재료 분야에서의 빔 이용 ê¸°ìˆ ê°œë°œ 현황 - 양성자가속기연구센터

재료 분야에서의 빔 이용 기술 개발 현황2006. 12. 18.동국대 초청세미나김계령(kimkr@kaeri.re.kr)www.komac.re.kr

- 가속기란?- 양성자기반공학기술개발사업 개요 및 현황- 입자와 물질과의 상호작용 및 효과- 양성자빔/이온빔 이용 분야- 사업단의빔이용기술개발현황및사례- 국외 연구 사례- 종합3

양성자 / 이온?전자 (e - )양성자 (p)중성자 (n)1HLi1 37수소원자리튬원자4

방사선의 종류와 구분1. 전리방사선: 알파입자, 베타입자, 중성자, 감마-선, X-선, 등.: 1) 하전입자 : 전자(electron, e-), 양전자(positron, e+), 양성자(proton, p),중양자(deutron, d), 알파(α), 중이온(A>4)2) 광자 : 감마-선(γ) and X-선3) 중성자2. 비전리방사선: 태양광선, 자외선(UV), 적외선(IR), 파이크로파, 가시광선, 등.광자(빛, 레이져, X선, γ선)전자양성자중성자NS자기장, 얇은 물질 투과자기장에서 휘고 물질 투과 어려움자기장, 두꺼운 물질 잘 투과5

물질의 세계물질 분자 원자(전자+핵) 핵(양성자+중성자) 양성자 쿼크구성puud크기(m)결합에너지발견연대10 -9 10 -10 10 -14 10 -15~eV~keV~MeV~TeV1799 1808 1910 1910 1960발견자프로스트돌턴러더포드러더포드겔만광학현미경탐색수단전자 현미경터널링 현미경가속기6

• 가속원리 : 전기를 띤 입자에 전기장을걸어 주어 속도를 높여 줌( E=qV[eV], F=ma=qE )• 가속기 특성을 나타내는 단위들가속기의 기본원리와 단위이온 가속 원리1) 에너지 : eV, keV(10 3 eV), MeV(10 6 eV),GeV(10 9 eV), TeV(10 12 eV)2) 빔 전류 : A(6.25x10 18 개/초), mA(10 -3 A), μA(10 -6 A)3) 빔 파워 (=에너지x빔전류) : W, kW, MW전하를 띠고 있는 이온을 전기장에 의해가속++++++V가속원리 모식도---1 eV = mv22• 가속에너지에 따른 양성자의 속도에너지 1 eV 1 keV 1 MeV 1 GeV 1 TeVkm/초 14 438 1만4천 26만 30만속도빛속도의 %0.1% 4.6% 87% 99.9999%* 빛의 속도 ≈ 30 만 km/초7

입자가속기의 분류입자 가속기양성자 및 중이온가속기전자 가속기선형가속기원형가속기선형가속기원형가속기직류형가속기LinacCyclotronCollider직류형가속기LinacMicrotronSynchrotronSynchrotronStorageRing교류형 가속기교류형 가속기8

직류형 vs. 교류형 가속기직류형가속기 :: MeV MeV이하의 이하의에너지 에너지가속에 가속에유리. 선형 선형– ––––––– +++++++ ++전압– – –––전압++++++교류형가속기 :: MeV MeV이상의 이상의에너지 에너지가속에 가속에유리. 선형/원형+ +ㅣ+ㅣ++~교류전기장을이용해 일정한시간 간격으로입자에 힘을가해 가속9

선형 vs. 원형 가속기선형가속기원형가속기• 입자가 직선의 진공관을 통과하면서에너지가 단계적으로 증가• MeV 이하에서는 직류형, MeV 이상에서는교류형(Linac)을 사용• 에너지가 높아질수록 길이가 계속 길어짐• 같은 전하들끼리의 반발력을 통제하는데유리해대전류빔가속에유리• 입자가 원형의 진공관을 돌면서에너지가 증가• 교류형만 사용• 에너지가 높아질수록 지름이 커지며선형에비해높은에너지가속에효율적임• 가속입자들이 곡선 운동을 하므로 통제가어렵고 방사광으로 에너지를 잃어 가속에너지의 제한을 가짐10

싸이클로트론 (Cyclotron)Ernest Lawrence’s first cyclotron(1930)- Energy : 80keV- Circumference : 32”11

탄뎀가속기 (Tandem Accelerator)12

이온 주입기 (Ion Implanter)13

국내 가속기 현황• 포항방사광가속기 (PLS : Pohang Light Source)• 양성자가속기 (PEFP : Proton Engineering Frontier Project)• 국립암센터의 양성자암치료기• 원자력의학원의 싸이클로트론(동위원소 생산 및 연구용)• 지질자원연구원과 서울대학교의 탄뎀가속기: 탄소 연대 측정용• 한국원자력연구소의 이온주입기: 산업용 저에너지 이온주입 (표면 개질 등)13MeV 싸이클로트론 (원자력의학원)30MeV 싸이클로트론(원자력의학원)3MV 탄뎀 가속기 (서울대)MC-50 싸이클로트론 (원자력의학원)- Beam 종류 : C,H +-Energy : 0.3 ∼6 MeV-BeamCurrent : 5 μA1.75MV 탄뎀 가속기 (지질자원연구원)- Beam 종류 : H + , C- Energy : 0.5 ∼ 3 MeV- Beam Current : ~1μA230MeV 싸이클로트론(국립암센터)14

