KR102314842B1 - 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법 - Google Patents

테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서 제1 기준 신호는 수분과 같은 극성 분자가 존재하지 않는 기준 공기 중에서 단지 1회만 획득하면 충분하고, 제2 기준 신호 및 샘플 신호는 수분과 같은 극성 분자가 존재하는 일반 공기 중에서 획득되는 신호이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 샘플의 두께 측정 시마다 반드시 건조 공기나 질소 공기를 조성해야만 하는 종래 방법에 비해 샘플의 두께 측정이 간편하고, 샘플 두께의 측정 시간 또한 크게 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법{METHOD FOR MEASURING THICKNESS OF SAMPLE USING TERAHERTZ SIGNAL}
본 발명은 테라헤르츠 신호를 이용하여 샘플의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다.
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.
다만, 테라헤르츠 신호는 일반 공기 중에 존재하는 수분과 같은 극성 분자들에 대해 높은 흡수성을 나타낸다. 이 때문에 테라헤르츠 신호를 이용하여 샘플의 두께와 같은 특성을 측정할 경우에는, 샘플에 대해 조사하는 테라헤르츠 신호에 큰 손실이 초래되며, 이로 인해 측정의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 일반 공기에 존재하는 수분과 같은 극성 분자들을 제거하기 위해, 건조 공기 또는 질소 공기 중에서 샘플의 두께를 측정하는 방법이 강구되었다. 하지만 이러한 방법을 통해 샘플의 두께를 측정하기 위해서는, 반드시 건조 공기 또는 질소 공기를 조성한 상태에서 샘플의 두께 측정이 이루어져야 하기 때문에 번거로움이 초래되고, 건조 공기 또는 질소 공기를 조성하기까지 많은 시간을 필요로 하여 측정 시간이 오래 소요된다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제2018-0097609호(2018.08.31.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 수분과 같은 극성 분자들을 포함하는 일반 공기 중에서도 샘플의 두께를 측정할 수 있도록 함으로써 간편하고 시간 절약적인 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수분과 같은 극성 분자들을 포함하는 일반 공기 중에서도 샘플의 두께를 정확도 높게 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법은, 테라헤르츠 신호를 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계; 상기 테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계; 상기 테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하는 일반 공기 중에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계; 상기 제2 기준 신호와 상기 샘플 신호를 이용하여 상기 샘플의 전달 함수를 산출하는 단계; 상기 제1 기준 신호와 상기 전달 함수를 이용하여 복구 신호를 산출하는 단계; 및 상기 복구 신호를 이용하여 상기 샘플의 두께를 결정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 기준 공기는 건조 공기이거나 질소 공기일 수 있다.
상기 샘플의 전달 함수를 산출하는 단계에서는, 상기 샘플 신호를 상기 제2 기준 신호로 나누어서 상기 샘플의 전달 함수를 산출할 수 있다.
그리고 상기 복구 신호를 산출하는 단계에서는, 상기 제1 기준 신호와 상기 전달 함수를 곱하여 상기 복구 신호를 산출할 수 있다.
그리고 상기 샘플의 두께를 결정하는 단계에서는, 상기 복구 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이를 측정하고, 상기 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이에 기초하여 상기 샘플의 두께를 결정할 수 있다.
여기서, 상기 복구 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들은, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사 없이 상기 샘플을 투과하는 메인 신호와, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 상기 샘플을 투과하는 에코 신호일 수 있다.
그리고 상기 샘플의 두께를 결정하는 단계에서는, 상기 제1 기준 신호 및 상기 메인 신호 사이의 시간 차이와, 상기 메인 신호 및 상기 에코 신호 사이의 시간 차이를 이용하여 상기 샘플의 굴절률을 산출하고, 상기 메인 신호 및 상기 에코 신호 사이의 시간 차이와, 상기 샘플의 굴절률을 이용하여 상기 샘플의 두께를 결정할 수 있다.
