KR101984019B1 - 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 박막과 금속 나노 입자층이 일정한 간극을 두고 교대로 적층된 타겟으로, multi-cascade 이온 가속을 위한 적절한 다층막을 제공하며, 다층막을 통과하며 발생되는 이온 또는 양성자의 양을 추가시키고 단계적으로 가속 에너지를 증가시키는 등의 효과를 갖는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법은 이온 또는 양성자가 발생되는 타겟에 있어서 두께가 수 nm ~ 수십 nm로 이루어진 고분자 박막 및 직경이 수 nm ~ 수십 nm로 이루어진 금속 나노 입자층으로 구성되고, 고분자 박막과 금속 나노 입자층이 교대로 적층된 다층막인 것을 특징으로 한다.

Description

이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법{Target member for ion or proton acceleration and method of manufacturing the same}
본 발명은 이온 또는 양성자의 가속 에너지를 단계적으로 증가시키는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 양성자 빔 치료법은 엑스선 치료 또는 전자선 치료에서의 부작용을 경감시킬 수 있는 치료 수단으로 주목받고 있다. 기존의 엑스선 치료는 암세포뿐만 아니라 엑스선에 노출되는 정상세포들도 대량으로 파괴하는 부작용이 있었다. 그러나 양성자는 정상 세포에 별 영향을 주지 않고 그냥 통과한 다음, 몸속에 숨어 있는 암세포에 도달해 파괴력을 순간적으로 극대화한 후 그 자리에서 소멸돼 버린다. 양성자는 위와 같은 특성 때문에 암세포를 정밀하고 강력하게 파괴하면서도 정상세포의 피해는 최소화할 수 있다.
한편, 양성자, 중성자, 이온 등의 핵자빔은 광양자빔을 고체, 박막, 클러스터 등의 표적에 입사시켜 발생되는 플라즈마, 또는 이차 핵반응으로부터 만들어진다. 표적이나 광양자빔의 입사조건에 따라 양성자, 중성자, 이온, 전자, 양전자 등 다양한 종류의 방사선원을 만들 수 있다. 이때 발생하는 양성자, 중성자, 이온 등은 기존의 방사선과 다른 특성이 있다. 즉, 피코 초의 짧은 폭을 가지는 펄스의 형태로 발생하며, 발생장치를 작게 만들 수 있고 발생하는 입자의 에너지를 조절할 수 있다. 또한 발생원이 레이저 집속에 의한 것이기 때문에 수 마이크로미터의 점광원의 형태로 만들 수 있어 국소 부위만 조사할 수 있다.
그러나 양성자 빔이 물질을 투과하기 위해서는 전자와 마찬가지로 가속되어 빠른 속도를 가져야 한다. 양성자 빔이 어떤 물질을 투과하게 될 경우 점차 속도가 감소하게 되지만, 양성자 빔은 정지하기 직전에 가장 많은 전리 에너지 손실(energy loss of ionizing radiation)을 경험한다. 이러한 현상은, 1903년에 이를 발견한 윌리엄 헨리 브래그(William Henry Bragg)의 이름을 따, 브래그 피크(Bragg Peak)라고 불린다. 브래그 피크란 양성자가 인체 투과시 암 조직에 도달할 무렵 체내 에너지 흡수가 절정에 달해 암 조직에 특이적으로 많은 에너지 흡수가 일어나는 현상이다. 이런 치료를 하게 되면 정상 조직에는 거의 에너지 흡수가 일어나지 않아 방사선 치료시 생길 수 있는 부작용이 거의 없어 암 환자의 치료에 효과적으로 적용될 수 있다. 따라서 양성자 빔 치료에 있어, 양성자들의 속도를 정확하게 제어할 경우 악성 종양들에 대한 선택적이면서 국소적인 치료가 가능하다. 만약 인체의 깊은 곳에 종양이 위치한다면, 이를 치료하기 위해 몸 밖에서 매우 큰 에너지의 양성자를 가속시켜야 한다. 이러한 양성자를 가속시키는 방법 중에 레이저 유도 이온 가속(laser driven ion acceleration) 방법이 있다. 강도가 매우 높은 레이저 빔을 얇은 고체 타겟에 집속시키면 빛에 가까운 속도를 가지는 전자들로 구성된 상대론적 플라즈마가 발생한다. 이때 국부적으로 매우 센 전자기장이 발생하게 되어 플라즈마 내의 이온들이 수 ~ 수십 MeV 이상의 고에너지로 가속된다.
