(Bright Field, Dark Field, HAADF, STEM 이미지 해석)
STEM 이미지를 처음 보면 같은 시료인데도 BF, DF, HAADF 이미지가 전혀 다른 모습으로 나타나는 경우가 많다. 밝고 어두운 영역이 뒤바뀌기도 하고, 어떤 이미지에서는 보이던 구조가 다른 이미지에서는 거의 보이지 않기도 한다. 이는 장비 문제나 세팅 오류가 아니라, 각 이미징 모드가 서로 다른 전자 신호를 선택적으로 수집하기 때문이다. 이 글에서는 BF, DF, HAADF 이미지가 각각 무엇을 의미하며, 왜 서로 다르게 보이는지를 해석 관점에서 정리해 본다.
BF (Bright Field) 이미지의 의미
BF 이미지는 시료를 통과한 전자 중 산란되지 않았거나 아주 작은 각도로 산란된 전자를 이용해 형성된 이미지다. 전자가 그대로 직진해 검출기에 도달하는 비율이 높은 영역은 밝게, 산란이 많아 전자가 빠져나간 영역은 어둡게 보인다.
STEM-BF 이미지에서는 얇거나 가벼운 영역이 밝고, 두껍거나 원자 번호가 높은 영역이 상대적으로 어둡게 나타난다. 이 때문에 BF 이미지는 질량-두께 정보에 민감하며, 시료의 전체적인 형태나 두께 변화를 직관적으로 파악하는 데 유리하다.
다만 BF 이미지는 회절 조건의 영향을 받기 쉽다. 결정 방향이 조금만 바뀌어도 특정 영역이 갑자기 어두워지거나 밝아질 수 있으며, 이 경우 단순히 “두꺼워서 어둡다”라고 해석하면 오류로 이어질 수 있다. BF 이미지는 구조 파악에는 좋지만, 조성 해석에는 주의가 필요한 모드다.
DF (Dark Field) 이미지의 의미
DF 이미지는 BF와 반대로, 특정 각도로 산란된 전자만 선택적으로 검출해 만들어진 이미지다. 직진 전자는 차단되고, 산란된 전자가 검출기에 들어온 영역만 밝게 표현된다.
이 때문에 DF 이미지에서는 전자를 강하게 산란시키는 영역, 즉 특정 결정 방향을 가진 영역이나 결함, 입계(grain boundary) 등이 밝게 나타난다. 특히 결정성 시료에서는 DF 이미지가 결정 방향, 상 분포, 결함 위치를 강조하는 데 매우 유용하다.
하지만 DF 이미지의 밝기는 “무언가가 많다”는 의미라기보다는, 조건에 맞는 산란이 발생했다는 의미에 가깝다. 따라서 DF 이미지를 해석할 때는 어떤 회절 조건에서 어떤 산란각을 선택했는지를 함께 고려해야 한다. 그렇지 않으면 밝기 차이를 조성 차이로 오해하기 쉽다.
HAADF 이미지의 의미
HAADF(High-Angle Annular Dark Field)는 STEM에서 가장 널리 사용되는 모드 중 하나로, 큰 각도로 산란된 전자만을 수집해 이미지를 형성한다. 이 고각 산란은 주로 원자 번호(Z)에 의해 지배되기 때문에, HAADF 이미지는 흔히 Z-contrast 이미지라고 불린다.
HAADF 이미지에서는 원자 번호가 높은 영역이 밝고, 낮은 영역이 어둡게 나타난다. 또한 회절 조건의 영향이 상대적으로 적어, BF나 DF에 비해 해석이 직관적이다. 이 때문에 다층 구조, 계면 분석, 조성 대비가 중요한 반도체나 배터리 소재 분석에서 HAADF가 자주 사용된다.
다만 HAADF 역시 완전히 “조성만”을 반영하는 이미지는 아니다. 시료 두께, 빔 조건, 채널링 효과 등에 따라 밝기가 변할 수 있기 때문에, 정량적인 해석을 위해서는 EDS나 EELS와의 병행 분석이 필요하다.
왜 같은 시료가 전혀 다르게 보일까
BF, DF, HAADF 이미지가 서로 다르게 보이는 이유는, 각 모드가 서로 다른 전자 집단을 보고 있기 때문이다. BF는 거의 산란되지 않은 전자를, DF는 특정 산란 조건의 전자를, HAADF는 고각 산란 전자를 선택한다.
즉, 하나의 시료를 보더라도
- BF는 “전자가 얼마나 잘 통과했는가”를
- DF는 “어디에서 특정 산란이 일어났는가”를
- HAADF는 “어디에 무거운 원자가 있는가”를 강조한다
이 차이를 이해하지 못하면, 이미지 간 밝기 차이를 서로 비교하며 혼란에 빠지기 쉽다.
이미지를 해석할 때 가져야 할 관점
BF, DF, HAADF 중 어떤 이미지가 “더 좋은 이미지”인지는 존재하지 않는다. 중요한 것은 지금 무엇을 알고 싶은가이다. 형태와 두께가 궁금하다면 BF, 결정 구조나 결함이 중요하다면 DF, 조성과 계면 대비가 중요하다면 HAADF가 적합하다.
STEM 이미지를 제대로 읽기 시작하는 시점은, 한 장의 이미지를 보는 것이 아니라 여러 모드를 서로 연결해 해석하기 시작할 때다. 같은 위치의 BF, DF, HAADF 이미지를 나란히 놓고 보면, 시료에 대한 이해도는 급격히 높아진다.
결론
BF, DF, HAADF 이미지는 서로 다른 전자 산란 정보를 시각화한 결과다. 밝고 어두운 차이는 단순한 이미지 효과가 아니라, 전자-시료 상호작용의 선택적인 결과다. 이 차이를 이해하면 STEM 이미지는 더 이상 헷갈리는 흑백 사진이 아니라, 구조·결정·조성을 단계적으로 읽을 수 있는 데이터로 보이기 시작한다.