산업용 CT 장비 원리 및 글로벌 시장 동향

1. 서론

산업용 컴퓨터 단층촬영 (Computed Tomography, CT) 장비는 산업 현장에서 사용되는 고성능 비파괴 검사 장비 중 하나로, 제품의 내부 구조를 높은 해상도로 파악하기 위해 사용된다. 컴퓨터 단층촬영 기술은 측정 대상물의 내부 구조를 레이어 형태로 촬영하여 층을 쌓아 올려 3D 볼륨데이터를 구성하여 분석하는 기술이며, 이를 위해 소프트웨어적으로도 고도의 이미지 처리 기술이 필요하다. 이 기술은 내부결함 파악, 불량 검출, 디자인 및 제조 과정에서의 개선등에 활용될 수 있기에, 산업현장에서 높은 정확성과 신뢰성이 요구되는 분야에 필수적인 장비로 자리잡고 있다. CT 장비의 원리는, X-선 Source에서 발생한 X-선이 물체를 통과하면서 흡수되는 양의 차이에 따라 물체 내부 구조를 파악하는 것이다. 이 과정에서 생성된 데이터는 다양한 알고리즘과 소프트웨어를 통해 3차원 이미지로 생성된다. CT 장비의 성능은 X-선 Source 및 X-선 e디텍터의 발전과 함께 지속적으로 개선되어 왔으며, 최신 기술은 미세한 부품 결함도 파악할 수 있는 고해상도 이미지를 생성할 수 있다. 이러한 CT 장비 기술의 향상과 더불어 최근 CT 장비 시장은 꾸준한 성장세를 보이고있다. 특히 산업용 CT 장비는 자동차, 항공우주, 전자 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며, 이러한 산업 분야의 성장으로 인해 CT 장비 시장 규모가 더욱 커지고 있다. 본 고에서는 산업용 CT 장비의 작동 원리 및 글로벌 시장 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 산업용 CT 장비의 작동 원리

산업용 CT 장비는 크게 X-선 발생장치, 샘플 테이블, X선 디텍터, 컴퓨터 및 소프트웨어로 구성된다 (그림 1). 기본적으로 X-선 발생기와 X-선 디텍터는 반대방향에 위치하여 물체를 통과한 X-선의 양을 기록하게 된다. X-선 발생장치는 X-선 Tube에 고전압을 인가하여 X-선을 발생시키는 장치이며 X-선 발생장치를 통해 생성된 X-선은 측정하고자 하는 샘플을 향해 조사된다. 측정 샘플은 턴테이블을 활용하여 회전시키면서 물체의 모든 방향에 대해 X-선이 통과할 수 있도록 한다. X-선 디텍터는 샘플을 투과한 X-선의 양을 측정하기 위한 센서이며, 최근에는 주로 반도체 센서를 이용한 디지털 X-선 검출기가 사용된다. 이번 챕터에서는 CT 장비의 구성요소 중 X-선 발생장치와 X-선 디텍터에 대해 조금 더 자세히 설명하고자 한다.

그림 1. X-ray CT 장치 구성 요소 [1].

2.1.1 X-선 발생장치

그림 2는 X-선 발생장치의 기본 구조를 보여준다. 그림 2의 왼쪽 부분이 음극 (Cathode)이며 텅스텐 필라멘트와 필라멘트을 가열하기 위한 가열변압기로 구성된다. 필라멘트 가열변압기에서 증폭된 전류가 텅스텐 필라멘트를 통과하여 흐를때에, 텅스텐 필라멘트의 저항에 의해 높은 열이 발생하게 되는데, 이때 발생되는 열로 인해 텅스텐 필라멘트를 구성하는 텅스텐 원자에서 자유전자가 이탈하여 나오게 된다. 이렇게 이탈하여 나온 전자를 열전자라고 부르는데, X-선 Tube 안에서 음극 (Cathode)과 양극 (Anode)사이에 높은 전압을 인가하면, 쿨롱 법칙 (Coulomb’s law)에 의해서 열전자들이 힘을 받아 양극 (Anode)로 가속 운동을 하게 된다. X-선 Tube안에서 음극과 양극사이에 가해지는 전압이 높을수록, 가속된 전자들의 운동에너지가 더 커진다. 이렇게 높은 운동에너지를 가지게 된 전자들이 양극 (Anode)쪽으로 움직여 양극을 구성하는 텅스텐 원자와 상호작용을 하게 되는데 그 과정에서 X-선이 방출된다. 이때 Tube내에 흐르는 전자의 흐름을 관전류 (단위 mA)라고 하는데, 관전류가 높을수록 방출되는 X-선의 양도 많아지게 되며, 결과적으로 관전류에 의해 방사선의 양 (Radiation quantity)가 결정된다. 또한 음극과 양극 사이의 전압을 관전압(단위 kV)라고 하는데, 관전압이 높을수록 열전자의 이동속도가 빨라지므로 결과적으로 방출되는 X-선의 투과력을 나타내는 방사선의 질 (Radiation quality)를 결정하게 된다.

