이은지
2002 연세대학교 화학과 (학사) 2005 연세대학교 화학과 (석사) 2009 연세대학교 화학과 (박사) 2010 서울대학교 화학부 (박사후연구원)
2011 University of Massachusetts, Amherst 고분자공학과 (박사후 연구원) 2011-현재 충남대학교 분석과학기술대학원 조교수
연성 나노소재의 투과전자현미경 분석
Transmission Electron Microscopy for Soft Nanomaterials
이은지 | Eunji Lee Graduate School of Analytical Science and Technology, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
E-mail: eunjilee@cnu.ac.kr
1. 서론
나노과학기술의 발전에 따라 원자 및 분자 크기 수준의 세계를 볼 수 있는 전자현미경의 중요성이 높아지고 있음은 고가의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)이 최근 5년 동안 약 60대 이상 국내에 서 설치되었음을 통해 가늠할 수 있다. 투과전자현미경은 표면구조형태를 제공하는 주사탐침 현미경(scanning probe microscope), 삼차원 형상과 이차원 표면구조를 제공하는 주사전자현미경(scanning electron microscope) 과 더불어 나노구조에 따른 물리적, 화학적 소재 특성의 상관관계를 규명할 수 있는 강력한 분석기기중의 하나 이다. 이차원 영상을 제공하지만 다양한 소재의 복잡한 미세 내부구조를 확인할 수 있다는 장점을 가지고 있기 에 시편제조와 장비 운용 및 유지보수가 어렵다는 단점에도 불구하고 그 활용범위가 매우 넓다고 볼 수 있다.
미래의 창조적인 나노소재 개발은 이러한 분석법의 적용 및 응용을 기반으로 하기에 각 소재의 특성에 따른 투 과전자현미경 분석기법의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 미세구조 정보를 얻을 수 있는 명시야 상(bright field image), 암시야상(dark field image) 영상분석, 결정구조 내 원자 및 분자 배열정보를 얻는 제 한시야 회절(selected area electron diffraction, SAED), 수렴빔 회절(convergent beam electron diffraction, CBED) 등의 기본 분석법을 기반으로 화학성분 및 조성 정보를 얻을 수 있는 에너지 분산 분광법(energy dispersive spectroscopy, EDS), 에너지 손실전자 분광법(electron energy loss epectroscopy, EELS) 등이 많은 관심을 받고 있으며(그림 1), 첨단 장비의 개발 및 보완, 요소 및 활용기술 개발을 통해 새로운 과학적 사실들을 밝혀내 거나 이를 바탕으로 기능성 나노소재의 개발을 가속화 시키고 있다(그림 2).1-3
유기 및 고분자 연성 나노소재는 가볍고 저렴하며 친환경적이고 공정이 용이하다는 장점 때문에 전기 및 광 학분야, 의료 및 바이오 분야, 신재생에너지 분야 등의 핵심 개발 소재로서 각광받고 있으며 다양한 화학적 개 질화를 기반으로 기초 학문연구과 연계하여 기술 산업화가 활발히 진행되고 있다.4 대부분은 고분자 블렌드 또 는 블록공중합체와 같이 다중 조성(multicomponent systems)을 가지고 있으며, 이는 자기조립 (self-assembly)하여 미세상분리(microphase separation)를 일으키고 나노크기의 잘 정렬된 패턴 또는 구조 를 형성함에 따라 본래 물질의 고유 성질과 다른 특성을 보이기도 한다(그림 3).5 따라서, 유기 및 고분자 나노 소재의 구조와 기계적, 광학적, 전기적 물성과의 상관관계를 이해하는 것은 산업적인 응용에 매우 중요할 뿐
그림 1. Conventional and advanced transmission electron microscopy.1,2
그림 2. (a) 백금원자를 포함한 그래핀 액체 셀(graphene-liquid-cell)의 모식도와 (b) 투과전자 현미경 사진 및 (c) 셀 내부의 백금 나노결정 성장과정
과 회절 패턴.3 그림 3. 기능성 블록 공중합체 고분자의 나노소재 응용 예.6-9
아니라 산업화 목적에 부합하는 새로운 유기 및 고분자 소재 를 개발하는데 크게 기여할 것이라고 생각한다.
