KR20180024017A - 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치 - Google Patents

Abstract

전계방출 방식의 엑스선 소스를 이용하여 경량화 및 소형화에 유리하면서도 엑스선 방출 성능의 신뢰성이 우수한 포터블 엑스선 발생 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치는, 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 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, 소정 전압의 직류 전원으로 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 적어도 3개의 구동신호를 생성하는 구동신호 생성부를 포함하는 것으로, 장치 전체의 무게는 0.8kg 내지 3kg이고, 엑스선 방출 출력은 120W 내지 300W 로 구현될 수 있다.

Description

전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 발생 장치

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 촬영대상의 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(Intra-Oral) 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.

한편, 구강내 엑스선 촬영을 위한 엑스선 촬영 장치는 통상적으로 포터블 엑스선 발생 장치라 불리며, 사용자가 손에 들고 엑스선 촬영을 하는 경우가 대부분인 바, 구강내 엑스선 촬영의 편의성과 정확성을 높여 그 활용도를 향상시키기 위해서는 엑스선 발생 장치의 경량화 및 소형화가 요구된다.

최근에는 엑스선 발생 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 전력으로 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, 펄스 형태의 엑스선을 방출시키는 것이 용이하고 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 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 발생 장치의 소형화 및 경량화에 유리한 측면이 있으나, 반대로 작은 크기의 장치에서 애노드와 캐소드 사이에 약 수십 kV에 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 사용자 편의성과 동작의 안정성 및 신뢰성이 향상된, 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 촬영 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 전계방출 엑스선 소스를 채용하고, 적어도 3가지 전압 레벨의 구동신호를 이용하여 이를 구동하되, 외부 전원 및 배터리 이용이 가능하고, 엑스선 방출 시 단위 시간당 엑스선량이 일정하게 유지되며, 수십 kV의 고전압을 이용함에도 전계방출 엑스선 소스뿐만 아니라 그 구동 회로의 절연 성능이 우수하여 신뢰성이 향상된 포터블 엑스선 촬영 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전계방출 엑스선 소스에 인가되는 구동신호를 생성함에 있어서, 게이트 온(ON) 전압이 인가되는 동안 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 관전류 값이 일정하게 유지되도록 하여, 방출되는 엑스선 출력 역시 일정하게 유지되도록 하는 데에 그 목적이 있다.

한편, 본 발명은 높은 절연 안정성을 제공하면서도 소형화 및 경량화에 유리한 구조를 가져 장치의 엑스선 방출 출력에 비해 그 무게가 작은 포터블 엑스선 발생 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치는, 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 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, 소정 전압의 직류 전원으로 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 적어도 3개의 구동신호를 생성하는 구동신호 생성부를 포함하는 것으로, 장치 전체의 무게는 0.8kg 내지 3kg이고, 엑스선 방출 출력은 120W 내지 300W 이다.

본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치에 있어서, 상기 엑스선 방출 출력을 상기 장치 전체의 무게로 나눈, 단위 무게당 출력은 50 내지 150 (W/kg)의 값을 가질 수 있다.

한편, 원통형인 상기 전계방출 엑스선 소스의 크기는 그 직경이 10~40mm, 그 길이가 40~70mm이고, 그 무게는 20~150g 일 수 있다.

상기 엑스선 방출 콘은 합성수지로 형성된 구조물과, 상기 구조물의 내벽 또는 외벽에 배치된 것으로 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하는 엑스선 차폐층을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치는, 상기 엑스선 방출 콘의 전방에 배치되어 그 내부를 통과한 엑스선 빔이 전방으로 방출되도록 하는 원통형 시준부를 더 포함하고, 상기 원통형 시준부는 그 내벽 또는 외벽에 배치된 것으로, 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하는 엑스선 차폐층을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전계방출 엑스선 소스의 표면 중에서 엑스선 방출부를 포함하는 일부분을 제외한 나머지 부분을 둘러싸는 엑스선 차폐층을 더 포함하고, 상기 전계방출 엑스선 소스 표면의 엑스선 차폐층은 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함할 수 있다.

한편, 전술한 포터블 엑스선 발생 장치에 있어서, 상기 구동신호 생성부는, 상기 직류 전원의 전압을 게이트 전극 구동전압 수준의 제 2 전압레벨(V2)로 1차 승압하는 제 1 전압 변환부; 및, 상기 제 2 전압레벨을 애노드 전극 구동전압 수준의 제 1 전압레벨(V1)로 2차 승압하는 제 2 전압 변환부를 포함하고, 상기 전계방출 엑스선 소스의 표면을 직접적으로 둘러싸는 1차 절연 몰딩과, 상기 1차 절연 몰딩된 상기 전계방출 엑스선 소스와 함께 적어도 상기 제 2 전압 변환부의 일부 또는 전부를 둘러싸는 2차 절연 몰딩을 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 1차 절연 몰딩은 산화 비스무스분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하여 엑스선 차폐층으로서의 기능을 겸하고, 상기 2차 절연 몰딩은 상기 1차 절연 몰딩 재료보다 상대적으로 가벼운 절연성 수지로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 사용자 편의성과 동작의 안정성 및 신뢰성이 향상된, 전계방출 엑스선 소스를 갖는 포터블 엑스선 촬영 장치가 제공된다. 좀 더 구체적으로, 본 발명에 따르면, 전계방출 엑스선 소스를 채용하고, 적어도 3가지 전압 레벨의 구동신호를 이용하여 이를 구동하되, 외부 전원 및 배터리 이용이 가능하고, 엑스선 방출 시 단위 시간당 엑스선량이 일정하게 유지되며, 수십 kV의 고전압을 이용함에도 전계방출 엑스선 소스뿐만 아니라 그 구동 회로의 절연 성능이 우수하여 신뢰성이 향상된 포터블 엑스선 촬영 장치를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전계방출 엑스선 소스에 인가되는 구동신호를 생성함에 있어서, 게이트 온(ON) 전압이 인가되는 동안 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 관전류 값이 일정하게 유지되도록 하여, 방출되는 엑스선 출력 역시 일정하게 유지되도록 하는 효과가 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 높은 절연 안정성을 제공하면서도 소형화 및 경량화에 유리한 구조를 가져 장치의 엑스선 방출 출력에 비해 그 무게가 작은 포터블 엑스선 발생 장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 개략적으로 보인다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 개략적으로 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.
도 6은 상기 도 3 내지 도 5의 실시예에서 전류 제어부의 한 구현예를 보인다.
도 7은 상기 도 3 내지 도 5의 실시예에서 전류 제어부의 한 구현예를 보인다.
도 8은 종래의 엑스선 발생 장치에서 전계방출 엑스선 소스에 인가된 구동신호와 그에 따른 관전류의 측정 파형을 보인다.
도 9는 상기 도 4의 실시예에 따른 엑스선 소스 유닛을 보인다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 보인다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 보인다.
도 12는 상기 도 10 또는 도 11의 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체의 한 예를 보인다.
도 13은 상기 도 12의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 분해 사시도이다.
도 14는 상기 도 12의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 사시도이다.
도 15는 상기 도 11의 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 무게 배분의 관점에서 보인다.
도 16은 상기 도 1 또는 도 2의 실시예에서 엑스선 센서 유닛의 예를 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 특성의 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 발생 장치의 구성을 개략적으로 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 촬영 장치는 크게 엑스선 소스 유닛(40)을 구비하여 피검체를 향해 엑스선을 방출하는 엑스선 발생 장치(100) 부분과 피검체를 투과한 엑스선을 수광하여 촬영 데이터를 생성하는 엑스선 센서 유닛(60) 부분으로 이루어진다. 이들은 케이블(65)을 통해 연결될 수 있다.

