국내 연구진이 세계 최초로 반도체 발광소자를 결합한 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 기반 실시간 라만 분자 진동 영상기술(CARS)을 개발했다. 기존 기술은 암과 같은 생체조직에 형광물질을 사용하여 관찰시간이 제한적인 데 반해 이번 기술은 세포내 표적의 화학적 결합 종류에 따른 특정 영상을 실시간 제공이 가능해 향후 암의 진단이나 신약개발 등에 유용할 것으로 보인다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 세계 최초로 펨토초 레이저를 다이오드 결합 방식으로 제작해 ‘비선형 라만 분자진동 영상기술’을 개발했다고 19일 밝혔다.

외산 기술의 완전 국산화와 동시에 가격을 1/10 수준으로 낮춰 빠른 상용화가 가능할 전망이다.

펨토초 레이저 기반 라만 분자 진동 광학현미경은 1000조분의 1에 해당하는 펨토초 단위로 분자의 움직임을 관찰하는 장비다. 특히 형광물질을 사용하지 않아 관찰시간의 제한이 없고 형질 변화에 따른 부작용이 없다는 점이 큰 장점이다.

그동안 암을 비롯한 각종 질병 진단을 위해 CT와 MRI가 많이 사용되었다. 그러나 CT와 MRI는 비정상적 병변조직이 발병된 이후에 활용한다. 병리학적 진단을 위해선 추가로 염색이 필수적인 광학적인 세포조직검사도 필요했다.

하지만 연구진이 개발한 카스(CARS) 현미경은 병변 이전의 조기진단에 목적이 있다. 또한 염색없이 세포조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 더 작은 특정 분자의 상태 영상을 볼 수 있어 발병 전 활용이 가능하다. 이번 기술이 적용된 현미경으로 샘플을 관찰하면 정상조직인지 암조직인지 쉽게 알 수 있다.

ETRI가 개발한 비선형 분자진동 영상기술은 △다이오드 기반의 펨토초 레이저 기술 △고정밀 광학계 기술 △현미경 자동화 기술 등이 적용됐다.

그동안 외산 CARS 현미경은 성능이 뛰어나지만 두 대의 레이저로 구성돼 가격이 10억원대로 비싸고 책상 두 배 정도로 크다는 단점이 있었다.

연구진은 수백만원대의 레이저 기술 개발로 상용화 가격을 10% 이내로 현저히 낮추고 레이저도 한 대로 해결해 크기를 기존 절반 이하로 줄였다. 상용화 시, 노트북 두 배 정도의 크기로 줄일 수 있다고 설명했다. 또한 이 영상기술은 향후 내시경으로도 전환 준비중이다.

연구진은 레이저 출력도 기존 실험실 수준(200mW)에서 1W로 5배 끌어올려 성능을 세계적 수준으로 유지하는 등 6개월내 상용화 가능성을 높였다.

이 영상기술은 1024 x 1024 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임 스캔 속도를 나타냈다. 외산 기술보다 4배 더 높은 해상도와 최대 4배 가까이 영상해석이 빠르다. 1초에 7.5장의 영상송출이 가능해 실시간 샘플을 즉시 볼 수 있고 끊김 없는 영상분석이 가능한 수준이다.

또한 외산 장비에서 적용한 갈바노-갈바노 스캔 거울보다 더욱 빠른 공진-갈바노 스캔 거울을 사용해 세계에서 가장 빠른 라만 분자 진동 영상 획득시간을 구현했다.

ETRI 진단치료기연구실 송동훈 박사는 “저비용의 펨토초 레이저 한 대로 비선형 라만 분자 진동 영상을 구현함으로써 기존 라만 영상 획득시간의 한계를 극복해 실시간 구현 및 제작비용 절감으로 상용화에 근접했다”고 말했다.

충남대학교병원 병리과 여민경 교수는 “ETRI가 개발한 기술은 종양의 조기진단에 유용할 뿐만 아니라 질환의 원인 분석, 신약 분석 등 다양한 의료현장에 활용되어 미래 의료서비스의 질을 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. ETRI는 이번 기술과 관련해 국내·외 다수의 특허를 출원했고 라만 분자 진동 영상기술은 옵틱스 익스프레스(Optics Express) 저널에 최근 게재됐다. 펨토초 레이저 기술은 2021년 같은 저널에 실린바 있다.

연구원은 기술사업화를 위해 ETRI 연구소기업인 블루타일랩에 2022년 기술출자를 진행했다. 블루타일랩은 프리유니콘(pre-unicorn)기업으로 지정돼 연구부서 및 중소기업사업화본부의 성장지원을 받아 수년내 기업공개(IPO)를 목표로 하고 있다.