특집 biophotonics

ContentsContentsJuly 2013 17권 3호광학과 기술

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2013년 7월 26일 인쇄2013년 7월 31일 발행

편집위원장 이상민(아주대학교)

편집간사 김대근(단국대학교)

이관일(한국과학기술연구원)

편집위원 강훈수(광주과학기술원 고등광기술연구소)

김법민(고려대학교)

김정호(경희대학교)

김학린(경북대학교)

안영환(아주대학교)

이상원(한국표준과학연구원)

이종무(한국전자통신연구원)

임선도(한국표준과학연구원)

최수봉(인천대학교)

최원식(고려대학교)

편집위원회

회장

황보창권 인하대학교([email protected])

차기회장

우 정 원 이화여자대학교([email protected])

부회장

박 승 한 연세대학교([email protected])

오 광 룡 한국전자통신연구원([email protected])

이 종 창 홍익대학교([email protected])

정 영 주 광주과학기술원([email protected])

정 윤 철 한국과학기술원([email protected])

표지설명

2세대OCT로이미징한환자의관상동맥.A:이미징한환자관상동맥의angiogram,B,C,D:고해상도2세대OCT이미지로부터얻어진환자관상동맥의3차원영상

초대석 ············································································· 김법민 02

특집 ■ Biophotonics

생체 영상에 적합한 이광자 형광 표지자 ········································ 김환명05

의생명연구를 위한 생체 내 현미경 ·············································· 김필한09

확산광 분광 및 영상기술을 활용한 유방암 연구동향 ··························· 김재관16

단일분자 분광학 기술을 이용한 분자·세포생물학 연구 ······················ 홍성철22

OCT (Optical Coherence Tomography) 이미징 기술의 개발과 응용 ······· 오왕열29

산업체 소개

한국전광(주) ··············································································· 34

하이라이트 논문 소개

한국광학회지 ·············································································· 36

JOsk ······················································································ 38

학회소식···················································································· 40

국내외 학술회의 소식 ································································ 41

한국광학회 신규가입 회원명단 ·················································· 44

한국광학회 후원사 명단····························································· 45

초대석

2 | OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY July 2013

궁극적으로 사람에게 사용될 여러 기술들은 아이디어 착안 단계에서부터

상품화까지의 기술개발 단계가 타 분야와 상이하고 그 기간도 매우 길다. 상식적인

수준에서 아무리 인체에 무해하다는 기술도 전임상 및 임상시험을 거쳐 안전성 및

유효성이 검증되어야만 실제 임상에서의 사용이 가능하다. 전임상 및 임상시험도

병원의 IRB (Institutional Review Board)의 승인을 획득해야 수행이

가능하며 의료기기의 경우 전기적/기계적 안전성 시험을 통과하고 식약처로부터

품목허가를 받아야 허가용 임상시험이 가능해진다. 보통 이런 과정을 거치는 데는

수년이 소요될 수 있으며 실제 임상시험에 들어갔더라도 설계변경 등이 필요해지면

품목허가를 다시 받아야하는 어려움이 있다. 현재 임상에서 사용되는 모든

의료기기는 이러한 과정을 통해 필드에 적용된 예들이다.

MRI, 초음파 등 대표적인 의료기기도 원천기술 개발부터 광범위하게 임상에서 받아들여지기까지 최소 약

20년의 시간이 걸렸다. 바이오포토닉스 분야는 UV, visible, IR 영역의 빛을 임상 진단 및 치료에 사용하는

분야로서 비교적 그 출발이 늦었으며 이제 하나 둘 씩 그 성과가 속속 임상에 적용되기 시작한 분야이다. 이 중

레이저 치료 장비는 국내에서 개발되어 전세계적으로 상당한 매출을 올리면서 두각을 나타내고 있는 중견기업이

몇 있으며 임상 각 분야에 맞춤형으로 제작되어 광범위하게 사용되고 있다. 이에 반하여 진단 장비는 그 상품화가

다소 늦었지만 광범위한 임상 분야에 다양한 광기술이 접목되어 일부 품목은 이제 임상에서 없어서는 안될 필수

장비로 인식되고 있다. 그 대표적인 예가 optical coherence tomography (OCT) 기술로서 90년대

중후반부터 안과 영역에 도입되어 지금은 OCT 없는 안과 진단은 생각하기 어려울 정도가 되었다. 또한 OCT

기술은 카테터 형태로 제품화되어 심혈관 진단 분야에서 IVUS (intravascular ultrasound)를 대체할

정도로 성장하고 있고 최근에는 식도암 진단 등에서 사용될 수 있는 장비가 시제품으로 나와 있는 상황이다.

공초점 현미경 또한 일본 Pentax 사에서 내시경형으로 상품화되어 in vivo 상태에서 보다 정확한 진단이

가능또록 하는데 사용되고 있다. 일반 내시경도 BT기술과 접목되어 분자영상이 가능한 형태로 개발되고 있는

상황이다.

바이오포토닉스 - From Bench to Bedside

김 법 민고려대학교생체의공학과

17권3호 광학과 기술 | 3

국내 바이오포토닉스 분야는 미국과 비교하여 기술력의 차이는 2-3년 정도로 보지만 인적 자원이 많이

풍부해진 관계로 큰 차이가 있다고 보기 어렵다. 하지만 상품화에 있어서는 아직 초기 단계라 할 수 있고 앞서

언급한 의료기기 개발과정을 이겨내어 시장출시까지를 견뎌내는 업체가 많지 않다. 의료기기 분야는 대표적인

소량 다품종 분야로서 2만 여종에 이르는 다양한 제품의 대부분이 중소기업에서 주도될 수 밖에 없는 특징을

지닌다. 중소기업 운영 환경이 매우 척박한 국내 사정을 고려할 때 시급히 개선되어야 할 부분이 적지 않다.

그럼에도 불구하고 OCT 관련 장비의 시제품이 2-3개 산업체에서 만들어진 상황이며 내시경 개발은 정부

R&D 자금을 활용하여 진행되고 있는 상태이다. 결론적으로 시장 자체는 성숙되어있다고 할 수 있으나 힘을

모으려는 노력이 아직 부족하고 산업체의 역량이 상당히 부족한 상황이다.

본 특집호는 DOT (diffuse optical tomography), OCT, 내시경형 공초점 현미경 등 진단장비의 최신

연구 경향을 소개하는 형태로 꾸며져 있다. 매우 다양한 바이오포토닉스 분야의 일부만을 다루고 있기는 하지만

임상적용 가능성이 가장 높은 기술들이 소개되고 있다. 바이오포토닉스 분야의 발전은 기본적으로 뛰어난 광학

부품 및 기술 개발이 새로운 임상영역을 만나면서 그 꽃을 피우게 된다. 따라서 광학 전문가, 의광학 전문가,

임상의의 만남이 매우 중요하다. 국내의 뛰어난 광학기술들이 적용 대상을 인체로 바꾸기만 해도 새롭게 창시될

수 있는 틈새시장이 많다고 본다. 이러한 기술조합이 상품화로 연결될 수 있도록 돕는 국가 과제의 형태가 점점

늘어가고 있는 상황이며 앞으로도 좋은 궁합들이 활발하게 만들어질 수 있기를 기대해 본다.


생체 영상에 적합한 이광자 형광 표지자 05김환명

의생명연구를 위한 생체 내 현미경 09김필한

확산광 분광 및 영상기술을 활용한 유방암 연구동향 16김재관

단일분자 분광학 기술을 이용한 분자·세포생물학 연구 22홍성철

OCT (Optical Coherence Tomography) 이미징 기술의 개발과 응용 29오왕열


1. 서론

광학현미경을 이용한 영상기술의 발전은 생

물학 및 의/약학의 발전에 눈부신 도약을 이

루는 기반이 되어 왔다. 이와 함께 다양한 기

능의 영상소재를 개발하는 연구는 화학, 물

리, 재료, 생물학 등의 다양한 분야에 걸쳐 매

우 활발히 진행되어 왔다. 거시적인 수준에서

부터 분자수준에 이르기까지 다양한 목적의 영상기술과

이에 적합한 영상소재들을 개발하는 연구에 많은 관심

이 집중되어 왔다. 특히 분자영상 기술은 세포이하의 수

준에서 생명현상의 기전을 이해하는데 직접적으로 사용

될 수 있으므로 가장 주목 받고 있는 분야 중 하나이다.

분자영상 기술 중 현재 살아 있는 시료의 영상에 가장

널리 사용되고 있는 방법은 공초점 현미경(confocal

microscopy)을 이용한 영상화이다. 최근에 와서는 에너

지가 낮은 근적외선 영역(700-1000nm)의 광자

(photon) 두 개를 동시에 흡수하여 들뜬 상태에 도달한

후 방출하는 형광을 이용한 이광자 현미경(two-

photon microscopy)이 개발되어 그 보급이 급속도로

확산되고 있고 관련 분야의 발전에 큰 기여를 할 것으로

기대된다.1 전자와 후자의 차이는 일광자 형광과 이광자

형광을 이용한다는 점이다. 일광자 형광과 이광자 형광

의 원리는 그림 1에 비교하였다. 일광자 형광은 일광자

(hv1) 흡수에 의해 들뜬 상태에 도달한 분자가 S1상태로

전이한 후 방출하는 빛이다. 반면에 이광자 형광은 낮은

에너지를 가진 광자(hv2) 두 개를 동시에 흡수하여 들뜬

상태에 도달한 분자가 방출하는 빛이다 (그림 1a). 이광

자 현미경의 장점은 다음과 같다.

(i) 고화질의 동영상을 장시간에 걸쳐 얻을 수 있다.

근적외선 영역의 빛은 생체 조직에 대한 흡수효율이

상대적으로 작아 여기원의 손실이 적고, 이광자 흡수의

세기는 초점으로부터의 거리의 네제곱에 반비례하므로

이광자 여기 형광(two-photon excited fluorescence)

은 배경 형광이 거의 없으며 여기원 빛의 초점에서만 형

광이 방출된다(그림 1b). 따라서 고화질의 영상을 얻을

수 있다. 또한 광원으로써 펨토초 펄스(fs pulse) 레이저

를 사용하므로 영상소재의 광손상과 기질에 대한 손상


*아주대학교화학과

생체 영상에 적합한 이광자 형광 표지자 김환명*

그림 1. a) 이광자 형광의 원리. b) 일광자 흡수와 이광자 흡수의 차이1

생체 영상에 적합한 이광자 형광 표지자특집 ■ Biophotonics


이 적어 생체 조직의 영상을 장시간에 걸쳐 실시간 동영

상으로 구현할 수 있다.

(ii) 손상되지 않은 조직(intact tissue) 내부의 영상을

얻을 수 있다.

생체 영상을 위해 시료는 동물수준으로 준비 하거나

보통은 원하는 부위의 절편(slice)의 형태로 준비된다.

후자의 경우에 해당하는 현미경 시료를 만들기 위하여

조직을 자를 때 표면에 있는 세포는 손상을 입게 되며,

이것의 영향은 표면으로부터 약 70 μm까지 미치는 것

으로 알려져 있다. 그러나 일광자 공초점 현미경은 단파

장 여기원의 투과력이 낮아 (<70 μm) 조직의 표면만을

관찰 할 수 있다는 한계를 가지고 있다. 반면에 이광자

현미경은 투과력이 좋아(>500 μm) 손상되지 않은 조직

의 내부에서 진행되는 생물학적인 현상을 장시간에 걸

쳐 실시간으로 관찰할 수 있다.

이와 같은 장점 때문에 이광자 현미경은 머지않은 장

래에 공초점 현미경을 거의 완전하게 대체할 것으로 예

상된다. 그러나 기존의 상용화 되어 있는 영상소재 및

형광 표지자는 근적외선 영역의 빛에 대한 이광자 흡수

효율이 매우 작아 이광자 현미경에 적용시키기 어려운

한계가 있다. 따라서 이광자 현미경을 실용화시키기 위

해서는 이에 적합한 이광자 표지자를 개발해야 된다.

2. 이광자 형광 표지자의 고안

지난 20여 년간 이광자 흡수 효율이 큰 유기 분자의

구조-성질 상관관계를 밝히는데 전 세계적인 노력이 집

중되었다.2

그림 2에는 이광자 흡수 효율이 큰 물질의 구조를 분

자수준에서 도식화하였다. 여기에서 볼 수 있듯이 이광

자 흡수 효율이 큰 유기 물질은 강한 전자 주개와 받개

가 컨쥬게이션 브리지를 통해 연결된 이중극자(dipole),

사중극자(quadrupole) 혹은 팔중극자(octupole) 형태이

다. 이러한 염료들은 상업적으로 구입할 수 있는 일광자

형광 염료에 비해 이광자 형광 효율이 용액상에서 100-

1000배 이상 뛰어나다. 따라서 이를 이광자 현미경의

영상에 적용시킨다면 적은 농도로 고화질의 영상을 얻

을 수 있는 가능성을 보여줬다. 그러나 이와 같은 분자

는 물에 대한 용해도가 너무 낮고, 몇몇 물질은 극성 용

매에 녹이면 형광 효율(ø)이 거의 영으로 감소하여 이

광자 형광의 세기(two-photon action cross section, δ

ø)가 매우 약하기 때문에 생체 영상용 표지자로 개발하

기 어려운 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결

하기 위해서는 물에 대한 용해도를 증가시켜 생체 시료

에 염색이 가능할 정도가 되도록 하고 동시에 물에서의

이광자 형광 효율을 증가 시켜야한다. 또한, 세포막에

대한 투과력이 좋고, 광안정성이 뛰어나며, 원하는 생체

분자나 금속 이온 또는 소기관을 선택적으로 인식할 수

있는 수용체를 도입시켜야 한다. 최근 들어 이러한 조건

을 만족하여 생체 영상에 적합한 이광자 형광 표지자가

소개되기 시작하였다.3

3. 생체 내 미량금속 이온 감지에 적합한 이광자 형광 표지자

칼슘, 소듐, 마그네슘, 아연과 같은 금속 이온은 생체

내에서 항상성, 신호전달, 질병 등과 직접적인 관련이

있어 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 본인의 연구실은

다양한 금속 이온에 선택적으로 감응하여 형광의 세기

가 변화하는 이광자 형광 표지자를 개발하고 있다. 이와

관련한 최근 결과를 간략히 소개하고자 한다.

세포내에 자유 칼슘이온 농도가 높아지면 항상성

(homeostasis)을 유지하기 위해 칼슘 이온은 세포 밖으

로 나가고 Na+는 세포 안으로 들어오게 된다. 이것을

Na+/Ca2+ 교환이라고 한다. 본 연구실에서는 형광의 색

깔이 다른 Na+ (ANa1)와 Ca2+ 이온(BCaM)의 이광자 그림 2. 이광자 흡수 효율이 매우 큰 이광자 염료의 구조적 특성2



표지자를 합성하여 살아있는 세포와 쥐의 뇌조직 내부

에서 일어나는 Na+/Ca2+ 교환과 이들의 분포를 이광자

현미경 영상으로 확인하였다.4 이와 유사한 방법으로 마

그네슘과 칼슘의 상호작용을 한 쌍의 표지자를 이용하

여 이광자 현미경으로 동시 영상화 시키는데 성공하였

다(그림 3a).5 이들 결과는 생체 조직 내에서 일어나는

두 가지 이상의 생물학적 현상을 여러 곳에서 동시에 분

자수준으로 관찰할 수 있는 다채널 생체 영상의 새로운

접근으로 볼 수 있다.4, 5

미토콘드리아는 세포의 에너지를 생산하는 소기관이

고 이 내부에서 일어나는 여러 활성을 선택

적으로 관찰하는 것은 중요한 일이다. 본 연

구실은 미토콘드리아에 선택적으로 위치하

고 아연이온에 감응하여 형광의 세기가 증

가하는 이광자 아연 표지자를 고안하여 합

성하였다.6,7 또한 살아있는 세포와 쥐의 뇌

조직에서 미토콘드리아 내부에 존재하는

Zn2+ 이온을 이광자 현미경 사진으로 영상

화 시키는데 성공하였다(그림 3b). 이들 결

과는 두 가지 수용체를 장착한 이광자 형광

표지자를 이용하여 특정 소기관 내부의 금

속이온을 선택적으로 감지한 다기능 이광자

표지자의 최초의 예이다.6, 7

생체 내에 존재하는 황화수소(H2S) 유도

체는 신호전달, 면역과 관련된 중요한 역할을

한다. 본 연구실은 미토콘드리아 내부의 황화

수소와 선택적으로 감응하여 형광의 색이 변하

는 이광자 가변색(ratiometric) 표지자를 개발

하여 파킨슨병(Parkinson's Disease, PD)의

모델에서 황화수소의 농도가 정상의 농도보다

적게 존재함을 밝혀내었다(그림 3c).8 이 결과

는 이광자 표지자가 질병의 기전을 밝히는데

매우 유용하며 앞으로 다양한 질병의 연구에

사용될 수 있음을 보여주는 예이다.8

생체 내에 존재하는 과산화수소(H2O2)와 일

산화질소(NO)는 체내의 신호전달, 면역 등에

관여하며 동시에 활성종의 활성에 관여하는 대

표적인 저분자 물질이다. 본 연구실은 살아있

는 세포 및 쥐의 뇌조직에 존재하는 이들 활성

종에 선택적으로 감응하는 이광자 표지자를 개

발하여 이들의 분포 및 활성을 이광자 현미경 영상으로

조사하는데 적합함을 밝혀내었다(그림 3d).9, 10

4. 3차원 동물영상 및 인체조직 영상응용

암과 치매는 인구의 고령화와 맞물려 국내에도 그 환

자 수가 급증하고 있다. 그럼에도 불구하고 아직 정확한

조기진단이나 치료 방법은 없는 실정이다. 치매는 뇌의

퇴행성 변화에 의해 초래되며 알츠하이머병(Alzheimer's

그림 3. 다양한 기능의 이광자 형광 표지자 소개

그림 4. 이광자 표지자의 3차원 동물영상 및 인체조직 영상 응용



Disease, AD)은 퇴행성 치매의 대표적인 질환으로 인구

의 고령화와 맞물려 국내에도 환자 수가 급증하고 있다.

본 연구실은 아밀로이드 베타 침착에 선택적으로 염색되

는 이광자 표지자를 개발하여 형질변환(transgenic) 쥐

의 뇌 속에서 아밀로이드 베타 침착의 분포를 이광자 현

미경을 이용하여 고화질 3차원 영상으로 관찰하는 방법

을 개발하였다(그림 4).11 또한 생체 내 pH에 매우 민감

하게 반응하여 형광의 색이 변화하는 가변색 이광자 표

지자를 개발하여 이를 질병의 조기진단에 응용하는 연구

를 수행하고 있다(그림 4).

