X-선의 역사

영상의학의 자부심:  X-선의 역사

자료, 소장품: 연세의대 영동세브란스병원 영상의학과 교수 정태섭

우리가 흔히 알고있는 X-선의 역사는 렌트겐선생님(W.K.Roentgen 1845-1923)이 실험중에 우연히 미지의 광선을 발견한데서 시작한다. 그런데 좀더 깊게 살펴 보면 렌트겐선생님은 X-선을 발견한 것이지만 X-선 관(tube)의 발전은 1876년 Crookes 관의 역사까지 거슬러 올라간다. 크룩스(William Crookes 1832-1919)가 Crookes관을 개발하여 특허등록한 1876년부터 X-선이 발견된 1895년까지를 제1기, 1895년부터 cathode에 filament를 장착하여 대용량의 음극선을 나오게 할 수 있는 Coolidge 관이 개발된 1916년까지가 제 2기, Coolidge 관이 개발된 1916년 이후의 현재 X-선 기기시대를 제 3기로 볼 수 있다.

1. 제1기 X-선 역사 (1876년-1895년)
렌트겐선생님의 명성에 가려서 잊혀진 과학자가 크룩스이다(사진1).

 사진 01. William Crookes (1832-1919)

영국의 위대한 과학자로 X-선 발견을 렌트겐선생님이 하는 통에 아쉽게도 좋은 발견의 기회를 노쳤지만 음극선의 정체는 전자라는 사실을 연구하여 원자물리학이 시작되었으며 1897년에 작위를 받았다.

1875년 진공중에 둔 천칭이 종종 불규칙하게 흔들리는 것을 발견하고 radiometer(복사계)라는 기계를 발명하여 1876년 특허를 받았다(전시 1). 진공속의 유리관속에 검은 색과 윤이 나는 양면을 가진 날개판을 틀을 만들어 두고 태양광선을 쪼이면 검은 면의 복사에너지가 높아지며 날개의 양면 압력 차가 생기게 되어 빙빙돌게 된다(전시 2). 유리관속의 진공도를 점점 높이자 날개의 회전이 점차 느려지며 마침내 멈추게 된다. 열을 받기 쉬운 검은 면 쪽의 공기분자 운동이 복사열에 의해 활발해지고 그 압력으로 날개가 움직이게 되는 것이다. 이때 독일의 가이슬러(H. Geissler 1814-1879)가 폭이 3cm정도 길이 수십cm의 유리관의 양측에 알루미늄판 전극을 삽입한 후 전기를 가하는 장치를 발명하였다(전시 3). 이 가이슬러관을 가지고 연구하던 크룩스는 진공도가 낮아 공기입자가 많이 남아 있는 경우는 거의 전기를 통하지 않지만 진공도를 높이면 방전을 한다는 사실을 알아내고 이러한 유형의 모든 진공음극관을 크룩스관이라고 통칭하게 되었다.
크룩스관은 유리관내부의 진공도에 따라서 다양한 발광현상이 나타나며 또한 음극의 위치에 따라서 전자선의 휨현상이 나타나서 당시의 과학자들은 전자의 질량측정등에 많은 연구를 하였으며 일부 부자 호사가들은 특수한 현광현상을 이용하여 종교적 의미를 넣거나 아름다운 장식품으로 이용하기도 했다(좌측부터 사진 2, 3).

사진 02. Crookes tube 변형
 크룩스관에서 푸른빛이 나는 정체가 전자로 구성된 음극선이라는 것을 알고는 십자가 문양등을 넣고 뒤의 인(phosphorus)로 바른 형광면에 빛나게 만들어 부자들이 장식용으로 사용하기도 했다.

사진 03. Crookes tube 변형
음극에 형광물질을 바른 꽃등 예쁜 장식을 두면 깜깜한 방에서 전류를 흘리는 순간 꽃이 환하게 빛이 난다. 크룩스관이 현재에는 형광등, 수은등, 정류관등의 방식으로 발전하게 된 원조가 된다.

