KR102280558B1 - 라만-원자간력 현미경 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경은, 샘플이 배치되는 샘플 기판, 샘플 기판의 상측에 배치되는 광학 현미경부, 상기 샘플 기판의 하측에 배치되는 라만 분광계부 및 상기 샘플 기판의 하측에 배치되어 상기 샘플 기판의 위치를 제어하는 플랫폼을 포함한다. 상기 플랫폼은 상기 샘플 기판의 위치를 마이크로미터 단위 또는 나노미터 단위로 제어할 수 있고, 상기 샘플 기판에 레이저와 라만 레이저를 주사시키는 복수 개의 렌즈의 광축은 일렬로 정렬될 수 있다.
Description
아래의 실시예들은 라만-원자간력 현미경에 관한 것이다.
라만 분광기는 시스템에서 진동, 회전 및 다른 저-주파 모드를 관찰하는 데 사용되는 분광 기술에 관한 것이다. 이는 보통 가시, 근적외선 영역 또는 근적외선 영역 내의 레이저와 같은 단색광의 라만 산란에 따른다.
빛이 매질을 통과할 때 빛의 일부는 산란되어 진행방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는데 산란된 빛은 원래의 에너지를 그대로 유지하면서 산란되는 탄성 과정을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라 하고, 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 비탄성 과정을 라만 산란(Raman Scattering 또는 inelastic scattering)이라 한다. 분자가 빛을 받았을 때 분자는 여기 상태(excited state)로 들뜨게 되고 이 여기 상태의 분자는 세 가지 방식을 거쳐 다시 바닥 상태로 내려오게 된다. 먼저 입사 광원의 에너지를 모두 방출하면서 바닥 상태로 떨어지게 되면 입사된 광원과 같은 에너지의 빛이 산란되어 방출되는데 이 경우가 상기 레일리 산란이다. 이에 반하여 분자의 진동 에너지만큼을 흡수하거나 방출한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 라만 산란이라고 한다. 이때 진동 상태의 전이가 일어난다. 분자가 진동에너지를 흡수한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 스토크스(Stokes) 효과라 하고 이때 복사선의 에너지가 분자에 의해 흡수되었으므로 입사된 광원보다 낮은 에너지, 즉 보다 긴 파장의 빛이 산란된다. 반면 분자가 가지고 있던 진동 에너지를 방출하고 바닥상태로 돌아오는 경우를 안티-스토크스(Antistokes) 효과라고 하고 복사선이 분자로부터 에너지를 얻은 상태이므로 입사된 광원보다 높은 에너지, 즉 짧은 파장의 빛이 산란되어 나온다. 이러한 라만 산란 과정을 통하여 입사된 광원과 물질 간의 에너지 교환이 일어나게 된다. 물질이 흡수 또는 방출하는 에너지는 각 물질을 구성하는 분자 구조와 밀접한 관계가 있고 라만 산란에 따른 산란광은 각 물질에 따라 고유하므로 산란광을 분석하면 물질의 분자구조를 추론할 수 있다. 일반적으로 이와 같은 변화는 빛이 산란 전후 얼마만큼 에너지를 잃거나 얻었는가를 관찰함으로써 측정될 수 있다. 상기 산란 전후의 스펙트럼의 변화를 라만 쉬프트(Raman Shift)라고 한다. 상기 라만 쉬프트는 분자의 진동 주파수에 해당한다
이러한 라만(Raman) 분광법은 물질의 고유한 진동 스펙트럼을 측정하여 물질의 고유한 스펙트럼을 찾아냄으로써 각 물질의 정성, 정량 분석을 수행하는 방법이다. 다시 말해서, 라만 산란은 분자의 진동 지문(vibrational fingerprints)을 제공할 수 있는 광자(photons)의 비탄성적인(inelastic) 산란이다.
이와 같은 라만 분광법을 AFM과 결합되는 경우 AFM의 탐침과 접촉되는 영역에 한정되어 증폭된 라만 신호가 발생하여 고 분해능의 라만 분광 분석이 가능하다. 이와 같은 방식을 탐침 증강 라만 분광법(TERS, Tip-Enhances Raman Spectroscopy)이라고 한다. 탐침 증강 라만 분광법은 노블 금속(noble-metal) 팁 끝에서 매우 강하게 증가되는 전기장을 이용하여 팁 주변 수십 nm 부분의 라만 스펙트럼을 잡아내는 분광법이다.
