KR20190036212A - 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터 - Google Patents

픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 섬광체 픽셀 구조에서 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시키기 위하여, 섬광체 쉬트(sheet)를 제작한 후 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 픽셀 사이의 에어갭을 형성하고 필요시 에어갭에 반사물질을 도포한 방식의, 새로운 섬광체 픽셀 구조를 적용한 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터에 관한 것이다.

Description

픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터{High Resolution Hybrid Radiation Detector Having Pixel Structure}
본 발명은 직접 및 간접 디지털 방사선 검출 방식을 합성한 하이브리드 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 특히, 새로운 섬광체 픽셀 구조를 적용한 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터에 관한 것이다.
간접 방식 디지털 방사선 검출 장치는 X-선 등 방사선을 흡수하여 가시광선을 발생하는 섬광체, 및 발생한 가시광선을 전기적 신호로 읽기 위한 포토다이오드(PD)를 포함하는 비정질 실리콘 TFT(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, a-Si TFT), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등의 이미지 센서로 구성된다. 직접방식 디지털 방사선 검출 장치는 입사하는 X-선 등 방사선을 가시광으로 전환 없이 바로 전하(전자-정공)를 발생시키는 광전도체(PCL: Photo Conductive Layer), 및 발생한 전하를 전기적 신호로 읽기 위한 TFT(thin film transistor)를 포함한 이미지 센서로 구성되어있다.
이외에도 간접 방식의 섬광체와 직접 방식의 광전도체(PCL)와 TFT 어레이 이미지 센서를 적용하여 하이브리드형 방사선 검출 방식이 시도되고 있다. 이때, 실리콘 웨이퍼의 RIE(deep reactive ion etching) 공정이나 글래스 위의 절연체에 대한 PDP(Plasma Display Panel) 격벽 구조 공정 등을 통하여 픽셀 구조체를 먼저 제작하고, 이후 격벽으로 구분된 픽셀들의 홈들에 섬광물질 분말을 페이스트와 섞어 채우거나 분말을 녹여 고화시킴으로써 픽셀 구조형 섬광체 구조물을 획득한다.
또한, 하이브리드형 방사선 검출 방식의 분말형 섬광체내에서 발생한 가시광선은, 도 1과 같이 이웃 픽셀 간의 빛의 침투로 인한 빛의 퍼짐이나 산란을 통해 영상의 공간분해능을 저하시키기 때문에, 이에 대한 대책으로 물리적 기상 증착 장비(physical vapor deposition, PVD)를 이용해 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조형 섬광체(structured phosphor)를 형성함으로써 섬광체내에서 발생하는 빛의 퍼짐을 최소화하는 방법이 시도되기도 하였다. 여기서 사용된 섬광체는 CsI(Na) 또는 CsI(Tl) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이여야 하며, 방출되는 가시광선의 파장이 그 아래의 광전도체와의 사이에 양자 효율(Quantum efficiency)이 좋은 도핑 물질이어야 한다.
이외에도 하이브리드 구조에서 섬광체에 발생한 가시광선을 광전도체에서 전달되어 전하를 발생시켜 광전도체 내에서 발생한 전하를 가속시켜 전하 증폭(avalanche effect)을 통해 저선량의 엑스선을 이용하여 좋은 영상 신호를 획득하려는 시도가 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 하이브리드형 방사선 검출 방식에서, 바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 좀 더 완전하게 빛의 산란을 방지하기 위한 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 섬광체 픽셀 구조에서 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시키기 위하여, 섬광체 쉬트(sheet)를 제작한 후 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 픽셀 사이의 에어갭을 형성하고 필요시 에어갭에 반사물질을 도포한 방식의, 새로운 섬광체 픽셀 구조를 적용한 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 방사선 디텍터의 섬광체 구조물은, 방사선을 조사하여 가시광으로 변환하기 위한 방사선 디텍터의 섬광체 구조물에 있어서, 섬광체 쉬트에 레이저 가공으로 형성된, 에어갭에 의해 구분된 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 포함한다.
