스핀코팅방식을이용한박막고체광조직팬텀제작및피부층구조의모사가능성에대한연구 연세대학교대학원 의공학과 배윤진
스핀코팅방식을이용한박막고체광조직팬텀제작및피부층구조의모사가능성에대한연구 지도정병조교수 이논문을석사학위논문으로제출함 2013 년 1 월 연세대학교대학원 의공학과 배윤진
배윤진의석사학위논문을인준함 연세대학교대학원 2013 년 1 월
감사의글 짧지만결코쉽지않았던지난 2년의시간을돌이켜보니만족스러운느낌보다는매사에조금더최선을다하지못한제자신에게아쉬움이남는것같습니다. 그런저에게대학원에서의 2년동안의시간은앞으로의새로운곳으로나아갈발판을마련하기에좋은경험을주었던곳이라고생각되어더욱소중하게여겨집니다. 부족한저에게새로운곳에서의배움의기회를주시고신뢰해주신지도교수이신정병조교수님과제논문에대한아낌없는충고와조언을해주신이경중교수님, 김경환교수님께감사의말씀드립니다. 또한대학원생활을보다잘할수있도록많은가르침을주신이용흠교수님, 이윤선교수님및연세대의공학과교수님들과신상훈교수님, 이상석교수님, 이현숙교수님및상지대한방의료공학과교수님들께감사의말씀드립니다. 2년동안동거동락하며많은시간을보내온생체의광학연구실의모든선 후배들께도감사드립니다. 큰오빠이신영우오빠를비롯해, 희성오빠, 태윤오빠, 예일오빠, 은지언니, 상희언니, 지훈오빠, 응준오빠, 은권오빠, 원혁, 훈정에게다시한번고맙단말을전합니다. 같은연구실이진않지만저에게아낌없는조언과격려를준소중한분들인하범쌤, 훈쌤, 규희쌤, 춘희, 아영, 유나언니, 연금언니, 현정언니, 바울오빠, 순동오빠에게도고맙단말을전합니다. 마지막으로변함없는지지와사랑을주시는소중한제가족아버지, 어머니, 언니와소중한친구들지륜, 지선, 선영, 선화, 봉길, 지만오빠, 범준오빠, 그리고소중한내짝꿍여창민오빠에게도고맙단말을전합니다. 2013 년 1 월 배윤진올림
차 례 차례그림차례표차례식차례국문요약 ⅰ ⅲ ⅳ ⅴ ⅵ 제 1 장서론 1 제 2 장배경이론 3 2.1. 광조직팬텀 3 2.2. 피부층구조및광학적특성 4 2.3. 스핀코팅이론 6 제 3 장박막고체광조직팬텀제작및실험방법 7 3.1. TSOTP 제작을위한혼합용액준비과정 7 3.2. 실험방법 9 3.2.1. 스핀코팅과정 10 3.2.2. TSOTP의두께측정 12 3.2.3. TSOTP의광특성측정 15 3.2.4. 피부층구조의모사를위한다층 TSOTP 제작 17 3.2.5. 피부층구조의모사를위한다층 TSOTP 제작시고려해야할점 19 - i -
3.3. 실험결과 21 3.3.1. TSOTP 두께측정결과 21 3.3.2. 회전속도와광흡수물질농도변화에대한 TSOTP 두께측정결과 24 3.3.3. 다층코팅에대한 TSOTP 두께측정결과 26 3.3.4. 광흡수물질농도변화에대한광특성측정결과 28 3.3.5. 광간섭단층영상기를이용한다층 TSOTP 구조분석 30 제 4 장고찰 32 제 5 장결론 36 참고문헌 37 영문요약 41 - ii -
그림차례 그림 1. 피부의구조 4 그림 2. 스핀코팅방식과정 6 그림 3. TSOTP 혼합용액제조과정 7 그림 4. 전체실험과정 9 그림 5. OTP 제작에사용한장비 11 그림 6. TSOTP 두께측정 12 그림 7. TSOTP 의광특성측정 15 그림 8. 광특성을측정하기위한시스템 16 그림 9. 다층 TSOTP 제작모습 17 그림 10. 제작된 (a) 진피층팬텀및 (b) 다층 TSOTP 18 그림 11. 회전속도변화에대한다층 TSOTP 두께변화영상 21 그림 12. 회전속도와광흡수물질농도변화에대한 TSOTP 두께 변화 24 그림 13. 회전속도증가에대한다층 TSOTP 두께변화 26 그림 14. 광흡수물질의농도변화에대한 TSOTP의흡수계수변화그림 15. 광간섭단층영상기를이용한다층 TSOTP의단면측정영상 28 30 - iii -
표차례 표 1. 멱함수를이용한 TSOTP 층별두께의곡선적합 27 - iv -
식차례 식 1. 멱함수를이용한곡선적합 27 - v -
국문요약 스핀코팅방식을이용한박막고체광조직팬텀제작및 피부층구조의모사가능성에대한연구 인체피부를모사하기위하여제작된박막고체광조직팬텀은다양한목적을위해사용되어왔다. 기존의박막고체광조직팬텀제작에관한연구에서는, 원하는두께의팬텀을제작하기위해틀을이용하여원하는두께의팬텀을제작하는방식이나용액이경화되기이전에두께에맞춰부피를계산하여제작하는방법으로제작과정에서의번거로움이많다는한계가있다. 이러한한계를개선하기위해, 본연구에서는스핀코팅방식을이용하여반복성및재현성이높고두께조절이용이한박막고체광조직팬텀제작법을제시하고기존의제작방법으로는모사하기에어려움이많은인체피부의표피층과유사한박막두께의고체광조직팬텀을해당제작법으로제작하였다. 박막고체광조직팬텀제작에서는회전속도, 광흡수물질의농도및팬텀의적층에대한실험적변수를조절함으로써제작되었다. 단층의박막고체광조직팬텀두께는스핀코팅시회전속도의변화에따라기하급수적으로감소하였으며, 결과로는회전속도 250 rpm에서 65 ± 0.28 μm의최대두께를나타냈으며, 회전속도 2500 rpm에서 5.1 ± 0.17 μm의최소두께를나타냈다. 적층을통한다층의박막고체광조직팬텀의두께는적층수에따라증가하였으며회전속도변화에대한적층수와적층한팬텀두께에대한실험변수는멱함수를이용하여곡선적합하였으며, 결과로도출된실험식의추정값과실제측정한실험값사이에서모든경우 R 2 0.95 이상의높은상관 - vi -
