KR20210053237A - 초미세 기포 생성 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR20210053237A
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요시유키 이마나카
다카히로 나카야마
마사히코 구보타
아키라 야마모토
아키토시 야마다
유미 야나이
히로유키 이시나가
데루오 오자키
도시오 가시노
히로키 아라이
가즈키 히로베
유키노리 니시카와
히사오 오키타
유스케 고마노
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

열 초미세 기포 생성 유닛은 액체에 막 비등을 발생시킴으로써, 열 초미세 기포를 생성한다. 열 초미세 기포 생성 유닛은 막 비등의 발생을 검출하는 온도 검출 소자를 포함한다.

Description

초미세 기포 생성 장치 및 그 제어 방법{ULTRAFINE BUBBLE GENERATING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 직경이 1.0 μm 미만의 초미세 기포를 생성하는 초미세 기포 생성 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 직경이 마이크로미터 크기의 마이크로기포 및 직경이 나노미터 크기의 나노기포 등의 미세 기포의 특성을 응용하는 기술이 개발되어 오고 있다. 특히, 직경이 1.0 μm 미만의 초미세 기포(이하, "UFB"로도 지칭됨)의 유용성이 여러 분야에서 확인되고 있다.
일본 특허 공개 제2019-042732호 공보(이하, 참조 문헌 1로 지칭됨)에는, 히터에 의해 액체에 막 비등을 발생시킴으로써 UFB를 생성하는 장치가 개시된다.
참조 문헌 1에 개시된 방법에 따르면, 막 비등 기포가 소멸되는 경우 히터 근방에 빠르고 강한 압력이 생성된다. 이는 히터의 수명을 단축시킬 수 있다. UFB를 저렴하게 또한 대량으로 생성하기 위해서는, 히터의 구동을 효율적으로 그리고 효과적으로 제어하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 양태는 액체에 막 비등을 발생시킴으로써 초미세 기포를 생성하도록 구성된 초미세 기포 생성 장치를 제공한다. 여기서, 초미세 기포 생성 장치는 막 비등의 생성을 검출하는 검출 유닛을 포함한다.
본 발명의 추가 특징은 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시 형태의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 UFB 생성 장치의 예를 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 발생되는 UFB의 생성 상태를 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 막 비등 기포의 수축에 의해 발생되는 UFB의 생성 상태를 도시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 액체의 재가열에 의해 발생되는 UFB의 생성 상태를 도시하는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 막 비등에 의해 생성되는 기포의 소멸에 의해 만들어진 충격파에 의해 발생되는 UFB의 생성 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 차이를 저감하는 예를 설명하는 도면이다.
도 15의 a) 내지 도 15의 d)는 히터에의 전압 펄스의 인가 시간과 히터 부근의 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 히터 부근의 단면을 도시하는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 소자 기판(12)의 예를 도시하는 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 T-UFB 생성 유닛의 구성 및 이에 적용 가능한 타이밍 차트를 도시하는 도면이다.
도 19a 내지 도 19d는 T-UFB 생성 유닛의 추가 구성을 도시하는 도면이다.
도 20a 및 도 20b는 선택되는 히터를 설명하는 도면이다.
도 21은 히터 선택 회로를 설명하는 도면이다.
도 22a 및 도 22b는 각각의 히터를 통해 흐르는 전류를 제어하는 스위치용 제어 회로의 예를 도시하는 도면이다.
도 23a 및 도 23b는 제어 회로의 구성의 상태를 도시하는 도면이다.
도 24는 타이밍 차트를 도시하는 도면이다.
도 25a 및 도 25b는 제어 회로의 구성 상태를 도시하는 도면이다.
도 26은 타이밍 차트를 도시하는 도면이다.
도 27은 발열 유닛을 구동하기 위한 구성을 도시하는 도면이다.
도 28a 내지 도 28d는 히터의 구동 모드를 설명하는 타이밍 차트이다.
도 29는 반도체 기판의 예를 도시하는 도면이다.
<<UFB 생성 장치의 구성>>
도 1은 본 발명에 적용 가능한 초미세 기포 생성 장치(UFB 생성 장치)의 예를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태의 UFB 생성 장치(1)는 전처리 유닛(100), 용해 유닛(200), T-UFB 생성 유닛(300), 후처리 유닛(400), 회수 유닛(500) 및 제어 유닛(600)을 포함한다. 제어 유닛(600)은 각 유닛의 각 동작을 제어한다. 각 유닛은 상기의 순서로 전처리 유닛(100)에 공급된 수돗물 등의 액체(W)에 고유의 처리를 실시하고, 이에 따라 처리된 액체(W)는 회수 유닛(500)에 의해 T-UFB-함유 액체로서 회수된다. 이하, 유닛의 기능 및 구성에 대해서 설명한다. 상세 내용이 후술되지만, 본 명세서에서는 급격한 발열에 발생되는 막 비등을 이용해서 생성된 UFB는 열-미세 기포((Thermal-Ultra Fine Bubble(T-UFB))라고 지칭된다.
도 2는 전처리 유닛(100)의 개략 구성도이다. 이 실시 형태의 전처리 유닛(100)은 공급된 액체(W)에 탈기 처리를 실시한다. 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 통해 액체 도입로(104)로부터 탈기 용기(101)에 공급된다. 이 처리에서, 탈기 용기(101)에 구비된 샤워 헤드(102)는 액체(W)의 안개를 탈기 용기(101) 내에 분무한다. 샤워 헤드(102)는 액체(W)의 기화를 재촉하기 위한 것이고; 그러나, 기화 촉진 효과를 생성하는 기구로서 원심 분리기 등이 대신 사용될 수 있다.
소정량의 액체(W)가 탈기 용기(101)에 저류된 후, 모든 밸브를 폐쇄한 상태에서 감압 펌프(103)가 작동되는 경우, 이미 기화된 기체 성분이 배출되고, 액체(W) 내에 용해된 기체 성분의 기화 및 배출이 또한 촉진된다. 이 처리에서, 탈기 용기(101)의 내압은 압력계(108)를 확인하면서 수백 내지 수천 Pa(1.0 Torr 내지 10.0 Torr) 정도로 감압될 수 있다. 전처리 유닛(100)에 의해 제거되는 기체는 예를 들어 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등을 포함한다.
상술된 탈기 처리는 액체 순환로(105)를 이용함으로써 동일한 액체(W)에 반복 실시될 수 있다. 구체적으로, 샤워 헤드(102)는 액체 도입로(104)의 밸브(109) 및 액체 도출로(106)의 밸브(110)를 폐쇄하고 액체 순환로(105)의 밸브(107)를 개방한 상태에서 작동된다. 이에 의해, 탈기 용기(101)에 저류되어 탈기가 한 번 행해진 액체(W)는 샤워 헤드(102)로부터 탈기 용기(101)에 분무된다. 또한, 감압 펌프(103) 작동으로, 샤워 헤드(102)에 의한 기화 처리 및 감압 펌프(103)에 의한 탈기 처리가 동일한 액체(W)에 대해 반복 실시된다. 액체 순환로(105)를 사용하여 상기 처리가 반복 실시될 때마다, 액체(W)에 함유되는 기체 성분을 단계적으로 감소시킬 수 있다. 원하는 순도로 탈기된 액체(W)가 얻어지면, 밸브(110)의 개방으로 액체(W)는 액체 도출로(106)를 통해 용해 유닛(200)으로 전달된다.
도 2는 기체 부분을 저압으로 하여 용해물을 기화시키는 전처리 유닛(100)을 도시하고; 그러나 용액을 탈기하는 방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 액체(W)를 비등하여 용해물을 기화시키는 가열 및 비등 방법이 채용될 수 있고, 또는 중공 섬유를 사용하여 액체와 기체 사이의 계면을 증대시키는 막 탈기 방법이 채용될 수 있다. 중공 섬유를 사용한 탈기 모듈로서, SEPAREL 시리즈(DIC corporation에 의해 생산됨)가 상업적으로 공급된다. SEPAREL 시리즈는 중공 사섬유의 원료에 대해 폴리(4-메틸펜텐-1)(PMP)를 사용하고, 주로 피에조 헤드에 대해 공급되는 잉크 등으로부터 기포를 제거하는데 사용된다. 또한, 진공 방법, 가열 및 비등 방법, 막 탈기 방법의 2개 이상이 함께 사용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 용해 유닛(200)의 개략적 구성도 및 액체의 용해 상태를 설명하기 위한 도면이다. 용해 유닛(200)은 전처리 유닛(100)으로부터 공급된 액체(W)에 원하는 기체를 용해시키는 유닛이다. 본 실시 형태의 용해 유닛(200)은 주로, 용해 용기(201), 회전판(202)이 구비된 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) 내로 공급되어 저류된다. 한편, 기체(G)는 기체 도입로(205)를 통해 용해 용기(201)에 공급된다.
미리 결정된 양의 액체(W) 및 기체(G)가 용해 용기(201)에 저류되면, 가압 펌프(207)가 작동되어 용해 용기(201)의 내압을 약 0.5 MPa까지 상승시킨다. 가압 펌프(207)와 용해 용기(201)의 사이에는 안전 밸브(208)가 배치된다. 회전 샤프트(203)를 통한 액체 내의 회전 판(202)의 회전으로, 용해 용기(201)에 공급된 기체(G)가 기포로 변환되고, 기체(G)와 액체(W) 사이의 접촉 면적이 증가하여 액체(W) 내로의 용해를 촉진한다. 이 동작은 기체(G)의 용해도가 거의 최대 포화 용해도에 도달할 때까지 계속된다. 이 경우, 가능한 한 많은 기체를 용해시키기 위해, 액체의 온도를 저하시키는 유닛이 제공될 수 있다. 기체가 난용해성인 경우, 또한, 용해 용기(201)의 내압을 0.5 MPa 이상으로 증가시키는 것이 가능하다. 이 경우, 용기의 재료 등이 안전을 위해 최적으로 되어야 한다.
기체(G)의 성분이 원하는 농도로 용해된 액체(W)가 얻어지면, 액체(W)는 액체 도출로(206)를 통해 배출되어, T-UFB 생성 유닛(300)에 공급된다. 이 처리에서, 배압 밸브(209)는 공급 시 압력의 초과 상승을 방지하도록 액체(W)의 유동 압력을 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)와 접촉하는 부분으로부터 용해된다. 기포(2)는 이에 따라 점차 수축하고 기포(2) 주위에 기체-용해 액체(3)가 나타난다. 기포(2)에는 부력이 작용하기 때문에, 기포(2)는 기체 용해 액체(3)의 중심으로부터 멀어지는 위치로 이동하거나, 기체 용해 액체(3)로부터 분리되어 잔존 기포(4)가 될 수 있다. 구체적으로, 액체 도출로(206)를 통해서 T-UFB 생성 유닛(300)에 공급되는 액체(W)에는, 기체 용해 액체(3)로 둘러싸인 기포(2) 그리고 서로 분리된 기포(2) 및 기체 용해 액체(3)의 혼합이 존재한다.
도면에서 기체 용해 액체(3)란 "혼입된 기체(G)의 용해 농도가 비교적 높은 액체(W)의 영역"을 의미한다. 액체(W)에 실제로 용해된 기체 성분에서, 기체 용해 액체(3)의 기체 성분의 농도는 기포(2)를 둘러싼 부분에서 가장 높다. 기체 용해 액체(3)가 기포(2)로부터 이격되는 경우, 기체 용해 액체(3)의 기체 성분의 농도는 해당 영역의 중심에서 가장 높고, 농도는 중심에서 멀어짐에 따라 연속적으로 감소된다. 즉, 기체 용해 액체(3)의 영역은 도 3에서 설명을 위해 파선으로 둘러싸이지만, 실제로는 이러한 명확한 경계가 존재하는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서, 완전히 용해될 수 없는 기체가 액체 내에 기포의 형태로 존재하는 것이 허용될 수 있다.
도 4는 T-UFB 생성 유닛(300)의 개략적인 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 통해 액체 도출로(303)까지의 유동이, 도시되지 않은 유동 펌프에 의해 형성된다. 다이어프램 펌프, 기어 펌프, 스크루 펌프를 포함하는 여러 펌프가 유동 펌프로서 채용될 수 있다. 액체 도입로(302)로부터 도입되는 액체(W)에는, 용해 유닛(200)에 의해 혼입된 기체(G)의 기체 용해 액체(3)가 혼합된다.
챔버(301)의 저면에는 발열 소자(10)가 구비된 소자 기판(12)이 배치된다. 발열 소자(10)에 미리 결정된 전압 펄스가 인가되어, 막 비등에 의해 생성된 기포(13)(이하, 막 비등 기포(13)로도 지칭됨)가 발열 소자(10)와 접촉하는 영역에 생성된다. 그리고, 기체(G)를 포함하는 초미세 기포(UFB)(11)가 막 비등 기포(13)의 팽창 및 수축에 의해 생성된다. 그 결과, 다수의 UFB(11)를 포함한 UFB-함유 액체(W)가 액체 도출로(303)로부터 배출된다.
도 5a 및 도 5b는 발열 소자(10)의 상세 구성을 도시하는 도면이다. 도 5a는 발열 소자(10)의 확대도를 도시하고, 도 5b는 발열 소자(10)를 포함한 소자 기판(12)의 더 넓은 영역의 단면도를 도시한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 소자 기판(12)에서, 축열층으로서의 열 산화막(305) 및 축열층으로서도 기능하는 층간막(306)이 실리콘 기판(304)의 표면에 적층된다. SiO2 막 또는 SiN 막이 층간막(306)으로서 사용될 수 있다. 층간막(306)의 표면에는 저항층(307)이 형성되고, 저항층(307)의 표면에 배선(308)이 부분적으로 형성된다. 배선(308)으로서, Al, Al-Si, Al-Cu 등의 Al 합금 배선이 사용될 수 있다. SiO2 막 또는 Si3N4 막으로 이루어지는 보호층(309)이 배선(308), 저항층(307), 및 층간막(306)의 표면에 형성된다.
저항층(307)에 방출되는 열에 의한 화학적 및 물리적 충격으로부터 보호층(309)을 보호하기 위한 내-캐비테이션 막(310)이 보호층(309)의 표면 상의 부분 및 부분 주위에 형성되고, 해당 부분은 결과적으로 발열 소자(10)가 되는 열 작용부(311)에 대응한다. 배선(308)이 형성되어 있지 않은, 저항층(307)의 표면 상의 영역은 저항층(307)이 열을 방출하는 열 작용부(311)이다. 배선(308)이 형성되어 있지 않은 저항층(307)의 발열 부분은 발열 소자(히터)(10)로서 기능한다. 상술된 바와 같이, 소자 기판(12)에서의 층은, 반도체의 제조 기술에 의해 실리콘 기판(304)의 표면 상에 순차적으로 형성되고, 이에 의해, 열 작용부(311)가 실리콘 기판(304)에 구비된다.
도면에 도시된 구성은 예이며, 여러 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 구성으로 지칭됨)이 적용 가능하다. 즉, 후술되는 바와 같이, 액체 내에 막 비등을 생성하기 위해 열 작용부(311)가 액체를 가열할 수 있는 구성인 한, 임의의 구성이 적용될 수 있다.
도 5b는 소자 기판(12)에서, 배선(308)에 연결되는 회로를 포함하는 영역의 단면도의 예이다. P형 도전체인 실리콘 기판(304)의 표층에는, N형 웰 영역(322) 및 P형 웰 영역(323)이 부분적으로 구비된다. 일반적인 MOS 프로세스에서 이온 이식 등에 의한 불순물의 도입 및 확산에 의해, N형 웰 영역(322)에 P-MOS(320)가 형성되고, P형 웰 영역(323)에 N-MOS(321)가 형성된다.
P-MOS(320)는, N형 웰 영역(322)의 상부층에 N형 또는 P형의 불순물의 부분적 도입에 의해 형성되는 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326), 게이트 배선(335) 등을 포함한다. 게이트 배선(335)은, N형 웰 영역(322)의 상부면과 게이트 배선(335) 사이에 수백 Å 두께의 게이트 절연막(328)이 개재된 상태로, 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326)을 제외하는 N형 웰 영역(322)의 상부면의 부분에 퇴적된다.
N-MOS(321)은, P형 웰 영역(323)의 상부층에 N형 또는 P형의 불순물의 부분적 도입에 의해 형성되는 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326), 게이트 배선(335) 등을 포함한다. 게이트 배선(335)은, P형 웰 영역(323)의 상부면과 게이트 배선(335) 사이에 수백 Å 두께의 게이트 절연막(328)이 개재된 상태로, 소스 영역(325) 및 드레인 영역(326)을 제외하는 P형 웰 영역(323)의 상부면의 부분에 퇴적된다. 게이트 배선(335)은 CVD 방법에 의해 퇴적된 3000 Å 내지 5000 Å 두께의 폴리실리콘으로 제조된다. P-MOS(320) 및 N-MOS(321)에 의해, C-MOS 로직이 구성된다.
P형 웰 영역(323)에서, N-MOS(321)를 포함하는 부분과 상이한 부분에는, 전기 열변환 소자(발열 저항 소자) 구동용 N-MOS 트랜지스터(330)가 형성된다. N-MOS 트랜지스터(330)는 불순물의 도입 및 확산의 단계에 의해 P형 웰 영역(323)의 상부층에 부분적으로 마련된 소스 영역(332) 및 드레인 영역(331), 게이트 배선(333) 등을 포함한다. 게이트 배선(333)은, P형 웰 영역(323)의 상부면과 게이트 배선(333) 사이에 게이트 절연막(328)이 개재된 상태로, 소스 영역(332) 및 드레인 영역(331)을 제외하는 P형 웰 영역(323)의 상부면의 부분에 퇴적된다.
본 예에서, 전열 변환 소자 구동용 트랜지스터로서, N-MOS 트랜지스터(330)가 사용된다. 그러나, 구동용 트랜지스터는 N-MOS 트랜지스터(330)로 한정되지 않으며, 트랜지스터가 복수의 전열 변환 소자를 구동하는 능력을 갖고 그리고 상술된 미세 구성을 실행할 수 있는 한, 임의의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 본 예에서는, 전열 변환 소자 및 전열 변환 소자 구동용 트랜지스터가 동일 기판 상에 형성되지만, 이들은 상이한 기판에 별도로 형성될 수 있다.
