최근에 한국기초과학지원연구원에 설치된 초고전압 투과전자현미경은 원자분해능(점분해능 $1.2{\AA}$ 이하)의 구현과 고경사각 tilting 기능(${\pm}60^{\circ}$)에 의해 시편의 원자배열 구조를 3차원적으로 이미징할 수 있는 고성능 투과전자현미경이다. 이에 더하여 FasTEM이라는 원격 운용 시스템이 갖춰져 있어서 장비의 직접운용에 따른 여러 제약을 극복할 수 있게 한다. 초고전압 투과전자현미경의 원격운용을 위해 FasTEM 원격 시스템은 본원 초고전압 투과전자현미경에 설치된 Server 시스템과 서울분소에 설치된 Client 콘솔 시스템을 155 Mbps급 초고속 선도망 KOREN에 연결하여 구성하였으며 서울분소에서 대전본원의 초고전압 투과전자현미경을 운영하여 Au의 [001] 고분해능 영상을 얻는데 성공하였다. 초고전압 투과전자 현미경의 조사계 및 결상계 시스템 파라메타들의 조정, 각각의 detector 시스템 조정과 이미징, goniometer와 aperture 구동을 위한 motor-driven system들의 동작 등 초고전압 투과전자현미경의 원격 조정은 원격 작업자가 현장에 있는 것과 마찬가지로 실시간 운용이 가능하였다. 초고전압 투과전자현미경과 IT 기반기술의 접목에 의해 실현된 원격운용 기능은 국가적 공동연구시설에 대한 e-Science Grid를 구축하는데 중요한 역할을 하리라 기대된다.
최근에 한국기초과학지원연구원에 설치된 초고전압 투과전자현미경은 원자분해능(점분해능 $1.2{\AA}$ 이하)의 구현과 고경사각 tilting 기능(${\pm}60^{\circ}$)에 의해 시편의 원자배열 구조를 3차원적으로 이미징할 수 있는 고성능 투과전자현미경이다. 이에 더하여 FasTEM이라는 원격 운용 시스템이 갖춰져 있어서 장비의 직접운용에 따른 여러 제약을 극복할 수 있게 한다. 초고전압 투과전자현미경의 원격운용을 위해 FasTEM 원격 시스템은 본원 초고전압 투과전자현미경에 설치된 Server 시스템과 서울분소에 설치된 Client 콘솔 시스템을 155 Mbps급 초고속 선도망 KOREN에 연결하여 구성하였으며 서울분소에서 대전본원의 초고전압 투과전자현미경을 운영하여 Au의 [001] 고분해능 영상을 얻는데 성공하였다. 초고전압 투과전자 현미경의 조사계 및 결상계 시스템 파라메타들의 조정, 각각의 detector 시스템 조정과 이미징, goniometer와 aperture 구동을 위한 motor-driven system들의 동작 등 초고전압 투과전자현미경의 원격 조정은 원격 작업자가 현장에 있는 것과 마찬가지로 실시간 운용이 가능하였다. 초고전압 투과전자현미경과 IT 기반기술의 접목에 의해 실현된 원격운용 기능은 국가적 공동연구시설에 대한 e-Science Grid를 구축하는데 중요한 역할을 하리라 기대된다.
The high voltage electron microscope (HVEM) newly installed in KBSI is an advanced transmission electron microscope capable of atomic resolution (${\leq}1.2{\AA}$ point-to-point resolution) together with high titling function (${\pm}60^{\circ}$), which are suitable to do 3-dime...
The high voltage electron microscope (HVEM) newly installed in KBSI is an advanced transmission electron microscope capable of atomic resolution (${\leq}1.2{\AA}$ point-to-point resolution) together with high titling function (${\pm}60^{\circ}$), which are suitable to do 3-dimensional atomic imaging of a specimen. In addition, the instrument can be controlled by remote operation system, named as 'FasTEM' for the HVEM, which is favorable to overcome some environmental obstacles resulting from the direct operation. The FasTEM remote operation system has been established between the headquarter of KBSI in Daejeon and the Seoul branch. The server system in the headquarter has been connected with a portable client console system in the Seoul branch using an advanced internet resource, 'KOREN' of 155 Mbps grade. Most of the HVEM functions essential to do remote operation are available on the portable client console. The experiment to acquire the high resolution image of [001] Au has been achieved by excellent transmission of control signals and communication with the HVEM. Real-time reaction like direct operation, such as controls of the illumination and projection parameters, acquisition and adjustment of each detector signal, and electrical steering of each motor-driven system has been realized in remote site. It is positively anticipated that the first remote operation of HVEM in conjunction with IT infraengineering plays a important role in constructing the network based e-Science Grid in Korea for national user s facilities.
