주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE)

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1 주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE)
충북교사전자현미경연구회 주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE) 2003 과학교과연구회 활동결과 보고대회 주사전자현미경을 통한 미시세계의 체험 충북교사전자현미경연구회

2 Ⅰ. 연구의 개요 충북교사전자현미경연구회 1. 연구회명 : 충북교사전자현미경연구회
2. 연구기간 : ∼ 3. 연구주제 : 주사전자현미경을 통한 미시세계의 체험 4. 연구회원 : 20명(회장: 신동선, 총무: 이범모)

3 Ⅱ. 연구의 실제 충북교사전자현미경연구회 1. 연구 주제 : 주사전자현미경을 통한 미시세계의 체험 2. 연구의 필요성
제 7차 교육과정 중 가장 특색 있는 영역인 특별활동을 위한 ‘스스로 만들어 가는 교육과정’, 즉 학생중심의 체험교육 프로그램을 개발하기 위해서… 3. 연구의 목적 전자현미경에 대한 이해와 학생 및 교사 집단별로 수행하는 주사전자현미경 체험 특별 프로그램을 개발함으로써 학생들의 잠재적인 능력과 소질을 계발하며 교사의 자질을 높이고, 나아가 학생과 교사들의 과학교육에 대한 새로운 마인드를 제공하고자 함.

4 충북교사전자현미경연구회 4. 연구과제 및 방법 가. 연구과제 (1) 주사전자현미경(LEO1420) 1일 견학 프로그램 (2) 주사전자현미경(LEO1420) 1일 체험 프로그램 (3) 주사전자현미경(LEO1420) 3일 체험 프로그램 나. 연구방법 (1) 분과별(6개) 개발자료를 공개 발표 후 상호 보완하여 최종 프로그램의 결정 (나) 희망학생 및 교사를 대상으로 프로그램 적용 후 교정

5 충북교사전자현미경연구회 5. 연구의 내용 가. 체험 프로그램 개발내용 (1) 주사전자현미경(LEO1420) 1일 견학 프로그램 ○ 광학현미경과 전자현미경의 차이점 ○ 주사전자현미경(LEO1420)이란? ○ 표본의 시범 관찰 및 현미경 사진자료 탐색 ○ 주사전자현미경 활용 안내 및 정리 (2) 주사전자현미경(LEO1420) 1일 체험 프로그램 ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 구조

6 충북교사전자현미경연구회 ○ 주사전자현미경의 시편의 제작법 ○ 표본의 관찰 및 현미경 사진자료 탐색 ○ 주사전자현미경 활용 안내 및 정리 (3) 주사전자현미경(LEO1420) 3일 체험 프로그램 ○ 광학현미경과 전자현미경의 차이점 ○ 주사전자현미경(LEO1420)이란? ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 구조 ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 기능 ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 사용법 ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 부속장비 사용법 ○ 주사전자현미경(LEO1420)의 활용 안내

7 충북교사전자현미경연구회 주사전자현미경(LEO1420) 3일 체험 프로그램

8 충북교사전자현미경연구회 광학현미경과 전자현미경

9 충북교사전자현미경연구회 1. 광학현미경이란? 광학현미경은 렌즈를 이용하여 물체를 확대해서 보는 장비로 기본적으로 두 개 이상의 렌즈와 빛을 모으는 장치로 구성 종 류 일반현미경 실체현미경 도립배양현미경 편광현미경 등

10 충북교사전자현미경연구회 2. 전자현미경이란? 진공 상태에서 빛에 해당하는 전자선을 활용, 초점을 변화시킬 수 있는 전자기렌즈를 이용하여 인간 망막에 해당하는 형광투영판에 투영하여 관찰 종 류 TEM(Transmission Electron Microscope) SEM(Scanning Electron Microscope) Scanning Transmission Electron Microscope Electron Micro-probe X-ray Microanalyzer(EXMA, EDX)

11 충북교사전자현미경연구회 3. 광학현미경과 전자현미경 비교

12 충북교사전자현미경연구회 주사전자현미경이란?

