KR100916528B1 - 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치에 관한 것이다.

본 발명은 레이저 빔 주사기(Gun part_1), 시료 지지대(Sample stage and holder_2), 대물렌즈부(Objective and Projector lens_3), 조정렌즈부(Intermediate lens_4), 확대렌즈부(Projector lens_5), 스크린(6), CCD(7), 컴퓨터(PC_8), 고정구조물(9)로 구성되어 실험자가 직접 설치하고 각 부분을 조절하면서 실험에 임하게 될 수 있는 것이다.

본 발명에 의하면 다양한 회절격자의 이미지 및 회절도형을 최대 약 44배로 확대할 수 있고, 최대 약 5㎛의 분해능을 가지고 분석할 수 있게 되어 여러 시료에 대한 이미지와 회절의 상호 관계를 쉽게 이해하면서 렌즈에 의한 이미지 및 회절도형의 형성을 관찰하여 실공간과 역공간의 개념을 깊이 있게 이해하여 투과전자현미경(TEM)의 원리파악이 용이하고, 응용분야에 대한 적용을 쉽게 할 수 있는 학습효과를 제공한다.

투과전자현미경, TEM, 회절, 광학실험, 레이저

Description

레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치 {Image diffraction experimental device using raser beam.}

본 발명은 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는 광원으로 쓰이는 레이저 빔과 빔의 광축을 정렬하는 광원 부분과 시료 지지대, 대물렌즈, 조정렌즈, 확대렌즈, CCD 시스템 및 컴퓨터와 렌즈를 상하 조절하는 경통 부분으로 구성된다. 본 장치를 통해서 다양한 회절격자의 이미지 및 회절도형을 최대 약 44배로 확대할 수 있고, 최대 약 5㎛의 분해능을 가지고 분석할 수 있는 것으로, 실험자가 직접 설치하고 렌즈에 의한 이미지 및 회절도형의 형성을 관찰하여 실공간과 역공간의 개념을 깊이 있게 이해하여 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)의 원리 및 응용에 보다 쉽게 접근할 수 있는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치에 관한 것이다.

TEM은 전자빔을 이용하여 관찰하고자 하는 시료의 이미지 및 회절 신호를 받아 시료의 특성을 규명하는 분석 장비로서 현재 또는 미래의 핵심 연구 분야인 나노 소재 개발에 없어서는 안 되는 필수 장비로 인식되어지고 있다.

초창기의 광학실험실습은 이미 입증된 사실적 이론을 토대로 그려진 그림이나 좀 더 나아가 촛불이나 전구 등을 활용한 간단한 실험도구를 통하여 몇가지 실험을 하는 것이 전부였다. 이러한 부적합한 자재를 이용한 불분명한 실험을 개선하고자 최근에는 학생들이 직접 눈으로 확인하며 쉽게 이해하도록 개발되어진 광학 실험 도구들은 이미 상업적으로 개발되어 있지만(구을현, 1997), 이러한 실험 도구들조차도 이미지와 회절에 대한 상호관계에 대한 이해도를 높이지 못하고 각각의 하나의 현상만을 이해하도록 되어 있으며, 대부분의 실험 장치들은 실험대위에 가로로 놓여 있어 실제 연구에 응용하고 있는 광학현미경이나 전자현미경과 같이 위에서 아래로의 빔의 진행 방향에 따른 시료와의 반응에 따른 현상 이해에 부족함을 드러내고 있다.

도 1의 (a)는 광학현미경의 개념도이고, 도 1의 (b)는 TEM의 개념도를 보여주고 있다.