The high voltage electron microscope (HVEM) newly installed in KBSI is an advanced transmission electron microscope capable of atomic resolution (${\leq}1.2{\AA}$ point-to-point resolution) together with high titling function (${\pm}60^{\circ}$), which are suitable to do 3-dimensional atomic imaging of a specimen. In addition, the instrument can be controlled by remote operation system, named as 'FasTEM' for the HVEM, which is favorable to overcome some environmental obstacles resulting from the direct operation. The FasTEM remote operation system has been established between the headquarter of KBSI in Daejeon and the Seoul branch. The server system in the headquarter has been connected with a portable client console system in the Seoul branch using an advanced internet resource, 'KOREN' of 155 Mbps grade. Most of the HVEM functions essential to do remote operation are available on the portable client console. The experiment to acquire the high resolution image of [001] Au has been achieved by excellent transmission of control signals and communication with the HVEM. Real-time reaction like direct operation, such as controls of the illumination and projection parameters, acquisition and adjustment of each detector signal, and electrical steering of each motor-driven system has been realized in remote site. It is positively anticipated that the first remote operation of HVEM in conjunction with IT infraengineering plays a important role in constructing the network based e-Science Grid in Korea for national user s facilities.
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문제 정의
본 연구에서는 우리나라에 최초로 설치된 초고 전압투과전자 현미경의 원격 운영기농에 대한 소개와 문제점들을 파악하고 개선책을 고찰하고자 수행하였고 나아가 e-Science 그리드 구축 사업의 모델 장비로서 prototype의 원격 운영환경 구축을 위한 조건들을 모색하고자 하였다 원격 운영 점검은 원격운영지에서 운영자가 제어할 수 있는 전자현미경의 각종 기농들과동작 상태, 각종 detector 이미지 전송 및 손실 여부, network 조건의 적합성 등의 관점에서 수행되었다
반면에 전자현미경의 aperture나 goniometer를 동작하기 위한 motor-driven system들에 대한 기계적 조정과 detector의 고용량 이미지 전송 처리 등은 network의 속도와 band width에 큰 영향을 받으므로 옹답지연 현상이나 정보 손실이 발생할 우려가 있었다. 이외에도 network기반의 초고전압투과전자현미경의 원격운영에 의해 고분해능 작업을 수행하기 위해선 아래의 환경 요건들이 만족되어야함을 본 실험을 통해서 알 수 있었다.
제안 방법
원격지에서의 초고전압 투과전자현미경 제어는 align- ment에서부터 영상 focusing 및 adjustment, 그리고 recording에 이르기까지 TEM 작업 전반을 수행 할 수있도록 구성이 되었다. Table 1에 열거된 원격 조정 기농들을 이용하여 amorphis Ge film 위에 형성된 Au particle의 고분해능 영상을 획득하는 실험을 수행하였다.
4는 서울분소에 설치된 FasTEM client system을 이용하여 대전본원의 초고전압 투과전자현미경에 장착된 Au particle시편을 관찰한 결과이다. 먼저 고분해능 영상을 얻기 전 alignment는 미리 현장 운영보조자가 실시 하였고 top (in column) TV 영상으로 시 편의적당한 위치를 찾았다 이를 확대하여 diffraction mode로 영상을 바꾼 후 형광 스크린에 결상된 회절 패턴을 관찰하였다. 형광스크린 영상은 TV영상과는 달리 115만 화소급 디지털 캠코더에서 촬영된 영상이 S- video 케이을 롱채 FasTEM 이미지 서버에서 전달되며 모든 영상은 FasTEM server에서 관리하는 win- dow's netmeeting 프로그램을 기반으로 표현된다.
3과 같이 대전본원의 초고전압 투과전자현미경실과 고려대학교 내 서울분소 회의실을 연결하는 전용망인 155 Mbps급 초고속 선도망 KOREN (Korea Advanced Research Network)을 이용하여 구성하였다. 원격지에서 독립적으로 장비를 원격 제어하기에는 여러 위험요소로 인해 장비에 무리를 줄 수 있기 때문에 본원 전자현미경에 원격 운영보조 및 장비 안전 감시를 맡는 보조 운영요원을 두고 서울분소에서 원격 운영 요원과 화상통신에 의해 상호 정보를 주고받도록 하였다. 지금까지 선행된 초고전압 투과 전자 현미경을 이용한 원격 운영실험에서 가장 큰 장애가 되었던 것은 100Mbps 이하의 network 속도 하에서 실험을 수행하였기 때문에(Yoshida et al.
