KR100436087B1

KR100436087B1 - 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드와 이를 이용한방사선 검출장치 및 방사선 이미지 측정장치

Info

Publication number: KR100436087B1
Application number: KR10-2001-0035472A
Authority: KR
Inventors: 한상효; 최지은
Original assignee: 한상효
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2004-06-12
Also published as: KR20020096668A

Abstract

본 발명은 고효율,고분해능을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드와, 이를 이용하여 고감도로 방사선을 검출할 수 있는 방사선 검출장치 및 상기 광캐소드를 이용하여 고해상도의 방사선 영상을 실시간으로 얻을 수 있는 방사선 이미지 측정장치에 관한 것으로서, 특히 입사된 방사선이 탄소나노튜브를 통과하면서 탄소나노튜브의 외면에 형성된 흡수방출층으로 흡수되어 전자를 방출하며, 방출된 전자가 인접한 탄소나노튜브들 사이의 공간을 통과하면서 전자가 증폭되어 고감도의 증폭된 전자방출효과를 얻도록 하여 각종 의료산업등에 유용하게 적용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드에 관한 것이며, 또한 이러한 광캐소드를 이용한 고감도의 방사선 검출장치 및 방사선 이미지 측정장치에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드와 이를 이용한 방사선 검출장치 및 방사선 이미지 측정장치{A photocathode using carbon nanotubes, and a X-ray image detector using that, and a X-ray image device using that}

종래에 있어서, X선 이미지 측정장치(X-ray image detecter)와 같은 방사선 이미지 측정장치는 X선 등의 방사선을 가시광(visible light)으로 변환시키는(converting) 섬광체, 가시광을 전자로 전환시키는 광캐소드(photocathode), 전자를 증폭하기 위한 마이크로챈널 플레이트(microchannel plat), 그리고 형광표시 스크린(phosphor display screen)으로 구성된 간접변환형으로 해상도와 콘트라스트가 낮다.

상기의 섬광체는 응답시간이 느려서 실시간 X선 이미지화에 적합하지 않으며 입사방사선에 의해 생성된 광의 산란은 해상도를 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 방사선 이미지 측정장치가 갖고있는 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 해상도와 콘트라스트가 높으면서도 응답시간이 빠른 방사선 이미지 측정장치의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 방사선 이미지 측정장치의 실현을 위한고효율, 고감도의 방사선 광캐소드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기와 같은 고효율,고감도의 방사선 광캐소드를 이용한 고감도의 방사선 검출장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적은 입사방사선의 길이방향으로 기판위에 수직으로 다수의 탄소나노튜브가 성장되고, 상기 탄소나노튜브의 바깥 면에는 광자를 흡수하여 전자를 방출하는 흡수방출층이 형성되어서 된 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드를 제공함과 동시에 이를 방사능 검출장치 및 방사능 이미지 측정장치에 이용함으로써 달성될 수 있는 바, 이하 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드의 단면도

도 1b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드의 다른 실시예의 단면도

도 2a는 본 발명에 따른 방사선 이미지 측정장치의 개략단면도

도 2b는 본 발명에 따른 방사선 이미지 측정장치의 개념도

도 3은 본 발명에 따른 방사선 이미지 측정장치의 개략적인 전체 상태도

도 4는 본 발명에 따른 방사선 검출장치의 개락단면도

도 5는 탄소나노튜브의 확대사진

본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 이용하여 방사선을 흡수하고 전자를 방출하는 광캐소드를 구성하며, 이러한 광캐소드를 이용하여 방사선 검출장치와 방사선 이미지 측정장치를 제공하는 것을 특징으로 하며, 특히, 탄소나노튜브의 외면에 광자를 흡수하여 전자를 방출하는 흡수방출층을 형성하는 것을 기술적 사상의 핵심으로 한다.

최근에 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 플라즈마화학기상증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등을 사용하여 도5a,5b에서 보는 바와 같이 기판 위에 수직으로 성장시킨 고순도의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)는 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display) 등의 분야에서 다양하게 연구되고 있는데 강철보다 10-100배나 견고하고(stiff), 그 길이가 수십 nm-수m이며, 외경은 2.5-200 nm로 본 발명에서 입사X-ray(incident X-ray)를 직접 전자로 변환하기 위한 광캐소드(photocathode)로 이용한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 광캐소드는 탄소나노튜브 주위 바깥면에 광자를 흡수하여 전자를 방출하는 흡수방출층을 형성한 것을 특징으로 한다.

