물리학과
광학, 홀로그래피, 현미경, 디스플레이, 레이저실험실 : https://bmokaist.wordpress.com/
교원 창업기업 : ㈜토모큐브 (http://www.tomocube.com); ㈜더웨이브톡 (http://thewavetalk.com/)
연구내용
연구성과
□ 3차원 홀로그래피 현미경
3차원 홀로그래픽 현미경 기술 HoloTomography (HT)을 개발하여 상용하였습니다. 살아있는 세포와 조직을 염색하지 않고 실시간 3차원 영상 측정이 가능하게 합니다. 기존에는 세포를 형광 물질 등으로 염색해만 관찰이 가능했으나, 살아있는 세포를 관찰하기 어려웠으며, 특히 체내에 다시 주입해야 하는 면역세포나 줄기세포 등에는 적용이 원천적으로 불가능했습니다. HT는 디지털 홀로그래피 기술을 이용해서, CT촬영의 원리를 레이저로 현미경 수준에서 구현합니다. 구체적으로는 다양한 각도에서 측정한 2차원 홀로그램 영상을 바탕으로 3차원 굴절률 분포를 재구성하는 원리입니다. 단순 연구에 그치지 않고 상용화를 통한 혁신을 이루어 내기 위해, ㈜토모큐브를 설립하여 기술 상용화에 성공하였습니다. 현재 MIT, 미국 피츠버그의대, 독일암센터, 서울대학교병원 등과 같은 연구기관과 Bayer와 같은 기업에서 장비를 사용하고 있습니다.
□ 인공지능을 이용한 세포 영상 분석
형광 염색 없이 분자 정보를 볼 수 있는 인공지능 현미경 기술을 개발했습니다. 생화학적 특이성이 높은 정보가 3차원 홀로그래피 현미경으로 염색없이 측정되는 굴절률의 공간 분포에 숨겨져 있다는 가설을 세우고, 딥러닝을 적용하는 연구를 수행하여, 염색이 안 된 살아있는 세포에서, 분자 정보를 직접 예측할 수 있음을 보였습니다. 인공지능이 찾아낸 굴절률 공간 분포와 세포 내 주요 구조들 간의 정량적인 관계를 이용하여 굴절률의 공간 분포 해독이 가능해졌고, 이러한 관계는 세포 종류에 관계없이 보존되어 있음을 확인했습니다. 이 과정에서 만들어진 ‘인공지능 현미경’은 홀로그래픽 현미경과 형광 현미경의 장점만을 갖습니다. 즉, 형광 표지 없이 형광 현미경의 특이적인 영상을 얻을 수 있습니다. 따라서 자연 상태 그대로의 세포에서 동시에 수많은 종류의 구조를 3차원으로 볼 수 있으며, 밀리 초 수준의 초고속 측정과 수십 일 수준의 장기간 측정이 가능해졌습니다.
□ 시간 역전 거울 기술
빛을 거꾸로 반사시켜, 시간이 역행하는 것처럼 보이는 '시간 역행 거울'을 개발했습니다. 시간 역행 거울은 빛이 거울에 부딪혔을 때 부딪쳐 온 방향으로 빛을 반사, 원래 상태로 돌아가는 특성을 갖습니다. 많은 학자들이 비선형 광학을 이용해 시간 역행 거울을 구현한 바 있으나, 복잡한 장비와 매우 제한적인 구현 조건이라는 한계가 있었습니다. 저희 연구팀은 일반적인 거울과 홀로그래픽 제어를 통해 매우 단순하게 시간 역행 반사를 구현하는 원리를 개발하였고, 이를 확장하여 ㈜더웨이브톡 사에서는 다양한 수질 센서를 개발했습니다. 종래 제품과 동등한 성능을 1/30크기와 1/10가격에 공급하고 있습니다.
□ 홀로그래픽 카메라/디스플레이 기술
기존 실험실 수준에서 복잡한 광학 장비를 이용하여만 측정이 가능했던 홀로그래픽 영상 기록 기술을, 간유리와 이미지 센서 만을 가지고 구현이 가능한 새로운 원리를 개발하였습니다. 또한, 이를 역 이용하여 산란 기반 무안경 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발하여 1 micrometer 해상도로 2 cm x 2 cm x 5 cm 공간에 3차원 동영상 영상을 구동하는데 성공하였습니다. 이는 기존 가장 우수했던 기술 대비 3천배 이상 성능 향상입니다. 또한 scalability 향상을 위해, 일반 LCD panel에 부착 가능한 형태의 박막을 제작하여 3D lensless holographic display를 구현했습니다.
[분자 정보를 추출하는 인공지능 현미경 / ㈜토모큐브사의 3D홀로그래픽 현미경] [㈜더웨이브톡사의 수질센서]