KR102181487B1 - 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
마이크로 라만 분광기와 3축 시료 스테이지(Piezo stage)를 사용하여 공촛점 라만(Confocal Raman)의 한 영역인 3차원 이미지 매핑 측정 중 유동성 시료를 측정하는 것이 가능하도록 설계된 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 적어도 하나의 피에조 소자; 상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 소자 홀더; 상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위한 시료 스테이지; 상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈; 상기 시료 스테이지의 하부에 배치되는 유동성 시료의 승강 운동을 제어하기 위한 시료 홀더; 및 상기 시료 스테이지와 시료 홀더 사이에 장착된 투명 윈도우;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 적어도 하나의 피에조 소자; 상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 소자 홀더; 상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위한 시료 스테이지; 상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈; 상기 시료 스테이지의 하부에 배치되는 유동성 시료의 승강 운동을 제어하기 위한 시료 홀더; 및 상기 시료 스테이지와 시료 홀더 사이에 장착된 투명 윈도우;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 라만 분광기와 3축 시료 스테이지(Piezo stage)를 사용하여 공촛점 라만(Confocal Raman)의 한 영역인 3차원 이미지 매핑 측정 중 유동성 시료를 측정하는 것이 가능하도록 설계된 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 라만 분광광도계는 일반 분광광도계와는 기본 원리에서 큰 차이점이 있다.
도 1은 CCD형 싱글빔 분산형 분광기를 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 2는 일반적인 흡광 스펙트럼의 측정 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 CCD형 싱글빔 분산형 분광기(100)는 광원(110)에서 넓은 파장 범위의 빛이 나오고 이 빛을 프리즘, 그레이팅과 같이 각 파장의 빛으로 나누는 단색화 장치(120)를 사용하여 연속된 단일 파장의 빛으로 바꾼다. 이 빛을 CCD 등과 같은 감지기(detector, 130)로 각 파장의 빛의 세기를 동시에 읽거나 단일 포인트 감지기(130)에 연속적으로 주사하여 각 파장의 세기를 기록한다. 측정 광로에 시료(10)를 넣어 시료(10)의 분자 또는 원자의 에너지 레벨과 매칭되면 그 에너지 레벨에 해당하는 특정 파장의 빛이 흡광된다.
이 결과, 도 2에 도시된 흡광 스펙트럼이 얻어지며, 이는 마치 지문처럼 갖고 있는 분자 결합 진동에 따라 고유의 흡광 스펙트럼으로 측정할 수 있어 미지 시료의 정성 분석에 매우 유용하다.
또한, 흡광도는 log(1/T) = abc로 표현된다. 이때, 상수인 a, b는 농도 c에 비례하므로 정량 분석에 유용하다.
도 3은 빛의 파장에 따른 영역을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 분광기에 사용되는 빛의 종류는 그 파장의 길이에 따라 가장 짧은 우주선(cosmic ray)부터 가장 긴 라디오파(radio wave)까지 매우 다양하다.
빛의 양자 역학적 에너지는 빛의 진동수가 클수록 에너지가 크고, 파장이 짧을수록 에너지가 크다. 즉, 우주선은 가장 강한 에너지를 가지며 라디오파는 가장 낮은 에너지를 갖는다. 이와 같은 파장의 빛들 중에서 사람의 눈에 보이는 파장은 400 ~ 700nm 대역의 가시광선뿐이며, 이보다 짧은 파장의 빛이 자외선이고 이보다 긴 파장의 빛이 적외선이다. 특히, 적외선은 분자 결합 에너지 레벨과 매칭되어 화합물의 정성 및 정량 분석에 매우 유용한 빛이다. 따라서, 동일한 물질에 대한 흡광 스펙트럼은 그 물질의 어떤 운동과 매칭되는가에 따라 달라진다.
도 4는 카페인의 자외선 흡광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 5는 라만 산란 스펙트럼의 측정 과정 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 이때, 도 4는 커피 중에 함유되어 있는 카페인에 대한 스펙트럼으로 자외선 흡광 스펙트럼이고, 도 5는 적외선 스펙트럼 및 라만 스펙트럼이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 적외선은 그 파장이 ㎛단위로 ㎚단위의 자외선 및 가시광선에 비해 매우 길다. 따라서, 빛의 조사에 의해 전자가 움직이는 가시광선의 광전 효과는 매우 약하며, 대신 파장이 길어 분자 결합 진동에 영향을 줄 수 있어 물질의 온도를 올릴 수 있는 열선으로의 특성이 강하다. 따라서, 적외선을 효과적으로 측정하기 위해서는 광전 효과가 큰 물질보다는 온도 변화에 민감한 물질을 검출계로 사용하는 것이 효과적이다.
