일상 빛으로 물질 내 읽는다...KAIST, 비파괴 3차원 광학 분석 시대 열었다

]다결정 샘플 내 각 결정립의 3차원 이축 이방성 방향 측정 결과

우리 연구진이 LED 조명만으로 물질 내 복잡한 '광학 지문'을 3차원으로 읽어낼 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박용근 물리학과 교수팀이 홍승모 서울아산병원 교수팀, 전석우 고려대 교수팀과 '비간섭 유전체 텐서 단층촬영(iDTT)' 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

개발 기술은 빛 간섭(위상 정보)에 의존하지 않고, 물질 내 방향성 있는 전기적 성질(유전체 텐서)을 3차원으로 복원(단층촬영)하는 이미징 기술이다.

일부 물질은 빛이 통과할 때 방향에 따라 굴절률이 달라지는 '광학 이방성'이라는 고유 성질을 품고 있다. 이는 해당 물질 내부 구조와 분자 배열을 알려주는 결정적인 '광학 지문'이다.

연구팀은 앞서 이 광학 지문을 3차원으로 측정하는 '유전체 텐서 단층촬영(DTT)' 기술을 세계 최초로 개발, 3D 유전체 텐서 측정의 길을 연 바 있다. 다만 기존 DTT는 정밀한 레이저 간섭계가 필요해 정확도가 떨어지고 외부 진동 영향을 크게 받는 문제가 있었다. 특히 생체 조직과 같은 대면적 시료로의 확장에 기술적 한계가 있었다.

이번에 개발한 iDTT는 병원에서 사용하는 빛의 편광·각도를 정교하게 제어해 총 48가지 독립 측정을 수행한다. 이를 통해 물질이 빛에 반응하는 방식을 모든 방향에 대해 완벽하게 기술하는 '유전체 텐서'를 3차원으로 복원한다.

iDTT 핵심은 LED 광원 도입에 있다. iDTT는 LED 조명을 비간섭 광원을 사용함으로써 이러한 노이즈 문제를 근본적으로 해결하고, 측정 안정성·실용성을 크게 높였다. 재료과학·반도체·제약·생의학·디스플레이 전반에 응용될 것으로 기대된다.

박용근 교수는 “이번 연구는 대형 시설이나 파괴적 분석에 의존하던 물질 이방성 측정을 소형 광학 현미경으로 대체할 수 있는 가능성을 제시했다”며, “LED 기반으로 안정적인 유전체 텐서 측정이 가능해진 만큼 다양한 산업 현장에서 활용되는 비파괴 정밀 분석의 새로운 기준이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 KAIST 이주헌 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 네이처 포토닉스에 4월 21일 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com