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박용근, 정용 교수, 알츠하이머 정량화 가능한 홀로그래피영상 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수와 바이오및뇌공학과 정용 교수(KI 헬스사이언스 연구소) 공동 연구팀이 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 개발했다.
이무성 연구원과 이익성 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌의 구조는 뇌 기능 및 질병과 밀접한 관련을 갖고 있다. 특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖기 때문에 뇌 영상 촬영 기술 신경과학에서 꼭 필요한 기술이다.
뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있지만 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계를 갖는다.
이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했지만, 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다.
또한 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠다.
문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했다.
연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다.
조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 위에서 얻은 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.
연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화했다.
그 결과 알츠하이머 모델의 해마 및 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했다. 특히 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다.
연구팀은 이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것이라고 내다봤다.
박 교수는 “최근 창업한 Tomocube(토모큐브) 사의 제품을 이용해 관련 연구자들이 보다 쉽게 새로운 방법을 적용시켜 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 홀로그래피 현미경 모식도
그림2. 기존 현미경과 홀로그래피 현미경 성능 비교
그림3. 정상 모델과 알츠하이머병 모델의 뇌 조직의 산란 계수, 이방성 분포
2016.08.17 조회수 11491 -
박용근, 조용훈 교수, 빛을 자유자재로 다룰 수 있는 광학기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근, 조용훈 교수와 고려대학교 재료공학과 이헌 교수 공동 연구팀이 빛의 산란을 이용해 다기능 광학 기기를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 나노분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 6월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
빛이 안개나 페인트 등의 불규칙한 매질을 투과하면 매우 복잡한 형태의 수많은 반사와 굴절이 발생한다. 이를 빛의 다중 산란이라고 하는데, 다중 산란을 겪은 빛은 간섭이라는 물리 현상을 통해 복잡한 패턴을 나타낸다.
우리가 짙은 안개 속에서 앞을 볼 수 없고 맥주의 거품이 하얗게 보이는 것도 빛의 다중산란이 만든 현상이다. 일반적으로 다중 산란이 생기면 빛이 매우 불규칙한 형태로 지나가기 때문에 제어가 어렵다.
그러나 홀로그래피 기술을 이용해 입사하는 빛의 방향을 잘 제어해주면 다중 산란이 발생해도 원하는 형태로 빛을 제어할 수 있다. 연구팀은 이러한 다중 산란을 효과적으로 활용해 빛의 다양한 성질을 제어할 수 있는 새로운 개념의 광학기기를 개발했다.
이 광학기기는 빛의 반사나 굴절의 원리를 이용하던 기존 기술과 달리 빛의 산란을 이용했다는 특징을 갖는다.
연구팀의 광학기기는 복잡 매질과 광 고분자 필름으로 구성된다. 광 고분자 필름은 입사되는 빛을 홀로그래피 기술을 통해 원하는 모양으로 제어한다. 또한 제어된 빛을 기록하고 실제로 비추는 역할을 한다.
광 고분자 필름을 통해 들어온 빛은 복잡 매질을 지나 일정한 패턴으로 다중 산란돼 원하는 모양의 빛을 나타낸다. 이 두 가지 과정을 통해 독립적으로 활용 가능한 다기능 산란 광학기기의 구현이 가능해진다.
이 기술로 투과된 빛의 진폭, 파장, 편광 뿐 아니라 기존 광학계 기술로는 접근이 어려웠던 근접장 성분까지도 제어할 수 있다.
연구팀은 기존의 광학 부품들로는 구현이 매우 어려웠던 산란 제어를 복잡한 광학적 설계나 제조공정 없이 단일 광학 부품으로도 저렴하게 제작할 수 있다고 밝혔다.
이번 연구를 주도한 박종찬 학생은 “관련 기술은 광학 기기를 제작하는 원천 기술로 활용될 수 있다”며 “향후 리소그래피, 광통신, 바이오 이미징 기술 등 빛이 사용되는 다양한 분야에 응용 가능하다”고 말했다.
