KR20220125520A - Atomic vapor cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자 증기 셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 발명이다. 구체적으로, 본 발명은 리드 및 유리 용기 내부에 산화 알루미늄을 코팅하여 제작되는 원자 증기 셀 및 산화 알루미늄이 코팅된 원자 증기 셀을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic vapor cell and a method for manufacturing the same. Specifically, the present invention relates to an atomic vapor cell manufactured by coating aluminum oxide inside a lid and a glass container, and to a method of manufacturing the aluminum oxide-coated atomic vapor cell.
원자 증기 셀을 기반으로 하는 원자 센서는 원자 시계, 원자 스핀 자이로, 원자 자계 등이 있다. 원자 센서의 주요 부품인 원자 증기 셀은 Pyrex, 알루미노규산염(Aluminosilicate) 등과 같은 유리 재질로 이루어져 있으며, 내부에 알칼리 원자 (Cs, Rb, K 원자 등), 노블가스 (He, Xe 가스 등), 버퍼가스 (N2, Ar, H2 가스 등) 등이 주입될 수 있다.Atomic sensors based on atomic vapor cells include atomic clocks, atomic spin gyros, and atomic magnetic fields. The atomic vapor cell, the main component of the atomic sensor, is made of glass materials such as Pyrex and aluminosilicate, and contains alkali atoms (Cs, Rb, K atoms, etc.), noble gases (He, Xe gases, etc.), A buffer gas (N2, Ar, H2 gas, etc.) may be injected.
도 1은 판매되고 있는 Pyrex로 제작한 유리 용기의 일 예이다. 원자 증기 셀의 재료로 사용되는 유리 재질 중 하나인 Pyrex는 이산화규소(SiO2)가 80.6 %, 붕소산화물(B2O3)이 12.6 %, 산화알루미늄(Al2O3)이 2.2 %로 구성되어 있는 유리이다. Pyrex의 소프트닝 온도는 820 ℃, 어닐링 (annealing) 온도는 565 ℃, 녹는 온도는 1250 ℃ 로, 취급이 용이하여 고온으로 유리를 녹여 용기를 만드는 작업에 Pyrex가 사용될 수 있다. 또한, Pyrex는 실리콘과 열팽창 계수가 유사하여 반도체 공정에도 많이 사용되고 있다.1 is an example of a glass container made of Pyrex on sale. Pyrex, one of the glass materials used as a material for an atomic vapor cell, is a glass composed of 80.6% silicon dioxide (SiO2), 12.6% boron oxide (B2O3), and 2.2% aluminum oxide (Al2O3). The softening temperature of Pyrex is 820 °C, the annealing temperature is 565 °C, and the melting temperature is 1250 °C. In addition, Pyrex has a similar coefficient of thermal expansion to that of silicon, so it is widely used in semiconductor processes.
원자 증기 셀의 재료로 사용되는 유리 재질 중 또 다른 하나인 알루미노규산염은 이산화규소가 60 %, 붕소산화물이 4 %, 산화알루미늄이 16 %로 구성되어 있는 유리이다. 알루미노규산염은 Pyrex와 비교했을 때 산화알루미늄의 비중이 더 높다. 알루미노규산염의 소프트닝 온도는 1000 ℃, 어닐링 온도는 800 ℃, 녹는 온도는 1200~1600 ℃ 로, Pyrex 보다 단단하고 고온에 더 잘 견디며 화학적 저항성(chemical resistance)이 좋은 특성이 있다. 이에 따라 알루미노규산염은 주로 스마트폰 덮개 유리의 재료로 사용되고 있다.Aluminosilicate, another glass material used as a material for an atomic vapor cell, is a glass composed of 60% silicon dioxide, 4% boron oxide, and 16% aluminum oxide. Aluminosilicate has a higher specific gravity of aluminum oxide compared to Pyrex. The softening temperature of aluminosilicate is 1000 °C, the annealing temperature is 800 °C, and the melting temperature is 1200~1600 °C. Accordingly, aluminosilicate is mainly used as a material for smartphone cover glass.
