KR101274030B1 - 광대역 초연속 스펙트럼을 이용한 근접장 흡수 측정 시스템 및 그 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생성된 광대역 초연속 스펙트럼을 이용하여 고분해능으로 분광 측정을 수행할 수 있는 광대역 초연속 스펙트럼을 이용한 근접장 흡수 측정 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템은 초연속 스펙트럼을 발생시키기 위한 광원부로 이용되는 펨토초 모드락 레이저, 상기 펨토초 모드락 레이저의 레이저 광이 입사되어 광대역 초연속 스펙트럼을 생성하는 비선형 광자 결정의 광섬유, 상기 광섬유에 연결되어 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 시료에 조사하는 국부 탐침, 상기 국부 탐침이 상기 시료와 간격을 유지하며 스캔할 수 있도록 상기 국부 탐침과 결합한 튜닝 포크, 상기 시료가 상부면에 배치되고 x-y-z 방향으로 이동가능한 이동 스테이지, 상기 이동 스테이지 하부에서 상기 시료를 투과한 광을 분광 검출하는 분광 검출부, 및 상기 튜닝 포크에 연결된 락인 증폭기와 상기 이동 스테이지에 연결되어 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하고, 상기 분광 검출부에 연결되어 상기 시료를 투과한 광의 분광 검출 정보로부터 상기 시료의 물리화학적 정보를 디스플레이하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템은 초연속 스펙트럼을 발생시키기 위한 광원부로 이용되는 펨토초 모드락 레이저, 상기 펨토초 모드락 레이저의 레이저 광이 입사되어 광대역 초연속 스펙트럼을 생성하는 비선형 광자 결정의 광섬유, 상기 광섬유에 연결되어 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 시료에 조사하는 국부 탐침, 상기 국부 탐침이 상기 시료와 간격을 유지하며 스캔할 수 있도록 상기 국부 탐침과 결합한 튜닝 포크, 상기 시료가 상부면에 배치되고 x-y-z 방향으로 이동가능한 이동 스테이지, 상기 이동 스테이지 하부에서 상기 시료를 투과한 광을 분광 검출하는 분광 검출부, 및 상기 튜닝 포크에 연결된 락인 증폭기와 상기 이동 스테이지에 연결되어 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하고, 상기 분광 검출부에 연결되어 상기 시료를 투과한 광의 분광 검출 정보로부터 상기 시료의 물리화학적 정보를 디스플레이하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 근접장 흡수 측정 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것으로, 특히 생성된 광대역 초연속 스펙트럼을 이용하여 고분해능으로 시료에 대한 국소적인 광 흡수 측정을 수행할 수 있는 광대역 초연속 스펙트럼을 이용한 근접장 흡수 측정 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
수세기 동안 광학 현미경에 의한 공간 해상도는 기본적으로 회절에 의해 제한되는 것으로 알려져 있다. 이러한 제한은 전통적인 모델에 의한 것인데, 이에 따르면 λ/2 이하의 이격 거리를 갖는 격자(λ: 조사된 광의 파장)는 입사각에 관계없이 광학계를 이용하여 공간적으로 분해할 수 없다.
따라서, λ/2 보다 작은 공간 변동을 갖는 물체에 관한 그 어떠한 구조적 특징도 종래 현미경에 의해 형성된 영상에서는 손실될 수밖에 없다.
STM(scanning tunnelling microscopy)의 개발에 의해, 공간 해상도를 처음으로 나노미터 수준으로 달성될 수 있게 되었으며, 현미경에 기초한 국부적 탐침이 탄생하였다. 특히, 국내공개특허공보 제 2003-0077734호(2003.10.04)에 기재된 근접장 주사 광학 현미경(scanning near-field optical microscope: SNOM, 때로는 NSOM 으로도 불리워진다)이 개발되면서 광학적인 공간 해상도가 더욱 향상되었다. 근접장 주사 광학 현미경은 STM의 전자가 아니라 광자(photon)를 검출하는 국부적 탐침 장치이다.
근접장 주사 광학 현미경의 작동 원리에서 근접장은 빛이 조사된 시료의 표면에 국재(Localization)하여 발생하는 전자기장으로, 미시적으로 빛이 조사됨으로써 여기되는 시료 내의 전기 쌍극자의 주위에 발생하는 전자기장으로 정의할 수 있다.