이 도면을 참조하면 광학현미경은 시료(A)에 도달하는 전자빔(광원)을 집속시켜주는 집속렌즈(B), 시료(A)에 대한 이미지의 초점을 조절하는 대물렌즈(C), 그리고 이미지를 확대하는 확대렌즈(D)로 구성되어 있다.
TEM은 광학현미경과 같이 기본적으로 시료(A)에 도달하는 전자빔(광원)을 집속시켜주는 집속렌즈(B), 시료(A)에 대한 이미지의 초점을 조절하는 대물렌즈(C), 이미지를 확대하는 확대렌즈(D), 그리고 상기 대물렌즈(C)와 확대렌즈(D) 사이에 설치되는 조정렌즈(E)로 구성되어 있다.
이와 같이 광학현미경과 투과전자현미경은 사람의 눈으로 관찰이 불가능한 시료의 이미지를 확대하여 관찰이 가능하다는 점에서 상당히 공통점이 많다. 한편, TEM은 광학현미경에 비해 빛 보다 짧은 파장을 가진 전자빔을 이용하여 보다 많이 시료의 이미지를 확대할 수 있고, 각각의 렌즈의 초점을 자유롭게 조절하기 위하여 자기렌즈를 사용한다. 또한 이미지만을 볼 수 있는 광학현미경과 달리, TEM은 대물렌즈와 확대렌즈 사이에 조정렌즈(E)를 삽입하여 시료에 대한 회절과 이미지를 선택적으로 관찰할 수 있다는 장점이 있다.(Williams and Carter, 1995).

그러나 TEM은 그 원리에서부터 결과의 분석에 이르기까지 대다수 연구자에게 생소하고 어렵다는 인식이 있어 실제적으로 접근이 어려운 상황이며, 신진인력의 양성에도 큰 어려움이 있다. 이러한 어려움의 근본적인 이유는 TEM의 원리가 광학현미경의 원리와 대동소이함에도 불구하고, 내부적으로 전자빔이 시료와의 상호작용에 의해 일어나는 회절 현상과 이미지가 형성되는 과정에 대한 원리에 대한 이해도가 부족하기 때문이다.

본 발명은 실제 TEM의 원리를 쉽게 이해하도록 하기 위해 각각의 조리개와 렌즈 코일과 같은 불필요한 부분을 제거하고 필수적인 렌즈 부분만을 가시화 및 단순화하여 광학현미경으로부터 TEM의 분석원리까지 접근이 용이하도록 하였다.

따라서 본 발명은 종래 장치에 의한 광학실험실습에서의 문제점을 해결하여 실험자가 직접 설치하고, 각 부분을 조절하면서 여러 시료에 대한 이미지와 회절의 상호 관계를 쉽게 이해하고 TEM의 원리 및 응용에 보다 쉽게 접근할 수 있게 하는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치를 제공함을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 TEM 원리의 이해도를 높이는 동시에 간단한 시스템의 시료에 대한 분석 또한 가능하게 되는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치를 제공함을 목적으로 하는 것이다.

본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 기술적인 특징은 레이저 건의 주변에 x축 빔 정렬용 조정구와 y축 빔 정렬용 조정구 및 z축 빔 정렬용 조정구를 구비하여 광축 조절이 가능하게 되어 레이저 빔을 주사하는 레이저 빔 주사기;

상기 레이저 빔 주사기에서 주사되는 레이저 빔이 투과되는 시료를 설치하기 위한 시료홀더와, 상기 시료홀더를 설치하기 위하여 중앙에는 일방향으로 형성된 가이드 홈이 형성되는 고정대와, 한쪽 단부는 상기 시료홀더에 선회 가능하게 지지되고 다른 한편은 상기 고정대에 체결되는 이동 나사봉을 구비하여, 상기 이동 나사봉을 정역 방향으로 회전시킴에 따라서 상기 시료홀더가 상기 가이드 홈에 안내되어 수평 방향으로 이동할 수 있게 되는 시료 지지대;

상기 시료지지대에 설치된 시료를 통과한 회절 빔들이 영상을 형성할 수 있도록 환형체로 형성되는 고정대의 중앙에 대물렌즈가 고정된 렌즈홀더가 놓여져서 렌즈홀더의 외부로부터 적어도 3개가 관통되게 나사 결합되어 렌즈홀더를 지지하는 미세조정나사가 설치되어 대물렌즈가 고정된 렌즈홀더를 수평상에서 임의의 위치로 이동하여 대물렌즈를 정렬시킬 수 있게 되는 대물렌즈부;