관계를나타냈다. 제작된박막고체광조직팬텀의두께는고해상도마이크로현미경을이용하여관심영역 3곳을측정하여반복성및재현성있는결과값을획득하였다. 반면에, 박막고체광조직팬텀혼합용액에서의광흡수물질의농도변화와박막고체광조직팬텀의두께와는직접적인상관관계가없음을확인하였으나광흡수계수에서는광흡수물질의농도가증가할수록증가하는것을확인하였다. 또한, 본연구에서의팬텀제작법을이용하여진피층팬텀위에박막고체광조직팬텀을코팅하여다층으로박막고체광조직팬텀을제작함으로써실제인체피부층과유사한구조로모사하였다. 본연구는스핀코팅방식을이용하여반복성및재현성이높고두께조절이용이한박막고체광조직팬텀제작법을제시하였으며, 이에대한최적의실험변수를도출하기위해고체광조직팬텀의혼합용액제조시주제, 경화제및점도저하제의혼합비율을조절하여적정의혼합용액의점도도출및광흡수물질의농도변화에대한고체광조직팬텀의두께와의상관관계를확인하였으며, 스핀코팅시필요한실험변수인회전속도, 회전시간, 경화시간, 경화온도를조절하여팬텀두께조절의용이성과코팅의균일성을가진박막고체광조직팬텀의제작및이를이용한다층박막고체광조직팬텀을제작함으로써인체피부층구조의모사가능성에대하여연구하였다. 향후연구로는제작된다층구조의박막고체광조직팬텀의표피층팬텀에실제피부주름을입혀코팅하고진피층팬텀에모세혈관을삽입함으로써실제피부조직과광학적및구조적으로유사한피부용고체광조직팬텀모사에대한연구를진행할것이다. 핵심되는말 : solid optical tissue phantom, epidermis layer, spin coating, spin speed, viscosity, concentration - vii -
제 1 장서론 광조직팬텀 (Optical Tissue Phantom, OTP) 은일반적으로인체내생체조직의광학적및생물학적특성을모사 (mimic) 한것으로서다양한목적으로발전되어왔다. 일반적으로 OTP는광학계성능구현, 광학장비의보정, in vitro에서의배광 (light distribution) 시뮬레이션등에이용된다.[1-3] OTP의종류로는크게액체와고체형태로나뉘며, 액체 OTP의경우, 제작이비교적간단하고마이크론 (μm) 단위의두께조절이용이하지만반영구적보관이불가능하고반복적사용에제한이있다. 반면에박막고체광조직팬텀 (TSOTP, Thin layered Solid Optical Tissue Phantom) 의경우, 다른종류의 OTP와달리반영구적보관성과원하는모양의팬텀설계에대한용이성때문에가장많이제작되지만, 대상의구조적인모사가제한적이고인체피부의표피층 (epidermis layer) 과같이마이크론단위두께를가진팬텀을제작하는데에는제한적이다.[3-6] 정확한피부용 OTP를제작하기위해서는생체조직의광특성뿐만아니라두께도고려하여제작해야한다.[7-9] 현재까지마이크론두께를가진인체피부의표피층을모사하기위해, 많은연구들이진행되어왔다. Bruin et al.(2010) 과 Saager et al.(2010) 은자체제작한틀 (customized frame) 을이용하여두께를조절하였으며, Urso et al.(2007) 은틀사이에용액을부어두께를조절하였으며, Tseng et al.(2008) 은팬텀용액의경화과정이전에용액의부피를계산하여두께를조절하였다. 또다른모사방법으로원하는두께를제작하기위해스프레이과정을반복함으로써팬텀두께를조절하였다.[4,6,7,10,11] 표피층두께의 OTP를제작하기위해다양한재료와방식으로시도되어왔지만, 아직까지부정확하고불필요한제작절차들이있으므로적절하고 - 1 -
효율적인방식의제작에는한계가있다.[6] 특히, 이러한방식들은다음과같은공통적인한계점이있다. 예를들어, 팬텀을제작하는데에상당한시간이소요되고발색단 (chromophore) 입자 (particle) 의침전 (precipitation) 과응집 (aggregation) 이발생된다.[4,7,10] 또한, 현재까지제시된방식들중에표피층을구성하는각층의두께 ( 약 10 μm) 를정확히모사한연구가없다.[12] 본연구는스핀코팅방식 (spin coating method) 을이용하여반복성및재현성있는박막고체광조직팬텀 (Thin-layered Solid Optical Tissue Phantom, TSOTP) 제작법을제시하였다. 스핀코팅방식은, 스핀코팅과정에서의회전속도 (spin speed) 에따라두께를조절하여넓은면적의얇고균일한필름을제작하는방식으로미세전자산업 (microelectronics industry) 의반도체공정 (semiconductor process) 에서사용되어왔으며복잡하고번거로운과정없이간단하고빠른처리과정으로구성되어있다.[13-19] 따라서본연구에서는스핀코팅방식을이용하여인체피부의표피층두께의 TSOTP를제작하였으며, 이를이용하여실험변수인회전속도와 TSOTP의적층 (multi-layer) 의변화에따라 TSOTP의두께를정량적으로평가하였으며, 용액의광특성물질 (optical property agent) 의농도를조절하여광흡수계수 (optical absorption coefficient) 변화에대하여평가하였다. 또한, TSOTP를이용하여다층구조의 TSOTP를제작함으로써인체피부층구조의모사적용가능성에대해연구하였다. - 2 -
