KR100886574B1 - 투과전자현미경 시편 커팅 장치 - Google Patents

투과전자현미경 시편 커팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투과전자현미경용 시편을 3mm 정도의 디스크 형태로 커팅하는 커팅 장치에 관한 것으로서, 회전속도조절, 하중조절 및 정확한 커팅 깊이 조절이 가능하여 시편의 변형이나 파손이 없을 뿐 아니라, 특히 커팅 깊이를 정밀하게 제어할 수 있는 투과전자현미경용 시편 커팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 지주가 형성된 베이스와, 일 측이 상기 지주에 높낮이 조절 가능하도록 체결되는 하우징과, 상기 하우징의 타 측에 체결되는 구동모터와, 상기 하우징의 타 측에 수용되고 외주부에 랙이 형성되어 있으며 상기 하우징 내를 승강하는 슬리브와, 상기 슬리브의 일단에 고정되고 상기 구동모터의 회전축에 체결되어 회전하는 커터와, 상기 슬리브에 형성된 랙과 치합하는 기어부가 형성된 피니언과, 튜브 형상을 이루며 상기 하우징의 외측에 고정설치되는 기준부재와, 튜브 형상을 이루며 상기 기준부재의 외측에 설치되고 상기 피니언의 일단에 결합되어 회전하며 그 외주부에는 상기 슬리브의 승강거리에 대응하는 눈금이 형성되어 있는 회전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치를 제공한다.
시편, 커팅 장치, 투과전자현미경

Description

투과전자현미경 시편 커팅 장치{A CUTTING DEVICE FOR SPECIMEN OF TEM}
본 발명은 투과전자현미경(TEM:Transmission Electron Microscope)용 시편을 제작하기 위한 커팅 장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 분석하고자 하는 시료를 디스크 형태의 TEM 관찰용 시편으로 커팅함에 있어서 드릴에 가해지는 회전속도와 하중 조절이 용이하고, 동시에 커팅 깊이를 정확하게 조절할 수 있는 드릴 자동멈춤장치를 구비하고 있어, 커팅 깊이의 조절이 용이하고 저비용으로 제조할 수 있는 투과전자현미경 커팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로 투과전자현미경(TEM) 관찰용 시편은, 관찰하고자 하는 부위를 지름 3mm로 절단한 후, 시편 두께가 100㎛에 이를 때까지 연마한 후, 딤플(dimple) 연마기를 사용하여 시편 두께 15㎛에 이를 때까지 연마하고, 이어서 아르곤이나 요오드 이온을 이용한 이온 밀링 연마를 통해 시편의 두께를 100nm 이하로 연마하는 작업을 통해 제작된다.
한편, 시편의 연마 작업 전에 시편을 지름 3mm의 디스크 형태로 절단하는 종래의 장치로는, 받침, 펀치 동작 축, 핸들, 프레임, 눌림 조절 안내 봉, 커버 등으로 이루어져 구멍을 뚫는 방식으로 절단하는 펀치와, 초음파의 진동을 이용하여 판 상 시편을 절단하는 초음파 커터(Ultrasonic cutter)와, 회전동작하는 축과 결합하며 상기 축의 단부에는 다이아몬드 분말 등의 연마입자가 도포된 직경 3㎜ 정도의 속이 빈 원통형의 커터를 구비하여 시편에 접촉한 상태로 저속회전시킴으로써 시편을 절단하는 슬러리 드릴(slurry drill) 등이 있다.
그런데, 상기 펀치는 얇은 금속 시편을 절단할 경우, 시편이 변형될 수 있고 또한 세라믹 시편의 경우에는 절단이 불가능한 단점이 있다.
또한, 상기 초음파 커터는, 초음파 진동에 의해 절단되므로 시편에 충격을 주게 되어 경우에 따라 시편에 미세한 균열(crack)이 생기거나 시편이 부스러지는 현상 등이 발생하는 단점이 있다.
또한, 상기 슬러리 드릴은 상당히 고가이며, 시편의 절단시 시편의 절단 깊이를 정확하게 알 수 없으며, 원하는 깊이로 절단한 후에 자동으로 멈추지 않거나 오작동으로 인한 미정지 현상에 의해 시편은 물론 장비까지 손상되는 등의 문제점이 있다.