상기 대물렌즈부를 통과한 레이저 빔의 이미지와 회절도형을 형성하기 위하여 고정대의 일측 외주면으로부터 하나의 가이드 홈이 형성되고, 상기 가이드 홈에 조정렌즈가 고정된 렌즈 홀더가 삽입되어 대물렌즈를 통과한 레이저 빔의 초점을 조절하는 조정렌즈부;

상기 조정렌즈부를 경유한 레이저 빔의 이미지를 확대시키기 위하여 상기 대물렌즈부와 동일한 조립체를 구비하는 확대 렌즈부;

시료를 통과한 레이저 빔이 상기한 각각의 대물렌즈, 조정렌즈, 확대렌즈를 통하여 이미지와 회절도형을 형성하는 스크린;

상기 스크린에 형성되는 이미지와 회절도형을 육안으로 관찰하면서, 시료에 대한 분석을 수행하기 위하여 외부단자를 통해 수동 조절이 가능한 외부 조절기를 구비하여 레이저 빔의 세기에 따른 강도, 배율, 초점 등을 세밀하게 조절하여 얻어진 데이터를 출력하는 CCD;

상기 CCD에 의하여 획득된 데이터를 분석하기 위하여 획득된 데이터를 저장하고, 데이터가 분석된 결과를 모니터에 출력하는 컴퓨터;

그리고 상기 레이저 빔 주사기, 시료 지지대, 대물렌즈부, 조정렌즈부, 확대렌즈부, 스크린, CCD를 고정 및 지지하기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 고정수단은 대물렌즈부, 조정렌즈부, 확대렌즈부에 각각 동일한 구조로 형성된다. 즉, 대물렌즈부와 조정렌즈부와 확대렌즈부에 고정 나사축이 형성된 고정편이 형성된다. 그리고 상기 고정편이 안내될 수 있도록 수직 방향으로 하나의 장공이 형성되고, 렌즈의 초점거리 측정과 이동 상태를 계측하기 위한 스케일이 형성된 고정 구조물이 설치되어 각각의 렌즈부 및 시료지지대를 상하로 이동시킬 수 있게 되며, 상기 고정 나사축에 노브를 체결하여 고정할 수 있게 된다.

본 발명의 레이저 빔을 이용한 이미지 회절 시험 장치에 의하면 다양한 회절격자의 이미지 및 회절도형을 최대 약 44배로 확대할 수 있고, 최대 약 5㎛의 분해능을 가지고 분석할 수 있다. 또한 실험자가 직접 설치하고 렌즈에 의한 이미지 및 회절도형의 형성을 관찰하여 실공간과 역공간의 개념을 깊이 있게 이해하여 투과전자현미경(TEM)의 원리 및 응용에 보다 쉽게 접근할 수 있게 된다.

이상에서 살펴 본 바와 같은 본 발명은 첫째, 광학 실험을 수행함에 있어서 기존에 상업적으로 이용된 광학실험기기에 비해 조정렌즈를 삽입하는 새로운 방식을 채택하여 시료의 이미지와 회절도형을 동시에 획득하여 비교할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 렌즈 사이에 매개체를 두어 시료를 통과한 빔의 경로를 추적하고, 가시화 할 수 있기 때문에 실험자가 보다 쉽게 시료와 레이저 빔의 상호작용을 이해할 수 있다.

셋째, 본 장치를 통한 실험자료는 시시디(charge-coupled device, CCD)와 컴퓨터를 통하여 저장될 수 있고, 전문 해석 프로그램을 통하여 분석이 가능하기 때문에 보다 명확하게 실공간 및 역공간상에서의 결정구조의 원리를 이해할 수 있고, 약 44배의 확대된 이미지로부터 최대 5㎛의 분해능을 가지고 실제 시료를 분석할 수다는 효과가 있다.

본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 것이다.

다음에서 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 2 내지 도 11은 본 발명의 실시예와 관련된 도면을 나타내고 있다.

도 2는 본 발명의 이미지 회절 장치의 개념도를 나타내고 있다.

