KR101543251B1 - 교육용 afm 장치 - Google Patents

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KR101543251B1
KR101543251B1 KR1020140017592A KR20140017592A KR101543251B1 KR 101543251 B1 KR101543251 B1 KR 101543251B1 KR 1020140017592 A KR1020140017592 A KR 1020140017592A KR 20140017592 A KR20140017592 A KR 20140017592A KR 101543251 B1 KR101543251 B1 KR 101543251B1
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김병기
김진석
백수진
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한국기술교육대학교 산학협력단
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
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Abstract

교육용 AFM장비는 측정부, 구동부 및 제어부를 포함하고, 상기 측정부는 탐침, 캔틸레버, 반사판, 레이져 및 포토센서를 포함한다. 상기 측정부는 시편의 굴곡(surface topography)을 측정하고, 상기 구동부는 상기 시편의 이동을 제어하고, 상기 제어부는 상기 시편의 이동에 따라 상기 포토센서에서 수광되는 빔을 분석하여 상기 시편의 표면 영상을 표시하며, 상기 탐침은 타단이 하부를 향해 날카롭게 형성되고, 상기 캔틸레버는 상기 탐침의 일단에 결합되어 상기 탐침을 지지하며, 상기 반사판은 상기 캔틸레버의 상단에 형성되어 빛을 반사하며, 상기 레이져는 상기 반사판을 향해 빔을 주사하며, 상기 반사판에서 반사되어 오는 상기 빔을 추적하여 수광하는 포토센서를 포함한다.

Description

교육용 AFM 장치{AFM DEVICE FOR EDUCATION}
본 발명은 AFM(Atomic Force Microscope)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LABVIEW 및 MATLAB 소프트웨어를 사용하는 교육용 AFM장치에 관한 것이다.
최근에는 각종 전기/전자 제품에 구비된 각종 회로들을 포함하여 유기 및 무기물질의 시료의 미세한 구조를 분석하기 위한 각종 장비들이 개발되고 있다. 광학 현미경 및 전자 현미경의 뒤를 이어 개발된 것이 AFM(Atomic Force Microscope)이다.
AFM은 주사형 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)중 가장 널리 보급되어 있으며, 다양한 환경에서 미소 삼차원형상이나 여러 가지 물리량 분포 등을 관찰 할 수 있는 특징이 있어 다양한 시료에 폭넓게 응용된다. 현재 AFM장비는 반도체 정밀 측정 공정에서 가장 대중적으로 사용되고 있으며, 이를 기반으로 새로운 형태의 SPM이 지속적으로 연구 개발되고 있는 등 AFM에 대한 관심이 높아지고 있다.
하지만, 전 세계적으로 교육의 기회를 제공하는 곳은 드물며, 국내에서는 아직 교육용 인프라를 구축한 곳이 없다. 또한 학교나 기업체에서 교육용으로 쓰이기에는 실제 측정이 이루어지는 탐침 주변 구성요소가 매우 작기 때문에 이를 교육 및 실습하기에는 공간적으로 제한이 있다.
