KR100282951B1 - 광전 변환 장치_ - Google Patents

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KR100282951B1 KR1019980049746A KR19980049746A KR100282951B1 KR 100282951 B1 KR100282951 B1 KR 100282951B1 KR 1019980049746 A KR1019980049746 A KR 1019980049746A KR 19980049746 A KR19980049746 A KR 19980049746A KR 100282951 B1 KR100282951 B1 KR 100282951B1
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노리유끼 가이후
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미다라이 후지오
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Abstract

S/N 비의 증가, 사용의 편리함의 향상, 및 비용 절감을 달성하기 위해서, 광전 변환 시스템은, 로우 및 컬럼 방향으로 배열된 복수의 광전 변환 픽셀들, 컬럼 방향으로 배선된 복수의 신호 배선들 - 각각의 신호 배선은 동일한 컬럼 내에 배열된 광전 변환 소자들의 출력들을 접속함 -, 및 로우 방향으로 배선된 복수의 제어 선들 - 각각의 제어 선은 동일한 로우 내에 배열된 광전 변환 픽셀들의 신호 출력 동작을 제어하기 위한 제어 단자들을 접속함 - 을 포함하는 광전 변환부; 광전 변환 픽셀들에 기초하여 정보 전하들을 아날로그 전압으로 변환하기 위한 아날로그 전압 변환 수단으로부터 얻은 아날로그 전압을 기억하고 상기 아날로그 전압을 출력으로서 유지하기 위한 복수의 아날로그 메모리 수단 - 각각의 아날로그 메모리 수단은 신호 배선들 각각에 접속됨 - ; 및 각각이 복수의 아날로그 스위치 수단의 각 출력에 접속된 복수의 A/D 변환 수단 - 각각의 아날로그 스위치 수단은 각각의 아날로그 메모리 수단의 출력 선들을 복수의 그룹들로 나누어 형성된 복수의 출력 선 그룹 각각에 접속됨 -을 포함한다.

Description

광전 변환 장치
본 발명은 가시광, 방사선 등에 의해서 화상을 형성하는 광전 변환 장치에 관한 것으로, 특히 스틸 카메라(still camera)나 X-선 촬상 시스템(X-ray image pickup system)과 같은 2차원 광전 변환 장치에 적합하게 사용할 수 있는 광전 변환 장치에 관한 것이다.
종래의 사진은 대부분 광학 카메라 및 실버 솔트 필름(silver salt film)을 사용한 실버 솔트 사진이었다. 반도체 기술의 발달은 CCD 센서나 MOS 센서에 의해서 대표되는 Si 단결정 센서를 사용하는 고체 촬상 장치에 의해서, 비디오 캠코더와 같은 이동중인 화상을 촬영할 수 있는 촬상 장치의 발달을 가져왔지만, 이러한 화상들은 실버 솔트 사진에 비해서 픽셀 수 및 S/N비 면에서 나쁘다. 따라서, 고품질의 스틸 화상을 얻기 위해서는 실버 솔트 사진을 사용하는 것이 보편적이다.
한편, 최근에는 화상을 컴퓨터에 의해서 처리하고, 화상을 전자 파일 형태로 기억하며, 전자 메일에 의해서 화상을 전송하기 위한 요구가 증가하고 있다. 이러한 환경 하에서는, 실버 솔트 사진의 촬상 장치보다도 화상의 디지탈 신호를 출력할 수 있는 전기 촬상 장치가 요구되고 있다. 이것은 일반적인 사진 분야에만 적용되는 것이 아니라 의학 치료 분야에도 해당된다.
X-선 사진은 의학 치료 분야에서 실버 솔트 사진 기술의 응용으로서 널리 알려져 있다. 이것은 X-선 소스로부터 방사된 X-선에 인체의 환부를 노출시키는 사진으로, X-선 투과 정보를 기초로 하여, 예를 들어 골절이나 종창이 있는지 여부를 판정하여 의학적 진단에 폭넓게 사용되는 사진이다. 통상적으로, 환부를 투과한 X-선은 일단 형광체에 입사되어 가시광으로 변환되고, 실버 솔트 필름은 이 가시광에 노출된다. 이 실버 솔트 필름은 고감도 및 고해상도의 장점이 있지만, 또한 현상을 위해서 소정 시간이 소요되고, 보존 및 관리를 위해서 많은 시간과 노동력이 요구되며, 원격지로 데이터를 빠르게 전송할 수 없다는 등의 단점이 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 실버 솔트 사진과 동일한 화상의 디지탈 신호를 출력할 수 있는 전기 X-선 촬상 장치가 요구되고 있다.
이것을 실현하기 위한 제안으로서, CCD 센서 또는 MOS 센서와 같은, 단결정을 사용한, 축소 광학 시스템 및 소형 광전 변환 장치를 이용함으로써 화상을 형성하는 방법이 있었다. 그러나, 이러한 방법은 형광체로부터 방사된 빛의 약 1/1000만을 이용할 수 있으므로, X-선으로 인체를 검사할 수 있을 정도로 약한 X-선으로 진단을 내려야 한다는 요구를 만족시키기에는 여전히 민감하다. 따라서, 낮은 광 이용 효율의 축소 광자 시스템을 사용하는 소형 광전 변환 장치에 의해서 의학 치료용 X-선 진단 장치를 구현하는 것은 쉬운 일이 아니다.
이러한 요구에 부합하기 위해서, 수소화 비정질 실리콘 (이하, a-Si로 참조됨)을 갖는 광전 변환 소자를 사용하는 촬상 장치의 2차원 배열을 갖는 큰 센서를 사용하는 촬상 장치가 개발되고 있다. 이러한 형태의 촬상 장치는 금속과 a-Si이 스퍼터링 장치와 화학적 기상 증착 장치 (CVD 장치) 등에 의해서 30 내지 50㎝의 각각의 측면을 갖는 절연 기판 상에 증착되고, 예를 들어 약 2000 × 2000 반도체 다이오드를 그 안에 형성하고, 거기에 역 바이어스의 전계를 인가하며, 동시에 동작하는 다이오드로 이루어진 박막 트랜지스터 (이하 TFT라 함)에 의해서 각각의 다이오드 안으로 역방향으로 흐르는 전하들이 개별적으로 검출될 수 있는 구조로 구성된다. 역 방향의 전계가 반도체 다이오드로 인가될 때, 광전류가 반도체층에 입사한 광량에 대응하여 흐른다는 사실은 일반적으로 공지되어 있다. 상기 장치는 이러한 현상을 이용한다. 그러나, 소위 다크 전류(dark current)라 불리우는 전류가 빛이 전혀 존재하지 않는 상태에서도 흐르고, 이것이 전체 시스템의 검출 능력의 저하, 즉 S/N비라 불리우는 감도 저하의 원인이 되는 산탄 잡음(shot noise)을 상승시킨다. 따라서, 이러한 다크 전류를 감소시킬 수 있는 방법이 개발의 촛점이 된다.
EP-A-0660421호는 이러한 요구에 부합하기 위한 X-선 촬상 시스템의 구조적인 예들을 설명한다.
도 1은 X-선 촬상 시스템에서 사용된 광전 변환 장치의 개략적인 회로도이다. 도 2는 다른 X-선 촬상 시스템의 개략적인 블록도이다.
