전자현미경 분석을 처음 접하는 초심자들이 가장 많이 하는 질문 중 하나는 “HRTEM이 더 선명한가요, STEM이 더 선명한가요?”입니다. 하지만 이 질문은 간단한 답변이 어렵습니다. 왜냐하면 ‘선명함’이라는 개념은 해상도뿐 아니라 대비, 신호 대 잡음비(SNR), 대상 원자 종류 등에 따라 달라지기 때문입니다. 이 글에서는 HRTEM과 STEM의 근본적인 이미지 형성 방식 차이부터, 오해하기 쉬운 선명도 개념, 실전 상황에서 어떤 모드가 적합한지까지 단계적으로 정리합니다.
HRTEM과 STEM의 선명함은 어떻게 다른가?
HRTEM(High-Resolution TEM)은 위상 대비(phase contrast)를 기반으로 이미지를 생성합니다. 얇고 정렬이 잘 된 결정에서 격자무늬(lattice fringe)가 명확하게 드러나기 때문에 초심자에게는 매우 ‘선명하게’ 보일 수 있습니다. 하지만 이는 시편 두께, 초점 조건(defocus), 기울기(tilt), 렌즈 수차(Cs) 등의 영향을 받으며, 조건이 조금만 어긋나도 격자무늬가 사라지거나 왜곡될 수 있습니다.
반면 STEM(Scanning TEM)은 전자빔을 스캔하며 검출기로 신호를 수집합니다. 특히 HAADF(High Angle Annular Dark Field)는 원자번호 Z에 따라 밝기가 증가하는 Z-contrast 방식이기 때문에, 원자열이나 계면에서 조성 차이가 직관적으로 드러납니다. 이 때문에 STEM은 “원자 하나하나가 점으로 보인다”는 느낌을 줄 수 있고, 초심자에게도 직관적인 이미지 해석이 가능합니다.
결론적으로, HRTEM은 격자무늬의 선명함, STEM은 원자열의 또렷함으로 체감되는 ‘선명도’가 다릅니다. 어느 쪽이 더 낫다기보다, 어떤 정보를 보고 싶은지에 따라 달라집니다.
선명도 ≠ 해상도: 초심자가 자주 하는 오해
‘선명한 이미지’라고 느껴지는 요소는 단순히 해상도만으로 결정되지 않습니다. 실제로는 다음 세 가지가 복합적으로 작용합니다.
- 공간 해상도 (resolution): 가장 가까운 두 점을 구분할 수 있는 능력
- 이미지 대비 (contrast): 신호 차이를 눈에 띄게 만드는 능력
- 신호대잡음비(SNR): 노이즈보다 신호가 얼마나 뚜렷한가
초심자는 흔히 대비와 SNR이 높으면 ‘해상도’가 좋은 것으로 착각합니다. 같은 샘플이라도 HRTEM은 격자무늬가 흐릿해 보여서 덜 선명하다고 느끼고, STEM은 점들이 뚜렷하게 찍혀 더 선명하게 느껴질 수 있습니다.
그러나 STEM도 스캔 노이즈나 프로브 이상이 있다면 아무리 고해상도여도 정확한 정보를 주지 못합니다. 따라서 TEM 이미지의 ‘선명도’를 판단할 때는 단순히 시각적 인상보다, 어떤 구조가 어떤 조건에서 찍혔는지를 종합적으로 고려해야 합니다.
HRTEM과 STEM의 실제 적용과 선명도 차이
실전에서는 관찰하고자 하는 샘플의 특성과 분석 목적에 따라 적절한 모드가 달라집니다. 예를 들어, HRTEM은 얇고 결정성이 좋은 시편에서 격자 간격, 결함, 쌍정 등을 관찰하는 데 탁월합니다. 특히 프린지 구조가 잘 보이는 조건에서는 정보 전달력이 뛰어나며, 위상 이미지로 복잡한 구조 분석이 가능합니다.
반면 STEM은 고각 산란을 활용해 Z-contrast 이미지를 제공하므로, 원자번호에 따른 조성 차이 확인이나 도핑 원소 식별에 효과적입니다. STEM-HAADF는 무거운 원소나 계면을 강조하는 데 강점을 보이고, STEM-ABF나 iDPC는 산소 같은 경원소 관찰에 유리합니다.
주의할 점은 STEM이 항상 ‘찍기 쉬운 모드’는 아니라는 것입니다. 스캔 기반이기 때문에 드리프트, 스캔 왜곡, 프로브 불안정, 조사량 증가에 매우 민감합니다. 특히 민감한 샘플에서는 STEM 촬영이 오히려 손상을 유발할 수 있습니다.
HRTEM은 겉보기에 아름답지만 조건 최적화가 어렵고, STEM은 직관적이지만 세팅의 복잡성이 높습니다. 결국 선명한 이미지를 얻기 위해서는 모드 선택뿐 아니라 실험 조건의 정밀한 제어가 반드시 필요합니다.
‘선명함’은 상대적, 목적에 따라 전략적으로 선택하자
“어떤 모드가 더 선명한가?”라는 질문은 정보의 본질과 목적을 고민하게 만드는 질문입니다.
격자무늬를 보고 싶다면 HRTEM, 원자열이나 조성 차이를 보고 싶다면 STEM이 적합합니다. 경원소까지 관찰하려면 STEM-ABF, 위상 정보를 명확히 보려면 Cs 보정된 HRTEM이 유리할 수 있습니다.
하지만 어떤 경우에도 선명도는 조건에 따라 변하며, 특히 노이즈, 수차, 드리프트, 시편 두께, 틸트 조건 등의 영향이 크다는 점을 잊지 말아야 합니다.
초심자일수록 “잘 보인다”는 인상에 의존하기보다는, “무엇을 보고 싶은가”에 따라 적절한 모드와 조건을 조합하는 전략적 접근이 중요합니다.