블로그 이미지
과학이야기
최신 과학기술 동향

calendar

1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31        

Notice

Recent Comment

Archive

일반적으로 피부와 같이 내부 구조가 복잡한 매질은 들어오는 빛의 대부분을 그대로 반사시키고, 10% 이하의 극히 적은 빛만 투과시킵니다.

따라서 빛을 이용해 효과적으로 질병을 치료하기 위해서는 매질을 손상시키지 않고 빛 에너지를 원하는 깊이까지 그대로 전달해야 합니다.

■ 고려대 최원식 교수와 박규환 교수, 명지대 김재순 교수팀이 빛 에너지를 피부 속 깊은 곳까지 그대로 전달하는 방법을 개발해 빛을 이용한 질병치료의 효율을  높일 수 있는 가능성이 열었습니다.

연구팀은 우선 나노 입자로 구성된 복잡한 매질을 높은 투과도로 통과할 수 있는 특정한 빛의 패턴을 찾아냈습니다.

이어 액정을 이용한 디스플레이 장치로 특정한 패턴의 빛을 만든 후 복잡한 매질에 쏘여, 복잡한 매질 속을 투과하는 빛이 이론적으로 도달할 수 있는 최대까지(기존의 4배) 증폭시키는 실험에 처음으로 성공했습니다.

이번 성과는 물리적으로 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛을 쬐어 빛의 투과 에너지를 최대화시켰다는 것입니다.

또 이번 연구결과는 광열 치료와 광역학 치료 등 피부 손상 없이 높은 빛 에너지가 피부 속으로 전달되어야만 효율적으로 치료할 수 있는 광 치료기술에 모두 적용할 수 있기 때문에 향후 빛을 이용한 암세포치료 등의 효율성을 높이는데 크게 기여할 전망입니다.

이번 연구는 지난 30년간 물리학에서 이론적으로만 예측되었던 복잡 매질 속 공명모드의 존재를 가장 직접적으로 증명한 연구로 평가받고 있습니다.

연구결과는  광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 국제학술지인 'Nature Photonics (IF=29.278)'에 온라인으로(7월 22일) 발표되었습니다.
(논문명 : Maximal energy transport through disordered media with the implementation of transmission eigenchannels)

(오른쪽 위 그림)
연구팀은 선행연구로 간유리와 같은 복잡 매질 반대편에 있는 물체를 볼 수 있는 새로운 이미징 방법을 개발한 바 있으며 (Physical Review Letters, 107 023902 (2011)) 그 결과 일반적인 현미경에서는 간유리에 가려 볼 수 없던 물체(왼쪽 위 그림)를 선명하게 볼 수 있도록 하였다.
(오른쪽 아래 그림)
이번 결과는 이 이미징 방법을 한 단계 발전시켜, 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛의 패턴을 입사시킴으로써 빛의 투과 에너지를 최대화하였다. 이를 통해 일반적인 경우(왼쪽 아래 그림)보다 네 배나 많은 에너지를 전달할 수  있었다.

<연 구 개 요>

Maximal energy transport through disordered media
with the implementation of transmission eigenchannels

Moonseok Kim1, Youngwoon Choi1, Changhyeong Yoon1, Wonjun Choi1,
Jaisoon Kim2, Q-Han Park1and Wonshik Choi1*
1Department of Physics, Korea University, Seoul 136-701, Korea
2Department of Physics, Myongji University, Yongin 449-728, Korea
*Corresponding author: Wonshik Choi wonshik@korea.ac.kr


1. 연구 배경
최근 30여 년간 광학을 이용한 기술들이 질병 진단의 중요한 도구로 자리매김해 왔다.
생명공학에 광학 기술이 관심을 받아온 이유는 기존의 심층 영상 장비들 (MRI, PET, CT 및 초음파 영상 등)에 비해 해상도가 높아 대장암, 위암, 자궁암 및 피부암 등 각종 인체 질환의 초기 발병 시 수반되는 국지적인 생체 조직의 변화를 관측하는 것이 가능하기 때문이다. 그러나 광학을 이용한 기술들은 근본적인 한계를 안고 있는데, 그것은 바로 빛이 생체조직 깊이 투과하지 못한다는 점이다.
단백질, DNA 및 lipids 등 생체 세포를 구성하는 대부분의 분자들은 세포 내부에서 밀도에 따라 빛의 속도, 즉 굴절률을 변화시킨다. 복잡한 구조의 생체조직은 굴절률 분포가 불균일하여 빛을 다중 산란시키므로 빛이 피부 속으로 깊이 투과하지 못한다.