이와 같은 레이저를 이용한 가속 기술은 기존의 거대한 가속 장치를 소규모로 만들 수 있기 때문에 고속의 플라즈마 진단, 암 치료 등 다양한 분야에 응용될 수 있다는 기대가 높다. 레이저를 이용한 이온 가속은 타겟 정상 쉬스 가속 모델(Target Normal Sheath Acceleration model:TNSA model) 혹은 방사압 가속 모델(Radiation Pressure Acceleration model: RPA model) 등의 가속 모형이 개발되고, 이를 이용한 좁은 에너지 폭의 이온빔을 얻는 등 많은 성과가 있어 왔다. 고출력 레이저 빔을 박막 타겟에 조사하면 TNSA 또는 RPA model 등에 의해 박막 중의 이온 또는 양성자가 가속 에너지를 가지고 박막 밖으로 탈출하게 된다. 이온 또는 양성자는 그의 에너지만큼 환자의 몸을 투과하여 종양부위에 정지(stuck)될 수 있다. 환자는 양성자가 정지된 종양부위에 활성 산소(free oxygen radical)가 다량 발생하면서 종양 세포가 괴사되는 원리로 치료될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 이온 또는 양성자를 가속시키기 위해서는 입사되는 레이저의 에너지가 1019~1021 W/cm2 (RPA model의 경우 1021~1022 W/cm2)로 매우 큰 에너지를 가져야 하며 이러한 에너지가 수소가 들어있는 박막이나 탄소를 함유한 박막에 집속되어야 한다. 효과적인 종양 치료를 위해서는 수백 MeV 이상의 운동에너지를 갖는 이온 또는 양성자 빔이 요구되며 수백 MeV 이상의 에너지를 갖는 이온 또는 양성자 빔을 발생시키기 위해서는 순간 출력이 수백 TW에서 수 PW (RPA model의 경우 수 PW에서 수십 PW)가 되는 레이저 시스템을 구성해야 한다. 레이저의 출력이 높을수록 장치의 규모가 커지고 그만큼 시스템을 구성하는데 막대한 비용이 소요된다.
또한, 위의 설명에 따른 이온 또는 양성자 발생 타겟으로 박막 표면에 수분이 흡착된 박막, 수소를 함유한 박막 또는 실리콘나이트라이드(SiN)와 같은 박막을 이용할 수 있다. 반면, 탄소 이온 발생용 타겟으로는 그레파이트 혹은 탄소성분을 함유한 고분자 박막을 사용하기도 한다. 그러나 위와 같은 타겟은 고에너지(100MeV)의 이온 또는 양성자를 발생함에 있어 고출력(수백 TW~ 수 PW 또는 수 PW~ 수십 PW)의 레이저가 요구되는 소재로, 이를 활용한 암 치료 장비 구성에는 효용성 및 비용 측면에서 문제가 있다.
따라서, 에너지 전환(빛 에너지를 양성자 또는 이온으로 변환시키는) 효율이 높은 타겟의 개발이 필요하며, 이는 보다 낮은 출력의 레이저를 가지고 수백 MeV 이상의 에너지를 갖는 이온 또는 양성자 빔을 발생하는 연구에 있어서 핵심이 되는 기술이 될 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 박막 타겟에 있어 이온 또는 양성자의 발생량을 증가시키고 단계적으로 가속 에너지도 증가시킬 수 있는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적은, 레이저가 조사되면 이온 또는 양성자가 발생되는 고분자 박막 및 고분자 박막 위에 적층되는 금속 나노 입자층을 포함하되, 고분자 박막과 금속 나노 입자층이 교대로 적층된 다층막을 갖는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재 및 그 제조 방법에 의해 달성된다.
여기서, 다층막은 하나의 고분자 박막과 하나의 금속 나노 입자층을 하나의 층으로 하여, 적층 구조가 2 이상 50 이하의 층으로 이루어질 수 있다.
