주사광원 엑스선 현미경 시스템

주사광원 엑스선 현미경 시스템{Source scanning X-ray microscope system}

도 1은 종래의 엑스선 현미경 시스템을 도시한 단면도

도 2는 본 발명의 엑스선 현미경 시스템의 구성의 일예를 도시한 블록도

도 3은 본 발명의 릴레이 렌즈의 기능을 설명하기 위한 도면

도 4는 본 발명의 XY 스캐너의 일예(갈바노 미러)를 도시한 도면

도 5는 본 발명의 레이저집광부에서 입사각도에 따른 집광위치의 변화를 도시한 도면

도 6은 본 발명의 레이저집광부, 엑스선발생부 및 엑스선집광부의 구조의 일예를 도시한 도면

도 7은 본 발명의 엑스선집광부에서 입사각도에 따른 집광위치의 변화를 도시한 도면

도 8은 본 발명의 설명을 위해 사용되는 시료의 샘플을 도시한 도면

도 9는 도 8의 샘플을 관찰한 결과 엑스선측정부를 통하여 측정된 신호의 파형을 도시한 도면

도 10은 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면

도 12는 본 발명의 방법을 도시한 흐름도

본 발명은 엑스선 현미경 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 고가의 CCD 장비를 이용하지 않으며, 시료의 초정밀 이동 없이 엑스선을 이용하여 시료를 관찰할 수 있는 엑스선 현미경 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 현미경시스템란 물체(이하 '시료'라 칭함)의 미세한 부분을 확대하여 이를 관찰하는 시스템을 지칭하는 것으로서, 전자를 광원으로 이용하는 전자현미경과, 가시광선을 광원으로 하는 광학현미경 시스템 등이 있다.

상기한 전자현미경시스템의 경우, 시료를 진공 중에 놓아야 하고, 또 시료의 물리, 화학적인 전처리 과정이 필수적이어서, 살아있는 생물 세포 등과 같은 생체시료의 관찰이 불가능하다는 문제점이 있고, 광학현미경시스템의 경우 생체시료의 관찰은 가능하지만, 광원으로 가시광을 이용하기 때문에 현존 기술로 광원의 회절한계에 의해 분해능이 약 200㎚ 정도로 제한되는 문제점이 있었다.

최근에는 '물의 창(water window)(λ=2.3~4.4㎚)'이라 불리는 엑스선 파장영역을 이용한 엑스선 현미경 시스템이 연구되고 있는바, 상기 '물의 창' 영역에서는 물과 생체시료를 구성하는 단백질과의 엑스선 흡수차가 크므로 수 마이크론 두께의 수분층을 통해서도 단백질 관찰이 가능하고, 엑스선의 투과성질에 의하여 생체시료의 내부관찰이 가능하다는 장점이 있다.

도 1에는 종래의 엑스선 현미경 시스템이 도시되어 있다.

도 1의 엑스선 현미경 시스템은 액체 타겟을 이용하여 엑스선을 발생시키도록 되어 있는 것으로, 테이블(10)과 테이블(10)에 설치되는 하우징(20)과, 하우징(20) 내부에 설치되되, 하방에는 광원챔버(30)가 구성되고, 광원챔버(30)의 상방에는 미러챔버(40)가 구성되어 있으며, 하우징(20)의 상단에는 촬상챔버(50)로 구성되어 있다.

하우징(20)은 원통형에 내부가 빈 상태로 일정 깊이에 분리격벽(22)이 형성되어 있고, 광원챔버(30)는 하우징(20)의 분리격벽(22)을 기준으로 하방에 설치되어 있고, 하우징(20)은 미러챔버(40)의 제1베이스판(44)에 의해 폐쇄되고, 하우징(20)의 저면은 광원진공펌프(34)에 의해 폐쇄됨에 따라 광원챔버(30)가 구성되는 하우징(20)의 내부는 진공상태를 유지할 수 있게 되도록 되어 있다.

광원챔버(30)는 일측에 마련되는 노즐부(31)의 일직선상에 배출부(32)가 마련되고, 노즐부(31)와 배출부(32) 사이에 광원이 조사되는 광원부(33)가 설치된다. 노즐부(31)는 액체질소 등 고압의 액체를 분사하여 액체타겟을 형성하고, 광원부(33)는 다이오드 펌프 고체 레이저와 같은 고출력 레이저광을 액체 타겟에 출력하여 2.3 ~ 4.4㎚의 파장영역을 가진 연 엑스선을 방출하는 플라즈마가 생성되게 된다.

미러챔버(40)는 하우징(20)의 분리격벽(22)을 기준으로 상방에 설치되는 것으로, 분리격벽(22)의 상단에 체결 고정되는 제1베이스판(44)과 제1베이스판(44)의 상면에 설치되는 레이저집광렌즈(41)와, 레이저집광렌즈(41)의 상방에 위치되는 제2베이스판(45)과, 제2베이스판(45)의 상면에 설치되는 홀더부 및 제2베이스판(45)의 상면에 설치되고, 홀더부의 상방에 위치되는 엑스선 집광거울(43)로 구성된다.

제1베이스판(44)의 저면의 투과공의 하방에는 필터(47)가 구성되어, 엑스선 이외의 파장을 가진 광을 필터링한다,

레이저집광렌즈(41)는 제1베이스판(44)의 상면에 설치되며, 광원챔버(30)에서 생성된 플라즈마를 통해 얻어진 엑스선 파장을 증폭하고, 이를 이용하여 생체시료를 조명하는 조명미러의 일종인 콘덴서미러를 포함하고 있다.

제2베이스판(45)은 중앙의 투과공 하방에는 차폐막수단(48)이 설치되어 직사광을 차단하기 위한 초점차단판으로 사용된다.

한편, 제2베이스판(45)의 상면에는 제2베이스판의 투과공 위에 샘플이 놓여지게 되며, 이 샘플의 위에는 통상적으로 존플레이트(zone plate)라 불리우는 회절윤대판이 포함되는 엑스선 집광거울(43)이 설치된다.

촬상챔버(50)는 광증폭판 및 촬상소자(51)와 촬상챔버(50)의 광증폭판과 회절윤대판의 간격을 유지하기 위한 진공챔버(53)로 구성된다.

