광학현미경을 이용한 다결정 금속을 관찰하는 원리

광학현미경은 오래 전부터 사용된 도구이지만, 다양한 종류가 있고, 재료공학의 관점에서는 여전히 중요하게 활용되고 있습니다. 

 

광학 현미경의 종류

1. 투과형 광학 현미경 (Transmission Optical Microscope): 시료를 투과시켜 관찰하는 형태로, 빛이 시료를 통과한 후 렌즈에 의해 촛점에 모이는 방식입니다. 주로 생물학적 샘플과 얇은 조직 슬라이드 등을 연구하는 데 사용됩니다.
2. 반사형 광학 현미경 (Reflection Optical Microscope): 시료의 표면에서 반사된 빛을 이용하여 관찰하는 형태입니다. 주로 금속, 세라믹 및 다른 불투명한 물질의 미세구조를 연구하는 데 사용됩니다.
3. 현미경-분광기 결합형 (Microscope-Spectrometer Combination): 현미경과 분광기를 결합하여 빛의 흡수, 반사 또는 형광 스펙트럼을 분석하는 데 사용됩니다. 이를 통해 물질의 화학 조성 및 분자 구조를 연구할 수 있습니다.
4. 현미경-초점조절형 광학 현미경 (Microscope-Focusing Optical Microscope): 현미경에 초점 조절 장치를 추가하여 시료의 3차원 표면 형태를 관찰하는 데 사용됩니다. 이를 통해 시료의 표면 질감, 미세한 구조 및 산란 현상을 연구할 수 있습니다.
5. 현미경-편광현미경 (Microscope-Polarizing Optical Microscope): 편광장치를 추가하여 빛의 진동 방향에 따른 시료의 광학적 특성을 연구하는 데 사용됩니다. 이를 통해 결정 구조, 결정 방향성 및 응력 상태 등을 분석할 수 있습니다.

이 외에도 연구 목적과 필요에 따라 다양한 형태의 광학 현미경이 사용될 수 있습니다.

 

재료공학 / 금속공학에서의 광학 현미경

재료공학의 관점에서는 광학 현미경을 사용하여 물질의 미세구조를 관찰할 수 있습니다. 금속, 세라믹 및 일부 고분자 등 가시광선이 통과하지 못하는 물질을 연구할 때에는 표면만을 관찰할 수 있고, 반사형 현미경이 사용됩니다.

금속의 미세조직 관찰을 위해서는 정밀한 표면 처리가 필요합니다. 시료 표면을 연마지와 다이아몬드, 알루미나, 콜로이달 실리카 등과 같은 다양한 연마제를 사용하여 연마 및 광택 처리됩니다. 부식 (etching) 이라는 표면 처리를 통해 다결정 (polycrystalline)의 재료 표면의 결정학적 방향에 따라 다르게 반응하는 화학 시약 (echant)을 사용하게 됩니다. 이러한 부식 특성은 재료와 결정립에 따라 다양합니다. 

현미경으로 부식된 표면 결정립을 관찰할 때, 반사도의 차이로 이미지에서 대비가 형성됩니다. 각 결정립은 반사 특성에 따라 독특한 광택이나 질감을 갖습니다. 그림에서는 현미경으로 볼 때 다양한 결정방위로 배열된 다결정의 표면이 어떻게 보일 수 있는지를 보여줍니다.

반사형 광학현미경을 이용한 다결정 금속을 관찰하는 방법 [1]

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering