[3] 렌즈 드라이버 회로 제작 및 성능 평가

[3] 렌즈 드라이버 회로 제작 및 성능 평가

(1) 렌즈 드라이버 회로도

• Input

V1   range : 0 - 3.3V output resolution 5mA

V2   range : 0 - 3.3V output resolution 5uA

• Output

Lens의 current range 0 - 2A

(2) 회로

a(V1) : 낮은 분해능을 가지고 있고 넓은 범위를 제어

b(V2) : 높은 분해능을 가지고 있고 좁은 범위를 제어

c(Lens) : 자기장렌즈로 연결되는 부분

1(VCC) : opamp에서 +부분의 전원 공급부

2(VEE) : opamp에서 -부분의 전원 공급부

3(HVCC) : 렌즈로 흐르는 전류를 공급하는 source

(3) 렌즈 제작 설계

자기장이 형성되어야 하는 방향

Objective lens도 자기장의 방향은 같다.

  

전류가 흐르는 방향이 중요하기 때문에 어떤 방향으로 감을지, 회로에 어떻게 연결을 고려하여 제작해야 한다. 회로에서 start는 HVCC, end는 M1쪽으로 연결된다.

(4) 렌즈 실물

동선 종류	애나멜 1	애나멜 2	테플론 1	테플론 2
Ls [mH]	14.6	17.0	37.9	38.1
Rs [ᘯ]	0.628	0.670	3.9	3.92

(5) 최종 테스트 환경

1,2,3층은 각각 자기장 렌즈 제어 회로

4층은 제어부와 회로도 사이의 interface회로

(6) 실험 요약

대기압 환경에서 실험시작 1시간동안 발열 테스트

1) HVCC(렌즈 전류 source)에 4.5V인가

2) 2A인가시 R3(저항)는 따뜻하고 M1(power mosfet)은 발열 거의 없음

(7) 렌즈 tips

1)  도선을 많이 감을수록 더 큰 자기장을 발생시킬 수 있다. 하지만 얇은 도선은 저항이 높다. 처음엔 AWG30(0.3Φ)로 감아서 많이 감을 수 있었으나 렌즈의 저항이 26Ω정도였고 1A를 흘려주니 바로 도선이 녹았다. 이후 목표했던 2A를 안정적으로 흘려주려고 더 두꺼운 도선을 사용했다.

2) mosfet(M1)은 n-depletion mosfet을 사용했는데 n-enhancement mosfet(일반적인 mosfet)을 사용하기 바란다. depletion mode mosfet은 gate에 전압이 0V일 때 on상태가되기 때문에 전원(HVCC)을 인가하면 신호를 입력해주지 않아도 V = IR에 의해 렌즈에 전류가 흐르게 된다. 전원을 인가할 때 렌즈에 전류를 흐르지 않게 해주려면 enhancement mode mosfet을 사용하는게 바람직하다.

3) 렌즈에서는 발열이 큰 issue이다. 발열은 주로 고전류가 흐르는 부분(빨간 부분)에서 발생한다.

R3에도 많은 전류가 인가되기 때문에 일반적인 탄소피막 저항을 사용해서는 안 된다. 이 회로에서는 50W 1옴의 권선저항기를 이용하여 발열을 잡았다. R3는 피드백으로 전류를 조절해주는 부분인데 주위에 연결되는 도선에도 저항성분이 있기때문에 어느정도는 큰 저항이 신뢰성을 확보하기 좋다. 처음에는 10옴을 선정하였으나 발열문제로 인해 1옴을 선택했다.

4) 회로도는 Image improvement with modified scanning waves and noise

reduction in a scanning electron microscope에 나와있는 논문을 참고하여 제작했다

5) 위에서 사용한 페라이트코어로 렌즈를 제작할 경우 pole piece가 중간에 만들어지기 때문에 OL을 배치할 때 많은 길이를 필요로 하게 된다. 이렇게 되면 높은 반배율을 만들기가 어려워진다. 폴피스를 렌즈의 바닥 근처에 위치시키게 되면 높은 반배율을 만들기 유리하다.

6) alignment는 영상을 보기전까지는 중요성이 와닿지 않을 수 있다. 하지만 영상을 보려면 alignment가 맞아야 반배율을 조절하면서 제대로된 영상을 얻을 수 있다. CL, OL의 alignment를 쉽게 맞추기 위한 방법을 고민했으면한다. 우리는 첫 영상을 본 이후에 50%가 넘는 시간을 alignment를 맞추는데 할애했다.

