'레이저광 의료기기 산업의 이해'라는 타이틀로 작성했던 보고서 내용
내안의 통찰을 끄집어 낸 것은 아니고 양질의 최신 보고서들을 바탕으로 내용을 정리한 것 (이하 원문, PC에서 더 잘 읽힘)
레이저광 의료기기 산업의 이해
김태훈(대구가톨릭대 의공학과)
1. 산업적 측면
◇ 의료용 레이저는 경기에 다소 민감 → 의료용 레이저 대다수가 선택적 수술에 기인하기 때문 (시력교정술, 피부미용시술 등)
◇ 의료용 레이저 기기의 전 세계 시장은 2010년 27억 달러, 2011년에 30억 달러, 향후 5년간 17.3%의 연평균 성장률(CAGR)로 2016년에 68억 달러 이상 성장할 전망
◇ 아시아 태평양 지역 + 중동 + 라틴아메리카 지역은 2010년 글로벌 의료용 레이저 시장의 23.6%를 차지, 향후 5년간 18.7%의 연평균 성장률로 2016년에 약 13억 달로 성장할 전망
◇ 국내 의료용 레이저 시스템의 시장규모는 2003년 342억 원에서 2007년 538억 원에 이르러 연평균 12% 수준의 성장률, 그러나 국내 수요의 대부분을 수입에 의존하고 있는 실정 (수입의존율 70%이상)
◇ 레이저광의료기기의 세계시장은 현재 안과, 수술용, 피부미용 시장이 대부분을 차지, 그러나 2016년에는 안과용 레이저기기 시장의 급격한 성장과 치과 및 수의학용 레이저기기의 큰 성장이 예상
◇ 최근에는 미용-성형 전문으로 알려져 있는 의료용 레이저 시장이 비 미용전문의인 가정의학과, 산부인과, 비뇨기과 등으로 확산. 가까운 미래에는 의사가 아닌 피부 미용사나 약사들도 의료용 레이저 사용이 가능할 것으로 예상 → 경기 민감성 둔화
2. 이론적 측면
◇ 레이저 빛이 가지는 세 가지 특성
· Monochromatic: 단일파장(단색광) · Coherent: 우수한 결맞음성(파동의 공간적 퍼짐이 균일하고 위상이 동일) · Collimated: 우수한 직진성(빔의 분산이 제한적) |
◇ 레이저 빔이 조직에 닿으면 투과, 산란, 반사, 흡수가 일어남
◇ 생물학적 효과를 발휘하기 위해서 레이저 빛은 반드시 조직에 흡수되어야 함
◇ 조직이 레이저 광선을 흡수하는 정도는 조직 구성성분을 이루는 분자의 고유진동수와 입사하는 레이저 광선의 진동수가 일치하는 정도에 의해 결정
◇ 특정 파장(색)의 빛과 진동수가 일치하여 효율적으로 빛을 흡수하는 조직을 색소포(chromophore)라 함
· 내생 색소포(endogenous chromophore): 세포 내에서 자연적으로 생성 · 외생 색소포(exogenous chromophore): 치료의 목적으로 생체외부에서 유입 |
◇ 광선 효과를 최대한으로 끌어올리기 위해서는 목적하는 질환과 관련된 색소포의 분포와 그와 관련된 광선의 파장 선택이 중요
예) 망막의 일부분이 맥락막과 유리된 경우, 눈을 통하여 조사된 아르곤 레이저 빛은 렌즈와 유리체에서는 흡수되지 않고 통과되어 망막이 유리된 부분에 집속되어 열적 응고를 일으켜 떨어진 부분을 붙게 할 수 있다.
