충북교사전자현미경연구회 주사전자현미경
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Transcript 충북교사전자현미경연구회 주사전자현미경
충북교사전자현미경연구회
주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE)
2003 과학교과연구회 활동결과 보고대회
주사전자현미경을 통한
미시세계의 체험
충북교사전자현미경연구회
충북교사전자현미경연구회
Ⅰ. 연구의 개요
1. 연구회명 : 충북교사전자현미경연구회
2. 연구기간 : 2003. 03. 28 ∼ 2003. 12. 10.
3. 연구주제 : 주사전자현미경을 통한
미시세계의 체험
4. 연구회원 : 20명(회장: 신동선, 총무: 이범모)
충북교사전자현미경연구회
Ⅱ. 연구의 실제
1. 연구 주제 : 주사전자현미경을 통한 미시세계의 체험
2. 연구의 필요성
제 7차 교육과정 중 가장 특색 있는 영역인 특별활동을 위
한 ‘스스로 만들어 가는 교육과정’, 즉 학생중심의 체험교육
프로그램을 개발하기 위해서…
3. 연구의 목적
전자현미경에 대한 이해와 학생 및 교사 집단별로 수행하
는 주사전자현미경 체험 특별 프로그램을 개발함으로써 학
생들의 잠재적인 능력과 소질을 계발하며 교사의 자질을 높
이고, 나아가 학생과 교사들의 과학교육에 대한 새로운 마
인드를 제공하고자 함.
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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
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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
○ 광학현미경과 전자현미경의 차이점
○ 주사전자현미경(LEO1420)이란?
○ 주사전자현미경(LEO1420)의 구조
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○ 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
○ 주사전자현미경의 시편의 제작법
○ 주사전자현미경(LEO1420)의 기능
○ 주사전자현미경(LEO1420)의 사용법
○ 주사전자현미경(LEO1420)의 부속장비 사용법
○ 주사전자현미경(LEO1420)의 활용 안내
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주사전자현미경
(LEO1420)
3일 체험 프로그램
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광학현미경과
전자현미경
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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
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2. 전자현미경이란?
진공 상태에서 빛에 해당하는 전자선을 활용, 초
점을 변화시킬 수 있는 전자기렌즈를 이용하여 인
간 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)
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3. 광학현미경과 전자현미경 비교
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주사전자현미경이란?
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1. 개발 역사
1938년 von Ardenne : STEM(scanning
transmission electron microscope)
1942년 Zworykin et al : 전자총이 밑에 있고 3개
의 전자기 렌즈와 주사코일로 구성(개발)
1948년 C.W. Oatley : 주사전자현미경의 제작 시
작
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, 광학현
미경의 300배 정도)
본 연구회의 SEM(LEO1420;칼 자이스사, 1999년
개발) : 물체의 표면 관찰(최대 확대 배율 300,000
배 정도)
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2. 주사전자현미경의 원리
주사전자현미경은 전자 Beam을 시료 표면에 Scanning하여 튀어나오는 2
차 전자(SE)를 이용하여 관찰하는 전자현미경을 말한다.
주사전자현미경 Scanning Electron Microscope(SEM)은 보다 최근에 개
발되었으며 투과전자현미경과는 다소 다르다.
주사전자현미경은 전자가 시료를 통과하는 것이 아니라 초점이 잘 맞추어
진 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 상
을 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. 검출
기는 Scintillater라고도 하는데 scintillater로 검출된 2차 전자는 광전 중배
관으로 운반되어 여기서 신호가 증폭 된후 다시 video amplifier에서 영상
신호 증폭을 거친 후 CRT(Monitor)에서 관찰하게 된다. 따라서 TEM은 얇
은 시편(60nm정도)을 beam이 투과하여 관찰하므로 2차적인 또는 단면적
인 구조를 나타내지만 SEM은 시료 위를 주사된 상을 관찰하므로 3차원적
인 입체 상을 관찰할 수 있다.