13 충북교사전자현미경연구회 1. 개발 역사 1938년 von Ardenne : STEM(scanning transmission electron microscope) 1942년 Zworykin et al : 전자총이 밑에 있고 3개의 전자기 렌즈와 주사코일로 구성(개발) 1948년 C.W. Oatley : 주사전자현미경의 제작 시작 1948년 K.C.A. Smith:정전기렌즈→전자기렌즈로 교체 케임브리지대학 R. F. W. Pease와 W. C. Nixon : 전자총을 위쪽에 배열한 SEMⅤ를 개발(분해능 25nm, 배율 20X∼ 50,000X, 시야 범위, 광학현미경의 300배 정도) 본 연구회의 SEM(LEO1420;칼 자이스사, 1999년 개발) : 물체의 표면 관찰(최대 확대 배율 300,000배 정도)

14 충북교사전자현미경연구회 2. 주사전자현미경의 원리 주사전자현미경은 전자 Beam을 시료 표면에 Scanning하여 튀어나오는 2차 전자(SE)를 이용하여 관찰하는 전자현미경을 말한다. 주사전자현미경 Scanning Electron Microscope(SEM)은 보다 최근에 개발되었으며 투과전자현미경과는 다소 다르다. 주사전자현미경은 전자가 시료를 통과하는 것이 아니라 초점이 잘 맞추어진 Electron Beam을 시료의 표면에 주사한다. 주사된 Electron Beam 이 시료의 한 점에 집중되면 일차 전자만 굴절되고 표면에서 발생된 이차전자는 검출기 (detector)에 의해 수집된다. 그 결과 생긴 신호들이 여러 점으로부터 모여들어 음극선관 cathode ray tube에 상을 형성하게 된다. 주사전자현미경의 특징은 초점이 높은 심도를 이용해서 비교적 큰 표본을 입체적으로 관찰할 수 있는 특징이 있다. 전자beam을 시료 위에 주사시켜 시료로부터 튀어나온 2차 전자를 모아 검출한 후 여러 가지 복잡한 image 처리과정을 거친 후 CRT(Mpnitor)에 영상화시키는 전자 현미경이다. 검출기는 Scintillater라고도 하는데 scintillater로 검출된 2차 전자는 광전 중배관으로 운반되어 여기서 신호가 증폭 된후 다시 video amplifier에서 영상신호 증폭을 거친 후 CRT(Monitor)에서 관찰하게 된다. 따라서 TEM은 얇은 시편(60nm정도)을 beam이 투과하여 관찰하므로 2차적인 또는 단면적인 구조를 나타내지만 SEM은 시료 위를 주사된 상을 관찰하므로 3차원적인 입체 상을 관찰할 수 있다.

15 3. 주사전자현미경의 구성 GUN - 주사전자현미경의 전자의 발생부인 전자총 (GUN)
충북교사전자현미경연구회 3. 주사전자현미경의 구성 GUN - 주사전자현미경의 전자의 발생부인 전자총 (GUN) COLUMN -  Electron Beam을 모아서 조사해 주는 LENS가 있는 COLUMN Condenser lens (C1/C2/C3) CHAMBER - 시료를 넣고 관찰할 수 있는 부분, 여러 개의 검출기(Detector) VACUUM SYSTEM – 고 진공을 만들어 주기 위한 진공장치   a. Pre-vacuum: Rotary pump         b. High-vacuum: Turbo pump , IGP pump c. VP-Mode를 위한 leak valve Display / Monitor - 주사된 information을 영상으로 image처리하여 보여주는 부분

16 충북교사전자현미경연구회 4. 주사전자현미경의 구조

17 충북교사전자현미경연구회 5. 분해능(Resolution)

18 Limit of Resolution Abbe's equation d = 0.612 λ / n·sin α
충북교사전자현미경연구회 Limit of Resolution Abbe's equation d = λ / n·sin α ( d : 분해능, λ : 빛의 파장, n : 광원과 lens 사이에 있는 매체의 굴절계수, α : 물체에서 lens의 구경을 향한 각의 ½)

