전자현미경의 구성요소중 조리개(Aperture), 검출기(Detector), 그 외의 여러가지 수차를 조정하기 위한 코일들을 알아보도록 한다. 이 부품들은 전자현미경의 전자가 시료에 닿기 직전에 가장 중요한 것으로서 전자현미경의 해상도에 가장 큰 영향을 주는 것으로서 주기적인 관리가 필요한 파트 이다.
전자현미경의 조리개(Aperature)?
전자현미경에서 조리개의 역할은 빔 스팟의 크기즐 줄이거나 구면수차를 감소하는 역할을 합니다. 전자총에서 발사된 전자는 양극(anode)에서 가속되어, 집속렌즈를 통과하면서 2nm 이하의 매우 미세한 크기의 빔 스팟(beam spot)을 형성한다. 이 과정은 고도로 정밀한 분석이 필요한 다양한 과학 및 공학 분야에서 중요한 역할을 한다. 특히, 스캐닝 전자 현미경(SEM)의 분해능과 관련하여 스팟의 크기는 핵심적인 요소로 작용한다. 일반적으로 스팟의 크기가 작을수록, SEM의 분해능이 증가하므로 더 세밀한 이미지를 얻을 수 있다.
각각의 렌즈는 고정되거나 가변적인 조리개(aperture)를 달고 있어, 빔 스팟의 크기를 줄이거나 구면수차(spherical aberration)를 감소시키는 데 기여한다. 조리개의 지름은 50 ~ 600 ㎛의 범위를 가지며, 조리개의 크기가 작을수록 스팟 사이즈가 작아진다. 결과적으로, 통과하는 전자의 수가 감소하고, 구면수차 역시 감소하여 depth of focus가 증가한다.
전자현미경의 축조정 코일이란?
축 조정 코일은 중심축 정렬 하는 역할을 하며, 이는 말 그대로 전자총의 중심축과 집속렌즈의 중심축을 정확하게 일치시키는 것입니다. 기계적인 편차로 인해 이 두 축이 정확히 일치하지 않을 경우, 전자총에서 방출된 전자선이 집속렌즈로 정확히 들어가지 않아 이미지의 질이 떨어질 수 있습니다.
이렇게 축이 올바르게 조정되지 않으면 렌즈의 수차가 발생하여 SEM의 분리능(resolution)이 떨어지게 됩니다. 축 조정 코일은 전자총의 음극 바로 밑에서 X-Y축 방향으로 작용하여, 전자선이 집속렌즈의 축과 일치하게 만듦으로써 이미지의 정확도와 분리능을 향상시킵니다.
축 조정 코일의 사용은 주사 전자 현미경에서 매우 정밀한 이미지를 생성하는 데 필수적입니다. 축 조정 코일은 전극 코일을 이용하여 전자선의 경로를 미세 조정합니다. 이 코일은 매우 정밀한 전류 조절을 통해 전자선의 방향을 편향시키는 역할을 하며, 이러한 편향은 전자선이 집속렌즈로 정확하게 들어가도록 도와줍니다. 그 결과 SEM 에서 생성되는 이미지의 품질과 정확도가 크게 증가합니다.
전자현미경에서 주사 코일이란?
주사 코일은 집속렌즈와 대물렌즈 사이에 위치하여 전자빔을 대물렌즈 중심의 한 점에 편향 시키는 역할을 한다. 주사 코일은 SEM의 높은 해상돌르 위한 핵심 기능 중 주요한 것중의 하나 입니다. SEM은 전자선을 이용하여 샘플의 이미지를 만듭니다. 이 과정에서 샘플에 집중된 전자선이 여러 방향으로 편향되면서 샘플의 다양한 부분을 차례대로 스캔합니다. 스캔 과정에서 생성된 신호들은 결국 이미지로 재구성되어 출력됩니다. 주사 코일은 바로 이 스캔 과정에서 빔의 방향을 일정하게 편향 시키는 아주 핵심적인 역할을 합니다. 이 전자선이 시간에 따라 왕복하게 하는 것이 주사 코일의 주된 기능입니다.
시편에 충돌한 후 여러 지점에서 전자선의 전류는 CRT나 디지털 디스플레이에서 동시에 같은 지점에 흐르게 됩니다. 즉, 직사각형 모양으로 시편에서 주사를 하게 되면, 디스플레이에서도 동일한 패턴으로 정보가 재생되어 이미지를 형성하게 됩니다.
