npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 25-32

Published online January 28, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.25

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Research on the Development of Thermo Elastic Optical Indicator Microscope with wide Field of view

Hanju LEE*

Department of Physics, Jeju National University, Jeju 63243, Korea

Correspondence to:hlee8001@jejunu.ac.kr

Received: September 7, 2021; Revised: November 3, 2021; Accepted: November 15, 2021

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

The thermoelastic optical indicator microscope (TEOIM) technology is an optical microscope based on a CCD camera that enables real-time measurement of the electromagnetic field distribution of microwaves with optical resolution. However, the existing TEOIM technology in this the field of view is limited by the size of the polarization control element; therefore, there is a limit for measuring a large-area sample. In this study, a method is presented to increase the field of view of TEOIM using a surface light source and circularly polarized film. Unlike the existing technology, this technology can measure the microwave distribution of the indicator without changing the polarization state of the incident light. The measurement results confirmed that the microwave distribution in a square area with a maximum length of 10 cm can be imaged using a circular-surface light source with a diameter of 20 cm and a polarizing film. The results of this study show that this technology can be used as an important nondestructive test and investigation technique.

Keywords: Microwave, NDT&,E, Microwave near-field microscopy

Thermo-elastic optical indicator microscope (TEOIM) 기술은 CCD 카메라를 기반으로 한 광학 현미경으로 마이크로파의 전자기장 분포를 광학적 분해능으로 실시간 측정이 가능하기 때문에, 물질의 전자기적인 특성을 비파괴/비접촉 방식으로 검출할 수 있는 기술로 활용될 수 있다. 그러나 기존 TEOIM 기술은 편광 조절 소자와 렌즈의 크기에 의해 field of view 가 제한되는 단점이 있어 대면적의 시료를 측정하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 TEOIM의 field of view를 면 광원과 원 편광 필름을 사용하여 증가시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 실험 결과로부터 본 기술이 기존 기술과는 달리 입사광의 편광 상태를 변화시키지 않고 indicator에 나타나는 마이크로파 분포를 측정할 수 있으며, 지름 20cm의 원형 면 광원과 편광필름을 사용하여 최대 10 cm의 길이를 갖는 정사각형 영역의 마이크로파 분포를 영상화 할 수 있음을 확인하였다. 연구결과로부터 본 기술이 디스플레이 기판과 같은 대면적 재료 물질의 전자기적 결함을 큰 field of view를 갖고 빠른 시간안에 측정할 수 있는 중요한 비파괴 시험조사 기술로 활용될 수 있음을 보였다.

Keywords: 마이크로파, 비파괴시험, 마이크로파 근접장, 현미경

마이크로파(Microwaves)는 300MHz에서 300GHz 사이의 주파수를 갖는 전자기파로 통신 및 레이더 시스템의 핵심적인 주파수 대역에 해당하며 스마트폰, 군사 및 위성통신 분야에서 널리 활용되고 있다. 마이크로파는 금속 같은 전기전도성이 높은 물질에 인가되는 경우 대부분 반사되지만 유전체 물질에는 상대적으로 투명한 특성을 갖는다. 유전체 시료에 마이크로파가 인가되는 경우 시료를 투과 혹은 반사한 마이크로파의 분포는 시료의 전자기적 특성에 의해 변화하게 되며, 이 마이크로파의 분포를 분석하면 시료 표면 및 내부의 전자기적 특성을 비파괴적으로 조사할 수 있다. 실제 이러한 특성을 활용하여 콘크리트 등과 같은 다양한 재료물질의 내부의 결함을 조사하는 비 파괴 검사 기술과 유방암 검사와 같은 비 침습 의료 진단 기술들이 현재 개발되어 활용되고 있다. 특히 마이크로파 근접장 영역에서의 전자기장 분포를 분석하여 마이크로파의 파장보다 작은 시료의 전자기적 특성을 분석할 수 있다는 연구가 보고된 후, 이를 활용하여 집적회로와 같은 반도체 소자의 전자기적 특성 및 결함을 고해상도로 검출하는 기술을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1-10].

