이 글의 목적은 TEM(투과전자현미경)으로 고분자·복합재·나노필러 시스템의 나노상 분산 상태를 재현성 있게 관찰하고, 분산도·응집·계면 구조를 정량까지 연결하는 실무 절차를 정리하는 것이다.
1. TEM으로 “나노상 분산”을 본다는 의미
TEM 관찰에서 분산 관찰은 단순히 “점이 보인다”를 확인하는 단계가 아니다. 관찰 목적은 (1) 분산 입자 크기와 분포, (2) 응집체의 형태와 빈도, (3) 계면(필러-매트릭스) 접착 상태, (4) 상분리 구조(도메인 크기·연속성), (5) 공정/배합 변화에 따른 구조 차이를 일관된 기준으로 비교하는 것이다.
TEM은 두께 방향으로 투과된 전자 신호를 이용하므로 시편 두께와 대비(contrast)가 결과를 지배한다고 한다. 따라서 시편 준비 조건을 표준화하지 않으면 “분산이 나쁘다”라는 결론이 사실상 시편 아티팩트일 수 있다.
1-1. TEM에서 대비가 생기는 대표 원리
- 질량-두께 대비(mass-thickness contrast)이다. 두껍거나 평균 원자번호가 큰 영역이 더 어둡게 보이기 쉽다.
- 회절 대비(diffraction contrast)이다. 결정성 나노필러나 반결정 도메인에서 방향·응력에 따라 명암이 바뀐다고 한다.
- 위상 대비(phase contrast)이다. HRTEM에서 격자무늬나 미세 구조가 간섭으로 나타난다고 한다.
- Z-대비(HAADF STEM)이다. STEM-HAADF에서는 평균 원자번호가 큰 영역이 밝게 보이는 경향이 있다고 한다.
주의 : 동일 재료라도 촬영 모드(BF TEM, DF, STEM-HAADF)와 두께가 달라지면 분산 상태의 “인상”이 반대로 보일 수 있다. 비교 실험은 반드시 동일 모드·동일 가속전압·유사 두께 범위에서 수행하는 것이 원칙이다.
2. 관찰 목표를 먼저 고정하는 실무 설계
나노상 분산 관찰은 “무엇을 판정할지”를 먼저 고정해야 재촬영과 재시편화를 줄일 수 있다. 실무에서는 아래 3단계를 권장하다.
2-1. 목표를 3가지 중 하나로 분류하다
| 목표 유형 | 판정 질문 | 권장 모드 | 핵심 시편 조건 |
|---|---|---|---|
| 분산도/응집 정성·정량 | 입자 크기·간격·응집체 비율이 얼마나 되는가 | BF TEM, STEM-BF, STEM-HAADF | 두께 균일, 대비 확보, 대표 영역 샘플링 |
| 계면 구조/접착 | 필러 주변 공극·박리·코팅층이 존재하는가 | STEM-HAADF + EDS, 필요 시 EELS | 손상 최소화, 오염 억제, 계면을 가로지르는 절편 |
| 상분리 도메인/모폴로지 | 도메인 크기·연속성·공연속 구조가 무엇인가 | 염색 TEM, 크라이오 TEM(가능 시) | 선택 염색/동결, 도메인 대비 최적화 |
2-2. 대표성(Representative) 확보가 핵심이다
나노분산은 국소적 구조가 심하게 변동하는 경우가 많다. 따라서 “잘 나온 사진 한 장”이 아니라, 사전에 정한 샘플링 규칙을 따라 대표성을 확보해야 한다. 실무적으로는 시편 1개당 서로 다른 위치에서 최소 10~20장의 시야(field)를 확보하고, 배율을 2~3단(예: 5k, 30k, 100k)으로 고정해 촬영하는 방법이 유효하다.
주의 : 응집체를 피해서 촬영하거나, 반대로 응집체만 골라 촬영하면 결론이 왜곡된다. 촬영 위치 선정 규칙을 먼저 문서화하고 그대로 따르는 것이 재현성의 출발점이다.
3. 시편 준비가 분산 관찰의 80%이다
TEM 관찰에서 가장 흔한 실패 원인은 장비 문제가 아니라 시편 두께·손상·오염·염색 불량이다. 아래는 재료군별로 실무에서 많이 쓰는 준비 루트이다.