표 1. 피부조직 내 색소포의 종류 및 광 흡수 파장
내생 색소포 | 파장(nm) | 외생 색소포 | 파장(nm) |
Nucleic acid | 260-280 | Psoralens | 340-370 |
Protein | 280-300 | India ink | 400-800 |
Hemoglobin | 400, 542, 554, 576 | Indocyanine green | 805 |
Melanin | 400-800 | Porphyrins | 400, 630 |
Water | 1400-10000 | Chlorins | 650-690 |
Lipid | 900-1400 | Bacteriochlorins | 720-780 |
Flavins | 420-500 | Phthalocyanines | 670-740 |
Porphyrins | 400, 630 | Methylene blue | 660 |
Cytochrome | 620-900 | Rose bengal | 540 |
출처: RAND(2003, p21)
◇ 파장은 또한 투과 깊이를 결정, 파장이 짧아질수록 산란이 더 많이 일어나 투과 깊이가 제한
그림 1. 광원의 파장에 따른 피부 투과 깊이
출처: B.W. Pogue et al. 1997
◇ 조직과 빛의 상호작용 효과는 광원의 파장, 조사량, 세기, 조사시간, 광 조사방법(연속 광 또는 펄스 광) 등 다양한 변수에 의존
◇ 대표적인 상호작용 메커니즘
- 광열작용(photothermal effect): 색소포에 빛이 흡수되는 경우 전자의 에너지 준위 변화와 분자의 진동에 변화를 주어 열이 발생, 매우 짧은 펄스 레이저 조사시 조직의 국소 부위에 순간적인 온도 상승을 야기할 수 있고 주위 조직으로의 온도 확산을 최소화 가능, 이러한 현상을 'thermal confinement‘라 함
그림 2. 온도 증가에 따른 조직의 변성
또한, 조직의 크기에 따라 흡수한 열을 방출하는 시간(TRT: thermal relaxation time)이 달라지는데 이를 이용하여 치료 부위에 따라 레이저 광선의 파장과 조사시간 결정
표 2. 일반적인 레이저 치료 분류
Treatment | Target | Size | TRT | Types of Lasers & Fluence |
Pigmented Lesions | Melanin | 1-10 um | 10-100 ns | Q-Switched YAG(1064 nm) 2-6 J/cm2 |
Hair Removal | Melanin in hair shaft | 1 mm | -10 ms | Ruby(694 nm), Alexandrite(755 nm) 20-30 J/cm2 |
Tattoo | Ink particle | 1-10 um | 10-100 ns | Q-switched YAG(1064 nm) 4-6 J/cm2 |
Skin Resurfacing | Water in tissue | 50-100 um | 1 ms | CO2(10.6 um), Er:YAG(2.9 um) 4-6 J/cm2 |
Vascular Lesions | Hemoglobin | 0.1-1 mm | 1-25 ms | Frequency doubled YAG(532 nm), CuBr(579 nm) |
출처: 김영식(2010)
- 광화학작용(photochemical effect): 특정 분자에서 초기 레이저 빛 흡수 시 광자의 에너지가 충분히 높을 때 직접적인 화학 결합 파괴(direct bond-breaking) 가능, 또한 다양한 화학적 반응에 기인한 자유 라디칼 및 활성 산소 생성 가능
- 광기계작용(photomechanical effect): 매우 높은 밀도의 에너지 용착(energy deposition)은 플라즈마 형성에 의한 충격파를 형성, 충격파의 진행은 조직의 물리적 특성에 의존적, 충격파에 의해 조직이 물리적으로 제거됨
그림 3. 레이저 노출 정도에 따른 조직과의 상호작용
출처: Ben Cox 2012
3. 기술적 측면
◇ 레이저 시스템의 구성
· 레이저 시스템은 복합성 기기 · 레이저 공진기, 파워, 냉각기, 제어시스템 등이 있어야 레이저 발진 가능 · 기술은 광학, 전력전자, 기구, 전자제어 등의 기술 필요 |
그림 4. 레이저 시스템 구성
출처: (주)이노템즈(2014)
◇ 제품설계 기준 및 검증방법 예시
표 3. 레이저 제품의 안전성 기준에 따른 설계 및 검증 방법 (등급 2)
평가항목 | 요구사항 | 설계방향 | 검증방법 |
