주사전자현미경의기본원리와응용 (Part Ⅱ) 정석균 전정범주식회사코셈부설연구소 Principle and Application of Scanning Electron Microscope Seok Kyun Jeong and Jung-Bum Chun Electron Microscope Research Center, COXEM Co., Ltd Abstract: 주사전자현미경은시료의 topography, morphology, composition 및 crystallography 를나노수준에서관찰할수있는대표적인측정기법으로서기술의고도화및미세화에따라사용빈도가지속적으로증가하고있다. 전자현미경은전자빔을이용하여물체의형상을 30 만배까지확대하여관찰할수있으며, 전자기렌즈에흐르는전류를변화시켜배율을자유롭게조절할수있으므로 1000 배이하의저배율측정에도널리활용되고있다. 본고는상용화된전자현미경의핵심요소들의특징을개괄적으로살펴보았다. Keywords: SEM, electron beam, electron gun, vacuum, electromagnetic lens, coil, EDS 1. 주사전자현미경의구성 1) 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope) 은고체상태에서작은크기의미세조직과형상을관찰할때널리쓰이는현미경으로서 1965년최초로상품화된후초점심도가깊고 3차원적인영상의관찰이용이해서복잡한표면구조나결정외형등의입체적인형상을높은배율로관찰할수있는분석장비이다. 활용도도매우다양해서금속파편, 광물과화석, 반도체소자와회로망의품질검사, 고분자및유기물, 생체시료와유가공제품등전산업영역에걸쳐있다. 특히 X 선을이용하여작은부피의화학조성을빠르고정확하게측정할수있어서 SEM의활용분야를획기적으로확장해주고있다. SEM은집광렌즈 (condenser lens) 와대물렌즈 (objective lens) 를가지고있으나, 광학현미경이나투과전자현미경 (TEM) 처럼빛의법칙에따라서화면을형성하지않고, 전자기렌즈가전기가통하 주저자 (E-mail: mate@coxem.com) 는시편의표면에초점을형성한전자빔 spot을형성하고이 spot이관찰하고자하는시편부위를주사하여영상을형성한다. 이과정중에여러형태의 radiation이발생하지만 SEM에서는시편의가장표면에가까운영역에서발생하는이차전자 (secondary electron) 를이용해영상을출력한다. SEM 이미지에서한점의밝기 (brightness) 는전자빔과시편의상호작용에의해서시편의해당부위에서발생되는이차전자의수에비례한다. 전자빔의시편의각점에서이차전자의신호를수집하여정해진크기의 pixel로기록한다. SEM은 Figure 1에서보는바와같이컬럼부는전자빔을발생및가속시키는전자총 (electron gun), 전자빔을가늘게모아주는집속렌즈와대물렌즈, 필라멘트를떠난전자가시편에닿을때까지전자빔의경로를조절하는주사코일 (deflection coil) 로구성되어있다. 컬럼아래쪽의진공경통안에는시편을이동시키는시료 stage가위치하고, 경통에는이차전자검출기등다양한검출기를부착할수있다. 장비의하단부는진공챔버를 10 5 torr 이하로유지해주는진공펌프, 전자총과검출기등에 KIC News, Volume 13, No. 1, 2010 51
