SEM , TEM

1 SEM, TEM

2. SEM 과 TEM의 원리와 특징을 파악하고 이해할 수 있다.

3.이론

기계과와 재료과의 가장 큰 차이점은, 우리는 재료의 미세조직을 파악하고 그것을 효과적으로 제어할 수 있다는 점이다. 그렇다면, 결정립과 결정립계가 존재하는 조직(structure)의 정도를 어떻게 관찰하고 파악할 수 있을까?

[그림1] 에코프로비엠사의 하이니켈 계 시스템 관련 미세조직 모습이다.

 

미세조직(microstructure)이라고 불리는 이런 단위의 조직이 금속조직학의 주제가 된다. 이름에서도 그 뜻을 알 수 있듯이 금속 뿐만 아니라 다른 고체, 그리고 심지어 액상물질에 대한 연구도 포함된다. 이때 이 모든 것을 관측할 수 있게 도와주는 기구가 바로 광학현미경이다. 광학현미경, optical microscope는 원자간 거리의 크기보다 큰 파장의 빛을 사용하는 한, 회절효과는 중요하지 않으며, 선명한 상을 얻을 수 있다. 그러나 알다시피 광학현미경은 육안으로 관측하는 것이다 보니 매우 미세한 조직을 살펴보기에는 한계가 있다. 따라서 TEM과 SEM에 대해서 소개하려고 한다. 먼저 SEM이다.

 

 

 

 

Scanning Electron Microscope, 그 이름에서도 뜻을 유추할 수 있듯이 재료의 표면을 전자 빔으로 스캔함으로 써 관측할 수 있다. TEM과 달리 우리가 SEM을 통해 궁극적으로 얻고자 하는 것은 재료의 표면에 대한 정보이다.

 

 

 

 

 

 

따라서 재료의 표면을 전자 빔을 통해 Scan하여 image화 시키는 전자현미경으로 SEM을 생각할 수 있다. 이때, 양극과 음극사이를 오고 가는 전자를 가속화 시켜 시료표면에 충돌시키면, 시료에서 전자와 같은 물질이 튀어나온다. 이를 이차전자라고 부른다. 그리고 이것을 detector을 통해 검출하고 높은 전압을 걸면 빛을 나타나게 된다.

다시 말해 주사전자현미경은 높은 에너지의 전자 빔을 이용하여 전자가 시편과 충돌할 때 발생하는 이차 전자, 반사전자, X-선 등을 검출하여 확대상을 촬영하는 장치이다. 이에 따라 전자현미경(SEM)은 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

 첫째, 분해능이 높기 때문에 고배율로 물체를 관찰할 수 있다. 열방사형 SEM은 10만배 전계방사형 SEM (FESEM)은 최대 100만배까지 확대상을 얻을 수 있다.

둘째, SEM은 고배율 뿐 아니라 10~100배의 저배율 관찰에도 사용할 수 있다. SEM은 렌즈를 교환하지 않고 단지 코일에 흐르는 전류를 변화시켜 배율을 조절할 수 있기 때문이다. 일 반적으로 저배율에서 넓은 면적을 관찰한 후 관심 있는 미세영역을 고배율로 관찰한다.

 

 

 

 

셋째, SEM은 광학현미경과 달리 피사 계 심 도가 대단히 깊다. 피사 계 심도란 관찰 대상물의 확대영상에서 초점이 맞는 깊이 범위를 말 한다. [Figure 1.]는 광학현미경과 전자현미경으 로 측정한 영상으로서 SEM 영상은 이차원 데이터임에도 불구하고 마치 3차원 이미지와 유사하여 물체를 훨씬 정확하게 관찰할 수 있다. 따라서 SEM은 요철이 심한 파단면의 관찰이나 표면조도가 큰 시료를 관찰하는데 매 우 유리하다.

넷째, 최근 SEM은 디지털 영상을 제공하기 때문에 영상의 저장은 물론 영상에 대한 다양 한 분석이 가능하다.

다섯째, 다양한 검출기 및 주변기기를 장착하여 응용분야를 확장할 수 있다. 특히, X선 분광분석기(EDS)는 짧은 시간에 미세영역의 성분을 분석할 수 있기 때문에 이차전자 검출 기와 함께 필수적 검출기법이 되고 있는 추세이다.

 

한편, SEM의 단점이라면 우선, 고전압(0.5~ 30 kV)을 사용하여 가속전자를 발생시키므로 여러 가지 복잡한 장치가 요구되며, 전자 빔을 이용하기 때문에 진공(10-5 torr 이하)이 필수 적이다. 이 두 가지 요소(고전압과 진공기술) 로 인해 전자현미경은 크고 복잡하며 가격 또 한 비쌀 수밖에 없다. 한편, 전자현미경에서는 부도체 시료의 경우 전자 빔의 전자가 시료에 축적되어 궁극적으로 전자 빔을 밀어내는 역할 을 하게 되므로 이미지가 왜곡된다. 이 때문에 부도체 시료의 경우 표면을 Au 또는 Pt 등의 전도체로 코팅을 해야 하는 번거로움이 존재한다.

 

 

투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)

 

고체 시편에서 깊이에 따른 미세조직을 얻기 위한 노력으로, 관찰하고자 하는 재료의 두께를 수천 옹스트롬까지 줄이기 위하여 많은 기술들이 발전해 왔다. 이 정도 두께의 재료는 전자빔이 투과할 수도 있다. 이런 방법들은 전해연마, 다이아몬드 칼날로 얇게 자르는 것 등을 포함한다. 이 기술로 준비된 시편은 매우 얇아서 전자빔이 시편을 통과할 수 있고 현미경의 화면에 상을 맺히게 한다. 투과전자현미경에서 생성된 상은 변형(strain)과 격자불완전에 의해 야기된 회절 효과들에 강하게 의존한다. 따라서 투과전자현미경은 전위선 그 자체에서 전위를 직접적으로 관찰할 수 있게 하기 때문에 매우 중요하다.  물론 각각의 원자들을 관찰 할 수 있을 정도로 뛰어나지는 않지만, 격자변형에 의한 결정학적인 불완전함이 있을 때에는 그 변형은 화면에 맺히게 된다. 다시말해 전위선(원자배열)은 관찰할 수 있지만 ,개별 원자들은 관찰할 수 없다.

 

 

 

이처럼 투과전자 현미경을 통해 재료의 미세조직에 대해서 탐구할 수 있다. 따라서 원자배열,재료의 성분, 전위 ,시편의 앞면 뒷면 동시관찰등과 같은 장점이 존재하지만, 높은 진공상태, 구조의 복잡성 조작의 어려움, 마지막으로 높은 가격등으로 인해 실험에 어려움을 겪고 있다.

 

 

 

이처럼 목적에 맞게 투과전자 현미경과 주사전자현미경을 사용할 수 있다.

 

4.Reference

1. 주사전자현미경의 기본원리와 응용(Part I) 정 석 균†⋅전 정 범 주식회사 코셈 부설연구소 Principle and Application of Scanning Electron Microscope Seok Kyun Jeong† and Jung‐Bum Chun Electron Microscope Research Center, COXEM Co., Ltd

2. 도서

금속 현미경 조직학

김정근; 김기영; 박해웅

서울 : 골드; 2012.

3. 주사전자현미경의 기초

일본전자현미경학회 관동지부; 황인옥; 김재천

서울: 반도출판사; 1994