KR102025747B1 - 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면의 높이 최적화 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저유도 플라즈마 분광법(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)을 사용하는 경우에 시료 표면을 LIBS 분석기의 레이저 집속렌즈의 초점에 정확히 위치시키고, 분석을 수행하는 과정에서 시료 표면이 이로부터 벗어나는 정도를 실시간 모니터링하여 보정할 수 있도록 한 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법에 대한 것으로서, 시료(4)의 성분을 측정하기 위하여 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 상기 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)에서 받은 빛을 수광하는 광섬유(8); 및 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9);를 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치에 있어서, 연속으로 빔을 상기 시료를 향하여 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하고 플라즈마 점화원인 펄스레이저(1)의 진행 경로와 같은 위치로 조절시켜 상기 펄스레이저(1)의 결상 지점과 동일한 위치에 결상시키도록 조절하는 조절거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면을 측정하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10)의 빔의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하여 구성되어 휴대용 LIBS 분석기기의 분석 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면의 높이 최적화 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPTIMIZATION AND MONITORING OF SAMPLE SURFACE HEIGHT IN A LASER INDUCED PLASMA SPECTROMETER}

본 발명은 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면의 높이 최적화 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 레이저유도 플라즈마 분광법(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)을 사용하는 경우에 시료 표면을 레이저유도 플라즈마 분광 분석기의 레이저 집속렌즈의 초점에 정확히 위치시키고, 분석을 수행하는 과정에서 시료 표면이 이로부터 벗어나는 정도를 실시간 모니터링하여 보정할 수 있도록 한 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

레이저유도 플라즈마 분광법(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)은 펄스레이저를 시료 표면에 렌즈로 집속하여 플라즈마를 만들고, 플라즈마에서 방출되는 빛의 파장과 세기를 측정하여 시료의 원소 조성을 분석하는 방법이다. 이때 신호의 세기와 정밀도는 집속렌즈의 초점으로부터 시료 표면이 벗어나는 정도에 크게 영향을 받는다. 이하에서 "레이저유도 플라즈마 분광법"은 "LIBS"라 하고 이를 이용한 분석기기는 "LIBS 분석기"라고 한다.

현재까지 시장에 출시되었거나 논문을 통해서 공개된 LIBS 분석기에서 시료 표면의 높낮이를 제어하거나 일정하게 유지하기 위해 적용된 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 시료 표면의 위치를 관측하고 시료스테이지의 높낮이를 조절하여 원하는 위치로 옮기는 것이고, 다른 하나는 LIBS 분석기의 구조를 적절히 설계하여 시료를 분석기의 시료스테이지에 놓거나 LIBS 분석기를 시료 표면에 가져다 놓으면 항상 시료 표면의 위치가 집속렌즈 및 수광 광학계의 초점에 위치하도록 하는 것이다.

도 1은 일반적인 LIBS 분석기 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, LIBS 분석을 수행하는 LIBS 분석기는 최소 다음과 같은 9 가지의 요소들로 구성된다. LIBS 분석기는 펄스레이저(1), 거울(2), 집속렌즈(3), 시료(4), 시료스테이지(5), 수광 렌즈(6, 7), 광섬유(8), 분광기(9)를 포함하여 구성된다.

여기서, 파란색 실선은 펄스레이저(1)의 빔의 진행 경로를, 초록색 실선은 플라즈마에서 방출되는 빔 가운데 광섬유(8)를 통해 수광되는 빛의 진행 경로를 표시한다. 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로는 거울(2)에 의해서 조절되고 렌즈(3)을 통해서 시료(4) 표면에 집속된다. 시료 표면의 높이는 가로, 세로, 높이 방향으로 시료 이송이 가능한 시료스테이지(5)에 의해 조절된다. 시료 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛은 수광 렌즈(6, 7)을 통해 광섬유(8)로 보내지고, 광섬유(8)는 분광기(9)로 이 빛을 보내 스펙트럼을 기록하게 된다.

유효한 LIBS 분석을 위해서는 펄스레이저를 집속할 때 시료 표면에서 에너지 밀도가 충분하고 일정하게 유지되도록 제어되어야 한다. 신호 세기를 키우기 위해서는 렌즈(3)에서 시료(4) 표면 사이의 거리를 렌즈(3)의 초점 거리와 같게 되도록 하여 시료 표면에 도달하는 레이저 펄스 에너지 밀도가 가장 크게 되도록 해야 한다. 또한 분석이 수행되는 내내 이 조건이 가능한 한 일정하게 유지되도록 하여 정밀도를 높일 수 있다.

휴대 가능한 수준의 작은 크기로 LIBS 분석기를 구성하기 위해서는 크기가 작은 레이저를 LIBS 분석기에 사용하는 것이 필요하다. 그런데 크기가 작은 레이저는 일반적으로 출력이 낮다. LIBS 분석기에 사용되는 저출력 레이저의 경우 펄스당 에너지가 낮기 때문에 시료 표면의 높이가 집속렌즈의 초점으로부터 조금만 벗어나도 시료 표면에 전달되는 에너지 밀도는 급격히 낮아져서 플라즈마 점화가 되지 않거나 온도가 너무 낮아 시료의 성분 원소의 방출선을 충분한 세기로 관찰하기 어렵게 되는 문제점이 있다.

따라서, 시료스테이지가 시료를 이송하는 과정에서 집속렌즈에서 시료 표면까지의 거리를 집속렌즈의 초점 근처에서 정밀하게 제어해야 하기 때문에 자동화된 높이 조절 기능이 없는 수동 스테이지를 사용한다 하더라도 광섬유 단면에 대한 실시간 영상 모니터링을 통해서 높이 조절 정밀도를 확보할 필요성이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1335011호 (발명의 명칭 : 스캐닝 줌 렌즈를 갖는 분광 분석기)

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 LIBS 분석을 수행하는 경우에 시료 표면을 LIBS 분석기의 레이저 집속렌즈의 초점에 정확히 위치시키고, 분석을 수행하는 과정에서 시료 표면이 이로부터 벗어나는 정도를 실시간 모니터링하고 보정하여 높이 조절 정밀도를 확보함으로써 휴대용 LIBS 분석기의 분석 성능이 향상된 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 고가의 시료스테이지 높이 조절 장치를 사용하지 않는 상대적으로 가격이 저렴하고 크기가 작은 LIBS 분석기의 분석 성능 향상 효과를 얻을 수 있도록 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 핵심 장치는 다음 두 가지이다. 하나는 LIBS 분석기에 사용되는 플라즈마 점화용 펄스레이저(1)빔과 동일함 경로로 추가적인 레이저빔을 진행하도록 제공하는 연속레이저이고, 다른 하나는 수광렌즈(6,7)를 통해서 광섬유(8) 단면에 이 연속레이저빔이 시료 표면에 만드는 집속된 레이저점의 영상이 결상되는데 이 광섬유 단면의 영상을 관측하는 소형 디지털 현미경이다. 시료 표면의 높낮이 변화는 연속레이저빔의 집속된 점의 높낮이를 변화시키고, 그 결과 광섬유(8) 단면에 결상된 이 이미지의 위치도 달라진다. 디지털 현미경은 이 이미지의 위치 변화를 관측하고 이 관측결과에 근거하여 시료의 높낮이를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 LIBS 분석기에 수광용으로 사용되는 광섬유의 단면의 이미지에 대한 추가적인 분석을 수행하여 시료 표면의 높이에 대한 정보를 디지털화하고 그 결과를 시료 높이 조절장치에 되먹임(feedback)시킬 경우 시료 표면의 높이를 분석과 동시에 실시간으로 최적화를 할 수 있도록 한 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 2를 참조하면, 상술한 목적을 달성하기 위한 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치는, 시료(4)의 성분을 측정하기 위하여 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 상기 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)에서 받은 빛을 수광하는 광섬유(8); 및 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9);를 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치에 있어서, 연속으로 빔을 상기 시료를 향하여 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하고 플라즈마 점화원인 펄스레이저(1)의 진행 경로와 같은 위치로 조절시켜 상기 펄스레이저(1)의 결상 지점과 동일한 위치에 결상시키도록 조절하는 조절거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면의 영상을 관측하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔 또는 펄스레이저(1)에 의해 발생된 플라즈마의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하여 구성된다.

