세종대 천승현 교수팀, 그래핀을 이용한 X선 장비로 의료용 이미징 세계 최초 성공

세종대학교는 물리천문학과 천승현 교수가 이끈 공동 연구팀이 반도체칩 구조를 활용한 전자빔 방출 방식으로는 최초로 의료용 X선 이미지 처리에 성공했다고 21일 밝혔다.

X선 장비는 병원이나 공항 검색대에서 널리 쓰인다. X선의 발생은 전자빔의 방출로부터 시작하는데, 그동안은 필라멘트를 섭씨 2000도 이상 가열시킬 때 튀어나오는 전자빔을 이용했기 때문에 장비도 무겁고 비효율적이었다.

최근 개발된 디지털 X선 발생기는 탄소나노튜브나 실리콘 나노팁에 피뢰침처럼 전기장을 모아 전자빔을 방출시킨다. 경량화가 가능해 치과용이나 이동용 장비에 적용되고 있다. 하지만 집속용 광학렌즈나 진공장비, 고전압 등이 필수적이며 마모도 심한 편이다.

이에 연구팀은 10여 년 동안 축적해 온 그래핀 직성장 기술을 이용해 저전압 및 초고속 전자빔의 방출을 가능케 하는 그래핀 MOS 구조(금속-산화물-반도체의 약자로 트랜지스터의 기본구조)를 개발했다. 기존 MOS 구조에서는 전자빔의 방출효율이 1% 정도에 그쳤지만, 수직형 그래핀을 오존으로 처리하는 등 제작공정을 개선해 방출효율을 최대 40%까지 향상시켰다.

여기에 2140개의 셀을 집적할 수 있도록 실리콘 부분산화공정(LOCOS)을 접목했고, 결과적으로 상용화에 필요한 mA 수준의 X선 발생에 성공했다. MOS 구조에서 방출된 전자빔을 이용한 X선 이미징은 세계 최초로 보고된 것이다. 앞으로 컴퓨터의 동작속도에 버금가는 초고속 디지털 X선 장비에 활용될 수 있을 거로 기대된다.

천 교수는 "전자빔을 만드는 방식이 마치 백열등에서 조명용 LED처럼 발전해 왔다면, 이번 연구는 LED TV나 초고속 광통신 개발에 비유될 수 있다"면서 "MOS 구조의 효율적인 전자빔 방출은 디스플레이나 전자현미경 등에도 활용할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료·나노분야 학술지인 어드밴스드 사이언스에 15일자로 온라인 게재됐다. 세종대 정상균 박사, LG전자 인공지능연구소 김진아 책임연구원이 공동연구에 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원으로 수행됐다.