그림 3-28. 파우치형 이차전지 셀의 (a) 모식도와 (b) 예상 광경로
그림 3-29. 저간섭성 주사 간섭계로 측정한 파우치형 이차전지 셀 측정 결과
그림 3-30. 분산 간섭계로 측정한 파우치형 이차전지 셀 측정 결과
제4장 고찰 및 논의
본 논문에서는 박막 구조 분석을 위한 이중 광간섭계를 제안하고, 이를 이론 및 실 험적으로 검증하였다. 그러나 제안하는 시스템의 성능을 개선하기 위해서는 다음과 같 은 내용들이 고려되어야 한다.
- 저간섭성 주사 간섭계의 측정 속도 및 구동 오차 - 두 채널 분산 간섭계의 두께 측정 오차
- 비정상적 간섭 신호
- 저간섭성 주사 간섭계와 분산 간섭계의 측정 결과 차이
1. 저간섭성 주사 간섭계의 측정 속도 및 구동 오차
제안하는 이중 광간섭계 시스템에서는 저간섭성 주사 간섭계의 원리를 이용하여 박 막의 구조물을 분석한다. 그러나 저간섭성 주사 간섭계는 원리적으로 기계적 구동부를 이용하여 간섭 신호를 획득하기 때문에 측정 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다. 특히, 저간섭성 주사 간섭계는 Nyquist 샘플링 이론에 따라, 사용하는 광원의 파장의 1/4 이 하의 간격으로 광강도를 측정해야 간섭 신호를 복원할 수 있다. 본 연구에서 사용한 광원은 중심파장 1050 nm의 중심 파장에서 50 nm의 파장 대역을 가지는 근적외선 광 원으로, 간섭 신호를 안정적으로 획득하기 위해서는 260 nm 이하의 간격으로 광강도 를 획득하여야 한다. 실험에서는 이보다 작은 100 nm 간격으로 스테이지를 구동하였 으며, 100 μm의 측정 영역을 확보하기 위해 1000개의 데이터를 획득하였다. 이로 인해 각 시편의 측정에 있어 30분 이상의 소요 시간이 걸리는 문제가 발생하였으며, 측정 시간이 길어진 만큼, 외부 환경 변화에 따른 오차가 발생하였다. 또한, 스테이지의 구 동 정밀도에 의해 저간섭성 주사 간섭계의 정밀도가 결정되는 한계가 있다.
이러한 문제점들을 개선하기 위해서는 저간섭성 주사 간섭계의 측정 속도를 높이기 위한 서브 샘플링 기법을 적용할 수 있으며, 피드-백 (Feed-back) 제어를 통한 스테이
지 오차 보정 방법을 이용하여 저간섭성 주사 간섭계의 성능을 개선할 수 있다.
2. 두 채널 분산 간섭계의 두께 측정 오차
분산 간섭계는 사용하는 광원의 대역폭과 분광기의 주파수 분해능에 따라 측정할 수 있는 최소 측정 영역과 최대 측정 영역이 결정된다. 그래서 본 연구에서의 분산 간섭 계는 이론적으로 6 μm (m in) - 6.7 mm (m ax)의 측정 영역에서 시편 및 박막의 두 께를 측정할 수 있다. 그래서 측정 시편의 높이 및 박막의 두께가 분산 간섭계의 측정 영역을 벗어나는 경우, 간섭 신호의 획득이 불가능하다. 특히, 분산 간섭계의 기준 거 울과 시편 사이의 광경로차가 최소 측정 영역보다 작은 경우, 측정이 정상적으로 이루 어지지 않았다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 각 채널에서의 분산 간섭계 측정을 서로 다른 위치에서 수행하고, 이때의 광축 방향 이동량을 고려하여 시편의 구조를 분 석하였다. 그러나 이 과정에서 시편이 스테이지를 이용하여 광축 방향으로 이동하기 때문에, 스테이지의 구동 정밀도가 측정 결과에 영향을 주어 오차가 발생할 수 있다.
이러한 스테이지 구동에 의한 오차를 제거하기 위해서는 동일한 위치에서 두 채널의 측정이 수행되어야 하며, 이는 두 측정 프로브들의 초점 거리 차이를 최소화하여 구현 할 수 있다.
3. 비정상적 간섭 신호
저간섭성 주사 간섭계와 분산 간섭계의 측정 결과들을 살펴보면, 측정 시편의 구조 와는 상관없는 간섭 신호들이 측정되고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 본 연구에서 제 작한 박막 시편의 저간섭성 주사 간섭계의 측정 결과를 살펴보면, 그림 4-1과 같이 다 양한 종류의 원하지 않는 간섭 신호들이 발생하였다. 이러한 간섭 신호들이 발생하는 원인은 시스템 내부에서 발생하는 반사광, 광원의 불균일한 주파수 분포, 박막 구조에 의한 다중 반사광 등 다양하며, 이러한 간섭 신호들은 이중 광간섭계의 측정에서 장애 요인으로 발생한다. 특히, 원인 미상의 신호가 발생하는 경우, 이를 박막 구조에 의한
신호로 오인할 수 있기 때문에 이러한 원인 미상의 간섭 신호들은 최소화되어야 한다.
이를 위해서는 먼저 광원의 주파수 분포를 비교적 균일한 광원을 사용하여 간섭 신호 의 사이드 신호를 제거해야 한다. 또한, 광섬유 부품에 의한 미세 반사광들을 최소화하 기 위해 광섬유 융착을 통한 시스템 제작이 필수적이다.
