Ex) Article Title, Author, Keywords
Ex) Article Title, Author, Keywords
2024; 35(4): 135-142
Published online August 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.4.135
Copyright © Optical Society of Korea.
Hyemi Park1,2, Yongjae Jo1, Inki Kim1,2
박혜미1,2*ㆍ조용재1*ㆍ김인기1,2†
Correspondence to:†inki.kim@skku.edu, ORCID: 0000-0001-8686-6670
*These authors contributed equally to this paper.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Biomedical imaging technologies refer to imaging techniques used in biological research and medical technology that are essential for exploring biological processes, structures, and conditions. They also play a crucial role in the early diagnosis of diseases and the development of treatments. Optical imaging technologies, in particular, are the most widely used and actively researched in biological studies. The major obstacles to technological advancement are the limitations in resolution and light penetration depth. Recently, many technologies have been studied to overcome these limitations using metamaterials. These are materials that can freely manipulate the properties of light through the regular arrangement of nanostructures and have established themselves as innovative tools in the imaging field. This article aims to provide a detailed introduction to the working principles and key applications of these technologies.
Keywords: Biomedical imaging, Hyperlens, Metalens, Metamaterial
OCIS codes: (160.3918) Metamaterials; (170.3880) Medical and biological imaging; (220.0220) Optical design and fabrication
근래 들어 진단, 생체 인식, 기초 생물학 연구 등의 다양한 분야에서 이미징의 중요성이 부각됨에 따라 더 빠르고 넓고 선명하며 정확한 고급 이미징 기술의 수요가 증가하면서 이에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 하지만 성능 향상은 필연적으로 시스템을 더욱 복잡하게 할 수밖에 없으며, 이는 시스템 성능의 한계를 초래한다. 따라서 이를 극복하기 위해 다양한 기능을 수행할 수 있는 다용도 소형 광학 장비를 이용해 시스템의 복잡성을 줄이고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 그러나 기존의 광학 장비는 자연 재료의 제한적인 굴절률로 인해 장비의 크기를 일정 크기 이하로 줄이는 데 한계가 있다. 이와 더불어 광학계에서 해결해야 할 또다른 문제로는 수차가 있는데, 이를 보정하기 위해서는 여러 렌즈를 정밀하게 정렬하여야 하며, 렌즈 수의 증가에 비례하여 광학계의 크기 또한 증가한다. 이와 같이 수차의 발생은 고성능 렌즈 제작의 어려움과 공간적인 한계를 야기하여 광학계의 고도화를 방해하는 요인이 된다.
본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 지난 10년 동안 많은 연구가 이루어진 바 있는 메타렌즈에 대해 설명하고자 한다. 메타렌즈는 일종의 평평한 광학렌즈로서 현장 진단을 위한 휴대용 또는 소형 이미징 장치에 적합하며, 수차를 교정함으로써 더 선명한 이미지를 제공한다. 본 논문은 바이오 메디컬 이미징 응용을 위해 메타렌즈의 이점을 활용하는 방법에 중점을 두고 아날로그 이미지 처리, 의료 이미징, 현미경 기술, 광음향 현미경, 고해상도 이미징과 같은 바이오 메디컬 이미징 연구들을 소개한다.
메타물질이란 자연에서 찾을 수 없으며 인위적으로 특별히 설계된 구조를 가진 물질이다. 이 물질은 나노 단위의 구조를 통해 빛의 진폭, 위상, 편광 등을 정밀하게 조작할 수 있으며, 빛을 국소적으로 제어함으로써 매우 정밀한 광학적 조작이 가능하다[1-4]. 메타물질의 주요 특징 중 하나는 음의 굴절률과 같이 일반 물질로는 구현할 수 없는 광학적인 성질을[5] 물질에 부여할 수 있다는 것이다. 메타물질은 메타표면의 대역폭 조절, 초소형 전자기장 제어, 편광조절 등 다양한 목적에 맞도록 맞춤디자인이 가능하며, 나노 구조체를 적절히 배열함으로써 빛의 위상과 회절을 조절하여 일반 렌즈로는 불가능한 광학적인 성질을 만들어 낼 수 있다는 특징을 가지고 있다. 이를 활용하면 사용자가 특정 목적에 필요한 이미징 설정을 맞춤형으로 구성할 수 있기에 다목적 이미징 시스템에서 이점을 가진다. 예를 들면 목적에 따라 투명 망토를 제작하거나[6] 빛의 회절 한계를 넘어서는 초고해상도 이미징 등을 디자인할 수도 있고, 외부 자극에 따른 빛의 파장이나 편광 상태 등의 광학적 반응을 기계적으로 조절할 수도 있는 것이다.
그림 1은 특정 목적에 맞게 맞춤제작된 메타 물질의 예시로서, 각각 실리콘으로 제작된 V형 안테나[그림 1(a)], 결정질 실리콘을 이용한 메타물질[그림 1(b), 1(c)], 근적외선 파장에서 뚜렷한 이색성을 나타내는 이중층 키랄 평면 메타물질[그림 1(d)], 나노임프린트 방식을 사용한 음의 굴절률을 나타내는 그물망 구조 메타물질[그림 1(e)], 은과 게르마늄으로 이루어진 다층 구조 3D 메타물질[그림 1(f)]을 나타내었다.
