KR20240050633A - 교류 전원 인가 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 교류 전원 인가 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고유전 무연 세라믹스 소결체를 포함하는 전극부를 이용하여 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치는 신체에 부착되어 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치로서, 교류 전원이 공급되며, 쌍을 이루는 제1 전극부 및 제2 전극부를 포함하고, 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은, 절연성 베이스판; 상기 절연성 베이스판 상에 제공되는 회로배선층; 상기 회로배선층을 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층 상에 제공되는 절연층; 및 상기 회로배선층에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 갖는 판상의 고유전 무연 세라믹스 소결체;를 구비하는 요소 전극부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치는 신체에 부착되어 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치로서, 교류 전원이 공급되며, 쌍을 이루는 제1 전극부 및 제2 전극부를 포함하고, 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은, 절연성 베이스판; 상기 절연성 베이스판 상에 제공되는 회로배선층; 상기 회로배선층을 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층 상에 제공되는 절연층; 및 상기 회로배선층에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 갖는 판상의 고유전 무연 세라믹스 소결체;를 구비하는 요소 전극부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 교류 전원 인가 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고유전 무연 세라믹스 소결체를 포함하는 전극부를 이용하여 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치에 관한 것이다.
세포의 분열은 쌍극자 모멘트를 지닌 미세소관(microtubules)들이 분열시 전기적 힘에 의해 서로 결합하여 방추사(spindle)를 형성하고, 생성된 방추사가 세포 중앙에 배열된 염색체를 양쪽으로 잡아당겨 복제가 이루어진다. 세포 외부의 인가 전기장이 방추사를 형성하기 위한 미세소관의 움직임을 통제할 수 있으며, 전기장에 의해 방추사가 제대로 형성되지 못한 세포는 정상적인 세포분열이 이루어지지 못한다.
이러한 점을 이용하여 최근들어 교류 전기장을 이용하여 암세포의 세포분열을 억제시켜 암세포의 증식을 막고 자가 사멸을 유도하는 항암치료 기술이 제시되고 있다. 특히, 항암 약물 치료, 방사선 치료 등의 기존 항암 치료법과 병행 치료가 가능하여 적용범위가 넓다.
교류 전기장을 이용하는 항암치료 방법에서는 신체에 인가되는 전기장의 세기가 강할 수록 암세포의 세포분열 억제에 효과적이지만, 교류 전기장을 인가하기 위한 전극을 신체에 접촉시킨 상태에서 고전압을 신체에 직접 인가하는 것에는 여러가지 안전상의 위험이 존재할 수 있다. 또한, 너무 높은 교류 전기장이 신체에 직접 인가되는 경우에는 암세포 주변의 정상세포의 세포 분열에 영향을 받을 수 밖에 없는 문제점이 존재한다.
본 발명은 환경적으로 안전하고 사람이나 동물의 신체에 무해한 고유전 무연 세라믹스 소결체를 포함하는 전극부를 이용하여 교류 전기장을 인가하는 교류 전원 인가 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치는 신체에 부착되어 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치로서, 교류 전원이 공급되며, 쌍을 이루는 제1 전극부 및 제2 전극부를 포함하고, 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은, 절연성 베이스판; 상기 절연성 베이스판 상에 제공되는 회로배선층; 상기 회로배선층을 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층 상에 제공되는 절연층; 및 상기 회로배선층에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 갖는 판상의 고유전 무연 세라믹스 소결체;를 구비하는 요소 전극부를 포함할 수 있다.
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체의 하부면에 제공되어 상기 회로배선층에 전기적으로 연결되는 하부전극층을 더 포함하고, 상기 고유전 무연 세라믹스 소결체의 상부면은 상기 신체를 대향할 수 있다.
상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은, 복수의 상기 요소 전극부를 포함하고, 복수의 상기 요소 전극부을 전기적으로 연결하고 유연성을 갖는 배선부를 더 포함할 수 있다.
상기 교류 전원을 인가하는 상기 신체의 위치에 따라 주파수를 변화하면서 상기 교류 전원을 공급하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는, BaTiO3를 모재로 하는 산화물로서, 하기 조성식 1의 화합물 조성을 가질 수 있다. <조성식 1> (Ba1-mAm)(Ti1-nBn)O3 (여기서, A는 K, Na, Li, Sr, Zn, Ca 중 적어도 어느 하나의 원소이고, B는 Al, Zr, Hf, Nb, Ta 중 적어도 어느 하나의 원소임.)
상기 조성식1에서, 상기 m은 0.1 ≤ m ≤ 0.3이고, 상기 n은 0.05 ≤ n ≤ 0.25일 수 있다.
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는, 상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수에서 유전율이 13,000(F/m) 이상이고, 유전손실율이 5% 이하일 수 있다.
