KR102175532B1 - Method for measuring thickness and refractive index of sample using terahertz time-domain spectroscopy - Google Patents

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Abstract

The present invention is configured to obtain frequencies of a terahertz signal making an absorption coefficient, which defines an amount of absorption in common air, almost zero and measure a refractive index and a thickness of a sample using a frequency set composed of the frequencies. Therefore, the present invention can accurately and simultaneously measure the refractive index and the thickness of the sample in the common air where polar molecules such as water exist.

Description

테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법{METHOD FOR MEASURING THICKNESS AND REFRACTIVE INDEX OF SAMPLE USING TERAHERTZ TIME-DOMAIN SPECTROSCOPY}Method of measuring thickness and refractive index of sample using terahertz time domain spectroscopy {METHOD FOR MEASURING THICKNESS AND REFRACTIVE INDEX OF SAMPLE USING TERAHERTZ TIME-DOMAIN SPECTROSCOPY}

본 발명은 테라헤르츠 신호를 샘플에 조사하여 샘플의 두께 및 굴절률을 동시에 측정할 수 있는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy, which can simultaneously measure the thickness and refractive index of the sample by irradiating a terahertz signal onto the sample.

테라헤르츠 시간 영역 분광은 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 많은 연구자들에 의해 연구되고 있는 대상이기도 하다. 테라헤르츠 시간 영역 분광은 테라헤르츠 신호(일반적으로, 0.1~10.0THz의 주파수 대역의 신호를 의미함)를 이용하여 샘플의 특성을 비파괴적으로 측정할 수 있는 방법으로서, 테라헤르츠 신호의 진폭과 위상을 동시에 알 수 있기 때문에 샘플의 특성을 비교적 정확하게 측정할 수 있다. Terahertz time domain spectroscopy is used in various fields and is also an object of study by many researchers. Terahertz time domain spectroscopy is a method that can nondestructively measure the characteristics of a sample by using a terahertz signal (generally, it means a signal in the frequency band of 0.1 to 10.0 THz). Since can be known at the same time, the characteristics of the sample can be measured relatively accurately.

하지만 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용하여 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하기 위해서는, 샘플의 두께나 굴절률 중 어느 하나에 대한 정보를 반드시 사전에 알고 있어야만 나머지 특성을 측정할 수 있었다. However, in order to measure the thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy, the remaining properties could be measured only if information on either the thickness or the refractive index of the sample was known in advance.

이러한 문제점을 극복하고자 샘플 내에서 반사로 인해 발생하는 테라헤르츠 에코(echo) 신호를 활용하는 방안이 제안되었다. 하지만, 테라헤르츠 신호는 일반 공기 중에 존재하는 수분과 같은 극성 분자들에 대해 높은 흡수성을 나타내기 때문에 큰 신호 손실을 초래하며, 이로 인해 테라헤르츠 에코 신호를 일반 공기 중에 조사하여 샘플의 두께 및 굴절률을 측정할 경우 측정의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다. To overcome this problem, a method of utilizing a terahertz echo signal generated by reflection in a sample has been proposed. However, since the terahertz signal exhibits high absorption for polar molecules such as moisture existing in the general air, it causes a large signal loss. This causes a terahertz echo signal to be irradiated in the general air to determine the thickness and refractive index of the sample. When measuring, there is a problem that the accuracy of the measurement is poor.

이에 따라, 일반 공기에 존재하는 수분과 같은 극성 분자들을 제거하기 위해 질소 분위기 중에서 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하는 방안이 강구되었다. 하지만 이러한 방안을 통해 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하기 위해서는, 측정 시마다 질소 분위기를 조성하여야 하기 때문에 번거로움이 초래되고, 질소 분위기를 조성하기까지 많은 시간을 필요로 하여 측정 시간이 오래 소요된다는 문제점이 있다.Accordingly, a method of measuring the thickness and refractive index of a sample in a nitrogen atmosphere was devised to remove polar molecules such as moisture existing in general air. However, in order to measure the thickness and refractive index of the sample through this method, it is necessary to create a nitrogen atmosphere for each measurement, which leads to trouble, and it takes a lot of time to create a nitrogen atmosphere, which takes a long time. have.

공개특허공보 제2018-0097609호(2018.08.31.)Unexamined Patent Publication No. 2018-0097609 (2018.08.31.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수분과 같은 극성 분자들을 포함하는 일반적인 환경에서도 샘플의 두께 및 굴절률을 측정할 수 있을 뿐 아니라, 상기 샘플의 두께 및 굴절률을 동시에 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and it is possible to measure the thickness and refractive index of a sample even in a general environment including polar molecules such as moisture, as well as measure the thickness and refractive index of the sample at the same time. Its purpose is to provide a way to be.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법은, 테라헤르츠 신호를 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계; 테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계; 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호를 이용하여, 상기 일반 공기의 흡수 계수가 기 설정된 값보다 작은 값을 나타내도록 하는 적어도 하나 이상의 주파수의 집합인 주파수 세트를 획득하는 단계; 상기 테라헤르츠 신호를 상기 일반 공기 중에 존재하는 샘플에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계; 상기 제1 기준 신호와 상기 샘플 신호를 이용하여, 상기 주파수 세트에서의 상기 샘플 신호와 상기 제1 기준 신호 간 위상차를 획득하는 단계; 상기 주파수 세트 및 상기 위상차를 이용하여, 상기 샘플 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 각각에 대하여 상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계; 및 상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 이용하여 상기 샘플의 두께 및 굴절률을 결정하는 단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, the method of measuring the thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy according to the present invention is to obtain a first reference signal by irradiating a terahertz signal in reference air in which the sample does not exist. step; Obtaining a second reference signal by irradiating a terahertz signal into the air in which the sample does not exist; Obtaining a frequency set, which is a set of at least one or more frequencies for indicating a value smaller than a preset value of the absorption coefficient of the general air by using the first reference signal and the second reference signal; Obtaining a sample signal by irradiating the terahertz signal to a sample existing in the general air; Acquiring a phase difference between the sample signal and the first reference signal in the frequency set by using the first reference signal and the sample signal; Using the frequency set and the phase difference, obtaining relational expressions regarding a refractive index according to a thickness of the sample for each of two pulse signals included in the sample signal; And determining the thickness and the refractive index of the sample using relational equations related to the refractive index according to the thickness of the sample.

상기 제1 기준 신호를 획득하는 단계에서, 상기 제1 기준 신호는 건조 공기 또는 질소 분위기 중에서 획득될 수 있다.In the step of obtaining the first reference signal, the first reference signal may be obtained in dry air or a nitrogen atmosphere.

상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계에서, 상기 2개의 펄스 신호들은, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사 없이 투과하는 메인 신호와, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호일 수 있다.In the step of obtaining relational expressions related to the refractive index according to the thickness of the sample, the two pulse signals are a main signal through which the terahertz signal transmits without reflection within the sample, and the terahertz signal is reflected within the sample. It may be an echo signal that is transmitted after being generated.

또는, 상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계에서, 상기 2개의 펄스 신호들은, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호들일 수 있다.Alternatively, in the step of acquiring the relational expressions regarding the refractive index according to the thickness of the sample, the two pulse signals may be echo signals transmitted after the terahertz signal is reflected in the sample.

