KR101007816B1 - 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체는, 원자력현미경의 스테이지에 장착되는 고정대(110), 고정대(110)의 길이방향에 대해 직각방향으로 고정대(110)의 한쪽에 배치된 진동대(120), 진동대(120)와 이격되게 고정대(110)의 한쪽에 형성된 보조대(130) 및 진동대(120)와 보조대(130)의 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 진동대(120)를 진동시키는 진동수단(140)을 포함한다.

원자력 현미경, AFM, 캔틸레버, 탐침, 진폭, 진동, 실시간

Description

원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체 {Mount of Cantilever for Atomic Force Microscope}

본 발명은 원자력 현미경에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 원자력 현미경의 주요 구성 중에서 캔틸레버(Cantilever)가 장착되는 고정체에 관한 것이다.

현미경의 기술발달과 더불어 주사탐침 현미경이 개발되어 원자 단위 또는 분자 단위의 나노미터(㎚) 또는 마이크로미터(㎛)를 관측할 수 있게 되었다.

상술한 주사탐침 현미경에는 주사 터널링 현미경(Scanning tunneling microscope: STM), 원자력 현미경(atomic force microscopy: AFM), 근접장 주사 광학 현미경(near field scanning optical microscope: NSOM), 자기력 현미경(magnetic force microscope: MFM) 등 여러 가지 방식이 있고, 이중에서 본 발명은 원자력 현미경(Atomic Force Microscope: 이하 'AFM'이라 한다)에 관련이 있다.

상술한 AFM은 기본적인 연구용 장비로서 나노 단위의 측정 또는 관찰을 위해 사용되기도 하지만, 나노 단위에서의 생산을 위한 공정 장비에 이르기 까지 다양한 분야에서 사용되고 있다.

상술한 AFM은 견본의 상호작용 지도를 획득하기 위해서 견본 표면에 대한 나노미터(nanometric) 탐침의 기계적인 스캔 이론을 기반으로 한다.

이와 같은 경우에 상호 작용력은 시료와 캔틸레버(cantilever) 스프링에 부착된 날카로운 탐침 말단과의 단순한 분자 상호작용이고, 탐침 말단이 견본에 가까워질 때, 상술한 캔틸레버는 상호 작용력에 반응하여 구부려진다.

이미지는 탐침에 대한 견본에 주사 및 측면 위치의 기능으로서 캔틸레버의 굴절 측정에 의해서 수집되고, 광학 지레 기술은 보통 이러한 굽힘을 측정하기 위해서 사용된다.

캔틸레버는 작은 이동에 대해서 후크의 법칙을 따르기 때문에 말단과 견본 사이의 상호 작용력은 추정될 수 있고, AFM은 보통 두 가지 형태 중 하나로 작동된다.

일정 힘 모드(mode)에서는 피드백은 위치 압전 구동기가 측정되는 상호 작용력의 변화에 반응하여 견본(또는 탐침)을 상하로 움직일 수 있게 하고 이러한 방법으로, 상호 작용력은 비교적 지속적으로 보유되며 견본의 알맞고 신뢰할 수 있는 지형적 이미지가 획득될 수 있다.

첨부도면 도 1은 알려진 AFM의 구조를 개념적으로 나타낸 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, AFM은 캔틸레버(cantilever: 12)라고 불리는 작은 막대(100㎛ ×10㎛ × 1㎛) 끝에 피라미드 형상의 뾰족한 팁(10)이 형성되어 있고, 이들은 마이크로머시닝으로 만들어진다.

또한, 상술한 캔틸레버(12)는 튜닝 포크(tuning fork: 4)의 한쪽에 부착되 고, 튜닝 포트(4)는 스테이지(20)에 장착된다.

또한, 저속 축 스캐너(6)의 상측에 테이블(8)이 고정 배치되고, 그 테이블(8)에 시료(14)가 고정된다.

상술한 팁(10)을 시료(14)의 표면에 근접시키면 팁(10)과 시료(14)의 표면의 원자들 사이에는 상호 작용력(척력 또는 인력)이 발생한다.

