Ⅰ. 서 론
각막은 눈앞의 앞부분 1/6을 차지하는 조직으로, 눈으 로 입사하는 빛을 통해 전달되는 시각정보를 명확하게 인 식하기 위해 높은 광투과율을 가지는 투명한 조직이다. 각막은 상피, 보우만막, 실질, 데스메막 및 내피의 5 개의 층으로 구성된다. 그중 각막실질은 각막 두께의 약 90 % 를 차지하며, 각막의 투명성과 관계가 높은 조직이다. 각 막실질의 구조에 대해선 연구에 따라 차이가 있지만 일반 적으로 약 20~30 nm 단위의 콜라겐 섬유가 모여 1~2 μ m 섬유층을 이루며, 이러한 섬유층은 층간 약 90°의 배열 로 200~250층이 쌓여 약 200 μm의 두께를 갖는다.1-5)
공막은 각막과 붙어서 눈알 뒷부분의 5/6을 차지하며 투과율이 낮은 불투명한 조직이다. 공막은 상공막, 공막 실질, 공막갈색판의 3층 구조로 되어있다. 그중 공막실 질은 공막 구조 중 가장 두꺼우며, 각막실질의 콜라겐섬 유와 유사한 조직으로 되어있다. 그러나 공막실질의 콜 라겐 섬유는 각막실질의 콜라겐섬유와 다르게 25~250 nm의 다양한 직경으로 되어있고 서로 불규칙하게 배열 되어있다. 또한 상대적으로 건조한 각막실질과 다르게 65~70%의 수분함량으로 되어있다.4)
각막은 과도한 액체가 실질내로 유입될 경우 콜라겐 섬유의 일정한 간격이 떨어지면서 부종이 생기고 투명도 가 낮아지게 된다. 투명도가 낮아진 각막실질은 정상 각 막실질과 다른 구조적인 특징을 보여주게 된다. 먼저 정 상적인 각막실질의 콜라겐 섬유층은 각막표면과 평행하 게 배열되는 것과 달리 부종인 경우 일부 섬유층에서 각 막표면과 비스듬하게 기울어진 것으로 관찰되었다. 정상 각막이나 부종 각막에서 모두 200 μm를 초과하는 콜라 겐 섬유층이 보이며 부종으로 인한 각막실질에서는 특히 200 μm의 깊이를 넘어서서 크게 두꺼워지고 콜라겐섬 유 사이에 유입된 수분의 증가로 인하여 섬유 간 간격이 증가하며 불규칙적으로 변하게 된다.1,2,6-8)
정상 각막실질 구조와 다른 공막실질의 구조 및 부종 으로 인한 각막실질의 구조로 인하여 투과율이 낮아지게 조직이 불투명하게 변화하게 된다. 즉, 각막실질의 높은 투과율은 균일한 콜라겐섬유의 직경과 콜라겐섬유층 사 이의 격자 구조는 투명성과 밀접한 관계를 가진다.1-2) 본 연구에서는 각막실질의 높은 투과율의 원인을 분석하 기 위하여 한 번의 시뮬레이션에서 동일한 직경으로 콜 라겐섬유를 구성하여, 다양한 직경의 콜라겐섬유와 섬유 사이 간격이 균일하지 않은 공막과 각막부종과 같은 상 황을 제외하고자 하였다. 동일 시뮬레이션에서는 같은 직경의 섬유로 구성하여 투과율이 가장 높은 콜라겐섬유 구조를 확인하였다.
선행연구에 따르면 콜라겐섬유의 직경을 실제 콜라겐 섬유의 직경과 간격범위인 20~30 nm로 제한할 경우, 직경과 간격이 22.5 nm로 동일할 경우 콜라겐 섬유를 통과한 후의 광투과율이 가장 높았다.9) 본 연구에서는 광투과율의 변화에는 복합적인 현상이 있을 것으로 판단 하고 그 중 광투과율 변화의 원인을 분석하기 위하여 입 사빛과 투과빛의 광특성을 분석하였다.