기존에는 Pyrex 재질에 알칼리 원자, 노블 가스(noble gas), 버퍼 가스(buffer gas)를 주입한 후 리드(lid)의 스템(stem)에 불을 가하여 녹여 밀봉하는 글래스 블로잉(glass blowing) 방식으로 원자 증기 셀을 제작하였다. 도 2는 이러한 글래스 블로잉 방식으로 밀봉된 원자 증기 셀의 예시를 나타낸다. 그러나, Pyrex 재질의 원자 증기 셀을 100 ℃ 정도의 고온에서 장시간 운용하면, 알칼리 원자가 Pyrex와 반응하여 성능이 줄어들게 된다. 즉, 알칼리 원자의 밀도가 줄어 들어 신호에 참여하는 원자의 개수가 줄어 들고, 알칼리 원자가 Pyrex와 반응함에 따라 유리가 변색하여 레이저의 투과율이 나빠지는 문제점이 있다. Conventionally, alkali atoms, noble gas, and buffer gas are injected into the Pyrex material, and then the stem of the lid is heated to melt and seal the atom by the glass blowing method. A vapor cell was fabricated. 2 shows an example of an atomic vapor cell sealed in such a glass-blowing manner. However, when an atomic vapor cell made of Pyrex is operated at a high temperature of about 100° C. for a long time, alkali atoms react with Pyrex, and performance is reduced. That is, as the density of alkali atoms decreases, the number of atoms participating in the signal decreases, and as the alkali atoms react with Pyrex, the glass discolors and the transmittance of the laser deteriorates.
이와 같은 문제는 알루미노규산염을 사용하면 해결될 수도 있으나, 알루미노규산염은 녹는 온도가 높아 취급이 까다로운 단점이 있기 때문에, 현재 알루미노규산염으로 만들어진 유리 용기는 판매되지 않고 있는 실정이다. This problem can be solved by using aluminosilicate, but since aluminosilicate has a high melting temperature and is difficult to handle, glass containers made of aluminosilicate are not currently sold.
한편, 산화 알루미늄(Al2O3)은 세라믹 재료로 널리 알려진 재료로, Pyrex보다 단단하면서 녹는점이 높다. 이에 기초하여, 본 발명에서는 Pyrex로 제작한 유리 용기에 산화 알루미늄을 코팅하여 원자 증기 셀을 만드는 방법을 제안한다.On the other hand, aluminum oxide (Al2O3) is a widely known ceramic material. It is harder than Pyrex and has a higher melting point. Based on this, the present invention proposes a method of making an atomic vapor cell by coating aluminum oxide on a glass container made of Pyrex.
본 실시 예가 해결하고자 하는 과제는, 알칼리 원자의 유리 벽면에 대한 침투를 방지하여 알칼리 원자의 밀도를 유지하고 유리의 변색을 방지할 수 있는 원자 증기 셀 및 이를 제작하는 방법을 제공하는 데 있다.An object to be solved by this embodiment is to provide an atomic vapor cell capable of preventing penetration of alkali atoms into a glass wall surface, maintaining the density of alkali atoms, and preventing discoloration of glass, and a method of manufacturing the same.
또한, 본 실시 예가 해결하고자 하는 과제는, 노블 가스 및 버퍼 가스를 장시간 방치하는 경우 가스 원자가 증기 셀 바깥으로 빠져나가거나 외부의 원자가 증기 셀 내부로 역침투하는 상황을 방지하여 내부의 가스 농도를 일정하게 유지하고 원자 증기 셀의 성능을 유지할 수 있는 원자 증기 셀 및 이를 제작하는 방법을 제공하는 데 있다.In addition, the problem to be solved by this embodiment is to prevent a situation in which gas atoms escape out of the vapor cell or reverse infiltration into the interior of the vapor cell when the noble gas and the buffer gas are left for a long time to keep the gas concentration inside constant It is an object of the present invention to provide an atomic vapor cell capable of maintaining the performance of the atomic vapor cell and a method of manufacturing the same.
본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.The technical problems to be achieved by the present embodiment are not limited to the technical problems described above, and other technical problems may be inferred from the following embodiments.
