성균관대학교(총장 유지범) 생명물리학과 김인기 교수 연구팀이 다중초점 메타렌즈를 이용한 초고해상도(super-resolution) 이미지 스캐닝 현미경(MMISM) 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

이번 기술은 줄기세포로 만든 미니 장기인 ‘뇌 오가노이드(brain organoid)’와 같은 복잡한 3차원 생체 조직 내부를 기존보다 약 2배 이상 높은 해상도로 관찰할 수 있는 혁신적인 광학 시스템으로, 차세대 뇌과학 및 신경세포 연구에 새로운 가능성을 제시한다.

김 교수 연구팀은 새로운 ‘하이브리드 다중화(hybrid multiplexing)’ 방식의 메타렌즈 설계 전략을 도입해, 기존 마이크로렌즈 배열이나 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 기술이 가진 낮은 개구수(NA) 및 초점 간 간섭 문제를 극복했다. 이를 통해 1600개의 초점을 정밀하게 배열한 고성능 메타렌즈 제작에 성공, 초고해상도 이미징의 한계를 돌파했다.

연구팀은 다중초점 메타렌즈에 디지털 핀홀링(digital pinholing) 기술을 결합해, 산란이 심한 두꺼운 생체 조직에서도 배경 신호를 효과적으로 제거하고 선명한 이미지를 얻을 수 있음을 실험적으로 입증했다. 특히 기존 광학 현미경으로는 분리되지 않던 뇌 오가노이드 내부의 세포 미세 구조를 명확히 관찰함으로써, 생체 내 신경망의 고해상도 관찰 기술 발전에 중요한 진전을 이뤘다.

또한 연구팀은 좌·우 원편광을 독립적으로 제어하는 편광 기반 하이브리드 다중화 기법을 제시해, 초점 간 간섭 없이 더 좁은 간격의 고밀도 초점 배열을 구현할 수 있음을 확인했다. 이는 메타렌즈의 집광 효율과 해상도를 동시에 향상시키는 새로운 접근법으로 평가된다.

김 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 다중화 설계 전략은 단순히 다초점 메타렌즈 설계에 그치지 않고, 다양한 다기능 광학 소자에도 폭넓게 적용 가능한 기반 기술”이라며 “초박형 메타렌즈 하나로 여러 광학 기능을 통합함으로써 차세대 고성능 광학 카메라와 현미경 시스템 개발에 핵심적인 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 광학 분야 세계적 권위 학술지 ‘Light: Science & Applications’에 10월 13일자로 게재됐다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, STEAM 글로벌융합연구지원사업, 뇌과학 선도융합기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.