한국 특허 제10-2012-0006845호에는표면 증강 라만 산란 입자 및 이를 이용한 분석 시스템에 관하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 라만 광원을 정확히 AFM 탐침(Tip)의 끝부분에 위치시키기 위한 라만-원자간력 현미경을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 전체 샘플의 특정 위치와 평행도를 제어하기 위해 마이크로의 범위에서 위치를 제어를 할 수 있고, AFM 탐침과 라만 광원의 위치가 일치되도록 광축을 정밀하게 제어 가능한, 저비용으로 제작할 수 있는 라만-원자간력 현미경을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경은, 샘플이 배치되는 샘플 기판, 샘플 기판의 상측에 배치되는 광학 현미경부, 상기 샘플 기판의 하측에 배치되는 라만 분광계부 및 상기 샘플 기판의 하측에 배치되어 상기 샘플 기판의 위치를 제어하는 플랫폼을 포함한다.
상기 플랫폼은 상기 샘플 기판의 위치를 마이크로미터 단위 또는 나노미터 단위로 제어할 수 있고, 상기 샘플 기판에 레이저와 라만 레이저를 주사시키는 복수 개의 렌즈의 광축은 일렬로 정렬될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 샘플 기판의 X축, Y축, Z축에 대한 위치, 롤(Roll), 피치(Pitch) 또는 요(Yaw)를 제어함으로써 상기 샘플의 마이크로미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 복수 개의 리니어 모터(Linear Motor) 및 상기 샘플의 나노미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 피에조 스캐너(Piezo scanner)를 포함할 수 있다.
상기 피에조 스캐너(Piezo scanner)는 3개의 피에조 모터를 포함하고, 상기 3개의 피에조 모터의 각각은 상기 샘플 기판의 하면에 배치되어 상기 샘플 기판을 3 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있다.
상기 복수 개의 리니어 모터는 6개로 구성되고 상기 피에조 스캐너에 연결되어 상기 샘플 기판을 6 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 샘플 기판의 아래에 배치되는 베이스 및 상기 베이스의 하면에 배치되는 복수 개의 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 리니어 모터의 일단은 상기 베이스 상에 연결되고 타단은 상기 3개의 피에조 모터에 연결되며, 상기 복수 개의 댐퍼는 저주파 진동을 감쇠시킬 수 있다.
상기 복수 개의 리니어 모터를 이용하여 상기 샘플 기판을 6 자유도로 제어함으로써, 상기 샘플 기판의 상측에 배치된 탐침(Tip)과 상기 샘플 사이의 틸트(tilt) 값을 보정할 수 있고, 상기 피에조 스캐너를 이용하여 상기 샘플 기판을 3 자유도로 제어함으로써, AFM 표면 및 상기 AFM 표면을 벗어나는 범위의 측정 값을 획득할 수 있다.
상기 광학 현미경부는 상기 샘플의 상측에 배치되는 제1 렌즈를 포함하고, 상기 라만 분광계부는 상기 샘플의 하측에 배치되는 제2 렌즈를 포함하며, 렌즈들의 X축 또는 Y축에 대한 위치, 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)를 제어함으로써 렌즈들의 광축을 일렬로 정렬될 수 있다.
상기 광학 현미경부는 제1 렌즈의 X축에 대한 위치를 이동시킬 수 있 제1 구동요소 및 상기 제1 렌즈의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제2 구동요소를 포함하고, 상기 라만 분광계부는 제2 렌즈의 Y축에 대한 위치를 이동시킬 수 있는 제3 구동요소 및 상기 제2 렌즈의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제4 구동요소를 포함할 수 있다.
상기 제1 구동요소 및 상기 제3 구동요소는 각각 스텝 모터이며, 상기 제2 구동요소 및 상기 제4 구동요소는 각각 보이스 코일 모터일 수 있다.
상기 광학 현미경부는, 레이저를 상기 제1 렌즈에 조사하는 제1 광원, 상기 제1 렌즈를 통과한 레이저를 상기 샘플에 주사하는 AFM 탐침, 상기 레이저의 세기를 검출하는 제1 레이저 파워 센서, 상기 AFM 탐침에서 반사되는 레이저의 위치를 측정하는 제1 위치 센서 및 상기 AFM 탐침에서 반사되는 레이저를 전기 신호로 전환시키는 CMOS 센서를 더 포함할 수 있다.