상기 샘플의 두께 및 굴절률을 결정하는 단계에서는, 상기 관계식들 간 차이의 제곱을 주파수 세트를 구성하는 모든 주파수에 대하여 합산한 결과가 최소일 때의 두께를 상기 샘플의 두께로 결정하고, 상기 최소일 때의 두께에 따른 굴절률을 상기 샘플의 굴절률로 결정할 수 있다.In the step of determining the thickness and refractive index of the sample, the thickness when the result of summing the square of the difference between the relational expressions for all frequencies constituting the frequency set is the minimum is determined as the thickness of the sample, and the minimum The refractive index according to the thickness at the time may be determined as the refractive index of the sample.

본 발명은 수분과 같은 극성 분자들을 포함하는 일반 공기에 흡수되는 양을 정의하는 흡수 계수가 0에 가깝도록 만드는 테라헤르츠 신호의 주파수들을 획득(즉, 테라헤르츠 신호의 주파수들 중에서 수분과 같은 극성 분자들에 흡수되지 않는 테라헤르츠 신호의 주파수들을 획득)하고, 이러한 주파수들로 이루어진 주파수 세트를 이용하여 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하도록 구성되어 있기 때문에, 수분과 같은 극성 분자들이 존재하는 일반 공기 중에서도 샘플의 두께 및 굴절률의 동시 측정 및 정확한 측정이 가능하다. The present invention acquires frequencies of a terahertz signal that makes an absorption coefficient that defines an amount absorbed by general air including polar molecules such as moisture close to zero (that is, polar molecules such as moisture among the frequencies of the terahertz signal It is configured to obtain frequencies of terahertz signals that are not absorbed by the field), and measure the thickness and refractive index of the sample using a frequency set consisting of these frequencies, so even in general air where polar molecules such as moisture are present, the sample Simultaneous measurement and accurate measurement of the thickness and refractive index of are possible.

또한, 본 발명에 의하면, 수분과 같은 극성 분자들이 존재하는 일반 공기 중에서도 샘플의 두께 및 굴절률의 측정이 가능하기 때문에, 측정 시마다 질소 분위기를 조성해야만 하는 종래 기술에 비해 측정이 간편하고, 측정 시간 또한 적게 소요된다.In addition, according to the present invention, since it is possible to measure the thickness and refractive index of a sample even in general air in which polar molecules such as moisture are present, the measurement is simpler than that of the prior art in which a nitrogen atmosphere must be created for each measurement. It takes less.

도 1은 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치를 통해 샘플 신호를 획득하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법의 흐름도이다.
도 4는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제1 기준 신호의 예시도이다.
도 5는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제2 기준 신호의 예시도이다.
도 6은 x축을 주파수로 하고, y축을

Figure 112019057204664-pat00001
로 한 그래프이다.
도 7은 테라헤르츠 신호가 일반 공기 중에 존재하는 샘플에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 메인 신호와 제1 에코 신호의 예시도이다.
도 8은 x축을 샘플의 두께로 하고, y축을 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들 간 차이의 제곱을 주파수 세트를 구성하는 모든 주파수에 대하여 합산한 결과로 한 그래프이다.1 is a block diagram of a terahertz time domain spectroscopy device.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of obtaining a sample signal through the terahertz time domain spectroscopy device of FIG. 1.
3 is a flowchart of a method for measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram of a first reference signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated in reference air in which a sample does not exist.
5 is an exemplary diagram of a second reference signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated in general air where a sample does not exist.
6 shows the x-axis as the frequency and the y-axis as
Figure 112019057204664-pat00001
It is a graph.
7 is an exemplary diagram of a main signal and a first echo signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated to a sample existing in general air.
FIG. 8 is a graph obtained by summing the square of the difference between relational expressions related to the refractive index according to the thickness of the sample with the x-axis as the thickness of the sample and the y-axis as the result of summing all frequencies constituting the frequency set.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법에 대해 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다. Hereinafter, a method of measuring the thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings are provided by way of example only in order to sufficiently convey the technical idea of the present invention to those skilled in the art, and the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in any other form. have.

도 1은 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치의 블록도이고, 도 2는 도 1의 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치를 통해 샘플 신호를 획득하는 모습을 나타낸 개략도이다. FIG. 1 is a block diagram of a terahertz time domain spectrometer, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of acquiring a sample signal through the terahertz time domain spectrometer of FIG. 1.

테라헤르츠 시간 영역 분광 장치(1000)는 본 발명에 따른 샘플의 두께 및 굴절률을 측정하는데 이용되며, 광원부(100), 테라헤르츠 신호 조사부(200), 신호 수신부(300), 신호 처리부(400), 제어부(500) 및 사용자 인터페이스(600)를 포함한다.The terahertz time domain spectroscopy device 1000 is used to measure the thickness and refractive index of a sample according to the present invention, and the light source unit 100, the terahertz signal irradiation unit 200, the signal receiving unit 300, the signal processing unit 400, It includes a control unit 500 and a user interface 600.

광원부(100)는 펨토초 펄스 레이저를 포함한다. 상기 펨토초 펄스 레이저는 중심 파장이 800nm 부근이고, 스펙트럼 대역폭이 40nm인 펄스 레이저 광을 발진할 수 있다. The light source unit 100 includes a femtosecond pulse laser. The femtosecond pulsed laser may oscillate pulsed laser light having a central wavelength of around 800 nm and a spectral bandwidth of 40 nm.

테라헤르츠 신호 조사부(200)는 빔 분리기 및 광전도 안테나(미도시)를 포함한다. 빔 분리기는 광원부(100)에서 발진된 펨토초 펄스 레이저 광을 펌프광과 프로브광으로 분리시키며, 이 중 펌프광이 광전도 안테나에 입사될 경우 광전도 안테나에는 펄스 광 전류가 흐르면서 테라헤르츠 신호가 생성된다. The terahertz signal irradiation unit 200 includes a beam splitter and a photoconductive antenna (not shown). The beam splitter separates the femtosecond pulsed laser light oscillated by the light source unit 100 into a pump light and a probe light, of which, when the pump light is incident on the photoconductive antenna, a pulsed light current flows through the photoconductive antenna and a terahertz signal is generated.

테라헤르츠 신호 조사부(200)에서 생성된 테라헤르츠 신호는 파라볼릭 미러(parabolic mirror)에 의해 집광된 후 도 2에 나타낸 바와 같이 샘플(10)에 입사될 수 있다. 샘플(10)에 입사된 테라헤르츠 신호는 샘플(10) 내에서 반사 없이 투과하는 메인 신호(즉, j=0인 경우), 샘플(10) 내에서 2회 반사된 후 신호 수신부(300) 쪽으로 투과하는 제1 에코 신호(즉, j=1인 경우), 그리고 샘플(10) 내에서 4회 반사된 후 신호 수신부(300) 쪽으로 투과하는 제2 에코 신호(즉, j=2인 경우) 등으로 구별될 수 있다. The terahertz signal generated by the terahertz signal irradiator 200 may be condensed by a parabolic mirror and then incident on the sample 10 as shown in FIG. 2. The terahertz signal incident on the sample 10 is the main signal transmitted without reflection in the sample 10 (that is, when j = 0), after being reflected twice in the sample 10, toward the signal receiving unit 300 The transmitted first echo signal (i.e., in the case of j=1), and the second echo signal transmitted toward the signal receiving unit 300 after being reflected four times in the sample 10 (that is, when j = 2), etc. Can be distinguished by

신호 수신부(300)는 샘플(10)을 투과하는 테라헤르츠 신호를 수신하고, 이와 함께 상기 빔 분리기에 의해 분리된 광 중 프로브 광을 수신할 수 있다. 신호 수신부(300)가 샘플(10)을 투과하는 테라헤르츠 신호와 프로브 광을 수신할 경우 신호 수신부(300)에는 전류가 흘러 전압 변화가 일어나게 된다. 이 전압 변화는 신호 수신부(300) 내의 락인 앰프(미도시)에 의해 증폭되며, 사용자 인터페이스(600)에서 입력되는 명령에 따라 제어부(500)의 제어에 의해 신호 처리부(400)로 입력된다. The signal receiver 300 may receive a terahertz signal that passes through the sample 10 and receive probe light from among the lights separated by the beam splitter. When the signal receiver 300 receives the terahertz signal and the probe light passing through the sample 10, a current flows through the signal receiver 300 to cause a voltage change. This voltage change is amplified by a lock-in amplifier (not shown) in the signal receiving unit 300 and is input to the signal processing unit 400 under the control of the controller 500 according to a command input from the user interface 600.

