mecㆍviewer v1.4 :: [ETRI 보도자료] ETRI, 방사선 노출 대폭줄인 엑스선 소스 상용화

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배포일자 : 2020.1.16.(목)				배포번호 : 2020-5호
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ETRI, 방사선 노출 대폭 줄인 엑스선 소스 상용화

- 120년 쓰던 아날로그 엑스선소스, 세계최초 디지털화

- 방사선 노출 1050%로 줄이고 1만배 빠른 초고속 촬영 가능

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

한국전자통신연구원(ETRI)은 탄소나노튜브(CNT) 기반 디지털 엑스선 소스를 개발, 세계 최초로 상용화에 성공했다고 밝혔다. 본 기술은 미국 응용물리학회(APL), 나노 테크놀로지 등 저명 학술지에 게재되었고, 국내 여러 기업에 기술이전 계약을 체결하며 그 우수성을 인정받았다.

엑스선은 의료진단과 산업용 제품 검사 등에 쓰이는 전자기파다. 엑스선을 만드는 소스는 주로 진공도가 높은 공간에서 높은 에너지를 지닌 전자빔을 금속과 충돌시켜 만든다.

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 위험이 있고 영상의 선명도나 검사 시간을 개선하는데도 한계가 있었다.

ETRI가 개발해 상용화에 성공한 본 기술의 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 전자원에 일정 값 이상 전기를 걸면 즉각적으로 전자가 발생하는 현상에 착안, 엑스선 소스에 적용한 것이다.

또한 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.

디지털 엑스선 소스는 미국, 일본, 유럽을 포함한 여러 선진연구그룹이 20여 년간 연구해왔으나 가시적인 성과를 이루지 못했다. 밀봉된 상태에서 별도의 진공 펌프 없이 높은 진공도를 유지시켜 제품의 수명이 상용화가 가능할 정도로 결과를 내지 못했기 때문이다.

하지만 ETRI 연구진은 15년 전부터 연구해온 전계방출 디스플레이(FED) 원천기술 보유로 본 기술 개발이 가능했다고 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 높다고 연구진은 설명했다. 또 진공 밀봉시 기존에 쓰인 유리 대신 세라믹을 이용해 상용화 수준의 수명과 제품 특성을 갖출 수 있었다고 설명했다.

연구진의 기술은 가열이 불필요해 건전지(AA) 크기의 장비 경량화로 제품화가 가능하다. 휴대하기 쉽게 작게 만들고 엑스선을 정밀하게 조절할 수 있다는 장점 덕분에 현재 중견기업 2곳을 포함, 7개 관련 업체에 기술이전 되었다.

특히, 기술이전 받은 치과용 진단 장비업체는 그동안 일본 대기업으로부터 전량 수입하던 휴대 촬영용 엑스선 부품을 대체, 국산화에 성공했고 또 다른 업체는 산업용 생산 라인에서 정전기를 없애주는 장비인 이온나이저(ionizer)를 디지털 튜브로 대체, 디스플레이 업체로부터 호평받았다.

과제책임자인 ETRI 송윤호 소재부품원천연구본부장은“오랜 기간 수입에 의존하던 핵심 부품을 혁신적인 신기술로 대체함으로써 단순 국산화를 넘어 글로벌 기술 리더십을 확보하는 모범적인 사례가 되었다”고 말했다.

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

연구진은 향후 본 기술을 3차원 컴퓨터단층촬영(CT) 시스템에 적용할 수 있도록 출력을 높이고 관련 시스템을 개발할 계획이다.

본 연구는 과학기술정보통신부, 산업통상자원부의 지원으로 수행되었다. 연구진은 본 연구와 관련, 10편 이상의 SCI급 논문, 70건 이상의 국내·외 특허 출원, 10건의 기술이전, 2019년도 국가연구개발 우수성과 100선에도 선정되었다. <보도자료 본문 끝>

참고1

열전자원 기반 아날로그 엑스선과 전자원 기반 디지털 엑스선 비교

<고속 구동이 가능해 빠르게 움직이는 물체의 엑스선 영상 속 흐림 현상을 제거함>

전자원은 외부 자극에 의해 전자를 방출하는 소자를 말한다. 열전자원은 텅스텐 등과 같은 필라멘트 소자에 열을 발생시켜 전자를 인출한다. 즉각 변하기 힘든 열을 이용하기 때문에 전자가 나오는 정도를 능동적으로 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 반면, 전계방출 전자원의 경우 전기 신호를 인가하여 양자역학적 터널링을 통해 전자를 인출한다. 전계의 변화에 따라 인출되는 전자가 즉각 반응하기 때문에 전기 회로를 통해 능동적으로 전류를 제어할 수 있다.

열전자원 기반 아날로그 엑스선 소스의 경우 전자를 인출하는 전극과 전압을 가속하는 전압이 통합되어 있어 각 기능을 직접 제어할 수 없다. 엑스선을 빠른 속도로 끄고 켜는 것이 어렵다. 이로 인해 움직이는 물체를 촬영할 때 영상의 동적 흐림(motion blurring)을 발생시키고 조사 시간 이외에도 방출되는 엑스선이 생겨 불필요한 피폭을 야기한다.

전계방출 전자원 기반 디지털 엑스선 소스는 전자원을 인출하는 전극과 가속시키는 전극이 분리되어 있어 엑스선 소스의 관전압과 관전류를 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 전자원에 인가되는 전기 신호에 따라 월등히 빠른 응답속도를 가지기에 원하는 시간에 엑스선을 정확히 끄고 켤 수 있다. 이는 움직이는 피사체의 영상 흐림을 효과적으로 제거할 뿐만 아니라 필요한 방사선만을 효과적으로 사용하여 불필요한 방사선 피폭을 획기적으로 제거할 수 있다.

참고2

ETRI 연구진이 개발한 기술의 핵심 특성 및 파급효과

▷ ETRI 연구진의 기술 개발 방법 및 특성

연구진은 전자빔 정밀 제어 및 상용 수준 수명을 확보하기 위해 완전 진공 밀봉 형태의 엑스선 튜브와 이를 완벽하게 디지털 구동으로 제어하는 엑스선 소스를 세계 최초로 개발하고 상용화도 성공하였다. 본 성과에는 세 가지 핵심 기술이 뒷받침되었다.

첫째는 CNT 전계방출 전자원을 제작하는 기술이다. 특히, 엑스선 튜브 내 나노물질의 물리, 열화 및 고전압 인가에 따른 대전(帶電) 현상 메커니즘을 규명해 상용화가 가능한 수준으로 수명을 확보하였다.

둘째는 기존 열전자 튜브와 달리 전자빔 방출 제어와 가속 제어 전극 분리하는 엑스선의 에너지 및 선량 독립 설계, 제작 기술이다.

셋째는 전계방출 디지털 엑스선 소스 구동을 위한 능동 전류제어 기술이다. 본 회로 기수로 엑스선 발생 시간 및 선량을 일정하고 정확하게 제어하며 소스의 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있어 안정성 및 신뢰성을 확보했다. 또한, 열전자 튜브 대비 크기가 작고 가벼워 응용 분야를 확대하고 제품화 관점에서도 경쟁력을 가질 수 있었다.

참고3

디지털 엑스선 소스 관련 사진 자료

▷ 사진자료 (1)