KR100455947B1 - 엑스레이 이미지 디텍터 - Google Patents

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학교법인 인제학원
남상희
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Abstract

본 발명은 디지털 엑스레이 이미지 디텍터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 기존의 광도전체 물질인 a-Se을 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 구조로 구성시켜 (x의 값은 0에서 1로 바뀐다) PbO와 SnO가 순차적으로 증착되어 heterojunction 구조를 가진 엑스레이 이미지 디텍터를 제공하며 이로 인해, 넓는 스펙트럼에서 높은 비율의 광자들을 이용할 수 있고, 비교적 넓은 electric field가 발생되어 n side 쪽으로 전자들이 끌리는 힘 그리고 p side로 정공들이 끌리는 힘이 큰 엑스레이 리셉터가 제공되는 이점이 있다.

Description

엑스레이 이미지 디텍터{X-ray image detector}
본 발명은 디지털 엑스레이 이미지 디텍터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 엑스레이 이미지 디텍터에 있어서, junction loss 그리고 낮은 전하수집 효율을 극복하기 위하여 PbO와 SnO의 다양한 비율을 사용하여 제조한 photoconductive 물질로 만든 디지털 엑스레이 이미지 디텍터에 관한 것이다.
상기 x-ray photoconductive 층은 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터이다.
특히 상기 엑스레이 이미지 디텍터는 방사선에 감응하여 빛을 발생시키는 텅스텐산 칼슘 또는 희토류계 형광물질 그리고 CsI:Na, CsI:Tl ZnS:Ag,Cl ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu ZnS:Ag,Cl+CoO,Al2O3Y2O2S:Eu+Fe2O3Y2O3:Eu ZnS:Ag,Al Zn2SiO5:Mn Y2O2S:Tb 물질을 상기 제2전극층 위에 형광층으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터에 관한 것이다.
일반적으로 디지털 엑스레이 이미지 디텍터는, 인체를 투과한 방사선을 검출하여 영상정보를 획득하는 방사선 검출장치에 있어서, 방사선의 영상정보를 전기신호로 변환시키고, 이를 검출하는 검출장치를 의미한다.
종래기술방식에 있어서, 엑스레이 이미지 디텍터는 a-Se, PbI2, HgI2, CdZnTe, TlBr 등을 엑스레이 리셉터로 사용하고 있으며, 물리적 지지체인 기판상에 제1 전극을 형성시키고, 상기 제1 전극상에 엑스레이 리셉터인 셀레늄 등을 형성시키며, 다시 상기 엑스레이 리셉터상에 제2 전극을 형성시킨 구조를 가진다.
종래의 기술에 있어서, 일반적인 semiconductive photodetector cell은 silicon, germanium, gallium 비화합물, 그리고 다른 semiconductor 물질로 p-n junction을 형성하고, 빛이 들어가면 전자들은 p-n junction을 건너 움직이게 된다. 물질들의 전자들은 일반적으로 결정구조의 원자들로부터 자유롭지 못하지만, 결정에 빛이 입사되면 전자들이 bound condition으로부터 자유로워지기에 필요한 에너지를 제공한다. 효율은 7-14% 이고 이론적인 최대 효율은 20%이다.
photoconductive cells에서 효율이 낮은 대표적인 이유는, 소위 junction loss라고 하는데, junction의 반대 방향으로 carrier(electron, hole)들이 흐르기 때문이다. carrier들이 반대 방향으로 흐르는 것을 최소화하려면 junction의 band gap을 증가시키면 된다. 그래서 효율은 선택된 파장에 대해서 증가시킬 수 있다.
더욱 자세하게는, 빛 에너지를 변환하는 효율은 극히 일부분의 빛 에너지 스펙트럼만을 이용하기 때문에 효율은 여전히 낮다는 문제점이 있다.
빛 에너지 스펙트럼을 더 잘 활용하기 위해서 다단계 band gaps을 가진 photoconductive cells이 제안되었다.
또한 불순물 레벨이 순차적으로 있는 cells은 bulk material의 junction loss를 감소시키는 internal field를 만들어 낸다.
그럼에도 불구하고 그러한 개념을 성공적으로 수행하는데 필요한 특별한 물질을 가지는 구조는 개발되지 않았다는 문제점이 있다.