먼저, 엑스선 발생 장치(100) 부분에 관하여 살펴보면, 배터리(12) 또는 외부 전원 어댑터(11)로부터 전원을 공급받아 소정 전압의 직류 전원을 제공하는 전원공급부(10C)와, 사용자의 조작에 따라 장치 전체를 제어하는 주 제어부(20), 그리고 상기 전원공급부(10C)로부터 제공된 소전 전압의 직류 전원을 이용하여 상기 엑스선 소스 유닛(40)에 탑재된 전계방출 엑스선 소스에 적어도 3가지 전압 레벨의 구동신호를 제공하는 구동신호 생성부(30)를 포함한다. 또한, 엑스선 발생 장치(100) 부분에는 장치의 작동 상태 및 사용자의 입력 정보 등을 표시하는 디스플레이부(70)가 구비될 수 있고, 상기 엑스선 센서 유닛(60)으로부터 케이블(65)을 통해 수신된 촬영 데이터 또는 이러한 촬영 데이터를 상기 주 제어부(20)에서 엑스선 영상으로 재구성한 영상 데이터를 외부 장치로 무선 전송하는 무선통신 모듈(50)도 구비될 수 있다. 상기 주 제어부(20)에서 재구성된 영상 데이터는 상기 디스플레이부(70)를 통해 영상으로 표시될 수도 있다.

상기 배터리(12)를 구비한 배터리 유닛(120)은 탈부착 가능한 손잡이 형태로 형성될 수 있다. 또한 손잡이 겸용의 상기 배터리 유닛(120)은 상기 엑스선 발생 장치(100)의 본체에 대하여 전방향 회전 및 틸트(tilt)될 수 있도록 자유회전 조인트(80, 128)를 통해 결합될 수 있다. 상기 자유회전 조인트(80, 128)는 일 예로 상기 본체 측에 마련된 볼(80)과 상기 배터리 유닛(120) 측에 마련된 볼 수용부(128)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 볼과 볼 수용부는 서로 위치를 바꾸어 배치될 수도 있다. 한편, 상기 배터리(12)는 전기적으로는 일 예로 유연성 연결 케이블(125)을 통해 상기 전원공급부(10C)와 연결될 수 있는데, 이와 다른 예로서 상기 자유회전 조인트의 일부분에 형성된 한 쌍의 단자 전극을 통해 연결될 수도 있다.

상기 전원공급부(10)는 상기 배터리 유닛(120)의 배터리(12)로부터 공급된 전원이나, 도면에서 점선으로 표시된 외부 전원 어댑터(11)로부터 전원 케이블(115)을 통해 공급된 전원을 이용하여, 장치 내부의 상기 주 제어부(20) 및 상기 구동신호 생성부(30)에 소정 전압의 직류 전원을 제공한다. 상기 소정 전압은 5~30V, 일례로 약 24V일 수 있으며, 12V 또는 다른 전압일 수도 있다. 여기서 전원공급부(10C)라는 용어는 기능적으로는 상기 배터리(12)나 상기 외부 전원 어댑터(11)를 포괄하는 개념으로 사용되나, 실질적인 배치 측면에서는 상기 배터리(12)는 손잡이 겸용의 배터리 유닛(120)에 배치되고, 상기 외부 전원 어댑터(11) 역시 장치 외부에 배치되어 별도로 연결되며, 장치 내부에는 전원공급 회로만 배치된다. 한편, 상기 배터리(12) 충전시에는 상기 배터리 유닛(120)이 상기 외부 전원 어댑터(11)의 전원 케이블(115)에 직접 연결될 수도 있고, 엑스선 발생 장치(100) 본체 내의 전원공급 회로를 거쳐서 연결될 수도 있다.

상기 엑스선 센서 유닛(60)은 엑스선을 수광하는 센서 어레이를 갖는 센서부(61)와, 상기 센서부(61)와 상기 케이블(65)을 다수의 채널로 연결하는 것으로, 서로 다른 둘 이상의 방향으로 결합되는 커넥터부(62)를 포함한다. 상기 엑스선 센서(60)에 관해서는 이하에서 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 개략적으로 보인다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 포터블 엑스선 촬영 장치는 상기 도 1에 도시된 배터리 유닛(120)을 대신하여 거치대(130)에 결합되어 사용될 수도 있다. 상기 거치대(130)는 전술한 엑스선 발생 장치(100)의 하중을 지지하면서 그 위치나 방향 또는 자세의 각도를 바꿀 수 있도록 도와주는, 예를 들면 다수의 암(133)과 회전축(132)을 갖는 스탠다드 암(standard arm)일 수 있다. 상기 거치대(130)는 좀 더 단순한 형태의 예로서 카메라 삼각대와 같이 바닥면에 대하여 지지되는 구조물이나, 치과용 유니트 체어(unit chair)에 지지되는 구조물일 수도 있다. 어떤 경우든 상기 거치대(130)의 결합단부(131)는 상기 엑스선 발생 장치(100)과 전방향 회전 및 틸트 동작이 가능하도록 자유회전 조인트(80, 138)를 통해 결합될 수 있다. 상기 자유회전 조인트(80, 138)는 일 예로 상기 본체 측에 마련된 볼(80)과 상기 거치대(130)의 결합단부(131) 측에 마련된 볼 수용부(138)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 볼과 볼 수용부는 서로 위치를 바꾸어 배치될 수도 있다.

한편, 상기 거치대(130)가 도 1에 도시된 배터리 유닛(120)을 대체하여 결합된 경우에는 외부로부터의 전원 공급을 위해 외부전원 어댑터(11)과 연결된다. 상기 외부전원 어댑터(11)는 일반적인 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 전술한 전원공급부(10C)의 전원공급 회로에 제공한다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.

전술한 바와 같이, 엑스선 발생 장치는 소정 전압의 직류 전원을 공급하는 전원공급부(10)와, 주 제어부(20), 구동신호 생성부(30), 및 엑스선 소스 유닛(40A)을 포함한다.