따라서 다양한 분야에서 수요가 있는 AFM의 probe와 주변부를 대형화하여 교육용 장비로 개발함으로써 AFM에 대한 교육효과를 노이고, 더 나아가 이 장비를 통하여 AFM의 측정원리를 배우고자 하는 학생이나 기업체에 교육 인프라를 제공하는 것이 필요하다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은AFM의 probe와 주변부를 대형화하여 교육용 장비로 개발함으로써 다양한 분야에 교육 인프라를 제공하는 교육용 AFM장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 교육용 AFM장비는 측정부, 구동부 및 제어부를 포함하고, 상기 측정부는 탐침, 캔틸레버, 반사판, 레이져 및 포토센서를 포함한다. 상기 측정부는 시편의 굴곡(surface topography)을 측정하고, 상기 구동부는 상기 시편의 이동을 제어하고, 상기 제어부는 상기 시편의 이동에 따라 상기 포토센서에서 수광되는 빔을 분석하여 상기 시편의 표면 영상을 표시하며, 상기 탐침은 타단이 하부를 향해 날카롭게 형성되고, 상기 캔틸레버는 상기 탐침의 일단에 결합되어 상기 탐침을 지지하며, 상기 반사판은 상기 캔틸레버의 상단에 형성되어 빛을 반사하며, 상기 레이져는 상기 반사판을 향해 빔을 주사하며, 상기 반사판에서 반사되어 오는 상기 빔을 추적하여 수광하는 포토센서를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 측정부는 Y축 스테이지 및 X축 스테이지를 더 포함하며, 상기 Y축 스테이지는 상기 Y축을 따라 좌우로 이동하며, 상기 X축 스테이지는 상기 Y축 스테이지 하부에 형성되어 X축을 따라 좌우로 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 측정부는 상기 X축 및 Y축 스테이지의 구동으로 상기 시편을 이동하여 상기 탐침이 상기 시편 전체면적을 이동하는 X축 및 Y축 좌표를 포함하고, 상기 반사판이 상기 시편의 굴곡에 따라 상하로 이동할 경우 변하는 상기 빔의 이동경로를 추적하는 상기 포토센서의 이동정보를 상기 제어부로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 볼은 상기 탐침의 타단에 형성되어, 상기 시편의 이동에 따라 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 볼은 금속, 고분자 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 구동부에 상기 시편의 수평운동을 통해 상기 탐침과 상기 시편이 접촉하는 부분의 이동경로와 각각의 상기 이동경로들에 해당하는 상기 포토센서의 상하이동경로를 분석할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동부는 X축모터, Y축모터, 및 Z축모터를 포함하고, 상기 X축모터는 상기 X축 스테이지를 수평으로 이동시키고, 상기 Y축모터는 상기 Y축 스테이지를 수평으로 이동시키며, 상기 Z축모터는 상기 Z축 스테이지를 수직으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동부는 X축 모터 드라이버, Y축 모터 드라이버 및 Z축 모터 드라이버를 포함하고, 상기 X축 모터 드라이버는 상기 X축모터를 제어하고, 상기 Y축 모터 드라이버는 상기 Y축모터를 제어하며, 상기 Z축 모터 드라이버는 상기 Z축 모터를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 DAQ, 처리장치 및 모니터를 포함하며, 상기 DAQ는 상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 이동정보의 신호를 수신하여 증폭하고, 전기적인 신호로 변환시키며, 상기 처리장치는 상기 DAQ로부터 상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 전기적인 이동경로의 신호들을 수신하고 분석하여 3D 형상을 구현하며, 상기 모니터는 상기 3D 형상을 시각적으로 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 DAQ는 상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 이동경로에 해당하는 신호의 노이즈를 감소시키고 상기 이동신호가 약할 경우 증폭시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 교육용 AFM장치는 육안으로 보이는 시편의 굴곡이 탐침의 이동으로 컴퓨터에서 3D 형상화 되는 원리를 실시간으로 교육받는 사람들에게 보여줄 수 있다.
탐침 하부의 볼은 탐침프레임의 하부에 형성되면서, 탐침이 시편의 상부를 이동하면서 발생시킬 수 있는 상기 시편의 스크래치나 손상을 현저히 줄일 수 있고, 상기 탐침프레임의 내부에 형성 가능한 윤활유의 유압이 상기 탐침 내부에 형성되어 캔틸레버가 휘어지고 다시 원위치로 돌아오는 탄성에 의한 충격을 흡수 할 수 있어 시편의 손상을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 교육용 AFM장치의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 교육용 AFM장치의 측정부를 확대한 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4는 시편의 움직임에 따른 탐침과 캔틸레버의 움직임과 그에 따른 빔의 경로의 변화를 나타내는 사시도들이다.
도 5 및 도 6은 시편의 이동경로를 나타내는 사시도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 탐침과 캔틸레버를 나타낸다.
도 8은 도 7의 탐침과 캔틸레버의 A'-A사이에 형성된 단면구조를 나타낸다.
도 9는 도 1 및 도 2의 교육용 AFM장치가 구동하는 일 예를 도시한 순서도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 실내자전거에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 교육용 AFM장치의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 교육용 AFM장치(10)는 측정부(20), 구동부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
상기 측정부(20)는 포토센서(21), 레이져(22), 캔틸레버(23), 시편(24), 탐침(25) 및 스테이지(26)를 포함하고, 상기 구동부(30)는 X축모터(31), Y축모터(32), Z축모터(33), X축 모터드라이버(34), Y축 모터드라이버(35) 및 Z축 모터드라이버(36)를 포함하며, 상기 판독부(40)는 Z축케이블(41), X축케이블(42), Y축케이블(43), DAQ(44), 모니터(45) 및 처리장치(46)를 포함한다.
