KR100686408B1 - Ｘ선 검출기 및 ｘ선 검출기의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

화소단위로 설치된 X선을 광으로 변환하는 신틸레이터층(38)과, 신틸레이터층(38)에서 변환된 광을 전하로서 축적하는 축적용 콘덴서(15)와, 인접하는 화소단위의 신틸레이터층(38)간을 칸막이하는 격벽층(39)을 구비한 X선 검출기에 있어서, 신틸레이터층(38)에 형광재료(I)가 포함되고, 격벽층에 형광재료(IP1)와 광학적 특성이 상이한 제 2 형광체(P2)가 포함되고, 또한 제 2 형광체(P2)가 발생하는 형광파장은 형광재료(IP1)가 발생하는 최단의 형광파장과 같거나 그보다도 긴 성분을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

Ｘ선 검출기 및 Ｘ선 검출기의 제조방법{X-RAY DETECTOR AND METHOD FOR PRODUCING X-RAY DETECTOR}
본 발명은 X선의 검출에 이용되는 X선 검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근래, 신세대의 진단용 X선 검출기로서, 액티브 매트릭스를 이용한 평면형의 X선 검출기가 주목을 받고 있다. 평면형 X선 검출기는 X선으로 촬영한 X선 화상 또는 리얼 타임의 X선 투시화상을 디지털 신호로서 출력하는 구성으로 되어 있다.
평면형 X선 검출기는 고체검출기이기 때문에, 화질성능의 향상이나 안정성의 면에서도 큰 기대를 모으고 있다.
평면형 X선 검출기는 비교적 큰 선량(線量)으로 정지화상을 수집하는 일반촬영용이나 흉부촬영용이 이미 개발되어 상품화되어 있다. 또, 투시선량 하에서 매초 30화면 이상의 리얼 타임의 X선 동화상의 검출도 가능한 점에서 가까운 장래, 순환기나 소화기 등의 진단분야에 응용한 제품의 상품화도 예상되고 있다. 이와 같은 동화상용의 X선 검출기의 실용화에는 S/N의 개선이나 미소신호의 리얼 타임 처리기술의 한층 개선이 필요하다.
평면형 X선 검출기는 크게 나누면 직접 방식과 간접 방식의 2가지 방식이 있 다.
직접방식은 a-Se 등의 광도전막을 이용하여 X선을 전하로 직접 변환하고, 변환한 전하를 전하축적용 캐퍼시터에 축적하는 방식이다. 이 방식에서는 해상도 특성은 화소 피치에서 거의 규정된다. 간접방식은 신틸레이터층에서 X선을 가시광으로 변환하고, 변환한 가시광을 a-Si 포토다이오드나 CCD 등의 광전변환소자에서 전하로 변환하고, 전하축적용 캐퍼시터에 축적하는 방식이다.
직접방식의 평면 X선 검출기는 X선의 흡수율을 올려 신호강도를 확보하기 위해, 예를 들면 a-Se의 광도전막을 1mm 정도의 두꺼운 막으로 형성하고 있다. 또, X선 포톤 1개당 광도전 전하생성률을 올리기 위해, 생성한 광도전 전하가 막중의 결함준위에 트랩되는 일없이 집전전극에 도달시키기 위해, 그리고 바이어스 전계와 직각방향으로의 전하의 확산을 극력 억제하기 위해, 예를 들면 a-Se의 광도전막의 양단에 10V/㎛의 강바이어스 전계가 인가되고 있다. 따라서, a-Se의 광도전막의 막두께가 1.0mm인 경우, 10kV 정도의 고전압이 인가된다.
직접방식의 X선 검출기는 해상도 특성이 우수하다는 이점이 있지만, 그 반면 동작전압이 낮은 TFT를 고전압으로부터 보호하지 않으면 안 되어 신뢰성이라는 점에서 문제가 있다. 또, 저암(低暗)전류특성과 고감도 특성, 열적 안정성 등을 구비한 광도전재료를 용이하게 입수할 수 없다고 하는 문제도 있다.
한편, 간접방식의 X선 검출기는 신호전하의 발생에 포토다이오드나 CCD 등을 이용하기 때문에, 직접방식에서와 같은 고전압의 인가를 필요로 하지 않아 고전압에 의한 절연파괴의 문제는 없다. 또, 신틸레이터 재료나 포토다이오드 등은 기본 적인 기술이 확립되어 있기 때문에 제품화가 용이하다는 이점이 있다.
그러나, X선 진단장치로서의 해상도 특성은 신틸레이터층에서 변환된 형광이 광전변환소자에 도달하기까지의 동안에 확산이나 산란을 일으키기 때문에 직접방식과 비교하여 일반적으로 떨어진다고 하는 문제가 있다. 특히 감도특성을 개선하기 위해 신틸레이터층을 두꺼운 막으로 하면, 포토다이오드 등의 광전변환소자에 도달하기까지의 형광의 확산이 커져서 해상도의 열화가 현저해진다. 이 형광의 확산을 억제하여 해상도를 확보하기 위해, 신틸레이터층을 포토다이오드와 TFT의 매트릭스에 맞춰 화소단위로 형성하고, 신틸레이터 화소간을 격벽으로 광학적으로 차단하는 방법이 알려져 있다. 그러나 종래의 X선 검출기에서의 격벽은 X선 감도에 기여하지 않는 금속재료 등으로 형성되어 있고, 이 때문에 신틸레이터층에서 격벽으로 치환된 분량만큼 신틸레이터층의 총 발광량이 저감하여 X선 검출기의 감도가 저하한다고 하는 문제가 있었다.
