현미경의 종류와 FE-SEM (전계방출형 주사전자현미경)
광학 현미경(OM)부터 투과 전자 현미경(TEM) 까지 현미경의 종류와 개요
다양한 현미경(Microscopy)의 종류
현미경은 시료의 이미지를 확대하여 미세 구조를 육안으로 관찰하고 분석할 수 있도록 도와주는 장비입니다. 바이오, 반도체 등 소재뿐만 아니라 다양한 연구 및 산업 분야에서 기초 연구의 핵심 도구로 활용합니다.
현미경은 작동 방식에 따라서 광학 현미경 또는 전자현미경으로 분류되고 그 안에서 분석 원리에 의해 세분화됩니다. 일반적으로 접하기 쉬운 광학 현미경부터 전문 분석이 필요한 전자 현미경이 있습니다.
| 구분 | 광원 | 분석 범위 | 특징, 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|---|
| 광학현미경, OM (Optical Microscope) |
가시광선 | 최대 수천 배 | 시료 준비가 간단하고, 컬러 이미지로 확인할 수 있음 | 전자 현미경에 비하여 관측 배율이 낮음 |
| 주사전자현미경, SEM (Scanning Electron Microscope) |
가속 전압 (1kV – 30kV) |
최대 수십만 배 | 나노 미터 단위의 시료 표면과 형상을 3D로 확인할 수 있음 | 컬러 이미지 확인이 불가하며, 전압에 의해 시료가 손상될 수 있음. |
| 투과전자현미경, TEM (Transmission Electron Microscope) |
가속 전압 (60kV – 300kV) |
최대 백만 배 이상 | 시료 내부 구조를 SEM 보다 더욱 고배율로 관찰 | 컬러 이미지를 확인할 수 없고, 시료 준비 난이도가 높으며, 시료가 손상 될 수 있음. |
광학현미경 이미지 예시
출처: Wiki (링크)
TEM이미지 예시
출처: Wiki (링크)
FE-SEM 이란 무엇일까?
FE-SEM 이미지 예시 (MCC 직접 촬영)
저희 MCC는 넓은 범위의 배율에서 고해상도 이미지를 얻을 수 있는 최신 FE-SEM을 운용하고 있습니다. 많은 연구원분들께서도 헷갈려 하시는 일반 SEM과 FE-SEM의 차이를 간단히 소개하겠습니다.
현재는 많은 전자 현미경 분석에서 FE-SEM을 이용하고 있는 추세로, SEM과 FE-SEM을 크게 구분하지 않고 사용합니다. FE-는 Field Emission-의 약자로 일반 SEM에서 더 발전된 전자빔 방출 기술인 전계 방출형 전자총을 의미합니다.
일반 SEM은 열 방출형 전자총을 사용하며 필라멘트를 직접적으로 가열해 전자를 방출 시키는데요. 이때 발생하는 고열로 인해 시료의 손상이 발생할 수 있고 비교적 균일하지 않은 전자 방출로 인해 전자빔 자체의 품질이 낮은 특징이 있습니다.
하지만 FE-SEM은 비교적 저온에서 높은 세기의 전기장을 이용해 안정적으로 전자를 방출 시킵니다. 즉, 시료의 손상이 적고 균일한 전자 방출이 가능한 것이지요. 이에 따라 주사된 전자 밀도가 높아지므로 일반 SEM에 비하여 저손상, 고해상도 결과를 얻을 수 있다는 큰 장점이 있습니다.
SEM VS FE-SEM
※ 기기 별 사양에 따라 다를 수 있음.
| 구분 | 일반 SEM | FE-SEM |
|---|---|---|
| 전자총 | 열 방출형 전자총 | 전계 방출형 전자총 |
| 가열 온도 | 2,800 K | 1,400 K |
| 전자총 진공도 | 고진공 1 – 1/100 mTorr |
초고진공 1/10,000 – 1/1,000,000 mTorr |
| 전자빔 전류 | 높음 | 낮음 |
| 전자빔 품질 | 낮음 | 높음 |
| 최대 확대 배율 (기기 사양에 따라 다름) |
약 300,000 배 | 600,000 배 이상 |
| 해상도 | 수십 나노 미터 | 약 1 nm |
| 시료 손상 정도 | 높음 | 비교적 낮음 |
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