KR100367240B1 - 기판코팅의형광스펙트럼미분측정방법 - Google Patents

Abstract

형광 스펙트럼 측정기는 시료의 기능성 혼합물에 함유된 검사용 형광물질의 형광 특성을 측정한다. 형광 스펙트럼 측정기는 시료에 함유된 하나 또는 그 이상의 형광물질을 여기하기에 적합한 광선을 방출한다. 여기된 하나 또는 그 이상의 형광물질은 방출 파장 스펙트럼 이내에서 형광을 방출한다. 방출 강도의 급격한 변화가 발생하는 좁은 파장 범위를 가진 형광물질을 검사용 형광물질로 선택한다. 형광 스펙트럼 측정기는 이 좁은 파장 범위 내의 강도 변화를 검출해 강도 곡선에 대한 도함수 산출을 수행한다. 형광 스펙트럼 측정기는 특정 형광물질을 다른 형광물질 또는 배경의 형광 간섭으로부터 구별할 수 있다.

Description

기판 코팅의 형광 스펙트럼 미분 측정 방법

아래의 논의에서 "형광성(fluorescence)"이란 일반적인 의미의 발광성(luminescence)을 의미하며 형광과 인광(phosphorescence)을 모두 포함한다. 형광 스펙트럼 광 측정계(fluorescent spectrophotometry)란 형광성 혼합물로부터 방출되는 형광의 강도 또는 파장 스펙트럼 측정에 사용되는 장치와 측정 방법을 지정한다. 방출광을 측정하는 목적은 측정 물질의 양적, 질적인 특성을 분석하기 위함이다. 대표적인 방법은 멜란콘(Melancon)에게 허여된 미국 특허번호 제 4,922,113 호에 명시되어 있는데, 이 방법은 기능성 혼합물 또는 코팅에 검사용 형광 물질을 섞어, 형광의 강도를 기능성 혼합물의 무게나 두께와 상관시킨다.

일반적으로 형광 스펙트럼 측정기는 형광성 혼합물을 여기(exite)시키는 데에 적합한 출력 파장을 가진 광원을 포함한다. 광원으로부터의 출력 광선은 시료로 지향되어 시료에 포함된 형광성 혼합물의 전자 상태를 여기시킨다. 형광은 여기된 전자가 원 상태로 돌아오며 복사 에너지 광자를 방출할 때 발생한다. 형광 혼합물에서 방출된 빛은 모아져서 방출된 형광 광선을 분산시켜 단색 파장의 광으로 만들기 위한 스펙트로포토미터(spectrophotometer) 또는 단색화기(monochromator)로 지향된다. 단색화된 광선은 광검출기로 지향되어 그 강도와 파장이 검사, 측정된다. 형광 스펙트럼 광 측정은 기존 기술 분야에서 널리 이용되어 오니시(Ohnishi)에게 허여된 미국 특허 제 3,832,555 호에 설명되어 있다. 덴디커(Dandiker) 등에게 허여된 미국특허 제 4,877,965호에서는 형광을 다른 배경 잡음과 구별하기 위한 방법인 단속적 시간 차단(time gated) 형광 획득법에 설명되어 있다.

기존의 기술로는 유사하게 중복되는 방출 스펙트럼을 가진 두 개 이상의 형광 방출원을 구별할 수 없었다. 한 성분 이상을 측정해야 할 필요가 있을 경우, 기존의 방법은 서로 다른 형광 혼합물을 사용하는 것이었다. 이런 방법에서는 여러개의 광원과, 단색화기들, 감광기들 및 관련 광학 장치가 필요했다.

[발명의 요약]

본 발명은 기능성 기판 코팅의 형광 방출값을 측정하는 방법을 포함한다. 이 방법은 기능성 코팅에 효과적인 양의 형광 물질을 혼합하는 단계들을 포함하는데, 이 형광 물질은 파장 범위 A에 속한 방출 에너지를 흡수하고 방출 파장 범위 B에 속한 에너지를 방출하며, 방출 파장 범위 B 내에 속한 보다 좁은 파장 범위 C를 포함하는데, 여기서 방출되는 복사 에너지의 양에 있어서 범위 C의 바로 밑에 있는 B 범위의 일부에서의 방출량으로부터 범위 C의 방출량으로의 변화가 급격하게 이루어진다. 기능성 코팅은 파장 범위 A에 속한 방출 에너지 및 기능성 코팅에 의해 방출되는 파장 범위 C를 포함하는 파장 범위 B에 속한 방출 에너지에 의해 여기된다.검출된 파장 범위 C의 도함수 계산을 통해 기능성 코팅의 방출 에너지의 변화에 대한 미분값을 얻는다.