Ⅱ. 재료 및 방법
각막실질 일부를 모델링하기 위해 Window8(Microsoft Co., USA)용 OptiFDTD version 12.1.0.6280(Optiwave Systems Inc., Canada), Analyze version 12.1.0.6280 (Optiwave SystemsInc., Canada)를 사용하여 시뮬레 이션하고, 광투과율을 분석을 위해 Excel version 2010 (Microsoft Co., USA), 및 Origin version 8.5(OriginLab Co., USA) 소프트웨어를 각각 사용하였다. 시뮬레이션의 길이는 xy-방향으로 각각 1 μm로 하였으며, z-방향으로 는 콜라겐섬유의 직경에 따라 마지막 콜라겐섬유의 위치 보다 2 μm 길게 하였다. 입사빛의 전기장 성분은 x-축 방향으로 선편광으로 설정하고, 중심파장 589 nm, 파장 범위 300~900 nm인 Gaussian Modulated Continuous Wave이다. 사용한 Point source의 펄스자극(pulsed excitations) 값은 로 t0는 time offset, T 는 half width, ω 는 angle frequency이 다. 시뮬레이션 공간의 경계면은 입사 광선의 반사를 최 소화 시키는 UPML(un spilt perfectly matched layer) 법을 사용하여 전자기파가 흡수되도록 하였다. 사람 눈 을 구성하는 콜라겐은 같은 방향으로 늘어선 콜라겐 섬 유들이 층을 이루고, 각 층은 거의 직각을 이룬다. 이에 따라, 본 연구에서도 사람의 눈과 마찬가지로 콜라겐 층 이 서로 직각이 되도록 설계하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 콜라겐 섬유의 직경에 따른 점유 면적 비율
Fig. 1의 (a)와 (b)는 콜라겐 섬유의 배치 개념도로 solid circle, solid rectangle은 콜라겐 섬유의 모식도이다. (c)는 배치도를 실제 시뮬레이션으로 모델링한 것이다. 이때, 콜라겐 섬유 직경과 섬유사이 간격은 동일하게 설 정하였다.
시뮬레이션 공간에서 콜라겐섬유가 점유하고 있는 영 역의 세로와 가로의 길이는 각각 s = nr, t = mr 이다. 여기서 m, n은 자연수이고 r은 콜라겐 섬유의 반지름 이다. 빛이 콜라겐 섬유 층을 지나면서 반사, 굴절, 투 과, 산란과 회절, 간섭의 다양한 광학적 작용이 일어나 고 이에 의한 광투과율이 결정된다. 선행연구에서 다양 한 광학적 작용은 콜라겐 섬유의 기하학적 모양, 크기와 섬유들의 구조에 의하여 달라질 수 있다는 것을 확인하 였다.9) 따라서, 각각의 영향을 세분화 하여 분석하는 것 은 매우 어렵다. 본 연구에서는 기하학적 매개변수 중 직경에 의한 광학적 현상을 분석하고자 한다. 즉, 콜라 겐 섬유의 직경과 섬유 사이의 간격에 의하여 나타나는 광학적 현상을 분석기 위하여 Fig. 1과 같이 콜라겐 섬 유를 원통형 모양으로 가정하고, 콜라겐 섬유의 직경과 간격이 같도록 설정하였다. 즉, 콜라겐섬유의 직경과 콜 라겐 섬유 사이 거리 모두 2r이다.
먼저 콜라겐 섬유 직경에 따른 광투율을 분석하였다. 측정된 광투과율은 앞에서 언급한 다양한 광학적 작용이 융합된 결과를 나타내므로, 각각의 광학적 작용의 효과 를 구분할 수는 없다. 시뮬레이션 공간에서 콜라겐이 점 유하고 있는 면적비율은 전체 영역 대비 콜라겐 섬유의 면적 비율로 정의하면 세로, 가로 방향 콜라겐 섬유 개 수는 각각 이고, 면적비율은 이 된다. 콜라겐섬유 의 직경이 10 nm와 60 nm일 때 차지하는 면적비율의 차 이는 대략 5% 정도이어서 콜라겐의 반지름 r에 따른 면 적 비율 변화는 작았다. 따라서 Fig. 1의 (a)와 (b)의 경 우 콜라겐섬유 반지름은 다르지만 시뮬레이션 공간에 대 한 콜라겐 섬유의 점유 면적 비율에서는 큰 차이가 없다.