5. 결론

본고에서는 최근에 소개되고 있는 이광자 형광 표지자

의 개발에 관해 간략하게 소개하였다. 앞서 살펴본 바와

같이 이광자 표지자의 개발은 이광자 흡수 효율이 큰 유

기물질을 발굴하고 이를 생체 표지자로서 조건에 맞게 개

조한 후 그 유용성을 생체 영상으로 입증하는 일이다. 또

한 이를 이용하여 다양한 생명현상, 질환의 기전, 조기진

단 등의 응용을 분자수준에서 진행할 수 있다. 최근 소개

되기 시작한 금속이온, 과산화수소, 일산화질소, 황화수

소, 베타 아밀로이드 침착, pH 등에 선택적인 이광자 표

지자들이 그 대표적인 예라고 볼 수 있다.4-11 생체 내에는

헤아릴 수 없는 생명현상이 진행되고 있지만 이들의 활

성, 기전, 상호작용 등을 자연그대로 관찰할 수 있는 이광

자 표지자의 개발은 아직 시작단계에 있다. 만일 원하는

목적에 사용할 수 있는 다양한 이광자 표지자를 개발하고

그 범위를 질병의 조기진단 시약과 치료제의 개발로 확장

시킨다면 생물학과 의-약학 연구의 획기적인 발전을 이

룰 수 있을 것으로 기대한다. 이를 실현시키기 위해서는

다양한 각도에서 접근이 필요하다. 즉, 화학, 물리학, 재

료, 생물학 등의 관점에서 상호보완적으로 발전시켜 나아

간다면 이 분야는 급속도로 발전할 수 있으며 학문적/산

업적으로 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.

참고문헌

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fluorescent probe for amyloid-β plaques in living mice,”

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김환명

약 력

•2010-현재 AssistantProfessor,DepartmentofChemistry,AjouUniversity

•2008-2010 Full-timeLecturer,DepartmentofChemistry,AjouUniversity

•2008 Ph.D.DepartmentofChemistry,KoreaUniversity

•2003 M.S.DepartmentofChemistry,KoreaUniversity

•2001 B.S.DepartmentofChemistry,ChungnamNationalUniversity

의생명연구를 위한 생체 내 현미경 특집 ■ Biophotonics


1. 서론

생체 내 현미경은 살아있는 생체 내에서의 생물학적

현상을 관찰하기 위한 고해상도 영상화 기술이다. 생체

내 현미경은 in vivo 현미경이라고도 불린다. in vivo는

“살아있는 생체 내에서”라는 의미의 라틴어이며, 이와 대

비되는 ex vivo는 “살아있는 생체 밖에서”라는 의미이

다. 더불어, 많이 사용되는 in vitro는 “시험관 내에서”라

는 의미이다. 흔히 in vitro 연구는 배양접시나 시험관처

럼 조절된 환경에서의 암세포와 같은 살아있는 생물학적

개체를 사용하는 연구를 말한다. 생물체는 유전체, 단백

질과 세포와 같은 다양한 생물학적 물질로 이루어져있는

매우 복잡한 시스템이다. 예를 들어, 성인 인간은 대략

70조 개의 세포로 이루어져 있다. 그리고 개개의 단일

세포는 25,000 종류의 코딩 유전자를 가지고 있고, 이

유전자로 생산된 단백질들은 적절한 기능을 수행하기 위

해서 세포의 종류에 따라 특별한 방법으로 엄격하게 조

절된다. 또한 모든 세포들은 생명체의 생존을 위해서외

부 환경으로부터 광범위하게 항상성을 유지하기 위한 복

잡한 네트워크를 형성하며 다른 세포와 상호 작용을 한

다. 이 극도의 복잡성이 생물학자가 개별적인 요소를 확

인하고 그것들의 특별한 기능을 분석하는 과정의 가장

큰 어려움이다. in vitro 실험의 가장 큰 장점은 생물학

자가 집중하는 개별적인 요소의 기능만을 고려한 시스템

을 단순화하여, 잘 조절된 인위적인 환경을 제공한다는

것이다. 유전학, 세포생물학 그리고 분자생물학과 같은

많은 의생명 연구분야에서 시험관 내 환경의 유전체, 단

백질 또는 특정 세포 종류와 같은 개별적인 생물학적인

요소를 제어하여 유발되는 결과를 관찰하고 그 메커니즘

을 자세히 분석하는 방식으로 in vitro 연구는 광범위하

게 수행된다. 그러나 in vitro 연구는 생체 내 모델의 특

정 조직에서 관찰되는 복잡한 네트워크와 극도로 동적인

생리학적 환경을 재구성하는 것이 불가능하여, 실험 결

과의 오류 가능성을 배제할 수 없는 한계를 지니고 있다.

in vitro 연구의 결과가 실제 생명체를 사용한 in vivo 연

구에서 재현되지 않는 경우가 비일비재하다.

2. 생체 내 (in vivo) 및 생체 외 (ex vivo) 분석

살아있는 생명체를 사용하는 in vivo 실험의 특성 상,

실험체에서 발생하는 생물학적 과정을 상세히 분석하는

데에는 상당한 어려움이 따른다. 예를 들어 복잡한 생체

내 환경으로부터 높은 감도로 정확한 데이터를 얻으면

서, 동시에 생체 내 환경은 최대한 자연적인 상태로 유

지해야 하는 기술적 문제가 있다. 그로 인해 다양한 생

물학적 과정을 분석하고자 할 때 in vivo분석법 보다는


의생명연구를 위한 생체 내 현미경 김필한*

*한국과학기술원나노과학기술대학원



실험체로부터 조직을 적출하는 ex vivo분석법을 기반으

로 한 실험이 주로 이루어졌다. 의생명 연구에 가장 많

이 사용되는 2가지 ex vivo분석법은 각각 조직학적 분

석법(histology)와 유동세포분석법(flow cytometry)으

로서 세포 수준의 정보를 얻을 수 있다. 조직학적 분석

법은 실험체로부터 적출된 조직을 화학처리하고 광학

현미경이나 전자 현미경을 이용하여 미세한 관찰을 가

능토록 한다. 조직학적 분석을 위한 시편은 고정

(fixation), 절편(sectioning), 염색(staining)의 3가지

과정을 통해 준비된다. 대개의 생물학적 조직은 자체적

인 광학적 대비가 거의 없으므로, 절편조직은 염색 과정

을 거친다. H&E는 가장 흔하게 사용되는 염색방식으로

서 세포핵은 청색, 근육과 세포외기질은 적색, 분홍색,

주황색 등으로 염색한다. 현대의학에서 적출한 조직을

염색하여 미세관찰하는 조직병리학은, 세포수준의 정보

를 제공하여 암이나 염증성 질환과 같은 다양한 질병에

대한 정확한 진단을 가능토록 해준다. 유동세포분석법

(flow cytometry)은 수용액 상에 분산되어 있는 세포의

수를 세는 기법이다. 세포들이 하나씩 줄지어 정렬되어

미세 관로를 지나가도록 구성하고, 관로 내 특정 지점에

빛의 초점을 형성하여 흘러가는 세포로부터 다양한 광

학신호를 다수의 검출기를 이용하여 감지한다. 특히 형

광 표지를 기반으로 한 현대적인 유동세포분석법인

FACS는 매 초마다 실시간으로 수천의 세포를 분석하거

나, 형광 특성에 따라 세포를 분류하는 데 사용될 수 있

다. 그러나, 살아있는 개체 내부의 세포수준 현상은 매

우 역동적인데 반해, 앞서 언급한 ex vivo 분석법은 단

하나의 특정 시점에서의 정보만을 제공한다는 점에서

근본적인 한계를 가진다. 앞서 언급한 바와 같이, 살아

있는 생명체는 복잡한 구조로 수많은 생물학적 과정이

역동적으로 시작되고 조절되며, 유전자, 분자 및 세포

수준에서 상호간 영향을 끼친다. ex vivo 분석법은 이러

한 과정들의 단 한 시점만을 보여주므로, 끊임없이 이어

져가는 역동적인 과정들을 추적하는 데 사용될 수 없다.

게다가 ex vivo 분석을 위해 행하는 고정, 절편(조직학

적 분석), 조직분해(유동세포분석) 등의 과정들은 in

vivo 상태에서 세포가 처한 미세환경을 변화시킨다. 이

러한 한계를 극복하기 위해 직접적으로 살아있는 개체

내의 세포수준 과정들을 영상화하는 생체 내현미경에

대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

3. 생체 내 (Intravital / In vivo) 현미경

3.1 형광영상

현재 생체 내 현미경 기술은 대부분 형광물질을 사용

하여 형광영상을 획득한다 (1-2). 이와 같은 형광표지기

반 영상화는 높은 contrast와 sensitivity를 용이하게

구현할 수 있으며, 그 외에도 다양한 장점들이 있다. 우

선 생체 내부의 복잡다양한 구성 요소를 선택적으로 표

지하기 위해 지난 수십 년 동안 수만 가지의 형광 인자

들이 합성되었고, 현재에 이르러서는 in vivo, ex vivo

및 in vitro 등 어떤 상황에서도 관심 대상을 표지할 수

있는 수많은 protocol들이 확립되어 왔다. 두 번째로,

가장 많이 알려진 형광단백질인 녹색형광단백질 (GFP)

의 개발은 유전공학 기술을 통한 생체 내 다양한 유전자

의 본질적인 내인성 표지를 가능하게 하였고, 외인성 형

광 인자를 사용한 생체 내 표지 방법을 고안해야만 하는

기존의 어려운 과제를 해결할 수 있게 되었다. 마지막으

로, 형광 현미경에 최적화된 광원과 검출기의성능 향상

은 극도로 낮은 농도의 형광 물질도 높은 SNR로 감지해

내는 것을 가능케 함으로써 형광 현미경 기술이 모든 생

체 표본의 관찰을 위한 가장 이상적인 기술로 확립되도

록 하였다. 형광은 형광 물질이 특정 파장의 빛을 흡수

한 후 방출되는 빛이다. 그림 1(a) 는 Jablonski 다이어

그램으로 표현되는 전자의 에너지 상태를 보여준다. 흡

수되는 광자와 방사되는 광자의 파장 차이는 스토크스

이동 (Stokes shift) 이라고 불리는데, 이는 형광신호에

영향을 주지 않으면서 원치 않는 여기광을 완벽히 제거

하여 높은 contrast와 sensitivity의 형광 영상화를 가

능하게 하는 핵심적인 특징이다. 또한 흡수와 방출에 의

한 에너지 전이 현상은 각각의 상태 내부의 다수의 진동

모드 사이에서 일어나기 때문에, 그림 1(b) 에서 볼 수

있듯이 일반적인 형광 물질은 넓은 흡수 및 방출 스펙트

럼을 가진다. 지난 수십 년 동안 300nm 에서 800nm

에 이르는 자외선, 가시광선, 근적외선 영역의 다양한

색을 가진 형광물질들이 개발되어 그림1(c)에서와 같이

다른 색을 가지는 형광물질들로 각각 표지한 다수의 요

소들을 동시에 영상화하는 것이 가능해졌다. 다중 형광

영상화에 사용되는 다른 색을 가진 일반적인 형광물질

들을 표 1과 같이 정리하였다.


Fluorescein Isothiocyanate (FITC)와 Tetramethyl

Rhodamine (TAMRA)은 수년 동안 성공적으로 사용되

어 왔던 전통적인 형광 염료이다. Fluorescein은 양자

효율이 매우 높고 물리적, 화학적 특성이 잘 알려져 있

지만, pH- 와 같은 환경적 요소에 매우 민감하게 반응

하여 밝기가 변화한다. InvitrogenTM 의 Alexa Fluor

염료는 전통적으로 쓰이는 형광 물질에 비해 더 높은 양

자효율과 광 안정성을 가지며 넓은 pH 범위에서 안정적

인 밝기를 유지하는 등의 장점을 가지나, 비교적 높은

가격이 단점이다. 시아닌 염료인 Cy2, Cy3, Cy5,

Cy5.5, Cy7은 환경적으로 안정하고, 따라서 유기 용매

기반 표본이나 pH에 덜 민감하다. 시아닌

염료는 일반적으로 Alexa Fluor보다 더 넓

은 흡수 스펙트럼을 가지고 있어, 여기광원

의 선택이 좀 더 용이하다. 내인성 표지의

장점 때문에 청색(BFP), 청록색(CFP), 녹

색(GFP), 적색(RFP, DsRed)의 다양한 형

광 단백질은 특히 생체 내 영상에 많이 사

용된다. 반도체 양자점인 InvitrogenTM의

QdotⓇ 은 수십 나노미터 직경을 가지고 있

으며, 특정한 흡수 스펙트럼을 가지고 있는

일반적인 유기 형광 물질과는 달리 방출 파

장과 무관하게 단파장일수록 흡수 효율이

증가하는 특성을 지니고 있다. 따라서, 다

양한 색을 가진 다양한 종류의 양자점이 하

나의 자외선 영역 광원에 의해 여기될 수

있다. 또한 기존 합성염료로는 어려운 근적

외선 영역의 방사 파장을 가지는 양자점을

상대적으로 용이하게 합성할 수 있다 (3).

3.2 공초점 현미경

단면영상(sectioning)이 가능한 광학현미경에는 대표

적으로 공초점 현미경(4, 5)과 이광자 현미경(6, 7)이 있

다. 두 현미경 모두 형광물질을 여기 시키기 위해 초점

에 집중된 빛을 2D 래스터패턴으로 스캐닝하여샘플에

전달한다. 사용된 대물렌즈의 NA 값이 클수록, 광원의

파장(λ)이 짧을수록 회절한계에 더 가까운 작은 초점이

생성되며, 이론적 분해능은 흔히 0.61λ/NA로 정의된

다. 고해상도 정보를 위해 회절한계에 가까운 작은 초점

을 형성하여 초점면에서만 매우 국소적인 형광신호를

생성하지만, 초점면에서 벗어난 빛의 수렴 및 발산 경로

에서도 형광신호가 발생한다. 따라서, 고해상도의 정보

표 1. 대표적인 형광 물질

Color Blue Green Orange Red NIR

방사파장 450-480nm 500-520nm 570-600nm 660-700nm 760-850nm

형광물질

BFP, GFP, DsRed, APC

CFP YFP RFP, Cy5

DAPI FITC, TAMRA, Cy5.5 Cy7

Hoechst Cy2, Cy3 QdotⓇ705 QdotⓇ800

AlexaFlour488 AlexaFlour555 AlexaFlour647

그림 1. 형광과 형광물질. (a) 형광물질의 전자 상태와 형광 시 에너지의 전이를 그림으로 나타낸 jablonski 다이어그램 (b) 일반적인 형광물질의 스펙트럼 특성. Alexa Flour 555 의 흡수 및 방출 스펙트럼 (c) 다중 형광 영상화를 위한 형광물질 조합의 예시인Alexa Flour 350, 488, 594의 흡수 및 방출 스펙트럼



를 얻기 위해서는 초점면 이외에서 발생한 형광신호를

차단해야 한다. 공초점 현미경은 검출기 앞의 샘플의 초

점과 공액을 이루는 곳에 핀홀(pinhole)을 위치시켜, 이

핀홀의 작은 구멍이 샘플의 초점면에서 발생한 형광신

호만 통과시킨다. 그림 2는 단면(sectioning) 형광영상

을 위한 공초점현미경의 원리를 보여준다. 핀홀, 대물렌

즈, Dichroic beam splitter (DBS)와 같은 주요 광학부

품들의 배치와 여기광의 경로는 그림 2(a)와 같다. 그림

2(b)와 같이 초점면에서 생성된 형광신호는 대물렌즈를

통해 모여 DBS를 거쳐렌즈에 의해 생성된 초점이 핀홀

을 통과하여 검출기로 도달하게 된다. 반면, 그림 2(c)와

같이 샘플 내 여기광원의 초점면 외에서 발생한 형광신

호는 핀홀의 구멍과 다른 위치에 초점이 생기기 때문에

검출기로 들어가지 못한다. 단면촬영(sectioning)의 효

과는 핀홀의 구멍크기와 연관된다. 얇은 샘플 (절편조직

및 배양세포 등)을 이미징

할 때는 핀홀의 구멍크기

를 샘플에 맺히는 초점크

기(1.22λ/NA, Airy Disk

Size)와 동일하도록 조절

하는 것이 일반적이다. 그

러나, in vivo 상황의 살

아있는 두꺼운 샘플을 이

미징 할 때는 핀홀 크기를

Airy Disk size보다 2~4

배까지 크게 사용함으로

써 이미지의 밝기를 증가

시킨다. 이 때 샘플에서 산란된 빛이 핀홀

을 통과하는 비율이 증가하며 배경 노이

즈가 증가하나, in vivo 상황의 경우 충분

한 형광신호를 획득하는 것이 더욱 중요

한 경우가 대부분이다.

3.3 비디오-레이트 공초점 현미경

상용화된 공초점현미경에서 보편적으

로 사용되는 스캐닝 방식은 두 개의 갈바

노미터 기반의 거울을 이용하여 반사광의

패턴을 생성하는 방식이다. 일반적으로 2

차원 평면을 순차적으로 커버하기위해서,

한 거울은 여기광을 주로 횡방향의 ‘fast axis’로 스캔하

고, 다른 거울은 주로 종방향의 ‘slow axis’로 훨씬 느린

속도로 스캔한다. 따라서 영상획득의 속도는 ‘빠른 축’

스캐너의 최대 속도에 의해서 제한되게 되며, 보편적인

갈바노미터 기반 거울의 속도는 500 Hz에서 1 kHz로,

512 x 512 화소의 영상을 초당 1 - 2장 얻을 수 있는 속

도이다. 그러나, 생체 내 현미경과 같이 살아 있는 개체

내의 생명현상의 관찰을 목적으로는 초당 24 - 30장의

영상을 얻는 비디오-레이트 동영상수준의 영상획득 속

도가 매우 유용하다. 혈액순환이나 근육반사, 신경전달

등이 대표적인 빠르게 일어나는 생체 내 동적현상이다.