19 광학현미경의 분해능의 한계 d = 0.612×4.000 Å (자외선) 기름:1.5 0.87(유침렌즈의 대표치)
충북교사전자현미경연구회 광학현미경의 분해능의 한계 d = 0.612×4.000 Å (자외선) 기름: (유침렌즈의 대표치) 물 :1.33 × (최대치 sin90˚ = 1) 글리세롤:1.46 = Å ≒ 빛 파장의 ½

20 전자현미경의 분해능 움직이는 전자입자 : 파도 같은 성질 advanced by de Broglie
충북교사전자현미경연구회 전자현미경의 분해능 움직이는 전자입자 : 파도 같은 성질 advanced by de Broglie λ = h / mv , λ = 12.3 / √V Å ( λ : 전자의 파장, V : 가속전압, h : Plank's 정수, V = 60kv이면, λ= 0.05Å, m : 전자의 질량, v : 전자의 속도) d = λ/n·sinα = (0.612)(12.3)/n sin α √ V Since electron microscope aperture angles are always very small sinα = α, the refractive index n=1(고진공, 10mbar) ∴ d = 7.5 / α √ V Å d= 2.4Å (α= 10^-2, radians, V= 10^5volts)

21 충북교사전자현미경연구회 시편의 제작 방법

22 1. 전처리 시약의 제조법 인산완충용액 만들기 Cacodylate 완충용액 만들기 오스뮴산 고정액 만들기
충북교사전자현미경연구회 1. 전처리 시약의 제조법 인산완충용액 만들기 Cacodylate 완충용액 만들기 오스뮴산 고정액 만들기 Karnovsky 고정액 만들기 Trump 고정액 만들기 Glutaraldehyde 고정액 만들기

23 충북교사전자현미경연구회 2. 시료의 전처리 과정 시료채취 ⇒ 세절 ⇒ 세정 ⇒ 전고정 ⇒ 세정 ⇒ 후고정 ⇒ 탈수 ⇒ 치환 ⇒ 임계건조 ⇒ 이온코팅 ⇒ 관찰 및 촬영

24 충북교사전자현미경연구회 SEM(LEO1420)의 사용법

25 1. SEM(LEO1420)의 작동순서 준비 → 시작 → SEM Control(관찰) 시편교환 : 진공해제 → 시편교환
충북교사전자현미경연구회 1. SEM(LEO1420)의 작동순서 준비 → 시작 → SEM Control(관찰) 시편교환 : 진공해제 → 시편교환 끝내기 : LEO S/W 종료 → 전원 차단 LEO32 S/W활용 SEM Control-Gun창 SEM Control-Vacuum창 SEM Control-Aperture창 SEM Control-Scanning창

26 2. SEM(LEO1420)의 기능 전자빔 주사 영상처리 표준 TV 모드 느린 주사(Slow Scan) 모드
충북교사전자현미경연구회 2. SEM(LEO1420)의 기능 전자빔 주사 표준 TV 모드 느린 주사(Slow Scan) 모드 축소 영역 주사(Reduced Raster) 모드 Spot/Line 모드 Dual Magnification 영상처리 이미지 저장 Image Overlays

27 충북교사전자현미경연구회 부속장비의 사용법

28 1. 임계점건조장치(CPD) 임계점 건조를 위한 준비 온도 조절하기 시편 갈아 넣기 CO2 액화하기 CO2 기화하기
충북교사전자현미경연구회 1. 임계점건조장치(CPD) 임계점 건조를 위한 준비 온도 조절하기 시편 갈아 넣기 CO2 액화하기 CO2 기화하기 시편 꺼내기 정리하기

29 2. Sputter Coater 준비 : 전원스위치 켜기 시편 갈아 넣기 진공상태 만들기 Coating 처리하기 시편 꺼내기
충북교사전자현미경연구회 2. Sputter Coater 준비 : 전원스위치 켜기 시편 갈아 넣기 진공상태 만들기 Coating 처리하기 시편 꺼내기 끝내기

