현미경이란?
현미경은 인류 탄생이래 비행기, 전기, TV 발명등과 더불어 인류의 발전에 한 획을 그은 발명품이다.
여기서는 광학현미경에 관해서만 다뤘다.
1. 현미경의 발명
현미경에 관한 기록은 AD 1000년경 그리스와 로마시대의 렌즈의 사용때부터이다.
미세한 사물을 확대하기 위하여 렌즈를 사용하였지만 현재로서는 그 기원을 밝히기에는 기록이 부족하다.
다만 현재의 현미경과 같은 구조를 지닌 현미경 (Multiple lens) 을 발명한 사람은 1590년대의 네덜란드사람인얀센 (ZachariasJansen) 과 John Lipperhey이다. 당시의 발명품은 주로 해양탐사를 위해 사용되어 그 형태는 망원경의 모습을 하고 있었다.
이후에 현미경 기술에 지대한 발전을 미친것이 바로 렌즈의 가공 기술인데 반세기 후의 현미경은 17세기 네덜란드 사람인레벤후크 (Anthony van Leeuwenhoek :1632~1723) 와 로버트 후크 (Robert Hooke) 에 의해 현재의 현미경의 모태가 되었으며 이들은"짧은 촛점거리 (焦點距離, focal length- 렌즈의 중심축과 초점이 맺히는 부분까지의 거리) 를 지닌 렌즈가 배율을 결정짓는 중요한 요소" 라는것을 발견하였다.
그들은 또한 순도가 높은 석영을 가공하여 유리를 만들어 렌즈를 제조하였으며 현미경 화상을 불명확하게 만드는 색수차(chromatic aberration-빛이 지니고 있는 각각의 고유한 파장 때문에 생기는 현상)도 발견하게 된다. 색수차에 관해서는 본웹페이지의 렌즈의 특성에 설명되어 있다.
1758년 존 달라드 (John Dollard)는 색수차 현상을 제거시킨 achromatic lens (색지움 렌즈)를 특허 신청했으며 1930년대까지 대부분의 현미경에서 achromatic lens를 사용하게 된다.
17세기 이후 1882년부터 독일의 광학 기술자인 칼 짜이츠 (Karl Zeiss)가 렌즈 가공기술을 개발하면서부터 현미경의 기술이 급속도로 발전하게 되었다.
2. 현미경의 한계와 해상력을 결정짓는 요인
현미경은 대물렌즈에는 적게는 5개에서 15개정도의 렌즈가 들어 있으며 대물렌즈를 구성하고 있는 각각의 렌즈 중심이 정확히 일치해야만 사물을 볼 때 뚜렷하게 보이게 된다.
즉 렌즈를 정밀하게 가공하는 기술이 핵심이라고 할 수 있다. 대물렌즈를 통해서 얻어진 실상은 대안렌즈를 통해서 상하 좌우가 실상과 반대인 허상을 얻게 되는데 이론적으로는 현미경의 최고 관찰 가능배율이 2500배-3000배 정도이지만 실제로는 1500-2000배 이상에서 정교한 시료를 관찰할 경우 뚜렷한 상을 얻기 힘들다. 그 이유는 현미경의 해상도를 결정짓는 것은 렌즈의 배율 보다
는 렌즈의 개구수와 빛의 파장이 크게 좌우하기 때문이다. 해상도란 (해상력) 어느 한계선에 이르기 까지 두 개의 작은 물체가 여전히 분리되어 보이는가를 측정하는 것이 해상력이며 해상도 값이 작을수록 해상도가 좋다고 말할 수 있다.
흔히 디지털 카메라, 또는 PC모니터의 해상도와 착각하는 경우가 있는데 현미경에서 의미하는 해상도와는 전혀 의미가 다르다.
가령 현미경의 해상도가 0.5µm라고 가정한다면 0.5µm까지 떨어져 있는 두 개의 물체를 분리하여 볼 수 있다는 의미인 것이다.
즉, 해상력 (Resoving power) = 0.61 λ / NA(numeral aperture:개구수) 이며 이때 λ는 빛의 파장,
NA (numeral aperture:개구수)= n × sin u
n : 커버글라스와 대물렌즈의 맨 앞에 있는 렌즈 표면 사이의 매개물질 [예, 공기, 물, 유침오일
(immersion oil)]의 굴절률 (refraction index; RI)
sin u : 렌즈의 광축 (optical axis)과 대물렌즈로 들어가는 빛 중 가장 바깥의 광선으로 이뤄지는
각도
즉 NA (렌즈의 개구수)값이 크고 광원의 파장이 짧을수록 해상도는 좋아지게 된다. 통상 대물렌즈의 NA값은 렌즈에 쓰여져 있다.
또한가지 해상력을 결정짓는 빛의 파장에 대하여 말하자면 학교 생물시간에 다뤄봤던 현미경은 그냥 자연광을 이용하지만 대개는 관찰물을 보기위해 광원(Lihgt source)으로 백색광 할로겐, 수은, 레이져광을 이용한다.
할로겐의 파장 영역이 가장 넓으며 다음이 수은, 그다음이 레이져이며 할로겐처럼 파장의 영역이 넓다는 얘기는 다시 말해 시료에 반사되는 빛이 다양하다는 의미 이며 각각의 빛이 (빨주노초파남보) 다양한 반사율을 가지고 시료에서 반사 되므로 배율이 높아질 수록 뚜렷한 화상을 얻을 수 없게 되는 것이다. 이는 이미 설명되었지만 렌즈가 갖고 있는 특성중 하나로서 색수차(Chromaticaberration, 色收差)라고 부른다. 따라서 할로겐 백색광을 이용하여 관찰할 때는 특정 파장만을 통과시키는 필터를 사용하여 관찰하기도 한다.
3. 현미경의 응용
현재는 현미경에 여러 가지 시스템을 응용시켜 눈으로만 보는 것이 아니라 모니터를 통해 보기도 하고 화상처리 이미지 분석 프로그램 (Image Analyzing System) 이용하여 이점(二占)간의 거리, 면적, 체적, 높이, 조도(표면거칠기: Roughness), 3차원 화상등 컴퓨터 프로그램 기술 발달과 더불어 급속한 발전을 이루웠으며 산업, 생물 연구 분야에서 없어서는 안될 중요한 부분을 차지 하고 있다. 최근 에는 반도체 장비에 까지 응용되고 있으며 현미경의 가치를 한단계 더 높였다.
이상과 같이 현미경에 관해 간단히 알아보았지만 현미경은 인류가 가지고 있는 미세 영역을 보고자 하는 열망에 부응하며 의학계와 산업계에 지대한 영향을 끼친 인류 최고의 발명품 이기도 하다. 현미경이 없었다면 미생물, 세포, 박테리아라는 존재도 우리에겐 없었을 것이고 가전제품에 쓰이는 기판하나도 만들 수 없었을 것이다.
어디선가 본글이 기억이 난다. "이세상에 보이는 것만이 다는 아니다.. (물론 현미경을 지칭한 것은 아님^^;;)"
실존하는 미세한 유형의 존재를 우리에게 일깨워준 현미경에게 박수를 보낸다.
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