보고서 정보
주관연구기관 |
한국전기연구원 Korea Electrotechnology Research Institute |
연구책임자 |
양주희
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참여연구자 |
박병철
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2024-01 |
과제시작연도 |
2023 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
연구관리전문기관 |
한국전기연구원 Korea Electrotechnology Research Institute |
등록번호 |
TRKO202400001010 |
과제고유번호 |
1711196278 |
사업명 |
한국전기연구원연구운영비지원(주요사업비) |
DB 구축일자 |
2024-07-03
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키워드 |
피부 의료기.극초단 레이저.모드 잠금 기술.전임상 연구.색소 병변 치료.medical laser.ultrafast laser.mode-locking.dermatology.preclinical study.
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초록
▼
□ 연구개발 목표 및 내용
ㆍ 최종 목표
⦁ 모드 잠금 기술 기반의 색소병변 치료용 레이저 의료기 개발 및 이를 통한 전임상 연구
ㆍ 전체 내용
- 피부질환 치료용 극초단 레이저 의료기 시작품 개발
- 피부 레이저 의료기의 전임상 연구
ㆍ 1단계
∘ 목표
모드 잠금 기술 기반의 색소병변 치료용 레이저 의료기 개발 및 이를 통한 전임상 연구
∘ 내용
⦁ 모드 잠금 기반 종자 펄스 발생 기술 개발
- 마스터 오실레이터 제작 및 안정화
⦁ 극초단 광펄스 증폭 기술 개발
□ 연구개발 목표 및 내용
ㆍ 최종 목표
⦁ 모드 잠금 기술 기반의 색소병변 치료용 레이저 의료기 개발 및 이를 통한 전임상 연구
ㆍ 전체 내용
- 피부질환 치료용 극초단 레이저 의료기 시작품 개발
- 피부 레이저 의료기의 전임상 연구
ㆍ 1단계
∘ 목표
모드 잠금 기술 기반의 색소병변 치료용 레이저 의료기 개발 및 이를 통한 전임상 연구
∘ 내용
⦁ 모드 잠금 기반 종자 펄스 발생 기술 개발
- 마스터 오실레이터 제작 및 안정화
⦁ 극초단 광펄스 증폭 기술 개발
- Thin-rod amplifier (TRA) 제작 및 소형 모듈화
⦁ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- 파장변환 (2차 조화파) 기술
- 펄스 확장 압축모듈 제작 및 펄스폭 가변 기술 개발
- 펄스 반복율 조절 기술 개발
⦁ 시스템 집적화 및 시작품 제작
- LDD/TEC/Chiller 최적화 및 모듈화
- 연접식 빔 전달부, 핸드피스
⦁ 전임상 연구
- 피부 레이저 의료기 유효성 검증
- 플루언스/펄스폭/파장에 따른 효과 연구
□ 연구개발성과
⦁ 계획 대비 실적
ㆍ 1차년도
∘ 당해연도 목표(주요내용)
∎ 모드잠금 기반 종자 펄스 발생 기술 개발
- 마스터 오실레이터 제작 및 안정화
- 종자 펄스 발생기 : 100 mW, 500 kHz, 1030 nm
∎ 극초단 광펄스 증폭 기술 개발
- Thin-rod amplifier (TRA) 기반 1단 증폭기 설계 및 제작: 3 W, 500 kHz, 1030 nm
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- Diffraction grating(DG) 기반 펄스폭 압축기 제작 : 펄스폭 가변 < 10 ps
∎ 전기전자제어 및 냉각부 기술 개발
- LDD/TEC/Chiller를 통한 광펌핑 및 냉각 제어
∘ 목표 달성 현황 또는 당해연도 실적
∎ 모드잠금 기반 종자 펄스 발생기술 개발
- 광섬유형 마스터 오실레이터 제작, 패키징 및 안정화