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는, 상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 유전율 변화율이 ±10%이하이고, 유전손실율 변화율이 ±10% 이하일 수 있다.
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는, 판상의 원형 형태를 이루고, 중앙부에 관통홀을 구비할 수 있다.
상기 요소 전극부는, 상기 관통홀에 제공되는 온도 센서부; 및 상기 관통홀과 온도 센서부 사이의 갭을 채우는 열전도성 충진재;를 더 포함할 수 있다.
상기 회로배선층은, 상기 고유전 무연 세라믹스 소결체에 전기적으로 연결되어 교류 전원을 전달하는 전원 회로배선층; 및 상기 온도 센서부에 전기적으로 연결되어 상기 온도 센서부에서 측정된 전기적 신호를 전달하는 온도 회로배선층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 교류 전원 인가 장치에 의하면, 고유전 무연 세라믹스 소결체를 포함하는 전극부를 이용하여 고유전 무연 세라믹스 소결체의 유전 특성에 의해서 용량적으로 유도되는 교류 전기장을 사람이나 동물의 신체에 인가함으로써, 사람이나 동물의 신체 내부에 안정적으로 높은 전기장을 발생시킬 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체의 유전 특성에 의해서 용량적으로 유도되는 교류 전기장을 이용하므로 사람이나 동물의 신체에 교류 전기장을 인가할 수 있는 시간을 보다 길게 유지할 수 있어서 암세포의 분열을 억제시키거나 또는 괴사를 효과적으로 유도할 수 있다.
페로브스카이트 결정구조를 갖는 고유전 무연 세라믹스 소결체는 주성분과 부성분의 조성비에 따라서 상전이 온도와 다양한 전기적 특성의 조절이 용이하여, 신체에 부착하여 교전 전기장을 인가하는 교류 전원 인가 장치에서 요구되는 유전 특성을 효과적으로 제공할 수 있다.
게다가, 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납(Pb) 계통의 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)와는 달리 BaTiO3(BT) 계통의 고유전 무연(Pb-free) 세라믹스 소결체를 이용함으로써 사람이나 동물의 신체에 무해하고 환경 친화적으로, 납(Pb)의 사용을 제한하는 규제에 자유로울 수 있다.
또한, 교류 전원의 주파수 변화에 따라 고유전 무연 세라믹스 소결체의 캐패시턴스와 유전손실의 변화가 적어서, 단일 전극부를 이용하여 다양한 주파수에 대응하여 발열 등의 문제점을 야기하지 않고 교류 전기장을 안정적으로 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 요소 전극의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 요소 전극를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고유전 무연 세라믹스 소결체의 전기적 특성을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 요소 전극의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 요소 전극를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고유전 무연 세라믹스 소결체의 전기적 특성을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 요소 전극의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 요소 전극를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치는 신체(B)에 부착되어 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치로서, 교류 전원이 공급되며, 쌍을 이루는 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200) 각각은, 절연성 베이스판(111); 상기 절연성 베이스판(111) 상에 제공되는 회로배선층(112); 상기 회로배선층을 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층 상에 제공되는 절연층(113); 및 상기 회로배선(112)층에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 갖는 판상의 고유전 무연 세라믹스 소결체(1150);를 구비하는 요소 전극부(110, 120)을 포함할 수 있다.
쌍을 이루는 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)는 신체에 부착되어 공급되는 교류 전기장을 암세포 등의 비정상 세포에 인가하여 계속적으로 분열하는 비정상 세포가 분열을 완료하지 못하고 스스로 사멸되도록 할 수 있다. 쌍을 이루는 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)는 조사되어야 할 영역의 앞뒤로 부착되며, 이러한 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)를 통하여 교류 전원이 인가되어, 야기된 교대 전기장에 의하여 비정상적으로 빠르게 분열하는 비정상 세포인 암세포가 분열을 완료하지 못하고 사멸하게 된다.
제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)는 하나 이상의 요소 전극부(110 또는 120)를 각각 포함할 수 있다. 요소 전극부(110, 120)는 조사 대상 영역에 대칭적으로 교류 전원을 인가할 수 있도록 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)에 각각 포함될 수 있다. 또한, 요소 전극부(110, 120)는 교류 전기장이 요소 전극부의 특정 부위(예를 모서리와 같은 돌출부 등)에 집중되지 않고 균일한 교류 전기장을 형성할 수 있도록 원형의 디스크 형태일 수 있다.
아래에서 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)에 각각 포함되는 요소 전극부(110, 120)은 그 구성이 동일하여 제1 전극부(100)의 요소 전극부를 기준으로 설명한다.
