KR20150120821A - 고온 광학 분석 장치 및 이를 이용한 광학 분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피분석물의 고온 거동 또는 특성 분석을 위한 고온 광학 분석 장치 및 이를 이용한 광학 분석 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 광학 분석 장치는, 적어도 어느 하나는 투명하고 서로 평행하게 이격 배치되어 에어 갭을 정의하며, 상기 에어 갭 내에 피분석물이 배치되는 평판형 제 1 및 제 2 기판들을 포함하는 고온 챔버; 및 상기 피분석물을 분석하기 위한 광학 분석 장치를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판들 중 적어도 어느 하나는 온도 제어 가능한 발열 기판이다.
Description
본 발명은 광학 분석 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 피분석물의 고온 거동 또는 특성 분석을 위한 고온 광학 분석 장치 및 이를 이용한 광학 분석 방법에 관한 것이다.
피분석물의 고온 거동 또는 특성 분석을 위한 고온 이미징 가열로는 제품 개발 또는 특성 분석을 위해 중대한 역할을 할 수 있다. 일반적인 고온 가열로는 구형 또는 직육면체 내부 가열 공간을 제공하는 챔버와 상기 내부 가열 공간에 피분석물을 적재하고 챔버의 외부에서 관찰할 수 있도록 하는 챔버 하우징에 설치된 윈도우를 갖는다.
이러한 종래의 고온 가열로는 그 크기의 변경과 균일한 가열 영역을 형성하기 위한 디자인이 매우 어려울 뿐만 아니라, 가열 부재 자체가 내부 가열 공간에 대해 불균일하게 배치되거나 불연속적 가열원이어서 입체적 형상의 내부 가열 공간 내에서 균일한 가열 영역을 형성하기 위해서는 장시간이 소요되거나 균일한 가열 영역을 형성하는 것이 불가능하기도 하다. 또한, 종래의 고온 가열로에 위치한 윈도우는 고정된 것이어서, 피분석물을 다각도에서 인시츄로 관찰을 하는 것을 어렵게 하여 정확한 분석 결과를 얻는데 실패하는 요인이 되기도 한다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 피분석물의 고온 거동 또는 특성 분석을 위해 피분석물의 크기에 따라 고온 챔버의 크기 조절이 용이하고, 균일한 가열 영역을 확보할 수 있으며, 다각도에서 인시츄로 피분석물의 고온 거동 또는 특성 분석을 위한 광학적 관찰을 할 수 있는 인시츄 고온 광학 분석 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 인시츄 고온 광학 분석 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인시츄 고온 광학 분석 장치는, 적어도 어느 하나는 투명하고 서로 평행하게 이격 배치되어 에어 갭을 정의하며, 상기 에어 갭 내에 피분석물이 배치되는 평판형 제 1 및 제 2 기판들을 포함하는 고온 챔버; 및 상기 피분석물을 분석하기 위한 광학 분석 장치를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 기판들 중 적어도 어느 하나는 온도 제어 가능한 발열 기판을 포함한다.
상기 광학 분석 장치는 상기 제 1 및 제 2 기판들 중 투명한 기판의 상부에 배치되어 상기 투명한 기판을 경과하여, 상기 에어 갭 내의 상기 피분석물로부터 광학적 정보를 획득한다. 상기 에어 갭을 사이에 두고 상기 광학 분석 장치에 대향하는 분석 광원을 더 포함한다. 상기 광학 분석 장치는 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이의 상기 에어 갭을 통해 상기 피분석물로부터 광학적 정보를 획득한다.
일 실시예에서 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이의 이격 거리를 조절하기 위해 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이에 샌드위치된 지지 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 지지 스페이서는 도전 부재를 포함하며, 상기 도전 부재에 의해 상기 발열 기판에 전력 공급이 될 수 있다.
