KR100935902B1 - 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 원자현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법은 전해질에 시료를 담그어 시료 표면에 대전 현상을 발생시켜 시료의 재질에 따라 시료의 표면에 밀착되는 전해질의 이온이 수가 결정되는 구속영역이 생기고, 구속영역 이외의 구역인 자유영역에 잔존되는 이온이 존재하도록 하는 계면동전위의 환경을 조성하는 단계와, 상기 자유영역에서 시료 표면측으로 유체를 분사시켜 자유영역내에 존재하는 이온이 자유 이동되도록 하여 유체의 분사 범위 내의 이온과 그 외에 자유영역에서의 이온 흐름에 의한 전위차를 측정하는 단계와, 측정된 전위차 값을 통해 시료의 표면 지형 형상, 시료에 함유된 물질 분포 형태, 지형의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있도록 하는 단계로 이루어진다.

원자, 현미경, 계면동전위, 대전

Description

동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 원자현미경{A atom-microscope using surface analysis measurement based on current electricity}

본 발명은 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 원자현미경에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계면동전위 원리를 이용하여 시료 표면을 정밀하게 측정하며, 다른 물질로 이루어진 시료의 물질 분포 형태를 측정할 수 있도록 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 원자현미경에 관한 것이다.

SPM은 Scanning Probe Microscope의 약자로서 물질의 표면특성을 원자단위까지 측정할 수 있는 새로운 개념의 현미경을 총칭하는 말이다. 우리나라에서는 원자현미경이라고 불리워진다. 원자는 너무 작아서(0.1-0.5nm) 아무리 좋은 현미경로도 볼 수 없다는 기존의 통념을 깨뜨린 원자현미경은 제1세대인 광학현미경과 제2세대인 전자현미경 다음의 제3세대 현미경으로 자리 잡아가고 있다. 광학현미경의 배율 이 최고 수천 배, 전자현미경(SEM)의 배율이 최고 수십 만 배인데 비해 원자현미경의 배율은 최고 수천만 배로서, 개개의 원자를 관찰할 수 있다. 투과식 전자 현미경인 TEM도 수평방향의 분해능은 원자단위이나 수직 방향의 분해능은 훨씬 떨어져 개개의 원자를 관찰할 수는 없다. 원자현미경의 수직방향의 분해능은 수평 방향보다 더욱 좋아서 원자지름의 수십 분의 일(0.01nm)까지도 측정해낼 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 SPM 원리를 이용한 원자현미경 시스템을 나타낸 도면이다.

이러한, 원자현미경(AFM)은 캔틸레버 (cantilever) 라 불리는 미소한 막대를 이용하여 표면형상 등을 측정하는 장치로 캔틸레버 본체의 종단 상부에 미세한 (수 nm) 크기의 캔틸레버 탐침이 형성되는 구조를 가지고 있다.

상기 원자현미경은 탐침이 시료표면에 접근되면 탐침 끈의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로 간격에 따라 인력과 척력이 작용하며, 이 힘에 의해 캔틸레버가 휘어지게 되는 정도를 측정하여 표면 형상을 측정하는 것이 기본원리이다.

원자간력 중 척력구간을 이용하는 경우를 접촉식(Contact mode)이라 하며, 인력구간을 이용하는 경우를 접촉식(Contact mode)이라 하며, 인력구간을 이용하는 경우를 비접촉식(Non-contact mode)이라 한다. 특히 비접촉식의 경우에는 시료로부터 상대적으로 떨어진 상태에서 직접적인 힘보다는 힘구배를 이용하여 측정이 되므로 시료에 실제 인가하는 힘이 접촉시 즉 척력에 비해 휠씬 작아 손상되기 쉬운 부드러운 시료도 측정이 가능하다. 원자간력을 이용하여 형상 측정하는 경우에는 탐침을 포함한 캔텔레버를 시료에 접근시키면서 원간력에 의한 캔틸레버의 변화를 감 지할 수 있는 순간의 좌표 값을 읽음으로써 형상을 측정한다.

원자현미경은 미세한 탐침을 시료에 급접시켜 시료와 탐침 끝 사이의 상호작용을 이용하여 표면 형상을 비롯한 다양한 특성을 알아내는 장치이다.