상기 엑스선 소스 유닛(40A)은 전계방출 엑스선 소스(44)를 구비한다. 상기 전계방출 엑스선 소스(44)는 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극(43), 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극(41), 및 게이트 전극(42)을 포함한다. 상기 엑스선 소스 유닛(40A)은 상기 전계방출 엑스선 소스(44)가 설치된 인쇄회로기판을 포함할 수 있으며, 상기 인쇄회로기판에는 전술한 세 개의 전극(41,42,43)이 각각 연결되는 세 개의 입력단자가 구비될 수 있다. 한편, 상기 게이트 전극(42)은 전자빔이 통과할 수 있도록 다수의 홀이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태를 갖는 평면부(421)와, 상기 평면부(421)와 연결된 그 둘레가 길이 방향으로 확장되어 집속 전계를 형성하는 집속부(422)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 집속부(422)는 상기 평면부(421)의 둘레로부터 상기 전계방출 엑스선 소스(44)의 몸체를 이루는 튜브형 진공 용기의 외주면과 평행하게 그 길이 방향으로 확장된 밴드 형상을 갖는다.

상기 게이트 전극(42)에는 양의 전압이 인가되어, 캐소드 전극(43)에 배치된 전자 방출원으로부터의 전자 방출을 일으키며, 동시에 전자빔을 상기 튜브형 진공 용기의 중심 쪽으로 집속시키는 기능을 수행한다. 게이트 전극(42)에 인가되는 전압(VM)이 수kV 수준의 양전압이라 하더라도 상기 애노드 전극(41)에 인가되는 전압(VH)이 수십 kV에 달하는 것에 비해 상당히 낮은 수준이기 때문에 상기 집속부(422)의 내측면으로부터 상기 애노드 전극(41) 사이에 등전위면이 그 중심 쪽을 바라보도록 경사진 이른바 집속 전계가 형성되기 때문이다.

본 실시예에 따르면, 상기 전계방출 엑스선 소스(44)의 구동을 위해서는 애노드 전극(41)에 제 1 구동전압으로서 제 1 고전압(VH), 게이트 전극(42)에 제 2 구동전압으로서 제 2 고전압(VM), 그리고 캐소드 전극(43)에 제 3 구동전압으로서 저전압(VL)의 구동신호가 인가된다. 여기서, 상기 저전압(VL)을 기준 전위로 삼을 때, 상기 제 1 고전압(VH)은 기준 전위에 대해 55kV ~ 75kV, 구체적인 예로서 60kV 또는 65kV의 전위차를 가지고, 상기 제 2 고전압(VM)은 기준 전위에 대해 0.5kV ~ 20kV, 구체적인 예로서 약 10kV의 전위차를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 제 1 고전압(VH), 상기 제 2 고전압(VM), 그리고 상기 저전압(VL)을 각각 제 1 내지 제 3 전압레벨(V1, V2, V3)이라 하면, 제 1 전압레벨(V1) > 제2전압레벨(V2) > 제3 전압레벨(V3)의 관계가 성립하고, 이들 사이의 전위차는 전술한 바와 같다. 각각의 전극에 이러한 구동신호가 인가될 때 상기 전자빔이 충분히 가속되어 애노드 전극(41)의 엑스선 타겟면에 충돌하면서 엑스선이 방출된다.

상기 구동신호 생성부(30)는 상기 전원공급부(10)로부터 소정 전압의 직류 전원을 공급받아 그 전압을 변환하는 전압 변환부(31)를 포함하고, 주 제어부(20)로부터 제어 신호를 받아 상기 전압 변환부(31)의 작동을 제어하는 구동신호 제어부(32)를 포함한다. 상기 전원공급부(10)는 5V ~ 30V, 구체적인 예로는 약 24V의 직류 전원을 상기 구동신호 생성부(30)에 제공하는데, 이를 위해 외부 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 어댑터(11), 직류 전원인 배터리(12) 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 상기 어댑터(11)는 100V ~ 250V의 교류 전원을 전술한 전압의 직류 전원으로 변환하는 것일 수 있다. 또한, 이들 전원의 연결 또는 충전 상태에 따라 적절한 전원을 선택하는 회로를 포함할 수도 있다.

상기 구동신호 제어부(32)는 상기 전압 변환부(31)에서 전술한 직류 전원을 이용하여 상기 제 1 고전압(VH), 제 2 고전압(VM), 및 저전압(VL)의 구동신호를 생성하여 각각의 출력단자(331,332,333)에 제공하도록 이를 제어한다. 상기 구동신호 제어부(32)는 예를 들면, 전술한 세 가지 전압 레벨의 구동신호를 생성하기 위한 설정값을 제공한다든지, 전압 변환을 위해 직류를 교류로 변환하는 데에 필요한 스위칭 신호를 제공하는 등의 기능을 수행한다. 또한, 상기 구동신호 제어부(32)는 출력되는 구동신호인 상기 제 1 고전압(VH) 및/또는 제 2 고전압(VM) 신호를 피드백하여 그 전압이 제어 의도에 맞게 출력되도록 제어하는 전압 제어부(321)를 포함하여 구성된다.

또한, 본 실시예에 따른 상기 구동신호 제어부(32)는 상기 애노드 전극(41)과 상기 게이트 전극(42)에 온(ON) 신호, 즉 제 1 고전압(VH) 및 제 2 고전압(VM)의 구동신호가 인가되는 동안 상기 애노드 전극(41)과 상기 캐소드 전극(43) 사이의 관전류, 즉 제 1 고전압(VH) 출력단자(331)와 저전압(VL) 출력단자(333) 사이의 전류 값이 일정하게 유지되도록 하는 전류 제어부(322)를 포함한다. 상기 캐소드 전극(43)과 상기 애노드 전극(41) 사이에 전자빔의 가속을 위한 충분한 전위차가 형성된다는 전제하에서는 방출되는 엑스선량, 좀 더 구체적으로 단위 시간당 엑스선량은 상기 관전류 값에 비례하기 때문에, 상기 관전류 값을 일정하게 유지함으로써 방출되는 엑스선량이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다. 이러한, 전류 제어부(322)는 실제로 여러 가지 형태의 회로로 구현될 수 있는데, 이하에서는 몇 가지 구현예를 들어 설명한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.

본 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 구성은 상기 구동신호 생성부(30)를 구성하는 전압 변환부가 상대적으로 낮은 전압을 다루는 제 1 전압 변환부(311)와 상대적으로 높은 전압을 다루는 제 2 전압 변환부(312)를 포함하여 구성된다는 점에서 상기 도 3의 실시예와 차이가 있다.

