KR20200105628A - 초미세 기포 생성 장치 - Google Patents

초미세 기포 생성 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200105628A
KR20200105628A KR1020200024155A KR20200024155A KR20200105628A KR 20200105628 A KR20200105628 A KR 20200105628A KR 1020200024155 A KR1020200024155 A KR 1020200024155A KR 20200024155 A KR20200024155 A KR 20200024155A KR 20200105628 A KR20200105628 A KR 20200105628A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ufb
heating
liquid
heat generating
heating element
Prior art date
Application number
KR1020200024155A
Other languages
English (en)
Inventor
요시유키 이마나카
마사히코 구보타
아키토시 야마다
유미 야나이
히로시 아리미즈
히로유키 이시나가
데루오 오자키
Original Assignee
캐논 가부시끼가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 캐논 가부시끼가이샤 filed Critical 캐논 가부시끼가이샤
Publication of KR20200105628A publication Critical patent/KR20200105628A/ko

Links

Images

Classifications

    • B01F3/04439—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/2319—Methods of introducing gases into liquid media
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0244—Heating of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01F15/066—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2323—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/2366—Parts; Accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B01F23/2375—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm for obtaining bubbles with a size below 1 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/238—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using vibrations, electrical or magnetic energy, radiations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/70—Pre-treatment of the materials to be mixed
    • B01F23/703—Degassing or de-aerating materials; Replacing one gas within the materials by another gas
    • B01F3/04829—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/3033—Micromixers using heat to mix or move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/90—Heating or cooling systems
    • B01F35/93—Heating or cooling systems arranged inside the receptacle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J7/00—Apparatus for generating gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/287—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically with water in sprays or in films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/345—Arrangements for heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/03—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/78—Heating arrangements specially adapted for immersion heating
    • H05B3/82—Fixedly-mounted immersion heaters
    • B01F2003/04858—
    • B01F2015/062—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/90—Heating or cooling systems
    • B01F2035/99—Heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0436—Operational information
    • B01F2215/0445—Numerical electrical values, e.g. intensity, voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0436—Operational information
    • B01F2215/0477—Numerical time values
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)
  • Accessories For Mixers (AREA)

Abstract

발열 소자가 액체에 막 비등을 발생시키게 함으로써 초미세 기포를 생성하는 초미세 기포 생성 장치는, 다수의 발열 소자를 구비한 발열부를 포함하는 소자 기판을 포함하며, 상기 소자 기판은 상기 발열부의 상기 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하도록 구성된다.