Figure 1. 주사전자현미경 Column의 3차원모형도. ( 주 ) 코셈의 CX 100S 모델기준. 고전압을공급하는고전압공급장치, 전체시스템을제어하거나수집된신호를처리하는 Electronics, 외부에서장비에전달되는진동을차단하는제진대등으로구성된다. 10년전만하더라도 SEM은덩치가큰부품들이복잡하게붙어있었으나최근에는전자부품의소형화및고성능, 고기능화로인해단순화되면서도신호처리속도는현저하게향상되었다. 1.1. 전자총 (Electron Gun) 전자총의역할은전자를만들고가속시키는역할을한다. 전자총은전자선 (electron ray) 의형태로사용되는안정된전자원을공급한다. 충분한양의이차전자를생산할수있을만큼많은양의전자빔를만들되, 자기렌즈에의해서작은빔을효과적으로형성하도록고안되어있다. 원자내의전자는원자핵과의전기력작용에의하여특정위치에서일정한에너지를갖고있기때문에전자가상온에서자기위치를벗어나공중으로방출되는일은거의일어나지않지만전자가갖고있는에너지장벽 ( 일함수 ; work function) 이상의에너지가주어질경우전자가튕겨져나오게된다. 즉, 전자총의필라멘트로사용되는텅스텐과같은금속을높은온도로가열시키면, 표면의원자에구속되어있던전자들이원자핵의속박에서벗어나진공중으로이탈된다. SEM의전자총에는열방사형 (thermionic electron gun) 과전계방사형 (field emission electron gun) 으 Figure 2. Hair Pin 형태의열방사형전자총의모식도 [9]. 로나뉘어진다. 열방사형 (thermal emission) 의경우음극은주로텅스텐으로약 100 µm 직경의선필라멘트로서끝이 V자모양을가진머리핀모양으로구부러져있다 (Figure 2). 텅스텐은일함수값이 4.5 ev로크지않고, 융점은 3650 K로매우높기때문에필라멘트로많이사용되며, 일반적으로필라멘트에직접전류를가하여약 2700 K까지가열한다. 한편, 고급전자현미경에서는발생된전자의밀도 ( 즉, 단위각도상단위면적당전자의수 ) 를높이기위해서 LaB 6 (lanthanium hexaboride) 를사용하며, 1900 K의온도로가열하여사용한다. LaB 6 는표면원자흡착에의해전자방출성이현저히떨어지는문제가있으므로고진공을유지하여야한다. 필라멘트에서튕겨져나온전자는 1 30 kv의고압을걸어서가속시킨다. 전자총은 Figure 2와같이윗부분에필라멘트전원 (cathode) 과필라멘트가있고, 필라멘트주위를감싸고있는 wehnelt cylinder, 아래쪽에가속전극역할을하는양극판 (anode plate) 등으로구성되어있다. 30 kv의고전압을발생시키는고압회로의전압및전류의안정도는 SEM 이미지의화질에지대한영향을미치므로치밀한설계가요구된다. Wehnelt cylinder에바이어스전압이가해지면 52 공업화학전망, 제 13 권제 1 호, 2010
주사전자현미경의기본원리와응용 (Part Ⅱ) Figure 3. 전자총외부, Wehnelt 실린더, 텅스턴필라멘트사진. Table 1. 전자총의비교 [1] 방사원 휘도 (A/cm 2 sr) 수명 ( 시간 ) 방사원크기 에너지분산 (ev) 전류안정도 (%) 텅스텐 10 5 40 100 30 100 µm 1 1 10 3 LaB 6 10 6 200 1000 5 50 µm 1 1 10 5 전계방사형상온형고온형 Shottky 형 10 8 10 8 10 8 > 1000 > 1000 > 1000 < 5 nm < 5 nm 15 30 nm 0.3 1 0.3 1 5 5 2 진공도 (Pa) 10 7 10 6 wehnelt cylinder는음극인필라멘트보다더마이너스전압을띠게되고, 이로인해필라멘트에서방출된전자는척력을받게되어가운데로집속된다. 음극인필라멘트와양극판사이에가해지는전압을가속전압이라고하는데이에의해필라멘트에서방출된전자가가속되어아래방향으로방사되면서전자빔을형성하게된다. 전계방사형 (field emission) 전자총은팁 (cathode), 1차양극, 2차양극으로구성된다. 