P-MOS(320)와 N-MOS(321) 사이 및 N-MOS(321)와 N-MOS 트랜지스터(330) 사이와 같은, 소자들 사이에는, 5000 Å 내지 10000 Å 두께의 필드 산화에 의해 산화막 분리 영역(324)이 형성된다. 산화막 분리 영역(324)은 소자들을 분리한다. 열 작용부(311)에 대응하는 산화막 분리 영역(324)의 부분은, 실리콘 기판(304) 상의 제1 층인 축열층(334)으로서 기능한다.
약 7000 Å 두께의 PSG 막, BPSG 막 등을 포함하는 층간 절연막(336)은, P-MOS(320), N-MOS(321), 및 N-MOS 트랜지스터(330) 등의 소자의 각 표면에 CVD 방법에 의해 형성된다. 층간 절연막(336)이 열처리에 의해 편평하게 제작된 이후, 층간 절연막(336) 및 게이트 절연막(328)을 통해 관통하는 접촉 구멍에 제1 배선층으로서 Al 전극(337)이 형성된다. 층간 절연막(336) 및 Al 전극(337)의 표면 상에, 10000 Å 내지 15000 Å 두께의 SiO2 막을 포함한 층간 절연막(338)이 플라즈마 CVD 방법에 의해 형성된다. 층간 절연막(338)의 표면 상에, 열 작용부(311) 및 N-MOS 트랜지스터(330)에 대응하는 부분에 대한 코-스퍼터(co-sputter) 방법에 의해 약 500 Å 두께의 TaSiN 막을 포함한 저항층(307)이 형성된다. 저항층(307)은 층간 절연막(338)에 형성된 관통-홀을 통해 드레인 영역(331) 근처의 Al 전극(337)과 전기적으로 연결된다. 저항층(307)의 표면 상에, 각 전열 변환 소자에의 배선을 위한 제2 배선층으로서 Al의 배선(308)이 형성된다. 배선(308)의 표면 상의 보호층(309), 저항층(307), 및 층간 절연막(338)은 플라즈마 CVD 방법에 의해 형성된 3000 Å 두께의 SiN 막을 포함한다. 보호층(309)의 표면 상에 퇴적된 내-캐비테이션 막(310)은 Ta, Fe, Ni, Cr, Ge, Ru, Zr, Ir 등으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 약 2000 Å 두께의 박막을 포함한다. 재료가 액체 내에 막 비등을 생성할 수 있는 한, TaN0.8, CrSiN, TaAl, WSiN 등과 같은 상술된 TaSiN 이외의 여러 재료가 적용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 미리 결정된 전압 펄스가 발열 소자(10)에 인가될 때 막 비등의 상태를 도시하는 도면이다. 이 경우, 대기압 하에서 막 비등을 생성하는 경우가 설명된다. 도 6a에서, 횡축은 시간을 나타낸다. 하단의 그래프 종축은 발열 소자(10)에 인가되는 전압을 나타내고, 상단의 그래프 종축은 막 비등에 의해 생성된 막 비등 기포(13)의 체적 및 내압을 나타낸다. 한편, 도 6b는 도 6a에 도시된 타이밍 1 내지 3과 관련하여 막 비등 기포(13)의 상태를 도시한다. 각 상태가 시간 순으로 설명된다. 후술되는 바와 같이 막 비등에 의해 생성된 UFB(11)은 주로 막 비등 기포(13)의 표면 근방에 생성된다. 도 6b에 도시된 상태는, 도 1에 도시된 바와 같이, 생성 유닛(300)에 의해 생성된 UFB(11)가 순환 경로를 통해 용해 유닛(200)에 다시 공급되고, UFB(11)를 포함한 액체는 생성 유닛(300)에 다시 공급되는 상태이다.
발열 소자(10)에 전압이 인가되기 전, 챔버(301) 내에는 실질적으로 대기압이 유지된다. 발열 소자(10)에 전압이 인가되면, 발열 소자(10)와 접촉하는 액체에 막 비등이 생성되고, 이에 따라 생성된 기포(이하, 막 비등 기포(13)으로 지칭됨)는 내부로부터 작용하는 높은 압력에 의해 팽창된다(타이밍(1)). 이 처리에서 발포 압력은 8 내지 10 MPa 정도인 것으로 상정되고, 이는 물의 포화 증기압에 가까운 값이다.
전압의 인가 시간(펄스 폭)은 0.5 μsec 내지 10.0 μsec 정도이고, 전압 인가 후에도 막 비등 기포(13)는 타이밍(1)에서 얻어진 압력의 관성에 의해 팽창된다. 그러나, 막 비등 기포(13)의 내부에서는 팽창에 따라 생성된 부압이 점차 증가되고, 부압은 막 비등 기포(13)를 수축하는 방향으로 작용한다. 잠시 후, 관성력 및 부압이 균형을 이루는 타이밍(2)에서 막 비등 기포(13)의 체적은 최대가 되고, 이후 막 비등 기포(13)는 부압에 의해 급속하게 수축한다.
막 비등 기포(13)의 소멸시, 막 비등 기포(13)는 발열 소자(10)의 전체면이 아닌, 1곳 이상의 매우 작은 영역에서 소멸한다. 이러한 이유로, 발열 소자(10)에는, 타이밍(1)에서의 발포 보다, 막 비등 기포(13)가 소멸하는 매우 작은 영역에서 더 큰 힘이 생성된다(타이밍(3)).
상술된 바와 같이 막 비등 기포(13)의 생성, 팽창, 수축 및 소멸은, 발열 소자(10)에 전압 펄스가 인가되는 때마다 반복되고, 그때마다 새로운 UFB(11)이 생성된다.
도 7a 내지 도 10b를 참조하여, 막 비등 기포(13)의 생성, 팽창, 수축 및 소멸의 각 과정에서 UFB(11)의 생성 상태가 더욱 상세히 설명된다.
도 7a 내지 도 7d는 막 비등 기포(13)의 생성 및 팽창에 의해 생성된 UFB(11)의 생성 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 7a는 발열 소자(10)에 전압 펄스가 인가되기 전의 상태를 도시한다. 챔버(301)의 내부에는, 기체 용해 액체(3)가 혼합된 액체(W)가 유동한다.
도 7b는 발열 소자(10)에 전압이 인가되고, 액체(W)에 접촉하는 발열 소자(10)의 거의 모든 영역에서 막 비등 기포(13)가 균일하게 생성되는 상태를 도시한다. 전압이 인가될 때, 발열 소자(10)의 표면 온도는 10°C/μsec의 속도로 급격히 증가한다. 온도가 거의 300°C에 도달한 시점에서 막 비등이 일어나고, 막 비등 기포(13)가 이에 따라 생성된다.
이후, 발열 소자(10)의 표면 온도는 펄스의 인가 중에 600 내지 800°C 정도까지 상승 유지되고, 막 비등 기포(13)의 주변 액체도 급격하게 가열된다. 도 7b에서, 막 비등 기포(13)의 주변에 위치하고 급격하게 가열되는 액체의 영역은 미발포 고온 영역(14)으로 표시된다. 미발포 고온 영역(14) 내의 기체 용해 액체(3)는 열적 용해 한계를 초과하고 증발되어 UFB가 된다. 이에 따라 증발된 기포의 직경은 10nm 내지 100nm 정도이고, 높은 기체 액체 계면 에너지를 갖는다. 따라서, 기포는 단시간에 소멸하지 않고서 액체(W) 내에서 독립적으로 부유한다. 이 실시 형태에서, 막 비등 기포(13)의 생성으로부터 팽창까지 열적 작용에 의해 생성되는 기포는 제1 UFB(11A)로 지칭된다.
도 7c는 막 비등 기포(13)가 팽창되는 상태를 도시한다. 발열 소자(10)에의 전압 펄스 인가 이후에도, 막 비등 기포(13)는 그의 발생으로부터 얻은 힘의 관성에 의해 팽창을 계속하고, 미발포 고온 영역(14) 또한 관성에 의해 이동 및 확산된다. 구체적으로, 막 비등 기포(13)의 팽창 과정에서, 미발포 고온 영역(14) 내의 기체 용해 액체(3)는 새로운 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 팽창하므로, 팽창에 따라 막 비등 기포(13)의 내부 부압은 점차 증가되고, 부압이 작용하여 막 비등 기포(13)를 수축한다. 부압 및 관성력이 균형을 이룬 시점에서, 막 비등 기포(13)의 체적은 최대가 되고, 이후 수축이 시작된다.
막 비등 기포(13)의 수축 단계에서, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 과정에 의해 생성되는 UFB(제2 UFB(11B)) 및 도 9a 내지 도 9c에 도시된 과정에 의해 생성되는 UFB(제3 UFB(11C))가 존재한다. 이들 2개의 과정은 동시에 이루어진다고 고려된다.
도 8a 내지 도 8c는 막 비등 기포(13)의 수축에 의해 발생되는 UFB(11)의 생성 상태를 도시하는 도면이다. 도 8a는 막 비등 기포(13)가 수축을 개시하는 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)가 수축을 개시해도, 주위의 액체(W)는 팽창 방향의 관성력을 아직 갖는다. 따라서, 발열 소자(10)로부터 멀어지는 방향으로 작용하는 관성력 및 막 비등 기포(13)의 수축에 의해 발생되는 발열 소자(10)를 향하는 힘이 막 비등 기포(13)에 매우 근접한 주위 영역에 작용하고, 해당 영역은 감압된다. 해당 영역은 도면에서 미발포 부압 영역(15)으로 표시된다.
미발포 부압 영역(15)에 포함되는 기체 용해 액체(3)는 압력 용해 한계를 초과하고 증발되어 기포가 된다. 이에 따라 증발된 기포의 직경은 약 100nm 이고, 그 후 단시간에 소멸하지 않고서 액체(W) 내에서 독립적으로 부유한다. 본 실시 형태에서, 막 비등 기포(13)의 수축 중에 압력 작용에 의해 증발되는 기포는 제2 UFB(11B)로 지칭된다.
도 8b는 막 비등 기포(13)의 수축 과정을 도시한다. 막 비등 기포(13)의 수축 속도는 부압에 의해 가속되고, 미발포 부압 영역(15) 또한 막 비등 기포(13)의 수축과 함께 이동된다. 구체적으로, 막 비등 기포(13)의 수축 과정에서, 미발포 부압 영역(15) 위의 부분 내의 기체 용해 액체(3)가 차례로 침전되어, 제2 UFB(11B)가 된다.
도 8c는 막 비등 기포(13)의 소멸 직전 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)의 가속된 수축에 의해, 주위 액체(W)의 이동 속도가 또한 증가되더라도, 챔버(301) 내의 유로 저항에 의해 압력 손실이 발생한다. 그 결과, 미발포 부압 영역(15)이 차지하는 영역은 더욱 증가되고, 다수의 제2 UFB(11B)가 생성된다.
도 9a 내지 도 9c는 막 비등 기포(13)의 수축 중에 액체(W)의 재가열에 의한 UFB의 생성 상태를 도시하는 도면이다. 도 9a는 발열 소자(10)의 표면이 수축하는 막 비등 기포(13)로 덮이는 상태를 도시한다.
도 9b는 막 비등 기포(13)의 수축이 진행된 상태를 도시하고, 발열 소자(10)의 표면의 일부가 액체(W)와 접촉하게 된다. 이 상태에서, 발열 소자(10)의 표면에 열이 남아 있으나, 그러한 열은 액체(W)가 표면과 접촉하게 되는 경우에도 막 비등을 발생시키기에 충분히 높지는 않다. 도면에서, 발열 소자(10)의 표면에 접촉하게 됨으로써 가열되는 액체의 영역은 미발포 재가열 영역(16)으로서 표시된다. 막 비등에는 이르지 않지만, 미발포 재가열 영역(16) 내의 기체 용해 액체(3)는 열적 용해 한계를 초과하여 증발된다. 이 실시 형태에서, 막 비등 기포(13)의 수축 중에 액체(W)의 재가열에 의해 생성되는 기포는 제3 UFB(11C)로 지칭된다.
도 9c는 막 비등 기포(13)의 수축이 더욱 진행된 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)가 작아질수록, 액체(W)에 접촉하는 발열 소자(10)의 영역이 커지기 때문에, 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)의 소멸로부터의 충격(즉, 캐비테이션 유형)에 의해 발생되는 UFB의 생성 상태를 도시하는 도면이다. 도 10a는 막 비등 기포(13)의 소멸 직전 상태를 도시한다. 이 상태에서, 막 비등 기포(13)는 내부 부압에 의해 급격하게 수축하고, 미발포 부압 영역(15)이 막 비등 기포(13)를 둘러싼다.
도 10b는 막 비등 기포(13)가 지점(P)에서 소멸되는 직후 상태를 도시한다. 막 비등 기포(13)가 소멸될 때, 소멸의 충격으로 인해 시작점으로서 지점(P)로부터 음향파가 동심적으로 퍼진다. 음향파는 기체, 액체, 및 고체와 관계없이 무엇이든 통해 전파하는 탄성파의 총칭이다. 본 실시 형태에서, 액체(W)의 고압면(17A) 및 저압면(17B)인 액체(W)의 압축파가 교대로 전파된다.
이 경우, 미발포 부압 영역(15) 내의 기체 용해 액체(3)는 막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 이루어지는 충격파에 의해 공진되고, 기체 용해 액체(3)는 압력 용해 한계를 초과하고, 저압면(17B)이 통과하는 타이밍에서 상전이가 이루어진다. 구체적으로, 막 비등 기포(13)의 소멸과 동시에, 다수의 기포가 미발포 부압 영역(15) 내에서 증발된다. 본 실시 형태에서, 막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 만들어지는 충격파에 의해 생성되는 기포는 제4 UFB(11D)로 지칭된다.
막 비등 기포(13)의 소멸에 의해 만들어지는 충격파에 의해 생성되는 제4 UFB(11D)는 매우 좁은 박막형 영역에서 매우 단시간(1μS 이하)에 돌발적으로 나타난다. 직경은 제1 내지 제3 UFB의 것보다 충분히 작고, 기체 액체 계면 에너지는 제1 내지 제3 UFB의 것보다 높다. 이러한 이유로, 제4 UFB(11D)는 제1 내지 제3 UFB(11A 내지 11C)와 상이한 특성을 갖고 상이한 효과를 생성한다는 점이 고려된다.
추가로, 제4 UFB(11D)는 충격파가 전파하는 동심 구상의 영역의 많은 부분에서 균일하게 생성되고, 제4 UFB(11D)는 그의 생성으로부터 챔버(301) 내에 균일하게 존재한다. 제4 UFB(11D)의 생성 타이밍에서 다수의 제1 내지 제3 UFB가 이미 존재하지만, 제1 내지 제3 UFB의 존재는 제4 UFB(11D)의 생성에 크게 영향을 주지 않는다. 또한, 제4 UFB(11D)의 생성으로 인해 제1 내지 제3 UFB가 소멸하지 않는 점이 고려된다.
상술한 바와 같이, 발열 소자(10)의 발열에 의해 막 비등 기포(13)의 생성으로부터 소멸까지 복수의 단계에서 UFB(11)가 생성된다고 상정된다. 제1 UFB(11A), 제2 UFB(11B) 및 제3 UFB(11C)는 막 비등에 의해 생성되는 막 비등 기포의 표면 근방에서 생성된다. 이 경우, 근방은 막 비등 기포의 표면으로부터 약 20μm 이내의 영역을 의미한다. 제4 UFB(11D)는 기포가 소멸할 때 충격파가 이를 통해 전파되는 영역에 생성된다. 상기 예는 막 비등 기포(13)의 소멸까지의 단계를 나타내지만, UFB 생성 방식은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 생성된 막 비등 기포(13)가 기포 소멸 전 대기와 연통함에 따라, 막 비등 기포(13)가 소멸에 도달하지 않는 경우에도 UFB가 생성될 수 있다.
다음으로, UFB의 잔존 특성에 대해 설명한다. 액체의 온도가 높을수록 기체 성분의 용해 특성은 낮아지고, 온도가 낮을수록 기체 성분의 용해 특성은 높아진다. 즉, 액체의 온도가 높을수록, 용해되는 기체 성분의 상전이가 촉진되고, UFB의 생성이 쉬워진다. 액체의 온도와 기체의 용해도는 반비례 관계이고, 액체의 온도 상승에 따라, 포화 용해도를 초과한 기체가 기포로 변환되어 액체에 나타난다.
따라서, 액체의 온도가 상온으로부터 급격하게 상승하면, 용해 특성이 정지없이 감소되고, UFB의 생성이 개시된다. 온도가 높아짐에 따라 열적 용해 특성은 내려가고, 다수의 UFB가 생성된다
반대로, 액체의 온도가 상온으로부터 내려가면, 기체의 용해 특성은 상승하고, 생성된 UFB는 더 쉽게 액화된다. 그러나, 이러한 온도는 상온보다도 충분히 낮다. 추가로, 액체의 온도가 내려가도, 한번 생성된 UFB는 높은 내압 및 많은 기체 액체 계면 에너지를 갖기 때문에, 이러한 기체 액체 계면을 파괴할 만큼이 높은 압력이 작용할 가능성은 매우 낮다. 즉, 한번 생성된 UFB는 액체가 상온 상압에서 저장되는 한, 쉽게 소멸되지 않는다.
본 실시 형태에서, 도 7a 내지 도 7c에서 설명된 제1 UFB(11A) 및 도 9a 내지 도 9c에서 설명된 제3 UFB(11C)는 기체의 이러한 열적 용해 특성을 사용하여 생성된 UFB라고 설명될 수 있다.
한편, 액체의 압력과 용해 특성의 관계에서는, 액체의 압력이 높을수록 기체의 용해 특성은 높아지고, 압력이 낮을수록 용해 특성은 낮아진다. 즉 액체의 압력이 낮을수록, 액체에 용해되는 기체 용해 액체의 기체로의 상전이가 촉진되어, UFB의 생성이 쉬워진다. 액체의 압력이 상압보다 내려가면, 용해 특성이 즉시 내려가고, UFB의 생성이 개시된다. 압력이 내려감에 따라 압력 용해 특성이 내려가고, 다수의 UFB가 생성된다.
반대로, 액체의 압력이 상압보다 상승하면, 기체의 용해 특성은 상승하고, 생성된 UFB는 액화하기 쉬워진다. 그러나, 이러한 압력은 대기압보다도 충분히 높다. 추가로, 액체의 압력이 상승하더라도, 한번 생성된 UFB는 높은 내압 및 높은 기체 액체 계면 에너지를 갖기 때문에, 이러한 기체 액체 계면을 파괴하기에 충분히 높은 압력이 작용할 가능성은 매우 낮다. 즉, 한번 생성된 UFB는 액체가 상온 상압에서 저장되는 한 쉽게 소멸하지 않는다.
