KR101791906B1 - 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치 - Google Patents

Abstract

소형화 및 경량화에 유리하면서도 절연 안정성이 뛰어난 구조의, 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치는, 전방을 향해 엑스선을 방출하는 전계방출 엑스선 소스; 전방을 향해 지름이 점점 확대되는 콘(cone) 형상을 가지고, 상기 전계방출 엑스선 소스의 엑스선 방출점 전방에 배치되어 방출된 엑스선을 소정 각도범위의 엑스선 빔 형태로 제어하는, 엑스선 방출 콘; 및, 직류 또는 교류 전원을 이용하여 상기 전계방출 엑스선 소스의 구동 전압을 생성하는 구동 회로부를 포함하고, 상기 구동 회로부는, 상기 엑스선 방출 콘 하부에 배치되고, 상기 엑스선 방출 콘의 중심선을 포함하는 수평면을 기준으로 상기 엑스선 방출 콘 하부의 외벽이 기울어진 각도보다 크거나 같은 각도로 기울어지게 배치된 적어도 하나의 인쇄회로기판을 포함한다.

Description

전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치 {PORTABLE X-RAY GENERATING APPARATUS HAVING FIELD EMISSION X-RAY SOURCE}

본 발명은 포터블 엑스선 발생 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 전계방출 엑스선 소스를 이용하여 소형화된, 치과에서의 구강내(Intra-Oral) 엑스선 촬영에 적합한 포터블 엑스선 발생 장치에 관한 것이다.

엑스선 촬영은 엑스선의 직진성과 감쇠성을 이용한 방사선 촬영법으로서, 촬영대상을 투과하는 과정 중에 누적된 X선 감쇠량을 기초로 촬영대상의 내부구조에 대한 엑스선 영상을 제공한다. 엑스선 촬영 장치는 촬영대상을 향해 엑스선을 조사하는 엑스선 발생 장치, 촬영대상을 사이에 두고 상기 엑스선 발생 장치와 대향 배치되어 촬영대상을 투과한 엑스선을 검출하는 엑스선 센서, 상기 엑스선 센서의 검출결과인 엑스선 투영 데이터로 촬영영역의 내부구조에 대한 그레이 레벨(gray level)의 엑스선 영상을 구현하는 영상처리장치를 포함한다.

최근 들어 엑스선 촬영은 반도체 및 정보처리기술의 발전에 힘입어 디지털 센서를 이용한 DR(Digital Radiograhpy)로 빠르게 대체되는 가운데 엑스선 촬영 기술 또한 목적에 따라 다양하게 발전하고 있다. 일례로, 치과 분야에서 주로 시행되는 구강내 엑스선 촬영을 들 수 있다. 구강내 엑스선 촬영은 피검자의 구강내 한정된 영역의 엑스선 영상을 얻기 위한 엑스선 촬영기술로서, 피검자의 구강 내부에 엑스선 센서를 배치하고 구강 외부의 엑스선 발생 장치로부터 엑스선을 조사하여 이들 사이의 치아 및 치아주변조직에 대한 엑스선 영상을 획득한다. 이 같은 구강내 엑스선 촬영 영상은 왜곡이 적고 해상도와 선예도가 우수하며 방사선 노출이 상대적으로 적다는 장점을 지니고 있어 고해상도가 요구되는 임플란트 시술이나 근관치료 등에 주로 활용되고 있다. 구강내 엑스선 촬영의 편의성과 정확성을 높여 그 활용도를 향상시키기 위해서는 엑스선 방출 장치의 경량화 및 소형화가 요구된다.

최근에는 엑스선 방출 장치의 소형화 등을 위해, 탄소나노튜브(CNT) 등 나노 구조물을 이용한 전계방출 엑스선 소스에 대한 연구가 이루어지고 있다. 탄소나노튜브를 이용한 엑스선 소스는 전계방출(electric field emission) 방식으로서, 종래의 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치와는 그 전자 방출 메커니즘이 다르다. 탄소나노튜브 기반의 엑스선 소스는 상대적으로 낮은 전압의 인가로 전자 방출이 가능하고, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 엑스선 타켓면을 향한 전자의 방향지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율이 매우 높다. 또한 펄스형태의 엑스선을 방출시키는 것이 용이하여 저선량으로 엑스선 영상 획득이 가능할 뿐만 아니라 엑스선 동영상의 촬영이 가능하여 치과 진단용, 특히 구강내 엑스선 촬영용으로 활용 가능성이 매우 높다.