본 발명은 또한 흡수 파장 범위와 방출 파장 범위가 이미 알려져 있는 기판의 전체 또는 일부에 가해진 기능성 혼합물의 형광 방출을 검출하는 장치를 포함한다. 본 시스템은 방출 강도가 급격히 변화하는 좁은 형광 방출 파장 범위를 내포한 방출 파장 범위를 갖는 형광 물질 수단을 포함한다. 이 좁은 범위는 형광 물질을 함유한 기능성 코팅의 형광 방출 강도를 측정하는 데 유용하다. 형광 물질의 내포된 좁은 형광 파장 범위에 맞추어진 검출 수단은 형광 물질의 흡수 파장 범위에 해당하는 복사 에너지가 형광 물질을 여기시킬 때 이 내포된 좁은 파장 범위에서의 형광 방출의 강도를 검출한다. 분석 장치가 내포된 좁은 형광 물질 파장 범위의 형광 방출 변화를 분석해 값을 획득하고 상관 분석 장치는 형광 방출 강도 분석에서 얻은 값을 기능성 코팅의 물리적 특성과 상관시킨다.

본 발명은 일반적으로 형광성 혼합물의 분광 측정에 관한 것으로, 구체적으로는 형광성 혼합물의 방출 스펙트럼의 1차 도함수 분석에 의해 쉽게 식별할 수 있는 형광성 혼합물 부류의 특성을 활용하는 것에 관한 것이다.

도 1a는 9-ICF의 방출 파장 스펙트럼을 그래프로 나타낸 것이다.

도 1b는 도 1a의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 2는 몇가지 고온 용해 접착제의 방출 파장 스펙트럼의 그래프이다.

도 3a는 도 2와 동일한 고온 용해 접착제에 형광물질 9-ICF를 검사용으로 첨가했을 경우의 방출 파장 스펙트럼이다.

도 3b는 도 3a의 각 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 4a는 형광물질 α-NPO의 방출 파장 스펙트럼의 그래프이다.

도 4b는 도 4a의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 4c는 형광물질 Uvitex OB의 방출 파장 스펙트럼의 그래프이다.

도 4d는 도 4c의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 4e는 두 개의 층으로 구성된 Kraton 접착제의 방출 파장 스펙트럼의 그래프이다. 여기서, 한 층은 형광물질 α-NPO를 형광 검사용으로 첨가했고 다른 한층은 형광물질 Uvitex OB를 형광 검사용으로 첨가했다.

도 4f는 도 4e의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 5는 본 발명의 한 실시예의 개략도이다.

도 6은 단색화기의 출구 슬릿을 측면에서 바라본 개략도이다.

도 7은 본 발명에서 사용된 협폭 포트 초퍼(narrow port chopper)의 개략도이다.

도 8a는 형광물질의 방출 파장 스펙트럼의 예를 보여주는 그래프이다.

도 8b는 협폭 포트 초퍼를 통해 얻은 파장 스펙트럼의 그래프이다.

도 8c는 도 8b의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 9a는 본 발명에서 사용된 광폭 포트 초퍼(wide port chopper)의 개략도이다.

도 9b는 광폭 포트 초퍼가 본 발명에서 실제 사용된 예를 보여주는, 9a와 유사한 도면이다.

도 10a는 시범용 형광물질의 방출 파장 스펙트럼을 그래프로 나타낸 것이다.

도 10b는 광폭 포트 초퍼를 통해 얻은 방출 파장 스펙트럼의 그래프이다.

도 10c는 도 10b의 곡선에 대한 1차 도함수의 그래프이다.

도 10d는 도 10c의 곡선에 대한 2차 도함수의 그래프이다.

도 11은 시범용 형광물질의 방출 파장 스펙트럼을 그래프로 나타낸 것이다.

도 12는 본 발명의 시스템 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 13은 본 발명의 실시예를 측면에서 바라본 개략도이다.

도 1a의 그래프는 280nm에서 330nm 사이의 파장 범위에서 9-이소시안토플루오린(9-ICF)의 방출 스펙트럼의 형광 강도 곡선을 도시하였다. 기존의 방법과 시스템을 사용할 때에는, 9-ICF가 검출될 수 있는 파장의 광을 방출하는 유일한 형광 혼합물일 경우에, 방출 파장 범위의 임의의 지점에서의 방출 출력 강도를 단순히 1회 측정함으로써 기능성 혼합물, 예를 들어 박막 필름에 첨가된 9-ICF의 양을 알수 있었다. 그러나 본 발명은 형광 물질의 방출량을 측정하기 위한 다른 장치와 방법을 사용하며, 특히 동일하거나 유사하게 중복되는 방출 파장 범위에서 광을 방출하는 하나 이상의 형광 혼합물들이 존재할 경우 특히 유용하다.