원자현미경는 측정원리에 따라 다양하게 구현되고 있다.

가장 보편적인 원자현미경인 AFM으로서 캔틸레버(Contilever) 이라고 불리우는 작은 막대(10㎛ × 1㎛) 끝에 탐침이 달려져 있으며, 이들은 마이크로머시닝(Micro-Machining)으로 만들어진다.

상기 탐침은 가느다란 텅스텐 선을 전기 화학적으로 삭각시키면 그 끝이 아주 뾰족하게 되어 맨 끝에는 원자 몇개만이 남게 된다. 이처럼 예리한 바늘을 고온에서 강한 전기장으로 더욱 예민하게 하고 부식 중에 생긴 산화막을 없애는 공정으로 제조한다.

이러한 탐침을 전도체인 시료 표면에 원자 한 두개 크기의 간견(~0.5mm)으로 가까이 접근시키면 비록 두개의 도체가 떨어져 있지만 그 간격이 아주 작아서 양단간에 적당한 전압을 걸어주면 전자가 에너지벽을 뚫고 지나가 전류가 흐르는 양자역학적 터널링(Tunneiling) 현상이 일어난다. 이는 탐침과 시료 간격이 멀어지면 전자의 터널링 확률이 급격히 낮아져 전류가 급격히 줄어든다.

이때, 탐침은 피에조 세라믹으로 만들어진 구동기(Scanner)에 의해 상하,좌우, 전후로 움직여지며, 이 구동장치는 0.01nm 이상의 정밀도를 가지고 있다.

상기 탐침을 통해 흐르는 전류가 일정한 값이 되도록 탐침의 높이를 조정하면서 좌우, 전후로 주사해 가면 탐침이 시료 위를 따라 이동하게 된다. 이때 각 지 점에서 탐침을 상하로 움직여준 값을 기록하여 얻어진 수치를 컴퓨터 화면에 밝기로 나타내면 시료의 지형을 나타내는 사진이 된다. 이런 사진이 얻어지면 위에서 본 형상 뿐 아니라 각 부분의 굴곡도는 물론 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있다.

그러나, 종래기술에 따른 원자현미경은 탐침이 기계적으로 시료 표면을 따라가야 하야 하므로 광학현미경이나 전자현미경에 비해 영상을 얻는 속도가 느린 문제점이 있다.

그리고, 탐친이 유연한 크기를 가지고 있어 좁고 깊은 계곡과 같이 경사가 심한 부위의 측정이 불가능하거나 어려운 문제점이 있다.

아울러, 측정 가능한 부위에서도 탐치의 모양새에 의한 왜곡현상(Convolution effect)때문에 측정오차가 생긴다. 이외에 조작의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.

특히, 다양한 물질로 이루어진 시료의 표면의 형상을 측정할 경우 한번에 측정할 수 없어 함유된 물질 종류에 맞추어 여러 차례 탐침을 통한 측정이 이루어져야 하기 때문에 측정 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

더불어, 시료에 함유된 다양한 물질의 분포 형태를 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전해질과 시료의 반응에 의해 시료 표면을 대전시켜 이온의 계면동전위 환경을 조성한 다음 전해질에 부분 침수시킨 노즐을 통해 유체를 분사하여 용액 내부에 존재하는 이온과 노즐 내부의 이온의 전위차를 측정하도록 함으로써, 상기 측정된 전위차를 통해 표면의 지형 형상을 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 재질이 다른 시료의 물질 특성마다 대전되어 밀착되는 이온의 수가 다른 원리를 이용하여 시료가 다양한 재질로 이루어져 있어도 각 함유 물질의 분포 형태 및 지형을 측정할 수 있도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 이온의 흐름에 의해 시료의 표면 지형 중 좁고 깊은 계곡과 같이 경사가 심한 부위의 측정이 가능하고, 기존 탐치의 모양새에 의한 왜곡현상(Convolution effect)에 의한 측정오차를 향상시킬 수 있도록 하는 데 있다.

