전자현미경(Electron Microscope)은 아주 높은 배율을 사용하여 미세 구조물과 재료의 표면을 관찰 할 수 있습니다. 이러한 성능을 발휘할 수 있는데는 전자현미경의 구성요소들이 문제없이 잘 동작해야 합니다. 전자현미경에 들어가는 구성요소에는 무엇이 있는지, 그리고 그 구성요소들이 어떻게 유기적으로 동작하는지 알아보도록 하겠습니다.
전자현미경의 구성요소는 크게 전자총(Enectron gun), 전자기렌즈(Magnetic lens), 조리개(Aperture), 검출기(Detector), 그 외의 여러가지 수차를 조정하기 위한 코일들이 존재 합니다. 이러한 부품중 전자총과 전자기렌즈의기능과 특징은 어떠한 것들이 있는지 이 글을 통해 알아보도록 하겠습니다.
전자현미경의 전자총(electron gun)
전자현미경의 구성요소중의 하나인 전자총은 전자현미경 내에서 최초의 전자를 생성하고 그것들을 가속하는 부품으로서, 전자선 형태의 안정적인 전자원을 제공하는 역할을 합니다. 이 장치는 시료를 통해 반사되는 충분한 양의 세컨더리(이차) 전자를 생산할 수 있는 능력을 지닌, 상당한 수의 프라이머리(1차) 전자를 생성하도록 설계되었습니다.
자기 렌즈를 통해 작은 빔의 형태로 이들 전자를 효율적으로 집중시키도록 합니다. 원자 내부에 존재하는 전자들은 일반적으로 원자핵과의 전기력 상호작용으로 인해 특정 위치에서 정해진 에너지 수준을 유지합니다. 이로 인해 일반 상황에서는 전자가 자신의 위치를 이탈해 자유롭게 방출되는 현상이 발생하지 않습니다. 하지만, 전자가 가진 에너지 장벽, 즉 일함수(work function)를 초과하는 에너지가 전달될 경우, 전자는 탈출하여 세계로 튕겨져 나오게 됩니다.
따라서 전자총에서 사용되는 필라멘트 재료인 텅스텐이 고온에 노출되면, 이러한 금속의 표면에 결합된 전자들이 원자핵의 속박을 벗어나 진공 상태로 이탈하게 됩니다. SEM(주사전자현미경)의 전자총은 크게 열 방출 형태(thermionic emission gun)와 전기장 방출 형태(field emission electron gun)로 분류됩니다. 열 방출 형태에서는 텅스텐 필라멘트가 약 100μm의 직경을 가진 선 경으로 제작되며, 이는 일반적으로 V자 형태의 머리핀 모양으로 굽혀져 사용됩니다. 특히 텅스텐은 낮은 일함수(4.5 eV)와 고온에서 녹는 점(3650K)의 특성으로 인해 널리 사용됩니다.
일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하여 약 2700K까지 가열하게 되며, 고급 전자현미경은 더 높은 전자 밀도를 얻기 위해 1900K에서 가열하여 사용하는 LaB6(lanthanum hexaboride) 필라멘트를 채택합니다.
필라멘트에서 방출된 전자들은 1V 에서 30kV 사이의 고전압을 적용하여 가속됩니다. 전자총 구조는 필라멘트와 필라멘트 주위를 둘러싼 wehnelt cylinder와 가속 전극 역할을 하는 양극판(Anode plate)으로 구성됩니다. Wehnelt cylinder에 바이어스 전압을 적용하면, 이 실린더는 필라멘트 대비 더 낮은 마이너스 전압을 띠게 되어 필라멘트에서 방출된 전자들을 중앙으로 집중시키는 역할을 합니다. 필라멘트와 양극판 사이의 전압 차이는 가속 전압이라고 불리며, 이에 의해 필라멘트에서 방출된 전자들이 가속되어 하향 방향으로 직진하면서 전자 빔을 형성하게 됩니다.
전자현미경에서 전자기 렌즈 (Electromagnetic Lens)
전자현미경을 구성하고 있는 부품중의 하나인 전자기렌즈는 원통형의 구조에 코일이 감겨 있는 전자석입니다. 전자가 외부 자기장 영향을 휘는 특성을 이용하여, 전자를 한 지점에 집중시키는 중요한 역할을 수행합니다. 이 기술은 가속된 전자들이 광축 주위의 대칭적인 자장을 따라 이동하며 나선형 궤적을 그리면서 초점을 형성하는 원리를 바탕으로 합니다. 광학 현미경에서 렌즈는 물체를 확대하여 보여주는 역할을 하는 반면, 전자현미경의 전자기렌즈는 전자 빔의 크기를 축소하여, 이를 반확대(demagnification)라는 과정을 통해 이미지를 형성하게 됩니다.
