KR20220064678A - 고민감도 및 고해상도 섬광체를 이용한 방사선 디텍터 - Google Patents

고민감도 및 고해상도 섬광체를 이용한 방사선 디텍터 Download PDF

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KR20220064678A
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전성채
양정원
이경희
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Abstract

본 발명은 고민감도 및 고해상도 섬광체를 이용한 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 본 발명의 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서 기판, 및 상기 이미지 센서 기판 상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조되어 상기 이미지 센서 기판과 일체형으로 형성되고, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 전면 또는 후면을 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.

Description

고민감도 및 고해상도 섬광체를 이용한 방사선 디텍터{Radiation Detector using Scintillator having High Sensitivity and High Resolution}
본 발명은 X-선, 감마선 등의 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 특히, 전면 또는 후면에서 방사선을 조사받아 저선량으로 고민감도 및 고해상도의 영상을 획득할 수 있는 평면형, 곡면형, 또는 유연한 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), 비정질 실리콘 TFT(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, a-Si TFT), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등을 포함하는 이미지 센서로 구성된다. 이때, 섬광체로서, 수십 내지 수백 μm의 두께를 가지는 Gd2O2S(Tb), Gd2O2S(Eu) 물질 등 다양한 분말형 섬광체(powdered phosphor)가 시도되고 있다. 간접 방식 디지털 방사선 검출 장치에서, 두꺼운 섬광체를 사용하면 광량은 높일 수 있지만 영상의 해상도 낮게 되며, 얇은 섬광체를 사용하면 광량은 낮지만 영상 해상도는 높일 수 있다. 이는 섬광체가 두꺼울수록 발생한 가시광선 진행하면서 산란이 많이 발생함으로써, 빛의 퍼짐이 증가되며, 최종적으로 X-선 영상 해상도 저하가 심해지기 때문이다.
이와 같은 빛의 퍼짐을 줄여 공간 분해능을 향상시키기 위한 섬광체를 제작하기 위하여 이미지 센서 위에 픽셀형 섬광체 구조물을 결합하는 픽셀 구조형이 시도되고 있다. 예를 들어, 물리적 기상증착장비(physical vapor deposition, PVD)를 통하여 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세 구조형 섬광체(structured phosphor)가 시도되고 있으며, 바늘기둥형태의 미세 픽셀 구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도, 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 좀 더 완전하게 빛의 산란을 방지하기 위한 방법이 요구되고 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 RIE(deep reactive ion etching)를 통한 트렌치 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 섬광체를 이용하여 선명한 영상 화질을 구현하는 연구가 존재한다.
특히, 분말형 섬광체내에서 발생한 가시광선은 산란을 통해 영상의 공간분해능을 저하시키기 때문에, 이에 대한 대책으로 물리적 기상증착장비를 통하여 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조를 형성하여 섬광체내에서 발생하는 빛의 퍼짐을 최소화할 수 있다. 여기서 사용된 섬광체는 CsI(Na) 또는 CsI(Tl) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이여야 하며, 방출되는 가시광선의 파장이 그 아래 배치된 포토다이오드와 Quantum efficiency(양자 효율)가 좋은 도핑 물질이어야 한다. 하지만, 바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 완벽한 빛의 산란을 방지하기 위한 연구가 필요하다. 그리고 픽셀 구조형 섬광체를 이용할 경우, 해상도는 향상되지만 민감도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 또한, 기존의 간접 방식 방사선 디텍터는, 리지드한(rigid) 평면형(flat) 센서를 이용함으로써, 신체 크기나 형태에 따라 환자마다 영상의 해상도가 달라져 재촬영해야 하는 경우가 빈번해 불편하고, 방사선의 산란으로 인한 영상의 왜곡은 계속해서 개선해야 할 문제이다.
관련문헌으로서 미국공개특허 US6,744,052, US6,784,432 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 유리 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판, 광섬유 기판 등에 이미지 센서를 형성하고, 그 위에 GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체를 직접 형성하여 일체형 방사선 디텍터를 제공함으로써, 종래의 방식에서 개별적으로 제작된 섬광체와 이미지 센서를 다양한 공정으로 결합 또는 접합하는 상기 종래의 방식에 비교하여, 저선량으로 고민감도 및 고해상도의 영상을 획득할 수 있고, 전면 또는 후면 방사선 조사가 가능한, 평면형, 곡면형, 또는 유연한 방사선 디텍터를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서 기판; 및 상기 이미지 센서 기판 상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조되어 상기 이미지 센서 기판과 일체형으로 형성되고, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 전면 또는 후면을 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
상기 섬광체 구조물의 직접 적층의 방식은, 섬광체 분말과 바인더를 혼합한 섬광체 페이스트에 의한 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식을 포함한다.