이런 물질들 중에 가장 효과적인 물질들로는 초전형 물질(pyroelectric material)들이 있는데, 트리글리신설페이트(TGS: Triglycine sulfate), 바륨티타늄옥사이드(BaTiO3), 머큐리카드뮴텔루라이드(MCT) 등이 가장 대표적인 물질로 적외선 검출기의 소자로 사용된다.
적외선은 화합물의 분자 결합에 있어 다양한 운동 에너지 레벨과 일치하여 분자의 다양한 형태 운동을 측정 가능하고, 이로 인해 미지 시료의 정성 분석에 특히 유용하다. 그로 인해 가장 범용적으로 이용되는 정성 분석 수단이다.
그러나, 이 방법의 편리성에 반해 적외선 파장을 사용하여 작은 시료(마이크로 단위 이하의 크기)의 측정이나 시료 셀(cell)로 사용할 수 있는 물질의 제약이 있다.
이에 반해, 라만 분광법은 기존의 대부분에서의 분광법과는 달리 흡광도의 측정이 아니고 빛이 시료에 맞고 산란되면서 극히 일부의 빛의 파장이 변화되는 특성을 이용한 것이다. 이는 일반적인 상식과는 약간 다른 것으로, 특정 파장의 빛이 어떤 물질에 조사되고 표면에서 산란될 때 거의 대부분의 빛은 그대로 반사 산란되지만 0.3% 정도의 아주 적은 양의 빛은 도 5와 같이 분자 운동 에너지와 매칭되어 에너지를 분자에 넘겨주고 파장이 길어지거나(stock-line), 반대로 에너지를 넘겨 받고 파장이 짧아진다(Anti-stock line).
즉, 처음 조사된 빛의 파장에 비해 변화된 정도는 적외선 대역에 해당하는 에너지를 갖게 되어 적외선 흡광 스펙트럼과 동일한 위치에서 피크가 나타난다. 이때 피크위치는 동일하나 그 응답계수(response factor)의 차이로 피크의 크기는 달라지게 된다.
한편, 도 6은 카페인의 적외선 흡광 스펙트럼과 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 카페인의 적외선 흡광 스펙트럼과 라만 스펙트럼으로 피크의 위치는 거의 유사하나 그 크기는 다름을 볼 수 있다.
이와 같이, 라만 스펙트럼은 짧은 파장의 가시광 대역의 빛(보통 레이저 광)을 사용하여 적외선 대역의 스펙트럼을 얻을 수 있기 때문에 분자 구조 해석이나 미지 시료 분석에 있어 매우 유용한 분석 수단이다.
특히, 마이크로 대역의 적외선이 아닌 나노미터 대역의 짧은 파장의 빛을 사용하여 작은 시료의 분석에 극히 유리하다. 또한, 일반 가시광 광학 소재를 사용하는 것이 가능하여 일반 광학 현미경과 결합하여 마이크로 크기의 미소 시료의 측정도 가능하다.
이에 반해, 적외선 현미경은 사용 소재의 제약으로 가격도 비싸고 분해능도 낮아서 미소 시료에 불리하다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0116999호(2015.10.19. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 유동성이 있는 큰 생체 시료의 3D 매핑 측정에서의 문제점을 해결하기 위해, 마이크로 라만 분광기와 3축 시료 스테이지(Piezo stage)를 사용하여 공촛점 라만(Confocal Raman)의 한 영역인 3차원 이미지 매핑 측정 중 유동성 시료를 측정하는 것이 가능하도록 설계된 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매칭 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 적어도 하나의 피에조 소자; 상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 소자 홀더; 상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위한 시료 스테이지; 상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈; 상기 시료 스테이지의 하부에 배치되는 유동성 시료의 승강 운동을 제어하기 위한 시료 홀더; 및 상기 시료 스테이지와 시료 홀더 사이에 장착된 투명 윈도우;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 수직 방향으로 배열된 적어도 하나의 피에조 소자; 상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 소자 홀더; 상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위해, 상기 피에조 소자와 평행하게 배열된 시료 스테이지; 상기 피에조 소자와 교차하는 수직 방향에 설치되어, 상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈; 상기 시료 스테이지 하부에 장착된 투명 윈도우; 상기 투명 윈도우에 부착되어, 유동성 시료를 지지하는 시료 홀더; 및 상기 투명 윈도우의 양측 가장자리에 부착되며, 상기 시료 홀더를 눌러서 유동성 시료를 투명 윈도우에 접촉시키기 위한 밴딩 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 시료 스테이지의 하부에 부착된 투명 윈도우가 대물 렌즈의 반대쪽에 위치하여 유동성 시료를 물리적으로 붙잡아 흔들림을 방지함과 동시에 x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 유동성 시료를 움직여 주는 것에 의해 3차원 공초점 이미지 매핑을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 투명 윈도우가 대물 렌즈의 반대쪽에 배치되며, 유동성 시료를 물리적으로 눌러서 고정시켜 유동성 시료의 흔들림을 방지할 수 있음과 더불어, 밴딩 부재가 시료 홀더를 눌러주는 방식으로 유동성 시료를 투명 윈도우에 접촉시켜 고정한 상태에서, x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 유동성 시료를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 한다.