그림 3은 본 연구실에서 구축한 비디오-레이트 공초점

현미경 셋업의 개략도 및 사진이다. 491nm, 532nm,

637nm 3가지 파장의 레이저 광원을 이용하여 동시에 3

가지색 형광이미징이 가능하다. 다각회전거울과 갈바노

그림 2. 공초점 현미경의 원리. (a) 여기광의 경로 (b) 초점 면으로부터 방출된 형광신호의 광로 (c) 비초점 면으로부터 방출된 형광신호의 광로

그림 3. 비디오-레이트 생체 내 공초점 현미경셋업.생체 내 실시간 형광영상획득을 위해 구축된 3파장공초점 현미경 셋업의 (a) 개략도 및 (b) 사진 (DBS, dichroic beam splitter; BPF, band pass filter; M, mirror; PMT, photomultiplier tube; OBJ, objective lens)


미터 기반 거울을 조합하여 2D 스캐닝을 구현하였다.

스캐닝 된 레이저빔은 40x 대물렌즈(Olympus,

LUCPlanFl 40X, NA0.6)를 통과하여 샘플 내에서 초

점을 생성하며, 250㎛ x 250㎛의 스캐닝 범위를 가지도

록 광학계를 설계하였다. 샘플에서 획득된 형광 신호는

다시 스캐닝시스템을 거쳐 DBS로 각 파장 대역 별로 분

리하여 핀홀을 통과한 후 PMT (Hamamatsu, R9110)

로 검출하였다. Frame Grabber (MATROX, Solios)를

사용하여 3파장 비디오-레이트 공초점 이미지를 초당

30장의 속도로 획득하였다.

4. 생체 내 현미경 기술을 사용한 응용연구

4.1 조혈줄기세포 생착 및 분화과정 생체 내 영

상화

조혈줄기세포(Hematopoietic Stem Cells)는 주로 골

수에 위치하며 세포분열 시 스스로를 재생하는 Self-

renewal을 통해 전 생애에 걸쳐 유지되며, 생체 내 혈

액계를 구성하는 모든 종류의 혈액세포들로 분화할 수

있다. 조혈줄기세포는 다른 줄기세포에 비해 상대적으

로 쉽게 채취할 수 있으며, 타인에게 이식 후 효과적으

로 골수에 생착하여 혈액계를 전생애에 걸쳐 재구성하

기 때문에 임상에서 혈액질환의 치료에 광범위하게 이

용되고 있다. 조혈줄기세포의 활발한 임상활용에 근거

한 높은 경제적 가치에 비해, 아직 조혈줄기세포의 생착

기능 및 미세환경의 영향, 노화과정의 분자 및 세포 수

준의 기전에 대해서 아직 명확하게 밝혀져 있지 않다.

이는 조혈줄기세포의 치료 효율성의 개선 및 응용범위

의 확대를 제한하고 있는 가장 큰 요인으로서, 기존 유

동세포분석법 및 조직학적 연구방법의 한계에 기인한

다. 최근에는 생체 내 이미징을 이용한 조혈줄기세포의

생착과정 연구가 이루어지고 있으나(8), 한 개체 내에서

장기간 관찰과 세포 수준의 고해상도 분석이 부족한 실

정이다. 본 연구에서는 단일세포수준 고해상도로 초당

30장의 3색 형광이미지를 얻을 수 있는 초고속 생체 내

공초점현미경을 이용하여, 살아있는 생쥐의 두개골 골

수에서 조혈줄기세포의 생착 및 분화과정을 장기간 영

상화하였다. C57BL/6 생쥐를 사용하였으며, 혈액세포

손상조건에서 조혈줄기세포의 생착을 관찰하기 위해 이

미징 2시간 전에 방사선을 쬐어주었다. 이미징하는 동

안 생쥐는 마취되어 있으며, 두피 절개를 통해 노출된

두개골과 생쥐의 체온은 각각 덥혀진 식염수와 Heating

pad를 이용하여 온도와 습도를 유지시켰다. Anti-

CD31 항체와 근적외선 형광물질(Alexa647)을 결합한

후, 혈액 내로 주입하여 두개골 골수내 혈관 및

sinusoid 내피를 형광표지 하였다. 일반 골수세포와 함

께 조혈줄기세포 밀도가 높은 선별된 c-kit+ 골수세포

를 각각 DsRed 생쥐와 H2B-GFP 생쥐에서 분리해내

어 주입하였다. c-kit+는 조혈줄기세포를 구분할 때 사

용되는 표지자 중 하나이다. DsRed 생쥐는 모든 세포에

서 적색형광단백질을, H2B-GFP 생쥐는 세포핵 내

H2B단백질에 녹색형광단백질이 발현되어, 추가적인 형

광표지 없이 생체 내 세포를 관찰 할 수 있다. 그림 4는

anti-CD31 항체(청색)로 염색된 두개골 골수의 혈관과

sinus를 보여주며, 골수 세포와 c-kit+ 세포들이 정맥

으로 주입된 후 시간에 따라 생착되고 분화되는 패턴을

보여준다. 정맥으로 세포주입 후 2시간 안에 많은 골수

세포들이 혈관 또는 sinus를 빠져나와 주위에 자리를

잡고, 96시간(4일)에 급격히 분열하기 시작한다. 18일이

지나면 이식된 세포들이 혈관 또는 sinus주위를 가득

메우게 되고 (그림 5), 일부세포는 sinus를 감싸며 혈관

주위에 위치하며 (그림 5D), c-kit+ 세포들 중 일부가

도넛모양의 세포들로 분화된 것을 관찰하였다 (그림

5E). 도넛모양의 세포들은 그림 5B, 5D에서 화살표로

표시된 세포 그룹에서 분화된 것으로 추정되며, H2B-

GFP 신호(녹색)가 원래 모세포에 비해 낮으며 세포형상

그림 4. 두개골 골수 내 혈관과 sinus(청색, CD31). 이식한 골수 세포(적색, DsRed)와 c-kit+ 세포(녹색, GFP)의 생착 및 분화과정의 반복영상화 결과. 96시간 후이미지에 삽입된 사각형은 그림5(A-D)로 확대함



도 도넛형으로 변화한 것으로 보아 적혈구의 전구세포

인 reticulocyte로 추정된다.

4.2 테라헤르츠파로 유도된 염증반응의 생체

내 영상화

테라헤르츠파 영역은 일반적으로 0.3~3THz의 진동

수를 갖는 전자기파 영역을 의미한다. 이 전자기파 영역

의 독특한 특성들로 인해, 발생, 검출, 활용 등이 다양하

게 연구되고 있다. 특히 수분과 강하게 상호작용하는 특

성은 다양한 생물학 관련 분야에 활용 가능할 것으로 기

대되고 있다. 테라헤르츠파의 활용에 대한 연구와 더불

어, 테라헤르츠파가 생명체에 미치는 영향에 대한 연구

또한 활발히 진행 중에 있다. 세포, 식물, 곤충, 동물 등

다양한 생명체에서 이루어진 여러 연구들에서, 테라헤

르츠 파의 조사가 생물표본의 기능변화를 비롯해 그에

따른 다양한 영향을 미침을 보였다(9). 본 연구에서는

구축된 비디오-레이트 공초점 현

미경을 사용하여, 피부조직에서

테라헤르츠파에 의한 염증반응을

관찰하였다. 원자력연구원에 구

축 된 자 유 전 자 레 이 저 기 반

2.7THz의 전자기파 발생 장치를

이용하여 실험을 수행하였다. 테

라 헤 르 츠 파 는 오 목 거 울 로

9.3kW/cm2의 macropulse

intensity를 갖도록 300μm 지름

의 초점에 집속하여 3Hz 주기로

마취된 생쥐의 귀 피부 표면에 60

분간 조사하였다. 테라헤르츠파

의 영향을 관찰하기 위해 혈관내피세포에서 특이적으로

녹색형광단백질(Green Fluorescence Protein: GFP)을

발현하는 Tie2-eGFP 마우스를 사용하여 테라헤르츠파

조사 전후에 동일한 영역을 영상화하였다. 한편 테라헤

르츠파 조사 24시간 이전에 Alexa 647과 결합된 Gr-1

항체를 주사하여 염증반응의 중요한 세포 표지자인

neutrophils을 형광표지 하였다. 그림 6은 테라헤르츠

파 조사 1시간 전과 테라헤르츠파 조사 후 8시간 경과된

시점에 테라헤르츠파가 조사된 피부의 동일영역에서 획

득한 영상이다. 녹색혈관패턴을 통해 두 이미지가 동일

한 영역임을 확인할 수 있고, 테라헤르츠파 조사 후 적

색형광을 보이는 neutrophils의 수의 증가를 통해 염증

반응이 유도되었음을 확인하였다.

5. 결론

생체 내 현미경을 이용해 생체 내 환경에서의 세포수

준의 역동적인 과정들을 실시간으로 직접 영상화하는

것은 기존의 ex vivo 분석법으로는 접근이 불가능했던

새로운 관점을 제시해 준다. In vitro 기반 연구는실험

적 조작이 유연하며 다양하게 변형될 수 있다는 강점을

기반으로 많은 중요 발견을 가능토록 하였으나, 실제 생

체 내 조직이 생리학적 조건에서 가지는 미세환경을 재

현하는 것이 불가능함에 기인한 다양한 한계가 있다. 오

직 생체 내 in vivo 연구에서만이 이러한 실제 미세환경

내 현상의 분석이 가능하다는 점에서 생체 내 현미경 기

그림 5. 이식 후 4일(A, B)과 18일(C-E) 경과시점에 동일 위치의 두개골 골수 내 sinus(청색), 골수세포(적색)와 c-kit+ 세포(녹색) 영상화 결과. 그림 B와 D는 각각 A와 C의 사각형을 확대함. Scale bars, 30μm (B, D), 10μm (E)

그림 6. 테라헤르츠파 조사 전후의 Tie2-eGFP 생쥐의 피부 형광 영상, 혈관 (녹색, GFP), neutrophil (적색, Alexa 647)


술은 앞으로 분자세포생물학, 면역학, 신경과학, 발생학

및 종양학과 같은 다양한 생의학적 연구에 매우 유용한

도구로서 더욱 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

참고문헌

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New York (2010)

[2] Lichtman, J.W., Conchello, J-A., Fluorescence

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on Biological Effects of Terahertz Radiation, Journal of

Infrared Millimeter and Terahertz Waves, 32, 1074-1122

(2011)

김필한

약 력

•2010년11월-현재

한국과학기술원나노과학기술대학원조교수

•2005년11월-2010년10월

HarvardMedicalSchool,MassachusettsGeneral

Hospital

WellmanCenterforPhotomedicine,Research

Fellow

•2000년3월-2005년8월

서울대학교전기공학부,공학박사

•1996년3월-2000년2월

서울대학교전기공학부,공학사

확산광 분광 및 영상기술을 활용한 유방암 연구동향특집 ■ Biophotonics


1. 서론

빛으로 인해 우리는 주변의 자연과 사물을 볼 수가 있

다. 그럼 빛을 이용해 우리 몸의 내부를 볼 수 있을까?

가시광선의 경우 대부분의 빛은 피부에서 흡수되어 버리

기 때문에 우리는 겉모습만 보게 된다. 하지만 낮에 눈을

감고 햇빛을 보게 되면 눈꺼풀을 뚫고 들어오는 빨간 빛

을 볼 수 있다. 왜 하필 빨간색일까? 이는 피부에 있는

여러 가지의 빛을 흡수하는 유색체(chromophore)중에

서 혈관을 통해 흘러가는 적혈구내에 있는 헤모글로빈이

라고 하는 물질이 빨간색보다 파장이 짧은 가시광선을

대부분 흡수하기 때문이다. 우리 몸에는 여러 가지의 유

색체가 있는데 가장 대표적인 것이 물, 지방, 헤모글로

빈, 단백질이고 이들이 자외선에서 가시광선 영역의 빛

을 대부분 흡수한다.

하지만 빛의 파장이 650nm에서 1000nm 사이의 근적

외선 영역에 있게 되면 앞서 말한 유색체들의 빛에 대한

흡수도가 급격히 감소하면서 빛은 인체조직을 수 센티미

터의 깊이로 투과할 수 있게 된다. 빨간색의 레이저 포인

터를 손가락에 대고 켰을 때 포인터의 손가락 반대편에

서 빨간색이 투과되는 것이 이를 증명한다. 따라서 이러

한 파장영역을 치료분광영역(therapeutic spectral

window)이라고 부르고 빛을 이용한 진단 및 치료에 적

용된다.

생체조직에서의 빛의 전달 현상은 복사전달방정식

(radiative transfer equation)으로 설명이 가능하나 해

를 구하는 것이 용이하지 않은 이유로 빛이 인체 조직 내

에서 전달될 때 확산된다고 가정을 하고 복사전달방정식

을 간략화 시킨 확산방정식을 도입하여 빛의 전달 현상

을 설명한다. 이러한 확산 방정식을 사용하기 위한 조건

은 인체조직이 빛을 흡수하기보다는 산란시키는 성질이

훨씬 커야 하는 것인데 실제로 근적외선 영역의 빛이 인

체 조직에 들어왔을 때 빛의 흡수에 비해 산란도가 100

배가량 높다.

유방암의 경우 서구선진국에서는 이미 여성에서 발생

하는 암중에서 발병률이 가장 높고 한국에서는 갑상선암

에 이어 두 번째로 여성에게서 발병률이 높은 것으로 통

계가 나와 있다.1) 따라서 유방암을 조기에 진단하는 방법

과 유방암 치료효과를 조기에 예측하기 위한 연구가 국

내외에서 매우 활발히 진행 중이다. 전통적인 유방암 진

단방법은 유방 X-선 검사인데 중년층 이하에서 진단의

정확도가 떨어지고 엑스레이의 높은 에너지로 인해 유방

조직에 해를 미칠 수 있어 최근에는 MRI 촬영과 초음파

영상기기도 유방암 진단에 많이 활용되고 있다.

본 기고에서는 인체조직 깊은 곳의 정보를 획득할 수

있는 확산광을 이용한 분광기술 및 영상기술의 간단한


확산광 분광 및 영상기술을 활용한 유방암 연구동향김재관*

*광주과학기술원정보통신공학부/의료시스템학과


역사와 시스템 종류, 그리고 어떻게 유방암 진단과 치료

효과 조기예측에 적용되고 있는지를 알아보기로 한다.

2. 확산광기법의 유방암 연구 역사적 배경

불균질한 생체조직의 광학적 특성조사는 1929년 Max

Cutler가 투과조명법 (transillumination)을 이용하여

육안으로 정상 유방조직과 암조직을 구별하면서 시작되

었다.2) 이 방법은 암조직의 성장에 기인한 신생혈관과

조직 내의 혈액 양 증가로 인한 빛 흡수도의 증가를 이용

하여 빛 흡수가 많은 조직 부위(종양)는 그림 1 에서처럼

어둡게 나타나게 된다.

하지만 이러한 투과조명법은 생체조직의 높은 산란율

때문에 해상도가 2 cm이상으로 낮고 종양에 대한 민감

도(sensitivity)와 선택도(selectivity)가 좋지 않아 이미

1980년대에 임상용 영상기법으로는 적합하지 않다는 결

론이 나왔다.3) 그러나, 1980년대에 들어서 확산광의 불

균질한 생체 조직내의 전달방식을 선형이동방정식의 확

산개산(槪算)모델로 설명하면서 확산광을 이용한 영상재

현기술에 대한 관심이 다시 높아지게 되었다.4) 또한, 근

적외선대 광원과 관련 검출기 기술의 발전에 인하여 관

련된 많은 연구가 진행되었다.

3. 광 대조물질

확산분광 또는 영상기술을 이용하여 생체의 종양생성

이나 혈류역학의 변이 등 생리적 변화를 조사하기 위해

서는 생체조직내의 배경 신호와는 다른 측정매체 자체의

유색체 (chromophores)나 외부 광 대조 색소

(exogenous contrast agents)가 필요하다. 서론에서 언

급한 바와 같이 체내에서 근적외선 영역에서 빛을 흡수

하는 물질은 산화헤모글로빈, 환원헤모글로빈, 물, 지방

이 대표적이다. 암 조직이 성장함에 있어 필수적인 영양

소와 산소의 공급을 위해 암 조직 주변에는 많은 신생 혈

관들이 분포하고 있고 이는 곧 헤모글로빈 양의 증가로

인한 빛의 흡수증가로 이어져 배경 조직과 암 조직을 구

별하는데 적절한 광 대조 역할을 한다. 또한 암 조직의

빠른 신진 대사로 인해 정상조직에 비해 조직산소포화도

(산화헤모글로빈 농도/총 헤모글로빈 농도)가 낮고 이러

한 차이 또한 광 대조 역할을 하게 된다.

이처럼 인체조직이 가지고 있는 자체 광 대조 물질을

이용하여 유방암 진단 및 치료효과 예측을 연구하기도

하지만 자기공명영상법(MRI), 초음파, 또는 X-선 CT

단층 촬영 등에서 확립된 외부 대조 색소의 사용을 확산

광 분광, 영상재현기법에서도 응용하여 진단하려는 조직

부위의 선택도와 민감도를 높여 더욱 선명하고 정확한

영상재현을 하려는 연구도 활발히 진행되고 있다. 외부

광 대조 색소는 대부분 광흡수율의 변화는 거의 없지만

형광물질을 이용하여 종양검색을 위한 선택도의 개선과

영상재현시도가 계속되고 있다.5)

4. 확산방정식과 확산개산 모델

빛의 산란은 분광정보를 왜곡할 뿐더러 광자이동경로

(photon pathway)의 넓은 분포가 영상을 흐리게 하기

때문에 효과적인 영상재현을 위해서는 검색되는 빛으로

부터 산란계수와 흡수계수를 수학적 모델을 이용하여 분

리하여야 한다. 그러기 위해서는 복사전달방정식을 확산

개산(槪算) (diffusion approximation)을 통해 빛의 조

직 내의 이동방식을 확산개념으로 설명함으로써 산란계

수와 흡수계수를 분리한다. 복사전달방정식을 확산개산

을 이용하여 확산방정식으로 유도하는 과정은 참고 문헌

에 자세히 나와 있다.6)

확산광의 조직 내의 전달과정은 선형 전달 방정식

(linear transport equation)의 P1 확산개산에 토대를 두

고 있는데 축소 알베도 (reduced albedo = μs’/(μ

s’+μ

a))

가 1에 가까울 때 성립된다. 물과 헤모글로빈의 높은 광

흡수대 사이의 치료분광영역에서는 이 조건이 성립되어

그림 1. 유방조직 Diaphanoragraphy; E. Sickels, AJR 142, 841-4 (1984)



서 확산개산을 이용한 생체조직의 흡수계수와 산란계수

의 측정이 가능하다. 예를 들면, 800 nm 파장 대에서 유

방조직의 흡수계수는 0.03 cm-1이고 산란계수는 10

cm-1이어서 상기 조건을 충족시킨다. 또한, 확산개산을

이용하기 위해서는 광원과 검출기의 간격이 적어도 1/μs’

(photon random walk step)의 3배 이상이 되어서 광자

의 산란각도가 무작위화 되어야한다.

