KR101269229B1 - 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법 및 장치 - Google Patents

나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 입자간의 거리가 변화하면, 색깔도 함께 변화하는 현상을 이용하여 물질의 변형률을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 나노 입자간의 거리가 변화하면 색깔도 함께 변화하는 현상을 이용하여 물질의 변형률을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있다.

Description

나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR STRAIN MEASUREMENT USING OPTICAL PROPERTIES OF NANO MATERIALS}
본 발명은 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 입자간의 거리가 변화하면, 색깔도 함께 변화하는 현상을 이용하여 물질의 변형률을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
21세기에 들어서면서 나노 기술, 나노 과학, 나노 공정, 은 나노 세탁기와 같이 ‘나노’라는 단어는 이제 과학뿐만 아니라 산업분야, 그리고 실생활에서도 쉽게 접할 수 있는 단어가 되었다. 나노는 10억분의 1이라는 정확한 정의를 갖고 있다. 이에 반해, 나노 기술, 나노 과학에 대해서는 분야 마다 조금씩 다른 정의를 갖고 있는데, 먼저, 우리나라의 경우 나노기술개발촉진법 2조 1항에서 나노기술이란 “물질을 나노미터 크기의 범주에서 조작 분석하고 이를 제어함으로써 개선된 물리적 화학적 생물학적 특성을 나타내는 소재, 소자 또는 시스템을 만들어 내는 과학기술”이라고 정의한다. 본 발명의 분야인 기계 측정분야에서도 위의 정의에 동의하며, 다른 분야에서도 간단히는“나노미터 크기의 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술”이라고 정의하기도 한다.
이러한 나노 기술의 장점은 작은 크기와 작은 에너지를 통해 고효율을 낼 수 있다는 점이다. 또한 공정 중에 버려지는 부산물질이 적으며, 재료의 낭비를 막아 환경오염을 줄일 수 있다는 장점도 갖고 있다.
그러나 나노물질의 기계적 거동 평가는 어려운 점이 많다. 가장 큰 어려움은 나노물질이 작다는 것이다. 전통적인 기계적 거동 평가 시험법은 인장을 가하고, 스트레인 게이지로 변형률을 측정하는데, 시험기의 크기가 측정하는 시편의 크기와 비슷한 단위의 크기를 갖고 있다. 당연히 전통적인 평가 방법을 이용하게 되면, 나노 제품들은 크기가 작기 때문에, 물성 평가를 위한 시험기의 크기도 함께 작아져야 한다. 그렇지만 전통적인 평가 방법에서 사용한 시험기, 특히 변형률을 측정하는 스트레인 게이지를 나노물질에 맞게 축소하는 것은 현재 기술로 불가능할 뿐만 아니라 효율면에서도 적절하지 못한 단점이 있어왔다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 나노 입자간의 거리가 변화하면 색깔도 함께 변화하는 현상을 이용하여 물질의 변형률을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른, 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법은, (a) 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 인장력을 가하여, 상기 폴리머 박막 및 상기 단층막에 특정 변형률로 변형을 발생시키는 단계; (b) 상기 폴리머 박막 및 나노 입자에 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장하는 단계; (c) 다수의 변형률에 대하여 상기 단계(a) 및 (b)를 반복하는 단계; 및 (d) 상기 산출된 광발광 스펙트럼 데이터로부터, 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터를 도출하는 단계를 포함하고, 상기 단계(a) 이전에, (a01) 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 인장력을 가하여, 그 폴리머 박막에 상기 단계(a)의 변형률로 변형을 발생시키는 단계; (a02) 상기 단계(a01)의 폴리머 박막에 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장하는 단계; 및 (a03) 상기 단계(c)의 각 변형률에 대하여 상기 단계(a01) 및 (a02)를 반복하는 단계를 더 포함하고, 상기 단계(c)와 (d) 사이에, (c1) 상기 단계(b) 및 (c)에서 산출된 각 변형률에 대한 스펙트럼 데이터에서, 상기 단계(a02) 및 (a03)에서 산출된 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출하는 단계를 더 포함한다.
상기 나노 입자 단층막은, 유기용매에 나노 입자를 섞어 물 위에 띄움으로써 생성할 수 있다.
상기 나노 입자 단층막은, 부탄올 용액과 물 사이의 층에 나노 입자를 띄움으로써 생성할 수 있다.
상기 나노 입자 단층막은, 고체 판 위에 물, 나노 입자 및 유기 용매를 떨어뜨린 후, 물과 유기 용매를 증발시킴으로써 생성할 수 있다.
상기 단계(b)에서의 빛 에너지의 입사는, 레이저에 의해 이루어질 수 있다.
상기 광발광 스펙트럼 데이터는, 방출되는 빛의 각 파장에 대한 그 빛의 세기(intensity) 값으로 구성될 수 있다.
상기 변형율 측정용 데이터는, 각 변형률에 대한, 상기 광발광 스펙트럼 데이터 상에서 최대 세기(intensity)를 나타내는 파장의 값으로서 구성될 수 있다.
상기 단계(d) 이후, (e) 상기 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에, 변형율을 측정하려는 시편을 부착하고, 상기 시편에 변형을 가하는 단계; (f) 상기 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화 데이터를 추출하는 단계; 및 (g) 상기 단계(f)의 색깔 변화 데이터를 상기 단계(d)에서 도출된 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악하고, 이로부터 상기 단계(e)에서 발생한 상기 시편의 변형율을 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치는, 폴리머 시편에 레이저를 조사(radiate)하는 레이저 발생기; 폴리머 시편에서 산란된 빛을 분광시키는 분광기; 분광된 빛으로부터 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼 데이터를 산출하여 저장하는 PL 스펙트럼 분석부; 각 변형율에 대하여 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터를 산출하는 변형률 측정데이터 산출부; 및 상기 각 구성요소를 제어하여 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정과 관련한 일련의 처리를 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 PL 스펙트럼 분석부는, 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 대한, 각 변형률에 따른 스펙트럼 데이터에서, 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 대한, 각각의 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출하는 기능을 더 포함한다.
상기 광발광 스펙트럼 데이터는, 방출되는 빛의 각 파장에 대한 그 빛의 세기(intensity) 값으로 구성될 수 있다.
상기 변형율 측정용 데이터는, 각 변형률에 대한, 상기 광발광 스펙트럼 데이터 상에서 최대 세기(intensity)를 나타내는 파장의 값으로서 구성될 수 있다.
상기 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치는, 시편에 부착되어 있어 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화를 나타내는 데이터를 추출하고, 이러한 색깔 변화 데이터를, 상기 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악함으로써 상기 시편의 변형율을 파악하는 변형율 측정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 나노 입자간의 거리가 변화하면 색깔도 함께 변화하는 현상을 이용하여 물질의 변형률을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 금속판에서의 플라스몬 진동을 나타내는 모식도.
도 2는 전기장 내의 나노 입자를 도시한 도면.
도 3은 전기 쌍극자를 나타내는 도면.
도 4는 타원형 나노 입자의 개략도.
도 5는 나노 입자 쌍의 거리에 따른 변화를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른, 나노 입자를 이용한 변형률 측정용 데이터를 구하는 방법을 구현하는 순서도.
도 7은 본 발명에 따른, 나노 입자를 이용하여 시편의 변형율을 구하는 방법을 구현하는 순서도.
도 8은 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 방법의 일 실시예를 나타내는 도면.
도 9는 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 방법의 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 10은 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 또 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 11은 띠 형태의 폴리머 시편의 기하학적 형상을 나타내는 도면.
도 12는 일정한 연신율 하에서 폴리머 시편의 응력, 변형율에 대한 FEM 결과를 나타내는 도면.
도 13은 시편을 변형시키기 위한 인장기를 나타내는 도면.
도 14는 광발광(photoluminescence, PL)을 측정하기 위한 장비를 나타내는 도면.
도 15는 인장 전, 후의 시편 표면의 확대 사진.
도 16은 나노 입자만의 광발광 스펙트럼을 산출하는 과정을 나타내는 도면.
도 17은 변형율을 변화시켜 가면서 산출한 광발광 스펙트럼을 도시한 도면.
도 18은 노이즈가 있는 그래프를 가우시안 근사로 표현하는 예시 도면.
도 19는 변형율과 피크 파장(peak wavelength)의 그래프를 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 금속판에서의 플라스몬 진동을 나타내는 모식도이다.
광학적 특성을 서술할 때 사용되는 상수가 있다. 복소 굴절율 (complex refractiveindex)과 복소 유전 함수(complex dielectric function)이다. 이중 복소 유전 함수는 다음과 같은 식으로 주어진다.
Figure 112011042185635-pat00001
여기서 도체의 경우에 해당하는 모델을 드루데 모델이라 하는데, 그 유전 함수는 다음과 같음이 알려져 있다.
Figure 112011042185635-pat00002
Figure 112011042185635-pat00003
,
Figure 112011042185635-pat00004

