SEM 구조 – (2) 주사전자현미경의 전체적인 구조와 구성

Last Updated on 2024-03-03 by BallPen

SEM 구조 및 구성에 대한 전반적인 내용을 살펴보겠습니다.

SEM 구조 및 구성 외에 SEM과 관련된 다른 글들도 다양하게 보실 수 있습니다.

(1) 주사전자현미경과 관련된 기초 물리학 이론
(2) 주사전자현미경의 전체적인 구조와 구성
(3) SEM 전자총 원리와 총을 갖고 싶던 어린 시절의 값비싼 추억
(4) 주사전자현미경에서 ‘주사’란 무엇인가?

SEM 구조와 구성에 대해 이번 글에서는 전반적으로 설명드리고, 각 부분의 세부적인 내용은 별도의 글에서 다시 설명드리겠습니다.

SEM 구조

SEM 구조는 아래 그림과 같습니다.

기본적으로 경통(electron-optical column), 진공계통(vacuum system), 전자검출기(electron detector), 표시부(display system)로 이루어져 있습니다.

경통부 (electron-optical column)

위에서부터 아래 방향으로 설명 드리겠습니다.

가장 위에 있는 전자총(electron gun)은 전자빔(electron beam)을 생성하기 위한 장치입니다. 이 장치에서 전자가 처음 만들어지게 됩니다.

생성된 전자들은 집속렌즈(Condenser lens)를 거쳐 좁은 영역으로 모아지게 됩니다. 이 렌즈는 우리가 흔하게 볼 수 있는 유리렌즈가 아닙니다. 원통형태의 전자석으로 구성되어 있는 전자기렌즈입니다.

자기장 B내에서 속력 v로 움직이는 전자 q가 받게 되는 힘 F를 이용해 전자의 진행방향을 한 곳으로 모을 수 있습니다. 관련 식은 아래와 같습니다.

\vec{F}=q \vec{v} \times \vec{B}

집속렌즈 아래쪽에는 주사코일(scanning coil)이 있습니다. 이 장치는 시료 표면에 도달하는 전자빔 spot을 x와 y축 방향으로 주사(scanning)하기 위한 것입니다.

여기서 주사라고 하는 용어가 다소 생소하게 들릴 수 있습니다. 나중에 이에 대해 별도로 글을 올릴 예정이므로 그때 세부적인 내용은 참고해주세요. 일단은 ‘주사’라고 하는 단어가 ‘전자현미경’과 결합하여 ‘주사전자현미경’이 된 것입니다.

주사코일을 지나면 시료와 가장 가까이 있는 또 하나의 전자기 렌즈로서 대물렌즈가 있습니다. 이 렌즈를 거치면 바로 시료 표면위에 전자 빔이 동그란 spot을 만들게 됩니다. 이 과정에서 spot의 형태가 원형이 되도록 보정하는 비점수차 보정코일(stigmator) 등이 추가적으로 장착되기도 합니다.

가장 아래에는 시료가 장착되는 시료고정장치(stage)가 있습니다. 이 장치는 시료에 대해 x, y, z축으로의 이동 뿐만 아니라 회전 및 기울기를 조절할 수 있도록 되어 있습니다.

진공계통 (vacuum system)

진공계통은 경통속의 공기를 뽑아내어 진공을 만들기 위한 장치들입니다.

기계적인 펌프로서 로터리펌프(rotary pump)가 저진공펌프로 장착되고, 고진공 펌프로는 확산펌프(diffusion pump)나 터보펌프(Turbo pump) 등이 보통 장착됩니다.

경통속을 진공으로 만드는 이유는 전자총에서 생성된 전자가 시료까지 전달되는 과정에서 공기분자와의 충돌을 최소화하기 위한 것입니다. 공기와의 충돌이 많아지면 시료까지 전자가 도달할 수 없습니다.

전자검출기 (electron detector)

전자검출기는 전자현미경에서 아주 중요한 부품중의 하나입니다. 전자빔이 시료를 주사하게 되면 시료로부터 방출된 이차전자나 후방산란전자들을 정밀하게 검출하기 위한 장치입니다.

이 장치가 효과적으로 동작되어야 우리가 볼 수 있는 전자현미경 영상을 만들게 됩니다.

주사전자현미경에서 사용되는 검출기는 전자검출기만 있지 않습니다. 최신의 현미경은 X선 검출기도 장착되어 활용되기도 합니다.

표시부 (display system)

표시부는 검출기가 검출한 신호를 처리하여 컴퓨터 모니터에 출력하는 역할을 합니다.

출력되는 영상을 보며 적당한 관찰영역을 선택하거나 시료의 표면이나 단면부에 대한 실시간 영상을 볼 수 있습니다.

물론 관찰되는 이미지는 컴퓨터 파일의 형태로 저장할 수도 있습니다.

SEM 구조 및 구성에 대한 외부 모습

아래 사진은 실제 SEM의 외부 모습입니다.

위 사진은 TESCAN의 VEGA 모델인데요. 제작사별로 외부 모습은 다소 서로 다릅니다. 그래도 SEM의 기본 구조와 구성은 동일하답니다.

사진에서 왼쪽 부분에 불룩 솟아있는 것이 경통부입니다. 이 안에 전자총, 각종 전자기렌즈와 시료고정장치가 장착되어 있습니다.

경통부 옆에 삐죽삐죽 장착된 것이 검출기 입니다. 현재 사진에서는 전자검출기와 X선검출기가 장착되어 있습니다. 뒤쪽으로도 또 하나의 전자검출기가 있습니다만 사진에서는 보이지 않습니다.

경통부 아래의 책상 몸체를 구성하는 하얀색 상자가 보이는데요. 그 안에 진공계통이 들어 있습니다. 그래서 경통부 내부의 공기를 펌프로 뽑아내어 진공을 만들게 됩니다.

사진의 오른쪽에 표시부로서 모니터가 보이고 그 아래쪽에 구동 컴퓨터 본체가 있습니다.

이상으로 SEM의 전반적인 구조와 구성에 대해 말씀드렸습니다. 다음 글에서는 각 부분들의 보다 구체적인 내용을 다루겠습니다.

정리하면,

• 주사전자현미경은 경통부, 진공계통, 전자검출기, 표시부로 구성되어 있다.
• 제조사별로 외부 모습은 다소 다를 수 있어도 기본적인 구성은 동일하다.

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