KR100814389B1 - Ⅹ선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재료의 결함을 구조적 및 결정학적으로 동시에 분석하기 위한 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템으로서, 재료에 입사되는 X선을 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선으로 동시에 유발하도록 상기 입사되는 X선에 대하여 재료를 정렬하기 위한 재료 정렬수단 및 상기 재료 정렬수단에 의해 유발된 상기 투과 X선, 상기 반사 회절 X선, 및 상기 투과 회절 X선을 각각 촬영하기 위한 복수의 촬영 수단을 포함하고, 상기 X선은 백색 X선인 것을 특징으로 한다.
X선 투과, X선 회절, 영상

Description

Ⅹ선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템 {A combining system of Ⅹ-ray transmission and diffraction imaging }
도 1은 본 발명에 따른 X선 투과 / 회절 영상 촬영 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 촬영된 실리콘카바이드 (SiC) 단결정 웨이퍼의 마이크로 파이프 결함 구조를 보여주는 X선 투과 / 회절 영상을 나타낸 도.
본 발명은 X선 투과 / 회절 영상 촬영 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 결정으로 이루어진 재료의 내부 또는 표면에 존재하는 결함의 구조나 본성을 규명하기 위해 재료에 의한 X선 투과 및 회절 현상을 이용하여 재료의 결함을 시각적 영상으로 촬영하는 장치에 관한 것이다.
종래에는 재료의 내부 또는 표면에 존재하는 결함의 구조나 본성을 규명하기 위한 것으로 X선 투과 영상 기술 (X선 방사선)과 X선 회절 영상 기술 (X선 토포그라피(X-ray topography))이 있다.
X선 투과 영상 기술은 흔히 병원 등에서 사용되는 X선 방사선 기술로서, 밀도가 서로 다른 물질에 의한 흡수나, 혹은 동일한 밀도이지만 구조적 형상을 가진 결함들에 의해 발생하는 위상 차이를 측정함으로써 재료의 구조나 결함, 예를 들면, 공극, 입자 경계, 물질 경계 등을 영상화하는 기술이다.
반면, X선 회절 영상 기술은 결정으로 이루어진 재료의 의해 발생되는 회절 X선을 촬영하는 것으로 재료 내의 결정학적 결함, 예를 들면, 전위, 적층 결함 등, 원자 단위의 결함을 영상화하는 기술이다.
상기한 바와 같이, 이들 기술은 각각 서로 상이한 X선 원리, 즉 재료에 의한 X선의 흡수나 위상 차이를 이용하거나, 또는 X선 회절을 이용하기 때문에, 각각 다른 장치들에 의해 구현되어 왔다. 따라서, 재료의 내부 구조나 결함을 분석하기 위해서는 X선 투과 영상을 이용하여 구조결함들을 분석하였고, 또한 별도의 장치에 구현된 X선 회절 영상을 이용하여 결정학적 결함들을 분석하여야만 하였다.
