KR101508299B1 - 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 적어도 내시경의 단부에 장착되는 윈도우로서, 김서림을 방지함으로써 시술의 안정성과 정확성을 확보할 수 있도록 고안된 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 김서림 방지용으로서, 영구적으로 사용가능하거나, 1회용으로 적합한 내시경용 윈도우 시스템의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명의 윈도우 시스템은 내시경의 단부에 일체로 또는 착탈가능하게 장착되며, 높은 경도와 소수성, 광 투과성을 가짐은 물론 주변의 온도 변화에 대응하여 윈도우의 가열이 가능하므로, 김서림 방지, 자가 세척 및 스크래치 저항성을 동시에 구현하는 것이 가능하다.

Description

김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템{Anti-fog hard coated window system for endoscope}

본 발명은 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 적어도 내시경의 단부에 장착되는 윈도우로서, 김서림을 방지함으로써 시술의 안정성과 정확성을 확보할 수 있도록 고안된 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템을 제공한다.

내시경을 사용하는 수술 또는 진단과정 중에서 내시경의 단부 윈도우는 습윤한 환경에 노출되며, 주변의 온도변화에 따라서 김서림 현상이 발생된다. 내시경이 체내에 삽입되면, 안개(김) 또는 미세한 액적이 렌즈에 고착되며, 이는 외기에 노출되어 있던 내시경이 인체 삽입공을 통해 체내에 삽입되었을 때, 외기에 비하여 높은 온도와 습도를 유지하고 있는 체내와의 기온차이에 의하여 증기가 윈도우 상에서 액화되기 때문이다. 내시경 윈도우에 김서림 현상이 발생되면, 체내 조직의 관찰이 쉽지 않다. 이와 같이 서린 김을 제거하려면 윈도우 주변부에 물채널(water channel)이 마련된 노즐을 장착하고 노즐을 통하여 물 등 세정액을 분사하여 세정하는 방법을 적용할 수 있다. 예를 들어 내시경용 렌즈의 김서림을 방지하기 위한 몇가지 방법 및 장치들이 미국 등록특허 US5518502호에 개시되어 있다.

그러나, 대부분의 내시경은 이러한 노즐 등의 장치를 구비하고 있지 아니하며, 시술자가 체내에 삽입된 내시경을 인출하여 직접 1차 세정하고 이후, 김서림 방지 코팅 용액을 도포한 후 다시 체내에 삽입하는 등 매우 단순한 방법에 의하여 디포깅(defogging)하는 과정을 수행하고 있는 실정이다. 이러한 과정에 의하는 경우, 시술 시간이 불필요하게 길어지며, 시술자가 큰 불편을 느끼게 되고, 내시경의 오염에 따른 감염의 위험성이 높아지는 문제점이 발생된다.

이러한 김서림의 문제를 해결하기 위하여 내시경 단부 윈도우에 적용되는 다양한 형태의 코팅방법과 표면에 나노가공(나노크기의 스크래치 등)을 형성하는 방법 등이 연구되었다. 예를 들어, MIT에서는 김서림을 방지하기 위하여 표면 나노가공된 내시경 윈도우용 유리를 제공하였다. 이러한 표면 패턴은 나노스케일의 콘(nanoscaled cone)의 어레이(array)로 구성되는데, 상기 콘은 그 콘의 기저부 폭인 200nm의 다섯배 정도에 해당되는 높이를 갖는다. 이는 반도체 공정에서 사용되는 코팅 및 에칭 기법에 의해 구현된 것이다(Park et al., ACS Nano, 2012, 6(5), pp 3789-3799). 이러한 표면가공의 단점은 외력에 대한 손상 저항성이 낮다는 것이며, 따라서 이 경우 기계적 응력에 의한 표면의 손상 가능성이 존재한다. 또 다른 단점은 이러한 표면가공에는 높은 가공비가 소요된다는 점이다.

Zhang 등(Zhang et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6(3), pp 1415-1423)은 고경도 및 김서림 방지 기능을 보유하는 다기능성 코팅제를 개발하였다. 상기 나노복합체 코팅제는 할로우 형태의 산성 촉매 실리카 졸이 침투된 실리카 나노구형분말이 이루는 폐기공 구조를 이루며, 저가의 졸겔 딥코팅(dip coating) 방법에 의해 제조된다. 그러나, 상기 코팅제는 높은 친수성을 가지므로 자가 세척기능이 부족하며, 따라서 의료용 내시경에 사용하는데 난점이 있다.