한편, 플라스마는 양과 음전하의 밀도가 같고, 적어도 한 종류의 전하가 자유롭게 움직일 수 있는 매질을 말하는데, 고체에서는 전도전자의 음전하가 같은 농도를 가지는 이온핵심의 양전하와 균형을 이루고 있다. 금속에서 양전하는 고정이 되어 있고 자유전자는 자유롭게 움직일 수 있는데, 자유전자가 집단적으로 진동하게 되면 플라스몬이 나타난다.
도 1의 위 도면(110)과 같이 얇은 금속 판이 있을 때, 양 전하들은 움직이지 않고 고정되어 있다. 이 양전하의 밀도를 N이라 하면, 금속에서는 양전하와 음전하가 균형을 이루고 있음으로 전자의 밀도도 N으로 동일하다. 두번째 도면(120)은 이 금속 판에서 양전하와 음전하가 균형을 이루고 있는 상태를 나타낸다. 이 때 금속박막에 전자를 통과시키거나 전자나 광자를 반사시키는 등, 외부의 자극으로 전자가 조금 움직이게 되면, 세번째 도면(130)과 같은 변화가 일어난다. 즉, 음전하가 이동하여 이룬 상부층(131), 이에 따라 양전하 만 남겨진 하부층(133) 및, 여전히 양전하와 음전하가 평형을 이루고 있는 중간층(132)이 나타난다. 이러한 상태에서는 아래 도면(140)과 같이 전기장을 형성하게 된다. 전자 기체의 변위를 u(134), 밀도를 n이라 하면, 전기장은
Figure 112011042185635-pat00005
가 된다. 이 전기장은 복원력으로 작용한다.
이때의 운동방정식은
Figure 112011042185635-pat00006
또는
Figure 112011042185635-pat00007
이 된다. 위 식은 진동수가 ω p , 즉, 플라스마 진동수인 조화진동의 운동방정식과 같다. 플라스마 진동수는 도체의 자유전자가 세로방향으로 집단적으로 들뜬 상태에서 나타나며, 금속의 광학적 특성을 결정짓는다. 플라스마 진동수보다 작은 진동수에 대해서는 투과를 하며 그보다 큰 진동수는 반사하게 된다. 많은 금속들이 가시광 영역의 플라스마 진동수를 갖고 있어서 반짝거리는 특성을 갖고 있다. 이러한 플라스마 진동을 유사 입자로 나타낸 것이 플라스몬이다. 반사되거나 투과되는 전자는 플라스몬 에너지의 배수만큼 에너지를 잃게 된다. 위에서 유도한 식에서 나타난 플라스마 진동은 플라스마가 구속되어 있지 않은 상태로 가정하였으므로 벌크 플라스몬에 해당하며, 표면 플라스몬은 플라스몬이 금속의 표면에서 발생하여 표면을 따라 진동하게 된다.
또한 우리가 주로 사용하는 가시광영역과 자외선 영역의 경우,
Figure 112011042185635-pat00008
가 ω p 보다 매우 작다. 따라서 유전 함수는 다음과 같이 근사된다.
Figure 112011042185635-pat00009