전자기렌즈의 작동 원리는 매우 흥미로운 과학적 개념에 기반하고 있습니다. 이 렌즈들은 전자가 통과할 때 자기장에 의해 발생하는 로렌츠 힘을 이용한다. 전자들이 이 자기장을 통과하면, 그 궤도가 휘어 전자 빔이 특정 점으로 집중되거나 특정 방향으로 퍼지게 됩니다.
이는 마치 광학현미경에서 사용되는 볼록렌즈 오목렌즈와 같은 효과를 나타내는데 전자총에서 발생하는 전자를 집속하기 위해서는 전자기렌즈의 사용이 필수 입니다.전자 현미경에서 선명하고 정밀한 이미지를 생성하는 데 전자기 렌즈는 필수적인 부품이며 아주 중요한 역할을 합니다.
전자기렌즈는 광학 렌즈와는 달리, 물질의 투명도에 영향을 받지 않으며, 아주 작은 입자인 전자를 사용하기 때문에 매우 높은 해상도를 달성할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 전자 빔의 파장이 빛의 파장에 비해 훨씬 짧기 때문에, 더 작은 세부사항까지 관찰이 가능합니다.
콘덴서 렌즈, 오브젝트 렌즈 (Condensing & Objective Lens)
전자총으로부터 방출되는 전자빔은 대체로 10∼50㎛의 광범위한 크기를 보이며, 그 상세한 집속 과정은 일반적으로 2개의 집속용 렌즈(Condensing lens)와 하나의 대물렌즈(Object lens)의 조합을 통해 이루어집니다. 이후, 시편 상에 정밀하게 주사되는 전자빔은 그 크기가 대략 기존 크기의 약 1/10000에 해당하는, 5∼200nm 범위의 훨씬 더 미세한 크기로 조절됩니다. 이 과정을 통해, 전자빔이 더욱 가늘게 조절될수록, 시료 표면의 복잡한 형태나 구조를 더욱 세밀하고 정밀하게 관찰하는 것이 가능해집니다.
전자빔을 미세하게 집속시키는 과정은 필라멘트를 통해 생성된 전자들이 다방향으로 분산되는 현상을 최소화하는 데에서 시작됩니다. 앞선 전자기 렌즈를 통과한 전자들은 이후 집속렌즈로 불리는 전자석을 활용하여 이러한 조정을 다시 한번 수행 합니다. 이 집속렌즈는 전자총에서 나온 전자빔을 모으는 기능을 수행하며, 조리개 또는 aperture(보통 50~200 ㎛ 크기)와 함께 전자빔의 강도 조절에 핵심적인 역할을 담당합니다. 조리개 크기가 작으면 작을 수록 Beam spot의 크기는 감소하고, 이로 인해 전자의 통과량이 줄며, 구면수차가 감소하는 효과를 가져옵니다.
시료에 스캐닝되는 미세한 전자빔을 최종 결정하는 대물렌즈는 전자빔 형성에 있어서 중요한 역할을 하는 장치로, 초점거리가 짧고 시료 표면에 가능한 근접해 위치하도록 설계되어 있습니다. 대물렌즈는 주로 두 개의 주사코일과 한 쌍의 스티그메이터로 구성되어 있으며, 주사코일은 스캔 생성기와 연결되어, 시료 표면 위에 전체적으로 스캐닝하는 전자빔의 정확한 위치를 조절할 수 있습니다.
스티그메이터는 시료에 입사하는 전자빔이나 그로 인해 방출된 이차전자의 spot 형태가 완벽하게 원형이 아닌 경우, spot이 일그러진 방향에 반대되는 전자기장을 생성하여 이를 교정하는 역할을 수행합니다.
대물렌즈와 시료 사이의 거리, 작동거리(working distance)는 이미지 형성 과정에 중요한 변수로, 그 길이가 짧을수록 더욱 섬세하고 정밀한 점을 형성할 수 있으며, Spot 의 사이즈가 작으면 작을 수록 이미지 해상도가 향상됩니다. 대물렌즈 내부에는 주사코일, 조리개, 비점수차 코일 등이 포함되어 있어, 대물렌즈를 통해 시료 표면에 초점을 맞춤으로써 이미지의 배율이 변해도 초점이 변하지 않는 안정적인 이미지 형성이 가능합니다.