절연성 베이스판(111)은 요소 전극부(110)의 기계적 강도를 유지할 수 있도록 하면서도 사람이나 동물에게 부착되더라도 불편하지 않고, 공급되는 교류 전원을 절연할 수 있도록 가벼운 재질의 비전도성 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 특히 후술하는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 취성을 갖는 세라믹 소재로 이루어져, 휘거나 충격이 가해질 경우에 깨질 가능성이 크므로 절연성 베이스판(111)에 의해서 기계적 강도를 보강할 필요가 있다.
절연성 베이스판(111) 상에 제공되는 회로배선층(112)는 외부에서 공급되는 교류 전원 등의 전기적 신호를 전달할 수 있도록 소정의 형태를 갖는 패턴으로 형성된 회로배선일 수 있다.
절연층(113)는 회로배선층(112)을 소정의 위치에서 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층(112) 상에 제공될 수 있다. 절연층(113)은 회로배선층(112)이 선택적으로 노출되도록 비아홀(116)을 포함할 수 있고, 비아홀(116)에는 전도성 물질이 충진되어 회로배선층(112)과 상부의 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)을 전기적으로 연결할 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 판상의 형태를 갖고, 비아홀(116)을 통하여 회로배선층(112)에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 가질 수 있다. 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조를 갖는 산화물 세라믹스는 일반적으로 ABO3의 조성식으로 표시될 수 있는데, A 위치와 B 위치에 위치하는 성분과 조성을 변화시켜 상전이 온도와 전기적 특성을 용이하게 조절할 수 있다.
높은 유전율을 이용하기 위해서 기존에는 Pb(Zr,Ti)O3 기반의 고유전 산화물 소재가 널리 사용되어 왔으나, 납(Pb)을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경문제를 야기한다는 문제점이 있다. 최근에는 EU 등 많은 국가에서 납의 사용을 제한하는 규제를 실행하고 있으며, 의료용으로 응용되는 경우에는 더욱 규제가 심해지는 상황이다. 따라서 신체에 부착하여 사용하는 교류 전원 인가 장치에서도 납을 사용하지 않는 고유전율의 무연(Pb-free) 세라믹스의 필요성이 크다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 하부면에 제공되어 회로배선층(1120)에 전기적으로 연결되는 하부전극층(114)을 더 포함하고, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 상부면은 신체를 대향하여 사람이나 동물의 신체에 부착될 수 있다. 즉, 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)의 요소 전극부(110, 210)에 포함된 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 각각 하나의 면(하부면)에만 하부전극층이 형성되고, 상부면에는 전극층이 형성되지 않을 수 있다. 고유전 무연 세라믹스 소결체(116)의 상부면에는 젤(gell) 타입의 페이스트를 도포하여 사람이나 동물의 신체에 빈 공간없이 안정적으로 부착될 수 있다.
일반적으로 교류 전기장의 세기가 강할수록 비정상 세포의 처치에 효과적이나 신체에 전도성 전극을 직접 접촉시키는 경우에는 신체에 국부적인 손상을 일으킬 수 있어서 고전압의 사용이 제한될 수 있다. 고유전 무연 세라믹스 소결체에 의해서 용량적으로 결합되어 신체 내부에 교류 전기장을 유도하게 되면 신체에 국부적인 손상을 일으키지 않으면서 높은 교류 전기장을 발생시킬 수 있다. 따라서, 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)의 요소 전극부(110, 210)에 각각 포함된 하부전극층에 교류전원이 공급되면 고유전 무연 세라믹스 소결체에 의해서 용량적으로 결합되어 유도되는 교류 전기장을 사람이나 동물의 신체에 인가함으로써, 사람이나 동물의 신체 내부에 안정적으로 높은 전기장을 발생시킬 수 있다. 또한, 고유전 무연 세라믹스 소결체의 유전 특성에 의해서 용량적으로 결합되어 유도되는 교류 전기장을 이용하므로 사람이나 동물의 신체에 교류 전기장을 인가할 수 있는 시간을 전도성 전극을 신체에 직접 접촉하여 교류 전기장을 인가하는 경우보다 더 길게 유지할 수 있어서 암세포의 분열을 억제시키거나 또는 괴사를 효과적으로 유도할 수 있다.
제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200) 각각은 복수의 요소 전극부(110, 210)을 포함하고, 복수의 요소 전극부(110, 210)들끼리 서로 전기적으로 연결하고 유연성을 갖는 배선부(120, 220)를 더 포함할 수 있다. 제1 전극부 및 제2 전극부(200)는 신체에 부착되는데, 사람이나 동물의 신체는 평평하지 않고 다양한 형태의 유동적인 곡면을 이루고 있으므로 소정의 넓이를 갖는 영역에 교류 전기작을 인가하기 위해서는 서로 이격되어 자유롭게 움직일 수 있는 복수의 요소 전극부(110, 210)를 이용하는 것이 효과적이다. 또한 복수의 요소 전극부(110, 210) 사이의 이격 공간을 통하여 신체로부터 방출되는 수분 등이 빠져나갈 수 있도록 할 수 있다.
