KR20230065658A - 전반사를 발생시키는 광학모듈을 포함하는 광유도력 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼록렌즈, 미러, 프리즘과 같은 광학 부품을 이용하여 종단에서 광을 집속시키면서 전반사를 일으키게 함으로써 시료에 대해 광유도력을 발생시키고 이를 측정하는 광유도력 현미경에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광유도력 현미경은, 시료의 표면을 따라 탐침이 추종될 수 있도록 구성되는 스캐닝 프로브 장치 및 상기 시료의 특정 위치에 변조된 광을 조사할 수 있도록 구성되는 광원을 포함한다. 상기 광유도력 현미경은, 상기 광원으로부터의 광은 볼록렌즈를 통과하여, 제1 미러와 제2 미러에 순차적으로 반사되어 프리즘의 한면을 통과한 후 다른 한면에 대해 전반사를 발생시키도록, 상기 볼록렌즈, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘이 배치되며, 전반사가 일어나는 상기 프리즘의 다른 한면의 외측으로는 유체가 위치하며, 상기 유체 속에 상기 탐침이 위치한다.
본 발명에 따르면, 원하는 위치에 광을 집속시켜 간편하게 광유도력을 발생시킬 수 있고, 물과 같은 액체 내에 탐침을 배치하여 시료의 특성을 측정하는 등 특수한 환경에서의 측정이 가능하다.

Description

전반사를 발생시키는 광학모듈을 포함하는 광유도력 현미경{PHOTO-INDUCED FORCE MICROCSCOPE HAVING OPTICS MODULE CAUSING TOTAL REFLECTION}

본 발명은 광유도력 현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 볼록렌즈, 미러, 프리즘과 같은 광학 부품을 이용하여 종단에서 광을 집속시키면서 전반사를 일으키게 함으로써 시료에 대해 광유도력을 발생시키고 이를 측정하는 광유도력 현미경에 관한 것이다.

백금과 같은 금속으로 코팅된 탐침과 시료 사이에 레이저를 쏘면 근접장이라는 강한 빛이 형성되고, 이 빛에 의해 미세한 힘이 탐침에 발생하게 되는데, 이 힘을 통해 시료의 특성을 측정하는 장치가 광유도력 현미경 (PiFM; Photo-induced Force Microscope) 이다.

이러한 광유도력 현미경은 탐침을 사용하여 시료의 특성을 측정하는데 일반적인 원자현미경 (AFM; Atomic Force Microscope) 을 기반으로 제작될 수 있다. 즉, 광유도력 현미경으로서 원자현미경은 나노 스케일의 분광학 (spectroscopy) 영역까지 확장될 수 있다.

광유도력 현미경은 레이저에 의한 시료의 국부 분극 (local polarization) 에 의해 야기되는 탐침과 시료 사이의 고도로 국부적인 힘을 측정한다. 이러한 광유도력 (photo-induced force) 를 측정하기 위해서 원자현미경의 비접촉 모드 (noncontact mode) 혹은 탭핑 모드 (tapping mode) 를 활용하는데, 탐침이 시료의 표면을 추종하기 위한 진동 모드와 광유도력을 측정하기 위한 진동 모드를 설정하고, 이 두가지 진동 모드를 활용하여 두가지 힘을 독립적으로 측정한다.

도 1은 일반적인 광유도력 현미경의 구성을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 일반적인 광유도력 현미경 (100) 은, 스캐닝 프로브 장치 (110) 를 포함한다. 스캐닝 프로브 장치 (110) 는 탐침 (11) 이 달린 캔틸레버 (12) 의 진동 또는 휨을 측정할 수 있는 광학 시스템을 가지며, 이 광학 시스템은 레이저 발생 유닛 (111) 과 디텍터 (detector, 112) 를 포함한다.

레이저 발생 유닛 (111) 에서는 레이저 광을 캔틸레버 (12) 의 표면에 조사하고, 캔틸레버 (12) 의 표면으로부터 반사된 레이저 광은 PSPD (Position Sensitive Photo Detector) 와 같은 2축의 디텍터 (112) 에 맺힌다. 이러한 디텍터 (112) 에서 검출되는 신호는 제어를 위해 컨트롤러로 보내진다.

