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1. 개요
顯微鏡 / Microscope안경, 망원경 등과 같이 특정 물체를 확대해서 볼 수 있는 기계. 육안으로 확인하기 힘들 정도로 미세한 물체(미생물, 근육조직이나 세포 등)을 보는 데 쓰는 물건이다.
학교(주로 대학교) 및 연구소, 병원 등지에서 교육・연구・치료 목적으로 사용하고 있다.
몸은 가만히 있고 시야만 움직이는 물건인 턱에 멀미를 유발하기도 한다.
2. 기원
여러 문헌에서 자하리아스 얀센(Zacharias Janssen, 1580~1638), 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642), 안토니 판 레이우엔훅(Antonie van Leeuwenhoek, 1631~1723) 등을 현미경의 최초 발명자로 거론한다.1665년에 로버트 훅이 현미경에 근접한 장치를 만들어 처음으로 코르크를 확대 해 보았을 때 그는 벌집 같은 형태를 띤 구조를 관찰하였고 이러한 모양을 수도원의 작은 각방(cell)에 비교했다.
얀센은 렌즈를 처음으로 개발한 사람으로 알려져 있고, 레이우엔훅은 현대의 현미경과 가장 유사한 현미경을 만들어서 미생물을 세상에 최초로 알린 사람이다. 로버트 훅이 코르크를 관찰했을때는 코르크는 살아있는 조직이 아니기 때문에 세포의 핵이나 subcellular structure[1]를 볼 수 없었기에 레이우엔훅이 처음으로 생명체의 세포단위를 본 사람이라고 할 수 있겠다. 얀센이 렌즈를 개발한 지 수십 년이 지난 후 네덜란드의 레이우엔훅은 렌즈를 연마하는 방법과 금속을 세공하는 방법을 익혀, 눈으로 볼 수 없는 작은 물질을 볼 수 있는 현미경을 만들었다. 그가 만든 현미경은 40~270배까지 확대해 볼 수 있었다. 그는 제작한 현미경이 400개가 넘을 정도로 현미경 만드는 일에 빠져들었다. 단순히 무엇을 발명한 사실보다는 그 발명의 영향력을 중시하는 서양인들의 사고방식 때문인지 '현미경의 최초발명자'를 레이우엔훅으로 본다. 이러한 별명을 얻게 된 것은 그가 제작한 현미경이 대물렌즈와 대안렌즈를 이용한 것으로 오늘날의 현미경과 비슷한 모양을 하고 있기 때문이기도 하고, 최초기 때문이기도 하다.
레이우엔훅은 본래 비단 등의 각종 직물을 파는 상인이였는데, 고객들에게 자신이 파는 직물이 품질이 좋은 것임을 증명하기 위해 현미경을 만들었다가 현미경으로 직물 외의 것들을 관찰하기 시작했다. 그는 자신이 만든 현미경으로 냇물이나 빗물과 같은 용액 속에 어떤 물질이 들어 있는지를 관찰하기도 하고, 정자,[2] 곤충, 동물에서 얻은 각종 작은 물질도 관찰했다. 현미경을 만든 직후에는 시험 삼아 여러 종류의 물을 한 방울씩 떨어뜨려 놓고 관찰을 했다. 레이우엔훅은 이런 과정을 통해 세포의 존재를 처음 확인했으며, 최초로 원생동물을 비롯한 미생물의 존재를 알아냈다. 레이우엔훅는 자신의 연구결과를 널리 알리지 않았지만, 그의 연구결과를 네덜란드의 의사 레이니어르 더 흐라프(Reinier de Graaf, 1641~1673)가 알게 된 이후 레이우엔훅의 연구가 세상에 알려졌다.
3. 구조
기본적으로 접안 렌즈, 대물렌즈, 조동나사, 미동나사, 경주(받침대), 재물대 등으로 구성되어 있다.