이는 재료 내 결함을 정확히 분석하는데 매우 많은 시간을 소요하게 할 뿐만 아니라, 재료 과학 관점에서 재료 결함들이 가지는 구조적인 정보와 결정학적인 정보를 동시적이고 종합적으로 획득하는 것을 어렵게 함으로써, 정확하고 과학적으로 재료를 분석하는데 큰 장애가 되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, X선 투과 및 회절 영상 획득에 있어서 투과된 X선과 회절된 X선을 동시에 촬영함으로써, 상기한 바와 같은 효율적 재료 분석의 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 재료 분석에 절대적으로 요구되는 종합적이고 기능적인 X선 영상 촬영 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 재료의 결함을 구조적 및 결정학적으로 동시에 분석하기 위한 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템으로서, 재료에 입사되는 X선을 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선으로 동시에 유발하도록 상기 입사되는 X선에 대하여 재료를 정렬하기 위한 재료 정렬수단; 및 상기 재료 정렬수단에 의해 유발된 상기 투과 X선, 상기 반사 회절 X선, 및 상기 투과 회절 X선을 각각 촬영하기 위한 복수의 촬영 수단을 포함하고, 상기 X선은 백색 X선인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 재료 정렬수단은 상기 재료를 2개의 축으로 회전가능하고 3개의 방향으로 병진 이동가능한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 반사 회절 X선 및 상기 투과 회절 X선을 촬영하기 위한 촬영수단은 각각 X선-필름인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 투과 X선을 촬영하기 위한 촬영수단은, 상기 투과 X선을 가시광선으로 변환시키기 위한 광 변환 수단; 및 상기 변환된 가시광선을 포획하기 위한 광 포획 수단을 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 촬영수단은 상기 광 변환 수단에 의해 변환된 상기 가시광선을 상기 광 포획 수단으로 유도하기 위한 반사경을 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 반사경은 금이 코팅된 실리콘 단결정 웨이퍼인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 광 변환 수단은 섬광결정을 이용하는 것을 특징으 로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 섬광결정은 CdWO4인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 광 포획 수단은 고분해능의 영상을 얻기 위한 광학렌즈 및 상기 영상을 촬영하기 위한 CCD 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 재료 정렬수단은 상기 재료와 상기 촬영 수단 간의 거리를 임의로 조정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 촬영수단은 상기 재료와 방향에 따라 병진이동 가능한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 촬영수단은 모터에 의해 미세조정 가능한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 반사 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은, 입사 X선 쪽에 위치되며, 상기 투과 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은 투과 X선 쪽에 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 재료 정렬수단에 의한 정렬 조건은, 상기 입사되는 X선과 상기 재료 표면과의 각도가 5°, 상기 반사 회절 벡터는 (0006) 및 상기 투과 회절 벡터는
Figure 112006048505642-pat00001
인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구성 및 이에 따른 작용에 대해 상세히 설명하면,
본 발명은 재료의 결함을 구조적 및 결정학적으로 동시에 분석하기 위한 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템으로서 재료 정렬수단과 복수의 촬영 수단을 포 함한다. 재료 정렬수단은 재료에 입사되는 X선을 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선으로 동시에 유발하도록 상기 입사되는 X선에 대하여 재료를 정렬한다. 복수의 촬영 수단은 상기 재료 정렬수단에 의해 유발된 상기 투과 X선, 상기 반사 회절 X선, 및 상기 투과 회절 X선을 각각 촬영한다.
바람직하게는 상기 정렬수단은 2개의 축으로 회전가능하고 3개의 방향으로 병진이동할 수 있어서, 재료에 입사되는 X선에 대해 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선으로 동시에 유발하도록 정렬 가능할 수 있다. 바람직하게는, 반사 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은 입사 X선 쪽에 위치되며, 상기 투과 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은 투과 X선 쪽에 위치된다. 이와 같이 정렬된 재료에 의해 유발된 각각의 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선들은, 재료의 구조적 결함, 결정학적 결함을 동시에 촬영 및 획득할 수 있다. 바람직하게는, 반사 회절 X선 및 투과 회절 X선의 촬영수단들은 재료의 결정학적 결함 정보를 기록하기 위한 것으로 X선 필름을 이용함으로써 고분해능의 영상으로 촬영할 수 있다.