상기 발열 기판은, 기저 기판; 및 상기 기저 기판 상에 형성된 투명 면상 발열층을 포함한다. 상기 투명 면상 발열층의 표면 저항은 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위 내일 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 투명 면상 발명층 상에 절연층, 베리어층, 실링층, 및 방습층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 투명 면상 발열층은 도전성 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 도전성 금속 산화물은, 불소 도핑된 주석 산화물(SnO2)을 포함한다. 상기 에어 갭에 산화성, 환원성 또는 비활성 가스가 흐름 가능하다.
상기 광학 분석 장치는 적외선, 가시광선, 또는 자외선 센서를 포함할 수 있다. 상기 인시츄 고온 광학 분석 장치는 소자의 열 안정성, 열 변형, 점성 유동, 웨팅, 결함, 크랙 또는 표면 변화를 분석하기 위한 것이다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인시츄 고온 광학 분석 방법은, 일정한 두께의 에어 갭을 갖도록 서로 평행하게 이격 배치되고 적어도 어느 하나는 투명한 평판형 제 1 및 제 2 기판들을 포함하는 고온 챔버 제공하는 단계; 상기 에어 갭 내에 피분석물을 배치하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 기판들 중 적어도 어느 하나를 발열시켜, 상기 에어 갭 내에 소정 시험 온도를 갖는 가열 영역을 형성하여 상기 피분석물을 가열시키는 단계; 및 상기 피분석물의 고온 거동 또는 특성에 기초한 광학적 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 인시츄 고온 광학 분석 장치는 소자의 열 안정성, 열 변형, 점성 유동, 웨팅, 결함, 크랙 또는 표면 변화를 분석하기 위한 것이다. 상기 발열 기판은, 기저 기판; 및 상기 기저 기판 상에 형성된 투명 면상 발열층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 고온 광학 분석 장치는, 실시간 온도 조절이 용이한 투명 발열 기판을 이용하여 2차원적으로 확장된 샌드위치 구조의 고온 챔버를 제공함으로써, 에어 갭 내에 균일한 가열 영역을 확보하여 신뢰성 있는 인시츄 고온 광학 분석을 수행할 수 있다. 또한, 상기 고온 챔버의 기판들 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있기 때문에 피분석물의 크기에 따른 고온 챔버의 용량 조절이 용이하다. 또한, 상기 고온 챔버의 기판 자체가 윈도우가 되어 다각도에서 피분석물의 고온 거동 및 특성을 실시간으로 분석하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 실시 태양에 따르면, 투명 발열 기판을 이용한 샌드위치 구조의 고온 챔버에 의해 피분석물의 신뢰성 있는 고온 거동 및 특성을 실시간으로 분석할 수 있는 인시츄 고온 광학 분석 방법에 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 챔버의 사시도이며, 도 1b는 고온 챔버를 포함한 고온 광학 분석 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 기판을 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인시츄 고온 광학 분석 장치의 각 온도에 따른 균일 가열 영역의 직경 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 기판을 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인시츄 고온 광학 분석 장치의 각 온도에 따른 균일 가열 영역의 직경 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명은 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되는 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 층 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 층 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 층 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 투명하다는 것은 적외선 대역, 가시광선 대역, 및 자외선 대역 중 어느 하나 또는 2 이상의 영역에 대하여, 해당 대역의 광학적 분석이 적합한 정도의 투과율을 갖는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 투명하다는 것은 100 %의 투과율이나 가시광선 대역에만 한정된 투과율을 갖는 것에 한정되는 것이 아니고, 특별히 제한적으로 표현되지 않는 이상 전술한 정의에 따라 해석되어야 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 챔버(100A)의 사시도이며, 도 1b는 고온 챔버(100A)를 포함한 고온 광학 분석 장치(1000)를 도시한다.
도 1a를 참조하면, 고온 챔버(100A)는 에어 갭(AG)을 정의하도록 서로 평행하게 이격 배치된 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)을 포함한다. 에어 갭(AG) 내에 피분석물(도 1b의 SP 참조)이 배치된다. 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)은 2차원적으로 확장된 면을 갖는 평판이다. 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)은 폭 W1 및 W2를 갖는 사각 평판일 수 있다.