기존 마이크로파 영상화 기술은 주로 주사 탐침 (scanning probe) 방식을 기반으로 하여 시료 주변의 마이크로파의 분포를 측정하여 영상화 한다[4-10]. 주사 탐침 방식은 미세 탐침을 사용하여 수 나노미터에 이르는 공간 분해능을 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 측정속도가 느리고 Field of View (FOV) 가 작으며 진동이 없는 안정적인 측정환경을 요구한다는 단점이 있으며, 이러한 단점으로 인하여 산업적으로 활용되기 어렵다. 반면 최근 보고된 Thermo Elastic Optical Indicator Microscopy (TEOIM)은 마이크로파 전자기장을 광학적 편광 신호로 변환하는 인디케이터를 활용하여 광학적인 방식으로 마이크로파의 분포를 영상화 하는 기술로, 마이크로파의 공간적인 분포를 CCD/CMOS 카메라를 통해 병렬적으로 측정할 수 있기 때문에 광학적 분해능의 마이크로파 분포를 실시간으로 측정할 수 있다는 장점이 있다[11]. 이러한 장점은 마이크로파를 활용한 비 파괴 시험조사 관련 기술에 개발에 있어 매우 중요하며, 유전체 내부의 전도성 입자 검출 그리고 FM 안테나의 결함 검출과 같은 전자기 소자의 비 파괴 시험조사 기술은 물론 물에 용해되어 있는 소금 및 포도당의 농도측정 과 같은 비 침습 의학 진단 기술에 대한 다양한 연구들이 보고된 바 있다[12-16]. 특히 반도체 및 디스플레이 소자의 주요 기판으로 사용되는 ITO (Indium Tin Oxide) 투명전극 기판의 전자기적 결함을 TEOIM을 통하여 영상화를 할 수 있다는 것이 최근 보고되었으며[14], 이것은 TEOIM이 반도체 및 디스플레이 소자를 위한 비 파괴 시험조사 기술로 활용될 수 있음을 의미한다.

최근의 첨단 반도체 및 디스플레이 공정은 대형 디스플레이의 수요 증가 및 원가 절감을 위해 대형화되어가고 있다. 따라서 TEOIM을 반도체 및 디스플레이 소자를 위한 비 파괴 시험조사 기술로 활용하기 위해서는 넓은FOV를 구현하는 것이 중요하다. 그러나, 기존에 보고된 TEOIM 광학적 구성은 FOV는 렌즈의 구경에 비례하기 때문에 FOV를 증가시키기 위해서는 큰 구경을 갖는 렌즈를 적용해야 하지만, 이러한 방식으로 TEOIM의 FOV를 수십 cm 크기 이상으로 증가시키는 것은 한계가 있다. 본 연구에서는 넓은 FOV (Wide FOV; WFOV)를 갖는 WFOV-TEOIM을 실험적으로 구현할 수 있는 새로운 광학 구조를 제안하였고, 이를 실험에 적용하여 10 cm 크기의 ITO 기판의 전기적 결함 분포를 한번의 측정으로 영상화 할 수 있음을 보였다. 본 연구 결과를 통하여 새롭게 제안된 WFOV-TEOIM이 대면적 반도체 및 디스플레이 기판의 결함 검출 및 비 파괴 시험조사 기술로 활용될 수 있음을 입증하였다.

Figure 1(A - B)에 기존 연구와 본 연구에서 제안된 TEOIM의 광학 구조를 각각 나타내었다. 기존 TEOIM은 LED 전구를 점 광원으로 사용하여 편광상태를 선형 편광자와 Liquid Crystal Modulator (LCM)로 조절한 후 렌즈를 통하여 FOV에 균일한 밝기의 빛이 도달하도록 구현되어 있으며, 이러한 경우 광학계의 FOV는 렌즈의 구경에 의해 제한된다[11]. 반면 본 연구의 TEOIM (WFOV-TEOIM)은 지름 20 cm 크기의 면 광원을 사용하며, 면 광원과 같은 크기의 좌 원 편광 (Left Handed Circular Polarization; LHCP) 고분자 필름을 사용하여 LHCP 상태로 편광 된 빛이 조사 시료에 균일하게 입사되도록 한다. Figure 1 (C)에 WFOV-TEOIM으로 촬영한 FOV 영상을 나타내었으며, 측정 결과로부터 지름 13 cm인 원형의 FOV가 나타나는 것을 확인하였다.

