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문제 정의
- 본 연구에서는 유기증기, 압력차, 자기장에 대한 RFPS박막의 감응 특성을 조사하고, 이들 감응 신호로부터 세 물리량의 구분성이 존재함을 알았다. RFPS에 IPA 유기증기가 노출될 때 박막 표면의 반사스펙트럼에서 rugate 봉우리 파장과 강도의 변화가 동시에 일어났다.
제안 방법
- 0-200 s까지는 IPA유기증기농도=0 ppm, ΔP=0 kPa, 자기장=0 mT로 유지하여 rugate 봉우리 파장과 강도의 초기상태를 확인하였다.
- RFPS 박막을 통과하는 외부 자기장의 방향과 세기에 따른 rugate 봉우리 강도의 변화를 조사하였다. 그결과는 Fig.
- 그림에서와 같이 RFPS 박막은 원통형 구멍이 있는 폴리카보네이트 판 위에 놓여졌다. 그리고 박막의 상단은 대기압 P2에 노출되고 하단은 다이아프램진공펌프(KNF, N816.3KT.18)를 연결하여 대기압보다 낮은 압력 P1을만듦으로써 RFPS 박막을폴리카보네이트판에고정시켰다. 압력계(Vernier, GPS-BTA)를 사용해 P1을 실시간으로 측정하였고, 박막 양단의 압력차 ΔP=P2-P1는 박막과 진공펌프 사이에 있는 leak valve를 이용해 조절하였다.
- RFPS 박막의 아랫면에는 지름 4 mm, 두께 2 mm의 네오디뮴 자석을 부착하였다. 그리고 이 시료의 법선과 평행하게 외부 자기장이 인가되도록 그림과 같이 솔레노이드를 장착하였다. 솔레노이드에 흐르는 전류는 양극성전원공급기 (bipolar operational power supply/amplifier, Kepco, BOP 36-6DL-4886)를 사용하여조절하였다.
- 압력계(Vernier, GPS-BTA)를 사용해 P1을 실시간으로 측정하였고, 박막 양단의 압력차 ΔP=P2-P1는 박막과 진공펌프 사이에 있는 leak valve를 이용해 조절하였다.
- 유기증기를RFPS 박막에 안정적으로 주입하기 위해 기체챔버를 제작하였다. 챔버 측면에 배관을 연결하여 기체발생기에서 제작된 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol; IPA) 증기가 주입되도록 하였으며 휘발성 유기화합물 기체검출기(RAE Systems, PGM-7340)를 장착하여 주입되는 유기 증기 농도를 실시간으로 측정하였다.
- 0 s 동안 공급하였다. 이를 통해 RPS 층과 실리콘 기판 사이의 계면영역이 전해 연마되어 RPS 층이 기판으로부터 완벽히 분리된 RFPS 박막이 얻어졌다.
- 이에 따라 본 연구에서는 광학적 감응 방식을 기본으로 하여 단일의 다공성 실리콘 박막에 유기증기, 압력차, 자기장을 동시에 인가하고, 측정된 감응 신호의 특성을 분석하여 각각의 대상에 대응하는 신호를 구분해내는 방법의 도출을 시도하였다.
- 솔레노이드에 흐르는 전류는 양극성전원공급기 (bipolar operational power supply/amplifier, Kepco, BOP 36-6DL-4886)를 사용하여조절하였다. 자기장강도는 솔레노이드의 한쪽 면으로부터 0.8 cm 떨어진 거리에서 자기장 센서(Vernier, MG-BTA)를 통해 측정되었다.
- 유기증기를RFPS 박막에 안정적으로 주입하기 위해 기체챔버를 제작하였다. 챔버 측면에 배관을 연결하여 기체발생기에서 제작된 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol; IPA) 증기가 주입되도록 하였으며 휘발성 유기화합물 기체검출기(RAE Systems, PGM-7340)를 장착하여 주입되는 유기 증기 농도를 실시간으로 측정하였다.
- 챔버의 상부 중심에는 원형 구멍을 제작하여 나선광섬유(bare optical fiber, Thorlab, BFL48-600)가 삽입됨으로써 그 끝이 RFPS 박막 표면의 근처까지 접근되도록 하였다. 나선광섬유는 분기광섬유(bifurcated optical fiber, Ocean optics,QBIF600-UV-VIS)와 연결되는데, 분기광섬유의 두 끝은 텅스텐광원(Ocean optics, LS-1)과 분광기(Ocean optics, USB2000+)에 각각 연결되었다.
대상 데이터
- Rugate 구조를 갖는 다공성 실리콘(Rugate-structured PorousSilicon; RPS)은 비저항 0.02 Ω·cm 의 p-type (100) 단결정 실리콘 기판(Nilaco, 500440)을 이용해 제작되었다.
- 02 Ω·cm 의 p-type (100) 단결정 실리콘 기판(Nilaco, 500440)을 이용해 제작되었다. 그리고 제작된 RPS 층을 실리콘 기판으로부터 분리시킨 rugate 구조를 갖는 자립형 다공성 실리콘 (Rugate-structured Free-standing PorousSilicon; RFPS)박막을 제작하였다. 이를 위해 Fig.
