120년의 X선 기술의 패러다임 바꿀 신기술 개발돼

세계최초, 나노소재기반 고성능 냉음극 엑스선 튜브 기술 개발

이철진 교수팀, 20년간 한우물 연구의 결과

미국 특허등록4건, 미국 특허출원 3건, 국내 특허등록 5건 국내특허 출원 1건

▲ 공과대학 전기전자공학부 이철진 교수

최근에 LED 전구가 100년 동안 사용되어 왔던 기존의 백열전구를 대체하였듯, 지난 120년 동안 널리 사용되어 온 필라멘트기반 열음극 엑스선 튜브를 대체할 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브가 신기술로 큰 관심을 모으고 있다.

공과대학 전기전자공학부 이철진 교수 연구팀이 최근 미국 오하이오주 신시내티에서 지난 7월 22~26일에 개최된 제 32회 국제 진공나노일렉트로닉스 학술회의(32nd International Vacuum Nanoelectronics Conference, IVNC 2019)에서 “나노소재기반 고성능 냉음극 엑스선 튜브 기술”에 대한 연구결과를 발표했다.

이철진 교수가 연구개발한 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브는 기존의 열음극 엑스선 튜브에서 사용하던 필라멘트를 고온으로 가열하여 전자빔을 방출하는 방법 대신에 탄소나노튜브와 그래핀에 전계를 인가하여 고밀도의 전자빔을 효율적으로 방출시키는 독창적인 방법을 사용했다. 이것은 고품질의 엑스선을 발생시키는 새로운 방법으로, 이러한 냉음극 엑스선 튜브는 세계 최초로 연구개발됐다. 이철진 교수팀은 이번 연구와 관련하여 이미 미국 특허 등록 4건, 미국특허 출원 3건, 국내특허등록 5건, 국내특허 출원 1건을 완료했다.

▲ 이철진 교수팀이 세계최초로 연구개발한 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 및 관련 핵심부품의 사진

나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브는 의료기기, 비파괴 검사기기, 보안검색기기, 살균처리 기기 등 여러 분야에서 널리 사용되고 있는 기존 열음극 엑스선 튜브에 비해 상온동작이 가능하고 낮은 에너지를 소비하며 고밀도 엑스선의 발생이 가능하고 엑스선 선량조절이 가능하기 때문에 앞으로 열음극 엑스선 튜브를 대체할 차세대 엑스선 튜브 기술로 기대를 모으고 있다.

이러한 나노소재 기반 냉음극 엑스선 기술은 이미 120년 전에 열음극 엑스선 튜브를 연구개발 하여 상용화했던 미국, 독일, 일본 등의 선진국에서도 아직 제대로 실현하지 못한 새로운 혁신기술로 평가된다.

엑스선 의료기기(엑스선 진단기기, CT 등)는 전체 의료 영상진단기기 중에서 약 60% 비율을 차지할 정도로 큰 비중을 가지고 있다. 전 세계적으로 엑스선 의료기기의 시장규모는 2016년 390억 달러이었고 향후 2022년에는 480억 달러로 증가할 것으로 예상되고 있다. (참고자료; Evaluate 2017. 9) 실제로 열음극 엑스선 튜브 기술은 이미 100년 이상 기술 축적을 쌓아온 미국의 GE, 독일의 Siemens, 네덜란드의 Philips가 선두그룹을 형성하고 있는데, 상기 3개의 선두 그룹은 기술유출을 우려하여 자사의 엑스선 튜브를 외부에 일절 판매하지 않고 자사의 의료진단기기 또는 비파괴 검사용 장치에만 엑스선 튜브를 장착하여 사용하고 있다. 한편, 상용화되어 시중에 일반적으로 시판하고 있는 열음극 엑스선 튜브는 현재 시장규모가 연간 약 40억 달러 규모로 평가되고 있다. 고성능 고가인 CT용 엑스선 튜브는 미국 Varian (최근 Varex로 변경됨)이 거의 독점하고 있고, 일반적인 성능의 중가형 엑스선 튜브는 일본 Toshiba (최근 Canon으로 변경됨)가 시장의 95%를 점유하고 있으며, 저가형 엑스선 튜브는 중국 Kailong이 시장을 대부분 점유하고 있는 실정이다. 반면에, 한국의 엑스선 튜브 업체는 소규모 벤처기업으로 기술적 수준이 아직 선도그룹 대비 상당히 뒤떨어진 상태이고, 시장점유 수준도 연간 매출이 대략 10~20억 원 정도에 머물고 있다.

현재 널리 사용되고 있는 엑스선 장치는 모두 열전자방출을 기반으로 하는 필라멘트기반 열음극 엑스선 소스를 사용하고 있다. 그런데, 이러한 열전자 방출원은 넓은 전자에너지분포와 큰 전자빔 퍼짐도로 인해 전자빔 투과 효율 및 해상도 향상이 어렵고, 동작속도가 느리며, 수명이 짧은 문제점을 가지고 있다. 반면에 전계전자방출을 기반으로 하는 새로운 개념의 냉음극 전자방출원은 상온에서 동작하고, 낮은 동작전압과 높은 방출전류값을 가지며, 전자빔의 밀도 조절이 가능하고, 짧은 펄스형태의 전자빔 발생이 가능하며 소형화가 가능하기 때문에 고품질의 엑스선 이미지와 3차원 엑스선 영상이미지를 구현하는 것이 가능하게 된다.

▲ 이철진 교수팀이 연구개발한 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 모식도

현재 상용화되어 널리 사용되고 있는 열음극 엑스선 튜브 기술에 있어서 국내 그룹과 외국 선두그룹의 기술 수준의 차이는 너무 격차가 커 현실적으로 극복하기 어려운 실정이다. 그러나 최근에 큰 관심을 모으고 있는 냉음극 엑스선 튜브 기술에서는 국내의 연구그룹들이 미국, 일본, 독일 등 선진국 연구그룹들에 비해서 비교 우위의 연구개발 성과를 보여주고 있다. 특히 탄소나노튜브를 전자방출원으로 사용하는 냉음극 엑스선 튜브 기술에 있어서 국내 연구그룹의 연구결과는 외국 연구그룹을 크게 능가하고 있는 실정이다.

특히, 이번에 이철진 교수 연구팀에서 발표한 연구 성과의 주목할 만한 내용은 전 세계에서 처음으로 신소재 나노물질인 탄소나노튜브와 그래핀을 전자방출원과 게이트 전극으로 함께 사용하여 상온에서 고밀도로 전자빔을 방출시키고 유도하는 방법과 선량제어가 가능한 고품질의 엑스선을 방출할 수 있는 냉음극 엑스선 튜브를 구현했다는 것이다. 구체적으로 연구결과에 대한 내용을 살펴보면 첫째, 열전자 방출원이나 기존의 탄소나노튜브 전자방출원이 가지는 한계를 극복하기 위한 방안으로 탄소나노튜브 페이스트 제작방법과는 다른 독창적인 구조와 방법을 사용하여 탄소나노튜브 전자방출원을 제작함으로써 다른 전자방출원에 비해서 방출되는 전자빔의 밀도를 크게 향상시켰다. 탄소나노튜브 페이스트 에미터에서는 오염원으로 작용하는 유기물을 사용하고 있는데, 이와 다르게 이철진 교수팀은 유기물을 사용하지 않고 탄소나노튜브를 고밀도 네트워크를 갖는 수 마이크로미터 두께의 필름 형태로 만들어 포인트 형 또는 라인 형 전자방출원을 만들어 전자방출원의 전자방출 전류 특성을 크게 향상 시켰다. 둘째, 전자빔 이동 통로의 구경이 수백 마이크로미터 크기인 기존의 금속 메쉬 또는 금속 홀 형태의 게이트 전극 대신에 전자빔 이동 통로의 구경이 수 나노미터인 그래핀을 게이트 전극으로 사용함으로써, 방출된 전자빔의 직진성과 투과성을 극대화시키고 엑스선 선량제어가 가능하며 엑스선 발생 효율이 우수한 냉음극 엑스선 발생기술을 구현했다. 이번 연구결과에 의한 냉음극 엑스선 튜브는 방출 전류밀도를 기존 엑스선 튜브의 ~ 1 A/cm2 에 비해서 ~ 100 A/cm2 로 매우 높일 수 있었고, 또한 전자빔 투과율도 기존 엑스선 튜브의 80 % 에 비해서 95 % 수준으로 크게 향상시킴으로써, 기존의 열음극 엑스선 튜브나 냉음극 엑스선 튜브에 비하여 매우 우수한 성능을 보여주었다.

