KR101101988B1 - 근접 주사 광음향 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

근접 주사 광음향 측정 장치가 개시된다. 개시된 근접 주사 광음향 측정 장치는 피검물질에 광을 조사하는 광원 유닛; 상기 광원 유닛으로부터의 광을 피검 물질에 주사하거나 상기 피검물질을 투과한 광을 수집하는 것으로 상기 피검물질의 근접장 영역에서 동작할 수 있는 광학 탐침을 구비하는 근접장 광학 유닛; 상기 피검물질로부터 광음향 신호를 검출하는 광음향 검출 유닛;을 포함한다.

Description

근접 주사 광음향 측정 장치{Near scanning photoacoustic apparatus}
본 발명은 피검물질에 대한 다양한 물성과 구조를 고분해능으로 관측할 수 있는 근접 주사 광음향 측정 장치에 관한 것이다.
최근, 기술의 고도화, 집적화, 소형화 추세에 따라, 다양한 측정 장치의 높은 민감도와 고분해능은 필수 요건이 되고 있다. 특히, 비접촉, 비파괴 방식의 측정 기술은 더욱 중요해지고 있다.
일 예로, 광학 현미경의 분해능 한계를 극복하기 위한 연구에 관심이 모아지고 있다. 빛으로 물체를 관측하는 광학 현미경은 회절한계현상으로 인해 분해능에 한계가 있는데, 즉, 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 광학적 특성의 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 행할 수 있는 근접장 광학 현미경이 등장하게 되었다.
근접장 광학 현미경에서는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 비슷한 거리에 있는 피검 물질을 조사하도록 하는데, 피검 물질 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는 근접장은 회절을 일으키지 않는 현상을 이용한 것이다.
도 1은 일반적으로 알려진 근접장 광학 현미경(10)의 개략적인 구성을 보인다. 근접장 광학 현미경(10)은 수정진동자(13)에 부착된 광섬유 근접장 광학 탐침(11)을 구비하며, 수정진동자(13)는 피에조 진동자(15)에 부착되고 다시 피에조 트랜스레이터(17)에 부착된 구조를 갖는다. 락인 앰프(18)는 피에조 진동자(15)에 진동 신호를 인가하고, 수정진동자(13)로부터 검출된 신호는 적분 제어기(19)에 의해 피에조 트랜스레이터(17)에 피드백 된다. 이 신호를 이용하여 피에조 트랜스레이터(17)의 이동량을 보정한다. 근접장 광학 탐침(11)이 피검 물질 표면을 주사할 때, 피검 물질(S) 표면의 미소한 변화에 따라 수정 진동자(13)의 검출신호가 변화되고, 이러한 검출신호의 변화를 이용하여 피검 물질 표면의 정밀한 높이 정보를 얻을 수 있다.
비파괴 측정 기술로서, 또한, 광음향 분광학(photoacoustic spectroscopy)을 이용한 측정 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광을 주기적으로 잘라서 시료에 조사하면 시료 내의 전자들은 입사된 광에 의해 들떴다가 다시 바닥상태로 돌아올 때 비방사 전이로 열을 내게 된다. 이렇게 발생된 열로 시료의 부피는 주기적으로 팽창, 수축을 반복하고 시료에서 발생된 열이 주변의 공기층을 가열해 공기층에 주기적인 압력 변화를 만들고 이에 의해 음파가 생성된다. 이를 검출하여 다양한 물성을 분석할 수 있는데, 예를 들어, 물질의 열적 성질, 광학적 성질뿐 아니라, 기하학적인 내부 구조 분석 등이 가능하다. 이러한 광음향 현미경법은 SEM이나 TEM과는 달리 전처리 등이 필요 없는 비파괴적 검사가 가능하다는 장점으로 그 동안 많은 관심을 이끌어 왔다.
본 발명의 실시예들은 광음향 효과를 이용하여 다양한 물성을 보다 높은 분해능으로 관측하는 근접 주사 광음향 측정 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 근접 주사 광음향 측정 장치는 피검물질에 광을 조사하는 광원 유닛; 상기 광원 유닛으로부터의 광을 피검 물질에 주사하거나 상기 피검물질을 투과한 광을 수집하는 것으로 상기 피검물질의 근접장 영역에서 동작할 수 있는 광학 탐침을 구비하는 근접장 광학 유닛; 상기 피검물질로부터 광음향 신호를 검출하는 광음향 검출 유닛;을 포함한다.