이들 쌍극자는 조사되고 있는 빛의 전자기장 진동에 따라 진동하고 있으므로 반사 전자기장을 발생하지만, 시료의 근방에는 국재 전자기장이 존재하고 있다. 이때, 반사 전자기장이 보통 우리들이 눈으로 볼 수 있는 전파광이며, 표면의 국재 전자기장을 소멸광이라고 부른다. 여기서, 소멸광이 존재하는 영역을 근접장이라고 명칭한다.
이러한 근접장 주사 광학 현미경은 국부 탐침 기법을 이용하여 빛의 파장보다 작은 크기의 광원을 만들 수 있으므로, 빛의 회절에 의한 광학 현미경의 분해능 한계를 극복할 수 있다. 따라서, 근접장 주사 광학 현미경은 다양한 광소자, 반도체 및 생물학 시료의 광학적 특성을 고분해능으로 관찰하는데 유용하게 사용되고 있다.
종래의 근접장 주사 광학 현미경을 이용하여 흡수/투과 분광 측정을 수행할 때, 일반적인 분광 측정 장치에 사용되는 램프를 광원으로 사용하면 탐침에서 출력되는 빛의 세기가 매우 작다.
또한, 근접장 주사 광학 현미경에서 일반적인 레이저 광을 광원으로 사용하면, 탐침에서 출력되는 빛의 세기가 높아지지만, 파장의 스펙트럼이 좁아져 흡수/투과 분광 측정의 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 회절 한계를 극복하여 광량이 높고 파장의 스펙트럼이 넓은 초연속 스펙트럼을 이용하여 고분해능으로 흡수 측정을 수행할 수 있는 근접장 흡수 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고분해능으로 흡수 측정을 달성할 수 있는 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템은 초연속 스펙트럼을 발생시키기 위한 광원부로 이용되는 펨토초 모드락 레이저(femtosecond mode-locked laser); 상기 펨토초 모드락 레이저의 레이저 광이 입사되어 광대역 초연속 스펙트럼을 생성하는 비선형 광자 결정의 광섬유(nonlinear photonic crystal fiber); 상기 광섬유에 연결되어 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 시료에 조사하는 국부 탐침; 상기 국부 탐침이 상기 시료와 간격을 유지하며 스캔할 수 있도록 상기 국부 탐침과 결합한 튜닝 포크; 상기 시료가 상부면에 배치되고 x-y-z 방향으로 이동가능한 이동 스테이지; 상기 이동 스테이지 하부에서 상기 시료를 투과한 광을 검출하는 분광 검출부; 및 상기 튜닝 포크에 연결된 락인 증폭기와 상기 이동 스테이지에 연결되어 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하고, 상기 분광 검출부에 연결되어 상기 시료를 투과한 광의 분광 검출 정보로부터 상기 시료의 물리화학적 정보를 디스플레이하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템에서 상기 국부 탐침은 상기 광대역 초연속 스펙트럼이 입사되어 도파하는 코어부; 상기 코어부를 감싸는 클래드부; 및 단부에 코팅된 금속 코팅부를 포함하고, 상기 금속 코팅부는 상기 단부에 개구(aperture)를 갖도록 형성되어 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템에서 상기 락인 증폭기는 펑션 제너레이터(function generator)에 의해 공진하는 상기 튜닝 포크의 디더링 진폭(dithering amplitude)에 비례하는 출력 전압을 검출하고, 상기 제어부는 상기 출력 전압에 따라 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템에서 상기 분광 검출부는 PMT(Photomultiplier tubes)와 CCD 검출기를 더 포함하고, 상기 PMT는 상기 시료를 투과한 광의 세기를 측정하며, 상기 CCD 검출기는 상기 시료를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 방법은 펨토초 모드락 레이저의 레이저 광을 비선형 광자 결정의 광섬유에 입사하여 광대역 초연속 스펙트럼을 생성하는 단계; 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국부 탐침에 입사하여 변환된 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 제어부의 제어에 따라 시료에 조사하는 단계; 및 분광 검출부가 상기 시료를 투과한 광을 검출하여 분광 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 방법에서 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 시료에 조사하는 단계는 락인 증폭기가 상기 광대역 초연속 스펙트럼이 조사되는 국부 탐침의 단부가 접합된 튜닝 포크로부터 디더링 진폭에 비례하는 출력 전압을 검출하는 단계; 상기 출력 전압을 제어부로 전달하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 출력 전압에 따라 상기 시료가 구비된 PZT 이동 스테이지의 위치를 판단하여, 상기 국부 탐침과 상기 시료 사이의 간격을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 방법에서 상기 분광 측정하는 단계는 상기 분광 검출부의 PMT가 상기 시료를 투과한 광의 세기를 측정하고, 상기 분광 검출부의 CCD 검출기가 상기 시료를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 방법에서 상기 광의 세기 정보와 상기 분광 스펙트럼 정보는 상기 제어부로 전달되고, 상기 제어부는 상기 광의 세기 또는 상기 분광 스펙트럼을 이용하여 상기 시료에 관한 투광도와 흡광도를 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템은 국부 탐침의 단부를 통해 충분한 광량, 광대역, 및 파장 이하 크기를 갖는 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 발생시키는 효과가 있다.
