그래핀 반도체로 만든 X선 장비 나왔다…의료용 영상 촬영 세계 최초 성공

세종대·LG전자 공동 연구진

세종대와 LG전자 공동 연구진이 개발한 그래핀 기반 반도체 X선 장비의 작동 모식도(왼쪽). 연구진은 인체를 모사하는 팬텀 내부의 갈비뼈 구조를 촬영하는 데 성공했다. 반도체 기반 X선 장비로 의료용 영상을 촬영한 것은 세계 최초다./세종대

국내 연구진이 반도체 기반의 X선 장비를 개발했다. X선 장비는 병원, 공항, 공장 같은 다양한 산업에서 활용되지만, 작동 방식의 한계로 소형화에 어려움을 겪고 있었다. 이번에 개발된 기술을 활용하면 X선 장비의 소형화는 물론 빠른 동작이 가능한 디지털 장비의 개발이 가능해질 것이라는 기대가 나온다.

천승현 세종대 물리천문학과 교수와 김진아 LG전자 책임연구원이 이끄는 공동 연구진은 그래핀을 이용한 반도체 기반 의료용 X선 장비로 영상 촬영에 성공했다고 21일 밝혔다.

X선은 파장이 0.1~10㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m)인 전자기파 대역으로 강한 에너지와 높은 투과력을 가졌다. 물질의 종류마다 조금씩 다른 투과력을 이용해 병원에서 의료용 영상을 촬영하거나 공항 검색대에서 가방 안의 물건을 검사할 때 주로 사용한다.

X선은 주로 빠르게 움직이는 전자를 무거운 원자에 충돌시켜 만들어진다. 일반적으로 사용하는 X선 장비는 필라멘트를 섭씨 2000도 이상 고온으로 가열할 때 나오는 전자빔을 크로뮴, 철, 코발트 같은 금속 원자에 충돌시키는 방식을 사용한다. 이 때 대부분 에너지는 열로 전환되며 X선으로 전환되는 에너지는 1%에 불과하다. 이 때문에 의료용으로 사용하는 X선 장비는 부피와 무게가 매우 크다는 문제가 있다.

연구진은 탄소 소재인 그래핀을 이용해 전자빔의 X선 방출 효율을 최대 40%로 끌어올리는 기술을 개발했다. 기존에도 탄소나노튜브를 이용해 치과용, 휴대용 X선 장비가 개발됐으나 진공장비, 고전압 조건이 필요하다는 한계가 남아 있었다.

연구진은 간단한 공정으로도 그래핀을 성장시킬 수 있는 직성장 기술을 적용해 그래핀 금속·산화물·반도체(MOS·모스)를 만들어 의료용 X선 영상 장치를 개발했다. 모스는 반도체 트랜지스터의 기본 구조를 이루는 장치다. 그래핀 모스의 낮은 출력은 오존 처리, 실리콘 부분산화공정(LOCOS)를 적용해 해결했다.

연구진은 이번에 개발한 X선 장치를 이용해 인체를 모사하는 ‘팬텀’ 내부의 갈비뼈 구조를 촬영하는 데 성공했다. 모스 기반의 X선 장비로 영상을 촬영한 것은 이번이 처음이다. X선 장비의 소형화와 빠른 동작 속도를 구현해 초고속 디지털 X선 장비 개발도 가능해질 전망이다.

천 교수는 “전자빔을 만드는 방식은 그동안 마치 백열등에서 조명용 LED처럼 발전해왔다면, 이번 연구는 발광다이오드(LED) TV나 초고속 광통신 개발에 비유될 수 있다”며 “모스 구조의 효율적인 전자빔 방출은 디스플레이나 전자현미경 등에도 활용될 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 지난 15일 소개됐다.

참고 자료

Advanced Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202403721

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