통상 투과전자현미경 시편의 커팅에만 수시간 이상이 소요되는데, 전술한 종래기술에 따른 커팅장치의 경우, 커팅에 장시간이 소요될 뿐 아니라 커팅 깊이의 정밀한 조절이 어렵기 때문에, 시편제작에 실패하는 경우가 많아 투과전자현미경 분석시간을 지연시키는 하나의 원인이 되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해소하기 위한 것으로, 회전속도조절, 하중조절 및 정확한 커팅 깊이 조절이 가능하여, 시편의 변형이나 파손이 없을 뿐 아니라 종래에 비해 시편의 절단작업 특히 절단 깊이를 정밀하게 제어할 수 있는 투과전자현미경용 시편 커팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 범용의 정밀 드릴의 간단한 개조를 통해서도 제조할 수 있어, 종래의 슬러리 드릴에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 제공할 수 있는 투과전자현미경용 시편 커팅 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시편 커팅 장치는, 지주가 형성된 베이스와, 일 측이 상기 지주에 높낮이 조절 가능하도록 체결되는 하우징과, 상기 하우징의 타 측에 체결되는 구동모터와, 상기 하우징의 타 측에 수용되고 외주부에 랙이 형성되어 있으며 상기 하우징 내를 승강하는 슬리브와, 상기 슬리브의 일단에 고정되고 상기 구동모터의 회전축에 체결되어 회전하는 커터와, 상기 슬리브에 형성된 랙과 치합하는 기어부가 형성된 피니언과, 튜브 형상을 이루며 상기 피니언에 삽통되어 하우징의 외측에 고정설치되는 기준부재와, 튜브 형상을 이루며 상기 기준부재의 외측에 설치되고 상기 피니언의 일단에 결합되어 회전하며 그 외주부에는 상기 슬리브의 승강거리에 대응하는 눈금이 형성되어 있는 회전부재를 포함하는데 구성적 특징이 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 커팅장치는 슬리브의 승강거리에 대응하는 눈금이 형성된 회전부재를 통해 커팅 깊이를 정확하게 알 수 있으므로, 커팅 깊이를 정확하게 측정할 수 없었던 종래의 커팅 장치에 비해, 시편의 가공 정확도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 커팅 장치에는 추가로 상기 기준부재의 내측에 제1 단자부가 돌출형성되어 있고, 상기 회전부재의 내측에도 제2 단자부가 돌출형성되어 있으며, 상기 회전부재의 회전에 의하여 제1 단자부와 제2 단자부가 접촉할 때 상기 구동모터의 구동을 정지시키는 스위칭 수단을 포함하게 할 수도 있다.
이와 같은 구성을 통해, 작업자가 상기 회전부재를 원하는 두께로 설정해 두면, 설정 두께로 커팅이 될 때 상기 제1 단자부와 제2 단자부가 접촉하게 되고, 이때 스위칭 수단은 구동모터의 회전을 중지시키게 된다. 이로써 시편의 두께가공이 정확하게 제어될 수 있으며, 이는 투과전자현미경 시편 제작에 소요되는 시간과 노력을 현저하게 절감시킨다.
또한, 선택적으로 상기 회전부재에는 상기 슬리브의 강하시 상기 회전부재가 회전하는 역방향으로 힘이 작용하게 함으로써 시편에 작용하는 하중을 조절하는 추(weight)를 장착하는 추 장착수단이 형성될 수 있다.
이와 같이 추 장착수단을 구비함으로써, 금속, 세라믹, 반도체 등 커팅될 소재의 특성에 맞추어 적절하게 하중 조절이 가능하게 되어, 커팅 도중에 시편이 변형되거나 파손되는 것을 막을 수 있게 된다.
또한, 선택적으로 상기 슬리브 상단부에는 걸림 탭이 형성되어 있고 상기 걸 림 탭의 하측에 코일스프링이 배치되며, 상기 코일스프링의 탄성특성(즉, 코일스프링의 재질)을 변경함으로써, 시편에 작용하는 하중을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 구동모터에는 회전속도 조절이 가능하도록 속도조절용 가변 저항 장치가 구비되어 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 시편 커팅 장치는 회전속도조절, 하중조절 및 정확한 커팅 깊이 조절이 가능하므로, 시편 가공시 변형이나 파손이 없을 뿐 아니라 종래에 비해 커팅 깊이를 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 시편 커팅 장치는 범용의 드릴에서 기준부재, 회전부재 및 고정부재를 설치하기만 하면 투과전자현미경용 정밀드릴로 사용할 수 있기 때문에, 종래의 슬러리 드릴에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 제공할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시편 커팅 장치의 분해 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 시편 커팅 장치의 조립 상태로서 동작 전 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 시편 커팅 장치의 조립 상태로서 동작 상태를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 4는 본 발명에 따른 시편 커팅 장치의 부분 단면 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 4의 요부를 확대시킨 확대도이다.