메타렌즈는 평면 구조를 가지고 있으며, 파장보다 작은 크기의 메타 원자가 표면 위에서 안테나 또는 위상 변화를 위한 도파관 역할을 한다. 메타렌즈 표면의 메타 원자들은 각각의 위치에 따라 초점 지점으로부터의 거리가 서로 다르기 때문에, 빛을 한 점으로 모으기 위해서는 각기 다른 위상지연을 필요로 한다.
식 (1)은 메타렌즈의 원자 위치에 따른 위상지연을 계산하기 위한 일반적인 식으로, x, y는 메타원자의 위치, λ는 파장, f는 초점을 뜻한다. 이때 위상은 메타 원자들의 공명효과, 비공명 효과에 의해서 조절된다. 이와 같이 메타 원자를 조정함으로써 진폭, 위상, 편광, 흡수 및 반사와 같은 광학적 성질을 조작하여 다양한 렌즈를 제작할 수 있다.
그림 2(a)는 기존 엑시콘 렌즈와 메타 엑시콘 렌즈의 차이점을 보여준다. 기존 엑시콘 렌즈의 두께는 5 mm이나, 메타 엑시콘 렌즈는 100 nm의 초박형 두께를 가지고 있으면서도 기존의 엑시콘 렌즈와 성능이 동일하다. 그림 2(b)와 그림 2(c)는 메타 엑시콘 렌즈의 전자현미경 이미지와 실험적으로 측정된 초점 강도를 보여준다. 엑시콘 렌즈는 빛의 초점을 바늘처럼 길게 뽑아내기 위한 용도로 사용되는데, 메타렌즈로 만든 엑시콘 렌즈의 초점 강도가 바늘 모양으로 용도에 맞게 잘 형성된 것을 볼 수 있다. 그림 2(d)는 금-유리-금으로 구성된 메타원자 구조와 이를 이용한 메타렌즈의 초점 강도 분포이고, 그림 2(e)는 편광 반응 메타표면의 전자 현미경 이미지와 오른쪽 원편광을 가지는 입사광에 대해 예상되는 불연속적인 위상 프로파일이다. 이와 같이 편광 메타렌즈를 이용해 하나의 렌즈에서 직교하는 원편광에 대해 서로 다른 반응을 보여주는 렌즈를 제작할 수 있다. 즉, 하나의 렌즈를 편광 방향에 따라 다른 목적으로 사용이 가능하다. 이처럼 메타렌즈는 전통적인 굴절 렌즈에 비해 초소형, 초박형, 높은 개구수(numerical aperture, NA) 달성 능력 및 다용도성 등 보다 많은 이점을 가지고 있으며, 그러한 특징을 활용하여 현장 진단을 용이하게 하는 휴대용 또는 소형 바이오 메디컬 이미징 장치에 사용된다.
그림 3은 메타렌즈를 이용한 다양한 바이오 메디컬 이미징 예시이다. 그림 3(a)는 메타렌즈를 이용한 가장자리 감지(edge detection) 시스템으로, 영상처리 기술에서 사물의 윤곽을 더 잘 보여주기 위해 가장자리를 강조하는 필터를 사용하는 것처럼 메타렌즈의 구조적 특성을 이용하여 빛의 위상과 진폭을 조정함으로써 이미지의 가장자리를 강조하는 시스템이다. 이 시스템은 별도의 염색 없이 투명한 샘플을 이미징하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 또한 그림 3(a)의 메타렌즈는 액정 셀을 이용하여 일반적인 렌즈와 가장자리 감지 모드 사이를 전기적으로 빠르게 전환 가능하므로 시스템을 소형화할 수 있을 뿐더러 이미징 다양성이라는 장점 또한 가진다. 그림 3(b)는 메타렌즈를 이용한 형광 상관 분광법(fluorescence correlation spectroscopy)으로, 기존의 큰 대물렌즈 대신 500 μm 두께의 메타렌즈를 이용하여 분자 수준의 진단을 가능하게 한다. 그림 3(c)는 원통형 메타렌즈를 활용한 라이트시트 현미경의 예시이다. 메타렌즈를 활용한 유연한 설계 방법으로 기존 라이트시트 현미경 대비 우수한 축 해상도 및 초점 외 배경 억제가 가능하다. 그림 3(d)는 메타렌즈를 이용한 OCT로서 기존 내시경 대비 비점수차가 더 작다. 또한 기존에 비해 렌즈 크기가 더 작으면서도 관찰 대상의 구조를 세밀하게 파악할 수 있다. 그림 3(e)는 다파장 메타렌즈를 이용한 광음향 이미징의 예시이다. 다파장 메타렌즈를 통해 자외선과 가시광선을 동시에 사용함으로써 DNA/RNA 및 혈관 관련 장애 등 여러 개의 대상을 동시에 관찰할 수 있는 가능성을 제시하였다.
