용용용용PET(positron Emission Tomograph)PET(positron Emission Tomograph)PET(positron Emission Tomograph)PET(positron Emission Tomograph)

의 성장 및 광특성 분석의 성장 및 광특성 분석의 성장 및 광특성 분석의 성장 및 광특성 분석Scintillator CrystalScintillator CrystalScintillator CrystalScintillator Crystal

2005 . 06 . 302005 . 06 . 302005 . 06 . 302005 . 06 . 30

과제책임자과제책임자과제책임자과제책임자 연세대학교연세대학교연세대학교연세대학교 이명규이명규이명규이명규

수혜기업수혜기업수혜기업수혜기업 주 아이블포토닉스주 아이블포토닉스주 아이블포토닉스주 아이블포토닉스( )( )( )( ) 이상구이상구이상구이상구

한국산업기술재단한국산업기술재단한국산업기술재단한국산업기술재단

- 2 -

접수일자접수일자접수일자접수일자

단기애로기술지원과제 결과보고서단기애로기술지원과제 결과보고서단기애로기술지원과제 결과보고서단기애로기술지원과제 결과보고서

과제명용 의 성장 및 광PET(postron Emission Tomograph) Scintillator Crystal

특성 분석

과제책임자

성 명이 명 규 소 속 연세대학교 전 화 02 - 2123 - 2832

연구비 총액

단위 천원( : )원19,000,000 연구기간 시작일로부터 개월6

신청기업명

대표자성명( )

주 아이블포토닉스( )

이 상 구( )주생산품 단결정PMN-PT

실무 담당자

직 위( )신민철 선임( )

전화 ***) *** - ****

FAX ***) *** - ****

공 장 주 소경기도 시흥시 정왕동 ****-**

**** ** ***-* e-mail *******@*****.***

산업기술지원단 운영을 통한 기술지도 및 인력양성사업 중 단기애로기술지원“ ”

사업에 의하여 완료한 용(PET(Postron Emission Tomograph) Scintillator

의 성장 및 광특성 분석 에 관한 과제수행의 연구결과보고서를 별첨과Crystal )

같이 제출합니다.

별첨별첨별첨별첨:::: 과제결과보고서 부과제결과보고서 부과제결과보고서 부과제결과보고서 부1. 7 .1. 7 .1. 7 .1. 7 .

보고서수록디스켓 또는 부 끝보고서수록디스켓 또는 부 끝보고서수록디스켓 또는 부 끝보고서수록디스켓 또는 부 끝2. CD 1 .2. CD 1 .2. CD 1 .2. CD 1 .

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2005 6 302005 6 302005 6 302005 6 30

전담멘토 소속기관장전담멘토 소속기관장전담멘토 소속기관장전담멘토 소속기관장 :::: 정 창 영정 창 영정 창 영정 창 영

수혜업체대표자수혜업체대표자수혜업체대표자수혜업체대표자 :::: 이 상 구이 상 구이 상 구이 상 구

연 구 책 임 자연 구 책 임 자연 구 책 임 자연 구 책 임 자 :::: 이 명 규이 명 규이 명 규이 명 규

한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하

- 3 -

지원결과 요약서지원결과 요약서지원결과 요약서지원결과 요약서

과 제 명용 의PET(Postron Emission Tomograph) Scintillator Crystal

성장 및 광특성 분석

소속기관 연세대학교 과제책임자 이 명 규

과제수행기간 개월2005. 1. 1 6. 30 (6 )～

총과제비

단위 천원( : )

정부 출연금수혜기업부담금

합 계현 금 현 물

14,000 2,000 3,000 19,000

수혜기업 주 아이블 포토닉스( ) 대표자 이 상 구

주 제 어 PET, Scintillator Crystal

기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표1.1.1.1.

차세대 의료영상 장치로 각광받고 있는 양전자 단층촬영 장치 용PET( )

섬광체 재료 분야에 있어서 업체 스스로 계속적인 연구와 개발을Scintillator( ) ,

수행할 수 있는 역량강화 및 용 단결정의 성장 및 분석 분야의 전문인력 양PET

성

기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위2.2.2.2.

이론 연구 및 관련기술 동향 분석1)

섬광체 결정 탐색2)

섬광 메커니즘 연구3) (scintillation)

섬광결정 성장을 위한 준비4)

기술지원 성과기술지원 성과기술지원 성과기술지원 성과3.3.3.3.

정성적 성과1)

가 기술개발 측면)

나 기업전략의 기여도 측면)

다 인력양성 종합의견)

정량적 성과2)

가 적용제품 시장전망)

나 인력양성 측면)

활용방안 기대효과활용방안 기대효과활용방안 기대효과활용방안 기대효과4. ( )4. ( )4. ( )4. ( )

등 다양한 방면으로 응용이 가능한 기술에X-ray imager, X-ray CT, SPECT PET

대한 전반적인 이해를 통하여 기술개발에 필요한 기틀을 마련.

추후 사업화에 소요될 시간과 비용의 절감( )

- 4 -

목 차목 차목 차목 차

과제목표과제목표과제목표과제목표1.1.1.1.

과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성2.2.2.2.

과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성2-1.2-1.2-1.2-1.

경제 산업적 측면경제 산업적 측면경제 산업적 측면경제 산업적 측면(1) ·(1) ·(1) ·(1) ·

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면(2)(2)(2)(2)

사회적 측면사회적 측면사회적 측면사회적 측면(3)(3)(3)(3)

국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황2-2. ·2-2. ·2-2. ·2-2. ·

과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위3.3.3.3.

과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위3-1.3-1.3-1.3-1.

과제의 평가방법과제의 평가방법과제의 평가방법과제의 평가방법3-2.3-2.3-2.3-2.

과제의 성과과제의 성과과제의 성과과제의 성과4.4.4.4.

정성적 성과정성적 성과정성적 성과정성적 성과4-1.4-1.4-1.4-1.

기술개발 측면기술개발 측면기술개발 측면기술개발 측면(1)(1)(1)(1)

기업전략의 기여도기업전략의 기여도기업전략의 기여도기업전략의 기여도(2)(2)(2)(2)

인력양성 종합의견인력양성 종합의견인력양성 종합의견인력양성 종합의견(3)(3)(3)(3)

정량적 성과정량적 성과정량적 성과정량적 성과4-2.4-2.4-2.4-2.

적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망(1)(1)(1)(1)

인력양성 측면인력양성 측면인력양성 측면인력양성 측면(2)(2)(2)(2)

활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과5.5.5.5.

세미나 참고자료세미나 참고자료세미나 참고자료세미나 참고자료＊＊＊＊

- 5 -

과제목표과제목표과제목표과제목표1.1.1.1.

차세대 의료영상 장치로 각광받고 있는 양전PET(Positron Emission Tomograph,

자 단층촬영 용 섬광체 재료 분야에 있어서 업체 스스로 계속적인 연) Scintillator( ) ,

구와 개발을 수행할 수 있는 역량강화 및 용 단결정의 성장 및 분석 분야의 전PET

문인력 양성.

과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성2.2.2.2.

과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성과제의 목적 및 중요성2-1.2-1.2-1.2-1.

경제 산업적 측면경제 산업적 측면경제 산업적 측면경제 산업적 측면(1) ·(1) ·(1) ·(1) ·

의료 전자기기는 일반적으로 부가가치가 매우 높은 첨단 장비로서 미국 독일 및,

일본 등의 선진 외국들이 기술발전 및 시장을 주도하여 왔다 전자의료기기 중에서.

