일상의 LED 빛으로 물질 내부를 3차원으로 읽는다

한국과학기술원은 물리학과 박용근 교수 연구팀이 서울아산병원 홍승모 교수팀, 고려대학교(총장 김동원) 전석우 교수팀의 공동연구로 일상의 LED 조명만으로 물질 내부의 복잡한 '광학 지문'을 3차원으로 읽어낼 수 있는 '비간섭 유전체 텐서 단층촬영(incoherent Dielectric Tensor Tomography, iDTT)*' 기술을 세계 최초로 개발했다고 7일 밝혔다.
*비간섭 유전체 텐서 단층촬영: 빛의 간섭(위상 정보)에 의존하지 않고, 물질 내부의 방향성 있는 전기적 성질(유전체 텐서)을 3차원으로 복원(단층촬영)하는 이미징 기술임

< 설계된 비간섭계 기반 광학 시스템과 유전체 텐서 복원 알고리즘 >

일부 물질은 빛이 통과할 때 방향에 따라 굴절률이 달라지는 '광학 이방성'이라는 고유한 성질을 품고 있다. 이는 해당 물질의 내부 구조와 분자 배열을 알려주는 결정적인 '광학 지문'이다. 광학 이방성에는 두 가지 유형이 있다. 단축 이방성은 연필처럼 한 방향만 특별한 경우이고, 이축 이방성은 벽돌처럼 세 방향이 모두 다른, 더 일반적이고 복잡한 경우다.

박용근 교수 연구팀은 앞서 이 광학 지문을 3차원으로 측정할 수 있는 '유전체 텐서 단층촬영(Dielectric Tensor Tomography, DTT)' 기술을 세계 최초로 개발해, 이전에는 존재하지 않던 3D 유전체 텐서 측정의 길을 연 바 있다 (Shin et al., Nature Materials, 2022). 다만 기존 DTT는 정밀한 레이저 간섭계를 필요로 해 영상에 노이즈가 발생하여 정확도가 떨어지고 외부 진동의 영향을 크게 받는 문제가 있었고, 특히 생체 조직과 같은 대면적 시료로의 확장에는 기술적 한계가 있었다.

이번에 연구팀이 개발한 iDTT는 병원에서 사용하는 빛의 편광과 각도를 정교하게 제어하여 총 48가지 독립 측정을 수행한다. 이를 통해 물질이 빛에 반응하는 방식을 모든 방향에 대해 완벽하게 기술하는 '유전체 텐서'*를 3차원으로 복원한다.
*유전체 텐서: 물질이 빛에 반응하는 방식(굴절·흡수 등)을 모든 방향에 대해 하나의 3×3 행렬로 나타낸 것. 방향에 따라 광학적 성질이 달라지는 물질의 특성을 수학적으로 기술할 수 있다.

< 다결정 샘플 내 각 결정립의 3차원 이축 이방성 방향 측정 결과 >

iDTT의 핵심은 LED 광원의 도입에 있다. iDTT는 LED 조명을 비간섭 광원을 사용함으로써 이러한 노이즈 문제를 근본적으로 해결하고, 측정의 안정성과 실용성을 크게 높였다. 실제로 연구팀은 마이크로미터 수준의 주기적 분자 정렬 구조를 시료로 사용한 직접 비교에서, 기존 레이저 기반 기술인 DTT로는 노이즈에 묻혀 거의 보이지 않던 미세 구조를 iDTT가 선명하게 복원함을 확인했다.

iDTT 기술은 재료과학·반도체·제약·생의학·디스플레이 전반에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 액정 입자 안에 있는 분자들이 어떻게 배열돼 있는지를 3차원으로 눈에 보이게 만드는 데 성공했다. 또, 방사선 치료 이후 대장 조직에 생긴 섬유화(조직이 딱딱해지는 현상)를 별도의 염색 없이도 정밀하게 관찰했다.

뿐만 아니라 석영이나 염화칼슘처럼 서로 다른 결정 물질이 섞여 있는 경우에도, 화학 분석 없이 빛에 대한 반응 차이(이방성)만으로 각각의 물질을 자동으로 구분해냈다.

더 나아가 여러 결정이 모여 있는 물질에서는, 각각의 작은 결정들이 어떤 방향으로 배열돼 있는지와 서로 잘 맞물려 있는지(정합) 또는 어긋나 있는지(부정합)까지 손상 없이 분석했다. 이를 통해 물질의 미세한 내부 구조와 강도 같은 물리적 성질을 연결해 이해할 수 있는 새로운 분석 방법임을 확인했다.

< 연구개념도(ai 생성이미지) >

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

이번 연구는 KAIST 이주헌 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 세계적 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 2026년 4월 21일 게재되었다.
※ 논문명: Incoherent dielectric tensor tomography for quantitative three-dimensional measurement of biaxial anisotropy, DOI: 10.1038/s41566-026-01897-0

본 연구는 한국연구재단 글로벌리더연구사업, 한국산업기술진흥원 국제공동 R&D 사업, 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.