도 2는 전기장 내의 나노 입자를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 통하여 나노 사이즈의 금속 입자들의 광학적 특성과 크기의 관계를 설명한다. 먼저 도 2는 균일한 정전기장에 구형 나노 입자가 있는 경우이다. 전기장의 방향을 z 방향이라 하면
Figure 112011042185635-pat00010
라 할 수 있고, 나노 입자에 의해 전기장은 왜곡된다. 나노 입자 내부의 전기장을 E1, 외부의 전기장을 E2라 하고 각각 스칼라 포텐셜
Figure 112011042185635-pat00011
을 갖는다.
Figure 112011042185635-pat00012
스칼라 포텐셜은 라플라스 방정식을 만족시키므로,
Figure 112011042185635-pat00013
이고, 경계조건은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00014
Figure 112011042185635-pat00015
또한 입자에서 멀리 떨어진 곳의 전기장은 E0 이므로, 다음 식을 만족해야 한다.
Figure 112011042185635-pat00016
위 조건들을 만족하는 포텐셜은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00017
Figure 112011042185635-pat00018

이하에서는 원점에서 거리 d만큼 떨어져있고 전하 q, -q를 갖는 쌍극자의 경우를 설명한다.
도 3은 전기 쌍극자를 나타내는 도면이다.
쌍극자모멘트는 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00019
포텐셜은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00020
코사인법칙으로 r+와 r-는 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00021
d가 매우 작다고 하면, 다음과 같이 근사할 수 있다
Figure 112011042185635-pat00022
Figure 112011042185635-pat00023
포텐셜은 외부 자기장에 의한 것과 원점에 있는 입자로 인한 것의 합으로 볼 수 있으므로 쌍극자 모멘트는 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00024
식을 보면 쌍극자 모멘트가 외부 자기장에 비례하는 것을 알 수 있다.
이제 분극성(polarizability) α로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00025
이처럼 정전기장에 있는 구형 입자는 쌍극자와 같이 생각할 수 있다.
또한 진동하는 쌍극자는 다음과 같은 전기장을 만든다.
Figure 112011042185635-pat00026

여기서 산란에 의한 원거리장(far-field)은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00027
수학식 1에서 산란에 의한 전기장은 분극성이 클수록 증가하며, 수학식 2에서 분극성은 분모가 작아질수록 커지는 것을 알 수 있다. 유전율의 허수 부분은 항상 존재하기 때문에 절대 분모는 0이 될 수 없지만, 허수 부분이 매우 작게 되면 산란에 의한 전기장은 매우 커지게 되어 특이한 결과를 볼 수 있게 된다.
이하에서는 나노 입자의 형태가 타원형인 경우를 설명한다.
도 4는 타원형 나노 입자의 개략도이다.
타원방정식은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00028
입사하는 전기장이 있을 때, 정상상태의 입자내 전기장은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011042185635-pat00029
여기서 ε r 은 유전율, E ix 는 입사하는 전기장의 x방향 성분이며, L x 는 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00030
Figure 112011042185635-pat00031

마찬가지로 y, z에 관한 식은 다음과 같게 된다.
Figure 112011042185635-pat00032

쌍극자 모멘트로 돌아가면, 다음과 같은 식이 성립한다.
Figure 112011042185635-pat00033
Figure 112011042185635-pat00034

