본 장치는 실험자가 레이저 빔과 광학 렌즈를 조정하여 이미지 및 회절도형의 형성, 보강 및 소멸간섭과 같은 파동광학 현상을 이해하도록 제작된 실험 장치이다. 실험장치는 광원으로 쓰이는 레이저빔과 빔의 광축을 정렬하는 광원 부분과 시료대, 대물렌즈, 중간렌즈, 확대렌즈, CCD system, 컴퓨터, 그리고 렌즈를 상하 조절하는 경통부분으로 구성된다. 본 장치를 통해서 다양한 회절격자의 이미지 및 회절도형을 최대 약 44배 확대할 수 있고, 최대 약 5um의 분해능을 가지고 분석할 수 있다. 이 장치는 전자현미경 이용자들이 TEM의 원리를 보다 쉽게 이해하는데 도움을 주리라 기대한다.
본 장치는 실험자가 레이저 빔과 광학 렌즈를 조정하여 이미지 및 회절도형의 형성, 보강 및 소멸간섭과 같은 파동광학 현상을 이해하도록 제작된 실험 장치이다. 실험장치는 광원으로 쓰이는 레이저빔과 빔의 광축을 정렬하는 광원 부분과 시료대, 대물렌즈, 중간렌즈, 확대렌즈, CCD system, 컴퓨터, 그리고 렌즈를 상하 조절하는 경통부분으로 구성된다. 본 장치를 통해서 다양한 회절격자의 이미지 및 회절도형을 최대 약 44배 확대할 수 있고, 최대 약 5um의 분해능을 가지고 분석할 수 있다. 이 장치는 전자현미경 이용자들이 TEM의 원리를 보다 쉽게 이해하는데 도움을 주리라 기대한다.
We have made an optical device to study the wave optics phenomena, such as image and diffraction pattern, constructive and destructive interference, by direct operation of laser beam and optical lenses. It consists of laser beam, goniometer, objective lens, intermediate lens, projection lens, CCD sy...
We have made an optical device to study the wave optics phenomena, such as image and diffraction pattern, constructive and destructive interference, by direct operation of laser beam and optical lenses. It consists of laser beam, goniometer, objective lens, intermediate lens, projection lens, CCD system, and computing system. As a result of the performance test, we were able to magnify samples up to 44 times with the resolution of about $5{\mu}m$. It is expected to help EM users understanding more easily principles of transmission electron microscopy (TEM).
We have made an optical device to study the wave optics phenomena, such as image and diffraction pattern, constructive and destructive interference, by direct operation of laser beam and optical lenses. It consists of laser beam, goniometer, objective lens, intermediate lens, projection lens, CCD system, and computing system. As a result of the performance test, we were able to magnify samples up to 44 times with the resolution of about $5{\mu}m$. It is expected to help EM users understanding more easily principles of transmission electron microscopy (TEM).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
첫 번째 시료인 단 일 조리개 시료는 회절의 현상을 직접적으로 표현하기 위해서 사용되었으며,2번과 3번의 1차원 격자 시 료는 실공간과 역공간사이의 상호관계를 나타내기 위해서 사용되었다. 또한 4번에서 6번까지의 2차원 격자 시료는 다양한 형태로 이루어진 실공간의 규칙적인 배열에 대하여 역공간상에서의 회절도형을 관찰함으 로서 실제 3차원적으로 구성된 시료에 대한 원자 배 열을 분석하는데 응용할 수 있도록 하였다
본 연구에서는 이러한 단점을 극복하고 실험자가 직접 각 부분을 조절하면서 여러 시료에 대한 이미지 와 회절의 상호 관계를 쉽게 이해함으로써, TEM으로 의 접근이 용이하도록 하기위해 개발한 실험 장치를 소개하고자 한다.
본 장치의 개발 목적은 앞에 언급한 바와 같이 TEM의 원리에 대한 이해도를 높이는 동시에 간단한 시스템의 시료에 대한 분석 또한 가능하게 하는 것이다. 레이저 빔이 시료를 통과하면서 발생하는 회절현 상을 이해하기 위해서는 빔의 진행 경로를 관찰하는 것이 무엇보다 중요하다.
