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전자현미경(電子顯微鏡, electron microscope)은 전기장 또는 자기장을 이용하여 전자류를 전자 렌즈에 집속시켜, 그 통로에 놓인 시료(試料)의 상(像)을 확대하는 장치를 말한다. 광학 현미경보다 훨씬 뛰어난 분해 능력을 가진다.
개요
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전자현미경은 물체를 비출 때 빛 대신 진공상태에서 전자의 움직임을 파악하여 시료를 관찰하는 현미경이다. 10만 배의 배율을 가지며, 물질의 미소 구조를 보는 데 이용한다. 투과 전자현미경(TEM), 주사 전자현미경(SEM), 반사 전자현미경(reflection electron microscope, REM), 투사 주사 전자현미경(STEM), 저전압 전자현미경(LVEM), 저온 전자현미경 등이 있다.
전자현미경은 가속 전자를 빛으로 사용하는 현미경으로 영상을 형성하는 광원의 파장이 광학현미경의 가시광선에 비하여 10-4 이하로 작다. 따라서 분해능이 훨씬 우수하고 시편의 미세조직을 백만 배 이상의 고배율로 확대, 관찰할 수 있는 장비이다.
가속 전자를 빛으로 사용하는 현미경으로 영상을 형성하는 광원의 파장이 광학현미경의 가시광선에 비하여 10-4 이하로 작다. 따라서 분해능이 훨씬 우수하고 시편의 미세조직을 백만 배 이상의 고배율로 확대, 관찰할 수 있는 장비이다. 전자현미경의 역사는 1932년 TEM(Transmission Electron Microscope)의 개발에서 시작된다. TEM은 분해능이 뛰어나고 시료의 격자구조 및 방향성을 알 수 있는 것이 장점이나, 전자선이 시료를 투과하기 위해서는 시료가 박막이거나 foil이어야 하고, 시료의 표면구조를 직접적으로 관찰하는 것이 불가능하다.
이러한 점들을 보완하여 시료의 표면정보를 충분히 감지할 수 있고 초점심도가 우수한 SEM(Scanning Electron Microscope)이 개발되었다. 1965년 세계 최초의 상업용 SEM이 등장하였고 이후 30년 동안 분해능, 기능성, 조작의 편리성 등에서 놀라운 기술적 진보가 이루어졌다. 현재 SEM은 거의 모든 산업 및 과학 분야에서 사용되는 중요한 장비로 반도체, 전기/전자, 재료, 금속, 물리, 화학, 생물, 의학, 농업, 조선, 섬유, 군사, 환경, 식품 등의 응용분야에서도 폭넓게 이용되고 있다.[1][2]
역사
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전자현미경에 대한 아이디어를 제출하여 특허를 받았던 사람은 헝가리 물리학자 스질라드(Leó Szilárd)였다. 1931년에 독일의 물리학자 러스카(Ernst Ruska)와 전기공학자 크놀(Max Knoll)이 시범용 전자현미경을 개발했다. 1933년에 러스카는 광학현미경의 해상력을 뛰어넘는 전자현미경을 개발함으로써 새로운 가능성을 열었다. 1938년에 토론토 대학교 팀에 의해 최초의 실용적 전자현미경이 개발되었고, 1939년에 지멘스(Simens) 사는 최초의 상업용 투과전자현미경(TEM)을 내놓았다.
그러나 투과전자현미경은 시료를 통과하고, 굴절되는 전자를 탐지하여 영상을 얻는 관계로 시료의 격자구조와 방향성은 알 수 있지만 표면구조를 직접 관찰할 수는 없었다. 이런 점을 보완하고자 주사전자현미경(SEM)이 개발되었는데, 최초로 상업화가 된 것은 1965년이었다.
우리나라에 전자현미경이 처음 도입된 것은 1958년으로, 일본에서 연구를 마치고 경북대학교에 부임한 안영필 교수가 일본으로부터 기증을 받은 2단 렌스계 소형 전자현미경(Hitachi HM-3)이었다. 같은 해에 육군기술연구소도 2단 렌스계 소형 전자현미경(Schimazu SM-C2)을 기증 받았으나, 같은 기종의 사용자가 없었던 까닭에 활용이 부진했다. 1961년에는 성균관대학교 부설 원자과학연구소에서 3단 렌스계 중형 전자현미경(Hitachi HS-6)을 구입하여 가동함으로써 생물학과 의학 분야의 연구가 활성화되는 계기로 작용했다.