여기서, 고분자 박막은 탄소와 수소 성분을 가질 수 있다.
여기서, 금속 나노 입자층은 표면 플라즈몬 폴라리톤 특성을 가질 수 있다.
여기서, 금속 나노 입자층은 자성을 띨 수 있다.
여기서, 다층막은 고형 지지체 위에 형성되며, 고형 지지체는 소정 크기의 구멍이 소정의 간격으로 형성될 수 있다.
여기서, 고형 지지체 위에 제 1 고분자 박막이 적층되는 단계, 제 1 고분자 박막 위에 제 1 금속 나노 입자층이 적층되는 단계, 제 1 금속 나노 입자층 위에 제 2 고분자 박막이 적층되고 그 위에 제 2 금속 나노 입자층이 적층되되, 제 2, 제 3 및 제 n의 고분자 박막과 금속 나노 입자층이 순차적으로 제 n번째까지 반복되는 단계 및 고형 지지체를 식각하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
여기서, n은 제 2 이상 50 이하일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고분자와 금속 나노 입자층이 일정한 간극을 두고 교대로 적층된 타겟으로, multi-cascade 이온 가속을 위한 적절한 다층막을 제공하며, 다층막을 통과하며 이온 또는 양성자의 발생량을 증가시키고 단계적으로 가속 에너지도 증가시키는 등의 효과를 가진다.
또한, 금 또는 은과 같이 표면 플라즈몬 폴라리톤 현상이 두드러진 나노 입자를 사용할 경우, 레이저 펄스가 각 고분자 층을 통과하면서 부가적인 레이저 펄스의 세기를 단계적으로 증강(증강효과 1000배 이상)시킬 수 있다. 따라서 1014~1019 W/cm2 이하의 출력을 갖는 레이저를 사용하여 고에너지 이온 또는 양성자를 가속시키는 효과를 가진다.
한편, 자성을 띤 나노 입자를 사용할 경우에는 레이저 펄스의 자기장 성분에 의해 부가적인 자기장이 유도되고 이 유도 자기장의 영향으로 보다 큰 로렌츠 힘이 생긴다. 따라서 가속 과정에서 손실이 적고 에너지 분포가 수% 이내인 이온 또는 양성자의 가속이 가능해지며, 가속된 이온 또는 양성자 빔의 확산각을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 또는 양성자에 의한 암 치료 일례를 나타내는 개념도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재의 다층막 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이온 및 양성자 가속용 타겟 부재의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
몸속 깊은 곳에 있는 종양을 치료하기 위해서는 투과 깊이가 20cm 이상인 이온 또는 양성자가 필요하다. 양성자의 경우 투과 깊이가 20cm가 되려면 250MeV의 에너지가 필요하며, 안구암, 피부암 등의 치료에는 70MeV 정도의 양성자가 필요하다. 또한, 치료 부위에 단위 시간당 충분한 동일한 에너지를 갖는 충분한 양의 양성자가 주입되어야 하기 때문에 에너지 분산(energy spread)이 적은 것이 유리하다. 따라서, 효과적인 종양 치료를 위해서는 최소한 100MeV 이상의 에너지를 갖고 있고 에너지 분산이 수% 이내인 이온 또는 양성자가 필요하다.
이와 같은 이온 또는 양성자를 발생시키기 위해 multi-cascade 이온 가속 방식을 이용한다. Multi-cascade 이온 가속은 에너지가 1021~1022 W/cm2 인 고출력 원편광된 레이저를 사용할 때 유효하다. Multi-cascade 이온 가속은 다음과 같은 세 단계로 나뉘어 일어난다.
첫 번째 단계는, 에너지가 1021~1022 W/cm2 인 고출력 레이저가 타겟에 조사되면 ponderomotive 힘에 의해 고형 타겟 내에 있는 전자는 초기 위치에서 레이저 빔의 진행방향으로 밀려난다. 이때, 상당한 양의 전하 분리(charge separation)가 일어난다. 전하 분리로 인해 타겟 내부에 이온 또는 양성자를 가속시키기 충분한 매우 큰 전기장(1012 V/cm 이상)이 형성된다. 이러한 단계를 capacitor-like 가속 단계라고 한다.
