X선 검출기의 특징

산업용 X선 검사장비에는 보편적으로 증배관 형태의 XRII와 평판 디텍터, 즉 FPXD가 많이 사용되며 각각의 특징을 비교하면 다음과 같다.

FPXD는 영상 왜곡이 적고 설치 공간이 적게 필요하며 무게가 가벼운 반면, 상대적으로 고가이고 XRII에 비해 감도가 낮아 영상 획득 속도가 낮다는 단점이 있다. 따라서 기존에는 영상 품질에 다소 문제가 있어도 영상 획득 속도, 가격 등에 이점이 있는 증배관 형태가 많이 활용됐다. 그러나 최근 감도가 대폭 향상된 평판형 제품이 출시돼 수요가 늘고 대량 생산도 가능해졌다. 증배관에 비해 가격이 3∼4배 수준에서 2배 이내로 낮아져 대부분의 검사장비가 FPXD를 채택하는 현상이 나타나고 있다.

증배관 형태의 검출기는 신호를 증폭하는 회로가 내장돼, 상대적으로 낮은 선량에서 영상을 획득할 수 있는 능력과 가격이 낮다는 장점을 여전히 갖고 있으므로, 특별히 높은 감도를 필요로 하는 특정 시스템이나 저가형 장비에 제한적으로 활용될 것으로 예상된다. 검출기 두 종류의 특징을 간략하게 표 1에 요약했다.

그림 1. 증배관 및 평판 디텍터의 영상 비교

표 1. 증배관 및 평판 디텍터의 특성 비교

그림 1은 동일한 BGA 칩을 증배관과 평판 검출기로 촬영한 영상이다. 왼쪽이 증배관 획득 영상인데 화면의 모서리 부분에서 왜곡을 발견할 수 있으며, 중심부와 주변에 밝기 차이가 존재한다. 대부분 SW적으로 보정해서 사용하지만, 화질 면에서 평판에 비해 열세이다.

기타 많이 사용되는 X선 검출기(X-Ray Detector)로 직선 검파기(Linear Detector)가 있다. 신틸레이터(Scintillator)와 포토다이오드(Photodiode)가 한 라인으로 이어져 구성된 형태의 검출기로, 검사 대상물을 검출기가 스텝 혹은 연속 동작으로 지나가며 촬영한다.

한 라인씩 영상을 디텍팅한 후, 각 라인별 영상을 통합(Integration)하는 작업을 거치므로, 검사 대상물이 대형이어서 제한된 영상 입력 영역의 일반 검출기로 촬영하는 데 적합하지 않은 경우나 물체가 연속으로 이동하는 경우, 물질 특성상 신틸레이터를 평판 형태로 제조하기 난해한 경우에 라인 검출기를 사용한다.

라인 검출기의 특수한 형태로 TDI(Time Delay and Integration) 기술이 사용되며, 이는 직선 검파기의 약한 감도를 보완하기 위한 기술이다. 여러 개의 직선 검파기가 TDI 센서에 의해 움직이는 물체(Object)의 속도에 맞춰 직선 검파기 각각의 디텍팅 시간에 지연을 부여, 같은 부분만 디텍팅한다. 같은 부분이 여러 개이므로 이러한 결과를 통합하면 감도가 훨씬 좋아진다. 즉 비교적 고속으로 이동하는 물체를 촬영하는 데 적합하다.

X선 검출기의 사양

표 2. 최근 유통되고 있는 증배관 및 평판형 디텍터의 사양 비교

표 2는 최근 시중에 유통되고 있는 검출기의 상세 사양을 정리한 것이다. 총 4종류의 검출기를 비교하며 설명한다. 가장 왼쪽이 증배관 검출기이며, 2개사의 평판 검출기를 비교한다.

