현미경

발달

단순현미경

단순현미경은 하나의 볼록렌즈 또는 렌즈계를 갖는 확대용 광학기구로 저배율의 단순한 확대경은 15세기 중엽에 이미 사용되었다. 그후 네덜란드의 현미경학자 A. 레벤후크에 의해 렌즈의 제조기술이 크게 향상되어 점차 높은 배율의 렌즈가 만들어졌다. 그러나 1830년대에 색수차(chromatic aberration：각 파장의 색에 따른 굴절률의 차이로 상의 주위에 색의 줄무늬가 형성되는 현상)를 없애주는 색지움렌즈(achromatic lens)가 개발되면서 점차 해부용 외에는 사용하지 않게 되었다.

복합현미경

복합현미경은 2개 이상의 렌즈 또는 렌즈계를 조합한 것으로 1590~1609년에 부자관계인 네덜란드의 한스 얀센과 자하리아 얀센, H. 리퍼사이에 의해 각각 발명되었다.

초기의 복합현미경에 이용되던 렌즈는 색수차로 인해 사용하는 데 어려움이 많았지만 굴절률이 서로 다른 망원경용 렌즈들을 현미경에 이용함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

색지움 렌즈

색수차를 없애주는 렌즈로 색소(色消)렌즈라고도 한다. 최초의 현미경용 색지움렌즈는 18세기말에 네덜란드에서 제조되었지만 배율은 매우 낮았다. 렌즈의 배율이 높아지면 구면수차(spherical aberration：렌즈의 곡면으로 인해 통과한 빛이 한 곳에 수렴되지 못하여 상이 흐려지는 현상)가 형성되고 색지움의 효과를 떨어뜨리기 때문에 고배율 색지움렌즈의 제조는 매우 어려웠다.

1830년 영국의 현미경학자 J.J. 리스터는 2개의 색지움렌즈를 조합하여 색수차와 구면수차가 크게 낮아진 고배율 렌즈를 개발했다.

19세기말경 현미경의 발전에 가장 큰 공헌을 한 사람은 독일의 E. 아베이다. 그는 렌즈의 해상능과 집광력을 구경계수(numerical aperture)로 표현함으로써 서로 다른 렌즈들을 직접 비교할 수 있게 했으며, 유침렌즈(oil immersion lens：표본과 렌즈 사이에 기름을 침윤시켜 사용하는 대물렌즈)를 개발함으로써 해상능과 상의 질을 향상시켰다. 그후 그는 독일의 카를차이스사(Carl Zeiss)와 공동으로 고도색지움렌즈(apochromatic lens)라고 하는 전혀 새로운 방식의 렌즈를 개발했다.

금세기에 들어와서는 위상차현미경과 자외선현미경을 비롯해 특수한 목적을 가진 여러 현미경들이 개발되었다. 그러나 현미경 발달사의 가장 획기적인 사건은 종전의 현미경과는 전혀 다른 전자현미경이 출현한 것이다.

단순현미경

개요

확대경 또는 루페(loupe)라고도 하며, 손잡이가 달린 돋보기나 시계수리공용 단안경 등이 모두 포함된다.

렌즈의 시야

볼록렌즈를 통해 들어오는 물체의 범위인 렌즈의 시야(field of view)는 렌즈의 지름에 비례하고 렌즈와 눈의 거리에 반비례한다.

그러므로 최대의 시야를 얻기 위해서는 눈과 렌즈의 거리를 가깝게 해야 하지만 상의 초점을 맞추기 위해서는 렌즈와 물체의 거리를 조절해야 한다. 저배율의 렌즈는 시야가 넓고 구면수차·색수차·코마(coma：렌즈의 각 부분에 따라서 배율이 일정하지 않은 현상)와 같은 문제점은 별로 없지만 전체적으로 상이 찌그러지거나 상의 주변부로 갈수록 배율이 변하는 현상이 나타난다. 그러나 20× 이상의 고배율 렌즈는 시야가 좁고 색수차와 구면수차의 현상이 심하게 나타난다.

렌즈의 종류

고배율 확대경용 렌즈는 다음의 4가지 기본형으로 구분할 수 있다.

① 스태너프 렌즈(Stanhope lens)：렌즈의 두께가 두껍고 한쪽 면만 볼록하다. 상의 일그러짐과 측면 색수차가 심하게 나타난다.

② 코딩턴 렌즈(Coddington lens)：양면이 볼록하며 중앙의 홈은 조리개의 역할을 한다. 스태너프식 렌즈보다 좋은 상을 만든다.

③ 울러스턴 이중렌즈(Wollaston doublet)：2개의 평철(平凸)렌즈와 조리개를 조합한 형이다.