입사한 빛을 다중 산란시키는 이러한 복잡매질에서의 빛의 진행은 물리법칙으로 설명하기 어려운 무질서한 현상처럼 보인다.
그러나 내부구조가 아무리 복잡한 산란 매질이라 하더라도 그것은 여전히 선형시스템으로 해석할 수 있다. 즉, 두 개의 입사파가 매질을 통과할 때, 그 매질의 전체 투과파는 각각의 투과파의 선형 합과 같다. 따라서 무작위 매질에 대한 입사파와 투과파의 관계는 투과행렬(transmission matrix)로 설명할 수 있다.
80년대 초반 처음 제안된 무작위 매질 이론(random matrix theory)은 투과행렬을 이용하면 임의의 복잡매질에 대해 투과에너지가 최대가 되는 특정한 입사파가 존재함을 이론적으로 제시하였다.
투과 에너지가 최대가 되는 입사파는 수학적으로는 투과행렬의 eigenchannel 중 eigenvalue가 최대가 되는 것이고, 물리적으로는 복잡 매질을 통과한 빛의 보강간섭을 최대화하는 공명 모드를 의미한다.
지금까지 많은 사람들이 이러한 eigenchannel을 구현하고 투과에너지가 최대화 하기위해 노력해 왔지만 지금까지는 성공하지 못했었다.

2. 연구결과 및 기대효과
연구팀은 선행 연구로 개발한 3차원 위상현미경을 사용하여 무질서도가 매우 높은 복잡매질의 투과행렬을 측정하였고, 이로부터 복잡매질 통과 시 보강간섭을 이루는 공명모드, 즉 eigenvalue가 최대가 되는 eigenchannel을 실험적으로 생성시켜 투과에너지를 극대화하였다.
이번 연구는 그 결과의 중요성을 인정받아 Nature Photonics지에 게재되었다.
연구에서 구현한 공명모드는 이론적으로 도달할 수 있는 투과에너지가 최대인 상태이고, 이 때 투과에너지의 증가율은 거의 네 배에 가까워 지금까지 학계에 보고된 것 중 최대이다.

본 연구 결과는 다양한 분야에 응용가능성이 있으며, 특히 생체조직 속 광에너지 심층전파로 발전시켜 의학기술 전반에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
현재 기술들은 피부 속으로 빛을 많이 전달하고자 할수록 피부 표면을 더욱 손상시키기 때문에 진단 및 치료의 효율성이 크게 제한된다.
그러나 본 연구를 통해 개발한 기술을 응용하면 빛을 이용하여 피부 속 깊이 존재하는 질병 세포들을 효율적으로 진단할 수 있게 할 것이고, 표면의 손상 없이 질병세포 만을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대한다.

3. 기타사항
□ 연구팀 홈페이지
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://bioimaging.korea.ac.kr/
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://nol.korea.ac.kr/
 ○ 명지대학교 물리학과 첨단 광응용 연구실 http://nemo.mju.ac.kr/

 

 용  어  설  명

투과행렬(transmission matrix)
빛이 복잡매질을 통과할 때 입사-투과 관계를 보여주는 행렬이다. 여러 각도의 입사파에 대한 투과파의 측정을 통하여 복잡매질의 투과행렬을 얻는다.

Eigenchannel
측정한 투과 행렬을 singular value decomposition(선형대수학의 행렬 대각화 방법) (T = USV*)하여 얻은 eigenvector이다. 여기서 S는 양의 실수인 singular value를 대각 원소로 갖는 정사각행렬이다. V 와 U는 eigenchannel의 input과 output을 그 열로 갖는 unitary 행렬이다. eigenvalue는 singular value의 제곱으로 얻을 수 있고 이것의 물리적 의미는 각 eigenchannel의 투과율의 기댓값이다.

