KR101855616B1 - 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치 - Google Patents
광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 상대적으로 소형이고 단순한 광학계를 포함하여 구성될 수 있어 경제성과 현장진단을 위한 휴대성을 향상시키며, 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 신뢰성 있고 정량적인 자료를 제공할 수 있는 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 근접장 현미경부의 팁의 위치 제어와 시료의 라만 분석을 위한 레이저광원을 생성하며, 상기 시료에 조사되는 레이저광원의 에너지와, 상기 시료에 광원의 초점을 맞추기 위한 초점용 광학렌즈의 초점 거리 및 상기 근접장 현미경부의 팁의 위치를 제어하기 위한 광픽업유닛 인터페이스부; 상기 시료에 대한 라만 산란을 생성하고, 라만 신호를 검출하도록 구성되는 라만 스펙트럼 생성부; 상기 라만 스펙트럼 생성부의 나노 라만의 공간 분해능 및 시료에 대한 마이크로 위치를 제어하기 위한 XYZ축 스캐너부; 및 상기 근접장 현미경부의 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 분석부;를 포함하는 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치가 제공된다.
Description
본 발명은 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상대적으로 소형이고 단순한 광학계를 포함하여 구성될 수 있어 경제성과 현장진단을 위한 휴대성을 향상시키며, 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 신뢰성 있고 정량적인 자료를 제공할 수 있는 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치에 관한 것이다.
라만 분석 장치는 라만 스펙트럼을 측정하는 분광계를 이용하여 라만 스펙트럼이 나타내는 시료의 물성 특징을 분석하는 장치로서, 라만 스펙트럼을 생성하기 위해 레이저를 주로 사용하는 광원과 분광계를 기본으로 구성된다.
사용되는 레이저로서는 자외선에서 적외선 파장 영역에 이르는 다양한 파장의 레이저가 상용되고 있으며, 생체 시료를 대상으로 하는 경우에는 주로 가시광선 및 근 적외선 영역의 에너지를 갖는 레이저를 많이 사용한다. 이에는 아르곤 레이저의 514.5nm 라인, 크립톤 레이저의 647nm 라인 및 YAG 등 고체 레이저의 532nm 라인과 660nm 라인과 785nm 라인 등이 그 예이다.
분광계로는 레일리 산란 등의 미광(謎光)을 충분히 제거할 필요가 있어서 더블 모노크로메이터를 2개 및 3개를 사용하는 방법이 사용되어 왔는데, 최근에는 우수한 광 특성을 갖는 간섭필터를 사용하고 1개의 모노크로메이터 필터를 사용하는 것이 보편화되었다.
도 1은 종래의 라만 분석 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 라만 분석 장치에서 레이저 광원(10)으로부터 출발하는 광원은 공간 필터(11: Spatial Filter)와 미러(12: Mirror) 및 다이크로익 미러(13: Dichroic Mirror)로 구성되는 광 경로를 거쳐 X축 미러(14: X-axis Mirror)에 도착한다.
종래의 라만 분석 장치는 광 경로 상에 X축 및 이와 수직인 Y축으로 움직이는 X축 미러(14: X-axis Mirror) 및 Y축 미러(15: Y-axis Mirror)를 배치하고, 이들을 각각 미세 조정하여 대물렌즈(20)를 통해 광원이 입사되어 스테이지(29) 상의 시료(21)와 만나는 경로를 스팟(Spot) 별로 미세하게 이동시킬 수 있다.
X축 미러(14) 및 Y축 미러(15)는 보이스 코일 모터(16,17: Voice Coil Motor) 및 이의 구동을 제어하는 드라이버(18,19)를 통해 미세 조정이 가능하다.
대물렌즈(20)를 통해 입사한 광원은 시료(21)와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 시료(21)와 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.
이때, 시료(21)의 물성 특성에 따라 광원이 에너지를 잃는 스톡스(Stokes) 산란 및 광원이 에너지를 얻는 안티 스톡스(Anti-Stokes) 산란의 파장은 고유한 형태로 나타나며, 분광계(50)는 에지 필터(28: Edge Filter)를 통해 이를 수집(일반적으로 스톡스 산란)하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있다.
종래의 라만 분석 장치에서는 이러한 스팟 별 스펙트럼 영상을 카메라(40)로 반복적으로 촬영한 후 컴퓨터(30)로 분석하여 시료(21)의 특성을 파악한다.
