피부, 종이, 옷감 등에 붙이는 OLED로 피부 콜라겐 합성-부착형 OLED로 인공피부와 동물모델에서 콜라겐 합성 및 피부재생 확인

피부, 종이, 옷감 등에 붙이는 OLED로 피부 콜라겐 합성-부착형 OLED로 인공피부와 동물모델에서 콜라겐 합성 및 피부재생 확인

 

등록일 2020.04.22.

 

피부, 종이, 옷감 등에 붙이는 OLED로 피부 콜라겐 합성
부착형 OLED로 인공피부와 동물모델에서 콜라겐 합성 및 피부재생 확인

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 최경철 교수(KAIST)와 박경찬 교수(분당서울대학교 병원) 공동연구팀이 소재나 형태에 무관하게 다양한 표면에 부착할 수 있는 프리폼 OLED※를 개발하고, 인공피부모델과 동물모델에 직접 부착할 수 있는 OLED 광원에 의한 콜라겐 합성 및 피부재생 효과를 확인했다고 밝혔다.
※ 프리폼(Free-form) 유기발광다이오드(OLED) : 특정 소재와 형태에 제한없이 만들 수 있는 OLED. 자발광 특성으로 얇고 유연한 디스플레이로 제작할 수 있음.

○ 주로 디스플레이나 조명으로 응용되던 플렉서블 OLED를 웨어러블 헬스 케어 기기로 응용할 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 빛이 체내 생화학 반응을 촉진시키는 원리를 이용하는 비외과적 접근인 광치료(photomedicine)는 상처치유, 주름개선 등 피부개선 및 피부미용 측면에서 특히 많이 주목받는다.
○ 하지만 주로 활용되는 점광원의 LED와 레이저 기기는 빛을 균일하게 조사하기 어렵고, 발열문제가 있어 피부 밀착에 한계를 보이며 병원 등에서 주로 설치형 광원으로 광치료에 활용된다.

□ 연구팀은 부착할 수 있는 4.8마이크로미터(㎛)의 박막 층 사이에 OLED를 넣는 샌드위치 구조의 면광원을 디자인하여 소재와 형태의 제약 없이 사용할 수 있는 프리폼 OLED를 제작하였다.

○ 프리폼 OLED는 두께 10마이크로미터(㎛)로 아주 얇아 피부, 옷, 종이, 과일 등 다양한 소재는 물론 원통형 같은 다양한 형태의 표면에 부착하는 형태로 제작할 수 있다는 것이 장점이다.

□ 실제 옷감에 적용된 프리폼 OLED는 350마이크로미터(㎛) 굴곡의 1000회 반복된 접힘(folding)에도 정상적으로 구동했으며,
○ 물세탁 후에도 구동 수명이 100시간을 넘어 옷과 모자와 같은 일상생활 소재와 접목해도 효율적인 사용이 가능함을 확인하였다.

□ 실제 쥐의 피부상처에 프리폼 OLED를 부착하여 빛을 쬐어주고 8일 후 상처치유를 돕는 각질형성세포의 재생(21%) 및 피부영역확장(15%) 등의 효과를 관찰했다.
○ 3D 인공피부모델을 통해 확인한 표피두께 향상(39%)과 콜라겐 생성 증진 등의 피부재생 효과가 실제 동물모델에서 재현된 것이다.

□ 지난해 연구팀이 개발한 상처치유에 효과적인 ‘OLED 반창고’를 토대로 옷이나 피부 형태의 패치와 같이 소재와 형태에 구애받지 않는 다양한 웨어러블 형태로 응용하도록 개발됐으며, 인공피부와 동물모델까지 확대하여 콜라겐 합성 및 피부재생 효과를 확인했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 KAIST 최경철 교수팀의 전용민 박사과정 연구원과 분당 서울대병원 박경찬 교수팀의 최혜령 연구중점교수의 주도로 진행되었으며, 네이처(Nature) 자매지, ‘빛 : 과학과 응용(Light: Science & Applications)’ 에 12월 9일 게재되었다.

