KR100809629B1 - The confocal raman/uv-vis/fluorescence spectroscopy for the combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules - Google Patents

The confocal raman/uv-vis/fluorescence spectroscopy for the combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules Download PDF

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Abstract

A confocal Raman/UV-Vis/fluorescence spectroscopy for combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules is provided to effectively perform structure analysis and quantitative analysis of samples. A confocal Raman/UV-Vis/fluorescence spectroscopy for combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules includes an argon laser(101), a diode laser(134), an XYZ stage(132), a sample chamber(133), three monochrome light devices(123), an optical amplification tube(131), and a CCD detector(106). The argon laser has a wavelength of 488 to 514nm. The diode laser has a wavelength of 785nm. The XYZ stage is automatically controlled by a computer. The sample chamber includes an objective lens having various magnifications. The optical amplification tube and the CCD detector detect the signals.

Description

조합화학적 기법에 의한 신촉매, 재료 및 바이오분자구조 분석용 공초점 라만/자외선-가시광/형광 분광기{The confocal Raman/UV-Vis/Fluorescence spectroscopy for the combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules}The confocal Raman / UV-Vis / Fluorescence spectroscopy for the combinatorial structural analysis of novel catalysts, materials, and biomolecules}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공초점 라만/자외선-가시광/형광 분광기의 주요부를 나타낸 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the main part of the confocal Raman / ultraviolet-visible / fluorescence spectrometer according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 박막 라이브러리인 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0<x<4)의 라만 스펙트럼으로써, 도 2(a)는 라이브러리 제조 방식과 관련된 원리도이고, 도 2(b)는 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0<x<4)의 Ce의 농도에 따른 라만 스펙트럼을 보여준다.FIG. 2 is a Raman spectrum of Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <4), which is a ferroelectric thin film library according to an embodiment of the present invention. FIG. Figure 2 (b) shows the Raman spectrum according to the concentration of Ce of Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <4).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명을 이용하여 측정한 강유전 박막 라이브러리인 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0<x<1)의 라만 스펙트럼으로써, 도 3(a)는 라이브러리 제조 방식과 관련된 원리도이고, 도 3(b)는 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0<x<1)의 Ce의 농도에 따른 라만 스펙트럼을 보여주며, 도 3(c)는 본 구조와 관련된 라만 진동 모드 중의 하나인 Ti과 O간의 스트레칭 모드의 크기를 Ce의 농도에 따라 나타낸 것 고, 도 3(d)는 Ce의 농도에 따른 BCT 박막 어레이의 잔류분극 변화를 나타낸 것이다.3 is a Raman spectrum of Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <1), which is a ferroelectric thin film library measured using the present invention, according to an embodiment of the present invention. ) Is a principle diagram related to the library preparation method, Figure 3 (b) shows the Raman spectrum according to the concentration of Ce of Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <1), Figure 3 (c) shows the magnitude of the stretching mode between Ti and O, one of the Raman vibration modes associated with the present structure, according to the concentration of Ce. FIG. 3 (d) shows the change in residual polarization of the BCT thin film array according to the concentration of Ce. It is shown.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전 박막 라이브러리인 Bi4-xLaxTi3O12 (BLT, 0<x<1)의 라만 스펙트럼으로써, 도 4(a)는 라이브러리 제조 방식과 관련된 원리도이고, 도 4(b)는 Bi4-xLaxTi3O12 (BLT, 0<x<1)의 La의 농도에 따른 라만 스펙트럼이며, 도 4(c)는 본 구조와 관련된 라만 진동 모드 중의 하나인 Ti과 O간의 스트레칭 모드의 크기를 La의 농도에 따라 나타낸 것이고, 도 4(d)는 La의 농도에 따른 BLT 박막 어레이의 잔류분극 변화를 나타낸 것이다.4 is a Raman spectrum of Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (BLT, 0 <x <1), which is a ferroelectric thin film library according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 (a) is related to a library manufacturing method. Fig. 4 (b) is a Raman spectrum according to the concentration of La in Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (BLT, 0 <x <1), and Fig. 4 (c) is Raman related to the present structure. The size of the stretching mode between Ti and O, which is one of the vibration modes, is shown according to the concentration of La, and FIG. 4 (d) shows the residual polarization change of the BLT thin film array according to the concentration of La.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 장비를 이용하여 측정한 다양한 금속과 탄소 간에 결합이 형성되어 있는 나노복합체의 라만 스펙트럼이다. FIG. 5 is a Raman spectrum of a nanocomposite in which bonds are formed between various metals and carbons measured using the apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 장비를 이용하여 측정한 Rhodamine 6G (Rh6G) 파우더와 용액 및 submonolayer로 분산된 은 나노클러스터 상에 존재하는 Rh6G의 라만 스펙트럼으로써, 도 6(a)는 은 나노클러스터의 존재 유무에 따른 Rh6G의 전체 라만 스펙트럼이고, 도 6(b)는 Rh6G 파우더의 확대된 라만 스펙트럼을 보여준다.FIG. 6 is a Raman spectrum of Rh6G present on Rhodamine 6G (Rh6G) powder and a silver nanocluster dispersed in a solution and a submonolayer measured using the apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. Silver is the full Raman spectrum of Rh6G with or without the presence of nanoclusters, Figure 6 (b) shows an enlarged Raman spectrum of Rh6G powder.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 장비를 이용하여 측정한 Y3-xAl5O12:Cex의 형광 스펙트럼을 보여준다.Figure 7 shows the fluorescence spectrum of Y 3-x Al 5 O 12 : Cex measured by using the equipment according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 장비를 이용하여 측정한 TiO2 (anatase) 파우더의 자외선 반사 및 흡수 스펙트럼을 보여준다.Figure 8 shows the ultraviolet reflection and absorption spectrum of the TiO 2 (anatase) powder measured by using the equipment according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 장비를 이용하여 측정한 submonolayer로 분산된 은 나노클러스터의 자외선/가시광선 반사 및 흡수 스펙트럼을 보여준다.9 shows ultraviolet / visible light reflection and absorption spectra of silver nanoclusters dispersed into submonolayers measured using the instrument in accordance with an embodiment of the present invention.

{도면의 주요 부분이 부호에 대한 설명}{The main part of the drawing is a description of the signs}

101 : 아르곤 이온 레이저 헤드 102 : 레이저 빔 튜닝 미러101: argon ion laser head 102: laser beam tuning mirror

103 : 레이저 미러 104 : 셔터103: laser mirror 104: shutter

105 : ND 필터 106 : CCD 검출기105: ND filter 106: CCD detector

107 : 트랜스미션 그레이팅 108 : 미러107: transmission grating 108: mirror

109 : 홀로그래픽 노치 필터 110 : 미러109: holographic notch filter 110: mirror

111 : 광섬유 케이블 112 : 홀로그래픽 노치 필터111: fiber optic cable 112: holographic notch filter

113 : 컷-어프 필터 114 : 빔 튜닝 미러113: cut-up filter 114: beam tuning mirror

115 : 필터 박스 116 : APD 검출기115: filter box 116: APD detector

117 : 시스템 컨트롤러 118 : CCD 카메라117: system controller 118: CCD camera

119 : 빔스프리터 120 : 레이저 미러119 beam splitter 120 laser mirror

121 : 자외선/가시광 광원 123 : 모노크로매타121: ultraviolet / visible light source 123: monochromator

124 : 광섬유 케이블 126 : 파라보라 포커싱 미러124: optical fiber cable 126: parabore focusing mirror

127 : 파라보라 콜리메이팅 미러 128 : 빔 튜닝 미러127: parabolic collimating mirror 128: beam tuning mirror

129 : 파라보라 포커싱 미러 130 : 모노크로매타129: Parabora focusing mirror 130: Monochromator

131 : PMT 검출기 132 : 샘플 스테이지131: PMT detector 132: sample stage

133 : 샘플 챔버 134 : 레이저 다이오드 셋133: sample chamber 134: laser diode set

135 : 라만 스펙트로메타 135: Raman spectrometer

본 발명은 최소 직경이 300 ㎛ 인 미세시료가 104개 이상으로 집적된 샘플 어레이의 분광학적 특성을 수 시간 내에 정확하게 평가할 수 있는 공초점 라만, 자외선/가시광 및 형광 분광기가 결합된 복합 시스템과 관련된 것이다. The present invention at least a diameter of 300 ㎛ the micro sample 10 in the sample array integrated over 4 minutes associated with exactly confocal Raman, UV / visible light and fluorescence spectroscopy are combined composite system for evaluating the optical properties within a few hours will be.