본 발명의 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 분광 측정 방법은 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 시료에 조사하고, 이에 따라 고분해능으로 시료의 분광 검출 정보로부터 물리화학적 특성을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템에 적용된 국부 탐침을 나타낸 단면 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 광대역 초연속 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 국부 탐침의 단부에서 조사되는 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 근접장 흡수 측정 시스템에서 검출한 시료의 투광도 이미지.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 근접장 흡수 측정 시스템에서 검출한 시료의 흡수도 이미지.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템에 적용된 국부 탐침을 나타낸 단면 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 광대역 초연속 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 국부 탐침의 단부에서 조사되는 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 근접장 흡수 측정 시스템에서 검출한 시료의 투광도 이미지.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 근접장 흡수 측정 시스템에서 검출한 시료의 흡수도 이미지.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템에 적용된 국부 탐침을 나타낸 단면 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 초연속 스펙트럼을 발생시키기 위한 광원부로서 이용되는 펨토초 모드락 레이저(femtosecond mode-locked laser: 110), 펨토초 모드락 레이저(110)의 레이저 광이 입사되어 광대역 초연속 스펙트럼을 생성하는 비선형 광자 결정의 광섬유(nonlinear photonic crystal fiber: 121), 광섬유(121)에 연결되어 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 시료(200)에 조사하는 국부 탐침(125), 국부 탐침(125)이 시료(200)와 일정한 간격을 유지하며 스캔할 수 있도록 국부 탐침(125)과 결합한 튜닝 포크(130), 시료(200)가 배치되고 x-y-z 방향으로 이동가능한 PZT 이동 스테이지(piezoelectric translation stage: 140), 시료(200)를 투과한 광을 검출하는 분광 검출부(170), 및 PZT 이동 스테이지(140)와 락인 증폭기(150)에 연결되어 PZT 이동 스테이지(140)를 x-y-z 방향으로 이동 제어하고 분광 검출부(170)에 연결되어 시료(200)를 투과한 광의 검출 정보로부터 시료(200)의 광 흡수도를 포함한 물리화학적 정보를 디스플레이하는 제어부(160)를 포함한다.
펨토초 모드락 레이저(110)는 800nm의 중심 파장과 84MHz의 반복률을 갖는 Ti: 사파이어 레이저를 이용하고, 펨토초 모드락 레이저(110)의 레이저 광이 비선형 광자 결정의 광섬유(121)에 커플링하여 파장대가 450에서 800nm에 걸친 광대역 초연속 스펙트럼을 발진시킬 수 있다.
비선형 광자 결정의 광섬유(121)는 코어가 약 2 ㎛로 매우 작은 직경을 가질 경우, 추가적으로 50 배율의 대물 렌즈를 이용하여 펨토초 모드락 레이저(110)의 레이저 광을 집광시킬 수 있다. 여기서, 레이저 광의 정밀한 커플링을 위하여, 최대 100x100x100 ㎛3로 이동가능하고 1 nm의 이동 정밀도를 갖는 x-y-z PZT(piezoelectric translation) 장치가 대물렌즈와 광섬유(121) 사이에 추가 장착될 수 있다.