3-1. 고분자/복합재 절편(ultramicrotomy) 기본
고분자 매트릭스에 분산된 나노필러는 초박절편이 가장 표준적인 접근이다. 보통 50~100 nm 두께 범위를 목표로 한다고 한다. 너무 두꺼우면 겹침으로 분산이 과대평가되고, 너무 얇으면 필러가 탈락하거나 대비가 약해지기 쉽다.
| 항목 | 권장 접근 | 실무 팁 |
|---|---|---|
| 온도 조건 | 재료 Tg 기준으로 실온/저온 절편을 선택하다 | 연질은 크라이오 절편이 칼자국과 변형을 줄인다고 한다 |
| 칼/블록 | 다이아몬드 나이프 사용을 우선하다 | 유리칼은 미세 균열과 파티클 탈락을 유발할 수 있다 |
| 수집 | 물 표면 플로팅 후 그리드에 올리다 | 정전기·오염을 줄이기 위해 환경 습도를 관리하다 |
| 그리드 | 탄소막 코팅 그리드로 지지력을 확보하다 | 필러가 무거우면 막 파손 위험이 커진다고 한다 |
3-2. FIB 단면은 “계면” 확인에 강하다
필러-매트릭스 계면의 공극, 코팅층, 박리 흔적을 확인하려면 FIB(집속이온빔)로 단면을 준비하는 방법이 강력하다. 다만 고분자는 이온빔 손상과 재증착 문제가 크므로 저전압 마무리 폴리싱과 오염 억제가 중요하다.
주의 : FIB 단면에서 보이는 공극이 실제 박리인지, 이온빔 손상·수축으로 생긴 인공 결함인지 구분해야 한다. 동일 재료를 초박절편 TEM 결과와 교차 확인하는 것이 안전하다.
3-3. 선택 염색은 상분리 도메인 대비를 만든다
고분자 블렌드나 블록공중합체는 도메인 간 원자번호 차이가 작아 대비가 약하다. 이때 특정 상에 선택적으로 결합하는 염색을 통해 대비를 강화한다고 한다. 염색 시간·농도·온도에 따라 도메인 경계가 번지거나 과염색으로 구조가 왜곡될 수 있으므로, 조건 스크리닝이 필수이다.
3-4. 분산 관찰용 시편 준비 체크리스트
| 체크 항목 | 합격 기준 | 불합격 시 흔한 원인 | 개선 방향 |
|---|---|---|---|
| 두께 균일성 | 동일 시야 내 명암 그라데이션이 과도하지 않다 | 절편 두께 변화, 칼자국 | 절편 조건/온도 최적화, 나이프 상태 점검 |
| 오염/탄화 | 촬영 중 오염이 빠르게 누적되지 않다 | 유기 오염, 진공/플라즈마 처리 부족 | 그리드 클리닝, 저선량 촬영, 홀더 베이킹 |
| 필러 탈락 | 필러가 빈자리 형태로 반복적으로 나타나지 않다 | 절편 중 파티클 이탈 | 지지막 강화, 두께 상향, 절편 조건 조정 |
| 염색 균일 | 도메인 대비가 재현성 있게 나타나다 | 과염색/불충분 염색, 확산 번짐 | 시간/농도 스크리닝, 세척 조건 표준화 |
4. 촬영 조건 표준화: 분산 비교의 핵심 규칙
분산을 “비교”하려면 촬영 조건을 표준화해야 한다. 가속전압, 개구(aperture), 디포커스, 카메라 길이, STEM 프로브 조건이 달라지면 동일 시편도 다른 구조로 보인다고 한다.
4-1. 실무 표준 촬영 프로토콜 예시
1) 저배율(수 k배)에서 시편 두께 균일 구역을 찾다 2) 중배율(2~5만 배)에서 분산 전반(응집체 빈도)을 기록하다 3) 고배율(8~20만 배)에서 1차 입자/도메인 경계를 확인하다 4) 필요 시 STEM-HAADF로 Z-대비 이미지를 추가하다 5) 계면 의심 구역은 동일 위치에서 BF TEM과 HAADF를 페어로 확보하다 6) 촬영 순서는 저선량→고선량으로 진행해 손상을 최소화하다주의 : 고분자 매트릭스는 전자빔 손상으로 수축·기포·탄화가 빠르게 진행할 수 있다. “선명한 이미지”를 얻기 위해 선량을 올리면 분산 구조 자체가 변형될 수 있다.
4-2. 어떤 모드를 언제 쓰는가
- BF TEM은 빠르게 넓은 면적을 관찰하고 응집체 통계를 내기에 유리하다.
- STEM-HAADF는 무기 필러(실리카, 금속산화물 등)의 위치를 선명하게 분리하기에 유리하다.
