- 전자빔 방출효율 40배 향상 -
▲세종대 물리천문학과 천승현(왼쪽) 교수와 정상균 박사
세종대학교(총장 엄종화) 물리천문학과 천승현 교수가 정상균 박사(세종대학교), 김진아 책임연구원(LG전자 인공지능연구소) 등과의 공동연구를 통해, 반도체칩구조를 활용한 전자빔방출 방식으로는 최초로 의료용 X선 이미징에 성공했다.
병원이나 공항 검색대에서 흔히 접하는 X선 장비는 겉으로 드러나지 않는 내부를 탐색하는데 널리 쓰이고 있다. 이러한 X선의 발생은 전자빔의 방출로부터 시작하는데, 그동안은 필라멘트를 섭씨 2000도 이상 가열시킬 때 튀어나오는 전자빔을 이용했기에 장비도 무겁고 매우 비효율적였다.
최근 개발돼 상용화된 디지털 X선 발생기는 탄소나노튜브나 실리콘 나노팁에 피뢰침처럼 전기장을 모아 전자빔을 방출시킨다. 경량화가 가능해 치과용이나 이동용 장비에 적용되고 있지만 집속용 광학렌즈나 진공장비, 고전압 등이 필수적이며 마모도 심한 편이다.
천승현 교수 연구팀은 10여년 동안 축적해온 그래핀 직성장 기술을 이용해 저전압 및 초고속 전자빔의 방출을 가능하게 하는 그래핀 MOS* 구조를 개발했다. 기존의 MOS 구조에서는 전자빔의 방출효율이 1% 정도에 그쳤지만, 수직형 그래핀을 오존으로 처리하는 등 제작공정을 개선해 방출효율을 최대 40%까지 향상시켰다.
* MOS : Metal-Oxide-Semiconductor (금속-산화물-반도체)의 약자로 트랜지스터의 기본구조다.
여기에 2,140개의 셀을 집적할 수 있도록 실리콘 부분산화공정(LOCOS)을 접목했고, 결과적으로 상용화에 필요한 mA 수준의 X선 발생에 성공했다. 이처럼 MOS 구조에서 방출된 전자빔을 이용한 X선 이미징은 세계 최초로 보고된 것으로, 향후 컴퓨터의 동작속도에 버금가는 초고속 디지털 X선 장비에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
[그림] 실리콘에서 주입된 전자가 그래핀을 통해 방출된 후 가속되어 금속 표면과 충돌하면 X선이 발생함. 그래핀과 반도체공정으로 충분한 선량의 X선을 발생시켜 흉부팬텀의 이미징에 성공함.
천 교수는 “전자빔을 만드는 방식이 그동안 마치 백열등에서 조명용 LED처럼 발전해왔다면, 이번 연구는 LED TV나 초고속 광통신 개발에 비유될 수 있다. MOS 구조의 효율적인 전자빔 방출은 디스플레이나 전자현미경 등에도 활용될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원으로 수행됐고, 재료 및 나노분야 학술지인 Advanced Science(JCR Impact Factor 14.3)에 8월 15일자로 온라인 게재됐다.
* 참고자료: doi.org/10.1002/advs.202403721
세종대 홍보실(hongbo@sejong.ac.kr)