도 1a에서 영역(20)은 302nm에서 309nm 사이까지의 7nm 스펙트럼 범위를 도시하였다. 영역(20)내에서 9-ICF의 방출 강도에 급격한 변화가 있다. 도 1b에서 도시된 대로 도 1a의 곡선에 대한 1차 도함수, 즉 미분을 행하면, 305nm 파장에 해당하는 최고 기울기 지점(24)을 중심으로 급격한 변화를 나타내는 정점(22)을 얻을 수 있다. 이 정점(22)의 바로 양쪽에 존재하고 영역(20)에 의해 경계지워진 곡선은 도 1a의 영역(20)에서 방출 출력 곡선의 기울기의 변화를 나타낸다. 도 1b의 곡선은 9-ICF의 방출 출력 변화를 나타낸다. 부분(20)에서는 방출 출력의 변화를 일으키는 것이 9-ICF 이므로, 도 1b의 곡선의 정점에 대해 얻은 값을 이미 알려진 다양한 농도의 9-ICF에 대한 표준값과 비교하면 검출된 9-ICF의 절대량을 얻을 수 있다. 9-ICF가 기능성 혼합물 내에 검사용 형광 물질로서 첨가되었다면, 기능성 혼합물이 기판에 가해진 후에, 첨가된 9-ICF의 농도를 알면, 기능성 혼합물의 두께와 무게를 알 수 있다.

때에 따라 하나 이상의 형광성 혼합물이 있는 경우도 있다. 이 형광성 혼합물들의 방출 스펙트럼이 중첩될 경우, 각 형광성 혼합물은 서로 경쟁하거나 간섭하게 된다. 중첩할 수 있는 방출 파장 범위 내의 임의의 파장에서 한차례 방출 출력을 단순히 측정하는 기존의 기술로는 서로 경쟁하는 개별 혼합물들이 방출하는 개별적인 방출 강도들을 구별할 수 없을 것이다.

서로 경쟁하거나 간섭하는 형광 혼합물로 인한 현실적인 한계를 도 2에서 볼수 있다. 곡선(30, 40, 50)은 세 개의 서로 다른 고온 용해 접착물에 대한 방출 출력 곡선이다. 이 고온 용해물들은 그 자체가 박막이거나 다른 박막을 가하기 위한 기반재로 사용되는 기판의 접착성 기저재로 사용된다. 도 2의 형광 방출 곡선에서 명백히 알 수 있듯이 고온 용해물들은 285nm에서 330nm 범위에서 활발하게 형광을 방출한다. 기능성 혼합물에 첨가한 9-ICF와 같은 검사용 형광물질은 곡선(30, 40, 50)에 의해 대표되는 강력한 형광을 방출하는 고온 용해물에 비하면 약한 형광물질에 불과하다.

도 3a는 각 고온 용해 접착제를 구비한 박막 기능성 코팅재에 9-ICF 검사용형광물질이 첨가됐을 경우의 방출 출력 곡선(35, 42, 52)을 도시하였다. 9-ICF 검사용 형광물질을 첨가한 것의 효과는 경쟁하는 배경 접착제의 방출에 가려 거의 검출되지 않는다. 이것은 좁은 파장 범위 영역(20)에서도 마찬가지이다. 여기에서 알수 있는 것처럼, 검사용 형광물질 및 동일한 넓은 방출 파장 대역에서 형광을 방출하는 임의의 어느 한 제품 성분은, 넓은 대역의 전체에 걸쳐 서로 경쟁하게 된다. 기존의 방법으로는 검사용 형광 물질의 방출을 검출하기 어렵게 된다.

도 3b는 고온 용해 접착제들의 경쟁적인 방출에도 불구하고 검사용 형광물질 9-ICF로 인한 형광 방출 출력의 급격한 변화를 검출할 수 있는 본 발명의 능력을 보여준다. 도 3b에 도시된 것과 같이, 도 3a의 각각의 방출 출력 곡선(32, 42, 52)으로부터 제 1차 도함수 곡선, 즉 미분 곡선(34, 44, 54)을 얻을 수 있다. 각 고온 용해 접착제와 검사용 형광 물질의 혼합물에서 파장 305nm 지점(22)에서 발생하는 정점은 도 1b에 도시된 9-ICF의 정점에 대응한다. 도 3b의 곡선(34, 44, 54)의 정점(22)은 도3a의 방출 곡선(32, 42, 52)의 최고 기울기 지점을 나타낸다. 9-ICF 검사물질의 형광 세기는 최고 기울기에서 양쪽 측의 기울기의 평균값을 뺀 것에 비례한다. 따라서 최고 기울기는 기능성 코팅에 함유된 9-ICF 의 양에 직접 비례한다. 기능성 코팅에 함유된 검사용 형광물질 9-ICF 의 농도를 알 수 있기 때문에 9-ICF의 세기는 기판에 박막으로 가해지는 기능성 코팅의 전체 양과 비례하게 된다.