4. 용어
4.1. 해상도(Resolution)
일반적으로 광학 현미경의 성능을 이야기 할 때 배율로 이야기 하는 경우가 많으나, 이는 일반적인 광학 현미경의 경우이고, 최근 들어 개발되는 레이저를 이용한 scanning 타입의 현미경에서는 scanning 범위에 따라 배율이 변화하기 때문에 주로 해상도를 성능의 지표로 한다. 해상도는 두점이 떨어져 있는 거리를 구별 가능한 능력이라 보면 된다. 시력을 이야기할 때 사용하는 도수를 생각해 보자. 종이에 두 점을 찍어 놓고 멀리 가져가면, 어느 순간부터는 두 점을 구별하지 못하고 한 개의 점으로 보이게 된다. 시력이 좋다는 이야기는 더 멀리서도 이것이 한 개의 점인지 두개의 점인지 구별 가능하다는 의미이다. 이와 마찬가지로 현미경에서도 두 점의 간격이 더 좁더라도 구별 가능한 것을 '해상도가 좋다'라고 표현한다. 일반적으로 해상도는 대물렌즈의 성능(NA: Numerical aperture)에 의해 결정된다. 영상에서 얼마만큼의 넓이를 확대했는가? 라는 지표는 FOV(Field of view)라는 용어로 나타낸다. 영상에서 가로 세로 크기가 얼마나 되는지에 대한 지표이다. 최근에는 주로 디지털화 된 영상을 획득하게 되므로 영상에서의 가로 세로 pixel 사이즈와 FOV, 그리고 해상도의 관계가 매우 중요해진다.예를 들어 해상도가 1μm인 현미경에서 영상을 촬영하였고, 이 영상이 샘플에서 가로세로 300μm의 영역을 촬영한 영상이라고 하자. 이때, pixel 사이즈를 300pixel 이상으로 할 경우 어차피 pixel to pixel 의 거리값이 해상도보다 작아져 버리기 때문에 영상의 질이 더 좋아지지는 않는다. (oversampling) 해상도 떨어지는 사진을 크기만 늘린다고 추가적인 정보를 제공하지 않는 것과 비슷하다. 하지만, 300pixel보다 작은 값으로 촬영할 경우 pixel to pixel 거리가 해상도보다 커지므로 더 많은 정보를 얻을 수 있는데도 놓치게 된다. 현미경을 설계할 때는 이 비율을 잘 설정하는 것이 중요하다.
4.2. NA(Numerical Aperture)
파장과 입자, 이 두 성질을 한번에 가지는 빛은 회절 한계라는 것이 존재한다. 렌즈나 거울을 통해 빛을 한 점에 모아준다고 해서 무조건 작은 크기로 만들 수 있는 것이 아니라, 빛의 파장이나, 기타 조건에 의하여 특정 사이즈 이상으로 작아 질 수 없다. 이때 '기타 조건' 중의 하나가 NA이고 이 값은 다음과 같다.
| [math(\displaystyle {\rm{NA}}=n\sin(\theta) )] |
NA가 클수록 빛을 한 점에 잘 모을 수 있으며, NA를 증대 시키기 위해 구경이 크고 working distance가 작은 렌즈를 쓰거나, 샘플과 렌즈 사이에 물, oil 등의 immersion material을 추가하는 방식을 사용한다.
4.3. 수차
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[수차(광학)#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[수차(광학)#|]] 부분을4.4. 광원
현미경은 작은 상을 확대하는 광학기기이다. 이는 상을 확대 하는 과정에서 전체적인 영상이 더 어두워짐을 의미한다. 20배로 확대를 할 경우 면적이 400배로 늘어나고, 그럴 경우 영상의 밝기는 1/400으로 줄어드는 것. 이를 보완하기 위하여 대부분의 광학 현미경은 샘플에 빛을 넣어주는 광원을 추가로 설치하게 된다. 원래는 촛불이나 햇빛을 사용하던 것이 전구의 발달로 인하여 폭발적으로 발전하게 되었다. 하지만, 여전히 문제는 존재 했는데, 전구의 필라멘트가 특정 형상을 띠고 있기 때문에 현미경 사진에서 전구의 필라멘트 형태를 띤 패턴이 검출되는 것. 이를 막기 위해서 간유리(diffuser)를 추가로 설치 하거나, 광학계를 잘 설계 하여 필라맨트의 상이 영상에 맺히지 않도록 조절한 광학계를 추가로 설치하게 된다.최근에는 레이저를 광원으로 사용하는 주사 현미경도 등장하였다.
