[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 박용근 교수팀이 포항가속기연구소 임준 박사 연구팀과 공동연구로 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술을 개발한 카이스트 박용근 교수팀 연구는 광학 및 광자학의 세계적인 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)’ 에 4월 7일 게재됐다.(자료=라이트: 사이언스 앤 어플리케이션·카이스트 박용근 교수팀)
엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다.
최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
엑스선 나노 현미경의 특성은 동심원 회절판을 사용해 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다.
하지만 이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계로 연결된다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다.
연구과정을 보면 엑스런 렌즈의 특성을 이용해 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명했으며 실제 그 시료 정보를 추출해 영상화를 했다.
엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다.
이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술이며 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용됐다.
특히 구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없으며 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14 나노미터(nm) 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득했다.
이 연구결과에 의하면 연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술로 보인다.
제1저자이자 공동교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14 나노미터(nm) 해상도에 그쳤지만 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1 나노미터 부근까지 근접할 수 있을 것이라 예상한다”고 설명했다.
또 공동교신저자인 포항가속기연구소 임준 박사는 “개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
KAIST 물리학과 이겨레 박사가 제1저자로 참여한 연구는 광학 및 광자학의 세계적인 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)’에 4월 7일 게재됐다.
게재된 논문명은 “Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness”이다.
이 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.
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