Figure 1. (Color online) Illustration of TEOIM setup: (A) TEOIM system reported in a pervious study. In the previous system, the field of view (FOV) is limited by the lens aperture. (B) TEOIM system reported in this study. In current system, the FOV is determined by the size of surface light source (SLS) (C) FOV optical image of TEOIM system reported in this study. (D) Illustration of optical setup of TEOIM system reported in this study, where θ and φ represent angles of the stress axis of the sample and principal axis of the analyzer, respectively.

기존 TEOIM의 경우 LCM에 인가된 전압을 변화시켜 입사광을 좌 원 편광과 우원 편광 (Right Handed Circular Polarization; RHCP) 상태로 만들어 측정한후 이를 분석하도록 되어 있기 때문에 주어진 주파수에서 마이크로파 분포를 측정하기 위해서는 총 2회의 측정이 필요하다[11]. 반면 WFOV-TEOIM의 경우 입사광의 편광상태는 입사광이 LHCP 상태로 고정되어 있으며, 이 경우 주어진 주파수에서 마이크로파 분포를 한번의 측정만으로 영상화 할 수 있다. Figure 1(D)에 WFOV-TEOIM의 광학 구조를 나타내었다. 면 광원에서 출발한 빛은 편광 필름에 의해 좌 원 편광 상태로 편광 된 후 시료에 입사되고, 이후 시료를 통과한 빛은 선형 편광자 (Analyzer)를 통과한 후 CCD 카메라에 도달하여 시료의 편광 상태가 영상화 된다. 이때 영상화 된 빛의 편광상태는 CCD에 측정되는 빛의 밝기변화로 알 수 있으며, 이것은 인디케이터에 나타나는 열응력의 크기와 그 주축이 이루는 각 θ, 그리고 선형 편광자의 편광 방향과 관련되어 있다. 이러한 경우 빛의 편광 상태는 이차원 존스 벡터 (Jones Vector)를 통한 행렬 계산으로 나타낼 수 있으며, Figure 1(D)에 나타난 좌 원 편광 (LHCP) 필름과 선형 편광자 (Analyzer)는 다음과 같은 존스 벡터로 나타낼 수 있다[11]:

JLHCP=1ii1,  JA=cos2φcosφsinφcosφsinφsin2φ

여기서 JLHCPJA는 각각 좌 원 편광 필름과 선형 편광자의 존스 벡터를 나타낸다. 그리고 시료 열응력의 주축이 이루는 각이 θ이고 이에 의한 복굴절 계수가 β일 때 시료의 존스 벡터는 다음과 같다:

Js=eiβcos2θ+eiβsin2θ(eiβeiβ)cosθsinθ(eiβeiβ)cosθsinθeiβsin2θ+eiβcos2θ

시료에서 반사된 빛의 편광상태는 선형 편광자를 투과한 빛의 밝기 변화를 통하여 분석할 수 있으며, 이때 CCD에서 측정된 빛의 밝기는 위 존스 벡터들의 행렬 곱으로 다음과 같이 나타낼 수 있다:

|Eout|2=|JAJSJLHCPEin|2

그리고 위 행렬계산을 통해 선형 편광자의 각 φ 가 각각 0 과 π/4 일 때 CCD에서 측정되는 빛의 밝기는 다음과 같다:

Iφ=0(x,y)=Ei22(1sin2βsin2θ)
Iφ=π/4(x,y)=Ei22(1sin2βcos2θ

여기서 x, y 는 측정된 밝기의 공간 좌표를 나타낸다. 시료가 광학적으로 등방적(isotropic) 이고 내부 응력이 존재하지 않는다고 가정하면 마이크로파가 시료에 인가되지 않은 경우 βθ는 모두 0이되어 빛의 밝기는 입사 광 밝기의 절반 (=Ei2/2)이 된다. 반면 마이크로파가 시료에 인가되는 경우, 마이크로파에 의한 시료의 열 응력 분포에 따라 βθ 가 정해지며, β는 값이 충분히 작은 경우 (β ≪ 1) CCD에 측정된 입사광의 밝기를 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다:

β1(x,y)βcos2θ=Iφ=π4,MWOFFIφ=π4,MWONIφ=π4,MWOFF
β2(x,y)βsin2θ=Iφ=0,MWOFFIφ=0,MWONIφ=0,MWOFF

