전위와 결함 관찰 사례. References: S. Zaefferer, N.-N. Elhami: Theory and application of electron channelling contrast imaging under controlled diffraction conditions., Acta Materialia 75 (2014) 20–50
1. 정의
Electron channeling contrast imaging (ECCI)는 주사 전자빔과 결정 사이의 상호작용을 이용하여 이미지를 분석하는 방법이다. 결정 방위가 전자 빔과 정합성을 가지고 있을 때 극소수의 전자만 후방 산란이 일어나고 거의 상호작용이 나타나지 않는 채널 현상이 발생한다. 이때, 격자 내에 전위, 적층결함, 쌍정과 같은 결함이 있을 경우 기존 결정과는 다른 방위나 격자 내 뒤틀림을 유발하여 전자와 반응해 강한 후방 산란 신호를 유발한다. 따라서 전자의 채널 현상이 발생하는 어두운 배경에서 밝게 나타나는 결함들을 후방 산란 전자 (Backscattered electron; BSE) 검출기를 이용해 관찰할 수 있다.
2. 추가 설명
ECCI는 전자빔과 결정의 상호작용에 대한 물리학을 찾아보면 잘 알 수 있다. SEM 전자현미경으로 고에너지 1차 빔 전자가 결정에 들어갈 때, 1차 빔 전자는 결정 격자와 일치하는 격자 내부에 서 있는 전자 밀도 파동(1차 파동)을 형성한다. 격자에 대한 1차 전자 빔의 방향에 따라 전자 밀도파의 최대값은 원자핵에서 원자핵 사이의 위치로 변할 수 있다. 전자의 경우(former case) 1차 파장 밖으로 전자의 강한 후방 산란이 발생하는 반면, 후자의 경우(latter case) 소수의 전자만이 후방 산란된다. 결과적으로, 후방산란 신호는 결정 격자와 1차 빔에 대한 방향 정보를 전달한다. 매우 작은 후방산란은 기본 빔이 격자면 중 하나에 정확하게 브래그 각도를 만들 때 일어난다. 그리고나서 전자는 결정과 강한 상호작용 없이 결정 내 깊이 이동한다. 이러한 것을 전자 채널링이라고 부른다. 만약 결함(예: 전위 또는 적층 결함)이 결정체에 존재한다면, 격자와의 채널링 1차 전자파장의 일관성이 흐트러지고 결점의 위치에서 강한 후방산란이 발생한다. 따라서 샘플이 후방 산란 전자 검출기로 분석할 때 결함이 어두운 배경에 밝게 관찰이 된다. ECCI이미지는 TEM Disc 샘플(Thin foil 샘플)과 비슷한 Dark-field TEM이미지와 매우 유사하다. 반면 해상도와 대비는 TEM만큼 좋지 않다.
3. Tip
ECCI는 벌크한 금속재료의 결정 결함을 볼 때 매우 유용한 방법이다. EBSD는 직접적인 결함 관찰을 할수없기 때문에, ECCI는 기존의 TEM이미지의 일정 범위까지 대체할 수 있다. 장비 사양에 따라 10만배까지 가능하다.
2. cECCI : Electron Channeling Contrast Imaging under controlled diffraction conditions
S. Zaefferer, N.-N. Elhami: Theory and application of electron channelling contrast imaging under controlled diffraction conditions., Acta Materialia 75 (2014) 20–50
1. 정의
결함 contrast 형성을 위해 이미지를 얻기 위한 전자 후방산란 회절(EBSD) 또는 전자 채널링 패턴(ECP) 및 전자 채널링 조영 영상(TRI)의 조합.
2. 설명
다결정 샘플에서 결함 관찰을 위해 ECCI 분석을 할 때, 어떤 격자 평면이 관측된 Defect contrast를 발생시키고 정확한 채널링 조건이 만드는지를 알 수 없다. 이는 EBSD 또는 ECP로 결정 방향을 측정하여 알 수 있다.