도1a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드의 단면도이다. 상기 도면에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드는 입사방사선의 길이방향으로 기판(2)위에 수직으로 다수의 탄소나노튜브(4a)가 성장되고, 상기 탄소나노튜브(4a)의 바깥 면에는 광자를 흡수하여 전자를 방출하는 흡수방출층이 형성된다.

상기 흡수방출층은 안쪽의 광자흡수층(4b)과, 바깥쪽의 전자방출층(4c)으로 구성된다.

즉, 안쪽의 광자흡수층과 바깥쪽의 전자방출층의 두개의 층으로 형성하였다.

상기 기판(2)은 실리콘, 세라믹 또는 유리 중의 어느 하나로 형성하며,

상기 기판에는 촉매금속막(3)이 증착되어 상기 촉매금속막(3) 위에 상기 탄소나노튜브가 수직으로 증착되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 탄소나노튜브(4a)는 직경(D)이 약 20-50nm이고, 그 길이(L)는 입사X선의 에너지에 따라 증가하나 100keV 미만의 X선에 대해 약 20-100um정도이다. 이 탄소나노튜브는 X선을 전자로 변환하기 위한 광캐소드 물질의 견고한(stiff) 지지대 역할을 하며, 흡수방출층인 광캐소드 물질로는 탄소나노튜브(4a)의 주위에 광자흡수층(4b)이 약 20-200nm의 두께로 코팅되어 있고, 그 위에 전자방출층(4c)이 코팅되어 흡수방출층을 형성하고 있는 것이다.

이와 같이 탄소나노튜브의 외면에는 광자흡수층과 그 바깥쪽의 전자방출층을 형성하며, 바람직하게는 상기 광자흡수층은 금(Au),백금(Pt),은(Ag),요오드화 납(PbI₂),황화납(PbS),산화납(PbO),요오드화 수은(HgI₂),요오드화 세슘(CsI) 및 브롬화 티탄(TiBr) 중의 어느 하나로 형성하는 것이 효과적이며, 상기 전자방출층(4c)은 요오드화 세슘(CsI),브롬화 세슘(CsBr),염화 칼륨(KCl),요오드화 칼륨(KI) 및 산화 마그네슘(MgO) 중의 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

의료진단이나 산업체 비파괴 분야에서 주로 이용되는 100keV미만의 X선(방사선:12)이 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 광캐소드의 광자흡수층(4b)에 흡수되면 주로 광전효과(photoelectric effect )에 의해 광전자(photoelectron, e_p)가 생성되며, 소수의 오제전자나 컴프턴전자도 생성된다. 상기 광자흡수층(Photonabsorbing layer)은 탄소나노튜브 주위로 입사방사선의 길이방향(longitudinal direction)으로 코팅되어 있어 입사방사선에 대해 긴 흡수경로(long absorption path)를 제공함으로써 검출효율을 높일 수 있다.

X선(기타 방사선)이 광자흡수층에 흡수될 때 생성된 상기 광전자(photoelectron), 오제전자, 컴프턴전자(11)는 인근 탄소나노튜브의 전자방출층(4c)와 탄성 및 비탄성 충돌을 하며 다수의 이차전자를 생성한다.

상기 전자방출층(electron emissive layer)의 두께는 바람직하게는 20-100nm 정도로서 이차전자(secondary electrons)들은 전자방출층의 표면장벽에너지를 뛰어넘고, 탄소나노튜브들 사이의 열린 통로(open channel)로 방출될(liberated) 가능성이 높으며 이로 인해 전자증폭효과(electron multiplication effect)가 발생한다.

본 발명의 탄소나노튜브의 기판(2)에는 탄소나노튜브의 길이 방향으로 표류전장이 걸리도록 통상의 표류전극과 전압인가수단을 부가시키는 것이 더욱 효과적이다.

상기 방출된 이차전자들은 표류전장(drift electric field)에 의해 탄소나노튜브의 길이방향을 따라 가속되고(accelerated) 이웃하는 탄소나노튜브의 전자방출층과 연속적(continuously)으로 충돌하며 전자증폭을 더욱 향상시킴으로써 탄소나노튜브를 이용한 광캐소드의 X선의 검출효율이 증가된다(10%이상).

도1b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드의 다른 실시예의 단면도이다. 상기 도면에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드는 상기 도1a에 따른 실시예에서 흡수방출층은 요오드화세슘(CsI)의 단일층(4d)으로 형성한 것을 특징으로 한다.