산란단면적은 α값에 비례하게 되는데, 분모가 0일 경우 공명이 일어난다. 분모가 0이 되는 것을 이용해 유전율을 나타내면 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00035
만약 a=b=c 인 구의 경우, L x 는 1/3이 되어 ε r 은 -2가 된다.
입자가 매우 작아 그 크기가 평균 자유 경로(mean free path)보다 작은 경우에는 전자의 운동이 입자내에서 제한되기 때문에 큰 입자에서의 평균 자유 경로에 비해 짧은 운동을 하게 된다. 따라서 유전율도 달라지는데, 먼저 감쇠 항을 나타내던
Figure 112011042185635-pat00036
는 다음과 같이 달라진다.
Figure 112011042185635-pat00037
여기서 ν f는 페르미 평면에서의 전자의 속도, L은 나노 입자와 같이 경계가 있을 때의 평균 자유 경로이다. 구에서 L을 4a/3으로 사용할 경우, 이 근사는 금속의 플라스마 진동수 근처에서 매우 잘 맞는다. 이러한 근사를 사용하여 드루데 모델의 유전율을 다시 나타내면 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00038
유전율의 실수부분이 평균 자유 경로의 제한에 대하여 큰 변동을 보이지 않을지라도, 허수부는 매우 큰 변화를 보인다. 은 나노 입자 유전율의 실수부가 -2일 때 유전율의 허수부를 다음과 같이 근사할 수 있다.
Figure 112011042185635-pat00039
a의 단위는 옹스트롬(angstroms)이다.
1000옹스트롬에 대하여서는
Figure 112011042185635-pat00040
이 10%정도 증가한 0.2564가 되고, 115옹스트롬에 대하여서는 두 배 정도인 0.4596이 되는 것을 보였다. 평균 자유 경로가 제한될수록 플라스몬 흡수영역대의 폭은 넓어지고 피크(peak)는 낮아지는 경향을 보인다.
결론적으로 수학식 3과 수학식 4로부터, 나노 금속 입자의 광학적 특성이 파장의 함수로 나타는 것을 확인할 수 있다.
우리가 눈으로 확인 하는 색은 빛의 산란이나 반사와 같은 현상으로 나타나는데, 나노 입자에서는 산란, 소멸, 흡수에 의해 색이 나타나게 된다. 산란, 소멸, 흡수는 산란단면적(Csca), 소멸단면적(Cext), 흡수단면적(Cabs)으로 나타내는데, 매질에서 흡수가 일어나지 않는 상황에서의 관계는 다음과 같다
Figure 112011042185635-pat00041
산란단면적을 실제 기하학적 단면적으로 나눈 산란효율은 다음과 같다.
Figure 112011042185635-pat00042
이런 산란 문제는 맥스웰 방정식에 의해 설명이 가능하다. 맥스웰 방정식은 다음과 같이 4개의 식으로 이루어진다.
Figure 112011042185635-pat00043

E:전기장, H:자기장, D:전속밀도, B:자속밀도, ρ:전하밀도, J:전류밀도
여기서 각 항들은 다음과 같은 관계에 있다.
Figure 112011042185635-pat00044

나노 입자의 크기는 입사 파장보다 작기 때문에 기존의 풀이와는 다르게 쌍극자 진동만이 영향을 미친다. 나노 입자에 대한 해를 구하면 다음과 같다
Figure 112011042185635-pat00045
Figure 112011042185635-pat00046