상기 섬광체 구조물의 직접 적층의 방식은, 섬광체 분말과 바인더 혼합한 후 침전시켜서 획득한 섬광체 페이스트에 의한 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식을 포함한다.
상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일 섬광체층을 포함한다.
상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중 섬광체층을 포함한다.
상기 이중 섬광체층은 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 크게 형성할 수 있다.
상기 이중 섬광체층은 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 작게 형성할 수 있다.
상기 이미지 센서 기판은, 평면형, 곡면형 또는 유연한 기판 상에 형성된 상기 복수의 픽셀 센서를 포함한다.
상기 이미지 센서 기판은, 상기 복수의 픽셀 센서를 가지는 유리 기판, 실리콘 기판, 플라스틱 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판 또는 광섬유 기판을 포함한다.
상기 이미지 센서 기판은, 소정의 기판 상에, 비정질 실리콘 기반의 PD(photodiode)-TFT(thin film transistor) 어레이, 또는 결정질 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)나 CCD(Charge Coupled Device) 어레이를 포함한다.
상기 이미지 센서 기판은, 상기 소정의 기판 상에 상기 어레이가 형성된 후, 상기 소정의 기판의 뒷면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연하게 만들어진 형태를 포함한다.
상기 이미지 센서 기판 상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조된 광흡수체 또는 광반사체를 더 포함할 수 있다.
상기 섬광체 구조물상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조된 광흡수체 또는 광반사체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방사선 디텍터에 따르면, 유리 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판, 광섬유 기판 등에 이미지 센서를 형성하고, 그 위에 GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체를 직접 형성(예, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 등)하는 일체형 방사선 디텍터를 구현함으로써, 개별적으로 제작된 섬광체와 이미지 센서를 다양한 공정으로 결합 또는 접합하는 종래의 방식(예, 고정 기구/지그를 이용한 물리적인 압착, OCA(Optically Clear Adhesive)를 이용한 라미네이팅, 에폭시/실리콘을 이용한 접착 등)에 비교하여, 저선량으로 고민감도 및 고해상도의 영상을 획득할 수 있다. 또한, 이와 같은 본 발명의 방사선 디텍터 구조를 방사선 조사 방향에 전면 조사형 또는 후면 조사형으로 구현가능하며, 기판과 섬광체가 코팅된 일체형 구조가 평면형, 곡면형, 또는 유연한 구조를 갖도록 함으로써, 다양한 방사선 디텍터 구조를 제공할 수 있다.
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 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 디텍터의 전면 조사 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 방사선 디텍터의 후면 조사 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 방사선 디텍터의 구체적인 적층 구조의 예들이다.
도 3은 본 발명의 이중 섬광체층 구조물의 확대 사진의 일례이다.
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 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 디텍터(100)의 전면 조사 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 후면 조사 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 디텍터(100)는 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서(1차원 또는 2차원 어레이)를 가지는 평면형, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110), 및 이미지 센서 기판(110) 상에 페이스트 형태로 직접 적층(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)되고 건조되어 이미지 센서 기판(110)과 일체형으로 형성되며, 방사선(예, X-선, 감마선 등)에 의해 가시광으로 변환하기 위한 평면형, 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물(120)을 포함한다.
도 1a 및 도 1b에서, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서 기판(110)과 섬광체 구조물(120)의 형태를 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 이미지 센서 기판(110)과 섬광체 구조물(120)은 리지드한 평면형일 수도 있다.
