[기고 연재] 유기물로 만드는 OLED, 헬스케어 분야가 주목한다
  • 2021-09-02
  • 글 / 고려대학교 주병권 교수 디스플레이 및 나노시스템 연구실


Medical OLED 기술 동향 분석

의료 서비스, 의료 기기 등 의료 시장 크기가 증가하고 있는 가운데, 이에 맞추어 OLED를 이용하여 의료용 기기를 개발하려는 다양한 시도가 지속되고 있다. 의료 분야에서 OLED 기술은 아직까지 연구단계이며, 상용화는 아직 원활하게 이루어지지 못한 상태이지만 지속적으로 연구 및 개발되고 있으며, 이를 토대로 완성될 의료용 OLED 기술의 미래는 상당히 밝다고 평가한다.

글 / 고려대학교 주병권 교수 디스플레이 및 나노시스템 연구실
박수종, 최민정, 박재원, 박준영, 오규진, 공석민 (고려대학교 전기전자공학부)




1. OLED(Organic Light-Emitting Diode)란

OLED(Organic Light-Emitting Diode)는 유기재료(Organic materials)에 전계(전류)를 가하여 전기에너지를 광에너지로 변환하는 소자를 말한다.



OLED는 [그림 1]과 같이 다양한 기능(Carrier 주입, Carrier 수송, 발광)을 하는 유기물들로 다층 박막을 구성하고, 형성된 다층 박막 양단의 양극과 음극을 통해 양극에서 정공, 음극에서 전자가 각각의 수송층을 통해 주입된다. 주입된 전자와 정공은 전자발광층(EML)에서 결합되어 엑시톤(Exciton)을 형성하고, 엑시톤이 안정화되는 과정에서 에너지를 방출하는데, 이때 방출되는 에너지가 빛 에너지로 방출된다.

이러한 발광 메커니즘을 가진 OLED는 기존에 LCD가 가지고 있던 단점인 ‘Back Light Unit 과 액정으로 인한 두꺼운 두께 및 폼 팩터(Form Factor)의 한계를 뛰어넘어 [그림 2]와 같이 다양한 디바이스들을 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있다.



OLED는 유기물로 제작된다는 장점을 이용하여 보다 넓은 분야에서 활용 가능하다. 특히, 21C 핵심 개발 분야 중 하나인 헬스케어(Health Care) 분야에서도 적용 가능성을 보이고 있다. 예를 들면, OLED의 유기물 분자와 DNA 분자 간의 상호 작용을 통해 OLED의 발광 효과가 증폭되는 특성을 이용하여 발광 효과를 증폭하는 기술이 있으며, 외형적인 측면에서 가변성 및 초박형으로의 제작이 용이하다는 장점을 통해 바이오 센서(Bio-Sensor)로도 활용할 수 있다.

의료 서비스, 의료 기기 등 의료 시장 크기가 증가하고 있는 가운데, 이에 맞추어 OLED를 이용하여 의료용 기기를 개발하려는 다양한 시도가 지속되고 있다. 그렇기 때문에 빠른 시일 내에 OLED는 헬스케어 시장에서 한 부분을 차지할 것으로 예상되어진다.

2. 의료용 OLED

2.1 바이오 센서

의료 분야에서 OLED는 다양하게 활용될 수 있으며, 그 중 하나는 앞서 설명한 OLED 분자와 DNA 분자 간의 상호 작용을 이용하는 것이다.

‘KU-KIST 융합대학원’ 안동준 교수팀에서 OLED 소재를 이용해 DNA 등 생체 분자를 검출할 수 있는 융합기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 OLED 분자(Alq3)와 Single-strand DNA(ssDNA)를 융합시켜 신소재를 만드는데 해당 신소재는 Target DNA(tDNA)를 인식하면 소자 내 OLED의 발광 효과를 증폭시키도록 설계하였다.



[그림 3]과 같이 막대모양의 결정구조를 갖는 Alq3는 단일 가닥 DNA(ssDNA)와 결합하게 되면 녹색 파장대의 에너지를 방출하게 되고, 결합된 분자가 tDNA와 상호작용하게 되면 [그림 4]와 같이 발광세기가 증폭되어 tDNA 검출이 가능하다.

해당 연구를 통해 OLED 기술이 단순 디스플레이 영역에서 벗어나 의학 및 생물 분야에서도 사용될 수 있다는 가능성을 보여주었다. 또한, 광원 자체의 기능을 생체 분자 인지에 적용시켜 다양한 생체 분자에 대한 검출 가능 소재로 사용될 수 있다는 점에서 OLED의 새로운 방향성을 제시하였다.



