WO2013162187A1 - 부양 장치 및 부양 방법 - Google Patents

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WO2013162187A1
WO2013162187A1 PCT/KR2013/002839 KR2013002839W WO2013162187A1 WO 2013162187 A1 WO2013162187 A1 WO 2013162187A1 KR 2013002839 W KR2013002839 W KR 2013002839W WO 2013162187 A1 WO2013162187 A1 WO 2013162187A1
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WO
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laser
charged object
charged
auxiliary
electrode
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/002839
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English (en)
French (fr)
Inventor
이근우
전상호
박승남
강동희
Original Assignee
한국표준과학연구원
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any preceding group
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45154—Forming workpiece by using thermal energy, laser forming

Definitions

  • the present invention relates to a flotation device, and more particularly to a melting technique by an electrostatic flotation device.
  • the electrostatic levitation device applies an electric field to the pair of electrodes, and the electrostatic force by the electric field can support the object against gravity.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a flotation device for efficiently melting a low emissivity spherical material in a flotation state by using a low power laser and a spherical mirror.
  • Floating device includes an upper electrode and a lower electrode spaced apart from each other; A main power supply for applying the voltage to the upper electrode or the lower electrode to support the charged object against gravity with an electrostatic force generated by the voltage; A laser for heating the charged object; And a spherical mirror for reflecting the reflected light reflected from the charged object back into the charged object. The reflected light is generated by reflecting the output light of the laser passing through the through hole formed in the surface center area of the spherical mirror by the charged object.
  • it may further include a lens unit disposed between the laser and the spherical mirror to adjust the beam size or the beam radius of the output light of the laser.
  • the spherical mirror may be disposed inside the chamber.
  • the chamber includes at least one window, the window is formed of zinc selenide (ZnSe), the laser may be a carbon dioxide laser (CO2 LASER).
  • ZnSe zinc selenide
  • CO2 LASER carbon dioxide laser
  • the chamber may include a vacuum pump for exhausting the interior of the chamber.
  • the lower electrode is grounded, the upper electrode is applied a negative high voltage by the main power source, the charged object may be charged with a positive charge.
  • a first ipsilateral auxiliary electrode and a first western auxiliary electrode disposed to face each other around the upper electrode or the lower electrode;
  • a second south side auxiliary electrode and a second north side auxiliary electrode disposed to face each other around the upper electrode or the lower electrode;
  • a first auxiliary power source for applying a high voltage to the second south side auxiliary electrode or the second north side auxiliary electrode;
  • a second auxiliary power source for applying a high voltage to the first ipsilateral auxiliary electrode or the first west auxiliary electrode.
  • the laser includes a first laser, a second laser, and a third laser, wherein the first laser, the second laser, and the third laser are centered around the charged object. Can be arranged at intervals.
  • an auxiliary laser for measuring the position of the charged object; And a position measuring sensor facing the auxiliary laser with respect to the charged object.
  • the charged object may further include a charging UV lamp (Charging UV Lamp) for charging the charged object by the photoelectric effect.
  • a charging UV lamp Charging UV Lamp
  • it may further include a radiation thermometer for measuring the temperature of the charged object.
  • the image ultraviolet lamp for irradiating the ultraviolet light to the charged object A focusing unit focusing the output light of the image ultraviolet lamp onto the charged object; And a camera disposed to face the image ultraviolet lamp based on the charged object.
  • the camera may include an ultraviolet pass filter.
  • Floating method includes the steps of supporting a charged object against gravity by electrostatic force; Heating and melting the charged object through a laser; And reflecting back the reflected light reflected by the output light of the laser from the charged object to the charged object using a spherical mirror.
  • the step of irradiating ultraviolet light to charge the charged object by a photoelectric effect Checking the position of the charged object; Measuring the radiation temperature of the charged object; And irradiating the charged object with ultraviolet rays to obtain an ultraviolet image. It may further include at least one of.
  • Floating device includes an object support for supporting an object
  • a laser to heat the object A spherical mirror which reflects the reflected light reflected from the object back into the object; An auxiliary laser for measuring the position of the object; A position measuring sensor facing the auxiliary laser with respect to the object; An image ultraviolet lamp that irradiates the object with ultraviolet rays; A focusing unit focusing the output light of the image ultraviolet lamp onto the object; And a camera disposed to face the image ultraviolet lamp with respect to the object and including an ultraviolet light passing filter.
  • the reflected light is generated by reflecting the output light of the laser passing through the through hole formed in the surface center region of the spherical mirror by the object.
  • the flotation device melts the object by reflecting back and focusing the reflected light of the laser reflected from the object. Accordingly, the melting efficiency of the output of the laser is maximized, and the cost of the laser can be reduced.
  • the flotation device may protect structures disposed inside the chamber from scattered light or reflected light of the laser, and may provide a safe experimental environment.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a flotation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining the characteristics of the Gaussian luminous flux of the laser 122a of the flotation device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a partial perspective view illustrating a flotation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the xy plane of the flotation device of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the z-axis of the flotation device of FIG. 4.
  • the black-body is the ideal object to absorb and reradiate all electromagnetic waves.
  • the black body has an emissivity of 1. Therefore, an object except a black body has an emissivity between 0 and 1, and electromagnetic waves that are not absorbed by the object are reflected or transmitted.
  • the emissivity is a physical quantity that must be known when measuring the temperature of an object in a non-contact manner or calculating an energy absorption amount of a substance.
  • the flotation device may increase the melting efficiency of the low power laser by combining a low power laser and a spherical mirror for melting low emissivity spherical material.
  • the luminous flux of the laser may be a Gaussian luminous flux.
  • the Gaussian beam runs along the x axis.
  • the Radius of Luminous Flux is W 0 .
  • the Rayleigh length is x R and the beam radius at Rayleigh length can be a point ⁇ 2 W 0 of the minimum beam radius W 0 .
  • the diverging angle is ⁇ .
  • Rayleigh area b o corresponds to the area considered to be the focal point.
  • the main beam parameters are as follows.
  • W (x) is the radius of the luminous flux (W 0 is the minimum luminous flux radius)
  • R (x) is the radius of curvature of the wave plane
  • b 0 is the Rayleigh region of the Gaussian luminous flux.
  • the divergence angle ⁇ W 0 / b 0 of the Gaussian beam.
  • the wavelength of a laser is (lambda) 0
  • n is a positive integer.
  • the characteristics are as follows.
  • b 0 'and W 0 ' are the Rayleigh region and the minimum beam radius of the emitted light beam, respectively.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a flotation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining the characteristics of the Gaussian luminous flux of the laser 122a of the flotation device of FIG. 2.
