LED 조명만으로 물질 내부 들여다보는 3D 단층촬영 기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 박용근 교수 연구팀이 서울아산병원 홍승모 교수팀, 고려대학 전석우 교수팀과 공동연구로 일상의 LED 조명만으로 물질 내부의 복잡한 '광학 지문'을 3차원으로 읽어내는 '비간섭 유전체 텐서 단층촬영(iDTT)' 기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 밝혔다.

일부 물질은 빛이 통과할 때 방향에 따라 굴절률이 달라지는 광학 이방성이라는 고유한 성질을 품고 있다. 이는 해당 물질의 내부 구조와 분자 배열을 알려주는 결정적인 광학 지문이다. 광학 이방성에는 두 가지 유형이 있다. 단축 이방성은 연필처럼 한 방향만 특별한 경우고, 이축 이방성은 벽돌처럼 세 방향이 모두 다른 더 일반적이고 복잡한 경우다.

박 교수 연구팀은 앞서 이 광학 지문을 3차원으로 측정할 수 있는 유전체 텐서 단층촬영(DTT) 기술을 세계 최초로 개발해 존재하지 않던 3D 유전체 텐서 측정의 길을 연 바 있다.

방사광 가속기 같은 대형 시설이 필요한 기존의 X선 회절과 시료 파괴가 필요해 영역이 제한적인 전자현미경 기법의 한계를 극복한 성과다.

다만 DTT는 정밀한 레이저 간섭계를 필요로 해 영상 노이즈로 정확도가 떨어지고 외부 진동의 영향을 크게 받는 문제가 있었다. 특히 생체 조직과 같은 대면적 시료로의 확장에는 기술적 한계가 뚜렷했다.

iDTT는 LED 기반 비간섭 광원을 사용해 노이즈 문제를 근본적으로 해결하고 측정의 안정성과 실용성을 크게 높였다. 실제로 연구팀은 마이크로미터 수준의 주기적 분자 정렬 구조를 시료로 사용한 직접 비교에서 DTT로는 노이즈에 묻혀 거의 보이지 않던 미세 구조를 선명하게 복원했다.

연구팀은 액정 입자 안에 있는 분자들이 어떻게 배열돼 있는지를 3차원으로 눈에 보이게 만드는 데 성공했다. 또 방사선 치료 이후 대장 조직에 생긴 섬유화(조직이 딱딱해지는 현상)를 별도의 염색 없이도 정밀하게 관찰했다.

석영이나 염화칼슘처럼 서로 다른 결정 물질이 섞여 있는 경우에도 화학 분석 없이 빛에 대한 반응 차이(이방성)만으로 각각의 물질을 자동으로 구분해냈다.

여러 결정이 모여 있는 물질에서는 각각의 작은 결정들이 어떤 방향으로 배열돼 있는지와 서로 잘 맞물려 있는지(정합) 또는 어긋나 있는지(부정합)까지 손상 없이 분석했다. 이를 통해 물질의 미세한 내부 구조와 강도 같은 물리적 성질을 연결해 이해할 수 있는 새로운 분석 방법임을 확인했다.

박 교수는 "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 말했다.

KAIST 이주헌 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재됐다.

연구는 한국연구재단 글로벌리더연구사업, 한국산업기술진흥원 국제공동 R&D 사업, 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr