FE-SEM의 주요 구조와 기능 및 작동 원리

가시광선이 아닌 전자를 이용하는 SEM은 어떻게 시료 표면의 이미지를 보여줄 수 있을까요? 이번 포스팅에서는 FE-SEM의 작동 원리를 알아보겠습니다. 먼저 FE-SEM 장비의 주요 구조를 아래 그림에서 확인해 주세요.

정말 복잡한 구조입니다. 훨씬 더 많은 부품과 각각의 기능이 있지만 분석자 입장에서 이해하는데 필요한 핵심 부품들만 표현을 한 것입니다. 그림 상 각 부분의 기능은 다음과 같습니다.

FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy)에서 전자가 디텍터에 검출되면 이미지를 형성하게 되는데요. 그 과정은 아래와 같은 원리로 이루어 집니다.

1. 전자빔의 방출: FE-SEM에서는 전자총에서 방출된 전자를 전자렌즈 시스템이 가속하고 집속하여 얇은 전자빔을 형성합니다. 이 전자빔은 샘플 표면에 초점이 맞춰지고 매우 작은 영역을 스캔하면서 움직입니다.

2. 전자-샘플 상호작용: 전자빔이 샘플에 도달하면, 샘플의 원자들과 상호작용하여 다양한 신호가 발생합니다. 이 상호작용에 의해 발생하는 신호에는 크게 SE(2차 전자)와 BSE(반사 전자)가 있으며, 각각 다른 정보를 제공합니다.

• SE (2차 전자): 샘플의 얕은 표면층에서 발생하며, 표면의 미세한 구조와 텍스처를 나타내는 데 유리합니다.
• BSE (반사 전자): (전자빔에서 방출된 전자 중) 시료 표면의 원자들에 의해 산란되어 다시 나오는 전자. 원자에게 영향을 받게 되어 표면 구성 물질의 종성 또는 밀도에 따른 intensity 차이가 발생함.

2. 검출기에서 신호 수집:

SE와 BSE 신호를 각각의 검출기가 수집합니다. 검출기는 전자 신호를 받아 이를 전기 신호로 변환합니다. 이 신호는 전자의 강도와 샘플의 특정 위치에 대한 정보를 포함하고 있습니다.

3. 신호의 처리 및 이미지 형성:

전기 신호로 변환된 데이터는 컴퓨터로 전송되어 각 위치의 신호 강도에 따라 명암을 부여해 이미지를 형성합니다. 샘플 표면의 작은 위치를 스캔하여 데이터가 축적되므로, 모든 위치에 대한 신호 세기가 모여 전체적인 이미지를 형성하게 됩니다.

4. 이미지의 구성 및 해석:

컴퓨터는 각 위치에 대한 신호 세기를 밝기로 변환하여 최종 이미지를 화면에 표시합니다. SE와 BSE 모드 각각의 이미지화는 다른 특성의 정보를 제공하므로, 사용자는 분석 목적에 맞는 모드를 선택하여 샘플의 구조적 또는 조성적 정보를 얻을 수 있습니다.

이 과정에서 발생하는 신호의 차이에 따라 SE 이미지는 표면의 미세한 텍스처를, BSE 이미지는 원자 번호에 따른 명암 차이를 반영하여 다양한 분석에 활용할 수 있습니다. 이 부분은 다음 포스팅에서 더 자세히 다뤄 보겠습니다.