  • the output light 11 or Gaussian light beam emitted from the laser 122a is focused by the lens unit 124a and then reaches an object.
  • the object 1 may be spherical.
  • the emissivity of the object 1 is 0.3, 70 percent of the energy of the Gaussian beam of the laser 122a is again scattered or reflected in the laser direction.
  • the scattered or reflected light beam 13 is reflected by the spherical mirror 126a
  • the light beam 14 reflected back by the spherical mirror 126a is irradiated onto the object 1.
  • the energy absorbed by the object 1 is increased. Therefore, the output of the output light of the laser 122a for melting the object 1 can be reduced.
  • the characteristics of the Gaussian luminous flux are as follows.
  • the Gaussian beam 12 passing through the lens unit 124a having a focal length f of 254 millimeters (mm) is as follows.
  • the Gaussian luminous flux focused by the lens unit 124a is irradiated onto the object.
  • the focal length is 0.5 mm.
  • the characteristics of the Gaussian beam reflected from the molten object are as follows.
  • the beam radius w " is 266.5 mm and the radius of curvature of the spherical mirror is 200.5 mm.
  • This value may vary depending on the experimental environment, and therefore, when the spherical mirror 126a corresponding to the light beam radius or curvature radius is installed, the Gaussian light beam 13 is irradiated from the spherical mirror and then irradiated with the object. Therefore, the light beam 13 reflected from the object 1 can be refocused on the object 1 through the spherical mirror 126a.
  • the output of the laser 122a is the object 1 Absorption at the maximum efficiency, the object melting efficiency of the laser (1) is maximized, and the use of a low-power laser can be used, the cost can be reduced, and the ambient due to the reflected light or scattered light of the laser (122a) Can protect structures
  • a safe experimental environment can be established
  • the spherical mirror has a through hole 128a in the center surface
  • the output light 12 of the laser is directed to the object 1 through the through hole 128a.
  • the spherical mirror 126a may include auxiliary through holes 128b and 128c for signal paths to other additional devices.
  • FIG. 4 is a partial perspective view illustrating a flotation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the xy plane of the flotation device of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the z-axis of the flotation device of FIG. 4.
  • the flotation device 100 applies a voltage to the upper electrode 2 and the lower electrode 4, the upper electrode 2, or the lower electrode 4 which are spaced apart from each other.
  • spherical mirrors 126a, 126b and 126c which reflect back the reflected light 13 reflected from the charged object 1 to the charged object.
  • the reflected light 13 is generated by reflecting the output light of the laser passing through the through hole 128a formed in the surface center area of the spherical mirrors 126a, 126b, and 126c by the charged object 1.
  • the upper electrode 2 is in the form of a disk and may be formed of a conductive material.
  • the diameter of the upper electrode 2 may be larger than the diameter of the lower electrode 4.
  • the lower electrode 4 may be grounded, and a negative high voltage may be applied to the upper electrode 2 by the main power source 186. Accordingly, the electric field is formed in the z axis direction.
  • the object 1 can be charged with a positive charge.
  • the object 1 may be supported by an electrostatic force in a direction opposite to the direction of gravity (-z axis direction).
  • the intensity of the voltage applied to the upper electrode 2 may depend on the spacing of the electrodes 2 and 4, the mass of the object 1, and the amount of charge of the object.
  • the upper electrode 2 and the lower electrode 4 may have the same central axis.
  • the equi-potential surface generated by the upper electrode 2 and the lower electrode 4 may be the lowest in the central axis.
  • the upper electrode 2 and the lower electrode 4 may have a curved surface.
  • the main power source 186 may be a variable high voltage DC voltage source.
  • the output voltage of the main power source 186 may vary.
  • the lasers 122a, 122b, and 122c may heat and melt the object 1. To this end, typically, the outputs of the lasers 122a, 122b, 122c operate continuously and may be tens of watts to hundreds of watts.
  • the lasers 122a, 122b, and 122c may be carbon dioxide (CO 2) lasers or YAG lasers.
  • the chamber 110 may be disposed to surround the upper electrode 2 and the lower electrode 4.
  • the vacuum pump 11 may be mounted to maintain the vacuum in the chamber 110.
  • the chamber 110 may be cylindrical in a metal material.
  • a plurality of view ports may be formed on the side of the cylindrical chamber. Output light of the laser 122a may be provided to the object 1 through the window port 127.
  • the window port may have a window 127a.
  • the chamber 110 may include at least one window 127a, and the window 127a may be formed of zinc selenide (ZnSe).
  • ZnSe zinc selenide
  • the surface of the window 127a may be coated to increase the transmittance at a predetermined wavelength.
  • the window 127a may be heated and damaged. Therefore, the output of the lasers 122a, 122b, 122c for melting the object 1 needs to be reduced.
  • a plurality of lasers (122a, 122b, 122c) can be used. Accordingly, the object 1 can be heated evenly, and damage of each window 127a can be reduced.
  • the laser may include a first laser 122a, a second laser 122b, and a third laser 122c.
  • the first laser 122a, the second laser 122b, and the third laser 122c may be disposed at 120 intervals about the charged object 1.
  • the lasers 122a, 122b, 122c are disposed outside the chamber 110, and the first laser, the second laser, and the third laser are provided to the object 1 through respective windows 127a. Can be.
  • the output light of the lasers 122a, 122b, and 122c may be a Gaussian beam, and the beam radius may be several centimeters. Meanwhile, the radius of the object 1 may be several millimeters. Therefore, lens units 124a, 124b, and 124c for reducing the radius of luminous flux may be disposed between the lasers 122a, 122b, and 122c and the object 1. Preferably, the lens units 124a, 124b, and 124c may be disposed between the lasers 122a, 122b, and 122c and the window 127a.
  • the lens units 124a, 124b, and 124c may be one convex lens or may include a pair of lenses having confocals.
  • the lens units 124a, 124b and 124c may be disposed between the lasers 122a, 122b and 122c and the spherical mirrors 126a, 126b and 126c to adjust the beam size or beam radius of the output light of the laser. have.
  • the spherical mirror may be spherical with a constant radius of curvature.
  • the spherical mirrors 126a, 126b, and 126c may be disposed in the chamber 110.
  • the through hole 128a may be disposed in the central surface area of the spherical mirror 110.
  • the through hole 128a may be aligned with the object, the window, the focusing part, and the laser.
  • the radius of the through hole 128a may be larger than the radius of light beam of the output light passing through the focusing unit.
  • the spherical mirror 126a may move in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction.
  • the focal point of the spherical mirror and the focal point of the object 1 may coincide.
  • the radius of curvature of the spherical mirrors 126a, 126b, 126c may vary depending on where they are placed. Specifically, as the spherical mirrors 126a, 126b, 126c approach the object 1, the radius of curvature and size of the spherical mirrors may decrease.