대상 데이터
FasTEM 원격 운영 시 고분해능 영상은 film으로도 기록할 수 있으나 본원의 초고전압 투과전자현미경은 Gatan사의 이미징 필터를 장착하고 있으므로 이를 제어하는 DM 프로그램 상에서 1024x1024 pixels의 MS-CCD 영상을 이용하여 획득하였다. 이로 인해 FasTEM server를 거친 FasTEM client 프로그램이 Gatan사의 DM 프로그램을 제어하는 이중적인 정보 전송 문제 때문에 DM 프로그램상에서 나타나는 MS-CCD 영상의 옹답지연과 정보 손실이 야기되었다.
본 실험에서 사용된 155Mbps급의 초고속 선도망 KORENe 미국을 중심으로 Asia 및 Europe을 이 어 international telemicroscopy 구축작업에 쓰이는 약 100Mbps급의 APAN(Takaoka et al, 2000)보다 빠른 초고속 network이다. 그러나 초고전압 투과전자현미경만을 위한 고정 band width 를 확보하지 않고 원격시범운영을 하였기 때문에 원격작업은 network traffic에 영향을 받았다.
; 2000) 이미지 전송에 따르는 고용량 뎨 이터 전송 속도의 확보와 network traffic에 의한 이미지 정보 손실의최소화룰 만족하지 못하는뎨 있었다. 이미지 신호의 전송 및 처리를 위해서 수년 전만 해도 network 인프라가 이러한 조건을 충족시켜주지 못하였으나 본 실험에서 사용한 network의 정보 전송 속도는 155Mbps급 초고속 network이다. 이러한 초고속 전용선을 이용하면 장비 제어를 위한 각종 현미경 기능 명령 수행과 함께 고용량의 detector 이미지 전송이 보다 원활히 이루어질 수 있다.
초고전압 투과전자현미경의 원격운영 실험 구성은 Fig. 3과 같이 대전본원의 초고전압 투과전자현미경실과 고려대학교 내 서울분소 회의실을 연결하는 전용망인 155 Mbps급 초고속 선도망 KOREN (Korea Advanced Research Network)을 이용하여 구성하였다. 원격지에서 독립적으로 장비를 원격 제어하기에는 여러 위험요소로 인해 장비에 무리를 줄 수 있기 때문에 본원 전자현미경에 원격 운영보조 및 장비 안전 감시를 맡는 보조 운영요원을 두고 서울분소에서 원격 운영 요원과 화상통신에 의해 상호 정보를 주고받도록 하였다.
성능/효과
Au의 고분해능 영상을 획득하는 원격 실험을 동해서 전자현미경의 조사계 및 결상계 parameter들과 같은 전기적 신호에 대한 원격 조정은 network 속도나 band width에 큰 영향을 받지 않고 원활하게 이루어진다는 것을 알았다. 반면에 전자현미경의 aperture나 goniometer를 동작하기 위한 motor-driven system들에 대한 기계적 조정과 detector의 고용량 이미지 전송 처리 등은 network의 속도와 band width에 큰 영향을 받으므로 옹답지연 현상이나 정보 손실이 발생할 우려가 있었다.
즉 실제 사진 촬영 조건으로 빔의 강도를 감소시키게 되면 원격지에서는 아무것도 볼 수 없게 된다. 따라서 실질적인 원격 운영을 위해서는 장비의 원격조정 가능한 interface의 확보와 network 인프라의 뒷받침 못지않게, 고해상도뿐만 아니라 고대비 영상 인식성능이 뛰어난 카메라가 확보되어야 원활한 원격운영을 할 수 있을 것으로 사료되었다. Fig.
원격지에서도 FasTEM client와 연동된 Gatan사의 DM 프로그램의 모든 기능을 동제할 수 있으며 live FFT (Fast Fourier Transformation)를 이용한 이미지 focusing 및 조정 이 가농하여 고분해능 영상을 보다 쉽게 획득할 수 있었다. 반면 DM 프로그램 구동은 FasTEM client 프로그램과 연동하여 동작하므로 이미지 조정에 옹답지연 현상이 발생하기 때문에 DM 프로그램의 영상만을 독립적으로 분리 및 전송해 주는 별도의 서버를 설치한다면 보다 원활한 고분해능 작업을 할 수 있을 것으로 사료되었다. Fig.