여기서, 사용자 인터페이스(600)는 사용자 명령을 입력 받아 이를 제어부(500)에 전송할 수 있다. 제어부(500)는 사용자 인터페이스(600)로부터 전송되는 사용자 명령에 따라 신호 처리부(400)를 제어한다. 그리고 신호 처리부(400)에서는 이하에서 설명하는 바와 같은 방법으로 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 측정할 수 있다.Here, the user interface 600 may receive a user command and transmit it to the controller 500. The control unit 500 controls the signal processing unit 400 according to a user command transmitted from the user interface 600. In addition, the signal processing unit 400 may measure the thickness and refractive index of the sample 10 in the manner described below.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법의 흐름도이다. 3 is a flowchart of a method for measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법은, 우선 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S310). In the method for measuring thickness and refractive index of a sample according to an exemplary embodiment of the present invention, first, a terahertz signal is irradiated in reference air in which the sample 10 does not exist to obtain a first reference signal (S310).

구체적으로, 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서는 샘플(10)이 존재하지 않는 기준 공기 중에 테라헤르츠 신호를 조사한다. 테라헤르츠 신호 조사부(200)에 의해 조사된 테라헤르츠 신호는 기준 공기를 통해 전파된 후 신호 수신부(300)에 수신되고, 이에 따라 신호 처리부(400)는 신호 수신부(300)로부터 제1 기준 신호를 획득하게 된다. 여기서, 기준 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버(미도시) 내에 수분 등의 극성 분자가 제거된 건조 공기(dry air)이거나, 질소를 채워 넣은 상태의 공기를 의미할 수 있다. 즉, 제1 기준 신호는 건조 공기 또는 질소 분위기 중에서 획득될 수 있다.Specifically, the terahertz signal irradiation unit 200 irradiates a terahertz signal in the reference air in which the sample 10 does not exist. The terahertz signal irradiated by the terahertz signal irradiation unit 200 is propagated through the reference air and then received by the signal receiving unit 300, and accordingly, the signal processing unit 400 receives the first reference signal from the signal receiving unit 300. You will get it. Here, the reference air is dry air from which polar molecules such as moisture have been removed in a chamber (not shown) including the terahertz signal irradiation unit 200 and the signal receiving unit 300, or air in a state filled with nitrogen. Can mean That is, the first reference signal may be obtained in dry air or nitrogen atmosphere.

도 4는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제1 기준 신호의 예시도이다. 여기서, 제1 기준 신호를

Figure 112019057204664-pat00002
라 할 때, 상기 제1 기준 신호는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.4 is an exemplary diagram of a first reference signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated in reference air in which a sample does not exist. Here, the first reference signal
Figure 112019057204664-pat00002
In this case, the first reference signal may be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019057204664-pat00003
Figure 112019057204664-pat00003

여기서,

Figure 112019057204664-pat00004
는 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서 생성된 테라헤르츠 신호를 나타낸다.
Figure 112019057204664-pat00005
은 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서 신호 수신부(300)까지의 거리 L에 대한 기준 공기 내 테라헤르츠 신호의 전파 계수(propagation coefficient)를 나타내며, 이는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112019057204664-pat00004
Denotes a terahertz signal generated by the terahertz signal irradiation unit 200.
Figure 112019057204664-pat00005
Denotes a propagation coefficient of a terahertz signal in the reference air with respect to the distance L from the terahertz signal irradiation unit 200 to the signal receiver 300, which can be expressed as Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019057204664-pat00006
Figure 112019057204664-pat00006

여기서, f는 주파수를 나타내고, c는 진공 중에서 전자기파의 속도를 나타낸다. 그리고

Figure 112019057204664-pat00007
는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. Here, f represents the frequency, and c represents the speed of the electromagnetic wave in a vacuum. And
Figure 112019057204664-pat00007
Can be expressed as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019057204664-pat00008
Figure 112019057204664-pat00008

여기서,

Figure 112019057204664-pat00009
는 기준 공기의 굴절률을 나타내고,
Figure 112019057204664-pat00010
는 기준 공기의 흡수 계수를 나타낸다. here,
Figure 112019057204664-pat00009
Represents the refractive index of the reference air,
Figure 112019057204664-pat00010
Represents the absorption coefficient of the reference air.

제1 기준 신호는 상기와 같은 방법으로 획득한 뒤 신호 처리부(400)에 저장해 놓을 수 있다. 이 경우에는 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 측정하고자 할 때마다 제1 기준 신호를 획득할 필요 없이, 신호 처리부(400)에 저장되어 있는 제1 기준 신호를 재차 이용할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상대적으로 획득하기 어려운 제1 기준 신호를 단지 1회만 획득하면 되기 때문에, 샘플(10)의 두께 및 굴절률의 측정 시마다 질소 분위기를 조성해야만 하는 종래 기술에 비해 측정이 간편하고, 측정 시간 또한 적게 소요될 수 있는 이점이 있다. The first reference signal may be obtained in the same manner as described above and then stored in the signal processing unit 400. In this case, the first reference signal stored in the signal processing unit 400 may be used again without having to obtain the first reference signal each time the thickness and the refractive index of the sample 10 are to be measured. That is, in the present invention, since the first reference signal, which is relatively difficult to obtain, only needs to be acquired once, the measurement is simpler than that of the prior art, in which a nitrogen atmosphere must be created every time the thickness and refractive index of the sample 10 are measured. There is also an advantage that it can take less time.

이와 같이 제1 기준 신호를 획득한 이후에는, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S320). After acquiring the first reference signal as described above, a step of obtaining a second reference signal is performed by irradiating the terahertz signal in general air in which the sample 10 does not exist (S320).

구체적으로, 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서는 샘플(10)이 존재하지 않는 일반 공기 중에 테라헤르츠 신호를 조사한다. 테라헤르츠 신호 조사부(200)에 의해 조사된 테라헤르츠 신호는 일반 공기를 통해 전파된 후 신호 수신부(300)에 수신되고, 이에 따라 신호 처리부(400)는 신호 수신부(300)로부터 제2 기준 신호를 획득하게 된다. 여기서, 일반 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버 내에 수분 등의 극성 분자가 포함되어 있는 주변의(ambient) 공기를 의미할 수 있다. 즉, 제2 기준 신호는 수분과 같은 극성 분자가 포함된 주변 공기의 분위기 중에서 획득될 수 있다.Specifically, the terahertz signal irradiation unit 200 irradiates a terahertz signal in general air in which the sample 10 does not exist. The terahertz signal irradiated by the terahertz signal irradiation unit 200 is propagated through general air and then received by the signal receiving unit 300, and accordingly, the signal processing unit 400 receives the second reference signal from the signal receiving unit 300. You will get it. Here, the general air may mean ambient air in which polar molecules such as moisture are included in a chamber including the terahertz signal irradiation unit 200 and the signal reception unit 300. That is, the second reference signal may be obtained in an atmosphere of ambient air containing polar molecules such as moisture.

