How big is 전자현미경으로 볼 수 있는 가장 작은 크기?

전자현미경은 빛 대신 전자 빔으로 상을 만들며, 원자 하나하나도 보여 줄 수 있다. 2026년 현재 가장 뛰어난 전자현미경은 약 20피코미터 떨어진 세부 구조를 구별해 낼 수 있는데, 이는 수소 원자 지름의 약 5분의 1이다. 1피코미터는 1미터의 1조분의 1이다.

크기

이 수치는 분해능이며, 물체의 크기가 아니다. 현미경의 분해능은 두 점이 하나로 번지지 않고 여전히 두 개의 점으로 보이는 가장 작은 거리이다. 전자현미경이 보여 주는 가장 작은 대상은 원자 하나하나이며, 가장 뛰어난 장비는 이제 원자 지름의 일부에 해당하는 간격으로 떨어진 세부 구조까지 구별해 낸다.

전자 빔을 모으는 자기 렌즈의 결함 때문에 한때 가장 선명한 이미지도 약 100피코미터에 머물렀다. 렌즈 보정기가 이를 바꿔 놓았다. 2008년 로렌스 버클리 국립연구소는 0.5옹스트롬, 즉 50피코미터에 이르도록 설계한 현미경 TEAM 0.5를 공개했다. 이 연구진은 나중에 47피코미터 떨어진 저마늄 원자 쌍을 구별했다고 보고했다.

이후 전자 타이코그래피라는 컴퓨터 기법이 기록을 더 끌어올렸다. 코넬 대학교 연구진은 2018년에 39피코미터, 2021년에 약 20피코미터에 이르렀다. 2024년 중국 칭화대학교 연구진은 다른 분해능 측정 방식을 사용해 14피코미터까지의 세부 구조를 보고했다. 정확한 기록은 분해능을 어떻게 측정하느냐에 따라 달라진다.

크기 비교

지름이 약 0.1나노미터인 수소 원자는 이 현미경들이 구별해 내는 가장 미세한 세부 간격의 약 5배이다.
수소 원자를 농구공 크기, 즉 지름 약 24센티미터로 확대한다면, 이 현미경은 약 4.5센티미터 간격의 세부 구조를 구별해 낼 수 있을 것이다.
일반 광학 현미경은 약 0.2마이크로미터보다 가까이 붙어 있는 세부 구조를 구별하지 못한다. 이는 가장 뛰어난 전자현미경이 구별하는 거리의 10,000배이다. 1마이크로미터는 1미터의 100만분의 1이다.
20피코미터는 0.2옹스트롬이다. 원자 사이의 결합 길이는 대체로 1~2옹스트롬으로, 구별해 내는 가장 미세한 세부 간격의 5~10배이다.
사람 머리카락의 굵기 안에는 구별 가능한 가장 미세한 세부 구조가 약 400만~500만 개 들어간다.

전자가 빛보다 더 세밀한 모습을 보여 주는 이유

일반적인 현미경은 보는 데 쓰는 것의 파장보다 훨씬 작은 세부 구조를 구별하지 못한다. 파장은 파동의 마루에서 다음 마루까지의 거리이다. 일반 광학 현미경의 한계는 약 0.2마이크로미터이며, 현미경학자 에른스트 아베가 1873년에 이를 계산해 냈다.

전자도 파동처럼 행동하며, 파장이 빛보다 훨씬 짧다. 이런 현미경 다수에 쓰이는 빠른 전자의 파장은 약 2피코미터이다. 원리상 이는 빛으로는 결코 얻을 수 없는 훨씬 세밀한 모습을 가능하게 한다. 실제로는 결함 있는 렌즈 때문에 전자현미경이 그 한계에 한참 못 미쳤고, 이후 보정기와 컴퓨터 기법이 그 차이를 좁혀 왔다.