그러나, 상기 촬상 시스템은 보다 높은 S/N비, 보다 나은 사용의 편리함 및 저비용에 요구 조건에 대응하여 구현하기에는 여전히 어렵다. 그 이유는 도 1 및 도 2의 촬상 시스템을 예로 이하 설명되어질 것이다.
도 1에서, S11, S12, …, Smn(m 및 n는 양의 정수)는 광센서를 나타내고, T11, T12, …, Tmn(m 및 n은 양의 정수)는 박막 트랜지스터와 같은 스위칭 소자들, C11, C12, …, Cmn(m 및 n은 양의 정수)는 캐패시터 소자, 및 SR1과 SR2는 쉬프트 레지스터를 나타낸다. 한개의 픽셀은 한개의 광센서(S11, …, 또는 Smn), 한개의 캐패시터 소자 (C11, …, 또는 Cmn) 및 한개의 스위칭 소자(T11, 또는, …, Tmn)로 구성되며, 이 픽셀들은 매트릭스 패턴으로 배열된다. 각각의 픽셀의 스위칭 소자(T11, …, 또는 Tmn)는 신호 전송용으로 사용된다. 각 로우(row)에서 픽셀들의 각각의 스위칭 소자(T11, 또는, …, Tmn)의 게이트들은 제어선[g1, g2, …, 또는 gm(m은 양의 정수)]에 접속되고, 이 제어선(g1, …, gm)은 쉬프트 레지스터(SR1)에 접속된다. 각각의 컬럼 내의 픽셀들의 각각의 스위칭 소자(T11, …, Tmn)의 각각의 하나의 메인 전극은 모든 컬럼에 대해 제공된 각각의 신호선들에 접속된다. 각각의 픽셀에서 각각의 광센서(S11, …, Smn)의 하나의 전극과 각각의 캐패시터 소자 (C11, …, Cmn)중 하나의 전극이 공통으로 접속된 다음, 스위치(SWg)와 스위치(SWs)에 접속된다. 각각의 픽셀에서 각각의 광센서(S11, …, Smn)의 다른 전극과 각각의 캐패시터 소자 (C11, …, Cmn)의 다른 전극은 각각의 스위칭 소자(T11, …, Tmn)의 상기 하나의 메인 전극과 다른 메인 전극에 접속된다. 각각의 신호선은 스위치[M1, M2, …, 또는 Mn(n은 양의 정수)]에 접속되고, 스위치들(M1, …, Mn)은 쉬프트 레지스터(SR2)에 의해서 연속적으로 구동되어, 증폭기를 통해 차례로 출력으로서 신호들을 출력한다. 스위치들(SWg 및 SWs)은 각각 소정 전원(Vg 및 Vs)에 접속되고, 소정의 타이밍에서 각각의 광센서들(S11, …, Smn)의 한 전극 및 캐패시터 소자들(C11, …, Cmn)의 한 전극에 소정의 전위를 제공하도록 구동된다.
도 2에서, 참조 번호 6001은 광전 변환부를 나타내고, 참조 번호 6002는 광전 변환부(6001)로부터의 아날로그 신호들을 디지탈 신호들로 변환하기 위한 아날로그/디지탈 신호 변환기, 참조 번호 6003은 고정 패턴 보정용 감산기, 참조 번호 6004는 메모리, 참조 번호 6005는 컨트롤러, 참조 번호 6006은 버퍼, 및 참조 번호 6007은 화상 프로세서를 나타낸다. 도 2는 복수의 쉬프트 레지스터들(SR1)이 직렬로 접속되어 있고 복수의 검출용 집적 회로(IC)가 배치된 예를 도시한다. 검출용 집적 회로(IC)로부터의 출력들은 프로세싱 회로(6008) 내의 아날로그-디지탈 신호 변환기(6002)로 입력되어 디지탈화된다. 각각의 디지탈 출력은 고정 패턴 보정용 감산기(6003)로 인가되어 원치 않은 고정 패턴 잡음이 제거된 다음, 각각의 메모리(6004) 내에 저장된다. 메모리들(6004) 내에 기억된 정보들은 컨트롤러(6005)에 의해서 제어되고, 버퍼(6006)를 통해서 신호를 처리하기 위한 화상 프로세서(6007)로 전송되어 화상 처리를 행한다.
첫번째 문제점은, n × m 광전 변환 소자들의 정보 조각들이 도 1의 예에서와 같이, 각각의 선 상의 n개의 광전 변환 소자들의 m개의 선들이 배열되어 있는 광전 변환 장치들로부터 얻어졌을 때, n 및 m이 1000보자 작지 않다면, A/D 변환기의 동작 속도가 충분하지 않다는 것이다.
A/D 변환기는 도 1에 도시되지 않았지만, 통상 Vout에 한개의 A/D 변환기를 접속하여 아날로그 전압을 디지탈 정보로 변환하는 것이 일반적이다. 이러한 구조에서 광전 변환 소자들로부터의 정보로부터 디지탈화된 정보를 얻기 위해서, A/D 변환기에서는 Vout로 출력된 아날로그 전압을 디지탈 정보로 변환하는데 소정의 시간이 걸린다. Tad가 A/D 변환기에서 디지탈 정보를 얻는데 필요한 시간이라고 정의할 때, 장치는 하나의 선 상의 픽셀들로부터 n개의 디지탈 정보를 얻기 위한 다음 시간 T (1 선), 즉 T (1 선) ≥ n × Tad가 필요하다. 실제로, 상기 장치는 전송용 TFT들(Tx1 내지 Txn)을 온으로 하는 시간과 스위치들(M1, 내지 Mn)을 연속적으로 턴 온하기 위한 시간이 더 필요하다.
장치는 1 프레임의 정보를 얻기 위한 다음 시간 T (1 프레임), 즉 T (1 프레임) ≥ m × n × Tad의 시간이 필요하다. 만일 n = m = 2000이라면, 적어도 4,000,000 × Tad의 시간이 하나의 프레임 정보를 얻기 위해 필요하다. A/D 변환기의 아날로그-투-디지탈 신호 변환 시간은 일반적으로 100nsec 내지 1000nsec이기 때문에, 결국 한 프레임의 정보를 얻기 위해서는 0.4 초 내지 4초의 시간이 걸린다. 이 시간은 S/N비의 증가 및 사용의 편리함의 향상시키기 위한 바램에 비추어 볼 때 감소되는 것이 바람직하다. 이것은 다크 전류의 축적 시간이 길어지기 때문이다. 판독(reading)에 4초가 걸린다고 가정하면, 4초의 기간 동안 흐르는 다크 전류는 마지막으로 판독된 광전 변환 소자에 축적될 것이다. 이러한 다크 전류의 축적 시간은 상술된 작은 다크 전류를 가진 광전 변환 소자들을 이용할 때에도 너무 길므로, 이에 의해서 산탄 잡음의 증가를 가져온다. 이것은 전체 장치의 검출 능력의 저하 원인, 즉 S/N 비의 감소 원인이 될 것이다. 상기 판독이 4초 걸릴 때, 판독은 최소한으로 4초가 걸린다. 이 경우에, 환자는 4초 또는 그 이상 동안 정지 상태로 서서 측정하면서 그의 숨을 멈추어야 한다. 따라서, 사용의 편리함에 있어서의 개선이 요구된다.