[2] 하위 레벨 설계

[2] 하위 레벨 설계

(2.1) 렌즈

자기 렌즈는 코일(copper wire)과 이 주변을 감싸는 차폐 덮게(Soft-iron casing)으로 이루어져 있다. 폴 피스(Pole piece)란 원통형 렌즈 내부에 차폐 덮게의 틈이다.

렌즈 외부에는 자기장이 형성되면 전자가 이에 영향을 받아 원하지 않는 결과가 나타날 수 있기 때문에  렌즈 코일을 차폐 덮게로 감싸줘서 자기장이 외부로 흘러나가지 않게 해야 한다. 이러한 차폐덮게는 투자율이 크다. 또한, 차폐 덮에에 의해 만들어진 폴 피스로 자기장이 더 집속되는 효과를 얻을 수 있다.    

(2.2)차폐 덮게

처음에는 강자성체인 Mn-zn 페라이트를 우리가 원하는 치수대로 가공해서 사용하려고 했지만 가공 업체에 문의한 결과 가공이 불가능하였다. 그래서 찾던 중에 강자성체인 퍼멀로이 시트지를 구할 수 있었고 알맞은 규격의 페라이트 코어를 발견해서 이것들을 조합해서 쓰려고 한다. 페라이트 코어에 코일을 감은 후, 그 주변을 퍼멀로이 시트지로 감쌀 것이다.

  

위의 자기 렌즈 3개를 똑같이 만들어서 집속렌즈 2개와 대물렌즈 1개로 사용할 것이다.  

(2.2.2)  페라이트 코어

페라이트는 철과 달리 포화 자기장이 그다지 높지 않기 때문에 비교적 작은 자기장이 필요할 때 사용된다.
페라이트의 가장 큰 특징은 절연체라는 점이다. 페라이트는 강자성 절연체로서 고주파 전자기장 속에서 와상전류를 거의 만들지 않기 때문에 마이크로파 시스템 같은 분야에 유용하게 쓰일 수 있다.

<출처 - http://www.yhf.co.kr/ferrite.html>

페라이트에는 소프트 페라이트와 하드 페라이트가 있는 데 우리는 히스테리시스 손실이 적은 소프트 페라이트를 써야 한다. 여기서 히스테리시스 곡선은 자기장이 과거 상태에 현재 상태가 의존하는 것으로 이것이 강하면 우리가 원하는 데로 자기장을 발생시키기 어렵다.

(2.2.3) 퍼멀로이 시트지

퍼멀로이에 탄성 한계 이상의 응력을 가하면 자기적 성질이 매우 급격하게 변하기 때문에, 절대 구부리면 안 된다. 만일 기계적인 변형이 가해지면 그로 인해 발생하는 전위(dislocation)나 슬립 띠(slip band)등의 효과 때문에 투자율이 크게 감소해서 도메인 벽들이 더 이상 쉽게 움직이지 않는다. 물론, 손상된 퍼멀로이를 고온에서 단련시키면 다시 높은 투자율을 회복할 수 있다.

(2.3) 코일

코일은 진공에서도 버티고 내열성을 가지고 있는 도선을 써야한다. 에나멜 동선을 사용하면 고진공에서 아웃게싱(outgassing)이 일어나 가상 누설이 일어나기 때문에 이것은 사용하지 않기로 하였다.

2. 예상 전류

<출처 - 얇은 렌즈 조합을 이용한 집속 렌즈 시스템 설계>

위 표는 논문 "얇은 렌즈 조합을 이용한 집속 렌즈 시스템 설계"에서 나온 것이다. 집속 렌즈 CL_1의 반배율을 0.05, 초점거리를 4.19로 하고 집속 렌즈 CL_2의 반배율을 0.02, 초점 거리를 1.56으로 설정했을 때, 가속 전압에 따라 코일에 흘러야 하는 전류를 계산한 것이다. 가속 전압이 커질 수록 전류는 커져야 하는 데, 위 표에서 나타난 최대 전류값이 약 1.5A였다. 그래서 우리 회로도 1.5A 정도의 고전류를 흘릴 수 있도록 설계했다.

3. 회로

(1)전체 회로

위 회로도는 하나의 렌즈에 대한 회로다. 입력(V2)은 0~5V의 아날로그 전압이고 출력은 코일(L1)에 흐르는 전류다. 출력은 입력에 선형적으로 비례하도록 하였다. 최대 3A의 전류를 코일에 흘려줄 수 있도록 설계했다. 제너다이오드는 소자를 보호하기 위해 사용했다.