? 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Sandwich-structure Transferable Free-form OLEDs for Wearable and Disposable Skin Wound Photomedicine
저 자
전용민 박사과정(공동1저자, KAIST), 최혜령 연구중점교수(공동1저자, 분당서울대 병원), 최경철 교수(교신저자, KAIST), 박경찬 교수(교신저자, 분당 서울대 병원)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 빛을 이용한 광치료* 기법은 비침습적, 비외과적(non-invasive) 방식으로 주로 상처 치유 및 피부 미용 등의 목적으로 사용되고 있다.
○ 이러한 광치료 기법은 주로 레이저 혹은 LED 광원을 바탕으로 상용화 되고 있지만, 레이저나 LED와 같은 점광원 기반의 폼팩터*는 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 조사(照射)하기 어렵고 국부 발열 문제가 있으며, 딱딱한 형태이기 때문에 유연하지 못하여 인체에 밀착하지 못하는 등의 문제가 있었다. 이로 인해 광원이 위치한 고정된 장소에서만 광치료가 가능했다.
* 광치료(Light therapy) : 빛이 인체 내에서 생화학적 반응을 촉진하는 원리를 이용하는 의료 기술로, 피부미용, 상처치유, 황달 등의 피부질환 뿐만 아니라 우울증, 불면증, 치매 등의 정신건강 등에 적용 가능함.
* 폼팩터(From-factor) : 디바이스의 구조화 된 형태를 의미한다. LED와 같은 딱딱한 광원은 폼팩터가 정해져 있지만, OLED는 다양한 기판에서 플렉서블, 폴더블, 스트레쳐블 등 다양한 형태로 구조화 할 수 있는 장점을 갖음.
○ 새로운 광원인 OLED는 면광원으로 제작될 수 있고 유연한 특성을 가지기 때문에 기존 문제점들을 해결할 수 있으나, 표면이 매끄럽고, 유리나 플라스틱 같은 내열성 있는 소재에만 제작할 수 있다는 한계가 있었다.
○ 즉 OLED가 갖는 장점을 극대화하여 웨어러블/인체부착형 형태의 광 치료를 구현하기 위해서는 소재와 형태에 제한을 두지 않으면서도 고 신뢰성, 고 성능의 플렉서블 OLED가 필요하다.

2. 연구내용
○ 소재와 형태에 관계없이 OLED가 제작될 수 있도록 샌드위치 구조의 전사 가능한(transferable) 프리폼 OLED(Free-form OLED)를 개발하였다. 초박막 베리어(4.8㎛)에 의해 샌드위치 되는 구조로 디자인하여 총 두께, 10㎛의 전사 가능한 프리폼 OLED를 제작하는 데 성공했다.
○ OLED가 제작되기 어려웠던 피부, 과일, 섬유, 종이와 같은 다양한 소재 뿐만 아니라 실린더와 같이 평면이 아닌 원통 형태에도 전사될 수 있게 되었다.
○ 나아가 이렇게 만들어진 프리폼 OLED가 기존 유리기판 위에 제작된 OLED와 동일한 고효율의 성능을 나타냄을 확인하였다.
○ 또한 샌드위치 구조로 인해 중립층(Neutral axis)을 자유롭게 제어할 수 있어 옷감에 전사된 OLED가 350㎛의 굴곡의 반복 접힘에도 정상 구동이 가능하여, 인체의 다양한 부위에 적용할 수 있음을 확인했다.
○ 한편 세탁 후에도 구동 수명이 100시간 이상 되는 신뢰성을 증명하여 일상생활 소재에 적용 가능성을 확인했다
○ 나아가 실제 사람의 각질형성세포* 를 이용한 독성 테스트를 통해 국제표준화기구(ISO) 기준의 안전성을 검증했다. 또 빛의 파장과 조사 에너지를 조절하여 각질형성세포에 적용하였을 경우, 대조군보다 26% 향상된 세포증식 효과와 32% 향상된 세포이동 효과를, 3D 인공피부모델* 에서는 표피의 두께가 39% 향상되는 효과와 콜라겐 합성 효과 등을 보이며 뛰어난 피부 재생 효과를 확인하였다.
○ 실제 프리폼 OLED를 쥐 상처에 부착하여 기관 배양실험(Organ Culture)을 진행하였을 경우에는 쥐의 피부영역이 14% 늘어났으며 재상피화 (re-epithelialization)* 등의 재생 효과를 검증하였다.
* 각질형성세포(Keratinocytes) : 피부 표피의 95%를 차지하는 세포로, 상처치유에 중요한 역할을 한다.
* 인공피부모델(Artificial Skin Model) : 실제 사람의 표피와 내피를 구성하는 세포로 이루어진 3D 형태의 인공 피부를 이용한 실험 모델
* 재상피화(re-epithelialization) : 벗어진 피부 표면이 재증식하여 상처가 치유되는 것