층간 딥코팅, 스핀코팅, 스프레이 코팅을 복합하여 적용하는 다층 김서림 방지 코팅에 관한 기술이 US2012/0058355에 개시되어 있다. 상기 코팅제는 다층의 친수성 폴리머층을 포함한다. 이러한 친수성 코팅제의 주요 단점은 내구성과 생체친화성이 낮다는 것이다.

또한, 다양한 김서림 방지용 조성물이 제공된 바 있는데, 예를 들어 Xoduso Medical(www.xodusmedica.com)에서 제조, 공급하는 Fog-Guard가 있다. 그러나, 외과적 시술과정에서 사용되는 내시경 렌즈에 이를 적용하는 경우, 오랜동안 사용되기 위해서는 반복적이고 주기적인 코팅이 필요한 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 고정되어 코팅 또는 부품의 교환이 없이 영구적으로 사용가능하거나, 탈착되어 1회용으로 적합한 내시경용 윈도우 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 내시경의 단부에 장착되며, 높은 경도와 소수성, 광 투과성을 가짐은 물론 주변의 온도 변화에 대응하여 윈도우의 가열이 가능하므로, 김서림 방지, 자가 세척 및 스크래치 저항성을 갖는 기능성 렌즈를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

이와 같은 내시경은 내시경 이외에도 조직 절단기구 등 경도가 높은 시술도구와 함께 사용되므로, 이러한 도구들이 내시경 렌즈와 접촉되는 경우에는 렌즈에 스크래치가 생기기 쉬우므로 렌즈의 내구성을 확보하는 것은 시인성 확보를 위한 투명성의 유지 차원에서도 매우 중요한 것이다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 내시경용 렌즈의 단부에 장착되며, 유리 재질의 윈도우와, 상기 유리 재질의 윈도우 중 렌즈와 인접한 면에 코팅되는 ITO 코팅층과, 상기 ITO 코팅층이 형성된 면의 반대면에 코팅되는 DLC(Diamond like Carbon) 층을 포함하여 구성되며, 상기 ITO 층에는 전원이 인가되어 상기 윈도우와 각 코팅층을 가열하는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템을 제공한다.

상기 DLC 층은 소수성을 갖는다.

상기 윈도우 시스템은 렌즈 단부에 직접 고정 설치되어 사용되거나, 렌즈의 단부에 착탈가능하게 설치되는 것이 바람직하다.

상기 윈도우 시스템은, 적어도 렌즈의 단부를 감싸는 하우징의 단부에 안착되어 있는 것이 바람직하다.

상기 윈도우 시스템은, 착탈되도록 사용되는 경우 하우징 일측의 배터리 장착부에 ITO 층이 결선되며, 배터리 삽입부에 장착된 배터리로부터 전원을 인가받아 가열되는 것이 바람직하다.

상기 윈도우 시스템은, 렌즈 단부에 직접 고정설치되어 사용되는 경우 하우징을 경유하여 마련되는 도전선이 ITO층 및 내시경에 인입된 전원선에 각각 연결되어 ITO층을 가열구동하는 것이 바람직하다.

상기 배터리 착탈부 또는 전원선은 하우징의 일측 또는 내시경의 손잡이 인근에 마련되는 온오프 스위치에 결선되어 온오프 제어되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 김서림 방지용으로서, 영구적으로 사용가능하거나, 1회용으로 적합한 내시경용 윈도우 시스템의 제조가 가능하다.

또한, 본 발명의 윈도우 시스템은 내시경의 단부에 일체로 또는 착탈가능하게 장착되며, 높은 경도와 소수성, 광 투과성을 가짐은 물론 주변의 온도 변화에 대응하여 윈도우의 가열이 가능하므로, 김서림 방지, 자가 세척 및 스크래치 저항성을 동시에 구현하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의하여 윈도우 표면에 형성된 DLC의 표면구조를 나타내는 사진으로서, 좌도는 세부도 우도는 확장도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 DLC 표면에 액적을 가하여 접촉각을 측정하기 위한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 윈도우 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 윈도우 시스템의 분해도이다.

이하에서는 본 발명을 바람직한 실시예 및 첨부되는 도면을 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 윈도우 시스템(100)은 일면상에는 매우 높은 경도를 갖는 DLC(Diamond like carbon)가 코팅되고 반대면상에는 전기전도성이 우수한 ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된다. DLC는 비정질 탄소 형태이며, 수소를 포함하지 않는 sp3 본드를 약 85% 가량 포함하고 있어 사방정계 탄소(tethedral DLC)로 일컬어진다.

