KR102252266B1

KR102252266B1 - 리오미터

Info

Publication number: KR102252266B1
Application number: KR1020200016746A
Authority: KR
Inventors: 제원호; 안상민; 이만희; 김충만
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-05-14
Also published as: WO2021162327A1; US20220390345A1

Abstract

피측정물이 놓여지는 기판, 기판에 진동을 발생시키도록 구성되는 진동유닛, 수정진동자와, 수정진동자에 고정되되 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 접촉부재를 갖고, 접촉부재의 종류를 달리하는 복수의 프로브유닛으로서, 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛이 피측정물과 접할 수 있도록 구성되는 복수의 프로브유닛, 진동유닛의 진동과, 상기 진동유닛의 진동으로부터 피측정물을 통해 수정자로 전달되는 진동을 기초로 피측정물의 물성을 연산하는 제어부를 포함한다.

Description

리오미터{rheometer}

본 발명은 리오미터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연성물질의 물성을 측정가능한 리오미터에 관한 것이다.

리올로지는 연성 물질(액체 및 콜로이드성/고분자/생체 물질 등을 포함)에 힘을 가하였을 때에 나타나는 탄력, 변형 및 유동(점탄성력 측정 등) 등의 현상을 연구하는 장치로서, 연성 물질의 다양한 기계적 성질을 측정하여 물질의 본질적인 특성을 알아내고 산업에 응용할 수 있다.

리오미터는 연성물질의 다양한 성질을 측정하고, 물질의 본질적인 특성을 알아낼 수 있다. 이는 첨단 과학뿐만 아니라 석유산업, 화장품 산업, 의약, 음식, 화학 제품 등 연성 물질(액체 및 콜로이드성/고분자/생체 물질 등을 포함)이 사용되는 산업의 전반에 이르기까지 매우 폭넓게 사용되고 있다.

리오미터를 구현하는 방식으로는 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 첫번째로는 연성 물질을 두 개의 판 사이에 위치시키고 납작하게 눌린 상태에서 한 판을 회전시켜 발생하는 토크힘을 센서로 측정하는 편판 방식과, 두번째로는 연성물질을 직경이 변화되는 관 사이를 통과시키면서 변화하는 유속을 측정함으로 구현하는 모세관 방식이 있다.

그러나, 현재까지 구현되고 있는 리오미터는 연성 물질의 크기 혹은 량을 매우 많이 사용하는 벌크 형태의 측정 방식을 제안하고 있으나, 산업 및 과학 기술의 발전과 법적 규제의 엄격화로 인한 마이크로/나노 크기의 연성 물질에 관한 리오미터의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 일 측면은 구조를 개선한 리오미터를 제공한다.

본 발명의 일 측면은 측정적용대상을 넓힌 리오미터를 제공한다.

본 발명의 사상에 따른 리오미터는 피측정물이 놓여지는 기판; 상기 기판에 진동을 발생시키도록 구성되는 진동유닛; 수정진동자와, 상기 수정진동자에 고정되되 상기 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 접촉부재를 갖고, 상기 접촉부재의 종류를 달리하는 복수의 프로브유닛으로서, 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛이 피측정물과 접할 수 있도록 구성되는 복수의 프로브유닛; 상기 진동유닛의 진동과, 상기 진동유닛의 진동으로부터 피측정물을 통해 상기 수정자로 전달되는 진동을 기초로 상기 피측정물의 물성을 연산하는 제어부;를 포함한다.

상기 복수의 프로브유닛 중 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛이 피측정물과 접촉할 수 있도록 상기 복수의 프로브유닛의 배치를 변경가능하도록 구성되는 구동유닛;을 포함할 수 있다.

상기 진동유닛은, 상기 기판을 피측정물이 놓여지는 평면과 나란한 평면방향과, 상기 평면방향에 수직한 상하방향 중 어느 하나의 방향으로 진동시키도록 구성될 수 있다.

상기 수정진동자는, 상기 진동유닛이 상기 평면방향으로 진동할 때, 상기 접촉부재도 동일하게 상기 평면방향으로 진동할 수 있도록 배치되는 쉬어모드; 상기 진동유닛이 상기 상하방향으로 진동할 때, 상기 접촉부재도 동일하게 상기 상하방향으로 진동할 수 있도록 배치되는 탭핑모드; 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있다.