팁은 W-point tip을 600 2000 Å의곡률반경을가지도록뾰족하게제작한후강한전기장을가하여 potential 장벽의두께를줄여줌에따라전자가텅스텐표면밖으로투과되어나가는원리를이용하고있다. FE 전자총은점원으로부터균일한에너지의전자선이얻어지므로대단히높은전자선밝기와작은교차점을형성할수있어서고해상도를얻을수있다. 1차양극은 3 5 kv의고전압을가하여팁으로부터전자를방출하게하고 2차양극은전자를가속시키는역할을하는데 2차양극과팁사이에는최대 30 kv의가속전압이가해지게된다. 전계방사형의경우열을전혀가하지않는상온형 (CFE ; cold cathode field emitter), 고온형 (TFE ; thermally assisted field emitter), 쇼트키형 (SE ; Schottky field emitter) 가있다. 3세대전자총이라할수있는 Schottky 방식은텅스텐팁의열전자방식보다낮은온도로가열하여텅스텐의일함수를낮추고, 다른방식보다작은전기장으로텅스텐표면으로부터전자를방출하는원리로서차세대전자총으로발전할것으로보인다. 1.2. 전자기렌즈 (Electromagnetic Lens) 전자기렌즈는코일이감아진원통형의전자석으로전자가자장에의해휘는성질을이용하여전자를한곳으로모으는역할을한다 (Figure 4). 광축에원대칭을이루는자장에의해광축을따라서진행하는가속된전자가나사형괘적을이루면서초점을형성한다. 광학현미경에서는렌즈가대상물의크기를확대하지만전자현미경에서는렌즈에의해전자빔의크기가축소되며, 이를반확대 (demagnification) 라고한다. 자기렌즈는항상볼록렌즈의역할을하는데렌즈의초점거리는다음과같다. KIC News, Volume 13, No. 1, 2010 53
Figure 4. 전자기렌즈의모식도 이식에서 e와 m은전자의전하량과질량이고 V는가속전압이다. B z 는자장의세기로코일에걸어주는전류에따라연속적으로변화시킬수있으므로유리렌즈에서초점거리가유리의곡면반경에의해서정해지는것에비하면커다란장점이다. 1.2.1. 렌즈 (Condensing & Objective Lens) 전자총에서나오는전자빔의크기는약 10 50 µm로서보통 2개의집속렌즈와 1개의대물렌즈를이용하고, 시편에주사되는전자빔의크기의약 1/10000인 5 200 nm 정도이다. 전자빔이가늘수록표면의모양을더자세히관찰할수있다. 필라멘트에서나오는전자는여러방향으로퍼져서나오기때문에전자빔을가늘게만들려면바깥쪽에있는전자를안쪽으로밀어넣어야된다. 전자현미경에서는 Figure 4와같이전자석 ( 집속렌즈 ) 을이용하여전자빔을가늘게만든다. 집속렌즈는전자총을빠져나온전자빔을모아주는역할을하며조리개 (aperture, 50 200 µm) 와함께조합하여전자빔의세기를결정하는요소가된다. 조리개의크기가작으면 spot size가작아지고통과하는전자들의수가감소하며구면수차 (spherical aberration) 를감소시킨다. 시료에조사되는빔의크기를결정하는대물렌즈는전자빔형성렌즈로도불리는데, 작은전자빔을만들기위해서는초점거리가짧고시료의표면에가깝게위치되도록한다. 2개의주사코일과한쌍의 stigmator로구성되어있다. 주사코일은 scan Figure 5. 렌즈를포함한 SEM 컬럼모식도와 Beam focusing 과정. generator에연결되어시료표면에형성된전자빔의 spot을체계적으로이동시킬수있도록되어있다. Stigmator는시편에입사되는전자빔이나시편에서방출되는이차전자의 spot이정확히둥굴지않을경우 spot의일그러진방향에반대의전자기장을걸어서교정하는기능을한다. 대물렌즈와시료표면사이의거리를작동거리 (working distance) 라하는데, 작동거리가짧을수록더욱작은점을형성할수있으며, 영상의해상도가좋아진다. 대물렌즈속에는주사코일, 조리개와비점수차코일등이들어있으며, 대물렌즈로전자빔을시료의표면에초점을맞추므로영상의배율이변하여도초점은변하지않는다. 