상기한 종래의 라만 분석 장치는 일 예시에 대하여 설명한 것으로, 이러한 라만 분석 장치를 포함한 기존 라만 분석 설비는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 기존 라만 분석 장비는 정밀도가 고도로 요구되는 고가의 부속품이 복수로 탑재되어야 하여 장비들은 부피가 크고 수억대의 고가 장비로 구성되는데, 이러한 장치는 상대적으로 높은 정밀도를 요구하지 않는 현장 진단 장치에 사용하기 매우 어려운 실정이다. 다시 말해서, 기존 라만 분석 장비는 복잡하고 고가의 장비로 이루어지며, 현장 진단용으로 이용하기 어려울 뿐만 아니라 분석의 활용 측면에서 한계를 가지고 있는 문제점이 있다.
둘째, 기존 라만 분석 장비는 바이러스(Virus) 진단과 케미컬(Chemical) 샘플의 분석, 현장 교육, 실험실 등 나노 정밀도의 분석 장치가 현장에서 요구되어 왔지만 신뢰성 있는 자료 및 정량적 자료를 제공할 수 있는 장비는 대형화하여 그 요구 조건을 충족시키지 못하고 있다.
따라서, 보다 소형화 및 저가격화된 나노 라만 장비에 대한 연구와 제작이 필요한 실정이다.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상대적으로 소형이고 단순한 광학계를 포함하여 구성될 수 있어 경제성과 현장진단을 위한 휴대성을 향상시키며, 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 신뢰성 있고 정량적인 자료를 제공할 수 있는 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
다시 말해서, 본 발명은 블루레이 광픽업유닛을 통해 기존의 라만 분석 장비에 비하여 상대적으로 단순한 광학계뿐만 아니라 나노미터 정밀도를 가지는 구동계를 포함함으로써, 경제성 있게 고 분해능의 광학계를 구성할 수 있고, 이를 활용하여 다양한 응용 분야(나노(nm) 두께 측정 장치, 서브마이크로 리소그래피(sub-micro lithography), 광학식 현장 진단장치)에서 활용할 수 있는 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 근접장 현미경부의 팁의 위치 제어와 시료의 라만 분석을 위한 레이저광원을 생성하며, 상기 시료에 조사되는 레이저광원의 에너지와, 상기 시료에 광원의 초점을 맞추기 위한 초점용 광학렌즈의 초점 거리 및 상기 근접장 현미경부의 팁의 위치를 제어하기 위한 광픽업유닛 인터페이스부; 상기 시료에 대한 라만 산란을 생성하고, 라만 신호를 검출하도록 구성되는 라만 스펙트럼 생성부; 상기 라만 스펙트럼 생성부의 나노 라만의 공간 분해능 및 시료에 대한 마이크로 및 나노 위치를 제어하기 위한 XYZ축 스캐너부; 및 상기 근접장 현미경부의 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 분석부;를 포함하는 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치가 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 광픽업유닛 인터페이스부는 복수의 레이저광원를 선택적으로 생성하는 블루레이 광픽업부; 상기 레이저광원의 에너지를 제어하기 위한 광원 제어부; 상기 근접장 현미경부의 초점 조절을 위해 상기 광픽업부에 구성되는 초점용 광학렌즈에 부착되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 코일모터부; 상기 광픽업부의 위치를 검출하고, 검출신호를 생성하도록 구성되는 위치오차검출 센서부(예를 들면, CCD센서부 및/또는 CMOS센서부); 및 상기 위치오차검출 센서부의 검출 신호에 기초하여 상기 광픽업부의 초점용 광학렌즈의 초점을 조절하도록 상기 코일 모터부를 제어하는 인터페이스 회로부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 라만 스펙트럼 생성부는 단일파장 레이저광원부; 상기 단일파장 레이저광원부의 광원으로부터 라만 산란을 발생시키고, 스톡스(stokes) 신호만을 분리하도록 이루어지는 라만스펙트럼 광학부; 및 상기 라만스펙트럼 광학부로부터 라만 신호를 검출하기 위한 스펙트로 미터부;를 포함하며, 상기 라만스펙트럼 광학부는 라만 산란을 야기하기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터부와, 레일리 산란과 스톡스 신호를 분리하기 위한 라만 필터인 롱-패스 필터부, 및 상기 롱-패스 필터부에 의해 분리된 스톡스 신호를 상기 스펙트로 미터부로 입사시키기 위한 라만 미러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 단일파장 레이저광원부는 레이저광원으로서 상기 블루레이 광픽업부에서 생성되는 레이저광원으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 XYZ축 스캐너부는 상기 광픽업부의 위치 및 시료의 경사를 마이크론(micron) 단위로 제어하도록 이루어지는 마이크로 위치 제어부; 및 상기 마이크로 위치 제어부에 의한 마이크로 위치 제어와 함께, 상기 광픽업부의 레이저 위치를 피드백(feedback) 신호로 사용하여 상기 근접장현미경부의 팁 및 시료의 위치를 나노 단위로 제어하도록 구성되는 나노위치 제어부;를 포함하고, 상기 마이크로 위치 제어부는 상기 광픽업부의 평면적 위치를 마이크로 단위로 조정하기 위한 스텝 모터부, 및 상기 광픽업부의 Z축 위치 조정과 시료의 경사 위치를 조정하기 위한 3축 피에조 모터부(구체적으로는 피에조 부저)를 포함하며, 상기 나노위치 제어부는 상기 근접장 현미경부의 팁을 통해 얻어진 정보에 기초하여 3축 제어하기 위한 3축 리니어 모터부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 