이 결과, 본 발명에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 결속 위치가 조절되는 밴딩 부재에 의해 유동성 시료의 크기가 매우 큰 경우에도 3차원 공초점 이미지 매핑에 대한 측정을 수행하는 것이 가능해질 수 있다.
도 1은 CCD형 싱글빔 분산형 분광기를 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 일반적인 흡광 스펙트럼의 측정 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 3은 빛의 파장에 따른 영역을 나타낸 도면.
도 4는 카페인의 자외선 흡광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 5는 라만 산란 스펙트럼의 측정 과정 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 6은 카페인의 적외선 흡광 스펙트럼과 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 7은 3D 공촛점 매핑(3D-confocal mapping)의 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 8은 3D 공촛점 매핑으로 측정한 필름의 결함 이미지를 나타낸 사진.
9는 소형 경질 시료의 3D 공촛점 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용한 깊이 프로파일(depth profiling) 측정 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 베이컨 시료에 에폭시 화합물을 도포 전 상태의 유동성 시료와 도포 후 상태의 유동성 시료를 깊이 방향으로 x-z 축으로 매핑하여 측정한 이미지 데이터를 나타낸 사진.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 인체 팔뚝 부위를 측정하는 과정을 촬영하여 나타낸 사진.
도 15는 세타필의 피부 침투 이미지 데이터로 피부에 세타필을 도포한 직후와 도포 후 40분이 경과한 시점에서의 이미지를 나타낸 사진.
도 2는 일반적인 흡광 스펙트럼의 측정 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 3은 빛의 파장에 따른 영역을 나타낸 도면.
도 4는 카페인의 자외선 흡광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 5는 라만 산란 스펙트럼의 측정 과정 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 6은 카페인의 적외선 흡광 스펙트럼과 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 7은 3D 공촛점 매핑(3D-confocal mapping)의 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 8은 3D 공촛점 매핑으로 측정한 필름의 결함 이미지를 나타낸 사진.
9는 소형 경질 시료의 3D 공촛점 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용한 깊이 프로파일(depth profiling) 측정 과정을 설명하기 위한 공정 모식도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 베이컨 시료에 에폭시 화합물을 도포 전 상태의 유동성 시료와 도포 후 상태의 유동성 시료를 깊이 방향으로 x-z 축으로 매핑하여 측정한 이미지 데이터를 나타낸 사진.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 인체 팔뚝 부위를 측정하는 과정을 촬영하여 나타낸 사진.
도 15는 세타필의 피부 침투 이미지 데이터로 피부에 세타필을 도포한 직후와 도포 후 40분이 경과한 시점에서의 이미지를 나타낸 사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 3D 공촛점 매핑(3D-confocal mapping)의 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 8은 3D 공촛점 매핑으로 측정한 필름의 결함 이미지를 나타낸 사진이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 라만 분광법을 광학 현미경에 접목 시 얻을 수 있는 장점으로는 미소 시료의 측정 말고도 공촛점 측정(Confocal measurement)이라는 장점도 있다. 이는 대물 렌즈의 초점 부위에서 나온 신호가 가장 강하여 시료 표면이 아닌 내부에 초점을 맞추면 시료를 파괴하지도 않고 내부 성분을 측정할 수 있으며, 이를 도 7에 도시된 바와 같이 일련의 어레이(array)로 측정하면 성분의 3차원 분포(3D-mapping)를 비 파괴적으로 측정하는 것도 가능하다.