방사선은, 도 1a와 같이 섬광체 구조물(120)의 전면 쪽을 향하여, 또는 도 1b와 같이 섬광체 구조물(120)의 후면 쪽을 향하여(이미지 센서 기판(110)를 향하여) 조사될 수 있다. 도 1a와 같이 방사선 전면 조사 방식은, 방사선이 섬광체 구조물(120)에 조사되면서, 섬광체 구조물(120)의 섬광물질에서 가시광을 발생시키게 되며, 이미지 센서 기판(110)은 각 픽셀에서의 해당 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다. 도 1b와 같이 방사선 후면 조사 방식은, 방사선이 이미지 센서 기판(110)을 향하여 조사되면서, 이미지 센서 기판(110)을 투과함에 따라, 섬광체 구조물(120)의 섬광물질에서 가시광을 발생시키게 되며, 이미지 센서(100)는 각 픽셀에서의 해당 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
이를 위하여, 이미지 센서 기판(110)는 유리 기판, 실리콘 기판, 플라스틱 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판 또는 광섬유 기판 등의 평면형, 곡면형 또는 유연한 기판 상에 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 각 픽셀 센서에 대응되도록 평면형, 곡면형 또는 유연한 기판 위에 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 포토다이오드(도 2a 참조, 111)와 각 픽셀 센서의 구동을 위한 회로 어레이(도 2a 참조, 112)(또는 소자들)를 포함할 수 있다.
이미지 센서 기판(110)은 방사선이 투과 가능하도록 만들어지며, 평면형일 수도 있지만, 유연성이 부족한 유리 기판, 실리콘 기판 등의 기판 상에 포토다이오드(111)와 회로 어레이(112)를 형성한 후 해당 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연하며, 방사선이 투과 가능한 기판으로 제작된 형태일 수도 있다. 여기서, 회로 어레이(112)는 비정질 실리콘을 활성층으로 사용하여 PD(photodiode)와 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조로 형성되는 PD(photodiode)-TFT(thin film transistor) 어레이, 또는 결정질 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)나 CCD(Charge Coupled Device) 어레이를 포함할 수 있다. 기타 결정질 실리콘 기판 상에 구현 가능한 다양한 이미지 센서로 구현될 수 있다.
예를 들어, 치과용 구강 방사선 디텍터로서 작동을 위하여는, 저선량으로 고속, 고감도 및 고해상도를 실현하여야 하므로 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 회로나 CCD(Charge Coupled Device) 회로로 구현되는 방식이 바람직하다. 경우에 따라 이미지 센서 기판(110)은 기타 결정질 실리콘 기판 상에 구현 가능한 다른 다양한 이미지 센서로 구현될 수도 있다.
본 발명에서, 섬광체 구조물(120)은 이미지 센서 기판(110) 상에 페이스트 형태로 직접 적층(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)되고 건조되어 이미지 센서 기판(110)과 일체형으로 형성된다. 예를 들어, 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서 기판(110)의 포토다이오드(111) 쪽에 GOS(Gd2O2S:Tb)(경우에 따라, CsI:Tl, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능) 등의 섬광체를 마이크로입자 또는 나노 분말로 만들고 바인더와 함께(기타 첨가제 추가 가능) 페이스트 형태로 만들어 직접 코팅(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)하는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 나노 분말 형태는 수 마이크로미터 이내 크기의 분말을 파쇄 또는 그라인딩 공정, 또는 나노 분말 합성을 통해서 획득될 수 있다. 마이크로미터 크기를 가진 섬광체를 사용할 경우, 섬광체 내에서 빛의 산란이 매우 높기 때문에, 블러링(Blurring) 발생 등으로 인해 최종적인 영상의 해상도가 떨어질 수 있으나, 나노 분말의 사용으로 훨씬 높은 해상도를 가진 영상 구현이 가능하게 된다. 섬광체 구조물(120)의 섬광 물질은 X-선, 감마선 등 방사선을 받아 가시광선을 방출할 수 있다. 가시광선의 파장이 포토다이오드(111)에서 양자 효율(quantum efficiency)이 양호하도록 설계되는 것이 바람직하다. 상기 바인더는 텍사놀과 수지계 물질(예, 아크릴 수지, PVA 등)를 적절한 중량%(예, 6:4 ~ 9:1)로 만들어질 수 있다. 섬광체 분말과 바인더는 적절한 점도와 광출력을 위한 중량%(예, 6:4 ~ 9:1)로 만들어질 수 있다. 상기 첨가제는 페이스트 형성 시 분말응집을 방지하기 위하여 산성기를 갖는 공중 합체 등을 이용할 수 있다. 이와 같이 바인더와 함께(기타 첨가제 추가 가능) 섬광체 분말을 혼합하여 만들어진 섬광체 페이스트를, 직접 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식으로 적층하는 방식으로 사용할 수도 있고, 상기 섬광체 페이스트는 그 농도에 따라 침전 방식으로 이미지 센서 기판(110) 상에 직접 적층되고 건조될 수도 있다. 예를 들어, 바인더와 함께(기타 첨가제 추가 가능) 혼합된 섬광체 분말의 중량%가 작은 경우(예, 섬광체 분말 이외의 중량이 섬광체 분말의 중량 보다 큰 경우), 해당 혼합물 용액을 침전시켜 획득되는 섬광체 페이스트를 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식으로 적층하도록 적용하는 것이 가능하다.