가설 설정
4. (a) Six samples can be loaded at once in the sample holder, (b) The sample holder combined in the sample stage can be moved to the beam center by fine screw motion.
제안 방법
11(a)) 와 회절도형 (Fig. 11(b))의 상관관계에 대한 올바른 판단을 위해 우선 실제 관찰한 자료에 대한 스케일을 보정한 후, 시료의 이미지로부터 푸리에변환(FFT:Fast Fourier Transform)을 수행하여 역공간(Fig. 11(c))을 계산하여 회절도형과 비교를 하였다.
8에 나타낸 바와 같이 columne 전체 부분을 고정 및 지지하기 위해 견고하게 제작되었으며, 가운 데 부분에 홈을 내어 레일의 역할을 수행하도록 하였다. 각각의 렌즈 및 시료대는 상하로 움직 인 후, 고정 쇠를 이용하여 고정하고 이미지와 회절도형의 초점이 정확히 형성되도록 하였다. 또한 column 뒷단에는 줄 자를 부착하여 렌즈의 초점거리의 측정 및 이동을 쉽게 알아볼 수 있도록 하였다.
6). 그러므로 대물렌즈와 확대렌즈 사 이에서 물리적으로 렌즈 홀더를 이동시켜 원하는 위 치에 고정시킨 후, 렌즈를 삽입 또는 제거하는 방식을 사용하여 이미지와 회절 도형을 형성하도록 하였다.
본 장치에서는 스크린에 형성된 자료의 관찰에만 그치지 않고 이를 CCD system을 통하여 컴퓨터 로 전송하는 방식을 채택하여 실제 시료에 대한 분석이 가능하도록 하였다. 또한 CCD systeme 외부단자 를 통해 수동 조절이 가능하도록 외부 조절기를 컴퓨터 본체 옆에 설치하여 레이저 빔의 세기에 따른 강 도, 배율, 초점 등을 세밀하게 조절하도록 하였다. 또한 CCD에 의해 획득된 자료를 computer의 이미지 캡쳐 프로그램을 이용하여 모니터에 출력되도록 하였으며, 출력된 자료는 차후 전문 분석을 위해 여러 형식의 포맷으로 저장될 수 있도록 하였다.
또한 CCD systeme 외부단자 를 통해 수동 조절이 가능하도록 외부 조절기를 컴퓨터 본체 옆에 설치하여 레이저 빔의 세기에 따른 강 도, 배율, 초점 등을 세밀하게 조절하도록 하였다. 또한 CCD에 의해 획득된 자료를 computer의 이미지 캡쳐 프로그램을 이용하여 모니터에 출력되도록 하였으며, 출력된 자료는 차후 전문 분석을 위해 여러 형식의 포맷으로 저장될 수 있도록 하였다.
각각의 렌즈 및 시료대는 상하로 움직 인 후, 고정 쇠를 이용하여 고정하고 이미지와 회절도형의 초점이 정확히 형성되도록 하였다. 또한 column 뒷단에는 줄 자를 부착하여 렌즈의 초점거리의 측정 및 이동을 쉽게 알아볼 수 있도록 하였다.
렌즈 흘더에는 X-축, y-축 방향으로 렌즈를 이동시킬 수 있는 미세조절나사를 이용하여 시료를 통과한 회절 빔들이 스크린에 정확히 도달할 수 있도록 렌즈를 정렬을 할 수 있게 하였다. 또한 시료를 통과한 빔이 렌즈의 표면에 의해 반사되고 이러한 반사된 빔이 시료지지대에 의해 재 반사되어 불필요한 간섭을 일으켜 최종 스크린에서 얻어지는 결과 물에 미치는 악영향을 배제하기 위해 무 반사 처리가 되어있는 코팅렌즈를 사용하였다.
각각의 렌즈는 직경 이 75 mm이고 초점거리가 50 mm로 동일 하게 제작되었다. 렌즈 흘더에는 X-축, y-축 방향으로 렌즈를 이동시킬 수 있는 미세조절나사를 이용하여 시료를 통과한 회절 빔들이 스크린에 정확히 도달할 수 있도록 렌즈를 정렬을 할 수 있게 하였다. 또한 시료를 통과한 빔이 렌즈의 표면에 의해 반사되고 이러한 반사된 빔이 시료지지대에 의해 재 반사되어 불필요한 간섭을 일으켜 최종 스크린에서 얻어지는 결과 물에 미치는 악영향을 배제하기 위해 무 반사 처리가 되어있는 코팅렌즈를 사용하였다.