본 실시 형태에서, 도 8a 내지 도 8c에서 설명된 제2 UFB(11B)와 도 10a 및 도 10b에서 설명된 제4 UFB(11D)는 기체의 이러한 압력 용해 특성을 이용하여 생성된 UFB라고 설명될 수 있다.
상이한 요인에 의해 생성되는 이러한 제1 내지 제4 UFB가 각각 상술되었으나; 상술된 생성 요인은 막 비등이라는 사건과 동시에 발생한다. 따라서, 제1 내지 제4 UFB 중 적어도 2개의 유형이 동시에 생성될 수 있고, 이들 생성 요인이 서로 협동해서 UFB를 생성할 수 있다. 모든 생성 요인은 막 비등 현상에 의해 유도되는 것이 공통적이라는 점에 주목해야 한다. 본 명세서에서, 상술된 바와 같은 급격한 발열에 의해 발생되는 막 비등을 이용해서 UFB를 생성하는 방법은, 열 미세 기포(Thermal-Ultra Fine Bubble)(T-UFB) 생성 방법이라고 지칭된다. 추가로, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 UFB는 T-UFB라고 지칭되고, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 T-UFB를 포함하는 액체는 T-UFB-함유 액체라고 지칭된다.
T-UFB 생성 방법에 의해 생성되는 기포는 거의 대부분이 1.0 μm 이하이고, 밀리-기포 및 마이크로기포는 생성되기 어렵다. 즉, T-UFB 생성 방법은 UFB의 지배적인 그리고 효율적인 생성을 허용한다. 추가로, T-UFB 생성 방법에 의해 생성된 T-UFB는 종래 방법에 의해 생성된 UFB의 것보다 높은 기체 액체 계면 에너지를 갖고, T-UFB는 상온 상압에서 저장되는 한 쉽게 소멸하지 않는다. 또한, 새로운 막 비등에 의해 새로운 T-UFB가 생성되어도, 새로운 생성으로부터의 충격으로 인해 이미 생성되어 있던 T-UFB의 소멸을 방지하는 것이 가능하다. 즉, T-UFB-함유 액체에 함유되는 T-UFB의 수나 농도는 T-UFB-함유 액체에서 이루어지는 막 비등의 횟수에 의존하는 히스테리시스 특성을 갖는다고 말할 수 있다. 즉, T-UFB 생성 유닛(300)에 구비된 발열 소자의 수 및 발열 소자에 대한 전압 펄스의 인가 수를 제어함으로써, T-UFB-함유 액체에 함유되는 T-UFB의 농도를 조정할 수 있다.
다시 도 1을 참조한다. T-UFB 생성 유닛(300)에서, 원하는 UFB 농도를 갖는 T-UFB-함유 액체(W)가 생성되면, UFB-함유 액체(W)는 후처리 유닛(400)에 공급된다.
도 11a 내지 도 11c는 본 실시 형태의 후처리 유닛(400)의 구성예를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태의 후처리 유닛(400)은 UFB-함유 액체(W)에 포함되는 불순물을, 무기물 이온, 유기물 및 불용 고형물의 순서로 단계적으로 제거한다.
도 11a는 무기물 이온을 제거하는 제1 후처리 기구(410)를 나타낸다. 제1 후처리 기구(410)는 교환 용기(411), 양이온 교환 수지(412), 액체 도입로(413), 수집 파이프(414) 및 액체 도출로(415)를 포함한다. 교환 용기(411)는 양이온 교환 수지(412)를 저장한다. T-UFB 생성 유닛(300)에 의해 생성된 UFB-함유 액체(W)는 액체 도입로(413)를 통해 교환 용기(411)에 주입되고, 양이온 교환 수지(412)에 흡수되어, 불순물로서 양이온이 제거된다. 이러한 불순물은 T-UFB 생성 유닛(300)의 소자 기판(12)으로부터 박리된 금속 재료, 예를 들어 SiO2, SiN, SiC, Ta, Al2O3, Ta2O5, 및 Ir를 포함한다.
양이온 교환 수지(412)는 3차원 그물망을 갖는 고분자 모체에 관능기(이온 교환기)가 도입된 합성 수지이며, 합성 수지의 외관은 0.4 내지 0.7mm 정도의 구상 입자이다. 일반적인 고분자 모체는 스티렌-디비닐벤젠 공중합체이고, 관능기는 예를 들어 메타크릴산계 및 아크릴산계의 것일 수 있다. 그러나, 상기 재료는 예이다. 원하는 무기 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 한, 상기 재료는 다양한 재료로 변경될 수 있다. 양이온 교환 수지(412)에 흡수되어 무기 이온이 제거된 UFB-함유 액체(W)는 수집 파이프(414)에 의해 수집되고, 액체 도출로(415)를 통해 다음 단계로 전달된다. 본 실시 형태의 이 과정에서, 무기물 이온의 적어도 일부가 제거되는 한 액체 도입로(413)로부터 공급된 UFB-함유 액체(W) 내에 함유된 모든 무기물 이온이 제거될 필요는 없다.
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 상부 영역에 연결되고, 공기 흡인로(427) 및 액체 도출로(426)는 하부 영역에 연결된다. 밸브(424)가 폐쇄된 상태에서 진공 펌프(423)가 구동되면, 수용 용기(421) 내의 공기가 공기 흡인로(427)를 통해 배출되어 수용 용기(421)의 내부 압력을 부압이 되게 하고, 이후 액체 도입로(425)로부터 UFB-함유 액체(W)가 도입된다. 그리고, 여과 필터(422)에 의해 불순물이 제거된 UFB-함유 액체(W)가 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, 에폭시 등을 포함한다. 여과 필터(422)에 사용 가능한 필터 막은 박테리아를 제거할 수 있는 서브-μm-메쉬의 필터(메쉬 직경 1 μm 이하의 필터), 및 바이러스를 제거할 수 있는 nm 메쉬의 필터를 포함한다. 이러한 미세 개구 직경을 갖는 여과 필터는 필터의 개구 직경보다 큰 기포를 제거할 수 있다. 특히, 필터의 개구(메쉬)에 흡수된 미세 기포에 의해 필터가 폐색되는 경우가 존재할 수 있고, 이는 여과 속도를 늦출 수 있다. 그러나, 상술된 바와 같이, 본 발명의 본 실시 형태에서 설명된 T-UFB 생성 방법에 의해 생성되는 기포 대부분은 직경이 1 μm 이하의 크기이고, 마이크로기포가 쉽게 생성되지 않는다. 즉, 밀리-기포 및 마이크로기포 생성 가능성이 극히 낮아지므로, 필터에 대한 기포의 흡수로 인한 여과 속도의 저하를 억제할 수 있다. 이러한 이유로, T-UFB 생성 방법을 갖는 시스템에 메쉬 직경 1 μm 이하의 필터를 구비한 여과 필터(422)를 적용하는 것이 유리하다.
본 실시 형태에 적용 가능한 여과의 예는 소위 데드-엔드(dead-end) 여과 및 교차-유동 여과일 수 있다. 데드-엔드 여과에서, 공급된 액체의 유동의 방향 및 필터 개구를 통과하는 여과 액체의 유동의 방향은 동일하고, 구체적으로, 유동의 방향은 서로를 따라서 이루어진다. 그에 반해서, 교차-유동 여과에서, 공급된 액체는 필터 표면을 따르는 방향으로 유동하고, 구체적으로, 공급된 액체의 유동의 방향 및 필터 개구를 통과하는 여과 액체의 유동의 방향은 서로 교차된다. 필터 개구에 대한 기포의 흡수를 억제하기 위해 교차-유동 여과를 적용하는 것이 바람직하다.
소정량의 UFB-함유 액체(W)가 수용 용기(421)에 저류된 이후, 진공 펌프(423)는 정지되고 밸브(424)가 개방되어 수용 용기(421) 내의 T-UFB-함유 액체를 액체 배출로(426)를 통해 다음 단계로 전달한다. 본 명세서에서 유기 불순물을 제거하는 방법으로서 진공 여과 방법이 채용되었으나, 예를 들어, 중력 여과 방법 및 가압식 여과가 또한 필터를 사용한 여과 방법으로서 채용될 수 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 배출로(434)를 포함한다.
먼저, 밸브(433)가 폐쇄된 상태로 미리 결정된 양의 UFB-함유 액체(W)가 액체 도입로(432)를 통해 침전 용기(431)에 저류되고, 잠시동안 이를 방치한다. 그 사이에, UFB-함유 액체(W) 내의 고형물은 중력에 의해 침전 용기(431)의 저부에 침전된다. 또한, UFB-함유 액체 내의 기포 중, 마이크로기포와 같은 비교적 큰 기포는 부력에 의해 액체 표면으로 상승되고, 또한 UFB-함유 액체로부터 제거된다. 충분한 시간의 경과 이후, 밸브(433)가 개방되고, 고형물 및 큰 기포가 제거된 UFB-함유 액체(W)가 액체 배출로(434)를 통해 회수 유닛(500)으로 전달된다. 본 실시 형태에서는 3개의 후처리 기구를 순차적으로 적용하는 예를 나타냈지만; 이에 한정되지 않고, 3개의 후처리 기구의 순서는 변경될 수 있고, 적어도 하나의 필요한 후처리 기구가 채용될 수 있다.
다시 도 1을 참조한다. 후처리 유닛(400)에 의해 불순물이 제거된 T-UFB-함유 액체(W)는 바로 회수 유닛(500)으로 전달될 수 있고, 또는 다시 용해 유닛(200)으로 되돌릴 수도 있다. 후자의 경우, T-UFB의 생성으로 인해 저하된 T-UFB-함유 액체(W)의 기체 용해 농도는 용해 유닛(200)에 의해 다시 포화 상태까지 보충될 수 있다. 보충 이후 새로운 T-UFB가 T-UFB 생성 유닛(300)에 의해 생성되면, 상술한 특성을 갖는 T-UFB-함유 액체에 함유된 UFB의 농도를 더욱 상승시킬 수 있다. 즉, 용해 유닛(200), T-UFB 생성 유닛(300), 후처리 유닛(400)을 통한 순환 횟수만큼 함유된 UFB의 농도를 높일 수 있고, 함유된 UFB의 미리 결정된 농도가 얻어진 후에, UFB-함유 액체(W)를 회수 유닛(500)에 전달할 수 있다. 본 실시 형태는, 후처리 유닛(400)에 의해 처리된 UFB-함유 액체가 용해 유닛(200)으로 되돌려지고 순환되는 형태를 나타내지만; 이에 한정되지 않고, T-UFB 생성 유닛을 통과한 이후 UFB-함유 액체는 후처리 유닛(400)에 공급되기 전에 용해 유닛(200)으로 다시 되돌려질 수 있고, 이에 따라 예를 들어 T-UFB 농도가 복수 회의 순환을 통해 증가된 이후 후처리 유닛(400)에 의해 후처리가 실시된다.
회수 유닛(500)은 후처리 유닛(400)으로부터 전달된 UFB-함유 액체(W)를 회수 및 보존한다. 회수 유닛(500)에 의해 회수된 T-UFB-함유 액체는 여러 불순물이 제거된 순도가 높은 UFB-함유 액체이다.
회수 유닛(500)에서, UFB-함유 액체(W)는 몇몇 단계의 여과 처리 실시에 의해 T-UFB의 크기로 분류될 수 있다. 또한, T-UFB 방식에 의해 얻어지는 T-UFB-함유 액체(W)는, 상온보다도 고온인 것으로 상정되기 때문에, 회수 유닛(500)에는 냉각 유닛을 마련해도 된다. 냉각 유닛이 후처리 유닛(400)의 일부에 구비될 수 있다.
UFB 생성 장치(1)의 개략적 설명이 상술되었으나; 도시된 복수의 유닛은 물론 변경될 수 있고, 이들 모두가 구비될 필요는 없다. 사용되는 액체(W) 및 기체(G)의 종류 및 생성될 T-UFB-함유 액체의 의도된 사용에 따라, 상술된 유닛의 일부가 생략될 수 있고, 상술된 유닛 이외에 다른 유닛이 추가될 수 있다.
예를 들어, UFB에 의해 함유되는 기체가 대기인 경우, 전처리 유닛(100) 및 용해 유닛(200)과 같은 탈기 유닛이 생략될 수 있다. 반대로, 복수 종류의 기체가 UFB에 함유되도록 요구되는 경우, 다른 용해 유닛(200)이 추가될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c에서 설명된 바와 같이 불순물을 제거하기 위한 유닛은 T-UFB 생성 유닛(300)의 상류에 제공될 수 있고 또는 그 상류 및 하류 모두에 제공될 수 있다. UFB 생성 장치에 공급되는 액체가 수돗물, 빗물, 오염된 물 등인 경우, 액체 중에 유기물 및 무기물 불순물이 포함될 수 있다. 불순물을 포함한 액체(W)가 T-UFB 생성 유닛(300)에 공급되면, 발열 소자(10)의 열화 및 염석 현상을 유도할 위험이 있다. 도 11a 내지 도 11c에서 설명된 기구가 T-UFB 생성 유닛(300)의 상류에 구비된 상태에서, 상술된 불순물을 미리 제거하는 것이 가능하다.
<<T-UFB-함유 액체에 사용 가능한 액체 및 기체>>
이제, T-UFB-함유 액체를 생성하기 위해 사용 가능한 액체(W)가 설명된다. 본 실시 형태에서 사용 가능한 액체(W)는 예를 들어, 순수, 이온 교환수, 증류수, 생물활성수, 자기 활성수, 화장수, 수돗물, 해수, 강물, 상하수, 호수, 지하수, 빗물 등이다. 상기 액체 등을 함유하는 혼합 액체가 또한 사용 가능하다. 물 및 수용성 유기 용제를 함유하는 혼합 용매가 또한 사용될 수 있다. 물과 혼합해서 사용되는 수용성 유기 용제는 특별히 한정되지 않지만; 그 구체예로 이하의 것이 될 수 있다. 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, sec-부틸 알코올, 및 tert-부틸 알코올을 포함하는 탄소수 1 내지 4의 알킬 알코올 기. N-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, N,N-디메틸포름아미드, 및 N,N-디메틸아세트아미드를 포함하는 아미드 기. 아세톤 및 디아세톤 알코올을 포함하는 케톤 기 또는 케토알코올 기. 테트라히드로푸란 및 디옥산을 포함하는 환상 에테르 기. 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 글리콜 기. 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌글리콜 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 에테르 기. 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜을 포함하는 폴리알킬렌 글리콜 기. 글리세린, 1,2,6-헥산트리올, 및 트리메틸올프로판을 포함하는 트리올 기. 이들의 수용성 유기 용제는 단독으로 사용될 수 있고, 또는 이들 중 둘 이상이 함께 사용될 수 있다.
용해 유닛(200)으로 도입 가능한 기체 성분은 예를 들어 수소, 헬륨, 산소, 질소, 메탄, 불소, 네온, 이산화탄소, 오존, 아르곤, 염소, 에탄, 프로판, 공기, 등이다. 기체 성분은 상기의 일부를 함유하는 혼합 기체일 수 있다. 또한, 용해 유닛(200)은 반드시 기체 상태에 있는 물질을 용해하지 않아도 되고, 용해 유닛(200)은 원하는 성분을 함유하는 액체 또는 고체를 액체(W)에 용융시킬 수 있다. 이 경우 용해는, 자연 용해, 압력 부여에 의한 용해, 또는 전기 분해로 인한 수화, 이온화, 화학 반응에 의한 용해일 수 있다.
<<T-UFB 생성 방법의 효과>>
이어서, 상술된 T-UFB 생성 방법의 특징과 효과를 종래의 UFB 생성 방법과 비교해서 설명한다. 예를 들어 벤투리(Venturi) 방법으로 대표되는 종래의 기포 생성 장치에는, 유로의 일부에 감압 노즐과 같은 기계적 감압 구조가 마련된다. 감압 구조를 통과하도록 미리 결정된 압력에서 액체가 유동하고, 감압 구조의 하류 영역에 여러 크기의 기포가 생성된다.
이 경우, 생성된 기포 중, 밀리-기포 및 마이크로기포와 같은 비교적 큰 기포에는 부력이 작용하기 때문에, 이러한 기포는 액체 표면에 드디어 액면으로 부상해서 소멸한다. 또한, 부력이 작용하지 않는 UFB에 대해서도, UFB의 기체 액체 계면 에너지는 그렇게 크지 않으므로, 밀리-기포 및 마이크로기포와 함께 소멸할 수 있다. 추가로, 상술한 감압 구조를 직렬로 배치하고, 동일한 액체가 반복하여 감압 구조를 통과하더라도, 그 반복 횟수에 대응하는 수의 UFB를 장기간 보존할 수는 없다. 즉, 종래의 UFB 생성 방법에 의해 생성된 UFB-함유 액체가 UFB 함유 농도를 미리 결정된 값에서 장기간 유지하는 것은 곤란하였다.
이에 비해, 막 비등을 이용하는 본 실시 형태의 T-UFB 생성 방법에는, 상온으로부터 약 300°C로의 급격한 온도 변화 및 상압으로부터 수 메가파스칼 정도로의 급격한 압력 변화는 발열 소자의 매우 가까운 부분에 국소적으로 발생한다. 발열 소자는 수십 내지 수백 μm 정도의 한 변을 갖는 직사각형이다. 이는 종래의 UFB 생성 유닛의 크기의 1/10 내지 1/1000 정도이다. 추가로, 막 비등 기포 표면의 매 얇은 막 영역 내의 기체 용해 액체가 열적 용해 한계 또는 압력 용해 한계를 순간적으로(마이크로 초 이하의 초단시간에서) 초과함으로써, 상전이가 발생하고 기체 용해 액체가 UFB로서 침전된다. 이 경우, 밀리-기포 및 마이크로기포와 같은 비교적 큰 기포가 거의 생성되지 않고, 액체는 직경 약 100nm의 UFB를 매우 높은 순도로 함유한다. 게다가, 이렇게 생성된 T-UFB는 충분히 큰 기체 액체 계면 에너지를 갖기 때문에, T-UFB는 통상 환경 하에서 파괴되기 어렵고, 장기간 보존될 수 있다.