도 1의 상기 시편(24)은 상기 스테이지(26) 상부에 위치하게 된다. 상기 스테이지(26)는 직사각형의 구조로 형성되어 있고, 상기 X축모터(31) 및 상기 Y축모터(32)의 구동에 의해 상하좌우로 움직일 수 있다. 따라서 상기 스테이지(26)가 움직이게 되면 상기 시편(24)이 같이 움직이게 된다.
상기 캔틸레버(23)는 기둥에서 수평으로 튀어나온 형상을 하고 있다. 구체적으로, 일단이 고정되고 타단은 받쳐지지 않은 상태로 되어 있는 보의 형상을 하고 있으며 고정되지 않는 타단은 휨 모멘트를 받아 상하로 변형되기 쉬운 상태이다.
상기 캔틸레버(23)의 고정되지 않는 타단에는 상기 탐침(25)이 상기 캔틸레버(23)의 하단면에 결합하여 하부를 향해 날카롭게 형성되어 있다. 따라서 상기 탐침(25)의 날카로운 부분이 상기 시편(24)의 표면에 접촉하게 되며, 상기 스테이지(26)가 움직이게 되면 상기 시편(24)이 움직이면서 상기 탐침(25)이 상기 시편(24)의 표면굴곡에 따라서 상하로 움직이게 된다.
이때, 상기 스테이지(26)는 상기 X축모터(31) 및 상기 Y축모터(32)와 연결되어 있으며, 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32)의 구동에 의해 움직이게 된다. 상기 시편(24)을 측정하는 방법은 다양한 방법이 존재하지만 일반적으로 지그재그로 움직이며 측정구간을 측정하는 방법이 사용된다. 그리하여 상기 탐침(25)과 상기 캔틸레버(23)가 고정되어 있는 상태에서, 상기 시편(24)의 정해진 구간을 측정하기 위해서는, 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32)를 구동시켜 상기 스테이지(26)를 지그재그로 움직여서 상기 시편(24)의 측정될 구간을 측정하게 된다.
상기 탐침(25)은 날카로운 경우 굴곡이 심한 상기 시편(24)의 표면을 측정하는데 마찰력이 발생하여 이동에 방해가 될 수 있기 때문에 상기 탐침(25)의 상기 시편(24)과 맞닿게 되는 부분은 펜과 같이 금속이나 세라믹 또는 고분자로 형성된 구슬을 넣을 수 있다. 따라서 상기 탐침(25)과 상기 시편(24)간의 마찰력을 현저히 낮추어 상기 시편(24)의 이동에 따른 굴곡을 측정하는데 장점이 있다.
상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32) 및 상기 Z축모터(33)는 각각 상기 X축 모터드라이버(34)와 상기 Y축 모터드라이버(35) 및 상기 Z축 모터드라이버(36)와 연결되어 있다. 상기 X축 모터드라이버(34)와 상기 Y축 모터드라이버(35) 및 상기 Z축 모터드라이버(36)는 상기 처리장치(46)와 연결되어 있으며, 상기 처리장치(46)에서 오는 신호를 받아 각각 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32) 및 상기 Z축모터(33)를 구동시키게 된다.
구체적으로 사용자가 상기 처리장치(46)를 통해 상기 시편(24)을 측정하도록 입력을 하게 되면 상기 X축 모터드라이버(34)와 상기 Y축 모터드라이버(35)로 구동신호가 전송되고, 상기 X축 모터드라이버(34)와 상기 Y축 모터드라이버(35)는 각각 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32)를 구동시켜 상기 시편(24)을 이동시키게 된다.
상기 스테이지(26)는 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32)의 구동으로, 상기 제어부(40)에 X축 또는 Y축으로 설정된 상기 시편(24)의 크기범위 내에서 상기 탐침(25)이 벗어나지 않도록 움직이게 된다.
상기 DAQ(Data Acquisition)(44)의 기능은 첫 번째로 센서로서 온도나 압력, 진동과 같은 물리적인 신호를 측정 가능한 전기적인 신호, 즉 전압과 전류로 바꾸어주는 역할을 하며, 두 번째로 시그널 컨디셔너(Signal Conditioner)로써, 센서에서 출력되는 전압이나 전류가 진폭이 매우 낮거나 노이즈가 심하여 바로 측정하기 힘든 경우 출력전압을 증폭해주거나 노이즈 필터링을 취하여 측정하기 좋은 신호로 바꾸어 주게 된다.