SEM 에서 주사 과정은 매우 중요합니다. 이를 통해 샘플의 정밀한 이미지를 순차적으로 생성할 수 있으며, 주사 코일의 정확한 작동은 고품질의 이미지를 얻는 데 결정적입니다. 코일이 전자선을 샘플의 정확한 경로로 유도함으로써, 고해상도의 이미지를 생성할 수 있습니다.
비점수차 보정 코일(Stigmator)
비점수차 코일의 주된 목적은 전자 빔의 왜곡을 보정하여, 더 선명하고 정확한 이미지를 얻기 위함 입니다. 특히, SEM 에서는 고해상도의 이미지를 얻기 위해 매우 미세한 전자 빔을 사용하며, 이 과정에서 발생하는 비점수차를 효과적으로 보정하는 것이 중요합니다.
비점수차란, 전자 빔이 샘플을 스캔할 때 생기는 이미지의 왜곡을 의미하며, 이를 최소화하는 것이 비점수차 코일의 주된 목적입니다. 왜곡 보정은 주사 과정에서 생기는 여러 가지 왜곡을 보정하여, 이미지의 품질을 향상시키는 것을 말하며 비점수차를 통해 조정됩니다. 이를 통해 연구자는 더 세밀하고 정확한 관찰이 가능해집니다.
앞서 말한 비점수차 코일을 통해 왜곡이 최소화되면, 결과적으로 이미지의 해상도가 향상됩니다. 이는 전자선의 모양이 정확히 최소화 되었기 때문입니다. 주사 전자현미경에서 샘플의 정밀한 관찰과 분석을 위해서 최종적으로 비점수차 코일의 역할은 필수적입니다. 고해상도 이미지의 획득을 통해 과학자들은 미세 구조를 더욱 세밀하게 분석하고 연구의 정확도를 높일 수 있게 됩니다.
이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)
이차전자 검출기(SED)는 주사전자현미경(SEM)에서 핵심적인 역할을 수행하는 기기로, 시료의 표면에서 발생하는 이차전자를 Detector 에 받아들여 고해상도의 표면 이미지를 생성하는 데 사용됩니다. 이차전자는 에너지 수준이 상대적으로 낮으며, 시료의 표면 모양과 세부적인 구조 정보를 담고 있습니다. 검출기의 상대적으로 낮은 제작비용과 운용의 편리함 덕분에 SEM 분야에서 널리 활용되고 있습니다.
우선 작동원리는 다음과 같습니다. 이차전자가 검출기 내부의 형광물질(scintillator)을 맞닥뜨리면, 형광물질은 활성화되어 빛을 방출합니다. 방출된 빛은 빛 전달체(light guide)를 통해 PMT(photomultiplier tube)까지 전달되는데, PMT의 끝에 있는 광전자 발생물질(photocathode)에 충돌하여 전자(광전자)를 방출하게 됩니다. 이러한 광전자는 photomultiplier 내에서 전자의 수를 증폭시키며, 이 과정에서 발생한 약한 전압은 SEM의 사전 증폭기 및 증폭기에서 더 세밀하게 증폭됩니다. 최종적으로, 증폭된 전기신호는 디지털 신호로 변환되어 영상처리 과정을 거쳐 고해상도 이미지를 형성하게 됩니다.
X선 분석: EDS / WDS
SEM에서 발생하는 1차 전자와 고체 시료 사이에서 전자가 방출되면서 그에 따라 여러가지 에너지들이 방출 됩니다. X선 및 장파장 가시광선과 같은 다양한 신호를 방출하게 되는데, 이러한 신호들을 효과적으로 검출하고 분석하기 위해, EDS(energy dispersive spectrometer), WDS(wave dispersive spectrometer) 같은 고급 분석 장비들을 사용해야 합니다. 이 기기들은 시료에 조사된 1차 전자빔이 야기하는 특성 X선의 강도를 측정하여, 원소의 분포도를 파악하고 정성적 및 정량적 분석을 합니다.
EDS는 시료에서 방출되는 X선의 에너지를 분산시켜 원소를 식별합니다. 이 과정을 통해, 시료 구성성분의 정성적 및 정량적 정보를 얻을 수 있습니다. WDS는 X선의 파장을 기반으로 원소를 분석하는 장비입니다. 높은 분해능과 정확도를 자랑하며, EDS에 비해 더 정밀한 원소 분석이 가능합니다.