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박용근·신종화·유홍기 교수, 김세정 박사, 한국광학회 스타 연구자 30인 선정
우리 대학 물리학과 박용근 교수, 신소재공학과 신종화 교수, 기계공학과 유홍기 교수, 물리학과 졸업생 김세정 박사가 한국광학회(OSK) 창립 30주년을 기념해 제정된 한국광학회 라이징 스타 30에 선정됐다.
한국광학회는 설립 30주년을 기념하고 광학발전에 활력을 불어넣기 위해 한국광학 및 광산업의 미래를 책임질 떠오르는 스타 연구자를 발굴해, 이들을 격려하고 참신한 비전을 세상에 널리 알리고자 만 40세 이하 국내 과학자중 총 27인을 선정했다.
수상자는 만 40세 이하의 국내 광학 및 광산업 분야 연구자를 대상으로 연구업적의 우수성, 국내 광학 및 광산업 진흥에 대한 기여도 등을 평가해 선정했다.
박용근 교수는 미국광학회(OSA)와 국제광전자공학회(SPIE) 석학회원으로 국제적으로도 촉망받는 과학자이다. 무작위적인 광 산란을 이용해 3차원 영상을 측정하고 재현하는 새로운 기술을 개발 중으로, 기초연구 성과를 바탕으로 ‘토모큐브’를 설립해 살아있는 세포를 3차원 입체영상으로 관찰이 가능한 레이저 홀로그래피 현미경을 출시하는데 성공, 현재 미국·일본을 비롯한 여러 국가에 수출 중이다.
신종화 교수는 광대역 메타물질 분야를 개척한 공로를 인정받았다. 신 교수는 우수한 연구성과를 인정받아 교내 융합연구상을 수상하기도 했다.
한국공학한림원 대한민국을 이끌 미래 10대 기술 주역으로도 선정된 바 있는 유홍기 교수의 연구는 심혈관 질환 진단에 큰 파급 효과를 창출할 것으로 기대된다.
김세정 박사는 2차원 물질을 활용한 광소자 연구와 활발한 국제 학술활동의 공로를 인정받았다.
2020.03.17 조회수 14256 -
박용근 교수, 안경 없이 3차원 홀로그래픽 디스플레이 재생기술 개발
〈 박용근 교수 〉
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 안경 없이도 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 특히, 연구팀의 기술은 초박형 구조로 기존 디스플레이 생산 공정과 호환 가능하며, 대면적 광시야각을 확보해 3차원 디스플레이 기술을 한 단계 진보시켰다.
박종찬 박사(前 KAIST 물리학과 연구원, 現 미국 일리노이 대학교 연구원)가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 21일 자 온라인판에 게재됐다.
특별한 안경 없이 실감 나는 3차원 영상을 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이는 오랫동안 꿈의 기술로 여겨져 왔다. 그러나 현재 기술로는 구현할 수 있는 3차원 영상은 크기가 매우 작고 시야각 또한 크게 제한돼 현실적으로 구현이 어렵다.
3차원 홀로그램을 만들기 위해서는 빛의 세기와 빛이 진행하는 방향 모두 정밀하게 변조해야 한다. 빛 진행 방향의 정밀한 변조는 공간광파면 조절기에 의해 이뤄진다.
이때 빛이 진행하는 방향을 넓은 각도에서 정밀하게 제어하기 위해서는 공간광파면 조절기가 많은 픽셀로 이뤄져야 한다. 하지만 현재의 공간광파면 조절기의 픽셀 개수는 실감 나는 3차원 영상을 만들기에 턱없이 부족하다. 즉 빛을 매우 한정된 각도 내에서만 변조할 수 있는 것이다.
이런 조건에서 현재의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기는 약 1센티미터(cm), 시청 가능한 시야각은 약 3도 이내로 제한돼 사실상 실용화가 불가능하다.