또한, semiconductor 물질의 사용함에 있어 두 번째 문제점은 긴 carrier lifetimes 또는 높은 carrier mobilities를 가진 물질을 제조하기 어렵기 때문에높은 효율의 전하 수집이 어렵다는 문제점이 있다
본 발명은, 앞서 상술한 junction loss와 낮은 전하수집 효율의 문제를 극복하기 위하여 PbO와 SnO의 다양한 비율을 사용하여 제조한 photoconductive 물질을 엑스레이 리셉터로 사용한 디지털 엑스레이 이미지 디텍터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가시광 영역의 파장대에서 그 흡수효율이 높으며 흡수한 빛에 의해 광전류를 흐르게 하는 photoconductive layer의 특성에 따라, 입사되는 방사선에 의해 가시광을 발생시키는 형광층을 접합시켜 상기 엑스레이 리셉터의 방사선 검출특성을 향상시킨 엑스레이 이미지 디텍터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 엑스레이 이미지 디텍터의 단면구조도.
도 2는 본 발명에 따른 PbO-SnO 접합을 제조하는데 사용하는 챔버 장치의 단면도
*도면의 주요부분에 관한 부호의 설명*
10 : 보트 30 : 기판(substrate)
40 : Pb 50 : Sn
70 : 산소 공급로
100 : 기판 110 : TFT 소자
120 : 캐패시터(capacitor) 200 : 제1 전극층
300 : Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 구조의 photoconductive 층
310 : n-type layer 320 : intrinsic layer
330 : p-type layer 400 : 제2 전극층
500 : 형광층 600 : 엑스레이
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로써, 엑스레이 이미지 디텍터에 있어서, 전기적 영상 신호를 검출하는 리드아웃(Readout) 장치이며 물리적인 지지체인 TFT panel 기판과; 투명하여 빛을 잘 투과시키는 ITO로서 상기 기판상면에 형성된 전하수집전극인 제 1전극층과; 상기 제 1전극층 상면에 형성되고 SnO로 이루어진 n-type layer와 상기 n-type layer의 상면에 형성되고 엑스레이에 의해 전자와 정공을 발생시키는 본층(intrinsic layer)과 상기 본층의 상면에 형성되고 PbO로 이루어진 p-type layer으로 된 광도전체 층(photoconductive layer)과; 투명하여 빛을 잘 투과시키는 ITO로서 상기 p-type layer의 상면에 형성되어 상기 제 1전극층과 전기적 경로를 이루어 상기 본층에서 발생된 전자와 정공의 이동경로가 되는 제 2전극층과; 상기 제 2전극 상면에 도포된 형광층으로; 구성되는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터를 기술적 요지로 한다.
여기서 상기 광도전체 층(photoconductive layer)은, PbO와 SnO가 순차적으로 증착되어 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 구조인 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터로 되는 것이 바람직 하다.
그리고 상기 엑스레이 이미지 디텍터는 SnO와 Pb1-xSnxO로 형성된 n-type layer와; PbO와 Pb1-xSnxO로 형성된 p-type layer로 이루어지고 상기x값은 n-type 지역에서 p-type으로 갈수록 1에서 0으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터로 되는 것이 바람직 하다.
또한 상기 형광층은, CsI:Na, CsI:Tl ZnS:Ag,Cl ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu ZnS:Ag,Cl+CoO,Al2O3Y2O2S:Eu+Fe2O3Y2O3:Eu ZnS:Ag,Al Zn2SiO5:Mn Y2O2S:Tb 로 형성되어 방사선에 감응하여 가시광 영역 파장의 빛을 발생시키는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터로 되는 것이 바람직 하다.
이하 도면과 함께 본 발명의 상세한 설명을 하기로 한다.
도1은 본 발명에 의한 엑스레이 이미지 디텍터의 단면구조도이다.
도1에 도시된 바와 같이 본 발명은, 크게 TFT 기판(100)과, 제1 전극층(200)과, photoconductive 물질인 p-type 층(310), 본층(intrinsic 층)(320), n-type층(330)으로 구분되는 p-i-n heterojunction 층(300)과, 제2 전극층(400) 그리고 형광층(500)으로 구성된다.
상기 기판(100)은 전기적 영상 신호를 검출하는 리드아웃(Readout) 장치인 TFT(110)셀 배열에 의한 패널이 형성되고 상기 제1 전극층(200), photoconductive 층(300), 제2 전극층(400), 그리고 형광층(500)의 물리적인 지지체가 된다.