사업단 보유 빔 이용시설 현황이온빔 수직 조사장치- 제작년도 : 2003년(2005년)- 에너지/전류 : 0.5~30keV(~120keV)/~10mA- Xe, Ar, He 이온 등- 최대 조사면적 : 30cm 직경- 입사각 조절 가능반도체용 이온빔 조사장치- 제작년도 : 1994년- 에너지/전류 : 20~100keV/~10mA-B, BF 2, As, P, H, N, Ar, Metalic, Gaseous 이온 등- 최대 조사면적 : 4” 직경 (>95% 균일도)- 활용분야 : 반도체 웨이퍼, High Dose Exp. 등이용기날 표면 처리장치- 제작년도 : 2003년- 에너지/전류 : 20~70keV/~10mA- N, Ar 이온 등- 최대 조사면적 : 35cm 직경- 산업체로 기술이전 및 대여 중대면적 이온빔 조사장치- 제작년도 : 1999년- 에너지/전류 : 20~50keV/~50mA- Ag, Fe, Mo, Y, Zr, Cr, Metalic, Gaseous 이온 등- 최대 조사면적 : 폭 80cm Roll 형태 가능- 활용분야 : 특수기능 고분자 필름 조사 등대전류 가스 이온빔 조사장치- 제작년도 : 1989년- 에너지/전류 : 20~150keV/~10mA- H, D, He, N, Ar, Xe, Kr 이온 등- 최대 조사면적 : 18cm (>95% 균일도)- 활용분야 : 재료의 내마모성, 내구성향상 대전방지, 친수/소수성 polymer 개발 등금속이온빔 조사장치- 제작년도 : 1994년- 에너지/전류 : 20~50keV/~1mA- Ag, Fe, Mo, Y, Zr, Cr, Metalic,Gaseous 이온 등- 최대 조사면적 : 10cm 직경 (>95% 균일도)- 활용분야 : 반도체 웨이퍼, High Dose Exp. 등- Mass Separation 가능1MV 탄뎀 가속장치- 에너지/전류 : 0.3~1.8MeV/~10mA- 활용분야 : SOI wafer 제작,전력반도체 개발, 고선량 빔조사 실험 등45MeV 저선량 양성자빔시험이용시설- 에너지/전류 : 10~39MeV/~10nA- 활용분야 : 저선량 BT/ST 실험,핵물리 실험 등G/VElectrostaticSteererBPMMotion FeedthroughScanning MagnetsBPMIrradiationChamberG/VTMP(800L/sec)15

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양성자기반공학기술개발사업사업 개요사업기간 : 2002. 7 ~ 2012. 3 (10년)사업비 : 1,286 억원( 정부 : 1,157억원, 민간 : 129억원 )※사업부지, 부대시설 및 연구지원시설은 사업유치기관(경주시)에서부담주관부처 : 과학기술부( 21세기 프론티어연구개발사업 )주관연구기관 : 한국원자력연구소양성자기반공학기술개발사업단사업 목표21세기 미래원천기술을 개발하고, 산업경쟁력을 제고하며, 공공복지를 증진시킬 수있는 양성자가속장치를 개발하여NT, BT, IT, ST, 의료분야 등 중요 국가과학기술 분야 발전기반 확충제 1 목표 : 100 MeV, 20 mA 선형양성자가속장치 개발, 건조제 2 목표 : 양성자 빔 이용기술과 가속장치응용기술 확보제 3 목표 : 국가핵심 원천·기반기술 구축및 개발기술의 산업적 활용양성자가속기 연구센터 건설17

양성자가속기연구센터 건설부지항공 사진경주시 건천읍 화천리 245번지 일원 : 약 13.3만평 (41만평 : 부속 첨단산업단지 포함)KTX 신경주역 (건설중)경부고속도로18

양성자가속기연구센터 건설 일정주요일정업무 추진 계획주요일정업무 추진 계획2006. 4사업협약 (경주시원자력연구소) 및 착수2009. 1220MeV 가속기 설치완료 및 연구개발 착수2007. 6부지확보 및 건설공사 관련 인허가 취득2011. 12100MeV 가속기 완성 및 시운전2007. 7현장 공사 착수2012. 3양성자가속기 연구센터 설립완료2008. 720MeV 가속기 및 사업단 이전 착수19

양성자가속기연구센터 조감도100MeV, 20mA 급 선형 대용량 양성자가속기 설치(2012년)관련 첨단산업단지 부지 확보 : 연구 센터 부근→ NT, BT, IT, 의료분야 기술 등 차세대 첨단 산업 육성20 MeV 대용량양성자 가속기(2005년 개발 완료,세계 3번째)51243761 가속기동 2 빔 이용연구동 3 이온빔 이용연구동4 유틸리티동 5 본관동 6 지역협력동 7 숙소동20

전 세계 양성자가속기 개발 현황대전류 양성자가속기 중 선형 가속기 개발은 미국 일본에 이어 본 사업단이 세계 3번째영국ESS스위스중국한국일본미국계획 중개발 중운영 중21

PEFP 20MeV 선형 양성자가속기22

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입자와 물질과의 상호작용~1 keV500km/초스퍼터링(Sputtering): 분자, 원자 떼어내기나노 가공빔가공~100 keV5천km/초주입(Implantation): 물질 속에 투입됨표면 개질나노 결정반도체 도핑~10 MeV5만km/초핵반응(Nuclear Reaction): 물질의 원자핵과 반응신종 유전자원RI 생산방사선 의료기기~100 MeV13만km/초파쇄(Spallation): 무거운 원자핵을 파쇄가벼운 안정원소 및 중성자 생성중성자 원신종 RI~1 GeV26만km/초소립자 반응: 원자핵을 구성하는소립자와의 반응중간자/중성미자과학원자핵/고에너지물리* 빛의 속도 : 약 30만 km/초 원자 전자 양성자 중성자소립자24

이온빔 조사 효과 (금속)••금속재질에금속재질에이온주입시이온주입시조사된조사된이온에이온에의해의해표면에서표면에서미세구조미세구조변화변화발생발생••표면에서표면에서1μm이내에서는1μm이내에서는조사된조사된이온에이온에의해의해표면에서표면에서스퍼터링이스퍼터링이일어나며일어나며점결함,점결함,선결함,선결함,석출물형성이석출물형성이일어나며일어나며열역학적으로열역학적으로비평형비평형상태인상태인비정질화가비정질화가일어난다.일어난다.이러한이러한특성특성변화에변화에의해의해표면에너지의표면에너지의변화변화등을등을통해통해표면물성이표면물성이변화하게변화하게됨.됨.또한,또한,100μm이내에서의100μm이내에서의전위밀도의전위밀도의상승은상승은기계적특성을기계적특성을향상시키는데향상시키는데기여함기여함25

