전자현미경
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1. 개요
전자 현미경은 전자선을 사용하여 물체를 확대하여 관찰하는 현미경으로, 광학 현미경보다 훨씬 높은 배율과 분해능을 제공한다. 1931년 막스 크놀과 에른스트 루스카가 최초의 전자 현미경(TEM)을 개발했으며, 이후 다양한 종류의 전자 현미경이 개발되어 생물학, 재료 과학 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 전자 현미경은 전자총, 전자 렌즈, 진공 시스템 등으로 구성되며, 투과 전자 현미경(TEM), 주사 전자 현미경(SEM) 등이 대표적이다. 시료 준비 과정은 관찰 대상과 목적에 따라 다르며, 생물학적 시료는 고정, 탈수, 절단, 염색 등의 과정을 거치고, SEM에서는 시료 표면에 금속 코팅을 한다. 전자 현미경은 바이러스 발견, 세포 소기관 구조 규명, 나노 구조 재료 분석 등 다양한 분야에서 활용되며, 전자 회절 모드를 통해 시료의 결정 구조를 분석하는 데에도 사용된다.
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| 전자현미경 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 현미경 |
| 광원 | 전자 |
| 역사 | |
| 발명가 | 에른스트 루스카 막스 크놀 |
| 발명 연도 | 1931년 |
| 작동 원리 | |
| 작동 원리 | 전자빔을 사용하여 시료를 확대 |
| 초점 | 전자기 렌즈 |
| 전자원 | 전자총 (텅스텐 필라멘트 또는 LaB6) |
| 진공 | 고진공 필요 |
| 유형 | |
| 투과 전자 현미경 | (TEM) |
| 주사 전자 현미경 | (SEM) |
| 반사 전자 현미경 | (REM) |
| 주사 투과 전자 현미경 | (STEM) |
| 용도 | |
| 재료 과학 | 재료의 미세 구조 분석 |
| 생물학 | 세포, 바이러스 등 생체 시료 관찰 |
| 의학 | 질병 진단, 연구 |
| 나노 기술 | 나노 물질 특성 분석 |
| 반도체 산업 | 반도체 결함 분석 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 높은 분해능, 다양한 분석 기능 |
| 단점 | 시료 준비 복잡, 진공 필요, 고가 |
| 관련 기술 | |
| 전자 회절 | (Electron Diffraction) |
| 에너지 분산 X선 분광법 | (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS 또는 EDX) |
| 전자 에너지 손실 분광법 | (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS) |
2. 역사
전자 현미경 발명의 배경에는 전자선에 관한 여러 기초 연구가 있었다. 헝가리 물리학자 실라르드 레오가 전자 현미경을 처음으로 창안했다.[76] 1931년 베를린 공과대학의 에른스트 루스카를 중심으로 한 연구팀은 400배 배율의 전자 현미경 프로토타입을 만들었다. 1933년에는 대물·촬영 두 렌즈로 이루어진 전자 현미경을 조립하여 약 1만 배의 상을 얻어 광학 현미경의 분해능을 뛰어넘는다는 것을 증명했다. 이후 독일 지멘스를 중심으로 전자 현미경 개량이 추진되어 1939년 세계 최초로 전자 현미경이 시판되었다.
독일뿐만 아니라 미국, 영국, 네덜란드 등도 전자 현미경 연구 개발에 참여하여 오늘날의 기초를 만들었다.
2. 1. 초기 연구
전자 현미경 발명의 배경에는 전자선에 관한 많은 기초 연구가 있었다.[2] 1883년 하인리히 헤르츠는 정전기 및 자기 편향을 갖춘 음극선관을 만들어 전자 빔의 방향을 조작하는 것을 시연했다.[3] 1899년 에밀 비헤르트는 축 자기장을 이용한 전자의 초점 조절 기술을 개발했고,[4] 1905년 아르투어 베넬트는 더 많은 전자를 생성하는 개선된 산화물 코팅 음극을 개발했다.[5] 1926년 한스 부슈는 전자 렌즈를 개발했다.[6]1927년 독일의 한스 부슈(Hans Busch)는 자기장의 전자선에 대한 렌즈 작용을 실험으로 보였다. 최초의 전자 현미경(TEM)은 1931년 베를린 공과대학교의 막스 크놀과 에른스트 루스카가 개발했다. 루스카는 성능을 더욱 향상시켰고, 이 공적으로 1986년에 노벨 물리학상을 수상했다. 지멘스의 과학 디렉터였던 유대계 독일인 라인홀트 루덴베르크 (:en:Reinhold Rudenberg)는 1931년 특허를 취득하고 1938년에 전자 현미경을 판매했다.
