KR101004966B1 - 액상 조건에서의 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최적의 이미지 측정을 위한 원자간력 현미경용 분석 방법에 관한 것으로서, 측정하고자 하는 시료 표면 분석 동안 캔틸레버에 미치는 힘과 측정하고자 하는 스캔 속도의 관계를 나타내는 하기식에 따라
Figure 112009004044735-pat00001
Fnet _2과 Vy 값을 그래프화 한 다음 Fnet _ 2이 0±2nN일 때 상기 식의 해가 되는 Vy를 스캔 속도로 정하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법을 제공한다.
본 발명은 액상에서 원자간력 현미경을 이용한 시료의 분석 과정에서 분석 시간을 획기적으로 단축시키기 위하여 액상 조건에서의 현미경 탐침의 이동에 의한 유체의 거동에 대한 이론적 수식을 바탕으로 변수를 조절하여 초고속 이미지 분석 방법에 관한 것으로써, 액상에서 원자간력 현미경 이미지 분석 시에 현미경에 부대장비의 장착 없이 이미지왜곡을 최소화 하는 동시에, 분석속도를 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 실제의 대상이 되는 시료의 조건에 적용한다면, 다양한 유기용매에서 시료의 분석조건을 미리 파악하고 분석할 수 있는 장점이 있다.
원자간 인력 현미경, 스캔 속도, 액상 시료, 이미지 왜곡

Description

액상 조건에서의 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법 {FAST IMAGE SCANNING METHOD FOR THE OPERATION OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE UNDER LIQUID CONDITIONS}
본 발명은 원자간 인력 현미경(atomic force microscope, 이하 AFM이라 한다.)을 이용한 시료의 분석시에 분석 조건을 넓힐 수 있는 분석방법에 관한 것으로, 바이오 시료나 표면 분석용 시료 등을 기존 방식인 기상 조건이 아니라 액상 조건에서 시료를 분석 할 때, 액상 유체의 고유한 특성에 의하여 유발되는 이미지의 왜곡을 최소화하는 최적 분석 속도를 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
원자간 인력 현미경은 진공, 공기중, 액상 조건에서 시료를 분석할 수 있는 장치이며, 나노패터닝, 시료표면분석, 전도도 측정 등 다양한 물리화학적 분석에 이용되고 있다. 또한 액상조건에서 생물학적 시료의 분석에도 활용되고 있는데, 이는 생물학적 시료를 생체조건에서 살아있는 상태로 분석이 가능하기 때문이다.
종래의 원자간 인력 현미경을 이용한 생물학적 시료 분석의 경우라고 하더라도 이미지를 얻는 방식이 캔틸레버 말단에 붙어 있는 미세한 탐침으로 표면에 스캔하는 방식이며, 특히 이미지의 왜곡 및 노이즈를 최소화하기 위해서는 분석 속도를 느리게 하여야 하기 때문에 짧은 시간동안 시시각각 변화하는 실시간 이미지를 얻 기에는 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 액상의 반응 조건 및 이동성이 있는 샘플에 대한 실시간 이미지를 얻기 위한 노력이 진행되고 있으며 이에 관해서는 Review of Scientific Instruments (76, 053708, 2005, T. Ando et. al..; 74, 4683, 2003, J. D. Adams et. al.), Proceedings of the National academy of Sciences (98, 12468, 2001, T. Ando et. al.) 에 명시되어 있다. 상기 기술들은 비접촉(non-contact) 이미징 모드에서 고속스캐너를 이용하거나, 효율적인 P-I-D controller, Feed-forward compensation을 위한 장치를 이용한 고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 제안하였다.
또한 Ultramicroscopy (100, 253, 2004, A. Stemmer et. al.)의 방법은 접촉(contact) 이미징 모드에서 open-loop controller와 feedback controller를 이용한 고속 원자간력 현미경 이미징 기법을 제안하였다.