레이저 출력의 정확도 | 전류: 5 mA 출력: 5 mW | - 전류제한 저항 구성 - 요구출력에 따른 저항값 측정 | Power/Energy meter |
레이저 출력의 안정도 | +/- 5% 이내 | - 전원공급부의 안정성 확보 - 정전압/정전류 구동 - 저전압 경고 및 구동 중단 | 출력을 연속적으로 측정하여 안정도 계산 (안정도=(최대치-최소치)/평균) |
레이저 파장의 정확도 | 레이저 다이오드 제조사 해결사항 | - 레이저 다이오드 제작 효율 - 온도변화 최소화: 방열구조 | 스펙트럼 분석기 |
레이저 조사 직경 | 레이저 다이오드 제조사 해결사항 | - 레이저 다이오드 기구물 설계 | 레이저광의 직경을 측정 |
레이저 출력 형태 | 10 kHz 반복률 Duty 1:1의 펄스 구동 | - 타이머 인터럽트에 의한 반복을 결정 - PWM제어에 의한 Duty 조절 | NI PXI 5160(오실로스코프) + Laser Detector |
안전장치 | 전원버튼/동작버튼 동작 10분동작 후 종료 동작 종료후 전원 오프 | - 스위치 구성 및 동작 정의 - 타이머에 의한 10분 측정 - 10분동작후 전원오프시킴 | 제품 조작 실험 버튼 조작에 따른 동작 상태 확인 |
출처: (주)이노템즈(2014)
◇ 특허 분석을 통한 기술 분류 통계
출처: 한국특허정보원 특허정보진흥센터(2014)
◇ 특허 분석을 통한 기술 상세 분류
표 4. 원리적, 기술적 특성 분류 상세
레이저 응용 원리적 | 기술적 특성 분류 | 기술적 특성 분류 내용 |
OCT LLLT 간섭 광멸균 광역학 광열작용 광음향 광응고 광이온화 광자극 광절제/광분해 광통신/광전달 도플러 라만분광 반사/산란 분광 스캔 조명/광조사 형광 흡수/투과 기타 | 시스템 디자인/구조 시술방법 적용방법 광생성 광형태/광배치 광특성 광학/광전달 출력제어 거리/위치 마스크/광조준 측정방법 신호처리 데이터처리 보정/캘리브레이션 온도/냉각제어 안전/위생 | → 자체로 완성한 제품, HW 구성(전자, 제어, 기계) → 디자인, 기계적 구조의 특징 → 임상적 수술/치료 방법 → 원리적, 기존 기술의 응용 → 광원, 광의 생성 → 어레이, 패널, 조사패턴 등의 2차원 광 배치의 특성 → 광의 정적인 특성 → 광학적 구조(광섬유, 렌즈배치 등) → 동적인 광량, 파장 변화, 출력의 제어 → 레이저로 대상의 거리, 위치 조절과 관련된 기술 → 마스크 등을 이용한 대상체 보호, 조준 → 생체 데이터의 측정방법 → 신호처리 → 획득한 데이터 처리, 영상처리, 후처리 기법
→ 온도 조절, 냉각 기술 → 레이저의 조사로 인한 눈 보호 노폐물 제거 |
표 5. 분야별 레이저 의료기기 기술 현황 및 격차
| 안과 | 피부과 | 내과 | 영상기기 | 외과 | 심혈관 | 치과 | 비뇨기 이비인후과 | 신경계 |
기술현황 | 독일>미국>일본>>한국 | 이스라엘, 미국>일본, 한국 | 일본>>미국, 한국, 기타 | 일본>>미국>기타 | 유럽>한국, 일본, 미국 | 한국, 미국, 일본 유사 | 미국, 일본>기타 | 일본, 미국, 한국 유사 | 일본>>한국, 미국 |
기술격차 | 고 | 중 | 고 | 고 | 저 | 저 | 저 | 저 | 저 |
장벽분야 | 굴절수술 망막질환 | 피부재생 | 혈당/당뇨, 채혈 혈압, 호흡 | 광음향 (일본) OCT (미국) |
| 심근/판막/조직 제거 혈관위치 찾기 | 구강일반 진단 시술도구/보조 | 비강, 비염 결석제거 | 뇌신경 (NIRS) |
기회분야 | 망막질환, 진단, 안액측정, 혈당/당뇨 | 체모/모발제거, 피부특성진단 주름제거, 광역학을 이용한 미용기 | 무채혈 혈당기 전분야 | OCT 광음향 영상 | 근육통증 진단, 치료 광역학을 이용한 종양치료 | 전분야 | 형광 진단 광역학 치료 | 전분야 이비인후과 비강 치료 추격 필요 | 전분야 |
출처: 한국특허정보원 특허정보진흥센터(2014)
표 6. 분야별 Keyplayer(상위 10위)와 주요 분야
출처: 한국특허정보원 특허정보진흥센터(2014)
◇ 활용원리와 기술적 특성으로 본 R&D 동향
한국 | - LLT와 디자인 결합된 개인 출원 다수 | - 기술적 기반 약함 - 응용 기술 다수 - 이론적, 임상적 미약 |
일본 | - 전 분야에서 완성된 시스템, 디자인 개선 활발, 이론적 기반 확고 - 안과분야에서 광응고를 이용한 망막질환 치료기술 강세 - 반사/산란, 형광, 광음향을 이용한 진단기술 강세 | - 임상적 미흡 |