시스템에서 이러한 점을 개선하기 위해서 일부 그룹으로 분할된 신호 배선(SIG)과 복수의 A/D 변환기를 사용한 시스템이 도 2에 도시된다. 유럽 특허 제 440282호는 이러한 시스템과 유사한 장치를 설명한다. 그러나, 이러한 시스템은 후술되는 제2 및 제3 문제점을 개선할 수 있다.
제2 문제점은 도 1에서, 스위치들(M1 내지 Mn)을 연속적으로 턴 온하기 전에 전송용 TFT들[Tx1 내지 Txn (x는 1 내지 m의 정수들로부터 선택된 수)]는 신호 배선(SIG)의 전위를 안정화하기 위해서 턴 온되어야 한다는 점이다. A/D 변환기는 하나의 스위치[My (y는 1 내지 n까지의 정수로부터 선택된 수)]가 오픈되는 기간 동안 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환해야 하기 때문에, 스위치들(M1 내지 Mn)을 연속적으로 턴 온하는데 걸리는 시간(TM)은 TM ≥ n × Tad이다. A/D 변환기는 스위치[My]에서부터 스위치[M(y+1)]까지 스위칭한 후 Vout의 전위의 안정화전의 기간 동안 동작하지 않기 때문에 실제로는 더 많은 시간이 필요하다. 이러한 문제점은 상술된 도 2의 시스템과 같은 복수의 A/D 변환기들과 유럽 특허 제 0440282호 내에 기술된 장치를 사용함으로써 해소될 수 있다. 그러나, 하나의 선의 디지탈 정보의 취득과 다음 선의 디지탈 정보의 취득 사이의 기간 동안 신호 배선들(SIG)의 전위들을 안정화하기 위해서 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)를 턴 온해야 한다. 이 시간이 TtFt로 정의될 때, 하나의 선 상에서 n 개의 디지탈 정보를 얻기 위한 시간 T(1 선)은 T (1 선) ≥ TM + Ttft로 주어진다.
세번째 문제점은 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)가 신호 배선(SIG)의 전위를 안정화하도록 턴 온된 후에 차례로 스위치들(M1 내지 Mn)이 이상적으로 턴 온되는 것을 통해서, 작은 누설 전류가 실제로 신호 배선(SIG) 내에 흘러 스위치들(M1 내지 Mn)의 연속적인 스위칭-온 동작 동안 신호 전하들을 감소시키거나, 또는 본래의 신호에 추가적인 전하들을 더하게 되므로, S/N 비가 감소된다는 점이다. 전송용 TFT는 온 상태에 있을 때에도 (소위 ″온저항″이라 하는) 소정의 저항값을 가지며, 이는 신호 전하들의 이동을 불안정하게 한다. 시간(t)이 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)의 턴 온으로부터 스위치(My)를 통해서 A/D 변환기의 정보의 아날로그-투-디지탈 변환 순간까지 길어질 때 S/N비의 감소가 일어나기 쉽다. 반대로 이 시간(t)이 너무 짧아질 때에도, 또한 전송용 TFT의 온저항은 S/N 비를 낮출 수 있다. 이것은 높은 S/N비를 얻기 위한 시간(t)의 바람직한 값이 존재한다는 것을 의미한다.
한편, 스위치들(M1 내지 Mn)을 연속적으로 턴 온하고 스위치(My)를 통해서 A/D 변환기에 의해서 정보를 디지탈 데이터로 변환하기 위한 방법에서, 시간(t)은 각각의 광전 변환 소자들(Sx1 내지 Sxn)에 따라 다르다. 특히, 광전 변환 소자(Sx1)는 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)의 턴 온에서부터 스위치(M1)를 통해 A/D 변환기에 의한 정보의 아날로그-투-디지탈 변환 순간까지 짧은 시간을 갖는 반면, 광전 변환 소자(Sxn)는 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)의 턴 온에서부터 스위치(Mn)를 통해서 A/D 변환기에 의한 정보의 아날로그-투-디지탈 변환 순간까지 긴 시간(t)를 가진다. 이것은 모든 광전 변환 소자에 대해서 소정 시간(t) 내에 정보를 얻을 수 없게 되는 경우의 원인이 된다. 이 세번째 문제점은 도 1에 도시된 장치에만 적용되는 문제가 아니라, 유럽 특허 제 0440282호에 개시하고 있는 장치와 같이, 증폭기와 같은 소자들이 스위치 그룹 또는 소위 아날로그 멀티플랙서 전에 제공되어야 하는 장치에서도 일어날 수도 있다.
상술된 제1 내지 제3 문제점들에 대한 해결책은 n개의 A/D 변환기가 제공되고, 전송용 TFT(Tx1 내지 Txn)가 스위치들(My)을 사용하지 않고 턴 온되며, 모든 A/D 변환기들이 소정 시간(t)의 경과 후에 동작하여 정보를 디지탈 데이터로 변환하는 구성이다. 그러나, 실제로 n이 크게 되는 것, 예를 들어, 1000보다 작아지지 않게 하는 것이 어렵다. 이러한 구성이 구현될 수 있을지라도, 상당히 고가인 A/D 변환기가 사용되어야 하므로, 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 높은 S/N 비와 양호한 사용의 편리함을 가진 저비용의 광전 변환 장치 및 X-선 촬상 시스템 등에 필요한 대면적에서 높은 S/N 비를 갖는 디지탈 정보를 얻을 수 있는 저비용의 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은,
로우 및 컬럼 방향으로 배열된 복수의 광전 변환 픽셀들, 컬럼 방향으로 배선된 복수의 신호 배선들 - 각각의 신호 배선은 하나의 동일한 컬럼 내에서 광전 변환 픽셀들의 출력들을 접속함 -, 및 로우 방향으로 배선된 복수의 제어 선들 - 각각의 제어 선은 하나의 동일한 로우 내에 배열된 광전 변환 픽셀들의 신호 출력 동작을 제어하기 위한 제어 단자를 접속함 -을 포함하는 광전 변환부;
광전 변환 픽셀들에 기초하여 정보 전하들을 아날로그 전압으로 변환하기 위한 아날로그 전압 변환 수단으로부터 얻은 아날로그 전압을 기억하기 위한 복수의 아날로그 메모리 수단 - 각각의 아날로그 메모리 수단은 각각의 신호 배선들에 접속됨 - ; 및
각각이 복수의 아날로그 스위치 수단의 각 출력에 접속된 복수의 A/D 변환 수단 - 각각의 아날로그 스위치 수단은 각각의 아날로그 메모리 수단의 출력 선들을 복수의 그룹으로 나누어 형성된 각각의 복수의 출력 선 그룹에 접속됨 -
을 포함하는 광전 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 아날로그 전압 변환 수단과 아날로그 메모리 수단이 각각의 신호 배선에 접속되어 있는 상기 광전 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 출력 선 그룹들이 출력 선의 N개의 그룹으로 구성되고, 광전 변환 픽셀들이 n개의 컬럼 내에 배열되고, A/D 변환 수단의 변환 시간이 Tad초이며, 광전 변환 픽셀들로부터 출력된 정보 전하들을 아날로그 전압 변환 수단을 통해서 아날로그 전압으로 변환하기 위한 시간이 Ttft초일 때,
N은 다음의 수학식,
N ≥ n × Tad/Ttft
를 만족하는 상기 광전 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 N이 다음의 수학식,
n × Tad/Ttft ≤ N ＜ n × Tad/Ttft + 1
을 만족시키는 상기 광전 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광전 변환 픽셀들이 광전 변환 소자들 및 상기 광전 변환 소자들의 신호 출력 동작을 제어하기 위한 스위칭 소자를 갖고, 광전 변환 픽셀의 제어 단자는 스위칭 수단의 제어 단자인 상기 광전 변환 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 광전 변환 장치의 예를 도시한 개략적인 회로도.
