본고에서는 근접장 분광분석을 중심으로 측정원리나 개요를, 특히 다른 고공간분해측정 방법과 비교하면서 정리한 후 근접장광을 발생시키는 광학소자인 근접장 프로브와 근접장 분광측정을 하기 위한 시스템을 소개하겠다. 그리고 그 측정예로써 액정 등에 이용되고 있는 컬러 필터의 분석예 및 반도체 등의 제조과정에서 문제가 되는 매우 작은 유기계 이물의 측정예를 나타냈다.
근접장 광학 탐침은 근접장 광학 현미경의 핵심요소이다. 매우 다양한 탐침이 제작되어 사용되고 있지만 이 가운데에서 실제로 널리 사용되는 근접장 탐침은 잡아끌거나 식각하는 방식으로 첨단부를 뽀족하게 한 후 수십 내지 수백 나노미터 직경의 개구 만을 남겨두고 금속 코팅한 광섬유 탐침이다. 그러나 광섬유 근접장 탐침은 잘 알려져 있는 몇가지 단점이 있다. 우선 20~30$^{\circ}$ 의 각도로 뽀족해지는 기하학적인 모양과, 깨지기 쉬운 유리 재질로 제작된 데 기인하여 내구성이 떨어진다. (중략)
광 회절한계를 극복한 기록밀도 향상 기술로 대두된 근접장 응용 정보저장기술은 차세대 광 정보저장의 핵심기술로 간주되고 있다. 근접장을 응용한 기술에는, 근접장 헤드구조의 관점에서, 근접장 효과 렌즈(SIL), 탐침형, 미소구멍레이저, 안테나 구조 등 나노크기 Aperture를 가지는 구조 등이 있다. 그러나 각각의 근접장 헤드구조에 적합한 특히, 탐침형 근접장 방식에 적합한 근접장 매체에 대한 활발한 연구는 아직 진행되고 있지 않다. (중략)
구멍에 의한 빛의 회절은 광학의 기본적인 문제로서, 최근 근접장 광학(Near-Field Optics)의 발전과 더불어서 파장보다 작은 구멍에서 일어나는 빛의 회절에 대한 관심이 고조되고 있다.$^{(1)(2)(3)}$ 본 연구에서는 그동안 주로 이론적으로 다루어지고 있던 파장보다 작은 금속 구멍을 통한 빛의 회절에 대해 실험결과들을 보고한다. 회절된 빛의 먼장(Far-field)과, 근접장(Near-field)을 모두 측정하기 위해서 고체각 주사기(Solid angle scanner)와 근접장 주사 광학 현미경(Near-field Scanning Optical Microscopy)이 사용되었다. 고체각 주사기(Solid angle scanner)를 사용하여 반구면 위에서의 빛의 이차원 세기 분포가 다양한 편광 상태에 따라서 측정되었고$^{(4)}$ 근접장 탐침(NSOM probe)으로 작은 금속 구멍주변을 주사함으로서 근접장이 측정되었다. 작은 구멍은 최근에 개발된 고출력 근접장 광섬유 탐침(High-power near-field fiber probe)구조를 이용하여 제작되었다.$^{(5)}$
광원의 근처에만 존재하는 근접장(Near-field)이 먼장(Far-field)과는 매우 다른 특성을 보인다는 것은 널리 알려진 사실이다. 일반적으로 먼장은 횡파(transverse wave)이며 광원에서 멀어질수록 1/r의 함수로 그 세기가 감소하는데 반하여, 근접장은 시간의존항을 제외하고는 정적인 분포를 보이고(static), 종파(logitudinal wave)성분이 오히려 크며 광원의 미세구조에 직접 관련되어 있다. 이러한 근접장이 근접장 주사 광학현미경(Near-field Scanning Optical Microscopy)의 발전으로 인해 실험적으로 연구되기 시작하면서 여러 가지 예기치 못한 현상들이 발견되고 있다. 그중 하나로서, 원편광된 빛(Circularly polarized light)을 내는 광원의 근접장을 측정한 실험에서 광원에 접근할수록 원편광이 사라지는 현상이 실험적으로 보고된바 있다.$^{(1)}$ 본 발표에서는 Bethe의 모델과 다중극 장(Multipole field)의 근접장을 분석하여 고전전자기론 내에서 근접장의 각 운동량에 대해 논의한다. (중략)
