주사전자현미경
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1. 개요
주사전자현미경(SEM)은 전자빔을 시료 표면에 주사하여 발생하는 신호를 검출, 증폭하여 시료의 표면 형상을 이미지로 나타내는 현미경이다. 1937년 만프레트 폰 아르덴에 의해 고해상도 SEM이 개발되었으며, 1965년에는 최초의 상용 장비가 출시되었다. SEM은 전자총, 전자 렌즈, 검출기 등으로 구성되며, 이차 전자, 후방 산란 전자, 특성 X선 등의 신호를 활용하여 이미지를 생성한다. 배율은 10배에서 3,000,000배까지 조절 가능하며, 반도체 및 재료 과학, 생명 과학, 법과학 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한, ESEM(환경 주사전자현미경)과 STEM(주사 투과 전자 현미경) 등 특수한 형태도 존재하며, 3차원 이미지 획득 및 이미지 색상 처리 기술도 발전하고 있다.
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전자현미경은 전자선을 이용하여 광학 현미경의 분해능 한계를 넘어선 고배율 이미지를 얻는 현미경으로, 투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경, 주사 투과 전자 현미경 등 다양한 종류가 있으며, 생물학, 재료공학 등 여러 분야에서 활용되지만 시료 준비, 장비 및 유지 비용, 진공 환경 등의 단점도 존재한다.
| 주사전자현미경 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 설명 | 작은 빔이 샘플을 가로질러 스캔하는 전자 현미경 |
| 유형 | 전자 현미경 |
| 관련 기술 | 주사 터널링 현미경 |
| 작동 원리 | |
| 전자빔 생성 | 전자총에서 생성된 전자빔을 사용 |
| 빔 스캔 | 샘플 표면을 가로질러 전자빔을 스캔 |
| 신호 감지 | 샘플에서 방출되는 이차 전자, 후방 산란 전자 등을 감지하여 이미지 생성 |
| 이미지 생성 | 감지된 신호를 처리하여 샘플 표면의 이미지를 구성 |
| 주요 특징 | |
| 고해상도 | 높은 배율과 해상도로 표면 관찰 가능 |
| 다양한 신호 감지 | 이차 전자, 후방 산란 전자 등 다양한 신호를 감지하여 다양한 정보 획득 가능 |
| 3차원 이미지 | 표면의 3차원 정보를 얻을 수 있음 |
| 시료 준비 | 시료 전처리가 필요할 수 있음 (전도성 코팅 등) |
| 진공 환경 | 일반적으로 높은 진공 환경에서 작동 |
| 활용 분야 | |
| 재료 과학 | 재료의 미세 구조 분석, 결함 분석 |
| 반도체 | 반도체 소자의 결함 분석, 공정 개발 |
| 생물학 | 세포, 조직 등 생체 시료의 표면 관찰 |
| 의학 | 질병 진단, 병리학 연구 |
| 기타 | 법의학, 고고학 등 다양한 분야에서 활용 |
| 변형 및 발전 | |
| 환경 주사 전자 현미경 | 저진공 또는 습윤 환경에서 시료 관찰 가능 |
| 주사 투과 전자 현미경 | 샘플 내부 구조 관찰 가능 |
| 냉동 주사 전자 현미경 | 생체 시료를 손상 없이 관찰 가능 |
2. 역사
맥멀런은 주사전자현미경 초기 역사에 대한 설명을 제시했다.[2][3] 막스 크놀은 전자빔 스캐너를 사용하여 채널링 대비를 보여주는 50mm 물체 시야 폭의 사진을 제작했다.[4] 1937년, 만프레트 폰 아르덴은 축소되고 정밀하게 초점이 맞춰진 전자빔으로 매우 작은 래스터를 스캔하는 방식으로 고해상도의 현미경을 발명했다.[5] 같은 해, 세실 E. 홀(Cecil E. Hall) 역시 토론토 대학교의 지도교수 E. F. 버튼의 지시를 받은 지 2년 만에 북미 최초의 방출 현미경 제작을 완료했다.[6] 아르덴은 투과전자현미경(TEM)의 해상도를 능가하고 TEM 이미징의 문제점인 색수차를 줄이기 위해 전자빔 스캔 방식을 적용했다. 그는 다양한 검출 방식, 가능성, SEM 이론과 함께 --의 제작에 대해서도 논의했다.[7][8] 이후 블라디미르 K. 즈보리킨의 연구팀이 연구를 이어갔고,[9] 1950년대와 1960년대 초에는 찰스 오틀리가 이끄는 케임브리지 연구팀이 연구를 계속했다.[10][11][12][13] 이러한 연구들은 1965년 캠브리지 과학기기 회사(Cambridge Scientific Instrument Company)가 "Stereoscan"이라는 이름으로 최초의 상용 장비를 출시하여 듀폰에 납품하는 결과로 이어졌다.
주사전자현미경(SEM)은 전자총에서 발생시킨 전자빔을 전자렌즈를 이용해 가늘게 모아 시료 표면에 주사(scan)하는 방식으로 작동한다. 전자빔이 시료 표면의 원자와 상호작용하면, 그 결과로 다양한 종류의 신호가 발생한다.[28]
3. 원리
주요 신호로는 이차 전자(Secondary Electron, SE), 후방산란 전자(Backscattered Electron, BSE), 특성 X선(Characteristic X-ray), 음극선 발광(Cathodoluminescence, CL), 흡수 전류 등이 있다.
이 외에도 음극선 발광(CL), 흡수 전류, 투과 전자 등 다양한 신호를 검출하여 시료의 특성을 분석할 수 있다.
SEM은 시료 전체에 전자빔을 쬐는 투과전자현미경(TEM)과 달리, 가늘게 모인 전자빔으로 시료 표면을 래스터 스캔 방식으로 주사한다. 각 주사 지점에서 발생한 신호(주로 SE 또는 BSE)를 검출하고, 그 강도를 컴퓨터 화면의 해당 위치 화소 밝기로 변환하여 2차원 이미지를 만든다. 이 과정은 매우 빠른 속도로 이루어져 실시간으로 시료 표면의 확대 이미지를 관찰할 수 있다.
매우 좁은 전자빔을 사용하기 때문에 SEM 이미지는 피사계 심도가 매우 깊어 시료 표면의 입체적인 구조를 잘 보여주는 특징적인 3차원적 외관을 제공한다.[29] 또한, 배율 범위가 약 10배에서 50만 배 이상으로 매우 넓어, 광학 현미경의 한계를 훨씬 뛰어넘는 고배율 관찰이 가능하다. 관찰 시에는 시료를 진공펌프를 이용해 고진공(10-3Pa 이상) 상태에 두어야 한다.
3. 1. 전자총
광학 현미경의 광원에 해당하는 주사전자현미경(SEM)의 전자선원, 즉 전자총에는 여러 방식이 있다.
과거에는 열전자 방출 방식을 사용하는 전자총이 주로 사용되었다. 대표적으로 텅스텐 필라멘트 음극을 사용하는데, 텅스텐은 모든 금속 중 녹는점이 가장 높고 증기압이 가장 낮아 전자 방출을 위해 전기적으로 가열하기에 적합하며, 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 또 다른 열전자 방출 방식으로는 육붕화란탄(LaB6) 음극을 사용하는 것이 있으며, 이는 표준 텅스텐 필라멘트 SEM의 진공 시스템을 개선하면 사용할 수 있다.
