김재호
(Jae-Ho Kim)
1
황선남
(Sunnam Hwang)
1
김경호
(Kyung-Ho Kim)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Dankook Univerity, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Photo-therapy, NIR LED, High Power light, Light therapy
1. 서 론
근육이 지속해서 여러번 수축하면 수축력이 점차 저하된다. 수축력의 저하와 함께 이완 시간도 연장된다. 이와 같이 이완 시간의 연장을 동반하여 근육의
수축력이 저하된 상태를 ‘피로’라고 한다. 피로에 대해서 많은 연구들이 있는데, 운동과 관련하여 여려 가지 원인에 의해 피로는 발생된다. 피로물질의
축적과 근육내의 칼슘(Ca)의 부족, 운동 에너지원의 소모, 물리화학적 변조 등 여러 요인이 있다.
젖산은 근육이 반복하여 수축되면 ATP(에너지)의 분해와 함께 ADP와 인산이 생성된다. ATP가 분해되면 크레아틴인산과 ADP에서 ATP가 빠르게
재합성된다. 따라서 ATP농도는 그대로 유지되지만 크레아틴인산의 농도는 저하된다. 피로 초기의 근력의 저하는 ATP농도의 저하로는 설명이 어렵다.
세포내에서 ATP는 Mg이온과 결합하고 대부분이 MgATP로 존재하고 있기 때문이다. 따라서 ATP의 분해에 의해 세포내에는 인산, ADT와 함께
Mg이온농도도 증가하게 된다. 또한 크레아틴인산과의 재합성으로 ATP공급이 충분하지 않으면 해당계에 의한 ATP의 공급이 시작되고 이로 인해 젖산이
생성되며 세포내의 pH가 저하된다. 그러므로 몸은 산성화되는 것이고 따라서 피로를 느끼게 된다.
특히 강도 높은 운동을 시행하는 운동선수들의 피로 또한 근육에 축적되는 젖산에 의한 것이다. 이러한 선수의 운동능력은 이러한 젖산을 얼마만큼이나 근육에서
없애주는가에 따라 결정되며, 제거하는 방법으로는 마사지, 온열요법등과 같이 많은 방법이 존재한다.
Clever Ferraresi은 육상선수를 대상으로 고강도 운동 전 LEDT(Light Emitting Diode Therapy)를 적용하여 근기능을
향상시켜 주기 위한 연구를 수행하였다. 이에 사용한 LED의 파장은 630nm의 RED LED와 850nm의 IR LED를 사용하였다. 육상선수 한명에게
상완근, 복근, 대퇴근사두근, 슬괵근, 전경골근과 장비골근, 비보근과 족저근에 5분동안 LEDT를 적용한 후 달리기 운동으로 피로를 유발하여 VO2,
혈중 젖산농도와 CK(Creatine Kinase)를 분석하였다. 그 결과 VO2가 향상되고 혈중 젖산농도와 CK의 감소로 인하여 근피로, 근손상의
감소에 LEDT 적용이 효과가 있음을 입증하였다. 또한 배구선수를 대상으로 경기를 수행함에 있어서 CK의 증가를 억제시키기 위한 방법으로 경기 전
LEDT적용을 제안한 바 있다(1)(2)(3).
Leal-Junior등은 660nm의 RED LED와 850nm의 IR LED를 이용한 LEDT가 운동으로 인한 인간의 골격근 피로와 골격근 회복에
미치는 효과에 대해 10명의 배구 선수를 대상으로 연구를 수행하였으며, 상완골 중부에 LEDT를 적용한 후 이두근에서 75%의 강도로 최대 자발성
수축운동으로 피로를 유발한 후 혈중 젖산농도, CK, C-반응성 단백질(C-reactive protein)수준을 검사하였다. 그 결과 혈중 젖산농도,
CK, K-반응성 단백질의 수준이 모두 감소하여 LEDT가 근피와 회복에 효과가 있음을 입증하였다(4). 또한 운동선수의 강도 높은 운동 후 냉수 치료(Colde Water Immersion Therapy:CWIT)와 LEDT를 적용하여 단기간의 골격근
회복 차이를 비교 분석하였다. 6명의 풋살 선수를 대상으로 미적용, CWIT, LEDT 적용의 3가지 방법을 적용하여 혈중 젖산농도, CK, C-반응성
단백질 수준을 분석하였다. 그 결과 단기 골격근 회복에 5분 동안의 CWIT적용보다 LEDT가 혈중 젖산농도, CK, C-반응성 단백질 수준의 감소에
크게 효과가 있음을 입증하였다(5)(6).