아울러, 본 발명의 목적은 시료의 표면 지형의 측정 이외에 세포의 특질 측정 등의 화학, 생명 공학 분야에도 적용 가능하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법은 전기적 중성상태를 유지하고 있는 측정대상인 시료를 전해질에 담그어 전하량의 평형을 깨지도록 하여 시료 표면이 대전 상태를 이루도록 함으로써, 시료 표면에 고정되는 이온층과 전해질 내부의 전위차를 발생시키는 단계와, 상기 전해질 내부에서 시료 표면측으로 유체를 분사하여 전해질 내부에서 흐름되 는 이온간의 전위차를 측정하여 시료 표면의 지형을 분석하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 시료 표면의 대전 단계에 의해 상기 시료의 재질에 따라 전해질 내에서 시료 표면에 밀착되는 전해질의 이온 수가 결정되는 구속영역과, 상기 구속영역의 이외의 전해질에서 잔존 이온이 자유 운동하는 자유영역으로 구분되어 계면동전위의 환경을 조성할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 상기 이온간의 전위차 측정은, 자유영역에서 시료 표면 측으로 분사되는 유체에 의해 자유영역에 존재하는 이온을 흐름시켜 자유영역에서 유체의 분사 범위 내.외에 존재하는 이온간의 전위차를 측정할 수 있도록 한다.

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본 발명에 따르면, 측정된 전위차 값을 통한 시료의 표면의 지형 분석으로 시표 표면의 지형 형상, 시료에 함유된 다양한 물질 분포 형태, 지형의 굴곡도, 단면도, 입체도를 분석할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 상기 유체는 변형이 쉽고 흐르는 성질을 갖는 액체나 기체로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 유체는 액체를 사용할 경우 전해질의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 전해질과 같은 용액을 작동 유체로 적용될 수도 있도록 한다.

본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법을 이용한 원자현미경은 내부에 전해질을 충진한 수조와, 상기 전해질의 내부에 담그어 놓아 표면이 대전되도록 하여 재질에 따라 전해질 내에서 표면에 밀착되는 전해질의 이온 수가 결정되는 구속영역과 상기 구속영역의 이외의 전해질에서 잔존 이온이 자유 운동하는 자유영역으로 구분되어 계면동전위의 환경을 조성할 수 있도록 하는 측정대상인 시료와, 상기 시료의 표면으로 유체를 분사시켜 자유영역에 존재하는 이온을 자유 운동시켜 유체의 분사 범위 내의 이온과 그 외에 자유영역에서의 이온 흐름에 의한 전위차를 발생시키는 노즐과, 상기 노즐 내부와 자유영역에 전극을 각각 장착하여 노즐의 유체 분사에 의해 발생하는 이온의 전위차를 측정하고, 상기 전극으로 부터 전위차를 값을 인가받는 전압측정센서와, 상기 수조를 안착시키는 스테이지가 마련되어 노즐을 기준으로 시료 표면 전체가 스캐닝 작업이 진행되도록 상기 스테이지를 이동시키는 구동기와, 스캐닝되는 시료의 전위차를 통하여 시료의 재질에 따른 표면의 형상, 시료에 함유된 물질 분포 형태, 표면의 굴곡도, 단면도, 입체도의 형상, 각 부분의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있도록 하는 출력부로 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 노즐은 유량밸브를 통해 유량을 일정하게 유지시킨 유체가 입력되는 중공의 연결부와, 상기 중공의 연결부 끝단에 연통되게 장착되어 유체의 미세한 분사 범위를 가능하도록 내부에 구멍이 형성된 노즐팁이 마련되어 구성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 현미경은 전해질과 시료의 반응에 의해 시료의 표면을 대전시켜 이온의 계면동전위 환경을 조성한 다음 전해질에 부분 침수시킨 노즐에서 유체를 분사하여 용액 내부에 존재하는 이온과 노즐 내부의 이온의 전위차를 측정하여 이를 표면의 지형 형상을 한번에 신속히 측정하여 시료의 표면 지형 형상, 지형의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 손쉽게 얻을 수 있도록 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 현미경은 재질이 다른 시료의 물질 특성마다 대전되어 밀착되는 이온의 수가 다른 원리를 이용하여 시료에 함유된 재질에 관계없이 재질 별 물질 분포 형태를 측정할 수 있어 기존 여러 가지 물질로 이루어진 시료의 경우 다양한 측정 조건 하에 여러번에 걸쳐 측정하는 단계를 생략할 수 있으므로 측정시간의 단축, 측정 조건의 간편화을 꾀할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 현미경은 유체를 통하여 시료의 표면 지형 중 좁고 깊은 계곡과 같이 경사가 심한 부위의 측정이 가능하고, 기존 탐치의 모양새에 의한 왜곡현상(Convolution effect)에 의한 측정오차를 향상시켜 정보의 정확도를 보다 극대화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