오랫동안 과학자들은 실용적인 홀로그램을 만들기 위해 여러 개의 공간광파면 조절기를 합쳐서 이용하거나, 사람이 인식할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 다량의 홀로그램 이미지들을 조합해 3차원 이미지를 만들었다. 하지만 이러한 방식은 복잡한 시스템을 뒷받침할 수 있는 연구실 환경에서만 구현됐다.
연구팀은 복잡한 광학계를 구성하는 대신 LCD패널과 비주기적으로 설계된 박막을 추가함으로써 기존 방식에 비해 성능이 크게 향상된 3차원 영상을 개발했다. 박막은 비주기적으로 배열된 수많은 구멍(핀홀)으로 구성되는데 핀홀은 빛을 넓은 각도로 퍼뜨리기 때문에 형성된 3차원 영상을 넓은 각도에서 볼 수 있다.
연구팀은 이론에 따라 설계된 박막을 기존 디스플레이의 LCD패널에 부착했고, 실험을 통해 약 3cm×3cm의 화면에서 약 30도의 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 구현하는 데 성공했다.
이는 기존의 Full HD 홀로그래픽 디스플레이로 표현할 수 있는 공간대역폭 보다 약 400배 이상 향상된 결과이다. 또한 3가지 색(적색, 녹색, 청색)을 나타내며 60Hz로 작동하는 동적 홀로그램 역시 구현했다.
박용근 교수 연구팀이 지난 2016년 Nature Photonics지에 보고했던 기술은 산란을 이용해 홀로그래픽 디스플레이 품질을 향상시켰지만, 복잡한 계산과 큰 부피의 장비가 필요했었다. 이후 지속적인 기술 개발을 통해 본 연구에서는 일반 LCD 패널에 비주기적인 박막만 추가하면 제작할 수 있기 때문에, 기존 제조공정에 한 단계를 추가함으로써 상용화에 적합한 기술로 기대된다.
1 저자인 박종찬 박사는 “홀로그래픽 디스플레이의 상용화를 위해서는 넓은 시야각과 큰 영상 크기뿐 아니라 소형 폼팩터를 유지해야 한다. 이번 연구에서는 평면형 디스플레이에서 대면적 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현했다”라며 “스마트폰이나 태블릿 등 휴대용 기기에서 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 기반기술이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 실제 구현된 3차원 홀로그래픽 디스플레이와 전자현미경 이미지
그림2. 60 Hz로 동작하는 3차원 동적 컬러 홀로그램
2019.03.25 조회수 14762 -
박용근 교수, 〈네이처 포토닉스〉 초청리뷰논문 게재
〈 박 용 근 교수 〉
우리 대학 물리학과 박용근 교수가 광학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스 (Nature Photonics)’ 10월 호에 초청 리뷰 논문을 게재했다.
초청 리뷰는 학술지 편집장으로부터 초청받은 세계적 석학들이 해당 분야의 전반적인 내용을 총정리 하는 논문이다. 그 중 ‘네이처 포토닉스’는 광학 분야의 최고 학술지 중 하나로 불린다.
박용근 교수는 지난 15년간 홀로그래픽 현미경 기술 개발과 이를 이용한 다양한 의, 생명 분야 적용 연구를 해왔다.
특히 최근에는 홀로그래픽 현미경의 확산을 위해 토모큐브(Tomocube)라는 회사를 창업해 3차원 홀로그래피 현미경을 전 세계 시장에 공급하기도 했다. 이러한 공로를 인정받아 박 교수는 초청 리뷰 논문을 게재했다.
세포와 조직을 관찰하기 위해서는 일반적으로 현미경을 사용하는데 기존 현미경 기술들은 투명한 세포를 직접 관찰하기 어렵거나 염색이나 조작을 해야만 세포를 관찰 수 있다는 한계가 있었다. 하지만 이런 전처리 과정은 시간이 많이 소요되고 살아있는 세포를 있는 그대로 관찰하기 어렵다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 홀로그래피 현미경 기술이 개발됐다. 일반적인 현미경로는 투명한 세포를 볼 수 없지만 홀로그래피 기술을 적용하면 세포에서 빛이 굴절되는 정보를 측정할 수 있기 때문에 염색이나 조작 없이 세포를 신속하게 정학하게 측정할 수 있다.