신체에 부착된 복수의 요소 전극부(110, 210)들은 사람이나 동물의 움직임에 따라 이격거리나 위치 등이 계속해서 변화될 수 있으므로, 복수의 요소 전극부(110, 210)들끼리 서로 전기적으로 연결하는 배선부(120, 220)는 유연성을 갖고 있도록 구성할 수 있다. 배선부(120, 220)는 신체에 부착될 필요는 없고 복수의 요소 전극부(110, 210) 사이에 제공되어 직렬적으로 혹은 병렬적으로 전기적 연결을 수행하면 족하다.
본 발명의 실시예에 따른 교류 전원 인가 장치는 교류 전원을 인가하는 상기 신체의 위치 혹은 교류 전기장을 발생시키는 대상 영역에 따라 주파수를 변화하면서 상기 교류 전원을 공급하는 전원제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
사람이나 동물의 신체는 위치 또는 장기에 따라 해당 부위를 구성하는 성분(즉, 뼈, 혈액, 지방, 근육 등)이나 세포가 상이하므로, 사람이나 동물의 신체에 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200)이 부착되는 위치 또는 교류 전기장을 인가하는 대상 장기에 따라서 효과적으로 반응하는 교류 전기장의 주파수에 상이할 수 있다. 예를 들어서, 폐암 세포의 경우는 약 150kHz 주파수의 교류 전기장에 노출되면 효과적으로 유사 분열 과정의 방해가 이루어져 폐암 세포 사멸을 일으킬 수 있다. 사람이나 동물의 신체에서 그 위치 또는 장기에 따라 효과적으로 반응하는 주파수는 변화될 수 있어서, 전원제어부(300)는 교류 전기장을 발생시키는 대상 위치 또는 장기에 따라서 1kHz 내지 1MHz 범위에서 선택적으로 주파수를 선택하여 교류 전원을 공급할 수 있다. 전원제어부(300)는 보다 효과적으로 비정상 세표의 증식을 억제하고 사멸시키기 위해서 100kHz 내지 500kHz 범위에서 선택적으로 주파수를 선택하여 교류 전원을 공급할 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 BaTiO3를 모재로 하는 산화물로서, 하기 조성식 1의 화합물 조성을 가질 수 있다.
<조성식 1>
(Ba1-mAm)(Ti1-nBn)O3
(여기서, A는 K, Na, Li, Sr, Zn, Ca 중 적어도 어느 하나의 원소이고, B는 Al, Zr, Hf, Nb, Ta 중 적어도 어느 하나의 원소임.)
강유전체 세라믹스는 압전체, 유전체, 반도성 재료 등으로 다양하게 활용되고 있는데, 강유전성은 일반적으로 큐리 온도라고 정의되는 상전이 온도 이하에서 나타나며, 대부분의 응용은 상전이 온도 이하에서 사용하게 된다. 이러한 상전이 온도는 세라믹스를 구성하는 주성분에 의하여 결정되며, 이를 변화시키고자 하는 경우 주성분으로 이루어진 모재에 부성분을 소량 치환하거나 첨가하여 상전이 온도를 제어할 수 있다.
본 발명에서는 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조를 가지며 조성식이 ABO3로 표시되는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 BaTiO3를 모재로 하는 산화물로서, 페로브스카이트 결정 구조에서 Ba2+ 이온이 위치하는 A 사이트에서 Ba 이온의 일부를 +1 ~ +2 가의 양이온(예, K+, Na+, Li+, Sr2+, Zn2+, Ca2+ 등)으로 치환하고, Ti 이온이 위치하는 B 사이트에서 Ti4+ 이온의 일부를 +3 ~ +5 가 양이온(예, Al3+, Zr4+, Hf4+, Nb5+, Ta5+ 등)으로 치환하여 상전이 온도 제어와 요구되는 유전 특성들을 확보하였다.
본 발명에서는 전도성 전극을 신체에 적접 접촉한 상태에서 교류 전원을 인가하는 것이 아니라 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)를 이용하여 용량적으로 결합되어 유도되는 교류 전기장을 인가하므로, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 높은 교류 전기장을 인가하기 위해서는 높은 유전율을 가져야한다.
한편, 교류 전원 인가 장치가 동작하는 동안에 발열에 의해서 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 온도가 상승할 수 있다. 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 온도가 너무 높아지면 사람 또는 동물의 피부에 화상 또는 저온 화상을 입을 수 있어서 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 온도를 체온과 유사한 온도(예를 들어, 사람의 체온과 유사한 38℃ 이하)로 유지하면서 사용되어야 한다. 유전체의 유전손실이 클 수록 발열이 크기 때문에 유전손실은 낮을 수록 바람직하다.