도 2는 광전 변환 시스템의 일 예를 도시한 개략적인 부분 블록도.
도 3은 광전 변환 장치의 바람직한 예를 설명하기 위한 개략적인 회로도.
도 4는 광전 변환 장치의 동작의 한 예를 설명하기 위한 개략적인 회로도.
도 5는 광전 변환 장치의 동작의 한 예를 설명하기 위한 개략적인 타이밍 챠트.
도 6은 광전 변환 장치의 다른 바람직한 예를 설명하기 위한 개략적인 회로도.
도 7은 광전 변환 장치의 바람직한 구조의 예를 설명하기 위한 개략적인 레이아웃도.
도 8은 광전 변환 장치의 다른 바람직한 예를 설명하기 위한 개략적인 회로도.
도 9a는 광전 변환 장치의 바람직한 구조의 예를 설명하기 위한 개략적인 평면도.
도 9b는 광전 변환 장치의 바람직한 구조의 예를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도 10은 광전 변환 장치를 사용하는 비파괴 검사 (nondestructive inspection)에 적용할 수 있는 시스템의 한 형태를 설명하기 위한 개략적인 시스템 구조도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 제1 신호 배선 그룹
20 : 제2 신호 배선 그룹
30 : 제3 신호 배선 그룹
25, 26 : 증폭기
17, 27, 37 : A/D 변환기
100 : 픽셀 그룹 소자
101 : 쉬프트 레지스터
102 : 컨트롤러
103 : 기준 전압 발생기
104 : 펄스 발생기
105 : 커넥터
이제, 도면을 참조하여 본 발명이 설명될 것이다.
(예 1)
도 3은 본 발명의 제1 예에 따른 광전 변환 장치의 개략적인 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광전 변환부를 구성하는 픽셀 소자들의 픽셀 소자 그룹(100)은 절연 기판 상에 비정질 실리콘(a-Si)으로 형성된다. 하나의 픽셀 소자 (하나의 광전 변환 픽셀)는 광전 변환 소자로서 센서(S) 및 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(T)로 이루어진다. 이 픽셀 소자 그룹들(100)은 예를 들어 로우 방향 (즉, 도 3의 수평 방향)으로 로우당 1376개의 소자들과 컬럼 방향 (즉, 도 3의 수직 방향)으로 컬럼당 1376 소자들, 즉 총 1893376개의 픽셀 소자들로 구성된다. 동일한 컬럼 내에 배열된 픽셀 소자들 내의 박막 트랜지스터(T)의 출력들은 신호 배선(SIG)에 공통으로 접속되고, 동일한 로우 상에 배열된 박막 트랜지스터(T)의 제어 단자들은 제어 선(g)에 공통으로 접속된다. 제어 선의 개수는 충 1376개이고 차례로 턴 온되는 쉬프트 레지스터(101)에 접속된다. 하나의 제어 선(g)이 온될 때, 제어 선(g)에 접속된 1376개의 박막 트랜지스터(T)가 온되고, 이에 의해서 이들 박막 트랜지스터(T)에 접속된 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하들이 결합된 신호 배선(SIG)으로 전송된다. 신호 배선(SIG)은 제1 신호 배선 그룹(10)(352개의 배선), 제2 신호 배선 그룹(20)(512개의 배선), 및 제3 신호 배선 그룹(30)(512개의 배선)의 3개의 신호 배선 그룹으로 그룹화된다.
제1 신호 배선 그룹(10)은 32개의 더미 배선들(dummy wires)과 함께 384개의 리셋 스위치들의 리셋 스위치 그룹(11), 384개의 증폭기의 증폭기 그룹(12), 및 384개의 샘플-앤-홀드(sample-and-hold) 회로(이하, ″S/H 회로″로 참조됨)의 샘플-앤-홀드 그룹(13)에 접속된다. 384개의 S/H 회로들의 출력은 384개의 출력 배선의 출력 배선 그룹 형태로 아날로그 스위치가 되는 하나의 아날로그 멀티플랙서(14)에 접속된다. 아날로그 멀티플랙서(14)는 9개의 어드레스 선(ad0 내지 ad8)을 통한 제어하에서 384개의 S/H 회로들(13)로부터의 출력들중 하나를 선택하여, 그 전압을 출력한다. 이 전압은 증폭기(15 및 16)를 통해서 가이드되어 그 임피던스를 보다 낮은 값으로 감소시키고, 아날로그 전압은 A/D 변환기(17)로부터 커넥터(105)를 통해서 Dout1으로 디지탈 정보로서 출력된다. 이와 유사하게, 제2 신호 배선 그룹(20)에 대해서는, 아날로그 전압이 512개의 회로 세트의 회로 그룹(21 내지 23), 아날로그 멀티플랙서(24), 증폭기(25 및 26), 및 A/D 변환기(27)를 통해서 디지탈 정보로서 Dout2로 출력된다. 제3 신호 배선 그룹(30)도 유사하게, 아날로그 전압이 회로의 512개의 회로 세트의 회로 그룹(31 내지 33), 아날로그 멀티플랙서(34), 증폭기(35 및 36) 및 A/D 변환기(37)를 통해 디지탈 정보로서 Dout3으로 출력된다.
각각의 회로는 컨트롤러(102)로부터의 신호(rc0 내지 rc3, smp1 및 ad0 내지 ad8)에 의해서 제어되어 구동된다. 이 컨트롤러(102)는 4가지 형태의 리셋 신호(rc0 내지 rc3)를 발생하고, 컬럼 방향으로 모두 4개의 스위치들로 된 리셋 스위치 그룹(11, 21 및 31)의 스위치들을 제어하여, 이에 의해서 4개의 선들의 간인(thinning) 동작 및 교체 동작을 가능하게 한다. 기준 전압 발생기(103)는 컨트롤러(102)의 제어하에서 쉬프트 레지스터(101)를 통해서 박막 트랜지스터(T)에 대한 온-전압(Vcom)과 오프-전압(Vss)을 인가한다. 쉬프트 레지스터(101)는 일대일로 제어 선(g)을 제어할 수 있고, 간인 동작동안 동시에 복수의 선들의 온/오프 제어를 행하거나 또는, 이산적인 위치에 배치된 제어 선들을 턴 온할 수 있다. 펄스 발생기(104)는 센서 바이어스 펄스를 광전 변환 소자들(S)의 공통 전극으로 인가한다. 이 펄스 발생기(104)는 4가지 형태의 센서 바이어스 펄스를 발생하고 컬럼 방향으로 모두 4개의 선들에 공통의 펄스를 인가한다. 이것이 간인 동작 및 4개의 선들의 교체 동작을 허용한다.
상기 광전 변환 장치의 동작의 한 예가 도 4 및 도 5를 참조하여 설명될 것이다.