최근에는 전계방출형(Field Emission, FE) 전자총(FEG)이 널리 보급되고 있다. 이 방식은 음극(냉음극)에 높은 전압을 걸어 전자를 방출시키고, 제1 양극으로 전자선을 가속한 뒤 제2 양극 이후에서 전자선 속도를 제어한다. 전계방출형 전자총에는 텅스텐 단결정 방출체를 사용하는 냉음극형과, 열을 함께 이용하는 쇼트키(Schottky)형이 있다. 쇼트키형은 산화지르코늄으로 코팅된 텅스텐 단결정 방출체를 사용한다.
전계방출형 전자총은 열전자총에 비해 해상도가 높아 고배율 관찰에 유리하며, 전자빔을 만드는 필라멘트(프로브)의 수명이 길다는 장점이 있다. 다만, 저배율 관찰 시에는 많은 전류를 얻을 수 있는 열전자총의 이미지 품질이 더 좋을 수도 있다. 전계방출형 전자총을 사용한 SEM은 흔히 '''FE-SEM'''이라고 불린다.
3. 2. 전자 렌즈
주사전자현미경에서 전자빔을 제어하는 데 사용되는 전자렌즈는 크게 자계를 이용하는 전자기 렌즈와 전계를 이용하는 정전 렌즈로 나뉜다. 일반적으로 결상 제어에는 전자기 렌즈가 사용되며, 수차가 큰 정전 렌즈는 전자빔의 가속 및 감속에 주로 이용된다.
전자총에서 방출된 전자빔은 보통 0.2keV에서 40keV 범위의 에너지를 가지며, 하나 또는 두 개의 집속렌즈(콘덴서 렌즈)와 대물렌즈를 통과하면서 가늘게 모아진다. 이 렌즈들은 전자빔의 초점을 시료 표면에 맞추는 역할을 하며, 최종적으로 전자빔의 직경은 약 0.4nm에서 5nm까지 가늘어진다.
렌즈를 통과하여 초점이 맞춰진 전자빔은 전자 컬럼 내부에 있는 한 쌍의 주사 코일(스캐닝 코일) 또는 편향판에 의해 제어된다. 이 코일이나 판은 전자빔을 x축과 y축 방향으로 순차적으로 편향시켜 시료 표면의 직사각형 영역을 래스터 방식으로 주사(scan)한다. 이를 통해 시료 표면 전체의 정보를 얻어 영상을 구성할 수 있다.
3. 3. 신호 검출
주사전자현미경(SEM)이 이미지를 생성하는 데 사용하는 신호는 전자빔이 시료 내 다양한 깊이의 원자와 상호작용하여 발생한다. 이 상호작용의 결과로 다양한 종류의 신호가 만들어지는데, 주요 신호는 다음과 같다.
전자빔이 시료와 상호작용하며 에너지를 잃는 영역을 상호작용 부피라고 하며, 그 크기와 깊이는 빔 에너지, 시료의 원자 번호 및 밀도에 따라 결정된다. 시료에서 발생한 다양한 신호는 각각의 검출기로 감지되고 증폭 과정을 거친다. 이 신호는 전자빔의 래스터 스캔 방식과 동기화되어 컴퓨터 모니터 등 표시 장치 화면의 각 화소 밝기로 변환되어 최종 이미지를 형성한다. SEM은 신호 처리 과정을 통해 관찰 조건을 변경하지 않고도 이미지의 밝기와 명암을 조절할 수 있는 장점이 있다.
3. 3. 1. 이차 전자 (SE)
이차 전자(Secondary Electron, SE)는 전자빔이 시료 표면의 원자와 비탄성 산란 상호작용을 할 때 방출되는 전자를 말한다.[29] 이 전자들은 일반적으로 에너지가 약 50 eV 미만으로 매우 낮기 때문에, 고체 물질 내에서의 평균 자유 경로가 극히 짧다. 따라서 이차 전자는 시료 표면에서 가장 가까운, 깊이 수 nm 이내의 매우 얕은 영역에서만 방출될 수 있다.[28]
이러한 특성 때문에 이차 전자는 시료 표면의 미세한 형상 정보를 제공하는 데 매우 유용하다. 이차 전자 신호는 전자빔이 충돌하는 지점에 매우 가깝게 국한되어 발생하므로, 이를 이용하여 0.5 nm 미만의 높은 해상도로 표면 이미지를 얻을 수 있다.[28] 이차 전자를 이용한 이미지는 시료 표면의 입체적인 구조를 잘 나타내는 특징이 있다. 전자빔의 입사각이 표면에 수직일 때보다 기울어져 있을 때 더 많은 이차 전자가 방출되는데, 이로 인해 이미지에서 가파른 표면이나 모서리 부분이 평평한 부분보다 더 밝게 나타나는 '에지 효과(edge effect)'가 발생한다. 이는 이미지에 3차원적인 느낌을 부여하여 표면 구조를 이해하는 데 도움을 준다.[29]
주사전자현미경에서 이차 전자를 검출하는 데는 주로 에버하트-쏜리 검출기가 사용된다.[28] 이 검출기는 수집기-섬광체-광전증배관으로 구성된 시스템이다. 먼저, 약 +400V의 전압이 걸린 그리드가 시료에서 방출된 이차 전자를 끌어당겨 수집한다. 수집된 이차 전자는 약 +2,000V의 양극 전압이 걸린 형광체 또는 섬광체 쪽으로 더욱 가속된다. 충분히 에너지를 얻은 이차 전자가 섬광체에 충돌하면 빛(음극선 발광)이 발생하고, 이 빛은 광파이프를 통해 광전증배관으로 전달된다. 광전증배관은 빛 신호를 증폭된 전기 신호로 변환하며, 이 신호의 강도에 따라 컴퓨터 모니터 화면의 각 화소 밝기가 조절된다. 전자빔이 시료 표면을 래스터 스캔하는 동안 각 지점에서 검출된 이차 전자의 양에 따라 이미지의 밝기가 결정되므로, 최종적으로 시료 표면의 형상을 나타내는 2차원 이미지가 생성된다.
3. 3. 2. 후방산란 전자 (BSE)
후방산란전자(BSE)는 전자빔에서 나온 고에너지 전자가 시료의 원자와 탄성 산란 상호작용을 통해 시료에서 반사되거나 뒤쪽으로 흩어지는 전자이다. 이차 전자(SE)보다 에너지가 훨씬 높기 때문에 시료 내부의 더 깊은 곳에서 발생하며, 이로 인해 BSE 영상의 분해능은 SE 영상보다 낮다.