두 번째 단계는 강한 레이저에 의해 전자층이 매우 얇은 두께로 압축되었을 때 얇은 타겟에서 일어나는 가속 현상이다. 이 경우, 상대론적으로 유도된 투과 효과가 발생한다. 펄스 폭이 충분히 짧은 레이저가 입사되면 투과된 레이저는 매우 날카로운 세기 분포를 갖게 되며 전자들을 진행방향으로 더 밀어낼 수 있게 된다. 이 전자들은 수 마이크론까지 밀려날 수 있으며 부가적인 전하 분리가 일어나 이미 생성된 capacitor-like 구조를 높은 에너지를 갖고 통과하는 이온 또는 양성자 가속이 가능해 진다.
세 번째 단계는 여러 층의 타겟이 일정한 간격을 두고 배치되어 있을 때, 첫 번째 층을 통과하여 두 번째 층을 위와 같은 방식으로 통과하면서 같은 현상이 반복된다. 첫 번째 층에서 가속된 이온 또는 양성자는 두 번째 층에 형성된 가속 포텐셜 안으로 진입하게 되고 부가적인 에너지를 얻는다. 이렇게 여러 층을 레이저가 통과하면서 이온 또는 양성자는 더 큰 운동에너지를 받아 진행하게 된다. 타겟들 간의 간격을 적절히 조절하면 이온 또는 양성자 발생 효율을 높일 수 있으며 각 층마다 형성되는 가속 포텐셜이 일정한 방향을 갖기 때문에 이온 및 양성자 빔 특성도 좋아진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 또는 양성자에 의한 암 치료 일례를 나타내는 개념도이다.
본 발명에 따른 이온 또는 양성자(130)를 이용한 치료 부재와 종양 치료 원리를 설명하면 다음과 같다. 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재가 구비된 보어 부재의 내부 공간에 환자가 들어오면, 레이저로부터 제공되는 고출력 레이저 펄스(100)가 이온 또는 양성자 가속용 타겟 물질인 다층막(120)에 제공된다. 이때 다층막(120)으로부터 이온 또는 양성자(130)가 발생되어 환자의 체내를 향해 투사되고, 종양 부위(140)와 충돌함으로써 이온 또는 양성자(130)가 종양 세포들을 교란시키는 것일 수 있다. 따라서 종양 세포들의 성장을 저해하거나, 또는 종양 세포들을 괴사시키는 것일 수 있다. 이온 또는 양성자(130)가 종양 세포들을 교란시키는 것은 종양 세포의 DNA 이중 나선을 교란하거나, 종양 세포의 핵 내의 대사 과정을 교란시키는 것일 수 있다. 이에 따라, 환자의 체내에 있는 종양 부위(140)가 치료되는 효과가 나타날 수 있다.
도 1을 보다 자세히 설명하면, 본 발명에 따른 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재는 고형 지지체(110)와 다층막(120)으로 구성되며, 다층막(120)은 고분자 박막(10)과 금속 나노 입자층(20)이 교대로 적층 된 구조일 수 있다. 펨토초 고출력 레이저 펄스(100)는 고형 지지체(110)에 고정된 다층막(120)에 입사되어 이온 또는 양성자(130)를 발생시킬 수 있다. 레이저에 의해 다층막(120)을 통과하며 가속된 이온 또는 양성자(130)는 타겟 바깥으로 방출되어 인체 내부 종양 부위(140)에 집속되어 종양을 괴사시킬 수 있다.
고출력 레이저 펄스(100)는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재로부터 이온 또는 양성자(130)를 발생시켜 환자의 종양 부위(140)로 투사하기 위한 것일 수 있다. 이때 고출력 레이저 펄스(100)는 1021~1022 W/cm2 이하의 출력을 가질 수 있으며, 이후 설명할 플라즈몬 폴라리톤 현상이 두드러진 나노 입자층으로 타겟이 구성될 경우에는 1014~1015 W/cm2 이하의 출력을 가질 수도 있다. 따라서 레이저 펄스(100)의 세기가 1014 W/cm2이상 조사되면 고에너지 이온 또는 양성자 가속이 가능할 수 있다. 또한 다층막(120)에 레이저 펄스(100)가 수직으로 조사되어 자기장 내에서 초기 조사 속도를 유지할 수 있으며, 실시자에 의해 레이저 펄스(100)는 소정의 각도로 다층막(120)에 조사될 수도 있다.