박 교수는 “지난 수 년 간, 홀로그래피 현미경 기술은 크게 성장했다. 10년 전 초창기에는 물리학과나 전자공학과 연구실에서 작동 원리를 보이는 연구가 주를 이뤘지만 최근에는 병원과 다양한 생명과학 연구실에서 폭넓게 기술이 활용되고 있다”며“앞으로도 관련 기술이 더 실생활, 특히 질병 진단에 활용될 수 있도록 연구 개발에 정진하겠다”고 말했다.
2018.10.04 조회수 9191 -
박용근 교수 연구팀, 후미오 오카노 상 수상
〈 박 용 근 교수 〉
우리대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 3차원 디스플레이 분야 기술개발에 기여한 공로를 인정받아 미국 플로리다 주 올랜도에서 열린 국제광자공학회(SPIE) 연차총회에서‘2018년도 후미오 오카노(Fumio Okano) 상’을 수상했다.
고해상도 디스플레이와 3차원 디스플레이 분야의 선구자였던 일본의 故 후미오 오카노 박사를 기리기 위해 제정된 ‘후미오 오카노(Fumio Okano)상’은 디스플레이 분야 발전에 공헌한 연구자에게 수여된다.
일본 NHK의 후원으로 이 분야 세계 최대 규모의 국제적인 학술단체인 국제광자공학회(SPIE) 3D 영상학회가 매년 3차원 디스플레이 관련분야 우수 논문을 선정해 수여한다.
박용근 교수 연구팀은 무작위적인 광 산란을 이용해 3차원 영상을 측정하고 재현하는 새로운 기술을 개발 중이다. 박 교수 팀은 지난 2016년 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 3차원 홀로그래픽 카메라기술, ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 3차원 홀로그래픽 디스플레이 성능의 3천 배 향상 기술 관련 연구 성과를 각각 발표해 뉴스위크(NewsWeek)와 포브스(Forbes) 등 다수의 해외 유명 언론으로부터 주목을 받았다.
박 교수는 또 이 같은 기초연구 성과를 바탕으로 벤처기업인 ‘토모큐브(Tomocube)’를 설립해 살아있는 세포를 3차원 입체영상으로 관찰이 가능한 레이저 홀로그래피 현미경을 출시하는데 성공, 현재 미국·일본을 비롯한 여러 국가에 수출 중이다.
박 교수는 이밖에 스타트업 ‘더웨이브톡(THE WAVE TALK)’의 공동창업자로서 신 성장 동력기반을 확보하는 등 맹활약을 펼쳐 올 4월 제51회 과학의 날에는 과학기술포장을, 5월에는 (재)유민문화재단(이사장 이홍구)로부터‘홍진기 창조인상’을 각각 수상했다.
박용근 교수는“3차원 홀로그래피 분야는 성장 가능성이 매우 크고, 실생활에 밀접한 영향을 줄 수 있다”며 “하지만 현재 기술이 공상과학 영화에서 제시하는 수준에는 미치고 못하고 있는데 수 년 내에 상용화가 가능한 수준으로 발전할 것으로 기대하고 있다”며 수상소감을 밝혔다.
2018.05.31 조회수 12531 -
박용근, 김범준, 이건재, 주영석 교수, 차세대 한림원 신입회원 선출
박용근 교수(물리학과), 김범준 교수(생명화학공학과), 이건재 교수(신소재공학과), 주영석 교수(의과학대학원) 등 우리대학 교수 4명이 '한국차세대과학기술한림원(Y-KAST)' 신입회원으로 선출됐다.
