레이저 현미경이란?
레이저 현미경은 광원에 레이저 빛을 주사하여 시료를 관찰할 수 있는 광학 현미경의 일종입니다.
일반적으로 공초점 광학계를 채택하여 공초점 레이저 현미경 또는 CLSM이라고도 합니다. 레이저 현미경은 공초점 광학계에 의해 비초점면의 빛을 배제할 수 있기 때문에 수평 방향인 XY 방향뿐만 아니라, 높이 방향인 Z 방향의 공간 해상도가 높습니다.
따라서 높이 방향으로 시차를 두고 현미경 이미지를 측정하여 3차원 이미지나 전초점 이미지를 얻을 수 있습니다.
레이저 현미경의 사용 용도
레이저 현미경은 빛을 이용한 측정이기 때문에 시료를 만질 필요가 없습니다. 따라서 산업 분야에서는 반도체, 전자부품 등 정밀기기의 3차원 형상 관찰, 표면 형상 관찰을 위해 사용되며, 생명과학 분야에서는 형광물질로 표지된 세포나 생체조직의 관찰에 활용되고 있습니다.
또한, 제조사에 따라 레이저 현미경의 측정 스테이지를 커스터마이징할 수 있기 때문에 대형 평판 디스플레이 등 대형 시료에 대한 측정도 가능합니다.
레이저 현미경의 원리
레이저 현미경 비교
그림 1. 레이저 현미경 비교
레이저 현미경은 렌즈와 거울과 같은 일반적인 현미경의 구성과 유사하지만, 레이저를 광원으로 사용하며 공초점 광학계로 설계되어 있습니다. 레이저 광은 방출되는 빛의 파장, 위상이 일치하며 단색성, 지향성, 직진성이 우수한 것이 특징입니다.
일반적인 빛은 위상과 파장이 제각각이기 때문에 광로가 정렬되지 않고, 시료에 조사되어 발생하는 반사광에는 산란광이 겹쳐져 깨끗한 이미지를 얻을 수 없습니다. 반면, 레이저 현미경은 렌즈의 투과, 시료의 반사를 거쳐 반사광이 집광되는 위치에 핀홀을 설치하여 산란광 등 불필요한 빛을 제거할 수 있습니다. 따라서 윤곽이 뚜렷하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.
또한, 레이저 현미경으로 2차원 이미지를 얻을 때는 스테이지를 움직이는 방식과 레이저 기구를 움직이는 방식이 있습니다. 각각의 특징은 다음과 같습니다.
- 스테이지를 움직이는 방식
넓은 범위를 측정할 수 있지만, 스테이지의 크기에 한계가 있기 때문에 큰 샘플을 측정할 수 없습니다. - 레이저 기구를 움직이는 방식
다양한 크기의 시료를 측정할 수 있으며, 표면의 미세 구조를 측정할 수 있습니다.
레이저 현미경의 스캐닝 방법
그림 2. 레이저 현미경의 스캔 방법
레이저 현미경으로 스캔을 하는 방법은 다양합니다. 예를 들어 갈바노 미러에 의한 스캐닝은 기계적으로 미러를 움직이는 방식이지만, MEMS 스캐너나 레조넌트 스캐너 방식에 의해 고속화하기도 합니다.
스피닝 디스크 방식은 고속 측정에 대응하고 있으며, 다수의 마이크로 렌즈, 핀홀 어레이가 배열된 디스크에 레이저 광을 쏘아 시료에서 반사된 다수의 빛을 동시에 포착하는 방식입니다. 이 방법은 한 번에 많은 정보를 얻을 수 있지만, 어느 정도 확산되어도 충분한 강도를 가진 고출력 레이저가 필요합니다.
레이저 현미경의 기타 정보
1. 레이저 현미경과 전자현미경의 차이점
그림 3. 레이저 현미경과 전자 현미경의 차이점
고배율 현미경으로 레이저 현미경 외에 전자 현미경을 들 수 있는데, 이 두 장비의 원리는 동일하지 않습니다. 레이저 현미경은 빛을 이용하지만, 전자현미경은 전자를 이용하기 때문에 관찰 배율, 설비, 측정 기술이 크게 다릅니다.
전자는 파장으로 변환하면 가시광선에 비해 매우 짧기 때문에 전자현미경의 해상도가 매우 높아 주사형 전자현미경(SEM)은 수 나노미터의 구조까지 관찰할 수 있습니다. 반면 레이저 현미경은 파장보다 짧은 영역의 구조를 관찰할 수 없고, 해상도가 수백 나노미터에 불과합니다.
레이저 현미경과 전자 현미경은 장비가 크게 다르며, 전자 현미경은 전자선을 사용하기 때문에 진공 상태에서 측정해야 합니다. 또한, 절연성이 높은 물질을 전자현미경으로 측정할 경우, 전자선에 의해 표면에 전하가 축적되어 영상이 왜곡되는 등의 제약이 있어 시료 고유의 물성이 어떤 것인지에 대한 주의가 필요합니다.
또한, 측정 기술로서도 전자현미경은 표면 절삭과 관찰 조건의 최적화 등 숙련된 기술이 요구됩니다. 반면, 레이저 현미경은 전하가 축적되지 않고, 표면의 절삭도 정밀도가 요구되지 않기 때문에 전자현미경에 비해 범용적으로 사용할 수 있습니다.
2. 레이저 현미경으로 표면 거칠기 측정
공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 시료 표면의 거칠기를 측정할 수 있습니다. 시료 표면의 거칠기를 측정하는 방법으로는 원자간력 현미경이 있지만, 공초점 레이저 현미경은 비접촉으로 측정할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 반면, 원자간력 현미경과는 해상도가 다르기 때문에 시료 표면의 거칠기에 따라 적절한 장비를 선택해야 합니다.