신소재 및 촉매 개발을 위해 수많은 재료 합성실험이 광범위하게 수행되어왔음에도 불구하고 현재까지 우리가 재료의 조성, 구조 그리고 고상 화합물의 반응경로를 가지고서 예측할 수 있는 일반적인 법칙이 밝혀진 바가 없다. 이는 새로운 화합물의 합성 및 분석이 기존 지식 및 원리에 기초하여 이루어지는 다성분계의 신소재 개발에 있어서 고비용 저효율적인 연구가 지속되는 하나의 커다란 장벽이 되고 있다. 예를 들어 3성분계부터 6성분계 이상으로 구성된 조성을 만들 수 있는 주기율표상의 100여 개의 원소를 대상으로 했을 경우 기존 실험을 통한 검색범위의 한계는 더욱 더 분명해진다. 이와 같은 이유로, 유용한 특성을 지닌 신소재의 개발에 있어서 더 효과적이고 경제적인 접근 방식을 통해 기존실험으로 검색하지 못한 연구범위까지 확대되어질 필요가 있다. 이를 해결하려는 노력의 일환이 바로 조합화 학기법이다. 즉, 한 번의 실험을 통해 100개 이상의 조성이 다양한 샘플을 박막 또는 분말 형태로 제조하고 이를 빠르게 특성분석 함으로써 우리가 원하는 물성을 지니는 소재 또는 촉매를 발견하는 것이다. 그러나, 현재까지 성능이 조성에 매우 의존적인 무기전자재료에 국한되어 사용되어지고 있다. 이는 샘플 어레이 제조방식의 급격한 발전에 비해 이를 효과적으로 구조 및 특성 분석할 수 있는 기기의 개발이 뒤처져 있다는 데에 기인한다. Although numerous material synthesis experiments have been extensively carried out for the development of new materials and catalysts, the general rules that can be predicted with the composition, structure and reaction path of solid compounds have not been revealed to date. This is one big barrier to sustaining high cost and low efficiency research in the development of new materials of multi-component systems where synthesis and analysis of new compounds are based on existing knowledge and principles. For example, when 100 elements on the periodic table, which can make a composition consisting of three to six component systems or more, are used, the limitation of the search range through the existing experiment becomes even more obvious. For this reason, a more effective and economical approach to the development of new materials with useful properties needs to be extended to the scope of research not found in previous experiments. Part of the effort to solve this problem is the combinatorial semester technique. In other words, in a single experiment, more than 100 samples of various compositions are prepared in the form of thin films or powders and quickly characterized to find a material or catalyst having the desired physical properties. However, until now, performance has been limited to inorganic electronic materials whose performance is highly dependent on the composition. This is due to the lag behind the rapid development of sample array fabrication and the development of devices that can effectively structure and characterize it.

이를 해결하기 위해, 현재 기존 실험에서 주로 사용되어진 구조 분석용 장비들을 조합화학기법에 응용하기 위해서 이에 대한 수정이 불가피하다. 그 대표적인 예로 브루커(Bruker) 사에서 개발한 마이크로빔 x선 회절장비를 들 수 있다. 미세 시료 어레이를 분석하기 위해 x선의 빔 크기를 여러 종류의 광학렌즈를 이용하여 직경을 100 ㎛ 까지 축소시켰으며, 이에 따른 신호 대 잡음 비의 증가는 고감도의 검출기를 장착하여 해결하였다. 또한, 한 기판 상에 100개 이상 집적된 샘플들을 스캔하기 위해, 컴퓨터 프로그램에 의해 움직이는 XYZ 스테이지를 이용하여 각 샘플들의 결정구조를 분석할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 기본적인 구성요소들, 즉 빔 크기의 최소화, 고감도의 검출기 그리고 컴퓨터에 의해 좌표에 따라 제어되는 XYZ 스테이지 등을 기본 골격으로 하여, 공초점 라만, 자외선/가시광 및 형광 분광기를 개발하고자 하였다. In order to solve this problem, modifications are inevitable in order to apply the structural analysis equipment mainly used in the existing experiments to the combination chemical technique. A typical example is a microbeam x-ray diffraction apparatus developed by Bruker. In order to analyze the micro sample array, the beam size of the x-ray was reduced to 100 μm using various optical lenses, and the increase in the signal-to-noise ratio was solved by mounting a high sensitivity detector. In addition, in order to scan more than 100 integrated samples on a substrate, the crystal structure of each sample may be analyzed using an XYZ stage moving by a computer program. The present invention aims to develop a confocal Raman, ultraviolet / visible and fluorescence spectrometer based on these basic components, i.e. minimizing beam size, high sensitivity detector and XYZ stage controlled by computer coordinates. .

라만 분광 장비는 가시광 영역의 빛을 샘플에 조사하면 산란되어지는 빛의 파장이 조사된 빛의 파장과 약간 다르며, 이러한 차이는 빛을 산란시킨 샘플의 화학구조와 연관성이 있다는 것을 발견되어진 것에 그 기원을 두고 있다. 그러나, 적 외선 분광기만큼 빠른 시간 내에 보급되지 못하였다. 이는 라만 산란 (혹은 비탄성산란)의 세기가 레이레이 산란 (Rayleigh scattering, 혹은 탄성 산란) 의 십만 분의 일에도 미치지 못하여 레이레이 산란을 광학 필터 같은 광학시스템으로 제거하고, 우리가 원하는 라만 산란만을 감지할 수 있는 검출기 시스템 개발이 매우 어렵다는 단점에 기인한다. 이를 극복하기 위해 1960년대 감지기로서 이용되는 광증폭 튜브(PMT)의 감도 향상과 함께 가시광 레이져의 개발이 이어졌다. 특히 가시광 레이져가 라만 스펙트럼을 얻는데 이상적인 광원으로 인정받으면서 분산성(dispersive) 라만 분광기라 불리는 기기의 모습을 갖추게 되었다. 그러나, 이 장비의 경우 형광을 발생하는 불순물 및 샘플을 측정할 수 없다는 단점이 있어 1980년대까지 특정분야에 제한적으로 사용되어졌다. 그러나, 최근 들어 다이오드 레이져 (785nm) 와 Nd/YAG 레이져 (1064nm) 등 여러 장파장의 레이져가 개발되고 기존의 광증폭 튜브 대신 CCD (charged-coupled devices)에 기반을 둔 다채널 검출기 등이 개발되어 형광문제를 해결하였다. 또한, 라만 분광기의 신호 대 잡음 비의 개선을 위해 노취 필터 (Notch Filter) 또는 단색광장치를 이용하여 광원의 파장보다 긴 파장의 빛이 들어오는 것을 방지하여 우리가 원하는 라만 산란만을 감지할 수 있게 되었다. 특히, 미세한 라만 산란 관련 광신호 증폭에 관련되어서는 최근까지도 활발한 연구가 진행되어지고 있다. Raman spectroscopy found that when the sample is irradiated with light in the visible region, the wavelength of the scattered light is slightly different from the wavelength of the irradiated light, and this difference is related to the chemical structure of the scattered sample. Leave. However, it did not spread as quickly as an infrared spectrometer. This means that the intensity of Raman scattering (or inelastic scattering) is less than one-hundredth of that of Rayleigh scattering (or elastic scattering), eliminating ray ray scattering with optical systems such as optical filters and detecting only the desired Raman scattering. This is due to the drawback that it is very difficult to develop a detector system. To overcome this, the visible light laser was developed along with the improved sensitivity of the optical amplification tube (PMT) used as a detector in the 1960s. In particular, as visible lasers are recognized as ideal light sources for obtaining the Raman spectrum, they have the appearance of a device called a dispersive Raman spectrometer. However, this equipment has a disadvantage in that it cannot measure impurities and samples that generate fluorescence, so it was used in a limited area until the 1980s. Recently, however, several long-wavelength lasers, such as diode lasers (785nm) and Nd / YAG lasers (1064nm), have been developed, and multichannel detectors based on CCDs (charged-coupled devices) instead of conventional optical amplification tubes have been developed. Solved the problem. In addition, to improve the signal-to-noise ratio of the Raman spectrometer, a notch filter or a monochromator is used to prevent the light of a wavelength longer than the wavelength of the light source to detect only the Raman scattering that we want. In particular, active research is being conducted until recently regarding the amplification of optical signals related to fine Raman scattering.