세번째로 상기 센서나 상기 시그널 컨디셔너를 통해 출력되는 전압 값을 상기 처리장치(46)가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환시켜 주게 된다. 또한 ADC(Analog to Digital Convertor)칩을 이용하여, PCI, PCIe,PXI, PXIe, PCMCIA 및 USB 등의 다양한 BUS타입의 DAQ를 사용할 수 있다. 여기에서 도 1의 상기 DAQ(44)는 상기 포토센서(21)의 신호를 받아들이고 각 X, Y, Z축에 대한 제어신호를 상기 처리장치(46)로 보내게 된다. 이때 상기 포토센서(21)의 물리적인 신호는 상기 DAQ(44)를 통해 측정 가능한 전기적인 신호로 바뀌어지며, 상기 전기적인 신호 즉 전압이나 전류의 진폭이 매우 낮거나 노이즈가 심할 경우, 출력전압을 증폭해주거나 노이즈 필터링을 하여 신호로 바꾸어 주게 된다.
도 2는 도 1의 교육용 AFM장치의 측정부를 확대한 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 측정부(20)는 포토센서(21), 레이져(22), 캔틸레버(23), 시편(24), 탐침(25), 스테이지(26) 및 반사판(27)을 포함하고, 상기 스테이지(26)는 X축 스테이지(26a)와 Y축 스테이지(26b) 및 Z축 스테이지(26c)를 포함한다.
상기 측정부(20)의 상기 시편(24)이 상기 Y축 스테이지(26b)의 상부에 놓여져 있는 상태에서, 사용자는 상기 캔틸레버(23)와 연결된 상기 Z축 스테이지(26c)를 조절하여 상기 캔틸레버(23)에 결합된 상기 탐침(25)을 상기 시편(24)의 상부에 접촉시킨다.
도 2의 상기 시편(24)이 상기 Y축 스테이지(26b)의 상부에 올려져 있는 상태에서 상기 레이져(22)는 상기 반사판(27)으로 빔을 주사하게 된다. 상기 반사판(27)으로 입사된 상기 빔은 들어온 각도와 같은 각도로 반사되어 상기 포토센서(21)를 향해 이동하게 된다.
이때, 상기 스테이지(26)가 X축 또는 Y축으로 이동하면서 상기 시편(24)이 움직이게 되고, 상기 탐침(25)은 상기 시편(24)의 상부 표면의 굴곡에 따라 Z축을 따라서 상하로 움직이게 된다.
결국, 상기 시편(24)의 움직임에 따라 상기 탐침(25)과 상기 반사판(27)이 Z축 선상의 상하로 움직이게 되고, 상기 반사판(27)으로 입사된 상기 빔의 입사각과 반사각의 차이가 발생하여, 반사된 상기 빔의 경로가 달라지게 된다. 그리하여, 상기 포토센서(21)는 달라지는 상기 빔의 경로의 차이를 감지하여 상기 DAQ(44)를 통해 도 1의 상기 처리장치(46)로 관련 데이터를 전송하고 상기 처리장치(46)는 상기 데이터를 수신하고 분석하여 상기 Z축스테이지(26C)를 상하로 이동시켜 상기 빔이 항상 상기 포토센서(21)의 중앙에 위치하도록 제어하게 된다.
한편, 상기 켄틸레버(23)는 얇은 금속 또는 고분자로 형성될 수 있으며, 탄성을 가지고 있어, 상기 시편(24)의 표면 굴곡에 따라서 상하부로 휘어지게 된다.
도 3 및 도 4는 시편의 움직임에 따른 탐침과 캔틸레버의 움직임과 그에 따른 빔의 경로의 변화를 나타내는 사시도들이다.
본 실시예는 스테이지를 제외하고, 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 측정부(20)와 실질적으로 동일 하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명을 이를 생략한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 레이저(22)의 빔이 상기 반사판(27)을 거쳐 상기 포토센서(21)로 입사하는 동안, 상기 시편(24)은 왼쪽으로 움직이게 된다. 상기 시편(24)이 왼쪽으로 움직이면서, 상기 시편(24)의 굴곡에 따라 상기 탐침(25)과 상기 캔틸레버(23)의 위치가 변하게 되고, 상기 반사판(27)의 위치가 변하게 된다. 따라서 상기 반사판(27)에 입사되는 상기 빔의 반사각이 달라지게 되고, 그에 따라 상기 포토센서(21)로 입사되는 상기 빔의 이동경로가 달라지게 된다.