렌즈를설계할때제약요소는렌즈와시편사이의공간을전자검출기와공유해야하며, 다소여유있는 working distance를갖고있는것이좋다. 시료를절단하지않고가급적큰시료를바로측정해야할때가많기때문이다. 과거에는 Figure 7 의평면 pin hole 렌즈를많이사용하였으나최근에는반도체웨이퍼의대형화등으로 60도 conical 렌즈를주로채용하고있다. 1.2.2. 조리개 (Aperature) Figure 5처럼 anode에서가속된전자들은 2 3 개의집속렌즈를거치면서 2 nm 이하크기의 54 공업화학전망, 제 13 권제 1 호, 2010
주사전자현미경의기본원리와응용 (Part Ⅱ) (a) 100 µm (b) 200 µm (c) 600 µm Figure 8. 대물렌즈조리개의조정에따른이미지변화 [11]. Figure 6. 대물렌즈의 Cross section. 조리개는지름이 50 600 µm 크기를갖고있으며크기가작으면 spot size가작아지고통과하는전자들의수가감소하며구면수차 (spherical aberration) 를감소시켜 depth of field를증가시킨다. Depth of field는또한마지막대물렌즈의아래쪽부터시편까지의거리 (working distancd) 에의해서영향받는다. WD가증가하면 aperture angle이감소하므로 WD를증가시키면 depth of field도따라서증가한다. 1.2.3. 축조정코일전자총의중심축과집속렌즈의중심축이기계적으로위치가흩어져있으면전자총에서방사되어집속렌즈에들어가는전자선이어긋나게된다. 이는렌즈의수차발생의원인이되며분해능을떨어뜨리게된다. 이때전자총의음극바로밑에서전극코일을통해 X Y축방향으로적당량을편향하여집속렌즈의축에일치시킨다. 1.2.4. 주사코일주사코일은집속렌즈와대물렌즈사이에위치하여전자빔을대물렌즈중심의한점에편향시키는역할을한다. Figure 7. Pin hole lens의다양한형태. (a) 평면렌즈, (b) 45 도 conical 렌즈, (3) 60도 conical 렌즈 [2]. beam spot을형성한다. 일반적으로 spot의크기가작을수록 SEM의분해능이증가한다. 각각의렌즈는고정또는가변조리개 (aperature) 를가지고있어서 spot size를줄이거나구면수차 (spherical aberration) 를감소시키는데이용된다. 1.2.5. 비점수차보정코일 (Stigmator) 컬럼의오염이나전자기장또는광학계의미세한결함에의해 spot의형태가왜곡될수있으며, 그결과초점이맞지않게되어해상도를떨어뜨리게된다. 이를보정하는코일을비점수차보정코일 (stigmater) 이라하며, 전류를적절하게조절하여보완하는방법이다. Stigmater는렌즈내에부착된 octupole이라불리는 8개의분할된전자석 KIC News, Volume 13, No. 1, 2010 55
Figure 9. 8개의자석에의해비점수차를조절하는 Stimator의작동예 [11]. 으로구성되며, 전자석에선별적으로자기장을부가하여렌즈의원래자기장크기의비대칭성을교정한다. 1.2.6. 프로브의형성전자렌즈의작용에의하여미세한전자빔형태로만들어지는프로브는시편표면을주사하면서신호를발생시켜실제영상을형성토록한다. 영상에서화소 (pixel) 가기본단위인것처럼영상에대응하는시편상주사면에서는프로브가기본단위가된다. 프로브의크기에따라분해능이결정되며프로브전류량의크기에따라화질이결정된다. 프로브의크기와전류량은전자총과전자기렌즈로구성되는전자광학계에의하여결정된다. 프로브의크기를결정하는요소로는회절효과와렌즈의수차가있다. 회절효과는렌즈를통과할때경로차에의하여만들어지는에어리원반때문에분해능의저하가생기는것을말하는데전자기파의파장에따라서원천적분해능의한계는규정되어있다. 