KR20130123059A - Medical apparatus for generated charged particle - Google Patents

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KR20130123059A
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박형주
표현봉
이황운
송동훈
신동호
조성목
김승환
정문연
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention relates to a medical device for generating charged particles with high energy. The medical device includes a support layer, an alumina target layer of a nanohole structure on the support layer, and a thin film metal layer on the alumina target layer. The alumina target layer of the nanohole structure can be manufactured by an anodization process while controlling the properties of the target layer.

Description

하전입자 생성용 의료장치{Medical Apparatus for Generated Charged Particle}Medical Apparatus for Generated Charged Particle}

본 발명은 하전입자 생성용 의료장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층을 포함하는 하전입자 생성용 의료 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a medical device for generating charged particles, and more particularly to a medical device for generating charged particles comprising an alumina target layer of nano-hole structure.

현대인들은 악성종양(malignant) 즉, 암(cancer 또는 tumor)에 의한 사망률이 매우 높다. 이에 따라, 종양 덩어리에 대해 효율적으로, 그리고 선택적으로 치료할 수 있는 방법이 요구되고 있다.Modern people have a very high mortality rate from malignants, such as cancer or tumors. Accordingly, there is a need for a method that can efficiently and selectively treat tumor masses.

하전입자 빔을 이용한 치료 방법은, 정상 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 정확하게 공격할 수 있어서, 부작용이 거의 없는 치료법으로 주목받고 있다. 종래에는 거대하고 값비싼 가속기에 의해 하전입자 빔 생성을 요구 받았지만, 최근 고출력 펄스 레이저를 사용하여 보다 간편하고 저렴하게 하전입자 빔을 생성하려는 노력이 제시되고 있다. 하지만, 이러한 치료방법이 상용화되기 위해서는, 생성된 하전입자 빔 에너지가 충분히 커야 하고, 생성되는 하전입자 수가 많아야 하는 문제점을 해결해야 한다. The treatment method using the charged particle beam is able to accurately attack cancer cells while minimizing damage to normal tissues, and thus has been attracting attention as a treatment with little side effects. Conventionally, charged particle beam generation has been required by huge and expensive accelerators, but efforts have recently been made to generate charged particle beams more simply and inexpensively using high power pulsed lasers. However, in order for such treatment to be commercialized, the generated charged particle beam energy must be large enough and the number of generated charged particles must be solved.

본 발명의 해결하고자 과제는, 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층을 포함하는 하전입자용 생성용 의료장치에 관한 것이다. The problem to be solved of the present invention relates to a production device for charged particles comprising an alumina target layer of nano-hole structure.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 하전입자 생성용 의료장치에 관한 것이다. 상기 의료장치는 지지층, 지지층 상의 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층, 그리고 알루미나 타겟층 상의 금속 박막층을 포함한다. The present invention relates to a medical device for generating charged particles. The medical device includes a support layer, a nano hole structure alumina target layer on the support layer, and a metal thin film layer on the alumina target layer.

본 발명의 실시예들에 따른 하전입자 생성용 의료장치는 알루미나 타겟층을 포함한다. 양극산화공정에 의해 제조된 알루미나 타겟층은 나노 홀 구조이며, 표면에 금속 박막층이 형성될 수 있다. 또한 알루미나 타겟층의 특성이 제조공정을 통해 조절될 수 있다. 이러한 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층을 이용하여 고에너지 하전입자를 발생시키는 의료장치를 제작할 수 있다.The medical device for generating charged particles according to the embodiments of the present invention includes an alumina target layer. The alumina target layer manufactured by the anodization process has a nano hole structure, and a metal thin film layer may be formed on the surface. In addition, the properties of the alumina target layer can be controlled through the manufacturing process. It is possible to manufacture a medical device that generates high-energy charged particles by using the alumina target layer of the nano-hole structure.