5. 종류
시료를 관찰하는 데 사용되는 매개가 무엇이냐에 따라서 광학 현미경과 전자 현미경, 주사탐침 현미경으로 구분할 수 있으며, 물체를 관통해서 나오는 신호를 이용하는지, 물체에 반사되거나 산란돼서 나오는 신호를 이용하는지에 따라 세부적으로 분류될 수 있다. 흔히들 광학 현미경을 1세대 현미경, 전자 현미경을 2세대 현미경, 주사탐침 현미경을 3세대 현미경으로 분류하기도 한다.'광학 현미경(optical microscope)',은 빛[3] 을 이용하여 시료를 관찰하는 현미경이다. 빛을 관측하는 방식을 기준으로는 일반적으로 반사 또는 투과된 빛을 그대로 관측하는 광학현미경 외에도 편광필터가 추가된 편광 현미경, 빛의 회절현상을 이용하여 투명한 시료의 관찰을 용이하게 한 위상차현미경, 레이저 광원을 이용하여 형광을 띠는 시료의 3차원 구조를 스캔할 수 있는 CLSM등 많은 종류가 있다. 일반적으로 가시광선 영역의 빛을 많이 이용하지만 더 좋은 분해능을 얻기 위해 X선 등 더 짧은 영역의 빛을 사용하기도 한다.
빛 외에 물질을 사용하여 관측을 하는 현미경도 있으며, 전자를 이용하는 '전자 현미경(electron microscope)'이 대표적이다. 주사전자 현미경과 투과전자 현미경으로 구분된다. 고도의 기술이 적용된(즉 아주 비싼) 투과전자 현미경의 경우 아예 탄소 원자를 직접 보는 수준의 배율을 가지고 있다.
주사탐침 현미경(scanning probe microscope)은 두 현미경과는 다르게 시료 표면을 더듬는 방법으로 시료 표면을 3차원 적으로 관찰한다. 진공이 아닌 조건에서도 전자 현미경 수준의 높은 배율을 가지고 있으며, 진공조건에서는 그보다도 작은 원자 수준의 관찰도 가능하다.
5.1. 광학 현미경
이 문서 제일 위 그림에 나오는 현미경이다. 보통 사람들이 현미경이라고 하면 이 현미경을 떠올리고 실제로 전공자라도 대학원생이 되기 전엔 이 현미경만 만져보는 일도 허다하다. 현미경의 시초가 바로 이 광학 현미경이고 빛만 있으면 물체를 볼 수 있어서 물체 관찰에 큰 제약이 없다. 다만 전자 현미경과는 다르게 빛으로 물체를 보는 일이기에 사용하는 빛의 파장의 길이 이하의 대상은 관찰할 수 없다. 일반적인 광학현미경으로 확대 가능한 배율은 1000배 정도가 한계이나공확대or공배율, 공초점 레이저 주사 현미경 (CLSM) 같이 메커니즘 적으론 광학 현미경으로 분류되지만 특수한 종류의 광원이나 장치를 사용하는 몇몇 특수한 광학 현미경들은 적절한 시료 전처리와 HW/SW적 도움을 통해 5,000배 이상의 배율을 가진 것들도 있다.[4]초등학생들도 만지는 현미경이라고 별 기능 없을 줄 아는 사람이 많지만 비싼 건 의외로 기능이 좋아서 멀티 포커스 기능으로 화면전체가 뚜렷하게 보이는 것과 같이 갖가지 신기한 기능이 있다. 종류로는 난자 등의 큰 세포나 매우 작은 생물을 볼 때 쓰는 실체현미경, 위상차를 이용해 입체적으로 볼 수 있는 위상차 현미경, 컴퓨터에 연결해서 보는 usb현미경 등 많다.[5]
유명한 제조사로는 라이카, 올림푸스, 니콘, 자이스 등이 있다.
