이번 포스팅은 원자간력현미경(Atomic for cemicroscopy, AFM)에 대해 간단히 설명하기로 한다.
먼저 길이 단위부터 보자.
위 표에서 볼 수 있듯이 10의 1되를 기준으로 위와 아래가 대칭되는 모래시계 무늬가 보인다.
10의 3승 단위로 보아 우리가 흔히 쓰는 단위임을 알 수 있다.
예를 들어 1kb, 1Mb, 1Gb는 usb용량 등을 말할 때 자주 쓰이는 단위이기도 하다. (데이터 단위)
이를 길이 단위로 표현하면 1km, 1m, 1cm, 1mm, 1um, 1nm, 1pm 정도가 흔히 쓰이는 단위다.
무엇인가를 자세히 보기 위해서 현미경을 사용할 때는 보통 맨눈으로 잘 안보이는 영역을 관찰하기 위해, 1 mm이하의 구조체를 대상으로 한다.
현미경의 영어 단어 Microscope는 그리스어로 micros (small) + skopeein (look)이 합쳐진 말로 작은 것을 볼 수 있는 기구를 가리키며 화학, 생명, 물리, 재료 등 거의 모든 이공 학문에서 쓰이고 있다.
원자력 현미경을 설명하기에 앞서 간단한 현미경의 역사를 살펴볼 필요가 있다.
현미경의 역사는 사람의 눈에서 시작된다. (0세대)
사람의 눈은 위 그림에서 보듯이 대상체를 통해 반사, 흩어진 빛은 안구의 각막을 지나 수정체(렌즈)에 의해 시신경세포에 초점을 맞춘다. 또한 빛의 밝기에 따라 홍채(Aperture)가 작동하여 적당한 강도의 빛을 전달하도록 한다.
이런 구조를 쉽게 생각해 보면 물체-렌즈-시신경 단계에 걸쳐 물체를 인식할 수 있다.
이를 현미경에 접속하면 아래 사진처럼 된다. (1세대)
현미경은 물체를 놓기 때문에 입는 재물대를 기준으로 빛을 쪼일 수 있는 광원부와 반사, 흩어진 빛을 모아 확대하는 object ielens 그리고 확대된 화상을 볼 수 있는 카메라부로 나뉘어져 있다.
인간의 안구 구조와 매우 유사함을 알 수 있다.
이러한 현미경의 그 사용법이나 구조에 따라서는 inverted microscopy, confocal microscopy, dark field microscopy 등으로 다양한 응용분야를 개척하고 있다.
작은 물체를 바라보면 빛의 회절 한계에 이르게 된다.
550 nm (녹색) 빛의 회절 한계는 대략 300 nm 정도로 그 이하의 물체를 관찰하기에는 가시광선으로는 쉽지 않음을 알 수 있다.
거기서 나온 2세대 현미경은 빛의 파장을 극단적으로 줄여 가시광선의 회절 한계를 극복한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)이다.
SEM은 전자를 가속시킨 후 Lorentz force를 이용해 전자를 집속시켜 시료를 관찰할 수 있다.
구조는 반사현미경과 투과현미경과 매우 비슷하다. 그러나 전자빔을 사용해야 파장을 1옹스트롱 이하로 줄일 수 있어 더 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있다.
Optical MicroscopeElectron MicroscopeLight sourceWave lengthTransmitting mediumLensAperture AngularResolutionMagnificationVisible light 7 , 500 Ȧ ~ 2 , 000 ȦAirGlass Lens ~ 70 ‘ 2 , 000 Ȧ 10X ~ 2 , 000 XElectron beam 0 . 0859 ~ 0 . 0251 ȦVacuumElectromagnetic lens ~ 35 ‘ 3 . 5 Ȧ 100 X ~ 450 , 000 X 하지만 , 이렇게 좋은 SEM 에도 단점은 존재하였다 .
전자빔과의 반응을 위해 시료가 컨덕ive한 물질이어야 한다.
이를 극복할 수 있는 원자력 현미경(3세대)은 LP판 stereosystem부터 시작한다.
볼 수는 없으니까 만져서 물체를 관찰한다는 아이디어다.
보이지 않을 정도로 아주 작은 바늘을 이용하면, 보다 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있을 것이다.
그래서 위 그림과 같은 수많은 종류의 바늘을 개발하고 이를 이용하여 물체의 표면을 측정한다.
시료를 접할 수 있어 다양한 응용분야가 개척된다. 기본적인 Atomic forcemicroscope(topograph)을 비롯하여, 시료의 부분적 마찰력을 측정할 수 있는 Lateral forcemicroscope, 표면의 potential energy(Workfunction)을 측정할 수 있는 Kelvinprobeforcemicroscope, piezo물질의 부피 변화 Vs. 전압 변화를 측정할 수 있는 piezoresponseforce microscoopy, 시료의 국부 온도를 측정할 수 있는 Scanning thermal microscopy, 시료 표면과 팀 간의 tunneling current를 측정하는 scanning tunneling microscoopy전기장 변화를 측정할 수 있는 electrosticforscopy전기장 변화를 측정할 수 있는 electrostic
이 중 가장 기본이 되는 AFM은 아주 작은 탐촉자(cantilever)와 cantilever의 위치를 확인할 수 있도록 light source (Super luminescence diode, SLD or Laser)와 position sensitive photodetector의 위치를 확인할 수 있도록 light source (Super luminescence diode, SLD or Laser)와 piepiepiepiepiepiepiepo)와 pzo)로 구성되며, zo)로 구성되며, zo
PSPD 로 AB zone 와 CD 존의 차이를 읽어 들이는 것으로 topograph 를 측정할 수 있다.
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