KR101038360B1 - 원자간력 현미경용 ｚ축 스캐너 - Google Patents

원자간력 현미경용 ｚ축 스캐너 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내측에 수용공간이 마련된 바디, 바디의 수용공간에 설치되며, 외측부가 바디의 내측에서 일정간격 이격되게 설치되도록 Z축선상과 직각이 되는 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링홀이 형성된 Z축 가이드, Z축 가이드의 축선방향에 수직하게 바디 외부에 설치되며, 수평방향으로 하중힘을 발생시키는 압전소자, 바디에 회동가능하게 설치되어, 압전소자로부터 수평방향의 하중힘을 전달받으면 회전하면서, 하중힘의 작용방향을 변환시켜 Z축 가이드로 전달하는 하중방향변환부, Z축 가이드의 축선방향에 연직되게 연결 설치되며, 하 단부에는 시편을 측정하는 탐침이 마련된 캔틸레버를 구비하여, 하중방향변환부에 의해 상하방향으로 움직이는 Z축 가이드의 하중힘을 전달받아 대응되게 상하방향으로 동작되면서 시편을 측정하는 연결대를 포함하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너를 제공한다.

Description

원자간력 현미경용 Ｚ축 스캐너{Z―scanner for an Atomic Force Microscope}
본 발명은 원자간력 현미경용 Z축 스캐너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탐침을 상하방향으로 이동시키면서 극미세 구조의 시편 형상정보를 측정하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너에 관한 것이다.
일반적으로, 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)은, 미세 레버 끝에 위치한 미세팁이 측정하고자 하는 시편의 표면과 작용하여 레버의 휘어짐에 의해 나노미터 이하의 수직분해능과 수평분해능을 가지고 시편의 표면형상을 3차원으로 측정한다.
이러한, 원자간력 현미경은 시편의 표면과 탐침과의 아주 작은힘을 측정하여 피드백해 줌으로서 상기 시편의 높이 정보를 얻게 된다. 이에, 시편의 표면형상 정보를 얻기 위해서는 측정하고자 하는 시편을 고정함과 동시에, 미소표면의 측정이 가능하도록 시편이나 탐침을 정밀하게 이동시켜 측정위치에 정확히 위치되도록 하는 것이 무엇보다 중요하고, 이에 시편을 측정가능케 하기 위한 이동수단으로서 통상 초정밀 위치결정기구를 사용하게되는 것으로, 이와 같은 초정밀 위치결정기구는 X, Y, Z의 3축을 이루며 3차원적인 이동관계로서 시편의 표면을 측정하게 된다. 이때 3차원 이동관계를 갖는 상기 3축은 각자의 움직임에 대하여 상호 간섭이 없이 독립적이어야 하는 것이며, 탐침이 시편의 표면에 무리한 힘을 가하지 않도록 하기 위하여 빠른 응답속도를 요구하게 된다.
이러한, 원자간력 현미경 장치는 대한민국등록특허 제646441호 및 대한민국등록특허 제280870호에 제시되고 있다.
그러나, 선출원된 종래의 원자간력 현미경 장치에서 Z축 스캐너는 주사를 하기 위해 대물렌즈가 시편을 관찰해야 하기 때문에 대물렌즈의 작업반경(Working distance)를 고려해 간섭을 피하기 위해 시편과 스캐너 사이에 일정거리를 가지도록 설계하는데, 탐침이나 시편을 상하방향으로 이동시킴에 있어서, 구동수단을 스캐너 내부에 설치하여 스캐너 자체의 크기가 커지게 되는 문제점이 있다. 즉, 스캐너와 캔틸레버를 연결해주는 연결부분의 길이가 길어지기 때문에 무게가 늘어나고 강성이 떨어지면서, 스캐너의 공진주파수가 낮아지고 주사속도도 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명은, 시편 형상정보를 측정함에 있어 공진주파수를 높아지게하면서 주사속도는 빠르게 하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 내측에 수용공간이 마련된 바디와, 상기 바디의 수용공간에 설치되며, 외측부가 상기 바디의 내측에서 일정간격 이격되게 설치되도록 Z축선상과 직각이 되는 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링홀이 형성된 Z축 가이드와, 상기 Z축 가이드의 축선방향에 수직하게 상기 바디 외부에 설치되며, 수평방향으로 하중힘을 발생시키는 압전소자와, 상기 바디에 회동가능하게 설치되어, 상기 압전소자로부터 수평방향의 하중힘을 전달받으면 회전하면서, 상기 하중힘의 작용방향을 변환시켜 상기 Z축 가이드로 전달하는 하중방향변환부와, 상기 Z축 가이드의 축선방향에 연직되게 연결 설치되며, 하 단부에는 시편을 측정하는 탐침이 마련된 캔틸레버를 구비하여, 상기 하중방향변환부에 의해 상하방향으로 움직이는 상기 Z축 가이드의 하중힘을 전달받아 대응되게 상하방향으로 동작되면서 상기 시편을 측정하는 연결대를 포함하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너를 제공한다.