상기 복수의 프로브유닛은, 매크로스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 1 접촉부재를 갖는 제 1 프로브유닛; 마이크로스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 2 접촉부재를 갖는 제 2 프로브유닛; 나노스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 3 접촉부재를 갖는 제 3 프로브유닛;을 포함할 수 있다.

피측정물의 종류에 따라 적용되는 배율을 달리하는 제 1 내지 3 대물렌즈로서, 상기 제 1 내지 3 프로브유닛과 대응되어, 선택적으로 어느 하나의 대물렌즈가 상기 피측정물을 향하도록 구성되는 제 1 내지 3 대물렌즈;를 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 내지 3 대물렌즈 중 선택된 대물렌즈를 통해 피측정물로 레이저광을 조사하는 레이저광원; 상기 조사된 레이저광이 상기 피측정물에 의해 산란광이 되어 입사되는 라만디텍터로서, 상기 산란광을 분광하는 라만디텍터;를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 다음을 기초로 피측정물의 점성력과 탄성력을 연산할 수 있다.

상기 기판의 온도를 조절하는 온도조절부; 상기 수정진동자의 진동을 측정하는 진동측정부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도조절부에 의해 조절된 온도와, 상기 진동유닛의 진동과, 상기 진동측정부에 의해 측정된 진동을 기초로 피측정물의 물성을 연산할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 측정이 가능한 연성물질의 종류를 매크로(macro), 마이크로(micro), 나노(nano)스케일로 확장시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연성물질의 종류가 다양한 경우에도 복수의 프로브유닛 중 어느 하나의 프로브유닛을 선택하여 물성을 측정할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연성물질에 수평방향 또는 수직방향으로 힘을 가할 수 있어서, 다양한 물성을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 접촉부재의 제작에 관한 도면.
도 3, 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 1 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면.
도 5, 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 2 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면.
도 7, 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 3 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터에 의해 진동유닛의 진동에 따른 수정진동자의 진폭과 위상을 도시한 그래프.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용한 “제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 접촉부재의 제작에 관한 도면이다.

리오미터(rheometer)는 피측정물의 유변물성(물질의 점도, 탄성률, 응력, 전단속도등)을 측정하는 기기로서, 피측정물에 대해 유동과 변형을 부과하여 물리적인 방법으로 물질의 구조 및 특성을 파악하는 장치이다. 리오미터는 피측정물의 유변물성을 측정하기 위해 이용되는 기기로서, 유변물성을 측정하기 위해 이용되는 피측정물에 전단속도나 진동을 가하여 변형을 일으키는 힘이나, 점성의 변화, 점탄성등을 측정하도록 구성된다.

리오미터(1)는 프로브유닛(10)을 포함할 수 있다.

프로브유닛(10)은 기판(5)위에 놓여진 피측정물(M, 도 3 내지 8 참고)과 접촉가능하게 마련될 수 있다. 프로브유닛(10)은 접촉부재(12)와, 수정진동자(14)(QTF, Quartz Tuning Fork)를 포함할 수 있다.

접촉부재(12)는 수정진동자(14)에 접합되어 고정될 수 있다. 이러한 구성을 통해 접촉부재(12)에서의 진동이 수정진동자(14)로 전달되거나, 수정진동자(14)에서의 진동이 접촉부재(12)로 전달될 수 있도록 구성된다.

접촉부재(12)는 피측정물(M)의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있다. 피측정물(M)은 연성물질을 포함할 수 있다. 피측정물(M)은 액체, 콜로이드성, 고분자, 생체물질을 포함할 수 있다. 피측정물(M)은 매크로(macro)스케일, 마이크로(micro)스케일, 나노(nano)스케일 중 어느 하나의 스케일을 가진 연성물질이 적용될 수 있다.

접촉부재(12)는 피측정물(M)이 매크로(macro)스케일일 때 적용되는 제 1 접촉부재(12a)와, 피측정물(M)이 마이크로(micro)스케일일 때 적용되는 제 2 접촉부재(12b)와, 피측정물(M)이 나노(nano)스케일일 때 적용되는 제 3 접촉부재(12c)를 포함할 수 있다. 프로브유닛(10)은 설명의 편의상 제 1 접촉부재(12a)를 갖는 프로브유닛을 제 1 프로브유닛으로, 제 2 접촉부재(12b)를 갖는 프로브유닛을 제 2 프로브유닛으로, 제 3 접촉부재(12c)를 갖는 프로브유닛을 제 3 프로브유닛으로 정의할 수 있다.