이러한 작용력은 주로 반 데르 발스 힘 (Van Der Waals Force)이고, 그 크기는 나노 뉴턴(nano newton) 이하 정도이며, 작용력에 의해 캔틸레버(12)는 휘어지거나, 공명진동수에 변화가 있고, 이러한 캔틸레버의 휘어짐과 공명진동수의 변화를 측정하여 샘플의 기하학적 형태를 결정할 수 있다.

한편, 캔틸레버(12)의 휘어짐과 공명진동수의 변화는 레이저 광원(16)과 포토다이오드(photodiode: 18)를 이용하여 측정한다.

이때, 측정을 지속적으로 표면에 대해 유지하기 위해 되먹임(feedback) 제어를 이용하고, 따라서 캔틸레버(12)가 달린 스테이지(20)는 측정시료와 팁 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 캔틸레버(12)의 휘는 정도를 계속해서 측정하게 된다.

이렇게 얻어진 결과를 분석하면 시료(14)의 표면 정보를 얻을 수 있으며, 그 표면 정보는 디스플레이 장치(30)에 이미지 형태의 영상으로 표현된다.

상술한 튜닝 포크(4)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 길고 나란한 두 개의 가지를 가지는 모양으로 이루어져 있고, 튜닝 포크(4)는 와이어(4a)에 매달리는 형태로 장착될 수 있으며, 상술한 어느 한쪽 가지의 전방에 캔틸레버(12)가 부착될 수 있다.

상술한 튜닝 포크(4)는 상용화되어 있고, 이러한 튜닝 포크(4)의 크기는 길이가 3mm 내지 5mm이고 폭과 두께는 0.5mm 내지 1mm 정도이며, 이러한 튜팅 포크(4)는 그 크기가 무척 작아 캔틸레버(12)가 포함된 Si Chip(실리콘 칩)을 부착할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 캔틸레버(12)를 Si chip에서 잘라내어 튜닝 포크(4)에 부착하는 것은 매우 예민한 작업이고 임의로 부착한 후에도 정상적인 기능을 기대하기 어려워 성공률이 무척 낮은 문제점이 있으며, 캔틸레버(12)의 소모를 동반하는 문제점이 있다.

또한, 튜닝 포크(4)는 높은 진동 품질계수(Q값)를 갖는 공진기(resonator)이므로 외부의 힘 또는 진동에 무척 민감하기 때문에 안정성을 요구하는 스캐너(scanner)로 활용되기에 부적합한 문제가 있고, 특히 시료의 거칠기 정도에 따라 다른 진폭을 갖기 때문에 해결될 수 없는 문제점을 갖고 있다.

좀 더 부연설명을 하면, 튜닝 포크(4)가 스캐너의 역할을 하기 위해서는 어떠한 외부의 자극이나 다양한 시료의 상태(시료의 거칠기(roughness), 점성, 마찰력 등)에 대해서 항상 일정한 공진 주파수, 위상차, 진폭 등을 유지해야 하지만, 상술한 튜닝 포크(4)는 Q=10⁴ 이상의 높은 공진 현상을 보이기 때문에 외부의 자극 또는 시료에 거칠기에 의해서 그 진폭과 공진 주파수, 위상차가 바뀌는 특성이 있어 스캐너로서 역할을 기대하기 어려운 문제가 있다.

즉, 종래의 튜닝 포크(4)는 진동 품질계수(Q값)가 높아서 이미지 측정 중에 외부의 자극 또는 시료와의 상효작용에 따a라 매순간 진폭이 바뀔 수 있기 때문에 일정한 크기의 진폭으로 진동해야 하는 스캐너로서는 부적합한 것이다.

상술한 진동 품질계수(Q값)를 특정 하는 수학식은 다음과 같다.

또한, 상술한 Q값은 여자(勵磁: excitation) 힘의 크기에 비례한다.

또한, 튜닝 포크(4)의 진동수가 32㎑로 고정되어 있어 실시간 AFM으로 사용하기에는 불필요할 정도로 주파수가 높은 문제점이 있고, 그 만큼 시료에 무리한 힘을 가하게 되는 문제점이 있으며, 이를 좀 더 상세하게 설명하면, 32㎑의 진동수는 튜닝 포크(4)의 단부가 종방향으로 진동하는 것이고 빠른 속도로 진동하기 때문에 시료에 가해지는 힘이 커지는 것이고 특히 진동수가 높으면 힘(가속력)의 세기가 커지기 때문이다.

