KR101493836B1 - 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 - Google Patents

광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치에 관한 것으로 파장의 변화가 가능한 레이저가 샘플에 도달하면서 발생하게 되는 광전류와 샘플에서 반사된 레이저로부터 이미지 전압신호를 출력하게 되고, 상기 광전류와 이미지 전압신호는 로크인 앰프와 같은 검출부를 사용하여 노이즈를 제거하게 되는데, 이때 샘플이 배치된 스테이지는 100nm 간격으로 X-Y방향의 이동이 가능하여 스테이지를 이동하면서 샘플의 광전류 및 이미지 전압신호 출력을 연속적으로 측정하게 되고 이를 컴퓨터상에 데이터화하여 광전류 이미지 및 반사 이미지를 얻을 수 있게 되는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치에 관한 것이다.

Description

광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치{Microscopy Scanning Photocurrent and Photovoltage}
본 발명은 샘플을 이미징하는 기술로 회절한계까지 집속된 레이저를 이용하여 마이크로 미터 이하의 해상도를 가지는 국소부위 광전류/전압 측정 장치에 관한 것이다.
이미징 기술로는 STM(Scanning Tunneling Microscope), AFM(Atomic force microscopy), TEM(Transmission electron microscopy)가 사용되어 왔다. 이중 STM은 시료 표면에 전자를 쏘아준 후, 전자가 터널링을 일으키는 현상으로부터 시료의 구조를 알아내는 현미경이다. 전자가 파동성을 띠며 시료를 통과하는 현상을 터널링이라 하는데, 이러한 터널링 현상은 전자를 쏘아주는 위치와 시료가 놓여있는 위치의 거리가 가까울수록 잘 일어난다. 즉 시료의 표면 중 탐침과 가까이 있는 부분에서는 터널링을 일으킨 전자가 발견된 확률이 높고, 거리가 먼 부분은 터널링을 일으킨 전자를 발견할 확률이 낮다. 따라서 터널링 정도를 통해 시료 각 부분의 미세한 위치를 파악할 수 있는 것이다. 이렇게 주사터널링현미경을 이용하면 시료의 미세한 표면 구조를 알아낼 수 있다.
AFM은 STM에서는 전기 도체표면의 원자상에서 밖에 측정할 수 없었기 때문에 고안된 장치이다. 절연물의 미세한 탐침을 절연물 표면에 원자의 크기까지 근접시키면 양자의 원자간에 힘이 작용한다. 탐침을 캔틸레버(Cantilever ; 외팔보)의 끝에 매달아 놓고, 캔틸레버의 도중에 도전체의 작은 바늘을 달아 터널전류를 측정하든가, 광연자의 반사광의 편향을 검출하여 원자간의 힘을 측정하여 표면의 원자상을 측정한다.
TEM은 전자현미경 중에서 전자선을 집속하여 시료에 조사하여 시료를 투과한 전자선을 전자렌즈에 의해 확대하여 상을 얻는 것을 말한다. 시료 중을 전자가 통과하기 때문에 시료를 얇게 하거나, 시료 표면의 관찰에는 박막이나 레프리커를 이용한다.
하지만 STM과 AFM은 이미징을 하는데 걸리는 시간이 길어서 많은 수의 물질이나 대면적의 물질을 분석하는데 한계가 있다. 또한 TEM이나 STM의 경우 물질에 대한 많은 정보를 알려주기는 하나 샘플을 준비하는 것이 복잡하고 준비과정에서 물질에 데미지를 줄 수 있는 가능성이 있다.