도 9는 소형 경질 시료의 3D 공촛점 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 소형 경질 시료의 3D 공촛점 매핑 측정 장치(200)는 시료 스테이지(230)와, 시료 스테이지(230)의 하부에 배치된 적어도 하나의 피에조 소자(210)와, 시료 스테이지(230)의 하부에 장착되어, 적어도 하나의 피에조 소자(210)를 탑재하는 소자 홀더(220)와, 시료 스테이지(230) 상부에 고정되는 시료(T)에 레이저(L)를 조사하는 대물 렌즈(240)를 포함한다.
이때, 전기신호량에 따라 길이가 변하는 피에조 소자(210)는 x, y, z축으로 배열되어 있고, 피에조 소자(210)는 소자 홀더(220) 내부에 탑재되어 있다. 이러한 피에조 소자(210)의 상부에는 시료 스테이지(230)가 고정되어 있어 전기 신호에 따른 피에조 소자(210)의 x, y, z축으로의 움직임에 따라 시료 스테이지(230)가 함께 움직이게 된다.
따라서, 시료 스테이지(230)의 상부에 고정된 시료(T)도 같은 방향으로 같은 정도로 움직인다. 이를 이용하여 도 7에서와 같은 방식으로 3D 공촛점 매핑 측정을 실시하게 되면, 3차원적인 데이터 어레이의 구축이 가능하고, 이에 따라 시료(T)의 3차원적인 이미지 매핑이 가능해진다.
이와 같이, 라만 분광법을 광학현미경 및 3축 피에조 스테이지와 조합하여 3D 매핑 측정을 실시할 경우, 작은 사이즈의 시료(T)가 시료 스테이지(230) 상에서 움직임이 없도록 고정하여 측정할 수 있게 된다. 이때, 측정은 x, y 스캔을 실시하고, z축으로 1 스텝 이동 후 x, y 스캔을 반복하게 된다. 따라서, 시료(T)가 작고 단단한 고체의 경우에는 시료 스테이지(230)에 시료(T)를 안정적으로 고정시킬 수 있으므로 문제 없이 측정하는 것이 가능하다.
그러나, 시료(T)가 유동성이 있을 경우에는 시료 스테이지(230)가 움직임에 따라 시료(T)도 흔들리기 때문에 정확한 위치를 측정하는 것이 불가능해진다. 더욱이, 생체와 같이 유동성이 있으면서 무겁고 사이즈가 큰 시료(T)는 측정이 불가능해지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 유동성이 있는 큰 생체 시료의 3D 매핑 측정에서의 문제점을 해결하기 위해 안출되었다.
이를 위해, 본 발명에서는 시료 스테이지의 중앙부에 대물 렌즈가 삽입될 수 있는 개구를 확보하고, 시료 스테이지의 중앙 부분에 대물 렌즈의 조사광 및 라만 산란광이 투과될 수 있는 투명 윈도우를 설치하였다. 이러한 투명 윈도우를 유동성 시료에 접촉시키고, 유동성 시료의 반대 쪽에는 상하 이동이 가능한 시료 홀더를 설치하여 유동성 시료의 투명 윈도우의 접촉 정도를 조절할 수 있도록 하였다.
이때, 투명 윈도우와 유동성 시료 간에 슬립(slip)이 일어나지 않을 정도로 시료 홀더의 높이를 조정하고 피에조 소자를 전기적으로 구동시키게 되면, 시료 스테이지가 움직이고, 이에 따라 투명 윈도우가 움직이면서 투명 윈도우에 접촉되어 있는 유동성 시료도 움직이게 된다.
즉, 유동성 시료의 위치가 도 9에 도시된 3D 공촛점 매핑 측정 장치와 반대 방향에 배치되어 있지만, 3차원 어레이 데이터 측정은 가능하여 3D 매핑이 가능해진다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치(300)는 피에조 소자(310), 소자 홀더(320), 시료 스테이지(330), 대물 렌즈(340), 시료 홀더(360) 및 투명 윈도우(350)를 포함한다.
피에조 소자(310)는 적어도 하나가 수평 방향으로 배열된다. 소자 홀더(320)는 적어도 하나의 피에조 소자(310)를 탑재하며, 중앙 부분의 일부를 노출시키는 개구(G)를 갖는다.
즉, 전기신호량에 따라 길이가 변하는 피에조 소자(310)는 x, y, z축으로 배열되어 있고, 피에조 소자(310)는 소자 홀더(320) 내부에 탑재되어 있다.
시료 스테이지(330)는 적어도 하나의 피에조 소자(310)가 탑재된 소자 홀더(320)를 지지하기 위해, 피에조 소자(310)와 평행한 수평 방향으로 배열된다. 이때, 전기 신호에 따른 피에조 소자(310)의 x, y, z축으로의 움직임에 따라 시료 스테이지(330)가 함께 움직이게 된다.