도 특히 등의 영상진단장치들은 현대의학의 발전을 뒷받침하여 왔X-Ray, MRI, CT

으며 산업적인 측면에서도 가치가 매우 높다 특히 기술은 핵의학 분야에서. PET

질병의 진단을 위해 사용하는 최신 영상검사법들 중 하나로써 각종 질병의 조기,

진단과 미세 변화를 관찰할 수 있어 오늘날 큰 주목을 받고 있다 또한 는 그. , PET

동안 관찰할 수 있는 특별한 방법이 없어 미지의 과제로 남아있던 두뇌활동 연구

분야로의 가능성을 보여주고 있어 전 세계적으로 기술에 대한 관심이 더욱 집PET

중되고 있다 현재 세계적으로 기술은 일부에서만 실제 의료영상장비로써 사용. PET

되어지고 있지만 그 성능향상에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있어 앞으로,

의 이용도는 점차 늘어갈 것이며 년 내에 현재 를 대체하게 될PET 5~10 CT, MRI

것이라 예상된다.

- 6 -

최첨단 의료 영상장비의 개발은 과학 그리고 의학적으로 많은 연구와 관심 속에 이

루어져야 한다 매년 이상 성장하고 있는 산업은 년에는 반도체 시장을. 15% BT 2008

추월하고 년에는 정보통신 시장을 능가할 것으로 예상되며2020 ,1) 또한 이 분야는

기술집약적 고부가가치 산업으로써 국제경쟁력을 유지하고 발전시키기 위하여 지속

적인 연구 및 제품 개발이 필요한 분야이다 그 중 가장 큰 가능성을 보여준 기. PET

술은 앞으로 새로운 첨단 의료 영상장비로서의 역할을 할 것이다 이를 위해. , PET

기술의 최대 단점인 해상도를 높이기 위한 연구와 개발은 필수적이다 낮은 해상도.

의 근본적인 원인인 의 성능 향상을 위해 좋은 특성을 지닌Scintillator Scintillator

재료의 개발에 대한 연구는 가장 중요하고 시급한 과제이다.

1) 매일경제 황우석서울대 포스트 생명공학, 2004/03/05, ( ), “ IT ”

- 7 -

기술적 측면기술적 측면기술적 측면기술적 측면(2)(2)(2)(2)

현재 가장 널리 사용되고 있는 영상검사법들인 선 전, CT(computed tomograph, X

산화단층 촬영 와 자기공명영상 기기들은 선) MIR(magnetic resonance imaging, ) X

의 인체 내 투과도나 자기에 의한 인체의 공명현상을 이용한 해부학적 영상을 제공

하고 이를 이용하여 질병들의 형태변화를 관찰할 수 있었다 반면 기술의 경, . , PET

우 방사성 동위 원소를 추적자로 이용하여 이들 추적자의 분포에 의한 인체의 미,

세한 생화학적 현상을 예민하게 찾아내어 그 영상을 제공한다 즉 살아있는 인체. ,

내부의 생체대사를 알 수 그러므로 검사를 이용하면 대개 형태변화 이전에 생PET

화학적 변화를 일으키는 질병을 조기에 발견할 수 있다 개발 초기에는 주로. PET

연구목적으로 사용하였지만 현재는 임상에서 질병의 생물학적 현상규명이나 난치,

성 뇌신경계 질환 자궁암 유방암과 같은 악성종양의 조기진단과 치료방법 결정 및, ,

예후 평가 심근 생존능 검사 등에 큰 도움이 되고 있다, .

검사의 간단한 원리는 다음과 같다 진단 대상이 되는 생체내에 양전자를 방출PET .

하는 방사성 의약품을 정맥주사나 흡입등의 방법으로 주입한 후 이물질의 생체내

분포를 영상화 시키는 것이다 생체내에 주입된 방사성 의약품은 신체 안에서 양전.

자를 방출하고 이 양전자는 가장 가까운 전자와 결합하여 양, Positron Annihilation(

전자 소멸반응 을 일으킨다 이 반응에서 발생된 에너지의 양방향 감마선) . 511KeV

쌍을 원형 형태의 감마선 를 통하여 검출하고 검출된 결과를 재구성하여scanner ,

방사성 의약품 분포에 대한 공간적 위치 정보를 영상화 한다.

가령 현재 가장 많이 사용되는 추적자인 라는 포도당, Fluoro-Deoxyglucose(FDG)

추적자의 경우 아래 그림처럼 일반세포에 비해 암세포가 포도당을 배 더 많이3~8

소모하는 점을 이용하여 이들 포도당 추적자를 생체내에 주입한 후 이들이 축적된

위치를 밝힘으로써 암세포의 위치를 파악하는 것이다.2)

2) 김희중 최용 핵의학기기와정량분석 핵의학교육연구회편저서울고려의학, , , ( , 1997). pp 21-34

- 8 -

암세포는 정상보다 배 많은암세포는 정상보다 배 많은암세포는 정상보다 배 많은암세포는 정상보다 배 많은1. 3~81. 3~81. 3~81. 3~8

포도당을 섭취포도당을 섭취포도당을 섭취포도당을 섭취

포도당에 양전자를 합성시킨포도당에 양전자를 합성시킨포도당에 양전자를 합성시킨포도당에 양전자를 합성시킨2.2.2.2.

약제 를 추적자로 생성약제 를 추적자로 생성약제 를 추적자로 생성약제 를 추적자로 생성(FDG)(FDG)(FDG)(FDG)

를 체내에 주사하여 암세포에를 체내에 주사하여 암세포에를 체내에 주사하여 암세포에를 체내에 주사하여 암세포에3. FDG3. FDG3. FDG3. FDG

를 축적시킴를 축적시킴를 축적시킴를 축적시킴FDGFDGFDGFDG

체내에서 나오는 신호를 장비로체내에서 나오는 신호를 장비로체내에서 나오는 신호를 장비로체내에서 나오는 신호를 장비로4. PET4. PET4. PET4. PET

검출하여 영상화검출하여 영상화검출하여 영상화검출하여 영상화

의 핵심기술은 양전자 방출체를 표지하여 방사성 의약품을 제조하기 위한 의료PET

용 사이클로트론과 원형링 검출기를 가진 스캐너이며 스캐너의 핵심기술PET , PET

은 감마선 검출기 신호처리 시스템 동시계수회로 의 제어 및 영상재구성 기, , , PET

술등이며 기술을 이용하기 위해 필요한 요소들로 양전자 를 방출할, PET Positron( )

수 있는 방사성 원소가 함유된 의약품 신체 내에서 발생되는 을 측정할, Positron

수 있는 장치 그리고 감마선으로부터 검출된 신호로부터 영상을 재구성하Scanner

는 장치들이 있다 에 사용되는 방사성 의약품은 양전자를 방출하는 동위원소. PET

를 싸이클로트론을 이용하여 제조한 후 질병의 진단에 유용한 의약품에 첨가하여,

만들어진다 다음으로 감마선 쌍을 검출하는 는 섬광체 와. Scanner Scintillator( )

광전자중배관 신호처리 시스템 동시계수 회로 등으로 구성Photomultiplier Tube( ), ,

된다.

에 사용되는 방사성 화합물은 여종으로 물 산소 이산화탄소 포도당 아미PET 500 , , , ,

노산 지방산등에 방사성 동위원소인,11C,

13N,

15O,

18등을 표시하여F C

15O, [

13N]

암모니아, H2

15O,[

18등 합성한 양전자 방출체들로써 사이클로트론을 통하여F] FDG

제조된다.

한 쌍의 양방향 감마선을 검출하기 위해서는 역시 서로 마주보는 한 쌍의 검출기가

필요하다 감마선이 방출된 위치는 감마선을 감지한 한 쌍의 검출기를 연결하는 직.

선상의 어느 곳이 된다.

- 9 -

이 위치를 알기 위하여 필요한 장치가 동시회로 이다 각 검출(coincidence circuit) .

기 쌍에 대하여 하나의 동시 회로를 부착하여 동시 혹은 더 정확히 말하면 일정한

짧은 시간 내에 검출기에 도달한 감마선만을 선택하여 방출 위치를 계산하거나 유

효 감마선만을 추출하게 된다 마지막으로 감마선 감지를 통한 위치정보로 영상을.