Description

초미세 기포 생성 장치{ULTRAFINE BUBBLE GENERATING APPARATUS}
본 발명은 직경이 1.0μm 미만의 초미세 기포를 생성하는 초미세 기포 생성 장치에 관한 것이다.
근년, 직경이 마이크로미터 사이즈의 마이크로버블 및 직경이 나노미터 사이즈의 나노버블 등의 미세한 기포의 특성을 응용하는 기술이 개발되어 오고 있다. 특히, 직경이 1.0μm 미만의 초미세 기포(이하, "UFB"라 칭하기도 함)의 유용성은 다양한 분야에서 확인되고 있다.
일본 특허 제6118544호는, 기체가 가압 및 용해된 가압 액체를 감압 노즐로부터 분출시킴으로써 미세한 기포를 생성하는 미세 기포 생성 장치를 개시하고 있다. 일본 특허 제4456176호는, 혼합 유닛을 사용해서 기체-혼합액의 분류와 합류를 반복함으로써 미세한 기포를 생성하는 장치를 개시하고 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 초미세 기포 생성 장치는, 발열 소자가 액체에 막 비등을 발생시키게 함으로써 초미세 기포를 생성하는 초미세 기포 생성 장치이며, 상기 초미세 기포 생성 장치는 다수의 발열 소자를 구비한 발열부를 포함하는 소자 기판을 포함하며, 상기 소자 기판은 상기 발열부에서 상기 발열부의 상기 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하도록 구성된다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 UFB 생성 장치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 전처리 유닛의 개략 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 용해 유닛의 개략 구성도 및 액체의 용해 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 T-UFB 생성 유닛의 개략 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 발열 소자의 상세를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 발열 소자에서의 막 비등의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 막 비등 기포의 팽창에 의해 유발되는 UFB의 생성의 상태를 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 막 비등 기포의 수축에 의해 유발되는 UFB의 생성의 상태를 도시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 액체의 재가열에 의해 유발되는 UFB의 생성의 상태를 도시하는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 막 비등에 의해 생성되는 기포의 소멸에 의해 일어나는 충격파에 의해 유발되는 UFB의 생성의 상태를 도시하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 후처리 유닛의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 소자 기판의 레이아웃을 설명하는 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 14a 내지 도 14c는 배선 저항 손실 사이의 차를 저감하는 예를 설명하는 도면이다.
도 15a 내지 도 15f는 소자 기판의 레이아웃 등을 설명하는 도면이다.
도 16a 내지 도 16e는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 17a 내지 도 17g는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 18a 내지 도 18c는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 19a 내지 도 19c는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 20a 내지 도 20c는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 21a 내지 도 21d는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 22a 내지 도 22d는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 23a 내지 도 23d는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
도 24a 내지 도 24d는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다.
일본 특허 제6118544호 및 제4456176호에 기재된 양 장치는, 직경이 나노미터 사이즈의 UFB뿐만 아니라 직경이 밀리미터 사이즈의 밀리-버블 및 직경이 마이크로미터 사이즈의 마이크로버블도 비교적 다량으로 생성한다. 단, 밀리-버블 및 마이크로버블은 부력의 영향을 받기 때문에, 기포는 장기간의 보존에서는 서서히 액면으로 부상하고 소멸해버리기 쉽다.
한편, 직경이 나노미터 사이즈의 UFB는, 부력의 영향을 받기 어렵고, 브라운 운동(Brownian motion)을 행하면서 액체 중에 부유하기 때문에, 장기간의 보존에 적합하다. 그러나, UFB이 밀리-버블 및 마이크로버블과 함께 생성되거나 또는 UFB의 기-액 계면 에너지가 작은 경우, UFB는 밀리-버블 및 마이크로버블의 소멸의 영향을 받고, 시간의 경과와 함께 감소한다. 즉, 장기간 보존시에도 UFB의 농도 감소가 억제될 수 있는 UFB-함유액을 얻기 위해서는, UFB-함유액의 생성 시에 큰 기-액 계면 에너지를 갖는 UFB가 고순도 및 고농도로 생성되는 것이 요구된다.
<<UFB 생성 장치의 구성>>
도 1은 본 발명에 적용 가능한 초미세 기포 생성 장치(UFB 생성 장치)의 예를 도시하는 도면이다. 본 실시형태의 UFB 생성 장치(1)는, 전처리 유닛(100), 용해 유닛(200), T-UFB 생성 유닛(300), 후처리 유닛(400) 및 회수 유닛(500)을 포함한다. 각 유닛은 상기 순서로 전처리 유닛(100)에 공급된 수돗물 등의 액체(W)에 대해 고유한 처리를 행하고, 이렇게 처리된 액체(W)는 회수 유닛(500)에 의해 T-UFB-함유액으로서 회수된다. 이하 유닛의 기능 및 구성에 대해서 설명한다. 상세는 후술하지만, 본 명세서에서는 급격한 발열에 수반하는 막 비등을 이용해서 생성한 UFB를 열적-초미세 기포(thermal-ultrafine bubble)(T-UFB)라 칭한다.
도 2는 전처리 유닛(100)의 개략 구성도이다. 본 실시형태의 전처리 유닛(100)은 공급된 액체(W)에 대하여 탈기 처리를 행한다. 전처리 유닛(100)은, 주로, 탈기 용기(101), 샤워 헤드(102), 감압 펌프(103), 액체 도입로(104), 액체 순환로(105), 및 액체 도출로(106)를 포함한다. 예를 들어, 수돗물과 같은 액체(W)는, 밸브(109)를 통해서 액체 도입로(104)로부터 탈기 용기(101)에 공급된다. 이 과정에서, 탈기 용기(101)에 제공된 샤워 헤드(102)가 액체(W)의 미스트(mist)를 탈기 용기(101)에 분무한다. 샤워 헤드(102)는 액체(W)의 기화를 촉진하기 위한 것이지만; 기화 촉진 효과를 만들어 내는 기구로서 원심분리기 등도 대신해서 사용될 수 있다.
어느 정도 양의 액체(W)가 탈기 용기(101)에 저류된 후, 모든 밸브를 폐쇄한 상태에서 감압 펌프(103)를 작동시키면, 이미 기화된 기체 성분이 배출되며, 액체(W)에 용해되어 있는 기체 성분의 기화와 배출도 촉진된다. 이 과정에서, 탈기 용기(101)의 내압을, 압력계(108)를 확인하면서 수백 내지 수천 Pa(1.0 Torr 내지 10.0 Torr) 정도로 감압할 수 있다. 전처리 유닛(100)에 의해 제거되는 기체는, 예를 들어 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등을 포함한다.
이상 설명한 탈기 처리는 액체 순환로(105)를 이용함으로써 동일한 액체(W)에 대하여 반복적으로 행해질 수 있다. 구체적으로는, 액체 도입로(104)의 밸브(109)와 액체 도출로(106)의 밸브(110)를 폐쇄하고, 액체 순환로(105)의 밸브(107)를 개방한 상태에서, 샤워 헤드(102)를 작동시킨다. 이에 의해, 탈기 용기(101)에 저류되고 탈기 처리가 한 번 행해진 액체(W)는, 샤워 헤드(102)로부터 탈기 용기(101)에 재분무된다. 또한, 감압 펌프(103)를 작동시킴으로써, 샤워 헤드(102)에 의한 기화 처리와 감압 펌프(103)에 의한 탈기 처리가 동일한 액체(W)에 대하여 반복적으로 행해지게 된다. 액체 순환로(105)를 이용한 상기 처리를 반복적으로 행할 때마다, 액체(W)에 포함되는 기체 성분을 단계적으로 감소시킬 수 있다. 원하는 순도로 탈기된 액체(W)가 얻어지면, 밸브(110)를 개방함으로써, 액체(W)는 액체 도출로(106)를 거쳐서 용해 유닛(200)에 송액된다.
도 2는, 기체부를 감압해서 용해물을 기화시키는 전처리부(100)를 나타내지만; 용액을 탈기하는 방법은 이것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 액체(W)를 비등시켜서 용해물을 기화시키는 가열 비등법을 채용할 수 있거나, 중공사(hollow fiber)를 이용해서 액체와 기체 사이의 계면을 증대시키는 막 탈기법을 채용할 수 있다. 중공사를 사용한 탈기 모듈로서는, SEPAREL 시리즈(DIC corporation에 의해 제조됨)가 상업적으로 공급된다. SEPAREL 시리즈는 중공사의 원료에 폴리(4-메틸펜텐-1)(PMP)을 사용하며, 주로 피에조 헤드(piezo head)에 공급되는 잉크 등으로부터 기포를 제거하기 위해 사용된다. 또한, 배출법, 가열 비등법 및 막 탈기법 중 2개 이상을 함께 사용할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는, 용해 유닛(200)의 개략 구성도 및 액체의 용해 상태를 설명하기 위한 도면이다. 용해 유닛(200)은, 전처리 유닛(100)으로부터 공급된 액체(W)에 대하여 원하는 기체를 용해시키는 유닛이다. 본 실시형태의 용해 유닛(200)은, 주로, 용해 용기(201), 회전판(202)이 제공된 회전 샤프트(203), 액체 도입로(204), 기체 도입로(205), 액체 도출로(206) 및 가압 펌프(207)를 포함한다.
전처리 유닛(100)으로부터 공급된 액체(W)는 액체 도입로(204)를 통해 용해 용기(201)에 공급되어 저류된다. 한편, 기체(G)는 기체 도입로(205)를 통해 용해 용기(201)에 공급된다.
미리결정된 양의 액체(W)와 기체(G)가 용해 용기(201)에 저류되면, 가압 펌프(207)를 작동시켜 용해 용기(201)의 내압을 약 0.5MPa로 상승시킨다. 가압 펌프(207)와 용해 용기(201) 사이에는 안전 밸브(208)가 배치된다. 회전 샤프트(203)를 통해서 액체 중의 회전판(202)을 회전시킴으로써, 용해 용기(201)에 공급된 기체(G)는 기포로 변환되고, 기체(G)와 액체(W) 사이의 접촉 면적을 증가시켜 액체(W) 중으로의 용해를 촉진한다. 이러한 작업을, 기체(G)의 용해도가 거의 최대 포화 용해도에 도달할 때까지 계속한다. 이 경우, 가능한 한 많은 기체를 용해시키기 위해서, 액체의 온도를 저하시키는 유닛을 제공할 수 있다. 용해도가 낮은 기체의 경우에는, 용해 용기(201)의 내압을 0.5MPa 이상으로 상승시킬 수도 있다. 그 경우에는, 안전면에서 용기의 재료 등을 최적으로 할 필요가 있다.
기체(G)의 성분이 원하는 농도로 용해된 액체(W)가 얻어지면, 액체(W)는 액체 도출로(206)를 통해서 배출되고, T-UFB 생성 유닛(300)에 공급된다. 이러한 과정에서, 배압 밸브(209)는, 공급 시의 압력의 과도한 상승을 방지하도록 액체(W)의 유동압(flow pressure)을 조정한다.
도 3b는, 용해 용기(201)에 혼입된 기체(G)의 용해 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 액체(W)에 혼입된 기체(G)의 성분을 포함하는 기포(2)는, 액체(W)에 접촉하는 부분으로부터 용해된다. 이 때문에, 기포(2)는 서서히 수축하고, 기포(2)의 주위에는 기체-용해액(3)이 나타난다. 기포(2)는 부력의 영향을 받기 때문에, 기포(2)는 기체-용해액(3)의 중심으로부터 벗어난 위치로 이동하거나, 기체-용해액(3)으로부터 분리되어 잔존 기포(4)가 될 수 있다. 구체적으로는, 액체 도출로(206)를 통해서 T-UFB 생성 유닛(300)에 공급되는 액체(W)에는, 기포(2)에 의해 둘러싸인 기체-용해액(3) 및 서로 분리된 기체-용해액(3)과 기포(2)의 혼합물이 존재한다.
도면에서의 기체-용해액(3)은, "액체(W) 중에서, 그 내부에 혼입된 기체(G)의 용해 농도가 비교적 높은 영역"을 의미한다. 실제로 액체(W)에 용해되어 있는 기체 성분에서는, 기포(2)를 둘러싸는 부분에서 기체-용해액(3)의 기체 성분의 농도가 가장 높다. 기체-용해액(3)이 기포(2)로부터 분리되는 경우, 기체-용해액(3)의 기체 성분의 농도는 영역의 중심에서 가장 높고, 농도는 중심으로부터 벗어날수록 연속적으로 낮아진다. 즉, 도 3에서는 설명을 위해서 기체-용해액(3)의 영역을 파선으로 둘러싸고 있지만, 실제로는 이러한 명확한 경계가 존재하는 것은 아니다. 또한, 본 개시물에서는, 완전히 용해될 수 없는 기체가 기포의 형태로 액체 중에 존재하는 것이 허용될 수 있다.
도 4는 T-UFB 생성 유닛(300)의 개략 구성도이다. T-UFB 생성 유닛(300)은, 주로, 챔버(301), 액체 도입로(302), 및 액체 도출로(303)를 포함한다. 액체 도입로(302)로부터 챔버(301)를 거쳐서 액체 도출로(303)를 향하는 흐름이, 도시되지 않은 유동 펌프에 의해 형성된다. 유동 펌프로서는, 다이어프램 펌프, 기어 펌프, 및 스크류 펌프를 포함하는 각종 펌프를 채용할 수 있다. 액체 도입로(302)로부터 도입되는 액체(W)에는, 용해 유닛(200)에 의해 혼입된 기체(G)의 기체-용해액(3)이 혼재되어 있다.
챔버(301)의 저부에는 발열 소자(10)가 제공된 소자 기판(12)이 배치된다. 발열 소자(10)에 미리결정된 전압 펄스가 인가됨으로써, 발열 소자(10)에 접촉하는 영역에 막 비등에 의해 발생하는 기포(13)(이하, 막 비등 기포(13)라고도 칭함)가 발생한다. 그리고, 막 비등 기포(13)의 팽창 및 수축에 따라 기체(G)를 함유하는 초미세 기포(UFB)(11)가 생성된다. 그 결과, 액체 도출로(303)로부터는 다수의 UFB(11)가 포함된 UFB-함유액(W)이 도출된다.
도 5a 및 도 5b는 발열 소자(10)의 상세 구조를 도시하는 도면이다. 도 5a는 발열 소자(10)의 근접도를 도시하며, 도 5b는 발열 소자(10)를 포함하는 소자 기판(12)의 더 넓은 영역의 단면도를 도시한다.
도 5a에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 소자 기판(12)에서, 실리콘 기판(304)의 표면에, 축열층으로서의 열산화막(305)과, 축열층을 겸하는 층간막(306)이 적층되어 있다. 층간막(306)으로서는, SiO2 막 또는 SiN 막을 사용할 수 있다. 층간막(306)의 표면에는 저항층(307)이 형성되고, 그 저항층(307)의 표면에 배선(308)이 부분적으로 형성된다. 배선(308)으로서는, Al, Al-Si, Al-Cu 등의 Al-합금 배선을 사용할 수 있다. 배선(308), 저항층(307) 및 층간막(306)의 표면에는, SiO2 막 또는 Si3N4 막으로 이루어지는 보호층(309)이 형성된다.
보호층(309)의 표면에서, 결과적으로 발열 소자(10)가 되는 열-작용부(311)에 대응하는 부분 및 그 부분 주위에는, 저항층(307)에 의해 발열되는 열에 수반하는 화학적 및 물리적인 충격으로부터 보호층(309)을 보호하기 위한 내-캐비테이션 막(cavitation-resistant film)(310)이 형성된다. 저항층(307)의 표면에서, 배선(308)이 형성되어 있지 않은 영역은, 저항층(307)이 발열하는 열-작용부(311)이다. 배선(308)이 형성되어 있지 않은 저항층(307)의 발열 부분은, 발열 소자(히터)(10)로서 기능한다. 이렇게, 소자 기판(12)의 층들은, 반도체 제조 기술에 의해 실리콘 기판(304)의 표면에 순차적으로 형성되고, 이에 의해 실리콘 기판(304)에 열-작용부(311)가 제공된다.
도면에 나타내는 구성은 일례이며, 다양한 다른 구성이 적용 가능하다. 예를 들어, 저항층(307)과 배선(308)의 적층 순서가 반대인 구성 및 저항층(307)의 하면에 전극이 연결되는 구성(소위 플러그 전극 구성)이 적용 가능하다. 즉, 후술하는 바와 같이, 열-작용부(311)가 액체를 가열하도록 허용하여 액체 중에 막 비등을 발생시킬 수 있는 구성이라면 어떠한 구성도 적용될 수 있다.
도 5b는, 소자 기판(12)에서, 배선(308)에 연결되는 회로를 포함하는 영역의 단면도의 일례이다. P형 도전체인 실리콘 기판(304)의 상부 층에는, N형 웰 영역(N-type well region)(322) 및 P형 웰 영역(323)이 부분적으로 제공된다. 일반적인 MOS 프로세스에서의 이온 주입 등에 의한 불순물의 도입 및 확산에 의해, N형 웰 영역(322)에 P-MOS(320)이 형성되고, P형 웰 영역(323)에 N-MOS(321)가 형성된다.
P-MOS(320)는, N형 웰 영역(322)의 상부 층에 부분적으로 N형 또는 P형의 불순물을 도입함으로써 형성되는 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326), 게이트 배선(335) 등을 포함한다. 게이트 배선(335)은, 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326)을 제외하는 N형 웰 영역(322)의 상부 표면의 일부에, 수백 Å의 두께의 게이트 절연막(328)이 게이트 배선(335)과 N형 웰 영역(322)의 상부 표면 사이에 개재된 상태로 퇴적되어 있다.
N-MOS(321)는, P형 웰 영역(323)의 상부 층에 부분적으로 N형 또는 P형의 불순물을 도입함으로써 형성되는 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326), 게이트 배선(335) 등을 포함한다. 게이트 배선(335)은, 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326)을 제외하는 P형 웰 영역(323)의 상부 표면의 일부에, 수백 Å의 두께의 게이트 절연막(328)이 게이트 배선(335)과 P형 웰 영역(323)의 상부 표면 사이에 개재된 상태로 퇴적되어 있다. 게이트 배선(335)은, CVD 법에 의해 퇴적된 두께 3000Å 내지 5000Å의 폴리실리콘으로 이루어진다. P-MOS(320) 및 N-MOS(321)에 의해 C-MOS 로직이 구성된다.
P형 웰 영역(323)에서, N-MOS(321)를 포함하는 부분과는 상이한 부분에는, 전기열 변환 소자(발열 저항 소자)를 구동하기 위한 N-MOS 트랜지스터(330)가 형성된다. N-MOS 트랜지스터(330)는, 불순물의 도입 및 확산의 단계에 의해 P형 웰 영역(323)의 상부 층에 부분적으로 제공된 소스 영역(332) 및 드레인 영역(331), 게이트 배선(333) 등을 포함한다. 게이트 배선(333)은, P형 웰 영역(323)에서의 소스 영역(332) 및 드레인 영역(331)을 제외하는 상부 표면의 일부에, 게이트 절연막(328)이 게이트 배선(333)과 P형 웰 영역(323)의 상부 표면 사이에 개재된 상태로 퇴적되어 있다.
본 예에서는, 전기열 변환 소자를 구동하기 위한 트랜지스터로, N-MOS 트랜지스터(330)를 사용한다. 그러나, 구동용 트랜지스터는 N-MOS 트랜지스터(330)로 한정되지 않으며, 트랜지스터가 다수의 전기열 변환 소자를 개별적으로 구동하는 능력을 갖고 상술한 미세한 구조를 실현할 수 있다면 어떠한 트랜지스터도 사용될 수 있다. 본 예에서는, 전기열 변환 소자와 전기열 변환 소자를 구동하기 위한 트랜지스터가 동일한 기판 상에 형성되지만, 이들은 상이한 기판에 별도로 형성될 수 있다.
