(대전=뉴스충청인) 김수환 기자 = KAIST 연구진이 일상적인 LED 조명만으로 물질 내부의 복잡한 광학 특성을 3차원으로 정밀 분석할 수 있는 차세대 이미징 기술을 세계 최초로 개발했다. 기존 레이저 기반 기술의 한계를 넘어선 이번 성과는 반도체와 바이오, 디스플레이, 의료 분야까지 폭넓은 산업 혁신으로 이어질 전망이다.

KAIST (총장 이광형 )는 물리학과 박용근 교수 연구팀이 서울아산병원 홍승모 교수팀, 고려대학교 전석우 교수팀과의 공동연구를 통해 ‘비간섭 유전체 텐서 단층촬영(incoherent Dielectric Tensor Tomography·iDTT)’ 기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 밝혔다.

비간섭 유전체 텐서 단층촬영은 빛의 간섭과 위상 정보에 의존하지 않고 물질 내부의 방향성 있는 전기적 성질인 유전체 텐서를 3차원으로 복원하는 이미징 기술이다.

일부 물질은 빛이 통과할 때 방향에 따라 굴절률이 달라지는 ‘광학 이방성’이라는 고유 특성을 갖는다. 이는 물질 내부 구조와 분자 배열 상태를 보여주는 핵심 광학 정보로 평가된다.

광학 이방성은 한 방향만 특성이 다른 단축 이방성과 세 방향이 모두 다른 이축 이방성으로 구분되는데 이축 이방성이 훨씬 복잡하고 일반적인 형태다.

박용근 교수 연구팀은 앞서 지난 2022년 세계 최초로 ‘유전체 텐서 단층촬영(DTT)’ 기술을 개발해 3차원 유전체 텐서 측정 가능성을 열었다.

다만 기존 DTT는 정밀 레이저 간섭계를 사용해야 해 외부 진동과 노이즈에 취약했고 생체 조직처럼 넓은 시료 분석에는 한계가 있었다.

이번에 개발된 iDTT는 병원에서 사용하는 빛의 편광과 각도를 정교하게 조절해 총 48가지 독립 측정을 수행하고 이를 통해 물질의 빛 반응 특성을 모든 방향에서 3차원으로 복원한다.

특히 핵심은 LED 광원 도입이다.

연구팀은 비간섭 LED 광원을 활용해 기존 레이저 기반 기술의 노이즈 문제를 근본적으로 해결하고 측정 안정성과 실용성을 크게 높였다.

실제 연구진은 마이크로미터 수준의 주기적 분자 정렬 구조를 분석한 결과 기존 DTT에서는 노이즈에 묻혀 확인이 어려웠던 미세 구조를 iDTT가 선명하게 복원하는 데 성공했다고 설명했다.

이번 기술은 재료과학과 반도체, 제약, 생의학, 디스플레이 산업 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 액정 입자 내부 분자 배열을 3차원으로 시각화하는 데 성공했으며 방사선 치료 이후 대장 조직에 발생한 섬유화 현상도 별도 염색 없이 정밀 관찰했다.

또 석영과 염화칼슘처럼 서로 다른 결정 물질이 혼합된 경우에도 화학 분석 없이 빛 반응 차이만으로 물질을 자동 구분해냈다.

아울러 여러 결정이 모여 있는 물질 내부에서 각 결정의 배열 방향과 정합·부정합 상태까지 손상 없이 분석하는 데 성공해 물질 미세 구조와 강도 등 물리적 특성 간 관계를 이해할 수 있는 새로운 분석 방법 가능성도 제시했다.

박용근 교수는 “이번 연구는 대형 시설이나 파괴적 분석에 의존하던 물질 이방성 측정을 소형 광학 현미경으로 대체할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “LED 기반 안정적인 유전체 텐서 측정이 가능해진 만큼 다양한 산업 현장에서 활용되는 비파괴 정밀 분석의 새로운 기준이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 이주헌 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 세계적 학술지 Nature Photonics 에 지난 4월 21일 게재됐다.

논문명은 ‘Incoherent dielectric tensor tomography for quantitative three-dimensional measurement of biaxial anisotropy’이며 DOI는 10.1038/s41566-026-01897-0이다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 글로벌리더연구사업과 한국산업기술진흥원 국제공동 R&D 사업, 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 받아 수행됐다.