현미경의 종류는 그 발전 방향에 따라서 여러 가지로 나뉘게 된다. 일반적으로는 현미경은 "더 작은 걸 잘 확대만 하면 되지 않느냐"라고 생각하기 쉽지만, 다양한 요구와 그에 따른 다양한 개발 방향이 존재 하는 것. 해상도가 높은 현미경, 샘플을 절개하지 않고도 안쪽의 영상을 얻을 수 있는 현미경, 해상도는 유지 하면서 더 넓은 영역을 촬영하는 현미경, 촬영 속도가 빠른 현미경, 내가 원하는 특정 물질이나 조직만을 보는 현미경, 생물체를 살아 있는 그대로 촬영 할 수 있는 현미경 등등 수십 가지 요구가 있고, 아래에 나열되는 다양한 현미경들은 그 니즈를 만족시키기 위해 과학자들이 열심히 노력한 결과이다. 모든 걸 만족시키는 데우스 엑스 마키나는 없으니 내가 원하는 용도에 따라 적절한 현미경을 사용하는 것이 중요하다.
5.1.1. 실체 현미경
약 x2~x200 정도 범위의 배율을 가지는 저배율 현미경으로, 표본을 따로 만들지 않아도 현미경에 부착되어 있는 전등으로 곧바로 표면 관찰이 가능하다. 휴대가 가능할 정도로 작게 만들어진 제품도 있으며 쓰기 간편하고 비교적 저렴하다.[6] 보통 미생물이 아닌 섬유, 광물, 전자 부품, 생물 같이 육안으로도 보이는 물체를 확대해서 관찰할 때 사용한다. 거치형 방식인 경우 초점이 맞는 상황에서 대물렌즈와 관찰 대상 사이의 거리가 꽤 되기 때문에 현미경을 보면서 도구를 사용해 작업을 하는 게 가능하다. 전자기기 수리 영상을 보면 부품을 확대해서 수리하는 장면이 나올 때가 있는데 이 때 사용되는게 실체현미경의 한 종류다.5.1.2. 편광 현미경
일반인이라면 고등학교 지구과학II 시간에 처음보게 되는 현미경일 것이다. 대부분 광물을 박편의 형태로 만들어 관찰하는 용도로 사용한다.현미경의 이름에서 알 수 있듯이 빛의 편광을 이용한다. 빛을 장치를 통해 특정한 방향으로만 진동하게 만들어 재물대 위의 물체를 통과하여 나오는 빛을 보는 것. 현미경마다 작동원리가 조금씩 다르지만 기본적인 작동원리는 다음과 같다. 현미경 제일 아래의 광원에서 나오는 빛을 NS방향의 하부 편광판을 통과하게 만들어 편광시킨다. 이후 재물대 위의 박편을 통과하며 광물의 광학적 특성에 따라 빛의 특성이 달라지게 된다. 이후 이 빛을 직접관찰하게되면 이를 개방니콜이라하며 추가적으로 EW방향의 상부 편광판을 넣어서 관찰하면 이를 직교니콜이라 한다. 개방니콜에서 관찰할 수 있는 현상과 직교니콜에서 관찰할 수 있는 현상이 다르며, 이를 통하여 광물의 특성을 파악한다.
이 밖에도 추가적인 장치를 설치하여 광물의 다양한 특성을 파악하고 있다.
5.1.3. 암시야 현미경
암시야(Dark field) 현미경은 시편에 쪼여진 빛들 중 굴절되어 산란된 빛만 렌즈로 받아드리도록 해서 명암이 나타나도록 하는 광학 현미경에서 사용하는 이미지 관찰법 중 하나이다.광학현미경에서 관찰할 때 사용하는 기본 방식은 명시야(bright field) 이미징으로, 시편에 입사되어 나오는 빛을 렌즈로 그대로 받아드려서 이미지를 만든다. 그러므로 명시야 이미징은 시편에서 빛이 많이 반사되거나 투과되는 영역은 밝게, 빛이 다른 쪽으로 굴절되서 반사되거나 투과되는 부위 또는 빛이 잘 반사되지 않거나 투과되지 않는 부위는 어두운 색으로 이미지가 나타난다.[7] 그러나, 암시야 이미징은 조리개나 광원을 조정해서 빛의 굴절이 나타나는 영역을 밝게 보이게 하고 빛의 굴절이 적은 배경에 해당하는 부분들은 어둡게 나타나도록 한다.[8]
이 방법을 사용하면 관찰하고자 하는 시편에 대해 특별한 전처리를 하지 않고도 관찰하고자 하는 조직을 관찰하는 게 가능하다. 암시야 이미징은 특정한 각도로 산란되는 빛만 받아드리고 나머지 빛들은 차단하기 때문에 산란된 빛과 그냥 반사/투과된 빛을 구분없이 다 받아드리는 명시야 이미징보다 빛의 산란에 대해 명암 변화가 민감하게 나타나며, 이를 기반으로 물체의 특정 구조나 상태를 쉽게 식별할 수 있도록 해준다.