이때, 상기 하중방향변환부는, 상기 바디에 회동 가능하게 힌지 결합되는 회동부재와, 상기 압전소자의 일 단부를 상기 회동부재에 회동 가능하게 결합시키는 제1운동핀 및, 상기 Z축 가이드의 상 단부를 상기 회동부재에 회동 가능하게 결합시키는 제2운동핀을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 압전소자에 의해 수평방향 으로 하중힘이 발생되면, 상기 제1운동핀에 의해 상기 회동부재는 반시계방향으로 회동하게 되며, 회동되는 상기 회동부재의 회전력이 상기 제2운동핀을 통해 상기 Z축 가이드 방향으로 전달되면서, 상기 Z축 가이드가 Z축선상에 연직되게 움직일 수 있다.
본 발명에 따른 원자간력 현미경용 Z축 스캐너는, 하중힘을 발생시키는 압전소자를 Z축 가이드에 수직한 상태, 즉 바디 외부에 수평상태로 설치한 후, 하중방향변환부에 의해 하중힘의 작용방향을 변환시켜 Z축 가이드로 전달되게 한다. 따라서, 전체 크키가 작아지게 되면서 원자간력 현미경의 대물렌즈와 작업반경과의 간섭을 최소화할 수 있게 됨으로써, 원자간력 현미경용 Z축 스캐너와 시편 사이를 더욱 인접하게 할 수 있어 주사 속도를 높일 수 있음과 더불어 주사 오차를 최소화할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 원자간력 현미경용 Z축 스캐너의 사시도이며, 도 2는 도 1의 정면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너는, 바디(100), Z축 가이드(200), 압전소자(300), 하중방향변환부(400), 연결대(500)를 구비한다.
상기 바디(100)는 이후 설명될 Z축 가이드(200), 압전소자(300), 하중방향변 환부(400), 연결대(500)를 연결 설치한 상태로 원자간력 현미경(도면미도시)에 설치할 수 있게 한다. 이러한, 상기 바디(100)의 내측에는 상기 Z축 가이드(200)를 삽입 설치할 수 있도록 수용공간(110)이 마련된다.
상기 Z축 가이드(200)는 상기 바디(100)의 수용공간(110)에 일체 상태로 삽입 설치된다. 이러한, 상기 Z축 가이드(200)는 직사각 형상을 가지면서, 지면에 대해 수직되게 설치된다. 따라서, 상기 Z축 가이드(200)는 이후 설명될 상기 압전소자(300)의 하중힘에 의해 상하방향, 즉 Z축선상을 따라 움직이게 된다. 여기서, 상기 Z축 가이드(200)는 외측부가 상기 바디(100)의 내측에서 일정간격 이격되게 설치되도록 Z축 선상과 직각이 되는 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링홀(210)이 형성한다. 즉, 상기 Z축 가이드(200)는 양 측단부가 상기 바디(100) 내측부에 고정된 판스프링 형태로 일체 삽입 설치되게 하여, 상기 Z축 가이드(200)가 Z축선상의 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 구조적으로 상쇄시키게 된다.
상기 압전소자(300)는 수평방향의 하중힘을 발생시킨다. 즉, 상기 압전소자(300)는 상기 Z축 가이드(200)의 축선방향에 대해 수직상태로 배치되도록 상기 바디(100)의 외부에 설치되어, 작동명령을 받으면 수평 이동을 하면서 하중힘을 발생시킨다. 여기서, 상기 압전소자(300)는 하중 모멘트와 인장력에 의해 쉽게 파손될 수 있으므로 상기 Z축 가이드(200)에 직접 접하도록 설치되지 않고, 이후 설명될 상기 하중방향변환부(400)를 거쳐 하중힘을 상기 Z축 가이드(200)로 전달하게 된다. 이같이, 상기 압전소자(300)가 상기 Z축 가이드(200)의 축선상에 직선되게 배치되지 않고 수직상태, 즉 수평으로 배치되어, 일실시예에 따른 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너의 전체 크키가 작아지게 된다. 따라서, 상기 원자간력 현미경의 대물렌즈(도면미도시)와 작업반경과의 간섭을 최소화할 수 있게 됨으로써, 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너와 시편 사이를 더욱 인접하게 할 수 있어 주사 속도를 높일 수 있음과 더불어 주사 오차를 최소화할 수 있게 된다.