미국 | - 광응고를 이용한 치료기술 - 반사, 산란을 이용한 진단기술 - 혈액정화, 무좀/진균/감염, 상처치료를 위한 광멸균 기술 | - 미국, 임상적, 이론적 기반 확고 - 응용 약함 |
유럽, 기타 | - 유럽, 광응고를 이용한 치료기술 - 반사, 산란을 이용한 내과 진단기술 - 간섭을 이용한 안과 기술 | - 시스템, 이론적, 임상적 확고 - 디자인 개선 미흡 |
◇ 레이저를 이용한 의료기기 기술 동향
- 레이저 의료기기 기술은 새로운 광원들의 출현으로 진화를 거듭함
- 최근 활발하게 제품화되고 있는 광원으로는 광섬유레이저, LD(Laser Diode), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic LED), 표면발광 플라스틱 호일 등이 있음
- 다양한 광원의 개발로 레이저 의료기기의 사용범위가 종합병원 → 개인병원 → 가정으로 확대되며 새로운 시장 창출 가능성 높아짐
- 우리나라 중소기업들은 어려운 여건 속에서 섬세하고 다양한 치료용 레이저 개발 기술을 비약적으로 발전시킴
· 고출력 레이저 의료기기 개발기술은 세계 수준에 근접 · 광펌핑용 전기에너지를 안정적으로 구현하는 전원장치 · 펨토초(ps)의 초단펄스에서 수백mm초의 장펄스 구현 가능 · 빔 성형(beam shaping) 기술을 이용한 레이저 빔의 안정화 · 국내기업에서 개발된 LD와 LED를 채용한 저출력 레이저 의료기기 개발 및 판매 · 출력효율 및 제품의 수명을 결정지을 수 있는 고열방출이 가능한 모듈기술 개발 진행 |
- 그러나 아직 소비자의 니즈를 충족시키기에 부족하고 신제품 개발에 좀 더 앞서가지 못하는 현실
◇ 유망 의료용 레이저 자원(반도체 레이저, 파이버 레이저)
- 반도체 레이저
· 반도체 레이저는 자체 출력을 높이려는 연구가 활발할 뿐 아니라 고체레이저의 여기광원으로 매우 중요한 역할을 담당
· 고체레이저의 펌핑 방식을 기존의 섬광등이 아닌 반도체 레이저로 대체하면 반복율이 수 kHz로 높고 안정적인 출력을 가질 수 있음
· 레이저 공진기 자체가 매우 작은 마이크로 칩 레이저로 제작 가능하여 전체 시스템을 소형화 시킬 수 있음
· Er:YAG 레이저와 같이 광도파로를 사용하기 어려운 파장영역의 레이저를 소형화하여 치과용 핸드피스에 넣을 수 있음
· 반도체 레이저는 규모가 작고 저전압으로 동작하며 출력이 안정적이기 때문에 앞으로 의료용으로 광범위하게 쓰일 수 있을 것으로 예상
· 새로운 반도체 물질의 개발에 따른 새로운 파장의 영역이 개척 진행 중
- 파이버 레이저
· 광파이버에 희토류 원소를 첨가하고 반도체 레이저로 펌핑하는 파이버 레이저
· 레이저 자체가 유연한 파이버를 통해서 출력되므로 별도의 빔 전달 장치가 필요 없고, 효율이 높을 뿐 아니라, 빔의 질과 안정성이 우수
· 쉽게 구부러지는 파이버의 특성상 기기의 크기를 간소화 시킬 수 있으며, 수명이 길고, 유지 보수가 거의 불필요하다는 장점
· 현재 파이버 레이저는 재료 가공 분야에서 널리 쓰이는 탄산가스 레이저 등의 대출력 레이저를 대체하고 있는 것과 마찬가지로 의료용 레이저 분야에서도 피부과용 프락셀 레이저, 지방제거 레이저 등의 광원으로써 사용 범위를 넓히고 있음
· 부품 절단, 용접, 열처리, 클래딩, 마킹 등의 기본적인 분야에서 부터 자동차 생산라인, 조선 산업, 군사용 등의 산업 및 방산분야 등에서 널리 사용
· 또한 출력증가 면에서 타 레이저와 비교되지 않을 정도로 가파르고 출력 면에선 종래의 기술의 한계를 극복했을 뿐 아니라 경제적인 측면에서 합리적인 가격과 저렴한 운용비는 매우 큰 장점
그림 5. 레이저 별 출력증가
4. 레이저광의료기기 미래 전망
◇ 유망기술 및 R&D 방향 제안
· 망막질환(황반변성)/노안 치료 · 안액을 이용한 진단(단백질, 혈당) · 피부특성 진단 · 제모기술(시장성 큼) · 탈모개선(해외 틈세) · 무좀/진균/감염(국내) · 광학적 피부 상처 치료 · 무채혈 혈당기 · 광학적 근육통진단, 치료 · 이비인후과 분야(비염, 비강 치료) · 수술/치료 보조 악세사리(마스크 등) | · 경혈 위치 찾기, 체질분석 · 광역학 기술(미용, 피부, 종양, 광민감제) · 광음향 기술의 응용(진단, 치료) · 치료 대상, 목적에 맞는 디자인/구조(미용, 화장품, 물리치료) · 융합(고주파, 부항, 초음파, 진단&치료) · 치과, 내시경-형광 진단, 광역학 치료 · 다파장, 가변파장 · 광학, 광원기술 · 온도제어/냉각/안전 기술 · LED등을 이용한 LLLT(광형태/광배치, 다파장) |
