KR20140025009A - 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법 및 검사장치 - Google Patents
근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법 및 검사장치 Download PDFInfo
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Abstract
근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법 및 검사장치가 개시된다. 본 발명에 따른 투과성 박막 검사방법은, 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선을 조사하여 투과되거나 반사되도록 하는 적외선 조사단계; 광학렌즈를 통하여 적외선 조사단계를 거친 투과성 박막의 이미지를 확대하는 이미지 확대단계; 이미지 센서를 통하여 이미지 확대단계를 거친 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 감지단계; 및 투과성 박막의 이미지로부터 결함을 검출하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 투과성 박막 검사장치는, 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선이 조사되어 투과되거나 반사되도록 하는 광원부; 투과성 박막의 이미지를 확대하는 광학렌즈; 및 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 광학 현미경에 700~2500nm 근적외선 램프 광원과 근적외선 감지 이미지 센서를 갖춘 카메라를 설치하여 간단한 구성으로 투명 폴리머나 탄소나노물질과 같은 투과성 박막을 빠르고 간편하게 관찰할 수 있다.
Description
본 발명은 투과성 박막의 검사에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 투명 폴리머나 탄소나노물질과 같은 투과성 박막 시트를 관찰함으로써 결함을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 그래핀이나 탄소나노튜브와 같은 탄소나노물질이 투명전극재료로서 주목받게 되었다. 이들은 기존에 투명전극소재로 사용되는 인듐주석산화물(ITO)가 가지는 취성을 개선할 수 있고 탄화수소 가스로 제조하기 때문에 자원이 한정되지 않아 수급에 제한이 없다는 장점이 있다. 이런 탄소나노물질은 유리 위에 도포하기도 하지만 가장 큰 장점인 유연성을 극대화하기 위해 투명 폴리머 필름 위에 부착하여 사용하는 시도가 계속되고 있다.
그래핀은 탄소원자만으로 이루어진 육각 구조를 가지는 2차원 평면 물질이고, 그래핀이 원통형으로 말려진 형태의 물질이 탄소나노튜브이다. 탄소나노튜브는 1991년 NEC의 이지마 스미오 박사가 전기방전법을 이용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견하였는데, 전기전도도가 뛰어나고 열전도율이 다이아몬드와 같은 수준이라는 성질들이 밝혀지면서 반도체나 평면 디스플레이에 적용하기 위한 연구가 지속되었다. 그래핀은 한스 피터 뵈임에 의해 1962년에 그 존재가 예언되었고, 2004년 맨체스터 대학의 가임과 노보셀로프 팀에서 최초로 흑연에서 원자단위층을 채취하는데 성공하여 그 특성이 밝혀지게 되었다. 그래핀은 현재까지 알려진 어떤 물질보다 더 높은 전하이동도를 가지고 있다. 최초에는 그래핀을 흑연에서 박리하는 방법으로만 얻을 수 있었으나 탄소나노튜브 합성 기술을 응용한 CVD 그래핀 제조기술들이 잇달아 개발되면서 현재는 CVD 그래핀이 단층 그래핀을 얻을 수 있는 유효한 기술로 자리잡게 되었다. 그러나, 실제로는 CVD 그래핀의 이동도는 박리 그래핀에서 얻을 수 있는 200,000㎠/Vs보다 낮은 20,000~50,000㎠/Vs 정도의 전하 이동도를 나타낸다. 이런 낮은 이동도는 대개 불순물과 그래핀 표면의 주름들 때문으로 알려져 있다. 표면 위에는 CVD 과정에서 sp3구조의 비정질 탄화물이나 수화물, 다층 그래핀 등이 생성될 수 있고, 에칭 후에 잔류한 금속성분이나 그래핀을 전사하는 과정에서 혼입된 불순물이 있을 수 있다. 이들 불순물이 전하를 띠게 되면 전기장이 생성되어 그래핀 시트를 통해서 이동하는 전자들을 산란시키기 때문에 외부 영향에 민감한데, 이것은 그래핀 기반의 트랜지스터로 하여금 속도가 저하하거나 더 뜨거워지게 만든다. 또한 최근에 들어서 그래핀 시트의 잔물결 무늬 주름(ripples)에 의한 전자산란도 이동도 저하의 주요 원인이라는 것이 밝혀졌다. 따라서 탄소나노물질의 품질관리를 위해서는 표면의 이런 불순물이나 주름들, 다층 부위를 효과적으로 검출할 수 있는 기술이 필요하다.
흑연이 검게 보이는 것은 흑연이 3개의 탄소원자가 시그마(σ) 공유결합을 하여 결합각이 120˚인 강한 판상구조를 이루고 여분의 전자는 판 사이에서 약한 파이(π)결합을 하는데 이 전자가 빛을 흡수하기 때문이다. 이에 반해 같은 탄소로 구성된 다이아몬드는 4개의 탄소원자가 모두 시그마(σ)결합하여 109.5˚의 단단한 입방구조(Cubic)를 만드는데, 결합 길이도 0.154nm로서 흑연의 0.142nm보다 긴 결합이고 여분의 전자도 없어 절연체인 상태다. 따라서 약한 파이결합이 없고 여분의 전자도 없는 상태라 빛을 흡수하지 않고 반사하게 된다. 단층 그래핀은 광투과성이 우수하여 97% 이상이 투과되지만 여러 층으로 겹쳐 있게 되면 층간 거리는 0.335nm로서 그래핀 탄소원자간 최단 거리의 2배가 넘어 이 사이에서 산란이 일어나 투과도가 저하한다. 원자위치는 첫 번째와 세 번째 층이 같은 형태이고 두 번째와 네 번째 층이 같은, 예를 들면 ABABAB... 구조가 되면서 층간에 존재하는 파이결합 전자가 빛을 흡수하게 되어 투과도가 저하하면서 층 수에 따라 회색이나 검정색을 나타내게 된다.
이런 이유로 기존에는 그래핀 관찰에 AFM(원자힘현미경), 라만분석기와 같은 장비를 이용하여 품질을 확인하였다. 그 중 AFM은 cantilever라고 불리는 미세 탐침을 시료의 표면에 접촉하거나 일정 간격까지 가깝게 하여 시료표면 원자가 탐침을 끌어 당겨 일어나는 변형을 측정하는 방식이다. 탐침의 상하 방향 변위를 광학적으로 측정함으로써 원자수준의 형상을 관찰하게 된다. 진공이 아닌 대기 중에서도 잘 작동한다는 장점이 있지만 20 ㎛ 내외의 매우 미세한 탐침의 주사선으로 이미지를 구성하므로 관찰속도가 늦다는 단점이 있다. 또 다른 방법인 라만분석기는 단일 파장의 레이저광을 조사하여 얻는 스펙트럼곡선에서 나타나는 피크를 통해 그래핀 층수나 결함존재 여부를 확인한다. 그러나 이 방식도 레이저빔에 의존하기 때문에 넓은 면적을 관찰하는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이외에 SEM(주사전자현미경)에서는 그래핀의 평면적인 관찰을 통해 형상과 결함 여부 등을 육안으로 보듯이 관찰할 수 있으나 고에너지의 전자빔이 조사되기 때문에 그래핀에 손상을 주는 문제가 있었다. 더우기 원자단위를 관찰하려면 진공챔버 안에서만 시편 이미지를 선명하게 볼 수 있기 때문에 대면적의 탄소나노제품을 빠르게 관찰할 수 있는 방법으로는 적합하지 않다.