다른 한편으로 튜닝 포크(4)의 기하학적인 모양을 볼 때, 진동하는 방향의 크기를 두께(t)라고 하면 두께가 폭보다 두꺼워서 두께 방향의 고유진동 이외에 폭 방향으로 잡음모드(spurious mode)를 가질 수 있고, 외부 자극에 따른 폭 방향의 기계적 변형도 나탈 수 있어 높은 분해능의 AFM 동작이 어려운 문제점이 있다.

특히, 상술한 튜닝 포크(4)와 같은 진동자는 진동방향의 용수철 상수보다 진동하지 않는 방향의 용수철 상수가 낮으면 진동하지 않는 방향으로 쉽게 변형되기 때문에 종래의 튜닝 포크(4)는 불안정하여 상술한 바와 같은 높은 분해능의 AFM 동작이 어려운 문제점이 있다.

또한, 종래의 튜닝 포크(4)는 도 2에 나타낸 바와 같이 가느다란 전선인 와이어(4a)로 연결되어 있기 때문에 외부의 자극에 무척 취약한 문제점이 있고, 의도하지 않는 방향의 잡음이 혼합될 수 있어 정교한 화상을 얻지 못하는 문제점이 있다.

다른 한편으로 종래의 튜닝 포크(4)는 주파수를 특정한 주파수가 요구되고 , 예컨대 특정주파수는 32,768㎐일 수 있으며, 이러한 특정 주파수로 고정시키기 위해서는 튜닝 포크(4)의 두께와 폭이 결정되고, 특히 상술한 바와 같은 특정한 주파수를 갖기 위해서는 두께(t)가 폭(w)보다 크게 설계되어야 하는 제약이 따른다.

또 다른 한편으로 종래의 튜닝 포크(4)는 수평상태로 유지하도록 정확하게 부착하기가 다소 어렵고 이로 인하여 야기되는 이미지 경사보정이 필요 하는 등의 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시료와 탐침간의 상호작용을 더욱 빠르게 안정적으로 이루어지도록 하여 빠르게 정보를 수집할 수 있도록 하여 더욱 향상된 고품질의 화상을 구현할 수 있도록 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체는, 원자력현미경의 스테이지에 장착되는 고정대; 상기 고정대의 길이방향에 대해 직각방향으로 고정대의 한쪽에 배치된 진동대; 상기 진동대와 이격되게 상기 고정대의 한쪽에 형성된 보조대; 및 상기 진동대와 상기 보조대의 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 상기 진동대를 진동시키는 진동수단;을 포함한다.

또한, 상기 진동대는, 상기 진동대의 단면이 진동하는 방향의 두께(t)가 진동하지 않는 방향의 폭(w)보다 작은 것일 수 있다.

또한. 상기 두께(t)와 폭(w)의 비율은 두께(t)가 1일 때 폭(w)이 1.1 내지 4인 것일 수 있다.

또한, 상기 진동수단은, 상기 진동수단의해서 발생하는 진동대의 진동 품질계수(Q값)가 10 내지 1000인 것일 수 있다.

또한. 상기 진동수단은, 상기 진동대의 자유단 쪽보다 고정단 쪽에 가깝게 배치되는 것일 수 있다.

또한, 상기 진동대의 전체길이(L0)에서 상기 진동수단이 배치되는 위치는, 상기 진동대의 고정단에서 진동수단까지의 거리(L1)와 상기 진동대의 자유단에서 상기 진동수단까지의 거리(L2)의 비율이 1 대 2 내지 6인 것일 수 있다.

또한. 상기 진동대의 자유단에 실리콘 칩이 탈부착 되는 것일 수 있다.

또한, 상기 실리콘 칩은 캔틸레버(cantilever)가 부착된 것일 수 있다.

또한, 상기 실리콘 칩은 크기가 길이는 3mm 내지 5mm이고, 폭은 1.3mm 내지 1.7mm일 수 있다.