또한, 광유도력 현미경 (100) 은 시료 (1) 에 변조된 광을 조사하는 광원 (120) 을 포함한다. 광원 (120) 으로부터의 광은 파라볼릭 미러 (121) 를 거쳐 시료 (1) 에 입사된다.

그러나, 파라볼릭 미러 (121) 를 활용하는 기존의 광 경로 형성 방식은 원하는 위치에 광을 집속시키기가 어렵고, 탐침 (11) 을 물과 같은 유체에 침지시켜 측정을 하는 특정 측정 모드에서는 적용하기 어려운 단점을 가진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 볼록렌즈, 미러, 프리즘과 같은 광학 부품을 이용하여 종단에서 광을 집속시키면서 전반사를 일으키게 함으로써 시료에 대해 광유도력을 발생시키고 이를 측정하는 광유도력 현미경을 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광유도력 현미경은, 시료의 표면을 따라 탐침이 추종될 수 있도록 구성되는 스캐닝 프로브 장치 및 상기 시료의 특정 위치에 변조된 광을 조사할 수 있도록 구성되는 광원을 포함한다. 상기 광유도력 현미경은, 상기 광원으로부터의 광은 볼록렌즈를 통과하여, 제1 미러와 제2 미러에 순차적으로 반사되어 프리즘의 한면을 통과한 후 다른 한면에 대해 전반사를 발생시키도록, 상기 볼록렌즈, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘이 배치되며, 전반사가 일어나는 상기 프리즘의 다른 한면의 외측으로는 유체가 위치하며, 상기 유체 속에 상기 탐침이 위치한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 프리즘은 직각 프리즘으로 이루어지며, 길이가 같은 제1 광학면과 제2 광학면을 가지고 제1 광학면과 제2 광학면보다 긴 제3 광학면을 가지고, 상기 프리즘의 한면은 상기 제3 광학면이고, 상기 프리즘의 다른 한면은 상기 제1 광학면이도록, 상기 프리즘이 배치된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘은 하우징에 고정되며, 상기 볼록렌즈는 상기 광의 광경로 상에서 이동 가능하게 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 하우징은 속이 비고 길게 형성되며, 상기 하우징 내부에 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘이 고정되고, 상기 볼록렌즈를 통과한 광은 상기 하우징의 길이 방향과 대략 평행하게 상기 하우징 내부로 입사되고, 상기 제2 미러는 상기 하우징의 길이 방향에 대해 대략 평행한 반사면을 가지도록 배치된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 미러의 반사면과 상기 제3 광학면이 이루는 각도가 45°를 이루도록 상기 프리즘이 배치된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 프리즘은 상기 유체보다 굴절률이 높다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 볼록렌즈와 상기 프리즘은 셀레늄화아연 (ZnSe) 으로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 원하는 위치에 광을 집속시켜 간편하게 광유도력을 발생시킬 수 있고, 물과 같은 액체 내에 탐침을 배치하여 시료의 특성을 측정하는 등 특수한 환경에서의 측정이 가능하다.

도 1은 일반적인 광유도력 현미경의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학모듈을 포함하는 광유도력 현미경의 개략적인 측단면도를 도시한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 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.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 아울러, 제1 코팅 후 제2 코팅을 행한다 기재하였더라도, 그 반대의 순서로 코팅을 행하는 것도 본 발명의 기술적 사상 내에 포함되는 것은 물론이다.

본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학모듈을 포함하는 광유도력 현미경의 개략적인 측단면도를 도시한다.

도 2를 참조하면, 광학모듈 (200) 은 제1 모듈 (210) 과 제2 모듈 (220) 을 포함한다.

제1 모듈 (210) 은 하우징 (211), 제1 미러 (212), 제2 미러 (213) 및 프리즘 (214) 을 포함하고, 제2 모듈 (220) 은 하우징 (221), 볼록렌즈 (222) 를 포함한다.