특히, 액체에 기체 계면을 국소적으로 형성할 수 있는 막 비등 현상을 사용하는 본 발명은, 액체 영역 전체에 영향을 주지 않고서 발열 소자의 근방에 존재하는 액체의 일부에 계면을 형성하고, 열 및 압력 작용이 그 위에 실시되는 영역은 매우 국소적이 될 수 있다. 그 결과, 안정적으로 원하는 UFB를 생성할 수 있다. UFB 생성을 위한 더 추가적인 조건이 액체 순환을 통한 생성 액체에 부여되어, 기존의 UFB에 대해 적은 영향을 갖는 새로운 UFB를 추가 생성할 수 있다. 그 결과, 비교적 용이하게 원하는 크기 및 농도의 UFB 액체를 제조할 수 있다.
또한, T-UFB 생성 방법은 상술된 히스테리시스 특성을 갖기 때문에, 높은 순도를 유지하면서 원하는 농도까지 농도를 높일 수 있다. 즉, T-UFB 생성 방법에 따르면, 장기간 보존 가능한 UFB-함유 액체를 고순도 및 고농도로 효율적으로 생성할 수 있다.
<<T-UFB-함유 액체의 구체적 용도>>
일반적으로, 초미세 기포 함유 액체의 용례는 함유 기체의 유형에 의해 구별된다. 기체의 PPM 내지 BPM 정도의 양이 액체에 용해될 수 있는 한 어느 유형의 기체도 UFB를 만들 수 있다. 예로서, 초미세 기포 함유 액체는 이하의 용례에 적용될 수 있다.
- 공기를 함유한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 산업, 농업 및 어업, 및 의료 현장 등에서의 세정, 그리고 식물 및 농업 어업 제품의 육성에 적용될 수 있다.
-오존을 함유한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 산업, 농업 및 어업, 및 의료 현장에서의 세정 용도 뿐만 아니라, 예를 들어, 살균, 멸균, 및 제균으로 의도된 용도, 그리고 배수 및 오염 토양의 환경 정화에 적용될 수 있다.
- 질소를 함유한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 산업, 농업 및 어업, 및 의료 현장 등에서의 세정 용도 뿐만 아니라, 예를 들어, 살균, 멸균, 및 제균으로 의도된 용도, 및 배수 및 오염 토양의 환경 정화에 적용될 수 있다.
- 산소를 함유한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 산업, 농업 및 어업, 및 의료 현장 등에서의 세정 용도, 그리고 식물 및 농업 및 어업 제품의 육성에 적용될 수 있다.
- 이산화탄소를 내포한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 산업, 농업 및 어업, 및 의료 현장 등에서의 세정 용도 뿐만 아니라, 예를 들어, 살균, 멸균, 및 제균으로 의도되는 용도에 적용될 수 있다.
- 의료용 기체로서 퍼플루오로카본을 함유한 UFB-함유 액체는 바람직하게는 초음파 진단 및 치료에 적용될 수 있다. 상술된 바와 같이, UFB-함유 액체는 의료, 화학, 치과, 산업, 농업 및 어업, 등의 여러 분야에서 효과를 발휘할 수 있다.
각각의 용도에서, UFB-함유 액체의 효과를 신속하게 그리고 확실하게 발휘하기 위해, UFB-함유 액체에 함유되는 UFB의 순도 및 농도가 중요하다. 즉, 고순도 및 원하는 농도의 UFB-함유 액체의 생성을 가능하게 하는 본 실시 형태의 T-UFB 생성 방법을 사용하여 여러 분야에서 전례없는 효과가 기대될 수 있다. 이하, T-UFB 생성 방법 및 T-UFB-함유 액체가 바람직하게 적용될 것으로 상정되는 용도를 열거한다.
(A) 액체의 정제적 용도
- 정수기에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 정수 효과 및 PH 조제 액체의 정제 효과의 증대가 기대된다. 또한, 탄산수 서버 등에 T-UFB 생성 유닛을 배치할 수 있다.
- 가습기, 아로마 디퓨저, 커피 메이커 등에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 방 내에 가습 효과, 방취 효과, 및 향 확산 효과의 증대가 기대된다.
- 용해 유닛에 의해 오존 기체를 용해시킨 UFB-함유 액체를 생성하고, 치과 치료, 화상 치료, 및 내시경을 사용한 부상 치료에 사용하는 경우, 의료적 세정 효과 및 소독 효과의 증대가 기대된다.
- 집합 주택의 저수조에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 장기간 보존되는 음료수의 정수 효과 및 염소의 제거 효과의 증대가 기대된다.
- 일본 술, 소주, 와인 등, 고온의 살균 처리를 실시할 수 없는 주조 프로세스에서 오존이나 이산화탄소를 함유하는 T-UFB-함유 액체를 사용하는 경우, 종래 액체보다 더 효과적인 저온 살균 처리가 기대된다.
- 특정 보건 용도 식품 및 기능 표시 식품의 제조 과정에서 원료에 UFB-함유 액체를 혼합시키는 경우, 저온 살균 처리가 가능하고, 따라서 풍미를 떨어뜨리지 않고서 안전한 그리고 기능성 식품을 제공할 수 있다.
- 물고기 및 진주 등의 어업 제품의 양식 장소에 양식용 해수 및 담수의 공급 경로에 T-UFB 생성 유닛을 배치하여, 어업 제품의 산란 및 발육의 촉진이 기대된다.
- 음식 보존을 위한 물의 정제 프로세스에 T-UFB 생성 유닛을 배치하여, 음식 보존 상태의 증대가 기대된다.
- 풀장 용수 및 지하수의 표백을 위한 표백 유닛에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 더 높은 표백 효과가 기대된다.
- 콘크리트 부재의 균열 수복을 위해 T-UFB-함유 액체를 사용하여, 균열 수복의 효과 증대가 기대된다.
- 액체 연료를 사용하는 기계(자동차, 선박, 및 비행기 등)를 위한 액체 연료에 T-UFB를 함유시킴으로써, 연료의 에너지 효율의 증대가 기대된다.
(B) 세정적 용도
최근, 의류에 부착된 오염 등을 제거하기 위한 세정수로서, UFB-함유 액체가 주목받고 있다. 상기 실시 형태에서 설명한 T-UFB 생성 유닛을 세탁기에 배치하고, 종래 액체보다 순도가 높고 침투성이 우수한 UFB-함유 액체를 세탁조에 공급하는 경우, 세정력의 추가 증대가 기대된다.
- 목욕용 샤워기 및 변기 세정기에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 인체를 포함하는 모든 종류의 동물에 대한 세정 효과 뿐만 아니라, 욕실 및 변기의 물때 및 곰팡이의 오염 제거를 촉진하는 효과가 기대된다.
- 자동차용 윈도우 워셔, 벽 부재 등의 세정용 고압 세정기, 세차기, 식기 세정기, 식재 세정기 등에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 세정 효과의 추가 증대가 기대된다.
- 프레스 가공 이후 버어 제거 단계를 포함하는 공장에서 제조한 부품의 세정 및 유지보수에 T-UFB-함유 액체를 사용함으로써, 세정 효과의 증대가 기대된다.
- 반도체 소자 제조시, 웨이퍼용 연마 물로서 T-UFB-함유 액체가 사용되는 경우, 연마 효과의 증대가 기대된다. 추가로, 레지스트 제거 단계에서 T-UFB-함유 액체를 사용하는 경우, 박리가 곤란한 레지스트의 박리 촉진이 증대된다.
- 의료 로봇, 치과 치료 유닛, 및 장기의 보존 용기 등의 의료 기계의 세정 및 제균용 기계에 T-UFB 생성 유닛을 배치함으로써, 해당 기계의 세정 효과 및 소독 효과의 증대가 기대된다. 또한, T-UFB 생성 유닛은 동물의 치료에 적용 가능하다.
(C) 의약품 용도
- 화장품 등에 T-UFB-함유 액체를 함유시키는 경우, 피하 세포에의 침투가 촉진되고, 방부제 및 계면 활성제 등의 피부에 악영향을 주는 첨가제가 크게 감소될 수 있다. 그 결과, 더 안전하고 더 기능성 있는 화장품을 제공할 수 있다.
- CT 및 MRI 등의 의료 검사 장치의 콘트라스트를 위해 T-UFB를 함유하는 고농도 나노기포 제제를 사용하는 경우, X선 및 초음파에 의한 반사광을 효율적으로 사용할 수 있다. 이는 보다 상세한 화상을 포획할 수 있고, 암 등의 초기 진단 등에 사용 가능하다.
- 고강도 집속된 초음파(High Intensity Focused Ultrasound)(HIFU)로 지칭되는 초음파 치료기에서 T-UFB를 함유하는 고농도 나노기포 물을 사용하는 경우, 초음파의 조사 파워를 감소시킬 수 있고, 따라서 보다 비침습적으로 치료할 수 있다. 특히, 정상적인 조직에 대한 손상을 저감할 수 있다.
- T-UFB를 함유하는 고농도 나노기포를 공급원으로 사용하고, 기포 주위의 마이너스 전하 영역에 리포솜을 형성하는 인지질을 개질하고, 인지질을 통해 여러 의료 물질(DNA 및 RNA 등)을 부여함으로써 나노기포 제제를 생성할 수 있다.
- 펄프 및 상아질의 재생 치료를 위해 T-UFB에 의해 제조된 고농도 나노기포 물을 함유하는 약제를 치아 관 내로 전달하는 경우, 나노기포 물의 침투 효과에 의해 치아 세관에 약제가 깊이 진입하고, 제염 효과를 촉진한다. 이는 펄프의 감염된 뿌리 관을 단시간 안전하게 치료할 수 있게 한다.
<<소자 기판의 레이아웃>>
상술한 바와 같이, 1개의 발열 소자(이후, 히터로 지칭됨)(10)에 미리 결정된 전압 펄스를 인가함으로써 생성되는 막 비등에 의해, UFB(11)가 생성된다. 따라서, 미리 결정된 단위 시간에 생성되는 UFB(11)의 수는 히터(10) 수의 증가에 의해 증가될 수 있다. 원하는 수의 UFB(11)를 안정적으로 단시간에 생성하기 위해, 많은 히터를 고밀도로 배치해서 구동하는 것이 요구된다. 예로서, 그 위에 배치된 복수의 히터(10)를 각각 포함하는 복수의 소자 기판(12)이 배치되어 10,000개의 히터(10)가 배치된 UFB 생성 장치(1)의 실시 형태가 고려될 수 있다. 보다 단시간에 UFB(11)을 생성하고자하는 경우, 히터(10)의 수를 또한 증가시키는 것이 요구된다.
그러나, 몇몇 경우, 단순히 히터(10)의 수를 증가시키는 것에 의해서는 UFB(11)를 안정적으로 생성하는 것이 곤란하다. 예를 들어, 히터(10)의 수가 10,000개를 초과하는 경우, 이들 히터(10)에 흐르는 전체 전류는 방대한 값을 갖는다. 또한, 히터(10)에의 연결을 형성하기 위한 배선에서의 기생 저항 손실은 히터(10)에 따라 변한다. 이 이유로, 히터(10)에 투입되는 에너지의 양이 크게 변한다. 히터(10)에 투입되는 에너지의 양이 크게 변함에 따라, 허용 가능한 범위를 초과한 에너지를 수용하는 히터(10)가 있을 수 있다. UFB의 양을 안정적으로 대량으로 생성하기 위해서 고밀도로 복수의 히터(10)를 소자 기판(12)에 배치하는 경우, 히터(10)에 투입되는 에너지의 변동을 미리 결정된 범위로 유지하는 것이 요구된다. 이하에서는, 히터(10)에 투입되는 에너지가 변하는 상황을 먼저 설명할 것이다.
도 12a 및 도 12b는 소자 기판(12)의 일부의 요소 영역(1250)(발열부로도 지칭됨)을 추출한 평면 레이아웃의 예를 도시하는 도면이며, 복수의 히터가 각각의 요소 영역(1250)에 마련된 예를 도시한다. 도 12a는 1개의 요소 영역(1250)에 8개의 히터(1011 내지 1018)가 배치된 예이며, 도 12b는 1개의 요소 영역(1250)에 4개의 히터(1061 내지 1064)가 배치된 예이다. 이하에서는, 편의상, 적은 수의 히터를 갖는 예를 사용하여 설명할 것이다.
도 12a에서, 요소 영역(1250)에는, 8개의 히터(1011 내지 1018)의 각각에 전기 에너지를 투입하기 위한 전극 패드(1201, 1202)가 배치된다. 즉, 요소 영역(1250)은 전극 패드 쌍에 의해 에너지가 투입되는 2개 이상의 히터의 집합체로 간주될 수 있다. 영역(1221a 내지 1228a 및 1221b 내지 1228b)은 각 히터(1011 내지 1018)에 개별적으로 연결된 개별 배선 영역이다. 영역(1211 및 1212)은 복수의 개별 배선 영역을 전극 패드(1201, 1202)와 연결하는 공통 배선 영역이다. 본 실시 형태에서 히터(1011 내지 1018)는 반도체 포토리소그래피의 공정에 따른 제조에 의해 실질적으로 동일한 형상 및 동일한 막 두께로 제조된다. 즉, 히터(1011 내지 1018)는 실질적으로 동일한 저항값을 갖는다.
이하 설명에서, 다르게 언급되지 않는 경우, UFB를 생성하는 히터(10)는 실질적으로 동일 형상이며, 초기 상태에서는 실질적으로 동일 저항값을 갖는다. 그럼에도, 히터(10)의 형상은 항상 동일 형상일 필요는 없고, 히터(10)는 단지 에너지의 변동을 억제하도록 구성되는 것이 필요하다. 예를 들어, 각각의 요소 영역(1250)에 대해 히터(10)의 형상이 다를 수 있다. 히터(10)의 형상을 부분적으로 변경하는 것은 포토리소그래피 공정에서의 마스크 설계에 의해 적절히 실시 가능하다.
전극 패드(1201, 1202)에 도 6a에 도시된 전압 펄스를 인가함으로써, 공통 배선 영역(1211, 1212), 개별 배선 영역(1221 내지 1228) 및 히터(1011 내지 1018)에 전류가 흐른다. 그리고, 각각의 히터(1011 내지 1018) 상의 액체에 막 비등이 생성되고, 이에 따라 UFB가 생성된다.
도 12b는, 도 12a와 달리, 요소 영역(1250)에 4개의 히터(1061 내지 1064)가 배치된 예이다. 영역(1241a 내지 1244a 및 1241b 내지 1244b)은 대응하는 히터(1061 내지 1064)에 개별적으로 연결된 개별 배선 영역이다. 영역(1231 및 1232)은 복수의 개별 배선 영역을 전극 패드(1201, 1202)에 연결하는 공통 배선 영역이다.
본 발명자는 도 12a에 도시된 구성에서 각각의 히터에 대해 생성된 UFB의 양이 도 12b에 도시된 구성에서 각각의 히터에 의해 생성된 UFB의 양과 다르다는 점을 발견하였다. 이것은 도 12a의 구성에서 히터(1011 내지 1018)의 각각에 의해 소비되는 에너지의 양과 도 12b의 구성에서 히터(1061 내지 1064)의 각각에 의해 소비되는 에너지의 양 사이에 차이가 존재하기 때문이다. 구체적으로는, 공통 배선 영역(1211, 1212, 1231 및 1232)의 배선 저항 손실에 의해, 히터에 투입되는 에너지가 변동하고, 이에 의해 에너지의 양의 차이가 발생한다.
도 13a 및 도 13b는 도 12a 및 도 12b에 관한 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 13a는 도 12a의 구성에 대응하고, 도 13b는 도 12b의 구성에 대응한다. 에너지의 변동은 도 12a 내지 도 13b를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 13a 및 도 13b는 도 12a 및 도 12b의 개별 배선 영역 및 공통 배선 영역이 전기 배선 저항으로 치환되고, 히터가 전기 히터 저항으로 치환된 도면이다. 도 13a의 부호(rh1 내지 rh8)는 도 12a의 히터(1011 내지 1018)에 대응하고, 도 13b의 부호(rh61 내지 rh64)는 도 12b의 히터(1061 내지 1064)에 각각 대응하는 히터의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 참조 부호(rliA1 내지 rliA8)는 도 12a의 개별 배선 영역(1221a 내지 1228a)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 참조 부호(rliB1 내지 rliB8)는 도 12a의 개별 배선 영역(1221b 내지 1228b)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 참조 부호(rlcA1 내지 rlcA8)는 도 12a의 공통 배선 영역(1211)의 저항값을 나타낸다. 도 13a의 참조 부호(rlcB1 내지 rlcB8)는 도 12a의 공통 배선 영역(1212)의 저항값을 나타낸다. 마찬가지로, 도 13b의 참조 부호(rliA61 내지 rliA64)는 도 12b의 개별 배선 영역(1241a 내지 1244a)의 저항값을 나타내고, 참조 부호(rliB61 내지 rliB64)는 도 12b의 개별 배선 영역(1241b 내지 1244b)의 저항값을 나타낸다. 참조 부호(rlcA61 내지 rlcA64)는 도 12b의 공통 배선 영역(1231)의 저항값을 나타내고, 참조 부호(rlcB61 내지 rlcB64)는 도 12b의 공통 배선 영역(1232)의 저항값을 나타낸다.
전극 패드(1201 및 1202) 사이에서 도 6a에 도시된 전압 펄스(시간(t1))의 인가 도중 히터를 통해 흐르는 전류는 도 13a에서 참조 부호(i1 내지 i8)로 표시되고, 도 13b에서 전류는 참조 부호(i61 내지 i64)로 나타낸다. 도 13a 및 도 13b에서 히터에 흐르는 전류(i1 내지 i8 및 i61 내지 i64)는 배선 저항의 영역에 흐르는 전류를 나타내는데 사용된다.
이 경우, 도 13a의 히터(1011)에 투입되는 에너지(E1)는 식(1)에 의해 나타낼 수 있고, 히터(1018)에 투입되는 에너지(E2)는 식(2)에 의해 나타낼 수 있다.
히터(1011): E1 = i1 x i1 x rh1 x t1 (식(1)); 및
히터(1018): E2 = i8 x i8 x rh8 x t1 (식(2))
한편, 도 13b에서 히터(1061)에 투입되는 에너지(E3)는 식(3)에 의해 나타낼 수 있고, 히터(1064)에 투입되는 에너지(E4)는 식(4)에 의해 나타낼 수 있다.
