현미경, 어디까지 보일까?
– 세포부터 나노까지
보험을 들면 계약서를 줍니다. 그런데 글씨가 아주 작아서 자세히 보지 않으면 어떤 조건인지 지나치기가 쉽지요. 약국에서 약을 살 때도 복용 설명서를 보려면 글씨가 너무 작아서 보기가 힘들 정도입니다. 게다가 노안까지 있다면 이럴 때 꼭 필요한 것이 돋보기이겠지요. 돋보기가 육안으로 보이지만 제대로 인지하기 어려운 것을 확대해준다면, 육안으로는 도저히 볼 수 없는 세포, 원자는 어떻게 관찰할 수 있을까요? 과학기술의 발전과 함께 고도화된 현미경의 진보와 적용 원리를 소개합니다.
보이는 것을 더 크게 “돋보기”
돋보기가 사용되었다는 최초의 기록은 고대 그리스의 희곡 ‘아리스토파네스의 구름’에 나오며 물체를 확대해서 보는 것 말고, 불을 붙이는 데에도 사용되었고, 또 햇빛을 이용해서 상처를 지지는 데도 사용되어 약국에서 판매했다는 기록이 있습니다.
돋보기 또는 확대경은 노안이 온 경우에만 쓰는 것은 아닙니다. 작은 사물을 다루는 일에도 많이 쓰지요. 외과 의사나 치과 의사들도 이런 확대경을 쓰고, 보석 세공사나 시계공도 사용하지요. 이런 확대경을 루페(loupe)라고 하는데 13세기 영국의 로저 베이컨이 발명하였습니다. 돋보기를 이용한 안경은 같은 13세기 이탈리아에서 만들어졌습니다.
루페원래 우리 눈이 물체를 보는 것은 눈에 맺히는 상을 보는 것인데 눈으로부터 멀리 있을수록 상의 크기가 작아집니다. 그래서 멀리 있는 물체는 작게 보이고 가까이 있는 물체는 크게 보이죠. 그래도, 상이 가장 선명해 보이는 거리는 정해져 있어, 250mm입니다. 이를 명시거리라 하지요. 눈과의 거리가 250mm보다 가까운 경우, 상의 선명도가 줄어듭니다. 책을 펴서 조금씩 눈에 가까이 가져가 보면 이를 알 수 있습니다. 가까울수록 글자가 조금씩 커지지만, 일정 거리보다 가까워지면 글자의 선명도가 확 줄어드는 걸 알 수 있습니다. 눈앞에 바짝 대면 아예 무슨 글자인지 보이지를 않지요. 이때 돋보기를 이용하면 명시거리보다 떨어지는 효과가 생기니 선명하게 확대된 상을 볼 수 있습니다.
10배 더 크게 “초기 현미경”
하지만 돋보기에도 한계가 있습니다. 돋보기는 볼록렌즈로 만듭니다. 볼록한 정도가 클수록 상을 더 키울 수가 있지요. 하지만 볼록한 정도가 클수록 상이 심하게 왜곡됩니다. 따라서 무한대로 볼록하게 만들 수는 없는 것입니다. 즉 돋보기는 우리 눈에 보이는 것을 조금 확대하는 용도로는 적당할지 몰라도 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 것을 보는 데는 적합하지 않습니다.
얀센부자가 만든 현미경 @Public Domain (Wikimedia)이런 한계를 극복하고자 만들어진 것이 바로 현미경입니다. 처음 현미경을 만든 것은 1590년경 네덜란드에서 안경을 만드는 일을 하던 얀센 부자였습니다. 일자형 관의 양 끝에 볼록렌즈를 붙여서 만들었지요. 눈을 접하는 면에는 양쪽으로 볼록한 렌즈를, 물체를 접하는 면에는 한쪽만 볼록한 렌즈를 썼습니다. 그러나 이때 만든 렌즈는 배율이 10배 정도로 사실 현미경이라기보다는 돋보기 정도의 수준에 가까운 것이었습니다.
광학 현미경의 아버지,
레이우엔훅 Leeuwenhoek
레이우엔훅의 현미경 복제품 by Jeroen Rouwkema CC BY-SA 3.0 (Wikimedia)눈에 보이지 않는 아주 작은 물체 즉 세균이나 적혈구 또는 정자 같은 것을 보기 위해서는 단순히 확대만 해서 되는 것이 아니라 분해능이 일정하게 뒷받침되어야 합니다. 분해능이란 ‘분리능’이라고도 불리는데, ‘확대된 이미지에서 구분되는 두 점의 최소 거리’를 말합니다. 두 물체가 서로 가까이 붙어 있을 때 이를 어디까지 두 개로 구분해서 볼 수 있느냐를 말하는 것이지요. 이 분해능이 뛰어나야 작은 물체를 선명하게 볼 수 있습니다.
