1.1 연구의 배경 및 목적

광을 이용한 스킨케어는 광-생화학반응을 유도하여 세포들의 대사 활동을 촉진시킴으로써 콜라겐과 엘라스틴을 생성시켜 주름 발생을 억제하는 효과가 있으며, 최근 홈 뷰티 트렌드에 맞게 다양한 홈 뷰티 디바이스가 출시되고 있다⁽¹⁾.

빛을 이용한 광 치료(Light therapy) 방법은 안전하고 효과적이기 때문에 주로 상처 치유 및 피부 미용 등에 사용되고 있다⁽²⁾. 광 치료 기법은 주로 레이저와 LED 광원을 이용한 마스크, 광패치 제품에서 응용되고 있다. 그러나, 지향 특성을 갖는 LED의 특성 때문에 넓은 면적에 걸쳐 균일한 조사가 어렵고 광균일도를 높이기 위해 LED 수량을 늘리면 발열 및 가격이 상승하는 문제점이 있다.

최근 상용되고 있는 LED 스킨 케어기기는 단순히 얼굴 모양에 정형화된 LED 마스크가 주를 이루고 있으며, LED 마스크는 무게에 따른 사용자의 불편함과 가격이 비싼 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 안면 특정 부위의 피부 개선을 위한 광패치 제품이 개발되고 있으나, LED 수량이 적고 패키지 간격이 넓어 광 균일성이 떨어지므로 피부 개선에 효과가 감소하는 문제점을 가지고 있다.

LED 광패치 제품은 피부나 안면 굴곡에 맞게 제작이 가능하지만, LED 광원의 배열에 따라 광균일도 차이가 발생하게 된다. 이에 따라, LED 광 출력과 광균일도와의 상관관계 분석을 통해 광패치 뷰티기기의 광균일도 향상을 위한 LED 패키지 및 배치의 최적 광학구조가 요구된다.

1.2 연구의 목적 및 방법

기존 연구 결과에 따르면 Blue 파장은 전반적인 피부 상태 개선에 효과가 있으며, 특히 여드름 발생 원인이 되는 박테리아를 소멸시키고, 염증을 가라앉히는데 효과가 있다고 알려져 있다. Red 파장과 IR 파장은 피부 깊숙이 진피까지 도달할 수 있어서 피부 주름 개선 및 염증 억제를 위한 광 치료 파장으로 사용되고 있다^(3-5).

본 연구의 목적은 Blue, Red, IR 파장을 갖는 3-in-1 LED 패키지를 적용하여 파장에 따른 피부 개선 효과를 향상하고, 저전력, 저발열 구조의 LED 패키지를 설계하기 위해 LightTools 광학 시뮬레이션을 통해 광균일도를 분석하고 그 결과를 기준으로 광원 모듈을 제작하여 평가하였다.

기존 LED와 동일한 면적에 광 확산 시트를 적용하고 확산 시트의 투과율과 Haze 특성에 따른 광균일도 광학 시뮬레이션을 통해 LED 광원 모듈을 비교, 분석 하였다.

3파장 LED(430/630/830nm)를 사용하여 눈 밑 주름 개선 및 피부 층을 케어가 가능하도록 하였으며⁽⁶⁾, 고효율 확산필름을 통해 광원의 에너지를 피부에 균일하게 조사할 수 있는 플렉시블 구조의 광패치 뷰티기기를 개발하였다.

광패치 광원모듈이 피부에 안전하면서 피부재생을 촉진시키는 Red 630nm LED 조사하여 확산시트를 적용했을 때와 그 효능을 비교 분석함으로써 광패치의 유효성을 검증하였다.

2.1 Blue, Red, IR LED 패키지 광학 설계

Blue, Red, IR 파장을 갖는 3-in-1 패키지를 적용하여 파장에 따른 피부 개선 효과를 향상하고, 저전력, 저발열 구조의 LED 패키지를 목표로 설계하였다. 광학 시뮬레이션을 위해 Fig. 1과 같이 Blue, Red, IR 칩을 LED 패키지의 중심을 기준으로 일자 구조와 삼각 구조로 배치하였다.

Blue 칩은 300x300㎛ 크기의 수평형 칩이며, Red 칩은 250x250㎛, IR 칩은 200x200㎛ 크기의 수직형 칩을 설정하였다. LED 패키지의 다이 본딩과 와이어 본딩 공정을 고려하여 칩 위치를 설정하고, 광학적 특성 차이를 분석하기 위해 LightTools 광학 설계 프로그램을 이용하여 칩 위치에 따른 광학 시뮬레이션을 진행하였다.