(2) OP-AMP

<출처 - http://www.eleparts.co.kr/EPXFNTTD>

2Channel

Supply Range: Vs = += 4.5V ~ +-24V

(3) R5

<출처 - http://www.eleparts.co.kr/EPXGTU3G>

권선 저항기 - 섀시 탑재 15W 5 Ohms 5% (고주파에는 취약)

최대 필요한 전류를 2A라고 한다면  5V * 2A = 10W. 전력을 충분히 견딜 수 있다.

설계 할 때 3A까지 안 올라가도록 설계 해야 한다.

(4) Depletion mode N-channel mosfet

<출처 - http://eleparts.co.kr/EPX83LNW >

(5) 제너 다이오드

<출처 - http://www.eleparts.co.kr/EPX63C67>

회로 보호용으로 코일과 모스펫을 보호하기 위해 사용한다.

4. 렌즈의 위치 결정하기

[정의] CL1:  집속렌즈1 CL2: 집속렌즈2 OL: 대물렌즈 반배율: 렌즈에서 빔사이즈를 축소시키는 비율 우리 렌즈 시스템에서 최대 반배율: 976nm / 100um = 1/102 최소 반배율: (976nm)*78 / 100um = 1 /1.3

전자총에서 나오는 소스 사이즈는 100um이다.

프로브 사이즈는 기본 픽셀의 50%크기로 설정 해야 한다. 최소 프로브 사이즈는 픽셀 한 변의 길이가 1.95um일 때는 976nm(1.95um * 0.5)이다. 최대 Magnification은 78배이고 이 때의 프로브 사이즈는 76.128um이다.

다음과 같이 반배율을 설정 했을 때 렌즈 사이의 거리를 구해보자.

OL의 반배율: 1/2

CL1의 반배율: 1/5

CL2의 반배율: 1/10

최대 반배율: 1/100

OL의 b는 렌즈 밖에 위치해 한다. 그리고 OL과 시료 사이의 거리는 30mm 정도 간격을 띄워줘야 하기 때문에 OL의 b는 55mm가 된다. OL의 반배율이 1/2 이므로 a는 110mm가 된다.

CL이 차지는 공간을 보자.

CL1의 b는 10mm, a는 50mm이다. 렌즈는 렌즈 중심을 기준으로 위로 25mm, 아래로 25mm의 공간을 차지한다. 렌즈 중심으로부터 위로는 50mm, 아래로는 25mm가 필요하다. ( 50mm 안에는 애노드 플래이트가 위치한다.)

CL2의 b는 5mm, a는 50mm이다. 렌즈는 렌즈 중심을 기준으로 위로 25mm, 아래로 25mm이다. CL2의 a안에 빈 공간을 추정해보자. 먼저 a안에 있는 것들을 살펴보면  CL1 안에 들어가 있는 부분이 15mm,CL1을 내부 프레임에 고정 시킬 고정판의 두께가 5mm, CL2의 렌즈 윗부분 25mm까지 해서 CL1과 CL2 사이의 빈 공간은 50-15-5-25mm = 5mm이다.

5. 배율이 예상대로 설정되는지 확인하기 (수식대로 되는가 확인)

Beam source에서 렌즈까지의 거리가 a 이다. M을 1/20로 만들어보자. b = a*M 이다. b지점에 형광판을 둔다. 전류를 조절하여 형광판에 가장 작은 원이 생기도록 한다. 이 때의 전류가 M(1/20)에 대응하는 전류이기 때문에 컨트롤러에서 인가해주는 전압으로부터 이 전류를 계산할 것이다. 그 다음, f를 초점 공식으로 구하면 (Vo : 가속전압) 에서 k’을 찾을 수 있다.  

M을 1/10으로 가정하면 f가 결정 되고, 그러면 수식으로 대응하는 I를 찾을 수 있다. 형광판을 1/10에 해당하는 b의 위치에 둔 후, 수식으로 계산했던 전류 값을 인가한다. 계산 전류 값이 잘 맞는지 확인하기 위해서, 전류를 미세하게 조절하면서 형광판에 제일 작은 원이 나올 때의 전류를 구하고 이것이 계산했던 전류 값과 같은지 확인한다.  