렌즈의수차는구면수차, 색수차및비점수차가있으며, 주로전자광학계의결함에의하여발생하는데프로브를확장시켜분해능의저하를초래한다. 1.2.7. 시료표면 Scanning 및초점조절 SEM은전자빔을시료의한지점에충돌시켜그곳에서튕겨나오는전자의양을측정한후전자빔의 spot을바로옆으로옮기면서차례대로주사해야관심있는영역의전체표면영상을얻을 수있다. SEM에서는전기력을이용하여 spot을이동시키며이는코일에흐르는전류를조절하여제어한다. 전류를변화시키면전기장의세기가변하며, 전기장내에서전자가휘는정도가달라지기때문이다. 집속렌즈에의해한점에모인전자빔은시료쪽으로내려오면서다시원뿔모양으로퍼진다. 선명한영상을얻기위해서는전자빔이가늘수록좋기때문에시료표면에부딪치는지점에초점을맞추어야한다. 1.3. 영상신호검출장치광학현미경과달리전자현미경의영상은눈으로직접볼수없으므로모니터에그림으로나타내게된다. 전자빔이입사된각점의명암을화면의좌표계에옮겨각점 (pixel) 의명암으로영상을나타내며 SEM에서는각 spot에서튕겨나온전자의양에따라명암이구분된다. 20 30 kev의에너지를갖고시료에입사된전자빔은시료의원자와탄성또는비탄성충돌을하며, 이차전자, 후방산란전자, X선및가시광선과같은신호를발생시킨다. 대표적인것으로는이차전자및시료표면에서반사되어후방으로산란된전자이다. 이두종류의전자들은매우다른에너지를가지므로두개의다른전자검출기로측정한다. 1.3.1. 이차전자검출기 (SED; Secondary Electron Detector) 이차전자는에너지가비교적낮고표면형상에대한상세한정보를제공한다. 뿐만아니라검출기의제작비용이저렴하고제어하기쉽기때문에 SEM의기본검출기로사용되고있다. 이차전자가형광물질이도포된 scintillator에충돌하면이차전자가형광물질을자극하여빛을방출하고, 이빛은 lucite나 quartz 로구성된 light guide 를따라서이동한뒤 photomultiplier의끝에위치한 photocathode을때리게된다. Photocathode는빛이충돌하면전자를방출하는물질로 coating이 56 공업화학전망, 제 13 권제 1 호, 2010
주사전자현미경의기본원리와응용 (Part Ⅱ) Figure 11. 시편을기울여측정한이미지. Figure 10. Edge Effect 사례. 모서리부위가평면보다훨씬밝게나타난다. 되어있으므로, 여기에서나온광전자들 (photoelectrons) 이전자들의개수를비례적으로증가시키는 photomultiplier에들어간다. Photomultiplier에의해서발생된약한전압은 SEM의 preamplifier와 amplifier에들어가서약한신호를강하게전기적으로바뀐다. 가속된전자빔은시료표면에서 1 5 µm 깊이까지침투하여상호작용을유발하며, 그중이차전자는표면부위에서많이방출되므로표면의형상을잘반영해준다. 이차전자는결국광전자라는매개체를거치게되므로방출량이많을경우밝게, 그렇지않을경우어둡게나타나므로모니터화면에명암의이미지를보여주게된다. 이차전자발생효율에미치는인자로서입사전자빔이시편의면과이루는각도를생각할수있는데, 만일입사빔이시편면과 90도의각도로서충돌하게되면전자빔이깊숙이침투하게되므로시편내부에서발생한이차전자들이시편바깥으로뛰쳐나오기어렵다. 반대로입사빔이시편면과거의평행에가까울정도로입사하게되면전자비임이시편내로깊이침투하지못하게되므로많은수의이차전자들이뛰쳐나와검출기에탐지되게된다. Figure 10에서보는바와같이측면, 돌출된얇은부위, 모서리부위에서는이차전자들이시편밖으로뛰쳐나올확률이높기때문에평탄한면보다밝게나타나는데이를 edge effect라한다. 