전자현미경은 국가유산 보존사업에서 중요한 기능을 담당하고 있다. 이런 까닭에 문화유산 보존처리를 전담하는 국가기관인 문화유산보존과학센터에는 주사전자현미경(JSM-5910LV)이 설치되어 있고 안료, 유리, 토기의 성분 확인 및 조직 관찰, 정성분석 등에 활용되고 있다.[3]
개발
전자현미경 발명의 배경에는 전자선에 관한 많은 기초 연구가 있었다.
전자현미경은 헝가리의 물리학자인 실라르드 레오에 의해 처음으로 창안되고 만들어졌다. 그 뒤, 전자현미경 개발에 직접 착수한 것은 베를린 공과대학의 루스카 등을 중심으로 한 연구팀이다. 그들은 1931년에 400배의 배율을 가진 전자현미경의 프로토 타입을 만들어냈다. 1933년에는 대물·촬영 두 렌즈로 이루어진 전자현미경을 조립하고, 약 1만 배의 상(像)을 얻어 광학 현미경의 분해능보다 뛰어나다는 것을 실증했다. 그 후 독일의 지멘스사를 중심으로 하여 전자현미경의 개량이 추진되어 1939년에 세계 최초로 전자현미경이 시판되었다.
그 후에도 전자현미경의 개량 연구는 끊임없이 계속되어 독일은 물론 미국, 영국, 네덜란드 등이 앞을 다투어 연구 개발을 하여 오늘날의 기초를 만들었다.[2]
구조 및 원리
전자현미경은 원리적으로나 구조적으로나 광학 현미경과 근본적으로 다르다. 가장 큰 차이점은 전자현미경은 광선 대신 전자선을 사용한다는 것이다. 광학 현미경은 유리렌즈를 사용하여 상을 만드는데, 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자 렌즈를 쓴다. 전자 렌즈는 전자석으로 자계를 만들어 이것으로 전자선을 수렴 또는 발산시키는 장치이다.
고성능 전자현미경은 대물·중간·촬영 세 개의 렌즈가 삽입되어 있어 각 렌즈로 상을 확대하여 최종 상(像)은 50만 배나 된다. 전자는 매우 가볍기 때문에 분자에 충돌하면 튕겨나간다. 그 때문에 경통(鏡筒) 내에 공기가 있으면 전자가 활발하게 움직일 수가 없다. 따라서 광학 현미경에서는 볼 수 없는 커다란 배기계(系)가 있으며, 전자현미경의 경통 내에는 10−4~10−10mmHg이라는 진공도가 유지된다.
또 전자현미경에는 복잡하고 큰 전자계가 있다는 점도 광학 현미경과 다르다. 전자계의 중요한 점은 전자를 가속시키기 위해 고전압을 발생시키는 장치와 각 전자 렌즈의 강도(强度)를 바꾸기 위한 전원 부분 등이다. 보통 전자현미경은 5~10만 볼트로 전자를 가속한다. 전자선의 파장은 가속 전압의 평방근에 반비례하여 짧아지는 성질이 있다.[3] 또 아베의 이론에서 현미경의 분해능은 파장에 반비례하여 좋아진다. 따라서 전자현미경의 분해능이 광학 현미경에 비해 매우 뛰어나다는 것을 알 수 있다.
이러한 투과형(透過型) 전자현미경과 구별되는 주사형(走査型) 전자현미경이 1960년대 중반에 개발되어 영국(1964년) 및 일본(1965년)에서 시판되었다. 주사형 전자현미경은 텔레비전이나 전송 사진과 유사한 원리로 만들어진다. 즉, 아주 가늘게 묶은 전자선 다발로 시료(試料)를 주사하여 시료면에서 나오는 2차 전자나 반사 전자 등을 전류로 바꾼다. 그리고 그것을 전기 신호에 동조하여 텔레비전의 브라운관 위의 주사선의 휘도를 변조시켜 상(像)을 만든다. 전자선 다발로 조사(照射)된 시료면에서 발생하는 전자는 시료의 모양이나 구성 물질 등으로 변화한다. 또 주사 전자현미경의 초점 심도(深度)는 상당히 크기 때문에 요철이 많은 시료를 관찰할 때에도 입체감 있는 선명한 상을 얻을 수 있다.