가시광선보다 짧은 파장을 이용하여 관찰하기 위해 자외선 파장을 이용한 관찰이 제안되지만 400nm 자외선 이하의 짧은 파장을 가지는 영역에서는 광자(photon)가 가지는 에너지가 그래핀의 밴드갭보다 커서 광자 에너지가 흡수되면서 그래핀 내의 전자가 여기될 수 있어 그래핀 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문에 적절하지 않다.
관찰속도면에서는 일반 가시광선을 이용한 광학현미경이 가장 빠르다. 가시광선을 포함한 모든 광선과 전파는 전자기파의 일종이다. 그 중 가시광선은 약 400~700nm 대의 파장인데 400nm 보라색 이하 파장인 광선은 자외선, 700nm 붉은색 이상 파장인 광선을 적외선이라 한다. 현미경에서 관찰할 때는 파장이 긴 편이 산란이 적어 선명한 이미지를 볼 수 있다. 하지만 광학현미경의 램프는 일반적으로 텅스텐 필라멘트 램프를 사용한 백색광이다. 따라서 투과성 물질을 관찰할 때는 대상 재료에 따라 파장을 제한하는 필터를 사용하지 않으면 흡수와 산란으로 인해 관찰이 어려워진다. 일반적으로는 렌즈 직경에도 제한이 있으므로 배율이 높을수록 초점거리가 가까워져 제품에 거의 근접하게 된다. 그리고 반사율과 투과율은 재료의 밀도와 화학적 구조 등에 의해 결정되는데 단층이나 수층의 탄소나노물질은 가시광선이 투과하기 쉬운 구조이다. 여러 층이 겹치게 되면서 투과율이 낮아지게 되고 주름이나 균열에서도 투과율의 차이가 나타나므로 이를 이용한 구분이 가능하지만 산란과 투과로 인해 이미지가 선명하지 못하게 된다. 이런 광학 현미경의 단점을 개선할 효과적인 검사 방법이 필요한데 적외선은 가시광선보다 파장이 길어 이미지를 개선하여 투과율 차이를 더 선명하게 할 수 있는 장점이 있다.
최근, 적외선을 이용하여 탄소나노물질과 투명 폴리머재료를 분석하려는 노력들이 있었으며, 다음과 같다. 2004년 11월 8일자 APPLIED PHYSICS LETTERS지에 소개된 논문 Infrared absorption properties of carbon nanotubes synthesized by chemical vapor deposition, 2007년 2월 13일자 온라인 출판 논문인 APPLIED PHYSICS LETTERS의 Infrared reflection absorption spectroscopy investigation of carbon nanotube growth on cobalt catalyst surfaces, 2009년 2월 24일 자 APPLIED PHYSICS LETTERS지에 발표된 Infrared transparent carbon nanotube thin films, 2009년 4월 29일자 APPLIED PHYSICS LETTERS지의 논문인 Broadband electromagnetic response and ultrafast dynamics of few-layer epitaxial graphene과 2012년 1월 3일 Nano Letters지에 소개된 논문 Gate-controlled nonlinear conductivity of Dirac fermion in graphene field-effect transistors measured by terahertz time-domain spectroscopy는 적외선을 활용하여 탄소나노물질의 특성을 분석할 수 있는 가능성을 보여 주었다. 적외선 특히 FTIR을 이용하여 투명 폴리머 소재의 결함을 분석하는 기술에 대해서는 '고분자과학과 기술'지 2010년 4월호에 소개된 'IR 현미경을 이용한 고분자 소재분석'에 잘 설명되어 있다. K.F. Mak의 연구(Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008))에 의하면 그래핀은 0.5eV(2480nm) 이상의 광자에 대해 2.3% 내외의 흡수율을 나타내는 것으로 보고되었다. 이것은 0.2~1.2eV (6200~1033nm) 적외선에 대한 실험인데 가시광선은 대부분 투과 혹은 반사된다. 또한 X. Wang 등은 10nm 두께의 그래핀 투명박막은 400~700nm 가시광선 영역에서는 50~65%의 투과율을 보이지만, 1000-3000nm 영역에서 70% 이상의 투과율을 보여 적외선 이상의 파장영역에서 더 잘 투과하는 것으로 보고하였다. (Nano Letter 8, 323 (2008))
그러나 이들 기술들은 주로 그래핀의 스펙트럼을 분석하는 방법에 관한 것이며, 또한 공초점(confocal) 라만분석기로 이미지를 얻는 방법도 스캔에 의한 맵핑으로 구성하기 때문에 시간이 오래 걸리는 한계가 있었다. 따라서 광학현미경을 대체할 수 있도록 빠른 이미지 관찰과 대면적 제품의 검사라는 요건에는 적합하지 않았다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 근적외선이 포함된 광원을 이용하여 투명 폴리머나 탄소나노물질과 같은 투과성 박막 시트를 관찰함으로써 효과적으로 결함을 검출할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선을 조사하여 투과되거나 반사되도록 하는 적외선 조사단계; 광학렌즈를 통하여 상기 적외선 조사단계를 거친 상기 투과성 박막의 이미지를 확대하는 이미지 확대단계; 이미지 센서를 통하여 상기 이미지 확대단계를 거친 상기 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 감지단계; 및 상기 투과성 박막의 이미지로부터 결함을 검출하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법에 의해 달성된다.
상기 투과성 박막은 연속적으로 이동하는 시트 위에 형성되고, 상기 적외선 조사단계에서, 상기 적외선은 상기 투과성 박막의 상측에서 조사되어 반사되며, 상기 적외선 조사단계, 이미지 확대단계, 이미지 감지단계 및 검출단계는 연속적으로 이동하는 상기 시트 상에서 이루어진다.
상기 적외선 조사단계는, 근적외선 램프 또는 백색광 램프와 700nm 이하의 파장을 차단하는 근적외선 필터에 의하여 이루어진다.
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며, 상기 검출단계는, 적어도 2개 이상의 다층 그래핀 섬의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제1 휘도차 지정단계; 관심영역의 경계부가 상기 제1 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및 결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함한다.
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며, 상기 검출단계는, 적어도 2개 이상의 무라의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제2 휘도차 지정단계; 관심영역의 경계부가 상기 제2 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및 결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함한다.
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며, 상기 검출단계는, 적어도 2개 이상의 비정질 탄소 입자의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제3 휘도차 지정단계; 관심영역의 경계부가 상기 제3 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및 결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함한다.
상기 목적은 또한, 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선이 조사되어 투과되거나 반사되도록 하는 광원부; 상기 투과성 박막의 이미지를 확대하는 광학렌즈; 및 상기 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치에 의해 달성된다.
상기 광원부는 근적외선 램프 또는 백색광 램프와 700nm 이하의 파장을 차단하는 근적외선 필터로 이루어진다.
상기 투과성 박막은 연속적으로 이동하는 시트 위에 형성되고, 상기 적외선은 상기 투과성 박막의 상측에서 조사되어 반사된다.
상기 광학렌즈는 다수개로 구비되어, 상기 시트의 이동방향과 수직한 방향으로 배열된다.
상기 시트의 가장자리에는 마커부가 형성된다.
상기 시트의 이동방향과 수직한 방향으로 형성되는 선형레일을 더 포함하고, 상기 광학렌즈는 상기 선형레일을 따라 왕복이동한다.
상기 선형레일은 상기 시트의 이동방향을 따라 왕복이동하고, 상기 선형레일의 전진방향 이동속도는 상기 시트의 이동속도와 동일하게 이루어진다.
상기 광학렌즈 및 선형레일은 상기 시트의 이동방향을 따라 다수개로 구비된다.
본 발명에 의하면, 광학 현미경에 700~2500nm 근적외선 램프 광원과 근적외선 감지 이미지 센서를 갖춘 카메라를 설치하여 간단한 구성으로 투명 폴리머나 탄소나노물질과 같은 투과성 박막을 빠르고 간편하게 관찰할 수 있다.
도 1은 딱정벌레의 키틴질막 부분을 가시광선 및 근적외선으로 관찰한 사진,
도 2는 딱정벌레의 다른 키틴질막 부분을 가시광선 및 근적외선으로 관찰한 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법을 나타낸 순서도,
도 4a 및 도 4b는 동박 촉매 위에 합성된 CVD 그래핀을 확대하여 나타낸 사진,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 그래핀이 합성된 촉매금속박에서의 결함을 나타낸 사진,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출과정을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출 후 보고서 작성과정을 나타낸 순서도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 11은 도 10에 따른 투과성 박막 검사장치에서 광학렌즈의 이동경로를 나타낸 도면이다.
도 2는 딱정벌레의 다른 키틴질막 부분을 가시광선 및 근적외선으로 관찰한 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법을 나타낸 순서도,
도 4a 및 도 4b는 동박 촉매 위에 합성된 CVD 그래핀을 확대하여 나타낸 사진,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 그래핀이 합성된 촉매금속박에서의 결함을 나타낸 사진,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출과정을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출 후 보고서 작성과정을 나타낸 순서도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 11은 도 10에 따른 투과성 박막 검사장치에서 광학렌즈의 이동경로를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 딱정벌레의 키틴질막 일 부분을 가시광선 및 근적외선으로 관찰한 사진이고, 도 2는 딱정벌레의 다른 키틴질막 부분을 가시광선 및 근적외선으로 관찰한 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법을 나타낸 순서도이다.
지금까지는 원자 단위물질 내 전하의 거동을 이해하기 위해 광학적 분석이 주로 사용되었다. 즉, 그래핀의 경우를 보면 투과 및 반사되는 빛의 차이를 통해 전기적 변화를 분석할 수 있었다. 특히 현미경의 분해능이 대략 파장의 1/2이 되기 때문에 짧은 파장일 수록 더 가까이 있는 물체를 볼 수 있어서 정밀하게 구분할 수 있게 된다. 그러나 탄소나노물질의 경우를 볼 때 원자 단위 결함보다는 다층으로 구성된 섬, 미크론 단위의 주름이나 불순물입자가 주요 내용이었다. 따라서 이런 그래핀결함은 광학적으로 수백 배 이하의 배율에서도 관찰이 가능하다. 하지만 다층인 흑연의 특징이나 결함 분석에 대한 경험이나 검출수단의 유효성에 대한 신뢰도 적어 판정이 곤란하였다. 특히 이들 투명 폴리머나 탄소나노물질은 가시광선 하에서 투과성이 적어 이미지 선명도가 낮고 분석하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명자는 이런 배경에서 투명 폴리머나 탄소나노물질과 같은 투과성 박막의 특징을 이해함으로써 유효한 광학적 검사 방법과 검출수단 등을 모색하여 광학 현미경에서 근적외선을 광원으로 하여 관찰하는 것이 가능하다는 것을 발견하게 되었고, 이런 적외선의 특성을 활용하여 광학 현미경에 700nm 이하의 파장을 차단하는 필터를 설치하거나 근적외선 램프를 설치하고, 적외선을 감지할 수 있는 이미지센서를 추가함으로써 탄소나노물질과 투명 폴리머 검사에 활용할 수 있다는 것을 확인하였다.
예컨대, 근적외선을 이용하여 투명 폴리머와 유사한 구조인 키틴질을 관찰하는 방법은 광학현미경처럼 빠르고 선명한 이미지라는 목적을 잘 만족하고 있다. 도 1은 딱정벌레의 다리를 가시광선으로 관찰한 사진(왼쪽)과 근적외선 광선으로 관찰한 사진(오른쪽)이다. 가시광선에서와 달리 파장이 긴 근적외선으로 관찰한 경우에는 투과성이 개선되어 층의 두께나 구조를 더 선명하게 구분할 수 있다.
특히 필터를 사용하면 도 2에서와 같이 더 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 왼쪽은 일반 텅스텐 램프에서의 가시광선 이미지이고 오른쪽은 850nm 필터를 이용하여 얻은 이미지이다.
이를 통하여 투과성 물질의 관찰에서 가시광선에 비해 적외선이 산란되거나 흡수되는 비율이 낮다는 것을 의미하며 그래핀층을 현미경 관찰하는데 더 유리하다는 것을 확인할 수 있다. 또한 λ(nm) = hc/E 공식에서 나타내듯이 파장(λ)이 짧을수록 에너지도 높은데, 0.004nm TEM 전자빔이 100keV, 366nm 자외선은 3.39eV, 500nm의 녹색광이 2.48eV의 에너지를 보유하는데 비해 1000nm 근적외선은 1.24eV, 6200nm 적외선은 0.2eV의 에너지를 가지므로 그래핀(10)에 대한 손상도 염려할 필요가 없게 된다.