광원챔버(30)에 구성된 노즐부(31)를 통해 액화된 질소가스 등이 제트 분사되어 액체 타겟을 형성하면, 액체타겟에 레이저를 조사하여, 연 엑스선 파장영역의 엑스선을 방출하는 플라즈마를 생성하고, 발생된 연 엑스선 파장이 제1베이스판(44)의 저면에 마련된 필터(47)에 의해 필터링되고, 제1베이스판(44)의 콘덴서미러(414)를 거치면서 증폭된 광에 의해 제2베이스판(45)에 설치된 생체시료를 조명하게 된다.

생체시료를 조명한 광은 엑스선 집광거울(43)에 구성된 회절윤대판에 의해 증폭, 확대되어 촬상챔버(50)에서 광 영상으로 획득되게 된다. 촬상챔버(50)는 회절윤대판을 통해 확대된 광 영상을 전하결합소자(CCD) 등의 장치를 이용하여 전기적 신호로 변환시켜 외부에서 화면을 통해 시청하거나 또는 출력할 수 있도록 한다.

상기와 같은 종래의 엑스선 현미경 시스템은 관찰하고자 하는 시료의 한 화면영역에 해당하는 부위 전체에 엑스선을 조사하고 그 투과된 영상을 존플레이트 등의 결상소자를 사용하여 X-선을 감지하는 2차원CCD면에 상을 형성시켜 영상을 획득하는 방식을 취하고 있다. 따라서, 엑스선을 인식할 수 있는 고가의 2차원CCD가 필요하고, 장비의 크기가 커지는 단점이 있다.

상기한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 엑스선을 인식할 수 있는 고가의 2차원CCD 장비 없이, 측정이 목적으로 하는 정도의 정밀도를 가진 위치 결정 운송기구를 사용하지 않으면서도 정밀하게 시료를 관찰할 수 있는 엑스선 현미경 시스템 및 그를 이용한 관찰 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 레이저빔을 발생시키는 레이저발생부; 상기 레이저발생부에서 입사된 레이저빔의 출력각도를 시간의 흐름에 따라 소정 각도 변화시켜 출력하는 스캐닝부; 상기 스캐닝부로부터 출력된 레이저빔을 상기 레이저빔의 입사각도에 따라 정하여지는 초첨면 상의 한 지점에 집광시키는 레이저집광부; 상기 레이저집광부로부터 출력된 레이저빔이 조사되는 경우 엑스선이 발생될 수 있도록 상기 레이저집광부의 초점면 상에 엑스선을 발생시키기 위한 소정의 엑스선발생타겟을 구비하는 엑스선발생부; 상기 엑스선발생부에서 발생된 엑스선을 발생된 위치에 따라 초점면 상의 서로 다른 위치에 집광시키는 엑스선 집광부; 상기 엑스선 집광부의 초첨면 상에 설치되며, 관찰하고자 하는 시료를 설치하기 위한 시료설치부; 상기 시료설치부의 후단에 설치되며, 상기 시료설치부에 설치된 시료에 집광되어 투과된 엑스선의 양을 전기적 신호로 변환하는 엑스선측정부; 시간의 흐름에 따라 상기 엑스선측정부에서 측정된 전기적신호를 공간적 신호로 변환하는 엑스선이미지형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선현미경시스템을 제공한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 레이저빔을 발생시키는 레이저발생부; 상기 레이저발생부에서 입사된 레이저빔의 출력각도를 시간의 흐름에 따라 제1축 방향으로 소정 각도 변화시켜 출력하는 제1축스캐닝부; 상기 제1축스캐닝부로부터 출력된 레이저빔을 상기 레이저빔의 입사각도에 따라 정하여지는 초첨면 상의 한 지점에 집광시키는 레이저집광부; 상기 레이저집광부로부터 출력된 레이저빔이 조사되는 경우 엑스선이 발생될 수 있도록 상기 레이저집광부의 초점면 상에 엑스선을 발생시키기 위한 소정의 엑스선발생타겟을 구비하는 엑스선발생부; 상기 엑스선발생부에서 발생된 엑스선을 발생된 위치에 따라 초점면 상의 서로 다른 위치에 집광시키는 엑스선집광부; 상기 엑스선 집광부의 초첨면 상에 설치되며, 관찰하고자 하는 시료를 설치하기 위한 시료설치부; 상기 시료설치부의 후단에 설치되며, 상기 시료설치부에 설치된 시료에 집광되어 투과된 엑스선의 양을 전기적신호로 변환하는 엑스선측정부; 시간의 흐름에 따라 상기 엑스선측정부에서 측정된 전기적신호를 공간 이미지 신호로 변환하는 엑스선이미지형성부; 및 상기 레이저집광부 및 상기 엑스선발생부는 서로 고정되어 함께 이동될 수 있으며, 상기 레이저집광부 및 상기 엑스선발생부를 상기 제1축과 수직인 제2축 방향으로 이동시키기 위한 제2축스캐닝부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선현미경시스템을 제공한다.

여기서, 상기 엑스선발생부는 상기 엑스선발생타겟으로부터 발생되는 엑스선의 세기를 측정하는 핀(PIN)포토 다이오드를 포함하며, 상기 엑스선이미지형성부는 상기 핀(PIN)포토 다이오드로 측정된 엑스선의 세기와 비교하여 상기 엑스선측정부에서 측정된 엑스선의 세기의 상대적인 값을 이용하여 공간 이미지 신호로 변환하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 엑스선현미경시스템은 상기 엑스선발생부에서 엑스선이 발생할 때 함께 발생하는 가시광선을 이용하여 상기 엑스선이 발생하는 위치를 감지하기 위한 가시광선 2차원CCD;를 더 포함하며, 상기 스캐닝부는 상기 가시광선 2차원CCD에 의해 감지된 엑스선 발생위치를 이용하여 레이저빔의 출력각도를 보정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 엑스선현미경시스템은 상기 엑스선발생타겟과 상기 엑스선집광부 사이에 설치되며, 소정 파장의 엑스선만을 통과시키기 위한 필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 엑스선 현미경 시스템의 구성을 도시한 블록선도이다.

