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[연구자 인터뷰] 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장

나노 세계의 숨겨진 곳을 들여다보는 근접장 주사광학현미경(NSOM) 해상력 향상 기술 개발
하나로만 보였던 밤하늘의 별을 망원경으로 관찰하면 수백 개, 많게는 수십만 개의 별이 모여 있는 화려한 성단의 모습이 드러난다. 사람의 눈보다 망원경의 해상력이 뛰어나기 때문이다.
해상력은 광학기계로 식별되는 물체 위 두 점 사이의 최소 거리 또는 시각을 말하는데, 해상력이 높을수록 물체의 세밀한 부분을 관찰하기 유리하다.

최근 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 최원식 부연구단장 연구팀은 나노 세계를 관찰하는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 성능을 업그레이드하는 데 성공했다.
즉, 숨겨진 별의 진짜 모습을 찾는 것처럼 그동안 보이지 않던 나노 구조의 미세한 정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발한 것이다.
이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되며, 연구팀의 국제적 연구역량을 인정받았다.




기존 근접장 주사광학현미경의 한계 극복
근접장 주사광학현미경(Near-field Scanning Optical Microscopy, NSOM)은 미세한 구멍이 뚫린 탐침을 실험재료 표면 20nm 정도까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이 정보를 파악하는 동시에 미세 구멍을 통과한 광신호를 이미징한다.
기존 근접장 주사광학현미경으로는 탐침의 구멍 크기(약 150nm)보다 작은 미세 구조는 관찰할 수 없었다. 구멍 크기를 작게 만들수록 해상력은 높아지지만, 광신호의 세기도 함께 작아지기 때문이다.

이에 연구팀은 여러 각도에서 입사되는 빛을 이용해 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 이 한계를 극복해냈다. 먼저 유리 표면을 금으로 코팅한 뒤, 집속이온빔 장비를 이용해 50nm 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 준비한 ‘이중 슬릿 나노 구조’는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 쓰였다.

연구팀은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용해 숨겨진 반대칭 모드를 찾아냈다.
100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했고, 계산과 이미지 프로세싱을 통해 숨겨진 반대칭 모드를 시각화했다.
기존 현미경은 이중 슬릿을 하나의 점으로 이미징하지만, 개발된 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있음을 확인했다.
탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 세밀한 정보를 구분할 수 있을 정도로 해상력을 개선한 것이다. 따라서 개발된 현미경은 존재하지만 숨어있는 여러 개의 모드를 모두 찾아내기 때문에 더 미세한 정보 획득이 가능하다.

“일반적으로 수 나노미터 수준의 미세 관찰에는 전자현미경이 사용됩니다. 진공 상태에서만 시료를 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기 상태에서도 시료를 관찰할 수 있죠. 따라서 연구팀이 개발한 기술이 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 데에 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
아울러 초소형 반도체, 나노포토닉스 등의 발전과 함께 나노미터 수준의 해상력을 갖는 이미징 기술의 중요성이 점점 커지고 있는 만큼 더 복잡하고 미세한 나노 구조까지 파악할 수 있도록 기술을 개선해 나갈 계획입니다.”
이번 연구는 고려대 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2020년 5월 22일 자에 게재되었다.





지난 2월, 초음파 결합 광학현미경 개발 성공
최원식 부연구단장 연구팀은 이번 근접장 주사광학현미경 해상력 향상 기술 개발에 앞서, 지난 2월에는 생체 내부를 꿰뚫어 볼 수 있는 새로운 방식의 광학현미경을 개발해 세계 과학계의 이목을 집중시킨 바 있다.
시료의 깊은 곳을 보는 초음파와 미세 구조를 관찰하는 광학현미경을 결합해 생체 내부의 미세 구조를 관찰하는 데 성공한 것으로, 기존 광학현미경의 얕은 이미징 깊이 문제를 해결하는 획기적인 기술이라고 할 수 있다.

사람의 눈은 250㎜ 떨어진 거리에서 100㎛ 간격을 두고 떨어져 있는 두 물체를 구분할 수 있다. 이보다 작은 미세구조를 관찰하기 위해서는 광학현미경이 필요하다.
광학현미경은 눈으로 볼 수 없는 작은 미세구조를 확대해서 보여준다. 하지만 생체 조직을 관찰할 때는 이야기가 달라진다. 이른바 산란광 때문이다.
빛이 생체 조직을 투과할 때 직진광*과 산란광**이라는 두 종류의 빛이 생겨난다.