상기 기판(100)의 TFT(110) 패널구조나 기능, 재료는 종래의 엑스레이 리셉터를 이용한 엑스레이 이미지 디텍터의 TFT 패널기판과 다를 바 없으므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이 상기 형광층(500)은 상기 제2 전극층(400) 상면에 위치되어 형성된다.
상기 제1 전극층(200)은 전하를 수집하는 capacitor(120)의 수집전극으로 형성된다.
한편, 상기 제1 전극층(200)은 투명한 ITO(indium tin oxide)와 같은 물질로 이루어진다.
상기 제2 전극층(200)은 photoconductive 층 상면에 형성되고 형광층(500)에서 발생된 빛이 잘 투과하도록 ITO(indium tin oxide) 물질로 이루어진다.
상기 Pb1-xSnxO의 형태로 구성된(x의 값은 0에서 1으로 다양) p-i-n heterojunction 구조의 photoconductive 층(300)은 방사선에 의하여 전자와 정공을발생시키는 엑스레이 리셉터이다.
상기 p-i-n heterojunction 구조의 photoconductive 층(300)은 PbO와 SnO가 순차적으로 증착되어 Pb1-xSnxO의 형태(x의 값은 0에서 1로 바뀐다)의 p-i-n heterojunction 구조가 되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층은 방사선에 의해 전자와 정공쌍을 발생시키는 물질로서, 상기 발생된 전자와 정공쌍은 TFT의 수집전극을 통하여 포집되어 TFT를 통한 전자신호로 검출된다.
상기 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층은 광의 파장에 따라 반응특성을 달리하나 주로 가시광선의 영역과 적외선 영역에서 가장 민감하게 반응하고 있으며 엑스레이의 파장대에서는 반응성이 약하다.
즉, Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층(300)의 반응성은 가시광선 영역과 적외선 영역에서 더 우수한 특성을 가지므로 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층의 상면에 방사선에 반응하여 가시광선을 발생시키는 형광층(500)을 형성시키고, 상기 형광층(500)에서 발생된 가시광선에 대한 상기 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층(300)의 반응을 TFT(100)등의 리드아웃 장치를 통하여 검출한다.
도1에 도시된 바와 같이 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층은 전하 수집 전극 위에 n, i, p 층으로 구분된다.
n-type layer(310)은 전하 수집 전극 위에 n-type 성질을 가지게끔 제조되어진 SnO와 Pb1-xSnxO로 된 얇은 막으로 형성되어진다.
intrinsic 영역(320)는 얇은 n-type 영역 (310) 위에 증착되고 Pb1-xSnxO로 구성된다.
p-type barrier 영역(330)은 intrinsic 영역(320)위에 증착되고 PbO 와 Pb1-xSnxO 로 이루어져 있다.
자세하게는, x값은 n-type 영역(310)에서 p-type으로 갈수록 1보다 작은 값에서부터 0보다 크거나 같은 값까지 점진적으로 작아진다.
본 발명의 p-type 영역(330)은 순수한 PbO를 사용할 수 있고 다른 쪽의 n-type 영역(310)은 순수한 SnO를 사용할 수 있다.
"pure:순수"라는 말은 "불순물"이라는 단어로 간주되어지는 물질들의 결여가 아니라 산화 물질이 동일하다는 것으로 간주하여야 할 것이다.
그러한 불순물들은 (예를 들어 n, i , or p type과 같이) 물질의 전기적 특성을 정의하는데 유용하게 제공되어진다.
본 발명에서, p-type 물질을 제공하기 위해 은이나 구리 또는 Tl(thallium)으로 도핑되어질 수 있고, n-type의 경우 Bi(bismuth), Sb(antimony), As(arsenic)과 도핑되어질 수 있다
즉, p-type layer는 3족 원소인 탈륨(thallium)이 대략 10ppm 정도 첨가된 Pb를 산소 분위기에서 증착하여 형성한다.
그리고, n-type layer는 5족 원소인 Bi(bismuth)와 Sb(antimony) 혹은 As(arsenic)이 약 10ppm 정도 doping된 Sn을 산소 분위기에서 증착하여 형성한다.
또한, p와 n type의 영역은 intrinsic 영역과 비교하여 볼 때에 두께가 얇다.