본 발명의 엑스선 현미경 시스템은 레이저발생부(110), 스캐닝부(120), 레이저집광부(130), 엑스선발생부(140), 엑스선 집광부(150), 시료설치부(160), 엑스선측정부(170) 및 엑스선이미지형성부(180)를 포함하여 구성된다.

레이저발생부(110)는 엑스선을 발생시키기 위한 레이저빔을 출력한다.

발생시키고자 하는 엑스선의 파장 및 엑스선발생에 사용되는 타겟의 종류에 따라 여러 가지 레이저가 사용될 수 있다. 레이저발생부(110)에서 발생될 수 있는 레이저의 대표적인 예로는 Nd:YAG 레이저가 있다.

레이저를 발생시키는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서는 일반적인 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

스캐닝부(120)는 레이저발생부(110)에서 발생된 레이저빔의 경로 상에 위치하며, 레이저발생부(110)에서 발생하여 입사된 레이저빔의 출력각도를 시간의 흐름에 따라 소정 각도 변화시켜 출력한다.

발생된 레이저는 스캐닝부(120)에서 변화되는 각도의 변화에 따라, 레이저집광부(130)를 거쳐 엑스선 발생부에 집속되는 위치가 다르게 되어 여기서 발생된 엑스선이 시료설치부(160)에 설치되는 시료에 주사되는 위치가 변하게 된다. 변화되는 각도의 크기는 레이저집광부(130) 및 엑스선 집광부(150)에 사용되는 미러의 종류, 초점거리 등에 따라 결정된다.

도 3은 스캐닝부(120)의 일예를 도시한 것으로 도 4에 도시된 실시예에서 스 캐닝부(120)는 XY 스캐너(121)와 릴레이렌즈(122-1, 122-2)를 포함하여 구성된다.

XY 스캐너(121)는 레이저발생부(110)로부터 입사된 레이저를 X축 및 Y축으로 그 각도를 변화시킨다.

도 3에 도시된 XY 스캐너(121)는 XY 스캐너(121)로 사용될 수 있는 대표적인 장치 중의 하나로 음향광학편향기(Acousto-Optic Deflector: AOD)를 나타내고 있다. 음향광학편향기는 음파나 초음파로 매질을 변형시킴으로써 빛의 회절각을 변화시키는 장치로, 전기적인 신호를 이용하여 레이저빔의 회절각을 변화시킴으로써 입사된 레이저빔의 출력 각도를 변화시킨다.

릴레이렌즈(122-1, 122-2)는 XY 스캐너(121)로부터 편향된 광이 일정한 영역 내에서 이동하도록 하여, 편향된 레이저빔이 레이저집광부(130)를 구성하는 렌즈 등의 개구를 벗어나지 않도록 한다.

릴레이렌즈(122-1, 122-2)의 수는 XY 스캐너(121)와 레이저집광부(130)와의 거리, 릴레이렌즈(122-1, 122-2)의 굴절률 등에 따라 결정되며, XY 스캐너(121)와 레이저집광부(130) 사이의 거리가 짧아서 편향된 레이저빔이 레이저집광부(130)의개구를 벗어날 우려가 없는 경우에는 릴레이렌즈(122-1, 122-2)를 구비하지 않아도 본 발명을 실시할 수 있다.

XY 스캐너(121)로 음향광학편향기 외에 사용될 수 있는 장치로는 갈바노미러(galvano mirror)가 있다. 갈바노미러는 도 5에 도시된 바와 같이 기구적으로 반사되는 면의 각도를 조절하여 입사된 레이저빔이 X축 및 Y축으로 출력각도가 변화되어 출력되게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 갈바노미러(123-1, 123-2)를 이용하면 레이저발생부(110)에서 발생한 레이저가 X축 및 Y축으로 소정 각도 굴절되어 진행되게 된다.

XY 스캐너(121)는 자체적인 타이머(미도시)에 의해 소정 주기 간격으로 자동으로 출력되는 레이저빔의 각도가 변화되도록 설정될 수도 있고, 엑스선측정부(170) 또는 엑스선이미지형성부(180)와 연동되어 레이저빔의 각도가 변화되도록 설정될 수도 있다.

XY 스캐너(121)로 사용될 수 있는 장치는 상기한 예에 한정되지 않으며, 앞에서 예를 들은 장치 외에도 입사된 레이저빔의 출력각도를 변화시킬 수 있는 장치는 모두 사용이 가능하다.

릴레이렌즈(122)는 XY 스캐너(121)에서 레이저빔의 출력각도를 변화시킨 경우, 스캐닝부(120)에서 출력되는 레이저빔이 레이저집광부(130)에 입사되지 못하고 다른 곳으로 향하는 것을 방지하기 위한 장치로, XY 스캐너(121)에서 출력된 레이저빔의 각도를 변화시키지 않으면서 그 레이저빔이 레이저집광부(130)에 입사되도록 한다.

레이저집광부(130)는 스캐닝부(120)에 의해 출력되는 레이저빔의 경로상에 위치하며, 일반적인 대물렌즈와 동일한 기능을 수행하고, 레이저빔에 대한 내구성이 있는 재질의 미러 또는 렌즈로 구성되며, 스캐닝부(120)에서 출력된 레이저빔을 초점면 상의 어느 한 점에 집광시킨다.

레이저집광부(130)로는 하나 이상의 렌즈로 구성되는 대물렌즈가 이용될 수 도 있고, 볼터 미러와 같은 미러가 이용될 수도 있다.

도 5는 레이저집광부(130)로 사용될 수 있는 대물렌즈의 예를 도시한 것이다. 도 5에서 보는 바와 같이 레이저집광부(130)에 레이저빔이 입사된 각도에 따라 초점면 상에서 레이저빔이 집광되는 위치는 서로 다르게 된다.

즉, A방향으로 입사된 레이저빔은 A`위치에 집광되고, B방향으로 입사된 레이저빔은 B`위치에 집광되게 된다.