또한, 상기 고정체는 상기 실리콘 칩보다 질량이 50배 이상 현저하게 무거운 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체는 캔틸레버가 장착되는 진동대의 자유단이 소정의 진폭으로 안정적으로 진동하면서 시료와 탐침간의 상호작용이 이루어지도록 하는 것으로 단위시간당 더 넓은 범위를 주사(scan)할 수 있어 더욱 신속하고 고품질의 영상을 구현할 수 있다.

또한, 단위 시간당 구현되는 영상 프레임의 개수를 늘릴 수 있어 실시간으로 영상을 구현할 수 있어 지속적으로 변화하거나 움직이는 시료(생물학 또는 의학, 약학 분야의 피사체)를 관찰할 수 있게 된다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고 종래의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체에 대해서 설명한다.

첨부도면 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 고정체가 적용된 원자력 현미경의 일례를 설명하기 위한 예시도면이고, 첨부도면 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체를 설명하기 위한 예시도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버의 고정체(100)는 원자력 현미경의 탐침영역에 배치되고 더욱 상세하게는 도 1에 나타낸 스테이지(20)와 같은 구성요소에 고정체(100)가 장착될 수 있다.

상술한 고정체(100)의 구성은 첨부도면 도 4 및 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 고정체(100)는 원자력현미경의 스테이지에 장착되는 고정대(110), 상술한 고정대(110)의 길이방향에 대해 직각방향으로 고정대(110)의 한쪽에 배치된 진동대(120), 상술한 진동대(120)와 이격되게 상술한 고정대(110)의 한쪽에 형성된 보조대(130) 및 상술한 진동대(120)와 상술한 보조대(130)의 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 상술한 진동대(120)를 진동시키는 진동수단(140)을 포함한다.

상술한 고정대(110) 또는 상술한 보조대(130)에는 체결용 구멍 또는 암나사가 형성될 수 있고, 이러한 체결용 구멍 또는 암나사는 원자력 현미경의 스테이지(20)에 체결되어 고정될 수 있다.

상술한 진동대(120)는 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 진동대(120)의 단면이 진동하는 방향의 두께(t)가 진동하지 않는 방향의 폭(w)보다 작은 것일 수 있다.

또한, 상술한 두께(t)와 폭(w)의 비율은 두께(t)가 1일 때 폭(w)이 1.1 내지 4인 것일 수 있고, 이때 두께(t)보다 폭(w)이 1.1배 이상 두꺼우면 진동대(120)가 좌우 방향(진동대가 진동하는 방향)으로 효과적으로 진동될 수 있으며, 두께(t)보다 폭(w)이 4배 이내일 때에 진동대(120)의 폭(w)을 확보할 수 있어 실리콘 칩(Si chip: 150) 등을 쉽게 부착할 수 있게 된다.

상술한 진동대(120)는 일례로서 폭(w) 4mm, 두께(t) 2mm로 제작될 수 있고 이러한 사이즈로 제작되었을 때에는 두께 방향의 용수철 상수는 폭방향의 용수철 상수보다 64배 작아지게 된다.

상술한 바와 같이, 진동방향의 폭(w)을 얇게 구성함으로써 진동하지 않는 방향의 두께(t)쪽으로 유입될 수 있는 잡음모드(spurious mode)를 억제할 수 있고, 또한 외부 자극에 따른 폭 방향의 기계적 변형이 나타나지 않아 높은 분해능의 AFM 동작이 가능하게 된다.

다른 한편으로 본 발명의 일실시예에 따른 진동대(120)는 특정한 주파수로 한정될 필요가 없기 때문에 종래에서처럼 특정한 크기로 제약받는 폐단이 없어 진동대(120)의 사이즈를 다양화 할 수 있게 된다.

상술한 진동수단(140)은 상술한 진동대(120)의 자유단 쪽보다 고정단 쪽에 가깝게 배치되는 것일 수 있고, 이때 진동수단(140)에서 발생시키는 진동은 진동대(120)에 전해져 진동대(120)가 진동하며, 진동대(120)의 자유단은 진동대(120)에서 진동수단(140)이 위치하는 거리에 비례하여 진폭이 확대될 수 있다.