P-MOS(320)과 N-MOS(321) 사이 및 N-MOS(321)과 N-MOS 트랜지스터(330) 사이 등의 각 소자 사이에는, 5000Å 내지 10000Å의 두께의 필드 산화에 의해 산화막 분리 영역(324)이 형성된다. 이 산화막 분리 영역(324)이 소자들을 분리한다. 산화막 분리 영역(324)에서, 열-작용부(311)에 대응하는 부분은, 실리콘 기판(304) 상의 제1 층인 축열층(334)으로서 기능한다.
P-MOS(320), N-MOS(321) 및 N-MOS 트랜지스터(330) 등의 소자의 각 표면에는, CVD 법에 의해, 두께 약 7000Å의 PSG 막, BPSG 막 등을 포함하는 층간 절연막(336)이 형성된다. 층간 절연막(336)을 열처리에 의해 평탄하게 한 후에, 층간 절연막(336) 및 게이트 절연막(328)을 관통하는 콘택트 홀에 제1 배선층으로서의 Al 전극(337)이 형성된다. 층간 절연막(336) 및 Al 전극(337)의 표면에는, 플라즈마 CVD 법에 의해, 두께 10000Å 내지 15000Å의 SiO2 막을 포함하는 층간 절연막(338)이 형성된다. 층간 절연막(338)의 표면에서, 열-작용부(311) 및 N-MOS 트랜지스터(330)에 대응하는 부분에는, 코-스퍼터법(co-sputter method)에 의해 두께 약 500Å의 TaSiN 막을 포함하는 저항층(307)이 형성된다. 저항층(307)은, 층간 절연막(338)에 형성된 스루홀(through-hole)을 통해서 드레인 영역(331)의 근방의 Al 전극(337)과 전기적으로 연결된다. 저항층(307)의 표면에는, 각 전기열 변환 소자에 배선이 되는 제2 배선층으로서의 Al의 배선(308)이 형성된다. 배선(308), 저항층(307) 및 층간 절연막(338)의 표면 상의 보호층(309)은, 플라즈마 CVD 법에 의해 형성된 두께 3000Å의 SiN 막을 포함한다. 보호층(309)의 표면에 퇴적된 내-캐비테이션 막(310)은, Ta, Fe, Ni, Cr, Ge, Ru, Zr, Ir 등을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속인, 두께 약 2000Å의 박막을 포함한다. 재료가 액체 중에 막 비등을 발생시킬 수 있는 것이라면, 상술한 TaSiN 이외의 TaN, CrSiN, TaAl, WSiN 등의 각종 재료가 적용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 발열 소자(10)에 미리결정된 전압 펄스를 인가한 경우의 막 비등의 상태를 도시하는 도면이다. 이 경우에는, 대기압 아래에서 막 비등을 발생시키는 경우를 설명한다. 도 6a에서, 횡축은 시간을 나타낸다. 하단의 그래프에서 종축은 발열 소자(10)에 인가되는 전압을 나타내고, 상단의 그래프에서 종축은 막 비등에 의해 발생한 막 비등 기포(13)의 체적과 내압을 나타낸다. 한편, 도 6b는, 막 비등 기포(13)의 상태를, 도 6a에 나타내는 타이밍 1 내지 3에 대응지어서 나타내고 있다. 이하, 시간순으로 각 상태를 설명한다. 후술하는 바와 같이 막 비등에 의해 발생한 UFB(11)는 주로 막 비등 기포(13)의 표면 근방에서 발생한다. 도 6b에 나타내는 상태는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 생성 유닛(300)에 의해 발생한 UFB(11)가 순환 경로를 통해서 용해 유닛(200)에 다시 공급되고, UFB(11)를 포함하는 액체가 생성 유닛(300)의 액로에 다시 공급되는 상태이다.
발열 소자(10)에 전압이 인가되기 전에, 챔버(301) 내에는 실질적으로 대기압이 유지되고 있다. 발열 소자(10)에 전압이 인가되면, 발열 소자(10)에 접하는 액체에 막 비등이 발생하고, 이렇게 발생한 기포(이하, 막 비등 기포(13)라 칭함)는 내측으로부터 작용하는 높은 압력에 의해 팽창한다(타이밍 1). 이 과정에서의 발포 압력은 약 8 내지 10MPa인 것으로 예상되고, 이것은 물의 포화 증기압에 가까운 값이다.
전압의 인가 시간(펄스폭)은 약 0.5μsec 내지 10.0μsec이며, 전압 인가 후에도 막 비등 기포(13)는 타이밍 1에서 얻어진 압력의 관성에 의해 팽창된다. 단, 막 비등 기포(13)의 내부에서는 팽창에 수반하여 발생한 부압이 서서히 커지고, 부압은 막 비등 기포(13)를 수축하는 방향으로 작용한다. 잠시 후, 관성력과 부압력이 균형을 이루는 타이밍 2에 막 비등 기포(13)의 체적은 최대가 되고, 그 후에는 막 비등 기포(13)는 부압에 의해 급속하게 수축한다.
막 비등 기포(13)의 소멸시에, 막 비등 기포(13)는 발열 소자(10)의 전체면이 아니고, 1개 이상의 극히 작은 영역에서 소멸한다. 이 때문에, 발열 소자(10)에서는, 막 비등 기포(13)가 소멸하는 극히 작은 영역에, 타이밍 1에서의 발포 시보다 더욱 더 큰 힘이 발생한다(타이밍 3).
이상 설명한 바와 같은 막 비등 기포(13)의 발생, 팽창, 수축 및 소멸은, 발열 소자(10)에 전압 펄스가 인가될 때마다 반복되고, 그때마다 새로운 UFB(11)가 생성된다.
도 7a 내지 도 10b를 참고하여, 막 비등 기포(13)의 발생, 팽창, 수축 및 소멸의 각 과정에서 UFB(11)이 생성되는 상태를 더 상세하게 설명한다.
도 7a 내지 도 7d는, 막 비등 기포(13)의 발생 및 팽창에 의해 유발되는 UFB(11)의 생성의 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 7a는 발열 소자(10)에 전압 펄스가 인가되기 전의 상태를 나타내고 있다. 챔버(301)의 내부에는, 기체-용해액(3)이 혼재된 액체(W)가 흐르고 있다.
도 7b는, 발열 소자(10)에 전압이 인가되고, 액체(W)에 접촉하고 있는 발열 소자(10)의 거의 전역에 걸쳐 막 비등 기포(13)가 균일하게 발생하는 상태를 나타낸다. 전압이 인가되었을 때, 발열 소자(10)의 표면 온도는 10℃/μsec의 속도로 급격하게 상승한다. 온도가 거의 300℃에 도달한 시점에서 막 비등이 일어나고, 이에 의해 막 비등 기포(13)가 생성된다.
그 후, 발열 소자(10)의 표면 온도는, 펄스 인가 중에 약 600 내지 800℃까지 상승하고, 막 비등 기포(13)의 주변 액체도 급격하게 가열된다. 도 7b에서는, 막 비등 기포(13)의 주변에 위치하고, 급격하게 가열되는 액체의 영역을 미발포 고온 영역(14)으로서 나타내고 있다. 미발포 고온 영역(14) 내에 포함되는 기체-용해액(3)은 열적 용해 한계를 초과하고 증발되어 UFB가 된다. 이렇게 증발된 기포는 약 10nm 내지 100nm의 직경 및 높은 기-액 계면 에너지를 갖는다. 따라서, 기포는 단시간에 소멸하지 않고 액체(W) 내에 독립적으로 부유한다. 본 실시형태에서는, 막 비등 기포(13)의 발생으로부터 팽창까지의 열적 작용에 의해 생성되는 기포를 제1 UFB(11A)라 칭한다.
도 7c는, 막 비등 기포(13)가 팽창하는 상태를 나타내고 있다. 발열 소자(10)로의 전압 펄스 인가 후에도, 막 비등 기포(13)는 그 발생으로부터 얻은 힘의 관성에 의해 팽창을 계속하고, 미발포 고온 영역(14)도 관성에 의해 이동 및 확산한다. 구체적으로는, 막 비등 기포(13)가 팽창하는 과정에서, 미발포 고온 영역(14) 내의 기체-용해액(3)이 새롭게 기포로서 증발되어 제1 UFB(11A)가 된다.
도 7d는 막 비등 기포(13)가 최대 체적을 갖는 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)는 관성에 의해 팽창하지만, 팽창에 따라 막 비등 기포(13)의 내의 부압은 서서히 상승하고, 부압은 막 비등 기포(13)를 수축시키도록 작용한다. 부압과 관성력이 균형을 이루는 시점에서, 막 비등 기포(13)의 체적은 최대가 되고, 이후 수축이 시작된다.
막 비등 기포(13)의 수축 단계에서는, 도 8a 내지 도 8c에 나타내는 과정에 의해 발생하는 UFB(제2 UFB(11B)) 및 도 9a 내지 도 9c에 나타내는 과정에 의해 발생하는 UFB(제3 UFB(11C))가 있다. 이들 2개의 과정은 동시에 이루어지는 것으로 생각된다.
도 8a 내지 도 8c는 막 비등 기포(13)의 수축에 의해 유발되는 UFB(11)의 생성의 상태를 도시하는 도면이다. 도 8a는 막 비등 기포(13)가 수축을 개시한 상태를 나타내고 있다. 막 비등 기포(13)가 수축을 개시해도, 주위의 액체(W)는 여전히 팽창 방향의 관성력을 갖는다. 이로 인해, 막 비등 기포(13)에 극도로 가까운 주위 영역에는, 발열 소자(10)로부터 이격되는 방향으로 작용하는 관성력과 막 비등 기포(13)의 수축에 의해 유발되는 발열 소자(10)를 향하는 힘이 작용하고, 이 영역은 감압된다. 도면에는 이 영역이 미발포 부압 영역(15)으로서 나타나 있다.
미발포 부압 영역(15) 내의 기체-용해액(3)은, 압력 용해 한계를 초과하고, 기포가 되도록 증발된다. 이렇게 증발된 기포는 약 100nm의 직경을 갖고, 그 후 단시간에 소멸하지 않고 액체(W) 내에서 독립적으로 부유한다. 본 실시형태에서는, 막 비등 기포(13)의 수축시의 압력 작용에 의해 증발되는 기포를 제2 UFB(11B)라 칭한다.
도 8b는 막 비등 기포(13)의 수축의 과정을 나타낸다. 막 비등 기포(13)의 수축 속도는 부압에 의해 가속되며, 미발포 부압 영역(15) 또한 막 비등 기포(13)의 수축에 수반하여 이동된다. 구체적으로는, 막 비등 기포(13)가 수축하는 과정에서, 미발포 부압 영역(15)에 걸쳐 있는 부분 내의 기체-용해액(3)이 차례차례 침전되고, 제2 UFB(11B)가 된다.
도 8c는 막 비등 기포(13)가 소멸하기 직전의 상태를 나타낸다. 막 비등 기포(13)의 가속된 수축에 의해 주위의 액체(W)의 이동 속도도 상승하지만, 챔버(301) 내의 유로 저항에 의해 압력 손실이 발생한다. 그 결과, 미발포 부압 영역(15)이 차지하는 영역은 더 커지고, 다수의 제2 UFB(11B)가 생성된다.
도 9a 내지 도 9c는, 막 비등 기포(13)의 수축 시에, 액체(W)의 재가열에 의해 UFB가 생성되는 상태를 도시하는 도면이다. 도 9a는, 발열 소자(10)의 표면이 수축하는 막 비등 기포(13)에 의해 덮이는 상태를 나타내고 있다.
도 9b는, 막 비등 기포(13)의 수축이 진행되고, 발열 소자(10)의 표면의 일부가 액체(W)에 접촉하는 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서, 발열 소자(10)의 표면에는 열이 남아 있지만, 열은 액체(W)가 표면과 접촉해도 막 비등을 유발할 만큼 충분히 높지 않다. 발열 소자(10)의 표면에 접촉함으로써 가열되는 액체의 영역을 도면에서는 미발포 재가열 영역(16)으로서 나타내고 있다. 막 비등은 이루어지지 않지만, 미발포 재가열 영역(16) 내의 기체-용해액(3)은 열적 용해 한계를 초과하고 증발된다. 본 실시형태에서는, 막 비등 기포(13)의 수축시에 액체(W)의 재가열에 의해 생성되는 기포를 제3 UFB(11C)라 지칭한다.
도 9c는 막 비등 기포(13)의 수축이 더 진행된 상태를 나타내고 있다. 막 비등 기포(13)가 작아질수록, 액체(W)에 접촉하는 발열 소자(10)의 영역이 커지며, 제3 UFB(11C)는 막 비등 기포(13)가 소멸할 때까지 생성된다.
도 10a 및 도 10b는, 막 비등에 의해 생성된 막 비등 기포(13)(즉, 캐비테이션의 일종)의 소멸로부터의 충격에 의해 유발되는 UFB의 생성의 상태를 도시하는 도면이다. 도 10a는 막 비등 기포(13)가 소멸하기 직전의 상태를 도시한다. 이 상태에서는, 막 비등 기포(13)는 내부의 부압에 의해 급격하게 수축되고, 미발포 부압 영역(15)이 막 비등 기포(13)를 둘러싼다.
도 10b는 막 비등 기포(13)가 점 P에서 소멸한 직후의 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)가 소멸할 때, 소멸의 충격에 의해 음향파가 점 P를 기점으로 해서 동심원적으로 퍼진다. 음향파란, 기체, 액체, 및 고체를 막론하고 임의의 것을 통해 전파하는 탄성파의 총칭이다. 본 실시형태에서는, 액체(W)의 고압면(17A) 및 저압면(17B)인 액체(W)의 압축파가 교대로 전파된다.
이 경우, 미발포 부압 영역(15) 내의 기체-용해액(3)은 막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 이루어지는 충격파에 의해 공진되고, 저압면(17B)이 통과하는 타이밍에서 기체-용해액(3)은 압력 용해 한계를 초과하고 상 전이가 이루어진다. 구체적으로는, 막 비등 기포(13)의 소멸과 동시에, 미발포 부압 영역(15) 내에서 다수의 기포가 증발된다. 본 실시형태에서는, 막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 만들어진 충격파에 의해 생성되는 기포를 제4 UFB(11D)라 칭한다.
막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 만들어진 충격파에 의해 생성되는 제4 UFB(11D)는, 극히 좁은 박막-형상 영역에 극도로 짧은 시간(1μS 이하)에 돌발적으로 출현한다. 직경은 제1 내지 제3 UFB보다 충분히 작고, 기-액 계면 에너지는 제1 내지 제3 UFB보다 높다. 이 때문에, 제4 UFB(11D)는 제1 내지 제3 UFB(11A 내지 11C)와는 다른 성질을 갖고 다른 효과를 만들어 내는 것으로 생각된다.
또한, 제4 UFB(11D)는 충격파가 전파되는 동심 구상의 영역의 도처에서 균일하게 발생하며, 제4 UFB(11D)는 그 생성으로부터 챔버(301) 내에 균일하게 존재한다. 제4 UFB(11D)가 생성되는 타이밍에서는 제1 내지 제3 UFB가 이미 다수 존재하지만, 제1 내지 제3 UFB의 존재는 제4 UFB(11D)의 생성에 크게 영향을 미치지 않는다. 또한, 제4 UFB(11D)의 발생에 의해 제1 내지 제3 UFB가 소멸하지도 않는 것으로 생각된다.
이상 설명한 바와 같이, 발열 소자(10)의 발열에 의해 막 비등 기포(13)가 발생해서 소멸할 때까지의 다수의 단계에서 UFB(11)가 발생하는 것으로 기대된다. 제1 UFB(11A), 제2 UFB(11B) 및 제3 UFB(11C)는 막 비등에 의해 발생하는 막 비등 기포의 표면 근방에서 발생한다. 이 경우, 근방은 막 비등 기포의 표면으로부터 약 20μm 이내의 영역을 의미한다. 제4 UFB(11D)는, 기포가 소멸할 때에 충격파가 전파되는 영역에서 발생한다. 상술한 예는 막 비등 기포(13)의 소멸까지의 단계를 나타내지만, UFB를 발생시키는 방식은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 발생된 막 비등 기포(13)가 소멸되기 전에 기포가 대기와 연통함으로써, 막 비등 기포(13)가 소멸에 이르지 않는 경우에도 UFB가 생성될 수 있다.
다음에, UFB의 잔존 특성에 대해서 설명한다. 액체의 온도가 높을수록 기체 성분의 용해 특성은 낮아지고, 온도가 낮을수록 기체 성분의 용해 특성은 높아진다. 즉, 액체의 온도가 높을수록, 용해된 기체 성분의 상 전이가 촉진되고, UFB의 생성이 용이해진다. 액체의 온도와 기체의 용해도는 반비례의 관계에 있고, 액체 온도가 상승함에 따라, 포화 용해도를 초과한 기체가 기포로 변환되어 액체 중에 나타난다.
따라서, 액체의 온도가 상온으로부터 급격하게 상승하면, 용해 특성이 급속하게 내려가고, UFB의 생성이 시작된다. 온도가 높아짐에 따라 열적 용해 특성은 내려가고, 많은 UFB가 생성된다.
반대로, 액체의 온도가 상온으로부터 하강하면, 기체의 용해 특성은 상승하고, 생성된 UFB는 액화되기가 더 쉬워진다. 그러나, 이러한 온도는 상온보다 충분히 낮다. 또한, 액체의 온도가 내려가도, 한 번 발생된 UFB는 높은 내압과 높은 기-액 계면 에너지를 갖기 때문에, 이러한 기-액 계면을 파괴할 만큼 충분히 높은 압력이 가해질 가능성은 매우 낮다. 즉, 한 번 생성된 UFB는, 액체를 상온 및 상압에서 보존하는 한, 간단하게 소멸되지 않는다.
본 실시형태에서, 도 7a 내지 도 7c에서 설명한 제1 UFB(11A) 및 도 9a 내지 도 9c에서 설명한 제3 UFB(11C)는 이러한 기체의 열적 용해 특성을 이용해서 생성된 UFB로서 설명될 수 있다.
한편, 액체의 압력과 용해 특성 사이의 관계에서는, 액체의 압력이 높을수록 기체의 용해 특성은 높아지고, 압력이 낮을수록 용해 특성은 낮아진다. 즉, 액체의 압력이 낮을수록, 액체에 용해되어 있는 기체-용해액의 기체로의 상 전이가 촉진되어, UFB가 생성되기 쉬워진다. 액체의 압력이 상압보다 낮아지면, 용해 특성이 급속하게 내려가고, UFB의 생성이 시작된다. 압력이 내려갈수록 압력 용해 특성은 내려가고, 많은 UFB가 생성된다.
반대로, 액체의 압력이 상압보다 높아지면, 기체의 용해 특성은 상승하고, 생성된 UFB는 액화하기가 더 쉬워진다. 그러나, 이러한 압력은 대기압보다 충분히 높다. 또한, 액체의 압력이 올라가도, 한 번 발생된 UFB는 높은 내압과 큰 기-액 계면 에너지를 갖기 때문에, 이러한 기-액 계면을 파괴할 만큼 충분히 높은 압력이 가해질 가능성은 매우 낮다. 즉, 한 번 생성된 UFB는, 액체를 상온 및 상압에서 보존하는 한, 간단하게 소멸되지 않는다.
본 실시형태에서, 도 8a 내지 도 8c에서 설명한 제2 UFB(11B) 및 도 10a 내지 도 10c에서 설명한 제4 UFB(11D)는 이러한 기체의 압력 용해 특성을 이용해서 생성한 UFB로서 설명될 수 있다.
위에서 상이한 요인에 의해 생성되는 이들 제1 내지 제4 UFB를 개별적으로 설명했지만, 상술한 생성 요인은 막 비등의 경우에 동시에 발생한다. 따라서, 제1 내지 제4 UFB 중 적어도 2 종류가 동시에 생성될 수 있으며, 이들 생성 요인은 협력하여 UFB를 생성할 수 있다. 모든 생성 요인에 대해, 막 비등 현상에 의해 유도되는 것은 공통적이라는 것에 유의해야 한다. 본 명세서에서는, 상술한 바와 같은 급격한 발열에 의해 유발되는 막 비등을 이용함으로써 UFB를 생성하는 방법을 열적-초미세 기포(T-UFB) 생성 방법이라 지칭한다. 또한, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 UFB를 T-UFB라 지칭하며, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 T-UFB를 함유하는 액체를 T-UFB-함유액이라 지칭한다.
T-UFB 생성 방법에 의해 생성되는 기포는 거의 모두가 1.0μm 이하이고, 밀리-버블 및 마이크로버블은 생성되기 어렵다. 즉, T-UFB 생성 방법은 UFB의 지배적이고 효율적인 생성을 허용한다. 또한, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 T-UFB는 종래의 방법에 의해 생성된 UFB보다 큰 기-액 계면 에너지를 갖고, T-UFB는 상온 및 상압에서 보존되는 한 간단하게 소멸되지 않는다. 또한, 새로운 막 비등에 의해 새로운 T-UFB가 생성되어도, 이미 생성되어 있던 T-UFB가 새로운 생성으로부터의 충격에 의해 소멸하는 것을 방지할 수 있다. 즉, T-UFB-함유액에 포함되는 T-UFB의 수 및 농도는 T-UFB-함유액에서 이루어지는 막 비등의 횟수에 따라 히스테리시스 특성을 갖는다고 말할 수 있다. 즉, T-UFB 생성 유닛(300)에 제공되는 발열 소자의 수 및 발열 소자에 대한 전압 펄스의 인가의 수를 제어함으로써, T-UFB-함유액에 포함되는 T-UFB의 농도를 조정할 수 있다.
다시 도 1을 참조한다. T-UFB 생성 유닛(300)에서 원하는 UFB 농도를 갖는 T-UFB-함유액(W)이 생성되면, 당해 UFB-함유액(W)은 후처리 유닛(400)에 공급된다.
도 11a 내지 도 11c는 본 실시형태의 후처리 유닛(400)의 구성예를 도시하는 도면이다. 본 실시형태의 후처리 유닛(400)은, UFB-함유액(W)의 불순물을, 무기 이온, 유기물, 및 불용성 고형물의 순으로 단계적으로 제거한다.