상기 제안된 방법들은 복잡하게 설계된 부대장치의 장착을 통해 고속 이미징을 꾀한다는 단점이 있으며, 액상 유체가 가지고 있는 고유의 조건을 고려하지 않았다는 문제점이 있었다. 또한 시료에 대한 이미지는 경계이미지가 모호하여 해상력이 떨어진다는 한계점도 있었다.
상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 본 발명에서는 액상에서 원자간력 현미경을 이용한 시료의 분석 과정에서 분석 시간을 획기적으로 단축시키기 위하여 액상 조건에서의 현미경 탐침의 이동에 의한 유체의 거동에 대한 이론적 수식을 바탕으로 변수를 조절하여 초고속 이미지 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이는 복잡한 장치의 설계 및 고안 없이, 적용되는 수식의 풀이를 통해 이미지의 왜곡이 일어나지 않고 기상조건에서의 측정보다 빠르게 최적의 이미지 측정이 가능한 분석 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 액상에서 최적의 분석 방법을 제공함으로써 바이오 및 생체 물질 시료를 생체 조건과 유사한 조건에서 원자간력 현미경을 이용하여 초고속 이미지 분석이 가능하게 된다.
본 발명은 최적의 이미지 측정을 위한 원자간력 현미경용 분석 방법에 관한 것으로서, 측정하고자 하는 시료 표면 분석 동안 캔틸레버에 미치는 힘과 측정하고자 하는 스캔 속도의 관계를 나타내는 하기식에 따라
Figure 112009004044735-pat00002
Fnet _2과 Vy 값을 그래프화 한 다음 Fnet _ 2이 0±2nN일 때 상기 식의 해가 되는 Vy의 영역을 스캔 속도로 정하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법을 제공한다. 여기에서, μ는 분석하고자 하는 대상 시료의 점도이고, L은 상기 캔틸레버 길이이며, Fn은 상기 캔틸레버에 인가되는 힘이고, Vy는 y축 방향의 속도이며, H는 상기 캔틸레버와 상기 대상 시료와의 거리이고, Re 레이놀드 상수이며, S는 상기 H의 정규화된 표준 거리이고, At 는 상기 캔틸레버와 상기 대상 시료가 접촉하는 면적이다.
본 발명에서 기본적으로 사용한 원자간 인력 현미경은 대한민국 공개 특허 제0388916호에 의한 주사 탐침 현미경용 캔틸레버 및 그의 제조 방법과, 대한민국 공개 특허 제0523031호에 의한 주사 탐침 현미경에서의 X, Y 스캐너 및 그 구동 방법에 의해 제조된 장비 및 이를 응용한 장비들에 적용될 수 있다.
구체적으로 본 발명은 이론적인 수식의 계산을 통하여 분석 변수의 조절을 통해 최적속도를 예측을 할 수 있기 때문에 상용으로 제작되어지고 있는 모든 원자간력 현미경 장치에 범용적으로 적용될 수 있는 방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 식에서 Fnet _2=0일 때의 해인 스캔 속도 Vy를 정하는 것이 가장 바람직하다. 실제의 분석 시에는 상기에서 정한 스캔속도 지점에서 ±2nN인 영역에서도 이미지 왜곡 없이 최적의 조건으로 원자간력 현미경을 이용한 분석이 가능하기 때문에, 본 발명의 구성은 상기 영역을 모두 포함하는 것이 바람직하다.
특히 본 발명은 분석하고자 하는 시료의 유체의 특성을 반영하는 변수 조절을 통하여 기존에 사용하였던 부대 장비 없이도 액상에서 왜곡 없는 최적의 이미지 를 얻기 위한 스캔 속도를 이론적으로 정하여 분석할 수 있다.
