광중합기(Light curing Unit)

최근 시판되고 있는 심미적 수복제는 거의 광중합을 이용하여 경화되며 전체 시술 중 광중합기를 사용하는 횟수와 시간이 늘어감에 따라 이제는 임상가들이 각자 사용하고 있는 광중합기에 대한 기본적 이해와 올바른 사용 방법에 대한 검토가 필요한 시점이라고 생각된다.
따라서 본란에서는 이번 호는 광중합기의 원리, 종류 등 기계적인 면을 검토하고 다음호에서는 광중합기의 작동, 중합 모드를 포함한 광중합기의 효율적인 사용 방법 등에 대한 임상적인 지침을 제공하고자 한다.

이상호 (조선치대 소아치과 교수) shclee@chosun.ac.kr / 이난영 (조선치대 소아치과 교수) nandent@chosun.ac.kr /
오유향 (조선치대 소아치과 전임의) frankin02@hanmail.net

최근 개발, 시판되고 있는 심미적 수복제는 거의 광중합을 이용하여 경화되며 실제로 이와 같은 수복재료의 광학적 중합방법의 도입으로 인해 임상가들은 여유를 가지고 진료를 시행할 수 있게 됨과 동시에 양질의 진료를 추구할 수 있게 되었으며 또한 시술시간의 단축으로 인해 병원 경영에도 적잖은 도움이 되고 있다.    
전체 시술 중 광중합기를 사용하는 횟수와 시간이 늘어감에 따라 이제는 임상가들이 각자 사용하고 있는 광중합기에 대한 기본적 이해와 올바른 사용 방법에 대한 검토가 필요한 시점이라고 생각된다. 현재 국내에서 광중합기를 판매하는 회사는 줄잡아 20군데가 넘는데, 사용하고 있는 광원과, 중합방법, 중합강도 및 속도, 그리고 유무선  여부 등에 따라 다양한 중합기가 시판되고 있다. 판매회사들은 모든 중합기가 임상가들을 만족시켜 주는 듯 설명하고 있으나 광중합기 별로 분명 중합 효율성에 대한 차이나 작동 및 관리 부분에 있어 장단점이 있으므로 구입 시 이에 대한 꼼꼼한 검토가 필요하다.
따라서 본란에서는 이번 호는 광중합기의 원리, 종류 등 기계적인 면을 검토하고 다음호에서는 광중합기의 작동, 중합 모드를 포함한 광중합기의 효율적인 사용 방법 등에 대한 임상적인 지침을 제공하고자 한다.

1. 광중합기의 분류
현재 시판되고 있는 광중합기는 사용하는 광원에 따라 다음과 같이 크게 3가지 카테고리로 분류할 수 있다. 
- 할로겐 
- LED 
- 플라스마
이외에도 할로겐 램프를 개선한 초강도 할로겐 램프나 아르곤 레이저 등의 광원을 이용하고 있다.    

1) 할로겐[Quart tungsten halogen(QTH)] 광중합기
할로겐 광을 이용한 광중합기에서는 특정 파장만 선별적으로 발산할 수 없어 중합을 위한 청색 광선을 발산하려면 매우 높은 온도로 가열되어야 한다. 이것은 매우 미세한 텅스텐 필라멘트를 통과하는 전류에 의한 저항에 의해 빛과 열이 발생된다. 이 필라멘트에 전류가 흘러 2000-3000℃ 정도로 가열되면 가시광선의 형태로 전자기파가 방사된다(그림 1).
광개시제인 camphoroquinone이 450-490nm의 파장에서 빛을 흡수를 하기 때문에 이 영역의 파장을 가지는 청색광은 중요한 의미를 가지는데 할로겐 광의 스펙트럼은 넓은 파장범위의 광선을 방출하므로 청색광을 제공하기 위해서는 원하지 않는 스펙트럼의 광선은 할로겐 램프와 광도체 사이에 위치한 광학 필터에 의해 여과된다. 그래서 방출한 에너지 대부분은 사용되지 못하고 에너지 효율은 떨어지게 되므로 할로겐 램프에 주입되는 전체 에너지의 1%만이 레진을 중합하는데 사용되는 셈이다. 따라서 고 에너지에 의한 열 발산으로 인해 램프의 고열을 식혀주기 위한 장치로 냉각 팬이 설치되어 있다. 
할로겐 광중합기로는 여러 회사의 제품이 있으나 현재 조선대학교 치과병원 소아치과에서사용하고 있는 할로겐 광중합기는 3M사의 XL 3000, Dentsply사의 Spectrum 800, Demetron 사의 Optilux 501, Ivoclar/VIVADENT사의 Heliolux DLX 등이 있다(그림 2).

