독자들은 엑스레이 영상검사 기술을, 산업계에서 널리 이용되는 머신 비전(Machine Vision) 기술과 유사하지만 물체의 내부를 투시해 볼 수 있는 새롭고 신기한 기술로 받아들일 것 같다. 엑스레이 영상에 대한 이미지 프로세싱(Image Processing) 기술이 비약적으로 진보하고 있기는 하지만 아직 한계를 느끼는 분야가 있고, Vision 기술로는 상상할 수도 없는 새로운 분야의 출현도 기대해 볼 수 있다.

고화질 영상 획득 기술, 포톤 카운팅(Photon Counting) 기술, Damage Filter 기술, Phase Contrast 기술, Dual Energy 기술 등의 요소기술을 소개하며, 올해 기술의 완성과 발전이 가져올 새로운 세계를 독자들과 함께 설레는 마음으로 기다리고자 한다. 

 

고화질 영상 획득 기술

 

엑스선은 전자기파이며 빛에 비하여 파장이 대단히 짧아 조사되는 시료의 결정마다 고유한 회절 무늬를 만든다. 에너지가 크기 때문에 물질에 대한 형광 작용이 강하고, 물질을 쉽게 투과할 수 있으며, 투과 시에는 물질의 밀도와 원자에 따라 투과율이 달라져서 명암으로 구분해 준다. 실제 엑스레이를 인체에 조사(照射)하면 밀도가 높은 뼈는 밝게, 장기나 근육 부분은 어둡게 영상이 맺히는 이유가 여기에 있다.

확보한 영상을 사용자가 편안하고 용이하게 관찰할 수 있도록 노이즈를 저감시키고 화질을 개선해주는 여러 가지 영상 필터 기술을 적용할 수 있다. GE사에서는 Flash Filter, Yxlon사는 HDR Filter이라는 이름으로 자사 고유의 영상 개선 필터(Image Enhancement Filter)를 개발해 사용하고 있다. 

쎄크에서 전기연구원의 도움을 받아 개발, 사용 중인 필터의 예를 들면 아래 그림 1과 같다. 좌측의 영상에서는 확인할 수 없던 내부의 보이드(Void)를, 영상 필터 처리한 우측의 영상에서는 선명하게 구분할 수 있음을 알 수 있다.

 

 

 

그림 1. Image Filter 적용 전, 후의 영상 비교(쎄크, KERI)

 

 

영상의 잡음과 엑스선량은 반비례 관계이다. 플럭스(Flux)가 낮은 저선량의 영상에서는 필연적으로 많은 잡음이 발생해, 이를 적절히 제어할 수 있는 기술의 수준이 영상 품질을 좌우한다. 극단적으로 밀도가 높은 물질과 낮은 물질, 예를 들어 인체에 금속을 삽입한 상태에서 엑스레이 사진을 찍는 경우, 실제 존재하지 않은 무늬가 불필요하게 화면에 나타나게 되며, 이를 금속 인공음영(Metal Artifact)이라 부른다.

그림 2의 좌측은 금속 인공음영 현상을 보여주며, 우측은 별도의 영상처리 알고리즘으로 이를 제거한 화면이다.   최근 엑스레이 영상 분야에서 가장 이슈가 되는 연구 분야 중 하나는 보정 수준이 아닌, 원천적으로 인공음영을 제거할 수 있는 Spectral CT (Dual Energy CT)이다. 

동시에 두 가지 에너지 영역대의 엑스선을 조사함으로써 에너지 감쇄특성에 기초한 재료 선별능력이 추가로 적용되어 특정 물질을 검출할 수 있는 소재 밀도 구분 능력이 향상되고, 빔 경화(Beam Hardening)와 같은 인공음영, 노이즈에 강한 CT 알고리즘이다.

그림 3은, 필요한 영역의 대조도를 강조하여 밀도는 유사하나 서로 다른 소재로 구성된 특정 부분을 선명하게 관찰할 수 있음을 보여준다. 즉, 동적 범위 대조도 조정(Dynamic Range Contrast Adjustment) 기술을 통해 영상의 대조도 향상 효과를 얻을 수 있다.