도 4는 전형적으로 도 3의 픽셀 소자 그룹(100)으로부터 하나의 픽셀 소자를 도시한다. 도 4에서, 참조 문자 ″SIG″는 신호 배선 그룹(10, 20 및 30)에서 하나의 신호 배선(SIG)을 나타내고, 참조 번호 1은 리셋 스위치 그룹(11, 21, 31)중 하나의 리셋 스위치, 참조 번호 2는 증폭기 그룹(11, 21, 31)중 하나의 증폭기, 참조 번호 3은 S/H 회로 그룹(13, 23 및 33)중 하나의 S/H 회로, 참조 번호 4는 아날로그 멀티플랙서(14, 24 및 34)중 하나의 아날로그 멀티플랙서, 참조 번호 7은 A/D 변환기(17, 27 및 37)중 하나의 A/D 변환기를 나타낸다. 증폭기(15 및 16)에 대응하는 증폭기들은 설명을 간단히 하기 위해서 도 4에서 생략하였다. 펄스(1101)는 쉬프트 레지스터(101) 내의 하나의 회로를 도식적으로 나타내고, 펄스(1104)는 펄스 발생기(104) 내의 하나의 회로를 도시적으로 나타낸다. 도 4에서, gx (x는 0 내지 1375의 수들로부터 선택된 정수)는 1376개의 제어 선들(g)중 하나의 제어 선을 나타낸다. 또한 참조 문자 ″rc″는 리셋 신호들(rc1 내지 rc3)중 하나를 나타낸다. 참조 문자 ″C″는 신호 배선 내에 형성된 캐패시터를 나타낸다. 이 캐패시터(C)는 소자로서 형성된 것은 아니지만, 신호 배선에 접속된 1376개의 박막 트랜지스터의 부유 용량을 나타낸다. 또한, 도 3에 도시된 동일한 구성 소자들은 동일한 참조 문자들로 표시되었다.
도 5는 제어 선(gx)과 도 4의 신호들(rc, smp1, 및 ad0 내지 ad8)에 의한 제어 타이밍 및 선(gx) 다음에 턴 온되는 제어 선(gx+1)과 신호들(rc, smp1, 및 ad0 내지 ad8)에 의한 타이밍 제어를 도시하고 있다. 펄스 스위치부에 제공된 수치들은 각각의 시간을 가리키고, 1 증가는 1μsec의 경과를 나타낸다.
도 4의 회로의 동작은 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 여기에서 먼저 하나의 로우 상에 1376개의 픽셀 소자들의 동작이 설명된다. 먼저 하나의 온 펄스가 rc로 인가되어 리셋 스위치(1)를 스위치 온한다. 그 다음 캐패시터(C) 내의 전하가 초기화된다. 그 다음 rc는 오프 레벨이 되어 리셋 스위치(1)를 스위치 오프한다. 그 후에, 펄스가 제어 선(gx)으로 인가되어 박막 트랜지스터(T)를 스위치 온하고, 이에 의해서 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하가 박막 트랜지스터(T)를 통해서 캐패시터(C)로 전송된다. 이것은 캐패시터(C)의 용량이 광전 변환 소자 내의 용량보다 훨씬 크기 때문이다. 캐패시터(C)의 전위는 정보 전하에 의해서 증가된다. 이것은 증폭기(2)에 의해서 증가되어 아날로그 전압으로서 출력되기 때문이다. 즉, 캐패시터(C), 리셋 스위치(1), 및 증폭기(2)는 정보 전압을 아날로그 전압으로 변환하기 위한 아날로그 전압 변환기로서 기능한다. 다른 아날로그 변환기로 증폭기(2) 대신 전류 적분형 증폭기를 이용할 수 있다. 이 경우에는, 리셋 스위치(1)가 전류 적분형 증폭기 내의 초기화 회로 내에 (통상적으로 적분 전하 축적용 캐패시터의 양단에) 배치된다. 이러한 방법은 캐패시터(C)의 변화에 의해 영향을 받지 않는다는 단점이 있다.
그 다음 제어 선(gx)이 오프 레벨이 되어 박막 트랜지스터(T)가 스위치 오프된 후 펄스가 smp1으로 인가되어 S/H 회로(3) 내의 스위치(SW)를 스위치 온한다. 이것은 증폭기(2)로부터 출력된 아날로그 전압이 유지 캐패시터(Csh)의 전압으로서 기록되게 한다. 이 기록된 전압은 smp1의 전하가 오프 레벨이 되어 스위치(SW)를 턴 오프한 후에 증폭기(2)로부터 출력된 아날로그 전압의 변화에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, S/H 회로(3)의 출력이 전압으로서 유지된다. 이 출력 전압은 ad0 내지 ad8의 펄스에 의해서 결정된 타이밍에서 아날로그 멀티플랙서(4)로부터 A/D 변환기(7)로 인가되어 디지탈 정보로서 Dout로 출력된다. S/H 회로(3)의 출력이 전압으로 유지되고 그 정보가 A/D 변환기(7)에서 처리되는 기간 동안, 다음 박막 트랜지스터(T)는 rc 및 gx+1의 펄스에 의해서 턴 온되고 다음 정보는 아날로그 전압으로서 증폭기(2)로 출력된다. 하나의 로우 상의 1376개의 픽셀 소자들의 동작을 앞서 설명하였지만, 하나의 프레임당 픽셀 1376개의 로우의 픽셀 소자들, 즉 1376컬럼 × 1376로우 = 1893376개의 픽셀 소자들로부터의 디지탈 데이터도 또한 턴 온된 제어 선(g)을 쉬프트하면서 이러한 동작을 1376회 반복하여 얻을 수 있다.
도 5에서, Ttft는 gx에 의해서 박막 트랜지스터(T)와 변환기 [캐패시터(C), 리셋 스위치(1) 및 증폭기(2)]를 통해서 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하를 아날로그 전압으로 변환하는데 필요한 시간을 나타낸다. 또한, Ttft'은 gx+1에 의해서 다음 정보 전하를 변환하는데 필요한 시간을 나타낸다. 또한, TM은 멀티플랙서(3)를 동작시키고 A/D 변환기(7)에 의해서 Dout으로 512개의 S/H 회로의 출력들의 디지탈 정보를 출력하는데 필요한 시간을 나타낸다. 이러한 예에서, Ttft = Ttft' = 78μsec이고 TM은 76.8μsec이다 [본 예에서 A/D 변환기의 변환 시간 (Tad)은 150nsec이다]. 이로부터 Ttft ＞ TM이라는 것과, 광전 변환 장치의 판독 속도가 본 예의 gx에 의해서 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하를 박막 트랜지스터(T)와 변환기[캐패시터(C), 리셋 스위치(1) 및 증폭기(2)]를 통해서 아날로그 전압으로 변환하기 위한 시간(Ttft)에 의해서 결정된다는 것을 알 수 있다. 본 예에서, 신로 배선(SIG)은 3개의 신호 배선 그룹으로 그룹화된다. 신호 배선(SIG)이 2개의 신호 배선 그룹으로 그룹화된다면, TM은 적어도 103.2μsec (1376/2 × 150nsec)이고 따라서 판독 속도가 증가할 것이다. 신호 배선(SIG)이 4개의 신호 배선 그룹으로 그룹화된다면, TM은 단지 51.6μsec (1376/2 × 150nsec)이 되고, Ttft는 78μsec이기 때문에 판독 속도가 또한 78μsec가 되어 이에 의해서 어떠한 변화도 없음이 확인된다. 따라서, 양호한 사용의 편리함과 낮은 비용을 가진 광전 변환 장치를 얻기 위해서는, 그룹화된 신호 배선들의 그룹들의 수가 다양한 조건을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
본 예에서, 각각의 픽셀 소자들의 정보는 모든 픽셀들에 대해서 78μsec의 Ttft의 일정 시간내에서 얻어진다. Ttft는 모든 픽셀들에 대해서 일정하기 때문에, 만일 신호 배선(SIG)의 누설 전류의 영향이 있더라도, 모든 픽셀들에 대해서 일정하므로 이에 대한 보정이 용이하다. 박막 트랜지스터(T)의 오프 후 일정 시간 (14μsec)에 전압은 디지털 정보로 변환된다. gx에서 전압 변화가 박막 트랜지스터의 오프 순간에 신호 배선(SIG)에 영향을 끼치더더라도, 그 영향이 일정하고 보정 등에 의해서 감소될 수 있다. S/H 회로가 제공되지 않고 따라서 박막 트랜지스터의 오프 후에 신호 배선(SIG)의 전압이 디지탈 정보로 변환된다면, 아날로그 전압을 A/D 변환기에 의해서 디지탈 데이터로 변환하기 위한 동작은 도 5의 동작과는 달리, 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하를 아날로그 전압 변환기[캐패시터(C), 리셋 스위치(1) 및 증폭기(2)]를 통해서 아날로그 전압으로 변환하는 동작과 동시에 행해지도록 허용되지 않는다. 또한, 박막 트랜지스터의 오프 순간에 신호 배선(SIG) 상의 gx 내의 전압 변화의 영향이 또한 픽셀 소자들에 의존하는 것과 다를 것이다.