그래서 본 발명의 목적은 화소간에 해상도 특성의 열화를 억제하기 위한 격벽이 형성된 간접방식의 X선 검출기에 있어서, 격벽의 존재에 의한 휘도저하를 가능한한 작게 한 X선 검출기를 제공하는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은 상기 X선 검출기의 제조방법에 있어서, 휘도의 저하를 가능한한 작게 억제하는 격벽과 신틸레이터층의 구조를 균질하고, 또한 신뢰성 좋게 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 X선 검출기는 화소간에 격벽이 형성된 간접방식의 X선 검출기가 높은 해상도 특성을 유지하면서, 감도 특성을 향상시키기 위해 이하의 구조를 갖는다.
즉, 본 발명의 X선 검출기의 하나의 형태는 화소단위의 광전변환부와, 상기 광전변환부의 각 화소상에 형성된 신틸레이터 화소와, 상기 신틸레이터 화소간의 격벽을 구비한 X선 검출기에 있어서, 상기 격벽은 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 형광재료(II)를 함유하는 것을 특징으로 하고 있다.
종래 알려져 있는 격벽 구조를 갖는 X선 검출기는 격벽이, 예를 들면 금속재료나 유리계 또는 세라믹재료, 또는 수지재료 등으로 형성되어 있고, 그 자체가 X선 조사에 의해 발광하는 일은 없는 것은 물론, 신틸레이터층의 발광을 증대시키는 효과는 없지만, 본 발명의 X선 검출기는 신틸레이터층으로부터 발해진 형광이 확산 또는 산란되어 인접하는 화소의 광전변환소자에 도달하는 것을 방지하기 위한 격벽구조가 형성되어 있고, 이 격벽구조가 화소간의 투과광을 억제하여 해상도를 향상시키는 동시에 신틸레이터층의 발광휘도의 향상에 기여한다고 하는 특징을 구비하고 있다.
본 발명의 X선 검출기에서의 화소간의 투과광의 억제에 의한 해상도의 개선은 격벽이 화소를 구성하는 형광재료와 광학적 특성이 상이한 형광재료를 포함하기 때문에, 화소와 격벽과의 계면에서 굴절이나 반사가 생김으로써 얻을 수 있다. 여기에서 광학적 특성이 다르다는 것은 평균입경이 다른 경우나, 굴절률이 다른 경 우, 또는 분광흡수특성이 다른 것 등을 의미한다.
한편, 발광휘도의 개선은 다음과 같은 메커니즘으로 실행된다.
즉, 격벽에 포함되는 형광재료(II)의 최장 형광파장이 신틸레이터층에 포함되는 형광재료(I)의 최단 형광파장보다 길다. 이 때문에, 형광재료(II)로부터 발한 형광이 형광재료(I)에 도달하면 형광의 발광에는 기여하지 않지만, 형광 여기(勵起)에 관계된 적어도 최단파장의 형광발생에 관계하는 전자 천이의 그라운드 준위에 존재하는 전자를 상위의 에너지 준위에 여기한다. 그 결과, 형광재료(I)의 형광발광 천이에 필요한 그라운드 준위의 전자가 비어 있는 비율이 증가한다. 또는 밴드간의 불순물 준위나 결함준위가 관계하는 전자 천이를 여기한다. 이 결과, 형광재료(I)에서의 형광이 신틸레이터층 내를 통과할 때에 그라운드 준위의 전자를 여기하는 확률이나, 밴드간의 준위가 관계하는 전자여기의 확률을 감하고, 형광재료(I)에서의 형광의 신틸레이터층 내에서의 흡수가 억제된다. 그 결과, 금속재료 등에 의해 형성된 격벽을 가진 종래의 간접방식의 X선 검출기와 비교하여 높은 휘도의 X선 검출기를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 형태는 화소단위의 광전변환부와, 상기 광전변환부의 각 화소상에 형성된 신틸레이터 화소와, 상기 신틸레이터 화소간의 격벽을 구비한 X선 검출기에 있어서, 상기 격벽은 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 형광재료(III)를 함유하는 것을 특징으로 하고 있다. 여기에서, 광학적 특성이 다르다고 하는 것은 평균입경이 다른 경우나, 굴 절률이 다른 경우, 또는 분광흡수특성이 다른 것 등을 의미한다.
본 발명의 이 형태에서는 다음과 같은 메커니즘에서 선검출기의 휘도가 개선된다.
즉, 이 형태에서는 격벽에 포함되는 형광재료(III)의 최단 형광파장이 신틸레이터층에 포함되는 형광재료의 최장 형광여기파장보다도 짧기 때문에, 형광재료(III)에서 발하는 형광이 형광재료(I)에 도달하여 적어도 최장 형광여기파장에 관련된 그라운드 준위에서 여기준위로의 전자 천이를 증대시키고, 이 결과로서 형광재료(I)의 발광강도 자체가 증대한다.
상기 형광재료(II) 또는 형광재료(III)는 입상(粒狀)의 형광재료로 이루어지고, 그 형광재료(II 또는 III)의 평균입경(φ)을 형광재료(II 또는 III)의 격벽층 내의 체적충전률(D)로 나눈 값(φ/D)이 상기 격벽 폭의 1/2 이하인 것이 요망된다. 여기에서, 예를 들면 체적충전률 50%인 경우의 (D)는 0.5이다.
이와 같이 격벽 내의 형광재료의 입경을 격벽 폭과의 관계에서 조정함으로써, 신틸레이터막의 광학적인 화소분리효과를 보다 발휘시킬 수 있다.