5. 확산광 검출방식

확산광 분광/영상시스템은 다음과 같이 세가지로 분류

된다; (1) 연속광파 (continuous wave) 방식, (2) 시간영

역 (time-domain) 방식, (3) 주파수공간 (frequency-

domain)방식. 이 세 가지 확산광원과 검출방식은 2008

년에 발표된 논문 Lee S., et al., J. Biomed. Eng.

Res., 29, pp. 89-98, 2008에 자세히 나와 있으므로 본

기고에서는 간략하게 소개하도록 한다.

5.1 연속광파 (continuous wave) 방식

연속광파 (continuous wave) 방식은 가장 간단하고

쉬운 측정방법으로서 광원의 진폭 (amplitude)이 일정하

고 매체를 통과한 확산광의 진폭을 광원-검출기 간격 또

는 광파장의 함수로써 측정한다. 연속광파 방식은 저가

이고 빠른 속도 (100Hz 정도의 속도)로 정보를 수집할

수 있지만 확산광의 진폭만을 측정하기 때문에 균질한

매체 내에서도 흡수계수와 산란계수를 분리 측정할 수

있는 능력이 없다.

5.2 시간영역(time-domain) 방식

시간영역 방식은 nanosecond 이하의 광 펄스를 인체

조직에 입사시키고 검출되는 시간상의 point spread

function을 측정한다. 검출된 확산광의 시간적 분포 모

양을 통해 매체의 광학적 성질 (흡수 및 산란계수)을 얻

어낼 수 있다.11), 12) 이 방식은 하나의 광원-검출기 간격

만으로도 매체의 흡수, 산란계수를 측정할 수 있다. 단위

광원-검출기당 정보는 다른 방식에 비하여 많지만 신호

대 잡음비 (signal-to-noise ratio)가 낮아 통계적으로

유용한 정보를 얻어내기 위한 측정시간이 길고 (몇 분 단

위) shot-noise의 영향을 많이 받는 단점이 있다. 또한

검출장비인 photon counting system의 가격이 다른 시

스템에 비해 고가인 단점이 있다.

5.3 주파수 영역(frequency-domain)

방식

주파수영역 방식은 광원의 진폭을 100 MHz대의 RF

신호로 사인곡선형으로 변조(變調)하여 인체조직에 입사

시키고 검출하는 방식이다.13), 14) 산란매체를 투과한 확산

광의 진폭 (amplitude)과 위상 (phase)를 광원의 진폭과

위상에 비교하여 매체의 흡수, 산란계수를 산출할 수 있

다. 주파수영역 방식은 시간영역방식과 Fourier변환 관

계이어서 많은 변조 주파수를 이용한 주파수영역방식은

시간영역방식과 유사하다. 이 방식은 연속광파 방식과

비교될 만큼 빠르게 측정할 수 있고 시간영역방식과 비

교할 때 장비의 가격이 싸지만 광원의 진폭변조를 위한

RF 장비의 관리가 힘들다는 단점이 있다.

6. 확산광 영상재현기법 개요

성공적인 확산광 영상재현을 위해서는 세 가지의 요소

가 필요하다. 첫째, 확산광의 조사매체내의 전달방식을

설명하는 확산개산을 통한 확산방정식이 필요하고, 두

번째로는 조사 매체를 통과한 확산광의 정확한 검출이

필요하고, 그리고 마지막으로는 영상재현을 위한 효과적

인 영상재현 알고리듬이 필요하다. 영상재현을 위해서는

다음과 같은 두 가지의 문제를 풀어야한다.

Forward 문제는 매체 경계에서의 측정값을 이미 알고

있는 산란매체의 광학적 성질을 토대로 확산방정식을 통

해 예측 하는 것이고 Inverse 문제는 실험 측정값으로부

터 산란매체내의 광학적 성질을 산출해 내는 것이다. 확

산광 영상재현기법의 궁극적인 목표는 Inverse 문제를

푸는 것인데 대부분의 Inverse 문제와 같이 확산광 영상

재현도 ill-posed 문제 (산출 값의 정확성이 측정값의 오

차에 크게 좌우되는 문제)여서 정확한 Forward 문제의

계산과 효과적인 영상재현 알고리듬이 의미 있는 광학적

성질 산출의 관건이다.


영상재현을 위한 조

사 매체의 광학적 성

질을 산출하는 순서로

서는 그림 2에서 보듯

이 먼저 매체내의 광

학적 성질을 추측하여

확산방정식을 통한

Forward 문제를 풀어

광 검출기 위치에서의

측정값을 예상한 다음

실제 측정값과 비교하

여 영상재현 알고리듬

을 통해서 매체내의

광학적 성질을 개정한다. 이 과정을 반복하여 측정 예상 값

이 실제 값과 오차 내에 근접했을 때 연산을 중단하고 영상

재현을 구현한다.

7. 유방암 진단 및 치료효과 예측

앞에서 서술한 바와 같이 투과 조영법을 이용한

diaphanoragraphy는 1980년대에 총괄적인 임상실험을

통하여 전통적인 X선 유방 조영술에 비하여 민감도와 선

택도가 떨어진다고 결론이 내려졌다.3) 하지만 주파수 영

역에서의 확산분광기법을 통하여 헤모글로빈 이외 지방

과 물의 상태를 분석함으로써 생체조직의 변화를 보다

생리적인 측면에서 관찰하여 진단할 수 있게 되었다.16)

7.1 유방암 진단

현재의 확산광 영상 재현법 연구는 MRI나 ultrasound

처럼 조직 자체의 영상 재현보다는 아래 그림과 같이 생

리변화에 따른 정보를 얻어내는데 중점을 두고 있다. 유

방암 조직은 정상 조직에 비하여 헤모글로빈과 물에 의

한 근적외선대 빛의 흡수가 높고 반면에 조직 산소포화

도 (StO2)가 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.17) 이와 같

은 근적외선대의 유방조직의 광학적 성질의 변화는 조직

검사상의 대사 작용의 변화와 깊은 상관관계가 있음이

밝혀졌다.

그림 3은 73세 여성의 확산광 영상을 구현한 것인데

상단의 흡수계수 영상은 3시 방향에 6 cm가량의 이상

부위를 보여주고 있다. 감지된 병부는 뒤이은 바늘 생검

(生檢, needle biopsy)을 통하여 악성 관암종(ductal

carcinima)으로 판명되었다. 흡수계수 영상을 토대로 재

현된 총헤모글로빈 농도 영상(그림 3e)는 종양의 존재를

확실히 보여주고 있다. 정상유방조직과 비교했을 때 종

양부위는 3배 정도의 총헤모글로빈 농도의 변화가 있는

데 이 결과는 유방자체의 대조를 이용하여 유방암의 진

단이 가능함을 보여주고 있다.

7.2 유방암 치료효과 예측

확산광 분광 및 영상기법은 또한 유방암 약물 치료

후 그 효과를 예측하는 곳에도 응용이 되고 있다. 미국

켈리포니아 얼바인에 소재하고 있는 Beckman Laser

Institute에서는 확산분광영상기법을 이용하여 유방암

환자로부터 약물치료 전과 치료 후 일주일동안 산화헤

모글로빈, 환원헤모글로빈, 지방, 물의 함량의 변화그림 2. 확산광 영상재현을 위한 Forward와 Inverse 문제 연관 관계 및 광학적

성질 map의 산출 순서15)

그림 3. 3시방향에 3 cm의 조직이상이 있는 여성의 유방의 영상재현. (a-d) 파장별 흡수계수 영상. (e-h) 총헤모글로빈 농도와 산소포화도 영상18)



를 관찰 하였고 그 결과 약물 치료에 반응을 보였던 환

자 그룹에서 산화헤모글로빈이 약물치료 전에 비해 약

물 치료 후 하루 만에 급격히 증가하는 것을 볼 수 있

었으나 약물치료 미반응 그룹에서는 그러한 현상들을

관찰할 수 없었다.(그림 4)19) 이러한 결과는 따라서 확

산분광기법을 이용하여 유방암의 산화헤모글로빈 농도

변화를 약물치료 전과 후에 관찰하면 이를 이용하여 약

물치료 효과를 조기에 예측 가능함을 보여준다.

그림 5는 Dartmouth college 그룹에서 발표한 내용이며

확산광영상기기로 측정한 유방암에서의 총 헤모글로빈 농

도의 변화가 약물 치료 효과 시 나타나는 암조직의 혈관성

장상태의 변화와 관련이 있음을 보여 준다. 이 외에도 최

근에 들어 확산광영상기법을 활용한 유방암 치료효과 예

측에 관한 보고가 꾸준히 늘어가고 있어 확산광 영상기법

의 임상적 적용이 가까워짐을 알 수가 있다.21), 22), 23), 24)

8. 시장동향

2013년 1월에 발표된 MarketsandMarkets 사의 유

방영상기술시장에 관한 보고서에 따르면 비록 X-ray

를 이용한 유방암 검사가 유방암 진단의 표준법이지만

낮은 sensitivity와 방사선에 노출된다는 점 때문에 다

른 영상기법들이 많이 적용이 되고 있음을 알 수 있

다.25) 이러한 유방암진단 영상기기의 세계시장은 2012

년부터 2017년까지 연평균 15.37%의 성장률로 인해

2017년도에는 $5 billion에 이를 것으로 예상된다.

광영상장비의 경우 그림 6에서 보는 바와 같이 2012년

도까지 시장규모가 극히 작았으나 2013년도를 계기로

2017년도에는 약 $250 million 규모가 될 것으로 예측을

하였다. 이러한 광영상장비에서 확산광영상장비가 차지

하는 규모는 30~40% 로 예상되며 이럴 경우 그 시장 규

모는 2017년도에 약 $75~$100

million 정도 될 것으로 예측할

수 있다.

9. 향후 전망

근적외선대의 치료분광영역에

서의 확산광 분광기법과 영상기

법은 전통적인 분광기법을 통한

의료진단과는 달리 산란이 심한

깊은 생체조직의 의료진단과 영

상재현이 가능하다. 특히 산란

매체 내에서 확산개산을 통한 흡

(a) (b)

그림 4. (a) 약물치료 후 확산분광기법으로 측정한 산화헤모글로빈농도의 변화, 약물 반응 그룹이 약물 비반응 그룹에 비해 약물치료 후 산화헤모글로빈의 농도가 증가했다가

감소하는 것을 볼 수 있다. (b) 약물치료 전과 치료 후 하루 지났을 때의 조직 내 산화헤모글로빈, 환원헤모글로빈, 물, 지방 함량 (왼쪽으로부터)의 퍼센트 변화를 보여준다.

그림 5. MR영상으로 본 약물치료 전 유방암 (좌측 상하), 확산 영상 기법으로 관찰된 약물치료 전 (가운데 상하)과 치료 후

(우측 상하)의 총헤모글로빈 농도 영상.20)


수계수와 산란계수의 분리가 가능함으로 헤모글로빈 등

의 자체 광 대조 물질과 형광 물질 같은 외부 광 대조 색

소를 이용한 영상재현은 조직의 병리적 생리적 변이를

조사하는데 적합하다. 지금까지의 연구결과를 분석하면

헤모글로빈의 흡수 스펙트럼을 이용한 종양생성과 연관

된 혈관생성 조사와 질병의 진행에 따른 혈류역학분야의

응용이 확산광 기술의 임상 진단응용과 상용화에 가장

가깝다고 사료된다.

확산광의 영상재현기술은 산란매체내의 확산광의 확산

현상으로 인한 한계 때문에 자기공명영상법이나 CT 단

층촬영과 같은 해부학적 해상도는 기대할 수 없다. 하지

만 기존 영상기술의 대체효과나 경쟁보다는 확산광 영상

기법의 생리변화를 모니터할 수 있는 기능성을 강조하여

기존 영상기술과 상호 보완하는 전략이 타당하다고 사료

된다. 또한 확산광 기술의 사용 한계 내에서 적합한 의료

진단 응용을 찾아내고 이 기술의 가장 큰 장점중의 하나

인 부작용이 없는 비파괴 생리변화 검사를 연구 상용화

하는 것이 중요하고 시급하다.

참고문헌

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[23] http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/

breast-imaging-technologies-market-897.html

그림 6. 유방영상기술시장 예측 그래프(Source: Expert Interview, Annual

Reports SEC Filings & MarketsandMarkets Analysis)

김재관

약 력

•2012년8월-현재전남대학교병원객원교수

•2011년5월-현재광주과학기술원의료시스템학과

겸직교수

•2011년3월-현재광주과학기술원정보통신공학부

조교수

•2010년5월-2011년2월BeckmanLaserInstitute

andMedicalClinic,UniversityofCaliforniaatIrvine,

연구교수

•2006년2월-2010년4월BeckmanLaserInstitute

andMedicalClinic,UniversityofCaliforniaatIrvine,

박사후연구원

•2000년1월-2005년12월UniversityofTexas

Arlington&UniversityofTexasSouthwestern

MedicalCenteratDallas의공학과박사

•1998년1월-1999년2월LG-Caltex정유사원

•1996년3월-1998년2월한양대학교금속공학과

박막재료연구실석사

•1991년2월-1993년7월제7포병대대병장제대

•1989년3월-1996년2월한양대학교금속공학과

학사

단일분자 분광학 기술을 이용한 분자·세포생물학 연구특집 ■ Biophotonics


*서울대학교물리·천문학부

1. 서론

분자 생물학 교과서를 펼쳐본 사람은 누구나 생명의

경이로움에 감탄하게 된다. 생명현상의 기저에서 정교하

게 작동하는 수많은 분자기계들을 만나게 되기 때문이

다. 이들 생체분자기계들은 크기가 수 나노미터에 불과

하며 열에너지의 몇 배 밖에 되지 않는 극히 미세한 에너

지만을 사용하지만 인간이 만든 어떤 기계보다도 정확하

고 효율적으로 작동한다. 열적으로 무질서하게 요동치는

나노스케일의 세계에서 어떻게 이러한 정밀도와 효율성

이 얻어질 수 있는가 하는 문제는 오랫동안 과학자들의

호기심을 자극하여 왔다. 분자생물물리학은 다양한 물리

적 방법론을 사용하여 위의 질문들에 답하고자 하는 학

문 분야다.

이 분야의 연구에서는 x-ray 결정학, NMR 분광

학, 반응속도론 등의 접근법이 전통적으로 사용되어

왔고 이를 통해 생체분자의 구조 및 동력학에 대한 깊

은 이해가 가능해졌다. 하지만 이들 전통적인 실험방

법들은 복잡하고 역동적인 생체분자들의 운동을 기술

하는데 한계를 노출시켜 왔으며 이러한 기술적 한계

를 극복하고자 하는 노력들이 계속되어 왔다. 단일분

자 분광학 방법은 이러한 노력의 일환으로 개발된 기

술이다. 생체 분자 하나의 신호를 측정하고 분석한다

는 점에서 최초의 단일분자 기술은 Erwin Neher와

Bert Sakmann이 1970년 대 중반에 개발한 patch-

clamp 기술이 처음이라 할 수 있다. 하지만 통상적인

의미에서 단일분자 분광학은 지난 이십여 년 전부터

발전하기 시작한 단일분자 형광 분광 기술과 광학 집

게와 자기 집게 등의 분자 집게 기술을 말한다. 생체

분자 하나의 운동을 관찰하고 제어할 수 있는 이 기술

은 나노미터 영역에서 일어나는 분자의 운동을 실시

간으로 관찰할 수 있다는 장점이 있기 때문에 개발 초

기부터 다양한 생체 분자의 작동 얼개를 이해하려는

연구자들의 큰 관심을 받아 왔다. 이 글에서는 최신

단일분자 분광학 기술들을 소개하고 앞으로의 발전

방향에 대해서도 전망해보고자 한다.

2. 단일분자 FRET

첫 번째로 소개할 기술은 단일분자 F R E T

(Fluorescence Resonance Energy Transfer)기술은 두

개의 형광 분자 사이의 근접장 상호 작용에 의해 일어나

는 에너지 이동 현상을 말한다. 에너지를 주는 분자를 주

개 (donor), 에너지를 받는 분자를 받개 (acceptor)라고

부르는데 FRET에 의한 에너지 이동에는 주개 분자와 받

개 분자 사이의 이중극자-이중극자 상호작용이 가장 큰


단일분자 분광학 기술을 이용한 분자·세포생물학 연구홍성철*


기여를 한다. 이 항만을 고려하여 프렛 효율 E를 두 분자

사이의 거리 R의 함수로 계산하면 다음과 같은 결과를

얻는다.

여기서 R0는 주개 분자와 받게 분자의 광학적 성질과

두 형광분자가 놓인 방향, 그리고 매질의 종류에 의해서

결정되는 값으로 통상 실험에 쓰이는 FRET　쌍들에 대

해 계산해 보면 3 ~ 7 나노 미터의 값을 갖는다. 그림 1

에 R0가 5 나노미터인 경우의 프렛 효율 E를 거리 R의

함수로 나타내었는데 대부분의 FRET 효율 변화가 3 ~

9 나노미터 사이에서 급격하게 일어나는 것이 눈에 띈

다. FRET 효율은 실험적으로 주개 분자와 받개 분자의

형광을 측정함으로써 구할 수 있다. 예를 들어 아래 그림

에 R이 4 nm, 5 nm, 6 nm 인 경우의 주개 분자의 형광

스펙트럼 (초록색)과 받개 분자의 형광 스펙트럼 (빨간

색)을 나타내었는데 두 분자의 상대 밝기가 거리에 민감

하게 변함을 알 수 있다. 즉 두 분자에서 나오는 형광 신

호의 상대적인 세기를 비교함으로써 수 나노미터 영역에

서 일어나는 나노미터 이하의 작은 거리 변화도 측정할

수 있다는 것을 말한다. 원리적으로 이러한 FRET의 특

성을 이용하면 생체 분자의 모양 변화나 서로 다른 생체

분자 사이의 상호 작용을 연구할 수 있다 (그림 1 참조).

