KAIST, LED 조명만으로 물질 내부 3차원 분석 기술 개발

[경제일보] KAIST가 레이저 없이 일상적인 LED 조명만으로 물질 내부 구조를 3차원으로 정밀 분석할 수 있는 차세대 광학 기술 개발에 성공했다. 반도체·제약·생의학·디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능한 비파괴 정밀 분석 기술로 평가된다.

KAIST는 물리학과 박용근 교수 연구팀이 서울아산병원 홍승모 교수팀, 고려대학교 전석우 교수팀과 공동으로 ‘비간섭 유전체 텐서 단층촬영(iDTT·incoherent Dielectric Tensor Tomography)’ 기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 지난 4월 21일 게재됐다.

iDTT는 빛의 간섭 현상에 의존하지 않고 물질 내부의 방향성 있는 전기적 특성인 ‘유전체 텐서’를 3차원으로 복원하는 기술이다. 기존 광학 분석 기술은 정밀 레이저 간섭계를 사용해야 해 외부 진동과 노이즈에 취약했다. 특히 생체 조직처럼 넓은 시료를 안정적으로 분석하는 데 한계가 있었다.

 
연구팀은 이번 기술에서 LED 기반 비간섭 광원을 활용해 이러한 문제를 해결했다. 병원에서 사용하는 편광 제어 방식과 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 결합해 총 48가지 독립 측정을 수행하고, 이를 바탕으로 물질 내부의 광학 특성을 3차원으로 복원했다.

핵심은 물질의 ‘광학 이방성’을 정밀하게 측정할 수 있다는 점이다. 광학 이방성은 빛이 물질 내부를 통과할 때 방향에 따라 굴절률이 달라지는 특성으로, 결정 구조와 분자 배열 상태를 보여주는 일종의 ‘광학 지문’ 역할을 한다. 특히 연구팀은 기존 레이저 기반 기술(DTT)에서는 노이즈에 가려 확인하기 어려웠던 미세 구조를 iDTT를 통해 선명하게 복원하는 데 성공했다.

연구팀은 액정 입자의 분자 배열을 3차원으로 시각화했으며, 방사선 치료 이후 대장 조직에 나타나는 섬유화 현상도 별도 염색 없이 정밀 관찰했다. 또한 석영과 염화칼슘 등 서로 다른 결정 물질이 혼합된 시료에서도 화학 분석 없이 빛에 대한 반응 차이만으로 물질을 자동 구분했다.

다결정체 구조에서는 각각의 결정립 방향과 경계 구조까지 비파괴 방식으로 분석하는 데 성공했다. 연구팀은 이번 기술이 기존 X선 회절(XRD)이나 전자현미경 기반 분석의 한계를 보완할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

기존 방식은 방사광 가속기나 대형 전자현미경 등 고가 장비가 필요하고 시료 준비 과정에서 손상이 발생할 수 있다는 한계가 있었다. 반면 iDTT는 광학 현미경 수준 장비만으로도 3차원 이방성 구조를 정량 분석할 수 있어 산업 현장 적용성이 높다는 평가다.

반도체 분야에서는 박막과 접합부, 다결정 소자 분석에 활용될 수 있으며, 생의학 분야에서는 종양 주변 콜라겐 섬유의 3차원 배열 분석을 통해 면역항암 연구에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

제약 분야에서는 의약품 결정 구조인 다형체(polymorph) 식별에도 응용 가능성이 제시됐다. 연구팀은 HIV 치료제 리토나비르(Ritonavir)를 포함한 여러 유기 결정의 광학 이방성을 정량 분석하는 데 성공했다.

박용근 KAIST 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 산업 현장에서 활용되는 비파괴 정밀 분석의 새로운 기준이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌리더연구사업, 한국산업기술진흥원 국제공동 연구개발(R&D) 사업, 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 받아 수행됐다.