구면수차와 색수차를 감소시켜 주는 효과는 있지만 시야가 좁고 작업거리(초점을 맞추었을 때 렌즈의 전면과 물체 사이의 거리)가 짧은 결점이 있다.

④ 슈타인하일(Steinheil)과 헤이스팅스(Hastings) 색지움렌즈：현재 사용되고 있는 확대경용 색지움 이중렌즈 또는 삼중렌즈는 거의 모두 여기에 속한다(→ 슈타인하일 렌즈, 헤이스팅스 렌즈). 크라운 유리(crown glass：플린트 유리에 비해 굴절률이 작은 소다석회유리인 광학유리)로 된 양철(兩凸)렌즈의 앞뒤에 플린트 유리(flint glass：납과 칼륨의 규산염으로 만든 납유리)로 된 2개의 요철(凹凸)렌즈를 조합한 것으로, 광축으로부터 25° 이하의 빛에 대해서 구면수차와 코마 현상이 거의 없으며 상의 일그러짐도 감소된다. 또한 상이 밝고 작업거리가 긴 장점이 있다.

복합현미경

개요

복합현미경은 대물렌즈와 대안렌즈가 표본에 대해서 상대적으로 움직이면서 상을 만들도록 되어 있다. 집광렌즈(condenser lens)와 반사경으로 구성된 조명장치가 필요하다. 광원으로는 햇빛이나 인공조명이 사용될 수 있다. 최종 배율은 대물렌즈와 대안렌즈의 배율을 곱한 값이며 두 렌즈는 현미경 경통의 상하에 부착된다. 경통이 1개이면 단안현미경(monocular microscope), 경통이 2개이면 쌍안현미경(binocular microscope)이라 한다. 일반적으로 초점거리가 16, 4, 2㎜인 3개의 대물렌즈가 부착되며 배율은 각각 10×, 40×, 100×가 된다. 만약 대안렌즈의 배율이 10×라면 이 현미경으로 볼 수 있는 배율의 범위는 100×에서 1,000×가 된다.

경통

대안렌즈와 대물렌즈가 상하로 부착된 원통을 말한다. 이것은 현미경 손잡이가 받침대에 연결되어 고정된다. 경통에는 움직임이 큰 조동나사와 작은 미동나사가 부착되어 있어 상하로 움직일 수 있다. 하단부에는 회전이 가능한 돔형의 대물렌즈 교환기(revolver)가 있어 여기에 몇 개의 대물렌즈를 동시에 부착할 수 있다. 삼안현미경은 쌍안현미경에 카메라를 부착할 수 있도록 경통이 하나 더 추가된 것이다.

재물대

재물대는 관찰하려는 표본을 고정시키는 판으로 현미경의 광축과 정확하게 직각을 이루어야 한다. 중앙에는 빛이 들어오는 하나의 구멍이 있고 슬라이드 글라스를 고정할 수 있는 2개의 클립이 부착되어 있으며 그 아래로는 집광기와 반사경이 위치한다.

대물 렌즈

현미경의 배율과 해상능은 대물렌즈에 의해 크게 좌우된다. 초기의 현미경에서 사용되던 대물렌즈의 주된 문제점은 색수차와 구면수차였다. 색수차는 상주위에 2차 스펙트럼을 형성하지만 구면수차는 상을 안개처럼 흐리게 만든다. 색수차는 굴절률이 다른 몇 개의 렌즈를 조합하여 제거할 수 있으며 동시에 이것은 구면수차도 일부 또는 완전히 없앨 수 있다. 코마, 비점수차, 상의 일그러짐과 휘어짐과 같은 현상도 대물 렌즈에 의해 야기될 수 있다.

현미경의 해상능과 집광능력은 대물렌즈의 구경계수에 의해 결정된다. 구경계수의 개념은 1873년 아베에 의해 제안된 것으로 이것은 렌즈의 해상능을 수치로 표현한 것이다. 즉 건식렌즈에서는 구경계수 N.A.＝sin a(a＝구경각 × 1/2)이며 유침 렌즈에서는 이것에 기름의 굴절률을 곱한 값이다. 구경계수는 렌즈의 해상능뿐 아니라 집광력을 표현하는 직접적인 척도가 되며 이 수치로 렌즈간의 성능도 쉽게 비교될 수 있다.

대물 렌즈의 종류는 초점거리·구조·수차의 보정률에 따라 분류된다. 대물 렌즈의 가장 일반적인 초점거리는 저배율의 경우 75, 50, 25㎜이며 중간배율은 16, 8㎜, 고배율은 4, 2㎜이다. 구조에 따라서 색지움렌즈, 준고도색지움렌즈, 고도색지움 렌즈로 분류되며 이 순서대로 수차가 작아진다.