성능/효과
- 6(b)와 같이 봉우리 강도는 증가됨이 관찰되었다. 또한 RFPS 박막에 인가되는 자기장 강도가 증가할수록 봉우리 강도의 변화폭도증가됨을 알 수 있다.
- 4(a)에서 관찰되는 단일 간섭색에 대응하여 505 nm에서 rugate 봉우리가 나타나 강한 반사도를 보이고 있다. 또한 rugate 봉우리 주변 간섭무늬의 진동 진폭이 상대적으로 매우 작게 관찰되어 rugate 구조가 갖는 전형적 광학적 특성이 관찰되었다.
- 그러나 유기증기가 제거되면 봉우리 파장과 강도 모두 원래의 기저상태로 돌아왔다. 또한 유기증기 농도가 증가할수록 봉우리 파장과 강도 모두 변화폭이 증가됨을 알 수 있다.
- 7의 삽입그림은 인가된 자기장 세기에 따른 rugate 봉우리 강도의 변화를 선형함수로 최적화하고 그 결과를 보인 것이다. 수정된 R의 제곱값(Adjust R-Square)이 0.998로 나타나 선형성이 높음을 알았으며 기울기는 18.895 intensity/mT 로 나타났다.
- 즉 봉우리 강도는 인가되는 자기장의 세기가 클수록 변화폭이 컸으며, 자기장의 방향이 반전되었을 때 봉우리 강도의 변화방향도 반전됨을 알 수 있다. 이 결과는RFPS박막이 자기장의 강도 뿐만 아니라 방향까지 측정하는 것이 가능함을 나타낸다. Fig.
- 이상의 결과는 단일의 RFPS 박막을 이용하여 유기증기, 압력차, 자기장을 동시에 감응할 수 있고, 감응신호의 구분도 가능함을 나타낸다.
- 00 mT를 기준으로 대칭적으로 변하였다. 즉 봉우리 강도는 인가되는 자기장의 세기가 클수록 변화폭이 컸으며, 자기장의 방향이 반전되었을 때 봉우리 강도의 변화방향도 반전됨을 알 수 있다. 이 결과는RFPS박막이 자기장의 강도 뿐만 아니라 방향까지 측정하는 것이 가능함을 나타낸다.
- 5의 중요한 특징은 유기증기와 압력에 대해 감응 구별성이 존재하는 것이다. 즉 유기증기의 농도에 따라 rugate 봉우리 파장과 강도는 모두 증가하지만, 압력차에 대해서는 봉우리 파장은 변하지 않고 강도만 감소한다. 그러므로 단일의 RFPS 박막에 유기증기와 압력차가 동시에 인가되면 봉우리 파장의 변화여부와 강도 변화의 증감 유무를 통해 두 감응대상을 명확히 구분할 수 있다.
후속연구
- 아울러 다공성 실리콘의 장점은 에칭 과정에서 전류밀도와 에칭 시간의 조건을 변화시키면 층의 깊이에 따른 굴절률을 자유롭게 변화시킬 수 있다는 것이다. 그러므로 위에서 언급한 추가 연구가 완성됨으로써 최적화된 층의 깊이 방향 굴절률 분포가 얻어진다면, 에칭 조건의 변화를 통해 유기 증기 농도의 함수로서 봉우리 강도와 파장의 선형적 변화를 실현할 수 있을것이다.
- 다만, △P 가 인가될 때 RFPS 박막이 아래로 볼록하게 변형되어 봉우리 강도가 감소된다면, 자기장의 경우 반대로 위로 볼록하게 변형되어 봉우리 강도가 증가할 수 있다. 여기서 박막 변형에 의한 봉우리강도 변화에 대한 상세한 이론적 연구는 추가적으로 필요하다. 유기증기와는 달리 압력차△P 와 자기장 모두 RFPS 박막의 굴절률 변화를 일으키지 않으므로 Fig.
- 여기서 유기증기 농도 증가에 따른 봉우리 파장과 강도의 변화가 선형적으로 변화되지 않는다. 이 원인을 밝히기 위해서는 유기증기 농도 변화에 따른 RFPS 박막의 굴절률 변화와 시료 표면의 반사스펙트럼 변화에 대한 면밀한 추가 연구가 필요하다. 아울러 다공성 실리콘의 장점은 에칭 과정에서 전류밀도와 에칭 시간의 조건을 변화시키면 층의 깊이에 따른 굴절률을 자유롭게 변화시킬 수 있다는 것이다.
- 향후 압력차와 자기장에 의한 박막 변형이 rugate 봉우리 강도 변화에 미치는 영향과 유기증기농도에 따른 rugate 봉우리 파장과 강도의 변화를 이론적으로 시뮬레이션 할 필요가 있다. 또한 보다 우수한 신호구분성과 정밀도 향상을 위해 장치의 성능 개선이 지속적으로 요구된다.
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