일 실시 예에 따른 원자 증기 셀을 제조하는 방법은, 제1 접합면을 가지는 리드(lid) 및 제2 접합면을 가지는 유리 용기를 준비하는 단계; 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 폴리싱하는 단계; 상기 리드 및 상기 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화물을 코팅하는 단계; 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 접합하여 상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment includes: preparing a glass container having a lid having a first bonding surface and a second bonding surface; polishing the first bonding surface and the second bonding surface; coating an oxide on the inside of at least one of the lid and the glass container; and sealing the atomic vapor cell by bonding the first bonding surface and the second bonding surface.
일 실시 예에 따른 원자 증기 셀은, 제1 접합면을 가지는 리드; 및 제2 접합면을 가지는 유리 용기를 포함할 수 있으며, 상기 원자 증기 셀은, 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 폴리싱하고, 상기 리드 및 상기 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화물을 코팅하고, 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 접합하여 밀봉함으로써 제작될 수 있다.An atomic vapor cell according to an embodiment includes a lead having a first bonding surface; and a glass vessel having a second bonding surface, wherein the atomic vapor cell polishes the first bonding surface and the second bonding surface and depositing an oxide into at least one of the lid and the glass vessel. It may be manufactured by coating and sealing the first bonding surface and the second bonding surface by bonding.
본 개시에 따르면, 산화 알루미늄 코팅으로 인하여, 증기 셀 내부로 주입된 알칼리 원자가 Pyrex 유리에 흡착되는 것을 방지할 수 있으므로, 증기 셀 내부의 알칼리 원자의 밀도를 유지하고 유리의 변색을 방지할 수 있다.According to the present disclosure, due to the aluminum oxide coating, it is possible to prevent the alkali atoms injected into the vapor cell from being adsorbed to the Pyrex glass, thereby maintaining the density of alkali atoms in the vapor cell and preventing discoloration of the glass.
또한, 본 개시에 따르면, 산화 알루미늄 코팅으로 인하여, 증기 셀 내부의 가스 원자가 셀 바깥으로 빠져나가거나 외부의 원자가 셀 내부로 역침투하는 상황을 방지하여, 증기 셀의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.In addition, according to the present disclosure, due to the aluminum oxide coating, it is possible to prevent a situation in which gas atoms inside the vapor cell escape out of the cell or reverse infiltration of external atoms into the cell, thereby maintaining the performance of the vapor cell constant.
발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 Pyrex로 제작한 유리 용기의 일 예이다.
도 2는 글래스 블로잉 방식으로 밀봉된 원자 증기 셀의 일 예이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 리드의 재질이 유리인 경우 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 리드의 재질이 실리콘인 경우 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is an example of a glass container made of Pyrex.
2 is an example of an atomic vapor cell sealed in a glass blowing manner.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment.
4 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment when a material of a lead is glass.
5 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment when a material of a lead is silicon.
실시 예들에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Terms used in the embodiments are selected as currently widely used general terms as possible while considering functions in the present disclosure, but may vary depending on intentions or precedents of those of ordinary skill in the art, emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the corresponding description. Therefore, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the term and the contents of the present disclosure, rather than the simple name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the entire specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
명세서 전체에서 기재된 “a, b, 및 c 중 적어도 하나”의 표현은, 'a 단독', 'b 단독', 'c 단독', 'a 및 b', 'a 및 c', 'b 및 c', 또는 'a, b, 및 c 모두'를 포괄할 수 있다.The expression “at least one of a, b, and c” described throughout the specification is, 'a alone', 'b alone', 'c alone', 'a and b', 'a and c', 'b and c ', or 'all a, b, and c'.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment.
원자 증기 셀은 리드와 유리 용기로 구성될 수 있으며, 단계 S301에서 제1 접합면을 가지는 리드와 제2 접합면을 가지는 유리 용기가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 유리 몸체는 Pyrex 재질로 구성될 수 있다. 제1 접합면과 제2 접합면은 리드와 유리 용기가 맞닿는 부분을 의미한다.The atomic vapor cell may be composed of a lead and a glass container, and in step S301, a lead having a first bonding surface and a glass container having a second bonding surface may be prepared. According to an embodiment, the glass body may be made of a Pyrex material. The 1st bonding surface and the 2nd bonding surface mean the part where a lead and a glass container contact|abut.