즉, 간접방식의 X선 검출기에 격벽을 설치하는 것은 신틸레이터 화소로부터의 형광이 인접화소에 도달하는 것을 방지하기 위해서인데, 그 효과는 격벽층의 실효적인 형광흡수 또는 반사의 정도와 관계되어 있다. 형광의 흡수율을 증대시키면 실질적인 휘도는 저하하지만, 반사율을 향상시켜도 휘도의 저하는 초래되지 않는다. 격벽층의 실효반사율은 형광재료 입자의 입경(침형상 분체인 경우에는 침의 직경 등)을 작게 하여 형광재료와 바인더 등의 주변재료와의 계면에서의 굴절빈도 를 늘림으로써 향상시킬 수 있다. 입경을 작게 하면 완전 확산 반사면에 근접하여 토털 반사율은 증대한다. 격벽의 폭, 즉 인접화소간에 형광재료 입자가 최저 4개 정도 배열되면 실효적으로는 현저한 반사효과를 기대할 수 있다. 형광재료의 충전밀도를 고려하면, 평균입경(φ)을 충전밀도(D)로 나눈 값(φ/D)이 격벽 두께의 1/2 이하에서 거의 이와 같은 상황이 실현되는 것이 광학 시뮬레이션 결과로부터 판명되고 있다.
그러나 입경이 극단적으로 작아져서 형광파장 정도에 가까워지면 산란효과가 작아지기 때문에, 입경의 하한은 신틸레이터층의 형광파장 정도까지로 하는 것이 요망된다. 형광재료(II 또는 III)에서 신틸레이터층에 입사한 형광은 형광재료(I)에 흡수되어 발광휘도 증대에 기여하지만, 또 주된 신틸레이터층 내를 통과하여 포토다이오드에 도달하여 X선 검출기의 실효감도도 향상시킨다. 형광재료(II 또는 III)에서 신틸레이터층에 입사한 형광이 포토다이오드에 도달하기 쉽게 하기 위해서는 신틸레이터층의 형광재료(I)의 입경을 격벽의 형광재료와 같이 작게 하지 말고, 가능한한 크게 하는 것이 요망된다. 또는 형광재료(I)를 소결체와 같은 바인더 등을 포함하지 않는 것으로 하여 형광재료와 바인더 등과의 계면에서의 굴절에 의한 산란의 빈도를 극력 억제하거나, 각각의 형광재료의 자기흡수계수 및 바인더 재료 등의 형광에 대한 흡수계수를 가능한 한 작게 함으로써, 형광재료(II 또는 III)로부터 신틸레이터층에 입사한 형광을 포토다이오드에 한층 도달하기 쉽게 할 수 있다.
본 발명의 X선 검출기는, 예를 들면 다음에 든 방법에 의해 제조할 수 있다.
제 1 방법은 신틸레이터층을 먼저 형성하는 방법이다. 형광재료(II 또는 III)를 포함하는 격벽재료의 층을 일단 형성한 후에 신틸레이터 화소가 형성되어야 할 부분을 화학반응 또는 광화학반응을 이용하여, 혹은 기계적으로 또는 열적으로 제거하고, 또 후에 제거한 부분에 형광재료(I)를 충전하는 방법이다.
즉, 본 발명의 제 1의 X선 검출기의 제조방법은 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서, 상기 화소단위의 광전변환부 상에 형광재료(I)를 포함하는 층을 형성하는 공정과, 상기 층에서 격벽이 되는 부분을 제거하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정에서 제거한 부분에 상기 형광재료(II) 및 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재료를 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
제 2 방법은 제 1 방법과는 반대로 격벽층을 먼저 형성하는 방법이다.
즉, 본 발명의 제 2의 X선 검출기의 제조방법은 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서, 상기 화소단위의 광전변환부 상에 형광재료(II) 및 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 층을 형성하는 공정과, 상기 층에서 화소가 되는 부분(상기 격벽이 되는 부분 이외의 부분)을 제거하여 상기 격벽을 형성하는 공정과, 상기 격벽을 형성하는 공정에서 제거한 부분에 상기 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
제 3 방법은 수지재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료에 의해 형성된 가격벽(假隔璧)을 이용하는 방법으로, 형광재료를 포함하는 층의 화소형상 또는 격벽형상으로의 가공이 곤란한 경우에 특히 유효한 방법이다.
즉, 본 발명의 제 3의 X선 검출기의 제조방법은 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서, 상기 화소단위의 광전변환부 상에 수지 재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료에 의해 층을 형성하는 공정과, 상기 층에서 상기 격벽이 되는 부분을 제거하여 수지재료 또는 금속재료에 의한 가화소(假畵素)를 형성하는 공정과, 상기 가화소를 형성하는 공정에서 제거한 부분에 상기 형광재료(II) 및 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재료를 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정과, 상기 가화소를 제거하는 공정과, 상기 가화소를 제거한 부분에 상기 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
제 4 방법은 수지재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료 등에 의해 형성된 가화소를 이용하는 방법으로, 이 방법도 형광재료를 포함하는 층의 화소형상 또는 격벽형상으로의 가공이 곤란한 경우에 특히 유효하다.
즉, 본 발명의 제 4의 X선 검출기의 제조방법은 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서, 상기 화소단위의 광전변환부 상에 수지재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료에 의해 층을 형성하는 공정과, 상기 층에서 격벽이 되는 부분 이외의 부분을 제거하여 수지재료 또는 금속재료에 의한 가격벽을 형성하는 공정과, 상기 가격벽을 형성하는 공정에서 제거한 부분에 상기 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 가격벽을 제거하는 공정과, 상기 가격벽을 제거한 부분에 형광재료(II) 및 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재료를 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하고 있다. 또, 일반적으로 화소는 한 변이 30~400㎛의 정방형 또는 정방형에 가까운 장방형이고, 격벽의 폭은 10~50㎛정도이고, 신틸레이터 화소의 두께는 100~800㎛이다. 용도나 검출하는 X선의 에너지에 의해 필요한 막두께는 다르지만, 의료용도의 일반 촬영용이나 투시용으로서는 바람직하게는 200~500㎛이다.