투과전자현미경의 구조는 광원, 집속렌즈, 대물렌즈, 투 사렌즈로 이루어진 광학현미경과 유사하지만 이에 조리개, 스크린, 기록장치들이 추가되어 있다(그림 4).10,11 따라서 영 상 형성 원리는 비슷하지만 두 현미경의 가장 큰 차이점은 광원에 있다. 광학현미경은 400-700 nm 가시광선 영역의 빛 을 사용하기 때문에 아무리 많은 렌즈를 삽입하여 분해능을 향상시켜도 그 한계는 200 nm 수준인 반면, 투과전자현미 경의 경우 파장이 휠씬 짧은 전자빔을 사용하기에 가속전압 100-200 kV인 일반적인 전자현미경으로도 0.2-0.3 nm 분해능 을 기대할 수 있다. 또한 시편을 통과한 전자들은 투과와 산란
전자를 통해 영상을 형성하므로 현미경 내부가 진공상태이 어야 하고, 일그러짐 없이 해상도가 높은 영상을 얻기 위해서 는 전자총과 전자마그네틱 렌즈, 시편이 같은 축을 중심으로 정렬되어 전자가 정상적인 ray diagram을 형성하면서 스크 린에 도달하여야 하므로 조작법이 비교적 복잡한 편이다. 그 러나, 혁신적인 디지털 기술 개발로 장비 작동 및 조작이 쉬 워지고 있고, 가속전압 200-400 kV 전자현미경이 보급화되 고 있을 뿐 아니라 렌즈 수차의 보정 기술이 급격히 발전하 는 추세로 볼 때 고난이도의 운용기술 없이도 해상도가 높은 고품질 영상을 손쉽게 얻는 날이 멀지 않았다고 생각한다.
20-90 nm 두께에 해당하는 시편 내 원자와 충돌하면서 투과 및 산란한 전자는 명시야상 현미경을 통해 영상을 형성 하며, 결정(crystalline) 구조나 장범위 배열(long range ordering) 구조는 회절명암(diffraction contrast)을 통해, 비정질(amorphous) 재료의 경우 질량 두께 명암(mass thickness contrast)으로 영상을 보여준다. 최근 투과전자현 미경은 비약적인 발전으로 0.5 Å, 즉 원자 수준의 분해능을 보여주며 결정 구조 및 화학 조성에 관한 정보까지 제공하 기에 초미세 분석(ultrastructural analysis)이 가능하다. 그 러나 근본적으로 연성소재의 분석에는 여러가지 제약이 따 르는 것이 사실이다. 대부분의 생활성분자(단백질, 핵산, 다 당류 등)와 같이 가벼운 원소 C, H, O, N으로 이루어진 유기 및 고분자는 고해상도 영상을 얻기 위해 가속전압이 높은 전 자빔을 사용하면 시편이 손상되거나 약하게 산란시키면 충 분한 명암을 보이지 않고 이로 인해 미세구조를 파악할 수 없으며 명암 증가를 위해 염색을 했을 경우 인위적인 모폴 로지가 관찰되거나 시편과 실제 화학반응을 일으켜 구조가 변형된 영상을 관찰할 위험이 빈번히 일어난다. 이러한 문 제로 연구자들이 쉽게 영상을 얻을 수 없기 때문에 바이오 분야, 금속 및 세라믹 분야에 비해 투과전자현미경의 활용 및 분석법 개발이 미약한 편이다. 따라서 본 기고에서는 연 성 나노소재의 기본적인 분석기법, 시편 준비법 및 첨단 장
그림 4. (a) 투과전자현미경의 구조 모식도와 (b) 시료에 고속전자 입사에 따라 일어나는 탄성·비탄성 산란에 의한 전자파 또는 전자기파 발생.10
그림 5. 미토콘드리아 멤브레인의 위상차 효과를 이용한 관찰.
비를 간략히 소개하고자 한다(그림5).