여러 가지 젖산 제거 기술이 존재하나 최근에는 빛을 이용한 광선요법이 각광받고 있다. 마사지와 온열요법 및 냉수치료 등은 오랜시간을 필요로 하며,
많은 장비 또는 인력이 소모되고 있다. 그러나 LEDT의 경우는 다른 방법에 비해 장비 및 인력이 필요하지 않으며, 운동선수가 직접적으로 자신의 불편한
부위에 바로 사용할 수 있으므로 다른 방법들에 비하여 매우 효율적이라 판단된다.
기존의 광선요법의 기기는 치료 또는 재활에 치중되어 있으며, 전문 운동선수들을 위한 제품은 재활이나 치료가 아닌 부상의 예방 및 운동능력의 향상을
필요로 한다. 또한 언제 어디서나 사용할 수 있고, 신체에 무리를 주지 않으며, 약물과 같은 도핑이 아니어서 선수가 자유롭게 사용할 수 있어야 할
것이다.
강도 높은 운동을 하는 선수들의 경우 경기 중간에 휴식시간이 길지가 않아 짧은 시간에 젖산에 의한 근육의 피로를 해소해야 한다. 이를 위해서는 근육에
조사되는 전력밀도는 짧은 시간에 많은 에너지를 공급할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 근육에 4J/m$^{2}$의 충분한 빛에너지를 짧은 시간(5분이내)에
공급하기 위해서는 100W/m$^{2}$의 높은 전력밀도를 낼수 있는 LED를 사용하여야 할 것이다. 이러한 고출력 LED를 이용하여 짧은 시간에
혈중 젖산농도, CK, C-반응성 단백질 수준의 감소를 위한 고출력 적외선 조사를 위한 구동회로 설계를 위한 것이다.
2. 고출력 적외선 조사기의 설계
2.1 LED의 배열 설계
Clever Ferraresi의 연구와 Leal-Junior등의 연구에서 보이듯 LEDT에 사용한 LED의 파장은 660nm(±10)와 850nm(±20)의
파장을 사용하였다. 본 연구에서 100W/m$^{2}$ 이상의 광출력을 낼 수 있도록 앞선 연구자의 LEDT에 사용한 파장과 거의 유사한 660nm와
810nm의 Photron사의 고출력 LED인 PV660-5B0W-ELSIBA20 적색 LED와 PV810-5B0W0EDISBA 근적외선 LED를
선택하였다.
적색 LED의 경우는 광출력이 100W/m$^{2}$이상의 수준을 위해서는 LED의 luminous intensity는 10,000mcd이상이 필요하다.
적색 LED의 100W/m$^{2}$ 이상의 광출력을 얻기 위해서는 Photron사에서 제공되는 데이터시트를 참조하였을 경우 LED에 인가되는 전류는
80mA이상일 경우에 충분한 광량을 얻을 수 있다. IR LED의 경우도 광출력이 100W/m$^{2}$이상의 수준을 위해서 필요한 스테라디안 단위의
광출력은 1W/m$^{2}$는 2.255W/Sr이므로 약 230W/Sr 이상이 필요하다. 이를 위해서는 IR LED 역시 80mA이상의 전류를 인가하여야
함을 데이터시트에서 보이는 것으로 알 수 있다(7)(8). 따라서 각 LED에 인각되는 전류는 100mA로 결정하였다.
