clear images were obtained

5 100원 동전의 선명한 이미지를 얻다.

메쉬그리드 이미지를 얻은 후, 대전에 남아 있던 우리 멤버(유진, 동근, 기호)는 일단 큰 만족을 얻고 새벽 1시에
게스트하우스로 돌아서 편하게 눈을 붙였다.

다음날, 우리는 메쉬그리드가 아닌 좀 더 다른 이미지를 얻어보고 싶은 욕심이 생겨

다시 코셈으로 아침 6시에 출근했다.

전자현미경으로 이미지를 얻을 수 있는 것 중에 좀더 우리에게 익숙한 것이 무엇이 있을까?

고민을 한 우리는 100원짜리 동전을 우리의 전자현미경으로 찍어보기로 했다.

다음 사진은 우리 전자현미경에 찍힌 100동전 위의 이순신 장군의 얼굴이다.

위의 이순신 장군의 이미지는 설날 직전인 2017년 1월 27일에 얻은 것이다.

우리는 설에는 집인 대구로 돌아가야 했기 때문에 이때 이미지를 얻지 못했다면

이미지를 결국은 얻지 못 한채 마무리하고 대구로 내려갈 수 밖에 없었다.

하지만 이때 얻은 이미지로 7개월 간의 노력을 보상 받은 느낌이였고, 너무나 행복했다.

전자현미경의 이미지를 얻을 때는 다음과 같이 고무재질의 판으로 전자현미경 본체를 감쌌다.
이것은 외부에서 본체로 빛이 들어가면 잡음이 발생해서 정확한 이미지를 얻을 수 없기
때문이다. 즉, 전자총에서 부터 나온 전자빔에 의한 신호만 PMT에 입력되어야 하기 때문에
외부의 빛을 차단시켜 준 것이다.

다음 영상은 우리가 이 100원 동전의 이미지를 얻었을 때 찍은 동영상이다.

이때, 사실 우리도 이렇게 이순신 장군의 얼굴이 화면의 정중앙에 깨끗하게 나올 줄 몰랐다.

우리는 너무너무 행복했고 놀라웠고 뿌듯했다.

전자현미경을 함께 만들었던 5명의 친구들.

경북대학교 하드웨어 및 소프트웨어 연구 동아리 "빛돌" 이다.

원래 우리의 프로젝트는 4명이서 시작했다. (유진, 기호, 정섭, 주현)

전체 소프트웨어(GUI, 각 장비에 들어가는 모든 프로그램)는 내가 모두 맡았고,

각 하드웨어는 파트별로 나누어서 한명이 2개정도 맡아서 하였다.

이렇게 6개월을 함께 스터디를 하고 전자현미경 장비를 만들다가

계절학기가 끝난 1월에는 3명의 멤버(유진, 기호, 동근)가 전자현미경 회사인 코셈(COXEM)에 가서 3주를 노력하였다.

전자현미경은 정말 다시 생각해봐도 쉬운 프로젝트는 절대 아니다.

하지만 이것을 만든 후, 나는 그것이 첨단 장비든 , 무엇이든 간에 정확한 과학적 원리를 이해한다면 만들 수 있다는 자신감을
가지게 되었다.

대학생이 만드는 전자현미경 대회가 계속 이어지고, 전자현미경을 완성하는 팀이 많아져서 우리의 이런 자신감을 대한민국의
많은 대학생들도 가질 수 있으면 좋겠다.

4 영상이 나오다

[4] 영상이 나오다!!!

전자현미경의 이미지로 보기 위한 시료로써 우리는 메쉬그리드를 사용하였다.
메쉬그리드란 전자현미경의 해상도를 측정하기 위해서 쓰는 것으로 지름이 3mm인 원형 금속이다.

시료로 사용한 메쉬그리드의 크기를 100원 짜리 동전과 비교한 실물 사진이다.

이 메쉬그리드를 전자현미경의 진공관인 챔버 안에 위에 있는 시료대에 올려놓고,
전자현미경을 작동시켰다.

아래 사진들은 메쉬그리드를 시료로 했을 때의 우리가 얻은 이미지이다.

  

  

이 메쉬그리드를 더 자세하게 관찰하기 위해 렌즈에 흐르는 전류값과 스캔 코일에 흐르는 전류를 바꿔주면서 다시 촬영하였다.

그 결과 우리는 최대 확대 배율의 상을 얻을 수 있었다.

원래 제대로 찍힌다면 원 안에 격자 무늬가 보여야 하는데 배율과 초점의 문제로 격자가 관측되지 않았다.

그래서 align과 렌즈의 파라미터, 검출기의 값들을 바꿔가며 여러 번 관측했으나 격자 무늬를 볼 수는 없었다.

그리하여 동작 결과, 우리 빛돌의 대학생이 만든 전자현미경의 성능은 다음과 같이 나왔다.

화면 크기 : 21cm

시료의 크기: 3mm

배율: 70배

Pixel: 256*256

Probe size : 3 mm/256 = 11.76 um

[3] 전체 하드웨어 완성과 영상 찍기 시작.