이러한 라만 분광기의 장점으로는 물, 유리 등에 의해 스펙트럼이 간섭을 받지 않기 때문에, 수용액상에 녹아 있는 샘플의 구조분석에 매우 용이하다는 점이다. 이는 생물 분야로까지 응용범위를 확장하는 하나의 계기가 되고 있다. 또한, 무기소재, 유기고분자, 이온성 고체, 금속 합금 및 바이오분자 등에 있어서 레이져가 조사되었을 때 전기장과 무기소재를 구성하는 결합내의 전자구름과의 상호작용으로 인한 편극화 현상을 이용한 국부적인 구조분석 도구로도 많이 응용되어지고 있다. The advantage of such a Raman spectrometer is that it is very easy to analyze the structure of a sample dissolved in an aqueous solution because the spectrum is not interrupted by water or glass. This is an opportunity to extend the application to the biological field. In addition, when the laser is irradiated on inorganic materials, organic polymers, ionic solids, metal alloys, and biomolecules, local structural analysis using polarization phenomenon due to the interaction between the electric field and the electron cloud in the bond constituting the inorganic material It is also widely used as a tool.

2000년대 들어서, 나노 기술의 눈부신 발전으로 인한 마이크로 구조물 분석에 대한 관심이 증대되면서 기존의 라만 장비에서의 빔 크기를 위의 연구 응용에 적합하게 마이크로 단위로 줄인 마이크로 라만 시스템이 개발되어져 제한된 범위 내에서 사용되어지고 있다. 그 중 하나로 점차 고집적화되고 있는 반도체 공정에서 웨이퍼 상에 붙어 있는 미세한 외부 물질로 인하여 공정수율이 감소되는 것을 막기 위해 이를 감지하는 데에 사용되어지고 있다. 또한 고분자 중합시 액상과 고상 분자 간의 상호작용에 대한 메카니즘 분석 및 반도체 소자에서의 마이크로 크기의 결함을 찾아내는 데에도 유용하게 사용되어지고 있다. In the 2000s, with the growing interest in microstructure analysis due to the remarkable advances in nanotechnology, a micro Raman system was developed that reduced the beam size in conventional Raman equipment to micro units for the above research applications. Is being used. One of them is being used to detect the process yield in order to prevent the process yield is reduced due to the fine foreign material adhered on the wafer in the semiconductor process is becoming increasingly integrated. In addition, it has been used to analyze the mechanism of interaction between liquid and solid molecules in polymer polymerization and to find micro size defects in semiconductor devices.

앞서 언급한 바와 같이 라만 분광 장비는 수용액 속에 녹아 있는 샘플의 구조분석에 매우 유용하지만, 정량분석에는 적합하지 못하다. 이를 보완하기 위해 개발된 것이 자외선/가시광 분광기라 할 수 있다. 수용액 속에 녹아 있는 샘플에 200에서 900nm의 파장영역을 지니는 빛을 조사하여 흡수스펙트럼을 얻고 이를 아래와 같은 식에 의해 용액 속에 녹아 있는 샘플의 농도를 정량화시킬 수 있다.     As mentioned above, Raman spectroscopy is very useful for structural analysis of samples dissolved in aqueous solution, but not for quantitative analysis. It was developed to compensate for this UV / visible spectroscopy. The absorbed spectrum is obtained by irradiating light having a wavelength range of 200 to 900 nm to the sample dissolved in the aqueous solution, and the concentration of the sample dissolved in the solution can be quantified by the following equation.

A= -log T = log (P0/P) = εbc (비어의 법칙)A = -log T = log (P 0 / P) = εbc (Beer's Law)

여기서, A : 흡수도(Absorbance), T: 투과도 (Transmittance), b : 빛의 투과 거리, c: 빛을 흡수한 분석하고자 하는 화학종의 농도, P0 : 용액 투과 전의 빛의 세기, P : 용액 투과 후의 빛의 세기, ε : 비례 상수 Where: A: Absorbance, T: Transmittance, b: Distance of light transmission, c: Concentration of chemical species to absorb light, P 0 : Intensity of light before solution transmission, P: Intensity of light after solution penetration, ε: proportionality constant

대부분의 자외선/가시광 분광기는 투과형태이기 때문에 이러한 광원들을 잘 통과시킬 수 있는 실리콘화 유리 같은 투명한 셀에 용액을 담아서 광의 반사 및 손실을 억제해야 하며, 이렇게 해서 얻은 흡수스펙트럼은 광증폭튜브에 의해 감지되게 된다. 최근 들어 광증폭튜브에 의해 스펙트럼을 얻는 시간이 길어지고, 신호 대 잡음 비의 비율이 떨어지는 것을 개선하기 위해 앞서 라만 분광기에서 언급한 CCD를 기반으로 한 다채널 감지기 등 다양한 감지 시스템이 개발되어 이에 응용되어지고 있다. 또한, 자외선/가시광 분광기는 디스플레이용 소재 개발에 중요한 핵심 소재인 형광체의 형광특성을 파악하는 데에도 사용되어진다. Since most ultraviolet / visible spectroscopy are transmissive, the solution must be contained in a transparent cell, such as siliconized glass, which can pass these light sources well to suppress reflection and loss of light, and the absorption spectrum thus obtained is detected by the optical amplification tube. Will be. Recently, various sensing systems such as multi-channel detectors based on CCDs mentioned in Raman spectroscopy have been developed and applied to improve the time to acquire the spectrum by the optical amplifier tube and to reduce the ratio of signal to noise ratio. It is done. In addition, ultraviolet / visible spectroscopy is used to determine the fluorescence characteristics of the phosphor, which is a key material for the development of display materials.

여기서 살펴본 바와 같이 기존의 라만, 자외선/가시광 및 형광 분광기는 개개의 샘플을 측정하는 데에 초점을 맞추어 검출기 시스템 및 광학 시스템의 개발이 우선시되어졌다. 따라서, 웨이퍼나 기판 상에 100개 이상의 미세시료가 집적화되어 있는 샘플 어레이를 단시간 내에 측정하는 데에는 적합하지 않아 이에 대한 수정 및 보완이 불가피하다. As discussed here, the existing Raman, ultraviolet / visible and fluorescence spectrometers focus on measuring individual samples, and the development of detector systems and optical systems has been a priority. Therefore, it is not suitable for measuring a sample array in which 100 or more microsamples are integrated on a wafer or a substrate in a short time, and modification and supplementation thereof are inevitable.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 조합화학기법에 응용가능하도록 기존의 라만, 자외선/가시광 및 형광 분광기를 다시 설계/제작하고, 이를 통합함으로써 좀 더 효율적으로 샘플의 구조 분석과 더불어 정량 분석을 수행하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to more efficiently by redesigning and manufacturing the existing Raman, UV / visible and fluorescence spectroscopy to be applicable to the combination chemistry techniques In addition to structural analysis of the sample, it is to perform quantitative analysis.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 공 초점 라만/자외선-가시광선/형광 분광기는 시료에서 반사되는 빛의 파장변화를 분석하여 시료의 구조를 분석하는 공 초점 라만 분광부; 분자 내의 에너지와 광에너지 간의 상호작용을 이용하여 시료의 구조를 분석하는 자외선-가시광선 및 형광 분광부; 상기 라만 분광부 및 상기 자외선-가시광선 및 형광 분광부에서 그 구조를 분석하기 위한 시료가 안착되는 샘플 챔버; 및 상기 라만 분광부 및 상기 자외선-가시광선 및 형광 분광부에서 분석된 시료의 구조에 대한 데이터 및 상기 샘플 챔버의 제어를 위한 데이터 입력 처리부를 포함한다.Confocal Raman / ultraviolet-visible / fluorescence spectrometer of the present invention to achieve the above object is a confocal Raman spectrometer for analyzing the structure of the sample by analyzing the wavelength change of the light reflected from the sample; Ultraviolet-visible light and fluorescence spectrometers that analyze the structure of the sample using the interaction between energy in the molecule and light energy; A sample chamber in which a sample for analyzing the structure is mounted in the Raman spectroscope and the ultraviolet-visible and fluorescence spectrometers; And a data input processor for controlling the sample chamber and data on the structure of the sample analyzed by the Raman spectrometer and the ultraviolet-visible and fluorescence spectrometers.

본 발명에서 상기 샘플 챔버는 최소 300㎛ 크기의 미세시료를 10000개 이상으로 직접한 고집적 샘플 어레이가 설치되는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the sample chamber is provided with a highly integrated sample array in which at least 300 micrometer-sized microsamples are directly directed to 10,000 or more.

본 발명에서 상기 데이터 입력 처리부는 상기 샘플 챔버의 좌표를 설정하여 스테이지를 이동시키는 것이 바람직하다.In the present invention, the data input processing unit preferably sets the coordinates of the sample chamber to move the stage.

본 발명에서 상기 라만 분석부는 레이저를 가시광 및 적외선 영역에서 선택 가능한 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the Raman analyzer selects a laser in the visible and infrared regions.

본 발명에서 상기 데이터 입력 처리부는 애벌런치 포토 다이오드(APD)를 이용하여 이미지 매핑을 가능하도록 하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the data input processing unit enables image mapping using an avalanche photo diode (APD).