재구성하는 원리는 나CT SPECT(single photon emission computed tomograph)

와 유사하다.

의 여러 구성 부분들 중 개발 초기부터 활발이 진행된 분야들 중 하나는PET PET

의 장치에 속하는 소자 개발 부분이다 그리고 지금까지도PET Scanner Scintillator .

세계적으로 연구용 또는 의료용 에 사용할 새로운 감마선PET scanner Scintillator

재료에 대한 연구가 진행 중에 있다 그 이유는 좋은 특성의 재료를 이. Scintillator

용하여 낮은 해상도를 갖는 의 단점을 보완하기 위해서이다 가 양전자 소PET . PET

멸반응을 통해 미세한 변화를 감지할 수 있지만 소멸반응으로 인한 감마선을 감지,

하는 부분에서 효율이 떨어지는 문제가 있어 다른 영상기기에 비해 낮은 해상도를,

갖으며 영상의 정확도가 떨어지는 단점을 지닌다 이는 감마선을 직접 감지하는.

의 특성과 검출된 감마선을 계수하는 의 성능의 문제이다 그래서Scintillator System .

좋은 특성을 갖는 감마선 재료 개발은 의 성능향상에 있어 꼭 필요Scintillator PET

한 부분이고 개발초기부터 지금까지 지속적인 관심과 연구의 대상이 되고 있다, .

- 10 -

기술의 년 이후 년간의 중요한 발전은 공간분해능이 로부터PET 1975 20 14mm

로 배이상 향상되었고 원형링 형태의 감마선 검출기수가 개로부터4mm 3 , 64 19,000

개로 배 증가하였으며 데이터 처리능력이 로부터 로 배 향상된300 4KB 4MB 1,000

것이다.

재료 개발은 기기의 성능향상에 다음과 같이 중요한 역할을 한다Scintillator PET .

첫째 소자의 크기를 최소화함으로써 기기를 소형화 할 수 있다 높, Scintillator PET .

은 에너지를 갖는 감마선을 검출해야만 하는 는 그 크기를 작게 만드는Scintillator

데 있어 한계를 갖는다 즉 높은 검출 효율을 위해서 는 대개 최소한. , Scintillator

감쇠 길이 의 두 배 정도의 길이를 가져야만 한다 그러므로attenuation length( ) .

가 짧은 재료의 를 사용한다면 감마선 의 크attenuation length Scintillator , scanner

기를 소형화할 수 있고 결과적으로 소형의 기기를 만들 수 있게 된다PET .

둘째로 재료의 특성은 의 에도 큰 영향을 미친다 는Scintillator PET Resolution . PET

기기에 쓰이는 재료와 감마선 측정의 원리에 따라Scintillator Energy resolution,

을 갖는다 이 중 의Timing resolution, Spectral resolution . PET Energy resolution

은 소자가 갖는 광전효율 과Scintillator Photoelectric fraction( ) Light output

광출력 에 크게 의존한다 높은 과 높은power( ) . Photoelectric fraction Light output

를 갖는 재료는 의 해상도를 향상시켜 더욱 정확한 영상을 받power Scintillator PET

아볼 수 있게 한다.

셋째 빠른 을 갖는 재료는 의 을 높인, Decay time Scintillator PET Timing resolution

다 에서 발생하는 감마선을 원 모양으로 배열된 들. Positron Annihilation Scintillator

을 통하여 감지하고 이를 동시계수 의 방법으로 검출하여Time-coincidence( )

이 일어나는 장소를 알아내는 에 있어서 재료Positron annihilation PET , Scintillator

의 이 빠를수록 이 빨라져 시간적 오차를 최소화 할 수 있Decay time Scintillation

고 결과 을 높일 수 있다 또한 빠른 현상을 보임으Timing resolution . Scintillation

로써 영상을 보다 빠르게 받아볼 수 있게 한다, PET .

마지막으로 재료결정의 성장과 생산에 있어서 경제성이 좋은 재료는Scintillator ,

장비제조에 많은 비용이 들어가는 기기의 경제성을 향상시킬 수 있으며 감마선PET

뿐 아니라 선 검출에도 응용할 수 있어 개발에 대한 필요성은 매우 크다X .

- 11 -

사회적 측면사회적 측면사회적 측면사회적 측면(3)(3)(3)(3)

전 세계적으로 증가하고 있는 삶의 질에 대한 변화요구와 가속화되고 있는 노령화

사회로의 변화를 볼 때 의료수요는 앞으로도 꾸준히 증대되리라 예상된다 또한, .

기술의 발전과 더불어 분야의 급속한 기술발전은 의학분야의 발전과 더불IT, NT BT

어 임상수요증대를 가속화 할 것으로 전망되며 이에 따라 응용기술 분야가 확대되,

고 기술개발이 촉진되어 관련 산업이 더욱 활성화될 가능성이 높다 그러나 일반적. ,

인 의료용 영상장비가 보편화되고 반도체 및 회로기술의 발전에 따라 중저가 제품

의 가격이 하락하여 의료 영상 분야의 후발국들 간의 경쟁은 심화되어 상대적으로

판매규모가 감소할 가능성이 있다 따라서 대규모 연구비 투자가 필요한 고가 및.

새로운 응용분야에서 선진국의 독주를 따라잡는 방법만이 무한경쟁 시대의 글로벌

시장에서 살아남는 길이 될 수밖에 없다.

현재 세계의 영상진단기기 시장은 년 기준 억 달러 정도로서 미국의1999 100 GE,

일본의 독일의 가 세계시장의 를 차지하고 있으며 세계시장Toshiba, Simens 80%

규모는 연평균 의 성장을 보이고 있다 이들 시장은 전 세계적으로 막대한 연5.6% .

구비를 투자하고 있는 등 소수 대기업 중심의 산업GE, Siemens, Philips, Toshiba

으로 재편되고 있으므로 국내의 경우 연구개발을 민간에만 맡길 경우 국제경쟁력,

의 격차가 급속도로 심화될 수 있는 위험이 존재한다 하지만 기술개발이 조. PET

기에 성공할 경우 국내 산업의 발전과 더불어 조기 암진단 등 국민 보건수준 향상

에 크게 기여할 뿐만 아니라 현대의학의 발전의 토대가 될 것으로 판단된다.

- 12 -

국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황국내 외 관련기술의 현황2-2. ·2-2. ·2-2. ·2-2. ·

의 배경의 배경의 배경의 배경(1) PET(1) PET(1) PET(1) PET

년 가 방사선을 발견한 이래 여러질병에 대해 방사성 의약품을 이1897 Marie Curie ,

용하려는 시도는 계속 되어 왔다 년 가 싸이크로트론을. 1929 Ernest O. Lawrence

발명함으로써 진단과 치료에 필요한 방사성 동위원소를 인공적으로 만들어 낼 수있

게 됨에 따라 핵의학분야는 비약적으로 발전할 수 있었으며 최초로 양성, Positron(

자 을 이용한 인간 신체내의 의학적 이미지를 볼 수 있는 기기는 과) Brownell

에 의해 년 에서 만들어졌다Sweet 1951 Massachusetts General Hospital .

그 최초의 기기는 감마선 로써 매우 간단한 개의 이Positron imaging Detector 2 Ti

도핑된 이 사용되었다 이것이 현재의 기술의 시초가 되었다 그NaI Crystal . PET .

