▲ 열전자원 기반 아날로그 엑스선과 전자원 기반 디지털 엑스선 비교, 고속 구동이 가능해 빠르게 움직이는 물체의 엑스선 영상 속 흐림 현상을 제거한다.

국내 연구진이 120년간 사용해왔던 아날로그 방식 엑스선(X-ray) 소스(Source)의 작동 방식을 디지털로 바꾸고 방사선 노출을 획기적으로 줄이는데 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 탄소나노튜브(CNT)기반 디지털 엑스선 소스를 개발, 세계 최초로 상용화에 성공했다고 16일 밝혔다.

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.

이에 ETRI는 △탄소나노튜브 전계방출 전자원(源) 제작기술 △진공 밀봉 엑스선 튜브 설계 및 제작기술 △전계방출 디지털 엑스선 소스 구동을 위한 능동전류 제어 기술 등을 추진했다.

특히 연구진은 탄소나노튜브 전자빔의 수명을 결정짓는 근원적인 메커니즘을 규명함과 동시에 특화된 고온 진공밀봉 기술을 통해 세계 최초로 상용 수준의 엑스선 튜브를 개발했다. 열 대신 전기신호를 이용했는데 CNT가 밀집된 전자원 외부 자극에 의해 전자를 방출하는 소자에 일정 값 이상 전기를 걸면 즉각적으로 전자가 발생하는 현상에 착안한 것이다.

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

특히 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. 그러나 ETRI 연구진은 15년 전부터 연구해온 전계방출 디스플레이(FED) 원천기술을 기반으로 엑스선 튜브를 완전 진공 밀봉 형태로 제작했다. 또한 진공 밀봉시 기존에 쓰인 유리 대신 세라믹을 이용해 상용화 수준의 수명과 제품 특성을 갖췄다.

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.

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

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

한편 본 연구는 10편 이상의 SCI급 논문, 70건 이상의 국내·외 특허 출원, 10건의 기술이전 등이 진행됐고 2019년도 국가연구개발 우수성과 100선에도 선정됐다.