[논문]돋보기에서 FE까지 현미경의 변천사 - 생명과학적 관점에서 -

박창현; 염미정; 엄창섭

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본고에서는 유리의 확대력 발견으로부터 현재까지 이르는 전자현미경과 관련된 중요한 이론 및 개발 과정들을 시대별로 검토하였다. Jansen에 의한 최초의 광학현미경 제작으로부터, 분해능의 한계를 해결하려는 노력들, 짧은 광원을 찾는 노력, 그리고 보다 양질의 해상력과 확대력을 얻으려는 여러 과학자들의 부단한 노력들을 특히 전자현미경 원리 및 TEM과 SEM의 초기 개발과정에 초점을 맞추어 생명과학적 측면에서 고찰하고, 아울러 우리나라의 전자현미경 도입 과정을 살펴보았다.

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Since the Ptolemaeos' discovery that glass has magnifying power, human desire to see the unseen with naked eyes has lead to the inventions of a series of microscopes. Since the Janssen's first compound microscope in 1595, through the Abbe's non-aberration microscopy, various microscopes using differ...

Since the Ptolemaeos' discovery that glass has magnifying power, human desire to see the unseen with naked eyes has lead to the inventions of a series of microscopes. Since the Janssen's first compound microscope in 1595, through the Abbe's non-aberration microscopy, various microscopes using different principles are now being used in various biomedical researches. The discovery of electron by Thompson in 1897 has lead to the first invention of microscope using electron as an illumination source, the electron microscope, in 1931. Now we can see the objects as close as 0.05 nm using 1 MV FE-TEM constructed in 2000. In this review, the authors reviewed the predecessors efforts to develop better microscopes.

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문제 정의

여기에서는 전자현미경 이 우리나라에 도입된 현황을 간단히 알아보고자 한다. 우리나라에 도입된 최초의 전자현미경은 1956년에 도입된 Hitachi사의 HM- 3로 알려져 왔다(So & Uhm, 1997; Kim, 2002).
수많은 과학자들의 꿈과 노력의 결과는 현재 전계방사형 전자현미경 (FE-EM)의 등장까지 이 어져 왔으며 앞으로 더 우수한 양질의 현미경의 개발로 이어질 것으로 기대된다. 이 긑에서 저자들은 생명과학적 관점에서 광학현미경으로부터 전자현미경 개발에 이르는 중요한 역사적 사건과 개발에 이용된 이론들을 시대별로 살펴봄으로써 전자현미경을 사용하는 분들에게 역사적발 달 과정을 이해하게 함으로써 현재 사용되고 있는 전자현미경의 개략적인 원리를 파악하게 하고 나아가 전자현미경의 활용에 도움을 주고자 하였다.

제안 방법

이와 함께 Knoll은 이미지의 콘트라스트 기전 즉, 2차전자 계수와 분포 양상을 밝혔다. 1938년 M. von Ardenne (독일)가 TEM에서 두꺼운 시료를 관찰할 때 대물렌즈에서 색수차의 영향을 줄이기 위한 시도로 주사 방법을 채택한 전자현미경을 제작하였다. Ardenne 는 이와 함께 SEM에 이중편향주사방법 (double de fection scanning)과 전자증폭기 (electron multiplier)를적용할 것을 제안하였다.
Hall 이 색 지 옴렌즈 (achromat lens) 를 개발하였고, 이를 다시 1758년에 JohnDolkmd가개선시 켰다, 1830년에는 JJ. Lister가 광학현미경의 또 다른 난제였던 구면수차(spherical aberration)를 제거한 비구면렌즈를 개발하였다, Lister는 색수차 (chro・ matic aberration)와 구면수차를 동시에 제거한 렌즈를 조합한 현미경을 제작하여 최초로 적혈구를 관찰하는뎨 성공하였다. 이러한 공로로 와인 업자이며, 아마추어 현미경학자이었던 Lister는 영국 국립학슽원의종신회원이 되는 영광을 누리게 되었다
: 1942) 8, 000나* fl까지 확대된이미지를 얻을 수 있었으나 잡음의 문제가 완전히해 결된 것은 아니었다. 이에 Zworykin^- 능률적 인 전자검출기 (electron detector)와 저속주사 (slow scan)를적용하기로 하여 집속렌즈에 3개의 정전렌즈 (threeelectostatic lens)와 옴극선관 (CRT)을 사용하고 광전중배 관 (photo multiplier)와 인광물질 (phosphor)을 결합한 검 출기 (detector)와 구경 조리 개 (aperture)를 적 용하는 등 획기적인 개선을 이루었다(Zworykin et aL, 1942). 이때 Zworykin은 전자총을 10kV로 가속하였는뎨 그 이유는 시료의 표면에서 방출되는 이차전자를 사용하여 충분한 콘트라스트를 얻기 위한 입사 전자에너지로 800eV를 정해놓고 현미경을 제작하였기 때문이다 즉, 10kV로 전자총에서 주사된 전자는 전자렌즈를 동과하면서 분산되어 최종적으로 인광판(phosphor screen)에는 9.