본 발명의 보다 완전한 이해와 도움을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면과 함께 주어져 있고 참조번호가 이래에 나타나 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미나 타겟층의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 하전입자 발생용 의료장치의 타겟층 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층 표면의 전자현미경 사진을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층 어레이의 표면도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 하전입자 발생용 의료장치를 도시한 사시도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a more complete understanding and assistance of the invention, reference is made to the following description, taken together with the accompanying drawings,
1 is a flowchart illustrating a manufacturing process of an alumina target layer according to an embodiment of the present invention.
2 to 6 are cross-sectional views showing a target layer manufacturing method of the medical device for generating charged particles according to an embodiment of the present invention.
7 shows an electron micrograph of the surface of the alumina target layer of the nano-hole structure according to an embodiment of the present invention.
8 is a surface view of an alumina target layer array having a nano hole structure according to an embodiment of the present invention.
9 is a perspective view showing a medical device for generating charged particles according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.In order to fully understand the structure and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Those of ordinary skill in the art will understand that the concepts of the present invention may be practiced in any suitable environment.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.The terms used in the embodiments of the present invention may be construed as commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미나(Aluminum oxide) 타겟층의 제조공정을 나타낸 순서도이다. 1 is a flowchart illustrating a manufacturing process of an alumina (Aluminum oxide) target layer in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 알루미늄 기판을 준비하고(S10), 양극산화(anodization)공정에 의해 기판 상에 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층을 형성하고(S20), 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층 표면에 금속 박막층을 형성(S30)할 수 있다. Referring to FIG. 1, an aluminum substrate is prepared (S10), and an alumina target layer having a nano hole structure is formed on the substrate by an anodization process (S20), and a metal thin film layer is formed on the surface of the alumina target layer having a nano hole structure. It may form (S30).

도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 하전입자 발생용 의료장치의 타겟층(20) 제조방법을 도시한 단면도이다. 2 to 6 are cross-sectional views showing a method for manufacturing the target layer 20 of the medical device for generating charged particles according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10)을 준비한다(S10)1 and 2, a substrate 10 is prepared (S10).

기판(10)은 순수 알루미늄(Aluminum) 기판, 또는 알루미늄이 코팅된 기판일 수 있다. 알루미늄 코팅은 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition, PLD) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법 등에 의하여 수행될 수 있다. 기판(10)의 두께는 조절될 수 있다. The substrate 10 may be a pure aluminum substrate or a substrate coated with aluminum. Aluminum coating may be performed by sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical vapor deposition (CVD), or the like. The thickness of the substrate 10 may be adjusted.

일 실시예에 의하면, 기판(10)은 지지층일 수 있다. According to an embodiment, the substrate 10 may be a support layer.

도 1 및 3을 참조하면, 알루미늄 기판(10) 상에 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층(20)이 형성된다(S20). 1 and 3, an alumina target layer 20 having a nano hole structure is formed on an aluminum substrate 10 (S20).

나노 홀 구조의 알루미나(anodic aluminum oxide, AAO) 타겟층(20)은 양극산화공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극과 연결된 알루미늄 기판(10)을 음극과 연결된 전해액에 넣은 후 전압을 인가시킨다. 전기를 통하도록 함으로써, 산소가 양극에서 발생한다. 이에 의해 알루미늄(Al) 기판의 표면이 산화되면서, 나노 홀 구조의 알루미나(Al2O3) 타겟층(20)을 형성한다. 알루미나 타겟층(20)에 형성된 다수의 나노 크기의 홀(hole)은 균일하게 분포될 수 있다. The nano hole structure alumina (anodic aluminum oxide, AAO) target layer 20 may be formed by an anodization process. For example, the aluminum substrate 10 connected to the anode is placed in an electrolyte connected to the cathode, and then a voltage is applied. By passing electricity, oxygen is generated at the anode. As a result, the surface of the aluminum (Al) substrate is oxidized to form an alumina (Al 2 O 3 ) target layer 20 having a nano hole structure. A plurality of nano-sized holes formed in the alumina target layer 20 may be uniformly distributed.