2. 본론
투과전자현미경의 기본적인 구조와 원리에 대한 자세한 설명은 본지의 제 7권 4호,12 전자회절을 이용한 고분자 나노 구조 분석은 제 17권 4호와 제 20권 2호의 고분자 특성분석 지상강좌편을 참고하기 바란다.13,14
투과전자현미경을 이용한 소재분석은 크게 네가지 변수 에 의존한다. 현미경의 분해능, 전자빔의 에너지 분산도, 시 편의 두께, 시편의 조성과 안정성이다. 분해능과 전자빔의 가속전압은 현미경의 성능과 관계있으며, 시편의 두께는 시 편제작자의 숙련된 기술에, 시편의 안정성은 실험시스템의 올바른 선택에 달려있다. 따라서 연구 목적에 부합하는 장비 및 분석법 선택과 시편 준비에 대한 이해가 매우 중요하다.
2.1 투과전자현미경의 분해능과 시편준비 2.1.1 분해능과 명암차
광축에 근접한 전자선은 일그러짐 없는 영상을 제공하고 편향된 전자선은 영상을 흐릿하게 하는데 이러한 수차 (aberration), 즉 결점들은 렌즈의 성능에 영향을 끼친다.10 분해능은 두점 사이가 구별 가능한 최소 거리이며 수차가 모두 보정된다면 Rayleigh criterion에 의해 정의되므로 가 속전압을 증가시켜 전자파장을 짧게 만들거나, 조리개나 렌 즈 크기를 증가시켜 분해능을 향상시킬 수 있다. 그러나 후 자의 경우 수차를 유발하기 때문에 실질적인 분해능은 이론 적인 렌즈의 분해능과 구면수차(spherical aberraction)에 의 해 크게 영향을 받는다. 최종영상에 영향을 끼치는 주요 수 차는 구면수차, 색수차(chromatic aberration) 그리고 비점 수차(astigmatism)이며 색수차는 흡수에 의한 시편 내 에너
지 손실에 의해 나타나므로 시편의 두께를 조절하면 보정할 수 있고, 비점수차는 광축에 전자선을 근접시키는 조작을 통해 보정할 수 있다. 따라서 이론적 분해능 수치를 기대할 수 있도록 구면 수차가 보완된 현미경(Cs-corrected TEM)의 개발이 요구되었으며, 삼성전자, 하이닉스와 같은 반도체 산업체는 물론 학교, 연구소 등에서 이에 대한 활용이 높아 지고 있다(2.3.2. 참고). 같은 가속전압을 가지고 있더라도 구 면수차가 보정된 경우 고품질 영상을 보여주므로 전자빔에 약한 연성소재 연구자들에게는 희소식이라 할 수 있겠다.
앞서 언급하였듯이 영상을 형성하는 명암은 크게 질량차 명암(mass contrast), 회절 명암(diffraction contrast), 위상 차 명암(phase contrast)으로 구분되는데 자세한 설명은 본 지 제 13권 4호의 고분자 특성분석 지상강좌편을 참고하기 바란다.15 특히 세라믹 및 금속에 비해 유기 및 고분자의 경 우는 질량이 가볍고 결정성이 떨어지므로 전자가 시료를 통 과할 때 진폭의 변화가 작은 경우 초점을 약간 어긋나게 하 여 산란파와 투과파 사이의 최적 위상차를 나타나게 하는 defocusing 위상차 명암을 유도하여 관찰한다.
2.1.2 시편준비와 전자빔에 의한 시료 손상
사용된 기기의 종류와 관련하여 적합한 시료의 준비는 높 은 질을 가진, 믿을 만한, 재현성 있는 분석 결과를 가져다 준
그림 6. (a) 저밀도 선형 폴레에틸렌의 라멜라 구조를 RuO4로 염색한 사진과 (b) 염색시간에 따른 구조 변형, (c) Rotavirus를 phosphotungstic acid(2 wt%)로 염색한 사진.
그림 7. (a) 박막 캐스팅 방법과 (b) 초미세 박막 절편법으로 관찰된 라멜라 나노구조 비교.