그림 2. X-선 발생장치 기본 구조 [2].

그림 3은 가속된 열전자가 양극 (Anode) 물질과 상호작용하면서 X-선을 발생시키는 원리를 보여준다. 1,2,3,4번의 전자 중에, 1,2,3번 전자는 양극 (Anode)을 구성하는 텅스텐의 원자핵 근처에서 쿨롱 법칙에 의해 속도가 줄어들면서 운동에너지를 잃어버리게 되는데, 이때 줄어든 에너지 만큼 X-선을 방출하게 된다. 이러한 방식으로 생성되는 X-선을 Bremsstrahlug X-선 혹은 연속 X-선이라 부른다. 1번 전자의 경우에는 텅스텐 원자핵과 다소 거리가 떨어진 곳을 지나가면서 속도가 조금 줄어들기 때문에, 그때 발생되는 X-선의 에너지도 낮고 따라서 파장의 길이도 길어진다. 2번 전자의 경우에는 1번 전자에 비해 텅스텐 원자핵과 더 가까운 거리에서 상호작용을 하면서 더 많은 에너지를 잃기 때문에 1번 전자보다 높은 에너지를 갖는 X-선을 생성시킨다. 3번 전자의 경우에는 텅스텐 원자핵과 직접 충돌하면서 모든 운동에너지를 잃기 때문에 최대 에너지를 갖는 X-선을 생성시키는데 사용된다. 4번 전자의 경우에는 1,2,3번 전자와는 달리, 양극 텅스텐의 K 궤도를 돌고 있는 전자와 충돌하게 되는데, 4번 전자가 가지고 있는 운동에너지가 텅스텐 핵-K 궤도 전자 사이의 결합에너지보다 크기 때문에, K 궤도의 전자가 밖으로 튕겨져 나가게 되고, 그 자리에는 unstable한 빈자리(vacancy)가 생기게 된다. 이때 K 궤도 밖에 있는 L 궤도에서 돌고 있는 전자가 K 궤도로 이동하여 그 자리를 채우게 되는데, 이때 K 궤도와 L 궤도의 결합에너지 차이만큼의 에너지가 X-선으로 방출되게 된다. 이때 방출되는 X-선의 에너지는 물질에 따라 고유한 값을 갖게 되는데 이러한 방식으로 생성되는 X-선을 특성 X-선이라고 부른다.

그림 3. X-선 발생 메커니즘 [3].

음극에서 발생된 열전자가 가속되어 양극에 도달하기까지 다른 물질에 방해를 받지 않도록 하기 위해서 X-선 Tube 내부는 진공상태로 만들어준다. 또한, 가속된 전자가 양극에 충돌하면서 X-선을 발생시킬 때, 전자가 가지고 있는 에너지의 약 1%만 X-선 생성에 사용이 되고, 나머지 약 99%는 열에너지 형태로 양극 물질에 전달된다. 따라서 양극 타겟은 높은 열에너지를 적절하게 분산시킬 수 있도록 회전이 가능하도록 설계하여, 온도가 상승된 부분이 어느 정도 냉각된 부분과 위치가 계속 변경되면서 발생된 열이 전체적으로 분산되도록 한다.

2.1.2 X-선 디텍터

다양한 유형의 X-선 디텍터가 있지만, ISO 15708 part 1[4]은 X-선 디텍터를 크게 ionization 디텍터와 scintillation 디텍터로 구분한다. 이 중 산업용 CT에는 scintillation 디텍터가 많이 활용되고 있다. scintillation 디텍터는 고에너지의 X-선 광자를 낮은 에너지를 갖는 가시광선 영역의 광자로 변환시키고, 변환된 가시광선 영역의 광자를 포토다이오드로 검출하는 방식을 사용한다. 그림 4는 scintillation detector 구조를 보여준다. Scintillator 층과 평면 패널 검출기 (FPD, Flat Panel Detector)가 결합하는 방식인데, X-선 광자를 가시광선 광자로 변환하거 검출하기 때문에 이러한 방식을 간접적 디텍터 방식이라 부른다.