구성 항목에 기술된 내용은 디텍터가 포톤을 받아들여 영상을 생성하는 방식이다. I.I.는 증배관을 뜻하며 CCD 카메라와 결합해 엑스레이 영상을 얻는다. 옥시화황산 가돌리늄(Gadolinium Oxysulfide ; Gadox)은 포톤을 가시광선으로 변환시키는 형광체이고, CMOS는 신호를 읽어내는 회로이다. 형광체의 재료로 옥시화황산 가돌리늄과 요오드화세슘(Cesium Iodide ; CsI)이 가장 많이 사용되며 동일한 영상의 경우, 요오드화세슘이 10% 정도 낮은 선량에서 영상을 얻을 수 있다. 전문가들은 영상 품질 면에서 요오드화세슘이 약간 우위를 점하고 있지만, 그 차이는 별로 크지 않다고 평가한다. 가격 면에서는 옥시화황산 가돌리늄이 20∼30% 정도 유리하다.

Area는 포톤을 받아들이는 디텍터의 센싱 영역, 즉 영상 입력화면의 크기를 뜻한다. 증배관의 경우 원형으로 되어 있고 직경이 6인치이며, 내접한 사각형의 크기가 135×100mm 혹은 100×100mm이다. 평판은 A사 약 115×65mm, B사 약 128×128mm의 영역에서 영상을 획득한다. 1∼2년 전만 해도 평판은 50×50mm의 소형 화면이 주류를 이루었다.

픽셀 사이즈는 디텍터의 해상도와 관련되며, 포톤을 받아들이는 단위 센서의 크기를 말한다. B사 제품의 예를 들면, 디텍터 128×128mm 영역의 화면을 100×100㎛ 크기의 픽셀, 즉 단위 센서로 채운다고 이해하면 된다. 각 센서별로 포톤의 입력을 감지해서 유무 신호를 컴퓨터 모니터로 전송해 준다. 128×128mm 영역을 100㎛ 크기의 픽셀로 메우려면 가로, 세로 각각 1,280개의 픽셀이 배열되므로 총 1,638,400개의 픽셀이 필요하다. 이는 한 장의 2차원 영상이 보유하는 데이터의 크기를 말한다. 총 해상도 1.6M 값이 나타내는 의미이다. 

입력 화면의 크기가 커지면 내부 픽셀 수도 증가하며, B사는 보다 큰 화면의 3M, 8M 디텍터도 출시했다. 대형 화면의 영상을 얻으면 처리해야 할 데이터의 양이 많아지므로 컴퓨터에 인가되는 높은 부하를 처리해야 한다는 기술적인 문제가 발생하며, 3차원 볼륨 데이터를 획득하는 데  연산 시간이 상당히 길게 소요된다.

또한 동일한 크기의 디텍터에서는 픽셀 크기가 작으면 해상도가 향상되어 더욱 정밀하고, 섬세한 화면을 얻을 수 있다. 그러나 상대적으로 한 픽셀이 수용할 수 있는 포톤의 양이 줄어들기 때문에 형광물질이 동일하다면 픽셀이 감지할 수 있는 감도가 저하되고, 영상이 어두워지는 것이 일반적이다. 해상도가 높다고 비례적으로 화질이 뛰어나기를 기대할 수 없는 이유가 여기에 있다.

프레임률은 단위 시간, 즉 1초에 몇 프레임의 영상을 생성할 수 있는지를 나타낸다. 한 픽셀을 미시적으로 관찰해 포톤이 입력되면 즉시 전기적인 신호로 변환해 화면에 명암으로 표시되는 것이 아니다. 수십ms 동안 포톤을 축적해서 인식할 수 있는 양이 됐을 때 그 신호를 컴퓨터에 보낸다. 축적 방식이라고 기재된 이유가 바로 여기에 있다. 그 다음에 리셋 작업이 진행되고, 다시 포톤을 받아들이는 작업을 반복한다. 사이클 타임이 짧을수록 프레임률이 높아진다. 프레임률은 감도에 의해 직접적으로 영향을 받는데, 감도는 포톤을 빛으로 변환시키는 형광체의 수광 면적 즉 픽셀의 크기, 픽셀의 변환 효율과 밀접한 관계가 있다.
디텍터의 프레임률은 증배관 형태가 30fps(frame per second), A사 평판이 60fps, B사 평판이 30fps로 기재되어 있다. 영상 획득 속도 데이터에 따르면 B사 제품이 가장 우수하다고 집계되어 있지만, 영상 품질이 타사 제품에 비해 떨어진다는 단점이 있다. 속도는 빠르지만 충분한 선량을 받아들이지 못한 결과 화면이 어두워지고 영상 품질이 저하되는 현상이 발생한다. 