엑스선발생부(140)는 레이저집광부(130)의 초점면 상에 엑스선발생타겟(미도시)이 구비하도록 위치한다. 레이저집광부(130)의 초점면에 집광된 레이저빔이 엑스선발생타겟에 조사되면, 플라즈마 상태에서 엑스선이 발생되게 된다.

엑스선발생타겟으로 사용될 수 있는 물질은 여러 가지가 있을 수 있다. 도 1에서 예로 들은 액체질소와 같은 액체타겟을 이용할 수도 있고, 마일라(폴리에틸렌 테레프타테이트의 상표명) 타겟과 같이 고체타겟을 이용할 수도 있다. 구성하는 원소에 따라 발생하는 엑스선의 파장을 달리할 수 있으며, 넓은 밴드폭을 갖기 위해서는 금속 타겟을 사용한다.

엑스선발생부(140)에서 사용되는 엑스선발생타겟의 특성에 따라 레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)가 일직선상에 위치하도록 설치될 수도 있고, 레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)가 소정의 각도를 이루도록 설치될 수도 있다.

예를 들어, 엑스선발생타겟이 광을 투과하는 성질을 가지고 있어 레이저광을 엑스선발생타겟의 반대면으로 모아 플라즈마를 형성할 수 있을 경우에는, 레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)는 일직선상에 위치하도록 설치될 수 있다. 만약, 엑스선발생타겟으로 광을 투과하지 못하는 성질을 가지고 있는 물질이 사용된다면, 엑스선집광부(150)는 엑스선발생타겟에서 발생한 엑스선이 입사될 수 있도록 레이저집광부(130)와 소정 각도, 바람직하게는 90도의 각도를 가지도록 설치되는 것이 바람직하다.

레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)가 이루는 각도는 엑스선발생부(140)에서 발생한 엑스선이 엑스선집광부(150)에 입사될 수 있기만 하면 된다. 도 6에서 엑스선집광부(150)가 엑스선발생부(140)에 설치된 엑스선발생타겟(141)이 이루는 면과 동일면이 레이저집광부(130)와 이루는 각도보다 작은 각도를 이루도록 설치되기만 하면 엑스선발생타겟(141)에서 발생된 엑스선이 엑스선집광부(150)에 집광되므로 본 발명의 현미경시스템이 정상적으로 기능을 수행할 수 있게 된다.

레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)가 일직선상에 위치하도록 설치되는 경우 발생된 엑스선이 엑스선발생타겟(141)을 투과해야 하는데, 이럴 경우 그 광량이 감소된다는 단점이 있으므로, 레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)는 소정의 각도를 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.

엑스선 집광부(150)는 엑스선발생부(140)에서 발생한 엑스선이 입사할 수 있는 위치에 설치되며, 엑스선발생부(140)에서 발생한 엑스선을 엑스선 집광부(150)의 초점면 상의 어느 하나의 위치에 집광시킨다.

엑스선 집광부(150)에서 사용되는 미러는 입사된 엑스선을 한점으로 집광시킬 수 있는 종류의 미러이며, 바람직하게는 볼터미러(Wolter mirror), 타원형 미러(ellipsoid mirror) 등이 사용될 수 있다.

이때 초점면 상에서 집광되는 위치는 도 8에서 보는 바와 같이 엑스선발생타겟에서 발생된 광원의 위치에 따라 달라질 수 있으며, 이는 레이저집광부(130)에서와 그 원리가 동일하다. 즉, A위치에서 발생된 엑스선은 A`위치에 집광되고, B위치에서 발생된 엑스선은 B`위치에 집광되게 된다.

다시 정리하면, 스캐닝부(120)에서 출력되는 레이저빔의 각도에 따라 레이저집광부(130)에 의해 레이저빔이 집광되는 위치가 달라지고, 레이저빔이 집광되는 위치에서 레이저빔과 엑스선발생타겟의 상호작용에 의해 엑스선이 발생되며, 엑스선이 발생된 위치에 따라 엑스선 집광부(150)에 의해 엑스선이 집광되는 위치가 달라지게 된다.

한편, 엑스선발생부(140)의 엑스선발생타켓에 레이저빔이 조사되어 발생된 광원의 크기와 그에 따른 플라즈마의 크기, 엑스선 집광부(150)에 사용되는 미러의 배율에 따라 전체 배율, 즉 엑스선현미경시스템의 분해능이 결정된다.

예를 들어, 엑스선발생타겟에 발생된 광원의 직경이 5미크론이고, 엑스선 집광부(150)에 사용되는 미러의 배율이 100배라면, 엑스선 집광부(150)에 사용되는 미러의 초점면 상에 집광되는 엑스선의 직경은 50nm가 된다. 즉, 50nm의 크기를 단위로 시료를 관찰할 수 있게 된다. (즉, 초점면에서 50nm 크기에 해당하는 시료 부분의 엑스선 투과율 정보를 얻게 된다.) 이렇게 50nm 크기로 집광된 엑스선을 50nm 간격으로 시료면 상에서 움직여 주게 되면, 결국 50nm의 분해능으로 시료를 관찰할 수 있게 되는 것이다.

즉, 볼터 미러 등의 엑스선 집광부(150)는 5미크론 크기로 만들어진 엑스선 발생 광원을 50nm 크기로 줄여서 투사해 주는 역할을 하고, 음향광학편향기(AOD)와 갈바노 미러 등의 XY 스캐너(121)는 엑스선발생부로 집광되는 5미크론 크기의 레이저광의 위치를 5미크론씩 이동시키므로써, 결과적으로 시료면에서의 엑스선의 위치를 50nm 크기로 이동시켜 주는 역할을 한다.

이 때, 갈바노 미러와 음향광학편향기(AOD) 등의 XY 스캐너(121)에 의하여 스캔되어 각도 변화가 생긴 레이저빔이 레이저집광부(130)의 렌즈 등의 개구에 이르는 동안 광축을 벗어나게 되는데, 이를 렌즈 등의 개구에 일정하게 들어오게 하면서 입사되는 각도에는 변화를 주지 않도록 하여 주는 장치가 릴레이 렌즈이다.