- EDS 맵핑은 원소 기반으로 필러/첨가제 분포를 확인하는 데 유효하다.
- 토모그래피는 3차원 응집 구조를 확인하는 데 유효하나 시간·선량 부담이 크다.
5. 나노분산 정량 방법: “그럴듯한 사진”에서 “숫자”로
정량은 최소한의 규칙이 있어야 한다. 분산 정량 지표는 크게 (1) 입자 크기 분포, (2) 최근접 이웃 거리, (3) 응집체 면적분율/개수밀도, (4) 도메인 크기(상분리)로 나뉜다고 한다.
5-1. 기본 정량 지표 정의 예시
| 지표 | 정의 | 장점 | 주의점 |
|---|---|---|---|
| 입자 등가직경 | 투영 면적을 원으로 환산한 직경이다 | 구형/준구형에 직관적이다 | 판상/섬유는 왜곡이 크다 |
| 최근접 이웃 거리 | 각 입자 중심 간 최소 거리 분포이다 | 응집 경향을 민감하게 반영하다 | 저배율에서 누락이 생기면 오차가 커지다 |
| 응집체 면적분율 | 임계 크기 이상 군집의 면적 비율이다 | 품질관리 지표로 쓰기 쉽다 | 임계값 정의가 핵심이다 |
| 도메인 평균 크기 | 상분리 도메인의 평균 직경/피치이다 | 블렌드/블록공중합체에 적합하다 | 염색 번짐이 크면 과대평가되다 |
5-2. 임계값(Threshold) 설정 원칙
이미지 이진화로 입자를 분리할 때 임계값을 바꾸면 결과가 크게 달라진다. 따라서 (1) 동일 촬영 조건, (2) 동일 전처리(노이즈 제거, 배경 보정), (3) 동일 임계값 규칙을 적용해야 한다. 실무에서는 “표준 시편”을 하나 정해 임계값을 고정하고, 다른 시편은 동일 규칙으로 처리하는 방법이 재현성이 높다.
주의 : TEM 이미지는 두께·오염·디포커스 차이로 히스토그램이 바뀌기 쉽다. 자동 임계값만 의존하면 시편 간 비교가 불가능해질 수 있다.
5-3. 보고서에 반드시 포함할 정량 조건
- 시편 준비 방법(절편 두께 범위, 염색 유무, 그리드 종류)이다.
- 촬영 조건(가속전압, 모드, 배율, 픽셀 크기, 선량 관리 방식)이다.
- 샘플링 수(시야 수, 위치 선정 규칙, 제외 기준)이다.
- 정량 알고리즘(배경 보정, 필터, 임계값, 응집 정의 기준)이다.
6. 자주 발생하는 아티팩트와 판별법
나노분산 관찰에서는 “진짜 구조”와 “아티팩트”를 구분하는 감각이 필요하다. 아래 사례는 실무에서 빈번하다.
6-1. 절편 칼자국과 드래그는 응집처럼 보이다
칼자국은 방향성을 가진 줄무늬로 나타나며, 그 방향을 따라 필러가 끌려가 모여 보일 수 있다. 이 경우 다른 방향에서 절편을 새로 만들거나, 크라이오 조건을 조정해 확인하는 방식이 유효하다.
6-2. 전자빔 손상으로 생긴 기포는 공극처럼 보이다
빔 조사 시간이 길어지면 국소적으로 밝은 기포가 생기며 계면 박리처럼 보일 수 있다. 동일 위치를 연속 촬영해 변화가 진행되는지 확인하면 판별에 도움이 된다.
6-3. 오염 누적은 “필러 코팅층”처럼 보이다
유기 오염이 필러 주변에 preferential하게 붙으면 얇은 코팅층처럼 보일 수 있다. 플라즈마 클리닝, 저선량 촬영, 홀더 청정 관리로 재현성 있게 줄일 수 있다.
7. 재료별 권장 전략
7-1. 실리카/알루미나/산화물 나노필러 복합재
무기 필러는 STEM-HAADF에서 대비가 뛰어나 분산 통계에 유리하다. 다만 응집체 내부는 두께가 증가해 과도하게 밝거나 어둡게 포화될 수 있으므로 배율을 바꿔 포화 여부를 확인해야 한다.
7-2. 탄소계 필러(CNT, 그래핀) 복합재
탄소계 필러는 매트릭스도 탄소 기반이면 대비가 약해진다. 이 경우 절편 두께 최적화와 디포커스 조건이 중요하다. CNT는 투영에서 겹침이 심하므로 “길이 분포”보다 “응집 번들 폭”이나 “네트워크 연속성” 같은 지표가 실용적일 때가 많다.
