KR20080045483A - 냉각 시스템, 이를 구비한 시편 분석 장치 및 이를 이용한시편 분석 방법 - Google Patents

냉각 시스템, 이를 구비한 시편 분석 장치 및 이를 이용한시편 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공 챔버 내의 시편을 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 제공하고, 이를 이용하여 시편의 냉각 작업과 시료 분석 작업을 동시에 수행할 수 있는 시편 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 열전도 특성이 우수한 재질로 만들어진 열전도 와이어; 및 상기 열전도 와이어와 연결되고, 중공부를 구비하는 냉각관을 포함하는 냉각 시스템을 제공하고, 이를 구비한 시편 분석 장치와 이 시편 분석 장치를 이용한 시편 분석 방법을 제공한다.

Description

냉각 시스템, 이를 구비한 시편 분석 장치 및 이를 이용한 시편 분석 방법{Cooling system, apparatus for analyzing material properties having the same and method for analyzing material properties using the same}
도 1은 본 발명에 따른 시편 분석 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 시편 분석 장치에 사용되는 냉각 시스템의 구성을 보여주는 사시도.
도 3은 도 2의 III-III 선을 따라 취한 단면도.
도 4는 시편 홀더 스테이지 부분의 사시도.
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 취한 단면도.
도 6은 도 4의 VI-VI선을 따라 취한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 시편 홀더 스테이지 20: 열전도 와이어
30: 냉각관 40: 냉각 탱크
50: 온도 측정 장비 60: 진공 챔버
100: 시편 분석 장치
본 발명은 냉각 시스템, 이를 구비한 시편 분석 장치 및 이를 이용한 시편 분석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진공 챔버 내에 설치된 시료에 이온빔(ion beam)이나 전자빔(electron beam)을 포함한 입자를 조사하여 시료를 관찰하거나 그 특성을 파악하는 등의 분석 작업을 수행하는 장비에 사용되어, 시료의 온도가 입자 빔의 조사에 의해 상승하는 것을 막고 시료를 소정 온도 이하로 냉각시키는 기능을 수행할 수 있는 냉각 시스템, 이를 구비한 시편 분석 장치 및 이를 이용한 시편 분석 방법에 관한 것이다.
재료의 미세구조 분석을 위하여 FIB(Focused Ion Beam)/SEM(Scanning Electron Microscopy) 시스템, 오거 일렉트론 스팩트로스코피(Auger electron spectroscopy), XPS 분석 등의 장비는 고진공 상태에서 이온빔이나 전자빔을 이용하여 재료의 표면 및 내부를 분석하는 방법들이 있다. 이러한 시스템의 챔버 내에서, 시편의 전방향(상하 좌우)으로 전자빔이나 이온빔을 조사할 때에는, 빔이 조사되는 영역에서 국부적으로 온도가 상승하여 시편의 물리적, 화학적 변형이 불가피하게 발생한다. 또한 이러한 재료 미세구조분석을 위한 장비들은 10-5Pa이상의 고진공 압력(high vacuum pressure)의 작업이 요구되어지기 때문에 고진공 챔버 내의 온도 및 시편의 온도를 제어하는 것은 이러한 장비들의 성능을 활용하는데 있어 대 단히 중요한 문제가 된다.
