초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종 목표는 "엑스선 기능 영상" 이라는 새로운 패러다임의 엑스선영상기술을 개발하는 것이다. 엑스선 기능영상은 엑스선과 물질의 다양한 상호작용(흡수, 회절, 굴절, 형광 등)을 통합하여 in-situ 또는 실시간으로 물질의 총체적 3차원 정보를 영상화하고 분석하는 기술로 정의한다. 본 연구의 목표는 “엑스선 기능영상” 기술을 체계적으로 개발하고, 그 기반이 되는 물리 및 화학적 특성을 규명하며, 이를 나노소재 및 생의학 분야에 응용하는 것이다.
최근 과학기술계의 혁신적인 하나의 큰 연구흐름

연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종 목표는 "엑스선 기능 영상" 이라는 새로운 패러다임의 엑스선영상기술을 개발하는 것이다. 엑스선 기능영상은 엑스선과 물질의 다양한 상호작용(흡수, 회절, 굴절, 형광 등)을 통합하여 in-situ 또는 실시간으로 물질의 총체적 3차원 정보를 영상화하고 분석하는 기술로 정의한다. 본 연구의 목표는 “엑스선 기능영상” 기술을 체계적으로 개발하고, 그 기반이 되는 물리 및 화학적 특성을 규명하며, 이를 나노소재 및 생의학 분야에 응용하는 것이다.
최근 과학기술계의 혁신적인 하나의 큰 연구흐름은 원자 개개 단위를 조작하는 나노 기술과 이를 생명공학과 접목시키는 나노-생명융합기술을 개발하는 것이다. 여기에서 가장 기본적인 문제 중의 하나는 물질 내부의 나노 구조에 대한 총체적 정보를 in-situ 및 3차원적으로 탐색, 획득하는 것이다. 본 연구에서는 기존의 단일파장 대신 넓은 띠(broad band) 엑스선을 이용하여, 각 광학현상에 대한 파장의 선택성으로 인해, 다양한 광학현상(흡수, 회절, 굴절, 형광 등)에 의한 영상화를 동시적 및 융합적으로 얻고자 한다. 다른 한편, 엑스선영상화에 있어서 가장 중요한 요소는 콘트라스트(contrast)이다. 특히 경엑스선의 경우, 위상차가 흡수작용보다 콘트라스트 향상에 크게 기여할 수 있다. 따라서 기존의 흡수원리와는 완전히 다른 개념으로 위상차효과를 강화시키면 엑스선영상의 콘트라스트 향상이 가능하며, 매우 효과적일 것이다. 따라서 본 연구가 해결하고자 하는 핵심 연구 내용은 다음과 같이 요약된다. 엑스선 기능영상 기술 개발에 있어서 1) 넓은 띠 엑스선에 의한 다양한 광학현상의 물리/화학적 특성을 규명하여, 동시적, 융합적 영상화 기술을 개발하고, 2) 위상차효과 및 강화 기술을 개발하며, 나아가, 3) 나노소재 및 생의학영상 분야에 응용하고자 한다.

연구결과
본 연구에서 독보적인 엑스선 영상 원천기술들을 [투과/회절 통합 영상(밝은장 엑스선 영상), 초고속(~μs) 엑스선 영상 , 초속의 실시간 3차원 엑스선 영상 , 나노(~30 nm) 엑스선 영상 , Tracking X선 영상, 제작 및 분석 통합 시스템]을 체계적으로 확립하였다. 이를 통해 기초물리 및 생명과학에 응용하여 기존까지 밝혀지지 않은 문제를 풀어왔다. 대표적으로 연체물리에서 기존에 알려져 있지 않은 물리현상 1) 엑스선 조사에 따른 물의 표면장력 감소현상, 2) 기포에 의한 에어로졸 발생 기작, 3) 역 커피링 얼룩효과 존재, 4) 연체 젖음 현상에서 wetting ridge 형성 원리)등을 최초로 규명하였다. 또한 생의학 분야에서는 생체 내부에서 발생하는 동적 현상 및 질병 원인 규명 연구를 획기적인 비파괴 방식의 생체 미세구조 고해상 3차원 영상화를 통해 최초로 성공하였다. 더불어 나노소재 연구를 통하여 고분자 나노선을 3차원으로 제작하는 기술을 세계 최초로 개발하여, 다양한 새로운 광/광전자 나노소자 제작, 집적 연구의 초석이 될 것이라 기대된다.

