전자현미경에서 STEM 모드는 고해상도 영상뿐 아니라 조성, 구조 정보를 함께 파악할 수 있는 중요한 분석 도구입니다. 특히 ADF(Annular Dark Field) 이미지는 나노 수준의 두께, 조성, 결정 구조 차이를 시각화하는 데 널리 활용됩니다. 그러나 ADF 이미지를 정확히 해석하려면 BF/ADF/HAADF의 원리 차이와 콘트라스트 형성 원인을 이해해야 합니다. 이 글에서는 STEM의 개념부터 ADF의 검출 원리, 이미지 해석 시 실수 방지 팁까지 단계적으로 정리합니다.
STEM이란? TEM과 다른 ADF 스캔 원리
전통적인 TEM은 넓은 영역에 전자빔을 투과시켜 형성된 회절·간섭 이미지를 분석합니다. 반면 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)은 매우 가는 전자 프로브를 시료 위에서 한 점씩 스캔하면서, 각 위치에서 발생하는 신호를 밝기로 변환해 이미지를 구성합니다. 스캔 SEM의 방식이 TEM에 더해진 형태입니다. STEM에서는 동일한 픽셀 위치에서 이미지뿐 아니라 EDS, EELS 등 여러 분석 데이터를 동시에 얻을 수 있어, 하나의 장비로 구조와 조성을 통합적으로 해석할 수 있습니다. 특히 링 모양의 다양한 검출기를 통해 수렴각과 산란각을 조합해 BF, ADF, HAADF 등 다양한 콘트라스트 모드를 구현할 수 있습니다.
ADF 콘트라스트의 원리와 해석 팁
ADF는 고리형 검출기로 특정 각도 범위의 산란 전자만 수집하는 다크 필드 이미지입니다. 직접 투과된 빔은 제외되며, 중간각~고각에서 산란된 전자에 의해 밝기가 결정됩니다. ADF 이미지에서의 콘트라스트는 다음 네 가지 요소가 복합적으로 작용합니다.
두께 효과: 동일한 조성이라도 두꺼운 영역은 밝고 얇은 영역은 어둡게 보입니다.
Z 콘트라스트: 평균 원자 번호가 높을수록 고각 산란 전자가 많아져 더 밝게 나타납니다.
결정 구조 및 회절 영향: 입계, 쌍정, 변형 구조 등에 따라 콘트라스트가 달라집니다.
결함 및 변형: 국부적인 격자 왜곡에 따라 밝기 변화가 발생할 수 있습니다.
ADF 이미지는 단일 정보가 아닌 복합 신호이므로, 밝기 = 조성(Z)이라고 단정하지 말고 반드시 BF/HAADF/EDS/EELS 데이터를 함께 비교해야 정확한 해석이 가능합니다.
BF/ADF/HAADF 이미지 비교와 실전 적용
STEM 모드에서는 산란 전자의 각도에 따라 BF, ADF, HAADF 모드로 구분됩니다.
- BF: 직접 투과 및 저각 산란 → 회절 및 결정 구조 정보
- ADF: 중간각 산란 → 두께 + Z + 회절 정보가 혼합됨
- HAADF: 고각 산란 → Z 콘트라스트 강조
ADF는 다음과 같은 상황에서 특히 유용합니다:
- 다층 구조 및 코팅층의 두께 및 계면 관찰
- 복합재료에서 입자 분포 및 상대적인 밀도 확인
- STEM-EDS/EELS와의 동시 활용
- 결정/비정질 구조 구분 및 변형 구조 분석
ADF 이미지를 잘 얻기 위해서는 시편 두께, 수렴각, 검출각, 스캔 속도, 빔 전류 등을 최적화해야 하며, 빔 손상에 민감한 시료는 저선량 전략을 반드시 병행해야 합니다. 단일 ADF 이미지에 의존하기보다는 다채널 분석을 통해 정합성을 확보하는 것이 중요합니다.
STEM–ADF 이미지는 구조, 조성, 두께를 동시에 시각화할 수 있는 강력한 분석 도구입니다. 그러나 그만큼 다양한 물리적 신호가 혼합된 이미지이기 때문에 단순히 밝기만으로 조성을 해석하는 것은 위험합니다. 이번 글에서 정리한 STEM 원리, ADF의 콘트라스트 요소, BF/ADF/HAADF 비교를 잘 숙지한다면 보다 정확하고 신뢰도 높은 해석이 가능해집니다. 전자현미경 실무에서 ADF를 활용할 때마다, “이 밝기 차이가 어떤 요소 때문일까?”라는 질문을 던지며 데이터를 바라보는 습관을 가져보세요.