1) 전체 하드웨어 구성

전자 현미경은 진공을 유지하는 곳에 전자총, 스캔, 렌즈 만 있는 것이 아니라 전원 공급기, 여러가지 회로와 진공 펌프 등이 필요하다. 그래서 우리가 만든 모든 하드웨어를 연결하고 나니 엄청 거대한 하드웨어가 탄생했다.

전자현미경 챔버 내부 모습을 자세히 보면 위에서부터 순서대로 전차종, 렌즈 두개, 스캔 코일, 검출기에 설치되어 있다.

우리가 만든 회로들!! 역시 우리는 전자과 답게 우리 전자현미경에서 구동되는 모든 회로를 우리가 손수 만든것이다.

2) 하드웨어 구동 해보기

우선 전체 하드웨어인 펌프, 전자총, 렌즈, 스캔, 검출기, 전원 공급기, 각종 회로들, 컴퓨터를 연결하여 구동해보았다.

전자 DIY를 하다보면 각각은 잘 작동을 해도, 모두 합치면 작동하지 않는 경우가 있기 때문에 조심스럽고 간절하게 시도해 보았다.

영상에서 보면 챔버 주변으로 고무 시트를 둘러주었는데 이것은 시료에서 나온 2차 전자 이외에 빛은 검출기에 들어가면 안되기 때문이다. 즉, 주변의 빛은 노이즈로 작용하기 때문에 이것을 막아주어야 한다.

3) 이미지 얻기 시도

자. 이제 이미지 얻기를 시도해보았다.

물론 한번만에 우리가 영상을 얻었다는 것은 말도 안된다. 숱한 실패가 있었는데, 아래의 영상은 영상이 나오기는 나왔으나 찌그러지게 나온 경우이다.

그리고 무언가 예상과는 다르게 노이즈가 발생하거나 작은 값의 흔들림이 존재하면 그냥 넘어가면 안된다. 반드시 이미지에 결과로 나타나게 되어 있으므로, 작은 노이즈라도 없애주어야 한다.

[2] 전자 빔이 시료를 스캔하는 것을 관측함!!

[2] 전자 빔이 시료를 스캔하는 것을 관측함!!

형광 물질로 인한 시료대 위의 초록색 점이 왔다 갔다 하는 것으로 스캔이 되는 것을 확인 할 수 있었다.

  

위 두 사진은 낮은 배율일 때 스캔 범위로 아래 두 사진 보다 더 넓게 왔다 갔다 하는 것을 볼 수 있다.

아래 두 사진은 높은 배율일 때 스캔 범위이다. X축 Y축 모두 스캔하여 좌우 뿐만 아니라 상하로도 이동한 것을 확인할 수 있다.

  

다음 영상은 스캔을 테스트 하는 과정을 찍은 것이다. 코일의 X축과 Y축의 최대 피크 전류에 따라 스캔 배율이 달라지는 것을 확인 할 수 있다.

영상을 보면 알 수 있는 점은 역시 전자총- 렌즈- 스캔 코일의 중심 축(얼라인)을 맞추는 것은 상당히 중요하며, 어렵다는 사실이다.

우리 빛돌 팀은 앞의 선례가 없이 최초로 영상을 본 팀이기 때문에 중심축을 맟추는 것이 제일 중요한 일임을 처음에 알지 못했다...

전자현미경을 위한 모든 파트를 만들고 나서, 이미지를 보기위해 계속 테스트 할 때 가장 시간이 많이 걸리는 부분이 중심축(얼라인)을 맞추는 것 이었다.

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[1] 전자 빔이 관측되다!

[1] 전자 빔이 관측되다!

처음 전자 빔을 관측할 때 형광 물질이 없어 야광 스티커로도 관측이 될 것이라는 선배님의 말씀만 믿고 왼쪽 사진의 빛이 전자 빔이라고 생각하였다.

나중에 저 빛은 그냥 필라멘트의 발열로 생긴 빛이 렌즈의 구멍을 통과하여 생긴 빛이라는 것을 알게 되었다.

나중에 형광 물질을 받아 전자 빔을 테스트 하였다.

형광 물질이 들어있는 비커에 에탄올을 넣고 시료대를 넣어 살살 흔들어 황동판 시료대에 형광물질이 묻도록 한 뒤 시료대를 꺼내 에탄올을 증발 시키면 위와 같이 하얀 가루가 시료대 위에 묻게 된다.

 

위 사진은 형광 물질을 묻힌 시료대를 이용하여 전자 빔을 테스트 한 것이다.

시료대위에 초록색 점으로 전자 빔이 제대로 나오고 있는 것을 확인 할 수 있다.

위 사진은 전자가 잘 집속이 잘 된 경우이고 전자총, 렌즈, 조리개 등의 alignment가 맞지 않고 렌즈의 파라미터 값들이 잘 맞지 않을 경우 아래와 같이 왜곡되게 된다.