다. 시료의 두께는 영상과 분광학 분석에 어려움을 유발하는 다중 전자 산란(multiple electron scattering)을 막기 위해 전자평균 자유행로(electron mean free path) 보다 작아야 하며, 일반적인 현미경에서 75 nm 두께가 적합하다고 알려져 있다. 얇은 막 유기 및 고분자 시편은 시료의 성질에 따라 용액을 기질(substrate)에 침적(depositing) 시키거나 스핀 코팅(spin coating), 기질 담그기(dipping), 초미세 박막절편 (ultramicrotoming), 집속 이온빔 자르기(FIB slicing) 등을 통 해 준비할 수 있다. 때때로 낮은 유리전이온도(glass transition temperature)를 가진 고분자 시료의 경우는 저온 동결 온도 (cryogenic temperature)에서 자르는 과정이 필요하다. 유기 및 연성소재는 전자빔에 의해 정전하(electrostatic charging) 및 이온화 손상(ionization damage), 변위 손상(displacement damage)이 일어날 수 있는데 이러한 손상은 시료를 액체질 소에 넣어 냉각시킴으로서 시료 조성에 따라 세배에서 백배 정도 손상을 줄일 수 있다. 또한 전자빔에 대한 시료의 민감 성은 앞서 말한 것처럼 시료의 변형을 가져오기도 하지만 조 사시간 동안 의도적으로 구조 변화를 유발하여 재료에 대한 유용한 정보를 찾을 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 고에너 지 전자(high energy electrons)에 유출되었을 때 orthorhombic 에서 hexagonal로 대칭전이를 보여 준다.16 또한 전자 빔에 의 해 단량체(monomer)가 1,6-di(N-carbazolyl)-2,4-hexadiyne (DCHD) 고분자가 합성된다.17
2.1.3 명암차 증가 염색 기법
동일한 화학 조성으로 이루어진 나노소재의 경우 명암차
증가를 위해 Pt, Cu, Au와 같은 금속을 비스듬한 방향으로 증착시키고 관찰함으로서 시료의 형태, 높이 기울기 등을 측 정할 수 있으나 이종 이상의 화학조성으로 이루어진 유기 및 고분자 소재의 경우 실재로 상분리 구조가 존재해도 각 종 의 전자빔에 대한 흡수도 산란도 등이 비슷하여 영상을 얻을 수 없는 경우가 있다. 이러한 경우 염색약(staining agent)을 사용하여 명암차를 증가시키는 것이 가능하다. 염색약으로 는 원자번호 42와 92사이의 Mo, W, U 등과 같은 중금속 이 온(heavy metal ion)을 사용하는데, 강한 산란을 일으키는 금속 이온은 약한 산란 구조체의 비정질층을 형성하여 전자 밀도를 증가시키고, 전자빔으로부터 시료가 손상되지 않도 록 보호제 역할도 한다. 그러나 시료에 대한 불균일 염색, 예 상치 못한 시료와의 반응으로 실제 모폴로지와는 다른 상을 나타내기도 하므로 시료의 손상을 최소화하는 염색기법의 개발과 올바른 적용이 필요하다(그림 6). 자세한 염색 기법 에 대해서는 본지 제 7권 2호지 고분자 분석기술 지상강좌
“TEM 관찰을 위한 고분자의 염색기술”편을 참고 바란다.12
2.2 액상, 고체상 연성 나노소재 분석 2.2.1 고체상 나노구조 분석
일반적인 고체상 나노 구조를 확인할 수 있는 가장 간단 한 시편제작법은 앞서 간단히 언급한 것처럼 용액 캐스팅 박 막(solution casting film)을 만드는 방법이다. 스핀 코팅 (spin coting)하거나 드롭 캐스팅(dropp casting) 후 열처리 등을 통해 전자빔이 투과 가능한 얇은 박막을 제작함으로서 분자배향 및 배열을 확인하는 것이다. 그러나 이 방법은 기 질에 용액의 젖음(wetting) 또는 젖음 불능(dewetting) 현 상으로 일정한 박막을 만들기 어렵거나 용액과 기질의 상호 작용에 의해 구조의 변형이 일어나는 단점이 있다. 따라서 구조적 변화 없는 고체상 모폴로지를 확인하기 위해 초미세 박막 절편법이 사용되기도 한다(그림 7). 이 방법은 시료의 부피가 너무 크거나 내부 구조의 관찰이 필요한 경우 300 nm 이하의 얇은 박막으로 절단하여 시편을 준비함으로서 투과전자현미경 분석이 가능하게 하는 방법으로 생체 재료
그림 9. 베지클과 콜라젠 파이버의 (a) cryo-TEM과 (b) FF-TEM 사진.