바람직하게는, 투과 X선을 촬영하기 위한 촬영 수단은 광 변환 수단과 광 포획수단을 포함하는데, 광 변환 수단은 투과 X선을 가시 광선으로 변환시키며, 광 포획 수단은 변환된 가시 광선을 포획할 수 있다. 상기 촬영 수단은 필요에 따라, 광 변환 수단에 의해 변환된 가시 광선을 광 포획 수단으로 유도하기 위한 반사경을 더 포함할 수 있다. 반사경의 효율을 최대한 높이기 위해 바람직하게는, 금이 코팅된 실리콘 단결정 웨이퍼를 사용한다. 바람직하게는 상기 광 변환 수단은 섬광 결정을 이용하여 X선을 가시 광선으로 변환 시킬 수 있다. 더욱 바람직하게는 섬광 결정으로서 가시 광선 영역에서의 변환 효율이 뛰어나며, X선에 의해 손상이 적고, 대기 중의 환경에 안정적이며, CCD카메라 칩의 감도에 적합한 카드뮴 텅스테이트(CdWO4)를 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 광 포획 수단은 고 분해능의 영상을 얻기 위한 광학 렌즈 및 상기 영상을 촬영하기 위한 CCD카메라로 이루어진다. 이를 통하여 시각적 확인을 위해서 별도의 필름 현상 작업이 필요 없기 때문에, 재료의 구조적인 결함 정보를 시각적 영상으로 실시간으로 관측 가능함으로써 재료의 상전이나 소성 변형 등 고속 촬영이 필수적인 분야에도 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 재료 정렬수단은 재료와 촬영 수단 간의 거리를 임의로 조정할 수 있어서, 최적의 X선 투과 / 회절 영상을 얻을 수 있다. 바람직하게는 촬영 수단은 재료와 방향에 따라 병진이동이 가능하여 샘플 스캔이 가능하다. 여기서, 바람직하게는 촬영 수단은 모터에 의해 미세 조정이 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 X선 투과 / 회절 영상 촬영 시스템에 대해 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 X선 투과 / 회절 영상 촬영 시스템의 개략도를 나타낸 것이다. 바람직하게는, X선원은 백색 (white beam) X선을 이용한다. 재료는 2-축으로 회전시킬 수 있는 회전축과 3-방향으로 병진이동이 가능한 병진축을 갖는 재료 정렬수단으로서, 본 발명에 의해 특별히 고안된 회절기 위에 장착되어, X선 회절 유발과 함께 재료 스캔이 가능하도록 제작된다. 재료 정렬수단은 재료에 입사 되는 X선을 투과 회절-X선, 반사 회절-X선 및 투과 X선으로 동시에 유발하도록 입사되는 X선에 대하여 재료를 정렬한다.
입사되는 X선은 매우 잘 정렬된 재료에 의해 반사 회절 (back-reflected diffraction), 투과 회절 (transmitted diffraction) 및 투과 X선으로 분리된다.
재료를 투과한 X선은 광 변환 수단에 의해 가시광선으로 전환된다. 전환된 가시 광선은 실리콘 등으로 이루어진 반사경을 통해 반사되어 촬영 수단을 구성하는 CCD 카메라 앞에 부착된 광학 렌즈로 입사한다.
촬영 수단은 재료 정렬수단에 의해 유발된 투과 X선, 반사 회절 X선, 투과 회절 X선을 각각 촬영한다. 바람직하게는, 촬영 수단은 광 변환 수단 및 광 포획 수단을 포함한다.광 변환 수단은 투과 X선을 가시광선으로 변환시킨다. 바람직하게는 광 변환 수단은 섬광 결정을 이용한다. 광 포획 수단은 변환된 가시광선을 포획하고, 바람직하게는 고분해능의 영상을 얻기 위한 광학 렌즈 및 영상을 촬영하기 위한 CCD카메라로 이루어진다.
적절한 배율에 의해 확대된 가시 광선 영상은 최종적으로 CCD 카메라에 의해 촬영되어 컴퓨터화된 네트워크를 통해 관찰자의 모니터에 영상을 만들게 된다.
전술한 광 변환 수단에 이용된 섬광 결정(scintillation crystal)에 대해 좀더 상세하게 살펴보면, 섬광 결정은 가시광선 영역에서 변환 효율이 뛰어나야 하며 X선에 의해 손상이 적고, 대기 중의 환경 예를 들면 습도나 산소 분위기 등에 대해 안정적이어야 한다. 또한 사용되는 CCD카메라 칩의 감도에도 적합해야 한다. 이러 한 요구조건을 감안하여 본 발명에서는 카드뮴 텅스테이트(CdWO4)를 섬광 결정으로 이용하였다.
