The therapeutic effect being identified between light and the human body, the role of light in the medical field is being expanded. In particular, non-invasive phototherapy stands out in the dermatology, and various LED-based wearable phototherapy devices are being developed mainly with infrared and visible light, which turn out to be effective in wound healing and skin rejuvenation. In addition, the importance of ultraviolet(UV) light is also drawing some attention as it is related to the vitamin D synthesis mechanism occurring in subcutaneous tissues, atopic disease, and psoriasis treatment. When designing a phototherapeutic device, it is essential to introduce an optimized light diffusion layer to ensure a uniform light distribution to have uniform treatment effects and prevent side effects caused by overdose. In this study, we introduce a micro dot-patterned diffusion layer at the top of the direct LED array and optimize the size and distribution of the dot patterns through the merit-function regression method. UV-compatible materials such as polydimethylsiloxane(PDMS) with high UV transmittance and porous polytetrafluoroethylene(PTFE) with high UV reflectivity are selected as materials for diffusion layers so that they can work over the broad spectral range including UV. The study proposes a solution-based route for the dot-patterned diffuser via a selective wetting approach. Analysis of the optical property of the fabricated light diffuser emphasizes that it is essential to ensure a sufficient degree of reflectivity with the Lambertian character to form a uniform irradiance distribution.
빛과 신체의 상호작용 및 치료 효능이 연구되면서 의료 분야에서 광선요법의 역할이 확대되고 있다. 특히 비침습 형 웨어러블 광 치료의 경우 피부 분야에서 두각을 드러내고 있으며, 상처치료와 피부재생에 효과적인 적외선과 가시광선을 중심으로 다양한 LED 기반의 광 치료기기가 개발되고 있다. 뿐만 아니라, 자외선 광 치료의 경우 아토피 질환 및 건선 치료를 비롯해 피하조직에서 발생하는 비타민D 합성 메커니즘과의 연관성으로 인해 그 중요성이 한층 주목받고 있다. 고신뢰성을 갖춘 광 치료기기를 설계하기 위해서는 최적화된 광 확산층을 도입하여 균일한 광 분포 형성함으로써 균일한 치료 효과와 용량초과로 인한 부작용을 방지하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 직하형 LED 광원 상단에 마이크로 점 구조 반사체 확산층을 도입한 구조에 대하여 감도 함수 회귀법을 통해 점 구조의 크기 및 분포를 최적화하였다. 확산층 구성 물질은 자외선 안정성을 고려하여 높은 자외선 투과 특성을 갖는 Polydimethylsiloxane (PDMS)과 높은 자외선 반사 특성을 보이는 다공성 Polytetrafluoroethylene(PTFE)를 선정하였다. 또한, 스핀 코팅을 통해 선택적 젖음성(selective wetting) 원리에 의한 점 구조 확산층의 공정 구현 가능성을 제안하였다. 제작된 광 확산 PTFE 점 구조 확산층의 광학 특성과 광 시뮬레이션 결과를 비교 분석함으로써 균일한 복사조도 분포를 형성하기 위해 높은 램버시안(Lambertian) 반사 특성을 확보하는 것의 중요성을 강조하였다.