그리고, 광섬유(121)에 집속된 펄스 레이저 광이 광섬유(121) 단면에서 반사된 후 레이저 광이 되돌아 갈 경우 모드락이 깨지는 경우가 있으므로, 모드락이 깨지는 것을 방지하기 위해 펨토초 모드락 레이저(110)와 대물렌즈 사이에 아이솔레이터(isolator)를 배치한다.
국부 탐침(125)은 광섬유(121)에 버트 커플링(butt-coupled)으로 연결되고 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 PZT 이동 스테이지(140)의 시료(200)에 조사한다.
구체적으로, 국부 탐침(125)은 광섬유(121)에 버트 커플링으로 연결되고 튜닝 포크(130)의 단부 일측까지 접합 연장되며, 광섬유(121)를 거치면서 생성된 광대역 초연속 스펙트럼을 단부에서 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 PZT 이동 스테이지(140)의 상부면에 구비된 시료(200)에 10nm의 간격을 두고 조사한다.
이러한 국부 탐침(125)은 도 2에 도시된 바와 같이 광대역 초연속 스펙트럼이 입사되어 도파하는 코어부(125-1), 코어부(125-1)를 감싸는 클래드부(125-2), 및 국소 광대역 초연속 스펙트럼이 조사되는 단부에 코팅된 금속 코팅부(125-3)로 이루어진다.
금속 코팅부(125-3)는 Al, Cr 등의 금속으로 이루어져 국소 광대역 초연속 스펙트럼이 조사되는 단부에 코팅되되, 단부에 약 100 nm 크기의 직경으로 개구(aperture)를 갖도록 코팅될 수 있다. 이렇게 국부 탐침(125)의 단부에 파장 이하의 크기인 개구를 형성하여, 더욱 넓은 광대역의 초연속 스펙트럼을 파장 이하 크기의 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 생성할 수 있다. 이에 따라, 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 이용하여, 시료(200)에 대해 높은 공간 분해능으로 검출이 이루어질 수 있다.
락인 증폭기(150)는 펑션 제너레이터(function generator: 152)에 의해 공진하는 튜닝 포크(130)의 디더링 진폭(dithering amplitude)에 비례하는 출력 전압을 검출하는 장치이다. 여기서, 락인 증폭기(150)의 출력 전압 정보는 제어부(160)로 전달된다.
제어부(160)는 PZT 이동 스테이지(140)의 일측에 장착된 PZT 장치(161)에 연결되고, 동시에 락인 증폭기(150)에도 연결되며, 이에 따라 락인 증폭기(150)의 출력 전압 정보에 따라 PZT 장치(161)의 위치를 조절할 수 있다.
즉, 국부 탐침(125)의 금속 코팅부(125-3)가 시료(200) 표면에 수십 나노미터의 간격으로 근접함에 따라, 전단력(shear force)에 의해 튜닝 포크(130)의 디더링 진폭이 감소한다. 이에 따라, 락인 증폭기(150)는 튜닝 포크(130)의 디더링 진폭에 비례하는 출력 전압 정보를 발생시켜 제어부(160)로 전달하면, 제어부(160)는 출력 전압 정보에 따라 PZT 장치(161)를 x-y-z 방향으로 이동시키게 된다.
이에 따라, 국부 탐침(125)의 단부와 시료(200) 표면 사이의 간격이 일정하게 유지된 상태에서, PZT 이동 스테이지(140)가 x-y-z 방향으로 약 0.1 nm의 정밀도를 갖고, 예컨대 200 x 200 x 20 ㎛3의 공간 범위 또는 그 이상의 공간 범위에서 이동할 수 있다.
이러한 PZT 이동 스테이지(140)의 공간 이동 조정에 의해, 국부 탐침(125)은 시료(200)의 원하는 부분에 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 정밀하게 조사할 수 있다.
분광 검출부(170)는 PMT(Photomultiplier tubes)와 CCD 검출기를 포함하고, 국부 탐침(125)의 단부에서 조사된 국소 광대역 초연속 스펙트럼이 시료(200)를 투과한 광을 분광 검출할 수 있다. 여기서, PMT는 시료(200)를 투과한 광의 세기를 측정하고, CCD 검출기는 시료(200)를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출하여 흡광 스펙트럼을 도출한다.