FRET 현상은 이미 백여 년 전부터 알려져 있었고 오

랜 시간 동안 생물학에서 사용되어 왔는데 1996년 하택

집 박사 등이 단일 FRET 쌍에서 나오는 형광 신호를 검

출할 수 있다는 사실을 입증함으로써 단일분자 분광학의

중요한 기술로 자리잡게 되었다. 단일분자 FRET이 각광

받는 이유는 이 기술이 앙상블 FRET 실험과 비교하여

다음과 같은 장점들을 가지기 때문이다. 첫째, 생체 분자

가 가지는 여러 가지 상태를 구별하고 각 상태의 분포를

그릴 수 있다. 둘째, 실시간으로 분자의 운동을 관찰할

수 있기 때문에 보다 정확한 분자의 작동 모델을 만들 수

있다. 다른 말로 표현하면 분자 하나 하나를 자세히 관찰

함으로써 분자에 대한 훨씬 풍부한 정보를 얻을 수 있다

는 얘기인데 그 대가로 우리가 지불해야 하는 대가는 실

험과 데이터 분석에 들어가는 시간이 많다는 점이다. 형

광 분자 하나에서 나오는 빛은 아주 약하기 때문에 좋은

FRET 실험을 위해서는 측정 효율을 최대한 높여야 한

다. 따라서 조리개수가 큰 현미경 대물 렌즈가 형과 신호

수집에 쓰이며 양자 거둠율 (quantum yield)이 좋은

EM-CCD 카메라나 사태 광다이오드 (avalanche

photodiode)가 측정기로 쓰인다. 또 형광 신호가 작기

때문에 노이즈를 줄이는 것도 중요한데 이를 위해 CCD

카메라를 이용하는 경우는 전반사 방법을, 사태 광다이

오드를 이용하는 경우에는 confocal 방법이 쓰인다.

CCD를 이용한 측정법은 수백 개의 생물 분자를 동시에

관측할 수 있다는 장점이 있기 때문에 최근 광범위하게

사용되고 있다.

일반적이 FRET 실험에서 제공하는 정보는 그림 1에서

보이듯 두 형광분자 사이의 거리 하나 밖에 없었다. 때문

에 복잡한 생체분자의 운동을 연구하기 위해서는 보다

발전된 형태의 측정기술이 필요하다는 인식이 공유되어

왔으며 그 해결책으로 제시된 것이 다수의 형광분자를

이용하는 다색(multi-color)

FRET 기술이다. 2004년 최초로

개발된 삼색(three-color)

FRET 기술 이후 변형된 형태의

삼색 FRET 기술이 다수 발표되

었다. 하지만 다색 FRET 기술은

그동안 형광분자의 숫자 면에서

더 이상의 발전은 없이 세 개의

형광분자를 사용하는데 머물러

왔다. 그렇다면 단일분자 FRET

기술에서 사용되는 형광분자의

수가 네 개 이상으로 늘지 못 한 그림 1. 프렛의 원리 및 생물학 문제에의 응용



이유는 무엇일까? 첫 번째 이유는 단일분자 사색(four-

color) FRET 실험에 적합한 형광분자를 찾지 못 했다는

점에서 찾을 수 있다. 단일분자 사색 FRET을 실현하기

위해서는 형광신호의 혼선이 없는 네 개의 형광분자가

필요하지만 형광분자가 가진 넓은 형광 스펙트럼의 특성

(100-nm 이상) 때문에 가시광선 영역에서 사용할 수 있

는 형광분자의 최대 수는 세 개가 한계였다. 두 번째 이

유는 단일분자 사색 FRET이 시현되었다 하더라도 그 데

이터를 해석할 수 있는 방법이 없었다는 점에서 찾을 수

있다. 네 개 형광분자들 사이에서 결정되어야 하는 분자

간 거리는 모두 여섯 개지만 이들 모두를 결정할 수 있는

해석방법이 개발되지 못하였고 이로 인해 측정기술의 개

발에 대한 동기도 높지 못하였다. 이러한 상황에서 단일

분자 사색(four-color) FRET을 최초로 실현한 논문이

발표되었다. Cy7이라는 근적외선 형광분자를 사용함으

로써 형광신호의 혼선 문제를 해결하였고 세 개의 레이

저를 빠르게 교차하는 ALEX(Alternating Laser

EXcitation) 기술을 차용하고 새로운 데이터 분석방법을

개발함으로써 여섯 개의 형광분자간 거리를 실시간에서

결정하는데 성공하였다. 새로운 측정기술의 성능은

Holliday junction을 이루는 네 개 팔의 운동을 실시간에

서 관찰할 수 있음을 보임으로써 깨끗이 검증되었다. 단

일분자 사색 FRET 기술은 앞으로 응용잠재력이 클 것으

로 기대된다. RecA에 의한 strand exchange 현상을 통

해 검증되었듯 네 개의 형광신호를 혼선 없이 측정할 수

있는 기능을 이용하면 두 개의 독립적인 FRET 쌍의 상

호 연관된 움직임을 관찰할 수 있기 때문이다. 예를 들어

기존의 단일분자 FRET 기술로는 효소나 기질의 운동 각

각만을 연구할 수 있었지만 독립

적인 FRET 쌍으로 표지가 된 효

소와 기질을 준비함으로써 상호

연관된 두 분자의 운동을 동시에

측정할 수 있고 이를 통해 보다

정확하게 반응 메커니즘을 이해

할 수 있게 될 것이다. 단일분자

FRET 기술이 다섯 개의 형광분

자를 쓰는 오색 FRET 영역까지

확장될 수 있을까 하는 즐거운

상상을 해 본다.

3. 피오나 (FIONA)

FRET의 기술이 단일형광분자의 밝기 정보를 이용하

여 나노미터 영역의 운동을 측정하는 것에 비하여 피오

나 기술에서는 단일형광분자의 이미지를 분석함으로써

형광 분자의 위치를 나노미터의 정확도로 결정한다. 물

리학에서 잘 알려진 회절 한계 법칙에 의하면 현미경의

분해능은 파장의 반보다 좋아질 수 없다. 즉 가시 광선을

사용하였을 때 200 ~ 300 나노미터가 얻을 수 있는 가

장 좋은 분해능이라는 얘기인데, 어떻게 광학 현미경을

이용하여 나노미터 단위의 분자 운동을 측정할 수 있을

까? FIONA의 원리는 의외로 간단하다. 형광 분자의 위

치는 형광 이미지의 중심을 결정함으로써 구할 수 있는

데 이 때 중심 위치 결정 오차 σ는 아래와 같이 표현된다

는 것이 이론적으로 밝혀졌다. 여기서 s는 형광 이미지

의 크기, a는 CCD 픽셀 사이즈, b는 배경 잡음, N은 수

집된 전체 포톤의 숫자를 의미한다.

위의 식에서 근호 안의 세 항 중 실제 실험 조건에서 위

치 결정 정확도를 정하는 것은 첫 번째 항목이다. 광학 현

미경의 분해능 s가 200 ~ 300 나노미터이기 때문에 만개

의 포톤을 받으면 현광 분자의 위치를 2 ~ 3 나노미터의

정확도로 결정할 수 있다는 것을 위 식은 말하고 있다. 이

러한 이론적인 예측은 일리노이 대학교의 Paul Selvin 그

그림 2. 단일 형광 분자의 이미지 및 피오나를 이용한 나노미터 운동 측정 그래프


룹에 의해 실험적으로 입증되었다. 그는 그림 2의 왼쪽에

보이듯이 단일 형광 분자의 CCD 이미지를 얻고 이 이미지

를 Gaussian 함수에 맞춤으로써 형광 분자의 중심을 결정

하는 방법을 사용하였는데 그림 2의 오른쪽 그림에서 보이

듯이 수 나노미터의 움직임을 정확히 따라갈 수 있었다.

FIONA 기술은 moysin이나 kinesin 등의 다양한 운동 단

백질의 운동 원리를 이해하는 데 이용되어 왔다.

4. 초해상도 형광 현미경

앞서 소개한 단일분자 FRET과 FIONA 기술은 나노미터

정밀도로 생체분자의 미세한 구조 변화를 측정할 수 있게

해주지만 이를 이용하여 직접 그 분자의 영상을 얻어낼 수

는 없다. 그렇다면 단일분자 형광측정 기술을 이용하여 회

절한계를 극복한 초분해능 현미

경을 만들 수는 없을까? 단일형

광분자의 위치를 나노미터 정확

도로 결정할 수 있다는 FIONA의

원리를 이용하면 이것이 가능하

지 않을까? 즉 단일형광분자의

형광 영상을 얻고 그 중심점을 나

노미터 정확도로 찍어가다보면

나노미터 해상도의 영상을 얻을

수 있지 않을까? 하지만 나노미

터 영상을 얻기 위해서는 형광분자의 밀도도 그만큼 높아

야하기 때문에 형광분자 영상의 겹침이 심해지는 문제가

발생하게 된다. 이를 해결하는 방법으로 제시된 것이

PALM(photoactivation localization microscopy)과

STORM(stochastic optical resconstruction microscopy)

기술이다. PALM이 형광물질로 형광단백질을 이용하고

STORM은 유기형광분자를 사용한다는 차이만 있을 뿐 두

방법 모두 형광분자를 국소적으로 활성화시켜 겹침 없이

중심점을 정확히 결정하고 이를 모아 나노미터 단위의 대

면적 이미지를 얻어낼 수 있다.

5. 광학집게

형광 분석 기술과 더불어 단일분자 분광학의 대표적인

기술이 생체 분자 하나를 역학적으로 조절하는 분자 집

게 기술이다. 그 중 대표적인 것이 광학 집게 (optical

tweezers)이다. 광학 집게의 발달은 1969년 벨 연구소에

서 일하던 Ashikin이 강한 레이저 빛을 초점에 맞춤으로

써 마이크론 크기의 폴리스틸렌 입자를 포획할 수 있다

는 발견에서부터 시작되었다. 입자가 포획되는 원리는

빛의 굴절 법칙과 운동량 보존 법칙을 이용하여 아주 쉽

게 이해할 수 있다. 포획의 원리를 설명하기 위해서 그림

4에 포획하고자 하는 입자의 중심보다 위에 레이저 빛의

초점이 만들어지는 경우를 그렸다. 설명의 편의상 그림

에는 두 개의 빔 a, b만이 그려져 있다. 입자 내부의 굴

절률이 외부의 굴절률보다 높기 때문에 두 빔은 입자를

통과하면서 그림에 보여진 것처럼 굴절 법칙에 따라 휘

어지게 된다. 그런데 빛은 운동량을 가지고 있기 때문에

이러한 빛의 진행 방향 변화는 빛의 운동량이 변하는 것

그림 4. 입자 포획의 원리 및 광자 집게를 이용한 실험의 개념도

그림 3. 일반현미경을 이용한 영상(왼쪽)과 초분해능 영상(오른쪽) 비교



을 의미한다. 이제 작용 반작용의 법칙을 이용하면 그림

에 보여지듯이 빔 a는 자신의 운동량 변화와 반대 방향

의 힘 Fa를, 빔 b는 Fb를 입자에 주게 되고 두 개의 힘을

합친 합력은 빛의 진행 방향과 반대인 위 쪽을 향하게 된

다. 레이저의 초점이 입자의 중심보다 아래 쪽에 있거나

왼쪽 또는 오른쪽에 있을 경우에도 비슷한 분석을 할 수

있는데 어느 경우에나 굴절에 의한 합력은 초점이 맞춰

지는 지점을 향하게 된다. 다르게 표현하면 입자는 레이

저 빛의 초점으로 향하는 복원력을 받는다 얘기가 된다.

이 현상을 이용하면 레이저를 이용하여 입자를 포획할

수 있게 된다. 물론 빛과 입자 사이에는 투과만 있는 것

이 아니고 반사, 산란, 흡수 등 항상 입자를 빛의 진행 방

향 쪽으로 밀어내는 효과도 있기 때문에 실제 입자를 포

획하기 위해서는 투명하면서 굴절률이 큰 입자를 써야

되며 운동량 변화를 최대화 하기 위해서 조리개수가 큰

현미경 대물 렌즈와 강한 레이저가 필요하다.

이렇게 포획된 입자를 생체 분자와 연결시키고 생체 분

자에 피코 뉴턴 단위의 힘을 가하는 방법은 1990 년대 중

반 Carlos Bustamante 그룹과 Steven Block 그룹에 의

해 개발, 발전되었다(그림 4의 오른쪽 참조). 생체 분자에

가해지는 힘은 포획된 입자와 표면에 고정된 생체 분자

사이의 거리를 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 주로

DNA의 역학적 성질과17 RNA 이차 구조의 풀림 현상18 등

이 주로 연구되어 왔고 kinesin19,RNApolymerase20등 다

양한 운동단백질 (motor protein)의 작동 얼개를 이해하

는 것도 주된 응용 분야였다. 2002년에 통계물리학에서

중요한 Jarzynski 정리를 실험적으로 실증한 것 또한 놓

칠 수 없는 중요한 업적 중의 하나이다21. 광학 집게 기술

은 그 동안 정밀도와 기기 안정성 면에서 발전을 거듭하

여 충분히 강한 힘을 가한다면 (10 피코 뉴턴 이상) 나노

미터 이하의 거리 변화까지 측정

할 수 있는 단계에 이르렀다.

누구나 한번쯤 팔이 세 개라도

모자란다는 푸념을 해보았을 것

이다. 하지만 정말 팔이 세 개라

면 어떤 일을 더 할 수 있을까?

단일분자 분광학 기술에 있어서

형광 분광학 기술이 눈이라면 광

학집게나 자기집게와 같은 단일

분자 제어 기술은 팔이라고 할 수 있

다. 일반적으로 사용되던 광학집게는 하나 혹은 두 개의

입자만을 포획해 입자와 표면 혹은 입자와 입자 사이의

한 개의 분자에 힘을 가하거나 거리변화를 측정하는 방

법으로만 주로 사용되어 왔다. 하지만 생체분자들을 실

제 세포내 상황과 비슷하게 구성하는 것과 같은 복잡한

제어를 하기 위해서는 기술적으로 한계가 있었다. 이를

해결하는 방법이 바로 여러 개의 입자를 동시에 포획해

3D로 제어하는 다중 포획 기술이다. 다양한 방법 중에서

대표적으로 아주 빠른 시간에 포획에 사용되는 레이저를

여러 위치로 바꿔주어 각 위치에 있는 여러 개의 입자를

포획하는 방법이 있다. 이러한 기술을 이용해 2007년에

네덜란드의 Wuite 그룹에서는 네 개의 입자를 동시에 포

획하여 각 두 개의 입자 사이에 DNA를 연결하고 한 가

닥의 DNA를 다른 DNA에 감아 미끄러지게 하여 DNA

에 붙어있는 단백질을 측정했다 (그림5). 이 연구에서 볼

수 있는 여러 개의 생체 분자를 복잡하게 제어하는 기술

은 두 개 이상의 DNA와 단백질의 상호작용을 단일분자

수준에서 연구하는데 앞으로 더 많이 활용될 것으로 기

대된다.

6. 자기집게

자기 집게 (magnetic tweezers) 기술은 광학 집게 기

술과 비교하여 위치 정밀도가 떨어지고 시간 분해능이

높지 않다는 단점이 있지만 손쉽게 토크를 가할 수 있다

는 장점이 있다. 기술적인 발전은 주로 Bustamante 그

룹과 David Bensimon 그룹에 의해 이루어졌다. 자기 집

게의 작동 원리는 비교적 간단하다. 그림 6a에 보이듯이

자성 입자가 DNA에 의해 유리 표면에 연결되어 있다.

그림 5 다중포획 광학집게와 이를 이용한 DNA에 붙은 단백질의 검출


가해지는 힘 F는 자석과 자성 입자와의 거리를 바꿈으로

써 조절할 수 있다. 자성 입자가 중심에서 벗어났을 때는

자석에 의한 힘 F와 DNA에 의한 힘 F́ 이 상쇄되지 않

고 중심으로 향하는 복원력 Fnet이 존재하게 된다. 복원

력 Fn은 간단한 분석에 의해

, 즉 용수철 상수 kx가 F/L이 됨을 알 수 있다. 통계물

리학에서 잘 알려진 equipartition 정리를 쓰면

라는 식을 얻게 되고 위의 두 결과를 적용하면

라는 결과를 얻는다. 즉 자성입자의 브라운 운동과

DNA 길이로부터 입자에 가해지는 힘을 얻을 수 있다.

그림 6b에 보이듯이 DNA 길이는 높이에 따라 달라

지는 자성 입자의 이미지를 분석함으로써 구할 수 있

다. 자기 집게는 광학집게에 비해 토크를 쉽게 가할 수

있다는 장점이 있다. 따라서 연구의 초창기에는 DNA

과도꼬임 (supercoiling) 현상과 topoisomerase의 작

동 얼개에 대한 연구가 주를 이루었고 최근에는 RNA

polymerase의 open complex 형성 과정과 헬리케이

스에 의한 Holliday junction의 branch migration 현

상 등 그 응용 분야가 점점 더 다양해지고 있다.

7. 집게기술과 단일분자 형광측정법의 결합

사람이 어떤 물체를 이해하고 알아내는 방법에는 여러

가지 방법이 있는데 이를 우리는 오감이라고 부른다. 시

각, 청각, 후각, 미각, 촉각이 그것인데 사람들은 일반적

으로 이 중 일부를 사용하여 물체를 느낀다. 이 때 더 많

은 감각을 사용할수록 우리는 물체에 대해 더 잘 이해하

게 된다. 눈을 감고 무언가를 만지는 경우와 반대로 만지

지 못하지만 눈으로만 봐야하는 경우를 생각하면 두 경우

에서 우리가 물체에 대해 얻을 수 있는 정보는 다를 것이

고 두 감각을 모두 사용하면 훨씬 더 많이 그 물체에 대해

이해하게 될 것이다. 이것은 자연과학의 실험에서도 마찬

가지인데 단일분자 분광학 기술에서는 분자제어 기술과

형광 분광학 기술의 결합을 여러 감각을 이용해 물체를

이해하는 것처럼 생각할 수 있다. 이러한 기술은 생체분

자를 복잡하게 제어하면서 분자의 모양변화를 동시에 관

찰할 수 있기 때문에 복잡한 세포내 생체분자들의 작동과

정을 연구하는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

이러한 결합은 많은 기술적 어려움에도 불구하고 많은

연구그룹들에 의해서 시도되어 왔는데 그림7 에서와 같

그림 6. 자기집게의 원리 그림 7. 광학집게와 단일분자 FRET의 결합 모식도.

