음향홀로그램 집게, Holographic Acoustic Tweezers -(1)

1. 참조

“소리의 힘” 초음파 이용해 물체 공중 부양·운반. MBC 뉴스

이번 글에서 분석할 논문은 다음과 같습니다:

 

Marzo, A., & Drinkwater, B. W. (2018). Holographic acoustic tweezers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(1), 84–89. https://doi.org/10.1073/pnas.1813047115

물체를 공기 중에 띄우고 조작하는 음향홀로그램 집게(이하 음향 집게)에 관해 기초적인 내용을 잘 정리한 논문입니다. 음향 집게에 관해 여러 논문을 소개할 것인데, 첫 논문입니다. 해당 논문의 초록과 significance를 읽어보며 연구의 발단을 정리합니다. 이후 음향 홀로그램을 구현하기 위한 이론을 공부하게 되는데, 적어도 고등학교 수준의 수학은 할 줄 아는 게 좋습니다.

 

이하 논문 내용은 '-이다'와 같은 문체로 정리합니다.

 

2. 초록

음향 집게(Holographic Acoustic Tweezers, HAT)는 음파로 물질을 접촉 없이 제어하기 위한 기술이다. 물질을 '집는' 힘, 혹은 공간상의 특정 지점에 물체를 '가두는' 힘(trappin foces)이 유사한 기술인 광학홀로그램 집게(Holographic Optical Tweezers, HOT)보다 강하여, μm~cm 단위(scale)의 큰 물체를 조작할 수 있는 것이 특성이다. (HOT는 nm~μm 단위의 입자를 다루므로 HAT는 이보다 1천배 이상 큰 입자의 조작이 가능하다.) HOT는 1986년 개발되어 다수의 입자를 독립적으로 공간상에서 조작할 수 있는 기술을 제공하였고, 이는 3차원 미세구조의 조립 및 연성물질(응집물질물리) 조사에 이용되고 있다. 21세기에는 HAT가 개발되고 있다.

해당 논문에서는 40kHz 초음파 발생기 256개의 나열(array, 16x16 격자형)을 이용해 최대 25개의 mm 단위 입자를 동시에 조작하였다. 또한 초음파 발생 array가 Nyquist 표본화(sampling)를 만족하고 π/8 라디안 이하의 음파 방출 위상 분리(emmission phase discretization)가 이루어질 때 집게의 물체를 가두는 힘이 최고가 됨을 보이고 있다. 

HAT는 더 큰 물체를 조작한다는 고유의 특성을 유지하며  파장의 측면에서 HOT와 비슷한 조작능력을 가진다. 따라서 공중에 복셀(voxel, 3차원 픽셀)을 띄우는 발전된 3차원 디스플레이 기술이나 의생명 분야에 연관된 마이크로미터 단위의 조립 기술에의 적용을 기대할 수 있다.

 

Nyquist sampling과 emmission phase discretization은 결론을 다루는 이후 글에서 자세히 설명한다.

 

3. HOT와 컴퓨터 생성 홀로그램의 발전

HOT의 작동원리 [3]

HOT는 매우 집중된 레이저 광선으로 nm~μm 단위의 미세 입자 및 원자를 비접촉 조작하는 기술로 HAT와 매우 유사하다. 미세 입자는 유체 속에서 불규칙한 운동 브라운 운동을 하는데, 미세 입자의 브라운 운동은 레이저의 세기 그래디언트(Intensity Gradient) 변화와 운동량인해  전달 등으로 집중된 레이저의 초점 영역(focal region)근처에 한정된다. [2] HOT가 물체를 잡아두는 힘은 조작하려는 입자 크기에 따라 크게 두 가지 모델로 기술되는데, 마이크로미터 단위의 물체에 대해서는 기하광학 모델 (ray optics model) 이, 나노미터 단위의 물질에 대해서는 레일리 모델(Rayleigh model)을 이용한다.

2018 노벨 물리학상 수상자이자 HOT의 개발자인 애슈킨은 심각한 손상 없이 광학 조작으로 세포 등을 생명 환경 또는 용액 내에서 조작할 수 있다는 것을 증명하는 등 의생명 분야에서의 활용이 두드러진다. 1990년대에 여러 물체의 동시 조작을 성공시키기 위해 여러 기술이 제안되었지만 모두 다수의 물체를 3차원에서 역동적으로 움직이는 데에는 실패하였다. 이 같은 과제의 해결을 위해 21세기 들어 대두되고 있는 기술이 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)인데, CGH는 진폭과 위상 데이터 등을 포함하며 대상 영역에 설계된 파동 장을 도출할 수 있다.  이 같은 기술로 다수 물체의 원활한 3D 조작이 달성되었다. 

 

4. 연구의 중요성

HOT는 물체와 접촉 없이 물체를 특정 위치에 가두는 기술로  DNA의 용수철 상수를 측정하거나, 키네신의 장력을 측정하는 등의 과제에 이용되고 있다. HAT는 HOT와는 다르게 더 큰 scale에서 물체를 가둘 수 있다. 선행된 연구들이 소리로 여러 물체를 조작하기는 하였으나 각각을 개별적으로 조정한 것은 아니다. 이 연구는 초음파 스피커의 array로 생성된 음파 장에서 여러 물체의 개별적 동시 조작을 실현했다. 이는  μm~cm 단위에서의 비접촉 조립 과정 및 허공 디스플레이 기술의 개발을 가능하게 하는 기술이다.

 

참고문헌

[1] Marzo, A., & Drinkwater, B. W. (2018). Holographic acoustic tweezers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(1), 84–89. https://doi.org/10.1073/pnas.1813047115

[2] Chen, H.-C., & Cheng, C.-J. (2022). Holographic optical tweezers: Techniques and biomedical applications. Applied Sciences, 12(20), 10244. https://doi.org/10.3390/app122010244

[3]

Curran, A., Lee, M. P., Padgett, M. J., Cooper, J. M., & Di Leonardo, R. (2012). Partial synchronization of stochastic oscillators through hydrodynamic coupling. Physical Review Letters, 108(24). https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.240601