- 종자 펄스 발생기 : 110 mW, 500 kHz, 1030.9 nm, 578 fs 달성
∎ 극초단 광펄스 증폭 기술 개발
- Thin-rod amplifier (TRA) 기반 1단 증폭기 제작 및 소형/안정화 : 3.58 W, 500 kHz, 1030.0 nm 달성
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- Diffraction grating(DG) 기반 펄스폭 압축기 제작: 펄스폭 689 fs 달성
∎ 전기전자제어 및 냉각부 기술 개발
- 맞춤형 LDD/TEC 제작 및 chiller 냉각 테스트 완료
ㆍ 2차년도
∘ 당해연도 목표(주요내용)
∎ 극초단 광펄스 증폭 기술 개발
- Thin-rod amplifier (TRA) 기반 2단 증폭기 설계 및 제작: 30 W, 500 kHz, 1030 nm, 출력 안정성 < 3 %
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- 2차 조화파 발생에 따른 파장 변환: 515 nm, 파장변환효율 50 %
- 펄스폭 압축기 최적화 : DG기반 최적펄스폭 연구 (0.7 – 10 ps) : Chirped volume Bragg grating (CVBG) 기반 펄스 압축기 소형화 및 안정화
∎ 빔전달 기술 개발
- 연접식 빔 전달부 (articulated arm 제작), 핸드피스
- 빔 크기 조절 기술 개발
∎ 피부팬텀 및 인공피부를 이용한 기초연구 수행
- 플루언스/펄스폭/파장에 따른 효과
∘ 목표 달성 현황 또는 당해연도 실적
∎ 극초단 광펄스 증폭기 제작 완료
- 광섬유형 마스터 오실레이터 +TRA1단+TRA2단 시뮬레이션, 설계, 제작, 최적화 및 패키징
- 최종출력특성 : 30.5 W, 495 kHz, 1030.0 nm, 889 fs, 안정성 0.7 % 달성
- figure-8형태 광섬유 마스터 오실레이터 추가 개발 : 5.56 mW, 6.7 nm
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- 2차 조화파 발생에 따른 파장 변환 : 515.1 nm, 파장변환효율 50 % 달성
- 펄스폭 압축기 최적화 : DG기반 펄스폭 가변연구 (0.7 – 10 ps) : CFBG 펄스 확장/CVBG 펄스 압축
∎ 빔절달 기술 개발
- 연접식 빔 전달부 (articulated arm 제작), 핸드피스 개발 완료
- 빔 크기 조절 기술 개발 완료
∎ 피부팬텀 및 인공피부를 이용한 기초연구 수행
- 피부팬텀에서 잉크입자 이미징 및 레이저 조건에 따른 효과 실험
ㆍ 3차년도
∘ 당해연도 목표(주요내용)
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- 펄스 반복율 조절 : single shot
∎ 시스템 집적화 및 시작품 제작
- LDD/TEC/Chiller 최적화
- 광원부/ 제어부/ 빔전달부 소형 집적화 및 안정화
∎ 전임상 연구
- 피부 레이저 의료기 유효성 검증
- 색소병변 치료 효과
- 플루언스/펄스폭/파장에 따른 효과
∘ 목표 달성 현황 또는 당해연도 실적
∎ 극초단 광펄스 안정화 기술 개발
- 피부 의료기 최종 광구성도 최적화 및 극초단 광원 소형/안정화
- 항온항습실 외부 일반 환경에서 레이저 안정성 테스트 완료
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- AOM 기반 펄스 반복률 조절 및 펄스 on/off 제어 완료
- 분산 고정형 펄스 확장/압축기 사용에 따른 펄스폭 최적화
∎ 시스템 집적화 및 시작품 제작
- LDD/TEC/Chiller 최적화 완료
- 스캐닝 핸드피스, 빔전달부, 전임상용 GUI 제작 완료
- 광원부/ 제어부/ 빔전달부 소형 집적화 및 안정화 완료
∎ 전임상 연구
- 돼지 피부 기반 레이저 출력 사양 연구 및 전임상 장비 테스트
- 색소병변 치료를 위한 전임상 사전 실험 및 본 실험 진행
- 플루언스/ 펄스폭/ 파장에 따른 효과 전임상 연구 수행.