*직진광: 생체 조직의 영향 없이 직진하는 빛
**산란광: 생체 조직 내 세포나 세포 내 구조의 영향에 의해 진행 방향이 무작위로 굴절된 빛

광학현미경으로 생체 조직 깊은 곳을 관찰할 때 직진광에 비해 산란광이 강해져 이미지 정보가 흐려지는 치명적인 단점이 있다.
안개 속을 볼 수 없듯이 생체 조직의 수많은 세포와 구조들이 빛을 산란 시켜 이미지를 흐리게 만들기 때문이다.
반면, 초음파 영상은 태아를 감별할 수 있을 정도로 생체 내부 깊은 곳까지 이미징할 수 있지만, 해상도가 낮아 미세한 구조를 볼 수 없다는 단점이 있다.

이에 연구팀은 광학현미경과 초음파 영상의 장점을 결합해 생체 내부 깊은 곳을 높은 해상도로 관찰할 수 있는 초음파 결합 광학현미경을 개발했다. 초음파 결합 광학현미경은 생체 조직 내부를 잘 침투하는 초음파를 집속 시킨 후, 초음파의 초점을 지나는 빛만 측정하는 방식으로 산란광의 세기를 크게 감쇄시킬 수 있다.
초음파가 광학현미경에 관찰 경로를 알려주는 일종의 내비게이션 역할을 하는 셈이다.  

“우리 연구팀에서는 지난 10여 년 동안 산란매질 내부 깊은 곳을 이미징할 수 있는 현미경 개발에 매진해 왔습니다. 이러한 경험에 비추어 볼 때 산란매질 내부 이미징에서 물체와 상호작용하는 빛만을 골라내는 것이 매우 중요합니다. 기존의 시분해 방법 및 공초점 방법은 샘플 외부에서 선별작업을 하므로 한계가 있습니다.
따라서 산란매질에 대해 왜곡 없이 전파하는 초음파를 이용해 광변조를 시키면 물체가 있는 곳에서 직접 선별이 가능해 더욱 더 깊은 곳에 있는 물체를 이미징할 수 있을 것으로 판단했습니다.”

초음파는 생체 조직을 응축, 팽창 시켜 굴절률을 변조하는 방식으로 빛의 진행에 영향을 준다. 연구팀은 이런 초음파의 특성을 응용해 초음파의 초점을 통과하는 빛만을 선택적으로 측정하는 기술을 개발하고, 이 기술을 공간 게이팅(Space-gating)이라 명명했다.
초음파는 생체 내부의 ‘빛 거름망’ 역할을 하며 무작위로 산란하던 빛을 차폐한다. 공간 게이팅 기술을 통해 산란광을 100배 이상 감쇄시키며 생체 조직 내에서 광학 이미지가 흐려지는 문제를 극복할 수 있었다.

또한, 개발한 현미경을 이용해 별도의 형광 표지 없이 부화한 지 30일 된 성체 제브라피시의 척추 안쪽 근육 조직 이미지를 얻는 데에 성공했다. 기존 기술로는 제브라피시의 장기, 척추 등 내부 구조에서 산란 현상이 일어나 절단을 통해서만 내부 근육 결을 관찰할 수 있었다.

이와 달리 개발된 현미경은 자연 상태 그대로 살아있는 제브라피쉬 내부 조직을 꿰뚫어 볼 수 있다.
연구팀은 인체 조직에도 사용할 수 있는 공간 게이팅 기술을 구현해 나갈 계획이다. 향후 현미경을 소형화하고 이미징 속도를 증가시키면, 실시간 질병 진단에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
“초음파 결합 광학현미경은 기존 광학현미경의 한계를 극복할 수 있는 획기적인 기술이라고 할 수 있습니다. 공간 게이팅 기술을 더욱 발전 시켜 빛의 산란 현상을 이해하는 것은 물론 의생명 광학 기술 분야로 활용 범위를 넓혀 나가겠습니다.”

이 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2020년 2월 5일 자 온라인판에 게재되었는데, 올해 상반기에만 최고 권위의 국제학술지에 두 번 연속 논문이 실렸다는 점에서 국내 연구진의 저력을 보여줬다고 할 수 있다. 이 연구에는 한국과학기술원(KAIST) 바이오 및 뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.



