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| 왼쪽부터 동국대 물리학과 류승윤 교수, 물리반도체과학부 이창민 연구원 |
동국대학교 물리학과 류승윤 교수 연구팀과 분당서울대학교병원 피부과 허창훈 교수 연구팀이 광학 캐비티(Optical Cavity) 구조를 활용해 발광 지향각과 스펙트럼 분포를 제어한 적색 유기발광다이오드(OLED) 및 피부 재생용 광생체변조(PBM) 기술을 개발하고, 이를 통한 피부 세포 증식 촉진 효과를 규명했다.
(※ 광생체변조 : 특정 파장의 빛을 입혀 세포 내 미토콘드리아의 대사 활성을 자극하고 조직 재생을 유도하는 비침습적 광치료 기술. 적색 및 근적외선 영역의 빛은 세포 내 미토콘드리아의 시토크롬 c 산화효소(Cytochrome c Oxidase) 반응을 유도해 ATP 생성을 촉진하며, 피부 섬유아세포의 증식을 돕는 것으로 알려져 있다)
이번 연구는 동국대 류승윤 교수, 분당서울대병원 허창훈 교수가 교신저자로 참여하고, 이창민 박사(Northwestern University, 동국대 박사후연구원), 조현우 석사(고려대), 최혜령 박사(분당서울대병원)가 공동 제1저자로 수행했다.
기존 광치료용 레이저나 LED는 단단하고 점광원 형태를 띠어 피부 밀착성이 떨어지고, 일정한 각도로만 발광 특성을 활용해야 하는 한계가 있었다. 반면 OLED는 유연하고 면적 단위 발광이 가능해 착용형 기기로의 응용 가능성이 높아 주목받고 있으며, 이번 연구에서는 소자의 발광 방향성(지향각)과 스펙트럼 대역폭이 실제 생체 반응에 미치는 영향을 정량적으로 비교·분석했다.
연구팀은 산화물-금속-산화물(OMO) 기반 유연 전극과 전자수송층(ETL) 두께 제어를 통해 서로 다른 발광 지향각 및 파장대 영역을 갖는 적색 OLED를 제작했다. 분석 결과, 넓은 지향각을 가진 Batwing 구조 소자는 방출 각도에 따라 610nm에서 650nm까지 스펙트럼이 이동하며 광대역 발광 특성(FWHM 84nm)을 나타냈다.
인간 피부 섬유아세포를 이용한 CCK-8 세포 증식 평가 결과에서도 Batwing 소자 조사 그룹이 대조군 및 기존 람버시안(Lambertian) 소자 대비 높은 세포 증식률을 보였다. 연구팀은 이를 ‘다중 파장(Multi-wavelength) 방출 특성이 미토콘드리아 수용체 흡수 대역과 효율적으로 부합해 세포 대사 활성을 촉진했기 때문’이라고 해석했다.
연구팀은 개발된 유연 OLED 소자에 180도 반복 굴곡 시험을 100회 실시해 안정적인 구동 특성을 검증했으며, 손등 및 팔뚝 피부 부착을 통한 착용형 구동을 확인했다. 이를 통해 디스플레이 중심의 OLED 기술을 바이오 헬스케어 응용 분야로 확장하고, 피부 질환 치료 및 창상 회복을 위한 맞춤형 광원 설계 기준을 제시했다.
류승윤 교수는 “이번 연구는 OLED 소자의 광학 구조 설계가 생체 세포 반응에 미치는 영향을 정량적으로 밝혀낸 데 의의가 있다”며 “향후 소자의 파장 및 각도 제어 기술을 정밀화하여 개인 맞춤형 착용형 광치료 패치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 설명하였다.
한편, 본 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부 핵심연구B 및 교육부의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 "Angular and Spectral Engineering of Red OLEDs via Cavity-Induced Emission for Photobiomodulation-Induced Cell Proliferation"라는 제목으로 미국화학회(ACS)가 발행하는 재료과학 분야(MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY) 국제학술지 「ACS Applied Materials & Interfaces (IF=7.8)」에 게재됐고 Supplementary 표지 논문(Cover Image)으로 선정됐다.