제 1 접촉부재(12a)는 피측정물(M)과 접촉하는 접촉면이 매크로(macro)스케일로 구성될 수 있다. 제 1 접촉부재(12a)는 일정크기의 운모평판을 포함할 수 있다. 도 2의 (a)를 참고하면, 제 1 접촉부재(12a)는 i) 운모평판을 나이프를 이용하여 ii) 일정크기의 접촉면을 갖는 제 1 접촉부재(12a)를 제작할 수 있다. 제 1 접촉부재(12a)는 가로세로길이가 각각 1mm로 구성될 수 있다. 제 1 접촉부재(12a)의 재질 및 크기는 한정되지 않는다. 제 1 접촉부재(12a)는 눈으로 관찰할 수 있는 크기인 매크로스케일의 피측정물(M)과 접촉하므로, 제 1 접촉부재(12a)의 접촉면의 넓이는 매크로스케일의 피측정물(M)과 대응되도록 구성되면 이를 만족한다.

제 2 접촉부재(12b)는 피측정물(M)과 접촉하는 접촉면이 마이크로스케일로 구성될 수 있다. 제 2 접촉부재(12b)는 광섬유를 포함할 수 있다. 도 2의 (b)를 참고하면, 제 2 접촉부재(12b)는 i) 광섬유를 절단하여 ii) 일정크기의 직경의 접촉면을 갖는 제 2 접촉부재(12b)를 제작할 수 있다. 광섬유의 직경은 대략 100μm로 적용될 수 있다. 제 2 접촉부재(12b)의 재질 및 크기는 한정되지 않는다. 제 2 접촉부재(12b)는 마이크로스케일의 피측정물(M)과 접촉하므로, 제 2 접촉부재(12b)의 접촉면의 넓이는 마이크로스케일의 피측정물(M)과 대응되도록 구성되면 이를 만족한다.

제 3 접촉부재(12c)는 피측정물(M)과 접촉하는 접촉부분이 나노스케일로 구성될 수 있다. 제 3 접촉부재(12c)은 탐침으로서, 제 3 접촉부재(12c)의 접촉면은 탐침의 끝부분을 의미할 수 있다. 제 3 접촉부재(12c)는 침의 형상으로 형성될 수 있다. 도 2의 (c)를 참고하면, 제 3 접촉부재(12c)는 기계적 당김 장치(Mechanical Puller)를 이용하여 i) 수정 로드(quartz rod)를 중심에 강한 레이저를 조사하여 녹이면서 ii) 당기면 펜 모양으로 단부끝 크기가 나노스케일이 되는 제 3 접촉부재(12c)를 제작할 수 있다.

수정진동자(14)는 접촉부재(12)를 통해 전달되는 진동에 의해 진동하도록 마련된다. 수정진동자(14)는 진동측정부(92)와 연결될 수 있다. 진동측정부(92)는 수정진동자(14)에 전해지는 진동의 진폭과 위상을 측정할 수 있다. 피측정물(M)의 기계적 성질에 대한 분석에 있어서, 수평힘 측정이 필요한 경우와, 수직힘 측정이 필요한 경우로 구분할 수 있다. 상기 목적에 맞게 수정진동자(14)에 대한 접촉부재(12)의 접합방법과, 수정진동자(14)의 진동방향을 달리할 수 있다.

프로브유닛(10)은 복수개가 마련될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 복수의 프로브유닛(10)은 접촉부재(12)의 종류 및 이후 설명하는 측정모드(쉬어모드 또는 탭핑모드)에 따라 그 형태를 달리할 수 있다. 즉, 복수의 프로브유닛(10)은 제 1 내지 3 접촉부재(12a, 12b, 12c)가 쉬어모드의 수정진동자와, 탭핑모드의 수정진동자에 각각 배치되는 6개의 프로브유닛을 포함할 수 있다. 복수의 프로브유닛(10)은 이후 설명하는 도 3 내지 8에 각각 도시하였다. 그러나 이에 한정되지 않고, 복수의 프로브유닛(10)은 사용자의 편의에 따라 일부의 프로브유닛(10)만이 장착될 수도 있다.

