전자현미경(SEM)의 엣지(Edge)효과와 차징(Charging)현상

오늘은 SEM 분석 시 발생하는 이미지 왜곡 현상에 대해 이야기를 나눠볼까 합니다. 아마 전도성이 낮은 시료를 분석하면서 많은 분들께서 겪을 수 있는 문제 같은데요. 대표적인 현상과 발생하는 이유에 대해 소개하고, 해당 현상들을 완화할 수 있는 방법에 대해 알려 드리겠습니다.

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전자현미경은 전자를 시료 표면에 주사했을 때 표면에서 발생하는 2차전자(Secondary Electorn)와 같은 다양한 신호를 변환해 표면을 분석하는 기기입니다. 전자를 사용하다 보니 전도성이 높은 시료를 분석할 때는 큰 문제가 없지만 전도성이 낮은 소재를 분석할 때는 종종 문제가 발생하곤 합니다.

대표적으로 지금 말씀드릴 차징(Charging effect)은 비전도성 소재에서 전자의 방출이 원활하지 못하여 발생하게 되는데요. 시료 표면에 지속적으로 전자가 주사 되기 때문에 분석 중 전자가 잘 방출되는 것도 매우 중요한데, 전도성이 낮은 시료를 분석하는 경우 주사된 전자가 방출되지 못하면서 문제가 발생할 수 있는 것입니다.

아래 그림처럼요.

위처럼 전자의 축적으로 인해 차칭 현상이 발생할 때의 대표적인 증상은 아래의 이미지 붉은 부분과 같이 특정 부분이 하얗게 빛나는 것과 같은 현상이 관찰될 수 있는데요. 이것은 축적된 전자로 인해 비정상적으로 많은 양의 전자가 방출되기 때문에 발생합니다.

이와 더불어 이미지의 노이즈, 균일하지 못한 밝기(어느 부분은 매우 밝고, 어느 부분은 매우 어두운) 등 많은 왜곡이 발생할 수 있습니다.

차징 외의 대표적인 현상으로는 Edge effect가 있습니다. 이 현상은 엄밀히 말하면 문제로 간주되지는 않고, 자연스러운 현상이지만 이미지에 영향을 주는 부분이 있기 때문에 줄이는 것이 도움이 될 수 있는 현상인데요.

이것은 시료의 가장자리, 경계 부분 등에서 기하학적인 구조로 인해 발생하는 현상입니다. 전자가 방출될 때 이런 위치들에서 더 많은 양의 전자가 방출되기 때문인데요. 아래 그림을 보면 쉽게 이해가 될 것 같습니다.

보시는 것과 같이 표면에 전자를 주사했을 때 보다 모서리 쪽에 주사했을 때 벽면 측으로 빠져나오는 전자가 더 많은 것을 볼 수 있는데요. 이런 이유로 인해 모서리가 더 밝게 보일 수 있는 것입니다. 이미지에서는 어떤 식으로 나타나는지 보겠습니다.

위 사진을 보면 어떤 구조의 가장자리가 하얗게 강조되는 것을 볼 수 있는데요. 이것이 바로 Edge effect 입니다. 이미지를 관찰하는 데 큰 문제가 되는 것은 아니지만 경우에 따라서는 특별한 부분으로 오인을 할 수도 있기 때문에 특별히 해당 현상을 이용하는 것이 아니라면 최대한 줄이는 것이 좋습니다.

오늘은 이렇게 이미지의 왜곡에 대해 알아보았습니다. 자주 발생하는 현상이지만 분석에 영향을 줄 수 있기 때문에 줄이는 방향이 정확한 분석에 더 도움이 되는데요.

이런 현상들은 기본적으로 전도성 코팅과 시료의 완전한 고정을 통해 줄일 수 있지만, 분석 조건 조정 등 SEM 분석자의 노하우에 따라서도 같은 조건에서 많은 차이가 발생하기도 하는데요. 그렇기에 더욱 분석은 전문가에게 의뢰하는 것이 가장 효율적으로 정확한 분석을 할 수 있는 방법인 것 같습니다.