본 발명은 액상에서 원자간력 현미경을 이용한 시료의 분석 과정에서 분석 시간을 획기적으로 단축시키기 위하여 액상 조건에서의 현미경 탐침의 이동에 의한 유체의 거동에 대한 이론적 수식을 바탕으로 변수를 조절하여 초고속 이미지 분석 방법에 관한 것으로써, 액상에서 원자간력 현미경 이미지 분석 시에 현미경에 부대장비의 장착 없이 이미지 왜곡을 최소화 하는 동시에, 분석속도를 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 실제의 대상이 되는 시료의 조건에 적용한다면, 다양한 유기용매에서 시료의 분석조건을 미리 파악하고 분석할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 액상 조건에서 이미지의 왜곡 없는 최적의 시료 분석을 위한 원자간 인력 현미경용 분석 방법에 관하여 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 원자간력 현미경 이미지 분석을 수행하는 동안 캔틸레버의 이동에 따른 유체의 거동에서 유발되는 힘에 대한 이론적 수식을 나타낸다. 기상에서의 분석과는 달리 고점도 및 고밀도를 갖는 액상유체에서의 시료 분석 시에는 액체의 고유한 특성으로 말미암아, 켄틸레버의 이동에 따른 유체의 특유 거동으로부터 유발되는 외부의 힘을 무시할 수 없게 되며, 이는 이미지의 왜곡으로 나타난다.
따라서 이러한 유체의 고유 특성에 의해 캔틸레버에 작용되는 외부 힘을 크 게 캔틸레버가 시료 표면에 수직방향으로 접근하는 동안 작용하는 힘과 접근 후 캔틸레버가 수평방향으로 시료 표면을 분석하는 동안 작용하는 힘을 도 1의 수식들로 표현하였다.
구체적으로 도 1의 시료 표면에 접근하는 동안 캔틸레버에 미치는 힘은 캔틸레버가 표면에 z방향으로 접근하는 동안 유체의 고유의 특성으로부터 유발되는 squeeze-film effects (Fsc)와 drag force (Fd)의 합을 나타내며, 시료 표면을 분석하는 동안 캔틸레버에 미치는 힘은 캔틸레버가 표면에 z축 방향으로 분석을 하기 위한 일정거리로 접근한 후 표면을 y축 방향으로 스캔하는 동안 유체의 고유의 특성으로부터 유발되는 힘을 나타낸다.
상기 시료 표면을 분석하는 동안 캔틸레버에 미치는 힘은 시료 표면에 접근하는 동안 캔틸레버에 미치는 힘의 Fnet _1의 y축 방향의 분할 힘과 y축 방향으로 스캔하는 동안 발생하는 coquette flow (Fc)와 캔틸레버 말단의 팁이 표면을 스캔하는 동안 발생하는 마찰력(Ff)의 합을 나타내는 수식이며, Fnet _ 2으로 표기할 수 있다.
따라서 Fnet _2는 분석 시 캔틸레버에 유체 조건에 따라 추가적으로 발생하는 힘을 의미하며, 이 힘이 커지게 되면 무시할 수 없는 값이 되어, 원자간력 현미경 이미지의 왜곡을 초래하기 때문에 본 발명에서는 이론식을 도출하여 이미지의 왜곡 없는 스캔 속도를 결정함으로써, 고속의 스캔 속도로도 최적의 이미지를 분석하는데 성공하였다. 이는 상기 식에서 각각의 변수를 조절한다면 최적의 조건에서 초고 속의 스캔속도를 유도할 수 있음을 의미한다.
본 발명과정에서 도출한 수식을 구성하는 변수들은 하기 표 1에 정리하였다.
Figure 112009004044735-pat00003
더욱 상세하게는 본 발명에서 상기 표 1의 변수들을 Fnet _2로 표현되는 상기 식에 적용하고, 액상에서 분석할 경우, 민감하게 반응하는 변수로서 캔틸레버 길이(L)와 인가힘 (Fn)을 선정하여, 이의 변화에 따른 최적 스캔 속도의 해 Vy를 계산하였다. 이때에 상기 Vy는 저속 스캔속도의 분석영역과 고속 스캔속도의 분석영역의 두 가지 영역에서 구해진다.
