이주일의 열쇳말 - 분해능

광물을 광학적 성질을 조사하기 위해 개발된 일종의 광학현미경인 편광현미경으로 찍은 사람 머리카락.

현미경 확대때 작은 지점간 최소거리 분해능보다 작은 것은 안보여

중학교에 다니는 철수는 10배짜리 돋보기 렌즈를 가지고 액정 모니터 화면을 보니 조그만 점들이 보였다. 다름 아닌 화소(픽셀)들이 분리되어 보이는 것이다. 이렇게 렌즈를 사용해 개체를 확대하면 희미하게 보이거나 보이지 않던 것이 분명하게 보이게 된다. 그러면 최대 얼마나 확대가 가능할까? 철수는 이번에는 머리카락을 한가락 뽑아 보았다. 잘 보이지 않았다. 그래서 과학반 실험실에 있는 현미경을 써보기로 했다. 처음에는 아무 것도 보이지 않았다. 그래서 이것저것 만지다 스위치를 켜니 무엇인가 보이기 시작했다. 그것은 머리카락에 ‘빛’을 비추어주는 램프의 스위치였다. ‘아, 빛이 있어야 보이는구나!’ 맞다, 철수가 사용한 실험실의 현미경은 ‘가시광선’으로 개체를 관찰하는 광학현미경이다. 이 광학현미경으로는 아무리 확대를 하여도 머리카락의 비늘이 자세하게 보이지 않을 뿐더러 그 두께를 어림잡을 수 없었다. 철수는 왜 그런지 궁금했다. 그것은 바로 ‘분해능’ 때문이다.

‘현미경으로 확대된 이미지에서 구분 되는 두 점의 최소거리’를 분해능이라고 한다. 다시 말하면 분해능보다 작은 것을 볼 수가 없다는 것이다. 분해능은 ~ λ/NA으로 표시되는데 여기서 λ는 빛의 파장을 가리키며 NA는 ‘개구수’(Numerical Aperture)의 약자로 대기 중에서 1보다 작다.

따라서 분해능은 대략 파장과 비슷한데 가시광선의 파장은 약 0.5㎛이다. 철수가 사용한 현미경으로는 약 0.5㎛보다 큰 개체만을 볼 수 있는 것이다.

그러면 0.5㎛보다 작은 것을 보려면 어떻게 해야 하나? 전자현미경을 사용하면 된다. 전자현미경은 가시광선을 사용하는 광학현미경과 달리 전자 빔을 써서 확대된 이미지를 얻는데, 전자현미경에도 광학현미경처럼 전자 빔을 모으는 ‘전자 렌즈’가 있다. 전자현미경의 분해능을 이야기하기 위해서는 전자처럼 질량(무게)를 갖는 입자도 파동의 성질을 가진다는 사실에 주목해야 한다.

또 하나의 방법은 엑스-선 현미경을 사용하는 것이다. 가시광선은 전자파의 일종이다. 따라서 가시광선보다 파장이 짧은 자외선이나 엑스-선을 사용하면 된다. 최근 엑스-선 광학의 발달로 ‘연 엑스-선’(에너지 1keV 이하)에서는 분해능이 13nm(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)에 이르렀으며, ‘경 엑스-선/(에너지 4keV 이상)에서는 60nm가 보고돼 있다.

윤화식 포스텍 포항가속기연구소 박사 [e-mail]