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[사진 1. 첨단융합공학부 김창현 교수]

 

첨단융합공학부 김창현 교수 연구팀이 나노광학과 인공지능을 결합한 차세대 현미경 기술을 개발해 실시간으로 나노 수준의 정밀 이미징을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 'Nature Communications'에 1월 13일 게재됐다.

 

정량 위상 이미징(Quantitative Phase Imaging)은 빛의 위상 정보를 활용해 투명한 생체 시료를 손상 없이 관찰할 수 있는 기술로, 생명과학과 의공학 분야에서 폭넓게 활용되어 왔다. 그러나 기존 방식은 여러 장의 영상을 순차적으로 획득해야 하고 광학계 역시 복잡해 장비 소형화와 실시간 구현에 한계가 있었다.

 

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 메타표면 기반 나노광학 소자와 물리 기반 인공지능 알고리즘을 결합한 새로운 이미징 플랫폼을 제시했다. 기존의 두꺼운 광학계와 변조기를 하나의 얇은 메타표면으로 대체하고, 인공지능이 광학 수차와 제작·정렬 과정에서 발생하는 오차를 보정해 정밀한 위상 정보를 복원하도록 한 것이다.

[사진 2. (왼쪽 위) 메타표면 기반 정량 위상 이미징 광학계의 모식도, (아래) 메타표면 모델과 물리 기반 학습을 통한 위상 복원 AI 학습 과정, (오른쪽 위) 기존 방식과 메타표면+AI 방식으로 구현한 정량 위상 이미지 비교]

 

이를 통해 연구팀은 단일 촬영만으로 초당 74프레임의 실시간 이미징을 구현했으며, 840 nm 이하 수준의 나노 해상도도 확보했다. 복잡한 다중 촬영 과정 없이도 소형화된 구조에서 정량 위상 영상을 안정적으로 구현했다는 점에서 의미가 크다.

 

이번 연구는 단순히 현미경 크기를 줄인 데 그치지 않고, 나노광학 하드웨어와 인공지능 소프트웨어를 유기적으로 결합해 차세대 정량 위상 이미징의 가능성을 제시했다는 점에서 주목된다. 향후 휴대형 진단기기, 생체 조직 분석, 신경과학 연구 등 다양한 바이오·의료 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

 

연구팀은 “이번 연구는 나노광학 소자와 인공지능 복원 기술을 하나의 이미징 시스템으로 구현했다는 점에서 의미가 있다”며, “정량 위상 이미징 기술의 소형화와 실용화를 앞당기는 계기가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

이번 연구는 우리 대학교와 서울대학교, 미국 스탠퍼드대학교의 국제 공동 연구로 진행됐다.