이에 레이저를 이용한 이미징 기술의 중요성이 높아지고 있다. 레이저를 이용한 스캐닝은 이미징을 빨리 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 가능하게 하고 샘플의 준비과정이 복잡하지 않으며 샘플에 데미지를 거의 주지 않으면서 파장을 조절하여 분광학적인 분석이 가능하다는 장점이 있기 때문이다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1065074는 기판; 상기 기판상에 형성된 중원자를 포함하는 제1 결정질 박막; 상기 제1 결정질 박막 상부에 형성되며, 경원자를 포함하는 산화물 또는 질화물을 포함하며, 막 두께가 1 내지 5nm인 제1 비정질 박막; 및 상기 제1 비정질 박막 상부에 형성되며, 중원자를 포함하는 제2 결정질 박막을 포함하는 투과전자현미경 성분 맵핑용 표준시료 및 이를 이용한 투과전자현미경 성분 맵핑 방법에 관한 것으로 표준시료를 활용하여 다층 나노 박막의 SEM EDS, EELS 맵핑 결과를 보정하는데 이용할 수 있고 맵핑 조건을 최적화시킬 수 있는 장점이 있으나, 샘플을 준비하는 것이 복잡하다.
종래 이미징 기술로 TM(Scanning Tunneling Microscope), AFM(Atomic force microscopy), TEM(Transmission electron microscopy)가 사용되어 왔으나, 종래기술은 이미징을 하는데 걸리는 시간이 길어서 많은 수의 물질이나 대면적의 물질을 분석하는데 한계가 있고 샘플을 준비하는 것이 복잡하고 준비과정에서 물질에 데미지를 줄 수 있는 가능성이 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,샘플 준비과정이 간단하고 이미징을 빠르게 할 수 있도록 하기 위해 파장의 선택이 가능한 레이저를 광원으로 사용하였고, 피에조 스테이지(Piezo-stage)를 이용하여 평면 방향으로 100nm 이하의 분해능을 가지며 스테이지를 이동하면서 이미지 저압신호와 광전류를 동시에 측정할 수 있게 하여 반사된 빛의 세기를 동시에 읽어서 이미지 전압신로루부터 빛 반사에 대한 이미징을 하고 광전류로부터 광전류 이미지를 도출하여 이를 통해 물질의 위치를 정확하게 파악하며, 신호 대 노이즈 비율을 극대화하고 빛에 대한 신호만을 추출하기 위하여 로크인 앰프(Lock-in amplifier)를 사용하였다. 이에 따라 본 발명은 물질의 국소적인 전기신호 및 정보들을 마이크로 미터 이하의 분해능을 가지는 집속된 빛을 이용하여 이미징할 수 있고, 또한 파장 변화가 가능한 레이저를 통하여 물질의 분광학적인 정보를 동시에 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 초연속 레이저(supercontinuum laser) 및 단색화 장치(monochromator)를 사용하여 400~2000nm 사이의 파장대에서 특정 파장을 선택하는 것이 가능하여 필요에 따라 파장을 변화시킬 수 있고 이를 통한 물질의 분광학적인 정보를 동시에 얻을 수 있다.
로크인 앰프(lock-in amplifier)를 사용함으로 인해 특정 진동수에 해당하는 신호를 검출할 수 있게 되는데, 본 발명에서 출력되는 광전류 또는 광전압은 초퍼 블레이드의 on-off 진동수와 같은 진동수를 갖게 되고, 로크인 앰프의 레퍼런스 진동수를 초퍼 진동수로 맞추어 주면, 신호대 노이즈 비율을 극대화하고 광전류 또는 광전압에 대한 신호만을 추출할 수 있게 된다.
평면방향으로 100nm 이하의 분해능을 가지는 피에조 스테이지(Piezo stage)를 사용하여 스테이지를 이동하면서 스캐닝 이미징을 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 가능하게 하고, 샘플의 준비과정이 복잡하지 않기 때문에 데미지를 주지 않으면서 분광학적인 분석이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명인 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치의 일실시예를 보여주는 구성도이다.
도 2는 웨이브 플레이트를 빔 스플리터 앞에 배치한 경우(before)와 웨이브 플레이트를 빔 스플리터 뒤에 배치한 경우(after) 빛의 세기 변화를 측정한 그래프이다.