위의 해는 ka가 작을 때 만족하는데, 보통 a가 0.05λ보다 작아야 한다.
위 식에서 볼 수 있듯이 산란효율과, 흡수효율은 나노 입자와 유전율에 관한 함수이다. 산란효율과 흡수효율의 합으로 나타나는 소멸효율도 마찬가지로 나노 입자와 유전율에 관한 함수로 나타난다. 또한 전술한 바와 같이 유전율은 나노 입자와 입사 파장의 함수임을 알 수 있다. 따라서 나노 입자에서는 입자의 크기에 따라 파장에 대한 반응이 달라지고, 이것으로 인하여 색이 달라지는 것을 이론적으로 알 수 있다.
위의 유도한 식들은 모두 구형 나노 입자에 관한 식들이다. 구형 형상 외에 다른 형상을 갖거나, 나노 입자 쌍과 같이 복잡한 형태에 대해서는 컴퓨터를 이용한 수치해석으로 그 값들을 구할 수 있다.
이와 같이 나노 입자의 광학적 특성을 나노 입자의 크기에 대하여서도 변화하지만, 나노 입자의 모양, 나노 입자 간의 거리에 따라서도 변화하게 된다. 본 발명의 핵심적 기술적 사상은 나노 입자 간의 거리에 따라 변화하는 플라스몬 현상을 이용하는 것이므로, 이하에서는 나노 입자 간의 거리에 따라 변화하는 플라스몬 현상에 대하여 설명한다.
도 5는 나노 입자 쌍의 거리에 따른 변화를 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이 플라스몬은 나노 입자 간의 거리에 따라서도 달라진다.
위 사진(510)은 전자선 리소그래피(E-beam lithography)를 이용하여 만든 나노 입자 쌍의 사진이다.
가운데 그래프들은 실험에 의해 얻어진 그래프로서, 왼쪽 그래프(521)에 나타난 곡선들은 나노 입자 쌍의 거리에 따른 스펙트럼의 변화를 보여준다. 오른쪽 그래프(522)는 왼쪽 그래프(521)에서 각각의 거리에 대한 곡선에서 최대값을 갖는 파장(최대 파장)을 추출하여, 거리에 따른 최대 파장 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
아래 그래프들(531,532)은 가운데 그래프들(521,522)과 같은 내용의 그래프들로서, 시뮬레이션을 통해 얻어진 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른, 나노 입자를 이용한 변형률 측정용 데이터를 구하는 방법을 구현하는 순서도이다.
인장 시험을 실시할 변형율 값을 일정 갯수로 설정한다(S601). 예를 들어 10%, 20%, ... ,80% 등의 값으로 설정하는 것이다. 먼저 첫번째 값, 예를 들어 10%로 변형율 값을 셋팅한 후(S602), 나노 입자 박막이 부착되지 않은 폴리머 박막을 셋팅된 변형율로 인장 등을 가하여 변형시킨다(S603). 변형된 폴리머 박막에 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장한다(S604). 이러한 빛 에너지의 입사는 레이저를 이용하는 것이 바람직하다. 이후, 단계 S601에서 설정된 각 변형율 값으로써 동일한 과정을 반복한다(S605,S606,S603,S604). 기 설정된 모든 변형율 값으로써, 나노 입자 박막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 대한 인장시험이 완료 되면, 다음으로는 나노 입자 박막을 부착한 폴리머 박막에 대하여 위와 같은 시험을 실시한다.
즉, 먼저 나노 입자 박막을 생성하여, 생성된 나노 입자 박막을 폴리머 박막에 부착한다(S607).
이러한 나노 입자 단층막은, 유기용매에 나노 입자를 섞어 물 위에 띄움으로써 생성하거나, 부탄올 용액과 물 사이의 층에 나노 입자를 띄움으로써 생성하거나, 고체 판 위에 물, 나노 입자 및 유기 용매를 떨어뜨린 후, 물과 유기 용매를 증발시키는 등의 방법으로 생성할 수 있는데, 이에 대하여는 도 8 내지 도 10을 참조하여 후술한다.
나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 대하여, 앞서 순수 폴리머 박막만으로의 시험과 동일한 시험을 실시하며, 순수 폴리머 박막만으로 시험할 때의 변형율과 동일한 변형율 들에 대하여 시험을 실시한다. 즉, 나노 입자 박막이 부착된 폴리머 박막을 셋팅된 변형율로 인장 등을 가하여 변형시키고(S608,S609). 변형된 폴리머 박막에 레이저 등의 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장한다(S610). 이후, 단계 S601에서 설정된 각 변형율 값으로써 동일한 과정을 반복한다(S611,S612,S609,S610).
상기 PL 스펙트럼 데이터는, 방출되는 빛의 각 파장에 대한 그 빛의 세기(intensity) 값으로 구성된다.
이후, 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 대한, 각 변형률에 따른 스펙트럼 데이터에서, 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 대한, 각각의 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출한다(S613). 이와 같이 수행한 실제 스펙트럼 데이터의 실제 예가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다.
이로부터, 상기 산출된 PL 스펙트럼 데이터로부터, 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터를 도출하게 된다(S614). 이러한 변형률에 따른 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터를 '변형율 측정용 데이터'라 할 수 있으며, 이러한 변형율 측정용 데이터는, 각 변형률에 대한, 상기 광발광 스펙트럼 데이터 상에서 최대 세기(intensity)를 나타내는 파장(피크 파장)의 값으로서 구성된다. 그 실제 예가 도 19에 도시되어 있다. 이하에서는, 이러한 변형율 측정용 데이터를 이용하여 시편의 변형율을 구하는 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른, 나노 입자를 이용하여 시편의 변형율을 구하는 방법을 구현하는 순서도이다.
상기 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에, 변형율을 측정하려는 금속 등의 특정 시편을 부착하고(S701), 그 시편에 변형을 가한다(S702). 상기 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화를 나타내는 데이터를 추출한다(S703). 이러한 색깔 변화 데이터를, 도 6에서 설명한 변형율 측정용 데이터에 적용하여, 나노 입자의 변형율을 파악함으로써 상기 시편의 변형율을 파악하게 된다(S704).