그림 8. 에폭시 수지 몰딩을 이용한 초미세 박막 절편 제조과정.19
중 바이러스, 세포 등의 내부 소기관들을 관찰할 때 많이 사 용하는 방법이다. 유기 및 고분자 물질로 이루어진 나노소재 의 경우 상분리 현상과 내부 결정구조를 확인하기 위해 사용 할 수 있다. 다만 기계적 강도가 약하고, 무른 특성을 갖거나 유리전이온도가 매우 낮은 물질의 시편 제작 시에는 극저온 에서 시편을 자르거나 에폭시 수지로 감싸서 유리칼 또는 다 이아몬드칼 등으로 자른다(그림 8). 시편의 경도와 가소성은 박막제조 시 반드시 고려해야 하는 요소로 0.1-1 mm2 의 면 적을 가진 막대로 먼저 다듬는 과정(trimming)이 필요한데 경도가 어느 정도 균일할수록 자르기에 유리하다. 그렇지 않 은 경우 시편이 말리거나 밀려서 관찰이 어려운 경우가 많 다. 특히 파우더 형태의 샘플의 경우는 적합한 고분자 수지 를 선택해서 감싸야하며 온도 변화에 따라 경도를 조절하는 것이 자르기에 좋다. 유리칼은 가격이 저렴하기에 부담없이 사용 가능하지만 공기중의 산화로 칼이 무뎌지거나 시편에 스크래치 등을 유발할 수 있기에 사파이어 또는 다이아몬드 칼을 사용하기도 한다. 그러나 매우 고가이고 클리닝이 어려 운 단점이 있기에 용도에 적합한 칼을 잘 혼용해서 쓰는 것 이 좋은 방법이다. 이 외에도 시편 박막을 제조 시에 칼의 재 질, 칼과 시편과의 각도, 칼과 시편의 온도, 그리드 재질, 그 리드에 고정 방법 등 고려해야 할 사항들이 많지만 짧은 지 면이므로 참고 문헌을 참조하길 바란다.18
2.2.2 액체상 나노구조 분석
용액상 구조 분석을 위한 시편제작 시 본래의 구조 및 형 태를 유지해야 한다. 투과전자현미경 내부는 고진공 상태이 기 때문에 용액 건조 후 관찰하는 경우가 대부분이나 이는 농도변화로 인한 구조변형을 유발하는 경우가 많다. 유기 및 고분자의 경우 농도에 대한 구조 변화가 더 민감한 편이므로 인공결함 발생 및 이미지 왜곡 등의 문제점을 최소화 하기 위해 동결투과전자현미경(cryogenic TEM) 기법을 사용한 다. 리포좀, 유전자, 단백질 등의 생체물질, 고분자를 포함한
유기 및 유무기 복합체 등의 용액상 구조를 관찰할 수 있으 며 plunge method와 freeze fracture 두가지 방법으로 시 편을 제조할 수 있다(그림 9).15,20 급속히 동결하여 관찰시간 동안 -150 ˚C 이하의 낮은 온도를 유지해야 하므로 특별히 설계된 투과전자현미경 홀더와 시편제작 디바이스를 활용 해야 한다. 복잡한 시편 준비과정을 거쳐야 하므로 쉽게 접 근하기가 어려운 편이다.
