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자기공명 힘 현미경 장치에서 경사자계 자석-시료-광섬유의 상대적 위치

본 발명은, 나노 크기 이하의 영역에서 발현하는 시료의 고유특성을 극저온에서 관찰하는 저온 자기공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)의 프로브 장치에 있어서, 측정하고자 하는 시료가 장착되고,
전자기파를 공급해서 시료의 특성을 외팔보로 측정하는 측정부와, 상기측정부의 상측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 상측 구동부와, 상기 측정부의 하측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 하측 구동부와,
상기 상측구동부의 상측에 구비되고, 상기 측정부의 진동을 방지하는 댐핑부와, 상기 댐핑부의 상측에 구비되고, 상기 측정부에서 연결된 전기회로를 제어측정부로 전기적으로 연결시키는 커넥션부와, 상기 측정부의 일측에 구비되고,
상기 측정부의 측정상태를 영상으로 촬영하여 제어측정부로 데이터를 송신하는 영상촬영부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

배경기술

근래에 들어 나노기술의 발전과 더불어 물질의 크기가 나노 이하의 영역에서 발현하는 특성이 덩어리 형태에서 발현하는 특성과는 매우 다르다는 사실들이 밝혀졌다.
따라서 새로운 물질을 나노기술에 적용하기 위해서는 나노크기 영역에서 발현하는 물질 특성을 정확하게 규명해야 하는데, 현재 개별 원자의 특성을 측정하고 분석하는 장치로 SPM 기술이 매우 유용하게 적용되고 있다.
SPM은 1986년 G. Binning이 STM (Scanning Tunneling Microscopy)으로 노벨 물리학상을 수상한 이후 다양한 형태로 개발되어 왔다.


가장 잘 알려진 대표적 SPM으로 원자 힘 현미경 (Atomic Force Microscope: AFM)과 자기 힘 현미경(Magnetic Force Microscope: MFM) 외에도 10여종의 SPM 장치가 상용화되어 시장에서 판매되고 있다.
이 SPM 장치에서는 나노공정으로 제작되는 외팔보(일종의 진동자, cantilever)를 센서로 사용하는데, 측정감도 향상을 위해서는 가능한 고진공과 저온환경에서 이 장치를 동작시키는 것이 유리하다.
1991년 미국 워싱턴 대학의 J. Sidles 교수는 기존의 인덕티브 방식의 자기공명 측정방법 대신 SPM 기술에 자기공명 기술을 접목한 새로운 방식의 자기공명 측정방식을 이론적으로 제안하였는데, 1992년 IBM Almaden연구소의 D. Rugar는 이 이론적 제안을 실험적으로 최초로 구현하는데 성공하였다.
이후 이 그룹은 이 기술을 통칭하여 자기공명 힘 현미경(Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)이라 명명하였다. 다시 말해 MRFM은 SPM 기술과 자기공명 기술이 접목된 새로운 형태의 SPM으로 설명할 수 있는데, 기술의 난해성으로 인해 현재까지 상용화된 제품은 출시되지 않고 있다.


MRFM이 기존의 SPM과 다른 점은 아래 그림과 같이 측정 시료가 외팔보위에 올려지고, 자기공명 기술이 부가됨으로써 시료에 경사자계를 주기 위한 자석이 매우 근접하도록 위치시켜야 한다는 것이다.
또한 외팔보의 운동을 측정하는 외경 125μm의 광섬유가 외팔보에 근접해 있다.
통상 외팔보의 치수는 500μm(길이)*50μm(폭)*2μm((두께) 정도이다.


요약하면, 경사자계 자석-시료-광섬유가 상대적으로 ~10㎛ 정도의 간격을 두고 일정점에 위치해 있어야 하는데, 설령 상온에서 이러한 상태가 잘 유지되었다고 하더라도, 저온(액체헬륨 ~ T=4.2K, 액체질소 ~ T=77K)으로 내려가게 되면, 프로브를 구성하는 부분품들의 수축으로 인해 물리적 틀어짐이 발생된다.
여기서의 틀어짐이란 센서의 움직임을 측정할 수 없는 것을 의미하는 것으로 이 장치의 효용성을 무용하게 만드는 것이다.
또한 프로브 내부에 위치시켜야 되는 나노 위치제어기나 외팔보 발진을 위해 요구되는 압전자 등을 구동하기 위해 다양한 형태의 전기적 배선이 고진공과 동시에 요구되는데, 이러한 것을 손쉽게 해결할 수 있는 표준적인 MRFM 프로브 장치는 제시되어 있지 않다.
또한 저온에서 다양한 자기공명 실험을 수행하기 위해서는 다중 공진주파수를 갖는 LC회로가 유리한데, 저온에서 프로브 교체 없이 동시에 다중 주파수 실험이 가능한 이러한 LC회로 tank-circuit 구조 또한 제시되어 있지 않다.

