지문해설 | 2019학년도 고3 9평 "주사 터널링 현미경(STM)" 과학지문 Q29~32

2019학년도 고3 9평 속 주사 터널링 현미경(STM), 단분자층 형성 시간, 스퍼터 이온 펌프를 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :) 

목차

2019학년도(2018년 시행) 고3 9월 평가원 모의고사 Q29~32 주사 터널링 현미경(STM)

< 요약 >

 

주사 터널링 현미경(STM)은 시료의 표면을 원자 단위로 측정할 수 있는 장비입니다.

용이한 시료 표면의 관찰을 위해서는 기체 분자들을 진공 통에서 뽑아내어 기체 압력을 낮추는 것이 필요합니다.

시료의 관찰 가능 시간을 확보하기 위해 단분자층 형성 시간이 긴 초고진공이 요구됩니다.

이를 위해 스퍼터 이온 펌프가 쓰이는데, ▲진공 통 내부의 기체 분자들을 분리시켜 음극에 박히게 하는 1차 펌프 작용과 ▲음극에서 떨어져 나온 타이타늄이 기체 분자를 흡착하는 2차 펌프 작용을 통해 STM의 진공 통을 초고진공 상태로 만듭니다.  

 

1문단

 

물질의 표면을 원자 수준으로 분석하고 상을 관찰하는 실험 장치에는 주사 터널링 현미경(STM)이 있습니다.

주사 터널링 현미경에서는 '끝이 첨예한 금속 탐침과 도체 또는 반도체 시료 표면 간에 적당한 전압을 걸어주고 둘 간의 거리를 좁힙니다.'

고전역학적으로 생각해 보면, 탐침과 시료 표면에는 간격이 있기 때문에 둘이 접촉하지 않으면 아무리 전압이 걸려 있다고 하더라도 전류가 흐르는 것은 아닙니다. 하지만 '양자 역학적 터널링 효과에 의해 탐침과 시료 둘이 접촉하지 않아도 전류가 흐릅니다.'

 

주사 터널링 현미경에서 '시료 표면의 높낮이를 원자 단위에서 측정'하기 위해,

• 시료의 표면에 전류가 흐를 수 있어야 함
• STM이 설치된 통이 진공 상태를 가져야 함

 

2문단

 

'기체 분자는 주변과 충돌'하다가 '관찰하려는 시료의 표면에 붙어 표면과 반응하거나 표면을 덮을 수' 있기 때문에 STM을 통한 '시료 표면의 관찰을 방해'합니다.

즉, '용이한 관찰을 위해서는 관찰하려고 하는 시료와 기체 분자의 접촉을 최대한 차단'해야 하는 것입니다.

이를 위해 '기체 압력이 대기압보다 낮은' 진공이 요구됩니다.

 

다음은 진공이 높을 조건입니다:

• 기체의 압력이 낮을수록
• = 단위 부피당 떠돌아다니는 기체 분자의 수가 낮을수록

 

정리하자면, STM을 활용할 때 '기체 분자들을 진공 통에서 뽑아내거나 진공 통 내부에서 움직이지 못하게 고정하면 진공 통 내부의 기체 압력을 낮춰' 시료와 기체 분자의 접촉을 최대한 차단할 수 있습니다.

 

3문단

 

단분자층 형성 시간은  '진공 통 내부에서 떠돌아다니던 기체 분자들이 관찰하려는 시료의 표면에 달라붙어 한 층의 막을 형성하기까지 걸리는 시간'입니다.

 

단분자층 형성 시간을 길게 하기 위해서 필요한 조건은 다음과 같습니다:

• 시료의 표면과 충돌한 기체 분자들이 표면에 달라붙을 확률이 낮을수록
• 단위 면적당 기체 분자의 충돌 빈도가 낮을수록
• 기체 분자의 질량이 클수록
• 기체의 압력이 낮을수록 (=단위 부피당 떠돌아다니는 기체 분자의 수가 낮을수록)

질소, 20°C
760 토르	→	10-9 토르
3 × 10-9 초	→	2,500 초

 

단분자층의 형성은 시료의 표면에 다른 분자로 막이 형성되었다는 의미이기 때문에, STM에서는 '시료의 관찰 가능 시간을 확보하기 위해' 단분자층 형성 시간이 긴 '10^-9 토르 이하의 초고진공'이 요구됩니다.

