다양한 의료·산업용 영상 장비로 확장될 여지 커
포스텍 연구팀이 렌즈나 부품을 움직이지 않고 전압만으로 초점을 바꿔가며 서로 다른 깊이의 조직을 고해상도로 촬영할 수 있는 이중 초점 메타렌즈 광음향 현미경을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 기계공학과 김홍윤 박사(왼쪽 사진부터), 포스텍 의공학과 박사과정 박은우 씨, 경북대 의생명융합공학과 박정우 교수, 포스텍 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석, 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 기계공학과 김홍윤 박사, 의공학과 박사과정 박은우 씨, 경북대 의생명융합공학과 박정우 교수 공동연구팀이 전압만으로 초점을 전환해 넓은 깊이 범위를 고해상도로 촬영하는 '이중 초점 메타렌즈 광음향 현미경'을 개발했다고 21일 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지인 '라이트:사이언스 앤 어플리케이션'에 게재됐다.
'광음향 현미경'은 레이저(빛)를 쏜 뒤 혈관 같은 조직이 빛을 흡수하며 내는 미세한 초음파로 영상을 만든다. 빛을 바늘 끝처럼 가늘게 모으는 방식은 마이크로미터 수준의 미세혈관까지 볼 수 있을 만큼 정밀하다.
그러나 빛을 강하게 모을수록 화질은 좋지만 선명함이 유지되는 깊이 범위는 좁아진다. 얇은 한 겹만 또렷하고 그 앞뒤는 흐려지니 두께가 있는 3차원 조직을 한눈에 보기가 어려웠다.
지금까지는 렌즈나 부품을 물리적으로 움직여 초점을 다시 맞춰야 했다. 시간이 걸리고 장치도 복잡해진다. 연구팀은 부품을 움직이는 대신 빛의 성질 자체를 조종하는 방법을 택했다.
핵심은 두 가지 부품의 조합이다. 하나는 빛이 어느 방향으로 회전하며 나아가느냐에 따라 서로 다른 깊이에 초점을 맺는 '메타렌즈'다. 다른 하나는 전압을 걸면 빛의 회전 방향을 바꿔주는 '액정 셀'로, 스마트폰 화면에도 쓰이는 액정이다.
이 둘을 붙이면 전압을 조절하는 것만으로 빛의 회전 방향이 바뀌고 그에 따라 초점 깊이도 전환된다. 실제 전환에 걸린 시간은 약 0.25초에 불과했다.
마치 카메라 초점 링을 손으로 돌리는 대신 스위치 하나로 원근을 바꾸는 셈이다. 이렇게 만든 시스템은 물속에서 약 0.91mm 차이가 나는 두 깊이에 번갈아 초점을 맺었고 두 모드를 오가며 약 1.2mm에 이르는 깊이 범위를 촬영하는 데 성공했다.
각 초점에서의 해상도는 3.1μm와 3.7μm로 미세혈관을 또렷이 볼 만큼 정밀했다.
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| ▲ 듀얼초점 메타렌즈를 결합하여 서로 다른 깊이의 광음향 영상을 선택적으로 획득하는 광음향 현미경 시스템의 모식도. [포스텍 제공] |
성능은 실제 생체 실험에서 빛을 발했다. 연구팀은 화학 물질로 각막에 화상을 입은 쥐의 눈을 살아 있는 상태로 촬영했다. 얕은 초점에서는 각막에 새로 자라난 신생혈관이, 깊은 초점에서는 약 2.2mm 깊이에 있는 홍채 주변 혈관이 선명하게 잡혔다. 부품을 전혀 움직이지 않고 전압만으로 서로 다른 깊이의 눈 속 혈관을 골라가며 고해상도로 담아내는데 성공했다.
연구팀이 개발한 이 기술은 안과 질환 진단에서 힘을 발휘할 것으로 기대된다. 당뇨망막병증처럼 눈 속 혈관이 서서히 변하는 병은 깊이별로 혈관 상태를 정밀하게 살피는 것이 무엇보다 중요하기 때문이다.
노준석 교수는 "메타렌즈의 편광 다중화를 이용해 광학 부품을 움직이지 않고 고해상도 초점을 깊이 방향으로 바꿀 수 있다"며 "부품을 움직이지 않아 장치를 더 작고 안정적으로 만들 수 있어 다양한 의료·산업용 영상 장비로 확장될 여지가 크다"고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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