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코셈을 다녀오다: 주사전자현미경(SEM)으로 들여다보는 본 나노의 창.

언젠가부터 전자현미경에 관심을 가지게 되었어요. 기자가 현재 가지고 있는 광학현미경(OLYMPUS CH-30)이 구현할 수 있는 1000배율보다 더 자세히 보고 싶은 마음 때문일 겁니다.물론 기자도 처음에는 최대 50배율 정도의 교육용 현미경으로 관찰하기 시작했지만 이제는 1000배율도 넘어서고 싶어졌답니다. 사람의 욕심이란 게 끝이 없는 것 같아요. 하지만 그런 호기심이 오늘날의 과학을 이끌어 온 원동력이기도 합니다.

전자현미경은 광학현미경과 달리 가시광선이 아니라 파장이 짧은 전자를 광원으로 사용하여 시료를 몇 십만 배까지 확대 관찰할 수 있어요. 한마디로 마이크로(Micro)의 세계가 아니라 나노(Nano)의 세계를 만날 수 있는 것이죠. 시료의 원자구조를3차원으로 관찰할 수 있는 한국기초과학지원연구원의 HVEM까지는 아니더라도 주사전자현미경으로 미생물의 보다 자세한 구조를 살펴본다는 생각에 안절부절하였어요. 게다가 전자현미경의 작동원리도 궁금하고 실제로 조작해보고 싶은 욕심도 들었습니다.

나름대로 조사를 해보았더니 대전에 주사전자현미경을 연구 개발하는 업체가 있다는 사실을 알게 되었어요. 망설이다 용기를 내어 그 회사에 전화로 이런저런 사정을 말했더니 흔쾌히 견학을 허락해주셨답니다. 그곳은 바로 우리나라에 몇 안 되는 주사전자현미경 개발업체인 (주)코셈이었습니다. 나중에 안 사실인데, 코셈의 이준희 사장은 교육사업에도 관심이 많아서 이미 몇몇 사람들에게는 SEM의 자유로운 사용을 허락한 상태라고 들었어요. 기자도 열심히 공부하고 관찰하다보면 그런 행운이 올지도 모르겠다는 혼자만의 상상도 했답니다. 또한 KIST에서 주관하는 나노트럭에 적극 후원하여 첨단 과학장비 체험이 어려운 지역의 중고등학생들에게 SEM과 같은 최신 첨단장비를 소개하고 이해하기 쉽게 참여할 수 있는 프로그램을 운영했다고 합니다. 아쉽게도 지금은 잠정적으로 중단된 상태라고 해요. 아마도 중소기업에서 후원하는 데에는 한계가 있었겠죠. 앞으로 이 나노트럭과 같이 청소년들이 첨단 과학장비를 직접 체험할 수 있는 기회가 더 늘어나기를 희망합니다. 코셈과 같은 뜻있는 중소기업 뿐 아니라 정부에서도 적극적으로 그 방안과 재정을 마련해서 전국적으로 활성화되었으면 좋겠습니다.

(주)코셈은 주사전자현미경(SEM)을 개발·생산하는 중소기업으로 지난 2008년부터 보급형 SEM을 상용화하여 국내시장에서 적극적인 마케팅을 펼치고 있어요. 현재 지구촌에 나와있는 전자현미경들은 일부 메이져급 회사들, 예를 들어, 일본의 Hitachi와 JEOL, 독일의 Carl Zeizz, 체코의Tescan, 미국의 FEI와 같은 회사들이 만들어내는 전자현미경이 주류를 이루고 있답니다. 코셈에서 개발해 낸 주사전자현미경을 메이져급 제품들과 동일한 선상에서 비교하는 것은 좀 힘들겠지만, 성능면에서는 결코 뒤지지 않으면서도 코셈만의 독특한 시스템으로 호평을 받고 있어요. 앞으로 코셈과 같은 선도적인 기업들이 많이 나와서 세계시장에서 당당하게 경쟁하면 좋겠습니다.언젠가 우리나라에도 '미세 구조를 측정·관찰할 수 있는 기법(초 고해상도 형광 현미경 개발)'을 발전시킨 공로를 인정받아 2014년 노벨화학상을 수상한 에릭 베치그(Eric Betzig), 스테판 헬(Stefan W. Hell), 윌리엄 모에너(William E. Moerner)와 같은 과학자가 탄생하기를 소망합니다.