반사 회절 X선 및 투과 회절 X선을 촬영하기 위하여, 바람직하게는 촬영수단은 각각 제 1 X선 필름과 제 2 X선 필름이다. 여기서, 제 1 X선 필름은 반사 회절 영상을 촬영하고, 제 2 X선 필름은 투과 회절 영상을 촬영한다.
재료에 의해 반사 회절 또는 투과 회절된 X선은 X선 필름을 감광시킨다. 회절 X선에 감광된 필름으로부터 영상을 직접적으로 확인하는 것은 불가능하기 때문에, 시각적 확인을 위해서, 감광된 X선 필름은 현상-정착-수세-건조 등의 과정을 거쳐서, 최종적으로 영상을 구현한다.
한편, 본 발명에서는 촬영 수단으로 바람직하게는 반사경을 더 포함하며, 시료 회절기 및 X선 필름 장착기, 섬광 결정/반사경/광학 렌즈/CCD 카메라 등의 일련의 장치를 하나의 시스템으로 결합함으로써, 투과 / 회절 X선을 동시에 영상화할 수 있도록 하였다. 반사경은 광 변환 수단에 의해 변환된 가시광선을 광 포획 수단으로 유도한다. 바람직하게는, 본 발명에 사용된 반사경은 금이 코팅된 실리콘 단결정 웨이퍼를 사용하여 효율을 최대로 높였다. 필요에 따라서 반사경 없이 광학 렌즈와 CCD카메라를 섬광결정에 수직으로 배치함으로써 투과 X- 선 영상을 얻을 수도 있다.
또한 X선 필름 장착기, 섬광 결정/반사경/광학 렌즈/CCD 카메라 세트 등의 촬영 수단과 샘플을 동시에 병진 이동이 가능하게 함으로써 샘플 스캔이 가능하도 록 하였다. X선 투과 / 회절 결합 영상 시스템 내의 각 부품 간의 거리도 모터로 구동되어 미세 조정이 가능하도록 하였다. 이는 X선 투과 / 회절 영상이 회절 방향과 재료와 시스템 사이 거리 등에 매우 민감하다는 것을 충분히 반영한 것으로, 이를 통해 재료에 따라 최적의 X선 투과 / 회절 결합 영상을 얻는 것이 가능하다.
(실시예)
X선원 : 백색 X선, 제 1 X선 필름과 재료 간의 거리 :10 cm, 제 2 X선 필름과 재료 간 거리 : 7cm, 재료와 섬광 결정 간 거리 : 15cm, X선과 재료 표면 각도 : 5도, 광학 렌즈 : 10배, 반사 회절 조건 : (0006), 투과 회절 조건:
Figure 112006048505642-pat00002
, X선 필름 : Kodak professional SR-45
도 2는 실시예에 의해 촬영된 실리콘카바이드 (SiC) 웨이퍼에 존재하는 마이크로파이프 (micropipe, hollow-core super-dislocation이라고도 함) 를 나타내는 투과 영상, 반사 회절 영상, 그리고 투과 회절 영상이다.
도 2(a)에서 A-E로 표시된 것들이 재료 내부에 존재하는 튜브 모양의 공극을 가지는 마이크로 파이프에 의해 생성된 투과 X선 영상이다. 도 2(b)는 도 2(a)에서 보여진 A와 C 마이크로 파이프를 고 분해능으로 보여주는 투과 X선 영상 (보다 선명한 영상을 얻기 위하여, X선과 재료 표면 각도를 15도로 함으로써, 투과 X선만을 유발시켰을 때의 사진으로 20배의 광학 렌즈를 사용함) 으로 휘거나 꼬인 모양의 마이크로 파이프 구조를 상세히 잘 보여준다. 이러한 마이크로 파이프에 의해 재료에 유발된 격자 결함 분포는 투과 X선 영상으로는 관찰이 불가능하며, 회절 X선 영 상에 의해서만 분석이 가능하다. 도 2(c)는 도 2(a)에서 관찰된 마이크로 파이프를 반사 회절 X선 (회절 벡터 0006)을 이용하여 관찰한 것으로, 이 반사 회절 X선 영상은 재료의 표면에서 마이크로 파이프 주변 격자들의 분포를 잘 보여준다. 흰색 타원 모양 주위로 검은색 띠들이 보이는데, 이는 관찰된 마이크로파이프들 주변의 격자들이 검은 때 모양으로 회전하면서 왜곡되어 있음을 잘 나타낸다.
