피코초 레이저는 왜 피코초일까? 펄스폭과 광음향 효과의 원리

문신제거나 색소치료를 알아보다 보면 ‘피코초 레이저’라는 이름을 자주 접하게 됩니다.

피코초는 1조 분의 1초를 의미하는 시간 단위입니다.

그렇다면 피코초 레이저는 정확히 1피코초 동안 레이저를 조사하는 장비일까요?

실제로는 그렇지 않습니다.

의료용 피코초 레이저의 펄스폭은 일반적으로 수백 피코초 수준이며, 장비와 파장에 따라 차이가 있습니다.

예를 들어 피코웨이(PicoWay)는 파장에 따라 250~450피코초의 펄스폭을 가지고 있습니다.

피코초 레이저의 중요한 특징은 매우 짧은 시간에 에너지를 전달하여 높은 순간 출력을 발생시키고, 색소와 피부 조직에 광음향·광기계적 작용을 유도할 수 있다는 점입니다.

이러한 특성은 문신제거뿐 아니라 다양한 색소질환과 피부 재생 관련 치료에도 활용되고 있습니다.

1. 피코초는 얼마나 짧은 시간일까요?

피코초(picosecond)는 1조 분의 1초를 의미합니다.

시간 단위를 비교하면 다음과 같습니다.

• 1밀리초(ms) = 1,000분의 1초
• 1마이크로초(μs) = 100만 분의 1초
• 1나노초(ns) = 10억 분의 1초
• 1피코초(ps) = 1조 분의 1초

1나노초는 1,000피코초에 해당합니다.

예를 들어 300피코초는 0.3나노초이며, 450피코초는 0.45나노초입니다.

이처럼 매우 짧은 시간은 일상생활에서는 체감하기 어렵지만, 레이저가 피부에 에너지를 전달하는 방식에서는 중요한 차이를 만들어 냅니다.

2. 피코초 레이저의 실제 펄스폭은 얼마일까요?

펄스폭(pulse duration)은 레이저가 한 번 조사될 때 에너지가 전달되는 시간을 의미합니다.

피코초 레이저라고 해서 모든 장비가 동일한 펄스폭을 가지는 것은 아닙니다.

장비와 파장에 따라 펄스폭이 다를 수 있습니다.

피코웨이 제조사 자료에 제시된 파장별 펄스폭은 다음과 같습니다.

피코웨이의 730nm 핸드피스는 250ps의 펄스폭을 가지고 있습니다.

따라서 피코웨이의 전체 펄스폭 범위는 250~450ps입니다.

즉, 피코초 레이저는 정확히 1피코초 동안 조사하는 레이저가 아니라, 펄스폭이 피코초 단위로 표현될 만큼 짧은 레이저를 의미합니다.

3. 펄스폭이 짧으면 무엇이 달라질까요?

레이저가 전달하는 에너지의 양이 같더라도 그 에너지를 전달하는 시간이 다르면 순간적인 출력이 달라집니다.

이를 설명하는 개념이 피크 출력(peak power)입니다.

피크 출력은 레이저 펄스가 조사되는 순간의 출력을 의미합니다.

단순화하면 다음과 같은 관계가 있습니다.

피크 출력 ≈ 펄스 에너지 ÷ 펄스폭

예를 들어 동일한 에너지를 10나노초 동안 전달하는 경우와 500피코초 동안 전달하는 경우를 비교해 보겠습니다.

500피코초는 0.5나노초이므로 10나노초보다 20배 짧습니다.

따라서 동일한 에너지를 전달한다면 500피코초 펄스의 순간 출력은 약 20배 높아질 수 있습니다.

피코초 레이저는 이러한 특성을 이용하여 매우 짧은 시간에 높은 순간 출력을 발생시킵니다.

다만 실제 치료 효과는 펄스폭만으로 결정되지 않습니다.

레이저 파장, 에너지, 조사 면적, 표적 색소의 특성 등이 함께 영향을 미칩니다.

4. 피코웨이의 피크 출력은 어느 정도일까요?

피코웨이 제조사 자료에는 파장별 최대 피크 출력도 제시되어 있습니다.

GW는 기가와트(gigawatt)를 의미하며, 1기가와트는 10억 와트입니다.