단계 S302에서 제1 접합면과 제2 접합면이 폴리싱(polishing)될 수 있다. 이는 접합이 용이하도록 하기 위해 접합면의 평활, 평탄도를 유지하여 접합면을 연마(polishing)하는 것을 의미한다. 리드의 재질이 유리(예를 들어, Pyrex)인 경우에는 폴리싱 이후에 접합 부위에 마스킹이 수행될 수도 있다. 마스킹이 수행되는 것은 접합 부위에 산화물이 코팅되는 것을 방지하여 리드와 유리 용기의 접합이 보다 견고하게 이루어지게 하기 위함이다.In step S302, the first bonding surface and the second bonding surface may be polished. This means polishing the bonding surface by maintaining smoothness and flatness of the bonding surface in order to facilitate bonding. When the material of the lead is glass (eg, Pyrex), masking may be performed on the bonding portion after polishing. The masking is performed in order to prevent the oxide from being coated on the bonding area, so that the bonding between the lead and the glass container is made more firmly.
단계 S303에서 리드 및 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화물이 코팅될 수 있다. 일 예로, 산화물은 산화 알루미늄을 포함하며, 정확히 Al2O3를 의미할 수 있다. 리드의 재질이 유리인 경우에는 제1 접합면과 제2 접합면에 마스크가 씌워져 있으므로, 마스크가 씌워진 부위에는 산화물 코팅이 이루어지지 않을 것이다.In step S303, an oxide may be coated on the inside of at least one of the lid and the glass container. For example, the oxide includes aluminum oxide and may mean exactly Al2O3. When the material of the lead is glass, since the mask is covered on the first bonding surface and the second bonding surface, oxide coating will not be performed on the area covered with the mask.
단계 S304에서 제1 접합면 및 제2 접합면을 접합하여 원자 증기 셀을 밀봉할 수 있다. 접합면들이 접합되는 방법은 리드의 재질에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 리드의 재질이 유리인 경우에는 광학결합(Deep Optical Contact) 방식으로 접합이 이루어질 수 있다. 구체적으로 고온(예를 들어, 500 ℃ 이상)을 가하여 접합면의 분자간 결합(Van-der-waals)을 유도하여 접합을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 리드의 재질이 유리인 경우에는 산화 알루미늄이 코팅된 후 마스크를 제거하여 리드와 유리 용기 간의 접합을 시도할 수 있다. 리드의 재질이 유리가 아닌, 예를 들어, 실리콘인 경우에는 리드와 용기를 고온으로 베이킹(baking)하여 접합할 수 있다. 또한, 터보 펌프로 용기 내 공기를 뽑아내는 방식으로 증기 셀 내부를 진공 상태로 만들 수 있다. 이때 증기 셀은 진공 상태의 챔버 내에서 베이킹 되고 터보 펌핑되어 고진공 상태를 유지할 수 있게 된다.In step S304, the atomic vapor cell may be sealed by bonding the first bonding surface and the second bonding surface. A method of bonding the bonding surfaces may vary depending on the material of the lead. For example, when the material of the lead is glass, bonding may be performed using a deep optical contact method. Specifically, a junction may be formed by inducing intermolecular bonding (Van-der-waals) of the bonding surface by applying a high temperature (eg, 500° C. or higher). According to an embodiment, when the material of the lead is glass, after the aluminum oxide is coated, the mask may be removed to attempt bonding between the lead and the glass container. When the material of the lead is not glass, for example, silicon, the lead and the container may be bonded by baking at a high temperature. In addition, it is possible to make the inside of the vapor cell in a vacuum state by extracting air in the vessel with a turbo pump. At this time, the vapor cell is baked and turbo-pumped in a vacuum chamber to maintain a high vacuum state.