2.2 광패치 광원 모듈 광학 시뮬레이션

광패치용 광원 모듈의 광균일도 향상을 위해 LED 패키지 배치 후 확산 시트 적용 위치에 따른 광학 시뮬레이션을 진행하기 위해 Fig. 2와 같이 구성하였다. 시뮬레이션 조건은 3-in-1 LED 패키지 지향각 120°, 플렉시블 PCB 반사율 98%, 확산 시트 두께 140㎛ 로서 Haze 99%에 투과율 40%, Haze 96%에 투과율 70%를 가진다.

LED 패키지와 광 확산 시트 간격은 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm 높이에 적용하여 피부에 조사되는 광의 분포와 광출력을 시뮬레이션 하였다.

2.3 확산 시트 적용 광 유효성 시험

광패치용 광원의 광균일도 향상을 위해 광 확산 시트 적용에 따른 광 테라피 유효성을 검증하기 위해 Fig. 3과 같이 Red 파장을 우선 적용하여 실험을 진행하였다. 피부세포에서 630nm LED 단독 조사와 확산시트가 적용된 630nm LED를 조사 한 뒤 피부재생 효능을 비교하였다. 정상 피부 섬유 모세포에 Red LED 조사 후 콜라겐 증가율을 평가하기 위해 10% FBS와 1.0% penicillin/streptomycin이 첨가된 DMEM 배지에서 2-3일마다 배양액을 교환해주었으며, 배양환경은 37℃로 유지되는 5CO$_{2}$ Incubator 에서 배양하였다.

실험에 적합하도록 자란 피부세포를 배양기에서 꺼낸 뒤 세포를 PBS(phosphate-buffered saline)로 3회 수세하고, 1.0ml PBS를 넣은 후 LED를 조사하였다. Red LED 광원의 조사거리는 1cm 이며 방사 에너지 0J/cm² 에서 10J/cm² 까지 조사한 뒤 피부 재생 인자 COL I을 protein level에서 비교 평가하였다. Red 파장을 조사하지 않는 세포군, 확산 시트를 적용하지 않은 세포군과 확산 시트를 적용한 세포군으로 구분하여 실험을 진행하였다⁽⁷⁾.

3.1 3-in-1 LED 광학 시뮬레이션

광학 시뮬레이션 조건은 Blue, Red, IR 칩을 적용하기 위해 패키지 광학적 특성 및 제조 공정을 고려하여 일자 배열과 삼각 배열로 설정하여 광학시뮬레이션을 진행하였다. LED 패키지 크기를 최소화하고 두께를 최소화하는 구조로 설계하기 위해 BT-Resin PCB를 기판 소재로 사용하고, 측면 반사 컵이 없는 구조로 소형화 및 Wide view angle을 갖는 광학적 구조를 갖도록 설계하였다.

칩 배치에 따른 광학적 특성 차이를 시뮬레이션하기 위한 칩 모델링은 Fig. 4와 같으며, Red 칩과 IR 칩은 수직형 구조로 상면 발광 비율이 높으며, Blue 칩은 수평형 측면 발광 부분을 고려하여 칩을 설계하였다. 칩의 발광 패턴과 칩 위치에 따라 확산 시트 적용 후 광균일도 정확성을 높이기 위해 칩을 모델링하였다.

패키지 시뮬레이션을 위해 칩의 광출력은 동일하게 설정하고, 패키지 몰딩 소재의 굴절률 1.54로 설정 후 Blue, Red, IR 칩 전체를 동작하여 광균일도를 비교하였다. 광학 시뮬레이션 결과 Fig. 5와 같이 일자로 배열한 경우 광 분포가 중심부 균일한 광 패턴을 보였으며, 삼각형 구조로 배열 시 측면으로 광이 모이는 현상을 보였다.

3.2 광패치 광원 모듈 광학 시뮬레이션

3-in-1 LED는 15개를 가로 3.5mm, 세로 2.5mm 간격으로 배치 후 광패치 구조에 맞게 광패치용 광원 모듈을 Fig. 6과 같이 모델링하고 확산판 위치에 따른 광균일도를 시뮬레이션 하였다.

광균일도를 시뮬레이션하기 위해 확산 시트가 없는 조건을 Reference로 설정하고, Fig. 7과 같이 균일도 측정을 위해 8포인트를 설정하고 최소 휘도와 최대 휘도의 비율을 계산하였다.

확산 시트의 Haze 96%, 투과율 70%, LED 패키지 거리를 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm에 배치하고 광학 시뮬레이션을 진행한 결과 Fig. 8과 같이 확산 시트의 높이가 0.5mm 보다 1.0mm 조건에서 59.8% 광균일도가 증가하였다.

확산 시트의 Haze 99%, 투과율 40%, LED 패키지 거리를 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm에 배치하고 광학 시뮬레이션을 진행한 결과 Fig. 9와 같이 Haze가 높고 투과율이 낮은 조건에서 확산 시트의 높이가 0.5mm 기준에서 1.0mm 보다 78.2% 광균일도가 증가하였다.