① 색지움 대물렌즈(achromatic objective lens)：색소 렌즈라고도 하며 대물렌즈의 가장 일반적인 종류이다. 파장이 크게 다른 두 색(특히 적색과 청색)이 한점에서 초점을 형성하도록 함으로써 색수차를 제거하는 렌즈이다. 보정은 항상 2가지 색에 대해서만 이루어지기 때문에 종종 스펙트럼의 나머지 색들이 상주위에 줄무늬를 형성할 수 있는데 이것을 잔류색 또는 2차 스펙트럼이라 한다. 그러나 2차 스펙트럼은 상에 큰 영향을 주지는 않는다. 색지움렌즈는 구면수차와 코마 현상도 함께 보정해주는 효과가 있다.

② 고도색지움 대물 렌즈(apochromatic objective lens)：고도 또는 고차 색소렌즈라고도 한다. 형석을 이용한 새로운 방식의 렌즈로 아베에 의해 발명되었다. 색지움 효과는 뛰어나지만 제조가 까다롭고 단가가 비싼 결점이 있다. 동일한 초점거리의 색지움 렌즈에 비해 구경계수가 크다. 작업거리가 짧기 때문에 사용할 때 특별한 주의를 필요로 한다. 모든 고도색지움렌즈, 준고도색지움 렌즈에서는 측면 색수차로 인해 배율에 오차가 생길 수 있지만 특수한 보정용 대안렌즈를 사용함으로써 제거될 수 있다.

③ 준고도색지움 대물 렌즈(semi-apochromatic objective lens)：반고도 또는 반고차 색소 렌즈라고도 하며, 색지움 렌즈와 고도색지움 렌즈의 중간적인 특징을 갖는다. 고도색지움렌즈와 마찬가지로 형석이 이용되지만 이것에 비해 제조가 쉽고 비용도 싸다. 색지움렌즈보다 색수차와 구면수차 및 2차 스펙트럼을 덜 형성하며 구경계수도 15~30% 정도 더 크다.

④ 구면수차와 커버글라스：큰 구경계수의 건식 대물 렌즈는 커버글라스(덮개유리)의 두께로 인해 심한 구면수차가 생길 수 있다. 저배율의 렌즈에서는 구면수차가 무시될 수 있지만 고배율의 고도색지움렌즈는 커버글라스의 두께(약 0.17㎜)가 고려되어 제조되어야 한다.

⑤ 평시야 대물 렌즈(flat-field objective lens)：상의 휘어짐을 보정하기 위해 역의 휘어짐을 만들어주는 오목렌즈를 추가한 것으로 현미경사진촬영용으로 적합하다.

⑥ 대물 렌즈 마운트(objective-lens mount)：대물렌즈를 끼우는 금속제의 원통으로 이것은 다시 대물 렌즈 교환기에 부착된다. 스프링식 완충장치가 되어 있어 대물 렌즈가 슬라이드글라스에 부딪칠 경우 렌즈를 보호할 수 있다. 렌즈의 배율과 구경계수가 표시되는 것이 일반적이다.

대안렌즈

대안렌즈는 대물렌즈에 의해 만들어진 1차의 상을 더욱 확대하여 최종의 상을 형성해준다. 구조에 따라 다음의 몇 가지로 구분된다.

① 호이헨스 대안렌즈(Huygenian eyepiece)：부대안렌즈(negative eyepiece)라고도 한다. 위에 있는 작은 안렌즈(eye lens)와 아래에 있는 큰 시야렌즈(field lens)의 크기가 다른 2개의 평철렌즈로 구성된다. 시야렌즈의 초점거리는 대안렌즈의 2배이며 두 렌즈 사이의 거리는 대안렌즈 초점거리의 2배 정도가 된다. 조리개는 두 렌즈 사이에 위치한다.

② 램즈던 대안렌즈(Ramsden eyepiece)：정대안렌즈(positive eyepiece)라고도 한다. 초점거리가 비슷한 2개의 평철렌즈가 철면을 서로 마주하며 조리개는 시야렌즈의 아래에 위치한다. 두 렌즈 사이의 거리는 초점거리의 약 2/3 정도이며 조리개의 위치는 대안렌즈의 초점면과 일치한다. 호이헨스식과 램즈던식에서 사용되는 렌즈들은 모두 색지움렌즈는 아니지만 렌즈의 적당한 배열에 의해 구면수차와 색수차가 제거된다.

③ 켈르너 대안렌즈(Kellner eyepiece)：램즈던식과 거의 비슷하지만 대안렌즈가 색지움이중렌즈로 되어 있다는 점이 다르다.

