1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

광음향 현미경은 빛을 생체조직에 조사했을 때 광흡수에 의해 발생하는 초음파 신호를 측정하여 혈관이나 조직의 구조를 영상화하는 기술입니다. 특히 광학 해상도 광음향 현미경은 빛을 작은 영역에 강하게 집속하여 수 μm 수준의 높은 횡방향 해상도를 얻을 수 있지만, 초점을 강하게 모을수록 초점심도가 짧아져 넓은 깊이 범위를 동시에 고해상도로 관찰하기 어렵다는 한계가 있습니다. 기존에는 베셀 빔과 같이 초점 영역을 길게 만드는 방법들이 연구되어 왔지만, 사이드로브가 발생하거나 빛의 에너지가 넓은 영역으로 분산되어 신호 세기와 신호대잡음비가 감소하였습니다.

이번 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 편광에 따라 서로 다른 두 초점을 형성하는 이중 초점 메타렌즈와 액정 소자를 결합했습니다. 액정에 가해지는 조건을 조절해 입사광의 편광 상태를 변화시키면, 별도의 기계적인 렌즈 이동 없이 서로 다른 깊이에 위치한 두 초점 사이를 빠르게 전환할 수 있습니다. 이를 광음향 현미경과 결합하여 기존 단일 초점 방식보다 넓은 약 1.2 mm의 축 방향 범위에서 고해상도 영상을 얻었으며, 두 초점에서 각각 약 3.1 μm와 3.7 μm의 횡방향 해상도를 확인했습니다. 또한 실제 각막 화상 동물 모델을 이용해 각막의 신생혈관과 더 깊은 홍채 혈관을 서로 다른 초점에서 선명하게 영상화했습니다.

메타표면의 새로운 광학 기능을 실제 바이오 이미징 시스템의 성능 향상으로 연결하는 것이 이 연구의 가장 의미 있는 부분이었다고 생각합니다. 앞으로는 이러한 능동형 메타광학 기술이 광음향 현미경뿐 아니라 OCT나 다광자 현미경과 같은 다양한 바이오 이미징 기술과 결합되어, 보다 작고 빠르며 기능적인 이미징 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 기대합니다.

2. 본 연구의 한계점 및 추가적으로 검증 또는 해결해야 할 과제는?

현재 시스템은 두 개의 초점 사이를 스위칭할 수 있지만, 두 초점 사이의 중간 영역에서는 상대적으로 해상도가 저하되는 구간이 존재합니다. 따라서 향후에는 이러한 중간 영역까지 효과적으로 커버하여 전체 깊이 범위에서 보다 균일한 해상도를 확보할 수 있는 시스템으로 발전시킬 필요가 있습니다.

또한 이번 메타렌즈는 수중 환경을 기준으로 설계되었기 때문에 산란이 강한 실제 생체조직에서는 이상적인 초점 형성과 높은 신호대잡음비를 유지하는 데 한계가 있을 수 있습니다. 향후에는 각막뿐 아니라 피부, 뇌 등 다양한 조직의 굴절률과 산란 특성을 설계 단계부터 반영하여 실제 생체환경에서도 안정적인 고해상도 이미징이 가능한 시스템으로 확장하는 것이 중요하다고 생각합니다.

3. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구는 포항공과대학교 기계공학과 노준석 교수님 연구실과 포항공과대학교 의공학과 김철홍 교수님 연구실의 공동연구로 수행되었습니다. 제가 속한 노준석 교수님 연구실은 나노구조체로 이루어진 나노광학을 전반적으로 연구하고 있으며, 주요 연구 분야로 메타표면, 메타렌즈를 연구하고 있으며, 김철홍 교수님 연구실은 생체 멀티모달 이미징을 전반적으로 연구하고 있으며, 주요 연구분야로 광음향 이미징, 초음파이미징을 연구하고 있습니다.

4. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 나노구조와 나노포토닉스 기술을 바이오·의료 분야에 적용하여 기존 의료기술의 한계를 해결하는 연구를 하고 있으며, 앞으로도 이러한 융합연구를 계속해 나가고 싶습니다. 의료기술의 발전은 단순한 기술적 성취를 넘어 실제 환자의 진단과 치료, 나아가 인류의 삶의 질 향상에 직접적으로 기여할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다고 생각합니다. 이러한 생각을 바탕으로 저는 메타표면의 바이오메디컬 응용 연구를 주도적으로 시작해 왔습니다.

