초록 ▼

핵심기술
■ AlGaInN 계　및 AlGaInP/GaAs 계를 이용한 의료용 LED 광원 에피웨이퍼 개발
- 중심파장에 적합한 활성층 설계 및 에피 성장기술 개발
- 계면에서의 스트레인 제어를 통한 효율 향상 에피기술

■ LED 파장 가변 공정기술 개발
- Strain을 이용한 LED 광원의 에너지밴드갭 조절에 의한 파장가변 기술
- LED광원을 이종기판으로 전사하기 위한 본딩 및 기판제거 기술

■ 5W 급 의료용 LED 통합 모듈 및 시작품 개발
- 열특성 및 광해석을 통한

핵심기술
■ AlGaInN 계　및 AlGaInP/GaAs 계를 이용한 의료용 LED 광원 에피웨이퍼 개발
- 중심파장에 적합한 활성층 설계 및 에피 성장기술 개발
- 계면에서의 스트레인 제어를 통한 효율 향상 에피기술

■ LED 파장 가변 공정기술 개발
- Strain을 이용한 LED 광원의 에너지밴드갭 조절에 의한 파장가변 기술
- LED광원을 이종기판으로 전사하기 위한 본딩 및 기판제거 기술

■ 5W 급 의료용 LED 통합 모듈 및 시작품 개발
- 열특성 및 광해석을 통한 LED 모듈제작과 Piezo 방식의 컨트롤러 및 구동드라이버 제작 기술
- LED의 발열을 제어하기 위한 냉각시스템 및 일정온도 유지하면서 파장가변이 가능하도록 하는 LED 조사기 설계 및 제작 기술
- 안전하고 편의성이 고려되면서 병변별로 유효한 치료파장을 선택하고 광출력을 조절 할 수 있는 5W 급 시작품 설계 및 제작기술

■ 파장가변 LED광조사기를 이용한 질환별 유효성검증 및 DB화
- 여드름, 염증 및 홍반 질환에 대한 가변파장별 효능 검증
- 아토피피부염, 탈모 및 피부노화 질환에 대한 가변파장별 효능 검증
- 기존에 알려진 질환별 유효파장 외에 가변파장 LED 를 이용한 유효파장의 범위를 좀 더 명확히 함으로서 향후 임상적용 시 유효한 데이터로 사용하기 위한 DB 구축

최종목표
○ 5W 급 통합형 파장가변 LED 광원 모듈 개발
· 유효성 검증 LED 광원 핵심기술개발(총 23종 에피웨이퍼)
· 금속 기판 이용한 파장가변 공정기술 개발 (파장가변 폭 : 10nm)
· 고성능 파장가변 LED PKG 및 5W 급 통합모듈 개발
· LED 가변파장을 용이하게 변환하여 다양한 임상실험에 적용하기 편리한 5W 급 실험용 시스템개발

○ 파장가변 LED 모듈을 이용한 유효성 검증 및 DB 구축
· 여드름, 홍반, 염증, 아토피피부염, 탈모 및 피부노화의 치료 가장 적절한 가변 UV, Blue, Green, Red LED 파장영역과 광량 확립 및 각 모델에 미치는 각 LED 효과 DB화
· 질환별 구축 DB 수 : 여드름( > 110건), 홍반 ( > 110건), 염증( > 110건), 아토피 피부염( > 110건), 탈모( > 110건) 및 피부노화( > 110건)

개발내용 및 결과
■ AlGaInN 계 및 AlGaInP/GaAs 계를 이용한 의료용 23종의 LED광원 에피웨이퍼 개발
- UV 영역 LED광원용 에피웨이퍼는 활성층 내의 Al 조성비 함유에 의한 박막의 품질 저하및 내주양자효율 저하에 의하여 낮은 광출력을 보이는데, 이를 극복하기 위하여 InGaN/GaN 계 MQW 대신에 InGaN/Al(In)GaN MQW 를 사용및 성장조건 최적화를 실시하여 380~405nm 영역의 UV LED 에피웨이퍼 개발