④ 보정대안렌즈(compensating eyepiece)：수차보정대안렌즈라고도 한다. 안렌즈는 색지움이중렌즈로 되어 있다. 안렌즈와 시야렌즈를 조절함으로써 대물렌즈의 오차를 보정한다.

⑤ 현미경사진촬영용 대안렌즈(photomicrographic eyepiece)：경통의 중간에 광선 분리장치가 있어 두 방향으로 상을 맺을 수 있다. 수평방향의 것은 관찰자가 상의 초점을 조절하기 위해 사용한다.

집광기 및 조명

현미경의 상을 밝게 하기 위해서는 대물렌즈에 빛을 모아 보내주는 별도의 렌즈, 즉 집광렌즈가 필요한데 이러한 장치를 집광기(condenser)라고 한다. 집광렌즈는 중심을 현미경의 광축과 일치시키고 대물렌즈에 대해서 초점을 맞출 수 있도록 상하좌우로 조절하도록 되어 있으며 광량을 조절할 수 있도록 조리개가 부착되어 있다. 가장 많이 사용되는 방식은 2개의 렌즈로 구성된 아베형 집광기이다. 이것은 색지움렌즈를 사용하지 않기 때문에 비용도 싸고 구조도 간단하지만 색수차와 구면수차가 심하게 나타나며 고배율에서는 해상능이 떨어지는 결점이 있다.

색지움렌즈를 사용한 삼렌즈식 아베형 집광기는 이러한 결점을 보완한 것으로 고도의 해상능을 필요로 하는 현미경에만 이용된다. 최근의 현미경들은 광원으로 햇빛 대신에 내장된 전구를 사용하는 것이 많다. 가장 밝은 상을 보기 위해서는 전표면의 상이 대물렌즈에 정확하게 맺혀야 하는데 이것을 광원초점 또는 임계조명(critical illumination)이라 한다. 조명내장형 현미경은 전구의 전방에 별도의 조리개와 집광렌즈가 있는 것이 일반적이다. 경사식 또는 하향식 조명방식은 불투명한 물체를 관찰할 경우에 이용된다.

특수현미경

특수현미경은 다음의 몇 가지로 구분된다.

① 입체 쌍안현미경(stereoscopic binocular microscope)：쌍안현미경이라고도 하며, 실체와 같은 3차원적인 상을 보여준다. 해부 및 수술 또는 전기회로·반도체·섬유·금속 등의 표면관찰과 같은 비교적 저배율의 작업에 사용된다.

② 한외현미경(ultramicroscope)：암시야현미경(darkfield microscope)이라고도 한다. 굴절률이 다른 두 상 사이에서 광선이 산란되는 원리를 이용한 현미경이다. 콜로이드 입자를 연구하기 위해 개발된 현미경으로 5~10㎜의 크기까지 관찰이 가능하다. 콜로이드 현탁액에 현미경의 광축과 직각으로 강한 광선을 비추면 광선은 입자에 의해 산란되기 때문에 입자의 위치와 운동을 관찰할 수 있다.

③ 금속현미경(metallographic microscope)：금속과 같은 불투명한 물체의 표면을 관찰하기에 적합한 현미경이다.

④ 위상차현미경(phase-contrast microscope)：살아 있는 세포나 투명한 물체를 염색하지 않고 광학적인 방법(회절판에 의해 상의 위상을 관찰함)에 의해 내부구조를 관찰할 수 있도록 만든 현미경이다. 즉 굴절률과 대상물의 두께 차이로 생기는 위상의 차를 이용한 것이다. 상의 정확한 크기를 측정하기 어렵다는 결점이 있다.

⑤ 간섭현미경(interference microscope)：위상차현미경과 비슷하게 투명한 물체의 내부구조를 관찰하는 데 이용된다. 위상차현미경과 원리가 비슷하지만 여러 세포구조의 광학적 상의 차이를 결정할 수 있으며 표본의 크기를 비교적 쉽게 측정할 수 있다.

⑥ 자외선현미경(ultravio-let microscope) 및 형광현미경(fluorescence microscope)：자외선은 가시광선에 비해 파장이 짧기 때문에 해상능은 그만큼 증가한다. 최초로 개발되었던 자외선현미경은 동일한 구경계수의 일반 현미경에 비해 해상능은 2배로 증가되지만 자외선은 관찰자의 눈에 치명적인 해를 주기 때문에 현미경 사진에 의존하여 상의 초점을 맞추어야 하는 번거로움이 있었다. 최근에는 자외선 텔레비전 카메라를 이용함으로써 자외선현미경의 사용이 보다 편리해졌다. 형광현미경은 가시광선에 가까운 자외선하에서 형광을 발하는 형광색소를 표본에 주입함으로써 특별한 성분이나 원소의 위치와 특성 등을 조사할 수 있도록 만들어진 현미경이다. 생물학·의학 등에서 이용한다.