BSE 신호의 강도는 시료를 구성하는 원소의 원자 번호(Z)와 밀접한 관련이 있다. 원자 번호가 높은 무거운 원소는 원자 번호가 낮은 가벼운 원소보다 전자를 더 강하게 후방 산란시키므로, BSE 이미지에서 더 밝게 나타난다. 이러한 특징 때문에 BSE는 시료 내에서 화학적 조성이 다른 영역 간의 대비를 구별하는 데 유용하게 사용된다.[29] BSE 영상은 시료 내 여러 원소의 분포에 대한 정보를 제공할 수 있지만, 특정 원소의 종류를 직접 알려주지는 않는다.
일반적인 이차 전자 검출기(예: 에버하트-쏜리 검출기)는 BSE 검출에 비효율적이다. 따라서 전용 BSE 검출기가 사용되는데, 보통 전자빔 경로 주위에 도넛 모양으로 배치하여 최대한 많은 BSE를 수집한다. BSE 검출기는 주로 신틸레이터(섬광체) 방식이나 반도체 방식으로 제작된다.
검출기의 모든 부분을 사용하여 대칭적으로 BSE를 수집하면 원자 번호 차이에 따른 명암(조성 명암)이 강조된 이미지를 얻을 수 있다. 반면, 특정 방향의 검출기 세그먼트만 사용하여 비대칭적으로 BSE를 수집하면 시료 표면의 입체적인 형태를 강조하는 명암(형태 명암)을 얻을 수 있다. 반도체 검출기의 경우, 여러 개의 독립적인 세그먼트로 구성되어 있어 특정 세그먼트를 켜고 끄는 방식으로 원하는 명암의 종류와 방향성을 조절할 수 있다.
후방 산란 전자는 시료의 결정 구조 분석에 사용되는 전자 후방 산란 회절(EBSD) 이미지를 형성하는 데에도 활용된다.
3. 3. 3. 특성 X선
전자빔이 시료의 원자와 상호작용하여 내각 전자를 제거할 때, 이로 인해 생긴 빈자리를 더 높은 에너지 준위의 전자가 그 빈자리를 채우면서 에너지를 X선 형태로 방출하는데, 이를 특성 X선이라고 한다. 이 X선은 각 원소마다 고유한 에너지 또는 파장을 가지므로, 이를 분석하면 시료를 구성하는 원소의 종류와 양을 알아낼 수 있다.
이러한 특성 X선의 에너지 또는 파장을 측정하고 분석하기 위해 에너지 분산형 X선 분광법 또는 파장 분산형 X선 분광법 기술이 사용된다. 주사전자현미경(SEM)에 에너지 분산형 X선 분광기나 파장 분산형 X선 분광기를 장착하면, 시료와 전자의 상호작용으로 생성되는 특성 X선을 검출하여 시료 내 원소의 존재량을 확인하고 그 분포를 매핑할 수 있다. 특성 X선 분석은 후방산란 전자(BSE) 신호를 이용한 분석과 함께 분석용 SEM에서 자주 사용되어 상호 보완적인 정보를 제공한다.
3. 3. 4. 음극선 발광 (CL)
주사전자현미경(SEM)의 탐침 역할을 하는 고에너지 전자는 그 특성상 반도체 물질의 광학적 및 전기적 특성을 검사하는 데 매우 유용하다. SEM의 전자빔에 포함된 고에너지 전자는 반도체 내부에 전하 캐리어를 주입하는 역할을 한다. 이 과정에서 빔의 전자는 원자가띠에 있는 전자를 전도띠로 여기시키면서 에너지를 잃게 되고, 전자가 빠져나간 자리에는 정공이 남게 된다.
직접 천이형 반도체와 같은 특정 재료에서는 이렇게 생성된 전자와 정공 쌍이 다시 결합하는 과정에서 빛이 방출되는데, 이를 음극발광(Cathodoluminescence, CL)이라고 한다. 만약 시료 내부에 p-n 접합과 같이 내부 전기장이 존재한다면, SEM 빔에 의한 캐리어 주입은 전자빔 유기 전류(Electron Beam Induced Current, EBIC)라는 또 다른 현상을 일으키기도 한다.
음극발광과 EBIC는 '빔 주입(beam-injection)' 기술로 분류되며, 반도체의 광전자적 특성을 분석하는 데 매우 효과적인 방법이다. 특히 나노미터 크기의 미세한 구조나 결함을 연구하는 데 강력한 도구로 활용된다.
4. 특징
주사전자현미경(SEM)은 전자빔을 시료 표면에 주사하고, 이때 발생하는 다양한 신호를 검출하여 확대된 이미지를 얻는 장치이다. 전자빔이 시료와 상호작용하면 시료 내부의 원자와 반응하여 여러 종류의 신호가 발생하는데, 대표적으로 이차 전자(SE), 후방산란 전자(BSE), 특성 X선, 빛(캐소드루미네선스, CL), 흡수 전류 등이 있다. 이 중 이차 전자 검출기는 모든 SEM에 기본적으로 장착된다.
깊은 초점 심도와 높은 배율SEM의 가장 큰 특징 중 하나는 광학 현미경에 비해 피사계 심도가 매우 깊다는 점이다. 이는 매우 좁은 전자빔을 사용하기 때문인데, 덕분에 시료 표면의 넓은 영역에 걸쳐 초점이 맞는 입체적인 3차원 이미지를 얻을 수 있다.[29] 이는 시료의 전체적인 표면 구조를 파악하는 데 매우 유용하다. 광학 현미경과 비교하면 초점 심도가 수십 배 이상 깊다.
배율 또한 광학 현미경의 한계를 훨씬 뛰어넘는다. SEM은 약 10배에서 최대 3,000,000배까지 배율 조절이 가능하며,[27] 이는 최고 성능의 광학 현미경 배율보다 약 250배 이상 높은 수준이다. SEM에서의 배율은 광학 현미경처럼 대물렌즈의 배율로 결정되는 것이 아니라, 전자빔이 시료 표면을 스캔하는 영역(래스터)의 크기를 조절함으로써 변경된다. 즉, 스캔 영역을 좁힐수록 배율이 높아진다.
표면 정보 중심 분석SEM은 주로 시료 표면의 정보를 얻는 데 특화되어 있다. 가장 흔하게 사용되는 이차 전자(SE) 신호는 에너지가 매우 낮아(약 50 eV) 시료 표면의 극히 얕은 깊이(수 nm)에서만 방출된다. 이 신호는 발생 지점이 매우 국소적이어서, 1 nm 미만의 높은 해상도로 표면의 미세 구조를 관찰할 수 있게 해준다.
반면, 후방산란 전자(BSE)는 전자빔의 전자가 시료 원자와 탄성 산란하여 튕겨 나오는 것으로, SE보다 에너지가 훨씬 높아 더 깊은 곳에서 발생한다. 따라서 BSE 이미지의 해상도는 SE 이미지보다 낮지만, 신호의 강도가 시료를 구성하는 원소의 원자 번호(Z)에 비례하는 특징이 있다. 이 때문에 BSE는 시료 내 다른 원소들이 어떻게 분포하는지 파악하는 데 유용하며, 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)이나 파장 분산형 X선 분광법(WDS)과 같은 분석 기법과 함께 사용된다. 특히 생물 시료처럼 가벼운 원소로 이루어진 시료에서 콜로이드 금 면역 표지처럼 무거운 원소를 표지한 경우, BSE 이미징을 통해 이를 효과적으로 관찰할 수 있다.[14]
SEM은 주로 표면 정보를 제공하므로 시료 내부 구조에 대한 정보는 제한적이다. 내부 구조를 관찰하기 위해서는 투과전자현미경(TEM)을 사용하거나, 시료를 동결파쇄법 등으로 특수 처리해야 한다.
