탈모 치료하는 양자점-OLED 패치 나왔다
탈모 피부에 부착하면 모발 증식 효과를 내는 양자점-유기발광다이오드(QD-OLED) 패치 기술이 개발됐다. QD-OLED가 웨어러블 전자약으로 개발된 건 세계 최초다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 가천대학교 전용민, 권상직, 조의식 교수 연구팀이 ㈜이노큐디, 충북대 권정현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 실시간으로 광 파장 변환이 가능한 고출력 의료용 웨어러블 QD-OLED* 패치를 개발했다고 밝혔다.
* QD-OLED: 양자점(QD, Quantum Dot)은 입자 크기에 따라 색깔이 다양하게 나타나는 작은 반도체 결정을 뜻한다. 양자점-유기발광다이오드(OLED)는 이런 양자점의 특성을 이용해 기존 LED보다 다양한 색의 빛을 내 디스플레이 산업에서 주로 쓰인다.
인체에 부착해 실시간 진단·치료를 할 수 있는 웨어러블 OLED 기술은 헬스케어 분야에서 다양한 연구가 이루어지고 있다. 웨어러블 기기나 전자약에 활용하기 위해서는 낮은 전압에도 출력이 높고 유연하며 자유롭게 파장 변환이 가능해야 한다. 기존 OLED는 고출력과 실시간 파장 변화가 어려워 다양한 목적에 맞는 전자약 구현에는 한계가 있었다. 또한, 기존 QD-OLED 역시 유연성과 고출력의 근적외선 성능이 확보되지 못해 주로 디스플레이 분야에 활용해 왔다.
연구팀은 고출력, 실시간 광변환이 가능한 웨어러블 QD-OLED 패치를 개발하기 위해 병렬 적층형 청색광 OLED와 유연한 QD 필름 및 다기능성 봉지막* 핵심기술을 개발했다.
먼저, OLED를 한 픽셀에 병렬로 적층해 저전압에서도 고출력이 나올 수 있는 청색 OLED를 제작, 단층 청색광 OLED보다 435% 향상된 고출력 청색 OLED의 성능을 확보했다. 다기능성 봉지막 필름은 나노적층화** 층이 수분과 산소로부터 OLED를 보호하는 가스확산장벽*** 역할과 청색광 반사 역할을 해 기존 15%의 양자점 광변환 효율을 최대 68%까지 증대시켰다. 이를 OLED의 봉지막에 적용하고 QD-필름의 발광부에 부착해 고성능, 다기능성 QD-OLED 패치를 개발했다.
* 봉지막(Encapsulation): 봉지 공정은 OLED 제조 과정에서 산소와 수분이 유기물에 침투하지 못하도록 밀봉해 제품의 수명을 향상시키는 단계이다.
** 나노적층화 (Nanolaminate): 밀도가 높은 초미립자 고체를 원자 단위 증착 기술을 활용하여 생산된 박막.
*** 가스확산장벽: 두 개의 다른 금속이 적층되었을 때 서로 손상을 방지하는 장벽.
특히 이번 연구에서 개발한 웨어러블 QD-OLED를 이용해 모발치료 및 심박수 측정 성능을 검증한 결과, 모발의 성장을 담당하는 모유두세포에 해당 패치를 부착했을 때 최대 23%까지 증식 효과를 보였고, 실시간으로 심박수 측정도 가능함을 확인했다.
전용민 교수는 “상용화 수준의 고출력, 고신뢰성의 QD-OLED 패치 기술을 확보했다”며 “웨어러블 디스플레이뿐만 아니라 전자약, 센서, 광의학 등에서 활용될 것 기대한다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 2024년 9월 25일 게재되었다.