일반 광학계의 해상도는 구별 가능한 두 점 사이의 최소 거리로 정의되며, 이는 광학 시스템의 개구수와 파장에 의해서 결정된다. 광학계의 해상도는 높은 개구수와 짧은 파장을 이용하여 높일 수 있지만, 빛의 회절한계로 인하여 가시광선 파장영역에서 약 250 nm 이상의 해상도를 달성하는 것은 어렵다. 이러한 물리적 한계로 인해 그간 생물학적 이미징 분야에서 미토콘드리아, 시냅스 연결 및 미세소관 네트워크와 같은 세포 내 네트워크의 정량적 이미징은 제한적으로 이루어졌다. 많은 연구자들이 이 한계를 극복하기 위하여 초고해상도 이미징(super resolution imaging) 기술을 바이오 메디컬 이미징 기술에 접목하고자 했다. 그로 인해 점 확산 함수 엔지니어링(point spread function engineering, PSF engineering), 구조 조정 현미경(structured illumination microscopy, SIM), 단일 분자 위치 측정(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)과 같은 다양한 초고해상도 영상 기술들이 개발되었으나, 이들은 복잡하고 비용 효율이 낮으며, 계산적 후처리를 요구하고, 일부 방법에 한해 형광 염색이 반드시 필요하다는 단점이 있다.
2000년대에 존 펜드리(John Pendry)가 제안한 슈퍼렌즈(superlens) 개념[20]은 일반 광학계의 회절 한계를 극복하고, 기존의 렌즈보다 더 작은 구조를 볼 수 있는 새로운 렌즈이다. 파동은 전파 파동과 비전파 파동으로 구분되는데, 슈퍼렌즈는 이 중 비전파 파동의 특성을 기반으로 설계되었다. 비전파 파동의 한 형태인 소멸파동(evanescent waves)은 파장보다 작은 구조의 정보를 전달할 수 있지만, 광원 근처에서 지수함수적으로 감쇠되기에 광학계에 도달하기 전에 소멸된다. 따라서 이를 사용해 미세한 구조의 정보를 습득하기 위해서는 소멸파가 완전히 감쇠되기 전에 이미지 센서까지 전달해야 하지만 당시의 일반적인 광학계로는 이를 실현하기가 쉽지 않았다. 펜드리는 음의 굴절률 재료를 사용함으로써 슈퍼렌즈 구현의 가능성을 제시하였으나, 음의 굴절률 재료는 자연계에 존재하지 않기 때문에 실제 구현은 힘들었다. 하지만 음의 유전율 또는 음의 투자율을 인위적으로 부여 가능한 메타물질을 이용하면 특정 조건 하에서 초고해상도 이미징이 가능하다.
하이퍼렌즈는 메타물질의 독특한 성질을 이용하여 초고해상도 이미징을 실제로 구현한 렌즈이다. 하이퍼렌즈는 금속과 비금속 재료를 번갈아 가며 적층한 렌즈로서 소멸파를 먼 곳까지 전달할 수 있기 때문에 회절한계의 극복이 가능하며, 이방성 유전율을 가지는 것이 가장 큰 특징이다. 파동은 이방성 축 방향으로 전파될 때 특정한 유효 유전율과 분산 관계를 가지는데, 이는 식 (2)와 같이 나타낸다.
식 (2)에서 ω, c, k, ϵ는 각각 각주파수, 진공에서의 빛의 속도, 파수 벡터, 상대 유전율을 나타내며, 아래 첨자 ∥와 ⊥는 각각 파동의 전파 방향에 따라 평행한 성분과 수직인 성분을 나타낸다. 이로써 빛이 이방성 축 방향으로 전파되는 특수한 경우에 한해 회절한계로 인하여 볼 수 없었던 미세한 구조들을 시각화할 수 있다.
초기 하이퍼렌즈는 평평한 슬래브(slab) 형태로 만들어져 실제 이미징에 활용하기 힘들었지만, 최근에는 표면 산란 최소화 등 성능 최적화에 적합하도록 원통형 또는 구형의 형태로 제작하여 이미징에 활용한 사례가 보고된 바 있다.
