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개 요

InFocus κ FDTR은 물체 표면의 빛 반사율이 온도에 따라 변하는 열반사 현상을 이용하여 박막 및 미세구조의 열전도율과 같은 열적 특성을 측정하고 주파수 영역 열반사(FDTR) 현미경을 통해 그 분포를 관찰합니다.

InFocus κ FDTR의 핵심 특징은 레이저 빔 스팟 크기를 회절 한계에 가깝게 좁히고 레이저 스캐닝 광학 시스템을 통해 조사 위치를 자유롭게 제어할 수 있다는 점입니다. 원통 좌표계에서 3차원 열 확산 모델을 활용한 정량 분석을 통해 이방성 열전도율을 평가할 수 있습니다. 또한, 작은 레이저 스팟을 이용하여 열 방출 충전재와 같은 미세 입자의 열적 특성도 분석할 수 있습니다.

또한, 고해상도 라만 분광법을 옵션으로 추가할 수 있습니다. 라만 분광법은 시료의 분자 구조, 결정성 및 잔류 응력에 대한 추가 정보를 제공하여 단일 장비로 다각적인 재료 분석을 가능하게 합니다.

( 주파수 영역 열반사법(FDTR)에 대한 자세한 내용은 " 주파수 영역 열반사법( FDTR) 소개"를 클릭하십시오.)

마이크로 FDTR을 이용한 이방성 열전도도 평가

InFocus κ FDTR은 레이저 빔을 회절 한계에 가깝게 정밀하게 집속할 수 있습니다. 20배율(NA=0.45) 대물렌즈를 사용하면 펌프 빔의 1/e² 빔 직경은 2.14 마이크론, 프로브 빔의 1.19 마이크론이 되며, 50배율 또는 100배율 대물렌즈를 사용하면 스폿 크기를 서브마이크론 수준까지 좁힐 수 있습니다.

Micro FDTR을 이용한 측정에서 많은 시료의 열 확산 현상은 3차원적으로 발생합니다. 따라서 원통 좌표계를 사용하는 3차원 열 확산 모델을 피팅 분석에 사용합니다. 시료의 열전도율이 이방성인 경우, 수직 방향 및 수직 방향 열전도율을 피팅 매개변수로 사용하여 동시에 측정할 수 있습니다.

또한 각 피팅 매개변수의 측정 감도를 계산하는 기능도 갖추고 있어, 감도의 존재 여부를 사전에 확인하여 정확한 측정을 가능하게 합니다.

다양한 스캐닝 시스템을 통해 다양한 측정 모드를 사용할 수 있습니다.

서브마이크론 빔 직경의 장점 중 하나는 단일 초소형 입자의 열전도율을 측정할 수 있다는 것입니다. 마이크로미터 크기의 열 방출 충전재조차도 레이저를 입자 중심에 정확하게 초점을 맞추면 측정이 가능합니다.

InFocus κ FDTR은 전동 스테이지를 이용한 스캐닝 기능 외에도 갈바노미터 미러(프로브 광 전용)를 사용하는 레이저 빔 스캐닝 시스템을 갖추고 있습니다. 적절한 스캐닝 광학 시스템에서 스캔 렌즈와 튜브 렌즈를 조합함으로써 빔 조사 위치에 관계없이 빛이 항상 측정 평면에 수직으로 조사됩니다.

빔 오프셋 FDTR 측정에서는 프로브 광의 조사 위치를 펌프 광으로부터 이동시키면서 측정함으로써 면내 열전도율을 민감하게 측정할 수 있습니다. 또한, 스테이지 스캐닝을 이용한 FDTR 매핑 측정은 다양한 열적 특성의 분포를 시각화할 수 있게 해줍니다.

Specifications

Model	InFocus κ FDTR
Pump laser	445 nm / Spot size: ~2 μm (@20x, NA=0.45)
Probe laser	514 nm / Spot size:　~1 μm (@20x, NA=0.45)
Transducer	Au
Frequency modulation range	10 kHz to 50 MHz
Size	W505 X D560 X H480 mm
Weight	70 kg
Others	Mapping function Anisotropic analysis High resolution Raman spectroscopy (Option) Cooling and heating stage (Option)

* 제품 사양은 예고 없이 변경될 수 있습니다. 이 점을 미리 숙지하시고 매번 세부 사항을 확인해 주시기 바랍니다.

스핀 사슬-스핀 사다리 구조의 구리 산화물에서 이방성 열전도도 평가

스핀 사슬-스핀 사다리형 구리 산화물은 이름에서 알 수 있듯이 이온들이 사다리처럼 배열된 독특한 층상 구조를 가지고 있습니다. 사다리 다리(c축 방향)를 따라서는 마그논으로 인해 높은 열전도도를 나타내는 반면, ab 평면 내에서는 포논으로 인해 낮은 열전도도를 나타냅니다.

본 연구 에서는 스핀 사슬-스핀 사다리 구조를 가진 구리 산화물 중 상온에서 가장 높은 열전도도를 나타내는 단결정 La₅Ca₉Cu₂₄O₄₁ ( LCCO ) 의 열전도도 이방성을 InFocus κ FDTR 을 이용하여 평가하였다.

Cr/Au는 수지에 매립하고 연마하여 ab면이 노출된 단결정 LCCO 표면에 RF 스퍼터링 방식으로 약 120 nm 두께로 증착되었습니다. 펌프 레이저의 변조 주파수를 200 kHz에서 10 MHz까지 변화시키면서 열반사 신호의 위상 지연을 측정하고, 원통 좌표계(변환기/계면/LCCO)의 3층 모델을 사용하여 피팅 분석을 수행했습니다.