여기서 Iφ=0,MWOFFIφ=π4,MWOFF는 각각 마이크로파가 인가되지 않은 상황에서 선형 편광자의 각도 φ가 0과 π/4일때 측정된 빛의 밝기를 나타내며, Iφ=π4,MWONIφ=π4,MWON 은 각각 마이크로파가 인가된 상황에서 선형 편광자의 각도 φ가 0과 π/4일때 측정된 빛의 밝기를 나타낸다. β1β2는 각각 시료의 수직 응력과 단응력에 의해 나타나는 복굴절 계수에 해당하며, 이 값들의 공간적 분포를 미분하여 시료에 나타나는 열 밀도 분포를 다음의 수식으로 영상화 할 수 있다[11]:

q(x,y)=C22β2xy+2β1x22β1y2

여기서 C는 입사광의 파장 및 시료 물질의 광 탄성 계수와 같은 물리적 특성에 의존하는 상수를 나타낸다. 시료의 열 밀도 분포는 마이크로파에 의한 시료의 가열 현상에 의해 나타나며, 가열현상이 유전 가열에 의해 나타나는 경우 열 밀도 분포는 마이크로파 전기장의 분포와 동일하게 나타나며 자기 가열에 의한 경우 마이크로파 자기장의 분포와 동일하게 나타난다.

본 연구에서는 WFOV-TEOIM을 활용하여 넓은 영역의 마이크로파 분포를 영상화 할 수 있음을 보이기 위하여 대면적 ITO 박막에 존재하는 전기적 결함의 분포를 영상화 하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서 사용된 ITO 물질은 높은 전기 전도도를 갖기 때문에 마이크로파에 의한 가열은 자기장에 의한 유도 전류에 의해 나타나게 된다. 이 경우 열 밀도 분포는 마이크로파 자기장 분포와 동일하며, 마이크로파 자기장의 세기, ITO 박막의 면저항과 두께, 그리고 침투 깊이 (skin depth) 를 각각 H, Rs, t, δs 라 할 때 열 밀도와 마이크로파 자기장은 다음과 같은 관계에 있다[11]:

q=Rs2t|H|2

시료의 열 밀도 분포는 ITO 박막의 면 저항과 두께에 의존하기 때문에 박막에 균열 혹은 두께의 불 균일성이 존재하는 경우 열 밀도 분포의 변화가 나타나게 된다. 따라서 박막에 나타나는 열 밀도 분포의 불 균일 특성 및 변화를 분석하여 시료에 존재하는 전기적인 결함의 분포를 영상화 할 수 있다. 이를 실험적으로 확인하기 위하여 ITO 유리 기판에 레이저 천공기를 사용하여 0.1 mm 폭의 다양한 길이를 갖는 전기적인 균열 (crack)을 형성하였다. 제작된 시료의 뒤편에 X-band 도파관 안테나를 위치시켜 시료에 1W의 마이크로파를 인가하였고, 마이크로파를 인가하기 전과 후에 CCD 카메라로 1000 회 측정한 밝기 분포를 평균한 후 Eq. (6-8)을 통하여 시료의 열 밀도 분포를 영상화 하였다.

Figure 2 (A-F) 에 3 mm, 5 mm, 그리고 10 mm 의 길이의 crack이 형성되어 있는 길이가 2.5 cm인 ITO 정사각 기판의 최대 FOV에서 측정한 광학영상과 마이크로파 분포 영상을 나타내었다. 광학 영상으로부터 crack의 위치를 광학적으로 관찰 할 수 있었으며, 이를 통해 최대 FOV에서 3 mm 길이의 crack을 관찰할 수 있는 충분한 분해능이 확보된다는 것을 확인하였다. 또한 마이크로파 분포 측정결과로 부터 crack의 양쪽 끝 부근에서 강한 마이크로파 자기장이 여기되는 것을 관찰하였으며, 이 결과는 마이크로파 자기장 분포를 통하여 crack의 구조를 구분할 수 있다는 것을 의미한다.

