기술의 진보가 눈 깜짝할 새 이뤄지고 있다지만 실상 보이지 않는 곳에서 패러다임의 전환을 이루기 위해 천리를 걷는 소처럼 묵묵히 연구에 매진하는 이들이 있다. 그중 한 명인 전기전자공학부 이철진 교수는 120년 동안 사용해온 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 튜브를 대체할 신기술 개발을 위해 21년 세월을 묵묵히 견뎌냈다.
탄소나노튜브는 1991년 새로운 나노 소재로 발견된 후 세간의 주목을 받았지만 예측만큼 고효율로 전자 방출을 해내지 못해 오랫동안 연구의 고전을 면치 못했던 소재이다. 반도체 신물질과 소자를 연구해왔던 이철진 교수는 인류에 도움이 될 신기술 연구에 관심을 가지게 돼 1998년부터 탄소나노튜브 합성과 전계전자방출 특성 연구에 뛰어들었다. 물론 오직 이철진 교수의 연구실에서만 탄소나노튜브를 활용한 전자방출원 개발 연구를 시도한 것은 아니었다. 그러나 그는 과거에 고수해오던 방식을 버리지 않으면 혁신적인 결과물을 얻어낼 수 없으리라 생각해 자신만의 독창적인 아이디어로 탄소나노튜브를 이용하는 전자방출원 연구에 매진했다.
“대부분 연구자들이 탄소나노튜브 전계방출원을 탄소나노튜브 페이스트라는 제작방법으로 구조화한 데 반해 저는 독창적인 구조와 제작 방법이 필요하다고 판단했습니다. 결국 탄소나노튜브를 고밀도로 수직 배양시켜 전자빔의 밀도를 극도로 향상시키는 방법을 구현해냈지요. 이 방식을 활용하면 전자방출원 제작 시 유기물을 혼합하지 않고도 고밀도 탄소나노튜브 구조체를 형성시킬 수 있기 때문에 특성이 우수한 고효율 전자방출원을 제작할 수 있습니다.”
▲나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 모식도
이철진 교수는 탄소나노튜브를 전자방출원 이외에도 새로운 나노 물질인 그래핀을 사용해 이제까지 시도된 적 없는 게이트 전극 기술을 연구 개발했다. 이후 연구를 계속 진행해 탄소나노튜브 전자방출원, 그래핀 게이트 전극, 전자빔 집속 렌즈, 애노드 전극을 연구개발한 후, 이러한 각기 부품들을 유리로 된 진공튜브에 밀봉해 고성능 냉음극 엑스선 튜브를 제작하는 기술을 완성, 지난 7월 22일부터 26일 미국 오하이오 주 신시내티에서 개최한 제32회 국제 진공나노일렉트로닉스 학술회의(32nd International Vacuum Nanoelectronics Conference, IVNC 2019)에서 “나노 소재 기반 고성능 냉음극 엑스선 튜브 기술”이란 제목으로 신기술 연구 결과를 발표했다. 이 신기술은 탄소나노튜브와 그래핀을 이용해 고품질의 엑스선을 발생시키는 새로운 방법으로, 이러한 방식의 냉음극 엑스선 튜브 연구개발은 세계 최초이다. 이철진 교수는 지난 20년 동안의 연구 성과로 국제 SCI 논문 202편, 국제 SCI 논문인용 12,770회(h-index 63, i10-index 143), 국제학술대회발표 220회, 국제특허등록 18건, 국제특허출원 3건, 국내특허등록 60건, 국내특허출원 1건을 달성했다.
▲나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 모식도
“기존 의료영상진단기기용 엑스선 장치는 여러 가지 문제를 안고 있습니다. 먼저 2000도를 웃도는 온도까지 필라멘트를 고온으로 가열해 전자빔을 방출하기 때문에 정상 작동에 도달하기까지 오랜 시간이 필요하고, 아울러 사용되는 에너지의 5%만이 전자빔 방출에 활용, 나머지는 열에너지로 빠져나갑니다. 즉 낮은 에너지 효용이 아쉬운 상황이었지요. 더욱이 열로 전자를 방출시키기 때문에 엑스선 선량 조절이 어렵다는 단점이 있었습니다. 실제로 선명한 엑스선 영상 이미지를 얻기 위해서는 남녀노소 사람에 따라서 뼈의 굵기와 밀도나 몸의 부위별 뼈의 구조, 밀도에 따라 또 각기 다른 엑스선 선량을 조사해야 하는데, 기존 엑스선 장치로는 선량 조절이 어려워 고해상도의 이미지를 얻기 어렵습니다.