 

 

 

그림 2. Metal Artifact 제거 알고리즘 적용 전, 후의 영상 비교

 

 

 

 

 

 

그림 3. Dynamic Range Contrast Adjustment 기술의 적용사례

 

 

 

포톤 카운팅 기술 

 

디지털 엑스레이 영상 센서는 크게 엑스레이에 의해 발생된 전자-정공 쌍(EHP; Electro- Hole Pair)을 축적하여 영상화하는 전하 축적형 방식과, 입사되는 포톤의 수를 계수하여 영상화하는 광자계수 방식으로 구분할 수 있다.

일반적으로 많이 사용되는 평판 디텍터는 전하 축적형 영상센서로 전자-정공 쌍을 축적할 때 접합부 누출 전류(Junction Leakage Current) 노이즈, 표면 노이즈 등이 함께 축적되므로 양질의 영상을 얻기 위해서는 많은 방사선량이 필요하며, 특정 시간동안 단위 픽셀에 측정된 전하의 양으로 명암의 정도를 구분해서 영상으로 만들어 주기 때문에, 단위 시간에 대한 민감도가 낮고, 노이즈에 취약한 단점이 있다.

반면, 광자계수기술은 광 다이오드에 엑스레이가 입사되면 축적되는 포톤 에너지와 문턱 에너지(Threshold Energy)가 비교되어 입사 에너지가 문턱값(Threshold)보다 높으면 계수되어 저장되고, 낮으면 계수되지 않도록 함으로써 광자들 중 원하는 대역의 에너지를 갖는 광자 개수를 헤아릴 수 있다. 따라서 피검사체 내의 물질정보를 구별할 수 있는 획기적인 장점을 갖는다. 다시 말해, 환자의 특정 병변(예를 들어 유방 내부의 암 조직 발전 직전의 미세 석회 조직)을 주변 조직과 구분하여 검출할 수도 있게 된다.

또한 문턱 에너지 값 이하의 노이즈는 저장하지 않으므로 상대적으로 높은 SNR(Signal to Noise Ratio) 값을 얻을 수 있으며, 방사선량을 줄일 수 있다.  예를 들어 5채널의 멀티 에너지 레벨 광자계수 기술을 사용하면 조사된 엑스선을 센서가 5가지 레벨의 에너지를 갖는 광자(Photon)로 구분해서 각 레벨 별 단위 시간당 입사되는 수량을 읽어낼 수 있는 것이다.

이 기술이 적용된 제품으로 미국의 eVproduct사에서 판매되는 eValuator 디텍터(Detector)를 활용하면 다음과 같은 차별화된 영상의 획득이 가능하다고 알려져 있다. 좌측의 영상이 일반 카메라로 촬영한 것이고, 이후 5장의 영상은 1회 엑스선 조사 후 각 에너지대 별로 획득한 개별 영상과 이를 합산하여 생성한 이미지 이다.

특정 물질을 강조해서 나타낼 수 있으며, 이러한 방식의 응용은 보안검색, 의료, 음식 이물검사 등에 활용되고 있고, 높은 밀도의 용기 내부에 담겨진 액체의 높이 검출이나 수화물 내부에 은밀히 숨겨진 폭약을 선별해 내는 작업도 가능한 특징이 있다.

그림 4 중 Bin 1의 저 에너지 영역에서는 연필, 볼펜, 장미꽃의 형상이 선명하게 구분되지만 가위 날 부위의 중첩 부 두께 차이는 Bin 3, Bin 4의 고에너지 영역에서만 구분이 되는 현상을 관찰할 수 있다.  한편, 고에너지 영상에서는 나무 등 저밀도 물질 형상은 거의 구분할 수 없음을 알 수 있다.   