다양한 분석 기능SEM은 단순히 표면 형상만 관찰하는 것을 넘어 다양한 분석 기능을 제공한다. 전자빔이 시료의 내각 전자를 때리면 원자 고유의 에너지를 가진 특성 X선이 방출되는데, 이를 분석하여 시료를 구성하는 원소의 종류와 양, 분포를 알 수 있다 (EDS, WDS).
또한, 전자빔에 의해 여기된 시료가 빛을 내는 현상인 음극선발광(CL)을 측정하여 시료의 결정 구조나 결함, 반도체의 밴드갭 등 광학적·전기적 특성에 대한 정보를 얻을 수 있다. CL 검출기는 방출되는 빛의 파장을 분석하여 스펙트럼을 얻거나, 특정 파장의 빛 분포를 이미지화하여 보여줄 수 있다.
해상도SEM의 해상도는 광학 현미경처럼 렌즈의 성능이나 빛의 회절 한계에 의해 결정되지 않는다. 대신, 전자빔의 크기와 전자빔이 시료와 상호작용하는 부피(상호 작용 부피)의 크기에 의해 주로 결정된다. 전자빔의 크기는 약 0.4 nm에서 5 nm 정도까지 집속될 수 있지만, 상호 작용 부피는 이보다 크기 때문에 투과전자현미경(TEM)처럼 개별 원자를 구별할 정도의 초고해상도를 얻기는 어렵다.
그러나 SEM은 시료를 얇게 만들 필요 없이 벌크 상태 그대로 넓은 영역을 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 장비에 따라 해상도는 1 nm 미만에서 20 nm 사이이며, 고성능 SEM의 경우 이차전자 검출기를 사용하여 0.4 nm 수준의 해상도를 달성하기도 한다.[30]
5. 시료 준비
주사전자현미경(SEM)으로 시료를 관찰하기 위해서는 시료가 시료대에 맞을 만큼 작아야 하며, 고진공 환경과 고에너지 전자빔을 견딜 수 있도록 특별한 준비 과정이 필요할 수 있다. 이 과정은 시료의 전기 전도도를 높이고 안정화하는 데 목적이 있다. 일반적으로 시료는 전도성 접착제를 사용하여 시료 홀더 또는 스터브(stub)에 단단히 고정된다. SEM은 반도체 웨이퍼의 결함 분석 등 다양한 분야에서 활용되며, 일부 장비는 300mm 반도체 웨이퍼 전체를 검사하거나 시료를 최대 45°까지 기울이고 360° 회전시킬 수 있는 기능을 갖추고 있다.
비전도성 시료비전도성 시료는 전자빔에 노출될 때 표면에 전하가 쌓이는 대전 현상이 발생한다. 이는 특히 이차 전자 이미징 모드에서 스캔 오류나 이미지 인공물(artifact)을 유발할 수 있다. 따라서 일반적인 SEM 관찰을 위해서는 시료 표면이 전기 전도성을 가져야 하며, 접지되어 전하 축적을 방지해야 한다.
금속 시료는 세척 후 전도성 있게 장착하는 것 외에 특별한 준비가 거의 필요하지 않다. 그러나 비전도성 재료는 표면에 매우 얇은 전기 전도성 물질 막을 입히는 코팅 과정이 필수적이다. 코팅은 주로 저진공 스퍼터 코팅이나 고진공 증착 방식으로 이루어지며, 드물게 무전해 도금 방식이 사용되기도 한다. 코팅에 사용되는 재료로는 금, 금/팔라듐 합금, 백금, 이리듐, 텅스텐, 크롬, 오스뮴,[14] 흑연 등이 있다. 원자 번호(Z)가 높은 무거운 금속으로 코팅하면, 원자 번호가 낮은 시료에서 이차 전자 방출이 향상되어 신호 대 잡음비를 개선하는 효과가 있다. 또한 코팅은 시료 대전을 방지하고 전자빔의 에너지를 분산시켜 시료 손상을 줄이는 역할도 한다.
코팅 없이 비전도성 시료를 관찰하는 방법도 있다.
- OTO 염색법: 일부 생물학적 시료의 경우, OTO 염색법(O-사산화오스뮴, T-티오카르보히드라지드, O-
- 환경 SEM (ESEM): 시료 챔버 내의 압력을 상대적으로 높게 유지하여 기체 분자가 시료 표면의 전하를 중화시키도록 하는 방식이다. 전자총 부분은 고진공 상태를 유지하기 위해 차동 펌핑 시스템을 사용한다. ESEM에서 시료 주변의 고압 영역은 전하를 중화하고 이차 전자 신호의 증폭을 제공한다.
- 저전압 SEM: 0.3~4kV 정도의 낮은 가속 전압을 사용하여 시료의 대전을 최소화하는 방식이다. 이 방법은 일반적으로 높은 밝기와 작은 빔 크기를 낮은 가속 전압에서도 구현할 수 있는 전계 방출형 전자총(FEG)이 장착된 SEM에서 효과적이다. 비전도성 시료의 충전을 방지하기 위해 들어오는 빔 전류가 나가는 이차 및 후방 산란 전자 전류의 합과 같도록 작동 조건을 조정해야 한다.
생물 시료SEM 시료실은 고진공 상태이므로, 수분을 함유한 생물 시료는 구조가 변형되거나 손상될 수 있다. 따라서 생물 시료는 관찰 전에 완전히 건조하거나, 구조를 보존하기 위한 특별한 처리 과정을 거쳐야 한다.[22]
- 단단하고 건조한 시료: 나무, 뼈, 깃털, 건조된 곤충, 달걀 껍질[17] 등 이미 건조된 단단한 시료는 별도의 처리 없이 관찰 가능할 수 있다.
- 연약한 생물 시료: 살아있는 세포나 조직, 부드러운 동식물 등은 구조를 보존하고 안정화하기 위해 다음과 같은 과정을 거친다.
1. 화학적 고정: 글루타르알데히드나 포름알데히드[22][18][19] 등이 포함된 완충 용액에 담가 시료의 구조를 화학적으로 안정화시킨다.[20] 때로는 사산화오스뮴을 이용한 후고정을 추가로 시행하기도 한다.[22]
2. 탈수: 고정된 시료의 물을 에탄올이나 아세톤과 같은 유기 용매로 점진적으로 치환하여 제거한다.
3. 건조: 탈수된 시료를 건조시킨다. 공기 중에서 건조하면 시료가 수축하거나 붕괴될 수 있으므로, 주로 다음과 같은 방법을 사용한다.