상술한 목적을 달성하기 위한 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법은, 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 소정의 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)로부터 빛을 수광하는 광섬유(8); 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9); 연속으로 빔을 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하는 거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면을 측정하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10)의 레이저빔의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법에 있어서, 제1 시료(4-1)를 시료스테이지 상에 배치되도록 하는 단계; 상기 펄스레이저(1)의 빔, 광섬유(8)의 코어 및 연속레이저(10)의 레이저 빔이 디지털 현미경(12)으로 관측하는 광섬유 단면의 영상에서 서로 겹치도록 정렬시키는 정렬단계; 상기 분광기(9)는 상기 소정의 시료의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빛을 광섬유(8)를 통해 수광하고 분석하여 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행하는 분석단계;를 포함하여 구성된다.

상기 정렬단계는, 상기 제1 시료(4-1)의 표면이 집속렌즈(3)의 초점 거리에 해당하는 지점에 위치하도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절하는 단계; 상기 연속레이저(10)를 켜고 상기 연속레이저(10)의 이미지가 수광렌즈(6, 7)을 통해서 광섬유(8)의 단면에 결상되도록 하는 단계; 광섬유(8)의 단면을 디지털 현미경(12)으로 보면서 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔 이미지 사이의 차이를 확인하는 확인단계; 상기 확인단계에서 측정된 광섬유(8)의 코어와 연속레이저(10)의 빔 이미지 사이의 차이만큼 상기 광섬유(8)의 위치를 수광렌즈(6, 7)의 광축에 수직한 면에서 조절하여 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔의 이미지가 겹치도록 하는 일치단계; 상기 펄스레이저(1)를 켜서 상기 제1 시료(4-1)의 표면에 플라즈마를 생성하는 단계; 및 상기 플라즈마의 이미지가 상기 광섬유(8)의 코어 상에 연소레이저(10) 빔의 이미지와 겹치도록 상기 거울(2)을 조정하는 조정단계;를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 조정단계 이후, 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 디지털 현미경을 통해 관측되는 광섬유 단면에 대한 영상자료 분석을 통해서 얻는 단계; 및 시료 표면이 최적의 높이에서 벗어난 경우, 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 시료 스테이지의 높이를 조절하는 장치에 입력시켜 상기 시료스테이지(5)가 높이를 다시 최적화시키는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 시료스테이지(5)를 움직면서 펄스레이저(1)를 시료 표면(4)에 집속하여 시료 표면의 여러 지점에서 플라즈마 방출 스펙트럼을 획득함과 동시에 광섬유(8) 단면을 관측하는 디지털 현미경(12) 영상에 대한 분석을 통해 시료 표면의 높이를 정량화하고 그 값을 실시간으로 시료스테이지(5)를 구동하는 시스템에 전송하여 필요한 경우 실시간으로 시료스테이지(5)의 높이를 조절하여 시료 표면이 항상 최적의 위치 또는 원하는 위치에 오도록 조절하도록 구성될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법은, 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 소정의 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)로부터 빛을 수광하는 광섬유(8); 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9); 연속으로 빔을 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하는 거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면을 측정하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10)의 레이저빔의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법에 있어서, 제2 시료(4-2)를 시료스테이지 상에 배치되도록 하는 단계; 상기 제2 시료(4-2)의 표면에서 LIBS 분석을 수행할 다수의 지점을 정하는 단계; 상기 분석을 수행할 지점들 가운데 제2 시료(4-2)의 소정의 일 지점의 표면에 대하여 연속레이저(1)의 빔 이미지가 광섬유(8) 코어와 겹치도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절하는 정렬단계; 상기 분광기(9)는 상기 소정의 일 지점의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빔을 광섬유(8)를 통해 받아 분석하여 상기 소정의 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행하는 분석단계; 및 상기 분석한 소정의 시료에 대한 상기 소정의 일 지점의 표면을 제외한 나머지 다수의 지점에 대하여 상기 조절 단계 및 상기 분석단계를 반복하여 수행하는 단계;를 포함하여 구성된다.

상기 제2 시료는, 울퉁불퉁하거나 좌우 또는 상하의 균형이 맞지 않고 투명한 재질의 물질로 구성되는 것일 수 있다.

공간분해능을 갖도록 렌즈를 통해서 여기된 광원을 시료표면의 한 지점에 집속하여 신호를 얻는 형광분광분석기, 라만분광분석기 및 적외선흡수분광분석기 중 어느 하나에 적용하도록 구성될 수 있다.

따라서 본 발명의 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법은 LIBS를 사용하는 경우에 시료 표면을 LIBS 분석기의 레이저 집속렌즈의 초점에 정확히 위치시키고, 분석을 수행하는 과정에서 시료 표면이 이로부터 벗어나는 정도를 실시간 모니터링하고 보정하여 높이 조절 정밀도를 확보함으로써 크기가 작고 출력이 낮은 레이저와 수동으로 높이를 조절하는 시료스테이지를 사용하는 휴대용 또는 저가의 작은 크기의 LIBS 분석기의 분석 성능을 연속레이저와 소형 디지털 현미경의 간단한 장치의 추가만으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 장치 및 방법은 광섬유 단면의 이미지에 대한 추가적인 분석을 수행하고 시료 표면의 높이에 대한 정보를 디지털화하여 그 결과를 시료 높이 조절장치에 되먹임시킬 경우 시료 표면의 높이를 분석과 동시에 실시간으로 최적화를 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 LIBS 분석기 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하기 위한 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이를 관측하고 최적화하는 과정을 포함하여 LIBS 분석의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 정렬단계를 표면이 반듯하고 평평한 시료에 대해서 보다 상세하게 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 표면이 반듯하지 않고 그 높이가 위치에 따라서 상대적으로 큰 변화를 보이는 시료의 표면 높이를 관측하고 최적화하는 과정을 포함하여 LIBS 분석의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기의 시료 표면의 높이와 LIBS분석하기 위한 지점을 가상적으로 나타낸 도면이다. 이 도면에서 점선은 등고선이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면에 집속된 연속레이저빔(10)이 수광렌즈(6, 7)를 통해서 광섬유(8) 단면에 결상된 모습을 찍은 디지털 현미경(12)의 사진이다. 사진에 함께 표시된 z 값은 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 한 시료 표면의 높이를 나타내는 값이다. z값이 양(+)의 값을 가지면 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 그만큼 집속렌즈(3) 쪽으로 시료 표면이 치우쳐 있고, 음(-)의 값을 가지면 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 그만큼 시료 표면이 집속렌즈(3)로부터 멀어져 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 높이를 집속렌즈(3)의 초점으로부터 크게 벗어나게 한 후, 다시 최적화 하는 과정을 반복하면서 최적화된 시료 표면의 높이가 집속렌즈(3)의 초점으로부터 벗어난 정도를 측정한 값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면을 옆에서 본 모습과 위에서 본 모습을 높이의 차이에 따라 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 위치를 조정하여 집속렌즈의 초점에 맞추고 분석한 결과와 위치를 조정하지 않은 결과의 스펙트럼 평균값을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 높이에 따른 Fe I의 방출선 세기의 변화를 나타낸 그래프와 대응하는 광섬유 단면을 나타낸 도면이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하기 위한 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 펄스레이저(1), 거울(2), 집속렌즈(3), 시료스테이지(5), 수광 렌즈(6, 7), 광섬유(8), 분광기(9), 연속레이저(10), 조절거울(11) 및 디지털 현미경(12)을 포함하여 구성된다.