이제까지 알려진 전계방출 엑스선 소스(Field Emission X-ray Source)는 진공 용기 내에, 캐소드(cathode) 전극 상에 설치된 전자 방출원(emitter)과 그에 인접하게 설치된 게이트(gate) 전극을 구비하고, 게이트 전극과 전자 방출원 사이에 형성된 전계에 의해 전자가 방출되도록 구성된다. 게이트 전극은 메쉬(mesh) 형태나 전자 방출원의 배열에 따라 다수의 홀이 배열된 금속판 형태를 갖는다. 전자 방출원(emitter)으로부터 방출된 전자 빔(electron beam)이 이러한 메쉬 구조 또는 다수의 홀을 통과하여 진행하면, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 형성된 전계에 의해 전자를 수십 kV로 가속하여 애노드 측에 설치된 엑스선 타겟(target)면에 타격시켜 엑스선이 방출되도록 한다. 또한, 캐소드와 애노드 사이의 전자 빔 진행 경로 주위에 배치된 집속 전극을 구비하여, 전자 빔을 집속하는 전기장을 형성하기도 한다.

전계방출 엑스선 소스는 엑스선 방출 장치의 소형화 및 경량화에 유리한 측면이 있으나, 반대로 작은 크기의 장치에서 애노드와 캐소드 사이에 약 65kV에 달하는 높은 전위차가 형성되므로 절연 파괴의 위험에 노출되기 쉽다. 절연 안정성을 높이기 위해서는 절연 거리를 늘리거나 절연 구조물을 추가할 수 있으나, 이는 소형화와 경량화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다는 데에 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 수십 kV의 높은 전압으로 구동되는 전계방출 엑스선 소스를 채용한 것으로, 소형화 및 경량화에 유리하면서도 절연 안정성이 뛰어난 구조의, 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위하여 본 발명에 따른 포터블 엑스선 방출 장치는, 전방을 향해 엑스선을 방출하는 전계방출 엑스선 소스; 전방을 향해 지름이 점점 확대되는 콘(cone) 형상을 가지고, 상기 전계방출 엑스선 소스의 엑스선 방출점 전방에 배치되어 방출된 엑스선을 소정 각도범위의 엑스선 빔 형태로 제어하는, 엑스선 방출 콘; 및, 직류 또는 교류 전원을 이용하여 상기 전계방출 엑스선 소스의 구동 전압을 생성하는 구동 회로부를 포함하고,

상기 구동 회로부는, 상기 엑스선 방출 콘 하부에 배치되고, 상기 엑스선 방출 콘의 중심선을 포함하는 수평면을 기준으로 상기 엑스선 방출 콘 하부의 외벽이 기울어진 각도보다 크거나 같은 각도로 기울어지게 배치된 적어도 하나의 인쇄회로기판을 포함한다.

상기 구동 회로부는, 상대적으로 전압이 낮은 제 1 구동 전압을 생성하는 제 1 구동 회로부; 및, 상대적으로 전압이 높은 제 2 구동 전압을 생성하는 제 2 구동 회로부를 포함하고, 상기 제 1 구동 회로부를 구성하는 제 1 인쇄회로기판이 상기 엑스선 방출 콘 하부에 배치될 수 있다.

이때, 상기 제 1 구동 회로부는, 적어도 하나의 승압 트랜스를 구비하여 입력 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스의 게이트 구동 전압 수준으로 승압하는 것으로, 상기 승압 트랜스는 상기 제 1 인쇄회로기판에서 상기 엑스선 방출 콘의 반대쪽 면에 실장될 수 있다.

또한, 상기 제 2 구동 회로부는, 상기 제 1 구동 회로부로부터 공급된 상기 제 1 구동 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스의 애노드 구동 전압 수준으로 승압하는 것으로, 상기 전계방출 엑스선 소스의 아래에 일부가 중첩되며 후방 쪽으로 배치된 제 2 인쇄회로기판을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제 1 인쇄회로기판과 상기 제 2 인쇄회로기판은 상기 전계방출 엑스선 소스에 대한 높이가 서로 다르게 배치되며, 상기 제 1 인쇄회로기판은 상기 제 2 인쇄회로기판보다 상대적으로 높은 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 한 측면에 따른 포터블 엑스선 방출 장치는, 휴대 가능한 포터블 엑스선 방출 장치에 있어서, 전계방출 엑스선 소스; 상기 전계방출 엑스선 소스로부터 방출되는 엑스선 빔을 소정 각도범위로 형성하기 위한 엑스선 방출 콘; 및 상기 엑스선 소스를 고정하며, 상기 엑스선 소스에 전압을 공급하는 적어도 하나의 인쇄회로기판을 포함하는 엑스선 소스 구동 조립체를 포함하며,

상기 엑스선 소스 구동 조립체는 상기 엑스선 빔 방출 방향의 후방에 상기 전계방출 엑스선 소스의 전극에 전압을 공급하는 고전압 인쇄회로기판이 위치하도록 한다.