본 예가 방사 잡음 또는 전원 잡음과 같은 갑작스런 잡음의 영향을 받을지라도, 하나의 로우내의 픽셀 소자들에 포함된 잡음은 일정할 것이다. 그 이유는 다음과 같다. 1376개의 신호 배선(SIG)의 아날로그 전압이 smp1을 오프 레벨로 하는 것과 동일한 타이밍에 처리되어 스위치(SW)가 스위치 오프되기 때문에, 이들이 증폭기(2)로부터 출력된 아날로그 전압의 변화에 의해서 영향을 받지 않으며 S/H 회로(3)의 출력은 전압으로 유지된다. 즉, 로우 내의 소자들은 동시에 잡음에 의해서만 영향을 받는다. 본 예에서는, 1893376개의 픽셀 소자들이 1376 로우와 1376 컬럼 내에 배열되고, 1376 컬럼의 판독용 1376 신호 배선이 3개의 그룹으로 그룹화되며, 장치에 3개의 아날로그 스위치들 및 3개의 A/D 변환기가 제공된다. 이제, 컬럼의 수가 다른 경우, 그룹의 수를 설명할 것이다.
다음은 픽셀 소자들의 n 컬럼이 N개의 그룹으로 그룹화될 때 어떻게 최대 S/N 비, 최고의 사용 편리함 및 가장 낮은 비용을 얻기 위한 N을 얻을 수 있는지를 설명한다.
n 컬럼이 N으로 그룹화될 때, 각각의 그룹은 적어도 (n/N) 신호 배선(SIG)을 포함하고, (n/N) × Tad보다 작지 않은 시간은 그 출력을 디지탈 정보로 변환하는데 필요한 시간이다. 즉, 다음의 관계식 TM ≥ (n/N) × Tad이다. 여기서, 모든 픽셀들의 정보는 높은 S/N 비와 양호한 사용의 편리함을 가진 광전 변환 장치를 제공하도록 가능한 빨리 디지탈 정보로 변환되어야 한다. 따라서, 한 컬럼에 대한 시간이 또한 최소화될 필요가 있다. 그러나, Ttft는 픽셀 소자의 정보의 신호 배선(SIG)의 아날로그 신호로의 변환을 위해서 필요하다. 광전 변환 소자(S) 내의 정보 전하를 아날로그 전압으로 변환하는 동작이 도 5에 도시된 본 예에서 A/D 변환기에 의해서 아날로그 전압을 디지탈 전압으로 변환하기 위한 동작과 동시에 행해지기 때문에, 하나의 컬럼을 판독하는데 필요한 시간은 TM 및 Ttft로부터 선택된 보다 긴 시간이다. 상기 수학식으로부터 TM은 N이 증가함에 따라 감소된다는 것을 알 수 있다. 따라서, Ttft ≥ TM일 때, 광전 변환 장치는 높은 S/N 및 양호한 사용의 편리함을 얻을 수 있다. 상기 2개의 수학식으로부터, 다음 수학식에 얻어진다.
Ttft ≥ (n/N) × Tad
이를 변형하면, 다음 수학식이 얻어진다.
N ≥ n × Tad/Ttft
상기 식이 만족될 때, 높은 S/N 및 양호한 사용의 편리함을 갖는 광전 변환 장치가 제조될 수 있다. 본 예에서, N은 3개의 그룹들을 나타내고, n은 1376 컬럼, Tad가 150nsec (=0.15μsec) 및 Ttft는 78μsec를 나타낸다. 이들을 상술된 식에 치환하면, 오른쪽 항이 다음과 같이 된다.
1376 × 0.15(μsec) / 78(μsec) =2.646 . . .
따라서, 3＞ 2.646 . . .이고, 따라서 높은 S/N과 양호한 사용의 편리함을 가진 광전 변환 장치가 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다.
n이 3보다 큰, 예를 들면, N=4일 때, TM은 보다 작아져, 51.6μsec가 되지만, 하나의 컬럼에 대한 시간은 여전히 Ttft이다. 따라서, 불필요하게 비용이 증가하게 된다.
높은 S/N, 양호한 사용의 편리함, 및 낮은 비용을 가진 광전 변환 장치를 구현하기 위해서는, N ≥ n × Tad/Ttft의 관계를 유지하면서, N을 (n × Tad/Ttft)에 가장 근접하게 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해서, 다음의 식
N - 1 ＜ n × Tad/Ttft
을 만족할 수 있도록 N이 결정될 수 있다.
이 식을 변형하면, 다음 수학식
N ≥ n × Tad/Ttft + 1
을 만족하도록 N이 결정될 수 있다.
구체적으로 수치를 가지고 설명하면, 우측은 본 예에서 다음과 같이 주어진다.
1376 × 0.15 (μsec) / 78 (μsec) + 1 = 3.646 . . .
따라서, 3 ＜ 3.645 . . .이고 따라서 N = 3일 때 높은 S/N, 양호한 사용의 편리함 및 낮은 비용의 광전 변환 장치를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 결론적으로 상술한 바와 같이 장치가 수학식 1 및 수학식 2를 포함하는 동시에 다음의 수학식을 만족시킬 때 높은 S/N과 양호한 사용의 편리함을 가진 저비용의 광전 변환 장치를 얻을 수 있다.
n × Tad/Ttft ≤ N ＜ n × Tad/Ttft + 1
수학식 2는 박막 트랜지스터와 A/D 변환기의 성능을 상세히 설명하기 위한 조건이 아니라는 것을 알 수 있다. 따라서, 예를 들면, 저비용과 높은 속도 (예를 들면, Tad = 100nsec)의 A/D 변환기를 사용함으로써 높은 S/N과 양호한 사용의 편리함을 가진 광전 변환 장치가 제공될 수 있다. 그러나, 이 경우에는 수학식 2를 만족시키는 것이 보다 바람직하다.
(예 2)
도 6은 본 발명의 제2 예에 따른 광전 변환 장치의 개략적인 회로도이다.