이온빔 조사효과 (고분자) Chain Scission Unsaturated Bond Cross-linkingIon BombardmentIon BombardmentIon Bombardment••고분자에고분자에이온빔이온빔조사시조사시표면에서의표면에서의결합구조가결합구조가옆의옆의그림에서그림에서보듯이보듯이이온주입에이온주입에의해의해분자사슬이분자사슬이끊어지거나끊어지거나이중결합을이중결합을하거나하거나분자사슬간의분자사슬간의결합을결합을통해통해기계적,기계적,전기적,전기적,광학적광학적특성특성등이등이변화하게변화하게됨••이러한이러한현상들의현상들의변화변화정도는정도는이온주입시이온주입시이온주입에너지,이온주입에너지,이온조사량,이온조사량,고분자의고분자의종류에종류에따라따라다르며,다르며,원하는원하는특성을특성을나타내기나타내기위해서는위해서는이온주입이온주입최적최적공정조건을공정조건을찾는찾는것이것이중요중요26

하전입자는 물질 내를 통과하면서 물질과의 상호작용에 의해 에너지를 잃음1) 전자니 핵자와의 전기적 상호작용(Coulomb interactions)이온화 : 입자에 의해 주어지는 에너지 > 이온화 에너지여기 : 입자에 의해 주어지는 에너지 > E i+1-E i2) 전자기적 radiation 발생 (제동복사)3) 핵반응 (>100MeV)하전입자의 물질 내 에너지 손실4) Cerenkov radiation 발생전자의 질량 =1양성자의 질량 ≈ 1840중양자의 질량 ≈ 2×1840알파입자의 질량 ≈ 4×1840전자 또는 양전자의물질 내 궤적중입자의 물질 내궤적(a) 탄성 충돌atomchargedparticleelectron(c) 이온화chargedparticle(b) 여기photon(d) 제동복사electronchargedparticlechargedparticle27

Stopping PowerStopping power due to excitation and ionization for p, d, αdEdxwhere,222⎡2 mc ⎛ 2mc2⎞=⎢⎜⎟ −2 2( MeV / m)4πr0 z NZ ln β ln(1 − β ) − β2β ⎣ ⎝ I ⎠r0mc= e22/ mc= restβ = v / c,= 2.818×10) / Mcc = 3×10atoms / mI(eV ) = (9.76 + 58.8Z2= rest mass ofγ = ( T + McT = kineticMN = number ofI = meanexcitation2massz = chargeofoftheelectron = 0.511MeV2= 1/the8m / s−1.19−15321−βenergy = ( γ −1)Mc) Zm = classicalparticleZ = atomic number of the materialtheincident particle ( z2potential offor the material through whichthefor= 1 for ethe materialZ > 12electron−, e+radius, d)particle moves⎤⎥⎦28

Stopping Power of WaterStopping power of water in MeV/cm for various heavy charged particles and betaparticles. The muon, pion and kaon are elementary particles with rest masses equal,respectively, to about 207, 270 and 967 electron rest masses.29

Monte-Carlo Simulation (SRIM2003)• SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter) - http://www.srim.org30

SRIM 코드 계산 결과 (예시)31

여러가지 이온들의 Stopping PowerLET (keV/um)10 3 12C6MeV40Ar3.80GeV 20Ne1.62GeV14N12CPHe-4 1.89GeV2MeVP10 21MeV50MeV2MeV P12C6MeVP 1.62GeV20MeV P10 150MeVP100MeVP200MeV10 0P1GeV P1.62GeV10 -110 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7Ion Range In water (um)32

- 가속기란?- 양성자기반공학기술개발사업 개요 및 현황- 입자와 물질과의 상호작용 및 효과- 양성자빔/이온빔 이용 분야- 사업단의빔이용기술개발현황및사례- 국외 연구 사례- 종합33

양성자빔 이용 분야Average Beam CurrentAmAμAnASMART-Cut(SOI Wafer)MineDetectionWPowerSemi.DeviceBNCTRI ProductionNeutronTherpySpace ApplicationsADSRNBProton RadiographyBiological ApplicationProtonTherapyNuclear PhysicsProton EnergySpallationNeutron SourceMWHigh Energy PhysicskeV MeV 100 MeV GeV TeV• 산업 분야 ; SMART-cut, SOI 웨이퍼,고전력 반도체 소자 등• 의학 분야 ; BNCT, 동위원소 생산,중성자 및 양성자 암치료 등• 생명공학 분야 ; 돌연변이 (식물체,미생물 등)를 이용한 신 유전자원개발• 우주분야 ; 우주부품 및 재료의내방사선 특성 시험• 국방과학 분야 : 지뢰 및 폭발물 탐지,양성자 및 중성자 래디오그라피• MW 빔 응용분야;- 핵파쇄 중성자원(Spallation Neutron Sources)- 동위원소빔(Radioactive Nuclei Beams)- 고에너지 물리(mesons & neutrinos)- 핵종 변환 연구(Accelerator Driven System)34

저에너지 이온빔 이용 분야에너지 (eV)10 810 710 610 510 410 3He +B +의료분야 이용C + 핵융합로D-T D +재료He + 측정/분석중성자원조사시험C +D + , T +이온 주입D + , H +분광학(B + , P + , N + , O + D,, H -Si + , Ni + , Cr + 등)Ar+Xe+O +스퍼터링Cs +Ar + , O + , N + Hg +이온빔 밀링Ar + ,F + ,Xe +이온 로켓핵융합용중성빔가열장치이온빔 가공Ar + ,F +10 2 빔전류(A)10 1 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 -0 10 235

양성자빔의 물질 내에서의 에너지 손실Bragg Peak36

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고속스위칭 전력반도체 제조기술PN-Diode에서 ON/OFF 상태에서의 Carrier 분포P +P +N + N +N -N -ON-State●:전자, ○:정공OFF-State전류 I F시간재결합 중심전력반도체의 주요 응용 분야재결합중심의 증가 → Turn-off 시간의 감소43

고속스위칭 전력반도체 제조기술• 빔조사전Au/Ni : 260nm/240nmAT rr =240nsec9E20/cm 3p+55 μm055p+FRD (V br=400V)2.5E14/cm 31E21/cm 3nn+145 μm55 μm200nn+R p: at Junctionat depletion regionat neutral region255• 빔조사후T rr 1/5K[μm]T rr =50nsec2.97MeV, 1E+13/cm244