여기서, 상기 엑스선 빔의 방출은 상기 엑스선 소스 구동 조립체의 인쇄회로기판이 속한 평면과 소정의 각도를 이루도록 할 수 있다.

상기 전계방출 엑스선 소스의 전극은 애노드 전극이고, 상기 애노드 전극에는 적어도 2 단계 이상의 승압을 거친 고전압이 입력되도록 할 수 있다.

상기 고전압 인쇄회로기판은 다수의 다이오드와 다수의 캐패시터로 구성되는 승압부를 포함할 수 있다.

한편, 상기 고전압 인쇄회로기판은 상기 전계방출 엑스선 소스의 게이트 구동 수준으로 승압하는 제 1 구동 회로부와 상기 전계방출 엑스선의 애노드 구동 수준으로 승압하는 제 2 구동 회로부를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 전계방출 엑스선 소스는 상기 제 1 구동 회로부보다 상기 제 2 구동 회로부에 가깝게 위치할 수 있다. 또한, 상기 제 1 구동 회로부와 상기 제 2 구동 회로부는 서로 다른 평면상에 배치될 수 있다. 상기 제 2 구동 회로부는 상기 제 1 구동 회로부보다 더 많은 절연성 충전재로 둘러 쌓이도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 수십 kV의 높은 전압으로 구동되는 전계방출 엑스선 소스를 채용한 것으로, 소형화 및 경량화에 유리하면서도 절연 안정성이 뛰어난 구조의, 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치가 제공된다.

효율적인 공간 활용 및 인체 공학적 무게 배분이 실현되고, 절연 안정성 강화 구조가 적용된, 경량, 소형의 포터블 엑스선 방출 장치는 엑스선 영상 촬영자의 피로감을 덜고, 조작의 정확성을 높이는 데에 도움이 되어 엑스선 영상 촬영의 정확성을 높이는 효과가 있을 뿐만 아니라, 장치의 수명을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 보인다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 보인다.
도 3은 상기 도 1 또는 도 2의 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체의 한 예를 보인다.
도 4는 상기 도 3의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 상기 도 3의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 사시도이다.
도 6은 상기 도 2의 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 무게 배분의 관점에서 보인다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 한편 동일한 도면 부호는 동일한 특성을 갖는 구성요소임을 나타내는 것으로서, 어느 도면에서 설명된 구성요소와 동일한 도면 부호를 갖는 구성요소에 대한 설명은 다른 도면에 대한 설명에서는 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(100)는 그 내부에 전계방출 엑스선 소스(40)가 설치된 몸체부(11)와, 상기 몸체부(11) 전방에 배치된 원통형 시준부(12), 그리고 상기 몸체부(11) 아래쪽에 배치된 손잡이부(13)를 갖는다. 상기 손잡이부(13)의 상부에는 트리거형 스위치(14)가 배치되고 상기 손잡이부(13)의 하부에는 충전식 배터리팩(15)이 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(100)는 전체적으로는 마치 헤어드라이어 또는 전동드릴을 연상시키는 형태를 띨 수 있다.

상기 몸체부(11) 내에 상기 전계방출 엑스선 소스(40)는 단독으로 설치되는 것이 아니라 엑스선 소스 구동 조립체(50)를 형성하는 프레임 내에 배치된다. 상기 전계방출 엑스선 소스(40)는 간단하게 표현하면 원통형 형상을 가지는데, 본 도면의 평면에 수직인 방향으로 눕혀진 형태로 배치된다. 다시 말해, 엑스선 빔(XB)이 방출되는 전방(본 도면의 좌측)에서 볼 때 가로로 누운 방향으로 원통형의 상기 전계방출 엑스선 소스(40)가 배치된다. 이하에서는 편의상 상기 전계방출 엑스선 소스(40)로부터 엑스선 빔이 외부로 방출되는 방향을 전방으로, 그 반대 방향을 후방으로 표현하기로 한다.

