초록 ▼

□ 연구 개요
킬로와트(MW)~기가와트(GW)대역의 극도의 고출력 펄스형 테라헤르츠파(0.1THz~1THz) 발생원을 진공 소자(Vacuum electronic device)의 형태로 설계, 제작, 실험 연구를 우선적으로 수행하였다. 이는 기존 Watt급의 저출력 출력의 한계를 뛰어 넘어서, 생체 내 분자들의 상호 작용이 일으킬 수 있는 출력의 대역(MW~GW)과 수십 나노초(ns)의 매우 짧은 펄스를 만들어 내는 발생원을 제작하여, 비열성(Non-thermal effect) 효과 조건에서 전자기파의 출력을 기가와트(GW) 수

□ 연구 개요
킬로와트(MW)~기가와트(GW)대역의 극도의 고출력 펄스형 테라헤르츠파(0.1THz~1THz) 발생원을 진공 소자(Vacuum electronic device)의 형태로 설계, 제작, 실험 연구를 우선적으로 수행하였다. 이는 기존 Watt급의 저출력 출력의 한계를 뛰어 넘어서, 생체 내 분자들의 상호 작용이 일으킬 수 있는 출력의 대역(MW~GW)과 수십 나노초(ns)의 매우 짧은 펄스를 만들어 내는 발생원을 제작하여, 비열성(Non-thermal effect) 효과 조건에서 전자기파의 출력을 기가와트(GW) 수준까지 정전형 가속기 기반 고출력 테라헤르츠 발생원 시스템을 연구를 수행 중이고, 생체 분자 조작 연구를 위한 비임상 실험 시스템 구축이 가능한 방향으로 과제를 수행함.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도: 고출력 펄스형 테라헤르츠파 발생원 개발: 회로 이론 연구, 회로 및 안테나 이론연구
• 상대론적인 영역에서의 전자빔 발생 기반 대구경(Large-diameter) 형태의 후방파 발진기(Overmoded Backward Wave Oscillator) 설계 최적화 성공.
• 펄스형 전자석 전원 공급장치 및 솔레노이드 설계 및 제작 성공.
• 기존의 후방파 발진기 0.01THz 사양 재정립하여 고출력 전자기파에 의한 효과도 분석 실험 연구 성공 및 데이터베이스 확보.
• 진공 회로의 성능 사양은 500kV-5kA의 상대론적인 전자빔에 0.1THz의 주파수에서 0.5GW(max.)의 파워 발생의 능력을 가진 고출력 테라헤르츠 전자파 발생원 개발 성공.
• 0.1THz의 주파수 조건의 모드변환 안테나 (TM₀₁ ⇨ TE₁₁) 설계, 안테나 형태는 모드변환 안테나로서 Coaxial Beam Rotating Antenna (COBRA)임.
2차년도: 고출력 펄스형 테라헤르츠파 발생원 개발: 회로 제작, 안테나 설계 및 제작
• 테라헤르츠 주파수 대역으로 증가함에 따라 회로 크기의 한계로 인하여, 주름지거나 사각 모향 형태의 전자기파의 위상속도를 늦추는 기능을 하는 저속파 구조의 제작의 어려움으로 인해, 유전물질을 활용하여 체렌코프 방사를 발생할 수 있는 조건에서 상대론적인 전자빔을 활용한 항적장 가속기 (Dielectric Wake-field Accelerator) 형태로 설계 및 제작 업그레이드 성공.
• 성능 사양: 0.1THz, 0.3~0.5GW
• 0.1THz의 주파수 조건의 모드변환 안테나(TM₀₁ ⇨ TE₁₁) 최적화 설계완료 및, 안테나 렌즈와 혼안테나 제작.
• 2018년 최초 혁신 실험실로 지정되어 95,000천원의 추가 연구비 보조를 통하여 실험 측정 시스템 구축.
3차년도: 고출력 펄스형 테라헤르츠파 방사시스템 설계 및 제작과 측정기술 연구 및 측정 시스템 구축
• 정전형가속기 기반 고출력전원공급시스템 구축과 항적장 가속원리 기반 고출력테라헤르츠파발생원 구축 완료.
• 고출력 W-band 측정 시스템 구축 완료.
• 상대론적인 전자빔 발생 실험 수행.
• Hot test 수행 완료.
• 테라헤르츠파 노출 조건에서의 AC 자기장과 DC 자기장 발생을 통한 자기 공명 조건에서의 생체 신호 전달 기초연구 수행 (in vivo와 in vitro 바이오 이론 및 실험 연구) 및 지식 재산권 확보 (특허 등록).

□ 연구개발 결과의 중요성
0.1THz의 주파수에 0.1~0.5GW급의 주파수, 출력 파워, 펄스폭을 측정 가능하게 하는 것으로 해당 연구 시스템 구축을 통해 과제의 성공을 위해 반드시 필요하며, 적절한 실험 측정 장치 시스템이다. 고출력 W-band 측정 시스템의 안정화된 모듈로서 인정을 받는다면, 이는 기존 Watt급의 저출력 출력의 한계를 뛰어 넘어서, 생체 내 분자들의 상호 작용이 일으킬 수 있는 출력의 대역(kW~GW)과 수십 나노초(ns)의 매우 짧은 펄스를 만들어 내는 발생원을 제작하여, 비열성(Non-thermal effect) 효과 조건에서 전자기파의 출력을 기가와트(GW) 수준까지 높이면서 생체 분자의 회전(rotation), 진동(vibration), 전이(transition)등의 효과를 보이는 테라헤르츠(THz) 주파수 영역의 다중복합노출에 의한 효과 등에 대한 바이오 융합 연구 시스템 구축을 통하여, 라모어 상자성 공명 장치 구축으로 응용을 하여, 칼슘 결합 단백질 기작의 조절 작용에 대한 비임상 실험 연구를 수행하고 있다. 추후 연계 연구로서의 라모어 상자성 공명 조건에서 칼슘 단백질 인산화 반응을 기반으로 물리학의 근본적인 관점을 바탕으로 생명공학과 바이오의료 분야와의 융합하는 새로운 패러다임을 제시하는 방향으로 진행 계획이다. 이는 여러 가지 질병을 조절하고 치료할 수 있는 차세대 질병치료기법을 제시 할 수 있을 것으로 매우 중요한 의미를 가진다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 12
• 4. 참고문헌 ... 15
• 5. 연구성과 ... 17
• 대표적 연구실적 ... 21
• 끝페이지 ... 37