도 11a는 무기 이온을 제거하는 제1 후처리 기구(410)를 나타낸다. 제1 후처리 기구(410)는, 교환 용기(411), 양이온 교환 수지(412), 액체 도입로(413), 회수관(414) 및 액체 도출로(415)를 포함한다. 교환 용기(411)는 양이온 교환 수지(412)를 저장하고 있다. T-UFB 생성 유닛(300)에 의해 생성된 UFB-함유액(W)은, 액체 도입로(413)를 통해서 교환 용기(411)에 주입되고, 양이온 교환 수지(412)에 흡수되어, 불순물로서의 양이온이 제거된다. 이러한 불순물은 SiO2, SiN, SiC, Ta, Al2O3, Ta2O5, 및 Ir 과 같은 T-UFB 생성 유닛(300)의 소자 기판(12)으로부터 박리된 금속 재료를 포함한다.
양이온 교환 수지(412)는, 삼차원적인 네트워크 구조를 갖는 고분자 모체에 관능기(이온 교환기)를 도입한 합성 수지이며, 합성 수지의 외관은 약 0.4 내지 0.7 mm의 구상 입자이다. 일반적인 고분자 모체는 스티렌-디비닐벤젠의 공중합체이며, 관능기는 예를 들어 메타크릴산계와 아크릴산계의 것일 수 있다. 단, 상기 재료는 일례이다. 재료가 원하는 무기 이온을 효과적으로 제거할 수 있으면, 상기 재료는 다양한 재료로 변경될 수 있다. 양이온 교환 수지(412)에 흡수되어, 무기 이온이 제거된 UFB-함유액(W)은, 회수관(414)에 의해 회수되어, 액체 도출로(415)를 통해서 다음 단계로 송액된다. 본 실시형태에서의 이러한 과정에서, 액체 도입로(413)로부터 공급되는 UFB-함유액(W) 내에 포함되는 모든 무기 이온이 제거될 필요는 없고, 적어도 일부의 무기 이온이 제거되면 된다.
도 11b는, 유기물을 제거하는 제2 후처리 기구(420)를 나타낸다. 제2 후처리 기구(420)는, 수용 용기(421), 여과 필터(422), 진공 펌프(423), 밸브(424), 액체 도입로(425), 액체 도출로(426) 및 공기 흡인로(427)를 포함한다. 수용 용기(421)의 내부는, 여과 필터(422)에 의해 상하 2개의 영역으로 분할된다. 액체 도입로(425)는, 상하 2개의 영역 중 상방의 영역에 연결되고, 공기 흡인로(427) 및 액체 도출로(426)는 그 하방의 영역에 연결된다. 밸브(424)를 폐쇄한 상태에서 진공 펌프(423)를 구동하면, 수용 용기(421) 내의 공기가 공기 흡인로(427)를 통해서 배출되어, 수용 용기(421)의 내부의 압력이 부압이 되고, 그 후 액체 도입로(425)로부터 UFB-함유액(W)이 도입된다. 그리고, 여과 필터(422)에 의해 불순물이 제거된 상태의 UFB-함유액(W)이 수용 용기(421)에 저류된다.
여과 필터(422)에 의해 제거되는 불순물은, 튜브 또는 각 유닛에서 혼합될 수 있는 유기 재료, 예를 들어 실리콘을 포함하는 유기 화합물, 실록산, 및 에폭시 등을 포함한다. 여과 필터(422)에 사용 가능한 필터막은, 세균을 제거할 수 있는 서브-μm 메쉬의 필터(1μm 이하의 메쉬 직경의 필터), 및 바이러스를 제거할 수 있는 nm-메쉬의 필터를 포함한다. 이러한 미세한 개구 직경을 구비하는 여과 필터는, 필터의 개구 직경보다 큰 기포를 제거할 수 있다. 특히, 필터는 필터의 개구 (메쉬)에 흡착된 미세한 기포에 의해 막히고, 이것이 여과 속도를 저하시키는 경우가 있을 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에서 설명한 T-UFB 생성 방법에 의해 생성되는 기포의 대부분이 1μm 이하 사이즈의 직경이며, 밀리-버블 및 마이크로버블은 생성되기 어렵다. 즉, 밀리-버블 및 마이크로버블의 생성 가능성이 매우 작기 때문에, 필터에 기포가 흡착되는 것에 의한 여과 속도의 저하를 억제할 수 있다. 이로 인해, T-UFB 생성 방법을 갖는 시스템에, 1μm 이하의 메쉬 직경의 필터를 갖는 여과 필터(422)를 적용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 적용 가능한 여과의 예는 소위 전량 여과(dead-end filtration) 및 십자 흐름 여과(cross-flow filtration)일 수 있다. 전량 여과에서는, 공급 액체의 흐름의 방향과 필터 개구를 통과하는 여과 액체의 흐름의 방향이 동일한데, 구체적으로는 흐름의 방향이 서로를 따르는 방향이 된다. 대조적으로, 십자 흐름 여과에서는, 공급 액체의 흐름이 필터 면을 따른 방향으로 흐르는데, 구체적으로는 공급 액체의 흐름의 방향과 필터 개구를 통과하는 여과 액체의 흐름의 방향이 서로 교차한다. 필터 개구에 대한 기포의 흡착을 억제하기 위해서는 십자 흐름 여과를 적용하는 것이 바람직하다.
수용 용기(421)에 소정량의 UFB-함유액(W)이 저류된 후에, 진공 펌프(423)를 정지시키고 밸브(424)를 개방하여, 수용 용기(421)의 T-UFB-함유액을 액체 도출로(426)를 통해서 다음 단계로 송액한다. 여기에서는, 유기 불순물을 제거하는 방법으로서 진공 여과법을 채용했지만, 필터를 사용한 여과 방법으로서는, 예를 들어 중력 여과법 및 가압 여과를 채용할 수도 있다.
도 11c는 불용성 고형물을 제거하는 제3 후처리 기구(430)를 나타낸다. 제3 후처리 기구(430)는 침전 용기(431), 액체 도입로(432), 밸브(433) 및 액체 도출로(434)를 포함한다.
먼저, 밸브(433)를 폐쇄한 상태에서 침전 용기(431)에 미리결정된 양의 UFB-함유액(W)을 액체 도입로(432)를 통해 저류하고, 잠시 동안 방치한다. 그 동안, UFB-함유액(W)의 고형물은 중력에 의해 침전 용기(431)의 저부에 침전된다. UFB-함유액의 기포 중, 마이크로버블과 같은 비교적 큰 기포는 부력에 의해 액면으로 부상하고, UFB-함유액으로부터 제거된다. 충분한 시간이 경과된 후, 밸브(433)를 개방하고, 고형물 및 큰 기포가 제거된 UFB-함유액(W)이 액체 도출로(434)를 통해서 회수 유닛(500)에 송액된다. 본 실시형태에서는 3개의 후처리 기구를 순서대로 적용하는 예를 나타냈지만; 이것에 한정되지 않고, 3개의 후처리 기구의 순서를 변경할 수 있거나, 또는 적어도 하나의 필요한 후처리 기구를 사용할 수 있다.
다시 도 1을 참조한다. 후처리 유닛(400)에 의해 불순물이 제거된 T-UFB-함유액(W)은, 그대로 회수 유닛(500)에 송액될 수 있거나, 다시 용해 유닛(200)으로 되돌려질 수 있다. 후자의 경우, T-UFB의 생성에 의해 저하된 T-UFB-함유액(W)의 기체 용해 농도는 용해 유닛(200)에 의해 포화 상태로 다시 보충될 수 있다. 보충 후에 새로운 T-UFB를 T-UFB 생성 유닛(300)에 의해 생성하면, 상술한 특성을 갖는 T-UFB-함유액에 함유된 UFB의 농도를 더 상승시킬 수 있다. 즉, 용해 유닛(200), T-UFB 생성 유닛(300), 및 후처리 유닛(400)을 통한 순환 횟수만큼 UFB의 함유 농도를 높일 수 있고, 함유된 UFB의 미리결정된 농도가 얻어진 후에 당해 UFB-함유액(W)을 회수 유닛(500)에 송액할 수 있다. 본 실시형태는 후처리 유닛(400)에 의해 처리된 UFB-함유액을 용해 유닛(200)으로 되돌려서 순환시키는 형태를 나타내지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 T-UFB 생성 유닛을 통과한 후의 UFB-함유액을 후처리 유닛(400)에 공급하기 전에 다시 용해 유닛(200)에 복귀시켜서 다수회의 순환을 통해 T-UFB 농도를 높인 후에 후처리 유닛(400)에 의해 후처리를 행할 수 있다.
회수 유닛(500)은, 후처리 유닛(400)으로부터 송액된 UFB-함유액(W)을 회수 및 보존한다. 회수 유닛(500)에 의해 회수된 T-UFB-함유액은, 다양한 불순물이 제거된 고순도의 UFB-함유액이다.
회수 유닛(500)에서는, 몇 단계의 여과 처리를 행하여, UFB-함유액(W)을 T-UFB의 사이즈에 의해 분류할 수 있다. T-UFB 방식에 의해 얻어지는 T-UFB-함유액(W)의 온도는 상온보다 높은 것이 예상되기 때문에, 회수 유닛(500)에는 냉각 유닛을 제공할 수 있다. 냉각 유닛은 후처리 유닛(400)의 일부에 제공될 수 있다.
이상이 UFB 생성 장치(1)의 개략적인 설명이지만, 도시된 다수의 유닛은 물론 변경될 수 있으며, 이들 모두를 준비할 필요는 없다. 사용되는 액체(W) 및 기체(G)의 종류 및 생성되는 T-UFB-함유액의 사용 목적에 따라, 상술한 유닛의 일부를 생략할 수 있거나, 또는 상술한 유닛 이외의 다른 유닛을 추가할 수 있다.
예를 들어, UFB에 의해 함유되는 기체가 대기일 경우에는, 전처리 유닛(100)으로서의 탈기 유닛 및 용해 유닛(200)을 생략할 수 있다. 한편, UFB에 다수 종류의 기체를 포함시키고 싶을 경우에는, 다른 용해 유닛(200)을 추가할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c에 나타내는 바와 같은 불순물을 제거하기 위한 유닛은, T-UFB 생성 유닛(300)의 상류에 제공될 수 있거나, 그 상류와 하류의 양쪽에 제공될 수 있다. UFB 생성 장치에 공급되는 액체가 수돗물, 빗물, 또한 오염된 물 등일 경우에는, 액체 중에 유기계 및 무기계의 불순물이 포함될 수 있다. 이러한 불순물을 포함하는 액체(W)를 T-UFB 생성 유닛(300)에 공급하면, 발열 소자(10)를 열화시키고 염석 현상을 유발할 우려가 있다. 도 11a 내지 도 11c에 도시되는 바와 같은 기구를 T-UFB 생성 유닛(300)의 상류에 제공함으로써, 상술한 불순물을 사전에 제거할 수 있다.
<<T-UFB-함유액에 사용 가능한 액체 및 기체>>
여기서, T-UFB-함유액을 생성하기 위해서 사용 가능한 액체(W)에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서 사용 가능한 액체(W)는, 예를 들어 순수, 이온 교환수, 증류수, 생리활성수, 자기 활성수, 로션, 수돗물, 해수, 강물, 상하수, 호수물, 지하수, 빗물 등이다. 상기 액체 등을 포함하는 혼합 액체도 사용 가능하다. 또한, 물과 가용성 유기 용제를 함유하는 혼합 용제도 사용할 수 있다. 물과 혼합해서 사용되는 가용성 유기 용제는 특별히 한정되지 않지만, 구체예로서 이하의 것을 들 수 있다. 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, sec-부틸 알코올, tert-부틸 알코올을 포함하는 탄소수 1 내지 4의 알킬 알코올류. N-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, N,N-디메틸포름아미드, 및 N,N-디메틸아세트아미드를 포함하는 아미드류. 아세톤 및 디아세톤 알코올을 포함하는 케톤 또는 케토알코올류. 테트라히드로푸란 및 디옥산을 포함하는 환상 에테르류. 에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 1,6-헥산디올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 및 티오디글리콜을 포함하는 글리콜류. 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 및 트리에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르를 포함하는 다가 알코올의 저급 알킬 에테르류. 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜을 포함하는 폴리알킬렌 글리콜류. 글리세린, 1,2,6-헥산트리올, 및 트리메틸올프로판을 포함하는 트리올류. 이들 가용성 유기 용제는 개별적으로 사용될 수 있거나, 이들 중 2개 이상이 함께 사용될 수 있다.
용해 유닛(200) 내로 도입될 수 있는 기체 성분으로서는, 예를 들어 수소, 헬륨, 산소, 질소, 메탄, 불소, 네온, 이산화탄소, 오존, 아르곤, 염소, 에탄, 프로판, 공기 등이 있다. 기체 성분은 상기의 것 중 몇 개를 포함하는 혼합 기체일 수 있다. 또한, 용해 유닛(200)에 대해서는 반드시 기체 상태의 물질을 용해시킬 필요는 없으며, 용해 유닛(200)은 원하는 성분을 함유하는 액체 또는 고체를 액체(W)에 융해시킬 수 있다. 이 경우의 용해는, 자연 용해, 압력 부여에 의한 용해, 또는 전리에 의한 수화, 이온화, 및 화학 반응에 의해 유발되는 용해일 수 있다.
<<T-UFB 생성 방법의 효과>>
이어서, 이상 설명한 T-UFB 생성 방법의 특징 및 효과를 종래의 UFB 생성 방법과 비교해서 설명한다. 예를 들어, 벤투리 방식(Venturi method)으로 대표되는 종래의 기포 생성 장치에서는, 유로의 일부에 감압 노즐과 같은 기계적인 감압 구조를 제공한다. 이 감압 구조를 통과하도록 미리결정된 압력으로 액체를 유동시킴으로써, 감압 구조의 하류 영역에 다양한 사이즈의 기포가 생성된다.
이 경우, 생성된 기포 중, 밀리-버블 및 마이크로버블과 같은 비교적 큰 사이즈의 기포는 부력의 영향을 받기 때문에, 이들 기포는 액면으로 부상하여 소멸한다. 부력의 영향을 받지 않는 UFB도 UFB의 기-액 계면 에너지가 그리 크지 않기 때문에 밀리-버블 및 마이크로버블과 함께 소멸할 수 있다. 또한, 상술한 감압 구조를 직렬로 배치하고, 동일한 액체를 반복해 감압 구조를 통해 유동시키더라도, 그 반복 횟수에 대응하는 수의 UFB를 장기간 보존할 수는 없다. 즉, 종래의 UFB 생성 방법에 의해 생성된 UFB-함유액에 대해서는, UFB 함유 농도를 미리결정된 값에서 장기간 유지하는 것은 곤란했다.
대조적으로, 막 비등을 이용하는 본 실시형태의 T-UFB 생성 방법에서는, 상온으로부터 약 300℃로의 급격한 온도 변화 및 상압으로부터 약 수 메가파스칼로의 급격한 압력 변화를 발열 소자에 극도로 가까운 부분에서 국소적으로 발생시킨다. 발열 소자는 1변이 약 수십 μm 내지 수백 μm인 직사각형 형상이다. 이는 종래의 UFB 생성 유닛의 사이즈의 약 1/10 내지 1/1000이다. 또한, 막 비등 기포 표면의 지극히 얇은 막 영역 내의 기체-용해액이 열적 용해 한계 또는 압력적 용해 한계를 순간적으로(마이크로초 이하의 초단시간에) 초과하는 것에 의해, 상 전이가 일어나고 기체-용해액은 UFB로서 침전된다. 이 경우, 밀리-버블 및 마이크로버블과 같은 비교적 큰 기포는 거의 발생하지 않고, 액체는 직경이 약 100nm의 UFB를 극히 높은 순도로 함유한다. 또한, 이렇게 생성된 T-UFB는 충분히 높은 기-액 계면 에너지를 갖고 있기 때문에, T-UFB는 통상의 환경하에서 용이하게 파괴되지 않고 장기간 보존될 수 있다.
특히, 액체에서의 기체 계면의 국소적인 형성을 가능하게 하는 막 비등 현상을 이용하는 본 개시물은, 액체 영역 전체에 영향을 주지 않고 발열 소자의 근방의 액체의 일부에 계면을 형성할 수 있고, 열 및 압력 작용이 일어나는 영역을 극도로 국소화할 수 있다. 그 결과, 안정적으로 원하는 UFB를 생성할 수 있다. 액체 순환을 통해 생성 액체에 대하여 더 많은 UFB의 생성 조건을 부여함으로써, 기존의 UFB에 대한 영향이 작은 상태에서 새로운 UFB를 추가로 생성할 수 있다. 그 결과, 비교적 용이하게 원하는 사이즈 및 농도의 UFB 액체를 제조할 수 있다.
또한, T-UFB 생성 방법은 상술한 히스테리시스 특성을 갖기 때문에, 높은 순도를 유지하면서 원하는 농도까지 함유 농도를 증가시킬 수 있다. 즉, T-UFB 생성 방법 따르면, 장기간 보존 가능한 UFB-함유액을 고순도 및 고농도로 효율적으로 생성할 수 있다.
<<T-UFB-함유액의 구체적 용도>>
일반적으로, 초미세 기포-함유액의 용도는 함유되는 기체의 종류에 의해 구별된다. 액체에 약 PPM 내지 BPM의 양의 기체를 용해할 수 있다면, 어떠한 종류의 기체도 UFB를 만들 수 있다. 예를 들어, 초미세 기포-함유액을 이하의 용도에 응용할 수 있다.
- 공기를 함유하는 UFB-함유액은 공업적, 농수산업적, 및 의료적 상황 등에서의 세정에 그리고 식물 및 농수산물의 육성에 바람직하게 응용될 수 있다.
- 오존을 함유하는 UFB-함유액은 예를 들어, 공업적, 농수산업적, 및 의료적 상황 등에서의 세정 용도뿐만 아니라, 소독, 살균 및 제염을 목적으로 한 용도와, 배수 및 오염 토양의 환경 정화에도 바람직하게 응용될 수 있다.
- 질소를 함유하는 UFB-함유액은 예를 들어 공업적, 농수산업적, 및 의료적 상황 등에서의 세정 용도뿐만 아니라 소독, 살균 및 제염을 목적으로 한 용도와, 배수 및 오염 토양의 환경 정화에도 바람직하게 응용될 수 있다.
- 산소를 함유하는 UFB-함유액은 공업적, 농수산업적, 및 의료적 상황 등에서의 세정 용도에 그리고 식물 및 농수산물의 육성에 바람직하게 응용될 수 있다.
- 이산화탄소를 함유하는 UFB-함유액은 예를 들어 공업적 및 농수산업적, 및 의료적 상황 등에서의 세정 용도뿐만 아니라 소독, 살균 및 제염을 목적으로 한 용도에도 바람직하게 응용될 수 있다.
- 의료용 가스인 퍼플루오로카본을 함유하는 UFB-함유액은 초음파 진단 및 치료에 바람직하게 응용될 수 있다. 상술한 바와 같이, UFB-함유액은, 의료, 약품, 치과, 식품, 공업, 농수산업 등의 다양한 분야에 효과를 발휘할 수 있다.
각각의 용도에서, UFB-함유액의 효과를 신속하고 확실하게 발휘하기 위해서는, UFB-함유액에 포함되는 UFB의 순도와 농도가 중요하다. 즉, 고순도 및 원하는 농도로 UFB-함유액을 생성하는 것이 가능한 본 실시형태의 T-UFB 생성 방법을 이용하면, 다양한 분야에서 전례없는 효과를 기대할 수 있다. 이하, T-UFB 생성 방법 및 T-UFB-함유액이 바람직하게 적용될 수 있는 것으로 기대되는 용도를 열거한다.
(A) 액체 정제 용도
- 정수 유닛에 T-UFB 생성 유닛을 제공함으로써, 정수 효과 및 PH 조정액의 정제 효과의 향상이 기대된다. 또한, 탄산수 서버에 T-UFB 생성 유닛을 제공할 수도 있다.
- 가습기, 아로마 디퓨져, 커피 메이커 등에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 실내의 가습 효과, 소취 효과 및 향기 확산 효과의 향상이 기대된다.
- 용해 유닛에 의해 오존 가스를 용해시킨 UFB-함유액을 생성하고, 이것을 치과 치료, 화상의 치료, 및 내시경을 이용한 상처 치료에 사용하는 경우, 의료적인 세정 효과 및 소독 효과의 향상이 기대된다.
- 집합주택의 저수조에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 장기간 보존되는 음료수의 정수 효과 및 염소 제거 효과의 향상이 기대된다.
- 고온 살균 처리를 행할 수 없는 일본 사케, 소주, 와인 등의 양조 공정에서 오존 또는 이산화탄소를 함유하는 T-UFB-함유액을 사용하는 경우, 종래의 액체에 비해 더 효율적인 저온 살균 처리가 기대된다.
- 특정 보건용 식품 및 기능 요구 식품의 제조 과정에서 원료에 UFB-함유액을 혼합시키는 경우, 저온 살균 처리가 가능해지고, 따라서 풍미를 떨어뜨리지 않고 안전한 기능성 식품을 제공할 수 있다.
- 물고기 및 진주 등의 수산물의 양식 장소에서 양식용의 해수 및 담수의 공급 경로에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 수산물의 산란 및 발육의 촉진이 기대된다.
- 식재 보존을 위한 물의 정제 공정에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 식재의 보존 상태의 향상이 기대된다.
- 수영장 물 또는 지하수를 탈색하기 위한 탈색 유닛에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 더 높은 탈색 효과가 기대된다.
- 콘크리트 부재의 균열을 복구하기 위해 T-UFB-함유액을 사용하는 것에 의해, 균열 복구의 효과의 향상이 기대된다.
- 액체 연료를 사용하는 기기(자동차, 선박, 및 비행기 등)를 위한 액체 연료에 T-UFB를 함유시키는 것에 의해, 연료의 에너지 효율의 향상이 기대된다.
(B) 세정 용도
근년, 의류에 부착된 오염 등을 제거하기 위한 세정수로서, UFB-함유액이 주목받고 있다. 상기 실시형태에서 설명한 T-UFB 생성 유닛을 세탁기에 제공하고, 종래의 액체보다 순도 및 침투성이 높은 UFB-함유액을 세탁통에 공급하는 경우, 세정력의 추가적인 향상이 기대된다.
- 목욕용 샤워 및 변기 세정기에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 인체를 포함하는 모든 종류의 생물에 대한 세정 효과뿐만 아니라 욕실 및 변기의 물때 및 곰팡이의 오염 제거를 촉진하는 효과도 기대된다.