예를 들어 1064nm의 최대 피크 출력은 0.89기가와트입니다.

그러나 이것은 레이저가 지속적으로 해당 출력을 발생시킨다는 의미가 아닙니다.

450피코초라는 극히 짧은 펄스가 조사되는 순간의 최대 출력을 의미합니다.

또한 실제 시술에서는 병변의 종류와 피부 상태에 따라 에너지와 조사 조건을 조절하므로 항상 최대 출력으로 치료하는 것은 아닙니다.

5. 광열 효과와 광음향 효과는 무엇이 다를까요?

레이저가 피부의 색소에 작용하는 원리를 이해하려면 광열 효과와 광음향 효과를 구분할 필요가 있습니다.

광열 효과

광열 효과(photothermal effect)는 색소가 레이저 에너지를 흡수하면서 열이 발생하고, 이 열에 의해 조직에 변화가 생기는 현상입니다.

레이저를 이용한 다양한 피부 치료에서 중요한 작용 원리입니다.

광음향 효과

광음향 효과(photoacoustic effect)는 매우 짧은 시간에 레이저 에너지가 흡수되면서 급격한 압력 변화가 발생하는 현상입니다.

이 과정에서 발생하는 기계적 응력은 색소 입자에 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 작용을 광기계적 효과(photomechanical effect)라고도 설명합니다.

피코초 레이저는 짧은 펄스폭과 높은 피크 출력을 이용하여 광음향·광기계적 작용을 유도할 수 있습니다.

다만 실제 치료에서 광열 효과와 광기계적 효과가 완전히 분리되어 나타나는 것은 아닙니다.

두 작용의 상대적인 비중은 레이저 조사 조건과 표적의 특성에 따라 달라질 수 있습니다.

6. 피코초 레이저는 색소에 어떻게 작용할까요?

피부의 멜라닌 색소나 문신 잉크 입자가 레이저 에너지를 흡수하면 색소와 주변 조직에서 물리적인 변화가 발생합니다.

이때 에너지가 매우 짧은 시간에 전달되면 열이 주변으로 확산되기 전에 급격한 온도 및 압력 변화가 발생할 수 있습니다.

이러한 과정에서 발생하는 광기계적 작용은 색소 입자의 구조를 변화시키거나 분해하는 데 관여할 수 있습니다.

피코웨이 제조사는 짧은 펄스폭과 높은 피크 출력이 광음향 작용을 유도하는 데 중요한 역할을 한다고 설명합니다.

그러나 색소 입자의 반응은 크기, 성분, 분포, 레이저 파장과 에너지 등에 따라 달라집니다.

따라서 짧은 펄스폭만으로 모든 색소를 동일하게 치료할 수 있는 것은 아닙니다.

7. 레이저 파장과 색소의 깊이는 어떤 관계가 있을까요?

피코초 레이저를 이해할 때 펄스폭만큼 중요한 요소가 파장입니다.

레이저 파장에 따라 멜라닌과 같은 표적에 에너지가 흡수되는 정도와 피부 내부로 전달되는 특성이 달라집니다.

일반적으로 532nm는 멜라닌에 대한 흡수도가 높아 표피성 색소 병변 치료에 자주 활용됩니다.

1064nm는 상대적으로 피부 깊은 곳까지 에너지를 전달할 수 있어 진피성 색소 병변 치료에 널리 사용됩니다.

그러나 이러한 차이가 532nm는 표피성 색소에만, 1064nm는 진피성 색소에만 사용할 수 있다는 의미는 아닙니다.

1064nm 역시 표피의 멜라닌에 에너지를 전달할 수 있으며, 표피성 색소 병변 치료에도 활용될 수 있습니다.

실제 치료에서는 색소가 존재하는 깊이뿐 아니라 멜라닌의 분포, 피부색, 병변의 특성, 레이저 에너지와 조사 방법 등을 함께 고려합니다.

따라서 레이저 파장을 특정 피부층에만 대응시키기보다는 각 파장의 광학적 특성과 치료 목적에 따라 선택하는 것으로 이해하는 것이 정확합니다.

8. 문신제거에서는 어떻게 활용될까요?

문신 잉크는 주로 피부의 진피층에 존재합니다.