과학기술분야의 석학모임인 한국과학기술한림원(원장 이명철)이 지난 2월 22일 만 43세 이하의 전도유망한 과학자로 뽑은 Y-KAST 회원 26명 중 우리대학 교수 4명이 포함된 것이다.
연구 분야별로는 △정책학부 오채운(녹색기술센터) △이학부 김덕진(서울대)·김상현(서울대)·박용근(KAIST)·배명진(포스텍)·백대현(서울대)·조승환(포스텍) △공학부 김순현(DGIST)·김범준(KAIST)·김상현(연세대)·김성재(서울대)·김수영(중앙대)·오준학(포스텍)·이건재(KAIST)·장호원(서울대)·조정호(성균관대) △농수산학부 손기훈(포스텍)·이대희(한국생명공학연구원)·이정은(서울대) △의약학부 김진성(연세대)·박상민(서울대)·신애선(서울대)·이혁진(이화여대)·주영석(KAIST)·최무림(서울대)·최승홍(서울대) 박사가 꼽혔다.
신입 회원패 수여식은 2월 26일 한국프레스센터 내셔널프레스클럽에서 열린다.
2018.02.23 조회수 12890 -
2017년 올해의 KAIST인에 물리학과 박용근 교수 선정
우리대학은 물리학과 박용근(사진·37세)교수를 ‘2017년 올해의 KAIST인’으로 선정, 2일 오전 대강당에서 열린 시무식 자리에서 시상했다. ‘올해의 KAIST인 상’은 한 해 동안 국내외에서 KAIST 발전을 위해 노력하고 교육과 연구 실적이 탁월한 인물에게 수여하는 상으로 지난 2001년에 처음 제정됐다.
17번째 수상의 영예를 거머쥔 박용근 교수는 홀로그래픽 측정과 제어기술을 개발하고 새로운 응용분야 정립을 통해 KAIST의 위상을 높였다는 평가를 받았다. 박 교수는 특히 작년 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지에 ‘3차원 디스플레이’를, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지에는 ‘세포 광조작’을, 그리고 사이언스 어드밴시스(Science Advances)지에 ‘탄저균 진단’과 관련한 연구 성과를 각각 게재함으로써 뉴스위크(NewsWeek)와 포브스(Forbes) 등 다수의 해외 유명 언론으로부터 주목을 받았다.
박 교수는 또 이 같은 기초연구 성과를 바탕으로 벤처기업인 ‘Tomocube’사를 설립해 차세대 세포현미경인 3차원 홀로그래픽 현미경을 출시하는데 성공, 작년 말 현재 미국·일본을 비롯한 여러 국가에 수출하고 있다. 이밖에 박테리아 신속 진단 기술을 보유한 스타트업 ‘더웨이브톡(THE WAVE TALK)’의 공동창업자로서 신성장 동력 기반을 확보하는 등 KAIST의 위상을 높인 공로를 인정받았다.
박용근 교수는 “KAIST인이라면 누구나 최고의 명예로 생각하는 이 상을 받게 돼 개인적으로는 매우 큰 영광이며 동시에 무거운 책임감을 느낀다”며“앞으로도 연구와 교육에 매진하여 국내외에서 KAIST의 위상을 높이는데 기여 하겠다”고 소감을 밝혔다.
2018.01.02 조회수 20636 -
박용근 교수 , 美 광학회 석학회원 선정
〈 박 용 근 교수 〉
우리 대학 물리학과 박용근(37) 교수가 지난 9월 12일 美 워싱턴 DC에서 열린 미국 광학회(The Optical Society, OSA) 이사회에서 석학회원(Fellow)으로 선정됐다.
박 교수는 바이오의학 분야에 적용되는 디지털 홀로그래피와 파면 제어 기술 분야의 연구 성과를 인정받아 이례적으로 젊은 나이임에도 석학회원으로 선정됐다. 미 광학회 석학회원 평균 연령대는 50대 후반에서 60대 초반이 주를 이루고 있다.