코셈의 이준희 사장은 현재 코셈연구실 한켠에서 충북대학교 물리학과 학생들이 DIY-SEM을 연구개발할 수 있도록 배려하고 있기도 해요. 기자가 찾은 이날 마침 충북대 학생들이 연구를 위해 와 있었어요. 그래서 충북대 제작팀에게 직접 전자현미경의 작동원리와 발전가능성 등 많은 알토란 같은 이야기를 들을 수 있었어요.

전자현미경을 책으로만 봐왔던 기자로서는 그 내부를 자세히 들여다 볼 기회가 생겨서 너무 신났어요. 현재 개발중인 모델을 직접 보면서 제작자들의 설명을 들으니 SEM의 원리가 제대로 이해되었어요. 아직은 초기단계라서 실제로 시료를 관찰할 수는 없다고 합니다. 목표하는 배율은 1000배율이라고 합니다. 사실 그 정도의 배율이라면 기자가 가지고 있는 광학현미경으로도 충분히 구현할 수 있는 정도의 배율이지만, 일단 성공만하면 연구개발 재원을 마련해서 점차 발전시켜나갈 계획이라고 합니다. 아마 국내 대학생들로서는 최초의 역사적 실험이 될 거예요. 충북대 제작팀이 몇 년 안에 정말 멋진 결과를 낼 수 있도록 진심으로 응원합니다. 기자가 다음에 방문할 때는 제작회의나 개발과정도 직접 보고 싶다고 했더니 흔쾌히 허락해 주었어요. 현재 이 모든 제작과정은http://blog.naver.com/cpodeveloper에서 자세히 볼 수 있답니다. 관심있는 동아사이언스 주니어 기자단 여러분들은 방문해서 DIY-SEM에 대해서도 배우고 충북대 제작팀에게 많은 격려와 응원도 해 주면 좋겠어요. 우리 기자단 중에서도 훗날 이 프로젝트에 참여하게 될 사람이 있을지 누가 알겠어요.

기자도 이번 겨울동안 열심히 연구해서 저만의 광학현미경(DIY-OM:Optical Microscope)을 만들어 볼 야심찬 계획을 가지고 있어요. 성공하게 된다면 제작과정부터 당당하게 공개하겠습니다.

우선 전자현미경과 광학현미경의 차이점을 살펴볼까요.

광학현미경은 우리 눈에 보이는 가시광선을 광원으로 사용하고 유리렌즈를 통해 시료를 관찰하는 현미경이에요. 하지만 전자현미경은 가시광선 대신 파장이 아주 짧은 전자를 이용하고 유리대신 마그네틱렌즈를 통해 시료를 관찰하는 현미경이랍니다.

일반적인 사람의 눈으로 볼 수 있는 세계는 약 0.1mm이며, 광학현미경으로 관찰 가능한 세계는0.1㎛입니다. 1㎛는 0.001㎜, 따라서 100마이크로미터는 0.1mm이니까 대략 어느 정도인지 가늠할 수 있을 겁니다. 하지만 원자를 관찰하기 위해서는 약 천만배정도의 확대가 필요하게 됩니다.또한 가시광선으로는 감히 도달하지 못하는 원자들 사이를 헤집고 다닐 수 있는 엄청나게 짧은 파장을 가진 광원이 필요하게 되는 거죠.

좀 더 쉽게 풀어서 말해보면, 광학현미경에서 사용되는 가시광선의 파장은 대략 500에서 600nm인데 이것보다 파장이 훨씬 짧은 전자빔은 그 파장의 길이가 무려 0.004에서 0.00073nm랍니다.이렇게 짧은 파장을 이용하면 어떤 물체든 백만 배 이상 확대할 수 있고 나노세계를 관찰할 수 있는 이른바 분해능을 확보할 수 있게 되는 겁니다.