이러한 점 때문에 생물학 분야에서는 미생물을 염색하지 않고 관찰할 때 활용되며, 재료공학 분야에서는 스크래치와 같이 표면에 존재하는 미세한 단차나 굴곡, 미세조직을 관찰할 때 유용하게 활용된다.
고등학교에서 사용하는 비교적 저렴한 현미경에선 찾아보기 어렵고 대학교나 대학원에서 사용하는 광학현미경에서 자주 찾아볼 수 있다. 만약 현미경에 BF <--> DF 라고 적힌 레버, 스위치, 또는 다이얼 같은게 달려있다면 그 현미경에는 암시야 이미징에 사용되는 조리개가 달려있다는 소리로, BF에 위치한 레버를 DF 쪽으로 밀면 암시야 조리개가 삽입되면서 암시야 이미징 모드로 전환된다.[9]
5.1.4. 위상차 현미경 (Phase microscopy)
5.1.4.1. 정량적 위상차 현미경 (Quantitative phase microscopy)
빛의 세기 정보를 이용하는 기존의 위상차 현미경과 달리, 시료를 거친 빛의 "phase delay"를 검출하여 영상화하는 기술로 아직 개발중이다.크게는 두 가지 방법으로 나뉘며, 시료를 투과한 빛을 편광시켜 정보를 얻는 편광법과 시료에 빛을 반사시켜 정보를 얻는 반사법이 있다.
5.1.4.1.1. 편광 위상차 현미경(Polarization phase microscopy)
빛을 면역 형광법으로 태깅한 시료에 투과시키면 세포의 구성에 따라 빛의 굴절율이 달라지는데, 이를 편광시켜 디지털 홀로그래피를 이용해 영상화하는 기술이다.반사법에 비해 측정이 쉽고, 전체적인 신호가 강하다는 장점이 있다.
5.1.4.1.2. 반사 위상차 현미경 (Reflection phase microscopy)
편광법에 비해 좀 더 복잡하지만, 대신 민감도가 100배 가까이 높아 살아있는 세포의 활동을 3차원으로 나노미터 스케일까지 관찰할 수 있다는 것이 장점이다.5.1.5. 간섭 현미경
5.1.6. 형광현미경 (Fluorescence microscopy)
현재 새로이 개발되는 생체현미경의 대부분은 형광을 기반으로 개발되고 있다. 시료에 형광표지를 태깅하여 일정한 파장의 빛을 쪼이면 형광 신호가 검출되며, 이를 통해 특정 분자 혹은 생체조직, 세포의 추적이 유리하기 때문이다.크게 비면역 형광법과 면역 형광법으로 나뉘며, 면역 형광법이 자주 쓰인다.
5.1.6.1. 공초점 현미경(Confocal microscopy)
공초점 현미경에서 '공초점'이란 pinhole을 의미한다. 일반적으로 현미경이나 카메라 같은 광학기기를 사용해 본 사람이라면 초점에서 벗어난 부분의 상은 흐릿하게 나오는 것을 알 수 있다. 이는 빛이 초점에 모이지 않아 상이 흐려지는 것이다. 공초점 현미경은 초점 위치에 작은 pinhole(구멍)을 두어 초점에 모이지 않은 빛은 막고, 초점에 맞는 빛만 통과 시킨다. 이로써 깨끗하게 초점이 맞는 상만을 획득하는 기술이 공초점 기술이다. 이 기술의 장점은 기존 광학 현미경과는 다르게 깊이 구분이 가능하다는 것이다. 이 때문에 샘플 안쪽에 초점이 맞춰지더라도 초점이 맞지 않는 신호를 제거하고 초점에 맞는 신호만 받아들여 '투과'가 가능하다는 점. 샘플에 따라 다르지만 생체 샘플이라면 수십~백 마이크로미터 정도의 투과도를 보인다. 이것이 공초점 현미경의 가장 큰 의의라고 할 수 있다. 일전까지의 현미경들은 특정 세포를 관찰하기 위해서 그 세포의 위에 존재하는 다른 세포나 조직들을 모두 걷어내야 했다. 공초점 현미경은 이를 극복한 것이다.광원으로 사용하는 빛의 '반사'를 측정하느냐, 광원에 의해 발행한 '형광'을 측정하느냐에 따라 반사 공초점 현미경과 형광 공초점 현미경으로 구분한다.
