안녕하세요. 저는 KAIST 바이오및뇌공학과 장무석 교수님 연구실에서 박사과정 중인 이충형입니다. 주요 연구 분야는 생체 시스템에서의 빛의 산란을 극복하기 위한 기술 , 메타표면 기반 광학 기술, 그리고 계산 광학 기술을 활용한 광학 이미징입니다. 이번에 ‘이달의 학과 연구 성과’로 제 연구를 소개할 수 있게 되어 진심으로 감사드리며, 매우 기쁘게 생각합니다.

 

Q2. 올 2 월 Journal of Physics, Photonics 에 게재하신 ‘Monte Carlo simulation of interferometric measurement and wavefront shaping under influence of shot noise and camera noise’ 논문에 대해 간단한 소개 부탁드립니다.

이번 논문은 일반적인 연구 논문이라기보다는, Journal of Physics: Photonics의 Focus Issue on Foundational Skills and Tools for Building Wavefront Shaping Systems 특집호의 취지에 맞춰 튜토리얼 형식으로 작성된 논문입니다. 새로운 결과 발표보다는, 실제 wavefront shaping 실험에서 마주치는 노이즈를 모델링하고 이를 실용적인 기준으로 해석해 제시하는 데 중점을 두었습니다

 

구체적으로는 간섭계를 기반으로 한 파면 측정 과정에서, shot noise와 이미지 센서의 다양한 카메라 노이즈가 wavefront shaping 성능에 미치는 영향을 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석하였습니다.또한 “카메라의 노이즈 성능은 어느 수준까지 확보되어야 할까?”, “wavefront shaping 실험의 정밀도를 결정짓는 핵심 요소는 무엇일까?”, “현재 구성된 시스템으로 기대할 수 있는 최대 초점 대 배경 비율은 어느 정도일까?” 등 실험자들이 실제로 마주하는 질문들에 대해 수치 기반의 해답을 제공하고자 하였습니다. 해당 시뮬레이터는 오픈소스로 배포되고 있으며 향후 다양한 wavefront shaping 설계 및 최적화에 활용될 수 있는 기반을 마련하고자 한 것이 이 논문의 핵심 목적입니다.

 

Q3. Interferometric measurement 와 Wavefront shaping 은 저에게는 생소한 단어들이기도 한데요. 어떤 기술이고, 어떤 것들을 해 낼 수 있는 기술인가요?

빛은 파동의 성질을 갖고 있어 ‘파면(wavefront)’이라는 개념으로 표현할 수 있습니다. 파면이란 같은 위상(진동 타이밍)을 가진 지점들을 연결한 면으로, 빛이 물체를 통과하거나 반사되면 이 파면의 모양이 바뀌게 됩니다. 마치 파도가 바위에 부딪히면 물결이 왜곡되듯, 빛도 굴절면이나 산란체를 지나면서 파면이 왜곡됩니다.

 

여기서 ‘위상(phase)’은 빛이 얼마나 일찍 혹은 늦게 도달했는지를 나타내는 정보로, 빛이 어떤 경로를 따라 얼마나 이동했는지를 간접적으로 알려줍니다. 예를 들어 두 개의 파도가 같은 지점에서 출발했더라도, 경로가 달라지면 도착 시점의 어긋남이 생기고, 이 어긋난 정도가 위상입니다.

 

Wavefront shaping은 이렇게 왜곡된 파면을 보정해 빛이 다시 원하는 위치로 정확히 도달하도록 제어하는 기술입니다. 예를 들어 생체조직처럼 복잡한 매질에서는 빛이 여러 번 산란되며 방향을 잃게 되어 초점을 형성하지 못합니다. 이는 마치 안개 속에서 자동차 라이트가 퍼져 시야가 흐려지는 것과 비슷합니다. Wavefront shaping은 이런 흐트러진 빛을 다시 정렬해 조직 내부에도 선명한 초점을 형성하고 원래의 정보를 복원할 수 있게 해주는 기술입니다.

 

이 기술을 구현하려면 정밀한 위상 측정이 필요하며, 이를 위해 간섭계를 이용한 측정 방식(interferometry-based phase measurement)이 활용됩니다. 일반 카메라는 빛의 밝기만 측정할 수 있지만, 두 빛의 위상 차이에 따라 밝기가 달라지는 간섭 현상을 이용하면 위상을 간접적으로 계산할 수 있습니다. 본 논문에서는 4단계 위상 이동 간섭법을 사용해 참조광의 위상을 변화시키며 4장의 간섭 이미지를 촬영하고, 각 화소의 위상을 수학적으로 복원합니다.