아래 쪽에 명시된 유효 fps(상대적) 용어는 충분히 판독할수 있는 일정 수준의 영상 품질이 확보된다는 것을 전제로 프레임률을 상대적으로 비교, 테스트한 결과이다. 증배관 형태의 디텍터와 B사 제품의 고감도 제품만이 30fps로 평가되며 일반적으로 제조사가 제시하는 위 라인의 수치와는 다른 결과값을 보인다. B사의 고선명도 제품은 영상 획득 속도 등을 양보하며 최대로 선명한 영상을 얻을 수 있도록 최적화된 제품이며 검사 장비의 용도에 따라 고감도, 고선명도 타입을 선택해서 사용할 수 있다.

ADC는 엑스선 영상이 표현할 수 있는 흑백 영상에서 흰색과 검은 색, 그리고 중간에 위치한 색상, 즉 그레이 레벨을 몇 단계로 구분해서 나타낼 수 있는가를 의미한다. 12bit의 경우 212개 즉 4,095개로 나누어 표현할 수 있고, 14bit는 16,000개의 그레이 레벨로 구분해서 표현할 수 있다. 비교 테이블에서 알 수 있듯이, 최근 1∼2년 사이에 평판 디텍터의 가장 큰 단점인 감도와 입력화면 크기, 가격 면에서 의미 있는 발전이 진행됐다.

디텍터를 선정할 때 추가로 고려해야 할 사항은 에너지 비정(Energy Range)으로, 제조사에 따라 130kVp, 160kVp까지 가능한 제품이 있으며 450kVp, 수MV의 고에너지 제품이 별도로 판매되고 있다. 제품의 가격이 엑스레이 검사장비 제조 원가의 상당한 부분을 점유하므로, 성능과 가격을 고려해서 적절한 디텍터를 선정해야 한다.

X선 검출기의 한계

앞에서 설명한 바와 같이, 형광체가 일정 시간 포톤을 축적해서 영상 신호를 발생시키는 축적 방식을 대부분의 디텍터에서 채택할 경우 문제가 발생한다.

2차원 영상을 획득하는 시스템에서는 수십ms의 포톤 축적 시간이 전혀 불편함을 주지 않는다. 1초 이내의 짧은 시간에서 미세한 시간 차이는 의미가 없을 뿐 아니라 의료용 평판의 경우 영상 획득 시간이 수 초에 달하는 제품도 유통된다. 다만 산업용의 경우, 프레임률이 낮으면 제품 일부분의 영상을 관찰하고 다음 장소로 화면을 이동할 때 마치 과거 무성영화 시대의 필름을 보는 것처럼 화면이 부자연스럽게 이동하는 현상을 경험하게 된다. 그렇지만 대부분 10fps 내외의 프레임률이라면 전혀 불편함을 느끼지 않는다.

그러나 고속으로 3차원 엑스선 영상을 획득해야 하는 경우, 요구 사항이 전혀 달라진다. 다음 달에 설명하겠지만 3차원 엑스레이 CT 검사를 고속으로 진행해야 하는 경우, 검사 대상물을 360도 회전시키며 1초에 수십 장의 영상을 촬영하게 된다. 이 경우 프레임률의 한계로 인해 고속 촬영 자체가 불가능하거나, 감도가 좋지 못한 영상이 얻어져 추후에 판독 작업이 불가능해진다. 일반적으로 프레임률 이내의 속도로 CT 스캔을 진행해야 하므로 스캔 시간이 길어지거나, 적은 수량의 영상으로 3차원 볼륨 데이터를 만들어야 하는 제한이 따르게 된다. 이 경우 검사에 필요한 선명한 영상을 얻을 수 없다.