도 5는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제2 기준 신호의 예시도이다. 여기서, 제2 기준 신호를

Figure 112019057204664-pat00011
라 할 때, 상기 제2 기준 신호는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 5 is an exemplary diagram of a second reference signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated in general air where a sample does not exist. Here, the second reference signal
Figure 112019057204664-pat00011
In this case, the second reference signal may be expressed as Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019057204664-pat00012
Figure 112019057204664-pat00012

여기서,

Figure 112019057204664-pat00013
은 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서 신호 수신부(300)까지의 거리 L에 대한 일반 공기 내 테라헤르츠 신호의 전파 계수를 나타내며, 이는 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112019057204664-pat00013
Denotes the propagation coefficient of a terahertz signal in the general air with respect to the distance L from the terahertz signal irradiation unit 200 to the signal receiver 300, which can be expressed as Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019057204664-pat00014
Figure 112019057204664-pat00014

여기서,

Figure 112019057204664-pat00015
는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112019057204664-pat00015
Can be expressed as in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019057204664-pat00016
Figure 112019057204664-pat00016

여기서,

Figure 112019057204664-pat00017
는 일반 공기의 굴절률을 나타내고,
Figure 112019057204664-pat00018
는 일반 공기의 흡수 계수를 나타낸다.here,
Figure 112019057204664-pat00017
Represents the refractive index of ordinary air,
Figure 112019057204664-pat00018
Represents the absorption coefficient of ordinary air.

이와 같이 제2 기준 신호를 획득한 이후에는, 제1 기준 신호와 제2 기준 신호를 이용하여, 일반 공기의 흡수 계수가 기 설정된 값보다 작은 값을 나타내도록 하는 적어도 하나 이상의 주파수의 집합인 주파수 세트를 획득하는 단계가 이루어진다(S330). After acquiring the second reference signal as described above, a frequency set, which is a set of at least one or more frequencies, representing a value smaller than a preset value, by using the first and second reference signals The step of obtaining is performed (S330).

상술한 바와 같이, 테라헤르츠 신호는 일반 공기 중에 존재하는 수분과 같은 극성 분자들에 대해 높은 흡수성을 나타내기 때문에 큰 신호 손실을 초래하고 만다. 이에 따라, 일반 공기 중에서 테라헤르츠 신호를 이용하여 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 측정하기 위해서는, 테라헤르츠 신호가 수분과 같은 극성 분자들에 흡수되지 않도록 할 것이 요구된다. 이러한 요구 사항으로 인해, 본 발명에서는 테라헤르츠 신호의 주파수들 중에서 일반 공기에 흡수되는 양을 정의하는 흡수 계수(즉, 일반 공기의 흡수 계수

Figure 112019057204664-pat00019
)가 0에 가깝도록 만드는 주파수들을 획득하는 방안에 대해 제안한다. As described above, the terahertz signal causes a large signal loss because it exhibits high absorption for polar molecules such as moisture present in general air. Accordingly, in order to measure the thickness and refractive index of the sample 10 using a terahertz signal in general air, it is required to prevent the terahertz signal from being absorbed by polar molecules such as moisture. Due to this requirement, in the present invention, the absorption coefficient that defines the amount of terahertz signal absorbed by general air (that is, the absorption coefficient of general air
Figure 112019057204664-pat00019
We propose a method of obtaining frequencies that make) close to zero.

이와 같은 조건을 만족하는 주파수는, 예를 들어 다음의 수학식 7과 같이 제2 기준 신호를 제1 기준 신호로 나눈 값에 절대값을 취하여 산출되는 일반 공기의 흡수 계수에 대한 식으로부터 획득될 수 있다.The frequency that satisfies such a condition can be obtained from an equation for the absorption coefficient of general air calculated by taking an absolute value from a value obtained by dividing the second reference signal by the first reference signal as shown in Equation 7 below. have.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019057204664-pat00020
Figure 112019057204664-pat00020

도 6은 x축을 주파수로 하고, y축을

Figure 112019057204664-pat00021
로 한 그래프로서, 수학식 7은 도 6과 같은 그래프 형태로 나타날 수 있다. 도 6에 따른 그래프는 제1 기준 신호를 질소 분위기 중에서 획득한 것이고, 제2 기준 신호를 상대 습도가 50%인 일반 공기 중에서 획득한 것이다. 도 6에서
Figure 112019057204664-pat00022
가
Figure 112019057204664-pat00023
보다 큰 피크 값들은 주로 일반 공기 중에 존재하는 수분에 의해 흡수됨에 따른 결과이다. 이러한 큰 피크 값들을 보이는 주파수는 일반 공기의 흡수 계수가 크다는 것을 의미하기 때문에, 이 주파수를 갖는 테라헤르츠 신호를 통해서 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 측정하게 되면 측정의 정확도가 낮아질 수밖에 없다. 6 shows the x-axis as the frequency and the y-axis as
Figure 112019057204664-pat00021
As a graph, Equation 7 may be expressed in the form of a graph as shown in FIG. 6. In the graph according to FIG. 6, the first reference signal is obtained in a nitrogen atmosphere, and the second reference signal is obtained in general air having a relative humidity of 50%. In Figure 6
Figure 112019057204664-pat00022
end
Figure 112019057204664-pat00023
The larger peak values are mainly the result of absorption by moisture present in the normal air. Since the frequency showing such large peak values means that the absorption coefficient of ordinary air is large, measuring the thickness and refractive index of the sample 10 through a terahertz signal having this frequency inevitably lowers the accuracy of the measurement.

이에 따라, 일반 공기의 흡수 계수가 기 설정된 값보다 작은 값을 나타내도록 하는 적어도 하나 이상의 주파수를 획득하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6에서

Figure 112019057204664-pat00024
가 2×10-6보다 작은 값(즉, 일반 공기의 흡수 계수
Figure 112019057204664-pat00025
가
Figure 112019057204664-pat00026
보다 작은 값)을 나타내도록 하는 적어도 하나 이상의 주파수(예를 들어, f1, f2, f3, f4 및 f5)의 집합인 주파수 세트(이하에서는, 주파수 세트를
Figure 112019057204664-pat00027
로 나타냄)를 획득하는 것이 바람직하다. 이와 같은 주파수들을 갖는 테라헤르츠 신호의 경우에는 일반 공기에 흡수되는 양이 매우 적기 때문에, 후술하는 바와 같이 일반 공기 중에서 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 측정함에 있어서 측정의 정확도를 높일 수 있게 된다. Accordingly, it is desirable to obtain at least one or more frequencies such that the absorption coefficient of general air represents a value smaller than a preset value. For example, in Figure 6
Figure 112019057204664-pat00024
Is less than 2×10 -6 (i.e. the absorption coefficient of ordinary air
Figure 112019057204664-pat00025
end
Figure 112019057204664-pat00026
A set of frequencies (hereinafter referred to as a set of frequencies), which is a set of at least one or more frequencies (e.g., f1, f2, f3, f4 and f5) to represent a smaller value.
Figure 112019057204664-pat00027
It is desirable to obtain). In the case of a terahertz signal having such frequencies, since the amount absorbed by general air is very small, it is possible to increase the accuracy of measurement in measuring the thickness and refractive index of the sample 10 in general air, as described later.