히터(1061): E3 = i61 x i61 x rh61 x t1 (식(3)); 및
히터(1064): E4 = i64 x i64 x rh64 x t1 (식(4))
이 경우 히터는 포토리소그래피 공정에서 동시에 형성되기 때문에, 히터의 저항값(rh1, rh8, rh61, rh64)은 실질적으로 서로 동일하다. 한편, 히터에 흐르는 전류는 주로 배선 저항(rlc)의 부분의 영향에 의해 i1 ≠ i8 ≠ i61 ≠ i64이다. 이는 히터에 투입되는 에너지의 변동을 발생시킨다. 이 결과, 히터에 따라 생성되는 UFB의 상이한 양이 발생되고, 안정적인 UFB 생성이 방해된다. UFB를 안정적으로 단시간에 생성하기 위해, 요소 영역에서 히터에 투입되는 에너지 변동을 저감하는 것이 요구된다.
이하에서는, 복수의 히터(10)를 갖는 구성에서, 히터(10)에 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 예를 설명할 것이다. 추가로, 히터(10)를 사용하여 막 비등을 생성하는 에너지(역치 에너지)를 검출하고 히터(10)에 투입되는 에너지를 최소화하는 예를 또한 이하에서 설명할 것이다.
<<제1 실시 형태>>
<에너지의 변동 억제>
도 14a 내지 도 14c는 공통 배선 영역에서의 배선 저항 손실 차를 저감하는 예를 설명하는 도면이다. 도 14a는 도 12b의 구성에 대응하며 소자 기판(12)의 일부인 요소 영역을 추출한 평면 레이아웃의 예를 도시하는 도면이다. 도 14a에 도시된 구성에서, 히터에 흐르는 전류를 제어하기 위한 스위치(SW)(1401 내지 1404)가 개별 배선 영역(1241b 내지 1244b) 상에 각각 배치된다. 해당 구성에서, 전극 패드(1201 및1202)에는 히터의 전원 전압(24 V)이 일정하게 인가됨에도, SW가 오프(L)인 동안에는 히터에 전류가 흐르지 않는다. 도 14b는 히터를 구동하는 SW(1401 내지 1404)의 로직 신호의 파형을 도시하는 도면이다. SW(1401 내지 1404)의 각각에 로직 신호(H)를 인가함으로써 SW가 온이 되어, 대응하는 히터에 전극 패드(1201 및 1202)를 통해서 전원 전압에 의해 생성된 전류가 흘러, 히터에 막 비등이 생성된다.
도 12a 내지 도 13b에 도시된 구성은, 전원 전압의 인가 중 전극 패드에 동시에 연결된 모든 히터를 구동하는 구성이다. 한편, 도 14a에 도시된 구성에서는, SW(1401 내지 1404)를 사용하여 타이밍을 지연시키면서 히터(1061 내지 1064)를 구동한다. 이러한 구성은 도 13b에서 복수의 히터(1061 내지 1064)를 통해 전류가 동시에 흐르는 경우 영향이 나타나는 공통 배선부(1351)에서의 배선 저항 손실을 상당히 저감할 수 있다. 상술된 바와 같이, SW(1401 내지 1404)를 배치하여 시분할 방식으로 히터를 구동 가능하게 구성함으로써, 히터에 투입되는 에너지의 변동을 억제할 수 있다.
도 14c는 도 14a에 도시된 다수의 요소 영역을 소자 기판(12)에 배열한 예를 도시하는 도면이다. UFB를 단시간에 안정적으로 생성하기 위해서 다수의 히터를 배치하는 것이 요구된다. 도 14c는 설명을 위해 각각이 4개의 히터를 구비한 8개의 요소 영역이 배열된 실시 형태를 도시하지만, 각각 요소 영역에서의 히터의 수를 증가시키거나, 요소 영역의 수를 증가시킴으로써 보다 많은 히터를 배치할 수 있다. T-UFB 생성 유닛(300)에서, 액체 챔버를 형성하기 위해, 히터(10)는 피복하지만 소자 기판(12) 상의 전극 패드(1201, 1202)는 피복하지 않는 벽(1421) 및 덮개(미도시)가 구비된다. 본 실시 형태에서는 액체 챔버의 내부를 구획하는 벽이 제공되지 않지만, 내부를 구획하는 이러한 벽이 대신 제공될 수 있다.
히터에 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 또 다른 방법으로는, 전극 패드 유닛에 가까운 히터(10)를 연결하는 배선 패턴의 폭보다 전극 패드 유닛으로부터 멀리 있는 히터(10)를 연결하는 배선 패턴의 폭을 넓게 설정하는 방법이 있다. 대신에, 히터(10)에 대해 개별적으로 연결하는 개별 배선 패턴의 길이를 짧게 하면서 복수의 히터(10)에 공통인 배선 패턴의 영역을 증가시킬 수 있다. 대안적으로, 소자 기판(12)에 복수의 배선층을 형성해서 공통의 배선 패턴의 영역을 확장할 수 있다. 다양한 다른 방법이 에너지의 변동을 억제하는데 사용될 수 있다.
<막 비등 역치 에너지>
이어서, 액체가 막 비등되도록 히터에 의해 사용되는 "막 비등 역치 에너지"와 "히터에 투입되는 에너지" 사이의 관계를 설명할 것이다. "막 비등 역치 에너지"는 히터(10)를 가열해서 액체(W)를 발포(막 비등)시키기 위해서 필요한 최소 에너지이다. 보다 상세하게는, 이는, 도 6a에 도시된 바와 같이, 일정 전압에서 투입하는 전류의 펄스 폭을 점차 늘린 결과로서 막 비등(발포)의 개시시 전압 및 전류 펄스 폭으로부터 산출되는 에너지이다. 한편, "히터에 투입되는 에너지"는 히터(10)에 직접 투입되는 에너지를 의미한다. 막 비등은 "히터에 투입되는 에너지"가 "막 비등 역치 에너지"보다 크다는 조건 하에서 발생한다. 이 때문에, 히터(10)에 막 비등을 생성시키는 경우 "막 비등 역치 에너지"에 대한 "히터에 투입되는 에너지"의 비는 1 이상의 값이 된다.
본 예에서, "히터에 투입되는 에너지"는, 전압 펄스를 인가시 한번에 막 비등을 발생시키는 히터 그룹의 모든 히터가 어떤 환경에서도 기본적으로는 막 비등을 일으키도록 설정된다. 전압이 일정한 경우, 예를 들어 "히터에 투입되는 에너지"는 "막 비등 역치 에너지"의 펄스 폭보다 더 긴 이러한 펄스 폭을 갖도록 설정된다.
이러한 "히터에 투입되는 에너지"에 의해, 히터(10)의 온도 상승이 개시한다. 막 비등이 발생할 때까지는, 히터(10) 상부 부분에서 보호층(309) 및 내-캐비테이션 막(310)을 통해 열이 액체에 전달된다(도 5a 참조). 막 비등이 발생하는 순간에 히터(10) 위로부터 액체가 소멸한다. 이 때문에, 막 비등이 발생하면, 히터(10)로부터의 열이 액체로 전달되지 않고, 투입 에너지에 대한 온도 상승 곡선이 급격하게 된다. 즉, 막 비등에 기여하지 않는 온도 상승이 더 과잉이 되고, 히터(10)의 온도가 높아진다. 이는 결과적으로 히터(10)의 수명을 저하시킬 수 있다. 이 때문에, "히터에 투입되는 에너지"는 최대한 작게 하는 것이 바람직하다.
여기서, 제어 유닛(600)은 "막 비등 역치 에너지" 및 기판의 여러 배선 저항 등을 고려해서 "히터에 투입되는 에너지"를 설정한다. 그럼에도, "막 비등 역치 에너지"는 이론적으로 획득된 상정 값이다. 막 비등을 발생시키는 에너지는 막의 열전달, 발열체의 저항 및 인가 전압 등을 사용하여 계산에 의해 예측하다. 한편, 저렴하게 대량으로 UFB를 생성하기 위해 히터(10)를 탑재한 소자 기판(12)의 면적이 커지는 경향이 있다. 이 경우, 히터(10)를 형성하는 막의 압력, 액체로부터 히터를 전기적으로 그리고 물리적으로 보호하기 위한 절연막 또는 보호막의 막 압력, 대기 압력 등으로 인해, 히터들 사이의 "막 비등 역치 에너지"의 변동이 발생한다. 복수의 소자 기판(12)을 사용하는 경우, 예를 들어, 소자 기판(12) 각각에 "막 비등 역치 에너지"의 변동이 발생할 수 있다. 한편, 내부의 히터(10)의 개별 위치 등에 따라 각각의 소자 기판(12) 내부에 "막 비등 역치 에너지"의 변동이 발생할 수 있다. 상술된 바와 같이, 소자 기판(12)의 제조 프로세스 변동 또는 여러 환경 조건으로 인해, "막 비등 역치 에너지"의 값은 변할 수 있다.
이 때문에, "히터에 투입되는 에너지"는 "막 비등 역치 에너지"에 특정 마진을 제공하여 빈번히 설정되고 있다. 이 결과, 과잉 에너지의 투입 경우, 히터(10)의 수명이 저하될 수 있다.
상술된 바와 같이, 각각의 히터(10)에 실제 투입되는 에너지는 "막 비등 역치 에너지"에 기초하여 결정된다. 따라서, 실제로 막 비등이 생성되는 경우의 "막 비등 역치 에너지"의 값을 구할 수 있는 경우, 보다 적절한 투입 에너지를 결정할 수 있다. 즉, 실제로 막 비등이 발생하는 경우의 "막 비등 역치 에너지"의 값 이상이고, 최소로 요구되는 에너지를 각각의 히터(10)에 투입함으로써 안정적으로 UFB를 생성하면서 각각의 히터(10)의 수명을 연장할 수 있다.
<역치 에너지의 도출>
이하에서는, 히터(10)에 의해 실제로 막 비등이 생성된 경우의 "막 비등 역치 에너지"의 도출 예를 설명할 것이다. 본 실시 형태에서, UFB를 생성하는 히터(10)의 근방에서, 막 비등의 개시 시에 물리적 변화(온도, 압력의 변화 등)를 검출하도록 구성된 검출 유닛이 제공된다. 예를 들어, 검출 유닛은 센서를 사용해서 막 비등 개시 시의 물리적 변화를 검출한다. 그리고, 검출 유닛에 의한 검출에 의해 얻어진 정보에 기초하여, 제어 유닛(600)은 히터(10)의 "막 비등 역치 에너지"를 도출한다. 예를 들어, 전압 펄스의 인가로부터 막 비등의 실제 개시까지의 실제 시간을 구할 수 있는 경우, "막 비등 역치 에너지"를 도출할 수 있다. 제어 유닛(600)은 이렇게 얻어진 "막 비등 역치 에너지"를 사용하여, 관련 히터(10)를 포함하는 히터 그룹에서의 "히터에 투입되는 에너지"를 설정한다.
도 15의 a) 내지 도 15의 d)는 히터(10)에의 전압 펄스의 인가 시간과 히터 부근의 변화 사이의 관계를 도시하는 도면이다. 도 15의 a)는 온도 검출 소자(1610)가 히터(10) 부근에 마련되고 전압 펄스가 히터(10)에 인가되는 경우 온도 검출 소자(도 16a의 온도 검출 소자(1610) 참조)로부터 얻어지는 온도 프로파일을 도시한다. 도 15의 a)에 도시된 바와 같이, 전압이 히터(10)에 전압을 계속해서 인가되는 경우 특이점(1501)이 발생한다. 전술한 바와 같이, 이는 막 비등이 발생함으로써 히터(발열체)로부터 열을 발산시키는 전달 경로가 액체로부터 차단되는 것에 의해 발생하는 특이점이다. 본 실시 형태에서는 특이점(1501)에 착안한다. 도 15d의 b)는, 도 15의 a)의 온도 프로파일을 이산적인 측정에 의해 얻은 예를 도시한다. 도 15의 b)는, 설명을 위해 측정점의 시간 간격이 넓은 예를 도시한다. 그러나, 본 발명은 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 막 비등 역치 에너지의 인가를 나타내는 펄스 폭의 적어도 1/10 이상 또는, 바람직하게는 1/100 이하의 간격으로 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 도 15의 b)는, 용이하게 이해할 수 있도록, 전압 펄스의 인가로부터 일정 간격으로 측정을 개시하고 있는 예를 도시한다. 그러나, 본 발명은 이 예로 한정되지 않는다. 미리 막 비등 역치 에너지에 대응하는 펄스 폭을 예측할 수 있을 경우, 측정 정밀도는 역치 주변의 측정 간격을 감소시키는 것에 의해 향상될 수 있다.
도 15의 c)는 도 15의 b)의 측정 지점에 대해 미리 결정된 기간의 온도 변화(시간 미분)를 나타낸 예를 도시한다. 도 15의 c)로부터, 막 비등 역치 에너지에 대응하는 펄스의 특이점에서 미리 결정된 기간의 급격한 온도 변화가 일어나는 것이 명백하다. 도 15의 d)는 막 비등 역치 에너지에 대응하는 인가 펄스 폭을 특정하기 위해서, 도 15의 c)의 측정 정보의 미리 결정된 시간 변화를 나타낸 도면(결과적으로 온도값을 2차 미분하여 얻은 도면)이다. 도 15의 d)로부터 명백해진 바와 같이, 가장 변화가 큰 펄스 폭에 대응하는 인가 시간이 특이점의 포인트로서 검출된다. 펄스 폭에 대응하는 인가 시간 및 전압 펄스의 전압으로부터, 막 비등 역치 에너지가 도출된다. 즉, 히터(10)의 근방에 배치된 온도 검출 소자(1610)를 사용해서 온도의 검출함으로써, 히터(10)의 특이점을 검출하고 "막 비등 역치 에너지"를 도출할 수 있다. 특이점은 온도 검출 소자(1610)를 사용하는 것에 의해, 온도 검출 소자(1610)를 제어하는 컨트롤러(미도시)에 의해, 또는 제어 유닛(600)에 의해 검출될 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 막 비등의 발생을 검출하는 검출 유닛은 온도 검출 소자(1610) 등의 센서를 포함한다. 대안적으로, 검출 유닛은 센서를 제어하는 컨트롤러(미도시) 및 제어 유닛(600)과 같이, 센서로부터의 정보에 기초하는 처리를 행하는 처리 유닛을 포함할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 히터(10) 부근의 단면을 도시하는 도면이다. 도 16a는 온도 검출 소자(1610)를, 절연막(1620)을 통해 히터(10)의 하방(히터(10)에 대하여 액체(W)가 존재하는 측의 반대 측의 방향)에 배치한 예를 도시한다. 온도 검출 소자(1610)는 반도체 성막 프로세스를 사용하여 히터(10)의 바로 아래에 배치된다. 상술된 바와 같이, 히터(10)의 근방에 온도 검출 소자(1610)를 배치함으로써, 제어 유닛(600)은 각각의 히터(10)에서의 "막 비등"에 기인하는 특이점을 검출할 수 있다. 게다가, 제어 유닛(600)은 검출된 특이점에 기초하여 "막 비등 역치 에너지"를 도출할 수 있다. 상술된 바와 같이 도출되는 "막 비등 역치 에너지"는 히터(10) 사이에서 다를 수 있다. 본 실시 형태의 제어 유닛(600)은 도출된 "막 비등 역치 에너지" 각각에 기초하여 "히터에 투입되는 에너지"를 설정한다. 이 방식으로, 제어 유닛(600)은 안정적인 UFB를 생성하면서, 각각의 히터(10)의 구동을 효율적으로 제어하도록 투입 에너지를 결정할 수 있다.
또한, 도 16a는 각각의 히터(10)의 바로 아래에 온도 검출 소자(1610)를 배치하는 예를 설명했지만, 본 발명은 이 구성으로 한정되지 않는다. 온도 검출 소자(1610)는 소자 기판(12) 중 일부의 히터 바로 아래에 배치될 수 있다. 상술된 바와 같이 소자 기판(12)의 면적이 커지는 경우, 히터(10)가 장착되는 위치에 따라 히터(10)의 "막 비등 역치 에너지"가 다를 수 있다. 이와 관련하여, 대표적인 위치에 위치된 히터(10)의 근방에 온도 검출 소자(1610)를 배치할 수 있다. 한편, 히터(10) 제조 공정에서 적은 변동으로 인해 히터(10) 중 "막 비등 역치 에너지" 차이가 미리 결정된 값 이하인 경우, 온도 검출 소자(1610)는 부분적으로 배치될 수 있다. 추가로, 후술되는 바와 같이, 각종 변형예가 적용될 수 있다.
<제1 변형예>
도 16b는 히터(10) 부근의 단면의 다른 예를 도시하는 도면이다. 이 예에서, 온도 검출 소자(1610)는 히터(10)의 바로 아래에 배치되지 않는다. 본 예에서는, UFB를 생성하기 위한 복수의 히터(10)를 포함하는 소자 기판(12) 대신, 액체(W)를 사이에 두고 대향하는 표면에 온도 검출 소자(1610)가 배치된다. 이 경우, 액체(W)에서의 온도의 전달 시간을 고려하면서 "막 비등 역치 에너지"가 도출될 수 있다. 전달 시간은 규정된 계산에 의해 얻어질 수 있고 또는 실제 측정에 의해 얻어진 값이 전달 시간으로서 사용될 수 있다.
<제2 변형예>
도 17a 및 도 17b는 도 12b에 대응하는 소자 기판(12)의 예를 도시하는 도면이다. 도 17a는 소자 기판(12)의 평면도이다. 도 17b는 도 17a의 XVIIB 선을 따라 취한 단면도이다. 이 예는, UFB를 생성하는 히터(1061 내지 1064)의 바로 아래에 온도 검출 소자를 배치하는 대신, 매 2개의 히터 사이에 온도 검출 소자(1610)를 배치하는 예를 나타낸다. 히터 사이에 각각의 온도 검출 소자(1610)를 배치함으로써 히터에 대한 온도 검출 소자의 수를 감소시킬 수 있다. 이 예에서, 히터의 바로 아래에 온도 검출 소자가 배치되어 있는 경우에 비해, 각각의 히터의 온도 변화의 전달 시간은 약간 지연된다. 이에 따라, 이 지연 시간을 고려하면서 "막 비등 역치 에너지"가 검출된다. 구체적으로, 제어 유닛(600)은 지연 시간을 고려하여 "막 비등 역치 에너지"에 대응하는 펄스 폭을 계산하면서 "막 비등 역치 에너지"를 결정할 수 있다. 지연 시간은 규정된 계산에 의해 얻을 수 있고, 또는 실제 측정에 의해 얻은 값이 지연 시간으로서 사용될 수 있다.