그림 2. 정지 및 고속 회전 상태에서 촬영한 BGA 칩의 영상

또한 영상을 읽어 들이는 카메라 노출 시간의 한계 때문에 선명한 2차원 영상 획득에 실패하는 경우가 많다. 그림 2는 BGA 칩을 촬영한 영상인데 왼쪽은 정지 상태에서, 오른쪽은 고속으로 회전하며 찍은 것이다. 특히 FOV(Field of View)가 비교적 큰 BGA 제품인 경우, 고속으로 CT 스캔하면 영상의 블러링 현상이 심화된다. 이는 우리가 과거에 구형 카메라로 고속 질주하는 모터사이클 선수를 촬영할 경우, 셔터 스피드를 수백 분의 1초로 최대한 짧게 세팅하지 않으면 희미한 영상이 얻어졌던 경험을 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 짧은 시간에 포톤을 받아들여 정확하고 선명한 영상을 만들어 내는 기술, 이것이 고속 3차원 엑스레이 CT 검사 기술의 핵심이라고 할 수 있다.

쎄크는 디텍터 노출 시간을 줄여 영상 획득을 시도했지만 이내 한계에 도달했으며, 지금은 다른 방법으로 이 문제를 해결하고 있다. 바로 펄스 빔 방식을 사용하여 엑스레이를 짧은 시간 단위로 끊어서 조사하는 방법이다. 디텍터 노출 시간보다 훨씬 짧은 시간 단위로 펄스 빔을 조사하는 방법을 개발해 적용하고 있다. 개발 과정에서 엑스레이 발생 장치의 원천 기술을 개선 및 발전시켜야 구현할 수 있는 고난도의 기술이라는 점을 다시 한 번 절감했지만, 현재 부분적으로 상용화가 완료됐다.

이러한 기술을 개발한 결과, 자동차 전장물에 실장되는 500㎛ 내외 볼 사이즈의 BGA 칩 3차원 인라인 검사가 가능해졌다.
그리고 추가적으로 개발한 결과, 내년에는 휴대폰 시장에서 주류를 이루고 있는 볼 사이즈 300㎛ 이내의 BGA 칩 인라인 검사 장비가 출시될 수 있을 것으로 예상하고 있다.

X선 검출기 영상 품질 지표

X선 영상의 품질을 판단하는 지표는 다양하지만, 가장 중요한 것 3가지를 꼽는다면 감도(Sensitivity), MTF (Modu-lation Transfer Function), DQE(Detective Quantum Efficiency)를 들 수 있을 것이다. 

감도는 디텍터의 변환 기능(Detector Conversion Func-tion)을 의미하고, 단위 면적당 노출된 양자수의 함수로 디텍터 출력 신호를 측정해서 평가한다. MTF는 촬영 대상물을 디텍터가 만들어 주는 영상에 얼마나 세밀한 해상도로 표현할 수 있는지로 영상 획득 시스템을 평가하는 지표이다. 그리고 DQE는 디텍터 입력 단에서 출력 단까지 통과하며 발생시키는 신호 대 잡음비의 효율을 측정해서 평가한다. 이들은 영상 품질을 평가하는 데 사용하는 기본적이고 객관적인 측정 방법이라고 할 수 있다.

지금까지 소개한 3가지 지표의 상세한 측정 방법은 IEC 62220-1 Ed.1에 규정돼 있다. 쉽게 표현하면 영상의 대조도(Contrast), 해상도(Resolution), 선명도(노이즈 없음)의 세 가지 인자를 평가 지표의 기본으로 이해하면 된다.

전승원 쎄크