대물 렌즈(340)는 소자 홀더(320)의 개구(G) 내에 장착된다. 이때, 소자 홀더(320)의 개구(G)와 대물 렌즈(340)는 시료 스테이지(330)의 중앙 부분에 각각 배치되는 것이 바람직하다.
시료 홀더(360)는 시료 스테이지(330)의 하부에 배치되는 유동성 시료(T)의 승강 운동을 제어하는 역할을 한다.
투명 윈도우(350)는 시료 스테이지(330)와 시료 홀더(360) 사이에 장착된다. 이를 위해, 투명 윈도우(350)는 시료 스테이지(330)의 하부에 부착되어 있을 수 있다. 이때, 투명 윈도우(350)로는 투명 재질이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유리 재질을 이용하는 것이 좋다. 이러한 투명 윈도우(350)는 시료 스테이지(330) 또는 시료 홀더(360)의 위치 운동에 의해, 시료 스테이지(330) 및 유동성 시료(T)에 각각 접촉한다.
이때, 투명 윈도우(350)는 대물 렌즈(340)의 반대쪽에 배치되며, 유동성 시료(T)를 물리적으로 눌러서 고정시켜 유동성 시료(T)의 흔들림을 방지하면서, x, y, z축으로 피에조 소자(310)의 이동에 맞춰 유동성 시료(T)를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 한다.
다시 말해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치(300)는 대물 렌즈(340), x, y, z 3축의 피에조 소자(310), 중앙 하부에 투명 윈도우(350)가 부착된 시료 스테이지(330) 및 유동성 시료(T)가 안착되는 시료 홀더(360)로 구성된다.
이때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치(300)는 시료 스테이지(330)의 하부에 부착된 투명 윈도우(350)가 대물 렌즈(340)의 반대쪽에 위치하여 유동성 시료(T)를 물리적으로 눌러서 고정시켜 흔들림을 방지함과 동시에 x, y, z축으로 피에조 소자(310)의 이동에 맞춰 유동성 시료(T)를 움직여 줌으로써 3차원 공초점 이미지 매핑(3-dimensional confocal image mapping)이 가능한 구조이다.
이러한 3차원 공초점 이미지 매핑을 위해서는 측정에 사용하는 라만 레이저 광의 침투 깊이 보다 측정하고자 하는 유동성 시료(T)의 깊이가 깊어질 수는 없다. 일반적으로 투명한 시료의 경우에는 cm 단위의 깊이까지도 측정할 수 있지만 피부와 같은 생체 조직은 785nm 파장의 레이저(L)를 사용 시 침투 깊이는 수십 ㎛ 정도로 피부의 진피층까지 투과할 수 있다.
따라서, 3차원 공초점 이미지 매핑시 사용하는 대물 렌즈(340)는 배율이 50 ~ 100배 정도인 것을 사용한다. 이때, 촛점 거리는 1mm 내외로 매우 짧다. 물론, LWD(Long working distance) 대물 렌즈(340)를 사용할 시에는 초점 거리가 2 ~ 3mm 정도로 길어져서 측정에 편리한 측면이 있으나, 빛의 집광력이 떨어져 수십 % 정도의 신호 감도의 손실이 있다. 따라서, 50배 대물 렌즈(340)를 사용하는 것이 적당하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용한 깊이 프로파일(depth profiling) 측정 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용한 깊이 프로파일(depth profiling) 측정 과정을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
먼저, 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이, 시료 홀더(360)를 상부로 이동시켜 유동성 시료(T)의 표면에 대물 렌즈(340)의 초점을 맞춘 후 약 1mm 정도를 더 올린다.
다음으로, 시료 스테이지(330)의 z축을 하강시켜 유동성 시료(T)의 표면에 초점이 맺도록 투명 윈도우(350)로 유동성 시료(T)를 누른다. 이 상태가 측정 준비가 완료된 상태이다.
다음으로, 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이, 측정 준비가 완료되면 x, y, z축의 단위 이동 거리 및 횟수를 정하여 측정을 시작한다. 이때, 유동성 시료(T)의 내부로 초점이 들어가 내부의 스펙트럼을 찍을 수 있게 된다. 여기서, 도 7에서 설명한 측정 과정을 각 단계마다 반복하면 3D 공촛점 매핑 어레이 데이터를 수득할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명은 대물 렌즈(340)와 유동성 시료(T)와의 거리를 시료 홀더(360)를 이용하여 적절히 조정한 후 피에조 소자(310)를 전기적으로 구동시켜 투명 윈도우(350)의 위치를 변경시키는 방식으로 3차원 공촛점 이미지 매핑 측정을 수행하게 된다.