전해액은 크롬산(CrO3), 황산(H2SO4), 옥살산(C2H2O4), 보론산(H3BO3), 또는 인산(H3PO4)일 수 있다. The electrolyte may be chromic acid (CrO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), boronic acid (H 3 BO 3 ), or phosphoric acid (H 3 PO 4 ).

전해연마(electro-polishing) 공정이 양극산화공정에 앞서 표면상태를 개질하도록 알루미늄 기판(10) 상에서 수행될 수 있다.An electro-polishing process may be performed on the aluminum substrate 10 to modify the surface state prior to the anodization process.

본 발명에 의하면, 알루미나 타겟층(20)의 특성이 제어될 수 있다. 알루미나 타겟층(20)의 특성은 양극산화공정의 조건에 따라 제어할 수 있다. 예를 들어 전해액의 종류와 농도, 반응온도, 전류밀도, 그리고 전압의 세기 등을 조절하여 알루미나 타겟층(20)의 두께와 결정구조 그리고 홀의 직경과 형태를 조절 가능하다. According to the present invention, the characteristics of the alumina target layer 20 can be controlled. Characteristics of the alumina target layer 20 can be controlled according to the conditions of the anodization process. For example, the thickness and crystal structure of the alumina target layer 20 and the diameter and shape of the hole can be adjusted by adjusting the type and concentration of the electrolyte, the reaction temperature, the current density, and the voltage intensity.

알루미나 타겟층(20)의 나노 홀 구조의 특성은, 양극산화공정과는 별개로 공정 후 와이드닝(widening) 또는 열처리 공정을 수행하여 제어할 수 있다. 제어되는 나노 홀 구조의 특성에는, 홀의 크기, 인접하는 홀 사이의 장벽 두께, 그리고 규칙성 등이 있다. The characteristics of the nano hole structure of the alumina target layer 20 may be controlled by performing a widening or heat treatment process after the process separately from the anodization process. Characteristics of the controlled nanohole structure include hole size, barrier thickness between adjacent holes, and regularity.

알루미나 타겟층(20)의 두께는 고에너지 하전입자를 생성하도록 조절될 필요가 있다. 일반적으로, 발생되는 하전입자 빔의 에너지는 타겟층(20)의 두께가 얇아질수록 커진다. 또한, 알루미나 타겟층(20)에 형성된 나노 홀의 크기는 광원의 종류에 따라 조절할 필요성이 있다. The thickness of the alumina target layer 20 needs to be adjusted to produce high energy charged particles. In general, the energy of the generated charged particle beam increases as the thickness of the target layer 20 becomes thinner. In addition, the size of the nano holes formed in the alumina target layer 20 needs to be adjusted according to the type of light source.

도 1 및 도 4를 참조하면, 금속 박막층(30)이 알루미늄 타겟층(20) 상에 형성된다(S30). 1 and 4, the metal thin film layer 30 is formed on the aluminum target layer 20 (S30).

금속 박막층(30)은 나노 홀 구조 알루미늄 타겟층 표면의 돌출부(31)에 형성된다. 알루미나 타겟층 표면의 함몰부(32)에 금속 박막층이 형성될 수도 있다. 금속 박막층(30)은 귀금속 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 박막층(30)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 금속 박막층(30)은 졸겔 코팅, 스퍼터링 공정 또는 전기도금방법 등에 의하여 형성될 수 있다. The metal thin film layer 30 is formed on the protrusion 31 on the surface of the nano hole structure aluminum target layer. The metal thin film layer may be formed on the depression 32 on the surface of the alumina target layer. The metal thin film layer 30 may include precious metal particles. For example, the metal thin film layer 30 may include gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu). The metal thin film layer 30 may be formed by a sol-gel coating, a sputtering process or an electroplating method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(10)의 두께 조절과정이 더 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the thickness control process of the substrate 10 may be further performed.

도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 기판(10)의 두께 감소 공정과 증가 공정을 나타낸 단면도이다. 5 and 6 are cross-sectional views illustrating a thickness reduction process and an increase process of the substrate 10 according to an embodiment of the present invention, respectively.

