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전자현미경

◈본문

■ KEY FINDING

1. 전자현미경 기술은 기존 현미경의 분해능 한계를 극복하기 위해 전자총에서 전자를 방출하여 시료를 분석하는 기술이며, 미세공정이 적용되는 반도체, 디스플레이, 배터리, 센서 등의 개발과 성능 향상을 위한 분석에 필수적인 장비이다.

2. 전자현미경의 세계 시장 규모는 2021년 기준 약 22억 8,500만 달러이며, 2021년부터 연평균 9.5 %로 성장해 2026년 약 35억 9,300만 달러까지 확대될 것으로 전망된다.

3. 전자현미경은 이미지 처리 방식에 따라 주사전자현미경, 투과전자현미경으로 구분된다. 주사전자현미경은 전자빔을 주사할 때 발생하는 이차전자 또는 후방산란전자를 이용하여 시료를 관찰하는 방식이며, 투과전자현미경은 전자빔이 박막의 시료에 투과되는 전자를 활용하여 재료의 미세 영역을 분석하는 방식으로 필요로 하는 해상도와 용도에 따라 선택적으로 분석하고 있다.

4. 전자현미경 시장은 반도체, 생명과학, 재료과학 등 다양한 분야에 활용이 되고 있으며, 미세공정이 주로 활용되는 반도체 산업의 시장이 2021년 9억 5,400만 달러로 가장 큰 규모로 파악되며, 생명과학과 재료과학이 각각 5억 8,300만 달러, 5억 8,600만 달러로 유사한 규모를 보인다.

5. 전자현미경은 연구 장비 개발에 대한 중요성 증가로 정부에서 2020년 연구장비산업 혁신성장전략을 마련하여 육성하고 있으나, 산업 생태계 미비, 원천기술, 테스트 베드, 인력 부족 등으로 고성능 전자현미경 장비 개발 및 시장 진입에는 어려움을 겪는 것으로 파악되며, 전자현미경은 국가 핵심 산업 발전과의 연계성 고려 시 중요성이 높아 장기적인 관점에서 투자할 필요가 있다.

1) 시장의 개요

전자현미경(Electron Micros)은 빛의 굴절을 이용해 물체를 관찰하던 광학현미경의 분해능 한계로 반도체 소자, 바이러스 등 원자 단위의 미세구조를 분석할 수 있는 장비로 개발되었다. 최근에는 나노미터(10-9m) 수준까지 제어하는 기술이 대량 생산 메모리 반도체 공정에서 제품 구조, 불량의 분석을 위해 폭넓게 활용되고 있다. 전자현미경은 간략하게 전자를 방출하는 전자총, 고전압 발생 장치, 전자기 렌즈, 영상신호 검출기, 시료 스테이지, 진공 시스템 등으로 구성되며, 분석을 위한 단계는 분석이 필요한 시료를 전자현미경의 분석이 가능한 샘플로 제작, 현미경 내부의 진공 시스템에 로딩하고 전자를 조사하여 영상을 분석하는 단계로 이루어진다. 이러한 단계 중 시장이 형성된 부분은 현미경 및 부속 장비의 직접적인 판매 시장과 시료를 준비하는데 필요한 시료 절단, 코팅 등으로 사용되는 시료 준비 시장으로 구분되며, 본 보고서에서는 시료 준비, 장비 시장을 종합하여 분석하였다.

전자현미경은 <그림 1>과 같이 두 종류가 가장 널리 사용되는데, 이미지 처리 방식에 따라 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)과 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)으로 분류할 수 있다. SEM은 집속된 전자빔을 시료 표면에 조사하면 시료 표면의 상호작용으로 인해 발생하는 이차전자1)(Secondary Electron) 또는 후방산란전자2)(Back Scattered Electron)을 이용하여 시료의 표면을 관찰하는 원리로 되어 있으며, 에너지 분산형 엑스선 분광기(Energy Dispersive X-ray Spectros, EDS)를 추가로 부착하여 영상관찰과 동시에 특정 위치의 성분분석도 가능하다. 또한, TEM은 고속의 전자빔을 박막의 시료에 조사하고 전자가 산란을 일으켜 시료를 통과하게 되는데, 이때 발생하는 투과전자와 탄성 산란 전자를 활용해 재료의 구조를 확대 관찰하는 장비이다. 원자 규모의 해상도를 가지고 있으며, 미세구조를 관찰하고 분석하는 장비로 앞서 설명한 EDS와 전자에너지 손실 분석(Electron Energy Loss Spectros, EELS) 장비를 부착하여 영상관찰과 동시에 원하는 위치에서 나노, 서브나노 수준의 공간분해능, 성분의 분석도 가능한 것이 장점이다.