좀 더 상세하게는, 상술한 진동대(120)의 전체길이(L0)에서 상기 진동수 단(140)이 배치되는 위치는 상술한 진동대(120)의 고정단에서 진동수단(140)까지의 거리(L1)와 상기 진동대(120)의 자유단에서 진동수단(140)까지의 거리(L2)의 비율이 1 대 2 내지 6인 것일 수 있다.

즉, 진동수단(140)의 위치는 진동대(120)의 거리비율은 자유단과 고정단 사이의 거리 비율로 정의할 수 있는 것으로, 자유단 쪽의 거리(L2)가 고정단 쪽의 거리(L1)보다 2배 이상일 때에 진동대(120)의 자유단이 진동하는 진폭을 효과적으로 증폭시킬 수 있고 자유단 쪽의 거리가 고정단 쪽의 거리보다 6배 이하일 때에 진동수단(140)의 진동력에 의해 진동대(120)가 안정적으로 진동될 수 있다.

또한, 상술한 진동대(120)의 전체길이(L0)는 일례로서 5mm 내지 15mm 일 수 있고 이에 한정하는 것은 아니며 원자력 현미경의 스펙에 따라 좀 더 작거나 커질 수 있다.

또한, 상술한 진동수단(140)은, 진동수단(140)의해서 발생하는 진동대의 진동 품질계수(Q값)가 10 내지 1000일 수 있고, 이로써 외부 자극이나 시료와의 상호작용에 의해서 진폭이 크게 바뀌는 것을 방지할 수 있다.

상술한 진동 품질계수(Q값)는 10보다 클 때 절절한 진폭을 가질 수 있고, 진동 품질계수(Q값)가 1000보다 작을 때에 외부 자극에 대한 반응이 민감하지 않고 안정적인 진폭을 가질 수 있다.

또한, 진동판의 공명현상을 이용하면 고유진동수(1㎑ 내지 10㎑)로 진동시킬 수 있고 이 현상을 이용하여 실시간 조사가 가능한 원자력 현미경의 스캐 너(scanner)로 사용될 수 있다.

다른 한편으로, 상술한 진동대(120)의 자유단에 실리콘 칩(150)이 탈부착 될 수 있고, 실리콘 팁(150)을 진동대(120)의 자유단에 부착할 때에는 일반적인 접착수단을 이용할 수 있으며, 접착수단의 일례로서는 시중에서 판매되는 순간접착제, 접착제, 고체형태의 문구용 풀, 에폭시 등일 수 있다.

또한, 상술한 실리콘 칩(150)은 캔틸레버(cantilever)가 부착된 것일 수 있고, 이러한 캔틸레버(12)는 탐침(11)이 형성된 상용제품일 수도 있다.

즉, 크기가 무척 작은 캔틸레버(12)는 전문가에 의해 실리콘 칩(150)에 부착된 상태로 제공될 수 있고, 이러한 실리콘 칩(150)을 본 발명의 일실시예에 따른 고정체(100)에 부착하여 사용될 수 있는 것이다.

상술한 실리콘 칩(150)은 크기가 길이가 3mm 내지 5mm이고, 폭은 1.3mm 내지 1.7mm일 수 있고, 길이와 폭이 각각 3mm, 1.3mm 이상이고 5mm, 1.7mm 이하이면 작업자의 취급이 편리할 수 있고, 상술한 실리콘 칩(150)에 캔틸레버(12)를 쉽게 부착할 수 있게 된다.

또한, 상술한 고정체(100)는 상술한 실리콘 칩(150)보다 질량이 현저하게 무겁게 제작될 수 있고, 특히 고정체(100)의 무게가 실리콘 칩(150)보다 현저하게 무거우면 실리콘 칩의 유무에 따른 진동 품질계수(Q값)의 변화가 거의 미미하여 사용상의 불편함이 없이 사용이 가능하다.

일례로 상술한 고정체(100)는 상술한 실리콘 칩(150)보다 질량이 50배 이상일 수 있고 이때 50이라는 값으로 한정지을 필요는 없으며 일반적인 AFM이 오차를 감안할 때에 50이상이면 무방하므로 상한선은 의미가 없어 한정지을 필요가 없다.