리오미터(1)는 구동유닛(20)을 포함할 수 있다.

복수의 프로브유닛(10)은 구동유닛(20)에 장착되어, 복수의 프로브유닛(10) 중 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛(10)이 기판(5)위에 놓여지는 피측정물(M)과 접촉할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 구동유닛(20)은 복수의 프로브유닛(10)의 배치를 변경할 수 있다. 복수의 프로브유닛(10)이 장착된 구동유닛(20)은 본체(3)에 회전가능하게 마련되어, 피측정물(M)의 종류 또는 측정모드(쉬어모드(shear mode) 또는 탭핑모드(tapping-mode))등에 따라 피측정물(M)과 접촉하는 프로브유닛(10)을 달리할 수 있다.

리오미터(1)는 진동유닛(30)과, 광학부(50)를 포함할 수 있다.

진동유닛(30)은 기판(5)과 연결되어, 기판(5)이 일정크기의 진동으로 동작하도록 구성된다. 진동유닛(30)은 압전변환기(piezoelectric transducer, PZT)를 포함할 수 있다. 진동유닛(30)은 진동을 발생시켜, 기판(5)이 진동할 수 있도록 구성된다.

진동유닛(30)은 기판(5)을 피측정물이 놓여지는 평면과 나란한 평면방향과, 평면방향에 수직한 상하방향 중 어느 하나의 방향으로 진동시키도록 구성될 수 있다. 수정진동자(14)는 진동유닛(30)의 진동방향과 동일한 방향으로 진동하도록 배치될 수 있다. 즉, 진동유닛(30)이 평면방향으로 진동할 때 수정진동자(14)는 쉬어모드로 동작할 수 있으며, 진동유닛(30)이 상하방향으로 진동할 때 수정진동자(14)는 탭핑모드로 동작할 수 있다. 도 1에서는 진동유닛(30)이 기판(5)의 일측에 배치되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 진동유닛(30)은 기판(5)에 진동을 발생시키기 위해 기판(5)과 연결되는 구성이면 이를 만족한다.

광학부(50)는 피측정물(M)을 관찰하기 위한 광학현미경(60)과, 라만분광을 위한 라만분석장치(70)를 포함할 수 있다.

광학현미경(60)은 광원(62)과, 대물렌즈(64), 카메라(66)를 포함할 수 있다. 광원(62)으로부터의 공급되는 광은 빔스플리터(68a)에 의해 조절되어, 대물렌즈(64)를 지나 피측정물(M)로 향하며, 피측정물에 의해 반사된 광은 빔스플리터(68b)에 의해 조절되어 카메라(66)로 입사될 수 있다. 이를 기초로 피측정물(M)의 위치 또는 기판(5)의 위치를 조절함으로서, 피측정물(M)에 대한 대물렌즈(64)의 초점을 맞출 수 있다. 사용자는 광학현미경(60)을 통해 피측정물(M)을 관찰 할 수 있다.

대물렌즈(64)는 피측정물(M)의 스케일에 따라 적용되는 배율을 달리하는 제 1 내지 3 대물렌즈(64a, 64b, 64c)를 포함할 수 있다. 제 1 내지 3 대물렌즈(64a, 64b, 64c)는 제 1 내지 3 프로브유닛과 대응되어, 선택적으로 어느 하나의 대물렌즈가 피측정물을 향하도록 배치될 수 있다. 제 1 내지 3 대물렌즈(64a, 64b, 64c)는 회전마운트(65)에 장착되어, 선택적으로 피측정물(M)을 향하도록 배치될 수 있다.

라만분석장치(70)는 레이저를 발생시키는 레이저광원(72), 산란된 광을 측정하는 라만디텍터(74)를 포함할 수 있다.

레이저광원(72)은 라만분광을 위해 피측정물(M)에 레이저광을 주사하도록 마련된다. 레이저광원(72)은 제 1 내지 3 대물렌즈(64a, 64b, 64c) 중 선택된 대물렌즈를 통해 피측정물로 레이저광을 조사할 수 있다.

피측정물(M)이 나노스케일인 경우, 프로브유닛(10)은 제 3 접촉부재(12c)가 적용될 수 있다. 레이저광원(72)으로부터 발생한 레이저광은 제 3 접촉부재(12c)의 끝에 조사되어, 나노스케일의 피측정물(M)의 라만신호를 증강시킬 수 있다.