현미경을 이해하는 데 가장 중요한 요소 중 하나가 바로 분해능이란 것인데요, 분해능(Resolving Power)이란 인접해 있는 두 점을 구분해 낼 수 있는 능력을 말하는 것입니다. 이론상으로는 얼마든지 확대가 가능하지만 아무리 확대율이 커져도 실제로 관찰한 이미지가 선명하지 않다면 아무런 의미가 없어지는 거죠. 이러한 선명도를 결정하는 것이 바로 대물렌즈의 분해능입니다.

그렇기 때문에 이처럼 파장이 엄청나게 짧은 전자빔을 이용해서 시료에 투과하거나(TEM) 혹은 가속된 전자가 시료와 부딪히면서 생성되는 SE(2차전자: Secondary Electron)를 이용하여 시료를 고배율로 관찰하게(SEM) 되는 것입니다. ​

이런 식으로 전자현미경은 크게 투과전자현미경(TEM:Transmission Electron Microscopy)과 주사전자현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)으로 구분 할 수 있습니다. TEM은 전자가 시료를 통과하여 분석하는 것이지만, SEM의 경우는 시료의 표면에 전자파를 주사하여 시료 표면의 정보를 얻는 것을 말해요. 굳이 비유하자면, SEM이 실체현미경의 하이버전이라면, TEM은 광학현미경의 하이버전이라고 말할 수 있습니다. 물론 정확한 비유는 아니지만 분류상 그렇게 이해해도 큰 오류는 아니라고 생각해요.

코셈에서 기자가 체험한 현미경은 SEM인데요, 시료의 표면을 아주 상세하게 관찰해 보았어요. TEM에 관해서는 우리나라 최고의 초고전압 투과전자현미경(HVEM)을 KBSI에서 체험해 볼 예정인데요. 그때 상세하고 생생한 기사로 만나보기로 해요.

그럼 사진을 통해서 자세히 살펴볼까요.

충북대 DIY SEM팀이 개발중인 전자현미경이에요. 하나부터 열까지 모두 직접 만들 것들이라고 하니 그저 놀랍기만 해요. 작고 아담한 진공관 맨 윗쪽에 전자빔을 맞은 필라멘트가 heating되는 중인데 보이시나요? 저기서 전자빔이 발사되면 여러 복잡한 과정을 거쳐 시료에 닿게 되는거죠. 보기에는 간단해보여도 엄청나게 복잡하답니다

충북대 DIY-SEM 제작개발팀, 장차 큰 일을 해낼 주역들이 되리라 믿습니다.

COXEM CX-200. 최대 30만배(유효배율 10만배)까지 조절이 가능하며 소음이 적고 시료 교체시간도 3분 이내로 관찰이 가능합니다. 최대넓이 160mm, 높이 55mm의 큰 챔버가 있어서 다양한 시료를 측정할 수 있어요. 앞쪽에 놓인 두개의 방진장치가 낮설죠? 진동과 소리에 민감한 전자현미경의 정상적인 구동을 위해서는 필수적인 장치랍니다. 기초과학지원연구원에 있는 HVEM의 경우는 건물의 지하전체에 300톤급의 방진장치가 설비되어 있어요. 건물의 지하 전체가 방진시스템으로 되어 있어요. 예전에 동경대학에 있는 전자현미경은 건물전체가 지진에 노출되어 무용지물이 되었다고 합니다. 전자현미경의 경우는 아주 조그만 기울어져도 전자빔이 시료까지 곧장 도달하지 못하고 휘어버리기 때문이래요. 사정이 이러하니 전자현미경을 개인이 소유하는 것은 현재까지는 무리일 수 밖에 없습니다.

COXEM CX-200은 책으로 본 히타치의 SEM에 비해 조작이 간단하고 쉬웠어요. 히타치에 붙어있던 복잡한 패널들도 많이 간소화되고 특히 이미징 작업을 위한 소프트웨어도 사용하기가 편리했어요. 

