X-ray Tube의 활용
X-ray 검사기술④(본지 7월호 18∼22P)에서는 Tube의 구조에 관하여 Open Tube와 Closed Tube로 구분해 설명했다. 이를 정리하면 다음과 같다.
만약 분석용 장비에 탑재해서 정밀한 구조를 관찰하는 용도에 사용한다면, Open Tube를 선택해야 한다. 이 때에는 보통 80∼225kV급 관 전압의 튜브가 유통된다.
Open Tube는 투과 형과 반사 형으로 구분하며, 투과형의 경우 시료를 Target에 0.3mm 미만으로 근접시킬 수 있어 수 천 배 이상의 고배율 영상 획득에 유리한 반면, 반사 형은 관 전류를 3mA까지 인가할 수 있어 대형 시료의 선명한 영상 획득에 유리하다.
또한 반사 형은 전류 값이 높은 반면, Focal Spot Size가 5㎛ 이상으로 크기 때문에 비교적 큰 크기의 결함(보통 수 십 ㎛ 이상) 검사에 사용된다. 투과 형 open tube는 최소 200nm의 분해능을 보유하므로 1㎛미만 미세구조의 분석도 가능하다.
볼륨과 중량, 필라멘트 수명, 가격 면에서 매우 부담스러운 Open Tube에 비하여 Closed Tube는 비교적 저렴하고 Compact하기 때문에 SMT 공정의 Soldering 검사 장비나 2차 전지 생산 공정의 배터리 전수 검사용으로 많이 활용된다.
수명이 10,000Hr이상 지속되므로 라인 가동 중 튜브의 보수, 유지에 대한 부담이 매우 적다.
그러나 전자 빔 광학계의 빔 집속을 위한 렌즈 구조가 단순하며, 크기가 작은 전기장 렌즈를 사용하기 때문에 5㎛ 이내의 빔 집속을 위하여 매우 까다로운 설계와 제조 공정을 거쳐야 한다. 또한 제조 시 튜브 내부의 진공도를 확보한 후 영구 밀봉시켜 제품을 출하하므로 필라멘트 수명 종료 후에 오픈 튜브처럼 새로이 교환해서 재사용할 수 없다. 세계적으로 Focal Spot 5㎛ 이내 Micro Focus Closed Tube를 생산할 수 있는 제조사는 퀘벡, 하마마쯔, 그리고 쎄크 등 3개사 정도이다.
X-ray Spectrum
X-ray Tube의 특성을 대표하는 또 하나의 지표가 있다면, X-ray Spectrum을 들 수 있다. 그림 1은 Spectrum 특성을 나타낸 도표로써, 에너지대 별 광자(Photon)의 양을 나타낸다고 이해하면 무리가 없다.
그림 1. X-ray Tube의 Spectrum 특성
도표의 좌측은 Tube에 인가되는 가속 전압을 변화시킨 결과이고, 우측은 관 전류를 변화시킨 결과이다.
좌측의 도표에서 관 전류를 5mA로 고정하고 관 전압을 75kV, 100kV, 150kV로 상승시킨 결과 평균 에너지와 Intensity가 모두 증가함을 알 수 있다.
즉, 포톤의 양과 투시 깊이가 모두 향상되어 시료 내부의 투시 영상을 밝게 관찰할 수 있음을 의미한다. 우측의 도표는 관 전압을 100kV로 고정하고, 관 전류를 2.5mA, 5mA, 10mA로 증가시킨 결과이다.
이 경우, 평균 에너지는 그대로인 반면, Total Intensity가 비례적으로 증가하여 투시 깊이는 그대로이지만, 밝은 투시영상을 제공할 수 있다.
한 편 X-ray 투시 깊이는 알루미늄 기준으로 50kVp일 때 10mm, 100kVp일 때 20mm, 125~300kVp일 때 30mm를 투시한다고 알려져 있으며, 콘크리트의 경우는 50kVp에서 8cm, 100kVp에서 30cm, 300kVp에서 약 60cm를 투시한다고 발표되어 있다.
X-ray Tube 기술의 발전
본 연재 2회 차(본지 5월호 18∼21P)에서 전술하였듯이 X-ray Tube가 개발되어 활용된 역사는 100년을 훌쩍 넘겼다.
최근 Tube 기술 발전의 방향은 다음과 같다.