도 3은 대물렌즈에 입사되는 레이저 빔의 직경이 작을 때와 클 때를 비교한 그래프이다.
도 4a는 측정된 광전류 이미지이다.
도 4b는 측정된 반사 이미지이다.
도 5는 본 발명인 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
본 발명인 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 및 방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치의 일실시예를 보여주는 구성도로서, 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 이미징하기 위한 샘플을 배치하는 스테이지(400), 상기 스테이지(400)에 배치된 샘플로 빛을 조사하기 위한 광원(100), 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 샘플 표면에 도달하여 반사된 빛의 세기에 비례하여 이미지 전압신호를 출력하는 포토 디텍터(500), 상기 광원(100), 샘플 또는 포토 디텍터(500) 사이에 위치하여 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 샘플에 도달하고, 상기 샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터(500)에 도달할 수 있도록 빛의 경로를 사용자의 목적에 따라 조절가능하도록 하는 광경로 조절부(200), 상기 샘플과 전기적으로 연결되어 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 광경로 조절부(200)를 통과하여 샘플의 표면에 도달하면서 발생되는 광전류를 검출하는 광전류 검출부(610), 상기 샘플 표면에서 반사된 빛이 광경로 조절부(200)를 통해 상기 포토 디텍터(50)에 도달하여 발생하는 이미지 전압신호를 검출하는 이미지 전압신호 검출부(630)를 포함하여 구성하게 된다. 이때 상기 광전류 검출부(610)와 이미지 전압신호 검출부(630)은 특정 주파수의 신호만을 검출하는 기능을 수행하게 되는데, 로크인 앰프(Lock-in amplifier) 또는 페이즈-센서티브 디텍터(phase-sensitive detector)를 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 본실시예는 광전류 검출부(610)를 통해 샘플의 광전류를 측정하였지만, 또한 광전압을 측정할 수도 있다.
스테이지(400)는 상기 광전류 및 이미지 전압신호가 연속적으로 출력될 수 있도록 전자제어장치와 연결되어 자동으로 X-Y방향의 스캐닝(scanning) 이동이 가능하게 된다. 상기 스테이지는 수직(Z-방향)으로 이동이 가능한 하부 스테이지(420),상기 하부 스테이지 위에 수평 방향으로 가로 및 세로로 이동이 가능한 X-Y 스캐닝 피에조 스테이지(410)를 포함하여 구성된다. 상기 X-Y 스캐닝 피에조 스테이지(410)는 가로 및 세로 방향(X-Y방향)으로 100nm 간격으로 움직이게 된다. 본 발명에서 2D 이미징을 가능하도록 하는 것은 피에조 스테이지(410)이며, 피에조 스테이지의 이동에 따라 빛이 샘플에 입사하는 위치가 이동하면서 연속적으로 광전류와 이미지 전압신호를 검출할 수 있게 된다. 피에조 스테이지(410)는 메카니컬 스테이지보다 좋은 해상도를 가지는 장점이 있고, 컴퓨터와 연결되어 있어 프로그램을 통하여 스테이지를 움직이는 명령을 할 수 있다.
광원(100)은 초연속 레이저(110) 또는 CW레이저(continuous wave laser) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성된다. 이때, 광원이 초연속 레이저(110)인 경우에는 단색화 장치(115)를 더 포함하여 구성되고, 상기 광원(100)에서 나온 레이저가 상기 단색화 장치(115)를 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있게 된다. 이를 통해 파장을 원하는 목적에 맞게 변화시켜가면서 측정을 수행하는 것이 가능해진다.