한편, SEM 이미지를측정할때경우좀더정확한정보를얻을수도있으므로다양한시도가필요하다 (Figure 11). SED에서가속전압을높이면전자빔이침투하는깊이가증가하므로 contrast가감소하지만시편의모든형상 (topology) 으로부터이차전자들이방출될확률을증가시킬수있다. 만일 SEM 관찰중에더높은 contrast가요구될시에는가속전압을낮추어 contrast를증가시킬수있다. 불완전하게 coating된시편이나접지가완전히되지않은시편에서는하전이축적되어 contrast가증가할수도있으나전체적인영상의질은나빠지게된다. Coating 이불완전하면입사빔로부터시편의 coating 이안된부위에정전하가축적되어밝게보이게되고접지가불안하면축적된전하들을빨리분산시키지못하여밝게보인다. 1.3.2. 후방산란전자검출기 (Back Scattered Electron Detector) 시료의표면으로부터반사 ( 혹은산란 ) 되어다시시료의표면밖으로방출되는전자들을후방산란전자라부르며검출기는흔히대물렌즈밑에위치한다. 시료의구성원자가무거울수록후방산란정도는더욱커지기때문에평평한시료의표면에서원자번호의차이에의한대비가후방산란전자상에나타난다. 따라서후방산란전자상으로는시료의조성에대한정보를감지할수있다. 특히원자번호의차이가 20 이상이면인접상의구별이가능하다. 시료에흡수된전자의에너지가형광반응으로가시광선영역의전자파를발생하는시료에는 Robinson형검출기로이신호를측정하여영상화하는데이는형광혹은발광물질의상을구분관찰하는데유용하다. KIC News, Volume 13, No. 1, 2010 57
Figure 12. 전자현미경이미지와 EDS의 X선스펙트럼 1.3.3. X선분석 : EDS/WDS 1차전자와고체시료사이의작용으로 X선및장파장의가시광선이방출되는데, 이들을검출하기위하여 EDS (energy dispersive spectrometer) 와 WDS (wave dispersive spectrometer) 검출기및 cathodoluminescence 검출기가시편실공간에위치할수있다. 이들은 1차전자빔을시편에주사하여발생하는특성 X선의세기를검출하여원소의분포도를측정하여정성또는정량분석을할수있는 SEM의강력한분석기능이다. 1.4. 고전압발생장치 SEM에서는전자빔을발생시키는전자총의가속전압, 바이어스전압 (W 필라멘트의경우 ), Filament 전류를공급최대 30 kv의높은전압을공급한다. 이차전자검출기에는이차전자를가속하기위하여신틸레이터와 Faraday 망에, 광증폭관 (Photomultiplier tube) 이신호증폭을하기위하여전극에고전압을필요로한다. 전자총의음극에인가되는고전압의리플이높을수록이미지의분해능이떨어지므로안정된가속전압과방사전류는 SEM에서는핵심기술중하나이다. 정전기로인한노이즈, 고전압방전에의한전자회로의오동작등은고전압사용에따른부차적인현상으로이런현상들을효율적으로억제할수있는기술등이수반되어야한다. 1.5. Stage와시편 Holder SEM 시료는스터드등의금속제받침에놓이고, 이받침은홀더를통하여접지되어있다. 시편으로입사된전자가방전되지않으면, 뒤에입사되는전자빔에척력을가하여시료에입사되는전자의수가감소되며이차전자의진로에영향을주어영상의질을떨어뜨리게된다. 따라서, 세라믹이나고분자등의부도체시료는탄소막의진공증착이나금 팔라듐을증착하여전도성코팅을하여야한다. 시편홀더는 5축으로서 X, Y, Z축방향의이동과회전및기울임이가능해야하며정밀한제어가필요하다. 넓은시편을이동하면서관찰하거나, 파면등을유리한방향과위치에서관찰할수있다. EDS 등의분석기능을갖춘 SEM 과반도체웨이퍼와같은대면적의시료관찰을위한 SEM 등의홀더는모터를장착하여사용하기도한다. 1.6. SEM Electronics SEM의전자회로는디지털영상기술과결합되면서비약적으로발전하였다. 