사방정계 탄소로 이루어지는 피막은 높은 경도, 낮은 마모계수, 생체친화성, 화학적 안정성을 가지며, 따라서 보호막의 형태로 주로 사용된다. 응용예로는 절삭공구, 하드디스크 드라이브, 의료용 임플란트 등이 있다.

사방정계 탄소는 광학적으로도 투명성을 가지므로, UV에서부터 IR에 이르기까지 모든 빛을 투과시킨다.

도 1은 나노복합체 필름의 표면에 관한 STM 이미지를 나타낸 것이다. 상기 필름은 400℃의 저온에서 생성된 것이다. 도시된 바와 같이, 표면은 열을 따라서 유사구체 구조(quasi-globular structures, hillocks)를 이루며, 전체면상에서 각 열이 체인과 같이 엮인 구조를 이룬다. 이러한 유사구체 구조는 가로 또는 세로의 길이가 2 ~ 4nm이며, 높이는 1nm 미만이다. 나노복합체 필름의 표면상에 형성된 유사구체 구조는 C60 이온의 충돌에 의하여 형성된다. C60 이온이 성장된 필름의 표면과 충돌하면 유사구체 형태의 코팅층이 생성되는 것이다.

도 2에서는 표면이 유사구체 구조를 가지므로 높은 소수성을 나타내는 DLC 코팅층의 표면에서 액적과 표면과의 접촉각을 나타내는 사진이다. 도시된 바와 같이 DLC의 표면은 유사구체(구체와 유사한 형태)를 가지므로 액적이 안착되기 어려워 높은 소수성을 띠며, 따라서, DLC의 표면에 적하된 액적은 높은 접촉각을 형성한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 윈도우 시스템(100)을 나타내는 단면도 및 분해도이다.

상기 윈도우 시스템(100)은 거시적으로는 하우징(110)을 포함하는 개념이나, 미시적으로는 DLC 층(121), 윈도우(123), ITO 코팅층(125)의 조합형태만을 가리킨다.

상기 윈도우 시스템(100)이 내시경용 렌즈(10)와 물리적으로 결합되는 경우에는 영구적으로 사용될 수 있으며, 물리적으로 결합되지 않는 경우에는 착탈형으로서 1회용으로도 사용될 수 있다.

미시적 의미의 윈도우 시스템(121, 123, 125)은 하우징(110)의 단부에 안착될 수 있으며, 하우징과 윈도우 시스템(121, 123, 125)의 결합방법은 공지의 방법이므로 구체적인 설명은 생략한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 윈도우 시스템(100)은 내시경용 렌즈(10)의 단부에 장착되며, 유리 재질의 윈도우(123)와, 상기 유리 재질의 윈도우(123) 중 렌즈(10)와 인접한 면에 코팅되는 ITO 코팅층(125)과, 상기 ITO 코팅층(125)이 형성된 면의 반대면에 코팅되는 DLC(Diamond like Carbon) 층(121)을 포함하여 구성된다. 상기 ITO 층에는 전원이 인가되어 상기 윈도우(123)와 각 코팅층을 가열하게 된다.

윈도우(123)의 가열은 ITO 코팅층(125)에 전원을 인가함으로써 이루어지는데, 이러한 전원은 도 3에서는 배터리 삽입부(131)에 장착되는 배터리(133)를 이용하여 표현하였으며, 도시되지는 아니하였으나, 배터리(133) 뿐 아니라 내시경 구동용 전원선에 전선이 슬롯 등을 매개로 하여 연결될 수도 있다. 이 때, 전선(135)은 예를 들어 하우징(110)을 경유하여 ITO 코팅층(125)과 전원(배터리(133))을 연결한다.

여기서, 도시되지는 아니하였으나, 상기 배터리 삽입부(131) 또는 전원선은 하우징(110)의 일측 또는 내시경의 손잡이 인근에 마련되는 온오프 스위치에 결선되어 온오프 제어될 수 있다.

ITO 코팅층(125)은 투명전극으로 유명한 물질이며, 디스플레이, 태양전지, 및 광전자장치에서 주로 사용되는데, 이는 매우 우수한 광학적 성능과 전기전도성이 기반이 되므로 응용이 가능한 것이다. ITO 코팅층(125)은 진공증착, 스퍼터링, 화학적 증착, 졸겔 프로세스 등 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 윈도우(123) 코팅된 ITO 코팅층(125)은 외기와 직접 접촉하지 않기 때문에, 김서림 방지 기능은 필요없으며, 코팅을 위한 요구조건으로서 전기전도도와 광학적 투광성만 확보되면 된다.