· 초 고해상도 투시영상을 획득할 수 있는 Nano Resolut-ion Tube기술의 진화
· 자동차, 중공업 부문 등 대형 제품의 투시 영상을 얻을 수 있는 고에너지 X-ray Tube기술의 진화
· 고속 CT 영상을 얻기 위한 펄스 형 X-ray Tube 기술 발전
· X-ray 검사를 실행하는 전자 부품에 방사선 피폭으로 인한 손상을 최소화 하기위한 필터 활용기술 출현
· Open Tube의 넓은 Beam Angle과 높은 분해능 및 확대 성능을 보유한 상태로 10,000Hr 이상의 수명이 보장되는 In-Line용 Nano Tube 기술의 출현
Nano Resolution X-ray Tube
보다 미세한 구조의 영상을 획득하기 위해 50nm Resolu-tion의 X-ray Source기술이 개발되고 있다. 50nm의 해상도라면 통상 200nm 내외 크기의 구조물이나 결함 형상을 2차원, 혹은 3차원 투과영상으로 관찰할 수 있는 대단히 유용한 기술이다. 현재 크게 두 가지 방향에서 접근을 시도하고 있다.
하나는 X-ray를 발생시켜 이를 X-ray 광학계를 구성하여 집속하는 방향이며, 또 다른 방법은 X-ray 발생 전 상태인 가속된 전자를 미세 빔으로 집속시켜 50nm의 Focal Spot을 만드는 방법이다.
전자의 방법, 즉 X-ray 광학계를 이용하는 방법은 미국의 Xradia사가 주도하며, 주로 방사광 가속기에서 추출되는 빔 라인을 이용한다. 독일 프라운호퍼 연구소와의 공동 연구 결과로 반도체 제조공정에서 100nm미만 크기의 Void 검출 능력이 있음을 발표했다.
그림 2에서 좌측은 TSV 공정에서 반도체 상, 하부 패턴을 연결하는 Through Hole 내부의 Void 형상을 촬영한 Image이며, 우측은 X-ray 광학계의 개요도이다.
그림 2. X-ray 광학계 적용 Nano Image(독일, 프라운호퍼 연구소)
이는 X-ray Source에서 발생된 Photon이 경면 가공된 복합 굴절 렌즈나 Capillary를 통과하며 집속되거나, 존 플레이트 렌즈를 포함한 X-ray 광학계를 통과하며 나노 빔으로 집속되어 획득한 영상이다. 주로 렌즈의 집속 효율이 매우 낮아 싱크로트론에서 추출되는 빔 라인을 사용하는 쪽으로 활용되며, 일반 X-ray Tube를 사용하기도 한다. Resolution이 뛰어나 정밀영상 획득에 유리하지만 X-ray 광학계를 통하여 집속되는 방사선량이 매우 적어 영상 획득시간이 수 십분 소요되는 단점이 있다.
또한 후자의 방법, 즉 전자 빔 광학계를 이용하여 미세 Focal Spot을 만드는 방법은 많은 X-ray Source 제조사들이 시도하고 있으며, 현재의 상용화된 기술 수준은 200nm까지이다. 일본의 TOHKEN사는 Condenser Lens의 구면수차가 Gun과 Condenser Lens 사이의 거리와 특정 함수로 상관관계가 있으며, Object Lens의 구면수차는 Object와 Target의 거리에 따라 감소함에 착안하여 Condenser Lens가 Cathode Tip과 일치하도록 전자 빔 광학계를 구성했다.
즉, In-Lens Emitter System이라는 기술을 개발하여 200nm급 영상을 획득하였다고 발표한 것이다. 그림 3은 Voxel Size 180nm의 해상도로 촬영한 X-ray 영상으로써, 좌측은 CT의 단면영상, 그리고 우측은 3차원 가시화 영상이다. TOHKEN사는 현재 400nm Focal Spot의 Nano Tube를 상용화하여 판매하고 있다.
그림 3. Ferrite Particle X-Ray 영상(일본, TOHKEN)
일본의 HAMAMATSU사에서도 0.25㎛ 해상도의 X-ray Source를 판매하고 있으며, 최근에는 수요가 증가하고 있다고 알려져 있다.
이와 함꼐 전자 빔 광학계를 이용한 Nano X-ray Source로 국내의 쎄크사 제품이 상용화되어 있다. Cathode Filament로 Lab6 Tip을 사용하며, 렌즈의 열 변형 특성을 대폭 향상시키고 고 진공 기술이 융합되어 200nm의 Focal Spot으로 집속할 수 있는 성능을 확보하였다. 이는 NF-120이라는 반도체 웨이퍼 공정검사 장비에 탑재되어 판매되고 있으며, 1㎛ 미만의 작은 결함도 정확하게 검출해 낼 수 있다.
그림 4. 200nm CT System을 이용한 TSV 공정의 Defect Void 3차원 영상(한국, 쎄크)
산업계에서는 Xradia를 합병한 Zeiss사에서 싱크로트론의 빔 라인을 활용하여 50nm의 공간 해상도를 구현하고 있으며, X-ray Source 제조사들은 Tube를 활용해서 동등 성능을 구현하기 위하여 기술개발에 주력하고 있는 실정이다.