본 발명에서 제1 기준 신호는 수분과 같은 극성 분자가 존재하지 않는 기준 공기 중에서 단지 1회만 획득하면 충분하고, 제2 기준 신호 및 샘플 신호는 수분과 같은 극성 분자가 존재하는 일반 공기 중에서 획득되는 신호이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 샘플의 두께 측정 시마다 반드시 건조 공기나 질소 공기를 조성해야만 하는 종래 방법에 비해 샘플의 두께 측정이 간편하고, 샘플 두께의 측정 시간 또한 크게 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
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 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법의 흐름도이다.
도 4는 샘플에 입력되는 테라헤르츠 신호와 샘플에서 출력되는 테라헤르츠 신호 사이의 관계를, 질소 공기일 때와 일반 공기일 때로 구분하여 나타낸 블록도이다.
도 5(a)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제1 기준 신호의 예시도이고,
도 5(b)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제2 기준 신호의 예시도이고,
도 5(c)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 신호의 예시도이고,
도 5(d)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 샘플 신호의 예시도이며,
도 5(e)는 신호 처리부가 제1 기준 신호와 전달 함수를 이용하여 산출한 복구 신호의 예시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 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.
본 발명에 따른 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법에 대해 설명하기에 앞서, 상기 방법을 구현하는 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치(1000)에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치의 블록도이고, 도 2는 도 1의 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치를 통해 샘플 신호를 획득하는 모습을 나타낸 개략도이다.
테라헤르츠 시간 영역 분광 장치(1000)는 샘플(10)의 두께를 측정하는데 이용되며, 광원부(100), 테라헤르츠 신호 조사부(200), 신호 수신부(300), 신호 처리부(400), 제어부(500) 및 사용자 인터페이스(600)를 포함할 수 있다.
광원부(100)는 펨토초 펄스 레이저를 포함할 수 있다. 이때 상기 펨토초 펄스 레이저는 중심 파장이 800nm 부근이고, 대역폭이 40nm인 펄스 레이저 광을 발진할 수 있다.
테라헤르츠 신호 조사부(200)는 빔 분리기 및 광전도 안테나(미도시)를 포함할 수 있다. 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.
테라헤르츠 신호 조사부(200)에서 생성된 테라헤르츠 신호는 파라볼릭 미러(미도시)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 샘플(10)을 투과하는 메인 신호(즉, k=0인 경우)와, 샘플(10) 내에서 2회 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 제1 에코 신호(즉, k=1인 경우)와, 샘플(10) 내에서 4회 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 제2 에코 신호(즉, k=2인 경우) 등으로 구별될 수 있다.
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.
여기서, 사용자 인터페이스(600)는 사용자 명령을 입력 받아 이를 제어부(500)에 전송하는 기능을 수행하고, 제어부(500)는 사용자 인터페이스(600)로부터 전송되는 사용자 명령에 따라 신호 처리부(400)를 제어하는 기능을 수행한다. 그리고 신호 처리부(400)에서는 이하에서 설명하는 바와 같은 방법으로 샘플(10)의 두께를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법의 흐름도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법은, 우선 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S100).
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 수분과 같은 극성 분자가 존재하지 않는 건조 공기이거나 질소 공기일 수 있으며, 이러한 기준 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버(미도시) 내에 채워질 수 있다. 즉, 제1 기준 신호는 건조 공기 또는 질소 공기 중에서 획득될 수 있다.
신호 처리부(400)는 제1 기준 신호를 상기와 같은 방법으로 획득한 뒤 저장해 놓을 수 있으며, 샘플(10)의 두께를 측정할 경우 상기 저장된 제1 기준 신호를 이용할 수 있다. 즉, 신호 처리부(400)는 샘플(10)의 두께를 측정하고자 할 때마다 제1 기준 신호를 획득할 필요 없이, 신호 처리부(400)에 이미 저장되어 있는 제1 기준 신호를 이용할 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 제1 기준 신호를 건조 공기 또는 질소 공기 중에서 단지 1회만 획득하면 되기 때문에, 샘플(10)의 두께 측정 시마다 건조 공기 또는 질소 공기를 조성해야만 하는 종래 방법에 비해 샘플(10)의 두께 측정이 간편하고, 샘플 두께의 측정 시간 또한 크게 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 S100 단계 이후에는, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S200).