라만 분광계부는, 라만 산란을 일으킬 수 있는 라만 레이저를 상기 제2 렌즈에 조사하는 제2 광원, 상기 제2 광원에서 조사된 라만 레이저의 세기를 검출하는 제2 레이저 파워 센서, 상기 AFM 탐침의 일단에서 반사된 라만 레이저의 위치를 측정하는 제2 위치 센서, 상기 AFM 탐침의 일단에서 발생된 라만신호증폭(SERS, Surface Enhanced Raman Spectrometer)을 통과시키는 롱 패스 필터(long pass filter) 및 상기 롱 패스 필터를 통과한 라만신호증폭의 레이저 라만 스펙트럼을 측정하는 라만 분광계를 더 포함할 수 있다.
구동요소들에 의하여 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 광축들은, 상기 제2 광원에서 발산되는 라만 레이저가 상기 AFM 탐침의 일단에 조사되도록 정렬될 수 있다.
일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경은 라만 광원을 정확히 AFM 탐침(Tip)의 끝부분에 위치시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경은 전체 샘플의 특정 위치와 평행도를 제어하기 위해 마이크로의 범위에서 위치를 제어를 할 수 있고, AFM 탐침과 라만 광원의 위치가 일치되도록 광축을 정밀하게 제어 가능하며, 저비용으로 제작될 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 구조를 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 사시도를 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 플랫폼의 구조를 나타낸다.
도4는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 광학 현미경부의 구조를 나타낸다.
도5는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 라만 분광계부의 구조를 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 사시도를 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 플랫폼의 구조를 나타낸다.
도4는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 광학 현미경부의 구조를 나타낸다.
도5는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 라만 분광계부의 구조를 나타낸다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 양태(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 구조를 나타내며, 도2는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 사시도를 나타낸다. 도3은 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 플랫폼의 구조를 나타내며, 도4는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 광학 현미경부의 구조를 나타낸다. 도5는 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경의 라만 분광계부의 구조를 나타낸다.
도1 및 도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 라만-원자간력 현미경(10)은, 샘플이 배치되는 샘플 기판(100), 샘플 기판의 상측에 배치되는 광학 현미경부(200), 샘플 기판의 하측에 배치되는 라만 분광계부(300) 및 샘플 기판의 하측에 배치되어 샘플 기판의 위치를 제어하는 플랫폼(400)을 포함한다.
이 때, 플랫폼(400)은 샘플 기판(100)의 위치를 마이크로미터 단위 또는 나노미터 단위로 제어할 수 있고, 샘플 기판을 향해 레이저와 라만 레이저를 주사시키는 복수 개의 렌즈의 광축은 일렬로 정렬될 수 있다.
라만-원자간력 현미경(10)의 공간 분해능을 나노미터 단위로 제어하기 위해서는 나도미터 단위로 이동되는 플랫폼을 제작하여 샘플의 X축, Y축, Z축에 대한 움직임을 제어하여야 한다. 또한, 전체 샘플의 특정 위치와 평행도를 제어하기 위하여 마이크로미터 단위로 위치를 제어할 수 있는 6 자유도의 스캐너가 필요하다. 아울러, 나노 형상의 표면을 측정하기 위해서는 전체 시스템이 저주파 진동을 감쇠 시킬 수 있어야 한다.
따라서, 도3을 참조하면, 상기 플랫폼(400)은, 샘플 기판(100)의 아래에 배치되는 베이스(430), 샘플 기판(100)의 X축, Y축, Z축에 대한 위치, 롤(Roll), 피치(Pitch) 또는 요(Yaw)를 제어함으로써 샘플의 마이크로미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 복수 개의 리니어 모터(Linear Motor, 410) 및 샘플의 나노미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 피에조 스캐너(Piezo scanner, 420)를 포함할 수 있다.
피에조 스캐너(Piezo scanner, 420)는 3개의 피에조 모터를 포함하고, 3개의 피에조 모터의 각각은 샘플 기판(100)의 하면에 배치되어, 샘플 기판(100)을 3 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 리니어 모터(410)는 6개로 구성되어 샘플 기판(100)을 6 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있으며, 복수 개의 리니어 모터(410)의 일단은 베이스(430) 상에 연결되고 타단은 3개의 피에조 모터(420)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 리니어 모터(411) 및 제2 리니어 모터(412)의 타단은 제1 피에조 모터(421)에 연결되고, 제3 리니어 모터(413) 및 제4 리니어 모터(414)의 타단은 제2 피에조 모터(422)에 연결되며, 제5 리니어 모터(415) 및 제6 리니어 모터(416)의 타단은 제3 피에조 모터(423)에 연결될 수 있다.