이 발명의 맥락에서 기능성 코팅 또는 혼합물은 다양한 용도로 쓰이도록 선택될 수 있다. 이 코팅은 보호용 코팅(protective coating), 접착 지지용 코팅(adhesive backside coating), 감광 이미지 코팅(radiation-sensitiveimageable coating), 릴리스 코팅(relases coating), 및 장벽 코팅(barrier coating)등의 용도로 쓰일 수 있다. 양호한 코팅 방식은 검사용 형광물질이 코팅에 화학적으로 결합되거나, 용해되거나, 코팅 혼합물에 분산되는 식으로 첨가되어 사용될 수 있도록 한다. 본 발명에서는 코팅과 검사용 형광 물질을 적합하게 선택할 경우, 방출값의 도함수 값과 코팅의 특정한 특성 사이의 상관 관계를 얻을 수 있게 된다. 이러한 특성으로는 예를 들어 두께, 무게, 균일성, 결함 또는 기타의 표지 등이 있다.

대부분의 제조 공정에서 서로 다른 기능성 혼합물 내에 여러 개의 검사용 형광물질을 첨가해 각 기능성 혼합물의 무게나 두께 등을 측정하는데 사용할 수 있다. 이런 방법으로 각 기능성 혼합물을 제품에 추가할 때 제조공정 제어와 품질 평가가 가 가능하다. 검사용으로 사용된 형광물질들이 유사한 특성을 나타내는 것을 검출할 수 있기 때문에 동일한 파장 범위 내에서 작업할 수 있는 편리함이 있다. 예를 들어 형광물질 9-ICF, α-NPO, Uvitex OB는 모두 325nm에서 여기된다. 따라서 검사용 형광물질들을 여기하기 위한 광원은 하나로 충분하고 단색화기와 검출장치도 하나씩만 필요하다.

서로 유사한 특성을 나타내는 형광 물질들을 사용할 수 없을 경우에는, 검사용 형광 물질들은 완전히 서로 다른 파장에서 동작해야 하며, 따라서 각각의 스펙트럼 범위에서 각각의 형광 물질에 대한 여기 및 방출을 이루기 위한 개별 장치가 있어야 한다. 서로 다른 검사용 물질을 사용할 때에는 대개 적외선 범위에서 흡수와 방출을 하는 하나의 검사용 물질과, 첫번째 검사용 형광물질의 흡수 및 방출 범위 아래에서 흡수와 방출을 하는 또다른 검사용 물질을 사용해야 한다. 두 번째 검사용 형광물질은 보통 가시광선 범위에서 흡수와 방출을 하는 물질에서 선택된다. 그러나 불행히도 가시광선 스펙트럼 범위에서 광을 방출하는 검사용 형광물질을 사용하면 최종 제품의 색상의 순도와 선명함을 저해하는 바람직하지 않은 결과가 생길 수 있다. 실제 제조 과정상 하나 이상의 기능성 혼합물을 사용하는 것이 필요할 수 있다. 기존의 방법으로는 서로 중첩하는 방출 스펙트럼을 가진 두 개의 검사용 형광물질을 동시에 측정하는 것을 제공하거나 이것을 기대할 수 없다.

본 발명의 또 하나의 구현 형태에서는 여러 개의 검사용 형광 물질을 동시에 구별하고 측정하는 것이 가능하다. 도 4a는 형광 물질 α-NPO의 방출 스펙트럼인 방출 곡선(60)을 보여준다. 곡선(60)의 영역(62)은 α-NPO에 대해 형광 방출이 급격히 변화하는 곡선(60)의 좁은 파장 범위를 표시한다. 도 4b의 곡선 64는 도 4a의 곡선(60)의 1차 도함수 그래프이다. 곡선(64)의 정점(66)은 출력 방출의 급격한 변화 지점을 의미하고 α-NPO의 특성을 나타낸다.

도 4c는 형광물질 Uvitex OB의 방출 스펙트럼인 방출 곡선(70)을 보여준다. 곡선(70)의 영역(72)은 Uvitex OB에 대해 형광 방출이 급격히 변화하는 곡선(70)의 좁은 파장 범위를 의미한다. 곡선(70)의 영역(72)은 약 395nm에서 405nm의 파장 대역을 가지고 있다. 도 4a의 곡선(60)에서 지점(68)은 α-NPO의 최고 방출 파장에 해당하며, 이는 또한 도 4c에서 영역(72)에 해당하는 곡선(70)의 파장 범위와 일치한다. 기존의 방법으로는 형광물질 α-NPO가 있는 조건에서 형광물질 Uvitex OB가 존재하는 것을 측정할 수 없었다. 이 두가지 검사용 형광 물질의 상호 경쟁으로 인해 기존의 방법에서는 두가지 형광물질을 동시에 사용하는 것이 불가능하였다.