CW레이저(continuous wave laser)는 405nm CW 레이저(130) 또는 532nm CW 레이저(150) 중에서 어느 하나를 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
포토 디텍터(500)는 규소 포토다이오드(Si photodiode) 또는 게르마늄 포토다이오드(Ge photodiode) 중에서 어느 하나를 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광경로 조절부(200)는 레이저 빛의 직경을 크게 만드는 빔 익스팬더(220), 분광 조성을 변경하지 않고 감광하는 ND 필터(230), 빛의 일부는 통과시키고 일부는 반사하여 광선속을 둘로 나누는 빔 스플리터(240), 빛을 반사하여 빛의 경로를 원하는 방향으로 조절하는 거울(250), 선형 편광된 빛의 편광방향을 바꾸는 웨이브 플레이트(260), 빛을 상기 샘플에 집광시키는 대물렌즈(270) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성하여, 광원(100)과 샘플간 그리고 샘플과 포토 디텍터(500)간에 빛이 상기 광경로 조절부(200)를 통하여 원활하게 이동할 수 있도록 그 구성을 설계할 수 있다. 도 1은 광경로 조절부를 구성할 수 있는 하나의 실시예를 보여준 것으로서 상기 광원을 나온 레이저는 상기 광원에서 상기 이미징하기 위한 샘플에 도달하기까지 초퍼 블레이드(300), 빔 익스팬더(220), ND 필터(230), 제 1 빔 스플리터(beam splitter), 제 1 거울, 제 2 거울, 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 대물렌즈(270)를 차례대로 통과하고, 상기 샘플에서 반사된 빛은 포토 디텍터에 도달되기까지 샘플에서 반사된 빛은 포토 디텍터에 도달되기까지 대물렌즈, 제 2 빔 스필리터, 제 2 거울, 제 1 거울, 제 1 빔 스플리터를 차례대로 통과하도록 구성할 수 있는데, 본 실시예로 발명이 제한되지 않음은 물론이다.
이때 광원이 초연속 레이저(110)인 경우, 상기 광경로 조절부(200)는 상기 광원(100)과 상기 빔 익스팬더(220) 사이에 편광판(210)을 더 포함하여 구성되게 된다.
도 2는 웨이브 플레이트를 빔 스플리터 앞에 배치한 경우(before)와 웨이브 플레이트를 빔 스플리터 뒤에 배치한 경우(after) 편광방향을 바꾸면서 빛의 세기 변화를 측정한 그래프로서 웨이브 플레이트를 빔 스플리터 뒤에 배치한 경우에 빛의 세기 변동이 1%로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 측정 결과를 반영하여, 웨이브 플레이트(260)는 빛의 세기 변화를 최소화하기 위해 상기 빔 스플리터(240)와 상기 대물렌즈(270) 사이에 위치하고, 광원에서 발생한 빛이 상기 웨이브 플레이트(260)를 통과한 이후에는 빔 스플리터(240)를 통과하지 않고 샘플에 도달하도록 광경로 조절부(200)를 구성하게 된다.
대물렌즈(270)는 파장에 따른 굴절률의 변화로 인해 발생하는 대물렌즈의 색수차를 없애기 위하여 리플렉티브 대물렌즈(reflective objective lens)를 사용하는 것이 바람직하나 본실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
도 3은 대물렌즈에 입사되는 레이저 빔의 직경이 작을 때와 클 때를 비교한 그래프로서, 하부 스테이지를 Z 방향으로 이동하여 샘플이 있는 스테이지에 도달하는 빔의 사이즈를 조절한다고 할 때 직경이 작을 경우는 사이즈가 조절될 뿐만 아니라 평면상의 위치가 변하게 되는 문제점이 있다. 이를 피하기 위해서는 레이저의 중심부와 렌즈의 optic axis를 정확하게 일치시켜야 하는데 이는 쉽지 않다. 그러나 빔의 사이즈를 대물렌즈에 도달하기 전에 빔 익스팬더(220)를 통해 증가시킨 경우에는 도 3과 같이 스테이지에 도달하는 빔의 사이즈를 Z-축 이동을 통해 쉽게 제어가 되는 것을 확인할 수 있다. 이때는 레이저 빔의 중심부가 렌즈의 optic axis와 정확하게 일치하지 않아도 beam intensity가 렌즈의 크기만큼 넓기 때문에 정확하게 일치했을 때와 유사한 결과를 얻을 수 있다.
