원자 힘 현미경

빛을 사용하는 현미경의 분해능은 빛의 회절 한계로 인해 사용하는 빛의 파장과 비슷하다. 가시광선 파장이 400~700 @@NAMATH_INLINE@@nm@@NAMATH_INLINE@@ 범위이기 때문에 이를 이용하는 광학 현미경의 분해능이 100 @@NAMATH_INLINE@@nm@@NAMATH_INLINE@@이하가 되는 것은 불가능하다. 1980년대 이전까지만 해도 광학 현미경의 분해능을 넘어서는 현미경은 전자 현미경뿐이었는데, 전자 현미경에는 시료의 조건 등 여러 가지 제약이 따른다. 1980년대 이래 분해능이 수 @@NAMATH_INLINE@@nm@@NAMATH_INLINE@@혹은 그 이하인 새로운 비광학(non-optical) 현미경들이 개발되었는데, 원자힘 현미경은 비광학 현미경 중 하나이다. AFM은 1980년대 IBM 과학자인 비니히(Gerd Binnig, 1947-), 퀘이트(Calvin Quate, 1923-), 거버(Christoph Gerber, 1942-)가 개발하였는데, 이들 중 비니히는 AFM에 앞서 개발한 주사(走査) 터널 현미경(scanning tunneling microscope, STM)을 개발한 공로로 1986년 노벨 물리학상을 받았다.

비광학 현미경들은 시료를 미세하게 훑어 나아가면서 얻은 신호를 영상으로 바꾸기 때문에 주사(走査) 탐침 현미경(scanning probe microscope, SPM)이라고 부르기도 한다. 주사 탐침 현미경에는 AFM, STM을 비롯하여 근접장 주사 광학 현미경(near-field scanning optical microscopy, NSOM) 등이 있다.

목차

원자 힘이라는 말이 시사하듯이 AFM은 역학적 탐침(mechanical probe)을 기초로 한다.¹⁾ 시료를 탐침하는 부분은 날카로운 팁(tip)이 달린 캔틸레버(cantilever)이다 (그림 참조). 캔틸레버는 시료 표면과의 상호 작용에 따라 스프링처럼 작동한다. 캔틸레버에 반사되는 레이저(laser) 빔의 경로는 캔틸레버의 움직임에 따라 달라지며, 레이저 빔을 감지하는 광다이오드(photodiode)를 통해 시료와 캔틸레버의 상호 작용 변화를 알 수 있다. 광다이오드의 신호는 캔틸레버와 연결된 전자장비(Detector and feedback electronics)를 통해 처리된다. AFM의 분해능은 팁과 시료를 움직이는 압전 구동기(piezoelectric scanner, 그림에서는 PZT scanner²⁾)에 따라 결정된다. 압전 구동기는 가해진 전압에 따라 팽창 수축하는 압전 물질로 만드는데, 이를 통해 시료의 위치를 x, y, z 세 방향으로 @@NAMATH_INLINE@@nm@@NAMATH_INLINE@@단위까지 조절할 수 있다. 압전 구동기는 AFM은 물론 STM을 비롯한 다양한 고분해능 현미경에 사용된다.

AFM의 구성도.()

• 탐침 팁과 시료 사이의 힘을 둘 사이의 거리의 함수로 측정 • 탐침 팁과 시료 사이의 상호작용을 3차원 형상(topograph)으로 변환 • AFM 팁을 통해 시료에 힘을 가하면 시료의 분자나 원자 이동 가능

AFM 탐침 팁의 곡률 반경은 수 @@NAMATH_INLINE@@nm@@NAMATH_INLINE@@정도이다. 팁이 달린 캔틸레버는 대개 실리콘이나 질화 실리콘(silicon nitride)으로 만드는데, 팁과 원자 사이의 상호작용은 원자의 종류에 따라 다르기 때문에 AFM을 통해 원자의 종류도 식별할 수 있다. 여러 가지 형태의 팁을 개발하여 AFM의 성능을 개선하려는 노력을 하고 있다.

AFM의 탐침 팁. ()

AFM의 탐침 팁.()

주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 2차원 영상을 얻는 것과 비교하면, AFM의 영상은 3차원 영상이다. 전자 현미경으로 영상을 얻으려면 시료가 원래대로 복원하지 못하게 되는 금속 코팅과 같은 처리를 해야 한다. AFM을 사용할 때에는 이런 시료의 전처리 과정이 필요 없다. 전자 현미경의 시료는 진공 속에 있어야 하기 때문에 휘발성이 큰 고체, 액체 시료의 영상을 얻을 수 없다. AFM을 사용하면 대기 중에 있는 시료는 물론 액체 속에 있는 시료의 영상도 얻을 수 있다. 또한, 살아있는 생명체와 같은 생물학적 시료들에도 AFM을 적용할 수 있다. 이런 시료들에 대해 AFM과 광학적 분광학적 방법을 결합하여 사용할 수도 있다.

AFM의 단점은 주로 압전 구동기의 특징에서 나타난다. 전자 현미경의 경우 @@NAMATH_INLINE@@mm^2@@NAMATH_INLINE@@단위의 면적을 한 번에 스캔할 수 있으며, 심도(depth of field)가 @@NAMATH_INLINE@@mm@@NAMATH_INLINE@@단위이지만, AFM의 영상은 최대 150 x 150 @@NAMATH_INLINE@@\mu m^2@@NAMATH_INLINE@@면적을 스캔할 수 있을 뿐이며, 심도도 10~20 @@NAMATH_INLINE@@\mu m@@NAMATH_INLINE@@정도이다. 압전 구동기는 느리게 움직이며, 시료와 탐침 팁과의 상호작용을 영상으로 바꾸는 작업이 필요하기 때문에 AFM 영상을 얻는 데 몇 분 정도 걸린다. 영상을 얻는 데 이렇게 오래 걸리면 영상에 열적 변형(thermal drift)이 일어날 수 있다. 이에 비해 전자 현미경을 사용하면 거의 실시간으로 영상을 얻을 수 있다. 압전 구동기를 만드는 물질의 특성은 AFM의 또 다른 단점이다. 압전 물질은 압력을 가하면 변형이 일어날 수 있다. 압전 물질은 가해진 전압에 따라 팽창 수축하지만, 이 특성이 선형은 아니며, 팽창할 때와 수축할 때 그 특성이 같지 않은 이력 현상(hysteresis)으로 인한 보정이 필요하다. 이러한 압전 구동기로 인한 단점은 주사 터널 현미경과 같이 압전 구동기를 사용하는 다른 현미경에서도 나타난다. 또한 AFM 팁에 손상이 생기거나 사용 조건에 따라 좋은 영상을 얻기 어려울 수 있다.

여러 가지 바이러스의 AFM 영상.()

헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene) 분자의 AFM 영상.()

1. 이를 통해 개별 분자들 사이의 상호 작용과 결합력을 연구하는 힘 분광학(force spectroscopy)이라는 분야가 열렸다. 힘 분광학에는 물질과 빛의 상호 작용이 없기 때문에 분광학은 정확한 용어는 아니다.
2. 널리 쓰이는 압전 물질이 PZT라고 부르는, 납, 지르코늄, 타이타늄 산화물(lead ziroconate titanate, Pb[Zr_xTi_1-x]O₃)이다.