KR20150015296A - 그래핀-금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 탄소 이온 증강방법 - Google Patents

그래핀-금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 탄소 이온 증강방법 Download PDF

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Abstract

그래핀-금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 탄소 이온 증강방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체는, 기판과, 기판 위에 부착된 금 나노 플레이트와, 금 나노 플레이트에 감싸진 그래핀을 포함한다.

Description

그래핀-금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 탄소 이온 증강방법 {Graphene-Au nano plate structure, method for manufacturing the Graphene-Au nano plate structure and method for accelerating carbon ion using the Graphene-Au nano plate structure}
본 발명은 나노 구조 제조 및 이온 가속화 기술에 관한 것이다.
이온을 암 조직과 같은 병변조직에 투입하여 정상조직에 대한 피폭을 최소화하면서 병변조직을 치료하는 기술들이 개발되고 있다. 일 예로, 양성자 치료기는 이미 상용화되어 있는 기술로서, 인체 외부에서 가속수단을 이용하여 병변조직 부위에만 대부분의 양성자가 집적될 수 있도록 하는 기술이다. 초기 특정 속도를 가지고 이동하는 양전하를 띈 양성자 입자들은 몸속의 전자들과 정전기적 인력에 의해 상호작용함에 따라 진행방향으로 감속된다. 일정 깊이를 진행하는 대부분의 양성자 입자들은 최종적으로 속도가 0이 될 때까지 진행한다. 대부분의 입자들이 집적되는 이 최종지점을 브래그 피크(Bragg's peak)라 한다. 브래그 피크가 아닌 곳의 양성자 밀도는 세포에 거의 생물학적 영향을 미치지 못한다. X-선 치료나 감마선 치료에서의 X-선, 감마선과 같은 광자들은 병변조직의 앞 단에서 대부분 흡수된다. 따라서, 정상세포에 대한 방사선 피폭으로 인하여 정상세포에 암 조직화와 같은 악영향을 주는 것은 임상적으로 밝혀진 사실이다.
최근 탄소 이온을 이용한 암치료 기술이 개발되고 있다. 탄소 이온은 양성자 이온보다 더욱 브래그 피크를 날카롭게 형성할 수 있다. 해당 방식은 브래그 피크 주변에서의 탄소 이온밀도를 높이고 정상세포 부분에서는 낮출 수 있어서 정상세포에 대한 피폭을 양성자 치료 방법보다 줄일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 고 출력을 갖는 고가의 레이저 대신에, 저 출력을 갖는 레이저를 사용하고도 탄소 이온을 가속화하기 위해서, 그래핀으로 감싸진 금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 이를 이용한 탄소 이온 증강방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체는, 기판과, 기판 위에 부착된 금 나노 플레이트와, 금 나노 플레이트에 감싸진 그래핀을 포함한다.
다른 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 제조장치를 이용한 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법은, 기판을 준비하는 단계와, 기판 위에 그래핀이 감싸진 금 나노 플레이트를 부착하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법은, 그래핀이 감싸진 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 준비하는 단계와, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 광을 조사하여 증강된 탄소 이온을 발생하는 단계와, 발생한 탄소 이온을 대상에 입사시키는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 레이저 빔이 입사되면, 금 나노 플레이트에서 플라즈몬 현상이 일어나 입사하는 레이저 빔의 세기보다 5~100배 정도의 빔의 세기가 증강되어, 고 에너지의 탄소 이온을 획득할 수 있다. 특히, 고 출력을 갖는 고가의 레이저를 사용하지 않더라도, 저 출력을 갖는 레이저를 사용하여 탄소 이온을 가속화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 이용한 이온 가속 방법이 적용된 시나리오를 도시한 참조도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 형태를 도시한 참조도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조 방법을 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 3의 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조방법을 이용하여 제조된 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 형태를 도시한 참조도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 전자현미경(TEM) 사진,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일 실시 예에 따른 본 발명은, 레이저와 같은 광을 타겟에 조사하여 타겟에서 유도되는 탄소 이온을 인체 내부에 주입하는 방식을 통해 인체의 종양세포를 괴사시키는 암 치료 분야에 적용된다. 이때, 본 발명은 고 출력을 갖는 고가의 레이저 대신에, 저 출력을 갖는 레이저를 사용하고도 탄소 이온을 증강시킬 수 있는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위해, 일 실시 예에 따른 본 발명은 그래핀을 감싼 금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 이를 이용한 탄소 이온 증강방법을 제안한다. 이하, 금 나노 플레이트에 그래핀을 감싼 형태를, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체라 명한다. 그래핀-금 나노 플레이트 구조체는 레이저가 조사되는 타겟이 된다. 증강이라는 개념은 가속화와 동일 범주의 의미로 혼용 사용될 수 있다. 암 치료 분야는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적용 분야를 예로 든 것일 뿐, 적용 분야는 이에 한정되지는 않다. 다만 설명의 용이를 위해, 이하 명세서에서는 암 치료 분야를 중심으로 하여 설명한다.