위에서 설명한 바와 같이 광선은 전자기파의 일종이므로 에너지를 가지기 때문에 흡수율이 높다는 것은 조사되는 광선의 에너지가 대상 물질에 전이된다는 것을 의미한다. 따라서 투과율이나 반사율이 재료에 어떤 영향을 미치는지 확인해 볼 필요가 있다. 재료는 광선을 투과하거나 반사하는 것 외에 흡수하기도 한다. 광학적 관찰에서 이미지는 반사광에 의한 것이고, 재료가 투과율이 너무 높거나 흡수율이 크면 이미지가 형성되지 않는다.
본 발명은 광학 현미경(광학렌즈(50) 포함)에 근적외선 램프 또는 근적외선 필터와 근적외선 감지 이미지센서를 내장한 카메라(60)를 포함하여 이루어진 장치 및 이를 이용한 검사방법을 이용하여 빠른 시간에 효과적으로 탄소 나노물질이나 투명 폴리머의 품질검사를 수행할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 목적은 광학 현미경(광학렌즈(50))에 고온 백색광 램프 광원과 700nm 이하 파장 근적외선 필터를 사용하거나 또는 700~2500nm 근적외선 램프 광원과 근적외선 감지 이미지 센서를 갖춘 카메라를 포함하는 장치에 의해 달성된다.
또한 이를 위하여 본 발명에 따른 투과성 박막 검사방법은, 투과성 박막(10)에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선을 조사하여 투과되거나 반사되도록 하는 적외선 조사단계(S10), 광학렌즈(50)를 통하여 적외선 조사단계(S10)를 거친 투과성 박막(10)의 이미지를 확대하는 이미지 확대단계(S20), 이미지 센서를 통하여 이미지 확대단계(S20)를 거친 상기 투과성 박막(10)의 이미지를 감지하는 이미지 감지단계(S30) 및 투과성 박막(10)의 이미지로부터 결함을 검출하는 검출단계(S40)를 포함한다.
적외선 조사단계(S10)에서 사용되는 광원부(30)는 적외선 램프로 이루어질 수 있으며, 또는 백색광 램프와 700nm 이하의 파장을 차단하는 적외선필터로 이루어질 수 있다.
후자의 경우에 사용되는 고온 백색광 램프는 텅스텐 필라멘트 램프나 탄소 아크 램프, 고온 세라믹 램프, 고압 나트륨 램프, 백색 양자점 LED 램프 등 여러 가지가 있다. 본 발명에서는 일반광을 사용하면 이미지구성과 초점조절이 용이한 장점이 있는 대신 필터를 사용하면 근적외선만 통과시키게 되어 광량이 부족해 노출 시간이 길어지게 되어 선명도가 다소 떨어지므로 필터 없이 관찰할 수도 있다.
전자의 경우와 같이, 근적외선 램프를 광원으로 사용하면 필터 없이도 이미지를 선명하게 얻을 수 있다. 실례로 DSLR 카메라와 근적외선 파장의 LED 램프를 결합하여 촬영하면 Red 바탕에 검은 색으로 이미지가 나오는데 니콘의 D50 또는 D80 DSLR카메라는 CCD 이미지 센서를 내장하는데 700-1400nm 범위의 파장을 감지할 수 있다. 지금까지 적외선 영역은 고온백열램프가 유일한 광원이었다. 근적외선 영역에는 더욱 고온을 얻기 위해 텅스텐 백열전구, 지르코늄이나 탄소의 아크등(燈)이 쓰이고, 중적외선 영역의 대표적인 광원은 글로버와 네른스트글로어이다. 글로버는 가는 막대 모양의 탄화규소에 10A 정도의 전류를 흐르게 하여 1300K 정도로 가열한 것이고, 네른스트글로어는 산화지르코늄(ZrO)을 주성분으로 한 막대에 1A 정도의 전류를 흐르게 하여 1700K 정도로 백열시킨 것이다.
광원부(30)의 구성으로서 본 발명에서 사용하는 근적외선 램프는, 금속 필라멘트 램프에 필터를 설치함으로써 얻거나 특정 파장범위 적외선광을 발생하는 적외선 램프로 이루어질 수 있다. 예를 들어 2.5㎛ 이하의 짧은 파장을 발생하는 적외선 소자재료부터 순서대로 살펴보면 황화카드뮴(CdS; 0.3∼1.6㎛), 황화납(PbS; 0.3∼3.2㎛), 마그네슘 불화물, 칼슘 불화물, 바륨 불화물, 아연-셀레늄화합물, 사파이어, Amtir-1 Ge-As-Se 글래스, 삼황화비소(As2S3), 아연 황화물, 실리콘, 게르마늄은 근적외선에서 중적외선까지, 플루오르화리튬, 플루오르화칼슘은 5∼6㎛, 염화나트륨은 15㎛, 브롬화칼륨은 25㎛까지의 빛에 대해 양호한 투과성을 나타낸다. 또한 탈륨의 화합물로 이루어지는 TlBr-TlI, TlBr-TlCl 등은 투과율이 50％ 이하로 작지만, 근적외선에서 수십㎛의 원적외선에 걸쳐 평탄한 투과특성을 나타낸다. 이런 재료를 렌즈에 코팅하면 필터로 사용되고 LED에 적용하면 광소자가 된다. 또한 적외선 LED램프의 부피가 작은 장점을 활용하여 병렬로 설치한 Broad area linear array(BALA) 광원을 사용하면 먼 거리에서도 안정적으로 대상을 관찰할 수 있는 충분한 광량을 얻을 수 있다.
이미지 감지단계(S30)에서 사용되는 근적외선 감지 이미지 센서로는 Si CCD, CMOS, InGaAs, NMOS 등이 포함될 수 있는데, 이들은 메모리 소자의 일종으로 다수의 미세한 콘덴서와 스위치의 연결로 이루어져 전하를 축적하여 차례로 전송하는 기능을 가진 촬상소자를 말한다. 종래에는 디지털 카메라에서 광신호를 전기신호로 변환하는 부분에는 텔레비전 브라운관과 반대작용을 하는 촬상관을 사용했으나 수명이 한정되어 소형화, 양산화에 적합하지 않았다. 때문에 촬상관을 대신하는 고체촬상소자(촬상판)가 개발됐는데 CCD가 그 대표적인 소자이다. 촬상판은 CCD를 구성하는 미세한 콘덴서 하나하나에 광센서를 접속시켜 한 개의 판자 위에 여러 개를 배열한 것으로 빛이 들어오면 센서가 전하로 변환하여 콘덴서에 충전된다. 그것을 차례로 전송하여 호출하면 텔레비전의 주사선이 된다. 이와 같이 센서와 콘덴서를 하나로 한 것을 화소라고 부른다. 이를 적용한 예전의 비디오카메라의 화소수는 25만-40만개 정도였는데 이것이 약 10mm의 실리콘 기판 위에 나열되어 있다. 촬상판식 카메라는 촬상관식에 비해서 해상도가 낮은 경향이 있으며, 불꽃 등 콘트라스트(contrast)가 강한 것은 촬영하기 까다롭다는 결점이 있으나 다른 한편 정밀해서 인화, 잔상이 생기지 않는다는 장점을 갖고 있어 본 발명의 용도에는 적합하다.