30 3. 사진촬영 카메라 35㎜ Film 카메라 4″×5″ Polaroid Film 카메라 Raster Plus 95 S/W 실행
충북교사전자현미경연구회 3. 사진촬영 카메라 35㎜ Film 카메라 Raster Plus 95 S/W 실행 사진 촬영하기 끝내기 4″×5″ Polaroid Film 카메라

31 충북교사전자현미경연구회 SEM Image Gallery

32 충북교사전자현미경연구회 나비의 날개 인편 돼지풀의 꽃가루 개감수의 꽃가루 호박의 꽃가루

33 충북교사전자현미경연구회 검은곰팡이의 포자 소나무의 꽃가루 고란초의 포자군과 포자낭 나사의 명암조절

34 충북교사전자현미경연구회 과사리의 포자낭 검은 곰팡이의 포자군 거미의 가슴과 배, 다리 Diatoms

35 잣나무의 공변세포 들깨의 공변세포 누룩곰팡이의 포자 잔고사리의 포자
충북교사전자현미경연구회 잣나무의 공변세포 들깨의 공변세포 누룩곰팡이의 포자 잔고사리의 포자

36 주목의 공변세포 땅벌의 겹눈 꽃등애의 겹눈 응고된 혈액
충북교사전자현미경연구회 주목의 공변세포 땅벌의 겹눈 꽃등애의 겹눈 응고된 혈액

37 땅벌의 홑눈 장수말벌의 침 소나무검탄의 횡단면 다슬기의 치설
충북교사전자현미경연구회 땅벌의 홑눈 장수말벌의 침 소나무검탄의 횡단면 다슬기의 치설

38 벌 날개의 가시털 산제비나비의 인편 토기 등의 털 개미의 머리
충북교사전자현미경연구회 벌 날개의 가시털 산제비나비의 인편 토기 등의 털 개미의 머리

39 주사전자현미경의 활용안내

40 1. 전자현미경실 안내 충청북도교육과학연구원 전자현미경실은 충북 교사 및 학생들의 연구활동에 이용할 수 있는 열린 학습의 장입니다. 이용 희망자는 학교장을 경유하여 소정의 양식으로 신청하고, 구체적인 사항은 본원의 담당자와 사전 협의하여 주시기 바랍니다.

41 2. 활용 안내 문의 및 담당자 사용시간 연 구 사 임 온 철 (과학교육부, 229-1808)
연 구 사 임 온 철 (과학교육부, ) 파견교사 이 범 모 (과학교육부, ) 사용시간 하절기(03월∼10월) : 10:00∼18:00 동절기(11월∼02월) : 10:00∼17:00

42 3. 전자현미경실의 장비 주사전자현미경(SEM) 1대 CPD(Critical Point Drier) 1대
Sputter Coater 1대 Polaroid Camera 1대 35㎜ Camera 1대 Video Copier 1대 컴퓨터 2대 PC 모니터 2대

43 4. 관찰할 수 있는 대상 동물 자료 식물 자료 미생물 자료 비생물 자료(금속, 암석 등)

44 Ⅲ.연구결과 및 기대효과

45 1. 연구결과 과학에 대한 관심과 호기심을 유발할 수 있는 주사전자현미경 1일 견학프로그램 개발
학생의 적성과 소질을 계발할 수 있는 주사전자현미경 1일 체험프로그램 개발 학생과 교사의 연구의욕을 고취시킬 수 있는 주사전자현미경 3일 체험프로그램 개발 과학교육에 대한 새로운 마인드 형성과 교육 연구 풍토 조성

46 2. 기대효과 전자현미경의 원리, 구조, 기능의 이해와 주사전자현미경의 활용능력 향상
학생의 소질과 능력 계발을 통한 과학적 사고력, 창의력, 문제해결능력 향상 교사의 연구활동 활성화로 과학교육의 질 향상