교류 전원 인가 장치가 사용되는 조건인 상온과 1kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 비정상 세포의 증식을 억제하고 자연 사멸을 유도할 수 있도록 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수에서 측정된 유전율이 13,000(F/m) 이상이고, 유전손실율이 5% 이하일 수 있다.
유전율이 13,000(F/m)보다 낮은 경우에는 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200) 사이에 용량적으로 결합되어 발생되는 교류 전기장의 크기가 충분하지 않을 수 있다. 유전율은 클수록 용량 결합에 의해 발생되는 교류 전기장의 크기가 커서 바람직하지만, 후술하는 유전율의 주파수 의존성이 유전율이 클수록 커져서 너무 큰 유전율은 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 유전손실율이 5%보다 큰 경우에는 발열이 커져서 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 온도가 너무 높아질 수 있다.
사람이나 동물의 신체에서 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200)이 부착되는 위치 또는 교류 전기장을 인가하는 대상 장기에 따라서 효과적으로 반응하는 교류 전기장의 주파수에 상이할 수 있어서, 교류 전기장을 발생시키는 대상 위치 또는 장기에 따라서 효과적으로 반응하는 특정 주파수를 100kHz 내지 1MHz 범위에서 교류 전원의 주파수를 선택할 수 있다. 일반적으로 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 유전율이나 유전손실과 같은 유전 특성들은 주파수에 따라 변화하게 되므로, 교류 전기장을 발생시키는 대상 위치 또는 장기에 따라 선택된 주파수에서 유전율이나 유전손실이 상기 범위를 벗어나게 되면 비정상 세포의 증식 억제 및 사멸을 효과적으로 유도할 수 없게 된다.
따라서, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 측정된 유전율 변화율이 ±10% 이하이고, 유전손실율 변화율이 ±10% 이하(즉, 유전율 변화율의 절대값과 유전손실율 변화율의 절대값이 10% 이하)일 수 있다. 이때, 유전율 변화율과 유전손실율 변화율은 상온의 온도 및 1kHz의 주파수에서 측정된 유전율과 유전손실율에 대한 변화율을 의미한다. 교류 전원의 주파수 변화에 따라 유전율 변화율과 유전손실율 변화율이 ±10% 이하인 경우에는 한쌍의 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200)만으로 다양한 주파수에 대응하여 사용할 수 있다. 반면에 교류 전원의 주파수 변화에 따라 유전율 변화율과 유전손실율 변화율의 절대값이 10%보다 큰 경우에는 교류 전기장을 발생시키는 대상 위치 또는 장기에 따라 선택된 주파수에 따라서 요구되는 유전 특성을 만족하는 복수의 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200) 쌍을 교체하면서 사용할 수 밖에 없다.
요구되는 유전율과 유전손실율, 및 이들의 주파수 의존성을 만족시키기 위해서 본 발명에서는 상기 조성식 1에서 m은 0.1 ≤ m ≤ 0.3이고, 상기 n은 0.05 ≤ n ≤ 0.25일 수 있다. 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조를 가지며 조성식이 ABO3로 표시되는 유전체 세라믹스는 BaTiO3를 모재에서 Ba2+ 이온과 Ti4+ 이온을 치환하는 성분과 조성에 따라서 유전특성이 변화하게 되는데, 0.1 ≤ m ≤ 0.3이고, 0.05 ≤ n ≤ 0.25의 범위에서 선택된 조성에 의해서 교류 전원 인가 장치에서 요구되는 유전율과 유전손실율, 및 이들의 주파수 의존성을 충족시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고유전 무연 세라믹스 소결체의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 고유전 무연 세라믹스 소결체의 전기적 특성을 측정하기 위한 커패시터는 다음의 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 모재를 구성하는 Ba, Ti의 산화물 분말을 BaTiO3에서 Ba를 치환하는 K, Na, Li, Sr, Zn, Ca 중 적어도 어느 하나의 산화물 분말과 BaTiO3에서 Ti를 치환하는 Al, Zr, Hf, Nb, Ta 중 적어도 어느 하나를 상기 조성식 1의 조성비에 따라 혼합한다.
이어서, 혼합된 분말을 원통형 금형에 넣고 2,400kgf/㎠의 압력으로 성형하여 성형체를 형성한다. 이때, 분말의 성형을 용이하게 해주기 위해 결합제(예를 들어, PVA(Polyvinyl Alcohol))를 혼합된 분말에 소량(예를 들어, 1wt%) 첨가할 수 있다. 이후에 결합제 및 약간의 수분(예를 들어, 흡착수[H2O]와 부착수[OH])을 모두 증발시키기 위해 600℃ 내지 700℃에서 4시간 동안 소결로에서 열처리 과정을 진행할 수도 있다.