이온 가속화 방법 중 하나는 싱클로트론 혹은 사이클로트론에서 이온을 가속시키는 방식이 있다. 그런데, 이러한 가속 방식들은 비용 측면에서 경제적이지 못하다. 즉, 3층 건물의 크기에 따른 건설비용과 시스템 전체에 걸친 차폐체 구축 비용 및 유지비용 측면에서 매우 큰 비용 지불이 수반된다.
따라서, 일 실시 예에 따른 본 발명은 레이저 빔을 양성자 타겟에 집속시켜 이온을 가속시키는 방법을 사용한다. 해당 방식은 싱클로트론 혹은 사이클로트론 방식에 비해 매우 경제적이다. 레이저 빔을 이온 발생용 타겟에 집속하면 TNSA(Target Nomal Sheath Acelleration) 모델 혹은 RPA(Radiation Pressure Acelleration) 모델 등에 의해 이온이 가속된다. 해당 방법은 시스템이 차지하는 면적이 매우 작고 방사선 차폐체 설치 면적도 현저하게 작으며, 연간 유지비 규모도 작아서 경제적 운영이 가능하다.
레이저를 이용한 이온 가속 암 치료에 있어서, 이온들이 가져야 할 특성은 크게 두 가지이다. 즉, 인체 속 깊이 이온을 주입하기 위해서는 고 에너지 상태의 이온이어야 하며, 모든 이온들이 동일한 에너지를 가져야 한다. 예를 들어, 양성자의 경우 250 MeV의 에너지로 인체의 20cm 깊이를 투과한다. 안구 암 치료의 경우는 70 MeV 정도의 고 에너지, 몸속 깊은 곳의 암 치료의 경우는 200 MeV 이상의 고 에너지 이온들이 필요하다.
그런데, 이와 같은 고 에너지 이온들을 발생하기 위해서는 고 출력 레이저가 필요한데, 고 출력 레이저는 경제적인 비용이 많이 소요된다. 따라서, 일 실시 예에 따른 본 발명은, 고 출력 레이저를 사용하는 대신에 저 출력 레이저를 사용하되, 암 치료에 사용될 만한 고 탄소 이온 에너지를 발생시킬 수 있는, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 및 제조방법을 제안한다.
이하, 전술한 효과를 갖는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체와, 그 제조방법 및 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 이용한 탄소 이온 증강방법에 대해 후술되는 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 이용한 이온 가속 방법이 적용된 시나리오를 도시한 참조도이다.
도 1은 세부적으로, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 의해 증강된 탄소 이온들이 인체 내부의 종양(130)의 위치까지 뚫고 들어가서 종양(130)의 위치에 집적됨을 모사하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(100)이 초점거리에 맞추어진 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(110)에 조사되면, 참조부호 120과 같이 탄소 이온이 가속화되어 인체 내부의 종양(130)에 집적된다. 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(110)의 형태에 대해서는 도 2에서 후술한다.
도 1의 이온이 집적되는 종양(130)의 위치는 브래그 피크(Bragg's peak)가 형성되는 지점과 동일하다. 브래그 피크는 고 에너지 상태의 전하를 띤 입자가 물질을 통과할 때 물질 속의 반대 전하에 의해 에너지를 잃고 속도가 0이 되는 지점이다. X-선 이미지 혹은 MRI 이미지 등을 이용하여 환자의 종양(130) 위치정보를 파악한 이후, 파악된 위치정보를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 종양(130)의 위치에 이온이 집적될 수 있도록 입자들의 에너지 세기를 사전에 조절할 수 있다. 일 실시 예에 따른 본 발명은 저출력 레이저를 사용하여 탄소 이온을 증강시키는 소스로서, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(110)를 이용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 형태를 도시한 참조도이다.
도 2를 참조하면, 금 나노 플레이트(200)에 그래핀이 감싸져 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(220)가 제조된다.