격벽층이나 신틸레이터층 등의 형광재료를 포함하는 층 또는 수지재료나 금속재료로 이루어진 층을 부분제거하는 방법으로서는 자외선 영역의 발광파장을 가진 레이저광에 의한 광화학적 반응을 이용한 제거, 화학적인 처리에 의한 제거, 다이싱 이외의 기계적 수단을 이용한 절삭제거, 더 나아가서는 적외선 레이저 등에 의한 고밀도의 가열에 의한 열적인 제거 등의 공지 방법을 이용할 수 있다.
또, 형광재료는 경도와 결합 에너지가 높기 때문에 화학반응이나 기계가공, 또는 열적 또는 광화학적인 제거가 어느 방법에서도 어렵지만, 수지재료나 금속재료에서 패턴형성하여 가격벽이나 가화소를 형성하는 방법에서는 이와 같은 형광재료를 제거하는 공정을 생략할 수 있다는 이점이 있다. 또 가공시의 형광체에 가해 지는 손상에 의한 발광효율의 저하나 착색에 의한 휘도저하를 피할 수 있다.
종래의 X선 검출기에서는, 예를 들면 금속재료나 유리계 또는 세라믹 재료, 또는 수지재료 등에서 격벽이 형성되고, 격벽 자체가 X선 조사에 의해 발광하는 일은 없는 것은 물론, 신틸레이터층의 발광을 증대시키는 효과도 보유하고 있지는 않다. 이에 대해 본 발명의 X선 검출기에서는 격벽층이 신틸레이터층에서 발해진 형광이 확산하여 인접하는 화소의 광전변환소자에 도달하는 것을 억제하는 동시에, 같은 격벽층이 신틸레이터층의 발광휘도의 증대에 기여한다. 또, 본 발명의 X선 검출기에 있어서의 격벽의 광의 차폐효과는 상기한 바와 같이, 격벽 내의 형광재료(II 또는 III)를 적당한 입경의 분체형상으로 함으로써 형광재료 자체와 바인더재료의 계면굴절이나 계면에서의 전체반사에 의해 얻을 수 있지만, 예를 들면 Ag나 Ag계 합금 등의 금속분체나 TiO2 등의 미세한 투명 세라믹 분체와 같은 반사재나 형광을 흡수하는 색소 등의 수지재료를 격벽을 구성하는 형광재료에 함유시키는 것에 의해서도 실현가능하다.
도 1은 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 회로구성도,
도 2는 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 도면으로, 하나의 화소단위부분을 빼낸 단면도, 및
도 3은 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 특성도이다.
본 발명의 실시형태에 대해 도 1의 회로구성도를 참조하여 설명한다.
부호 '11'은 X선 광전변환부이고, X선 광전변환부(11)는 매트릭스 형상으로 배열한 복수의 화소단위(12)로 구성되어 있다. 예를 들면 유리 등의 절연기판 상에 같은 구조의 복수의 화소단위(12)가 행방향(예를 들면 도면의 가로방향) 및 열방향(예를 들면 도면의 세로방향)의 2차원으로 배치되어 있다. 도 1에서는 예를 들면 9개의 화소단위(12a~12i)가 나타나 있다.
하나의 화소단위, 예를 들면 화소단위(12i)는 광을 전하로 변환하는 포토다이오드(13) 및 스위칭부를 구성하는 박막 트랜지스터(이하 TFT라 한다)(14), 전하를 축적하는 전하축적부, 예를 들면 축적 캐퍼시터(15) 등으로 구성되어 있다. TFT(14)는 게이트 전극(G) 및 소스전극(S), 드레인 전극(D)을 갖고, 예를 들면 드레인 전극(D)은 포토다이오드(13) 및 축적 캐퍼시터(15)와 전기적으로 접속되어 있다.
X선 광전변환부(11)의 외부에 TFT(14)의 동작상태, 예를 들면 온·오프를 제어하는 제어회로(16)가 설치되어 있다. 제어회로(16)에는 복수의 제어 라인(17)이 설치되어 있다. 도면에서는 제 1 내지 제 4의 4개의 제어라인(171~174)이 설치되어 있다. 각각의 제어 라인(17)은 같은 행의 화소단위(12)를 구성하는 TFT(14)의 게이트 전극(G)에 접속되어 있다. 예를 들면 제 1 제어 라인(171)은 화소단위(12a~12c)의 게이트 전극(G)에 접속되어 있다.
열방향에는 복수의 데이터 라인(18)이 설치되어 있다. 도면에서는 제 1 내지 제 4의 4개의 데이터 라인(181~184)이 설치되어 있다. 각각의 데이터 라인(18) 은 같은 열의 화소단위(12)를 구성하는 TFT(14)의 소스전극(S)에 접속되어 있다. 예를 들면 제 1 데이터 라인(181)은 화소단위(12a, 12d, 12g)의 소스전극(S)에 접속되어 있다. 각 데이터 라인(17)은 대응하는 전하증폭기(19)에 접속되어 있다.
전하증폭기(19)는 예를 들면 연산증폭기로 구성되고, 그 한쪽 입력단자(a1)에 데이터 라인(18)이 접속되고, 다른쪽 입력단자(a2)는 접지되어 있다. 한쪽 입력단자(a1)와 출력단자(b) 간에 콘덴서(C)가 접속되고 적분기능을 갖는 구성으로 되어 있다. 콘덴서(C)와 병렬로 스위치(SW)가 접속되고, 예를 들면 스위치(SW)를 닫아 콘덴서(C)에 남은 전하를 방전하는 구성으로 되어 있다.