광원(100)에서 발생한 빛은 일정한 주기로 on-off되어 상기 샘플에 도달하게 된다. 빛이 주기적으로 on-off되기 때문에 샘플에 흐르는 광전류 또한 on-off를 반복하게 될 것이고, 이러한 광전류를 광전류 검출부의 입력단자에 넣고 on-off 진동수에 해당하는 AC voltage signal을 reference frequency로 설정해주면 reference frequency에 해당하는 전류만을 검출하게 되어 결과적으로 광전류의 크기를 알 수 있게 된다. 샘플에서 반사하는 빛 또한 같은 진동수로 on-off 되기 때문에 포토 디텍터(500)에서 발생하는 이미지 전압신호 역시 AC signal이고 광전류에서와 마찬가지로 이미지 전압신호 검출부에 입력하면 반사 이미지를 최종적으로 얻을 수 있게 된다.
빛의 on-off는 함수발생기(fuction generator)에서 출력되는 AC전압 또는 TTL 신호 중에서 어느 하나를 통하여 할 수 있다. 이 방법이 가능한 레이저는 초퍼 블레이드를 사용할 필요가 없다.
빛이 일정한 주기로 on-off되도록 하기 위해 상기 광전류 또는 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 초퍼 블레이드(300)를 더 포함하여 구성되고, 초퍼 블레이드(300)는 상기 광원(100) 앞에 위치하게 되고, 광경로 상에서 일정한 주기로 회전함으로써 광원(100)에서 발생하는 빛을 일정한 주기로 통과 또는 차단되어 빛이 on-off되도록 할 수 있다. 초퍼 블레이드(300)를 사용하는 경우에는 초퍼 진동수를 광전류 검출부(610) 및 이미지 전압신호 검출부(630)의 reference frequency로 설정하여 광전류와 이미지 전압신호를 검출할 수 있게 된다.
광전류 검출부(610) 및 이미지 전압신호 검출부(630)는 상기 빛의 on-off 진동수를 참조신호로 입력하여 상기 샘플에서 발생되는 광전류 신호 및 상기 포토 디텍터(500)에서 발생한 이미지 전압신호를 검출하게 되고, 검출한 신호를 데이터화 장치로 전송하게 된다.
상기 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 데이터화 장치를 더 포함하여 구성되고, 데이터화 장치는 상기 검출된 광전류 및 이미지 전압신호의 아날로그 신호를 컴퓨터상의 데이터로 전환하게 된다.
도 4는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치를 사용하여 측정한 광전류 이미지와 반사이미지이다. 광전류 이미지와 반사 이미지를 직접적으로 비교하여 전류가 나오는 위치를 정확하게 알 수 있다.