일 실시 예에 따른 금 나노 플레이트(200)는 적어도 일 측이 뾰족한 형상을 갖는다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 금 나노 플레이트(200)는 삼각형 형태일 수 있다. 또는 금 나노 플레이트(200)는 금 나노 파티클 입자들로 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 금 나노 플레이트(200)는 미리 설정된 간격으로 다수 개의 금 나노 플레이트가 배열된 형태일 수 있다. 이때, 미리 설정된 간격은 약 20nm 내외일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또 다른 예로, 금 나노 플레이트(200)는 다수 개의 금 나노 플레이트가 보타이(bowtie) 형태로 배열된 형태일 수 있다. 전술한 형태들은 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(220)가 플라즈몬 현상(plasmon)을 유도하여 보다 증강된 광 전자장을 유도하기 위함이다.
일 실시 예에 따르면, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(220)는 금 나노 플레이트(200)에 그래핀을 감싸기 위해 우혈청 알부민(Bovine serum albumin: BSA)(210)을 이용한다. 우혈청 알부민(210)은 친수성 단백질로서 아민 그룹(-NH2)을 가지고 있어 금 나노 플레이트(200)에 잘 결합한다. 그리고, 그래핀의 카르복실 그룹 그룹(-COOH)과 이온 결합이 용이하다. 따라서, (그래핀-COO-NH3 +-알부민) 결합을 형성할 수 있다. 우혈청 알부민(210)을 이용하여 그래핀-금 나노 플레이트 구조체(220)를 제조하는 방법에 대해서는 도 3에서 상세히 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 우선 기판을 준비한다(300). 기판은 본체 지지층 역할을 한다. 기판은 후술되는 도 4에 도시된 바와 같이, 투과전자현미경(TEM) 그리드(grid) 형태일 수 있다.
이어서, 기판 위에 그래핀-금 나노 플레이트를 부착한다(310). 이를 위해, 금 나노 플레이트와 그래핀이 필요한데, 금 나노 플레이트는 시트르산 나트륨(sodium citrate)과 폴리 비닐 피롤리돈(Poly Vinyl Pirrolidone: PVP)을 사용하여 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체는 우혈청 알부민을 이용하여 금 나노 플레이트에 그래핀을 감싸서 형성된다. 이하, 일 실시 예에 따른 우혈청 알부민을 이용한 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조방법을 후술한다.
1. 금 나노 플레이트를 1mL Ep 튜브에 넣고 10% 우혈청 알부민 100uL를 넣고 1시간 동안 흔든다.
2. 1시간 후에 원심분리기(12,000rpm, 20분)를 사용하여 남은 우혈청 알부민을 제거한다.
3. 증류수를 1mL를 넣고 원심분리기를 사용하여 남은 우혈청 알부민을 제거한다.
4. 증류수 1mL를 넣고 여기에 0.1mg/mL 그래핀을 10uL를 넣고 흔들어준다.
5. 2시간 후에 원심분리기 (12,000rpm, 20분) 사용하여 남은 그래핀을 제거한다.
한편, 전술한 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조방법은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시 예일 뿐, 제조장치와 용량 등은 제조환경에 따라 다양하게 변형 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 3의 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 제조방법을 이용하여 제조된 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 형태를 도시한 참조도이다.
세부적으로 도 4는 그래핀-금 나노 플레이트가 전자현미경(TEM) 그리드 안에 있는 형태를 도시한 것으로서, 왼쪽의 참조부호 400은 지지층인 그리드의 평면 형태를 나타낸 평면도이고, 오른쪽의 참조부호 400은 그리드의 단면 형태를 나타낸 단면도이다. 오른쪽의 참조부호 400에서 점선으로 묘사된 것은 그리드가 메시(mesh) 형태임을 표현한 것이다.
이어서, 그리드(400) 위에 그래핀(410)이 부착된다. 왼쪽의 그래핀(410)의 하부에 그리드(400)가 위치하고 있음은 평면도에서는 생략되었다. 다만, 오른쪽의 참조부호 410에서와 같이, 그리드(400)에 부착된 그래핀(410)을 단면도로 묘사되어 있다. 이렇게 하여, 지지층으로서 그리드(400) 위에 그래핀 층(410)이 형성된다. 전술한 그리드(400) 위에 그래핀(410)이 부착되는 단계는 생략 가능하다.