⑦ 반사현미경(reflecting microscope)：일반 렌즈계에 반사경을 삽입한 현미경으로 색수차가 없을 뿐 아니라 가시광선·자외선·적외선에서 모두 동일한 초점거리를 보여준다. 동일한 구경계수의 일반 렌즈계에 비해 작업거리가 길어서 생물을 해부하거나 소형의 밀폐용기 속의 물체를 관찰하는 데 주로 이용한다.

⑧ 적외선현미경(infrared microscope)：적외선을 가시적인 상으로 나타나게 만든 현미경이다. 적외선에 대한 물체의 전도율과 반사율을 측정하며 적외선으로 나타나는 물체의 특성을 조사하는 데 사용된다. 특히 위조문서의 감식과 반도체 실리콘의 표면 결함을 조사하는 데 유용하다.

⑨ 편광현미경(polarizing microscope)：2개의 편광판이 삽입되어 있어 편광에 의한 물체의 복굴절성을 관찰할 수 있는 현미경이다. 결정이나 섬유구조 및 분자의 이방성 등을 조사하기에 적당하다.

⑩ 텔레비전현미경(television microscope)：현미경의 상을 텔레비전 화면에 나타나게 하는 현미경으로 교육용이나 상의 기록용으로 적합하다. 최근에는 여기에 컴퓨터를 접목시킴으로써 상의 정확한 계측과 데이터의 자동처리도 가능하게 되었다.

⑪ 레이저 현미탐침(laser microprobe)：레이저 미소탐침이라고도 한다. 물체의 특정 부분에 레이저 빔을 정확히 조준할 수 있도록 현미경이 부착된 레이저 장치로 미량의 성분을 분석하는 데 이용된다.

⑫ 홀로그래프법(holographic technique)：레이저 광선을 이용하여 현미경의 상을 3차원적인 영상 또는 사진, 즉 홀로그램(hologram)으로 나타내는 방법이다.

⑬ X선 현미경법(X-ray microscopy)：방사선현미경법이라고도 한다. X선은 이론적으로는 해상능을 크게 높일 수 있지만 실제로는 그렇지 못하다. 높은 해상능을 얻기 위한 것보다는 물체의 X선 흡수도를 분석하기 위해 주로 이용된다.

⑭ 주사형 광학현미경(scanning optical microscope)：주사 배열을 이용하여 대물렌즈가 시료의 작은 부분들을 주사하고 이것들을 모아 넓은 부분에 대한 상을 만들 수 있는 현미경이다. 주사형 광학현미경의 원리는 다음과 같다. 광원에서 나온 빛은 집광기를 통과하고 시료 위에 초점을 모으며, 래스터(raster) 방식으로 주사한다. 시료를 통과한 빛은 광탐지장치가 부착된 집광기로 모여 전기적 신호로 변화된 후 모니터에서 상을 형성한다. 주사현미경은 스펙트럼 흡수(spectral absorption)를 비롯하여 물체의 특성을 세부사항까지 조사할 수 있다. 최근에 개발된 동초점 주사현미경연구(confocal scanning microscopy)는 2대의 현미경을 이용하여 단일 평면 화상 또는 광학적 단면을 만들 수 있다.

전자현미경

개요

광원으로 전자를 이용한 현미경으로 6만 V의 고전압으로 가속된 전자는 파장이 매우 짧은 0.05Å(녹색빛의 1/100,000)이기 때문에 현미경의 해상능을 크게 향상시킬 수 있다. 진정한 전자현미경은 1933년에 최초로 만들어졌으며 이것이 실용화된 것은 1935년부터이다. 오늘날의 전자현미경은 0.2Å 이하의 크기까지도 관찰이 가능하다.

광학현미경과의 차이점

전자현미경은 일반 광선 대신에 전자 빔을 필요로 하는데 전자는 공기를 통과하지 못하므로 현미경의 내부는 진공상태이어야 한다.

광학현미경에서는 각 렌즈들의 초점거리는 일정하며 대물렌즈와 표본 사이의 거리는 변하는데 전자현미경은 렌즈 자체의 초점거리가 변하며 표본과 대물렌즈와 렌즈 사이의 거리는 일정하다(→ 줌렌즈). 배율은 중간렌즈와 투영렌즈의 코일에 통하는 전류의 세기에 의해 결정되며 상의 초점은 대물렌즈의 코일에 흐르는 전류에 의해 조절된다. 광학현미경은 실제의 상을 볼 수 있지만 전자현미경은 형광판이나 사진판을 통해 상을 볼 수 있다. 광학현미경은 표본의 빛을 흡수함으로써 상이 형성되는 반면, 전자현미경에서는 전자가 표본의 원자에 의해 산란됨으로써 상이 형성된다. 무거운 원자는 산란도가 크므로 가벼운 원자에 비해 짙은 상을 만든다.