그림 4에 다양한 형태의 하이퍼렌즈와 실제 응용 사례를 나타내었다. 그림 4(a)는 다층 은/티타늄 산화물로 구성된 하이퍼볼릭 물질의 단면을 전자현미경으로 관찰한 이미지이다. 그림 4(b)는 기존의 렌즈와 하이퍼렌즈를 사용한 이미징 결과 세 가지를 비교한 것으로, 왼쪽의 이미지는 주사전자현미경을 사용하여 너비 35 nm의 선 한 쌍이 150 nm 간격으로 배열된 객체를 이미징한 결과이다. 중간의 이미지는 하이퍼렌즈를 사용한 이미지로 선들이 명확하게 구분된 것을 볼 수 있으나, 하이퍼렌즈를 사용하지 않은 오른쪽 이미지에서는 선 간의 간격을 구분할 수 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 하이퍼렌즈가 초고해상도 이미징에 얼마나 효과적인지를 보여준다. 그림 4(c)는 알루미늄이 도핑된 은/산화 마그네슘 하이퍼볼릭 메타물질의 투과전자현미경 이미지와 이를 이용한 초고해상도 형광 구슬 이미지이다. 마지막으로, 그림 4(d)–4(f)는 확대 하이퍼렌즈를 사용한 이미지 예시이다. 그림 4(d)는 160 nm, 170 nm 및 180 nm 간격으로 위치한 구멍이 삼각형 모양으로 세 개 뚫려 있는 측정 대상으로, 그림 4(e)와 같이 410 nm 파장의 확대 하이퍼렌즈를 이용하면 구멍들 사이의 분리가 분명하게 관찰된다. 그림 4(f)는 그림 4(e)에 표시된 빨간선을 2.1배 비율로 확대한 후 실시한 단면분석으로, 측정 결과는 333 nm이지만 배율을 고려하면 실제로는 160 nm 정도의 구조를 구분할 수 있는 것으로 판단할 수 있으며, 이는 일반적인 가시광선에서는 측정이 불가능한 거리이다.
앞서 설명한 특성 덕분에 하이퍼렌즈는 복잡한 바이오 메디컬 실험 상황에서도 세포 및 바이러스와 같은 미세 구조물을 더욱 정밀하게 촬영할 수 있다. 예를 들면 신경 세포의 세밀한 구조를 실시간으로 이미징하거나, 특정 종양 마커를 높은 정밀도로 탐지하는 등의 응용이 가능하며, 그로써 진단 및 치료의 질을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
그림 5(a)는 하이퍼렌즈 어레이를 이용해 뇌의 세밀한 신경 구조를 포착한 것이고, 그림 5(b)는 하이퍼볼릭 물질을 이용하여 암시야 현미경 기술과 구조광 현미경 기술을 결합한 예시이다. 이 방법은 비표지적인 수단을 통해 샘플의 초고해상도 영상을 효과적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그림 5(c)는 하이퍼볼릭 물질을 구조광(structured illumination) 현미경 기술에 적용해 얻은 영상을 일반 현미경으로 얻은 영상과 비교한 예시로, 하이퍼렌즈를 사용함으로써 이미지 회절한계를 초월하는 미세한 특징을 시각화하였음을 확인할 수 있다. 그림 5(d)는 하이퍼렌즈를 이용한 세포막 구조에서 형광 상관 분광 현미경 이미징의 이론적 가능성을 처음으로 제안한 사례이다.
본 논문에서는 메타물질의 특징과 기존 광학 시스템과의 호환성을 포함한 주목할 만한 특징들을 설명하였다. 특히 바이오 메디컬 이미징 분야에서 메타물질의 개발은 복잡하고 부피가 큰 구성 요소들을 더 간단한 구성 요소로 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 본 논문은 메타렌즈를 이용한 바이오 메디컬 이미징의 다양한 응용 사례와 고해상도 이미징까지 집중적으로 다루었다. 메타렌즈는 소형화, 시스템 단순화, 다기능 광학 구성 요소 제작 등 다양한 분야에서 유용함을 입증하였으나, 메타렌즈를 이용한 바이오 메디컬 이미징 기술 자체가 아직 초기단계에 있기에 그로 말미암은 한계점을 가지고 있다. 특히 색수차를 비롯한 수차와 개구수 및 렌즈 크기의 한계로 인해 상용화에 어려움이 있기에 기술적 한계를 극복하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 인버스 디자인 기술을 활용한 나노구조의 최적화, 딥러닝을 활용한 영상 처리 기술 등이 활발하게 연구되고 있으며, 향후 이를 통해 메타렌즈의 한계를 극복하고 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 더해 메타물질을 활용하여 제작된 하이퍼렌즈의 뛰어난 초고해상도 능력과 그 유용성을 다수의 실제 응용 사례를 통해 살펴보았다. 이러한 기술의 발전은 이미징 시스템의 성능과 기능을 향상시킬 뿐만 아니라, 전통적인 광학 구성 요소로는 달성할 수 없었던 새로운 기능을 도입할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다. 메타렌즈와 하이퍼렌즈는 앞으로 연구와 기술 발전을 통해 바이오 메디컬 이미징 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대된다.
이 연구는 과학기술정보통신부 국책연구개발사업(RS-2023- 00266110; NRF-2020R1A5A1019649; NRF-2022M3 C1A3081312; NRF-2023M3K5A109482011); 과학기술정보통신부 세종과학펠로우십(NRF-2021R1C1C2004291)에서 지원받아서 수행됨.
과학기술정보통신부 국책연구개발사업(RS-2023-00266110; NRF-2020R1A5A1019649; NRF-2022M3C1A3081312; NRF-2023M3K5A109482011); 과학기술정보통신부 세종과학펠로우십(NRF-2021R1C1C2004291).
저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.
본 연구에서 생성되거나 분석된 데이터는 합당한 요청 하에 저자에게 제공받을 수 있으며, 데이터를 다른 용도로 사용할 시 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 받아야 한다.