6. 렌즈를 프레임에 고정시키기

렌즈를 프레임의 사각 기둥에 고정시키기 위해서 고정판 두 개를 사용할 것이다. 하나는 렌즈의 아래를 받쳐주고 하나는 렌즈의 중심을 맞춰주기 위해서 사용한다.

[1] 상위 레벨 설계

[1] 상위 레벨 설계

1.SEM에서 렌즈의 역할

집광렌즈의 코일에 통하는 전류가 배율을 결정하고, 대물렌즈의 코일에 통하는 전류가 초점을 조절한다. 렌즈는 자계를 이용하여 전자가 자계를 지날 때 이동 경로가 변하는 성질을 이용하여 볼록렌즈처럼 동작하게 한다. 코일의 전류가 변화하면 심도(focal length)가 변화하기 때문에 렌즈의 곡면에 따라 빛의  경로가 바뀌는 광학현미경의 렌즈보다 더 편리하다.

2. 집속렌즈

집속 렌즈에 흐르는 전류를 강하게 할 경우 전자빔의 초점이 앞에서 맺혀 조리개에 도달하는 전자빔이 퍼질것이고 대물렌즈에 다다르는 전자의 양(probe current)이 줄어들 것이다. 또한 b/a비율이 작아져서 전자빔의 직경이 작아질 것이다. 그래서 집속렌즈의 세기를 강하게 하는 것은 전자빔의 직경을 줄이는 효과가 있지만 probe current의 세기도 감소하기 때문에 화질이 안 좋아지는 영향도 있다.

3.대물렌즈

대물렌즈는 시료에 초점을 맞추고 마지막 전자빔의 직경을 결정하는 아주 중요한 역할을 한다. 일반적인 대물렌즈의 구조는 위 그림처럼 생겼다.

Beam spot과 Beam current이란 시료 위에 모이는 결과적인 전자빔과 전류를 말하는 것으로 일반적인 SEM에서 두 물리량은 다음과 같다고 한다.

Beam spot = 10nm

Beam currnet = 10^-9 ~ 10^-12A

대물렌즈를 이용하여 초첨을 시료 위에 맞추는 방법은 전류의 세기를 조절하는 것이다. 대물렌즈에 흐르는 전류의 세기가 바뀌면 자기장의 세기가 바뀌면서 이에 영향을 받는 전자빔의 초점 거리가 바뀌게 되는 것이다.

렌즈 전류가 너무 세면 초점이 시료 위에 생기고 너무 약하면 초점이 시료 아래에 생긴다. 그래서 초점을 맞추기 위한 최적의 전류를 흘려줘야 사료를 볼 수 있다.

4. 전장형 전자렌즈

전자현미경에서 쓰는 전자기 렌즈에는 두가지 종류가 있다. 하나는 전장 안에서 전자의 움직임을 이용한 전장형 전자렌즈, 다른 하나는 자장 안에서 전자의 움직임을 이용한 자장형 전자렌즈가 있다.

먼저 전장형 전자렌즈에 대해서 설명하면 아래 그림을 참고 할수 있다. 

이 그림처럼 두개의 원통형 전극에 서로 다른 전압을 걸어 전위차를 형성 시킨다. 그럼 점선 방향의 전기력선이 형성될 것이고 이에 수직한 방향의 등전위면이 형성될것이다. 이를 지나는 전자는 등전위면에 수직인 방향으로 힘을받아서 그림상에서 오른쪽으로 지나갈수록 가속되고 가운데로 모이게 된다.

5. 자장형 전자기렌즈

자장형 전자기 렌즈는 코일이 감긴 원통형의 전자석으로 전자가 자기장에 의해 휘는 성질을 이용한 것이다.

전자총에 의해 방출된 1차 전자는 양극판에 의해 가속이 되고, 집속 렌즈로 들어가게 되는데 집속 렌즈 위쪽인 A점에서 전자는 어러 각도로 들어가게 되고 컨덴서 렌즈 내부의 자기장에 의해 회전운동을 하여 나사못처럼 돌아가면서 모이는 방향으로 전자가 이동한다. 코일 내부를 자세히 들여다보면

내부가 구리로 감겨진 코일이고 주변에 철제 덮개로 덮는다. 첼제 덮개로 렌즈 코일을 덮었을 때 자기렌즈 내부에 자기장이 나올 수 있는 좁은 틈을 pole piece라고 한다.  그럼 전장은 pole piece 주위에 형성되고 이 자기장에 의해 전자가 움직이게 된다. 코일에 흘려주는 전류량에 의해 집속 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있다.