이어서, 도 3을 참조로 전술한 바와 같은 프로세스를 통해 제조된 그래핀-금 나노 플레이트(420)를 기판(400) 위에 올린다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀-금 나노 플레이트 구조체의 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 그래핀(500)이 금 나노 플레이트를 감싸고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 준비한다(600). 이어서, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 광을 조사하여 탄소 이온을 발생한다(610). 이때, 광은 레이저 광일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
일 실시 예에 따른 탄소 이온 발생 단계(610)에서, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 조사된 광에 의해 발생한 그래핀-금 나노 플레이트 주변에서의 표면 플라즈몬 현상을 통해 에너지가 증강된다. 증강된 에너지에 의해 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 내 그래핀의 탄소 원자가 이온화되어 대상을 향해 가속화되는 탄소 이온을 발생한다. 대상은 인체의 병변조직, 특히 암 조직일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이어서, 탄소 이온을 대상에 입사시킨다(620).
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 부착된 금 나노 플레이트; 및
    상기 금 나노 플레이트에 감싸진 그래핀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은
    투과전자현미경 그리드 형태인 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트는
    적어도 일 측이 뾰족한 형상인 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트는
    삼각형 형태인 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트는
    금 나노 파티클 입자들로 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트는
    미리 설정된 간격으로 다수 개의 금 나노 플레이트가 배열되는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트는
    다수 개의 금 나노 플레이트가 보타이 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 구조체.
  8. 그래핀-금 나노 플레이트 제조장치를 이용한 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법에 있어서,
    기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판 위에 그래핀이 감싸진 금 나노 플레이트를 부착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 그래핀이 감싸진 금 나노 플레이트를 부착하는 단계는,
    금 나노 플레이트를 제조하는 단계; 및
    상기 제조된 금 나노 플레이트에 그래핀을 감싸는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 금 나노 플레이트를 제조하는 단계는,
    시트르산 나트륨과 폴리 비닐 피롤리돈을 사용하여 금 나노 플레이트를 제조하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 그래핀을 감싸는 단계는,
    우혈청 알부민을 이용하여 금 나노 플레이트에 그래핀을 감싸는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  12. 제 11 항에 이어서,
    상기 우혈청 알부민은 친수성 단백질로서 아민 그룹(-NH2)을 가지고 있어 금 나노 플레이트에 결합이 용이하고, 그래핀의 카르복실 그룹(-COOH)과 이온 결합이 용이한 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 그래핀을 감싸는 단계는,
    튜브에 금 나노 플레이트가 삽입되는 단계;
    금 나노 플레이트가 삽입된 튜브에 우혈청 알부민이 삽입되어 교반되는 단계;
    원심분리기에 의해 남은 우혈청 알부민이 제거되는 단계;
    원심분리기 사용 후 남은 우혈청 알부민이 증류수에 의해 제거되는 단계;
    유혈청 알부민이 제거되면, 증류수와 그래핀이 삽입되어 교반되는 단계; 및
    원심분리기에 의해 남은 그래핀이 제거되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 위에 그래핀을 부착하는 단계; 를 더 포함하며,
    상기 기판 위에 그래핀이 감싸진 금 나노 플레이트를 부착하는 단계는,
    그래핀이 부착된 기판 위에, 상기 그래핀이 감싸진 금 나노 플레이트를 부착하는 것을 특징으로 하는 그래핀-금 나노 플레이트 제조방법.
  15. 그래핀이 감싸진 그래핀-금 나노 플레이트 구조체를 준비하는 단계;
    그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 광을 조사하여 증강된 탄소 이온을 발생하는 단계; 및
    상기 발생한 탄소 이온을 대상에 입사시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 증강된 탄소 이온을 발생하는 단계는,
    그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 조사된 광에 의해 발생한 그래핀-금 나노 플레이트 주변에서의 표면 플라즈몬 현상을 통해 에너지가 증강되는 단계; 및
    증강된 에너지에 의해 그래핀-금 나노 플레이트 구조체 내 그래핀의 탄소 원자가 이온화되어 대상을 향해 가속화되는 탄소 이온을 발생하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 발생한 탄소 이온을 대상에 입사시키는 단계는,
    광이 초점거리에 형성된 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에 조사되면, 그래핀-금 나노 플레이트 구조체에서 증강된 탄소 이온이 가속화되어 대상에 집적되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 광은 레이저 광인 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 대상은 인체의 병변조직인 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 탄소 이온 증강방법.
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