논문명 Wearable quantum dots organic light-emitting diodes patch for high-power near infra-red photomedicene with real-time wavelength control
저널명 Chemical Engineering Journal
키워드 웨어러블 양자점-유기발광다이오드, 근적외선, Wearable QD-OLED, Near Infrared
DOI https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156121
저 자 김영우 박사과정(제1저자/가천대학교), 권정현 교수(제1저자/충북대학교), 권상직 교수(교신저자/가천대학교), 전용민 교수(교신저자/가천대학교),
1. 연구의 필요성
○ 현재 웨어러블 광원 플랫폼(OLED, QLED, μ-LED)은 제작 후에 하나로 정해지는 파장 특성으로 인해 다양한 목적에 맞는 특정 파장의 진단/치료형 웨어러블 플랫폼을 구현하기엔 한계점이 있었다. 이를 해결하기 위해서는 실시간으로 파장이 변환 가능한 새로운 광 플랫폼의 개발이 필요한 상황이었다.
○ 또한, 실시간으로 광 변환이 가능한 기존의 QD-OLED 광원 플랫폼은 고유연성, 고출력의 근적외선 성능 확보 등의 한계점이 존재하여 디스플레이 분야 이외의 웨어러블 전자약으로 활용되기에는 부족하였다.
2. 연구내용
○ 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결하기 위해 병렬 수직 적층형 청색광 OLED를 개발하여 광 출력을 증대시켰다. 또한, 고유연 박막 QD 필름을 투과해서 나오는 누설 청색광을 다기능성 봉지막을 활용하여 가스 불침투성, 방수, 청색광 반사성을 이용해 광 변환 효율을 상승시켰다.
○ 먼저, 트랜스퍼 가능한 필름형 PET 기판에 OLED를 한 픽셀에 병렬로 적층하여 저전압에서도 고출력이 나올 수 있는 청색 OLED를 제작하였다. 이러한 OLED는 최대출력에서 단층 청색광 OLED보다 최대출력이 435%까지 높게 나오는 소자가 개발되었다.
○ 다음으로, 높은 유연성을 갖으면서도 낮은 수분투습도(WVTR)성능과 광출력을 효과를 증대시키기 위해 나노 적층 기반 청색 반사 근적외선 강화(Blue Reflective Near-Infrared Enchance, BRRE)가 가능한 다기능성 봉지목 필름을 개발하였다.
○ 이는 낮은 굴절률의 알루미늄 산화물(Al2O3)과 높은 굴절률의 티타늄 산화물(TiO2)을 다중으로 원자층 증착(ALD)를 통해 반복 적층하여 다기능성 특성을 확보할 수 있었다.
○ 해당 필름의 수분투습률(WVTR)이 10-6 g/m-2/day으로 낮으며, 청색광 영역은 90% 이상 반사하고, 근적외선 영역은 대부분 투과시키는 특성을 나타내었습니다. 이를 OLED의 봉지막으로써 적용하고, QD-film의 발광 부에 부착하여 광 변환 효율을 극대화하였다. 이를 통해 고성능, 다기능성 배리어를 확보하였다.
○ 광학 성능을 향상시키기 위하여 고농도의 QD를 적용하고자 순수 QD보다 고농도화 한 QD Capsulation으로 가공하여 발광 Intensity를 높인 QD Film을 사용하였다. 상기 청색 OLED광원을 QD-film의 발광 부에 부착하여 광 변환 효율을 극대화하였다. 이를 통해 고성능, 다기능성 배리어를 확보하였다.
○ 마지막으로, QD-OLED 패치 플랫폼은 모발성장에 핵심 역할을 하는 모유두세포에 조사하여 세포를 23% 이상 증식시켜, 모발 증식에 효과가 있음을 입증하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 실제 상용화 가능한 수준의 실시간 파장 제어 고출력 QD-OLED 플랫폼을 통해 다양한 진단/치료 분야에 적용 가능한 웨어러블 전자약의 상용화가 기대됨. 또한, 다양한 인체 부착/착용/삽입 등의 폼팩터(form-factor) 개발을 통해 웨어러블 QD-OLED 기반 제품들의 상용화가 기대됨.
○ 해당 기술은 다양한 광변환 기반 소자 플랫폼에 적용 가능한 원천 기술로써 고출력 청색광 OLED를 활용한 QD-OLED 디스플레이 분야, 양자점-유기 전자약, 양자점-유기 광센서에서 활용 가능할 것으로 기대됨.