일 실시 예에 따르면, 증기 셀의 내부로 특정 원소의 원자 및 특정 가스를 주입하고 최종적으로 원자 증기 셀을 밀봉할 수 있다. 특정 원소는 주기율표 1족의 알칼리 금속(alkali metal)일 수 있으며, 예를 들어, 세슘(Cs), 류비듐(Rb), 칼륨(K) 등일 수 있다. 특정 가스는 노블 가스 및 버퍼 가스를 포함할 수 있다. 노블 가스는 헬륨(He), 제논(Xe) 등을 포함할 수 있고, 버퍼 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 수소(H2) 등을 포함할 수 있다. 노블 가스 및 버퍼 가스는 모두 비활성 기체로서, 증기 셀이 동작하는 경우 특정 원소들에 조사되는 레이저 등에 반응하지 않는 안정화된 기체일 수 있다. According to an embodiment, an atom of a specific element and a specific gas may be injected into the vapor cell, and finally the atomic vapor cell may be sealed. The specific element may be an alkali metal of Group 1 of the periodic table, for example, cesium (Cs), rubidium (Rb), potassium (K), and the like. The specific gas may include a noble gas and a buffer gas. The noble gas may include helium (He), xenon (Xe), and the like, and the buffer gas may include nitrogen (N2), argon (Ar), hydrogen (H2), and the like. Both the noble gas and the buffer gas are inert gases, and may be stabilized gases that do not react to lasers irradiated to specific elements when the vapor cell operates.
증기 셀의 내부로 특정 원소의 원자 및 특정 가스가 주입되는 시점은 증기 셀을 구성하는 재질에 따라 다를 수 있다. 구체적으로, 증기 셀이 접합되거나 밀봉되는 방식이 다르기 때문에, 원소와 가스가 주입되는 시점 또한 달라질 수 있다.A timing at which atoms of a specific element and a specific gas are injected into the vapor cell may vary depending on a material constituting the vapor cell. Specifically, because the manner in which the vapor cells are bonded or sealed is different, the timing at which the elements and gases are injected may also be different.
예를 들어, 리드의 재질이 유리인 경우에는 리드와 유리 용기가 광학결합 방식으로 접합된 이후, 리드에서 돌출된 스템(stem)을 통해 원소와 가스가 주입될 수 있다. 그리고 스템의 일 부분에 열을 가하여 녹임으로써 증기 셀을 밀봉할 수 있다. 이와 같은 방식은 글래스 블로잉(glass blowing) 방식으로, 글래스 블로잉 방식은 진공 상태의 내부 공간에 특정 원소의 원자들을 주입하고, 이후 스템 부분을 토치 등으로 가열하여 내부 공간을 밀봉하는 방식을 의미한다.For example, when the material of the lead is glass, the element and gas may be injected through a stem protruding from the lead after the lead and the glass container are optically bonded. And by applying heat to a part of the stem and melting it, the vapor cell can be sealed. Such a method is a glass blowing method, and the glass blowing method refers to a method of injecting atoms of a specific element into an inner space of a vacuum state, and then heating a stem portion with a torch or the like to seal the inner space.
한편, 리드의 재질이 유리가 아닌, 예를 들어, 실리콘인 경우에는 리드와 유리 용기는 진공 챔버 내에서 고온으로 베이킹 됨에 따라 고진공 상태에 놓이게 되고, 이후 진공 챔버를 통해 특정 원소의 원자 및 특정 가스를 주입할 수 있다. 그리고 리드와 유리 용기를 접촉하고 고온(예를 들어, 300 ℃ 이상)으로 가열하면서 고전압을 인가함에 따라, 리드와 용기 사이의 접착면에 이종 접합, 즉, SiO2 결합이 형성될 수 있다. 이와 같은 방식은 애노딕 본딩(anodic bonding) 방식으로, 애노딕 본딩 방식은 식각된 실리콘의 상하면에 유리를 위치시킨 후, 고온으로 실리콘 및 유리를 가열한 상태에서 200 V 이상의 고전압을 인가하여 밀봉하는 방식을 의미한다.On the other hand, when the material of the lead is not glass, for example, silicon, the lead and the glass container are placed in a high vacuum state as they are baked at a high temperature in a vacuum chamber, and then atoms of a specific element and a specific gas through the vacuum chamber can be injected. In addition, as the lead and the glass container are brought into contact and a high voltage is applied while heating to a high temperature (eg, 300° C. or higher), a heterojunction, that is, a SiO2 bond, may be formed on the adhesive surface between the lead and the container. This method is an anodic bonding method, in which the glass is placed on the upper and lower surfaces of the etched silicon and then sealed by applying a high voltage of 200 V or more while heating the silicon and glass to a high temperature. means the way