FIB/SEM 시스템의 경우, 이온빔을 시편 표면에 조사하여 시편 표면의 표면 상태를 변화시키거나, 이온빔을 이용하여 시편의 깊이 방향으로 시편을 자르면서 시편 단면의 화학적 물리적 해석이 가능한 장비이다. 이러한 장비 내에서 시편 분석을 중, 시편표면에 조사되는 집속 이온빔(focused ion beam)에 의하여 시편 표면의 온도는 70℃ 내지 90℃ 정도까지 상승하는 것으로 알려져 있다. 따라서 생체재료 및 무기재료, 그리고 온도에 민감한 금속 재료 시편의 표면을 이러한 방법을 사용하게 될 때, 고에너지 이온빔에 노출되게 된 부분이 이온빔에 의하여 표면온도가 상승하게 되어, 시편 표면 성질이 물리적, 화학적으로 변질된다. 이에 따라 시편표면에 대한 정확한 정량적 분석에 오류가 생길 수 있게 되고, 이온빔을 조사할 때와 같이 재료 표면의 온도 상승이 불가피한 시스템 내부에서의 재료 분석에 있어서는 온도 변화에 대한 적절한 대처가 요구되고 있다. 특히 대부분의 생체재료 등은 고진공 상태에서 저온상태로 관찰이 필요하기 때문에 시편의 온도 상승을 제어할 수 있는 수단을 강구할 필요성이 크게 대두되게 되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 이전의 시도의 하나는 액체 질소 저장 용기로부터 발생하는 질소 기체를 진공 챔버 내부의 시편 홀더까지 유입되도록 하여 시편 홀더를 냉각시킨 후 일정온도에 이르러서야 SEM과 집속 이온빔 등의 분석실험을 진행할 수 있게 하는 방안이 있었다. 하지만 특정 배율(magnification) 이상에서는 액체 질소 기체의 흐름으로 인한 진동이 SEM과 집속 이온빔 구동시 심각한 문제를 야기할 수 있는 문제점이 있었다. 또한, SEM 이미징 시에는 액체 질소 기체의 흐름에 따른 진동 노이즈로 인해 정확한 분석 작업이 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점들 때문에 냉각 시스템을 이용하여 시편의 온도를 하강시킬 때는 재료에 대한 분석 및 가공 공정을 진행 할 수 없었다. 그리고, 냉각 후 온도 보전이 어려워 분석 시간에 제한을 받게 되는 단점이 있었다. 다른 문제로는, 진공 챔버 내부로의 질소 기체 유입을 통한 냉각 방식에서는 질소 기체가 흘러가는 호스와 챔버 내부가 10-6Pa 이상의 압력 차이가 존재하여 부품 연결부와 호스 자체의 누설의 위험을 안고 있게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 포함한 여러 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 진공 챔버 내의 시편을 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 제공하고, 이를 이용하여 시편의 냉각 작업과 시료 분석 작업을 동시에 수행할 수 있는 시편 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 열전도 특성이 우수한 재질로 만들어진 열전도 와이어; 및 상기 열전도 와이어와 연결되고, 중공부를 구비하는 냉각관을 포함하는 냉각 시스템을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 냉각관의 중공부로 냉각 유체를 공급하는 냉각 탱크를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서 상기 열전도 와이어는 은도금 구리 와이어로, 상기 냉각관은 구리로 만들어지며, 상기 냉각관의 표면은 일부분 이상 테프론으로 덮인 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 시편을 관찰하거나 가공할 수 있는 장비가 설치된 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 배치된 시편 홀더 스테이지; 극저온의 유체를 담고 있는 냉각 탱크; 및 상기 시편 홀더 스테이지와 상기 냉각 탱크를 연결하고, 상기 진공 챔버의 내부 진공에 영향을 미치지 않으면서 상기 극저온 유체가 상기 진공 챔버의 내측으로 진입할 수 있게 하는 냉각 시스템을 포함하는 시편 분석 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 냉각 시스템은, 열전도 특성이 우수한 재질로 만들어진 열전도 와이어; 및 상기 열전도 와이어와 연결되고, 중공부를 구비하며, 중공부로 상기 냉각 탱크의 극저온 유체가 유입되는 냉각관을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열전도 와이어의 선단부는 상기 시편 홀더 스테이지에 연결되고, 상기 시편 홀더 스테이지에 연결되는 상기 선단부는 시편 홀더 스테이지의 상면 형상에 대응하도록 납작하게 형성된 것이 바람직하며, 상기 열전도 와이어는 은도금 구리 와이어로 만들어진 것이 바람직하다.