본 발명에서 상기 자외선-가시광선 및 형광 분석부는 상기 샘플 챔버에서 반사된 빔을 두 개의 미러를 이용하여 반사식으로 광 증폭 튜브에서 감지하는 것이 바람직하다.In the present invention, the ultraviolet-visible light and the fluorescence analyzer preferably detects the beam reflected from the sample chamber in the optical amplification tube by using two mirrors.

본 발명에서 상기 형광 분석부는 시료 분자의 방출과 들뜸 모드가 가능하게 하고, 상기 자외선/가시광선 분석부는 시료 분자의 반사와 흡수스캔모드가 가능한 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the fluorescence analyzer enables the emission and excitation mode of the sample molecules, and the UV / visible light analyzer enables the reflection and absorption scan mode of the sample molecules.

본 발명은 공초점 라만 시스템과 자외선/가시광 및 형광 분광기를 통합하여 다양한 소재 및 촉매의 라만스펙트럼, 형광 특성, 자외선/가시광 흡수스펙트럼 등을 동시에 측정 가능케 하여 정성 및 정량 분석을 용이하게 하였다. The present invention integrates a confocal Raman system and an ultraviolet / visible and fluorescence spectrometer to simultaneously measure the Raman spectrum, fluorescence properties, ultraviolet / visible absorption spectrum of various materials and catalysts, thereby facilitating qualitative and quantitative analysis.

또한, 마이크론 크기의 미세 샘플들이 100개 이상 집적된 라이브러리의 구조 분석을 위해 컴퓨터 프로그램에 의해 x-y 스테이지를 구동시키는 자동화 시스템을 구현하였다. 이 때, 가장 고려해야 될 문제는 어떻게 짧은 시간에 미세한 빔의 크기로 미세 샘플 어레이를 조사했을 시, 우수한 신호 대 잡음 비의 스펙트럼을 얻을 수 있느냐 하는 것이다. 본 공초점 라만 분광기의 경우 분석시간 단축 및 신호 대 잡음비를 개선시키기 위해 홀로그래픽 형태의 모노크로매터와 고감도의 후면 조명 광어레이 검출기 (back-illuminated Photo array detector)를 사용한 것을 특징으로 하고 있다. In addition, we implemented an automated system to drive the x-y stage by a computer program for structural analysis of a library of more than 100 micron-sized microsamples. In this case, the most important question is how to obtain a good signal-to-noise spectrum when the microsample array is irradiated with a fine beam size in a short time. The confocal Raman spectrometer features a holographic monochromator and a highly sensitive back-illuminated photo array detector to reduce analysis time and improve signal-to-noise ratio.

따라서, 시료에 손상을 주지 않으면서 양질의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 또한 다양한 배율의 대물렌즈를 사용하여 빔의 크기를 1 마이크론 정도까지 최소화시킬 수 있다. Therefore, a high quality spectrum can be obtained without damaging a sample. In addition, objective magnifications of various magnifications can be used to minimize the size of the beam down to about 1 micron.

형광 및 자외선/가시광 흡수스펙트럼에 있어서는 레이져 광 대신 자외선/가시광 2개의 광원으로 교체함으로써 200 - 900 nm 범위의 스캔이 가능하다. 특히, 흡수 스펙트럼 뿐 아니라 방출(emission)과 들뜸(excitation) 모드 모두가 가능하기 때문에 시료의 형광특성 및 성분분석에 매우 효과적이다. 또한, 모든 분석 및 평가가 컴퓨터에 의하여 자동으로 수행될 수 있도록 프로그램을 개발하였다. In the fluorescence and ultraviolet / visible absorption spectra, scanning in the range of 200-900 nm is possible by replacing two light sources with ultraviolet / visible light instead of laser light. In particular, because of the absorption spectrum as well as the emission (excitation) and the excitation (excitation) mode is possible, it is very effective in analyzing the fluorescence and composition of the sample. In addition, the program was developed so that all analysis and evaluation could be performed automatically by computer.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to components of the following drawings, it is determined that the same components have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings, and it is determined that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Detailed descriptions of well-known functions and configurations will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공초점 라만/자외선-가시광/형광 분광기의 주요부를 나타낸 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the main part of the confocal Raman / ultraviolet-visible / fluorescence spectrometer according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 아르곤 레이져(파장 : 488, 514 nm)(101) 혹은 다이오드 레이져(파장: 785 nm)(134)와 자외선/가시광 두 개의 광원(121)을 교환해 가며 사용할 수 있으며, 컴퓨터에 의하여 자동으로 제어되는 XYZ 스테이지(132) 및 샘플 측정시 초점을 맞추기 위해 다양한 배율의 대물렌즈 (2배 - 90배)가 장착된 샘플 챔버(133), 광분해능을 위한 3개의 단색광장치(123), 신호를 검출하기 위한 고감도의 광증폭 튜브(131) 및 CCD 검출기(106) 등으로 구성되어 있다. Referring to FIG. 1, an argon laser (wavelength: 488, 514 nm) 101 or a diode laser (wavelength: 785 nm) 134 and an ultraviolet / visible light source 121 may be exchanged and used. XYZ stage 132 automatically controlled by the sample chamber, the sample chamber 133 equipped with objective lenses (2x-90x) of various magnifications for focusing at the time of sample measurement, and 3 monochromatic light devices for light resolution (123). And a high sensitivity optical amplifier tube 131 and a CCD detector 106 for detecting a signal.

공초점 라만 스펙트럼 분석시에는 광원으로 아르곤(101) 혹은 다이오드 레이져(134)를 사용하며, 입사된 레이져가 대물렌즈를 통해 샘플(132)에 수직으로 조사되어 초점을 맞추도록 되어있다. 샘플(132)에서 산란된 빛은 입사된 레이져와 평행하게 대물렌즈를 지나 광섬유를 통해 액체질소에 냉각된 CCD 검출기(106)에 의해 분석된다. 또한, CCD 카메라(118)를 통해 웨이퍼 또는 기판 상의 각 샘플 어레이의 표면을 컴퓨터 화면을 통해 관찰할 수 있다. 이에 대한 배율은 샘플 챔버(133) 내부 상단에 위치한 대물렌즈 배율(2배 - 90배) 에 의존한다. 미세한 점과 같이 한 웨이퍼 상에 집적된 미세 샘플 어레이의 형태에 따라 좌표를 입력하는 방식이 다르며, 이에 대한 프로그램도 개발하였다. In the confocal Raman spectrum analysis, argon 101 or a diode laser 134 is used as a light source, and the incident laser is irradiated perpendicularly to the sample 132 through an objective lens to focus. Light scattered from the sample 132 is analyzed by the CCD detector 106 cooled in liquid nitrogen through an optical fiber through an objective lens parallel to the incident laser. In addition, the CCD camera 118 allows viewing of the surface of each sample array on a wafer or substrate through a computer screen. The magnification for this depends on the magnification of the objective lens (2 times-90 times) located at the top inside the sample chamber 133. The method of inputting coordinates differs depending on the shape of the fine sample array integrated on one wafer as the fine point, and a program for this has been developed.

예를 들어 전체 샘플이 놓여져 있는 전체 형태가 사각형일 경우 좌측 상단 점과 우측 하단에 위치한 점의 좌표를 XY 스테이지를 움직여서 좌표를 확인하고 이를 프로그램에 입력시킨다. 이 때, 각 샘플은 웨이퍼 상에서 일정 거리 간격으로 놓여져 있어야 한다. 이러한 작업을 완료한 후 프로그램 상에서 실행시키면, 우리가 정한 위치에 따라 스펙트럼을 연속적으로 측정하게 된다. 샘플의 수가 적게는 50개 많게는 400개 이상이기 때문에 측정시간은 주로 10초에서 30초로 짧게 수행한다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 공초점 라만의 경우, 신호 대 잡음 비의 개선을 위해 고감도의 광어레이 검출기 시스템( 1340 X 400 pixels, Princeton 사 제작)과 홀로그래픽형 단색광장치를 사용한다. 또한, APD 모듈을 사용하여 이미지 매핑(mapping)도 가능하다. For example, if the overall shape where the entire sample is placed is a rectangle, the coordinates of the upper left point and the lower right point are moved by XY stage to check the coordinates and input them into the program. At this time, each sample should be placed at a predetermined distance on the wafer. After we have done this and run it in the program, we will continuously measure the spectrum according to our position. Since the number of samples is as small as 50 or as many as 400 or more, the measurement time is mainly short from 10 to 30 seconds. In addition, as mentioned above, confocal Raman uses a high-sensitivity optical array detector system (1340 X 400 pixels, manufactured by Princeton) and a holographic monochromator to improve the signal-to-noise ratio. In addition, image mapping is possible using the APD module.