박 교수는 2010년부터 KAIST 물리학과에 재직하며 홀로그래픽 기술과 광 산란 제어 분야에서 뛰어난 연구 성과를 내고 있다. 특히 3차원 홀로그래픽 현미경 기술을 개발하고 상용화해 이를 이용한 다양한 의학, 생물학 연구를 수행했고 관련 분야를 세계적으로 선도하고 있다.
기존에는 세포를 형광 물질 등으로 염색해야만 3차원 영상 촬영이 가능했다. 그러나 박 교수의 HT(holotomography)기술은 살아있는 세포와 조직을 염색하지 않고도 실시간 3차원 영상을 측정할 수 있어 새롭고 다양한 생물학, 의학 분야의 연구를 가능하게 했다.
박 교수는 기술의 상용화를 위해 2015년 ㈜토모큐브를 설립했고 이를 해외 수출로 이어나갔다. 2016년에는 소프트뱅크벤쳐스, 한미제약 등으로부터 투자를 유치 받았고 현재 MIT, 미국 피츠버그의대, 독일암센터, 서울대학교병원 등을 비롯한 전 세계 주요 연구 기관에서 장비를 사용하고 있다.
최근에는 박 교수 연구진이 개발한 광산란 측정 기반 기술을 바탕으로 ㈜더웨이브톡을 설립해 네이버를 비롯한 기관들의 투자를 받아 제품 출시를 앞두고 있다.
박 교수는 “KAIST 부임 후 수행한 연구 성과를 바탕으로 석학회원에 선정돼 기쁘다”며 “훌륭한 연구원들과 학교의 지원 덕분이다. 기초와 응용 양 분야에서 계속 새로운 결과를 낼 수 있도록 정진하겠다”고 말했다.
박 교수는 네이처 포토닉스, 네이처 커뮤니케이션즈, 미국국립과학원회보, 사이언스 어드밴시스, 피지컬 리뷰 레터스 등에 100여 편의 논문을 게재했다. 관련 국제학회를 창설해 의장을 역임 중이다.
2017.10.17 조회수 15468 -
박용근 교수, 세포 자유롭게 변형 가능한 홀로그래피 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 세포와 같이 복잡한 3차원 물체를 빛을 통해 자유자재로 제어할 수 있는 홀로그래피 기술을 개발했다.
이 기술은 복잡한 형상을 갖는 물체들을 포획하고 조립하면서 실시간 촬영이 가능해 세포들 간의 상호를 연구하거나 미세한 물체를 제작하고 조립하는 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 있을 것으로 보인다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
광학 집게라고 불리는 기존 광 제어 기술은 레이저로 광 초점을 만들어 그 초점에 구형 물체를 포획하는 방식이다. 렌즈를 이용해 작은 레이저 광 초점을 만들면 이 광초점에 자석에 철가루가 끌려오듯 주변 미세 물체를 달라붙게 하는 기술이다.
또한 이 기술은 초점의 위치를 옮기거나 힘을 가하는 방식으로 포획된 구형 물체의 3차원 위치를 조절할 수 있다. 1997년 노벨 물리학상의 공적인 이 기술은 물리학 및 광학 분야 등에 널리 이용된다.
그러나 이 광학 집게 기술은 물체의 모양이 복잡해지는 경우에는 물체를 안정적으로 포획하기 어렵다. 제어할 수 있는 물체의 방향이 제한적이기 때문에 생명 세포처럼 복잡한 3차원 형상을 가진 미세 물체를 광 제어하는 데는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 임의의 형상을 가진 복잡한 물체도 포획할 수 있는 새로운 레이저 포획 기술을 개발했다.
이 기술은 우선 3차원 홀로그래픽 현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 실시간 측정한 뒤 그 정보를 바탕으로 물체를 효과적으로 제어할 수 있는 광학 패턴을 정밀히 계산해 입사하는 방식이다.