또한, 고정체(100)가 횡방향으로 진동하는 주파수 범위에 따라 주사속도를 높이거나 또는 이미지 질을 향상시킬 수 있고, 이때 진폭은 1㎛ 내지 2㎛ 내외일 수 있다.

또한, 상술한 고정체(100)는 탄성이 높은 금속재질일 수 있고 일례로써 황동 또는 BeCu 등이 있을 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 고정체(100)는 원자력 현미경에 장착되어 사용된다.

즉, 도 3에 나타낸 바와 같이 시료에 접근하여 시료와 탐침간의 상호작용에 의해 시료의 표면 형상으로 탐색할 수 있고 이러한 탐색은 디스플레이 장치(300)에 이미지 영상으로 표현될 수 있다.

특히 고정체(100)는 캔틸레버(12)가 부착된 고정대(110)가 진동수단(140)에 의해 진동함으로써 소정의 진폭을 가진 상태에서 주사(scan)이 이루어지는 것으로 단위 시간당 더 넓은 면적을 주사할 수 있고, 이로써 실시간으로 주사가 가능하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 고정체(100)가 장착된 원자력 현미경의 작용을 조금 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

진동수단(140)이 일례로서 길이 5mm 두께 0.2mm 일 때에 20Vpp 진동에서 진동수단(140)의 길이는 1.5㎚ 정도 늘어날 수 있고, 전원의 인가가 제거되면 원래 길이로 줄어드며 이와 같이 길이가 늘어나고 줄어드는 것을 반복하면서 진동이 발생하게 되는 것이다.

이후 진동대(120)는 지렛대의 원리로서 진동대(120)의 자유단 쪽은 진폭이 10배 또는 그 이상으로 증폭되어 15㎚ 정도의 진폭으로 진동하게 된다.

진동대의 공명 현상으로 인하여 그 진동의 크기가 재차 증폭되고 진동판의 진동 품질계수(Q값)가 100정도일 때에 진폭은 100배 증폭되어 1.5㎛로 진동하게 된다.

또한, 황동과 같은 탄성이 높은 물질로 고정체(100)를 제작함으로써 기계적으로 안정된 구조를 갖추어 외부 자극에 둔감하게 되어 장시간 사용하더라도 안정성이 높게 된다.

또한 상술한 진동대(120)의 주파수를 계산하면 다음 수학식 2 및 수학식 3에 나타낸 바와 같다.

여기서, E: Young's modulus E=103 GPa,

density = 8 g/cc for brass.

예를 들어,

대략적인 진동 주파수(f)는 다음 과 같다.

따라서 진동 주파수(f)는 대략 5㎑의 고유 진동수를 갖는다.

SiN 캔틸레버를 이용하여 캔틸레버의 반응속도를 향상시키는데, 이는 캔틸레버의 가속 운동 움직임은 가해준 힘에 비례하고 캔틸레버의 질량에 반비례하기 때문이고, 캔틸레버가 시료와 탐침 사이의 작은 힘(수십 나노 뉴튼:nN)에 빠르게 반응하기 위해서는 캔틸레버의 질량이 작아야 한다.

따라서 종래에 사용되는 Si 캔틸레버(두께 수 ㎛)를 사용하지 않고, SiN 캔틸레버(두께 수백 ㎚)를 사용하는 것이고 이때 질량은 1/10으로 작아질 수 있으므로 그 가속 반응속도는 10배가 향상되는 것이다.

첨부도면 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 고정체(100)가 장착된 원자력 현미경용을 이용하여 구현된 영상의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 나타낸 이미지 영상은 본 발명의 일실시예에 따른 고정체(100)를 원자력 현미경을 이용하여 영상을 얻은 것으로써 코발트(Co) 박막의 순간이미지이며 면적은 1㎛ × 1㎛이고, 촬영속도는 1/50초이다.

일반적으로 종래의 원자력 현미경의 경우 이미지 한 프레임을 얻는 데에는 3 내지 4분 정도의 시간이 소요된다.

그러나 본 발명의 일실시예 따른 고정체(100)를 이용할 경우 초당 50프레임 을 얻을 수 있고, 이로써 초당 50프레임을 연속적으로 표시함으로써 동영상을 구현할 수 있는 것이어서 실시간으로 이미지를 구현할 수 있는 것이다.