[실시예 1]
상기 각 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시편 커팅 장치(100)는, 기부(基部)를 이루도록 베이스(110)가 바닥 또는 테이블 등에 안착 되도록 형성된다.
상기 베이스(110)의 일 측으로는 높낮이 조절을 할 수 있도록 랙 기어 또는 레일 등으로 이루어지는 공지의 높낮이 조절부(111a)를 갖는 지주(111)가 형성된다.
상기 지주(111)에는 그 일 측으로 결합을 위한 플랜지(121)와, 상,하 높이 조절을 위한 높이 조절 레버(122)를 갖는 하우징(120)이 결합 형성된다.
상기 높이 조절 레버(122)는 상기 높낮이 조절부(111a)와 결합하여 필요에 따라 상기 하우징(120)의 높낮이를 조절한다.
상기 하우징(120)의 플랜지(121) 상면으로는 외부 전원으로부터 회전력을 얻어 동작하는 구동모터(130)가 결합 형성되고, 이 구동모터(130)의 일 측으로는 회전 속도 조절이 가능하도록 속도조절용 가변 저항 장치(131)가 형성된다.
상기 가변 저항 장치(131)는 구동모터(130)의 주파수를 조절해 모터의 회전수를 필요한 만큼 회전하게 하는 것이다.
이와 같이 상기 구동모터(130)에 속도 조절용 가변 저항 장치(131)를 형성한 것은 절단하고자 하는 시편의 종류에 따라 연마속도가 다르기 때문에 시편의 종류에 따른 적절한 속도 선택을 가능하도록 한 것이다.
예컨대, 구동모터의 회전속도가 시편의 연마속도에 비해 너무 빠르면 커터가 시편에 회전으로 인한 충격을 주게 되어 쉽게 부스러질 수 있기 때문이다.
또한, 상기 구동모터(130)의 회전축(미도시)으로는 회전 및 승,하강 동작하는 회전축(140)의 일단이 결합 형성되고, 상기 회전 축(140)의 타 단으로는 시편를 커팅 하는 커터(142)를 수용지지하는 드릴 척(141)이 형성된다.
상기 커터(142)는 속이 빈 원통 기둥 형상을 이루고, 그 끝 부분에는 다이아몬드 분말 등의 연마 입자가 도포 되어 있다.
그리고, 상기 플랜지(121)가 형성된 하우징(120)의 수직 방향으로는 상기 커터(142)의 승,하강을 가능하게 하는 슬리브(150)가 장착된다. 상기 슬리브(150)는 중공 원기둥 형상으로 이루어져 있으며, 그 양 단부에는 걸림 턱(150b,150c)이 형성되어 있고 그 하부로는 랙(rack)(150a)이 형성되어 있다.
또한, 상기 슬리브(150)의 하단에 형성된 하부 걸림 턱(150c)의 내측으로는 베어링(미도시)이 고정 형성되어 있어, 상기 회전 축(140)이 상기 베어링을 통해 상기 슬리브(150)와 결합되어 회전 동작은 물론, 상기 슬리브(150)의 승,하강 동작에 연동 되게 된다.
또한, 상기 플랜지(121)가 형성된 하우징(120)의 수평 방향으로는 그 일단부가 하우징(120)으로부터 돌출되게 피니언(153)이 설치된다. 상기 피니언(153)은 대략 중심부에 상기 랙(150a)에 치합되는 기어부(153a)가 형성되어 있어, 상기 랙(150a)의 상,하 움직임에 대응하여 회전운동을 하도록 되어 있다.
상기 피니언(153)의 돌출 단부(153b)에는 고리형상(또는 튜브형상)의 기준부재(161)가 삽입되어 상기 하우징(120)의 측면에 볼트를 통해 고정되게 장착된다. 그리고 상기 기준부재(161)의 외측면에는 제1 단자부(161a)가 돌출 형성되어 있다.