도 5는 본 발명인 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법은 광원(100)에서 레이저를 발생시키는 단계; 상기 레이저가 광경로 조절부(200)를 통해 샘플이 배치된 스테이지(400)로 이동하는 단계; 상기 광경로 조절부(200)를 이동한 레이저가 상기 샘플의 표면에 도달하고 광전류를 발생시키는 단계; 상기 샘플의 표면에 도달한 레이저가 샘플의 표면에서 반사되는 단계; 상기 반사된 레이저가 광경로 조절부(200)를 이동하여 포토 디텍터(500)에 도달하여 이미지 전압신호를 발생시키는 단계; 광전류 검출부(610)에서 상기 샘플에서 발생한 광전류의 노이즈를 제거하는 단계; 이미지 전압신호 검출부(630)에서 상기 포토 디텍터(500)에서 발생한 이미지 전압신호의 노이즈를 제거하는 단계; 상기 검출된 광전류 및 이미지 전압신호를 컴퓨터에 데이터화하여 광전류 이미지 및 반사이미지를 얻는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이때 입사광이 샘플의 표면 중 서로 다른 복수개의 위치에서 상기 단계를 복수회 반복 실시하여 연속적으로 광전류 신호 또는 이미지 전압신호를 얻고 이를 데이터화하여 상기 광전류 이미지와 반사이미지를 얻게 된다. 즉, 광원의 이동 또는 광원을 고정시킨 상태에서 샘플이 위치하는 피에조 스테이지(410)를 X-Y 방향으로 이동하여 빛이 샘플에 입사하는 위치를 이동하면서 샘플에 흐르는 광전류와 반사광이 포토 디텍터(500)에 도달하여 발생하는 이미지 전압신호를 연속적으로 측정하여 이를 광전류 검출부와 이미지 전압신호 검출부에서 검출하고 데이터화 장치를 통해 데이터화하여 컴퓨터 상에서 광전류 이미지 또는 반사 이미지를 도출하게 된다. 이러한 과정을 통해 스캐닝 이미징을 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 가능하게 된다.
상기 레이저가 광경로 조절부(200)를 이동하여 샘플이 배치된 스테이지로 이동하는 단계는 교류 광신호(AC optical signal)를 만들기 위해 상기 광원(100)에서 발생한 레이저가 초퍼 블레이드(300)를 통과하는 단계; 상기 초퍼 블레이드(300)를 통과한 레이저가 빔 익스팬더(220)를 통과하여 레이저 빛의 직경이 확대되는 단계; 상기 직경이 확대된 레이저가 ND 필터(230)를 통과하는 단계; 상기 ND 필터(230)를 통과한 레이저가 빔 스플리터(240)를 통과하는 단계; 상기 빔 스필리터(240)를 통과한 레이저가 웨이브 플레이트(260)를 통과하는 단계; 상기 웨이브 플레이트(260)를 통과한 레이저가 대물렌즈(270)를 통과하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이고, 광경로 조절부(200)의 구성과 각가의 구성의 위치는 목적에 맞게 변경하여 구성하는 것이 가능할 것이다.
광원(100)이 초연속 레이저(110)인 경우, 초연속 레이저(110)가 단색화 장치(115) 및 편광판(210)을 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있게 된다. VIS에서 IR 영역까지 파장 변화가 가능한 레이저를 입사하여 샘플에 도달하도록 함으로써 샘플의 물리적 특성에 대한 분광학적인 분석이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 광원 110: 초연속 레이저
115: 단색화 장치 130: 405nm CW 레이저
150: 532nm CW 레이저 200: 광경로 조절부
210: 편광판 220: 빔 익스팬더
230: ND 필터 240: 빔 스플리터
250: 거울 260: 웨이브 플레이트
270: 대물렌즈 300: 초퍼 블레이드
400: 스테이지 410: X-Y 스캐닝 피에조 스테이지
420: 하부 스테이지 500: 포토 디텍터
610: 광전류 검출부 630: 이미지 전압신호 검출부

Claims (23)

  1. 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치에 있어서,
    이미징하기 위한 샘플을 배치하는 스테이지;
    상기 스테이지에 배치된 샘플로 빛을 조사하기 위한 광원;
    상기 광원에서 발생한 빛이 상기 샘플 표면에 도달하여 반사된 빛의 세기에 비례하여 이미지 전압신호를 출력하는 포토 디텍터;
    상기 광원, 샘플 또는 포토 디텍터 사이에 위치하여 상기 광원에서 발생한 빛이 상기 샘플에 도달하고, 상기 샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터에 도달할 수 있도록 빛의 경로를 사용자의 목적에 따라 조절가능하도록 하는 광경로 조절부;
    상기 샘플과 전기적으로 연결되어 상기 광원에서 발생한 빛이 상기 광경로 조절부를 통과하여 샘플의 표면에 도달하면서 발생되는 광전류를 검출하는 광전류 검출부;