신종 유전자원 개발• 저LET 공정• 고LET 공정UVγ-rayProtono Dose Equivalent H;H = QDwhere, D is absorbed dose and Q isa dimensionless quality factor, whichdepends on LETLETQ(keV/um in Water)100 300/(L) 0.5Recommended by ICRP, NCRP, and ICRU45

신종 유전자원 개발 – 생분해성 플라스틱• 환경 친화적 생분해성 플라스틱 개발• 양성자빔을 이용한 환경친화적 미생물 유용 유전자원 개발• 생분해성 플라스틱의 대량 생산을 위한 균주 선별 및 산업적 활용성 검증[호기성균에 의해 생성된 하수 침전물 내에서의 부식 진행 (0, 2, 4, 6, 10 주후 관찰)]Yield : 85 g/L PHBOthersKAERI46

신종 유전자원 개발 – 화훼 및 채소류• 채소 및 화훼류의 기호성 신상품 개발• 우량 돌연변이 유전자원 및 신품종 개발• 고 LET의 양성자빔 조사에 의한 유전자전환기법을 이용하여 유용돌연변이를 창출하고 유전분석을 통한 유전자원화47

우주부품 내방사선 특성 평가기술Single Event Upsets on Flight Data RecorderJanuary 1 - December 25, 1999 – 705 kmSouth Atlantic Anomaly(SAA)[NASA]- Total Ionizing Dose (TID)- Displacement Damage- Single Event Effects (SEEs)48

우주부품 내방사선 특성 평가기술• 인공위성 두뇌부의 우주방사선에 의한 오동작 및 고장 방지로위성수명 향상• 우주부품 내방사선 시험 평가기술 개발KAIST : Korea Advanced Institute of Science & TechnologyDifferential Flux, /MeVcm 2 sec1010.1Incident FluxTransmitted Flux(Al 5mm)0.010.1 1 10 100Proton Energy, MeVSpaceSpaceenvironmentenvironmentofofMACSATMACSATwithwith5mm5mmAlAlshieldingshielding->->totaltotalradiationradiationdosedose400400radradforfor33yearsyears1000%1000%marginmargin->->44kradkrad49

양성자 암치료 (Proton Therapy)2.52.0Treatment VolumeRELATIVE DOSE1.51.0Photon beamRange-modulatedproton beamBraggpeak of apristineprotonbeam0.50.002468 10 12 14 16DEPTH (cm in water)18202224MPRI(Midwest Proton Radiotherapy Institute)in IUCFLoma Linda University Medical Center50

LEPT (Low Energy Proton Therapy)• 양성자 암치료 장치 및 기술의 개발을 통한 국민 복지 향상• 양성자 암치료 기초 연구 및 방사선 생명 공학 기초 연구시설 개발• 안구 종양과 노인성 황반변성 치료 및 소동물 실험을 위한 저에너지 양성자 세라피 시스템 개발DoseProton BeamTumorDepth51

대전류 양성자빔을 이용한 동위원소 생산 기술• 고에너지(100MeV) 대전류 양성자빔을 이용한 의료/산업/연구용 방사성동위원소 생산 기술 개발• 다양한 방사성 동위원소의 대량 생산, 공급 및 수입 대체Proton Beam EnergyLow Energy(100MeV)Radio IsotopeF-18, C-11, O-15, N-13, Pd-103F-18, C-11, O-15, N-13, Pd-103, Tl-201, Ga-67,I-123, I-124, In-111, Co-57Al-26, Mg-28, Si-32, Be-7, Na-22, Ge-68, Sr-82,Tc-95, Cu-6752

빔이용체제양성자빔이용기술개발 과제이용자프로그램수요조사국내 양성자빔 이용시설 사용 지원빔 조사조건시험이용시설구축및빔조사실험수행해당 이용 기술 관련 참고 자료타시설이용관련데이터1819건(16기관)13개 과제(위탁포함)(10개 기관)구축중26개 과제(17개 기관)사업단569건(19기관)BT/ST 용양성자빔 시험 이용시설(원자력의학원, MC-50 cyclotron)NT 용양성자빔 시험 이용시설(사업단, 1MV Tandem)저 에너지이온빔장치(사업단, Implanters)대외수요조사및선행연구4개 과제(4개 기관)RIKEN : Rikagaku KenkyushoPSI : Paul Scherrer InstituteRAL : Rutherford Applenton Laboratory미국IUCF, UC-Davis(3)3건(2기관)국외 양성자빔 이용시설 사용 지원관련 기술 자료 입수 및 제공일본RIKEN(6)스위스 PSI(4)1.75MV 탄뎀가속기(지질자원연)영국 RALEBIS(3)(2005년 12월 현재) 총 32개 기관과 빔 이용 관련 네트워크 구축 / 빔 조사시험 국내 : 2,391 건, 국외 16건53

이용자 프로그램이용자 그룹산업계학계연구계이용자 프로그램ㆍ 양성자가속기 및 빔이용시설 활용 네트워크 구축ㆍ 소과제 선정, 연구관리 및 지원ㆍ 이용시설 이용교육 실시, 세미나, 워크샵 등 개최ㆍ 이용기술개발 소과제 발굴이용자 프로그램 소과제기초 기초 연구연구응용 응용 연구연구산업화 산업화 사전 사전 연구연구참여 참여 기업기업빔조사실험지원이용시설 수요조사• 매년 신규과제 공모 실시• 아이디어 상시 상담 가능•새로운기초연구결과도출•새로운기초연구결과도출•학술적 가치가 높은 연구결과물•학술적 가치가 높은 연구결과물생산생산•기초 이용자 저변 확대•기초이용자저변확대•응용 또는 실용화 연구로의 발전•응용 또는 실용화 연구로의 발전기반 마련기반 마련•기초과학분야 연구 진흥•기초과학분야 연구 진흥•실용화및산업화 가능과제도출•실용화및산업화 가능과제도출•활용성이 기대되는 기술 또는•활용성이 기대되는 기술 또는제품 개발제품 개발•응용기술개발분야 연구 활성화•응용기술개발분야 연구 활성화•특허, 논문 등의 기술적 가치 높은•특허, 논문 등의 기술적 가치 높은연구 성과물 생산연구 성과물 생산•실용화및산업화사전탐색연구•실용화 및 산업화 사전 탐색 연구기반 마련기반 마련•가속기 및 빔이용기술의 파급효과•가속기및빔이용기술의파급효과극대화극대화•산업체 기술 경쟁력 제고•산업체 기술 경쟁력 제고•현장적용 가능한 신기술 및 공정•현장적용가능한신기술및공정개발개발사무국연구과제 공모, 계약, 연구비 관리빔이용시설구축및운영54

