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학습자료/과학

현미경의 종류

대한민국 교육부 2015. 9. 17. 13:24

현미경의 종류



■ 광학현미경(Light Microscope, LM)

현미경은 일반적으로 광학 현미경과 전자 현미경으로 나뉩니다. 이 외에도 여러 종류의 현미경이 있지만 기본이 되는 구조와 원리를 가지고 있는 현미경이 광학 현미경과 전자 현미경입니다. 광학 현미경은 빛 중에서 우리 눈에 보이는 가시광선을 이용하며, 전자 현미경은 전자빔을 이용하여 물체를 관찰하는 현미경입니다. 


빛이 렌즈를 통과하면서 굴절하는 성질을 이용한 광학 현미경에 사용되는 접안렌즈와 대물렌즈는 모두 볼록렌즈입니다. 볼록렌즈는 가까이에 있는 물체를 확대해서 보여주는 성질을 가지고 있어, 광학 현미경에서도 볼록렌즈를 이용합니다. 접안렌즈와 대물렌즈의 위치와 내부 구조는 다르지만 물체의 모습을 확대하는 역할을 한다는 점에서는 두 렌즈가 같습니다. 광학 현미경이 얼마나 확대해서 보여 줄 수 있는가를 말해 주는 배율은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율을 곱해서 말하게 됩니다. 예를 들어서 대물렌즈로 100배를 확대할 수 있고 접안렌즈로 10배를 확대할 수 있으면 물체를 1000배로 확대해서 볼 수 있게 되는 것입니다. 


생물 현미경 

의학 및 생물학 분야에 주로 사용되는 현미경으로, 물체를 통과한 빛이 두 개의 렌즈를 지나면서 굴절되어 물체의 모습이 확대되어 보이는 구조를 가지고 있습니다. 


▲ 생물 현미경과 관찰 사진(미크라스테리아스-훈장말 일종)(출처: 에듀넷)


우리가 실험실에서 주로 사용하는 생물 현미경은 접안렌즈, 대물렌즈, 경통, 재물대, 조동나사, 미동나사, 조리개, 광원 장치로 구성되어 있습니다. 


접안렌즈는 우리가 직접 눈으로 들여다보는 부분을 말합니다. 접안렌즈도 물체를 확대해서 보여 주는 역할을 하고 있기 때문에, 필요한 경우에는 배율이 다른 렌즈로 바꿔 끼워 사용할 수 있습니다. 대물렌즈는 우리가 관찰하고자 하는 물체를 확대해서 보여 주는 역할을 하는 렌즈로, 보통 하나의 현미경에서 배율이 다른 대물렌즈를 3~4개 정도 바꿔가며 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 배율이 다른 대물렌즈들은 회전판에 붙어 있어, 대물렌즈의 배율을 바꾸고 싶을 때는 회전판을 돌리면 됩니다. 경통은 접안렌즈와 대물렌즈를 이어주는 둥근 관을 말합니다. 경통의 위쪽에는 접안렌즈가, 아래쪽에는 대물렌즈가 있습니다. 


대물렌즈의 아래쪽에는 재물대가 있습니다. 재물대는 현미경으로 관찰하고자 하는 물체를 올려놓는 곳으로, 프레파라트를 고정하는 데 사용하는 클립과 빛이 통과할 수 있는 구멍이 있습니다. 재물대와 대물렌즈 사이의 거리에 따라 물체가 또렷하게 보이기도 하고, 흐리게 보이기도 하는데, 재물대의 높낮이를 바꾸어 주는 역할을 하는 것이 조동나사와 미동나사입니다. 조동나사를 돌리면 재물대의 움직임이 눈으로 보일 정도로 재물대가 위로 올라가거나 아래로 내려가기 때문에 물체의 모습을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 조동나사를 이용하여 대강의 물체 모습을 찾고 난 후에 미동나사를 돌리면 우리 눈에는 잘 보이지 않지만 재물대가 조금씩 움직이게 되어, 접안렌즈로 보이는 물체의 모습을 또렷하게 만들 수 있습니다. 


