목적 : 각막에서 일어나는 광학적 현상을 분석하기 위하여, 콜라겐과 동일한 광 특성을 갖는 나노물질에 대한 산란, 회절, 간섭에 의한 광 특성을 조사하였다. 방법 : 광 특성 분석 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 콜라겐섬유와 동일한 물질의 광 특성을 분석하였다. 입사 빛이 콜라겐섬유를 통과할 때 전기장의 세기 분포를 확인하여 산란 현상을 분석하였다. 또한 콜라겐 광 특성을 갖는 슬릿에서의 광세기 분포를 확인하여, 일반적인 회절 및 간섭 현상과 비교하여 분석하고자 하였다. 결과 : 300~900 nm의 파장 분포를 갖는 입사 빛이 콜라겐섬유의 전·후 검출기에서 파장 별 투과율에 변화가 있는 것을 확인하였다. 특히 589 nm에서는 콜라겐 섬유를 통과한 후 광세기가 통과 이전보다 미세하게 높아졌다. 콜라겐 광 특성을 갖는 판에 빛을 입사시키면 입사 빛과 반사 빛이 중첩되어 정상파를 형성하였다. 정상파의 중심 파장은 589 nm이고 배와 마루는 대략 312 nm 간격으로 반복되었다. 단일 슬릿과 이중 슬릿에 빛을 입사시킨 경우 에도 동일하게 정상파가 관측되었으며, 슬릿 간격 및 두께에 따른 광 투과율에 변화가 있는 것을 확인하였다. 결론 : 콜라겐은 광학적으로 투명하기 때문에, 콜라겐의 광학적 특성을 갖는 판에 의한 투과광의 세기 분포는 일반적인 불투명 물체의 간섭 및 회절에 의한 광세기 분포와는 같지 않음을 확인하였다. 불투명 물체 및 금속에 의한 광학적 현상의 비교 분석 필요하며 이 결과는 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

목적: 각막실질 내 다발 구조로 이루어진 콜라겐섬유의 크기와 규칙적인 배열은 투명성과 매우 밀접한 상관성을 가지고 있다. 시뮬레이션을 이용하여 배열구조 및 콜라겐섬유층 두께에 따른 광투과율의 변화를 확인하고자 하였다. 방법: 시뮬레이션 소프트웨어인 OptiFDTD로 각막실질 내 콜라겐섬유를 정육각형, 육각형, 사각형 및 자유형으로 각각 배열하였고 이에 따른 광투과율을 분석하였다. 사각형 배열에 대하여 시뮬레이션 공간상에 있는 콜라겐섬유의 개수가 동일할 때 밀도변화에 따른 광투과율을 확인하고 콜라겐섬유의 개수와 밀도가 변화할 때 광투과율을 조사하였다. 결과: 콜라겐섬유의 개수가 동일할 때 사각형, 정육각형, 자유형 및 육각형의 배열구조 순서로 밀도가 작아지고, 섬유층의 두께가 두꺼워진다. 배열구조를 변화시켜 광투과율을 측정한 결과 동일한 위치의 검출기에서 측정된 광투과율은 배열구조에 관계없이 거의 유사하였다. 검출기 D0, D1, D2 및 D3에서 각각 사각형, 육각형과 사각형, 정육각형 및 정육각형 배열구조에서 최대투과율로 나타났으며, 육각형, 자유형, 육각형과 사각형 및 사각형 배열구조에서 최소 투과율로 나타났다. 하지만, 최대 투과율과 최소 투과율의 차이는 1% 이내로 거의 유사하였다. 콜라겐섬유의 개수가 동일할 때 사각형 배열구조에서 밀도변화에 따른 광투과율은 섬유층 두께가 증가할수록 광투과율은 감소하였다. 또한, 두께가 증가하면서 콜라겐섬유의 개수가 감소하였을 때 광투과율이 더 많이 감소하였다. 결론: 콜라겐 배열구조가 변화하여도 광투과율은 배열구조와 관계없이 거의 유사하게 나타났다. 하지만, 배열구조의 변화에 따라 콜라겐섬유층의 두께가 변화하였고, 두께가 증가할수록 광투과율이 감소하였다. 즉, 광투과율은 배열구조보다는 콜라겐섬유층의 두께와 더 밀접한 관계를 가지고 있음을 확인하였다.

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.