2단계 1차년도 소과제 현황기술분야과제명연구 개발 내용주관기관발광소자 응용을 위한 나노 구조체의 도핑 기술 개발● LED 응용을 위한 ZnO 나노막대 제작 및 성장 메카니즘 연구전북대학교물리학과NT양성자빔을 이용한 MEMS 소자 패키징 기술 개발이온빔 조사에 의한 카본 나노튜브 소자 특성 개질 연구● 양성자 빔을 이용하여 MEMS 소자 패키징에 사용되는 wafer-bonding 기술을 개발하여 MEMS 패키징 기술을 제공● 양성자 조사에 의한 CNT의 표면 개질 기술 개발● 양성자와 ion doping에 의한 CNT의 전기적 특성 변화 측정단국대학교물리학과광주과기원신소재공학과양성자빔 조사에 의해 개질된 레지스터 위의 선택적 나노바이오물질 흡착과 나노 구조물 형성● 양성자 조사에 의해 개질된 분자레지스트막을 이용한 나노 패턴 형성 및 단분자막위에 생체 및 나노 물질의 선택적 흡착한양대학교화학과BT양성자빔 이용에 의한 유체의 신품종 개발● 유채의 유용 돌연변이 유전자원 30여 계통 확보● 유채의 돌연변이 육종을 위한 양성자가속기이용 기술체계 확립전북대학교생명공학부ST이온빔 조사를 이용한 우주 비행체 재료의 우주환경 내구성 연구● 우주비행체 (위성, 유인우주선, 우주탐사선 등)를 구성하는 재료에 대한 입자 우주방사선 영향 환경 실험서울대학교우주항공공학과IT양성자 조사에 의한 고속 스위칭 IGBT 소자 개발● 양성자 조사 기법을 이용하여 고속 스위칭 IGBT 소자 개발위덕대학교전자공학과ET양성자빔을 이용한 가스분자의 표면 흡착 및 거동에 관한 연구● 양성자를 이용하여 가스분자가 나노분말표면에서 이루는 구조와 계면과의 상호작용을 이해한양대학교물리학과의학양성자 조사에 의한 암의 저산소 부위의 세포 사멸유도 연구즉발감마선을 이용한 치료용 양성자빔의 선량 분포확인에 관한연구● 사람의 암세포를 배양하면서 양성자조사를 실시하였을 때 암세포의 세포사멸 유도효과 관찰.● 양성자 빔에 의한 선량의 인체 내 위치 측정● 치료용 양성자 빔과 핵반응에 의해 발생하는 중성자 및 감마선 분포 측정경북대학교유전공학과국립암센터대용량 양성자가속기에서 발생하는 중성자 모니터링을 위한 복합형 기체 검출기 개발● 대용량 양성자가속기를 가동할 때 발생하는 중성자의 선속을 모니터링하기 위한중성자검출기를 개발고려대학교물리학과핵물리양성자빔에 의한 검출기의 내방사선 특성 연구● 국내에서 개발되고 있는 다양한 검출기의 방사선 손상 연구 및 내방사선 검출기개발 및 양성자 조사 시설의 빔 모니터링에 이용경북대학교물리학과낮은 에너지 양성자 검출용 섬광 플라스틱 검출기 개발● 대전입자의 에너지와 입자종류를 판별할 수 있는 섬광 플라스틱 검출기를 개발부산대학교물리학과기초과학재료 및 생체계의 수소결합에 대한 양성자 조사효과● 양성자 빔 조사를 통한 재료, 화학, 그리고 생체 등에 존재하는 다양한 수소결합에대한 이해와 역할 규명고려대학교물리학과55

2단계 2차년도 소과제 현황과제 Code과제명과제책임자연구기관UP-06-C-01재료 및 생체계의 수소결합에 대한 양성자 조사 효과이철의고려대UP-06-C-02발광소자 응용을 위한 나노 구조체의 도핑 기술 개발한상욱전북대UP-06-C-03양성자조사와 이온도핑에 의한 카본나노튜브와 나노와이어의 전계효과트랜지스터의 제작과 전기적특성변화 측정이탁희광주과기원UP-06-C-04양성자빔에 의한 검출기의 내방사선 측성 연구김홍주경북대UP-06-C-05낮은 에너지 양성자 검출용 섬광 플라스틱 검출기 개발안정근부산대UP-06-C-06대용량 양성자가속기에서 발생하는 중성자 모니터링을 위한 복합형 기체 검출기 개발심광숙고려대UP-06-N-17양성자빔을 이용한 스트레스 저항성 잔디 개발서용원고려대UP-06-C-08양성자 조사에 의한 암의 저산소 부위의 세포 사멸 유도 연구허태린경북대UP-06-N-09양성자가속기를 이용한 양성자 암치료시 세포주기에 따른 radiosensitivity의 변화에 대한 연구김헌정동국대UP-06-C-10양성자빔을 이용한 가스 분자의 표면 흡착 및 거동에 관한 연구김재용한양대UP-06-N-11양성자가속기를 활용한 경주시 국립공원 대기 중 나노입자 특성 연구김경원경주대UP-06-C-12양성자빔 조사에 의해 개질된 레지스터 위의 선택적 나노바이오 물질 흡착과 나노 구조물 형성이해원한양대UP-06-N-13양성자빔을 이용한 PDMS 표면 개질 및 응용 연구박용두고려대UP-06-N-14양성자빔을 이용한 polytetrafluoroethylene 표면 개질 유도노인섭서울산업대UP-06-N-15광변색현상에대한양성자빔조사효과이인자동국대UP-06-C-16즉발감마선을 이용한 치료용 양성자빔의 선량 분포확인에 관한 연구김종원국립암센터UP-06-C-17양성자빔을 이용한 MEMS 소자 패키징 기술 개발현준원단국대UP-06-N-18수소 및 중수소 이온빔 조사를 통한 nano-scale MOS 소자의 신뢰성 개선방법이재성위덕대56