여기서 상기 제 1 전압 변환부(311)와 상기 제 2 전압 변환부(312)는 서로 다른 인쇄회로기판 상에 배치되는데, 상기 제 2 전압 변환부(312)는 일 예로 상기 엑스선 소스(44)가 설치되어 엑스선 소스 유닛(40B)을 구성하는 인쇄회로기판 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전압 변환부(311)에는 승압을 위해 직류를 교류로 변환하는 회로나 특별한 절연 대책이 필요하지 않은 정도로 전압을 높이는 승압 회로 등이 포함될 수 있으며, 상기 제 2 전압 변환부(312)에는 수kV 내지 수십kV 수준의 고전압으로 승압하는 고압 트랜스와 고전압의 교류를 다시 직류로 변환하는 레귤레이터 회로 등이 포함될 수 있다.

이와 같이 고전압을 다루는 부품들을 별도의 제 2 전압 변환부(312)로서 엑스선 소스 유닛(40B) 내에 배치하면, 고전압에 대한 절연 대책을 상기 전계방출 엑스선 소스(44)와 공유할 수 있다는 점에서 유리하다. 전계방출 엑스선 소스(44)에는 수십kV에 달하는 제 1 고전압(VH)이 인가되는 애노드 전극(41)과 0V 또는 접지의 저전압(VL)이 인가되는 캐소드 전극(43) 사이, 그리고 수 kV에 달하는 제 2 고전압(VM)이 인가되는 게이트 전극(42)과 상기 캐소드 전극(43) 사이의 절연파괴를 방지하기 위한 절연 대책이 필요한데, 이와 마찬가지로 전압 변환부에서 전술한 제 1 및 제 2 고전압 수준의 구동신호를 생성하는 승압 회로에도 절연 파괴의 위험이 존재하기 때문이다. 본 실시예에 따르면, 상대적으로 고전압 신호를 다루는 제 2 전압 변환부(312)를 상기 엑스선 소스 유닛(40B)에 배치하여, 상기 전계방출 엑스선 소스(44)와 함께 절연 내력을 보강할 수 있다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 구성을 보이는 블럭도이다.

본 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 구성은 상기 구동신호 생성부(30C)를 구성하는 전압 변환부가 상대적으로 낮은 전압을 다루는 제 1 전압 변환부(311C)와 상대적으로 높은 전압을 다루는 제 2 전압 변환부(312C)를 포함하여 구성된다는 점에서 상기 도 4의 실시예와 공통점이 있다. 상기 제 1 전압 변환부(311C)와 상기 제 2 전압 변환부(312C)는 같은 인쇄회로기판에 배치될 수도 있고, 서로 다른 인쇄회로기판에 배치될 수도 있다.

본 실시예가 상기 도 4의 실시예와 구별되는 점은 상기 제 1 전압 변환부(311C)에서 생성된 1차 구동 전압을 제 2 전압 변환부(312C)에 대한 입력으로 활용함은 물론, 직접 게이트 전극(42)에 인가되는 제 2 고전압(VM)으로 활용할 수 있도록 구성된다는 점이다. 이를 위해 상기 제 1 전압 변환부(311C)는 전술한 저전압(VL)을 기준으로 예컨대 약 10kV의 전위차를 갖도록 승압하는 회로를 포함할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 엑스선 소스 유닛(40C)에서는 엑스선 빔을 집속하는 기능의 집속 전극(42F)이 전술한 게이트 전극(42)과 별도로 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 집속 전극(42F)으로 연결된 단자(332F)에도 상기 제 1 전압 변환부(311C)에서 생성된 1차 구동 전압이 제 3 고전압(VF)으로서 인가될 수 있다. 여기서, 제 3 고전압(VF)을 전술한 제 1 내지 제 3 구동전압과 구분되는 제 4 구동전압이라 볼 수 있다. 다만, 상기 제 4 구동전압은 상기 제 3 구동전압 즉 캐소드 전극 구동전압에 대한 전위차의 측면에서 전술한 제 2 구동전압 즉 게이트 전극 구동전압과 동등한 수준의 전위차를 가질 수 있다.

도 6은 상기 도 3 내지 도 5의 실시예에서 전류 제어부의 한 구현예를 보인다.

본 구현예에 따른 전류 제어부(322A)는 제 1 고전압(VH) 출력단자(331)와 저전압(VL) 출력단자(333) 사이의 전류 값, 즉 관전류 값을 피드백 신호로 활용하여, 그 전류 값과 기 설정된 기준(Reference) 전류 값과의 차이에 따라, 상기 게이트 전극에 인가되는 구동신호의 전압을 조정하는 방식을 취한다. 게이트 전극에 인가되는 전압에 따라 캐소드 전극에서 방출되는 전자의 양이 달라지기 때문이다. 이를 위해, 상기 전류 제어부(322A)는 차동증폭기(221)와 가산기(222)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 차동증폭기(221)는 전류값 기준 신호가 입력되는 제 1 입력단자(2211)와 상기 관전류 모니터링 신호가 입력되는 제 2 입력단자(2212)를 가지고, 이들 간의 차이를 증폭하여 출력한다. 상기 가산기(222)는 상기 차동증폭기(221)의 출력 신호를 입력받고, 나머지 하나의 입력단자(2221)에 입력된 게이트 전압 기준 신호에 이를 가산하여 그 출력단자(2222)를 통해 조정된 게이트 전압 설정 신호를 출력한다. 여기서 출력된 게이트 전압 설정 신호에 따라 상기 전압 변환부는 제 2 고전압(VM) 구동신호를 조정한다.

도 7은 상기 도 3 내지 도 5의 실시예에서 전류 제어부의 한 구현예를 보인다.

상기 도 6의 구현예와 다른 하나의 구현예로서, 전류 제어부(322B)는 적어도 하나의 전계효과 트랜지스터(FET)(224)을 포함하여 상기 저전압(VL) 구동신호 출력단자(333)에 일정한 전류가 흐르도록 제어하는 방식으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 전계효과 트랜지스터(224)는 그 게이트 단자에 입력되는 전압에 따라 그 소스 및 드레인 단자 사이에 흐르는 전류 값이 달라지므로, 상기 전계효과 트랜지스터(224)에 적절한 게이트 신호를 인가하는 FET 게이트 컨트롤 회로(223)를 포함할 수 있다.

이 경우, 전계방출 엑스선 소스를 구동하는 구동 시퀀스는 상기 전류 제어부(322B)의 전계효과 트랜지스터(224)의 게이트 단자에 먼저 온(ON) 신호를 인가하고, 그 상태에서 상기 애노드 전극용 제 1 고전압(VH) 구동신호와 상기 게이트 전극용 제 2 고전압(VM) 구동신호를 순차적으로 온(ON) 시키는 것이 바람직하다. 이에 한정될 필요는 없으나, 이와 같은 시퀀스로 구동함으로써 낮은 사양의 전계효과 트랜지스터(FET)로 상기 전류 제어부(322B)를 구성할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 8은 종래의 엑스선 발생 장치에서 전계방출 엑스선 소스에 인가된 구동신호와 그에 따른 관전류의 측정 파형을 보인다.