이 도면에서 참조되는 바와 같이 본 발명은 레이저 빔 주사기(Gun part_1), 시료 지지대(Sample stage and holder_2), 대물렌즈부(Objective and Projector lens_3), 조정렌즈부(Intermediate lens_4), 확대렌즈부(Projector lens_5), 스크린(6), CCD(7), 컴퓨터(PC_8), 고정구조물(9)로 구성된다.

레이저 빔 주사기(1)는 광원으로 사용되는 레이저는 직진성과 단색성이 우수하므로 따로 시준기(collimator)와 분광기(monochromator)를 삽입할 필요가 없으며, 파장대역은 일반적으로 사용되는 붉은색보다 파장이 짧고 가시화 좋은 녹색레이저 (λ = 530 ~ 532 nm, power = 10mW)를 사용하였다.

광학현미경이나 TEM과 마찬가지로 가장 중요한 요소를 담당하는 부분은 레이저 빔의 정렬 장치이다. 레이저 빔을 정렬하기 위해 도 3의 (a)(b)에서 보는 바와 같이 레이저 건(10)의 주변에 통상적인 구조의 x축 빔 정렬용 조정구(11)와 y축 빔 정렬용 조정구(12) 및 z축 빔 정렬용 조정구(13)가 형성되어있다.

이러한 레이저 빔 주사기(1)는 레이저 빔을 스크린(6)의 중앙으로 이동시킨 다음, 통상적인 방법과 같이 상기한 3개의 빔 정렬용 조정구, 즉 x축 빔 정렬용 조정구(11)와 y축 빔 정렬용 조정구(12) 및 z축 빔 정렬용 조정구(13)를 조절하여 반사된 레이저 빔이 입사된 레이저 빔과 정확히 일치하도록 하여 레이저 빔을 정렬할 수 있다. 마지막으로 레이저 빔의 정렬이 끝나면, 도 3의 (c)와 같은 덮개(14)를 이용하여 외부의 충격이나 기타 영향으로부터 레이저 빔의 정렬이 틀어지는 것을 방지한다.

시료 지지대(2)는 도 4에서 보는 바와 같이 원형체로 형성되는 고정대(20)의 외주면 일측에는 고정구조물(9)에 용이하게 설치할 수 있도록 고정편(200)이 형성되고, 중앙에는 일방향으로 길게 형성된 가이드 홈(21)이 형성되어 시료홀더(22)가 안착되고, 한쪽 단부는 상기 시료홀더(22)에 선회 가능하게 지지되고, 나사부는 고정대(20)에 체결되는 이동 나사봉(23)으로 구성되어 상기 이동 나사봉(23)을 정역 방향으로 회전시킴에 따라서 시료홀더(22)가 상기 가이드 홈(21)에 안내되어 수평 방향으로 이동할 수 있게 설치된다.

시료홀더(22)는 한번에 6개의 시료(S)를 장착할 수 있도록 제작되었고, 시료 그리드의 크기는 TEM에서 사용하는 것과 동일하게 3mm를 사용하도록 하였다. 이렇게 제작된 시료홀더(22)는 시료지지대(2)의 가이드 홈(21)에 장착된 후, 이동 SK낫나사봉(23)을 조절함에 따라 각각의 6개의 시료(S) 중에서 다른 종류의 시료를 레이저 빔의 중앙으로 미세하게 이동시켜서 여러 가지의 회절도형 및 이미지를 관찰할 수 있게 된다.

대물렌즈부(3)는 고정대(30)와 렌즈홀더(31), 다수개의 미세 조정 나사(32) 및 대물렌즈(33), 체결구(34)로 구성된다.

고정대(30)는 안쪽에 렌즈홀더(31)를 수용할 수 있도록 환형체로 형성되면서 일측에는 고정구조물(9)에 용이하게 설치될 수 있도록 고정편(300)이 형성되어 있다.

렌즈홀더(31)는 중앙에 대물렌즈(33)가 놓여진 다음 체결구(34)가 체결되어 대물렌즈(33)를 고정시킨 상태에서 렌즈 홀더(31)의 중앙에 놓여져서 미세 조정 나사(32)에 의하여 지지되어 설치된다.

미세 조정 나사(32)는 렌즈홀더(31)의 외부로부터 적어도 3개가 관통되게 나사 결합되어 렌즈홀더(31)를 지지한다.