공명모드
일반적으로 알고 있는 선형 공진기는 거울 두 개가 마주보고 있는 단순한 구조로 공진기의 크기에 맞는 조건의 파장의 빛에 대하여 보강간섭을 이루는 공명모드를 형성한다. 본 연구에서는 선형 공진기가 아닌 임의의 복잡매질에서의 보강간섭이 최대가 되는 공명모드를 구현하였다. 이 상태는 eigenvalue가 최대값을 갖는 eigenchannel이다.

매질(媒質, medium)
파동을 전달시키는 물질로, 대부분 매질의 탄성에 의해 파동이 전달됨

보강간섭(constructive interference)
같은 위상의 두 파동이 중첩될 때 일어나는 간섭으로, 마루와 마루 또는 골과 골이 만나 합성파의 진폭이 2배로 커짐

Nature Photonics
광학 및 포토닉스 분야의 가장 획기적인 연구 논문을 출판하는 저널로, 피인용지수(Impact Factor)는 2011년 기준 29.278 이며, 이는 광학 및 포토닉스(Optics and Photonics) 분야에서 1위이다 (SJR 기준).

 

 

<최원식 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 최원식 (38세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력

 ○ 1993~1997  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1997~1999  서울대학교 물리학과 석사
 ○ 1999~2004  서울대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 2004~2005  서울대학교 물리학과 연구원
 ○ 2006~2009  Massachusetts Institute of Technology 연구원
 ○ 2009~현재  고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
 ○ 2010~현재  Associate Editor, Biomedical Optics Express (SCI journal)

4. 주요업적
 ○ Nature Methods 논문 (2007년), The Economist, printed edition에 소개됨
 ○ Physical Review Letters 논문 (2011년), New Scientist 올해의 10대 뉴스에 선정됨
 ○ 연구 논문 40여 편

<박규환 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 박규환 (53세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력
 ○ 1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사

3. 경력사항
 ○ 1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원
 ○ 1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원
 ○ 1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원
 ○ 1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수
 ○ 2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수

4. 수상 경력
 ○ 2010 올해의 성도광과학상

<김재순 교수>

1. 인적사항


 ○ 성 명 : 김재순 (56세) 
 ○ 소 속 : 명지대학교 이과대학 물리학과

2. 학력
 ○ 1975~1980  서울대학교 물리교육학과 학사
 ○ 1980~1987  서울대학교 물리교육학과 석사
 ○ 1995~1999  고려대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 1990~현재  EOSYSTEM(주) 연구소장
 ○ 1999~2000 부원광학(주) 연구소장
 ○ 2000~현재  제노시스(주) 기술이사
 ○ 1998~현재  산업자원부 기술기획평가단 위원
 ○ 2000~2002  인천대학교 겸임교수
 ○ 2002~현재  KIST 외부위촉연구원
 ○ 2004~2010 지식경제부 차세대 핵심요소 기술개발 나노프로젝트 단장
 ○ 2002~2009 서울대학교 부교수
 ○ 2010~현재 명지대학교 교수
 ○ 2012~현재 지식경제부 반도체 디스플레이 검사장치개발 총괄책임

 

posted by 글쓴이 과학이야기

댓글을 달아 주세요

  1. 축하드립니다 2012.08.01 02:12  Addr Edit/Del Reply

    제가 얼핏.. 잘 알아먹질 못해서, 잘은 모르면서도 뭔가 대단한 연구업적 같은데... ^^
    암튼, 정말 대단들 하세요! ^^
    왠지 제가 이 연구결과를 낸듯 뿌듯~해져오는 이윤 뭔지 참.. ^^

2012. 5. 4. 14:28 대덕밸리과학소식/KAIST

광학 안테나는 휴대폰의 안테나가 전파를 수신하여 전기신호로 변환하고, 반대로 전기신호를 전파로 변환하여 송신하는 것처럼 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고, 그 반대의 역할도 수행할 수 있는 광학 소자입니다.