먼저 파란색 실선은 펄스레이저(1)에서 발사된 펄스빔의 진행 경로를 나타낸다. 빨간색 실선은 연속레이저(10)에서 발사된 레이저빔의 진행경로를 나타낸다. 초록색 실선은 시료(4)에서 방출하는 플라즈마 가운데 수광되는 빛의 진행 경로를 표시한다.

펄스레이저(1)는 소정의 시료를 향해 빔을 발사한다.

거울(2)은 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 시료(4) 방향으로 진행하도록 조절한다.

렌즈(3)는 펄스레이저(1)로부터 발사된 빔을 시료(4) 표면에 집속시킨다.

시료스테이지(5)는 시료 표면의 가로, 세로, 높이 방향으로 시료 이송이 가능하다. 시료스테이지(5)는 디지털 현미경(12)의 영상을 보고 광섬유(8) 코어에서 벗어나 있는 연속레이저(10) 빔 이미지가 광섬유(8) 코어와 겹치도록 높이가 조절된다.

수광렌즈(6, 7)는 시료 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광 렌즈(6, 7)을 통해 집속시켜 광섬유(8)로 전송한다.

광섬유(8)는 분광기(9)와 물리적으로 연결되어 플라즈마에서 방출된 빛을 분광기(9)로 보낸다.

분광기(9)는 광섬유(8)로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록한다.

연속레이저(10)는 연속으로 레이저빔을 발사한다.

조절거울(11)은 연속레이저(10)의 레이저빔의 경로를 플라즈마 점화원인 펄스레이저(1)의 빔의 진행 경로와 같도록 조절시켜 상기 펄스레이저의 결상지점과 동일한 위치에 결상시키도록 한다. 바람직하게 조절거울(11)은 연속레이저(10)의 빔이 펄스레이저(1)로부터 빔과 동일한 경로를 통과하도록 하기 위하여 거울(2)과 시료(4)를 연결하는 동일 축상에 배치시키도록 한다. 연속레이저(10)빔의 진행 경로와 펄스레이저(1)빔의 진행 경로는 각각 하나 또는 두 개 이상의 거울을 이용하여 설정될 수 있다. 또한 LIBS 분석기를 제작하는 단계에서 두 레이저빔의 진행경로가 동일하게 되도록 각각의 조절거울(2, 11)들은 그 각도가 조절된다. LIBS 분석기를 사용하는 중에 광정렬은 최적화된 상태에서 점점 벗어날 수 있다. LIBS 분석기의 유지 보수 작업을 목적으로 이 조절거울(2, 11)들을 조절하여 연속레이저(10)빔의 진행경로와 펄스레이저빔(1)의 진행경로를 다시 동일 경로상으로 모아 최적화한다.

디지털 현미경(12)은 상기 광섬유(8)의 단면의 영상을 관찰하고, 그 영상을 통해서 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔의 이미지 사이의 차이를 관측한다.

디지털 현미경(12)에 의해 측정된 연속레이저(10)의 빔 이미지와 광섬유(8)의 코어의 차이를 인지하면 시료스테이지(5)를 조정하여 연속레이저(10)의 빔의 이미지와 광섬유(8)의 코어를 일치시킨다.

도 2에 각각 빨간색 선과 파란색 선으로 표시된 연속레이저빔(10)의 진행 경로와 펄스레이저빔(1)의 진행 경로는 본 발명의 장치를 구비한 LIBS 분석기에서는 서로 같도록 제작 단계에서 미리 정렬되어 있게 할 수 있다. 이 정렬은 연속레이저빔(10)의 진행 경로를 조절하는 거울(11)과 펄스레이저빔(1)의 진행 경로를 조절하는 거울(2)을 이용하여 LIBS 분석기의 제작 단계에서 미리 수행되어진다. 따라서 이후에 수행되는 LIBS 분석에서 시료 높이 최적화 및 조절을 위한 목적으로 이 거울(2, 11)들을 조절하지는 않는다. 이미 제작되어 사용되고 있는 LIBS 분석기의 유지보수의 목적으로 이 거울들은 언제라도 다시 조절될 수 있다.

연속레이저(10)빔 경로와 펄스레이저(1)빔 경로가 같도록 LIBS 분석기를 제작할 때 각각의 레이저빔 경로를 설정하고 조절하는데 두 개 이상의 거울들이 사용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법을 나타낸 순서도이다.

먼저 S202단계에서 제1 시료(4-1)를 준비한다.

S204단계에서 펄스레이저(1)의 빔, 광섬유(8)의 코어 및 연속레이저(10)의 레이저 빔이 제1 시료(4-1)의 표면 상에 겹치도록 정렬시킨다. 펄스레이저(1)의 빔, 광섬유(8)의 코어 및 연속레이저(10)의 레이저 빔을 정렬시키는 정렬단계(S204단계)에 대해서는 후술하는 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

S206단계에서 상기 분광기(9)는 상기 제1 시료(4-1)의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빛을 광섬유(8)를 통해 수광하고 분석하여 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 정렬단계를 보다 상세하게 설명한 순서도이다.

도 4를 참조하면, S302단계에서 제1 시료(4-1)의 표면이 집속렌즈(3)의 초점 거리에 해당하는 지점에 위치하도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절한다. 즉, 시료스테이지(5)는 가로, 세로 및 높이 방향의 위치를 조절할 수 있으며 이를 조절하여 하여 집속렌즈(3)의 초점 거리에 제1 시료(4-1)의 표면이 배치되도록 한다.

S304단계에서 상기 연속레이저(10)를 켜고 상기 연속레이저(10)의 빔 이미지가 수광렌즈(6, 7)을 통해서 광섬유(8)에 결상되도록 한다.

S306단계에서 광섬유(8)의 단면을 디지털 현미경(12)으로 보면서 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔 이미지 사이의 차이를 확인한다.

S308단계에서 측정된 광섬유(8)의 코어와 연속레이저(10)의 빔 이미지 사이의 차이만큼 상기 광섬유(8)의 위치를 수광렌즈(6, 9)의 광축에 수직한 면에서 조절하여 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔의 이미지가 겹치도록 한다. 빔의 이미지가 겹치도록 하는 것은 시료 표면의 최적 위치를 표시해 두는 단계이다. 이렇게 표시된 시료 표면의 최적 위치는 광섬유(8) 단면의 영상을 디지털 현미경(12)으로 관측함으로써 재차 확인될 수 있다.