이렇게 렌즈홀더(31)는 미세 조정 나사(32)를 이용하여 수평상에서 임의의 위치로 이동하여 대물렌즈(33)를 정렬시키고, 선택된 위치에 고정시킬 수 있게 됨으로써 시료를 통과한 회절 빔들이 스크린(6)에 정확하게 도달할 수 있게 한다.

대물렌즈(33)는 시료의 이미지 초점을 맞추어 주는 역할을 수행하게 되는데, 시료(S)를 통과한 빔이 렌즈의 표면에 의해 반사되고 이러한 반사된 빔이 시료지지대(2)에 의해 재반사되어 렌즈에 입사되어 최종적으로 스크린(6)에서 얻어지는 결과물에 미치는 악영향을 배제하기 위해 무반사 처리가 되어있는 코팅렌즈를 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 그 규격이 특정되는 것은 아니지만 본 발명의 실시를 위하여 직경이 75mm이고 초점거리가 50mm인 것으로 제작되었다.

조정렌즈부(4)는 도 6에서 보는 바와 같이 원형상의 고정대(40)의 일측에 고정구조물(9)에 고정되는 고정편(400)이 형성되고, 일측의 외주면으로부터 렌즈 홀더(41)가 삽입되는 가이드홈이 형성되어 렌즈홀더(41)를 삽입할 수 있게 되어 있다.

고정대(40)는 고정구조물(9)을 이용하여 대물렌즈부(3)와 확대렌즈부(5) 사이에서 물리적으로 이동시켜서 원하는 위치에 고정시킨 후, 조정렌즈(42)가 설치된 렌즈홀더(41)를 삽입 또는 제거하는 방식을 사용하여 이미지와 회절 도형이 형성되게 한다.

조정렌즈(42)는 광학현미경과 달리 TEM에서만 삽입되어있는 렌즈로서 사용자가 시료에 대한 이미지와 회절도형을 선택적으로 관찰할 수 있도록 도와주는 중요한 역할을 한다.

TEM에서 사용되는 렌즈는 자기렌즈이기 때문에 렌즈에 가해지는 전류의 양을 조절하여 대물렌즈를 통과한 전자빔의 초점을 조절하여 스크린에 이미지와 회절 도형을 형성하게 하는 것이지만, 본 장치에 사용되는 렌즈는 일반적인 광학렌즈이기 때문에 고정대(40)에 단순히 슬라이딩 삽입 고정되는 렌즈홀더(41)에 의하여 설치됨으로써 렌즈의 초점거리가 고정되어 있다.

확대렌즈부(5)는 상기 대물렌즈부(3)와 동일한 조립체를 구비하여 설치된다. 즉 대물렌즈(33)가 확대렌즈로 대체되고, 고정편을 구비하는 프레임, 렌즈홀더, 미세조정나사를 구비한다. 이러한 확대렌즈는 이미지를 확대시키는 역할을 수행한다.

스크린(6)은 레이저 빔을 반사시키기 위한 평면거울이 설치되어 있다.

CCD(7)는 도 7에 도시한 바와 같이 통상적인 외부단자를 통해 수동 조절이 가능하도록 외부 조절기(도시되지 아니함)를 컴퓨터 본체 옆에 설치하여 레이저 빔의 세기에 따른 강도, 배율, 초점 등을 세밀하게 조절하여 컴퓨터(8)로 전송한다.
통상적으로 시료(S)를 통과한 레이저 빔은 각각의 렌즈를 통하여 최종적으로 스크린(6)에 이미지와 회절도형으로 형성이 되는데, 본 장치는 스크린(6)에 형성된 자료의 관찰에만 그치지 않고, 상기와 같이 CCD(7)를 통하여 컴퓨터로 전송하는 방식을 채택하여 실제 시료에 대한 분석이 가능하게 되는 것이다.

컴퓨터(8)는 CCD(7)에 의해 획득된 자료를 이미지 캡쳐 프로그램을 이용하여 모니터에 출력되도록 하였으며, 출력된 자료는 차후 전문 분석을 위해 여러가지 형식의 포맷으로 저장될 수 있다.