CCD는 Charge Coupled Device의 약자로 신호 전하의 생성과 축적, 판독에 CCD를 사용한 촬상소자이며, 광전변환에 의해 생기는 신호 전하를 1 프레임에 가까운 기간에 걸쳐 촬상부의 CCD 각 엘리먼트에 축적하여 이것을 단 시간에 전송부의 CCD 엘리먼트에 전송, 거기서 영상신호로서 판독한다. Si-CCD는 UV~NIR범위의 이미지를 관찰할 수 있다. IT CCD(Interline Transfer CCD)는 현재 대부분 캠코더와 디지털 카메라에서 사용되는 CCD 타입으로 촬상면과 전송부가 하나의 기판에 구성되어 있다. 칩 사이즈가 작고 가격대비 성능이 우수한 장점이 있으나 노이즈가 많고 동적범위(Dynamic range)가 좁으며, 스미어(Smear) 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다. FT CCD(Frame Transfer CCD)는 촬상면과 전송부가 기판 위와 아래로 구분되어 구조가 간단하고 감도가 높은 장점이 있다. 반면에 칩면적이 넓으며 스미어 현상이 발생될 가능성이 높은 단점이 있다. FIT CCD(Frame Interline Transfer CCD)는 IT형과 FT형의 장점만 채택한 타입으로 촬상면은 IT방식, 전하축적은 FT방식으로 스미어 현상을 억제하고 전자셔터에 의해 동작할 수 있는 장점이 있다. 칩 면적이 넓으며 동적범위가 넓은 것도 장점이다.
CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 구조를 가진 저소비 전력형의 촬상소자이다. 전하 결합 소자(CCD)에 비해 약 10분의 1의 소비 전력, 회로 크기가 적어 주변 회로와의 일체화를 통한 부피 절감이 가능하며, 단위 셀마다 증폭기를 가지고 있어 광변환된 전기신호를 읽기 때문에 전기 노이즈 발생이 적은 장점이 있다. CCD보다 감도는 떨어지지만 최근에는 화질이 많이 개선되어 휴대 전화는 물론 고해상도 디지털 카메라나 자동차 후방 감시 카메라 등에도 광범위하게 사용되고 있다.
InGaAs는 400~1700nm의 가시광선과 근적외선 범위를 관찰할 수 있는 장점이 있다. NMOS는 n타입 MOSFET의 약자로 금속산화물반도체를 이용한 이미지 센서이다.
이 외에도 일반 광학현미경의 카메라에서 night vision 기능을 이용하고, 근적외선 파장을 감지하는 이미지 센서와 근적외선 LED 램프를 결합하면 노출 시간이 짧고 선명한 이미지를 얻을 수 있는데 VGA video 사이즈가 작은 것이 단점이다.
또한 본 발명의 구성에는 필요 시 편광필터(Polarizer, 40)를 결합한다. 편광필터(40)를 쓰면 편광 각도에 의해 반사광이 야기하는 눈부심(Glare)을 감소시켜 깨끗한 이미지를 얻을 수 있다.
이같이 700~2500nm 파장의 광선을 이용하여 관찰함으로써 투과성 이미지를 얻을 수 있어서 셀루로오즈, 키틴 또는 투명 폴리머와 같은 반투과성 또는 광투과성 박막(10)이 도포된 물체의 표면을 관찰하는데 유리하다. 그러나 2500nm 파장 이상의 중적외선 영역에서는 CO2, 수증기 등 공기보다 밀도가 높은 가스에 의해 차단될 수 있고, 장파장 영역에 접근한 에너지준위를 사용하므로 고체 자신이 지니는 열에너지로 캐리어가 쉽게 여기상태가 되므로 관찰을 위해서는 액체질소나 액체헬륨으로 검출소자를 냉각시켜 이용해야 한다. 파장이 길어지면서 해상도가 낮아지게 되어 대면적 이미지 분석이 어려우므로 본 발명의 이미지 관찰에는 2500nm 이하의 파장인 근적외선으로 제한하며, 2500nm 이상~ 25㎛이하의 중적외선 파장은 국부적으로 스펙트럼분석 할 때 이용한다. 따라서 본 발명에서는 2500nm 이상의 적외선을 이용하는 방법은 제외한다.
도 4a 및 도 4b는 동박 촉매 위에 합성된 CVD 그래핀(10)을 확대하여 나타낸 사진이다. 특히, 도 4b는 도 4a의 오른쪽 사진에서 동그라미 부분을 500배 확대하여 관찰한 사진이다.
본 발명에서 설명되는 시트(20)는 투과성 박막(10)이 적층된 형태로 결합되는 것으로서, 아래에서와 같이 촉매기판으로 이루어질 수 있으며 또는 투과성 박막이 전사되는 투명 필름(PMMA, PVDF, PE, PET 등)으로 이루어질 수 있다. 여기서, 시트(20)가 금속 촉매기판으로 이루어질 경우 반사에 의해서 촉매기판 위의 투과성박막(10, 그래핀박막)을 관찰하고, 시트(20)가 투명 필름으로 이루어질 경우 시트(20) 아래에서 근적외선을 조사하여 투과성박막(10, 그래핀박막)과 시트(20)를 통과하는 빛을 관찰할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에서 투과성 박막(10)은 그래핀으로 이루어질 수 있고, 투과성 박막 검사장치는 그래핀(10)의 제조공정 상에 설치되어 그래핀(10)의 결함 유무를 확인하도록 이루어질 수 있다. 이에 따라, 투과성 박막(10, 그래핀)은 연속적으로 이동하는 금속촉매 위에 형성되고, 본 발명에서 시트(20)는 이러한 금속촉매에 해당될 수 있다.
