광학 현미경 원리

광학 현미경은 가장 대중적으로 사용되는 현미경 중의 하나로 네덜란드의 과학자인 얀센에 의해 16세기 후반에 발명되었다. 광학 현미경에서는 관찰하고자 하는 대상에 빛을 조사한후 조사된 빛이 그 대상을 통과해서 대물렌즈에 확대된 상이 맺히게 된다. 

 

목차

1. 기원
2. 원리
3. 성능 결정 요소

 

1. 기원

 

오래 전부터 사람들은 맨눈으로 볼 수 있는 것보다 더 작은 것들을 보고 싶어했다. 현미경은 이러한 목적을 위해서 발명되었다. 현미경은 microscope를 한자로 옮긴 것인데, 작은 것을확대하여 볼 수 있게 하는 장치이다. 최초로 렌즈를 사용한 때가 언제인지는 알 수 없지만, 유리가 빛을 휘게 한다는 것은 2천 년 전부터 알고 있었다.

 

1세기 경 로마 사람들은 유리를 통하여 사물을 관찰하곤 하였는데, 그 중에는 가운데가 두껍고 가장자리가 얇은 유리도 있었다. 그리고 그런 유리가 사물을 실제보다 확대해서 보여줌을 알게 되었다. 렌즈(lens)란 이름은 실제 라틴어 lentil에서 유래하였는데, 이는 이 특이한 유리가 납작하면서도 가운데가 두드러진 모양의 콩(lentil bean)을 닮았기 때문이다. 렌즈는 그 후 잊혀졌다가 13세기에 들어 안경 제조사들이 이용하였고, 1600년 전후로는 렌즈를 조합하여 광학기기가 만들어졌다는 기록이 있다.

초기의 간단한 현미경은 한 개의 렌즈로 되어있었는데, 이는 단지 6~10배 정도 확대하는 정도였다. 스위스의 의사인 게스너는 현미경을 가장 작은 물체를 관찰하기 위한 렌즈라고 하면서, microscopia라는 이름을 붙였다. 1590년 경, 네덜란드의 얀센부자(父子)는 렌즈 몇 개를 통 속에 넣어 봤는데 한 개의 렌즈로 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 확대된 상이 생기는 것을 발견하였다.

이후에 17세기 네덜란드 사람인 레벤후크와 로버트 후크에 의해 대물렌즈와 오목렌즈를 사용한 현미경이 만들어졌고, 그 배율은 300배 정도 되었다. 이들은 "짧은 초점거리를 지닌 렌즈가 배율을 결정짓는 중요한 요소"라는 것을 알아냈다. 그들은 현미경으로 식물세포를 비롯하여 치아 속에 있는 박테리아, 연못에 사는 작은 생물 등 여러 가지 생물의 모습을 관찰하고 기록하였다. 이때부터 그동안 알지 못했던 새로운 미생물의 시대가 열리게 되었다.

 

2. 원리

 

현미경이 물체의 상을 확대하는 원리는 초점거리가 짧은 대물렌즈를 물체 가까이 둠으로 얻어진 1차 확대된 실상을 접안렌즈로 다시 확대하는 것이다. 상이 맺히고 확대하는 것은 물체와 대물렌즈 사이의 거리가 조금만 변하여도 바른 상을 맺지 못할 정도로 매우 예민하다. 현미경의 배율은 물체의 원래 크기에 대한 보이는 크기의 비율이다. 현미경 배율은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율의 곱으로 계산한다.

 

대물렌즈의 초점밖에 작은 물체를 놓으면 대물렌즈에 의해 확대된 실상이 만들어진다. 1차 확대된 실상은 접안렌즈의 입장에서 볼 때 물체의 역할을 하게 된다. 물체는 우리 눈에 가까울수록 잘 보이지만 일정거리보다 더 가까이 가져오면 물체는 더 커져 보이나 상을 정확히 맺힐 수 없기에 흐릿해 보이게 된다. 여기서 우리 눈이 물체를 가장 잘 인식할 수 있는 거리를 명시거리라 하고 보통 250mm이다. 1차로 확대된 상은 명시거리 안쪽에 맺힘으로 잘 볼 수 없기 때문에 볼록렌즈를 써서 상을 뒤로 보냄으로 비로소 뚜렷한 상을 볼 수 있게 된다. 결과적으로 물체를 명시거리 안쪽으로 당겨 확대된 크기의 상을 다시 볼록렌즈인 접안렌즈로 다시 뒤쪽에 맺히게 함으로 우리는 확대된 허상을 또렷하게 볼 수 있게 된다.

 

3. 성능 결정 요소

 

현미경은 물체를 확대하여 정확하게 관찰하려는 도구이다. 따라서 현미경의 성능을 결정하는 주요 요소로는 물체를 크게 보여줄 수 있는 확대능력(magnification)인 배율과 두 점을 구분할 수 있는 최소한의 거리인 해상도(resolution)가 있다. 여기에서 배율은 렌즈의 성능에 의해 결정되고, 해상도는 사용하는 광원의 파장에 의해 결정된다. 광원의 파장이 작을수록 더 작은 물체를 관찰할 수 있기 때문에 현미경에서 사용하는 광원의 파장은 아주 중요하다. 광학현미경의 광원은 파장대가 약 400nm~700nm인 가시광선을 사용한다. 이 범위의 빛에서 짧은 파장대인 400nm의 청색광을 이용할 경우 200nm의 해상도를 가지며, 최고 배율은 1,000배 정도 가능하다. 이보다 더 좋은 해상도와 배율을 원한다면 가시광선보다 짧은 파장의 빛을 써야 한다. 전자현미경의 경우 최대배율이 200만 배에 이르고 해상도는 0.1nm에 이른 것도 있는데, 이는 텅스텐 필라멘트에서 방출되는 파장이 0.005㎚인 전자선을 광원으로 쓰기 때문이다.