도 1 및 5를 참조하면, 기판(10)의 일부가 제거되며 알루미늄 타겟층(20)을 노출한다. 예를 들어, 기판(10)의 하면에 패턴을 형성한 후 에칭 작업을 한다. 패턴은 노광공정에 의해 형성할 수 있다. 식각(etching)은 습식 식각(wet etching) 또는 건식식각(dry etching)일 수 있다. 일 실시예에 따르면 표면 처리 작업이 식각공정 후 더 수행될 수 있다. 1 and 5, a portion of the substrate 10 is removed to expose the aluminum target layer 20. For example, an etching operation is performed after the pattern is formed on the lower surface of the substrate 10. The pattern can be formed by an exposure process. Etching may be wet etching or dry etching. According to an embodiment, the surface treatment may be further performed after the etching process.

도 1 및 6을 참조하면, 기판(10)의 두께를 증가시킬 수 있다. 기판(10)은 하부 일부에 알루미늄 층(11)을 부가(addition)하여 두꺼워질 수 있다. 1 and 6, the thickness of the substrate 10 may be increased. The substrate 10 may be thickened by adding an aluminum layer 11 to a lower portion thereof.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미나 타겟층(20) 표면의 전자현미경 사진을 나타낸다. 7 shows an electron micrograph of the surface of the alumina target layer 20 according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 나노 홀 구조가 알루미나 타겟층(20)의 표면에 형성된다. 짙은색 영역(100)은 나노 홀 구조의 함몰된 영역을 나타낸다. Referring to FIG. 7, a nano hole structure is formed on the surface of the alumina target layer 20. Dark area 100 represents a recessed area of nano hole structure.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층 어레이의 표면도이다. 8 is a surface view of an alumina target layer array having a nano hole structure according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 알루미나 타겟층(20)에 형성된 나노 홀 구조가 확대된 부분에서 관찰된다. 알루미나 타겟층(20) 어레이의 전체 크기는 1 센티미터 이상이고 1 미터 이하일 수 있다.Referring to FIG. 8, the nano hole structure formed in the alumina target layer 20 is observed in an enlarged portion. The total size of the array of alumina target layers 20 may be at least one centimeter and less than one meter.

강한 레이저 빔을 알루미나 타겟층(20)에 조사하면, 알루미나 타겟층(20)의 표면이 손상을 받는다. 따라서 의료 장비로 활용되려면, 알루미나 타겟층 어레이가 필요하다. When a strong laser beam is irradiated to the alumina target layer 20, the surface of the alumina target layer 20 is damaged. Thus, to be used as medical equipment, an alumina target layer array is required.

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 하전입자(2000) 발생용 의료장치를 도시한 사시도이다. 9 is a perspective view illustrating a medical device for generating charged particles 2000 according to an embodiment of the present invention.

도 9을 참조하면, 하전입자(2000) 발생용 의료장치는 레이저 빔(1000)을 생성하는 광원(미도시), 그리고 레이저 빔(1000)에 의해 조사되는 타겟 구조체를 포함할 수 있다.9, the medical device for generating charged particles 2000 may include a light source (not shown) for generating the laser beam 1000, and a target structure irradiated by the laser beam 1000.

일 실시예에 따르면, 광원은 레이저이다. 레이저는 레이저 빔(laser beam)(1000)을 타겟층에 제공하고, 타겟층(20)은 제공받은 레이저 빔으로부터 하전입자(2000)를 발생시켜 환자의 종양 부위로 투사할 수 있다. 발생되는 하전입자(2000)는 전자, 양성자, 탄소이온 등 전하를 띄고 있는 모든 입자일 수 있다. According to one embodiment, the light source is a laser. The laser may provide a laser beam 1000 to the target layer, and the target layer 20 may generate the charged particles 2000 from the provided laser beam and project it to the tumor site of the patient. The generated charged particles 2000 may be all particles having a charge such as electrons, protons, and carbon ions.