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 수분 등의 극성 분자가 포함되어 있는 주변의(ambient) 공기일 수 있으며, 이러한 일반 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버 내에 채워질 수 있다. 즉, 제2 기준 신호는 수분과 같은 극성 분자가 포함된 주변 공기 중에서 획득될 수 있다.
상기 S200 단계 이후에는, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하는 일반 공기 중에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계가 이루어진다(S300).
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.
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.
일반 공기 중에서 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 상술한 바와 같이 수분 등의 극성 분자가 포함되어 있는 주변의 공기일 수 있으며, 이러한 일반 공기는 테라헤르츠 신호 조사부(200)와 신호 수신부(300)를 포함하는 챔버 내에 채워질 수 있다. 즉, 샘플 신호는 제2 기준 신호와 마찬가지로 수분과 같은 극성 분자가 포함된 주변 공기 중에서 획득될 수 있다.
본 발명에서는 상기 S100 단계에서의 제1 기준 신호, 상기 S200 단계에서의 제2 기준 신호, 및 상기 S300 단계에서의 샘플 신호를 이용하여 샘플(10)의 두께를 측정한다. 여기서, 제1 기준 신호는 상술한 바와 같이 건조 공기 또는 질소 공기 중에서 단지 1회만 획득해서 신호 처리부(400)에 저장될 수 있으며, 이후 신호 처리부(400)가 샘플(10)의 두께를 측정할 경우에는 재차 건조 공기 또는 질소 공기 분위기를 조성할 필요 없이, 신호 처리부(400)에 저장된 제1 기준 신호를 그대로 이용하면 된다. 그리고 제2 기준 신호 및 샘플 신호는 일반 공기 중에서 획득되는 신호이다. 따라서, 본 발명에 의하면, 샘플(10)의 두께 측정 시마다 건조 공기 또는 질소 공기를 조성해야만 하는 종래 방법에 비해 샘플(10)의 두께 측정이 간편하고, 샘플 두께의 측정 시간 또한 크게 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 4는 샘플에 입력되는 테라헤르츠 신호와 샘플에서 출력되는 테라헤르츠 신호 사이의 관계를, 기준 공기일 때와 일반 공기일 때로 구분하여 나타낸 블록도이다.
도 4에 나타낸 신호들 중, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 기준 공기(예를 들어, 질소 공기) 중에 조사하여 획득되는 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00001
와, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하는 기준 공기 중에 조사하여 획득되는 신호
Figure 112020015668259-pat00002
사이에는, 다음의 수학식 1과 같은 관계식이 성립한다.
[수학식 1]
Figure 112020015668259-pat00003
수학식 1에서 i는 허수 기호, f는 주파수, d는 샘플(10)의 두께, c는 진공 중에서 전자기파의 속도,
Figure 112020015668259-pat00004
는 샘플(10)의 복소 굴절률이다. 여기서, 샘플(10)의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00005
은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020015668259-pat00006
수학식 2에서
Figure 112020015668259-pat00007
는 샘플(10)의 굴절률이고,
Figure 112020015668259-pat00008
는 샘플(10)의 흡수 계수이다.
수학식 1에서
Figure 112020015668259-pat00009
은 샘플(10)의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00010
과 질소 공기의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00011
간 차이를 나타낸다. 여기서, 질소 공기의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00012
은 질소 공기의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00013
과 질소 공기의 흡수 계수
Figure 112020015668259-pat00014
의 합으로 나타낼 수 있으며, 여기서 질소 공기의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00015
은 1이고 질소 공기의 흡수 계수
Figure 112020015668259-pat00016
은 0이므로, 질소 공기의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00017
은 1로 나타낼 수 있다.
그리고 수학식 1에서 T는 질소 공기 중에서 테라헤르츠 신호의 샘플 투과 계수이고, n은 자연수이며, Mk는 질소 공기 중에서 테라헤르츠 신호의 샘플(10) 내 반사 계수이다(예를 들어, k=1인 경우에는 제1 에코 신호의 샘플 내 반사 계수이고, k=2인 경우에는 제2 에코 신호의 샘플 내 반사 계수임).
수학식 1에서
Figure 112020015668259-pat00018
은 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00019
와 신호
Figure 112020015668259-pat00020
사이의 관계를 나타내는 전달 함수라 할 수 있으며, 이하에서는 이를 제1 전달 함수로 지칭할 수 있다.
