엑스레이(X-ray) 기기는 의료, 보안 검색, 수화물 검색, 산업 현장의 비파괴 검사 등 다양한 영역에서 필수 장비이다. 엑스레이 기기에는 ‘엑스레이튜브(X-ray tube)’라는 부품이 있다. 엑스선을 발생시키는데, 대부분 백열전구를 제작하는 필라멘트 방식으로 만든다. 이 튜브가 고온으로 가열해 전자를 방출시킨다는 점에서 소비전력이 크고, 발열을 해소할 별도의 장비가 필요해 디지털 구동에 적합하지 않다는 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 연구자들은 발열 없이 전자를 방출하는 차세대 엑스레이튜브를 개발하고 있다. 소형화와 경량화가 가능하며, 저전력으로 구동되고 불필요한 방사선 피폭을 최소화할 수 있다. 한국에서는 발열이 없는 ‘냉음극 전계 방출원(field emission source)’으로 ‘탄소나노튜브(이하 CNT)’를 중점적으로 연구해왔다. 

경희대학교(총장 한균태) ‘의과대학 나노기반방사선진단기기 연구단’과 ‘이과대학 차세대나노엑스레이(X-Ray) 연구실’도 이 분야를 연구하고 있다. 엑스레이튜브는 치과용을 제외하면 대부분 수입에 의존하고 있어 국산화가 필요한 실정이다. 구조의 단순성, 소형화, 저전력 등 장점을 갖춘 국산 의료용 영상 장비가 개발되면, 기존 제품보다 낮은 가격으로 생산해 의료 환경이 열악한 저개발국가에게도 도움을 줄 수 있다. 경희대 연구팀이 올해 미국 샌디에이고에서 열리는 ‘국제광자공학회(Society of Photo=Optical Instrumentation Engineers, SPIE)’의 ‘의료영상 학술대회(Medical Imaging Conference)’에서 7건의 차세대 엑스레이 연구성과를 발표하게 됐다. 이 학술대회는 의료영상 분야의 세계 최대 규모의 학술대회 중 하나다.

연구팀은 1)의료 폐질환 검진용 CNT 기반 멀티빔 개발 2)고속엑스레이영상 획득용 120kV급 CNT기반 엑스레이 광원 개발 3)수술장내 생체검체용 방사선시스템을 위한 CNT 기반 전자총의 초점 효과 4)낮은선량을 이용한 방사선생물연구용 CNT 기반 셀조사시스템의 디자인 연구 5)CNT 엑스레이소스 기반 고속 마이크로 CT 시스템 개발 6)의료용 120kV급 세라믹엑스레이튜브 개발과 상용 유리 엑스레이튜브와 비교 7)CNT 냉전자기반 손으로 들 수 있는 엑스레이 기기 응용에 대해 발표한다.

첫 번째 주제는 의료진에게 선명한 3D영상을 제공하고 환자에게는 피폭량을 저감할 수 있는 3D 방사선시스템용 핵심기술을 국내에서는 최초로 발표한다는 데 의미가 있다. 두 번째 주제에서는 기존 CNT 기술을 이용해 안정된 120kV급 구현 성능 결과를 보여준다. 120kV급에서는 딱딱한 뼈가 있는 부분, 과체중 사람의 신체에서 더 선명한 영상을 얻을 수 있는데, 기존에는 불가능했던 기술로 세계 최초 발표다. 세 번째 주제는 수술방에서 사용할 수 있는 CNT 기반 컴팩트형 방사선기기를 세계 최초로 개발한 내용을 담았다. 이를 통해 기존 검체 확인 시간을 20분에서 1분으로 95% 단축하게 됐다.

네 번째 주제에서는 방사선치료용 기초연구에 사용할 수 있는 방사선시스템을 디자인하는 연구내용을 발표할 예정이다. 다섯 번째 주제는 CNT의 고해상도 기술을 이용해 3D 비파괴검사 및 소동물연구용에 적용하는 내용을 담았다. 여섯 번째 주제에서는 국산화 기술에 대해 발표한다. 엑스레이튜브의 수입 의존도가 높다는 점에서 연구팀이 튜브의 원천기술을 확보한 내용으로 ‘일본도시바 엑스레이튜브’와의 비교검증을 마쳤다. 마지막 일곱 번째 주제에서는 CNT용 ‘바이폴라’기술을 세계 최초로 발표한다. CNT를 이용한 가볍고 작은 엑스레이 개발은 국내외 여러 기관에서 발표하고 있지만 바이폴라 구동법을 이용해 더 작게 만드는 기술을 경희대 연구팀이 개발했다.

연구팀은 한국원자력연구원, 한국과학기술원 그리고 여러 대학병원과 국내 방사선 장비 관련 기업과 협력해 국책과제들을 수행하고 있다. 이를 통해 경희대의 탄소나노튜브 원천기술을 상용화시키기 위해 노력하고 있다. 연구를 총괄한 의학과 류제황 교수는 “필라멘트 전구가 LED와 같은 디지털 광원으로 대체돼 현재는 필라멘트 등을 보기 힘들어졌다. 하지만 엑스레이 광원은 아직도 대부분 필라멘트 기반인데, 이제 나노 기반 디지털 엑스레이 제품들이 모습을 드러내며 대전환을 시기하는 시기다. 대한민국이 방사선 진단 장비 생산 강국이 될 수 있게 노력하겠다”고 말했다.

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