이와 같이 주파수 세트를 획득한 이후에는, 테라헤르츠 신호를 일반 공기 중에 존재하는 샘플에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S340). After acquiring the frequency set as described above, a step of obtaining a sample signal by irradiating a terahertz signal to a sample existing in general air is performed (S340).

구체적으로, 테라헤르츠 신호 조사부(200)에서는 샘플(10)이 존재하는 일반 공기 중에 테라헤르츠 신호를 조사하며, 테라헤르츠 신호 조사부(200)에 의해 조사된 테라헤르츠 신호는 일반 공기를 통해 전파되다가 샘플(10)에 입사된다.Specifically, the terahertz signal irradiation unit 200 irradiates a terahertz signal in the general air in which the sample 10 is present, and the terahertz signal irradiated by the terahertz signal irradiator 200 propagates through the general air and It is incident on (10).

도 2에 도시된 바와 같이, 샘플(10)에 입사되는 테라헤르츠 신호 중 일부는 샘플(10) 내에서 반사 없이 그대로 샘플(10)을 투과하고, 일부는 샘플(10) 내에서 수차례 반사된 후 샘플(10)을 투과하게 된다. As shown in FIG. 2, some of the terahertz signals incident on the sample 10 pass through the sample 10 without reflection within the sample 10, and some of the terahertz signals are reflected several times within the sample 10. After the sample 10 is transmitted through.

샘플(10)을 투과하는 테라헤르츠 신호, 즉 샘플 신호는 신호 수신부(300)에 의해 수신되고, 이에 따라 신호 처리부(400)는 신호 수신부(300)로부터 샘플 신호를 획득하게 된다. 여기서, 일반 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버 내에 수분과 같은 극성 분자가 포함되어 있는 주변의 공기를 의미할 수 있다. 즉, 샘플 신호는 제2 기준 신호와 마찬가지로 수분과 같은 극성 분자가 포함된 주변 공기의 분위기 중에서 획득될 수 있다. The terahertz signal passing through the sample 10, that is, a sample signal, is received by the signal receiving unit 300, and accordingly, the signal processing unit 400 obtains a sample signal from the signal receiving unit 300. Here, the general air may mean ambient air in which polar molecules such as moisture are included in a chamber including the terahertz signal irradiation unit 200 and the signal reception unit 300. That is, like the second reference signal, the sample signal may be obtained in an atmosphere of ambient air containing polar molecules such as moisture.

도 7은 테라헤르츠 신호가 일반 공기 중에 존재하는 샘플에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 샘플 신호의 예시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 샘플 신호에는 샘플(10)에 입사되는 테라헤르츠 신호 중 샘플(10) 내에서 반사 없이 그대로 샘플(10)을 투과하는 펄스 신호(즉, 메인 신호)와, 샘플(10)에 입사되는 테라헤르츠 신호 중 샘플(10) 내에서 수차례 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 펄스 신호(즉, 에코 신호)가 존재한다. 참고로, 도 2를 참조하면, 샘플(10)을 그대로 투과하는 펄스 신호(즉, 메인 신호)는 j=0으로 도시되어 있고, 샘플(10) 내에서 2회 반사된 후 투과하는 펄스 신호(즉, 제1 에코 신호)는 j=1로 도시되어 있으며, 샘플(10) 내에서 4회 반사된 후 투과하는 펄스 신호(즉, 제2 에코 신호)는 j=2로 도시되어 있다. 7 is an exemplary diagram of a sample signal obtained by a signal processing unit when a terahertz signal is irradiated to a sample existing in general air. As shown in FIG. 7, among the terahertz signals incident on the sample 10, the sample signal includes a pulse signal (ie, a main signal) that passes through the sample 10 without reflection within the sample 10, and a sample ( Among the terahertz signals incident on 10), there is a pulse signal (ie, an echo signal) that passes through the sample 10 after being reflected several times within the sample 10. For reference, referring to FIG. 2, the pulse signal (ie, the main signal) transmitted through the sample 10 as it is is shown as j=0, and the pulse signal transmitted after being reflected twice in the sample 10 ( That is, the first echo signal) is shown as j=1, and the pulse signal (ie, the second echo signal) that is reflected in the sample 10 and then transmitted four times is shown as j=2.

도 7에서는 메인 신호와 제1 에코 신호의 세기가 제2 에코 신호의 세기보다 크기 때문에, 샘플 신호에 메인 신호와 제1 에코 신호만을 나타냈지만, 제2 에코 신호, 나아가 제3 에코 신호도 상기 샘플 신호에 존재하고 있음은 물론이다.In FIG. 7, since the strength of the main signal and the first echo signal is greater than that of the second echo signal, only the main signal and the first echo signal are shown in the sample signal. However, the second echo signal and the third echo signal are also sampled. It is of course present in the signal.

신호 처리부(400)에서 획득하는 샘플 신호를

Figure 112019057204664-pat00028
라 할 때, 상기 샘플 신호는 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The sample signal obtained by the signal processing unit 400 is
Figure 112019057204664-pat00028
In this case, the sample signal can be expressed as Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019057204664-pat00029
Figure 112019057204664-pat00029

여기서, d는 샘플(10)의 두께를 나타낸다.Here, d represents the thickness of the sample 10.

그리고

Figure 112019057204664-pat00030
는 거리 L-d에 대한 일반 공기 내 테라헤르츠 신호의 전파 계수를 나타내며, 이는 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.And
Figure 112019057204664-pat00030
Denotes the propagation coefficient of a terahertz signal in the general air with respect to the distance Ld, which can be expressed as Equation 9 below.

[수학식 9] [Equation 9]

Figure 112019057204664-pat00031
Figure 112019057204664-pat00031

여기서,

Figure 112019057204664-pat00032
는 상술한 수학식 6과 같다.here,
Figure 112019057204664-pat00032
Is equal to Equation 6 described above.

그리고 수학식 8에서

Figure 112019057204664-pat00033
는 거리 d(즉, 샘플의 두께)에 대한 샘플 내 테라헤르츠 신호의 전파 계수를 나타내며, 이는 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.And in Equation 8
Figure 112019057204664-pat00033
Denotes the propagation coefficient of the terahertz signal in the sample with respect to the distance d (ie, the thickness of the sample), which can be expressed as Equation 10 below.

[수학식 10] [Equation 10]

Figure 112019057204664-pat00034
Figure 112019057204664-pat00034

여기서,

Figure 112019057204664-pat00035
는 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112019057204664-pat00035
Can be expressed as in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112019057204664-pat00036
Figure 112019057204664-pat00036

여기서,

Figure 112019057204664-pat00037
는 샘플(10)의 굴절률을 나타내고,
Figure 112019057204664-pat00038
는 샘플(10)의 흡수 계수를 나타낸다.here,
Figure 112019057204664-pat00037
Represents the refractive index of the sample 10,
Figure 112019057204664-pat00038
Represents the absorption coefficient of the sample 10.