17세기 안톤 판 레이우엔훅 Antonie van Leeuwenhoek (옛 한국어 표기법 “레벤후크”)의 현미경은 이 분해능이 뛰어나 273배의 배율로 사물을 관찰할 수 있었습니다. 그래서 레이우엔훅을 광학 현미경의 아버지라고 부릅니다. 레이우엔훅은 또 자신이 만든 현미경을 가지고 다양한 사물을 관찰했는데 식물의 종자나 작은 무척추동물, 정자와 적혈구 등이었습니다. 특히, 그는 인류 최초로 원생동물, 조류 algae, 효모, 세균 등 미생물을 발견하였지요. 그래서 레이우엔훅은 광학 현미경의 아버지일 뿐 아니라 미생물학의 아버지로도 불립니다.
오늘날의 광학 현미경 완성자,
로버트 훅 Robert Hooke
마이크로그라피아에 수록된 코르크 @Public Domain (Wikimedia)레이우엔훅과 비슷한 시기에 영국에는 로버트 훅이 있었습니다. 레이우엔훅의 현미경이 현대의 현미경과는 좀 모습이 다른 것에 비해 로버트 훅이 만든 현미경은 현재의 광학 현미경과 흡사한 구조를 가졌습니다. 그는 좀 더 선명한 상을 보기 위해 물이 든 플라스크를 이용해서 빛을 모으기도 했습니다. 훅은 또한 자신이 만든 현미경으로 세포를 관찰한 최초의 사람입니다. 세포 cell라는 이름도 그가 붙였지요. 코르크의 얇은 조각을 관찰하고서는 작은 방이란 뜻의 라틴어에서 따온 “cell”이라는 용어를 최초로 사용합니다. 그리고 자신이 관찰한 것을 직접 그려 “마이크로그라피아 Micrographia”라는 책을 출판하기도 했습니다. 이로써 현미경학이 하나의 과학 분과로 자리 잡는데 기여했지요.
세균도 또렷이 “X-ray 현미경”
분해능은 이론적으로 빛의 파장에 의해 결정됩니다. 일반적인 현미경에서 사용되는 빛은 가시광선인데 파장이 대략 0.5μm(마이크로미터)입니다. 즉 그보다 작은 물체는 볼 수 없다는 뜻이지요. 1μm는 백만분의 1m, 1000분의 1mm입니다. 즉 가시광선으로는 2000분의 1mm보다 작은 것은 불 수 없습니다.
일반적인 세포의 크기는 대략 10μm에서 100μm 정도이니 광학 현미경으로 세포 자체를 보는 것은 상관없습니다. 세균 bacteria 의 경우 1μm라서 형체만 볼 수도 있습니다. 세포 내 소기관 중 대표적인 미토콘드리아의 경우도 1μm 정도로 세균과 비슷합니다. 그러니 이런 대상들은 그 형체만 겨우 분간할 수 있을 정도입니다. 세포의 내부 구조를 좀 더 정확하게 알려면 분해능이 더 큰 현미경이 필요한 것이지요.
그래서 등장한 것이 엑스선 현미경입니다. 엑스선은 파장이 10~0.01 나노미터로 이론적으로 광학 현미경에 비해 분해능이 백 분의 1에서 10만 분의 1까지 가능합니다. 1950년대에 엑스선 현미경이 개발되었지만 여러 가지 제약 조건이 많아 본격적으로 사용되진 않았습니다. 그러다 1990년대부터 기술적인 난제가 해결되면서 다양한 분야에서 사용되기 시작했습니다.
엑스선 현미경으로 촬영한 식물 이미지 by Chithra Karunakaran et al CC BY-SA 4.0 (Wikimedia)전자의 파동을 이용하자 “전자 현미경”
빛을 이용하여 작은 물체를 살펴보는데 빛의 파장이라는 근본적인 한계가 있다는 사실을 알게 된 과학자들은 전자에서 그 답을 찾습니다. 20세기 들어 물질도 빛처럼 파동의 성질을 가지고 있다는 사실을 알게 되었지요. 양자 역학이 시작된 이유기도 합니다. 이를 물질파(matter wave)라고 합니다. 물질파의 파장은 물질이 가진 운동량(질량 곱하기 속도)에 반비례합니다. 식은 다음과 같습니다.