  • the spherical mirrors 126a, 126b, 126c may include other auxiliary through holes in addition to the through holes 128a disposed on the central surface.
  • the other auxiliary through holes may be formed to operate another additional device.
  • Auxiliary electrodes 6a, 6b, 8a and 8b may be disposed around the upper electrode 2 or the lower electrode 4. Specifically, the first ipsilateral auxiliary electrode 6b and the first western auxiliary electrode 6a may be disposed to face each other around the lower electrode 4. The first ipsilateral auxiliary electrode 6b and the first western auxiliary electrode 6a may be spherical.
  • the second south side auxiliary electrode 8a and the second north side auxiliary electrode 8b may be disposed around the upper electrode 2 or the lower electrode 2.
  • the second south side auxiliary electrode 8a and the second north side auxiliary electrode 8b may be spherical.
  • the second south side auxiliary electrode 8a and the second north side auxiliary electrode 8b may be disposed to face each other around the lower electrode 4 along the y 'axis.
  • the first auxiliary power source 185 may apply a high voltage to the second south side auxiliary electrode 8a or the second north side auxiliary electrode 8b to apply an electric field in the y ′ axis direction.
  • one of the second south side auxiliary electrode 8a and the second north side auxiliary electrode 8b is grounded, and the other is connected to the first auxiliary power source 185 to receive a voltage, and y ' An electric field can be applied in the axial direction. Accordingly, when the position of the object 1 is out of the central axis or the set position of the lower electrode 4, the first auxiliary power source 185 may operate to restore the object 1 to its original position. have.
  • the first ipsilateral auxiliary electrode 6b or the first western auxiliary electrode 6a may receive a voltage from the second auxiliary power source 184 to apply an electric field to the object 1 in the x 'axis direction. . Specifically, one of the first ipsilateral auxiliary electrode 6b and the first western auxiliary electrode 6b is grounded, and the other is supplied with a voltage from the second auxiliary power source 184 in the x 'axis direction. An electric field may be applied to the object 1. Accordingly, when the position of the object deviates from the central axis or the set position of the lower electrode 4, the second auxiliary power source 184 may operate to restore the object 1 to its original position.
  • Auxiliary lasers 132a and 132b for measuring the position of the charged object 1 may be disposed outside the chamber 110.
  • the output of the auxiliary lasers 132a and 132b may be irradiated to the object 1 through a window.
  • the auxiliary lasers 132a and 132b may be helium-ion lasers (He-Ne).
  • the position measuring sensors 134a and 134b may be disposed to face the auxiliary lasers 132a and 132b about the charged object 1.
  • the position measuring sensors 134a and 134b may measure the position of the object through a shadow image formed by reflected light scattered by the object.
  • the auxiliary lasers 132a and 132b may be disposed along the axial direction of the x'-y 'plane rotated by a predetermined angle about the z axis in the xy plane.
  • the first auxiliary laser 132a and the first position measuring sensor 134a may be installed in the x 'axis direction.
  • the second auxiliary laser 132b and the second position measuring sensor 134b may be installed in the y 'axis direction.
  • the measurement result of the first position sensor 134a may provide a position with respect to the y'-z 'coordinate.
  • the measurement result of the first position measuring sensor 134a may be provided to the first feedback unit 183.
  • the first feedback unit 183 may determine the position of the object in the y 'axis direction and provide a first position control signal to the first auxiliary power unit 185.
  • the first auxiliary power supply unit 185 may receive the first position control signal and apply a predetermined voltage to the second south side auxiliary electrode 8a or the second north side auxiliary electrode 8b.
  • the position of the object can be controlled.
  • the measurement result of the second position measuring sensor 134b may provide a position with respect to the x'-z coordinate.
  • the measurement result of the second position measuring sensor 134b may be provided to the second feedback unit 182.
  • the second feedback unit 182 may determine positions of objects in the x 'and z-axis directions, and provide a second position control signal to the second auxiliary power supply 184. Accordingly, the second auxiliary power supply unit 184 may receive the second position control signal and apply a predetermined voltage to the first ipsilateral auxiliary electrode 6b or the first western auxiliary electrode 6a. The position of the object can be controlled.
  • the second feedback unit 182 may provide a third position control signal to the main power source 186.
  • the second auxiliary power supply unit 184 may receive the second position control signal and output a predetermined voltage to control the position of the object.
  • the main power source 186 may receive the third position control signal and output a predetermined voltage to the upper electrode 2 to control the z-axis position of the object.
  • a charging UV lamp 172 may charge the charged object 1 using the photoelectric effect.
  • the main wavelength of the charged ultraviolet lamp 172 may be 160 nm.
  • the charged ultraviolet lamp 172 may reduce the amount of charge due to mass reduction by evaporation in the object 1. Thus, in order to maintain a constant amount of charge, the charged ultraviolet lamp 172 may continue to operate while the object 1 evaporates.
  • An ultraviolet image may be used to measure the density of the object 1.
  • the molten object 1 may perform black body radiation by heat generation due to a high temperature. Therefore, a typical camera image of an object in black body radiation is difficult to distinguish the boundary of the object 1.
  • ultraviolet light passing through the object 1 can clearly provide an interface of the object 1. Accordingly, since the size of the object 1 is accurately measured, the density can be accurately measured.
  • the image ultraviolet lamp 146 may irradiate the charged object 1 with ultraviolet rays.
  • the image ultraviolet lamp 146 is disposed outside the chamber 110, and output light is irradiated to the object 1 through a window.
  • a focusing unit 148 focuses the output light of the image ultraviolet lamp 146 on the charged object 1.
  • the focusing part 148 may be a convex lens.
  • the ultraviolet camera 142 may be disposed to face the image ultraviolet lamp 146 around the charged object 1.
  • the ultraviolet camera 142 includes an ultraviolet light passing filter 144. Accordingly, the ultraviolet light passing filter 144 may be designed to pass only the output light of the image ultraviolet lamp 146. Accordingly, the portion reflected or scattered by the object 1 in the ultraviolet image appears black. Therefore, the radius of the object 1 can be obtained.
  • the image ultraviolet lamp 146 may be disposed perpendicular to the charging ultraviolet lamp 172 so that the output light of the charging ultraviolet lamp 172 does not enter the ultraviolet camera 142.
  • the radiation thermometers 152a, 152b and 152c may measure the radiation temperature of the charged object 1.
  • the radiation thermometers 152a, 152b, and 152c may be disposed opposite to the lasers 122a, 122b, and 122c.
  • the black and white camera 162 may be disposed on the opposite side of the charging ultraviolet lamp 172.