위에서 설정한 값을 바탕으로 LED의 배열을 결정할 수 있으며, 고출력을 얻기 위하여 집중적으로 발광을 위한 배열을 설계하였다. 적색 LED의 경우
forward 전압이 2V인 점을 고려하여 1열은 4개를 직렬로 구성하였고, IR LED의 경우는 1.8V인 점과 광출력을 고려하여 1열은 5개를
직렬로 구성하였다. 이를 적색 LED와 IR LED를 1열로 배치하고 이를 17열 병렬로 연결하는 구조를 배열하였다. 따라서 전체 LED에 인가되는
전압과 전류는 적색 LED 8V와 IR LED 9V이며, 전류는 각 LED에 흐르는 전류는 1.7A가 흐를 수 있도록 구동회로를 설계하여야 한다.
2.2 구동 회로의 설계
앞절에서 구한 LED의 인가 전압과 전류를 바탕으로 구동회로를 설계하였다. LED별 인가되는 전류는 각각 1.7A이다. 이를 인가하기 위해서는 고전류를
안정적으로 인가할 수 있으며, DC 12V를 인가하여 LED를 구동하기 위하여 Buck converter 토플로지를 적용하였다.
Buck converter를 설계하기 위하여 사용한 IC는 NCP3066이다. 그림 1는 LED 배열에 정전류 제어를 위한 구동회로의 기본 설계도이다. 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 및 출력 커패시터(Cout)은 12V 입력전원을
강하시켜 LED를 구동하는 buck converter의 기본 토플로지를 따르고 있다.
그림 1 정전류 제어식 LED 구동회로
Fig. 1 Constant current controlled LED driving circuit
LED배열과 직렬로 연결된 저항(Rs)를 통해 LED배열에 흐르는 전류를 전압으로 변환하여 컨트롤러 IC에 피드백되면서 LED배열에 정전류로 전류를
인가하게 되며, 구동 전압을 LED의 cathode 단자에 공급한다. 컨트롤러 IC는 내부적으로 PWM 방식을 통해 제어되며, 기본 스위칭 주파수는
CT 커패시터의 크기로 결정된다. 입력전원을 통해 공급되는 전류가 과도하여 스위칭 트랜지스터 또는 인덕터의 내구성을 저하시키는 문제를 방지하기 위해
입력 피크전류를 제한하는 방식의 회로가 적용되었으며, 입력전원부와 직렬 연결된 저항 Rsense에 의해 입력전류의 피크치를 검출하고, 컨트롤러 IC는
Rsense의 저항의 전압이 특정 수준보다 높아지는 경우 스위치를 강제적으로 turn-off시키도록 동작한다.
컨트롤러 IC는 내부적으로 CT에 의해 결정된 고정된 주파수에 따라 톱니파를 생성시키고, 이 신호는 PWM 시위치 제어신호로 변환된다. Feedback
comparator는 LED에 흐르는 전류가 목표한 전류보다 낮을 경우 Low가 되며, 높을 경우 high가 된다. 이 비교결과 신호를 통해 최종
PWM 스위치 제어신호의 Pulse 시작점위치를 결정하게 된다. 따라서 일정 주파수의 PWM 신호는 LED 전류 크기에 따라 스위치 제어 Pulse의
duty ratio를 결정하여 인덕터의 build-up 전류크기를 결정한다. 이러한 제어를 통해 인덕터에 도통되는 전류의 평균치는 LED에 공급하고자
하는 목표 전류와 일치하게 된다. 단 입력 전원의 전류가 과도한 경우 peak detector가 duty ratio를 낮추도록 하며, dimming
control에 의해 스위칭 동작이 완전히 멈추도록 LED를 turn-off 시킬 수 있다.
LED 구동회로에서 1.7A의 높은 전류를 구동하므로, 전력효율 및 구동 안정성을 위하여 외부에 별도 MOSFET을 이용한 스위치 소자를 사용하였다.
MOSFET의 gate 구동 회로를 위해 boots-strapping 기법을 활용하였다.
그림 2는 LED 배열의 구동 단일채널에 대한 전체회로도이다. 기본 정전류 제어방식으로 buck converter 토플로지를 기반으로 외부에 별도의 고성능
MOSFET 스위치, MOSFET 스위치의 gate 구동회로 등으로 구성되었다.
그림 2 LED 배열 단일채널 구동회로
Fig. 2 LED array single channel driving circuit
적색 LED의 입출력 조건은 표 1과 같다.