도 4e의 방출곡선(80)은 폴리프로필렌 박막 기판에 코팅된 크라톤(Kraton) 접착제로 된 각각의 기능성 코팅 층에서 검사용 형광물질로 사용된 α-NPO와 Uvitex OB의 방출 곡선이다. α-NPO는 농도 0.1%의 고형물이고, Uvitex OB는 농도 0.3%의 고형물이다. 크라톤 접착제나 폴리프로필렌은 이들 두 종류의 검사용 형광물질의 측정 파장 범위에서 인식할만한 흡수나 형광 방출을 하지 않는다. 도 4e에서 영역(62)은 α-NPO의 형광 파장 방출에서 급격한 변화를 나타내는데, 이를 구별할 수는 있지만 유용하지는 않다. 영역(72)은 Uvitex OB의 형광 파장 방출에서 급격한 변화에 해당하며, 이는 이와 동일한 파장 범위에서 α-NPO로부터 나오는 최고 방출값과 구별할 수 없다.

도 4f의 곡선 (82)는 도 4e의 곡선(80)의 1차 도함수 그래프이다. 도 4f에서 각각 α-NPO와 Uvitex OB를 의미하는 정점 (66)과 (76)이 뚜렷하게 나타나며 쉽게 측정할 수 있다. 각 정점이 각각의 검사용 형광 물질의 양에 비례하므로, 각 정점은 폴리프로필렌 기판에 가해진 각 검사용 형광 물질에 의해 대표되는 크라톤 접착제층의 무게 또는 두께에 비례한다.

실험 데이터에 따르면 본 발명은 9-ICF와 α-NPO, Uvitex OB에 대해 내포된 좁은 파장 범위에서 총 방출 출력의 1%의 변화만으로도 형광 물질을 검출할 수 있는 충분한 감도를 가진 것으로 나타났다. 이 내포된 좁은 파장 범위에서 형광 출력의 변화가 더 날카롭거나 또는 더 급격할수록, 검출의 감도는 좋아진다. 약 15nm의 좁은 파장 범위에서 급격한 변화를 보이는 형광 물질의 경우, 기능성 혼합물의 전체 방출 강도에 있어서 약 5% 정도의 변화에 해당할 정도로 기능성 혼합물 내에서 충분한 양 또는 농도를 가져야 한다. 더좁은 3nm의 파장 범위에서 검출가능한 급격한 변화의 정도는 전체 방출 강도에서 약 1% 정도의 변화이다. 본 발명의 수혜점을 이용할 수 있는 다른 형광 물질들이 이미 존재하거나 개발될 수 있을 것으로 예상되며 감도 또한 향상될 것으로 보인다.

도 5는 본 발명의 한 구현 형태인 시스템(100)을 도시하였는데, 이는 단색화기(102), 초퍼(chopper)(104), 광전 배증관(photomultiplier tube;PMT)(106), 광원(108), 광학 필터(110), 투사 렌즈(112), 대물 렌즈(114), 컴퓨터 시스템(116) 및 신호 처리기(118)를 포함한다.

광원(108)은 기능성 코팅 및 기능성 혼합물에 첨가된 검사용 형광 물질을 여기시킬 수 있는 파장 대역의 광선을 방출한다. 기능성 코팅 및 기능성 혼합물로는 광 접착 코팅(light adhesion coating)(122), 지지 기판(backing substrate)(120), 접착제(124)등이 있다. 대안으로는 하나 이상의 층(120, 122, 124)은 동일한 파장 대역에서 형광하고, 따라서 검사용 물질로 첨가된 형광 물질과 경쟁적으로 형광하는 혼합물을 함유할 수 있다.

광학 필터(110)는 광원(108)에서 나오는 여기용 광선으로부터 바람직하지 않은 파장의 광을 제거한다. 투사 렌즈(112)는 여기용 광선의 초점을 측정할 재료의 소정 지점에 맞춰준다. 재료로부터 방출되는 형광은 대물 렌즈(114)에 의해 초점이 맞춰져 단색화기(102)로 지향된다.

회절 격자와 프리즘을 사용해 단색화기(102)는 피검 재료로부터 방출되는 형광을 이산 파장들을 갖도록 분리하고 이를 출구 슬릿을 통해 초퍼(104)로 보낸다. 시스템(100)의 초퍼(104)는 그 포트가 단색화기(102)의 출구 슬릿을 통해 스캔하도록 정렬된 회전 바퀴이다. 초퍼(104)가 회전함에 따라, 포트가 단색화기(102)의 출구 슬릿을 통해 움직임으로써 선택된 파장의 광이 PMT(106)에 이르도록 한다. PMT(106)는 각 파장에 대한 빛의 강도를 측정해 이 신호를 컴퓨터 시스템(116)과 직접 연결된 신호 처리기(118)로 보낸다. 컴퓨터 부 시스템(116)은 모든 연산 기능을 수행하고 분석 결과를 제공한다.

