나노 세계의 '구글 어스' 전자현미경

수만 km 크기의 지구형상에서 수 m 크기의 자기 집까지 1000만 배 이상 스케일을 자유자재로 변화시키면서 목표지점의 형태와 정보를 수 초 안에 찾을 수 있게 해주는 구글어스를 보고 경이로움을 느낀 사람이 많을 것이다. 전자현미경을 처음 접하는 많은 사람도 비슷한 경이로움을 느끼곤 한다. 수 cm의 시료 형상에서 수 nm 이하의 나노형상, 심지어 원자 배열까지 1000만 배 이상 스케일을 변화시키면서 목표하는 나노물질, 나노소자 등의 형태 및 성분정보 등을 얻을 수 있게 해주는 전자현미경은, 나노세계의 네비게이터라 할 수 있다.

광학현미경의 분해능은 빛의 회절현상 때문에 빛의 파장의 절반인 0.2 μm 정도로 제한되나, 빛보다 10 만 배 이상 짧은 파장을 가진 전자를 이용한 전자현미경은 이론적으로는 0.01 Å 이하의 분해능이 가능하다. 1920년대 독일의 Hans Busch에 의해 회전대칭을 가지는 전자기장이 전자에 대해 렌즈효과를 갖는다는 것이 밝혀진 후, 1930년대 독일의 Ernst Ruska가 이 원리를 이용하여 최초의 전자현미경을 개발하였다. 파장이 짧은 X선, 중성자, 등 다른 빔에 비해 전자기장을 이용해 고성능의 전자빔 렌즈를 비교적 간단히 만들 수 있다는 장점으로 인해 전자현미경은 그 후 급속히 산업화되어 현재 나노 이미징 시장의 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 응용 면에서도 처음에는 생물시료 관찰에 주로 사용되던 전자현미경은 재료의 형상, 구조 및 성분분석, 반도체 나노디바이스의 측정, 검사 등 다양한 분야로 그 적 용 분야를 넓혀왔다.

전자를 전자기장에 의해 형성되는 렌즈로 집속시켜 샘플에 조사시키면 시료로부터 투과산란전자, 2차 전자, 반사 전자, X선, 가시광, 등 다양한 신호가 방출된다. 최초의 전자현미경은 투과된 산란전자를 렌즈를 이용하여 필름에 이미징하는 방식의 투과전자현미경(transmission electron microscope: TEM)이었다. 통상 100 kV 이상의 전자빔으로 관찰시료를 투과시키는 TEM은 재료 형상과 함께 나노영역의 시료로부터 발생하는 전자의 회절패턴을 관찰하여 재료의 원자구조를 분석할 수 있어, 현재 재료 연구의 가장 중요한 분석 수단중 하나가 되어있다.

통상 30 kV 이하의 집속된 전자빔을 재료에 주사시키면서 방출되는 2차 전자 또는 반사 전자를 검출하여 모니터 상에 이미지화시키는 형태의 전자현미경을 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM)이라 부른다. 독일의 Manfred von Ardenne에 의해 1937년 발명된 SEM은, 1950~1960년대 영국의 Charles Oatley 그룹에 의해 실용화되었다. SEM으로 전자빔 을 재료에 조사할 때 발생하는 X선의 에너지를 관찰하면 재료의 원자 성분을 분석할 수 있으며 이를 Energy-dispersive X-ray spectroscopy(EDS)라 부른다. 최근 EDS는 거의 SEM의 부속장비 형태로 판매되고 있다. 이와 같이 다양한 분석기능에 힘입어 재료, 생물시료 등의 연구용으로 주로 사용되던 SEM은, 이후 반도체의 선폭 측정, 결함검사, 나노입자등의 크기 측정등 산업용으로도 활발히 이용되게 되었으며, 현재 전자현미경중 가장 큰시장을 형성하고 있다.

SEM의 한 변형으로 전자빔을 주사시키면서 투과된 전자신호를 관찰하는 투과주사전자현미경 (scanning transmission electronmicroscope, STEM)은 SEM과 거의 동시에 독일에서 발명되었다. 미국의 Albert Crew는 STEM에 고휘도의 전계방출 전자총을 장착하여 1970년에 전자현미경을 이용하여 최초로 원자 하나하나의 영상을 보여주는데 성공하였다.

전자현미경의 분해능은 일반적으로 전자총의 휘도와 대물렌즈의 수차에 의해 결정된다. 1970~80년대 고휘도의 전자총이 개발된 이후, 전자현미경의 분해능을 높이기 위한 노력은 주로 대물렌즈의 수차를 줄이는 것에 집중되었다. 전자현미경용 렌즈에는 볼록렌즈만 있고 오목렌즈가 존재하지 않는다. 따라서 광학현미경처럼 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합하여 간단히 수차를 줄이는 것이 불가능하다. 이에 1950년대 독일의 Otto Scherzer는 다극자를 이용한 수차보정기를 제안하였으나, 가공 및 제어기술의 미비로 1990년대 까지 실용화되지 못하였다. 1998년 독일의 Maximillian Haider는 6극자 구조 수차보정기를 장착한 TEM으로 분해능을 3배 이상 높인 재료의 원자분해능 이미지를 보여주어 세상을 놀라게 하였다. 현재는 수차보정기를 장착하여 1 Å 이하로 분해능을 높인 TEM 및 STEM이 판매되고 있으며, 그라핀의 원자 구조를 직접 이미지로 관찰하면서 원자 하나하나의 전자 구조를 분석하는 수준까지 수차보정 기술이 발전하였다.

전자현미경 세계시장은 80년 이상의 역사를 가진 독일, 그리고 일본, 미국이 90 % 이상을 점유하고 있으며 나노기술의 발전으로 수요가 계속 증가하고 있는 추세이다. 반면에 2000년대에 들어서면서 SEM 시장에 첫발을 들여놓은 국내업체는, 아직 초기단계로서 세계적인 기업에 비행 경쟁력이 약하며 고성능이며 비싼 SEM 개발을 숙제로 안고 있다.       

KRISS 산업측정표준본부 첨단측정장비센터는 십여 년 이상 꾸준하게 SEM 핵심기술을 개발해오고 있으며, 최근 선진국 업체에서 개발 경험을 가진 연구원들의 가세로 개발에 탄력을 받으며 이온현미경까지 연구영역을 확장하고 있다. 본 센터는 국내에서 유일하게 하전입자 광학계를 해석 및 설계할 수 있는 기술을 확보하여 현재 기존 요소기술을 개선하고 새로운 기술개발에 박차를 가하고 있다. 이와 더불어 국내 하전입자 기술의 인프라 구축을 위해, 기술이전과 함께 광학계 설계 및 교육을 포함하여 광원, 경통, 대물렌즈 등의 요소기술 위주로 국내 업체를 지원하여 국내업체의 세계시장 진출과 경쟁력 확보를 지원할 예정이다.

글:조복래(KRISS 첨단측정장비센터 책임연구원)