S310단계에서 상기 펄스레이저(1)를 켜고 상기 제1 시료(4-1)의 표면에 플라즈마를 생성시킨다. 연속레이저빔의 진행경로와 펄스레이저빔의 진행경로가 일치하도록 조절거울들의 각도가 미리 잘 맞추어져 있다면 펄스레이저빔의 진행경로에 대한 추가적인 조절은 필요하지 않다.

연속레이저(10)빔 이미지, 광섬유(8) 코어, 플라즈마 이미지가 광섬유(8) 단면에서 최적의 겹침을 보이 않는 경우에는 S312단계에서 조절거울(2, 11)을 이용하여 연속레이저(10)빔과 펄스레이저(1)빔이 집속렌즈(3)의 중심을 통과하여 수직으로 시료표면에 도달하는 동일한 경로를 따르도록 조절한다. 여기서 광섬유 단면에서 연속레이저빔(10) 이미지, 광섬유(8) 코어, 플라즈마 이미지들의 "최적의 겹침"이란 반드시 겹치지 않는 부분의 면적을 최소화하는 최대 겹침을 의미하는 것은 아니다. 광섬유(8)의 단면에서 연속레이저(10)빔의 이미지, 광섬유(8) 코어, 플라즈마 이미지가 최적의 조건으로 겹치지 않는 경우에는 연속레이저빔(10)의 경로와 펄스레이저(1)빔의 경로 사이에 차이가 생긴 것으로 판단할 수 있다. 이 때에는 조절거울(2, 11)들을 이용해서 두 레이저빔이 모두 집속렌즈(3)의 중앙을 통과하여 수직으로 시료표면의 동일한 지점에 도달하도록 다시 조절해 준다.

실제로 시료 표면에서 연속레이저는 바로 표면에 점을 만들지만 플라즈마는 시료 표면 위에 존재하므로 광섬유 단면에서 이들 두 이미는 서로 약간의 차이를 보인다. 또한 플라즈마는 ~10 ㎲의 수명으로 점화된 직후 시료 표면에서부터 수직한 방향으로 팽창하면서 빛을 방출하므로 최대 수광 효율을 보이는 광섬유(8) 코어의 위치는 연속레이저(10)빔의 이미지와 겹치는 곳에서 조금 벗어나 있게 된다. 이 차이는 S308 단계에서 연속레이저(10)빔의 이미지가 광섬유(8) 코어에 위치하도록 광섬유(8)의 위치를 조절한 하고 펄스레이저(1)를 발진시켜 플라즈마를 발생시킨 후, 광섬유(8) 코어의 위치를 플라즈마가 팽창하는 방향에 해당하는 축 방향으로 미세하게 이동시켜 플라즈마 광방출 신호가 최대가 되는 지점을 찾는 방법으로 보정할 수 있다.

상기 정렬단계를 분석 대상 시료가 아닌 실리콘 웨이퍼와 같이 표면이 평평하고 불투명한 물질을 사용하여 수행함으로써, 시료에 대한 분석을 수행하기 전에 미리 LIBS 분석기의 광학계를 정렬해 두기 위한 과정이 될 수 있다. 이 과정은 집속렌즈(3)에 의해 생성되는 연속레이저(10)빔의 초점과 펄스레이저(1)빔의 초점이 같아지도록 하고, 이 두 레이저빔이 만드는 동일 초점의 이미지가 광섬유 코어에 결상되도록 하는 것이다. 집속렌즈(3)를 통과하는 연속레이저(10)빔의 경로와 펄스레이저(1)빔의 경로가 각각 거울(11)과 거울(2)에 의해 같도록 미리 잘 설정되어 있다면 두 레이저빔의 초점은 거의 동일한 지점에 설정되는 것을 관찰할 수 있을 것이다. 이와 같은 경우에는 마지막의 거울(2)를 조절하는 단계는 수행할 필요가 없게 된다. 다만 LIBS 분석 기기의 제작과정에서 설정된 거울(2)의 각도 및 위치에 변형이 생겼을 경우에 수행하게 된다.

제1 시료로 사용된 표면이 반듯하고 평평한 형태이며 불투명한 물질은 시료를 분석하기 전 광학계를 정렬하기 위한 표준 물질로 사용될 수 있다. 이런 물질인 경우에는 시료스테이지(5)의 표면이 수평이라고 하면, 상기 정렬과정을 표면의 한 지점에서만 수행해도 전체 표면의 높이가 동일하다고 할 수 있고, 분석을 수행하기 위해서 시료스테이지(5)를 수평면 상에서 움직이도록 할 때 집속렌즈(3)로부터 물질의 표면에서 펄스레이저(1)가 집속되는 지점 사이의 거리에는 변화가 없다고 할 수 있다. 따라서 상기 정렬 과정은 표면이 울퉁불퉁한 시료 분석을 수행하기 전 LIBS 분석 기기의 광학계의 정렬 과정이 될 수 있다. 이 정렬 과정을 통해서 광학계는 연속레이저빔(10)의 초점과, 펄스레이저빔(1)의 초점과 광섬유(8) 코어에 이미지가 결상되는 시료 표면의 위치를 일치시키게 된다. 물론 표면이 평평한 시료의 경우에는 상기 정렬 과정이 직접적으로 분석 대상 시료 표면의 위치를 정하는 과정으로 수행될 수 있다. 시료스테이지(5)의 수평은 별도의 수평계를 이용하여 확인하거나 조절할 수 있다.

본 발명의 장치와 방법을 이용하여 최종적으로 얻고자 하는 것은 플라즈마 점화원인 펄스레이저(1)의 초점에 제1 시료(4-1) 표면을 위치하도록 하고, 그 위치를 연속레이저(10)를 이용하여 표시해 두고, 시료 교체 후 또는 분석이 수행되는 과정에서 시료의 높이가 변하는 지를 광섬유(8) 단면의 영상을 디지털 현미경(12)으로 관측하여 모니터링하려는 것이다. 따라서 집속렌즈(3)의 초점 거리는 궁극적으로 펄스레이저(1)에 대한 것이어야 한다. 상기 정렬단계에서 가장 먼저 수행되는 제1 시료(4-1)의 표면이 집속렌즈(3)의 초점 거리에 해당하는 지점에 위치하도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절하는 단계는 제1 시료(4-1) 표면에 집속되는 펄스레이저(1)의 에너지 밀도가 가장 크게 되도록 하기 위한 것이다. 그런데 이 지점에 제1 시료(4-1) 표면을 정확하고 정밀하게 위치하도록 하는 것은 쉽지 않다. 따라서 이 단계를 보다 쉽게 수행하기 위해서 펄스레이저(1)빔을 직접 실리콘 웨이퍼와 같이 표면이 평평하고 불투명한 물질에 집속시켜 발생되는 플라즈마에서 방출되는 전체 빛의 세기를 광다이오드 등의 광검출기로 모니터하거나 분광기(9)를 통해 관측되는 스펙트럼의 신호 세기를 모니터하면서 시료 표면의 높이를 미세하게 조절하여 신호 세기가 최대화되는 지점으로 잡을 수 있다.