도 6은 초퍼(106)의 방향과 조망을 따라 보여지는, 출구 슬릿(130)을 갖는 단색화기(102)이다. 시스템(100)에서, 유용한 출구 슬릿(130)은 슬릿 폭 1nm 단위당 8nm의 해상도를 갖는다. 출구 슬릿의 폭이 4nm라면, λ_c를 단색화기(102)의 대표 중간 파장으로 할 때, 32nm의 파장 대역폭이 출구 슬릿(130)에서 분산된다. 대표 가장자리 파장 λ₁과 λ₂는 대표 중간 파장 λ_c로부터 아래와 위쪽으로 각각 16nm 떨어져 있다.

하나 또는 여러개의 검사용 형광 물질을 구별하는 데 유용한 본 발명의 몇가지 구현 형태가 있다. 또한 배경 간섭으로부터 검사용 형광 물질을 구별할 수 있는 다양한 구현 형태를 만들 수 있다.

도 7에 보면, 본 발명의 한 실시예에서 단색화기(102)의 출구 슬릿(130)을 가로질러 회전하는 초퍼(104) 내의 협폭 포트(140)가 사용된다. 출구 슬릿(130)의 대표 중간 파장 λ_c은 검출될 검사용 형광 물질의 급격한 변화 스펙트럼 영역의 중앙 파장에 해당되도록 선택된다. 이런식으로 검사용 형광 물질의 급격 전이 스펙트럼 영역이 샘플된다. 9-ICF의 방출 파장 범위를 예로 사용할 경우, 단색화기(120)의 대표 파장 λ_c는 305nm에 중심이 맞춰지며, 대표 파장 λ_c의 상하 16nm를 스캔한다.

도 7에 도시된 것처럼 협폭 포트(140)가 출구 슬릿(130)을 가로질러 지나갈 때, 각 파장에 대한 빛의 강도를 PMT(106)로 측정한다. 이 측정치가 도 8a와 8b에 그래프로 도시되었다. 도8a는 가상의 형광 물질의 방출 스펙트럼 그래프이다. 도 8b는 회전하는 협폭 포트 초퍼(140)가 발생시키는 방출 출력의 그래프 표현이다. 도 8b에서, λ₁과 λ₂는 급격한 파장 변화를 보이는 좁은 영역이 λ₁과 λ₂의 경계를 갖는 영역 안에 포함되도록 선택된 상한과 하한 파장 값이다. 형광 물질 9-CIF을 사용하고 출구 포트에서 32nm의 대역폭을 사용할 경우, λ₁은 289nm, λ₂는 321nm이다. 도 8c는 도 8b의 값으로부터 얻은 1차 도함수, 즉 미분 그래프이다. 최대 기울기는 기능성 혼합물에 함유된 형광 물질의 양에 비례한다.

또다른 기술은 도 9a에 도시된 것처럼, 단색화기(102)의 출구 슬릿(130)보다 약간 넓은 광폭 포트(150)를 사용하는 것이다. 이런 방식에서, 광선의 강도 출력은 출구 슬릿(130)에서의 해당 부분의 스펙트럼 출력에 대한 전체 형광 강도 값에 비례한다. 도 9a에 도시된 것처럼 광폭 포트(150)가 출구 슬릿(130) 전체를 노출시키도록 접근할 때에는 PMT(106)에 의해 측정되는 빛의 강도는 대표 경계 파장 λ1에서 광폭 포트(150)의 선단 부분에서의 대표 파장 λs1 까지 측정된 형광 강도의 적분값에 비례한다. 도 9b에서와 같이 광폭 포트(150)가 출구 슬릿(130)의 노출 범위를 축소시킬 때에는, PMT(106)에 의해 측정되는 빛의 강도는 광폭 포트(150)의 후단 부분에서의 대표 파장 λs2 로부터 대표 경계 파장 λ2 까지 측정된 형광 강도의 적분값에 비례한다.

도 10a는 가상 형광 물질의 형광 스펙트럼 출력 강도를 나타낸다. 그러나 광폭 포트(150)는 도 10b에 도시된 것과 같이 대표적인 스캔 그래프를 만들어낸다. 도 10b에 그려진 신호 그래프를 미분하면 원래 신호 및 그 보수(complement)를 얻게 되며 도 10c와 같은 그래프를 얻는다. 도 10c와 8b를 비교하라. 이 신호를 다시 미분하면, 도 10d에 도시된 것과 같은 그래프를 얻는다. 도 10d의 최대 기울기 값은 기능성 혼합물 내에 첨가된 형광 물질의 농도에 비례한다. 도 10d와 도 8c를 비교하라.