즉 본 발명의 일실시예 따른 고정체(100)를 이용하여 이미지를 구현할 때에는 종래의 튜닝 포크(4)를 이용하여 이미지를 구현하는 것에 비교하여 수십 배 이상 빠른 이미지 구현이 가능함은 물론 실시간이미지 구현이 가능한 것이다.

따라서 본 발명이 일실시예에 따른 고정체(100)를 이용한 원자력 현미경은 나노미터 또는 마이크로미터 단위를 실시간으로 관찰할 수 있으므로 과학분야, 일반 산업분야, 나아가 바이오(생물학, 의학, 약학)분야 등에서 필요한 데이터를 얻는데 사용될 수 있는 것이다.

또한, 고정대(110)는 진동하는 부분과 수직으로 제작되므로 종래의 기술에서는 튜닝 포크(4)를 수평으로 정확하게 부착하지 못하였을 때에 야기되는 이미지 경사보정이 필요하지만 본 발명의 일실시예에서는 고정대(110)를 수평상태가 유지되도록 쉽고 정교하게 장착할 수 있어 더욱 정교한 이미지 영상을 얻을 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 고정체는 원자력 현미경에 이용할 수 있고 특히 시료를 실시간으로 관찰할 수 있고 이로써 과학분야, 산업분야, 바이오(생물학, 의학. 약학) 분야 등에 필요한 데이터를 얻을 수 있어 광범위의 산업분야에서 이용될 수 있다.

도 1은 일반적인 원자현미경을 설명하기 위한 예시도면이다.

도 2는 종래의 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체를 설명하기 위한 예시도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 고정체가 적용된 원자력 현미경의 일례를 설명하기 위한 예시도면이다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체를 설명하기 위한 예시도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버의 고정체가 장착된 원자력 현미경용을 이용하여 구현된 영상의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

4: 튜닝 포크 4a: 와이어

6: 저속 축 스캐너 8: 테이블

10: 탐침 12: 캔틸레버

14: 시료 16: 레이저 광원

18: 포토다이오드(photodiode) 20: 스테이지

30: 디스플레이 장치

100: 고정체 110: 고정대

120: 진동대 130: 보조대

140: 진동수단 150: 실리콘 칩(Si Chip)

Claims (10)

1. 원자력현미경의 스테이지에 장착되는 고정대(110);

   상기 고정대(110)의 길이방향에 대해 직각방향으로 고정대(110)의 한쪽에 배치된 진동대(120);

   상기 진동대(120)와 이격되게 상기 고정대(110)의 한쪽에 형성된 보조대(130); 및

   상기 진동대(120)와 상기 보조대(130)의 사이에 배치되어 전류의 인가에 따라 상기 진동대(120)를 진동시키는 진동수단(140);

   을 포함하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 진동대(120)는,

   상기 진동대(120)의 단면이 진동하는 방향의 두께(t)가 진동하지 않는 방향의 폭(w)보다 작은 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 두께(t)와 폭(w)의 비율은 두께(t)가 1일 때 폭(w)이 1.1 내지 4인 것 을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 진동수단(140)은, 상기 진동수단(140)의해서 발생하는 진동대의 진동 품질계수(Q값)가 10 내지 1000인 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 진동수단(140)은, 상기 진동대(120)의 자유단 쪽보다 고정단 쪽에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 진동대(120)의 전체길이(L0)에서 상기 진동수단(140)이 배치되는 위치는,

   상기 진동대(120)의 고정단에서 진동수단(140)까지의 거리(L1)와 상기 진동대(120)의 자유단에서 상기 진동수단(140)까지의 거리(L2)의 비율이 1 대 2 내지 6인 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
7. 제 1항 내지 제 6항 중에 어느 한 항에 있어서,

   상기 진동대(120)의 자유단에 실리콘 칩(150)이 탈부착 되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 실리콘 칩(150)은 캔틸레버(cantilever)가 부착된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 실리콘 칩(150)은 크기가 길이가 3mm 내지 5mm이고, 폭은 1.3mm 내지 1.7mm인 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버의 고정체.
10. 삭제

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