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힘 변조 현미경(FMM)

시료 탄성력의 진폭 및 위상 이미징

XE 시리즈의 힘 변조 현미경(FMM)은 접촉식 원자현미경(C-AFM) 모드로 운용되는 원자현미경 이미징 기법을 바탕으로 하며 시료 표면의 탄성, 접착 및 마찰과 같은 기계적 특성 변화를 검출하는 데 사용됩니다.

FMM 모드에서는 원자현미경 팁이 시료 표면에 접촉한 상태로 스캔하며, 일정력 모드 원자현미경과 같이 Z 피드백 루프를 통해 캔틸레버 휨을 일정하게 유지합니다. 또한 '구동 신호'라는 주기적 신호를 바이모르프 압전소자에 전달하여 팁이나 시료를 진동시킵니다. 그 결과로 나타나는 팁의 움직임을 전기 신호로 변환합니다. 이 전기 신호를 AC 성분과 DC 성분으로 분리한 후 분석합니다.

DC 신호는 접촉식 원자현미경과 같이 팁의 휨을 나타냅니다. Z 피드백 루프에서는 이 신호로 팁과 시료 간의 힘을 일정하게 유지하여 형상 이미지를 작성합니다. AC 신호에는 진동으로 인한 팁의 반응이 포함됩니다. AC 신호의 진폭(FMM 진폭)은 시료 표면의 탄성에 민감합니다. 표면이 단단하면 진동이 반사되어 진폭 반응이 커집니다. 반면에 표면이 부드러우면 진폭 반응이 작아집니다. FMM 진폭의 변화를 바탕으로 FMM 이미지를 작성하여 시료의 탄성을 측정할 수 있습니다. 그림 1에서는 FMM을 사용한 진폭 반응의 예를 보여 줍니다.

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그림 1. 캔틸레버의 휨 폭은 시료 표면의 기계적 특성에 따라 달라집니다.

 

 AC 신호의 위상 변이(FMM 위상)도 시료 표면의 탄성에 따라 달라집니다. 따라서 FMM 위상으로 FMM 이미지를 작성할 수 있는데, 이 기법을 위상 검파 현미경(PDM)이라고 합니다. FMM 위상은 FMM 진폭보다 표면의 탄성에 더 민감한 경우가 많습니다. PDM은 강도가 일정한 구역에서 대비를 심화하는 메커니즘을 제공합니다. 그림 1에서는 PDM 원리의 계통도를 보여줍니다.

 FMM은 캔틸레버 변조의 진폭 변화를 바탕으로 시료의 탄성을 매핑한 힘 변조 이미지를 작성합니다. 인가 신호의 주파수는 100kHz 단위로서 추적할 Z 피드백 루프의 설정값보다 빠릅니다. 따라서 그림 1과 같이 시료 탄성의 국지적 변화와 별도로 형상 정보를 측정하여 두 가지 이미지를 동시에 측정할 수 있습니다.

 XE 시리즈에서는 접촉식 원자현미경과 완전 비접촉식 원자현미경의 주요 특성을 결합하여 FMM 이미지를 작성합니다. XE 시리즈 접촉식 원자현미경의 피드백 변수를 사용하여 팁과 시료 간의 접촉력을 조절하는 한편, XE 시리즈 완전 비접촉식 원자현미경의 주파수 스윕, 구동 주파수 및 구동 게인을 사용하여 팁 또는 시료의 진동을 제어함으로써 FMM 이미지의 대비에 영향을 줍니다.

 그림 2에서는 유리섬유-PP(폴리프로필렌) 합성물의 형상 이미지와 FMM 이미지를 보여 줍니다. 유리섬유와 PP 영역 간의 강성 차이를 관찰할 수 있습니다. 그림 3에서는 혼합 폴리머(SIBS 1027 60%+SMA 14 40%)의 형상 이미지와 FMM 이미지를 보여 줍니다. 형상 이미지만 보면 시료의 서로 다른 성분(SIBS와 SMA)이 구분되지 않습니다. 그러나 FMM 이미지에서는 SIBS 영역과 SMA 영역의 서로 다른 강성 특성이 극명하게 드러납니다.

 

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그림 2. 유리섬유-PP 합성물의 (a) 형상 이미지 및 (b) FMM 이미지(스캔 크기 30μm)

 

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그림 3. 혼합 폴리머: SIBS 1027 60% +SMA 14 40%의 (a) 형상 이미지 및 (b) FMM 이미지(스캔 크기 30μm)

 

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