초기 SEM은 CRT 모니터를사용하였기때문에주사속도가느렸으나반도체기술의발달로인해고성능의소형화된 processor, analog-to-digital 변환기, 대용량저장장치, 뛰어난제어장치등으로인해뛰어난해상도의영상을빠르게얻을수있을뿐만아니라파일로저장되므로활용도를높일수있게되었다. 전자회로계는크게진공제어회로, 주사회로, 영상신호처리회로등으로구분되며, 시스템을제어하고 PC와통신을통해데이터를수집, 가공, 저장한다. 진공제어회로는진공계각단의밸브를여닫는역할을하고냉각수이상, 유확산펌프히터단선, 전원이상, 진공상태의이상유무등을감지하여시스템을안전하게동작시키며, 밸브의동작은진공계를초기화할때경통의진공도에따라순서대로동작한다. 주사회로는주사신호발생회로 (scan generator) 와배율조정회로렌즈전류조정회로등으로구별되며이는상호연관되어있다. 58 공업화학전망, 제 13 권제 1 호, 2010
주사전자현미경의기본원리와응용 (Part Ⅱ) 1.7. 진공계전자현미경에서는 10 5 torr 이상의고진공이사용하므로대체로유회전펌프 (rotary vacuum pump) 와유확산펌프 (oil diffusion pump) 를직렬연결사용한다. 유확산펌프는저렴하고진동이거의없으며유지보수가쉽기때문에널리이용되고있으나오일을높은온도로가열하기때문에냉각수를필요하고, 오일증기의역유입 (back streaming) 현상으로경통내부를오염시킬우려가있기때문에개폐밸브의자동차단기능이필수적으로요구된다. 유확산펌프는원통형구조의경통에적당량의오일을충진하고밑면에히터를장착한다. 히터에서충분히가열된오일증기는제트침니 (jet chimney) 를통해초고속으로분사되는 oil stream에의해경통안에있는기체를빨아들이는역할을한다. 유확산펌프는먼저유회선펌프로 10 torr 이하로내부진공을뽑고오일을충분히가열하여침니내부에서압축된오일증기는노즐을통하여고속으로벽면으로이동하므로그주변압력이떨어지고결국펌프와경통내부의압력차이로경통안에있는기체를빨아들이므로진공펌프역할을한다. 이오일증기는냉각수에의해오일로응결되어밑으로떨어지고다시증기가되는순환운동을하게된다. 터보펌프 (turbo molecular pump) 는오일증기가오염될우려는없으나가격이비싸고펌프자체가고속으로회전하므로경통에진동이직접전달되며, 일정시간을사용하면축베어링을교체해야한다. 터보펌프는일정한각도를가지고고속으로회전하는 blade와가스분자가충돌하면서 chamber 내부의기체분자들이빨려나오는원리를활용한다. 터보펌프는초기진공을잡는시간이불필요하며, 진공을뽑는과정에서부식성또는반응성물질의잔류가없지만유확산펌프에비해가격이비싸고질량이가벼운분자들의경우배기속도가떨어진다는단점이있다. 한편, 텅스텐필라멘트대신에 LaB 6 필라멘트를쓰기위해서는훨씬높은진공을유지해야하므로앞에말한진공시스템외에이온게터펌프 (ion getter pump) 가추가로요구된다. 2. 결론 : 전자현미경시장의전망전자현미경은나노기술의발전등과학기술의고도화및미세화로인해더욱다양한용도로활용되고있으며, 반도체 / 디스플레이, 나노융합기술, 신소재, 기계부품, 생명과학등첨단산업전분야의 R&D, 품질관리, 교육을위한기반인프라기술이라할수있다. 시장보고서들에따르면전자현미경시장은매년시장규모가 12 13% 정도성장하고있으며, 2008년 1.8조원에서 2015년 5조원규모로확장될것으로예상된다. 2008년도전자현미경 (SEM, TEM, EPMA 등 ) 세계시장점유율은 Hitachi 32%, JEOL 29%, FEI 27%, 기타 12% 로보고되고있다 [4-6]. 일본의대표적인두회사외에도 Keyence, Toshiba 등을포함하면일본은세계시장의 65% 이상을점유하고있는것으로추정된다. 