(a) 우리 연구실의 장치, (b) Lang그룹의 장치



이 2007년 우리 연구실과 매사추세츠 공과대학의 Lang

그룹에 의해 비슷한 시기에 보고된 광학집게와 단일분자

FRET기술의 결합이 대표적이다. 우리 연구실에서는 이

를 이용해 DNA특이구조 사이의 변이 속도가 힘에 의해

달라진다는 것을 관찰하였다. 그 밖에 다중포획 광학집

게 기술과 단일분자 형광 이미징 기술도 최근 개발되었

다. 우리 연구실에서는 최근 자기집게와 결합된 단일분

자 FRET기술과 광학집게와 결합된 다색 FRET기술을

개발하는데 성공하였다.

8. 결론

지금까지 단일분자 분광학에서 가장 많이 쓰이는 몇 가

지 기술들을 살펴보았다. 부족하지만 이 글을 통해 생소하

게 여겨졌던 단일분자 분광학이 독자들에게 조금 더 가까

워지는 기회가 됐으면 하는 바라며 우리 실험실에서 진행

중인 일들을 간단히 소개하면서 이 글을 마치고자 한다.

생명체에서 일어나는 현상들은 무생물계에 일어나는

현상과는 확연히 구별되는 여러 성질을 가지고 있다. 그

중 눈에 띄는 것 중의 하나가 변화하는 외부환경에 따라

생명체의 내부환경을 맞추어 나가는 놀라운 적응능력이

다. 이 적응력의 근원을 찾아나가다 보면 유전정보의 발

현과정이 정교하게 제어되는 유전자조절 문제에 다다르

게 된다. 유전자조절 과정이란 염색체 속에 저장되어 있

는 수많은 유전정보들 중에서 주어진 환경에서 필요한

것들만이 필요한 양만큼 만들어지는 과정을 일컫는다.

유전자조절 과정을 정확히 이해하는 것은 생물학적으로

의학적으로 중요한 문제인데 지금 여러 분이 이글을 읽

을 수 있는 것도 수십 년 전 시작된 하나의 수정란이 성

체로 되는 복잡한 분화과정이 큰 이상없이 정교하게 조

절되었기 때문이다. 암을 포함한 많은 질병들이 유전자

조절과정의 이상에 의한 것이라는 것을 생각할 때 유전

자 조절과정은 건강한 삶은 유지하는데 중요한 문제라는

것을 알 수 있다. 하지만 이렇듯 중요한 유전자조절 과정

에 대한 우리의 이해는 다른 여타 생명현상과 마찬가지

로 여전히 도식적 수준에 머물러 있다. 어느 분자생물학

교과서를 펼쳐보아도 유전자 조절 과정은 생체분자들의

상호작용을 그림으로 그려 놓았을 뿐 그 과정을 이해하

는데 필수적인 기초적 물리량조차 언급되어 있지 않다.

이러한 상황의 주된 원인은 분자수준에서 일어나는 복잡

한 현상을 정량적으로 접근할 수 있는 실험장비의 부재

에서 찾을 수 있다. 이러한 상황에 중요한 변화가 최근

일어나고 있는데 정밀한 측정을 바탕으로 생명현상의 이

해를 정량화하고자 하는 것이 그것이다.

우리 실험실은 기존 단일분자 분광학 기술의 이러한

한계를 뛰어넘는 새로운 단일분자 측정·제어 기술을 개

발하여 유전자발현의 전 과정에서 일어나는 조절 메커니

즘을 이해하고자 한다. 중점이 되는 기술로는 3-D 분자

제어기술과 multi-color FRET 기술을 융합하는 것이

다. 지금까지의 대부분의 단일분자 실험에서 FRET 측정

법과 분자제어 기술은 독립적으로 사용되어 왔다. 분자

제어 기술은 우리의 손, 형광측정 기술은 우리의 눈에 비

유할 수 있는데 이러한 상황은 마치 손을 묶고 눈으로만

수동적으로 관찰하거나 또는 눈을 감고 손으로만 더듬는

상황에 비유할 수 있다. 새로운 단일분자 측정기술을 이

용하면 단일 생체분자를 마음대로 조작할 뿐만 아니라

미세한 외부환경 변화에 따른 생체분자의 운동변화를 정

밀하게 측정할 수 있기 때문에 기존의 기술로는 접근할

수 없었던 문제들에 답할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구단이 현재 추진하고 있는 연구주제로는 1) 전사시작

단계를 조절하는 DNA 특이구조 형성과정, 2) Type II

topoisomerase의 topology 인식 메커니즘, 3) Rho

terminator에 의한 전사 종료 메커니즘, 4) Riboswitch

의 co-transcriptional folding, 5) RNA pseudoknot에

의한 번역틀 이동 현상, 6) 미세 생체복합체의 다이나믹

스 등을 들 수 있다.

홍성철

약 력

•2010년9월-현재

서울대학교물리·천문학부부교수

•2006년9월-2010년8월

서울대학교물리·천문학부조교수

•2002년1월-2006년8월

UniversityofIllinousatUrbana-Champaign,

박사후연구원

•2000년3월-2001년12월

서울대학교,박사후연구원

•2000년2월 서울대학교,이학박사(물리전공)

•1996년2월 서울대학교,이학석사(물리전공)

•1994년 서울대학교,이학사(물리전공)

OCT (Optical Coherence Tomography) 이미징 기술의 개발과 응용특집 ■ Biophotonics


*카이스트기계공학과

1. 서론

OCT는 빛을 이용하여 고해상도로 (2 ~ 30 micron)

단층촬영을 할 수 있는 영상기술이다 [1]. 기능상 비슷

한 영상기술로는 CT, MRI, 초음파 등이 있을 것이다.

이들과 OCT의 가장 다른 점은 해상도라 할 수 있다.

이 기술들이 최고 100 micron 정도의 축방향 해상도를

보이는 반면 OCT는 보통 5~10 micron 정도의 10배

이상의 축방향 고해상도를 보여주기 때문에 의료/생물

분야를 비롯하여 여러 분야에서 각광을 받고 있다. 모

든 고해상도 이미징 시스템은 고해상도 이미징과 동시

에 고속 이미징 능력이 동반이 되지 않으면 실제 적용

이 용이치 않게 된다. 고해상도 이미징이라 하면 한번

에 이미징할 수 있는 pixel (3차원 공간적으로는

voxel)의 크기가 그만큼 작다는 것이기 때문에 같은 시

간에 고해상도로 넓은 영역을 이미징 하려면 고속 이미

징 능력이 필수적이다. 최근 10년 간 OCT 기술은 여러

방면으로 특히 이미징 속도를 높이는 부분에서 괄목할

만한 연구 개발이 진행되었다. 10여년 전에 비해 100

배 이상 빠른 OCT 시스템은 이전에는 불가능하였던

여러 가지 실제적 응용을 가능하게 하였다. 본 고에서

는 이러한 OCT 기술의 발전과 유용한 응용분야에 대

해 소개를 하고자 한다.

2. 원리

OCT는 기본적으로 백생광 간섭계 (whilte light or

low-coherence interferometry)의 2차원적 혹은 3차원

적 확장이라 할 수 있다. 그림 1과 같이 광원으로 저간섭

성을 가지는 광대역 광원을 사용하고 간섭계를 구성하여

간섭계의 한쪽에 이미징 하려는 샘플을 놓고 다른 한쪽에

거울 (reference mirror)을 놓으면 샘플 중 거울과 축방향

(빛의 진행방향)으로 같은 위치에 있는 부분에서 반사된

(혹은 산란된) 빛만 광검출기에서 검출되게 된다. 여기서

reference mirror를 축방향으로 이동시켜주면 순간적인

거울의 위치에 해당하는 샘플의 반사신호가 차례로 측정

이 되게 된다. 그림 1의 아래 trace는 거울을 시간이 지남

에 따라 이동시키면서 샘플에 프리즘을 놓았을 때 측정되


OCT (Optical Coherence Tomography) 이미징 기술의 개발과 응용오왕열*

그림 1. 1세대 OCT (Time-domain OCT)의 개략도



는 신호를 나타낸 것이다. 즉, 프리즘의 앞면과 뒷면에서

의 반사가 각 축방향의 위치에서 검출이 된다. 이와 함께

샘플로 향하는 빛을 빛의 진행방향과 수직인 한 방향으로

스캔을 해 주면 2차원의 단층 이미지가 얻어지고, 여기에

또 수직인 나머지 한쪽 방향으로도 빛을 스캔해 주면 3차

원적 이미지를 얻게 된다. 이미징에 있어 축방향 해상도

는 광원의 파장폭에 반비례하여 결정이 되므로 넓은 파장

폭의 광원을 사용할수록 높은 축방향 해상도를 얻게되고,

수평방향 해상도는 이미징 렌즈에 의해 결정이 된다.

이러한 OCT 기술은 약 10년전 2세대 OCT가 개발되면

서 기술 개발 및 응용에 새로운 전기를 맞게 된다. 그림 2

는 2세대 OCT [2-5] 중의 하나인 OFDI (Optical

Frequency Domain Imaging), 혹은 SS-OCT (Swept

Source OCT) [3,5]라고도 불리는, 의 원리를 보여준다.

그림에서 볼 수 있듯이 1세대 OCT와 비슷하게 마이켈슨

간섭계 형태로 구성되나 reference mirror가 고정되어 있

고, 파장변환 레이저 (wavelength-swept laser)를 광원

으로 사용한다는 것이 차이점이다. OFDI에서는 광원의

파장이 시간에 따라 일정하게 변할 때 특정 깊이로부터

반사되어 나오는 빛은 특정 주파수를 가진 신호로 검출되

게 되고, 이 신호를 푸리에 변환 (Fourier transform) 을

함으로써 시편의 깊이에 따른 반사율 프로파일을 얻을 수

있다. 1세대 OCT와 달리 reference mirror와 다른 위치에

있는 신호도 함께 모두 검출을 하기 때문에 그만큼

(100~1000배) 높은 감도 (sensitivity)의 이미징을 할 수

가 있고, 달리 이야기하면 100~1000배 빠른 속도의 이미

징을 감도의 저하없이 할 수가 있게 되는 것이다. 이때 이

미징 속도는 얼마나 빠른 속도로 파장변환이 가능한 파장

변환 레이저를 만들 수 있느냐에 직접적으로 연관이 되게

된다. 이러한 이유로 최근 10년간 OCT 기술은 이러한 2

세대 OCT 기술로 거의 바뀌었고 동시에 고속의 파장변환

레이저 기술에도 많은 노력이 기울여져 왔다.

1세대 OCT가 하나의 깊이방향 스캔 (A-line)을 최고

4~8 kHz의 속도로 이미징을 할 수 있었고 이는 응용에

따라 최고 10 frames/s 이하의 이미징 속도를 보여주었

었다. 이에 반하여 2세대 OCT는 최근 수백 kHz에서

MHz까지의 A-line 속도를 제공하며 1000 frames/s 이

상의 이미징 속도를 제공한다. 2세대 OCT의 초기에는

polygon mirror scanning filter를 이용한 파장변환 레이

저와 tunable Fabry-Perot filter를 사용한 파장변환 레

이저가 기술 개발을 주도해 왔다. 최근에는 레이저 이득

매질과 파장변환 필터를 모두 소형화 하여 하나의 소형화

된 소자형태로의 직접시킨 (integration) 파장변환 레이

저가 상용제품으로 나오기 시작하여 OFDI 시스템의 응

용을 가속화 시키고 있다. 특히, 최근에는 VCSEL

(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 구조의 파

장변환 레이저가 소개가 되어 주목을 받고 있다. VCSEL

기반의 파장변환 레이저는 순간적 가간섭거리가 최대 수

cm 정도까지 되는 장점 때문에 아주 긴 이미징 거리

(ranging depth)를 제공할 수 있어서 많은 주목을 받고

있다. 아직은 보다 많은 개선과 기술 개발이 요구되기는

하지만 단일 소자 형태로 소형화되고 직접화 된

(miniaturization and integration) 파장변환 레이저는

향후 OFDI기술의 발전 및 응용에 중요한 역할을 할 것으

로 예상된다.

3. 응용

고속, 고해상도 이미징이 가능한 2세대 OCT의 개발은

여러 의학 및 생물분야에서 유용한 응용을 가능하게 하

였다. 1세대 OCT가 고해상도 이미징 능력 때문에 주목

을 받으면서도 느린 속도로 인해 국소적인 이미징 밖에

할 수 없어 실제 응용에 있어 큰 한계가 되어왔던 부분을

2세대 OCT는 1세대 OCT와 같이 고해상도 이미징을 하

그림 2. 2세대 OCT 중 하나인 OFDI 의 개략도


면서도 초고속 이미징이 가능하게 하여 넓은 영역 혹은

특정 혈관이나 장기 전부분을 짧은 시간에 고해상도로

이미징하는 것이 가능하게 되었다. 여러 임상적 응용 분

야 중 가장 주목이 되는 분야 중 하나는 내시경을 이용한

내장 기관의 넓은 영역 이미징이다.

그림 3은 OCT를 이용한 관상동맥 이미징의 한 예이

다. 1세대 OCT를 사용하여 OCT가 여러 종류의 관상동

맥 질환을 잘 이미징 할 수 있다는 가능성을 보여주었지

만 느린 속도로 인해 관상동맥 전체를 이미징 할 수가 없

어 실제 임상에서의 응용성이 어려웠다. 2세대 OCT의

등장으로 인해 고해상도로 5 cm 이상 길이의 관상동맥

을 5초 이내에 이미징할 수 있게 됨으로써 여러 임상연

구와 임상으로의 효용성을 보이는 결과들이 많이 발표되

고 있고, 최근에는 2세대 OCT를 기반으로 한 관상동맥

이미징 시스템이 제품으로도 출시가 되어 많은 병원들에

서 사용되고 있다. 그림 4는 고속, 고해상도 관상동맥 용

2세대 OCT 시스템을 사용하여 환자의 관상동맥을 이미

징 한 결과로, 수 cm 길이의 관상동맥을 어느 부분에 어

떤 질환이 있는지, 관상동맥 경화로 시술한 stent가 잘

삽입이 되었는지 등를 고해상도로 보여주고 있어 실제

임상에서 많은 도움을 주고 있다.

그림 5는 2세대 OCT를 이용하여 식도를 이미징한 결

과이다. 넓은 영역의 식도를 3차원적으로 특히 표피 속

으로의 고해상도 단층 이미징을 함으로써 이전 이미징

방법들이 하지 못하였던 질병의 조기 진단의 가능성을

보여주고 있다.

그림 3. OCT로 이미징한 관상동맥 경화반들. 첫째 줄: OCT 이미지, 둘째 줄:

상관되는 histology. A & B: Fibrous plaque, C & D: Calcified

plaque, E & F: Lipid-rich plaque

그림 5. 2세대 OCT를 사용한 식도 이미징

그림 6. Doppler OFDI (2세대 OCT) 로 얻은 mouse brain tumor 혈관구조

이미지

그림 4. 2세대 OCT로 이미징한 환자의 관상동맥. A: 이미징한 환자의

관상동맥의 angiogram, B,C,D: 고해상도로 얻은 관상동맥

이미지로부터 얻어진 3차원 영상화



OCT의 큰 장점 중 하나는 위

에서 보여준 반사/산란된 광세

기를 측정하는 이미징과 더불어

여러 가지 기능성 이미징을 할

수 있다는 것이다. 그림 6은

OFDI (2세대 OCT)를 이용하여

Doppler 이미징을 수행한 예이

다. OCT의 위상을 측정하여 이

로부터 Doppler 신호를 얻어낼

수 있고, 이로부터 이미징 샘플

내에서 움직이는 요소들을 선택

적으로 이미징할 수 있다. 생체

내에서 가장 활발히 움직이는 것

은 혈관 속의 혈액 (적혈구)이므

로 Doppler 이미징으로부터 혈

관구조 및 혈류속도를 이미징할 수 있게 된다. 그림 6은

Doppler OFDI로 얻은 mouse brain tumor의 혈관구조

이미지 (vasculature) 를 보여준다. 이 이미지로부터 좌

상단 tumor가 있는 부분의 혈관구조가 매우 랜덤하게

변화되었음을 볼 수 있다. 암을 비롯하여 여러 질병들이

질병 주위의 혈관구조 및 혈류속도의 변화를 동반하기

때문에 Doppler OFDI를 이용하여 고해상도 혈관구조

이미징을 하는 것이 질병의 이해 및 치료를 수행했을 때

치료가 얼마나 효과적인가 등을 알아내는데 중요한 정보

를 주게된다.

그림 7은 2세대 OCT를 이용하여 내시경적으로 관상

동맥의 편광민감 이미징을 수행한 결과이다. 빛은 횡파

이고 진동방향에 따라 빛의 편광이 정해지게 된다. 만일

이미징 하려는 샘플이나 대상에 어느 한 방향으로 잘 정

렬된 구조가 있는 경우 이 구조에 수직인 편광과 평행한

편광이 이러한 구조 안을 진행한 후 검출을 하면 서로

수직한 두 편광의 세기와 위상이 서로 다르게 측정이 되

게 된다. 특히 서로 수직한 편광이 서로 다른 위상 변화

를 겪는 것은 복굴절 현상으로서 한쪽 방향으로 잘 정렬

된 샘플일 수로 큰 복굴절을 보여주게 된다. 편광민감

OCT는 이러한 샘플의 복굴절을 정량적으로 측정함으로

써 샘플의 정렬정도에 대한 정보를 이미징하게 된다. 그

림 7은 관상동맥을 편광민감 OCT로 이미징한 결과이

다. 7 (a)의 일반적인 광세기 이미징에서는 관상동맥 벽

내부의 intima, media, adventitia 가 명확히 구별이 되

지 않지만 7(e)의 편광민감 이미지 혹은 7(d)의 편광민감

이미지를 광세기 이미지에 겹친 이미지를 보면 이 층구

조를 잘 볼 수 있게 된다. 이와 같이 우리 몸에 있는 각

종 근육이나 힘줄들은 편광민감 OCT 이미징을 할 경우

강한 신호를 보이게 되며, 근육이나 힘줄로 부터의 편광

민감 OCT 신호가 강하지 않을때는 이 부분에 어떠한 문

제점으로 인해 약해진 것이 아닌지 의심이 가능하다. 관

상동맥의 경우도 이러한 편광민감 신호의 이미징으로부

터 혈관 벽의 튼튼한 정도에 대한 정보를 얻어낼 수 있

게 된다. 또한 최근에는 OCT 시스템에 편광모드분산

(PMD: Polarization Mode Dispersion)이 있는 경우 편

광민감 OCT 이미지에 artifact가 생기는 것을 알아낸 연

구가 발표되었고 또한 이러한 artifact를 보상하거나 줄

이는 방법도 발표되어 이러한 편광모드분산에 의한

artifact가 제거된 훨씬 향상되고 의미있는 편광민감

OCT 이미징 방법이 제시되어 이 이미징 방법의 유용성

을 향상시켰다.

