KR101167565B1 - Ｔｅｍ의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자빔의 회절현상을 이용한 3차원 구조 분석을 위한 전자빔 회전각도 및 회전속도를 제어하고, 제어된 양을 사용자가 확인할 수 있도록 표시할 수 있게 한 것으로써, 외부입력장치를 통해 입력된 전자빔 회전각도 및 회전속도 제어명령에 대응하여 펄스제어신호 및 전류제어신호를 계산하여 출력하는 연산모듈; 상기 연산모듈로부터 출력되는 펄스제어신호에 따라 전자빔 회전각도 및 회전속도 전기신호 값에 대응되는 기준펄스를 생성하는 기준펄스생성부; 및 상기 연산모듈로부터 출력되는 전류제어신호를 증폭하는 신호증폭부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＴＥＭ의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템{Apparatus for Controling-and-Displaying the Rotating angle and speed of Electron-beam in TEM for 3-D Diffraction Pattern Analysis}
본 발명은 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)을 이용하여 물질의 내부구조를 3차원으로 분석하기 위해 사용되는 회절패턴(DP; diffraction pattern) 즉, 전자빔의 회절현상을 이용한 3차원 구조 분석을 위한 전자빔 회전각도 및 회전속도를 제어하고, 제어된 양을 사용자가 확인할 수 있도록 표시할 수 있게 한 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템에 관한 것이다.
TEM(Transmission electron microscope: 투과 전자 현미경)은 전자현미경의 일종으로, 광원과 광원렌즈 대신 유사한 기능을 하는 전자선과 전자 렌즈를 사용한 현미경이다.
간략하게 설명하면, TEM은 전자총, 집속렌즈, 시료대, 대물렌즈, 중간렌즈 등 복수개의 전자렌즈 및 카메라로 구성되어 있으며, 그 작동과정은 다음과 같다 : 50～100kV의 음전압이 걸려있는 전자총에서 전자빔이 발사되면 전자빔은 집광렌즈에 의해 수렴되어 시료에 조사된다. 시료를 투과한 전자빔은 대물렌즈에 의해 수백배로 확대되어 중간렌즈 바로 위에 제1상을 맺는다. 제1상의 일부는 중간렌즈 및 투사렌즈로 확대되어 카메라실의 형광막 위에 상을 맺게 된다. 이때 초점은 대물렌즈의 여자전류를 조절하여 맞추게 되고, 배율은 중간렌즈 또는 투사렌즈에 흐르는 전류를 조절하여 가감할 수 있다. 공기가 존재하면 전자빔의 진행방향이 변하므로, TEM 내부는 10-5mmHg 정도로 고진공 상태를 유지한다.
TEM에는, 각 전자렌즈를 통과한 전자빔의 집속과 확대를 안정적으로 제어하기 위하여 모든 또는 일부 전자렌즈의 상부 또는 하부에 각각 4개의 조정코일(+X, -X, +Y 및 -Y)을 두고 있다. 도 1a에 일반 TEM에서 전자렌즈(2개)와 조정코일(8개)의 위치를 예시적으로 도시하였다. 이들 전자렌즈와 조정코일 각각의 세트는 각각의 렌즈제어부에 의해 제어되는데, 도 1b에 렌즈제어부에 의해 조정코일이 제어됨을 보여주는 개념도를 도시하였다(이해의 편의를 위해 조정코일을 90° 회전하여 도시함).
TEM에서 시료를 관찰하기 위해서는 먼저 (시료 장착 전에) 전자빔이 중심축에 일치하여 시료대에 초점이 맞추어지도록 조정(alignment)해야한다. 초점이 중심축에 맞지 않으면, 각각의 렌즈제어부는 서로 대칭되는 한 쌍의 조정코일에 흐르는 전류의 전압을 연동하여 제어함으로써 초점을 중심축에 일치시키게 된다. 종래 TEM에서 마주보는 한쌍의 조정코일이 연동하여 제어되는 것을 도 2에 개념적으로 나타내었다.
통상의 TEM은 전자빔이 수직으로만 진행되므로 한 번의 시료장착과 관찰로 전자빔이 입사된 한 면에 대한 정보만 얻을 수 있다. 따라서 복합구조로 이루어진 물질의 구조를 모두 얻기 위해서는 시료의 방향을 바꾸어가면서 반복적으로 관찰해야 한다. 이 경우 [시료탈착 → 시료 회전 → 시료장착 → 촬영] 작업을 반복해야 하므로 복잡하고 시간이 많이 소요될 뿐 아니라, 시료의 동일지점을 초점과 일치시키는 것이 거의 불가능하여 정확한 정보를 얻기가 어려웠다.