아울러, 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 현미경은 시료의 표면 지형의 측정 이외에 세포의 특질 측정 등의 화학, 생명 공학 분야에도 적용 가능하도록 함으로써, 현미경의 활용 범위를 넓힐 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세 히 설명하기로 한다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.

도 2는 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경의 원리를 나타낸 상태도이고, 도 3은 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경을 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경을 나타낸 정면 계략도이다.

본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법은 기존 기계적 탐침을 이용한 원자현미경 작동원리에서 벗어나, 물질의 대전과 계면동전위 현상을 이용하여 시료 10 표면의 지형을 측정 및 시료 10에 함유된 물질 분포 형태를 측정하기 위한 방법이다.

특히, 본 발명은 물질의 대전에 의한 계면동전위의 원리를 이용하여 시료 10의 표면 지형을 측정할 수 있도록 함으로써, 시료 10의 표면 지형 중 좁고 깊은 계곡과 같이 경사가 심한 부위의 측정이 가능하고, 다양한 재질에 관계없이 한번에 측정하여 시료 10에 함유된 물질 분포 형태를 간편하게 측정할 수 있도록 한다.

본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법을 살펴보면 아래와 같다.

전해질 11에 시료 10를 담그어 시료 10 표면에 대전 현상을 발생시켜 시료 10의 재질에 따라 전해질 내에서 시료 10 표면에 밀착되는 전해질 11의 이온 수가 결정되는 구속영역과, 상기 구속영역 이외의 전해질 공간 11 내부의 자유영역에 잔존 이온이 자유운동하는 계면동전위의 환경을 조성하는 단계와, 상기 자유영역에서 시료 10 표면 측으로 분사되는 유체에 의해 자유영역내에 존재하는 이온을 흐름시켜 자유영역에서 유체의 분사 범위 내.외에 존재하는 이온간의 전위차를 측정하는 단계와, 측정된 전위차 값을 통해 시료 10의 표면 지형 형상, 시료 10에 함유된 물질 분포 형태, 지형의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있도록 하는 단계로 이루어진다.

여기서 유체는 변형이 쉽고 흐르는 성질을 갖는 액체 또는 기체로 적용될 수 있다.

그리고, 유체가 적용될 경우 전해질의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 전해질과 같은 용액을 작동 유체로 적용될 수 있도록 한다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법의 기본적 원리를 살펴보면 아래와 같다.

본원 발명의 현미경은 계면동전위 현상을 이용한 것으로, 시료 10 표면에 고정되는 이온층과 용액 내부의 전위차를 이용하여 시료 10의 표면재질의 물질 분포에 따라 가변되는 전위차를 이용한다.

즉, 도 2에서 도시한 바와 같이, 금속을 제외한 대부분의 물체는 극성매질에 접하면 표면이 대전된다. 이때, 입자의 표면이 전기를 띠게 되면 반대 전기를 가진 이온들이 입자 표면에 끌려오게 된다. 이 이온들은 열역학적 교란보다 더 큰 힘인 정전기적인 힘과 분자간힘에 의해 계속 붙어 있게 된다.

이로 인한 이온의 층을 구속영역이라는 임의의 명칭으로 칭하기로 한다.

이 구속영역 층 주위에는 열역학적 교란 때문에 이온이 치밀하게 존재하지 않고 분산된 형태로 존재한다. 만약 입자를 전해질 11 용액에 넣고 전류를 통과시키면 표면 전하에 의하여 입자는 어느 한 쪽 전극 180으로 끌려가게 된다.