도시된 실시예에서는 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)이 사각 평판이지만, 이들 기판은 원형, 타원, 또는 다각형 평판일 수 있다. 또한, 이들 기판들의 가장 자리는 다른 금속 또는 고온 폴리머 부재에 의해 마감되거나 이에 의해 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)이 지지될 수도 있다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)의 이격 거리(H)는 일정한 높이를 갖는 균일 가열 영역(도 1b의 HZ 참조)을 제공한다. 이격 거리(H)는 예를 들면 30 mm 내지 200 mm의 범위 내일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B) 중 적어도 어느 하나는 투명할 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판(10A)이 투명하고, 제 2 기판(10B)은 불투명할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B)은 모두 투명할 수 있다. 제 1 기판(10A)과 제 2 기판들(10B) 중 적어도 어느 하나는 온도 제어 가능한 발열 기판이다. 상기 발열 기판은 에어 갭(AG) 내에 가열 영역을 형성한다. 이 경우, 상기 가열 영역은 평판형 발열 기판에 의해 중심(CP)을 기준으로 2차원적으로 넓게 확장되어 쉽게 인식 가능한 영역에 위치할 수 있으며, 에어 갭(AG) 내에 소정의 폭(도 1b의 L 참조)과 높이 H를 갖는 균일한 가열 공간(HZ)을 형성할 수 있다.
제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B)이 모두 상기 발열 기판인 경우, X-Y 방향의 2차원적으로뿐만 아니라 Z 방향으로도 가열 균일성을 확보하기 쉬우며, 에어 갭(AG) 내에서 균일한 가열 공간(HZ)의 부피는 더욱 증가되고, 그에 따라 크기가 큰 피분석물도 분석될 수 있다. 또한, 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B)이 모두 상기 발열 기판인 경우 가열 공간(HZ)의 승온 시간이 더 단축될 수 있다.
제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B) 사이의 이격 거리(H)는 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B)에 사이에 샌드위치된 지지 스페이서(20)에 의해 결정된다. 지지 스페이서(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이 사각 필라(pillar) 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 원, 타원, 육각형과 같은 다른 단면 형상의 필라 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 지지 스페이서(20)는 기판(10A, 10B)의 중심(CP)으로부터 일정한 각도로 균분 배치될 수 있다. 도 1a에서는, 기판(10A, 10B)은 사각형이고, 기판(10A, 10B)의 각 코너부에 4 개의 지지 스페이서(20)가 90°간격으로 배치된 것을 예시한다. 이 경우, 에어 갭(AG)은 필라 형상의 지지 스페이서(20) 사이로 노출되어 4 개의 노출 포트를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 지지 스페이서(20)는 전극으로서의 응용이 가능하도록 도전 패드 및/또는 배선과 같은 도전 부재를 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 도전 부재는 기판(10A, 10B)의 전극(도 32의 10_3 참조)과 접촉을 통해 전기적으로 연결되어 배선 구조의 일부가 된다. 기판(10A, 10B)의 상기 전극과 지지 스페이서(20)의 전기적 연결은 비제한적인 예로서 도전성 페이스트에 의한 바인딩 및/또는 나사 결합과 같은 기계적 결합에 의해 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 지지 스페이서(20)는 알루미늄 또는 구리와 같이 그 자체가 도전체일 수 있다. 이 경우, 지지 스페이서(20)는, 지지 구조로서뿐만 아니라 기판(10A, 10B)을 발열시키기 위한 전극으로서 기능할 수도 있다.