2. 2. 전자 현미경의 발명과 발전
전자 현미경은 헝가리의 물리학자 실라르드 레오가 처음으로 아이디어를 내고 만들었다.[76] 1928년, 실라르드는 전자 현미경에 대한 특허를 출원했다.[7]베를린 공과대학교의 막스 크놀과 에른스트 루스카는 1931년에 최초의 전자 현미경(TEM)을 개발했다.[12][13] 이들은 양극 조리개 위에 놓인 메시 그리드의 확대된 이미지를 성공적으로 생성했다. 이 장치는 두 개의 자기 렌즈를 사용하여 더 높은 배율을 달성했으며, 최초의 전자 현미경이었다. 1933년, 루스카와 놀은 광학 현미경의 분해능을 넘어서는 전자 현미경을 제작했다.[18]
지멘스-슈케르트의 라인홀트 뤼덴베르크도 전자 현미경 개발에 참여하여 1931년에 특허를 취득했다.[14][15] 그는 1932년에 발표한 짧은 기사에서[16] 지멘스가 특허를 출원하기 수년 전부터 이 작업에 관여해 왔으며, 자신의 노력이 대학의 개발과 병행되었다고 주장했다.
1937년, 지멘스는 에른스트 루스카와 보도 폰 보리스의 연구에 자금을 지원했고, 에른스트의 형제인 헬무트 루스카를 고용하여 특히 생물학적 표본을 이용한 현미경의 응용 분야를 개발하도록 했다.[18][19] 같은 해, 만프레트 폰 아르덴네가 주사 전자 현미경(SEM)을 개발했다.[20] 지멘스는 1938년에 최초의 상업용 전자 현미경을 생산했다.[21]
1940년, 일본 오사카 대학의 스다 에이지가 최초의 국산 전자 현미경을 완성했다.[73]
1965년, 시카고 대학교의 앨버트 크루는 전계 방출원을 사용하는 주사 투과 전자 현미경을 도입하여,[25] 고해상도 주사 현미경 사용을 가능하게 했다.[26]
1980년대에는 기계적 안정성 개선과 고전압 사용으로 원자 수준의 이미징이 가능해졌다.[27][28] 2000년대에는 수차 보정 전자 현미경이 개발되어 이미지 해상도와 선명도가 크게 향상되었다.[29][30]
2. 3. 한국에서의 전자 현미경 개발
1940년에 스다 에이지(오사카 대학)가 배율 1만 배의 최초 국산 전자 현미경을 완성했다. 세토 조지는 국산화를 위한 기술 개발에 기여했다.[73] 1951년에는 히비 타다토시가 증착 재료에 금이나 우라늄 이외의 금속을 이용하여 더 선명한 화상을 얻는 시료 제작 방법을 개발했다.[74]3. 종류
전자 현미경은 크게 투과형(TEM)과 주사형(SEM)으로 나뉜다.[77]
광학 현미경과 달리 전자선을 사용하고, 유리렌즈 대신 전자 렌즈를 사용한다. 전자 현미경 경통(鏡筒) 내부는 전자의 활발한 움직임을 위해 배기계(系)를 통해 10−4~10−10mmHg의 진공도를 유지한다. 또한, 고전압 발생 장치와 전자 렌즈 강도 조절용 전원 부분이 필요하다.
전자선의 파장은 가속 전압의 평방근에 반비례하여 짧아지고, 현미경의 분해능은 파장에 반비례하여 좋아지므로, 전자 현미경의 분해능은 광학 현미경보다 뛰어나다.