기존 광학 집게 기술이 단순한 광 초점을 이용한 수동적 방식이라면 이 기술은 물체에 따라 능동적으로 적용할 수 있다.
빛과 물체의 모양이 같아질 때 물체가 갖는 에너지가 최소화돼 복잡한 형상의 물체더라도 안정적으로 포획할 수 있음을 확인했다. 이는 물리적으로는 에너지를 최소화하는 방향으로 현상이 발생하는 원리와 같다.
연구팀은 물체가 다양한 위치, 방향, 모양을 갖게 제어해 물체의 3차원 운동을 자유자재로 제어하고 원하는 모양으로 만들 수 있었다. 마치 거푸집을 자유롭게 제작해 원하는 석고상을 만들어내는 것과 같다.
연구팀은 이 기술을 통해 적혈구 세포를 안정적으로 집어 원하는 각도로의 회전, 기역자 모양으로 변형, 두 개의 적혈구를 조립해 새로운 구조물 제작 등을 구현하는 데 성공했다. 또한 복잡한 구조인 대장암 세포를 안정적으로 포획하고 원하는 각도로 회전시킬 수 있었다.
이 기술은 안정적인 상태에서 세포를 원하는 모양으로 변형시킬 수 있어 세포에 힘을 가하여 변형시킬 때의 세포 반응을 정량적으로 분석할 수 있다.
논문의 1저자인 김규현 박사는 “복잡한 형상을 가진 물체의 모양, 특성 등 사전 정보를 몰라도 물체의 운동을 자유자재로 제어할 수 있는 기술이다”며 “생물 물리학 연구, 부유 물질 및 나노 물체 조립 등의 다양한 분야에 응용 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 능동 광 제어 기술의 모식도
그림2. 복잡한 형태의 생명 세포들의 3차원 운동 및 모양 제어 결과
2017.05.25 조회수 15263 -
2017 KAIST 리서치 데이, 23일 개최
‘2017 KAIST 리서치 데이(Research Day)’ 행사가 23일 오전 10시 30분부터 KI빌딩 1층 퓨전홀에서 열린다. 이 행사는 우리대학이 최근의 주요 연구 성과를 소개하는 한편 제4차 산업혁명 관련 R&D 분야에 대한 정보와 지식, 노하우 등을 공유함으로써 융합연구를 활성화한다는 취지로 2016년 5월 처음 마련했다.
작년에 이어 올해 두 번째를 맞는 이날 행사는 △연구부문 우수교원 및 우수 연구 성과 포상 △수상자 강연 △첸 쉐이(CHEN Shiyi) 중국 남방과학기술대(SUSTech, Southern University of Science and Technology) 총장 특별강연 등의 순으로 진행된다.
우선 2017년 연구대상은 건설및환경공학과 손훈 교수가, 연구상 수상자로는 기계공학과 오준호 삼성 지정석좌교수와 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 각각 선정됐다. 이노베이션상은 물리학과 박용근 교수, 융합연구상은 물리학과 이용희 교수와 신소재공학과 신종화 교수가 각각 수상한다.
대표 연구 성과로는 △3차원 홀로그래픽 현미경(박용근 교수·물리학과) △맞춤형 단백질 변형기술(박희성·화학과) △찔러도 피가 나지 않는 무출혈 주사바늘(이해신·화학과) △이동식 펄스에코 레이저 초음파 전파영상화 시스템(이정률·항공우주공학과) △복굴절을 이용한 3차원 깊이 측정기술(김민혁·전산학부) 등 자연과학분야 4건, 생명과학분야 1건, 공학분야 5건 등 모두 10건이 선정됐다.
우리대학은 이날 행사에서 이들 10선에 뽑힌 연구 성과물에 대해 시상하는 한편 동영상을 통해 참석자들에게 소개하는 시연회도 갖는다. 이와 함께 오후 2시부터는 첸 쉐이(CHEN Shiyi) 중국 남방과학기술대(SUSTech, Southern University of Science and Technology) 총장이 ‘4차 산업혁명과 사회적 가치창출을 위한 기업가 정신’이란 주제로 특별 강연회를 가질 예정이다. 교수와 학생 등 우리대학 구성원은 물론 일반시민들까지 누구든 사전신청 없이 이 행사에 참여할 수 있다.