일부 실시예에서, 지지 스페이서(20)는 길이의 가변이 가능한 적합한 구조를 더 포함할 수도 있다. 예를 들면, 지지 스페이서(20)는 Z 축 방향으로 직렬 결속된 2 개 이상의 편들로 구성될 수 있다. 상기 편들은 나사 결합되어 이들 사이의 상대 회전에 의해 상기 축 방향으로 길이가 가변될 수 있다. 이와 같이, 지지 스페이서(20)의 길이가 가변적인 경우 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B) 사이의 이격 거리(H)는 적절히 조절될 수 있으며, 이격 거리(H)를 가열 온도에 따라 적합하게 선택하여 균일 가열 영역(HZ)을 확보할 수 있다. 상기 길이 가변이 가능한 지지 스페이서는 아코디언 구조 및 자바라 구조와 같은 여하의 다른 적합한 가변적 구조에 의해 달성될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1b는 기판(10A, 10B)의 중심(CP)를 포함하여 Y 방향으로 절취된 고온 챔버(100)의 단면 형상을 도시한다. 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B) 사이의 에어 갭(AG) 내에 피분석물(SP)이 탑재된다. 피분석물(SP)은 별도의 용기를 사용하여 그 내부에 저장되는 액상 또는 고상의 물질일 수 있으며, 생물학적 또는 비생물학적 물질에 한정되지 않고, 에어 갭(AG) 내에서 확산되는 기체 그 자체일 수도 있다.
피분석물(SP)을 담기 위한 용기(SB)는 열전도성이 양호한 알루미늄 질화물, 또는 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 또는 황동과 같은 금속으로 이루어진 보트일 수 있다. 후술하는 발열층이 에어 갭(AG)에 노출된 경우에는 저항에 영향을 줄 수 있으므로 알루미늄 질화물과 같은 절연성 세라믹계 재료가 바람직하다. 용기(SB)는 단순한 플레이트이거나 여하의 오목한 수용 가능한 영역을 갖는 그릇 형상을 가질 수 있으며, 본 발명이 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
에어 갭(AG) 내에 정의되는 균일 가열 영역(HZ)의 길이(L)는 발열 기판(10A, 10B)의 온도와 이격 거리(H)에 종속될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, X-Y 방향으로 2차원적으로 확장된 발열 기판(10A, 10B)에 의해 복잡한 대류 또는 열풍에 의한 열 전달 기구 없이도, 에어 갭(AG) 내에서 기판(10A, 10B)의 주면에 평행하게 2차원적으로 확장되고 상기 주면에 수직한 방향으로 균일하게 열을 복사하는 발열 기판(10A, 10B)에 의해 내부 공간이 가열되기 때문에, 중심(CP)을 포함하여 직경 L과 높이 H를 갖는 균일한 가열 영역(HZ)이 제공될 수 있다.
에어 갭(AG)의 4 개의 노출 포트들 중 적어도 어느 하나를 통하여 산소 또는 오존과 같은 산화성 가스, 수소 또는 질소와 같은 환원성 가스 또는 아르곤 또는 헬륨과 같은 비활성 가스가 공급될 수 있다. 화살표 A는 이러한 가스의 흐름 방향을 예시한다. 상기 가스의 흐름에 의해 균일 가열 영역(HZ) 내에 소정 분위기 형성될 수 있으며, 상기 가스의 흐름에 의해 분석 후 피분석물(SP)의 냉각이 가능하다. 에어 갭(AG)의 일 노츨 포트에 상기 가스의 공급을 위한 노즐과 같은 인렛이 결합될 수 있다. 에어 갭(AG)의 타측에는 상기 가스의 방출을 위한 아웃렛이 결합될 수도 있다.
피분석물(SP)의 고온 거동 또는 특성 분석을 광학적으로 분석하기 위하여, 광학 분석 장치(200_1)가 제공된다. 광학 분석 장치(200_1)는 당해 기술 분야에 잘 알려진 분광 분석 장치, 현미경 장치, 파티클 농도 측정 장치 또는 이의 조합일 수 있다. 예를 들면, 광학 분석 장치(200_1)는 상기 현미경 장치와 이에 결합된 적외선, 가시광선 또는 자외선 센서를 포함하는 고체촬상장치를 포함할 수 있다.