전술한 프레임에서 상기 전계방출 엑스선 소스(40)가 설치되는 엑스선 소스 수용부(51)는 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 외주면에 대응되도록 부분 원통형 등의 형태로 형성될 수 있다. 상기 엑스선 소스 구동 조립체(50)는 상기 엑스선 소스 수용부(51)에서 전방 아래쪽으로 비스듬히 연장된 제 1 구동 회로부(52)와 상기 엑스선 소스 수용부(51)의 아래쪽으로부터 후방 위쪽으로 비스듬히 연장된 제 2 구동 회로부(53)를 포함한다. 상기 제 1 구동 회로부(52)에는 1차 승압 트랜스(522)를 포함하는 1차 승압 회로가 구성된 제 1 인쇄회로기판(521)이 배치되고, 상기 제 2 구동 회로부(53)에는 다수의 다이오드(diode)와 커패시터(capacitor)를 포함하는 2차 승압부(532)가 마련된 제 2 인쇄회로기판(531)이 배치된다. 상기 전계방출 엑스선 소스(40)는 상기 제 2 인쇄회로기판(531)의 상부에 중첩되게 배치될 수 있다.

상기 엑스선 소스 구동 조립체(50)에서 그 외형을 구성하는 프레임은 그 상부와 측면을 둘러싸고, 그 하부가 열린 형태로 형성되는데, 상기 제 1 인쇄회로기판(521)과 제 2 인쇄회로기판(531)의 상하부 및 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 주위는 절연성 충전재로 충전되어 도면에 빗금으로 표시된 것과 같이 절연 몰딩부(51B, 52B, 53B)를 이룬다. 한편, 본 도면에 표시되지는 않았으나 상기 엑스선 소스 수용부(51)에서 전방을 향해 엑스선이 방출되는 위치에는 윈도우가 형성되어 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 일부분이 노출되도록 할 수 있다. 또한, 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 표면은 상기 윈도우에 대응되는 부분을 제외하고는 엑스선 차폐층으로 둘러싸여 의도되지 않은 엑스선 방출이 일어나지 않도록 통제된다.

상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 전방으로 상기 엑스선 소스 수용부(51)와 원통형 시준부(12) 사이에는 엑스선 방출 콘(cone)(60)이 배치된다. 상기 엑스선 방출 콘(60)은 고깔 형태의 구조물로서 엑스선 차폐물질로 형성되거나 적어도 엑스선 차폐층을 포함한다. 전계방출 엑스선 소스(40)에서 방출된 엑스선은 상기 엑스선 방출 콘(60)을 통과하면서 일정한 조사 범위를 갖는 엑스선 빔의 양상을 띠게 된다. 상기 원통형 시준부(12) 역시 내부에 엑스선 차폐층을 가져서 난반사 등으로 의도되지 않은 방향으로 진행하는 엑스선을 차단하고, 엑스선 빔의 조사 범위를 제어하는 역할을 한다. 필요에 따라 엑스선 빔의 형태를 제어하기 위해 상기 원통형 시준부(12)에 고정형 또는 가변형의 사각형이나 선형 등의 개구부를 갖는 엑스선 차폐물을 설치할 수도 있음은 물론이다.

이제 본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(100)의 몸체부(11) 내부를 공간활용 및 구조물 배치의 관점에서 살펴본다. 전술한 엑스선 방출 콘(60)은 그 중심선이 상기 원통형 시준부(12)의 중심선(XB)에 일치하도록 배치된다. 그 결과 상기 중심선(XB)이 곧 이들을 통과하여 방출되는 엑스선 빔의 중심선이 된다. 한편, 상기 엑스선 방출 콘(60)의 하부에는 전술한 제 1 구동 회로부(52)가 배치되는데, 상기 제 1 인쇄회로기판(521)이 속한 평면(P)이 상기 중심선(XB)을 포함하는 수평면에 대해 각도α만큼 기울어지게 배치된다. 상기 각도α는 상기 중심선(XB)에 대한 상기 엑스선 방출 콘(60) 외벽의 기울기인 각도β에 비해 그 값이 크거나 같다. 각도α의 값이 각도β의 값에 가까울수록 상기 제 1 인쇄회로기판(521)을 포함하는 제 1 구동 회로부(52)를 상기 엑스선 방출 콘(60)에 근접시킬 수 있어서 몸체부(11) 내부 공간의 효율적 활용에 유리하다. 이는 곧 장치의 소형화에 유리함을 의미한다.