- 자동차용의 윈드 워셔, 벽 부재 등을 세정하기 위한 고압 세정기, 세차기, 식기 세정기, 식재 세정기 등에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 그 세정 효과의 추가적인 향상이 기대된다.
- 프레스가공 후의 버링 단계(burring step)를 포함하는 공장에서 제조한 부품의 세정 및 정비에 T-UFB-함유액을 사용하는 것에 의해, 세정 효과의 향상이 기대된다.
- 반도체 소자의 제조시, 웨이퍼의 연마수로서 T-UFB-함유액을 사용하는 경우, 연마 효과의 향상이 기대된다. 또한, 레지스트 제거 단계에서 T-UFB-함유액을 사용하는 경우, 쉽게 박리되지 않는 레지스트의 박리의 촉진이 기대된다.
- 의료 로봇, 치과 치료 유닛, 장기의 보존 용기 등과 같은 의료 기기를 세정 및 소독하기 위한 기기에 T-UFB 생성 유닛을 제공하는 것에 의해, 이들 기기의 세정효과 및 제균 효과의 향상이 기대된다. T-UFB 생성 유닛은 생물의 치료에도 적용된다.
(C) 제약 용도
- 화장품 등에 T-UFB-함유액을 함유시키는 경우, 피하 세포로의 침투가 촉진되고, 방부제 및 계면활성제 등의 피부에 악영향을 주는 첨가제를 대폭으로 저하시킬 수 있다. 그 결과, 보다 안전하고 기능적인 화장품을 제공할 수 있다.
- CT 및 MRI 등의 의료 검사 장치의 조영제에 T-UFB를 함유하는 고농도 나노버블 제제를 사용하는 경우, X선 및 초음파의 반사광을 효율적으로 사용할 수 있다. 이에 의해, 악성 종양의 조기 진단 등에 사용될 수 있는 더 상세한 화상을 촬상할 수 있다.
- 고강도 집속 초음파(HIFU)라 불리고 있는 초음파 치료기에서 T-UFB를 함유하는 고농도 나노버블 물을 사용하는 경우, 초음파의 조사 파워를 저하시킬 수 있고, 따라서 치료가 더 비침습적이 될 수 있다. 특히, 정상적인 조직에의 손상을 저감할 수 있다.
- T-UFB를 함유하는 고농도 나노버블을 소스로 사용하고, 기포 주위의 마이너스 전하 영역에 리포솜(liposome)을 형성하는 인지질을 수식시키고, 그 인지질을 통해서 다양한 의료 물질(DNA 및 RNA 등)을 부여하여 나노버블 제제를 생성할 수 있다.
- 치수 및 치아의 재생 치료를 위해 T-UFB 생성에 의해 만들어진 고농도 나노버블 물을 함유하는 약제를 치아관 내에 송액하는 경우, 나노버블 물의 침투 작용에 의해 약제가 상아 세관 내에 깊게 들어가고, 제균 효과가 촉진된다. 이에 의해 치수의 감염 근관을 단시간에 치료하는 것이 가능해진다.
<<소자 기판의 레이아웃>>
전술한 바와 같이, 1개의 발열 소자(이하, 히터라고도 칭함)(10)에 미리결정된 전압 펄스를 인가함으로써 발생하는 막 비등에 의해 UFB(11)가 생성된다. 그러므로, 미리결정된 단위 시간에 생성되는 UFB(11)의 수는 발열 소자(10)의 수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 원하는 수의 UFB(11)를 단시간에 안정적으로 생성하기 위해서는, 많은 발열 소자를 조밀하게 배치해서 구동하는 것이 요구된다. 일례로서, 다수의 발열 소자(10)가 각각 배치되어 있는 다수의 소자 기판(12)이 배열되어, 10,000개의 발열 소자(10)가 배치된 UFB 생성 장치(1)의 실시형태에 대해 고려할 수 있다. 단시간에 UFB(11)를 생성하고자 하는 경우, 발열 소자(10)의 수를 더 증가시키는 것이 요구된다.
그러나, 단순하게 발열 소자(10)의 수를 증가시키는 것만으로는, UFB(11)를 안정적으로 생성하는 것이 일부 경우에는 불가능하다. 예를 들어, 발열 소자(10)의 수가 10,000개를 초과하는 경우, 이들 발열 소자(10)를 통해 흐르는 총 전류는 방대한 값이다. 또한, 예를 들어, 발열 소자(10)에 연결하기 위한 배선의 기생 저항 손실은 발열 소자(10)에 따라 변동된다. 이 때문에, 발열 소자(10)에 투입되는 에너지가 크게 변동한다. 발열 소자(10)에 투입되는 에너지가 크게 변동함으로써, 허용 가능한 범위를 초과하는 에너지가 투입되는 발열 소자(10)가 드러날 우려가 있다. 대량의 UFB를 안정적으로 생성하기 위해서 다수의 발열 소자(10)를 소자 기판(12)에 조밀하게 배치하는 경우, 발열 소자(10)에 투입되는 에너지의 변동을 미리결정된 범위 내에 유지시키는 것이 요구된다. 이하에서는, 먼저, 각 발열 소자(10)에 투입되는 에너지가 변동되는 상황에 대해서 설명한다.
도 12a 및 도 12b는, 소자 기판(12)의 일부인 요소 영역(1250)(발열부라고도 칭함)을 추출하는 평면 레이아웃의 예를 도시하는 도면이며, 각각의 요소 영역(1250)에 다수의 발열 소자가 제공되는 예를 도시하고 있다. 도 12a는 1개의 요소 영역(1250)에 8개의 발열 소자(1011 내지 1018)가 배치되는 예이며, 도 12b는 1개의 요소 영역(1250)에 4개의 발열 소자(1061 내지 1064)가 배치되는 예이다. 이하에서는, 설명을 위해서 적은 발열 소자의 수의 예를 사용해서 설명한다.
도 12a에서, 요소 영역(1250)에는, 8개의 발열 소자(1011 내지 1018) 각각에 전기 에너지를 인가하기 위한 전극 패드(1201 및 1202)가 배치된다. 즉, 요소 영역(1250)은, 한 쌍의 전극 패드에 의해 에너지가 투입되는 2개 이상의 발열 소자의 집합체로서 이해될 수 있다. 영역(1221a 내지 1228a 및 1221b 내지 1228b)는, 각각 발열 소자(1011 내지 1018)에 개별적으로 연결된 개별 배선 영역이다. 영역(1211 및 1212)은, 다수의 개별 배선 영역을 전극 패드(1201 및 1202)와 연결하는 공통 배선 영역이다. 본 실시형태에서 사용되는 발열 소자(1011 내지 1018)는, 반도체 포토리소그래피의 단계를 통해 형성됨으로써, 실질적으로 동일한 형상 및 막 두께를 갖도록 제조된다. 즉, 발열 소자(1011 내지 1018)는 실질적으로 동일한 저항값을 갖는다.
달리 설명되지 않는 한, UFB를 생성하는 발열 소자(10)는 이하의 설명에서 실질적으로 동일한 형상을 가지며 초기 상태에서는 실질적으로 동일한 저항값을 갖는다. 발열 소자(10)의 형상은 반드시 동일한 형상일 필요는 없으며, 이하에서 설명되는 바와 같이 에너지의 변동을 억제하도록 구성되는 한 구성은 한정되지 않는다. 예를 들어, 각각의 요소 영역(1250)마다 발열 소자(10)의 형상이 상이할 수 있다. 발열 소자(10)의 형상의 부분적인 변경은 포토리소그래피의 단계에서의 마스크 설계에 의해 필요에 따라 행해질 수 있다.
전극 패드(1201 및 1202)에 도 6a에 나타내는 전압 펄스를 인가함으로써, 공통 배선 영역(1211 및 1212), 개별 배선 영역(1221 내지 1228) 및 발열 소자(1011 내지 1018)를 통해 전류가 흐른다. 그리고, 각 발열 소자(1011 내지 1018) 상의 액체에 막 비등이 발생하고, 이에 의해 UFB가 생성된다.
도 12a와 달리, 도 12b는 요소 영역(1250)에 4개의 발열 소자(1061 내지 1064)가 배치되어 있는 예이다. 영역(1241a 내지 1244a 및 1241b 내지 1244b)은 대응하는 발열 소자(1061 내지 1064)에 개별적으로 연결된 개별 배선 영역이다. 영역(1231 및 1232)은 다수의 개별 배선 영역을 전극 패드(1201 및 1202)와 연결하는 공통 배선 영역이다.
본 발명자는, 도 12a에 도시되는 구성에서의 각 발열 소자에 의해 생성되는 UFB의 양 및 도 12b에 도시되는 구성에서의 각 발열 소자에 의해 생성되는 UFB의 양이 상이하다는 것을 발견했다. 이것은, 도 12a의 구성의 각 발열 소자(1011 내지 1018)에 의해 소비되는 에너지의 양과, 도 12b의 구성의 각 발열 소자(1061 내지 1064)에 의해 소비되는 에너지의 양 사이에 차이가 발생하기 때문이다. 구체적으로는, 공통 배선 영역(1211, 1212, 1231 및 1232)의 배선 저항 손실에 의해, 발열 소자에 투입되는 에너지가 변동되고 에너지의 양 사이에 차이가 발생한다.
도 13a 및 도 13b는 도 12a 및 도 12b의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 13a는 도 12a의 구성에 대응하며, 도 13b는 도 12b의 구성에 대응한다. 도 12a 내지 도 13b를 참고하여 에너지의 변동에 대해서 상세하게 설명한다.
도 13a 및 도 13b는, 도 12a 및 도 12b의 개별 배선 영역 및 공통 배선 영역이 전기적인 배선 저항으로 치환되고, 발열 소자가 전기적인 발열 소자 저항으로 치환된 도면이다. 도 13a의 rh1 내지 rh8은 도 12a의 발열 소자(1011 내지 1018)에 대응하는 발열 소자의 저항값을 나타내며, 도 13b의 rh61 내지 rh64는 도 12b의 발열 소자(1061 내지 1064)에 대응하는 발열 소자의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 rliA1 내지 rliA8은 도 12a의 개별 배선 영역(1221a 내지 1228a)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 rliB1 내지 rliB8은 도 12a의 개별 배선 영역(1221b 내지 1228b)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 rlcA1 내지 rlcA8은, 도 12a의 공통 배선 영역(1211)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 rlcB1 내지 rlcB8은, 도 12a의 공통 배선 영역(1212)의 저항값을 나타낸다. 마찬가지로, 도 13b의 rliA61 내지 rliA64는 도 12b의 개별 배선 영역(1241a 내지 1244a)의 저항값을 나타내며, rliB61 내지 rliB64는 도 12b의 개별 배선 영역(1241b 내지 1244b)의 저항값을 나타낸다. rlcA61 내지 rlcA64는 도 12b의 공통 배선 영역(1231)의 저항값을 나타내며, rlcB61 내지 rlcB64는 도 12b의 공통 배선 영역(1232)의 저항값을 나타낸다.
도 13a에서는, 도 6a에 나타내는 전압 펄스(시간 t1)를 전극 패드(1201 및 1202) 사이에 인가하는 동안 발열 소자를 통해 흐르는 전류를 i1 내지 i8로 나타내고, 도 13b에서는 전류를 i61 내지 i64로 나타내고 있다. 도 13a 및 도 13b에서는, 발열 소자를 통해 흐르는 전류(i1 내지 i8 및 i61 내지 i64)를 사용하여, 배선 저항의 영역에 흐르는 전류를 표기하고 있다.
이 경우, 도 13a의 발열 소자(1011)에 투입되는 에너지(E1)는 식 1에 의해 나타낼 수 있고, 도 13a의 발열 소자(1018)에 투입되는 에너지(E2)는 식 2에 의해 나타낼 수 있다:
발열 소자(1011): E1=i1×i1×rh1×t1 (식 1); 및
발열 소자(1018): E2=i8×i8×rh8×t1 (식 2).
또한, 도 13b의 발열 소자(1061)에 투입되는 에너지(E3)는, 식 3에 의해 나타낼 수 있고, 도 13b의 발열 소자(1064)에 투입되는 에너지(E4)는 식 4에 의해 나타낼 수 있다:
발열 소자(1061): E3=i61×i61×rh61×t1 (식 3); 및
발열 소자(1064): E4=i64×i64×rh64×t1 (식 4).
이 경우의 발열 소자는 포토리소그래피의 단계에서 동시에 형성되기 때문에, 발열 소자의 저항값(rh1, rh8, rh61 및 rh64)은 실질적으로 서로 동일하다. 한편, 발열 소자를 통해 흐르는 전류는 주로 배선 저항(rlc)의 부분의 영향에 의해 i1≠i8≠i61≠i64가 된다. 이는 발열 소자에 인가되는 에너지의 변동을 유발한다. 결과적으로, 발열 소자에 따라 상이한 양의 UFB가 생성되고, 안정적인 UFB 생성이 방해된다. UFB를 단시간에 안정적으로 생성하기 위해서는, 요소 영역에서 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 저감하는 것이 요구된다.
이하에서는, 발열 소자(10)를 포함하는 구성에서 다수의 발열 소자(10)에 인가되는 에너지의 변동을 억제하는 예에 대해서 설명한다.
<실시형태 1>
도 14a 내지 도 14c는 공통 배선 영역에서의 배선 저항 손실 사이의 차를 저감하는 예를 설명하는 도면이다. 도 14a는, 도 12b의 구성에 대응하는 도면이며, 소자 기판(12)의 일부인 요소 영역을 추출하는 평면 레이아웃의 일례를 도시한다. 도 14a에 나타내는 구성에서는, 개별 배선 영역(1241b 내지 1244b) 상에 발열 소자를 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위치(SW)(1401 내지 1404)가 각각 배치된다. 이 구성에서, 전극 패드(1201 및 1202)에는 발열 소자의 공급 전압(24V)이 계속해서 인가되지만, SW가 오프(L)일 때는 발열 소자를 통해 전류가 흐르지 않는다. 도 14b는, 발열 소자를 구동하는 SW(1401 내지 1404)의 로직 신호의 파형을 도시하는 도면이다. 각 SW(1401 내지 1404)에 로직 신호(H)를 인가함으로써, SW가 온이 되고, 대응하는 발열 소자에 전극 패드(1201 및 1202)를 통해서 공급 전압에 의해 발생된 전류가 흐르기 시작하고, 각각의 발열 소자 상에 막 비등이 발생한다.
도 12a 내지 도 13b에 나타내는 구성은, 공급 전압의 인가 시간 동안, 전극 패드에 연결되어 있는 모든 발열 소자를 동시에 구동하는 구성이다. 한편, 도 14a에 나타내는 구성에서는, 발열 소자(1061 내지 1064)는 SW(1401 내지 1404)가 구동의 타이밍을 각각 어긋나게 하는 상태에서 구동된다. 이러한 구성에 의하면, 도 13b에서 다수의 발열 소자(1061 내지 1064)를 통해 동시에 전류가 흐를 때 영향을 받는 공통 배선부(1351)의 배선 저항 손실을 상당히 저감시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, SW(1401 내지 1404)를 배치하여 시분할 방식으로 발열 소자를 구동할 수 있게 함으로써, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
도 14c는, 도 14a에 나타내는 다수의 요소 영역을 소자 기판(12)에 배치한 예를 나타내는 도면이다. UFB를 단시간에 안정적으로 생성하기 위해서는, 다수의 발열 소자를 배열하는 것이 요구된다. 도 14c는, 설명을 위해서, 4개의 발열 소자가 각각 제공되어 있는 8개의 요소 영역이 배열되어 있는 실시형태를 나타내지만, 각 요소 영역의 발열 소자의 수를 증가시키거나 또는 요소 영역의 수를 증가시킴으로써 다수의 발열 소자를 배열할 수도 있다. T-UFB 생성 유닛(300)에서는, 발열 소자(10)를 덮고 소자 기판(12) 상의 전극 패드(1201 및 1202)는 덮지 않도록 벽(1421) 및 덮개(도시되지 않음)가 제공됨으로써 액체 챔버를 형성한다. 본 실시형태에서는 액체 챔버의 내부를 구획하는 벽이 제공되지 않지만, 내부를 구획하는 벽을 제공할 수 있다.
<실시형태 2>
도 15a 내지 도 15f는 실시형태 2를 설명하는 도면이다. 도 14a 내지 도 14c에 도시되는 구성을 참고하여 SW가 소자 기판(12)에 배치되는 실시형태를 설명했지만, 본 실시형태는 SW를 소자 기판(12)의 외부에 제공함으로써 소자 기판(12)의 비용을 저감하는 실시형태이다. 예를 들어, 다수의 발열 소자 및 한 쌍의 전극 패드를 포함하는 요소 영역을 다수의 그룹(블록)으로 나누고, 구동되는 블록을 SW에 의해 전환할 수 있다. 실시형태 1에서는, 다수의 발열 소자를 병렬로 연결하는 공통 배선 영역(1231 및 1232)이 소자 기판(12)에 제공되어 있는 실시형태를 설명했다. 본 실시형태는, 각 발열 소자(10)가 독립적인 개별 배선(1511 및 1512)에 연결되는 실시형태이다.
도 15a는 소정 요소 영역의 레이아웃을 도시하는 도면이며, 도 15b는 도 15a의 등가 회로이다. 도 15a에서는, 전극 패드(1501 및 1502) 및 대응하는 쌍의 개별 배선(1511 및 1512)을 통해서 각 발열 소자(10)에 펄스 형태의 공급 전압이 인가되고, 발열 소자(10)가 동시에 구동된다. 도 15a의 구성에서는 각 발열 소자(10)에 대응하는 쌍의 개별 배선(1511 및 1512)을 통해서 전류가 흐르기 때문에, 발열 소자(10)를 동시에 구동해도 발열 소자(10)에 투입되는 에너지 변동은 억제될 수 있다.
도 15c는, 전극 패드(1501 및 1502)의 위치가 도 15a의 위치와는 상이한 레이아웃도이다. 전극 패드(1501 및 1502)의 위치는 소자 기판(12)의 일측에 모이고, 이로써 레이아웃의 자유도를 향상시키고 조밀한 구성을 실현할 수도 있다. 도 15c의 구성에서도, 대응하는 발열 소자(10)에 독립적인 개별 배선이 연결되어 있으므로, 구성 자체에 의해 에너지의 변동을 억제하는 것이 역시 가능하다. 그러나, 더 많은 발열 소자(10)를 배치하는 경우, 발열 소자(10)에 연결되는 배선의 길이는 영역(1521)에 도시하는 바와 같이 발열 소자(10)의 상이한 위치에 따라 서로 상이하다. 이는 배선 저항 사이의 차이를 유발하며, 이에 의해 에너지의 변동이 발생할 수 있다. 구체적으로는, 전극 패드(1501 및 1502)로부터 멀리 배치되어 있는 발열 소자(10)에 대한 개별 배선 저항은 전극 패드(1501 및 1502)에 가까이 배치되어 있는 발열 소자(10)에 대한 개별 배선 저항보다 크다. 결과적으로, 전극 패드(1501 및 1502)로부터의 거리에 따라, 발열 소자를 통해 흐르는 에너지의 변동이 발생할 수 있다.
도 15d는, 도 15c의 구성보다 더 많이 에너지의 변동을 억제하기 위한 레이아웃도이다. 도 15d에 나타내는 구성에서는, 도 15c의 영역(1521)에 도시된 바와 같은 배선 레이아웃에서 배선 저항 사이에 차이가 발생하는 영역의 배선 폭을 영역(1522)에 도시된 바와 같이 확장한다. 이러한 레이아웃에 의하면, 발열 소자(10)에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다. 도 15d의 예에서는, 전극 패드(1501 및 1502)로부터 더 먼 발열 소자(10)에 연결되는 개별 배선의 폭이, 전극 패드(1501 및 1502)에 더 가까운 발열 소자(10)에 연결되는 개별 배선의 폭보다 더 넓어진다.
도 15e는, 도 15d의 등가 회로를 도시하는 도면이며, 특히 배선 폭 사이의 차이에 대응하는 배선 저항을 도시하는 도면이다. 도 15e에서의 배선 저항 사이의 관계는 하기와 같다:
rliA1 < rliA2 < rliA3 < rliA4;
rliB1 < rliB2 < rliB3 < rliB4; 및
rliA1 + rliC1 + rliB1 + rliD1 = rliA2 + rliC2 + rliB2 + rliD2 = rliA3 + rliC3 + rliB3 + rliD3 = rliA4 + rliC4 + rliB4 + rliD4.
상기 식은 등호에 의해 연결되어 있지만, 각 발열 소자(10)가 UFB를 생성하는 막 비등의 변동을 미리결정된 레벨로 유지할 수 있는 한, 저항은 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
도 15f는 도 15d의 변형예를 도시하는 레이아웃도이다. 도 15f는 소자 기판(12)에 SW(1531 내지 1534)가 형성되어 있는 실시형태를 도시한다. SW(1531 내지 1534)는 실시형태 1에서 설명한 SW와 마찬가지이다. SW(1531 내지 1534)를 사용하여 시분할 방식으로 구동을 제어하고, 또한 발열 소자의 배선 저항을 서로 동일하게 함으로써, 에너지의 변동을 더 억제할 수 있다.
<실시형태 3>
실시형태 1과 마찬가지로, 본 실시형태는 발열 소자를 병렬적으로 연결하는 공통 배선을 제공하는 구성을 갖는다. 실시형태 1에서는, 기생 배선 저항의 영향을 저감하기 위해서, SW를 사용한 시분할 방식의 제어에 의해 에너지의 변동을 억제하는 실시형태를 설명했다. 본 실시형태에서는, 에너지의 변동을 억제하도록 공급 전압, 발열 소자 저항 및 배선 저항을 조정하는 실시형태를 설명한다.