각각의 전하증폭기(19)는 병렬로 입력하는 복수의 전기신호를 직렬신호로 변환하여 출력하는 병렬/직렬변환기(20)에 접속되어 있다. 병렬/직렬변환기(20)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(21)에 접속되어 있다.
제어회로(16)나 전하증폭기(19), 병렬/직렬변환기(20), 아날로그 디지털 변환기(21)는, 예를 들면 집적회로로 형성되고, 제어회로(16)와 TFT(14)간 등 각각의 회로간은, 예를 들면 와이어 본딩으로 접속된다.
다음에 X선 광도변환부(11)의 구성에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 하나의 화소단위의 부분을 뽑아낸 단면도이고, 도 1에 대응하는 부분에는 같은 부호를 붙여 중복하는 설명을 일부 생략한다.
유리 등의 절연기판(31) 상에 TFT(14) 및 축적 캐퍼시터(15)가 형성되어 있다. TFT(14)는 절연기판(31) 상에 형성된 게이트전극(G) 및 게이트 전극(G)을 덮 는 절연막(32), 절연막(32) 상에 형성된 반도체막(33), 반도체막(33) 상에 설치된 소스전극(S), 드레인 전극(D)등으로 구성되어 있다.
TFT(14)의 게이트 전극(G)은 제어 라인(17)(도 1)에 접속되고, 소스전극(S)은 데이터 라인(18)에 접속되어 있다.
축적 캐퍼시터(15)는 절연기판(31) 상에 형성된 하부전극(34), 게이트 전극(G)상에서 하부전극(34)상까지 연장된 절연막(32), 절연막(32) 상에 설치된 상부전극(35) 등으로 구성되어 있다. 상부전극(35)은 드레인 전극(D)과 전기적으로 접속되어 있다.
TFT(14) 및 축적 캐퍼시터(15)의 위쪽에 절연층(36)이 설치되고, 절연층(36) 상에 포토다이오드(13)가 형성되어 있다. 포토다이오드(13)는 a-Si의 pn다이오드나 PIN다이오드 등으로 형성되어 있다. 도면의 경우는 PIN 다이오드로 형성되어 있다. 포토다이오드(13)의 도시 아래쪽 및 위쪽에 각각 제 1 전극(131) 및 제 2 전극(132)이 설치되고, 제 1 전극(131)과 제 2 전극(132) 간에 바이어스 전압이 인가된다. 제 2 전극(132)은 스퍼터링법 등으로 성막한 ITO투명도전막으로 형성되어 있다. 절연층(36)의 일부에 스루홀(37)이 설치되고, 포토다이오드(13)의 제 1 전극(131)은 스루홀(37)을 통해 TFT(14)의 드레인 전극(D)과 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 전극(132) 상에 X선을 광으로 변환하는 신틸레이터층(38)이 형성되어 있다.
신틸레이터층(38)을 둘러싼 주연영역, 예를 들면 인접하는 화소단위의 신틸레이터층(381)과의 경계에 격벽층(39)이 형성되고, 인접하는 화소단위의 신틸레이 터층 끼리는 격벽층(39)으로 차단되어 있다. 신틸레이터층(38) 및 격벽층(39)에는 각각 형광재료(IP1) 및 형광재료(IIP2)가 포함되고, 형광재료(IP1) 및 형광재료(IIP2)는 광학적 특성, 예를 들면 발광 스펙트럼이나 굴절률, 반사율, 평균입경 등의 하나 또는 복수의 특성이 상이하다. 또, 신틸레이터층(38) 및 격벽층(39) 상에 광을 반사하는 형광반사층(40)이 X선 광도변환부(11)의 전면에 걸쳐, 예를 들면 공통으로 형성되어 있다.
상기한 구성에 있어서, 형광반사층(40)을 통해 신틸레이터층(38) 및 격벽층(39)에 X선(41)이 입사되고, 신틸레이터층(38) 및 격벽(39)에서 광으로 변환된다. 신틸레이터층(38)에서 발생한 광(L1)은 격벽층(39)으로부터 입력하는 광(L2)의 작용으로 강해지고, 또는 감쇠가 억제되며, 또는 격벽층(39)과의 경계 등에서 반사되고, 신틸레이터층(38)으로부터 포토다이오드(13)에 입력되어 전하로 변환된다. 이 전하는 축적 캐퍼시터(15)에 축적된다.
축적 캐퍼시터(15)에 축적한 전하의 판독은 제어회로(16)에 의해 제어되고, 예를 들면 화소단위(12)의 행(도 1의 가로방향)마다 순서대로 실행된다. 우선, 제어회로(16)에서 제 1 게이트 라인(171)을 통해 제 1 행째에 위치하는 화소단위(12a~12c)의 게이트 전극(G)에, 예를 들면 10V의 온신호를 가하고, 제 1 행째의 화소단위의 TFT(14)를 온상태로 한다.
이 때, 제 1 행째의 화소단위(12a~12c)의 축적 캐퍼시터(15)에 축적된 전하가 드레인 전극(D)에서 소스전극(S)으로 전기신호로서 출력된다. 소스전극(S)에 출력한 전기신호는 각각 복수의 전하증폭기(19)에서 증폭된다. 증폭된 전기신호를 병렬/직렬변환기(20)에 병렬로 가해지고, 직렬신호로 변환된다. 그 후, 아날로그 디지털 변환기(21)에서 디지털 신호로 변환되고, 다음 신호처리회로(도시하지 않음)에 보내진다.
