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전자현미경 종합성능평가 개막, 국내 기업에 날개 단다-표준연 자체기술로 전자현미경 성능평가 위한 에너지 분석기 국산화 성공

하이거 2022. 9. 24. 12:25

전자현미경 종합성능평가 개막, 국내 기업에 날개 단다-표준연 자체기술로 전자현미경 성능평가 위한 에너지 분석기 국산화 성공

작성자관리자 작성일자2022-09-20 09:00

 

 


전자현미경 종합성능평가 개막, 국내 기업에 날개 단다
- 표준연 자체기술로 전자현미경 성능평가 위한 에너지 분석기 국산화 성공 -
- 전자현미경 성능평가 종합 시험서비스 제공, 국내 장비산업 생태계 지원-


한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 전자현미경 성능을 좌우하는 핵심장비인 고성능 에너지 분석기의 개발에 성공했다. 국내 장비회사 대상 시험서비스를 제공해 첨단 현미경 산업 생태계 육성에 기여할 전망이다.

전자현미경의 성능은 전자빔을 만들어내는 전자원의 특성에 달려 있다. 전자원에서 생성되는 전자빔으로 렌즈에 초점을 맞춰 대상을 관찰하기 때문이다. 아주 작은 대상에도 정밀하게 초점을 맞추려면 전자빔을 구성하는 전자 입자들의 에너지 분포가 균일해야 한다. 따라서 고성능의 전자현미경을 개발하기 위해서는 전자빔의 에너지 분포가 얼마나 균일한지 보여주는 에너지 폭을 정확히 측정하는 것이 중요하다.

그동안 국내 다수의 기업들이 전자현미경 개발에 성공했지만 에너지 폭 측정에 사용할 정밀 에너지 분석기가 없어 실측값 대신 문헌상의 수치를 참고했다. 이 방식으로는 개별 현미경 간의 미세한 성능 차이를 확인하기 어려워 제품의 성능 검증에 한계가 있다. 현재 국산화된 텅스텐 필라멘트 범용 전자현미경을 넘어, 고성능‧고부가 전자현미경 시장에 진출하기 위해서는 에너지 폭 측정 기술이 반드시 필요하다.

KRISS 연구진은 2019년 자체 시뮬레이션을 기반으로 설계기술을 확보해 2022년 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기의 실물 개발에 성공했다. 제작비용이 수백만 원 정도로 저렴하면서도 13.8 meV(밀리전자볼트) 수준의 미세한 에너지 차이를 구분할 수 있는 측정 분해능을 갖췄다. 고가의 주사전자현미경 등 최첨단 연구장비의 성능평가에 활용할 수 있는 수준이다. 크기가 60 mm로 작아, 독립적인 분석기로 사용할 뿐 아니라 현미경 안에 부착해 전자원 성능평가가 가능한 일체형 현미경을 개발하는 데도 사용할 수 있다.

지금까지 개발된 에너지 분석기는 크게 두 가지다. 반구형 에너지 분석기는 측정 분해능이 우수하지만 가격이 수억 원에 달하고 크기도 약 700 mm로 간편하게 활용하기 어렵다. 그리드 전극 방식 지연전위 에너지 분석기는 크기가 작고 가격도 저렴하지만 분해능이 300 meV 이상으로 측정성능이 낮아 성능평가에 부적합하다.

KRISS는 이번 성과로 기존에 운영하던 전자원의 각전류밀도 측정 시험에 더해, 전자원의 에너지 폭 측정 플랫폼을 구축해 8월부터 국내 기업체를 대상으로 시험서비스를 시작했다. 올해 안에 자기장, 소음, 진동 등의 영향에 따른 전자현미경의 영상 분해능 성능평가 플랫폼도 추가로 구축해 종합적인 시험서비스를 제공할 예정이다.

KRISS 박인용 연구장비성능평가팀장은 “고성능 전자현미경은 소재, 부품, 바이오 등 다방면에서 필수적인 장비임에도 기술 자립도가 낮았던 것이 현실”이라며 “이번 성과를 계기로 전자현미경의 부품부터 전체 시스템까지 아우르는 종합성능평가 플랫폼을 마련해 국내 기업의 고성능 현미경 시장 진출을 적극 지원할 것”이라고 밝혔다.

KRISS 기본사업과 과학기술정보통신부 미래선도연구장비 핵심기술개발사업의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 마이크로스코피 앤 마이크로애널리시스(Microscopy and Microanalysis, IF: 4.099)에 9월 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명


■ 용어 설명

○ 분해능(resolving power): 신호 측정 방법 또는 장치의 한계 성능을 나타내는 지표로서, 구별해낼 수 있는 가장 미세한 신호차이. 전자원의 에너지 분포 측정에서 단위는 eV(전자볼트) 또는 meV(밀리전자볼트)가 사용된다.