전술한 S302단계 내지 S312단계를 완료하게 되면 연속레이저(10) 빔의 이미지, 광섬유(8)의 코어, 펄스레이저(1)에 의한 플라즈마에서 발생된 빔의 이미지, 세 가지가 잘 겹치는 것이므로 LIBS 분석 기기의 초기 광 정렬이 완성된 것으로 볼 수 있다.

한편, 상기 조정단계(S312) 이후, S314단계에서 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 입력받아. 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 되먹임(feedback)시켜 상기 시료 표면의 높이에 맞도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 최적화시킬 수 있다(S316단계).

도 4는 시료 표면상의 한 지점에서 시료 표면 높이의 최적화 및 LIBS 분석을 수행하는 과정을 나타낸 것이다. 이 과정은 시료 표면이 반듯하고 평평한 시료의 경우 효과적으로 사용될 수 있다.

한편, 이하에서 기술하는 내용은 표면이 반듯하고 평평한 형태의 물질을 표준물질로 하여 LIBS 분석기기의 광학계를 정렬한 후, 표면이 평평하지 않고 높이가 표면의 지점에 따라서 달라지는 시료(4-2)를 분석하는데 본 발명의 장치와 방법을 이용하는 과정에 관한 것을 이하의 도 5에서 설명하기로 한다.

높이가 다른 시료 표면의 다수의 지점에서 분석을 수행하고자 할 때에는 시료 표면의 높이를 분석 지점이 바뀔 때마다 연속레이저(10)빔으로 표시해 둔 지점으로 일정하게 다시 가져다 놓은 후 펄스레이저(1)빔을 집속하여 스펙트럼을 얻어야 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5를 참조하면, 시료는 울퉁불퉁하거나 또는 좌우의 높낮이가 다른 형태의 시료를 분석하는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는 시료에 분석을 수행하고자 하는 다수의 지점을 결정하고 각 지점에 대하여 전술한 바와 같이 연속레이저(10) 빔의 이미지, 광섬유(8)의 코어, 펄스레이저(1)에 의한 플라즈마의 이미지가 겹치도록 하는 과정을 반복하여 해당 시료에 대한 분석을 수행할 수 있다.

먼저 S402단계에서 제2 시료(4-2)를 준비한다. 준비된 제2 시료(4-2)는 표면이 울퉁불퉁하거나 좌우의 균형이 맞지 않는 형태 또는 좌우나 위아래 방향으로 경사가 진 형태의 시료이다.

S404단계에서 제2 시료(4-2)에 분석을 수행하고자 하는 다수의 지점을 결정한다.

S406단계에서 표시된 첫 번째 지점에 대하여 전술한 바와 같이 연속레이저(10) 빔의 이미지, 광섬유(8)의 코어, 펄스레이저(1)에 의한 플라즈마의 이미지가 겹치도록 정렬시킨다. 정렬시키는 단계는 전술한 도 4의 도면에 따른 과정에 따라 정렬시킬 수 있다. 다만, 시료(4)는 일정하지 않은 형태의 제2 시료(4-2)를 사용하여 진행하고 그 이외의 과정은 도 4의 내용과 동일하다.

S408단계에서 상기 분광기(9)는 상기 제1 시료(4-1)의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빛을 광섬유(8)를 통해 수광하고 분석하여 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행한다.

S410단계에서 S406단계 및 S408단계를 반복하여 S404단계에서 제2 시료(4-2)에 표시된 다수의 지점에 대하여 각각 조사를 실시한다.

마찬가지로, 상기 조정단계(S312) 이후, S314단계에서 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 입력받아. 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 되먹임(feedback)시켜 상기 시료 표면의 높이에 맞도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 최적화시킬 수 있다(S316단계).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기의 시료 표면의 높이와 LIBS분석하기 위한 지점을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 시료의 높이가 일정하지 않은 시료가 나타나 있다. 시료 표면이 반듯하지 않고 높이 변화가 있는 시료 표면의 여러 지점에서 LIBS 분석을 수행하고자 하는 경우 본 발명의 요소들을 다음과 같이 이용할 수 있다. 도 6에서 점선은 가상적인 시료 표면의 높이를 나타내는 등고선을 나타낸다. 정사각형 모양의 시료 표면에 등고선을 점선으로 표시하였다. 보라색 등고선에서 빨간색 등고선 쪽으로 갈수록 시료표면의 높이가 높아진다고 가정하자. LIBS 분석은 검은색 점으로 표시된 9 개의 지점에서 수행한다고 하자. LIBS 분석은 1번 지점에서 9번 지점 순으로 진행한다고 하자. 한편, 이와같이 불균등한 형태의 시료를 설명의 편의상 제2 시료(4-2)라고 하자.

먼저 도 4를 참조하여 설명한 과정을 따라서 LIBS 분석기기의 초기 광정렬을 완성하였으면, 시료스테이지(5)의 제1 시료(4-1)를 도 6에 도시된 일정하지 않은 형태의 제2 시료(4-2)로 교체한다. 연속레이저(10)만 켠 상태에서 시료스테이지(5)의 가로, 세로 방향의 위치를 조절하여 집속된 연속레이저(10) 빔 이미지가 시료표면에서 1번 위치에 오도록 한다. 디지털 현미경(12) 영상을 보고 광섬유(8) 코어에서 벗어나 있는 연속레이저(10) 빔 이미지가 광섬유(8) 코어와 겹치도록 시료스테이지(5)의 높이를 조절한다. 그러면 제1 시료(4-2) 표면의 1번 지점을 펄스레이저(1)의 에너지 밀도가 최대가 되는 위치에 가져다 놓을 수 있게 된다.

1번 지점에서 분석이 끝나면 시료스테이지(5)를 조절하여 연속레이저(10) 빔의 이미지가 1번 지점의 제2 시료(4-2)의 표면에서 2번 지점의 표면으로 이동하도록 조절한다. 2번 지점의 시료 표면은 1번 지점보다 더 높기 때문에 집속렌즈(3)와 시료 표면의 2번 지점 사이의 거리는 1번 지점에 비해서 더 짧다. 이 조건에서 연속레이저(10) 빔의 이미지는 광섬유(8) 단면에서 광섬유(8) 코어보다 조금 아래쪽에 위치하는 것을 디지털 현미경(12) 영상으로부터 확인할 수 있다. 디지털 현미경(12) 영상을 보면서 시료스테이지(5)의 높이를 조절하여 연속레이저(10) 빔의 이미지가 광섬유(8) 코어에 겹치도록 한다. 이 조건에서 2번 지점에 전달되는 펄스레이저(1)의 에너지 밀도가 최대가 된다. 또한 1번 지점에 전달되었던 펄스레이저(1)의 에너지 밀도와 2번 지점에 전달되는 펄스레이저(1)의 에너지 밀도가 같아진다.

2번 지점에서 분석이 끝난 후 3번 지점으로 이동할 경우 1번 지점에서 2번 지점으로 이동하였을 때와 동일한 과정에 따라서 시료 표면의 높이를 최적화할 수 있다. 3번 지점에서 4번 지점으로 이동한 경우에는 시료 표면의 높이가 바로 전에 비해서 낮아졌기 때문에 디지털 현미경(12) 영상을 보면 연속레이저(10) 빔의 이미지는 광섬유(8) 코어보다 위쪽에 위치할 것이다. 그러면 디지털 현미경(12) 영상을 보면서 시료스테이지(5)의 높이를 높여서 연속레이저(10) 빔의 이미지와 광섬유(8) 코어의 위치가 겹치도록 만든다.