ZnO 나노막대 이용 LED 개발기존의 GaN 계 LED나노재료 이용 새로운 형태의 LED 제작 기술 개발p-Type GaNp-typeZnOInGaN MQW LayersZnMgO MQW Layersn-TypeGaNn-typeZnO nanorodSapphire (Al 2 O 3 )GaN BufferSapphir e (Al 2 O 3 ) substrateZnO buffer layerGaN 계열 특허에서의우선권 취득 난이열적 물리적 안정성확보의 어려움내부발광 및발산효율의 저조GaN 계열 LED의 문제점나노 재료의고효율 고집적화부합 미흡ZnOn-GaNAl 2O 3ZnO/n-GaN한상욱교수(전북대)57

ZnO 나노막대 이용 LED 개발한상욱교수 (전북대)58

우주비행체 재료 우주환경 내구성 시험우주 양성자 발생Aluminum AlloyVDA MylarITO KaptonSynthetic Rubber김용협교수 (서울대)59

우주비행체 재료 우주환경 내구성 시험3mil ITO Coated Aluminized Polyimide ®0.50.075ITO (Indium Tin Oxide)Polyimide1000Å Aluminum3.0(Unit : mm)350300pristine35030030MeV250250Tensile Stress(Mpa)20015010050specimen 1specimen 2specimen 3specimen 4Tensile Stress(MPa)2001501005050-yearspecimen 1specimen 2specimen 3specimen 400 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Elongation( 탆 )00 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Elongation( 탆 )김용협교수 (서울대)60

탄소나노튜브소자 특성 개질Carbon Nanotubes (CNTs)Issues to overcome for nanoelectronics applications– Difficulty of the separation between metallic andsemiconducting CNTs– Difficulty of the dispersion because of theagglomeration of CNTsC h = na 1 + ma 2Study on the effects of proton / electron / ion beamirradiation– Modifying the structural and electrical properties ofCNTs– Study of CNTs with high energetic particle beams(similar to space condition)– Effective tailoring of CNT properties through irradiation– Device design for radiation-resistant systems이탁희교수 (광주과기원)61

Structure of CNT network-FETs탄소나노튜브소자 특성 개질Ti/AuSiO 2 (300 nm)Ti/AuI DS(A)5.00x10 -32.50x10 -30.00Before irradiationV G=-10 VV G=-6 VV G=-2 VV G=+2 VV G=+6 VV G=+10 Vp ++ -Si-2.50x10 -3FETs-5.00x10 -3-10 -5 0 5 10V DS(V)3 μmNetwork-CNTsI DS(A)5.00x10 -32.50x10 -30.00-2.50x10 -3After irradiationV G =-10 VV G =-6 VV G =-2 VV G =+2 VV G =+6 VV G =+10 VElectrode (Ti/Au)-5.00x10 -3-10 -5 0 5 10V DS(V)이탁희교수 (광주과기원)62

MgO 분말의 가스 흡착 특성 변화Before and after radiating proton beam (35.7 MeV at the Bragg Peak)김재용교수 (한양대)63

양성자빔을 이용한 탄소구조체 정제방법ComponentsC (wt %)Fe (wt %)Ni (wt %)Co (wt %)Si (wt %)Before96.521.271.260.95-After98.010.530.590.650.22SWNTafterafterbeforebefore김재용교수 (한양대)MWNT64

양성자빔을 이용한 금 나노입자 합성양성자 빔을 조사해서 합성된 금 나노입자가 1차원으로 정렬된 TEM 사진송재희교수 (순천대)65

AFM Anodizing LithographyBare Si substrateOH OH OH OHOH OHSiO 2Si substrateOrganic thin filmcoated substrateTip (Cathode) reaction2nH 2 O + 2ne - → nH 2 + 2nOH -Faradaiccurrent-Water column5 % HFResist coatingH F H H F HSi substrateSiOxprotrusionscanSiOxSi substratecantileverResistSiO 2Si substrate SiResistSiO 2Si substrateResist degradation+SiOx protrusioncantileverSi substrate이해원교수 (한양대)+SiO xSample (Anode) reactionSi + nH 2 O → SiO n + 2nH + + 2ne -Lithographic Parameters- Applied voltage & current- Scanning speed-Relative humidity- Resist property- Substrate property- Cantilever tip- Energy level66

AFM Anodizing LithographyPositive tip bias를 인가하여 형성된 line 패턴3D image10V8V6V5 keV (dose: 1×10 16 ions/cm2)Line profile이해원교수 (한양대)67

Surface Modification of PTFESurface modification for improved adhesion and/or bio-compatibilitySEM image of untreatedPTFE surfacePTFE surface afterAr/O 2 ion beamtreatmentat 1.3kW, 3000VSEM image ofcross-section of PTFEsurface treated withion beam at 2700V68

ePTFE for an artificial Dura MaterBiocompatibility of modified ePTFE for an artificial dura materePTFE (Expanded polytetrafluoroethylene) is one of the biomedical materials andis most extensively used in surgical in various anatomical sites. However, ePTFEas an artificial dura mater is often associated with postoperative leakage ofcerebrospinal fluid (CSF) because of its very low adhesiveness to fibrin glue andsurrounding tissues.SEM images for (a, b) non-irradiated ePTFE surface and cross-section, (e,f) 150keV1310 15 Ar + ions/cm 2 irradiated ePTFE surface and cross-section69

ePTFE for an artificial Dura MaterL929 Fibroblasts cultured for 24 hours onePTFE. L929 fibroblasts adhered onto ionbeamirradiated circular regions; (a) Ar + ,50keV 1310 14 ions/cm 2 irradiation, (b) Ar + ,150keV 1310 15 ions/cm 2 irradiationHistology of ion-beam irradiated ePTFE for one month afterimplantation; (a) Ar + , 50keV 1310 14 ions/cm 2 , Fibrolast-like cells(arrow) did not adhere to the ion-beam irradiated ePTFE surface.(b) Ar + , 150keV 1310 15 ions/cm 2 Fibrolast-like cells (arrow)invaded and anchored into the gaps created by ion-beamirradiation70

Biocompatibility of PE40keV Ar+ ions beamirradiated PEForeign body reactionagainst the nonirradiatedPE (a) andthe irradiated at afluence of 1310 14 cm -2and doped with acrylicacid (b). The foreignbody giantmultinucleate cells(arrow) coverpredominantly theirradiated and dopedstrip (b).71