상기 하중방향변환부(400)는 상기 압전소자(300)에서 발생된 수평 방향의 하중힘을 상기 Z축 가이드(200)로 전달한다. 즉, 상기 하중방향변환부(400)는 상기 압전소자(300)로부터 수평방향의 하중힘을 전달받게 되며, 이렇게, 전달받은 수평방향의 하중힘을 수직방향으로 변환할 수 있도록 상기 Z축 가이드(200)로 전달하게 된다. 이러한, 상기 하중방향변환부(400)는 상기 바디(100)의 상 단부에 회동가능하게 설치되며, 일 측부는 상기 압전소자(300)와 연결되며, 타 측부는 상기 Z축 가이드(200)에 연결된다. 여기서, 상기 하중방향변환부(400)는 회동부재(410), 제1운동핀(420), 제2운동핀(430)을 포함한다.
상기 회동부재(410)는 상기 바디(100)의 상 단부에 회동가능하게 힌지 결합되는 연결부이다. 이러한, 상기 회동부재(410)는 상기 압전소자(300)로부터 수평 방향의 하중힘을 받으면 회전하면서, 그 힘을 상기 Z축 가이드(200)로 전달하게 된다.
상기 제1운동핀(420) 및 상기 제2운동핀(430)은 상기 압전소자(300)에 의한 수평 방향의 하중힘이 상기 회동부재(410)로 안정적으로 전달되면서, 회동을 용이하게 하는 연결핀이다. 여기서, 상기 제1운동핀(420)은 상기 압전소자(300)의 일 단부를 상기 회동부재(410)의 일측면부에 회동 가능하게 연결 결합시킨다. 따라서, 상기 제1운동핀(420)에 의해 상기 압전소자(300)와 상기 회동부재(410)가 회동가능하게 연결 결합되어, 이후 상기 압전소자(300)의 수평 방향 하중힘이 발생할 경우, 상기 회동부재(410)가 용이하게 회동할 수 있어 안정적인 상기 하중힘의 전달이 가능하게 된다. 더불어, 상기 제2운동핀(430)은 상기 Z축 가이드(200)의 상 단부를 상기 회동부재(410)의 하부면에 회동가능하게 연결 결합시킨다. 따라서, 상기 제2운동핀(430)에 의해 상기 회동부재(410)와 상기 Z축 가이드(200)가 회동가능하게 연결 결합되어, 이후, 상기 압전소자(300)의 수평 방향 하중힘을 받아 상기 회동부재(410)의 회전운동할 경우, 상기 회동부재(410)가 용이하게 회동할 수 있어 상기 회전에 의한 하중힘을 안정적으로 상기 Z축 가이드(200)로 전달할 수 있게 된다.
도 3을 참조하면, 상기 압전소자(300)가 작동명령을 받아 작동하게 되면, 상기 Z축 가이드(200)의 축선상에 대한 수직방향, 즉 수평방향인 "F1"방향으로 하중힘이 발생한다. 그러면, 상기 제1운동핀(420)에 의해 상기 회동부재(410)는 반시계방향인 "C" 방향으로 회동하게 된다. 이렇게, 회전하는 상기 회동부재(410)의 회전력은 상기 제2운동핀(430)을 통해 상기 Z축 가이드(200)의 축선상에 기울어진 대각방향인 "F2"방향으로 하중힘을 전달하게 된다. 이후, 상기 Z축 가이드(200)로 "F2"방향으로 하중힘이 전달되면, 상기 Z축 가이드(200)의 이중복합선형 스프링홀(210)에 의해 상기 Z축 가이드(200)가 Z축선상의 직선운동방향과는 다른 운동이 발생하는 것을 구조적으로 상쇄시키면서 Z축선상으로 상하운동이 발생하게 된다.
상기 연결대(500)는 상기 Z축 가이드(200)의 축선방향에 연직되게 연결 설치되는 연결부이다. 이러한, 상기 연결대(500)는 상기 Z축 가이드(200)의 상하운동이 발생시 대응되게 움직이게 된다. 여기서, 상기 연결대(500)의 하 단부에는 상기 시편을 측정하는 탐침(520)이 마련된 캔틸레버(510)를 구비한다. 따라서, 상기 연결대(500)는 상기 하중방향변환부(400)에 의해 상기 압전소자(300)의 하중힘이 전달되면서 움직이는 상기 Z축 가이드(200)의 동작에 대응되게 Z축선상으로 연직되는 상하방향 운동을 하면서 상기 시편을 측정하게 된다.