2) Plasma 광중합기
Plasma는 전기적 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단으로 정의되며 기체가 더 큰 에너지를 받았을 때 상전이와는 다르게 생성되는 전체적으로 전기적 중성을 띄는 제 4상태의 물질이다. 
플라즈마 arc lamp는 양 전극 사이에서 고 전압에 의한 전자장이 형성되고 lamp의 xenon gas가 가열되어 강력한 빛을 내는 plasma가 형성되는 원리를 이용한 것으로(그림 3) 450~490㎚주위의 다소 좁은 파장에서 매우 높게 빛을 방출하여 할로겐 광에 비해 4배 이상의 강도에 도달할 수 있다. 
플라즈마 arc lamp 광중합기는(그림 4) 빛의 강도는 물론 camphoroquinone이 흡수하는 470㎚전후의 파장대의 빛을 집중적으로 발산함으로써 광중합의 효율을 매우 높다. 따라서 조사시간이 3~10초 사이로 획기적으로 단축되었다.   
그러나 이 역시 에너지의 빛 전환율이 낮아(1% 이하) 1500~2000 mW/Cm2의 조사 강도를 내기 위해 많은 열이 발생하므로 냉각 팬이 매우 중요한 역할을 한다.

3) LED(Light Emittimg Diode) 광중합기
최근 LED가 차세대 빛으로 각광받고 있으며 생활 전반에 걸쳐 그 이용이 점차 확산되어 가고 있다. 지난 2002년 월드컵 때 광화문 일대에서 전광판 응원이 가능했던 것은 낮에도 선명하게 보이며 색감이 좋은 LED 전광판 때문이였다. 또한 근래에는 신호등이 LED로 교체되고 있어 낮에도 신호등을 선명히 볼 수 있게 되었으며 최근 생산되는 자동차에는 계기판은 물론 브레이크 등도 LED가 장착되어 매우 산뜻하고 선명한 빛을 발산한다.    
LED는 할로겐광과는 달리 metal filament를 가열함으로써 가시광선을 형성하지 않고 전자의 이동에 의해 발생된다. 발광 다이오드라고 불리는 이 다이오드는 각각 n-doped와 p-doped로 불리는 두개의 반도체의 조합으로 구성되는데, N-doped 반도체는 과도한 전자를 가지고 있고 P-doped 반도체는 전자가 부족하거나 정공을 가지고 있다.  
P, N 접합 다이오드로 두 형태의 반도체가 접합되고 전압이 가해졌을 때 n-doped의 전자가 p-doped의 정공으로 이동된다. 이런 이동의 결과로 특이한 파장의 빛이 방출된(그림 5).
LED로부터 나오는 빛은 좁은 스펙트럼의 범위를 가지고 방출되는 스펙트럼의 95%는 중합하기에 적절한 440㎚에서 500㎚사이에 위치한다. 따라서 LED는 이런 특정 파장 범위의 및 발생으로 인해 높은 에너지 전환율을 가진다. 
따라서 적은 전류를 통해 빛이 발광되므로 충전식으로 할 수 있으며 충전식이 가능하므로 줄이 없이 쉽게 휴대하거나 이동할 수 있어 사용하기 편하다. 단, 충전용 배터리를 직렬 연결하여야 손실이 적으므로 광중합기의 길이가 비교적 길게 설계될 수밖에 없다는 면이 있다(그림 6).
LED는 무게가 가볍고 사용이 간편하며 할로겐 보다는 빠른 중합 플라스마 초고속 광중합기 보다는 열 발생이 적고 복합레진 수복물의 초기 수축력을 감소시켜 술 후 과민증을 줄일 수 있어 최근에 각광을 받고 있다. 또한 전구의 수명이 길고 눈으로 직접 보아도 플라스마 램프나 아르곤 레이저 빛에 비해 크게 해가 없다.
  현재 시판되고 있는 LED 광중합기로는 3M ESPE 사의 Elipar FreeLight 2, 미국 Demetron 사의 L.E. Demetron I, 이탈이아 Metron 사의 Starlight 시리즈, 대만 Rolencetkdml Ultra-Light 200E, 그리고 국내업체가 개발한 Skylight, Cool light 등이 있으며 그외 국내 업체 개발품이 있으나 아직은 제품이 불안전한 상태이다.
  LED는 부피가 작기 때문에 진료대에 내장할 수 있는 형으로도 시판되고 있다. 본체와 선으로 연결되어 있는 유선형과 충전방식에 의해 무선으로 이루어지는 무선방식이 있다. 충전은 약 2시간 정도 소요된다. 이 역시 할로겐 광중합기 보다는 강한 빛을 발산하므로 여러 가지 중합모드 프로그램이 내장되어 있다.

