나노 과학의 일등 공신, 현미경(2)

youtu.be/LSg6hWVGjRc

<제2세대 현미경>

레벤후크에 의해 제1세대 현미경인 광학현미경이 출현하자 세상이 바뀌기 시작했다. 당시까지 상상하지 못했던 미지의 세계가 알려지지 시작했고 이것이 오늘날 생명과학의 기초를 마련해주었다.

레벤후크가 만든 현미경의 렌즈 크기는 3밀리미터 정도의 작은 것으로 금, 은, 동판에 끼웠지만 최소 50배에서 최고 300배까지의 배율을 가진 획기적인 현미경으로 현대 학자들은 단순현미경에 사용된 고배율렌즈의 심각한 결함인 구면수차를 어떻게 극복했는지 의문을 던질 정도이다.

17세기를 지나면서 생물체 연구에 현미경 사용은 필수가 되었고 19세기 중반에 이르러서는 새로운 현미경 연구의 시대가 열렸다. 이탈리아의 광학자 아미시 교수에 의해 1827년 현미경렌즈에 나타나는 왜곡된 색상을 잡아주는 무색수차 현미경이 발명되었고 1840년에는 유액투입법이 최초로 도입되어 빛의 굴절에 의한 수차를 최소화하는데 기여했다.

아미시의 광학이론은 독일의 유명한 광학기구 제조가인 자이스로 이어져 1878년 자이스는 무색수차렌즈를 발명했다. 그의 동료인 물리학자 아베는 유리와 굴절계수가 같은 유액을 사용하여 아미시의 투입장치를 향상시켰고 쇼트는 상의 색 보정을 계산한 아베의 연산을 만족시킬 수 있을 유리가공법을 고안했다. 1886년 최초로 현미경의 구면수차와 색수차를 보정한 무구면수차-무색수차 대물렌즈가 완성되었고 20세기 초반 독일의 쾰러가 쾰러현미경 조명 방법을 발명하여 전 세계적으로 보편화시켰다.

그러나 광학현미경이 들여다볼 수 있는 미시 세계는 0.0004mm까지로 제한돼 있다. 이 자체도 엄청나게 작은 것을 볼 수 있지만 원자의 지름에 비하면 약 2천배 정도로 큰 것만 관찰할 수 있다. 이는 머리카락 한 올(0.1밀리미터)을 20센티미터 크기로 확대할 수 있는 정도의 비율이다. 이런 한계는 빛 중에서도 가시광선 파장보다 더 작은 범위의 영역을 관측할 수 없기 때문이다. 즉 가시광선을 볼 수 있는 어떤 렌즈를 사용하더라도 그 파장보다 작은 지름 안에 지속될 수 없다는 한계점이 있다.

만약 더 짧은 파장의 빛을 이용하면 더 작은 물체, 궁극적으로는 원자나 분자를 볼 수 있지 않을까하는 질문은 가시광선보다 더 짧은 자외선을 이용하자는 생각으로 이어진다. 결론을 먼저 말한다면 자외선을 이용하면 실제로 광학현미경으로는 보이지 않는 더 작은 물체를 볼 수 있다. 자외선을 이용한 현미경(스테퍼)은 반도체 산업에서 매우 중요한 도구로 사용된다.

휴대폰, 컴퓨터 등의 전자제품에 널리 쓰이는 반도체 메모리 소자를 확대해 보면 미세한 선들이 복잡하게 그려져 있다. 이런 전자회로는 자외선현미경을 이용해서 사진을 찍는 것과 비슷한 방법으로 만들어진다. 메모리의 집적도가 높아질수록 미세회로의 선이 가늘어지고 더 가는 선을 만들기 위해서는 더 짧은 파장의 빛을 쓰는 자외선현미경이 필요하다. 그동안 반도체 메모리의 집적도가 놀라울 정도로 향상되었는데 이는 자외선현미경의 성능이 크게 향상된 덕분이다. 더 작은 파장의 빛을 사용하여 더 정밀하게 보는 것이야말로 반도체산업에서 없어서는 안 되는 핵심기술이다.

 

더 작은 세계를 들여다보려는 인간의 노력은 20세기 들어서 계속적으로 이어져 광학망원경을 뛰어넘는 제2세대 현미경이 드디어 개발되었다. 전자현미경이다.

입자와 파동이라는 이중적 성격을 갖는 빛과 전자의 유사성이 알려지기 전에도 전자기장에서 전자의 회절을 이용하여 전자를 집중시키려는 생각은 학자들의 관심사였다. 보통 광학기기에서 이용되는 반사와 간섭이라는 기술을 적용하여 전자를 집중시키는 방법이다. 단지 어려움은 처음에는 전자가 진공에서만 자유롭게 움직일 수 있고 전자를 집중시키는 ‘렌즈’는 무형의 전자기장이어야 한다는 본질적인 문제이다. 이 문제를 해결한 것이 전자현미경이다.

그러므로 전자현미경의 발명은 19세기 말 입자물리와 전자기기학의 발전과 궤를 같이 한다. 1929년 독일의 루스카(Ernst Ruska)가 음극관의 연구 중에 직경 0.3mm인 양극 조리개의 영상을 확대시키는데 성공했다. 이 성과는 초점거리가 작은 전자기 렌즈를 고안할 수 있었기 때문이다. 루스카는 1931년, 백금 그리드를 전자빔으로 2단계 확대시켜 영상화하는데 성공했다. 전자빔을 사용한 현미경의 가능성이 예시된 것으로 1933년에 이미 초점거리가 3mm(가속전압 75kV) 원통형의 철심자석을 이용한 폴피스(pole piece)를 만들었다. 1938년에 38,000배까지 확대시킬 수 있는 전자현미경이 나타났다. 처음에 루스카는 이 기계를 전자현미경이라고 이름하지 않았지만 1986년 노벨물리학상을 수상했다. 그의 공적은 「전자광학의 기초연구 및 세계 최초 전자현미경 설계」이다.

질량을 가진 전자의 물질파(de Broglie wave)의 파장은 전자를 가속시킴으로써 쉽게 줄일 수 있다. 가령 1만 볼트로 가속된 전자는 약 0.01nm (1nm=10-9m)의 파장을 갖는다. 이렇게 가속시킨 전자빔을 물체에 초점을 맞춰 쏘아 물체를 확대시키는 것이다. 간단하게 말하여 전자현미경에 쓰이는 전자는 가시광선보다 3만분의 1 정도로 파장이 작다. 이만큼 전자현미경의 분해능이 광학현미경에 비해 월등할 수 있다는 뜻이다.