원자 현미경(AFM: Atomic Force Microscope)은 눈으로 볼 수 없는 나노 세계를 아주 미세한 팁을 사용하여 물체 표면의 형상, 단단한 정도, 전기, 자기적 특성을 측정할 수 있는 계측기로 머리카락의 굵기의 1십 만분의 1의 크기를 측정할 수 있는 정밀도를 가지고 있다. 배율이 최고 수천만 배로서 개개의 원자를 관찰할 수 있어 미세 재료분석, 3차원 형상, 표면계측, 결함분석 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

AFM의 계측 원리는 다음과 같다.


MEMS 공정으로 제작된 외팔보(cantilever) 끝 부분에 뾰족한 첨단(tip)이 달려 있으며, 이 첨단(Tip)의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. (그림 1.) 이 첨단을 계측을 하려는 표면(sample)에 접근시키면 첨단 끝의 원자와 sample 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나 밀치는 힘이 작용한다. 이 힘의 크기는 1~10nN 정도로 아주 미세하지만 첨단을 지지하고 있는 cantilever 역시 매우 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 cantilever 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 cantilever에 비추고 cantilever 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 측정한다. 이렇게 하면 첨단 끝이 0.01nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다. 첨단 끝의 움직임을 구동기에 Feedback하여 AFM의 cantilever가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 sample 사이의 간격도 일정해지므로 sample의 형상을 측정해낼 수 있다.

본 연구실에서 제작하고 있는 열전탐침 (SThM probe: Scanning Thermal Microscope probe)은 AFM probe 첨단 끝에 열적인 센서(Thermocouple)를 제작하여 sample 표면에 접촉하여 스캔하면서 sample의 국소 온도나 열물성을 측정하는 장치이다.

열전탐침은 전자소자의 동작분석, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube: CNT) 열물성 계측, 발광소자(Light Emitting Diode: LED)내 발열분석, 생체물질 열물성 계측, 미세구조의 비파괴 검사, Nanolithography 등 나노 분야의 대부분의 영역에 걸쳐 매우 다양하게 활용되고 있다.