그리고 수학식 8에서

Figure 112019057204664-pat00039
는 일반 공기에서 샘플로 테라헤르츠 신호가 전파될 때, 일반 공기와 샘플 간 계면(interface)에서의 투과율(transmission)을 나타내며, 이는 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.And in Equation 8
Figure 112019057204664-pat00039
When a terahertz signal is propagated from the general air to the sample, denotes the transmission at the interface between the general air and the sample, which can be expressed as Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112019057204664-pat00040
Figure 112019057204664-pat00040

그리고 수학식 8에서

Figure 112019057204664-pat00041
는 샘플에서 일반 공기로 테라헤르츠 신호가 전파될 때, 샘플과 일반 공기 간 계면에서의 투과율을 나타내며, 이는 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.And in Equation 8
Figure 112019057204664-pat00041
Denotes the transmittance at the interface between the sample and the general air when the terahertz signal is propagated from the sample to the general air, which can be expressed as Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112019057204664-pat00042
Figure 112019057204664-pat00042

또한, 수학식 8에서

Figure 112019057204664-pat00043
는 샘플에서 일반 공기로 테라헤르츠 신호가 전파될 때, 샘플과 일반 공기 간 계면에서의 반사율(reflection)을 나타내며, 이는 다음의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다. Also, in Equation 8
Figure 112019057204664-pat00043
When the terahertz signal propagates from the sample to the general air, denotes the reflectance at the interface between the sample and the general air, which can be expressed as Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112019057204664-pat00044
Figure 112019057204664-pat00044

신호 처리부(400)에서 획득하는 샘플 신호

Figure 112019057204664-pat00045
는 메인 신호와 에코 신호를 일괄하여 나타낸 것이다. 이에 따라, 샘플 신호가 메인 신호일 경우에는(즉, j=0인 경우)
Figure 112019057204664-pat00046
와 같이 나타낼 수 있고, 샘플 신호가 제1 에코 신호일 경우에는(즉, j=1인 경우)
Figure 112019057204664-pat00047
와 같이 나타낼 수 있으며, 샘플 신호가 제2 에코 신호일 경우에는(즉, j=2인 경우)
Figure 112019057204664-pat00048
와 같이 나타낼 수 있다.Sample signal acquired by the signal processing unit 400
Figure 112019057204664-pat00045
Is the main signal and the echo signal collectively. Accordingly, when the sample signal is the main signal (ie, j = 0)
Figure 112019057204664-pat00046
Can be expressed as, if the sample signal is the first echo signal (that is, if j=1)
Figure 112019057204664-pat00047
Can be expressed as, if the sample signal is the second echo signal (that is, if j = 2)
Figure 112019057204664-pat00048
It can be expressed as

이와 같이 샘플 신호를 획득한 이후에는, 제1 기준 신호와 샘플 신호를 이용하여, 주파수 세트에서의 샘플 신호와 제1 기준 신호 간 위상차를 획득하는 단계가 이루어진다(S350).After obtaining the sample signal as described above, a step of obtaining a phase difference between the sample signal and the first reference signal in the frequency set is performed using the first reference signal and the sample signal (S350).

구체적으로, 주파수 세트에서의 샘플 신호와 제1 기준 신호 간 위상차는, 예를 들어 다음의 수학식 15와 같이 샘플 신호를 제1 기준 신호로 나눈 전달 함수

Figure 112019057204664-pat00049
로부터 획득될 수 있다. Specifically, the phase difference between the sample signal and the first reference signal in the frequency set is, for example, a transfer function obtained by dividing the sample signal by the first reference signal as shown in Equation 15 below.
Figure 112019057204664-pat00049
Can be obtained from

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112019057204664-pat00050
Figure 112019057204664-pat00050

주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00051
도메인에서 샘플 신호와 제1 기준 신호 간 위상차를
Figure 112019057204664-pat00052
라 할 때, 이는 다음의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다. Frequency set
Figure 112019057204664-pat00051
The phase difference between the sample signal and the first reference signal in the domain
Figure 112019057204664-pat00052
When, this can be expressed as Equation 16 below.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112019057204664-pat00053
Figure 112019057204664-pat00053

즉, 신호 처리부(400)에서는 샘플 신호를 제1 기준 신호로 나눈 전달 함수에서 위상을 산출하는 처리를 통해, 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00054
에서의 샘플 신호와 제1 기준 신호 간 위상차를 획득할 수 있다. That is, the signal processing unit 400 calculates a phase from a transfer function obtained by dividing the sample signal by the first reference signal, thereby setting the frequency.
Figure 112019057204664-pat00054
It is possible to obtain a phase difference between the sample signal at and the first reference signal.

이와 같이 위상차를 획득한 이후에는, 주파수 세트 및 위상차를 이용하여, 샘플 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 각각에 대하여 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계가 이루어진다(S360).After obtaining the phase difference as described above, a step of obtaining relational expressions regarding the refractive index according to the thickness of the sample 10 for each of the two pulse signals included in the sample signal is performed using the frequency set and the phase difference (S360). ).

여기서, 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식은 다음과 같은 방식으로 획득될 수 있다. Here, the relational expression regarding the refractive index according to the thickness of the sample 10 may be obtained in the following manner.

만일 샘플(10)이 저손실 재질(low-loss material)로 이루어진 경우, 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00055
에서 샘플의 흡수 계수
Figure 112019057204664-pat00056
는 샘플의 굴절률
Figure 112019057204664-pat00057
에 비해 매우 작다(즉,
Figure 112019057204664-pat00058
). 이에 따라, 상기 수학식 15 중 일부 식은 다음의 수학식 17과 같이 근사화될 수 있다.If the sample 10 is made of a low-loss material, the frequency set
Figure 112019057204664-pat00055
Absorption coefficient of the sample at
Figure 112019057204664-pat00056
Is the refractive index of the sample
Figure 112019057204664-pat00057
Is very small compared to (i.e.
Figure 112019057204664-pat00058
). Accordingly, some of Equation 15 may be approximated as in Equation 17 below.

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112019057204664-pat00059
Figure 112019057204664-pat00059

또한, 상술한 바와 같이 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00060
에서는 일반 공기의 흡수 계수
Figure 112019057204664-pat00061
가 0에 매우 가깝고(즉,
Figure 112019057204664-pat00062
),
Figure 112019057204664-pat00063
로 가정할 수 있다. 이에 따라, 상기 수학식 15 중 일부 식은 다음의 수학식 18과 같이 근사화될 수 있고, 상기 수학식 15 중 나머지 식은 다음의 수학식 19와 같이 근사화될 수 있다.Also, as described above, the frequency set
Figure 112019057204664-pat00060
Is the absorption coefficient of ordinary air
Figure 112019057204664-pat00061
Is very close to zero (i.e.
Figure 112019057204664-pat00062
),
Figure 112019057204664-pat00063
Can be assumed. Accordingly, some of Equation 15 may be approximated as in Equation 18 below, and the rest of Equation 15 may be approximated as in Equation 19 below.

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112019057204664-pat00064
Figure 112019057204664-pat00064

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112019057204664-pat00065
Figure 112019057204664-pat00065

수학식 17 내지 수학식 19를 통해, 수학식 16에 나타낸 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00066
도메인에서 샘플 신호와 제1 기준 신호 간 위상차
Figure 112019057204664-pat00067
는 다음의 수학식 20과 같이 간소화될 수 있다.Through Equations 17 to 19, the frequency set shown in Equation 16
Figure 112019057204664-pat00066
Phase difference between the sample signal and the first reference signal in the domain
Figure 112019057204664-pat00067
May be simplified as shown in Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112019057204664-pat00068
Figure 112019057204664-pat00068

그리고 상기 수학식 20을 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식 형태로 정리하면 다음의 수학식 21과 같이 나타낼 수 있다.In addition, if Equation 20 is summarized in the form of a relational expression regarding the refractive index according to the thickness of the sample 10, it can be expressed as Equation 21 below.