Table 1. Input and Output condition of RED LED
|
Input Voltage (Vin)
|
12V
|
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Output Voltage (Vout)
|
7.24V
|
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Maximum output current(Io)
|
1.7A
|
|
Switching frequency(fs)
|
150KHz
|
|
Duty ratio(D)
|
0.6
|
12V의 입력을 받아 7.24V의 출력전압으로 제어를 위해 강압형인 Buck converter를 NCP3066의 IC를 이용하여 구성하였다. 이때
내부 스위치를 사용할 경우는 최대 1.5A밖에 제어가 되지 않아 외부 스위치를 별도로 설치하여 전류를 제어한다. 적색 LED제어 회로는 표 1을 바탕으로 구성하였으며, 이때 인덕터의 값은 식(1)과 같이 설계하였다.
근적외선 LED의 입출력 조건은 표 2와 같다.
Table 2. Input and Output condition of NIR LED
|
Input Voltage (Vin)
|
12V
|
|
Output Voltage (Vout)
|
9V
|
|
Maximum Output Current (Io)
|
1.7A
|
|
Switching Frequency (fs)
|
150KHz
|
|
Duty ratio (D)
|
0.75
|
12V의 전압을 입력받아 9V의 출력전압으로 제어를 위해 강압형인 Buck converter를 사용하였으며 적색과 동일하게 전류를 제어하기 위해 외부스위치를
적용하였다. 또한 표 2를 바탕으로 근적외선 제어를 위한 인덕터는 식(2)와 같이 설계하였다.
고출력 LED조사기의 효과가 극대화 되기 위해 pulse형 LED blink 기능이 필요하며, LED 구동의 시간설정 및 pulse 구동 등을 위하여
MCU는 ATmega8을 사용하였으며, 이를 적요하기 위한 구동회로는 그림 3과 같다.
그림 3 제어용 MCU 회로도
Fig. 3 Circuit of MCU controller
MCU의 구동 조건은 토글 스위치를 이용하여 동작을 시작하여 5분동안 동작을 하게 하였으며, pulse 구동은 duty 80으로 하여 주파수는 292Hz로
적용하였다.
3. 실험 및 결과
3.1 실험
고출력 LED 조사기의 실험을 위해 컨트롤러 PCB는 그림 4와 같이 설계하였으며, 이를 바탕으로 그림 5와 같이 제작을 진행하였다.
그림 4 구동회로 PCB 설계
Fig. 4 Driving circuit PCB design
그림 5 구동회로 제작
Fig. 5 Manufacture of driving circuit
그림 6은 LED 배열 보드이다.
RED LED 4개 직렬, IR LED 5개 직렬로 17라인으로 구성하였다.
3.2 결과
그림 7은 RED LED의 전압 전류 파형을 나타내고 있다. 위에 파형(C2)는 pulse 구동을 위한 전압 입력을 보이고 있으며, 292Hz로 duty
80으로 동작하는 파형을 나타내고 있다. 중간 파형(C1)은 LED에 인가되는 전압을 나타내고 있다. 하단의 파형(C4)는 LED에 인가되는 전류를
나타내고 있다.
그림 6 LED 배열
Fig. 6 Array of LED
그림 7 RED LED 전압 및 전류 파형
Fig. 7 Voltage and current wave of RED LED
그림 8은 IR LED의 전압 전류 파형을 나타내고 있다. 상단파형(C2)는 pulse 구동을 위한 인가전압 파형이며, 292Hz의 동작을 보이고 있다.
중간의 파형(C1)은 IR LED에 인가되는 전압을 나타내고, 하단 파형(C4)는 IR LED에 인가되는 전류를 나타내고 있다.
그림 8 IR LED 전압 및 전류 파형
Fig. 8 Voltage and current wave of IR LED
그림 7과 그림 8에서 보이듯 RED LED에 인가되는 전압은 RMS로 약 9.75V가 인가되고, 전류는 1.16A가 흐르는 것을 볼 수 있다. 또한 IR LED의
전압은 16.2V가 인가되고 전류는 2.28A가 인가되는 것을 볼 수 있다.