ECP가 사용 가능한 경우, 채널링(or Kikuchi) 선이 패턴의 중심을 통과할 때까지 샘플을 기울여서 채널링 contrast를 직접 선택할 수 있다. 그런 다음 현미경을 스캔 모드에서 실행시키고 원하는 채널링 contrast를 관찰한다. EBSD로 방향을 측정할 때 측정된 방향을 ECP를 에뮬레이트하기 위해 소프트웨어가 필요하다. 또한 이 소프트웨어는 양호한 채널링 조건을 얻기 위해 tilt를 해야한다. 소프트웨어가 정한 tilt 조건으로 설정되고 채널링 contrast를 관찰한다.
일반적으로 ECP 방법은 채널링 조건을 오류 없이 직접 관찰하고 설정할 수 있기 때문에 EBSD 방법보다 선호된다. 반면 EBSD 설정에서는 많은 오류(detector misorientation, 스테이지 alignment오류 등)가 발생할 수 있으므로 주의해야한다.
3. ECCI용 샘플 준비법
ECCI용 샘플준비는 EBSD분석용 샘플준비와 같다. 고배율에서 분석이 진행되므로 샘플준비에 주의해야한다. - 스크레치를 최소화 하기 위해 Colloidal Silica를 이용해서 연마시간을 20~40분 사이로 하는 게 좋다 - 한번 스크레치가 나면 없애기 힘드므로, 최대한 힘을 약하게 주어서 연마를 진행한다. - Colloidal Silica로 연마 후 세제를 물에 섞어 세척연마를 2~3분정도 진행하고, 물로 2분정도 추가로 진행한다 (산화가 잘되는 금속시편은 물대신 알코올로 진행) - 연마표면에 Silica가 너무 많이 박혀있다면 사포 2400부터 재진행한다. 그래서 힘을 약하게 주고 하는 것이 중요하다
4. ECCI 분석조건
분석장비 : JEOL JSM-7900F
- 장비 working distance(6mm)가 짧아서 ECCI에 적합한 분해능을 가지고 있다 - 분석Tip1 : 결함관찰이 잘 안된다면, Tilt(0~5)를 바꿔서 조절해가며 관찰한다. - 분석Tip2 :고배율 초점 조정할 때, RDC이미지([])를 매우 작게 설정한 후 관찰하는게 좋다 - x30,000배까지 JSM-7900장비가 ECCI 이미지가 더 좋다
- 아래 이미지는 JEOL 7900F SEM설정창
제어변수
값
Acceleration voltage
20 kV
Aperture
Default
Probe current
13
Brightness
21927 (샘플에 따라 달라짐)
Contrast
4901(샘플에 따라 달라짐)
Working distance
5~6 mm
Quick1 Quick2 Fine1 Fine2
1 2 8 11
분석장비 : ThermoFischer Apero 2.0s
- 다른 ECCI 이미지와 비교해 봤을 때, Apero2.0은 노이즈가 심하게 관찰된다. - x30,000~ x80,000배까지 원할하게 관찰이 가능하다 (샘플에 따라 다름) - System Parameter을 저장할 수 있어서, ECCI찍을 때마다 불러오면 되서 편하다 - Integrate를 조절하여 노이즈를 조절한다. (노이즈를 감안하고 찍어야함) - 아래 이미지는 Apero 2.0 SEM 설정창
제어변수
값
Acceleration voltage
25 kV
Aperture
Default
Probe current
13nA
Probe spot size
Default
Brightness
45~47% (WD 따라 유동적으로 조절)
Contrast
7~9% (WD 따라 유동적으로 조절)
Working distance
8~9 mm
<System Parameter 불러오기> Import → System Parameter System Parameter을 먼저 불러놓고 하는게 이미지 퀄리티가 좋다
<Setting 값 조절> Dwell Time : 10μs Line Integration : 20 Resolution : 1536 x 1024 Integrate : 1 Bit Depth : 8bit Drift Correction : 체크
<분석시 이미지 스캔속도> 3μs, 1536 x1024 로 설정한다. cf. Beam alignment 나 Stigmator alignment 할 때는 더 낮은 해상도로 설정한 후 진행한다. 그래야 beam이 틀어진게 잘 보임
등방성(isotropy) : 방향에 따라 성질이 같은 것 ex. 액체와 기체는 모든 방향에서 같은 물리적, 화학적, 전기적, 자기적 성질을 가짐
이방성(anisotropy) : 같은 재료에서 방향에 따라 성질이 다른 것 ex. 나무 판재의 결에 따라 격파시 힘이 가해지는 게 다름
-> 재료의 내부구조(미세조직=microsturcture)가 어떻게 배열되어 있는지에 따라 물리적, 화학적, 전기적, 자기적 성질이 다르다. 따라서 고체 재료에서는 불균질한 미세조직이 형성되면 이방성이 얻어진다. 이렇게 이방성이 존재하기 때문에 우수한 첨단제품의 제조에 이방성 제어는 꼭 요구된다.
