TEM을 조금 익숙하게 다루기 시작하면 “STEM 모드에서 찍은 HAADF 이미지는 뭐가 다른가요?”, “원자 번호 콘트라스트(Z-contrast)가 정말 조성 차이를 그대로 반영하나요?”와 같은 질문을 자주 접하게 됩니다. STEM(Scanning TEM)과 HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지는 요즘 나노 소재 연구에서 거의 기본처럼 사용되지만, 원리와 한계를 정확히 이해하지 못하면 이미지를 과해석하 거나 중요한 정보를 놓칠 수 있습니다.
이 글에서는 STEM의 기본 원리, HAADF 검출 방식, Z 콘트라스트의 의미와 한계, 실제 해석 팁까지 단계적으로 정리합니다. TEM을 어느 정도 써 본 초보·중급 연구자가 “STEM/HAADF 이미지를 더 잘 이해하고 해석하는 것”을 목표로 구성하였습니다.
1. STEM이란 무엇인가 – TEM과 뭐가 다른가?
기존 TEM(Bright Field TEM)은 넓은 영역을 전자빔으로 한 번에 통과시킨 뒤, 그 투과된 전자를 렌즈로 모아 이미지를 형성합니다. 반면 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)은 아주 가는 전자 프로브를 시료 위를 주사(스캔)하면서, 위치마다 검출된 신호를 화면의 밝기로 매칭해 이미지를 만듭니다. 개념적으로는 “TEM + SEM 스캔 방식”이라고 이해하면 편합니다.
입사 빔은 콘덴서 렌즈로 수 Å~수 nm 수준까지 가늘게 집속한 전자 프로브를 사용하며, 스캔 방식은 주사 코일로 프로브를 시료 위에서 한 줄씩 이동시키며 신호를 수집합니다. 또한 검출기는 투과 및 산란 각도에 따라 BF, ADF, HAADF 등 다양한 고리형(Annular) 검출기를 사용합니다.
STEM의 장점은 포인트별 신호 수집이 가능하다는 점입니다. 덕분에 한 픽셀에서 영상 + EDS + EELS 정보를 동시에 얻을 수 있고, 고각 산란 신호를 선택적으로 모아 Z 콘트라스트 이미지를 만들 수 있습니다.
2. HAADF 검출기와 “High Angle”의 의미
STEM에서 가장 많이 언급되는 이미지 모드가 바로 HAADF(High Angle Annular Dark Field)입니다. 이름이 길어서 어렵게 느껴지지만, 하나씩 풀어 보면 단순합니다.
Annular Dark Field는 고리 모양의 검출기로 직접 투과빔은 막고 주변에서 튀어 나온 산란 전자만 모으는 다크 필드 방식입니다. High Angle은 상대적으로 큰 산란각으로 튀어나온 전자를 모은다는 의미로, 보통 수십~수백 mrad 범위의 산란각을 선택합니다.
고각 산란 전자는 주로 원자 번호(Z)가 큰 원자에서 강하게 발생하는 경향이 있습니다. 그래서 HAADF 이미지는 밝을수록 무거운 원자, 어두울수록 가벼운 원자라는 직관적인 해석이 가능해집니다. 이것이 흔히 말하는 Z 콘트라스트(Z-contrast)입니다.
3. Z 콘트라스트의 원리 – 왜 무거운 원자가 밝게 보일까?
HAADF에서 Z 콘트라스트가 형성되는 핵심 이유는 라더퍼드 산란(Rutherford scattering)과 유사한 전자–원자핵 쿨롱 상호작용 때문입니다. 산란 단면은 대략적으로 Z²에 비례하는 경향이 있어, 원자 번호가 클수록 전자를 더 강하게, 특히 큰 각도로 산란시킵니다.
가벼운 원자(C, O 등)는 고각 산란 성분이 약해 HAADF 이미지에서 어둡게 보이며, 무거운 원자(Sr, Ba, La, Au 등)는 고각 산란이 강해 밝게 나타납니다. 또한 동일 조성이라도 시편이 두꺼울수록 산란 전자가 많아져 밝기가 증가합니다.