제 1 행째에 위치하는 화소단위의 축적 캐퍼시터(15)의 전하의 판독이 종료하면, 제어회로(16)로부터 제 1 게이트 라인(171)을 통해 제 1 행째의 화소단위의 게이트 전극(G)에, 예를 들면 -5V의 오프신호가 가해지고, 제 1 행째의 화소단위의 TFT(14)를 오프상태로 한다.
상기한 동작이 제 2 행째 이하의 화소단위(12)에 대해서도 순서대로 실행된다. 그리고 모든 화소단위(12)의 축적 캐퍼시터(15)에 축적한 전하의 판독이 실행되고, 순차대로 디지털 신호로 변환되어 출력되고, 하나의 X선 화면에 대응하는 전기신호가 아날로그 디지털 변환기(21)에서 출력된다.
도 1의 경우, 포토다이오드(13)는 TFT(14)나 축적 캐퍼시터(15)에 겹치지 않는 영역에 형성되어 있다. 그러나, 넓은 수광면적을 확보하기 위해, 예를 들면 TFT(14) 및 축적 캐퍼시터(15) 상에 절연층을 설치하고, 하나의 화소 내의 보다 넓은 영역에 포토다이오드(13)를 형성할 수도 있다.
여기에서 신틸레이터층(38)에 포함되는 형광재료(I(P1)) 및 격벽층(39)에 포함되는 형광재료(II(P2))에 의한 휘도개선효과에 대해 설명한다.
형광재료(I)에는 형광파장이 소정의 범위에 분포된 광을 발생하는, 예를 들면 Gd2O2S:Tb가 이용되고, 형광재료(II)에는 형광재료(I)의 형광파장 중 그 가장 짧 은 파장과 같거나 그보다도 긴 파장성분을 갖는 형광파장의 광을 발생하는 형광재료가 이용된다. 예를 들면 Gd2O2S:Eu(4중량%) 등으로, 이 경우 예를 들면 평균입경이 2㎛ 정도의 작은 입경이 이용된다.
이 조합의 경우, 신틸레이터층(38)에서 발생한 광(L1)은 격벽층(39)의 형광재료(II)가 발생하는 광(L2)의 작용에 의해, 신틸레이터층(38) 내에서의 감쇠가 작게 억제되어 포토다이오드(13)에 입력하고 휘도가 상승한다.
이 구성의 경우, 격벽에 포함되는 형광재료(II)의 최장 형광파장이 신틸레이터층에 포함되는 형광재료(I)가 발생하는 형광파장 중 그 가장 짧은 파장보다 커지게 된다. 따라서, 형광재료(II)에서 발한 형광(L2)이 신틸레이터층(38)에 진입하면, 형광재료(I)의 형광여기에는 기여하지 않지만, 형광여기에 관련된 전자 천이의 그라운드 준위에 존재하는 전자를 상위의 불순물 준위나 형광발생에 관계하지 않는 상위의 에너지 준위에 여기한다. 그 결과, 형광재료(I)의 형광 발광 천이에 필요한 그라운드 준위의 전자의 비어있는 비율이 증가한다. 이것에 의해 형광재료(I)의 X선 형광발광 효율이 증대한다. 또는 형광(L2)이 형광재료(I)의 밴드간의 불순물 준위나 결함준위가 관계하는 전자 천이를 여기할 때에는 형광재료(I)에서의 형광(L1)이 신틸레이터층 내를 통과할 때에 그라운드 준위의 전자를 여기하여 흡수되는 확률이나, 밴드간의 준위가 관계하는 전자여기에 의해 흡수되는 확률을 감하여 형광재료(I)에서의 형광(L1)의 신틸레이터층(38) 내에서의 자기흡수가 억제된다. 이들 결과로서 휘도의 향상을 기대할 수 있다.
또 형광재료(II)에서 발한 형광(L2)에서 상기 형광재료(I)로의 휘도향상 효과가 생기지 않은 것도 신틸레이터층 내를 몇 회 반사하여 그 일부가 검출기에 도달하여 신틸레이터층의 휘도향상에 기여한다.
상기의 경우, 형광재료(I)에는 Gd2O2S:Tb 이외에 Gd2O2S:Eu 등의 첨가재가 다른 것, Gd2O2S나 La2O2S, Lu2O2S 등의 희토류 세라믹계 재료를 모재로 한 X선용 형광체, CsI:Tl, CsI:Na 등의 요오드화물계의 X선용 형광체 또는 CaWO4, LaOBr: Tm, LaOBr:Tb 등의 X선용 형광체 등이 이용된다.
또, 형광재료(II)에는 Gd2O2S:Eu 이외에 Gd2O2S:Pr이나 Gd2 O2S:Tb 등의 첨가재가 다른 것, Gd2O2S나 La2O2S, Lu2O2S 등의 희토류 세라믹계 재료를 모재로 한 X선용 형광체 또는 ZnCdS:Ag 등의 황화물계 형광체 등이 이용된다.
형광재료(I) 및 형광재료(II)를 선택하는 경우에 실용상 바람직하게는, 예를 들면 양자의 형광발광 스펙트럼 등을 고려하여 형광재료(II)에는 형광재료(I)의 주형광파장과 같은 정도인지 그보다도 긴 주(主)형광파장을 갖는 형광재료가 이용된다. 예를 들면 형광재료(I)에 주형광파장이 540nm 전후의 Gd2O2S:Tb를 이용하는 경우에는 형광재료(II)에는 주형광파장이 640nm 전후의 Gd2O2S:Eu 가 이용된다.