도 4를 참조하면, 상기 빔의 이동경로는 왼쪽으로 움직이는 상기 시편(24)의 표면굴곡에 따라서 달라지게 되고, 상기 포토센서(21)는 이동경로가 달라지는 상기 빔이 항상 상기 포토센서(21)의 중앙으로 입사되도록 움직이게 된다.
결국, 상기 시편(24)의 이동에 따라서 상기 포토센서(21)와 결합된 상기 Z축스테이지(26C)가 움직이게 되고, 상기 시편(24)의 굴곡상태를 나타내는 상기 Z축스테이지(26C)의 위치변화값과 상기 Z축스테이지(26C)의 위치변화값이 발생한 위치를 나타내는 상기 X축 및 Y축 스테이지(26a, 26b)의 좌표값이 상기 DAQ(44)를 통해서 상기 처리장치(46)로 보내지면, 상기 X축 및 Y축 스테이지(26a, 26b)가 나타내는 상기 시편(24)의 위치에 해당하는 3D 형상을 얻게 된다.
도 5 및 도 6은 시편의 이동경로를 나타내는 사시도들이다.
본 실시예에는 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 측정부(20)와 실질적으로 동일 하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명을 이를 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 시편(24)은 상기 X축 및 Y축 스테이지(26a. 26b)의 이동에 따라서 X축 Y축으로 번갈아 가면서 이동하게 되고, 전체적으로는 지그재그의 형태를 나타내며 이동하게 된다.
구체적으로는, 상기 탐침(25)이 상기 시편(24)에 맞닿아 있는 상태에서, 상기 시편(24)이 움직이기 시작하게 된다. 그리고 상기 X축을 따라 길게 상기 시편(24)을 이동 시킨 후 Y축으로 짧게 이동하여 다시 상기 X축으로 이동시키는 지그재그 방식으로 상기 탐침(25)이 상기 시편(24)의 표면 전체의 굴곡을 측정할 수 있도록 한다.
도 6을 참조하면, 상기 시편(24)은 상기 X축 및 Y축 스테이지(26a. 26b)의 이동에 따라서X축 Y축으로 번갈아 가면서 이동하게 되고, 전체적으로는 지그재그의 형태를 나타내며 이동하게 된다.
구체적으로는, 상기 탐침(25)이 상기 시편(24)에 맞닿아 있는 상태에서, 상기 시편(24)이 움직이기 시작하게 된다. 그리고 상기 Y축을 따라 길게 상기 시편(24)을 이동시키고, X축으로 짧게 이동하여 다시 상기 Y축을 따라 이동하는 지그재그 방식으로 상기 탐침(25)이 상기 시편(24)의 표면 전체의 굴곡을 측정할 수 있도록 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 탐침과 캔틸레버를 나타낸다.
도 8은 도 7의 탐침과 캔틸레버의 A'-A사이에 형성된 단면구조를 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 교육용 AFM장치는 캔틸레버(29)와 탐침(28), 고정덮개(29) 및 고정나사(36)를 포함하고, 상기 탐침(28)은 탐침프레임(28a)과 볼(28b)을 포함한다.
본 실시예에 의한 상기 교육용AFM장치는 상기 탐침(28)과 상기 캔틸레버(29)를 제외하고, 도 1을 참조하여 설명한 상기 교육용 AFM장치(10)와 실질적으로 동일 하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 7의 상기 캔틸레버(29)는 도 1의 상기 캔틸레버(23)와 실질적으로 동일하지만, 상기 탐침(28)을 탈착 또는 부착할 수 있는 구조를 내부에 형성하고 있다. 상기 탐침(28)은 하단에 상기 볼(28b)이 형성되어 상기 탐침(28)이 시편의 표면을 이동할 때 커다란 저항이 없이 상기 시편의 굴곡에 따라서 이동할 수 있게 된다. 또한 상기 시편의 표면에 기존 탐침의 날카로운 부분으로 인한 손상이 줄어들게 되는 장점이 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 탐침(28)은 상기 캔틸레버(29)와 탈착 또는 부착이 가능하므로, 상기 탐침(28)의 손상이 있을 때 쉽게 교체가 가능한 장점이 있다. 또한 상기 탐침프레임(28a)은 내부에 공간을 형성하여 윤활유를 포함할 수 있으며, 상기 윤활유가 상기 볼(28b)의 주위를 감싸게 되면 상기 볼(28b)이 상기 시편의 표면을 이동할 때 소음이나 손상이 없이 부드럽게 이동 할 수 있게 된다.