그림 4. Scintillation detector 구조 [5].

또한 X-선 디텍터는 X-선 발생장치에서 나오는 빔의 형태에 따라 1D 디텍터와 2D 디텍터로 구분할 수 있다 (그림 5). X-선 발생장치에서 생성된 X-선이 collimating plates를 통과하면 Fan beam (또는 Line beam)형태로 나오게 되는데, 이 경우에는 1D 디텍터가 사용된다. 이때는 X-선 Source와 디텍터도 y축 방향으로 함께 움직이면서 물체를 스캔하는 방식을 사용한다. 반면에 X-선 발생장치에서 생성된 X-선이 circular aperture나 diaphragm을 통과하면 cone beam 형태로 나오게 되는데, 이 경우에는 2D 디텍터가 사용된다. 이때는 X-선 Source와 디텍터는 고정된 상태에서 측정 물체만 회전하는 방식을 사용한다.

그림 5. 2D FPD with cone beam 과 1D FPD with fan beam [6].

X-선 Source를 통해 조사된 X-선은 분석하고자 하는 목표 물체를 통과하면서 목표 물체의 구성 원소들과 상호 작용(주로 광전흡수 및 컴프턴 산란 등)을 하면서 X-선의 강도가 약해지고 투과되는 X-선 beam도 공간적인 분포를 형성하면서 디텍터에 도달하게 된다. 최종적으로 X-선 디텍터는 각 픽셀에 그레이 스케일 값을 저장하게 되는데, 저장된 2D 영상은 이후 영상재구성 (Reconstruction) 과정을 거쳐 3D 볼륨데이터로 변환된다. Cone beam 형태의 X-선으로 측정된 2D 영상데이터를 마치 평행한 X-선이 검사체를 투과하는 것처럼 재구성하기 위해서 여러 종류의 알고리즘이 사용될 수 있는데, 그 중에서도 Convolution backpropagation 방법이 가장 많이 사용되고, 그 중에서도 흔히 FDK (FeldKamp, Davis and Kress) 알고리즘으로 불리는 방식이 가장 널리 활용되고 있다. (식 1) [7]

\(\begin{aligned}f(x, y, z)=\frac{1}{2}\left(\int_{0}^{2 \pi} \frac{d_{S O}^{2}}{d_{S D}^{2}}\right)\left[P_{\theta}(s, t) \frac{d_{S O}}{\sqrt{d_{S O}^{2}+s^{2}+d^{2}}}\right] \cdot h(t) d \theta\end{aligned}\)       (1)

그림 6은 FDK 방법의 개략도이며, 여러 각도에서 촬영하여 획득한 cone-beam projection에 평행한 X-선을 가정하기 위한 가중치를 적용하고 noise를 제거하기 위한 필터를 적용시킨 후 적분하여 영상을 재구성하는 과정을 보여준다. 식 (1)에서 는 촬영한 물체 (Object)의 내부 정보이며, P_θ(s, t)는 물체를 θ 만큼 회전시켰을 때 디텍터를 통해 획득한 영상 정보이다. d_SO는 X-선 Source와 물체 (Object)사이의 거리이고, d_SD는 X-선 Source와 디텍터 (Detector) 사이의 거리를 나타낸다. cone-beam형태의 X-선을 평행한 X-선으로 가정하기 위해 cone-beam projection 영상에 \(\begin{aligned}\frac{d_{S O}}{\sqrt{d_{S O}^{2}+s^{2}+d^{2}}}\end{aligned}\) 가중치를 적용한다. 평행한 X-선에 대한 정보로 보정된 이후에는 평행한 X-선에 사용하는 필터들을 적용할 수 있게 되는데 h (t)이 noise를 제거하기 위한 필터로서 적용된다. 마지막으로 물체 (Object) 기준으로 공간좌표를 얻기 위해 \(\begin{aligned}\frac{d_{S O}^{2}}{d_{S D}^{2}}\end{aligned}\) 항을 적용한 후, 전체 2D 영상을 적분하여 최종적으로 재구성된 3D 볼륨데이터를 얻게 된다.