그래핀(10)이나 탄소나노튜브는 금속촉매에서 얻을 수 있다. 금속촉매 위에 합성된 나노물질(그래핀(10))을 관찰해야 하는 경우, 금속은 적외선 영역에서 높은 반사율을 가지므로 동, 니켈, 은, 알루미늄, 철 등의 금속면은 적외선 영역에서 반사형 필터의 역할을 하게 된다. 그러나 실제에서는 금속의 면은 압연 롤에서 전사된 스크래치나 쌍정 등의 형성으로 미세한 굴곡을 가지는데 이 부위에서 광을 흡수하거나 반사하므로 나노물질층(그래핀(10))을 선명하게 관찰할 수 있게 된다.
도 4a에 나타난 바와 같이, 동박 촉매기판 위에 합성된 CVD 그래핀을 CCD 카메라를 이용하여 100배 배율로 관찰하게 되면 왼쪽의 사진처럼 그래핀은 투과되어 보이지 않고 촉매 기판의 표면이나 결함이 보이게 된다. 왼쪽 사진처럼 가시광선만으로 관찰하면 그래핀에 형성되기 쉬운 비정질 탄소입자나 다층 그래핀은 쉽게 구분하기 어려운 단점이 있다. 하지만 오른쪽 사진처럼 근적외선광을 추가하거나 필터를 사용하여 700nm 파장 이하의 가시광선을 제거하고 근적외선을 감지하는 이미지 센서를 내장한 카메라로 관찰하면 그래핀의 결함을 관찰할 수 있게 된다.
왼쪽은 가시광선만을 사용했을 때 비교예 사진이며 그래핀층을 투과하여 동박 촉매기판의 표면 굴곡들과 결정입계, 쌍정부위를 볼 수 있다. 오른쪽은 일반 램프와 근적외선이 포함된 적색 LED램프(근적외선 램프)를 함께 조사하여 관찰한 실시예 사진이다. 오른쪽 사진은 LED의 근적외선 광량이 충분치 못해 사진의 선명도는 크게 개선되지 못했지만 동그라미로 표시한 하얀 입자들이 뚜렷이 구분된다. 왼쪽 사진은 다층 그래핀이나 주름결함이 보이지 않는 단층 그래핀이며, 오른쪽 사진은 그래핀층 위에 형성된 비정질 탄소 입자들을 보여주고 있다.
도 4a의 사진에서 짙은 음영부위와 밝은 음영부위는 모두 단층 그래핀으로 덮인 상태이다. 단지 촉매 금속박의 표면상태에 따른 반사율과 흡수율 차이로 인해 짙은 음영부분과 밝은 음영부분으로 나뉜 것이다. 사진에서 짙은 점들은 그래핀 층에 존재하는 결함이 아닌 금속박 표면에 존재하는 불순물입자이다. 따라서 그래핀 층에는 무관하다. 다층 그래핀 섬 결함은 단층 그래핀에 비해 투과율이 좀더 낮은 이미지이며, 단순한 명암 차이로 구분하는 것이 아니므로 주변 음영과의 상대적 명암 차이를 이용하여 구분할 수 있다.
언급한 바와 같이, 투과성 박막(10)에 나타나는 결함들은 표면의 울퉁불퉁한 피트, 작은 입자로 인한 개재물 또는 잔류 이물질, 국지적 굴절율 비균일성으로 인한 일그러짐 또는 바람직하지 않은 렌즈 유사효과를 기판에 초래하는 평탄도/두께의 국부적인 오차를 포함한다. 이 결함들은 그 형상이 다양하고, 수백 나노미터에서 수백 미크론 크기의 범위에 있을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
현재까지 대면적의 평탄한 매체를 검사하는데 공지된 방법으로는, 다음의 두 가지 방식이 있다.
검사 해상도(객체 평면 해상도; object plane resolution)에 의해 결함의 크기보다 더 작은 크기의 픽셀들과, 카메라 픽셀 크기를 관찰하고자 하는 면적에 맞춰 광학배율을 제공하는 이미지 렌즈를 내장하고, 앞에 설명한 이미지 센서소자를 사용하는 이미징 시스템 또는 대상 매체의 객체 평면 해상도에 상응하는 이미지 스폿 사이즈(spot size) 밑으로 초점맞춤되는 레이저 빔과 하나의 단일 검출기를 사용하는 레이저 스캐너들로 구성된 스캐닝 시스템이 그것이다.
이와 같은 검사 방법에 관한 선행 기술은 주로 LCD용 유리의 검사기술에서 찾을 수 있다. 그러나 이들 대부분의 기술은 정지된 물체를 대상으로 카메라가 이동하면서 빔으로 스캐닝하거나 이미지를 관찰하는 방식이다.
따라서 이동 평면체를 대상으로 연속으로 관찰할 수 있는 광학검사 기술은 없었으며, 본 발명에서는 이미징 시스템으로 1차 검출하여 제거해야 할 결함인지, 결함으로 잔류하지 않는 유사결함인지를 구분할 수 있도록 스캐닝 시스템을 이용하여 2차 검사하도록 추가로 검사장치를 구비할 수 있다.
도 5는 본 발명의 검사장치의 구성을 간단하게 도해한 것이고, 본 발명에 따른 투과성 박막 검사장치는, 투과성 박막(10)에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선이 조사되어 투과되거나 반사되도록 하는 광원부(30)와, 투과성 박막(10)의 이미지를 확대하는 광학렌즈(50)와, 투과성 박막(10)의 이미지를 감지하는 이미지 센서를 포함하여 이루어지며, 광원부(30), 광학렌즈(50) 및 이미지 센서는 상술한 바와 같다.
도 6은 그래핀이 합성된 촉매 금속기판에서의 결함을 나타낸 사진이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출과정을 나타낸 순서도이며, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사방법에서 결함 검출 후 보고서 작성과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 그래핀이 합성된 촉매금속박에서 나타난 결함을 보여준다. 왼쪽은 다층 그래핀섬 결함, 오른쪽은 무라(Mura) 결함의 예를 나타낸다.
이런 결함들을 현미경 렌즈(50)와 카메라(60)를 통해 모니터 상에 이미지화 하면 검사자가 검출할 수 있게 된다. 또한 이 이미지들을 수치화하면 자동으로 불량이나 결함을 검출할 수 있게 된다. 예를 들어 컴퓨터에 설치된 이미지 분석 프로그램을 이용하여 도 7의 순서도 대로 수행하면서 결함 구분에 대한 정보를 입력하여 결함을 검출할 수 있다.
이미지에서 높은 휘도 값을 갖는 픽셀들은 반사량이 많은 부분으로 생각 할 수 있으며, 이런 부분은 비정질 탄소입자들이 존재하는 결함일 수 있다. 이미지 센서에서 감지한 이런 픽셀들의 영역은 이미지 센서에 의해서 감지되어 영상화되는 슬라이드의 한 부분이며, 높은 휘도 값을 가질 것이다. 이 영역을 스팟(spot) 혹은 전경(foreground)이라고 부르는데, 이미지 분석에 사용할 관심영역(Region of Interest, ROI)이 된다.