2024; 35(4): 135-142
Published online August 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.4.135
Copyright © Optical Society of Korea.
Hyemi Park1,2, Yongjae Jo1, Inki Kim1,2
1Department of Biophysics, Institute of Quantum Biophysics, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea
2Department of Intelligent Precision Healthcare Convergence, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea
Correspondence to:†inki.kim@skku.edu, ORCID: 0000-0001-8686-6670
*These authors contributed equally to this paper.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Biomedical imaging technologies refer to imaging techniques used in biological research and medical technology that are essential for exploring biological processes, structures, and conditions. They also play a crucial role in the early diagnosis of diseases and the development of treatments. Optical imaging technologies, in particular, are the most widely used and actively researched in biological studies. The major obstacles to technological advancement are the limitations in resolution and light penetration depth. Recently, many technologies have been studied to overcome these limitations using metamaterials. These are materials that can freely manipulate the properties of light through the regular arrangement of nanostructures and have established themselves as innovative tools in the imaging field. This article aims to provide a detailed introduction to the working principles and key applications of these technologies.
Keywords: Biomedical imaging, Hyperlens, Metalens, Metamaterial
근래 들어 진단, 생체 인식, 기초 생물학 연구 등의 다양한 분야에서 이미징의 중요성이 부각됨에 따라 더 빠르고 넓고 선명하며 정확한 고급 이미징 기술의 수요가 증가하면서 이에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 하지만 성능 향상은 필연적으로 시스템을 더욱 복잡하게 할 수밖에 없으며, 이는 시스템 성능의 한계를 초래한다. 따라서 이를 극복하기 위해 다양한 기능을 수행할 수 있는 다용도 소형 광학 장비를 이용해 시스템의 복잡성을 줄이고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 그러나 기존의 광학 장비는 자연 재료의 제한적인 굴절률로 인해 장비의 크기를 일정 크기 이하로 줄이는 데 한계가 있다. 이와 더불어 광학계에서 해결해야 할 또다른 문제로는 수차가 있는데, 이를 보정하기 위해서는 여러 렌즈를 정밀하게 정렬하여야 하며, 렌즈 수의 증가에 비례하여 광학계의 크기 또한 증가한다. 이와 같이 수차의 발생은 고성능 렌즈 제작의 어려움과 공간적인 한계를 야기하여 광학계의 고도화를 방해하는 요인이 된다.
본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 지난 10년 동안 많은 연구가 이루어진 바 있는 메타렌즈에 대해 설명하고자 한다. 메타렌즈는 일종의 평평한 광학렌즈로서 현장 진단을 위한 휴대용 또는 소형 이미징 장치에 적합하며, 수차를 교정함으로써 더 선명한 이미지를 제공한다. 본 논문은 바이오 메디컬 이미징 응용을 위해 메타렌즈의 이점을 활용하는 방법에 중점을 두고 아날로그 이미지 처리, 의료 이미징, 현미경 기술, 광음향 현미경, 고해상도 이미징과 같은 바이오 메디컬 이미징 연구들을 소개한다.
메타물질이란 자연에서 찾을 수 없으며 인위적으로 특별히 설계된 구조를 가진 물질이다. 이 물질은 나노 단위의 구조를 통해 빛의 진폭, 위상, 편광 등을 정밀하게 조작할 수 있으며, 빛을 국소적으로 제어함으로써 매우 정밀한 광학적 조작이 가능하다[1-4]. 메타물질의 주요 특징 중 하나는 음의 굴절률과 같이 일반 물질로는 구현할 수 없는 광학적인 성질을[5] 물질에 부여할 수 있다는 것이다. 메타물질은 메타표면의 대역폭 조절, 초소형 전자기장 제어, 편광조절 등 다양한 목적에 맞도록 맞춤디자인이 가능하며, 나노 구조체를 적절히 배열함으로써 빛의 위상과 회절을 조절하여 일반 렌즈로는 불가능한 광학적인 성질을 만들어 낼 수 있다는 특징을 가지고 있다. 이를 활용하면 사용자가 특정 목적에 필요한 이미징 설정을 맞춤형으로 구성할 수 있기에 다목적 이미징 시스템에서 이점을 가진다. 예를 들면 목적에 따라 투명 망토를 제작하거나[6] 빛의 회절 한계를 넘어서는 초고해상도 이미징 등을 디자인할 수도 있고, 외부 자극에 따른 빛의 파장이나 편광 상태 등의 광학적 반응을 기계적으로 조절할 수도 있는 것이다.
그림 1은 특정 목적에 맞게 맞춤제작된 메타 물질의 예시로서, 각각 실리콘으로 제작된 V형 안테나[그림 1(a)], 결정질 실리콘을 이용한 메타물질[그림 1(b), 1(c)], 근적외선 파장에서 뚜렷한 이색성을 나타내는 이중층 키랄 평면 메타물질[그림 1(d)], 나노임프린트 방식을 사용한 음의 굴절률을 나타내는 그물망 구조 메타물질[그림 1(e)], 은과 게르마늄으로 이루어진 다층 구조 3D 메타물질[그림 1(f)]을 나타내었다.