출처: 한국특허정보원 특허정보진흥센터(2014)
◇ 레이저 치료기 개발 전망(brief insights) - (주)루트로닉, 2012
- 여러 치료 기기의 융합
· Radio frequency, 레이저, 초음파 등 여러 동력원이 융합된 기기
· 한국 식약청 분류 3등급 이상의 치료 기기에서 이러한 복합 자극 기기를 만드는 것은 출력과 크기의 제한점으로 쉽지 않음
· 복합적인 치료 기법이나 기존 치료 방법을 개선, 새로운 적응증의 개발 등 복합기기를 구성하는 요소들을 동시에 사용할 때만 가능한 임상적인 적용 방안이 반드시 개발에 반영되어야 성공 가능성 높아짐
· 여러 파장의 레이저를 한 기기에서 나올 수 있도록 하던지 매질이 다른 방식의 레이저를 동시에 발진시키는 방법도 기대
- 약물 복합 치료
· 특정 세포나 창상 치유 단계의 작용을 선택적으로 차단하는 약제와 레이저의 병용 사용은 치료 기기의 사용 제한점을 보완하는 방법
· 바이오시밀러 등의 개발 동향과 더불어 특정 수용체나 세포 내 물질 합성 단계에서의 효소 등을 차단하는 생물학적 제제들의 효용은 모든 분야에서 증대될 것으로 기대
· 한국이 임상적으로 높은 수준에 도달해 있는 색소, 비만 등의 적응증에서 주도적으로 관심을 가지고 아이디어 개진 필요
- 효율적인 Drug Delivery System
· 프락셀 레이저에 의해 형성된 미세 채널을 일정한 패턴의 경피 경로로 인식하게 하여 피내 전달이 어려운 약물을 전달하기 위한 방법으로 활용
· 약물 뿐 아니라 화장품의 유효 성분의 전달 등 상대적으로 적용될 시장 규모가 커 전망이 밝음
- 나노 입자의 사용
· 피부 미용 레이저 기기 분야에서 나노 파티클은 주로 물리적인 성질을 바꾸지 않고 색소포(chromopore) 그 자체의 사용에 대한 연구가 주로 이루어져 왔는데, 대표적인 사례가 Wellman Lab(Harvard Univ. 미국)에서 연구된 바 있는 나노 파티클 형태의 문신용 색소
· 향후 발색단이 없어 치료가 되지 않는 여러 적응증에 대하여 새로운 치료 기법을 가능하게 할 기술로 주목되며, 나노 파티클의 정확한 전달 방법에 대한 연구가 계속 진행 중
- 진단 기기와의 융합
· 진단이 어려운 복잡한 병변이나, 깊이와 형태를 알기 어려운 병변의 경우 적합한 양의 에너지를 전달하기 위해서는 피부 안을 볼 수 있는 아이디어 필요
· 피부에 사용될 수 있는 진단 기기로는 간단하게는 dermoscope, cutometer, mexameter 등이 존재, 복잡하게는 high-frequency ultrasonography, multispectrum spectrophotometer, optical coherent tomography, multiple photon tomography 등이 존재
- 더 짧은 펄스폭 사용
· Photomechanical effect를 주로 사용하는 펄스폭 영역에서는 더 짧은 펄스폭일수록 많은 에너지를 짧은 순간에 작용시켜 효과를 극대화 가능
· 최근 피코초 단위의 펄스 폭을 갖는 색소 레이저들의 개발 소식이 들려오고 있으며, 나노초 단위의 기존 레이저들에 대해 비교 연구가 진행 중
· 비용과 기기 가격의 한계를 극복한다면 특정 병변에 대한 보다 효과적인 치료 가능성 존재
◇ 광학 기반의 진보적인 아이디어 제품 8선
- Heart Attack Diagnostic Device(MagBiosense) · 심장마비시 방출되는 단백질 트로포닌(troponin)을 신속하게 측정 · 실험실 수준의 높은 감도와 신속한 결과 확인 · 기존 트로포닌 측정 방법의 문제점 극복(낮은 감도, 시간-돈 비용 증가) -> 응급실 대기시간 감축, 운영비용 및 환자부담 비용 감소 | - Handheld Eyeglass Prescription Device(PlenOptika's QuickSee) · 손에 잡히는 소형 장비로서 눈에 부착후 간단한 테스트를 실시하면 시력을 알 수 있어 안경 처방을 내릴 수 있음 · 인도와 중국 같이 검안사가 부족한 낙후된 지역에 유용하게 활용될 예정
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- Microscope-In-A-Needle · 초소형 바늘 형태의 OCT 장비 · 개발자들은 유방암 수술에 유용하게 활용될 것으로 기대 · 초소형 바늘 OCT는 피부 아래에 위치한 조직들의 상태를 최소침습적으로 관찰할 수 있고 종양의 위치를 정확히 파악할 수 있음
