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소식

2018.03.13 박규환 교수 연구팀, 모든 빛 투과 원리 규명
박규환 교수 연구팀, 모든 빛 투과 원리 규명 - 완전 무반사 코팅 및 스텔스 기술 획기적 응용 가능 - <좌측부터 박규환 교수, 강지훈, 임구 공동1저자> 본교 물리학과 박규환 교수 연구팀이 모든 빛을 반사 없이 매질 내로 투과시키는 원리를 규명하고 메타물질을 이용하여 이를 실험적으로 입증하는 데 성공했다. 파장, 편광, 입사각 등 입사조건에 상관없이 빛을 매질 내로 완전히 투과시키는 것은 이제까지 불가능하다고 여겨져 온 광학의 난제이나 연구팀은 만능 임피던스 정합 이론을 확립하여 가능함을 증명했다. 해당 연구결과는 세계 최고 수준의 학술지 ‘네이쳐 포토닉스 (Nature Photonics)’ 에 2월 26일 온라인 게재됐다. (논문명: Universal impedance matching and the perfect transmission of white light) 빛의 반사는 광학의 기본 현상으로, 우리가 눈을 통해 대상을 볼 수 있는 근본 이유다. 그러나 반사는 동시에 빛의 투과율 손실을 의미하므로 렌즈나 태양전지와 같은 광소자의 효율을 떨어뜨리는 걸림돌이 되기도 한다. 그러므로 빛 반사를 효과적 통제하는 것은 광학소자 기술, 에너지 산업, 군사장비 개발 등 다방면의 과학 기술 분야에서 매우 중요한 문제로 꼽혀왔다. 뉴턴이 얇은 막에서 나타나는 빛의 간섭을 관찰한 이래로 간섭을 이용한 반사와 투과 제어는 지난 수세기에 걸친 연구과제였다. 현재 무반사 코팅이나 나방 눈구조와 같이 빛 반사를 줄이기 위한 다양한 기술이 알려져 있지만 이 기술들은 특정 입사각이나 좁은 파장 범위에만 작동되는 한계가 있었다. 빛의 간섭은 파장과 입사각에 따라 달라지기 때문에, 간섭현상을 이용하여 입사조건(입사각, 파장, 편광)에 상관없이 매질내로 빛이 완전히 투과시키는 것은 이제껏 불가능하다고 여겨져 왔다. 박규환 교수는 삼성미래기술육성재단의 공익사업인 한국 과학기술 발전을 위한 기초과학연구지원을 받아 2014년부터 이 난제에 도전하였으며, 최근에 만능 임피던스 정합 이론을 확립함으로써 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과가 가능함을 증명했다. 나아가 연구팀은 메타물질을 이용하면 현실적으로 이 이론을 구현할 수 있음을 마이크로파 실험을 통해 입증했다. 만능 임피던스 정합(Universal Impedance Matching) 이론은 특별한 비국소성(non-locality)을 갖는 매질을 무반사막으로 사용하는 이론이다. 보통 매질은 빛이 닿는 지점에서 그 지점의 빛에만 반응하지만 비국소성 매질은 떨어진 지점의 빛에도 모두 반응을 하는 매질이다. 이 매질은 빛의 입사각에 따라 굴절률이 변할 수 있어서 간섭을 이용하면서도 입사조건에 상관없이 빛의 완전 투과를 가능하게 하는 임피던스 정합이 가능하다. 일반적으로 자연에서 얻어지는 물질은 비국소성이 매우 약하게 나타나기 때문에 만능 임피던스 정합 이론이 요구하는 조건을 충족하기 어렵다. 연구팀은 강한 비국소성을 갖는 물질의 대안으로 물결구조판을 활용한 간단한 형태의 메타물질(metamaterial)을 창안했고 마이크로파 실험을 통해 이론이 옳음을 입증하였다. 이 결과는 네이처 포토닉스 소개기사에서 향후 메타물질 연구의 새로운 방향을 제시한 것이란 평가를 받았다. 19세기 후반부터 본격적으로 시작된 무반사 기술에 대한 연구는 현재 상용화된1/4 파장 무반사막(Quarter-wave anti-reflection coating)에서부터 다층박막형 무반사막, 나방눈(moth-eye)을 모방한 무반사막에 이르기까지 많은 발전을 이루어 왔지만 이들 모두 넓은 범위 파장의 빛을 차단하지 못하거나, 특정 입사각도에서만 작동하거나, 혹은 무반사막이 매우 두꺼워져야 하는 등 한계를 갖고 있다. 박규환 교수 연구팀은 이전 연구에서 파장에 무관한 완전 무반사(anti-reflection)의 기본원리를 일부 밝혀내고 마이크로파 영역에서 매우 얇은 박막을 이용한 무반사 기술을 개발한 바 있다. 이번 연구는 이 방법을 발전시켜 파장만 아니라 편광과 입사각에도 상관없는 가장 일반적인 상황에서 빛 반사를 완전히 차단하고100 퍼센트 투과를 가능하게 하는 새로운 방법을 개발한 것으로, 에너지 효율이 중요시되는 태양전지나 수많은 광학 기기, 혹은 스텔스 같은 군사용 기술에 획기적인 발전을 가져올 것으로 예상된다.