이와 같은 광폭 포트 초퍼 기술은 협폭 초퍼 기술보다 우월한데, 그 이유는 PMT(106)에 전달되는 빛의 강도가 현저하게 높기 때문이다. 따라서 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 검사용 형광 물질이 한 제품내의 모든 성분들이 내는 전체 방출량에 기여하는 정도가 전체 방출량의 1% 정도의 변화를 주는 것에 불과할 수 있기 때문에 광폭 포트 초퍼 기술이 제공하는 개선된 신호 대 잡음 특성은 시스템이 검사용 형광 물질의 방출에 의해서 야기된 변화만을 정확히 검출하는 데에 도움을 준다. 광폭 포트 초퍼 기술은 추가 미분 과정이 필요하기 때문에 컴퓨터의 용량이 그만큼 커야한다.

또 다른 기술은 두 지점 선형 근사법(two point linear approximation)을 이용한다. 도 11은 방출 강도 곡선을 나타낸다. 곡선의 두 지점(160, 162)은 두 지점 사이를 잇는 직선의 기울기가 최대 기울기 값에 근접하도록 선택된다. 도 11에서 방출 강도 포인트(160, 162)가 결정되고 다음과 같은 공식에 의해 강도를 계산한다.

[수학식]

도 12에 도시된 것처럼 이 기술은 장치(200)에 구현되어 있다. 이 장치는 적합한 필터(204)와 렌즈(206)를 가지고 제품(208)이 형광을 발하도록 하는 광원(202), 선택된 파장(160, 162)에 각각 조정된 두 개의 단색화기(210, 212), 강도를 측정하기 위한 광전 배증관(214, 216), 및 적합 광학 장치(220)를 갖고 제품(208)으로부터 각 단색화기(210, 212)로 동일 지점을 이미징하기 위한 다각형 회전 거울(218)을 포함한다. 광전 배증관(214, 216)으로부터의 출력은 도면에는 도시되지 않았지만, 컴퓨터에 결합되어 기울기를 계산하는 데에 쓰인다. 협폭 및 광폭 포트 초퍼 기술이 두지점 선형 근사치 기술에 비해 유리하게 공유하는 점은 또 하나의 단색화기가 필요없고, 동일한 지점에 두 단색화기의 초점을 맞추기 위한 회전 거울 및 광학장치가 필요 없다는 점이다.

네번째 기술로는 도 13에 도시된 것처럼 감광성 선형 배열(230)을 사용해 초퍼 휠 및 감광 배증관을 대체하는 것이다. 이 시스템은 단색화기(234)의 출구 슬릿(232)로부터의 광선(231)을 선형 배열(230) 상으로 직접 지향되게 함으로써 작동한다. 배열의 이산 구성 요소들로부터 얻는 출력은 컴퓨터 부 시스템(236)에 입력되어, 도 8a, 8b, 8c에 도시된, 협폭 포트 초퍼 기술에서의 출력과 유사한 그래프를 발생시킨다. 선형 배열 기술은 단 한차례의 미분 계산 단계만 필요하면 대부분의 광학 구성 부품이 불필요해진다. 또한 기계적으로도 보다 단순하다. 단점으로는 각 배열 구성요소들 간에 차이점이 존재한다는 것이고 배열 전체의 안정성의 차이가 있다.

Claims (17)

1. 기판의 기능성 코팅의 형광 방출 값을 측정하는 방법에 있어서,

   파장 범위 A의 복사 에너지를 흡수하고, 방출 파장 범위 B의 복사 에너지를 방출하며, 상기 방출 파장 범위 B 내에 보다 좁은 파장 범위 C를 포함하는 실효량의 형광 물질을 기능성 코팅에 제공하는 단계 - 상기 방출되는 복사 에너지의 양은 상기 파장 범위 C 바로 아래에 있는 상기 파장 범위 B 부분의 방출로부터 상기 파장 범위 C의 방출까지에서 급격하게 변화함 -;

   상기 파장 범위 A의 복사 에너지로 상기 형광 물질을 여기시키는 단계;

   상기 기능성 코팅에 의해 방출되는 상기 파장 범위 B의 복사 에너지 및 상기 내포된 파장 범위 C의 복사 에너지 방출을 검출하는 단계;

