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    • [연재 1] 코로나19, 메타물질로 만든 현미경으로 볼 수 있다.(2)

         노준석 (POSTECH 기계공학과/화학공학과) / 2020-04-20 오전 10:02:00







    쌍곡선 형태의 등진동수선을 구현하려고 하면, 필수적으로 비등방성 물질을 필요로 한다. 자연계에 존재하는 방해석 등의 경우 방향에 따른 굴절률의 차이가 크지 않다. 하지만, 메타물질을 이용할 경우 구조의 비등방성을 매우 크게 구현하는 것이 가능하다. 자연계의 존재하는 물질과는 다르게 한 매질 내에서 방향에 따른 유전율을 양수와 음수가 되도록 조절하는 것이 가능하다. 즉, 매질에서 방향에 따라 부호가 다르게 만들 수도 있다. 비등방성 물질의 경우, 파수의 관계를 아래와 같이 정의할 수 있다.


    만약, ε_z<0<ε_x의 조건을 만족할 경우 x축을 대칭으로 하는 쌍곡선 형태를 구현할 수 있다. 이 조건을 잘 살펴보면, 수평 방향으로의 공간 각진동수의 크기와 관계 없이 수직 방향의 성분이 존재하며, 이는 수직 방향으로 전파함에 있어 지수적으로 감소하여 손실되지 않는 것을 의미한다. 쌍곡선 그래프의 ε_z값이 충분히 클 경우 곡률이 없이 평평한 형태의 모양이 만들어지며, 이 경우 위상의 차이를 없앨 수 있으며, 이미지 획득 시 이점이 있다. 즉, 위 조건을 만족하는 메타물질을 구현할 경우 회절 한계에 제한되지 않는 해상도를 얻을 수 있다.
    하이퍼렌즈는 이러한 쌍곡선형 분산관계를 갖는 메타물질을 이용한 이미징 소자로써, 높은 공간 각 진동수를 멀리까지 전파시킬 수 있는 소자이다. 쌍곡선형 분산관계를 나타내는 메타물질은 비교적 간단한 구조로 구현이 가능하다. 그 중 본문에서 소개하고자 하는 하이퍼렌즈는 파장에 비해 아주 얇은 금속과 비금속의 다층박막 구조를 통해 구현할 수 있다. 유효매질이론을 적용하여 유효 굴절율에 의한 영향을 유추할 수 있는데, 메타물질을 형성하고 있는 금속과 유전체의 각각의 실수부의 크기에 따라 방향별 유효 유전율의 부호가 결정 된다. 이 때 각각의 수평, 수직 방향에 따른 유전율은 두 물질의 산술, 조화 평균으로 계산할 수 있다. 궁극적으로, 매우 작은 물체의 공간 정보를 손실 없이 전달할 수 있는 수직 파수 성분을 갖는 인위적인 물질의 구현이 가능한 것이다.


    다만, 이러한 정보들은 메타물질에서 다른 매질로 빠져나올 경우 다시 지수적으로 감소하는 문제점이 있겠으나, 이는 공기와 같은 다른 매질에서도 멀리 전달될 수 있는 원장으로 변환이 가능하다. 원통형 또는 구형의 메타물질을 만들 경우, 바깥 방향으로 물체의 상이 전달됨에 따라 확대되게 된다. 이는 구면의 반지름 방향에 수직인 공간 각진동수가 점차 작아지는 것으로 이해가 가능하며, 점차 등진동수상에 존재하는 원장 성분으로 바뀔 수 있다. 즉, 공기 중에서도 멀리 전파될 수 있는 성분으로 변환됨에 따라, 물체로부터의 작은 정보들은 카메라 등의 기록 소자로 도달할 수 있으며, 이미지를 구성할 수 있게 된다.




    아래의 그림5는 구형의 하이퍼렌즈를 이용한 초고해상도 이미징 시스템의 개략도와 실제 이미징 결과를 보여준다. 하이퍼렌즈의 장점은 기존의 현미경 시스템을 그대로 사용할 수 있다는 점이다. 구형의 하이퍼렌즈에 샘플을 위치시키기만 하면 기존 현미경의 샘플 스테이지에 쉽게 결합하여 초고해상도 이미징이 가능하다. 먼저, 아주 작은 물체의 관찰을 위해 인공적으로 160 nm 정도 떨어진 임의의 패턴을 제작했다. 일반 현미경에서는 구분할 수 없어 하나로 뭉쳐진 듯한 모양을 보여야 하는 패턴들이 하이퍼렌즈를 통한 이미지 결과에서는 뚜렷하게 구분되는 것을 확인할 수 있다. 별도의 형광 표지나 이미지의 후처리 없이 기존 현미경에 간단하게 결합하여 사용이 가능하다는 점에서 하이퍼렌즈는 큰 강점을 갖는다고 볼 수 있다.