그 다음 상기 성형체를 고온 소결로에 넣고 소결하여 소결체를 형성한다. 상기 소결체는 소결 공정을 통해서 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있고, 1,300℃ 내지 1,500℃ 온도에서 2시간 내지 3시간 동안 소결할 수 있다. 상기 소결시 1,300℃ 이하의 온도에서는 소결이 충분하지 아니하여 페로브스카이트 결정성이 충분하지 않고, 1,500℃ 이상의 온도에서는 입자 크기가 너무 커지는 등에 의하여 구조 내 결함이 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 소결체를 연마하여 두께(예를 들어 0.95mm)를 일정하게 형성한 후 양면에 실버 페이스트(Silver paste) 등을 사용하여 전극을 프린팅한 후 700℃에서 10분간 열처리하여 전극을 형성하여 커패시터를 최종적으로 제조할 수 있다.
이후에, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)를 포함하는 커패시터를 이용하여 전기적 특성을 측정하였다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)와 비교예들의 유전 특성과 주파수에 변화에 따른 유전 특성 변화를 나타낸다. 실시예는 (Ba0.88Zn0.22)(Ti0.86Zr0.1Al0.04)O3의 조성을 갖는 고유전 무연 세라믹스 소결체이고, 비교예는 종래기술에 따른 Pb(Zr,Ti)O3계 고유전 세라믹스 소결체이다. 실시예와 비교예는 2차상의 형성 없이 페로브스카이트 결정구조를 갖고, 동일한 직경과 두께의 샘플로 제조되었다. 주파수에 따른 유전율 변화율과 유전손실율 변화율은 상온의 온도와 1kHz의 주파수에서 측정된 값에 대한 상온의 온도와 특정 주파수에서 측정된 값의 변화율을 나타낸다.
| 주파수 | 샘플 | 유전율 (F/m) |
유전율 변화율 (%) |
유전손실율 (%) |
유전손실율 변화율 (%) |
| 1kHz | 실시예 | 15,612 | - | 2.75 | - |
| 비교예 | 13,604 | - | 4.45 | - | |
| 100kHz | 실시예 | 14,893 | -4.61 | 2.55 | -7.27 |
| 비교예 | 12,645 | -7.04 | 8.45 | 89.89 | |
| 250kHz | 실시예 | 14,203 | -9.03 | 2.60 | -5.45 |
| 비교예 | 10,404 | -23.50 | 10.3 | 130.34 |
실시예와 비교예는 모두 1kHz의 주파수에서는 유전율이 13,000(F/m) 이상이고, 유전손실율이 5% 이하의 우수한 유전 특성을 나타냈다. 그러나, 주파수가 상승하게 되면 비교예의 유전율은 13,000(F/m) 미만으로 하락하고, 유전율 변화율은 20% 이상으로 상승하게 된다. 또한 비교예의 유전손실율은 10%까지 상승하고, 유전손실율의 변화율은 120%까지 급격하게 증가하게 된다. 반면에 실시예의 경우는 주파수가 상승하더라도 유전율은 13,000(F/m) 이상을 유지하고 있고, 유전손실율도 5% 이하를 유지한다. 주파수 변화에 따른 실시예의 유전율 변화율과 유전손실율 변화율도 그 절대값이 10% 이하로서 안정적이다. 실시예의 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)를 포함하는 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200) 경우는 한쌍의 제1 전극부(100)와 제2 전극부(200)만으로도 다양한 주파수에 대응하여 발열 등의 문제를 야기하지 않고서 용량적으로 결합되어 유도되는 높은 교류 전기장을 비정상 세포 등에 인가할 수 있다.
한편, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 판상의 원형 형태를 이루고, 중앙부에 관통홀(115h)을 구비할 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)에 교류 전원이 인가되는 경우에 모서리 등과 같은 특정 부위에 전계의 집중이 일어나지 않도록 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)는 판상의 원형 형태를 이룰 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)에 교류 전원이 인가되면 유전손실에 의해서 발열이 될 수 있는데, 판상의 원형 형태를 이루는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 중앙부에 열이 집중되어 중앙부의 온도가 상대적으로 고온으로 상승할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 중앙부에 관통홀(115h)을 형성하여 중앙부에서는 캐패시터 영역을 제거함으로써 유전손실을 원천적으로 배제함으로써 열의 집중을 억제할 수 있도록 했다.
요소 전극부(110, 210)는, 상기 관통홀(115h)에 제공되는 온도 센서부(117); 및 상기 관통홀(115h)과 온도 센서부(117) 사이의 갭을 채우는 열전도성 충진재(118);를 더 포함할 수 있다.