그림 1 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 외관 및 내부구조

출처 : 국가나노기술정책센터, 나노기술의 첨병 전자현미경 2020 및 KISTI 재가공

SEM은 전자기 렌즈가 전기가 통하는 시편 표면의 초점에 전자빔포인트를 만들고 이 포인트가 관찰하고자 하는 시편 부위를 주사하여 영상을 형성하는 원리이다. 따라서, 전자빔을 만드는 전자총과 전자빔으로 만들어지는 프로브가 핵심이며, 프로브의 크기가 작고 전류가 클수록 고분해능의 영상을 깨끗하게 얻을 수 있다. 최근에는 나노입자, 반도체 회로의 나노 패턴과 같은 얇은 물질 시료에서 작은 전자빔의 입사에너지가 필요하나, 작은 전자빔을 만드는 저전압 SEM은 일반적으로 분해능이 낮은 것이 단점이다. 따라서, 기술의 발전 방향은 저전압 SEM의 성능 강화, 시료의 고속 분석, 분석 SW의 인공지능, 딥러닝을 적용한 프로그램 개발 등이 있으며, 개발 인프라와 노하우가 필수적으로 기존의 장비 업체들이 중점적으로 연구개발하고 있다. TEM은 영상 및 회절 분석을 주요 기능으로 하며, 2000년대의 열전자 방출형 TEM은 원자를 직접 관찰하기에 영상 분해능이 떨어져 형상, 결함, 회절 분석을 주로 수행하였으나, 이후 전계 방출형 TEM(FE-TEM)이 개발되면서 전자빔의 프로브 크기를 나노미터 이하로 줄이는 기술이 적용되었고, 이를 활용하여 중전압의 TEM으로도 원자스케일 이미지 처리가 가능해졌다. 현재 가장 널리 사용되는 것은 전계 방출형 TEM으로 수치 보정 기술을 활용하는 SW가 개발되면서 원자 구조 분석, 화학 조성 분석, 전자 구조 분석 등의 정밀도가 급속도로 향상되었다.

이처럼 분석 기술, 장비의 발달에 따라 전자현미경은 다양한 산업과 용도에서의 활용이 증가하고 있으며, 반도체/디스플레이, 배터리, 바이오, 기타 기계 부품 등 첨단산업 전 분야에서 연구개발, 품질관리를 위한 기초적인 기반 인프라로 활용되고 있어 지속적인 투자와 연구 개발이 필요한 시장이다.

2) 정책 및 규제 현황

연구 장비 개발에 대한 중요성 증가로 다양한 과제를 통해 기술개발이 진행되고 있으며, 전자현미경도 그 일환으로 국산화를 위한 기술개발이 진행되고 있다. 정부 차원에서 연구산업 혁신전략을 2017년 12월에 수립하고 2020년 8월에는 연구장비산업 혁신성장 전략을 마련하여 연구장비산업의 육성을 주도하고 있다. 해당 전략에는 국제 경쟁력 확보, 연구장비산업 성장 생태계 조성, 전략적 시장 진출 지원을 3대 전략으로 연구개발, 상용화 지원까지 체계적인 전략을 마련하였다. 특히, 한국표준과학연구원에서는 전자현미경 개발 과제를 통해 SEM 제작 기술을 개발, 기술이전을 통해 상용화하였으며, 한국기초과학연구원의 분석과학 기반 연구 장비 개발 사업(2017~2025)에서 TEM 원천기술이 개발되었다. 다만, 산업 생태계 미비, 테스트베드 평가, 원천기술, 인력 부족 등으로 고성능 장비개발 및 시장 진입에는 난항을 겪고 있는 것으로 보인다.

미국은 정부 부처 연구개발 목적에 맞는 연구 장비 개발 사업을 지속해 운영하고 있으며, 백악관 산하 과학기술정책국(Office of Science and Technology Policy)에서 중점 연구 분야를 지정하고 관련 연구 장비 개발을 지원하고 있다. 또한, 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 경우에도 장비 구축 및 개발을 위해 대학, 연구기관이 연계된 장비 지원 프로그램을 운영하는 것으로 파악된다.

독일은 1952년 분석과학연구소(Institute for Analytical Science)를 설립하여 분석과학 분야의 전문 인력을 양성하고 있으며, 2017년에 광학 기술, 기초연구용 대형장비 등에 26억 5,000만 유로를 투자하는 등 지속해서 장비개발을 포함한 투자를 확대하는 추세에 있다. 일본은 1940년대부터 정부 주도로 산업 전반에 걸쳐 연구 장비 개발, 교육 등을 지원하고 있으며, 첨단 계측/분석기기 개발 사업을 2004년부터 지원하여 2014년까지 제품화 40건 이상, 특허 1,000건, 논문 2,700건 이상을 게재하는 등 다양한 기술적·경제적 효과를 달성하였다. 첨단소자 기술, 나노 관련 기술이 발전한 선진국을 중심으로 고해상도, 고배율 분석이 가능한 전자현미경 기술을 연구 중이며, 추가적인 부가장치의 개발을 통해 성분 분석 등 다양한 분석이 가능하도록 노력하고 있다.

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