서강대 물리학과 - LabVIEW를 이용한 마이크로파 근접장 현미경 시스템 구현

Author(s):
양종일 석사과정 - 서강대학교 물리학과 Microwave photonics lab

Industry:
Electromechanics/ Electrotechnics

Products:
LabVIEW

The Challenge:
마이크로파 근접장 현미경(NSMM) 시스템의 제어 및 자료 수집에 적절한 소프트웨어가 필요하였다.

The Solution:
Near field Scanning microwave microscope (NSMM) system 과 distance control feed back system을 computer로 제어하고 data를 얻는데 LabVIEW program을 이용하였다.

요약
Near field Scanning microwave microscope (NSMM) system 과 distance control feed back system을 computer로 제어하고 data를 얻는데 LabVIEW program을 이용하였다. Lock-in amplifier (NI 7265), network analyzer (8722ES), stepping motor controller (D120) 와 PZT stage를 실시간으로 제어하고, 기하학적 이미지 및 물질의 특성 이미지를 얻을 수 있었다. 다른 제어 시스템용 하드웨어 없이 소프트웨어 만으로 거리 제어 가능한 NSMM system을 구현하였다.

개발 배경
마이크로파 근접장 현미경(NSMM) 시스템의 제어 및 자료 수집에 적절한 소프트웨어가 필요하였다. 간단하게 실험실에서 수정 및 보완 가능한 유연성이 있고, 사용자가 쉽게 조작할 수 있도록 그래픽화 되어 있으며, 실시간으로 제어하고 원하는 자료를 수집, 즉각적으로 이미지를 보여주는 장점을 가진 LabVIEW programming graphical language를 이용해 소프트웨어를 만들었고 간편하게 NSMM system을 운영 할 수 있게 되었다.

본론
기술의 고도화, 집적화, 소형화 추세에 발맞추어 측정할 수 있는 장비의 높은 민감도와 고분해능은 필수 요건이 되었다. 특히 비접촉, 비파괴 방식의 이미지 기술은 더욱 중요해 지고 있다. STM(Scanning Tunneling Microscope) 또는 AFM(Atomic Force Microscope) 같은 SPM(Scanning Probe Microscope)들이 개발되기 이전에는 가시광선의 빛을 사용한 광학 현미경이 사용되었으나 회절 현상으로 인하여 분해능이 파동의 반파장 정도로 제한되었었다. 이러한 한계로 인해 SEM(Scanning Electron Microscope)이나 SPM이 미세 표면 구조 관찰에 이용되고 있다. STM은 전자의 양자적 터널링 현상을 이용하기 때문에 도체 표면 시료에만 국한되어지는 단점이 있다. AFM은 시료의 국소적인 원자와 탐침 끝에 있는 원자 사이의 힘(atomic force)을 이용하기 때문에 모든 시료의 표면을 관찰할 수 있는 장점이 있으나, 진공을 유지해야 하며, 시료의 전자기적 구조를 분석 할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 전자의 파동성을 이용한 SEM은 높은 에너지의 전자를 쐬어주기 때문에 시료를 손상시킬 수도 있고, 시료를 관찰하기 전에 Pt같은 도체 코팅을 하기 때문에 측정 시료가 제한된다.
마이크로파를 이용한 근접장 현미경은 1972년 런던대학의 Ash와 Nicholls에 의해 처음으로 이루어졌다. 현재 근접장 마이크로파 현미경 (Near-field Scanning Microwave Microscope : NSMM)은 공진기의 형태에 따라 동축선 공진기, 도파관 공진기, 마이크로 스트립 공진기, 유전체 공진기가 사용되고 있다. NSMM에서 분해능은 금속 탐침 끝단의 곡률반경에 의해서 결정되고, 탐침 끝단에 형성된 근접장 효과를 이용한다. 공진주파수와 Q인자는 탐침과 시료 사이의 거리에 따라서, 탐침의 곡률 반경에 따라서 변화한다. 이외에도 시료의 유전율, 투자율, 전도도, 전자의 농도에 따라서 변하기 때문에 도체, 반도체, 유전체, 자성체 그리고 생물학적 시료의 전자기적 구조 이미지를 얻을 수 있다. 또한 tuning fork를 사용한 전단 응력 (shear-force) 거리 제어 피드백 시스템을 이용하면, 시료의 기하학적인 표면 이미지도 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 거리 제어 피드백 시스템은 샘플 시료와 탐침간의 거리를 일정하게 유지 하여 근접장 현미경의 신뢰도를 높일 수 있다.

그림 1. NSMM system 개략도

그림 1은 시스템 개략도이다. 거리 제어는 Tuning fork에 팁을 붙여 팁-샘플 거리를 제어하며 측정할 수 있는데, 이는 lock-in amp.에서 크기를 측정하고 이 값의 변화가 일정 수준 한도에서 감지되면 PZT stage및 stepping motor stage에 명령을 하여 비접촉 하에서 샘플의 기하학적 이미지 얻고, 일정 간격으로 샘플과 팁의 거리를 유지 할 수 있게 된다.
동시에, 수 GHz에서 공진하는 유전체 공진기를 이용하면 일정한 공진기 내부 필드가 팁을 통해 샘플 방향으로 나오게 된다. 섭동이론에 의하여 팁 앞쪽에 있는 샘플로 인해 공진기의 필드가 변하게 되고, 결국 공진 주파수와 반사 계수 값이 변하게 된다. 이러한 차이를 통해서 샘플의 특성에 따른 이미지를 얻을 수 있게 되는데, 팁 샘플간의 거리에 따른 영향이 크므로 거리제어를 함과 동시에 항상 같은 거리에서 데이터를 얻을 수 있도록 조절한다.

그림 2. Main menu

그림 2는 LabVIEW로 제작된 프로그램의 메인 메뉴 front image이다. 여러 가지 기능을 편리하게 조작하기 위해서 필요한 기능은 메뉴 형태로 모아 놓았다. 또한, 실험을 하면서 필요한 부분에 대해서는 계속 추가하면서 실험에 임하고 있다.

그림 3. Main menu의 세부 항목 중 한가지 이미지

그림 3은 메인 메뉴의 여러 가지 항목 중 NSMM 시스템에서 가장 중요한 부분에 해당하는 부분의 캡쳐 그림이다. 원격 제어를 통한 간단한 조작으로 샘플의 기하학적 이미지, 반사계수 이미지 그리고 주파수 이미지를 실시간으로 볼 수 있도록 되어 있다. 이러한 솔루션의 개발을 통해 실험을 한 단계 업그래이드 할 수 있었다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
간단한 조작으로 프로그램을 실행시킬 수 있으며, 실시간으로 얻어진 데이터를 이미지화하여 즉시 확인 할 수 있는 장점이 있다. 또한 필요한 부분은 즉시 추가 할 수 있고, 사용자가 원하면 쉽게 수정 할 수 있으며, 실험 도중에 실시간으로 체크하여 오류에 대한 대처를 바로 바로 할 수 있어서, 실험실에서 사용하기에는 여러 가지 이점이 있다. 또한 다른 기자재의 구입 없이 컴퓨터 하나만으로 해결 되기 때문에 비용을 낮추는데도 한 몫 할 수 있었다.

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양종일 석사과정
서강대학교 물리학과 Microwave photonics lab

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