TEM에서 전위(dislocation), 적층결함(stacking fault), 쌍정(twin)과 같은 결함을 정확하게 관찰하고 분석하기 위해서는 이미지 모드 선택이 핵심입니다. 단순히 보이는 이미지를 찍는 것을 넘어서, 어떤 결함이 어디에, 어떤 방향으로 존재하는지를 구체적으로 파악하기 위해서는 BF(밝은 장), DF(암시야), WBDF(약한 브래그 다크필드) 등의 이미징 기법을 순차적으로 활용해야 합니다. 이 글에서는 각 모드의 원리부터 적용 조건, 세팅 루틴, 실패 사례까지, TEM 결함 관찰을 위한 실전 전략을 정리합니다.
WBDF가 결함 관찰에 효과적인 이유
WBDF(Weak-Beam Dark-Field)는 기존 DF보다 결함 선명도가 높고 전위 선폭이 얇아지며, 배경 대비가 줄어드는 고급 관찰 기법입니다. 일반적인 DF는 회절 조건 s ≈ 0 근처에서 특정 회절벡터(g)를 선택하여 이미지를 형성하지만, WBDF는 s 값을 일부러 크게 하여 Bragg 조건에서 벗어납니다.
이 설정을 통해 결함 근처에서만 조건을 만족시키는 방식으로 이미지를 형성하게 되며, 그 결과:
- 균일한 배경 영역은 어두워지고
- 전위나 적층결함 등 국소적인 변형장이 있는 부분만 밝게 혹은 어둡게 남아
- 결함 대비가 극대화되고, 전위 라인이 매우 얇고 선명하게 나타납니다.
WBDF는 특히 전위가 겹치거나 배경 회절이 강한 경우, 혹은 전위 코어를 선명하게 구분하고자 할 때 매우 유용한 방법입니다.
실전 적용 루틴: BF → DF → WBDF 전환 전략
TEM에서 결함 관찰을 시작할 때는 먼저 BF 모드로 전체 구조, 두께 변화, 굽힘 콘투어, 오염 등을 파악합니다. 이후 DF 모드에서 특정 회절벡터(g)를 선택해 결함 대비를 강조하고, 최종적으로 WBDF로 넘어가 결함을 고해상도로 세밀하게 관찰합니다.
WBDF 전환 루틴은 다음과 같습니다:
- two-beam 조건에서 DF 세팅: 특정 회절점(g)만 강하게 남기고 objective aperture로 해당 g만 선택.
- WBDF 모드 전환 방법:
- 오프-브래그 방식: g가 Bragg 조건이 되도록 맞춘 뒤, s 값을 키우기 위해 약간 더 틸트 → 배경 감소 + 전위 강조
- g/3g 또는 g/2g 방식: 3g 반사를 강하게 세팅한 뒤, g만 aperture로 선택 → 안정성과 대비를 동시에 확보
WBDF는 조건이 예민하므로 시편 틸트, 드리프트 안정성, 콘투어 최소화 등을 미리 조정하는 것이 관건입니다.
실패 없는 WBDF 세팅과 결함 검증 팁
WBDF는 고대비 결함 이미지를 제공하지만, 촬영 조건이 까다롭습니다. 실무에서 유용한 팁은 다음과 같습니다:
- Objective Aperture는 DF보다 조금 작게: 선택성은 증가하고 배경은 줄어들지만, 신호가 줄어들어 노출 시간 조절이 필요
- 노출 시 주의사항:
- 드리프트 최소화(홀 가장자리, 안정화 시간 확보)
- 프레임 누적 촬영으로 노이즈 감소
또한 결함 해석 정확도를 높이기 위해 g 벡터 조건 변경을 통한 검증이 필요합니다.
- g·b = 0 조건에서 대비 사라짐 → 전위가 맞다는 유력한 증거
- g와 –g 바꿔서 대비 반전 확인 → 결함 여부 및 방향 정보 파악
- 전위 vs 면 결함 구분법: WBDF에서 선 형태는 전위, 면 형태는 적층결함이나 쌍정
결함을 정확히 해석하려면, 모드와 조건을 “조합”하라
결함 관찰에서 가장 중요한 것은 모드와 조건의 조합 전략입니다. BF로 서베이를 하고, DF로 결함 분포를 파악한 뒤, WBDF로 넘어가면 전위 라인을 얇고 명확하게 관찰할 수 있습니다.
특히 WBDF는 배경 정보를 최소화하여 “결함만 보이게” 만들어주는 모드이기 때문에, s 값과 OA, g 벡터 선택이 정밀하게 조정되어야 합니다.
한 장의 사진보다, 조건을 바꾸며 여러 장을 비교 분석하는 방식이 실전에서 훨씬 설득력 있는 결함 분석을 가능하게 합니다.