고형 지지체(110)의 일면에는 다층막(120)이 적층된다. 고형 지지체(110)는 다층막(120)을 지지하기 위한 기판이며, 사파이어, 실리콘 웨이퍼, 탄소 또는 플라스틱 중의 적어도 하나로 구성될 수 있다. 보다 바람직하게는 고형 지지체(110)는 플라스틱 또는 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있다.
고분자 박막(10) 및 금속 나노 입자층(20)으로 구성된 다층막(120)은 아래의 도 2에서 설명한다.
이온 또는 양성자(130)는 환자의 종양 부위(140)를 진단하는데 사용되는 장비인 자기공명영상 촬영장치(Magnetic Resonance Imaging, MRI), 컴퓨터 단층 촬영장치(Computer tomography: CT), 양전자 방출 단층촬영장치(Positron Emission Tomography: PET), 초음파(Ultrasonics wave) 기기 등과 같은 영상진단기기로부터 얻어진 종양 부위(140)의 위치에 설정되어 투사될 수 있다.
종양 부위(140)는 도 1에 예시된 조직뿐만이 아니라 폐암, 위암, 뇌암 등의 다양한 고형암 조직이며, 본 발명의 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재에 적용되어 치료될 수 있다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재의 다층막 예시도이다.
도 2a 내지 2d에 도시된 바와 같이, 고형 지지체(110)와 다층막(120)으로 구성되며, 다층막(120)은 고분자 박막(10)과 금속 나노 입자층(20)이 교대로 적층된 구조이다.
다층막(120)의 구조를 보다 자세히 설명하면, 도 2a 내지 2d에 예시된 바와 같을 수 있으며 예시에 한정된 것은 아니다. 도 2a 내지 2c의 예시는 고분자 박막(10)의 두께와 금속 나노 입자층(20)의 입자 직경에 의해 각각 다르게 도시된 예이며, 도 2d의 경우는 금속 나노 입자층(20)을 구성하는 입자가 여러 층으로 적층되어 하나의 층을 이루는 예이다. 본 발명에 따라 실시하는 당업자에 의해 다층막(120)의 구조는 변형이 가능하다.
고분자 박막(10)은 탄소와 수소 성분을 포함하는 것으로 구성될 수 있으며, 레이저로부터 레이저 펄스(100)를 제공받아 이온 또는 양성자(130)를 발생시킬 수 있다. 또한 고분자 박막(10)은 이온 또는 양성자(130) 가속을 위한 타겟 물질이고, 각각 수 nm ~ 수십 nm의 두께를 가질 수 있다.
금속 나노 입자층(20)은 직경이 수 nm ~ 수십 nm의 입자로 이루어질 수 있으며, 고분자 박막(10)과 고분자 박막(10) 사이에 위치하여 두 고분자 박막(10) 간의 간격을 형성하는 스페이서(spacer) 역할을 할 수 있다. 또한 이온 또는 양성자(130)를 가속할 수 있다.
다층막(120)에 의해 이온 또는 양성자(130)가 가속되는 원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 첫 번째 고분자 박막(10)에 레이저 펄스(100)가 입사되면 ponderomotive 힘에 의해 고분자 박막(10) 내에서(레이저가 입사되는 부분과 가장 가까운) 이온으로부터 분리된 전자가 상대론적 과정을 거치면서 압축되고 부가적인 가속 포텐셜을 형성하여 고분자 박막(10)은 투명한 성질을 갖게 된다. 이 과정에서 고분자 박막(10)에 생성된 이온 또는 양성자(130)는 더 높은 운동에너지를 얻어 다음 고분자 박막(10)이 있는 곳으로 이동하게 된다. 레이저 펄스(100)는 이 박막을 투과하여 금속 나노 입자층(20)을 지나 두 번째 고분자 박막(10)을 만나게 되고, 첫 번째 고분자 박막(10)에서 일어났던 현상과 동일한 현상을 유도한다. 이에 두 번째 고분자 박막(10)에 도달한 이온 또는 양성자(130)는 추가적인 가속 에너지를 얻게 된다. 이와 같은 과정이 각각의 고분자 박막(10)을 통과하며 반복됨에 따라, 발생하는 이온 또는 양성자(130)의 양이 추가되고 단계적으로 가속 에너지가 증가하게 된다.