만일 Tube에서 50nm의 해상도를 구현하는 결과를 얻을 수 있다면, 방사광 가속기 내부라는 공간적인 제약에서 벗어나 자유로운 장소에서 연구나 생산 활동을 시도할 수 있을 것이다. 또한 전자 주사 현미경과 같이 진공 환경이 아닌 대기 환경에서 수 천 배의 확대 배율을 확보할 수도 있다.
더불어 CT Scan 작업을 통해 미세 구조물의 내부 형상에 대한 3차원 Volume Data를 얻을 수 있어 신소재나 광물의 내부 조직 관찰, 의료 및 바이오 분야의 미세 구조물 관찰에 활용할 수 있다.
XRM의 응용분야
Nano X-ray 영상, 즉 X-ray Microscope(XRM) 기술에 관하여 몇 가지 응용사례를 Zeiss사 발표 자료들을 중심으로 나열한다.
첫 번째는 독일의 TUM 대학에서 개발한 기술이다. 이 기술은 연약한 뼈의 구조물을 나노 스케일로 분석한 것으로써, 2010년 3월 네이처지에 발표했다. 이는 골밀도 진단을 위한 연구에서 전체의 뼈에 대하여 골밀도 감소를 파악하는 현재의 기술을 극복함으로써, 특정 부위 뼈의 구조를 가시화시켜주고 골밀도 변화를 고해상도 3차원 영상으로 분석할 수 있다.
그림 5는 나노 CT 알고리즘으로 획득한 100nm급 크기 도관들의 정밀 네트워크 형상을 가시화한 것으로써, 골다공증 치료제 개발용으로 활용되고 있다.
그림 5. 골 해부학에서의 고해상도 Nano CT 기술 응용
두 번째는 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC)이다. 이는 차세대 가스 터빈과 극초음속 항공기 분야 등의 가혹 조건, 즉 1,500℃의 온도조건에서 견딜 수 있는 신소재와 관련된 기술이다. 이 분야에서 안전성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 내부에 형성된 작은 크랙들의 진행을 자체 마이크로 구조물에 의해 어떤 방법으로 억제할 수 있는지의 여부가 관건이다.
파괴를 방지하기 위하여 기계적 인성을 높여주는 것과 별도로 뼈나 조개껍질 등 자연 조직과 같이 CMC를 복잡한 마이크로 구조물로 만들어 주고, 극한 상황에서의 손상의 진행을 3차원으로 관찰하는 연구를 University of California Berkeley 재료공학과에서 시도했고, 이는 Nature Material지 2013년 1월자에 수록됐다.
이 기술은 싱크로트론 엑스레이 마이크로 CT 기법을 사용하여 1750℃의 온도에서 하중을 받은 상태에서 발생한 크랙이 성장하는 마이크로 크랙 손상의 과정을 모두 풀어냈다. 결국 이 연구는 높은 정확도를 요하는 시뮬레이션의 중요한 구성요소를 찾아내는데 기여하였고, 극한 조건에서 운전할 때 파괴 위험성을 계산하는데 유용하다고 평가되었다.
650nm per Pixel의 해상도를 보유하기 때문에 마이크로 스케일의 구조물을 상세하게 영상화 할 수 있으며, 외부 변형과 내부의 마이크로 크랙 혹은 다른 형태의 내부 손상을 부하의 함수로 분석해 낼 수 있다.
기타 재료과학 분야는 X-ray 현미경 의존도가 높다. 연 X-ray의 기본적인 특수성과 방사광의 튜닝능력이 결합된 분광 현미경기술을 활용함으로써 다양한 소재를 관찰할 수 있다. 마그네틱 소재, 태양전지 결함 및 배터리 화합물 등에 관한 연구가 오랜 기간 지속되어 왔다. 나노 스케일 마그네틱 소재의 기초 물리 및 저장 매체로서의 산업상의 중요성에 대한 관심이 그 배경이다.
특히 연료 전지 부문에서는 충·방전 효율을 높이기 위한 방법으로써, 효과적인 촉매 작용이 발생하기 위해 전자와 이온의 변환이 일어나야 한다는 부분과 포함된 재료들의 기공성, 화학적 상태, 입자 크기에 대한 연구가 필요하다.
이 외에도 충·방전 사이클의 최적화를 위한 여러 가지 연구와 환경 과학 분야의 응용으로 인한 막대한 양의 오염물질 즉, 광산업, 산업용 쓰레기, 대기오염 및 농약에 의한 오염물질에 관한 연구가 지속되고 있다.
전승원 전무 _ 주식회사쎄크