□ 사진 설명
사진1. 제작된 산란 광학 기기 실제 사진
사진2. 산란 광학기기를 이용한 빛의 다양한 성분 제어
사진3. 산란 광학기기 모식도
2016.07.12 조회수 12646 -
무형광체 백색 LED 제조 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술을 개발했다.
이 기술은 차세대 조명 및 디스플레이 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 12일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정됐다.
현재 대부분의 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합해서 만드는 방식이다.
그러나 황색 형광체는 희토류물질로 수입의존도가 높고, 낮은 연색성, 변색 등의 문제점을 갖는다. 또한 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 매우 높아진다는 단점이 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 형광체를 사용하지 않고 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 제작되도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다.
이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된다.
삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색의 LED가 제작 가능하다.
연구팀은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다. 또한 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않았다. 이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의의를 갖는다.
이밖에도 연구팀은 고배율 대물렌즈를 사용해 3차원 구조체 내부에서 전류주입의 정도를 측정하는 방법을 소개했다. 이를 통해 전류를 효율적으로 주입시키는 방안을 개발한다면 LED 소자의 효율과 색재현성을 조절할 수 있을 것으로 전망했다.
조 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩 백색 광원으로 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
임승혁 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 복합 구조체에서 전류 주입으로 백색광을 내는 개념도
그림2. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 전자현미경사진과 백색광의 전계발광 스펙트럼
2016.02.23 조회수 13835 -
산란된 빛을 다시 집약시키는 시간 역행 거울 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 빛을 거꾸로 반사시켜 시간이 역행하는 것처럼 보이는 시간 역행 거울을 개발했다.
연구 성과는 물리학분야 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 10월 6일자 온라인 판에 게재됐다.
빛의 시간 역행성은 녹화된 비디오를 되감기하듯 빛의 진행을 되돌릴 수 있는 개념을 뜻한다. 이는 마치 쏟은 물을 주워 담는 것과 같이 흩뿌려진 빛을 다시 집약시켜 산란 전의 영상을 복구하는 것과 같은 원리이다.
빛의 시간 역행 실현을 위해선 특별한 거울이 필요했다. 이론상으로만 제안되었던 이 시간 역행 거울(위상 공액 거울)은 빛이 거울에 부딪혔을 때 부딪쳐 온 방향으로 빛이 반사돼 원래 상태로 돌아가는 특성을 갖는다.
많은 학자들이 비선형 레이저 광학 지식을 이용해 시간 역행 거울을 구현하려 노력했다. 하지만 이 특수한 현상의 실현을 위해선 일반적인 거울과 다르게 추가적인 입사 레이저광이 필요하고 주변 환경에 극도로 민감하다는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존 복잡한 시도와 반대로 일반 거울에서의 반사를 재해석해 활용했다.
연구팀은 파면제어기라 불리는 수많은 미세 거울로 이루어진 장치를 활용했다. 파면제어기는 입사하는 빛의 모양에 맞춰 거울의 표면을 변경시켜 평행 상태로 만드는 원리인데, 이를 통해 복잡한 물리현상의 도입 없이도 빛의 시간 역행 거울을 구현하는데 성공했다.
또한 연구팀은 구현된 시간 역행 거울을 활용해 모의 생체조직 샘플, 생 닭가슴살 등에 의해 심하게 산란된 빛을 집약시켜 산란 전의 모양으로 재현했다.
연구팀에 의해 구현된 시간 역행 거울은 그 구현방법이 쉽고 주변환경의 영향을 받지 않아 빠른 시일 내에 실제 응용에 접목할 수 있을 것으로 예상된다.
논문의 1저자인 이겨레 박사과정은 “이 기술을 활용하면 기존 생체조직에서 심한 산란으로 인해 불가능했던 생체조직 내부의 빛 집약이 가능하다” 며 “향후 무절개 암 수술 등 미래기술의 기반기술이 될 수 있다”고 말했다.
