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파장 가변 소용돌이 위상 이미징 장치 개발...수입대체 기대
이름 : 언론홍보 | 작성일 : 2022.08.09 10:07 | 조회수 : 698
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파장 가변 소용돌이 위상 이미징 장치 개발...수입대체 기대

세계 최초 제작 신개념 소용돌이 위상거울 활용광학 이미징 선명성 향상

 다양한 광학 현미경에 적용, 선명한 고해상도 이미징 기술에 널리 활용 가능



 빛 파장(wavelength)의 변화와 관계없이 관측 물질의 테두리까지 선명하게 찍을 수 있는 위상 이미징 장치가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후 다양한 분야의 고성능 광학 현미경 개발에 가속도가 붙을 것으로 보인다.


 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비개발부 김이종 박사 연구팀이 순수 국내 기술로 개발한 소용돌이 위상거울을 적용해, 빛의 파장이 바뀌어도 선명한 이미징 성능을 고해상도로 확보할 수 있는 위상 광학 이미징 장치를 개발했다고 9일(화) 밝혔다. 


 이번에 개발한 광학 이미징 장치는 KBSI가 세계 최초로 만든 소용돌이 위상거울(off-axis spiral phase mirror ; OSPM)을 활용해 개발했다. 동종 외국산 제품보다 고해상도, 고선명 이미징 성능과 함께 간단한 구조와 조작의 편의성, 그리고 호환성이 우수하며, 제작원가의 절감효과를 실현했다는 점에서, 국내 토종 기술로 광학 이미징 장비 국산화의 새로운 장을 열었다.


 빛의 파장가변(wavelength-tuning) 기술은 광학, 포토닉스 연구의 핵심 기술 중 하나다. 광학 현미경 기술은 이미징 성능을 결정짓는 두 가지 핵심 변수인 빛의 세기(intensity)와 위상(phase) 값을 제어하는 다양한 방법들에 의해 발전돼 왔다. 이에, 이미징 성능을 높이기 위한 해상도 향상은 물론, 전체 형상의 선명한 이미지를 얻기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 


 하지만, 기존에 널리 활용된 투과 타입의 소용돌이 위상판(spiral-phase plate; SPP)은 빛의 파장이 바뀔 경우 선명한 이미지 확보가 어려운 문제가 있었다. 또, 빛의 홀로그래피를 이용한 공간광변조기(spatial light modulator ; SLM)는 파장 변화에 따라 이미징 성능은 유지되는 반면, 매우 복잡하고, 부피가 크며, 가격도 비싸고, 다른 광학 현미경과도 호환성이 떨어지는 단점이 있었다. 이에, 단일의 광학 부품을 활용해 파장이 변하더라도 효과적인 이미징 성능을 확보할 수 있는 위상 이미징 장치의 필요성이 꾸준히 요구돼 왔다.  


그림2. (a) 왼쪽_일반적인 광학 현미경 이미징, (b) 오른쪽_소용돌이 위상 이미징_일반적인 광학 현미경 이미징의 경우관측 대상(숫자)과 배경이 단순히 색깔 차이로 구분되는 반면소용돌이 위상 이미징의 경우관측 대상의 형태를 결정하는 외각선(혹은 테두리)의 선명한 이미지가 부각되어 있음을 알 수 있음.


그림 3. (a), © 규칙적인 라인 그레이팅(line grating) 구조에 대한 파장가변 전 2차원 소용돌이 이미징 결과. (b),(d) 파장 가변 후 2차원 소용돌이 이미징 결과_파장 가변 전 결과인 (a)와 (c)는 세기의 차이가 들쭉 날쭉한 데 비해파장 가변 후 결과인 (b)와 (d)는 규칙적이고 세기가 일정한 이미징 결과를 획득할 수 있음.


 이번에 개발한 장치는 신개념 소용돌이 위상거울을 기반으로 만든 이미징 장치다. 빛의 파장이 다양하게 변해도 위상거울의 간단한 회전 만으로, 관측 대상의 모양을 결정하는 외각선(edge)의 이미지를 선명하게 지속시켜 주는 ‘파장가변 소용돌이 위상 이미징(wavelength-tunable spiral-phase-contrast) 장치다. 


 실험을 통해 가시광선 영역인 약 400 nm 이상의 파장 범위에서 파장 가변이 가능한 선명한 위상 이미징 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 이번에 개발한 이미징 기술은 가시광선은 물론 적외선 영역에도 적용된다는 장점이 있다. 향후 고해상도 광학 현미경은 물론, 천문 관측, 군용 이미징 등 광학 장치 개발에도 널리 활용될 것으로 기대된다. 


사진1. 연구자 사진_(왼쪽부터) KBSI 연구장비개발부 이동호 박사후연구원(1저자),

이선우 과제연구원(공동제1저자), 김이종 책임연구원(교신저자)


사진2. 파장가변 소용돌이 위상 이미징 장치 및 단체사진 이미지_(왼쪽부터이동호 박사후연구원(공동제1저자), 

이선우 과제연구원(공동제1저자), 김이종 책임연구원(교신저자)


 본 연구결과는 KBSI BIG사업(다중모드 나노-바이오 광학 현미경 개발사업)의 지원으로 진행됐으며, 광학분야 저명 학술지인 Optics Express誌 [논문명: Wavelength- tunable spiral phase contrast imaging, IF=3.833, 이동호(공동제1저자), 이선우(공동제1저자), 김이종(교신저자)]에 7월 18일 게재됐다. 


 KBSI 김이종 박사는 “이번에 개발한 이미징 장치는 KBSI가 자체 제작한 특수 광학 부품인 소용돌이 위상거울을 기반으로 개발됐다”며, “기존 다양한 광학현미경 시스템에도 매우 손쉽게 적용될 수 있는 만큼, 향후 범용 장비로서의 상용화 가능성도 높다고 판단돼 관련특허 출원도 완료했다”고 말했다.


 KBSI 신형식 원장은 “KBSI는 2017년부터 분석과학기반 연구장비 개발(BIG)사업을 통해 공초점 열반사 현미경, 전자기 물성측정장비, 보급형 투과전자현미경과 같이 다양한 연구․산업분야에 활용할 수 있는 장비를 개발하는 등 가시적 성과를 내고 있다”며, “앞으로도 외산 장비 의존도가 높은 첨단연구장비의 국산화는 물론, 신규 연구장비 개발을 위한 핵심요소 원천기술 개발을 위해 지속적으로 노력해 나갈 것”이라고 말했다.    


 연구팀은 그동안 축적된 이미징 기술을 바탕으로, 현재 3차원(3D) 입체 이미징 기술개발을 위한 후속 연구를 진행하고 있다. 개발이 완료되면 기존의 고해상도 이미징 기술에 접목시켜 향후 바이오, 재료 등 다양한 종류의 관측 대상들을 이미징할 수 있는 최첨단 광학 현미경 장비로 성능을 올리고, 관련 기술에 대한 조기 상용화를 추진할 계획이다. <끝>

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