2. 광중합기의 파장
빛이 물체에 도달했을 때 흡수(absorbance), 반사(reflection), 투과(transmission), 산란(scattering) 등 여러 가지 형태로 분산되는데 이중 흡수가 물체에 미치는 영향이 제일 크다(그림 7).
따라서 광중합기의 파장은 강도와 함께 광중합용 수복재료의 중합에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 작용한다. 따라서 복합레진 속의 빛을 흡수하여 중합을 유도하는 광흡수 혹은 광활성제라 불리는 photosensitizer에 가장 잘 흡수 되는 파장을 가진 광원이 유리한데, 흔히 photosensitizer로 camphoroquinone과 lucerin 등이 많이 사용되는데, 이 물질에 가장 잘 흡수되는 파장 영역은 camphoroquinone의 경우 430-480㎚ 전후이다(그림 8).  
일반적으로 위와 같은 3 종류의 광원에서 발산되는 빛의 파장대는 다음과 같다(그림 9). 할로겐 램프는 400~500㎚의 비교적 파장 영역대가 넓어 발산하는 전체  빛 에너지에 비해 실제적으로 사용하는 에너지는 적은 편이다. 따라서 중합의 효율성이 떨어진다. 그러나 LED의 경우는 440~490㎚사이로 비교적 camphoroquinone에 집중적으로 흡수되는 파장 영역을 가지고 있어 중합이 비교적 효율적으로 이루어진다. 플라스마 램프의 경우 470㎚ 전후의 파장을 발산한다.

3. 광중합기의 강도
복합레진 등의 광중합은 일반적으로 빛의 강도가 300mW/Cm2이상 되어야 임상적으로 사용 가능하다. 이 경우 약 40초 정도의 광중합 시간이 소요되는데, 이보다 더 약한 강도의 빛은 60초 이상의 조사 시간이 소요되므로 임상적인 효용성을 상실하게 된다. 그러나 실제 많은 임상가들은 할로겐 광중합기의 경우 관리 소홀로 인해 300mW/Cm2 이하의 강도를 사용하고 있는 것으로 나타났다.
할로겐 램프는 300~500 mW/Cm2의 강도를 가지고 있으며 최근 시판되고 있는 초강도 할로겐 광중합기는 1000mW/Cm2 전후의 강도를 가지고 있다(그림 10). LED는 1000mW/Cm2 전후의 강도를 가지고 있으며 플라스마 램프는 1500~2000mW/Cm2의 강도를 가지고 있다.
그러나 전구 자체의 수명, 반사광의 부식, optic fiber와 optic tip의 손상 등으로 인해(그림 11) 실제 제조사가 제시한 강도보다 약화될 수 있으므로 정기적으로 radiometer를 사용해 검사하여야 한다.
강도를 측정하는 radiometer도 측정하고자 하는 빛의 강도에 따라 선택을 달리하여야 한다(그림12).