또한 박 교수는 “이번 기술은 빛 뿐 아니라 소리, 전자파, 라디오 등 일반적인 파동에서 성립하는 개념이다”며 “향후 레이저 및 광통신 기술을 포함한 물리학, 광학, 의학 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림 1. 생체조직,닭가슴살,광섬유를 산란체로 활용한 뒤 시간역행 거울로 원래 이미지를 구현한 사진
그림 2. 일반거울과 시간역행거울의 원리
2015.10.07 조회수 12206 -
휘어지는 물질에서 증폭된 광전기 효과 발견
양 찬 호 교수
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 8월 31자 온라인 판에 게재됐다.
광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 따라서 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질 및 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.
하지만 연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다.
P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적인 광전기 소자 제작이 기대된다.
물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 하지만 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.
그리고 수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성함을 규명했다.
광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.
하지만 물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있는 것이다.
특히 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.
또한 연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
양 교수는 “휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다.”며 “이러한 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다”고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 김용현 교수, 포항공대 조문호 교수, 오상호 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 재료연구소 최시영 박사 등과 공동으로 진행됐고, 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도
2015.09.15 조회수 12670 -
수 나노미터급으로 빛 모으는 3차원 광 장치 개발
우리 대학 물리학과 김명기, 이용희 교수 연구팀이 빛을 수 나노미터급 영역안으로 집속시킬 수 있는 초 고광밀도 삼차원 갭-플라즈몬 안테나(3D gap-plasmon antenna)를 개발했다.
이번 연구는 미국화학회의 나노분야 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 6월 10일자에 게재됐다.
빛을 한 점으로 집속시키는 연구는 최근까지도 활발하게 이뤄지고 있다. 빛을 고밀도로 집속시킬수록 다양한 분야에서 활용 가능하기 때문이다.
하지만 빛의 파장보다 작은 크기에서 발생하는 회절(回折, diffraction) 현상은 집속을 방해한다. 이를 극복하기 위해 학자들은 금속에서는 회절한계를 뛰어넘어 빛이 가둬지는 플라즈모닉 현상을 이용해 연구를 진행 중이다.
학자들은 2차원 형태의 플라즈모닉 안테나 개발에 집중했고 연구를 통해 5나노미터 이하로 빛을 집속하기도 했다. 하지만 2차원 안테나로는 아무리 작게 모아도 나머지 한 쪽 방향으로 빛이 퍼지는 한계가 있다.
즉, 빛을 3차원 방향으로 집속시킬 수 있어야 빛의 밀도를 최대로 끌어올릴 수 있는 것이다.
연구팀은 집속 이온빔 근접 식각 (Proximal Focused-Ion-Beam Milling) 기술을 도입해 3차원 구조의 4나노미터급 갭-플라즈몬 안테나를 제작했다. 이를 통해 삼차원 나노 공간(~4 x 10 x 10 nm3)안으로 빛을 집속시켜 입사파와 비교해 40만 배 이상의 빛의 세기를 만들었다.
또한 제작된 안테나 내 높은 광밀도를 이용해 금속에서 발생하는 이차조화파 세기의 극대화에 성공했고, 음극선 발광 측정(Cathodoluminescence)장치를 이용해 빛이 나노 갭 안으로 강하게 집속됨을 확인했다.
연구팀은 이 기술이 데이터 통신과 정보 처리 속도를 테라헤르츠(THz, 1초당 1조번) 수준으로 높이고, 하드디스크 면적당 용량을 현재의 100배로 늘릴 수 있을 것이라고 밝혔다.
더불어 전자 현미경 대신 직접 빛을 이용해 분자 이하 크기의 고해상도 이미지를 추출하거나 반도체 공정을 수 나노미터 수준으로 발전시키는 기술이 가능할 것이라고 말했다.