주사형 전자 현미경은 1960년대 중반에 개발되었으며, 텔레비전이나 전송 사진과 유사한 원리로 작동한다. 가늘게 묶은 전자선 다발로 시료(試料)를 주사하여 시료면에서 나오는 2차 전자나 반사 전자를 전류로 바꾸고, 이를 전기 신호로 변환하여 상을 만든다. 초점 심도(深度)가 커서 요철이 많은 시료를 관찰할 때 입체감 있는 선명한 상을 얻을 수 있다.
전자 현미경은 미세한 것을 확대하는 기능 외에도, 세포 내 미량 물질의 고정, 분포 상태, 분자 입체 구조 분석 등 분석 기계로서의 성능이 증대되고 있다.
- '''고분해능 관찰 가능:''' 전자 현미경은 전자선의 파장이 짧아 이론적으로 0.1나노미터 정도의 분해능을 가진다. 현재는 원자 수준의 크기를 관찰할 수 있다.
- '''대규모 장치:''' 고전압 발생 장치, 진공 펌프 등이 필요하여 장치가 크고, 전용 공간이 필요할 수 있다. 주사형 전자 현미경은 탁상형 등 소형 제품도 있다.
3. 1. 투과 전자 현미경 (TEM)
투과 전자 현미경(TEM)은 고전압 전자 빔을 사용하여 시료를 조사하고 이미지를 생성한다. 전자 빔은 일반적으로 20~400 keV 범위의 에너지를 갖는 전자를 포함하는 전자총에 의해 생성되며, 전자기 렌즈에 의해 초점이 맞춰지고 시료를 통과한다. 시료를 통과한 전자 빔은 시료의 구조에 대한 정보를 담고 있으며, 현미경 렌즈에 의해 확대된다. 이 정보("이미지")의 공간적 변화는 확대된 전자 이미지를 검출기에 투영하여 볼 수 있다. 예를 들어, 이미지는 황화 아연과 같은 형광체 또는 섬광체 물질로 코팅된 형광 관찰 스크린을 사용하여 조작자가 직접 볼 수 있다. 고해상도 형광체는 렌즈 광학 시스템 또는 광섬유 광 가이드를 통해 디지털 카메라의 센서에 연결될 수도 있다. 직접 전자 검출기는 섬광체가 없으며 전자 빔에 직접 노출되어 섬광체 결합 카메라의 몇 가지 제한 사항을 해결한다.[31]
TEM의 해상도는 주로 구면 수차에 의해 제한되지만, 차세대 하드웨어 보정기는 구면 수차를 줄여 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)의 해상도를 0.5 옹스트롬(50 피코미터) 이하로 증가시켜[32] 5천만 배 이상의 배율을 가능하게 한다.[33] HRTEM이 재료 내의 원자 위치를 결정하는 능력은 나노 기술 연구 및 개발에 유용하다.[34]
투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)은 관찰 대상에 전자선을 쏘아 투과한 전자선을 확대하여 관찰하는 현미경이다. 대상의 구조나 구성 성분의 차이에 따라 전자선의 투과율이 달라지므로, 장소에 따라 투과한 전자의 밀도가 달라지며, 이것이 현미경 영상이 된다. 전자기 코일을 사용하여 투과 전자선을 확대하고, 전자선에 의해 빛나는 형광판에 쏘아 관찰하거나, 필름이나 CCD 카메라로 사진을 촬영한다. 관찰 대상을 투과하여 관찰하기 때문에, 시료를 가능한 얇게 자르거나, 전자를 투과하는 필름 위에 얇게 입혀 관찰한다.
