Research on the visualization of magnetic field and temperature by optical indicator technique
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이기진
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000055284
- 본문언어 영어
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초록/요약
In this dissertation, it has studied the visualization of magnetic field and heat distribution by optical indicator technique. The technique was applied for the visualization of magnetic domain, distribution of magnetic material, and thermal distribution caused by DC and microwave Joule heating. Through the applications, it was demonstrated that the present technique can be applied for the imaging of magnetic field and heat distribution with optical resolution, excellent sensitivity, and real time monitoring. First, for the fabrication of magneto optical indicator, studies on the growth of bismuth substituted yttrium iron garnet (Bi-YIG) powders and thin films by metal organic decomposition method (MOD) were conducted. The Bi-YIG powders and thin films were prepared with various thermal treatments, and characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and the vibrating sample magnetometer (VSM). From the comprehensive analysis of the diffraction pattern, vibration properties of atomic bonds, and magnetic property, phases appearing in the growth of the powders and thin films were investigated according to thermal treatment conditions. Through the analysis of magneto optical (MO) property and crystal growth process of Bi-YIG thin films, it was showed that a reduction of secondary phase is critical to enhance the MO property of the Bi-YIG thin films, and from the results, the optimal condition of the growth of Bi-YIG thin film was presented. In the second part, the application of the Bi-YIG thin film as the magneto optical indicator (MOI) for the magneto optical Faraday effect microscopy (MOFEM) was presented. Based on the studies of Bi-YIG thin film growth, the magneto optical indicator (MOI) was fabricated by MOD method, and was applied to the microscopy system. For the microscopy system, the polarization modulation technique by the liquid crystal modulator (LCM) was applied. In present studies, the LCM-MOI-MOFEM technique was applied on the visualization of magnetic domain, distribution of magnetic material, and electric current distribution of PCB circuit. Through the applications, it was demonstrated that the technique can visualize the magnetic field and magnetic material distribution of a device under test (DUT) with optical resolution, high sensitivity, and real time monitoring. In particular, a new simultaneous visualization technique for magnetic field and temperature was introduced. From the visualization of magnetic field and heat induced by electric current of a PCB circuit, it was showed that the heat distribution can be visualized through the change of optical absorption, and it can be conducted simultaneously with the visualization of magnetic field distribution. Through the experiment results, it was demonstrated that the present technique has 100-times larger temperature sensitivity than that of conventional thermoreflectance microscopy, and provides a practical way to monitor a state of electric circuits with optical resolution and real time. Finally, a new thermography technique based on thermo-elasto-optic indicator microscopy (TEOIM) was presented. The technique uses an optically transparent material as a thermoelastic indicator, and by placing the indicator on a device under test, it monitors a change of stress distribution by photoelastic effect, and it visualizes a thermal distribution through the thermal stress analysis. In present study, it achieved that a thermal imaging with a few milli-Kelvin sensitivity and optical resolution by using a common slide glass as a thermoelastic indicator and a conventional polarization microscope. Through the thermal visualization of DC and microwave Joule heating, it demonstrated that the present technique provides a practical way to monitor and characterize the thermal processes occurring in a device and material.
more초록/요약
본 논문에서는 자기장과 열의 분포를 광학적 인디케이터(optical indicator) 를 통하여 영상화하는 기법에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 자기구역 (magnetic domain). 자성체 물질의분포, 그리고 직류전류와 마이크로파에 의한 줄-발열 (Joule heating) 분포를 영상화 하는 실험을 수행하였으며, 실험 결과들로부터 본 기술이 자기장과 열의 분포를 우수한 감도와, 광학적 분해능, 그리고 실시간적으로 영상화 할 수 있음을 보였다. 먼저, 자기 광학 인디케이터 (magneto optical indicator; MOI) 의 제작을 위하여, Bismuthsubstituted yttrium iron garnet (Bi-YIG) 분말과 박막을 metal organic decomposition (MOD) 기법으로 제작하는 연구를 수행하였다. Bi-YIG 분말과 박막을 다양한 조건에서 열처리한 후 XRD, FTIR, VSM을 통하여 결정구조와 자기적 특성을 분석하였다. 결정 구조와 자기적 성질, 그리고 자기광학 특성에 관한 종합적 분석을 통하여, 자기광학 특성의 향상을 위해서는 이차상(secondary phase)을 감소시키는 것이 가장 중요하다는 것을 보였다. 그리고 연구결과들을 통하여 Bi-YIG 박막의 성장을 위한 최적 열처리 조건을 제시하였다. 다음 연구에서는 Bi-YIG 박막을 MOI 로 사용한 자기광학 페러데이 효과 현미경 (magneto optical Faraday effect microscope; MOFEM) 에 관한 연구를 수행하였다. Bi-YIG 박막의 결정 성장에 관한 연구를 기반으로 MOD 방식을 통하여 MOI를 제작하였으며, 본 연구의 자기광학 현미경에 적용하였다. 본 연구에서 사용된 자기광학 현미경은 액정 변조기를 (liquid crystal modulator; LCM) 통한 편광 변조 기법이 적용되었다. 본 연구의 MOI-LCM-MOFEM 현미경은 자기 구역, 자성체 물질의 분포와 전류 분포를 영상화 하는 실험에 적용되었으며, 연구 결과를 통하여 자기장의 분포를 광학적 분해능과 높은 감도로 영상화 할 수 있으며, 실시간 조사가 가능 하는 것을 입증하였다. 특히 본 연구에서는 자기장의 분포와 열의 분포를 동시에 영상화 할 수 있는 새로운 영상화 기법이 제시 되었다. PCB기판에 흐르는 전류의 자기장과 열을 영상화 하는 연구를 통하여, 열의 분포를 광학적 흡수 변화를 통하여 측정할 수 있음을 보였으며, 광학적 흡수 변화와 자기 원형 이색성 (magnetic circular dichroism) 을 통하여 자기장의 분포와 열의 분포를 동시에 측정할 수 있음을 입증하였다. 연구 결과들을 통하여 본 기술이 기존의 열 반사 현미경(thermoreflectance microscopy) 보다 100배 높은 감도를 가지며, 전자회로의 상태를 분석할 수 있는 실제적인 기술이 될 수 있음을 입증하였다. 마지막으로 열탄성 광학 인디케이터를 통한 새로운 열 영상 현미경 (thermo-elasto-optical indicator microscopy; TEOIM)이 제시되었다. 본 기술은 광학적으로 투명한 물질을 열탄성 인디케이터로 사용하여, 광탄성 효과를 통하여 열응력을 측정하고, 평면 응력 분석을 통하여 열의 분포 를 영상화한다. 본 연구에서는 일반적인 slide glass 를 열탄성 인디케이터로 사용하였으며, 편광 현미경을 통하여 열의 분포를 영상화 하였다. 직류와 마이크로파에 의한 줄 발열 (Joule heating)분포를 영상화하는 연구를 통하여, 본 기술이 광학적 분해능으로 밀리 켈빈의 감도를 가지며 실시간 적으로 열의 분포를 영상화 할 수 있음을 보였다. 본 연구 결과들을 통하여 본 기술이 물질과 기기의 열 특성을 영상화하는 실제적인 방법을 제공함을 입증하였다.
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