  • the controller 181 may receive data from the radiation thermometers 152a, 152b, and 152c and the ultraviolet camera 142. In addition, the controller 181 may receive data from the first feedback unit 183 and the second feedback unit 182. The controller 181 may analyze and process data and display the result on the screen.

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Abstract

본 발명은 부양 장치 및 부양 방법을 제공한다. 이 부양 장치는 서로 이격되어 배치된 상부 전극 및 하부 전극, 상부 전극 또는 하부 전극에 전압을 인가하여 대전된 물체를 상기 전압에 의하여 생성된 정전기력으로 중력에 반하여 상기 대전된 물체를 부양하는 주전원, 대전된 물체를 가열하는 레이저, 및 대전된 물체에서 반사된 반사광을 대전된 물체로 재반사시키는 구면 거울을 포함한다. 반사광은 구면 거울의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀을 통과한 레이저의 출력광이 대전된 물체에 의하여 반사되어 생성된다.

Description

부양 장치 및 부양 방법
본 발명은 부양 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 정전기 부양 장치에 의한 용융 기술에 관한 것이다.
정전기 부양 장치는 한 쌍의 전극에 전기장을 인가하고, 전기장에 의한 정전기력은 중력에 반하여 물체를 부양시킬 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 낮은 복사율의 구형 물질을 부양 상태에서 저출력 레이저 및 구형 거울을 이용하여 효율적으로 용융하는 부양장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치는 서로 이격되어 배치된 상부 전극 및 하부 전극; 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극에 전압을 인가하여 대전된 물체를 상기 전압에 의하여 생성된 정전기력으로 중력에 반하여 상기 대전된 물체를 부양하는 주전원; 상기 대전된 물체를 가열하는 레이저; 및 상기 대전된 물체에서 반사된 반사광을 상기 대전된 물체로 재반사시키는 구면 거울을 포함한다. 상기 반사광은 상기 구면 거울의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀을 통과한 상기 레이저의 출력광이 상기 대전된 물체에 의하여 반사되어 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저와 상기 구면 거울 사이에 배치되어 상기 레이저의 출력광의 빔 크기 또는 광속 반경을 조절하는 렌즈부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 감싸는 챔버를 더 포함하고, 상기 구면 거울은 상기 챔버의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버는 적어도 하나의 창문을 포함하고, 상기 창문은 세렌화아연(ZnSe)으로 형성되고, 상기 레이저는 이산화탄소 레이저(CO2 LASER)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버는 상기 챔버의 내부를 배기하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극은 접지되고, 상기 상부 전극은 상기 주전원에 의하여 음의 고전압이 인가되고, 상기 대전된 물체는 양의 전하로 대전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극의 주위에 서로 마주보도록 배치되는 제1 동측 보조 전극 및 제1 서측 보조 전극; 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극의 주위에 서로 마주보도록 배치되는 제2 남측 보조 전극 및 제2 북측 보조 전극; 상기 제2 남측 보조 전극 또는 상기 제2 북측 보조 전극에 고전압을 인가하는 제1 보조 전원; 및 상기 제1 동측 보조 전극 또는 상기 제1 서측 보조 전극에 고전압을 인가하는 제2 보조 전원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 제1 레이저, 제2 레이저, 및 제3 레이저를 포함하고, 상기 제1 레이저, 제2 레이저, 및 제3 레이저는 상기 대전된 물체를 중심으로 120 간격으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대전된 물체의 위치를 측정하기 위한 보조 레이저; 및 상기 대전된 물체를 중심으로 상기 보조 레이저와 마주보는 위치 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대전된 물체에 광전 효과에 의하여 상기 대전된 물체를 대전하는 대전 자외선 램프(Charging UV Lamp)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대전된 물체의 온도를 측정하기 위한 복사 온도계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대전된 물체에 자외선을 조사하는 영상 자외선 램프; 상기 영상 자외선 램프의 출력광을 상기 대전된 물체에 집속하는 집속부; 및 상기 대전된 물체를 중심으로 상기 영상 자외선 램프를 마주보도록 배치된 카메라;를 더 포함할 수 있다. 상기 카메라는 자외선 통과 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부양 방법은 정전기력으로 중력에 반하여 대전된 물체를 부양하는 단계; 상기 대전된 물체를 레이저를 통하여 가열하고 녹이는 단계; 및 상기 레이저의 출력광이 상기 대전된 물체에서 반사된 반사광을 구면 거울을 사용하여 상기 대전된 물체에 재반사시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대전된 물체를 광전 효과에 의하여 대전시키 위하여 자외선을 조사하는 단계; 상기 대전된 물체의 위치를 확인하는 단계; 상기 대전된 물체의 복사 온도를 측정하는 단계; 및 상기 대전된 물체에 자외선을 조사하여 자외선 영상을 획득하는 단계; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치는 물체를 부양하는 물체 부양부;
상기 물체를 가열하는 레이저; 상기 물체에서 반사된 반사광을 상기 물체로 재반사시키는 구면 거울; 상기 물체의 위치를 측정하기 위한 보조 레이저; 상기 물체를 중심으로 상기 보조 레이저와 마주보는 위치 측정 센서; 상기 물체에 자외선을 조사하는 영상 자외선 램프; 상기 영상 자외선 램프의 출력광을 상기 물체에 집속하는 집속부; 및 상기 물체를 중심으로 상기 영상 자외선 램프를 마주보도록 배치되고 자외선 통과 필터를 포함하는 카메라를 포함한다. 상기 반사광은 상기 구면 거울의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀을 통과한 상기 레이저의 출력광이 상기 물체에 의하여 반사되어 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치는 물체로부터 반사되는 레이저의 반사광을 다시 물체에 재반사시키고 집속하여 상기 물체를 용융시킨다. 이에 따라, 레이저의 출력의 용융 효율은 극대화되고, 상기 레이저의 비용은 절감될 수 있다. 또한, 상기 부양 장치는 레이저의 산란광 또는 반사광으로부터 챔버 내부에 배치된 구조물들을 보호할 수 있고, 안전한 실험 환경을 제공할 수 있다.
도 1은 레이저의 광속(Luminous Flux)의 특성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치를 설명하는 개념도이다.
도 3은 2의 부양 장치의 레이저(122a)의 가우스 광속을 특성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치를 설명하는 부분사시도이다.
도 5는 도 4의 부양 장치의 xy 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 부양 장치의 z축을 따라 자른 단면도이다.