자외선/가시광 및 형광 분광기에 있어서는 레이져 광원 대신 자외선 광원으로는 중수소 램프를, 가시광 램프로는 텅스텐 램프를 사용한다. 자외선/가시광 스펙트럼 및 형광 특성 분석시에는 주로 광증폭 튜브(131)를 사용하며 CCD 감지기도 사용할 수 있게끔 설계되어져 있다. 가시광 및 자외선이 레이져와 같이 단파장에서 나오는 광원이 아니기 때문에 광학렌즈를 가지고는 빔의 크기를 최소화시킬 수 없다. 따라서, 광섬유(124)를 사용하여 300 ㎛ 까지 최소화시킬 수 있었다. 미세 샘플 어레이의 분석을 위해 기존의 장비와는 달리 투과식이 아니라 반사식으로 미러(mirror)(126)를 이용하여 자외선/가시광 영역의 빛을 샘플에 약간 비스듬히 조사한 후 발생되어지는 광신호를 반대편 미러(mirror)(127)에서 반사시켜 최종적으로 광증폭튜브(PMT)(131)에서 감지하게끔 되어 있다. 이를 통해 한 번에 수십 개 이상의 샘플들로 구성된 박막 및 분말 라이브러리를 XY 스테이지를 구동시키면서 구조 분석할 수 있다. 또한, 형광 및 자외선/가시광 흡수 스펙트럼에 있어서는 200 - 900 nm 범위의 스캔이 가능하며, 특히 형광에 있어서는 방출과 들뜸 모드 모두가 가능하기 때문에 시료의 형광특성 및 성분분석에 매우 효과적이다. 또한, 모든 분석 및 평가가 컴퓨터에 의하여 자동으로 수행될 수 있도록 프로그램을 개발하였다. 가시광/자외선 분광기도 미세 샘플 어레이의 좌표 설정 및 스캔 방식은 XY 스테이지를 공초점 라만 분광기와 공유하기 때문에 동일하다. In the ultraviolet / visible and fluorescence spectrometers, deuterium lamps are used as ultraviolet light sources and tungsten lamps as visible light lamps instead of laser light sources. In the ultraviolet / visible spectrum and fluorescence characteristics analysis, the optical amplification tube 131 is mainly used and is designed to use a CCD detector. Since visible light and ultraviolet light are not light sources emitted from short wavelengths such as lasers, the size of the beam cannot be minimized with an optical lens. Therefore, it was possible to minimize to 300 ㎛ using the optical fiber 124. Unlike conventional equipment for the analysis of micro sample arrays, the mirror 126 is not transmissive but reflects light from the UV / visible region at a slight angle to the sample using a mirror 126 to mirror the opposite light signal generated. It is reflected by the mirror 127 and finally detected by the optical amplification tube (PMT) 131. This allows structural analysis of thin film and powder libraries of dozens or more of samples at the same time while driving the XY stage. In addition, scanning in the range of 200-900 nm is possible in the fluorescence and ultraviolet / visible light absorption spectra, and in particular, the emission and excitation modes are possible in the fluorescence, which is very effective for fluorescence characteristics and component analysis of the sample. In addition, the program was developed so that all analysis and evaluation could be performed automatically by computer. Visible / ultraviolet spectroscopy is also the same because the coordinate setup and scanning of the microsample array share the XY stage with the confocal Raman spectrometer.

따라서, 본 장비는 미세한 샘플들이 고집적된 라이브러리 시료에 대하여 라 만 스펙트럼, 형광 및 자외선/가시광 흡수스펙트럼을 한 장비에서 시료의 교체 없이 동시에 구현할 수 있다. Therefore, this equipment can realize the Raman spectrum, fluorescence, and ultraviolet / visible absorption spectrum of the library sample with high concentration of fine samples at the same time without changing the sample in one device.

이하, 상기 본 발명의 분광기에 따른 실제 박막을 측정한 실시예를 살펴보도록 한다.Hereinafter, an embodiment in which the actual thin film according to the spectrometer of the present invention is measured will be described.

<실시예 1> 공초점 라만 시스템을 이용한 강유전체 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0<x<4) 박막 어레이 구조 분석 Example 1 Analysis of Ferroelectric Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <4) Thin Film Array Structure Using Confocal Raman System

(Bi,Ce)4Ti3O12 박막 어레이를 제조하기 위해서 Bi2O3, TiO2, 그리고 CeO2 target을 각각의 금속 전구체로 사용하여 이를 스퍼터링 기법에 의해 Pt/TiO2/SiO2/Si 기판상에 적층하고, Bi/Ce의 비를 도 2(a) 에서와 같이 x축 방향으로 변화시키기 위해 증착시 노출되는 시간을 컴퓨터에 의해 제어되는 셔터(shutter)에 의해서 제조가 가능하다. 증착 후 400도에서 1시간 동안 산소분위기하에서 열처리 후 결정화를 위해 700도에서 1시간 동안 재열처리 하였다. 도 2(b)는 공초점 라만 시스템을 이용하여 x축 방향에 따라 일정 간격으로 스캔한 스펙트럼을 보여주고 있다. 이 때, 레이져 강도는 40 mW 였고, 각 샘플 당 측정시간은 10초 였다. 광원은 488nm의 파장을 지니는 아르곤 레이져였다. 본 스펙트럼에 의하면 Ce의 농도 (x)가 0.8 이내의 농도영역에서는 비스무스 층상 구조물에서 관찰되는 TiO6 에 관련된 3개의 피크들(260, 550, 847 cm-1)과 숄더 (317cm-1) 가 관찰되었으며, 이는 Bi2O3/CeO2/TiO2가 잘 혼합되어졌다는 증거이다. 여기서 260cm-1에서 나오는 B2g와 B3g 모드가 합쳐진 것으로 Ti과 O간의 구부러지는 진동을 나타낸 것이며, 550cm-1에서 나오는 피크는 TiO6의 양 정점에 위치한 산소가 서로 반대방향으로 움직이는 진동 모드로서 TiO6의 뒤틀림에 관여한다. 847cm-1에서 나오는 피크는 Ti과 O 간의 스트레칭 모드를 나타낸다. 마지막으로, 317cm-1에서 나오는 숄더(shoulder)는 위의 구부러지는 진동 모드와 스트레칭 진동 모드 2개가 결합되어 나타난 것이다. 그러나, Ce의 농도가 증가하면서 Ti과 O 간의 스트레칭 진동을 나타내는 847cm-1에서의 피크가 점점 감소하다가 4번째 (Bi/Ce=3.2/0.8) 스펙트럼에서부터 거의 사라짐을 확인할 수 있었다. 또한, 다른 2개의 피크도 비스무스 층상구조가 아닌 CeO2 구조에서 발생하는 라만스펙트럼(205, 460, 608cm-1)으로 전이되는 것이 관찰되었다. 이를 통해 Ce의 농도가 0.8 이내에서 본 샘플이 균일하게 형성되어질 수 있으며, 이를 통해 우리가 원하는 강유전특성을 갖는 조성 범위를 예측할 수 있었다. In order to fabricate (Bi, Ce) 4 Ti 3 O 12 thin film arrays, Bi 2 O 3 , TiO 2 , and CeO 2 targets were used as the respective metal precursors and sputtered by Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si The time exposed during deposition to stack on the substrate and change the Bi / Ce ratio in the x-axis direction as shown in Fig. 2 (a) can be produced by a computer controlled shutter. After the deposition, heat treatment was carried out in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour and then reheated at 700 ° C. for 1 hour for crystallization. Figure 2 (b) shows the spectrum scanned at regular intervals along the x-axis direction using the confocal Raman system. At this time, the laser intensity was 40 mW, and the measurement time for each sample was 10 seconds. The light source was an argon laser with a wavelength of 488 nm. According to this spectrum, three peaks (260, 550, 847 cm -1 ) and shoulder (317cm -1 ) related to TiO 6 observed in bismuth layered structure were observed in the concentration range of Ce concentration (x) within 0.8. This is evidence that Bi 2 O 3 / CeO 2 / TiO 2 is well mixed. Here, the B 2g and B 3g modes coming out of 260cm -1 are combined to represent the bent vibration between Ti and O, and the peak coming out of 550cm -1 is the vibration mode in which oxygen located at the two peaks of TiO 6 moves in opposite directions. It is involved in the warping of TiO 6 . The peak at 847 cm −1 represents the stretching mode between Ti and O. Finally, the shoulder at 317 cm -1 is a combination of the above two bend vibration modes and stretching vibration modes. However, as the concentration of Ce increases, the peak at 847 cm -1 , which indicates the stretching vibration between Ti and O, gradually decreases and almost disappears from the fourth (Bi / Ce = 3.2 / 0.8) spectrum. In addition, it was observed that the other two peaks also shifted to Raman spectra (205, 460, 608 cm −1 ) occurring in the CeO 2 structure rather than the bismuth layered structure. Through this, the sample can be uniformly formed in the concentration of Ce within 0.8, through which it was possible to predict the composition range having the desired ferroelectric properties.