기존에 공지된 바에 의하면 원자간력 현미경을 통하여 이미지의 왜곡이 없이 액상에서 시료를 분석하려면 저속의 스캔속도를 유지하여 분석을 해야만 했지만, 본 발명에서 상기 수식의 도출을 통하여 이미지의 왜곡 없이 최적의 분석 조건이 고속의 스캔속도 Vy를 갖는 분석영역에서도 존재함을 본 발명에서 최초로 도출한 것이다.
이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 액상에서 원자간력 현미경 이미지 분석 시 이미지 왜곡을 최소화 하는 동시에, 분석속도를 획기적으로 단축시킬 수 있는 방법을 제안한 것으로, 원자간력 현미경에 부대장비의 장착 없이 상용 원자간력 현미경에 범용적으로 적용하여 액상 조건 하에서 생물학적, 화학적 시료를 분석함에 용이하게 접근 가능하도록 구현한 것이다.
또한 본 발명의 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 실제의 대상이 되는 시료의 조건에 적용한다면, 다양한 유기용매에서 시료의 분석조건을 미리 파악하고 분석할 수 있어 원자간력 현미경을 이용한 관찰에 있어 시료의 표면 분석 조건을 개선함과 동시해 고속의 스캔속도를 도출하여 적용하기 때문에 분석시간을 기존의 방법보다 획기적으로 단축하게 되는 장점이 있다.
이하 바람직한 실시 예를 들어 도면과 함께 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지, 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
Fnet _2로 표현되는 상기 식에서, 물 (H2O), 에탄올(ethanol), 2-프로판올(2-propanol)의 점도와 밀도가 각기 다른 세 가지 액체에 대하여 액상유체의 특유의 특성에서 유발되는 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 외부의 힘의 총합이 이미지 왜곡을 최소화하는 범위 (±2 nN)에 해당 하는 스캔영역을 확인하였다.
서로 다른 점도와 밀도를 가지는 물 (H2O), 에탄올(ethanol), 2-프로판올(2-propanol) 에 대한 최적의 스캔속도를 구하기 위하여 상기 식에 아래와 같은 변수를 적용하였다.
Figure 112009004044735-pat00004
도 2에서 보는 바와 같이, 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 외부의 힘의 총합이 '0'이 되는 속도해는 저속분석영역과 고속분석영역의 두 군데에서 얻을 수 있으며, 두 속도해의 주변 일정 속도구간에서 이미지의 왜곡을 최소화 하는 영역이 존재함을 확인하였다. 점도가 비교적 낮은 물의 경우에는 대부분의 분석영역에서 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 외부의 힘의 총합이 이미지 왜곡을 최소화하는 범위 (±2 nN)에 해당 하였다. 한편, 점도가 상대적으로 높은 에탄올과 2-프로판올의 경우에는 두 개의 속도해 사이에서 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 외부의 힘의 총합이 이미지 왜곡을 최소화하는 범위 (±2 nN)를 벗어남을 확인하였다.
[실시예 2]
시료표면을 물(수용액)상에서 분석 변수의 조절 없이 분석속도를 10㎛/s에서 200㎛/s까지 증가시켜가면서 원자간력 현미경 이미지 분석을 수행하였다. 도 3은 각기 다른 분석속도에서 얻어진 원자간력 현미경 이미지 이며, 기상 분석에 비해 분석속도를 획기적으로 높혔음에도 불구하고, 이미지의 왜곡이 전혀 발생하지 않았다. 이는 실시예 1에서 수식의 풀이에서 검증한 결과와 일치한다는 것을 알 수 있다.