 

이렇게 얻은 위상 정보를 바탕으로 wavefront shaping을 적용하면, 빛을 산란 이후에도 다시 초점에 정확히 모을 수 있으며, 이는 조직 깊은 곳을 관찰하거나 특정 뉴런을 자극하는 비침습 광학 기술(optogenetics) 등 다양한 생체광학 응용에 활용될 수 있습니다.

<다양한 형태의 wavefront shaping 사례>

Q4. 연구는 앞서 설명해 주신 광학 기술을 구현할 때, 각종 Noise 가 어떻게 영향을 주는지에 관한 것으로 이해되었는데요. 이 연구를 진행하게 되신 계기가 있을까요?

Wavefront shaping 실험에서는 정확한 파면 측정이 핵심인데, 실제 실험에서는 다양한 노이즈가 복합적으로 작용해 성능을 떨어뜨립니다. 특히 카메라의 read-out noise, 디지털화 과정에서의 양자화 오류 등 다양한 노이즈가 복합적으로 작용하는 경우 수식적으로 예측하기 어려워, 많은 실험자들이 지금까지는 시행착오에 의존해 설정을 조정해 왔습니다.

 

이러한 배경에서, 실험자가 현실적인 조건에서 직면하는 노이즈 문제를 정량적으로 예측하고 성능을 사전에 평가할 수 있는 도구가 필요하다는 문제의식이 본 연구의 출발점이었습니다. 복잡한 실험에서는 이론 해석이 어려운 경우가 많기 때문에, Monte Carlo 기반의 수치적 접근이 신뢰도 높은 대안이 될 수 있다고 판단했습니다.

 

Q5. 앞으로 이론적 분석을 뒷받침하는 실험적 검증을 하실 계획도 가지고 계신지도 궁금합니다.

네, 그렇습니다. 사실 본 시뮬레이션에서 제시한 분석 결과는 이미 “Optical Phase Conjugation with Less Than a Photon per Degree of Freedom”, PRL 118 (9), 2017 에서 직접 실험적으로 검증된 바 있습니다. 해당 실험은 상용 sCMOS 카메라를 사용한 극한 저광량 조건에서 수행되었고, 이는 본 논문에서 모델링한 노이즈 환경과 매우 유사합니다. 앞으로는 복잡한 wavefront shaping 시나리오에서도 실험과의 비교를 통해 시뮬레이터를 더욱 확장하고, 다양한 하드웨어 조건을 반영해 현장 적용성을 높이는 방향으로 발전시켜 나갈 계획입니다.

 

Q6. 이번 연구가 바이오 광학 분야에서 갖는 의의가 있다면 어떤 것이 있을까요? 앞으로의 광학기술 발전에 어떤 영향을 줄 수 있는지 궁금합니다.

본 연구는 wavefront shaping 실험에서 참조광 세기, 카메라 사양, 광자 수에 따른 성능을 사전에 예측할 수 있도록 하여, 생체조직처럼 동적인 산란 환경에서도 실험 설계와 하드웨어 선택에 실질적인 가이드를 제공합니다. 특히 고비트 영상의 전송 시간이 전체 wavefront shaping 과정에서 큰 병목으로 작용하는 현실을 고려할 때, 속도 개선 측면에서 유용하게 사용 될 수 있습니다. 이 도구는 오픈소스로 배포되어 있으며, 전송 행렬 기반 다중 모드 제어나 이미지 전송 등 다양한 wavefront shaping 실험에 손쉽게 확장 가능해 교육과 연구 전반에 폭넓게 활용될 수 있습니다.

 

Q7. 연구를 진행하시는 과정과 논문을 작성하는 과정에서 가장 도전적으로 다가왔던 부분은 무엇이었나요? 또한 그런 문제를 어떻게 해결하셨나요?