본 발명은 PED패턴분석법을 이용하여 물질의 3차원 구조해석을 보다 원활하게 할 수 있게 한 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 TEM을 이용하여 PED패턴을 분석하는 과정에서 조정코일에 공급되는 전원을 제어하는 제어값을 정량화하여 반복 및 분석 자료로 활용할 수 있게 한 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 조정코일을 미세하게 제어하여 전자빔 회전각도 및 회전속도를 정밀하게 조정할 수 있게 한 것으로서, 복수개의 렌즈와 상기 각 렌즈에 부속하는 다수의 조정코일에 공급되는 전원을 제어하는 렌즈제어부, 상기 렌즈제어부에 제어명령을 입력하는 외부입력장치를 포함하는 TEM에서, 상기 외부입력장치를 통해 입력된 전자빔 회전각도 및 회전속도 제어명령에 대응하여 펄스제어신호 및 전류제어신호를 계산하여 출력하는 연산모듈; 상기 연산모듈로부터 출력되는 펄스제어신호에 따라 전자빔 회전각도 및 회전속도 전기신호 값에 대응되는 기준펄스를 생성하는 기준펄스생성부; 및 상기 연산모듈로부터 출력되는 전류제어신호를 증폭하는 신호증폭부; 를 포함하는 조정코일제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 별도의 조정코일제어부에서 조정코일에 공급되는 전원을 제어함으로써 TEM의 전자빔 회전각도 및 회전속도 제어를 제어하여 전자빔의 기울기를 조절할 수 있어 복합구조로 이루어진 물질의 3차원구조 분석이 가능한 것이다.
상기 조정코일제어부에 의해 조정코일을 제어하는 과정에서 얻어진 제어 정보는 동일한 시료를 다시 관찰하거나 다른 시료를 관찰할 때 조정코일을 제어하기 위한 기준 정보로 사용함으로써 조정코일의 제어를 보다 용이하게 할 수 있다. 현재 실행된 제어 정보를 이후에 조정코일 제어에 활용할 수 있게 하기 위해 상기 연산모듈은 출력되는 제어신호(펄스제어신호와 전류제어신호)에 대응하는 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 계산하는 기능을 더 포함하고, 상기 연산모듈에서 계산된 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 표시하는 표시장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 조정코일제어부를 아날로그 회로로 구성할 경우 구조가 복잡해진다. 이에 따라 상기 조정코일제어부는 제어프로그램이 설치된 컴퓨터인 것이 바람직하다.
본 발명은, 조정코일제어부에 의해 조정코일에 공급되는 전원을 미세하게 조정함으로써 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 정밀하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은, TEM을 이용한 DP분석 과정에서 현재 작동 중인 TEM 전자빔의 회전각도 및 회전속도에 대응하는 조정코일에 공급되는 전원 제어신호의 제어값을 실시간으로 확인할 수 있게 하고, 이를 이후 분석과정에서 다시 활용할 수 있게 함으로써 연구의 효율과 정확성을 증대시킬 수 있게 된다.
도 1a는 일반 TEM에서 전자렌즈(2개)와 조정코일(8개)의 위치의 예시도,
도 1b에 렌즈제어부에 의해 조정코일이 제어됨을 보여주는 개념도를 도시하였다(이해의 편의를 위해 조정코일을 90° 회전하여 도시함),
도 2는 종래 TEM에서 마주보는 한쌍의 조정코일이 연동하여 제어되는 것을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명에 의한 시스템의 일예의 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 시스템의 일예의 배선도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이들 도면은 예시적인 목적일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
본 발명은 TEM의 렌즈부에 설치된 조정코일에 공급되는 전원을 보다 미세하게 제어하여 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 정밀하게 조정할 수 있게 한 것으로써, 조정코일에 공급되는 전원을 제어하기 위해 조정코일제어부(100)를 구비하고 있다.
TEM을 이용하여 물질의 3차원 구조해석을 하기 위해서는 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 제어하여야 한다. 전자빔의 회전각도는 조정코일에 공급되는 전원의 전류에 따라 변하고, 회전속도는 조정코일에 공급되는 전원의 주파수에 따라 변하므로 상기 조정코일제어부(100)는 조정코일에 공급되는 전원의 주파수와 전류를 모두 제어할 수 있어야 한다.
상기 조정코일제어부(100)는 외부입력장치에서 입력되는 제어명령을 전자빔 회전각도 및 회전속도 제어명령(필요에 따라 이들을 통칭하여 "제어명령"이라 한다)에 대응하여 펄스제어신호 및 전류제어신호(필요에 따라 이들을 통칭하여 "제어신호"라 한다)를 계산하여 출력하는 연산모듈(1)을 포함한다.
상기 연산모듈(1)에서 출력되는 제어신호는 전술한 바와 같이 펄스제어신호와 전류제어신호가 있다.
상기 펄스제어신호는 후술하는 기준펄스생성부(2)로 입력되고, 기준펄스생성부(2)는 이 신호에 따라 전자빔 회전각도 및 회전속도 전기신호 값에 대응되는 기준펄스를 생성한다.