   상기 검출된 파장 범위 C의 도함수 계산(derivative calculation)을 수행하여, 상기 기능성 코팅의 복사 에너지 방출의 미분 변화(differential change)를 얻는 단계를 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 방출 파장 범위 B와 거의 동일한 파장 범위에서 형광을 방출하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 파장 범위 C는 약 3 나노미터 미만이며, 상기 파장 범위 C의 상기 복사 에너지 방출 변화량은 상기 파장 범위 C의 바로 아래에서 측정했을 때 상기 파장 범위 B의 총 방출의 1% 정도 변하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 파장 범위 C는 약 15 나노미터이며, 상기 파장 범위 C의 상기 복사 에너지 방출 변화량은 상기 파장 범위 C의 바로 아래에서 측정했을 때 상기 파장 범위 B의 총 방출의 5% 정도 변하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 도함수 계산을 수행하는 단계는 상기 파장 범위 C의 상기 복사 에너지 방출 강도의 1차 도함수 계산을 수행하는 단계를 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 좁은 파장 범위 C 내의 두 개의 불연속 파장에서 샘플링함으로써 상기 파장 범위 C 내의 최대 및 최소 레벨의 방출 강도를 나타내어 두 지점 선형 근사치(two point linear approximation)를 얻도록 하는 단계를 더 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
7. 제1항에 있어서, 협폭 포트 초퍼, 광폭 포트 초퍼, 및 감광 선형 배열 중 적어도 하나를 사용하는 것을 포함하는 상기 파장 범위 C의 스펙트럼을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
8. 제1항에 있어서, 보호용 코팅, 접착 코팅, 기초 코팅(priming coating), 저 접착성 후면 코팅, 감광 이미징 코팅, 릴리스 코팅 및 배리어 코팅으로부터 상기 기능성 코팅을 선택하는 단계를 더 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 형광 물질은, 상기 기능성 코팅 혼합물에 화학적으로 결합되는 물질, 상기 기능성 코팅 혼합물에 용해되는 물질, 및 상기 기능성 코팅 혼합물에 분산되는 물질 중 적어도 한 물질인, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 도함수 계산값을 상기 기능성 코팅의 적어도 한가지 특성과 상관시키는 단계를 더 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
11. 제10항에 있어서, 두께, 중량, 균일성, 결함 및 표시를 포함하는 특성 그룹으로부터 상기 기능성 코팅의 특성을 선택하는 단계를 더 포함하는, 기능성 코팅의 형광 방출 값 측정 방법.
12. 알려진 흡수 파장 범위와 알려진 방출 파장 범위를 갖는 기판의 전체 또는 일부에 도포된 기능성 혼합물의 형광 방출을 검출하는 분광 광도계장치(spectrophotometric apparatus)에 있어서,

    형광 방출 강도가 급격히 변하는 좁은 형광 방출 파장 범위를 내포하는 방출 파장 범위를 가지며, 형광 물질을 함유한 기능성 코팅의 형광 방출 강도를 상기 방출 파장 범위에서 분배해 방출하는 형광 물질 수단;

    상기 형광 물질의 상기 내포된 좁은 형광 파장 범위로 조정되어, 상기 형광 물질의 흡수 파장 범위에 속한 복사 에너지가 상기 형광 물질을 여기시킬 때 상기 내포된 좁은 파장 범위의 형광 방출의 레벨을 검출하는 조정 가능 검출 수단;

    상기 내포된 좁은 형광 물질 파장 범위의 상기 형광 방출의 변화량을 분석하여 분석값을 얻는 분석 수단; 및

    상기 형광 방출 강도를 분석하여 획득된 상기 분석값과 상기 기능성 코팅의 물리적 특성을 상관시키는 상관 수단

    을 포함하는 분광 광도계 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 내포된 좁은 파장 범위는 약 3 나노미터 미만이며, 상기 내포된 좁은 파장 범위 바로 아래의 파장에서 측정하였을 때 상기 총 형광 방출의 1% 정도를 변화시키는 분광 광도계 장치.
14. 제12항에 있어서, 상기 내포된 좁은 파장 범위는 약 15 나노미터 미만이며, 상기 내포된 좁은 파장 범위 바로 아래의 파장에서 측정하였을 때 상기 총 형광 방출의 5% 정도를 변화시키는 분광 광도계 장치.
15. 제12항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 내포된 좁은 형광 방출 파장 범위의 형광 방출의 2차 도함수를 취하는 수단을 포함하는 분광 광도계 장치.
16. 제12항에 있어서, 상기 내포된 좁은 파장 범위 내의 두 개의 불연속 파장에서 샘플링함으로써 최대 및 최소 레벨의 방출을 나타내어 두 지점 선형 근사치를 얻도록 하는 수단을 더 포함하는 분광 광도계 장치.
17. 제12항에 있어서, 상기 조정 가능 검출 수단은, 협폭 포트 초퍼, 광폭 포트 초퍼, 및 감광 선형 배열 중 적어도 하나를 포함하는 분광 광도계 장치.