상기 방사선 디텍터의 섬광체 구조물은, 상기 에어갭에 도포된 반사물질을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 방사선 디텍터의 섬광체 구조물 제작 방법은, 섬광물질 분말을 이용하여 섬광체 쉬트를 제작하는 단계; 및 레이저를 상기 섬광체 쉬트 상에 조사하여 에어갭으로 구분되는1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 섬광체 픽셀 어레이에 방사선을 조사하여 가시광으로 변환하기 위한 것으로서, 상기 에어갭 또는 상기 에어갭에 도포된 반사물질에 의해, 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 섬광체 쉬트를 제작하는 단계에서, 섬광물질 분말을 이용한 물리적 기상증착 방식 또는 스크린 프린팅 방식으로 소정의 기판에 상기 섬광체 쉬트가 제작되는 방식을 포함한다.
상기 섬광체 픽셀 어레이는, 픽셀의 가로 또는 세로 피치가 30~500μm, 픽셀간 이격거리 2~50μm 인 구조를 포함한다.
상기 섬광체 픽셀 어레이를 형성하는 단계 후에, 진공 증착 방식 또는 스프레이 방식으로 금속물질을 이용하여 상기 에어갭에 상기 반사물질을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서; 및 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 에어갭 또는 에어갭에 도포된 반사물질로 구분된 픽셀들의 섬광체 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 이미지 센서의 상부에 부착되며, 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 이미지 센서는, 상기 섬광체 픽셀 어레이의 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서, 상기 에어갭은 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 획득된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터에 따르면, 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 픽셀 사이의 에어갭을 형성하고 필요시 에어갭에 반사물질을 도포함으로써, 섬광체 픽셀 구조에서 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시킬 수 있다. 즉, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하여 빛의 퍼짐을 방지해 양자검출효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀형 섬광체에 의한 엑스선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, 독출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터는, 픽셀형 섬광체에서 발생한 가시광선을 흡수한 광전도체가 전하를 발생시킬 때, 애벌런치 현상을 이용해 전하 증폭이 발생되도록 함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 엑스선으로도 선명한 영상을 획득할 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터는, X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히 저선량의 엑스선 형광투시(fluoroscopy) 응용분야뿐만 아니라 고분해능을 필요로 하는 방사선기기 일반검사(general radiography), 유방촬영술(mammography) 등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 일반적인 하이브리드 방사선 검출 장치에서 공간 분해능의 저조함을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 섬광체 구조물과 이미지 센서의 픽셀 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 섬광체 구조물의 제작품에 대한 사례이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터(100)는, 이미지 센서(110) 및 픽셀형 섬광체 구조물(120)를 포함한다.
이미지 센서(110)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 이를 위하여 기판(111) 위에 이미지 센서(110)의 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 TFT(Thin Film Transistor) 어레이(112), TFT 어레이(112) 위에 형성된 광전도체층(113), 및 광전도체층(113) 위에 형성된 투명 도전막(114)를 포함한다. 픽셀형 섬광체 구조물(120)는 이미지 센서(110)의 상부에 부착되고, 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 에어갭(air gap)(또는 에어갭에 도포된 반사물질)으로 구분되는 1차원 또는 2차원 픽셀들의 섬광체 픽셀 어레이를 포함한다.
TFT 어레이(112)는 금속, 실리콘, 유리 등의 기판(111) 상에 비정질 실리콘을 활성층으로 사용하여 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조로 형성된다.
광전도체층(113)은 PCL(Photo Conductive Layer)층으로서 비정질 셀레늄(a-Se, amorphous selenium), CdTe, CZT(CdZnTe), HgI2, PbI2, PbO, BiI3 등 다양한 물질로 이루어질 수 있으며, X-선, 가시광 등 빛을 받으면 전자-정공을 발생하여 전도도가 증가되는 특성을 갖는다.