<제3 변형예>
제1 실시 형태, 그 제1 및 제2 변형예에서는, 막 비등시의 열을 온도 검출 소자(1610)를 사용해서 검출함으로써, "막 비등 역치 에너지"를 도출하는 예를 설명하였다. 한편, 본 변형예에서는, 압전 소자와 같이, 압력에 반응하는 센서를 사용해서 압력을 검출함으로써, "막 비등 역치 에너지"에 대응하는 펄스 폭을 구하는 예를 설명할 것이다.
도 6a에 도시되는 바와 같이, 히터(10)를 사용해서 막 비등을 발생시키는 경우에, 도 6a의 타이밍(1)에서 관찰되는 바와 같이, 막 비등의 발생시에 매우 큰 압력파가 발생한다. 구체적으로는, 도 6a에 도시되는 바와 같이, 전압(에너지)의 인가의 개시로부터 압력 센서에 의한 특정 압력의 최초 검출까지의 시간이, "막 비등 역치 에너지"의 원래 정보(펄스 폭에 대한 정보)를 구성한다. 상술한 바와 같이, 압력 센서를 사용해서도 "막 비등 역치 에너지"를 검출할 수 있다. 즉, 온도 센서의 경우와 마찬가지로, 시간 마다의 압력을 나타내는 프로파일의 특이점을 구함으로써, 막 비등의 발생을 검출하고, "막 비등 역치 에너지"를 도출할 수 있다.
여기서, 제1 실시 형태에서 도 16a를 참조하여 설명한 경우에서와 같이, 압력 센서를 히터(10)와 동일한 기판 상에 제공하고, 히터(10)의 바로 아래에 배치하는 경우에, 압력의 전달이 신속하다. 한편, 제2 변형예의 경우에서와 같이, 히터의 중간에 압력 센서를 배치하는 경우에, 압력의 전달이 또한 신속하다. 한편, 제1 변형예의 경우에서와 같이, 동일한 기판 상에 압력 센서 및 히터(10)가 제공되지 않는 경우에, 액체의 압력 전달 시간을 고려해서 "막 비등 역치 에너지"를 도출할 수 있다.
<제4 변형예>
제3 변형예에서는, 히터(10)의 근방에 위치되는 압력 센서를 사용해서 막 비등의 발생에 대응하는 압력을 검출함으로써, "막 비등 역치 에너지"를 검출하는 경우를 설명하였다. 여기서, 막 비등의 발생시의 압력은 매우 크기 때문에, 압력 센서가 배치되는 위치는, 반드시 히터(10)의 근방이 아니어도 된다. 본 변형예는 압력 센서가 히터(10)의 근방에 위치되지 않는 경우를 나타낸다. 예를 들어, UFB를 생성하기 위한 히터(10)가 가열하는 액체와 접촉하도록, 압력을 검출하는 구성이 단지 제공될 필요가 있다. 한편, 액체가 공기와 접촉하는 경우에, 압력이 음파의 형태로 공기를 통해 전달된다. 따라서, 공기 중의 소리를 감지함으로써, "막 비등 역치 에너지"를 검출할 수 있다.
이상, 제1 실시 형태 및 그 변형예를 설명하였다. 상술한 바와 같이 검출된 "막 비등 역치 에너지"에 기초하여, 제어 유닛(600)은 "히터에 투입되는 에너지"를 설정한다. 예를 들어, "막 비등 역치 에너지"에 대하여 소정의 계수를 적용해서 "히터에 투입되는 에너지"를 결정할 수 있다. 소자 기판(12) 상에 다수의 히터(10)가 제공되는 경우에, "히터에 투입되는 에너지"는 히터(10)의 위치 및 다른 요인에 따라서 변동될 수 있다. "히터에 투입되는 에너지"는 "막 비등 역치 에너지"의 약 1 내지 3배 큰 에너지로 설정될 수 있다. 여기서, 장수명화를 도모하기 위해서, "히터에 투입되는 에너지"는 "막 비등 역치 에너지"의 약 1.01 내지 1.3배 큰 에너지로 설정될 수 있다.
본 실시 형태에서는, 각종 센서를 각종 위치에 배치하는 경우를 설명했지만, 그 센서 및 위치는 적절하게 조합될 수 있다. 예를 들어, 온도 검출 소자(온도 센서)와 압력 센서는 조합해서 사용될 수 있다. 한편, 다른 구성에서, 센서는 소자 기판(12)의 특정 영역에서 히터(10) 바로 아래에 배치될 수 있는 반면, 센서는 그 나머지 영역에서 히터(10) 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 소자 기판(12)의 특정 영역에서, 센서는 액체를 사이에 개재해서 액체의 존재 방향으로 히터와 대향하는 위치에 배치될 수 있다.
한편, "막 비등 역치 에너지"에 대한 정보에 기초하여 "히터에 투입되는 에너지"를 제어하는 경우를 설명하였다. 이러한 피드백 제어는 정기적으로 수행하는 것이 바람직하지만, 대신 부정기적으로 제어를 수행할 수 있다.
<<제2 실시 형태>>
제1 실시 형태에서는, 다수의 히터(10)를 구비한 소자 기판(12)을 사용하는 경우에, 투입되는 에너지의 변동을 억제하는 예를 설명하였다. 제1 실시 형태는 또한 "막 비등 역치 에너지"를 도출하고 "히터에 투입되는 에너지"를 최소화하는 방식으로 제어를 수행함으로써, 제품 수명을 연장하는 경우를 설명하였다. 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, UFB를 생성하기 위한 히터를 사용해서 막 비등을 유발함으로써 UFB를 생성하는 경우에, 1L/분의 속도로 UFB의 기포수가 10억개/ml 정도의 고밀도에서의 생산성을 달성하기 위해서는, 다수의 히터(10)를 구비한 소자 기판(12)이 필요하다. 예를 들어, 수십만 개의 히터(10)가 소자 기판(12)에 제공되고 이러한 다수의 히터(10)는 효율적으로 구동될 필요가 있다. 제2 실시 형태에서는, 히터(10)를 동시에 구동하는 구성을 설명할 것이다.
<T-UFB 생성 유닛의 구성>
도 18a 및 도 18b는 T-UFB 생성 유닛(300)의 구성과 그에 적용가능한 타이밍 차트를 도시하는 도면이다. 도 18a는 T-UFB 생성 유닛(300)의 구성을 도시하는 도면이다. T-UFB 생성 유닛(300)은 제어기(1820) 및 히터(1811)를 구비한 반도체 기판(1810)을 포함한다. 제어기(1820)는 도 1에 도시되는 제어 유닛(600)과 동일하거나 또는 그와 다를 수 있다. 각각의 히터(1811)는 제1 실시 형태에서 설명된 히터(10)와 동일하다. 반도체 기판(1810)은 제1 실시 형태에서 설명된 소자 기판(12)과 동일하다. 제어기 및 반도체 기판은 또한 이후의 더 많은 실시 형태에서 제공되고, 제1 실시 형태의 구성과의 대응 관계에 대해서는, 상술한 예에서와 동일하다는 점에 유의하여야 한다. 반도체 기판(1810)은, 다수의 히터(1811), 카운터(1812), 및 히터 선택 회로(1813)를 포함한다.
제어기(1820)는 반도체 기판(1810)에 포함되는 카운터(1812)에 대해 히트 및 카운터 제어 신호(1830)를 출력한다. 반도체 기판(1810)에 포함되는 각각의 히터(1811)에는, 개별 ID 코드가 부여된다. 히트 및 카운터 제어 신호(1830)는 히트 신호 및 카운터 제어 신호로서 양자 모두의 역할을 하는 신호이다. 도 18a 및 도 18b에 도시되는 예에서, 제어기(1820)로부터 반도체 기판(1810)으로 1종의 신호가 출력되고, 이 1종의 신호인 히트 및 카운터 제어 신호(1830)는 다수의 히터(1811)로부터 구동되는 히터(1811)를 적절히 선택하고 선택된 히터(1811)를 구동한다. 반도체 기판(1810)을 제조할 때의 그 ID 코드로서 각각의 히터(1811)에 고정값이 설정되어 있다고 가정한다.
도 18b를 참조하여 카운터(1812)의 동작을 포함하는 반도체 기판(1810)의 동작예를 설명할 것이다. 도 18b의 상단의 타이밍 차트는 히트 및 카운터 제어 신호(1830)가 고정 펄스를 출력하는 예를 나타낸다. 도 18b의 중단의 타이밍 차트는 히트 및 카운터 제어 신호(1830)가 제어기(1820) 내의 클릭에 따라서 가변 펄스를 출력하는 예를 나타낸다. 도 18b의 하단은 히터(1811)에 부여되는 ID 코드의 예를 나타낸다. 각각의 히터에 그 ID 코드로서 3 비트를 할당하는 예를 설명하고 있지만, 비트 수는 이 예로만 제한되지 않는다. 한편, 히터(1811)의 ID 코드는 반도체 기판(1810) 내에서 반복해서 이용될 수 있다. 즉, 히터(1811)의 수는 최대 3 비트 수에 대응하는 8개 초과일 수 있다. 도 18b에서는, 예를 들어 히터 코드 "1"을 갖는 히터와 히터 코드 8을 갖는 히터에 ID 코드 "000"이 동시에 부여된다.
카운터(1812)는 제어기(1820)로부터 출력되는 히트 및 카운터 제어 신호(1830)에 기초하여 카운트한다. 본 예에서는, 카운트하는 타이밍은 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 각각의 하강 타이밍으로 설정된다. 다른 구성에서, 카운터(1812)가 카운트하는 타이밍은 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 각각의 상승 타이밍으로 설정될 수 있다. 본 예에서는, 카운터의 비트 수는 3 비트로 설정된다. 카운터(1812)는 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 각각의 하강에서 카운터의 비트 수의 최대값까지 카운트한 다음에, 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 후속의 하강에서 0의 카운터값으로 복귀한다.
히터 선택 회로(1813)는 카운터(1812)의 카운터값과, 히터의 ID 코드를 비교하고, 대응하는 히터(1811)를 구동시킨다. 도 18b에 도시되는 바와 같이, 제어기(1820)는 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 높고 낮은 듀티뿐만 아니라 전송 주파수를 제어할 수 있다. 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 각각의 높은 기간은 히터(1811)의 구동 시간에 대응한다. 여기서, 낮은 기간은 대신 히터의 구동 시간으로 설정될 수 있다. 본 실시 형태는 모든 카운터값에 대응하는 히터가 있는 구성의 예를 설명했지만, 특정 카운터값에 대응하는 히터가 없는 구성 또한 허용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 다수의 히터를 동시에 구동하는 구동 시간을 간이한 구성을 사용해서 동적으로 제어할 수 있다. 이에 의해, 반도체 기판(1810)이 사용중인 경우에 온도 또는 전력을 균일하게 제어하는 것이 가능하다. 그 결과, 효율적으로 UFB를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 실시 형태에서 설명된 바와 같이, 검출된 "막 비등 역치 에너지"에 따라, 히트 및 카운터 제어 신호(1830)의 듀티를 제어함으로써, 적절한 에너지를 히터에 투입되는 것이 또한 가능하다.
<<제3 실시 형태>>
제2 실시 형태에서는, 다수의 히터를 동시에 구동하는 예를 설명하였다. 제2 실시 형태에서는, 또한 동시에 구동하는 히터의 구동 시간을 동적으로 제어 가능한 예를 설명하였다. 본 실시 형태에서는, 동시에 구동되는 히터의 수, 그 구동 순서 및 그 구동 시간을 동적으로 변경할 수 있는 예를 설명할 것이다.
<T-UFB 생성 유닛의 구성>
도 19a 내지 도 19d는 T-UFB 생성 유닛(300)의 구성을 도시하는 도면이다. 구체적으로, T-UFB 생성 유닛(300)은 제어기(1920) 및 히터(1911)를 구비한 반도체 기판(1910)을 포함한다. 도 19a 내지 도 19d는 4개의 예를 도시한다. 이하에서는, 각각의 예를 하나씩 설명할 것이다.
도 19a는 제2 실시 형태에서 설명된 예와 동일한 구성을 도시한다. 구체적으로, 반도체 기판(1910)은 카운터(1912) 및 히터 선택 회로(1913)를 포함한다. 또한, 반도체 기판(1910)의 카운터(1912)에, 제어기(1920)로부터 히트 및 카운터 제어 신호(1930)가 출력된다. 이러한 구성은, 반도체 기판(1910)의 히터 선택 회로(1913)와 제어기(1920) 사이에 설정 I/F(1931)의 제어선이 연결되고 있다는 점에서, 제2 실시 형태의 구성과는 상이하다.
설정 I/F(1931)은 동시에 구동되는 히터(1911)의 수 및 그 구동 순서를 설정하기 위한 인터페이스이다. 제어기(1920)는 설정 I/F(1931)을 통해서 동시에 구동되는 히터의 수 및 그 구동 순서를 히터 선택 회로(1913)로 설정할 수 있다. 보다 상세하게는, 본 실시 형태의 히터(1911)에는 제2 실시 형태와 마찬가지로 ID 코드가 부여된다. 제어기는 설정 I/F(1931)을 통해서, ID 코드를 식별하는데 사용하는 비트를 지정할 수 있다. 이에 의해, 제어기(1920)는 동시에 구동되는 히터의 수 및 그 구동 순서를 히터 선택 회로(1913)로 설정하는 것이 가능하다. 본 예에서는, 제어기(1920)는 설정 I/F(1931)을 통해서 소정의 설정값(설정 종별)을 설정한다. 히터 선택 회로(1913)는 이렇게 설정된 설정값과 히터의 ID 코드 및 카운터값에 기초하여 대응하는 히터를 구동한다. 여기서, 본 실시 형태에서도 반도체 기판(1910)을 제조할 때에 각각의 히터(1911)에 고정값이 설정되는 것으로 가정한다. 그러나, 반도체 기판(1910)을 제조한 후의 시점에서, 설정 I/F(1931) 등을 통해서 각각의 히터(1911)에 ID 코드를 임의로 설정 가능하다.
카운터(1912)는, 제2 실시 형태에서 설명된 바와 같이, 히트 및 카운터 제어 신호(1930)를 사용해서 카운터값을 카운트한다. 히터 선택 회로(1913)는 해당 설정값과 일치하는 ID 코드와 해당 설정값에 일치하는 카운터값을 갖는 히터(1911)를 구동한다. 그 결과, 본 예에 따르면, 동시에 구동되는 히터(1911)의 수 및 그 구동 순서를 동적으로 설정할 수 있다. 상세는 후술할 것이다.
도 19b는 반도체 기판(1910)이 카운터를 구비하지 않고, 대신 제어기(1920)가 카운터(1921)를 포함하는 예를 설명한다. 본 예에서는, 카운트값이 제어기(1920)의 카운터(1921)로부터 히터 선택 회로(1913)로 출력된다. 또한, 본 예에서는, 전원 전압을 인가하고, 카운트값에 따라서 히터 선택 회로(1913)가 히터(1911)를 전환하게 함으로써, 동시에 구동되는 히터의 수, 그 구동 순서, 및 그 구동 시간을 동적으로 변경할 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
도 19c는 카운터를 사용하지 않는 예를 설명한다. 구체적으로, 제어기(1920)는 구동 히터 제어 회로(1922)를 포함하고, 구동 히터 제어 회로(1922)로부터 히터 선택 회로(1913)로 구동 히터 선택 신호(1933)가 출력된다. 구동 히터 선택 신호(1933)는 히터의 ID 코드에 대응하는 값을 나타내는 신호이다. 히터 선택 회로(1913)는 구동 히터 선택 신호(1933)에 기초하여 구동되는 히터(1911)를 선택한다.
도 20a 및 도 20b는 선택되는 히터를 설명하는 도면이다. 도 20a는 도 19c의 구성에서 구동 히터 제어 회로(1922)에 제공되는 구동 히터 선택 표의 예를 도시한다. 구동 히터 선택 표는 구동되는 히터의 순서를 규정하는 표이다. 구동 히터 제어 회로(1922)는, 구동 히터 선택 표를 참조하여, 제어기(1920) 내부의 도시하지 않은 카운트값에 따라서 구동되는 히터의 선택 번호를 결정하고, 히터 선택 회로(1913)에 선택 번호를 출력하도록 구성된다. 구동 히터 선택 신호(1933)는 구동되는 히터의 ID 코드를 직접 지정하여, 구동 순서를 적절히 제어할 수 있다. 여기서, 제어기(1920)는 도 20a에 도시되는 구동 히터 선택 표에 포함되는 값을 다른 임의의 값으로 변경할 수 있다. 도 20b에 대해서는 후술할 것이다.
도 19d는 히트 제어 신호(1934)가 제어기(1920)로부터 히터 선택 회로(1913)로 다른 경로를 사용하여 출력되는 예를 설명한다. 도 19d에서, 도 19a의 경우와 마찬가지로 카운터(1912)가 제공된다. 여기서, 도 19b를 참조하여 설명된 바와 같이, 제어기(1920)는 카운터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 도 19c를 참조하여 설명된 바와 같이, 카운터를 사용하는 대신에 구동 히터 선택 신호를 사용할 수 있다. 히트 제어 신호(1934)를 다른 경로 상에 제공함으로써, 동시에 구동되는 히터의 수, 그 구동 순서 및 그 구동 시간을 보다 유연하게 설정할 수 있다.
도 21은 히터 선택 회로(1913)를 설명하는 도면이다. 여기서, 히터 선택 회로(1913)는 설정 I/F(1931)에 의해 설정된 설정값과, 카운터(1912)(또는 카운터(1921))의 카운트값에 기초하여 구동되는 히터(1911)를 선택한다. 본 예에서는, 제어기(1920)로부터의 설정 I/F(1931)은 동시에 구동되는 히터의 수 및 그 구동 순서를 동적으로 변경할 수 있다. 여기서, 히터의 수는 16개, 각각의 히터의 ID는 3 비트 수(0 내지 7)이고, 카운터의 비트 수는 3 비트인 구성의 예를 설명할 것이다. 그러나, ID 및 카운터의 비트 수에 제한은 없다. 한편, 도 21의 히터 코드는 히터 ID와 달리 각각의 히터를 고유하게 특정하는 코드로 정의된다. 예를 들어, 도 21의 예에서는, 히터 코드 "0" 및 "8"을 갖는 히터에 히터 ID "000"이 할당된다. 이러한 방식으로, ID는 0, 1, 2, …, 7, 0, 1, …, 및 7의 순서로 히터에 할당된다.