여기서 고분자 박막(10)과 고분자 박막(10) 사이에 금 또는 은과 같은 표면 플라즈몬 폴라리톤 특성을 갖는 나노 입자가 스페이서 역할로 나노 입자층(20)을 구성할 수 있다. 표면 플라즈몬 폴라리톤은 소산파(evancescent wave)에 의해 금속과 유전체 사이의 계면을 따라 진행하는 전자 밀도 진동을 생성시키는 전자기적 현상이며, 표면 플라즈몬 이라고도 불린다. 표면 플라즈몬 폴라리톤 현상은 금속과 유전체의 계면을 따라 진행하며, 금속 표면에서 최대 세기를 가지다가 계면에서 수직으로 멀어질수록 지수함수적으로 감소하는 특징을 가지고 있다. 이와 같이 표면 플라즈몬 폴라리톤 특성을 갖는 나노 입자로 타겟 층을 구성할 경우, 첫 번째 고분자 박막(10)을 통과한 레이저 펄스(100)는 나노 입자층(20)를 만나 레이저 펄스(100)의 세기가 증강되는 효과를 갖게 된다. 따라서 레이저 펄스(100)의 세기는 각 나노 입자층(20)을 지날 때마다 점진적으로 증가되어 multi-cascade 이온 가속에서 요구되는 레이저 펄스(100)의 출력보다 현저히 낮은 출력의 레이저 펄스(1014~1015 W/cm2)(100)가 입사되더라도 상대론적 투과 현상을 유도하기에 충분한 레이저 펄스(100) 세기에 도달하여 고에너지 이온 또는 양성자(130) 가속이 가능해진다.
한편, 스페이서 부분에 자성을 띠는 나노 입자층(20)으로 구성할 경우, multi-cascade 이온 가속이 진행되면서 발생한 이온 또는 양성자(130)는 자성 나노 입자층(20)에 의해 유도된 자기장에 의해, 가해지는 로렌츠 힘이 더 커지면서 가속 에너지를 추가할 수 있다. 또한 자성을 띠는 나노 입자층(20)에 의해 이온 및 양성자(130)의 직진성이 좋아지는 효과를 기대할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이론 또는 양성자 가속용 타겟 부재의 평면도이다.
다층막(120)을 아래에서 바라본 평면도로 소정의 일정한 크기의 구멍(200)이 소정의 일정한 간격으로 고형 지지체(110) 구비되어 있으며, 구멍(200) 내부에 다층막(120)이 구성된 것을 나타낸다. 다층막(120)을 지지하는 고형 지지체(110)는 사파이어, 실리콘 웨이퍼, 탄소 또는 플라스틱 중의 적어도 하나로 구성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 플라스틱 또는 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있다.
또한 고형 지지체(100)의 구멍(200)은 도 3에 의해 제한되지 않으며 사각형, 원형 및 타원형 등의 형태로 형성될 수 있고, 당업자에 의해 변형이 가능하다.