이후로 많은 과학자와 의료진들에 의해 현대적인 으로의 개발과 발전이 이루어PET

져왔다 특히 년 미국 대학에서는 조장희 박사의 그룹에서 최초의 링. , 1975 UCLA

모양의 감마선 를 이용한 기기를 개발하였으며 이 최초의 원형 는Detector PET PET

이라고 불리워지고 있다 이 기기는 그 이후로 개발의 방향에Cho's Ring . PET PET

있어 이론적 실체를 제공하였다 현재 세계적으로 연구소 의료분야의 기업체 큰. , ,

병원에서 기기는 큰 관심을 받고 있으며 완벽한 기기 개발에 박차를 가하PET , PET

고 있다.3)

관련 문헌정보 분석관련 문헌정보 분석관련 문헌정보 분석관련 문헌정보 분석(2) PET(2) PET(2) PET(2) PET 4)

관련 기술문헌의 연도별 발표추이를 살펴보면 아래 그림과 같이 년이후 계PET 1990

속적으로 증가되어 오다가 년을 기점으로 년까지 점차적으로 다시 감소하1998 2002

는 형태를 보였다 이는 의 개발이후 이를 대체할 만한 차세대 섬광결정이 나. LSO

타나지 않았기 때문으로 추론할 수 있다.

3) Ronald Nutt. The History of Positron Emission Tomography. Molecular Imaging and Bilogy,

Vol. 4. No. 1, 11-26. 2000

4) 출처 한국 과학기술 동향정보 네트워크: KISTEP ( )

- 13 -

또한 관련 문헌의 국가별 분포를 살펴보면 미국이 건 으로 가장 많PET 718 (48%)

고 그 다음이 캐나다 건 순서로 미국 캐나다 영국 일본 독일등 선진, (151 , 10%) , , , ,

국에서 연구활동이 활발한 것을 알 수 있다.

관련 문헌의 국가별 분포관련 문헌의 국가별 분포관련 문헌의 국가별 분포관련 문헌의 국가별 분포<PET ><PET ><PET ><PET >

- 14 -

또한 관련 기술의 분야별 비율을 살펴보면 생명공학 분야가 로 가장 많고PET 30% ,

그 다음이 컴퓨터 소프트웨어 및 데이터 처리분야 광 및 광기기 분야로 각각,

로 의 핵심분야는 생명공학 컴퓨터 광학분야임을 알 수 있다24%, 13% PET , , .

관련 특허에 대해서도 출원인의 국적을 살펴보면 아래 그림과 같이 미국이PET

건으로 가장 많고 일본이 건 으로 미국 일본이 선도적인 역할을 하고134 , 22 (13%) ,

있음을 알 수 있다.

관련 특허의 출원인 국적현황관련 특허의 출원인 국적현황관련 특허의 출원인 국적현황관련 특허의 출원인 국적현황< >< >< >< >

용 섬광체 개발의 배경용 섬광체 개발의 배경용 섬광체 개발의 배경용 섬광체 개발의 배경(3) PET(3) PET(3) PET(3) PET

기기의 발전과 함께 기기 내의 감마선 로 사용되어질PET PET Detector Scintillator

재료에 대한 연구도 계속되어 왔다 그 과정에서 최초의 재료인 는. Scintillator NaI

더 좋은 특성을 보이는 몇 개의 다른 로 대체되어 왔다 그 결과 현재는 어Crystal .

느정도 우수한 특성을 보이는 이 개발되었지만 의학적으로 원하Scintillator Crystal

는 기준에는 미치지 못하고 있어 지금도 새로운 재료를 찾으려는 노력과Scintillator

효율향상을 위한 노력이 계속되고 있다.

- 15 -

초기의 모델에서는 로서 을 사용하였고 이 때 낮은PET Scintillator NaI(Ti) Crystal ,

감마선 성능을 향상시키기 위해 의 배열과 모양에 대한 연구가Detecting Detector

많았었다 그 당시에 새롭게 발견된 라는 재료. BGO(Bismuth-germanate) 5)는 PET

의 감마선 감지 효율을 높여주는 획기적인 결과물이었다 와 에 의해. Nester Huang

처음으로 의 의 특성이 연구되었고 조장희박사와 가BGO Luminescene , Farukhi PET

로의 응용에 대한 평가를 하였다 결과 년대 중반까지 를 로. 1970 NaI(Ti) Scintillator

사용하여 연구되던 는 로 바뀌게 되었다PET BGO .

그 이후로 감마선을 검출하기 위한 새로운 에 찾기 위한 노력은Scintillator Crystal

더욱 활발이 진행되었다 그 결과로 적지 않은 새로운 재료들의 뛰어난 특성이 발.

견되었지만 그 중 현재 의 로써 가장 적합한 특성을 보이고 있는, PET Scintillator

이 이 도핑된 이다Crystal Ce LSO(Lutetium Oxyorthosilicate) .6) 는LSO 1989~1992

년 사이에 의 에 의해 성장 연구되Schlumberger Technology Cooperation Melcher ,

어졌다 그러나 의 정련 시 매우 큰 비용이 들어갔기 때문에 의 개. Lu(lutetium) PET

발은 오직 연구정도의 수준에 머물렀지만 에서 의 완벽University of Tennessee Lu

하고 경제적인 정련이 이루어진 이후로 상업적으로 를 이용한 의 개발이LSO PET

진행되고 있다.

이외에도 로써 가능성을 다른 종류의 들도 지금까지LSO Crystal Scintillator Crystal

다수 보고되어져 있다 이 아닌 다른 희토류 원소를 이용한. Lutetium

등이 있다 이GSO(Gadolinium Oxyorthosilicate), YSO(Yttrium Oxyorthosilicate) . Ce

도핑된 는 년 일본의 의 에 의해 보고되었GSO 1983 Central Research Lab. Takagi

고 를 포함한 다른 의 들의 특성들도, YSO rare earth element orthosilicate Crystal

년 의 에 의해 그 특성의 결과가 나와 있다 그러나 이1986 AT&T Bell Lab. Brandle .

들은 에 비해 어느 한 가지 특성에 대해서는 우수한 성능을 나타내기도 하였지LSO

만 의 로써 역할에 있어서 에 비해 전체적으로 한계점을 가지고, PET Scintillator LSO

있다고 알려져 있다 다음의 표에서 지금까지 개발되어 보고되어진 각. Scintillator

들중 상용화 단계에 근접한 재료의 특성을 수치화하여 나타내었다Crystal .

5) 조장희, Farukhi M., BGO as a potential sclntillation detector in possitron cameras. J. Nucl.

Med. 18:840-844, 1977

6) Melcher. C.L et al., Cerium doped lutetium oxyothosilicate: a fast, efficient new scintillator.

I.E.E.E. Trans. Nucl. Sci. 44:1161-1166, 1977

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표표표표< 1 >< 1 >< 1 >< 1 >

와 는 보다 밀도 와 유효원자번호 가BGO LSo NaI Density( ) Effective atomic number( )

높아 우수한 감마선 저지능 를 가지고 있다 또한 와 는Stopping power( ) . LSO YSO

나 보다 이 짧아 높은 을 얻을 수 있다 특히NaI BGO Decay time Timing Resolution .

는 높은 광출력으로 우수한 을 갖는다 그러나 전체적으로YSO Energy Resolution .

본다면 의 물리적인 특성이 고르게 뛰어나다 표 에 나타나 있는 희토류원, LSO . < 1>

소의 외에도 빠른 과 높은Oxyorthosilicate Crystal Decay time Light output power

를 보이는 재료에 관한 연구 결과도 적지 않고 최근까지도 여러 곳에서 연구가 진,

행 중이다 가 도핑된 와. Ti CsI CeF , BaF , CWO(CdWO ), PWO(PbWO ),₃ ₂ ₄ ₄

등과 같은 재료들도 로써의 그 특성이 밝혀졌다 이들도PbFCI, LaBr Scintillator .₃

마찬가지로 한 가지 특성은 다른 재료에 비해 뛰어나지만 다룬 부분에서 한계를 가

지고 있거나 상용화에는 기술적 경제적으로 어려움이 있어 큰 주목을 받지는 못하, ·

고 있다 그래서 지금까지 개발되어진 의 재료로써 가장 우수한 특성을. Scintillator

가지고 있는 재료는 이라 할 수 있다LSO Crystal .