흑체(black-body)는 모든 전자기파를 흡수하고 재복사하는 이상적인 물체이다. 상기 흑체의 복사율은 1이다. 따라서 흑체를 제외한 물체는 0과 1 사이의 복사율을 가지며, 상기 물체에서 흡수되지 않은 전자기파는 반사 또는 투과된다. 상기 복사율은 비접촉식으로 물체의 온도를 측정하거나 물질의 에너지 흡수량을 계산할 경우 반드시 알아야 하는 물리량이다.
최근, 액체 시료의 물성 측정은 공중부양(levitation) 환경 하에서 주로 이루어지고 있다. 특히 공중 부양된 고체 시료를 용융하기 위하여 고출력 레이저가 주로 사용되고 있다. 그러나, 측정, 안전, 및 비용의 관점에서 극복해야 할 문제점들이 많다. 먼저, 대부분의 금속 시료들은 저 복사율 (약 0.3 이하)을 가진다. 따라서, 시료에 조사된 레이저의 출력광은 일부분만 흡수하고 나머지는 반사된다. 반사된 출력광은 큰 에너지를 가지고, 챔버 내부의 구조물에 손상을 줄 수 있고, 반사된 출력광이 상기 챔버 밖으로 유출되는 경우, 상기 반사된 출력광은 사고를 유발할 수 있다. 또한, 절대온도 2000 K(켈빈) 이상의 녹는점을 갖는 시료를 용융할 경우, 고출력 레이저가 사용되고, 상기 고출력 레이저는 사고 위험과 고비용을 야기한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치는 저 복사율 구형물질의 용융을 위한 저출력 레이저 및 구형 거울을 결합하여 상기 저출력 레이저의 용융 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 레이저의 광속(Luminous Flux)의 특성을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저의 광속(Luminous Flux)은 가우스(Gauss) 광속일 수 있다. 상기 가우스 광속은 x축으로 진행한다. 초점 ( x=0 지점)에서 상기 광속 반경(Radius of Luminous Flux)은 W0이다. 레일리(Rayleigh) 길이는 xR 이고, 레일리(Rayleigh) 길이에서의 광속 반경은 최소 광속 반경( W0)의 √2 W0인 지점일 수 있다. 발산각(diverging angle)은 θ이다. 레일리 영역(bo)은 초점으로 간주되는 영역에 대응된다.
주요한 광속의 빔 변수(beam parameters)는 다음과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2013002839-appb-M000001
여기서 W(x)는 광속의 반경이며 (W0는 최소광속반경), R(x)는 파면(wave plane)의 곡률반경이고, b0는 가우스 광속의 레일리 영역이다. 또한 가우스 광속의 발산각 θ= W0/b0이다. 또한, 레이저의 파장은 λ0이고, n은 양의 정수이다.
가우스 광속이 초점거리 f를 갖는 렌즈를 통과할 경우, 특성은 다음과 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2013002839-appb-M000002
여기서 b0’와 W0’는 각각 출사 광속의 레일리 영역과 최소광속반경이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치를 설명하는 개념도이다.
도 3은 2의 부양 장치의 레이저(122a)의 가우스 광속을 특성을 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 레이저(122a)에서 나온 출력광(11) 또는 가우스 광속은 렌즈부(124a)에 의해 집속된 후, 물체에 도달한다. 상기 물체(1)는 구형일 수 있다. 상기 물체(1)의 복사율이 0.3인 경우, 상기 레이저(122a)의 가우스 광속의 70 퍼센트의 에너지는 다시 레이저 방향으로 산란 또는 반사하게 된다. 산란 또는 반사된 광속(13)은 구면 거울(126a)에 의해서 반사된 후, 상기 구면 거울(126a)에 의하여 재반사된 광속(14)은 상기 물체(1)에 조사된다. 이에 따라, 상기 물체(1)가 흡수하는 에너지는 증가된다. 따라서, 상기 물체(1)를 용융하기 위한 상기 레이저(122a)의 출력광의 출력은 감소될 수 있다.
예를 들어, 고출력 레이저(122a)의 발산각이 2.5 밀리 라디안(mrad)인 경우, 가우스 광속의 특성은 다음과 같다.
수학식 3
Figure PCTKR2013002839-appb-M000003
상기 레이저(122a)의 파장(λ)이 10.6 마이크로 미터(um) 인 경우, 초점 거리(f)가 254 밀리미터(mm)인 렌즈부(124a)를 통과한 가우스 광속(12)은 다음과 같다.
수학식 4
Figure PCTKR2013002839-appb-M000004
상기 렌즈부(124a)가 집속한 가우스 광속은 물체에 조사된다. 용융된 물체를 반지름 1 밀리미터(mm)인 완전한 구형으로 가정할 경우, 초점거리는 0.5 mm이다. 용융된 물체는 볼록 거울 구조를 가지며, 볼록 거울의 초점 거리(f')를 가지는 구면렌즈로 가정할 경우, 상기 용융된 물체에서 반사된 가우스 광속의 특성은 다음과 같다.
수학식 5
Figure PCTKR2013002839-appb-M000005
예를 들어, 상기 물체(1)의 200 mm 앞에서 반사된 가우스 광속(13)을 수학식 1을 이용하여 계산할 경우, 광속 반경 (w")은 266.5 mm 이며 구면 거울의 곡률반경은 200.5 mm 이다. 본 수치는 실험 환경에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 상기 광속반경 또는 상기 곡률반경에 해당하는 구면 거울(126a)을 설치할 경우, 가우스 광속(13)은 구면 거울에서 반사된 후 다시 물체를 조사한다. 따라서, 상기 물체(1)로부터 반사되는 광속(13)은 다시 상기 물체(1)에 상기 구면 거울(126a)을 통하여 재집속될 수 있다. 따라서, 상기 레이저(122a)의 출력은 상기 물체(1)에서 최대의 효율로 흡수되어, 상기 레이저(1)의 물체 용융 효율은 극대화되고, 저출력 레이저의 사용이 가능하여, 비용이 절감될 수 있다. 또한 상기 레이저(122a)의 반사광 또는 산란광에 의한 주위 구조물들을 보호할 수 있다. 따라서, 안전한 실험 환경이 조성될 수 있다. 상기 구면 거울을 중심 표면에 관통홀(128a)을 가진다. 상기 레이저의 출력광(12)은 상기 관통홀(128a)을 통하여 상기 물체(1)에 조사된다. 상기 구면 거울(126a)은 다른 부가 장치들에 대한 신호 경로를 위하여 보조 관통홀들(128b,128c)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부양 장치를 설명하는 부분사시도이다.