3. 연구성과/기대효과
○ 프리폼 OLED는 사람이 착용하는 옷, 마스크, 모자 또는 피부에 직접 부착하는 등 어떠한 형태로도 적용할 수 있어 웨어러블·일회용 광치료의 실용화에 기여할 것으로 기대된다.
○ 피부미용을 위한 마스크팩이나 상처치유를 위한 패치 외에도 모자나 안경 형태로도 제작될 수 있어 광치료의 활용범위를 확대할 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.
○ 또한 다양한 소재에 제작할 수 있어 광치료 이외에도 E-textile, E-Skin, E-paper 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

? 그림 설명

 

 

(그림1) 다양한 프리폼 OLED 구현 및 사람의 인공피부모델에서 피부 재생 효과

(a) 피부, 과일, 섬유, 종이, 원통형 등 소재나 형태에 무관하게 고성능, 고신뢰성, 고유연성 프리폼 OLED를 제작할 수 있다. 피부에 부착하거나 옷처럼 입는 방식으로 광치료를 구현, 치료의 효율을 높이는 데 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
(b) 실제 사람의 표피와 내피 세포로 구성된 인공피부 모델에 이러한 프리폼 OLED를 활용해 광치료를 하면 표피가 두꺼워지는 등 상처치유 효과를 확인할 수 있었다. 특히 최적 조사시간은 10-20분 가량으로 대조군 대비 표피두께가 30% 이상 높게 나타났다.

 

(그림2) 쥐 피부 상처에 프리폼 OLED를 부착하였을 경우 피부 재생 효과
쥐 피부의 상처 부위에 직접 프리폼 OLED를 부착, 10분간 광치료를 진행하고 8일이 경과한 뒤 조직을 살펴보았다. 대조군에서는 표피의 회복이 전혀 이루어지지 않은 반면(0%), 프리폼 OLED를 적용한 경우에는 각질형성세포 재상피화 효과(21%)를 보여 피부재생 효과를 확인하였다.

 

? 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구는 작년에 언론에 보도되었던 ‘OLED 반창고‘ 의 후속연구이다. 최근 광 치료에 대해 효과 및 안전성 때문에 관심이 많아지고 있으며 LED 마스크 등 상용화 제품들도 많이 나오고 있다. 하지만 현재 쓰이는 LED나 레이저 광원의 경우 두껍고 유연하지 않은 점광원으로 휴대가 어려워 집이나 병원과 같은 고정된 장소에서 치료해야 하는 한계가 있었다.
이에 본 연구팀은 기존 광원의 한계를 해결할 수 있는 면광원 기반 플렉서블 OLED의 장점에 주목하였다. 하지만 플렉서블 OLED를 만들 수 있는 형태와 재료가 제한적이기 때문에 이를 해결한 프리폼 OLED를 개발하여 형태와 소재에 무관하게 광 치료에 적용 할 수 있다면 인체에 밀착이 가능하여 편리함과 치료효과를 극대화 할 수 있을 것을 기대하며 연구를 시작하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 성과를 통해 기존과 달리 인체에 밀착할 수 있는 형태의 광 치료가 가능하게 되었다. 단순히 유연한 OLED를 활용한 것이 아닌, 형태와 소재에 관계없이 광치료 플랫폼으로 활용할 수 있다는 의의가 있다. 또한 디바이스 측면에서 뿐만 아니라, 실제 사람의 세포, 인공피부모델 및 동물모델을 통해 효과를 검증하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구로 인해 웨어러블/인체부착형 광 치료 제품 실용화에 매우 근접할 수 있는 성과를 이루게 되었다. 프리폼 OLED가 실용화된다면, 간단히 피부, 마스크팩, 옷 등에 부착하여 일상생활을 하며 상처치유, 피부미용 등을 할 수 있게 된다. 광 치료 분야는 단순히 피부미용 뿐만 아니라 모자나 안경에 부착하여 시각자극을 통한 우울증, 불면증, 치매 등에 다양한 효과를 위해 응용될 수 있다. 앞으로 실제 제품화를 위해서는 임상시험 등의 과제가 남아있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

기존 광치료 응용 분야는 매우 다양하다. 세포를 활성화 하는 기능으로 피부미용, 탈모방지 등과 암세포를 죽이는 기능으로도 활용 가능하며 치매, 불면증, 우울증 등에도 활용 가능하다. 본 연구에서 연구한 상처치유 뿐만 아니라 앞으로 OLED 광원을 활용하여 다양한 기능에 대한 후속 연구를 통해 기술이전 및 상용화 시킬 수 있도록 연구를 진행할 예정이다.