김명기 교수는 “간단하고 새로운 아이디어가 기존 2차원 플라즈모닉 안테나 중심 연구를 3차원 공간으로 확대시켰다”며 “정보통신, 데이터 저장, 영상의학, 반도체 공정 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것이다"고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자지원사업과 중견연구자지원사업, 첨단융합기술개발사업 프로그램 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 제작된 3차원 갭-플라즈몬 안테나
그림 2. 3차원 갭-플라즈몬 안테나 구조 및 시뮬레이션 결과
그림 3. 증폭된 이차조화파 발생과 나노갭 안으로 빛이 집속된 모습
2015.06.15 조회수 14570 -
고효율의 단일광자원 소자 핵심기술 개발
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 의 방출 효율과 공정 수율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
빛은 보통 파동의 성질을 갖는 동시에 입자의 성질도 가지고 있는데, 이 입자를 광자라고 한다. 단일광자원 혹은 양자광원은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자이다. 반도체 양자점을 이용한 단일광자 방출 소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
하지만 빛의 파장은 양자점보다 수십~수백 배 정도 크기 때문에 상호 작용하기 어려워서 단일광자의 방출 효율이 매우 작다는 한계점이 있다. 따라서 고효율 단일광자원를 만들기 위해서는 양자점과 빛을 집속시키는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이다.
하지만 양자점은 불규칙하게 분포되어 있고 위치를 정확히 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다. 따라서 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성된다. 그리고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속 끝에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것이다.
특히 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다. 즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과의 크기 차이로 인한 문제를 극복할 수 있게 되는데, 이 방법으로 단일광자 방출 효율이 기존의 방식보다 20배 정도 증가되었다.
단일광자 방출소자는 양자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소이다. 이번 연구를 통해 기존의 까다로운 과정들 없이 단순한 방식으로 효율과 수율을 모두 높일 수 있으므로, 단일광자방출원 혹은 양자광원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대된다.
조 교수는 “이 기술은 높은 공정 수율을 갖고 있기 때문에 상용 양자광원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것”이라고 말했다.
조용훈 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)·김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 우리 대학 신종화·이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습의 개념도
2015.04.23 조회수 15428 -
미세 입자의 3차원 영상 촬영기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀은 CT촬영의 원리와 비슷한 광회절 단층촬영법을 이용해, 광학 집게로 포획한 입자의 3차원 위치를 고속으로 측정할 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술로 광학 집게를 사용한 세포 단계의 수술 작업을 실시간 촬영할 수 있어 세포의 반응, 수술 예후 등을 모니터링 할 수 있게 됐으며, 기존에는 어려웠던 세포 내부 성분 및 총량에 대한 정확한 수치 측정이 가능해졌다.
연구 결과는 미국 광학회지 ‘옵티카(Optica)’ 4월 20일자 온라인 판 표지 논문으로 선정됐다.
광학 집게는 빛을 이용해 미세 입자를 포획해 힘을 가하거나 3차원 위치를 자유자재로 움직일 수 있는 기술이다.
렌즈를 이용해 레이저 빔을 머리카락의 수백분의 일 크기의 초점으로 모으면 자석에 철가루가 끌려오듯 주변의 미세입자들이 달라붙는다. 초점의 위치를 옮기거나 힘을 가해서 미세 입자의 3차원 위치를 조절하는 것이 광학 집게의 원리이다.
광학 집게로 움직인 미세 입자의 위치를 측정하기 위해서 광학 현미경을 이용하는데, 입자의 2차원 움직임은 미세 입자에 의해 산란된 빛의 정보를 측정함으로써 쉽게 알 수 있었다.
하지만 다른 물체가 시선 방향의 미세 입자를 가로막아 산란된 빛의 정보가 왜곡되거나, 생물 세포처럼 복잡한 형상인 경우에는 3차원 위치의 정확한 측정이 어려웠다.
연구팀은 병원의 CT촬영 원리와 비슷한 광회절 단층촬영법을 이용해 입자의 3차원 영상화에 성공했다. 다각도로 CT 영상을 찍어 환자 몸 내부를 들여다보듯이, 광학 집게로 포획한 미세 입자에 레이저 빔을 여러 각도로 입사해 촬영한 뒤 이를 분석하는 방식이다.
2 마이크로미터 크기의 유리구슬을 광학 집게로 집어 백혈구 세포 위에 얹은 뒤 백혈구의 반응을 1초당 60장의 속도로 영상화했다. 앞쪽에 위치한 백혈구가 구슬을 가려 기존의 기술로는 촬영이 어려웠지만, 연구팀의 광회절 단층촬영법으로 구슬의 3차원 위치 뿐 아니라 백혈구 내부의 물질 분포도 측정이 가능했다.