일 실시 예에 따르면, 원자 증기 셀에 특정 원소의 원자와 특정 가스가 주입될 때 원자가 먼저 주입될 수 있다. 알칼리 원자가 실온에서 가스 형태로 존재하며, 가스 형태의 알칼리 원자에 열을 가해 원하는 공간에서 원하는 밀도만큼의 증기 상태로 만들기 위해서는 시간이 다소 소요될 수 있다. 즉, 알칼리 원자를 원하는 만큼 증기 상태로 만드는 데에 시간이 소요되므로, 알칼리 원자를 주입한 뒤 노블 가스와 버퍼 가스를 주입하는 것이 공정 면에서 더 효율적일 수 있다.According to an embodiment, when an atom of a specific element and a specific gas are injected into the atomic vapor cell, the atom may be injected first. Alkali atoms exist in a gaseous form at room temperature, and it may take some time to heat the gaseous alkali atoms to make them into a vapor state with a desired density in a desired space. That is, since it takes time to make the alkali atoms into a vapor state as much as desired, it may be more efficient in terms of processes to inject the alkali atoms and then inject the noble gas and the buffer gas.
한편, 유리는 무른 성질이 있어, 증기 셀 내부로 주입된 원자가 유리 벽에 침투 후 흡착될 수 있는 단점이 있다. 원자가 유리 벽에 흡착되는 경우 에너지를 잃게 되며 탄성 충돌을 더 이상 할 수 없게 된다. 그럴 경우 특정 원소의 원자들의 농도가 감소하여 원자 증기 셀의 반응 성능이 줄어들고, 원자의 흡착으로 인하여 유리가 변색되어 레이저의 투과율이 나빠질 수 있다. 또한, 증기 셀 내부로 가스가 주입되고 장시간 방치되는 경우 내부의 가스 원자가 유리를 통해 바깥으로 빠져 나가거나 바깥의 공기 중의 원자가 유리를 통해 내부로 침투하여 다른 불순물이 섞일 수 있다. 이에 따라, 유리 재질로만 이루어진 원자 증기 셀은 시간이 지날수록 그 성능이 떨어지는 단점이 있다.On the other hand, since the glass has a brittle nature, there is a disadvantage that atoms injected into the vapor cell may be adsorbed after penetrating into the glass wall. When atoms are adsorbed to the glass wall, they lose energy and can no longer undergo elastic collisions. In this case, the concentration of atoms of a specific element may decrease, and the reaction performance of the atomic vapor cell may decrease, and the glass may be discolored due to adsorption of atoms, which may deteriorate the transmittance of the laser. In addition, when gas is injected into the vapor cell and left for a long time, gas atoms in the inside may escape through the glass, or atoms in the outside air may penetrate into the inside through the glass, and other impurities may be mixed. Accordingly, the atomic vapor cell made of only a glass material has a disadvantage in that its performance deteriorates over time.
본 발명은 단계 S303에서와 같이 리드와 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화 알루미늄을 코팅함으로써 상기 단점을 극복할 수 있다. 산화 알루미늄은 유리보다는 단단하면서 녹는 점 또한 2,072 ℃로 높아, 고온에 잘 견딜 수 있다. 본 발명의 원자 증기 셀은 유리의 일 면에 산화 알루미늄을 코팅함으로써, 내부의 원자가 흡착되거나 증기 셀 바깥으로 나가는 것을 방지하고, 외부의 원자가 내부로 역침투 하는 것을 방지하여 증기 셀의 성능을 유지할 수 있으며, 증기 셀 자체는 유리(또는 실리콘) 재질로 이루어져 있기 때문에 가공이 쉬운 장점이 있다.The present invention can overcome the above disadvantage by coating aluminum oxide on the inside of at least one of the lid and the glass container as in step S303. Aluminum oxide is harder than glass and has a high melting point of 2,072 °C, so it can withstand high temperatures well. The atomic vapor cell of the present invention can maintain the performance of the vapor cell by coating aluminum oxide on one surface of the glass, preventing internal atoms from being adsorbed or going out of the vapor cell, and preventing reverse osmosis of external atoms into the interior In addition, since the vapor cell itself is made of glass (or silicon) material, it has the advantage of easy processing.