이후 집광렌즈(초점거리가 f 라고 하자)에 의하여 엑스선 타겟 상에 5미크론의 크기로 집광된 레이저빔은 스캐너에 의한 스캔(스캔 각을 theta 라디안이라 할 때)시 5미크론 직경 크기의 상이 엑스선 타겟 위에서 f*theta 의 위치에 항상 존재하게 된다.(이러한 의미에서 집광렌즈로 사용되는 렌즈를 f-thata 렌즈라고 한다.)

시료설치부(160)는 엑스선 집광부(150)의 초첨면 상에 시료가 설치되도록 위치하며, 시료를 고정시키는 기능을 수행한다. 시료를 고정하여 설치하는 방법은 일반적인 엑스선 현미경 시스템과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

엑스선측정부(170)는 시료설치부(160)를 기준으로 엑스선 집광부(150)의 반대편에 위치하여, 시료설치부(160)에 설치된 시료를 통과한 엑스선의 양을 측정한다.

엑스선측정부(170)로는 엑스선에서의 감도를 높인 포토다이오드( 일반적인 포토다이오드의 경우 가시광선영역의 신호만을 전기적 신호로 바꾸어주고, 엑스선 의 경우 제대로 감지하지 못하는 경우가 많으므로, 엑스선의 파장을 가지는 신호를 감지하기 위한 포토다이오드가 사용되어야 한다.)나 1채널 광검출 증폭장치(예로서 Phosphor plate와 PMT(Photo Multiplier Tube)를 조합한 형태)가 사용된다.

PIN 포토 다이오드는 p-영역과 n-영역 사이에 진성(i형) 반도체의 층을 접합시킨 구조의 포토 다이오드로. i-영역의 두께를 조정함으로써 최적의 감수성과 주파수 반응 특성을 갖는 소자를 만들 수 있으므로 엑스선을 감지하기 위한 소자로 사용되기에 적합하다.

스캐닝부(120)에서 레이저빔의 출력각도가 변화됨에 따라 엑스선발생부(140)에서 엑스선발생타겟에 레이저빔이 조사되어 엑스선이 발생되는 위치가 달라지게 되고, 이 엑스선 발생위치에 따라 시료중에 엑스선 집광부(150)를 통과한 엑스선이 조사되는 위치가 달라지게 된다. 따라서, 스캐닝부(120)에서 변화되는 각도를 시료부에서의 간격이 분해능과 같도록 조금씩 변경시키면 시료면을 적정 분해능으로 스캐닝할 수 있게 된다.

도 8에서와 같은 샘플을 사용하는 경우, 엑스선측정부(170)에 의해 감지된 결과를 도 9에 도시하였다.

도 8에서 샘플의 각 셀의 크기는 한 변의 길이가 50nm이고, 검은색으로 표시된 셀은 엑스선이 잘 투과되지 못하는 영역이고, 흰색으로 표시된 셀은 엑스선이 투과될 수 있는 영역을 나타낸다고 가정한다.

엑스선 현미경 시스템의 분해능이 50nm이고, 시료의 좌에서 우로 그리고 위에서 아래로 스캐닝한다고 하면, 시간의 흐름에 따라 감지된 광량, 즉 PIN 포토 다 이오드에 의해 전기적 신호로 바뀐 광량은 도 8과 같이 나타난다.

도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이, 처음 다섯 개의 셀, 즉 위의 네 개의 셀(201 ~ 204)과 두 번째 행의 첫 번째 셀(205)에 엑스선이 조사되고 있는 동안에는 투과된 엑스선의 양이 적어서 낮은 값을 나타내지만, 그 이후의 세 개의 셀(206 ~ 208)에 엑스선이 조사되고 있는 동안에는 투과된 엑스선의 양이 많아서 높은 값을 나타내게 된다.

상기한 바와 같이, 엑스선이 시료를 스캔하는 동안 많은 엑스선이 투과되는 영역은 높은 전기적 신호가, 그렇지 않은 영역은 낮은 전기적 신호가 발생하게 된다. 도 8 및 도 9에서는 설명의 편의를 위해서 투과율이 높은 영역과 낮은 영역의 두 영역으로 구분하였지만, 실제로 생체시료는 그 구성요소의 성질에 따라 다양한 투과율을 가지고 있을 것이다.

이렇게 엑스선측정부(170)를 통하여 각 시간대, 즉 시료의 각 영역에서의 엑스선의 투과율, 즉 투과된 엑스선의 양이 측정이 되면, 엑스선이미지형성부(180)는 엑스선측정부(170)에서 측정된 값을 이용하여 공간적 이미지 신호로 변환한다.

엑스선이미지형성부(180)에는 시료가 스캐닝되는 패턴이 미리 등록이 되어 있거나, 스캐닝부(120)로부터 스캐닝된 패턴을 수신하는 방식으로 알고 있게 되며, 이 스캐닝되는 패턴과 도 10에서와 같은 측정된 값을 이용하여 각 공간에서의 투과량으로 이미지를 형성한다.

형성된 이미지는 모니터를 통하여 화면출력하거나, 프린터를 통하여 인쇄될 수 있다.

도 10의 보다 더 구체적인 일 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

레이저발생부(310)로부터 발생된 레이저빔은 음향광학편향기(AOD)나 갈바노 미러로 구성된 XY 스캐너(321)와 릴레이렌즈(322-1, 322-2)를 통하여 레이저집광부(330)에 입사되는 각이 소정 각도씩 변화되어 입사되고, 레이저집광부(330)를 통하여 초점면상에 소정 거리씩 움직여 집광된다.

레이저집광부(330)에 의해 집광되는 레이저빔은 입사된 각도에 따라 엑스선발생부(340)의 엑스선발생타겟(341)의 서로 다른 위치에 조사되고, 조사된 위치에서 엑스선이 발생되게 된다.

엑스선이 발생될 때에는 엑스선뿐만 아니라 가시광선도 발생된다. 발생된 가시광선의 위치는 다시 레이저집광부(330)를 통하여 역으로 출력되며, 출력된 가시광선은 레이저빔 이외의 가시광선을 반사하는 빔스플리터(323)을 통하고 렌즈부를 지나 다시 CCD(325)에 입사된다. 따라서, CCD(325)에는 스캔하는 상황에 따라 결상된 점상의 위치가 바뀌어 나타나게 된다. 이 정보를 이용하여 시료면에서의 엑스선 조사 위치를 알 수 있고, 이를 이용하여 스캔 각으로 계산되는 위치 정보를 보정한다.