도 5는 도 4의 부양 장치의 xy 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 부양 장치의 z축을 따라 자른 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 부양 장치(100)는 서로 이격되어 배치된 상부 전극(2) 및 하부 전극(4), 상기 상부 전극(2) 또는 상기 하부 전극(4)에 전압을 인가하여 대전된 물체(1)를 상기 전압에 의하여 생성된 정전기력으로 중력에 반하여 상기 대전된 물체(1)를 부양하는 주전원(186), 상기 대전된 물체(1)를 가열하는 레이저(122a, 122b,122c), 및 상기 대전된 물체(1)에서 반사된 반사광(13)을 상기 대전된 물체로 재반사시키는 구면 거울(126a,126b,126c)을 포함한다. 상기 반사광(13)은 상기 구면 거울(126a,126b,126c)의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀(128a)을 통과한 상기 레이저의 출력광이 상기 대전된 물체(1)에 의하여 반사되어 생성된다.
상기 상부 전극(2)은 디스크 형태이고, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 상부 전극(2)의 직경은 상기 하부 전극(4)의 직경보다 클 수 있다. 상기 하부 전극(4)은 접지되고, 상기 상부 전극(2)은 상기 주전원(186)에 의하여 음의 고전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 전기장은 z 축 방향으로 형성된다. 물체(1)가 양의 전하로 대전될 수 있다. 상기 물체(1)는 중력 방향(-z 축 방향)과 반대 방향으로 정전기력(electrostatic force)을 받아서 부양될 수 있다. 상기 상부 전극(2)에 인가되는 전압의 세기는 전극(2,4)의 간격, 상기 물체(1)의 질량, 및 상기 물체의 전하량에 의존할 수 있다
상기 상부 전극(2) 및 상기 하부 전극(4)은 동일한 중심축을 가질 수 있다. 상기 상부 전극(2) 및 상기 하부 전극(4)에 의하여 생성된 등전위면 (equi-potential surface)은 상기 중심축에서 가장 낮을 수 있다. 이를 위하여, 상기 상부 전극(2) 및 상기 하부 전극(4)은 곡면을 가질 수 있다.
상기 주전원(186)은 가변 가능한 고전압 직류 전압원일 수 있다. 상기 주전원(186)의 출력 전압은 가변될 수 있다.
상기 레이저(122a,122b,122c)는 상기 물체(1)를 가열하여 용융시킬 수 있다. 이를 위하여, 통상적으로, 상기 레이저(122a,122b,122c)의 출력은 연속적으로 동작하고, 수십 와트 내지 수백 와트일 수 있다. 상기 레이저(122a,122b,122c)는 이산화탄소(CO2) 레이저 또는 YAG 레이저일 수 있다.
챔버(110)는 상기 상부 전극(2) 및 상기 하부 전극(4)을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 챔버(110)에 진공을 유지할 수 있도록 진공 펌프(11)가 장착될 수 있다. 상기 챔버(110)는 금속 재질의 원통형일 수 있다. 상기 원통형 챔버의 측면에는 복수 개의 창문 포트(view port)가 형성될 수 있다. 상기 창문 포트(127)를 통하여 상기 레이저(122a)의 출력광은 상기 물체(1)에 제공될 수 있다. 상기 창문 포트는 창문(127a)을 가질 수 있다.
상기 챔버(110)는 적어도 하나의 창문(127a)을 포함하고, 상기 창문(127a)은 세렌화아연(ZnSe)으로 형성될 수 있다. 이 경우, 이산화탄소 레이저(CO2 LASER)의 출력광은 적은 손실을 가지고 상기 창문(127a)을 통과할 수 있다. 상기 창문(127a)의 표면은 소정의 파장에서 투과율을 증가시키도록 코팅될 수 있다. 통상적으로, 수백 와트의 이산화탄소 레이저의 출력광이 상기 창문(127a)을 투과하는 경우, 상기 창문(127a)은 가열되어 손상될 수 있다. 따라서, 상기 물체(1)를 용융하기 위한 상기 레이저(122a,122b,122c)의 출력은 감소될 필요가 있다. 이를 위하여, 복수 개의 레이저(122a,122b,122c)가 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 물체(1)는 균일하게 가열될 수 있고, 각 창문(127a)의 손상은 감소될 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저는 제1 레이저(122a), 제2 레이저(122b), 및 제3 레이저(122c)를 포함할 수 있다. 상기 제1 레이저(122a), 제2 레이저(122b), 및 제3 레이저(122c)는 상기 대전된 물체(1)를 중심으로 120 간격으로 배치될 수 있다. 상기 레이저(122a,122b,122c)는 상기 챔버(110)의 외부에 배치되고, 상기 제1 레이저, 제2 레이저, 및 제3 레이저는 각각의 창문(127a)을 통하여 상기 물체(1)에 제공될 수 있다.
상기 레이저(122a,122b,122c)의 출력광은 가우스 광속이고, 광속 반경은 수 센티미터일 수 있다. 한편, 상기 물체(1)의 반경은 수 밀리미터일 수 있다. 따라서, 상기 광속 반경을 감소시키는 렌즈부(124a,124b,124c)가 상기 레이저(122a,122b,122c)와 상기 물체(1) 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는 상기 렌즈부(124a,124b,124c)는 상기 레이저(122a,122b,122c)와 상기 창문(127a) 사이에 배치될 수 있다. 상기 렌즈부(124a,124b,124c)는 하나의 볼록 렌즈이거나, 공초점을 가지는 한 쌍의 렌즈를 포함할 수 있다. 또는, 상기 렌즈부(124a,124b,124c)는 상기 레이저(122a,122b,122c)와 상기 구면 거울(126a,126b,126c) 사이에 배치되어 상기 레이저의 출력광의 빔 크기 또는 광속 반경을 조절할 수 있다.
상기 구면 거울(Spherical mirror)은 일정한 곡률반경을 가진 구형일 수 있다. 상기 구면 거울(126a,126b,126c)은 상기 챔버(110)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 구면 거울(110)의 중심 표면 영역에는 관통홀(128a)이 배치될 수 있다. 상기 관통홀(128a)은 상기 물체, 상기 창문, 상기 집속부, 및 상기 레이저와 정렬할 수 있다. 상기 관통홀(128a)의 반경은 상기 집속부를 통과한 출력광의 광속 반경보다 클 수 있다. 상기 구면 거울(126a)은 x 축 방향, y축 방향, 및 z 축 방향으로 이동할 수 있다. 상기 구면 거울(Spherical mirror)의 초점과 상기 물체(1)의 초점은 일치할 수 있다. 상기 구면 거울(126a,126b,126c)의 곡률 반경은 배치되는 위치에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, 상기 구면 거울(126a,126b,126c)이 상기 물체(1)에 접근할수록, 상기 구면 거울의 곡률 반경 및 크기는 감소할 수 있다.