도 8은 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
본 도면은 유기용매에 나노 입자를 섞어 물위에 띄우는 방법을 도시하고 있다. 이 방법을 실시하기 위한 장치의 사시도(801) 및 측면도(802)가 도시되어 있다. 도면과 같이 용액을 담는 통(810)과 움직일 수 있는 막대(830)로 구성되어 있다. 통(810)에 물(820)을 담고 유기용매에 섞은 나노 입자(840)를 띄워준다. 유기용매에 섞은 나노 입자(840)의 상태는 나노 입자에 유기용매가 붙어 주변에 막을 형성한 상태이다. 이 막은 소수성을 띄게 되어, 기름이 물에 뜨는 것과 같이 나노 입자(840)가 물(820)에 뜨게 된다. 이때의 나노 입자(840)는 물(840)위에 단층막을 형성하게 되고, 막대(830)를 이용하여 표면 압력을 가하여 물의 표면적을 작게 만들고 나노 입자들은 서로 더 가까워지게 만든다(841). 이 나노 입자층(840)을 고체의 판위에 옮기면, 매우 고른 나노 입자 단층막을 만들 수 있다. 표면 압력은 압력센서(850)에 의해 측정된다.
본 도면의 방법은 매우 빠르게 밀집된 나노 입자 박막을 만들 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 압력을 가해주어 나노 입자가 모일 수 있게 해주기 때문에 적은 양의 나노 입자로도 단층막을 만들 수 있다. 또한 압력의 크기에 따라 나노 입자간의 거리를 조절할 수 있는 장점이 있다. 막대를 왼쪽으로 밀어 표면 압력이 증가하게 할 수록 나노 입자 간의 거리는 줄어들고, 이에 따라 나노 입자 박막의 색이 변하는 모습을 관찰할 수 있다.
도 9는 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 방법의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이 방법에서는 물(920)과 나노 입자(930)에 부탄올(910)을 섞어 준다. 이 때 물(920)과 부탄올(910)은 섞이지 않고 서로 층을 이루게 되고, 금 나노 입자(930)는 층 사이에 모이게 된다. 모인 금 나노 입자는 시간이 지날수록 서로 결합하게 되는데(940,950,960), 고체 판위로 옮겨놓아 결함을 막을 수 있다. 시간이 지날 수록 나노 입자 간의 간격이 줄어 들어 입자끼리의 결합이 이루어지게 되는데 이와 같은 과정이 아래 도면(971 내지 974)에 도시되어 있다. 먼저 도면(A)(971)는 초기의 박막으로서 금 나노 입자들이 2~3mm 정도의 간격을 갖고 서로 붙어 있는 상태이며, 도면(B)(972)는 3일이 지난 시편으로서 금 나노 입자들 간의 간격이 없어지기 시작함을 볼 수 있다. 또한 도면(C)(973)는 7일이 지난 시편으로서 가까운 입자끼리의 결합이 시작되고 있고, 도면(D)(974)는 10일이 지난 시편으로서 구별된 나노 입자를 찾을 수 없을 정도로 결합된 상태를 보여 준다.
이 방법은 특별한 추가 장치가 없이 부탄올 용액으로만 금 나노 입자 박막을 만들 수 있다는 장점을 갖고 있다.
도 10은 나노 입자의 단층막을 생성하기 위한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9에서 소개한 두 가지 방법의 공통점은 물과 유기용매를 이용하여 나노 입자들이 스스로 박막을 생성하는 형태이다. 이 방법들을 조금 응용하여, 고체 판(1010) 위에 물과 유기 용매(1020), 그리고 나노 입자(1030)를 함께 떨어뜨린 후 물과 유기용매(1020)를 증발시킬 수 있다. 도 10은 이러한 실험 과정의 모식도이다. 오른쪽으로 갈수록(1040,1050) 물과 유기용매(1020)가 증발되어 가는 과정을 보여 준다. 이에 따라 최종적으로 나노 입자 막만이 남게 된다(1050). 이러한 방법으로 만든 실제 나노 막 사진은 아래 도면(1060)과 같으며, 균일하게 나노 입자가 퍼져있지 않고, 가운데 부분에서 시작하여 끝으로 갈수록 농도가 달라지는 것을 눈으로 확인할 수 있다. 이 방법의 장점은 고체판 위에 바로 박막을 만들 수 있다는 장점이 있다.
도 11은 띠 형태의 폴리머 시편의 기하학적 형상을 나타내는 도면이다.
본 연구에서 사용될 폴리머 필름의 역할은 나노 입자를 부착하고 힘을 직접 받아 변형하는 것이다. 따라서 다음과 같은 특성이 필요하다. 첫째, 나노 입자와 부착성이 좋아야 하며, 둘째, 광학적 특성을 측정할 때 UV광에 대한 반응이 작아야 하며, 셋째, 기계적 성질이 좋아야 한다. 즉, 인장에 대한 반응이 쉬운 반면, 잘 늘어날 수 있다는 것으로, 탄성률은 작으며, 연신율은 큰 재료여야 한다. 도면에는 인장을 위한 그립 부분(1120)과 실제 인장을 측정하는 폴리머 부분(1110)의 길이(1111), 폭(1112) 및 두께(1113)가 도시되어 있다. 검증의 목적은, 나노 입자 부착전, 폴리머 만의 특성을 파악하는 것으로서, 측정부위에서의 변형률과 전체길이의 변화 비교, 응력집중, 마지막으로 폭 방향의 길이 변화를 알아보기 위한 것이다.
도 12는 일정한 연신율 하에서 폴리머 시편의 응력, 변형율에 대한 FEM(finite element method) 결과를 나타내는 도면이다.
도 12의 경우, 연신율 20%로서 실험한 것이다. 즉, 5mm의 시편에 1mm의 인장 변형을 일으킨 것이다. 응력분포(1210), 길이 방향의 변화(1220), 폭 방향의 변화(1230) 결과가 색깔 분포로써 도시되어 있다. 길이 방향의 변화(1220)의 경우 시편 중심부에서 20.5±0.05%로서 전체 연신율 보다 약 0.5% 정도 큰 것을 알 수 있다.
도시되지는 아니하였으나, 40%, 60%, 80% 의 연신율로 실험한 결과도 이와 유사하게, 중앙부에서의 응력과 변형률의 분포가 고르며, 응력집중이 그립의 양 끝에서 일어나는 것을 확인할 수 있다. 또한 전체 연신율과 부분 변형률을 비교해 보면 20 : 20.5 정도로 나타나고 있다.
도 13은 시편을 변형시키기 위한 인장기를 나타내는 도면이다.
본 도면에는 인장기의 평면도(1301) 및 측면도(1302)가 도시되어 있고, 폴리머 시편(1310)을 양측에서 고정시키는 그립(1320), 인장을 위해 한 쪽 그립을 당기는 이동체(1330), 이동체를 이동시키는 스크루(1340)가 도시되어 있다.
도 14는 광발광(photoluminescence, PL)을 측정하기 위한 장비를 나타내는 도면이다.