박 교수는 “포획한 입자의 3차원 위치와 내부 구조를 별도의 표지 없이 빠른 속도로 측정 가능한 기술이다” 며 “향후 물리학, 광학, 나노기술 및 의학 등의 다양한 분야에 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.
김규현 학생(제1저자)은 "물리적, 화학적 자극에 따른 세포 반응을 단일 세포 단계에서 관찰하는 것이 중요하다"며, "이 방법을 이용해 부유 입자와 세포, 조직 등의 다양한 시스템에 광학 집게로 힘을 가하고 이를 3차원으로 실시간 영상화하는 실험을 수행할 예정이다"고 말했다.
□ 그림 설명
그림 1. 광집게로 집은 유리구슬을 백혈구 세포에 얹은 모습
그림2. 일반 현미경 관찰 영상과 광회절 단층촬영법 관찰 영상 비교
2015.04.21 조회수 12291 -
신개념 DNA 나노구조 형성법 개발
우리 학교 물리학과 윤태영 교수 연구팀이 자기집게를 이용해 DNA 나노구조의 형성을 실시간으로 관측 및 유도하며 새로운 DNA 나노구조를 형성하는 방법을 개발했다.
이 기술은 열처리를 사용하는 기존의 방법과는 전혀 다른 역학적 방법을 이용해 DNA 나노구조 형성을 10분 이내로 빠르게 끝낼 수 있는 게 큰 특징이다.
2006년 개발된 DNA 오리가미 기술은 하나의 긴 뼈대 DNA를 여러 개의 짧은 ‘스테이플러’ DNA들을 이용해 종이접기 하듯 접어서 임의의 형태를 가지는 DNA 기반의 나노구조를 만들어 낼 수 있는 방법으로 DNA 나노기술에서 중요한 위치를 차지하는 기법이었다.
하지만 현재까지 사용되는 열처리 과정을 통한 DNA 나노구조 형성 방법에서는 DNA들 사이의 모든 상호작용들이 동시에 일어나기 때문에 DNA의 상태를 도중에 제어하기가 매우 어려웠다. 따라서 일반적으로 수십 시간이 걸리는 열처리 과정을 여러 번 반복해 최적의 조건을 찾아야 했다.
윤 교수 연구팀은 DNA 분자 하나에 역학적 힘을 가하면서 동시에 DNA의 상태도 측정할 수 있는 단분자 자기집게 기술을 이용해 DNA 나노구조의 형성과정을 유도하는 동시에 관측했다.
기존 열처리 과정의 첫 단계인 고온 열처리에서는 긴 뼈대 DNA의 내부구조가 풀리게 되는데 연구팀은 이 상태를 유도하기 위해 긴 뼈대 DNA의 한쪽을 유리 표면에 부착하고 다른 쪽에 자성체를 부착한 뒤 자기력을 이용해 잡아당겨 뼈대 DNA의 내부구조를 풀어냈다.
이렇게 뼈대 DNA의 내부구조를 풀어내면 숨겨져 있던 반응부위들이 상온에서 드러나기 때문에 열처리 과정과는 달리 스테이플러 DNA들이 1분 안에 빠르게 붙을 수 있다.
스테이플러 DNA들이 모두 붙은 이후에 자기력을 제거하면 자가조립과정을 통해 하나의 스테이플러 DNA가 뼈대 DNA의 다른 여러 부분에 붙게 되면서 구조가 접히게 되는 것이다.
윤태영 교수는 “기존의 열처리 방법에서는 DNA들의 반응이 동시에 섞여서 일어나기 때문에 어떤 온도에서 어떤 반응이 일어나는지 구분할 수 없었다”며 “자기집게를 이용해 구조형성 과정을 일련의 잘 연구된 DNA 반응들로 분해하면서 동시에 구조형성에 걸리는 시간도 10분 정도로 단축할 수 있었다”고 말했다.
