로박엠(LOBAC M) 목걸이 - 특허기술

로박엠 목걸이는 알루미늄(아노다이징 도막 처리)에 영구자석(90 가우스±20%)을 부착한 제품으로 영구자석의 자기를 이용한 의료용 자기 발생기이다. 로박엠 목걸이는 착용 부위 주변의 근육 통증 완화에 우수한 효과가 있는 제품으로 스포츠 선수들, 특히 야구선수나 기타 운동하시는 분들이 주로 착용을 한다.
형태는 일반형과 바형이 있으며 남성용으로 크기는 20인치, 22인치 그리고 27인치가 있으며, 중량은 20인치와 22인치는 모두 약 23g 내외이고, 27인치는 약 25g 내외이다.

 

발명의 명칭 : 피부 접촉식 알루미늄제 치료기, 대한민국 특허등록번호/일자 : 1003897030000 (2003.06.18), 출원인, 최종 권리자 : 오다환, 오승, 오수연, 최환, 왕용주, 발명자 : 오다환, 왕용주, 오승, 최환, 오수연, 존속기간(예정) 만료일 : 2020년 10월 02일, 법적상태 : 소멸 (존속기간 만료), 패밀리 특허번호 : EP01103282 B1, US06537572 B1, KR1020000012316 A, 우선권 정보 : KR1019990052490, 1999.11.24

발명의 설명

기술분야

본 발명의 피부 접촉식 알루미늄제 치료기는 인체에 첩부(patch)하는 초소용량 커패시터(Tiny capacitors) 전극이다.

본 발명은 초소용량의 커패시터 전극을 인체에 적용하여 근 골격계 통증 등의 질환 치료에 사용하는 화학, 물리학, 전기화학, 금속 재료공학, 한의학, 의학, 의용공학 등의 다제학 분야로 이루어진다.

본 발명 피부 접촉식 알루미늄제 치료기는 알루미늄 합금속을 일반적인 양극산화(陽極酸化) 처리한 후 실링 처리(봉공 처리)를 생략하여 표면 전위(surface electric potentials)가 동판(Cu)에 비해 음(-)전위 (electric potential)가 띠도록 극성(polarity)을 갖게 제작한다.

 

배경기술

본 발명 피부 접촉식 알루미늄제 치료기는 구조적인 면에서 전해콘댄사(capacitors)로 설명되어 진다.

본 발명의 피부 접촉식 알루미늄제 치료기인 초소용량 커패시터 전극은 금속도체(導體) 표면의 산화 피막이 유전체(誘電體)가 되어 한쪽 도체(導體) 판이 없는 불완전한 반쪽 커패시터(capacitor)의 구조(도체/유전체/ : 이하 반쪽 커패시터 전극이라 칭함)로 박막(箔膜) 형태가 된다. 이러한 박막 형태의 본 발명 반쪽 커패시터는 육안상 한 조각의 금속이지만 실제로는 전해질이 없는 커패시터의 구조로 가공되어 있다. 이렇게 제작된 반쪽 커패시터 전극을 인체 근골격계의 통각 피부/신경부위 체액 전해질(이하 환부 표피면 이라 칭함)에 표면적 만큼 첨부(patch)하면 완전한 커패시터의 구조(도체/유전체/도체전해질)가 되어 전극 /통증부위 계면(interface)의 탈분극(depolarization)을 재분극(repolarization)시키게 된다. 본 발명 반쪽 커패시터 전극은 초고용량(super capacitors) 전기 이중층 커패시터(EDLC : Electrochemical Double Layer Capacitors)의 에너지 저장시스템 원리- 전원을 끈 상태에서도 소량의 전하를 보존해 가전제품의 시계나 전자수첩등에 전원을 공급하여 프로그램을 유지, 분극작용에 의해 충전, 충전시간이 매우 짧고 방전 전압의 조절 가능, 방전시간 경과에 따라 에너지가 점차 열화되는 단점 등와 같아 달리 외부 전원을 인가하지 않는다.