무르익는 연구력, 세계로 뻗어 나가다
최원식 부연구단장은 10년이 넘는 시간 동안 기존 광학현미경 기술의 이미징 깊이 한계를 뛰어넘기 위해 연구실의 불을 밝혀 왔다.
그 결과 세계적으로 인정받는 연구성과들을 창출하며 과학계에 굵직한 족적을 남겼고, 연구역량은 날이 갈수록 무르익어 가고 있다. 최근 의미 깊은 성과들을 속속 내놓을 수 있었던 것은 그동안 흔들리지 않고, 한 분야에 매진하며 토대를 탄탄히 다져온 결과라고 할 수 있다.

최근 연구의 기반이자 세계 과학계의 이목을 집중시킨 연구성과들을 짚어본다면, 먼저 2015년 피부 조직 속 세포의 미세 변화를 관찰할 수 있는 고해상도 광학현미경을 개발(Nature Photonics 2015년 3월 10일 게재)한 것이 대표적이다.  
당시 연구팀은 피부 조직에 의해 왜곡되지 않고, 물체의 영상정보를 그대로 가지고 있는 빛(단일산란파)을 찾아낼 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 시분해 반사 행렬이라는 것을 최초로 측정해서 단일산란파만을 선택적으로 더할 방법을 개발한 것으로, 1.2㎛의 해상도로 1.2mm 깊이까지 생체 조직의 세포 영상정보를 얻는 데에 성공했다.
이러한 성능은 고해상도 시각화에서 세계 최고 깊이에 해당한다.
 
이처럼 물체의 이미지 정보를 갖는 단일산란파만을 측정하고, 배경 잡음인 다중산란파는 제거하는 단일산란집단축적(Collective accumulation of single-scattering, CASS) 현미경을 개발한 최원식 부연구단장은 2017년에는 이를 더욱 발전 시켜 다중산란뿐 아니라 생체 조직에서 발생하는 이미지 왜곡까지 보정할 수 있는 초고심도 이미징 기술을 개발(Nature Communications 2017년 12월 18일 게재)했다.

CLASS(Closed-Loop Accumulation of Single Scattering) 이미징으로 명명한 이 방법에서는 생체 조직에 의한 단일산란파의 수차를 폐루프 최적화 방법을 통해서 찾아냈고, 이를 통해 기존 CASS 현미경 대비 두 배 높은 해상도를 얻을 수 있었다.
당시 연구팀은 토끼 각막 속 약 0.5㎜ 깊이에 존재하는 곰팡이 균의 필라멘트 구조를 0.6㎛ 분해능으로 영상화하는 데에 성공했다.
매질이 만드는 다중산란뿐 아니라 수차까지 보정하는 데 성공한 연구팀은 2019년에는 이러한 방법들의 이미징 속도를 높여 살아있는 동물모델에까지 적용이 가능하도록 발전시켰다.
바로, 살아있는 생물체의 신경망까지 고해상도로 관찰할 수 있는 초고속 홀로그램 현미경을 개발(Nature Communications 2019년 7월 17일 게재)한 것이다.

홀로그램 현미경은 물체광과 참조광이라는 두 종류의 빛이 서로 만나 일으키는 빛의 간섭 효과를 이용해 빛의 진폭과 위상을 파악하는 기술이다. 특정 깊이에서 선택적으로 광신호를 획득해 내부 깊숙한 곳의 이미지까지 관찰할 수 있다.
하지만 이미지 획득 속도가 느려 살아있는 동물 관찰에 어렵다.

연구팀은 물체광과 참조광을 동기화해서 조절하는 방식으로 기존보다 이미지 획득 속도를 수십 배 향상시키는데 성공했다. 초당 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리 연구팀이 개발한 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 이미지를 획득할 수 있다.

또한 이 기술을 통해 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리 과정 없이도 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 파면 왜곡을 보정하는 성능이 백배 이상 향상되었다는 것으로, 더 깊은 곳까지 관찰하는 능력이 향상했다는 의미다. 실제로 연구팀은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌 신경망 영상을 얻을 수 있었다.