제 2 장배경이론 2.1 광조직팬텀 (Optical Tissue Phantom, OTP) 광조직팬텀이란진단기기와치료기기의보정 (calibration) 이나임상실험이불가능한경우모사할조직과광학계수 (optical coefficient) 가유사한물질을이용하여제작한것으로, 인체내생체조직을대체하기위해광학적및생물학적특성이유사하도록제작한실험적물질이다. OTP는기기의초기테스트, 기존기기의신호대잡음비최적화, 기기의동작능력조정, 기기간의성능비교나표준화, 기기의보정과안정성및재현성의테스트등의목적으로사용된다.[1] 생체조직과유사한광학적특성을갖는 OTP를제작하기위해조직에서빛의진행 (propagation of light) 에영향을미치는산란 (scattering) 및흡수 (absorption) 특성에대한이해와적정한값의선택이중요하다. 원하는모양의팬텀을제작하기위해서는사용되는스펙트럼의범위 (range of spectrum), 구성물질 (composition), 이질성 (heterogeneous), 모양 (shape), 두께 (thickness), 틀 (frame) 등이중요한요인 (factor) 으로작용된다. 또한, 사용목적에따라구성물질이달라지고제작방법에도차이가있으므로사용하고자하는목적에맞는구성물질과제작방법을선정하여제작해야한다.[1-3] - 3 -
2.2 피부층구조및광학적특성 그림 1. 피부의구조 피부는크게표피층 (epidermis layer), 진피층 (dermis layer), 피하층 (hypodermis layer) 으로이루어져있다.[23] 그림 1에서표피층은피부의가장바깥표면에위치하며조직의부위에따라 0.04 ~ 1.5mm의얇은두께를갖는다. 표피층은 4 ~ 5층의세포들로구성되어있으며, 이중색소형 - 4 -
성세포에서멜라닌을생성해내며, 이들로인하여빛을흡수하게되어피부가착색된다. 진피층은결합조직으로교원섬유 (collagenous fiber) 와탄력섬유 (elastic fiber) 로구성되어있으며조직의부위에따라 1 ~ 4mm의두께를갖는다. 진피층에서는교원섬유인콜라겐섬유에서생체조직으로부터들어온빛에의한강한확산반사및산란이일어나게된다. 피하층은진피의밑에있는또하나의다른결합조직층으로이는피부를보다더깊은곳에있는근육의건막이나뼈의골막에연결되어있으며피하지방층으로에너지를저장하는지방층이있으며주로지방조직 (adipose tissue) 에의해빛의산란이일어난다. - 5 -
2.3 스핀코팅이론 (Spin Coating Method) 그림 2. 스핀코팅방식과정 스핀코팅방식이란얇고균일한층을제작하기위해미세전자산업의반도체공정에서널리사용되는기법으로, 유체를기판위에올려놓고고속으로회전시키면서원심력에의해유체를넓게펼치는방식이다. 스핀코팅방식은크게 3가지과정 ( 물질도포, 회전, 경화 ) 을거쳐진행하며, 적층을통한다층코팅 (multi-layer coating) 의필름도제작이가능하다. 그림 2와같이스핀코팅을하여원하는두께의필름을제작하기위해서는분당회전속도, 용액의농도, 회전시간등과같은변수를고려해야한다. - 6 -
제 3 장박막고체광조직팬텀제작및실험방법 3.1 TSOTP 제작을위한혼합용액준비과정 그림 3. TSOTP 혼합용액제조과정 - 7 -
그림 3은 TSOTP 혼합용액의준비과정에대해세부적으로설명한순서도이다. TSOTP를제작하기위해, 주제로는에폭시 (KE-300NS, KPS Inc., Gwangju, Korea) 를사용하였다. 에폭시의경우, 반영구적특성을지닌마이크론단위의박막피부층모사가가능한고체형태로광특성물질의혼합이가능하고경화과정이용이함으로본연구에서주제물질로사용되었다.[18] 점도저하제 (KE-300E, KPS Inc., Gwangju, Korea) 는팬텀의균일성과두께에영향을미치는점도를조절하기위하여사용하였으며, 점도저하제와에폭시는실험실온도 (18 ) 에서 1:3 비율로혼합하여제작한다. 광흡수물질로는전파장대의안정적인흡수스펙트럼을갖는인디안잉크를사용하였다.[1] 인디안잉크는전체혼합용액의 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 % 의 5가지농도로구분하여첨가하였다. 이때인디안잉크의입자가혼합용액 ( 주제 + 점도저하제 ) 에일정하게분포하며입자의응집을방지하기위해초음파폐쇄기 (Sonic505, Hwashin Co, Korea) 와자석교반기 (magnetic stirrer) 를이용하여총 20분동안용액을혼합한다. 주제와점도저하제를혼합한용액에인디안잉크를첨가하여혼합하는과정에서반응열이발생하게되는데, 혼합용액의온도가상승하게되면경화제를혼합하는과정에서경화진행이촉진되어용액의점도에영향을미치게되므로경화제를투입하기이전에 1 시간동안냉장고에보관하여실험실온도로유지한다. 본연구에서사용한최적의팬텀제작온도는 18 이다. 18 로낮춰진용액을경화시키기위해경화제 (KH-700NS, KPS Inc., Gwangju, Korea) 를투입한다. 이때의비율은경화제와인디안잉크를첨가한혼합용액의 1:4 비율로혼합한다. - 8 -