문제점

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액체질소나 액체헬륨 온도에서 동작특성이 우수하고 다수의 알에프 코일(RF coil)을 구비하여 다중 주파수 실험이 가능하도록 함으로써 사용 편의성이 향상될 수 있도록 한 저온 자기공명 힘현미경 (Magnetic Resonance Force Microscopy: MRFM)의 프로브 장치를 제공하는 것에 있다.


본 발명은 진공통 내부 상태를 확인하기 위한 영상촬영부를 구비하되, 회로소자로 구성되어 저온에 취약한 바디부는 진공통외부에 위치시켜 원활한 작동을 가능하게 하고, 헤드부는 진공통 내부 상태를 촬영하여 디스플레이부를 통해 육안 확인 가능하도록 한 저온 MRFM의 프로브장치를 제공하는 것에 있다.

해결과제

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명은, 나노 크기 이하의 영역에서 발현하는 시료의 고유특성을 극저온에서 관찰하는 저온 MRFM의 프로브 장치에 있어서, 측정하고자 하는 시료가 장착되고, 전자기파를 공급해서 시료의 특성을 센서로 측정하는 측정부와,
상기 측정부의 상측에 ㎚단위로 구동 제어 가능하게 구비된 상측 구동부와, 상기 측정부의 하측에 ㎚단위로 구동제어 가능하게 구비된 하측 구동부와, 상기 상측 구동부의 상측에 구비되고, 상기 측정부의 진동을 방지하는 댐핑부와, 상기 댐핑부의 상측에 구비되고,
상기 측정부에서 연결된 전기회로를 제어측정부로 전기적으로 연결시키는 커넥션부와, 상기 측정부의 일측에 구비되고, 상기 측정부의 측정상태를 영상으로 촬영하여 제어측정부로 데이터를 송신하는 영상 촬영부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
그리고, 상기 측정부는 측정하고자 하는 시료가 장착된 외팔보와, 상기 외팔보의 하측에서 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하며 상기 하측 구동부와 연동하는 광섬유와, 상기 외팔보의 상측에서 하측에 위치한 시료의 특정영역을 지정하며,
상기 상측 구동부와 연동하는 자석과, 상기 외팔보의 일측에 구비되고, 전자기파를 발생시키는 알에프 코일을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.


상기 영상 촬영부는, 상기 측정부의 측정상태를 관찰하는 헤드부와, 상기 헤드부에서 촬영된 영상을 디지털 신호로 변환하여 제어측정부로 송신하는 소정의 회로소자로 구성된 바디부와,
상기 제어측정부 일측에 구비되어 바디부에서 송신된 데이터를 영상으로 재현하는 디스플레이부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 그리고 상기 헤드부는 극저온에 노출되고, 상기 바디부는 상온분위기에 위치하며, 상기 바디부와 헤드부는 상호 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.

효과


상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, MRFM의 저온용 프로브 장치로 액체질소나 액체헬륨 온도에서 동작 특성이 우수하고 다수의 알에프 코일을 구비하여 다중 주파수 실험이 가능하도록 함으로써 사용편의성이 향상되는 이점이 있다.
또한 본 발명은 진공통 내부 상태를 확인하기 위한 영상 촬영부를 구비하되, 회로소자로 구성되어 저온에 취약한 바디부는 진공통 외부에 위치시켜 원활한 작동을 가능하게 하고, 헤드부는 진공통 내부 상태를 촬영하여 디스플레이부를 통해 육안 확인가능하도록 구성하였다.
또한 본 발명은 외팔보에 구비된 측정대상인 시료를 기준으로 상측에 위치하여 시료의 특정 영역을 지정하는 자석과, 외팔보의 하측에 위치하여 외팔보의 움직임을 측정하고 광간섭계의 역할을 수행하는 광섬유가 상측 구동부와 하측 구동부에 의해 구동될 수 있도록 구성하였다.
따라서 측정의 정확도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.


본고는 한국기계연구원 원순호의 발표자료를 요약한 것이다.

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