한편, 도 4에 나타낸 신호들 중, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 획득되는 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00021
와, 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하는 일반 공기 중에 조사하여 획득되는 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00022
사이에는, 다음의 수학식 3과 같은 관계식이 성립한다.
[수학식 3]
Figure 112020015668259-pat00023
수학식 3에서 i는 허수 기호, f는 주파수, d는 샘플(10)의 두께, c는 진공 중에서 전자기파의 속도,
Figure 112020015668259-pat00024
는 샘플(10)의 복소 굴절률,
Figure 112020015668259-pat00025
는 일반 공기의 복소 굴절률이다. 수학식 3에서 샘플(10)의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00026
은 상기 수학식 2에 나타낸 바와 동일하다. 일반 공기의 복소 굴절률
Figure 112020015668259-pat00027
은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020015668259-pat00028
수학식 4에서
Figure 112020015668259-pat00029
는 일반 공기의 굴절률이고,
Figure 112020015668259-pat00030
는 일반 공기의 흡수 계수이다.
그리고 수학식 3에서
Figure 112020015668259-pat00031
은 일반 공기 중에서 테라헤르츠 신호의 샘플 투과 계수이고, n은 자연수이며,
Figure 112020015668259-pat00032
은 일반 공기 중에서 테라헤르츠 신호의 샘플 내 반사 계수이다(예를 들어, k=1인 경우에는 제1 에코 신호의 샘플 내 반사 계수이고, k=2인 경우에는 제2 에코 신호의 샘플 내 반사 계수임).
수학식 3에서
Figure 112020015668259-pat00033
은 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00034
와 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00035
사이의 관계를 나타내는 전달 함수이며, 이하에서는 이를 제2 전달 함수로 지칭하기로 한다.
도 4에 나타낸 신호들 중
Figure 112020015668259-pat00036
은 기준 공기(즉, 건조 공기 또는 질소 공기) 중에 샘플(10)을 배치시킨 뒤, 샘플(10)에 테라헤르츠 신호를 조사하여 획득되는 신호이다. 즉,
Figure 112020015668259-pat00037
은 샘플(10)의 두께 측정 시마다 건조 공기 또는 질소 공기를 조성한 상태에서 획득하여야 하는 신호이기 때문에 번거로움이 초래되고, 신호의 획득 시간 또한 많이 소요된다. 이에 따라, 본 발명에서는
Figure 112020015668259-pat00038
을 직접적으로 획득하는 대신, 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00039
, 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00040
및 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00041
를 획득하여 샘플(10)의 두께를 측정함으로써, 샘플(10)의 두께를 간편하고 시간 절약적으로 측정할 수 있는 방안을 제안한다.
제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00042
, 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00043
및 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00044
를 이용하여 샘플(10)의 두께를 측정하기 위해서는 제1 전달 함수와 제2 전달 함수가 적어도 근사적으로 동일하여야 하며, 이에 따라 이하에서는 제1 전달 함수와 제2 전달 함수가 근사적으로 동일한 것으로 볼 수 있는지에 대해 설명하기로 한다.
우선, 제1 전달 함수에서의 T와 제2 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00045
사이에는, 다음의 수학식 5와 같은 관계식이 성립한다.
[수학식 5]
Figure 112020015668259-pat00046
수학식 5에서
Figure 112020015668259-pat00047
와
Figure 112020015668259-pat00048
는 각각
Figure 112020015668259-pat00049
와
Figure 112020015668259-pat00050
에 비해 무시할 수 있을 정도로 작은 값이기 때문에,
Figure 112020015668259-pat00051
로 근사화시킬 수 있고,
Figure 112020015668259-pat00052
로 근사화시킬 수 있다. 그리고 수학식 5에서
Figure 112020015668259-pat00053
는 1로 근사화시킬 수 있다(실제로
Figure 112020015668259-pat00054
는 약 1.0001의 값을 가짐). 이에 따라, 상기 수학식 5는 다음의 수학식 6과 같이 근사화될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020015668259-pat00055
다음으로, 제1 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00056
와 제2 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00057
사이에는, 다음의 수학식 7과 같은 관계식이 성립한다.