전파가 아닌 빛을 송수신하기 위해서는 안테나의 크기를 머리카락의 10만분의 1미터 수준으로 매우 작게 제작해야 합니다.

그러나 기존에 개발된 광학 안테나들은 파장의 범위가 매우 제한적이어서 한 가지 파장의 빛에서만 작동하기 때문에, 다양한 파장에서 송수신기 역할을 수행할 만큼 효율적이 못했습니다.

완전결정(perfect crystal)은 원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)으로, 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태입니다.

완전결정 은(銀) 나노선을 이용해 모든 파장의 빛에 작동하는 광학 나노 안테나가 개발됐습니다.

KAIST 김봉수 교수와 서민교 교수, 강태준 박사(제1저자),고려대 박규환 교수팀은  기존 한 가지 파장의 빛에서만 작동하는 광학 나노 안테나의 한계를 극복하고, 모든 파장의 빛에서 반응하는 광학 나노 안테나 개발에 성공했습니다.

연구팀은 지금까지 활용하던 나노입자가 아닌 가시광 전 영역에서 작동하는 은(銀)을 사용해 다양한 파장에서 공명할 수 있는 나노선으로 광학 안테나를 제작, 모든 파장의 빛에서 은 나노선 안테나가 작동한다는 사실을 증명하였습니다.

(위) 은 나노선 안테나의 주사 전자 현미경(SEM) 사진
(아래) 무지갯빛 은 나노선 안테나의 광학 현미경 사진. 은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색깔을 보여주게 된다.

이번 연구 결과는 태양광 발전 등에 핵심적으로 활용할 수 있는 효율 높은 안테나 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있습니다.  

김 교수팀이 합성한 은 나노선 안테나는 완벽한 결정구조를 가지면서도 결함이 없어 표면이 매끈하기 때문에, 모든 파장의 빛을 어떠한 손실 없이 송신하고 동시에 수신하여 효율을 극대화할 수 있습니다.
 
모든 파장의 빛을 손실 없이 송수신하기 위해서는 나노선 안테나의 표면에 아주 작은 결함도 없어야 합니다.

이에 연구팀은 800의 고온에서 아무 결함도 없는 완전결정 은 나노선을 만들었습니다.

은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색상을 나타냅니다.

이번 연구성과인 은 나노선 안테나는 실제로 활용할 수 있는 광학 안테나 개발에 한 걸음 다가선 것으로, 태양광 발전 및 극미세 나노센서 등에 핵심기술로 사용될 수 있어 향후 나노-광-바이오산업에 선도적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지에 4월 17일자로 게재되었습니다.
(논문명 : Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna)

<연 구 개 요>

Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna
Tajoon Kang et al., Nano Letters(2012. 4. 17)

광학 안테나는 라디오 안테나를 라디오파의 파장보다 훨씬 짧은 빛의 파장에 맞게 축소한 것으로 안테나에 들어오는 빛을 효율적으로 받아들이거나 혹은 송출이 가능한 장치로서, 나노과학 분야에서 최근 상당한 주목을 받고 있다.
하지만 지금까지 개발된 나비넥타이 혹은 나노입자 등의 나노미터 크기의 작은 금속구조를 이용한 대부분의 나노 안테나는 작동하는  파장의 범위가 아주 제한되어있고 또한 하나의 지정된 파장에서만 작동한다.
나노 안테나가 효과적으로 쓰이기 위해서는 다양한 파장에서 송신기와 수신기로의 역할을 동시에 수행할 수 있어야 한다.