3.2 실험방법 그림 4. 전체실험과정 - 9 -
그림 4 는 TSOTP 를제작하는전체실험과정이다. 전체실험과정으로는 TSOTP 혼합용액의준비, 스핀코팅, TSOTP 두께측정, 광특성측정, 다 층 TSOTP 제작및 OCT 를이용한층구조분석으로총 5 단계로진행된다. 3.2.1 스핀코팅과정 제작된 TSOTP 혼합용액을이용하여스핀코팅을하기위해크기가 26 76mm 2 슬라이드글라스를기판으로사용한다. 슬라이드글라스는피라 냐용액 (piranha solution) 을이용하여스핀코팅을위한전처리과정을진행한다. 피라냐용액은황산과과산화수소를 7:3 비율로혼합하여제조하였으며, 기판으로사용하는슬라이드글라스는제조된피라냐용액에 1 1.5 시간동안담그고증류수와아세톤을이용하여헹구어낸뒤마지막으로실험실온도 18 에서건조시킨다. 스핀코터 (ACE-200, I-NEXUS Inc., Sungnam, Korea) 를이용하여 TSOTP를제작한다. 슬라이드글라스위에약 1 ml 정도의혼합용액을도포한뒤, 62초동안각기다른분당회전속도로스핀코팅을진행한다. 이때의분당회전속도는 7 단위 (250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500 rpm) 로정하였다. 본연구에서사용한스핀코팅의회전시간은기존의참고문헌을참고하여정하였고,[13,14,16] 기존문헌에서 40초이상스핀코팅을하게되면더이상팬텀두께에영향을미치지않게되므로, 본연구에서는안정적인결과를도출하기위해회전시간을 62초로정하였다. 62초는초기가속시간 2초와각기분당회전속도로회전이진행하는시간의 60 초로구성된다. 스핀코팅과정이끝난후, 슬라이드글라스위의코팅된팬텀을경화시키기위해, 본연구에서는인큐베이터 (WIG-32, DAIHAN Scientific co. Ltd., Wonju, Korea) 를이용하여경화를진행하였다. 인 - 10 -
큐베이터는온도 60 에서 4시간동안코팅된팬텀을경화한다. 건조시인큐베이터를사용한이유는자연건조의경우주제로사용한에폭시가경화되는과정에서기포가다수발생되는단점이있고, 이렇게발생된기포는추후팬텀의균일성및두께에영향을미치므로이러한기포발생을최대한줄이기위함이다. (a) (b) 그림 5. OTP 제작에사용한장비 : (a) 스핀코터, (b) 인큐베이터 - 11 -
3.2.2 TSOTP 의두께측정 (a) (b) - 12 -
(c) 그림 6. TSOTP 두께측정 : (a) 실제사용한두께측정장비, (b) TSOTP 두께측정모사도, (c) 슬라이드글라스 ( 좌 ) 및 1 층코팅된 TSOTP( 우 ) 경화한팬텀의두께를측정하기위해본연구에서는그림 6(a) 와같은고해상도마이크로현미경 (KH-7700, HIROX, Tokyo, Japan) 을이용하였다. 슬라이드글라스위에코팅된팬텀은다이아몬드연마공 (diamond cutter) 을이용하여자르고, 고해상도마이크로현미경을이용하여코팅된팬텀과슬라이드글라스사이의단면을구분하여두께를측정한다.( 그림 6(b)) 두께측정의정확도를높이기위해실험의 TSOTP는각농도당 3개씩샘플제작하였으며, 각각의반복실험은총 5회진행하였다. 코팅된팬텀이슬 - 13 -
라이드글라스위에고르게코팅이되었는지확인하기위해한샘플당 3 곳의측정점 ( 가장자리 2곳과중앙 1곳 ) 을측정하여결과값을나타냈다. 그림 6(c) 의왼쪽그림은실제실험에사용한슬라이드글라스이고, 그림 6(c) 의오른쪽그림은슬라이드글라스위에 1 층 (one-layer) 의스핀코팅된 TSOTP이다. - 14 -
3.2.3 TSOTP 의광특성측정 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0% 총 5가지의광흡수물질의농도로제작된 70 마이크론두께의 TSOTP는광학분광계 (spectrometer, USB4000, Ocean Optics, FL, USA) 를이용하여반사스펙트럼 (reflectance spectrum) 과투과스펙트럼 (transmittance spectrum) 을측정하였다. 광학분광계는 2개의적분구와연결되었으며, 텅스텐-할로겐램프 (tungsten-halogen lamp, HL 2000, Ocean Optics, USA) 를광원으로사용하였다. 본실험에서측정한파장영역은가시광선영역대인 660 nm이며제작된 TSOTP의 660 nm에서의반사스펙트럼과투과스펙트럼을측정하였다. 각각의 TSOTP는그림 7과 같이 2 개의 적분구 (double integrating sphere) 사이에위치한입사광 (incident light) 이광섬유 (optical fiber) 를거쳐 2 개적분구사이의제 작된 TSOTP 에도달하게위치시켜 TSOTP 의반사스펙트럼과투과스펙트럼 을측정하였다.( 그림 7) 그림 7. TSOTP 의광특성측정 - 15 -