4. 결론

OCT는 고해상도 이미징 능력으로 인해 많은 응용분야

에서 주목을 받아왔다. 특히 최근 10년 동안에 걸친 2세

대 OCT의 개발 및 발전은 고해상도 이미징과 동시에 매

우 빠른 속도의 이미징을 가능하게 함으로써 임상 및 의

그림 7. 편광민감 OFDI로 얻은 관상동맥 이미지. (a) Intensity (광세기) 이미지, (b)&(c): 편광모드분산을 감소시키지 않은 편광민감 이미지, (d) 광세기 + 편광민감 이미지 (편광모드 분산이 감소된), (e)&(f): 편광모드분산을 감고시킨 편광민감 이미지


료/생물 분야의 실제 응용에서 활발하게 사용되고 있다.

특히 고속/소형 내시경을 함께 이용하는 장기 내부의 넓

은 영역에 걸친 고속/고해상도 2세대 OCT 이미징은 질

환의 진단 및 질병에 대한 새로운 이해를 가져오는데 크

게 기여하고 있다. 또한 도플러 이미징이나 편광민감 이

미징 등의 기능성 이미징 능력은 다양한 분야에 걸쳐

OCT의 유용성을 크게 향상시키고 새로운 분야로의 응용

가능성도 가져왔다. 최근 급속히 발전한 OCT 기술은 현

재 실제의 의료 현장에서도 활발히 사용되고 있으며 그

활용 및 응용은 앞으로 더욱 늘어날 것으로 기대된다. 광

원 개발, 영상기술 개발, 기능성 이미징 기술 개발 등의

기술 개발이 이후 OCT 기술 개발의 주요 부분이 될 것으

로 예상되며, 이러한 기술 개발이 의미가 있게 되기 위해

서는 기술 개발 단계에서부터 실제 응용과 응용분야를

염두에 두고 이를 기반으로 한 기술 개발이 수행되어야

할 것이다.

참고문헌

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오왕열

약 력

•2009년9월-현재

카이스트기계공학과부교수

•2004년1월-2009년8월

WellmanCenterforPhotomedicine,Harvard

MedicalSchoolandMassachusettsGeneral

Hospital,Boston,USA,Instructor/ResearchFellow

•2002년4월-2003년12월

LNLTechnologies,Cambridge,USA,Senior

Engineer

•1998년6월-2002년3월

한국전자통신연구원광통신부선임연구원

•1997년6월-1998년6월

ImperialCollege,Dept.ofPhysics,Postdoctoral

Researcher

•1987년3월-1997년2월

카이스트물리학과박사,석사,학사

한국전광(주)

산업

체 소

개


1981년 CVI Laser의 합작법인으로 설립된 한국전광(주)은 정밀 광학 부

품 전문 제조 회사로 광학 설계, 연마, 코팅, 조립까지 전 과정을 첨단기술

로 진행하고 있으며, 현재는 약 150명의 인원으로 고출력 레이저 부품, 반

도체, 디스플레이 분야, 바이오 메디컬 분야, 국책 연구소 및 국내 유수의

대학교 등에 핵심 광학 부품을 생산 공급해 왔으며, 지난 30여 년간 쌓아온

기술력을 바탕으로 인공위성 카메라, 전차 및 무인 경계 로봇 시스템 등의

광학부품을 개발 공급하면서 우주 항공 및 첨단 방위산업 분야에 이르기까

지 그 영역을 넓히기에 이르렀습니다.

첨단 기술 확보를 위한 전 임직원의 도전적인 기술개발 의지와 지속적인

R&D 투자를 바탕으로 고객의 다양한 요구에 맞춤형 제품을 공급하는 광학

업체로 성장한 한국전광(주)은 품질의 신뢰성을 바탕으로 고객에 대한 최선

의 서비스를 제공하는 기업이 되고자 끊임없이 노력하고 있습니다. 이러한

노력을 바탕으로 앞으로도 고객에게 믿음을 주는 기업으로 성장할 것을 약

속드립니다.

High Power Laser Optics

레이저 응용 분야의 발전으로 산업 분야에서는 레이저 가공 속도의 향상,

의료 분야에서는 레이저 치료 및 X선 빔의 발생 그리고 이화학 분야에서는

민감한 레이저 측정 등 레이저 응용 산업은 눈부시게 발전해왔습니다. 이러

한 모든 일들이 보다 현실적으로 실현되기 위해 현재의 레이저 보다 높은

출력을 가진 고출력 레이저의 실용화에 대한 기대가 높아지고 있습니다. 그

러나 레이저 장치의 구성 부품으로 필수적인 광학 소자는 높은 출력의 레이

저로 인해 기능을 잃어버리는 문제들이 발생하면서 더욱더 내성 높은 광학

소자의 개발이 요구되고 있습니다. 이에 한국전광(주)은 보다 높은

Damage Threshold를 가진 고출력 레이저용 광학 소자를 꾸준히 개발하

고 있으며, 이뿐만 아니라 고객이 원하는 사용분야에 적합한 광학 소자들을

맞춤화하여 제작하고 있습니다.

상호: 한국전광(주)

주소: 경기 부천시 오정구 삼정동 226번지(석천로 398번길 8)

전화: 032-680-6100

팩스: 032-673-4010

대표: 채진석

홈페이지: www.cvimellesgriot.com

한국전광(주)


산업

체 소

개 Large Optics & Customized Optics

한국전광(주)은 여러 산업 분야, 국책 연구소 및 국내

의 유수의 대학에 300mmDia 이상의 대구경 레이저 광

학 부품을 생산 공급하고 있습니다. 이러한 대구경 레이

저 광학 부품들은 고출력 레이저들의 개발과 함께 수요

가 증가하기 시작하였으며 단순히 제품의 크기가 커질

뿐만 아니라 고출력 레이저 사용에 적합하도록 Flatness

가 Lambda/10이상의 품질로 고객 여러분께 보답하고

있습니다. 또한 고객의 사용 목적에 알맞은 제품을 설계

에서부터 코팅, 조립 및 접합에 이르기까지 전 과정을

진행하여 고품질의 제품을 생산 공급하기 위하여 끊임

없는 노력과 연구를 거듭하고 있습니다.

생물독소감시기용 입자감시기 개발

세계 4번째로 개발된 생물독소감시기의 핵심구성품인

입자감시기를 7년의 연구 끝에 국산화에 성공하였습니

다. 입자감시기는 Laser Diode의 형광 특성을 이용하여

laser beam을 미세 입자에 조사하여 생물입자의 존재를

상시 감시하고, 주어진 경보값과 경보 발령 여부를 연결

된 다른 구성품의 동작을 결정합니다. 입자감시기가 장

착된 생물독소감시기는 주요 군사시설 및 비행장, 항만

등에 설치되어 생물입자(세균, 바이러스)를 실시간으로

감시 및 수집하는 일을 수행하게 됩니다.

원거리 화학자동경보기의 적외선 열원 개발

원거리에서 화학적용제를 조기에 탐지 및 경보하는 장

비의 적외선 기준 열원을 개발하였습니다. 이 제품은 기체

의 특정 적외선 광 주파수를 흡수하는 성질을 이용하여 개

발 되었습니다. 이 적외선 기준 열원을 통과하여 대기로부

터 실시간으로 적외선을 수광하여 분광장치를 이용, 획득

한 스펙트럼을 분석 및 데이터베이스화 하여 이들의 상관

관계로 얻어진 데이터로 화학작용제를 탐지하게 됩니다.

탐지된 화학작용제를 분석 후 경보를 발생하여 대기의 오

염 물질에 대처하는 개발품 입니다.

한국의 광학분야과 함께 성장해온 한국전광(주)은 지

난 30여년의 기술력과 끊임없는 연구를 통하여 좀 더

나은 제품을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 단순한

광학 부품에서부터 우주 항공 및 첨단 방위산업 분야

에 이르기까지 시대에 발맞춘 제품을 최고의 품질로

제작하고 있으며 앞으로도 제품의 품질을 최우선으로

하는 기업이 될 것을 약속드립니다.


한국광학회지


초미세 광학이방성을 정밀하게 측정하는 방

법은 산업체 표준/검사 등의 분야에서 새로운

기준을 제시하는 하나의 중요한 도구가 되고

있다. LCD 공정에서 러빙 변수가 액정의 배

향성에 미치는 효과에 대한 관심은 매우 크지

만 광학이방성이 매우 작은 배향막의 광학이방

성 평가방법은 아직 알려진 바가 없다. 이에

따라 배향막의 초미세 광학이방성을 정밀하게

측정하는 방법이 절실하게 요구되고 있다. 본

논문은 기존의 시료회전형 타원계를 모듈회전

형으로 개선하여 시료의 크기제한을 없애는 것

과 동시에 측정 정밀도를 한 단계 향상시킨 투

과형 PCSA 타원계(그림)를 제작하고 이를 이

용하여 러빙된 PI(Polyimide) 배향막의 초미

세 위상지연값을 정밀

하게 측정한 결과를 보

여준다. 구체적인 장비

개선점으로는 i) 회전

하는 편광자 방위각과

검광자 방위각의 영점

을 이동/보정 처리하고

ii) 회전하는 두 모듈간

의 영점을 정밀하게 동

기화 하였으며, iii) 광

원을 교체하고 전원 안

정화 회로와 잡음제거

필터를 사용하여 전기

적 노이즈를 0.05 Volt

이하로 감소시켰다. 또

한 iv) 편광자 모듈의 회전과 연계된 광경로의

흔들림이 유발하는 배경 위상지연값을 빼 줌으

로써 초미세 광학이방성을 3σ≤0.005 ㎚ 의

정밀도로 안정적으로 측정할 수 있도록 하였

다. 더구나 v) RVD (Retardation Vector

Difference) 방법을 도입함으로써 산업체 현장

에서 사용하는 대형 유리시료의 잔류응력

(residual stress)으로 인한 광학이방성 효과를

적절하게 뻬 주어 배향막 만에 의한 초미세

위상지연값을 안정적으로 측정할 수 있도록 하

였다.

본 모듈회전형의 타원계는 10 G 이상의 대형

유리시료에도 적용할 수 있는데 PI 배향막이 코

팅된 유리시료의 경우 유리기층에 의한 효과를

빼준 뒤 배향막의 위상지연값이 러빙배향의 경

우 0.20~0.30 ㎚, 광배향의 경우 0.08~0.20

㎚, 배향이 되지 않은 영역은 0.02 ㎚ 이하의

작은 값을 가짐을 확인하였다.

본 모듈회전형의 타원계를 사용하면 배향막

형성 직후, 즉 액정을 주입하지 않고도 배향막

의 불량 여부를 실시간으로 확인할 수 있으므로

배향불량에 의한 수율감소를 크게 줄일 수 있으

며, 최적의 배향조건을 찾거나 새로운 배향시료

를 개발하는 데에도 큰 도움을 받을 수 있을 것

으로 기대된다.

염경훈, 박상욱, 양성모, 윤희규, 김상열(아주대학교),

한국광학회지 24권 제2호, 77-85 (2013).

개선된 투과형 타원계를 사용한 PI(Polyimide) 배향막의 초미세 위상지연 정밀 측정

Fig.Schematicdiagramsof(a)theconventionalPCSAtypetransmissionellipsometerwheresampleisrotatedand(b)theimprovedPCSAtypetransmissionellipsometerwherethepolarizermoduleisrotated.


한국광학회지


일반적인 카메라 이미징 시스템은 결상 광학

계에 기반하고 있다. 물체면의 한 점에서 출발

한 광선들은 카메라 렌즈에 의하여 영상 센서

면의 한 위치에 모이며 그 밝기가 기록된다. 이

에 따라 카메라의 영상 센서면에 기록되는 영

상은 물체를 특정 위치에서 바라본 하나의 2차

원 원근 투사 영상이다. 최근에는 물체 공간에

대한 보다 많은 정보를 획득하기 위하여 전통

적인 결상 광학계에 기반한 카메라 이미징 시

스템을 변형하는 Light filed camera 혹은

Integral imaging capturing등의 기하광학 기

반의 계산 광학 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 균일한 렌즈 배열을 사용할 경우에는

렌즈의 f-number에 의해 FOV가 제한되고,

촬영되는 광선 분포의 공간/각도 샘플링 간격,

즉 해상도가 고정되는 한계를 지니고 있다. 본

논문에서 저자들은 임의의 모양, 크기, 및 초

점 거리를 가지는 렌즈들의 불규칙한 배열을

통과하여 저장되는 영상으로부터 원본 2차원

객체의 모양을 복원하는 방법을 제시한다. 제

안된 방법에서는 먼저 디스플레이에 표시되는

단일 물체점의 위치를 바꾸어가며 불규칙 렌즈

배열을 통한 촬영을 수행하여 각 물체점에 대

한 불규칙 렌즈 배열 영상들을 확보한다. 이와

같은 각 물체점별 불규칙 렌즈 배열 영상들을

임의의 모양을 가지는 2차원 물체에 대한 불규

칙 렌즈 배열 영상과 비교하여 유사도를 산출

함으로써 임의의 모양을 가지는 2차원 물체를

복원한다. 제안된 방법에서는 단위 영상들간의

상관도를 수정된 상관계수를 이용하여 산출하

고 이를 통해 불규칙 렌즈 배열의 특성화하는 2

차원 행렬을 구성하였다. 이렇게 구성된 2차원

특성 행렬을 이용하여 단위 물체점들의 2차원

물체에 대한 공헌도를 도출하고 원본 2차원 물

체 영상을 복원하였다. 실험 결과를 통하여 원

본 물체를 인식할 수 있는 수준으로 물체의 복

원이 가능함을 확인하였다. 추후 보다 높은 해

상도의 복원과 3차원 물체로의 확장을 위한 추

가 연구가 필요함도 확인 하였다. (그림).

홍성인, 김남(충북대학교), 박재형(인하대학교), 한국광

학회지 제24권 제3호, 120-124 (2013).

불규칙 렌즈 배열을 통과한영상을 이용한 2차원 물체의수치적 복원


Journal ofthe Optical Society of Korea


표면 합주파수 분광법은 물질의 이차 비선형광

학계수를 측정하는 실험방법 중 하나로서, 다

양한 연성물질의 표면구조를 관측하는데 이용

되어 왔다. 라만분광법이나 적외선 분광법은

스펙트럼에서 대부분 물질의 벌크특성만을 볼

수 있는데 반해, 표면 합주파수 분광법은 반전

대칭성이 깨어진 물질의 표면만을 선택적으로

측정하는데 용이하다. 본 논문에서는 표면 합

주파수 분광법을 이용해 랭뮤어 단분자막에서

희토류 이온과 금속 이온의 흡착 특성에 대해

서 연구하였다. 광원으로는 50 ps의 Nd:YAG

레이저를 사용하였으며, 합주파수 분광법에

이용되는 빛은 각각 532 nm의 가시광선과

2.5 ~ 4 μm 파장범위의 적외선이다. 가시광

선은 KTP 비선형광학 결정에서 발생한 이차

고조파를 사용하였으며, 적외선 광원은

lithium niobate 결정으로 이루어진 optical

parametric generation - optical

parametric amplification 시스템을 사용하였

다. 랭뮤어 단분자막을 구성하기 위해 사용된

분자는 지방산 중 하나인 arachidic acid로

pH가 높아질수록 음의 전하를 띄는 성질이 있

다. 표면이 음전하로 강하게 대전되어 있는 경

우, 물의 쌍극자들의 정렬에 의해 이방성을 가

지는 물 분자 층이 증가하므로 물 분자의 진동

모드에 해당하는 합주파수 신호가 증가하게 된

다. 실험결과, 1 mM의 La3+의 경우, 물 분자

의 진동모드 영역(3000 cm-1 - 3600 cm-1)에

서의 합주파수 신호가 현저히 감소되었으며,

이로 부터 전기적 인력에 의한 La3+의 표면 흡

착에 의해 표면이 전기적으로 중성을 띈 것을

확인하였다. 반면, Fe(OH)x+3-x 이온은 단분자

막이 전하를 전혀 띄지 않는 낮은 pH 조건에

서도 흡착이 발생하는 것을 표면 합주파수 스

펙트럼을 변화로 확인하였으며, 흡착의 정도

는 이온이 단순한 3가의 Fe3+ 가 아닌 Fe(OH)3

의 구조를 가질 때 강하게 발생하였다. 따라서

Fe(OH)x+3-x 이온의 흡착은 정전기력과 같은

물리적 흡착이 아닌 공유결합과 같은 화학적

흡착에 의함을 입증할 수 있었다. (그림).

Woongmo Sung(Sogang University),

David Vaknin(Iowa State University), and

Doseok Kim*(Sogang University),

J. Opt. Soc. Korea 17, 10-15 (2013).

Different Adsorption Behavior of Rare Earth and Metallic Ion Complexes on Langmuir Monolayers Probed by Sum-Frequency Generation Spectroscopy


Journal ofthe Optical Society of Korea


Optical Coherence Tomography (OCT) is

an imaging technology which is based on

a light source of low coherence length.

High resolution images (1 ~ 15 μm) of

cross sections from living samples can be

acquired by using OCT technology, non-

invasively and in real-time. OCT has

been appl ied to ear ly d iagnos is

instruments for cancer and various

diseases. A lot of research is being done

into applying OCT to ophthalmology,

dermatology, internal medicine, dentistry

and gynecology.

High Speed SD-OCT System Using GPU

Accelerated Mode for in vivo Human Eye

ImagingHigh Speed SD-OCT System

Using GPU Accelerated Mode for in vivo

Human Eye Imaging

Due to technology

development using

GPU, much research

into the application

of OCT to auxiliary

ins t ruments for

operations is now

being carried out.

The GPU has more

ALU (Arithmetic and

Logic Unit) than a

CPU (Central Processing Unit), so its

processing speed is high whereas its cost

is lower. Because of those merits and the

need for more computation power, there

are many studies about OCT using the

GPU in the imaging field.

We developed the SD-OCT (Spectral

Domain-OCT) system which uses a GPU

for processing. The image size from the

SD-OCT system is 1024 × 512 and the

speed is 110 frame/sec in real time.

As a result, there were minimal motion

artifacts and we confirmed that tomogram

of blood vessels, the optic nerve, and the

optic nerve head are clearly identified

(Figure). According to the results of this

study, this SD-OCT can be applied to

real-time 3D display technology,

particularly auxiliary instruments for eye

operations in ophthalmology.