    하이퍼렌즈는 일반 현미경과 초고해상도 현미경 사이의 갭을 메꿔줄 수 있는 이미징이 소자일 뿐만 아니라, 더 나아가 결합 가능한 소자 형태의 플랫폼으로의 발전 가능성을 가지고 있다. 이러한 실질적 응용을 위해 기존 하이퍼렌즈의 개선점을 살펴볼 필요가 있다.
    먼저, 하이퍼렌즈의 공정 방법을 개선할 필요가 있었다. 작고 결합 가능한 소자로 사용되기 위해서는 값싸고 쉽게 대량으로 만들 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 하지만 기존의 공정 방법은 전자빔 리소그래피나 집속 이온빔과 같은 값비싼 패턴 형성 기법들을 이용해왔다. 하지만, 대량 생산을 위해서는 대면적 공정이 가능한 공정 방식을 도입해야만 했다. 그 결과 나노임프린트 리소그래피 등의 방식을 사용하여 그 생산성을 크게 증가시키고자 새로운 공정 방법에 대한 연구를 진행하였으며, 4인치 크기의 웨이퍼에 하이퍼렌즈 어레이 소자를 보고하기도 했다.




    다음으로는 인공적인 패턴이 아닌 실제 바이오 샘플을 이용한 이미징 결과를 검증할 필요가 있었다. 기존에 보고되었던 하이퍼렌즈 결과들은 인공적으로 제작한 패턴들을 관찰하는 정도에 머물러 있었다. 하지만, 대면적 공정 방법을 도입한 하이퍼렌즈 이미징 플랫폼을 이용하여 뉴런 세포를 직접 관찰함으로써 하이퍼렌즈가 실제 이미징 시스템에 적용되어 바이러스나 세포 등의 관찰에 사용될 수 있음이 실험적으로 검증되기도 했다.

     




    이 밖에도 하이퍼렌즈는 금속 구조체를 포함하기 때문에, 금속 자체가 가지는 빛의 손실에 의한 상의 밝기를 최소화 하기 위한 최적화 연구나, 평면형으로 구현 가능한 하이퍼렌즈의 디자인 등 다양한 연구가 이어지고 있다. 형광 표지나 값비싼 설비 없이 소자 형태의 구현이 가능한 고분해능 이미징 소자이기 때문에 광학 필터 형태의 소자나 포터블 디바이스에 부착 가능한 렌즈 플랫폼 등으로 실용적인 소자의 현실화가 가능할 것이다. 예를 들어 그림 8과 같은 형태를 생각해볼 수 있는데, 간단한 하이퍼렌즈 이미징 플랫폼을 기존 현미경에 결합함으로써 해상도를 2~3배는 높일 수 있는 응용 시스템으로의 접근이 가능하다. 또한 대면적 공정을 통한 대량 생산이 가능하기 때문에, 금액은 몇 만원 수준으로 낮출 수도 있다. 저렴한 가격으로 기존 광학 시스템에 적용 가능한 하이퍼렌즈 이미징 플랫폼은 다양한 환경에서 관찰 및 진단에 쉽게 사용될 수 있는 고분해능 광학 소자로의 입지를 확실히 할 수 있을 것으로 예상된다.

     




     

    [참고문헌]
    1. Nature Communications 1, 143, 2010
    2. Nature Photonics 5, 128-129, 2011
    3. Scientific Reports 7, 46314, 2017
    4. Journal of Visualized Experiments 127, e55968, 2017
    5. ACS Photonics 5, 2549-2554, 2018
    6. Journal of Physics D: Applied Physics 52, 194003, 2019
    7. 코로나19 사태로 바라본 국가과학기술정책의 방향, 이명화, Future Horizon Insight 미래연구 인사이트
    8. Archiv für mikroskopische Anatomie 9, 413– 418, 1873
    9. Science 313, 1642-1645, 2006
    10. Science 319, 810-813, 2008
    11. Nature Biotechnology 21, 1347-1355, 2003
    12. https://courses.lumenlearning.com/microbiology/chapter/types-of-microorganisms/
    13. Journal of Visualized Experiments 111, e53988, 2016
    14. Nanoscale 10, 16252-16260, 2018


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