이때, 입자 주위에 붙어있는 이온들도 함께 끌려간다. 어느 지점에서 끌려가지 않는 면과 미끌어지는 전단면이 생기게 되는데, 이 면을 전단표면이라고 하고 이 전단표면의 전위를 계면동전위(electrokinetic potential)라고 한다.

이렇게, 시료 10의 표면에는 전해질 11 용액속에 존재하는 이온이 밀착되게 되는 구속영역이 생기는 반면, 상기 이온이 밀착되는 부분에 대한 영역과 구분되는 외부에 존재히는 이온의 영역을 자유영역이라 한다.

이와 같은 계면동전위의 원리가 수반되는 전해질 11 속으로 노즐 120을 통하여 외부에서 제공되는 유체를 제공하면 자유영역의 이온이 유체 흐름에 의해 자유 운동하여 노즐 120 내부와 전해질 11 내부에 각각 설치한 전극에 의해 전기적 전위차를 센싱한다.

상기 전극과 연결되어 수조의 외부에 배치된 전압측정센서 130로 센싱된 전위차를 인가받아 이를 값으로 환산하여 이를 시료 10의 재질에 따른 표면의 형상, 시료 10에 함유된 물질 분포 형태, 표면의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있다.

상기의 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법 및 이를 이용한 원자현미경의 구성은 아래와 같다.

내부에 전해질 11을 충진한 수조 190와, 상기 전해질 11의 내부에 담그어 놓아 표면이 대전되도록 하여 전해질 11의 이온의 전위차가 발생되도록 하되, 시료 10의 재질 종류에 따라 각기 다른 수의 이온이 시료 10 표면에 밀착되는 구속영역(Dopde Si Wafer)과 상기 구속영역과 구획된 전해질의 나머지 부분에 이온이 존재하는 자유영역(Voltage Meter)으로 구분되는 계면동전위의 환경을 조성하는 측정 대상인 시료 10와, 외부에서 유체를 제공받아 시료 10의 표면으로 분사시켜 자유영역에 존재하는 이온을 자유 운동시키는 노즐 120과, 상기 노즐 120과 전해질 11 내부에 전극 180을 각각 장착하여 노즐 120의 유체 분사에 의해 이온의 자유 운동이 이루어지면서 발생하는 노즐 120 내부와 전해질에 존재하는 이온의 전위차를 측정한 다음 상기 전극 180 으로 부터 신호를 인가받아 전위차를 값을 센싱하는 전압측정센서 130와, 상기 수조 190를 안착시키는 스테이지 110가 마련되어 외부의 인가신호에 의해 시료 10의 위치를 상,하,좌,우로 위치를 변경하여 노즐 120을 기준으로 시료 10의 표면의 위치를 변경하여 시료 10를 스캐닝 하는 구동기 140와, 상기 전압측정센서 130에서 센싱한 전위차를 이용하여 시료 10의 재질에 따른 표면의 형상, 시료 10에 함유된 물질 분포 형태, 표면의 굴곡도, 단면도, 입체도의 형상, 각 부분의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있도록 하는 출력부 150로 구성한다.

상기 수조 190는 상부가 개구된 상태의 형상을 갖고, 내부에 전해질 11의 용액이 충진되며, 상기 수조 190의 바닥면에 측정 대상의 시료 10를 배치시켜 전해질 11 내부에 시료 10를 담그어 놓아 시료의 표면이 대전되도록 한다.

상기 노즐 120은 구조물 124에 의해 지지되어 수조 190 상부에 수직으로 장착되고, 상기 노즐 120의 끝단이 시료 10와 일정 간격을 두고 이격되어 전해질 11에 침전될 수 있도록 배치한다.

더욱 구체적으로, 상기 노즐 120은 외부에서 유량밸브 170를 통해 유량을 일정하게 유지시켜 이를 안내하는 라인과 직접 연결되는 중공의 연결부 121와, 상기 중공의 연결부 121 끝단에 연통되게 장착되어 유체의 미세한 분사 범위를 가능하도록 내부에 구멍 122a이 형성된 노즐 120팁이 마련되어 구성된다.

이렇게 구성된 노즐 120은 외부에서 압력을 갖는 유체를 제공받되, 상기 유체는 유량밸브를 거쳐 유량을 일정하게 유지시킨 다음 노즐 120에 공급된다.

