자릿수의 값보다 큰 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    마크가 10x 배율보다 큰 배율을 통해 관찰될 수 있는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세기 변화가 상기 각면의 비마킹부로부터의 임의의 반사 신호로부터 사람의 눈 또는 광학 카메라에 의해 구별될 수 있는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  14. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자의 오목하거나 돌출된 개체들은 그 형상이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 형성된 홀들, 도트들, 디스크들, 필라들 등인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  15. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    나노미터 크기의 개별 개체들이, 원형으로 배열된 격자, 나선형으로 배열된 격자, 정방형으로 배열된 격자, 삼각형으로 배열된 격자, 육각형으로 배열된 격자, 프랙탈(fractal)형으로 배열된 격자 또는 이들의 다수의 조합으로 제공되는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  16. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    회절광으로 인한 세기 변화를 갖는 극대점이 입사광의 회절로부터의 +/-1차광, +/-2차광 또는 +/-3차광인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  17. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광이 단색광 또는 다색광인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  18. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광이 다수의 파장들을 갖는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  19. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광은 시준된 가간섭성 광인 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  20. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    개개의 특정 각도(θ)들로 입사하는 단일 파장 또는 다수 파장의 단색광의 조합이 각기 다른 색상들과 결합된 마크를 브랜드 마크 또는 품질 마크로서 형성하는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  21. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    마크가 원석의 연마 각면 상에 있는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  22. 제21항에 있어서,
    원석이 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 식별 마크.
  23. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 식별 마크를 그 위에 구비하는 것을 특징으로 하는 물품.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 물품이 원석인 것을 특징으로 하는 물품.
  25. 제24항에 있어서,
    원석이 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
  26. 물품 표면의 연마 각면의 일부분 위에 있고 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 식별 마크를 제공하는 방법으로,
    다수의 나노미터 크기의 오목하거나 돌출된 개별 개체들로 이루어진 이차원 또는 삼차원 격자의 나노 구조를 물품의 각면의 일부분 상에 형성하는 단계를 포함하고, 상기 개체들은 서로에 대해 사전에 결정된 배열 형태로 상기 각면의 미리 정해진 영역 내에 그리고 물품의 각면과 공기 사이의 외측 인터페이스면이 형성되고 물품의 각면과 공기 사이의 내측 인터페이스면이 형성되도록 배열되며,
    상기 개체들의 상기 사전에 결정된 배열 형태는 불균일하고 비주기적인 배열 형태이고, 상기 개체들은 입사광이 반사될 때 광산란이 일어나도록 그 크기와 형상이 정해지고, 내측 인터페이스면으로부터 외측 인터페이스면까지의 거리는 상기 연마 각면의 마킹된 부분의 폭보다 크며, 이에 따라
    하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광이 상기 격자에 대해 사전에 결정된 입사각에서 상기 격자에 의해 반사될 때, 상기 격자로부터의 광의 산란으로 인한 간섭이 유도되고, 이에 따라 반사광의 세기가 변하여 하나 이상의 파장의 하나 이상의 극대점(local maximum)을 제공하고,
    상기 마크는 극대점이 검출되도록 필요 관찰각으로 경사진 광학식 확대 관찰 장치에 의해 식별될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    나노미터 크기의 개별 개체들의 상기 이차원 또는 삼차원 격자가 나노 가공 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 나노 가공 방법이 집속 이온 빔, 심자외선(deep UV) 레이저 빔, 습식 화학 에칭, 이온 플라즈마 에칭, 플라즈마 에칭 공정을 위한 각기 다른 종횡비의 섀도 마스크 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자가 집속 이온 빔에 의해 형성되되, 집속 이온 빔의 초점 크기 및 조사량을 동적으로 제어하는 것을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자의 상기 개체들이 10nm 내지 900nm 범위에서 이격되고, 개별 개체들의 최대 가로 치수는 1nm 내지 899nm 범위이고, 외측 인터페이스면과 내측 인터페이스면 간의 수직 거리가 1nm 내지 200nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자가 상기 광학식 확대 관찰 장치를 통해 관찰할 수 있는 두 개 이상의 색상 피처(color feature)들을 갖는 적어도 하나의 식별 마크를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제26항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자가 약 400μm x 400μm의 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제26항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차원 또는 삼차원 격자의 오목하거나 돌출된 개체들은 그 형상이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 형성된 홀들, 도트들, 디스크들, 필라들 등인 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제26항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노미터 크기의 개별 개체들이 원형 격자, 나선형 격자, 정방형 격자, 삼각형 격자, 육각형 격자, 프랙탈형 격자 또는 이들의 다수의 조합으로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제26항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품이 원석인 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    원석이 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥, 토르말린 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에서 상기 물품에 대한 식별 마크를 관찰하는 방법으로, 상기 식별 마크가 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 마크이고, 상기 방법이,
    사전에 결정된 입사각으로 식별 마크에 입사되는 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광을 제공하는 단계; 및
    극대점이 검출되도록 광학 관찰 장치를 통해 필요 관찰각에서 상기 식별 마크를 관찰하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에서 상기 물품에 대한 식별 마크를 관찰하는 시스템으로, 상기 식별 마크가 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 마크이고, 상기 시스템이,
    사전에 결정된 입사각으로 식별 마크에 입사되는 하나 이상의 사전에 결정된 파장을 갖는 입사광을 위한 광원; 및
    극대점이 검출되도록 광학 관찰 장치를 통해 필요 관찰각에서 상기 식별 마크를 관찰하는 관찰 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 물품 표면의 연마 각면의 일부분 상에 형성된 식별 마크를 구비한 상기 물품으로, 식별 마크가 제26항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 물품.
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