2017.12.21 생체 조직에 의한 이미지 왜곡을 제거할 수 있는 초고심도 이미징 기술 개발
질병 조기 진단에 한 발 더 다가가다 - 생체 조직에 의한 이미지 왜곡을 제거할 수 있는 초고심도 이미징 기술 개발 - 질병의 조기 진단 시기를 획기적으로 앞당기기 위해서는 생체 조직을 구성하는 개별 세포를 관찰할 수 있을 정도의 높은 분해능을 가지는 이미징 기술이 필요하다. 하지만 광학 이미징 방법들은 조직 내부로 들어갈수록 빛의 난반사와 이미지 왜곡 때문에 그 분해능이 급격히 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이 때문에 현재의 방법들로는 조직 표층에 있는 세포들만 제대로 관찰할 수 있다. 과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장 연구팀은 기존에 물체의 이미지 정보를 가지는 단일산란파만을 이용하여 다중산란을 효과적으로 줄이는 이미징 방법인 CASS현미경(단일 산란 집단 축적 현미경, Collective accumulation of single-scattering microscope) 방법을 개발하여 조직 심부에 있는 물체를 이미징할 수 있음을 보인 바 있다. 이번 연구에서는 이러한 방법을 발전시켜 다중산란 뿐 아니라 생체조직에서 발생하는 이미지 왜곡까지 보정할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. CLASS(closed-loop accumulation of single scattering) 이미징으로 명명한 이 방법에서는 생체조직에 의한 단일산란파의 수차를 폐루프 최적화 방법을 통해서 찾아내었고, 이를 통해 기존 CASS 현미경 대비 두 배 높은 해상도를 얻을 수 있었다. 생체조직에서 수차는 단일산란파의 진행 각도에 따라 빛의 위상 차이를 만드는 현상인데, 이 때문에 이미지가 왜곡이 되고 이미지의 밝기가 줄어든다. 두꺼운 유리 뒤편의 물체가 어른거려 보이는 것도 같은 이유인데, 생체조직의 경우 그 정도가 훨씬 심하다. 고해상도 이미징에서 이러한 수차를 보정하기가 어려운데, 그 이유는 빛이 입사할 때와 물체에서 반사된 후 되돌아 나올 때 각각 수차가 발생하기 때문이다. 연구진은 이러한 수차를 제거하기 위해 우선 빛의 입사각을 바꾸면서 조직에서 반사되어 되돌아 나오는 빛의 이미지들을 획득하였다. 이러한 이미지들로부터 빛의 입사하는 각과 반사하는 각에 대한 정보를 담은 반사행렬을 구성하였고, 이로부터 샘플이 만드는 운동량의 변화가 잘 축적될 수 있도록 입사각에 대한 각도별 수차를 보정해 주었다. 나아가 이 반사행렬의 전치행렬을 구함으로써 입사와 반사의 역과정을 고려하였고, 이 경우에도 각도별 수차를 보정하였다. 이러한 보정을 반복적으로 수행함으로써 최종적으로 입사와 반사의 각도별 수차를 분리해서 획득해낼 수 있었다. CLASS 이미징을 이용하여 생체조직 내부 약 700 마이크로미터 깊이에 있는 물체를 600 나노미터의 해상도로 이미징할 수 있음을 보였다. 그리고 바이오 응용의 한 예로 POSTECH의 김기현 교수팀 및 서울 아산병원의 김명준 교수팀과 공동으로 토끼의 눈 내부 깊은 곳에 감염된 곰팡이 균의 필라멘트 구조를 고해상도로 이미징할 수 있음을 보였다. CLASS 이미징 방법은 공초점 현미경이나 이광자 현미경 등 현재 널리 이용되고 있는 이미징 기술에도 접목이 가능하고, 내시경에도 탑재가 가능해 앞으로 다양한 바이오 응용이 가능할 것으로 예상된다. 본 연구의 교신 저자인 최원식 부연구단장은 “이번 연구는 광학 현미경을 질병 조기 진단에 이용하기 위해 필수적으로 극복해야할 생체조직에 의한 이미지 왜곡 문제를 해결한 것”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.124)에 12월 18일 게재됐다.