본 발명 반쪽 커패시터 구조의 전극은 무선(無線) 박막 형태의 Al-chip electrode로 전극에 저장되어진 에너지를 사용한다.[본 발명 반쪽 커패시터 전극의 반전지 전위(Half-cell potentials)는 (-)2O4mV/Cu와 (-)46OmV/Cu가 개발되어 있다: 한국 전기전자시험연구원, 시험성적서, l998. 11월] 본 발명 반쪽 커패시터 전극의 특징은 이차전지(리듐이온전지, 리튬폴리머전지:LIB, LPB등)와 비교하여 그 용량은 극히 적지만 순간 방전 특성이 우수하고(생체 action potentials에 적용하기 쉽다)

방전 시 과전압이 적으며 회로가 단순하여 안정적임은 물론 동물실험(충북대학교 수의과 대학 흰토끼 실험. 1997. 6월)에서도 피부 독성이나 창상의 악화 소견이 없는 것으로 확인되었다. 이러한 반쪽 커패시터 전극은 전기적 안전성에 문제가 없고 유효성에 있어서도 평균 약 10 여일 내외라는 짧은 기일에 근골격계의 통증을 완화시킬 수 있는 장점을 갖춘다. 또 본 발명은 쌍극자장(dipole field) 내에서의 대증요법(對症療法:Sympomatic treatment: 병의 원인에 관계없이 질병의 겉으로 나타난 증상에 대해서만 당해 부위에 행하는 치료법. 예: 고열있는 당해부위에 해열제나 얼음주머니를 대는 것과 같은 따위)을 적용하는 새로운 개념으로 그간의 통증 치료에서의 전문가적 입장을 탈피하고 민간 요법화하였다.

본 발명은 초소용량의 커패시터 전극인 Al-chip을 환부 표피면에 부직포 테이프로 고정 압착시켜 칩과 체액 전해질 계면(interface)에 새로운 전하분포(전기 이중층의 형성)의 배치로 근골격계의 통증을 완화시키는 극히 단순한 모델의 치료용 전극(electrode)이다.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제

통증 억제 기전에 있어 '한마디로 통증이란 이런 것이다.'라고 분명하게 밝혀진 바가 없어 본 발명자는 체내 통증 부위의 전기적 불균형 상태 조절이라는 관점에서 생체 활동전압(action potential)의 탈분극 (depolarizatlon), 재분극(repolarization), 과분극(hyper polarization)등으로 설명하고자 하였다. 인체 내부는 세포막간 전위차가 존재하는 전기 화학계이다. 따라서 본 발명은 통증의 신경 생리인 생체 내에서의 전기 현상을 기초로 하였다.

생체 전류는 이온화된 분자나 전하를 띠고 있는 이온들에 의해 발생되어지고 이들의 전기적 부하나 농도차에 의해 형성되어진 전압은 세포막 전위(electric potential)가 안정막 전압(-6OmV ~ -9OmV), 휴지 신경 세포 전압(-7OmV), 휴지 근육 세포의 전압(-9OmV), 손상세포의 전압(-4OmV) 등이 음(-)전압으로 되어있고, 활동전압(action potential)의 상승기(rising phase) 중에서 0전압을 지나치면서의 전압(+3OmV)은 양(+)압으로 되어 있다. 순간적이지만 그림 1에서 보는 바와 같이 탈분극(depolarization) 시는 음(-)전기가 없어지면서 점점 탈분극되어지고(risins phase) 재분극(repolarization)으로 되어질 때는 음(-)전기가 점점 많아짐을 볼 수 있다. 이는 음(-)전기의 양(量)또는 음전기가 재분극(repolarization)에서 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.