렌즈

정전기 또는 전자기는 전자에 대해서 렌즈의 역할을 할 수 있는데 이러한 원리를 이용한 전자렌즈를 정전기렌즈(electrostatic lens) 및 전자기렌즈(electromagnetic lens)라 한다. 전자기렌즈는 집광계와 투영렌즈(projector lens)에 이용된다. 정전기렌즈는 구면수차, 일그러짐, 코마, 비점수차, 상의 곡률이 나타나고 전자기렌즈는 가장 큰 문제점이 색수차인데 이것은 전자의 파장, 즉 전자의 속도가 일정하지 않기 때문에 일어난다.

전자속도가 일정하지 않은 이유는 전자총에 공급되는 전류가 불안정하거나 전자가 시료의 원자와 충돌할 때 발생하는 에너지의 손실 때문이다. 전류의 불안정은 전원을 조절함으로써 해결될 수 있지만 에너지 손실의 문제는 근본적으로 해결하기 어렵다. 그러나 현재 사용되는 전자현미경에서는 표본의 두께가 얇고 전자의 에너지가 충분히 높기 때문에 에너지 손실로 인한 수차가 크게 줄어들었다. 구면수차는 렌즈의 구경계수를 낮춤으로써 제거시킬 수 있다. 비점수차는 자기장의 불균형이나 렌즈 제조사에 문제가 있을 때 또는 진공실 내에 기체 분자가 남아 있을 때 나타날 수 있다.

전자현미경의 종류

투과형 전자현미경(transmission electron microscope/TEM)

투과형 전자현미경은 다음의 3가지 필수적인 장치가 있다.

전자 빔을 쏘는 전자총과 빔의 초점을 조절하는 집광계, 대물렌즈·재물대·중간렌즈·투영렌즈로 구성된 상 형성계(image-producing system), 전자의 상을 우리가 인지할 수 있는 상으로 전환시켜주는 상 기록계(image-recording system)인 형광 스크린과 사진기로 구성된다.

여기에 추가하여 진공 펌프와 밸브로 구성되는 진공장치와 안정된 전력 공급장치도 필요하다.

① 전자총과 집광계：전자원은 전자총의 음극으로 V형의 텅스텐 필라멘트 또는 육붕소화란탄의 뾰족한 막대로 되어 있으며 필라멘트는 베늘트 실린더(Wehnelt cylinder：전자를 정전적으로 집속시켜주는 금속제의 원통 전극)에 의해 둘러싸여 있다. 집광렌즈는 전자총과 표본 사이에 위치하며 전자 빔의 강도와 구경각(angular aperture)을 조절하는 역할을 한다.

② 상 형성계：표본은 진공실 안의 재물대에 고정되며 재물대는 외부의 조절장치에 의해 움직일 수 있다. 대물렌즈는 초점거리(1~5㎜)가 짧으며 20~200×의 중간상을 형성해준다. 이 상은 다시 투영렌즈에 의해 더욱 확대되는데 1개의 투영렌즈로는 5×의 확대가 가능하다.

최근의 현미경에는 2개의 투영렌즈가 이용되며 이중 하나는 중간렌즈(intermediate aper-ture)라 한다. 최종 배율은 1,000~25만 ×로 하는 것이 일반적이다. 더욱 높은 배율이 필요하면 이것의 사진을 다시 확대하면 된다(→ 광상).

③ 상의 기록：전자에 의해 형성되는 상은 현미경의 기저부에 위치한 형광 스크린을 통해 볼 수 있도록 다시 전환되는데 이것을 통해 상을 조사하고 초점을 조절한다.

여기에는 저배율의 광학현미경이 부착되어 있어 스크린의 상을 10×까지 확대시킬 수 있지만 스크린 자체의 입자로 인해 자세한 부분은 나타나지 않는다. 그러나 전자의 상을 사진건판에 나타내면 스크린에서는 확인되지 않던 세밀한 부분까지도 나타난다.

초고압 전자현미경(high-voltage electron microscope)

일반 전자현미경은 200~300kV 정도의 전압이 이용되지만 초고압 전자현미경에서는 1,500kV까지의 높은 전압을 이용하므로 전압 상승에 따른 해상능의 향상, 표본에 대한 전자의 투과도 향상, 표본에 의한 전자의 에너지 손실과 분산으로 발생하는 색수차의 감소, 전자에 의한 표본의 가열과 복사에 의한 손상의 감소 등의 이점이 있다.