상기 구면 거울(126a,126b,126c)은 상기 중심 표면에 배치된 관통홀(128a) 이외에 다른 보조 관통홀들을 포함할 수 있다. 상기 다른 보조 관통홀들은 다른 부가 장치를 동작시키기 위하여 형성될 수 있다.
상기 상부 전극(2) 또는 상기 하부 전극(4) 주위에는 보조 전극들(6a,6b,8a,8b)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 동측 보조 전극(6b) 및 제1 서측 보조 전극(6a)은 상기 하부 전극(4)의 주위에 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 제1 동측 보조 전극(6b) 및 제1 서측 보조 전극(6a)은 구형일 수 있다.
제2 남측 보조 전극(8a) 및 제2 북측 보조 전극(8b)은 상기 상부 전극(2) 또는 상기 하부 전극(2)의 주위에 배치될 수 있다. 상기 제2 남측 보조 전극(8a) 및 제2 북측 보조 전극(8b)은 구형일 수 있다.
상기 제2 남측 보조 전극(8a) 및 제2 북측 보조 전극(8b)은 y'축을 따라 상기 하부 전극(4)의 주위에 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 제1 보조 전원(185)은 상기 제2 남측 보조 전극(8a) 또는 상기 제2 북측 보조 전극(8b)에 고전압을 인가하여, y'축 방향으로 전기장을 인가할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 남측 보조 전극(8a) 및 상기 제2 북측 보조 전극(8b) 중에서 하나는 접지되고, 다른 하나는 상기 제1 보조 전원(185)에 연결되어 전압을 공급받아, y'축 방향으로 전기장을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 물체(1)의 위치가 상기 하부 전극(4)의 중심축 또는 설정된 위치에서 벗어나는 경우, 상기 제1 보조 전원(185)은 상기 물체(1)를 원위치로 복원하기 위하여 동작할 수 있다.
상기 제1 동측 보조 전극(6b) 또는 상기 제1 서측 보조 전극(6a)은 제2 보조 전원(184)으로부터 전압을 공급받아, x'축 방향으로 상기 물체(1)에 전기장을 인가할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 동측 보조 전극(6b) 및 상기 제1 서측 보조 전극(6b) 중에서 하나는 접지되고, 다른 하나는 상기 제2 보조 전원(184)으로부터 전압을 공급받아, x'축 방향으로 상기 물체(1)에 전기장을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 물체의 위치가 상기 하부 전극(4)의 중심축 또는 설정 위치에서 벗어나는 경우, 상기 제2 보조 전원(184)은 상기 물체(1)를 원위치로 복원하기 위하여 동작할 수 있다.
상기 대전된 물체(1)의 위치를 측정하기 위한 보조 레이저(132a,132b)는 상기 챔버(110)의 외측에 배치될 수 있다. 상기 보조 레이저(132a,132b)의 출력은 창문을 통하여 상기 물체(1)에 조사될 수 있다. 상기 보조 레이저(132a,132b)는 헬륨-레온 레이저(He-Ne)일 수 있다.
위치 측정 센서(134a,134b)는 상기 대전된 물체(1)를 중심으로 상기 보조 레이저(132a,132b)와 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 위치 측정 센서(134a,134b)는 상기 물체에 의하여 산란되는 반사된 광에 의하여 형성된 그림자 영상을 통하여 상기 물체의 위치를 측정할 수 있다.
상기 보조 레이저(132a,132b)는 xy 평면에서 z축을 중심으로 소정의 각도만큼 회전한 x'-y'평면의 축 방향을 따라 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 보조 레이저(132a), 및 제1 위치 측정 센서(134a)는 x' 축 방향으로 설치될 수 있다. 또한, 제2 보조 레이저(132b) 및 제2 위치 측정 센서(134b)는 y' 축 방향으로 설치될 수 있다.
상기 제1 위치 측정 센서(134a)의 측정 결과는 y'-z' 좌표에 대한 위치를 제공할 수 있다. 상기 제1 위치 측정 센서(134a)의 측정 결과는 제1 피드백부(183)에 제공될 수 있다. 상기 제1 피드백부(183)는 y' 축 방향의 물체의 위치를 판단하여, 제1 보조 전원부(185)에 제1 위치 제어 신호를 제공할 수 있다. 이에 따라, 제1 보조 전원부(185)는 상기 제1 위치 제어 신호를 제공받아 소정의 전압을 상기 제2 남측 보조 전극(8a) 또는 상기 제2 북측 보조 전극(8b)에 인가할 수 있다. 상기 물체의 위치는 제어될 수 있다.
상기 제2 위치 측정 센서(134b)의 측정 결과는 x'-z 좌표에 대한 위치를 제공할 수 있다. 상기 제2 위치 측정 센서(134b)의 측정 결과는 제2 피드백부(182)에 제공될 수 있다. 상기 제2 피드백부(182)는 x' 축 방향 및 z 축 방향의 물체의 위치를 판단하여, 제2 보조 전원부(184)에 제2 위치 제어 신호를 제공할 수 있다. 이에 따라, 제2 보조 전원부(184)는 상기 제2 위치 제어 신호를 제공받아 소정의 전압을 상기 제1 동측 보조 전극(6b) 또는 상기 제1 서측 보조 전극(6a)에 인가할 수 있다. 상기 물체의 위치는 제어될 수 있다. 또한, 상기 제2 피드백부(182)는 상기 주전원(186)에 제3 위치 제어 신호를 제공할 수 있다.
제2 보조 전원부(184)는 상기 제2 위치 제어 신호를 제공받아 소정의 전압을 출력하여, 상기 물체의 위치를 제어할 수 있다. 또한, 상기 주전원(186)은 상기 제3 위치 제어 신호를 제공받아 소정의 전압을 상기 상부 전극(2)에 출력하여 상기 물체의 z축 위치를 제어할 수 있다.
대전 자외선 램프(Charging UV Lamp;172)는 광전 효과에 이용하여 상기 대전된 물체(1)를 대전할 수 있다. 상기 대전 자외선 램프(172)의 주요 파장은 160 nm일 수 있다. 상기 대전 자외선 램프(172)는 상기 물체(1)에서 증발(evaporation)에 의한 질량 감소로 전하량이 감소할 수 있다. 따라서, 일정한 전하량을 유지하기 위하여, 상기 대전 자외선 램프(172)는 상기 물체(1)가 증발하는 동안 계속 동작할 수 있다.
상기 물체(1)의 밀도를 측정하기 위해서 자외선 영상이 사용될 수 있다. 상기 물체(1)가 고온으로 가열될 경우, 상기 용융된 물체(1)는 높은 온도로 인한 발열로 흑체 복사를 수행할 수 있다. 따라서, 흑체 복사에 물체에 대한 통상적인 카메라 영상은 상기 물체(1)의 경계면을 구분하기 어렵다. 하지만, 상기 물체(1)을 통과한 자외선은 상기 물체(1)의 경계면을 명확히 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 물체(1)의 크기를 정확히 측정하므로, 밀도를 정확히 측정할 수 있다.