한편 p와 n영역은 약 1 micron 두께를 가지는 것에 반하여 intrinsic 영역은 그 두께가 15 microns이다.
양쪽모두 최적의 두께를 서로 비교하여 보자면 p와 n type의 영역은 0.5∼2micron 영역이고 intrinsic 영역은 약 5∼20 micron 영역으로 나타난다.
본 발명의 구조에 따르면, photoconductive 물질은 p-i-n heterojunction 구조를 가지는 Pb1-xSnxO 형태로 구성되며 (x의 값은 0에서 1으로 다양하다) Junction은 PbO에서 SnO으로 혹은 SnO에서 PbO으로, 하나의 중간 매개물에서 다른 중간 매개물로 단계를 이루어, 에너지 밴드갭이 물질에 따라 다양하게 바뀜에 따라 순수한 PbO일 때는 1.94eV이고 순수한 SnO일 때는 0.62eV가 되며, Photoconductive 층은 PbO구조 위에 x-선 혹은 빛이 조사되도록 만들어 졌다.
따라서 가장 높은 에너지의 광자들은 처음에(PbO layer에서) 흡수되고 PbO layer의 band gap 에너지 보다 작은 에너지의 광자들은 표면을 투과하여 내부에서 흡수된다.
상기 형광층(500)은 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층(300)의 흡수 파장대 혹은 반응 파장대와 동일한 파장대의 빛을 방출하는 것이 바람직하며,이에는 엑스레이 필름의 증감지 주 원료인 CaWO4, Rare earth 계열인 Gd 계열, La 계열 형광물질이 있다.
뿐만 아니라, CsI:Na, CsI:Tl ZnS:Ag,Cl ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu ZnS:Ag,Cl+CoO,Al2O3Y2O2S:Eu+Fe2O3Y2O3:Eu ZnS:Ag,Al Zn2SiO5:Mn Y2O2S:Tb 물질 역시 상기 제2전극층 위에 형광층으로 형성시키는데 바람직한 특성을 가진다.
현 발명의 p-i-n heterojunction 구조의 x-ray 리셉터는 현재 잘 알려져 있는 몇 가지 방법으로 제조될 수가 있다.
그중 하나로는 도 2에서 도시된 것처럼 두 곳의 가열 영역(boat)(10)과 기판(substrate)(30)으로 이루어진 증기적 이동(vapor transport) 방법이다.
이곳에서 PbO와 SnO는 기화되어 기판(30) 위에 순차적으로 침착된다.
도 2에서 볼 때에 oxygen source의 주입이 가능한 산소 공급로(70)가 있고 source material인 Pb(40)와 Sn(50)이 증발되는 두 개의 보트(boat)(10)가 있다.
이러한 물질들이 적절한 electronic property을 가지게 하기 위하여 적절한 doping이 가능하다.
예를 들면, 챔버에서 한쪽 boat 안에는 3족 원소인 탈륨(thallium)이 대략 10ppm 정도 첨가된 Pb를 포함(p-type)하고 있다.
반면 챔버에서 다른 쪽에 있는 boat에는 5족 원소인 Bi(bismuth)와 Sb(antimony) 혹은 As(arsenic)이 약 10ppm 정도 doping된 Sn이 들어(n-type)있다.
그리고 각 boat는 Thermocouples를 포함하고 있으며 개별적으로 온도를 제어할 수 있다.
기판의 온도는 PbO2의 분해 온도(290도씨) 이상이어야 한다.
그리고 Pb2O2경우 (390도씨) 이상이어야 한다. 그리고 증착의 혼합 구성을 원하는대로 조절하기 위해서는, evaporation동안 산소압이나 evaporation rate을 다양하게 함으로써 그 구조를 조절할 수 있다.
기판의 온도는, PbO가 tetragonal(정방계-4각형)에서 orthorhombic(사방정계)로 변하는 온도범위(489-587도씨)를 초과하여서는 안된다.
순수한 SnO의 형성을 위해서는 SnO가 Sn+Sn3O4로 분해가 되지않게 적어도 약 400도씨를 초과해서는 안된다.
따라서 위 예에서 볼 수 있듯이 substrate에서 SnO을 증착시키기 위해서는 온도의 범위를 390-400도씨로, 적어도 PbO층이 자랄 수 있을 때까지는 아주 좁게 유지하여야 한다.