동시에 기계공학과 광학을 전공한 연구자로서 의미 있는 바이오·의료 연구를 수행하기 위해서는 실제 의료와 바이오 분야에서 어떤 문제가 중요한지를 끊임없이 배우는 과정이 반드시 필요하다고 생각합니다. 이를 위해 의료·바이오 분야의 전문가들과 적극적으로 소통하고, 서로 다른 관점에서 피드백을 주고받는 것을 중요하게 생각해 왔습니다. 혼자서 기술을 개발하기보다 의공학자, 바이오 연구자, 의료진 등 다양한 전문가들과 교류하며 실제로 필요한 문제를 찾고, 그 문제에 나노포토닉스가 어떤 새로운 해답을 제시할 수 있을지를 함께 고민하는 과정이 매우 중요하다고 생각합니다.

이번 연구 역시 이러한 과정에서 시작되었습니다. 광음향 이미징을 공부하고 해당 분야의 전문가들과 지속적으로 논의하는 과정에서 기존 시스템이 깊이에 따라 해상도가 저하되는 문제를 접하게 되었고, 제가 연구해 온 메타표면 기술을 활용하면 이를 새로운 방식으로 해결할 수 있겠다는 아이디어에서 공동연구가 시작되었습니다. 서로 다른 분야의 전문성이 하나의 문제를 중심으로 연결되고, 그것이 실제 연구 성과로 이어졌다는 점에서 큰 보람을 느꼈습니다.

앞으로도 제 전공 분야 안에만 머무르기보다는 다양한 바이오·의료 분야의 연구자들과 적극적으로 교류하면서 중요한 문제를 찾고, 나노포토닉스를 통해 이를 해결하는 연구를 이어가고 싶습니다. 궁극적으로는 연구실 안에서 끝나는 기술이 아니라 실제 의료 현장과 사회에 도움이 되는 기술을 개발하는 연구자가 되고 싶습니다.

5. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

연구를 하다 보면 실험이 잘되지 않는 순간보다, 오히려 내가 하고 있는 연구가 어떤 의미를 가지는지 스스로 납득하기 어려울 때 더 큰 불안함을 느끼기도 합니다. 우리가 연구하는 분야는 아주 넓은 과학의 영역에서 보면 작은 광학 분야이고, 그 안에서도 다시 매우 세부적인 주제를 다루고 있기 때문입니다. 그렇다 보니 때로는 지금 하고 있는 연구가 정말 어떤 의미를 가지는지 스스로에게 묻게 되는 순간이 있습니다.

그래서 저는 연구 주제 자체만큼이나, 자신이 하는 연구의 의미를 찾고 그 가치를 최대한 확장해 나가는 고민이 중요하다고 생각합니다. 단순히 논문 한 편을 위한 연구에 머무르기보다, 이 연구가 어떤 문제를 해결할 수 있는지, 다른 분야와 연결되었을 때 어떤 새로운 가치를 만들 수 있는지, 궁극적으로 사람과 사회에 어떤 도움을 줄 수 있는지를 계속 고민했으면 좋겠습니다. 이런 고민을 이어가다 보면 연구를 바라보는 시야도 자연스럽게 넓어지고, 힘든 과정 속에서도 스스로 연구를 계속해 나갈 수 있는 이유와 동기를 찾게 되는 것 같습니다.

6. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

올해 8월부터 POSTECH 나노융합기술원으로 전문연구요원 전직을 하여 포닥 연구를 이어가고 있습니다. 앞으로는 지금까지 수행해온 나노광학 기반의 바이오·의료 융합 연구를 한 단계 더 확장하고 싶습니다. 특히 메타표면과 나노포토닉스를 활용해 이미징 시스템의 초점심도를 확장하고, 넓은 깊이 범위에서 높은 해상도를 유지할 수 있는 바이오 이미징 기술을 발전시키고자 합니다. 동시에 나노구조의 광학적 특성을 활용한 바이오센서 연구도 더욱 확장하고 싶습니다. 포닥 기간 동안 이러한 두 연구 방향을 더욱 구체화하고, 향후에는 나노광학 기반 바이오의료 융합 연구를 제 연구의 핵심 분야로 발전시켜 나가고 싶습니다.

7. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

연구를 진행하는 동안 아낌없는 지원과 지도를 보내주신 노준석 교수님께 진심으로 감사드립니다. 또한 이번 연구를 성공적으로 마무리할 수 있도록 함께해주신 박정우 교수님, 박은우 연구원님, 김철홍 교수님께도 깊이 감사드립니다. 서로 다른 분야의 전문성을 바탕으로 함께 고민하고 연구할 수 있었기에 좋은 결과로 이어질 수 있었다고 생각합니다. 앞으로도 좋은 연구를 함께 이어가고 싶습니다.

마지막으로 대학원 생활과 연구자의 길을 한결같이 믿고 응원해준 가족들과, 늘 곁에서 힘이 되어준 사랑하는 아내에게 진심으로 감사하다는 말을 전하고 싶습니다. 보내주신 응원에 보답할 수 있도록 앞으로도 더 좋은 연구를 하는 연구자로서 성장해 나가겠습니다.