전자현미경은 미세한 것을 확대해서 보는 현미경 본래의 기능 외에 세포 내에 존재하는 미량 물질의 고정, 분포 상태, 분자의 입체 구조의 분석 등 분석 기계로서의 성능이 계속 증대하였다.[2]
특징
전자현미경은 목적에 따라서 투과형, 주사형 등으로 분류된다. 가시광선보다 파장이 작은 전자를 광학렌즈대신 전자렌즈를 사용하여 시료에 주사하고, 시료와 상호작용한 전자를 검출기로 측정하여 형상을 만든다. 오늘날의 전자현미경의 원형은 1932년경 독일의 E.루스카에 의해 완성되었다. 단위가 작은 자로 거리를 잴수록 정확한 값을 알 수 있듯이 파장이 작은 매체를 통해 사물을 볼 때 정밀한 형상을 얻는다. 1931년 독일 과학자 E. 루스카(Ruska)는 전자빔을 사용한 첫 번째 투과현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 만들었다. 주사형(SEM, Scanning Electron Microscope)은 전자빔을 시료의 표면 한 점에 맞추어 보고자하는 시료영역을 훑어서(scan) 전체 영상을 만든다. 주사형은 1942년에 시도되었으며 1965년에 상업용기기가 시판되었다.
광학현미경의 경우 분해능(分解能)이 빛의 파장에 의해 제한되어 19세기 말에 이미 배율 상 2,000배가 한계였던 반면에, 전자현미경의 경우 전자빔의 파장은 0.05옹스트롬(Å) 정도로 짧아서 광학현미경으로는 관찰할 수 없었던 바이러스 등의 미생물까지도 선명하게 관찰할 수 있었다. 최근의 전자현미경은 수 백만 배까지 상을 확대해서 관찰할 수 있고 결정 내의 원자배열(간격 1∼2 옹스트롬(Å))까지 판별할 수 있으므로 생물학, 의학, 공학 등 넓은 분야에 걸쳐 이용되고 있다. 투과현미경은 전자총에 의해 전자빔이 만들어지고 전기장에 의해 시료로 가속되어 향한다. 자기장을 이용한 전자렌즈에 의해 형광판이나 사진필름에 초점을 만들고 시료를 투과하며 시료의 원자 및 전자들과 상호작용한다. 상호작용한 전자빔은 검출기인 형광판이나 사진필름을 통해서 영상을 만들게 된다. 확대율과 해상력이 좋아 세포조직 및 미세구조를 관찰할 수 있으며, 단백질과 같은 작은 구조도 관찰할 수 있다. 분해능은 0.2nm(나노미터) 정도이다.
주사현미경은 투과현미경과 달리 시료를 투과하지 않고 시료 표면에 한 점을 초점으로 맞추어 주사한다. 표면에서 전자빔의 전자는 굴절되고 이차전자가 발생되어 표면에서 나온다. 이 이차전자들을 검파기로 수집하여 음극선관을 통해 영상을 형성한다. 전자빔이 시료를 투과하지 않고 깊이에 따라 이차전자가 발생되므로 큰 시료를 입체적으로 관찰할 수 있다.[4]
종류
전자현미경의 기원은 1929년 독일의 Ernst Ruska가 음극판을 연구하는 과정에서 직경 0.3 ㎜인 양극 조리개의 영상을 확대시킨 실험에서 시작되었다. 그 후 1931년에 Max Knoll과 Ernst Ruska는 전자빔을 사용하는 투과전자현미경을 제작하였다. Ruska 박사는 전자현미경의 발전에 커다란 공헌을 하였으며, 그 공로를 인정받아서 1986년에 노벨물리학상을 수상하였다. 1938년 독일의 Siemens 회사는 최초의 전자현미경을 상용화하였으며, 그 후 40년대에 미국(RCA), 일본(Hitachi), 네덜란드(Philips)에서 각각 상용화된 제품을 생산판매하면서 전자현미경은 널리 보급되었다.