Evaporation은 수 밀리토르(torr)와 수 토르사이의 압력에서 순수 oxygen 분위기 하에서 일어난다.
증착하는 동안 물질의 온도를 제어하여 band gap이 다양한 layer를 형성할 수 있다.
또한 이러한 과정은 되도록이면 침착물의 두께를 고려하여 매우 선형적으로 제어할 수 있어야 한다.
그러나 앞단에서 언급한 것처럼 intrinsic 영역은 특정 스펙트럼에 대해서만 최적화된 특정 합성물로만 제조가 가능하다.
도1의 n-type layer(310)는 x값이 1∼0.9에서의 Pb1-xSnxO layer가 약 1micron정도의 두께로 증착된다.
그러한 층이 형성되고 난 이후 Sn이 담긴 boat의 온도는 점차 낮아지게 될 것이다.
즉 초기 시작 온도는 Sn이 담긴 boat에서 1400 로 시작하였다가 점차 온도가 낮아지면서 Pb가 담긴 boat의 온도는 증가하기 시작할 것이다.
intrinsic layer는 substrate에서 x 값이 0.9∼0사이의 Pb1-xSnxO가 5∼15 micron 두께의 층으로 형성되고 그런 뒤에 Pb가 담긴 boat의 온도는 900 를 유지하고 있어야 한다.
그리고 최종 layer로써 PbO(p-type)는 1 micron 두께로서 intrinsic layer 위에 침착된다. 최종 layer가 침착되는 동안 산소압은 PbO를 p-type material로 변화시키기 위해 0.1토르 정도가 필요하다.
이상 설명한 본 발명에 의하면, Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 층을 이용함으로써, 넓는 스펙트럼에서 높은 비율의 광자들을 이용할 수 있는 엑스레이 리셉터가 제공되는 이점이 있다.
또한 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction 구조를 가지는 x-선 리셉터의사용으로 인해 heterojunction을 통과하여 나타나는 비교적 넓은 electric field가 발생되어 n side 쪽으로 전자들이 끌리는 힘 그리고 p side로 정공들이 끌리는 힘이 큰 엑스레이 리셉터가 제공되는 이점이 있다.
또한 전하수집 효율이 heterojunction 구조에서 높은 엑스레이 리셉터가 제공되는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 엑스레이 이미지 디텍터에 있어서,
    전기적 영상 신호를 검출하는 리드아웃(Readout) 장치이며 물리적인 지지체인 TFT panel 기판과;
    투명하여 빛을 잘 투과시키는 ITO로서 상기 기판상면에 형성된 전하수집전극인 제 1전극층과;
    상기 제 1전극층 상면에 형성되고 SnO로 이루어진 n-type layer와, 상기 n-type layer의 상면에 형성되고 엑스레이에 의해 전자와 정공을 발생시키는 본층(intrinsic layer)과, 상기 본층의 상면에 형성되고 PbO로 이루어진 p-type layer로 된 광도전체 층(photoconductive layer)과;
    투명하여 빛을 잘 투과시키는 ITO로서 상기 p-type layer의 상면에 형성되어 상기 제 1전극층과 전기적 경로를 이루어 상기 본층에서 발생된 전자와 정공의 이동경로가 되는 제 2전극층과;
    상기 제 2전극 상면에 도포된 형광층으로;
    구성되는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터.
  2. 상기 제1항에 있어서 상기 광도전체 층(photoconductive layer),
    PbO와 SnO가 순차적으로 증착되어 Pb1-xSnxO의 형태의 p-i-n heterojunction구조인 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터.
  3. 제2항에 있어서 상기 엑스레이 이미지 디텍터는
    SnO와 Pb1-xSnxO로 형성된 n-type layer와;
    PbO와 Pb1-xSnxO로 형성된 p-type layer로 이루어지고 상기x값은 n-type 지역에서 p-type으로 갈수록 1에서 0으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터.
  4. 상기 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서 상기 형광층은,
    CsI:Na, CsI:Tl ZnS:Ag,Cl ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu ZnS:Ag,Cl+CoO,Al2O3Y2O2S:Eu+Fe2O3Y2O3:Eu ZnS:Ag,Al Zn2SiO5:Mn Y2O2S:Tb 로 형성되어
    방사선에 감응하여 가시광 영역 파장의 빛을 발생시키는 것을 특징으로 하는 엑스레이 이미지 디텍터.
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