준비된 시료는 시료대 위에 양면테이프로 고정한 다음 저 박스에 넣고 코팅을 합니다. 코팅의 재료는 주로 금이나 백금인데, 재활용도 가능하다고 해요.

시료챔버 속에 복잡한 모양의 기계장치들이 보입니다. 저곳에 시료대를 장착하고 진공상태로 만들면 관찰할 준비가 완료된답니다.

이것은 전자현미경으로 관찰하기 전에 반드시 거쳐야하는 시료의 금코팅이 완료된 시료대의 모습입니다. 전자현미경의 특성상 시료를 완전히 건조하지 않거나 저렇게 금이나 백금으로 코팅하지 않으면 전자빔에 의해서 시료가 손상되어 제대로 관찰할 수가 없어요. 저 위에 거미와 모기를 비롯해 잠자리와 연잎들이 비싼 금가루로 코팅되어 다소곳이 앉아 있네요.

이날 기자가 가져 간 시료는 충분히 건조되지 않았기 때문에 실제로 관찰해보지는 못했지만, 코셈측에서 마련해주신 거미와 잠자리, 모기 그리고 연잎을 꽤 오랫동안 자세히 관찰할 수 있었어요. 그리고 즉석에서 기자와 피디 그리고 카메라감독의 머리카락을 차례대로 관찰해서 비교해 보았는데요, 역시 나이어린 기자의 머리카락이 가장 건강한 것으로 분석되었어요.

실제로 관찰한 최고사양의 SEM도 좋았지만, 기자의 눈에는 이 모델이 눈을 사로잡았어요. 비교적  저렴하지만 가성비가 좋은 테이블형 주사전자현미경 EM-30. 사용하기 쉬운 인터페이스에 최대 넓이 70mm, 높이 45mm의 시료측정이 가능한 큰 챔버와 시료 교체시간은 2분에 불과하다니 그저 놀라울 따름이네요. 기자의 실험실에 두기에 딱 안성맞춤이지만 현재로선 그저 그림의 떡일 수 밖에 없어서 눈을 뗄 수가 없었어요.

기자가 직접 시료챔버에 시료대를 장착하고 있어요. 모든 동작들이 아주 섬세한 작업을 요하는 것이라 많이 긴장되었어요. 

시료를 코팅하고 시료챔버에 넣고 진공된 상태로 만든 후, 전자빔을 쏘아 시료를 관찰하고 이미지를 불러와 보고 싶은 부분을 마우스를 이동 후 선택적으로 확대하고 포커싱한 다음 저장까지 배운대로 복습중입니다. 조금 복잡해 보이지만, 실제로 해보면 그렇게 복잡하지는 않아요. 다만 포커싱할 때는 조금 섬세하게 작동해야합니다. 다음에 오면 기자 혼자 처음부터 끝까지 성공적으로 수행할 수 있을 것 같아요. 기말고사가 끝나는대로 대전으로 달려가 관찰할 마음에 벌써부터 기대되네요.

분석실 옆에는 강의실도 있었는데요 아마도 우리 기자친구들이 견학가면 이곳에서 친절하게 강의도 해주시는 것 같았어요.

숯의 단면을 3만배 확대해서 찍은 사진인데, 에베레스트 가는 길에 나타난 거대한 크래바스 같아요. 깊이를 가늠할 수 없는 크래바스가 뭐라도 집어삼킬 것 같아 무서워 보입니다.

비교적 양호한 기자의 머리카락의 모습을 1000배율로 확대했어요. 주변에 있던 어른들 머리카락과 비교해보니 확실히 나이가 어릴수록 상태가 좋았어요.