대상 데이터

16. The first TEM (HM-3) introduced into Korea (left), which was donated to Kyungpook National University. The first purchased TEM (HS-6) in Korea, which was installed at Seonglcyunlcwan University.
The first TEM (HM-3) introduced into Korea (left), which was donated to Kyungpook National University. The first purchased TEM (HS-6) in Korea, which was installed at Seonglcyunlcwan University.

성능/효과

Ardenne 는 이와 함께 SEM에 이중편향주사방법 (double de fection scanning)과 전자증폭기 (electron multiplier)를적용할 것을 제안하였다. Ardeime는 실험을 통하여 1 keV 혹은 50 keV의 가속전압을 사용하여 좋은 해상도(resolution)를 얻을 수 있었다. IkeV인 경우 주로 반사 전자 (back scattered electron)가 조사 지 역보다 조금 넓은 지역에서 발생되기 때문에 해상도에 영향을 주지 않았고, 50 keV인 경우 (secondary elec tron)/} 조사 지역보다 훨씬 더 넓은 지역에서 발생되기 때문에 해상도에는 영향을 주지 않으나 back- round/} 늘어나기 때문에 contrast가 감소하는 단점이 있다는 사실을 밝혔다 (Figs.
새로운 문제점으로 대두 되었다. 가시광선의 긴파정이 광학현미경의 분해능의 한계 (d=H₂NA = 0.2 卩m)를 결정짓는다는 사실의 발견은 가시광선보다 짭은 파장의 다론 광원을 이용하여야만 분해농을 상승시킬 수 있다는 것을 깨닫게 하였다. 이에 따라 Abbe 에 의한 분해능의 한계 발견 이후의 시대는 짭은 광원을 찾는 노력들이 전개된 시기 였다.
이 과정에서 시료의 두께를 얇게 하면 흡수전자 (electron by absorption)가 아니 라 산란전자 (elec tron by diffraction)만을 사용해도 충분한 contrast를가지는 상을 형성시킬 수 있다는 결정적인 사실을 알게 되었다. 따라서 시료의 두께를 얇게 제작하여 시료의 손상을 줄이면서도 고배율의 이미지를 얻을 수 있게 되 어 첫 번째 문제도 해 결되 었다 (Ruska,1986).

후속연구

위한 일련의 노력들로 나타났다. 수많은 과학자들의 꿈과 노력의 결과는 현재 전계방사형 전자현미경 (FE-EM)의 등장까지 이 어져 왔으며 앞으로 더 우수한 양질의 현미경의 개발로 이어질 것으로 기대된다. 이 긑에서 저자들은 생명과학적 관점에서 광학현미경으로부터 전자현미경 개발에 이르는 중요한 역사적 사건과 개발에 이용된 이론들을 시대별로 살펴봄으로써 전자현미경을 사용하는 분들에게 역사적발 달 과정을 이해하게 함으로써 현재 사용되고 있는 전자현미경의 개략적인 원리를 파악하게 하고 나아가 전자현미경의 활용에 도움을 주고자 하였다.

참고문헌 (15)

de Broglie L: The wave nature of the electron. Nobel lecture, 1929
Inomata H: The 50 years of Hitachi Electron Microscope. Hitachi Co, Nab City, Japan, pp. 8 175, 1997
Kim WK: Korean Society of Electron Microscopy. In: Science Researches in Korea, Korean Academy of Sciences, Seoul, Korea, pp. 103 112, 2002, (Korean)
Marton L: Electron Microscopy of Biological Objects, Nature 133: 911, 1934
Meek GA: Practical Electron Microscopy for Biologists, A Wiley Iterscience Publication, London, pp, 36 42, 1976
McMullan D: Scanning Electron Microscopy 1928-1965, Scanning 17 : 175 185,1995

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Oatley CW: The early history of the scanning electron micro-scope, J Appl Phys 53 : R1 R13,1982

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Pease RFW, Nixon WC: High resolution scanning electron microscopy, J Sci Instrwn 42: 31 35,1965

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Publication Committe: Half Century of Hitachi Electron Microscpes, Hitachi, Naka City, Japan, 1997, (Japanese)
Ruska E: The development of the electron microscope and of electron microscopy, Nobel lecture, 1986
Smith KCA, Oatley CW: The scanning electron microscope and its fields of application, Br J Appl Phys 6 : 391 399, 1955

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So IY, Uhm CS: Celebration Committee for 30th Anniversary of Korean Society of Electron Microscopy: Brief History of 30 Years of the Korean Society of Electron Microscopy. Korean J Electron Microscopy 27(4) : 519 526, 1997. (Korean)
Thomson JJ: Caniers of negative electricity, Nobel lecture, 1906
Wischnitzer S: Introduction to Electron Microscopy, Pergamon Press, New York, pp, 6 14, 1989
Zworykin VK, Hillier J, Snyder RL: A scanning electron microscope, ASTM Bull 117 : 15 23,1942

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