| - AccuVein AV 400 · 특정 빛에 의한 정맥과 주변 조직 간의 높은 대조도를 이용하여 정맥 주사의 정확도를 높이고 발생가능한 부작용 예방 |
- Photodynamic Diagnostic D-Light C (PDD) System · 빛을 이용한 방광 검사에서 특정 세포나 약물에 반응하는 세포를 감지하여 방광 주변의 종양, 암 진단
| - Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy · 구강암 조기 진단이 가능한 광학 프로브 · 특정 세포에서 발현되는 형광 신호 검출 · 형광 신호는 수술 중 종양 영역의 가장자리 검출에도 용이
|
- Breast Cancer Diagnosis · X-ray 유방조영술과 달리 유방조직의 대사(hemoglobin, fat and water content, tumor oxygen consumption, and tissue density)와 관련된 정보 획득 가능한 스캐너 타입의 디바이스 | - Treating Irregular Heartbeats With Lasers · 시각적 가이드의 레이저 풍선 카테터 시스템은 불규칙한 심장박동을 치료하는데 도움 · 폐정맥의 불규칙한 세포 및 협착 부분의 레이저 빔 조준을 위해 풍선 카테터 시스템 활용 |
5. 부록 - LED 광치료기의 약진(躍進)
◇ LED는 전류가 흐르면 빛을 발산하는 화합물 반도체의 일종
◇ LED 광원의 반값전폭(FWHM)은 30 nm 정도로 레이저 광원에 비하여 다소 넓은 출력 스펙트럼을 갖는 비간섭성(non-coherent) 광이고, 비평행(non-collimated) 광이어서 넓은 범위의 조사가 가능
◇ LED 광원은 다색 및 다단계 밝기 제어, 소형 슬림화, 높은 광전환 효율을 바탕으로 저준위, 광범위 조사 등의 기능 확장이 가능하므로 LED 광원 기반의 피부질환 치료기 개발은 성공 가능성이 높음
◇ 치료 환부별 LED 치료기의 기능성이 확보되기 위해서는 아래 사항들 검토 필요
· 노출표피 및 구강내 살균/소독 기능 · 이비인후계 외피 질환 치료 기능 · 외과 수술부위 환부 작용 기능 · 내적 요인에 의한 피부질환 치료기능 · 외적 요인에 의한 피부질환 치료기능 · 광 합성작용에 따른 생체기능 개선 기능 · 정신적 치료 활용에 따른 색체 심미치료 기능 · 근골격계 통증 완화 및 치료 기능 |
표 7. LED 파장별 피부질환 치료
Application | Wavelength (nm) | Operation mode |
Wound healing | 660, 850 | Pulse |
Inflammation | 630-660 | Pulse |
PDT | 405-630 | CW |
Photorejuvenation | 630-660 | Pulse |
Sunburn prevention | 660-970 | Pulse or CW |
PIH prevention | 870-970 | Pulse or CW |
Scar prevention | 805-970 | CW |
Photopreparation | 870-970 | CW |
Photoregulation | 660-850 | Pulse |
UV-free phototherapy | 405-850 | Pulse or CW |
◇ LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선 LED, 적외선 LED (IR LED), 자외선 LED(UV LED)로 구분되고, 가시광 LED는 적색, 녹색, 청색, 백색 LED로 세분화 되며 전체 LED 시장의 90∼95 %를 차지
◇ LED 치료기는 부품 기준으로 LED 소자, 소자 패키지, 방열기구, 광학기구, 회로 및 시스템 등으로 구분할 수 있으며, 치료기기로서의 디자인과 인증이 중요한 요소로 포함
◇ 아래 항목들은 중요하게 고려되어야 할 LED 치료기 관련 기술들
· 고출력, 대용량화 및 고집적화를 위한 방열구조 설계 기술 · 목표 광출력 및 균일한 광출력 밀도 구현을 위한 광학벤치, 렌즈 및 반사판 기술 · 고효율, 소형화를 위한 SMPS 등의 구동회로 설계 기술 · 다중 파장 제어를 위한 알고리즘 및 시스템 설계 기술 · 에너지 절감, 감송 조명 등 인간 친화적 사용 환경 형성을 위한 조명 설계기술 · 광학부품, 전원, 회로 등의 전기기기 설계 기술 · 고효율 고기능성 광원 모듈 설계 기술 |