여기서, 상기 냉각관은 상기 진공 챔버 벽면에 삽입 고정되어 상기 냉각 탱크의 극저온 유체가 상기 진공 챔버의 내외부로 유동 가능하도록 하는 것이 바람직하며, 상기 냉각관은 구리로 만들어진 것이 바람직하다.
여기서, 상기 냉각관의 표면은 일부분 이상 테프론으로 덮일 수 있다.
한편, 상기 냉각 탱크의 온도를 소정 온도 이하로 유지하는 냉각 탱크 온도 유지 수단을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 탱크의 극저온 유체는 액체 질소일 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 극저온 유체가 진공 챔버 내외부에 걸쳐 유동 가능하도록 진공 챔버에 냉각관을 설치하는 단계; 시편 홀더 스테이지와 상기 냉각관을 열전도 와이어로 연결하는 단계; 및 시편 홀더 스테이지에 시편을 장착하고 시편 분석 작업을 수행하는 단계를 포함하는 시편 분석 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 시편 분석 작업을 수행하는 중에는 상기 극저온 유체가 소정 온도 범위로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 시편 분석 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 시편 분석 장치에 사용되는 냉각 시스템의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 III-III 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다. 한편, 도 4에는 시편 홀더 스테이지 부분의 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 V-V선을 따라 취한 단면도, 그리고 도 6에는 도 4의 VI-VI선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 시편 분석 장치(100)는 시편 홀더 스테이지(10), 진공 챔버(60), 냉각 시스템 및 냉각 탱크(40)를 포함한다. 그리고 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 냉각 시스템은 열전도 와이어(20) 및 냉각관(30)을 포함한다.
상기 열전도 와이어(20)는 열전도 특성이 우수한 소재, 예를 들어 은도금 구리 와이어로 이루어지고, 상기 시편 홀더 스테이지(10) 및 상기 냉각관(30) 사이의 열전도가 이루어지도록 배치된다. 상기 열전도 와이어(20)는 상기 시편 홀더 스테이지(10)에서 시편 고정부(12)(도 4)가 형성된 상측에 가깝게 배치된다. 특히, 상기 열전도 와이어(20)는 상기 시편 홀더 스테이지(10)의 단면적에 가까운 단면적을 가지면서 시편 홀더 스테이지(10)의 평면 전체 영역으로부터 열전도가 이루어지기 쉽게 설치되는데, 이를 위해 상기 열전도 와이어(20)의 본체 부분의 단면 형상과 무관하게 상기 시편 홀더 스테이지(10)와 연결되는 선단부(20a)는 소정 두께의 판상으로 납작하게 형성되어 상기 시편 홀더 스테이지(10)의 상측에 삽입 고정된다. 상기 시편 홀더 스테이지(10)에서 상기 열전도 와이어(20)의 고정은 볼트 등의 부재에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 시편이 시편 홀더 스테이지(10)에 위치한 상태에서 시편 홀더 스테이지(10)를 움직이면서 시편 분석 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해, 상기 열전도 와이어(20)는 변형이 용이한 소재로 이루지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 열전도 와이어(20)는 시편 홀더 스테이지(10)를 -15ㅀ 내지 +60ㅀ까지 틸팅(tilting)이 가능하고, ㅁ45ㅀ까지 회전(rotation)이 가능하며, 또한 X, Y, Z 축 방향으로 소정 거리(약 ㅁ30mm) 정도의 이할 수 있도록 적절한 소재와 두께로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 냉각관(30)은 중공부(31c)가 형성된 관의 형상을 가지는 것으로 선단부는 폐쇄되어 있고, 후단부는 냉각 탱크(40)에 연결되어 냉각 유체가 중공부(31c)에 수용되도록 할 수 있다. 상기 냉각관(30)은 열전도 특성이 우수한 구리 등의 소재로 만들어지는 것이 바람직하다. 상기 냉각관(30)은 상기 진공 챔버(60)의 벽면에 설치된다. 상기 진공 챔버(60)의 벽면에 삽입 고정되는 방식으로 설치되기 때문에 진공 챔버(60)의 내부 진공을 유지하고 단열도를 높이기 위해 결합 부위의 밀봉(sealing)이 매우 중요하다. 이를 위해 상기 냉각관(30)의 표면에는 열에 의한 변형이 적고 밀봉 특성이 우수한 재질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 테프론(Teflon)과 같이 열에 의한 변형이 적고 밀봉 특성이 우수한 재질의 소재로 냉각관(30)의 표면 중 진공 챔버(60)에 삽입 결합되는 부분을 덮는 밀봉부(32)를 형성할 수 있다.
