[지식 더하기] 차세대 현미경, SPM이란?

인류의 과학기술은 미시적 세계를 거시적 세계로 바꿔주는 현미경의 등장으로 인해 많은 발전을 이루었습니다. 1665년 로버트 훅이 현미경을 이용해 세포를 처음 발견했을 때부터 1943년 주사현미경이 발명되었을 때 까지 현미경에 의해 인류는 미시적 세계에 있던 세포 및 세포 소기관들을 관측할 수 있게 되어 생명기술은 물론 과학기술 까지 비약적으로 발전하였습니다 .그러던 도중 1980년대부터 나노미터 단위에 근접한 원자, 분자 밑 소립자 정도의 작은 크기의 단위에서 물질을 합성, 제어, 조립하는 나노과학이 탄생하게 되면서 원자 정도의 크기를 관찰, 조작할 수 있는 기기가 필요로 하였습니다. 그러나 기존의 전자현미경들은 나노 입자들을 분석할 만한 분해능을 가지고 있지 않았고 그에 따라 새로운 차세대 현미경이 필요로 했고 마침내 과학자들이 연구를 거듭한 결과 SPM이라는 차세대 현미경을 발명하였습니다.

SPM은 STM과 AFM을 통칭해서 부르는 용어이며 원자, 분자 수준의 분해능을 갖는 표면 계측 장비로서 켄틀레버에 달른 나노 크기의 예리한 바늘이 사료 표면을 근접 비행할 때 시료와 탐침 사이에 상호작용하는 물리량을 측정하는 장치를 모두 포함하는 용어입니다. SPM은 기존의 최고의 배율을 자랑하던 전자현미경에 비해서도 무려 수백배나 높은 배율을 가지고 있다는 점, 원자 표면의 수직 방향 및 액체 속에서도 작동이 가능하다는 점, SPM탐침을 기능과 특성에 따라 바꿔가며 측정할 수 있다는 점에 의해서 물체의 3차원 형상 전자기 특성, 기계적 특성 등을 분석할 수 있습니다. 게다가 기존의 현미경과 달리 SPM은 나노 단위의 물체를 조작, 제작할 수 있는 능력까지 보유하고 있습니다. 이러한 장점들로 인해 현재 SPM는 나노과학 및 바이오 분야에서 미시 세계의 다양한 특징들을 분석하는 역할을 수행하고 있습니다

1) SPM의 구조

SPM은 탐침, 광학 기계부, 3차원 나노 스케너, 디지털 전자제어 장치, 소프트웨어로 구성되어 있습니다. 탐침은 시료의 표면을 탐침과 시료 사이의 원자력, 터널링 전류 등을 통해 시료의 물리적인 특성을 분석하는 역할을 하고, 광학 기계부는 탐침에서 얻은 상호 작용력을 검출하는 역할을 합니다.


[1] SPM 장치 개요도

[2] SPM 탐침


2) SPM의 원리

SPM은 STM과 AFM 두 기기의 원리가 같이 혼합되어 있습니다. STM은 최조로 개발된 주사탐침 현미경으로서 시료와 탐침과의 거리를 근접시켰을 때, 시료와 탐침사이에 흐르는 터널링 전류를 이용하여 시료의 굴곡을 분석합니다.

AFM은 3차원 형상을 분석하는 장치로서 SPM 장치의 기본원리가 되는 기기입니다. 이 장치는 원자와 탐침간의 척력과 반데르발스 인력을 이용하는데 이 힘은 탐침이 달려 있는 켄틀레버를 휘게 만들어 켄틀레버 위헤 달려있는 레이저 광선의 각도를 편향시킵니다. 이 편향된 레이저 각도를 PSPD(포토 다이오드)로 측정해 표면의 굴곡을 알아냅니다.

AFM 장치가 척력과 반데르발스 인력을 어떻게 이용하는지에 따라 접촉모드와 비접촉모드로 나뉘게 되는데 각 모드마다 특성이 다르기 때문에 경우에 맞게 알맞은 모드를 사용합니다.

가) 접촉 모드

접촉모드는 탐침과 시료간의 척력을 이용하여 스캔하는 방법으로 상대적으로 작동법이 쉽고, 시로가 단단한 경우에 주로 사용하는 방법입니다. 탐침이나 시료가 받는 힘은 훅의 법칙을 따릅니다. 척력에 의해서 구부러진 탐침의 각도를 일정하게 유지시키기 위해 역되먹임 루프를 이용해 탐침과 시료 사이의 거리를 제어하는데 이 때, 제어하는 과정에서 생기는 출력이 시료의 표면 굴곡이 됩니다. 또한 탐침이 수평방향으로 움직일 때 켄틀레버가 수평방향으로 뒤틀림이 있을 수 있는데 이 횡력은 표면에 분포된 물질의 마찰 특성에 따라 달라지기 때문에 이를 통해 표면의 혼합물질의 특성을 알 수 있습니다. 접촉모드의 장점은 고해상의 데이터를 얻을 수 있지만 단점은 탐침이 시료를 긁고 지나가기 떄문에 연질의 시료에는 사용이 불가합니다.