마찬가지로 5번, 6번, 7번, 8번 및 9번 지점에 대하여 동일한 과정을 거쳐 디지털 현미경(12) 영상을 보면서 연속레이저(10) 빔의 이미지와 광섬유(8) 코어의 위치가 겹치도록 시료스테이지(5)의 높이를 조정하여 시료 표면의 펄스레이저(1)의 밀도를 최대한 높이고, 각 시료 표면의 분석 지점(1번 내지 9번)에서의 펄스레이저의 에너지 밀도가 동일하게 나타나도록 한다.

따라서, 이렇게 일정하지 않은 형태의 제2 시료(4-2)의 선택된 각각의 지점들에 대한 LIBS 분석을 동일한 최대의 펄스레이저(1) 에너지 밀도를 가지고 수행할 수 있다. 또한, 서로 다른 재2 시료(4-2)의 표면에 대해서 펄스레이저(1) 빔의 에너지 밀도가 동일하게 되도록 할 수 있다. 또한 LIBS 분석 기기의 제1 시료(4-1)를 통해 정렬된 초기 광정렬에 의해 위치가 결정된 광섬유(8) 코어를 이동시키지 않으면 시료 표면의 높이를 광섬유(8) 코어의 위치에 대해서 맞추기 때문에 펄스레이저(1)에 의해 발생된 플라즈마에서 방출되는 빛을 늘 최대로, 또는 최대에 가까운 일정한 효율로 수광할 수 있는 조건을 유지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면에 연속레이저(10)빔이 결상되는 위치를 찍은 디지털 현미경(12) 사진이다.

도 7을 참조하면, 사진에 함께 표시된 z 값은 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 한 시료 표면의 높이를 나타내는 값이다. z값이 양(+)의 값을 가지면 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 그만큼 집속렌즈(3) 쪽으로 시료 표면이 치우쳐 있고, 음(-)의 값을 가지면 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 그만큼 시료 표면이 집속렌즈(3)로부터 멀어져 있다. 시료(4) 표면의 높이에 따라 광섬유(8) 단면에 결상되는 연속레이저(10) 빔의 이미지 위치가 이동하는 것을 디지털 현미경(12) 영상을 통해서 확인할 수 있다.

도 7에 표시된 12개의 사진은 시료 표면의 높이를 집속렌즈의 초점으로부터 벗어나는 거리값(z)를 가변시키면서 디지털 현미경을 이용하여 광섬유 단면에 결상된 연속레이저 빔의 위치를 관측한 것이다.

도 7의 7번 사진에 나타나 있는 바와 같이 z = 0 ㎛일 때 시료(4) 표면은 집속렌즈(3)의 초점에 위치하게 된다. 7번 사진에서는 광섬유(8) 코어와 연속레이저(10)의 빔 이미지가 서로 잘 겹쳐있음을 확인할 수 있다. 본 발명을 시험하기 위한 실험에서는 연속레이저(10)로 파장이 632 nm인 He-Ne 레이저를 사용하였다. 시료(4)의 표면이 집속렌즈(3)의 초점으로부터 집속렌즈(3)와 가까운 방향으로 1548 ㎛ 떨어진 지점에 위치한 경우 광섬유 단면 사진은 도 5의 1번 사진이다. 시료스테이지(5)의 높이를 낮추어 집속렌즈(3)의 초점으로부터 벗어나는 거리값(z)이 작아지도록 하면서 디지털 현미경(12)을 이용하여 순차적으로 1번, 2번, 3번, ..., 11번, 12번 사진을 촬영하였다.

이 결과를 통해서 시료스테이지(5)의 높낮이를 조정하여 시료의 높낮이가 달라짐에 따라 광섬유(8) 단면에 결상되는 연속레이저(10) 빔의 이미지 위치가 가변되는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 광섬유(8) 단면의 영상 관측 결과를 이용하여 시료 표면의 높낮이가 달라졌을 때 그 변화를 보상하여 시료 표면을 다시 집속렌즈(3)의 초점으로 되돌려 보낼 수 있는데, 이때 얼마나 정밀하게 원래의 위치로 되돌려 보낼 수 있는지 다음과 같이 알아보았다. 먼저 시표 표면을 집속렌즈(3)의 초점에 위치하도록 한 후, 이 때의 시료스테이지(5) 높이를 기록해 두었다. 또한 이 때 광섬유 단면을 디지털 현미경(12)으로 관측하여 연속레이저(10)빔의 이미지가 광섬유(8) 코어와 잘 겹치는 것을 확인하였다. 그리고 나서 시료스테이지(5)의 높이를 조절하여 시료 표면을 2 - 3 mm 정도 더 높이거나 더 낮추었다. 디지털 현미경(12) 이미지를 보면서 광섬유(8) 코어로부터 벗어나 있는 연속레이저(10) 빔의 이미지를 다시 광섬유(8) 코어와 잘 겹치도록 시료스테이지(5)의 높이를 조절하였다. 디지털 현미경(12)의 영상을 보고 광섬유 코어와 연속레이저(10)의 빔의 이미지가 서로 잘 겹쳐졌다고 판단되면 시료스테이지(5)의 높이를 확인하고 기록하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 높이를 변경하면서 측정한 시료스테이지(5)의 높이값을 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 처음 시료스테이지(5)의 높이를 집속렌즈(3)의 초점으로부터 벗어나는 거리값(z)을 0 ㎛로 두고 추가로 12회 더 시료 표면의 위치를 2 - 3 mm 임의의 방향으로 옮긴 뒤 원래의 위치로 되돌려 놓고 그 때의 시료스테이지(5)의 높이를 기록하였다. 도 8에는 총 13 개의 시료스테이지(5)의 높이 값이 나타나 있다.