개인적으로 가장 인상적이었던 시료입니다. 절지동물인 거미가 천장에 거꾸로 매달려 돌아다니는 모습을 본 적이 있을 것입니다. 그것은 바로 이 다리털들과 천장면 사이에 작용하는 반데르발스(인력)의 힘이 그 비결인데요. 이 털들이 천장과 몇 나노미터 정도 떨어져있을 때, 희안하게도 그 사이에 반데르발스의 힘이 생겨나는 것입니다. 이 털 하나의 폭은 수백 나노미터인데 그것은 우리 머리카락의 1000분의 1 정도에요. 저 강력하고 신기한 털을 만배나 확대해서 보니 마치 샌프란시스코의 금문교에 걸린 굵고 튼튼한 철근같은 모습이 인상적이었어요. 너무 신기해서 오랫동안 쳐다 보았습니다. 바로 이런 게 현미경 관찰의 묘미가 아닐까요.

연잎의 표면을 각 1700배로 확대한 것입니다. 저렇게 표면이 오돌하니 물이 흡수되기는 커녕 닿자마자 쪼르르 굴러내리는 것에요. 만화영화에도 보면 비가 올때 연잎을 꺾어 머리에 쓰고 가는 장면이 있는데 이런 구조적인 이유가 있었던 거네요.

잠자리 날개의 일부분을 3만배로 확대했어요. 징그럽게 펼쳐져있는 돌기의 역할도 궁금하네요.

잠자리의 눈을 3천배로 확대했어요. 정육각형인 잠자리의 눈은 겹눈 2개, 홑눈 3개인데, 이 낱눈 수천 개가 모여서 이루어진 게 겹눈입니다. 그래서 잠자리가 바라보는 세상은 모자이크같이 엉성하게 보인다고 해요. 비록 잠자리의 눈이 물체의 모양을 감지하는데 서투르다고 해도 장점도 있어요. 모자이크처럼 보이는 세상에서 움직이는 물체는 그 움직임이 더욱 과장돼 보이기 때문에 어떤 움직임도 놓치지 않는다고 합니다. 근데 넌 나한테는 왜 그렇게 잘 잡히니? 

이게 뭘까요? 잠자리목은 그리스어로 Odonata라고 하는데 그 뜻은 '이빨'입니다. 이것은 잠자리가 원래 강한 이빨을 가졌다는 것을 의미하는거죠. 기자 역시 지난 여름에 잠자리에게 코를 물린 적이 있었는데 당시에는 아무도 제 말을 믿지 않아서 무척 서운했던 적이 있었어요. 그때는 무척 억울했지만 이 사진을 보여주면 다들 믿어주겠죠?

모기의 다리 비늘을 3만배로 관찰했어요. 한결같은 패턴을 보이는 비늘들을 보면서 저렇게 생긴 이유가 다 있을거라고 생각하니 그저 경이로웠어요. 모기가 피를 빨아먹을 때 자신의 몸을 고정시키는 역할을 하는 게 바로 저 비늘이라고 합니다. 징그럽죠? 비늘이 빠지고 난 모공이 휑하니 허전해 보이네요. 다음에는 저 모공을 자세히 관찰해야겠어요. 

사실 기자 역시도 뇌신경학자가 되고 싶은 꿈을 가지고 있지만, 과학에 관심있는 많은 영재들이 대부분 의과대학으로의 진학을 목표로 삼고 있는 현실을 생각해 보면, 과학계에서도 쏠림 현상이 심하다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 이 역시도 과학에 대한 단순한 호기심만 가지고 있을 뿐, 제대로 접하고 경험할 기회가 없거나 적어서 오는 현상일 수도 있다고 생각해요. 과학이 일상화되고 보다 많은 학생들이 과학을 이론적으로든 첨단장비를 통해서든 널리 접할 기회가 많아진다면, 호기심 많은 수많은 학생들이 훌륭한 과학자가 되는 길이 멀지만은 않을 것이라고 믿습니다.

비록 그것이 사실로 증명되지 않을지라도,

“만약(If)이라는 가설”을 끊임없이 세우고 또 세우다 보면, 어쩌면 작은 진실 하나쯤은 알게 되지 않을까?

이런 생각을 해보았어요.

윤관우 기자