2017.05.18 조회수 23770 -
박용근 교수, 성능 수천배 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀(KI 헬스사이언스 연구소)이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존 무 안경 홀로그래픽 기술의 큰 문제점이었던 제한적인 영상 크기와 시야각을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유현승 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
공상과학 영화에 자주 등장하는 3차원 홀로그램은 대중에게 친숙한 기술이지만, 영화 속 홀로그램은 컴퓨터 그래픽 효과로 만들어낸 것이다. 실제 기술로 구현하기에는 한계가 많기 때문이다.
이 때문에 디스플레이 산업계는 2차원 영상 두 개로 착시 효과를 활용하는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)에 집중하고 있다. 이 기술들은 3차원 이미지 대신 두 개의 서로 다른 2차원 이미지를 눈에 투사하는 방식을 채택한다.
3D안경 등 특수 장비 없이도 볼 수 있는 3차원 홀로그램을 만들기 위해선 공간광파면 조절기(빛이 퍼져나가는 방향을 정밀하게 조절할 수 있는 광학제어장치)를 이용해 빛의 방향을 변경해야 한다.
그러나 이와 같은 공간광파면 조절기를 3차원 디스플레이로 사용하지 못하는 가장 큰 걸림돌은 픽셀의 개수이다. 최근 각광받는 고해상도 모니터의 많은 픽셀 개수조차도 2차원 이미지에만 적합할 뿐 3차원 이미지를 만들기에는 정보량이 매우 부족하다.
이 때문에 기존의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기 1센티미터, 시청 가능 각도 3도 이내 수준으로서 실용성과는 거리가 멀다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공간광파면 조절기만 사용하는 대신 간유리를 추가적으로 활용해 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛은 여러 방향으로 퍼지기 때문에 넓은 각도에서 시청 가능하고 영상 크기도 확대된다.
하지만 무작위한 패턴을 갖기 때문에 특별한 제어 없이는 3차원 이미지를 볼 수 없다. 연구팀은 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적인 상관관계를 활용해 빛을 적절히 제어해 문제를 해결했다.
연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2센티미터 영역에 약 35도의 시청각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 공간대역폭보다 약 2천 600배 이상 향상된 결과이다.
연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간광파면 조절기에 간유리를 추가하는 것만으로 제작이 가능해 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 유현승 학생은 “물체의 인식을 방해한다고 여겨진 빛의 산란을 적절히 이용해 기존 3차원 디스플레이보다 향상된 이미지를 만들 수 있음을 선보였다”며 “특수 안경 없이 볼 수 있는 실용적인 디스플레이의 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 시간역행반사 창의연구단 사업과 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 모식도
그림2. 2 cm × 2 cm × 2 cm 영역에 만들어진 3차원 이미지
그림3. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 원리
2017.01.24 조회수 21074 -
박용근 교수, 홀로그래픽 촬영 카메라 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 간유리(optical diffuser, 광 디퓨저)를 이용한 홀로그래픽 카메라를 개발했다.
연구팀의 홀로그래픽 카메라는 어떠한 가정도 필요 없이 일반적인 홀로그램을 측정하는 기술로 사진 찍듯 홀로그램을 측정할 수 있는 이상적인 홀로그래피에 근접한 기술이다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
사진은 실제 눈으로 보는 것과 같은 원근감과 볼륨감을 표현할 수 없다. 그 이유는 현존하는 전자기기의 대역폭(~100 GHz)이 가시광의 진동수(~100 THz)에 훨씬 미치지 못하기 때문이다.
따라서 사진 기술로는 빛의 세기만 측정 가능하고, 원근감과 입체감 정보를 담은 빛의 파면 정보는 직접적으로 측정할 수 없다.