- Blue 영역 LED 광원용 에피웨이퍼 개발을 위하여, MQWs 개수 변화실험, MQW 하부의 InGaN/GaN dummy layer 주기 변화 실험을 통한 고출력 415~495nm LED구조 에피웨이퍼 개발
- MQWs 내의 In 조성비가 25% 이상을 갖는 well 이 필요한 Green 영역 LED광원의 효율을 향상시키기 위하여 MQW 하부의 InGaN/GaN dummy 층을 제거하고, MQWs 상부에 Mg 가도핑된 LT p-InGaN 층을 삽입한 LED 구조 개발을 통하여 고출력의 505nm~535nm green LED 광원용 에피웨이퍼 개발

- 590~700nm 영역의 의료용 LED 광원은 InGaP/AlGaInP MQWs 내의 well 내의 TMGa 유량 변화, 활성층 개수변화, barrier 두께 변화, p-side 활성층 영역으로의 Mg 불순물 방지층의 두께 변화 최적화를 통해 개발
- 23종 LED 광원은 1x1mm² 크기의 소자 제작 후 평가 완료

■ LED 중심파장이 10nm 이상 가변 가능한 공정기술 개발
- 압전 기판의 변형력을 최대화하기 위해 Sn산화방지막층으로 사용되는 Au의 두께를 50 nm에서 5 nm로 감소하여 본딩금속층 계면에서 void 없이 접합됨을 확인하였으며 본딩금속층 내부에서 압전기판의 변형력 손실을 억제하기 위해 본딩금속층 두께를 1.55 um에서 1.15 um로 축소화 공정을 진행하여 소자 측정 시 압전 기판에 90V 전압 인가 시 최대 3.15 nm을 파장가변( 549.4nm- > 546.3nm) 을 확인

- Mo 기판에 LED를 전사하여 bending을 할 경우 곡률 반경에 따라 LED에 인가되는 strain양을 정밀하게 조절할 수 있어 LED의 발광 파장을 가변 할 수 있는 구조로 본딩 공정의 최적화를 통해 Mo 기판위에 LED 박막의 100% 전사 효율을 확인하였으며 vernier caliper를 통한 측정에서 4.21 x 10 ^-3 의 strain 인가시 green 영역 LED 중심 파장에서 평균 10.65 nm 파장 가변(527.3nm- > 516.7nm) 하며 strain이 1.27 x 10-2 에서 최대 29.19 nm 파장 가변 (522nm- > 492.8nm) 공정 개발

- AlGaInP LED 파장 가변공정은 Mo 기판을 적용하여 소자 제작 및 특성평가 결과 590 nm 와 620 nm LED에서 중심파장으로 부터 각각 12.37nm (596.5nm- > 584.17nm) 와 10.42 nm (625.4nm- > 614.98nm) 파장 가변하고, 650 nm 와 680 nm LED에서 중심파장으로 부터 각각 12.74nm (653.98nm- > 641.24nm) 와 14.67 nm (685.71nm- > 671.04nm) 파장 가변함을 확인함

■ 5W 급 파장 가변 모듈 및 파장/광출력 가변 용이한 LED 광조사기 시작품 개발
- 5W 급 파장가변 LED모듈 개발을 위해 단일 패키지 및 모듈에 대한 열해석을 통해 열저항 특성이 <10℃/W(@ > 5W LED power, room temperature) 인 고방열 PKG 및 모듈 개발
- 3-in one 단일 LED PKG 사용시 25℃ 방열미 적용시 최대 168 ℃이었으나, 방열 적용 열해석을 통해 최대 25.3 ℃ 인 PKG 및 방열구조 설계 및 제작 완료
- 10x10어레이 구조의 LED모듈 열설계를 통해 최대 온도가 26℃ 인 모듈 설계 및 제작 완료
-PKG 및 모듈 광출력을 향상하기 위한 방사각 65°, 도팅 몰딩 공정을 통한 랜즈 생성 방식을 적용한 광 시뮬레이션 완료
- 정전류 방식의 LED 모듈 구동 드라이버, 전류제한 방식의 Dimming 모드, RS 232 통신을 통한 LED 모듈 제어용 칸트롤러 설계 및 제작완료
-냉각블럭 내에 부착되어 있는 온도센서가 LED 모듈의 온도를 정밀 감지한 후 이를 피드백 하여 LED 모듈이 목표온도에 벗어나지 않도록 TEC의 냉각온도를 조절 하는 시스템 개발완료.
- 파장가변 및 광출력 조절이 가능한 시제품 개발완료
- LED모듈 냉각 및 제어를 위한 메인보드 개발 완료
-사용자가 병변별로 치료파장을 선택하여 조사할 수 있도록 하는 터치스크린 모듈 및 GUI 디자인 개발완료
- 병변별로 치료파장을 선택하고 광출력을 조절 할 수 있는 5W 급 시작품 시스템 개발완료