[실시예 3]
물(수용액)과 비교할 때 점도가 상대적으로 높은 에탄올과 2-프로판올의 경우에 대해, 상기 식의 변수인 캔틸레버 길이(L)와 인가힘 (Fn)의 변화에 따른 저속분석속도와 고속분석속도의 두 개의 최적 속도해의 영역을 확인하였다. 구체적으로 캔틸레버는 상기 표 1에 명시되어 있는 상대적으로 짧은 캔틸레버(tip B, 90㎛) 와 긴 캔틸레버(tip C, 130㎛)를 사용하였고, 캔틸레버에 외부적으로 인가하는 힘은 10 nN에서 160 nN 범위 내에서 계산을 수행하였으며 그 결과는 도 4와 같다.
더욱 구체적으로 도 4의 상단좌측 그래프는 에탄올의 경우이며, 상단우측 그래프는 2-프로판올의 경우이다. 도 4의 하단에 두 개의 캔틸레버에 대한 두 가지 용액 상에서의 인가힘에 따른 최적 분석 속도해에 대해 도시되었다. 두 경우 모두 짧은 캔틸레버를 사용할 경우 캔틸레버에 인가하는 힘이 증가할수록 고속분석 속도해의 값이 일정 크기로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 변수 조절이 없는 분석 시 보다 훨씬 단축된 분석시간에서도 왜곡이 없는 원자간 인력 이미지를 얻을 수 있음을 의미한다.
[실시예 4]
물(수용액)과 비교시 점도가 상대적으로 높은 에탄올과 2-프로판올의 경우에 대해, 상기 실시예 3과 동일한 캔틸레버 길이(L)가 짧은 경우(tip B)와 긴 경우 (tip C) 각각에 대하여, 인가힘 (Fn)의 변화에 따른 최적 속도해를 확인하였으며 그 결과는 도 5와 같다.
도 5의 상단 그래프는 짧은 경우(tip B)로 x축을 logarithmic scale로서 도시하였으며, 상단우측에 나타난 그래프는 최적 고속분석속도 영역을 확대하여 x축을 linear scale로서 도시한 그래프이다. 또한, 하단 그래프는 긴 경우(tip C)로 x축을 logarithmic scale로서 도시하였으며, 하단우측에 나타난 그래프는 최적 고속분석속도 영역을 확대하여 x축을 linear scale로서 도시한 그래프이다.
도 5에서 보는바와 같이, 짧은 캔틸레버를 사용할 경우 캔틸레버에 인가하는 힘이 증가할수록 고속분석 속도해의 증가 폭이 긴 캔틸레버를 사용하였을 때 보다 큼을 이론적으로 확인할 수 있었다.
한편, 물보다 고점도를 갖는 에탄올과 2-프로판올의 경우에 대해, 인가힘의 조절을 하였을 시 계산되는 최적 고속분석 속도해는 거의 유사한 값을 보이는 것으로 확인되었다. 더욱이, 상기 수식에서 구성하는 변수 중에서 인가힘 (Fn)에 대해 매우 민감하게 변화하여 최적분석 속도해에 영향을 주는 것으로 확인되었으며, 이를 바탕으로, 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따른 수식의 계산을 통해 도출된 액상 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 본 발명에서 제안한 것이다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 액상 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법의 모식도이며, 좌측의 일반 분석조건(set point force 인가 조건)에 우측의 추가적으로 캔틸레버에 인가하는 힘을 적용함으로써, 변수 조절을 하지 않은 일반 액상분석조건에서 나타나는 캔틸레버와 시료표면사이에서 발생하는 힘을 보상하는 방법을 통해 달성한 액상 초고속 원자간력 현미경 이미징 방법을 나타낸다. 이는 본 발명의 방법이 물과 같은 저점도 액체뿐만 아니라, 고점도의 액체에도 보편적으로 적용될 수 있음을 의미한다.
[실시예 5]
본 발명에서 제안한 수식의 도출 및 도출된 수식을 구성하는 변수 조절을 통한 원자간력 현미경 최적 분석속도구간을 검증하기 위하여, 상기 표 1의 길이가 긴 켄틸레버(tip C)를 이용하여 강도가 높은 딱딱한(Hard) 시료표면을 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따라 에탄올과 2-프로판올 조건에서 분석하였으며 그 결과는 도 7과 같다.