상기 중공의 연결부 121 121 내경은 0.1mm 이하로 형성하고, 상기 구멍 122a 122a의 내경은 약 수십 ㎛에서 수십 nm 이하로 형성되도록 하여 나노입자 크기의 시료 10 10 표면의 지형 형상에 맞추어 유체가 미세한 범위로 분사되도록 한다.

특히, 측정대상인 시료 10의 종류, 유량에 따라 연결부 121의 내경 지름의 크기는 상기에서 기재된 지름 크기에 국한하지는 않는다.

이러한 본 발명의 현미경의 작동은 다음과 같이 이루어진다.

상기 시료 10의 상부에 구멍 122a이 천공된 노즐 120을 수직으로 마련하고, 상기 노즐 120의 구멍 122a 단부와 시료 10 표면 사이의 간격은 유량과 시료 10의 표면 미세화의 난위도에 따라 이를 고려하여 이격시킨다.

이후, 전극 180을 통하여 수조 190에 충진된 전해질 11에 극성을 가하여 시료 10 표면이 대전되도록 하여 전해질 11의 이온의 전위차를 발생시켜 이온이 시료 10의 재질 종류에 따라 각기 다른 수의 이온이 시료 10 표면에 밀착되는 구속영역과 상기 구속영역(Stern layer)과 구획된 전해질 11의 나머지 자유영역(Diffuse layer)에 음이온이 존재하도록 한다.

여기서, 시료 10에 다양한 재질이 포함될 경우 즉, 여러 물질이 시료 10의 표면에 존재할 경우 그 재질의 종류에 따라 구속영역에 위치한 이온의 수가 달라지며, 상기 구속영역으로 편입된 이온 이외의 자유영역의 나머지 이온으로 이루어진 이온은 노즐 120의 구멍 122a내부와 자유영역에서의 이온간의 전위차가 발생하기 된다.

이러한 전위차는 전극을 통해 전압측정센서 130에 의해 센싱되어 전위차 값으로 환산한 후 출력부 150를 통해 시료 10 표면의 지형 형상으로 표현하여 외부로 표시하도록 한다.

여기서, 측정작업이 진행되는 동안 노즐 120은 정지되어 있고, 수조 190가 안착되어 있는 스테이지 110가 구동기 140에 의해 이동하여 시료 10 표면 전체를 노즐 120에 스캐너 하는 단계를 거친다.

상기 구동기 140의 구조와 작동 및 스캐너 동작의 동선을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 구동기 140에 적용되는 압전소자는 구조가 단순한 원통형을 많이 사용하는데, 이러한 구조는 마치 속이 빈 대나무와 비슷하다. 원통형 구조에 전극 180판은 원통 안쪽과 바깥쪽에 입히고 바깥쪽은 원주 방향으로 4 등분 되어있다( 각각의 전극 180을 +x, +y, -x, -y라 부른다). 안쪽 전극 180은 z축 방향으로 움직 이기 위한 전극 180이 된다. 예를 들어, +x, -x 전극 180판에 교류전압이 가해지면 x방향으로 좌우로 흔들리고 +y, -y 전극 180에 전압을 가하면 앞뒤로 휘게 된다. 또한 안쪽 전극 180에 전압을 가하면 수직으로 늘어나거나 줄어들게 된다.

상기 압전소자는 전압이 가해질 때 이것에 의해 크기의 변형이 일어나고 역으로 물리적 변형력을 소자에 가하면 소자 양단의 전극 180사이에 전압이 유도되는 소자이다. 압전스캐너는 이러한 압전 소자를 x,y,z으로 움직일수 있는 구조로 설계되어 있다.

도 4는 본 발명의 동전기 원리를 이용한 현미경을 이용해 하나 이상의 물질을 포함한 시료 10를 측정한 그래프이다.

먼저, 측정대상인 시료 10는 산화알루미늄(Al₂0₃)와 산화규소(si0₂)로 이루어져 있다.

도면에서와 같이, 산화알루미늄(Al₂0₃)와 산화규소(si0₂)의 서로 다른 물질의 경계면이 단차가 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 물질의 분포 형태를 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 SPM 원리를 이용한 현미경 시스템을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경의 원리를 나타낸 상태도.