보이는 바와 같이, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고전압(약 65kV)이 인가되고 게이트 전극에 게이트 온(ON) 전압(약 3 kV)이 인가되면, 상기 캐소드 전극 상에 배치된 전자 방출원으로부터 전자 빔이 방출되어 관전류가 형성된다. 이때 방출되는 엑스선량은 관전류 값에 비례한다. 그런데 문제는 애노드 전압과 게이트 전압이 일정하게 유지되는 구간에서, 관전류(Anode 전류) 값이 게이트 온(ON) 전압 인가 시점으로부터 점차 감소하는 파형을 보인다는 점이다. 이는 곧 엑스선 발생 장치에서 엑스선량이 의도와 다르게 시간에 따라 감소함을 의미한다.

이와 같은 문제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 포터블 엑스선 촬영 장치에서는, 좀 더 구체적으로 이를 구성하는 상기 엑스선 발생 장치에서는 전술한 바와 같이 전계방출 엑스선 소스(44)에서 상기 세 가지 전압의 구동신호가 모두 온(ON)되었을 때 관전류 값이 일정하게 유지되도록 함으로써, 방출되는 엑스선의 시간당 엑스선량이 일정하게 유지되도록 한 것이다.

도 9는 상기 도 4의 실시예에 따른 엑스선 소스 유닛을 보인다.

본 도면은 상기 도 4의 실시예, 즉 구동신호 생성부를 구성하는 전압 변환부 중에서 상대적으로 고전압 상태의 신호를 다루는 제 2 전압 변환부(312)를 구성하는 고전압 부품(49)을 엑스선 소스 유닛(40B)의 인쇄회로기판(45) 상에 배치하고, 이를 1차 절연 몰딩(46)으로 둘러싸인 채로 상기 인쇄회로기판(45) 상에 실장된 전계방출 엑스선 소스(44)와 함께 2차 절연 몰딩(47)으로 둘러싼 구성의 엑스선 소스 유닛(40B)을 보인다.

도 9의 (a)는 이러한 엑스선 소스 유닛(40B)를 엑스선이 방출되는 엑스선 방출 윈도우(44W) 측에서 바라본 평면도이고, 도 9의 (b)는 상기 엑스선 소스 유닛(40B)을 다수의 고전압 부품(49)이 설치된 쪽에서 바라본 측면도이다.

전계방출 엑스선 소스(44)는 그 표면을 1차적으로 둘러싸는 1차 절연 몰딩(46)을 갖는데, 상기 캐소드 전극, 애노드 전극, 및 게이트 전극과 각각 연결된 전극 리드(48)는 상기 1차 절연 몰딩(46) 외부로 노출되어, 상기 인쇄회로기판(45)의 전극 패드 등에 실장된다. 이러한 구성을 통해 전계방출 엑스선 소스(44)의 몸체를 통한 절연파괴를 1차적으로 예방할 수 있다. 또한, 상기 전계방출 엑스선 소스(44)는 상기 1차 절연 몰딩(46)에 둘러싸인 상태로, 상기 인쇄회로기판(45)에 실장된 제 2 전압 변환부(312), 좀 더 구체적으로는 상기 제 2 전압 변환부(312)를 구성하는 고전압 부품(49)들과 함께 2차 절연 몰딩(47)으로 한 번 더 둘러싸인다. 이러한 구성을 통해 상기 전극 리드(48)들 사이의 절연파괴는 물론, 인쇄회로기판(45)을 통한 고전압 부품(49)들 사이의 절연파괴도 예방할 수 있다. 상기 1차 절연 몰딩(46)은 전기 절연성의 엑스선 차폐물질로 형성되어 엑스선 차폐층을 겸할 수 있다. 상기 1차 절연 몰딩(46)은 예컨대 산화 비스무스를 포함하는 코팅재로 형성될 수 있다. 여기서 산화 비스무스를 포함하는 코팅재라 함은 수지재질의 기재 내에 산화 비스무스 분말이 혼합 및 경화된 절연차폐재를 의미한다. 참고로, 이와 같이 수지재질의 기재 내에 분말 형태로 혼합되어 차폐 및 절연성을 나타내는 물질은 반드시 산화 비스무스로 한정되지는 않으며, 그 이상의 차폐 및 절연성을 나타낸다면 다른 물질로 대체되는 것도 가능하다.

상기 2차 절연 몰딩(47)은 예컨대 실리콘(silicone) 또는 에폭시(epoxy)와 같이 상기 1차 절연 몰딩(46)을 형성하는 재료보다 가까운 전기 절연성 재료로 형성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(200)는 그 내부에 전계방출 엑스선 소스(40)가 설치된 몸체부(211)와, 상기 몸체부(211) 전방에 배치된 원통형 시준부(212), 그리고 상기 몸체부(211) 아래쪽에 배치된 손잡이부(213)를 갖는다. 상기 손잡이부(213)의 상부에는 트리거형 스위치(214)가 배치되고 상기 손잡이부(213)의 하부에는 충전식 배터리팩(12)이 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(200)는 전체적으로는 마치 헤어드라이어 또는 전동드릴을 연상시키는 형태를 띨 수 있다.

상기 몸체부(211) 내에 상기 전계방출 엑스선 소스(40)는 단독으로 설치되는 것이 아니라 엑스선 소스 구동 조립체(250)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(251)는 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 외주면에 대응되도록 부분 원통형 등의 형태로 형성될 수 있다. 상기 엑스선 소스 구동 조립체(250)는 상기 엑스선 소스 수용부(251)에서 전방 아래쪽으로 비스듬히 연장된 제 1 구동 회로부(252)와 상기 엑스선 소스 수용부(251)의 아래쪽으로부터 후방 위쪽으로 비스듬히 연장된 제 2 구동 회로부(253)를 포함한다. 상기 제 1 구동 회로부(252)에는 1차 승압 트랜스(522)를 포함하는 1차 승압 회로가 구성된 제 1 인쇄회로기판(521)이 배치되고, 상기 제 2 구동 회로부(253)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.

여기서, 상기 제 1 구동 회로부(252) 및 상기 제 2 구동 회로부(252)는 전술한 도 5의 실시예에서 구동신호 생성부(30C)를 구성하는 것으로, 상기 1차 승압 트랜스(522)를 포함하는 1차 승압 회로는 전술한 제 1 전압 변환부(311C)에, 상기 다수의 다이오드와 커패시터를 포함하는 2차 승압부(532)는 전술한 제 2 전압 변환부(312C)에 대응되는 것일 수 있다.