이 부분 이외의 휘도 값을 갖는 부분을 배경(background)이라 부르며, 분석과정에서 관심영역을 구분하기 위해 보조적으로 사용된다. 이는 본 발명에서는 결함 주변의 기지조직이라고 볼 수 있다. 만약, 결함이 다층 그래핀섬이거나 무라일 경우에는 기지조직보다 어둡게 나타나므로 반대로 휘도가 낮은 픽셀의 영역이 관심영역이 된다. 그리고 이들 결함의 경우 현미경 배율에 따라 다를 수 있지만 스팟의 크기도 결함 여부를 구분하는 중요한 정보가 될 수 있다. 스팟의 사이즈가 작으면서 휘도가 큰 것은 결함보다는 그래핀층 위에 앉은 먼지이거나 금속박에 생긴 작은 흠집에 의한 오차일 가능성이 있다. 크기가 큰 스팟의 경우에는 인접한 작은 스팟들이 해상도의 영향을 받았을 가능성이 있다. 따라서 이런 스팟들은 결함일 가능성이 있다. 그리고 그래핀 전사 필름의 경우에는 전체에 대해 같은 명암차로 결함을 지정할 수 있지만 금속 촉매기판(20)에 그래핀(10)이 합성된 경우에는 기판(substrate)인 금속 촉매기판(20)의 표면에서 방위차와 표면 조도에 의한 반사율의 차이로 인해 결함의 명암을 일정하게 지정할 수 없다. 이런 이유로 결함과 함께 배경의 휘도를 함께 측정하여 그 휘도의 차이범위를 지정함으로써 보다 정확하게 결함을 구분할 수 있게 된다.
도 7의 순서도는 자동으로 결함을 검출하기 위한 프로그래밍의 예이다. 이들 결함 데이터정보가 다수 축적되면 히스토그램 등으로 처리하여 새로 결함정도를 구분하는 기준을 정할 수 있게 된다.
초기화 및 보정단계(S101)와 위치인식 단계(S102)를 거쳐 촉매기판(20) 상에 합성되는 그래핀(10)의 위치를 인식한다.
다음으로 다층 그래핀 섬에 따른 결함 유무의 확인을 위하여 제1 휘도차 지정단계(S103)가 이루어진다. 제1 휘도차 지정단계(S103)에서는 적어도 2개 이상의 다층 그래핀 섬의 휘도 및 크기를 측정하고, 아울러 다층 그래핀 섬 주변의 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정한다. 즉, 이러한 휘도차 범위에 속하는 경우를 다층 그래핀 섬에 따른 결함으로 지정한다.
또한, 무라에 따른 결함 유무의 확인을 위하여 제2 휘도차 지정단계(S104)가 이루어질 수 있다. 제2 휘도차 지정단계(S104)에서는 적어도 2개 이상의 무라의 휘도 및 크기를 측정하고, 아울러 무라 주변의 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정한다. 역시, 이러한 휘도차 범위에 속하는 경우를 무라에 의한 결함으로 지정한다.
또한, 비정질 탄소 입자에 따른 결함 유무의 확인을 위하여 제3 휘도차 지정단계(S105)가 이루어질 수 있다. 제3 휘도차 지정단계(S105)에서는 적어도 2개 이상의 비정질 탄소 입자의 휘도 및 크기를 측정하고, 아울러 비정질 탄소 입자 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정한다. 역시, 이러한 휘도차 범위에 속하는 경우를 비정질 탄소 입자에 의한 결함으로 지정한다.
제1 휘도차 지정단계(S103), 제2 휘도차 지정단계(S104) 및 제3 휘도차 지정단계(S105) 이후 결함 배제단계(S106)가 이루어진다.
결함 배제단계(S106)에서는, 금속 촉매기판(20)에 존재하는 선상 흠집이나 결정입계의 길이와 폭을 측정하고 비율을 지정하여 일정 비율 이상인 선상결함은 그래핀 박막이 아닌 촉매기판의 흠집이므로 결함의 범위에서 제외되도록 할 수 있다. 또한, 관심영역의 경계부가 제1 휘도차 지정단계(S103), 제2 휘도차 지정단계(S104) 및 제3 휘도차 지정단계(S105)의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외되도록 한다.
다음으로 결과를 결함 유형에 따라 분류하고, 결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하여 분류단계(S107)가 이루어진다.
아울러, 도 8에 도시된 순서에 따라, 자동검사 중에 결함검출 후 보고서 작성이 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투과성 박막 검사장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 11은 도 10에 따른 투과성 박막 검사장치에서 광학렌즈(50)의 이동경로를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 투과성 박막 검사장치에서, 근적외선은 투과성 박막(10)의 상측에서 조사되어 반사되도록 이루어질 수 있다. 그리고 광학렌즈(50)는 다수개로 구비되어, 시트(20, 촉매기판)의 이동방향과 수직한 방향으로 배열되도록 이루어질 수 있다.
이처럼, 도 9에서와 같이 검사대상 그래핀(10)의 폭만큼 고정식 카메라(60)를 다수 설치하면 시트(20)가 이동할 때 모니터 상에 이미지가 나타나 결함부위를 육안으로 구분하여 검출 할 수 있고, 도 10에서와 같이 일정구간을 단일 또는 다수의 이동식 카메라(60)가 자동으로 왕복이동하면서 검사면적을 관찰하는 방식 모두가 가능하다.
이미지 전송 속도가 투과성 박막(10)(그래핀(10))이 도포된 시트(20, 촉매기판)의 이송속도보다 빠르면 이미지를 연속으로 저장하면서 정지화면으로 결함을 관찰할 수 있다.
또한 시트(20)의 양측 가장자리에 여유를 두어 위치 마커부로 표식을 부여함으로써 이미지와 함께 결함이 발견된 부위의 표식을 기록하면 라인 내에서나 후공정에서 결함부위를 찾아내어 제거하거나 수정할 수 있게 된다.
도 9에서와 같이, 고정식 카메라(60)를 구비한 경우의 검사방법과 장치에 대해 기술한다. 카메라(60) 및 광학렌즈(50)를 일렬 또는 다수 열로 고정 배열함으로써 검사 대상 시트(20)의 폭만큼을 한번에 모니터에 나타내도록 한다. 이때 카메라(60) 및 광학렌즈(50) 관찰면을 검사하는 시간이 시트(20)의 이송속도보다 빠르도록 이송속도를 조절하면 관찰면을 정지하여 검사하는 것도 가능하다. 관찰면이 넓으면 육안으로는 어려울 수 있지만 상대적 명암의 차이나 휘도 등을 수치화하여 컴퓨터로 프로그래밍하면 각 픽셀 단위로 결함을 검출하고 표식할 수 있으므로 검사속도를 충분히 높일 수 있다.