연구결과의 활용계획
본 기술은 지금까지 탐색이 어려웠던 물리, 화학, 생물 분야의 복잡한 구조나 현상을 규명하고, 나아가 신소재 및 생의학 분야에서 역동적인 현상을 정밀하게 제어함으로써 나노/생명과학 원천기술을 확립하는데 크게 기여할 것이다. 물질내부의 마이크로 및 나노현상을 실시간/종합적으로 영상화하여, 궁극적으로 마이크로 및 나노 현상을 정확히 이해하고 제어하는 원천기술을 선점하고, 이를 기반으로 반도체 및 신소재산업 제 분야에서 파생원천기술개발이 가능할 것이다. 또한 엑스선 기능영상기법을 생의학에 적용하여 질환 메커니즘 규명을 통한 새로운 질환 치료 방법 개발, 암세포 검출 및 치료가 가능한 의료소자 개발 등 생의학산업 분야에서의 파생 원천기술 개발도 가능할 것이다.

Abstract ▼

Purpose & contents
The objective of this program is to create and activate a new paradigm of x-ray imaging technology, functional x-ray imaging, which images and characterizes nanometric, dynamic, and systematic behaviors of internal structure of matter by synchronizing and integrating physical a

Purpose & contents
The objective of this program is to create and activate a new paradigm of x-ray imaging technology, functional x-ray imaging, which images and characterizes nanometric, dynamic, and systematic behaviors of internal structure of matter by synchronizing and integrating physical and chemical information through various interactions of broad band x-rays with matter.
The capability to image and characterize internal nanostructure of matter is without any doubt one of the most vital requirements to advance nanotechnology (NT), biotechnology (BT), or the interdisciplinary domains of NT-BT. The central idea in this program is to apply broad band x-rays instead of typical monochromatic x-rays in order to utilize their various interactions with matter (diffraction, refraction, transmission, fluorescence, etc.) simultaneously and systematically for complete understanding of physical and chemical information of nanostructure. This idea is in sharp contrast with other approaches by world-leading groups, where the x-ray imaging contrast is mostly based on using monochromatic x-rays, showing fundamental limitations to a complete achievement of in-situ, 3-dimensional, or real time information in nanometer scales. To overcome the limitations and develop functional x-ray imaging, three major subjects will be carried out; i) the establishment of new imaging principles by synchronizing and integrating physical and chemical information through various interactions between broad band x-rays and matter, ii) the phase contrast enhancement by developing phase contrast agents such as microbubbles, quantum dots, etc, and iii) the application of the new x-ray imaging principles to the development of new nanomaterials and biomedical imaging.

Result
This program, original core technologies of X-ray imaging are successfully germinated. Based on the techniques, we have elucidated unsolved fundamental problems in basic physics and life science fields. Representatively, unknown physics in soft matter are first discovered. Moreover, in biomedical field, in-vivo dynamics and cause of diseases in live organ is successfully ascertained using an innovative and nondestructive high resolution 3D imaging. Furthermore, new technology for integration of various nanodevices in photonics or photoelectronics was developed based on a 3-D direct writing of individual nanowires.

Expected Contribution
This program, if successfully developed, will germinate the original core technologies in both basic and applied sciences such as materials science, physics, chemistry, biology, electronics, chemical engineering, and biomedical engineering by revealing complex nanostructures and phenomena. In particular, the original technologies to be achieved by the functional x-ray imaging will open the ways to the developments of new nano devices for advanced materials or new biomedical devices for both diagnosis and therapy in main vascular or cancerous diseases, which would contribute to a basic technology for national future economic growth