그림 6. FDK (Feldkamp, Davis, and Kress) 방법의 개략도 [8].​​​​​​​

2.2 산업용 CT의 글로벌 시장 동향

전 세계적으로 산업용 CT 시장은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 자동차, 항공우주, 기계, 전자 등 다양한 산업 분야에서 산업용 CT 검사가 점차 필수적으로 사용되고 있다. 이는 제품 생산 과정에서 발생하는 불량률을 최소화하고, 제품의 성능을 높이기 위한 중요한 비파괴 검사 기술로 자리 잡았기 때문으로 보인다. 글로벌 산업용 CT 시장에서 자동차 산업이 가장 큰 부분을 차지하고 있다 (그림 7). 이어서 항공분야, 가전분야, 가스분야 등 주요 산업분야에서의 시장 점유율 비율은 2024년까지 큰 변동없이 이어지는 것으로 전망되었다.

그림 7. 주요 산업별 글로벌 산업용 CT 장비 시장 비율 [9].​​​​​​​

자동차산업 분야는 글로벌 산업용 CT 장비 시장에서 가장 큰 시장이며, 부품 제조 공정 전반에 걸쳐 높은 수준의 품질 관리가 필요하기 때문에 부품 생산 및 제조 현장에서 CT 장비의 도입이 점차 증가하는 추세이다. 글로벌 산업용 CT 시장에서 자동차 부문의 시장 규모는 2023년 기준 약 $127.15M으로 예상되며, 2019년에서 2024년 사이의 CAGR은 8.58%, 매출 증가액은 $47.15M 규모로 예상된다 (그림 8). CT 장비를 활용한 비파괴 검사를 통해 부품에 손상을 주지않고도 3차원 데이터 분석이 가능하여, 주조부품, 전자부품 및 각종 유압부품 등에 대해 내부 구조 및 기포, 크랙 등에 대한 정보를 얻을 수 있다. 그러나 현재의 산업용 CT는 X-선 발생장치와 X-선 디텍터로 측정 가능한 부품의 크기에 제한을 받기 때문에 크기가 큰 부품을 고해상도로 스캔하는데 어려움이 있다. 또한 고화질의 3차원 재구성영상을 얻기 위해서 물체를 360도 회전시켜야 하는데, 이 부분에 있어서도 부품의 크기에 제한을 받는 경우가 생길 수 있다.

그림 8. 자동차 산업 분야 글로벌 산업용 CT 장비 시장 규모 [9].​​​​​​​

항공산업 분야는 자동차 산업 분야에 이어 두 번째로 큰 시장을 가지고 있다. 글로벌 항공 우주 산업이 점차 성장하고 있고, 인도와 같은 개발도상국에게 항공 승객이 증가하고 있어 항공산업 분야에서 CT 장비 시장 역시 지속적으로 커질 것으로 예상된다. 항공산업 분야에서 산업용 CT 장비는 주로 제품의 내부 균열 검출, 두께 측정 및 피스톤 엔진의 냉각 구멍 위치 확인, 그리고 항공기 결함을 방지하기 위한 왁스 또는 세라믹 몰드를 검사하는 데 활용된다 [10]. 특히 주조품 검사, 터빈 블레이드의 검사 및 고밀도 소재의 검사에 CT 장비가 활용되고 있다. 글로벌 산업용 CT 시장에서 항공산업 분야의 시장 규모는 2023년 기준 약 $100M 으로 예상되며, 2019년에서 2024년 사이의 CAGR은 7.88%, 매출 증가액은 $34.45M 규모로 예상된다 (그림 9).

그림 9. 항공 산업 분야 글로벌 산업용 CT 장비 시장 규모 [9].​​​​​​​

3. 결론

본 고에서는 산업용 CT 장비의 구조 및 작동 원리를 살펴보고, 글로벌 산업용 CT 시장에서 큰 규모를 차지하고 있는 자동차산업 분야와 항공분야의 시장 현황을 살펴보았다. 특히 CT 장비 중 X-선을 발생장치의 세부 작동 원리를 살펴보고 방출되는 X-선의 형태에 따른 X-선 디텍터의 종류 및 X-선 디텍터에서 저장된 2D 이미지를 3D 볼률데이터로 재구성하는 원리에 대해서도 살펴보았다. CT 장비의 각 구성요소의 기술 발전에 의해 점차 정밀한 제품 분석이 가능해지고, 제조 분야의 고품질에 대한 요구와 맞물려 산업용 CT 장비의 시장은 계속 성장해가고 있다. 특히 자동차산업 분야와 항공산업 분야가 전체 산업용 CT 장비 시장의 60% 이상을 차지하고 있으며, 앞으로도 지속적인 성장이 예상된다.