OM, SEM 분석 정의와 기본 원리
재료를 연구함에 있어서 실험 자체도 중요하지만 실험의 결과는 언제나 분석하는게 중요하다고 할 수 있습니다.
많은 신소재공학과 및 재료공학과 학생들은 실제로 대학교 교수님의 연구실에 들어가기 전까지는 연구 장비를 접해볼
기회가 많이 없어 연구실 스타일의 분석 장비 기본 시리즈를 준비하게 되었습니다.
연구를 시작한 학생 또는 직장인 혹은 장비에 대한 이해가 필요하신 많은 연구자 분들께 도움이 되었으면 합니다.
** 본 내용의 간단 정의**
* OM (Optical microscope): 초등학교~고등학교 과학시간에 사용하는 우리가 아는 일반적인 확대 현미경
* SEM (Scanning electron microsopce): 전자 현미경으로 불리우며 OM보다 백배 이상 확대가 가능한 고기능 현미경
* SEM은 OM 보다 더 높은 배율을 확대 할 수 있는 고기능 현미경
1) OM과 SEM의 분석 차이
재료 분석중 가장 기본이 되는 현미경에 대해서 설명드리겠습니다.
재료 연구에서 사용하는 아주 기본중에 기본적인 현미경으로 크게 아래 2개로 나뉘어 진다고 할 수 있습니다.
(현미경 중에도 TEM등 과 같은 많은 고기능 분석 현미경이 존재함을 미리 알려드립니다. )
OM (optical microscope) = 광학 현미경 / SEM (Scanning electron microsopce) = 주사 전자 현미경
먼저 2 가지의 현미경을 처음 들어보신 분들을 위해 간단히 분류를 해보면
OM의 경우 수백만원~수천만원 정도 가격대로 규모가 있는 대학교 연구실 혹은 학과 마다 1~3대 정도 씩은 있는
초~고등학교 과학실에서 흔히 볼 수 있는 현미경입니다.
SEM의 경우에는 수천만원~수억을 하는 OM 보다는 훨씬 고기능의 값이 비싼 분석 장비라고 할 수 있습니다.
그림. OM VS SEM
그럼 각 현미경의 샘플 이미지를 통해서 한번 더 차이를 구분해 보겠습니다.
(모기 날개 분석 샘플 이미지 입니다)
위의 그림에서 확인 할 수 있듯이 SEM을 통하여 수천 및 수만배 확대를 하였을 때 OM으로는 확인이 불가능한 보다
작은 내용들을 확인 할 수가 있습니다. 이러한 현미경 환경을 을 통하여 많은 신소재 분야에서 자신의 주제에 맞는
눈에 보이지 않은 작은 현상들을 분석 할 수 있습니다.
표. SEM과 OM의 간단한 분석 스팩 차이
특히 두 현미경은 여러 차이가 있지만 광원에 큰 차이를 보이고 있습니다.
OM의 경우에는 전구 혹은 가시광선 (일반적인 빛)과 대물렌즈 접안렌즈를 통한 돋보기와 같은 단순 확대 현미경이라고
할 수 있으며,
SEM의 경우는 진공의 챔버 안의 기기에서 전자를 방출하고 전자가 시편에 충돌 후 회절(튀어나옴) 되는 전자를 스캔해
컴퓨터 이미지로 만드는 구조를 사용하고 있습니다.
2) SEM의 작동 원리
*원리 한줄 정리: 진공 챔버 안에서 전자를 시편에 충돌 시키고 튀어 나오는 전자를 스캔하여 이미지로 만든다.*
기본적으로 장비의 작동 원리를 정확하게 알아야만 모든 연구를 진행할 수 있는 것은 아닙니다.
현미경은 말 그대로 시편을 확대 이미지로 분석하는 것이기 때문인데요. 하지만, 분석 장비의 간단한 작동 원리를
통해 SEM의 추가적인 기능 BSE, EDS, EBSD 등등의 여러 고기능 분석들을 사용에 대한 이해도가 높일 수 있습니다.
SEM은 여러 구조로 되어 있지만 간략하게 주로 전자총 (electron gun), 시편, 충돌 후 튀어 나오는 전자의 스캐너
시스템으로 이루어져 있습니다.
장비는 진공으로 이루어진 챔버 안에서 분석이 이루어지는데 진공 환경은 전자총에서 생성된 전자가
시편까지 안정하게 도달 하기 위함으로 생각하시면 될 것 같습니다.
전자는 시편의 표면에 충돌하고 반사 되면서 여러가지 아래 그림과 같은 특징이 나타납니다.
크게 시편에 충돌후 전자의 산란으로 3가지 현상이 나타납니다.
1. 시편 표면에 도달한 전자가 충돌로 에너지를 손실하고 2차 전자가 튀어 나옴 (비탄성 산란)
2. 시편에 도달한 전자가 에너지를 보존한 채로 튀어 나옴 (탄성 산란)
3. 전자의 산라에 따른 x-선 방출 ( 전자가 방출됨에 따른 에너지 차이로 x-ray 방출_추가 자세한 설명 제외)
여기서 1번의 영역인 비탄성 산란이 SEM 분석에서 사용하는 전자로 표면의 충돌을 통하여 표면의 현상을 에너지를 잃어 버리는 현상으로 정보를 담고 있어 스캐너가 이를 이미지로 만들어 우리가 확인 할 수 있는 것입니다.
이러한 SEM 분석은 연구의 경향성 및 결과를 이미지화 시키고 이를 이용하여 추가적인 연구를 진행하는 역할을 수행 한다고 할 수 있습니다.
(다른 현상에 대한 내용은 BSE, EDS 등의 분석에서 다시 다루도록 하겠습니다.)
우리가 눈으로 볼 수 없는 작은 현상들을 분석하고 이를 개발 하시는 연구원님들의 도움이 되는
작은 글이기를 희망 합니다.
오늘 포스팅 요약
1. 재료 연구의 기본인 현미경 분석 (실험의 결과를 이미지로 분석)
2. OM, SEM 현미경의 차이점 (SEM 일반적인 현미경이 아닌 고기능 고배율 현미경)
3. SEM의 간단 원리 (전자총에서 나온 전자가 시편에 맞고 튀어 나오며 그걸 스캔해 이미지화 한다)
4. 추가적인 SEM의 기능 들은 다음 글에서 설명 계획
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