근접장 주사 광학 현미경(Near-field scanning optical microscope)에서 가장 중요한 부분은 바로 근접장 탐침(Near-field optical probe)이다. 가간 널리 사용되는 근접장 탐침은 끝 부분에 매우 작은 구멍만 남기고 나머지 부분은 금속으로 코팅한 뾰족한 광섬유(Metal-clad tapered optical fiber)이다. 탐침의 끝에 형성된 작은 구멍은 진행하지 못하는 근접장(Near-field)을 진행하는 먼장(Far-field)으로 바꾸어줌으로서 회절한계를 뛰어넘는 분해능을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 작은 구멍은 매우 작은 투과 효율(Transmission efficiency)을 가지기 때문에 고밀도 광기록(High-density optical recording)등에 이용하는데 큰 어려움이 있었다.$^{(1).(3)}$ 따라서 금속이 코팅된 뾰족한 광섬유 내에서 빛이 어떻게 진행되는지에 대한 연구를 통해 보다 높은 효율을 가지는 근접장 탐침을 개발하는 것이 중요한 과제가 되고 있다. 본 연구에서는 금속이 코팅된 뾰족한 광섬유 도파로 내에서 구멍의 크기와 빛의 투과 효율의 관계를 보고한다. (중략)
근접장 측정에서 가장 많이 쓰이는 근접장 광섬유 탐침은 몇가지 단점을 가지고 있다. 단점 중 하나는 광 전달율이 매우 낮다는 점이다. 전형적으로 근접장 광섬유 탐침의 aperture가 100nm일때 빛이 통과할 때의 광 전달율은 $10^{-5}$만큼 떨어진다. 그리고 sample과 probe간의 수십 nm의 근접장거리를 유지하기 위해 복잡한 장치가 필요하다는 점이다. 이러한 단점을 보완하여 본 연구실에서는 근접장 측정에서 핵심이 되는 근접장 광섬유 탐침의 새로운 개념인 나노 탐침 제작을 연구하였다. (중략)
고분해능을 장점으로 하는 근접장 광학 현미경(NSOM)은 최근 높은 관심을 모으고 있으나, 그 촬영 속도가 너무 느린 이유로 실제적인 활용이 미비한 상황이다. scanning 속도를 높이고자 하는 노력들이 많이 진행되고 있으나[1-2] 아직도 실시간 촬영과는 거리가 멀다. 기존의 근접장 광학 현미경(NSOM)은 tuning fork를 사용하여 탐침을 진동시키고 그 진동의 진폭 또는 위상의 변화를 측정함으로써 탐침과 시료의 거리를 측정하는 방식을 사용한다. (중략)
근접장 광학 현미경에 사용되는 다양한 탐침 중 가장 널리 사용되는 근접장 탐침은 잡아끌거나 식각하는 방식으로 첨단부를 뽀족하게 한 후 수십 내지 수백 나노미터 직경의 개구 만을 남겨두고 금속 코팅한 광섬유 탐침이다. 하지만 이렇게 제작되는 광섬유 탐침에는 뽀족한 기하학적인 모양과 깨지기 쉬운 재질 특성으로 인하여 내구성이 떨어지고 작은 개구 각도로 인하여 광 전달율이 매우낮으며 탐침을 근접장 영역에 진입시킨 후 시료와 탐침 간의 거리를 유지시키기 위해서 매우 복잡한 거리 유지 장치가 필요하다는 단점들이 있다. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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