상기 냉각관(30)의 선단부에는 상기 열전도 와이어(20)가 결합된다. 상기 냉각관(30)의 선단부와 상기 열전도 와이어(20)는 은(Ag)을 사용하는 은땜으로 고정되고, 고정 부위의 결합력을 보강하기 위해 별도의 보강부재(21)와 볼트 등으로 체결될 수 있다.
상기 밀봉부(32)는 상기 냉각관(30)의 본체와 볼트(37) 등의 부재로 결합될 수 있다. 밀봉부(32)와 진공 챔버(60)의 벽면 사이뿐만 아니라 밀봉부(32)와 냉각관(30) 사이에서도 진공 누출이 발생하지 않도록 하기 위해서는 상기 밀봉부(32)가 상기 냉각관(30)과 긴밀하게 결합되는 것이 필요하다. 이를 위해 상기 냉각관(30)에는 후단부에 가깝게 배치되는 돌출부(31b)가 형성되어 있고, 상기 돌출부(31b)는 상기 밀봉부(32), 특히 밀봉부의 돌출부(32a, 34)에 의해 덮일 수 있다. 또한, 상기 돌출부(31b) 상에 상기 밀봉부(32)로 덮이는 부분을 볼트(37) 등의 체결 부재로 결합할 수 있다. 한편, 테프론으로 만들어진 밀봉부(32)는 볼트(37) 등을 사용하여 상기 냉각관(30)과 조립될 때 압축변형에 대해 파손될 우려가 있다. 이에 압축응력에 대한 강도가 큰 소재로 만들어진 부재, 예를 들어 세라믹 애자(36)를 볼트(37)가 조여지는 방향과 나란한 방향으로 설치하여 이러한 파손을 방지할 수 있다. 상기 볼트(37) 및 세라믹 애자(36)가 결합되는 부분은 별도의 커버(39)로 덮일 수 있고, 이 커버를 고정하기 별도의 작은 볼트(38) 등의 체결 요소가 더 사용될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 시편 홀더 스테이지(10)는 시편을 고정하는 시편 고정부(12)와 시편 홀더 스테이지가 진공 챔버(60) 내에 고정되도록 하는데 사용되는 스테이지 고정부(13)를 구비하고, 상기 열전도 와이어(20)와 연결된다. 상기 시편 홀더 스테이지(10)는 상기 열전도 와이어(20)의 선단부가의 납작하게 형성된 선단부(20a)를 수용하는 채널이 형성되어 있고, 상기 선단부(20a)가 수용된 상태에서 상기 선단부(20a)를 볼트 등의 부재로 조이는 체결부를 구비한다. 상기 체결부는 상기 선단부(20a)와 면접촉하여 상기 선단부(20a)가 시편 홀더 스테이지(10)에 고정되도록 하는 제1체결부(14)와, 상기 스테이지 고정부(13)와 연결되고 상기 제1체결부(14)를 지지하는 제2체결부(15)를 구비할 수 있다. 상기 시편 홀더 스테이지(10)에는 시편(미도시)이 배치되어 고정될 수 있도록 하는 고정용 나사홀(16)이 더 형성되어 있을 수 있다.