Figure 2. (Color online) Optical and microwave distribution images of ITO glasses having an electrical crack with different length: (A) Optical image of ITO glass having 3 mm length crack. (B) Microwave distribution image of an ITO glass having 3 mm length crack. The applied microwave frequency and power were 14 GHz and 30 dBm. (C) Optical image of an ITO glass having 5 mm length crack. (D) Microwave distribution image of an ITO glass having 5 mm length crack. The applied microwave frequency and power were 12 GHz and 30 dBm. (E) Optical image of an ITO glass having 10 mm length crack. (F) Microwave distribution image of an ITO glass having 10 mm length crack. The applied microwave frequency and power were 6 GHz and 30 dBm.

또한 주파수에 따른 마이크로파 분포를 측정한 결과 crack의 길이가 3mm 에서 부터 10 mm 로 증가함에 따라 마이크로파 자기장의 세기가 최대가 되는 마이크로파 주파수가 14 GHz 에서 6 GHz 로 낮아지는 것을 확인하였다. 마이크로파 자기장의 강도가 인가된 마이크로파의 주파수에 의존한다는 것은 crack이 마이크로파의 특정 주파수에서 마이크로파와 강하게 커플링 된다는 것을 의미하며, 이것은 crack의 마이크로파 공진 현상에 의해 설명할 수 있다. ITO 기판에 형성된 crack 은 구조적으로 마이크로파 전송선로중의 하나인 slotline 구조와 동일하기 때문에 유한한 길이의 crack인 경우 파장에 따른 구조적 공진이 crack의 길이에 따라 나타나게 된다[14]. 따라서 crack의 길이가 증가할수록 구조적 공진을 나타내는 파장의 길이가 증가하고, 이에 의해 낮은 주파수에서 공진 현상이 나타나게 된다. 그리고 공진 현상이 나타날 때 마이로파의 세기가 가장 강하게 나타나기 때문에 crack 의 길이가 증가할수록 낮은 주파수에서 강한 마이크로파 자기장이 관찰되게 된다. 본 연구에서는 3mm 길이를 crack의 최소길이로 하여 수행하였으며, 해당 길이의 crack은 14 GHz에서 가장 강한 마이크로파 자기장을 보였다. 따라서 더 높은 주파수의 마이크로파를 인가한다면 보다 작은 crack을 검출할 수 있을 것으로 예상할 수 있으나, 실험에 사용된 signal generator 의 주파수 한계로 3mm 보다 작은 crack에 관한 실험은 수행되지 않았으며, 본 연구 결과로부터 14 GHZ내의 주파수 영역에서는 3mm 길이를 검출가능한 crack의 최소길이로 결론지을 수 있다..

WFOV-TEOIM을 통한 crack의 검출에서 광학적으로 검출가능한 최소 길이는 CCD/CMOS 카메라의 픽셀수, 즉 센서 해상도에 의존하는데, 이것은 관찰 대상의 광학적 상이 최소한 한 픽셀의 크기보다 큰 경우에 관찰이 가능하기 때문이다. Figure 3(A - C) 에 최대 FOV에서 1208 × 1024, 640 × 512, 그리고 320 × 256 pixel의 해상도로 측정한 ITO 기판 의 광학 영상을 나타내었다. 측정결과로부터 1208 × 1024, 640 × 512 해상도의 경우 측정한 경우 광학 영상으로부터 crack을 관찰할 수 있으나, 320 × 256 pixel 해상도의 경우 crack을 구분해 낼 수 없음을 확인할 수 있고, 이것은 crack 광학상의 폭이 CCD의 pixel 크기보다 작다는 것을 의미한다. 여기서 중요한 점은 crack 의 크기가 광학적으로 관찰 불가능한 경우에도 마이크로파 분포 영상을 통해 crack을 검출할수 있다는 것이다. Figure 3 (D-F)에 WFOV-TEOIM으로 각 해상도에서 영상화한 마이크로파 분포 영상을 나타내었다. 실험 결과로부터 모든 해상도에서 crack 의 양 쪽 끝에 나타나는 강한 마이크로파 자기장을 관찰 할 수 있다는 것을 확인할 수 있으며, 특히 640 × 512 해상도의 경우 광학적으로 crack을 관찰할 수 없음에도 불구하고 고해상도에서 관찰한 마이크로파 자기장의 분포와 동일한 구조의 마이크로파 자기장 분포를 확인할 수 있다. 이 결과는 광학적으로 검출가능한 crack의 최소 길이가 단순히 광학적 해상도에 의존하는 것이 아니라 여기된 마이크로파의 분포의 크기에 의해 결정되며, 따라서 광학적 분해능 한계보다 작은 crack인 경우에도 여기된 마이크로파 분포가 광학적으로 관찰 가능한 크기에 해당한다면 WFOV-TEOIM을 통해 검출해 낼 수 있다는 것을 의미한다.