2017.11.17 의과대학 임도선교수, 이과대학 발전기금(장학금) 기부
2017.11.16 김종승 교수, 2017년 가장 영향력있는 연구자 선정돼
김종승 교수, 2017년 가장 영향력있는 연구자 선정돼 클래리베이트 애널리틱스, 2017년 세계에서 가장 영향력 있는 연구자 발표 10년 간 논문 피인용 횟수 가장 많은 상위 1% 연구자(Highly Cited Researcher) 공개 전세계 고객들에게 신뢰할 수 있는 인사이트와 분석 서비스를 제공하는 세계적인 기업인 클래리베이트 애널리틱스(Clarivate Analytics)가 11월 15일(수) "2017년 세계에서 가장 영향력 있는 연구자” 즉, 논문의 피인용 횟수가 많은 연구자(Highly Cited Researchers, 이하 HCR) 명단을 발표했다. 클래리베이트 애널리틱스는 세계에서 가장 방대한 학술 정보 데이터베이스인 자사의 ‘웹 오브 사이언스(Web of Science)’를 기반으로 2005년 1월 부터 2015년 12월까지 11년간 등록된 130,000 건 이상의 논문을 평가해, 각 분야에서 가장 많이 인용된 논문을 기준으로 상위 1%에 속하는 연구자들을 선정했다. 올해 총 3,300명의 글로벌 HCR중 우리나라에서 연구 성과를 올린 과학자는 중복 수상을 포함하여 총 34명이 이름을 올렸다. 이 중 3명의 연구자가 2개 이상의 연구 카테고리에서 중복 수상을 한 것으로 실제 수상은 30명에게 진행된다. 이 중 한국인은 28명이다. ▲ 이과대학 화학과 김종승 교수 고려대학교에서는 이과대학 화학과 김종승 교수가 선정됐다. 김종승 교수는 암세포에만 약물을 정확히 전달하면서도 그 과정을 직접 모니터링할 수 있는 ‘약물전달 복합체’ 연구로 세계 화학계에서 주목하는 연구자로, 최근 인촌기념사업회와 동아일보가 선정하는 인촌상 과학기술 부문 수상자로 선정된 바 있으며 2016년 데이터 서비스 업체인 톰슨로이터가 선정한 '세계에서 가장 영향력 있는 연구자' 중 한국 과학자 26명에 선정됐다. 또한 톰슨로이터가 선정한 논문 피인용 많은 상위 1% 연구자'에 3년 연속 선정되는 등 학술적 성과를 이어왔다. 2014년부터 클래리베이트 애널리틱스가 발표하고 있는 본 연구자 명단은 세계 각지의 연구자들에게 도움을 주고, 그들의 연구에 영향을 미치며, 영감과 도전 과제를 불어넣는 학술 논문의 피인용 횟수를 근거로 선정된다. 따라서 이 명단에 포함된 연구자들은 인용 횟수를 근거로 세계 각지의 동료 연구자들로부터 지속적으로 인정을 받아왔음이 증명됐다고 볼 수 있다. 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr) http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=1&id=university_060108000000&boardSeq=480294&command=albumView
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