또한, 플랫폼(400)의 베이스(430)의 하면에 배치되는 복수 개의 댐퍼(440)를 더 포함할 수 있고, 복수 개의 댐퍼(440)는 저주파 진동을 감쇠 시킬 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구성을 지닌 라만-원자간력 현미경은, 샘플의 마이크로미터 단위의 위치 제어를 위해 부피가 작고 제어 성능이 뛰어난 6축의 리니어 모터를 사용할 수 있으며, 샘플 기판의 평면 위치(XYZ)와 3차원 각도(Roll, Pitch, Yaw)를 제어할 수 있다. 또한, 라만-원자간력 현미경의 샘플 기판의 상부에 배치된 AFM 탐침(tip)을 포함하는 OPU에 포함되어 있는 CMOS 센서(260)를 이용하여 마이크로스코프를 구성하여 샘플의 마이크로미터 단위의 위치를 탐지할 수 있다. 또한, 관측하고자 하는 위치로 샘플을 이동시킬 수 있다.
아울러, 라만-원자간력 현미경은 3개의 피에조 모터를 이용하여, 샘플의 마이크로미터 단위의 위치 제어와 함께 샘플의 나노미터 단위의 위치를 제어할 수 있으며, 나노미터 단위의 면적을 스캐닝할 수 있다.
또한, 라만-원자간력 현미경은, 나노미터 정밀도를 가지는 표면의 검사와 저주파 진동을 감쇠하기 위해 스프링을 장착하여 OPU의 레이저의 위치를 피드백 신호로 사용하여 안정적인 AFM의 나노미터 단위의 위치를 제어하거나, 댐퍼(Damper)를 플랫폼의 베이스 하단에 설치하여 저주파 진동을 감쇠시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 라만-원자간력 현미경은, 상기 복수 개의 리니어 모터(410)를 이용하여 샘플 기판(100)을 6 자유도로 제어함으로써, 샘플 기판(100)의 상측에 배치된 탐침(Tip, 230)과 샘플 사이의 틸트(tilt) 값을 보정할 수 있다. 또한, 상기 피에조 스캐너(420)를 이용하여 샘플 기판(100)을 3 자유도로 제어함으로써, AFM 표면 및 상기 AFM 표면을 벗어나는 범위의 측정 값을 획득할 수 있다.
도4를 참조하면, 광학 현미경부(200)는 샘플의 상측에 배치되는 제1 렌즈(210)를 포함하며, 라만 분광계부(300)는 샘플의 하측에 배치되는 제2 렌즈(310)를 포함하고, 렌즈들(210, 310)의 샘플 기판에 대한 X축 또는 Y축 상에서의 위치, 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)를 제어함으로써 렌즈들(210, 310)의 광축을 일렬로 정렬시킨다.
광학 현미경부(200)는 제1 렌즈(210)의 X축에 대한 위치를 이동시킬 수 있 제1 구동요소(미도시) 및 제1 렌즈(210)의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제2 구동요소(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 라만 분광계부(300)는 제2 렌즈(310)의 Y축에 대한 위치를 이동시킬 수 있는 제3 구동요소(미도시) 및 제2 렌즈(310)의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제4 구동요소(미도시)를 포함할 수 있다.
이 때, 1 구동요소 및 제3 구동요소는 각각 스텝 모터이며, 제2 구동요소 및 제4 구동요소는 각각 보이스 코일 모터일 수 있다.