광학 분석 장치(200_1)는, 기판들 중 투명한 기판, 도 1b에서는 제 1 기판(10A)의 상부에 배치되어, 화살표 B와 같이 제 1 기판(10A)을 경과하여 피분석물(SP)로부터 광학적 정보, 예를 들면, 확대 이미지 또는 분광 스펙트럼을 획득한다. 광학 분석 장치(200_1)는 다각도에서 분석가능하도록 광학계의 위치 변위를 가능하게 하는 적합한 지지 기구 및 핸들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 기판(10A) 전체가 윈도우가 되어 다각도에서 피분석물(SP)의 고온 거동 또는 특성 분석을 위한 광학적 관찰을 할 수 있다. 투명한 기판(10A)의 상부에 광학 분석 장치(200_1)가 배치되는 경우, 광학 분석 장치(200_1)는 에어 갭(AG) 내부와 격리되고, 에어 갭(AG) 내의 100 ℃ 이상의 고온 분석이나 유해 분위기로부터 보호될 수 있다. 도시하지는 아니하였으나, 제 2 기판(10B)은 광학 분석 장치(200_1)의 스테이지 상에 탑재되거나, 상기 스테이지 자체일 수도 있다.
다른 실시예에서, 광학 분석 장치(200_1)는 제 2 기판(10B)의 하부에 배치될 수도 있을 것이다. 또 다른 실시예에서는, 에어 갭(AG)을 통하여 피분석물(SP)로부터 직접 광학 정보를 획득하기 위하여 광학 분석 장치(200_1)는 에어 갭(AG)의 노출된 포트에 배치될 수도 있을 것이다. 이에 관하여는, 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
일부 실시예에서는, 에어 갭(AG)을 사이에 두고 광학 분석 장치(200_1)에 대향하는 분석 광원(200_2)이 더 제공될 수 있다. 제 1 기판(10A)의 외부에 광학 분석 장치(200_1)가 배치되는 경우 제 2 기판(10B)의 외부에 광원(200_2)이 배치될 수 있다. 광원(200_2)은 발광 다이오드, 형광 램프 또는 백열 램프를 포함할 수 있으며, 발광 대역은 자외선 대역부터 적외선 대역까지의 일부 또는 전부의 대역을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 분석 장치(200_1)의 제어 및 광학 분석 장치(200_1)로부터 획득된 광학 정보의 수신을 위해 제어부(300)가 유무선 신호 라인(CL1)을 통하여 결합될 수도 있다. 제어부(300)는 마이크로프로세서와 신호의 입출력 단자, 모니터와 같은 표시 장치, 및 처리된 결과의 저장을 위한 스토리지를 갖는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 전력 선(PL)을 통하여 발열하는 제 1 또는 제 2 기판(10A, 10B)과 전원(30)이 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 전원(30)은 유·무선 신호 라인(CL2)을 통하여 제어부(300)에 연결되고, 제어부(300)에 의해 피분석물(SP)의 분석 동안 제 1 및 제 2 기판(10A, 10B)의 발열 온도가 조절될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 챔버(100B)의 사시도이다. 도 2의 구성 요소들 중 전술한 구성 요소들과 동일한 참조 부호를 갖는 구성 요소들에 관하여는 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.