상기 냉각 탱크(40)는 극저온으로 유지되어 시편에서 발생하는 열을 열전도에 의해 전달받아 소산시킴으로써 시편을 냉각시키는 극저온 유체를 담고 있다. 상기 극저온 유체는 극저온이기만 하면 어떤 유체라도 사용될 수 있을 것이지만 진동의 영향을 감소시키기 위해서는 액체가 더 바람직하고, 사용될 수 있는 바람직한 예로는 액체 질소를 들 수 있다. 상기 냉각 탱크(40)는 상기 냉각관(30)과 연결되어 상기 냉각관(30)의 중공부(31c)를 통해 극저온 유체가 진공 챔버 내로 유동할 수 있도록 한다. 상기 냉각 탱크(40)에 저장된 극저온 유체는 시편을 열을 전달받아도 상변화를 일으키지 않도록 저온으로 유지된다. 상기 냉각 탱크를 냉각시키는 별도의 냉각 수단을 설치하지 않아도 극저온 유체가 담긴 상기 냉각 탱크를 단열된 상태로 유지하기만 하여도 본 발명의 목적을 수행하는데 전혀 지장이 없다. 이는 시편을 국부적으로 가열하는 열의 전체 열량은 그다지 크지 않기 때문에 극저온 유체에서 상변화가 발생하는 일은 실질적으로 발생하지 않기 때문이다. 물론 필요에 따라서 냉각 탱크 내의 극저온 유체를 냉각시키는 별도의 냉각 수단을 사용할 수도 있다.
상기 냉각 탱크(40)는, 예를 들어 스테인리스 스틸과 단열재를 사용하여 내부 용기와 외부 용기를 구성하고 그 사이에 진공 공간을 두어 내부에 담긴 극저온 유체의 단열 효과를 높일 수 있는 단열 용기로 설계되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 시편 분석 장치(100)에는 시편 홀더에서 시편의 온도 를 측정하기 위한 온도 측정 장비와, 시편의 분석을 위한 빔 조사 장비, 시편 관찰 장비 등이 더 포함될 수 있다. 상기 온도 측정 장비는 접촉식 온도 측정 센서, UPS(Uninterruptible Power Supply) 및 제어기(controller)로 이루어질 수 있다. 여기서, 빔 조사 장비, 시편 관찰 장비 등의 구성은 본 발명의 특징을 한정하는 사항이 아니므로 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같은 구성을 가지는 냉각 시스템 및 이를 구비한 시편 분석 장치(100)는 다음과 같은 방식으로 기능할 수 있다.
상기 냉각관(30)과 상기 시편 홀더 스테이지(10)를 연결하여 열전도가 가능하게 하는 열전도 와이어(20)에 의해 이온빔이나 전자빔에 의해서 발생하는 시편 표면의 상승 온도를 낮추게 된다.
챔버 내의 진공도가 낮은 경우 시편 표면의 열이 복사에 의해 전달되는 비율은 70% 이상이다. 진공 챔버(40) 내의 진공도가 높아지면서 진공펌핑 초기에 대기를 통한 전도, 대류 및 복사에 의한 열전달 비율은 감소하게 되고 초고진공 상태에서는 냉각관을 통한 열전도에 의한 열전달 비율이 절대적이 된다.
빔 조사 등에 의해 발생한 열은 시편, 시편 홀더 스테이지(10), 열전도 와이어(20), 냉각관(30), 극저온 유체 및 냉각 탱크(40)의 순으로 전달되어 진공 챔버 내부로부터 방출된다. 이 과정에서 시편에서 발생하는 열의 전체 열량은 작은 크기의 시편을 국부적으로 가열하는 열로 열량의 크기 자체는 그다지 크지 않기 때문에 냉각 탱크(40)에 담긴 극저온 유체의 상변화나 극저온 유체의 열대류 등의 현상 은 실질적으로 발생하지 않는다. 즉, 열은 실질적으로 전도에 의해서만 냉각되게 된다.