이와 같이 구성되는 일실시예에 따른 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너의 작동을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 측정하고자 하는 시편을 고정상태로 위치시킨 후, 상기 압전소자(300)에 작동명령을 입력한다. 그러면, 상기 압전소자(300)는 수평방향으로 하중힘을 발생시킨다.
이렇게, 상기 압전소자(300)로부터 발생되는 수평방향의 하중힘은 상기 하중방향변환부(400)의 제1운동핀(420)을 통해 회동부재(410)로 전달된다. 그러면, 상기 회동부재(410)는 회동되면서 발생되는 회전력을 상기 제2운동핀(430)을 통해 상기 Z축 가이드(200)로 전달한다.
상기 Z축 가이드(200)로 상기 회동부재(410)의 회전력에 의해 전달되는 하중힘은, 상기 이중복합선형 스프링홀(210)에 의해 Z축선에 연직된 방향으로만 작용하면서 상기 Z축 가이드(200)를 Z축선에 연직되게 상하방향으로 왕복이동하게 한다.
상기 Z축 가이드(200)가 Z축선에 연직되게 상하방향으로 왕복이동하면, 이에 대응되게 상기 연결대(500)도 Z축선에 연직되게 상하방향으로 왕복이동하게 되면서, 상기 캔틸레버(510)에 마련된 상기 탐침(520)이 상기 시편의 형상정보를 측정하게 된다.
이와 같이, 일실시예의 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너는, 하중힘을 발생시키는 상기 압전소자(300)를 상기 Z축 가이드(200)에 수직한 상태, 즉 상기 바디(100) 외부에 수평상태로 설치한 상태에서, 상기 하중방향변환부(400)에 의해 상기 하중힘의 작용방향을 변환시켜 상기 Z축 가이드(200)로 전달되게 한다. 따라서, 전체 크키가 작아지게 되면서 상기 원자간력 현미경의 대물렌즈(도면미도시)와 작업반경과의 간섭을 최소화할 수 있게 됨으로써, 상기 원자간력 현미경용 Z축 스캐너와 시편 사이를 더욱 인접하게 할 수 있어 주사 속도를 높일 수 있음과 더불어 주사 오차를 최소화할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자간력 현미경용 Z축 스캐너의 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자간력 현미경용 Z축 스캐너의 작동시 하중힘 상태 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100: 바디 200: Z축 가이드
210: 이중복합선형 스프링홀 300: 압전소자
400: 하중방향변환부 410: 회동부재
420: 제1운동핀 430: 제2운동핀
500: 연결대

Claims (3)

  1. 내측에 수용공간이 마련된 바디와;
    상기 바디의 수용공간에 설치되며, 외측부가 상기 바디의 내측에서 일정간격 이격되게 설치되도록 Z축선상과 직각이 되는 절개된 홈과 같은 형상의 이중복합선형 스프링홀이 형성된 Z축 가이드와;
    상기 Z축 가이드의 축선방향에 수직하게 상기 바디 외부에 설치되며, 수평방향으로 하중힘을 발생시키는 압전소자와;
    상기 바디에 회동가능하게 설치되어, 상기 압전소자로부터 수평방향의 하중힘을 전달받으면 회전하면서, 상기 하중힘의 작용방향을 변환시켜 상기 Z축 가이드로 전달하는 하중방향변환부와;
    상기 Z축 가이드의 축선방향에 연직되게 연결 설치되며, 하 단부에는 시편을 측정하는 탐침이 마련된 캔틸레버를 구비하여, 상기 하중방향변환부에 의해 상하방향으로 움직이는 상기 Z축 가이드의 하중힘을 전달받아 대응되게 상하방향으로 동작되면서 상기 시편을 측정하는 연결대를 포함하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중방향변환부는, 상기 바디에 회동 가능하게 힌지 결합되는 회동부재와,
    상기 압전소자의 일 단부를 상기 회동부재에 회동 가능하게 결합시키는 제1 운동핀 및,
    상기 Z축 가이드의 상 단부를 상기 회동부재에 회동 가능하게 결합시키는 제2운동핀을 포함하는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 압전소자에 의해 수평방향으로 하중힘이 발생되면, 상기 제1운동핀에 의해 상기 회동부재는 반시계방향으로 회동하게 되며, 회동되는 상기 회동부재의 회전력이 상기 제2운동핀을 통해 상기 Z축 가이드 방향으로 전달되면서, 상기 Z축 가이드가 Z축선상에 연직되게 움직이는 원자간력 현미경용 Z축 스캐너.
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KR100646441B1 (ko) 2002-02-15 2006-11-14 피에스아이에이 주식회사 주사 탐침 현미경

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