각각의 TSOTP의광특성측정의반복성및재현성을위해, 각농도당 4개의 TSOTP를제작하여총 3회반복측정하였으며, 제작된 TSOTP의균일한광특성을확인하기위해임의의 3곳을측정하였다. 다음으로, 660 nm 파장영역에서측정된반사스펙트럼과투과스펙트럼을 Inverse adding doubling (IAD) 알고리즘을통해흡수계수를도출하였다. 본실험에서는산란계수 (scattering coefficient, μ s ) 와비등방성지수 (anisotropic factor, g-factor) 를 μ s = 3, g = 0.87로고정하여알고리즘을실행하였으며, 고정한두값은기존문헌에서의인체피부의표피층조직에대한계산값 (μ s = 2.34, g = 0.87) 을바탕으로하여유사한값을이용하여흡수계수를도출하였다.[20, 21] (a) (b) 그림 8. 광특성을측정하기위한시스템 : (a) 텅스텐 - 할로겐광원, (b) 2 개의적분구와광학분광계 - 16 -
3.2.4 피부층구조의모사를위한다층 TSOTP 제작 그림 9는앞부분에서언급한바와같이, 진피층팬텀 (dermis layer phantom) 제작및그위에표피층두께의 TSOTP를코팅함으로써다층구조의 TSOTP를제작하여인체피부층구조의모사가가능한다층 TSOTP 제작을진행하였다. 그림 9. 다층 TSOTP 제작모습 표피층팬텀 (epidermis layer phantom) 혼합용액은상기실험방식과동일하게제작되었다. 진피층팬텀을제작하기위해, 광특성물질로이산화티타늄 (Titanium dioxide, TiO2) 을이용하여진피층을제작하였다. 진피층의경우콜라겐섬유에의한강한산란이일어나므로광산란물질을넣어그특성을모사하였다.[23] 광산란물질의농도는전체혼합용액의 1 % 로제작하였으며, 틀을사용하여제작하였다. 사용한틀로는직경 70Φ 를갖는알루미늄호일을이용하였으며, 이를통해진피층팬텀의두께는 2.85mm(±0.2mm) 로제작하였다. - 17 -
제작된진피층팬텀위에표피층팬텀혼합용액을도포하여회전속도 250 rpm 에서회전시간 62 초동안스핀코팅을한다. 이후인큐베이터에 서 60 로 2 시간동안경화시켜다층 TSOTP 를제작하였다.( 그림 10) (a) (b) 그림 10. 제작된 (a) 진피층팬텀및 (b) 다층 TSOTP - 18 -
3.2.5 피부층구조의모사를위한다층 TSOTP 제작시고려해야할점 다음과같이제시된스핀코팅방식을이용하여 TSOTP를제작시주의해야할사항에대해서기술하였다. 먼저, 혼합용액의제작시전체혼합용액의점도를조절함으로써스핀코팅을통한 TSOTP의두께조절이가능하도록해야한다. 본연구에서사용되어진전체혼합용액의점도는주제인에폭시와경화제및점도저하제의비율을 3:1:1 로사용하여 101 cps 로맞추어사용하였다. 이는기존문헌에따라혼합용액의점도와 TSOTP의두께와의직접적인상관관계를갖기때문에원하는두께의 TSOTP를제작하기위하여점도를조절함으로써 TSOTP를제작하여야한다. 또한, 상기기술한바와같이제작된혼합용액은경화과정에서의경화온도및경화시간을조절하여제작해야한다. 이는기존의상온에서 24 시간이상의경화 ( 실험실온도기준 ) 과정으로인하여팬텀용액의혼합과정에서발생된기포로인한팬텀두께및팬텀의코팅균일성에영향을미치기때문에본연구에서는인큐베이터를이용하여최적의경화조건인 60, 4시간동안경화함으로써기포발생을줄이고팬텀경화시간을단축하였다. 진피층팬텀위에표피층팬텀을적층하여다층의 TSOTP 제작시진피층팬텀은반경화 (semi hardening) 상태에서스핀코팅이잘되므로경화시간을 3시간으로단축하여적층함으로써다층의 TSOTP를제작할수있다. 마지막으로, 스핀코팅시회전속도및회전시간을조절함으로써팬텀두께를조절하여제작해야한다. 일반적으로스핀코팅으로사용되는회전속도는 2000 rpm 이상의고속회전을사용하는반면에본연구에서사용한회전속도는고점도의에폭시를이용하여 100 마이크론두께의 TSOTP - 19 -
를제작하기때문에회전속도를 250 ~ 2500 rpm으로세분화하여회전속도를조절함으로써원하는두께를제작할수있다. 또한, 스핀코팅시사용한회전시간은기존문헌을이용하여회전시간이 40초이상일경우더이상팬텀두께에영향을미치지않으므로본연구에서는안정적인결과를도출하기위해회전시간을 62초 ( 초기가속시간 : 2초, 회전시간 : 60초 ) 로맞추어진행하였다. - 20 -
3.3 실험결과 3.3.1 TSOTP 두께측정결과 (a) (b) - 21 -
(c) 그림 11. 회전속도변화에대한다층 TSOTP 두께변화영상 : (a) 1 층스핀코팅한 TSOTP ( 좌 : 250 rpm, 우 : 2500 rpm) (b) 2 층스핀코팅한 TSOTP ( 좌 : 250 rpm, 우 : 2500 rpm) (c) 3 층스핀코팅한 TSOTP ( 좌 : 250 rpm, 우 : 2500 rpm) 그림 11은고해상도마이크로현미경을이용하여 250 rpm와 2500 rpm의회전속도변화에대한 TSOTP 두께측정영상이다. 그림 11(a), 11(b), 11(c) 는각각 1 층, 2 층, 3 층으로다층코팅 (multi coating) 을한영상이다. 그림 11(a), (b), (c) 의좌측영상들은 250 rpm에서스핀코팅하였을때의 1, 2, 3층의다층코팅의 TSOTP 두께측정영상으로, 측정된두께는 (a) 는 73.377 μm(x140), (b) 는 131.525 μm(x140), (c) 는 242.282 μ m(x140) 이고, 그림 11(a), (b), (c) 의우측영상들은 2500 rpm에서스핀코팅하였을때의 1, 2, 3층의다층코팅의 TSOTP 두께측정영상으로, 측정된두께는 (a) 는 3.6 μm(x700), (b) 는 8.999 μm(x280), (c) 는 16.614 μm(x140) 으로측정되었다. 각각의팬텀두께측정영상은슬라이드글라 - 22 -