광학 현미경의 한 종류인 생물 현미경은 빛을 이용하기 때문에 물체를 통과하여 렌즈로 들어오는 빛을 조절하기 위한 장치로 조리개와 광원 광치 혹은 반사경이 있습니다. 조리개는 보통 재물대 아래쪽에 있어, 재물대에 뚫려있는 구멍으로 들어오는 빛의 양을 조절할 수 있습니다. 광원 장치는 전원을 연결하여 재물대에 올려진 물체 쪽으로 빛을 보내는 장치이며, 반사경은 현미경 주변의 빛을 재물대 쪽으로 모아 주는 역할을 하는 장치입니다. 


광원 장치에 의해 표본(관찰할 물체)에 공급된 빛은 표본을 지나 대물렌즈를 통과하면서 확대된 상으로 나타나게 됩니다. 이렇게 확대된 상은 경통을 지나 접안렌즈를 통과하면서 한번 더 확대되어 우리 눈에 도달하게 됩니다. 즉, 대물렌즈와 접안렌즈에 의해 두 번 확대된 상이 우리 눈에 보이게 되는 것이지요. 이 때 현미경으로 관찰한 물체가 렌즈와 멀리 떨어져 있으면 거꾸로 된 상이 보일 수도 있으므로 렌즈와 프레파라트 사이의 거리를 최대한 가깝게 해 주고 관찰해야 합니다. 


상을 관찰하는 데 다소 어둡다고 느껴지면, 빛의 양을 조절하는 조리개와 광원 장치로 조절해 주면 됩니다. 조리개를 많이 열어 주면 빛의 양이 많아지고, 적게 열어 주면 빛의 양이 적어지게 됩니다. 광원 장치를 이용하거나 좀 더 밝은 곳에서 실험을 해도 됩니다. 광원 장치 대신 반사경이 달린 현미경도 있습니다. 반사경은 외부에서 들어오는 빛을 현미경 표본으로 반사시켜 주는 거울로 반사경이 달린 현미경은 밝은 곳에서 사용해야 합니다. 


상이 흐릿하다면 초점을 조절해 주어야 합니다. 이때는 정확하고 미세하게 움직여 주어야 하기 때문에 미동 나사를 사용합니다. 조동나사는 관찰하고자 하는 상을 먼저 대강 찾을 때 사용하는 것이므로 조동나사로 상을 찾은 다음에는 미동나사를 사용하여 초점을 맞춰 줍니다. 


실체 현미경 

실체 현미경은 생물 현미경과는 조금 다른 구조를 가지고 있습니다. 광원 장치나 반사경이 재물대 아래에 있어서 빛이 물체의 아래에서 올라오도록 되어 있는 생물 현미경과는 달리, 실체 현미경은 광원 광치가 물체 위에 있어서 물체의 표면에서 반사한 빛이 렌즈를 통과할 수 있는 형태로 만들어져 있습니다. 즉, 실체 현미경에서는 물체를 통과한 빛이 아니라 물체 표면에서 반사된 빛이 렌즈를 지나면서 굴절되는 것입니다. 실체 현미경은 왼쪽과 오른쪽, 두 세트의 렌즈로 구성되어 있어 입체감 있게 볼 수 있기 때문에 조립, 해부 등 세심한 주의를 요구하는 데 사용합니다. 


▲ 실체 현미경과 관찰 사진(말벌)(출처: 에듀넷)


위상차 현미경 

일반적인 광학 현미경은 물체의 밝고 어두움이나 색깔의 차이를 이용하여 물체를 관찰합니다. 만약 관찰하고자 하는 물체가 투명하다면 일반적인 광학 현미경으로는 그 구조를 잘 관찰할 수 없습니다. 이 때 사용하는 현미경이 위상차 현미경입니다. 위상차 현미경은 색이 없고 투명한 시료라도 그 내부의 구조를 관찰할 수 있는 특수한 현미경입니다. 관찰하고자 하는 시료를 따로 염색할 필요가 없기 때문에 위상차 현미경은 살아있는 세포에 들어 있는 작은 기관을 관찰할 때 매우 유용하게 사용됩니다. 


▲ 위상차 현미경과 관찰 사진(피시움-바이러스 일종)(출처: 에듀넷)


편광 현미경 

편광 현미경은 광물의 성질을 조사하기 위해 사용하는 특수한 현미경입니다. 얇게 만든 광물이나 암석 조각에 한 방향으로만 진동하는 빛을 통과시켜서 관찰합니다. 편광 현미경은 광물이 무엇인지 확인하고, 암석의 구조를 관찰하고 암석을 분류하는 데 사용됩니다. 