또한, 튜브형상을 이루고 그 외주부에는 정밀측정이 가능하도록 상기 슬리브(150)의 승강 거리에 대응하는 마이크로미터 눈금눈금(162b)이 형성되어 있고, 그 내측에는 회전시에 상기 제1 단자부(161a)와 맞닿도록 되어 있는 제2 단자부(162a)가 돌출 형성된 회전부재(162)가 상기 기준부재(161)의 외측에 장착된다. 상기 회전부재(162)는 상기 피니언(153)에 고정되므로, 상기 피니언(153)의 회전에 연동되어 회전하게 되며, 그 일측에는 단을 이루는 돌출부(162c)가 형성되어 있다. 상기 마이크로 미터 눈금(162b)은 0.01㎜의 정밀 측정이 가능하게 형성되어 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 단자부(161a,162a)는 도 7에 도시된 바와 같이, 스위칭 장치(170)와 연결되어 있어, 상기 회전부재(162)가 소정 위치에서 회전함에 따라 상기 제2 단자부(162a)가 상기 기준부재(161)의 제1 단자부(161a)에 맞닿게 되면, 상기 회전부재(162)의 회전이 차단되어 슬리브(150)가 더 이상 하강하지 않게 되며, 상기 스위칭 장치(170)의 전기신호에 의해 상기 스위칭 장치(170)에 연결된 상기 구동모터(130)의 동작이 중단된다.
또한, 상기 회전부재(162)의 돌출부(162c)에는 원통 형상의 고정부재(163)가 고정되며 상기 고정부재(163)의 외주부에는 길게 연장하는 손잡이부(164)가 형성되어 있고, 상기 손잡이부(164)의 단부에는 추(165a)(weight)를 걸어 장착할 수 있는 추 장착수단(165)가 형성되어 있다.
상기 슬리브(150)는 자중에 의해 하강하게 되는데, 상기 추(165a)는 상기 슬리브(150)의 자중에 대해 역방향으로 작용하는 힘을 부여한다. 이에 따라 작업자 가 커팅되는 재료의 특성에 맞춰 추의 중량을 조절하면 슬리브(150)에 의해 시편에 가해지는 하중을 조절되게 된다.
[실시예 2]
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 슬리브(150)의 상부 걸림 턱의 하측 외주부에 코일스프링(151)이 장착된다.
즉, 상기 스프링(151)의 일단을 상기 슬리브(150)의 상부 걸림 턱(150b)에 걸림 지지시키고, 타 일단은 상기 하우징(120)의 내측 중간 부분에 형성된 받침 격판(123)에 지지시켜 자중에 의해 하강하는 슬리브(150)의 하강 속도를 탄성력으로 제어하게 된다.
상기 스프링(151)은 상기 슬리브(150)의 중량에 따른 하중을 조절하기 위해 탄성력이 강하거나, 중간, 약한 것 여러 강도로 이루어지는 것을 선택하여 적용할 수 있다.
예컨대, 하중을 높이고자 할 경우에는 상기 스프링(151)의 탄성력이 약한 것을 적용시키고, 하중을 낮추고자 할 경우에는 스프링(151)의 탄성력이 중간 정도의 것을 적용시키며, 하중을 많이 줄이고자 할 경우에는 스프링(151)의 탄성력이 다소 강한 것을 사용하면 된다. 즉, 상기 슬리브(150)의 하중을 조절하기 위해서는 상기 스프링(151)의 탄성 특성을 적절하게 맞춰 적용할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 시편 커팅 장치의 동작 관계를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 베이스(110)에 지그(미도시) 등을 이용하여 커팅 하고자 하는 시 편을 고정시킨 후, 상기 회전부재(162)를 회전시키면서 그 외주부에 형성된 눈금을 통해 커팅할 시편의 깊이를 설정한다.
이어서, 상기 높이 조절 레버(122)를 이용하여 상기 하우징(120)의 높이를 조절하여 커터가 시편에 맞닿게 조절한다.
그리고 상기 슬리브(150)에 장착되는 스프링(151) 또는 추(165a)를 이용하여 슬리브(150)의 하중을 커팅하고자 하는 시편의 재료 특성에 맞도록 조절한다. 본 발명의 실시예 1 및 2에서는 각각 스프링(151) 또는 추(165a)를 단독으로 사용하여 하중을 조절하고 있으나, 상기 2가지 수단을 병행하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 구동모터(130)도 그 일 측에 형성된 속도조절용 가변저항기(131)를 이용하여 회전속도를 조절한다.