    상기 샘플 표면에서 반사된 빛이 광경로 조절부를 통해 상기 포토 디텍터에 도달하여 발생하는 이미지 전압신호를 검출하는 이미지 전압신호 검출부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 광원이 고정된 상태에서 상기 스테이지의 이동을 이용하여 샘플의 측정위치를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이지의 X 방향 또는 Y 방향의 이동을 조절하여, 동일한 광원의 위치에서 샘플에 입사되는 빛의 위치를 연속적으로 변화시킴으로써, 샘플에 대해 연속적인 광전류 및 이미지 전압신호를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스테이지는 수직(Z-방향)으로 이동이 가능한 하부 스테이지,
    상기 하부 스테이지 위에 수평 방향으로 가로 및 세로로 이동이 가능한 X-Y 스캐닝 피에조 스테이지(piezo-stage)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 X-Y 스캐닝 피에조 스테이지(piezo-stage)는 가로 및 세로 방향(X-Y방향)으로 100nm 간격으로 움직이는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 국소부위 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 초연속 레이저(supercontinuum laser) 또는 CW레이저(continuous wave laser) 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광원이 초연속 레이저(supercontinuum laser)인 경우 단색화 장치(monochromator)를 더 포함하여 구성되고,
    상기 광원에서 나온 레이저가 상기 단색화 장치(monochromator)를 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 CW레이저(continuous wave laser)는 405nm CW 레이저 또는 532nm CW 레이저 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 포토 디텍터는 규소 포토다이오드(Si photodiode) 또는 게르마늄 포토다이오드(Ge photodiode) 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광경로 조절부는 레이저 빛의 직경을 크게 만드는 빔 익스팬더(beam expander),
    분광 조성을 변경하지 않고 감광하는 ND 필터(neutral density filter),
    빛의 일부는 통과시키고 일부는 반사하여 광선속을 둘로 나누는 빔 스플리터(beam splitter),
    빛을 반사하여 빛의 경로를 원하는 방향으로 조절하는 거울,
    선형 편광된 빛의 편광방향을 바꾸는 웨이브 플레이트(wave plate),
    빛을 상기 샘플에 집광시키는 대물렌즈 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광원을 나온 레이저는 상기 광원에서 상기 이미징하기 위한 샘플에 도달되기까지 초퍼 블레이드(chopper blade), 빔 익스팬더(beam expander), ND 필터(neutral density filter), 제 1 빔 스플리터(beam splitter), 제 1 거울, 제 2 거울, 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 대물렌즈를 차례대로 통과하게 되고,
    상기 샘플에서 반사된 빛은 포토 디텍터에 도달되기까지 대물렌즈, 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 제 2 거울, 제 1 거울, 제 1 빔 스플리터(beam splitter)를 차례대로 통과하게 되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 광원이 초연속 레이저(supercontinuum laser)인 경우,
    상기 광경로 조절부는 상기 광원과 상기 빔 익스팬더 사이에 편광판(polarizer)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 웨이브 플레이트(wave plate)는 빛의 세기 변화를 최소화하기 위해 상기 빔 스플리터(beam splitter)와 상기 대물렌즈 사이에 위치하고,
    광원에서 발생한 빛이 상기 웨이브 플레이트(wave plate)를 통과한 이후에는 빔 스플리터(beam splitter)를 통과하지 않고 샘플에 도달하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 파장에 따른 굴절률의 변화로 인해 발생하는 대물렌즈의 색수차를 없애기 위하여 리플렉티브 대물렌즈(reflective objective lens)인 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 광원에서 발생한 빛은 일정한 주기로 on-off되어 상기 샘플에 도달하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 빛의 on-off는 함수발생기(fuction generator)에서 출력되는 AC전압 또는 TTL 신호 중에서 어느 하나를 통하여 제어되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 초퍼 블레이드(chopper blade)를 더 포함하여 구성되고,