도 7에서 보는 바와 같이 캔틸레버에 10, 32.55, 70 nN으로 힘을 인가해 가며, 각각의 인가힘에 대해 최대 200㎛/s 속도까지 분석한 원자간력 현미경 이미지이다. 일반 분석조건(set point force 인가 조건)인 tip C에 대한 set point force인 32.55 nN와 더 낮은 힘을 인가하였을 경우(10 nN)에 나타나는 이미지의 왜곡현상은 인가힘을 70 nN으로 증가시켰을 경우 대부분 사라짐을 확인하였다. 도 7의 상단은 에탄올의 경우이고, 하단은 2-프로판올의 경우이다.
[실시예 6]
상기에서 제안된 수식의 도출 및 도출된 수식을 구성하는 변수 조절을 통한 원자간력 현미경 최적 분석속도구간을 검증하기 위하여, 상기 표 1의 길이가 짧은 켄틸레버(tip B)를 이용하여 강도가 높은 딱딱한(Hard) 시료표면을 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따라 에탄올과 2-프로판올 조건에서 분석하였으며 그 결과는 도 8과 같다.
도 8에서 보는 바와 같이 캔틸레버에 10, 38.22, 70, 90 nN으로 힘을 인가해 가며, 각각의 인가힘에 대해 분석속도를 증가하며 얻은 액상 초고속 원자간력 현미경 이미지이다. 일반 분석조건(set point force 인가 조건)인 tip B에 대한 set point force인 38.22 nN와 더 낮은 힘을 인가하였을 경우(10 nN)에 나타나는 이미지의 왜곡현상은 인가힘을 70, 90 nN으로 증가시켰을 경우 대부분 사라짐을 확인하였다. 도 8의 상단은 에탄올의 경우이고, 하단은 2-프로판올의 경우이다.
상기 실시예 5와 실시예 6에서 살펴본 원자간력 현미경 이미지 분석결과에 따르면, 점도가 높은 액상에서 분석할 시에는 일반 분석조건(set point force 인가 조건)이하의 인가힘의 경우 이미지의 경계가 번져서 흐릿해지거나(blurred), 형태 자체의 일그러짐(distortion)의 왜곡현상을 관측할 수 있었다.
하지만, 캔틸레버에 인가하는 힘을 일반 분석조건의 인가힘(set point force) 이상으로 하였을 경우 100㎛/s 이상으로 고속분석을 하였을 경우에도 전혀 이미지가 왜곡되지 않았다. 이는 본 발명에서 제시하는 방법이 기상 조건과는 달리 액상에서의 분석 변수 조절을 통해 수초 안에 왜곡되지 않은 원자간력 현미경 이미지를 얻을 수 있는 방법임을 의미한다. 이를 이용한다면 시료표면에서 일어나는 변화를 실시간으로 이미지화 할 수 있는 장점이 있다. 이때에 인가하는 힘의 변수 조절은 캔틸레버의 탐침이 시료에 접촉하여 실리콘의 변형을 유발하지 않는 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
[실시예 7]
상기 수식의 도출 및 도출된 수식을 구성하는 변수 조절을 통한 원자간력 현미경 분석 속도해의 확인과, 이를 바탕으로 한 실제 이미지 분석 결과를 통한 검증을 더욱 광범위한 적용 가능성을 확인하기 위하여 액상에서 강도가 낮은 부드러운(soft) 시료표면을 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따라 분석하였다. 본 발명에서 제시된 이론적 계산 및 실제 분석 결과에서 유리한 것으로 파악되는 상기 표 1의 짧은 켄틸레버(tip B)를 사용하여 표면에 고정된 박테리아 세포(대장균, e.coli)를 분석하였으며 그 결과는 도 9와 같다.