XYZ축 스캐너부가 설치되는 XYZ 스테이지를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 분석할 시료를 홀딩(holding) 하도록 구성되는 샘플 홀더; 상기 시료의 형상 정보를 획득하기 위한 원자현미경; 상기 샘플 홀더의 상부에 구성되고 상기 원자현미경의 팁의 위치를 탐지하여 나노미터 단위의 높이 정보를 획득하고 레이저 광원의 에너지 및 초점용 렌즈의 초점을 제어하기 위한 탐지용 블루레이 광학드라이브; 상기 샘플 홀더의 하부에 구성되어 시료에 대한 라만 스펙트럼을 발생시키고 검출하기 위한 분석용 블루레이 광학드라이브; 상기 탐지용 블루레이 광학드라이브와 분석용 블루레이 광학드라이브의 마이크로 단위 위치 및 나노 단위 위치와, 상기 시료의 경사 위치를 조절하기 위한 위치제어유닛; 상기 광학드라이브 및 위치제어유닛에 연결되어 검출된 신호에 기초하여 상기 광학드라이브의 광원의 강도와 초점용 렌즈의 초점을 조절하도록 구성되는 인터페이스 회로를 포함하여 구성되는 인터페이스유닛; 및 상기 광학드라이브에 연결되어 상기 원자현미경의 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 상기 분석용 블루레이 광학드라이브에 의해 생성되는 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 컴퓨터를 포함하는 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 탐지용 블루레이 광학드라이브는 LED 광원과, 상기 LED 광원 일측에 구비되는 CMOS 센서와, 상기 LED 광원의 광 경로에 구비되어 빛의 일부는 CMOS센서로 반사시키고 일부는 투과하도록 이루어지는 제1 하프 미러와, 상기 제1 하프 미러로부터의 투과된 빛을 제공받는 초점용 대물렌즈와, 상기 제1 하프 미러와 초점용 대물렌즈의 광 경로에 구비되는 제2 하프 미러와, 상기 제2 하프 미러로부터 반사된 빛을 전달받는 레이저광원 센서, 및 상기 초점용 대물렌즈에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일을 포함하고, 상기 분석용 블루레이 광학드라이브는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원으로부터 빛을 라만 산란시키기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터와, 상기 라만 산란된 빛을 반사시키기 위한 반사 미러와, 상기 반사된 빛의 일부를 제공받아 시료 측으로 전달하기 위한 초점용 대물렌즈와, 상기 초점용 대물렌즈에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일과, 상기 시료로부터 반사되어 오는 빛에 대하여 레일리 산란과 스톡스 신호를 분리하기 위한 롱-패스 필터와, 상기 롱-패스 필터로부터 스톡스 신호를 라만용 미러를 통해 제공받아 라만 신호를 검출하기 위한 CCD센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 샘플 홀더의 동작 시 발생되는 저주파 진동을 감소시키기 위하여 상기 샘플 홀더를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼유닛을 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명에 의한 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치에 따르면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 상대적으로 소형이고 단순한 광학계를 포함하여 구성될 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 바이러스(Virus) 진단과 케미컬(Chemical) 샘플의 분석, 현장 교육, 실험실 등 나노 정밀도의 분석을 현장에서 실시할 수 있어 현장진단성을 향상시키고, 활용성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 정량적인 자료를 신뢰성 있게 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 라만 분석 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 블록화하여 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 구체적인 실시 형태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 블록화하여 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 구체적인 실시 형태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치를 블록화하여 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 분석할 시료 표면의 형상 정보를 획득하도록 구성되는 원자현미경과 같은 근접장 현미경부(100); 둘 이상의 레이저광원을 생성하며, 상기 시료에 조사되는 레이저광원의 에너지와, 상기 시료에 광원의 초점을 맞추기 위한 초점용 광학렌즈의 초점 거리 및 상기 원자현미경(100)의 팁의 위치를 제어하기 위한 광픽업유닛 인터페이스부(110); 상기 시료에 대한 라만 산란을 생성하고, 라만 신호를 검출하도록 구성되는 라만 스펙트럼 생성부(120); 상기 라만 스펙트럼 생성부(120)의 나노 라만의 공간 분해능 및 시료에 대한 마이크로 위치를 제어하기 위한 XYZ축 스캐너부(130); 및 상기 원자현미경(100) 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 분석부(140)를 포함한다.