이상과 같이 커팅하고자 하는 시편에 적합한 회전속도, 커팅 깊이, 하중을 세팅한 후, 구동모터의 전원(미도시)을 ON시킨다.
상기 구동모터(130)가 회전동작하면서 상기 구동모터(130)에 결합 형성된 회전 축(140)이 동작하게 되고, 상기 회전 축(140)의 하부에 형성된 드릴척(141) 및 상기 드릴 척(141)에 장착된 커터(142)도 함께 연동 회전되면서 세팅된 대로 커팅 동작을 하게 된다.
이때, 슬리브(150)가 하강하면서 상기 슬리브(150)의 랙에 치합된 피니언(153)을 회전시키고, 이에 따라 회전부재(162)가 회전하게 된다.
설정된 만큼 커팅이 완료된 경우, 상기 회전부재(162)에 형성된 제2 단자(162a)와 상기 고정부재(161)에 형성된 제1 단자(161a)는 맞닿게 되며, 이때 도 7b에 도시된 바와 같이 스위칭 장치(170)는 전기신호를 통해 구동모터(130)의 동작을 중단시킨다.
이에 따라, 설정된 깊이만큼 정확하게 커팅된 투과전자현미경 시편용 디스크를 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시편 커팅 장치는 상술한 설명 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 형태로 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 투과전자현미경 시편 커팅 장치의 분해 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 투과전자현미경 시편 커팅 장치의 조립 상태로서 동작 전 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 투과전자현미경 시편 커팅 장치의 조립 상태로서 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 투과전자현미경 시편 커팅 장치의 부분 단면 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 4의 요부를 확대시킨 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과전자현미경 시편 커팅 장치의 부분 단면 상태를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 커팅 장치에 있어서, 가공 전과 가공 종료시 회전부재의 위치를 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
100 : 시편 커팅 장치 110 : 베이스
111 : 지주 111a : 높이 조절부
120 : 하우징 121 : 플랜지
122 : 받침 격판 130 : 구동모터
131 : 가변 저항기 140 : 회전축
150 : 슬리브 150a : 랙(rack)
150b : 상부 걸림 턱 151c : 하부 걸림 턱
151 : 코일스프링 153 : 피니언
161 : 기준부재 161a : 제1 단자부
162 : 회전부재 162a : 제2 단자부
163 : 고정부재 164 : 손잡이부
165 : 추 장착수단 170 : 스위칭 장치

Claims (6)

  1. 지주가 형성된 베이스와,
    일 측이 상기 지주에 결합하는 하우징과,
    상기 하우징의 타 측에 체결되는 구동모터와,
    상기 하우징의 타 측에 수용되고 외주부에 랙이 형성되어 있으며 상기 하우징 내를 승강하는 슬리브와,
    상기 슬리브의 일단에 고정되고 상기 구동모터의 회전축에 체결되어 회전하는 커터와,
    상기 슬리브에 형성된 랙과 치합하는 기어부가 형성된 피니언과,
    튜브 형상을 이루며 상기 하우징의 외측에 고정설치되는 기준부재와,
    튜브 형상을 이루며 상기 기준부재의 외측에 설치되고 상기 피니언의 일단에 결합되어 회전하며 그 외주부에는 상기 슬리브의 승강 거리에 대응하는 눈금이 형성되어 있는 회전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로 상기 기준부재에는 제1 단자부가 돌출형성되어 있고,
    상기 회전부재에도 제2 단자부가 돌출형성되어 있으며,
    상기 회전부재의 회전에 의해 제1 단자부와 제2 단자부가 맞닿음으로써, 상기 슬리브의 하강이 저지되는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 추가로 제1 단자부와 제2 단자부가 접촉할 때 상기 구동모터의 구동을 정지시키는 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전부재에는 상기 슬리브의 강하시 상기 회전부재가 회전하는 역방향으로 힘이 작용하게 하여 시편에 작용하는 하중을 조절하는 추(weight)를 장착하는 추 장착수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브의 상단부에는 걸림 턱이 형성되어 있고 상기 걸림 턱의 하측에 코일스프링이 배치되며, 상기 코일스프링의 탄성 특성을 조절함으로써 시편에 작용하는 하중을 조절하는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동모터에는 회전속도 조절이 가능하도록 속도조절용 가변 저항 장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 시편용 커팅 장치.
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