도 2를 참조하면, 고온 챔버(100B)는 제 1 및 제 2 기판들(10A, 10B), 이들 기판들 사이를 이격시키기 위한 지지 스페이서(20')를 포함할 수 있다. 지지 스페이서(20')는 도 1a에 도시된 필라 형상의 지지 스페이서(20')와 달리 Y 방향으로 연장된 평판 형상일 수 있으며, 이에 의해 고온 챔버(100B)는 Y 방향으로 서로 대향하는 2 개의 노출 포트를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 지지 스페이서(20')는 발열 기판(10A, 10B)과 접촉하여 전력을 공급하기 위한 전극일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 스페이서(20')가 기판들(10A, 10B)에 대하여 Y 방향으로 연장되어 서로 대향하는 경우, 기판들(10A, 10B) 중 어느 하나 또는 이들 모두가 발열 기판인 경우, 상기 발열 기판에 대하여 균일한 전력 전달이 가능하여, 신뢰성을 갖는 균일 가열 영역(HZ)을 확보할 수 있을 것이다.
도 1b를 참조하여 전술한 바와 같이, 피분석물(SP)의 고온 거동 또는 특성을 광학적으로 분석하기 위하여, 광학 분석 장치(200_1)가 제공될 수 있다. 광학 분석 장치(200_1)는 분광 분석 장치, 현미경 장치, 파티클 농도 측정 장치 또는 이의 조합일 수 있다. 또한, 광학 분석 장치(200_1)는 상기 현미경 장치와 이에 결합된 적외선, 가시광선 또는 자외선 센서를 갖는 고체촬상장치를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 광학 분석 장치는, 기판들 중 투명한 기판, 도 1b에서는 제 1 기판(10A)의 상부에 배치되어, 화살표 B와 같이 제 1 기판(10A)을 경과하여 피분석물(SP)로부터 광학적 정보, 예를 들면, 확대 이미지 또는 분광 스펙트럼을 획득한다. 광학 분석 장치(200_1)는 다각도에서 분석가능하도록 위치 변위가 가능한 지지 기구 및 핸들을 포함할 수 있다.
상기 광학 분석 장치는 화살표 B1으로 나타낸 바와 같이 제 1 기판(10A)의 상부에 배치되어 제 1 기판(10A)을 통하여 피분석물로부터 광학 정보를 획득할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 광학 분석 장치는 제 2 기판(10B)의 하부에 배치될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 광학 분석 장치는 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B) 사이의 에어 갭(AG)을 통하여 피분석물(SP)로부터 직접 광학 정보를 획득하기 위하여, 상기 광학 분석 장치는 화살표 B2로 나타낸 바와 같이 에어 갭(AG)의 노출된 포트에 배치될 수도 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B) 중 적어도 어느 하나에 의해 균일한 복사를 통해 가열 영역이 형성되기 때문에, 균일 가열 영역이 확대될 수 있을 뿐만 아니라, 제 1 기판(10A)과 제 2 기판(10B)을 통해서도 광학 관찰이 가능하여 실질적으로 관측 위치에 제한이 없는 고온 챔버(100B)가 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 기판(10)을 도시하는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 발열 기판(10)은 기저 기판(10_1), 및 기저 기판(10_1) 상의 투명 면상 발열층(10_2)을 포함한다. 투명 면상 발열층(10_2)은 주울 히팅이 가능한 저항막이다. 투명 면상 발열층(10_2)이 에어 갭(AG)을 향하도록 발열 기판(10)이 배치될 수 있다.
투명 면상 발열층(10_2) 상에는 에어 갭(AG)의 환경에 노출되어 투명 면상 발열층(10_2)이 열화되는 것을 방지하기 위한 보호층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 상기 보호층은 절연층, 베리어층, 실링층, 및 방습층 중 적어도 어느 하나 또는 2 이상의 적층 구조일 수 있다. 발열층(10_2)은 열용량이 작기 때문에, 에어 갭 내에 신속하게 균일 가열 영역을 형성한다.
기저 기판(10_1)은 절연체이며, 유리, 세라믹, 고분자계 재료를 포함할 수 있다. 상기 유리는 바람직하게는 고온 운영이 가능한 결정화 유리일 수 있다. 세라믹은 석영, 알루미늄 산화물, 칼슘 불화물, 또는 이트륨 산화물일 수 있다. 고분자계 재료는 고온 운영에 적합하지는 않지만, 고분자 중에 내열성이 우수한 폴리이미드와 같은 열 경화성 수지가 적용될 수 있다.