투명 도전막(114)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등 투명하면서 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어진 박막이며, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 각 섬광체 픽셀로부터 들어오는 X-선, 가시광 등을 투과시킬 수 있다.
픽셀형 섬광체 구조물(120)은 도 3과 같이 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서, 즉, TFT 어레이(112)의 TFT들에 대응되도록 에어갭(또는 에어갭에 도포된 반사물질)으로 구분된 섬광체 픽셀들을 포함한다. 섬광체 픽셀들을 이루는 섬광물질로서 NaI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 나트륨), CsI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 세슘), CsI(Na)(나트륨을 첨가한 요오드화 세슘), BGO, CdWO4, CaF2(Eu), Gd2O2S(Tb), Gd2O2(Eu) 등 원자번호와 밀도가 높은 성분이 사용될 수 있으며, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 각 섬광체 픽셀은 X-선 등 방사선을 받아 가시광선을 방출할 수 있다. 가시광선의 파장은 광전도체층(113)와 양자 효율(quantum efficiency)이 양호하도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구조형 섬광체 구조물의 제작품에 대한 사례이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서, 픽셀형 섬광체 구조물(120)을 제작하기 위하여 먼저, 섬광물질 분말을 이용하여 섬광체 쉬트를 제작한다(S10). 위와 같은 섬광물질 성분을 포함하는 섬광물질 분말을 PVD(physical vapor deposition)와 같은 물리적 기상증착 방식 또는 스크린 프린팅(screen printing) 방식 등으로 수십 내지 수백 μm(예, 30 ~ 1000μm)의 두께로 형성한 섬광체 쉬트를 제작한다. 이때, 큰 섬광물질 입자 분말(예, 1~100μm)로 이루어진 제1층 위에 작은 섬광물질 입자 분말(예,100~999nm)로 이루어진 제2층을 갖는 섬광체 쉬트를 제작하여, 이에 따라 제2층 위에서 X-선 등 방사선 등을 조사하여 가시광을 발생하기 위한 구조물로서의, 구조적 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, PVD를 위한 진공 챔버 내에서, CsI 와 Tl 분말을 증발시켜서 글래스 등 다양한 기판 위에 Tl 원소가 도핑된 CsI 박막 형태의 CsI(T1) 섬광체 쉬트를 제작할 수 있다. 이때 챔버내 압력, 기판 온도, 증착속도 등을 조절하여 그 박막구조를 다르게 함으로써 다양한 가시광 발생 성능을 나타내는 섬광체 쉬트가 제작될 수 있다.
또는, Tb이 도핑된 Gd2O2S 분말을 바인더, 솔벤트 등과 혼합하고 분산시켜 페이스트 형태로 제조한 후, 글래스 등 다양한 기판 위에 스크린 프린팅(screen printing) 방식으로 도포하고, 오븐에서 소정의 온도(예, 120도)에서 소정의 시간(예, 30분) 건조시킴으로써, Gadox 또는 GOS(Gd2O2S(Tb)) 섬광체 쉬트를 제작할 수 있다.
다음에, 레이저를 섬광체 쉬트 상에 조사하여 에어갭으로 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 형성한다(S20). 예를 들어, 적절한 파워의 레이저를 이용하여, 도 5와 같이, 픽셀 가로/세로 피치 30~500μm 정도(예, 50μm, 100μm, 150μm, 200μm), 픽셀간 이격거리(간격) 2~50μm 정도로, 정사각형, 직사각형, 벌집형, 일자형(linear), 원형(circle) 등 그 응용 분야에 맞게 설계된 다양한 픽셀 모양이 형성되도록 미세가공(micromaching)이 가능하다. 예를 들어, 짧은 펄스 폭(예, 나노 초 ~ 피코 초)을 가지는, 수십~수백 와트 또는 수십~수백 mJ 고출력 에너지의 다양한 레이저, 예를 들어, 엑시머(Excimer) 레이저, 반도체(예, GaAs) 레이저, 기체레이저(예, CO2 레이저), 고체레이저(예, Nd:YAG) 등을 이용하여 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 위한 패터닝 식각 공정이 이루어질 수 있다.
