형상 분석 레이저 현미경이란?
형상분석 레이저 현미경(영어: 3D laser scanning confocal microscope)은 레이저 빛을 이용하여 물체의 표면 형상을 측정할 수 있는 현미경입니다.
비슷한 기능을 가진 것으로 캔틸레버와 같은 접촉식 프로브를 장착한 현미경도 있지만, 표면에 닿기 때문에 시료에 손상을 입히거나 파손될 우려가 있습니다. 반면 형상분석 레이저 현미경은 빛의 반사를 이용하기 때문에 비접촉식 검사가 가능합니다.
광학계는 일반적인 공초점 레이저 현미경과 동일하지만, 3차원 정보를 얻기 위해 고속의 MEMS 스캐너나 공진 스캐너를 채용하여 스캔 시간을 단축한 제품들이 많이 판매되고 있습니다.
형상분석 레이저 현미경의 사용 용도
형상분석 레이저 현미경은 다양한 제품의 검사 및 문제점 탐색 등에 활용됩니다. 특히 반도체 부품이나 인쇄기판은 부품 자체가 매우 작고 정밀한 표면 구조를 가지고 있기 때문에 비접촉, 비파괴 검사가 가능한 형상분석 레이저 현미경을 사용하는 경우가 많습니다.
문제가 없는 제품을 레퍼런스로 삼아 검사품의 이미지와 중첩시켜 문제 부위를 빠르게 발견할 수 있습니다. 또한 비접촉식이기 때문에 부드러운 시료에도 대응할 수 있고, 특별한 전처리 등이 필요하지 않아 식품 등의 검사에도 사용됩니다.
형상분석 레이저 현미경의 원리
형상 분석 레이저 현미경은 레이저를 조사하고 그 반사광을 검출하여 표면의 형상 정보를 얻습니다.
1. 2차원 형상
빛의 강도는 거리의 제곱에 따라 감쇠하므로 반사광의 강도를 모니터링하면 표면까지의 거리를 알 수 있습니다. 이때 비초점의 빛이 삽입되면 반사광의 증감이 평균화되어 감도가 떨어집니다.
이를 방지하기 위해 형상분석 레이저 현미경에서는 공역하는 초점면에 핀홀을 배치한 공초점 광학계를 채택하여 비초점면으로부터의 과도한 빛을 차단합니다. 이렇게 정확하게 얻어진 표면까지의 거리 정보를 레이저의 XY 방향 스캔을 통해 2차원 정보로 얻을 수 있습니다.
2. 3차원 형상
대물렌즈를 Z방향으로 스캔하면 입체적인 3차원 형상 분석을 할 수 있습니다. 평면 방향의 공간 해상도는 일반적인 광학 현미경과 마찬가지로 아베의 법칙에 따라 레이저의 파장에 따라 달라집니다.
따라서 시료에 문제가 없다면 파장이 짧은 405nm와 같은 근자외선 레이저를 사용하면 더 높은 해상도의 측정이 가능합니다.
형상분석 레이저 현미경의 기타 정보
1. 레이저 현미경 측정 절차
현미경에는 크게 광학 현미경, 전자 현미경, 주사형 프로브 현미경의 세 가지 종류가 있습니다. 레이저 현미경은 광학 현미경 중 하나입니다.
레이저 현미경의 레이저 조사에서 이미지 표시까지의 절차는 다음과 같은 6단계로 구성됩니다.
- 광원은 레이저를 이용한다.
- 대물렌즈를 통과한 레이저가 측정대상을 스캐닝 한다.
- 측정 대상의 반사광을 다시 한 번 대물렌즈에 넣는다.
- 하프 미러로 반사광의 경로를 검출기를 향해 변경한다.
- 결상 위치에 설치된 핀홀로 산란광을 제거한다.
- 검출기에 입사된 레이저를 증폭기 등을 이용한 화상처리를 통해 3차원 이미지로 표시된다.
2. 레이저 현미경에 의한 표면 거칠기
레이저 현미경에서 표면 거칠기는 부품 가공면의 요철 상태를 나타내는 지표입니다. 표면 거칠기는 높이와 깊이, 간격이 다른 산과 골짜기가 연속적으로 나타나는 주기적인 형상을 말합니다.
표면 거칠기에 따라 촉감과 질감이 달라지는데, 표면 거칠기가 큰 표면일수록 만졌을 때 거칠어지고 빛의 반사율도 감소합니다. 반대로 표면 거칠기가 작은 것은 표면이 매끄럽고 거울처럼 빛을 강하게 반사합니다.
현대에는 제품의 질감, 촉감 등이 중요시되고 있으며, 외관 품질 관리에서 거칠기는 중요한 지표가 됩니다. 표면 거칠기를 나타내는 지표로는 평균값을 이용한 산술적 평균 거칠기(Ra), 산과 골짜기의 합을 이용한 최대 높이(Rz) 등을 들 수 있습니다.