상기 근접장 현미경부(100)는 미세한 탐침을 시료 표면 가까이 가져갈 때 생기는 원자 간의 상호 작용력을 측정해 시료 표면의 형상을 알아내는 원자현미경(AFM: Atomic Forece Microscope)과 같은 장치로 이루어질 수 있다.
상기 광픽업유닛 인터페이스부(110)는 원자현미경의 팁의 위치를 실시간으로 탐지하여 나노미터 단위의 높이 정보를 획득하고, 레이저광원의 에너지 및 대물렌즈의 초점을 실시간으로 제어할 수 있도록 구성되는 것이다.
구체적으로, 상기 광픽업유닛 인터페이스부(110)는, 복수의 레이저광원(예를 들면, Near Infrared Ray, Red, Violet 등)을 선택적으로 생성하는 블루레이 광픽업부(111), 상기 레이저광원의 에너지를 제어하기 위한 광원 제어부(112), 상기 원자현미경의 팁을 나노미터(nanometer)로 위치 검출하고 브라이트 필드(bright field: 비춰지는 부분)에서의 원자현미경의 초점 조절을 위해 광픽업부의 초점용 광학렌즈에 부착되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 코일모터부(113), 상기 광픽업부(111)의 위치를 검출하고, 검출신호를 생성하도록 구성되는 포토 디텍터 어레이 부(photo detector array part)(114), 및 상기 포토 디텍터어레이부(114)의 검출신호를 검출하여 상기 광픽업부의 초점용 광학렌즈의 초점을 실시간 조절하도록 상기 코일모터부(113)를 제어하는 인터페이스 회로부(115)를 포함한다.
상기 광원 제어부(112)는 상기 블루레이 광픽업부(111)에 구비되는 모니터링 센서, 및 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식 레이저 드라이브로 구성되어 레이저광원의 강도를 제어하도록 이루어질 수 있다.
상기 포토 디텍터어레이부(114)는 상기 광픽업부(111)의 광 영상 정보를 전기신호로 전환할 수 있는, 예를 들면 위치오차 검출센서, 예를 들면 CMOS 센서 및/또는 CCD 센서로 이루어질 수 있다.
상기 인터페이스 회로부(115)는 획득된 검출신호에 기초하여 초점용 광학렌즈의 실시간 초점 조절을 위해 코일모터부(113)를 제어할 수 있도록 설계될 수 있다.
다음으로, 상기 라만 스펙트럼 생성부(120)는 단일파장 레이저광원부(121)와, 상기 단일파장 레이저광원부(121)의 광원으로부터 라만 산란을 발생시키고, 스톡스(stokes) 신호만을 분리하도록 이루어지는 라만스펙트럼 광학부(122), 및 상기 라만스펙트럼 광학부(122)로부터 라만 신호를 검출하기 위한 스펙트로 미터부(123)를 포함한다.
상기 단일파장 레이저광원부(121)는 레이저광원으로서 상기 블루레이 광픽업부(111)에서 생성되는 레이저광원을 사용할 수 있다.
상기 라만스펙트럼 광학부(122)는 라만 산란을 야기하기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터(short-pass filter 또는 line filter)부, 레일리 산란(rayleigh scattering)과 스톡스(stokes) 신호를 분리하기 위한 라만 필터인 롱-패스 필터(long-pass filter)부, 및 상기 롱-패스 필터부에 의해 분리된 스톡스 신호를 상기 스펙트로 미터부(123)로 입사시키기 위한 라만 미러를 포함한다.
상기 스펙트로 미터부(123)는 Mbed와 아두이노(arduino)를 구비하여 구성되는 임베딩유닛 및 입사되는 스톡스 신호를 제공받는 CCD센서를 포함하여 이루어져 소형의 라만 스펙트로미터로 구성될 수 있다.