상기 광원 유닛은, 제1광원과 상기 제1광원에서 생성된 광을 주기적으로 변조하는 광변조기를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 광변조기는 기계적 초퍼(chopper)로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광원 유닛은 광학 탐침을 통해 상기 피검물질에 광을 조사하는 제1광원유닛; 상기 피검물질에 대하여 상기 광학 탐침의 맞은 편에 배치된 제2광원유닛;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1광원유닛은, 제1광원과 상기 제1광원에서 생성된 광을 주기적으로 변조하는 광변조기를 포함하여 구성될 수 있으며 상기 광변조기는 기계적 초퍼(chopper), 광음향변조기(acoustooptic modulator) 또는 DMD(digital micromirror device) 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제2광원유닛은 제2광원과 상기 제2광원에서의 광을 피검물질에 포커싱하는 대물렌즈를 포함하여 구성될 수 있다.
피검물질에서 반사된 광을 검출하는 제1광검출기 및/또는 피검물질을 통과한 후 상기 광학 탐침을 투과한 광을 검출하는 제2광검출기를 더 포함할 수 있다.
상기 광음향 검출 유닛은, 상기 피검물질로부터의 음파를 전기적 신호로 검출하는 센서; 상기 센서로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭기;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센서로는 마이크로폰(microphone) 또는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)가 채용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 근접 주사 광음향 측정 장치는 광음향 검출 기술을 도입하고 있어, 근접장 광학 탐침을 사용하여 피검물질의 국소 영역에 대해 광음향 신호의 검출이 가능하다. 따라서, 보다 정밀한 물성 분석이 가능하며, 미세 구조에 대한 고해상도의 광음향 영상을 구현하는 것이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성을 위해 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 근접 주사 광음향 측정 장치에 대한 개념적인 블록도이다. 도면을 참조하면, 근접 주사 광음향 측정 장치(100)는 광원 유닛(LS), 근접장 광학 유닛(NFO), 광음향 검출 유닛(PAD)을 포함한다.
광원 유닛(LS)은 피검물질(S)에 조사될 광을 생성 한다. 광원 유닛(LS)은 예를 들어, 한 개 이상의 레이저 광원을 포함할 수 있으며, 기타, 관측하려는 물성, 구조에 적합한 광을 조사하기 위한 광학 요소들을 더 포함할 수 있다.
근접장 광학 유닛(NFO)은 피검물질(S)의 근접장 영역에서 동작하도록 구성된 광학 탐침을 포함한다. 광학 탐침이 피검물질(S)의 근접장 영역에 들어가면, 탐침과 피검물질(S)의 표면 사이에서의 상호작용에 의해 탐침이 진폭 변화가 일어나며, 이에 의해 탐침과 피검물질의 표면 사이의 간격을 알아낼 수 있다. 또한, 광학 탐침은 피검물질(S)에 광을 주사하거나 피검물질(S)로부터의 광을 수집하는데, 즉, 광학 탐침은 피검물질(S)을 통과한 광이나 피검물질(S)에서 반사된 광을 수집하여 이를 투과시키거나 반사시킨다. 이러한 광을 분석하여 피검물질(S)의 광학적 성질을 알아낼 수 있다.
광음향 검출 유닛(PAD)은 피검물질(S)로부터 발생한 음파를 감지하는 센서를 구비하며, 검출된 신호를 분석하여 피검물질(S)의 다양한 물성을 알아낼 수 있다.
근접 주사 광음향 측정 장치(100)는 피검물질(S)로부터의 광을 검출하기 위해 제1광검출기(D1)나 제2광검출기(D2)를 더 포함할 수 있다.
또한, 검출된 신호들의 분석에 필요한 연산을 수행하는 프로세서(P)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(P)는 근접장 광학 유닛(NFO)에서 검출된 신호, 광음향 검출 유닛(PAD)에서 검출된 신호, 제1광검출기(D1), 제2광검출기(D2)에서 검출된 신 호를 이용하여 관측하고자 하는 특성 분석에 필요한 연산을 수행한다. 또한, 피검물질(S)에 대하여 관측하고자 하는 특성 분석에 알맞은 형태로 광을 조사하도록 광원 유닛(LS)의 동작을 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 근접 주사 광음향 측정 장치(200)의 개략적인 구조를 보인다. 근접 주사 광음향 측정 장치(200)는 광원 유닛, 근접장 광학 유닛, 광음향 검출 유닛을 포함한다.