요소 전극부(110, 210)는 사람이나 동물의 신체에 직접 부착된 상태로 교류 전기장을 발생시키는데, 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 유전손실로 인해 발생되는 열에 의해서 피부 화상 등을 입을 수 있으므로 요소 전극부(110, 210)의 온도 모니터링이 필요하다.
요소 전극부(110, 210)의 온도 모니터링을 위해서는 발열 원인인 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)에 인접한 위치에서 온도를 측정하는 것이 바람직한데, 판상의 원형 형태를 이루는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 일측에 온도 센서부가 위치하면 온도 센서부에서 멀리 떨어진 타측의 국부적인 온도 변화는 감지하지 못할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 중앙부에 형성된 관통홀(115h)에 온도 센서부(117)을 삽입하여 판상의 원형 형태를 이루는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 점대칭 중심에서 발열에 의한 온도 변화를 안정적으로 획득할 수 있도록 했다.
온도 센서부(117)은 온도 변화에 따른 저항 변화로 부터 온도를 센싱하는 서미스터(Thermistor)일 수 있다. 서미스터는 온도가 높아지면 저항이 증가하는 PTC 서미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor)와 온도가 높아지면 저항이 감소하는 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)가 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 중앙부에 형성된 관통홀(115h)에 온도 센서부(117)을 삽입하기 위해서 관통홀(115h)와 온도 센서부(117) 사이에는 갭(gap) 또는 간극이 존재하여야 하는데, 이러한 이격 공간은 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 열이 온도 센서부(117)까지 전달되지 못하도록 할 수 있다. 관통홀(115h)과 온도 센서부(117) 사이의 갭에 열전도성 충진재(118) 채움으로써 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 열이 온도 센서부(117)까지 원할하게 전달되게 하여 온도 측정의 정확도를 높일 수 있도록 했다.
제1 전극부(100) 및 제2 전극(200)는 각각 복수의 요소 전극부(110, 210)들을 포함하는데, 모든 요소 전극부(110, 210)에 온도 센서부(117)를 제공할 수도 있고, 또는 교번하는 방식 등으로 선택적으로 제공할 수도 있다.
회로배선층(112)은, 상기 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)에 전기적으로 연결되어 교류 전원을 전달하는 전원 회로배선층; 및 상기 온도 센서부(117)에 전기적으로 연결되어 상기 온도 센서부(117)에서 측정된 전기신호값을 전달하는 온도 회로배선층;을 포함할 수 있다. 전원 회로배선층과 온도 회로배선층은 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성될 수 있다. 그리고, 복수의 요소 전극부(110, 210)들끼리 서로 전기적으로 연결하고 유연성을 갖는 배선부(120, 220)는 전원 회로배선층과 전기적으로 연결되는 전원 배선부, 및 온도 회로배선층과 전기적으로 연결되는 온도 배선부를 포함할 수 있다.
전원제어부(300)는 제1 전극부(100) 및 제2 전극부(200)에 교류 전원을 공급하는 전원부(310); 및 온도 센서부(117)에서 측정된 전기신호값을 이용하여 요소 전극부(110, 210)의 온도를 모니터링하는 온도 모니터링부(320);를 포함할 수 있다.
온도 센싱부(117)에서 측정된 전기신호값이 온도 회로배선층을 통하여 온도 모니터링부(320)에 전달되면, 온도 모니터링부(320)는 고유전 무연 세라믹스 소결체(115)의 온도를 모니터링 하다가 모니터링되는 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우에, 전원제어부(300)는 전원부(310)에서 공급하는 교류 전원을 차단하거나 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 교류 전원 인가 장치에 의하면, 고유전 무연 세라믹스 소결체를 포함하는 전극부를 이용하여 고유전 무연 세라믹스 소결체의 유전 특성에 의해서 용량적으로 유도되는 교류 전기장을 사람이나 동물의 신체에 인가함으로써, 사람이나 동물의 신체 내부에 안정적으로 높은 전기장을 발생시킬 수 있다.
고유전 무연 세라믹스 소결체의 유전 특성에 의해서 용량적으로 유도되는 교류 전기장을 이용하므로 사람이나 동물의 신체에 교류 전기장을 인가할 수 있는 시간을 보다 길게 유지할 수 있어서 암세포의 분열을 억제시키거나 또는 괴사를 효과적으로 유도할 수 있다.
페로브스카이트 결정구조를 갖는 고유전 무연 세라믹스 소결체는 주성분과 부성분의 조성비에 따라서 상전이 온도와 다양한 전기적 특성의 조절이 용이하여, 신체에 부착하여 교전 전기장을 인가하는 교류 전원 인가 장치에서 요구되는 유전 특성을 효과적으로 제공할 수 있다.
게다가, 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납(Pb) 계통의 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)와는 달리 BaTiO3(BT) 계통의 고유전 무연(Pb-free) 세라믹스 소결체를 이용함으로써 사람이나 동물의 신체에 무해하고 환경 친화적으로, 납(Pb)의 사용을 제한하는 규제에 자유로울 수 있다.