필요에 따라 위와 같이 형성된 에어갭에는 반사물질이 도포될 수 있다(S30). 위와 같은 에어갭만으로도 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄일 수 있지만, 좀더 픽셀간 빛의 퍼짐을 줄이고 광효율을 향상시키기 위해서 에어갭에 금속물질(예, Al, Ag, Au 등) 등으로 도포(또는 코팅)할 수도 있다. 예를 들어, CVD(chemical vapor deposition) 등을 위한 진공 증착장비에 의한 반도체 공정을 이용하여 에어갭 부분이 선택적으로 도포되도록 할 수 있으며, 경우에 따라서는 스프레이 방식으로도 반사물질의 도포가 가능할 수 있다.
위와 같이 제조된 픽셀형 섬광체 구조물(120)와 이미지 센서(110)는 소정 투명 부착 수단에 의하여 부착되어 서로 결합될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만, 이와 같은 부착 전에 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 상부(X-선 받는 쪽) 및 측면의 가장자리 벽에는 섬광체 픽셀에서 발생하는 가시광을 반사시키기 위한 막이 형성될 수 있고, 또한, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 하부(이미지 센서 쪽)에는 가시광을 투과시키기 위한 막이 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 픽셀형 섬광체 구조물(120)을 이용하게 되며, 이는 기존의 픽셀 구분 없이 이미지 센서 상부의 전면에 분말형 섬광체(powdered phosphor)나 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조형 섬광체(structured phosphor)를 형성하는 방식, 또는 격벽을 먼저 형성하고 격벽 사이 홈들에 섬광물질을 채우는 방식 등과 다르며, 도 3과 같이, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물(120)을 이용함으로써 에어갭(또는 에어갭에 도포된 반사물질)은 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 방지하여 양자 효율 및 공간 분해능/해상도를 향상시킬 수 있게 된다.
픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체 픽셀들은 각각 X-선 등 방사선을 받아 가시광으로 변환할 수 있으며, 픽셀 센서들로 이루어진 이미지 센서(110)의 광전도체층(113)에서는 픽셀형 섬광체로부터의 가시광을 받아 전하(전자-정공 쌍)을 발생하고, 독출(readout) 회로, 즉, 이미지 센서(110)의 TFT 어레이(112)를 이용해 광전도체층(113)에서 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하게 된다.
예를 들어, 하이브리드 방사선 검출 장치(100)는 환자의 암이나 기타 환부의 상태를 진단하기 위하여 X-선 및 감마선 등 방사선을 환부에 조사하고 해당 영상을 획득하기 위한 방사선 촬영 장치에 이용될 수 있다. X-선, 감마선 등의 방사선이 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체 픽셀들로 입사되면 섬광체들에서 가시광으로 변환되어 이미지 센서(110)로 출사될 수 있다. 일부 방사선은 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체 픽셀들을 투과하여 직접 이미지 센서(110)로 출사되는 경우를 배제하지 않는다. 일정 밴드갭(Eg)을 갖는 섬광체 픽셀들의 섬광물질에 입사된 X-선 등 방사선은 섬광 물질을 여기시켜서 가전자대의 전자를 여기자(exciton) 밴드를 거쳐 전도대로 올리며, 전도대의 전자가 트랩이나 활성화 센터(activation center)를 거쳐 낮은 에너지 상태로 내려올 때 200~600nm 파장대의 가시광을 방출시킬 수 있게 된다.