다시 말해, 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이, 유동성 시료(T)를 시료 스테이지(330)로 조금 누른 상태에서 투명 윈도우(350)를 통해 유동성 시료(T)의 표면에 대물 렌즈(340)의 초점을 맞추고, x, y축으로 스캔(scan)을 실시하면 유동성 시료(T)의 표면에 대한 2차원적 데이터 어레이를 얻게 되어 평면 매핑이 가능해진다.
이 후, 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이, 시료 스테이지(330)를 위로 조금 올리면 유동성 시료(T)의 탄성으로 유동성 시료(T)가 조금 팽창하고 대물 렌즈(340)의 초점은 유동성 시료(T)의 내부에 맺게 되고, 이 상태에서 x, y축으로 스캔을 하면 유동성 시료(T) 내부의 평면 매핑 측정이 이루어질 수 있게 된다. 이에 따라, 측정 레이저를 통한 유동성 시료(T)의 침투 가능 깊이까지 측정하여 유동성 시료(T) 내부의 3차원 이미지 매핑이 가능해 진다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 시료 스테이지의 하부에 부착된 투명 윈도우가 대물 렌즈의 반대쪽에 위치하여 유동성 시료를 물리적으로 붙잡아 흔들림을 방지함과 동시에 x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 유동성 시료를 움직여 주는 것에 의해 3차원 공초점 이미지 매핑을 가능하게 한다.
한편, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 나타낸 단면도이다. 이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 유동성 시료의 크기가 매우 클 경우에 사용될 수 있으며, 이 경우 대물 렌즈의 광로를 90도의 각도로 회전시키고, 측정 장치를 수직 방향으로 세워서 사용하게 된다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치(400)는 피에조 소자(410), 소자 홀더(420), 시료 스테이지(430), 대물 렌즈(440), 투명 윈도우(450), 시료 홀더(460) 및 밴딩 부재(470)를 포함한다.
피에조 소자(410)는 적어도 하나가 수직 방향으로 배열된다. 소자 홀더(420)는 적어도 하나의 피에조 소자(410)를 탑재하며, 중앙 부분의 일부를 노출시키는 개구(G)를 갖는다.
즉, 전기신호량에 따라 길이가 변하는 피에조 소자(410)는 x, y, z축으로 배열되어 있고, 피에조 소자(410)는 소자 홀더(420) 내부에 탑재되어 있다.
시료 스테이지(430)는 피에조 소자(410)가 탑재된 소자 홀더(420)를 지지하기 위해, 피에조 소자(410)와 평행하게 배열된다. 이때, 전기 신호에 따른 피에조 소자(410)의 x, y, z축으로의 움직임에 따라 시료 스테이지(430)가 함께 움직이게 된다.
대물 렌즈(440)는 피에조 소자(410)와 교차하는 수직 방향에 설치되어, 소자 홀더(420)의 개구(G) 내에 장착된다. 이때, 소자 홀더(420)의 개구(G)와 대물 렌즈(440)는 시료 스테이지(330)의 중앙 부분에 각각 배치되는 것이 바람직하다.
투명 윈도우(450)는 시료 스테이지(430) 하부에 장착된다. 이를 위해, 투명 윈도우(450)는 시료 스테이지(430)의 하부에 부착되어 있을 수 있다. 이때, 투명 윈도우(450)로는 투명 재질이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유리 재질을 이용하는 것이 좋다. 이러한 투명 윈도우(450)는 시료 스테이지(430) 및 시료 홀더(460)의 위치 운동에 의해, 시료 스테이지(430) 및 유동성 시료(T)에 각각 접촉한다.
이때, 투명 윈도우(450)는 대물 렌즈(440)의 반대쪽에 배치되며, 유동성 시료(T)를 물리적으로 눌러서 고정시켜 유동성 시료(T)의 흔들림을 방지하면서, x, y, z축으로 피에조 소자(410)의 이동에 맞춰 유동성 시료(T)를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 한다.
시료 홀더(460)는 투명 윈도우(450)에 부착되어, 유동성 시료(T)를 지지한다. 이러한 시료 홀더(460)는 투명 윈도우(450)의 일면에 부착된 수평 지지대(460a)와, 수평 지지대(460a)로부터 수직 방향으로 연장되어, 투명 윈도우(450)에 부착되는 유동성 시료(T)를 지지하는 수직 지지대(460b)를 포함한다.