계속해서, 상기 XYZ축 스캐너부(130)는 광픽업부(111)의 위치 및 시료(샘플)의 경사를 마이크론(micron) 단위로 제어하도록 이루어지는 마이크로위치 제어부(131), 및 상기 마이크로 위치 제어부(131)에 의한 마이크로 위치 제어와 함께, 상기 광픽업부(111)의 레이저 위치를 피드백(feedback) 신호로 사용하여 상기 원자현미경의 팁 및 시료의 위치를 나노 단위로 제어하도록 구성되는 나노위치 제어부(132)를 포함한다.
상기 마이크로위치 제어부(131)는 나노 라만의 공간 분해능을 나노미터 단위로 제어할 수 있으며, 시료(샘플)의 마이크로한 위치를 제어할 수 있는 멀티 스케일 스캐너(multi scale scanner)라면 어떠한 구성이 적용될 수 있는 것으로, 예를 들면 상기 원자현미경을 이용하여 마이크로한 위치를 탐색하기 위해 상기 광픽업부(111)의 평면적 위치(X-Y축 위치)를 마이크로 단위로 조정하기 위한 스텝 모터부(step motor part), 및 상기 광픽업부(111)의 Z축 위치 조정과 시료의 경사 위치를 조정하기 위한 3축 리니어 모터부(linear motor part)를 포함할 수 있다.
상기 나노위치 제어부(132)는 상기 원자현미경의 팁을 통해 얻어진 정보에 기초하여 피에조 디스크(piezodisk) 또는 부저(buzzer)를 이용하여 3축 제어하기 위한 3축 리니어 모터부를 포함한다.
상기의 피에조 디스크는 외부 스피커 구동 회로(PC의 스피커 단자)를 통해 표면 방향으로 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있는 것으로, 이러한 길이의 변동 범위는 수십 나노미터의 범위로 지렛데와 같은 원리의 위부 스캐너 기둥에 연결되어 수십 마이크로 미터로 움직임이 가능하다. X축과 Y축의 구동을 위해 각각 2개씩 한조의 부저가 수축과 팽창을 주기적으로 반복함으로써 스캐너를 구성하고 마이크로 미터의 면적을 스캔할 수 있다. 이러한 피에조 디스크는 공지의 것을 채용할 수 있으므로 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
여기에서, 본 발명은 상기 XYZ축 스캐너부(130)의 동작 시 발생되는 저주파 진동을 감소시키기 위하여 상기 XYZ축 스캐너부(130)가 설치되는 XYZ 스테이지를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼부(예를 들면, 스프링)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 분석부(140)는 원자현미경 팁의 피드백 신호를 검출하고 이를 제어하기 위한 신호 처리 기술과 라만 스펙트럼의 실시간 분석을 위한 소프트웨어 기술을 구비하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 분석부(140)는 상기 마이크로위치 제어부(131)와 나노위치 제어부(132)를 광픽업부(111)와 연동시켜 제어하여 근접장 현미경부(100)인 원자현미경의 이미지를 처리하고, 나노미터 해상도의 표면을 분석하도록 구성되는 AFM 이미지처리부(141), 및 나노라만의 스펙트럼을 획득하여 기존의 라이브러리(library)와 비교하고, 표면증강 라면 신호의 특이성을 분석하여 형광, 레일리 산란(Rayleigh 산란), 미광(stray light) 등을 신호 분석을 통해 검증하는 검증부(142)를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 구체적인 실시 형태를 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 구체적인 실시 형태를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 상기한 설명에서 설명된 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여한다.
본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치의 구체적인 실시 형태는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 분석할 시료(샘플)을 잡는 샘플 홀더(200); 상기 시료의 형상 정보를 획득하기 위한 원자현미경(100); 상기 샘플 홀더(200)의 상부에 구성되고 상기 원자현미경(100)의 팁의 위치를 실시간 탐지하여 나노미터 단위의 높이 정보를 획득하고 레이저 광원의 에너지 및 초점용 렌즈의 초점을 제어하기 위한 탐지용 블루레이 광학드라이브(300); 상기 샘플 홀더(200)의 하부에 구성되어 시료에 대한 라만 스펙트럼을 발생시키고 검출하기 위한 분석용 블루레이 광학드라이브(400); 상기 탐지용 블루레이 광학드라이브(300)와 분석용 블루레이 광학드라이브(400)의 마이크로 단위 위치 및 나노 단위 위치와, 상기 시료의 경사 위치를 조절하기 위한 위치제어유닛(510, 520); 및 상기 광학드라이브(300, 400) 및 위치제어유닛(510, 520)에 연결되어 검출된 신호에 기초하여 광원의 강도(에너지)와 초점을 조절하도록 구성되는 인터페이스 회로를 포함하여 구성되는 인터페이스유닛(600); 상기 광학드라이브(300, 400)에 연결되어 원자현미경(100) 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 컴퓨터(700)를 포함한다.