측정은 상온에서 이루어 지는 것이 바람직하다. 레이저 발생기(1410)에서 325nm HeCd 레이저를 발생하도록 하였다. 이러한 레이저는, 나노 입자가 부착된 상태로 일정한 변형율로 변형된 시편(1420)에 조사된다. 시편(1420)에서 산란된 빛은 분광기(monochromator)(1430)에서 분광되어, InGaAs:Cs 광증배관 (photomultiplier tube)(1431)을 통하여 신호 전달되어 증폭기(1440)에서 신호 증폭되고, 증폭된 신호를 변형율 측정장치(1450)에서 분석하여 광발광 스펙트럼을 측정하고, 이로부터 변형율에 따른 색깔의 변화를 분석한다. 변형율 측정장치(1450)는, 분광된 빛으로부터 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼 데이터를 산출하여 저장하는 PL 스펙트럼 분석부, 각 변형율에 대하여 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터(이하 '변형율 측정용 데이터'라 한다)를 산출하는 변형률 측정용 데이터 산출부를 포함한다. 이때 상기 PL 스펙트럼 분석부는, 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 대한, 각 변형률에 따른 스펙트럼 데이터에서, 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 대한, 각각의 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출하는 기능을 더 포함할 수 있다. 또한 변형율 측정장치(1450)는, 시편에 부착되어 있어 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화를 나타내는 데이터를 추출하고, 이러한 색깔 변화 데이터를, 상기 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악함으로써 상기 시편의 변형율을 파악하는 변형율 측정부를 포함할 수 있다.
도 15는 인장 전, 후의 시편 표면의 확대 사진이다.
인장 전 시편 사진(1510)을 보면 나노 입자가 꽉 차있는 형태는 아니지만 여유 있게 막을 이루고 있다. 눈으로 보여지는 색은 붉은보라색이다. 인장 후 시편 사진(1520)을 보면 시편 표면을 덮고 있는 유기용매 찌꺼기 들이 갈라지는 것을 확인할 수 있으며 나노 입자간의 거리도 인장 전에 비하면 멀어진 것을 확인할 수 있다. 이것은 나노 입자들이 폴리머의 움직임에 따라 서로 독립적으로 움직여지는 것으로 보여진다. 위 시편들에서 나타난 광발광(PL) 변화도 당연한 것임을 알 수 있다. 왜냐하면 나노 입자가 덩어리로 뭉쳐 갈라질 경우, 덩어리에서는 입자간의 거리가 변하지 않으므로 색이 변하지 않게 되기 때문이다.
도 16은 나노 입자만의 광발광 스펙트럼을 산출하는 과정을 나타내는 도면이다.
PL 스펙트럼을 측정하면 그 결과에는 나노입자의 플라스몬 효과뿐만 아니라, 폴리머 필름, 배경 등에 의한 산란과 기타 영향들이 포함된 스펙트럼을 관찰하게 된다. 따라서 나노입자의 플라스몬 효과만을 관찰하기 위해서는 다른 스펙트럼들을 제거해 주어야 한다. 이를 위해서 나노 입자 플라스몬을 포함하는 모든 데이터에서 나노입자를 포함하고 있지 않은 폴리머의 PL을 데이터를 빼주는 작업을 필요하다.
위 도면(1610)은 각각 파장에 따른 빛의 세기(intensity)로 나타내어진 PL 스펙트럼으로 구성되어 있고, 도면에 표시한 바와 같이 각각 10% 변형율 및 30%의 변형율 두가지 경우의 실험 데이터가 도시되어 있다. 즉 도면(1610)의 그래프는 변형률이 10%, 30%일 때의 나노 입자의 플라스몬과 기타 영향을 포함하는 스펙트럼이다. 두번째 그래프(1620)는 나노 입자를 포함하지 않은 상태, 즉 폴리머 만의 PL 스펙트럼이다. 세번째 그래프(1630)가 위 첫번째 스펙트럼에서 두번째 스펙트럼의 값을 제거함으로써 나노 입자만의 PL 스펙트럼을 구한 것이다.
도 17은 변형율을 변화시켜 가면서 산출한 광발광(PL) 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 17의 그래프 각각은 특정 변형율로 변형 시켰을 때, 파장에 따른 빛의 세기(intensity) 결과 그래프를 나타낸다. 첫번째 그래프(1710)는 변형율 0%, 10%, 20%에 대하여, 두번째 그래프(1720)는 변형율 20%, 30%, 35%에 대하여, 세번째 그래프(1730)는 변형율 30%, 35%, 40%에 대하여, 네번째 그래프(1740)는 변형율 40%, 50%, 60%에 대하여, 다섯번째 그래프(1750)는 변형율 50%, 60%, 80%에 대하여 측정된 PL 스펙트럼을 도시한 것이다.
여기서 각각의 변형율에 대한 최대 빛의 세기를 나타내는 파장(피크 파장)을 구하게 되는데, 위 데이터들에서 육안으로 최대값을 갖는 파장을 찾기란 매우 힘들고 부정확하다. 데이터들이 노이즈를 갖고 있을 뿐만 아니라, 한 점을 정하기가 힘들다. 따라서 최대값을 포함하는 봉우리를 가우시안 곡선으로 묘사하여 중앙값을 얻어 이때의 파장을 최대값을 갖는 파장으로 정하였다. 가우시안 곡선으로 근사할 때 가장 중점적으로 본 것은 봉우리와 비슷한지 여부였다. 가우시안 곡선으로 묘사한 곡선과 데이터를 함께 나타낸 예시 도면을 도 18에 도시하였다. 도 18에서 부드러운 곡선(1810,1820,1830)이 가우시안 근사된 곡선이다.
도 19는 변형율과 피크 파장(peak wavelength)의 그래프를 나타내는 도면이다.
즉 도 17의 각 변형율에 대한 PL 스펙트럼에서 최대값을 나타내는 파장(피크 파장)을 도출하여, 이로부터 변형율에 대한 피크 파장의 그래프를 도시한 것이다. 즉, 도 19의 그래프에 나타난 데이터는, 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터로서, 이를 '변형율 측정용 데이터'라 할 수 있다.
이후, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에, 변형율을 측정하려는 금속 등의 특정 시편을 부착하고, 그 시편에 변형을 가하게 된다. 이때 그 시편의 변형에 의해, 시편에 부착된 나노 입자도 함께 변형되게 되는데, 이러한 나노 입자의 변형에 따라 그 나노 입자에 발생한 색깔 변화 데이터를 추출한다. 즉, 나노 입자가 어떤 색깔로 변화되었는지를 파악하는 것이다. 이와 같은 색깔 변화 데이터를 도 19의 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악하고 이로부터 상기 시편의 변형에 따른 변형율을 파악하게 된다.
즉, 변형된 시편에 부착된 나노 입자의 색깔(피크 파장)을 상기 변형율 측정용 데이터에 의해 파악함으로써, 그 시편의 변형율을 도출해 낼 수 있게 되는 것이다.
1410: 레이저 발생기 1420: 나노 입자가 부착 시편
1430: 분광기(monochromator)(1430)
1431: 광증배관 (photomultiplier tube)
1440: 증폭기(1440) 1450: 변형율 측정장치(1450)