본 예에서는 요오드화세슘의 단일층에서 광자의 흡수와 전자의 방출기능을 동시에 수행하도록 한 것이다. 즉, 상기 요오드화세슘층에 방사선이 쪼여지면 광자가 흡수되고 흡수된 광자에 의해 요오드화세슘층의 전자가 이온화되어 방출되는 것이다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 광캐소드를 사용하여 고감도의 방사선 검출장치를 구현할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 방사선 검출장치는 도4에서와 같이 상기와 같은 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드와, 상기 광캐소드의 출력단(탄소나노튜브의 선단)에 약간 이격되어 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위한 마이크로챈널 플레이트(5)가 설치되고, 상기 마이크로챈널 플레이트에서 방출된 전자신호를 수집하기 위해 기판(14)위에 전자수집 전극(13)이 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 설치되고, 상기 전자수집전극에 신호처리회로가 부가된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 방사선 검출장치의 작동원리를 보면, 입사된 방사선(X선 등)에 의해 탄소나노튜브 광캐소드에서 방출된 전자는 마이크로챈널 플레이트(5)로 유입되어 증폭되며, 전기장을 따라 이동하여 수집전극(13)에서 수집된다.

이 증폭된 전자신호는 수집전극에 연결된 신호처리회로를 통해서 방사선의 유무를 검출하게 된다.

본 발명에 따른 상기 탄소나노튜브를 이용한 광캐소드를 사용한 본 발명의 방사선 이미지 측정장치는 도2a 내지 도3에서 보는 바와 같이, 상기 방사선 광캐소드의 전면에 설치되는 방사선 입사창(1)과,

상기 방사선 광캐소드에서 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위해 상기 방사선 광캐소드의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 마이크로챈널 플레이트(5)와,

상기 마이크로챈널 플레이트에서 증폭된 전자를 형광물질에 충돌시켜서 가시광으로 변환시켜 방사선의 영상을 가시영상으로 표시하기 위해 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 형광표시스크린(7)과,

상기 형광표시스크린의 기판으로 구성되며 상기 형광표시스크린에서 출력된가시광을 광이미지센서로 전달하는 출력창(8)과,

상기 방사선 입사창,광캐소드,마이크로챈널 플레이트,형광표시스크린 및 출력창이 내장되는 진공용기(9)로 구성된다.

상기 진공용기(9)는 입사창과 출력창 사이를 진공으로 형성하도록 설치되는 것이 가능하며, 내부 진공도는 10^-7torr 이하로 하는 것이 좋다.

상기 형광표시스크린(7)의 마이크로챈널 플레이트와 마주보는 면에는 상기 마이크로챈널 플레이트로 부터 방출된 전자를 가속시켜 형광표시스크린에 충돌시키도록 하는 형광전극(6)을 형성하는 것이 효과적이다. 상기 형광전극은 알루미늄호일을 사용하여 형성할 수 있다.

이와 같은 구성의 본 방사선 이미지 측정장치에는 상기 출력창(8)에서 출력된 가시광을 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하기 위해서 상기 출력창(8)에 연결시켜서 이미지센서를 설치할 수 있다. 본 발명은 상기 이미지센서를 자체에 구비하여 형성하는 것도 가능할 뿐 만 아니라, 상기 이미지센서를 포함하지 않고 구성하여 용도에 따라 적절한 이미지센서부와 결합하여 사용할 수 있을 것이다.

상기 이미지센서는 CCD(charge-coupled-device) 또는 CMOS 등의 통상적인 고체이미지센서를 사용하는 것이 바람직하며, 이 외에도 촬상관을 사용할 수 도 있을 것이다.

상기 이미지센서에 연결되도록 컴퓨터에 의해서 처리되는 통상적인 이미지처리부를 구비할 수 있다.

이와 같은 구성의 본 발명의 작동원리를 설명하면, 상기의 예에서와 같은 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드를 통하여 입사된 방사선은 다량의 전자로 증폭되어 방출된다.

이렇게 방출된 전자는 마이크로챈널 플레이트(5)의 채널로 유입되며 재차 전자증폭이 일어난다. 마이크로챈널 플레이트(5)의 공급전압 1000V내외에서 마이크로챈널 플레이트의 이득(gain)은 10⁴정도이다. 한편 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드는 2kV/mm이상의 전장에서 전계방출에 의한 전자방출을 유도하여 노이즈를 발생할 수 있는데 형광전극(6)과 탄소나노튜브를 이용한 광캐소드 사이에 마이크로챈널 플레이트(5)가 있어서 이를 방지할 수 있다. 표류전극으로 구성한 금속촉매막(3)과 마이크로챈널 플레이트(5) 사이의 간격은 200um이며 전위차는 200V~400V로 한다.