이미지 센서(110)는 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체들로부터 출사되는 가시광을 광전 변환하여 소정 화상 신호를 출력할 수 있게 된다. 즉, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체들로부터 출사되는 빛은 이미지 센서(110)의 투명 도전막(114)을 통과하여 광전도체층(113)으로 조사되며, 광전도체층(113)에서는 이와 같은 빛을 받아 전자-정공을 발생하고, TFT 어레이(112)는 각 픽셀에서 광전도체층(113)으로부터 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하게 된다. 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에는 일정 전압이 인가되어, 예를 들어, 광전도체층(113)의 정공은 투명 도전막(114)으로 이동하고, 광전도체층(113)의 전자는 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극)으로 끌려오게 됨으로써, TFT 어레이(112)는 각 픽셀에서 방사선에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
예를 들어, 이미지 센서(110)와 픽셀형 섬광체 구조물(120)이 2차원 어레이 형태로 구성된 경우에, 픽셀형 섬광체 구조물(120)로 방사선이 조사될 때, 행 단위(경우에 따라, 복수행 단위 가능)로 스캔하여 각 행의 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 행의 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체 픽셀들로부터의 가시광에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
이와 같은 TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출(electrical switching readout) 방식의 픽셀화된 섬광체를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 방사선 디텍터(100)에서는, 입사되는 X-선 등 방사선이 섬광체에 흡수되어 가시광을 방출하며, 등방성의 방향으로 발생한 가시광이 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 에어갭(또는 에어갭에 도포된 반사물질)에 흡수 또는 반사되어 이웃 픽셀로 투과되기 어려우며 아래의 광전도체층(113)로 향하게 되도록 함으로써, 픽셀형 섬광체에 의한 X-선 등 방사선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체층(113)에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, 독출(readout) 효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 높은 민감도를 가지고, 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상을 최소화하여 저잡음의 영상을 획득할 수 있게 된다. 또한, 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에 인가하는 전압을 낮출 수 있으므로, 이미지 센서(110)를 구성하는 TFT들의 손상을 방지할 수 있게 된다.
이외에도, 예를 들어, 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에 애벌런치(avalanch) 현상이 발생할 정도의 일정 수준의 전압 크기를 인가하는 경우에는, 광전도체층(113)에서 발생하는 전하(전자-정공) 중 정공은 투명 도전막(114)으로 이동하고, 전자는 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극)으로 끌려오는 동안, 가속된 전자는 기하 급수적인 전자-정공의 발생을 증폭시킬 수 있고, 이와 같은 애벌런치 현상으로 TFT 어레이(112)를 통해 각 픽셀에서 방사선에 대응된 높은 전기적 신호를 독출함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득할 수 있게 된다.
이와 같은 애벌런치(avalanch) 효과를 이용하는 것 이외에도 이미지 센서(110)는, TFT 어레이(112)와 투명 도전막(114) 사이에 제1광전도체층, 및 제1광전도체층 위에 형성된 CTL(Charge Trapping Layer)층, CTL층 위에 형성된 제2 광전도체층을 포함하는 형태가 될 수도 있다.
이와 같은 구조는 출원 번호 제10-2010-0092374호의 도면8에 잘 기술되어 있으며, CTL층은 전자를 트래핑 하는 역할을 수행하며 여기에는 전원이 인가되지 않는다. CTL층은 광전도체에서 발생한 전자를 잡아주는(trapping) 역할을 하며, As2Se3와 Cl이 도핑된 a-Se 물질일 수 있고, 다만 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 전도성이 있는 금속막으로 이루어질 수도 있다.