레이저빔의 세기에 대한 정보를 부가적으로 얻기 위하여 집광되는 레이저빔의 대부분을 투과시키고 극히 일부분을 반사시키는 빔스플리터를 이용하여 포토다이오드(324)로 검출한다. 이 정보는 엑스선의 변환 효율을 관리하는 용도로 사용될 수 있다.

CCD(325)은 엑스선발생부(340)에서 엑스선과 같이 발생된 가시광선을 이용하 여 엑스선발생부(340) 내에서 발생된 광원의 위치를 감지한다. 이 경우에 사용되는 CCD는 가시광선만을 감지할 수 있으면 되며, 엑스선을 감지할 수 있을 정도의 성능을 필요로 하지는 않는다.

CCD(325)에서 감지된 광원의 위치는 스캐닝부(320)에 전달되어 스캐닝부(320)가 정확한 위치에 광원이 생성되도록 정확한 각도로 레이저빔을 출력하고 있는지를 판단하여 스캐닝부(320)에서의 레이저빔의 출력각도를 보정하는데 사용된다.

엑스선발생부(340)에는 엑스선발생타겟(341)이 레이저집광부(330)의 초점면 상에 설치된다.

도 8의 실시예에서 사용된 엑스선발생타겟(341)은 고체타겟으로, 지속적인 레이저빔이 계속 한 곳에만 조사되어 파손된 고체타겟이 계속하여 사용되는 것을 방지하기 위하여 스트립타입으로 형성되어 엑스선발생타겟이 계속하여 교체되도록 하고 있다. 스트립타입의 엑스선발생타겟은 미국 특허 제4,700,371호에 기재된 것으로 공지 기술에 해당되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 엑스선발생부(340)에는 PIN 포토 다이오드(342)가 설치되어서 발생된 엑스선의 세기를 측정한다.

엑스선발생부(340)에 설치된 PIN 포토 다이오드(342)는 발생되는 엑스선의 세기가 일정한지 여부를 측정하는 것으로, 포토다이오드(324)와 마찬가지로 측정된 값을 이용하여 레이저발생부(310)에서 발생되는 레이저빔의 세기를 보정하는데 사용할 수도 있고, 엑스선측정부(370)에 의해 측정되는 엑스선 투과량을 보정하는데 사용될 수도 있다.

엑스선발생부(340)에서 발생되는 엑스선은 어느 한 방향으로만 출력되지 않고, 전 방향으로 발생이 되므로 엑스선측정부(370)에 설치되는 PIN 포토 다이오드(342)는 광원과 PIN 포토 다이오드(342) 사이를 가로막는 물체가 없는 곳이면 어디에 설치되어도 무방하다.

한편, 광원에서 발생된 엑스선은 필터(343)를 통하여 엑스선 집광부(350)에 입사되는 것이 바람직하다. 이 필터(343)는 엑스선 외의 파장을 가지는 모든 신호를 차단하는 것을 목적으로 하는 것으로 티타늄(Ti)과 알루미늄 등을 이용하여 제작된 것이 바람직하다.

타겟을 구성하는 물질에 따라 발생하는 엑스선의 파장을 달리할 수 있다. 탄소원소가 포함된 고체타겟을 사용하여 3.37nm 부근 파장의 엑스선을 발생시킬 수 있으며, 질소와 탄소가 포함된 타겟을 사용하여 2.87nm 와 3.37nm 등의 파장대가 포함된 엑스선을 발생시키거나 금속의 타겟을 사용하여 넓은 대역의 엑스선을 발생시킬 수도 있다. 이 경우 이러한 파장들을 선별하여 사용할 수 있도록 하는 작용을 필터에서 수행한다.

따라서 알루미늄 200미크론 정도의 두께로 가시광선을 차단하고, 티타늄 등의 금속으로 적절한 파장을 선별하여 파장에 따른 정보 선별효과를 거둘 수 있다.

필터를 통과한 엑스선은 볼터미러로 구성된 엑스선집광부(350)를 통하여 시료설치부(360)에 설치된 시료의 특정 위치에 집광되고, 집광된 위치에서 시료를 투과한 엑스선이 PIN 포토 다이오드(370)에 의해 전기적 신호로 바뀌고 다시 엑스선 이미지형성부(미도시)에 의해 공간적 이미지로 변환되어 출력되게 된다.

공간적 이미지로 변환할 때 PIN 포토 다이오드(370)에 의해 측정된 엑스선의 세기는 PIN 포토 다이오드(342)에 의해 측정된 엑스선의 세기와의 상대세기로 엑스선량이 표준화될 수 있다. 이렇게 하는 경우 레이저빔이나 엑스선의 세기가 중간에 변하는 경우에도 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

시료를 투과한 엑스선의 광량은 PIN 포토 다이오드(370)으로도 충분히 검출이 가능하나 레이저의 반복률을 빠르게 하고자 하는 목적 등으로 PIN 포토 다이오드로 검출되는 량이 적을 경우 엑스선을 증폭시켜 주는 증폭장치(미도시)를 더 부가하여 이용할 수 있다.

시료와 검출 장치는 공기에 의한 엑스선의 흡수를 막기 위하여 진공중에 놓이거나, 질화실리콘의 얇은 막으로 엑스선 발생부와 분리하여 헬륨기체 환경에 놓는 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 시스템 및 방법에서는 스캐닝부(120)에서 음향광학편향기(AOD)와 갈바노미러(galvano mirror)와 같은 XY 스캐너(121)만을 이용하여 X축과 Y축의 2축의 스캔을 담당하도록 되어 있었으나, 음향광학편향기(AOD)와 갈바노미러(galvano mirror)와와 같은 장치를 이용해서 어느 한 축의 스캔만이 수행되도록 하고, 나머지 한 축은 기구적으로 스캔을 수행하도록 할 수 있다.

