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3D Structure & Correlative Electron Microscopy 3차원 구조와 상관 전자현미경 분석 기술

3D Structure & Correlative Electron Microscopy
From serial sections to connected pore networks — concept illustration. 연속 절편에서 기공 네트워크로 이어지는 3차원 분석 개념도.

Materials are inherently three-dimensional, yet a two-dimensional projection cannot fully reveal pore connectivity, crack pathways, or buried interfaces. AEML uses STEM tomography and FIB-SEM serial sectioning to reconstruct complex microstructures in three dimensions. We connect these volumes with imaging, diffraction, and chemical analysis of the same regions, linking electrode-scale architecture to local structure and composition. This correlative approach supports the design of transport pathways and the understanding of failure in functional materials. 소재는 본질적으로 3차원이지만, 2차원 투영상만으로는 기공의 연결성, 균열의 진행 경로, 매립 계면의 형태를 충분히 이해하기 어렵습니다. AEML은 STEM 토모그래피와 FIB-SEM 연속 절편 기법을 활용해 복잡한 미세구조를 3차원으로 재구성합니다. 같은 영역의 이미징·회절·화학 분석을 연결하여 전극 수준의 구조와 국소 조성·결정구조를 함께 해석합니다. 이를 통해 물질 수송 경로의 설계와 기능성 소재의 파괴·열화 메커니즘 규명에 필요한 입체적인 정보를 제공합니다.

Revealing connected structures

A pore seen in a cross-section may be isolated or connected to a transport network. A crack can stop at an interface or continue through an entire particle. Three-dimensional analysis reveals the difference and makes connectivity, geometry, and spatial relationships accessible to measurement.

The same area fraction in a single section can represent very different three-dimensional architectures. Reconstructing the surrounding volume lets us distinguish isolated voids from connected pathways and identify narrow passages or local damage that can govern transport through a material.

STEM tomography and FIB-SEM serial sectioning

STEM tilt series reconstruct nanoscale morphology, while FIB-SEM serial sectioning captures larger microstructural volumes. Together, these techniques connect particle-level structure with electrode architecture, pore networks, and crack propagation.

The appropriate method depends on the size of the feature and the volume needed to represent it. We consider spatial resolution, specimen geometry, and sampling together: a nanoscale interface requires fine detail, while a heterogeneous electrode requires a sufficiently broad view of its constituent phases.

Correlative analysis of the same region

We use SEM to identify features of interest, FIB to prepare targeted cross-sections, and STEM / EDS / EELS to examine local structure and chemistry. Connecting observations from the same region helps explain why a crack forms, where a coating fails, or how an interface evolves.

A feature identified in a larger volume can then be examined at higher resolution, preserving the link between its local chemistry and its structural context. This is particularly useful when a rare defect or a small damaged region has a disproportionate influence on the response of the whole material.

From reconstructed volumes to material design

Our quantitative workflows connect segmentation with pore volume, connectivity, interfacial area, and particle morphology. Cryo and protected-transfer approaches extend this analysis to air-sensitive energy materials. The goal is to turn three-dimensional observations into information that guides processing and design.

We aim to compare how processing changes the continuity of transport networks and the distribution of interfaces. By connecting these descriptors with electrochemical or mechanical behavior, reconstructed volumes become a basis for evaluating which architectural changes are worth pursuing.

연결된 구조를 입체적으로 보다

단면에서 보이는 기공이 고립되어 있는지, 물질이 이동하는 통로와 연결되어 있는지는 2차원 영상만으로 판단하기 어렵습니다. 균열 역시 계면에서 멈추거나 입자 전체를 가로질러 진행할 수 있습니다. 3차원 분석은 이러한 연결성과 공간적 관계를 측정 가능한 정보로 바꿉니다.

한 단면에서 기공의 면적분율이 같더라도, 실제 3차원 구조에서는 통로의 연결 방식과 병목 구간이 크게 다를 수 있습니다. 주변 부피를 함께 재구성하면 고립된 공간과 연속적인 경로를 구분하고, 물질 수송이나 응력 집중에 영향을 주는 구조적 특징을 파악할 수 있습니다.

STEM 토모그래피와 FIB-SEM 연속 절편

STEM 틸트 시리즈로 나노구조의 입체 형태를 재구성하고, FIB-SEM 연속 절편으로 더 넓은 미세구조를 분석합니다. 입자 수준의 구조를 전극의 배열, 기공 네트워크, 균열의 진행 경로와 연결합니다.

분석법은 보고자 하는 구조의 크기와 대표성을 확보하는 데 필요한 부피에 맞춰 선택합니다. 나노계면의 세부 형태에는 높은 공간 분해능이 필요하고, 불균일한 복합 전극에서는 각 구성 성분이 어떻게 분포하는지 충분한 범위를 관찰해야 합니다. 시편 형상과 분해능, 관찰 부피를 함께 고려하여 연구 질문에 맞는 3차원 데이터를 확보합니다.

같은 영역을 여러 기법으로 분석하다

SEM으로 관심 영역을 찾고 FIB로 목표 단면을 준비한 뒤, STEM / EDS / EELS로 국소 구조와 화학적 특성을 분석합니다. 동일 영역에서 얻은 정보를 연결하여 균열이 발생한 이유, 코팅이 손상된 위치, 계면이 변화하는 과정을 해석합니다.

넓은 영역에서 발견한 특징을 더 높은 분해능으로 살펴보면서, 국소 조성과 주변 구조의 관계를 유지하는 것이 중요합니다. 드물게 존재하는 결함이나 작은 손상 영역이 전체 거동에 큰 영향을 주는 경우, 서로 다른 위치의 데이터를 비교하는 것보다 동일한 대상을 단계적으로 좁혀 가는 분석이 원인 규명에 도움이 됩니다.

재구성 데이터에서 소재 설계로

Segmentation과 정량분석을 결합하여 기공 부피·연결성·계면 면적·입자 형상을 추출합니다. Cryo 및 보호 이송 기법을 통해 대기 민감성 에너지 소재로 분석을 확장합니다. 3차원 관찰을 공정과 설계에 활용할 수 있는 정보로 바꾸는 것이 목표입니다.

공정에 따라 수송 네트워크의 연속성과 계면 분포가 어떻게 달라지는지 비교하고, 이러한 구조 지표를 전기화학적·기계적 거동과 연결합니다. 입체적으로 재구성한 영상을 정량 지표로 정리하여, 어떤 구조적 변화가 성능 개선에 기여할 수 있는지 판단하는 근거를 제공하고자 합니다.