3. 2. 주사 전자 현미경 (SEM)
주사 전자 현미경(SEM)은 시료 표면을 주사(래스터 스캔)하는 초점이 맞춰진 전자빔으로 이미지를 생성한다. 전자빔이 시료와 상호 작용할 때 다양한 메커니즘을 통해 에너지를 잃는다. 이러한 상호 작용은 저에너지 2차 전자, 고에너지 후방 산란 전자, 빛 방출(음극선 발광) 또는 X선 방출을 포함한 여러 현상을 유발하며, 시료 표면의 지형 및 조성과 같은 특성에 대한 정보를 제공하는 신호를 생성한다.[36] SEM 이미지는 신호가 생성될 때 시료 상의 빔 위치에 해당하는 위치에서 이러한 신호 중 하나의 강도가 달라지는 것을 나타낸다.[36]
SEM은 투과 전자 현미경(TEM)과 달리 일반적으로 20 keV 미만의 훨씬 낮은 에너지의 전자를 사용하는 반면,[37] TEM은 일반적으로 80-300 keV 범위의 에너지 전자를 사용한다.[40] 따라서 두 현미경의 전자원과 광학 장치는 설계가 다르며, 일반적으로 별도의 기기로 구성된다.[38]
주사 전자 현미경(SEM)은 관찰 대상에 전자선을 쏘아 반사된 전자(또는 2차 전자)로부터 얻어지는 상을 관찰하는 현미경이다. '주사형'이라는 이름은 전자선을 쏘는 위치를 조금씩 바꿔가며 스캔(주사)하면서 현미경 상이 형성되는 데서 유래했다. 전자는 검출기에 모아지고, 컴퓨터를 사용하여 2차원 상이 표시된다.
주사 전자 현미경은 대상 표면의 모양이나 요철, 비교적 표면에 가까운 부분의 내부 구조를 관찰하는 데 뛰어나다. 이전에는 관찰 대상이 전도성이 없는 경우, 전자선을 계속 쏘면 표면이 대전되어 반사되는 전자 패턴이 흐트러지기 때문에 관찰 대상 표면을 전도성 물질로 얇게 코팅해야 했다. 그러나 최근에는 전처리 없이 저진공에서 관찰할 수 있는 제품도 늘어나고 있다.
3. 3. 주사 투과 전자 현미경 (STEM)
주사 투과 전자 현미경(STEM)은 투과 전자 현미경(TEM)의 높은 해상도를 구현하기 위해 시료 위를 주사하는 집중된 입사 탐침을 사용한다. STEM에서는 초점 작용(및 수차)이 전자가 시료에 닿기 전에 발생하지만, TEM에서는 그 후에 발생한다. STEM은 주사 전자 현미경(SEM)과 유사한 빔 주사 방식을 사용하여 환상 암시야 영상 및 기타 분석 기법을 단순화하지만, 이미지 데이터가 병렬 방식이 아닌 직렬 방식으로 획득된다는 의미이기도 하다.4. 구조 및 원리
전자 현미경은 원리적으로나 구조적으로나 광학 현미경과 근본적으로 다르다. 가장 큰 차이점은 광선 대신 전자선을 사용한다는 것이다.[77] 고성능 전자 현미경은 대물·중간·촬영 세 개의 렌즈를 통해 상을 확대하여 최종적으로 50만 배까지 확대 가능하다.
광학 현미경은 가시광선의 파장 때문에 분해능 (두 점을 분리하여 관찰 가능한 최소 거리)이 100나노미터 정도로 제한되어 바이러스처럼 더 작은 대상을 관찰할 수 없다. 반면, 전자 현미경은 전자선의 파장이 가시광선보다 훨씬 짧아 이론적으로 0.1나노미터 정도의 분해능을 가진다(투과형 전자 현미경의 경우). 따라서 광학 현미경으로 볼 수 없는 미세한 대상을 관찰할 수 있으며, 고분해능 전자 현미경을 사용하면 원자 수준의 크기도 관찰할 수 있다. 흔히 오해하는 것과 달리, 전자 현미경이 광학 현미경에 비해 갖는 장점은 '''배율이 아니라 분해능'''이다.