더불어 “이번에 개발한 나노구조 형성방법을 이용하면 더욱 고도로 프로그램된 DNA 나노구조의 형성이 가능할 것”이라고 덧붙였다.
한편, 물리학과 윤태영 교수 지도하에 배우리 박사가 주도한 이번 연구는 세계적인 과학저널 네이처가 발행하는 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 4일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 단분자 자기집게를 이용해 DNA 나노구조의 형성을 프로그램 하는 것에 대한 개념도
그림2. 단분자 자기집게를 이용하여 DNA 나노구조의 형성을 실시간으로 유도하고 관찰한 결과. 약 8분 만에 21 나노미터 크기의 DNA나노구조 형성이 완료 된 것을 볼 수 있다.
2015.01.02 조회수 12086 -
다빈치가 르네상스 이후에 태어났다면 모나리자를 어떻게 그렸을까
우리 학교 물리학과 정하웅 교수와 한양대학교 응용물리학과 손승우 교수는 중세부터 사실주의까지 약 1000년에 걸친 서양화 1만 여점의 빅데이터를 복잡계 이론으로 분석해 서양 미술의 변천사를 밝혀냈다. 또 이를 바탕으로 르네상스 시대의 대표 작품인 모나리자를 시대별로 재구성했다.
연구결과는 세계적인 과학저널 네이처(Nature)가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 11일자 온라인판에 실렸으며 리서치 하이라이트로 선정되어 네이처 홈페이지 메인 화면에 소개되기도 했다.
최근 빅데이터가 관심을 받으면서 과학자들은 예술·인문학 자료를 전산화해 분석하려는 시도가 많이 있다. 이 같은 자료는 방대하고 복잡해서 다루기가 쉽지 않다. 연구자들은 빅데이터에서 질서를 찾기 위해 복잡계(Complex Systems) 과학 방법론을 이용하며 이를 ‘데이터 과학’이라고 한다.
그동안 회화에 사용된 물감의 구성 성분, 연대측정, 회화의 진위여부를 정량적으로 판별하는 방법 등에 관한 연구결과는 꾸준히 있었다. 하지만 서양 미술사 전반을 아우르는 대규모 분석에는 데이터가 충분하지 않았다.
연구팀은 헝가리 부다페스트 물리학 컴퓨터 네트워킹 연구센터(Computer Networking Centre of the Wigner Research Centre for Physics)에서 운영하는 온라인 갤러리에서 중세부터 19세기까지 디지털 형태의 서양회화 1만여 점을 모은 데이터를 기반으로 서양 미술을 객관적으로 분석할 수 있었다.
연구팀은 물리학에서 사용하는 상관 함수를 온라인 갤러리에서 취합된 서양 미술의 빅데이터에 적용해 분석한 결과 시간이 흐를수록 명암대비 효과가 점점 높아지는 경향이 있다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 여기서 사용한 상관 함수를 잭슨 폴록의 드립 페인팅에 적용한 결과, 공간적인 명암대비 효과가 거의 없어 무작위로 만든 그림에 상당히 가깝다는 것을 분석해내기도 했다.
이와 함께 이 기간 동안 서양미술은 그림 속 물체의 윤곽선이 모호해지다 낭만주의 시대 무렵 다시 뚜렷해지는 변화가 있었다.
아울러 중세 시대에는 색상을 다양하게 사용하지 않았고 정치 및 종교적인 이유로 특정 염료만을 선호했다. 같은 이유로 당시에는 색을 직접 혼합하지 않고 오직 덧칠로만 다양한 색을 표현했다. 즉, 연구팀은 염료와 채색 방식으로 인한 중세 시대 색상 표현의 한계와 그 이후 변화를 분석해냈다.
정하웅 교수는 “물질세계의 복잡성에 대한 연구는 자연과학에서 오래된 주요 관심사였지만, 예술 및 인문사회분야와 관련한 체계적인 복잡성 연구는 인터넷 대중화 이후의 일”이라며 “이번 연구는 물질세계의 복잡성을 다루던 방법으로 인류의 귀중한 문화유산인 회화에서 숨은 복잡성을 찾아 구체적인 숫자로 제시했다는데 의의가 있다”고 말했다.