특히, 도 6에서와 같이 레이저집광부(130)와 엑스선집광부(150)가 일직선이 아닌 소정 각도를 이룬 상태로 시스템이 구성이 되는 경우, 즉 엑스선발생타겟(141)을 이루는 면이 레이저집광부(130)와 수직을 이루지 않는 경우에는 음향광 학편향기(AOD) 등을 이용하여 Y축 스캔을 하는 경우에는 큰 문제가 되지 않지만, X축의 스캔을 수행하는 경우에는 레이저빔이 집광되는 초점면상에 엑스선발생타겟(141)이 존재하지 않게 되는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 엑스선발생타겟(141)을 이루는 면과 레이저집광부(130)와의 거리가 일정하지 않게 되므로 엑스선발생타겟(141)의 어느 한 부분만이 레이저집광부(130)의 초점면 상에 위치하게 된다. 이럴 경우 엑스선발생타켓(141) 부분 중 초점면 상에 위치하지 않은 부분에 레이저빔이 집광되는 경우에는 충분한 광량의 엑스선이 발생되지 않아 문제가 될 가능성이 있게 된다.

도 6과 같은 경우, Y축의 스캔은 음향광학편향기(AOD) 등을 이용하여 수행하고, X축의 스캔은 레이저집광부(130)와 엑스선발생부(140)를 기구적으로 이동시키는 방법으로 수행을 하게 되면 상기와 같은 문제를 방지할 수 있게 된다.

이 경우 레이저집광부(130)와 엑스선발생부(140)만을 고정하여 기구적으로 X축 방향으로 소정 거리씩 이동하도록 할 수도 있고, 스캐닝부(120)(Y축의 스캔만을 수행), 레이저집광부(130) 및 엑스선발생부(140)가 서로 연동되어 X축 방향으로 소정 거리씩 기구적으로 이동되도록 할 수도 있고, 레이저발생부(110), 스캐닝부(120)(Y축의 스캔만을 수행), 레이저집광부(130) 및 엑스선발생부(140)가 서로 연동하여 X축 방향으로 소정 거리씩 기구적으로 이동되도록 할 수도 있다.

또한, 음향광학편향기 등이 없이, 레이저집광부(130) 및 엑스선발생부(140)가 서로 연동되어 기구적으로 X축 및 Y축으로 이동하거나, 레이저발생부(110), 레이저집광부(130) 및 엑스선발생부(140)가 서로 연동되어 기구적으로 X축 및 Y축으 로 이동하도록 하여, 기구적으로 X축 및 Y축의 스캔이 모두 수행되도록 할 수도 있다.

시료설치부(160)만을 기구적으로 이동시켜서 스캔을 하는 것도 가능하지만, 이렇게 하는 경우 기구적으로 매우 정밀한 이동을 하여야 하므로 고가의 장비가 필요하고, 실제로 오차가 발생할 확률이 매우 커진다.

즉, 50nm 단위로 스캔을 하고자 하는 경우 시료설치부(160)를 50nm 단위로 이동을 시켜야 하는데 이렇게 정밀하게 이동을 시키는 것은 매우 어려운 일이며, 조그만 진동에도 매우 취약해지는 문제가 있다.

그러나, 본 발명의 경우 시료설치부(160)를 이동시키는 것이 아니라 엑스선집광부(150) 전의 구성요소들을 이동시키는 방식을 이용함으로써, 최종 분해능에 엑스선 집광부의 배율을 곱한 수 미크론의 정밀도만 필요하게 되므로 전체 기구물의 정밀도를 높게 할 필요가 없으며, 진동에도 강한 장점이 있게 되어 상기와 같은 문제를 해결하게 되었다.

예를 들어, 시료를 50nm 단위로 스캔을 하고자 하고, 엑스선집광부(150)의 배율이 50배라고 하면 엑스선집광부(140)와 그와 연동되는 구성요소들은 2.5㎛ 단위로 이동하기만 하면 시료설치부(160)에서는 50nm씩 스캔이 되게 되므로 기구적으로 50nm 단위로 이동시킬 필요가 없게 된다.

도 11는 앞에서 설명한 기구적으로 한 축의 스캔을 수행하기 위한 시스템의 일 예의 구성으로 도시한 블록도이다.

도 11의 엑스선 현미경 시스템도 도 3의 엑스선 현미경 시스템과 같이 레이 저발생부(410), 스캐닝부(420), 레이저집광부(430), 엑스선발생부(440), 엑스선 집광부(450), 시료설치부(460), 엑스선측정부(470) 및 엑스선이미지형성부(480)를 포함하여 구성되며, 스캐닝부(420)를 제외한 나머지 구성요소의 기능은 도 3에서 설명한 바와 같다.

도 11에 도시된 실시예에서 스캐닝부(420)는 제1축스캐닝부(421) 및 제2축스캐닝부(422)를 포함하여 구성되어 있다.

제1축스캐닝부(421)는 레이저발생부(410)에서 발생된 레이저빔의 경로 상에 위치하며, 레이저발생부(410)에서 발생하여 입사된 레이저빔의 출력각도를 시간의 흐름에 따라 제1축 방향으로 소정 각도 변화시켜 출력한다.

제1축스캐닝부(421)로는 음향광학편향기(AOD), 갈바노미러 등이 이용될 수 있으며, 편향된 광이 레이저집광부(430)의 개구를 벗어나지 않도록 릴레이렌즈가 더 포함될 수 있다.

제2축스캐닝부(422)는 제1축과 수직인 제2축 방향으로 기구적인 스캔을 수행한다.

앞에서 설명한 바와 같이, 기구적인 스캔을 위해서는 레이저집광부(430) 및 엑스선발생부(440)가 서로 고정되어 함께 이동하도록 할 수도 있고, 제1축스캐닝부(421), 레이저집광부(430) 및 엑스선발생부(440)가 서로 고정되어 함께 이동하도록 할 수도 있고, 레이저발생부(410), 제1축스캐닝부(421), 레이저집광부(430) 및 엑스선발생부(440)가 서로 고정되어 함께 이동하도록 할 수도 있다.

제2축스캐닝부(422)는 기구적으로 스캔이 되는 축 방향으로 상기한 연동된 장비들이 소정 거리 이동하도록 제어한다.