이와 같이 페이스트 형태로 만들어진 섬광체 페이스트는 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등으로 이미지 센서 기판(110) 상에 직접 적층되고 건조되어 일체형의 섬광체 구조물(120)이 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 예를 들어, 섬광체 분말을 이용해, 쵸크랄스키 방식, 브릿지만 방식, Liquid Phase Epitaxy(LPE)법 등 성장 방식이나, PVD(Physical Vapour Deposition)등 물리적 증발 방식을 이용하여 이미지 센서 기판(110)에 섬광체 구조물(120)을 형성할 수도 있다.
특히, 본 발명에서, 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서 기판(110) 상에 페이스트 형태로 만들어 직접 코팅(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)하는 방식으로 형성됨으로써, 전제적인 구조물이 곡면형태가 되었을 때, 뒤틀림 방지가 가능하고, 정렬을 할 필요가 없는 이점이 있다. 또한, 기존의 방식(예, 고정 기구/지그를 이용한 물리적인 압착, OCA(Optically Clear Adhesive)를 이용한 라미네이팅, 에폭시/실리콘을 이용한 접착 등)에서의 공정 대비 직접 코팅 시, 가시광 발광량, 민감도 및 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 구체적인 적층 구조의 예들이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에서 PD-TFT, CMOS, CCD 등의 이미지 센서 기판(110)은 각 픽셀 센서에 포토 다이오드(111)를 가지며, 각 픽셀 센서의 구동을 위한 리셋 트랜지스터, 드라이버 트랜지스터 및 어드레스 트랜지스터 등의 소자들을 포함하는 회로 어레이(112)를 구비할 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만 포토 다이오드(111) 위에 실리콘 산화막 등 보호막이 형성될 수 있다.
또한, 도 2a는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 제1실시예로서 단일 섬광체층(122)을 적용한 예이다. 도 2b는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 제2실시예로서 이중 섬광체층(124, 126)을 적용한 예이다. 섬광체 구조물(120)은, 도 2a와 같이 평균적 섬광체 입자크기가 균일하게 이루어진 단일 섬광체층(122)일 수도 있고, 도 2b와 같이 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중 섬광체층(124, 126)일 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 경우에 따라서는 섬광체 구조물(120)로서 이중층 보다 많은 복수의 층들로 이루어지도록 할 수도 있다. 도 2a 및 도 2b와 같이, 이미지 센서 기판(110)에 위와 같은 방식으로 섬광체 구조물(120)이 직접 적층되고 건조되어 형성된 후, 섬광체 구조물(120) 상에 광흡수체 또는 광반사체와 같은 추가층(121)이 형성될 수 있다. 추가층(121) 역시 위와 같은 해당 추가층 물질을 페이스트 형태로 만들어 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등으로 직접 적층하고 건조시켜 형성될 수 있다. 이외에도, 도 2a 및 도 2b에는 추가층(121)이 섬광체 구조물(120) 상에 형성된 것을 도시하였으나 이에 한정되지 않으며, 추가층(121)은 이미지 센서 기판(110) 측에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b와 같은 추가층(121)은, 전면 방사선 조사 방식에서 방사선에 대한 광흡수체가 될 수 있고, 후면 방사선 조사 방식에서 방사선에 대한 광반사체가 될 수 있다. 추가층(121)이 이미지 센서 기판(110) 측에 형성되는 경우에도, 해당 층은 전면 방사선 조사 방식에서 방사선에 대한 광반사체가 될 수 있고, 후면 방사선 조사 방식에서 방사선에 대한 흡수체가 될 수 있다.