다층막은 한번의 레이저 조사로 이온 또는 양성자를 방출함과 동시에 물리적 구조가 붕괴되어 일회용이다. 도 3과 같이 하나의 웨이퍼에 여러 개의 구멍(200)을 일정한 간격으로 만드는 것은, 연속적으로 이온 또는 양성자(130) 가속을 구현하기 위함이다. 다층막(120)에 조사되는 레이저는 펄스(100) 형태로 0.1~10Hz 정도의 반복률을 갖고 있다. 하나의 구멍(200)에 형성된 다층막에 레이저를 조사한 후, 웨이퍼를 이동시켜 이웃하고 있는 구멍(200)에 레이저가 집속되도록 하여 여러 차례 이온 또는 양성자 가속을 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이온 및 양성자 가속용 타겟 부재의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 보다 자세하게 설명하면, 본 발명의 일례로 고형 지지체(110)인 실리콘 웨이퍼 일면에 제 1 고분자 박막(10)을 적층하는 단계(S1), 제 1 고분자 박막(10) 위에 제 1 금속 나노 입자층(20)을 적층하는 단계(S2), 제 1 금속 나노 입자층(20) 위에 제 2 고분자 박막(10)을 적층하고 그 위에 제 2 금속 나노 입자층(20)을 적층하되, 제 2, 제 3 및 제 n의 고분자 박막(10)과 금속 나노 입자층(20)을 순차적으로 제 n번째까지 반복하며, 제 n번째는 제 2 이상 50 이하로 반복 적층하는 단계(S3) 및 고형 지지체(110)의 이면을 식각(DRIE 또는 Wet etch)하는 단계(S4)로 실시하여 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재를 제조할 수 있다.
여기서, 다층막(120)의 적층 구조는 고분자 박막(10) 위에 금속 나노 입자층(20)이 형성된 것을 하나의 층으로 하여 2 이상 50 이하의 층으로 구성될 수 있다. 이온 또는 양성자(130)가 2 이상 50 이하의 다층막(120)을 통과하며 가속됨으로써, 환자의 체외에서 체내의 종양 부위(140)로 투사될 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 갖도록 가속될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 고분자 박막 20 금속 나노 입자층
100 고출력 레이저 펄스 110 고형 지지체
120 다층막 130 이온 또는 양성자
140 종양 부위 200 구멍
300 n회 반복 적층

Claims (14)

  1. 레이저가 조사되면 이온 또는 양성자가 발생되는 고분자 박막; 및
    상기 고분자 박막 위에 적층되는 금속 나노 입자층을 포함하되,
    상기 고분자 박막과 상기 금속 나노 입자층이 교대로 적층된 다층막을 포함하고,
    상기 다층막은 하나의 고분자 박막과 하나의 금속 나노 입자층을 하나의 층으로 하여, 상기 다층막의 적층 구조가 2 이상 50 이하의 층으로 이루어져 있고,
    상기 금속 나노 입자층은 상기 고분자 박막들 사이에 위치하는 복수개의 금속 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 박막은 탄소와 수소 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층은 상기 고분자 박막들 사이에 위치하여 이 둘 사이의 간격을 형성하는 스페이서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층은 표면 플라즈몬 폴라리톤 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층은 상기 고분자 박막에 조사되는 레이저 펄스의 세기가 1014~1019W/cm2 이면, 순차적으로 이온 또는 양성자를 가속시키는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층은 자성을 띠는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 다층막은 고형 지지체 위에 형성되며, 상기 고형 지지체는 소정 크기의 구멍이 소정의 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 구멍은 상기 고형 지지체의 이동에 의해 연속적으로 상기 이온 또는 양성자 가속을 구현하는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 고형 지지체는 플라스틱 또는 실리콘 웨이퍼 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 다층막은 각층에 통과된 상기 이온 또는 양성자의 발생 양을 증가시키고, 단계적으로 가속 에너지를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 다층막은 수직으로 조사된 레이저 펄스를 입력받는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재.
  13. 고형 지지체 위에 제 1 고분자 박막이 적층되는 단계;
    상기 제 1 고분자 박막 위에 제 1 금속 나노 입자층이 적층되는 단계;
    상기 제 1 금속 나노 입자층 위에 제 2 고분자 박막이 적층되고 그 위에 제 2 금속 나노 입자층이 적층되되, 제 2, 제 3 및 제 n의 고분자 박막과 금속 나노 입자층이 순차적으로 제 n번째까지 반복되는 단계; 및
    상기 고형 지지체를 식각하는 단계를 포함하고,
    상기 n은 2 이상 50 이하이고,
    상기 금속 나노 입자층들은 상기 고분자 박막들 사이에 위치하는 복수개의 금속 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 또는 양성자 가속용 타겟 부재의 제조 방법.
  14. 삭제
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