 

 

 

그림 4. Photon Counting 기술 적용 사례(eVproduct사) 

 

 

Damage Filter 기술 

 

반도체 제조 공정에서 웨이퍼(Wafer) 내부의 결함을 검출하는 DI(Defect Isolation) 공정은 초음파, IR, 엑스선 검사 등을 통하여 내부의 Void나 균열(Crack), Short Path, Contact Delamination 등의 결함을 찾아내고 신뢰성을 확보한다. 특히 미세 구조의 결함을 분석하는 경우에는 영상의 해상도를 확보하기 위하여 결함분리 기술 중 유일하게 200nm 혹은 그보다 정밀한 해상도까지 구현이 가능한 엑스선 영상을 선호한다.

그러나 엑스선 영상을 이용하는 방법은 결함 분석을 위한 샘플링 검사 용도에는 사용상 불편한 점이 거의 없으나 제조 공정에서 품질 감시의 용도로 사용하는 경우 고에너지의 엑스선이 반도체 소자에 조사됨으로써 제품에 손상(Damage)을 입힌다는 보고가 있으며, 엑스선이 조사된 칩이 완제품으로 출하될 경우 불량을 유발한다는 고객의 불만족이 종종 발생한다.

현재는 이러한 물리적인 현상을 피할 수 있는 검사방법 상의 대안이 없는 관계로 빔이 조사되는 부위를 최소화 시키는 방법, 불가피하게 손상된 칩은 정확하게 선별하여 고객에게 출고되지 않도록 제거하는 방법을 사용하고 있으나 근본적인 처방은 될 수 없다.

업계의 부단한 노력으로 반도체 회로에 조사되는 방사선량을 최소화하는 기술과, 동시에 다양한 에너지 분포를 갖는 엑스선의 특정 에너지대를 차단하는 실험을 통하여 손상을 최소화하고 있다. 현재는 디바이스의 손상을 상당량 저감시키는 Damage Filter가 개발되어 장비에 적용되고 있으며, 빠른 시일에 Damage Free 엑스선 검사기술이 선보여질 것으로 전망한다. 

 

Phase Contrast 기술     

 

엑스선이 물질을 통과할 때 물질 특성에 따른 흡수도 차이를 구분하는 방법이 아니라 굴절 차에 따른 영상을 획득하여 이를 재구성하게 되면 훨씬 고해상도의 영상을 얻을 수 있다. 물질의 구성 요소의 분포에 따른 굴절 효과의 차이는 연조직의 경우 흡수도의 차이보다 훨씬 크기 때문에 이러한 굴절차를 이용할 경우 기존의 엑스선 영상 기법에서 획득하기 어려운 연조직에 대한 고해상도 영상 획득이 가능하다. 

이러한 방법을 위상차 영상 기술(Phase Contrast Imaging) 이라고 부르며 이 경우 그림 5의 왼쪽 영상에서 비교했듯이 MRI의 분해능보다 훨씬 뛰어나다. 생체 시료와 같은 연조직의 CT 촬영이 가능해서 향후 이 분야 연구에서의 활용뿐 아니라 산업분야의 시료분석 및 의료용 영상 기기로의 응용이 가능한 장점이 있다.  이러한 위상차 영상 기술에 있어서 엑스선의 굴절 효과를 나타나게 하고, 위상차를 측정하기 위한 광학 부품이 투과형 격자(Transmission Grating)이다. 

이러한 투과형 격자는 실리콘 혹은 금속 마이크로 패턴의 주기적인 배열을 이용하여 구현할 수 있는데, 격자 소자는 매우 짧은 파장을 지닌 엑스선이 시료를 투과한 후 물질 요소에 따라 위상차를 발생시키거나 이러한 굴절 차에 따른 엑스선 영상 데이터를 획득하기 위한 핵심 소자이다.  

 

 

 

그림 5.  엑스선 간섭계 위상차 영상기법을 이용한 생체 시료로 획득한 영상의 예

 

 

고해상도의 영상을 획득하기 위해서는 투과형 격자 소자의 패턴 사이즈가 수 마이크로미터 이하의 정밀 패턴이어야 하며, 엑스선 간섭을 일으키기 위해서는 소자의 깊이가 수십 마이크로미터에 달하는 고 종횡비 구조여야 한다. 위 그림 우측에서 보듯이 위상차 엑스선 영상 기법을 위한 격자 소자는 G1과 G2, 두 개의 엑스선 광학 부품으로 구성된다.