공초점 현미경은 한 점 한점의 신호를 획득하기 때문에 2차원 영상을 바로 만들어 내지는 못하기 때문에 일반적으로 XY 축 스케너나 Lens array를 이용하여 2차원 영상으로 재구성한다. 초점을 Z축 방향으로 움직이면서 XY촬영을 하면 이를 3D로 재구성 가능하다
5.1.6.1.1. 공초점 레이저 주사현미경(CLSM)
단일파장 레이저 광원과 핀홀, CCD등의 장치의 도움을 받아 레이저 광원에 의해서 형광을 띠는 시료를 3차원적으로 관찰 할 수 있게 해주는 현미경.레이저 광원은 렌즈와 수직인 위치에서 시료로 조사되며, 이 레이저에 의해 시료 내 형광물질이 발광하면, 이 빛을 이색성 거울이 달린 현미경을 통해서 수집한다. 이러면 평범한 현광현미경과 다를 바가 없지만, CLSM의 현미경부에는 핀홀이라는 것이 존재해서 시료의 한 점에 있는 빛만을 수집한다. 이렇게 해서는 전체 이미지를 알 수 없기 때문에 현미경의 초점은 시료를 2차원 혹은 3차원으로 스캔하고, 이를 재구성하여 이미지를 만들어낸다. 주로 세포를 연구하는 연구실에서 사용한다.
5.1.6.1.2. 반사 공초점 현미경(RCM: Reflectance confocal microscopy)
반사 공초점 현미경은 형광현미경은 아니지만, 공초점 현미경과 원리적으로 비슷하므로 이곳에 표기.5.1.6.2. 빛 시트 현미경(LSM: Light sheet microscopy)
5.1.6.2.1. 격자 시트광 현미경(Lattice light-sheet Microscope)
세포내에서 벌어지는 생명현상을 세포 손상 없이 보다 높은 해상도로 관찰할 수 있는 새로운 종류의 현미경.기존 형광현미경에서의 레이저에 의한 시료 손상을 최소화 하기 위해서 시료를 아주 얇고 약한 레이저 시트가 훓게하고, 현미경은 레이저 시트가 지나가는 부분의 형광항체의 빛을 수집한다. 이렇게 함으로서 레이저에 의한 시료 손상이 최소화 할 뿐만 아니라 주변 빛에 의해서 상이 흔들리는 것도 최소화 할 수 있다.