2. 금속재료의 미세조직
결정립(grain) : 철강재료를 확대하여 약 20um의 평균 크기를 가진 곡식알갱이
다결정 : 결정립과 결정립의 경계(결정립계)로 구성된 것. ex. 철강재료
결정질(crystalline)재료 : 결정립을 투과전자현미경으로 다시 확대하여 관찰하면 원자들이 매우 규칙적으로 배열되어 있음. 이렇게 규칙적으로 배열되어 있는 재료
-> 금속재료는 결정질, 다결정재료임
[ 단위포 ]
단위포(unit cell) : 같은 하나의 결정을 만드는데 요구되는 3차원적인 최소 부피 단위포가 반복적으로 쌓여서 만들어지는 결정 체심입방정(BCC)구조라고 함
단위포가 얼마나 똑같은 방향으로 쌓여있는가?
철 원자는 단위포에 항상 정확한 위치에 놓인다. 이렇게 원자들이 놓여지는 위치가 일정하기 때문에 결정으로 이루어진 결정질 재료에서는 결정이방성(crystal anisotropy)이 얻어짐
[ 결정이방성의 원인 ] 3개의 방향에 원자들이 어떻게 놓여있는지 보여줌
↑ 결정방향에 따라 원자의 배열이 다르기 때문에 결정방향에 따라 성질이 다를 수 밖에 없음
3. 결정방향과 결정면
동서남북과 같음
철 결정의 단위포는 벡터 a, 벡터 b, 벡터 c 은 서로가 수직임 BCC에서는 a, b, c 가 길이가 같기 때문에 c1, c2, c3 를 사용함
c1 : [100] 결정방향에 평행한 길이가 1인 단위벡터 c2 : [010] 결정방향에 평행한 길이가 1인 단위벡터 c3 : [001] 결정방향에 평행한 길이가 1인 단위벡터 -> 벡터c1, 벡터c2, 벡터c3 는 결정의 좌표 = 좌표축(crystal axis)이라 부름 ex. 남쪽 1cm, 남쪽 1km 다 같은 남쪽방향이다.
결정에서 결정방향도 "방향"일 뿐 방향에는 크기가 존재하지 않음
[입방정 결정에서 몇 개의 결정방향과 그 지수 ]
결정면 지수 : 하나의 결정을 평면으로 잘라낸 결정면의 지수 (hkl)는 그 결정면에 수직한 방향 [hkl]에 의하여 결정된다. ex. 한 결정면에 수직한 방향이 [111]이라면 이 결정면을 (111)이라고 부른다. (hkl)결정면 : 앞면, (-h-k-l)결정면 : 뒷면
4. 동등한 결정방향과 결정면
철강재료에서 결정면 지수가 일정하면 그 결정면에서는 정확히 같은 원자 분포가 얻어진다. 한 결정면에 놓인 원자들의 분포는 결정면 지수 (hkl)에 의존한다.
(100), (110), (111) 결정면에 각각 60%, 83%, 72% 원자밀도가 얻어짐 결정면의 지수(hkl)에 따라 원자의 배열이 다르므로 지수(hkl)에 따라 재료의 성질들이 다를 수밖에 없다.
=> 결정방향[uvw], 결정면 지수(hkl)에 따른 이방성이 존재함. 이 두 분포를 적절히 제어해야 재료에서 요구되는 특정 성질을 최적화 할 수 있음
철강재료는 입방체 결정구조를 가지기 때문에 결정방향이 [001], [-100], [010], [0-10], [001]. [00-1] 모두 동등한 성질이 얻어짐. 가족 <001>으로 표기함. 결정면도 동등하게 존재함 (100), (-100), (010), (0-10), (001), (00-1) 모두 동등한 성질. 가족 {100}으로 표기함. => 가족표기 <001>,<100> 그리고 {001}, {100}은 모두 6개 동등한 결정면을 대표하는 것임.