[수학식 7]
Figure 112020015668259-pat00058
수학식 7도 상기 수학식 5에서와 같은 방법으로 근사화시킬 수 있으며, 이 경우 상기 수학식 7은 다음의 수학식 8과 같이 근사화될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020015668259-pat00059
수학식 6에서 알 수 있듯이, 제1 전달 함수에서의 T와 제2 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00060
는 근사적으로 동일한 것으로 볼 수 있으며, 수학식 8에서 알 수 있듯이, 제1 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00061
와 제2 전달 함수에서의
Figure 112020015668259-pat00062
은 근사적으로 동일한 것으로 볼 수 있다. 그리고 수학식 5에 관해 설명한 바와 같이,
Figure 112020015668259-pat00063
는 1로 근사화시킬 수 있다. 따라서, 제1 전달 함수와 제2 전달 함수는 서로 근사적으로 동일한 것으로 볼 수 있으며, 이하에서는 제1 전달 함수와 제2 전달 함수를 모두 H(f)로 나타내기로 한다.
수학식 1을 H(f)를 이용하여 나타내면 다음의 수학식 9와 같다.
[수학식 9]
Figure 112020015668259-pat00064
수학식 3을 H(f)를 이용하여 나타내면 다음의 수학식 10과 같다.
[수학식 10]
Figure 112020015668259-pat00065
그리고 수학식 9 및 수학식 10을 통해 다음의 수학식 11과 같은 관계식을 도출해낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112020015668259-pat00066
수학식 11에서
Figure 112020015668259-pat00067
는 제2 전달 함수 H(f)를 나타내고,
Figure 112020015668259-pat00068
은 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00069
과 제2 전달 함수 H(f)의 곱을 나타낸다. 수학식 11에 의하면, 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00070
과 제2 전달 함수 H(f)의 곱은 테라헤르츠 신호를 샘플(10)이 존재하는 기준 공기 중에 조사하여 획득되는 신호
Figure 112020015668259-pat00071
와 같은 값이 된다는 것을 알 수 있다. 다만, 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00072
과 제2 전달 함수 H(f)의 곱이 엄밀하게는
Figure 112020015668259-pat00073
자체를 가리키는 것은 아니므로, 본 발명에서는
Figure 112020015668259-pat00074
와의 구별을 위하여, 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00075
과 제2 전달 함수 H(f)의 곱을 복구 신호(reconstruction signal)
Figure 112020015668259-pat00076
라 칭하기로 하며, 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00077
를 이용하여 샘플(10)의 두께를 측정한다.
상기 복구 신호를 이용하여 샘플(10)의 두께를 측정하기 위해서, 본 발명에서는 상기 S300 단계 이후에, 제2 기준 신호와 샘플 신호를 이용하여 샘플(10)의 전달 함수를 산출한다(S400). 구체적으로, 신호 처리부(400)는 신호 수신부(300)로부터 획득한 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00078
를, 상기 신호 수신부(300)로부터 획득한 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00079
로 나누어서 샘플(10)의 전달 함수 H(f)를 산출할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 상기 S400 단계 이후에, 제1 기준 신호와 전달 함수를 이용하여 복구 신호를 산출한다(S500). 구체적으로, 신호 처리부(400)는 상기 S100 단계에서 획득한 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00080
과 상기 S400 단계에서 산출한 전달 함수 H(f)를 곱하여 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00081
를 산출할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는 상기 S500 단계 이후에, 상기 복구 신호를 이용하여 샘플(10)의 두께를 결정한다(S600). 구체적으로, 신호 처리부(400)는 상기 S500 단계에서 산출한 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00082
에 포함된 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이를 측정하고, 상기 시간 차이에 기초하여 샘플(10)의 두께를 결정할 수 있다.
도 5(a)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00083
의 예시도이다. 도 5(a)를 참조하면, 샘플(10)이 존재하지 않는 기준 공기 중에 테라헤르츠 신호가 조사될 경우, 신호 처리부(400)에서는 일정 시간 경과 후에 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00084
을 획득하게 됨을 알 수 있다.
