<클릭 사이언스>(22)전자현미경

　작은 물체를 확대하는 기능을 가진 현미경은 1590년 네덜란드의 옌젠에 의해 최초로 발명됐다.

　1660년에는 네덜란드의 과학자 뢰벤 후크는 270배율의 현미경을 이용, 최초로 박테리아를 관찰해 미생물과 인간 혈구 연구에 한 획을 그었다.

　하지만 광학현미경은 가시광선을 사용해 영상을 형성하기 때문에 1000배 정도의 배율이 한계였다. 따라서 생명의 기본 물질인 DNA나 물질의 분자구조 등 1만배 이상의 배율이 필요한 유기물 세포의 내부구조를 연구하고자 하는 과학적 필요성에 의해 전자현미경이 탄생했다.

　전자현미경은 1931년 독일 베를린공대의 에른스트 루스카와 막스 크놀이 광학현미경과 같은 형태의 현미경에서 가시광선 대신 전자빔을 이용한 현미경을 만든 것이 시초다.

　전자현미경은 전자총에 의해 형성된 전자들이 전기장에 의해 시료를 향해 쏘아져 금속으로 형성된 창과 자기장을 이용한 렌즈에 의해 초점으로 모아지고 파장이 일정한 전자빔을 형성한다. 이 전자빔이 다시 자기장을 이용한 또 다른 렌즈에 의해 시료에 초점을 형성하면 시료에 포함된 원자 및 전자들이 상호작용을 하며 이런 상호작용 및 그 결과가 탐지되고 이미지로서 스크린·CRT 혹은 필름에 기록되는 방식이다.

　현미경으로 알아볼 수 있는 최근접 거리를 분해능이라고 하는데 한 개처럼 보이는 두 개의 점을 두 개로 볼 수 있는 능력을 말한다. 분해능은 광원의 파장에 의해 결정되며 미세한 것을 보려고 하면 보고자 하는 것보다 짧은 파장을 써야 한다. 광학현미경의 경우 빛의 파장을 이용하기 때문에 간격이 빛의 파장 이하인, 즉 간격이 700㎚ 이하인 두 점은 구별할 수 없다. 따라서 광학현미경으로는 세포 및 조직의 미세한 구조를 관찰할 수 없다. 이에 비해 전자선의 경우 파장은 운동량에 반비례해서 작아진다.

　예를 들면 전자를 가속하는 전압을 200㎸로 했을 경우 파장은 0.0025㎚고 0.2㎚ 정도의 분해능을 갖는다. 원자의 크기가 보통 0.1㎚고 원자간 간격이 0.1∼0.2㎚기 때문에 가속전압이 200㎸인 전자현미경으로도 기초적인 원자연구가 가능하다. 최근에는 가속전압 1200㎸, 분해능이 0.12㎚인 초고압 전자현미경이 등장해 나노 단위로 구성된 신소재 및 복합구조 반도체의 분석 및 평가에 핵심적인 장비로 평가받고 있다.

　일반적으로 전자현미경은 투사전자현미경(TEM:Transmission Electron Microscope)과 주사전자현미경(SEM:Scanning Electron Microscope) 두 가지로 분류된다. TEM은 높은 진공 상태에서 고속으로 가속되는 전자선을 광원으로 이용하며 이 전자선이 표본을 투과, 형광판이나 필름에 영상이 나타나게 된다.

　기본적으로 광학현미경과 유사하지만 광선 대신 전자빔을 사용하며 유리 렌즈 대신 빔을 집중하기 위해 자기코일을 사용한다. 전자빔이 표본을 통과해야 하므로 표본은 매우 얇아야 한다. 가속전압에 따라 투과력이 달라지는데 보통 가속전압 200∼300㎸의 현미경은 0.1㎛의 시료를 투과할 수 있으며 1200㎸의 현미경은 1㎛의 시료를 투과할 수 있다.

　SEM은 전자가 표본을 통과하는 것이 아니라 초점이 잘 맞춰진 전자선을 표본의 표면에 주사해 표본의 한 점에 집중되며 표면에서 발생된 전자가 검파기에 의해 수집돼 상을 형성한다. 때문에 비교적 큰 표본을 입체적으로 관찰할 수 있다.

　두 현미경의 가장 큰 차이점은 TEM은 전자빔이 표본을 통과해 관찰하게 되므로 2차적인 구조를 나타내지만 SEM은 표본 위를 주사한 상을 관찰하므로 3차원인 입체영상을 관찰할 수 있다는 점이다.

　이처럼 지금까지 인간이 근접할 수 없던 미지의 세계를 들여다볼 수 있는 도구의 도움을 받아 과학자들은 물질의 구조를 밝히고 제어하는 것이 가능해지고 있다.

　<권상희기자 shkwon@etnews.co.kr>

　

　관련 사이트

　사이트명 주소

　한국전자현미경학회 http://www.ksem.com

　기초과학지원연구원 http://www.kbsi.re.kr

　미래로시스템 http://www.mirero.co.kr