광원 유닛은 피검물질(S)에 조사할 광을 생성하는 제1광원(211)과 제1광원(211)에서 생성된 광을 주기적으로 변조하는 광변조기(213)를 포함한다. 제1광원(211)으로 연속(continuous wave) 또는 펄스(pulse) 형태의 레이저 광을 생성하는 다양한 광원이 사용될 수 있으며, 예를 들어, He-Ne 레이저, Ar 레이저, 또는 He-Cd laser 등이 채용될 수 있다. 광변조기(213)는 제1광원(211)에서 생성된 광을 주기적으로 변조하기 위한 것이다. 피검물질(S)에 광음향 신호를 형성하기 위해 제1광원(211)에서의 광을 주기적으로 변조하는 것이 필요하며, 이를 위하여, 도시된 바와 같은 기계적 초퍼(chopper)가 채용될 수 있다. 이 외에도, 광음향변조기(acoustooptic modulator), DMD(digital micromirror device) 등의 변조기가 채용될 수 있다. 입력광의 변조는 광음향 신호에 직접적인 영향을 미치며 초퍼의 회전속도는 이를 고려하여 적절히 조절된다. 제1광원(211)에서 펄스 형태의 레이저 광을 생성하는 경우 광변조기(213)는 필요하지 않을 수도 있다. 광변조기(213)와 광섬유(233) 사이의 광경로에는 광이 광섬유(233)에 입사할 수 있는 형태로 정형하는 콜리메이팅 렌즈(215)가 더 마련될 수 있다.
근접장 광학 유닛은 피검물질(S)에 광을 주사하거나 피검물질(S)로부터의 광을 수집하는 광학 탐침(231)을 구비한다. 광학 탐침(231)은 예를 들어, 광섬유(233)에 열을 가하여 가늘게 늘리거나 또는 화학 약품으로 식각하여 한쪽 단부를 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 갖도록 하고, 금속막 증착 및 개구 형성의 과정으로 만들어질 수 있다. 광학 탐침(231)은 피검물질(S)의 근접장 영역에서 동작되도록 구성된다. 광학 탐침(231)은 피에조 진동자(237)에 부착된 수정진동자(235)에 부착되고 피에조 진동자(237)는 피에조 트랜스레이터(239)에 부착되어 있다. 수정진동자(235)의 진동 신호를 검출하는 락인 앰프(lock-in amplifier)(241)와 피에조 트랜스레이터(239)에 피드백 신호를 제공하는 적분 제어기(243)가 마련된다. 피에조 진동자(237)를 이용하여 일정한 주파수로 수정진동자(235)를 진동시키면, 광학 탐침(231)과 피검 물질(S)간의 거리 변화에 따라 수정진동자(235)로부터 검출되는 신호가 변화된다. 이 신호를 검출하여 탐침(231)과 피검 물질(S) 사이의 거리를 조절한다. 검출된 신호는 락인 앰프(241)와 적분 제어기(243)를 통하여 피드백 신호로서 피에조 트랜스레이터(239)에 제공되고, 이 신호를 이용하여 피에조 트랜스레이터(239)의 이동량을 보정한다.
광음향 검출 유닛은 광음향 신호를 검출하는 센서와 센서로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭기를 포함한다. 광음향 신호를 검출하는 센서로는 피검물질로부터의 음파를 전기적 신호로 검출하는 마이크로폰(251)이 채용될 수 있다. 광변조기에 의해 주기적으로 변조된 광이 피검물질(S)에 조사되면 피검물질(S)내의 전자들은 입사된 광에 의해 들떴다가 다시 바닥상태로 돌아올 때 비방사 전이로 열을 내게 된다. 이렇게 발생된 열로 피검물질(S)의 부피는 주기적으로 팽창, 수축을 반복하고, 이에서 발생된 열이 마이크로폰(251) 쪽의 피검물질(S)과 맞닿은 공기층을 가열해 주기적인 압력 변화를 만들며, 이에 의해 음파가 생성된다. 생성된 음파를 감지하기 위한 구조로서, 피검물질(S)의 일부 영역이 측정셀(259)의 공기층에 접하도록 마련될 수 있으며, 마이크로폰(251)은 측정셀(259)내에 형성된 음파를 감지하도록 마련된다. 마이크로폰(251), 측정셀(259), 피검물질(S)의 배치 형태는 도시된 구조에 한정되지 않으며, 광음향 신호를 검출하기에 적절한 다양한 형태로 변경될 수 있다. 광음향 신호를 검출하는 센서로는 마이크로폰(251) 외에, 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer) 등이 채용될 수 있다. 마이크로폰(251)에서 검출된 신호는 프리앰프(253)를 거치며 증폭되고 락인앰프(257)를 거치며 노이즈가 제거된다.