전자현미경은 세포나 세포 구조물을 관찰하기 위해 가시광선 대신에 전자를 사용한다. 전자현미경에서는 전자석이 렌즈의 기능을 하며, 전체 시스템은 진공에서 작동한다. 전자현미경은 전자영상(electron micrograph)이라 불리는 사진을 촬영하기 위해 사진기가 장착되어 있다. 투과전자현미경과 주사전자현미경의 두 가지 종류의 전자현미경이 일반적으로 사용된다.
투과전자현미경
투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)은 세포와 세포 구조를 매우 높은 배율과 해상력으로 관찰하는데 이용된다. TEM의 해상력은 광학현미경의 해상력보다 훨씬 커서 분자 수준도 관찰이 가능한데, 그 이유는 전자의 파장이 가시광선의 파장보다 훨씬 더 짧고, 파장이 해상력에 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 광학현미경의 해상력은 약 0.2 ㎛ (10⁻⁹ m)이며, TEM의 해상력은 1,000배 정도 향상된 약 0.2 ㎚이다. 이러한 높은 해상도로 단백질이나 핵산 등의 개별 분자도 전자현미경에서는 관찰이 가능하다. 그러나 가시광선과 달리 전자는 투과성이 약하여 한 개의 세포조차도 전자가 투과하기에 너무 두껍다. 이에 따라 세포의 내부구조를 관찰하기 어렵기 때문에 세포의 얇은 박절편(thin sections)이 필요하고, 안정화 되어야하며, 영상화를 위하여 다양한 화학물질에 의해 처리되어야한다. 예를 들어, 한 개의 세균(bacterium) 세포는 아주 얇은 박편(20~60 nm)으로 잘라 TEM으로 관찰한다. 충분한 대비차를 얻기 위해, 시료를 오스믹산(osmic acid), 또는 과망간산(permanganate), 우라늄(uranium), 란타니움(lanthanium)이나 납의 염(lead salt) 등의 염료로 처리한다. 이러한 물질은 원자량이 큰 원자들로 구성되어 있어, 전자를 산란시키는 능력이 뛰어나 대비를 향상시킨다. 단순히 생물체의 외부구조를 관찰할 경우에는 얇은 박절편은 필요하지 않다. 음성염색법(negative staining)을 이용하여 TEM으로 온전한 세포 또는 세포내 소기관들을 직접 관찰할 수도 있다.
주사전자현미경
주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)은 세포의 3차원 영상을 관찰하기 위하여 사용한다. 주사전자현미경을 사용하기 위해서는 시료를 금과 같은 중금속의 얇은 막으로 코팅한다. 그 후, 전자빔이 시료를 전체적으로 스캔한다. 금속 코팅에서 산란된 전자를 모아 영상을 만들어 내기 위해 수상기 화면에 투사한다. SEM을 사용할 경우에는 상대적으로 큰 시료도 관찰할 수 있다. SEM은 최소 15배부터 10만배의 넓은 범위의 배율을 가지고 있을 수 있으나, 보통 물체의 표면만 영상화가 가능하다. TEM 또는 SEM의 전자현미경 영상은 본래 흑백 영상이다. 이 영상도 얻을 수 있는 최대한의 과학적인 정보를 가지고 있지만, 보통 컴퓨터로 조작하여 전자현미경 영상을 컬러화 한다. 그러나 이러한 인위적 컬러는 현미경 영상의 해상력을 향상시키지는 않는다. 단지 대중 매체를 통한 일반의 관심을 끌기 위한 영상의 예술적인 가치를 높이는 데 기본적인 목적이 있다.[5]
동영상
각주
참고자료
- 〈전자현미경〉, 《네이버 국어사전》
- 〈전자현미경〉, 《위키백과》
- 〈전자현미경〉, 《한국민족문화대백과》
- 〈전자현미경〉, 《두산백과》
- 〈전자현미경〉, 《미생물학백과》
- 주식회사 지에스이엠, 〈전자현미경의 원리 및 구조〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-25
같이 보기
