전자현미경 ()
내용 요약
전자현미경은 조명의 원천으로 빛이 아닌 가속화된 전자를 이용하는 현미경이다. 해상력은 광학현미경의 10만 배에 달하여 훨씬 더 작은 물체를 볼 수 있다. 1939년에 지멘스(Simens) 사는 최초의 상업용 투과전자현미경(TEM)을 내놓았다. 이를 보완한 주사전자현미경(SEM)은 1965년 최초로 상업화가 되었다. 전자현미경은 문화재 보존사업에서 중요한 기능을 담당하고 있다. 우리나라 문화재보존과학센터에는 주사전자현미경이 설치되어 있어 안료, 유리, 토기의 성분 확인 및 조직 관찰, 정성 분석 등에 활용되고 있다.
정의
조명의 원천으로 빛이 아닌 가속화된 전자를 이용하는 현미경.
개설
전자현미경의 주1은 주2의 파장에 좌우되는데, 전자선의 파장은 빛 즉 가시광선의 파장보다 10만 배 더 짧다. 이는 곧 전자현미경의 해상력이 주3의 10만 배에 달한다는 것을 의미한다. 따라서 전자현미경을 이용하면 광학현미경으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 작은 물체를 볼 수 있다. 전자현미경은 광원으로 전자선을 이용한다는 점에서 가시광선을 이용하는 광학현미경과는 근본적인 차이가 있다. 전자를 이용하려면 전자 발생 장치를 통해 가속화된 전자를 발생시키고, 주4를 통과한 전자를 탐지하여 영상으로 만들어주는 장치가 필요하다.
투과전자현미경주5은 X-선 촬영과 비슷한 원리로 작동한다. 가속화된 전자는 시료를 통과하면서 원자핵과 같이 단단한 부분에서는 튕겨져 나오거나 굴절하는 반면, 그렇지 않은 곳은 그대로 통과한다. 통과한 전자와 굴절된 전자를 전자기 렌즈를 통해 모으면 시료의 격자구조를 나타내는 영상을 얻을 수 있다. 주6은 가속화된 전자가 시료에 충돌할 때 발생하는 여러 광선들 중 2차 전자를 탐지하는 방법을 쓴다. 가속화된 전자가 시료의 원자에 있는 전자와 충돌하면 2차 전자가 발생하는데, 이 때 2차 전자는 시료의 표면에 대한 정보가 담겨 있다. 또한, 2차 전자는 속도가 느리기 때문에 탐지가 더 쉽다.
연원 및 변천
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 문화재 보존사업에서 중요한 기능을 담당하고 있다. 이런 까닭에 문화재 보존처리를 전담하는 국가기관인 문화재보존과학센터에는 주사전자현미경(JSM-5910LV)이 설치되어 있고 안료, 유리, 토기의 성분 확인 및 조직 관찰, 정성분석 등에 활용되고 있다.
구조 및 형태
주사전자현미경(SEM)은 전자총, 자기렌즈, 진공관, 시료대, 검출기 등으로 이루어져 있다. 전자총은 전자를 생성하고 가속화시키는 장치이다. 2차 전자를 발생하기에 충분한 1차 전자를 안정적으로 생성해주는 텅스텐 필라멘트를 주로 이용한다. 자기렌즈는 원통형으로 감겨진 코일로 만들어진 전자석으로 음전하를 띤 전자를 유도하는 성질을 통해 전자를 한 곳으로 모으는 기능을 한다.
자기렌즈는 시료를 비추는 전자의 크기를 결정하는 대물렌즈와 전자총을 빠져나온 전자를 모아주는 역할을 하는 집광렌즈로 나뉜다. 전자의 진행 통로에 공기가 있다면 진행을 방해하기 때문에 전자총에서 검출기까지 진공상태를 유지해야만 한다. 시료대는 시료를 놓아두는 곳으로 전자에 대한 간섭을 최소한도로 유지하도록 설계되어야 한다. 검출기는 2차 전자를 탐지하여 전기 신호로 바꿔줌으로써 최종적인 영상을 형성할 수 있도록 해준다.
참고문헌
『기초전자현미경학』(이정용, 청문각, 2013)
『전자현미경으로 보는 마이크로의 세계』(뉴턴코리아 편집부, 뉴턴코리아, 2011)
한국현미경학회(ksem.com)
주석