레이저는 고출력 펄스레이저(pulse laser)일 수 있다. 레이저 빔(1000)은 극초단파 고출력 레이저 빔일 수 있다. 이에 따라, 하전입자(2000)는 고에너지 하전입자일 수 있다.The laser may be a high power pulse laser. The laser beam 1000 may be a microwave high power laser beam. Accordingly, the charged particles 2000 may be high energy charged particles.

타겟 구조체는 지지층(10)과 지지층(10) 상의 타겟층(20)을 포함할 수 있다. The target structure may include a support layer 10 and a target layer 20 on the support layer 10.

지지층(10)의 재질은 평편한 표면을 가질 수 있는 금속 또는 산화물일 수 있다. 상세히는 알루미늄일 수 있다. 본 발명에서 알루미나 타겟층(20)이 형성되는 알루미늄 기판을 지지층(10)으로 사용할 수 있다. 지지층(10)은 타겟층(20)을 구조적으로 지지하여, 타겟층(20)이 얇은 두께로 형성되도록 한다. The material of the support layer 10 may be a metal or an oxide that may have a flat surface. In detail, it may be aluminum. In the present invention, an aluminum substrate on which the alumina target layer 20 is formed may be used as the support layer 10. The support layer 10 structurally supports the target layer 20 so that the target layer 20 is formed in a thin thickness.

지지층(10)은 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 두께로 형성될 수 있다. 지지층(10)의 두께는 조절될 수 있다. The support layer 10 may be formed to a thickness of several hundred micrometers to several millimeters. The thickness of the support layer 10 can be adjusted.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지층(10) 상에 나노 홀 구조의 알루미나(Aluminum oxide) 타겟층(20)이 형성된다. . According to one embodiment of the present invention, a nano hole structure alumina (Aluminum oxide) target layer 20 is formed on the support layer (10). .

알루미나는 알루미늄 지지층(10)의 표면을 양극산화공정에 의해 산화시켜 바로 형성되므로, 쉽고 저렴한 비용으로 타겟층(20)을 제조할 수 있다. 또한 대면적 타겟층의 제작도 가능하다. 알루미나 타겟층(20)은 간단한 방법으로 형성되는 홀의 크기와 타겟층의 두께 등을 조절할 수 있어, 원하는 특성의 타겟층을 제작할 수 있는 특징이 있다.Alumina is directly formed by oxidizing the surface of the aluminum support layer 10 by an anodizing process, so that the target layer 20 can be manufactured easily and at low cost. It is also possible to produce a large area target layer. The alumina target layer 20 can adjust the size of the hole and the thickness of the target layer formed by a simple method, there is a feature that can produce a target layer of a desired characteristic.

하전입자(2000) 발생용 의료장치는 고에너지 하전입자(2000)의 발생이 요구된다. 알루미나 타겟층(20)의 나노 홀 구조는, 표면에 형성된 금속 박막층(30)의 금속 입자가 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)현상을 효과적으로 일으키도록 할 수 있다. 이로부터, 증강된 전기장이 형성된다 따라서 알루미나 타겟층(20)은 제공받은 레이저 빔으로부터 고에너지 하전입자(2000)를 발생시킬 수 있다. The medical device for generating charged particles 2000 requires generation of high energy charged particles 2000. The nano hole structure of the alumina target layer 20 may allow the metal particles of the metal thin film layer 30 formed on the surface to effectively cause surface plasmon resonance. From this, an enhanced electric field is formed. Accordingly, the alumina target layer 20 may generate the high energy charged particles 2000 from the provided laser beam.

Claims (1)

기판;
상기 기판 상의 나노 홀 구조의 알루미나 타겟층; 그리고
상기 알루미나 타겟층 상의 금속 박막층을 포함하는 하전입자 생성용 의료장치.
Board;
An alumina target layer having a nano hole structure on the substrate; And
Medical device for generating charged particles comprising a metal thin film layer on the alumina target layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9782606B2 (en) 2015-03-30 2017-10-10 Electronics And Telecommunications Research Institute Integrated target structure for generating charged particle and driving method of medical appliance using the same

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