100kV일 때에 비해서 5,000kV에서 해상능의 향상률은 이론적으로 2.5×이지만 실제로는 그만큼의 효과가 나타나지는 않는다. 초고압 전자현미경은 주로 전자의 투과도를 높이고 색수차를 감소시킬 목적으로 사용된다. 그러나 상이 뚜렷하지 않다는 결점과 안정된 고전압을 유지해야 하는 데 따르는 기술적인 어려움이 남아 있다.

주사형 전자현미경(scanning electron microscope/SEM)

주사형 전자현미경은 물체의 표면구조를 관찰하는 데 이용된다.

투과형 전자현미경과는 달리 전자 빔이 표본의 표면을 체계적으로 이동하며 조사한다. 표본의 표면에서 반사된 전자는 모아져 섬광체(scintillator：전자가 충돌하면 섬광을 내는 결정체)를 통과하면서 빛을 내게 된다. 이 빛은 광전자증배관(photomultiplier)에 의해 증폭된 광전류로 전환된 다음, 전류는 다시 전시용 음극관인 텔레비전의 스크린에 영상으로 전환된다. 부피가 큰 물체도 직접 표본으로 사용될 수 있으며 특별한 표본 제작과정은 필요하지 않다.

그러나 선명한 상을 얻기 위해서는 시료의 표면에 얇은 금속막(두께 50~100Å)을 증착(烝着)시키거나 경우에 따라서는 방전제를 분무해야 한다.

전자탐침 미량분석기(electron-probe microanalyzer)

전자가 물체에 충돌할 때 발생하는 X선의 세기를 측정함으로써 미량의 원소나 성분을 분석하는 기기이다.

장(場)방출 현미경(field-emission microscope)

전자방출 현미경이라고도 하며 금속을 분석하는 데 이용된다.

음극선관의 내부에 분석하려는 금속선을 넣고 높은 전기장의 끝에서부터 전자를 방출시키면 전자는 음극관의 스크린에 도달하여 상을 형성한다. 이와 유사한 원리를 이용한 것으로서 장이온 현미경(field-ion microscope)이 있는데 이것은 결정구조의 결함이나 금속표면의 화학반응과 방사선 효과를 관찰하는 데 적합하다.

양성자산란 현미경(proton-scattering microscope)

이온총으로부터 나오는 양성자를 구리나 텅스텐 같은 금속에 충돌시켜 산란되는 결과를 형광 스크린에 나타나게 하므로 금속의 결정구조를 조사할 수 있도록 만들어진 현미경이다.

음향현미경

음파를 이용하여 광학현미경으로는 관찰할 수 없는 불투명한 물체나 유백색 물체, 빛을 완전히 흡수하는 매질들을 관찰할 수 있게 V.I. 울리야노프전기회사(V.I. Ulyanov [Lenin] Electrotechnical Institute)의 S.Y. 소코로프가 고안한 현미경이다. 음향파들은 광파에는 불투명한 물체를 쉽게 통과할 수 있고 진동수 3,000kHz 의 음파를 이용하면 광학현미경과 같은 해상도를 얻을 수 있다.

음향현미경의 구조는 조그마한 사파이어 막대가 중심을 이루고 산화아연(ZnO)으로 이루어진 압전물질이 편평한 면에 얇은 막을 형성하고 렌즈 역할을 하는 구형 부분으로 되어 있다. 공동이 있는 끝 쪽이 표본과 함께 물속에 잠기고 압전물질에 주기적인 전기장이 통과하면 팽창과 수축을 하여 음파를 생성한다. 사파이어와 물의 접촉면에서 음파는 크게 굴절되고 사파이어 막대에서 나온 평면파는 액체 속에서 구면파로 바뀌어 사파이어 막대 렌즈의 공률 중심 근처에 있는 요부(waist) 또는 초점(focus)으로 모인다. 주사방식 음향현미경에서 해상도의 최소치는 요부의 지름에 의해 결정된다. 렌즈를 통해 들어온 파는 전기적 신호로 바뀌고 모니터나 사진으로 상이 형성된다. 음향현미경은 종파(longitudinal wave)·충격파(shear wave)·표면파(surface wave/Rayleigh wave：19세기에 레일리 경에 의해 처음으로 기술되었음)의 3가지의 음파를 이용한다(→ 레일리파). 종파는 가장 일반적으로 사용되며, 표면파는 불투명한 표면구조의 조사에 유용하다. 높은 진동수의 음파는 표면의 탄성 특성이나 생물학적 세포의 내부구조를 연구하는 데 이용되고 낮은 진동수의 음파(500kHz 이하)는 표면 밑의 구조를 연구하는 데 이용된다. 그밖에 물질 내부의 결합이나 반도체 물질의 생산과정, 유리나 탄소섬유의 밀도 또는 분포, 표면의 작은 흠집 등을 조사하는 데도 이용된다.