레이저광은 488nm, 532nm, or 633nm파장을 지닌 레이저를 사용할 수 있다. 제 3 접촉부재(12c)의 종류에 따라 레이저의 파장을 선택할 수 있다. 예를 들어 제 3 접촉부재(12c)의 종류를 금으로 할 경우에는 633nm레이저를 사용하고, 은인 경우에는 532nm 레이저를 사용할 수 있다. 피측정물(M)로부터 산란되어 나오는 빛을 각각의 파장에 해당 레이저 파장에 맞는 라만 분광기를 이용하여 표면 형상의 라만 천이 정도를 분석하여 분자 단위의 운동에 관한 정보를 얻고 진단해낼 수 있다.

레이저광은 빔스플리터(76)에 의해 조절되어 대물렌즈(64)로 입사될 수 있다. 레이저광원(72)은 빔스플리터(68a)로부터 대물렌즈(64)를 지나 피측정물(M)에 이르는 광경로를 따라 피측정물(M)에 레이저광을 조사할 수 있다. 대물렌즈(64)를 통해 입사한 레이저광은 피측정물(M)과 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 피측정물(M)과 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.

이때, 산란은 피측정물(M)의 물성 특성에 따라 광원(62)이 에너지를 잃는 스톡스(Stokes) 산란 및 광원(62)이 에너지를 얻는 안티스톡스(Anti-Stokes) 산란의 파장은 고유한 형태로 나타날 수 있다. 라만디텍터(74)는 이를 수집하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있다.

라만디텍터(74)는 피측정물(M)에서 산란된 광을 측정하도록 구성된다. 라만디텍터(74)는 상기 산란광을 통해 피측정물(M)의 분광학적 정보를 획득할 수 있다.

이와 같이 라만분석장치(70)를 통해 라만 스펙트럼 영상을 반복적으로 촬영한 후 컴퓨터(미도시)로 분석하여 피측정물(M)의 특성을 파악할 수 있다.

라만분석장치(70)는 제 3 접촉부재(12c)의 끝에 의해 증폭된 라만신호를 통해 고 분해능의 라만 분광분석이 가능하다. 이와 같은 방식을 탐침 증강 라만 분광법(TERS, Tip-Enhances Raman Spectroscopy)이라고 한다. 탐침 증강 라만 분광법은 탐침의 팁 끝에서 매우 강하게 증가되는 전기장을 이용하여 팁 주변 수십 nm 부분의 라만 스펙트럼을 잡아내는 분광법이다.

이와 같이 광학현미경(60)이 동작 중인 경우에도 라만분석장치(70)를 동작할 수 있어서, 피측정물(M)을 실시간으로 분석할 수 있다.

리오미터(1)는 제어부(90)를 포함할 수 있다.

제어부(90)는 진동유닛(30)에 의해 발생된 진동의 입력과, 피측정물(M)을 지나면서 변환되어 수정진동자(14)의 진동측정장치로 전달된 진동의 출력을 기초로 피측정물(M)의 기계적 성질을 측정할 수 있다. 즉, 제어부(90)는 입출력진동의 진폭과 위상을 기초로 피측정물(M)의 기계적 성질을 연산할 수 있다. 기계적 성질은 점성력과 탄성력을 포함할 수 있다.

제어부는 입력 진동과 출력 진동의 진폭 A과 위상 θ 정보를 측정하여, 다음 공식에 대입하여 효과적인 탄성계수 kint 및 점성계수 bint를 계산하고, 이를 통해 점탄성력 (Fk, Fb) 및 에너지 소산(Edis)을 구할 수 있다(Q는 quality factor).

리오미터는 온도조절부(40)를 포함할 수 있다.

온도조절부(40)는 기판(5)에 연결되어, 기판(5)의 온도를 조절할 수 있다. 제어부(90)는 기판(5)이 설정된 온도가 되도록 온도조절부(40)를 제어할 수 있다. 제어부(90)는 피측정물(M)의 점성력과 탄성력과 같은 기계적 성질을 측정함에 있어서, 앞서 언급한 진동유닛(30)으로 입력된 입력진동의 진폭과 위상, 진동측정부(92)에 의해 측정된 출력진동의 진폭과 위상과 함께 온도를 기초로 연산할 수 있다.