이러한 PMT와 CCD 검출기를 통해 검출된 시료(200)를 투과한 광의 세기 정보와 분광 스펙트럼 정보는 제어부(160)로 전달되며, 제어부(160)는 이러한 정보를 이용하여 시료(200)의 투광도와 흡광도를 검출 또는 이미지로 디스플레이할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템(100)은 국부 탐침(125)의 단부를 통해 충분한 광량, 넓은 스펙트럼, 파장 이하의 공간 분해능을 갖는 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 조사하고, 이에 따라 고분해능으로 시료의 분광 검출 정보로부터 광 흡수도와 같은 물리화학적 특성을 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법을 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용한 근접장 흡수 측정 방법은 먼저 펨토초 모드락 레이저(110)의 레이저 광을 광원으로 이용하여 초연속 스펙트럼을 생성한다(S310).
구체적으로, 초연속 스펙트럼을 생성하기 위해, 펨토초 모드락 레이저(110)의 레이저 광이 대물 렌즈를 통해 집광되고, 집광된 레이저 광은 x-y-z PZT 장치에 의해 위치 조정되어 비선형 광자 결정의 광섬유(121)로 입사될 수 있다. 광섬유(121)로 입사된 레이저 광은 광섬유(121)의 비선형 광자 결정에 의해 도 4a에 도시된 바와 같이 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환 생성될 수 있다.
이때, 도 4a에 도시된 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환되는 이유는 입사된 초연속 스펙트럼에 의한 솔리톤과 이와 관련된 공명 분산파의 영향으로 입사된 초연속 스펙트럼의 중심 파장이 광자 결정 광섬유의 영 분산 파장(Zero Dispersion Wavelength)과 떨어진 비정상 분산 영역에 위치하는 경우 및 영 분산 파장 근처의 비정상 분산 영역에 위치하는 경우에 따라 스펙트럼의 평탄한 정도와 대역 정도가 달라지기 때문이다.
여기서, 레이저 광이 광섬유(121) 단면에서 반사된 후 레이저 광이 되돌아 갈 경우 펨토초 모드락 레이저(110)의 모드락이 깨질 수 있으므로, 펨토초 모드락 레이저(110)의 모드락이 깨지는 것을 방지하기 위해 펨토초 모드락 레이저(110)와 대물렌즈 사이에 아이솔레이터를 추가 배치할 수 있다.
이렇게 생성된 광대역 초연속 스펙트럼은 광섬유(121)에 버트 커플링(butt-coupled)으로 연결된 국부 탐침(125)에 도파되고, 국부 탐침(125)의 단부에서 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환되어 시료(200)에 조사된다(S320).
즉, 광섬유(121)를 거치면서 생성된 광대역 초연속 스펙트럼은 국부 탐침(125)에 입사되어 도파하고, 국부 탐침(125)의 단부에서 파장 이하의 개구를 갖는 금속 코팅부(125-3)에 의해 도 4b에 도시된 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환되어 시료(200)에 조사된다.
이때, 국부 탐침(125)은 일 단부가 광섬유(121)에 버트 커플링되고, 다른 단부는 튜닝 포크(130)의 단부 일측에 접합 연장된다.
또한, 튜닝 포크(130)의 단부 일측에 접합된 국부 탐침(125)의 단부는 락인 증폭기(150)와 제어부(160)에 의해 PZT 이동 스테이지(140)의 상부면에 구비된 시료(200)에 일정 간격으로 조정될 수 있다.
즉, 락인 증폭기(150)는 펑션 제너레이터(152)에 의해 공진하는 튜닝 포크(130)의 디더링 진폭(dithering amplitude)에 비례하는 출력 전압을 모니터링하고, 이러한 출력 전압 정보는 제어부(160)로 전달된다.
제어부(160)는 이러한 출력 전압 정보에 따라 PZT 이동 스테이지(140) 또는 PZT 장치(161)의 위치를 판단하여 조절할 수 있다.
이러한 위치 조절에 따라, 국부 탐침(125)의 단부는 PZT 장치(161)에 장착된 PZT 이동 스테이지(140)의 상부면에 구비된 시료(200)에 예컨대, 10nm의 간격을 유지할 수 있다.