Blood Vessels and GraftsIntima Media Adventitia IntimaMediaEndotheliumCross sectionLuminal cross sectionMediaExtra cellular matrix(elastin, collagen)MediaSmooth muscle cellsFibroblastsAdventitiaMedial tissueInterface of media and adventitia72

Blood Vessels and GraftsTissue Engineering ePTFE Blood VesselProf. I. S. Noh (SNUT)1. To improve the interaction between the ePTFE surfaceand the tissues of the biodegradable layers2. To induce cellular growth into the pores of the graft wallto connect together the tissues of adventia and intimaRegenerated Media tissuewallpore73

- 가속기란?- 양성자기반공학기술개발사업 개요 및 현황- 입자와 물질과의 상호작용 및 효과- 양성자빔/이온빔 이용 분야- 사업단의빔이용기술개발현황- 국외 연구 사례- 종합74

양성자빔 리소그라피양성자 빔 리소그라피 특장점: High aspect ratio, No masking necessaryION BEAM LITHOGRAPHY ANDNANOFABRICATION:A REVIEWInternational Journal ofNanoscienceVol. 4, No. 3 (2005) 269–28675

양성자빔 리소그라피 장치ION BEAM LITHOGRAPHY ANDNANOFABRICATION:A REVIEWInternational Journal of NanoscienceVol. 4, No. 3 (2005) 269–28628676

양성자빔 리소그라피“Fabrication of high aspect ratio 100 nm metallic stampsfor nanoimprint lithography using proton beam writing”Applied Physics Letters 85, 476 (2004)Proton beam writing stationProton beam lithography processing77

양성자빔 리소그라피“Proton beam writing”Int. J. Nanotechnology, 1, 464 (2004)2 MeV 양성자빔으로 조사된 다양한 PMMA resist block싱가포르대학 물리학과에서 양성자 빔을 이용한 3차원 구조,micro-machining에 관한 기술 특허78

Nerve Cell GrowthImprovement of Nerve Cell Affinity on PolymersProf. J. Ishikawa (Kyoto Univ.)Nerve Cell Engineeringby Negative-Ion ImplantationThis method can be applied to developments:(1) Artificial Nerve Network with living cells(2) Bio-interface ( nerve and ext. circuit )(3) Guide Tube of Nerve RegenerationResearch objects• “Good nerve cell affinity (nerve cell attachment and neurite outgrowthproperties) on polymers such as polystyrene and silicone rubber surfaces”Can it be obtained by negative-ion implantation ?• Is the longer and quicker nerve regeneration achievedby using ion-implanted silicone rubber tube ?79

Nerve Cell GrowthControl of Nerve Cell Attachment by Negative-Ion ImplantationSurface Treatmentby Negative-Ion Implantation (NII)EXPERIMENTSNerve cell and neurite outgrowth adhesionproperties were much improved bynegative-ion implantation to polystyrene,silicone rubber etc.Example MoviePC12h CellAttachmentNeuritesOutgrowthin the C-implantedregionMaterial:PolystyreneSilicone RubberPoly-Lactic AcidIon Species (Negative Ion):CarbonSilverCopperNerve Cell:PC-12h (Rat Adrenal Pheochromocytoma Cell)Rat Embryo Brain Nerve CellRat Bone-Marrow Stromal Cell80

Nerve Cell GrowthPC-12h Cell Attachment Properties on C-implanted PSPC-12h cells cultured on C-implanted PS at 3x10 15 ions/cm 2 with5, 10, 15 and 20 keV and a reference dish (type I collagen coated dish).r19bE4d50 mm 50 mm 50 mm50 mm50 mm5 keV 10 keV 15 keV 20 keV Ref. dishLow dose case:1x10 14 ions/cm 2After 2 days cultureNo cell attachmentHigh dose and high energy:3x10 16 ions/cm 2 at 20 keVCells attach over all areas, butalmost all cells touched theimplantation region.50 mm50 mm81

Nerve Cell GrowthNeurite Extension Properties of PC-12h Cells on C-implanted PSMeasurement of neurite lengthNeurite lengthAverage Length of Outgrowing Neurites onVarious C-implanted PS surfaces120Ref: Collagen coated PSThe suitable condition for the properproperties of cell attachment and neuriteoutgrowthEnergy(keV)Cell bodiesSuitableNeurite outgrowthIon dose (x10 15 ions/cm 2 )BestNeurite length ( μ m)100805 keV10 keV15 keV20 keVRef. dish5100.7-71-5336015200.7-100.7-72210 14 10 15 10 16Dose (ions.cm −2 )82

Nerve Cell GrowthNerve Cell and Neurite Outgrowth Adhesion Properties(PC-12h on polystyrene surfaces implanted by various negative ions)50 μm(a) Ag - /PS(b) C - /PS(c) Cu - /PS83

Nerve Cell GrowthNerve Cell and Neurite Outgrowth Adhesion Properties(PC-12h on various polymer surfaces implanted by carbon negative ions)(a) C - /polystyrene(b) C - /Silicone Rubber50 μm(c) C - / Polylactic Acid84

Nervous System RepairGraft Transplant and “Tubulation”Grafting operationMedical Treatmentfor a lost part ofPeripheral Nerve System(future)(Autogenous Nerve Grafting)RegenerationInsert of a Tube (chamber) between both nerve stumpsMedical operation of “Tubulation” or “Chamber Method”Peripheral Nerve TubeSpace for Regenerationpreventing invasion ofsurround tissueG. Lundborg et al.1982,L.R. williams et al. 1983proximal stump~ 24 weeks(a half year)distal stumpRegenerated nerve in the tubeThe longerregeneration isdesired forreal treatmentSilicone rubber tube has been used because of its good properties:Flexible, stable and inactive for nerve : cells and bio tissue.But, the regenerated length was only less than 10 mm of rat sciatic nerve.85

Tubulation to Rat Sciatic NerveNervous System RepairImplantation of SRT to Rats(Sprague-Dawley rats, 10 – 12 weeks old, weight 120 – 140 g)Insert a C-implanted silicone rubber (C/SR) tube between inter-stumps gap of15 mm in the right sciatic nerve of rats after exposed and cut off a part of it.The epineuria of the proximal and distal nerve stumps were sutured to each endof the C-implanted silicone rubber tube (18 mm long) with fine nylon sutures.Stitch the cut and breed for 12 weeks and 24 weeks.An exposedright sciaticnerve of ratInsert ofsiliconerubber tube86