투명 면상 발열층(10_2)은 100 ℃ 내지 600 ℃의 범위의 발열이 가능한 저항막이다. 표면 저항은 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위 내일 수 있다. 투명 면상 발열층(10_2)은 도전성 금속 산화물 재료일 수 있다. 이들 재료는 기저 기판(10_1) 상에 적합한 전구체를 이용해 분무열분해증착 (spray pyrolysis deposition), 화학적기상증착(CVD) 또는 원자층기상증착(ALD)되거나, 스퍼터링 또는 열증착과 같은 물리적기상증착에 의해 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 이들 재료의 나노 입자들의 분산 용액을 이용한 스프레이 코팅 또는 습식 코팅에 의해서도 투명 면상 발열층(10_2)이 제공될 수 있다.
상기 도전성 금속 산화물은, 예를 들면, 인듐 산화물(InO2), 주석 산화물(SnO2), 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 아연 산화물(ZnO)을 포함할 수 있다. 투명 면상 발열층(10_2)에는 주된 매트릭스를 형성하는 구성 재료 이외에 붕소(B), 불소(F) 또는 염소(Cl)와 같은 비금속, 또는 알루미늄(Al), 또는 마그네슘(Mg)과 같은 금속 또는 실리콘(Si)과 같은 준금속이 도핑될 수도 있다.
바람직하게는, 투명 면상 발열층(10_2)은 본 출원인의 한국 특허 제10-1,337,967호에 개시된 저저항 고투과율을 갖는 불소가 도핑된 주석 산화물(FTO)을 포함할 수 있다. 상기 FTO 막은 상압 CVD 또는 스프레이 파이로졸법에 의해 고품질의 발열층을 얻을 수 있고, 가시광선 대역에서 80% 이상의 투과율을 가지며, 약 600 ℃ 까지 안정적인 가열이 가능하다. 이러한 FTO의 고열 가열 특성은, 종래의 그래핀, 탄소 나노튜브 또는 탄소 섬유를 이용한 탄소계 가열체에서는 얻어질 수 없으며, 상기 FTO는 열 질량이 작아 5 ℃ /min 의 저속 승온시뿐만 아니라 30 ℃/min 의 고속 승온시에도 안정된 가열 특성을 유지할 수 있다. 또한, 상기 FTO는 환원성 분위기는 물론 산화성 분위기에서도 안정하기 때문에, 상기 FTO를 이용하면 종래의 탄소계 가열체가 구현할 수 없는 다양한 반응성 분위기가 구현될 수 있는 인시츄 고온 광학 분석 장치가 제공될 수 있다.
투명 면상 발열층(10_2) 상에는 전극 패턴(10_3)이 형성된다. 전극 패턴(10_3)은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 필름이나 도전성 산화물 또는 질화물과 같은 복합 재료일 수 있다. 전극 패턴(10_3)은 기저 기판(10_1)과 투명 면상 발열층(10_2)의 사이에 형성될 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 전극 패턴(10_3)을 통하여 전력(P)이 공급되면, 투명 면상 발열층(10_2)을 통하여 전류가 흐르게 되어 저항열이 투명 면상 발열층(10_2)의 전면적에 걸쳐 발생하게 된다. 다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 지지 스페이서(20')가 판형 도전체인 경우에는, 전극 패턴(10_3)이 생략되더라도, 지지 스페이서(20')가 투명 면상 발열층(10_2)에 접촉함으로써 가열 챔버의 전극으로서 기능하게 된다. 일부 실시예에서는 지지 스페이서(20')와 투명 면상 발열층(10_2) 사이에 알루미늄 또는 은 도전성 페이스트를 적용하여 이들 사이에 견고한 도전성 접촉을 제공할 수도 있다.