1960년대 중반에 개발되어 영국(1964년) 및 일본(1965년)에서 시판된 주사형(走査型) 전자 현미경은 투과형(透過型) 전자 현미경과 구별된다. 주사형 전자 현미경은 텔레비전이나 전송 사진과 유사한 원리로, 가늘게 묶은 전자선 다발로 시료(試料)를 주사하여 시료면에서 나오는 2차 전자나 반사 전자 등을 전류로 바꾼다. 이를 전기 신호에 동조시켜 텔레비전 브라운관 위의 주사선 휘도를 변조시켜 상(像)을 만든다. 초점 심도(深度)가 커서 요철이 많은 시료를 관찰할 때에도 입체감 있는 선명한 상을 얻을 수 있다.
전자 현미경은 미세한 것을 확대하는 현미경 본래의 기능 외에도, 세포 내 미량 물질의 고정, 분포 상태, 분자 입체 구조 분석 등 분석 기계로서의 성능이 계속 증대되고 있다.
4. 1. 전자 렌즈
전자 렌즈는 전자석으로 자기장을 만들어 전자선을 수렴 또는 발산시키는 장치이다. 광학 현미경은 유리렌즈를 사용하여 상을 만드는데, 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자 렌즈를 사용한다.[77] 정전장을 이용하여 전자를 수렴하는 정전 렌즈 방식도 있다.4. 2. 전자총
전자선을 발생시키는 장치로, 특성상 수 kV에서 수백 kV, 때로는 그 이상의 고전압이 필요하다.[77]4. 3. 진공 시스템
전자는 매우 가볍기 때문에 분자에 충돌하면 튕겨나간다. 따라서 경통(鏡筒) 내에 공기가 있으면 전자가 활발하게 움직일 수 없다. 광학 현미경에서는 볼 수 없는 커다란 배기계(系)가 있으며, 전자 현미경의 경통 내에는 10−4~10−10mmHg이라는 진공도가 유지된다.[77]4. 4. 전자계
전자계는 전자를 가속하기 위한 고전압 발생 장치와 각 전자 렌즈의 강도를 바꾸기 위한 전원 부분 등으로 구성된다. 보통 전자 현미경은 5만~10만 볼트로 전자를 가속한다. 전자선의 파장은 가속 전압의 평방근에 반비례하여 짧아지는 성질이 있다.[77]5. 시료 준비
전자 현미경으로 시료를 관찰하려면 특별한 준비 과정이 필요하다. 이는 시료를 안정화하고, 전자빔과의 상호작용을 통해 얻어지는 이미지의 대비를 향상시키기 위함이다.[56] 시료 준비 기술은 관찰 대상, 시료의 특성, 그리고 사용되는 전자 현미경의 종류에 따라 매우 다양하다.
전자 현미경은 기본적으로 픽셀당 하나의 밝기 값을 가진 이미지를 생성하며, 이는 일반적으로 흑백으로 표현된다.[56] 그러나 필요에 따라 이미지에 색을 입히는 경우가 있는데, 이는 구조를 명확하게 하거나 미적인 효과를 위한 것으로, 시료에 대한 새로운 정보를 추가하는 것은 아니다.[57]
최근에는 전자 현미경을 활용한 복잡한 워크플로우가 많이 사용되고 있다. 이러한 워크플로우는 여러 기술을 조합하여 시료를 더 정밀하고 정량적으로 분석할 수 있게 해준다. 예를 들어, CLEM[58]은 광학 현미경과 전자 현미경 이미지를 결합하여 형광 표지된 구조에 대한 고해상도 정보를 얻는 데 사용된다. 또한, 고해상도 질량 분석법(이온 현미경)은 세포 내 특정 위치의 항생제 분포를 파악하는 데 활용된다.[59]
초기에는 전자 현미경이 2차원 절편(TEM)이나 표본 표면(SEM)을 이미징하는 데 주로 사용되었지만, 최근에는 시료의 깊이 방향으로도 분석 범위가 확장되고 있다.[60] 이러한 '체적_EM' 워크플로우의 초기 예시는 단순히 TEM 이미지를 쌓는 것이었지만, TEM 단층 촬영[61]과 같이 두꺼운 절편의 부피를 가상으로 재구성하는 기술로 발전하였다.