이 경우, 이미지 센서(110)에서 전기적 신호를 독출할 때, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체 픽셀들은 각각 X-선 등 방사선을 받아 가시광으로 변환할 수 있으며, 픽셀 센서들로 이루어진 이미지 센서(110)의 상기 제2광전도체층에서는 섬광체 픽셀로부터의 가시광을 받아 전자-정공(전자-정공쌍)을 발생한다. 또한, 방사선에 의해 상기 제2광전도체층으로부터 발생된 전자는 CTL층으로 모이게 된다(trapping). 이때, 픽셀 전극 어레이(112)의 하부에서 소정의 광스위치 소자를 이용해 빛(예를 들어, Red(적색), Green(녹색), 또는 Blue(청색) 파장)을 조사함으로써, CTL층에 트랩된 전자들은, 해당 조사된 빛에 의해 상기 제1광전도체층에서 발생한 정공과 재결합되고, 상기 제1광전도체층의 남은 전자에 의해 소정의 감지 회로는 각 픽셀에서 방사선에 대응된 해당 전기적 신호를 독출할 수 있다. 자세한 설명은 출원 번호 제10-2010-0092374호에 잘 기술되어 있으며 이와 같은 종래 문헌의 내용은 본 명세서의 내용의 일부가 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터(100)는, 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 픽셀 사이의 에어갭을 형성하고 필요시 에어갭에 반사물질을 도포한 것에 의해, 섬광체 픽셀 구조에서 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시킬 수 있다. 즉, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하여 빛의 퍼짐을 방지해 양자검출효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀형 섬광체에 의한 엑스선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, 독출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터(100)는, 픽셀형 섬광체에서 발생한 가시광선을 흡수한 광전도체가 전하를 발생시킬 때, 애벌런치 현상을 이용해 전하 증폭이 발생되도록 함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 엑스선으로도 선명한 영상을 획득할 수도 있다. 그리고, 본 발명의 픽셀 구조형 고해상도 하이브리드 방사선 디텍터(100)는, X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히 저선량의 엑스선 형광투시(fluoroscopy) 응용분야뿐만 아니라 고분해능을 필요로 하는 방사선기기 일반검사(general radiography), 유방촬영술(mammography) 등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이미지 센서(110)
픽셀형 섬광체 구조물(120)
기판(111)
TFT(Thin Film Transistor) 어레이(112)
광전도체층(113)
광전도체층(113)
투명 도전막(114)

Claims (7)

  1. 방사선을 조사하여 가시광으로 변환하기 위한 방사선 디텍터의 섬광체 구조물에 있어서,
    섬광체 쉬트에 레이저 가공으로 형성된, 에어갭에 의해 구분된 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어갭에 도포된 반사물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물.
  3. 섬광물질 분말을 이용하여 섬광체 쉬트를 제작하는 단계; 및
    레이저를 상기 섬광체 쉬트 상에 조사하여 에어갭으로 구분되는1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 섬광체 픽셀 어레이에 방사선을 조사하여 가시광으로 변환하기 위한 것으로서,
    상기 에어갭 또는 상기 에어갭에 도포된 반사물질에 의해, 픽셀간 빛의 퍼짐 또는 산란을 줄이고 해상도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물 제작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 섬광체 쉬트를 제작하는 단계에서,
    섬광물질 분말을 이용한 물리적 기상증착 방식 또는 스크린 프린팅 방식으로 소정의 기판에 상기 섬광체 쉬트가 제작되는 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물 제작 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 섬광체 픽셀 어레이는,
    픽셀의 가로 또는 세로 피치가 30~500μm, 픽셀간 이격거리 2~50μm 인 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물 제작 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 섬광체 픽셀 어레이를 형성하는 단계 후에,
    진공 증착 방식 또는 스프레이 방식으로 금속물질을 이용하여 상기 에어갭에 상기 반사물질을 도포하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터의 섬광체 구조물 제작 방법.
  7. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서; 및
    상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 에어갭 또는 에어갭에 도포된 반사물질로 구분된 픽셀들의 섬광체 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 이미지 센서의 상부에 부착되며, 방사선을 받아 가시광으로 변환하기 위한 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 이미지 센서는, 상기 섬광체 픽셀 어레이의 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위한 것으로서,
    상기 에어갭은 섬광체 쉬트를 레이저 가공하여 획득된 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
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