구체적으로, 광학 현미경부(200)는, 레이저를 제1 렌즈(210)에 조사하는 제1 광원(220), 제1 렌즈(210)를 통과한 레이저를 샘플에 주사하는 AFM 탐침(230), 레이저의 세기를 검출하는 제1 레이저 파워 센서(240), AFM 탐침(230)에서 반사되는 레이저의 위치를 측정하는 제1 위치 센서(250), AFM 탐침(230)에서 반사되는 레이저를 전기 신호로 전환시키는 CMOS 센서(260)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 지닌 광학 현미경부(200)에서, 제1 광원(220)에서 발산되는 레이저는 제1 거울(280)에서 반사되고 제1 빔스플리터(290)를 향한다. 상기 제1 빔스플리터(290)에서 반사된 레이저는 제1 렌즈(210)를 통과하여 AFM 탐침(230)에 집약되고 샘플에 주사된다. 이 때, 레이저의 일부는 제1 빔스플리터(290)를 통과하여 제1 레이저 파워 센서(240)에 전달될 수 있다. 이 후, 샘플에서 반사된 레이저는 제1 렌즈(210)를 통과하고 일부가 제1 빔스플리터(290)에서 반사되어 제1 위치 센서(250)에 전달된다. 또한, 상기 반사된 레이저의 일부는 상기 제1 빔스플리터(290)와 CMOS 센서(260) 사이에 배치된 제3 렌즈(270)를 통과하여 CMOS 센서(260)에 전달된다.
제1 렌즈(210), 제1 광원(220), 제1 레이저 파워 센서(240), 제1 위치 센서(250), 제1 거울(280), 제1 빔스플리터(290)는 상부의 OPU(Optical pick-up)를 구성할 수 있다.
아울러, 제1 광원(220)에서 발산되어 제1 렌즈(210)를 통과하는 레이저의 광축은, 제1 구동요소에 의하여 샘플 기판을 기준으로 하는 X축에 대한 위치(1 자유도)가 변화될 수 있으며, 제2 구동요소에 의하여 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임(2 자유도)이 제어될 수 있다.
도5를 참조하면, 라만 분광계부(300)는, 라만 산란을 일으킬 수 있는 라만 레이저를 상기 제2 렌즈(310)에 조사하는 제2 광원(320), 제2 광원(320)에서 조사된 라만 레이저의 세기를 검출하는 제2 레이저 파워 센서(330), AFM 탐침(230)의 일단에서 반사된 라만 레이저의 위치를 측정하는 제2 위치 센서(340), AFM 탐침(230)의 일단에서 발생된 라만신호증폭(SERS, Surface Enhanced Raman Spectrometer)을 통과시키는 롱 패스 필터(long pass filter, 350) 및 상기 롱 패스 필터를 통과한 라만신호증폭의 레이저 라만 스펙트럼을 측정하는 라만 분광계(360)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 지닌 라만 분광계부(300)에서, 제2 광원(320)에서 발산되는 라만 레이저는 제2 거울(370)에서 반사되고 제2 빔스플리터(380)를 향한다. 상기 제2 빔스플리터(380)에서 반사된 라만 레이저는 제2 렌즈(310)를 통과하여 AFM 탐침(230)의 일단에 주사된다. 이 때, 라만 레이저의 일부는 제2 빔스플리터(380)를 통과하여 제2 레이저 파워 센서(330)에 전달될 수 있다. 이 후, AFM 탐침(230)의 일단에서 반사된 라만 레이저는 제2 렌즈(310)를 통과하고 일부가 제2 빔스플리터(380)에서 반사되어 제2 위치 센서(340)에 전달된다. 또한, 상기 반사된 라만 레이저의 일부는 상기 제2 빔스플리터(380)와 제3 거울(390) 사이에 배치된 롱 패스 필터(350)를 통과하여, 제3 거울(390)에서 반사된 후 라만 분광계(360)에 전달된다. 이 때, 상기 반사된 라만 레이저는 라만신호증폭(SERS, Surface Enhanced Raman Spectrometer)일 수 있다.
제2 렌즈(310), 제2 광원(320), 제2 레이저 파워 센서(330), 제2 위치 센서(340), 제2 거울(370), 제2 빔스플리터(380)는 하부의 OPU(Optical pick-up)를 구성할 수 있다.
아울러, 제2 광원(320)에서 발산되어 제2 렌즈(310)를 통과하는 라만 레이저의 광축은, 제3 구동요소에 의하여 샘플 기판을 기준으로 하는 Y축에 대한 위치(1 자유도)가 변화될 수 있으며, 제4 구동요소에 의하여 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임(2 자유도)이 제어될 수 있다.