11에 나타내었다. 먼저 본 장치에 사용된 대물 렌즈와 확대렌즈에 의해 실제로 시료의 이미지가 확 대되는 배율을 계산하였다. 대물렌즈와 확대렌즈를 통해 확대되는 전체 배율은 간단하게 다음과 같은 관계 식으로부터 얻어낼 수 있다(Park,2003).
본 개발 장치는 실제 TEM의 원리를 쉽게 이해하도 록 하기 위해 각각의 조리개와 렌즈 코일과 같은 불 필요한 부분을 제거를 하고 꼭 필요한 렌즈 부분만을 가시화하고 단순화하여 광학현미경으로부터 TEM의 분석원리까지 접근이 용이하도록 하였다. Fig.
레이저 빔이 시료와 상호작용하여 나타나는 회절현 상을 좀 더 쉽게 이해하고자 한다면, 적절한 시료의 선택 이 중요하다. 본 장치를 통한 실험에서는 아주 단 순한 시료에서부터 복잡한 시료까지 단계적으로 삽입 을 하여 시료의 이미지에 따른 회절도형을 관찰하여 보다 명확하게 실공간과 역공간의 개념을 이해하도록 하였다. Table 1에는 본 실험에서 사용한 시료들에 대한 형상과 사양을 정리해 놓았다.
시료를 통과한 레 이저 빔은 각각의 렌즈를 통하여 최종적으로 스크린에 이미지와 회절도형으로 형성 이 된다. 본 장치에서는 스크린에 형성된 자료의 관찰에만 그치지 않고 이를 CCD system을 통하여 컴퓨터 로 전송하는 방식을 채택하여 실제 시료에 대한 분석이 가능하도록 하였다. 또한 CCD systeme 외부단자 를 통해 수동 조절이 가능하도록 외부 조절기를 컴퓨터 본체 옆에 설치하여 레이저 빔의 세기에 따른 강 도, 배율, 초점 등을 세밀하게 조절하도록 하였다.
4에서 나타내 것처럼 시료홀더는 한 번에 6개의 시료가 장착될 수 있도록 제작되었고, 시료 그리드의 크기는 TEM에서 사용하는 것과 동일한 크기(3 mm)를 사용하도록 하였다. 이렇게 제작된 시료홀더는 시료대에 장착된 후, 미세나사 이동 봉의 조절에 의해 각각의 다른 종류의 시료를 레이저 빔의 중앙으로 이 동시켜 여러 가지의 회절도형 및 이미지를 관찰할 수 있게 하였다.
대상 데이터
Fig. 1과 같이 TEMe 광학현미경과 같이 기본적으로 시료에 도달하는 전자빔 （광원）을 집속시켜주는 집 속렌즈, 시료에 대한 이미지의 초점을 조절하는 대물 렌즈, 그리고 이미지를 확대하는 확대 （접안）렌즈로 구성되어 있다. 이와 같이 TEM과 광학현미경은 사람의 눈으로 관찰이 불가능한 시료의 이미지를 확대하여 관찰이 가능하다는 점에서 공통점이 많다.
Table 1에는 본 실험에서 사용한 시료들에 대한 형상과 사양을 정리해 놓았다. 첫 번째 시료인 단 일 조리개 시료는 회절의 현상을 직접적으로 표현하기 위해서 사용되었으며,2번과 3번의 1차원 격자 시 료는 실공간과 역공간사이의 상호관계를 나타내기 위해서 사용되었다. 또한 4번에서 6번까지의 2차원 격자 시료는 다양한 형태로 이루어진 실공간의 규칙적인 배열에 대하여 역공간상에서의 회절도형을 관찰함으 로서 실제 3차원적으로 구성된 시료에 대한 원자 배 열을 분석하는데 응용할 수 있도록 하였다
성능/효과
1) 본 장치를 이용한 광학 실험은 기존의 상업적으 로 이용된 광학실험기기에 비해 중간렌즈를 삽입하는 새로운 방식을 채택하여 시료의 이미지와 회절도형을 동시에 획득하여 비교할 수 있다는 장점이 있다.