주사 터널링 현미경

표면의 국지적 전도성을 측정하기 위해 양자역학의 터널 현상을 이용하여 1981년 G. 비니히와 H. 로러가 고안한 현미경이다. 텅스텐 탐침 바늘의 끝이 시료의 표면으로부터 수 Å 떨어져 있고 둘 사이에 낮은 전압이 걸리면 전자가 그 틈을 통과하게 된다.

탐침이 시료의 표면을 주사하면서 터널 전류의 변화를 기록하고 이것으로 표면의 위상학적인 상을 형성한다. 비니히와 로러는 이것을 이용해 금의 표면을 처음으로 관찰했으며 해상능은 단일 원자를 관찰할 수 있는 수준이다. STM은 금속의 표면 연구, 산소 같은 원소의 흡수와 확산 연구에 이용되며, 금 박막 위에 금 또는 은, 니켈 등의 에피택시(epitaxy：어떤 결정이 다른 결정의 표면에서 특정 방향을 가지고 성장하는 것)를 관찰할 수 있다.

STM은 진공 속, 공기, 물, 유전액체, 전해질용액 등에서 작동가능하고 4~973K의 온도 범위에서 작동된다. 저온에서는 초전도체의 연구에, 고온에서는 금속 표면을 통한 원자의 빠른 확산과 부식의 연구에 이용된다. 그밖에 시료의 표면으로부터 원자들을 이동시키거나 여러 기체 속에서 에칭속도(etching rate)를 증가시키는 데도 이용된다(→ 주사 터널링 현미경).

관찰표본 제작

광학현미경용표본

부피가 크거나 불투명한 표본은 하향식 조명이 장치된 저배율의 현미경에 의해 직접 관찰될 수 있다. 금속의 경우는 연마 또는 부식시켜 관찰하며 분말성 표본은 단순히 슬라이드글라스에 도말하거나 수지에 포매한 후 커버글라스로 덮어서 검경한다.

살아 있는 단세포생물이나 소형 무척추동물을 관찰할 때는 적당한 용액을 떨어뜨리고 검경한다. 생물을 영구 슬라이드 표본으로 제작하기 위해서는 시료를 고정·염색·탈수·세척한 뒤 합성수로 포매하여 커버글라스를 덮는다. 너무 큰 시료는 적당한 시약에 넣고 흔들어서 세포를 분리시키거나 파라핀에 포매한 후 절편으로 얇게 자른다. 그런 다음 슬라이드 위에 절편을 얹고 파라핀을 용해시킨 후 염색하여 합성수지에 포매한다.

전자현미경용 표본

전자현미경용 표본은 매우 얇아야만 전자가 통과할 수 있다. 고정·탈수 과정을 마친 생물 시료는 메타크릴레이트나 에폭시 수지에 포매시킨 다음 울트라마이크로톰(ultramicrotome)을 이용하여 초박절편으로 자른다. 나이프에 의해 절편이 잘리면서 증류수 위에 뜨게 되는데 이것을 다시 구리 격자판 위에 올려 건조시킨 다음 전자현미경 속에 넣어 관찰한다.

전자현미경용 표본의 염색은 전자밀도를 높여주는 것을 말하는데 시료를 고정할 때나 고정한 직후에 사산화오스뮴으로 처리하면 된다. 또다른 염색법으로 전자염색법이 있는데 이것은 건조과정에 앞서 절편을 납 또는 우라닐염의 용액으로 처리하는 방법인데 앞의 방법보다 상이 더욱 선명하다.

투과형 전자현미경을 이용하여 물체의 표면구조를 관찰하기 위해서는 레플리커 법(replica technique)을 이용해야 한다. 레플리커란 시료 표면의 주형을 말하는데 먼저 플라스틱으로 시료 표면의 레플리커를 뜨고 여기에 탄소를 증착시켜 보강시킨 후 상에 명암을 주기 위해서 측면에서 금속을 다시 증착시킨다. 그런 다음 플라스틱을 용해시키고 현미경에 넣어 관찰한다.

바이러스나 분자의 구조를 관찰하기 위해서는 네거티브 염색법(negative staining technique)을 이용한다. 이 방법은 시료의 주변을 전자밀도가 높은 금속염으로 처리함으로써 현미경 사진에서는 처리부분만이 짙게 나타나게 하는 것이다. 네가티브 사진에서는 시료의 윤곽만이 강조되어 나타난다.