광패치는 피부에 부착되어 빛이 조사되는 구조로 광원의 휘도보다 실제 피부에 도달하는 광량이 중요하므로, 조도 기준으로 Fig. 10과 같이 광학시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 조건은 확산 시트① (Haze 96%, 투과율 70%)과 확산 시트② (Haze 99%, 투과율 40%)에 대해 동일하게 적용하여 LED 패키지와의 거리를 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm에 배치하고 광학 시뮬레이션을 진행한 결과 거리에 따른 광균일도의 차이가 7.2%로 줄어들었다.

3.3 3-in-1 LED 제작 및 특성 평가

시뮬레이션 결과를 기준으로 칩 구조와 방열 특성을 고려하여 BT-Resin PCB 설계하고, Red와 IR 칩은 수직형 구조로 칩 크기가 작고 전극이 Top부에만 존재하므로 와이어 본딩 자유도가 높으나, Blue 칩은 수평형 구조의 칩으로 칩 상면에 애노드와 캐소드 전극을 가지므로 와이어 본딩 공정을 고려하여 설계/제작하였다.

Blue, Red, IR 칩의 특성에 따른 다파장 3-in-1 LED 패키지를 제작하고, 제작된 패키지의 전기적/광학적 특성을 평가하기 위해 Instrument사 CAS-140 Spectrometer 장비를 이용하여 측정하였다. 정격전류 조건에서 전기적․광학적 특성을 측정한 결과 Table 1과 같이 주파장(Dominant Wavelength)은 Blue 430.0nm, Red 631.6nm, IR 853.9nm, 광속은 Blue 1.09lm, Red 2.03lm, IR 5.8mW의 특성을 가졌다.

입력전류에 따른 광학적 특성을 평가하기 위해 5mA에서 40mA까지 5mA 간격으로 입력전류를 증가하며 측정한 결과 Fig. 12와 같이 선형적으로 광 특성이 증가하였다.

3.4 광패치 광원 모듈 제작 및 특성 평가

광학 시뮬레이션 기준으로 제품화를 위한 광원 모듈을 제작하고 확산 시트와 높이에 따른 조도 특성을 평가하기 위해 PCB를 설계하고 Fig. 13과 같이 샘플을 제작하였다.

제작된 PCB를 이용하여 3-in-1 LED 패키지를 실장하고 광균일도 평가를 위해 휘도계(TechnoTeam社, LMK 5 Color)를 이용하여 6개 영역으로 구분하여 Fig. 14와 같이 Blue, Red LED 휘도 균일도를 측정하였다.

Blue, Red LED 휘도 균일도를 측정 Table 2와 같이 Blue LED는 평균 휘도 균일도는 86.5%, Red LED는 90.8% 보였다.

제작된 PCB를 이용하여 3-in-1 LED 패키지를 실장하고 광균일도 평가를 위해 조도계를 이용하여 Fig. 15와 같이 Blue, Red, IR LED의 높이에 따른 광출력 변화를 평가하고, 확산 시트 적용 전,후의 조도 변화를 평가하였다.

광균일도를 측정한 결과 중심부를 기준으로 양쪽 가장자리의 평균 조도를 비교한 결과 Table 3과 같이 Blue LED는 6.1%, Red LED는 5.3%, IR LED 4.8% 차이를 보였다.

3.5 Red 파장 유효성 시험

시뮬레이션 결과를 기준으로 광균일도 증가에 따른 파장 유효성을 검증하기 위해 Haze 99%, 투과율 40%의 확산 시트를 적용하여 시험하였다. Red 630nm LED를 세포에 각각 0, 1, 2.5, 5, 10J/cm²의 광량으로 조사하고 24, 48시간 후 세포 생존율을 평가하였다. Red 630nm LED, 10J/cm² 이하의 조사에서 95% 이상 세포 생존률을 보여줌으로써 세포 광독성이 나타나지 않음을 확인하고 실험을 진행하였다. Red 630nm LED 단독조사와 확산 시트가 적용된 630nm LED 조사에 따른 피부재생 효능을 비교,분석하였다. 630nm LED와 확산 시트 가 적용된 630nm LED를 세포에 각각 1J/cm²의 광량으로 조사하고 24시간 후에 피부재생 바이오마커 발현을 mRNA level 에서 비교 평가하였다. 평가 결과 Fig. 16과 같이 COLⅠ 발현 비교한 결과 630nm LED 단독 조사 시 비조사군에 비해 약 145.5% 증가하였으며, 확산 시트를 적용한 경우 비조사군에 비해 약 157.0% 증가하였다. COLⅢ 발현 비교한 결과 630nm LED 단독 조사 시 비조사군에 비해 약 106.7%의 증가하였으며, 확산 시트를 적용한 경우 비조사군에 비해 약 108.3% 증가하였다.