<실시예 2> 공초점 라만 시스템을 이용한 Bi4-xCexTi3O12 (BCT, 0< x <1 ) 박 막 어레이 구조 분석Example 2 Analysis of Bi 4-x Ce x Ti 3 O 12 (BCT, 0 <x <1) Thin Film Array Structure Using Confocal Raman System

실시예 1에서 Ce의 농도 (x)가 1미만인 농도 영역에서 강유전성을 가진다는 결론을 바탕으로 도 3(a)와 같이 스퍼터링 방식으로 각각의 금속 전구체 물질을 적층하여 (Bi,Ce)4Ti3O12 박막 어레이를 도 2(a)와 같이 제조하였다. 이 때도 마찬가지로 Bi/Ce의 비를 x축 방향으로 변화시키기 위해 증착시 노출되는 시간을 컴퓨터에 의해 제어되는 셔터(shutter)를 이용하였다. 증착 후, 400도에서 1시간 동안 산소분위기하에서 열처리 후 결정화를 위해 700도에서 5시간 동안 재열처리 하였다. 도 3(b)는 공초점 라만 시스템을 이용하여 x축 방향에 따라 일정 간격으로 스캔한 스펙트럼을 보여주고 있다. 이 때, 레이져 세기는 40 mW 였고, 각 샘플 당 측정시간은 30초 였다. 광원은 488nm의 파장을 지니는 아르곤 레이져였다. Based on the conclusion that in Example 1, the concentration (x) of Ce has ferroelectricity in a concentration range of less than 1, each metal precursor material was laminated by sputtering as shown in FIG. 3 (a) to (Bi, Ce) 4 Ti 3 An O 12 thin film array was prepared as shown in FIG. 2 (a). In this case as well, in order to change the Bi / Ce ratio in the x-axis direction, a shutter controlled by a computer was used to control the exposure time during deposition. After deposition, heat treatment was carried out at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere and then reheated at 700 ° C. for 5 hours for crystallization. Figure 3 (b) shows a spectrum scanned at regular intervals along the x-axis direction using the confocal Raman system. At this time, the laser intensity was 40 mW, and the measurement time for each sample was 30 seconds. The light source was an argon laser with a wavelength of 488 nm.

본 스펙트럼에 의하면, Ce의 농도가 1 이하인 전체 영역에서 BCT 박막 샘플들이 비스무스 층상 구조물에서 관찰되는 TiO6 에 관련된 3개의 피크들(260, 550, 847 cm-1)과 숄더 (317cm-1)가 관찰되었으며, 이는 위의 결과와 일치한다. 그러나, Ce의 농도가 증가하면서 Ti과 O 간의 스트레칭 진동을 나타내는 847cm-1에서의 피크의 크기가 점점 감소하는 것을 쉽게 관찰할 수 있었다. (도 3(c)) 이는 본 샘플이 TiO6 구조를 지니고 있어서 전기장을 가했을 시 분극방향과 평행하는 축에 대해 회전할 시 산소의 움직임에 제한을 받게 되어 본 TiO6가 약간 팽창하면서 자발분극이 발생하는 메카니즘에 기인한다. 따라서, 이 피크는 강유전체의 자발분극치와 관련이 깊으며, Ce의 농도가 적은 영역에서 우수한 강유전성 특징이 나타나는 것을 예측할 수 있게 하는 하나의 근거가 될 수 있으며, 실지로 도 3(d)를 보게 되면 Ce의 농도가 점점 작아지면서 잔류분극치가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, Ce의 농도가 너무 작을 경우(x<0.3)에는 847cm-1에서의 Ti과 O의 스트레칭 진동모드가 큼에도 불구하고 전기적 특성 측정이 불가능했다. 이는 너무 작은 량의 Ce (x<0.3) 이 Bi 자리에 치환되었을 경우 강유전 분역의 움직임을 감소시키는 분역 고정화를 촉진시키기 때문이다. 이는 전기장을 가했을 시 하나의 스트레스로 작용하여 이러한 스트레스는 새로운 상이나 결함으로 나타나서 누설전류밀도를 크게 하는 것을 의미한다. 따라서, 공초점 라만 장비는 정확한 최적 조성을 예측하긴 힘드나, 최적 조성이 위치한 조성 영역을 예측하는 데에 효율적인 장비로 그 가능성이 높다 하겠다. According to this spectrum, BCT film sample in the entire region that the concentration of Ce 1 or less are bismuth three peaks associated with the TiO 6 observed in the layered structures (260, 550, 847 cm -1 ) and the shoulder (317cm -1) a Was observed, which is consistent with the above results. However, it was easy to observe that as the concentration of Ce increases, the size of the peak at 847 cm −1 , which indicates a stretching vibration between Ti and O, gradually decreases. This (Figure 3 (c)) which spontaneous while the sample is subjected to restriction on the movement of oxygen when rotated about an axis parallel to the polarization direction when applied and an electric field in has a TiO 6 structure of this TiO 6 is slightly expanded polarization It is due to the mechanism that occurs. Therefore, this peak is deeply related to the spontaneous polarization value of the ferroelectric and may be one reason for predicting the appearance of excellent ferroelectric characteristics in the region of low Ce concentration. As the concentration of Ce gradually decreased, it was confirmed that the residual polarization value increased. However, when the concentration of Ce was too small (x <0.3), electrical characteristics could not be measured in spite of the large stretching vibration mode of Ti and O at 847 cm -1 . This is because when too small amount of Ce (x <0.3) is substituted at Bi site, it promotes the stationary immobilization which reduces the movement of ferroelectric domain. This acts as a stress when an electric field is applied, which means that the stress appears as a new phase or a defect, thereby increasing the leakage current density. Therefore, confocal Raman equipment is difficult to predict the exact optimal composition, but it is likely that the equipment is an efficient equipment for predicting the composition region where the optimal composition is located.

<실시예 3> 공초점 라만 시스템을 이용한 Bi4-xLaxTi3O12 (BLT, 0 < x <1 ) 박막 어레이 분석Example 3 Analysis of Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (BLT, 0 <x <1) Thin Film Array Using Confocal Raman System

실시예 1과 2와는 달리 CeO2 대신 La2O3 타겟을 이용하여 도 4(a)와 같이 스퍼터링 방식으로 각각의 금속 전구체 물질을 적층하여 (Bi,La)4Ti3O12 박막 어레이를 제조하였다. 이 때도 마찬가지로 Bi/La의 비를 x축 방향으로 변화시키기 위해 증착 시 노출되는 시간을 컴퓨터에 의해 제어되는 셔터를 이용하였다. 증착 후 400도에서 1시간 동안 산소분위기하에서 열처리 후 결정화를 위해 700도에서 5시간 동안 재열처리 하였다. 도 4(b)는 공초점 라만 시스템을 이용하여 x축 방향에 따라 일정 간격으로 스캔한 스펙트럼을 보여주고 있다. 이 때, 레이져 강도는 40 mW 였고, 각 샘플 당 측정시간은 30초 였다. 광원은 488nm의 파장을 지니는 아르곤 레이져였다. Unlike Examples 1 and 2, (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 thin film array was manufactured by stacking each metal precursor material by sputtering as shown in FIG. 4 (a) using La 2 O 3 target instead of CeO 2 . It was. In this case as well, in order to change the Bi / La ratio in the x-axis direction, a shutter controlled by a computer was used for the exposure time during deposition. After deposition, heat treatment was carried out at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere and then reheated at 700 ° C. for 5 hours for crystallization. Figure 4 (b) shows the spectrum scanned at regular intervals along the x-axis direction using the confocal Raman system. At this time, the laser intensity was 40 mW and the measurement time per sample was 30 seconds. The light source was an argon laser with a wavelength of 488 nm.