도 2a와 같이 섬광체 구조물(120)로서 단일 섬광체층(122)를 적용한 경우, 및 도 2b와 같이 섬광체 구조물(120)로서 이중 섬광체층(124, 126)를 적용한 경우, 섬광체 구조물(120)에서 픽셀의 구분은 없으며, 전면 또는 후면 조사된 방사선에 의해 섬광체 구조물(120)의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 이미지 센서 기판(110)는 각 픽셀에서의 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출할 수 있다.
단일 섬광체층(122)와 이중 섬광체층(124, 126)의 각 섬광체층은, 이미지 센서 기판(110)의 포토다이오드(111) 쪽에 GOS(Gd2O2S:Tb)(경우에 따라, CsI:Tl, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능) 등의 섬광체를 마이크로입자 또는 나노 분말로 만들고 바인더와 함께 페이스트 형태로 만들어 직접 코팅(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)하는 방식으로 형성될 수 있다.
도 2b와 같이 섬광체 구조물(120)이 이중 섬광체층인 경우에, 예를 들어, 전면 방사선 조상 방식에서는 가시광 발광량을 증가시켜 민감도와 해상도를 향상시키기 위하여 도 3의 (a)와 같이, 이미지 센서 기판(110) 측의 포토 다이오드(111)와 인접하는 쪽의 해당층(126)의 입자크기가 그 반대측 해당층(124)의 입자크기 보다 더 작게 하는 것이 바람직하다. 다만 이와 반대로 경우에 따라서는 예를 들어, 도 3의 (b)와 같이 이미지 센서 기판(110) 측의 포토 다이오드(111)와 인접하는 쪽의 입자크기가 그 반대측의 입자크기 보다 더 크게 구성하는 것도 가능하다. 또한, 예를 들어, 후면 방사선 조상 방식에서는 가시광 발광량을 증가시켜 민감도와 해상도를 향상시키기 위하여 도 3의 (b)와 같이, 이미지 센서 기판(110) 측의 포토 다이오드(111)와 인접하는 쪽의 해당층(126)의 입자크기가 그 반대측 해당층(124)의 입자크기 보다 더 크게 하는 것이 바람직하다. 다만 이와 반대로 경우에 따라서는 예를 들어, 도 3의 (a)와 같이 이미지 센서 기판(110) 측의 포토 다이오드(111)와 인접하는 쪽의 입자크기가 그 반대측의 입자크기 보다 더 작게 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이 본 발명의 이미지 센서 기판(110)은 방사선이 투과 가능하도록 만들어지며, 평면형일 수도 있지만, 유연성이 부족한 유리 기판, 실리콘 기판 등의 기판 상에 포토다이오드(111)와 회로 어레이(112)를 형성한 후 해당 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연하며, 방사선이 투과 가능한 기판으로 제작된 형태일 수도 있다. 예를 들어, 본 발명과 같이 유리 기판, 실리콘 기판 등을 연마하여 얇게 함으로써 기판에서 흡수되는 방사선 선량을 약 10% 정도 감소함으로써 섬광체에 입사되는 선량을 증가시킴으로써 영상의 신호를 향상시킬 수 있으며, 전면에 방사선을 조사하는 것보다는 후면에 방사선을 조사하는 구조를 가진 방사선 디텍터를 이용할 경우에, 영상의 신호를 약 10% 이상 더 높게 획득함으로써 환자에 조사되는 선량을 최소화 할 수도 있다. 나아가 도 3의 (b)와 같이, 이미지 센서 기판(110) 측의 포토 다이오드(111)와 인접하는 쪽의 해당층(126)의 입자크기가 그 반대측 해당층(124)의 입자크기 보다 더 크게 형성함으로써, 이미지 센서 기판(110)에 가까운 쪽에서 먼저 방사선을 받을 뿐만아니라 입자크기가 큰 쪽에서 먼저 방사선을 받아 가시광 발광량을 높이게 됨으로써, 민감도와 해상도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이미지 센서 기판(110)의 구조에 페이스트 형태로 만들어진 섬광체 페이스트를 이미지 센서 기판(110) 상에 직접 코팅(스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식 등)하는 방식으로 형성됨으로써, 전제적인 구조물이 곡면형태가 되었을 때, 뒤틀림 방지가 가능하고, 정렬을 할 필요가 없는 이점이 있다. 또한, 기존의 방식(예, 고정 기구/지그를 이용한 물리적인 압착, OCA(Optically Clear Adhesive)를 이용한 라미네이팅, 에폭시/실리콘을 이용한 접착 등)에서의 공정 대비 직접 코팅 시, 방사선의 조사 선량을 줄여도 기존 방식 이상의 가시광 발광량, 민감도 및 해상도가 더 높게 제공될 수 있으며, 방사선의 조사 선량을 기존 이상으로 하면 가시광 발광량, 민감도 및 해상도를 상당히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 본 발명의 방사선 디텍터(100) 제작 방식은, 기존의 방식(예, 고정 기구/지그를 이용한 물리적인 압착, OCA(Optically Clear Adhesive)에 비교하여 패키징 수율 향상, 공정비용 최소화가 가능함으로써, 제조업체에서는 단가를 크게 줄일수 있어서 저가의 디텍터 생산이 가능한 이점이 있다. 