Engineering/재료 공학

재료공학실험 | 주사전자 현미경을 이용한 이미지 관찰 - 전복껍데기와 손톱의 미세구조

곰뚱 2019. 11. 7.

재료공학실험  |  주사전자 현미경을 이용한 이미지 관찰 - 전복껍데기와 손톱의 미세구조

 

 

 

SEM을 통해 특정 소재의 미세구조를 파악하는데 있다. 본 실험으로 전복껍데기와 손톱의 단면을 알아보고자 하였다. 자연에서 존재하는 많은 생물들은 생존을 위해 고유의 기능을 지닌다. 과거에는 그 기능의 원리를 파악하는 것이 불가능 하였지만, 미세구조를 파악하는 기능이 발달됨에 따라 그들의 기능에는 미세구조가 큰 영향을 끼침을 알 수 있었다. 소금쟁이가 물에 뜨는 원리, 연꽃잎에 물방울이 굴러 떨어지는 원리 도마뱀이 벽면에 안정적으로 달라붙을 수 있는 원리 등은 모두 그들의 신체 일부분이 특이한 미세구조로 구성되어 있기 때문에 가능한 것이다. 이런 기능들은 우리들에게도 매우 유용하기 때문에 생물체들의 미세구조를 모방함으로써 자연에서 주어지는 특정 기능을 우리 인간이 사용하고자 하는 생태모방학[biomimetics]이 주목받고 있다. 이런 상황에서 우리는 전복 껍데기와 손톱이 구성성분에 의해 강한 강도를 가지고 있음에 주목하고 원리를 직접 알아보기 위해 SEM을 통해 구조를 파악하고자 한다.

 

 

SEM(Scanning Electron Microscope)

주사전자 현미경으로 재료의 미세조직과 형상을 관찬하는데 매우 유용하게 사용되는 분석기중 하나이다. 기존의 광학현미경은 분해능(Resolution)0.2 가 한계였다. , 두 점 사이가 0.2 보다 클 경우에만 구별이 가능하다는 뜻이다. 이는 우리 일상에서는 매우 작은 크기이지만 재료의 미세구조를 관찰하기에는 충분하지 못한 성능이기 때문에 보다 작은 구조를 보기 위해서 전자현미경이 사용된다.

 

또한 SEM은 광학현미경과 다르게 미세구조를 입체적으로 촬영하는 것이 가능하기 때문에 기존에 사용되던 광학현미경을 통해 재료의 표면을 파악하는 것 보다 많은 정보를 얻는 것이 가능하기 때문에 재료를 파악하는 재료공학과에서 매우 중요한 기구라고 할 수 있다. 재료를 알아보기 위해서 미세구조를 파악하는 것은 중요한 일이기 때문에 이번 SEM을 이용한 미세구조 촬영 실험을 통하여 전자현미경의 사용법과 SEM을 통해 찍은 이미지를 분석, 파악하는 능력을 기르고자 한다.

 

재료공학실험  |  주사전자 현미경을 이용한 이미지 관찰 - 전복껍데기와 손톱의 미세구조 - undefined - SEM(Scanning Electron Microscope)

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 손톱과 전복 껍데기를 준비한다.

 

2) 손톱과 전복 껍데기 각각 표면과 파단면을 관찰 할 수 있도록 3조각씩 자른다.

 

3) 홀더에 양면테이프를 부착하고 파단면과 표면을 관찰 할 수 있도록 시편을 올려 놓는다.

 

재료공학실험  |  주사전자 현미경을 이용한 이미지 관찰 - 전복껍데기와 손톱의 미세구조 - undefined - 모든 영역

4) 위 그림은 전복 껍데기와 손톱의 파단면, 바깥표면, 내부 표면을 홀더위에 위치시킨 사진이다.

 

5) 금 코팅기에 넣고 약 10분정도 Au Coating을 한다.

 

6) Sputtering이 완료되면 전체 홀더에 고정시키고 주사전자현미경(SEM·Scanning Electron Microscopy)으로 관찰할 수 있도록 넣는다.

 

7) 시편을 고정시키고 진공 작업이 완료되면 파단면과 표면을 각각 저전압 저배율/ 저전압 고배율 / 고전압 저배율/ 고전압 고배율 이렇게 4장씩 사진을 찍는다.

 

2. 결과 예측

SEM촬영 시 변수는 배율과 전압 두 가지이다. 이렇게 전압과 배율을 바꿔가며 촬영할 때 수업시간에 배운 내용 몇 가지를 나눠 이를 중심적으로 관찰 해 보기로 한다.

1) escape volume

일반적으로 고전압일 때에는 signal이 많이 발생해 보다 선명한 이미지를 얻을 수 있지만, ‘escape volume’이 커져서 분해능이 떨어지게 된다. 따라서 이미지는 전반적으로 선명하지만 저전압일 때보다 작은 범위까지 나타내는 것이 불가능 할 것이라 예상된다. 이와는 다르게 저전압일 경우 signal의 발생이 적어 이미지는 선명하지 않지만, ‘escape volume’가 작아서 더 세밀한 범위까지 볼 수 있을 것이다.

 

2) depth of focus

고전압일 경우 ‘depth of focus’는 깊어지고 저전압일 경우 ‘depth of focus’는 낮아진다. 이런 차이는 시편이 균질하지 않을 경우(irregular surface) 요철부의 들어간 이 DOF보다 깊을 경우 이미지를 구현하는 것이 불가능 하게 한다. 따라서 울퉁불퉁할 경우 특정부분은 이미지가 잡히지 않는 것을 볼 수 있을 것이다.

 

3) topography

표면에 균질성에 따라 beam spot size가 달라진다. 표면이 울퉁불퉁하면 beam spot size의 크기가 커지는데 이때 signal이 발생하는 부분의 넓이가 넓어지므로 많은 signal 때문에 더 밝은 이미지를 얻을 수 있다. 이는 tilt angle을 고려할 때와 같은데, tile angle이 클 경우 울퉁불퉁 할 때와 마찬가지로 표면적이 커서 더 밝게 나온다. 즉 기울어져 있는 면이 평평하게 있는 면보다 밝게 나타나는 것을 관찰 할 수 있을 것이다.

 

4) dwell time

dwell timescanning 과정에서 각 pixel에 얼마나 오랜 시간 e-beam을 노출시키는지를 나타내는 값이다. 저배율일 때는 화면에서 하나의 pixel에 해당하는 시편의 면적이 넓어서 많은 signal이 나와 scanning 시간이 짧고, 고배율일 때는 하나의 pixel에 해당하는 면적이 좁아서 signal이 적게나와 scanning 시간이 길 것이다.

 

 

 

 

[재료공학실험]주사전자 현미경을 이용한 이미지 관찰 실험 레포트

실험 목적 실험 목표 SEM을 통해 특정 소재의 미세구조를 파악하는데 있다. 우리 조는 이번기회에 전복껍데기와 손톱의 단면을 알아보고자 하였다. 자연에서 존재하는 많은 생물들은 생존을 위해 고유의 기능을 지닌다. 과거에는 그 기능의 원리를 파악하는 것이 불가능 하였지만, 미세구조를 파악하는 기능이 발달됨에 따라 그들의 기능에는 미세구조가 큰 영향을 끼침을 알 수 있었다. 소금쟁이가 물에 뜨는 원리, 연꽃잎에 물방울이 굴러 떨어지는 원리 도마뱀이 벽면에 안...

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