전자현미경이란?
전자현미경은 전자선을 조사하여 시료를 관찰하는 현미경입니다. 전자선의 파장이 매우 짧기 때문에 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 초미세 구조를 가시화할 수 있습니다. 전자선의 투과율을 영상으로 출력하는 것과 전자선과 시료의 상호작용에 의해 발생하는 신호를 영상화하는 것으로 크게 두 가지로 나뉩니다.
제품으로 판매되는 전자현미경의 대부분은 산업 재료에 최적화된 것과 생물 시료의 관찰에 최적화된 것이 각각 판매되고 있습니다. 또한 전자현미경은 흔히 줄여서 전현(電顕) 또는 영어 머리글자를 따서 EM 등으로 불리기도 합니다.
전자현미경의 사용 용도
산업 분야에서는 파손된 금속 부품의 파면 분석을 통해 원인을 규명하거나 가공 표면을 관찰하여 품질 검사 등을 위해 사용됩니다. 또한 고분자 고분자의 네트워크를 관찰하여 기계적 특성을 조사하거나 불순물 혼입을 평가하기도 합니다. 생명과학 분야에서는 세포 내 소기관의 미세구조를 시각화하거나 복잡하게 얽혀있는 신경세포를 관찰하여 신경세포 간의 연결고리를 매핑하는 데 활용됩니다. 또한, 시료에 간단한 전처리를 통해 단백질의 구조 분석에 응용할 수 있다는 사실이 밝혀져 2017년 노벨 화학상을 수상하기도 했습니다.
전자현미경의 원리
전자현미경을 구성하는 요소는 광원, 렌즈, 검출기이며, 말만 놓고 보면 광학현미경과 매우 유사한 구성을 가지고 있습니다. 하지만 그 하나하나가 광학 현미경의 그것과는 원리가 크게 다릅니다
우선, 전자선은 공기 중의 분자 등과 충돌하여 빠르게 감쇠, 소멸됩니다. 따라서 전자선의 발생과 조사는 진공 상태에서 이루어져야 합니다.
다음으로 일반적인 광학계에서 사용되는 유리 렌즈는 투과하기 때문에 전자선을 굴절시키기 위해서는 자기장을 가해 수렴시키는 자기 렌즈를 사용해야 합니다.
이러한 렌즈의 특성으로 광학적인 수차가 크고, 이를 개선하기 위해 개구수가 작게 설계되어 있습니다. 이를 통해 전자현미경은 초점 심도가 깊고 깊이 있는 입체적인 관찰을 할 수 있습니다.
표준 전자 현미경은 다음 두 가지로 나뉩니다.
1. 투과형 전자현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM)
전자선을 시료에 투과시켜 그 감쇠를 바탕으로 대비를 얻는 방법입니다. 전자선을 투과시키기 위해 시료의 두께를 매우 얇게 조절해야 합니다. 전자를 쏘아내는 강도를 가속전압이라고 하는데, 300kV의 가속전압에서 파장은 0.00197nm로 매우 짧고, 분해능도 0.1nm로 원자 크기 정도임을 알 수 있습니다. 이를 최고 배율로 환산하면 80만 배로 광학현미경의 800배에 달해 높은 해상도를 알 수 있습니다. 투과전자현미경은 시료 내부를 투과한 전자를 관찰하기 때문에 극미세 영역의 시료 내 결정구조 등 내부 구조를 보는데 탁월합니다.
2. 주사형 전자현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM)
진공 상태에서 물질에 전자선을 조사하면 2차 전자, 반사 전자, 특성 X선 등이 방출됩니다. 주사형 전자현미경 상은 공간적으로 수렴된 전자선을 주사하여 2차 전자나 반사된 전자 신호로 상이 형성됩니다. 2차 전자는 시료 표면 근처에서 발생하는 전자이기 때문에 2차 전자 이미지는 시료의 미세한 요철을 보는 데 적합합니다. 반사전자는 시료를 구성하는 원자에 충돌하여 튕겨져 나온 전자이며, 반사전자의 수는 시료의 조성(원자번호, 결정방위 등)에 따라 달라집니다. 따라서 반사전자상은 시료 표면의 조성 분포를 평가하는 데 적합합니다.
전자선이 시료에 충돌하면 시료 표면을 구성하는 원자가 여기되어 전자를 방출합니다. 이외에도 반사전자, 특성 X선 등이 방출되는데, 이를 2차 전자라고 하며, 방출되는 2차 전자의 강도를 포인트 스캔하여 얻을 수 있습니다.
전자현미경으로만 관찰할 수 있는 것들
전자현미경은 일반 광학현미경에 비해 해상도가 매우 높아서, 예를 들어 세포와 같은 미세한 조직 구조나 금속의 결정체를 원자 크기 단위로 관찰할 수 있습니다.
세포를 예로 들면, 광학 현미경으로는 핵 이외의 세포 내 미세한 구조를 자세히 관찰할 수 없지만, 전자 현미경으로 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 세포 내 효소의 작용, 세포 구조의 반응 등 다양한 기능까지 세밀하게 조사할 수 있습니다.