(1) Cryogenic TEM(Plunge Freezing)
용액을 전자빔이 투과가능한 100 nm 이하의 얇은 필름 형태로 만들기 위하여 구멍이 있는 그리드에 로딩하고 급속 히 동결하여 위상차 명암을 이용해 이미지를 관찰한다.21 습도가 높은 조건에서 제조된 그리드 지지대 내 얇은 막 시 편은 90 K 녹는점을 갖는 액체 에탄올에 1000000 K/sec의 속도로 담궈 냉각시키며 샘플관찰에 방해가 되는 용매의 결 정화를 방지한다. 동결된 시료는 액체질소 조건에서 특수 홀 더로 옮겨지고 홀더와 현미경 내 온도는 77 K 이하를 유지 하며 관찰한다. 해상도는 좋은 반면 급속 동결하는 동안 용 매의 결정구조가 생긴다던지 습도와 온도변화에 따른 구조 변형이 일어 날 수 있고 수백 나노 미터의 얇은 박막을 만들 기 위해 필터 페이퍼를 이용해서 과량의 용액을 제거하는 동안 용액 내 shear stress를 유발하여 분산된 시료의 쏠림 현상이 인위적으로 나타날 수 있다는 단점이 있다. 얇은 막은 지지대 구멍의 중심쪽에 비교적 균일하게 생기는데 산소 플라 즈마로 지지대를 처리함으로서 이러한 현상을 줄일 수 있다.
그림 10. 삼차원 구축 영상에 의한 (a) double gyroid와 hexagonal cylinder 의 구조 전이와 (b) complex vesicle 관찰.24
(2) Freeze Fracture TEM(FF-TEM)
점도가 다소 높은 용액은 고압 동결 장비(high pressure freezing devices)를 이용해서 시편을 제작하여 변형없는 영상을 확인할 수 있다.21 액체 에탄 또는 프로판에 두개의 지지대에 용액을 고정시킨 시료를 담근 후 극저온 상태에서 차가운 칼로 지지대 사이를 깨서 용액 내 존재하는 구조체를 관찰하는 방법이다. 결정화된 얇은 층이 freezing etching을 통해 승화되면서 형태가 더 확실히 나타난다. 시편의 한면은 replica 제작 후 40° 각도로 Pt shadowing을 통해 명암을 증가시키고 다른 한면은 90° 각도로 C layer를 증착시켜 구 조를 관찰하므로 외부 환경에 영향 없이 온도에 따른 구조의 변화를 관찰할 수 있고, 전자빔의 세기에 민감하지 않다는 장점이 있다. 그러나 시편제작 방법 때문에 관찰된 면이 주 로 외부 토폴로지를 나타내는 경우가 많고 시편 제작기기가 매우 고가이므로 plunge freezing 방법에 비해 시편제작 접 근성이 용이하지 않는 편이다.
2.2.3 삼차원 영상 구축기법(3D TEM)
투과전자현미경 또는 동결투과전자현미경으로 얻어진 영상은 전체 형태와 내부구조에 대한 정보를 제공한다. 그 러나 일정한 두께 내에서는 중첩된 영상을 제공하므로 내·
외부 구조의 구별이 가능한 삼차원 정보를 얻기는 쉽지 않 다. 이에 작은 입자가 여러가지 각도에서 찍힌 영상을 종합 하여 삼차원 영상을 구축하는 single-particle 기술과 같은 입 자의 sectioning하여 여러가지 각도에 의해 이차원 영상을 얻고 삼차원 영상을 구축하는 electron tomography 방법이 개발되었다(그림 10).22,23 전자의 경우 비교적 방법이 간단하 지만 입자가 균일한 모양을 가지고 있어야 하므로 무기 또는 바이러스, 단백질 등의 바이오 소재에 적합한 반면, 후자의 경우 다양한 tilt 각도에서 같은 영역에 대한 이미지를 얻어 야 하기에 고난이도 기술이 필요하지만 고분자 소재의 경우
에 적용이 용이한 편이다. 다만, 한 구조체에서 여러 슬라이 드 이미지를 얻는 동안 low-dose 기법을 이용하여 시료의 손 상을 최소화 하는 것이 매우 중요하며 삼차원 영상의 해상도 는 이차원 영상의 분해능에 전적으로 영향을 받으므로 먼저 고해상도를 가진 이차원 영상을 얻는 것이 중요하다. 특별히 세포처럼 큰 크기를 가지고 내부 기관의 형태를 살펴야 하는 경우, 또는 반도체 소자의 내부 구조를 확인해야 하는 경우 는 초박막 절편법을 이용하여 여러 층에 이차원 영상을 얻 고 삼차원 재건축이 가능하나 박막절편 기술과 영상구축기 술을 동시에 요구하는 비교적 어려운 고난이도 분석기법이 라고 할 수 있겠다. 최근 연성소재 분야에서는 거대분자 (macromolecules)의 고체상 또는 용액상 자기조립체, 계면 에서 얻어진 Langmuir 단일층 구조, layer-by-layer (LBL) 박 막 내에서 구성 입자의 위치, 생체모방 광화작용(biomimetic mineralization) 등에서 활용되고 있다.