LED에 인가되는 전압과 전류파형은 pulse 구동상태에서 스위칭 주파수 파형으로 그대로 동작하고 있음을 보이고 있다. 이는 출력단에서 DC출력을
위한 filtering을 할 경우에 pulse 구동 자체도 필터링이 되어 동작하므로 filtering을 하지 않은 상태로 동작을 하고 있다. LED에
인가되는 전압을 filtering을 할 경우에는 LEDT의 pulse에 따른 구동에 의한 효과가 사라지게 된다. 따라서 pulse 구동의 효과를 얻기
위해 filtering을 하지 않은 상태로 LED에 인가하게 하였다. 따라서 LED에 인가되는 전압도 설계했던 전압보다 높게 나오는 경향을 보이는
것으로 보인다.
그림 9는 고출력 LED조사기의 동작 모습이다.
그림 9 고출력 LED 조사기의 동작
Fig. 9 Operating of High-power LED irradiator
그림 10은 고출력 조사기의 광량을 측정한 사진이다.
그림에서 보이듯 광량은 초기 설정값인 100W/m$^{2}$ 보다 높은 값인 102W/m$^{2}$의 값이 나오는 것을 확인하였다.
그림 10 고출력 LED 조사기의 광량
Fig. 10 light power of High power LED irradiator
또한 고출력 조사기의 표면에서 측정되는 온도는 37.5℃로 저온화상을 유발하는 온도인 45℃보다 낮게 유지되는 것을 볼 수 있다.
4. 결론 및 고찰
본 연구에서 혈중 젖산 농도 및 CK, C-반응성 단백질 수준의 감소에 의한 근피로도의 감소를 위한 고출력 LED 적외선 조사기에 대하여 연구하였다.
이는 강도 높은 운동을 하는 선수들의 경우 경기 중간에 휴식시간이 길지가 않아 짧은 시간에 젖산에 의한 근육의 피로를 해소하기 위한 것으로 근육에
조사되는 전력밀도는 짧은 시간에 많은 에너지를 공급할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 근육에 4J/m$^{2}$의 충분한 빛에너지를 짧은 시간(5분이내)에
공급하기 위해서는 100W/m$^{2}$ 이상의 높은 전력밀도를 낼수 있는 고출력 LED 조사기가 필요하며, 이를 위해 102W/m$^{2}$의 높은
광출력을 실현하였다. 이러한 고출력 LED 조사기를 이용하여 짧은 시간에 충분한 빛에너지를 공급하여 혈중 젖산농도, CK, C-반응성 단백질 수준의
감소가 가능할 것이라 판단된다(1). 이로 인하여 강도 높은 운동을 하는 선수들에게 짧은 휴식시간에 사용하여 충분히 피로 회복에 도움이 될것으로 보인다. 앞선 연구자들에 의해 젖산에
의한 근육 피로를 줄이기 위해서는 100W/m$^{2}$이상의 높은 에너지를 짧은 시간에 공급하게 되면 혈중 젖산농도 및 CK, C-반응성 단백질
수준을 감소 시킬 수 있다는 결론을 얻었다. 이를 바탕으로 5분이내에 102W/m$^{2}$의 광출력을 얻을 수 있는 고출력 LED 조사기를 실현하였지만
이에 따른 효과는 검증하지 못하였다. 이는 임상 실험등을 거쳐야 하는 과정이 필요하다. 따라서 고출력 LED 조사기를 검증하기 위하여 강도 높은 운동을
하는 선수들을 대상으로 임상실험을 통해 혈중 젖산농도, CK, C-반응성 단백질 수준의 감소 정도를 확인할 필요가 있음을 가지고 추가 실험을 진행할
예정이다.
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저자소개
2019 to Present : Ph.D course in Control and Signal Processing Engineering, Dankook
University, Korea.
E-mail: jh156700.naver.com
2007 to Present : Ph.D course in Control and Signal Processing Engineering, Dankook
University, Korea.
E-mail: sacheonsa@hanafos.com
2000 to 2006 : Principal Research Engineer in Samsung Advanced Institute of Technology
(SAIT).
2006 to Present: Professor in Department of Electronic and Electrical Engineering,
Dankook University, Korea.
E-mail: aonami@dankook.ac.kr