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日의 소재 공격에 맞설 고성능 냉음극 엑스선 튜브 기술 개발
  • 글쓴이 : 고대 TODAY
  • 조회 : 127
  • 일 자 : 2019-10-31


Research
日의 소재 공격에 맞설 고성능 냉음극 엑스선 튜브 기술 개발
전기전자공학부 이철진 교수

 


인류 최초의 노벨상 수상자 뢴트겐은 1895년 텅스텐에 열을 가열해 이전에 발견하지 못했던 투과력을 가진 전자파를 발견했다. 엄청난 에너지를 가진 전자파가 살과 뼈를 비롯한 대부분의 물질을 투과하는 능력을 가졌다는 걸 알아냈을 때 그 정체모를 전자파를 X선이라 명명했던 것. 그리고 120년이 훌쩍 지난 2019년에 이르러 X선 발생장치의 패러다임 전환을 이끌 새로운 기술이 발명되었다. 우보천리의 걸음으로 탄소나노튜브와 전자방출원 연구를 20년간 지속해온 이철진 교수의 이야기이다.

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.

한편 필요 이상의 과도한 엑스선에 노출되는 문제점도 있지요. 게다가 지금의 열음극 엑스선 장치는 크기가 크며 단일 엑스선 발생원을 갖기 때문에 3차원 엑스선 영상 이미지를 얻기에 한계를 가질 수밖에 없습니다.”

이에 반해 이철진 교수가 연구개발한 나노소재 기반 냉음극 엑스선 튜브는 탄소나노튜브와 그래핀에 전계를 인가해 고밀도의 전자빔을 효율적으로 방출시킨다. 에너지 효율은 무려 95%수준에 달한다.

거경궁리-법고창신-우보천리의 철학으로



결코 쉽지 않은 새로움을 추구하는 학문의 길을 가야하는 연구자에게는 반드시 철학이 있어야 한다고 강조하는 이철진 교수. 그는 경건한 마음으로 만물의 이치를 추구하는 거경궁리(居敬窮理)의 자세, 오래된 지혜로부터 새로움을 추구하는 법고창신(法古昌新)의 태도 그리고 인내를 가지고 우직하게 끝까지 밀고 나가는 우보천리(牛步千里)의 정신을 소개했다. 꿈을 가지고 목표를 세운 사람은 세상의 일시적인 유행이나 평가를 따르지 않아야 하며 비록 다른 사람들이 주목하지 않더라도 혁신을 향해 묵묵히 자신만의 길을 걸어가야 한다는 것.


▲냉음극 엑스선 튜브용 포인트형 및 라인형 탄소나노튜브 전자 방출원 제작 및 그래핀 게이트 전극 제작 방법 모식도

“나노소재 기반의 냉음극 엑스선 튜브 기술은 머지않아 기존의 열음극 엑스선 튜브를 대체해 의료영상진단기기 이외에도 비파괴 검사기기, 보안검색기기, 살균처리기기 등 여러 분야에서 널리 사용되리라 기대합니다. 현재 상용화된 열음극 엑스선 튜브 기술은 국내외 선두그룹의 격차가 커 현실적으로 극복하기 어려운 실정이기에 이번 연구개발에 성공한 나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 기술은 의료영상기기를 비롯한 다양한 응용 기술분야에서 선진국에 비교 우위를 확보할 절호의 기회입니다. 오랜 기간 인고의 시간을 견뎌내 지금의 좋은 결과를 낼 수 있었던 원동력은 인류의 삶에 도움이 되는 기술을 만들겠다는 신념 덕분이지요. 이 기술이 저선량 고품질 엑스선 장치뿐 아니라 엑스선 응용장치의 소형화를 이끌어 다양한 분야에 사용되길 소원하고 있습니다.”


▲나노소재기반 냉음극 엑스선 튜브 및 관련 핵심부품

이철진 교수는 이번에 연구개발한 나노소재기반의 냉음극 엑스선 기술을 통해 국제적인 기술 경쟁력을 확보하고, 고부가가치의 신규시장을 창출 및 선점하겠다는 목표도 갖고 있지만 무엇보다 이 기술이 기존의 엑스선 튜브 및 응용기술의 패러다임을 바꾸는 글로벌 스탠더드로 자리 잡아 인류의 복지와 건강을 위해 널리 사용되기를 바라고 있다. 연구 2막인 실용화 단계에서 다시 우보천리의 걸음을 시작하겠다는 이철진 교수. 그는 앞으로 국내외 여러 기업체들과의 긴밀한 산학협력을 통해 차세대 냉음극 엑스선 튜브의 실용화 기술을 연구 개발하겠다는 새 포부를 전했다.