메타렌즈는 평면 구조를 가지고 있으며, 파장보다 작은 크기의 메타 원자가 표면 위에서 안테나 또는 위상 변화를 위한 도파관 역할을 한다. 메타렌즈 표면의 메타 원자들은 각각의 위치에 따라 초점 지점으로부터의 거리가 서로 다르기 때문에, 빛을 한 점으로 모으기 위해서는 각기 다른 위상지연을 필요로 한다.
식 (1)은 메타렌즈의 원자 위치에 따른 위상지연을 계산하기 위한 일반적인 식으로, x, y는 메타원자의 위치, λ는 파장, f는 초점을 뜻한다. 이때 위상은 메타 원자들의 공명효과, 비공명 효과에 의해서 조절된다. 이와 같이 메타 원자를 조정함으로써 진폭, 위상, 편광, 흡수 및 반사와 같은 광학적 성질을 조작하여 다양한 렌즈를 제작할 수 있다.
그림 2(a)는 기존 엑시콘 렌즈와 메타 엑시콘 렌즈의 차이점을 보여준다. 기존 엑시콘 렌즈의 두께는 5 mm이나, 메타 엑시콘 렌즈는 100 nm의 초박형 두께를 가지고 있으면서도 기존의 엑시콘 렌즈와 성능이 동일하다. 그림 2(b)와 그림 2(c)는 메타 엑시콘 렌즈의 전자현미경 이미지와 실험적으로 측정된 초점 강도를 보여준다. 엑시콘 렌즈는 빛의 초점을 바늘처럼 길게 뽑아내기 위한 용도로 사용되는데, 메타렌즈로 만든 엑시콘 렌즈의 초점 강도가 바늘 모양으로 용도에 맞게 잘 형성된 것을 볼 수 있다. 그림 2(d)는 금-유리-금으로 구성된 메타원자 구조와 이를 이용한 메타렌즈의 초점 강도 분포이고, 그림 2(e)는 편광 반응 메타표면의 전자 현미경 이미지와 오른쪽 원편광을 가지는 입사광에 대해 예상되는 불연속적인 위상 프로파일이다. 이와 같이 편광 메타렌즈를 이용해 하나의 렌즈에서 직교하는 원편광에 대해 서로 다른 반응을 보여주는 렌즈를 제작할 수 있다. 즉, 하나의 렌즈를 편광 방향에 따라 다른 목적으로 사용이 가능하다. 이처럼 메타렌즈는 전통적인 굴절 렌즈에 비해 초소형, 초박형, 높은 개구수(numerical aperture, NA) 달성 능력 및 다용도성 등 보다 많은 이점을 가지고 있으며, 그러한 특징을 활용하여 현장 진단을 용이하게 하는 휴대용 또는 소형 바이오 메디컬 이미징 장치에 사용된다.
그림 3은 메타렌즈를 이용한 다양한 바이오 메디컬 이미징 예시이다. 그림 3(a)는 메타렌즈를 이용한 가장자리 감지(edge detection) 시스템으로, 영상처리 기술에서 사물의 윤곽을 더 잘 보여주기 위해 가장자리를 강조하는 필터를 사용하는 것처럼 메타렌즈의 구조적 특성을 이용하여 빛의 위상과 진폭을 조정함으로써 이미지의 가장자리를 강조하는 시스템이다. 이 시스템은 별도의 염색 없이 투명한 샘플을 이미징하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 또한 그림 3(a)의 메타렌즈는 액정 셀을 이용하여 일반적인 렌즈와 가장자리 감지 모드 사이를 전기적으로 빠르게 전환 가능하므로 시스템을 소형화할 수 있을 뿐더러 이미징 다양성이라는 장점 또한 가진다. 그림 3(b)는 메타렌즈를 이용한 형광 상관 분광법(fluorescence correlation spectroscopy)으로, 기존의 큰 대물렌즈 대신 500 μm 두께의 메타렌즈를 이용하여 분자 수준의 진단을 가능하게 한다. 그림 3(c)는 원통형 메타렌즈를 활용한 라이트시트 현미경의 예시이다. 메타렌즈를 활용한 유연한 설계 방법으로 기존 라이트시트 현미경 대비 우수한 축 해상도 및 초점 외 배경 억제가 가능하다. 그림 3(d)는 메타렌즈를 이용한 OCT로서 기존 내시경 대비 비점수차가 더 작다. 또한 기존에 비해 렌즈 크기가 더 작으면서도 관찰 대상의 구조를 세밀하게 파악할 수 있다. 그림 3(e)는 다파장 메타렌즈를 이용한 광음향 이미징의 예시이다. 다파장 메타렌즈를 통해 자외선과 가시광선을 동시에 사용함으로써 DNA/RNA 및 혈관 관련 장애 등 여러 개의 대상을 동시에 관찰할 수 있는 가능성을 제시하였다.
