방사선 노출 대폭 줄인 '엑스선 소스' 상용화
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방사선 노출 대폭 줄인 '엑스선 소스' 상용화
  • 김소연 기자
  • 승인 2020.01.15 13:33
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ETRI, 120년 쓰던 아날로그 소스…세계 최초 디지털화
방사선 노출 50% 줄이고 1만배 빠른 초고속 촬영 가능
ETRI 연구진이 개발한 디지털 엑스선 튜브
ETRI 연구진이 개발한 디지털 엑스선 튜브

국내 연구진이 120년간 사용해왔던 엑스선(X-ray) 소스(Source)의 작동 방식을 획기적으로 바꿨다. 일명 디지털 엑스선 소스다. 그동안 아날로그였던 방식을 디지털로 개발, 방사선 노출을 획기적으로 줄이고 영상 화질도 높여 의료 영상장비 산업에 새로운 전기가 될 전망이다.

15일 한국전자통신연구원(ETRI)은 탄소나노튜브(CNT) 기반 디지털 엑스선 소스를 개발해 세계 최초로 상용화에 성공했다고 밝혔다. 이 기술은 미국 응용물리학회(APL), 나노 테크놀로지 등 저명 학술지에 게재됐으며, 국내 여러 기업에 기술이전 계약을 체결하는 등 그 우수성을 인정받았다.

엑스선은 의료진단과 산업용 제품 검사 등에 쓰이는 전자기파다. 엑스선을 만드는 소스는 주로 진공도가 높은 공간에서 높은 에너지를 지닌 전자빔을 금속과 충돌시켜 만드는데, 이때 전자빔을 발생시키는 방법에 따라 엑스선 소스의 작동 방식이 결정된다.

기존에는 필라멘트를 2000℃의 고온으로 가열, 전자를 발생하는 방식을 사용해왔다. 하지만 이 방식은 불필요한 방사선 피폭에 노출될 위험은 물론 영상의 선명도나 검사 시간을 개선하는데도 한계가 있었다.

ETRI가 개발해 상용화에 성공한 '디지털 엑스선 튜브'의 핵심은 ▲탄소나노튜브 전계방출 전자원(源) 제작기술 ▲진공 밀봉 엑스선 튜브 설계 및 제작기술 ▲전계방출 디지털 엑스선 소스 구동을 위한 능동전류 제어 기술 등이다.

특히 연구진은 탄소나노튜브 전자빔의 수명을 결정짓는 근원적인 메커니즘을 규명함과 동시에 특화된 고온 진공밀봉 기술을 통해 세계 최초로 상용 수준의 엑스선 튜브를 개발했다.

먼저 ETRI는 열을 이용한 기존 전자빔 발생 방식 대신 전기 신호를 이용했다. 탄소나노튜브가 밀집된 전자원 외부 자극에 의해 전자를 방출하는 소자에 일정 값 이상 전기를 걸면 즉각적으로 전자가 발생하는 현상에 착안, 엑스선 소스에 적용한 것이다.

또 기존 가열 방식은 온도 조절을 통해 전자가 발생되어 엑스선이 방출되기 때문에 정량적인 작동이 어렵고, 즉각적 제어가 불가능해 검사 시간 외에도 방사선 노출이 있어 왔다.

연구진은 전기 신호로 전자가 방출되는 정도를 직접 제어하기 때문에 필요한 순간에만 전기를 걸어 엑스선을 방출한다. 덕분에 동영상 촬영 시에만 방사선이 나오도록 제어하면서 노출 수준을 기존 대비 50%로 낮출 수 있다. 또 피사체의 움직임을 고려한 전기신호 제어시 최대 10% 수준으로 낮출 수 있다.

아울러 연구진의 디지털 방식은 수백 나노초(ns) 수준으로 전류 제어가 가능해 수십 밀리초(ms) 수준으로 제어하는 기존 아날로그 방식보다 최대 1만배 이상 빠른 속도로 정밀한 촬영이 가능하다. 이로써 물체의 움직임에 따라 촬영 속도도 유연하게 조절이 가능해 혈관 수술시 엑스선 영상 촬영의 잔상도 줄이고 보다 선명한 영상을 얻을 수 있다.

ETRI이 개발한 디지털 엑스선 튜브 기술을 활용해 다양한 분야에서 개발된 제품들의 모습
ETRI이 개발한 디지털 엑스선 튜브 기술을 활용해 다양한 분야에서 개발된 제품들의 모습

과제책임자인 송윤호 ETRI 소재부품원천연구본부장은 “디지털 엑스선 소스는 미국, 일본, 유럽을 포함한 여러 선진연구그룹이 20여 년간 연구해왔지만 밀봉된 상태에서 별도의 진공 펌프 없이 높은 진공도를 유지시켜 제품의 수명이 상용화가 가능할 정도로 가시적인 성과를 내지 못했다”면서 “하지만 ETRI 연구진은 15년 전부터 연구해온 전계방출 디스플레이(FED) 원천기술 보유로 본 기술 개발이 가능했다”고 밝혔다.

엑스선 튜브를 완전 진공 밀봉 형태로 제작하고 이를 완벽하게 디지털 방식으로 제어하면서 기존 대비 크기를 작고 가볍게 만들 수 있고 응용이 쉬워 제품화 경쟁력이 높다는 것이 송 본부장의 설명이다.

또 진공 밀봉시 기존에 쓰인 유리 대신 세라믹을 이용해 상용화 수준의 수명과 제품 특성을 갖출 수 있었다.

'디지털 엑스선 튜브' 기술은 가열이 불필요해 건전지(AA) 크기의 장비 경량화로 제품화가 가능하다. 휴대하기 쉽게 작게 만들고 엑스선을 정밀하게 조절할 수 있다는 장점 덕분에 현재 중견기업 2곳을 포함해 7개 관련 업체에 기술이전 된 상태이다.

특히 기술이전 받은 치과용 진단 장비업체 ㈜바텍는 그동안 일본 대기업으로부터 전량 수입하던 휴대 촬영용 엑스선 부품을 대체해 국산화에 성공했으며, 또 ㈜브이에스아이는 산업용 생산 라인에서 정전기를 없애주는 장비인 이온나이저(ionizer)를 디지털 튜브로 대체해 디스플레이 업체로부터 호평받았다.

ETRI 소재부품원천연구본부 신소자연구실 정진우 책임연구원, 김재우 선임연구원이 디지털 엑스선 소스로 고속 촬영한 영상과 기존 영상 품질을 비교하고 있다.
ETRI 소재부품원천연구본부 신소자연구실 정진우 책임연구원, 김재우 선임연구원이 디지털 엑스선 소스로 고속 촬영한 영상과 기존 영상 품질을 비교하고 있다.

이처럼 오랜 기간 수입에 의존하던 핵심 부품을 혁신적인 신기술로 대체함으로써 단순 국산화를 넘어 글로벌 기술 리더십을 확보하는 모범적인 사례로 꼽히고 있다.

김진성 연세대학교 의과대학 방사선종양학과/의료기기산업학과 교수 “ETRI의 기술로 엑스선의 정밀한 제어가 가능해 방사선 노출 걱정을 줄이면서 영상 특성을 향상시킬 수 있는 기술 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

이에 ETRI는 향후 엑스선 소스 기술을 3차원 컴퓨터단층촬영(CT) 시스템에 적용할 수 있도록 출력을 높이고 관련 시스템을 개발할 계획이다.