도 9의 a)는 기상의 일반 분석조건(set point force 인가 조건)에서 10㎛/s의 속도로 분석한 이미지이며, b)는 2-프로판올 액상에서 일반 분석조건인 set point force를 인가하며 20㎛/s와 50㎛/s의 속도로 분석한 이미지이다. 액상의 경우 일반 분석조건(set point force 인가 조건)에서 분석하였을 시, 이미지의 왜곡이 일어남을 확인하였다. 한편, c)에서 보여지듯이, 본 발명에서 제시한 캔틸레버의 인가하는 힘의 조절을 통한 고속분석조건에서는 200㎛/s의 속도에서도 이미지의 왜곡이 일어나지 않았다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 청구 범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명에 관련되는 개방형 액상 원자간력 현미경 이미징 모듈 및 캔틸레버의 유체 내 이동 방향에 대한 모식도와 시료 표면 접근 및 시료 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 힘을 나타내는 수식이다.
도 2는 실시예로서 액상유체의 특유의 특성에서 유발되는 표면 분석동안 캔틸레버에 미치는 외부의 힘의 총합이 이미지 왜곡을 최소화하는 범위 (±2 nN)에 해당 하는 스캔영역이 표시된 그래프이다.
도 3은 실시예로서 시료표면을 물(수용액)상에서 일반 분석조건으로 분석속도를 10㎛/s에서 200㎛/s까지 증가시켜가면서 얻어진 원자간력 현미경 이미지이다.
도 4는 실시예로서 도 1의 수식에서 변수 캔틸레버 길이(L)과 인가힘 (Fn)의 변화에 따른 저속분석속도 와 고속분석속도의 두 개의 최적 속도해를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예로서 특성이 다른 두 가지 액상유체 내에서의 캔틸레버 길이(L)가 긴 경우와 짧은 경우에 인가힘 (Fn)의 변화에 따른 최적 속도해를 나타내는 그래프이다.
도 6은 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따른 수식의 계산을 통해 도출 된 액상 초고속 이미징 방법을 나타내는 모식도이다.
도 7은 실시예로서 액상에서 강도가 높은 딱딱한(hard) 시료표면을 길이가 긴 캔틸레버 에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따라 분석한 원자간력 현미경 이미지이 다.
도 8은 실시예로서 액상에서 강도가 높은 딱딱한(hard) 시료표면을 길이가 짧은 캔틸레버에 인가하는 힘(Fn)의 조절에 따라 분석한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 9는 실시예로서 액상에서 강도가 낮은 부드러운(soft) 시료표면을 캔틸레버에 인가하는 힘 (Fn)의 조절에 따라 분석한 원자간력 현미경 이미지이다.

Claims (4)

  1. 최적의 이미지 측정을 위한 원자간력 현미경용 분석 방법에 있어서,
    측정하고자 하는 시료 표면 분석 동안 캔틸레버에 미치는 힘과 측정하고자 하는 스캔 속도의 관계를 나타내는 하기 수학식에 따라 Fnet_2과 Vy 값을 그래프화 한 다음 Fnet_2이 0±2nN 일 때 상기 식의 해가 되는 Vy의 영역을 스캔 속도로 정하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법.
    [수학식]
    Figure 112009004044735-pat00005
    여기에서, μ는 분석하고자 하는 대상 시료의 점도이고, L은 상기 캔틸레버 길이이며, Fn은 상기 캔틸레버에 인가되는 힘이고, Vy는 y축 방향의 속도이며, H는 상기 캔틸레버와 상기 대상 시료와의 거리이고, Re 레이놀드 상수이며, S는 상기 H의 정규화된 표준 거리이고, At 는 상기 캔틸레버와 상기 대상 시료가 접촉하는 면적이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 속도는 초고속으로 이미지 측정을 위하여 두 가지 영역의 Vy값 중 고속 영역의 값을 정하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분석 시료의 조건이 액상인 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분석 시료의 조건인 액상은 물, 에탄올, 2-프로판올 등과 같이, 점도에 관계없이 스캔 속도를 정할 수 있는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경 분석 방법.
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