[사이언스칼럼]초 미시의 세계가 세상을 바꾼다

▲ 이석훈 한국기초과학지원연구원 전자현미경연구부 책임연구원

사람의 눈으로 얼마나 작은 것을 볼 수 있을까? 아무리 시력이 좋은 사람도 손등을 구성하고 있는 세포를 직접 볼 수는 없다. 만약 사람의 눈으로 병을 옮기는 세균을 볼 수 있다면 얼마나 끔찍할까? 깨끗하다고 마시는 물 속에서, 맛있는 햄버거 속에서 수 백 수 천마리의 세균이 놀고 있는 모습을 본다면 우리는 아마 마시지도 먹지도 못하고 굶어 죽을 것이다. 이런 면에서 본다면 사람의 시력 한계는 살아가는 데 있어 다행이고 고마운 일이다.

보다 더 편안하고, 건강한 삶을 유지하기 위해서는 병원균을 조사 분석하여 그 정체를 밝혀야만 치료약을 개발하여 예방도 하고, 치료도 할 수 있다. 눈에 보이지 않는 작은 세균이나 그보다 더 작은 나노물질을 관찰하고, 연구하기 위해서는 현미경이라는 도구가 필요하다. 식물세포는 돋보기로도 관찰이 가능하지만, 미생물은 광학 현미경이 있어야 가능하고, 세포 내 미세조직이나 나노미터 크기의 물체를 관찰하기 위해서는 전자 현미경과 같이 더 정밀한 장비가 있어야한다.

광학 현미경은 1600년대 네덜란드의 얀센이 빛이 렌즈를 통과할 때 굴절되는 현상을 이용하여 볼록렌즈 두 개를 배열하여 만들었다. 18~19 세기에 세균과 미생물 관찰이 가능해짐으로써 광학 현미경은 생물학 및 의학의 학문적 발전에 견인차 역할을 했지만 세포 내 미세조직을 관찰하는 데 한계가 왔다. 즉, 광학 현미경은 파장이 0.3 ~ 0.7 ㎛인 빛을 광원으로 사용하기 때문에 3,000배가 최고배율이다.

1931년 독일의 에런스트 러스카(1986년 노벨상 수상)는 빛보다 파장이 작은 전자(100 kV에서 0.0037 nm)를 이용하여 세계 최초로 전자선을 이용한 투과전자 현미경을 발명하였다. 오늘날의 전자 현미경은 최고 분해능이 0.1 nm 이하까지 가능하며, 수 백만배까지 확대할 수 있는 전자 현미경이 개발되었으며, 그 종류도 투과전자 현미경뿐만 주사전자 현미경, 전자현미 분석기 등 기능에 따라 다양해졌다.

한국기초과학지원연구원에서는 세계 수준의 전자 현미경 연구기반 조성을 목표로 다양한 분야의 고도로 전문화된 인력을 확보하여 전자 현미경 전용 특수실험동에 초고전압투과 전자 현미경, 전계방출 투과전자 현미경, 에너지여과 투과전자 현미경, 주사전자 현미경, 전자현미 분석기 및 관련 시편준비 장치를 구축하여 나노기술개발 관련 연구를 지원하고 있으며, 특히 국내 유일의 HVEM(1.3 MeV)은 원자 분해능의 구현, 고 경사각 Tilting 기능, 에너지 여과 기능, In-situ 변온 실험 및 원격 운영 기능 등을 갖춘 세계 최고 성능의 장비로 인정되어 국내·외 활용이 극대화되고 있다.

기초(연)에서는 특히 나노소재 및 극한소재 개발을 위해 Electron Crystallography 및 Electron Tomography 기법을 전문적으로 개발·육성하여 국내 전자 현미경 연구분야를 세계 최고 수준으로 끌어 올렸고, In-situ 실험 분야에선 변온 실험 외에 직접 변경 실험의 기반을 조성하고 있다. 또한 나노-바이오 융합기술 개발 분야에 초점을 맞추어 Cryo-EM 기술을 육성코자 Cryo-EM 전용 전자 현미경과 시편 준비장치를 도입하고, 관련 연구장치를 국내·외 전문 연구그룹과 공동개발에 박차를 가하고 있다.