일반 광학계의 해상도는 구별 가능한 두 점 사이의 최소 거리로 정의되며, 이는 광학 시스템의 개구수와 파장에 의해서 결정된다. 광학계의 해상도는 높은 개구수와 짧은 파장을 이용하여 높일 수 있지만, 빛의 회절한계로 인하여 가시광선 파장영역에서 약 250 nm 이상의 해상도를 달성하는 것은 어렵다. 이러한 물리적 한계로 인해 그간 생물학적 이미징 분야에서 미토콘드리아, 시냅스 연결 및 미세소관 네트워크와 같은 세포 내 네트워크의 정량적 이미징은 제한적으로 이루어졌다. 많은 연구자들이 이 한계를 극복하기 위하여 초고해상도 이미징(super resolution imaging) 기술을 바이오 메디컬 이미징 기술에 접목하고자 했다. 그로 인해 점 확산 함수 엔지니어링(point spread function engineering, PSF engineering), 구조 조정 현미경(structured illumination microscopy, SIM), 단일 분자 위치 측정(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)과 같은 다양한 초고해상도 영상 기술들이 개발되었으나, 이들은 복잡하고 비용 효율이 낮으며, 계산적 후처리를 요구하고, 일부 방법에 한해 형광 염색이 반드시 필요하다는 단점이 있다.
2000년대에 존 펜드리(John Pendry)가 제안한 슈퍼렌즈(superlens) 개념[20]은 일반 광학계의 회절 한계를 극복하고, 기존의 렌즈보다 더 작은 구조를 볼 수 있는 새로운 렌즈이다. 파동은 전파 파동과 비전파 파동으로 구분되는데, 슈퍼렌즈는 이 중 비전파 파동의 특성을 기반으로 설계되었다. 비전파 파동의 한 형태인 소멸파동(evanescent waves)은 파장보다 작은 구조의 정보를 전달할 수 있지만, 광원 근처에서 지수함수적으로 감쇠되기에 광학계에 도달하기 전에 소멸된다. 따라서 이를 사용해 미세한 구조의 정보를 습득하기 위해서는 소멸파가 완전히 감쇠되기 전에 이미지 센서까지 전달해야 하지만 당시의 일반적인 광학계로는 이를 실현하기가 쉽지 않았다. 펜드리는 음의 굴절률 재료를 사용함으로써 슈퍼렌즈 구현의 가능성을 제시하였으나, 음의 굴절률 재료는 자연계에 존재하지 않기 때문에 실제 구현은 힘들었다. 하지만 음의 유전율 또는 음의 투자율을 인위적으로 부여 가능한 메타물질을 이용하면 특정 조건 하에서 초고해상도 이미징이 가능하다.
하이퍼렌즈는 메타물질의 독특한 성질을 이용하여 초고해상도 이미징을 실제로 구현한 렌즈이다. 하이퍼렌즈는 금속과 비금속 재료를 번갈아 가며 적층한 렌즈로서 소멸파를 먼 곳까지 전달할 수 있기 때문에 회절한계의 극복이 가능하며, 이방성 유전율을 가지는 것이 가장 큰 특징이다. 파동은 이방성 축 방향으로 전파될 때 특정한 유효 유전율과 분산 관계를 가지는데, 이는 식 (2)와 같이 나타낸다.
식 (2)에서 ω, c, k, ϵ는 각각 각주파수, 진공에서의 빛의 속도, 파수 벡터, 상대 유전율을 나타내며, 아래 첨자 ∥와 ⊥는 각각 파동의 전파 방향에 따라 평행한 성분과 수직인 성분을 나타낸다. 이로써 빛이 이방성 축 방향으로 전파되는 특수한 경우에 한해 회절한계로 인하여 볼 수 없었던 미세한 구조들을 시각화할 수 있다.
초기 하이퍼렌즈는 평평한 슬래브(slab) 형태로 만들어져 실제 이미징에 활용하기 힘들었지만, 최근에는 표면 산란 최소화 등 성능 최적화에 적합하도록 원통형 또는 구형의 형태로 제작하여 이미징에 활용한 사례가 보고된 바 있다.