■ 파장가변 LED 광조사기를 이용한 6종의 병변에 대한 유효성 검증 및 데이터 구축
- 여드름, 염증, 홍반, 아토피피부염, 탈모 및 피부노화 질병에 대한 세포 및 동물모델 구축 및 유효성 검증 실험 진행
- 기존 여드름 질환에 알려진 415nm 파장 대역 뿐만 아니라 405nm 및 410nm 파장대도 유효함을 확인하였음
- 홍반 및 염증 질환에 대한 유효한 파장은 622nm 및 639nm 대역도 발현인자 억제에 영향을 미침을 파악함
- 탈모치료에 있어 기존에 알려진 660nm 파장 뿐만 아니라 green 영역의 파장도 유효함을 파악함
- 피부재생 효과 파장은 515nm 및 525nm 파장대역에서 효과가 있음을 세포 및 동물모델에서 파악함

기술개발 배경
· 최근 산업화로 인한 환경오염 및 다변화, 전문화된 사회 구조로 인하여 아토피 피부염, 여드름, 지루피부염, 주사, 홍반, 염증, 탈모 등의 피부질환 발생률이 급격히 증가하는 추세를 보이고 있고 이로 인한 의료비 상승은 최근 큰 사회 문제로 되고 있음

· 아토피피부염, 여드름, 홍반, 염증, 탈모 및 피부노화로 대별되는 최대 관심 피부질환 분야에 대한 안전하고 효과적인 치료기술의 자체개발을 통해 나날이 증가하고 있는 국민들의 만성 피부질환 치료 욕구를 충족시켜줄 필요가 있음

· LED 광원을 이용한 의료기기는 LED 광원을 이용하기 때문에 고출력 레이저(laser)가 국소적인 면적에 집중적으로 치료하는 것과 달리 적절한 광 출력으로 넓은 면적의 질환 부위를 효과적으로 치료할 수 있는 의료기기로서 LED 이용 의료기기 기술은 광 기술과 IT 기술의 융복합 산업기술영역임

· LED 의료기기 시장은 국내뿐만 아니라 국외시장도 산업적 초기단계 이며, 국가 경제규모에 비해 세계 의료기기 시장에서 경쟁력을 갖추지 못한 국내 의료기기 산업이 세계 시장에 진입하기 위해서는 많은 관심과 연구개발이 선행되어야 함

· LED 를 이용한 광 치료기기는 최근 선진국을 중심으로 점차 제품과 시장이 확대되고 있으며, 주요 업체로는 Photo Therapeutics Ltd.(영국), Light Bio-Science(미국), LCC(미국), Light-wave(미국)등의 선진국 의료기기 업체들이 LED를 이용한 광 치료기기들을 출시하고 있는 상황임

· LED 의료기기 시장은 국내뿐만 아니라 국외시장도 산업적 초기단계 이며, 국가 경제규모에 비해 세계 의료기기 시장에서 경쟁력을 갖추지 못한 국내 의료기기 산업이 세계 시장에 진입하기 위해서는 많은 관심과 연구개발이 선행되어야 함

· 현재 상용화되고 있는 의료용 LED 광조사기는 한 가지 또는 두 가지 정도의 단일 파장을 탑재한 광조서기로서 탑재된 LED 광원은 실제 병변 및 인종에 따라 서로 다른 효능을 나타낼 수 있음

· 더불어 이러한 단일파장 광조사기는 일반병원의 경우 비용적, 공간적 측면에서 여러 파장대의 장비를 보유하기는 현실적으로 불가능함

· 기존의 LED 광원을 이용한 파장가변 방식은 온도변화를 통한 방식을 사용하였으나, LED 소자의 효율을 감소시키는 단점이 발생.