상기 탐지용 블루레이 광학드라이브(300)는, LED 광원(310)과, 상기 LED 광원 일측에 구비되는 CMOS 센서(320)와, 상기 LED 광원(310)의 광로 상에 구비되어 빛의 일부는 CMOS센서(320)로 반사시키고 일부는 투과하도록 이루어지는 제1 하프 미러(330)와, 상기 하프 미러(330)로부터의 투과된 빛을 제공받는 초점용 대물렌즈(340)와, 상기 제1 하프미러(330)와 초점용 대물렌즈(340)의 광 경로 상에 구비되는 제2 하프미러(350), 상기 제2 하프미러(350)로부터 반사된 빛을 전달받는 레이저광원 센서(360), 상기 초점용 대물렌즈(340)에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일(370)을 포함한다.
상기 분석용 블루레이 광학드라이브(400)는 레이저 광원(410)과, 상기 레이저 광원(410)으로부터 빛을 라만 산란시키기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터(narrow band laser cleaning filter) 또는 숏-패스 필터(short-pass filter)(420)와, 상기 라만 산란된 빛을 반사시키기 위한 반사 미러(430)와, 상기 반사된 빛의 일부를 제공받아 시료 측으로 전달하기 위한 초점용 대물렌즈(440)와, 상기 초점용 대물렌즈(440)에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일(450)과, 상기 시료로부터 반사되어 오는 빛에 대하여 레일리 산란과 스톡스 신호를 분리하기 위한 롱-패스 필터(460)와, 상기 롱-패스 필터(460)로부터 스톡스 신호를 라만용 미러(470)를 통해 제공받아 라만 신호를 검출하기 위한 CCD센서(480)를 포함한다.
다음으로, 상기 위치제어유닛(510, 520)은 상기 원자현미경(100)의 팁의 위치 및 상기 샘플 홀더(200)의 위치(X-Y축 위치)를 마이크로 단위로 조정하기 위한 스텝 모터(step motor)(510), 상기 탐지용 광학드라이브(300)를 지지하는 지지체에 구비되는 피에조디스크(piezodisk) 또는 부저(buzzer)(520), 및 상기 피에조디스크 또는 부저(520)를 이용하여 상기 초점용 대물렌즈(340, 440)의 Z축 위치 조정과 시료의 경사 위치 조정을 위한 3축 리니어 모터(linear motor part)(미도시)를 포함한다.
본 발명은 상기 샘플 홀더(200)의 동작 시 발생되는 저주파 진동을 감소시키기 위하여 상기 샘플 홀더(200)를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼유닛(예를 들면, 스프링)(800)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 컴퓨터(700)는 원자현미경 팁의 피드백 신호를 검출하고 이를 제어하기 위한 신호 처리 기술과 라만 스펙트럼의 실시간 분석을 위한 소프트웨어 기술을 구비하여 구성되는 것이라면 어떠한 것도 채용될 수 있다.
한편, 본 발명은 원자현미경의 팁 및/또는 시료의 표면을 금속으로 코팅하여 표면 형상 분석과 표면 라만 신호를 증대시킬 수 있다.
상기 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치는, 원자현미경을 이용하여 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 추출하게 된다.