전술한 실시예에 따른 고온 광학 분석 장치는 실시간 온도 조절이 용이한 투명 면상 발열층에 의해 2차원적으로 확장되고 균일한 가열 영역을 갖는 샌드위치 구조의 고온 챔버를 제공하여 다양한 관측 위치에서 피분석물을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 상기 피분석물의 고온 거동 및 특성을 실시간으로 분석하는 것이 가능하다. 이러한 고온 광학 분석 장치는 다층 세라믹 캐패시터(MLCC)와 같은 콘덴서 또는 저항과 같은 전자 소자의 열 안정성, 물질이나 구조의 열 변형, 프릿(frit) 또는 고분자 재료의 고온 점성 유동(frit 유리원료), 또는 솔더볼의 웨팅 개선 및 보이드와 같은 결함 분석, 웨이퍼의 표면 변화, 크랙, 또는 결함의 인시츄 고온 분석에 응용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (17)
- 적어도 어느 하나는 투명하고 서로 평행하게 이격 배치되어 에어 갭을 정의하며, 상기 에어 갭 내에 피분석물이 배치되는 평판형 제 1 및 제 2 기판들을 포함하는 고온 챔버; 및
상기 피분석물을 분석하기 위한 광학 분석 장치를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 기판들 중 적어도 어느 하나는 온도 제어 가능한 발열 기판인 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 분석 장치는 상기 제 1 및 제 2 기판들 중 투명한 기판의 상부에 배치되어 상기 투명한 기판을 경과하여, 상기 에어 갭 내의 상기 피분석물로부터 광학적 정보를 획득하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 에어 갭을 사이에 두고 상기 광학 분석 장치에 대향하는 분석 광원을 더 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 분석 장치는 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이의 상기 에어 갭을 통해 상기 피분석물로부터 광학적 정보를 획득하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 기판들 사이의 이격 거리를 조절하기 위해 상기 제 1 및 제 2 기판들 사이에 샌드위치된 지지 스페이서를 더 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 스페이서는 도전 부재를 포함하며,
상기 도전 부재에 의해 상기 발열 기판에 전력 공급이 되는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 발열 기판은, 기저 기판; 및 상기 기저 기판 상에 형성된 투명 면상 발열층을 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 투명 면상 발열층의 표면 저항은 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위 내인 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 투명 면상 발명층 상에 절연층, 베리어층, 실링층, 및 방습층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 투명 면상 발열층은 도전성 금속 산화물을 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 도전성 금속 산화물은, 불소 도핑된 주석 산화물(SnO2)을 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 에어 갭에 산화성, 환원성 또는 비활성 가스가 흐름 가능한 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 분석 장치는 적외선, 가시광선, 또는 자외선 센서를 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 인시츄 고온 광학 분석 장치는 소자의 열 안정성, 열 변형, 점성 유동, 웨팅, 결함, 크랙 또는 표면 변화를 분석하기 위한 인시츄 고온 광학 분석 장치. - 일정한 두께의 에어 갭을 갖도록 서로 평행하게 이격 배치되고 적어도 어느 하나는 투명한 평판형 제 1 및 제 2 기판들을 포함하는 고온 챔버 제공하는 단계;
상기 에어 갭 내에 피분석물을 배치하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 기판들 중 적어도 어느 하나를 발열시켜, 상기 에어 갭 내에 소정 시험 온도를 갖는 가열 영역을 형성하여 상기 피분석물을 가열시키는 단계; 및
상기 피분석물의 고온 거동 또는 특성에 기초한 광학적 정보를 획득하는 단계를 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 인시츄 고온 광학 분석 장치는 소자의 열 안정성, 열 변형, 점성 유동, 웨팅, 결함, 크랙 또는 표면 변화를 분석하기 위한 인시츄 고온 광학 분석 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 발열 기판은, 기저 기판; 및 상기 기저 기판 상에 형성된 투명 면상 발열층을 포함하는 인시츄 고온 광학 분석 방법.
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