Nervous System RepairAppearance of Regenerated Nerve12 weeks 24 weeksAll rats tubulated with C/SR tube developed neural tissue within the tubes.For the control (with unimplanted SR tube), none of the rats developedneural tissue.87

Nervous System RepairResults of Rat Nerve Regeneration- Regeneration of Myelinated AxonNumber of myelinated axon in regenerated nervePart of Regenerated nerveProximal sectionMiddle sectionDistal section- Electrophysiological Studies12 weeks1097383661327624 weeks1163890701127312 weeks: None of rats in the C-groupshowed any response in the sciaticnerve over the newly developed region.24 weeks: All rats evoked action potentialsin the pedal adductor muscles.(The nerve system was repaired.)more than 50 % ofmyelinated axons wereregenerated in 24 weeksC-implanted tube(24 weeks, 10keV, 3x10 15 ions/cm 2 )Control tube (unmodified)Nerve wasregenerated.Mean motor nerve conduction velocity: 90.1 %Amplitude of the action potential evoked in the pedal adductor muscle : 56.5%(The percentages were values related to the normal left-hand leg of limbs)10 mm88

Co-Cr and Ti Orthopedic DevicesSPIRE Biomedicals• Benefits- Improves hardness, wear and fretting resistance- Increases surface energy (hydrophilicity)- Reduces polyethylene wear debris- Creates a low friction surface- Improves corrosion resistance and reduces ion release- Preserves bulk material properties- Biocompatible and safe• Representative Applications- Knee, Hip prostheses- Shoulder implants- Elbow implants- Dental implants- Spinal screws- Orthodontic archwires- Finger joints- Fixation devicesIonGuard®Surface Treatmentfor Co-Cr and TiOrthopedicDevices89

NASA Space Radiation ProjectTo achieve human exploration and to develop the space without exceeding anacceptable level of risk from exposure to space radiationNASA has been developing ground-based research facilities to simulate thespace radiation environment and to analyze biological effects at the molecular andcellular level.90

NASA Space Radiation Laboratory at BNL91

양성자빔 조사후 부식성 변화92

양성자빔 조사에 의한 흑연의 자화93

고선량 양성자빔 조사에 따른 광학특성 변화94

자동차 부품 내열성 향상 연구• 에너지 절약을 위해서는 자동차부품 중 베어링재와 엔진부의 피스톤링의 마찰 계수를 낮게 하고, 터보차저의 내열성을 향상시키는 것이 필요하다. 베어링 강철에이온 주입하는 것으로써 마찰계수가 낮아지며, 피스톤링에 이온주입, 터보차저에이온주입을 하여 각각 마찰계수와 내열성을 향상시킨다. (도요다 자동차, BMW)자동차 엔진 부품 (Turbocharger カム、シム Rotor)ピストンPiston(DL Cコーティ ング)TurbineタービンハウジングRotors過 給 機 ロ ータ• Nb 이온주입– 내산화성 향상– 사용온도 700℃→850℃로 향상– 마찰계수 감소로 인한 수명 향상– 사용온도 상승으로 인한 에너지효율 상승ターボチャージャーTurbochargerコンプレッ サーハウジングCompressor95

이온빔 조사 실용화 사례플라스틱 금형 (수명 2~3배 향상)면도기 (윤활성 증가)광학 유리 (여러가지 칼라의 다양성)고효율 반사경(반사효율 증가)96

이온빔 조사 실용화 사례생체적합성 향상• O, F, Ar 이온주입– 친수성, 생체적합성 살균성 향상– 인공심장의 판막재료– 콘택트렌즈(일주일 연속착용 가능)– 인공혈관내벽재료– 혈액검사용 chip97

이온주입 후 기체 투과도 변화• 촉매, 바이러스 분리, 디젤 엔진 방출티끌 처리, 오수처리 등 환경 대책,에너지 절약화를 위한 재료에 이온빔 가공을 이용하여 나노 사이즈의 미세구멍 제어와 기능성 다공막재료를 개발98

자외선 차단 필름 개발1009080UV-CUV-AUV-BPristineVisible1009080UV-CUV-AUV-BPristineVisibleTransmittance (%)70605040305X10 15 ions/cm 21X10 16 ions/cm 2Transmittance (%)706050403020keV30keV40keV207X10 16 ions/cm 22050keV101000200 300 400 500 600 700 800Wave Length (nm)200 300 400 500 600 700 800W ave Length (nm)• 질소이온주입(50keV, 7E+16 ions/cm 2 ) PC 필름의 자외선 차단 비율 : > 95%[UV Protection films treated by ion beam][Sun-Cap]99

고분자 표면의 친수성/소수성PET문헌 접촉 각:76 oPS문헌 접촉 각:91 oPPPristineN+2 Xe +68 o57 o 62 oPristineN+2 Xe +74 o58 o 58 oPristineN+2 Xe +113 o 68 o 65 o• 아르곤이온주입에 의한 폴리머 표면 접촉각의 변화 (PTFE, 1X10 17 ions/cm2, Ref : 일본 히타찌)100

- 가속기란?- 양성자기반공학기술개발사업 개요 및 현황- 입자와 물질과의 상호작용 및 효과- 양성자빔/이온빔 이용 분야- 사업단의빔이용기술개발현황- 국외 연구 사례- 종합101

종합- 양성자빔/이온빔의 폭넓은 활용성NT, BT, ST, IT, 의료 등 다양한 분야에서 활용되고 있음국내에서는 저에너지 빔을 중심으로 산업적 활용 가속화고에너지 양성자빔의 연구는 양성자가속기사업과 함께 발전 중- 재료분야에서는물질이나 소자 시험 : 우주환경빔 조사에 따른 미소 구조 변화 및 특성 변화 연구이온빔 가공 : 리소그라피, 표면 거칠기표면 특성 향상기계적 특성 : 내마모성, 윤활성 등화학적 특성 : 내부식성, 생체적합성 등광학적 특성 개선 : 자외선 차단 필름102

감사합니다.103