도 3, 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 1 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면, 도 5, 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 2 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면, 도 7, 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터의 제 3 접촉부재가 적용되고, 수정진동자가 쉬어모드와 탭핑모드로 동작하는 도면이다.

도 3, 4는 피측정물(M)이 매크로스케일이고, 제 1 접촉부재(12a)가 적용된 프로브유닛(10)을 도시한 도면이고, 도 5, 6은 피측정물(M)이 마이크로스케일이고, 제 2 접촉부재(12b)가 적용된 프로브유닛(10)을 도시한 도면이다. 또한 도 7, 8은 피측정물(M)이 나노스케일이고, 제 3 접촉부재(12c)가 적용된 프로브유닛(10)을 도시한 도면이다.

프로브유닛(10)은 두 가지 모드로 동작할 수 있다. 프로브유닛(10)은 쉬어모드(shear mode)와 탭핑모드(tapping mode)로 동작할 수 있다. 도 3, 5, 7은 쉬어모드로 동작하는 프로브유닛(10)을 도시한 도면이고, 도 4, 6, 8은 탭핑모드로 동작하는 프로브유닛(10)을 도시한 도면이다.

쉬어모드(shear mode)는 피측정물(M)에 대한 수평방향 진동에 대한 분석이 요구될 때 동작할 수 있다. 탭핑모드(tapping mode)는 피측정물(M)에 대한 수직방향 진동에 대한 분석이 요구될 때 동작할 수 있다. 도 3 내지 8에 있어서, 도시된 (a) 내지 (e)에 관한 설명은 공통적으로 적용될 수 있다.

단계1) 프로브유닛(10)은 수정진동자(14)에 접촉부재(12)가 고정되도록 구성될 수 있다. 접촉부재(12)에 피측정물(M)을 접근시켜 접촉부재(12)의 접촉면에 적정한 량의 피측정물(M)을 묻혀준다(a). 접촉부재(12)에 접촉시키는 피측정물(M)은 도 3 내지 8에서의 (a)와 같이 같은 기판(5)상에 배치될 수도 있으며, 접촉부재(12)를 리오미터(1)의 외부에 위치한 피측정물(M)에 묻도록 접촉시킬 수도 있다.

단계2) 피측정물(M)이 묻은 프로브유닛(10)을 기판(5)의 상면으로 이동시킨다(b). 이때 도 3, 5, 7과 같은 쉬어모드에서는 수정진동자(14)의 진동방향은 기판(5)의 표면과 수평이 되도록 정렬시키며, 도 4, 6, 8과 같은 탭핑모드에서는 수정진동자(14)의 진동방향은 기판(5)의 표면과 수직이 되도록 정렬시킬 수 있다.

단계3) 피측정물(M)이 묻어 있는 접촉부재(12)를 기판(5)의 표면에 접근시켜(c), 피측정물(M)의 아래면이 기판(5)의 표면과 맞닿으면 피측정물(M)의 기둥이 형성된다(d). 피측정물(M)의 스케일에 따라 각각 도 3, 4와 같이 매크로스케일의 기둥이 형성될 수도 있고, 도 5, 6과 같이 마이크로스케일의 기둥이 형성될 수도 있다. 또한 도 7, 8에서와 같이 나노스케일의 기둥이 형성될 수도 있다.

단계4) 기판(5)에 부착된 진동유닛(30)을 이용하여 수평방향(도 3, 5, 7의 (e)) 또는 수직방향(도 4, 6, 8의 (e))으로 특정크기의 진폭과 위상으로 진동시킬 수 있다. 이러한 동작을 통해 접촉부재(12)와 기판(5)의 표면사이에 배치되는 피측정물(M)이 진동하게 되고, 이에 의한 힘이 수정진동자(14)로 전달되어 수정진동자(14)의 진폭과 위상이 변화된다. 즉, 수정진동자(14)로부터 출력되는 진동의 진폭과 위상은, 피측정물(M)에 의해 진동유닛(30)에 입력되는 진동의 진폭과 위상과 다르게 된다. 제어부(90)는 입출력진동을 측정하여 피측정물(M)의 기계적 성질을 측정할 수 있다. 기계적성질은 점성력과 탄성력을 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리오미터에 의해 진동유닛의 진동에 따른 수정진동자의 진폭과 위상을 도시한 그래프이다.

