전자기파소자

[KERI TV]방사선 암치료기용 X-Band 선형가속기 기술

방사선 암 치료의 핵심인 선형 가속기는 전자기파 에너지를 이용해 고에너지 전자빔을 가속하고, 이를 통해 X선이나 중성자를 발생시키는 첨단 장치입니다. 이는 의료 분야의 암 치료뿐만 아니라 산업용 비파괴 검사나 멸균 장치 등 다양한 고부가가치 산업의 기반이 됩니다. 현재 국내에서 사용되는 방사선 치료기는 대당 수십억 원을 호가하지만 전량 수입에 의존하고 있어, 독자적인 기술 확보와 국산화가 절실한 상황입니다. 이러한 배경 속에서 진행되는 연구는 국내 의료 기기 산업의 경쟁력을 높이는 중요한 전환점이 될 것입니다. 기존의 방사선 암 치료기는 주로 3.0 GHz 대역의 S-밴드 주파수를 사용해 왔으나, 최신 기술은 이보다 세 배 높은 9.3 GHz 대역의 X-밴드 선형 가속기로 진화하고 있습니다. 주파수가 높아지면 가속기를 구성하는 공진기의 크기가 작아지므로 장비 전체의 소형화와 경량화가 가능해집니다. 이는 정밀 로봇 시스템이나 영상 유도 장치와의 융합을 용이하게 하여, 환자 체내의 종양을 더욱 정확하게 추적하고 치료할 수 있는 환경을 제공합니다. 결국 X-밴드 기술은 암 치료의 정밀도를 한 단계 끌어올리는 핵심 동력이 됩니다. 고성능 가속기를 개발하기 위해서는 설계 단계부터 정교한 다중 물리 해석 기술이 필요합니다. 독자적인 해석 기술을 통해 40 cm 길이의 24개 공진기 구조를 설계했으며, 이를 통해 6 MeV 이상의 에너지와 80 mA의 전류를 안정적으로 확보하는 데 성공했습니다. 또한 진공 내 접합 공정인 브레이징 기술을 활용해 가속기의 구조적 완성도를 높였으며, 각 공정 단계마다 엄격한 특성 평가를 수행하여 제작 신뢰성을 확보했습니다. 이러한 독자적 설계 및 제작 공정은 세계적으로도 앞선 수준의 기술력을 보여주는 대목입니다. 제작된 선형 가속기의 성능 검증은 임상적 유용성을 판단하는 중요한 과정입니다. 국제 프로토콜에 따라 워터 팬텀을 활용한 X선 선량 측정 결과, 목표치인 800 cGy를 상회하는 815 cGy의 선량을 확인했습니다. 또한 X선 빔의 대칭성과 평탄도 특성에서도 세계 최고 수준의 장비와 비교해 동등 이상의 결과를 얻어 임상 적용 가능성을 입증했습니다. 이는 대학병원 방사선 종양학과와의 공동 연구를 통해 실제 의료 현장에서 요구하는 기준을 완벽히 충족했음을 의미하며, 국산 가속기의 실용화를 앞당기는 성과입니다. 선형 가속기의 심장이라 할 수 있는 마그네트론 기술의 국산화도 동시에 진행되고 있습니다. 마그네트론은 전자빔 에너지를 고출력 전자기파로 변환하는 장치로, 이번 연구에서는 이중 주파수 채널을 적용한 듀얼 튜너 구조를 통해 주파수 대역폭을 획기적으로 향상시켰습니다. 3.1 MW급의 고출력과 세계 최고 수준의 대역폭을 확보함으로써 기존 해외 수입 제품을 대체할 수 있는 기반을 마련했습니다. 가속기 본체와 구동 소자를 아우르는 통합적인 기술 확보는 향후 의료 및 산업 분야 전반에 걸쳐 막대한 경제적 파급 효과를 가져올 것입니다.