문신제거 레이저는 잉크 입자가 흡수할 수 있는 파장의 에너지를 전달하여 색소 입자에 변화를 일으킵니다.

피코초 레이저의 짧은 펄스폭은 이러한 과정에서 광기계적 작용을 유도하는 데 활용됩니다.

이후 변화된 잉크 입자는 피부의 면역세포와 생물학적 제거 과정을 거쳐 서서히 처리됩니다.

문신제거에서는 잉크의 색상에 따라 적절한 파장을 선택하는 것이 중요합니다.

피코웨이는 532nm, 785nm, 1064nm 등 여러 파장을 이용할 수 있습니다.

예를 들어 785nm는 청색과 녹색 계열의 문신 색소 치료에 활용됩니다.

그러나 같은 색상의 문신이라도 잉크 성분과 깊이, 밀도, 이전 치료 이력 등에 따라 반응이 달라질 수 있습니다.

따라서 문신제거는 색상과 피부 상태를 종합적으로 평가하여 치료 계획을 수립해야 합니다.

9. 색소질환 치료에서는 어떻게 활용될까요?

피코초 레이저는 문신제거뿐 아니라 다양한 피부 색소질환의 치료에도 활용됩니다.

흑자와 주근깨

흑자와 주근깨는 주로 표피의 멜라닌과 관련된 색소 병변입니다.

피코초 레이저는 이러한 병변의 치료에 활용될 수 있습니다.

532nm는 멜라닌 흡수도가 높아 흔히 사용되는 파장이지만, 1064nm 역시 병변의 특성과 치료 목적에 따라 표피성 색소치료에 활용할 수 있습니다.

또한 피코웨이 785nm를 이용한 주근깨 치료에 관한 임상 연구도 보고되어 있습니다.

중요한 것은 병변이 표피에 있다는 이유만으로 사용할 수 있는 파장이 하나로 결정되는 것은 아니라는 점입니다.

오타모반과 후천성 양측성 오타양 모반

오타모반과 후천성 양측성 오타양 모반(ABNOM)은 진피 내 멜라닌세포와 관련된 색소질환입니다.

이러한 병변은 색소의 깊이와 분포를 고려하여 레이저 치료를 계획합니다.

1064nm는 진피성 색소질환 치료에 널리 활용되는 파장입니다.

그러나 병변의 특성과 피부 상태에 따라 다른 파장도 치료에 활용될 수 있습니다.

기미

기미는 단순히 멜라닌 색소가 증가하는 현상만으로 설명하기 어려운 복합적인 질환입니다.

자외선, 호르몬, 피부 염증, 혈관성 요인 등 여러 요소가 관여합니다.

피코초 레이저를 이용한 기미 치료 연구도 보고되어 있지만, 모든 기미에 레이저 치료가 적합한 것은 아닙니다.

치료 후 색소침착과 재발 가능성을 고려하여 신중하게 접근해야 합니다.

염증후색소침착

염증후색소침착은 여드름, 화상, 외상, 피부염 등 다양한 염증 반응 이후 발생할 수 있습니다.

색소가 표피에 주로 존재할 수도 있고, 진피에 분포하거나 두 층에 함께 존재할 수도 있습니다.

이러한 병변에서도 색소의 깊이와 피부 상태에 따라 치료 방법을 결정해야 합니다.

레이저 치료가 도움이 되는 경우도 있지만, 염증이 지속되는 상태에서는 오히려 색소침착이 악화될 수 있으므로 신중한 판단이 필요합니다.

10. 피코웨이 리졸브는 일반적인 색소치료와 무엇이 다를까요?

피코웨이에는 색소 병변을 직접 조사하는 핸드피스 외에도 리졸브(Resolve) 핸드피스가 있습니다.

리졸브는 레이저 빔을 다수의 미세한 빔으로 분할하여 피부에 전달하는 방식입니다.

제조사 자료에 따르면 리졸브는 6×6mm 조사 영역에 10×10 배열의 미세 빔을 형성합니다.

즉, 한 번의 조사에서 100개의 미세한 조사 지점이 만들어지는 구조입니다.

이러한 방식은 피부 내부에 국소적인 광기계적 반응을 유도하는 데 활용됩니다.

조직학 연구에서는 리졸브 조사 후 표피 또는 진피 내에 미세한 공동이나 공포성 변화가 관찰되었습니다.