그래서 HAADF 이미지는 흔히 두께 가중 Z² 콘트라스트(thickness-weighted Z² contrast)라고도 부릅니다. 얇고 결정 방향이 잘 맞은 시편에서는 개별 원자열(atom column)이 서로 다른 밝기로 나타나 원자 해상도 Z 콘트라스트 이미지를 얻을 수 있습니다.
4. STEM/HAADF에서 자주 사용하는 검출 모드 비교
BF STEM은 작은 각도의 직접 투과빔 주변을 검출해 회절·간섭 기반 콘트라스트와 두께, 결정 구조 정보를 제공합니다. ADF STEM은 중간 각도 산란을 검출해 Z와 두께 정보가 혼합된 이미지를 생성합니다. 반면 HAADF STEM은 큰 각도 산란만을 선택적으로 검출해 Z 콘트라스트가 지배적인 이미지를 제공하며, 회절 효과가 비교적 적습니다.
실험에서는 BF, ADF, HAADF 이미지를 동시에 수집하여 구조·결정·조성 정보를 함께 비교하는 것이 일반적입니다.
5. HAADF 이미지 해석 시 반드시 고려해야 할 요소
“밝을수록 Z가 크다”는 직관은 편리하지만 그대로 믿으면 위험합니다. HAADF 이미지를 해석할 때는 두께, 시료 기울기, 다중 산란을 항상 함께 고려해야 합니다.
두께 효과로 인해 같은 조성이라도 두꺼운 영역은 밝게, 얇은 영역은 어둡게 나타납니다. 웨지 형태 시편에서는 한 방향으로 점점 밝아지는 경향이 나타날 수 있으며, EELS의 t/λ 측정이나 시뮬레이션으로 보정이 가능합니다.
시료 기울기 및 결정 방향이 조금만 어긋나도 원자열에 투사되는 원자 수가 달라져 밝기 차이가 발생합니다. 따라서 단일 이미지 밝기만으로 조성을 단정하지 말고, EDS/EELS 맵과 구조 모델을 함께 해석해야 합니다.
동적 회절과 다중 산란 역시 영향을 미칩니다. 특히 두꺼운 시편이나 중간 각도까지 포함하는 ADF 조건에서는 구조적 콘트라스트가 강해질 수 있습니다.
6. STEM-EDS/EELS 결합 분석
STEM의 가장 큰 장점은 같은 프로브 위치에서 여러 신호를 동시에 수집할 수 있다는 점입니다. HAADF 이미지와 함께 EDS, EELS 맵을 수집 하면 구조·조성·전자 구조를 동시에 해석할 수 있습니다.
HAADF는 구조의 뼈대를 제공하고, EDS는 원소 분포를, EELS는 산화 상태와 전자 구조 정보를 제공합니다. 실무에서는 이 세 신호를 항상 세트로 해석하는 것이 가장 안전한 접근입니다.
7. 좋은 HAADF 이미지를 얻기 위한 실험 설계 팁
시편 두께는 수십 nm 수준으로 너무 두껍지 않게 준비하고, 콘덴서 개구와 수렴각을 적절히 조절합니다. 충분히 큰 검출각(inner angle)을 사용해 Z 콘트라스트를 강조하고, 드리프트와 노이즈를 줄이기 위해 스캔 속도와 dwell time, 프레임 평균을 조절합니다. 빔 손상에 민감한 소재의 경우 저선량 전략이 필수입니다.
8. 정리 – HAADF는 두께가 가중된 Z 콘트라스트 지도
STEM-HAADF 이미지는 나노 구조와 원자 배열을 Z 콘트라스트 관점에서 직관적으로 보여 주는 강력한 도구입니다. 하지만 이는 어디까지나 두께, 기울기, 산란 조건이 반영된 신호 지도일 뿐입니다.
STEM 원리, HAADF 검출, Z 콘트라스트의 의미와 한계, 그리고 EDS/EELS와의 결합까지 이해하고 나면 HAADF 이미지를 훨씬 더 자신 있게 해석할 수 있습니다. 앞으로 이미지를 해석할 때마다 “이 밝기는 Z 때문인지, 두께나 기울기 때문인지”를 한 번 더 점검해 보시기 바랍니다.