목적: 유한 차원 시간 영역(Finite-Difference Time Domain; FDTD)법을 사용한 3차원 시뮬레이터(OpriFDTD, Optiwave Systems Inc., Canada)를 통해, 각막 실질 내 콜라겐 섬유 구조 일부를 모델링하여 다양한 구조 조건에 따른 투과율을 분석하였다. 콜라겐 섬유 직경과 간격, 섬유층 간 배열 각도, 및 격자 구조에 따른 광선의 투과율을 분석했다. 또한 최고 투과율을 가지는 콜라겐 섬유의 구조를 확인하고 이를 통해 인공 각막의 설계 가능성에 대한 연구를 수행하였다.
방법: 시뮬레이션 공간의 크기를 먼저 정의한 후, 시뮬레이션 구성 요소, 및 검출기 등을 설계한 후 광투과율을 분석하였다. 각막 실질 조직액 및 공기의 굴절률 1.335 및 1로 하였고, 입사광선은 중심 파장이 589 nm인 Gaussian 펄스를 사용하였다. 시뮬레이션 경계면은 반사를 최소화 시키는 UPML(Un Spilt Perfectly Matched Layer)법으로 하였다. 콜라겐의 기본구조로 콜라겐 섬유의 지름과 섬유 간 간격을 각각 30 nm로 하였다.
결과: 콜라겐 섬유 직경과 섬유 간 간격을 변화시키며 투과율을 분석한 결과, 최고 투과율의 콜라겐 섬유 직경 및 섬유 간 간격은 22.5 nm이며, 콜라겐 섬유층 간 각도는 교차 배열, 및 회전 배열 여부에 관계없이 45°에서 가장 높았다. 콜라겐 섬유의 측면 배열을 육각형, 정육각형, 정사각형으로 변화시켰을 때, 정육각형에서 최고 투과율을 나타났으며, 단층의 규칙적인 배열과 불규칙적인 배열은 투과율 차이가 거의 없다. 콜라겐 섬유층 간 각도가 45°, 90°일 때 입사 광선의 중심 파장을 변화시켜 투과율을 측정한 결과 중심파장이 439 nm 이상에서는 45°일 때, 투과율이 상대적으로 높았다. 또 섬유층 간 각도와 관계없이 중심파장이 400 nm이하일 때 상대적으로 투과율이 높았다. 입사 광선의 편광상태와 관계없이 콜라겐 섬유층 간 각도가 45°일 때 모두 투과율이 가장 높았고, 광선의 에너지 수준에 따라 비편광의 평균과 원편광의 투과율이 비슷하고 선편광일 때 투과율이 낮게 나타났다.
결론: 본 연구 결과 최고 투과율을 갖는 구조에서 전기장이 더 활성화되며 오래 지속되는 것을 확인했다. 본 연구에 사용된 시뮬레이션 설계와 결과를 기반으로, 인공각막의 설계 및 다양한 나노 기술 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

• 이명희(을지대학교 안경광학과)
• 김영철(을지대학교 안경광학과)