도 16a 내지 도 16e는 UFB를 안정적으로 생성하는 예를 설명하는 도면이다. 도 16a는, 본 실시형태에서 사용되는 발열 소자를 설명하는 도면이다. 본 발명자는 100,000회의 막 비등을 발생시킬 수 있는 발열 소자를 사용해서 실험을 행했다. 이 발열 소자는 100,000번째 막 비등에 도달할 때까지 막 비등을 발생시키는 것이 보장되는 것이다. 즉, 예를 들어 막 비등이 100,000회 이상 발생하거나 발열 소자의 소자 저항이 단선되는 경우, 발열 소자는 바람직하지 않은 막 비등을 발생시킬 우려가 있다.
도 16a는, UFB를 발생시키기 위해 100,000회의 막 비등을 할 수 있는 발열 소자에 어느 정도의 에너지를 부여할 필요가 있는지에 대해 본 발명자가 확인한 결과를 나타낸다. 도 16a는, 발포 임계치 에너지가 "1"(제1 값)인 경우에, 이론적으로 막 비등이 발생하는 것을 나타내고 있다. 공급 전압을 변경함으로써 투입 에너지를 변경한 경우, 투입 에너지가 "1"로 설정된 발포 임계치 에너지의 3배를 초과해서 증가하면, 약 100,000회의 인가 펄스를 인가하는 동안 발열 소자의 저항값이 급격하게 변화하고, UFB를 생성하는 것이 곤란해졌다. 즉, 발열 소자(3)에 투입된 에너지가 "1"로 설정된 발포 임계치 에너지의 3배 이하이면, 미리결정된 발열 소자의 급격한 단선 등이 없이 UFB를 안정적으로 생성할 수 있다는 것이 판명되었다. 발포 임계치 에너지가 "1"로 설정된 상태에서 막 비등을 발생시키는 발열 소자를 사용해서 UFB를 안정적으로 생성하기 위해서, 발열 소자에 투입되는 에너지의 최소값을 환경에 따른 변동을 고려하여 발포 임계치 에너지의 1.1배로 설정했다. 본 실시형태에서는, 발포 임계치 에너지가 "1"로 설정되는 경우, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동은 발포 임계치 에너지에 대해 1.1배 내지 발포 임계치 에너지에 대해 3배의 범위 내가 되는 것이 바람직하다. 여기에서는, 100,000회의 막 비등을 발생시킬 수 있는 발열 소자를 일례로서 사용하여 설명하였지만, 상이한 내구성을 갖는 다른 발열 소자를 마찬가지로 적용할 수 있다.
본 실시형태에서는, 각 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 상기에 나타내는 범위로 하는 구체적인 구성을 설명한다. 본 실시형태에서는, 실시형태 1에서 설명한 도 12b 및 도 13b의 레이아웃을 사용한다. 본 실시형태에서는, 공급 전압, 발열 소자 저항 및 배선 저항을 조정함으로써 발열 소자에 투입되는 에너지가 발포 임계치 에너지에 기초하여 미리결정된 범위(1.1배 내지 3배) 내로 유지되는 실시형태를 설명한다. 더 구체적으로는, 배선 저항을 조정하는 실시형태를 설명한다. 이에 의해, 발열 소자를 조밀하게 배치할 경우, 발열 소자(10)의 주위의 배선 영역의 레이아웃을 콤팩트하게 하면서, UFB를 안정적으로 생성할 수 있다.
본 실시형태는, 발열 소자부(1352), 공통 배선부(1351) 및 전극 패드(1201 및 1202)인 도 13b의 3개의 부분에 착안한다. 발열 소자부(1352)는 발열 소자 및 개별 배선 영역의 양쪽을 포함한다. UFB를 단시간에 생성하기 위해서 발열 소자를 조밀하게 배치하는 경우, 개별 배선부의 영역은 가능한 작은 것이 바람직하다. 한편, 발열 소자를 조밀하게 배치하기 위해서, 공통 배선부(1351)에는 가능한 많은 발열 소자부가 연결되는 것이 바람직하다.
도 13b에서는, i61 내지 i64는 각각 발열 소자(rh61 내지 rh64)를 통해 흐르는 전류이다. 도 13b에 도시되는 바와 같이, 여기서 발열 소자(rh61 내지 rh64)에 투입되는 에너지는 각각 i61 × i61 × rh61 × t1, i62 × i62 × rh62 × t1, i63 × i63 × rh63 × t1, i63 × i63 × rh63 × t1이다. t1는 도 6a에 나타내는 펄스폭이다. 본 실시형태에서는, 포토리소그래피의 단계에서 발열 소자가 형성되며, 발열 소자는 동일한 발열 저항을 갖는다. 따라서, 발열 소자에 투입되는 에너지 사이의 차이는 각각의 발열 소자를 통해 흐르는 전류의 제곱에 비례한다.
도 16b는, 도 13b의 등가 회로를 나타내고, 발열 소자를 통해 흐르는 전류를 i1 내지 i4로 나타내고, 각 발열 소자의 저항값 및 대응하는 발열 소자에 개별적으로 연결되어 있는 배선의 기생 저항값의 합계를 r로 나타내며, 공통 배선 부분의 저항값을 R1 내지 R4로서 나타낸 도면이다.
도 16b에 나타내는 회로에서, 키르히호프의 회로 법칙(Kirchhoff's circuit laws)에 기초하여 식 (5)가 성립된다:
Figure pat00001
식 (5).
표 1의 값을 사용하는 경우, 발열 소자에 투입되는 에너지 사이의 차는 각 발열 소자를 통해 흐르는 전류의 제곱에 비례하기 때문에, 각 발열 소자에 투입되는 에너지의 비는 표 2에 나타낸 것일 수 있다.
V1 24 V
r 200 Ω
R1 내지 R4 20 Ω
발열 소자 발열 소자에 투입되는 에너지의 비
h61 2.9
h62 1.9
h63 1.3
h64 1.1
배선 저항 사이의 차에 의해, 전극 패드(1201, 1202)로부터 가장 멀리 위치되는 발열 소자(rh64)에 투입되는 에너지가 가장 작다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 투입되는 에너지는, 가장 먼 위치의 발열 소자(rh64)에 투입되는 에너지가 미리결정된 범위 내의 최소값인 발포 임계치 에너지 "1"의 1.1배가 되도록 결정된다. 이하, 발열 소자에 투입되는 에너지의 비(즉, 본 예에서는 발포 임계치 에너지의 1.1배)를 간단히 투입 에너지비라 칭한다.
표 1에 나타낸 바와 같이, V1은 24V로 설정되고, 발열 소자 및 개별적으로 배선되어 있는 기생 저항 부분의 저항값의 합계인 저항값(r)은 200Ω로 설정되며, 공통 흐름을 위한 부분의 저항값(R1 내지 R4)은 20Ω로 설정된다. 이 경우, rh64의 투입 에너지비가 1.1로 설정된 상태에서, 가장 큰 에너지가 투입되는 rh61에 투입되는 에너지의 비는 2.9로 설정된다. 즉, 발포 임계치 에너지를 "1"로 설정하는 경우에, 각 발열 소자에 투입되는 에너지의 비는 1.1배 내지 3배의 범위 내로 유지될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 각 발열 소자에 의해 최대 100,000 펄스(100,000회)의 열 비등을 발생시켜 UFB를 생성하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 공통 흐름 배선 영역의 저항값(R1 내지 R4)의 각각을 발열 소자 저항값을 포함하는 개별 배선의 대응하는 저항값(r)의 1/10 이하로 유지시킴으로써 UFB를 안정적으로 생성할 수 있다.
도 16c는 도 16b의 것과 상이한 예이다. 도 16c는 발열 소자의 수가 8개인 예를 나타낸다. 도 16c의 전기 회로는 도 13a의 회로로서 표현될 수 있다. 도 16d는, 도 13a의 등가 회로를 나타내며, 발열 소자를 통해 흐르는 전류를 i1 내지 i8로 나타내고, 각 발열 소자의 저항값 및 대응하는 발열 소자에 개별적으로 연결되어 있는 배선의 기생 저항값의 합계를 r로 나타내며, 공통 배선 부분의 저항값을 R1 내지 R8로 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이, 예를 들어 키르히호프의 회로 법칙에 기초해서 최소 발열 소자 투입 에너지가 부여되는 rh8의 에너지비가 1.1로 설정되며, 최대 발열 소자 투입 에너지가 부여되는 rh1의 에너지비가 2.9로 설정되는 구성을 실현하기 위해서 표 3에 나타내는 값을 사용한다. 이 경우, 각 발열 소자에 투입되는 에너지의 비는 표 4에 도시된 것일 수 있다.
V1 20 V
r 200 Ω
R1 내지 R4 4 Ω
발열 소자 발열 소자에 투입되는 에너지의 비
rh1 2.9
rh2 2.3
rh3 1.9
rh4 1.6
rh5 1.4
rh6 1.3
rh7 1.2
rh8 1.1
표 4에 나타낸 바와 같이, 이 예에서는, 발열 소자의 공급 전압은 20V로 설정되고, 발열 소자의 저항과 대응하는 발열 소자에 연결되는 개별 배선의 저항의 합계인 저항은 200Ω로 설정되며, 공통 배선에서의 기생 배선 저항은 각각 4Ω로 설정된다. 도 16b의 구성에서는, 공통 배선에서의 기생 배선 저항이 20Ω(개별 배선 및 발열 소자의 저항값의 합계의 1/10)로 설정된 상태에서 UFB를 안정적으로 생성할 수 있다. 한편, 도 16d에 나타내는 구성에서는, 공통 배선에서의 기생 배선 저항은 4Ω(개별 배선 및 발열 소자의 저항값의 합계의 1/50) 이하로 설정되는 것이 요구된다. 도 16d의 구성에서는, 공통 배선 부분의 낮은 저항이 전체적인 손실을 감소시키고, 공급 전압을 20V로 설정함으로써, 표 4에 나타낸 미리결정된 에너지비를 달성할 수 있게 된다.
2개의 구체예에 의해 설명했지만, 발열 소자의 수에 따라서 다양한 변형을 생각할 수 있다. 어느 경우든, 발열 소자에 투입되는 에너지가 투입 에너지비의 미리결정된 범위(1.1배 내지 3배) 내가 되는 한 어떠한 구성도 적용 가능할 수 있다. 도 16c에 도시하는 바와 같이, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하기 위해서, 공통 배선 영역(1631 및 1632)의 배선 폭을 확장함으로써 공통 배선에서의 기생 배선 저항을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 도 16e에 도시하는 바와 같이, 공통 배선 영역(1231 및 1232)의 것보다 큰 배선 저항층의 막 두께를 갖는 공통 배선 영역(1631 및 1632)을 제공함으로써, 공통 배선에서의 기생 배선 저항을 감소시킬 수 있다. 즉, 공통 배선의 저항값의 양이 발열 소자의 저항 및 대응하는 발열 소자에 개별적으로 연결되는 배선의 저항의 합계의 미리결정된 비 이하가 되도록 공통 배선의 폭 또는 막 두께가 설정될 수 있다.
<변형예 1>
도 17a 내지 도 17g는 UFB를 안정적으로 생성하는 다양한 변형예를 설명하는 도면이다. 도 16a 내지 도 16e에서는, 공통 배선 부분의 저항을 감소시킴으로써 전체 손실을 억제할 수 있고, 그 결과 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동이 억제되는 실시형태를 설명했다. 발열 소자를 더 조밀하게 배치하기 위해서는, 발열 소자에 개별적으로 연결되는 배선 영역을 가능한 작게 하는 것이 유효하다.
도 17a 내지 도 17c는 다수의 배선층을 형성하는 예를 도시하는 도면이다. 도 17a는 평면 레이아웃도이며, 도 17b 및 도 17c는 각각 XVIIB-XVIIB 선을 따라 취한 단면도 및 XVIIC-XVIIC 선을 따라 취한 단면도이다. 상술한 발열 소자를 연결하는 배선층과는 상이한 배선층을 형성해서 공통 배선 부분으로서 사용함으로써, 공통 배선 저항의 값을 감소시키면서 소형화를 실현할 수 있다. 도 17a 내지 도 17c에서, 배선층(1701)은 발열 소자(10)에 연결되는 공통 배선 영역(1231)의 층과는 상이한 층이다. 스루홀(1702)은 발열 소자(10)에 연결되는 공통 배선 영역(1231)의 층을 배선층(1701)과 전기적으로 연결한다.
도 17a 내지 도 17c의 실시형태에서는, 발열 소자(10)로부터의 열 스트레스의 영향을 고려하여, 발열 소자(10) 아래의 하층부에는 배선층(1701)을 배치하지 않는 실시형태를 나타내고 있다. 그러나, 구성이 열 스트레스를 억제하기 위해서 배선층의 상부에 형성되는 배리어층 등을 포함하는 경우, 발열 소자(10) 아래의 하층부까지 배선층(1701)을 연장시킬 수 있다. 도 17a 내지 도 17c의 실시형태에서는 새로운 층으로서 배선층(1701)을 형성하는 실시형태를 설명했지만, 더 높은 밀도를 달성하기 위해서 더 많은 발열 소자가 제공되는 경우에 더 많은 배선층이 추가로 제공될 수 있다. 도 16e를 참고하여 설명한 바와 같이, 발열 소자(10)에 직접 연결되는 배선의 막 두께를 증가시킴으로써 배선 저항을 감소시킬 수 있지만; 이 경우, 배선층의 패턴 에칭 시에 동일한 층에 배치되는 발열 소자의 형상이 변동할 수 있다. 본 변형예에서 설명한 바와 같이, 발열 소자에 직접 연결하는 배선층 이외에 별개의 배선층을 제공하는 경우, 발열 소자의 형상의 변동을 억제할 수 있다.
<변형예 2>
도 17d 및 도 17e는 다른 변형예를 설명하는 도면이다. 도 17a 내지 도 17c에서는, 발열 소자(10)가 형성되어 있는 기판의 동일면에 전극 패드(1201, 1202)가 형성되어 있는 실시형태를 설명했다. 전술한 바와 같이, 발열 소자(10)가 형성되어 있는 면은, UFB를 생성하기 위해서 액체와 접촉하고 있는 영역(액체 챔버)을 포함한다. 액체 챔버는 벽과 덮개로 덮여 있다. 한편, 전극 패드(1201 및 1202)는 액체 챔버 외측에 배치된다. 이 경우와 같이, 발열 소자(10)와 전극 패드(1201 및 1202)를 전기적으로 서로 분리할 경우, 배선의 배설이 길어진다. 도 17d 및 도 17e는, 발열 소자가 제공되는 동일면에 전극 패드(1201 및 1202)가 제공되지 않고, 소자 기판의 다른 면까지 스루홀을 관통시켜 소자 기판의 이면에 전극 패드와 배선층을 제공하는 실시형태를 나타낸다. 도 17e는 도 17d에서의 XVIIE-XVIIE 선을 따라 취한 단면도이다.
도 17d 및 도 17e에 도시되는 바와 같이, 소자 기판의 이면의 대부분에 배선층(1741)이 형성된다. 소자 기판의 이면은 발열 소자가 형성되어 있는 면의 반대측의 면이다. 소자 기판의 이면에는 발열 소자(10)의 열 스트레스의 영향이 없기 때문에, 소자 기판의 이면의 대부분을 배선층(1741)으로서 이용하고 있다. 스루홀(1742)은, 발열 소자가 형성되어 있는 면의 배선층과 이면의 배선층(1741)을 연결한다. 배선층(1741)은 공통 배선의 층이며, 이면의 대부분에 배선층(1741)을 형성함으로써 공통 배선의 배선 저항을 감소시킬 수 있다. 본 실시형태에서는, 전극 패드(1751)가 이면의 대부분(도 17e의 예에서는, 배선층(1741)의 영역과 동일)에 형성된다. 도 17d 및 도 17e의 구성에 의하면, 발열 소자(10)를 조밀하게 배치할 수 있고, 또한 공통 배선의 배선 저항을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 발열 소자(10)를 조밀하게 배치하는 경우에도 UFB를 안정적으로 생성할 수 있다. 또한, 전극 패드가 이면에 형성되어 있기 때문에, 발열 소자(10)가 형성되어 있는 면의 대부분에 액체 챔버를 제공할 수 있다. 결과적으로, 발열 소자(10)를 조밀하게 배치함으로써, 단시간에 UFB를 생성할 수 있다.
도 17f는, 도 17d에 나타내는 다수의 요소를 배치한 소자 기판(12)의 예를 나타내는 도면이다. 도 17f의 소자 기판(12)에서는 전극 패드가 발열 소자가 형성되는 동일면에 형성되어 있지 않기 때문에, 벽(1761)이 소자 기판(12)의 외주부에 도달하도록 형성된다. 도 17f는 설명을 위한 간단한 도시이지만, 발열 소자의 수 및 요소의 수를 증가시킴으로서 역시 고속으로 UFB를 생성할 수 있다.
도 17g는, 도 17d에 나타내는 요소를 웨이퍼(1771)의 전체에 배치한 예를 나타내는 도면이다. 상술한 실시형태에서는 소자 기판(12)은 직사각형 형상으로 잘리지만, UFB를 생성하기 위한 소자 기판(12)의 형상에 제약은 없다. 따라서, 도 17g에 도시하는 바와 같이, 발열 소자와 배선이 형성된 기판을 잘라내지 않고, 웨이퍼(1771)의 전체를 T-UFB 생성 유닛(300)에 적용할 수 있다.
도 17d 내지 도 17g를 참고하여 설명한 바와 같이, 소자 기판(12)의 이면 배선을 행하여 이면에 전극 패드를 배치하는 경우, UFB를 생성하기 위한 액체로부터 전극 패드를 용이하게 분리할 수 있다. 소자 기판(12)의 이면에 전극 패드를 제공하는 경우, 공급 전압 펄스를 출력하는 드라이버, 스위치 등은 외부 디바이스에 의해 구현된다. 예를 들어, 도 17g의 웨이퍼(1771)에 연결된 드라이버 등을 구동함으로써 UFB의 안정된 생성이 이루어질 수 있다.
<실시형태 4>
실시형태 2에서는, 공통 배선을 사용하지 않고 독립적인 개별 배선이 사용되는 실시형태를 설명했다. 본 실시형태에서는, 실시형태 2와 같이 개별 배선을 사용하며, 개별 배선에 다수의 발열 소자(10)가 연결되는 실시형태를 설명한다.
도 18a 내지 도 18c는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 도 18a는 평면 레이아웃을 도시하는 도면이다. 위에서 설명한 바와 같이, UFB를 단시간에 생성하기 위해서는, 더 많은 발열 소자를 동시에 구동하는 것이 요구된다. 도 18a는, 도 15f의 것보다 더 많은 발열 소자가 제공되는 예를 나타낸다. 도 18a에 도시하는 바와 같이, SW(1821 내지 1824)가 각각 독립적인 배선 영역에 제공된다. 또한, 각각의 독립적인 배선 상에는 각각 다수의 발열 소자가 제공된다. 본 실시형태는, SW(1821 내지 1824)에 의해 시분할 방식으로 구동 타이밍을 변경하면서, 동일한 배선 영역 상에 제공되어 있는 다수의 발열 소자를 동시에 구동하는 실시형태이다.
도 18b는 도 18a의 전기 회로이며, 도 18c는 SW(1821 내지 1824)의 구동 타이밍을 나타내고 있다. 발열 소자(1811 내지 1814)에서, 동시에 구동되는 발열 소자의 분기부 번호를 각각 "a" 및 "b"로 나타내고 있다. 예를 들어, SW(1821)가 "H"로 설정되어 있는 경우, 발열 소자(1811a 및 1811b)가 구동된다.
이러한 구성에 의하면, 다수의 발열 소자에 대하여 공통 배선 부분이 존재하는 경우에도, 동시에 구동되는 발열 소자에 실질적으로 동일한 에너지를 투입할 수 있다. 결과적으로, 동시에 구동되는 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
<실시형태 5>
실시형태 1에서는, 발열 소자에 연결하는 개별 배선에 제공된 SW를 사용하여 시분할 방식으로 제어되는 구동에 의해, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 실시형태를 설명했다. 더 높은 밀도를 달성하기 위해서 공통 배선 영역을 축소시키는 경우, SW를 사용해서 시분할 방식으로 제어되는 구동을 행하는 경우에도, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동이 발생할 수 있다. 이는, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이, 전극 패드(1201 및 1202)로부터 더 멀리 위치되는 발열 소자와 전극 패드(1201 및 1202)에 더 가까이 위치되는 발열 소자는 공통 배선 영역에서 상이한 배선 저항을 갖기 때문이다.
도 19a 내지 도 19c는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 본 실시형태는, 시분할 방식으로 발열 소자의 구동 타이밍을 어긋나게 하는 것 외에 추가적인 제어를 행하는 실시형태이다. 도 19a는 레이아웃을 도시하는 도면이다. 본 실시형태는, 도 14a를 참고하여 설명한 실시형태와 마찬가지로, 개별 배선 영역에 SW(1921 내지 1924)를 배치한 실시형태이다. 본 실시형태는, SW(1921 내지 1924)의 구동에 따라, 발열 소자의 공급 전압을 변화시키는 실시형태이다. 도 19b는 도 19a의 전기 회로를 나타내고, 도 19c는 SW의 구동 타이밍 및 구동 타이밍에 따른 공급 전압의 값을 도시하는 도면이다.
본 실시형태에서는, SW(1921 내지 1924)를 사용하여 발열 소자를 시분할 방식으로 구동하며, 각 시분할 방식의 각 타이밍에서 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하도록 전압을 시분할 방식으로 변화시킨다.