스위의전영역에넓고균일하게코팅되었으며적층수가증가함에따라 두께가증가함을확인할수있다. 또한슬라이드글라스와코팅된팬텀사 이의구분이뚜렷함을확인할수있다. - 23 -
3.3.2 회전속도와광흡수물질농도변화에대한 TSOTP 두께측정결과 그림 12. 회전속도와광흡수물질농도변화에대한 TSOTP 두께변화 그림 12는회전속도를 250 rpm ~ 2500 rpm의범위에서 7가지로나눈것과광흡수물질농도를 0.2% ~ 1.0% 의범위에서 0.2% 씩증가하여변화를주어스핀코팅하였을때의 1 층 (one-layer) 의 TSOTP 두께변화를나타낸결과이다. 그림 12와같이회전속도가증가함에따라 TSOTP의두께는기하급수적 (exponentially) 으로감소하였으며, 특히, 500 rpm 이후의회전속도에서크게두께가감소하였다. 코팅된 TSOTP의두께는회전속도 250-24 -
rpm에서 65 ± 0.28 μm의최대두께를나타냈으며, 회전속도 2500 rpm에서 5.1 ± 0.17 μm의최소두께를나타냈다. 반면에, 각각의광흡수물질의농도변화에대한 TSOTP 두께에는직접적인상관관계를보이지않았으며모든농도에대해유사한두께를나타낸것을확인하였다. - 25 -
3.3.3 다층코팅에대한 TSOTP 두께측정결과 그림 13. 회전속도증가에대한다층 TSOTP 두께변화 그림 13은 250 rpm ~ 2500 rpm의회전속도를 7가지로구분하여회전속도증가에대한다층코팅팬텀두께변화의곡선적합 (curve fitting) 을나타낸그래프이다. TSOTP의두께는회전속도증가에따라기하급수적으로감소하였으며적층수의증가에따라증가하였다. 본연구에서는멱함수 (power function) 모델을이용하여회전속도에따라 TSOTP의두께를 - 26 -
예상하도록곡선적합 (curve fitting) 을하였다. 식. 1 는회전속도에대한변수이며, 와 는상수를의미한다. 표 1은적층수에따라 TSOTP 두께와회전속도와의관계를분석하기위해멱함수를이용하여곡선적합한결과, 모델링된식을통해얻어진추정값과실제측정한실험값이모든경우에서 R 2 0.95의높은적합성을나타냈다. Number of Layers 1 2 3 표 1. 멱함수 (power function) 를이용한 TSOTP 층별 (multi-layered) 두께의곡선적합 (curve fitting) - 27 -
3.3.4 광흡수물질농도변화에대한광특성측정결과 그림 14. 광흡수물질의농도변화에대한 TSOTP 의흡수계수변화 그림 14는광흡수물질농도를 0.2% 에서 1.0% 로증가하였을때 TSOTP 의광흡수계수 (absorption coefficient, ) 의변화를나타낸그래프이다. 0.2% 일때 0.889mm -1, 0.4% 일때 1.505mm -1, 0.6% 일때 1.948mm -1, 0.8% 일때 2.141mm -1, 1.0% 일때 2.179mm -1 로서 TSOTP에서의광흡수물질의농도를증가시키면 또한높아지는것을정량적으로확인할수있다. 오차를나타내는오차막대의크기가작고특히 0.2% 에서는표준편차 0.02로 - 28 -
아주작게나타났으며모든농도에대해서표준편차가작게나타난것을 확인하였으며반복실험을통한결과에대해서높은재현성의값을갖는 것을확인할수있다. - 29 -
3.3.5 광간섭단층영상기를이용한다층 TSOTP 구조분석 그림 15. 광간섭단층영상기를이용한다층 TSOTP 의단면측정영상 그림 15는광간섭단층영상기 (Optical Coherence Tomography, OCT) 를이용하여진피층팬텀 ( 전체혼합용액의 1.0% 이산화티타늄첨가 ) 위에표피층팬텀 ( 전체혼합용액의 1.0% 의인디안잉크첨가 ) 을쌓은다층구조의 TSOTP의단면을측정한영상으로진피층팬텀위에표피층팬텀을회전속도 250 rpm로스핀코팅하여제작하였다. 광간섭단층영상기를이용하여다층 TSOTP의단면영상을측정할시, 표면반사 (surface reflection) 에의해발생된흰띠와그밑의표피층팬텀및진피층팬텀을확인할수있으며표피층팬텀과진피층팬텀사이의구분을직관적으로확인할수있다. 또한, 광간섭단층영상기를이용한 - 30 -
TSOTP 두께측정시, 표피층팬텀은약 80 μm 의두께를측정하였으며, 진 피층팬텀은약 2.85 mm 의두께를측정하였다. - 31 -