 

탈분극되어 음(-)전기가 부족하거나 음(-)전기가 부족하여 탈분극된 곳에 어떻게 하면 음(-)전기 양을 증가시켜 조속히 안정막 전압(resting potentlals)으로 재분극(repolarization)시킬 수 있을 것인가의 방법에 대하여 본 발명의 피부 접촉식 알루미늄제 치료기(반쪽 커패시터 전극)를 전기적으로 분극 (polarization) 특성이 있는 전해콘댄사(capacitor)화 하였다. 전해콘댄사(capacitor)와 본 발명의 초소용량 커패시터(반쪽 커패시터 전극)는 다른 범주의 에너지 저장장치이지만 커패시터로서의 기본 원리가 같다. 따라서 본 발명의 반쪽 커패시터를 전해콘댄사와 비교하였다. 그림 2에서 보는 바와 같이 "전해콘댄사(capacitor)" 와 "본 발명의 피부 접촉식 알루미늄제 치료기 (반쪽 커패시터 전극)"는 도체(導體)와 전해질(電解質)사이가 유전체(dielectric substance)로 되어 있는 알루미늄/산화물층(유전체)/전해질 또는 체액 전해질의 구조로 동일하다.

본 발명 반쪽 커패시터 전극(electrode) 표면에는 감속을 양극(anode)으로 하여 산화물층이 덮여 있다. 이 산화물은 절연체이므로 이러한 전극은 한쪽 도체(양극)판과 유전체만으로 구성되는 불완전한 capacitor가 되며 인체의 표면이 다른 한쪽 도체판의 역할을 담당하게 된다. 커패시터 구조의 전극은 분극형 전극으로써 전극/전해질 사이에 흐르는 전류가 모두 변위 전류(displacement current: 전하가 실제로 이동하지 않아도 전속의 밀도가 시간적으로 변화하면 이것은 일종의 전류가 흐른다고 생각하여 전속전류라고도 한다)로만 이루어져 실제로 전하가 전극/전해질 사이를 이동하지 앉는 경우로써 EDLC의 특성을 갖지만 완전 분극형(perfectly polarizable) 커패시터의 제작이 불가능하여 실제로는 커패시터내에서 redox 반응이 이루어지고 있다. 본 발명의 반쪽 커패시터 전극은 구조 및 원리면에서 Al 금속 산화물을 유전체로 하는 전해콘댄사 (capacitor)와 같아 전해질 또는 체액 전해질의 계면(interface)에 정전용량(capacitance)을 증가시킨다. 에너지 저장 장치인 Capacitor는 Al 을 양극, 전해질을 음극으로 하여 양극산화, 음극환원이 되어지도록 하는 에너지축적 시스템으로 에너지를 축적시키는 원리는 유전체를 사이에 두고 있는 두 도체인 금속과 전해질액 간에 전위차가 존재하면 전위가 높은 도체에는 양전하, 전위가 낮은 도체에는 같은 양의 음전하(플러스 마이너스로 대전한 물질이 갖고 있는 전기의 양)가 축적되게 한 것이다.

이때 전압과 전하와의 관계는 q = C·V를 유지하게 되며 q는 전하, 비례상수 C는 커패시터이고 그 단위는 패럿(Farad)이 된다. 따라서 본 발명 반쪽 커패시터 전극도 두 도체인 전극/체액 전해질 interface에 음(-)전하가 축적되도록 전극을 Al(AlP 3+ + 3e - - Al -1.66 전자 볼트), Zn(Zn 2+ +2e -→Zn -0.76 전자 볼트), Fe(Fe 2+ +→2e -→Fe -0.44 전자 볼트), Mg(Mg 2+ +2e →Mg -2.37 전자 볼트)등의 음(-)전위를 띠는 무기 생원소(inorganic bio-elements)로 제조하여 전위차가 조절되게 하였다. 본 발명은 통증 부위가 전기적 중성상태가 깨어져 탈분극(depolarization)되었다고 가정하고, 통증있는 피부/신경부위 체액 전해질(환부 표피면)에 유전체이자 반쪽 커패시터 전극을 첩부(patch), 접촉시켜 쌍극 자장(dipole field)하에서 이온들의 배향에 따라 전극/전해질 interface에서의 전기 이중층(double layer of charge) 형성에 의해 또 다른 전하 분포로 분극시키는 방법이다.