하우징 (211) 및 하우징 (221) 은 속이 비고 길게 형성되며, 예를 들어 중공이 원형, 사각형 등으로 형성될 수 있다. 하우징 (211) 내부에 제1 미러 (212), 제2 미러 (213) 및 프리즘 (214) 이 고정된다.

프리즘 (214) 은 직각 프리즘으로 이루어지며, 길이가 같은 제1 광학면 (214a) 과 제2 광학면 (214b) 을 가지며, 제1 광학면 (214a) 은 탐침 (11) 을 향하게 배치되고, 제2 광학면 (214b) 은 하우징 (211) 에 부착된다. 제3 광학면 (214c) 은 제1 광학면 (214a) 과 제2 광학면 (214b) 보다 길게 형성된다.

제2 미러 (213) 는 하우징 (211) 의 길이 방향에 대해 대략 평행한 반사면을 가지도록 배치된다. 여기서 '대략 평행'은 완전한 평행을 포함하되, 고정 시 발생하게 되는 조립 오차 등을 감안하여 하우징 (211) 의 길이 방향과 1° 이내, 더 바람직하게는 0.5° 이내의 각을 이루는 것도 포함되는 것을 의미한다.

다르게 말하면, 제2 미러 (213) 는 그 반사면이 프리즘 (214) 의 제3 광학면 (214c) 과 이루는 각도가 45° 를 이루도록 배치된다.

하우징 (221) 내에 위치하는 볼록렌즈 (222) 를 통과한 광은 하우징 (211) 의 길이 방향과 대략 평행하게 하우징 (211) 내부로 입사된다. 여기서, '대략 평행'은 완전한 평행을 포함하되, 볼록렌즈 (222) 및 광원의 조립 오차 등을 감안하여 하우징 (211) 의 길이 방향과 1° 이내, 더 바람직하게는 0.5° 이내의 각을 이루는 것도 포함되는 것을 의미한다.

볼록렌즈 (222) 를 통과한 광은 제1 미러 (212) 에 반사된다. 제1 미러 (212) 의 반사면은 프리즘 (214) 의 제3 광학면 (214c) 과 α 의 각을 이루도록 배치되어, 광을 제2 미러 (213) 로 보낸다.

여기서, α 는 프리즘 (214) 의 굴절률 n_p 와 유체 (W) 의 굴절률 n_w 을 고려하여, 집속된 광이 제1 광학면에서 전반사를 이룰 수 있도록 정해진다.

집속된 광이 제1 광학면에서 전반사를 이룰려면 하기의 수학식 1을 만족하여야 한다.

(수학식 1)

여기서 θ_c는 전반사를 위한 임계각으로서, 광의 제1 광학면으로의 입사각 θ_i 는 θ_c 보다 커야 전반사를 발생시킬 수 있다. 수학식 1을 만족하도록 θ_i 가 결정되면, 하기와 같은 수학식 2를 만족하도록 α 를 결정할 수 있다.

(수학식 2)

상술한 바와 같이 볼록렌즈 (222), 제1 미러 (212), 제2 미러 (213) 및 프리즘 (214) 을 배치하면, 프리즘 (214) 은 제1 광학면 (214a) 의 원하는 위치에서 광이 전반사를 일으키게 된다. 이를 통해 전반사가 이루어지는 곳에 위치하는 유체 (W) 내의 시료에 대해 광유도력을 발생시킬 수 있다.

볼록렌즈 (222) 는 도 2의 (a) 와 같이 F가 짧게 배치될 수도 있고, 도 2의 (b) 와 같이 F가 길게 배치될 수도 있다. 볼록렌즈 (222) 는 하우징 (221) 내에서 길이 방향으로 이동가능하게 배치될 수도 있고, F가 결정된 볼록렌즈 (222) 및 하우징 (221) 조합을 제1 모듈 (210) 에 대해 교체하면서 사용할 수도 있다.

볼록렌즈 (222) 및 프리즘 (214) 은 셀레늄화아연 (ZnSe) 로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 특히, 프리즘 (214) 은 유체 (W) 보다 굴절률이 높은 물질이라면 비제한적으로 채용 가능하다.