◇ LED 치료기의 제작 공정은 반도체 광원 제조, LED 패키지 및 모듈화, 그리고 LED 광 치료기 제작으로 크게 나뉨
◇ 의과학적으로 유용하고 효과가 있는 LED 치료기를 제작하기 위해서는 광선요법에 필요로 하는 유효 파장 선별, 유효 광 출력 등이 제공되는 LED 칩 선정과 이를 집적화한 LED 모듈, 그리고 LED 모듈이 결합된 LED 광 치료기가 제작되어야 함
그림 6. LED 광 치료기기 생산 프로세스
출처: 한국광산업진흥회(2011)
◇ 세계 각국은 LED에 관심을 가지고 국책사업 차원에서 직접적으로 육성
◇ 현재 상용화된 LED 칩의 경우 보통 0.3 mm∼1.0 mm 정도의 크기를 갖는데 칩 사이즈가 작고 지향성 광원이기 때문에 부품 및 모듈의 슬림화가 가능
◇ LED 칩의 광 출력은 파장에 따라 차이가 존재, 400 nm 대역의 UV 영역은 광출력이 15 mW/chip 수준, 850∼900 nm 대역도 10 mW/chip 이상의 광출력 수준, 상처 치유 및 통증 완화에 효과가 있는 것으로 알려진 600∼700 nm 대역의 LED 광 출력은 평균적으로 10 mW/chip 이하를 나타내고 있으며, 치료 효과가 높은 650∼680 nm 대역의 LED 광 출력은 5 mW/chip 이하 수준
◇ 따라서, 단위 칩의 광 출력 효율을 높여 LED 치료기의 치료효율을 극대화할 수 있는 LED 단위 칩 개발이 중요함
그림 7. 파장에 따른 LED 칩의 광 출력
출처: KEIT(2012)
◇ LED 패키지는 내부에 LED 칩을 실장하고 PCB에 부착이 가능하도록 제조된 LED 소자를 의미
◇ LED 패키지의 기본 구조는 LED 칩과 칩을 부착하기 위한 다이 본딩(Die bonding)용 에폭시(Epoxy) 또는 솔더(Solder), 리드프레임(Leadframe) 및 몸체 (Body), 전기적 연결을 위한 본딩 와이어(Bonding Wire)로 나뉨
◇ 기존의 반도체용 패키지의 경우, 패키지는 반도체 칩을 외부 환경으로부터 보호하고 반도체 칩의 단자를 PCB 기판에 전기적으로 연결시키며 칩으로부터 발생되는 열을 외부로 전달하는 기능을 수행
◇ LED 패키지의 경우 기본적으로는 기존 반도체 칩과 동일한 기능을 수행하면서도 칩에서 나온 빛이 최대한 외부로 빠져나갈 수 있도록 하는 기능이 추가적으로 요구됨
◇ 특히, 광추출 기능과 방열기능은 매우 유기적으로 연결되어 있음
그림 8. LED 패키지 구조(위) 및 종류(아래)
출처: ETRI(2010)
◇ LED는 광 반도체 소자로서 형광등, 백열등 등 다른 광원들과는 달리 입력된 전력 중 약 70∼80 % 이상이 열에너지로 전환되고 있어 이를 효과적으로 방출하는 기술이 매우 중요
◇ 특히, 열에 의한 칩의 온도 상승은 단기적으로는 광효율의 저하와 직접적으로 관계
◇ LED 패키지에서의 열전달은 주로 열전도(thermal conduction) 현상에 의존
◇ 따라서, 패키지를 구성하는 각 소재의 열전도도(Thermal conductivity)는 높아야 하며, 또한 각 소재간의 접촉면에서의 열 저항(Thermal Resistance)이 낮아야 열 방출이 효과적
◇ 피부질환 치료를 위해 유효파장이 결정된 LED 칩은 적절한 광 출력 밀도와 넓은 조사 면적 형성을 위해 LED 모듈 어레이로 조립
◇ 고출력 LED 치료기가 동작하는 경우 매우 높은 열이 발생할 수 있고, 이는 LED 패키지에서 고려된 방열이 자연 대류를 통해 LED 치료기 내부에서 완전히 빠져나오지 못하는 경우 발생하는데, 이는 피부질환에 부정적인 영향을 미칠 수 있음
◇ 따라서, 고출력 LED 치료기 및 관련 모듈에서 발생되는 열을 외부로 빼내기 위해 공랭식 냉각장치가 적용
◇ 이러한 냉각 장치는 개별 LED 칩이 일정한 파장과 균일한 광출력을 유지하는 성능에 도움을 줌
◇ 의료용 LED 치료기의 개발과 관계된 단위 LED 모듈은 피부질환 치료의 유효성은 물론이고 사용의 편리성을 동시에 제공할 수 있어야 함
◇ 대부분의 LED 치료기들은 침대에 누워있는 환자를 목적으로 하기 때문에 사용 범위가 매우 제한적
◇ 따라서, 개발된 LED 치료기가 사용자의 편리성이 강조된 디자인을 적용하는 것을 차별화 전략으로 삼을 수 있음
표 8. LED 치료기가 활용될 수 있는 병원의 진료과 및 치료질환