5. 1. 투과 전자 현미경 (TEM) 시료 준비
투과 전자 현미경(TEM)으로 물질을 관찰하려면, 시료를 적절하게 가공해야 한다. 시료와 분석 목적에 따라 다양한 기술이 사용된다.- 화학적 고정: 생물학적 시료의 경우, 알데히드(포름알데히드, 글루타르알데히드)를 사용하여 단백질을, 사산화 오스뮴을 사용하여 지질을 화학적으로 가교 결합시켜 시료 내 거대 분자 구조를 안정화한다.[41]
- 극저온 고정: 시료를 급속 냉동하여 물이 비정질 얼음(유리질)을 형성하게 한다. 이를 통해 시료를 원래 상태에 가깝게 유지한다. 액체 에테인에 급냉하거나 고압 냉동하는 방법이 사용된다. 이 기술은 극저온 전자 현미경 분야로 발전했으며, 유리 단면의 극저온 전자 현미경(CEMOVIS)[42], 라멜라의 극저온 집속 이온 빔 밀링[43] 등의 기술 개발로 거의 모든 생물학적 시료를 원래 상태에 가깝게 관찰할 수 있게 되었다.
- 임베딩:
- 생물학적 시료: 탈수 후, 프로필렌 옥사이드나 아세톤과 같은 전환 용매를 거쳐 아랄다이트, 에폰, 두르쿠판과 같은 에폭시 수지에 침투시킨다.[44] 물에 혼합 가능한 아크릴 수지에 직접 임베딩할 수도 있다. 수지가 굳으면 초미세절단 후 염색한다.
- 재료: 수지에 임베딩한 후, 초미세 연마재를 사용하여 거울처럼 매끄럽게 연마한다.
1. 신선한 조직 또는 세포 현탁액을 급속 냉동(극저온 고정)한다.
2. 액체 질소 온도에서 파괴하여 파절시킨다.[51] (또는 마이크로톰 사용)[50]
3. 경우에 따라 얼음이 승화되도록 온도를 -100°C 정도로 올려 "에칭"한다.[50]
4. 고진공 증발기에서 평균 45° 각도로 증발된 백금 또는 금으로 섀도잉한다.
5. 표면 평면에 수직으로 증발된 탄소 코팅으로 레플리카 코팅의 안정성을 높인다.
6. 시료를 실온 및 압력으로 되돌린다.
7. 파절 표면의 금속 레플리카를 산, 차아염소산염 용액, SDS 세제 등으로 화학적 소화하여 생물학적 재료에서 분리한다.
8. 떠 있는 레플리카를 잔류 화학 물질에서 세척하고, 미세 그리드에 낚아 올려 건조시킨 후 TEM으로 관찰한다.
- 동결 파절 레플리카 면역 금 라벨링 (FRIL): 동결 파절 후 면역 금 라벨링을 통해 파절 면의 구성 요소를 식별한다.[52] 파절 과정 중 또는 후에 조직 두께를 최소화하고, 금속 레플리카에 남은 얇은 조직 층을 항체로 면역 금 라벨링한다. 레플리카에 부착된 금을 통해 파절면의 구조를 식별할 수 있다. 에칭된 세포 표면[53] 및 기타 레플리카 라벨링 변형[54] 방법도 있다.
- 이온 빔 밀링: 이온(주로 아르곤)을 표면에 각도로 발사하여 물질을 스퍼터링하고, 시료를 전자 투과가 가능할 때까지 얇게 만든다. 집속 이온 빔 밀링은 갈륨 이온을 사용하여 마이크로프로세서 내부 장치나 시료의 특정 영역에서 전자 투과 막(라멜라)을 생성한다.[43] 기계적 연마가 어려운 재료의 단면 연마에도 사용된다.
- 음성 염색: 나노입자나 미세 생물학적 물질(바이러스, 박테리아 등)을 포함하는 현탁액을 몰리브덴산 암모늄, 아세트산 우라닐(또는 포름산염), 인텅스텐산과 같은 전자 불투명 용액의 희석액과 혼합한다. 이 혼합물을 폼바 등으로 코팅된 EM 그리드에 적용하고 건조시킨다. 빠른 형태학적 식별을 위해 미생물학에서 중요하며, 탄소 필름 지지대를 사용하면 EM 단층 촬영을 통한 고해상도 3D 재구성에도 사용될 수 있다.