- 임계점 건조: 유기 용매를 액체 이산화탄소와 같은 전이 유체로 치환한 뒤, 이를 임계점 이상에서 기화시켜 표면 장력에 의한 시료 손상 없이 건조시킨다.[21]
- 극저온 고정: 시료를 액체 질소 등으로 급속 동결시키는 방법이다. 저온 현미경(Cryo-SEM)을 위한 냉각 스테이지가 장착된 SEM에서 사용된다.[22] 극저온 고정된 시료는 진공 상태에서 특수 장치로 절단(극저온 파쇄)하여 내부 구조를 드러낼 수 있으며,[23] 코팅 후 얼어있는 상태 그대로 관찰한다. 이 방법은 얼음[24][25]이나 지방[26]과 같이 온도에 민감한 재료 관찰에도 유용하다. 동결 파쇄, 동결 에칭, 동결 파단 등은 특히 세포막과 같은 지질 구조 및 막 단백질 연구에 효과적인 방법이다.
건조된 시료는 에폭시 수지나 전도성 양면 접착 테이프 등으로 시료대에 부착하고, 필요에 따라 금이나 금/팔라듐 합금 등으로 스퍼터 코팅한 후 SEM으로 관찰한다. 시료 내부 구조를 관찰해야 할 경우, 마이크로톰 등을 이용해 시료를 얇게 절단하기도 한다.
특수 목적 시료 준비
- 후방 산란 전자(BSE) 이미징 및 X선 분석: 시료 표면을 거울처럼 매끄럽게 연마하는 과정이 필요할 수 있다. 재료 시료나 생물 시료 모두 수지에 매립하여 연마하기도 한다. 특히 파장 분산 X선 분광법이나 에너지 분산 X선 분광법 같은 원소 분석을 위해서는 탄소로 코팅하는 경우가 많다. 저진공 모드를 사용하면 코팅 없이도 분석이 가능하여 선호되기도 한다.
- 파면 분석: 재료가 파괴된 단면을 연구하는 기법으로, 파단면을 적절한 크기로 잘라 유기 잔류물을 제거한 후 SEM으로 관찰한다.
- 집적 회로 단면 관찰: 집속 이온 빔이나 다른 이온 빔 밀링 장비를 사용하여 회로를 정밀하게 절단하고 그 단면을 SEM으로 관찰한다. 집속 이온 빔 장비가 SEM에 통합되어 있는 경우, 절단 과정과 고해상도 관찰을 동시에 수행할 수 있다.
- 화학적 연마: 금속, 지질 시료, 집적 회로 등은 화학적 방법으로 표면을 연마하여 관찰하기도 한다.
- 고해상도 코팅: 무기 박막 등 특정 시료의 고배율 이미징을 위해서는 특수한 고해상도 코팅 기술이 요구된다.
이러한 시료 준비 과정을 통해 SEM은 광학 현미경으로는 관찰하기 어려운 표면의 미세 구조, 예를 들어 개미 몸 표면의 털과 같은 구조를 높은 배율과 해상도로 선명하게 관찰할 수 있게 해주며, 다양한 과학 및 산업 분야에서 필수적인 분석 도구로 자리 잡았다.
6. 활용 분야
주사전자현미경(SEM)은 높은 해상도와 깊은 초점 심도를 바탕으로 다양한 과학 및 산업 분야에서 필수적인 분석 도구로 활용되고 있다. 재료의 미세 구조 분석, 생체 시료 관찰, 법과학적 증거 분석 등이 주요 응용 분야이다.
구체적으로는 얼음 결정의 표면 거칠기 측정[61], 프랙탈 차원 측정, 금속의 파단면 검사, 재료 특성 분석, 부식 상태 측정, 나노미터 수준의 정밀한 치수 측정(단차 높이, 부피, 각도, 평탄도, 베어링 비율, 공면성 등) 등에 사용된다. 또한 미술품 보존 분야에서는 노화로 인한 그림 표면의 안정성 문제(예: 아연 이온과 지방산의 복합체 형성)를 감별하는 데 사용되며[62], 법의학 분야에서는 미술품 위조 여부를 탐지하는 데에도 활용된다. 반도체 및 전자 부품의 품질 검사에도 중요한 역할을 한다.
다음은 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 다양한 이미지 예시이다.
6. 1. 재료 과학
주사전자현미경(SEM)은 재료 표면의 미세한 구조를 관찰하는 데 매우 유용하다. 광학 현미경, 특히 쌍안 실체 현미경으로는 배율과 해상도의 한계 때문에 관찰하기 어려운 재료 표면의 상세한 형상을 SEM은 높은 배율과 깊은 초점 심도로 선명하게 보여줄 수 있다. 예를 들어, 광학 현미경으로는 세밀하게 조사하기 어려웠던 개미 체표의 털과 같은 미세 구조나 불투명한 재료의 표면 연구에 특히 강점을 가진다. SEM의 등장은 이러한 미세 구조 관찰을 용이하게 하여, 특정 분야 연구에 필수적인 도구가 되었다.또한, SEM은 특성 X선을 이용한 원소 분석 기능(EPMA 등)을 통해 재료의 화학적 조성을 분석하는 데에도 활용된다. 이를 통해 재료 표면의 특정 영역에 어떤 원소들이 분포하는지 등을 알 수 있다.
분석하려는 재료가 세포와 같이 전기를 잘 통하지 않는 비전도성 물질일 경우, 고진공 상태에서 이차전자를 이용하여 관찰하려면 표면을 백금, 팔라듐, 금, 탄소 등 전도성이 좋은 물질로 얇게 코팅하는 전처리가 필요할 수 있다. 이 코팅은 전자가 시료 표면에 쌓여 이미지가 왜곡되는 대전 현상(차지업)을 방지하고, 이차전자의 방출 효율을 높여 선명한 이미지를 얻는 데 도움을 준다. 또한 전자선의 에너지를 분산시켜 시료 손상을 최소화한다. 하지만 저진공 상태에서 반사전자를 이용하는 방식(N-SEM/WET-SEM 등)이나 원소 분석을 주로 하는 경우에는 이러한 코팅 과정 없이도 절연체 시료를 관찰할 수 있다.
6. 2. 생명 과학
주사전자현미경(SEM)은 적절한 전처리를 거치면 생체 시료 관찰에도 활용될 수 있다. 세포와 같이 전기 전도성이 낮은 시료를 고진공 상태에서 이차전자법으로 관찰할 경우에는, 시료 표면을 미리 전도성 물질(백금팔라듐, 금, 탄소 등)로 얇게 코팅해야 한다. 이는 이차전자를 효율적으로 방출시키고, 시료 표면이 전자로 대전되어 발생하는 차지업(charge-up) 현상에 의한 이미지 왜곡이나 과다 노출을 방지하기 위함이다. 또한, 전자빔의 에너지를 분산시켜 시료의 손상을 최소화하는 효과도 있다.하지만 저진공 상태에서 반사전자를 이용하는 방법(N-SEM/WET-SEM 등)을 사용하면 절연체 시료도 코팅 없이 관찰이 가능하다. 이러한 저진공 방식은 특성 X선을 이용한 원소 분석 등 분석 용도로 SEM을 사용할 때도 선호된다.