도 2(d)는 동일한 마이크로 파이프를 투과 회절 X선 (회절 벡터
Figure 112006048505642-pat00003
) 을 이용하여 관찰한 것으로, 두 개의 검은색 칼럼(column)이 수직 및 측면 방향으로 어긋나 있는 특이한 구조를 보여준다. 이것은 관찰된 마이크로 파이프 주변의
Figure 112006048505642-pat00004
결정면들의 격자 왜곡 상태를 직접적으로 잘 보여준다.
결론적으로, 도 2에서 제시된 투과 X선 영상과 반사 및 투과 회절 X선 영상은 본 발명이 마이크로파이프의 구조적 결함과 결정학적 결함을 동시에 관찰 분석하는데, 매우 뛰어남을 잘 보여준다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 투과 X선 영상과, 반사 및 투과 회절 X선 영상을 동시에 촬영 및 획득할 수 있는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템을 얻을 수 있기 때문에, 재료 분석의 문제를 근본적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 재료 분석에 절대적으로 요구되는 구조적 정보와 결정학적 정보의 종합적 획득이 가능함으로써, 정확하고 과학적인 재료 분석이 가능하다.

Claims (14)

  1. 재료의 결함을 구조적 및 결정학적으로 동시에 분석하기 위한 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템으로서,
    재료에 입사되는 X선을 투과 X선, 반사 회절 X선, 및 투과 회절 X선으로 동시에 유발하도록 상기 입사되는 X선에 대하여 재료를 정렬하기 위해, 상기 재료를 2개의 축으로 회전 가능하고 3개의 방향으로 병진 이동 가능한 재료 정렬수단; 및
    상기 재료 정렬수단에 의해 유발된 상기 투과 X선, 상기 반사 회절 X선, 및 상기 투과 회절 X선을 각각 촬영하기 위한 복수의 촬영 수단을 포함하고, 상기 X선은 백색 X선인 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반사 회절 X선 및 상기 투과 회절 X선을 촬영하기 위한 촬영수단은 각각 X선-필름인 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 투과 X선을 촬영하기 위한 촬영수단은,
    상기 투과 X선을 가시광선으로 변환시키기 위한 광 변환 수단; 및
    상기 변환된 가시광선을 포획하기 위한 광 포획 수단을 포함하는 것을 특징으로 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 촬영수단은 상기 광 변환 수단에 의해 변환된 상기 가시광선을 상기 광 포획 수단으로 유도하기 위한 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 반사경은 금이 코팅된 실리콘 단결정 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 광 변환 수단은 섬광결정을 이용하는 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 섬광결정은 CdWO4인 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 광 포획 수단은 고분해능의 영상을 얻기 위한 광학렌즈 및 상기 영상을 촬영하기 위한 CCD 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 X 선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 재료 정렬수단은 상기 재료와 상기 촬영 수단 간의 거리를 임의로 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 촬영수단은 상기 재료와 방향에 따라 병진이동 가능한 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 촬영수단은 모터에 의해 미세조정 가능한 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 반사 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은, 입사 X선 쪽에 위치되며, 상기 투과 회절 X선을 촬영하기 위한 상기 촬영 수단은 투과 X선 쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 X선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 재료 정렬수단에 의한 정렬 조건은, SiC 구조의 결정에 대하여, 상기 입사되는 X선과 상기 재료 표면과의 각도가 5°, 상기 반사 회절 벡터는 (0006) 및 상기 투과 회절 벡터는
    Figure 112007077845394-pat00005
    인 것을 특징으로 하는 선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템.
KR1020060063382A 2006-07-06 2006-07-06 Ⅹ선 투과 / 회절 영상 결합 촬영 시스템 KR100814389B1 (ko)

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