특히, 각기 다른 색깔을 보이는 발광 물질을 이용한 다중 생분자 검출이나 넓은 파장에 걸친 나노 분광학에서는 다양한 파장에서 작동하는 나노 안테나의 효용이 매우 높다. 그러므로 가시광의 전 영역에서 작동할 수 있는 플라즈모닉 나노 안테나의 개발은 대단히 유용한 과제이다.
은은 가시광 전 영역에서 작동할 수 있으며 충분히 긴 나노선 구조는 다양한 파장에서의 공명을 가능하게 한다.
그러므로 은 나노선은 다양한 파장에서의 광학 신호를 송, 수신할 수 있는 플라즈모닉 나노 안테나로서 최고의 물질이다.
하지만 은 나노선 안테나의 구현을 위해서는 극복해야 할 점이 있는데, 그것은 바로 아주 매끈한 표면을 갖는 은 나노선을 합성하는 것이다.
은 나노선의 결함 없는 매끈한 표면은 산란에 의한 표면 플라즈몬 (Surface Plasmon) 손실을 방지해준다.
이러한 문제점은 전자빔 식각 (Electron Beam Lithography)이나 집속 이온빔 (Focused Ion Beam)을 통해 제작된 은 나노선으로는 결코 해결할 수 없다.

이 논문에서 우리는 단결정 은 나노선을 이용하여 가시광 전 영역에서 작동하는 나노 안테나를 구현하였다.
은 나노선은 800 도의 고온에서 기상 이송법을 이용해 합성하였고, 결함 없는 매끈한 표면의 단결정 구조를 갖는다.
은 나노선은 산란에 의한 표면 플라즈몬 손실을 최소화하여 안테나 방사광을 뚜렷하게 관찰할 수 있게 해주었다.
특히, 백색광을 이용했을 경우에는 무지개와 같은 화려한 색깔의 안테나 방사광을 관찰할 수 있었다.
측정한 안테나 방사광은 안테나 이론에 따른 계산으로 엄밀하게 분석하였다.
연구팀은 은 나노선 안테나가 태양광 발전, 단 분자 검출 센서 개발, 고해상도 바이오이미징 등의 연구개발에서 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.


 용  어  설  명


광학 나노 안테나
광학 나노 안테나는 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고 반대로 전자기장을 빛으로 변환하여 송신할 수 있는 나노미터 크기의 광학 소자로서, 태양광 발전과 같은 미래 산업 발전에 필수적인 역할을 수행할 것으로 기대되어 최근 주목받고 있다.

표면 플라즈몬 (Surface Plasmon)
표면 플라즈몬이란 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수 없는데, 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역 (나노미터 수준)에서도 빛을 강하게 증폭시켜 집속할 수 있다.

완전결정(perfect crystal) 
원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)이라고도 부름. 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태임

나노선 
수십에서 수백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체

Nano Letters지
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 나노 과학기술 전반에 걸쳐 최첨단 선도연구과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알리기 위한 목적으로 미국 화학회에서 발행하는 학술지이다. (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)

<김봉수 교수>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과
 |
2. 학력
  1977 - 1981  서울대학교 화학과 학사
  1981 - 1983  서울대학교 화학과 석사  
  1984 - 1990  미국 University of California, Berkeley 화학과 박사

3. 경력사항
  1990 - 1994  일본분자과학연구소 협력연구원
  1994 - 1996  경북대학교 화학교육과 조교수
  1996 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 조교수, 부교수, 교수

4. 전문 분야 정보
- SCI 논문 130여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건

5. 수상 경력
2011 대한화학회 학술상
2011 올해의 100대 우수과학기술연구
2010 교육과학기술부 우수연구성과 50선
2010 한국과학기술원 (KAIST) 학술상
2008 교육과학기술부 우수연구성과 50선

<박규환 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과
 
2. 학력
  1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사
  1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사

3. 경력사항
  1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원
  1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원
  1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원
  1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수
  2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수

4. 수상 경력
2010 올해의 성도광과학상

<서민교 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과

2. 학력
  1999 - 2003  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 학사
  2003 - 2005  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 석사
  2005 - 2009  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 박사
 
3. 경력사항
  2009 - 2009  고려대학교 연구교수
  2009 - 2010  미국 Stanford University 박사후연구원
  2011 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 조교수

<강태준 박사>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과

2. 학력
  2000 - 2004  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 학사
  2004 - 2010  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 박사
 
3. 경력사항
  2010 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 박사후연구원

4. 수상 경력
2011 7회 삼성전기 1nside 논문 대상 은상

 

posted by 글쓴이 과학이야기

댓글을 달아 주세요

prev 1 next