즉 시편의 정대축 조정 작업을 할 때 밝은중앙빔에 의해 CCD detector 이미지의 saturation이 일어나 정확한 시편방위를 맞추기 어려운 문제가 있다. 본 실험에서는 시편의 대략적인 정대축 조정을 원격운영자가 실시하고 정교한 정대축 조정작업은 현장운영자의 도움을 받았다.
4의 (b)는초고전압 투과전자현미경의 부수 장비로서 설치된 GIF (Gatan Imaging Filter)의 MS-CCD (MultiScan- Cliarge Coupled Device, 1024 1024 pixels) 영상과 이를 제어하는 DM(Digital Micrograph) 프로그램 하에서 원격운영을 롱해 고분해능 영상을 획득하는 상황을 나타낸 그림이다. 원격지에서도 FasTEM client와 연동된 Gatan사의 DM 프로그램의 모든 기능을 동제할 수 있으며 live FFT (Fast Fourier Transformation)를 이용한 이미지 focusing 및 조정 이 가농하여 고분해능 영상을 보다 쉽게 획득할 수 있었다. 반면 DM 프로그램 구동은 FasTEM client 프로그램과 연동하여 동작하므로 이미지 조정에 옹답지연 현상이 발생하기 때문에 DM 프로그램의 영상만을 독립적으로 분리 및 전송해 주는 별도의 서버를 설치한다면 보다 원활한 고분해능 작업을 할 수 있을 것으로 사료되었다.
이미 우리나라의 인터넷 인프라가 정보 전송 옹답속도에서 일본이나 미국보다 우수한 사례가 일본에서 이루어진 webSEM 이라는 주사전자현미경 원격운영 실험에서 보고되었다(Yamada et al, 2003). 참고로 현재 대덕 본원에서 각 분소로 연결된 networke 본 실험에서 사용된 속도보다 향상된 1 Gbps급으로 모두 upgrade되어있는 상태이다
후속연구
가농하였다. 본 원격 시범운영 결과를 통해 초고전압 투과전자현미경과 IT 기반기슽의 접목에 의해 실현된 원격운영 기능이 원격지 전문 연구자들과의 동시 협업 및 공동 연구 개발을 가농하게 할 것으로 기대하며 국가적 첨단공동 연구 장비로서의 활용도가 크게 향상될 것으로예상하고 있다. 이에 더하여 국내뿐만 아니라 international tdemicroscopy의 구축과 상호 공동연구를 위해 인터넷 기반의 원격 운영환경인 tdescience po의 구축이 완성 단계에 있으며, 한국기초과학지원연구원(KBSI), 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼 컴퓨팅센터, 미국 샌디에고 NCMIR, 일본 오사카대학 사이버 미디어 센터 및 초고전압 전자현미경 센터, 일본국립재료연구소 (NIMS)와의 공동연구를 추진 중이다
참고문헌 (9)
Fan GY, Mercurio PJ, Young SJ, Ellisman MH: Telemicroscopy. Ultramicroscopy 52 : 499 503, 1993
Takaoka A, Ura K, Mori H, Katsuta T, Matsui I, Hayashi S: Development of a new 3MV ultra high voltage electron microscope at Osaka University. J Electron Microsc 46 : 447 456, 1997
Takaoka A, Yoshida K, Mori H, Hayashi S, Young SJ, Ellisman MH: International telemicroscopy with a 3MV ultrahigh voltage electron microscope, Ultramicroscopy 83 : 93 101,2000
Yamada A, Hirahara O, Tsuchida T, Sugano N, Date M: A practical method for the remote control of the scanning electron microscope. J Electron Microsc 52(2) : 101 109, 2003
Yoshida K, Takaoka A, Hayashi S, Matsui I: Development of aremote operation system for an ultrahigh voltage electron microscope. J Electron Microsc 48 : 865 872, 1999
Yoshida K, Mori H, Shimojo S, Kadobayashi Y, Akiyama T, Ellisman MH: Design of a remote operation system for trans pacific microscopy via international advanced networks, J Electron Microsc 51(Suppl.) : S253 S257, 2002
Yoshida K, Ura K, Mori H, Katsuta T, Matsui I, Hayashi S: Remote observation system for UHVEM employing communication channels. Electron Microsc 33(Suppl. 1) : 58, 1998
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