그러나, 형광재료(II)의 주발광파장이 반드시 형광재료(I)의 주발광파장보다 길 필요는 없고, 형광재료(II)의 발광 스펙트럼의 적어도 일부가 형광재료(I)의 최단 발광파장보다도 길어지면 상기한 메커니즘에서 휘도향상 효과를 기대할 수 있 다. 상기한 예와 반대의 조합이 되지만, 예를 들면 형광재료(I)에 Gd2O2S:Eu 를 이용하고, 형광재료(II)에 Gd2O2S:Tb를 이용한 경우에도 형광재료(II)의 Gd2O 2S:Tb가 발광하는 380nm 전후에서 680nm 전후까지의 형광(L2) 중 500nm 정도 이상의 형광 스펙트럼이 최단 발광파장 500nm 정도의 형광재료(I)의 Gd2O2S:Eu 의 형광발광효율을 증대시킨다.
격벽에 포함되는 형광재료(II)가 화소부에 포함되는 형광재료(I)와 같은 형광체종인 경우, 예를 들면 어느쪽이나 Gd2O2S:Tb, 또는 Gd2O2S:Eu, La2O2S, Lu2O2S 등의 같은 형광체종계인 경우도 같은 효과를 기대할 수 있다.
또, 형광재료로 격벽을 구성한 경우에는 다음 구성에서도 신틸레이터 화소의 휘도가 향상한다. 즉, 격벽층에 함유되는 형광재료(III)의 발광 스펙트럼이 신틸레이터층(38)에 함유되는 형광재료(I)의 형광여기파장을 포함하는 경우, 형광재료(III)에서 발한 형광(L2)이 형광재료(I)에 도달하여 적어도 최장 형광여기파장에 대응하는 그라운드 준위로부터 여기준위로의 전자 천이를 증대시키고, 이 결과로서 형광재료(I)의 발광강도 자체가 증대한다. 이 구성에 있어서 신틸레이터층(38)에 함유되는 형광재료(I)의 최장 형광파장과 같거나 또는 이보다도 단파장측의 형광발광 스펙트럼을 갖는 형광재료(III)를 격벽에 함유한 경우가 해당한다. 특히 형광재료(III)의 주발광파장이 형광재료(I)의 주발광파장보다도 짧은 경우에 휘도개선효과는 한층 큰 것이 된다. 형광재료(I)로서는 예를 들면 Gd2O2S:Eu 나 Gd2O 2S:Pr 등 이외에 Gd2O2S계에서 첨가물이 다른 것, 또 La2O2S, Lu2 O2S 등의 희토류 세라믹계 재료를 모재로 하고, Eu, Tb 등의 첨가물을 함유한 X선용 형광체 등이 적합하다.
형광재료(III)에는 Gd2O2S:Tb 이외에 Gd2O2S:Eu 등의 첨가재가 다른 것, 또 Gd2O2S나 La2O2S, Lu2O2S 등의 희토류 세라믹계 재료를 모재로 한 X선용 형광체, 또는 ZnCdS:Ag, ZnS:Ag, ZnS:Cu 등의 황화물계 형광체, 또는 CsI:Tl, CsI:Na 등의 요오드화물계의 X선용 형광체, CaWO4, LaOBr:Tm, LaOBr:Tb 등의 X선용 형광체 등이 이용된다.
형광재료(I)와 형광재료(III)가 동일 형광체종인 경우에는 형광재료(I)의 발광 스펙트럼의 각 스펙트럼 성분에 대해 당해 각 스펙트럼 성분보다 단파장측 형광재료(III)의 발광 스펙트럼 성분이 형광재료(I)의 형광여기에 기여하여 형광재료(III)의 발광휘도 향상에 효과가 있다.
또 형광재료(III)에서 발한 형광(L2)에서 상기 형광재료(I)로의 휘도향상효과를 일으키지 않은 것도 신틸레이터층 내를 난반사하여 그 일부가 검출기에 도달하고 신틸레이터층의 휘도향상에 기여하는 것은 앞에 설명한 제 1 메커니즘의 경우와 같다.
또, 형광재료(I)를 여기하는 형광파장을 갖는 형광재료(III)로서는 ZnS:Ag 이외에, CaWO나 LaOBr:Tb, BaSO4:Eu 등의 X선용 형광체가 이용된다.
이 경우도, 형광재료(III)의 선정에 있어서는 형광재료(I)의 형광여기 스펙 트럼 및 형광재료(III)의 형광발광 스펙트럼 등을 고려하고, 예를 들면 형광재료(I)의 형광여기파장과 같은 정도, 또는 그보다도 짧은 파장성분의 광을 발생하는 X선 형광체가 이용된다.
또, 신틸레이터층에 포함되는 형광재료(I)에는 X선 흡수율 및 X선에서 형광으로의 변환효율이 높고, 형광의 자기흡수가 작은 투명도가 높은 형광재료가 요망된다. 예를 들면 Gd2O2S를 모재로 하는 형광체 또는 CsI를 모재로 하는 형광체가 유효하다. Gd2O2S를 모재로 하는 형광체는 입경의 제어가 비교적 용이한 분체이고, 또 습기에 대해서도 화학적으로도 안정되고, 신틸레이터층의 제조에도 적합하다.
형광재료(I)의 선택에는 사용하는 X선에 대한 그 형광체의 발광효율뿐 아니라, 형광파장과 포토다이오드의 분광감도 특성과의 정합성도 고려하는 것이 요망된다. 예를 들면, 분광감도특성의 피크가 600nm대에 있는 a-Si 포토다이오드를 검출기로 하는 경우, Gd2O2S:Tb(주발광파장 545nm)에 대해 발광효율에서 떨어지는 Gd2O2S:Eu (주발광파장 630nm)가 포토다이오드의 검출출력에서는 동등하거나 약간 큰 값을 나타낸다. 종합적으로는 Gd2O2S:Eu, Gd2O2S:Tb, CsI:Tl 등이 적합한 형광재료이다.