2. 입사빛의 중심파장에 따른 출력 특성 분석
본 연구에서는 입사빛의 중심파장에 따른 출력 특성 을 비교 분석하였다. Fig. 2는 시간에 따른 입사빛의 진 폭을 나타내었으며, Fig. 3에서 입사빛을 파장에 따른 세기로 나타내었다.
일반적으로 빛의 특성을 분석할 때, 물질의 굴절률은 589 nm에 대한 값으로 표현한다. 그리고 자연광인 태양 빛에 해당하는 세기 분포의 중심파장은 495 nm이다. 따 라서 Fig. 3은 입사빛의 중심파장이 589, 495 nm에 대 한 세기 분포를 보여준다. 또한 두 입사빛과 비교하기 위하여 파장이 더 짧은 중심파장 400 nm에 대하여 조사 하였다. 세기 분포는 300~900 nm 구간에서 표시 되었 으며, 중심파장이 짧은 400 nm에서 입사빛의 세기 분포 폭이 다른 중심파장에서의 세기 분포 폭보다 좁고 500 nm의 장파장 영역에서의 세기는 무시될 정도로 약한 것 을 알 수 있다.
Fig. 4에서 입사빛의 중심파장이 길이가 짧을수록 출 력 세기 분포 폭이 좁게 나타난 것을 알 수 있다. 이는 입사빛의 특성과 유사하게 나타났다. 이때, 콜라겐 직경 에 따른 출력 세기 순서는 입사빛의 중심파장과 관계없 이 직경 10 nm 일 때 가장 높았다. 사람 눈의 각막을 구 성하는 콜라겐섬유의 직경은 20~30 nm로 알려져 있는 데, 본 연구 결과에서도 10 nm 대의 직경을 제외하면 20~30 nm 영역에서 광투과율이 입사빛의 중심파장과 상관없이 높게 나타났다. 입사빛의 중심파장 589, 495, 400 nm에 대한 콜라겐 섬유 직경에 따른 광투과율 분포 를 Fig. 5로 나타냈다. 세 경우 모두 비슷한 분포를 보이 며, 콜라겐섬유 직경이 10 nm인 경우를 제외하면 20~30 nm에 서 광투과율이 높게 타났다. 다만, 전체적인 투과 율은 중심파장이 짧아질수록 높은 것을 알 수 있다.
Fig. 6은 콜라겐섬유 직경에 따른 투과빛의 세기를 적 분값으로 나타낸 것으로 Fig. 4의 모든 파장의 투과율 세기의 합이다. 20 nm까지는 콜라겐 직경이 커짐에 따라 투과율 세기의 합이 줄어들었다가 20~30 nm에서 증가 되었으며, 30 nm 이상에서 급격하게 줄어들었다. 실제 콜라겐섬유의 직경범위인 20~30 nm 구간에 투과광 세 기의 적분값이 직경 22.5 nm에서 가장 높게 나타났다.
3. 중심파장 변화에 따른 입사빛과 투과빛의 특성 분석
광투과율은 여러 요인의 복합적인 현상일 것으로 판 단된다. 그 중 한 요인을 입사빛의 중심파장의 투과율과 연관이 있을 것으로 예상해 볼 수 있다. 중심파장의 세 기가 가장 강할 때, 투과광의 세기에 영향을 많이 줄 것 이다. 따라서 중심파장의 투과율에 따라 입사빛과 투과 빛의 중심파장 변화와 광투과율을 조사하였다.
콜라겐 섬유의 직경과 간격을 모두 22.5 nm로 고정 하고 콜라겐 섬유의 층간 각도를 다양하게 변화시키면서 입사빛과 투과빛의 중심파장 변화를 분석하였다. 또한 중심파장의 변화량에 따른 광투과율을 분석하였다.
