나노 및 마이크로 측정기술 – AFM과 SEM을 통한 정밀 표면 분석과 기계 부품 정밀도 평가

현대 제조산업에서 기계 부품의 표면 품질은 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요소이다. 특히 반도체, 정밀기계, MEMS 부품에서는 수 나노미터(nm) 수준의 거칠기(Ra)나 형상 오차도 치명적인 영향을 미친다. 이런 이유로 산업계는 나노 및 마이크로 단위에서의 측정 기술을 핵심 경쟁력으로 인식하고 있으며, 그 중심에는 **원자힘 현미경(AFM, Atomic Force Microscope)**과 **주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)**이 존재한다.

 

원자힘 현미경(AFM): 나노미터 해상도의 표면 형상 측정

AFM은 탐침(probe)의 끝단에 위치한 나노급 팁(tip)을 시료 표면에 접촉시켜 미세한 반발력, 정전기력, 인력 등을 감지함으로써 표면의 3차원 형상 정보를 나노미터 정밀도로 얻을 수 있는 기술이다.
탐침이 시료 표면을 스캔하면서 **칸틸레버(cantilever)**가 변형되고, 이 변형은 레이저 반사 방식으로 감지된다. 이때의 편차를 기반으로 표면의 높낮이 정보를 실시간으로 매핑할 수 있다.

• 해상도: 수 나노미터 수준 (XY: ~1nm, Z: ~0.1nm)
• 장점: 전도성, 비전도성 물질 모두 측정 가능
• 응용: 기계 부품 마모 분석, 초정밀 렌즈 형상 평가, 반도체 회로 패턴 품질 확인 등

또한, 비접촉 모드나 위상 이미징 모드를 통해 **재료의 기계적 특성(예: 탄성률, 점착력)**도 정량적으로 평가할 수 있어, 단순 표면 형상을 넘는 고급 분석 도구로 발전하고 있다.

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주사전자현미경(SEM): 고배율 표면 이미지와 결함 분석

SEM은 고에너지 전자빔을 시료에 주사하고, 그에 따른 이차전자(secondaries) 혹은 반사전자(backscattered electrons)를 감지하여 표면의 미세 구조를 고해상도 이미지로 구현하는 기술이다.

기계부품의 균열, 미세한 공정 결함, 결정립 구조 등을 시각화할 수 있으며, 수천~수만 배 확대가 가능해 눈에 보이지 않는 수준의 결함도 정밀하게 분석할 수 있다.

• 해상도: 1~10 nm 수준
• 장점: 표면뿐 아니라 **조성 분석(EDS)**도 병행 가능
• 응용: 금속 피로 균열 분석, 용접부 미세조직 평가, 코팅층 두께 및 기공 분석

최근에는 **FE-SEM(Field Emission SEM)**과 같이 더 높은 해상도와 신호 대비를 갖춘 장비가 보편화되며, 나노급 정밀 분석도 가능해지고 있다.

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AFM vs SEM – 어떤 장비를 언제 쓰는가?

항목AFMSEM

해상도	높음 (특히 Z축)	높음 (특히 XY축)
시료 조건	전도성/비전도성 모두 가능	전도성 필요 (비전도성은 코팅 필요)
주요 분석 대상	표면 높이, 거칠기, 물성	표면 이미지, 조성, 결함
작동 환경	대기, 진공 모두 가능	고진공 필요

 

기계공학적 응용에서는 AFM으로 정밀 가공된 표면의 거칠기나 기계적 특성을 파악하고, SEM으로는 가공 결함, 조성 불균일, 미세균열을 시각적으로 분석하는 방식으로 상호보완적으로 사용된다.

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결론: 나노 단위에서의 계측, 기계정밀도 관리의 기준을 바꾸다

나노 및 마이크로 측정 기술은 이제 실험실 수준을 넘어서 생산 공정의 모니터링과 품질 보증의 도구로 진화하고 있다. AFM은 물리적 상호작용 기반의 정량적 정밀 측정에 강점을 가지며, SEM은 광범위한 시료에 대해 구조와 조성 분석이 가능하다는 점에서 탁월하다.

기계공학적 관점에서 이들 기술을 활용하면, 단순한 치수 정밀도를 넘어 표면 거칠기, 마모 패턴, 잔류 스트레스, 코팅의 밀착력까지도 정량적으로 평가하고 설계에 피드백을 줄 수 있는 역설계 기반 데이터를 얻을 수 있다.
이제 정밀 측정은 더 이상 보조 수단이 아니라, 설계와 제조, 품질 보증을 통합하는 핵심 기술이다.