⦁ 1차년도 연구 성과
∎ 모드 잠금 기술을 도입한 피부 의료기용 종자펄스 개발
- 의료 환경에서 사용가능한 극초단 광원을 위해 광섬유형 마스터 오실레이터 개발
- 출력 특성 : 110 mW, 500 kHz, 1030.9 nm, 578 fs 달성
- Thin-rod 증폭을 위하여 BPF/OC/SESAM조합을 통한 중심파장 1030 nm 획득
- 재현성 확인 및 상용화를 위하여 상용부품 기반 종자 펄스 발생기 추가 제작
- 높은 안정도 확보를 위해 모듈화 후 장시간 동작 안정성 측정 (안정도~1.7%)
- 비선형성 제어를 위한 BPF 및 광섬유 core size에 따른 연구 수행
- 종자 펄스의 고출력화를 위한 다단 증폭 시스템 구성
∎ 에너지 증폭을 위한 Thin-rod 기반 증폭기 개발
- 종자펄스 발생기에서 방출된 광펄스를 Thin-rod 기반의 1단 증폭기를 통해 증폭
- 출력 특성 : 3.58 W, 500 kHz, 1030.0 nm 달성
- 광학적 열문제(thermal lens) 해결을 위한 광펄스와 펌프광의 모드 결합 조건 (beam size 및 집속 위치 최적화) 연구
- Simulation을 통한 최적화와 기구적 열문제 해결을 위한 수냉 방식의 냉각 구조 연구
- TRA의 모듈화 및 소형화 후 동작 테스트 완료
∎ 광펄스 특성 제어 기술(펄스폭 제어/펌프광 제어/냉각) 개발
- Diffraction grating 기반의 펄스 압축기 개발로 펄스폭 압축 및 가변 특성 연구
- 마스터 오실레이터 120 ps, 펄스 확장 후 420 ps를 펄스폭 압축으로 689 fs 달성
- CPA(chirped pulse amplification)기술을 활용하여 광섬유형 광원의 고출력화에서 비선형성 제어를 위한 펄스 확장/압축 연구
- 광펌핑 레이저 다이오드의 전류 및 온도 제어를 위한 시스템 맞춤형 LDD/TEC 제작
- 증폭기의 안정적 구동을 위한 LD/레이저 매질/투과펌프의 수냉식 냉각 설계를 통한 온도 안정화 연구
⦁ 2차년도 연구 성과
∎ 극초단 광펄스 증폭기 제작
- 광경로 및 냉각 설계 최적화를 통한 1단 증폭기 출력 증폭 : 3.6W⟶11W
- ASLD(Advanced software for laser design) 시뮬레이션을 통한 2단 증폭기 최적화
- 소형/안정화를 위한 CFBG기반 광섬유 레이저로 업그레이드
- Thin-rod 증폭 기반 2단 증폭기 제작 및 최적화
- 피부 의료기용 극초단 광원 제작
: 30.5 W, 495 kHz, 1030.0 nm, 889 fs, 0.7 % 달성
- MO 출력 증폭 및 환경 안정성을 위한 figure-8형태의 마스터 오실레이터 추가 개발
: 출력 0.65 mW⟶5.56 mW, 파장폭 3.6 nm⟶6.7 nm
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- 파장 특성 연구를 위한 2차 조화파 발생에 따른 파장 변환 연구 수행
- 변환 특성 : 515.1 nm, 15.8 W, 변환효율 50.3 % 달성
- Diffraction grating 기반 최적 펄스폭 연구
: 0.7 ps ~ 10 ps, 176 ps 펄스폭 변환
- Chirped Volume Bragg Grating(CVBG) 기반 펄스폭 압축기 소형/안정화
∎ 빔전달 기술 개발
- 극초단 광펄스 전달을 위한 다관절 빔전달부(Articular arm)연구
- 극초단 광펄스용 articular arm 구성 광부품의 광원 특성 유지 테스트
- 0~10 J/cm2 수준의 플루언스 조절을 위한 레이저 빔 집속크기 변경용 핸드피스 제작