Fig. 7은 중심파장의 변화에 따른 투과율을 나타내었 다. Cross 배열은 콜라겐 층간 각도를 지그재그 형식으 로 적층한 것이고, rotation 배열은 층간 적층 각도를 일정하게 하여 같은 방향으로 회전시켜 적층한 것이다. 두 가지 적층방법 모두 중심파장의 변화가 클수록 광투 과율이 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 광투과율 변 화를 선형 피팅한 결과 직선 기울기는 cross, rotation 적층에 대해 각각 –1.84, -1.89로 거의 같게 나타났다.
앞서 Fig. 4는 투과빛의 절대 세기 분포로 입사빛의 파장에 따른 세기가 다르기 때문에 출력도 파장별 세기 의 영향을 받아 입사빛과 세기 분포와 유사하게 나타난 다. 하지만 Fig. 7은 입사빛에 대한 규격화된 투과빛의 세기 분포로 파장별로 입사빛의 세기를 기준으로 투과빛 의 세기 비율로 파장별 투과율을 나타낸 것이다.
Fig. 8의 (a), (b) 와 (c)는 각각 중심파장 589, 495 및 400 nm의 입사빛에 대한 상대 투과율이다. 300 nm 근처의 단파장 영역을 제외하고는 파장이 길어질수록 광 투과율은 현저히 낮아지는 유사한 분포구조이다. 이를 통해, 사람 눈의 각막의 나노 구조에서 단파장의 광투과 율이 높은 것을 알 수 있다.
선행연구9)에서 가장 높은 투과율을 보인 직경 22.5 nm인 콜라겐 층을 통과하는 빛의 투과율은 Fig. 9에서 입사빛의 중심파장이 589, 495 및 400 nm에 대하여 단 파장 영역을 제외하면 거의 모든 영역에서 광투과율이 일치한다. 또한, 파장 300~400 nm 구간에서 341 nm 파장일 때 광투과율이 갑자기 떨어지는 현상이 나타났 다. 이는 입사빛의 중심파장이 변화하더라도 같은 파장 에서는 같은 투과율을 보인다는 것을 나타낸다. 즉, 콜 라겐의 직경과 같은 기하학적인 구조에 의한 흡수 또는 산란이 급격하게 증가하는 파장이 존재함으로 선택적인 투과 또는 흡수가 발생한다고 판단할 수 있다.
특정 파장에 대한 선택적 투과 또는 흡수 현상이 콜라 겐 직경 22.5 nm에서만 일어나는 것인지 아니면 직경이 달라지면 광투과 특성이 바뀌는지 확인하기 위하여 직경 을 바꿔 30 nm에 대하여도 조사하였다.
Fig. 10은 콜라겐섬유 직경 30 nm에서 파장에 따른 광투과율을 나타낸다. 22.5 nm와 동일하게 단파장 영역 을 제외하면 입사빛의 중심파장 589, 495 및 400 nm에 대하여 모두 광투과율이 일치하며, 특정 파장 346 nm에 서 투과율이 갑자기 낮아졌다.
콜라겐섬유 직경이 22.5, 30.0 nm에 대해 특정파장 에서 투과율이 급격히 낮아지는 현상이 다른 콜라겐 직 경에서도 나타나는지 확인하기 위하여 콜라겐섬유의 직 경을 10~60 nm로 변화하여 광투과율이 낮아지는 파장 을 조사하였다. 그 결과 모든 직경에 대하여 특정 파장 에서 흡수 파장이 존재하는 현상은 나타나지만 Fig. 11 에서 보이는 것처럼 투과 또는 흡수 파장의 규칙성은 나 타나지 않았다.
Ⅳ. 고찰 및 결론
선행연구에서 콜라겐섬유의 직경과 간격이 22.5 nm로 동일 할 때, 입사빛에 대한 투과율이 가장 높게 나타났 다. 이는 해부학적 연구 결과와도 일치하였다. 이에 본 연 구는 콜라겐섬유 직경에 따른 광학적 현상을 분석하였다.