상기 엑스선 소스 구동 조립체(250)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 실리콘 등의 절연성 충전재로 충전되어 도면에 빗금으로 표시된 것과 같이 절연 몰딩부(251B, 252B, 253B)를 이룬다. 한편, 본 도면에 표시되지는 않았으나 상기 엑스선 소스 수용부(251)에서 전방을 향해 엑스선이 방출되는 위치에는 윈도우가 형성되어 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 엑스선 방출부를 포함하는 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(251)와 원통형 시준부(212) 사이에는 엑스선 방출 콘(cone)(260)이 배치된다. 상기 엑스선 방출 콘(260)은 고깔 형태의 구조물로서 엑스선 차폐물질로 형성되거나 적어도 엑스선 차폐층을 포함한다. 전계방출 엑스선 소스(40)에서 방출된 엑스선은 상기 엑스선 방출 콘(260)을 통과하면서 일정한 조사 범위를 갖는 엑스선 빔의 양상을 띠게 된다. 상기 원통형 시준부(212) 역시 그 내벽 또는 외벽에 엑스선 차폐층을 가져서 난반사 등으로 의도되지 않은 방향으로 진행하는 엑스선을 차단하고, 엑스선 빔의 조사 범위를 제어하는 역할을 한다. 한편, 필요에 따라 엑스선 빔의 형태를 제어하기 위해 상기 원통형 시준부(212)의 전방 쪽에 고정형 또는 가변형의 사각형이나 선형 등의 개구부를 갖는 엑스선 차폐물을 설치할 수도 있음은 물론이다.

이제 본 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(200)의 몸체부(211) 내부를 공간활용 및 구조물 배치의 관점에서 살펴본다. 전술한 엑스선 방출 콘(260)은 그 중심선이 상기 원통형 시준부(212)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(260)의 하부에는 전술한 제 1 구동 회로부(252)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(260) 외벽의 기울기인 각도β에 비해 그 값이 크거나 같다. 각도α의 값이 각도β의 값에 가까울수록 상기 제 1 인쇄회로기판(521)을 포함하는 제 1 구동 회로부(252)를 상기 엑스선 방출 콘(260)에 근접시킬 수 있어서 몸체부(211) 내부 공간의 효율적 활용에 유리하다. 이는 곧 장치의 소형화에 유리함을 의미한다.

이는 상기 엑스선 구동 조립체(250)가 엑스선 방출 콘(260)의 중심선(XB)과 소정의 각도를 가지는 것으로 나타낼 수도 있다. 이로써, 주변 전장 부품에 영향을 덜 주도록 전계방출 엑스선 소스(40)가 제1 인쇄회로기판(521)과 최대한 근접하도록 하면서, 소정의 엑스선 방출 범위와 엑스선 구동 조립체(250)가 간섭되지 않도록 할 수 있다.

여기서, 전계방출 엑스선 소스(40)의 특성 및 상기 제 1 구동 회로부(252)와 제 2 구동 회로부(253)의 특성에 관해 좀 더 살펴보기로 한다. 앞서 언급된 바와 같이 전계방출 엑스선 소스(40)는 캐소드 전극, 게이트 전극 및 애노드 전극의 적어도 3극관 구조로 이루어진다. 예를 들어 3극관 구조로 설명하면, 캐소드 전극에 인가되는 전압을 기준으로 하여 애노드 전극에는 약 65kV의 전위차가 있는 제 1 고전압이 전자 가속 전압으로서 인가되고, 게이트 전극에는 약 5~10kV의 전위차가 있는 제 2 고전압이 스위칭 신호로서 인가된다. 이러한 구동 전압 레벨은 본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치가 의료용 엑스선 발생 장치의 관전압 규격을 충족할 수 있도록 한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제 1 구동 회로부(252)는 1차 승압부로서의 기능을 담당하고, 제 2 구동 회로부(252)는 2차 승압부로서의 기능을 담당한다. 제 1 구동 회로부(252)는 예컨대, 소정의 직류 전원 또는 인버터회로를 통해 변환된 교류 전원을 1차적으로 승압하여 약 5~10kV의 1차 구동 전압을 생성한다. 이를 위해 상기 제 1 구동 회로부(252)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(252B)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(252B) 밖으로 노출된다.

상기 제 1 구동 회로부(252)에서 생성된 1차 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(253)에도 제공된다. 상기 제 2 구동 회로부(253)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 배압 회로로도 불리며, 입력 전압을 n배의 전압으로 승압하는 n배 전압 정류회로 또는 코크로프트 배전압 정류회로로서 구성될 수 있다. 이는 정류와 동시에 상기 1차 구동 전압을 상기 전계방출 엑스선 소스(40)의 애노드 전극 구동 전압인 약 65kV의 2차 구동 전압까지 끌어올릴 수 있다. 이와 같이 승압된 2차 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(253B)를 이룰 수 있다. 이와 같이 제 2 구동 회로부(253)는 전술한 제 1 구동 회로부(252)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 발생 장치(200)를 경량화 관점에서 보면 다음과 같은 여러 가지 특징을 갖는다. 첫째, 엑스선 소스로서 전계방출 엑스선 소스(40)를 채용하여 엑스선 소스의 무게를 20g 내지 150g, 좀 더 구체적인 예로서 20~50g, 바람직하게는 약 40g으로 경량화했다. 엑스선 소스의 표면을 둘러싸는 엑스선 차폐층도 납 시트를 배제하고 산화 비스무스 등의 경량 엑스선 차폐물질 코팅을 적용하였다.

둘째, 전계방출 엑스선 소스(40)의 구동신호를 생성하는 구동 회로를 상대적으로 낮은 전압을 생성하는 제 1 구동 회로부(252)와 더 높은 고 전압을 다루는 제 2 구동 회로부(253)로 구분하고, 더 안정적인 절연 성능이 요구되는 제 2 구동 회로부(253) 쪽에 더 깊은 절연 몰딩부(253B)를 형성하고, 제 1 구동 회로부(252) 쪽은 상기 제 1 인쇄회로기판(521)과 그 전극 패턴 등을 덮은 정도의 얕은 절연 몰딩부(252B)를 형성하여 절연 충전재에 의한 무게 증가를 경감시켰다.

셋째, 전술한 원통형 시준부(212)와 엑스선 방출 콘(260)에 있어서, 경량의 합성수지로 그 구조물을 형성하고, 그 구조물 외벽에 산화 비스무스 등의 경량 엑스선 차폐물질을 라미네이팅(laminating)하여 엑스선 차폐층을 형성함으로써 장치의 경량화를 달성하였다.