개발자인 에릭 베치그(Eric Betzig)는 관련 논문으로 노벨 화학상을 수상하였는데 아기 유모차를 밀다가 떠오른 논문이라고 한다. 근데 당사자는 공돌이라 화학을 전혀 모르지만 원래 물리학을 공부한 것이 분자간의 거리를 어떻게 측정하느냐에 대한 아이디어에 도움이 되어 논문을 낼 수 있었고 그 아이디어를 구현한 PALM[10]이라는 현미경까지의 업적 덕분에 수상했다. PLAM이라는 현미경도 성에 차지 않아 좌절하다가 같은 연구소 동료인 맷 구스타프손 (Mats Gustafsson)이 시작했던 SIM microscope를 만드는 프로젝트를 맷이 사망 후 인계 받아 업그레이드 시켜 격자 시트광 현미경을 완성시켰다. 원래 물리학을 공부했었던 현미경 공학 덕후의 꿈을 위한 현미경 개발에 대한 아이디어와 구현을 통한 화학적 기여로 수상한 셈이다. 이를 통해 에릭 베치그와 함께 연구했던 사람들은 세포의 복잡성과 역동성을 실시간으로 관찰할 수 있는 도구를 생물학자들에게 선사해주었다. 사이언스 논문
5.2. 전자 현미경
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를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[전자현미경#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[전자현미경#|]] 부분을5.3. 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)
전자 현미경과는 다르게 매우 작은 탐침(Probe)를 이용하여 시료의 표면을 관측하는 장비로, 현미경의 분류 안에서는 그 역사가 가장 짧다. 탐침을 주사한다는 의미에서는 같으나 관측하는 방식에 따라 크게 주사 터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM)과 원자간 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM. 줄여서 원자현미경이라고 칭하는 경우도 종종 있다)으로 나뉜다.5.3.1. 주사 터널링 현미경(STM)
Scanning Tunneling Microscope (STM)은 바이어스 전압이 걸린 탐침을 시료 표면 위로 움직여 전자 터널링 현상에 의한 터널링 전류를 읽는다. 탐침과 시료 사이에서 일정한 전류가 흐르도록 실시간으로 탐침의 Z축 위치를 조정하기 때문에, 탐침과 표면 사이의 거리가 가까워지면 전류가 급증하는 것을 이용해 표면의 모양을 그릴 수 있다. 단일 원자 수준의 크기를 관찰 가능하지만, 충분한 양의 전류가 흐르는 도체 물질만 측정 가능하다.STM은 기본적으로 전자의 분포를 보는 것이기 때문에, 전자가 비편재화된 경우 원자가 뚜렷하게 보이는 대신 전자 분포가 보인다. 대표적인 경우가 그래핀.
5.3.2. 원자간 힘 현미경(AFM)
Atomic Force Microscope (AFM)은 주사 터널링 현미경이 도체에만 적용가능한 것과 달리, 부도체에도 사용할 수 있으며 대기 중이라면 온도를 크게 타지 않고, 심지어는 용액 속에서도 측정이 가능하다.[11] 일반적으로 분해능은 STM보다 비교적 떨어지지만, 복잡한 장비와 초고진공 조건을 요구하는 STM과 달리 간단한 구조로 가격이 비교적 저렴하면서도, 다양한 시료에서 사용이 가능하기 때문에 많은 연구에서 사용되어지고 있다.측정모드로는 현미경의 캔틸레버(Cantilever)[12]에 달린 매우 작은 팁[13]이 표면과 매우 밀접한 채로(0.5nm 이하) 물체간 발생하는 척력 또는 마찰력을 활용해 측정하는 Contact mode, 그보다 조금 먼 상태(0.5~2nm)에서 현미경 팁의 고유 진동수 변화를 통해 측정하는 Tapping mode, 팁과 원자 간의 반 데르 발스 힘을 이용하여 측정하는 Non-contact mode가 있다. 현대에는 일반적으로는 Tapping mode가 가장 많이 이용되지만[14] 목적에 따라 모드를 달리할 수 있다. 현대에 들어 전자현미경과 함께 가장 많이 이용되고 최근 향상된 성능으로 인해 펜타센 분자(폴리아센참고)를 마치 장난감 모형처럼 찍어낼 정도로 분해능이 좋아졌다. 같은 펜타센을 STM으로 측정하면 펜타센의 전자분포만 보여줄 뿐 분자의 형태는 알 수가 없었다. 물론 분자정도의 해상도를 찍으려면 특수한 AFM이 필요하다. 보통의 AFM은 0.5~1 nm(x,y,z축마다 조금씩 다르지만)의 분해능을 가지고 있다.