도 19c에 도시하는 바와 같이, SW(1921)가 최소 배선 저항을 갖는 발열 소자(1911)를 구동하는 타이밍의 공급 전압은 다른 발열 소자(1912 내지 1914)를 구동하는 타이밍의 공급 전압보다 낮다. 추가적으로, 도 19c에 도시하는 바와 같이, 배선 저항이 커짐에 따라서, 다른 발열 소자(1912 내지 1914)를 구동하는 타이밍에서의 공급 전압이 높아지도록 구성이 이루어진다. 도 19c에서는 공급 전압을 시분할 방식으로 변화시키는 실시형태를 나타냈지만, 공급 전압 대신에 SW를 구동하는 제어 신호의 펄스 폭을 변화시킴으로써 에너지의 변동을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 대응하는 SW를 구동하는 제어 신호의 펄스폭을 변화시킴으로써, 각 발열 소자를 구동하는 시간 길이를 변화시킬 수 있다. 나아가, 공급 전압의 시분할 방식의 제어와 펄스폭 제어를 서로 조합할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 예를 들어 공통 배선 영역의 배선 폭이 동일한 경우에도, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
<실시형태 6>
위 실시형태에서는, 소자 기판(12)에 장착되는 발열 소자(10)는 반도체의 포토리소그래피의 단계에서 제조되며, 동일한 형상 및 동일한 저항을 갖는 것을 전제로 하여 설명했다. 추가적으로, 예를 들어 실시형태 1의 도 12b를 참고하여 설명한 구성에서는, 발열 소자(1064)를 통해 흐르는 전류가 발열 소자(1061)를 통해 흐르는 전류보다 작기 때문에, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동이 발생하는 것을 설명했다. 본 실시형태에서는, 발열 소자(10)는 발열 소자의 배치의 위치 관계에 따라 상이한 형상으로 구성된다.
도 20a 내지 도 20c는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 도 20a는, 도 16a에 나타낸 바와 같이, 100,000회의 막 비등을 발생시킬 수 있는 발열 소자에 기초하여, 발열 소자가 서로 상이한 저항값을 갖도록 상이한 형상으로 구성되는 경우에 UFB를 생성할 수 있는지의 여부를 나타내는 도면이다. 발열 소자의 미리결정된 단위 면적당의 발포 임계치 에너지를 "1"로 설정하고 발열 소자의 형상 및 저항값이 변경되는 경우에, 발포 임계치 에너지의 1.1배 내지 발포 임계치 에너지의 3배의 투입 에너지를 달성하는 저항값에서 100,000회의 막 비등을 발생시킬 수 있었다. 즉, 반경의 범위가 상술한 범위 내에 있는 한, 발열 소자의 형상 및 저항값을 변경하는 경우에도 UFB를 안정적으로 생성하는 것이 가능하다. 본 실시형태에서는, 발열 소자의 형상을 투입되는 에너지에 따라서 변경함으로써 안정적인 UFB가 생성된다.
도 20b는 본 실시형태의 레이아웃의 예를 나타내는 도면이다. 도 20c는 도 20b의 전기 회로를 도시하는 도면이다. 전극 패드(1201 및 1202)에 더 가까이 위치되는 발열 소자(2001)를 통해 흐르는 에너지는 배선 저항 손실이 적으므로, 그 에너지는 전극 패드(1201 및 1202)로부터 더 멀리 위치되는 발열 소자(2004)를 통해 흐르는 에너지보다 크다. 이 때문에, 단위 면적당의 에너지를 동등하게 하도록 발열 소자의 형상을 결정한다. 구체적으로는, 발열 소자(2001)의 저항 패턴의 길이(길이가 길수록 저항이 증가하는 방향)를 발열 소자(2004)의 저항 패턴의 길이보다 길게 한다. 즉, 발열 소자(2001)의 전류 흐름 방향의 길이를 발열 소자(2004)의 전류 흐름 방향의 길이보다 길게 한다. 더 구체적으로는, 발열 소자가 전극 패드(1201 및 1202)로부터 먼 발열 소자(2004)로부터 전극 패드(1201 및 1202)에 가까워짐에 따라서, 발열 소자의 저항 패턴의 길이를 길게 한다.
발열 소자(10)가 상이한 형상으로 구성되는 경우, 막 비등 기포(13)는 상이한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 발열 소자(10)가 동일한 형상을 갖는 것이 균일한 막 비등 기포(13)를 발생시키는 점에서 더 유용하다. 그러나, 전술한 바와 같이, UFB의 생성은 발열 소자 간에 적어도 막 비등 기포(13)가 발생되는 것을 필요로 하며, 균일한 막 비등 기포(13)를 형성하는 것이 반드시 요구되는 것은 아니다. 본 실시형태는 발열 소자(10)에 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 것에 착안하며, 투입되는 에너지에 따라서 발열 소자(10)의 형상을 변경함으로써 UFB를 안정적으로 생성한다.
<실시형태 7>
본 실시형태에서는, 발열 소자의 저항값을 감시하고, 감시되는 발열 소자의 저항값에 따라서 발열 소자의 공급 전압 또는 인가 펄스폭을 조정하는 실시형태를 설명한다.
실시형태 1 내지 5에서는, 발열 소자는 동일한 형상 및 동일한 저항을 갖는 것을 전제로 설명을 하고, 실시형태 6에서는 발열 소자의 형상을 변경하는 실시형태를 설명한다. UFB를 단시간에 고속으로 생성하기 위해서는, 소자 기판을 크게 하거나 또는 도 17g에 도시하는 바와 같이 전체 웨이퍼 상에 발열 소자를 배치하는 것이 요구된다. 이 경우, 막 두께의 면내 분포 또는 발열 소자 패터닝의 면내 변동은 예를 들어 초기에 설계된 발열 소자의 사이즈 및 저항값의 변동을 유발할 수 있다. 이는, 발열 소자에 투입하는 에너지를 변화시킬 수 있으며, UFB를 안정적으로 생성하는 것을 어렵게 만든다.
도 21a 내지 도 21d는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 도 21a는 레이아웃의 일례를 도시하는 도면이다. 본 실시형태는, 발열 소자의 전원(2101) 이외에 저항 측정기(2102)가 제공되는 실시형태이다. 저항 측정기(2102)는 발열 소자의 저항값을 감시한다. 그리고, 감시되는 저항값에 따라서 발열 소자에 투입되는 에너지를 조정한다. 이에 의해, 웨이퍼 전체 등 상당히 큰 발열 소자 기판을 사용해서 UFB의 생성 동안의 에너지 변동을 억제할 수 있다. 도 21b는 감시되는 저항값에 따라서 인가 펄스폭을 조정하는 예이다. 도 21c는, 감시되는 저항값에 따라서 발열 소자의 공급 전압을 조정하는 예이다. 도 21b 및 도 21c에 도시하는 바와 같이, 투입 에너지의 조정은 시분할 방식으로 행해질 수 있거나 또는 발열 소자를 블록으로 분할하여 블록 단위로 행해질 수 있다.
<변형예>
도 21d는 변형예를 도시하는 도면이다. 도 21a의 구성은, 시분할 방식의 제어가 행해지고, 시분할 방식의 각 타이밍에서 1개의 발열 소자가 구동되는 실시형태를 도시한다. 도 21d는, 시분할 방식의 제어 동안 시분할 방식의 각 타이밍에서 다수의 발열 소자를 구동하는 예이다. 도 21d에 도시하는 바와 같이, 동시에 구동되는 발열 소자의 수를 동일하게 설정한 상태에서 전압 또는 펄스폭의 조정을 시분할 방식으로 제어할 수 있다.
<실시형태 8>
상기 실시형태에서는, SW에 대응하는 블록이 대응하는 SW에 의해 동시에 구동되는 동일한 수의 다수의 발열 소자를 각각 포함하는 실시형태에 대해서 설명했다. 본 실시형태에서는, 대응하는 SW에 의해 동시에 구동되는 발열 소자의 수가 블록에 따라 변경되는 실시형태를 설명한다.
도 22a 내지 도 22d는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 도 22a는 본 실시형태의 레이아웃을 설명하는 도면이다. SW(2221)에 대응하는 블록에는, 1개의 발열 소자(2211)가 배치된다. SW(2222)에 대응하는 블록에는, 2개의 발열 소자(2212a 및 2212b)가 배치된다. SW(2223)에 대응하는 블록에는, 2개의 발열 소자(2213a 및 2213b)가 배치된다. SW(2224)에 대응하는 블록에는, 3개의 발열 소자(2214a, 2214b, 및 2214c)가 배치된다. 도 22b는, 동시에 구동되는 발열 소자의 수에 따라, 공급 전압을 조정하는 예를 나타내고 있다. 이러한 실시형태에서도, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
<실시형태 9>
상기 실시형태에서는, 전극 패드로부터 연결되는 다수의 발열 소자가 전기적으로 병렬로 연결되는 실시형태를 설명했다. 본 실시형태에서는, 전극 패드로부터 연결되는 다수의 발열 소자를 동일한 배선 상에서 전기적으로 직렬로 연결하는 실시형태를 설명한다.
도 22c는, 본 실시형태의 레이아웃을 설명하는 도면이다. 도 22c에 도시하는 바와 같이, 발열 소자(2231)를 직렬로 연결함으로써 전류를 일정하게 할 수 있다. 또한, 다수의 발열 소자를 구동함으로써 UFB를 고속으로 생성할 수 있다.
<변형예>
도 22d는 변형예를 도시하는 도면이다. 도 22d는, 발열 소자를 직렬로 연결하는 경우에, 발열 소자의 저항 패턴의 폭이 저항 패턴의 길이보다 길게 되는 예를 도시한다. 직렬 연결에서는, 발열 소자를 구동하기 위한 공급 전압이 직렬 연결로 인해 높아진다. 발열 소자의 구동 전원으로서 고전압이 요망되지 않을 경우, 도 22d에 도시된 구성은 발열 소자 면적을 유지하면서, 발열 소자의 공급 전압이 높아지는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 폭이 넓은 다수의 발열 소자를 직렬로 연결하는 실시형태를 채용할 수 있다.
<실시형태 10>
상기 실시형태에서는, 레이아웃을 조정하거나 구동 타이밍을 조정함으로써, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 실시형태를 설명했다. 본 실시형태에서는, 발열 소자의 양 단부 또는 한쪽 단부의 전압을 일정하게 유지하는 기구가 제공된 실시형태를 설명한다.
도 23a 내지 도 23d는 UFB를 안정적으로 생성하는 실시형태를 설명하는 도면이다. 도 23a는, 발열 소자에 투입되는 에너지를 일정하게 유지하기 위해 발열 소자(1011 내지 1018)의 양 단부에 전압을 일정하게 하는 회로(2301 및 2302)를 배치한 실시형태이다. 전압을 일정하게 하는 회로(2301 및 2302)를 사용하여 발열 소자(1011 내지 1018)의 연결부에서 전압을 강제적으로 일정하게 유지함으로써, 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다. 도 23b는, 전압을 일정하게 하는 회로의 일례로서 소스 폴로워를 도시하는 도면이다. 전압을 일정하게 하는 회로를 사용함으로써 배선 저항 손실 사이의 차이를 흡수할 수 있고, 따라서 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
도 23c 및 도 23d는, 한쪽의 전압을 일정하게 하는 회로(2301) 및 회로(2303)가 각각 배치되어 있는 레이아웃을 도시하는 도면이다. 한쪽에만 전압을 일정하게 하는 회로를 배치하고 있지만, 여전히 발열 소자에 인가되는 전압을 일정하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 추가로, 도 23c에 도시하는 바와 같이 전압을 일정하게 하는 회로를 개별 배선 영역으로의 분기에 선행하게 배치할 수 있으며, 도 23d에 도시하는 바와 같이 전압을 일정하게 하는 회로를 개별 배선 영역으로의 분기에 후행하게 배치할 수 있다. 여기서는 전압을 일정하게 하는 회로를 배치하는 실시형태를 설명했지만, 발열 소자를 통해 흐르는 전류를 일정하게 하는 정전류화를 행하는 회로를 발열 소자의 양 단부 또는 한쪽 단부에 배치하는 구성이 적용될 수 있다.
<변형예>
도 24a 내지 도 24d는 UFB를 안정적으로 생성하는 변형예를 도시하는 도면이다. 도 24a는 발열 소자(2401)가 배치되어 있는 상면층을 나타내고, 도 24b는 상면층 아래의 제2 층을 나타내고, 도 24c는 제2 층 아래의 제3 층을 나타내며, 도 24d는 이면층을 나타낸다. 발열 소자(2401)의 양 단부의 연결부에는, 전압을 일정하게 하는 회로(2301 및 2302)가 배치된다. 전압을 일정하게 하는 회로(2301 및 2302)를 제공함으로써, 다수의 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있고, 발열 소자를 조밀하게 배치할 수 있다. 또한, 실시형태는 스루홀(2402)을 통해서 이면에서 전력이 공급되는 것을 허용한다.
<다른 실시형태>
상기 실시형태에서는, 일정한 온도 및 일정한 환경 압력의 조건하에서 UFB를 생성하는 것을 전제로 하여 설명했다. 즉, 가변적인 온도 및 환경 압력은 고려되지 않는다. UFB 생성 장치는 발열 소자를 구동함으로써 UFB를 생성하기 때문에, UFB 생성 장치(1)(특히, 발열 소자가 제공된 UFB 생성 유닛)의 온도가 변화한다. 막 비등은 대기압하에서 약 300℃에서 발생하기 때문에, UFB 생성 유닛의 온도에 따라서 인가되는 에너지를 증가 및 감소시킬 수 있으며, 이에 의해 UFB를 안정적으로 생성할 수 있게 된다.
원하는 기체를 사용하여 UFB를 생성하기 위해서는, 가능한 많은 기체를 UFB 생성액에 용해시킨 후에 막 비등을 발생시키는 것이 바람직하다. 이 경우, UFB 생성 장치(1) 전체를 고압(예를 들어, 기압의 3배 내지 4배)하에 설정한 상태에서 UFB를 생성함으로써, 더 효율적으로 원하는 기체로부터 UFB를 안정적으로 생성할 수 있다. 이 경우, 고압에서는 막 비등을 일으키는 온도도 상승하기 때문에, 인가 에너지를 막 비등 임계치에 따라서 증가시켜서, 상술한 실시형태와 마찬가지로 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
본 개시내용에 따르면, UFB-함유액을 효율적으로 생성하는 것이 가능하게 된다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. 발열 소자가 액체에 막 비등을 발생시키게 함으로써 초미세 기포를 생성하는 초미세 기포 생성 장치이며,
    복수의 상기 발열 소자를 구비한 발열부를 포함하는 소자 기판을 포함하며,
    상기 소자 기판은 상기 발열부의 상기 발열 소자에 투입되는 에너지의 변동을 억제하도록 구성되는, 초미세 기포 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열부는 전극 패드로부터의 에너지가 투입되는 상기 발열 소자의 집합체를 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발열 소자 중 적어도 2개 이상이 상기 발열부의 동일한 공통 배선을 통해 상기 전극 패드에 접속되며,
    상기 복수의 발열 소자는 시분할 방식으로 구동되는, 초미세 기포 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소자 기판은 복수의 상기 발열부를 포함하며,
    상기 복수의 발열부 각각에서, 상기 복수의 발열 소자는 시분할 방식으로 구동되는, 초미세 기포 생성 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 발열부의 상기 발열 소자의 형상이, 상기 공통 배선을 통해서 서로 접속되는 상기 발열 소자의 위치 관계에 따라 상이한, 초미세 기포 생성 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통 배선의 저항 사이의 차에 따라, 시분할 방식으로 상기 발열 소자 각각에 인가되는 전압 또는 상기 발열 소자가 구동되는 시간 길이가 변하는, 초미세 기포 생성 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발열부에서, 상기 발열 소자는 개별 배선에 각각 접속되는, 초미세 기포 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    각각의 개별 배선의 저항값이 미리결정된 범위 내가 되도록 상기 개별 배선이 배치되는, 초미세 기포 생성 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 공통 배선의 저항의 값이 상기 발열 소자의 저항과 상기 발열 소자에 개별적으로 접속되는 배선의 저항의 합계에 대해 미리결정된 비 이하가 되도록, 상기 공통 배선의 폭 또는 막 두께가 설정되는, 초미세 기포 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발열 소자에 의해 상기 막 비등을 발생시키는 에너지가 제1 값으로 설정되는 경우, 상기 공통 배선에 접속되는 상기 복수의 발열 소자에 각각 투입되는 에너지가 상기 제1 값의 1.1배 이상 3배 이하로 설정되도록, 상기 공통 배선의 폭 또는 막 두께가 설정되는, 초미세 기포 생성 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 공통 배선은, 상기 소자 기판에서 상기 발열 소자가 형성되어 있는 층과는 상이한 층에 형성되는, 초미세 기포 생성 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 공통 배선은, 상기 발열 소자가 형성되어 있는 면의 반대측의 상기 소자 기판의 이면에 형성되는, 초미세 기포 생성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 패드는 상기 이면에 형성되어 있는, 초미세 기포 생성 장치.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    웨이퍼 상에 복수의 상기 소자 기판이 형성되어 있는 생성 유닛을 더 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  15. 제7항에 있어서,
    개별 배선에 각각 접속되고 동시에 구동되는 적어도 2개 이상의 발열 소자를 구비한 그룹을 포함하는 복수의 그룹이, 시분할 방식으로 상이한 타이밍에 구동되는, 초미세 기포 생성 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발열부에서, 상기 그룹 각각은 동시에 구동되는 동일한 수의 발열 소자를 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 발열부에서 동시에 구동되는 적어도 2개 이상의 발열 소자를 각각 구비한 상기 그룹은 상이한 시분할의 타이밍에 구동되며, 상기 발열 소자 각각에 인가되는 전압 또는 상기 발열 소자가 구동되는 시간 길이는, 각 타이밍에서 동시에 구동되는 상기 발열 소자의 수에 따라 변경되는, 초미세 기포 생성 장치.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 발열부에서의 상기 발열 소자의 저항을 감시하는 감시 유닛을 더 포함하며,
    시분할 방식으로 상기 발열 소자 각각에 인가되는 전압 또는 상기 발열 소자가 구동되는 시간 길이는, 상기 감시 유닛에 의한 감시의 결과에 따라 변경되는, 초미세 기포 생성 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 발열부에서, 동일한 배선 상에서 동시에 구동되는 복수의 상기 발열 소자가 직렬로 접속되어 있는, 초미세 기포 생성 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    직렬로 접속되어 있는 상기 발열 소자 각각에서, 전류 흐름 방향의 저항 패턴의 길이가 상기 저항 패턴의 폭보다 작은, 초미세 기포 생성 장치.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발열부에서, 상기 복수의 발열 소자 각각 또는 미리결정된 수의 상기 발열 소자 각각에 인가되는 에너지를 일정하게 하는 에너지 일정화를 위한 유닛을 더 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 에너지 일정화를 위한 유닛은, 상기 발열 소자 각각의 양 단부 또는 한쪽 단부에서 전압 또는 전류를 일정하게 유지하는, 초미세 기포 생성 장치.
KR1020200024155A 2019-02-28 2020-02-27 초미세 기포 생성 장치 KR20200105628A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019035937A JP7277178B2 (ja) 2019-02-28 2019-02-28 ウルトラファインバブル生成装置
JPJP-P-2019-035937 2019-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200105628A true KR20200105628A (ko) 2020-09-08