광학 현미경으로는 시료 표면의 미세한 입체 구조를 자세히 관찰하기 어려운 경우가 많다. 특히 쌍안 실체 현미경은 배율을 높이는 데 한계가 있고 해상도도 낮다. 일반 광학 현미경으로는 초점을 계속 바꿔가며 관찰해야 하며, 시료가 불투명하면 표면 관찰이 더욱 어렵다. 예를 들어 개미 몸 표면의 미세한 털과 같은 구조는 기존의 광학 현미경으로는 상세히 조사하기 어려웠다. 주사전자현미경은 이러한 표면의 미세 구조를 높은 해상도로 쉽게 관찰할 수 있게 해주어, 생명 과학의 여러 분야, 특히 생물의 형태에 기반한 분류 연구 등에서 필수적인 도구가 되었다.
6. 3. 법과학
주사전자현미경(SEM)은 법과학 분야에서 미세한 증거물을 분석하는 데 중요한 도구로 활용된다. 특히 규조류나 총기 발사 잔류물(GSR)과 같은 작은 물체를 확대하여 조사하는 데 유용하다.[39] SEM은 시료에 고에너지 전자빔을 조사하지만, 시료 자체를 변형시키거나 파괴하지 않는 비파괴적인 분석 방법이라는 장점이 있어 법적 증거물을 손상 없이 검사할 수 있다.익사 사건의 경우, 사람이 물에 빠져 사망하면 물속에 있던 규조류와 같은 미세 물질이 체내로 흡수되어 혈류를 타고 뇌나 신장 등 여러 기관에 남게 된다. SEM을 이용하면 시신에서 발견된 규조류를 확대하여 그 종류를 식별할 수 있다. 법과학자들은 이를 통해 사망자가 어떤 종류의 물(강, 바다, 호수 등)에서 익사했는지 추정하고, 사망 원인과 장소를 밝히는 데 중요한 단서를 얻는다.[39]
또한, SEM은 총기 발사 잔류물(GSR) 분석에도 널리 사용된다.[40] 총기 발사 시 발생하는 미세한 입자인 GSR은 범죄 현장, 피해자, 또는 총을 쏜 사람에게서 발견될 수 있다. SEM은 후방산란 전자 검출기, 이차 전자 검출기, X선 검출기 등 다양한 검출기를 이용하여 GSR 입자에 포함된 원소(주로 금속) 성분을 정밀하게 분석할 수 있다. 이 분석 결과는 특정인이 총기를 발사했는지, 혹은 발사 현장과의 근접성이나 접촉 여부를 판단하는 데 도움을 준다.[40]
6. 4. 기타
주사전자현미경(SEM)은 다양한 분야에서 활용된다. 얼음 결정의 거칠기를 측정하는 데 사용될 수 있는데, 가변 압력 환경 SEM과 3D 기능을 결합하여 개별 얼음 결정면의 거칠기를 측정하고 컴퓨터 모델로 변환하여 통계 분석을 수행할 수 있다.[61] 이 외에도 프랙탈 차원 측정, 금속의 파면 검사, 재료 특성 분석, 부식 측정, 나노 스케일의 치수 측정(단차 높이, 부피, 각도, 평탄도, 베어링 비율, 공면성 등)에도 활용된다.미술품 보존 전문가들은 SEM을 사용하여 노화로 인해 그림 표면 안정성에 위협이 되는 요인(예: 아연 이온과 지방산의 복합체 형성)을 감별한다.[62] 법의학 분야에서는 미술품 위조를 탐지하는 데 SEM이 사용된다.
회로나 반도체 부품 등의 품질 검사 외에도, 적절한 전처리를 거치면 생체 시료 관찰도 가능하다. 세포와 같이 도전성이 낮은 시료를 고진공 이차전자법으로 관찰할 때는 시료 표면을 도전성 물질(백금-팔라듐 합금, 금, 탄소 등)로 미리 코팅해야 한다. 이는 이차전자를 효율적으로 방출시키고, 시료 대전(차지업)에 의한 과다 노출과 이미지 왜곡을 방지하며, 전자선의 여분 에너지를 방출시켜 시료 표면 손상을 최소화하기 위함이다. 그러나 저진공 반사전자법(N-SEM/WET-SEM 등)을 사용하면 절연체 관찰 시에도 코팅이 필요 없다. 특성 X선을 이용한 원소 분석 등 분석 용도로 사용하는 SEM(EPMA)에서도 표면 코팅이 필요 없는 저진공 반사전자법이 선호된다.
표면 구조 관찰은 광학 현미경이 다루기 어려운 부분이다. 보통 쌍안 실체 현미경이 사용되지만 배율과 해상도에 한계가 있다. 미세한 부분은 일반 광학 현미경으로 초점을 바꿔가며 관찰해야 하며, 시료가 불투명하면 관찰이 불가능하다. 예를 들어 개미 체표의 털과 같은 미세 구조는 기존 방법으로는 조사하기 어려웠다. SEM을 사용하면 이러한 부분의 관찰이 용이해져, 일부 분야에서는 분류 연구 등에 필수적인 도구가 되었다.
7. 환경 주사전자현미경 (ESEM)
일반적인 주사전자현미경(SEM)은 기체 분자가 전자빔을 쉽게 확산시키고 약화시키기 때문에 진공 상태에서 시료를 관찰해야 한다. 이 때문에 상당한 증기압을 발생하는 시료, 예를 들어 젖은 생물학적 시료나 석유를 포함한 암석 등은 건조시키거나 극저온으로 동결해야만 관찰이 가능하다. 또한, 접착제의 건조나 합금의 용융과 같은 상전이 과정, 액체 수송, 화학 반응, 그리고 고체-기체-액체 시스템의 상호작용 등은 기존의 고진공 SEM으로는 관찰하기 어렵다.
