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자유롭게 光 집속이 가능한 산란렌즈 개발

- GIST-Caltech 교수 1:1 연구 성과…피부 절개 없는 레이저 광 치료 가능성 제시

(그림1) 광파면제어를 하기 전(좌측)과 하고 난 후(중간)에 불투명한 산란렌즈를 통과한 후 공간에 만들어진 광초점(배경과 비교한 광집속 효과: 2500~8000배 향상)과 81개의 동시 다중초점 생성 결과(우측) 

□ 빛이 불투명 매질*을 통과할 때 흩어지는 특성을 역이용해 레이저 빛의 초점 위치를 자유롭게 조절하고 원하는 위치에 비출 수 있는 기술이 GIST(광주과학기술원)와 미국 칼텍(Caltech)의 공동 연구에 의해 개발됐다.

* 매질: 파동을 매개하는 물질

  ○ 이번 성과는 피부 레이저 치료 시 생기는 부작용을 최소화하거나 정상 조직에 손상 없이 뇌 안쪽 깊은 곳에 레이저 빛을 쪼일 수 있는 광(光) 치료법 개발에 돌파구를 제시할 것으로 기대된다.

  ○ GIST(광주과학기술원) 의생명공학과 정의헌 교수와 고등광기술연구소 엄태중 박사, 미국 칼텍(Caltech) 창후에이 양(Changhuei Yang) 교수 연구팀은 레이저가 생체조직 같은 불투명 샘플을 통과할 때 광(光) 위상 반전* 기반으로 광파면*을 조절해 통과되는 빛의 산란을 억제하고 광 집속*의 선명도를 높일 수 있는 기술을 개발했다. 

*광 위상 반전(optical phase conjugation): 산란되어 나간 빛을 완전히 똑같은 경로를 통해서 역으로 돌려보내는 한 방법. 혼탁한 매질을 뚫고도 빛을 집속할 수 있게 해 주는 핵심기술

*광 파면(optical wavefront): 빛의 전파를 파동적인 관점에서 이해할 때 파도의 골짜기 또는 산처럼 위상이 같은 점들을 이은 면을 광 파면이라하고, 파면이 평면이면 평면파, 구형이면 구면파라고 함. 일반적으로 생체조직같은 혼탁한 매질을 지나서 나오는 파면은 울퉁불퉁하게 왜곡이 일어나서 불규칙적으로 보이게 됨.

* 집속: 물리학에서 빛이 한군데로 모이는 것을 의미

□ 최근 레이저 빛을 다양한 의료 분야 활용하는 사례가 늘어나고 있다.  하지만 광(光)기술을 적용할 때 빛의 산란으로 인해 레이저가 주변 정상 조직에도 영향을 줄 수 있고, 대부분의 경우 빛이 표면에만 쌓여 정작 치료가 필요한 부위에 레이저 빛의 양이 충분하게 전달되기 힘들다. 따라서 빛을 제어해 피부 안쪽 깊숙이 빛을 집속할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

(그림 2) 삼차원 공간에서 산란렌즈를 통과하여 서로 다른 초점거리에서 동시에 광 패턴 (‘C’, ‘G’글자)를 생성한 결과. (DOPC: 디지털 광위상반전기)

  ○ 연구팀은 우선 생체 조직 같은 혼탁한 매질을 모사하기 위해 산화아연(ZnO)으로 도포된 유리판을 준비하고, 공간상의 한 점에서 나오는 레이저 빛이 이 매질을 통과해 산란되는 과정에서의 광 위상을 기록할 수 있는 광 위상 반전기(optical phase conjugator)를 만들었다.

  ○ 산란매질을 통하여 입사하는 레이저의 광 파면을 제어해 통과한 빛이 원래의 점으로 다시 돌아가면서, 집속되는 빛의 밝기가 주변으로 산란되는 빛보다 최대 8000배 밝은 광 집속 효과를 나타냈다. 또 한 평면상에서 광 파면의 각도 조절을 통해 여러 개의 점으로 2차원 패턴을 만들었다. (그림1 참조).

  ○ 연구팀은 더 나아가 기존 렌즈보다 훨씬 더 넓은 초점거리 범위에서 광학계의 기계적인 움직임 없이 임의의 3차원 패턴을 구현하였고(그림2 참조), 이때 사용된 산란매질은 광파면 조절을 통해 3차원에서의 광 집속이 가능하므로 ‘산란렌즈’라고 명명하였다.

(왼쪽부터) 정의헌 교수, 엄태중 박사, 창 후에이양 교수

□ GIST 정의헌 교수는 “이번 연구 성과는 궁극적으로 피부 레이저 치료의 부작용을 줄이고 암 치료에 적용하는 광역학 치료(photodynamic therapy)에서 우리 몸의 깊은 부위까지 레이저가 도달하지 않는 한계를 극복해 치료 효과를 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

  ○ 이번 연구는 GIST와 Caltech이 교수 1대1 매칭 방식으로 진행하고 있는 공동 연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 관련 논문은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 4월 7일자에 게재됐다.         <끝>