마이크로챈널 플레이트에서 방출된 전자는 형광전극(6)에 인가된 5kV이상의 전위에 의해 가속되고 형광표시스크린(7)과 충돌하여 가시광을 발생시킨다. 가시광으로 변환된 방사선(X-ray등) image는 출력창(8)을 통과해 CCD(charge-coupled-device) 또는 CMOS 등의 이미지센서에서 직접 기록 될 수 있다. 출력창(8)은 광 손실을 최소화 하고 소형의 CCD와 결합하기 위해 광섬유플레이트나 광섬유테이퍼(tapered fiber optics)를 사용한다.

본 발명에 따른 방사선 이미지 측정장치에 고분해능의 CCD등의 이미지기록장치를 결합하여 사용하면 10-15 lp/mm의 고해상도 방사선 이미지를 얻을 수 있으며 10%이상의 고효율의 방사선 측정이 가능하다.

이상에서와 같이 본 발명은 탄소나노튜브의 외면에 방사선을 흡수하고 전자를 방출할 수 있는 흡수방출층을 형성하여 입사된 방사선을 효과적으로 증폭된 전자로 방출할 수 있도록 하며, 이를 이용하여 방사선 검출 및 방사선 이미지 측정을 정밀하게 행할 수 있도록 하여, 방사선의 검출 및 측정된 방사선 이미지의 신뢰성을 크게 높일 수 있게된다.

Claims

실리콘, 세라믹 또는 유리 중의 하나로 형성되며, 촉매금속막(3)이 증착되는 기판(2)의 입사방사선 길이방향 상부에 수직으로 다수의 탄소나노튜브(4a)가 성장되고, 상기 탄소나노튜브(4a)의 바깥 면에는 광자를 흡수하여 전자를 방출하는 흡수방출층이 형성되어서 된 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광케소드.
(삭제)
제1항에 있어서;

상기 흡수방출층은 요오드화세슘(CsI)으로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드.
제1항에 있어서;

상기 흡수방출층은 안쪽의 광자흡수층(4b)과, 바깥쪽의 전자방출층(4c)으로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드.
제4항에 있어서;

상기 광자흡수층(4b)은 금(Au),백금(Pt),은(Ag),요오드화 납(PbI₂),황화납(PbS),산화납(PbO),요오드화 수은(HgI₂),요오드화 세슘(CsI) 및 브롬화 티탄(TiBr) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드.
제4항에 있어서;

상기 전자방출층(4c)은 요오드화 세슘(CsI),브롬화 세슘(CsBr),염화 칼륨(KCl),요오드화 칼륨(KI) 및 산화 마그네슘(MgO) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드.
제1항에 있어서;

상기 탄소나노튜브의 기판(2)에는 탄소나노튜브의 길이 방향으로 표류전장이 걸리도록 표류전극과 전압인가수단이 부가된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 의한 탄소나노튜브를 이용한 방사선 광캐소드와, 상기 광캐소드의 출력단(탄소나노튜브의 선단)에 약간 이격되어 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위한 마이크로챈널 플레이트(5)가 설치되고, 상기 마이크로챈널 플레이트에서 방출된 전자신호를 수집하기 위해 기판(14) 위에 전자수집 전극(13)이 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단으로부터 약간 이격되어 설치되고, 상기 전자수집 전극에 신호처리회로가 부가된 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 의한 방사선 광캐소드와,

상기 방사선 광캐소드의 전면에 설치되는 방사선 입사창(1)과,

상기 방사선 광캐소드에서 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위해 상기 방사선 광캐소드의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 마이크로챈널 플레이트(5)와,

상기 마이크로챈널 플레이트에서 증폭된 전자를 형광물질에 충돌시켜서 가시광으로 변환시켜 방사선의 영상을 가시영상으로 표시하기 위해 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 형광표시스크린(7)과,

상기 형광표시스크린의 기판으로 구성되며 상기 형광표시스크린에서 출력된 가시광을 광이미지센서로 전달하는 출력창(8)과,

상기 방사선 입사창,광캐소드,마이크로챈널 플레이트,형광표시스크린 및 출력창이 포함되는 진공용기(9)로 구성된 것을 특징으로 하는 방사선 이미지 측정장치.
제9항에 있어서;

상기 형광표시스크린(7)의 마이크로챈널 플레이트와 마주보는 면에는 상기 마이크로챈널 플레이트로 부터 방출된 전자를 가속시켜 형광표시스크린에 충돌시키도록 하는 형광전극(6)이 형성된 것을 특징으로 하는 방사선 이미지 측정장치.
제9항에 있어서;

상기 형광표시스크린(7)에는 이미지센서가 연결되며, 상기 이미지센서와 연결되어 이미지신호를 처리하는 이미지처리부를 더 부가하는 것을 특징으로 하는 방사선 이미지 측정장치.