▲ 편광 현미경과 관찰 사진(화강섬록암)(출처: 에듀넷)



■ 전자현미경(Electron Microscope, EM)

광학 현미경은 선명하면서도 크게 보는 능력에 한계가 있습니다. 세포와 같이 작은 물체를 관찰할 수는 있지만 그보다 더 작은 물체를 확대하기는 어려운데, 이는 빛이 가지고 있는 성질과 고배율의 렌즈를 제작하기가 어려운 점 때문입니다. 그래서 과학자들은 세포보다 더 작은 물체를 관찰할 수 있는 새로운 현미경을 연구하기 시작했고, 그 결과 만들어진 것이 전자 현미경입니다.


1926년 독일의 한스 부쉬(Hans Busch, 1884-1973)는 움직이고 있는 전자가 자기장을 지나갈 때 전자의 운동 방향이 휘어지는 것을 밝혔습니다. 이 이론은 빛이 렌즈를 만나 굴절하는 것처럼 전자의 운동 방향이 자기장에 의해 휘어진다고 하여 전자의 자기장에 의한 렌즈 작용으로 불리었고, 전자가 지나가는 자기장을 만드는 장치를 전자 렌즈라고 하였습니다. 바로 이 원리를 바탕으로 하여 전자빔이 전자렌즈를 통과하는 동안 휘어지는 현상을 이용한 전자 현미경이 발명되었습니다. 


전자 현미경은 광학 현미경에서 사용하는 빛(가시광선)을 이용하지 않고 전자를 이용하여 물체를 관찰하는 현미경입니다. 전자를 이용해서 물체를 관찰하게 되면 더 높은 배율로, 더 선명한 영상을 얻을 수 있습니다. 렌즈를 이용해서 물체를 확대한다는 점에서는 광학 현미경과 유사하지만, 전자 현미경은 광학 현미경처럼 유리로 된 렌즈가 아니라 자기장을 만들 수 있는 전자석을 이용해서 만든 전자렌즈로 물체를 확대한다는 점에서 광학 현미경과는 차이가 있습니다. 이렇게 전자를 이용해서 물체를 확대시켜 주는 전자 현미경을 사용하면 머리카락 굵기의 1/10,000 정도까지 작은 물체도 볼 수 있습니다. 


전자 현미경을 이용하면 물체의 표면의 모습, 물체를 구성하고 있는 입자들의 모양과 크기, 물체를 구성하는 물질의 종류와 상대적인 양, 물체 내에 원자들이 늘어선 모양 등을 알 수 있습니다. 아주 작은 물체까지도 확대해서 보여 주는 전자 현미경은 과학이 발전하는 데 많은 도움을 주고 있습니다. 작은 나노의 세계는 우리가 볼 수도 만질 수도 없었지만 현미경이 발전하면서 보는 것은 물론 원자 하나하나를 조작할 수도 있게 되었습니다. 


주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope) 

주사 전자 현미경은 가시광선으로 관찰하는 것이 아니라 관찰하고자 하는 물체의 표면으로 전자빔을 쏜 다음, 표면에서 반사되어 돌아오는 전자빔을 통해 얻은 이미지를 컴퓨터로 재구성하여 물체(시료)의 표면을 3D로 보여 줍니다. 그러나 시료의 색은 볼 수 없습니다. 우리가 흔히 볼 수 있는 전자 현미경 사진은 이해를 높이기 위해 염색을 한 것입니다. 


▲ SEM과 관찰 사진(적혈구와 백혈구)(출처: 에듀넷)


투과 전자 현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 

높은 전압의 전자 빔을 쏘아 얇게 자른 생물의 조직을 투과하게 함으로써 물체의 모습을 수십만 배 이상으로 확대하여 관찰할 수 있는 투과 전자 현미경은 주사 전자 현미경과는 달리 시료의 얇은 단면을 볼 수 있습니다. 전자를 투과시켜서 관찰하기 때문에 관찰을 하고자 하는 물체를 천분의 1 밀리미터 이하로 얇게 자르거나, 전자가 투과할 수 있는 필름에 얇게 바르기도 합니다. 물체가 전자를 투과해야 하기 때문에 투과 전자 현미경의 중간 부분에 관찰하고자 하는 시료를 놓게 됩니다.


▲ TEM과 관찰 사진(적혈구)(출처: 에듀넷) 



[자료출처: 에듀넷]












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