도 5(b)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00085
의 예시도이다. 도 5(b)를 참조하면, 샘플(10)이 존재하지 않는 일반 공기 중에 테라헤르츠 신호가 조사될 경우, 신호 처리부(400)에서는 상기 제1 기준 신호를 획득하는 시점과 실질적으로 동일한 시점에서 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00086
를 획득하게 됨을 알 수 있다.
한편, 도 5(c)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하는 기준 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 신호
Figure 112020015668259-pat00087
의 예시도이다. 도 5(c)를 참조하면, 샘플(10)이 존재하는 기준 공기 중에 테라헤르츠 신호가 조사될 경우, 신호 처리부(400)에서는 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 2회 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 펄스 신호(즉, 제1 에코 신호)를 획득하게 됨을 알 수 있다.
이때, 신호 처리부(400)가
Figure 112020015668259-pat00088
을 획득하는 시점은, 신호 처리부(400)가 앞서 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00089
및 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00090
를 획득하는 시점에 비해 다소 지연되는데, 이는 기준 공기에 비해 복소 굴절률이 큰 샘플(10)이 기준 공기 중에 존재하기 때문이다. 다만, 도 5(c)에 나타낸 신호
Figure 112020015668259-pat00091
는 건조 공기 또는 질소 공기 중에서 획득되는 신호이므로, 본 발명에서는 샘플(10)의 두께를 측정함에 있어서
Figure 112020015668259-pat00092
대신 도 5(e)에 나타낸 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00093
를 이용한다.
도 5(d)는 테라헤르츠 신호가 샘플이 존재하는 일반 공기 중에 조사될 경우 신호 처리부에 의해 획득되는 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00094
의 예시도이다. 도 5(d)를 참조하면, 샘플(10)이 존재하는 일반 공기 중에 테라헤르츠 신호가 조사될 경우, 신호 처리부(400)에서는 일정 시간 경과 후에 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00095
를 획득하게 됨을 알 수 있다.
이때, 신호 처리부(400)가 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00096
를 획득하는 시점은, 신호 처리부(400)가 앞서 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00097
및 제2 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00098
를 획득하는 시점에 비해 다소 지연되는데, 이는 일반 공기에 비해 복소 굴절률이 큰 샘플(10)이 일반 공기 중에 존재하기 때문이다. 그리고 도 5(c)에 나타낸 신호
Figure 112020015668259-pat00099
과 달리, 도 5(d)에 나타낸 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00100
에는 메인 신호만이 표시되어 있는데, 이는 샘플 신호
Figure 112020015668259-pat00101
에도 비록 제1 에코 신호는 존재하지만, 제1 에코 신호의 크기가 작아, 일반 공기 중에 존재하는 수분과 같은 극성 분자에 의한 노이즈와 구별이 안되기 때문이다.
도 5(e)는 신호 처리부가 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00102
와 전달 함수 H(f)를 이용하여 산출한 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00103
의 예시도이다. 상기 S500 단계에서 상술한 바와 같이, 신호 처리부(400)는 상기 S100 단계에서 획득한 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00104
과 상기 S400 단계에서 산출한 전달 함수 H(f)를 곱하여 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00105
를 산출할 수 있다.
도 5(e)를 참조하면, 신호 처리부(400)가 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00106
를 산출할 경우, 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00107
에는 도 5(c)의 경우와 마찬가지로, 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 2회 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 펄스 신호(즉, 제1 에코 신호)가 포함되어 있음을 알 수 있다.
이에 따라, 신호 처리부(400)는 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00108
에 포함된 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이를 측정하고, 상기 시간 차이에 기초하여 샘플(10)의 두께를 결정할 수 있다. 여기서, 상기 2개의 펄스 신호들은, 테라헤르츠 신호가 샘플(10) 내에서 반사 없이 상기 샘플(10)을 투과하는 메인 신호와, 테라헤르츠 신호가 샘플(10) 내에서 반사된 후 샘플(10)을 투과하는 에코 신호일 수 있다.