주요 제조 회사로는 Asylum Research (영국), Nanosurf (스위스),
[1] 세포 내에서 기능적으로 구분되는 구조[2] 그리스도교 주류의 보수적인 당시 사회 특성상 수음이 아니라 아내와의 자연스러운 관계에서 채집된 물건이란 사실을 실제로 무척 강조했다.[3] 대부분의 광학 현미경은 가시광선을 이용하지만, 특수한 용도로 사용되는 현미경에는 적외선이나 자외선이 사용될 수도 있다. 그러나, 이런 부류의 장비들은 광학현미경보단 다른 이름으로 구분해서 부른다.[4] 다만, SW적으로 확대하는 방법을 사용하는 경우, 폰 카메라에서 디지털 줌 쓰는거랑 사실상 동일한 원리를 쓰기 때문에 확대는 되지만 이미지의 품질이 현저히 떨어진다.[5] 근데 이걸 다루는 건 정말 철저한 문과 두뇌가 아닌 이상 수업만 잘 듣고 3번만 해보면 능숙해진다. 가끔씩 프레파라트가 막장인데 자기가 현미경 다루는 솜씨가 부족해서 초점이 안 맞는 줄 아는 경우가 있는데, 현미경 다루는 것 자체는 쉬우니 초점이 안 잡힐 경우 프레파라트를 먼저 의심해보자.[6] 물론 이것도 이것저것 기능이 달리면 가격이 비싸지는 건 마찬가지다.[7] 배경이 밝게 나타나서 명시야라고 한다.[8] 배경이 검게 나와서 암시야라고 한다.[9] 만약 관련 자격증 시험 실기를 응시할 때 현미경 화면이 시커멓게 보인다면 높은 확률로 이전에 사용한 사람이 암시야 조리개나 필터를 써놓고 원상복구 안해놓고 가서 그런거다. 당황하지 말고 감독관에게 이야기해서 조치하거나, DF 조리개나 필터가 적용된 상태가 아닌지 침착하게 확인 후 기존 상태로 돌려놓으면 된다.[10] Photo-activated localization microscopy, 플래시를 연속적으로 터트리듯이 시료에 광자를 조금씩 뿌리고, 이로 인해서 형광항체에서 나온 광자를 CCD로 수집, 누적된 데이터를 바탕으로 하여 기존 현미경의 회절한계를 넘어서는 분해능을 구현한 형광 현미경[11] 1980년대 노벨 물리학자 Gerd Binnig가 AFM이 개발되기 전, 여러 STM을 개조하여 진공대신 용액을 이용해 석묵 (graphite) 및 실리콘 크리스탈의 원자 사진(Atomic Resolution)을 찍은걸로 꽤 유명하다. 이 순간이 AFM 개발의 이론적 계기다.[12] 갯수당 가격이 5만원 (재질이나 코팅, 모양새 또는 타입에 따라 가격이 천차만별이다) 이 넘을정도로 한번 실수하면 그대로 날려먹는 매우 값진 소모품이다.[13] 이론적으론 팁 끝이 원자 하나(Single Atom)이다.[14] 분해능과 상의 명확도가 높으면서도 시료에 잔존하는 수분 등을 제거하면서 관측하는 것이 가능하다. Contact 모드는 분해능은 높으나 상의 명확도가 낮고, 심지어 시료와 팁의 파괴도 또 한 이중에서 제일 크다. Non-Contact 모드는 상 자체는 명확하게 보이나 분해능이 비교적 낮은 편이다. 또한 두 모드 모두 수분의 영향을 많이 받는 편이다.[15] Park Scientific Instruments를 인수한 회사로, Bruker에 합병되었다.[16] 최근에 실시간으로 SEM 촬영이 가능한 복합형 AFM 기기를 생산해내었다![17] 창업자이자 CEO인 박상일 박사는 AFM 을 초창기에 개발한 스탠포드 대학 캘빈 퀘이트 (Calvin Quate) 교수가 이끌었던 연구진 출신으로, 세계 최초로 상업적 (commercial) AFM을 판매한 Park Scientific Instruments를 미국에서 창업 후 매각하였다. 이후 한국에서 다시 창업한 회사가 바로 Park Systems로, 기존의 사명 또한 PSI의 후속 격이라는 의미에서 Park Scientific Instruments Advanced의 약자인 PSIA를 사용하였었다. 기술적으로는 타 회사의 제품에서는 구현된 바가 없는 True Non-Contact Mode가 유명하다.[18] 원래 초창기 AFM은 STM에 부속품들을 부착하여 만들어졌기에, 초창기 AFM에는 원래 있던 기능이라고 볼 수 있다.