2.2.4 분석 투과전자현미경(Analytical TEM)
에너지 손실전자 분광법(EELS)은 유기 및 고분자를 포함 한 고체 및 용액상 연성소재 분석에 매우 중요하다. 시편을 통과하는 전자의 에너지 스펙트럼이 시료의 원소 조성 정보 를 제공하므로 시료의 모폴로지와 화학조성 조사에 적합한 방법이다. 전자빔이 시료의 원소에 충격을 주면 전자들의 일 부는 비탄성적으로 산란하고 에너지의 일부를 잃는데 투과 전자현미경에 부착된 분광기에 의해 이를 감지하여 특징적 인 에너지 값과 관계된 원소를 확인할 수 있다. 에너지 분산 분광법(EDS) 역시 화학적 조성을 확인하기 위해 널리 사용 되는 방법으로, 고에너지 전자빔이 시편에 조사할 때, 엑스 선 광자(photon)들이 생성되는데 특징적인 엑스선은 원소 의 특징적인 에너지를 정의하므로 이를 통해 시료의 화학적 조성정보를 확인할 수 있다. 그러나 에너지 손실전자 분광법 이 에너지 여과 투과전자현미경(energy filtered TEM) 만큼 이나 C, N, O 등의 가벼운 원소의 감지에 더 적합하다.
2.3 최신 분석 장비
2.3.1 초고전압 투과전자현미경(HVEM)
국내 최고의 고분해능 투과전자현미경은 나노 및 바이오 분야의 국제적인 연구 경쟁력을 강화시키기 위해 2003년도에 한국기초과학지원연구원에 설치된 높이 14.5 m, 중량 340 t, 1.3 MV인 초고전압 투과전자현미경(ultra-high voltage TEM, HVEM)이다(그림 11). 초고전압 투과전자현미경, 가 칭 “The Morning Star”는 원자분해능이 0.12 nm 이며 고 경사각(±60°)을 가지고 있고, 시편의 추가 절단 없이 1 μm 두께까지 관찰 가능하여 삼차원적 구조 분석이 용이하고, 부 착된 에너지 여과장치를 이용하여 저온에서 1500 ℃까지 물 질의 화학조성 및 구조변화 연구가 가능하다는 장점을 가지고
그림 12. 200 kV 가속전압을 사용하여 gate oxide를 관찰한 투과전자현미경 사진: (a) 구면수차 보정 전(Cs, 1.2 mm) 사진, (b) 구면수차 보정 후(Cs, -3 μm) 사진,26 (c) 구면수차보정 투과전자현미경 JEM-ARM200F.
그림 11. 초고전압 투과전자현미경(HVEM)의 모습.
있다. 원자 분해능, 우수한 투과력을 바탕으로 생물 및 금속 소재에 관한 세계적 수준의 연구가 활발한 반면, 유기 및 고분 자를 이용한 연구는 시료의 안정성 확보 등의 이유로 미약한 실정이다. 따라서, 저자는 분석목적에 적합한 고분자 시편 제조법 개발과 연계하여 유기 및 고분자 연성소재 분야의 초 고전압 투과전자현미경 기반연구가 활발히 진행된다면 독 창적인 나노소재 개발에 매우 중요한 플랫폼이 될 수 있다고 생각한다. 2004년부터 국가공동이용시설로 등록되어 분기 별 장비 이용신청서 심사 후 배정시간을 사용할 수 있다.