자외선 영상을 얻기 위하여, 영상 자외선 램프(146)는 상기 대전된 물체(1)에 자외선을 조사할 수 있다. 상기 영상 자외선 램프(146)는 상기 챔버(110)의 외측에 배치되고, 창문을 통하여 출력광이 상기 물체(1)에 조사된다. 집속부(148)는 상기 영상 자외선 램프(146)의 출력광을 상기 대전된 물체(1)에 집속한다. 상기 집속부(148)는 볼록 렌즈일 수 있다. 자외선 카메라(142)는 상기 대전된 물체(1)를 중심으로 상기 영상 자외선 램프(146)를 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 자외선 카메라(142)는 자외선 통과 필터(144)를 포함한다. 따라서, 상기 자외선 통과 필터(144)는 상기 영상 자외선 램프(146)의 출력광 만을 통과하도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 자외선 영상에서 상기 물체(1)에 의하여 반사 또는 산란된 부분은 검게 나타난다. 따라서, 상기 물체(1)의 반경을 구할 수 있다. 상기 대전 자외선 램프(172)의 출력광이 상기 자외선 카메라(142)에 입사하지 않도록, 상기 영상 자외선 램프(146)는 상기 대전 자외선 램프(172)와 서로 수직하게 배치되는 것이 바람직하다.
복사 온도계(152a,152b,152c)는 상기 대전된 물체(1)의 복사 온도를 측정할 수 있다. 상기 복사 온도계(152a,152b,152c)는 상기 레이저(122a,122b,122c)의 반대측에 배치될 수 있다.
상기 대전 자외선 램프(172)의 반대편에 흑백 카메라(162)가 배치될 수 있다.
제어부(181)는 상기 복사 온도계(152a,152b,152c) 및 상기 자외선 카메라(142)로부터 데이터를 제공받을 수 있다. 또한, 상기 제어부(181) 제1 피드백부(183) 및 제2 피드백부(182)로부터 데이터를 제공받을 수 있다. 상기 제어부(181)는 데이터를 분석하고 처리하고 그 결과를 화면에 표시할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (15)

  1. 서로 이격되어 배치된 상부 전극 및 하부 전극;
    상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극에 전압을 인가하여 대전된 물체를 상기 전압에 의하여 생성된 정전기력으로 중력에 반하여 상기 대전된 물체를 부양하는 주전원;
    상기 대전된 물체를 가열하는 레이저; 및
    상기 대전된 물체에서 반사된 반사광을 상기 대전된 물체로 재반사시키는 구면 거울을 포함하고,
    상기 반사광은 상기 구면 거울의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀을 통과한 상기 레이저의 출력광이 상기 대전된 물체에 의하여 반사되어 생성된 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저와 상기 구면 거울 사이에 배치되어 상기 레이저의 출력광의 빔 크기 또는 광속 반경을 조절하는 렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 감싸는 챔버를 더 포함하고,
    상기 구면 거울은 상기 챔버의 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 챔버는 적어도 하나의 창문을 포함하고, 상기 창문은 세렌화아연(ZnSe)으로 형성되고,
    상기 레이저는 이산화탄소 레이저(CO2 LASER)인 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 챔버의 내부를 배기하는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 전극은 접지되고,
    상기 상부 전극은 상기 주전원에 의하여 음의 고전압이 인가되고,
    상기 대전된 물체는 양의 전하로 대전되는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극의 주위에 서로 마주보도록 배치되는 제1 동측 보조 전극 및 제1 서측 보조 전극;
    상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극의 주위에 서로 마주보도록 배치되는 제2 남측 보조 전극 및 제2 북측 보조 전극;
    상기 제2 남측 보조 전극 또는 상기 제2 북측 보조 전극에 고전압을 인가하는 제1 보조 전원; 및
    상기 제1 동측 보조 전극 또는 상기 제1 서측 보조 전극에 고전압을 인가하는 제2 보조 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 제1 레이저, 제2 레이저, 및 제3 레이저를 포함하고,
    상기 제1 레이저, 제2 레이저, 및 제3 레이저는 상기 대전된 물체를 중심으로 120 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 대전된 물체의 위치를 측정하기 위한 보조 레이저; 및
    상기 대전된 물체를 중심으로 상기 보조 레이저와 마주보는 위치 측정 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 대전된 물체에 광전 효과에 의하여 상기 대전된 물체를 대전하는 대전 자외선 램프(Charging UV Lamp)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 대전된 물체의 온도를 측정하기 위한 복사 온도계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 대전된 물체에 자외선을 조사하는 영상 자외선 램프;
    상기 영상 자외선 램프의 출력광을 상기 대전된 물체에 집속하는 집속부; 및
    상기 대전된 물체를 중심으로 상기 영상 자외선 램프를 마주보도록 배치된 카메라;를 더 포함하고,
    상기 카메라는 자외선 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 장치.
  13. 정전기력으로 중력에 반하여 대전된 물체를 부양하는 단계;
    상기 대전된 물체를 레이저를 통하여 가열하고 녹이는 단계; 및
    상기 레이저의 출력광이 상기 대전된 물체에서 반사된 반사광을 구면 거울을 사용하여 상기 대전된 물체에 재반사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 대전된 물체를 광전 효과에 의하여 대전시키 위하여 자외선을 조사하는 단계;
    상기 대전된 물체의 위치를 확인하는 단계;
    상기 대전된 물체의 복사 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 대전된 물체에 자외선을 조사하여 자외선 영상을 획득하는 단계; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부양 방법.
  15. 물체를 부양하는 물체 부양부;
    상기 물체를 가열하는 레이저;
    상기 물체에서 반사된 반사광을 상기 물체로 재반사시키는 구면 거울;
    상기 물체의 위치를 측정하기 위한 보조 레이저;
    상기 물체를 중심으로 상기 보조 레이저와 마주보는 위치 측정 센서;
    상기 물체에 자외선을 조사하는 영상 자외선 램프;
    상기 영상 자외선 램프의 출력광을 상기 물체에 집속하는 집속부; 및
    상기 물체를 중심으로 상기 영상 자외선 램프를 마주보도록 배치되고 자외선 통과 필터를 포함하는 카메라를 포함하고,
    상기 반사광은 상기 구면 거울의 표면 중심 영역에 형성된 관통홀을 통과한 상기 레이저의 출력광이 상기 물체에 의하여 반사되어 생성된 것을 특징으로 하는 부양 장치.
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