상기 연산모듈(1)로부터 출력되는 전류제어신호는 약하게 조정코일의 전원을 제어할 수 없으므로 이를 증폭시키기 위해 신호증폭부(3)가 더 구비되어 있다.
상기 연산모듈(1)로부터 출력되는 전류제어신호는 디지털신호이므로 후속 연결된 신호증폭부에서 인식할 수 있도록 D/A변환기(11)를 이용하여 아날로그 신호로 변환할 수도 있다.
위에서 외부입력장치는 입출력장치를 구비한 통상의 컴퓨터나 가변저항형의 조절노브를 구비한 제어장치가 될 수 있다.
전술한 바와 같은 조정코일제어부를 이용하여 전자빔의 회전각도와 속도를 조절하는 과정에서, 사용자가 외부입력부를 통해 제어명령을 입력하면 이에 대응하여 전자빔의 회전각도와 회전속도가 변한다. 그러나 사용자는 입력한 제어명령과 전자빔의 회전각도와 회전속도 변화량의 대응 관계를 확인할 수 없으므로 사용자는 임의의 제어명령을 입력한 후 수차례의 수정된 제어명령을 입력하는 과정을 반복하여 전자빔을 제어하여야 하므로 전자빔의 제어에 많은 시간과 노력이 소요되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있도록 상기 연산모듈(1)은 출력되는 제어신호(펄스제어신호와 전류제어신호)에 대응하는 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 계산하는 기능을 더 포함하고, 상기 연산모듈에서 계산된 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 표시하는 표시장치(4)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 표시장치(4)는 전술한 외부입력장치의 하나인 컴퓨터에 구비된 모니터를 사용할 수 있다.
상기 연산모듈(1)에서 전자빔 회전각도 및 회전속도값으로 계산되는 제어신호를 감지하는 방법은 조정코일제어부(100)를 구성하는 방식에 따라 달라질 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 조정코일제어부(100)를 아날로그 회로로 구성할 경우에는 조정코일제어부로부터 출력되는 제어신호 출력단에 감지단자(31)를 설치하여 제어신호를 감지한다. 이때 감지단자(31)에서 감지된 제어신호는 아날로그 신호이므로 A/D변환기(12)를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 연산모듈로 전송한다.
도시하지는 않았으나, 후술하는 바와 같이 조정코일제어부(100)를 컴퓨터에 설치된 프로그램의 형태로 구성할 경우에는 제어신호는 연산모듈(1)에서 생성되므로 이 제어신호를 직접 전자빔 회전각도 및 회전속도값으로 연산하면 된다.
상기와 같이 연산모듈에서 계산된 전자빔 회전각도 및 회전속도값은 새로운 시료 분석을 위해 전자빔을 제어할 때의 기준 정보로 사용할 수 있도록 저장할 r수 있도록 메모리를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 조정코일제어부(100)는 도 4에 도시한 바와 같이 아날로그 회로로 제작할 수 있으나, 이렇게 아날로그 회로로 제작할 경우 시스템이 복잡해질 뿐만 아나라 다른 TEM에 적용하기 위해서는 회로를 변경하여야 한다. 이에 따라 본 발명에 의한 시스템에 설치된 조정코일제어부(100)는 제어프로그램이 설치된 컴퓨터인 것이 바람직하다.
100 : 조정코일제어부
1 : 연산모듈
2 : 기준펄스생성부
3 : 신호증폭부
4 : 표시장치
12 : A/D변환기 31 : 감지단자

Claims (4)

  1. 복수개의 렌즈와 상기 각 렌즈에 부속하는 다수의 조정코일에 공급되는 전원을 제어하는 렌즈제어부, 상기 렌즈제어부에 제어명령을 입력하는 외부입력장치를 포함하는 TEM에서,
    상기 외부입력장치를 통해 입력된 전자빔 회전각도 및 회전속도 제어명령에 대응하여 펄스제어신호 및 전류제어신호를 계산하여 출력하는 연산모듈;
    상기 연산모듈로부터 출력되는 펄스제어신호에 따라 전자빔 회전각도 및 회전속도 전기신호 값에 대응되는 기준펄스를 생성하는 기준펄스생성부; 및
    상기 연산모듈로부터 출력되는 전류제어신호를 증폭하는 신호증폭부;
    를 포함하는 조정코일제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산모듈은 출력되는 제어신호(펄스제어신호와 전류제어신호)에 대응하는 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 계산하는 기능을 더 포함하고,
    상기 연산모듈에서 계산된 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 표시하는 표시장치가 추가되는 것을 특징으로 하는 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조정코일제어부는 제어프로그램이 설치된 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조정코일제어부는 연산모듈에서 계산된 전자빔 회전각도 및 회전속도값을 저장하는 메모리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 TEM의 3차원 회절패턴분석을 위한 정밀 제어용 전자빔의 회전각도 및 회전속도 제어-표시 시스템.
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