○ 반구형(hemispherical) 에너지 분석기 : 복잡한 광학계를 지나 반구형 전극으로 입사된 하전입자들은 안쪽과 바깥쪽에 인가되는 전기장, 자기장에 의해 편향되어 높은 에너지는 바깥쪽에 도달하고 낮은 에너지의 하전입자는 안쪽에 도달하여 에너지 분포를 측정한다. 이는 반구형 전극의 크기가 크면 클수록 높은 분해능을 보이는 윈리로 인해 크기가 매우 중요하며. 주로 오제 전자 분광기(Auger electron spectroscopy; AES), X선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 와 같은 반도체 물성을 측정하는데 이용된다.

○ 지연전위 에너지 분석기 : 하전입자의 에너지 폭을 측정하는 장치. 일반적으로 3~4개의 전극으로 이루어져 있으며 지연 전극의 에너지보다 낮은 하전입자원은 지연 전극을 통과하지 못하고 더욱 높은 에너지의 하전입자가 통과하여 에너지 폭을 측정한다. 

○ 주사전자현미경 (Scanning electron microscope): 전자빔이 시료표면을 주사(scanning)할 때 시료에서 발생되는 여러 가지 신호 중 이차전자(secondary electron) 또는 후방산란전자(back scattered electron)를 검출하여 시료를 관찰하는현미경이다. 따라서 시료 표면에 맺히는 전자빔의 크기(프로브 크기)가 작을수록 미세한 관찰이 가능하며 프로브 크기는 구면수차, 색수차, 회절, 전자원의 크기에 따라 결정된다. 에너지 분포 폭이 작을수록 색수차가 작아져 프로브 크기를 줄일 수 있다. 

○ 각전류밀도 (JΩ, ㎂/sr): 단위 입체각 내의 전류밀도를 의미한다. 전자빔이나 이온빔이 방출되면, 일정 방사각을 가지고 방출되는데, 이 단위 입체각 내에 존재하는 전류밀도가 높을수록 높은 밝기를 가지는 전자원, 이온원이라고 말한다. 


■ 연구개발 과정 

전자현미경 개발에 있어 가장 중요한 것은 전자현미경에 사용되는 각각의 부품의 성능 및 특성, 특히 전자빔을 생성하는 전자원 및 전자총의 특성평가이다. KRISS 연구장비성능평가 팀은 아직 국내에서는 고성능의 에너지 폭 분석기가 없어 국내 개발자들이 어려움을 겪고 있음을 인지하고 2018년에 개발을 시작하였다. 

2019년에 우선 시뮬레이션 결과를 바탕으로 전자총의 에너지 분포 분석을 위한 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기를 자체 설계하여 논문을 발표하였다(Ultramicroscopy, 209, 112880). 이를 바탕으로 2022년에 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기를 직접 제작하여, 13,8 meV 에너지 분포 차이가 구분되는 우수한 성능을 검증하였다. 2022년 9월 마이크로스코피 앤 마이크로애널리시스(Microscopy and Microanalysis, IF: 4.099) 온라인 출판된 논문에서는 관련 전문가들이 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기를 이용하여 전자총의 에너지 분포 측정을 정확하게 할 수 있도록 측정 최적화 및 검증하는 방법에 관한 기술을 담고 있다.


■ 기술의 활용 분야

1. 전자현미경 및 이온현미경 분야
본 연구 성과를 활용하면 전자현미경이나 이온현미경 광원으로 사용되는 하전입자 빔의 에너지 분포 특성을 정확하게 측정할 수 있다. 현재 현미경의 공간분해능 및 전자 에너지 분광신호 분해능을 높이기 위해 전자빔 단색화 장치를 이용하여 에너지 폭을 좁히는 기술이 개발되고 있는데, 단색화된 전자빔의 에너지 폭 측정에 활용 가능하다.

2. 새로운 전자원, 이온원 에너지 분포 분석
많은 연구 그룹들이 새로운 하전입자 빔을 개발하기 위해 연구 중이다. 해외에서 주로 사용되는 반구형(hemispherical) 에너지 분석기는 많은 비용과 넓은 실험 공간이 요구되는 반면, 본 연구팀의 에너지 분석기는 소형, 높은 분해능으로 손쉽고 정확하게 분석할 수 있다.

3. 연구장비 성능평가 및 신뢰성 향상 지원 서비스
전자빔 또는 이온빔 기반의 연구장비 개발 시 전자원 및 이온원의 특성을 정확하게 분석할 수 있어, 고성능의 국산 연구장비 개발에 활용될 수 있다. KRISS는 국내 연구장비기업들을 지원하기 위해 22년 8월부터 본 성과물을 활용한 시험서비스 제공을 시작하였으며, 연내에 전자원의 성능에 전자현미경에 영향을 주는 외부 환경 변수들에 대한 항목까지 추가하여 전자현미경 종합성능평가 지원 서비스를 시행 예정이다.