상기 냉각관(30)이 진공 챔버(60)의 내외부에 걸쳐 배치되고 그 중공부(31c)로 극저온 유체가 유동하게 됨으로써, 시편에 극저온 유체가 더 가깝게 위치할 수 있고, 이에 따라 시편에서 발생하는 열을 보다 빠르게 냉각시키는 것이 가능하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 냉각 시스템 및 이를 구비한 시편 분석 장치(100)를 사용하는 경우, 진공 챔버(40) 내부로의 질소 기체의 유입이 없고, 열전도도가 우수한 소재로 만들어진 열전도 와이어(20)와 냉각관(30)을 통해 열전도가 이루어지게 되어 기체 누설 등의 문제가 발생하지 않는다. 특히, 지속적인 액체 질소 등의 극저온 냉각 유체를 지속적으로 공급함으로써 시간에 대한 제약 없이 시편 분석 작업을 할 수 있다.
또한, 집속 이온빔(focused ion beam, FIB)을 이용한 시편 표면의 단면 가공 공정 시, Ga+ 이온빔 조사에 따른 국부적인 온도상승을 효과적으로 억제함으로써 빔에 의한 시편의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 열전도 와이어(20)가 변형이 용이한 수재로 만들어져서, 시편 홀더 스테이지(10)를 움직이는 것이 자유롭고 이에 따라 시편의 분석 작업이 용이하게 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 냉각 시스템과 이를 구비한 시편 분석 장치(100)를 사용하여 시편 분석 작업을 수행하는 방법은 다음과 같이 요약될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 시편 분석 방법은 먼저, 극저온 유체가 진공 챔버(60) 내외부에 걸쳐 유동 가능하도록 진공 챔버(60)에 냉각관(30)을 설치하는 단계를 수행하고, 그 다음 시편 홀더 스테이지(10)와 상기 냉각관(30)을 열전도 와이어(20)로 연결하는 단계를 수행한 후, 시편 홀더 스테이지(10)에 시편을 장착하고 시편 분석 작업을 수행하는 단계를 수행하여 이루어진다. 여기서, 시편 분석 작업을 수행하는 중에는 상기 극저온 유체가 소정 온도 범위로 유지되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명을 설명함에 있어서, 실제 냉각 작용에 기여하는 부재는 열전도 와이어(20), 냉각관(30), 냉각 탱크(40), 냉각 탱크 온도 유지 수단 등이 모두 포함되지만, 냉각 시스템으로 지칭하는 경우에는 열전도 와이어(20)와 냉각관(30)만이 필수 구성요소로 포함되도록 기재하였다. 이는 본 발명의 아이디어를 구현하는데 필요한 최소한의 필수 구성요소가 열전도 와이어(20)와 냉각관(30)이기 때문이다.
본 발명에 따른 냉각 시스템을 적용하는 경우, 열전도 방식을 이용하여 고진공상태에서 시편 표면의 온도를 -90℃까지 감소시킬 수 있다. 이러한 냉각 시스템을 시편 분석 장치에 적용하는 경우, 다양한 재료의 물리적, 화학적 특성 변화를 고진공에서 저온으로 유지하면서 해석할 수 있게 되어 생체 재료, 고분자 재료, 금속 재료 및 무기 재료의 SEM, SIM, EDS(Energy Dispersive Spectroscopy), EBSD(Electron BackScatter Diffraction) 해석이 가능하게 된다.
특히, 생물학적 관점에서 본 발명에 따른 냉각 시스템 및 이를 구비한 시편 분석 장치에 의하면, 고진공 내에서 나노-마이크로 스케일의 사물을 SEM과 집속 이온빔을 활용해 관찰함에 있어서 상온에서의 시편 보존성을 높일 수 있고, 필요에 따라 냉각 및 저온 상태를 유지할 수 있게 한다. 집속 이온빔을 이용한 다양한 가공 공정 시 국부적인 온도 영향을 최소화함으로써 시편의 손상을 막아 생체 재료의 3차원 분석이 가능하다. 또한, 액체 시편을 국부적으로 얼리는 작업이 가능하다.
