메타표면은 나노 사이즈의 구조체(Meta-atom)들을 배열해 만든 작고 얇은 메타물질 구조체를 말하며 빛을 정교하게 조절할 수 있다.
연구팀은 이런 특징을 레이저 스캐닝 현미경에 적용해 축 해상도(Axial resolution)을 증가시키는 결과를 얻었다. 레이저에서 입사되는 빛과 메타물질에서 반사되는 빛의 간섭효과를 조절해 아주 작은 영역의 데이터, 즉 축 해상도가 증가된 이미지를 획득할 수 있게 된 것이다.
이렇게 얻은 2차원의 이미지를 쌓아 올리면 정교한 3차원 이미지를 얻을 수 있다.
두 물체의 거리가 나노미터 단위만큼 가까워지면 빛의 퍼짐 현상 때문에 현미경으로 보더라도 하나로 보이는 데 초고해상도 이미징 기술은 하나로 보이는 두 개의 물체를 구분해 낼 수 있는 기술로 기존의 광학 현미경으로는 관찰할 수 없었다.
연구팀은 메타표면에 특정 패턴을 설계하고 형광 현미경에 적용해 관찰하고자 하는 물체에 특정 파장의 빛을 쪼임으로써 기존 시스템보다 1.71배 증가된 결과를 얻어냈다.
현재까지 아주 작은 분자나 세포 속까지 관찰하기 위해서는 광학 현미경에 디지털 마이크로미러 디스플레이(Digital Micromirror Display, DMD)나 스페이셜 라이트 모듈레이터(Spatial Light Modulator, SLM) 같은 전자 장비를 적용해야 했다.
이 기술은 생물와 나노, 의학, 병리학 등 다양한 분야에서 생물·물리 현상을 규명하는데 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
이 연구 성과는 광학 및 물리 분야 학술지 ‘옵티컬 머터리얼스 익스프레스(Optical Materials Express)와 어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters) 최근호를 통해 소개됐다.
이번 연구는 한국연구재단의 한-오세아니아협력기반조성사업과 중견연구사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC) 등의 지원으로 수행됐다.
노준석 교수는 “이번 연구는 메타표면을 이용해 해상도를 높일 수 있는 이미징 플랫폼을 제시한 것으로 메타물질의 새로운 응용 분야를 개척한 것”이라며 “앞으로 초박막 메타표면의 장점을 활용해 집약된 이미징 시스템이나 광학 소자 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
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