다중인자(multiplicity factor) : 동등한 결정방향과 결정면의 개수 재료가 어떤 결정구조를 가지는지, 결정방향 지수 결정면 지수에 의하여 결정됨.
광학현미경의 주요 구성요소는 광원(illumination system), 집광장치(condencer), 광필터(light filter), 대물렌즈(objective lens), 대안렌즈(eyepiece), 스테이지, 스텐드 등이다.
① 분해능 현미경의 분해능이라 함은 “현미경으로 두 점을 관찰할 떄 두 점이 명확하게 보이는 최근접거리”라고 할 수 있으며 이 말은 현미경을 통해 우리 눈으로 볼 수 있는 가장 작은 점이라는 의미와는 다른 것이다. 현미경의 모든 렌즈들이 완전하여 상의 변형이 일어나지 않더라도 분해능은 빛의 회절 현상 떄문에 제한을 받게 된다.
② 배율 위에서 말한 대로 광학현미경의 분해능은 150 nm이고 정상적인 사람이 식별할 수 있는 크기가 0.2 mm정도라고 보면 광학현미경의 최대 배율은 1300배 정도이며 그 이상 크게 하는 것은 단지 흐린 상을 크게 하는 것 뿐이다.
③ 심도 심도는 “현미경으로 관찰할 때 동시에 초점이 맞는 최대 깊이 차이”인데 분해능, 배율 등이 크게 영향을 받는다.
④ 수차 렌즈의 공식은 렌즈의 축에 가까운 근축광선의 경우 근사적으로 성립하는데, 근축광선이 아닌 경우 렌즈를 지난 광선이 한 점에 모이지 않아 선명한 상을 얻을 수 없는 수차현상이 나타난다. 수차에는 일정한 파장의 단색광을 사용했을 때 광학계의 형태 때문에 나타나는 넓은 의미의 구면수차(자이델의 5수차: 구면 수차, 코마, 비점 수차, 만곡 수차, 왜곡 수차)와 광학계의 굴절률이 빛의 파장에 따라 다르기 때문에 나타나는 색수차가 있다. 색수차는 색깔에 따라 빛의 속력이 다르고, 속력이 다르면 굴절률도 달라지므로 발생한다. 한 개의 프리즘과 같이 단순한 렌즈에서 빨간 빛과 파란 빛이 굴절하는 정도가 다르게 나타나기 때문에 그 결과 두 빛은 같은 위치에 모이지 못하게 된다. 이는 다른 종류의 단순렌즈를 결합한 색지움 렌즈(achromatic lens)를 이용하여 교정할 수 있다.
[2] 광학현미경의 구조
재물대 : 슬라이드 글라스를 고정하는 장치. 스테이지라고도 부름.
광원(Light Source) : 시료를 통과한 빛이 렌즈를 통하여 상이 맺히는 것을 관찰하는 기기. 전구를 사용하며, 이 전구의 밝기는 전압조절기로 조절됨.
렌즈시스템 : 접안렌즈, 대물렌즈, 콘덴서로 구성 - 접안렌즈 : 눈과 가장 가까운 렌즈 시스템. 대게의 경우, ×10배율의 대안렌즈를 사용하며, 특수한 경우, ×5, ×15 배율을 사용함. - 대물렌즈 : 1) 배율이 다른 3~4개가 노즈피스에 부착되어 있으며, 빙글빙글 돌아가도록 되어있다. 2) 실험이 끝난 후에는 항상 가장 낮은 배율의 대안렌즈가 정위치에 놓여 있어야 한다. 3) 대물렌즈들은 배율은 다르지만 축은 항상 일치하도록 만들어졌으며, 초점거리도 비슷하게 되어있다. 4) 저배율로 초점을 맞춘 후에 고배율의 대안렌즈로 볼 경우 초점거리는 약간 이동하면서 맞춰진다. - 콘덴서 : 재물대 밑에 붙어있으며 광원으로 나온 빛을 모으고 광도를 조절하는 역할을 한다.
초점조절나사 : 대물렌즈와 시료간의 거리를 조절하는 조동조절나사와 미동조절나사로 구성되어있다. 조동조절나사는 저배율로 관찰할 때, 미동조절나사는 정확한 초점을 찾을 때 사용한다.