(그림2) QD-OLED 패치 및 성능:
(a) QD-OLED 패치에 대한 개요, (b) 병렬적층 OLED와 단층 OLED들에 대한 출력 세기 그래프, (c) 다양한 파장대의 QD 필름을 적용한 QD-OLED 파장 그래프, (d) 다양한 파장대의 QD 필름이 적용된 QD-OLED에 대한 출력 세기 그래프.
그림 설명 : 본 그림은 QD-OLED 패치 플랫폼의 개요와 성능 지표를 나타냅니다. QD-OLED 패치의 구성과 그 구성에 따른 성능 지표를 제시 [사진=한국연구재단]
연구 이야기
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
최근에는 웨어러블 헬스케어 기기들의 지속적인 기술개발로 인해 웨어러블 헬스케어 기기의 중요성과 수요가 수면위로 떠오르고 있습니다. 이 중 가장 활발하게 연구되고있는 OLED는 빛을 이용하여 비침습적인 진단/치료를 통해 신체에 부작용 및 무리 없이 적용될 수 있는 장점들이 있습니다. OLED는 기존의 광 치료 장비들이 가진 특성 중 크고, 무겁고, 유연하지 못하여 치료 제공 시 장소의 제약이 있다는 한계점을 쉽게 해결해낸 치료 플랫폼으로 대두됩니다.
또한, 삼성 등의 기업들에서 개발 중인 QD-OLED를 기반으로 한 광 변환기술에 저희는 집중하였습니다. 기존의 OLED와 QLED등의 소자들은 제조 시에 단 한 가지만의 모양을 가진 파장만을 얻어낼 수 있습니다. 하지만, QD기반의 광 변환기술을 위와 같은 특성이 있는 OLED와 접목한다면 QD 필름 변경만을 이용하여 실시간으로 광 변환이 가능할 것으로 생각되었습니다.
이는 광학 치료기기에서는 치료하고자 하는 목적에 맞는 정확한 파장과 세기, 그리고 에너지양이 중요하기 때문입니다. 이러한 배경으로 저희는 본 연구를 시작하게 되었습니다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
QD-OLED는 청색광 OLED의 세기에 따라 최종적인 광출력이 결정됩니다. 초기에 제작된 단층 청색광 OLED를 사용하였을 때는 최대출력 세기가 광 치료에는 충분하지 못한 출력이 나타났습니다. 이에 따라 본 연구기관이 선행 기술로 확보한 병렬 적층형 OLED를 활용하게 되었고, 이를 통해 최대 출력에 대한 문제점을 해결하여 진단/치료에 적용할 수 있었습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
본 실험의 주요성과는 실시간 파장 변화가 가능한 고유연성 QD-OLED를 개발하였고, 실시간 광 변환 QD-OLED를 이용한 상용화 가능한 진단/치료 플랫폼을 세계 최초로 제시하였습니다.
사용하고자 하는 목적에 따라 사용자가 원하는 하는 파장을 QD 필름만을 변경하며 선택할 수 있습니다. 이는 살균, 세포 증식, 항암 등의 여러 가지 치료 분야에 단순히 QD 필름을 변경하며 쉽게 활용될 수 있습니다. 이는 기존에 한 번 제작되면 파장을 변경할 수 없다는 한계점을 타파하였습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
본 제품이 실용화된다면 인체부착형 웨어러블 OLED에 고농도 QD Capsulation 을 적용한 QD 필름 카트리지와 함께 제공하여 탈모 치료, 창상 치료, 실시간 진단 등의 분야에서 활약할 것입니다. 일상생활 속에서 입을 수 있는 모자, 옷, 토시 등의 다양한 제품에 부착되어 사용할 수 있고, 혹은 연구 진행 방향처럼 간단하게 쓸 수 있는 밴드 형태의 제품으로도 실용화할 수 있을 것입니다. 이는 앞으로 미용 분야, 치료 분야, 진단 분야에서 활약할 수 있을 것으로 기대됩니다.
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BRIC Bio통신원(한국연구재단) 등록 2024.11.04