7-3. 고분자 블렌드/블록공중합체 나노도메인
도메인 대비는 선택 염색 품질이 결정한다. 조건 스크리닝 시에는 동일 시편에서 시간만 바꾸는 단순 매트릭스를 먼저 구성하는 것이 효율적이다.
8. 실무용 결과 해석 프레임: 합격/불합격을 명확히 하다
분산 결과는 해석 기준이 없으면 논쟁으로 끝난다. 따라서 품질 기준을 “측정 가능”한 형태로 정의해야 한다. 아래는 품질관리에서 자주 쓰는 형태의 기준 예시이다.
| 판정 항목 | 권장 기준 예시 | 해석 포인트 |
|---|---|---|
| 응집체 면적분율 | 임계 크기 이상 응집체 면적분율이 X% 이하이다 | 공정 변경의 민감 지표로 쓰기 쉽다 |
| 최근접 거리 분포 | 중앙값이 목표 범위 내이다 | 분산제/혼련 조건의 영향을 반영하다 |
| 계면 공극 빈도 | 관찰 시야 N개 중 공극 동반 필러 비율이 Y% 이하이다 | 내구·충격 특성과 연결되는 경우가 많다 |
| 도메인 크기 | 평균 도메인 직경이 목표 범위 내이다 | 점탄성·투과도·기계특성에 영향이 크다 |
주의 : 기준값(X, Y)은 재료·용도·공정에 따라 달라진다. TEM 정량은 상대 비교에 특히 강하므로, 양산 기준은 “레퍼런스 시편 대비” 형태로 먼저 구축하는 것이 현실적이다.
9. TEM 나노분산 관찰 의뢰/내부 수행 시 준비 자료
외부 분석 의뢰든 내부 장비든, 아래 정보가 있으면 결과 품질이 크게 올라간다.
- 재료 구성(필러 종류, 표면처리 유무, 함량 범위)이다.
- 목표 질문(응집 감소 확인, 계면 박리 확인, 도메인 크기 확인)이다.
- 비교군 정의(레퍼런스, 공정 A/B, 배합 1/2)이다.
- 시편 형태(펠릿, 필름, 코팅막, 벌크)와 절단 방향 요구사항이다.
- 관찰 후 원하는 산출물(대표 이미지 수, 정량 지표, 원본 데이터 제공)이다.
FAQ
TEM에서 분산이 좋아 보이는데 물성이 안 나오는 경우가 있는가?
가능하다. TEM은 국소 영역의 투영 정보를 제공하므로, (1) 매크로 스케일의 혼련 불균일, (2) 3차원 네트워크 연결성 문제, (3) 계면 화학적 결함, (4) 필러의 실제 유효 분산(응집 내부 비활성 영역) 같은 요소가 물성에 더 지배적일 수 있다. 따라서 TEM은 다른 지표(예: 벌크 레올로지, 산란 기반 평균 구조)와 함께 해석하는 것이 안전하다.
절편 두께는 어느 정도가 적절한가?
일반적으로 50~100 nm 범위가 실무에서 많이 쓰이다. 다만 필러의 원자번호가 크고 응집이 많으면 더 얇게, 대비가 약하거나 필러 탈락이 발생하면 약간 두껍게 조정하는 방식이 현실적이다.
STEM-HAADF와 BF TEM 중 무엇이 분산 평가에 더 좋은가?
무기 필러는 STEM-HAADF가 위치 식별에 유리하다. 반면 상분리 도메인이나 염색 기반 대비는 BF TEM이 더 직관적인 경우가 많다. 최종 판정은 “목표 질문”에 맞춰 모드를 선택하는 것이 원칙이다.
EDS 맵핑으로 분산 정량을 바로 할 수 있는가?
가능하지만 주의가 필요하다. EDS는 공간 분해능과 신호량이 제한되므로, 얇은 절편·짧은 획득 시간에서는 노이즈가 커질 수 있다. 따라서 분산 정량은 보통 이미지 기반(HAADF 또는 BF)으로 하고, EDS는 “무엇이 무엇인지”를 확인하는 용도로 병행하는 방식이 안정적이다.
대표 이미지는 몇 장이 적절한가?
비교 목적이라면 시편 1개당 최소 10~20 시야를 권장하다. 배율도 2~3단으로 고정해 전반-중간-미세 구조를 동시에 확보하는 것이 해석과 보고에 유리하다.