특히, 위와 같은 경량화는 포터블 엑스선 발생 장치의 출력 저하 없이 달성된 것이라는 점에 그 우수성이 있다. 본 실시예에 따른 전계방출 엑스선 소스를 이용한 포터블 엑스선 발생 장치의 무게는 0.8kg ~ 3kg일 수 있고, 좀 더 구체적인 예로서, 별도의 후방 차폐체(후방으로 산란되어 방출되는 엑스선으로부터 사용자를 보호하기 위한 엑스선 차폐 구조물) 등의 부가적인 구성에 의한 무게로서 약 350g을 포함하여 1.0~2kg, 바람직하게는 약 1.83kg일 수 있고, 이 경우 전술한 전원, 구동 전압, 관전류 등의 조건하에서 엑스선 방출 출력은 120W ~ 300W, 구체적인 예로는 약 150~250W, 바람직하게는 200W일 수 있다. 따라서, 포터블 엑스선 발생 장치의 단위 무게당 출력은 40 ~ 375 (W/kg), 좀 더 구체적인 예로서 단위 무게당 출력은 50 ~ 150(W/kg)일 수 있다. 바람직한 실시예로서 장치의 무게가 1.83kg이고, 출력이 200W인 경우의 단위 무게당 출력은 약 109 (W/kg)이다.

한편, 다시 포터블 엑스선 발생 장치(200)를 소형화 관점에서 보면, 상대적으로 부피가 큰 부품인 1차 승압 트랜스(522)가 설치된 제 1 구동 회로부(252)를 전계방출 엑스선 소스(40)의 전방 쪽으로 배치하며, 상기 제 1 인쇄회로기판(521)의 각도가 상기 엑스선 방출 콘(260)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.

본 실시예에서 원통형인 전계 방출 엑스선 소스(40)의 크기는 직경 10~40mm, 길이 40~70mm일 수 있으며, 구체적인 예로서 직경 약 10~30mm에 길이가 약 40~70mm, 바람직하게는 직경 약 15mm에 길이가 약 57.5mm일 수 있다. 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 관전류 2 ~ 3mA, 관전압 55 ~ 75kV의 조건 하에서 엑스선 방출 시간은 0.01 ~ 3 sec의 범위에서 제어 가능하도록 하였으며, 엑스선 방출점의 포컬 사이즈(focal size)는 0.2 ~ 1 mm가 되도록 하였다. 좀 더 구체적인 실시예로서, 상기 관전류는 2.5mA, 관전압은 60kV 또는 65kV, 포컬 사이즈는 0.4mm 그리고, 엑스선 방출 시간은 0.05 ~ 0.5 sec의 범위에서 구현될 수 있다.

도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(201)는 전술한 도 10의 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(200)의 구성, 특히 엑스선 소스 구동 조립체(250)의 구성을 모두 포함한다. 따라서, 여기서는 중복된 설명은 생략하고 추가된 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 장치(201)는 전술한 엑스선 소스 구동 조립체(250)의 프레임 상부에 엑스선 방출 콘(260)을 회피하여 세워진 브라켓 구조물(258)과 상기 브라켓 구조물(258)에 고정된 제 3 인쇄회로기판(254)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제 3 인쇄회로기판(254)은 직류 전원인 배터리팩(12)으로부터 공급된 전원을 교류로 변환하는 인버터 회로를 포함할 수 있다. 제 3 인쇄회로기판(254)에는 별도의 절연 몰딩이 요구되지 않는다.

또한, 본 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체(250)의 후방에는 제 4 인쇄회로기판(255)이 배치될 수 있다. 상기 제 4 인쇄회로기판(255)은 사용자 조작 인터페이스(257)를 포함하는 컨트롤 패널(256)과 연결되어 장치의 작동 상태를 표시하고, 작동 모드 등을 제어하는 컨트롤 회로를 포함할 수 있다. 본 도면에 도시되지는 않았으나 상기 제 4 인쇄회로기판(255) 역시 상기 엑스선 소스 구동 조립체(250)의 프레임에 브라켓 구조물을 통해 결합될 수 있다. 다만, 제 4 인쇄회로기판과 컨트롤 패널이 상기 제 3 인쇄회로기판(254)의 상부에 배치되는 것이나, 몸체부(211)의 측면을 향해 배치되는 것도 가능하다.

도 12는 상기 도 10 또는 도 11의 실시예에서 엑스선 소스 구동 조립체의 한 예를 보인다.

본 도면은 도 10을 참조하여 설명한 엑스선 소스 구동 조립체(250)를 그 상측 후방에서 본 모습을 보인다. 가운데에 엑스선 소스 수용부(251)가 있고, 그 가운데에 전방을 향해 열린 윈도우(511)가 보인다. 상기 엑스선 소스 수용부(251)의 한 측단에는 그 내부에 배치된 전계방출 엑스선 소스의 애노드 전극에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위해 그 프레임(250F) 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(250F)는 전술한 윈도우(511)와 방열부(411)를 제외하고는 상면과 측면부를 둘러싸도록, 그리고 그 하면부는 개방되도록 합성수지 재질로 형성된다.

도 13은 상기 도 12의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 분해 사시도이다.

본 도면에는 프레임(250F)의 내부 구조에 대한 이해를 돕기 위해 절연 몰딩을 위한 절연성 충전물은 표시되지 않았다. 도 10을 참조하여 전술한 바와 같이, 상기 프레임(250F)에서 상기 제 1 구동 회로부(252)에 해당하는 부분은 상대적으로 더 얕게 상기 제 2 구동 회로부(253)에 해당하는 부분은 상대적으로 깊게 형성된다. 또한, 엑스선 소스 수용부(251)는 상기 제 2 구동 회로부(253)에 해당하는 부분의 안쪽에 더 깊게 형성된다. 상기 프레임(250F)에서 제 1 구동 회로부(252) 안쪽에는 제 1 인쇄회로기판(521)을 안착시켜 고정하기 위한 다수의 보스 구조물(523)이 마련되고, 제 2 구동 회로부(253) 안쪽에도 제 2 인쇄회로기판(531)을 안착시켜 고정하기 위한 다수의 보스 구조물(533)이 마련된다. 또한, 도시되지 않았으나 엑스선 소스 수용부(251) 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 또는 실리콘 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(250F) 내측의 공간에 배치되고, 그 위에 유동성 있는 에폭시 또는 실리콘 수지가 주입된다. 프레임(250F)에서 이들을 각각 수용하는 부분의 측벽 높이 등에 따라 의도된 깊이로 절연성 충전재인 에폭시 또는 실리콘 수지가 채워지고 경화되면, 절연 몰딩부(252B, 253B)가 형성되는 것이다.

도 14는 상기 도 12의 엑스선 소스 구동 조립체를 반대 방향에서 도시한 사시도이다.

본 도시된 바와 같이 제 1 구동 회로부(252) 내의 절연 몰딩부(252B)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(252B) 내부에 잠기나 그 반대쪽 일부는 그 외부로 노출된다. 한편, 제 2 구동 회로부(253) 내의 절연 몰딩부(253B)는 도 13에 도시된 제 2 인쇄회로기판(531)은 물론 그 위에 실장된 2차 승압부(532) 전부가 잠길 정도로 깊게 형성된다. 도시된 바와 같이 절연 몰딩부(252B, 253B)의 깊이는 전술한 프레임(250F)의 해당 부분 측벽 높이에 따라 다르게 구현될 수 있다. 다시 말해, 프레임(250F)에서 제 2 구동 회로부(253)를 둘러싸는 측벽은 제 1 구동 회로부(252)를 둘러싸는 측벽에 비해 각각의 바닥면으로부터 상대적으로 더 높게 형성될 수 있다.

