전자현미경의 사용도는 1990년대 후반부터 활발해 지기 시작했습니다. 1990년 후반부터 나노 단위의 연구가 활발해지면서 나노 물질의 구조와 특성을 파악하기 위해 다양한 연구들이 진행되며, 그에 따라서 전자현미경의 개발과 사용이 중요한 부분을 차지 하게 되었습니다. 오늘은 주사 전자현미경에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
전자현미경이란?
전자현미경(Electron Microscope)은 광학현미경(Light Microscope) 에서 사용하는 가시광선(visible rays) 대신 전자선(electron beam)을 사용하는 현미경을 말합니다. 또한 유리렌즈(glass lens) 대신에 전자렌즈(electron lens)를 사용하여 전자선을 제어하는 기능을 수행합니다.
이미 1920년대부터 기존 현미경의 한계를 극복할 수 있는 새로운 미세 관찰 기술을 연구하였으며, 전자의 자계에 의한 렌즈 작용을 사용하여 전자를 광원으로 사용하는 현미경을 개발하게 되었습니다. 주요 특징은 전자에 대한 렌즈 작용을 코일에 흐르는 전류를 변환 시킴으로써 자계(magnetic field)를 사용하여 전자의 이동 경로를 조정 하여 마치 볼록렌즈가 빛을 집속 하듯이 전자를 모아주는 것입니다.
전자현미경은 가시광선 대신에 전자빔을 사용하기 때문에 현미경의 내부는 진공 상태를 유지하여야 합니다. 공기 중에서 전자는 에너지가 소실되거나 굴절되는 등 제어하는데 많은 어려움이 있기 때문입니다. 모든 렌즈는 코일에 통하는 전류의 세기에 의해 전자빔의 방향과 배율이 결정됩니다. 이 때문에 여러 개의 광학 렌즈가 필요한 일반 현미경에 비해서 전자현미경의 내부는 의외로 단순한 구조로 볼 수 있습니다. 광학 현미경은 실제의 상에서 반사되는 빛을 통해 실제의 상을 관찰할 수 있지만 전자현미경은 일반적으로는 Detector를 통해 표면에서 튀어나온 2차 전자, 투과 전자, 산란 전자, X-Ray 의 시그널 양으로 상을 볼 수 있습니다.
수집 정보
전자현미경은 극 미세 구조의 관찰을 가능하게 하는 강력한 도구로서 그 수집 정보는 우리가 일반적으로 알고 있는 표면의 모양을 포함하여 더욱더 다양한 것들이 많습니다. 전자현미경은 일반적으로 고해상도 이미지 취득부터 복잡한 화학적 및 물리적 성질 분석에 이르기까지 다양한 정보를 수집할 수 있습니다. 먼저, 전자현미경을 사용하여 얻을 수 있는 고해상도 이미지는 생물학적 세포 내부 구조, 나노 기술 제품의 정밀한 표면 형태 등 매우 세밀한 수준의 구조를 관찰할 수 있습니다. 이 이미지들은 재료 과학, 나노 기술, 생명 과학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.
또한, 전자현미경은 시료의 화학적 구성을 분석할 수 있는 에너지 분산 X선 분광법(EDS)이나 파장 분산 X선 분광법(WDS) 같은 기술을 통해, 시료를 구성하는 원소의 종류를 정확히 파악할 수 있습니다. 이러한 분석을 통해, 연구자들은 재료의 화학적 특성과 그 변화를 깊이 이해할 수 있게 됩니다.
결정 구조에 대한 정보는 시료를 통과하는 전자의 회절 패턴을 분석함으로써 얻을 수 있으며, 이는 재료의 결정상 및 그 배열에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 통해서는, 전자가 시료를 통과하면서 잃은 에너지를 측정함으로써, 시료의 원소 구성 및 화학적 상태에 대한 더 세부적인 정보를 얻을 수 있습니다.
3차원 구조 정보는 연속적인 단면 이미지를 취득하여 시료의 3차원 형태를 재구성함으로써 얻을 수 있으며, 이는 복잡한 구조의 시료를 이해하는 데 매우 유용합니다. 표면 지형학적 분석을 통해, 시료 표면의 미세한 특성과 질감을 고해상도로 분석할 수 있으며, 이는 표면 과학 및 재료 공학에서 중요한 응용을 찾습니다.
전자 홀로그래피는 전자파의 간섭을 이용하여 시료 내의 전자기장이나 내부 전압 분포를 관찰하는 기술로, 재료의 전기적, 자기적 성질을 이해하는 데 귀중한 정보를 제공합니다. 이러한 다양한 정보 수집 기능을 통해, 전자현미경은 재료 과학, 생명 과학, 나노기술, 의학 연구 등 광범위한 분야에서 핵심적인 역할을 하며, 새로운 발견과 혁신을 가능하게 하는 중요한 도구로 자리매김하고 있습니다.
전자현미경의 특징
전자현미경은 전자빔을 광원으로 이용하여 전자가 시편과 충돌할 때 발생하는 이차 전자, 산란 전자, X-선 등의 신호를 검출하여 대상을 관찰 하는 장치입니다. 아주 강력한 특징 중 하나는 높은 분해능입니다. 분해능이 높기 때문에 고 배율로 물체를 관찰할 수 있으며, 텅스텐 필라멘트 방식의 SEM은 10만배 이상 (분해능: 3~5 nm), FE-SEM은 최대 100만배(분해능: 0.5~2 nm)까지 확대해서 관찰 할 수 있습니다.
또한 SEM은 고 배율뿐 아니라 저 배율(10~100배) 에서도 관찰을 할 수 있습니다. SEM은 단지 코일에 흐르는 전류를 변화 시킴으로서 전자 렌즈를 교체 하지 않고도 배율을 조절할 수 있기 때문입니다. 시료 측정 시에는 보통 저 배율에서 넓은 면적을 관찰한 후 관심 있는 미세 영역(FOV)을 고 배율로 관찰하게 됩니다.
전자현미경은 초점 심도가 대단히 깊어 마치 3D 입체 화면 처럼 시료가 화면에 나타납니다. 이는 광학현미경과 비교하면 엄청난 차이의 화질이므로 높은 장점중에 하나라고 볼 수 있습니다. 초점 심도란 관찰 대상의 확대영상에서 초점이 맞는 깊이 범위를 말합니다. 따라서 굴곡이 심한 관찰 대상을 파악할 때 전자현미경을 사용한다면 효과가 좋습니다.
단점이라면 우선, 고 전압(0.1~30 kV)을 사용하기 때문에 여러 가지 복잡한 장치가 요구됩니다. 고속으로 방출되는 전자빔을 이용하기 때문에 현미경내의 고 진공 (10-5 torr 이하)상태를 유지하는 것이 필수입니다. 이 두 가지(고 전압과 진공 기술)는 항상 잘 관리해야 하는 조건으로서 이로 인해 현미경이 커지고 내부 구조가 복잡해지며 가격 또한 비싸집니다.
부도체 시료의 관찰 시에는 정확하게 관찰이 되지 않는 특징이 있습니다. 전자빔의 전자가 시료에 축적되면서 이후에 전자빔을 밀어내는 역할을 하게 되어 이미지 왜곡이 발생합니다. 그래서 부도체 시료를 관찰할 경우에는 시료 표면에 Au 또는 Pt 등의 전도체로 코팅을 하는 것이 일반적인 방법입니다. 특히 이와 같은 단점은 생체 시료를 측정할 때 많은 한계로 나타납니다.