도 4는 리드의 재질이 유리인 경우 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment when a material of a lead is glass.
먼저, 유리 재질의 리드(410)와 유리 용기(420)를 준비한다. 일 예로 유리 재질은 이산화규소와 산화알루미늄의 구성 비율에 따라 무른 정도가 다를 수 있다. 예를 들어, 이산화규소의 비율이 높을수록 무른 정도가 높고, 산화알루미늄의 비율이 높을수록 단단하다. 본 실시 예에서의 유리는 이산화규소가 80.6 %, 산화알루미늄이 2.2 %로 구성된 Pyrex를 포함할 수 있다.First, a
다음으로 리드(410)와 용기(420)가 접합되는 부분을 폴리싱한 뒤 마스크(430)를 씌울 수 있다. 이때의 마스크(430)는 접합되는 부분 중 리드(410) 쪽 또는 용기(420) 쪽 둘 중 어느 하나에 부착될 수 있다. 마스크(430)가 부착된 뒤, 리드(410)와 용기(420) 내부에 산화 알루미늄(440)을 코팅할 수 있다.Next, after polishing the portion where the
산화 알루미늄(440)이 코팅된 후 마스크(430)는 제거되며, 리드(410)와 용기(420)는 고온(예를 들어, 500 ℃ 이상)을 이용한 광학결합(deep optical contact) 방식을 통해 접합될 수 있다. 그리고 리드(410)와 용기(420)가 접합된 증기 셀(450)을 고온으로 베이킹하면서 고진공을 유지한 뒤, 리드(410)의 스템(411)을 통해 알칼리 원자, 노블 가스 및 버퍼 가스가 주입될 수 있다. 이후 스템(411)에 열을 인가하여 유리를 녹임으로써 증기 셀(450)이 밀봉될 수 있다(glass blowing).After the
도 5는 리드의 재질이 실리콘인 경우 일 실시 예에 따른 원자 증기 셀을 제작하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.5 is a diagram schematically illustrating a method of manufacturing an atomic vapor cell according to an embodiment when a material of a lead is silicon.
먼저, 실리콘 재질의 리드(510)와 유리 용기(520)를 준비한다. 그리고 리드(510)와 용기(520)가 접합되는 부분을 폴리싱하고, 리드(510)와 용기(520)의 내부에 산화 알루미늄(530)을 코팅할 수 있다. 이러한 리드(510)와 용기(520)는 진공 상태의 챔버 내에 있을 수 있으며, 리드(510)와 용기(520)를 고온으로 베이킹 하면서 터보 펌프로 용기(520) 내의 공기를 챔버 밖으로 뽑아내어 용기(520)를 진공 상태로 만들 수 있다. First, a
다음으로, 챔버를 통해 고진공 상태의 용기(520) 내에 알칼리 원자를 주입하고, 노블 가스와 버퍼 가스를 주입할 수 있다. 주입이 완료된 후 리드(510)와 용기(520)를 접촉하여 고온(예를 들어, 300 ℃ 이상)으로 가열하면서 리드(510)와 용기(520)에 고전압을 인가할 수 있다. 그리고 고온과 고전압으로 인하여 리드(510)와 용기(520)의 접촉면에 SiO2 결합이 형성되어 밀봉이 이루어질 수 있다(anodic bonding). Next, alkali atoms may be injected into the
이상의 설명은 본 명세서의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 명세서의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 명세서의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 명세서의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 명세서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present specification, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential quality of the present specification by those skilled in the art to which the present specification belongs. Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification are for explanation rather than limiting the technical spirit of the present specification, and the scope of the technical spirit of the present specification is not limited by these embodiments. The protection scope of the present specification should be interpreted by the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present specification.
