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엔디야그 레이저 (Nd:YAG) – 알듯 모를 듯 궁금한 피부레이저치료


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피부과, 성형외과에서는 기본 장비로 사용되어지고 있고, 의학적으로도 응용이 가장 많은 엔디야그 레이저 (Nd:YAG)에 대해서 속속들이 알고 싶어 하는 사람들이 정말로 많은 것 같다.
그래서 필자는 본 연재를 통해서 엔디야그 레이저 (Nd:YAG)의 껍질을 벗겨보고 어떻게 만들어지는지 차근차근 알아보려고 한다.
하지만 물리를 기반으로 탄생된 레이저를 공부한답시고 이해하기도 어려운 수식들만 가득한 전공 서적으로 공부하기에는 왠지 내가 무엇을 하고 있나 하는 의문 속에서
한심스러운 시간이 아까울 수가 있고, 미분 적분을 다시 공부해서 이해한다고 한들 갑자기 이중 삼중 적분이 등장하지를 않나, 미분도 모자라 편미분이 등장하고
그도 모자라 갖가지 특수 함수들이 등장하면 결국엔 책을 덮는 순간이 오게 될 수도 있기 때문에 가능한 한 에세이를 읽듯이 쉽게 이해되도록 하려고 노력할 것이다.

컴퓨터도 없던 시절에 잘도 계산해서 만들어 놓은 양자 물리학(Quantum Physics)은 인간의 지적 수준의 한계는 어디인가를 보여주듯이 한번 보고는 잘 이해가 안 되는 한 편의 영화를 보듯 드라마틱 하다.
대학에 입학하여 물리학을 전공하면, 역학(Dynamics), 전자기학(Electromagnetics), 양자역학(Quantum Mechanics)의 3가지 필수 과목을 수강하게 된다.
인간들이 연구하여 다져온 결과물을 순차적으로 공부하게 되는 것이다. 이 중에서도 가장 어렵고도 난해한 양자역학을 공부할 때는 무조건 외운 다음에
그것을 풀어보면 이해가 된다는 정말 말도 안 되는 선배들의 조언을 따라 그렇게 해보니 이해가 되더라라는.
그 속에 레이저가 들어 있다는 사실. 재미있는 구석이다.

피부레이저의 발명은 거의 60년 전으로 거슬러 올라가 루비(Ruby) 레이저의 발진으로 서막을 열었는데 이를 위해서는 19세기 말 막스 플랑크의 흑체 복사 이론으로부터
많은 이들이 연구해 온 결과물이 20세기에 꽃을 피웠다고 할 수 있겠다. 루비 레이저에 이어 벨 연구소에서 He-Ne 레이저가 개발되기까지는 몇 개월 걸리지도 않았고,
그 후 10년, 현재 우리가 알고 있는 모든 레이저의 연구는 이미 끝이 난다. 다만 응용 분야로의 개척이 남았을 뿐.

과학적인 지식으로부터 모든 레이저의 이론들이, 절대 강국으로 발돋움하였던 미국으로부터 전해지면서 레이저의 연구도 미국이 주도했다고 착각을 할 수도 있는데 그렇지가 않다.
우리가 대표적으로 사용하고 있는 Nd:YAG 레이저는 러시아에서 탄생했다.
당시 러시아에서는 엄청난 매장량과 더불어 산업적으로도 가치가 있었던 광물질에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있었다.
특히 희토류 원소가 함유된 매질에서 특별한 발광이 이루어진다는 사실과 그 이론적인 내용을 통째로 완벽하게 정리한 kaminski의 laser crystals라는 책이 모든 것을 증명해 준다.

엔디야그 레이저 (Nd:YAG)를 통해서 레이저에 대한 기본 지식을 조금이나마 이해할 수 있도록 글을 쓰고 싶은 욕심으로 시작하고는 있지만,
이 글을 읽으면서 순간순간마다 뭐지(?)라는 물음이 나오기를 희망한다.
레이저가 발명된 초기부터 많은 연구자들에 의해 의학적인 응용은 끊임없이 시도되어 왔었는데 레이저가 의료기기의 한 분야로 자리 잡기까지는
다양한 임상 실험을 거쳐서 피부레이저치료 와 피부조직 상호 간의 근본적인 이해가 이루어졌기 때문에 성공적으로 의료영역에서 광원 기반 치료기기로 인정받고 있는 것이다.

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책에 나와 있는 레이저의 일반적인 문구, 레이저는 유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)을 의미하며,
다양한 레이저 매질에서 빛의 결맞음(Coherence)으로 특별한 파장 또는 파장 대역의 빛으로 발생시키는 장치를 말한다.
레이저에서 발생되는 파장은 자외선 (Ultraviolet, 100~400nm), 가시광선 (Visible, 400~700nm), 적외선 (Infrared, 700nm~1mm) 영역이 대부분이다.
우리가 궁금해하는 Nd:YAG 레이저는 1,064nm의 파장을 가지므로 적외선에 해당하는데 파장의 길이에 따라 가시광선에 근접하여 있어서 근적외선 (near IR)이라고 의미를 부여한다.

