이번에는 **광열적 반응(Photothermal Effect)**에 대해 알아보자.
광열적 반응은 레이저 파라미터 중 1밀리초(ms)에서 100초까지의 조사 시간에 해당되며, 출력 밀도는 1~10W/cm² 정도이다.
분자가 광자(photon)를 흡수하면, 빛에너지가 운동에너지로 전환되면서 온도가 상승하게 된다. 이때 발생하는 다양한 생물학적 변화는 **아레니우스 공식(Arrhenius Equation)**에 따라 온도와 시간의 변화에 따라 다르게 나타난다. (※ 아레니우스 공식은 '제4장 레이저의 중요 이론'에서 자세히 설명함)
광열적 반응에서 대표적으로 나타나는 생체 조직의 변화는 총 4가지이다.
- 응고(Coagulation)
- 기화(Vaporization)
- 탄화(Carbonization)
- 용해(Melting)
이 변화들은 조직의 상태 변화(phase change)가 없이 온도 상승에 따라 선형적으로 순차적으로 발생하며,
이 중에서도 가장 중요한 요소는 **‘온도’**다.
✅ 온도에 따른 생물학적 조직 반응
- 37°C: 정상 조직 상태
- 45°C: 고체온증(Hyperthermia)
- 50°C: 효소 활동 저하, 세포 비활성화
- 60°C: 단백질 및 콜라겐 변성, 응고(Coagulation) 시작
- 80°C: 세포막 투과성 변화
- 100°C: 기화(Vaporization), 열 분해 발생
- 100°C 이상: 탄화(Carbonization)
- 300°C 이상: 용해(Melting)
60도 이상에서는 단백질과 콜라겐의 변성이 시작되며, 이로 인해 응고 및 조직 괴사(necrosis)가 발생할 수 있다.
피부 재생술에서 우리가 원하는 반응은 **콜라겐 섬유가 수축하고 새로운 콜라겐이 재생성되는 과정(collagen remodeling)**이다.
이때 적절한 온도 범위는 60~80°C이며, 이 범위를 넘으면 세포막 손상과 화학적 평형 붕괴가 발생하여 원하지 않는 부작용이 생길 수 있다.
✅ 광열적 반응이 실제로 사용되는 분야
광열적 반응은 주로 피부과에서 많이 사용되며, 탄화나 용해와 같은 반응은 부작용 위험이 크기 때문에 실제 임상에서는 **응고(Coagulation)**와 **기화(Vaporization)**를 중심으로 활용한다.
이런 반응을 유도하는 대표적인 레이저에는 다음과 같은 장비들이 있다:
- 아르곤 레이저 (Argon Laser)
- 펄스다이 레이저 (Pulsed Dye Laser, PDL)
- CO₂ 레이저
- Nd:YAG 레이저
- Er:YAG 레이저
- 루비 레이저
- 다이오드 레이저
주요 치료 대상은 레이저 제모, 혈관 치료, 색소 치료, 피부 재생술 등이다.
✅ 광열적 반응의 4가지 핵심 현상
1. 응고(Coagulation)
응고는 **선택적 광열분해 이론(Selective Photothermolysis)**에서 가장 이상적인 반응으로 설명된다.
TRT 개념을 적용했을 때, **TRT보다 짧은 조사 시간(PD)**을 가지면 주변 조직에 손상을 주지 않고 타겟만 선택적으로 손상시킬 수 있다.
(※ 자세한 내용은 '제1장 레이저의 원리' 참고)
하지만 응고가 발생하는 **치료 범위(therapeutic window)**는 매우 좁다.
일부 자료에서는 75~100°C를 치료 범위로 보지만, 대부분의 문헌에서는 60~80°C를 응고 시작 온도로 본다.
2. 기화(Vaporization)
기화는 CO₂ 레이저나 Er:YAG 레이저를 이용하여 조직을 박피하는 방식이다.
**박피성 피부 재생술(Ablative Rejuvenation)**에서 많이 사용된다.
일반적으로 박피는 피부 조직을 단순히 기화시키는 방식으로 설명되지만, 실제로는 조금 다르다.
레이저에 의해 아주 짧은 시간에 피부 안에 에너지가 축적되면 조직 내 온도가 급격히 상승하면서
조직 내 수분이 기화되고, 그 과정에서 압력이 증가하여 물이 조직을 밀어내는 폭발적 반응이 발생한다.
이때 물의 압력은 300°C에서 1,000기압까지 상승할 수 있으며, 이로 인해 조직 내 수분이 외부로 빠르게 밀려나며
피부 표면이 **강제로 제거(forcibly ejected from the surface)**된다.
따라서 박피는 태우는 것이 아니라, 깎거나 파내는 것에 가깝다고 표현하는 것이 정확하다.
이러한 **폭발적 제거 반응(explosive removal)**은 주변 조직에도 손상을 줄 수 있어 부작용 위험이 존재한다.
그래서 CO₂ 레이저나 Er:YAG 레이저는 thermal confinement나 stress confinement 영역이 아닌
non-confinement 영역에 속한다.
특히 색소 치료에 있어서는 롱펄스 레이저나 Q스위치 레이저보다
CO₂ 레이저의 부작용 발생률이 높은 것으로 보고되어 있다.
기화로 인한 반응은 광기계적 효과와 유사하기 때문에 **열기계적 반응(Thermomechanical Effect)**이라는 표현도 사용되며,
이 방식은 물의 온도를 올려 박피하는 것으로 **열분해(Thermal Decomposition)**라고도 불린다.
반면, **포토어블레이션(Photoablation)**은 화학적 분해를 통해 박피가 이루어지며,
기화와는 작용 기전은 다르지만 결과적으로는 둘 다 박피를 유발한다.
3. 탄화(Carbonization)
조직 온도가 1,000°C 이상으로 올라가면 탄화가 발생한다.
이때 조직 내에서 탄소가 분리되고 검게 변하면서 ‘숯’처럼 변질된다.
탄화된 조직은 **레이저의 열 흡수원(heat sink)**이 되어,
후속 레이저 조사를 받을 경우 온도가 다시 800~1,000°C까지 급격히 상승하고
그 결과 **잔여 열 손상(Residual Thermal Damage)**이 깊어진다.
이로 인해 주변 조직에 추가 손상이 발생하므로,
탄화는 레이저 치료 시 가능하면 피해야 하는 반응이다.
4. 용해(Melting)
용해는 마치 용암이 흐르듯 조직이 녹아내리는 현상이다.
조직 내부에서 **가스 버블(Gas Bubble)**이 발생한 후, 조직이 점차 액체 상태로 변하며
조직이 무너져 내리는 과정이 관찰된다.
예를 들어 사람의 치아 조직을 용해시키기 위해서는 수백 도 이상의 고온이 필요하다.
✅ 마무리
광열적 반응은 피부과에서 다양한 레이저 치료에 응용되는 중요한 개념이다.
응고와 기화는 치료 목적으로 흔히 사용되지만, 탄화와 용해는 의도하지 않은 손상으로 간주되기 때문에
레이저 시술 시 정확한 온도 제어와 적절한 레이저 파라미터 설정이 핵심이다.
각 반응의 기전을 이해하고,
피부 상태와 치료 목적에 맞는 에너지, 조사 시간, 파장을 선택하는 것이 레이저 치료의 성공을 좌우하는 열쇠다.