KAIST(총장 신성철)는 박용근 물리학과 교수 연구팀이 세포와 같이 복잡한 3차원 물체를 빛을 통해 자유자재로 제어할 수 있는 홀로그래피 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

광학집게라고 불리는 기존 광 제어 기술은 레이저로 광 초점을 만들어 그 초점에 구형 물체를 포획하는 방식이다. 렌즈를 이용해 작은 레이저 광 초점을 만들면 자석에 철가루가 끌려오듯 주변 미세 물체를 광초점에 달라붙게 하는 기술이다.

초점의 위치를 옮기거나 힘을 가하는 방식으로 포획된 구형 물체의 3차원 위치를 조절할 수 있다. 하지만 광학집게 기술은 물체 모양이 복잡해지는 경우 안정적으로 포획하기 어렵다.

제어할 수 있는 물체 방향이 제한적이므로 생명 세포처럼 복잡한 3차원 형상을 가진 미세 물체를 광 제어하는 데는 한계가 있었다.

연구팀은 임의의 형상을 가진 복잡한 물체도 포획할 수 있는 새로운 레이저 포획 기술을 개발했다. 3차원 홀로그래픽 현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 실시간 측정한 뒤 그 정보를 바탕으로 물체를 효과적으로 제어할 수 있는 광학 패턴을 정밀히 계산해 입사하는 방식이다.

기존 광학집게 기술이 단순한 광 초점을 이용한 수동적 방식이라면 이번 기술은 물체에 따라 능동적으로 적용할 수 있다. 빛과 물체 모양이 같아질 때 물체가 갖는 에너지가 최소화된다. 연구팀은 복잡한 형상의 물체더라도 안정적으로 포획할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 적혈구 세포를 안정적으로 집어 원하는 각도로의 회전, 기역자 모양으로 변형, 두 개의 적혈구를 조립해 새로운 구조물 제작 등을 구현하는데 성공했다. 또 복잡한 구조인 대장암 세포를 안정적으로 포획하고 원하는 각도로 회전시킬 수 있었다.

논문의 1저자인 김규현 박사는 "복잡한 형상을 가진 물체의 모양·특성 등 사전 정보를 몰라도 물체의 운동을 자유자재로 제어할 수 있는 기술"이라며 "생물 물리학 연구, 부유 물질·나노 물체 조립 등 다양한 분야에 응용 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 네이처 자매지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 22일자 온라인 판으로 게재됐다.