“2015년 논문이 최근 연구의 시초가 되는 연구라면, 2017년 논문은 생체 조직에 의한 이미지 왜곡 문제 해결에 한 걸음 다가선, 기술적으로 가장 중요한 연구였다고 할 수 있습니다.
2019년 논문의 경우 기 개발한 방법들의 이미징 속도 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄죠.
현재 이러한 연구를 발전 시켜 생쥐의 두개골 아래를 볼 수 있게 했고, 사람의 망막세포나 그 아래에 있는 미세 구조를 이미징하는 연구를 진행해 의료 진단에 활용할 계획입니다. 더불어 최소 침습으로 보다 조기에 질병 진단을 할 수 있는 현미경급 내시경 개발 연구도 활발히 진행 중입니다.
또한 피부 아래 깊은 곳까지 빛에너지를 집속할 수 있는 방법을 개발해 2012년과 2018년에 Nature Photonics에 논문을 게재한 바 있는데, 이를 광치료에 활용하고자 후속 연구를 진행하고 있습니다.”




한계란 넘어서기 위한 것, 포기란 없다
기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단은 2016년 출범한 이후 분자 분광학, 이미징 과학 분야의 우수한 연구성과를 창출하고 차세대 연구리더를 양성하며, 이 분야의 세계적인 거점으로 도약하고 있다.
분광학 분야는 분자를 구성하고 있는 원자나 전자의 움직임, 분자 사이의 상호작용 등을 연구한다. 세포와 같은 생물학 시스템이나 배터리와 같은 화학 시스템은 모두 분자로 구성되어 있고, 따라서 분자들 사이의 상호작용을 이해해야만 이러한 시스템의 근본에 다가갈 수 있다.
연구단은 시분해 분광학에 중점을 두고 피코초(1조분의 1초)에서 펨토초(1천조분의 1초) 단위의 빠른 움직임을 스트로보스코프(Stroboscope) 방식으로 연구하고 있다.

또한 이미징 연구 분야는 분자 이미징, 초고해상도 이미징, 초고심도 이미징, 분광학 이미징으로 구성되어 있다. 시분해, 공간분해능을 제공해 물질의 근본적인 작동 원리를 이해하고, 배터리 개발과 같은 다양한 기술 개발을 뒷받침하며, 새로운 형태의 의료 진단 등을 가능하게 하는 것이 연구단의 궁극적인 목표다.  

연구단이 현재 분광학과 이미징 연구 분야에서 세계적 수준의 괄목할 만한 성과를 거두고 있지만, 그 과정이 결코 쉬운 것만은 아니었다. 성공의 이면에는 수십, 수백 번의 실패 속에서도 포기하지 않고 부단히 걸음을 내디뎌 온 수많은 연구원들의 땀과 시간이 고스란히 녹아 있다. 이러한 노력을 누구보다 잘 알고 있는 최원식 부연구단장은 연구원들에게 할 수 있다는 믿음을 갖고 한발 한발 나아가는 자세가 가장 중요하다고 강조한다.

“해결하고자 하는 중요한 난제를 정한 후 이를 해결하기 위해 끊임없이 노력하는 것, 기존 연구의 본질적인 한계는 무엇인지 고민하고 이를 극복하기 위해 정진하는 것이 중요하다고 생각합니다. 다른 분야와의 융합, 새로운 시도도 물론 중요하지만, 세계적 수준의 연구성과를 창출하기 위해서는 여러 주제로 분야를 넓히는 데 앞서 자신만의 연구 노하우를 꾸준히 쌓아 나가야 할 것입니다.
연구를 거듭할수록 다음 단계로 나아가기 어렵고 지칠 수도 있지만, 오늘의 하루하루가 쌓여 새로운 기록이 만들어진다는 믿음을 가지고 연구에 임해주길 바랍니다.”
최원식 부연구단장은 앞으로 다중산란파를 더욱 높은 수준에서 활용해 이미징 깊이의 근본적인 한계를 극복하고 싶다는 바람을 전했다. 무엇보다 지금까지 개발해 온 연구가 실제 의료 진단이나 생물학 연구에 사용될 수 있도록 응용범위를 넓히는 연구에 집중할 계획이다.

세상에 존재하는 큰 힘 가운데 하나는 자기 자신에 대한 강력한 신념이다. 최원식 부연구단장은 결정을 내리기까지 심사숙고하지만 일단 결정을 내리면 목표를 향한 강한 신념으로 최선을 다해 과제를 완수한다.

그 결과 그의 연구는 묵직한 울림을 전하고, 순수한 열정과 노력을 오롯이 담아 최상의 결과를 이끌어낸다. 신중한 한 수, 한 수, 어느새 판의 흐름을 이끌고 있는 진정한 승부사, 최원식 부연구단장이 새롭게 펼칠 또 한 번의 승부를 기대해본다.


취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)


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