도 21은 3개의 구동예를 도시한다. 동시 구동 제어는 설정 I/F(1931)에 의해 설정된 설정값에 따라 이러한 구동예 중 임의의 예에 따라 수행된다. 각각의 구동예는, 히터 ID 및 카운터의 비트 수(3 비트) 중 어느 비트를 사용할지에 따라서 다르다.
먼저, 제1 구동예를 설명할 것이다. 제1 구동예는 각각의 히터 ID의 비트 수 중 3 비트와 각각의 카운터 수의 3 비트를 사용하는 구동예이다. 제어기(1920)는 설정 I/F(1931)을 채용해서 사용되는 비트 수를 설정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(1920)는 사용되는 히터의 ID 중 최하위 비트(LSB)를 "0"으로 설정하고, 사용되는 히터의 ID 중 최상위 비트(MSB)를 "2"로 설정한다. 또한, 제어기(1920)는 사용되는 카운터의 비트의 LSB를 "0"으로 설정하고, 사용되는 카운터의 비트의 MSB를 "2"로 설정한다. 그 후에, 제어기(1920)는 히트 및 카운터 제어 신호(1930)를 출력하여, 상술한 바와 같이, 카운터(1912)가 카운트하게 한다. 이때, 설정 I/F에 의해 선택된 비트와 일치하는 카운터의 값과 ID의 값을 갖는 히터는 히트 및 카운터 제어 신호(또는 히트 제어 신호)의 높은 기간 동안 구동된다. 예를 들어, 카운터값이 타이밍(2101)에서 선택되는 경우, 히터 ID "010"을 갖는 히터가 구동된다. 구체적으로는, 히터 코드 "2" 및 "10"을 갖는 히터가 구동된다. 이 경우 동시 구동 수는 2개이다.
이어서, 제2 구동예를 설명할 것이다. 제2 구동예는 각각의 히터 ID의 비트 수 중 2비트 및 각각의 카운터 수 중 2비트를 사용하는 구동예이다. 제어기(1920)는 설정 I/F(1931)을 채용해서 사용되는 비트 수를 설정한다. 구체적으로는, 제어기(1920)는 사용되는 히터의 ID의 LSB를 "0"으로 설정하고, 사용되는 히터의 ID의 MSB를 "1"로 설정한다. 또한, 제어기(1920)는 사용되는 카운터의 비트의 LSB를 "0"으로 설정하고, 사용되는 카운터의 비트의 MSB를 "1"로 설정한다. 그 후에, 제어기(1920)는 히트 및 카운터 제어 신호(1930)를 출력하여, 카운터(1912)가 카운트하게 한다. 이때, 설정 I/F에 의해 선택된 비트와 일치하는 카운터의 값과 ID의 값을 갖는 히터는 히트 및 카운터 제어 신호(또는 히트 제어 신호)의 높은 기간 동안 구동된다. 카운터값이 타이밍(2102)에서 선택되는 경우, 히터 ID에서 "10"과 동일한 비트1 및 비트0의 조합된 값을 갖는 히터가 구동된다. 여기서, 비트2의 값은 임의의 값일 수 있다. 구체적으로는, 히터 코드 "2", "6", "10" 및 "14"를 갖는 히터가 구동된다. 이 경우 동시 구동수는 4개이다.
이어서, 제3 구동예를 설명할 것이다. 각각의 히터 ID의 비트 수 중 2비트 및 각각의 카운터의 비트 수 중 2비트를 사용하는 제3 구동예를 제2 구동예와 마찬가지로 설명할 것이다. 그러나, 본 명세서에서 다른 LSB 및 MSB 값이 사용된다. 구체적으로는, 제어기(1920)는 사용되는 히터의 ID의 LSB를 "1"로 설정하고, 사용되는 히터의 ID의 MSB를 "2"로 설정한다. 한편, 제어기(1920)는 사용되는 카운터의 비트의 LSB를 "0"으로 설정하고, 사용되는 카운터의 비트 수의 MSB를 "1"로 설정한다. 여기서, 카운터값이 타이밍(2103)에서 선택되는 경우, 히터 ID에서 "10"과 동일한 비트2 및 비트1의 조합된 값을 갖는 히터가 구동된다. 구체적으로는, 히터 코드 "4" 및 "12"를 갖는 히터가 구동된다. 이 경우 동시 구동수는 2개이다.
상술한 바와 같이, 설정 I/F(1931)을 통해 제어기(1920)에 의해 지정된 ID 및 카운터의 비트에 기초하여, 동시 구동수 및 구동 순서를 변경할 수 있다. 여기서, 설정 I/F(1931)의 설정값은, 즉시 반영되거나 또는 소정의 타이밍에 반영될 수 있다. 도 20b는 제어기(1920)로부터 설정 I/F(1931)을 통해 설정값을 전송할 때 히터 선택 회로에 반영되는 대신에, 카운터의 1 사이클의 타이밍에 히터 선택 회로가 래치되는 구성의 예를 도시한다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 동시에 구동되는 히터의 수, 그 구동 순서 및 그 구동 시간을 동적으로 설정할 수 있다. 본 실시 형태는 또한 제어기(1920)로부터의 히트 및 카운터 제어 신호(1930)의 주파수를 사용해서 히터를 구동하는 주파수를 제어할 수 있다. 한편, 제어기(1920)로부터의 히트 및 카운터 제어 신호(1930)의 높은 기간을 사용해서 히터를 구동하는 시간을 제어할 수 있다.
<<제4 실시 형태>>
본 실시 형태에서는, 특정 회로 예를 사용해서 히터(10)의 구동을 제어하는 예를 설명할 것이다. 제1 실시 형태에서 설명된 바와 같이, "막 비등 역치 에너지"를 검출하는 검출 유닛을 포함하는 구성은 또한 구동되지 않는 히터(10)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 이 구성은 단선 등에 의해 구동되지 않는 히터를 검출할 수 있다. 본 실시 형태에서는 또한 상술한 경우에 적용 가능한 히터를 무시하고 구동되는 히터를 설정하는 예를 설명할 것이다. 즉, 단선 등이 발생한 경우에도, 동시에 구동되는 히터의 수를 동적으로 제어할 수 있는 예를 설명할 것이다.
도 22a 및 도 22b는, 각각의 히터를 통해 흐르는 전류를 제어하는 스위치(SW)를 위한 제어 회로의 예를 도시하는 도면이다. 도 22a는 제1 예를 도시하고, 도 22b는 제2 예를 도시한다. 이제, 도 22a에 도시된 제1 예가 설명될 것이다. 제1 예는 시분할 제어에 의해 동시 구동을 수행하는 회로 구성의 예를 설명하는 경우이다. 제2 예는 단선 등을 유발하는 히터를 제외하고 동시 구동을 수행하는 회로 구성의 예를 설명하는 경우이다.
<제1 예>
도 22a에서, 시프트 레지스터(2201)는 512개의 플립플롭 회로(FF0 내지 FF511)로 형성된다. FF511의 D 단자에는, 높은 레벨(H)의 로직 신호가 인가된다. 이하의 설명에서, 높은 레벨(H)의 로직 신호는 "1"로 표시되고, 낮은 레벨(L)의 로직 신호는 "0"로 표시될 것이다. 각각의 플립플롭 회로 리셋 단자에는, 로드(load) 신호가 연결된다. 따라서, 로드 신호가 높은 레벨(H)이 되는 경우에는 낮은 레벨(L)의 로직 신호가 Q 단자로부터 출력된다.
이하에서는, 히터(0)에 대응하는 SW의 제어 회로의 구성요소를 예로서 설명할 것이다. 카운터(2202)는 클릭 신호(도시되지 않음)에 연결된다. 클릭 신호의 상승시에 FF0의 Q 단자가 "1"로 설정되면, 카운터값은 1씩 증분된다. 또한, 카운터(2202)는 후술하는 카운터 최대값(2203)에 연결된다. 클릭 신호의 상승시에 FF0의 Q 단자가 "1"로 설정되고, 카운터 최대값(2203)으로부터 입력되는 값이 카운터값과 동등하면, 이어서 카운터값은 0으로 복귀한다. 또한, 카운터(2202)는 또한 로드 신호(도시되지 않음)에 연결된다. 로드 신호의 상승시에, 카운터값은 0으로 복귀한다.
카운터 최대값(2203)은 내부에 카운터 최대값으로서 역할을 하는 값을 보유지지하는 레지스터를 포함한다. 시분할을 수행해서 히터를 구동하는 경우에 시분할 수로부터 1을 감산해서 얻은 값이 카운터 최대값(2203)으로 설정된다.
카운터(2202)의 카운터값은 입력 신호로서 카운터 래치(2204)에 연결된다. 카운터 래치(2204)는 로드 신호가 "1"이 되는 경우에, 카운터(2202)의 카운터값을 내부에 래치한다.
블록 카운터(2205)는 히트 신호의 상승시에 1씩 증분된다. 블록 카운터(2205)의 카운터값은, 카운터값이 히트 신호의 상승시에 카운터 최대값으로 설정된 값과 동등하면, 0으로 복귀한다. 한편, 블록 카운터(2205)의 카운터값은, 로드 신호가 "1"이 되는 경우에 또한 0으로 복귀한다.
비교기(2206)는 카운터 래치(2204)가 래치한 값이 블록 카운터(2205)의 카운터값과 동등한 경우에 값 "1"을 출력한다. AND 게이트(2207)는 2개의 입력 단자를 포함하고, 비교기(2206)로부터의 출력과 히트 신호는 입력 단자에 연결된다. AND 게이트(2207)의 출력 단자가 SW에 연결된다.
히터(1 내지 511)에 대응하는 SW의 각각을 위한 제어 회로는, 마찬가지로, 시프트 레지스터(2201), 카운터(2202), 카운터 래치(2204), 비교기(2206), 및 AND 게이트(2207)를 포함한다. 또한, 제어 회로는 카운터 최대값(2203) 및 블록 카운터(2205)에 연결된다. 또한, 도 22a는 512개의 히터를 위한 제어 회로의 구성의 예를 도시하고 있지만, 히터의 수는 다를 수 있다. 제어 회로는 상술한 각각의 히터에 대응하는 구성요소를 단순히 증가 또는 감소시킴으로써 상이한 수의 히터를 처리할 수 있다.
이어서, 히터 구동 시분할 수가 4인 경우에 적용 가능한, 도 22a의 제어 회로의 구성의 예를 도 23a 내지 도 24를 참조하여 설명할 것이다. 도 23a 및 도 23b는 특정 타이밍에서의 도 22a의 제어 회로의 구성의 상태를 도시하는 도면이다. 도 24는 타이밍 차트를 도시하는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 23a는 도 24에 나타내는 타이밍(1)에서의 제어 회로의 상태를 도시하는 도면이고, 도 23b는 도 24에 나타내는 타이밍(2) 및 타이밍(3)에서의 제어 회로의 상태를 도시하는 도면이다.
도 23a 및 도 23b에서, 각각의 원 및 타원 내의 수는, 대응하는 구성요소가 보유지지하는 값을 나타낸다. 이제, 도 23a 및 도 23b를 참조하여 이하 설명할 것이다. 도 23a는 도 24의 타이밍(1)으로 나타내는 타이밍에서의 각각의 구성요소의 상태를 도시하는 도면이다. 시프트 레지스터(2201) 내의 각각의 FF의 Q 단자는 값 "0"을 갖는다. 한편, 각각의 히터를 위한 제어 회로 내의 카운터 및 카운터 래치는 또한 값 "0"을 갖는다. 카운터 최대값(2203)의 값은 히터 구동 시분할 수가 4이기 때문에, 3으로 설정된다.
도 23b는 도 24의 타이밍(2) 및 타이밍(3)에서의 각각의 구성요소의 상태, 또는 보다 구체적으로 로드 신호의 상승 때의 구성요소의 상태를 도시하는 도면이다. 타이밍(2)은 타이밍(1) 이후로 클릭 신호를 512회 토글한 후의 타이밍인 반면, 타이밍(3)은 타이밍(2) 이후로 클릭 신호를 512회 토글한 후의 타이밍이다. 시프트 레지스터(2201)의 FF511의 D 단자에 값 "1"이 입력되기 때문에, 시프트 레지스터의 모든 FF의 Q 단자는 클릭 신호를 512회, 즉 시프트 레지스터(2201)의 스테이지 수만큼 많이 토글한 후 값 "1"을 출력한다. 각각의 히터 제어 회로의 카운터는 로드 신호가 상승하기 직전 히터(0)로부터 순서대로 0, 1, 2, 3, 0, 1, …, 1, 2, 3의 값을 갖는다. 모든 카운터의 값은 로드 신호의 상승과 함께 0으로 복귀한다. 각각의 히터 제어 회로 내의 카운터 래치는 0으로 복귀하기 전의 대응하는 카운터의 값을 래치한다. 여기서, 카운터 래치의 값은 도 23b의 값 0 내지 3 중 어느 하나의 값으로부터 0으로 천이하는 방식으로 설명되고, 타이밍(2)에서 래치된 값이 변경없이 유지되기 때문에, (도 23b의 설명과 달리) 동일한 값이 타이밍(3)에서 래치될 것이다. 각각의 히터 제어 회로의 시프트 레지스터(2201) 및 카운터는 타이밍(1)에서 타이밍(2)까지의 동작과 동일한 타이밍(2)에서 타이밍(3)까지의 동작을 수행한다.
한편, 히터 구동 시분할 수가 4이므로, 히트 신호는 타이밍(2)에서 타이밍(3)까지 4회의 값 "1"을 취한다. 블록 카운터(2205)는 히트 신호가 상승할 때마다 1씩 증분된다. 비교기(2206)는 각각의 히터 제어 회로 내의 카운터 래치(2204)의 값이 대응하는 블록 카운터(2205)의 값과 동등한 경우에, 값 "1"을 출력한다. 비교기가 값 "1"을 출력한 각각의 히터 제어 회로에 연결된 SW에 값 "1"이 적용되어, 대응하는 히터가 구동된다.
<제2 예>
도 22b는 UFB를 더 이상 생성할 수 없는 히터(이하, "불능 히터"라고 칭함)을 포함하는 경우에서의 각각의 히터를 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 SW를 위한 제어 회로의 예를 도시하는 도면이다.
막 비등을 발생할 수 없는 히터를 제외하고, 동시에 구동되는 히터의 수를 동적으로 제어하는 경우에는, 임의의 시분할 수로 동시에 에너지를 인가하는 히터를 균등화된 방식으로 제어한다. 임의의 시분할 수를 사용해서 히터를 구동함으로써, 전원 시스템에 대응하는 전력 소비로 UFB를 생성할 수 있다. 또한, 불능 히터를 제외하고 히터를 시분할해서 구동함으로써, 시분할 동작 동안 전력 절약 변동을 억제할 수 있다. 이제, 도면을 참조하여 이하 예를 구체적으로 설명할 것이다.
제1 예와 마찬가지로, 히터(1 내지 511)에 대응하는 각각의 SW를 위한 제어 회로는 시프트 레지스터(2201), 카운터(2202), 카운터 래치(2204), 및 비교기(2206)를 포함한다. 또한, SW를 위한 각각의 제어 회로는 데이터 래치(2251) 및 AND 게이트(2252)를 포함한다. 또한, 각각의 제어 회로는 카운터 최대값(2203) 및 블록 카운터(2205)에 연결된다. 카운터(2202), 카운터 래치(2204), 비교기(2206), 카운터 최대값(2203), 및 블록 카운터(2205)는 도 22a의 동작과 동일한 동작을 수행하므로, 설명은 생략할 것이다.
그러나, 데이터 신호가 시프트 레지스터(2201)의 FF511의 D 단자에 연결된다. 불능 히터를 히터 n으로 정의하면, 클릭 신호가 시프트 레지스터(2201)의 스테이지 수만큼 토글될 때 FFn의 Q 단자로부터 값 "0"이 출력되도록 데이터 신호가 설계된다. 본 실시 형태에서, 불능 히터는 이미 알려진 것으로 가정하고 데이터 신호는 이 알려진 정보에 기초하여 출력되는 것으로 가정한다.
이하, 히터(0)의 경우의 구성을 예로서 설명할 것이다. 시프트 레지스터(2201)의 FF0의 Q 단자는 입력 신호로서 데이터 래치(2251)에 연결된다. 로드 신호가 "1"이 되었을 경우에, Q 단자의 값을 내부에 래치한다. AND 게이트(2252)는 3개의 입력 단자를 포함하는 AND 게이트이다. 비교기(2206)로부터의 출력, 데이터 래치(2251)로부터의 출력, 및 히트 신호는 AND 게이트(2252)의 입력 단자에 연결된다. AND 게이트(2252)의 출력 단자가 SW에 연결된다. 도 22b는 또한 512개의 히터를 위한 제어 회로를 도시하고 있지만, 히터의 수는 도 22a와 관련하여 설명한 바와 같이 다를 수 있다.
이어서, 히터(1) 및 히터(4)가 히트 불능 히터이고, 히터 구동 시분할 수가 3인 경우에 적용 가능한 도 22b의 제어 회로의 구성의 예를 도 25a 내지 도 26을 참조하여 설명할 것이다. 도 25a 및 도 25b는 특정 타이밍에서의 도 22b의 제어 회로의 구성의 상태를 도시하는 도면이다. 도 26은 타이밍 차트를 도시하는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 25a는 도 26에 나타내는 타이밍(1)에서의 제어 회로의 상태를 도시하는 도면이고, 도 25b는 도 26에 나타내는 타이밍(2) 및 타이밍(3)에서의 제어 회로의 상태를 도시하는 도면이다.
도 25a 및 도 25b에서, 각각의 원 또는 타원 내의 수는 대응하는 구성요소가 보유지지하는 값을 나타낸다. 이제, 도 25a 및 도 25b를 참조하여 이하 설명할 것이다. 도 25a는 도 26의 타이밍(1)로 나타내는 타이밍에서의 각각의 구성요소의 상태를 도시하는 도면이다. 시프트 레지스터(2201) 내의 각각의 FF의 Q 단자는 값 "0"을 갖는다. 한편, 각각의 히터를 위한 제어 회로 내의 카운터 및 카운터 래치는 또한 값 "0"을 갖는다. 카운터 최대값(2203)의 값은, 히터 구동 시분할 수가 3이므로, 2로 설정된다.