본 예는 제1 로우와 제1 컬럼 내의 각각의 광전 변환 소자들의 한 전극이 GND 전위에 접속되고 제1 로우와 제1 컬럼 내의 광전 변환 소자들이 기준 소자들로서 사용된다는 점에서 제1 예와 다르다. 광전 변환 소자의 하나의 전극이 GND 전위로 유지될 때는, 광전 변환 소자들이 빛에 반응하지 않게 된다. 그러나, 광전 변환 소자들은 신호 배선(SIG)의 누설 전류의 영향과 박막 트랜지스터의 오프 순간에 신호 배선(SIG) 상의 gx에서 전압 변화의 영향을 받게 된다. 높은 S/N의 정보는 다른 픽셀 소자들의 정보로부터 이들 첫번째 로우 소자들로부터 얻은 정보를 감산함으로써 얻을 수 있다. 이 때, 1376개의 정보가 기억되어 대응하는 컬럼으로부터 픽셀 소자들의 정보에 대한 보정 값으로 사용될 수 있다. 그러나, 회로를 간단히 하기 위해서는, 제1 로우의 1376개의 정보의 평균이 기억되어 각각의 픽셀 소자들의 정보에 대한 보정값으로 사용된다. 이것은 본 예가 각각의 픽셀들의 신호 배선(SIG)의 누설 전류의 영향과 박막 트랜지스터(T)의 오프 순간에 신호 배선(SIG) 상의 gx에서의 전압 변화의 영향이 일정해지도록 구성되기 때문이다. 이 이유는 제1 예에서 설명되었다. 메모리는 1376개의 정보만을 기억하기 때문에, 메모리는 작은 스케일과 저비용으로 될 수 있다.
제1 컬럼 소자들로부터 얻은 정보가 대응하는 로우로부터의 픽셀 소자들의 정보에 대한 보정값으로 사용될 때, 각각의 픽셀 소자들로부터 이를 감산함으로써 보다 높은 S/N비를 갖는 정보를 얻을 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. S/N의 저하의 원인이 되는, 방사 잡음과 전원 잡음은 또한 제1 컬럼 내의 소자들에 영향을 미치고 고아학 정보가 제1 컬럼 내의 장치에 포함될 수 있다. 따라서, 각각의 픽셀들의 정보로부터 제1 컬럼 소자의 정보를 감산함으로써 높은 S/N를 갖는, 각각의 선택 소자들의 광학 정보를 얻을 수 있다. 이것은 하나의 로우 내의 소자들이 본 예에서 일정한 잡음에 영향을 받기 때문이다. 그 이유는 이미 제1 예에서 설명되었다.
본 예는 제1 로우와 제1 컬럼 내의 광전 변환 소자들 각각의 한 전극이 GND 전위에 접속되어 있고 이들이 기준 소자들로 사용되는 구조를 이용한다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 예를 들면, 제1 로우와 제2 컬럼 내의 광전 변환 소자들이 다른 픽셀 전극과 동일한 접속 조건으로 접속되고 빛에 의해서 광학적으로 영향을 받지 않는 광전 변환 소자들이 또한 기준 소자들로 이용될 수 있다. 예를 들면, 검은 유기막이 대상 픽셀 소자들 상에 배치되어 이들을 차광할 수 있다. X-선 검출용 광전 변환 장치에서는, X-선에 노출시키려고 하는 대상의 앞이나 뒤에 납 판과 같은 부재가 설치된다. 또한 하나의 로우와 하나의 컬럼 내의 픽셀 소자들 대신에 2개 이상의 로우 및 2개 이상의 컬럼 내의 픽셀 소자들이 기준 소자들로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 100개의 로우와 100개의 컬럼과 같은, 많은 로우 및 많은 컬럼들이 사용될 수도 있다. 이러한 구성은 차광을 용이하게 하는 효과를 가지며, 기준 소자 자체의 잡음을 평균화함으로써 픽셀 소자들의 누설 전극 내의 변동과 판독용 변환기의 다양한 특성 변화의 영향으로 인한 오류를 감소시킬 수 있다. 이들 각각의 효과는 또한 로우 방향으로만 또는 컬럼 방향으로만 기준 전압을 사용함으로써 실현할 수 있다.
(예 3)
도 7 및 도 8은 본 발명의 제3 예에 따른 광전 변환 장치의 개략적인 구조도와 개략적인 회로도이다.
도 7은 광전 변환 장치의 개략적인 구조도로, 4개의 패널 (A, B, C 및 D)을 클리어런스(clearance)없이 결합함으로써 대면적의 광전 변환 장치를 구성하는 구조도이다. 도면에서, 참조 부호 1100, 2100, 3100 및 4100은 각각의 패널 내의 픽셀 소자 그룹들을 나타낸다, CP2는 리셋 스위치, 증폭기, S/H 회로들 및 아날로그 멀티플랙서로 구성된 IC를 나타낸다. 각각의 IC는 128개의 리셋 스위치 세트, 증폭기들, 및 S/H 회로들 및 1/4 아날로그 멀티플랙서를 포함한다. 여기서, 1/4 아날로그 멀티플랙서는, 512개의 입력들을 조정할 수 있는 대형 아날로그 멀티플랙서로 구성가능한 4개의 IC 내의 아날로그 멀티플랙서인, 소형 128-입력 아날로그 멀티플랙서(14)를 의미한다. CP1은 쉬프트 레지스터 IC를 나타내고 1376 단의 큰 쉬프트 레지스터는 11개의 쉬프트 레지스터 IC를 직렬로 접속함으로써 구성된다. DB2는 컨트롤러, 기준 전압 발생기, 및 펄스 발생기를 포함한 PCB (프린트 배선 기판)을 나타내고, DB1은 신호와 전력을 CP1으로 인가하기 위한 배선을 구성하는 PCB를 나타낸다. CRL은 각각의 패널들을 제어하기 위한 제어 회로를 나타낸다.
패널(A)의 CP2는 오른쪽으로부터 각각 3개의 IC, 4개의 IC 및 4개의 IC을 포함한 3개의 그룹으로 그룹화된 11개의 IC를 포함하는데, 각각의 그룹에는 각각 352, 512 및 512개의 신호 배선(SIG)이 접속된다. 가장 오른쪽의 IC는 32개의 더미 배선으로서 GND 선의 입력을 포함한다. 전기 회로는 제1 예 및 제2 예에서의 전기 회로와 동일하다.
패널(B)은 패널(A)의 미러 구조 (왼쪽-투-오른쪽 반전 구조)를 갖는다. 패널(C)은 패널(A)과 동일한 구조를 갖고, 패널(D)은 패널(B)과 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 패널(A)과 패널(C)의 결합과 패널(B)과 패널(D)의 결합은 4개의 패널들 사이의 한 접점에서 중앙부 주변에 점 대칭 구조를 갖는다. 4개의 패널은 서로 결합되어 있고, 이에 의해서 하나의 큰 패널을 구성한다. 그러나, 결합을 용이하게 하기 위해서는, 예를 들어 하나의 로우 (또는 하나의 컬럼)의 픽셀 소자들의 공간의 클리어런스가 패널들 사이에 발생된다는 것을 주목하자.
