액체렌즈(liquid lens)는 서로 섞이지 않는 두 가지 액체 사이의 경계면을 이용해 빛을 모으거나 분산시키는 광학 렌즈이며, 광음향영상(photoacoustic imaging)은 빛을 받으면 열이 발생되는 원리를 이용해 생체조직의 빛 흡수에 따라 영상 정보를 얻을 수 있는 기술이다.

고정된 형태의 고체렌즈와 달리 액체렌즈는 모양을 자유롭게 바꾸고 초점거리를 쉽게 조절하는 유연성이 있어서 차세대 유망기술로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 기술은 주로 액체렌즈의 두께와 형태를 바꾸기 위해 수용액에 전압이 가해지기 때문에 전기분해의 위험성이 제기된다.

연구팀은 전기가 통하지 않는 절연성 오일의 전기수력학적 유동을 이용해 전기분해의 발생을 막고, 안정적으로 초점을 자유롭게 조절할 수 있는 신개념 액체렌즈를 개발했다.

개발된 액체렌즈는 진동모드와 정적모드의 2가지 방식으로 초점을 조절한다. 액체렌즈에 주파수 1헤르츠(Hz) 이하의 교류전압을 가할 때에는 공진현상에 의해서 초점이 주기적으로 진동하는 진동모드가 된다. 이러한 초점 변화는 두꺼운 3차원 피사체의 영상 정보를 스캔하는 데 적용될 것으로 기대된다.

또한 액체렌즈에 주파수 10헤르츠(Hz) 이상의 교류전압을 가하면 액체-액체 계면이 새롭게 바뀐 위치와 모양 상태를 유지하는 정적모드가 된다. 이때는 초점을 특정 위치로 이동시킬 수 있어 광음향영상 장치에 적용하면 정밀한 생체영상을 획득할 수 있다.

연구팀은 액체렌즈로 살아 있는 쥐의 귀와 뇌의 혈관에 대한 영상을 최초로 획득해 냈다. 또한 액체렌즈 초점과 광음향신호 세기의 연관성을 통해 광음향영상 장치의 초점이 능동적으로 조절될 수 있음을 입증했다.

김동성 교수는 “이 연구는 이중모드 가변초점 액체렌즈를 의료영상 기술에 처음 적용한 사례”라며, “향후 수술 및 영상진단 과정에서 생체조직이나 병변의 고품질 영상을 얻는 데 적용할 수 있고, 나아가 미세 로봇수술 기술과의 융합 등 새로운 산업에도 폭넓게 응용이 가능하다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인‧집단연구)의 지원으로 수행됐으며, 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 분야의 랩온어칩(Lab on a Chip) 12월 7일자에 논문명 ‘ Dual-mode reconfigurable focusing using the interface of aqueous and dielectric liquids’, 김동성 교수(교신저자, 포항공과대학교), 김원경 (주저자, 포항공과대학교), 이창호 교수(공저자, 전남대학교), 김철홍 교수(공저자, 포항공과대학교) 등으로 뒷표지 논문에 게재됐다.