4. 광중합기의 구성
1) 외부 디자인 
일반적으로 할로겐 광중합기는 말단 조사기의 그립이 피스톨 type으로 되어 있어 손으로 잡고 쓰기에 편리하다. 그러나 많은 열이 발생하므로 인해 냉각 팬이 전구에 인접하여 설계되어야 하므로 본체에 비해 말단 조사기의 부피가 상대적으로 크다. LED 광중합기는 열의 발생이 적으므로 냉각팬의 설계가 필요 없어 디지인이 슬림하지만 리튬 충전용 건전지를 내장하여야 하므로, 특히 충전효율을 높이기 위해 직렬로 배열해야 하므로 그립이 직선형으로 다소 길게 설계될 수 밖에 없다. 최근에는 피스톨 디자인으로도 생산되지만 역시 그립이 다소 길어질 수 밖에 없다. 플라스마 광중합기는 높은 에너지 소스와 특수 냉각팬이 요구되므로 본체가 상당히 크게 만들어 지며 본체에서 만들어 지는 빛이 optic guide를 통해 구강 내로 전달된다. Optic guide는 주로 관섬유로 되어 있어 외부의 사소한 충격에도 손상이 잘되는 문제점이 있다. 근래는 이를 보안하여 Flipo 등의 제품의 경우는 guide 내부에 광섬유가 아닌 optic gel이라는 약간의 유동성이 있는 성분으로 채워 손상을 최소화 하였다.

2) 버튼 
할로겐이나 LED 광중합기는 버튼 방식이다. 그러나 플라스마 광중합기들은 일반적으로 터치 방식인 ring type을 채택하고 있다. Ring type은 튜브 내에 2개의 얇은 판 사이에 전극 또는 센서가 들어 있어서 외부에서 손가락으로 링을 끌어당겼을 때 떨어져 있던 판과 판사이의 전극이 붙어 인식하게 되거나 센서가 감지하여 접촉 시스템을 활성화시키게 된다(그림 14).
버튼 방식이 아닌 터치 방식으로 제조한 것은 민감하고 고장이 덜 나는 것으로 실험결과가 나왔기 때문이라고 말하고 있다. 이는 적용 시간과도 관련이 있다고 보는데 할로겐 램프는 20초와 40초 등으로 세팅 되어 버튼을 한번에서 두번 적용하여 사용 할 수 있지만 플라즈마광을 이용한 광중합기들의 특징은 짧은 중합시간으로 중합시간이 짧은 대신에 적용 횟수는 그만큼 늘어나게 된다. 따라서 플라즈마광을 이용한 광중합기에 버튼방식을 사용하게 되면 외부와 연결 되어있는 방식으로 접속 불량 등의 손상을 받기가 더 쉽기 때문에 제품의 효율성이 떨어진다.

3) Tip
Tip은 보통 7~13㎜ 직경의 다양한 크기가 사용되는데 보통 광중기별로 2~3개의 tip을 사용하도록 설계되어 있다. Tip의 직경이 작을 경우 에너지 밀도가 높은 빛을 전달할 수 있음에 반하여 tip의 직경이 큰 경우는 넓은 영역으로 빛을 고루 조사할 수 있다(그림 15). 일반적으로 큰 직경의 tip을 사용하면 조사시간을 약간 증가시켜 주는 것이 좋다.
Tip은 직선형과 곡선형이 있으며 빛이 술자의 눈에 들어가지 않기 위해, 그리고 오염을 방지하기 위해 방사형 모양의 고무 커버를 끼워 사용할 수 있다. 특히 플라스마 광중합기의 경우 열의 발산이 많기 때문에 치아나 인접 조직을 보호하기 위해 고무 커버를 끼워 사용하는 것도 바람직하다(그림 16).  그러나 LED 광조사기의 경우 빛의 발산(diffusion)각이 상대적으로 크므로 이를 고려하지 않고 고무 커버를 씌우면 광조사기 tip과 수복재 사이의 거리가 멀어져 자칫 빛의 강도가 급속히 저하될 우려가 있으므로 주의해야 한다.