이 공식에서 플랑크 상수는 크기가 대략 6.6x10⁻³⁴m²kg/s입니다. 아주 작지요. 그래서 물질파의 파장도 아주 작습니다. 워낙 작다 보니 우리가 물질의 파동을 느끼지 못하는 것이기도 하고요. 물론 우리가 물질파를 느끼지 못하는 것은 물질들이 상호작용을 하게 되면 그 결과 파동성이 사라지기 때문이기도 합니다. 이를 양자 역학에서는 확률 파동의 붕괴라고 합니다.
우리가 아는 물질 중 가장 질량이 작은 것은 전자입니다. 따라서 속도가 비슷하다면 파장이 그나마 긴 것이 전자입니다. 그래서 전자의 경우 물질파를 실제로 확인하는 것이 다른 물질에 비해 쉽습니다. 그렇다고 하더라도 빛, 즉 전자기파에 비해선 아주 짧지요.
과학자들이 바로 이 점에 착안합니다. 전자가 아주 짧은 파장을 지니고 있으니 이를 이용해서 현미경을 만들면 빛으로 볼 수 없는 아주 작은 물질, 즉 분자나 원자 규모의 물질을 볼 수 있다고 생각한 겁니다.
투과 전자 현미경 구조 @Public Domain (Wikimedia)최초의 전자현미경은 1931년 독일의 막스 놀과 에른스트 루스카에 의해 만들어졌습니다. 그들이 만든 현미경은 빛 대신 전자선 electron beam 을 관측하려는 표본에 쏘아 투과시키고 그 과정에서 나오는 다양한 반응을 취합하여 상태를 파악하는 것입니다. 이런 전자현미경을 투과전자현미경transmission electron microscope 이라 합니다. 그러나 직접 눈을 렌즈에 대고 볼 수는 없습니다. 전자선은 눈으로 볼 수 있는 것이 아니니 표본을 투과한 전자선이 형광 스크린에 닿으면 이를 컴퓨터로 처리해서 보게 됩니다.
전자현미경으로 물질을 더 자세하게 관찰하기 위해서는 가능한 한 짧은 파장을 이용하는 것이 좋습니다. 앞의 공식에서 봤듯이 전자의 물질파는 운동량에 반비례합니다. 운동량은 질량과 속도의 곱인데 전자의 질량은 이미 정해진 것이니 속도를 빠르게 하여 운동량을 늘리면 그만큼 파장이 짧아지고, 더 세밀하게 관측할 수 있지요. 그래서 전자현미경은 5~10만 볼트의 높은 전압을 이용해서 전자를 가속시킵니다. 10만 볼트의 전압에서 전자의 파장은 약 0.0039nm(나노미터)입니다.
보통 면역반응에 결정적인 역할을 하는 항체가 1nm 정도 되고, DNA 사슬이 2nm 그리고 원자의 크기가 0.01nm입니다. 그러니 10만 볼트의 전압을 사용하는 전자현미경으로는 원자의 세계까지도 모두 볼 수 있지요.
입체적 구조 파악에 최적화된
“주사 전자 현미경”
주사전자현미경의 개략도 by MarcoTolo CC BY-SA 3.0 (Wikimedia)
전자현미경에는 투과전자현미경 말고 주사전자현미경 scanning electron microscope 이란 것도 있습니다. 주사란 영어 “scanning”을 번역한 말인데, 훑어본다는 의미를 가집니다. 즉 표본의 표면을 훑어보는 현미경이란 뜻이지요. 1937년 벨기에의 맨프레드 폰 아드네에 의해 처음 개발되었습니다. 주사전자현미경은 전자총에서 나온 전자가 관찰 대상인 물체에 부딪치면 그 결과로 물체의 표면에서 발생하는 이차전자나 반사전자, 투과전자 등의 다양한 신호를 검출하여 이를 모니터에서 관찰하는 장치입니다. 특히 이차전자의 검출이 중요한데 이차전자의 발생량이 표면의 물질 종류와 굴곡에 의해 결정되는 것을 이용합니다.
주사전자현미경은 물체 표면의 입체적 모양을 관측하는데 탁월한 성능을 보이는 장치입니다. 재료 표면의 형태와 입체적 구조를 파악하기 쉬운 것이지요. 또 표본을 투과하지 않기 때문에 표본을 얇게 자르지 않아도 된다는 장점이 있습니다.
양자 터널링 효과를 활용하여
미시세계를 보다
“주사 터널링 현미경”
전자현미경 중에는 주사 터널링 현미경 scanning tunneling microscope 이라는 종류도 있습니다. 양자 터널링 현상 quantum tunneling effect 이라는 양자 역학적 효과를 이용하는 현미경입니다.