Family

ID=69742708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200024155A KR20200105628A (ko) 2019-02-28 2020-02-27 초미세 기포 생성 장치

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20200276516A1 (ko)
EP (1) EP3703467A1 (ko)
JP (1) JP7277178B2 (ko)
KR (1) KR20200105628A (ko)
CN (1) CN111617502B (ko)
AU (1) AU2020201430A1 (ko)
RU (1) RU2752684C1 (ko)
SG (1) SG10202001782VA (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021069993A (ja) * 2019-10-31 2021-05-06 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル生成装置およびその制御方法
JP7433840B2 (ja) 2019-10-31 2024-02-20 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル含有液の作製装置、及びウルトラファインバブル含有液の作製方法
JP2021069984A (ja) * 2019-10-31 2021-05-06 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル生成装置および素子基板の製造方法
CN112742224A (zh) 2019-10-31 2021-05-04 佳能株式会社 超细气泡含有液制造装置以及超细气泡含有液制造方法
JP2021069997A (ja) 2019-10-31 2021-05-06 キヤノン株式会社 Ｕｆｂ含有液作製装置、及びｕｆｂ含有液作製方法
US11772005B2 (en) 2020-02-28 2023-10-03 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus for and method of producing ultrafine bubble-containing liquid, and ultrafine bubble-containing liquid
US11744298B2 (en) * 2020-12-04 2023-09-05 Milwaukee Electric Tool Corporation Electrically heated garment with pass-through battery pocket

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55302A (en) 1978-02-24 1980-01-05 Mitsubishi Chem Ind Ltd Polyamine
JP2980444B2 (ja) * 1991-01-19 1999-11-22 キヤノン株式会社 液室内気泡導入機構を備えた液体噴射器およびこれを用いた記録装置および記録方法
TW201295B (ko) * 1991-06-14 1993-03-01 Sonnenrein Uwe
JP3033921B2 (ja) * 1992-01-10 2000-04-17 キヤノン株式会社 記録装置
JPH08252926A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Canon Inc 記録ヘッド及びその記録ヘッドを用いた記録装置
JPH11227210A (ja) * 1997-12-05 1999-08-24 Canon Inc 液体吐出ヘッド、該ヘッドの製造方法、ヘッドカートリッジおよび液体吐出装置
JP3728137B2 (ja) * 1998-04-16 2005-12-21 キヤノン株式会社 液体吐出ヘッドの製造方法
US7981368B2 (en) * 1998-10-28 2011-07-19 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
US6948843B2 (en) * 1998-10-28 2005-09-27 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
JP3691267B2 (ja) * 1998-12-24 2005-09-07 アマノ株式会社 超微細気泡発生装置
US6688729B1 (en) * 1999-06-04 2004-02-10 Canon Kabushiki Kaisha Liquid discharge head substrate, liquid discharge head, liquid discharge apparatus having these elements, manufacturing method of liquid discharge head, and driving method of the same
US6443561B1 (en) * 1999-08-24 2002-09-03 Canon Kabushiki Kaisha Liquid discharge head, driving method therefor, and cartridge, and image forming apparatus
JP2001138522A (ja) * 1999-09-03 2001-05-22 Canon Inc 記録ヘッドおよび記録装置
JP2001191531A (ja) * 2000-01-07 2001-07-17 Canon Inc 印刷ヘッド、印刷ヘッド駆動方法、印刷装置
ATE403085T1 (de) * 2002-08-15 2008-08-15 Memsflow Aps Mikrovorrichtung zum handhaben von flüssigkeiten und verfahren zur deren verwendung
US20050212857A1 (en) * 2002-11-29 2005-09-29 Canon Kabushiki Kaisha Recording head and recorder comprising such recording head
US6902256B2 (en) * 2003-07-16 2005-06-07 Lexmark International, Inc. Ink jet printheads
JP4459024B2 (ja) * 2003-11-11 2010-04-28 キヤノン株式会社 記録ヘッドと記録ヘッド用基板及びインクカートリッジ、及び前記記録ヘッドを有する記録装置
TWI244982B (en) * 2003-11-11 2005-12-11 Canon Kk Printhead, printhead substrate, ink cartridge, and printing apparatus having printhead
TWI252811B (en) * 2004-05-27 2006-04-11 Canon Kk Printhead substrate, printhead, head cartridge, and printing apparatus
TWI253393B (en) * 2004-05-27 2006-04-21 Canon Kk Printhead substrate, printhead, head cartridge, and printing apparatus
US7178904B2 (en) * 2004-11-11 2007-02-20 Lexmark International, Inc. Ultra-low energy micro-fluid ejection device
US7591527B2 (en) * 2005-07-08 2009-09-22 Canon Kabushiki Kaisha Ink jet printing head
CN101589287A (zh) * 2007-01-24 2009-11-25 日本电气株式会社 热交换器单元
WO2009088085A1 (ja) 2008-01-10 2009-07-16 Mg Grow Up Corp. 静止型流体混合装置
JP6494332B2 (ja) * 2015-03-03 2019-04-03 キヤノン株式会社 液体吐出ヘッド、記録装置及び記録方法
US9561651B2 (en) * 2015-03-11 2017-02-07 Canon Kabushiki Kaisha Element substrate and method for discharging liquid
US9669364B2 (en) * 2015-10-02 2017-06-06 Acoustic Arc International Limited Bubble atomizer and method for atomizing liquid
CN106186474B (zh) * 2016-08-15 2020-06-26 云南夏之春环保科技有限公司 微临界多相反应流污水处理方法
JP7086547B2 (ja) * 2017-08-31 2022-06-20 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル含有液の製造装置および製造方法
WO2019044913A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 Canon Kabushiki Kaisha METHOD FOR GENERATING ULTRAFINE BUBBLES, MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING LIQUID CONTAINING ULTRAFINE BUBBLES, AND LIQUID CONTAINING ULTRA FINE BUBBLES

Also Published As

Publication number Publication date
SG10202001782VA (en) 2020-09-29
JP2020138151A (ja) 2020-09-03
US20200276516A1 (en) 2020-09-03
CN111617502B (zh) 2023-04-28
CN111617502A (zh) 2020-09-04
JP7277178B2 (ja) 2023-05-18
EP3703467A1 (en) 2020-09-02
AU2020201430A1 (en) 2020-09-17
RU2752684C1 (ru) 2021-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20200105426A (ko) 초미세 기포 생성 방법, 초미세 기포 생성 장치, 및 초미세 기포-함유액
KR20200105628A (ko) 초미세 기포 생성 장치
JP7277179B2 (ja) ウルトラファインバブル生成装置
CN111617652B (zh) 超细气泡生成方法、超细气泡生成装置以及超细气泡含有液
CN111617654B (zh) 微小气泡产生设备、微小气泡产生方法和含微小气泡液体
JP7277177B2 (ja) ウルトラファインバブル生成装置及びウルトラファインバブル生成方法
JP7278801B2 (ja) ウルトラファインバブル生成装置、及びウルトラファインバブルの製造方法
JP7317521B2 (ja) ウルトラファインバブル生成装置およびウルトラファインバブル生成方法
JP7277180B2 (ja) ウルトラファインバブル生成装置およびウルトラファインバブル生成方法
KR20200105427A (ko) 초미세 기포 생성 방법, 초미세 기포 생성 장치, 및 초미세 기포-함유액
CN112742225A (zh) 超细气泡生成装置和元件基板制造方法
JP2021126601A (ja) Ｕｆｂ含有液作製装置、及びｕｆｂ含有液作製方法
KR20210053237A (ko) 초미세 기포 생성 장치 및 그 제어 방법
KR20210053238A (ko) 초미세 기포-함유액 제조 장치 및 초미세 기포-함유액 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E601 Decision to refuse application