첫째, 입사광의 광학적 특성을 분석하기 위하여 콜라 겐섬유의 면적비율에 의한 투과율차이가 있는지를 확인 하였다. 콜라겐섬유의 직경을 10 nm에서 60 nm까지 변 화하였을 때 시뮬레이션공간에서 콜라겐섬유가 차지하 는 면적비율의 차이는 대략 5%로 작게 나타났다. 즉, 콜 라겐 직경변화에 의한 면적 점유율이 투과율에 미치는 영향은 작다고 판단된다.
둘째, 입사빛의 중심파장에 따른 출력 특성을 비교 분 석한 결과 중심파장이 짧은 400 nm에서 입사빛의 세기 분포 폭이 다른 중심파장에서의 세기 분포 폭보다 좁고 500 nm의 장파장 영역에서의 세기는 무시될 정도로 약 하게 나타났다. 다만, 전체적인 투과율은 중심파장이 짧 아질수록 높게 나타났다. 입사빛의 세기분포와 비교하였 을 때, 출력 세기 분포의 특징은 연속적인 변화가 아닌 일부 특정 파장에 대한 출력이 상대적으로 현저히 줄어 드는 것을 볼 수 있다. 이는 콜라겐 직경과 같은 구조에 대하여 특정 파장의 빛을 흡수하거나 산란시켜 투과율이 줄어드는 것으로 판단된다. 이런 현상은 입사빛의 중심 파장에 따라 어떤 차이점이 있는지 확인하는 것이 콜라 겐의 나노구조에 의한 광학적 효과를 이해하는데 도움이 될 수 있을 것이다.
셋째, 광투과율의 여러 요인 중 입사빛의 중심파장의 변화에 따라 투과율을 분석하였다. 그 결과, 단파장 영 역을 제외하고는 파장이 길어질수록 광투과율은 현저히 낮아졌다. 이를 통해 단파장의 광투과율이 높은 것을 알 수 있었다. 즉, 단파장의 광투과율이 높음에 따라 눈 건 강에 부정적인 영향을 끼칠 수 있어, 단파장을 차단하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 다행스러운 것은 자연광 의 단파장 세기가 매우 약하여 투과율이 높다고 하더라 도, 투과광의 절대적 세기는 매우 약하게 나타난다.
추가로, 콜라겐 직경이 변화할 때 몇몇 특정 파장에 대한 광투과율이 낮아져 세기 분포 그래프가 갑자기 떨 어지는 현상이 나타난다. 이는 콜라겐 직경에 따라서 투 과율이 현저히 낮아지는 파장이 다른 것을 알 수 있다. 즉, 콜라겐 직경과 콜라겐 간격에 따라 선택적 광투과 또는 선택적 광흡수가 나타난다고 판단된다.
본 연구에서는 광투과율에 변화하는 원인을 조사하기 위하여, 입사빛을 589 nm인 Gaussian modulated CW 를 사용하였다. 연구 결과, 단파장 영역에서는 출력이 증가와 감소가 출렁이는 변화가 있었지만, 모든 직경에 대하여 400 nm 이상의 가시광선과 장파장 영역에서는 감소하는 경향을 보였다. 하지만 특정 파장에 대하여 광 투과율이 현저히 낮아지는 현상을 보였으며, 실제 콜라 겐섬유의 직경과 같은 기하학적인 구조에서는 입사빛의 중심파장과 관계없이 특수한 파장에서 선택적 투과와 흡 수가 발생한 것이다. 하지만, 이러한 현상은 콜라겐섬유 의 직경을 변화시켰을 때 투과 또는 흡수파장의 규칙정 이 나타나지 않았다. 중심파장별 광투과율이 콜라겐섬유 의 직경에 따라 달라진다는 것은, 역으로 말하면 콜라겐 직경 및 콜라겐 사이 간격에 대한 최적의 광학적 동조 현상이 발생하는 파장이 있는 것으로 평가할 수 있다. 즉, 콜라겐 섬유 직경 및 공간에 따라 선택적인 광학적 작용에 맞는 파장이 있어 이를 활용하면 고효율 광학장 치에 사용될 수 있는 선택적 광선의 응용 가능성이 있을 것으로 기대된다.