나) 비접촉 모드

비접촉 모드는 탐침과 시료사이의 반데르발스 인력을 이용하나 이 인력의 크기는 너무 작아 접촉 모드에서처럼 편향된 각도를 이용해 측정하는 것은 매우 어렵기 때문에 탐침의 진동을 이용합니다. 켄틀레버를 공진 주파수로 진동시킬 경우 미약한 원자력에도 불구하고 관측가능한 진폭의 주파수가 검출되며 이 주파수는 록인 증폭기에 의해 AC 전류로 변환됩니다. 이 전류의 변화를 분석하여 시료의 표면 굴곡을 알아내는 것이 비접촉 모드입니다.

비접촉 모드는 탐침이 시료에 가하는 수직력이나 횡력이 거의 적어 시료 데이터의 재현성이나, 연질의 시료에 대한 측정은 좋은 편이나, 해상도가 낮고 측정시간이 너무 오래 걸린다는 단점이 있습니다.


[3] 비접촉 모드 AFM 영상 (a) 50nm 금 입자 영상 (b) 1nm DNA 영상

3) SPM의 응용분야

현재 SPM은 주로 학술 연구용과 산업용 분석, 측정기로 널리 쓰이고 있습니다. 미시적인 물체를 쉽게 관측하고 이를 조작할 수 있다는 특성 떄문에 반도체 표면 분석, 하드디스크, 천연 광물 표면 분석, 표면 전자 구조 분석, 재료 분야 등 여러 가지 분야에 널리 쓰이고 있습니다. 또한 SPM는 바이오 분야에도 많은 도움을 주고 있습니다. 생물체에 있어 분자의 구조는 그 분자가 어떠한 기능을 하는지와 밀접한 관련을 가지고 있기 때문에 분자의 구조를 아는 것은 매우 중요합니다. 전자 현미경, X-t선 분관계, 핵자기 공명, 큰 포컬 현미경 등이 주로 이용되어 왔으나 배율 해상도의 문제로 인해 원자 단위 까지는 측정할 수 없었습니다. 그러나 SPM의 등장으로 인해 과거 현미경들의 모든 문제가 사라졌고 현재는 단백질의 표면흡착 현상, 상체막의 미세구조, 유전자 시료의 초미세 조작 기술 등 다양한 생물 분야에 응용되고 있습니다.

원자, 분자 수준의 높은 분해능을 가지고 있어 SPM은 근 30년간 널리 쓰이고 있고 인류의 과학기술을 한 층 더 발전시켜 주었습니다. 그러나 이러한 SPM에도 단점이 존재하였습니다. 가장 큰 단점은 측정시간이 너무 오래 걸리고, 타 현미경에 비헤 조작법이 어렵다는 것입니다. 하지만 최근 속도를 획기적으로 개선할 수 있는 AFM 탐침이 개발되고 있고, 또한 SPM 동작에 필요한 많은 작업들을 컴퓨토로 자동화 시켜 속도를 높이고자 하고 있습니다.

또한 과거 30년간 SPM 기술 개발은 성능 개선 및 다양한 응용 모드를 개발하는데 초점이 맞추어져 있었지만 최근에는 타 기술과의 융합을 위한 기능 발전에 중점을 두고 있습니다. 이 융합기술은 기능적인 확장을 넘어 개별 기술의 기능적 결함을 서로 상호보안하여 기술적 제한을 극복하여 단일 장비로는 불가능한 다양한 분석을 가능하게 하여 그 활용분야가 광범위하게 증가해 신소재, 반도체 기술, 바이오 산업에 큰 파급효과를 가져다 줄것이라고 여겨집니다.

필요한 피직스 2019년 여름호

작성자 : 17-023 김수환

분야 : 재료물리학

참고 문헌 :

[1] Scanning Probe Microscpoe AutoShot S User Manual

[2] http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=clafte&logNo=120088475726

[3] http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=nanomate&logNo=110081085542

이미지 :

커버 사진 : https://www.kisspng.com/png-optical-microscope-scanning-probe-microscopy-confo-1682940/

[1] http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=nanomate&logNo=110081085542

[2] http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=nanomate&logNo=110081085542

[3] http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=nanomate&logNo=110081085542

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