이때, 수평 지지대(460a)에는 일 방향을 따라 홈이 구비되고, 수직 지지대(460b)는 홈 내에서 수평 왕복 운동할 수 있다. 이와 달리, 수직 지지대(460b)는 수평 지지대(460a)와 일체형으로 고정되는 형태로 결합되어 있을 수도 있다.
밴딩 부재(470)는 투명 윈도우(450)의 양측 가장자리에 부착되며, 시료 홀더(460)를 눌러서 유동성 시료(T)를 투명 윈도우(450)에 접촉시키는 역할을 한다. 이러한 밴딩 부재(470)는 허리벨트 및 벨크로 타입 중 어느 하나가 적용되어, 결속 위치가 조절된다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 투명 윈도우가 대물 렌즈의 반대쪽에 배치되며, 유동성 시료를 물리적으로 눌러서 고정시켜 유동성 시료의 흔들림을 방지할 수 있음과 더불어, 밴딩 부재가 시료 홀더를 타격하여 눌러주는 방식으로 유동성 시료를 투명 윈도우에 접촉시켜 고정한 상태에서, x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 유동성 시료를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 한다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치는 결속 위치가 조절되는 밴딩 부재에 의해 유동성 시료의 크기가 매우 큰 경우에도 3차원 공초점 이미지 매핑에 대한 측정을 수행하는 것이 가능해질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 베이컨 시료에 에폭시 화합물을 도포 전 상태의 유동성 시료와 도포 후 상태의 유동성 시료를 깊이 방향으로 x-z 축으로 매핑하여 측정한 이미지 데이터를 나타낸 사진이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 베이컨 시료에 아무런 전처리를 하지 않고 깊이 방향으로 x-z축으로 공촛점 매핑(confocal mapping) 측정을 실시하였다. 이때, 라만 측정에 사용한 레이저의 파장은 785nm, 유동성 시료 표면에서의 출력은 100mW, 노출 시간 1초, 반복 회수 3회, x축 측정 길이 70㎛, z축 측정 길이 30㎛, x축 측정 스텝(step)수 10, z축 측정 스텝(step) 수 5의 조건으로 측정하였다.
측정 결과, 도 13의 (A) 데이터의 매핑 이미지에서 볼 수 있듯이, 표면과 내부가 거의 유사한 상태임을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 베이컨 시료의 표면에 에폭시 화합물을 도포 후 바로 깊이 방향으로 x-z축으로 공촛점 매핑(con focal mapping) 측정을 실시하였다. 이때, 라만 측정에 사용한 레이저의 파장은 785nm, 베이컨 시료 표면에서의 출력은 100mW, 노출 시간 1초, 반복 회수 3회, x축 측정 길이 70㎛, z축 측정 길이 30㎛, x축 측정 스텝(step) 수 10, z축 측정 스텝(step) 수 5의 조건으로 측정하였다.
측정 결과, 도 13의 (B) 데이터의 매핑 이미지에서 볼 수 있듯이, 표면에는 에폭시 화합물이 있어 적색(red color)이 매우 진하게 나타나고 있는데 반해, 내부는 거의 그대로 있어 표면과 내부가 매우 다른 상태임을 확인할 수 있다.
한편, 도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 인체 팔뚝 부위를 측정하는 과정을 촬영하여 나타낸 사진이고, 도 15는 세타필의 피부 침투 이미지 데이터로 피부에 세타필을 도포한 직후와 도포 후 40분이 경과한 시점에서의 이미지를 나타낸 사진이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 인체 팔뚝 표면에 세타필을 도포 후 바로 깊이 방향으로 x-y-z축으로 3D 공촛점 매핑 측정을 실시하였다. 이때, 라만 측정에 사용한 레이저의 파장은 785nm, 시료 표면에서의 출력은 100mW, 노출 시간 1초, 반복 회수 3회, x축 측정 길이 20㎛, y축 측정 길이 20㎛,z축 측정길이 20㎛, x축 측정 스텝(step) 수 4, y축 측정 스텝(step) 수 4, z축 측정 스텝(step) 수 4의 조건으로 측정하였다.