또한 여드름 흉터, 잔주름, 피부 광노화와 관련된 임상 연구도 보고되어 있습니다.

따라서 피코초 레이저는 색소 입자를 표적으로 하는 치료뿐 아니라 피부 내부의 미세한 조직 반응을 이용하는 치료에도 활용될 수 있습니다.

11. 피코초 레이저가 나노초 레이저보다 항상 좋을까요?

반드시 그렇지는 않습니다.

피코초 레이저는 짧은 펄스폭과 높은 순간 출력을 통해 광기계적 작용을 유도할 수 있다는 특징이 있습니다.

그러나 이러한 물리적 특성이 모든 피부질환에서 더 우수한 치료 결과를 보장하는 것은 아닙니다.

실제 치료에서는 병변의 종류, 색소의 깊이, 피부색, 레이저 파장과 에너지, 조사 방법 등이 함께 영향을 미칩니다.

특히 색소질환은 겉으로 비슷하게 보이더라도 발생 원인과 치료 접근법이 다를 수 있습니다.

따라서 장비의 종류만으로 치료 결과를 판단하기보다는 정확한 진단을 바탕으로 적절한 치료 조건을 선택해야 합니다.

12. 피코초 레이저를 이해할 때 기억해야 할 점

피코초 레이저는 정확히 1피코초 동안 조사하는 레이저가 아닙니다.

피코웨이의 실제 펄스폭은 파장에 따라 250~450피코초이며, 네오미오의원에서 사용하는 532nm, 785nm, 1064nm의 펄스폭은 각각 375ps, 300ps, 450ps입니다.

이처럼 매우 짧은 시간에 에너지를 전달하면 높은 순간 출력을 발생시킬 수 있으며, 광음향·광기계적 작용을 유도할 수 있습니다.

이러한 특성은 문신제거뿐 아니라 흑자, 주근깨, 오타모반, 후천성 양측성 오타양 모반 등 다양한 색소질환의 치료에 활용됩니다.

특히 레이저 파장은 표피 또는 진피라는 위치만으로 선택하는 것이 아닙니다.

532nm와 1064nm 모두 표피성 색소 병변을 포함한 다양한 색소치료에 활용될 수 있으며, 병변의 특성과 피부 상태에 따라 적절한 조사 조건을 선택해야 합니다.

네오미오의원에서는 색소의 특성과 피부 상태에 따라 레이저를 선택하여 치료를 시행하고 있습니다.

피코초 레이저를 이해할 때 중요한 것은 단순히 펄스폭이 얼마나 짧은가 하는 점뿐 아니라, 어떤 파장과 에너지를 이용하여 피부의 어떤 표적에 작용하도록 하는가 하는 점입니다.

참고문헌

1. Candela Corporation. PicoWay: The Complete Picosecond Platform. PU07561EN Rev.B. 2021.
2. Ross V, Naseef G, Lin G, et al. Comparison of responses of tattoos to picosecond and nanosecond Q-switched neodymium:YAG lasers. Archives of Dermatology. 1998;134(2):167–171.
3. Kauvar ANB, Keaney TC, Alster T. Laser treatment of professional tattoos with a 1064/532-nm dual-wavelength picosecond laser. Dermatologic Surgery. 2017;43(12):1434–1440.
4. Kung KY, Shek SY, Yeung CK, Chan HH. Evaluation of the safety and efficacy of the dual wavelength picosecond laser for the treatment of benign pigmented lesions in Asians. Lasers in Surgery and Medicine. 2019;51:14–22.
5. Chung HJ, McGee JS, Lee SJ. Successful treatment of ephelides in Asian skin using the picosecond 785-nm laser. Journal of Cosmetic Dermatology. 2020.
6. Yeh YT, Peng JH, Peng P. Histology of ex vivo skin after treatment with fractionated picosecond Nd:YAG laser in high and low-energy settings. Journal of Cosmetic and Laser Therapy. 2020.
7. Zhang M, Huang Y, Wu Q, et al. Comparison of 1064-nm and dual-wavelength (532/1064-nm) picosecond-domain Nd:YAG lasers in the treatment of facial photoaging: a randomized controlled split-face study. Lasers in Surgery and Medicine. 2021;53(9):1158–1165.