본 스펙트럼에 의하면, La의 농도가 1 이하인 전체 영역에서 BLT 박막 샘플들이 비스무스 층상 구조물에서 관찰되는 TiO6 에 관련된 3개의 피크들(260, 550, 847 cm-1)과 숄더 (317cm-1)가 관찰되었다. BLT 어레이도 BCT 어레이와 마찬가지로 La의 치환 농도가 증가하면서 Ti과 O 간의 스트레칭 진동을 나타내는 847cm-1에서의 피크의 크기가 점점 감소하는 것을 쉽게 관찰할 수 있었다.(도 4(c)) 이는 La의 농도가 적은 영역에서 우수한 강유전성 특징이 나타나는 것을 예측할 수 있게 하는 하나의 근거가 될 수 있으며, 실제로 도 4(d)에서 보는 바와 같이 La의 농도 (x)가 0.25에서 0.33 사이일 때 강유전 특성이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 그러나, 너무 작은 농도(x<0.2)에서는 Ti과 O간의 스트레칭 모드가 큼에도 불구하고 전기적 특성을 측정할 수 없었다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 너무 작은 양의 La이 Bi 자리에 치환되었을 때 발생하는 강유전 분역의 고정화에 기인한다. According to this spectrum, BLT film sample in the entire region that the concentration of La less than or equal to 1 are bismuth three peaks associated with the TiO 6 observed in the layered structures (260, 550, 847 cm -1 ) and the shoulder (317cm -1) a Was observed. As with the BCT array, it was easy to observe that the size of the peak at 847 cm -1 gradually decreases as the substitution concentration of La increases, as in the BCT array (Fig. 4 (c)). It can be one of the reasons for predicting the appearance of excellent ferroelectric characteristics in the region of low concentration. In fact, as shown in Fig. 4 (d), the ferroelectric characteristics are reduced when the concentration of La (x) is between 0.25 and 0.33. It was confirmed that it is very excellent. However, at too small a concentration (x <0.2), the electrical properties could not be measured despite the large stretching mode between Ti and O. This is due to the immobilization of the ferroelectric domain, which occurs when too little La is substituted at the Bi site, as mentioned above.

<실시예 4> 공초점 라만 시스템을 이용한 수소저장소재로서의 금속 카본 나노 복합체의 구조 분석Example 4 Structure Analysis of Metallic Carbon Nanocomposites as Hydrogen Storage Materials Using Confocal Raman System

일정한 구조를 가지는 금속-나노복합체를 제조하기 위해서 SBA-15와 같은 나노틀을 다음과 같은 방법으로 제조하였다. 먼저, 1.6M 염산 용액 380 mL와 BASF 사의 플루로닉(Pluronic) P123 10 g 을 상온에서 교반한 상태에서, 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate; TEOS) 22g을 첨가한 후, 35℃에서 12시간 유지하였다. 그 후 이를 100℃에서 24시간동안 유지한 후 여과와 건조 과정을 진행하고, 550℃에서 2시간동안 소성하여 일정한 구조를 가지는 SBA-15 나노틀을 제조하였다. In order to prepare a metal-nano composite having a predetermined structure, a nano-frame such as SBA-15 was prepared by the following method. First, 380 mL of 1.6M hydrochloric acid solution and 10 g of Pluronic P123 from BASF were stirred at room temperature, and 22 g of tetraethylorthosilicate (TEOS) was added thereto, and the mixture was maintained at 35 ° C for 12 hours. . Thereafter, the mixture was maintained at 100 ° C. for 24 hours, followed by filtration and drying, and then calcined at 550 ° C. for 2 hours to prepare a SBA-15 nano-frame having a predetermined structure.

이와 같이 제조된 나노 틀(SBA-15)을 1g 기준으로 금속이 2.5 mol%가 함침되도록, 나노 틀에 금속 전구체 용액을 첨가한 뒤, 이 혼합 용액을 진공건조기로 건조하여 나노 틀 외부에 금속 전구체를 분산시켰다. 금속의 전구체로는 주로 질화물이나 염화물 형태를 사용하였다. 이러한 함침공정은 금속전구체 및 나노틀이 들어 있는 용액을 진공 건조함으로써 균일하게 금속전구체가 나노틀 속으로 들어가도록 유도하는 공정이다. 이어서 수크로오스 2.5g, 황산 0.28g 및 물 10g를 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 그 후 100℃ 및 160℃에서 각각 6 시간 동안 반응시킨 후, 900 ℃의 진공분위기에서 탄화시켰다. 그 후 5wt% 불산 수용액을 이용하여 나노 틀을 녹여 제거한 후 세척하여, 나노 구조를 가진 금속-카본 복합체를 제조하였다. 이 때, 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 다양한 전이 금속이 결합된 금속-카본 나노복합체 라이브러리를 합성하고, 이에 대해서 공초점 라만 장비를 이용하여 분석하였다. 이 때 각 샘플 당 측정시간은 10초였으며, 레이져 세기는 탄소가 함유된 소재라 12 mW로 하였다. 도 5에서 보는 바와 같이 몰리브덴이 결합된 카본 나노 복합체는 탄소나노튜브에서 발생하는 2개의 피크가 거의 나타나지 않는 무정형 형태를 보였고, 이와는 반대로 크롬, 코발트, 구리 등의 금속이 결합될 시에는 1350 과 1587 cm-1에서 탄소나노튜브의 특성 피크가 선명하게 나옴을 쉽게 판별할 수 있었다. The metal precursor solution was added to the nano-frame so that 2.5 mol% of the metal was impregnated on the basis of 1 g of the nano-frame (SBA-15) thus prepared, and the mixed solution was dried with a vacuum dryer to form the metal precursor outside the nano-frame. Was dispersed. Preferred metal precursors are nitrides or chlorides. This impregnation process is a process of uniformly inducing the metal precursor into the nano-frame by vacuum drying the solution containing the metal precursor and the nano-frame. Then 2.5 g of sucrose, 0.28 g of sulfuric acid and 10 g of water were added and mixed uniformly. Thereafter, the mixture was reacted at 100 ° C. and 160 ° C. for 6 hours, and then carbonized in a vacuum atmosphere at 900 ° C. Then, using a 5wt% hydrofluoric acid aqueous solution to dissolve and remove the nano-frame, washed to prepare a metal-carbon composite having a nanostructure. At this time, a variety of silver (Ag), gold (Au), cobalt (Co), chromium (Cr), copper (Cu), magnesium (Mg), nickel (Ni), tungsten (W), zirconium (Zr) Metal-carbon nanocomposite libraries with transition metals were synthesized and analyzed using confocal Raman equipment. At this time, the measurement time for each sample was 10 seconds, and the laser intensity was 12 mW because it contained carbon. As shown in FIG. 5, the molybdenum-bonded carbon nanocomposite showed an amorphous form in which two peaks occurring in carbon nanotubes were hardly observed. In contrast, when the metals such as chromium, cobalt, and copper were combined, 1350 and 1587 The characteristic peaks of carbon nanotubes at cm −1 were easily distinguished.

<실시예 5> 공초점 라만 시스템을 이용한 은 나노클러스터상의 Rh6G 검출Example 5 Rh6G Detection on Silver Nanoclusters Using Confocal Raman System