현재의 의 감마선 에 관한 연구는 크게 세 방향으로 나눌 수 있다PET Detector .

첫째는 지금까지 개발되어진 감마선 검출의 소자들 중 가장 우수한 성, Scintillator

질을 보여 주고 있는 의 성능을 더욱 개선시키는 방향이다 와 가 갖LSO . GSO YSO

는 뛰어난 특성 부분을 에 결합시키기 위해 네델란드 독일 그리고 미국 등에LSO , ,

서 와 같은 을 성장시켜 그 특성을 연구하고 있고 그 중 몇몇LGSO, LYSO Crystal ,

의 결과는 보고되어 있다.

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또한 로써의 가 가장 좋은 효율을 얻을 수 있는 크기와 모양Scintillator LSO ,

로 만들었을 때의 배열에 관한 연구도 여러 곳에서 진행중이다Detector .

두 번째는 를 대신할 수 있는 새로운 의 개발하는 방향이다LSO Scintillator Crystal .

지금까지 보고되어진 외에 최근에도 감마선 로써의 새로운Crystal Detector Crystal

의 성능이 계속하여 보고되고 있다 가장 최근의 결과로 중국에서 이 의. Chen PbFCI

경우7) 매우 짧은 과 높은 밀도를 갖고 있어 의 감마선Decay time PET Scintillator

로 사용할 수 있는 가능성에 관한 보고가 있으며, LaBr3의 경우8) 와 비슷한LSO

과 에 근접한 광출력을 보여 최근 관심이 집중되고 있다Decay time YSO .

세 번째는 가 아닌 다른 종류의 감마선 를 개발하는 방향이다Scintillator Detector .

최근 반도체를 이용하거나 와 광다이오드를 결합한 형태의 개발Scintillator Detector

을 시도하고 있다 반도체의 경우 이미 상업화 단계에 있다 등을. . CdTe, CdZnTe

이용하여 검출기를 소형화하는 장점을 갖지만 경제성과 고해상도 영상을 얻기 위,

한 의 개발 등 문제점을 가지고 있다 광다이오드를 이용하는 경Read-out System .

우도 마찬가지로 소형화 의 향상 등 장점을 갖지만 아직 고해상도의 영, Resolution

상을 얻기 위해서는 계속되어진 연구와 개발이 필요한 상황이다.

위의 가지 방향으로 현재 의 재료의 연구는 국내뿐만 아니라 세계3 PET Scintillator

여러 곳에서 큰 관심을 가지고 연구가 진행 중이다 최근의 융합기기를. MRI-PET

위한 연구소의 건립도 의 감마선 의 성능을 높이기 위한 한 방법이라PET Detector

할 수 있다 해상도와 정확도가 떨어지는 에 해상도가 높은 의 장점이 합쳐. PET MRI

진다면 매우 우수한 성능의 의료영상장비가 될 것이다 그러나 새로운. Scintillator

의 개발을 통하여 기기 자체의 해상도를 높일 수 있다면 그 자체만으로도 매우PET

우수한 해상도를 가진 기기를 만들 수 있을 것이며 이 새로운 재료로 와의PET , MRI

융합기기를 만든다면 더욱 우수한 의료영상장비가 될 것이라고 기대된다.

7) Jianming Chen, Dingzhong Shen Et al., J. Phys. 37. p.938

8) E.V.D van Loef. P. Dorenbos. Appl. Phys. Lett. 77. 1467. (2000)

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과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위3.3.3.3.

과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위과제의 내용 및 범위3-1.3-1.3-1.3-1.

단기애로 기술지원사업의 특성과 개월이라는 짧은 연구기간을 고려할 때 광범위한6

분야의 체계적인 연구는 현실적으로 어려울 것으로 예상되는 바 본 과제를 통해서,

업체 스스로 재료에 대한 계속적인 연구와 개발을 수행할 수 있는 역량scintillator

을 강화하는데 중점을 두고자 한다.

우선적으로 기술 적용을 위한 감마선 탐지에 효과적인 결정들에 대PET scintillator

한 전반적인 조사와 메커니즘에 대한 정확한 이해가 필요하다 특히scintillation .

이 첨가되는 재료들은 이온의 에너지 전이에 의해 이 일어나기Ce Ce scintillation

때문에 지금까지 보고된 이 첨가된 와 의 원Ce phosphore scintillator luminescence

리에 대한 명확한 이해가 필요하다 를 발생하는 재료 내에서. Photoluminescence

의 역할에 대해서는 많은 연구결과가 있어 그 원리리가 밝혀져 있지만Ce ,

나 재료내에서의 감마선 을 일으키는 의 에너oxyorthosilicate halide scintillation Ce

지 전이 원리는 결과에 대한 추측만 있을 뿐 아직 명확한 원리는 밝혀지지 않았다, .

그러므로 좀더 체계적인 문헌조사를 통해 물질에 따른 이온의 에너지 전host Ce

이 움직임과 그로 인한 특성의 관계를 분석할 필요가 있다luminescence .

현재까지 보고되어진 재료는scintillator LSO(Lu2SiO5), GSO(Gd2SiO5),

YSO(Yb2SiO5 와 같이 희토류 원소의 에 을 도핑한 것들) oxyorthosilicate crystal Ce

과 LaBr3, LuBr3, LaCl3, BGO(Bi4Ge3O), CWO(CdWO4 와) PWO(PbWO4 그리고),

CeF3, BaF2같은 등이 있다 본 연구는 이들 중 희토류원소의crystal .

과 할로겐 화합물 에 초점을 맞추고자 하며 그중에서oxyorthosilicate crystal halide( )

도 특히 현재 양산화의 단계에 있는 와 최근 뛰어난 에너지 분해능 및 감쇠시, LSO

간으로 차세대 재료로 각광받고 있는 LaBr3에 대해 집중적으로 분석하고자 한다.

- 19 -

결정의 성장에는 법이 사용될 것이며 선 회절을 비롯한 일반적인Czochralski , X-

재료분석법을 통하여 성장된 결정의 상 및 구조를 분석하고자 한다 무엇보(phase) .

다도 중요한 것이 광특성 분석이라 할 수 있는데 이에는, transmission /

측정이 포함된다absorption, excitation and emission spectrum, decay lifetime .

에서 실제 반응을 일으키는 것은 감마선이지만 그 결과로 나오는PET scintillation

형광은 의 자외선 혹은 가시광선이므로 이보다 더 짧은 파장의 빛을300 500∼ ㎚

로 사용하여 광특성을 분석하는 것도 무방할 것으로 사료되므로excitation source

본 연구에서는 혹은 를 광원으로 사용하고자 한다 이는 그동안의 많UV laser lamp .

은 연구에 있어서 실제 감마선 대신 혹은 자외선이 광특성 분석에 사용되어X-ray

온 이유이다.

본 과제를 수행함에 있어서 관련분야 전문가를 초청하여 세미나를 개최하고 과제,

참여 석사과정 대학원생과 업체측 선임연구원의 유사분야 학회참석을 독려함으로써

용 결정성장 및 분석 분야의 전문인력 양성에 일조하고자 한다PET .

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과제의 평가방법과제의 평가방법과제의 평가방법과제의 평가방법3-23-23-23-2

정량적 평가정량적 평가정량적 평가정량적 평가(1)(1)(1)(1)

정량적 목표 항목정량적 목표 항목정량적 목표 항목정량적 목표 항목< >< >< >< >

- 21 -

붕괴시간붕괴시간붕괴시간붕괴시간Decay time ( )Decay time ( )Decay time ( )Decay time ( )①①①①

은 생체내에서 발생한 감마선의 에너지가 의Decay time Detector Scintillator

에 입사되어 전자를 여기시킨후 빛를 방출하며 감쇠되기까지 전자의crystal Life

으로써 에서 요구되는 특성들 중 가장 중요한 것이다 왜냐time Scintillator crystal .