 

4문단

 

STM에서 요구되는 초고진공을 얻기 위해서는 스퍼터 이온 펌프를 통해 STM '진공 통 내부의 기체 분자를 펌프 내부로 유입'시켜야 합니다.

 

스퍼터 이온 펌프는 다음의 구성요소로 이루어져 있습니다:

• 영구 자석 → 원통 모양 양극의 축 방향으로 자기장을 형성
• 금속 재질의 속이 뚫린 원통 모양 양극
• 타이타늄으로 만든 관 형태의 음극
• 전원 장치 → 양극과 음극 간에 2~7 kV의 고전압을 공급

 

스퍼터 이온 펌프는 다음의 순서에 따라 작동합니다:

1. 고전압에 의해 음극에서 방출된 전자가 자기장의 영향을 받아 복잡한 형태의 궤적을 그리며 양극으로 이동
2. 음극에서 방출된 전자가 주변의 기체 분자와 충돌하여 기체 분자가 양이온과 전자로 분리
3. 기체 분자에서 분리되어 생성된 양이온이 전기력에 의해 음극에 박힘
   (→ 1차 펌프 작용)
4. 양이온이 음극과 충돌할 때 타이타늄이 떨어져 나와 주변에 들러붙음
5. 들러붙은 타이타늄은 기체 분자를 흡착하여 떠돌아다니는 기체 분자의 수를 줄임
   (→ 2차 펌프 작용)

 

이렇듯 1, 2차 펌프 작용을 통해 스퍼터 이온 펌프는 STM에서 요구하는 초고진공 상태를 만들어냅니다.

 

32번 문제 풀이

 

문제 32번의 <보기>에서는 STM이 설치된 진공 통 A~E의 조건이 제시되어 있습니다.

2, 3문단의 진공이 높을 조건과 단분자층 형성 시간을 길게 하기 위해서 필요한 조건에 따라 선지를 풀어보겠습니다.

진공이 높을 조건 (→ 2문단)	단분자층 형성 시간을 길게 하기 위해서 필요한 조건 (→ 3문단)
기체의 압력이 낮을수록 = 단위 부피당 떠돌아다니는 기체 분자의 수가 낮을수록	시료의 표면과 충돌한 기체 분자들이 표면에 달라붙을 확률이 낮을수록 단위 면적당 기체 분자의 충돌 빈도가 낮을수록 기체 분자의 질량이 클수록 기체의 압력이 낮을수록 = 단위 부피당 떠돌아다니는 기체 분자의 수가 낮을수록

 

① A의 조건은 질소, 20°C, 10-9 토르로, 이 경우 단분자층 형성 시간은 대략 2,500초입니다. (→ 2문단)

② <보기>에 기체 압력이 제시된 A와 비교합니다. 다른 조건은 모두 동일하기 때문에, 단위 부피당 기체 분자 수가 적은 B의 기체 압력은 A의 기체 압력 10^-9 토르보다 작습니다.

	기체	분자의 질량	단위 부피당 기체 분자 수	기체 압력
A	질소	28	4N	10-9 토르
B	질소	28	2N	10-9 토르보다 작음

③ 단위 부피당 기체 분자 수가 많은 C의 진공도가 낮습니다.

	기체	분자의 질량	단위 부피당 기체 분자 수	진공도
B	질소	28	2N	높음
C	질소	28	7N	낮음

④ 단위 부피당 기체 분자 수가 적은 D의 기체의 압력이 낮아 단분자층 형성 시간이 깁니다.

	기체	분자의 질량	단위 부피당 기체 분자 수	기체 압력
A	질소	28	4N	10-9 토르
D	산소	32	N	10-9 토르보다 작음

⑤ D와 E에서 차이 나는 것은 분자의 질량인데, 단위 면적당 기체 분자의 충돌 빈도와 분자의 질량 간 관계가 주어지지 않았으므로, D와 E의 단위 면적당 기체 분자의 충돌 빈도를 비교할 수 없습니다.

	기체	분자의 질량	단위 부피당 기체 분자 수
D	산소	32	N
E	이산화 탄소	44	N