2) 본 장치는 렌즈 사이에 매개체를 두어 시료를 통과한 빔의 경로를 추적하고, 가시화 할 수 있기 때문에 실험자가 보다 쉽게 시료와 레이저 빔의 상호작용을 이해할 수 있다.
3) 본 장치를 통한 실험자료는 CCD와 컴퓨터를 통하여 저장될 수 있고, 전문 해석 프로그램을 통하여 분석이 가능하기 때문에 보다 명확하게 실공간 및 역공 간 상의 결정구조의 원리를 이해할 수 있고, 약 44배의 확대된 이미지로부터 최대 5 um의 분해능을 가지고 실제 시료를 분석할 수도 있다.
그런 후에 3개의 빔 정렬축을 조절하여 반 사된 레이저 빔이 입사된 레이저 빔과 정확히 일치하 도록 하여 레이저 빔을 정렬할 수 있다. 마지막으로 레이저 빔의 정렬이 끝나면, 덮개를 이용하여 외부의 충격이나 기타 영향으로부터 레이저 빔의 정렬이 틀 어지는 것을 방지하였다.
이를 통하여 실제 측정된 자료는 계산된 자료와 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 분석된 자료로부터 본 장치를 이용할 경우, 시료에 따라 약 5 um의 분해능을 획득할 수 있음을 알 수 있었다.
11(d))을 얻은 후, 실제 시료의 이미지와 비교를 하였다. 이를 통하여 실제 측정된 자료는 계산된 자료와 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 분석된 자료로부터 본 장치를 이용할 경우, 시료에 따라 약 5 um의 분해능을 획득할 수 있음을 알 수 있었다.
전자현미경과 달리 광학렌즈는 초점거리가 고정되어 있으므로 총명 시거리를 구하거나, 시료와 최종 이미지의 크기를 구하면 고정된 배율을 구할 수 있다. 이에 따라 본 장치를 이용할 경우, 약 44배의 확대된 이미지를 획득할 수 있다는 것을 확인하였다. 윗 식에 의거하여 보다 확대된 이미지를 획득하고자 한다면, 초점거리가 짧은 렌즈를 사용하거나 명시거리를 길게 하기 위해서 경통의 길이를 늘이는 방법이 있으나, 광학현미경과 같이 초점 거리가 짧은 렌즈를 사용하는 것이 효과적인 방법이 될 것이다.
후속연구
5번과 6번도 마찬가지로 회절도형과 시료의 이미지로부터 실공간과 역공 간을 예측할 수 있다. 이처럼 본 장치를 이용하면 TEM과 마찬가지로 광학현미경에서는 관찰할 수 없는 회절도형과 이미지를 동시에 관찰할 수 있어, 광학실험 및 TEM의 원리를 이해하는데 보다 생동감 교육 자재로 활용될 수 있으며, 실제 시료를 분석하는데 보조 장비로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (8)
Dumas P and Cura V: Teaching crystallography with a laser, two lens and Einstein's tongue. Acta Cryst. A61 : C122. 2005
Koo EH: 빛의 직진성 실험장치. KR 10-1997-0008473, 1997a.(Korean)
Koo EH: 빛의 파동성 실험장치. KR 10-1997-0008474, 1997b.(Korean)
Kum DW, Kim GH, Kim NJ, Kim DH, Kim YH, Park CG, Song SA, Lee BT, Lee YT, Lee JY, Lee HC, Lee HJ, Cho NH, Chun CH: 투과전자현미경 분석학-신소재 분석.평가. 청문각, 1-55. 1996. (Korean)
Lee JY : 기초전자현미경. 대영사, 1-18. 2002.(Korean)
Oh CH : 레이저과학. 두양사, 149pp. 2005. (Korean)
Park MS : 기초광학기기실험. 상학당, 240pp. 2003. (Korean)
Williams, DB and Carter, CB: Transmission Electron Microscopy-A Textbook for Materials Science. Plenum Press, New York and London, 729pp. 1995
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.