- 절단: 전자에 반투명한 얇은 슬라이스를 만든다. 초미세절단기에서 유리 또는 다이아몬드 칼을 사용하여 60–90 nm 두께의 초박형 절편을 만든다.[43] 일회용 유리 칼도 사용된다. 집속 이온 빔 SEM에서 밀링하여 절편(라멜라)을 생성할 수도 있다.
- 염색: 납, 우라늄, 텅스텐과 같은 중금속을 사용하여 이미징 전자를 산란시켜 구조 간 대비를 만든다. 많은 생물학적 재료는 전자에 거의 투명하기 때문이다. 시료는 임베딩 전 "덩어리"로 염색하거나 절단 후 염색할 수 있다. 얇은 절편은 아세트산 우라닐 수용액/알코올 용액과 수성 시트르산 납으로 염색한다.[55]
5. 2. 주사 전자 현미경 (SEM) 시료 준비
주사 전자 현미경(SEM)에서 전하 축적을 방지하고 신호를 향상시키기 위해, 비전도성 시료는 금, 팔라듐 합금, 탄소, 오스뮴 등의 금속으로 얇은 막을 만들어 스퍼터 증착하여 전도성 코팅을 한다.[67] 최근에는 저전압 모드를 통해 코팅 없이 비전도성 시료를 관찰할 수 있는 SEM이나, 가변 압력 SEM을 통해 비전도성 물질을 이미징하는 방법도 사용된다.탄소 나노튜브, 규조류 껍질, 작은 광물 결정(예: 석면 섬유)과 같이 작고 안정적인 시료는 전자 현미경 검사 전에 특별한 처리가 필요하지 않다. 하지만 거의 모든 생물학적 시료를 포함한 수화된 물질의 시료는 안정화, 두께 줄이기(초박 절단), 전자 광학 대비 증가(염색) 등의 다양한 준비 과정이 필요하다. 이러한 과정은 ''인공물''을 초래할 수 있지만, 일반적으로 서로 다른 시료 준비 방법을 사용하여 얻은 결과를 비교하여 식별할 수 있다. 1980년대 이후, 급속 냉동된 유리화 시료 분석 또한 과학자들에 의해 점점 더 많이 사용되고 있다.[70][71][72]
6. 응용 분야
전자 현미경은 생물학, 재료 과학 등 여러 분야에서 쓰이고 있다.
6. 1. 생물학
전자 현미경은 생물학 분야에서 큰 영향을 미쳤다. 바이러스의 발견, 세포 소기관의 구조 연구 등 다양한 성과를 냈다. 이 분야에서 전자 현미경으로 관찰할 수 있는 미세한 구조를 미세 구조(Ultrastructure)라고 한다.6. 2. 재료 과학
재료 공학에서 전자 현미경은 재료의 특성을 결정하는 전위나 적층 결함과 같은 결함 구조를 밝히고, 탄소 나노튜브를 비롯한 나노 구조 재료를 발견하고 구조를 해석하는 데 큰 역할을 해왔다.[70]6. 3. 기타
투과 전자 현미경은 시료를 통과한 전자의 각도 분포를 보여주는 전자 회절 모드로 사용할 수 있다. X선 결정학과 비교했을 때 전자 회절의 장점은 주로 결정 크기에 있다. X선 결정학에서는 결정이 보통 육안으로 보일 만큼 커야 하고, 그 길이는 수백 마이크로미터 정도이다. 반면, 전자 회절에 사용되는 결정은 두께가 수백 나노미터 미만이어야 하며, 크기에 대한 하한선은 없다. 또한 전자 회절은 투과 전자 현미경(TEM)에서 이루어지므로 별도의 장비가 필요하지 않고, 다른 여러 종류의 정보를 얻는 데에도 활용할 수 있다.[39][40]참조
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전자선의 파장
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