연세대, 포톤 카운팅 기반 초고속, 초저선량 X-ray 디텍터 기술 세계 최초 개발

▲ 개발된 포톤 카운팅 기반의 SPAD X-ray 디텍터 (자료=연세대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 연세대학교 전기전자공학과 채영철 교수 연구팀은 세계 최초로 포톤 카운팅 기반 초고속, 초저선량 CMOS X-ray 디텍터 개발에 성공했다. 이는 반도체 칩 설계 분야 올림픽으로 불리는 ‘국제고체회로학회(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)’에 내년 2월 발표될 논문으로 선정됐다.

연구팀이 개발한 기술은 단일 광자의 검출이 가능한 SPAD (Single Photon Avalanche Diode)를 활용해 기존 CMOS X-ray 디텍터에 비해 매우 낮은 선량의 X-ray를 사용하면서도 동일한 이미지 품질을 유지할 수 있으며, 이를 활용해 저선량 혹은 고속 X-ray 촬영이 필요한 환자에게 효과적으로 적용될 수 있다.

연구팀은 이 기술을 바탕으로 대면적 CMOS X-ray 디텍터를 개발했으며, 600 fps의 높은 프레임의 X-ray 이미지를 획득하는 데 성공했다. 또한, 기존 SPAD 기반 센서들이 가지고 있던 높은 전력 소모 문제를 시간 인코딩을 활용한 보외법(extrapolation)으로 해결해 센서의 전력 소모를 약 100배가량 낮출 수 있었다.

개발된 X-ray 디텍터는 세계 최고의 전력 효율, 높은 이미지 품질, 넓은 동적 영역, 고속 동작을 동시에 달성한 매우 혁신적인 연구 결과로, 그 기술적 가치를 인정받아 2023년 ISSCC에 발표 논문으로 선정됐다.

연세대 채영철 교수는 "기존 포톤 카운팅 기반의 X-ray 디텍터는 낮은 효율과 낮은 이미지 품질로 인해 상업화가 어려웠으나, 본 연구에서 제안하는 SPAD 기반의 포톤 카운팅 X-ray 디텍터를 통해 관련된 문제를 모두 해결했다"며, "개발된 초저선량 X-ray 디텍터를 통해 실시간 X-ray 촬영을 필요로 하는 고난도 수술에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업의 ‘Global Shutter 기반의 20 x 20cm 대면적 Hybrid X선 동영상 검출기 개발’ 프로그램의 지원으로 레이언스와 공동으로 수행됐다.