양자 터널링 효과앞서 전자와 같은 물질도 물질파라는 파동을 가지고 있다고 말씀드렸습니다. 그런데 물질파는 본질적으로 ‘존재할 확률’의 파동입니다. 즉 아주 작은 세계에서는 실제로 관측하기 전까지 물질은 한 곳에 있는 것이 아니라 일정한 범위에 확률함수의 형태로 퍼져 있는데, 이 확률이 파동함수로 나타나는 것입니다. 여기서 중요한 것은 물질이 어딘가 존재하는데 우리가 그 장소를 모르는 것이 아니라 실제로 물질이 공간상에 일정한 확률로 파동처럼 퍼져 있다는 뜻입니다. 작은 연못에 돌을 하나 던지면 수면에 파동이 생깁니다. 이때 연못의 한 지점에만 파동이 있는 것이 아니라 연못의 수면 전체에 파동이 있는 것처럼 물질도 상호작용을 하기 전에는 파동으로 퍼져 있다는 뜻이지요. 그러다가 다른 물질과 상호작용을 하게 되면 파동은 홀연히 사라지고 한 지점에 물질이 나타납니다(=파동함수가 붕괴). 이때 물질이 나타나는 장소는 파동함수 값이 존재하는 곳이라면 어디든 가능합니다.
예를 들어 작은 상자 안에 전자를 하나 넣고 뚜껑을 닫습니다. 상자 내부를 우리가 전혀 볼 수 없다면 이 전자는 확률 파동의 형태로 퍼져 있는데 그 파동이 상자의 바깥까지 퍼져 있다고 가정합시다. 우리가 아는 거시세계에선 전자가 상자 벽을 뚫을 만큼의 에너지를 가지고 부딪치지 않는 한 상자 밖으로 나갈 수가 없습니다. 그러나 아주 작은 미시세계에선 전자가 이 상자의 바깥으로 나갈 수가 있습니다. 즉 존재의 확률함수 중 일부가 상자 밖에 존재한다면 어느 순간 전자가 상자 밖에서 발견되는 거지요. 그리고 발견되는 비율은 정확히 확률함수를 따릅니다. 마치 전자가 상자를 뚫고 나간 것처럼 말이지요. 하지만 전자는 실제로 상자를 뚫은 것이 아니라 그저 어느 순간 상자 밖에서 발견된 것뿐입니다. 바로 이런 현상을 양자 터널링 효과라고 합니다.
탐침과 관측 대상 사이의 간격에 따라 전류의 흐름이 달라지는 현상을 통해 물체 표면을 관측하는 주사터널링현미경의 구조 @Public Domain (Wikimedia)이제 주사터널링현미경의 탐침으로 돌아가 보지요. 탐침 끝에는 전자가 있습니다. 이 전자는 탐침을 이루는 원자핵에 묶여 있어서 원래는 관측하려는 물체 쪽으로 나갈 수가 없습니다. 그런데 탐침과 관측 대상물 사이의 거리가 아주 가까우면 양자 터널링 효과로 탐침의 전자가 관측물의 표면 쪽에서 관측이 되는 거지요. 그리고 그 비율은 탐침과 관측물 사이의 거리에 의해 결정됩니다. 그래서 표면의 굴곡에 따라 전자가 나타나는 비율이 달라지고 이를 측정하면 표면의 입체구조를 원자 규모에서 알 수 있게 되는 거지요.
영국 나노테크놀로지 센터의 거대 주사터널링현미경 by O. Usher CC BY-SA 3,0 (Wikimedia)
돋보기에서 전자현미경까지 보이지 않는 물체를 보기 위한 인류의 노력은 이제 원자를 보는데 이르고 있습니다. 그리고 이렇게 볼 수 있다는 것은 다른 말로 그 대상을 컨트롤할 수 있다는 것을 뜻합니다. 원자 하나하나를 컨트롤해서 새로운 물질을 만드는 나노테크놀로지는 그래서 전자현미경 기술의 발달과 밀접한 관련을 맺으면서 발전하고 있습니다.
[이미지 참조]
https://en.wikipedia.org/wiki/Zacharias_Janssen#/media/File:Jaansen_Microscope.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/Antonie_van_Leeuwenhoek#/media/File:Leeuwenhoek_Microscope.png
https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_microscope#/media/File:X-ray_microscopy_of_canola_plant.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope#/media/File:Electron_Microscope.png
https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope#/media/File:Schema_MEB_(en).svg
https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope#/media/File:Chiraltube.png