    상기 초퍼 블레이드(chopper blade)는 상기 광원 앞에 위치하게 되고,
    광경로 상에서 일정한 주기로 회전함으로써 광원에서 발생하는 빛을 일정한 주기로 통과 또는 차단되어 빛이 on-off되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 광전류 검출부 및 이미지 전압신호 검출부는 상기 빛의 on-off 진동수를 참조신호로 입력하여, 상기 광전류 검출부는 상기 샘플에서 발생되는 광전류 신호를 검출하고, 상기 이미지 전압신호 검출부는 상기 포토 디텍터에서 발생한 이미지 전압신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 데이터화 장치를 더 포함하여 구성되고,
    상기 데이터화 장치는 상기 광전류 검출부에서 검출된 광전류 및 상기 이미지 전압신호 검출부에서 검출된 이미지 전압신호의 아날로그 신호를 컴퓨터상의 데이터로 전환하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  19. 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법에 있어서,
    (i) 광원에서 레이저를 발생시키는 단계;
    (ii) 상기 레이저가 광경로 조절부를 통과하여 샘플이 배치된 스테이지로 이동하는 단계;
    (iii) 상기 광경로 조절부를 이동한 레이저가 상기 샘플의 표면에 도달하고 광전류를 발생시키는 단계;
    (iv) 상기 샘플의 표면에 도달한 레이저가 샘플의 표면에서 반사되는 단계;
    (v) 상기 반사된 레이저가 광경로 조절부를 이동하여 포토 디텍터에 도달하여 이미지 전압신호를 발생시키는 단계;
    (vi) 광전류 검출부에서 상기 샘플에서 발생한 광전류를 검출하는 단계;
    (vii) 이미지 전압신호 검출부에서 상기 포토 디텍터에서 발생한 이미지 전압신호를 검출하는 단계;
    (viii) 상기 검출된 광전류 및 이미지 전압신호를 컴퓨터에 데이터화하여 광전류 이미지 및 반사이미지를 얻는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    입사광이 샘플의 표면 중 서로 다른 복수개의 위치에서 상기 (i)~(viii) 단계를 복수회 반복 실시하여 연속적으로 광전류 신호 및 이미지 전압신호를 얻고 이를 데이터화하여 상기 광전류 이미지와 반사이미지를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 서로 다른 복수개의 위치는 광원의 이동 또는 광원의 이동 없이 피에조 스테이지(piezo-stage)의 이동만을 조절함으로써, 샘플의 측정위치를 변화시켜 결정되는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 (ii) 단계는
    (a) 교류 광신호(AC optical signal)를 만들기 위해 상기 광원에서 발생한 레이저가 초퍼 블레이드(chopper blade)를 통과하는 단계;
    (b) 상기 초퍼 블레이드(chopper blade)를 통과한 레이저가 빔 익스팬더(beam expander)를 통과하여 레이저 빛의 직경이 확대되는 단계;
    (c) 상기 직경이 확대된 레이저가 ND 필터(neutral density filter)를 통과하는 단계;
    (d) 상기 ND 필터(neutral density filter)를 통과한 레이저가 빔 스플리터(beam splitter)를 통과하는 단계;
    (e) 상기 빔 스플리터(beam splitter)를 통과한 레이저가 웨이브 플레이트(wave plate)를 통과하는 단계;
    (f) 상기 웨이브 플레이트(wave plate)를 통과한 레이저가 대물렌즈를 통과하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  23. 제 19항에 있어서,
    상기 (i) 단계의 광원이 초연속 레이저(supercontinuum laser)인 경우,
    상기 (i) 단계 및 (ii) 단계 사이에 상기 초연속 레이저(supercontinuum laser)가 단색화 장치(monochromator) 및 편광판(polarizer)을 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.










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