[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 박용근 교수 연구팀이 서울아산병원, 고려대와 함께 발광다이오드(LED) 조명만으로 물질 내부의 광학적 특성을 3차원으로 측정하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

개발된 '비간섭 유전체 텐서 단층촬영(iDTT)' 기술은 레이저 없이 일상의 LED 조명을 이용해 물질이 빛에 반응하는 방식을 모든 방향에서 측정할 수 있다. 특히 세 방향에서 서로 다른 굴절률을 보이는 이축 이방성을 정량적으로 분석하는 데 성공했다.

박 교수 연구팀은 2022년 유전체 텐서 단층촬영(DTT) 기술을 먼저 개발했으나, 정밀한 레이저 간섭계가 필요해 노이즈가 발생하고 외부 진동의 영향을 크게 받는 문제가 있었다. 생체 조직 같은 대면적 시료로의 확장도 어려웠다.

이번에 개발한 iDTT는 LED 광원을 비간섭 광원으로 사용해 이러한 문제를 해결했다. 빛의 편광과 각도를 정교하게 제어해 총 48가지 독립 측정을 수행하고, 이를 통해 물질의 유전체 텐서를 3차원으로 복원한다. 기존 레이저 기반 기술로는 노이즈에 묻혀 거의 보이지 않던 미세 구조를 iDTT가 선명하게 복원함을 확인했다.

연구팀은 다양한 시료에서 기술의 정확도를 검증했다. 액정 입자 내 분자 배열을 3차원으로 시각화했고, 방사선 치료 후 대장 조직의 섬유화를 염색 없이 관찰했다. 석영과 염화칼슘 같은 서로 다른 결정 물질이 섞여 있는 경우에도 화학 분석 없이 빛의 반응 차이만으로 각 물질을 자동으로 구분했다. 여러 결정이 모여 있는 물질에서는 각 결정의 배열 방향과 정합 상태까지 비파괴적으로 분석했다.

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 비파괴 정밀 분석의 새로운 기준이 될 것"이라고 말했다.

iDTT 기술은 재료과학, 반도체, 제약, 생의학, 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 재료과학과 반도체 분야에서는 기존 X선 회절이나 전자후방산란회절 기법의 한계를 극복할 수 있다. 이들 기법은 방사광 가속기나 대형 전자현미경 같은 고가 장비가 필요하고 시료 표면의 2차원 정보만 제공하는 반면, iDTT는 광학 현미경 크기의 장비로 결정립 배향과 경계 구조를 3차원으로 비파괴 측정할 수 있다.

생의학 분야에서는 종양 주변 콜라겐 섬유의 3차원 배열 분석에 활용될 수 있다. 기존 염색 기반 병리 기법으로는 3차원 구조를 정량 관찰하기 어려웠으나, iDTT는 염색이나 형광 표지 없이 조직 내 콜라겐 섬유의 3D 배향을 정밀하게 측정할 수 있다.

제약 분야에서는 의약품 다형체 식별에 응용될 수 있다. 의약품은 분자 구조가 같아도 결정 형태가 다르면 약효가 크게 달라질 수 있는데, 연구팀은 리토나비르를 포함한 여러 유기 결정의 이방성 지문을 iDTT로 정량 측정하는 데 성공했다.

이번 연구는 KAIST 이주헌 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 세계적 학술지 네이처 포토닉스에 지난 4월 21일 게재됐다. 연구는 한국연구재단 글로벌리더연구사업, 한국산업기술진흥원 국제공동 R&D 사업, 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

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