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112019057204664-pat00069
Figure 112019057204664-pat00069

수학식 21에서 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00070
에서의 샘플의 굴절률을
Figure 112019057204664-pat00071
로 나타낸 것은, 메인 신호(즉, j=0인 경우)에 의한 샘플의 굴절률과 에코 신호(즉, j= 1, 2 등인 경우)에 의한 샘플의 굴절률을 서로 구분하여 나타내기 위함이다. Frequency set in Equation 21
Figure 112019057204664-pat00070
The refractive index of the sample at
Figure 112019057204664-pat00071
Indicated by is to show the refractive index of the sample by the main signal (ie, when j = 0) and the refractive index of the sample by the echo signal (ie, when j = 1, 2, etc.).

신호 처리부(400)는 상기 수학식 21을 통해, 샘플 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 각각에 대하여 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득할 수 있다.The signal processing unit 400 may obtain a relational expression regarding a refractive index according to the thickness of the sample 10 for each of the two pulse signals included in the sample signal through Equation 21.

예를 들어, 신호 처리부(400)는 샘플 신호에 포함된 메인 신호에 대하여, 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식을 다음의 수학식 22와 같이 획득할 수 있다.For example, the signal processor 400 may obtain a relational expression regarding a refractive index according to the thickness of the sample 10 for a main signal included in the sample signal as shown in Equation 22 below.

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112019057204664-pat00072
Figure 112019057204664-pat00072

또한, 신호 처리부(400)는 샘플 신호에 포함된 제1 에코 신호에 대하여, 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식을 다음의 수학식 23과 같이 획득할 수 있다.In addition, the signal processing unit 400 may obtain a relational expression regarding the refractive index according to the thickness of the sample 10 with respect to the first echo signal included in the sample signal as shown in Equation 23 below.

[수학식 23][Equation 23]

Figure 112019057204664-pat00073
Figure 112019057204664-pat00073

또한, 신호 처리부(400)는 샘플 신호에 포함된 제2 에코 신호에 대하여, 샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식을 다음의 수학식 24와 같이 획득할 수 있다. In addition, the signal processing unit 400 may obtain a relational expression regarding a refractive index according to the thickness of the sample 10 for the second echo signal included in the sample signal as shown in Equation 24 below.

[수학식 24][Equation 24]

Figure 112019057204664-pat00074
Figure 112019057204664-pat00074

즉, 신호 처리부(400)는 샘플 신호에 포함된 펄스 신호들 중 테라헤르츠 신호가 샘플(10) 내에서 반사 없이 투과하는 메인 신호와, 상기 테라헤르츠 신호가 샘플(10) 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호(예를 들어, 제1 에코 신호) 각각에 대하여, 상기 수학식 22 및 수학식 23과 같은 관계식들을 획득할 수 있다. That is, the signal processing unit 400 includes a main signal in which a terahertz signal among pulse signals included in the sample signal is transmitted without reflection in the sample 10, and the terahertz signal is reflected in the sample 10 and then transmitted. For each of the echo signals (eg, the first echo signal), relational expressions such as Equations 22 and 23 may be obtained.

또는, 신호 처리부(400)는 샘플 신호에 포함된 펄스 신호들 중 테라헤르츠 신호가 샘플(10) 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호들(예를 들어, 제1 에코 신호 및 제2 에코 신호) 각각에 대하여, 상기 수학식 23 및 수학식 24와 같은 관계식들을 획득할 수 있다. Alternatively, the signal processing unit 400 includes echo signals (eg, a first echo signal and a second echo signal) transmitted after a terahertz signal is reflected in the sample 10 among the pulse signals included in the sample signal. For each, relational expressions such as Equations 23 and 24 may be obtained.

상기 수학식 22 내지 수학식 24에서 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00075
는 상기 S330 단계에서 획득한 값(즉, f1, f2, f3, f4 및 f5)이고, 위상차
Figure 112019057204664-pat00076
는 상기 S350 단계에서 획득한 값이므로, 상기 수학식 22 내지 수학식 24는 오로지 샘플(10)의 두께에 따른 샘플(10)의 굴절률에 관한 관계식으로 표현될 수 있다. 이하에서는 수학식 22 및 수학식 23의 조합을 통해 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 결정하는 방안에 대해서만 설명하기로 하되, 수학식의 다른 조합도 이와 실질적으로 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.Frequency set in Equations 22 to 24
Figure 112019057204664-pat00075
Is the value obtained in step S330 (ie, f1, f2, f3, f4, and f5), and the phase difference
Figure 112019057204664-pat00076
Since is a value obtained in step S350, Equations 22 to 24 may be expressed only as a relational expression regarding the refractive index of the sample 10 according to the thickness of the sample 10. Hereinafter, only a method of determining the thickness and refractive index of the sample 10 through the combination of Equations 22 and 23 will be described, but other combinations of Equations may be substantially the same.

샘플(10)의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득한 이후에는, 상기 관계식들을 이용하여 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 결정하는 단계가 이루어진다(S370).After obtaining the relational expressions regarding the refractive index according to the thickness of the sample 10, a step of determining the thickness and the refractive index of the sample 10 is performed using the relational expressions (S370).

샘플(10)의 두께 및 굴절률은 상기 수학식 22를 이용하든지, 아니면 상기 수학식 23을 이용하든지 관계 없이 모두 동일한 값을 나타내야 한다. 이에 따라, 상기 수학식 22 및 수학식 23에 샘플의 두께를 일일이 대입한 뒤, 이로부터 얻어지는 굴절률을 직접적으로 비교하는 방법을 통해 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 결정할 수 있다. The thickness and refractive index of the sample 10 should all represent the same value regardless of whether Equation 22 is used or Equation 23 is used. Accordingly, the thickness and the refractive index of the sample 10 may be determined through a method of directly comparing the refractive index obtained therefrom after substituting the thickness of the sample into Equations 22 and 23.

하지만 이러한 방법은 측정 시간 면에서 비효율적이기 때문에, 이보다 시간 효율적인 방법을 통해 샘플(10)의 두께 및 굴절률을 결정할 것이 요구된다. 즉, 다음의 수학식 25에 나타낸 바와 같이 상기 S360 단계에서 획득한 관계식들 간 차이의 제곱을, 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00077
를 구성하는 모든 주파수(즉, f1, f2, f3, f4 및 f5)에 대하여 합산한 결과가 최소일 때의 두께를 샘플(10)의 두께로 결정하고, 상기 최소일 때의 두께에 따른 굴절률을 샘플(10)의 굴절률로 결정할 경우 측정 시간 면에서 보다 유리할 수 있다.However, since this method is inefficient in terms of measurement time, it is required to determine the thickness and refractive index of the sample 10 through a more time efficient method. That is, as shown in the following Equation 25, the square of the difference between the relational expressions obtained in the step S360 is a frequency set
Figure 112019057204664-pat00077
The thickness of the sample 10 is determined as the thickness of the sample 10 when the result of summation for all frequencies (i.e., f1, f2, f3, f4 and f5) is the minimum, and the refractive index according to the thickness at the minimum is determined. When determined by the refractive index of the sample 10, it may be more advantageous in terms of measurement time.