이는 상기 엑스선 구동 조립체(50)가 엑스선 방출 콘(60)의 중심선(XB)과 소정의 각도를 가지는 것으로 나타낼 수도 있다. 이로써, 주변 전장 부품에 영향을 덜 주도록 전계방출 엑스선 소스(40)가 제1 인쇄회로기판과 최대한 근접하도록 하면서, 소정의 엑스선 방출 범위와 엑스선 구동 조립체(50)가 간섭되지 않도록 할 수 있다.여기서, 전계방출 엑스선 소스(40)의 특성 및 상기 제 1 구동 회로부(52)와 제 2 구동 회로부(53)의 특성에 관해 좀 더 살펴보기로 한다. 앞서 언급된 바와 같이 전계방출 엑스선 소스(40)는 캐소드 전극, 게이트 전극 및 애노드 전극의 3극관 구조로 이루어진다. 예를 들어 설명하면, 캐소드 전극에 인가되는 전압을 기준으로 하여 게이트 전극에는 약 5~10kV의 전위차가 있는 제 1 구동 전압이 스위칭 신호로서 인가되고, 애노드 전극에는 약 65kV의 전위차가 있는 제 2 구동 전압이 전자 가속 전압으로서 인가된다. 다만, 이러한 구동 전압 수치는 의료용 엑스선 방출 장치의 관전압 규격에 따른 예시로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제 1 구동 회로부(52)는 1차 승압부로서의 기능을 담당하고, 제 2 구동 회로부(52)는 2차 승압부로서의 기능을 담당한다. 제 1 구동 회로부(52)는 예컨대, 소정의 직류 전원 또는 인버터회로를 통해 변환된 교류 전원을 1차적으로 승압하여 약 5~10kV의 제 1 구동 전압을 생성한다. 이를 위해 상기 제 1 구동 회로부(52)는 1차 승압 트랜스(522)가 실장된 제 1 인쇄회로기판(521)을 포함한다. 상기 제 1 인쇄회로기판(521)에는 다른 여러 가지 부품들과 이들을 연결하여 회로를 구성하는 전극 패턴이 구비되는데, 이들 중 부피와 무게가 가장 큰 것이 1차 승압 트랜스(522), 즉 트랜스포머(Transformer)다. 상기 1차 승압 트랜스(522)에서 기판에 가까운 그 전극 부분은 절연 몰딩부(52B)를 형성하는 절연성 충전재에 의해 상기 제 1 인쇄회로기판(521) 상의 전극 패턴 및 높이가 낮은 소자들과 함께 덮이고, 그 윗 부분은 상기 절연 몰딩부(52B) 밖으로 노출된다.

상기 제 1 구동 회로부(52)에서 생성된 제 1 구동 전압은 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 게이트 전극에 스위칭 신호로서 제공되고, 2차 승압을 통해 애노드 전극 구동 신호를 생성하기 위해 상기 제 2 구동 회로부(53)에도 제공된다. 상기 제 2 구동 회로부(53)에 포함된 제 2 인쇄회로기판(531)에는 다수의 다이오드(diode)와 커패시터(capacitor) 등으로 구성된 2차 승압부(532)가 마련된다. 상기 2차 승압부(532)는 입력 전압을 n배의 전압으로 승압하는 n배 전압 정류회로 또는 코크로프트 배전압 정류회로로서 구성될 수 있다. 이는 정류와 동시에 상기 제 1 구동 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 애노드 전극 구동 전압인 약 65kV의 제 2 구동 전압까지 끌어올릴 수 있다. 이와 같이 승압된 제 2 구동 전압은 제 2 인쇄회로기판(531) 상의 출력 단자로부터 그 상측에 가깝게 배치된 전계방출 엑스선 소스(40)의 애노드 전극으로 공급된다. 한편, 상기 제 2 인쇄회로기판(531) 및 상기 2차 승압부(532)를 구성하는 대부분의 소자들은 전부가 절연성 충전재에 매몰되어 또 하나의 절연 몰딩부(53B)를 이룰 수 있다. 이와 같이 제 2 구동 회로부(53)는 전술한 제 1 구동 회로부(52)에 비해 상대적으로 더 높은 수십 kV의 전압을 다루므로 절연성 충전재로 완전히 덮이는 것이 절연 안정성과 수명 향상을 위해 바람직하다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(100)를 경량화 관점에서 보면, 전계방출 엑스선 소스(40)의 구동신호를 생성하는 구동 회로를 상대적으로 낮은 전압을 생성하는 제 1 구동 회로부(52)와 더 높은 고 전압을 다루는 제 2 구동 회로부(53)로 구분하고, 더 안정적인 절연 성능이 요구되는 제 2 구동 회로부(53) 쪽에 더 깊은 절연 몰딩부(53B)를 형성하고, 제 1 구동 회로부(52) 쪽은 상기 제 1 인쇄회로기판(521)과 그 전극 패턴 등을 덮은 정도의 얕은 절연 몰딩부(52B)를 형성하여 절연 충전재에 의한 무게 증가를 경감시켰다.