근접장 광학 유닛이나 광음향 검출 유닛에서의 신호는 예를 들어 컴퓨터(PC, 270)로 전송되어 상기 신호의 분석에 필요한 연산이 수행되고 그 결과가 디스플레이 될 수 있다.
이러한 구조의 근접 주사 광음향 측정 장치(200)에 의해 피검물질(S)에 대한 다양한 물성이나 구조를 관측할 수 있다.
예를 들어, 일반적인 근접장 광학 현미경으로서 동작하며, 피검물질(S)의 표면 상태를 고해상도로 관측하는 것이 가능하다. 즉, 광학 탐침(231)이 피검물질(S) 표면을 주사할 때, 피검물질(S) 표면의 미소한 변화에 따라 수정 진동자(235)의 검출 신호가 변화되고, 이러한 검출 신호의 변화를 이용하여 피검물질(S) 표면의 정 밀한 높이 정보를 얻을 수 있다. 광학 탐침(231)을 피검물질(S)로부터 수 내지 수십 나노미터 범위까지 근접시킨 뒤 피검물질(S) 표면에 대해 광을 주사하면서 각 주사 포인트에서의 반사된 광신호를 측정하고 이들 광신호를 종합하여 전체 영상을 얻는다.
또한, 광음향 신호를 검출하여 피검물질(S)의 내부 구조에 대한 기하학적 정보를 얻을 수 있다. 피검물질(S)의 내부 구조에 따라 광이 조사된 지점에서의 흡수, 반사 특성이 다르며 이에 의해 광음향 신호도 달라진다. 검출된 광음향 신호와 광음향 신호를 생성하기 위해 입사된 광의 파장이나 변조 주파수 특성으로부터 내부 구조의 분석이 가능하다. 예를 들어, 반도체 물질의 결함 유무나 또는 불순물의 존재 등을 알아낼 수 있다. 이 때, 근접장 영역에서 동작하는 광학 탐침(231)을 통해 피검물질(S)을 주사하므로 국소 영역에 대한 광음향 신호의 검출이 가능하며, 미세 구조를 고해상도의 영상으로 관측할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 근접 주사 광음향 측정 장치(300)의 개략적인 구조를 보인다. 본 실시예는 피검물질(S)을 통과한 광을 광학 탐침(231)을 통해 수집, 분석하여 광학적 특성을 알아낼 수 있도록, 광학 탐침(231)의 맞은 편에서 피검물질(S)을 통과하는 광을 조사하는 제2광원유닛을 추가한 점에서 도 3의 실시예와 주된 차이가 있다. 차이점을 중심으로 설명하며, 설명되지 않은 구성요소에 대한 것은 동일한 참조번호에 대한 도 3의 설명에 의한다.
근접 주사 광음향 측정 장치(300)는 광원 유닛, 근접장 광학 유닛, 광음향 검출 유닛을 포함한다.
광원 유닛은 광학 탐침(231)을 통해 피검물질(S)에 광을 조사하는 제1광원유닛과 피검물질(S)에 대하여 광학 탐침(231)의 맞은 편에 배치된 제2광원유닛을 포함한다. 제1광원유닛은 제1광원(211)과 광변조기(213)를 포함하며, 도 3의 실시예서 설명한 것과 동일하다. 제2광원유닛은 제2광원(311)과 제2광원(311)에서의 광을 피검물질(S)에 집속하는 대물렌즈(315)를 포함한다. 제2광원(311)으로 레이저 광을 생성하는 다양한 광원으로, He-Ne 레이저, Ar 레이저, 또는 He-Cd laser 등이 채용될 수 있다.