손승우 교수는 “학문 사이의 통섭은 이제 융·복합이라는 키워드로 우리 사회에 자리매김하고 있다”며 “학문간 더욱 활발한 대화를 통해 미술 분야를 넘어 예술 및 인문사회 분야에 숨겨진 복잡성을 더욱 폭넓게 이해하는 것이 필요하다”고 설명했다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구는 KAIST와 한양대 교수진의 지도아래 KAIST 물리학과 김영호(28) 박사과정 학생이 주도했다.
동영상 링크 http://youtu.be/SFo0h1EU2aw
[자료 그림] 중세 회화와 드립 페인팅 비교: a은 중세 회화로 구성한 밝기 표면, b은 잭슨 폴록의 드립 페인팅 작품으로 구성한 밝기 표면이다. 각 픽셀의 밝기를 픽셀 위치의 높이로 두어 표면을 구성하고 각 밝기 표면에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수를 구했다. c와 d에서 빨간색 점은 그림에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수, 파란색 점은 그림을 무작위로 섞어서 만든 이미지에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수이다. 중세 회화와 다르게 잭슨 폴록의 드립 페인팅은 무작위로 섞어서 만든 이미지와 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수가 거의 차이가 없다. © 2014 The Polock-Krasner Foundation/ARS, NY - SACK, Seoul
1. 르네상스 시대의 대표 작품인 모나리자를 시대별 스타일에 맞게 재구성
2. 각 그림으로 표면을 구성하고 명암 대비 기법의 강도를 측정하는 짧은 영상. 선별한 그림을 중심으로 명암 대비 기법의 강도가 시대에 따라 증가하는 경향을 영상에서 확인할 수 있다.
3. 회화에서 밝기 표면을 구성하는 방법
4. 네이처 홈페이지(12월 11일)
2014.12.15 조회수 15597 -
신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 22110 -
슈퍼렌즈로 초고해상도 2차원 실시간 영상획득 성공
우리 학교 물리학과 박용근·조용훈 교수 공동연구팀은 빛의 회절한계 때문에 광학렌즈로는 볼 수 없었던 100nm(나노미터, 10억분의 1미터) 크기 이미지를 2차원으로 실시간 관찰하는데 성공했다.
이번 연구는 지난해 4월 박 교수 연구팀이 페인트 스프레이를 이용해 기존 광학렌즈보다 3배가량 해상도가 뛰어난 ‘슈퍼렌즈’를 세계 최초로 개발해 초점을 형성한 기술의 후속 연구로 향후 초정밀 반도체 공정이나 세포 내 구조 관찰 등에 응용 가능하다.
빛의 굴절을 이용하는 광학렌즈는 빛의 파장보다 작은 초점을 만들 수 없는 특성(회절한계) 때문에 가시광선 영역에서 200~300nm 이하 크기의 물체를 관찰할 수 없다.
연구팀은 빛의 산란 때문에 소멸하는 고주파 근접장을 산란 물질이 밀집한 나노입자로 구성된 페인트 스프레이를 뿌려 미세한 크기의 이미지 정보를 얻어냈다.
이후 빛을 시간 가역성을 이용해 최초의 산란 형태를 계산해 복구함으로써 회절한계를 넘는 나노 이미지를 구현했다. 복잡한 궤적으로 물체를 투사할 때 피사체의 특정위치에서 피사체가 지나온 궤적에 대해 시간을 되돌리는 방식으로 계산하면 피사체의 처음 위치를 알 수 있는 원리다.
이번 연구를 주도한 박용근 교수는 “개발된 기술은 광학 측정과 제어가 요구되는 모든 분야에서 핵심 기반기술로서 사용될 수 있다”며 “기존의 전자현미경은 세포가 파괴되는 단점이 있었지만 이 기술을 이용하면 세포파괴 없이 초고해상도로 관찰할 수 있다”고 말했다.
연구결과는 물리학분야에서 귄위 있는 국제학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 9일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 관찰영상
그림2. 산란을 통한 나노 이미징의 원리
2014.09.22 조회수 13220