국소 광대역 초연속 스펙트럼이 시료(200)에 조사된 후, 분광 검출부(170)는 시료(200)를 투과한 광의 세기와 분광 스펙트럼을 검출하여, 투광도와 흡광도를 측정한다(S330).
구체적으로, 분광 검출부(170)는 PMT(Photomultiplier tubes)와 CCD 검출기를 포함하고, PMT는 시료(200)를 투과한 광의 세기를 측정하고, CCD 검출기는 시료(200)를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출한다.
예를 들어, 두께 b를 갖는 시료(200)에 조사되는 국소 광대역 초연속 스펙트럼의 광 세기가 Io이고 시료(200)를 투과한 투과 광의 세기는 It이면, 투광도(transmittance: T)는
으로 표현한 바와 같이, 조사된 광대역 초연속 스펙트럼의 광 세기(Io)와 시료(200)를 투과한 투과 광의 세기(It)의 분율로서 정의된다. 여기서, 투광도(T)는 도 5a에 도시된 바와 같이 CCD 검출기를 통해 이미지로 도시될 수 있다.
이러한 투광도(T)를 이용하여 궁극적으로 흡광도(absorbance: A)를 측정할 수 있어서, 흡광도(A)는
의 관계식을 통해 측정될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 근접장 흡수 측정 시스템을 이용하여 측정된 흡광도(A)는 다양한 시료(200)에 대한 물리화학적 특성을 검출하는데 효과적으로 이용할 수 있다. 예를 들어, 시료(200)가 반도체 시료인 경우, 단일 양자점의 흡광도, 발광다이오드에서 나노 구조체의 흡광도 등의 측정 결과를 통한 소자의 발광 특성을 분석하거나 발광 메카니즘을 규명할 수 있다.
또는, 시료(200)가 바이오 시료인 경우, 단일 생체분자의 흡광도 측정을 통해 생체분자의 광학적 특성 및 생체 분자 간의 상호 작용을 규명하거나, 또는 세포막 국소 영역의 광 흡수도 측정을 통한 생체분자의 분포를 규명할 수 있다.
그리고, 흡광도(A)는 도 5b에 도시된 바와 같이 CCD 검출기를 통해 이미지로 도시될 수 있어서, 도 5b의 이미지에서 상대적으로 어두운 부분은 시료(200)의 양이 희박하여 흡수가 거의 일어나지 않은 것을 나타내고, 밝은 부분은 시료(200)의 양이 상대적으로 많아서 강한 흡수가 일어났다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 근접장 흡수 측정 시스템 110: 펨토초 모드락 레이저
121: 광섬유 125: 국부 탐침
130: 튜닝 포크 140: PZT 이동 스테이지
150: 락인 증폭기 152: 펑션 제너레이터
160: 제어부 170: 분광 검출부
121: 광섬유 125: 국부 탐침
130: 튜닝 포크 140: PZT 이동 스테이지
150: 락인 증폭기 152: 펑션 제너레이터
160: 제어부 170: 분광 검출부
Claims (12)
- 초연속 스펙트럼을 발생시키기 위한 광원부로 이용되는 펨토초 모드락 레이저(femtosecond mode-locked laser);
상기 펨토초 모드락 레이저에 의해 발생된 초연속 스펙트럼이 입사되면, 상기 초연속 스펙트럼의 중심 파장이 영 분산 파장(Zero Dispersion Wavelength)에 위치하도록 하기 위해 상기 초연속 스펙트럼을 파장대가 450nm이상 800nm이하에 걸친 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하는 비선형 광자 결정의 광섬유(nonlinear photonic crystal fiber);
상기 광섬유에 연결되어 상기 광대역 초연속 스펙트럼이 입사되면 상기 광대역 초역속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 시료에 조사하는 국부 탐침;
상기 국부 탐침이 상기 시료와 간격을 유지하며 스캔할 수 있도록 상기 국부 탐침과 결합한 튜닝 포크;
상기 시료가 상부면에 배치되고 x-y-z 방향으로 이동가능한 이동 스테이지;
상기 이동 스테이지 하부에서 상기 시료를 투과한 광을 분광 검출하는 분광 검출부; 및
상기 튜닝 포크에 연결된 락인 증폭기와 상기 이동 스테이지에 연결되어 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하고, 상기 분광 검출부에 연결되어 상기 시료를 투과한 광의 분광 검출 정보로부터 상기 시료의 물리화학적 정보를 디스플레이하는 제어부;
를 포함하고,