Figure 3. (Color online) Optical and microwave distribution images of ITO glasses having an electrical crack (3mm length) measured at various resolution: (A) Optical image of ITO glass measured at 1208 by 1024-pixel resolution. (B) Optical image of ITO glass measured at 640 by 512-pixel resolution. (C) Optical image of ITO glass measured at 320 by 256-pixel resolution. (D) Microwave distribution image of an ITO glass measured at 1208 by 1024-pixel resolution. (E) Microwave distribution image of an ITO glass measured at 640 by 512-pixel resolution. (F) Microwave distribution image of an ITO glass measured at 320 by 256-pixel resolution. The incident microwave frequency and power were 14 GHz and 30 dBm.

시료의 전자기적 crack의 검출에 에 있어 WFOV-TEOIM의 가장 큰 장점은 넓은 범위에 분포되어 있는 crack을 한번의 측정으로 검출할 수 있다는 것이다. crack의 공간적인 검출 가능 범위는 광학적 FOV 뿐만 아니라 마이크로파의 인가 범위에도 의존하는데, 이것은 넓은 영역에 분포되어 있는 모든 crack에 마이크로파가 작용하여야 하기 때문이다. 즉 WFOV-TEOIM를 활용한 넓은 범위의 crack 검출은 광학적 FOV를 최대화하는 것뿐만 아니라 마이크로파의 인가 범위를 넓히는 것이 중요하다. 본 실험에서는 한쪽 끝이 개방되어 있는 직사각형 형태의 마이크로파 도파관을 마이크로파 광원으로 사용하였으며, 이러한 형태의 도파관에서 방출되는 마이크로파는 공간적으로 방사상의 분포를 갖는다. 이러한 경우, 도파관과 시료 사이의 거리가 멀어질수록 도파관에서 방출되는 마이크로파의 작용범위는 점차 넓어지는 반면 마이크로파의 강도는 점차 감소한다. 따라서 넓은 범위의 crack 검출을 위해서는 주어진 검출 영역에 모두 충분한 강도의 마이크로파가 작용할 수 있도록 시료와 도파관의 거리를 적절히 조절하는 것이 필수적이다.

도파관과 시료 거리에 따른 WFOV-TEOIM의 유효 crack 검출 범위를 확인하기 위하여 도파관과 시료 사이의 거리, 즉 방사거리 (radiation distance)에 따른 crack 검출실험을 수행하였다. Figure 4 (A) 와 (B)에 실험에 사용된 시료의 광학적 영상과 측정 방법의 묘사도를 나타내었다. 시료는 10 cm 길이의 정사각형 ITO 기판에 길이 5 mm의 crack을 가로 10 mm와 세로 5mm의 간격을 갖도록 배열 형태로 제작하였으며, 제작한 시료와 도파관의 거리를 1cm 부터 11 cm 까지 변화시켜가며 ITO 기판에 나타나는 마이크로파의 분포를 영상화 하였다. Figure 4 (C - F)에 다양한 방사거리에서 측정된 마이크로파 분포 영상을 나타내었다. 방사거리가 1 cm인 경우 도파관의 중앙 영역에 위치한crack에서 강한 마이크로파 분포가 관찰되었으나, crack의 위치가 도파관의 중앙에서 멀어질수록 마이크로파의 강도가 감소하였고, 시료의 가장자리 영역에 위치한 crack의 경우 crack 주변의 마이크로파 분포가 관찰되지 않았다. 방사거리가 증가할수록 도파관 중앙 영역 부근에 위치한 crack의 마이크로파 분포의 강도는 감소하였으나 점차적으로 시료 가장자리의 crack에서 나타나는 마이크로파 분포를 확인할 수 있었고, 11cm의 방사거리에서 시료에 분포하는 모든 crack 주변에 나타나는 마이크로파 분포를 확인할 수 있었다. 이 결과는 방사거리가 증가할수록 시료에 작용하는 마이크로파 범위가 증가한다는 것으로 설명될 수 있으며, 넓은 범위의 crack 검출을 위해서는 마이크로파의 작용 범위를 적절히 조절하는 것이 중요하다는 것을 의미한다. 특히 본 결과로부터 10cm 크기의 ITO 기판의 결함을 한번의 광학적 측정으로 검출해 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있으며, 본 기술이 실제 대면적 전자기 재료 물질의 비파괴 시험조사 기술로 활용될 수 있음을 알 수 있다.

