광음향 효과

1. 본문

광음향 효과(Photoacoustic effect)는 물질이 빛 에너지를 흡수하여 열팽창을 일으키고, 이로 인해 음향 신호(음파)가 발생하는 현상입니다. 1880년 알렉산더 그레이엄 벨에 의해 처음 발견되었습니다.
광음향 효과의 원리:1. 빛 흡수: 물질이 특정 주파수의 빛을 흡수하면, 물질 내의 분자나 원자가 에너지를 얻어 들뜬 상태가 됩니다.

2. 열 발생: 들뜬 상태의 분자나 원자는 빠르게 안정된 상태로 돌아가면서 흡수했던 에너지를 열 형태로 방출합니다.

3. 열팽창: 물질 내에서 발생한 열은 물질의 온도를 높이고, 이로 인해 물질이 팽창합니다.

4. 음향 신호 발생: 빛의 강도가 주기적으로 변하거나(변조된 빛) 단일 펄스 형태로 주어지면, 물질의 팽창과 수축이 반복되면서 주변 매질(기체, 액체, 고체)에 압력 변화를 일으키고, 이것이 음파(음향 신호)로 전달됩니다.

5. 신호 감지: 마이크나 압전 센서와 같은 감지기를 사용하여 음향 신호를 측정하고, 이를 전기적 신호(전류 또는 전압)로 변환합니다. 이 전기 신호의 시간 변화가 광음향 신호입니다.
광음향 효과의 활용:

• 광음향 분광학 (Photoacoustic spectroscopy, PAS): 시료의 광 흡수 특성을 분석하는 데 사용됩니다. 일반적인 분광법으로 측정하기 어려운 불투명하거나 빛을 약하게 흡수하는 물질, 분말, 무정형 고체 등의 분석에 유용합니다.
• 의료 영상 (Medical Imaging): 특히 암 진단 분야에서 활발하게 연구되고 있습니다.
• 광음향 영상 기술: 초음파 영상과 유사한 공간 해상도와 실시간 영상을 제공하며, 병변 조직에 대한 높은 대조도를 제공합니다.
• 암 진단: 헤모글로빈, 멜라닌, 조영제 등 특정 물질이 빛을 흡수하는 정도의 차이를 이용하여 암 조직을 구별하고, 조기 진단에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 유방암 진단에 유용한 미세 석회화 조직의 광음향 신호를 측정하거나, 췌장암 조기 진단을 위한 분자 영상 시스템 개발에 응용됩니다.
• 혈당 측정: (2024-04-21) 바늘 없이 혈당을 측정하는 기술로도 연구되고 있습니다. 피부 아래 간질액에 레이저를 쏘아 포도당의 부피 변화로 발생하는 초음파를 감지하여 포도당 농도를 측정합니다.
• 광합성 연구: 광합성 과정에서 발생하는 열과 전기장의 변화를 측정하여 광화학 반응을 연구하는 데 사용됩니다.
• 비파괴 검사: 재료의 결함이나 특성을 파괴하지 않고 분석하는 데 활용됩니다.