· 본 연구에서는 LED 광원에 스트레인를 인가하여 에너지밴드 갭 조절을 이용, 소자의 효율 감소 없이 파장가변 가능한 공정기술을 개발하고 이를 적용한 의료용 파장가변 LED 광조사기를 개발하고자 함

· 파장가변이 가능한 LED 모듈이 탑재된 의료용 광조사기는 의료기기 시장 확대 및 새로운 분야로의 시장 진출이 가능할 것으로 예상됨

핵심개발 기술의 의의
◯ 피부질환에 대한 LED 광원의 유효성 검증을 위한 개발되지 않은 파장대의 LED광원을 개발함으로서 LED 광원을 이용한 치유와 질환 발생억제를 위한 병리학적 및 기전학적 연구를 심도 있게 수행할 수 있게 되었음

◯ 기존의 파장가변 방식은 LED광원의 온도변화 및 복수의 LED를 어레이 하는 방식을 사용하였으나, 이러한 방식은 LED 효율 저하 및 현재 구현되지 않는 color의 LED광원 존재로 인해 LED를 의료분야에 적용하는데 한계가 있었으나, 본 과제에서 개발한 외력(스트레인) 에 의한 LED파장 가변 방식은 LED 효율변화 없이 10nm 이상의 파장가변 LED 광원 구동을 가능하게 하였음

◯ 상용화 LED 광원외에 다양한 color spectrum을 갖는 23종의 LED에피 및 광원 개발은 의료 분야뿐만 아니라, 다양한 산업분야에 적용할 수 있는 기술을 제공 가능함

◯ 같은 피부질환일지라도 피부색 및 질환 정도에 따라 치료되는 파장대역이 다름에도 불구하고 기존에 개발된 의료기기는 단일LED 광원또는 2~3개의 광원으로 구성된 광조사기를 질환별 치료시 교체하는 방식의 의료기기기 대부분이었으며, 동일 질환에 대한 병변일지라도 정확한 치료를 하기가 어려웠으나, 파장가변 LED 광원을 적용함으로서 하나의 광원으로 20~30nm 에 해당하는 발광스펙트럼 역역을 스캔함으로서 병변에 대한 정확한 유효 파장을 알 수 있게 되었음

◯ 현재 시판되고 있는 의료용 광조사기의 경우 단일 파장대를 가진 경우가 대부분인데, 본 과제에서 개발된 파장가변이 되는 LED 모듈을 탑재하거나 다양한 파장대의 교체식 LED 모듈이 개발 되면 광조사기 시장을 확대시키는 데 큰 효과가 있을 것으로 판단됨

◯ 파장가변이 가능한 LED 모듈 개발을 위한 LED 패키징 기술 및 LED모듈, 구동드라이버 및 컨트롤러 제작기술은 향후, 의료용 광조사기 제작시 의료기기 업체와 협력 및 기술 공급이 가능함으로서 수출증대, 수입제품의 국산품 대체효과 등을 기대할 수 있음

◯ 본 과제를 통해 구축된 여드름, 홍반, 염증, 아토피피부염, 탈모 및 피부노화에 대한 세포 및 동물모델 구축 및 LED파장에 대한 유효성 검증에 대한 약 1079 건의 데이터는 LED 광조사기기가 의료기기로서 시장진출하기 위한 인증기간 및 임상실험 등의 기간단축 및 비용절감 하는데 기여 할 것으로 사료됨

적용 분야
· 단일 발광파장 (고정파장) LED 광원에 비하여 가변파장 LED 광원은 피부질환 치료시 다양한 질환에 대하여 동시 치료 가능하고, 동일 질환에 대해서도 피부색, 연령별 등에 따라 효능이 달라질 수 있는 경우, 치료기기의 교환 없이 파장가변을 통해 정확하게 유효 파장 및 효과를 파악하는데 효과적임으로 기존 광의료기기 대체 및 신규 시장

· 기존 레이저 및 램프를 이용한 의료기기 대체 시장
· 다파장 LED 광원을 이용한 농수산업 분야
· 파장가변 조명 분야
· 심미치료등 감성조명 시장
· full color display 분야
· IoT 기반 신개념 의료기기 치료 분야

(출처 : 최종보고서 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 20
• 목차 ... 32
• 제 1 장 서론 ... 33
• 제 1 절 과제의 개요 ... 33
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 34
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 34
• 제 2 절 연차 목표 및 평가 방법 ... 37
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 39
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 175
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 175
• 제 3 장 결과 ... 176
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 176
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 176
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 179
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 183
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 186
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 187
• 제 4 장 사업화 계획 ... 188
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 188
• 제 2 절 사업화 계획 ... 188
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 189
• 끝페이지 ... 191