위상 문제(phase problem)라고 불리는 이 현상은 가시광 뿐 아니라 적외선, 자외선, 엑스레이 등 전자기파를 다루는 방대한 분야 전반에 큰 걸림돌로 남아 있었다.
이러한 위상 문제를 피해 간접적으로 빛의 파면을 측정하는 기술을 홀로그래피라고 한다. 그러나 이 홀로그래피 기술은 추가적인 참조 빛을 필요로 해 사진기술처럼 빠르게 전파되지 못했다.
수 세기동안 과학자들은 사진 찍듯 홀로그램을 찍기 위해 연구했으나 제안된 기술들은 대부분 특수한 입사 빛을 가정한 상황에서만 작동해 일반적인 상황에서 널리 사용되지 못했다.
연구팀은 입사 빛의 특수한 상황을 가정하는 대신 간유리를 활용해 입사 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적 상관관계를 활용해 입사한 빛의 파면을 온전히 측정할 수 있음을 이론적으로 제안했다.
연구팀은 이론에 따라 렌즈 대신 간유리를 삽입한 홀로그래픽 카메라를 제작했고 실험을 통해 성공적으로 작동하는 것을 확인했다. 일상에서 쉽게 볼 수 있는 물체를 홀로그램으로 측정했고, 초점 위치를 자유자재로 바꿈으로써 이 기술이 일반적인 경우에도 작동함을 증명했다.
연구팀의 홀로그래피 카메라는 그 형태와 구성이 간단해 렌즈 대신 간유리를 카메라 센서 앞에 대는 것만으로 홀로그램의 측정이 가능해진다. 핸드폰 카메라 등에 적용해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
같은 원리를 활용해 다른 대역의 위상 문제도 해결할 수 있다. 특히 엑스레이 영역의 문제를 해결한다면 초고해상도 엑스레이 현미경의 구현이 가능해져 과학계 전반에 큰 발전을 가져올 수 있을 것으로 예상된다.
논문의 1저자인 이겨레 학생은 “이번 기술은 사진을 찍듯 홀로그램을 측정할 수 있는 이상적인 홀로그래픽 카메라에 가장 근접한 기술이다”며 “핸드폰 카메라 등에 쉽게 적용해 홀로그래피의 대중화가 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 제안된 홀로그래픽 카메라. 일반적인 광 디퓨저를 홀로그래픽 렌즈로서 활용
그림2. 입사한 빛의 파면 (왼쪽, incident field)과 제안된 기술로 측정된 파면 (오른쪽, retrieved field)
그림3. 일반적인 물체의 (주사위) 홀로그램
2016.11.01 조회수 17608 -
박용근, 정용 교수, 알츠하이머 정량화 가능한 홀로그래피영상 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수와 바이오및뇌공학과 정용 교수(KI 헬스사이언스 연구소) 공동 연구팀이 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 개발했다.
이무성 연구원과 이익성 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌의 구조는 뇌 기능 및 질병과 밀접한 관련을 갖고 있다. 특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖기 때문에 뇌 영상 촬영 기술 신경과학에서 꼭 필요한 기술이다.
뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있지만 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계를 갖는다.
이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했지만, 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다.
또한 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠다.
문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했다.
연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다.
조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 위에서 얻은 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.
연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화했다.
그 결과 알츠하이머 모델의 해마 및 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했다. 특히 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다.
연구팀은 이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것이라고 내다봤다.
박 교수는 “최근 창업한 Tomocube(토모큐브) 사의 제품을 이용해 관련 연구자들이 보다 쉽게 새로운 방법을 적용시켜 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 홀로그래피 현미경 모식도
그림2. 기존 현미경과 홀로그래피 현미경 성능 비교
그림3. 정상 모델과 알츠하이머병 모델의 뇌 조직의 산란 계수, 이방성 분포
2016.08.17 조회수 12588