제 4 장고찰 현재까지제작되어온 TSOTP는의광학분야에서기초적인도구로서흔히사용되어왔으며이를통해의료영상진단기기및치료기기에동작능력조정및성능구현등에쓰이며발전되어왔다. 이러한 TSOTP의경우반영구적인특성을가지고또한원하는모양의생체조직을모사하기용이하기때문에많이사용되지만박막두께와같이마이크론단위의두께를조절하는데에는아직까지정형화된방법이존재하지않는실정이다. 또한 TSOTP 제작시, 박막두께를조절하는것은매우어려우며제작과정이번거롭고또한제작시간이오래걸린다. 인체피부구조중, 표피층의경우수십 ~ 수백마이크론 (μm) 두께로되어있으며, 이중에서표피층의각질층의경우 10 마이크론이하의두께를가지고있으며 [22], 이러한구조는피부의구조적위치에따라 4 ~ 5 층의여러층 (multi-layer) 으로구성되어하나의표피층을구성하고있기때문에기존의제시된 TSOTP 제작법은인체의표피층과같은마이크론단위의두께를재현하기에는매우어렵고번거로운과정들이많다. 본연구에서는이러한문제점의일부분을해결하고자미세전자산업의반도체공정에서사용하고있는스핀코팅방식을이용하여새로운 TSOTP 제작법을제시하였다. 스핀코팅시회전속도, 혼합용액에서의광특성물질의농도및팬텀의적층에대한실험적변수를조절함으로써두께변화에대해정량적으로평가하였다. 또한, 제작된표피층두께를가진 TSOTP의광흡수계수는혼합용액의광흡수물질농도를조절하여정량적으로도출하였으며, 이를통해두께에따른 TSOTP 제작에대한정량화연구를진행하였다. 최종적으로제시된 TSOTP 제작법을응용하여다층구조의 TSOTP를제작하였으며광간섭단층영상기를이용하여제작된다층 - 32 -
구조의 TSOTP 단면영상의확인을통하여구조적특징을확인하였다. 기존의 TSOTP 제작방법인팬텀틀제작또는경화이전의용액부피계산등의방법들과비교를하였을때, 스핀코팅방식을이용하여제작할시, 1) 제작시간단축이가능하고, 2) 회전속도를조절함으로써 TSOTP의두께조절이용이하며 3) 이를통해다층구조의 TSOTP 제작이가능한장점들이있다. 스핀코팅방식을이용한 TSOTP 제작법은한번의코팅과정으로최소두께 5.1 μm과최대두께 65 μm의 TSOTP를번거로운과정없이제작가능하기때문에한번의스핀코팅과정으로표피층두께 (40 ~ 150 μm) 를모사할수있다. 본연구에서는스핀코팅방식의 TSOTP 제작법으로서의가능성을알아보기위한기초연구로서기본적인 TSOTP 제작법을제시하였으며, 제시된방법에대한실험적매개변수의최적화과정을통하여팬텀재료나제조방법등에있어서최적화를위한추후연구가가능할것으로보인다. 회전속도변화의경우, 250 rpm에서 2500 rpm으로회전속도가증가하였을때 TSOTP의두께는 65 μm에서 5.1 μm로크게감소하였다. 회전속도가증가하였을때 TSOTP의두께가감소하였다. 또한, 스핀코팅시회전운동이증가할수록더많은원심력이증가함에따라유체는빠른속도로기판의가장자리방향으로이동하게되고, 결과적으로이러한기전으로인하여회전속도가증가함에따라 TSOTP의두께가기하급수적으로감소하게되는결과를보인것으로예상된다.[13-17] 이를통해, 스핀코팅시회전속도를조절함으로써원하는두께의 TSOTP 제작이가능할것으로사료된다. 혼합용액의광특성물질의농도변화의경우, 각기광흡수물질농도를다양화하여변화를주었지만 TSOTP 두께에직접적인영향을미치지 - 33 -
않는것을확인하였으며, 모든농도에대해서 TSOTP의두께는유사하게측정됨을확인하였다. 이는혼합용액에서의광특성물질의농도차이가전체혼합용액을기준으로하였을때미세한차이였기때문에직접적인영향을미치지않은것으로예상된다. 반면에, 혼합용액의점도가두께에영향을미치는것으로사료된다. 기존의참고문헌에서 [13], 반도체공정시필름의두께에영향을미치는것은주제로사용하는물질의점성이며, 이는용액의점성이높아짐에따라필름두께도증가하는상관관계를보여주었고, 이러한기존문헌을바탕으로하여, 혼합용액의점도는 TSOTP에영향을미치는것으로예상된다. 본연구에서, 주제로사용한에폭시는고점도물질 (1000 cps, 18 ) 이며스핀코팅과정에서점성이너무높기때문에낮은회전속도에서는고르게코팅되지않는현상을보였고, 균일한 TSOTP 제작을위해점도저하제를이용하여점도를낮춰팬텀제작을진행하였다. 결과적으로원래의혼합용액의점도 (380 cps, 18 ) 는점도저하제를이용함에따라코팅이가능한수준으로상당히낮아졌으며 (101 cps, 18 ), TSOTP이기판인슬라이드글라스또는진피층팬텀위에고르게코팅되었음을확인하였고, 혼합용액의점도에따라 TSOTP의두께에도직접적인영향을미치는것으로가정하였다. 이것은차후혼합용액의점도변화에대한 TSOTP 두께와의상관성에대한연구를통하여정량적으로평가할것이다. 적층수에대한 TSOTP 두께변화의경우, 단층의 TSOTP를이용하여적층수에따라 TSOTP의두께는증가하였으며회전속도가증가함에따라기하급수적으로두께가감소하였다. 이러한결과를통해적층수를조절함으로써원하는두께의 TSOTP 제작이가능할것으로사료된다. 광흡수계수의경우, 광흡수물질의농도증가에따라광흡수계수가증가하였다. 본연구에서는 Inverse adding doubling (IAD) 알고리즘 - 34 -
을통해, 제작된 TSOTP의광흡수계수를도출하였다. 인체의생체조직은해부학적조직의위치에따라광특성계수가각기다르고아직까지표피층의광특성계수를정확히측정한연구결과는없기때문에기존의선행연구에서의제시한값과유사한값으로표피층광특성계수인산란계수 (scattering coefficient, μ s ) 와비등방성지수 (anisotropic factor, g-factor) 를고정하여알고리즘을실행하였으며이를통해광흡수계수를도출하였다.[20,21] - 35 -