2.3.2 구면수차 보정 투과전자현미경(Cs-corrected TEM) 분해능 향상 구면수차 보정 투과전자현미경(spherical aberration corrected TEM, Cs-corrected TEM)은 조사계 렌즈의 수차를 mm 수준에서 μm 수준으로 보정함으로서 집속 분해능이 원자 크기보다도 작은 0.1 nm 이하로 가능하 도록 설계된 최신 현미경이다.25 앞서 언급한 것처럼 전자현 미경의 분해능 한계는 대물 렌즈의 구면 수차와 밀접한 관계 가 있고 일반적으로 구면수차 계수는 1-3 mm였다. 실린더 형 대칭 렌즈를 쓰는 이상 구면 수차를 줄일 수 없다고 생각 했던 문제점을 다중렌즈 사용으로 자기집속장(magnetic focusing field)의 실린더형 대칭을 깨서 수차를 보정하였으 며 이로 인해 분해능이 크게 향상된 것이다. 같은 전압을 가 져도 향상된 분해능 때문에 전자빔에 민감한 고분자 시료의 관찰시 유리하지만 전자빔 조사시 시편의 손상정도도 여전 히 고려해야만 한다.
3. 결론
고분자를 비롯한 유기 나노 연성소재에 대한 관심이 증가 함에 따라 구조적 이해를 기반으로 우수한 특성과 기능을 가 진 신소재를 설계하고 제조하고자 하는 노력이 활발히 진행
되고 있다. 따라서, 평균적인 구조해석이 가능한 산란법, 분 광법과 함께 실제공간 영상을 제공하는 전자현미경 분석법 이 나노소재 기반 핵심 분석기술로 강력하게 자리매김하고 있다. 실제로, 투과전자현미경 분석법은 반도체 결함 분석 시 가장 많이 사용되지만 수소연료전지 리튬이차전지 등의 극미세 소형화 소자를 상용화하기 위해 반드시 필요한 기술 및 연구 분야이며 생체활동의 가장 기본인 단백질의 구조를 파악하는 바이오 분야부터 뇌과학 분야까지 그 유용성은 이 루 말할 수 없게 되었다. 그러나, 연성 나노소재의 경우 전자 빔에 민감하여 시편 제조가 어렵고 왜곡된 영상 생성으로 비 교적 해석이 어려우므로 시료의 특성과 안정성에 근거한 맞 춤형 분석기법 개발이 절실히 요구된다. 앞서 소개한 분석 기술 및 장비들도 소재의 특성에 맞게 개선 및 활용해야 한 다. 이는 미래 나노산업 성장의 주요 핵심 기반 기술이 될 것 이다. 특히, 금속, 세라믹, 바이오 소재에 비해 유기 및 고분 자 나노소재의 투과전자현미경 분석에 관해서는 시편의 안 정성 문제 때문에 세계적으로도 우수한 분석전문인력이 많 지 않다. 따라서, 분석 수요에 부합할 수 있도록 투과전자현 미경을 이용한 원천 및 요소기술, 활용기술 등의 개발이 활 발히 이루어지고 공유되어야 한다. 또한 무엇보다도 국가 경 쟁력을 갖추기 위해서는 같은 기기를 사용하더라도 운용자 의 실력에 따라 분석능력은 현저히 달라짐을 고려하여 연성 소재 분야 투과전자현미경 분석전문인력 육성에 힘써야 한 다. 아는만큼 보이는 단순한 원리로 단순한 기술자가 아닌 소재에 대한 이해를 바탕으로 한 전문 연구인력의 양성을 추 천하는 바이다. 고가의 첨단 장비 인프라 구축도 매우 중요 한 사항이지만 대부분의 기기들이 외산 기기에 의존하는 현 시점에서 분석 기술과 장비 개발에 대한 인력양성 및 끊임없 는 투자는 급변하는 소재 연구 분야의 연구 경쟁력을 확보 할 수 있는 초석이 될 것이다.
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