전자빔 방출효율 40배 향상
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.
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.
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.
이상훈기자 am8523am@dt.co.kr
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