제 5 장결론 본연구에서는인체피부층구조중표피층두께를모사하기위해반도체산업에서쓰이는스핀코팅방식을이용하여 100 마이크론이하의박막두께의 TSOTP를제작하였다. 스핀코팅방식을이용하여팬텀제작시실험적변수인회전속도, 광흡수물질의농도및팬텀의적층수에대한변수를조절함으로써새로운방식의 TSOTP 제작법을제시하였으며, 이를통하여다층의 TSOTP을제작함으로써인체피부층구조의모사가능성에대한연구를진행하였다. 향후연구로는제작된다층구조의 TSOTP를이용하여표피층팬텀의피부주름형성및진피층팬텀의혈관삽입을통하여실제인체피부조직과광학적및구조적으로유사한피부층구조모사에대한연구를진행할것이다. - 36 -
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ABSTRACT Fabrication of Thin layered Solid Optical Tissue Phantom by a Spin Coating Method and its Feasibility of Human Skin Layers Structure : Pilot Study Yunjin Bae Dept. of Biomedical Engineering The Graduate School Yonsei University Solid optical tissue phantom (OTP) has been widely used for the calibration and testing of optical devices and the simulation of light propagation in tissue. This study introduces a spin coating method (SCM) to fabricate a Thin layered Solid optical tissue phantom (TSOTP). TSOTPs were fabricated with epidermis thickness of about 65 μm at single layer coating which is close to that of skin epidermis layer (40 ~ 150 μm), and characterized by manipulating spin speed from 250 to 2500 rpm, concentration of TSOTP mixture from 0.2 to 1.0 % in total volume, and the number of layers of TSOTP from 1 to 3 layers. The results showed that the TSOTP presented homogeneous thickness over a wide area, and the thickness of TSOTP exponentially decreased as a function of spin speed. Single layered TSOTP resulted in maximum thickness of 65 ± 0.28 μm at 250 rpm and minimum thickness of 5.1 ± 0.17 μm at 2500 rpm. The thickness of multi-layered TSOTPs was exponentially increased as a function of the number of layers of TSOTP and have high correlation of R 2 =0.95 for all cases. Concentration of TSOTP mixture was not directly - 41 -
affected the phantom thickness. Absorption coefficients increased as a function of the concentration of TSOTP mixture. Also, a multi-layered TSOTP with epidermal and dermal thickness was fabricated by the suggested method to simulate the human skin layer of the structure. The SCM can easily produce homogeneous TSOTP by managing the spin speed and the number of layers of TSOTP. In further study, skin texture will be coated onto an epidermis phantom and blood vessel will be inserted into the dermis phantom of the multi-layered TSOTP to optically and structurally simulate human skin layers structure. Key words : solid optical tissue phantom, epidermis layer, spin coating, spin speed, viscosity, concentration - 42 -