본 시스템은 바이오분자 검출이 가능하며, 도 6은 은 나노클러스터 상 바이오분자 검출을 위한 표지물질인 Rh6G의 스펙트럼이다. 은 나노클러스터 수용액은 95oC에서 질소산화물 (AgNO3, Aldrich 사)이 녹아있는 수용액을 sodium citrate (Aldrich 사)와 교반하여 30분 동안 환원시킴으로서 제조하였다. 이 때 생성된 은 나노입자의 분산을 위해 분자제로 폴리피롤리돈 (polypyrrolidone, Aldrich 사)을 약 2 wt%를 첨가하였으며, 생성된 나노입자의 평균 크기는 약 50 nm이다. 나노클러스터 분산을 위한 기질 (substratre)로서 유기물 및 금속 오염물질이 제거된 슬라이드 유리 (slide glass)를 사용하였으며, 나노클러스터와 유리와의 연결을 위한 접합제로서 아미노기를 포함한 실레인화합물 (APTMS, Aldrich)을 사용하였다. 은 나노클러스터 수용액을 포함한 플라스틱 접시 (plastic petric dish)내에 표면 처리된 유리를 8시간 이상 동안 담가 놓은 후, 3차 증류수로 세 번 이상 세척하여 질 소건으로 건조하였다. 이 때, 나노클러스터는 유리위에 극단층 (submonolayer)을 형성하였다. 바이오분자 검출을 위한 표지물질인 Rh6G (Rhodamine 6G, Aldrich 사)는 50% 에탄올을 포함한 증류수로 용해시켜 1 mM Rh6G 수용액을 제조하였다. 제조된 수용액 내에 은 나노클러스터가 분산된 유리를 약 2 시간 동안 담근 후, 3차 증류수로 세 번 이상 세척하여 질소건으로 건조하였다. 도 6에서 보는 바와 같이 은 나노클러스터에 의한 라만 신호의 증폭을 확인할 수 있었다. 이러한 신호증폭은 입사되는 가시광 레이져 (488 nm)와 은 나노클러스터간의 상호작용으로 표면 플라즈몬 (surface plasmons)이 형성됨으로써 나노입자사이에 증폭된 전자기장의 형성을 유도한다. 증폭된 전자기장으로 인해 나노입자사이에 미량으로 존재하는 Rh6G의 고감도 검출이 가능하였다. 이 때, 라만 스펙트럼의 분석 시간은 1초로써 빠른 시간 내에 여러 개 샘플분석의 가능성을 확인할 수 있었다. This system is capable of detecting biomolecules, and FIG. 6 is a spectrum of Rh6G, which is a label for detecting biomolecules on silver nanoclusters. The silver nanocluster solution was prepared by reducing an aqueous solution of nitrogen oxide (AgNO 3 , Aldrich) at 95 ° C. with sodium citrate (Aldrich) and reducing it for 30 minutes. At this time, about 2 wt% of polypyrrolidone (Aldrich) was added as a molecular agent to disperse the produced silver nanoparticles, and the average size of the produced nanoparticles was about 50 nm. As a substrate for dispersing nanoclusters, slide glass is used to remove organic and metal contaminants, and a silane compound containing amino group (APTMS, Aldrich) is used as a binder for connecting the nanoclusters and glass. ) Was used. The surface treated glass was immersed in a plastic petric dish containing silver nanocluster solution for at least 8 hours, washed three times with distilled water, and dried with nitrogen. At this time, the nanocluster formed a submonolayer on the glass. Rh6G (Rhodamine 6G, Aldrich), a label for biomolecule detection, was dissolved in distilled water containing 50% ethanol to prepare a 1 mM Rh6G aqueous solution. The silver nanocluster dispersed glass was immersed in the prepared aqueous solution for about 2 hours, washed three times or more with tertiary distilled water, and dried with a nitrogen gun. As shown in FIG. 6, the amplification of the Raman signal by the silver nanoclusters was confirmed. This signal amplification results in the formation of surface plasmons by interaction between the incident visible light laser (488 nm) and the silver nanoclusters, leading to the formation of an amplified electromagnetic field between the nanoparticles. The amplified electromagnetic field was able to detect high sensitivity of Rh6G in trace amounts between nanoparticles. At this time, the analysis time of the Raman spectrum was 1 second, and it was possible to confirm the possibility of analyzing several samples in a short time.

<실시예 6> 자외선/가시광 분광 시스템을 이용한 Y3-xAl5O12/Cex 형광체의 발광특성 측정<Example 6> Measurement of Luminescence Characteristics of Y 3-x Al 5 O 12 / Ce x Phosphors by UV / Visible Spectroscopy System

본 시스템은 들뜸(excitation) 및 발광(emission) 모드에서의 측정이 가능하며, 본 실시예에서는 녹색 발광체 중의 하나인 Y3-xAl5O12/Cex 물질에 대해서 emission intensity 및 excitation intensity 값을 측정하여 발광 정도에 대한 물리적 특징을 확인할 수 있었고, 도 7은 자외선/가시광 분광 시스템에 의해 측정된 스펙트럼 이다. The system can measure in excitation and emission modes. In this embodiment, emission intensity and excitation intensity values for Y 3-x Al 5 O 12 / Ce x material, which is one of the green emitters, are measured. Measurements were made to confirm physical characteristics of the degree of luminescence, and FIG. 7 is a spectrum measured by an ultraviolet / visible spectroscopic system.

<실시예 7> 자외선/가시광 분광 시스템을 이용한 TiO2 광촉매 및 바이오분자 검출용 은 나노클러스터의 광학특성 측정Example 7 Measurement of Optical Properties of Silver Nanoclusters for TiO 2 Photocatalyst and Biomolecule Detection Using UV / Visible Spectroscopy System

본 시스템은 반사 (reflectance) 및 흡수 (absorbance) 스캔 모드에서 무기산화물의 전자전이 특성과 금속 나노구조상에서의 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance, SPR)이 일어나는 파장의 측정이 가능하다. 도 8에서 보는 바와 같이 광촉매로 사용되는 TiO2의 전자 전이는 약 350 nm에서 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, 도 9에서 보는 바와 같이 유리위에 극단층을 형성한 은 나노클러스터의 경우 약 400 nm에서 SPR 파장이 있음을 확인할 수 있었다. The system is capable of measuring the electron transfer properties of inorganic oxides and the wavelength at which surface plasmon resonance (SPR) occurs on metal nanostructures in reflection and absorption scan modes. As shown in FIG. 8, the electron transition of TiO 2 used as a photocatalyst was confirmed to occur at about 350 nm. In addition, as shown in FIG. 9, in the case of the silver nanoclusters having the extreme layer formed on the glass, the SPR wavelength was found at about 400 nm.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below I can understand that you can.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공초점 라만, 자외선/가시광 및 형광 분광기가 결합된 분석 시스템에 의하여 촉매, 강유전체, 수소저장소재 및 금속 나노물질과 같은 다양한 소재와 바이오분자에 대한 구조분석이 매우 용이하며, 샘플의 형태에 제한을 받지 않는다. As described above, according to the present invention, structural analysis of various materials such as catalysts, ferroelectrics, hydrogen storage materials, and metal nanomaterials and biomolecules is very performed by an analysis system combining confocal Raman, ultraviolet / visible and fluorescence spectroscopy. It is easy and is not limited by the shape of the sample.

또한, 기존의 분석에서 들었던 시간과 비용을 획기적으로 줄이면서 다성분계 재료 및 촉매의 구조를 분석하고 이에 바탕을 두고 성능과 구조간의 관계를 규명하여 새로운 소재의 설계와 신약 및 질병질단 칩의 개발을 위한 바이오분야에 도움을 줄 수 있다. In addition, while significantly reducing the time and cost of conventional analysis, the structure of multi-component materials and catalysts can be analyzed, and the relationship between performance and structure can be explored based on the design of new materials and development of new drugs and disease diagnosis chips. It can help in the bio field.

Claims (8)

구조를 분석하기 위한 시료가 안착되는 샘플 챔버;A sample chamber on which a sample for analyzing a structure is placed; 레이저가 조사된 상기 시료에서 반사되는 빛의 파장변화를 분석하여 상기 시료의 구조를 분석하는 공 초점 라만 분광부;A confocal Raman spectrometer for analyzing a structure of the sample by analyzing a wavelength change of light reflected from the laser beam; 분자 내의 에너지와 광에너지 간의 상호작용을 이용하여 상기 시료의 구조를 분석하는 자외선-가시광선 및 형광 분광부; 및An ultraviolet-visible light and fluorescence spectrometer for analyzing the structure of the sample by using an interaction between energy in a molecule and light energy; And 상기 샘플 챔버를 제어하고, 상기 라만 분광부 및 상기 자외선-가시광선 및 형광 분광부에서 분석된 시료의 구조에 대한 스펙트럼 데이터를 분석하는 시스템 컨트롤러를 포함하는 분광기.And a system controller that controls the sample chamber and analyzes spectral data on the structure of the sample analyzed by the Raman spectrometer and the ultraviolet-visible and fluorescence spectrometers. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 샘플 챔버는 최소 300㎛ 크기의 미세시료를 10000개 이상으로 집적한 고집적 샘플 어레이가 설치되는 것을 특징으로 하는 분광기.The sample chamber is a spectrometer, characterized in that the high-density sample array that is integrated with more than 10000 micrometers of at least 300㎛ size is installed. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 샘플 챔버의 제어는 상기 샘플 챔버의 좌표를 설정하여 스테이지를 이동시키는 것을 특징으로 하는 분광기.The control of the sample chamber is characterized in that for setting the coordinates of the sample chamber to move the stage. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이저는 가시광 및 적외선 영역에서 선택가능한 것을 특징으로 하는 분광기.And the laser is selectable in the visible and infrared regions. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 시스템 컨트롤러는 애벌런치 포토 다이오드(APD)로 검출된 광신호로 상기 시료 구조에 대한 이미지를 매핑하는 것을 특징으로 하는 분광기.And the system controller maps an image of the sample structure to an optical signal detected by an avalanche photo diode (APD). 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 자외선-가시광선 및 형광 분석부는 상기 시료에 조사한 후 발생되어지는 광신호를 미러에 반사시켜 광 증폭 튜브에서 감지하는 것을 특징으로 하는 분광기.And the ultraviolet-visible light and fluorescence analyzer reflects the optical signal generated after irradiating the sample to a mirror and detects the optical signal in the optical amplification tube. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 형광 분석부는 시료 분자의 방출과 들뜸 모드가 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 분광기.The fluorescence analyzer spectrometer, characterized in that to enable the emission and excitation mode of the sample molecules. 삭제delete
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