초기 시료스테이지(5) 높이를 포함하여 총 13회 시료스테이지(5) 높이를 조절한 결과를 분석하면 평균 z = 1.8 ㎛이고, RMSE(root mean square error)는 10.9 ㎛로 나타났다. 이 결과로부터 본 발명에서 제시하는 장치 및 방법을 이용하면 시료 표면 높이 제어는 10.9 ㎛의 정밀도로 수행될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 실험에서는 수동으로 높낮이를 조절하는 시료스테이지(5)를 사용하였으며 높이 표시 눈금의 간격은 7.6 ㎛이다. 실제 눈금을 읽을 때 1/2 눈금 정도의 불확도가 있었고 이것은 3.8 ㎛에 해당한다. 따라서 본 발명의 높이 제어 정밀도는 10.9 ㎛ 보다 작을 것으로 예상된다. 그러나, 본 발명에 있어서는 이러한 데이터에 따라 시료스테이지(5)의 높낮이가 자동으로 처리되도록 구성할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면을 옆에서 본 모습과 위에서 본 모습을 높이의 차이에 따라 비교하여 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 위치를 조정하여 집속렌즈의 초점에 맞추고 분석한 결과와 이치를 조정하지 않은 결과의 스펙트럼 평균값을 나타낸 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, NIST(National Institute of Standards and Technology)의 저합금강(low-alloy stainless steel) 표준물질(1762A)을 시료로 하고, 본 발명의 장치 및 방법을 이용하여 제2 시료를 구현하였다. 또한, 시료 표면의 높이를 제어할 때와 그렇지 않았을 때 LIBS 스펙트럼에 나타난 Fe I 방출선의 세기 변화를 조사해 보았다. 플라즈마 점화용 펄스레이저(1)는 다이오드로 펌핑하고 Q-스위칭하는 소형 저출력 DPSS(diode-pumped solid-state) 레이저를 사용하였다. 이 레이저의 펄스당 에너지는 270 μJ/pulse, 펄스 폭은 7 ns, 파장은 1064 nm이다. 이 펄스 레이저 빔을 대물렌즈(배율 5ㅧ)를 통해 시료 표면에 집속하여 플라즈마를 생성하였다. 빛을 방출하는 플라즈마는 두 개의 볼록렌즈(직경 2 inch, 초점거리 7 cm)를 통해서 광섬유로 단면에 이미징되도록 하였다. 광섬유 코어(코어의 직경)를 통해서 수광된 빛은 분광기(9)(체르니 터너(Czerny-Turner) 방식, 초점 거리 = cm)로 보내졌다. 분광기(9)에 설치된 300 nm에서 최대 회절 효율을 갖고, 1 mm 당 1200의 그루비 밀도(Groovy density)를 갖는 회절발에 의해 파장 분해된 후 ICCD(intensified charge-coupled device) 광검출기로 스펙트럼을 기록하였다. 레이저 펄스보다 300 ns 시간차를 두고 ICCD 광검출기의 검출 게이트를 2 μs 동안 열어서 플라즈마 광방출 스펙트럼을 얻었다. 레이저는 10 Hz로 작동시켰고, 하나의 스펙트럼을 얻기 위해 100 개의 레이저 펄스에 의한 신호를 누적하였다.

시료는 직경 35 mm의 원통형 모양을 띄고 있으며 아래면과 윗면은 평행하지 않고 윗면이 수평에 대해서 4.9ㅀ 기울어져 있다. 0.5 mm 간격으로 원통의 단면의 직경을 따라서 총 61 개 지점에서 각각 100 개의 레이저 펄스에 의한 신호를 누적하여 스펙트럼을 얻었다. 이때 61 개의 데이터를 얻은 지점을 연결하는 직선이 총 길이는 30 mm이고 양 끝은 원통의 두께가 가장 얇게 되는 방향과 가장 두껍게 되는 방향으로 향하도록 하였다. 이와 같은 조건에서 인접한 두 데이터 획득 지점들의 시료 표면 간의 높이 차이는 42.8 ㎛가 된다.

본 발명에서의 시료 표면의 높이를 조절하는 순서에 따라 데이터를 얻기 전 원통형 시료 단면의 중심을 집속렌즈의 초점에 오도록 맞추었다. 도 7에 표시된 z = -1276 ㎛인 지점부터 시작해서 z = +1364 ㎛인 지점까지 0.5 mm 간격으로 총 61 개 지점에서 LIBS 스펙트럼을 얻었다. 새로운 지점으로 이동할 때 시료 표면의 높이를 조절하지 않고 LIBS 스펙트럼을 얻은 경우와 매번 새로운 지점으로 이동하고 나서 시료 표면의 높이를 조절하여 펄스레이저(1)의 초점에 위치하도록 한 후 스펙트럼을 얻은 경우, 전체 61 개 스펙트럼의 평균을 도 8에서 비교하였다.

도 8에서 보면, 시료 표면의 높이를 매번 앞에서 설명한 순서에 따라서 조절한 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해서 전체적으로 3배 이상 신호세기가 더 크게 관찰되는 것을 알 수 있다. 또한 "*"로 표시한 Fe I 방출선의 세기에 대해서 평균과 표준편차는 시료 표면 높이를 매번 조절해 주었을 때 541000 ㅁ 47000로 나타났고 상대표준편차는 8.7%였다. 반면에 시료 표면 높이를 조절하지 않았을 경우 Fe I 방출선 세기의 평균과 표준편차는 170000 ㅁ 200000로 상대표준편차는 120%로 나타났다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LIBS 분석기에서 시료 표면의 높이에 따른 Fe I의 방출선 세기의 변화를 나타낸 그래프와 대응하는 광섬유 단면을 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 빨간색으로 표시한 점은 시료 표면에서 새로운 위치로 이동할 때마다 시료 표면의 높이를 본 발명에 따라 광섬유 단면에 결상되는 연속레이저(10)의 빔 이미지의 위치를 보고 조절한 후 LIBS 스펙트럼을 얻었을 때의 결과이다. 시료의 높이가 전체적으로 약 3 mm 정도 변해도 Fe I 방출선의 세기는 체계적인 오차를 보이지 않는 것을 알 수 있다. 이로부터 다음과 같은 2가지의 사실을 확인할 수 있다.

1) 시료 표면의 높이 변화에 따른 시료 표면에서의 펄스레이저의 에너지 밀도 변화가 매 지점에서 보정되었다.

2) 시료 표면의 높이가 보정됨에 따라 광섬유 단면에 결상되는 플라즈마의 광학적 이미지에서 광섬유 코어를 통해서 수광되는 부분이 늘 일정하게 유지되었다.반면에, 시료 표면 높이 보정 과정을 거치지 않을 경우에는 Fe I 방출선의 세기가 시료 표면의 높이 변화에 대해서 체계적인 오차를 보이는 것을 알 수 있다.

z > 0 ㎛인 경우, 즉 시료 표면 위치가 집속렌즈(3)의 초점으로부터 집속렌즈(3) 쪽으로 더 가깝게 이동한 조건에서는 시료(4) 표면에 집속되는 펄스레이저(1) 빔의 에너지 밀도가 낮아져서 신호 세기가 감소하고 수광 광학계의 초점은 시료(4) 내부에 위치하게 되어 수광 효율도 현저히 떨어진다. 이때 관측되는 신호는 대부분 시료(4) 표면에서 반사된 플라즈마의 방출 신호에 해당한다. z < 0 ㎛인 경우, 시료(4) 표면은 집속렌즈(3)의 초점을 기준으로 집속렌즈(4)로부터 더 먼 곳에 위치한다. 따라서 이 조건에서도 시료(4) 표면에서 펄스레이저(1) 빔의 에너지 밀도는 z가 음의 값으로 커짐에 따라 감소하여 신호 세기는 감소한다. 또한 수광 렌즈의 초점도 플라즈마의 중심이 아니라 팽창해 나가는 바깥 부분에 위치하게 되어 수광 효율이 감소하게 된다.

지금까지 본 발명의 장치를 이용하여 LIBS 분석기에서 시료(4) 표면 높이를 집속렌즈(3)의 초점에 오도록 조절하는 방법을 설명하였고, 시료 표면의 높이 조절 정밀도는 10.9 ㎛ 이하가 됨을 보였다.

그러나, 본 발명의 일 예를 들어 설명한 높이 조절 정밀도는 조절부와 관측부의 성능에 따라 더 향상될 수 있다. 또한 실제로 표면의 높이 차이가 있는 금속 시료에 대해 LIBS 스펙트럼을 얻어 본 결과 본 발명의 장치 및 방법을 이용하면 전체적으로 최대 2.57 mm 높이 차이가 나는 61 개 지점에 대해서 상대표준편차 8.7%의 정밀도를 갖는 데이터를 얻을 수 있음을 보였다.

