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"이미지 더 선명하고 피폭량 확 줄였다 " 신개념 디지털 엑스선 발생장치 나왔다

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"이미지 더 선명하고 피폭량 확 줄였다 " 신개념 디지털 엑스선 발생장치 나왔다

2020.01.15 00:00
ETRI 정진우 책임연구원이 디지털 엑스선 소스로 촬영한 결과물을 점검하고 있다. ETRI 제공
ETRI 정진우 책임연구원이 디지털 엑스선 소스로 촬영한 결과물을 점검하고 있다. ETRI 제공

국내 연구진이 120년 동안 널리 사용해 온 엑스선 발생장치(엑스선 소스)를 대체할 새로운 디지털 엑스선 소스를 개발했다. 방사선 노출은 절반으로 줄이고, 촬영 속도는 1만 배 빨라 의료 영상장비를 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.


한국전자통신연구원(ETRI)은 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 디지털 엑스선 소스를 개발해 세계 최초로 상용화하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.


엑스선은 의료진단과 산업용 비파괴 검사 등에 널리 쓰이는 전자기파다. 높은 에너지를 갖는 전자빔을 진공 상태에서 금속과 충돌시킬 때 나오는 엑스선을 이용한다. 현재는 텅스텐 등으로 된 필라멘트를 2000도의 고온으로 가열해 이 때 발생하는 전자를 이용해 전자빔을 만드는데, 전자 발생량을 정밀하게 조절할 수 없고 즉각적인 제어가 불가능해 불필요한 방사선 피폭 가능성이 있다는 단점이 있었다. 또 움직이는 물체를 촬영하면 영상이 흐려져 선명도를 개선하거나 검사 시간을 줄이는 데에도 한계가 있었다.


ETRI는 고온의 필라멘트 대신 탄소나노튜브를 이용해 전기신호 만으로 전자빔을 보다 효율적으로, 오래 만들 수 있는 기술을 개발했다. 탄소나노튜브를 밀집시킨 뒤 일정한 값 이상의 전기를 걸면 탄소나노튜브의 뾰족한 끝 부분에서 전자가 발생한다. 이를 ‘전계방출’ 현상이라고 한다. 


전계방출은 전기 신호를 이용하기 때문에 디지털 방식으로 수백 나노초(ns, 1ns는 10억 분의 1초) 간격으로 작동을 멈추거나 재개할 수 있다. 기존보다 1만 배 빠른 속도다. 연구팀은 이를 이용해 혈관 수술을 할 때 촬영 대상의 움직임에 따라 유연하게 속도를 조절해 보다 선명한 영상을 얻을 수 있다는 사실을 확인했다. 또 불필요한 촬영 시간을 줄여 방사선 피폭량을 50~90%까지 낮출 수 있다는 사실을 확인했다.


연구팀은 전자빔 소스를 포함한 장비를 진공 상태에 작은 세라믹 소재 안에 밀봉시켜 건전지 크기의 초소형 엑스선 소스로 개발하는 데에도 성공했다. 현재 이 장치는 중견기업 2곳 등 7개 기업에 기술이전됐다. ETRI는 “기술이전 받은 기업 가운데 하나인 치과용 진단장비 제작기업의 경우, 일본 대기업으로부터 전량 수입하던 휴대 촬영용 엑스선 부품을 대체해 국산화에 성공했다”고 말했다. 또다른 기업은 디스플레이 생산라인 등에 쓰이는 정전기 제거 장비 ‘이오나이저’를 이 엑스선 부품을 이용해 대체했다.

 

디지털(전기 신호)로 원하는 순간에만 탄소나노튜브로부터 전자빔을 방출시켜 X선을 발생시키는 원리를 설명한 그림이다. 전기신호를 가하면 탄소나노튜브 끝에서 전자가 발생한다. 전자는 게이트를 통해 마치 렌즈를 통과한 빛처럼 집중된다. 이 전자가 진공 상태에서 금속과 부딪히면 엑스선을 발생시킨다. 전기신호를 켜고 끄는 과정을 정밀하게 제어할 수 있다. ETRI 제공
디지털(전기 신호)로 원하는 순간에만 탄소나노튜브로부터 전자빔을 방출시켜 X선을 발생시키는 원리를 설명한 그림이다. 전기신호를 가하면 탄소나노튜브 끝에서 전자가 발생한다. 전자는 게이트를 통해 마치 렌즈를 통과한 빛처럼 집중된다. 이 전자가 진공 상태에서 금속과 부딪히면 엑스선을 발생시킨다. 전기신호를 켜고 끄는 과정을 정밀하게 제어할 수 있다. ETRI 제공

과제 책임자인 송윤호 ETRI 소재부품원천연구본부장은 “오랜 기간 수입에 의존하던 핵심 부품을 혁신적인 신기술로 대체했다”고 말했다. 김진성 연세대 의대 교수는 “ETRI의 기술로 엑스선의 정밀한 제어가 가능해졌다”며 “방사선 노출 걱정을 줄이면서 영상을 향상시킬 수 있게 됐다”고 말했다. 


연구팀은 “이 기술을 3차원 컴퓨터단층촬영(CT)에 적용할 수 있도록 출력을 높이고 시스템을 개발할 계획”이라고 밝혔다.
 

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