도 8은 광전 변환 장치의 개략적인 회로도이다. 6개의 A/D 변환기 및 버퍼로 기능하는 6개의 메모리가 2개의 패널, 패널(A 및 B)에 제공되고, 이들 메모리의 출력들은 디지탈 멀티플랙서로부터의 하나의 디지탈 출력(D1)으로서 제공된다. 여기서, 메모리는 먼저 입력된 정보가 먼저 출력되는 소위 FIFO(선입선출)형 메모리이다. 상부의 이들 2개의 패널들은 이들이 하나의 중간 패널인 것처럼 동작한다. 여기서 이 하나의 중간 패널은 그룹 수 N = 3이고, 컬럼의 수 n = 1376 × 2 = 2752, Tad = 0.15μsec, 및 Ttft = 78μsec가 되도록 구성된다. 이 조건은 다음의 관계식을 만족할 수 있다.
n × Tad/Ttft ≤ N ＜ n × Tad/Ttft + 1
따라서, 이 장치는 높은 S/N과 양호한 사용의 편리함을 가지는 저가의 광전 변환이라는 것을 알 수 있다.
이와 마찬가지로, 하부의 2개의 패널은 6개의 A/D 변환기와 버퍼로서 기능하는 6개의 메모리를 포함하고, 이들 메모리들로부터의 출력들은 디지탈 멀티플랙서로부터의 하나의 디지탈 출력(D2)으로서 제공된다. 이들 하부의 2개의 패널은 또한 이들이 마치 하나의 중간 패널인 것처럼 동작한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명이 X-선 검출용 광전 변환 장치에 적용된 한 응용의 개략적인 구조의 평면도 및 개략적인 단면도이다.
복수의 광전 변환 소자들과 TFT들은 a-Si 센서 기판(6011) 내에 형성되고, 쉬프트 레지스터(SR1) 또는 검출용 집적 회로(IC)가 장착된 플랙서블 회로 기판(6010)이 기판(6011)에 접속된다. 플랙서블 회로 기판(6010)의 타측은 회로 기판 (PCB1)(SR1 그룹)에 접속되거나, 회로 기판 (PCB2)(IC 그룹)에 접속된다. 상술된 복수의 a-Si 센서 기판(6011)은 베이스(6011)상에 결합되어 큰 광전 변환 장치를 구성하고, 납 판(6013)은 X-선으로부터 프로세싱 회로(6018) 내의 메모리(6014)를 보호하기 위해서 설치된다. X-선을 가시광선으로 변환하기 위한 형광체(6030), 예를 들면, CsI은 a-Si 센서 기판(6011) 상으로 제공되거나 결합된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 전체는 탄소 파이버 케이스(6020)에 내장되어 있다.
도 10은 본 발명의 광전 변환 장치를 X-선 진단 시스템에 적용한 예이다. X-선 튜브(6050)에서 발생된 X-선(6060)은 환자 또는 검사를 받는 사람(6020)의 가슴(6062)을 통과하여 형광체가 묻혀있는 광전 변환 장치(6040)로 들어간다. 입사된 X-선은 환자(6061)의 신체 내의 정보를 포함한다. 형광체는 X-선의 입사에 응답하여 발광하고, 이 빛은 광전 변환에 의해서 전기적 정보로 변환된다. 이 정보는 디지탈 데이터로 변환되고, 이 디지탈 데이터는 화상 프로세서(6070) 내에서 화상 처리가 행해져, 제어 룸에 배치된 디스플레이(6080)에서 관찰된다.
이 정보는 또한 전화선(6090)과 같은 전송 수단을 통해서 원격지로 전송시켜 디스플레이(6081) 상에서 표시되거나, 또는 다른 장소에서 닥터 룸 내의 광 디스크와 같은 기억 수단에 기억될 수 있으므로, 원격지에서 의사가 진단을 내릴 수 있다. 이 정보는 또한 필름 프로세서(6100)에 의해서 필름(6110) 내에 기억될 수도 있다.
본 발명은 상술된 예들의 픽셀 구성에 제한되지 않지만, 다수의 픽셀들이 로우 및 컬럼 방향으로 배치될 수 있고, 각각의 컬럼 내 픽셀들 (광전 변환 픽셀들)의 출력들이 복수의 신호 배선들 각각에 접속될 수 있으며, 각각의 로우 내의 픽셀들의 신호 출력 동작을 제어하기 위한 제어 단자들이 복수의 제어선 각각에 접속될 수 있다는 요구 조건을 만족하는 한 이 픽셀들은 또한 다른 구성으로도 배열될 수 있다. 광전 변환 소자의 구조는 상기 예들의 구조에 실질적으로 제한되지 않는다. 또한, 상기 예들은 아날로그 변환 수단이 신호 배선 각각에 접속되어 있는 구조로 구성되지만, 이 아날로그 변환 수단은 모든 픽셀에 대해 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 높은 S/N과 양호한 사용의 편리함을 가진 저가의 광전 변환 장치 및 X-선 촬상 시스템 등에 필요한 대면적에서 높은 S/N을 갖는 디지탈 정보를 얻을 수 있는 저가의 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 로우 및 컬럼 방향으로 배열된 복수의 광전 변환 픽셀들, 상기 컬럼 방향으로 배선된 복수의 신호 배선들 - 각각의 상기 신호 배선들은 상기 동일한 컬럼 내에 배열된 상기 광전 변환 픽셀들의 출력들을 접속함 -, 및 상기 로우 방향으로 배선된 복수의 제어 선들 - 각각의 상기 제어 선은 상기 동일한 로우 내에 배열된 상기 광전 변환 픽셀들의 신호 출력 동작을 제어하기 위한 제어 단자들을 접속함 - 을 포함하는 광전 변환부;
    상기 광전 변환 픽셀들에 기초하여 정보 전하를 아날로그 전압으로 변환하기 위한 아날로그 전압 변환 수단으로부터 얻은 아날로그 전압을 기억하기 위한 복수의 아날로그 메모리 수단 - 각각의 상기 아날로그 메모리 수단은 각각의 상기 신호 배선들에 접속됨 - ; 및
    각각이 복수의 아날로그 스위치 수단의 각 출력에 접속된 복수의 A/D 변환 수단 - 각각의 상기 아날로그 스위치 수단은 각각의 상기 아날로그 메모리 수단의 출력 선들을 복수의 그룹으로 나누어 형성된 복수의 출력 선 그룹의 각각에 접속됨 -
    을 포함하는 광전 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 아날로그 전압 변환 수단과 상기 아날로그 메모리 수단이 각각의 상기 신호 배선에 접속된 광전 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 출력 선 그룹들이 N개의 출력 선 그룹으로 이루어지고, 상기 광전 변환 픽셀들이 n개의 컬럼 내에 배열되고, 상기 A/D 변환 수단의 변환 시간이 Tad초이며, 상기 광전 변환 픽셀들로부터 출력된 상기 정보 전하들을 상기 아날로그 전압 변환 수단을 통해서 상기 아날로그 전압으로 변환하기 위한 시간이 Ttft초일 때,
    N은 다음 수학식,
    N ≥ n × Tad/Ttft
    를 만족하는 광전 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 N은 다음 수학식,
    n × Tad/Ttft ≤ N ＜ n × Tad/Ttft + 1
    을 만족하는 광전 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광전 변환 픽셀들은 광전 변환 소자들 및 상기 광전 변환 소자들의 상기 신호 출력 동작을 제어하기 위한 스위칭 소자를 가지며, 상기 광전 변환 픽셀의 제어 단자는 상기 스위칭 수단의 제어 단자인 광전 변환 장치.
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