도 11의 실시예에서는 한 예로, 레이저발생부(410), 제1축스캐닝부(421), 레이저집광부(430) 및 엑스선발생부(440)가 서로 고정되어 함께 이동하고, 제2축스캐닝부(422)가 이들의 이동을 제어하는 구성을 도시하고 있다.

도 12는 본 발명의 방법을 도시한 흐름도이다. 설명의 편의상 도 10에 도시된 구성요소를 중심으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 레이저발생부(310)는 엑스선을 발생시키기 위한 레이저빔을 출력한다(501).

이 때 레이저발생부(310)는 포토다이오드(324) 또는 PIN 포토 다이오드(342)로부터 출력된 값을 이용하여 레이저빔이 일정한 세기로 출력되는지를 모니터링하면서 레이저빔이 출력되도록 하는 것이 바람직하다.

스캐닝부(320)는 레이저발생부(310)에서 발생하여 입사된 레이저빔의 출력각도를 시간의 흐름에 따라 소정 각도 변화시켜 출력한다(502).

출력되는 레이저빔의 각도를 변화시키는 시간은 미리 정해진 주기일 수도 있고, 엑스선측정부(370) 또는 엑스선이미지형성부로부터 각도를 변화시키라는 신호를 받아서 각도를 변화시킬 수도 있다.

엑스선측정부(370) 또는 엑스선이미지형성부는 시료의 특정 지점을 투과하여 입력되는 신호의 세기가 안정상태(steady state)에 이를 때까지 기다린 후 안정상태에 이르렀다고 판단되면 시료의 다음 관찰지점으로 이동하기 위해서 스캐닝부(320)에 출력되는 레이저빔의 각도를 변화시키라는 신호를 주는 방식으로 시료의 관찰을 진행시킬 수 있다.

한편, 스캐닝부(320)는 CCD(325)에서 감지된 광원의 위치에 관한 정보를 피드백받아서 미리 설정된 정확한 위치에 광원이 생성되도록 레이저빔의 출력각도를 보정하는 것이 바람직하다.

한편, 도 2나 도 10의 경우 스캐닝부(320)가 레이저빔을 굴절시킴으로써 레이저집광부(330)에 입사되는 입사각도, 입사위치를 변경시키는 방법에 의해 X축 및 Y축 방향의 스캔을 모두 수행하지만, 도 11의 경우에는 어느 한 축은 제1축스캐닝부(421)에 의해 레이저빔을 굴절시키는 방법에 의해 스캔이 수행되고, 다른 한 축은 제2축스캐닝부(422)에 의해 구성요소를 기구적으로 이동시킴으로써 시료설치부(160)에 고정된 시료에 엑스선이 조사되는 위치를 변경함으로써 스캔이 수행됨은 이미 앞에서 설명한 바와 같다.

스캐닝부(320)에서 출력되는 레이저빔은 레이저집광부(330)의해 엑스선발생타겟(341)이 설치된 레이저집광부(330)의 초점면 상의 어느 한 점에 집광된다(503).

레이저빔의 집광위치는 스캐닝부(320)에 의해 레이저빔의 주사각도가 변함에 따라 위치가 변화되게 된다. 구체적으로, X축상에서 집광되는 위치는 X축 방향의 주사각도와 초첨거리의 곱으로 정해지고, Y축상에서 집광되는 위치는 Y축 방향의 주사각도와 초첨거리의 곱으로 정해진다.

집광된 레이저빔이 엑스선발생타겟(341)에 조사되는 영역에서는 플라즈마 현상이 발생하며 엑스선이 발생한다(504). 즉, 레이저빔이 집광되는 위치에서 엑스 선이 발생되게 된다.

발생된 엑스선의 세기는 엑스선발생부(340)에 설치된 PIN 포토 다이오드(342)를 통하여 측정되며, 이에 따라 레이저발생부(310)에서 발생되는 레이저빔의 세기를 보정하는데 사용할 수도 있고, 엑스선측정부(370)에 의해 측정되는 엑스선 투과량을 보정하는데 사용될 수도 있다.

발생된 엑스선은 볼터 거울 등으로 구성된 엑스선 집광부(350)에 입사되어 엑스선 집광부(350)의 초점면상에 위치한 시료(370)의 어느 한 점에 집광된다(505).

집광되는 위치는 엑스선이 발생한 광원의 위치에 따라 달라진다. 일 예로 엑스선 집광부로 이용되는 볼터 거울의 축소배율이 M이라고 하고, 엑스선이 발생된 X축 상의 위치가 Xx, Y축 상의 위치가 Yy라고 할 때 시료에 집광되는 엑스선의 X축상의 위치는 Xx/M이 되고, Y축 상의 위치는 Yy/M이 된다.

시료(370)를 투과한 엑스선은 엑스선측정부(370)에 입사되어 그 투과량이 전기적 신호로 측정된다(506).

이 때 측정된 값은 PIN 포토 다이오드(342) 또는 포토다이오드(324)에 의해 측정된 값에 의해 보정될 수 있음은 앞에서 살펴본 바와 같다.

관찰하고자 하는 시료에 대한 관찰을 완료하였는지 판단하여(507), 종료하지 않은 경우에 스캐닝부(320)는 레이저빔의 각도를 조정하거나, 레이저빔 또는 레이저빔 및 엑스선을 발생시키는 구성요소를 소정 위치 이동하여 시료의 다음 관찰 지점으로 엑스선이 조사되도록 한다.

시료의 관찰이 완료되면 엑스선이미지형성부는 엑스선측정부(370)에 의해 측정된 값을 공간적 이미지로 형성한다(507). 공간적 이미지로 형성하는 과정은 시료의 모든 지점에서의 관찰이 끝나고 나서 한꺼번에 이루어질 수도 있으나, 어느 한 지점의 관찰이 끝날때마다 진행할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 본 발명의 보호범위는 상기한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 의해 정하여진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 분해능을 가진 엑스선 현미경을 구성함에 있어 엑스선을 감지할 수 있는 고가의 2차원CCD 장비나 고정밀도의 이송 장치가 필요 없고, 장비의 크기가 소형화될 수 있는 장점이 있다.