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Cybulski JS, Clements J, Prakash M (2014) Foldscope: Origami-Based Paper Microscope. PLoS ONE 9(6): e98781. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0098781
PLosONE의 경우 Creative Commons License 4.0 이 걸려있으므로, 비교적 자유롭게 사용할 수 있습니다. 본 글의 그림들은 저널 논문으로부터 차용되었습니다.
배경
국제개발협력이나 공적개발원조(ODA)와 같은 현장에서, 적은 자원으로 최대의 효율을 낼 수 있는 적정기술의 도입은 중요합니다. 저렴하면서도 효율적으로, 파급력이 있는 기술을 도입해서 생활의 질을 향상시키거나 교육, 건강 수준을 끌어올리는 것이죠.
종이 접기를 이용한 현미경은 이러한 응용이 가능한 기술 중 하나입니다. 세상에 빛을 본지는 약 3-4년 정도 되었지만, 적정 기술의 방향성을 가지고 다양한 분과 학문이 결합할 때, 어떠한 시너지를 내게 되는지 한번 살펴보기 위한 좋은 예입니다.
이번 편에서는, 종이접기를 통한 현미경의 구성에 대해 개괄적인 측면을 살펴보고, 다음 편에서는 실질적으로 고려해야할 사항들을 좀 더 자세히 다루어보도록 하겠습니다. 저자들은 이러한 현미경을 Foldscope 라고 이름지었습니다. 말 그대로 접기를 통해 현미경을 만든 셈이니까요.
Figure 1. Foldscope의 디자인, 구성 요소, 사용법
특징
논문에 따르면,
- A4 사이즈에 출력하여 접기를 위한 구성요소를 만들 수 있고 (Fig 1A),
- 10분 만에 접는 것이 가능하며, (Figure S8),
- 최대 2000배의 배율과 더불어 8.8g 정도의 가벼움,
- 주머니에 들어갈 수 있을 정도로 작은 사이즈 (70 mm x 20 mm x 2 mm)를 장점으로 내세우고 있습니다.
- 명시야(brightfield), 암시야 (darkfield), 형광(fluorescence) 등의 다양한 방법(modality)을 적용가능하다고 합니다.
구성요소
이러한 현미경에서는 보고자 하는 샘플을 마운트 (고정)하는 부분 (Figure 1B)과 LED를 통해 빛을 내보내는 부분(Figure 1C)을 포함하고 있습니다.
- 마운트 하는 부분(1B)에서는 20 mm x 20 mm 사이에서 X,Y축을 조정하여 샘플의 위치를 이동시킬 수 있고, LED가 있는 부분에서는 버니어 스케일을 이용하여 z축을 0.5 mm 의 해상도(resolution)으로 움직일 수 있다고 명시하고 있습니다.
- 이 때 그림 (1C)에서 Pull 방향으로 당기거나 놓음으로써 휨 (flexure)을 기본으로 하여 포커스를 맞출 수 있습니다.
Figure S8. 종이 접기를 통해 현미경을 구성하는 방법
기본적인 원리
아래 그림(Figure S1)에서 살펴보시면, 이러한 현미경의 간략화된 구조를 살펴볼 수 있습니다.
- 빛은 condenser 렌즈를 거쳐 샘플을 투과한다음 구형 렌즈에서 모여 스크린 혹은 망막으로 전달됩니다. (S1A) 이는 실상 (real image) 을 반영합니다.
- 우리 눈의 수정체를 거쳐 망막에 맺히는 것을 생각해보면 (S1B), 허상(virtual image)으로 확대되어 보이는 것을 살펴볼 수 있습니다. LED 부터 렌즈의 오른쪽 끝 부분 까지는 대략 2.7mm 정도에 불과합니다.
- 광학 경로(optical path) 에서 여러가지 얇은 polymeric 필터를 삽입하여 프레넬 렌즈, 편광, 형광과 같은 다양한 효과를 낼 수 있다고 기술하고 있습니다.
Figure S1. Foldscope 의 개괄도
반복 재현 및 정확도
이러한 현미경의 경우, 각 부품들이 매우 작게 설계되어 있어 과연 모든 사람들이 제대로 종이 접기를 할 수 있을 것이냐, 뒤틀림이나 휨과 같은 변형에 어느정도 취약할 것이냐에 대한 물음이 있습니다.
- 종이의 경우에 구부러짐에 의한 탄성 에너지(elastic energy)가 생기고, 이로부터 random alignment error 가 발생한다고 합니다. 따라서 접혀있는 형태를 구조적으로 닫힌 형태로 구성하였습니다.
- 오차를 파악하기 위해 저자들은 X-Y alignment (X-Y 가 잘 조정되어 있는지) 를 살펴봅니다. 저자들은 350 um 의 두께에서 X,Y 축에 관하여 각각 20% 미만의 repeatability 와 accuracy차이를 보였으므로 이정도면 괜찮다고 결론 내리고 있습니다.
Figure S2. 독립된 20개의 현미경을 각각 20번 접어 풀어서 측정한 반복도(repeatability) 와 정확도(accuracy)
또한 저자들은 각각의 요소들에 대한 특징을 살펴보는데, 이 현미경의 경우,
외부 전원 공급이 필요 없는 만큼, 작은 전지를 통해 얼마나 LED가 오래가는지,
여러 필터를 통과시켰을 때, 빛의 투과 특성은 어떻게 달라지는지,
condenser lens가 광학 이미징에서 얼마나 중요한지 (빛이 퍼지지 않고 대체로 일정 방향으로 진행합니다) 를 보여줍니다. (S3)
또한 여러가지 렌즈들 중에서 구형의 렌즈 (spherical ball lens)를 사용하는데, 이는 대칭적인 모양을 가지고 있으므로 저렴한 대량 생산이 가능하기 때문에 적합하다고 이야기합니다. 이러한 요소들은 적정 기술을 추구하는 현미경을 구성함에 있어서 어떠한 부분을 집중해서 보아야 하는지 알려줍니다.
Figure S3. 몇 가지 요소들에 대한 특성
그렇다면 실제로 어떻게 보이느냐도 중요할 것입니다.
Figure 2. 다양한 방법(modality)에 따른 Foldscope의 이미징
위 그림(Figure 2)에서, A) Brightfield, B) Fluorescence, C) Lens-Array, D) Darkfield와 같은 다양한 방법에 따른 이미지를 관찰할 수 있습니다. A,B,D의 경우에는 polystyrene microsphere를 사용하였고, C의 경우에는 김자(Giemsa) 염색된 혈액 도말(blood smear) 이미지 입니다.
- Brightfield의 경우 가장 기본적인 형태를 가지고 있다면(E),
- Fluorescence의 경우 Roscolux gel filter가 렌즈와 LED광원에 근접하여 각각 삽입(F)됩니다.
- Lens-array의 경우 Brightfield의 렌즈 및 LED가 확장된 형태(G)입니다.
- Darkfield의 경우에는 2개의 렌즈를 광학 경로에 일렬로 배치하고, 특히 추가로 삽입되는 렌즈는 광원과 샘플 사이에 놓임으로써 집광 역할을 합니다.
하지만 이러한 현미경이 (교육에서든 혹은 열악한 환경의 임상에서 간단하게 쓰이기 위해서든) 현미경으로서의 목적을 달성하기 위해서는 여러가지 평가와 좋은 평가를 위한 설계가 필요합니다. 다음편에서는 이러한 현미경을 구성하기 위한 디테일한 설계를 살펴보도록 하겠습니다.