하면 다른 성질들은 여러 가지 보정 기술과 계수 장비에 의해 어느 정도 보정이,

가능하지만 은 재료 고유의 특성으로 변화가 어려우며 현재 장비Decay time , PET

자체가 가지는 해상도의 문제도 근본적으로는 여기에 기인하기 때문이다.

광출력광출력광출력광출력Light output power ( )Light output power ( )Light output power ( )Light output power ( )②②②②

는 결정에 입사한 일정 에너지에 대한 발생한 의 수로써Light output power Photon

결정되며 일반적으로는 현재 사용되고 있는 섬광결정을 으로 하였을때의, NaI 100

상대적인 비로써 나타내어진다 광출력이 좋은 재료일수록 분해능이 뛰어나다. .

최대 방출시의 파장최대 방출시의 파장최대 방출시의 파장최대 방출시의 파장Wavelength at maximum emission ( )Wavelength at maximum emission ( )Wavelength at maximum emission ( )Wavelength at maximum emission ( )③③③③

에서 발생하는 빛의 파장으로써 이를 계수하는 의 가격을 고Scintillator crystal PMT

려하여 이상의 영역이나 가시광선 영역의 파장이 요구된다300 UV .㎚

- 22 -

밀도 및 유효원자번호밀도 및 유효원자번호밀도 및 유효원자번호밀도 및 유효원자번호Density & Effective atomic number ( )Density & Effective atomic number ( )Density & Effective atomic number ( )Density & Effective atomic number ( )④④④④

생체내에서 발생한 감마선의 저지능에 영향을 미치는 특성으로써 밀도와 유효 원자

번호가 높은 재료일수록 발생한 감마선의 계수율 많은양의방사능을 처리할 수 있는(

스캐너의 용량 과 광전효율이 뛰어나다) .

감쇠거리감쇠거리감쇠거리감쇠거리Radiation Length (Attenuation Length : )Radiation Length (Attenuation Length : )Radiation Length (Attenuation Length : )Radiation Length (Attenuation Length : )⑤⑤⑤⑤

는 생체 내에서 발생한 감마선이 닿는 거리로써 의 유효Radiation Length 511KeV

감마선이 다른 에 감지되는 를 줄이고 의 소형화Detector Mis-Positioning error PET

를 이루기 위해 가능한 짧은 가 요구된다Radiation Length .

강도강도강도강도Hardness ( )Hardness ( )Hardness ( )Hardness ( )⑥⑥⑥⑥

일반적인 재료의 강도로써 가능한 작은 크기의 결정을 만들기위한 을Multiple-cut

견딜 정도이되 가공에 용이할 정도의 적절한 강도를 가지는 결정이 필요하다, .

정성적 평가정성적 평가정성적 평가정성적 평가(2)(2)(2)(2)

인력 양성인력 양성인력 양성인력 양성①①①①

업체 탐방 및 기술 세미나를 통한 교육 및 상호 기술교류a.

자료 수집 및 분석을 통한 기술동향 파악b.

기술개발기술개발기술개발기술개발②②②②

a. Scintillation Mechanism

선정b. Scintillator Crystal

섬광결정 성장 기술c.

- 23 -

과제의 성과과제의 성과과제의 성과과제의 성과4.4.4.4.

정성적 성과정성적 성과정성적 성과정성적 성과4-14-14-14-1

기술개발 측면기술개발 측면기술개발 측면기술개발 측면(1)(1)(1)(1)

가 용 섬광 결정에 대한 이해와 자체 수행능력 강화가 용 섬광 결정에 대한 이해와 자체 수행능력 강화가 용 섬광 결정에 대한 이해와 자체 수행능력 강화가 용 섬광 결정에 대한 이해와 자체 수행능력 강화) PET Scintillator) PET Scintillator) PET Scintillator) PET Scintillator

섬광 메커니즘의 이해섬광 메커니즘의 이해섬광 메커니즘의 이해섬광 메커니즘의 이해①①①①

일반적으로 에 관여하는 섬광 메커니즘은 여러 문헌에서 알려진 대로scintillation

의 의 를 이용한 것이다 하지만 최근 발표된 결과Ce 4f-5d fast decay process . 9)에

따르면 뿐만 아니라 재료 내부의 에 의한fast decay process mobile defect

또한 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되었delayed decay process scintillation

다.

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

이 라는 좌측 그림에서 보는 것처럼 크게mobile defect Vk 및Center STE(self

로 알려진trpped exciton) 10) 고유 결함으로써 에서 전자나 홀을 포획한Alkali halide

격자결함은 일반적으로 가시광선영역의 빛을 흡수하기 때문에 에 색을host crystal

띄게 한다 그래서 이들 격자결함을 라고 하며 위 그림의 는 주된. color center (a)

전자포획 중심을 는 정공포획 중심을 나타낸 것이다(b) .

9) P. Dorenbos. phys. stat. sol. (a) 202, No.2. 195-200 (2005)

10) S. Shinoyama et al. 'Phosphor Handbook, CRC Press. p.213-216(1999;

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Vk 란 두 개의 인접한 이 사이에 정공을 포획함으로써 서로 붙어있는center anion

상태를 말하며 란 앞서 말한, STE Vk 에 여분의 전자가 포획된 상태를 말하며center

는 자체적으로 되는 결함이다 에서는 은 전자STE decay . Alkali halide exciton hole

은 자유롭게 움직이진 못하지만 자체격자내에 포획되어 Vk 센터를 만들 수는 있으

며 또한 매우 강한 에 의해서 를 만들수도 있다, electro-lattice coupling STE .

이 메커니즘에서는 이들의 이동도가 온도에 의존하는 경향을 보이기 때문에 많은

섬광 결정 재료가 저온과 고온에서의 성질이 크게 차이가 나는 점을 설명하고 있

다.

또한 물질의 예 가 이에 미치는 영향 등에 대Host property( . bandgap energy Eg)

해서도 알아보았는데 이 경우 간격이 의 간격과 유사, bnadgap activator bandgap

할 경우 섬광특성이 향상되는 결과에 대해서도 토의해 보았다.

섬광 결정의 개발 방향에 대한 이해섬광 결정의 개발 방향에 대한 이해섬광 결정의 개발 방향에 대한 이해섬광 결정의 개발 방향에 대한 이해②②②②

현재 가장 널리 알려진 차세대 재료는 이다Scintillator LSO:Ce .

하지만 최근 중국에서 에 노출될 경우 를 입는다는60Co Y-ray radiation demage

결과11)가 발표되었으며 섬광체에 요구되는 개별 분야별로는 보다 뛰어난 재료, LSO

들이 현재 많이 개발되어 있다 그중 현재 가장 각광받고 있는 재료는 이 도. Cerium

핑된 등의 희토류 원소의 할로겐 화합물로써 이들의 경우Lutetium, Lanthan

로 가면서 성질이 개선되는 경향성을 보이고Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide

있다 따라서 이들 재료를 적절히 조합한 차세대 섬광체의 개발을 주된 목표로 하.

여 우선적으로 결정 성장을 진행시켰다LaBr3 .

11) Liishun Qin, Yu Pei et al. Nucl. & Meth.. A 545 (2005), p.273

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나 재료 탐색나 재료 탐색나 재료 탐색나 재료 탐색) Scintillator) Scintillator) Scintillator) Scintillator

현재 개발된 재료들현재 개발된 재료들현재 개발된 재료들현재 개발된 재료들①①①① 12)13)14)15)16)17)18)19)20)21)

12) P. Lecoq, I. Dafinei et al., Nuci. Instr. and Meth. A 365 (1995), p.291

13) B. Moine, C. Dujardin, et al., Mat. Sci. Forum, vols., 239-241(1997) p.245，

14) J. A. Mares, M. Niki, N. Solovieva, et al. Nucl. Instr. and Meth. A, Vol. 498 (2003) p.312， ，

15) Guohao Ren, Laishun Qin, et al., Nucl. Instr. and Meth. A, Vol. 531 (2004), p. 560

16) C. W. E. van Eijk, "Inorganic Scintillators and their Applications." Ed. in Zhiwen, Li Peijun,丫

Feng Xiqui, Xue Zhilin CAS Shanghai branc Press (1997) 5-12.