교육과학기술부는지난해 10월 21일전자현미경을세계적으로성장성이높은 25개첨단분석장비중의하나로선정하고, 2010년부터집중육성할계획이라고발표하였다. 2010년도에는첨단분석기기제조업체의경쟁력향상을위해 50억원의예산을배정하여지원한다고하지만정밀기기의국제경쟁력강화를위해서는보다획기적인대책이마련되어야할것이다. 우리는일본의정밀측정기기산업의육성을위한노력에주목할필요가있다. 일본은 1930년대후반에국가과학기술의발전을위해서는전자현미경기술의확보가필수적이라는판단하에문부성주관으로대규모유학생을독일에파견하는한편산학연공동연구를추진하였다. 그결과 1941 년 Hitachi가 TEM (HU 1) 을개발하였고, 2차대전이끝난후 JEOL, Shimadzu, Akashi 등산업을육성하여 1960년대부터세계시장을석권하게되었다. 전자현미경기술은이미보편화되었으므로국내기업들은후발의이점을최대한활용하여생산기반을구축하는한편, 특화된기능을개발하여틈새시장을비집고들어간다면글로벌시장에서충분한경쟁력을확보할수있을것으로확신한 KIC News, Volume 13, No. 1, 2010 59
다. 나아가산학연공동연구를통해서창의적기술을개발한다면 10년후우리도전자현미경 Global Top 5 회사를갖게될것이다. 참고문헌 1. 윤존도, 주사전자현미경분석과 X 선미세분석, 청문각 (2005). 2. 조양구, 전자현미경의개발과응용, 화학세계 (2008). 3. 박창현, 염미정, 엄창섭, 돋보기에서 FE 까지현미경의변천사 생명과학적관점에서, 한국전자현미경학회지, 33 (2003). 4. Winter Green Research Inc., Worldwide TEM and SEM market share, Strategies, and Forecast, 2009 to 2015, Jan. (2009). 5. JETRO Market Report, Nanoscale Equipment for Visualization and Measurement, March (2006). 6. BCC Research, Microscopy: The Gloal Market, June (2007). 7. ( 주 ) 코셈, Introduction to Electron Microscope, (2009). 8. 안재평, 박종구, 전자현미경의회절원리와나노구조분석응용, 고분자과학과기술, 17 (2006). 9. 한국기초과학지원연구원, 초미세세계와전자현미경. 10. 백태선, 주사전자현미경 (SEM) (2003). 11. 윤존도, SEM 워크샵교육자료, 주사전자현미경의개요및전자광학 (2008). 12. 김석환, SEM 워크샵교육자료, 신호검출및영상원리 (2008). 13. 경상대, 전자현미경및재료분석기기, http://super. gsnu.ac.kr/lecture/microscopy/em.html. 14. 생산기술연구원, 미세조직평가, http://microjoining. kitech.re.kr. 15. 경상대누리사업단웹사이트, 주사전자현미경과세라믹특성평가. 16. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/electron_ microscope. 정석균 1987 서울대공업화학과학사 1997 2002 ( 주 ) 랩소프트대표이사 2003 2008 케이맥 ( 주 ) 마케팅이사 2009 현재 ( 주 ) 코셈대표이사 전정범 1996 서강대학교수학과학사 1998 서강대학교전자공학과학사 2000 한국과학기술원전기및전자 공학과석사 2009 한국과학기술원전기및전자 공학과박사 2004 2006 엠텍비젼 ( 주 ) 선임연구원 2007 현재 ( 주 ) 코셈책임연구원 60 공업화학전망, 제 13 권제 1 호, 2010