Figure 4. (Color online) Optical and microwave distribution images of ITO glasses having electrical crack array (5mm length): (A) Optical image of ITO glass and structure of crack array. (B) Illustration of measurement setup. (C) Microwave distribution image of ITO glass at a radiation distance of 1 cm. (D) Microwave distribution image of ITO glass at a radiation distance of 3 cm. (E Microwave distribution image of ITO glass at a radiation distance of 9 cm. (F) Microwave distribution image of ITO glass at a radiation distance of 11 cm. The incident microwave frequency and power were 14 GHz and 30 dBm.

본 연구에서는 넓은 영역의 마이크로파 분포를 영상화 할 수 있는 WFOV-TEOIM을 구현하는 연구를 수행하였다. 기존 TEOIM과 달리 면 광원과 원 편광 필름을 사용하여 최대 15cm 지름을 갖는 원형의 FOV를 구현할 수 있음을 보였고, 존스 행렬 계산을 통하여 입사광의 편광 조절없이 최대 FOV에서 마이크로파의 분포를 영상화 할 수 있음을 이론적으로 제시하였다. 이를 실험적으로 확인하기 위하여 ITO 기판에 인위적인 crack을 제작하여 마이크로파의 분포를 측정하였다. 실험 결과로부터 WFOV-TEOIM이 최대 FOV에서 인가 마이크로파의 주파수 범위가 6 GHz 14 GHz 일 때 길이 3 mm의 crack을 검출할 수 있는 해상도를 갖는다는 것을 확인하였으며, 길이 10cm 정사각형 ITO 기판에 존재하는 crack의 공간적인 분포를 한번의 측정으로 동시에 검출할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 WFOV-TEOIM이 대면적 전자기 시료의 전자기적 결함을 검출하고 평가할 수 있는 비파괴 시험조사 기술로 활용될 수 있음을 입증한다.

본 연구는 2021년도 교육부 및 한국연구재단의 국립대학육성사업과 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다. (2020R1C1C1004556)

  1. B. T. Rosner et al, Rev. Sci. Instrum. 73, 2505 (2002).
    CrossRef
  2. P. Wang et al, Nat. Commun. 6, 6631 (2015).
    CrossRef
  3. P. Böhi et al, Appl. Phys. Lett. 97, 051101 (2010).
    CrossRef
  4. Y. Endo et al, J. Appl. Phys. 109, 07 (2011).
    CrossRef
  5. V. Vlaminck et al, Appl. Phys. Lett. 101, 252406 (2012).
    CrossRef
  6. S. Wakana et al, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 48, 2611 (2000).
    CrossRef
  7. M. Takahashi et al, J. Appl. Phys. 107, 09 (2010).
    CrossRef
  8. A. Karbassi et al, Appl. Phys. Lett. 89, 153113 (2006).
    CrossRef
  9. Y. Gao et al, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 44, 911 (1996).
    CrossRef
  10. H. Nasuno et al, IEEE Trans. Magn. 47, 4011 (2011).
    CrossRef
  11. H. Lee et al, Sci Rep 6, 39696 (2016).
    CrossRef
  12. Z. Baghdasaryan et al, Measurement 151, 107189 (2020).
    CrossRef
  13. H. Lee et al, IEEE Access 7, 46084 (2019).
    CrossRef
  14. H. Lee et al, IEEE Access 7, 42201 (2019).
    CrossRef
  15. S. Arakelyan et al, IEEE Antennas and Propagation Magazine 61, 27 (2019).
    CrossRef
  16. Z. Baghdasaryan et al, Scientific reports 11, 1 (2021).
    CrossRef

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