2.2 감염 진단 키트


HPV(Human Papilloma Virus)는 대부분 성관계로 인해 전이되며, 전 세계적으로 흔하게 전이되는 바이러스이다. HPV 백신은 아직 개발되지 않았으며, 현재는 HPV로 인해 발생하는 이차감염에 대해 예방 및 치료가 가능하다. HPV 감염 검사 및 치료가 필요한 상황에서, OLED 기술을 이용하여 다양한 종류의 HPV 중에서 일부를 감염 진단할 수 있는 연구가 진행되었고, 이를 통해 빠르게 HPV감염 여부를 확인할 수 있게 되었다.



[그림 5]의 진단 키트는 HPV16 E7에 대한 IgG(Immunoglobulin G) 항체의 존재를 혈청을 이용하여 상대적 형광(Fluorescence)을 측정해 검출 가능하다. 총 검출 시간은 약 2시간으로 HPV16 E7에 대한 단일 클론 항체를 사용하여 HPV16 E7 재조합 단백질의 고정화가 확인되었으며, 이후 일련의 희석 과정을 통해 혈청 샘플에서 HPV16 E7 항체를 특이적으로 검출하였다.

의료 진단 키트는 질병 및 감염 상태에 대한 신속한 피드백을 제공함으로써 의료 검사 비용을 줄일 수 있다는 잠재력을 가지고 있다. 특히, OLED를 이용한 유기광 검출 방법은 간단하고 민감도가 높은 진단 장치를 제작할 수 있다는 점에서 새로운 검출 방법을 제공하였다. 이 연구는 HPV 단백질에 특정한 항체 탐지에 초점을 맞추고 있어, 특정 HPV 바이러스의 검출만이 가능한 상태이지만, 추후 연구개발이 더욱 진행될 시 HPV뿐만 아니라 여러 유형의 바이러스 또는 질병 측정이 가능한 진단 키트 제작 가능성을 보여주고 있다.

2.3 심혈관 주기 진단 센서

심혈관 주기는 생명을 유지하는 데에 있어서 가장 중요한 생물학적 활동이다. 그러므로 심혈관 주기를 측정하는 것이 건강을 유지하기 위한 필수 조건이라 말해도 과언이 아니다. OLED를 이용하여 심혈관 주기를 측정하는 기술이 연구되었으며, 이 연구는 심혈관 모니터링 방법 중에 광 혈류측정(Photoplethysmogram, PPG) 신호와 혈중 산소 포화도(Saturation of peripheral Oxygen, SpO2)신호를 OLED를 이용한 유연한 유기 발광 장치(Organic Photo Diode, OPD) 및 광 검출기를 사용하여 측정하는 방법을 사용하였다.
PPG 센서의 신호는 광자 흡수로 인해 발생한다.



PPG 센서는 일반적으로 광원과 검출기의 구성을 [그림 6]과 같이 전송(Transmissive, T)과 반사(Reflective, R) 두 가지 유형으로 나눌 수가 있다. T타입은 광원과 검출기가 손가락, 귓불 등 비교적 얇은 피부에 마주 보며 붙여져 있으며, R 타입은 반대로 광원과 검출기가 나란히 같은 면에 누워있어, 이는 손목같이 두꺼운 신체 부위에 위치한다.

SpO2는 HbO2의 계수가 혈에 있는 Hb 전체 비율을 나타내며, 보정 과정 후 서로 다른 두 파장에서 Hb의 흡수 차이를 비교함으로써 측정할 수 있다. 따라서 SpO2 센서는 파장이 다른 두 광원과 두 광원이 번갈아 켜지는 하나의 공유 광 검출기로 구성되며 이 연구에서는 녹색, 적색 OLED의 파장이 이용되었다.

녹색 및 적색 OLED로 SpO2와 PPG 신호를 측정하여 [그림 7]과 같이 결과값을 알 수 있다.



이 연구는 OPO(Organic Pulse Oximetry) 센서의 유기적 장점이 단순히 폼 팩터에만 국한되는 것이 아니라, 전력 소비량의 감소가 더 나은 설계를 가능하게 하며, 추가로 기능적으로도 다양화가 가능해질 수 있다는 것을 보여준다.

예를 들면, 패치형 OPO 센서를 사용하여 매년 미국에서 약 3만 8천 명의 사망자를 발생시키는 수면 무호흡 증상 환자를 감시할 수 있다. 환자 상태를 지속적으로 모니터링하면서 허위 경보 발생 가능성을 줄이고 수면 품질을 개선하기 위해 호흡 감지기와 같은 두 가지 이상의 다른 유형의 센서를 포함하도록 패치를 구성할 수도 있다. 또한, 심전도 센서와 결합할 경우 심전도 신호와 PPG 신호 사이의 펄스 전이 시간차를 통해 혈압을 추정도 가능하기 때문에 OLED를 활용한 센서를 이용하여 타 기능의 센서와 결합한 다양한 제품이 개발될 수 있다는 가능성을 보여준다.