이러한 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치는, 벤치-탑(bench-top) 방식의 구조를 갖도록 구성될 수 있으며, 이는 소형화 및 현장진단에 용이한 휴대성과 사용성을 제공할 수 있게 된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치는, 상대적으로 소형이고 단순한 광학계를 포함하여 구성될 수 있어 경제성을 향상시키고, 바이러스(Virus) 진단과 케미컬(Chemical) 샘플의 분석, 현장 교육, 실험실 등 나노 정밀도의 분석을 현장에서 실시할 수 있어 현장진단성을 향상시키고, 활용성을 증대시킬 수 있으며, 나노미터의 표면 형상 분석과 동시에 표면에서 발생하는 라만 신호를 검출하여 화학적 분자 구성 정보를 현장에서 정량적인 자료를 신뢰성 있게 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 근접장 현미경부(원자현미경)
110: 광픽업유닛 인터페이스부
111: 광픽업부
112: 광원 제어부
113: 코일모터부
114: 포토 디텍터 어레이 부(photo detector array part)
115: 인터페이스 회로부
120: 라만 스펙트럼 생성부
121: 단일파장 레이저광원부
122: 라만스펙트럼 광학부
123: 스펙트로 미터부
130: XYZ축 스캐너부
131: 마이크로위치 제어부
132: 나노위치 제어부
140: 분석부
141: AFM 이미지처리부
142: 검증부
200: 샘플 홀더
300: 탐지용 블루레이 광학드라이브
310: LED 광원
320: CMOS 센서
330: 제1 하프 미러
340, 440: 초점용 대물렌즈
350: 제2 하프 미러
370, 450: 렌즈 포커싱 코일
400: 분석용 블루레이 광학드라이브
410: 레이저 광원
420: 협대역 레이저 클리닝 필터(숏-패스 필터)
430: 반사 미러
460: 롱-패스 필터
470: 라만용 미러
480: CCD센서
510: 스텝 모터
520: 피에조디스크(부저)
700: 컴퓨터
800: 댐퍼 유닛
110: 광픽업유닛 인터페이스부
111: 광픽업부
112: 광원 제어부
113: 코일모터부
114: 포토 디텍터 어레이 부(photo detector array part)
115: 인터페이스 회로부
120: 라만 스펙트럼 생성부
121: 단일파장 레이저광원부
122: 라만스펙트럼 광학부
123: 스펙트로 미터부
130: XYZ축 스캐너부
131: 마이크로위치 제어부
132: 나노위치 제어부
140: 분석부
141: AFM 이미지처리부
142: 검증부
200: 샘플 홀더
300: 탐지용 블루레이 광학드라이브
310: LED 광원
320: CMOS 센서
330: 제1 하프 미러
340, 440: 초점용 대물렌즈
350: 제2 하프 미러
370, 450: 렌즈 포커싱 코일
400: 분석용 블루레이 광학드라이브
410: 레이저 광원
420: 협대역 레이저 클리닝 필터(숏-패스 필터)
430: 반사 미러
460: 롱-패스 필터
470: 라만용 미러
480: CCD센서
510: 스텝 모터
520: 피에조디스크(부저)
700: 컴퓨터
800: 댐퍼 유닛
Claims (9)
- 시료 표면의 형상 정보를 획득하기 위한 근접장 현미경부;
상기 근접장 현미경부의 팁의 위치 제어와 시료의 라만 분석을 위한 레이저광원을 생성하며, 상기 시료에 조사되는 레이저광원의 에너지와, 상기 시료에 광원의 초점을 맞추기 위한 초점용 광학렌즈의 초점 거리 및 상기 근접장 현미경부의 팁의 위치를 제어하기 위한 광픽업유닛 인터페이스부;
상기 시료에 대한 라만 산란을 생성하고, 라만 신호를 검출하도록 구성되는 라만 스펙트럼 생성부;
상기 라만 스펙트럼 생성부의 나노 라만의 공간 분해능 및 시료에 대한 마이크로 위치를 제어하기 위한 XYZ축 스캐너부; 및
상기 근접장 현미경부의 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 분석부;를 포함하고,
상기 광픽업유닛 인터페이스부는, 복수의 레이저광원를 선택적으로 생성하는 블루레이 광픽업부와, 상기 레이저광원의 에너지를 제어하기 위한 광원 제어부와, 상기 근접장 현미경부의 초점 조절을 위해 상기 광픽업부에 구성되는 초점용 광학렌즈에 부착되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 코일모터부와, 상기 광픽업부의 위치를 검출하고, 검출신호를 생성하도록 구성되는 위치오차 검출센서부, 및 상기 위치오차 검출센서부의 검출 신호에 기초하여 상기 광픽업부의 초점용 광학렌즈의 초점을 조절하도록 상기 코일모터부를 제어하는 인터페이스 회로부를 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 라만 스펙트럼 생성부는
단일파장 레이저광원부;
상기 단일파장 레이저광원부의 광원으로부터 라만 산란을 발생시키고, 스톡스(stokes) 신호만을 분리하도록 이루어지는 라만스펙트럼 광학부; 및
상기 라만스펙트럼 광학부로부터 라만 신호를 검출하기 위한 스펙트로 미터부;를 포함하며,