예를 들어 도 5(e)를 참조하여 설명하면, 신호 처리부(400)는 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00109
에 포함된 메인 신호가 최대값을 나타낼 때의 시간 및 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00110
에 포함된 제1 에코 신호가 최대값을 나타낼 때의 시간 사이의 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00111
을 측정하고, 상기 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00112
을 다음의 수학식 12에 대입하여 샘플(10)의 두께를 결정할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112020015668259-pat00113
수학식 12에서 d는 샘플(10)의 두께, c는 진공 중에서 전자기파의 속도,
Figure 112020015668259-pat00114
는 샘플(10)의 굴절률이다.
다만, 신호 처리부(400)가 수학식 12에 의해 샘플(10)의 두께를 결정하기 위해서는, 샘플(10)의 굴절률이 신호 처리부(400)에 미리 저장되어 있어야 한다. 만일, 샘플(10)의 굴절률이 신호 처리부(400)에 미리 저장되어 있지 않을 경우, 신호 처리부(400)는 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00115
및 메인 신호 사이의 시간 차이와, 메인 신호와 에코 신호 사이의 시간 차이를 이용하여 샘플의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00116
를 산출할 수 있다.
예를 들어, 신호 처리부(400)는 제1 기준 신호
Figure 112020015668259-pat00117
이 최대값을 나타낼 때의 시간 및 상기 복구 신호
Figure 112020015668259-pat00118
에 포함된 메인 신호가 최대값을 나타낼 때의 시간 사이의 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00119
를 측정하고, 상기 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00120
를 상기 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00121
와 함께 다음의 수학식 13에 대입하여 샘플(10)의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00122
를 산출할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112020015668259-pat00123
신호 처리부(400)가 수학식 13을 통해 샘플(10)의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00124
를 산출한 이후에는, 산출한 샘플(10)의 굴절률
Figure 112020015668259-pat00125
를 상기 시간 차이
Figure 112020015668259-pat00126
와 함께 수학식 12에 대입하여 샘플(10)의 두께를 결정할 수 있다.
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.
10: 샘플
100: 광원부
200: 테라헤르츠 신호 조사부
300: 신호 수신부
400: 신호 처리부
500: 제어부
600: 사용자 인터페이스
1000: 테라헤르츠 시간 영역 분광 장치

Claims (7)

  1. 테라헤르츠 신호를 샘플이 존재하지 않는 기준 공기 중에 조사하여 제1 기준 신호를 획득하는 단계;
    상기 테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하지 않는 일반 공기 중에 조사하여 제2 기준 신호를 획득하는 단계;
    상기 테라헤르츠 신호를 상기 샘플이 존재하는 일반 공기 중에 조사하여 샘플 신호를 획득하는 단계;
    상기 제2 기준 신호와 상기 샘플 신호를 이용하여 상기 샘플의 전달 함수를 산출하는 단계;
    상기 제1 기준 신호와 상기 전달 함수를 이용하여 복구 신호를 산출하는 단계; 및
    상기 복구 신호를 이용하여 상기 샘플의 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 공기는 건조 공기이거나 질소 공기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플의 전달 함수를 산출하는 단계에서는,
    상기 샘플 신호를 상기 제2 기준 신호로 나누어서 상기 샘플의 전달 함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복구 신호를 산출하는 단계에서는,
    상기 제1 기준 신호와 상기 전달 함수를 곱하여 상기 복구 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플의 두께를 결정하는 단계에서는,
    상기 복구 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이를 측정하고, 상기 2개의 펄스 신호들 사이의 시간 차이에 기초하여 상기 샘플의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복구 신호에 포함된 2개의 펄스 신호들은,
    상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사 없이 상기 샘플을 투과하는 메인 신호와, 상기 테라헤르츠 신호가 상기 샘플 내에서 반사된 후 상기 샘플을 투과하는 에코 신호인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 샘플의 두께를 결정하는 단계에서는,
    상기 제1 기준 신호 및 상기 메인 신호 사이의 시간 차이와, 상기 메인 신호 및 상기 에코 신호 사이의 시간 차이를 이용하여 상기 샘플의 굴절률을 산출하고,
    상기 메인 신호 및 상기 에코 신호 사이의 시간 차이와, 상기 샘플의 굴절률을 이용하여 상기 샘플의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 신호를 이용한 샘플의 두께 측정 방법.
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