도 3은 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경을 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명의 동전기 현상을 이용한 현미경을 나타낸 정면 계략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 시료 11 : 전해질

100 : 현미경 110 : 스테이지

120 : 노즐 121 : 연결부

122 : 노즐팁 122a : 구멍

124 : 구조물 130 : 전압측정센서

140 : 구동기 150 : 출력부

170 : 유량밸브 180 : 전극

190 : 수조

Claims (8)

1. 전기적 중성상태를 유지하고 있는 측정대상인 시료를 전해질에 담그어 전하량의 평형을 깨지도록 하여 시료 표면이 대전 상태를 이루도록 함으로써, 시료 표면에 고정되는 이온층과 전해질 내부의 전위차를 발생시키는 단계와,

   상기 전해질 내부에서 시료 표면측으로 유체를 분사하여 전해질 내부에서 흐름되는 이온간의 전위차를 측정하여 시료 표면의 지형을 분석하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 시료 표면의 대전 단계에 의해 상기 시료의 재질에 따라 전해질 내에서 시료 표면에 밀착되는 전해질의 이온 수가 결정되는 구속영역과,

   상기 구속영역의 이외의 전해질에서 잔존 이온이 자유 운동하는 자유영역으로 구분되어 계면동전위의 환경을 조성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석측정 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이온간의 전위차 측정은, 자유영역에서 시료 표면 측으로 분사되는 유 체에 의해 자유영역에 존재하는 이온을 흐름시켜 자유영역에서 유체의 분사 범위 내.외에 존재하는 이온간의 전위차를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   측정된 전위차 값을 통한 시료의 표면의 지형 분석으로 시표 표면의 지형 형상, 시료에 함유된 다양한 물질 분포 형태, 지형의 굴곡도, 단면도, 입체도를 분석할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 유체는 변형이 쉽고 흐르는 성질을 갖는 액체나 기체로 이루어진 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 유체는 액체를 사용할 경우 전해질의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 전해질과 같은 용액을 작동 유체로 적용될 수도 있는 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법.
7. 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법을 이용한 원자현미경에 있어서,

   내부에 전해질을 충진한 수조와,

   상기 전해질의 내부에 담그어 놓아 표면이 대전되도록 하여 재질에 따라 전해질 내에서 표면에 밀착되는 전해질의 이온 수가 결정되는 구속영역과 상기 구속영역의 이외의 전해질에서 잔존 이온이 자유 운동하는 자유영역으로 구분되어 계면동전위의 환경을 조성할 수 있도록 하는 측정대상인 시료와,

   상기 시료의 표면으로 유체를 분사시켜 자유영역에 존재하는 이온을 자유 운동시켜 유체의 분사 범위 내의 이온과 그 외에 자유영역에서의 이온 흐름에 의한 전위차를 발생시키는 노즐과,

   상기 노즐 내부와 자유영역에 전극을 각각 장착하여 노즐의 유체 분사에 의해 발생하는 이온의 전위차를 측정하고, 상기 전극으로 부터 전위차를 값을 인가받는 전압측정센서와,

   상기 수조를 안착시키는 스테이지가 마련되어 노즐을 기준으로 시료 표면 전체가 스캐닝 작업이 진행되도록 상기 스테이지를 이동시키는 구동기와,

   스캐닝되는 시료의 전위차를 통하여 시료의 재질에 따른 표면의 형상, 시료에 함유된 물질 분포 형태, 표면의 굴곡도, 단면도, 입체도의 형상, 각 부분의 굴곡도, 단면도, 입체도 및 각종 통계자료를 얻을 수 있도록 하는 출력부로 구성한 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법을 이용한 원자현미경.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 노즐은,

   유량밸브를 통해 유량을 일정하게 유지시킨 유체가 입력되는 중공의 연결부와,

   상기 중공의 연결부 끝단에 연통되게 장착되어 유체의 미세한 분사 범위를 가능하도록 내부에 구멍이 형성된 노즐팁이 마련되어 구성한 것을 특징으로 하는 동전기를 기반으로 하는 표면 분석 측정 방법을 이용한 원자현미경.

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