상기 DLC는 높은 소수성을 갖도록 표면처리되며, 투광성이 우수하고, 스크래치와 마모에 대한 저항성이 뛰어나며, 생물학적으로 불활성을 띄고 있어 윈도우 시스템(100)의 김서림 방지 기능 뿐 아니라 다양한 기능을 충족할 수 있는 최선의 선택이 될 수 있다. ITO는 높은 전기전도도와 우수한 투광성이 특징인 것이다.

이러한 윈도우 시스템(100)은 김서림 방지 기능은 물론, 낮은 젖음성(wettability)로 인한 자가 세척기능도 가지며, 전술한 제반 기능들은 내시경 제조과정에서 내시경 단부에 영구적으로 장착되도록 할 수 있으나, 내시경의 단부에 삽입에 의해 착탈가능하도록 구성될 수도 있다. 착탈가능한 경우, 1회용으로 보다 더 적합하게 사용될 수 있다.

본 발명의 DLC 층(121)과 ITO 코팅층(125)은 유리재질의 윈도우(123)와 함께 본원발명의 특징을 이루기 위한 유기적인 관계를 구성한다.

이는 DLC 층(121)에 의하여 내구성이 확보되지 않으면 스크래치가 많이 발생하게 되므로 자연스럽게 렌트의 투명성이 저해되며, 투명성이 저해되는 한, ITO 코팅층(125)이 아무리 그 성능을 발휘한다고 하여도 시야의 확보가 여전히 어려운 만큼 시술이 용이하지 않다.

반면, DLC 층(121)에 의하여 렌즈의 내구성이 확보되는 경우에는 렌즈를 통한 시야 확보가 용이하며, 시야의 확보가 가능한 한, ITO 코팅층(125)은 특히 DLC 층(121)만으로는 기능적으로 구현할 수 없는 외기 온도변화에 대한 대응성을 커버할 수 있으므로 위 구성요소들은 서로 유기적인 결합관계를 이루고 있다고 할 것이다.

특히, 이와 같은 유기적 결합관계에 의하여 내시경이 종래에 비하여 사용상 보다 우수한 편리성이 확보될 수 있는 장점이 있으므로, 여기에 본 발명의 의의가 있는 것이다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 윈도우 시스템 110 : 하우징
121 : DLC층 123 : 윈도우
125 : ITO 코팅층 131 : 배터리 삽입부
133 : 배터리 135 : 전선

Claims (7)

1. 내시경 렌즈의 단부에 장착되며,
   유리 재질의 윈도우와,
   상기 유리 재질의 윈도우 중 렌즈와 인접한 면에 코팅되는 ITO 코팅층과,
   상기 ITO 코팅층이 형성된 면의 반대면에 코팅되는 DLC 층을 포함하여 구성되며,
   상기 DLC 층의 표면은 유사구체 형상을 포함하며 상기 유사구체 형상 중 하나의 유사구체 형상은 다른 유사구체 형상과 골을 이루도록 인접 형성되고, 유사구체 형상이 형성된 부분과 유사구체 형상이 형성되지 않은 부분이 공존하며, 상기 유사구체 형상은 DLC 층의 표면에 C60이온이 충돌함으로써 생성되고, 상기 ITO 층에는 전원이 인가되어 상기 윈도우와 각 코팅층을 가열하는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 윈도우 시스템은 렌즈 단부에 직접 고정 설치되어 사용되거나, 렌즈의 단부에 착탈가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 윈도우 시스템은, 적어도 렌즈의 단부를 감싸는 하우징의 단부에 안착되어 있는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 윈도우 시스템은, 착탈되도록 사용되는 경우 하우징 일측의 배터리 장착부에 ITO 층이 결선되며, 배터리 장착부에 장착된 배터리로부터 전원을 인가받아 가열되는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 윈도우 시스템은, 렌즈 단부에 직접 고정설치되어 사용되는 경우 하우징을 경유하여 마련되는 전선이 ITO층 및 내시경에 인입된 전원선에 각각 연결되어 ITO층을 가열구동하는 것을 특징으로 하는 김서림 방지를 위하여 하드 코팅된 내시경용 윈도우 시스템.
7. 삭제

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