환경 주사전자현미경(Environmental SEM, ESEM)은 이러한 한계를 극복하기 위해 개발되었다. ESEM에서는 시료 챔버 내부의 공기는 제거하지만, 수증기는 포화 증기압에 가까운 상태로 유지하고 잔류 압력을 비교적 높게 유지한다. 이를 통해 물이나 다른 휘발성 물질을 포함하는 시료를 특별한 전처리 없이 분석할 수 있다. 예를 들어, ESEM을 사용하면 살아있는 곤충을 관찰하는 것도 가능하다.[31]
최초의 상용 ESEM은 1980년대 후반에 개발되었다.[32][33] ESEM은 1~50 Torr(0.1~6.7 kPa) 정도의 저압 기체 환경과 최대 100%에 달하는 높은 상대 습도 조건에서도 시료를 관찰할 수 있게 해준다. 이러한 환경 구현은 수증기가 존재하는 환경에서도 작동할 수 있는 이차 전자 검출기의 개발[34][35]과 전자빔 경로 주변은 진공 상태(전자총 및 렌즈)를 유지하면서 시료 챔버와는 압력 차이를 둘 수 있도록 하는 차동 펌핑(differential pumping) 시스템 및 압력 제한 조리개(pressure-limiting apertures)의 사용 덕분에 가능해졌다. 최초의 상용 ESEM은 1988년 미국의 ElectroScan Corporationeng에서 생산되었으며, 이 회사는 1996년 필립스(이후 전자 광학 사업부를 FEI Company에 매각)에 인수되었다.[36]
ESEM은 시료 표면을 탄소나 금으로 코팅할 필요가 없다는 점에서 비금속 및 생물학적 재료 연구에 특히 유용하다. 코팅되지 않은 플라스틱이나 엘라스토머, 그리고 생물학적 시료를 일상적으로 검사할 수 있다. 시료 코팅은 과정을 되돌리기 어렵고 표면의 미세한 특징을 가릴 수 있으며, 분석 결과의 정확성을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 코팅이 불필요하다는 점은 큰 장점이다. 기존 SEM에서는 X선 분석 시 무거운 금속 코팅 대신 탄소 코팅을 주로 사용하지만, ESEM을 사용하면 코팅하지 않은 비전도성 시료에 대해서도 X선 미세 분석을 수행할 수 있다. 다만, ESEM을 이용한 X선 분석 시에는 ESEM 특유의 인공물(artifact)이 발생할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, ESEM은 여러 전문가가 반복적으로 분석해야 할 수 있는 법의학적 증거물과 같은 고유한 시료의 전자 현미경 검사에 적합하며, 다른 액체상 전자 현미경 기법과 함께 액체 내 시료 연구에도 활용될 수 있다.[37]
8. 주사 투과 전자 현미경 (STEM)
SEM은 얇은 시료 단면 아래에 적절한 검출기를 장착하여 투과 모드로도 사용할 수 있는데,[38] 이 기법은 장비의 차이에도 불구하고 주사 투과 전자 현미경(scanning transmission electron microscopy, STEM)으로 불린다. STEM에서는 밝은 시야(bright-field), 어두운 시야(dark-field), 그리고 중간 각도에서 고각 환형 암시야(high angle annular dark-field, HAADF)까지 검출하는 분할 검출기 등 다양한 검출기가 이용 가능하다.
9. 3차원 이미징
주사전자현미경(SEM)은 기본적으로 2차원 이미지를 제공하지만, 다양한 방법을 통해 3차원 정보를 얻을 수 있다. 주요 기법으로는 서로 다른 각도에서 얻은 두 이미지의 시차를 이용하는 사진측량법(입체 쌍)[43], 4분할 BSE 검출기를 이용하여 시료 기울임 없이 여러 이미지를 동시에 얻는 방법[43][52], 그리고 단일 이미지의 명암 정보를 이용해 3차원 형태를 추정하는 광도 3D 렌더링[43] 등이 있다. 이들 기법은 각각의 하위 섹션에서 더 자세히 설명된다.
이 외에도 다음과 같은 3차원 이미징 기법들이 활용된다.
- 전자-물질 상호작용 모델을 이용한 역구성: 전자빔과 시료 간의 상호작용 모델을 기반으로 3차원 구조를 역으로 추정하는 방식이다.[54][55]
- 단일 2D 이미지를 이용한 다중 해상도 구축: 고품질의 2D SEM 이미지를 기반으로 3단계 다중 스케일, 다중 해상도 재구성 방법을 사용하여 3차원 모델을 구축한다. 이 방법은 섀넌 엔트로피와 조건부 시뮬레이션을 활용하며, 적은 수의 박편만으로도 다양한 확률적 3D 모델 생성이 가능하다.[56][57][58]
- 이온 연마 SEM (IA-SEM): 집속된 갈륨 이온 빔을 사용하여 시료 표면을 한 번에 약 20nm씩 반복적으로 깎아내고, 각 단계에서 노출된 표면을 스캔하여 나노 스케일의 3차원 이미지를 얻는 방법이다.[59][60]
이러한 3차원 이미징 기술은 다양한 분야에서 응용된다. 예를 들어, 가변 압력 환경 SEM과 3D 기능을 결합하여 얼음 결정 표면의 거칠기를 측정하고 컴퓨터 모델로 변환하여 통계 분석을 수행할 수 있다.[61] 또한, 프랙탈 차원 측정, 금속의 파면 검사, 재료 특성 분석, 부식 측정, 나노 스케일에서의 단차 높이, 부피, 각도, 평탄도, 베어링 비율, 공면성 등 정밀한 치수 측정에도 활용된다. 미술품 보존 분야에서는 그림 표면의 노화 현상(예: 아연 이온과 지방산의 복합체 형성)을 분석하는 데 사용되며,[62] 법의학 분야에서는 미술품 위조 여부를 감별하는 데에도 활용된다.
9. 1. 입체 쌍 (Stereo pair)
사진측량법은 주사전자현미경 이미지에 3차원 정보를 추가하는 가장 계측학적으로 정확한 방법이다.[43] 이는 광도 측정법과는 달리, 삼각측량 원리를 이용하여 절대적인 높이를 계산한다. 하지만 이 방법은 시료 표면에 최소한의 질감이 있어야 하고, 서로 다른 각도에서 촬영한 두 개의 이미지가 필요하다는 단점이 있다. 따라서 이미지를 얻기 위해서는 기울기 스테이지를 사용해야 한다. 사진측량법은 소프트웨어를 이용해 같은 쌍의 왼쪽 이미지와 오른쪽 이미지 사이에서 각 픽셀의 이동량, 즉 '시차'를 계산하고, 이 시차를 통해 국부적인 높이를 알아내는 방식으로 작동한다.9. 2. 4분할 검출기
이 방법은 일반적으로 4분할 BSE 검출기(일부 제조사는 3분할 검출기 사용)를 활용한다. 현미경은 시료를 기울일 필요 없이 동일한 시료의 네 장의 이미지를 동시에 생성한다. 시료의 기울기가 적절한 범위 안에 있다면, 이 방법으로 계측학적인 3차원 치수 정보를 얻을 수 있다.[43] 현재(2018년 기준) 대부분의 주사전자현미경(SEM) 제조사는 실시간으로 3D 이미지를 계산하는 자체 소프트웨어와 함께 이러한 4분할 BSE 검출기를 내장하거나 선택 사양으로 제공한다.[52]최적 추정 알고리즘과 같이 더 정교하고 때로는 GPU 연산이 많이 필요한 방법을 사용하는 다른 접근 방식도 있다. 이러한 방법은 컴퓨팅 성능 요구 사항이 높지만 훨씬 더 나은 결과를 제공한다.[53]
하지만 모든 경우에 이 접근 방식은 기울기 정보를 통합하여 작동하므로 수직적인 기울기나 돌출부는 제대로 반영하지 못하는 한계가 있다. 예를 들어, 평평한 표면 위에 놓인 완전한 구가 있다면, 실제로는 평평한 표면 위로 솟아오른 상반구 정도만 관찰되어, 구의 꼭대기 높이가 실제보다 낮게 표시될 수 있다. 이러한 현상이 나타나는 정도는 시료에 대한 BSE 검출기의 각도에 따라 달라지지만, 검출기가 일반적으로 전자빔 주변 가까이에 위치하기 때문에 이런 한계는 매우 흔하게 나타난다.