▲ 이철진 교수팀이 연구개발한 냉음극 엑스선 튜브용 포인트형 및 라인형 탄소나노튜브 전자방출원 제작 및 그래핀 게이트 전극 제작 방법 모식도

이철진 교수 연구팀에서는 냉음극 엑스선 튜브에 사용되는 탄소나노튜브와 그래핀 소재를 자체적으로 연구개발 하여 원천기술과 특허를 보유하고 있고, 냉음극 엑스선 튜브를 구성하는 에미터, 게이트 전극, 집속 전극 등 핵심부품에 대한 원천기술과 국내외 특허를 이미 다수 확보하고 있다. 따라서 차세대 냉음극 엑스선 튜브의 기초소재, 부품, 소자에 관련된 핵심기술에서 독창성과 원천성 확보를 통하여 열음극 엑스선 튜브에서의 기술적 열세를 뛰어넘고, 나아가 새로운 신기술인 냉음극 엑스선 튜브 기술 분야에서 세계적 수준에서 선도함으로써 외국 연구그룹들과 격차를 크게 벌리게 되었고, 아울러 엑스선 튜브 및 엑스선 튜브 응용 기술에서 원천기술 및 핵심 기반기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

이철진 교수는 이번의 연구성과를 얻을 수 있게 된 배경에는 탄소나노튜브의 전계전자방출 특성에 대한 연구를 20년이 넘게 지속적으로 추진해온 집념과 냉음극 엑스선 튜브 연구에 함께 참여한 고려대 전기전자공학부 나노전자공학연구실 대학원생들의 열성적인 노력이 있어서 가능했다고 언급했다. 실제로 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 기술은 1998년도부터 시작된 탄소나노튜브의 합성과 전계전자방출 특성에 관한 연구를 시작으로 하여 그래핀의 합성과 전기적 특성에 대한 연구 그리고 탄소나노튜브 전자방출원과 엑스선 소스에 관한 연구를 20년이 넘게 수행하는 동안 여러 가지 어려운 연구여건에서도 연구를 포기하지 않고 끈질기게 물고 늘어진 결과로서 얻어진 결실이다. 이철진 교수는 지난 20년 동안의 연구성과로 국제 SCI 논문 202편, 국제 SCI 논문인용 12,675회(h-index 63, i10-index 141), 국제학술대회발표 220회, 국제특허등록 18건, 국제특허출원 3건, 국내특허등록 60건, 국내특허출원 1건을 달성하였다.

상온, 고속, 저전력, 고선량이 가능한 나노소재기반 냉음극 엑스선 소스는 향후 진단용 엑스레이 장치 및 CT 등 여러 가지 의료진단기기 이외에도 반도체칩 및 정밀기계부품 비파괴 검사장치, 보안 및 안전검색 장치, 식품 및 제품 검사장치, 물과 식품의 살균장치, 정전기 제거장치, 미세먼지 제거장치 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용될 것이 예상되어, 향후 국내의 여러 관련 기업들이 다양한 엑스선 응용기술 분야에서 국제적인 기술 경쟁력을 확보하고 나아가 고부가가치 신규시장 창출 및 선점이 가능할 것으로 기대된다.

이번 성과는 그동안 산업부의 나노소재부품 연구지원사업과 과학기술정통부 기초연구사업 중견연구과제사업의 연구비 지원으로 이루어졌다.

▲ 이철진 교수팀이 연구개발한 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 모식도

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)