상기 탐침(28)은 상기 캔틸레버(29)의 내부에 부착된 후에 상기 고정덮개(37)를 상기 탐침(28)의 상부에 형성되고, 상기 고정덮개(37)는 상기 고정나사(36)들로 상기 캔틸레버(29)와 결합하게 된다. 따라서 상기 탐침(28)은 상기 캔틸레버(29)와 상기 고정덮개(37) 사이에 형성되어 흔들리지 않게 고정되고, 상기 고정나사(26)와 상기 고정덮개(37)를 통해 교체가 가능하다. 그리고 상기 캔틸레버(29)는 상기 탐침(28)과 마찬가지로 교체가 가능하다.
따라서, 상기 볼(28b)이 상기 탐침프레임(28a)의 하부에 형성되면서, 상기 탐침(28)이 상기 시편(24)의 상부를 이동하면서 발생시킬 수 있는 상기 시편(28)의 스크래치나 손상을 현저히 줄일 수 있고, 상기 탐침프레임(28a)의 내부에 형성 가능한 윤활유의 유압이 상기 탐침(28) 내부에 형성되어 상기 캔틸레버(29)가 휘어지고 다시 원위치로 돌아오는 탄성에 의한 충격을 흡수 할 수 있다.
도 9는 도 1 및 도 2의 교육용 AFM장치가 구동하는 일 예를 도시한 순서도이다.
상기 레이저(22)는 빔을 상기 반사판(27)으로 주사하고 상기 빔은 반사되어 상기 포토센서(21)로 입사하게 된다(단계 S101).
상기 탐침(25)이 상기 시편(24)에 접촉하고 있는 상태에서 상기 제어부(40)의 신호로 상기 X축 모터드라이버(34)와 상기 Y축 모터드라이버(35)가 상기 X축 모터(31)와 상기 Y축 모터(32)를 제어하여 상기 시편(24)이 지그재그로 움직이게 된다. 이때 상기 탐침(25)이 이동하는 경로는 상기 제어부(40)에 설정된 상기 시편(24)의 X축 길이와 Y축 길이를 기초로 하고, 상기 X축모터(31)와 상기 Y축모터(32)를 상기 X축 길이와 상기 Y축 길이의 범위 내에서 지그재그로 움직여 결정하게 된다(단계 S102).
상기 시편(24)의 움직임에 따라 상기 탐침(25)과 상기 탐침(24)의 상부에 결합된 상기 반사판(27)이 Z축을 따라 상하로 움직이게 된다(단계 S103).
상기 반사판(27)의 상하 이동에 따라서 상기 빔의 반사되어 이동하는 경로가 달라지게 된다(단계 S104).
상기 빔의 달라진 이동경로에 따라서 상기 포토센서(21)는 Z축의 상하 방향으로 움직이며 상기 빔을 따라 이동하게 된다(단계 S105).
상기 처리장치(46)는 상기 포토센서(21)의 Z축에서의 이동정보를 상기 DAQ(44)를 통해 전기적인 신호로 수신하여, 상기 시편의 표면에 형성된 굴곡의 높낮이에 대한 정보를 수신하게 된다(단계 S106).
상기 처리장치(46)는 상기 X축 및 Y축 스테이지(26a, 26b)들이 상기 X축 및 Y축에서 이동한X축 및 Y축의 좌표의 정보들과 상기 포토센서(21)와 상기 Z축 스테이지(26c)가 Z축에서 이동한 Z축 좌표의 정보를 통합하게 된다. 즉 상기 시편(24)의 모든 X축 및 Y축 좌표에 해당하는 상기 시편(24)의 위치에서 발생한 상기 포토센서(21)의 Z축 좌표의 이동정보들을 분석 및 통합하여 상기 시편(24)의 전체적인 3D 형상을 상기 모니터(45)에 나타내게 된다(단계 S107).