또한, 재료 공학적 관점에서 생각할 때 본 발명에 따르면, 극저온 환경에서 고분자 재료, 금속 재료 및 무기 재료가 갖는 고유의 특성 변화를 집속 이온빔 시스템에서 분석할 때, 분석 대상의 이온빔에 의한 국부적인 온도의 영향을 최소화하는 동시에 그 자리에서의 관찰이 가능하다. 그리고, 본 발명에 따른 냉각 시스템 및 이를 구비한 시편 분석 장치를 사용하는 경우, 이온빔이나 전자빔에 의한 시편 표면의 온도 상승폭을 완화시켜 줌으로써, 목적하지 않은 시편의 표면에서의 이온에너지와 전자에너지에 의한 손상을 줄일 수 있으며, 재료의 극저온 상태에서의 기계적, 전자적 반응성에 대한 해석을 수행할 수 있다. 이를 바탕으로 다양한 응용분야를 개척하기 위한 기반기술로 활용이 가능하다.
특히, 시편에 대한 가공, 관찰 등의 분석 작업이 이루어지는 동안에도 지속적으로 냉각 시스템이 작동하게 되므로, 시편의 분석 작업 시간이 제한되지 않게 되는 장점이 있다.

Claims (16)

  1. 열전도 특성이 우수한 재질로 만들어진 열전도 와이어; 및
    상기 열전도 와이어와 연결되고, 중공부를 구비하는 냉각관을 포함하는 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각관의 중공부로 냉각 유체를 공급하는 냉각 탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 와이어는 은도금 구리 와이어로 만들어진 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각관은 구리로 만들어진 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각관의 표면은 일부분 이상 테프론으로 덮인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  6. 시편을 관찰하거나 가공할 수 있는 장비가 설치된 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치된 시편 홀더 스테이지;
    극저온의 유체를 담고 있는 냉각 탱크; 및
    상기 시편 홀더 스테이지와 상기 냉각 탱크를 연결하고, 상기 진공 챔버의 내부 진공에 영향을 미치지 않으면서 상기 극저온 유체가 상기 진공 챔버의 내측으로 진입할 수 있게 하는 냉각 시스템을 포함하는 시편 분석 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은,
    열전도 특성이 우수한 재질로 만들어진 열전도 와이어; 및
    상기 열전도 와이어와 연결되고, 중공부를 구비하며, 중공부로 상기 냉각 탱크의 극저온 유체가 유입되는 냉각관을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전도 와이어의 선단부는 상기 시편 홀더 스테이지에 연결되고, 상기 시편 홀더 스테이지에 연결되는 상기 선단부는 시편 홀더 스테이지의 상면 형상에 대응하도록 납작하게 형성된 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열전도 와이어는 은도금 구리 와이어로 만들어진 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 냉각관은 상기 진공 챔버 벽면에 삽입 고정되어 상기 냉각 탱크의 극저온 유체가 상기 진공 챔버의 내외부로 유동 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 냉각관은 구리로 만들어진 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 냉각관의 표면은 일부분 이상 테프론으로 덮인 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 탱크의 온도를 소정 온도 이하로 유지하는 냉각 탱크 온도 유지 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 탱크의 극저온 유체는 액체 질소인 것을 특징으로 하는 시편 분석 장치.
  15. 극저온 유체가 진공 챔버 내외부에 걸쳐 유동 가능하도록 진공 챔버에 냉각관을 설치하는 단계;
    시편 홀더 스테이지와 상기 냉각관을 열전도 와이어로 연결하는 단계; 및
    시편 홀더 스테이지에 시편을 장착하고 시편 분석 작업을 수행하는 단계를 포함하는 시편 분석 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    시편 분석 작업을 수행하는 중에는 상기 극저온 유체가 소정 온도 범위로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 시편 분석 방법.
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