Claims (10)
제1 접합면을 가지는 리드(lid) 및 제2 접합면을 가지는 유리 용기를 준비하는 단계;
상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 폴리싱하는 단계;
상기 리드 및 상기 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화물을 코팅하는 단계; 및
상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 접합하여 상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.A method of making an atomic vapor cell, comprising:
preparing a glass container having a lid having a first bonding surface and a second bonding surface;
polishing the first bonding surface and the second bonding surface;
coating an oxide on the inside of at least one of the lid and the glass container; and
and sealing the atomic vapor cell by bonding the first junction surface and the second junction surface.
상기 산화물은 산화알루미늄인, 원자 증기 셀 제조 방법.According to claim 1,
wherein the oxide is aluminum oxide.
상기 리드는 유리로 구성되고,
상기 방법은, 상기 산화물을 코팅하는 단계 이전에,
제1 접합면에 마스크를 씌우는 단계를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.According to claim 1,
The lead is made of glass,
The method, before the step of coating the oxide,
and placing a mask on the first bonding surface.
상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계는,
고온을 통한 광학결합(Deep Optical Contact) 방식을 이용하여 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 접합하는 단계를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.4. The method of claim 3,
Sealing the atomic vapor cell comprises:
and bonding the first bonding surface and the second bonding surface to each other using a deep optical contact method through high temperature.
상기 리드는 유리로 구성된 스템(stem)을 포함하고,
상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계는,
상기 스템을 통해 상기 원자 증기 셀의 내부로 특정 원소의 원자 및 특정 가스를 주입하는 단계; 및
상기 스템의 일 부분에 열을 가하여 상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계를 더 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.5. The method of claim 4,
The lid includes a stem made of glass,
Sealing the atomic vapor cell comprises:
injecting atoms of a specific element and a specific gas into the atomic vapor cell through the stem; and
and sealing the atomic vapor cell by applying heat to a portion of the stem.
상기 리드는 실리콘으로 구성되고,
상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계는,
상기 리드 및 상기 유리 용기를 진공 챔버(chamber) 내에서 고온으로 베이킹(baking)하는 단계를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.According to claim 1,
The lead is made of silicon,
Sealing the atomic vapor cell comprises:
and baking the lid and the glass vessel at a high temperature in a vacuum chamber.
상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계는,
상기 진공 챔버를 통해 상기 원자 증기 셀의 내부로 특정 원소의 원자 및 특정 가스를 주입하는 단계; 및
상기 리드 및 상기 유리 용기에 고전압을 인가하여 상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면 사이의 접합 부위에 이산화규소 결합을 형성하는 단계를 더 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.7. The method of claim 6,
Sealing the atomic vapor cell comprises:
injecting atoms of a specific element and a specific gas into the atomic vapor cell through the vacuum chamber; and
and applying a high voltage to the lid and the glass vessel to form a silicon dioxide bond at a junction between the first junction surface and the second junction surface.
상기 원자 증기 셀을 밀봉하는 단계는, 상기 원자 증기 셀의 내부로 특정 원소의 원자 및 특정 가스 중 적어도 어느 하나를 주입하는 단계를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.According to claim 1,
The sealing of the atomic vapor cell includes injecting at least one of an atom of a specific element and a specific gas into the atomic vapor cell.
상기 특정 원소는 알칼리 금속 중 어느 하나이고, 상기 특정 가스는 노블 가스 및 버퍼 가스를 포함하는, 원자 증기 셀 제조 방법.9. The method of claim 8,
The specific element is any one of alkali metals, and the specific gas includes a noble gas and a buffer gas.
제1 접합면을 가지는 리드; 및
제2 접합면을 가지는 유리 용기를 포함하고,
상기 원자 증기 셀은,
상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 폴리싱하고,
상기 리드 및 상기 유리 용기 중 적어도 하나의 내부에 산화물을 코팅하고,
상기 제1 접합면 및 상기 제2 접합면을 접합하여 밀봉함으로써 제작되는, 원자 증기 셀.
An atomic vapor cell comprising:
a lead having a first bonding surface; and
a glass container having a second bonding surface;
The atomic vapor cell comprises:
polishing the first bonding surface and the second bonding surface;
coating an oxide on the inside of at least one of the lid and the glass container,
An atomic vapor cell produced by bonding and sealing the first bonding surface and the second bonding surface.
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