G1은 엑스선이 통과한 후 위상차를 발생시키기 위한 소자로서 실리콘 혹은 금속의 주기적인 마이크로 배열로 이루어진다. G2는 G1에서 발생한 위상차에 의한 영상을 구별해 내기 위한 데이터 분석용 격자 소자로써 애널라이저 그레이팅(Analyzer Grating)이라고 부른다. 

방사광가속기의 광원이 아닌 일반적인 튜브 기반의 엑스선을 이용한 위상차 영상 기법의 적용을 위해서는 G1, G2 이외에도 광원의 크기를 최소화하는 효과를 위한 G0 격자 소자가 요구될 수도 있으며 Source Grating 이라고 부른다. G2 소자의 경우 주기적인 마이크로 패턴의 배열 뿐 아니라 마이크로 패턴 사이에 엑스선을 선택적으로 차폐하기 위한 고 종횡비의 금속 형상을 구현하여야 하므로 반도체 공정 기술뿐 아니라 고정밀 전주 도금 기술이 요구된다. 

현재까지 고 종횡비 미세패턴의 형태를 갖는 광학소자의 제작에 기술적인 한계가 있어 보편화 되지 못하고 있으나 이 한계가 극복되면 상당한 파급효과를 기대할 수 있는 미래기술로 주목하고 있다. 

 

Dual Energy 기술

 

고화질 영상 획득 기술에 잠깐 소개되었지만 Dual Energy 기술은 낮은 에너지 영상과 높은 에너지 영상을 획득하여 선형 결합 시킴으로써 주기율 표 상의 경 원소부터 중 원소까지 물질을 원자번호에 따라 3~4레벨로 구분하여 특정 색상으로 디스플레이 해주는 기술을 뜻한다. 중성자와 엑스레이 기술을 융합하여 물질의 핵반응을 유도하는 기술을 적용하면 이를 약 100레벨까지도 구분이 가능하다고 학계에 보고되어 있다. 

그림 6은 Dual Energy 기술이 가장 활발하게 응용되고 있는 화물검색 분야의 사례를 나타내었다. 두 개의 소스를 사용하거나, 하나의 소스에서 저 에너지와 고 에너지의 엑스선을 교번하여 발생시킬 수 있도록 시스템을 구성하면 동일 장비에서 저 에너지와 고 에너지의 두 가지 영상 획득이 가능하다. 

이를 활용하여 원자번호가 10보다 낮은 물질은 오렌지색으로, 10~18번 대의 중간물질은 녹색으로, 18~40번의 물질은 파란색으로 표현해 줄 수 있다. 즉 유기물에 해당하는 원자번호 10번 이하의 물질을 선별하여 관찰함으로써 폭발물이나 마약류 등의 검색을 가능하게 해 주는 매우 유용한 기술이다. 

 

 

 

그림 6. Dual Energy 기술의 활용사례(by Smithsdetection)

 

 

지금까지 10회에 걸쳐 엑스레이 기술의 필요성, 장비 시장의 현황과 전망, 엑스레이의 발생 원리와 특징, 엑스레이 영상 획득의 메카니즘, 엑스레이 튜브와 디텍터, CT기술의 개념과 원리, 활용 그리고 영상처리기술, 엑스레이 자동검사 기술에 관하여 상세하게 기술하였다. 

연재기사가 독자들의 엑스레이 기술에 대한 이해도를 향상시키는 계기가 되었기를 간절히 바라며, 앞으로도 엑스레이 기술에 대한 관심과 성원을 아끼지 않으신다면 향후에 비전 검사기술을 뛰어넘는 유용한 기술로 발전할 수 있을 것이라 확신한다.

 

 

전승원  _ 쎄크