도 25b는 도 26의 타이밍(2) 및 타이밍(3)에서의 각각의 구성요소의 상태, 또는 보다 구체적으로는 로드 신호의 상승시의 각각의 구성요소의 상태를 도시하는 도면이다. 타이밍(2)은 타이밍(1) 이후로 클릭 신호를 512회 토글한 후의 타이밍인 반면, 타이밍(3)은 타이밍(2) 이후로 클릭 신호를 512회 토글한 후의 타이밍이다. 데이터 신호는 불능 히터를 처리한다. FF1 및 FF4의 Q 단자는 클릭 신호를 512회, 즉 시프트 레지스터(2201)의 스테이지 수만큼 토글한 후 값 "0"을 출력한다. 한편, 나머지 FF의 Q 단자는 값 "1"을 출력하도록 구성된다. 각각의 히터 제어 회로의 카운터는 로드 신호가 상승하기 직전에 히터(0)으로부터 순서대로 0, 1, 2, 0, …, 0, 1의 값을 갖는다. 모든 카운터의 값은 로드 신호의 상승과 함께 0으로 복귀한다. 각각의 히터 제어 회로 내의 카운터 래치는 0으로 복귀하기 전의 대응하는 카운터의 값을 래치한다. 여기서, 카운터 래치의 값은 도 25b의 값 0 내지 2 중 어느 하나의 값으로부터 0으로 천이하는 방식으로 설명되고, 타이밍(2)에서 래치된 값이 변경없이 유지되기 때문에, (도 25b의 설명과 달리) 동일한 값이 타이밍(3)에서 래치될 것이다.
각각의 히터 제어 회로의 시프트 레지스터(2201) 및 카운터는 타이밍(1)에서 타이밍(2)까지의 동작과 동일한 타이밍(2)에서 타이밍(3)까지의 동작을 수행한다. 한편, 히트 신호는 히터 구동 시분할 수가 3이므로, 타이밍(2)에서 타이밍(3)까지 3회 값 "1"을 취한다. 블록 카운터(2205)는 히트 신호가 상승할 때마다 1씩 증분된다. 비교기는 각각의 히터 제어 회로 내의 카운터 래치의 값이 대응하는 블록 카운터(2205)의 값과 동등한 경우에, 값 "1"을 출력한다. 그러면, 불능 히터가 아닌 히터에 대응하는 SW, 또는 즉 데이터 래치(2251)가 값 "1"을 출력한 각각의 히터 제어 회로에 연결된 SW에 값 "1"이 적용된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 제어 회로는 히터와 동일한 수의 플립플롭 회로를 구비한 시프트 레지스터, 시분할 수를 내부에 보유지지하는 카운터 최대값 보유지지 유닛, 및 에너지가 인가될 때마다 카운터가 1씩 증분되는 블록 카운터를 포함한다. 또한, 각각의 제어 회로는 데이터 전송 종료 시점에 H 레벨을 논리적으로 시프트 레지스터로 출력하는 로드 신호, 에너지를 히터에 인가한 시점에서 H 레벨을 출력하는 히트 신호, 및 각각의 히터에 대한 에너지의 인가 및 비인가를 제어하는 히터 제어 유닛을 포함한다. 히터 제어 유닛은 시프트 레지스터의 히터에 대응하는 플립플롭 회로로부터의 출력이 H 레벨인 경우에 증분되고, 카운트값이 카운터 최대값까지 도달하는 경우에 0으로 복귀하는 카운터를 포함한다. 또한, 각각의 제어 회로는 로드 신호가 H 레벨이 되는 경우에 시프트 레지스터의 히터에 대응하는 플립플롭 회로로부터의 출력을 래치하는 데이터 래치, 및 로드 신호가 H 레벨이 되는 경우에, 카운터의 값을 래치하는 카운터 래치를 포함한다. 또한, 각각의 제어 회로는 블록 카운터의 값과, 카운터 래치의 값을 비교하고, 이들 값이 동등한 경우에 H 레벨을 출력하는 비교기를 포함한다. 또한, 각각의 제어 회로는 히트 신호, 데이터 래치로부터의 출력, 및 비교기로부터의 출력이 입력되는 AND 게이트를 포함한다. AND 게이트로부터의 출력은, 히터의 구동을 제어하는 스위치에 연결된다. 또한, 시프트 레지스터에 입력하는 데이터는, 시프트 레지스터의 스테이지 수에 대응하는 데이터 입력을 완료하는 경우에, 막 비등을 발생할 수 없는 히터에 대응하는 플립플롭 회로로부터 논리적으로 L 레벨이 출력되도록 구성된다.
본 실시 형태에 따르면, 임의의 시분할 수로 동시에 에너지를 인가하는 히터를 균등화된 방식으로 제어할 수 있다. 임의의 시분할 수를 사용해서 히터를 구동함으로써, 전원 시스템에 대응하는 전력 소비로 UFB를 생성할 수 있다. 한편, 불능 히터를 제외하고 히터를 시분할해서 구동함으로써, 시분할 동작 동안 전력 절약 변동을 억제할 수 있다.
<<제5 실시 형태>>
히터에 투입되는 전압 펄스의 전압은 바람직하게는 일정하게 설정된다. 전압의 변동은 막 비등 발생시의 조건을 변화시켜 UFB를 안정적으로 생성하지 못하게 할 수 있다. 히터를 구동시키기 위해서 일부 경우에 정전압 전원을 사용할 수 있다. 히터를 구동시키기 위한 전원 장치는, 바람직하게는 전체 히터를 동시에 구동시킬 수 있도록 큰 전원 용량을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 비용 또는 치수를 고려하여, 동시에 구동되는 히터의 수를 제한함으로써, 보다 전원 용량이 작은 전원 유닛을 사용할 수 있다. 이 경우에, 전체 히터를 영역으로 분할하고, 히터를 영역마다 순차 구동시킴으로써 동시 구동을 제어할 수 있다.
정전류 전원을 사용함으로써 일정한 전압을 공급하는 것이 가능하게 되지만, 급격하고 큰 로드 변동이 발생하면 공급 전압의 변동이 발생할 수 있다. 여기서, 다수의 히터를 동시에 구동하는 경우에는, 다수의 히터가 동시에 턴오프되는 상태로부터 동시에 턴온되는 상태로 천이될 수 있어, 그 결과 급격하고 큰 로드 변동이 발생한다. 전원 전압의 변화는 히터에 투입되는 에너지가 예상 수준을 벗어나는 상황으로 이어질 수 있으며, UFB의 안정적인 생성을 방해할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 급격하고 큰 로드 변동을 억제하고, 공급 전압을 일정하게 하는 예를 설명할 것이다.
도 27은 다수의 히터를 구비한 발열 유닛(2710)을 구동하기 위한 구성을 도시하는 도면이다. 발열 유닛(2710)은 단일 소자 기판(12)으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 발열 유닛(2710)은 다수의 소자 기판(12)으로 형성될 수 있다. 발열 유닛(2710) 에는, 제어기(2720) 및 전원 유닛(2730)이 연결된다.
각각의 히터는, 제어기(2720)의 제어에 의해 각각 턴온 및 오프된다. 예를 들어, 상술한 실시 형태 중 임의의 실시 형태에 따른 스위치(SW)를 사용함으로써, 히터를 턴온 및 오프할 수 있다. 히터를 구비한 발열 유닛(2710)은, 각각 몇 개의 히터를 포함하는 히터의 그룹의 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 그룹에 공통인 배선 영역에 스위치를 배치함으로써, 그룹마다의 제어가 가능하다. 이러한 방식으로, 제어기(2720)를 사용하는 제어에 의해, 그룹에 따라 온 및 오프를 제어할 수 있다.
히터를 동시에 구동하기 위해서는 등가의 양의 전류를 공급할 수 있는 전원 용량을 갖는 전원이 필요하다. 그러나, 대용량의 전원은, 치수도 커지고 비용도 높아진다. 따라서, 본 예에서는, 동시에 구동되는 히터의 수를 제한하면서 제어를 수행한다. 한편, 안정된 막 비등을 실현하기 위해, 급격하고 큰 로드 변동을 억제하면서 히터로의 전원 전압을 일정하게 하는 방식으로 제어를 수행한다.
도 28a 및 도 28d는 히터를 구동하는 모드를 설명하는 타이밍 차트이다. 도 28a는 턴온 및 오프의 타이밍을 특히 조정하지 않는 비교예를 도시한다. 막 비등을 발생시켜서 UFB를 생성하는 경우에, 상술한 바와 같이, 전압 펄스를 히터에 인가하고, 히터는 반복적으로 턴온 및 오프된다. 즉, 각각 온과 오프의 동작을 포함하는 사이클을 반복하는 방식으로 히터가 제어된다. 이때, 각각의 사이클의 초기 타이밍에 특정 제어 그룹의 모든 히터가 동시에 턴온되면 모든 히터가 턴온되기 직전에 턴오프되기 때문에 올-오프 상태가 올-온 상태로 전환된다. 그 결과, 로드가 전원의 관점에서 순간적으로 크게 변동하여, 히터 전원 전압의 변동을 초래할 수 있다.
도 28b는 본 실시 형태의 제어의 예를 도시하는 도면이다. 도 28b에 도시되는 바와 같이, 온과 오프의 동작을 포함하는 각각의 사이클의 개시 시점을, 히터 중에서 조금씩 지연하도록 히터가 제어된다. 예를 들어, SW를 통해 구동 타이밍을 지연시킴으로써, 모든 히터가 동시에 턴온되는 상황이 피해진다. 따라서, 전원 전압의 급격한 변동을 억제할 수 있다. 대안적으로, 각각의 사이클의 타이밍을 지연하는 대신에 각각의 사이클 내의 히터를 턴온하는 타이밍을 지연시킴으로써 동일한 효과를 또한 얻을 수 있다.
도 28c는 특정 영역의 다수의 히터를 그룹으로서 형성한 비교예이다. 즉, 도 28c는 턴온 및 오프의 타이밍을 조정하지 않는 예를 도시한다. 도 28c에서는, 그룹 A의 히터를 턴오프한 후, 다른 그룹 B의 히터를 턴온하기 전에 모든 히터가 턴오프되는 구간 P를 포함한다. 이 경우에도, 턴온되기 직전에 모든 히터가 턴오프되기 때문에, 올-오프 상태가 올-온 상태로 전환된다. 따라서, 히터가 턴오프되는 경우 로드가 감소하고, 전원의 관점에서 나중에 히터를 턴온하는 경우 급격히 증가한다. 이는 전원에서 볼 때 로드의 크고 순간적인 변동과 동일하며, 그 결과 히터 전원 전압도 변동한다.
도 28d는 본 실시 형태의 다른 제어의 예를 도시하는 도면이다. 도 28d에 도시되는 바와 같이, 그룹 A를 턴오프한 후, 다른 그룹 B를 온하는 경우에, 그룹 A를 턴오프한 직후에 그룹 B의 온 동작을 개시함으로써 전체 히터를 턴오프하는 시간이 감소된다. 이러한 방식으로, 전원 전압이 급격하게 변동하는 것을 억제할 수 있다. 도 28d의 예에서, 각각의 그룹의 히터는 각각의 히터를 턴온하고 오프하는 타이밍을 지연시키는 방식으로 제어된다. 또한, 그룹 A에서의 마지막으로 턴온 및 오프되는 히터와, 그룹 B에서의 최초에 턴온 및 오프되는 히터 사이의 간격이 최소화된다. 상술한 바와 같이, 특정 영역의 구동을 턴오프한 다음 다른 영역의 구동을 턴온하는 경우에, 특정 영역의 구동을 턴오프하고 턴오프 직후에 다른 영역을 턴온함으로써 전원의 관점에서 급격한 변화를 억제할 수 있다.
영역마다 히터를 구동하는 타이밍을 변경하는 이유를 설명할 것이다. T-UFB 생성 유닛(300)에 배치된 모든 히터가 동일한 구동 타이밍으로 연속적으로 구동되는 경우, T-UFB 생성 유닛(300)은 수온이 쉽게 상승하는 영역과 수온이 쉽게 상승하지 않는 영역으로 분할될 수 있다. 이 결과, 수온의 조건의 변화가 막 비등의 발생의 불안정성을 초래할 가능성도 있다. 이와 관련하여, 온도가 쉽게 상승하는 영역을 구동하기 위해 주파수를 감소시키는 방식으로 영역에 따라 히터를 구동하는 주파수를 변경함으로써 수온을 균일하게 할 수 있다.
<<제6 실시 형태>>
본 실시 형태는 소자 기판(12)을 다수의 영역으로 분할하는 예를 설명할 것이다. 다수의 히터가 각각의 영역에 배치된다. 본 실시 형태는, 소자 기판(12)의 형상, 히터의 위치, 시간 및 다른 요인으로 인해, 적합한 구동 조건이 변화하는 경우에, 영역마다 적합한 구동 조건을 설정하는 예를 추가로 설명할 것이다. 예를 들어, 영역에 따라, 히터 구동의 구동 분할 수 및 구동 사이클을 변경한다.
도 29는 본 실시 형태의 반도체 기판(2900)의 예를 나타내는 도면이다. 반도체 기판(2900)은, 도 29에 나타내는 바와 같이, 다수의 영역으로 분할된다. 본 예는 설명을 위해서 반도체 기판(2900)을 4개의 영역으로 분할하는 경우를 설명하고 있지만, 분할 수는 동적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 29에 나타내는 영역 중 2개 이상의 영역을 또한 1개의 영역으로서 통합해서 처리할 수도 있다. 각각의 영역에는, 히터(2910) 및 히터의 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서(2930)가 배치된다. 또한, 각각의 영역에는, 도시하지 않은 카운터를 구비하고, 구동되는 히터를 결정하도록 구성되는 히터 선택 회로(2940), 및 히터 선택 회로(2940)에 카운트 신호를 송신하고, 온도 센서로부터 피드백을 받도록 구성되는 제어기(2920)가 배치된다. 제어기(2920)는 대응하는 온도 센서(2930)에 의해 각각의 영역의 온도를 모니터링하고, 모니터링된 값에 따라 히터의 구동 주파수와 구동 분할 수를 동적으로 변화시킴으로써, 히터 구동시에서의 온도를 일정 범위 내에 유지하는 방식으로 제어를 수행할 수 있다. 제5 실시 형태에서 설명한 바와 같이, T-UFB 생성 유닛(300)은, T-UFB 생성 유닛(300) 내에 배치된 히터의 레이아웃에 따라, 수온이 쉽게 상승하는 영역과 수온이 쉽게 상승하지 않는 영역으로 분할될 수 있다. 이 결과, 수온의 조건의 변화가 막 비등의 발생의 불안정성을 초래할 가능성도 있다. 이와 관련하여, 온도 센서(2930)에 의해 히터의 온도를 검출하고, 히터의 구동시에서의 온도를 일정 범위 내에 유지하는 방식으로 제어한 결과, 보온을 목적으로 별도의 발열 유닛을 마련할 필요는 없다. 이러한 방식으로, 보온을 위해 필요한 전력 소비를 억제하면서, UFB를 생성할 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 히터의 구동을 효율적으로, 또한 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시 형태를 참고하여 설명했지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시 형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 액체에 막 비등을 발생시킴으로써, 초미세 기포를 생성하도록 구성되는 초미세 기포 생성 장치이며,
    상기 막 비등의 발생을 검출하도록 구성되는 검출 유닛을 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 막 비등을 발생시키도록 구성되는 히터를 더 포함하고,
    상기 검출 유닛은 상기 히터에 가까이 위치되는 센서를 포함하는, 초미세 기포 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 히터를 포함하는 기판을 더 포함하고,
    상기 센서는 상기 기판 상에서 상기 복수의 히터에 각각 대응하는 위치에 배치되는, 초미세 기포 생성 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    복수의 히터를 포함하는 기판을 더 포함하고,
    상기 센서는 상기 기판 상에서 상기 복수의 히터 사이의 위치에 배치되는, 초미세 기포 생성 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 히터에 대하여 상기 액체가 존재하는 측의 반대측 상에 배치되는, 초미세 기포 생성 장치.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 액체를 사이에 개재하여 상기 히터와 대향하는 위치에 배치되는, 초미세 기포 생성 장치.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 유닛은, 상기 센서가 상기 히터의 발열에 의한 온도를 검출하게 함으로써, 상기 막 비등의 발생을 검출하는, 초미세 기포 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 검출 유닛은, 상기 검출의 각각의 시점에서의 온도를 나타내는 프로파일의 특이점을 구함으로써, 상기 막 비등의 발생을 검출하는, 초미세 기포 생성 장치.
  9. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 유닛은, 상기 센서가 압력을 검출하게 함으로써, 상기 막 비등의 발생을 검출하는, 초미세 기포 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 검출 유닛은 음파를 사용해서 상기 압력을 검출하는, 초미세 기포 생성 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 검출 유닛은, 상기 센서로 검출되는 각각의 시점에서의 상기 압력을 나타내는 프로파일의 특이점을 구함으로써, 상기 막 비등의 발생을 검출하는, 초미세 기포 생성 장치.
  12. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 유닛에 의해 검출된 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지에 대한 정보를 도출하고, 상기 정보에 기초하여 상기 히터에 투입되는 에너지를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 히터에 투입되는 에너지는, 상기 검출 유닛에 의해 검출된 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지보다 크고, 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지의 3배보다 작은, 초미세 기포 생성 장치.
  13. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 유닛에 의해 검출된 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지에 대한 정보를 도출하고, 상기 정보에 기초하여 상기 히터에 투입되는 에너지를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 히터에 투입되는 에너지는, 상기 검출 유닛에 의해 검출된 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지보다 크고, 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지의 1.3배보다 작은, 초미세 기포 생성 장치.
  14. 히터를 사용해서 액체에 막 비등을 발생시킴으로써, 초미세 기포를 생성하도록 구성되는 초미세 기포 생성 장치의 제어 방법이며,
    상기 막 비등의 발생을 검출하는 단계;
    검출된 상기 막 비등의 발생시에서의 에너지에 대한 정보를 도출하는 단계;
    상기 정보에 기초하여 상기 히터에 투입되는 에너지를 제어하는 단계를 포함하는, 초미세 기포 생성 장치의 제어 방법.
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