측정 결과, 도 15의 (A) 데이터의 매핑 이미지에서 볼 수 있듯이, 표면에 세타필이 있어 적색(red color)이 매우 진하게 나타나고 있는데 반해, 내부는 거의 그대로 있어 표면과 내부가 매우 다른 상태 임을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치를 이용하여 인체 팔뚝 표면에 세타필을 도포 후 40분이 경과한 이후에 깊이 방향으로 x-y-z축으로 3D 공촛점 매핑 측정을 실시하였다. 이때, 라만 측정에 사용한 레이저의 파장은 785nm, 시료 표면에서의 출력은 100mW, 노출 시간 1초, 반복 회수 3회, x축 측정 길이 20㎛, y축 측정 길이 20㎛, z축 측정길이 20㎛, x축 측정 스텝(step) 수 4, y축 측정 스텝(step) 수 4, z축 측정 스텝(step) 수 4의 조건으로 측정하였다.
측정 결과, 도 14의 (B) 데이터의 매핑 이미지에서 볼 수 있듯이, 표면의 세타필은 피부 내부로 스며들어 농도가 낮아짐에 따라 붉은 색이 거의 없어진 반면, 내부는 세타필의 농도가 부분적으로 높아져 붉은 색으로 나타나는 부위가 생긴 것을 확인할 수 있다. 이는 도 14의 (A) 데이터의 매핑 이미지와는 매우 다른 상태라는 것을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
300 : 3차원 라만 이미지 측정 장치 310 : 피에조 소자
320 : 소자 홀더 330 : 시료 스테이지
340 : 대물 렌즈 350 : 투명 윈도우
360 : 시료 홀더 G : 개구
320 : 소자 홀더 330 : 시료 스테이지
340 : 대물 렌즈 350 : 투명 윈도우
360 : 시료 홀더 G : 개구
Claims (8)
- 적어도 하나의 피에조 소자;
상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 피에조 소자 홀더;
상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위한 시료 스테이지;
상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈;
상기 시료 스테이지의 하부에 배치되는 유동성 시료의 승강 운동을 제어하기 위한 시료 홀더; 및
상기 시료 스테이지와 시료 홀더 사이에 장착된 투명 윈도우;
를 포함하고,
상기 투명 윈도우는,
상기 대물 렌즈의 반대쪽에 배치되되, 상기 시료 스테이지의 하부에 부착되어 상기 시료 스테이지와 상기 시료 홀더 사이에 장착되어, 상기 시료 스테이지 또는 시료 홀더의 위치 운동에 의해, 상기 시료 스테이지 및 유동성 시료에 각각 접촉하고,
상기 유동성 시료를 물리적으로 눌러서 고정시켜 흔들림을 방지하면서, x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 상기 유동성 시료를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 피에조 소자 홀더의 개구와 대물 렌즈는
상기 시료 스테이지의 중앙 부분에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치.
- 삭제
- 수직 방향으로 배열된 적어도 하나의 피에조 소자;
상기 피에조 소자를 탑재하며, 개구를 갖는 소자 홀더;
상기 피에조 소자가 탑재된 소자 홀더를 지지하기 위해, 상기 피에조 소자와 평행하게 배열된 시료 스테이지;
상기 피에조 소자와 교차하는 수직 방향에 설치되어, 상기 소자 홀더의 개구 내에 장착된 대물 렌즈;
상기 대물 렌즈의 반대쪽에 배치되고, 상기 시료 스테이지 하부에 장착된 투명 윈도우;
상기 투명 윈도우에 부착되어, 유동성 시료를 지지하는 시료 홀더; 및
상기 투명 윈도우의 양측 가장자리에 부착되며, 상기 시료 홀더를 눌러서 유동성 시료를 투명 윈도우에 접촉시키기 위한 밴딩 부재;
를 포함하고,
상기 투명 윈도우는,
상기 시료 스테이지 또는 시료 홀더의 위치 운동에 의해, 상기 시료 스테이지 및 유동성 시료에 각각 접촉하고,
상기 유동성 시료를 물리적으로 눌러서 고정시켜 흔들림을 방지하면서, x, y, z축으로 피에조 소자의 이동에 맞춰 상기 유동성 시료를 움직이도록 하여 3차원 공초점 이미지 매핑이 이루어지도록 하고,
상기 시료 홀더는,
상기 투명 윈도우의 일면에 부착된 수평 지지대; 및
상기 수평 지지대로부터 수직 방향으로 연장되어, 상기 투명 윈도우에 부착되는 유동성 시료를 지지하는 수직 지지대;
를 포함하고,
상기 수평 지지대에는 일 방향을 따라 홈이 구비되고,
상기 수직 지지대는 상기 홈 내에서 수평 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 밴딩 부재는
허리벨트 및 벨크로 타입 중 어느 하나가 적용되어, 결속 위치가 조절되는 것을 특징으로 하는 유동성 시료의 3차원 라만 이미지 매핑 측정 장치.
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