피팅 분석 결과, 수직 방향(c축 방향)의 열전도도는 45.3 W/mK이고, 수직 방향(ab축 방향)의 열전도도는 5.1 W/mK인 것으로 나타났습니다. 이 수직 방향 열전도도는 이전 연구에서 보고된 값과 일치합니다*. 또한, LCCO에서 포논에 의한 수직 방향 열전도도는 마그논에 의한 수직 방향 열전도도의 약 1/10 정도인 것으로 알려져 있습니다. 본 측정 결과에서도 수직 방향 열전도도가 수직 방향 열전도도의 약 1/10 정도인 것으로 나타나 기존의 통념과 일치합니다.

(감사의 글): 본 연구에 단결정 LCCO를 제공해 주신 도쿄전기대학교의 가와마타 타카유키 교수님과 측정 및 데이터 분석에 대한 귀중한 조언을 해주신 도호쿠대학교의 테라카도 노부아키 교수님께 깊이 감사드립니다.

* K. Naruse, 외. 솔리드 스테이트 커뮤니케이터. 154, 60–63 (2013).

단결정 CVD 다이아몬드의 열전도율 측정

다이아몬드처럼 열전도율이 매우 높은 물질은 열전도율을 정량적으로 평가하는 데 어려움을 초래합니다. 이러한 어려움은 시료를 충분히 가열하기 어렵고, 온도 변화에 대한 반응이 미미하여(온도 완화 및 위상 지연 포함) 측정 자체가 어렵기 때문입니다.

사이언스엣지는 교토대학교의 히로타니 준 부교수 및 아쿠라 유키 연구원과의 공동 연구를 통해 미세한 위상 지연까지 높은 감도로 측정할 수 있는 광학 시스템을 개발했습니다. 이 기술 발전으로 열전도율이 2,000W/mK를 초과하는 물질의 열전도율을 측정하는 것이 가능해졌습니다.

오른쪽 그래프는 고순도 단결정 CVD 다이아몬드 기판에 대해 InFocus κ FDTR로 측정한 위상 데이터를 보여줍니다. 변환기(Au/Cr)와 다이아몬드 사이의 계면 열전도율 및 다이아몬드의 열전도율과 같은 매개변수를 사용하여 피팅한 결과, 다이아몬드의 열전도율은 약 2,334 W/mK인 것으로 결정되었습니다(오른쪽 하단 표 참조).

*본 연구의 일부는 정부와 민간 부문의 협력을 통해 스타트업 분야의 도전 과제를 안고 있는 젊은 연구자들을 발굴하고 지원하는 프로젝트의 일환으로, 신에너지·산업기술개발기구(NEDO)의 지원을 받아 수행되었습니다.

주파수 영역 열반사법을 이용한 비정질 Ge 1-x Sn x 박막 의 열전도도 측정

InFocus κ FDTR을 이용하여 주석(Sn) 조성비가 다른 비정질 Ge 1-x Sn x 박막 의 열전도도를 측정하였다. 측정 결과, 박막의 열전도도는 주석 조성비가 증가함에 따라 0.50 W/mK에서 0.44 W/mK로 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 최소 열전도도 모델로 계산한 비정질 한계값과 일치한다.

출판물 및 발표 자료

T. Katayama, C. Ishikawa, N. Terakado, T. Kawamata, K. Naruse, Y. Takahashi 및 T. Fujiwara, " 스핀 사다리
형 구리산화물(La₅Ca₉Cu₂₄O₄₁)과 금속 박막 사이의 계면 열전도도 : 구리산화물 표면 결함의 역할" J. Mater. Chem. C, 2026, 14 , 1607-1615

Yuki Akura, Yuki Matsunaga, Lijun Liu, Yasuaki Ikeda, Masaki Shimofuri, Amit Banerjee, Toshiyuki Tsuchiya & Jun Hirotani
"주파수 영역 열반사 측정에서 변환기 패턴을 통한 열전도도 측정의 정밀도 향상"
Rev. Sci. Instrum. 96, 084906 (2025)

Yuki Akura, Yasuaki Ikeda, Yuki Matsunaga, Masaki Shimofuri, Amit Banerjee, Toshiyuki Tsuchiya & Jun Hirotani
“이방성 재료의 정확한 열전도율 측정을 위한 스폿 왜곡 없는 빔 오프셋을 이용한 주파수 영역 열반사법”
Rev. Sci. Instrum. 96, 014902 (2025)

T. Uchiyama, S. Yabumoto, D. Hayashi, T. Ota
"주파수 영역 열반사 현미경을 이용한 열 방출 충전 입자의 열전도율 측정"
제16회 태평양 연안 세라믹 및 유리 기술 학술대회(GOMD 2025) (2025)

T. Uchiyama,
"주파수 영역 열반사 현미경을 이용한 첨단 반도체 패키지의 마이크로 및 나노 스케일 열 특성 측정" (초청 발표)
ICEP-IAAC 2025, FA1: 첨단 패키징 및 열 세션 (2025)

T. Uchiyama, S. Yabumoto, T. Ota,
"주파수 영역 열반사 현미경을 이용한 열 방출 충전 입자의 열전도율 측정"
제45회 일본 열물성학회 심포지엄 (2024)

Jun Hirotani, Taisuke Ota,
"주파수 영역 열반사 기술의 측정 오차 감소",
제69회 일본물리학회 춘계 학술대회 2022, 22p-P03-23 (2022)