즉, 샘플 기판(100)의 평면과 평행한 2차원의 면 상에는 X축과 Y축이 형성될 수 있으며, 광학 현미경부(200)의 제1 렌즈(210)는 상기 X축에 대한 위치가 제어될 수 있다. 또한, 동시에 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어될 수 있다. 아울러, 라만 분광계부(300)의 제2 렌즈(310)는 상기 Y축에 대한 위치가 제어될 수 있으며, 동시에 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어될 수 있다.
상기에서 설명한 구성들을 포함하는 라만-원자간력 현미경은 AFM 탐침의 일단에서 nano-Raman 현상을 발생시킬 수 있다. 즉, 상부의 OPU의 제1 렌즈를 통해 제1 광원에서 조사되는 레이저를 AFM head 부위를 정확히 조사하고, 제1 렌즈와 제2 렌즈의 광축을 정확히 일렬도 배치시킴으로써, 제2 광원에서 발산되는 라만 레이저를 AFM 탐침의 일단에 정확히 조사할 수 있다. 이 때, 제1 렌즈의 X축에 대한 위치, 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)를 스텝 모터와 보이스 코일 모터를 이용하여 제어하고, 제2 렌즈의 Y축에 대한 위치, 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)를 스텝 모터와 보이스 코일 모터를 이용하여 제어함으로써 빠르고 정확하게 두 렌즈의 광축을 정렬시킬 수 있다.
상기에서 설명한 라만-원자간력 현미경은 라만 광원을 정확히 AFM 탐침(Tip)의 끝부분에 위치시킬 수 있다.
아울러, 라만-원자간력 현미경은 전체 샘플의 특정 위치와 평행도를 제어하기 위해 마이크로의 범위에서 위치를 제어를 할 수 있고, AFM 탐침과 라만 광원의 위치가 일치되도록 광축을 정밀하게 제어 가능하며, 저비용으로 제작될 수 있다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 라만-원자간력 현미경의 광축 얼라이너
100 : 샘플 기판
200 : 광학 현미경부
210 : 제1 렌즈
220 : 제1 광원
230 : AFM 탐침
240 : 제1 레이저 파워 센서
250 : 제1 위치 센서
260 : CMOS 센서
270 : 제3 렌즈
280 : 제1 거울
290 : 제1 빔스플리터
300 : 라만 분광계부
310 : 제2 렌즈
320 : 제2 광원
330 : 제2 레이저 파워 센서
340 : 제2 위치 센서
350 : 롱 패스 필터
360 : 라만 분광계
370 : 제2 거울
380 : 제2 빔스플리터
390 : 제3 거울
400 : 플랫폼
410 : 리니어 모터
420 : 피에조 스캐너
430 : 베이스
440 : 댐퍼
100 : 샘플 기판
200 : 광학 현미경부
210 : 제1 렌즈
220 : 제1 광원
230 : AFM 탐침
240 : 제1 레이저 파워 센서
250 : 제1 위치 센서
260 : CMOS 센서
270 : 제3 렌즈
280 : 제1 거울
290 : 제1 빔스플리터
300 : 라만 분광계부
310 : 제2 렌즈
320 : 제2 광원
330 : 제2 레이저 파워 센서
340 : 제2 위치 센서
350 : 롱 패스 필터
360 : 라만 분광계
370 : 제2 거울
380 : 제2 빔스플리터
390 : 제3 거울
400 : 플랫폼
410 : 리니어 모터
420 : 피에조 스캐너
430 : 베이스
440 : 댐퍼
Claims (11)
- 샘플이 배치되는 샘플 기판;
샘플 기판의 상측에 배치되는 광학 현미경부;
상기 샘플 기판의 하측에 배치되는 라만 분광계부; 및
상기 샘플 기판의 하측에 배치되어 상기 샘플 기판의 위치를 제어하는 플렛폼;
을 포함하고,
상기 플렛폼은 상기 샘플 기판의 위치를 마이크로미터 단위 또는 나노미터 단위로 제어할 수 있고,
상기 광학 현미경부는 상기 샘플의 상측에 배치되는 제1 렌즈를 포함하고, 상기 라만 분광계부는 상기 샘플의 하측에 배치되는 제2 렌즈를 포함하며,
상기 광학 현미경부는 제1 렌즈의 X축에 대한 위치를 이동시킬 수 있는 제1 구동요소 및 상기 제1 렌즈의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제2 구동요소를 포함하고,
상기 라만 분광계부는 제2 렌즈의 Y축에 대한 위치를 이동시킬 수 있는 제3 구동요소 및 상기 제2 렌즈의 롤(Roll) 또는 피치(Pitch)의 움직임을 제어하는 제4 구동요소를 포함하며,
구동요소들에 의하여 상기 제1 렌즈의 광축 및 상기 제2 렌즈의 광축이 정렬될 수 있으며,
상기 플렛폼은,
상기 샘플 기판의 X축, Y축, Z축에 대한 위치, 롤(Roll), 피치(Pitch) 또는 요(Yaw)를 제어함으로써 상기 샘플의 마이크로미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 복수 개의 리니어 모터(Linear Motor); 및
상기 샘플의 나노미터 단위의 위치를 제어할 수 있는 피에조 스캐너(Piezo scanner);
를 포함하는,
라만-원자간력 현미경.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 피에조 스캐너(Piezo scanner)는 3개의 피에조 모터를 포함하고, 상기 3개의 피에조 모터의 각각은 상기 샘플 기판의 하면에 배치되어 상기 샘플 기판을 3 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있으며,
상기 복수 개의 리니어 모터는 6개로 구성되고 상기 피에조 스캐너에 연결되어 상기 샘플 기판을 6 자유도(Degrees of freedom, DOF)로 제어할 수 있는, 라만-원자간력 현미경.