2.4 치료 기기

OLED를 간접적인 방식으로 의료 분야에 적용시키는 방법 이외에 직접적으로 치료에 긍정적인 효과를 발휘하는 연구도 존재한다. 각종 정보들을 나타내는 디스플레이로 사용되는 한계에서 벗어나 치료의 영역에도 들어섰다는 것이다.



적색 OLED 파장의 경우 [그림 8]과 같이 상처 치유에 유의미한 효과를 보이는 것을 확인할 수 있다.



[그림 9]는 OLED 적색광을 이용하여 상처 치료 시 치유 효과에 대한 데이터이다. 650nm 적색광을 가진 OLED로 광 치료를 진행하였을시 기존보다 약 138~146% 치료 효과를 보였다.



치료용 OLED는 사람의 피부에 부착하였을 경우를 고려하여 플라스틱 OLED를 이용하였으며, 유연하며 신축성이 있고 일회용으로 사용할 수 있는 것에 초점을 맞추어 10μm 두께의 초박형으로 제작되었다.

이 연구를 통해 OLED 기술을 이용하여 기존의 단순한 광학적 특성을 통한 치료와 동일한 수준의 치료 효과를 보임과 동시에 웨어러블, 이식성 및 부착 가능한 장치에 적용 가능하게 되어 광의학적 응용 범위를 크게 확장하게 되었다.

3. 의료 OLED 시장 및 전망

의료 분야에서 OLED 기술은 아직까지 연구단계이며, 상용화는 아직 원활하게 이루어지지 못한 상태이다. 하지만 지속적으로 연구 및 개발되고 있으며, 이를 토대로 완성될 의료용 OLED기술의 미래는 상당히 밝다고 평가한다.



의료용 OLED의 시장 가치를 판단하기 위한 가장 중요한 2가지 요소는 의료 시장의 규모 확대와 해당 시장 제품에서 OLED의 기술을 적용시킬 수 있는지 여부이다. 이러한 측면에서 바라보았을 때, [그림 10], [그림 11]과 같이 의료기기의 시장과 제품생산은 매년 꾸준하게 상승하는 모습을 보임을 알 수 있다. 이는 지속적으로 상승하는 현재의 의료기기 시장에서 의학 관련 OLED 제품들이 시장 참여를 하였을 때 동시 성장 가능성을 내포하고 있음을 알 수 있다.



또한, 의학 분야에서도 특히 센서 시장에서 OLED 기술이 적용 가능하다는 것을 앞서 설명하였다. [그림 12]에서 볼 수 있듯이 세계 바이오 센서 시장은 계속하여 성장하고, 규모가 증가하고 있기 때문에 OLED를 이용한 생체 인식 센서들이 제품화 될 시 바이오 센서 분야에서도 한 자리를 차지할 것으로 보인다.


 참조 문헌 

[1] OLED 기술, 응용, 그리고 발전 K-LIGHT, Vol. 2, pp.36 - 43 (2018. 3)
[2] Back, S. H., Park, J.H., Cui, C. & Ahn, D. J. Bio-recognitive photonics of a DNA-guided organic semiconductor. Nat. Commun. 7, 10234 (2016)
[3] Katchman, B. A. et al, Application of flat panel OLED display technology for the point-of-care detection of circulating cancer biomarkers. Sci. Rep. 6, 29057 (2016)
[4] Song, J., Lee, H., Jeong, E. G., Choi, K. C. & Yoo, S. Organic Light-Emitting Diodes: Pushing Toward the Limits and Beyond. Adv. Mater. 32, 1907539 (2020)
[5] Jeon, Y. et al. A wearable photobiomodulation patch using a flexible red?wavelength OLED and its in vitro differential cell proliferation effects. Adv.Mater. Technol. 3, 1700391 (2018).
[6] Jeon, Y. et al. Sandwich-structure transferable free-form OLEDs for wearable and disposable skin wound photomedicine. Light Sci. Appl. 8, 114 (2019).
[7] Bio Industry 세계 산업동향(생명공학정책연구센터, 2015)
[8] 통계청 자료 : http://www.index.go.kr/potal/main/EachDtlPageDetail.do?idx_cd=2863
[9] 바이오 센서시장, 연구개발특구기술 글로벌 시장동향 보고서 2018.1

 

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