고정구조물(9)의 고정 구조는 도 8에 나타내었다. 이 고정구조물(9)은 레이저 빔 주사기(1), 시료 지지대(2), 대물렌즈부(3), 조정렌즈부(4), 확대렌즈부(5), 스크린(6), CCD(7)를 고정 및 지지할 수 있도록 견고하게 제작되며, 가운데 부분에 수직 방향으로 길게 장공(90)이 형성되어 시료 지지대(2), 대물렌즈부(3), 조정렌즈부(4), 확대렌즈부(5)에 형성되어 있는 각각의 고정편(200,300,400)이 이동할 수 있도록 안내하여 적정한 위치에 맞춘 다음, 각각의 고정편(200,300,400)에 형성되는 고정나사축(91)에 노브(92)를 체결하여 고정함으로써 이미지와 회절 도형의 초점을 정확하게 형성할 수 있게 된다. 또한 측면에는 스케일(93)을 형성하여 렌즈의 초점거리를 쉽게 측정할 수 있도록 하였다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 장치를 이용하여 이미지 회절 실험을 하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

본 장치의 개발의 목적은 앞서서 언급한 바와 같이 TEM의 원리의 이해도를 높이는 동시에 간단한 시스템의 시료에 대한 분석 또한 가능하게 하는 것이다. 레 이저 빔이 시료를 통과하면서 발생하는 회절현상을 이해하기 위해서는 빔의 진행 경로를 관찰하는 것이 무엇보다 중요하다. 이를 위해서 각각의 렌즈 사이에 도 10에서 보는 바와 같이 약간의 현탁한 용액을 매질로 사용하면 빔의 경로를 관찰할 수 있다.

도 10의 (a)와 같은 경우에는 시료의 바로 밑에 위치하고 있는 대물렌즈(33)를 통과한 빔의 경로이다. 아직까지는 회절 빔들의 경로가 매우 짧기 때문에 아주 가까이에서 관찰하기 전에는 각각 분리된 회절빔 들을 관찰할 수 없으나, 도 10의 (b)와 같이 조정렌즈(42)를 통과하여 빔의 경로가 적당히 길어지면 각각의 회절된 빔을 관찰 할 수 있다. 이러한 경로를 거쳐 도 11에서 보는 바와 같이 마지막 단계인 확대렌즈부(5)의 확대렌즈를 통과한 회절빔 들은 더욱더 명확하게 관찰할 수 있다.

특히, 도 11의 (c)(d)와 같이 강도가 강한 회절빔 들을 자세히 관찰하면 두 개 혹은 그 이상의 빔이 보강간섭을 통해 하나의 빔을 형성하고 있는 과정을 보여줄 수 있어 현장감 있는 교육이 될 수 있다.

레이저 빔이 시료와 상호 작용하여 나타나는 회절현상을 좀 더 쉽게 이해시키고자 한다면, 적절한 시료의 선택이 중요하다.

본 실험에서는 아주 단순한 시료에서부터 복잡한 시료까지 단계적으로 삽입을 하여 시료의 이미지에 따른 회절도형을 관찰하여 보다 명확하게 실공간과 역공간의 개념을 이해할 수 있다.

도 12는 본 실험에서 사용한 시료들에 대한 형상과 사양을 정리한 것이다.

첫 번째 시료인 단일 조리개 시료는 회절의 현상을 직접적으로 표현할 수 있으며, 2번과 3번의 1차원 격자 시료는 실공간과 역공간사이의 상호관계를 나타낼 수 있다. 또한 4번에서 6번까지의 2차원 격자 시료는 다양한 형태로 이루어진 실공간의 규칙적인 배열에 대하여 역공간상에서의 회절도형을 관찰함으로서 실제 3차원적으로 구성된 시료에 대한 원자 배열을 분석하는데 응용을 할 수 있다.

마지막으로 실제 본 이미지/회절장치를 이용하여 관찰한 6개의 각각의 시료에 대한 이미지와 회절도형을 도 13에 나타내었다. 먼저 본 장치에 사용된 대물렌즈와 확대렌즈에 의해 실제로 시료의 이미지가 확대되는 배율을 계산하였다.