자기장형 전자렌즈의 단점은 부피가 큰 자기장형 틀을 사용하기 때문에 경통과 본체가 커지고 자기장형 렌즈를 제어하기 위해 수미리~수암페어의 전류를 제어해야 하는데 이를 정밀하게 공급하는 제어기의 구조가 복잡하고 부피가 크다고 한다.

이를 줄이기 위해 경통과 제어기의 부피가 작은 전기장형 전자렌즈를 사용했으나 정전기의 특성상 수차가 일어나고 가속 전압이 낮아 배율과 분해능이 자기장형 렌즈에 비해 떨어진다고 한다. 그래서 본체가 커지는 단점이 있더라도 자기장형 렌즈를 전자현미경에 주로 사용한다.

전기장형 렌즈는 전자에 가하는 힘이  qE, 자기장형 렌즈는 전자에 가하는 힘이 qvB이다. 전자현미경에서 전자의 빠른 속도를 이용하면 자기장형 렌즈에서 큰 자기장을 걸어주지 않아도 될 듯하다.

6. 렌즈의 구조

위 렌즈 모형은 우리가 만들게 될 집속렌즈의 형태이다. 중간에 있는 원기둥 모양 틀을 만들어서 코일을 감은 후 틀을 제거하고 그 틀에 맞춰서 자기장 차폐물질의 모양을 만들어준다.

7. 렌즈의 배율

집속 렌즈의 배율을 높게 하면 전자빔의 초점 거리는 줄어들고 다음 렌즈로 들어가는 전자빔의 반경d은 넓어진다. 이 때문에 다음 렌즈에 도달하는 전자는 줄어든다.

반면에 이미지를 밝게 하려면 대물렌즈로 들어가는 전자빔의 반경을 작게해서 많은 전자가 대물렌즈를 통과할 수 있게 해야 한다. 대물렌즈로 들어가는 전자빔의 반경이 줄이려면 집속렌즈의 초점거리가 커지기 때문에 배율이 줄어들게 된다.

즉, 배율을 크게 하면(프로브 사이즈를 작게 하면) 이미지의 밝기가 줄어들고, 이미지를 밝게 하려면 배율이  줄어들게 된다. 배율과 밝기는 trade off 관계에 있기 때문에 적절한 배율과 밝기를 찾아야 한다.

배율을 어떻게 조절할 것인가? 자기 렌즈에서 배율 관련 수식으로는 다음의 3개가 있다.

(1)

(2)

(3)

(V0는 전자빔의 가속 전압, N은 전자석 코일의 감은 수, I는 코일에 흐르는 전류)

식 (1)과 (2)를 바탕으로 배율 M은 f에 의해 결정 됨을 알 수 있다. 식 (3)의 k’값은 가속 전압이 결정되면 실험을 통해서 찾아야 한다.  

식 (1)을 보면 M과 a를 결정하면 b를 구할 수 있다. 그리고 식 (2)를 보면  a와 b를 알기에 f를 찾을 수 있다. 식 (3)에서는 배율 M에 대응하는 전류 I를 찾을 수 있다. 따라서 각 배율에 해당하는 전류 I를 구한 다음,  렌즈에 흘려주면 설정하고자 하는 배율을 얻을 수 있을 것이다.

8. 렌즈 블록 다이어그램

코일에 생기는 자기장은 전류에 비례해서 만들어진다. 그래서 렌즈에 원하는 자기장을 얻으려면 그에 따른 전류를 흘려줘야 한다.  아래 두 블록 다이어그램은 렌즈에 알맞은 전류를 넣기 위해 생각한 제어 시스템이다.  

제어부에서는 아날로그 전압과 PWM 신호를 출력할 수 있다. 각 경우에 따라 회로 시스템을 고안해보았다.

1)아날로그 전압 제어

제어부에서 아날로그 전압 신호를 주면 회로 시스템은 그것을 전류로 바꿔주고 이 전류가 렌즈로 들어간다.  이 때 안정된 전류를 흘려주기 위해서 feedback 시스템으로 구현한다.

2)PWM 제어

PWM전압을 인가하면 PWM의 duty rate에 대응하는 전류가 렌즈에 흐른다.

-> 1)의 아날로그 전압 제어를 선택했다. feedback으로 인해 보다 안정되고 정확한 전류를 공급해 줄 수 있고 1)시스템에 쓰이는 부품이 시중에서 구하기 쉬워 아날로그 전압 제어 시스템을 선택했다.