한편, 다시 포터블 엑스선 방출 장치(100)를 소형화 관점에서 보면, 상대적으로 부피가 큰 부품인 1차 승압 트랜스(522)가 설치된 제 1 구동 회로부(52)를 전계방출 엑스선 소스(40)의 전방 쪽으로 배치하며, 상기 제 1 인쇄회로기판(521)의 각도가 상기 엑스선 방출 콘(60)의 외부 각도를 따라 기울어지며 확보된 그 하부의 공간을 활용하였다. 또한, 전계방출 엑스선 소스(40)에 대한 제 1 인쇄회로기판(521)과 제 2 인쇄회로기판(531)의 높이를 다르게 배치하였는데, 제 1 인쇄회로기판(521)을 상대적으로 더 높게 배치하여 역시 그 하부에 공간이 더 확보되도록 한 것이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(101)는 전술한 도 1의 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(100)의 구성, 특히 엑스선 소스 구동 조립체(50)의 구성을 모두 포함한다. 따라서, 여기서는 중복된 설명은 생략하고 추가된 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 장치(101)는 전술한 엑스선 소스 구동 조립체(50)의 프레임 상부에 엑스선 방출 콘(60)을 회피하여 세워진 브라켓 구조물(58)과 상기 브라켓 구조물(58)에 고정된 제 3 인쇄회로기판(54)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제 3 인쇄회로기판(54)은 직류 전원인 배터리팩(15)으로부터 공급된 전원을 교류로 변환하는 인버터 회로를 포함할 수 있다. 제 3 인쇄회로기판(54)에는 별도의 절연 몰딩이 요구되지 않는다.

또한, 본 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체(50)의 후방에는 제 4 인쇄회로기판(55)이 배치될 수 있다. 상기 제 4 인쇄회로기판(55)은 사용자 조작 인터페이스(57)를 포함하는 컨트롤 패널(56)과 연결되어 장치의 작동 상태를 표시하고, 작동 모드 등을 제어하는 컨트롤 회로를 포함할 수 있다. 본 도면에 도시되지는 않았으나 상기 제 4 인쇄회로기판(55) 역시 상기 엑스선 소스 구동 조립체(50)의 프레임에 브라켓 구조물을 통해 결합될 수 있다. 다만, 제 4 인쇄회로기판과 컨트롤 패널이 상기 제 3 인쇄회로기판(54)의 상부에 배치되는 것이나, 몸체부(11)의 측면을 향해 배치되는 것도 가능하다.

도 3은 상기 도 1 또는 도 2의 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체의 한 예를 보인다.

본 도면은 도 1을 참조하여 설명한 엑스선 소스 구동 조립체(50)를 그 상측 후방에서 본 모습을 보인다. 가운데에 엑스선 소스 수용부(51)가 있고, 그 가운데에 전방을 향해 열린 윈도우(511)가 보인다. 상기 엑스선 소스 수용부(51)의 한 측단에는 그 내부에 배치된 전계방출 엑스선 소스의 애노드 전극에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위해 그 프레임(50F) 외부로 돌출된 방열부(411)가 배치될 수 있다. 상기 방열부(411)는 전기 절연성이면서 열전도도가 우수한 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 엑스선 소스 구동 조립체(50)에 있어서, 상기 프레임(50F)는 전술한 윈도우(511)와 방열부(411)를 제외하고는 상면과 측면부를 둘러싸도록, 그리고 그 하면부는 개방되도록 합성수지 재질로 형성된다.

도 4는 상기 도 3의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 분해 사시도이다.