도 2에서는 프리즘 (214) 의 제1 광학면 외측으로 유체 (W) 이 존재하는데, 제1 모듈 (210) 과 제2 모듈 (220) 로 이루어진 광학 모듈을 통해 유체 (W) 내에 존재하는 물질 (예를 들어, 폴리스타이렌 (polystyrene) 등) 의 특성을 용이하게 측정할 수 있다.

프리즘 (214) 의 제1 광학면 (214a) 과 대향되게 빛을 투과할 수 있는 글라스 (G) 가 배치되고, 그 사이에 유체 (W) 가 채워진다. 유체 (W) 가 물과 같은 액체인 경우, 표면 장력으로 인해 외부로 흐르지 않고 글라스 (G) 와 프리즘 (214) 사이에 유지된다.

유체 (W) 내로 탐침 (11) 이 배치되며, 도시하진 않았지만, 글라스 (G) 를 통해 레이저 광이 캔틸레버 (12) 표면에 반사되어 다시 글라스 (G) 를 통해 외부로 방출되며, 도 1의 디텍터 (112) 를 통해 탐침 (11) 의 거동을 측정할 수 있다.

한편, 본 설명에서는 유체 (W) 를 물과 같은 액체로 예시하였으나, 이는 예시에 불과하고, 유체 (W) 는 액체 이외에 공기와 같은 기체일 수도 있다. 즉, 글라스 (G) 를 사용하지 않은 공기 중에서도 상술한 구성을 사용할 수 있다.

상술한 광학모듈을 가지는 광유도력 현미경에 따르면, 원하는 위치에 광을 집속시켜 간편하게 광유도력을 발생시킬 수 있고, 특히 물과 같은 액체 내에 탐침을 배치하여 시료의 특성을 측정하는 등 특수한 환경에서의 측정이 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

200…광학모듈
210…제1 모듈
211…하우징
212…제1 미러
213…제2 미러
214…프리즘
220…제2 모듈
221…하우징
222…볼록렌즈

Claims (7)

1. 시료의 표면을 따라 탐침이 추종될 수 있도록 구성되는 스캐닝 프로브 장치 및 상기 시료의 특정 위치에 변조된 광을 조사할 수 있도록 구성되는 광원을 포함하는 광유도력 현미경에 있어서,
   상기 광원으로부터의 광은 볼록렌즈를 통과하여, 제1 미러와 제2 미러에 순차적으로 반사되어 프리즘의 한면을 통과한 후 다른 한면에 대해 전반사를 발생시키도록, 상기 볼록렌즈, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘이 배치되며,
   전반사가 일어나는 상기 프리즘의 다른 한면의 외측으로는 유체가 위치하며, 상기 유체 속에 상기 탐침이 위치하는, 광유도력 현미경.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 프리즘은 직각 프리즘으로 이루어지며, 길이가 같은 제1 광학면과 제2 광학면을 가지고 제1 광학면과 제2 광학면보다 긴 제3 광학면을 가지고,
   상기 프리즘의 한면은 상기 제3 광학면이고, 상기 프리즘의 다른 한면은 상기 제1 광학면이도록, 상기 프리즘이 배치되는, 광유도력 현미경.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘은 하우징에 고정되며,
   상기 볼록렌즈는 상기 광의 광경로 상에서 이동 가능하게 구성되는, 광유도력 현미경.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 하우징은 속이 비고 길게 형성되며,
   상기 하우징 내부에 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 프리즘이 고정되고,
   상기 볼록렌즈를 통과한 광은 상기 하우징의 길이 방향과 대략 평행하게 상기 하우징 내부로 입사되고,
   상기 제2 미러는 상기 하우징의 길이 방향에 대해 대략 평행한 반사면을 가지도록 배치되는, 광유도력 현미경.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제2 미러의 반사면과 상기 제3 광학면이 이루는 각도가 45°를 이루도록 상기 프리즘이 배치되는, 광유도력 현미경.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 프리즘은 상기 유체보다 굴절률이 높은, 광유도력 현미경.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 볼록렌즈와 상기 프리즘은 셀레늄화아연 (ZnSe) 으로 이루어지는, 광유도력 현미경.

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