17) J. C. van't Spijker P. Dorenbos, et al., Nucl. Instr. and Meth. B, Vol. 134 (1998), p. 304，

18) J. C. van 't Spijker, P. Dorenbos, et al., J. Lumin. Vol. 85 (1999) p. 11，

19) E. V. D. van Loef, P. Dorenbos, et al., Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1573

20) Jianming Chen, Dingzhong Shen et ai., J. Phys. 37, p.938

21) Jianming Chen, Dingzhong Shen et al., J. Cryst. Growth, 250(2003) 393，

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탐색 재료탐색 재료탐색 재료탐색 재료②②②②

a. LuFCl:Cea. LuFCl:Cea. LuFCl:Cea. LuFCl:Ce

위의 표에서 보듯이 계열에 대한 연구는 미진하였다 하지만Fluorochloride(FCI) . ,

최근 에 대한 연구결과를 보면 높은 밀도 와 빠른PbFCl crystal (7.11g/ ) decay㎤

그리고 낮은 을 가져 로써 가능성을time(4/35 ), Melting Point(601 ) scintillator㎱ ℃

보여주고 있지만 낮은 때문에 이를 이용하기에는 어려움이 있는 것으, Light Yield

로 나타나 있다 그러나 이는 최근의 결과이고 아직 개발이 미진한 영역이므로 희.

토류 원소를 이용한 를 성장시킨후 를 도핑할 수 있다면Fluorochloride crtstal , Ce ,

로써의 가능성에 대한 연구를 해 볼 가치가 있다고 보인다scitillator .

다만 이 재료의 경우 현재 합성이 보고된 바가 없으므로 제작시 어려움이crystal

예상된다 하지만 의 경우 제조방법 이 보고되어 있으며. PbFCI (Bridgman Method) ,

과 의 혼합시의 광특성을 연구한 논문SrFCl SmFCl 22)에서 같은 희토류원소인

을 사용하였으며 또한 일반적인 가 아닌 의 희토류원소가 그룹SmFCl 3+ 2+ PbFCl

에서는 안정하다고 보고되어 있고 과 아래 그림과 같이 모두 같은, PbFCl SmFCl

결정 구조를 가지고 있으므로 같은 희토류 원소인 이나Tetragonal Lutetium

의 의 제작도 가능하리라 생각된다Ytterbium Fluorochloride crystal .

<Tetragonal Structure><Tetragonal Structure><Tetragonal Structure><Tetragonal Structure>

22) F.Kubel. H.Hagemann. Mat. Res Bull., vol.30 (1995), p405

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b. Lub. Lub. Lub. Lu2222SeSeSeSe3333 :Ce, Lu:Ce, Lu:Ce, Lu:Ce, Lu2222TeTeTeTe3333 : Ce: Ce: Ce: Ce

마찬가지로 중 연구는 미진하나 최근 발표된Lu-based Scintillator Ce3+

이 도ion

핑된 재료의 에대한 의 논문Light Output Pieter Dorenbos 23)에서 언급된 Selenide

및 계열 또한 상대적으로 뛰어난 를 예상할 수 있으며 이들 재Teluride Light Yield

료들은 이미 제조가 가능하므로 충분히 실험해 볼 가치가 있다고 생single crystal

각한다.

c. Ce(SiOc. Ce(SiOc. Ce(SiOc. Ce(SiO4444)O)O)O)O

성질을 갖는 를 도핑원소가 아닌 자체의 로 제작할fast decay Ce Oxyorthosilicate

수 있다면 그 특성은 연구할 가치가 있을것으로 생각된다.

d. rare-earth fluoride : LaFd. rare-earth fluoride : LaFd. rare-earth fluoride : LaFd. rare-earth fluoride : LaF3333:Ce:Ce:Ce:Ce

CeF3 은 의 우수한 을 보였다 따라서 희토류원소의 플Crystal 20~30ns decay time .

루오르화합물 또한 결정으로 성장시킬 수 있다면 가 상당히 우sintillation property

수할 것으로 예상되며 여기에 등의 를 도핑시켜 좋은 특성을 얻을 수Ce activator

있을것으로 예상된다.

원소 변경원소 변경원소 변경원소 변경e. Dopinge. Dopinge. Dopinge. Doping

현재 대부분의 는 도핑이 대부분이다 이는 의 성질이Sintillator Ce . Ce fast decay

우수하기 때문인데 이와 유사한 S2

을 가지는-sp transition Ti+, Sn2

+, Pb2

+, Sb

3+,

Bi3+등도 에 의해 빠른 를 낼수 있는 특성을 가지allowed transition Luminescence

고 있다 그 중. Ce3+와 같이 에 있어 우수한 성질을 갖는 새로운decay time

를 찾아내어 다른 에 도핑하거나 해당 원소의 화합물을 호스트 재료activator crystal

로 하는 을 성장시켜 새로운 로 사용할 수 있을 것이다crystal scintillator .

23) E.V.O van Loel. P. Dorenbos et al. Nucl. Inst. & Meth.. A 486(2002), p.254

- 28 -

나 단결정 성장의 기반 기술에 대한 이해나 단결정 성장의 기반 기술에 대한 이해나 단결정 성장의 기반 기술에 대한 이해나 단결정 성장의 기반 기술에 대한 이해))))

결정성장용 제작과정에 대한 이해 예결정성장용 제작과정에 대한 이해 예결정성장용 제작과정에 대한 이해 예결정성장용 제작과정에 대한 이해 예Powder ( . LaBrPowder ( . LaBrPowder ( . LaBrPowder ( . LaBr①①①① 3333))))

제법- Ammonium halide 24)을 이용한 희토류 할로겐 화합물의 제조Powder

아래와 같이 반응시킨 후 진공 중에서 에 봉인한 상태로 가열furnace

a) La2O3+ NH4Br (NH→ 4)2LaBr7 NH⁺ 3 H⁺ 2

b) (NH4)2LaBr7 진공( , 350~400 ) LaBr→ ℃ → 3

개략도개략도개략도개략도<Furnace ><Furnace ><Furnace ><Furnace >

BridgmanBridgmanBridgmanBridgman②②②②22)22)22)22)성장 장치성장 장치성장 장치성장 장치 SetupSetupSetupSetup

일반적으로 결정의 성장에는 시드 결정을 용융된 재료 속에 내린 후 천천히 상승,

시킴으로써 시드 위로 결정이 성장되도록 하는 방법 및 도가니 내Czochralski(Cz)

에 재료를 밀봉하고 온도구배가 있는 두 개의 사이를 통과시켜 결정Zone furnace

을 성장시키는 법이 대표적인데Bridgman LaBr3의 경우 휘발성이 강하므로

법을 이용하여 결정 성장을 진행하였다Bridgman .

24) G. Meyer. et al., J. Less. comm. Met., vol. 127(1987). p 155~160

- 29 -

다 광특성 측정 기술에 대한 이해다 광특성 측정 기술에 대한 이해다 광특성 측정 기술에 대한 이해다 광특성 측정 기술에 대한 이해))))

섬광 특성 분석에는Scintillation( ) Transmission / Absorption, Excition and

및 측정이 포함된다 에서 실제Emission spectrum Decay lifetime . PET

을 일으키는 것은 감마선이지만 그 결과로 나타나는 빛 형광 은Scintillation ( )

의 근자외선 혹은 가시광선 영역이므로 이보다 더 짧은 파장의 빛을300~500㎚

로 사용하여 광특성을 분석하는 것도 무방할 것으로 예상된다 아Excition source . (

래 그림 참조 따라서 섬광 특성 측정에서는 과거 동일주제의 많은 연구에서 사용되)

어온 혹은 를 광원으로 하는Pulsed UV Laser Nanosecond UV Falshlamp(Xe-Hg)

측정장치의 원리에 대한 기술지도를 실시하였다scintillation decay time .