대물렌즈와 확대렌즈를 통해 확대되는 전체 배율은 간단하게 다음과 같은 관계식으로부터 얻어낼 수 있다.

관계식 : M = y₀ / y_i = V / f

여기에서 M은 배율을 나타내며, y₀와 y_i는 각각 실제 시료의 크기와 스크린에 상이 맺힌 크기이고, V와 f는 명시거리와 초점거리를 나타낸다. 전자현미경과 달리 광학렌즈는 초점거리가 고정되어 있으므로 총 명시거리를 구하거나, 시료와 최종 이미지의 크기를 구하면 고정된 배율을 구할 수 있다. 이에 따라 본 장치를 이용하면 약 44배의 확대된 이미지를 획득할 수 있다. 식에 의거하여 보다 확대된 이미지를 획득하고자 한다면 초점거리가 짧은 렌즈를 사용하거나 명시거리를 길게 하기 위해서 고정구조물(9)의 길이를 늘이는 방법이 있으나, 광학현미경과 같이 초점 거리가 짧은 렌즈를 사용하는 것이 효과적인 방법이 될 수 있다.

측정된 배율을 바탕으로 도 12에 나타낸 것처럼 실제 측정된 시료의 이미지 <도 12(a)>와 회절도형 <도 12(b)>의 스케일을 보정하고, 시료의 이미지로부터 푸리에변환 (FFT: Fast Fourier Transform)을 수행하여 역공간 <도 12(c)>을 계산한 다음 회절도형과 비교를 하였고, 이러한 역공간의 자료를 다시 역푸리에변환 (IFFT: Inverser Fast Fourier transform)을 수행하여 실공간 <도 12(d)>을 얻은 후, 실제 시료의 이미지와 비교를 하였다.

이를 통하여 실제 측정된 자료는 계산된 자료와 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 분석된 자료로부터 본 장치를 이용할 경우 시료에 따라 약 5~15㎛의 분해능을 획득할 수 있음을 알 수 있었다.

또한 각각의 시료에 대해 살펴보면, 먼저 1번 시료의 회절도형은 레이저 빔이 시료의 조리개를 통과하면서 일어나는 전형적인 회절현상인 에어리 링(Airy rings)을 보여주고 있다.

2번과 3번은 일반 교과 과정에서 많이 다루고 있는 실틈을 이용한 간섭현상을 보여 주고 있으며, 실제로 시료의 실틈의 넓이는 2번이 3번의 시료보다 크지만, 회절도형내의 회절점의 간격은 3번이 오히려 넓어지는 것을 관찰할 수 있어 실공간과 역공간이 서로 길이에 반비례하는 관계임을 보여주고 있다.

4번의 시료에서 역공간을 나타내는 회절도형을 살펴보면, 2번과 3번에서 이미 알 수 있듯이 실공간의 실제 시료는 서로 길이가 다른 직사각형 모양의 격자무늬를 띠고 있음을 예측할 수 있다.

5번과 6번도 마찬가지로 회절도형과 시료의 이미지로부터 실공간과 역공간을 예측할 수 있다.

따라서 상기한 본 발명의 장치를 이용하면 TEM과 마찬가지로 광학현미경에서는 관찰 할 수 없는 회절도형과 이미지를 동시에 관찰할 수 있어서 광학실험 및 TEM의 원리를 이해하는데 보다 월등한 교육자재로 활용될 수 있으며, 실제 시료를 분석하기 위한 보조 장비로 활용될 수도 있다.