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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
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4. 주사전자현미경의 구조
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5. 분해능(Resolution)
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Limit of Resolution
Abbe's equation
d = 0.612 λ / n·sin α
( d : 분해능,
λ : 빛의 파장, n : 광원과
lens 사이에 있는 매체의 굴절계수, α :
물체에서 lens의 구경을 향한 각의 ½)
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광학현미경의 분해능의 한계
d = 0.612×4.000 Å (자외선)
기름:1.5 0.87(유침렌즈의 대표치)
물 :1.33 × (최대치 sin90˚ = 1)
글리세롤:1.46
= 1.870 Å ≒ 빛 파장의 ½
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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 = 0.612 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)
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시편의 제작 방법
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1. 전처리 시약의 제조법
인산완충용액 만들기
Cacodylate 완충용액 만들기
오스뮴산 고정액 만들기
Karnovsky 고정액 만들기
Trump 고정액 만들기
Glutaraldehyde 고정액 만들기
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2. 시료의 전처리 과정
시료채취 ⇒ 세절 ⇒ 세정 ⇒ 전고정 ⇒
세정 ⇒ 후고정 ⇒ 탈수 ⇒ 치환 ⇒ 임계
건조 ⇒ 이온코팅 ⇒ 관찰 및 촬영
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SEM(LEO1420)의
사용법
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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
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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
영상처리
Image Overlays
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부속장비의 사용법
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1. 임계점건조장치(CPD)
임계점 건조를 위한 준비
온도 조절하기
시편 갈아 넣기
CO2 액화하기
CO2 기화하기
시편 꺼내기
정리하기
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2. Sputter Coater
준비 : 전원스위치 켜기
시편 갈아 넣기
진공상태 만들기
Coating 처리하기
시편 꺼내기
끝내기
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3. 사진촬영 카메라
35㎜ Film 카메라
Raster Plus 95 S/W 실행
사진 촬영하기
끝내기
4″×5″ Polaroid Film 카메라
Raster Plus 95 S/W 실행
사진 촬영하기
끝내기
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SEM Image Gallery
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나비의 날개 인편
개감수의 꽃가루
돼지풀의 꽃가루
호박의 꽃가루
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소나무의 꽃가루
고란초의 포자군과 포자낭
검은곰팡이의 포자
나사의 명암조절
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과사리의 포자낭
검은 곰팡이의 포자군
거미의 가슴과 배, 다리
Diatoms
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잣나무의 공변세포
들깨의 공변세포
누룩곰팡이의 포자
잔고사리의 포자
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주목의 공변세포
꽃등애의 겹눈
땅벌의 겹눈
응고된 혈액
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땅벌의 홑눈
소나무검탄의 횡단면
장수말벌의 침
다슬기의 치설
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벌 날개의 가시털
토기 등의 털
산제비나비의 인편
개미의 머리
주사전자현미경의
활용안내
1. 전자현미경실 안내
충청북도교육과학연구원 전자현미경실
은 충북 교사 및 학생들의 연구활동에
이용할 수 있는 열린 학습의 장입니다.
이용 희망자는 학교장을 경유하여 소정
의 양식으로 신청하고, 구체적인 사항은
본원의 담당자와 사전 협의하여 주시기
바랍니다.
2. 활용 안내
문의 및 담당자
연 구 사 임 온 철 (과학교육부, 229-1808)
파견교사 이 범 모 (과학교육부, 229-1850)
사용시간
하절기(03월∼10월) : 10:00∼18:00
동절기(11월∼02월) : 10:00∼17:00
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
4. 관찰할 수 있는 대상
동물 자료
식물 자료
미생물 자료
비생물 자료(금속, 암석 등)
Ⅲ.연구결과 및 기대효과
1. 연구결과
과학에 대한 관심과 호기심을 유발할 수 있는
주사전자현미경 1일 견학프로그램 개발
학생의 적성과 소질을 계발할 수 있는 주사전
자현미경 1일 체험프로그램 개발
학생과 교사의 연구의욕을 고취시킬 수 있는
주사전자현미경 3일 체험프로그램 개발
과학교육에 대한 새로운 마인드 형성과 교육
연구 풍토 조성
2. 기대효과
전자현미경의 원리, 구조, 기능의 이해
와 주사전자현미경의 활용능력 향상
학생의 소질과 능력 계발을 통한 과학적
사고력, 창의력, 문제해결능력 향상
교사의 연구활동 활성화로 과학교육의
질 향상