Nam Hyun Cho, Unsang Jung, Suhwan

Kim(Kyungpook National University), Woonggyu

Jung(Ulsan National Institute of Science and

Technology), Junghwan Oh, Hyun Wook

Kang(Pukyong National University), and Jeehyun

Kim*(Kyungpook National University), J. Opt.

Soc. Korea 17, 68-72 (2013).

High Speed SD-OCT System Using GPU Accelerated Mode for in vivo Human Eye Imaging


NEWS of Optical Science & Technology

학회소식 학회소식

학술활동

2013년 한국광학회 하계학술발표회 개최

한국광학회는 2013년도 하계학술발표회를 2013년 7월 10일(수)부터 12일(금)까지 여수 디오션리조트에서 개최하였다.

Toyohiko Yatagai(Utsunomiya University) 교수, 함병승(GIST) 교수, Vlatko Vedral(University of Oxford) 교수, 이

창희(KAIST) 교수의 총회 초청 강연이 있었으며, 신용일(서울대) 교수, H. A. Macleod(Thin Film Center) 박사의 광학 특

강이 있었다.

이번 학술발표회에서는 국내외 학자 500여명이 참석하였고, OSK-OSJ Joint Symposium(Space Optics), LED-STAR

하계 워크샵, 광로드맵상의 광교육 전략과 최신 광교육 관련학과 교육과정 소개가 함께 열려 성황리에 개최되었다.

회원현황한국광학회 회원현황 2013. 7

*단위 : 명

구분연도

정회원(평의원) 학생회원 단체회원 특별회원 계

2013 2,312 2,166 33 42 4,553


한국광학회 정기 학술발표회

◈ 한국광학회 하계학술발표회• 일 시 : 2013년 7월 10일 ~ 12일

• 장 소 : 여수 디오션리조트

◇ 한국광학회 제25회 정기총회 및 2014년도

동계 학술발표회• 일 시 : 2014년 2월 19일 ~ 21일

• 장 소 : 대전 컨벤션센터

분과 및 국제 학술대회

◈ 광자기술 학술회의 (PC 2013)• 일 시 : 2013년 11월 20일(수) ~ 22일(금)

• 장 소 : 제주 피닉스 아일랜드

Conferences + Exhibitions Date/Location

2013 CLEO Pacific Rim Conference 1 Jul - 4 Jul 2013 / Japan

International Workshop on Singularities and TopologicalStructures of Light 8 Jul - 12 Jul 2013 / Italy

International Conference on Optics and Lasers Applications 9 Jul - 12 Jul 2013 / Namibia

Integrated Photonics Research, Silicon and Nano-Photonics (IPR) 14 Jul - 19 Jul 2013 / PuertoRico

Optical Sensors (SENSORS) 14 Jul - 19 Jul 2013 / PuertoRico

Photonic Networks and Devices (NETWORKS) 14 Jul - 19 Jul 2013 / PuertoRico

Signal Processing in Photonics Communications (SPPCom) 14 Jul - 19 Jul 2013 / PuertoRico

2nd BioPhotonics Workshop 17 Jul - 19 Jul 2013 / Taiwan

Nonlinear Optics (NLO) 21 Jul - 26 Jul 2013 / USA ; Hawaii

VIII Iberoamerican Optics Meeting and XI Latinamerican Meetingon Optics, Lasers and Applications 22 Jul - 26 Jul 2013 / Portugal

4th International Conference on Optical Communication System 29 Jul - 31 Jul 2013 / Ireland

3rd Workshop on Specialty Optical Fiber and Their Applications 28 Aug - 30 Aug 2013 / Sweden

The World Molecular Imaging Congress 18 Sep - 21 Sep 2013 / USA ; Georgia

Optics of Liquid Crystals 29 Sep - 4 Oct 2013 /USA ; Hawaii


Conferences + Exhibitions Date/Location

OSA Vision Meeting 4 Oct - 6 Oct 2013 / USA ; Texas

Frontiers in Optics: The 97th OSA Annual Meeting andExhibit/Laser Science XXIX 6 Oct - 10 Oct 2013 / USA ; Florida

18th MICROOPTICS CONFERENCE 27 Oct - 30 Oct 2013 / Japan

Application of Lasers for Sensing & Free Space Communication(LS&C) 27 Oct - 1 Nov 2013 / France

Mid-Infrared Coherent Sources (MICS) 27 Oct - 1 Nov 2013 / France

Advanced Solid-State Lasers 27 Oct - 1 Nov 2013 / France

Optics for Solar Energy 4 Nov - 7 Nov 2013 / USA ; Arizona

Optical Nanostructures and Advanced Materials for Photovoltaics 4 Nov - 7 Nov 2013 / USA ; Arizona

Optical Instrumentation for Energy and EnvironmentalApplications 4 Nov - 7 Nov 2013 / USA ; Arizona

Solid State and Organic Lighting 4 Nov - 7 Nov 2013 / USA ; Arizona

98th Scientific Assembly & Annual Meeting of the RadiologicalSociety of North America 25 Nov - 30 Nov 2013 / USA ; Illinois

Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC)and the National Fiber Optic Engineers Conference (NFOEC) 9 Mar - 13 Mar 2014 / USA ; California

CLEO:2014 - Laser Science to Photonic Applications 8 Jun - 13 Jun 2014 / USA ; California

Computational Optical Sensing and Imaging 22 Jun - 26 Jun 2014 / USA ; Hawaii

International Optical Design Conference (IODC) 22 Jun - 26 Jun 2014 / USA ; Hawaii

Optical Fabrication and Testing (OF&T) 22 Jun - 26 Jun 2014 / USA ; Hawaii

40th COSPAR Scientific Assembly and Associated Events 2 Aug - 10 Aug 2014 / Russian Federation

Frontiers in Optics: The 98th OSA Annual Meeting andExhibit/Laser Science XXX 19 Oct - 23 Oct 2014 / USA ; Arizona

CLEO: 2015 - Laser Science to Photonic Applications 10 May - 15 May 2015 / USA

Frontiers in Optics: The 99th OSA Annual Meeting andExhibit/Laser Science XXXI 18 Oct - 22 Oct 2015 / USA ; California

Frontiers in Optics: The 100th OSA Annual Meeting andExhibit/Laser Science XXXII 16 Oct - 20 Oct 2016 / USA ; NewYork


Date Event Location

25 - 29 August 2013EXHIBITION27 - 29 August 2013

SPIE Optics + PhotonicsSub-conferencesSPIE NanoScience + EngineeringEXHIBITION27 - 29 August 2013SPIE Optical Engineering + ApplicationsEXHIBITION27 - 29 August 2013SPIE Organic Photonics + ElectronicsEXHIBITION27 - 29 August 2013SPIE Solar Energy + TechnologyEXHIBITION27 - 29 August 2013

San Diego,California,United States

10 - 12 September 2013EXHIBITION10 - 11 September 2013

SPIE Photomask TechnologyMonterey,California,United States

22 - 25 September 2013 SPIE Laser DamageBoulder,Colorado,United States


SPIE Remote Sensing Dresden,Germany


SPIE Security + Defence Dresden,Germany

14 - 17 October 2013EXHIBITION15 - 17 October 2013

SPIE OptifabRochester,New York,United States

14 - 17 April 2014 SPIE Photonics Europe Brussels,Belgium

22 - 27 June 2014EXHIBITION24 - 26 June 2014

SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation

Montréal,Quebec,Canada


한국광학회 2013년도 신규가입 회원명단

■정회원(27명) 2013. 7 現

성 명 소 속 성 명 소 속

박수빈 부산대학교주거환경학과 김태근 한국천문연구원우주감시센터

이진복 삼성탈레스PE1그룹 백승환 (주)엘투케이플러스기업부설연구소

허준석 아주대학교전자공학과 안강헌 충남대학교물리학과

이수경 (주)에이지광학 황명중 고등과학원물리학부

임부빈 (주)위키옵틱스 이종석 광주과학기술원물리광과학과

안동환 국민대학교신소재공학부 정병호 삼성디스플레이디스플레이연구소

전영철 인하대학교물리학과 추병권 삼성디스플레이디스플레이연구소

조현국 강원대학교안경광학과 조주완 삼성디스플레이디스플레이연구소

조영권 아주대학교기초과학연구소 조치오 삼성디스플레이디스플레이연구소

권재균 영남대학교전자공학과 김영수 삼성탈레스전자광학체계그룹

김철홍 포항공과대학교창의IT융합공학과 손석현 삼성탈레스HW그룹

이경석 한국과학기술연구원전자재료연구센터 정호준 한국천문연구원광학천문센터

한상욱 한국과학기술연구원나노양자정보연구센터 최석원 경희대학교정보전자신소재공학과

우민기 한국과학기술연구원나노양자정보연구센터

■학생회원(78명) 2013. 7 現


백희규 광주과학기술원의료시스템학과 최영환 인하대학교물리학과

이경준 광주과학기술원정보통신공학부 최진두 한국과학기술원기계공학과

한정헌 광주과학기술원정보통신공학부 정영모 서울대학교전기컴퓨터공학부

구준회 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학과 장창원 서울대학교전기정보공학부

홍준기 중앙대학교물리학과 이창건 서울대학교전기정보공학부

이한주 부산대학교차세대전자기판회로학과 이우석 충남대학교물리학과

정덕 전남대학교광공학과 최봉만 인하대학교정보통신공학부

김성재 한양대학교물리학과 김영훈 인하대학교정보통신공학과

황대순 단국대학교물리학과 정용범 인하대학교정보통신공학부

유해원 단국대학교물리학과 이천양 고려대학교뇌공학과

이위나 충북대학교정보통신공학과 이진웅 세종대학교광전자공학과

조나리 전남대학교신화학소재공학과 박정훈 한국과학기술원물리학과

조보현 한국광기술원신조명시스템팀 김규현 KAIST물리학과

김원배 SK하이닉스공정개발팀 오상원 고려대학교바이오마이크로시스템

김창건 중앙대학교전자전기공학부 차영문 고려대학교뇌공학과

도기훈 연세대학교기계공학과 정웅 한남대학교광센서공학과

인성준 서울대학교광자시스템연구실 정재황 한국과학기술원물리과

백승호 고려대학교바이오융학공학과 이덕형 서울대학교물리천문학부

현민규 고려대학교바이오융학공학과 박민규 경북대학교전자공학부



홍지호 서울대학교전기정보공학부 오성우 경북대학교전자공학부대학원

홍순우 고려대학교생체의공학과 박철순 광운대학교전자공학과

이민수 한국과학기술연구원나노양자정보연구센터 비벡 광운대학교전자공학과

허정석 고려대학교생체의공학과 이지예 서울대학교물리천문학부

박병권 한국과학기술연구원나노양자정보연구센터 박영미 서울대학교물리천문학부

권용석 충남대학교물리학과 박건우 한림대학교물리학과

고명옥 충남대학교물리학과 이성준 한림대학교물리학과

이혜림 인하대학교전자공학과 이승민 서강대학교물리학과

석양 인하대학교전자공학과 정혜련 광주과학기술원의료시스템학과

심온 고려대학교생체의공학과 성명수 광주과학기술원의료시스템학과

최태훈 부산대학교전자공학과 송원근 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학과

김영민 경희대학교정보디스플레이학과 정규황 중앙대학교광섬유광학연구실

최민혁 한림대학교물리학과 이원준 포항공과대학교전자전기공학과

오현승 한양대학교생체공학과 권기제 포항공과대학교전자전기공학과

나대길 영남대학교물리학과 왕지아첸 한국과학기술연구원광전융합시스템

이요한 서울대학교광공학연구실 서영현 한국과학기술원바이오및뇌공학과

김대진 세종대학교광전자공학과 김창수 한양대학교생체공학전공

안재성 서울대학교물리천문학부 김준영 한양대학교의광학연구실

임현덕 한양대학교생체공학과 이민우 한앙대학교BOP연구실

김동규 세종대학교물리학과 남형수 한양대학교생체공학전공

한국광학회 2013년도 후원사 명단

2013. 7 現■특별회원

회 사 명 우편번호 주 소 HOMEPAGE

㈜한국전광 421-809 경기도부천시오정구삼정동226번지 www.keocvi.com

서울광학산업㈜ 369-841 충북음성군생극면병암리68-1 www.seoulopt.co.kr

㈜이오시스템 404-250 인천시서구가좌동542-7 www.eosystem.com

㈜이오테크닉스 431-803 경기도안양시동안구동안구동편로91(관양동24) www.eotechnics.com

㈜유남옵틱스 467-811 경기도이천시마장면회억리234-2번지 www.yunamoptics.com

코리아스펙트랄프로덕츠㈜ 152-766 서울시구로구구로동212-30에이스트윈타워2차408호 www.spectralproducts.co.kr

밀레니엄옵티칼시스템㈜ 413-874 경기도파주시법원읍삼방리252-5 www.mosrmi.com

에드몬드옵틱스코리아 150-890 서울시영등포구여의도동44-2번지태양빌딩606호 www.edmundoptics.co.kr

㈜L2K플러스 305-500 대전유성구용산동533-1미건테크노월드2-530 www.L2K.kr

전자부품연구원 463-816 경기성남시분당구야탑동68전자부품연구원자료실 www.keti.re.kr

한국광학회 목적사업에 기여하는 개인, 기업체, 단체

가입대상

대 기 업 50만원

중소기업 30만원

2 연 회 비

연간 6회 발행되는 국문지(한국광학회지)와 영문지(Journal of the Optical Society of Korea)와,

연간 4회 발행되는 홍보지(광학과 기술) 등 각종 학술지, 학회 주관 국내외 학술발표회 프로그램과

학회정보를 보내 드립니다.

한국광학회 홍보지(광학과 기술), 동(하)계 학술발표회 논문집 광고비 및 광학기기 전시회비를

10% 할인해 드립니다.

한국광학회 홈페이지 특별회원 리스트에 회사정보를 무료로 등재해 드립니다.

한국광학회에서 주최하는 산학연 간담회 초청장을 보내드립니다..

특별회원 가입시 받는 혜택3

◆◆`특별회원 가입안내`◆◆

1

가입 방법4가입신청서를 작성한 후 e-mail(pdf파일) 및 우편으로 광학회 사무국으로 접수

주소 : (121-815) 서울시 마포구 도화동 560번지 태영데시앙 1610호

TEL : 02)3452-6560 FAX : 02)3452-6563

E-mail : [email protected]

Home Page : http://www.osk.or.kr

카드를 이용한 회비 납부

카드정보(카드번호와 유효기간)로 사무국에서 수기 결제

무통장 입금을 이용한 회비 납부

예 금 주 : (사단)한국광학회 (씨티은행)

계좌번호 : 102-51243-242

안녕하십니까?

1990년 3월 첫 호를 발간한 한국광학회지는 회원 여러분의 관심과 성원에 힘입어 2002년 한국연

구재단의 등재지로 선정되었고 그 이후 현재까지 등재지로 잘 유지되고 있습니다. 2009년 8월호부터

는 영문 abstract를 국문요약과 병행하고, 참고문헌과 figure caption 등은 영어로만 작성하도록 규

정을 개정하였으며, 영문 명칭을 “Hankook Kwanghak Hoeji”에서 “Korean Journal of Optics and

Photonics”로의 변경하는 등, 한국광학회지의 체계를 전체적으로 개편해서 SCIE/Scopus에 등재하기

위한 준비를 진행하고 있습니다.

최근에는 한국광학회 홈페이지(www.osk.or.kr)에서 한국광학회지 논문을 온라인으로 투고할 수 있

도록 논문투고 시스템을 개발하고 있고 이를 통해 투고 및 심사 편의성을 개선하기 위해 노력하고 있

습니다. 이에 따라 논문 투고 및 심사 진행 상황을 웹에서 실시간 파악할 수 있는 시스템이 올 가을부

터는 가동될 것으로 예상하고 있습니다.

학회에서는 회원 여러분의 활발한 한국광학회지 투고를 적극 유치하기 위하여 아래와 같은 서비스를

진행 중이오니 많은 관심과 협조 부탁드립니다.

1. 동계 및 하계 학술대회, 각 분과에서 개최하고 있는 학술대회, 심포지움, 세미나, 워크샵에서

선정된 우수논문을 한국광학회지에 투고해주실 경우 기본적으로 “우선심사제도”를 적용해 투

고에서부터 최종 게재추천까지 한 달 이내에 심사를 완료하는 것을 원칙으로 하고 있고 아울

러 급행심사료와 논문게재료 면제 혜택도 드리고 있습니다.

2. 분과 주최 학술대회의 특집호를 유치, 발간하고 있습니다. 분과의 조직위원회에서 한국광학

회지 특집호를 신청한 경우에는 학술대회 조직위에서 별도의 특별 편집위원회를 구성한 후

자체적으로 심사위원을 선정하고 심사를 진행합니다. 참석하시는 학술대회에 특집호 발간이

예정되어 있는 경우 적극적으로 투고해 주십시오.

3. 각종 연회비 면제 제도를 운영하고 있습니다.

→ 한국광학회지 투고 논문에 한국광학회지 논문 (최근 2년 이내의 논문)을 2개 이상 인용할

시, 저자 중 1명에게 한국광학회 연회비를 면제하여 드리고 있습니다.

→ SCI 급 학술지에 한국광학회지 논문을 1개 이상 (최근 2년 이내의 논문) 인용할 시, 저자

중 1명에게 한국광학회 연회비를 면제하여 드리고 있습니다.

→ SCIE 급 학술지에 한국광학회지 논문을 2개 이상 (최근 2년 이내의 논문) 인용할 시, 저자

중 1명에게 한국광학회 연회비를 면제하여 드리고 있습니다.

한국광학회지가 활성화되고, 조속히 SCIE/Scopus에 등재될 수 있도록 계속 많은 논문투고를 하여

주시기를 거듭 부탁드립니다. 감사합니다.

한국광학회지 편집위원장 고 재 현 드림

한국광학회지(Korean Journal of Optics and Photonics)ISSN 1225-6285

한국광학회지 활성화를 위한 협조 안내문

http://photoconf.org/

November 20 (Wed.) ~ November 22 (Fri.), 2013Phoenix Island, JEJU, KOREA

[Paper submission]September 12(Thu.) ~ October 21(Mon.), 2013

Organized by

OSK / Photonics DivisionKICS / Optical Communication DivisionIEEK / Optical Wave and Quantum Electronics DivisionKIEE / Optical Electronics and E. M. Wave DivisionIEEE / PS Korea ChapterSPIE / Korea Chapter

특집 biophotonics

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