다음으로 도 10에서와 같이, 이동식 카메라(60)를 구비한 경우의 검사방법과 장치에 대해 기술한다. 위치 스케일이 내장된 선형레일(70)을 관찰하려는 영역의 넓이에 맞춰 하나 또는 다수 개 배열하고, 선형레일(70) 위에 카메라(60) 및 광학렌즈(50)를 하나 또는 다수 개 구비되도록 한다. 선형 레일 위의 카메라(60) 및 광학렌즈(50)가 시트(20) 이동방향에 수직으로 이동하면, 선형레일(70)도 시트(20) 이동속도에 연동하여 시트(20) 위를 이동하다가 양단에 도착하면 다시 시트(20) 이동방향과 반대로 직선 이동하는 식으로 경로를 지정하면 이동하는 시트(20) 위를 왕복하면서 관찰하여 검사를 완료할 수 있다. 즉, 선형레일(70)의 전진방향 이동속도는 시트(20)의 이동속도와 동일하게 이루어지도록 하고 카메라(60) 및 광학렌즈(50)가 선형레일(70)의 한쪽으로 이동하면 신속하게 후진하도록 하여 시트(20) 위를 왕복하면서 검사하도록 한다.
도 11은, 시트(20)가 경로2 또는 경로4 만큼의 거리를 이동하는 시간에 카메라(60)가 경로1 또는 경로3으로 이동함으로써 시트(20)의 이동에 맞춰 옆으로 카메라(60)가 이동하여 관찰할 수 있는 경로를 나타낸다. 따라서 시트(20)의 이동방향에 수직하여 카메라(60)가 왕복하면서 시트(20)의 전체면을 순차적으로 검사할 수 있게 된다. 도면상 A1과 A2는 정지상태에서 각 카메라(60)에서 감지되는 영역을 표시한 것이고, A3와 A4는 카메라(60) 및 선형레일(70)의 이동에 따라 시트(20) 상에서 관찰되는 영역을 표시한 것이다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 투과성 박막, 그래핀 20 : 시트, 촉매기판
30 : 광원부 40 : 편광필터
50 : 광학렌즈 60 : 이미지 센서 내장 카메라
70 : 선형레일
S10 : 적외선 조사단계 S20 : 이미지 확대단계
S30 : 이미지 감지단계 S40 : 결함 검출단계
S101 : 초기화 및 보정단계 S102 : 위치인식 단계
S103 : 제1 휘도차 지정단계 S104 : 제2 휘도차 지정단계
S105 : 제3 휘도차 지정단계 S106 : 결함 배제단계
S107 : 분류단계
30 : 광원부 40 : 편광필터
50 : 광학렌즈 60 : 이미지 센서 내장 카메라
70 : 선형레일
S10 : 적외선 조사단계 S20 : 이미지 확대단계
S30 : 이미지 감지단계 S40 : 결함 검출단계
S101 : 초기화 및 보정단계 S102 : 위치인식 단계
S103 : 제1 휘도차 지정단계 S104 : 제2 휘도차 지정단계
S105 : 제3 휘도차 지정단계 S106 : 결함 배제단계
S107 : 분류단계
Claims (14)
- 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선을 조사하여 투과되거나 반사되도록 하는 적외선 조사단계;
광학렌즈를 통하여 상기 적외선 조사단계를 거친 상기 투과성 박막의 이미지를 확대하는 이미지 확대단계;
이미지 센서를 통하여 상기 이미지 확대단계를 거친 상기 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 감지단계; 및
상기 투과성 박막의 이미지로부터 결함을 검출하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 제1항에 있어서,
상기 투과성 박막은 연속적으로 이동하는 시트 위에 형성되고,
상기 적외선 조사단계에서, 상기 적외선은 상기 투과성 박막의 상측에서 조사되어 반사되며,
상기 적외선 조사단계, 이미지 확대단계, 이미지 감지단계 및 검출단계는 연속적으로 이동하는 상기 시트 상에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 조사단계는, 근적외선 램프 또는 백색광 램프와 700nm 이하의 파장을 차단하는 근적외선 필터에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 제2항에 있어서,
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며,
상기 검출단계는,
적어도 2개 이상의 다층 그래핀 섬의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제1 휘도차 지정단계;
관심영역의 경계부가 상기 제1 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및
결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 제2항에 있어서,
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며,
상기 검출단계는,
적어도 2개 이상의 무라의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제2 휘도차 지정단계;
관심영역의 경계부가 상기 제2 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및
결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 제2항에 있어서,
상기 시트는 촉매기판이고 상기 투과성 박막은 상기 촉매기판에 형성되는 그래핀이며,
상기 검출단계는,
적어도 2개 이상의 비정질 탄소 입자의 휘도 및 크기와, 주변 기지조직의 휘도를 측정하여 휘도차 범위를 지정하는 제3 휘도차 지정단계;
관심영역의 경계부가 상기 제3 휘도차 지정단계의 휘도차 이내인 경우 결함에서 제외하는 결함배제단계; 및
결함의 유형, 위치 및 정도를 검출하는 분류단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사방법. - 투과성 박막에 700 내지 2500 nm 파장의 적외선이 조사되어 투과되거나 반사되도록 하는 광원부;
상기 투과성 박막의 이미지를 확대하는 광학렌즈; 및
상기 투과성 박막의 이미지를 감지하는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제7항에 있어서,
상기 광원부는 근적외선 램프 또는 백색광 램프와 700nm 이하의 파장을 차단하는 근적외선 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제7항에 있어서,
상기 투과성 박막은 연속적으로 이동하는 시트 위에 형성되고,
상기 적외선은 상기 투과성 박막의 상측에서 조사되어 반사되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제9항에 있어서,
상기 광학렌즈는 다수개로 구비되어, 상기 시트의 이동방향과 수직한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제10항에 있어서,
상기 시트의 가장자리에는 마커부가 형성되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제9항에 있어서,
상기 시트의 이동방향과 수직한 방향으로 형성되는 선형레일을 더 포함하고,
상기 광학렌즈는 상기 선형레일을 따라 왕복이동하는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제12항에 있어서,
상기 선형레일은 상기 시트의 이동방향을 따라 왕복이동하고,
상기 선형레일의 전진방향 이동속도는 상기 시트의 이동속도와 동일한 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치. - 제13항에 있어서,
상기 광학렌즈 및 선형레일은 상기 시트의 이동방향을 따라 다수개로 구비되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 투과성 박막 검사장치.
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