Lasers Light SourcesLasers Light SourcesLasers Light SourcesLasers Light Sources

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기업전략의 기여도기업전략의 기여도기업전략의 기여도기업전략의 기여도(2)(2)(2)(2)

사업 완료 후 우수한 섬광 특성을 갖는 새로운 단결정을 개발하여 차적으로1 PET

결정 시스템 업체에 공급하고 더 나아가 섬광 모듈 기술을 개발할Scintillator PET

예정이다.

인력양성 종합의견인력양성 종합의견인력양성 종합의견인력양성 종합의견(3)(3)(3)(3)

개월의 짧은 기간 및 적은 예산으로 섬광결정에 대한 전반적 이해를 통한 기6 PET

술개발에 필요한 기틀을 마련하여 추후 사업화의 기간에 소요될 시간과 비용이 절,

감된 것으로 판단된다.

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정량적 성과정량적 성과정량적 성과정량적 성과4-24-24-24-2

과제의 수행기간이 개월이라는 비교적 짧은 기간이었기에 당초 예상했던 결과치보6

다 정량적 결과 부분에서는 상당히 부족한 면이 많았다 하지만 국내에서는. , PET

개발에 관련된 전문적인 연구 활동이 전무한 실정이며 개 대형 병원 핵의학과7 25)

에 를 도입 설치하여 영상진단용으로 활용하고 있을 뿐이기에 관련 기술 및 장PET

비의 국산화를 위한 인력양성 부분에 초점을 맞추어 업체와 연구실간의 상호 기술

지도를 통해서 차후 계속적으로 연구 개발을 수행할 수 있는 능력을 키우는데 중점

을 두고 과제를 수행하였다.

적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망(1)(1)(1)(1)

그동안 미진했던 뇌운동의 연구와 뇌질환 암을 포함한 난치성 질병의 조기진단에,

대한 가능성을 보여준 기술은 이 떨어지는 약점만 보완한다면 핵의PET Resolution

학 영상의료기기 분야에서 최첨단 꿈의 영상장비 가 될 것으로 보인다 이러한 우‘ ’ .

수한 성능의 의료 영상장비분야의 세계적인 시장은 매우 큰 규모로 예상되고 있고,

앞으로 그 규모는 더욱 성장할 것이다 그래서 국내와 해외의 의료장비에 관한 연.

구소와 기업체들은 기술에 관해 많은 관심을 가지고 있으며 미국과 일본의 대PET ,

기업을 중심으로 대규모 투자가 이류어지고 있어 현재의 와 로 대표되는 의CT MRI

료용 영상장비 시장을 급속도로 대체할 것으로 전망된다.

단결정 성장 및 특성평가단결정 성장 및 특성평가단결정 성장 및 특성평가단결정 성장 및 특성평가(2)(2)(2)(2)

결정재료 탐색과정에서 희토류 할로겐화합물중에서 현재 차세대 재료로Scintillator

평가받고 있는 LaBr3을 결정재료로 선택하여 법을 이용하여 결정제작을Bridgman

시도하였으나 자체가 공기중의 수분에 극히 민감하고 휘발성이 강한 특성Powder

이 있어 모든 작업을 내에서 수행하는 과정에서 도가니 백금 를 용접하glove box ( )

는데 어려움이 있어 만족할만한 물성을 가진 단결정을 제조하지는 못하였기에 초기

에 목표했던 광특성 분석은 실시하지 못하였다.

25) 년 삼성 서울병원 대학병원 년 원자력 병원 중앙병원 국립암센터 강남 병원1994 , , 1997 , , e , 2004

년 세브란스병원에 설치PET

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산학간 인력양성산학간 인력양성산학간 인력양성산학간 인력양성(3)(3)(3)(3)

가 기술자문 결과가 기술자문 결과가 기술자문 결과가 기술자문 결과))))

섬광 결정의 특성에 대한 기술세미나 회- 2

섬광 결정의 연구방향에 대한 기술세미나 회- 1

섬광 결정의 평가와 응용소자 평가에 대한 기술 세미나 회- 2

나 업체 방문 결과 회나 업체 방문 결과 회나 업체 방문 결과 회나 업체 방문 결과 회) (4 )) (4 )) (4 )) (4 )

단결정 성장 설비 견학 및 장비 설명-

단결정 제조공정 견학-

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활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과5.5.5.5.

의료영상진단기는 연평균 세계시장 규모가 씩 증가하는 고성장 산업인 의료기5.6%

기 분야의 중심 산업이며 기술의 발전과 함께 성장할 미래사회 대비형IT, BT, NT

산업으로서 미국 독일 네덜란드 일본 이스라엘 등 주요 선진국이 주도하고 있으, , , ,

며 지속적인 투자를 하고 있다 국내에서는 상당수 고성능 제품은 전량수입에 의존.

하고 있는 상황이므로 이에 대한 근본적 해결책이 요구되고 있다 전체 전자의료기.

기 시장에서 영상진단장치가 차지하는 비중은 정도로써 가장 크며 차후 나45% , CT

가 로 대체되어 가리라는 예상이 지배적이기에 빠른 투자가 필수적이다MRI PET .

세포에서 일어나는 미세한 변화를 초기에 발견할 수 있는 뛰어난 능력을 갖추고 있

는 기술은 뇌과학 분야의 연구뿐만 아니라 암을 비롯한 조기 진단이 어려웠던PET ,

난치성 질병들을 진단하고 치료하는 데 큰 역할을 할 수 있다 그래서 그 동안 진.

단이 어려웠던 암을 비롯한 알츠하이머 치매 중풍 뇌출혈 등의 각종 난치성 질병, , ,

들의 진단과 치료에 큰 도움이 될 것이다 이는 세계의 수많은 난치성 질병을 앓고.

있는 환자들에게 치료의 희망을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

또한 기술의 뇌과학 분야의 연구로의 가능성은 의학적 과학적으로도 매우 고PET ,

무적인 일이며 경제적으로 큰 이익을 낼 수 있을 것으로 생각된다 최근. PET-MRI

융합기기 개발 연구소의 건립과 년 내에 상용화를 목표로 하여 서두르고 있는 것5

도 이 때문이며 이 사업에 참가한 사와 조장희 박사의 예측에 따르면, Simens 26) 이

새로운 시스템이 년쯤 실용화되면 억 달러로 예상되는 의료영상장비PET 2010 210

시장의 를 장악하게 될 것이라고 한다 그렇게 되면 한 해 억 달러 조원40% . 80 (10 )

가 넘는 시장이 될 것으로 예상된다.

그리고 용 의 개발은 이외에도 유방암의 조기진단을 위한 유방, PET Scintillator PET

선 조영상X (digital mammography), digital X-ray imager, X-ray CT, SPECT

등에서 기존장비 보다 우수한(single-photon emission computed tomography)

공간분해능 및 전하수집 효율을 갖춘 장비의 개발에도 응용할 수 있다.

26) 월간조선 년 월호 심층인터뷰 조장희박사2004 10 , -

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이러한 이유에서 기기의 상용화가 하루빨리 이루어져야 한다 이를 뒷받침하기PET .

위해 기기 자체의 해상도를 높일 수 있는 재료와 기술을 개발은 필PET Scintillator

수적이고 매우 중요한 일임에 틀림없다 현재 로 쓰이고 있는 보다. Scintillator LSO

훨씬 우수한 를 개발하여 의 을 우리가 원하는 수준으로Scintillator PET Resolution

높일 수 있다면 한국은 뇌과학 뿐만 아니라 핵의학 영상의료 장비 분야에서 세계

최고의 선진국으로 발돋움할 수 있을 것이다.

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