진료과 | 시장 분석 |
피부과 | 치료범주: 아토피, 알러지, 외과 시술, 상처, 유아 흉터 최소화 |
일반: 레이저 후 처치, 필링, 탈모, 두피관리 | |
성형외과 | 수술 후 상처 재생, 부종 통증 완화, 멍자국 완화, 흉터 감소, 피부회복 촉진 |
산부인과 | 자연분만, 제왕절개, 수술부위 회복 촉진 질성형, 근종 등 부인과 수술 후 회복 산후 조리원: 출산 후 회복(렌탈 시장 가능) |
정형외과 | 수술 후 통증 완화, 관절염 등 |
한방병원 | 통증 완화, 세포 활성화 등 물리 치료에 이용 |
안과 | 안구 건조증, 아폴로 눈병, 알러지 눈병 등 안질환 |
항문외과 | 항문 질환 및 수술부위의 상처 회복 |
표 9. LED 기반의 비의료 분야인 심미성 미용의료기기 분류
세분류 | 해당품목 | 분류설명 |
헬스케어 | 미백기기 | · 피부 토닝레이저 활용 · 가시광 대역 LED |
주름제거기기 | · 콜라겐을 통한 피부재생활용 | |
모발촉진기기 | · 660 nm 대역 가시광 활용 · 혈류 증가를 통한 모발 촉진 | |
피부 이용 광조사기 | · 다양한 LED를 이용한 활성작용을 촉진하고 광중합을 동시에 활용 | |
치아미백 광조사기 | · 가시광을 통한 광중합 발생 · 미백물질의 활성화 | |
Skin 케어 활성화 조명기기 | · 기미제거, 모공 축소 · LED 광원과 같은 저출력 광원을 이용한 LLLT |
◇ 건강에 대한 관심이 점점 확대되고 있는 가운데 전 세계 LED를 이용한 의료기기 시장 규모는 연평균 27.6 %로 성장해 2011년 5,650만 달러에서 2018년 5억 1,050만 달러에 달할 전망
◇ 국내 LED 치료기 시장은 시장의 형성이 시작되어 성장하고 있는 단계
◇ 삶의 질 향상에 따른 웰빙 트렌드 확산, 소득 증가에 따른 생활양식의 변화, 그리고 IT·BT·NT와 같은 신기술 발달로 인하여 피부질환 치료에 대한 관심이 한층 높아지고 있음
◇ 국내 피부질환 치료용 LED 치료기의 시장은 시장의 형성 단계
◇ 주로 여드름과 상처치유에 목적을 둔 LED 치료기들이 피부과, 성형외과, 정형외과, 비뇨기과 등에 판매
◇ 평균판매가격은 병원용은 대당 1천만원 정도로 책정
◇ 소형의 가정용 LED 치료기는 가격대가 다양
◇ 전국의 피부질환 치료 관련 병원 수, 병원용 및 가정용 소형 LED 치료기 시장을 함께 고려할 때, LED 치료기 국내 시장은 2014년 0.8억불의 시장 규모가 예상되며, 매년 30 % 이상의 시장 성장세가 예상
◇ 시장 조사기관의 관점에 따라 시장 예측은 달라질 수 있으나, 국내외 LED 치료기 시장은 Market Research회사인 Medical Insight Inc.에서 발행한 Medical Aesthetic Market에 의하면 LED 치료기의 주 치료 기법인 Phototherapy는 2014년 6억$(6천억 원)에서 2015년 10억$(1조원)로 연평균 14∼15%대의 지속적인 성장을 예측하고 있음
그림 9. LED 의료기 및 바이오 기기 시장 규모 추이
출처: 글로벌인포메이션(2012)
참고문헌
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· 김영식, ‘의료용 레이저’ 2010
· 한국특허정보원 특허정보진흥센터, ‘레이저 의료기기 기술동향’ 2014
· 박승한, ‘육안으로 분별 어려운 종양·비정상 조직도 찾는다’ 2010
· (주)이노템즈, ‘의료용 레이저 발생장치’ 2014
· (주)루트로닉, ‘Cutting Edge in Medical Laser; 향후 5년간 레이저 치료 기기 개발의 전망’ 2012
· 한국광산업진흥회, ‘광 IT 바이오분야 분류 구성 및 산업기술 동향’ 2011
· 한국과학기술정보연구원, ‘광학 의료기기의 연구개발 현황 및 유망 제품’ 2013
·한국과학기술정보연구원, ‘피부질환치료용 LED 기술동향 및 시장기회 분석’ 2013
· Emily Simpson, 'THE BASIC PRINCIPLES OF LASER TECHNOLOGY, USES AND SAFETY MEASURES IN ANAESTHESIA' 2012
· Ben Cox, 'Introduction to Laser-Tissue Interactions' 2013
· Q Peng et al., 'Lasers in medicine, Reports on Progress in Physics' 2008