상기 설명에서 사용한 ‘~ 상에’라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다. 또한, 상기 살명에서 사용한 본 개시에서 사용한 ‘위’, ‘아래’, '선단', '후단', '상부', '하부', '상단', '하단' 등의 용어는 편의를 위하여 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의해 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 제1 전극부 110, 210: 요소 전극부
111: 절연성 베이스판 112: 회로 배선층
113 : 절연층 114: 하부전극층
115: 고유전 무연 세라믹스 소결체 116: 비아홀
117: 온도 센서부 118: 열전도성 충진재
120, 220: 배선부 200: 제2 전극부
300: 전원제어부 310: 전원부
320: 온도 모니터링부
111: 절연성 베이스판 112: 회로 배선층
113 : 절연층 114: 하부전극층
115: 고유전 무연 세라믹스 소결체 116: 비아홀
117: 온도 센서부 118: 열전도성 충진재
120, 220: 배선부 200: 제2 전극부
300: 전원제어부 310: 전원부
320: 온도 모니터링부
Claims (11)
- 신체에 부착되어 교류 전기장을 인가하는 전원 인가 장치로서,
교류 전원이 공급되며, 쌍을 이루는 제1 전극부 및 제2 전극부를 포함하고,
상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은,
절연성 베이스판;
상기 절연성 베이스판 상에 제공되는 회로배선층;
상기 회로배선층을 선택적으로 노출하도록 상기 회로배선층 상에 제공되는 절연층; 및
상기 회로배선층에 전기적으로 연결되고, 페로브스카이트 결정구조를 갖는 판상의 고유전 무연 세라믹스 소결체;를 구비하는 요소 전극부를 포함하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체의 하부면에 제공되어 상기 회로배선층에 전기적으로 연결되는 하부전극층을 더 포함하고,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체의 상부면은 상기 신체를 대향하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극부 및 제2 전극부 각각은,
복수의 상기 요소 전극부를 포함하고,
복수의 상기 요소 전극부를 전기적으로 연결하고 유연성을 갖는 배선부를 더 포함하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 교류 전원을 인가하는 상기 신체의 위치에 따라 주파수를 변화하면서 상기 교류 전원을 공급하는 전원제어부를 더 포함하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는,
BaTiO3를 모재로 하는 산화물로서, 하기 조성식 1의 화합물 조성을 갖는 교류 전원 인가 장치.
<조성식 1>
(Ba1-mAm)(Ti1-nBn)O3
(여기서, A는 K, Na, Li, Sr, Zn, Ca 중 적어도 어느 하나의 원소이고, B는 Al, Zr, Hf, Nb, Ta 중 적어도 어느 하나의 원소임.) - 청구항 5에 있어서,
상기 조성식1에서,
상기 m은 0.1 ≤ m ≤ 0.3이고, 상기 n은 0.05 ≤ n ≤ 0.25인 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는,
상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수에서 유전율이 13,000(F/m) 이상이고, 유전손실율이 5% 이하인 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는,
상온의 온도 및 1kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 유전율 변화율이 ±10%이하이고, 유전손실율 변화율이 ±10% 이하인 교류 전원 인가 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체는,
판상의 원형 형태를 이루고, 중앙부에 관통홀을 구비하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 요소 전극부는,
상기 관통홀에 제공되는 온도 센서부; 및
상기 관통홀과 온도 센서부 사이의 갭을 채우는 열전도성 충진재;를 더 포함하는 교류 전원 인가 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 회로배선층은,
상기 고유전 무연 세라믹스 소결체에 전기적으로 연결되어 교류 전원을 전달하는 전원 회로배선층; 및
상기 온도 센서부에 전기적으로 연결되어 상기 온도 센서부에서 측정된 전기적 신호를 전달하는 온도 회로배선층;을 포함하는 교류 전원 인가 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130246A KR20240050633A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 교류 전원 인가 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220130246A KR20240050633A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 교류 전원 인가 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240050633A true KR20240050633A (ko) | 2024-04-19 |
Family
ID=90882037
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220130246A KR20240050633A (ko) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 교류 전원 인가 장치 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240050633A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160134469A (ko) | 2015-05-14 | 2016-11-23 | 고려대학교 산학협력단 | 불연속적인 분할 교류 전기장을 이용한 암 치료 장치 및 방법 |
-
2022
- 2022-10-12 KR KR1020220130246A patent/KR20240050633A/ko unknown
Patent Citations (1)
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| KR20160134469A (ko) | 2015-05-14 | 2016-11-23 | 고려대학교 산학협력단 | 불연속적인 분할 교류 전기장을 이용한 암 치료 장치 및 방법 |
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