1895년 11월 5일 렌트겐선생님은 간단한 크룩스관(사진 4)을 종이로 싼 뒤에 전류를 통하여 음극선 실험을 하고 있었는데 상당히 떨어진 곳에 있던 백금시안화바륨을 칠한 종이가 형광을 발하는 것을 보게 되는 것이 X-선 역사의 시작이다.

사진 04. 최초의 X-선 tube
 간단한 크룩스관으로 렌트겐선생님이 X-선을 발견하였던 최초의 X-선 tube가 된다. 구조는 진공 유리관안에 음극과 양극의 두개 전극만 있을 뿐이다.

 2. 제2기 X-선 역사 (1895년-1916년)
렌트겐선생님(사진 5)이 처음부터 X-선을 발견하려고 실험을 한 것이 아니라 당시에 연구 대상으로 가장 주목을 받고 있던 간단한 크룩스관을 이용하여 음극선 실험도중에 우연히 형광작용을 하는 X-선을 발견한 것이다.

사진 05. Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923)

사실 크룩스도 실험하는 도중에 사진 건판이 흔히 감광되는 것을 알고 있었지만 메이커에 불평하는 편지를 보내 불량품으로 교환 받고 하였다. X-선을 발명하였다고 하는 것이 아니라 발견하였다고 하는 이유는 당시에 크룩스관 제작법은 전세계적으로 널리 알려져 있고 또 에디슨과 같이 연구하던 테슬라(Nikola Tesla  1856-1943: MRI 의 자기장 단위T의 과학자)가 직류승압기인 Tesla coil을 개발한 상태여서 왠만한 실험실에서 쉽게 만들 수 있었다(전시 4). 따라서 렌트겐선생님은 특허신청을 하지 않고 누구나 쉽게 이용할 수 있게 인류가 자신의 경험과 지식을 공개한 것이 더욱 가치가 있는 행동이어서 또 제1회 노벨물리상을 받게 되는 계기가 된다. 당시만 해도 X-선에 대한 정확한 지식은 거의 없었기 때문에 X-선 촬영하는 자체가 의사와 환자에게 큰 흥미거리였으며 서로 사교와 사업의 수단으로도 이용되기도 했다(사진 6).

사진 06. Edison과 X-선 기계
 Edison은 뛰어난 사업가로 X-선이 발견된 다음 해(1896년) 시카고 만국박람회에서 X-선 기계를 설치하고 돈을 받고 손의 뼈를 들여다 본다거나 촬영하는 장사를 하였다.

사진 07. X-선 촬영때 의사와 환자
 X-선 촬영 초기에는 특별한 차폐장치 없이 의사와 환자가 담소를 나눠가며 촬영하였다. 이때 환자를 위한 service 차원에서 X-선 유리관내부에 인광을 발라서 촬영때 밝은 빛이 나게 하여 환자를 즐겁게 해주기도 하였다.

초기에는 방사선차폐장치도 없이 환자를 촬영하는데 의사와 환자가 모두 직접 방사선에 노출되는 경우도 흔했다(사진 7). 당시에 환자에 대한 service는 요즘보다 훨씬 좋았던 것 같아 초기 X-선 tube중에는 내부에 인광(phosphorus)를 칠하여 약간 자주 빛이 도는데 X-선 촬영하는 순간 음극선이 나오면 환하게 형광이 되어 환자를 즐겁게 해주기도 하였다(전시 5). 크룩스관과 X-선 tube는 주로 독일의 Pressler회사가 초기에 많이 생산하였으며 그외 전세계적으로 다양하게 생산이 되었다(전시 6-8).

3. 제3기 X-선 역사 (1916년- 현재)
크룩스관 형태의 X-선관은 관전류의 양이 적을 뿐 아니라 조절도 어려운 단점이 있었다. 1916년 cathode에 filament가 부착되어 더 많은 관전류를 흘릴 수 있는 새로운 X-선관이 WD Coolidge(사진 8)에 의해 개발되어 현재의 X-선관의 기본 모형이 된다(전시 9).

사진 08. William David Coolidge (1873-1975)
 미국의 훌륭한 과학자로 Cathode에 filament를 장치하여 mAS를 마음대로 조절할 수 있는 현대적 X-선관을 1916년 발명하였다.