그림 4-1. 저간섭성 주사 간섭계로 획득한 원인 미상 신호
4. 저간섭성 주사 간섭계와 분산 간섭계의 측정 결과 차이
제안하는 이중 광간섭계 시스템을 검증하기 위해, 각 시편마다 저간섭성 주사 간섭 계와 분산 간섭계 원리를 이용하여 구조를 분석하였다. 그러나 두 원리에 의한 측정 결과들을 비교해보면, 상당한 측정 결과 차이가 발생함을 알 수 있다. 이는 기본적으로 저간섭성 주사 간섭계의 주사를 위한 스테이지 오차에 의한 영향으로 생각된다. 이와 더불어 분산 간섭계에서도 채널별로 측정 위치가 다르며, 이러한 위치는 스테이지의
이동량으로 결정하기 때문에, 스테이지의 구동 오차가 오차 요인으로 작용한다. 그래서 두 측정 원리에 의한 측정 결과의 차이를 최소화하기 위해서는 보다 정밀한 스테이지 의 사용이 필요하다. 또한, 저간섭성 주사 간섭계와 분산 간섭계는 서로 측정 원리가 다르기 때문에 이로 인한 측정 결과의 차이가 발생할 수 있으며, 이러한 차이는 시스 템 보정을 통해 제거되어야 한다.
제5장 결론
본 논문에서는 박막 구조 분석을 위한 이중 광간섭계 시스템을 제안하고, 측정 원리 를 이론적으로 확립하였다. 이후 다양한 구조의 시편 측정을 통해 제안하는 시스템의 원리를 검증하였다.
제안하는 이중 광간섭계는 금속층을 포함한 박막의 두께를 측정하기 위하여, 시편의 양면을 동시에 측정할 수 있는 이중 구조의 측정 프로브로 구성되었다. 또한, 측정 프 로브는 저간섭성 간섭계의 원리를 적용하여, 저간섭성 주사 간섭계 기반의 긴 거리 측 정 모드와 분산 간섭계 기반의 고속 측정 모드로 시편을 측정할 수 있도록 설계되어, 다양한 시편을 측정할 수 있도록 구성되었다. 이와 더불어, 전체 시스템은 광섬유 소자 기반으로 구성되어 시스템이 소형화되었으며, 광 써큘레이터와 광 스위치를 사용하여 단일 광원과 검출기만으로 시편의 양면을 측정할 수 있도록 제작되었다.
이중 광간섭계의 두 측정 프로브들의 측정점 매칭을 위해, 시편의 양면을 측정하는 두 프로브의 측정점들에 대한 횡방향의 광학 정렬을 진행하였으며, 다중 모드 광섬유 와 단일 모드 광섬유를 통해 두 측정점이 5 μm 이내로 일치함을 확인하였다. 또한, 두 측정 프로브의 광축 방향 초점 위치를 확인하기 위해, 두께가 2 μm인 펠리클 광분할 기을 이용하여 저간섭성 주사 간섭계로 측정하였으며, 측정 결과 두 측정 프로브의 초 점이 89.9 μm만큼 떨어져 있는 것을 확인하였고, 이 값을 이용하여 측정 결과를 보정 하였다.
이중 광간섭계를 구성한 이후, 먼저 측정 시스템의 정확도를 확인하기 위해 커버 글 래스와 실리콘 웨이퍼와 같은 박막이 도포되어 있지 않은 투명 판의 두께를 측정하여 제조사에서 제공한 설계 사양과 비교하였다. 그 결과, 설계값과 비교하여 1%의 차이를 보였다. 한편, 시스템의 성능을 검증하기 위해 제작된 박막 시편과 실제 산업계에서 사 용되는 파우치형 이차전지 셀의 박막 구조를 측정함으로써, 본 논문에서 제안하는 이 중 광간섭계의 성능을 확인하였다.
본 논문에서 제안하는 이중 광간섭계 시스템은 본 논문에서 측정한 시편들을 포함하 여 표 2-1과 같이 다양한 박막 구조물들을 측정할 수 있으며, 각각의 박막 구조물에
대해서 다양한 물리량을 추출할 수 있다. 박막이 도포되어 있지 않은 금속 기판 및 투 명 판의 경우에는 각 프로브의 측정 결과 및 기하학적 관계를 통해 물리적 두께를 측 정할 수 있으며, 이에 더하여 투명 판에서는 광학적 두께 측정을 통해 매질의 굴절률 을 계산할 수 있다. 한편, 박막 시편의 경우에는 양면의 측정 프로브들을 이용하여 각 면에 도포된 박막의 광학적 두께를 측정할 수 있다. 또한, 두 측정 프로브들의 기하학 적 관계를 통해 전체 시편의 두께를 계산할 수 있다. 만약, 박막 및 기저층의 굴절률을 알 수 있다면, 금속측 및 기저층의 물리적 두께 측정도 가능하다.
결론적으로 본 논문에서 제안하는 이중 광간섭계 시스템은 시편의 종류에 따라 저간 섭성 주사 간섭계와 분산 간섭계의 측정 원리를 적용할 수 있는 유연성을 가지며, 시 편의 양면을 측정할 수 있는 이중 구조의 프로브 시스템을 통해 금속 층이 포함되어 있는 박막 구조뿐만 아니라, 다양한 구조의 박막 시편을 분석할 수 있기 때문에, 이차 전치, 반도체, 디스플레이 분야 등 다양한 4차 산업 분야에서 널리 활용될 수 있을 것 으로 기대된다.
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