본 도면에는 프레임(50F)의 내부 구조에 대한 이해를 돕기 위해 절연 몰딩을 위한 절연성 충전물은 표시되지 않았다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 상기 프레임(50F)에서 상기 제 1 구동 회로부(52)에 해당하는 부분은 상대적으로 더 얕게 상기 제 2 구동 회로부(53)에 해당하는 부분은 상대적으로 깊게 형성된다. 또한, 엑스선 소스 수용부(51)는 상기 제 2 구동 회로부(53)에 해당하는 부분의 안쪽에 더 깊게 형성된다. 상기 프레임(50F)에서 제 1 구동 회로부(52) 안쪽에는 제 1 인쇄회로기판(521)을 안착시켜 고정하기 위한 다수의 보스 구조물(523)이 마련되고, 제 2 구동 회로부(53) 안쪽에도 제 2 인쇄회로기판(531)을 안착시켜 고정하기 위한 다수의 보스 구조물(533)이 마련된다. 또한, 도시되지 않았으나 엑스선 소스 수용부(51) 내부에도 전계방출 엑스선 소스(40)의 일부분을 지지하는 입체 구조물이 마련될 수 있다. 전술한 다수의 보스 구조물(523, 533)은 각각 제 1 인쇄회로기판(521)이 고정된 상태, 그리고 제 2 인쇄회로기판(531)이 고정된 상태에서 유동성 있는 상태의 절연성 충전재가 주입될 때, 상기 제 1 및 제 2 인쇄회로기판(521, 531)의 양면이 절연성 충전재로 채워지도록 하는 공간을 형성한다.

절연성 충전재로는 예를 들어 에폭시 수지가 사용될 수 있다. 제 1 인쇄회로기판(521)과 제 2 인쇄회로기판(531) 및 전계방출 엑스선 소스(40)가 서로 배선으로 연결된 상태로, 전술한 프레임(50F) 내측의 공간에 배치되고, 그 위에 유동성 있는 에폭시 수지가 주입된다. 프레임(50F)에서 이들을 각각 수용하는 부분의 측벽 높이 등에 따라 의도된 깊이로 절연성 충전재인 에폭시 수지가 채워지고 경화되면, 절연 몰딩부(52B, 53B)가 형성되는 것이다.

도 5는 상기 도 3의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 사시도이다.

본 도시된 바와 같이 제 1 구동 회로부(52) 내의 절연 몰딩부(52B)는 제 1 인쇄회로기판의 양면과 그 표면에 실장된 작은 크기의 소자들을 덮는 정도의 얕은 깊이로 형성되고, 그 결과 1차 승압 트랜스(522)의 전극 부분은 상기 절연 몰딩부(52B) 내부에 잠기나 그 반대쪽 일부는 그 외부로 노출된다. 한편, 제 2 구동 회로부(53) 내의 절연 몰딩부(53B)는 도 4에 도시된 제 2 인쇄회로기판(531)은 물론 그 위에 실장된 2차 승압부(532) 전부가 잠길 정도로 깊게 형성된다. 도시된 바와 같이 절연 몰딩부(52B, 53B)의 깊이는 전술한 프레임(50F)의 해당 부분 측벽 높이에 따라 다르게 구현될 수 있다. 다시 말해, 프레임(50F)에서 제 2 구동 회로부(53)를 둘러싸는 측벽은 제 1 구동 회로부(52)를 둘러싸는 측벽에 비해 각각의 바닥면으로부터 상대적으로 더 높게 형성될 수 있다.

도 6은 상기 도 2의 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치의 내부 구조를 무게 배분의 관점에서 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 방출 장치(101)는 그 손잡이부(13)를 사용자가 한 손(H)으로 파지한 상태로 그 무게를 가누며 사용할 수 있도록 설계되었다. 본 실시예에 따르면, 이를 위해서 주요 부품들을 경량화함은 물론이고, 전/후방, 상/하, 좌/우의 적절한 무게 배분을 통해 별도의 힘이 가해지지 않아도 장치 자체로서 균형을 잡도록 할 수 있다. 이와 같이 무게 배분을 고려한 부품의 배치가 장치의 소형화에 역행하지 않도록 한 점도 본 발명의 기술적 특징 중 하나이다.

장치 내에서 구성 요소의 배치에 관해서 지켜져야 할 제한 조건이 있는데, 엑스선 빔이 방출되는 초점으로부터 엑스선 빔이 장치 외부로 방출되기까지의 거리, 즉 전술한 원통형 시준부(12)의 전단부로부터 전계방출 엑스선 소스(40)의 중심부까지의 거리(D)가 200mm 이상 확보되어야 한다는 점이다. 상기 원통형 시준부(12)는 그 내부로부터 외부로 제어되지 않은 엑스선 빔이 방출되지 않도록 차폐하는 역할을 수행하고, 상기 원통형 시준부(12)와 전계방출 엑스선 소스(40) 사이에 배치된 엑스선 방출 콘(60)도 넓은 범위로 방사되는 엑스선을 일정한 각도 범위의 빔 형태로 통제하는 역할을 하므로, 납 또는 산화 비스무트(Bismuth Oxide) 등의 엑스선 차폐 물질로 이루어진 엑스선 차폐층 포함한다. 이러한 엑스선 차폐층은 해당 부품의 중량 증가 요인이 된다.