도 1은 투과전자현미경의 개념도

도 2는 본 발명의 이미지 회절 실험 장치의 개념도

도 3은 본 발명의 레이저 빔 주사기

도 4는 본 발명의 시료홀더

도 5는 본 발명의 대물렌즈 및 확대렌즈

도 6은 본 발명의 조정렌즈

도 7은 본 발명의 CCD 시스템

도 8은 본 발명을 지지하기 위한 고정구조물

도 9는 본 발명 지지구조물의 평단면도

도 10은 본 발명의 렌즈 사이에서의 빔의 경로

도 11은 본 발명의 확대렌즈를 통과한 회절빔

도 12는 본 발명의 실시예에 적용된 시료들에 대한 형상과 사양

도 13은 본 발명의 실시예에 적용된 6개의 시료에 대한 이미지와 회절도형

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 빔 주사기

2 : 시료 지지대

3 : 대물렌즈부

4 : 조정렌즈부

5 : 확대렌즈부

6 : 스크린

7 : CCD

8 : 컴퓨터

9 : 고정구조물

Claims (3)

1. 레이저 건의 주변에 x축 빔 정렬용 조정구와 y축 빔 정렬용 조정구 및 z축 빔 정렬용 조정구를 구비하여 광축 조절이 가능하게 되어 레이저 빔을 주사하는 레이저 빔 주사기;

   상기 레이저 빔 주사기에서 주사되는 레이저 빔이 투과되는 시료를 설치하기 위한 시료홀더와, 상기 시료홀더를 설치하기 위하여 중앙에는 일방향으로 형성된 가이드 홈이 형성되는 고정대와, 한쪽 단부는 상기 시료홀더에 선회 가능하게 지지되고 다른 한편은 상기 고정대에 체결되는 이동 나사봉을 구비하여, 상기 이동 나사봉을 정역 방향으로 회전시킴에 따라서 상기 시료홀더가 상기 가이드 홈에 안내되어 수평 방향으로 이동할 수 있게 되는 시료 지지대;

   상기 시료지지대에 설치된 시료를 통과한 회절 빔들이 영상을 형성할 수 있도록 환형체로 형성되는 고정대의 중앙에 대물렌즈가 고정된 렌즈홀더가 놓여져서 렌즈홀더의 외부로부터 적어도 3개가 관통되게 나사 결합되어 렌즈홀더를 지지하는 미세조정나사가 설치되어 대물렌즈가 고정된 렌즈홀더를 수평상에서 임의의 위치로 이동하여 대물렌즈를 정렬시킬 수 있게 되는 대물렌즈부;

   상기 대물렌즈부를 통과한 레이저 빔의 이미지와 회절도형을 형성하기 위하여 고정대의 일측 외주면으로부터 하나의 가이드 홈이 형성되고, 상기 가이드 홈에 조정렌즈가 고정된 렌즈 홀더가 삽입되어 대물렌즈를 통과한 레이저 빔의 초점을 조절하는 조정렌즈부;

   상기 조정렌즈부를 경유한 레이저 빔의 이미지를 확대시키기 위하여 상기 대물렌즈부와 동일한 조립체를 구비하는 확대 렌즈부;

   시료를 통과한 레이저 빔이 상기한 각각의 대물렌즈, 조정렌즈, 확대렌즈를 통하여 이미지와 회절도형을 형성하는 스크린;

   상기 스크린에 형성되는 이미지와 회절도형을 육안으로 관찰하면서, 시료에 대한 분석을 수행하기 위하여 외부단자를 통해 수동 조절이 가능한 외부 조절기를 구비하여 레이저 빔의 세기에 따른 강도, 배율, 초점을 조절하여 얻어진 데이터를 출력하는 CCD;

   상기 CCD에 의하여 획득된 데이터를 분석하기 위하여 획득된 데이터를 저장하고, 데이터가 분석된 결과를 모니터에 출력하는 컴퓨터;

   그리고 상기 레이저 빔 주사기, 시료 지지대, 대물렌즈부, 조정렌즈부, 확대렌즈부, 스크린, CCD를 고정 및 지지하기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 대물렌즈부와 조정렌즈부와 확대렌즈부와 시료지지대에 각각 고정 나사축이 형성된 고정편이 형성되고, 상기 고정편이 안내될 수 있도록 수직 방향으로 장공이 형성되는 고정 구조물에 상기 고정 나사축이 노브로 체결되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 고정 구조물에 렌즈의 초점거리를 측정하기 위한 스케일이 형성되는 것을 더 포함하는 레이저를 이용한 이미지 회절 실험 장치.

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