상기 라만스펙트럼 광학부는 라만 산란을 야기하기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터부와, 레일리 산란과 스톡스 신호를 분리하기 위한 라만 필터인 롱-패스 필터부, 및 상기 롱-패스 필터부에 의해 분리된 스톡스 신호를 상기 스펙트로 미터부로 입사시키기 위한 라만 미러를 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 제3항에 있어서,
상기 단일파장 레이저광원부는 레이저광원으로서 상기 블루레이 광픽업부에서 생성되는 레이저광원으로 이루어지는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 제1항에 있어서,
상기 XYZ축 스캐너부는
상기 광픽업부의 위치 및 시료의 경사를 마이크론(micron) 단위로 제어하도록 이루어지는 마이크로위치 제어부; 및
상기 마이크로 위치 제어부에 의한 마이크로 위치 제어와 함께, 상기 광픽업부의 레이저 위치를 피드백(feedback) 신호로 사용하여 상기 근접장현미경부의 팁 및 시료의 위치를 나노 단위로 제어하도록 구성되는 나노위치 제어부;를 포함하고,
상기 마이크로위치 제어부는 상기 광픽업부의 평면적 위치를 마이크로 단위로 조정하기 위한 스텝 모터부, 및 상기 광픽업부의 Z축 위치 조정과 시료의 경사 위치를 조정하기 위한 3축 리니어 모터부를 포함하며,
상기 나노위치 제어부는 상기 근접장 현미경부의 팁을 통해 얻어진 정보에 기초하여 3축 제어하기 위한 3축 리니어 모터부를 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 제1항에 있어서,
상기 XYZ축 스캐너부가 설치되는 XYZ 스테이지를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼부를 더 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 분석할 시료를 홀딩(holding) 하도록 구성되는 샘플 홀더;
상기 시료의 형상 정보를 획득하기 위한 원자현미경;
상기 샘플 홀더의 상부에 구성되고 상기 원자현미경의 팁의 위치를 탐지하여 나노미터 단위의 높이 정보를 획득하고 레이저 광원의 에너지 및 초점용 렌즈의 초점을 제어하기 위한 탐지용 블루레이 광학드라이브;
상기 샘플 홀더의 하부에 구성되어 시료에 대한 라만 스펙트럼을 발생시키고 검출하기 위한 분석용 블루레이 광학드라이브;
상기 탐지용 블루레이 광학드라이브와 분석용 블루레이 광학드라이브의 마이크로 단위 위치 및 나노 단위 위치와, 상기 시료의 경사 위치를 조절하기 위한 위치제어유닛;
상기 광학드라이브 및 위치제어유닛에 연결되어 검출된 신호에 기초하여 상기 광학드라이브의 광원의 강도와 초점용 렌즈의 초점을 조절하도록 구성되는 인터페이스 회로를 포함하여 구성되는 인터페이스유닛; 및
상기 광학드라이브에 연결되어 상기 원자현미경의 팁의 피드백 신호를 검출 처리하고, 상기 분석용 블루레이 광학드라이브에 의해 생성되는 라만 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 컴퓨터를 포함하고,
상기 탐지용 블루레이 광학드라이브는 LED 광원과, 상기 LED 광원 일측에 구비되는 CMOS 센서와, 상기 LED 광원의 광 경로에 구비되어 빛의 일부는 CMOS센서로 반사시키고 일부는 투과하도록 이루어지는 제1 하프 미러와, 상기 제1 하프 미러로부터의 투과된 빛을 제공받는 초점용 대물렌즈와, 상기 제1 하프 미러와 초점용 대물렌즈의 광 경로에 구비되는 제2 하프 미러와, 상기 제2 하프 미러로부터 반사된 빛을 전달받는 레이저광원 센서, 및 상기 초점용 대물렌즈에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일을 포함하고,
상기 분석용 블루레이 광학드라이브는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원으로부터 빛을 라만 산란시키기 위한 협대역 레이저 클리닝 필터와, 상기 라만 산란된 빛을 반사시키기 위한 반사 미러와, 상기 반사된 빛의 일부를 제공받아 시료 측으로 전달하기 위한 초점용 대물렌즈와, 상기 초점용 대물렌즈에 구비되어 펄스폭변조 방식으로 제어되는 렌즈 포커싱 코일과, 상기 시료로부터 반사되어 오는 빛에 대하여 레일리 산란과 스톡스 신호를 분리하기 위한 롱-패스 필터와, 상기 롱-패스 필터로부터 스톡스 신호를 라만용 미러를 통해 제공받아 라만 신호를 검출하기 위한 CCD센서를 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 샘플 홀더의 동작 시 발생되는 저주파 진동을 감소시키기 위하여 상기 샘플 홀더를 탄성 지지하여 진동을 흡수하기 위한 댐퍼유닛을 더 포함하는
현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170032312A KR101855616B1 (ko) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170032312A KR101855616B1 (ko) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | 광학드라이브를 이용한 현장진단용 나노 라만스펙트럼 분석장치 |
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