제2광원(311)과 대물렌즈(315) 사이에는 제2광원(311)에서의 광을 분기하는 빔스플리터(313)가 더 마련될 수 있다. 제2광원(311)에서의 광은 대물렌즈(315)에 의해 피검물질(S)에 포커싱된다. 광의 일부는 피검물질(S)을 통과하고 일부는 피검물질(S)에서 반사되는데, 피검물질(S)로부터 반사된 광을 검출하기 위해 제1광검출기(317)가 마련된다. 제1광검출기(317)에서 검출된 신호로부터 피검물질(S)의 광학적 특성을 알아낼 수 있는데, 예를 들어, 피검물질(S)로부터 반사된 광과 광학탐침(231)에서 반사된 광의 간섭광량을 검출하여 피검물질(S)의 굴절률을 알아낼 수 있다.
제1광원(211)에서의 광이 진행하는 광경로에는 빔스프리터(217)가 더 마련될 수 있다. 빔스프리터(217)은 피검물질(S)을 통과하고 광학 탐침(231)을 투과한 광을 분기하여 제2광검출기(219)에서 검출되도록 마련된다. 제2광검출기(219)에서 검출된 신호로부터 피검물질(S)의 흡수율과 같은 광학적 특성을 알아낼 수 있다.
광음향 센서(PA 센서, 252)는 제2광원(311)에서의 광이 피검물질(S)에 포커 싱되는 광경로와 겹치지 않는 위치에 마련되며, 예를 들어, 측정셀(259)의 측부에 마련될 수 있다. PA 센서(252)로는 마이크로폰 또는 압전 트랜스듀서가 채용될 수 있으며, PA센서(252), 측정셀(259), 피검물질(S)의 배치 형태는 광음향 신호를 검출하기에 적절한 다양한 형태로 적용될 수 있다
이러한 구조의 근접 주사 광음향 측정 장치(300)는 사용자로부터 컴퓨터에 입력되는 제어 신호에 따라 제1광원(211) 또는 제2광원(311)이 작동하도록 제어되며 피검물질(S)의 표면 구조나 광학적 특성을 관측하는 일반적인 근접장 광학 현미경으로 사용될 수도 있고, 또는 근접장 주사광에 의한 광음향 효과를 분석함으로써 피검물질(S)의 내부 구조를 고해상도 영상으로 관측하도록 사용될 수 있다.
이러한 본원 발명인 근접 주사 광음향 측정 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 근접장 주사 광학 현미경의 개략적인 구조를 보인다.
도 2는 본 발명의 근접 주사 광음향 측정 장치에 대한 개념적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 근접 주사 광음향 측정 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 근접 주사 광음향 측정 장치의 개략적인 구조를 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
211,311...제1,제2광원 213...광변조기
215...콜리메이팅 렌즈 217,313...빔스프리터
219...제2광검출기 231...광학 탐침
233...광섬유 235...수정진동자
237...피에조 진동자 239...피에조 트랜스레이터
251...마이크로폰 252...PA 센서
315...대물렌즈 317...제1광검출기

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 피검물질에 광을 조사하는 광원 유닛;
    상기 광원 유닛으로부터의 광을 피검 물질에 주사하거나 상기 피검물질을 투과한 광을 수집하는 것으로 상기 피검물질의 근접장 영역에서 동작할 수 있는 광학 탐침을 구비하는 근접장 광학 유닛;
    상기 피검물질로부터 광음향 신호를 검출하는 광음향 검출 유닛;을 포함하며,
    상기 광원 유닛은,
    상기 광학 탐침을 통해 상기 피검물질에 광을 조사하는 제1광원유닛;
    상기 피검물질에 대하여 상기 광학 탐침의 맞은 편에 배치된 제2광원유닛;을 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1광원유닛은,
    제1광원;
    상기 제1광원에서 생성된 광을 주기적으로 변조하는 광변조기;를 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광변조기는 기계적 초퍼(chopper), 광음향변조기(acoustooptic modulator) 또는 DMD(digital micromirror device) 중 어느 하나를 포함하여 구성되는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2광원유닛은
    제2광원;
    상기 제2광원에서의 광을 피검물질에 포커싱하는 대물렌즈;를 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2광원에서의 광이 피검물질에서 반사된 광량을 검출하는 제1광검출기를 더 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2광원에서의 광이 피검물질을 통과한 후 상기 광학 탐침을 투과한 광량을 검출하는 제2광검출기를 더 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광음향 검출 유닛은,
    상기 피검물질로부터의 음파를 전기적 신호로 검출하는 센서;
    상기 센서로부터 검출된 신호를 증폭하는 증폭기;를 포함하는 근접 주사 광음향 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서는 마이크로폰(microphone) 또는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)로 구성되는 근접 주사 광음향 측정 장치.
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