- 제3항에 있어서,
상기 플렛폼은,
상기 샘플 기판의 아래에 배치되는 베이스; 및
상기 베이스의 하면에 배치되는 복수 개의 댐퍼;
를 더 포함하고,
상기 복수 개의 리니어 모터의 일단은 상기 베이스 상에 연결되고 타단은 상기 3개의 피에조 모터에 연결되며,
상기 복수 개의 댐퍼는 저주파 진동을 감쇠시키는, 라만-원자간력 현미경.
- 제4항에 있어서,
상기 복수 개의 리니어 모터를 이용하여 상기 샘플 기판을 6 자유도로 제어함으로써, 상기 샘플 기판의 상측에 배치된 탐침(Tip)과 상기 샘플 사이의 틸트(tilt) 값을 보정할 수 있고,
상기 피에조 스캐너를 이용하여 상기 샘플 기판을 3 자유도로 제어함으로써, AFM 표면 및 상기 AFM 표면을 벗어나는 범위의 측정 값을 획득할 수 있는, 라만-원자간력 현미경.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 구동요소 및 상기 제3 구동요소는 각각 스텝 모터이며,
상기 제2 구동요소 및 상기 제4 구동요소는 각각 보이스 코일 모터인,
를 포함하는, 라만-원자간력 현미경.
- 제8항에 있어서,
상기 광학 현미경부는,
레이저를 상기 제1 렌즈에 조사하는 제1 광원;
상기 제1 렌즈를 통과한 레이저를 상기 샘플에 주사하는 AFM 탐침;
상기 레이저의 세기를 검출하는 제1 레이저 파워 센서;
상기 AFM 탐침에서 반사되는 레이저의 위치를 측정하는 제1 위치 센서; 및
상기 AFM 탐침에서 반사되는 레이저를 전기 신호로 전환시키는 CMOS 센서;
를 더 포함하는, 라만-원자간력 현미경.
- 제9항에 있어서,
라만 분광계부는,
라만 산란을 일으킬 수 있는 라만 레이저를 상기 제2 렌즈를 향하여 조사하는 제2 광원;
상기 제2 광원에서 조사된 라만 레이저의 세기를 검출하는 제2 레이저 파워 센서;
상기 라만 레이저가 상기 제2 렌즈를 통과하여 상기 AFM 탐침의 일단에 주사된 후, 상기 AFM 탐침의 일단에서 반사되는 라만 레이저의 위치를 측정하는 제2 위치 센서;
상기 AFM 탐침의 일단에서 발생된 라만신호증폭(SERS)을 통과시키는 롱 패스 필터(long pass filter); 및
상기 롱 패스 필터를 통과한 라만신호증폭의 레이저 라만 스펙트럼을 측정하는 라만 분광계;
를 더 포함하는, 라만-원자간력 현미경.
- 제10항에 있어서,
구동요소들에 의하여 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 광축들은, 상기 제2 광원에서 발산되는 라만 레이저가 상기 AFM 탐침의 일단에 조사되도록 정렬되는, 라만-원자간력 현미경.
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-
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