■ 지원사업 

 ○ KRISS 기본사업 (첨단측정장비 핵심기술 개발)
 ○ 과학기술정보통신부 미래선도연구장비 핵심기술개발사업

■ 논문 정보

 ○ 저널명: Microscopy and Microanalysis (IF: 4.099)
 ○ 논문제목: High-Performance Compact Pre-Lens Retarding Field Energy Analyzer for Energy Distribution Measurements of an Electron Gun
 ○ 일자: 2022.09.05 (온라인 게재)
 ○ URL: https://doi.org/10.1017/S1431927622012235


붙임2
사진 자료



▲ 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기 원리

분석기로 입사된 전자빔은 렌즈(Lens) 전압에 의해 지연(Retarding) 전극 앞에 초점이 형성되며 이때 지연전위 보다 낮은 에너지의 입사된 전자빔(Incident electron)은 지연 전극에서 충돌이 일어나지 않고 들어온 방향의 반대 방향으로 되돌아 나가게 된다(Repelled electron). 입사된 전자빔의 에너지가 지연전위 보다 높은 경우 수집기(Collector) 전극에 도달한다. 지연전위에 따른 수집기의 전류값 측정으로 에너지 폭을 측정할 수 있다.


▲ 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기를 이용한 에너지 분포 측정 및 최적화 방법

※ 에너지 분포 측정 최적화 조건: 입사된 전자빔이 지연전극 바로 앞에 초점이 형성될 때의 렌즈전압. 입사된 전자빔의 초점 위치는 전자총과 분석기 사이의 거리에 따라 필요 렌즈 전압이 달라진다. 위 그림에서는 전자총과 에너지 분석기 사이의 거리가 60 mm일 때 렌즈 전압이 –314 V에서 최적화되었다.

(a) 최적화 전: 렌즈전압이 최적화 조건보다 높거나 낮은 경우 지연전극의 전위변화에 따라 반발(repel) 될 때 지연전극과 충돌하는 전자들이 확인된다(붉은색 동그라미). 이들은 신호의 손실을 야기 하며, 분석기의 분해능 저하의 원인이 된다. 

(b) 최적화: 최적화된 조건에서는 입사된 전자빔이 지연 전극에 충돌하지 않고 수집기 전극에 도달하거나 들어온 방향의 반대로 분석기를 빠져나가는 것을 볼 수 있다. 지연전압 vs 수집기 전류 곡선(검은색 사각형)이 그림 (a)와 달리 변곡점 없이 특정 지연전압에서 급격하게 감소한다. 이때 수집기 전류 곡선(검은색 사각형)을 미분하여 에너지 분포를 계산할 수 있다.

(c) 렌즈 전압 on/off에 따른 분석기 분해능 변화. 렌즈전압이 인가되었을 때 분석기의 분해능이 대폭 향상된다.

(d) 지연전압 변화에 따른 수집기 전류 측정 곡선(검은색 사각형)을 미분하여 에너지 분포, 에너지 폭 측정 예시를 보여준다.



▲ 다양한 전자원의 에너지 폭을 측정할 수 있는 초고진공 평가 플랫폼



▲ 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기의 3차원 설계도 및 실물


▲ 박인용 연구장비성능평가팀장이 전자원의 에너지 폭 측정을 준비하고 있다

▲ 이하림 post-doc 연구원이 전자현미경의 전자원 성능평가를 위해 전자원의 가열 전류를 조정하고 있다


▲ 연구진이 렌즈방식 지연전위 에너지 분석기로 측정한 결과를 분석하고 있다


▲ KRISS 연구장비성능평가팀
(좌측부터) 황준혁 UST-KRISS 스쿨 박사과정생, 오가와 타카시 책임연구원, 박인용 팀장, 이하림 post-doc 연구원



붙임3
박인용 연구장비성능평가팀장 프로필

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 박인용
 ○ 소 속 : 첨단측정장비연구소 연구장비성능평가팀
 ○ 직 위 : 팀장/책임연구원  
 



2. 경력사항
 ○ 첨단측정장비연구소 연구장비성능평가팀, 팀장, (Apr. 2020 ~ 현재)  
 ○ 첨단측정장비연구소 장비인프라지원팀, 팀장, (Feb. 2018 ~ Mar. 2020)
 ○ 첨단측정장비연구소 광전자융합장비팀, 팀장, (Sep. 2017 ~ Mar. 2020)
 ○ 첨단측정장비센터, 센터장 (Mar. 2017 ~ Aug. 2017)
 ○ 2012 : 한국표준과학연구원 입원
 ○ 2011~2012 : 한국과학기술원 박사후연구원

3. 수상실적
 ○  2012 : 한국과학기술원 기계동문회장상
 ○  2018 : 이달의 KRISS 인상
 ○  2021 : 과학기술정보통신부 장관 표창 

4. 전문 분야 정보
 ○ 연구장비성능평가 기술 개발, 전자 및 이온빔 생성, 펨토초레이저와 플라즈몬을 이용한 비선형 광학, 전자‧이온현미경 개발

5. 발표논문 및 특허
 ○ “Creation and Characterization of an Atomically Sharp Single/Trimer Atom Ir/W(111) Tip by Thermal Field-Assisted Faceting” Microscopy and Microanalysis 27, 1017-1025(2021) 등 SCI급 20편이상 
 ○ "사각뿔 형상의 관통공을 구비한 광-전자 융합현미경 광반사 거울 및 그 제조방법" 등 국내외 등록 특허 30건 이상