즉, 기존 섬광체 제작 방식 및 패키징 기술을 대체하는 방법으로서, 개별적으로 제작된 섬광체와 광센서를 다양한 공정으로 결합/접합하는 방식이 아닌, 본 발명과 같이 한번에 일체형으로 제작되는 방사선 디텍터(100)를 제공할 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 방사선 디텍터(100)는 X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히 저선량의 엑스선 투시 응용분야뿐만 아니라 고민감도 및 고분해능을 필요로 하는 General radiography(일반방사선촬영), Dental radiography(치과방사선촬영), Mammography(유방방사선촬영) 등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사선 디텍터는, 유리 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판, 광섬유 기판 등에 이미지 센서를 형성하고, 그 위에 GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체를 직접 형성(예, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 등)하는 일체형 방사선 디텍터를 구현함으로써, 개별적으로 제작된 섬광체와 이미지 센서를 다양한 공정으로 결합 또는 접합하는 종래의 방식(예, 고정 기구/지그를 이용한 물리적인 압착, OCA(Optically Clear Adhesive)를 이용한 라미네이팅, 에폭시/실리콘을 이용한 접착 등)에 비교하여, 저선량으로 고민감도 및 고해상도의 영상을 획득할 수 있다. 또한, 이와 같은 본 발명의 방사선 디텍터 구조를 방사선 조사 방향에 전면 조사형 또는 후면 조사형으로 구현가능하며, 기판과 섬광체가 코팅된 일체형 구조가 평면형, 곡면형, 또는 유연한 구조를 갖도록 함으로써, 다양한 방사선 디텍터 구조를 제공할 수 있다.
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 기판(110)
섬광체 구조물(120)
섬광체층(122, 124, 126)

Claims (13)

  1. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서 기판; 및
    상기 이미지 센서 기판 상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조되어 상기 이미지 센서 기판과 일체형으로 형성되고, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 섬광체 구조물의 전면 또는 후면을 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물의 직접 적층의 방식은, 섬광체 분말과 바인더를 혼합한 섬광체 페이스트에 의한 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식을 포함하는 방사선 디텍터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물의 직접 적층의 방식은, 섬광체 분말과 바인더 혼합한 후 침전시켜서 획득한 섬광체 페이스트에 의한 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅 방식을 포함하는 방사선 디텍터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일 섬광체층을 포함하는 방사선 디텍터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중 섬광체층을 포함하는 방사선 디텍터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이중 섬광체층은 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 크게 한 방사선 디텍터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이중 섬광체층은 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 작게 한 방사선 디텍터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 평면형, 곡면형 또는 유연한 기판 상에 상기 복수의 픽셀 센서가 형성된 방사선 디텍터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 상기 복수의 픽셀 센서를 가지는 유리 기판, 실리콘 기판, 플라스틱 기판, 카본 기판, 알루미늄 기판 또는 광섬유 기판을 포함하는 방사선 디텍터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 소정의 기판 상에, 비정질 실리콘 기반의 PD(photodiode)-TFT(thin film transistor) 어레이, 또는 결정질 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)나 CCD(Charge Coupled Device) 어레이를 포함하는 방사선 디텍터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판은, 상기 소정의 기판 상에 상기 어레이가 형성된 후, 상기 소정의 기판의 뒷면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연하게 만들어진 방사선 디텍터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 기판 상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조된 광흡수체 또는 광반사체를 더 포함하는 방사선 디텍터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물상에 페이스트 형태로 직접 적층 건조된 광흡수체 또는 광반사체를 더 포함하는 방사선 디텍터.
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