본 발명 커패시터 구조의 분극형 전극(polarizable electrode)이 체액 전해질이 있는 환부 표피면과 접촉되면 그 인터페이스(interface)에 전하의 이중층(double layer of charge)이 형성되어 전극 표면 근처에는 동종(同種)의 전하가 주로 배치되고 전극 바로 근처의 체액 전해질(electrolyte:환부 표피면) 내에는 반대종류의 전하가 새로이 배치되게 되는 분극(polarization) 형태로 전자들의 체액 전해질에 대한 상대적인 움직임이 발생하는데 이렇게 체액 전해질이 그 위치나 크기, 방향, 양(量)등을 바꾸는 변위(變位)를 통해 또 다른 전하분포가 형성되게 하여 탈분극(depolarization)된 부위를 재분극(repolarization)시키는 방법으로 통증이 완화되게 하였다. 본 발명의 반쪽 커패시터 전극이 환부 표피와 접촉되면 전극 표면에 생성되어 있는 피막에 의해 미세한 저항과전압(resistance overvoltage)이 걸리고 이 저항 과전압은 환부 표피면인 체액 전해질에 전기이중층(double layer of charge)을 형성하여 분극을 유도하게 된다. 전극반응이 체액 전해질이나 전극 표면 피막의 옴(ohm) 저항에 의해 반응 속도가 제어되는 저항성 과전압 (저항 분극)은 다음과 같은 식으로 옴의 법칙에 따른다. I = K ·V 여기서 I는 전류 밀도, K는 체액 전해질의 전도도, V는 접촉부위 체액 전해질 전압(욕전압)이다. 이와 같이 체액 전해질 전압이 옴의 저항에 의해서 지배되는 전류(전하)분포를 일차 전류(전하) 분포라 하고 이 분포는 낮은 체액 전해질 전압일 때 이러한 경향이 심하다. 2차전류(전하) 분포는 본 발명의 금속 전극이 체액전해질에 접촉되어 전극/체액전해질 인터페이스에 생기는 분극현상(分極現象)에 의해서 일차전류(전하) 분포가 흐트러지고 새로이 이차 전류(전하) 분포로 형성된다. 분극 현상은 금속(metal)으로 된 반쪽 커패시터 전극이 체액 전해질과 접촉되면 금속전극의 극히 일부가 이온화되어 금속전극면에는 전자가 남아 - 로 charge 되고, 이로 인해서 + 인 금속이온이 이끌려서 - 와 + 가 일렬로 층을 이루어 대치하는 상태(double layer of charge)를 말한다. 전극/체액 전해질 inrerface에 발생되는 양, 음의 전하는 극히 짧은 거리에서 배열 분포한다. 전극이 음전하를 띠고 있는 경우에는 그 전하에 대응하기 위해 체액 전해질 중의 양이온이 상대로 배열하게 된다. 이와 같은 새로운 전하 분포의 배열은 전기 이중층을 형성하고 이 이중층은 전극과 전해질 사이의 전자 이동이 이루어지지 않는 비farad 반응에 의해 전기이중층 용량(electric double layer capacitance)을 저장한다. 그림3과 같이 인체 활성 영역 근처 섬유위에서의 전하 분포의 변화를 도식화하면 아직 활성화 되지 못한 부위는 안정상태와 같이 분극화되어 있다. 활성 영역에서는 양의 전위에 대한 막의 탈분극으로 인해 극성이 역전된다. 재분극되면 다시 역전된다.