레이저를 의료기기의 사용 목적에 맞게 인체에 적용하기 위해서, 사용자는 레이저의 종류와 기본 원리를 이해하고 안전한 사용을 위한 지침을 숙지해야 할 필요가 있으며,
제조자는 식품의약품안전처에서 요구하는 시험 규격에 적합하도록 전기·기계적 안전성에 관한 시험, 전자파 안전에 관한 시험,
성능시험 등을 시행하여 제품의 안정성을 확보하여야 한다.

레이저의 종류를 구분하는 방법은 레이저 매질과 레이저의 출력 형태로 분류하는 것이 일반적인데,
레이저 매질의 형상은 고체, 액체 또는 기체 상태로 구분되고, 출력의 형태는 연속적 또는 비연속적(펄스)인 형태로 구분된다.
이때, 출력의 단위는 레이저가 연속적일 때는 전력의 단위인 와트(W)로 펄스일 때는 에너지의 단위인 주울(J)로 표시한다.
펄스 레이저의 경우 펄스의 지속시간이 중요한 요소가 되는데, 수 밀리초(millisecond, ms)에서 수 펨토초(femtosecond, fs)까지 다양하게 개발되고 있다.

여기에서 논의하고 있는 엔디야그 레이저 (Nd:YAG)는 레이저 매질이 고체(Nd:YAG)이므로 고체 레이저로 분류된다.
그리고 출력이 주로 펄스 형태로 방사되기 때문에 펄스형 레이저인데 펄스의 형태가 밀리초(ms) 인 경우는 롱펄스(Long pulse) 레이저,
나노초(ns)일 때는 대부분 큐스위칭(Q-switching) 기술을 이용하기 때문에 큐스위칭 레이저라고 부른다.
물론 피코초(ps)와 펨토초(fs)인 경우는 피코초 레이저, 펨토초 레이저와 같이 불리고 있다.

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피부레이저치료 에 사용되는 의료기기는 미국의 ANSI Z136.1과 유럽의 IEC 60825-1 그리고 IEC 60601-2-22의 규격에 적용받으며
레이저와 관련된 위험을 식별할 수 있도록 등급을 표시해 주고 있다. 레이저의 등급(class)이 높을수록 위험 정도가 크며 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B와 4로 분류한다.
일반적으로는 레이저 등급이 3B 또는 4등급에 해당하는 레이저가 의료용으로 주로 사용되고 있다.
그리고 사용자 편의성(Usability), 위험관리(Risk management), 소프트웨어 밸리데이션(Software Validation) 등을 통해서 사용자가 안전하게 사용할 수 있도록
제품의 개발 단계에서부터 안정성 평가를 수행하여 제조하게 된다.

피부레이저치료에 사용되는 다양한 레이저 의료기기의 기술은 새로운 광원들의 출현으로 진화를 계속하고 있는데,
다양한 광원의 개발로부터 레이저 의료기기의 사용범위가 종합병원에서 개인병원으로 확대되었을 뿐만 아니라 가정에서도 효과적인 치료가
가능한 가정용 의료기기로 개발되어 효율적인 치료의 측면 이외에도 새로운 시장 창출이 가능하게 되었다.
지난 20여 년간, 원천 기술을 바탕으로 다양하게 개발된 선진 각국의 제품들이 선점한 레이저 의료기기 시장을 공략하기 위하여 상대적으로 열악한 개발환경을 가진
국내의 기업들이 제 살을 깎는 고통을 이겨내면서 섬세하고 다양한 치료용 레이저 개발 기술을 비약적으로 발전시켰으며, 무역수지의 불균형을 다소나마 개선해 나가고 있다.

전문 의료인이 사용할 수 있는 고출력 레이저 의료기기의 개발 기술은 세계 수준에 근접하게 도달하여, 광 펌핑용 전기에너지를
안정적으로 구현하는 전원 공급 장치와 펨토초의 초단펄스에서 수백 밀리초의 롱펄스 구현이 가능하게 되었고, 빔 성형(shaping) 기술을
이용한 레이저 빔의 안정화가 이루어지고 있다. 일반인들도 사용이 가능한 저출력 레이저 의료기기의 경우, 국내 기업에서 개발된
LD와 LED를 채용하여 저출력 레이저 치료(LLLT)가 가능하도록 만들어진 의료기기들을 속속 시장에 선보이고 있으며, 출력 효율 및 제품의
수명을 결정지을 수 있는 고열 방출이 가능한 모듈 기술 개발이 진행되고 있다.

이와 같은 노력으로 해외 시장에 진출하는 기업들이 대거 등장하고 선진 각국의 제품들과 어깨를 나란히 하기 위해 노력하고 있지만,
여전히 소비자의 니즈를 충족시키기에는 약간 부족한 면이 있고, 신제품 개발에 좀 더 앞서가지 못하고 있는 상황을 하루빨리 극복해야 하는 것이 현실이다.
그럼에도 불구하고 가장 기본이 되는 엔디야그 레이저 (Nd:YAG)의 개발 기술을 보유하고 있는 국내기업들의 약진으로 이러한 상황을 정확하게 이해하고
풀어나가고 있는 모습을 보여주고 있어서 앞으로의 무궁한 발전이 기대되고 있다.

서영석(http://www.wtlaser.com/)
현) 원텍 기술서영석

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