상기 원통형 시준부(12)와 상기 엑스선 방출 콘(60)은 그 무게 중심이 손잡이부(13)의 중심선(HP)을 기준으로 볼 때 전방에 위치한다. 이들의 무게와 균형을 이루는 부분이 제 2 인쇄회로기판(531)이 내재된 절연 몰딩부(53B)이다. 다수의 다이오드 및 커패시터는 물론 이들 사이를 채우는 절연성 충전물의 중량이 크기 때문이다. 물론 전계방출 엑스선 소스(40) 자체도 금속 전극과 세라믹 스페이서 등으로 구성되므로 어느 상기 중심선(HP) 후방의 무게를 가중하는 부분으로 작용한다.

한편, 무게가 많이 나가는 또 하나의 부품으로 1차 승압 트랜스(522)를 들 수 있다. 상기 1차 승압 트랜스(522)에는 많은 양의 구리선이 감겨 있기 때문이다. 본 실시예에 따르면, 상기 1차 승압 트랜스(522)는 손잡이부(13)의 중심선(HP)이 지나는 위치에 배치될 수 있다. 좀 더 구체적인 예로서 상기 1차 승압 트랜스(522)의 무게 중심(522C)이 상기 중심선(HP) 상에 위치하도록 배치될 수도 있다. 또한, 손잡이부(13) 하부에서 배터리팩(15) 역시 상기 손잡이부(13)의 중심선(HP)이 지나는 위치에 배치될 수 있다. 장치 무게 중 높은 비율을 차지하는 부품들이 사용자의 손(H)으로 파지되는 손잡이부(13)의 중심선(HP) 상에 또는 그에 가깝게 모일수록 균형을 유지하기 쉬워져서 유리하다. 한편, 전술한 인버터 회로나 컨트롤 회로 등은 상대적으로 무게가 가볍기 때문에 상기 중심선(HP)으로부터 다소 멀리 떨어진 위치에 배치되어도 무방하다.

11: 몸체부
12: 원통형 시준부 13: 손잡이부
14: 트리거형 스위치 15: 배터리팩
40: 전계방출 엑스선 소스 411: 방열부
50: 엑스선 소스 구동 조립체 51: 엑스선 소스 수용부
52: 제 1 구동 회로부 521: 제 1 인쇄회로기판
522: 1차 승압 트랜스 53: 제 2 구동 회로부
531: 제 2 인쇄회로기판 532: 2차 승압부
54: 제 3 인쇄회로기판 55: 제 4 인쇄회로기판

Claims (14)

1. 전방을 향해 엑스선을 방출하는 전계방출 엑스선 소스;
   전방을 향해 지름이 점점 확대되는 콘(cone) 형상을 가지고, 상기 전계방출 엑스선 소스의 전방에 배치되는 엑스선 방출 콘;
   상기 전계방출 엑스선 소스의 구동 전압을 생성하는 구동 회로부를 포함하고,
   상기 구동 회로부는,
   제 1 구동 전압을 생성하고, 상기 엑스선 방출 콘의 외벽 기울기 보다 크거나 같은 각도로 기울어져 상기 엑스선 방출 콘 하부에 배치되는 적어도 하나의 제 1 인쇄회로기판을 포함하는 제 1 구동 회로부;
   상기 제 1 구동 전압 보다 높은 제 2 구동 전압을 생성하는 제 2 구동 회로부를 포함하는,
   포터블 엑스선 방출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 구동 회로부는 적어도 하나의 승압 트랜스를 구비하여 입력 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스의 게이트 구동 전압 수준으로 승압하는, 포터블 엑스선 방출 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 구동 회로부는 상기 제 1 구동 회로부로부터 공급된 상기 제 1 구동 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스의 애노드 구동 전압 수준으로 승압하는 제 2 인쇄회로기판을 포함하는, 포터블 엑스선 방출 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1,2 인쇄회로기판은 상기 전계방출 엑스선 소스에 대한 높이가 서로 다르게 배치되는, 포터블 엑스선 방출 장치.
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