통증으로 탈분극 된 부위(흥분된 조직의 활성영역)와 정상상태로 분극화된 부위(흥분되지 않은 조직의 안정상태)는 전기적으로 그 전위가 다르다. 탈분극된 통증부위에 본 발명의 음(-)전위를 띠는 반쪽 커패시터 전극을 접촉, 첨부시키면 첩부된 부분에서 반전지 전위(half- cell potentials : 본 발명 반쪽 커패시터 전극: 일부 생원소와 동일한 양이온을 함유시켜 -204mV / Cu, -460mV/ Cu 의 전위를 띠는 전극으로 0.9% 생리식염수에 접촉시킨지 2분 후의 감쇄된 값)는 시간이 흐를수록 전위가 감쇄되고 체액전해질은 전속 전류에 의해 또 다른 전위의 값을 갖게 된다. 따라서 그 부분에서 양·음이온의 공도 또한 변화되고 분극에 의해 통증있던 전하배치와는 다른 전하분포로 재배치되게 된다. 반전지 전위(half-cell electric potentials)의 발생은 미세한 metal oxides의 형태로써, 양이온과 음이온이 같은 양(量)으로 포함되어져 전기적으로 중성인 전해질 속에 양이온과 동일한 종류의 금속 조각(전극)을 넣었을 경우, 금속 조각(전극)이 전해질과 접촉되자마자 식 M M n+ + n e-의 반응이 발생한다. 처음에는 전해질 내의 양이온의 농도에 대한 평형 조건에 따라서 산화 또는 환원중의 한가지 반응이 주로 발생하기 때문에 금속전극과 전해질의 인터페이스(electrode-electrolyte interface) 부분에 양이온의 농도가 변화하고 그 부분에서 음이온의 반응 B mB + me -으로 음이온의 농도 또한 변화된다. 여기서 n은 M의 원자가 이고 M은 금속원자로 된 전극이다. m은 B의 원자가이고 전해질은 전극을 구성하는 금속의 양이온 M +와 음이온 B -가 용해되어 있는 용액이다.

이러한 변화는 인터페이스 부분에서의 전기적 중성 상태를 깨고, 금속(전극)주위의 전해질액이 다른 부분과는 다른 전위를 나타내게 되는 redox 반응이다. 반전지 전위는 실제로 외부 전류를 인가하지 않을 때에도 이러한 반응은 항상 일어나고 있으며 반전지가 접촉되는 부분의 전해질이 반전지가 접촉되지 않는 다른 부분과는 다른 전위를 나타내게 된다. metal oxides는 전극/전해질 인터페이스 사이에 흐르는 전류가 에너지를 필요로 하지 않는 (외부 전원을 필요로 하지 않는) 자유로운 전하의 이동에 의한 것으로 본 발명에서는 전극에 Al을 위시한 Zn, Fe, Mg등 등의 성분을 혼합시켜 표면처리를 함으로서 표면의 피막으로 인하여 전체적으로는 절연체이나, 피막 내부의 원소들이 땀 등의 체액전해질(Na + , K + , Cl - )과 접촉되어(피부로부터 발생하는 나트륨 이온들은 전극 표면의 절연층에 침투하여 그 저항을 감소시킨다) 인터페이스에서 전자를 방출하려는 - 예로, Al이 알루미늄 양이온(Al 3+ , -1.66V)으로 Fe이 철 양이온(Fe 2+ , -0.44V), Mg이 마그네슘 양이온(Mg 2+ , -2.37V), Zn이 아연 양이온(Zn 2+ , -0.76V) 등으로 - 성질이 발생되도록 하였다. 따라서 이러한 자유로운 전하의 이동 - 금속 전극 재료 표면 근처에서 흡/탈착되거나 탈/삽입되어지는 working ions로 하여금 전계(電界)를 형성하는 -은 다른 에너지를 필요로 하지 않아 더 이상 외부 전압을 인가하지 않게 된다. 외부 전원이나 별도의 밧데리(battery)를 이용하지 않는 EDLC의 산업상 이용으로는 전기자동차, 쉘폰이나 컴퓨터 등의 전원 차단에 대한 대비책으로 보조전극, BACK-UP 장치등으로 쓰여지고 전자 부품에서 밧데리 기능을 대체하는 것등의 대체에너지를 예로 들 수 있다. 이러한 전하의 이동은 건조한 공기 중에서는 그다지 반응성이 없는 반면 전해질이 있는 습한 피부에 접촉되면 전극 내부의 무기 원소(inorganic elements)들이 변위되는 성향을 가지게 된다. 이는 체액 전해질과 유사한 0.9% 생리식염수에 접촉되어 변위되는 것이 관찰되었으며, 다공내로 체액이 스며들어 wetting 되어야만 전기 이중층을 형성할 수 있기 때문에 본 발명의 전극표면을 main group elements의 Al 산화물로 하여 세공을 가진 다공성 무기 전극(micro- porous inorganic electrode)으로 만들었다.