상기 국부 탐침은 상기 광대역 초연속 스펙트럼이 입사되어 도파하는 코어부, 상기 코어부를 감싸는 클래드부 및 단부에 코팅된 금속 코팅부를 포함하고, 상기 금속 코팅부는 상기 단부에 0nm이상 100nm이하의 크기의 직경으로 개구(aperture)를 갖도록 형성되어, 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 파장대가 0nm이상 100nm이하에 걸친 공간 분해능을 갖는 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 펨토초 모드락 레이저는 Ti: 사파이어 레이저이고,
상기 펨토초 모드락 레이저의 모드락이 깨지는 것을 방지하기 위해 상기 펨토초 모드락 레이저와 상기 광섬유 사이에 배치된 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 이동 스테이지는 PZT 이동 스테이지(piezoelectric translation stage) 인 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 락인 증폭기는 펑션 제너레이터(function generator)에 의해 공진하는 상기 튜닝 포크의 디더링 진폭(dithering amplitude)에 비례하는 출력 전압을 검출하고,
상기 제어부는 상기 출력 전압에 따라 상기 이동 스테이지를 x-y-z 방향으로 이동 제어하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분광 검출부는 PMT(Photomultiplier tubes)와 CCD 검출기를 더 포함하고,
상기 PMT는 상기 시료를 투과한 광의 세기를 측정하며, 상기 CCD 검출기는 상기 시료를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 광의 세기 또는 상기 분광 스펙트럼을 이용하여 상기 시료에 관한 투광도와 흡광도를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 시스템.
- 펨토초 모드락 레이저에 의해 발생된 초연속 스펙트럼을 비선형 광자 결정의 광섬유에 입사되면, 상기 초연속 스펙트럼의 중심 파장이 상기 비선형 광자 결정의 광섬유의 영 분산 파장(Zero Dispersion Wavelength)에 위치하도록 하기 위해 상기 초연속 스펙트럼을 파장대가 450nm이상 800nm이하에 걸친 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하는 단계;
상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국부 탐침에 입사시켜 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 제어부의 제어에 따라 시료에 조사하는 단계; 및
분광 검출부가 상기 시료를 투과한 광을 검출하여 분광 측정하는 단계
를 포함하고,
상기 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 제어부의 제어에 따라 시료에 조사하는 단계는
상기 국부 탐침의 단부에 0nm이상 100nm이하의 크기의 직경으로 개구(aperture)를 갖도록 코팅된 금속 코팅부를 통해 상기 광대역 초연속 스펙트럼을 파장대가 0nm이상 100nm이하에 걸친 공간 분해능을 갖는 국소 광대역 초연속 스펙트럼으로 변환하여 상기 시료에 조사하는 근접장 흡수 측정 방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 국소 광대역 초연속 스펙트럼을 시료에 조사하는 단계는
락인 증폭기가 상기 국소 광대역 초연속 스펙트럼이 조사되는 국부 탐침의 단부가 접합된 튜닝 포크로부터 디더링 진폭에 비례하는 출력 전압을 검출하는 단계;
상기 출력 전압을 제어부로 전달하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 출력 전압에 따라 상기 시료가 구비된 PZT 이동 스테이지의 위치를 판단하여, 상기 국부 탐침과 상기 시료 사이의 간격을 조정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 분광 측정하는 단계는
상기 분광 검출부의 PMT가 상기 시료를 투과한 광의 세기를 측정하고, 상기 분광 검출부의 CCD 검출기가 상기 시료를 투과한 광의 분광 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 광의 세기 정보와 상기 분광 스펙트럼 정보는 상기 제어부로 전달되고,
상기 제어부는 상기 광의 세기 또는 상기 분광 스펙트럼을 이용하여 상기 시료에 관한 투광도와 흡광도를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 근접장 흡수 측정 방법.
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