Claims (14)

  1. 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법으로서,
    (a) 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 인장력을 가하여, 상기 폴리머 박막 및 상기 단층막에 특정 변형률로 변형을 발생시키는 단계;
    (b) 상기 폴리머 박막 및 나노 입자에 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장하는 단계;
    (c) 다수의 변형률에 대하여 상기 단계(a) 및 (b)를 반복하는 단계; 및
    (d) 상기 산출된 광발광 스펙트럼 데이터로부터, 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터(이하 '변형율 측정용 데이터'라 한다)를 도출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계(a) 이전에,
    (a01) 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 인장력을 가하여, 그 폴리머 박막에 상기 단계(a)의 변형률로 변형을 발생시키는 단계;
    (a02) 상기 단계(a01)의 폴리머 박막에 빛 에너지를 입사시켜, 방출되는 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 산출하여 그 스펙트럼 데이터를 저장하는 단계; 및
    (a03) 상기 단계(c)의 각 변형률에 대하여 상기 단계(a01) 및 (a02)를 반복하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 단계(c)와 (d) 사이에,
    (c1) 상기 단계(b) 및 (c)에서 산출된 각 변형률에 대한 스펙트럼 데이터에서, 상기 단계(a02) 및 (a03)에서 산출된 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자 단층막은,
    유기용매에 나노 입자를 섞어 물 위에 띄움으로써 생성하는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자 단층막은,
    부탄올 용액과 물 사이의 층에 나노 입자를 띄움으로써 생성하는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자 단층막은,
    고체 판 위에 물, 나노 입자 및 유기 용매를 떨어뜨린 후, 물과 유기 용매를 증발시킴으로써 생성하는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(b)에서의 빛 에너지의 입사는,
    레이저에 의해 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광발광 스펙트럼 데이터는,
    방출되는 빛의 각 파장에 대한 그 빛의 세기(intensity) 값으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 변형율 측정용 데이터는,
    각 변형률에 대한, 상기 광발광 스펙트럼 데이터 상에서 최대 세기(intensity)를 나타내는 파장의 값으로서 구성되는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(d) 이후,
    (e) 상기 나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에, 변형율을 측정하려는 시편을 부착하고, 상기 시편에 변형을 가하는 단계;
    (f) 상기 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화 데이터를 추출하는 단계; 및
    (g) 상기 단계(f)의 색깔 변화 데이터를 상기 단계(d)에서 도출된 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악하고, 이로부터 상기 단계(e)에서 발생한 상기 시편의 변형율을 파악하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 방법.
  10. 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치로서,
    폴리머 시편에 레이저를 조사(radiate)하는 레이저 발생기;
    폴리머 시편에서 산란된 빛을 분광시키는 분광기;
    분광된 빛으로부터 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼 데이터를 산출하여 저장하는 PL 스펙트럼 분석부;
    각 변형율에 대하여 변형률에 따른, 방출되는 빛의 색깔 변화 데이터(이하 '변형율 측정용 데이터'라 한다)를 산출하는 변형률 측정용 데이터 산출부; 및
    상기 각 구성요소를 제어하여 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정과 관련한 일련의 처리를 수행하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 PL 스펙트럼 분석부는,
    나노 입자 단층막이 부착된 폴리머 박막에 대한, 각 변형률에 따른 스펙트럼 데이터에서, 나노 입자 단층막이 부착되지 않은 폴리머 박막에 대한, 각각의 해당 변형률에 대한 스펙트럼 데이터를 뺌으로써, 나노 입자만에 의한 광발광 스펙트럼 데이터를 각 변형률에 대하여 산출하는 기능을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 광발광 스펙트럼 데이터는,
    방출되는 빛의 각 파장에 대한 그 빛의 세기(intensity) 값으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 변형율 측정용 데이터는,
    각 변형률에 대한, 상기 광발광 스펙트럼 데이터 상에서 최대 세기(intensity)를 나타내는 파장의 값으로서 구성되는 것
    을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치.
  13. 삭제
  14. 청구항 10에 있어서,
    시편에 부착되어 있어 시편의 변형에 의해 함께 변형된 나노 입자의 색깔 변화를 나타내는 데이터를 추출하고, 이러한 색깔 변화 데이터를, 상기 변형율 측정용 데이터에 적용하여 나노 입자의 변형율을 파악함으로써 상기 시편의 변형율을 파악하는 변형율 측정부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 광학적 특성을 이용한 변형률 측정 장치.
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