[수학식 25][Equation 25]

Figure 112019057204664-pat00078
Figure 112019057204664-pat00078

여기서,

Figure 112019057204664-pat00079
는 주파수 세트
Figure 112019057204664-pat00080
에 대해서 메인 신호에 의한 샘플(10)의 굴절률이며 상기 수학식 22에 나타낸 관계식과 같다. 그리고
Figure 112019057204664-pat00081
는 주파수 세트
Figure 112019057204664-pat00082
에 대해서 제1 에코 신호에 의한 샘플(10)의 굴절률이며 상기 수학식 23에 나타낸 관계식과 같다. here,
Figure 112019057204664-pat00079
Is the frequency set
Figure 112019057204664-pat00080
Is the refractive index of the sample 10 by the main signal and is the same as the relational expression shown in Equation 22 above. And
Figure 112019057204664-pat00081
Is the frequency set
Figure 112019057204664-pat00082
Is the refractive index of the sample 10 by the first echo signal and is the same as the relational expression shown in Equation 23 above.

이러한 관계식들 간 차이의 제곱을 주파수 세트

Figure 112019057204664-pat00083
를 구성하는 모든 주파수(즉, f1, f2, f3, f4 및 f5)에 대하여 합산한 결과인
Figure 112019057204664-pat00084
는 샘플(10)의 두께인 d에 관한 함수이며, 관계식들 간 오차를 정의한다. 즉,
Figure 112019057204664-pat00085
는 오차를 나타내는 함수 형태이기 때문에, 상기 수학식 25에 샘플의 두께 d를 일일이 대입할 경우 얻어지는
Figure 112019057204664-pat00086
의 값이 최소일 때의 값을 샘플(10)의 두께로 결정하는 것이 바람직하다. The square of the difference between these relations is the frequency set
Figure 112019057204664-pat00083
Is the result of summing over all frequencies (i.e. f1, f2, f3, f4 and f5)
Figure 112019057204664-pat00084
Is a function of d, which is the thickness of the sample 10, and defines the error between the relational expressions. In other words,
Figure 112019057204664-pat00085
Since is in the form of a function representing the error, obtained by substituting the sample thickness d in Equation 25
Figure 112019057204664-pat00086
It is preferable to determine the value when the value of is the minimum as the thickness of the sample 10.

도 8은 x축을 샘플의 두께로 하고, y축을 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들 간 차이의 제곱을 주파수 세트를 구성하는 모든 주파수에 대하여 합산한 결과로 한 그래프이다. 도 8의 경우, 샘플의 두께 d가 527μm인 경우에

Figure 112019057204664-pat00087
의 값이 최소가 되기 때문에, 527μm를 샘플(10)의 두께로 결정할 수 있다. 또한, 이때의 샘플(10)의 두께를 상기 수학식 22 또는 수학식 23에 대입할 경우에는 샘플(10)의 굴절률 역시 결정할 수 있게 된다. FIG. 8 is a graph obtained by summing the square of the difference between relational expressions related to the refractive index according to the thickness of the sample with the x-axis as the thickness of the sample and the y-axis as the result of summing all frequencies constituting the frequency set. In the case of Figure 8, when the thickness d of the sample is 527 μm
Figure 112019057204664-pat00087
Since the value of is the minimum, 527 μm can be determined as the thickness of the sample 10. In addition, when the thickness of the sample 10 at this time is substituted into Equation 22 or 23, the refractive index of the sample 10 can also be determined.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, although the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations are made from these descriptions to those of ordinary skill in the field to which the present invention pertains. It is possible. Therefore, the technical idea of the present invention should be grasped only by the claims, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be said to belong to the scope of the technical idea of the present invention.

10: 샘플
100: 광원부
200: 테라헤르츠 신호 조사부
300: 신호 수신부
400: 신호 처리부
500: 제어부
600: 사용자 인터페이스
1000: 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치10: sample
100: light source unit
200: terahertz signal irradiation unit
300: signal receiver
400: signal processing unit
500: control unit
600: user interface
1000: terahertz time domain spectroscopy device

Claims (5)

테라헤르츠 신호를 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계;
테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계;
상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호를 이용하여, 상기 일반 공기의 흡수 계수가 기 설정된 값보다 작은 값을 나타내도록 하는 적어도 하나 이상의 주파수의 집합인 주파수 세트를 획득하는 단계;
상기 테라헤르츠 신호를 상기 일반 공기 중에 존재하는 샘플에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계;
상기 제1 기준 신호와 상기 샘플 신호를 이용하여, 상기 주파수 세트에서의 상기 샘플 신호와 상기 제1 기준 신호 간 위상차를 획득하는 단계;
상기 주파수 세트 및 상기 위상차를 이용하여, 상기 샘플 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 각각에 대하여 상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계; 및
상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 이용하여 상기 샘플의 두께 및 굴절률을 결정하는 단계;를 포함하는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법.
Obtaining a first reference signal by irradiating a terahertz signal into reference air in which a sample does not exist;
Obtaining a second reference signal by irradiating a terahertz signal into the air in which the sample does not exist;
Obtaining a frequency set, which is a set of at least one or more frequencies for indicating a value smaller than a preset value of the absorption coefficient of the general air by using the first reference signal and the second reference signal;
Obtaining a sample signal by irradiating the terahertz signal to a sample existing in the general air;
Acquiring a phase difference between the sample signal and the first reference signal in the frequency set by using the first reference signal and the sample signal;
Using the frequency set and the phase difference, obtaining relational expressions regarding a refractive index according to a thickness of the sample for each of two pulse signals included in the sample signal; And
A method of measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy comprising; determining the thickness and refractive index of the sample using relational equations related to the refractive index according to the thickness of the sample.
 제1항에 있어서,
상기 제1 기준 신호를 획득하는 단계에서,
상기 제1 기준 신호는 건조 공기 또는 질소 분위기 중에서 획득되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법.
The method of claim 1,
In the step of obtaining the first reference signal,
The first reference signal is a method of measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy, characterized in that the first reference signal is obtained in a dry air or nitrogen atmosphere.
 제1항에 있어서,
상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계에서,
상기 2개의 펄스 신호들은, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사 없이 투과하는 메인 신호와, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법.
The method of claim 1,
In the step of obtaining relational expressions regarding the refractive index according to the thickness of the sample,
The two pulse signals are terahertz time domain spectroscopy, characterized in that the terahertz signal is a main signal transmitted without reflection in the sample and an echo signal transmitted after the terahertz signal is reflected in the sample Method of measuring the thickness and refractive index of the sample using.
 제1항에 있어서,
상기 샘플의 두께에 따른 굴절률에 관한 관계식들을 획득하는 단계에서,
상기 2개의 펄스 신호들은, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 투과하는 에코 신호들인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법.
The method of claim 1,
In the step of obtaining relational expressions regarding the refractive index according to the thickness of the sample,
The two pulse signals are echo signals that are transmitted after the terahertz signal is reflected in the sample and then transmitted. A method of measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy.
 제1항에 있어서,
상기 샘플의 두께 및 굴절률을 결정하는 단계에서는,
상기 관계식들 간 차이의 제곱을 주파수 세트를 구성하는 모든 주파수에 대하여 합산한 결과가 최소일 때의 두께를 상기 샘플의 두께로 결정하고, 상기 최소일 때의 두께에 따른 굴절률을 상기 샘플의 굴절률로 결정하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 시간 영역 분광을 이용한 샘플의 두께 및 굴절률 측정 방법.The method of claim 1,
In the step of determining the thickness and refractive index of the sample,
The thickness when the result of summing the square of the difference between the relational expressions for all frequencies constituting the frequency set is determined as the thickness of the sample, and the refractive index according to the thickness when the minimum is determined as the refractive index of the sample A method of measuring thickness and refractive index of a sample using terahertz time domain spectroscopy, characterized in that to determine.
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