[3] 광학현미경 사용시 주의사항
운반할 때 : 현미경을 운반할 때에는 반드시 양손을 사용. : 오른손으로는 현미경의 손잡이(arm)를 단단히 잡고 왼손으로는 몸통 바닥(base)을 단단하게 받들어 주어야 한다. : 한손으로 들고 가면 현미경이 흔들리면서 렌즈 등 부착된 것들이 떨어질 수 있음 : 본체가 다른 물체에 부딪혀 훼손될 수가 있다. 현미경은 한 번에 한 개만 운반.
먼지 방어 : 현미경은 정밀기기이며 고배율로 확대하여 보는 기기이므로 먼지는 깨끗한 상을 얻는 데에 방해가 된다. 사용이 끝나고 보관 중일 때에는 항상 먼지 덮개로 덮어서 보관하여야 한다.
[4] 광학현미경 사용방법
저배율(10X) 사용 시료를 볼 때 가장 먼저 사용하는 것이 바로 이 배율이다. 저배율이므로 슬라이드의 큰 부분이 보이고 초점 맞추기도 쉽다. 그리고 어느 부분을 볼 것인가도 확인이 된다. 그 다음 고배율로 관찰이 가능하다.
1. 현미경의 재물대에 시료가 들어있는 슬라이드 글라스를 올려놓는다. (반드시 시료가 위로 향하여야 한다.) 2. 광원의 전원을 켠다. 이 때 전압은 반드시 최저 상태이어야 한다. 전압이 높은 상태로 되어 있으면 램프의 수명이 짧아진다. 슬라이드 글라스를 광원의 중심에 놓도록 이동한다. 3. 콘덴서를 가장 높은 위치로 이동한다. 4. 10×의 대물렌즈를 정위치에 있는가를 확인한다. 5. 조동 조절 나사를 돌려 대물렌즈와 시료를 가장 가까운 위치에 놓도록 조절한다. 6. 미동 조절 나사를 이용하여 대물렌즈를 시료 반대쪽으로 움직여 초점을 맞추고 보고자 하는 부분으로 슬라이드 글라스를 이동한다. 눈이 렌즈에 닿아 있어 시료와 대물렌즈의 거리를 확인할 수가 없다. 만일 대물렌즈와 시료가 떨어진 상태에서 서로 가깝게 되도록 나사를 돌리면 렌즈와 슬라이드 글라스가 충돌하면서 렌즈가 깨질 수 있다. 계속 눈으로 확인하면서 위치조절. 7. 초점이 맞춰지면 광원의 조리개와 전압, 콘덴서의 위치와 조리개를 조절하여 깨끗하고 명확한 상을 얻도록 한다. 광량을 줄이면 음영대비(contrast)가 명확하게 되고 심도(depth of field)가 커져 좋은 상을 얻을 수 있다. 그러나 해상력은 떨어지므로 광량을 잘 조정하여야 한다. 8. 슬라이드 글라스를 움직여 가장 좋은 상을 찾는다. 9. 접안렌즈의 청결을 다시 확인한다. 10. 배율을 높일 때에는 40×짜리 그 다음에 100× 렌즈로 바꾼다. (저배율에서 고배율로)
광학현미경 정리
1. 재물대에서 슬라이드 글라스를 빼 낸다. 2. 이머젼 오일을 사용한 경우, 반드시 렌즈와 재물대에 묻은 오일을 깨끗하게 닦아야 한다. 오일이 묻은 슬라이드 글라스는 그대로 보관하여도 된다. 3. 10× 대물렌즈를 정위치 한다. 4. 현미경 높이를 원래의 위치로 한다(모델에 따라 높이를 조절할 수 있다). 5. 광원 램프가 이동 가능한 모델인 경우 램프를 가장 높은 위치에 놓는다. 6. 전기코드를 잘 접어 바닥 몸통 근처에 놓는다. 7. 재물대를 가운데에 오도록 놓는다. 8. 먼지 덮개를 덮는다. 9. 별도의 전압기가 있는 경우 분리하여 지정된 위치에 놓는다. 10. 정해진 보관함에 넣는다.