본 발명은 저출력 레이저를 사용하는 LIBS 분석기에 적합한 기능이다. 본 발명의 장치 및 방법을 이용하면 자동화된 높이 조절 기능이 없는 수동 스테이지를 사용해도 광섬유 단면에 대한 실시간 영상 모니터링을 통해서 10.9 ㎛ 이하의 높이 조절 정밀도를 확보할 수 있다. 따라서 휴대용 LIBS 분석기의 분석 성능 향상 효과를 고가의 시료스테이지 높이 조절 장치 없이 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 기술을 이용하고, 광섬유 단면의 이미지에 대한 추가적인 분석을 수행하여 시료 표면의 높이에 대한 정보를 디지털화하여 그 결과를 이용하여 시료 높이 조절장치에 되먹임(feedback)시킬 경우 시료 표면의 높이를 분석과 동시에 실시간으로 최적화를 할 수 있다.

본 발명의 장치 및 방법은 공간분해능을 갖도록 렌즈를 통해서 여기된 광원을 시료표면의 한 지점에 집속하여 신호를 얻는 형광분광분석기, 라만분광분석기 및 적외선흡수분광분석기 중 어느 하나에 적용할 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1 : 펄스레이저 2 : 거울
3 : 집속렌즈 4, 4-1, 4-2 : 시료
5 : 시료스테이지 6, 7 : 수광 렌즈
8 : 광섬유 9 : 분광기
10 : 연속레이저 11 : 조절거울
12 : 디지털 현미경

Claims (9)

1. 삭제
2. 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 소정의 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)로부터 빛을 수광하는 광섬유(8); 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9); 연속으로 빔을 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하는 거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면을 측정하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10)의 레이저빔의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하는 레이저유도 플라즈마 분광 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법에 있어서,
   제1 시료(4-1)를 시료스테이지 상에 배치되도록 하는 단계;
   상기 펄스레이저(1)의 빔, 광섬유(8)의 코어 및 연속레이저(10)의 레이저 빔이 디지털 현미경(12)으로 관측하는 광섬유 단면의 영상에서 서로 겹치도록 정렬시키는 정렬단계; 및
   상기 분광기(9)는 상기 소정의 시료의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빛을 광섬유(8)를 통해 수광하고 분석하여 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행하는 분석단계;를 포함하고,
   상기 제1 시료는 표면이 반듯하고 평평한 형태이며 불투명한 물질로 구성되는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 상기 정렬단계는,
   상기 제1 시료(4-1)의 표면이 집속렌즈(3)의 초점 거리에 해당하는 지점에 위치하도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절하는 단계;
   상기 연속레이저(10)를 켜고 상기 연속레이저(10)의 이미지가 수광렌즈(6, 7)을 통해서 광섬유(8)의 단면에 결상되도록 하는 단계;
   광섬유(8)의 단면을 디지털 현미경(12)으로 보면서 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔 이미지 사이의 차이를 확인하는 확인단계;
   상기 확인단계에서 측정된 광섬유(8)의 코어와 연속레이저(10)의 빔 이미지 사이의 차이만큼 상기 광섬유(8)의 위치를 수광렌즈(6, 7)의 광축에 수직한 면에서 조절하여 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10) 빔의 이미지가 겹치도록 하는 일치단계;
   상기 펄스레이저(1)를 켜서 상기 제1 시료(4-1)의 표면에 플라즈마를 생성하는 단계; 및
   상기 플라즈마의 이미지가 상기 광섬유(8)의 코어 상에 연소레이저(10) 빔의 이미지와 겹치도록 상기 거울(2)을 조정하는 조정단계;를 포함하는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 조정단계 이후,
   상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 디지털 현미경을 통해 관측되는 광섬유 단면에 대한 영상자료 분석을 통해서 얻는 단계; 및
   시료 표면이 최적의 높이에서 벗어난 경우, 상기 시료 표면의 높이에 대한 정보를 시료 스테이지의 높이를 조절하는 장치에 입력시켜 상기 시료스테이지(5)가 높이를 다시 최적화시키는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 시료스테이지(5)를 움직면서 펄스레이저(1)를 시료 표면(4)에 집속하여 시료 표면의 여러 지점에서 플라즈마 방출 스펙트럼을 획득함과 동시에 광섬유(8) 단면을 관측하는 디지털 현미경(12) 영상에 대한 분석을 통해 시료 표면의 높이를 정량화하고 그 값을 실시간으로 시료스테이지(5)를 구동하는 시스템에 전송하여 필요한 경우 실시간으로 시료스테이지(5)의 높이를 조절하여 시료 표면이 항상 최적의 위치 또는 원하는 위치에 오도록 조절하는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
7. 펄스레이저(1) 빔의 진행 경로를 조절하는 거울(2); 상기 펄스레이저(1) 빔을 소정의 시료(4)의 표면에 집속시키는 집속렌즈(3); 상기 시료(4)를 상부에 배치시키고 상기 시료(4)를 가로, 세로, 높이 방향으로 이송이 가능하도록 조절하는 시료스테이지(5); 상기 시료(4) 표면에서 발생한 플라즈마에서 방출되는 빛을 수광하는 수광렌즈(6, 7); 상기 수광렌즈(6, 7)로부터 빛을 수광하는 광섬유(8); 상기 광섬유로부터 상기 빛을 수광하여 스펙트럼을 기록하는 분광기(9); 연속으로 빔을 발사하는 연속레이저(10); 상기 연속레이저(10)의 경로를 조절하는 거울(11); 및 상기 광섬유(8)의 단면을 측정하고, 상기 광섬유(8)의 코어와 결상된 연속레이저(10)의 레이저빔의 이미지 사이의 차이를 관측하는 디지털 현미경(12);을 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법에 있어서,
   제2 시료(4-2)를 시료스테이지 상에 배치되도록 하는 단계;
   상기 제2 시료(4-2)의 표면에 LIBS 분석할 다수의 지점을 결정하는 단계;
   상기 결정된 제2 시료(4-2)의 소정의 일 지점의 표면에 대하여 연속레이저(1)의 빔 이미지가 광섬유(8) 코어와 겹치도록 상기 시료스테이지(5)의 높이를 조절하는 정렬단계;
   상기 분광기(9)는 상기 소정의 일 지점의 표면에서 발생하는 플라즈마에서 방출되는 빔을 광섬유(8)를 통해 받아 분석하여 상기 소정의 시료 표면에 대하여 LIBS 분석을 수행하는 분석단계; 및
   상기 분석한 소정의 시료에 대한 상기 소정의 일 지점의 표면을 제외한 나머지 다수의 지점에 대하여 상기 정렬단계 및 상기 분석단계를 반복하여 수행하는 단계;를 포함하는 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 시료는,
   울퉁불퉁하거나 좌우 또는 상하의 균형이 맞지 않고 투명한 재질의 물질로 구성되는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.
9. 제2항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   공간분해능을 갖도록 렌즈를 통해서 여기된 광원을 시료 표면의 한 지점에 집속하여 신호를 얻는 형광분광분석기, 라만분광분석기 및 적외선흡수분광분석기 중 어느 하나에 적용하는 것인 LIBS 분석기에서 시료 표면 높이 조절 및 변화를 모니터링하는 방법.

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