 

피부에 부착된 반전지 전극은 접촉부위에 등가회로가 성립된다. 본 발명의 반쪽 커패시터 전극(반전지 전극)은 인체에 부착시킬 때 전해질 gel을 사용하지 않는 건성 전극 (dry-electrode)으로 등가회로는 주로 저항성이 된다. 순수한 저항성으로 일정한 저항 값을 갖는 병렬 RC회로에 반전지 전위를 나타내는 전압원과 직렬 저항을 추가하면 그림 4와 같은 전극의 등가회로가 완성된다.

Enc는 반전지 전위(half-cell potentials), Rs는 피부 전해질(electrolyte)자체의 저항, Rd와 Cd는 저항성(resistive) 및 용량성(capacitive)이 되고 Cd는 전하의 이중층(double layer of charge)의 분극 효과인 커패시턴스(capacitance)이고 병렬 저항 Rd는 이 이중층의 누설 저항(leakage resistance)에 해당된다. 표피 각질층에 의한 저항은 커패시터와 병렬로 존재하며 인체 내부의 저항을 나타내는 직렬 저항 Rs는 그대로 존재한다. 그리고 땀 등의 원인에 의해 피부 표면이 습해지면 반전지 전위가 발생되게 된다. 이러한 등가 회로 모델의 모든 소자 값들은 주로 전극의 재질에 의해 결정되며 어느 정도는 전해질의 종류와 농도에 따라 서로 달라진다. 본 발명의 반쪽 커패시터 전극이 땀 등의 체액 전해질과 접촉되어져 산화피막층의 두께가 증가함에 따라 redox반응의 속도가 감소하고 이러한 상태는 반전지전위가 0으로 접근 할 때까지 계속된다. 이론적으로 반전지 전위가 0이 되어야 redox반응이 중지되고 또 첩부(patch)후 몇초 정도의 시간후면 그러한 상태에 도달할 것이지만 실제의 경우에서는 체액 전해질과의 접촉에서 거의 변화되지 않는 상태(평형 상태)에 도달했을 때 반응을 중지시키기 위해 전극을 탈착시키고 있다. 경험적으로 접착 부위의 체액 전해질의 농도, 온도, 부착면적, 부착방법등을 고려하여 방광 경맥상의 허리통증(요추 4,5번 천추 이상)은 첩부기간을 평균 약 10일 내외로 하였으며 손가락 통증, 미골통증, 팔꿈치통증, 어깨통증 등은 3일간 첩부하고, 발목통증, 팔목, 손등의 통증, 기타 골격계 통증 등에는 4일간 첩부하며, 무릎통증은 5일, 요통(요추 3,4번 이상)은 7일, 구안와사는 15일간 첩부하며 치통은 약 30분간 접촉시킨다.

 

발명의 효과

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 음(-)전위를 띠는 피부 접촉식 알루미늄제치료기는 한마디로 의료용 신소재의 개발이다. 따라서 인체 골격계의 통증, 특히 노인성 질환과 타박상에 의한 통증에 대해 탁월한 진통 효과로 향후 실버산업의 선두 주자가 될 것이다. 이는 푸른 곰팡이가 페니실린이 되어 1세기를 주요하게 사용되었듯이 본 발명의 피부 접촉식 알루미늄제 치료기도 향후 1세기를 통해 의료계에 통증 치료기 또는 통증 치료 방법으로써 세기(century)에 커다란 획을 긋게될 것이다.