도 15는 상기 도 11의 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치의 내부 구조를 무게 배분의 관점에서 보인다.

본 실시예에 따른 포터블 엑스선 발생 장치(201)는 그 손잡이부(213)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(212)의 전단부로부터 전계방출 엑스선 소스(40)의 중심부까지의 거리(D)가 200mm 이상 확보되어야 한다는 점이다. 상기 원통형 시준부(212)는 그 내부로부터 외부로 제어되지 않은 엑스선 빔이 방출되지 않도록 차폐하는 역할을 수행하고, 상기 원통형 시준부(212)와 전계방출 엑스선 소스(40) 사이에 배치된 엑스선 방출 콘(260)도 넓은 범위로 방사되는 엑스선을 일정한 각도 범위의 빔 형태로 통제하는 역할을 하므로, 납 또는 산화 비스무스(Bismuth Oxide) 등의 엑스선 차폐 물질로 이루어진 엑스선 차폐층 포함한다. 이러한 엑스선 차폐층은 해당 부품의 중량 증가 요인이 된다.

상기 원통형 시준부(212)와 상기 엑스선 방출 콘(260)은 그 무게 중심이 손잡이부(213)의 중심선(HP)을 기준으로 볼 때 전방에 위치한다. 이들의 무게와 균형을 이루는 부분이 제 2 인쇄회로기판(531)이 내재된 절연 몰딩부(253B)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(213)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(213) 하부에서 배터리팩(12) 역시 상기 손잡이부(213)의 중심선(HP)이 지나는 위치에 배치될 수 있다. 장치 무게 중 높은 비율을 차지하는 부품들이 사용자의 손(H)으로 파지되는 손잡이부(213)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.

도 16은 상기 도 1 또는 도 2의 실시예에서 엑스선 센서 유닛의 예를 보인다.

전술한 바와 같이 엑스선 센서 유닛은 센서부(61)와 커넥터부(62)로 구성되는데, 상기 커넥터부(62)와 상기 센서부(61)는 다수의 접속단자로 이루어진 접속단자군(622, 612A, 612B)을 통해 서로 다수의 채널로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 다수의 채널에는 상기 센서부(61)에서 생성된 촬영 데이터를 전송하는 통신 채널뿐만 아니라 전력 공급 채널도 포함될 수 있다. 한편, 상기 커넥터부(62)는 상기 센서부(61)에 대하여 서로 다른 둘 이상의 방향으로 결합될 수 있다. 여기서의 결합에는 전기적 접속의 의미도 포함된다. 예컨대 서로 다른 두 방향에서의 상기 커넥터부(62)와 센서부(61)의 결합을 위해, 상기 커넥터부(62)에는 하나의 접속단자군(622)이 배치되고, 상기 센서부(61)에는 상기 하나의 접속단자군(622)에 각각 대응되게 형성되어, 선택적으로 연결되는 두 개의 접속단자군(612A, 612B)이 배치될 수 있다.

또한, 상기 커넥터부(62)와 상기 센서부(61) 사이는 근거리무선통신(NFC, Near Field Communications) 모듈(613, 623)로 접속될 수도 있다. 상기 커넥터부(62)와 상기 센서부(61)는 상기 근거리무선통신 모듈(613, 623)만으로 서로 전력 및 촬영 데이터를 송수신하도록 연결될 수도 있고, 전술한 다수의 접속단자군(622, 612A, 612B)을 통한 연결수단과 상기 근거리무선통신 모듈(613, 623)을 병용하여 연결될 수도 있다.

본 발명에 따른 포터블 엑스선 발생 장치는 치과에서의 구강내(Intra-Oral) 엑스선 촬영을 위한 진단 시스템의 일부로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 제품이나 설비의 비파괴 검사를 위한 엑스선 촬영 시스템의 일부로 이용될 수도 있다.

Claims (8)

1. 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 게이트 전극을 포함하는 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,
   소정 전압의 직류 전원으로 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 적어도 3개의 구동신호를 생성하는 구동신호 생성부를 포함하는 것으로,
   장치 전체의 무게는 0.8kg 내지 3kg이고, 엑스선 방출 출력은 120W 내지 300W인,
   포터블 엑스선 발생 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 엑스선 방출 출력을 상기 장치 전체의 무게로 나눈, 단위 무게당 출력은 50 내지 150 (W/kg)의 값을 가지는,
   포터블 엑스선 발생 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   원통형인 상기 전계방출 엑스선 소스의 크기는 그 직경이 10~40mm, 그 길이가 40~70mm이고, 그 무게는 20~150g인,
   포터블 엑스선 발생 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 엑스선 방출 콘은 합성수지로 형성된 구조물과, 상기 구조물의 내벽 또는 외벽에 배치된 것으로 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하는 엑스선 차폐층을 포함하는,
   포터블 엑스선 발생 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 엑스선 방출 콘의 전방에 배치되어 그 내부를 통과한 엑스선 빔이 전방으로 방출되도록 하는 원통형 시준부를 더 포함하고,
   상기 원통형 시준부는 그 내벽 또는 외벽에 배치된 것으로, 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하는 엑스선 차폐층을 포함하는,
   포터블 엑스선 발생 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전계방출 엑스선 소스의 표면 중에서 엑스선 방출부를 포함하는 일부분을 제외한 나머지 부분을 둘러싸는 엑스선 차폐층을 더 포함하고, 상기 전계방출 엑스선 소스 표면의 엑스선 차폐층은 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하는,
   포터블 엑스선 발생 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동신호 생성부는, 상기 직류 전원의 전압을 게이트 전극 구동전압 수준의 제 2 전압레벨(V2)로 1차 승압하는 제 1 전압 변환부; 및, 상기 제 2 전압레벨을 애노드 전극 구동전압 수준의 제 1 전압레벨(V1)로 2차 승압하는 제 2 전압 변환부를 포함하고,
   상기 전계방출 엑스선 소스의 표면을 직접적으로 둘러싸는 1차 절연 몰딩과, 상기 1차 절연 몰딩된 상기 전계방출 엑스선 소스와 함께 적어도 상기 제 2 전압 변환부의 일부 또는 전부를 둘러싸는 2차 절연 몰딩을 더 포함하는,
   포터블 엑스선 발생 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 1차 절연 몰딩은 산화 비스무스 분말이 함유된 수지재질의 절연차폐재를 포함하여 엑스선 차폐층으로서의 기능을 겸하고, 상기 2차 절연 몰딩은 상기 1차 절연 몰딩 재료보다 상대적으로 가벼운 절연성 수지로 형성된,
   포터블 엑스선 발생 장치.

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