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 교육용 AFM장치(10)는 육안으로 보이는 시편의 굴곡을 상기 탐침(28)의 이동으로 형상화시키는 원리를 실시간으로 교육받는 사람들에게 보여줄 수 있는 효과가 있다.
상기 볼(28b)이 상기 탐침프레임(28a)의 하부에 형성되면서, 상기 탐침(28)이 상기 시편(24)의 상부를 이동하면서 발생시킬 수 있는 상기 시편(28)의 스크래치나 손상을 현저히 줄일 수 있고, 상기 탐침프레임(28a)의 내부에 형성이 가능한 윤활유의 유압이 상기 탐침(28) 내부에 형성되어 상기 캔틸레버(29)가 휘어지고 다시 원위치로 돌아오는 탄성에 의한 충격을 흡수 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 탐침과 주변부가 대형화된 교육용 AFM장비는 AFM의 측정원리를 가르칠 수 있는 학교나 기업체의 교육용 장비로써 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 교육용 AFM장치 20 : 측정부
21 : 포토센서 22 : 레이져
23 : 캔틸레버 24 : 시편
25 : 탐침 26 : 스테이지
27 : 반사판 28 : 탐침
28a: 탐침프레임 28b : 볼
30 : 구동부 40 : 제어부

Claims (10)

  1. 시편의 굴곡(surface topography)을 측정하는 측정부;
    상기 시편의 이동을 제어하는 구동부; 및
    상기 시편의 이동에 따라 포토센서에서 수광되는 빔을 분석하여 상기 시편의 표면 영상을 표시하는 제어부를 포함하며,
    상기 측정부는,
    타단이 하부를 향해 날카롭게 형성된 탐침;
    Y축에 평행하게 형성되어 상기 탐침의 일단에 결합되어 상기 탐침을 지지하는 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 Z축 상단에 형성되어 빛을 반사하는 반사판;
    X축 선상에서 상기 반사판을 향해 빔을 주사하는 레이져; 및
    상기 반사판에서 반사되어 오는 상기 빔을 추적하여 수광하는 포토센서를 포함하며,
    상기 측정부는,
    상기 X축 및 Y축 스테이지의 구동으로 상기 시편을 이동하여 상기 탐침이 상기 시편전체면적을 이동하는 X축 및 Y축 좌표를 포함하는 위치정보; 및
    상기 반사판이 상기 시편의 굴곡에 따라 상하로 이동할 경우 변하는 상기 빔의 이동경로를 추적하는 상기 포토센서의 이동정보를 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 측정부는,
    상기 Y축을 따라 좌우로 이동하는 Y축 스테이지; 및
    상기 Y축 스테이지 하부에 형성되어 X축을 따라 좌우로 이동하는 X축 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용AFM장치.
  3. 삭제
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 탐침의 타단에 형성되어, 상기 시편의 이동에 따라 회전하는 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 볼은 금속, 고분자 또는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 구동부에 상기 시편의 수평운동을 위한 신호를 인가하고, 상기 측정부에서의 상기 시편의 수평운동을 통해 상기 탐침과 상기 시편이 접촉하는 부분의 이동경로와 각각의 상기 이동경로들에 해당하는 상기 포토센서의 상하이동경로를 분석하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 X축 스테이지를 수평으로 이동시키는 X축모터;
    상기 Y축 스테이지를 수평으로 이동시키는 Y축모터; 및
    상기 Z축 스테이지를 수직으로 이동시키는 Z축모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 X축 모터를 제어하는 X축 모터 드라이버;
    상기 Y축 모터를 제어하는 Y축 모터 드라이버; 및
    상기 Z축 모터를 제어하는 Z축 모터 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 이동정보의 신호를 수신하여 증폭하고, 전기적인 신호로 변환시켜 주는 DAQ;
    상기 DAQ로부터 상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 전기적인 이동경로의 신호들을 수신하고 분석하여 3D 형상을 구현하는 처리장치; 및
    상기 3D 형상을 시각적으로 나타내는 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 DAQ는 상기 X축, Y축 및 Z축 스테이지들의 이동경로에 해당하는 신호의 노이즈를 감소시키고 이동신호가 약할 경우 증폭시키는 것을 특징으로 하는 교육용 AFM장치.
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