Research

[이중 초점 메타렌즈 기반 광음향 현미경 개발]

카메라로 가까운 꽃과 멀리 있는 산을 동시에 선명하게 찍기는 어렵다. 하나에 초점을 맞추면 다른 하나는 흐릿해지기 마련이다. 우리 몸속을 들여다보는 의료용 현미경도 같은 고민을 안고 있다. 그런데 렌즈를 조금도 움직이지 않고 전압만 살짝 바꿔 초점 깊이를 자유롭게 오가는 기술이 나왔다.

 POSTECH 노준석 교수와 김철홍 교수 공동연구팀은 전압만으로 초점을 전환해 넓은 깊이 범위를 고해상도로 촬영하는 '이중 초점 메타렌즈 광음향 현미경'을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science & Applications)’에 게재됐다.

 ‘광음향 현미경’은 레이저(빛)을 쏜 뒤, 혈관 같은 조직이 빛을 흡수하며 내는 미세한 초음파로 영상으로 만드는 기술이다. 특히 빛을 바늘 끝처럼 가늘게 모으는 방식은 마이크로미터 수준의 미세혈관까지 볼 수 있을 만큼 정밀하다. 하지만 여기에는 뜻밖의 함정이 있다. 빛을 강하게 모을수록 화질은 좋아지지만, 그 선명함이 유지되는 깊이 범위는 오히려 좁아지는 것이다. 얇은 한 겹만 또렷하고 그 앞뒤는 흐려지니, 두께가 있는 3차원 조직을 한눈에 보기가 어려웠다.

 지금까지는 렌즈나 부품을 물리적으로 움직여 초점을 다시 맞춰야 했다. 시간이 걸리고 장치도 복잡해질 수밖에 없다. 연구팀은 발상을 바꿨다. 부품을 움직이는 대신, 빛의 성질 자체를 조종하는 방법을 택했다.

 핵심은 두 가지 부품의 조합이다. 하나는 빛이 어느 방향으로 회전하며 나아가느냐에 따라 서로 다른 깊이에 초점을 맺는 '메타렌즈'다. 다른 하나는 전압을 걸면 빛의 회전 방향을 바꿔주는 '액정 셀'로, 스마트폰 화면에도 쓰이는 바로 그 액정이다. 이 둘을 붙이면 전압을 조절하는 것만으로 빛의 회전 방향이 바뀌고, 그에 따라 초점 깊이도 순식간에 전환된다. 실제 전환에 걸린 시간은 약 0.25초에 불과했다. 마치 카메라 초점 링을 손으로 돌리는 대신, 스위치 하나로 원근을 바꾸는 셈이다. 이렇게 만든 시스템은 물속에서 약 0.91mm 차이가 나는 두 깊이에 번갈아 초점을 맺었고, 두 모드를 오가며 약 1.2mm에 이르는 깊이 범위를 촬영하는 데 성공했다. 각 초점에서의 해상도는 3.1μm(마이크로미터)와 3.7μm로, 미세혈관을 또렷이 볼 만큼 정밀했다.

 성능은 실제 생체 실험에서 빛을 발했다. 연구팀은 화학 물질로 각막에 화상을 입은 쥐의 눈을 살아 있는 상태 그대로 촬영했다. 얕은 초점에서는 각막에 새로 자라난 신생혈관이, 깊은 초점에서는 약 2.2mm 깊이에 있는 홍채 주변 혈관이 선명하게 잡혔다. 부품을 전혀 움직이지 않고 전압만으로, 서로 다른 깊이의 눈 속 혈관을 골라가며 고해상도로 담아낸 것이다.

 연구팀이 개발한 이 기술은 안과 질환 진단에서 힘을 발휘할 것으로 기대된다. 당뇨망막병증처럼 눈 속 혈관이 서서히 변하는 병은 깊이별로 혈관 상태를 정밀하게 살피는 것이 무엇보다 중요하기 때문이다. 노준석 교수는 “메타렌즈의 편광 다중화를 이용해 광학 부품을 움직이지 않고 고해상도 초점을 깊이 방향으로 바꿀 수 있다”라며 “부품을 움직이지 않아 장치를 더 작고 안정적으로 만들 수 있어, 다양한 의료·산업용 영상 장비로 확장될 여지도 크다”라고 전했다.

 한편, POSTECH 기계공학과 김홍윤 박사, 의공학과 박사과정 박은우 씨, 경북대 박정우 교수(POSTECH 의공학과 졸업)가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 POSCO-POSTECH-RIST 융합연구센터, 과기정통부·한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, BK21 4단계 지원사업, 글로컬대학30, 아산재단 의생명과학 장학생, 대통령과학장학금 등의 지원으로 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02365-8