그림 4에 다양한 형태의 하이퍼렌즈와 실제 응용 사례를 나타내었다. 그림 4(a)는 다층 은/티타늄 산화물로 구성된 하이퍼볼릭 물질의 단면을 전자현미경으로 관찰한 이미지이다. 그림 4(b)는 기존의 렌즈와 하이퍼렌즈를 사용한 이미징 결과 세 가지를 비교한 것으로, 왼쪽의 이미지는 주사전자현미경을 사용하여 너비 35 nm의 선 한 쌍이 150 nm 간격으로 배열된 객체를 이미징한 결과이다. 중간의 이미지는 하이퍼렌즈를 사용한 이미지로 선들이 명확하게 구분된 것을 볼 수 있으나, 하이퍼렌즈를 사용하지 않은 오른쪽 이미지에서는 선 간의 간격을 구분할 수 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 하이퍼렌즈가 초고해상도 이미징에 얼마나 효과적인지를 보여준다. 그림 4(c)는 알루미늄이 도핑된 은/산화 마그네슘 하이퍼볼릭 메타물질의 투과전자현미경 이미지와 이를 이용한 초고해상도 형광 구슬 이미지이다. 마지막으로, 그림 4(d)–4(f)는 확대 하이퍼렌즈를 사용한 이미지 예시이다. 그림 4(d)는 160 nm, 170 nm 및 180 nm 간격으로 위치한 구멍이 삼각형 모양으로 세 개 뚫려 있는 측정 대상으로, 그림 4(e)와 같이 410 nm 파장의 확대 하이퍼렌즈를 이용하면 구멍들 사이의 분리가 분명하게 관찰된다. 그림 4(f)는 그림 4(e)에 표시된 빨간선을 2.1배 비율로 확대한 후 실시한 단면분석으로, 측정 결과는 333 nm이지만 배율을 고려하면 실제로는 160 nm 정도의 구조를 구분할 수 있는 것으로 판단할 수 있으며, 이는 일반적인 가시광선에서는 측정이 불가능한 거리이다.
앞서 설명한 특성 덕분에 하이퍼렌즈는 복잡한 바이오 메디컬 실험 상황에서도 세포 및 바이러스와 같은 미세 구조물을 더욱 정밀하게 촬영할 수 있다. 예를 들면 신경 세포의 세밀한 구조를 실시간으로 이미징하거나, 특정 종양 마커를 높은 정밀도로 탐지하는 등의 응용이 가능하며, 그로써 진단 및 치료의 질을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
그림 5(a)는 하이퍼렌즈 어레이를 이용해 뇌의 세밀한 신경 구조를 포착한 것이고, 그림 5(b)는 하이퍼볼릭 물질을 이용하여 암시야 현미경 기술과 구조광 현미경 기술을 결합한 예시이다. 이 방법은 비표지적인 수단을 통해 샘플의 초고해상도 영상을 효과적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그림 5(c)는 하이퍼볼릭 물질을 구조광(structured illumination) 현미경 기술에 적용해 얻은 영상을 일반 현미경으로 얻은 영상과 비교한 예시로, 하이퍼렌즈를 사용함으로써 이미지 회절한계를 초월하는 미세한 특징을 시각화하였음을 확인할 수 있다. 그림 5(d)는 하이퍼렌즈를 이용한 세포막 구조에서 형광 상관 분광 현미경 이미징의 이론적 가능성을 처음으로 제안한 사례이다.
본 논문에서는 메타물질의 특징과 기존 광학 시스템과의 호환성을 포함한 주목할 만한 특징들을 설명하였다. 특히 바이오 메디컬 이미징 분야에서 메타물질의 개발은 복잡하고 부피가 큰 구성 요소들을 더 간단한 구성 요소로 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 본 논문은 메타렌즈를 이용한 바이오 메디컬 이미징의 다양한 응용 사례와 고해상도 이미징까지 집중적으로 다루었다. 메타렌즈는 소형화, 시스템 단순화, 다기능 광학 구성 요소 제작 등 다양한 분야에서 유용함을 입증하였으나, 메타렌즈를 이용한 바이오 메디컬 이미징 기술 자체가 아직 초기단계에 있기에 그로 말미암은 한계점을 가지고 있다. 특히 색수차를 비롯한 수차와 개구수 및 렌즈 크기의 한계로 인해 상용화에 어려움이 있기에 기술적 한계를 극복하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 인버스 디자인 기술을 활용한 나노구조의 최적화, 딥러닝을 활용한 영상 처리 기술 등이 활발하게 연구되고 있으며, 향후 이를 통해 메타렌즈의 한계를 극복하고 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 더해 메타물질을 활용하여 제작된 하이퍼렌즈의 뛰어난 초고해상도 능력과 그 유용성을 다수의 실제 응용 사례를 통해 살펴보았다. 이러한 기술의 발전은 이미징 시스템의 성능과 기능을 향상시킬 뿐만 아니라, 전통적인 광학 구성 요소로는 달성할 수 없었던 새로운 기능을 도입할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다. 메타렌즈와 하이퍼렌즈는 앞으로 연구와 기술 발전을 통해 바이오 메디컬 이미징 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대된다.
이 연구는 과학기술정보통신부 국책연구개발사업(RS-2023- 00266110; NRF-2020R1A5A1019649; NRF-2022M3 C1A3081312; NRF-2023M3K5A109482011); 과학기술정보통신부 세종과학펠로우십(NRF-2021R1C1C2004291)에서 지원받아서 수행됨.
과학기술정보통신부 국책연구개발사업(RS-2023-00266110; NRF-2020R1A5A1019649; NRF-2022M3C1A3081312; NRF-2023M3K5A109482011); 과학기술정보통신부 세종과학펠로우십(NRF-2021R1C1C2004291).
저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.
본 연구에서 생성되거나 분석된 데이터는 합당한 요청 하에 저자에게 제공받을 수 있으며, 데이터를 다른 용도로 사용할 시 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 받아야 한다.
pISSN 1225-6285
eISSN 2287-321X