도 9와 같이, 진동유닛(30)의 진동은 피측정물(M)을 지나며 변환되어, 수정진동자(14)에서의 진폭과 위상은 진동유닛(30)의 진동과 다르게 된다.

진동유닛(30)의 진동은 피측정물(M)을 지나며 변환되어, 수정진동자(14)에서의 진폭과 위상은 진동유닛(30)의 진동과 다르게 된다.

제어부(90)는 진동유닛(30)의 진동과 수정진동자(14)에서의 진동을 기초로 피측정물(M)의 기계적 성질을 연산할 수 있다.

이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

1 : 리오미터 10 : 프로브유닛
12a : 제 1 접촉부재 12b : 제 2 접촉부재
12c : 제 3 접촉부재 14 : 수정진동자
20 : 구동유닛 30 : 진동유닛
40 : 온도조절부 60 : 광학현미경
70 : 라만분석장치 90 : 제어부
92 : 진동측정부

Claims

피측정물이 놓여지는 기판;
상기 기판에 진동을 발생시키도록 구성되는 진동유닛;
수정진동자와, 상기 수정진동자에 고정되되 상기 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 접촉부재를 갖고, 상기 접촉부재의 종류를 달리하는 복수의 프로브유닛으로서, 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛이 상기 기판에 놓여진 피측정물과 접할 수 있도록 구성되는 복수의 프로브유닛;
상기 진동유닛에서 발생되는 진동과, 상기 진동유닛에서 발생되는 진동으로부터 피측정물을 통해 상기 수정진동자로 전달되는 진동을 기초로 상기 피측정물의 점탄성력을 연산하는 제어부;를 포함하는 리오미터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 프로브유닛 중 선택적으로 어느 하나의 프로브유닛이 피측정물과 접촉할 수 있도록 상기 복수의 프로브유닛의 배치를 변경가능하도록 구성되는 구동유닛;을 포함하는 리오미터.
제 1 항에 있어서,
상기 진동유닛은,
상기 기판을 피측정물이 놓여지는 평면과 나란한 평면방향과, 상기 평면방향에 수직한 상하방향 중 어느 하나의 방향으로 진동시키도록 구성되는 리오미터.
제 3 항에 있어서,
상기 수정진동자는,
상기 진동유닛이 상기 평면방향으로 진동할 때, 상기 접촉부재도 동일하게 상기 평면방향으로 진동할 수 있도록 배치되는 쉬어모드;
상기 진동유닛이 상기 상하방향으로 진동할 때, 상기 접촉부재도 동일하게 상기 상하방향으로 진동할 수 있도록 배치되는 탭핑모드; 중 어느 하나의 모드로 동작하는 리오미터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 프로브유닛은,
매크로스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 1 접촉부재를 갖는 제 1 프로브유닛;
마이크로스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 2 접촉부재를 갖는 제 2 프로브유닛;
나노스케일의 피측정물과 접촉가능하게 마련되는 제 3 접촉부재를 갖는 제 3 프로브유닛;을 포함하는 리오미터.
제 5 항에 있어서,
피측정물의 종류에 따라 적용되는 배율을 달리하는 제 1 내지 3 대물렌즈로서, 상기 제 1 내지 3 프로브유닛과 대응되어, 선택적으로 어느 하나의 대물렌즈가 상기 피측정물을 향하도록 구성되는 제 1 내지 3 대물렌즈;를 더 포함하는 리오미터.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 내지 3 대물렌즈 중 선택된 대물렌즈를 통해 피측정물로 레이저광을 조사하는 레이저광원;
상기 조사된 레이저광이 상기 피측정물에 의해 산란광이 되어 입사되는 라만디텍터로서, 상기 산란광을 분광하는 라만디텍터;를 포함하는 리오미터.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 다음을 기초로 피측정물의 점성력과 탄성력을 연산하는 리오미터.
제 1 항에 있어서,
상기 기판의 온도를 조절하는 온도조절부;
상기 수정진동자의 진동을 측정하는 진동측정부;를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 온도조절부에 의해 조절된 온도와, 상기 진동유닛의 진동과, 상기 진동측정부에 의해 측정된 진동을 기초로 피측정물의 물성을 연산하는 리오미터.