 

해당 논문은 단순히 새로운 결과를 제시하는 일반적인 연구 논문이라기보다는, 실제 실험자가 직면하는 문제를 수치적으로 해석하고 가이드라인으로 제시하는 데 중점을 둔 튜토리얼 형식의 논문입니다.그만큼 wavefront shaping 실험에서 흔히 마주치는 노이즈를 이론적으로 모델링하고, 그 결과를 다양한 변수에 따라 분석한 뒤, 실험자가 실제로 참고할 수 있는 형태의 실용적인 가이드라인으로 정리하는 과정이 가장 도전적이었습니다.

 

특히 변수 간 상호작용이 복잡한 그래프들을 해석하고, 이를 어떤 식으로 전달하면 실험자에게 실질적인 도움이 될 수 있을지를 고민하는 데 시간이 많이 들었습니다. 이 과정에서는 지도교수님과 함께 실험 경험이 풍부한 연구자들과 지속적으로 피드백을 주고받으며, 실제 실험 조건과 맞닿아 있는지에 대한 현장감 있는 감각을 갖추는 것이 큰 도움이 되었습니다.

 

Q8. 이 논문의 저자로 지도교수님을 포함하여 4 명이 참여한 것으로 되어있는데, 함께 연구를 하는 경험은 어떠하셨나요?

저는 학부 전공이 KAIST 물리학과여서, 이론적인 모델링과 수치 시뮬레이션에 흥미를 가지고 연구를 진행해 왔습니다. 함께 저자로 참여한 두 분은 생체조직 내 광학 이미징 분야에서 풍부한 실험 경험을 갖춘 연구자들이고, 지도교수님 또한 생체 내 산란 문제를 다루는 이론과 실험 모두에 정통한 전문가이십니다.

 

서로의 전공과 강점이 뚜렷하게 다른 만큼, 하나의 문제를 다양한 관점에서 해석하고 통합해 나가는 과정이 매우 흥미롭고 배움이 많았습니다. 서로 다른 의견을 조율하며 논문의 방향을 함께 잡아가는 경험은 개인적으로도 큰 의미가 있었고, 결과적으로 논문이 더욱 실용적이고 균형 잡힌 형태로 완성될 수 있었던 원동력이 되었다고 생각합니다.

 

Q9. 현재는 어떤 연구를 진행하고 계시는지, 혹은 어떤 연구를 더 해보고 싶으신 지 궁금합니다.

현재는 빛의 위상 정보를 활용한 위상 이미징 기술을 연구하고 있습니다. 위상은 세기 정보만으로는 보기 어려운 세포나 미세 구조의 굴절률 차이를 화학 염색 없이도 높은 대비로 관찰할 수 있게 해줍니다.

최근 저희 연구실에서는 메타표면을 이용한 Shack–Hartmann 파면 센서를 개발해, 기존보다 약 100배 높은 공간 해상도로 복잡한 위상 구조를 정밀하게 측정하는데 성공했습니다. 앞으로는 이를 기반으로 초소형·고기능 파면 센서 개발에 집중할 계획입니다.

 

 

Q10. 앞으로 남은 박사과정동안 이루고 싶은 일이 있으시다면, 독자분들께 나누어 주시면 감사하겠습니다. 그리고, 이제 막 대학원 과정을 시작하는 신입생 혹은 학위 과정 중인 후배들에게 선배로써 조언 부탁드립니다.

학부 시절에는 성적과 같은 단기적인 성과가 중심이 되었고, 이는 대부분 외부에서 정해 놓은 평가 기준에 의존하는 것이었습니다. 반면, 박사과정은 마라톤처럼 자신의 연구가 어떤 의미를 가지는지 스스로 판단하고, 격려하며 나아가는 스스로의 기준에 의존하는 것임을  점점 더 실감하고 있습니다. 저는 지도교수님과 동료 연구자들로부터 학문적으로나 생활적으로 많은 도움을 받았고, 앞으로는 저 역시 좋은 동료로서 함께 연구를 꾸려가는 사람이 되고 싶습니다.

남은 박사과정 동안에는 독창성 있는 연구를 통해 의미 있는 논문을 쓰고 이를 바탕으로 학회 발표도 해보고 싶습니다. 특히 좋은 연구 결과는 단기간에 얻어지는 것이 아니라, 매년의 작은 성과들이 차곡차곡 쌓여야 가능하다는 점을 최근에서야 실감하고 있습니다. 후배 여러분들도 자신만의 속도와 방향을 믿고, 좋은 동료들과 함께 성장해 나가는 과정이 되시기를 응원합니다.