∎ 피부팬텀을 이용한 기초연구 수행
- 잉크입자가 주입된 피부팬텀에서 레이저 조건에 따른 효과 실험
- 피부팬텀에서의 극초단 광펄스 조건에 따른 손상한계점, 침투깊이 실험
- 레이저 조사 전후 잉크입자 크기 비교 실험 진행 (Reflection phase microscopy)
∎ 피부 의료기 1차 시제품 제작
- 광섬유 레이저용 전기전자제어부 제작
: 광섬유 레이저 구성 LD 4대 독립적 제어
- 극초단 광원부 일체형 모듈 제작 : 광섬유 레이저 모듈 및 증폭1, 2단 일체화
- 피부의료기 시제품 제작
: 일체형 극초단 광원부/전기전자제어/빔전달부 시작품화
⦁ 3차년도 연구 성과
∎ 극초단 광펄스 안정화 기술 개발
- 색소 병변 치료용 피부 의료기의 최종 광 구성도 최적화
: 일반 의료 환경 용도로 광섬유 레이저 및 fiber/Thin-rod 하이브리드 증폭기 최적화
- 극초단 광원 모듈 소형화 및 항온항습실 외부 일반 실험실에서 출력 안정성 테스트
: 온습도 변화에 따른 레이저 출력 특성 확인 -> 출력 안정성 0.6 % 확보
∎ 광펄스 특성 제어 기술 개발
- AOM 기반 펄스 반복률 조절 및 펄스 on/off 제어 (fiber type과 bulk type AOM)
- 분산 고정형 펄스 확장/압축기 사용에 따른 펄스폭 최적화
: fiber spool 길이 및 광펌핑 LD 전류값 조절로 펄스폭 조절
∎ 시스템 집적화 및 시작품 제작
- 대면적 피부 조사를 위한 스캐닝 핸드피스 제작 및 시스템 적용
- 전임상 장비 제어를 위한 GUI 제작 및 빔전달부 광정렬 기술 개발
- 광원부/제어부/빔전달부의 집적화/안정화 및 전임상 병원으로 이동
∎ 전임상 연구
- 돼지 피부 기반의 레이저 출력 특성에 따른 피부 반응 연구
: 초점 위치, 출력 세기, 스캔 속도에 따른 안정적 레이저 사양 확인
- 돼지 피부 기반의 피부 의료기 전임상 장비 테스트
- 전임상 연구를 위한 IRB 승인, 장비 이동, 염료 문신, 사전 실험 2회 수행
- 색소 병변 치료를 위한 전임상 본 실험 수행
: 극초단 펄스의 플루언스, 파장, 스캔 횟수에 따른 색소 병변 효과 연구
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
⦁ 기대효과
– 피부용 레이저 의료기의 신기술 도입에 따른 기술 고도화
- 수입에 의존하는 극초단 광원의 국산화를 통한 기술 자립화
- 국내 최초 극초단 피부 의료기의 전임상 연구를 통한 유효성 검증 및 기술 선도화
⦁ 활용계획
– 시제품 개발 및 임상 연구를 위한 후속 과제 연계
- 기술 상용화를 위한 중소기업 연계 사업 수행 및 기술이전
- 정밀 시술 및 정밀 의료부품 제조 등으로 기술 확산
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요 약 문 ... 2
- 목차 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 16
- 1) 연구수행 결과 ... 16
- 2) 목표 달성 수준 ... 64
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 65
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 66
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 67
- 끝페이지 ... 70
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