9. 3. 단일 이미지로부터의 광도 3D 렌더링
이 방법은 사선 저각 조명으로 얻은 주사전자현미경(SEM) 이미지를 필요로 한다. 이미지의 그레이 레벨(밝기)은 표면의 기울기로 해석되며, 이 기울기 정보를 통합하여 시료의 3차원 지형을 복원한다. 이 기법은 시각적인 효과를 높이고 물체의 모양이나 위치를 파악하는 데 유용하다. 하지만 사진측량과 같은 다른 3차원 복원 방법들과는 달리, 일반적으로 수직 높이 정보를 정확하게 보정하기는 어렵다.[43]10. 이미지 색상 처리
주사전자현미경은 기본적으로 이차전자 검출기가 각 픽셀 위치에서 감지한 전자 수에 따라 단일 회색조 값을 할당하여 흑백 이미지를 생성한다.[41] 하지만 다양한 방법을 통해 이 흑백 이미지에 색상을 추가하여 시각적인 정보를 보강하거나 특정 목적에 맞게 활용할 수 있다.[42]
주요 색상 처리 방법은 다음과 같다.
- 가색 또는 인위적 색상 입히기: 가장 기본적인 방법 중 하나로, 이미지의 각 회색조 값에 색상 탐색표 등을 이용해 임의의 색상을 할당하는 가색(거짓 색상) 기법이 있다. 이는 주로 시료 내의 다른 상(phase)이나 특징을 구별하는 데 사용된다.[43] 또한, 미적인 효과를 높이거나 특정 구조를 강조하기 위해 사진 편집 소프트웨어 등을 사용하여 수동 또는 반자동으로 색을 입히기도 한다. 이러한 인위적인 색상 추가는 시료 자체에 대한 정보를 더하는 것은 아니지만, 이미지 해석에 도움을 줄 수 있다.[44][45]
- 지형 정보 활용: 질감이 있는 표면의 경우, 경사빔 관찰 등을 통해 얻은 정보를 바탕으로 대략적인 3차원 지형 이미지를 생성하고, 이를 3D 렌더링 알고리즘으로 처리하여 표면 질감을 보다 자연스러운 색상으로 표현할 수 있다.
- 다중 검출기 신호 조합: 이차 전자 검출기와 후방 산란 전자 검출기처럼 여러 종류의 검출기에서 얻은 신호를 조합하는 방법도 있다. 예를 들어, 각 검출기 신호에 다른 색상을 할당하여 중첩하면, 지형 정보와 함께 물질의 밀도 차이 등을 색상으로 나타내는 이미지를 만들 수 있다(예: 밀도 의존 색상 주사 전자 현미경, DDC-SEM).[46][47][48][49][50]
이러한 색상 처리 기법들은 흑백의 주사전자현미경 이미지가 제공하는 정보를 보다 풍부하고 직관적으로 전달하는 데 기여한다. 각 기법의 구체적인 원리와 적용 사례는 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.
10. 1. 가색 (False color)
주사전자현미경(SEM)은 자연적으로 색상 이미지를 생성하지 않는다. 이차전자 검출기는 빔이 특정 (x, y) 픽셀 위치를 비추는 동안 검출된 전자 수에 따라 픽셀당 단일 값을 생성한다. 이 값은 각 픽셀에 대해 회색조로 표현되어 흑백 이미지를 형성한다.[41] 하지만 여러 방법을 통해 색상 SEM 이미지를 얻을 수 있다.[42]가장 기본적인 색상화 방법 중 하나는 가색(거짓 색상)이다. 이는 주로 평평한 표면의 구성 이미지(일반적으로 후방 산란 전자(BSE) 이미지)에 적용된다. 색상 탐색표(color lookup table)를 사용하여 각 회색조 값에 임의의 색상을 할당하는 방식이다. 이 방법은 유사한 특성이나 조성을 가진 시료 내의 다른 상(phase)들을 시각적으로 구별하는 데 유용하다.[43]
발표되는 많은 주사전자현미경 이미지는 종종 인위적으로 색이 입혀진다.[43] 이는 주로 미적인 효과를 높이거나, 이미지 내의 특정 구조를 명확하게 보여주거나, 시료에 좀 더 사실적인 외관을 부여하기 위해 수행된다. 하지만 이러한 색상 입히기가 반드시 시료에 대한 추가적인 정보를 제공하는 것은 아니다.[44]
색상 입히기 작업은 어도비 포토샵과 같은 사진 편집 소프트웨어를 사용하여 수동으로 하거나, 특징 감지(feature-detection) 또는 객체 지향 분할(object-oriented segmentation) 기능을 갖춘 전용 소프트웨어를 사용하여 반자동으로 수행할 수 있다.[45]
아래는 가색 또는 인위적 색상 입히기가 적용된 SEM 이미지의 예시이다.
10. 2. 다중 검출기
일부 구성에서는 여러 검출기를 사용하여 픽셀당 더 많은 정보를 수집하는 경우가 많다.[46]일반적인 예로, 이차 전자 검출기와 후방 산란 전자 검출기를 중첩하여 각 검출기가 포착한 이미지에 색상을 할당한다.[47][48] 그 결과, 색상이 구성 요소의 밀도와 관련된 결합 색상 이미지가 생성된다. 이 방법은 밀도 의존 색상 주사 전자 현미경(Density-dependent colour scanning electron microscopy, DDC-SEM)으로 알려져 있다. DDC-SEM으로 생성된 현미경 사진은 이차 전자 검출기로 더 잘 포착되는 지형 정보를 유지하고 후방 산란 전자 검출기로 얻은 밀도 정보와 결합한다.[49][50]
10. 3. 분석 신호
주사전자현미경은 기본적으로 흑백 이미지를 생성한다. 이는 이차전자 검출기가 각 픽셀 위치에서 짧은 시간 동안 검출한 전자 수에 해당하는 단일 값을 회색조로 표현하여 이미지를 만들기 때문이다.[41] 그러나 여러 가지 분석 신호를 활용하여 색상 이미지를 얻는 것이 가능하다.[42]시료에서 방출되는 특정 신호, 예를 들어 광자의 에너지를 측정하는 것은 분석 능력을 향상시키는 일반적인 방법이다. 대표적인 예로는 원소 분석에 사용되는 에너지 분산형 X선 분광법(EDS) 검출기와, 전자빔에 의해 유도된 발광(luminescence)의 강도 및 스펙트럼을 분석하는 캐소드루미네선스 현미경(CL) 시스템이 있다. CL은 특히 지질 시료 등의 분석에 유용하게 사용될 수 있다.
이러한 EDS나 CL 검출기를 사용하는 주사전자현미경(SEM) 시스템에서는, 획득된 추가 신호들을 각각 다른 색상으로 구분하여 기존의 단색 이미지 위에 중첩시키는 방식을 흔히 사용한다. 이를 통해 시료를 구성하는 다양한 원소나 물질의 분포 차이를 시각적으로 명확하게 확인하고 비교할 수 있다. 선택적으로, 표준적인 이차 전자 이미지(구조 정보)와 하나 이상의 조성 채널(성분 정보)에서 얻은 이미지를 병합하여 시료의 구조와 조성을 동시에 비교하는 것도 가능하다. 중요한 점은, 이러한 색상 이미지를 만드는 과정에서 원본 신호 데이터는 어떠한 방식으로도 수정되지 않아 데이터의 무결성이 유지된다는 것이다.
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