NSOM 제작 노트 #2 - 튜닝 포크에 대하여..
장벽에 부딪히면 익스포넨셜하게 파동 함수가 감소하는 걸 배우셨을겁니다.
광학에서도 마찬가지입니다. 물론 고체 물리에서와 같은 장벽은 아니더라도
여러 가지 경우에(예를 들어 반사) 빛은 익스포넨셜하게 감소합니다.
빛이 경계면에서 반사되지 않고 좀 더 진행한다는 놀라운 특성은 구스-한센 쉬프트 등을 생각하시면 쉽게 이해하실 겁니다.
광학에서도 마찬가지로 파동 함수의 해인 전기장의 절대값 제곱은 바로 빛의 세기가 됩니다. 이러한 빛이 어떤 상황에 의하여 익스포넨셜하게 감소하기 전에 경계면에서 대략 100nm 이하의 거리에서는 전자장이 존재하며 이를 탐지하는 것에서부터 근접 광학은 출발합니다. 이러한 영역에서 사물을 볼 수 있게 해주는 것이 바로 NSOM 입니다.
따라서 NSOM 에서 가장 중요한 기술은 팁을 물체의 표면과 100nm 이하의 거리를 계속 유지 시켜 주는 것이 가장 중요합니다. 하지만 걱정할 필요 없습니다. 우리는 AFM 이라는 기술을 이미 가지고 있습니다. AFM 은 말 그대로 아토믹 포스 마이크로스코프로, 원자간의 인력을 이용합니다. 이러한 힘을 우리는 쉐어 포스라고 부릅니다. 이는 반데어 발스 힘의 일종인데 팁 끝의 원자와 표면의 원자간의 힘을 일정하게 유지시킬 수 있다면 그 거리가 일정하게 될 것입니다.
이를 위해서는 원자간의 힘에도 반응하는 - 정말 민감하겠지요? - 아주 민감도가 좋은 센서가 필요한데, 상용 AFM 에서는 캔티레버라는 것을 사용합니다. 하지만 우리는 주변에서 구하기 쉬운 튜닝 포크를 이용합시다.
튜닝포크는 주변 전자 부품 점에서 손쉽게 구할 수 있는 시계 크리스탈 내에 들어 있습니다. 튜닝 포크는 주파수 특성이 매우 좋은 석영을 이용하여 고유 파장수만큼 진동하는 소자입니다. 그러나 매우 민감하여 주변의 환경이 변하면 고유 파장이 조금씩 쉬프트 합니다. 주변의 환경이라 함은 여러 가지가 있지만, 우리는 튜닝 포크 끝에 걸리는 미세한 힘에도 민감하게 반응하는 성질을 이용하면 됩니다.
시계용 크리스탈을 롱노우즈를 이용하여 원통의 뿌리 부분을 살살 돌려가며 눌러주면, 원통형 껍질 내부에 결합되어 있던 접착제가 부서지며 껍질을 벗겨낼 수 있습니다. 그러면 두 개의 막대가 나란히 나와 있는 튜닝 포크가 보일 것이다. 주의할 점은 일단 껍질을 벗겨내면 내부에 들어 있는 수자가 매우 연약하여 튜닝 포크의 각도 등을 조절하기 어려우므로, 껍질을 벗겨내기 전에 수평을 맞춥니다.
그 후에 튜닝 포크 옆에 나란히 팁을 붙입니다.
튜닝 포크에 팁을 붙일 때에는 5분 에폭시를 이용해야 합니다.. 순간 접착제 등을 사용하면, 공진이 발생하기 어렵습니다. 에폭시의 양은 조금 많아도 상관없지만, 사용한 에폭시의 양에 의하여 튜닝 포크의 Q 값이 결정되므로 이는 많은 시행 착오를 거쳐야 할 것입니다.
일단 튜닝 포크와 파이버를 붙인 후에는 바뀐 공진 주파수를 찾아야 합니다. 아무래도 튜닝 포크 옆에 무게가 나가는 무언가가 덧붙여져 잇으므로 고유 진동수가 변하는게 당연합니다. 제대로 붙인 팁이라면 공진 주파수가 원래의 고유 주파수인 32.768 kHz 근처에 존재하게 된다. 튜닝 포크에 펑션 제너레이터를 이용하여 사인파를 인가한 후에 31.00 kHz 에서부터 주파수를 스캔하여 오실로스코프로 아웃풋 전압이 최대가 되는 공진 주파수를 찾습니다. 원래의 튜닝 포크는 Q값이 매우 크므로 피크가 샤프하나, 팁을 붙인 후에는 많이 브로드해집니다. 그러나 너무 브로드하면 팁의 민감도가 떨어졌다는 의미이므로, 적절히 붙이는 것이 중요합니다. 이는 손맛을 매우 타는 작업으로 작업자의 숙련도가 중요한 요소가 됩니다.
Q값을 측정하는 방법은 다음과 같다. 먼저 공진 주파수를 찾아 공진 주파수에 맞춘니다. 이때에 주파수를 1kHz 단위로 바꾸면, 게인이 변하므로 오실로스코프 상 아웃풋 전압이 뚝 떨어지게 됩니다. 그 때의 시간을 재면 됩니다. 이러한, Transient 타임이 대략 100 us 정도면 적절합니다. 이 시간은 한마디로 스캔 시에 표면의 변화에 따라서 팁이 쫓아갈 수 있는 시간이라고 볼 수 있습니다. 그렇다면 빠르면 빠를수록 좋은 거 아닌가 생각이 되겠지만, 막상 시간이 너무 짧으면 오버댐핑을 일으켜 stable 해지는데 시간이 더 걸리게 됩니다. 이 때부터는 제어의 얘기가 되겠네요 ㅎ