또, 격벽층에 함유되는 형광재료(II)로서는, 예를 들면 신틸레이터층에 함유하는 형광재료를 Gd2O2S:Tb 로 한 경우, 그 최단 형광파장은 370nm 정도인 것에서, 최장 형광파장이 370nm 이상에서 상기 조건을 만족하는 Gd2O2S:Tb, Gd2O 2S:Pr, Gd2O2S:Eu, CsI:Tl 등이 유효하다.
격벽층에 포함되는 형광재료(III)에는, 예를 들면 신틸레이터층에 함유하는 형광재료(I)가 Gd2O2S:Eu(주발광파장 630nm)인 경우에는 그 주발광파장 성분의 여기파장이 대략 630nm 이하인 것에서, 630nm 이하에 주요 형광발광 성분을 갖는 Gd2O2S:Tb 나 BaFCl:Eu, LaOBr:Tb, Y2O2S:Tb, ZnS:Ag, (Zn, Cd)S:Ag 등의 X선용 형광체가 적합하다.
또, 형광재료(I)를 여기하는 형광재료(III)에는 최장의 형광파장이 자외영역에 있는 형광재료가 유효하게 된다. 예를 들면 신틸레이터층이 두꺼워지면, 격벽층에서 발생한 광이 인접하는 화소의 신틸레이터층을 넘어서 더 그 앞의 신틸레이터층까지 도달하고, 해상도를 저하시키는 경우가 있다.
격벽층에 함유하는 형광재료(III)의 형광파장이 자외영역에 있기 때문에, 가시광 이상의 장파장 형광에 비교하여 신틸레이터층 내에서 흡수가 커서, 인접하는 신틸레이터 화소를 넘어서 그 자외형광이 도달할 가능성이 매우 작다. 특히 막두께가 두꺼운 경우에는 인접화소를 넘은 형광의 발산에 의한 해상도 저하를 일으키기 쉬워 본 발명의 유효성이 늘어난다.
격벽층 내의 형광재료(III)로서는 상기 형광재료(I)를 여기하는 형광파장 성분을 갖는 형광재료 및 최장의 형광파장이 자외영역에 있는 형광재료를 혼합한 것을 사용할 수도 있다. 이 경우, 양자의 배합율에 따라 각각의 메커니즘에 의해 휘도의 향상효과가 실현된다.
지금까지 설명한 구성에 의하면, 격벽층에 포함되는 형광재료(II 또는 III)가 발생한 광은 신틸레이터층 내의 형광재료(I)가 발생한 광의 감쇠를 억제하고, 또는 형광재료(I)가 발생하는 광을 강하게 하고 있다. 이 때, 형광재료(II 또는 III)가 발생한 광의 일부는 신틸레이터층 내를 통과하여 포토다이오드에 도달하여 감도의 상승에도 기여한다.
이와 같은 감도상승의 효과를 올리기 위해서는 신틸레이터층의 형광재료(I)의 입경은 큰 쪽이 바람직하다. 예를 들면 격벽층의 입경보다도 큰 입경으로 하고, 또는 소결한 일체화 구조로 하여, 형광재료와 바인더 등의 주변재료와의 계면의 굴절에 의한 산란을 극력 억제하는 쪽이 효과가 커진다. 또, 각각의 형광재료의 자기흡수계수 및 바인더 재료의 각각의 형광에 대한 흡수계수는 작은 쪽이 요망된다.
상기한 구성은 격벽층 내의 형광재료의 입경을 작게 하면 화소분리 효과가 현저해져, 소위 해상도가 개선된다.
예를 들면 형광재료의 입경(형광재료가 침형상 분체인 경우는 침의 직경)을 작게 하면, 형광재료와 바인더 등의 주변재료와의 계면에서의 굴절빈도가 증가한다. 또, 입경이 작으면, 완전 확산 반사면에 가까운 상태가 되고 반사율이 증대한다. 그 결과, 신틸레이터층에서 발생한 광의 인접하는 화소단위의 신틸레이터층으로의 도달이 방지되어, 화소분리효과가 커진다.
이 경우, 신틸레이터층간에 좁아진 격벽층의 벽 폭 방향에, 예를 들면 최저 4개 정도의 형광재료의 입자를 배열하면 유효한 반사효과가 실현된다. 이 때, 격 벽층에 포함되는 형광재료(II 또는 III)의 평균입경이 'φ', 체적충전률이 'D'인 경우, 평균입경(φ)을 체적충전률(D)로 나눈 값(φ/D) 격벽층의 폭의 1/2 이하로 하면 충분히 유효한 반사효과를 얻을 수 있다. 형광재료의 입경이 극단적으로 작아지고, 그 입경이 신틸레이터층에서 발생하는 형광파장에 가까운 크기가 되면 산란효과가 작아진다. 따라서 입경의 하한은 신틸레이터층의 형광재료(I)가 발생하는 최단의 형광파장 정도가 된다.
다음에 상기한 구성의 X선 검출기의 제조방법에 대해 설명한다.
우선 절연기판(31) 상에 광전변환부, 예를 들면 TFT(14) 및 축적 컨덴서(15), 포토다이오드(13) 등을 각각 화소단위로 형성한다.
다음에 신틸레이터층(38)을 구성하는 Gd2O2S:Tb 등의 형광재료(I)와 에폭시 등의 수지재료를 혼합한 재료를, 예를 들면 매트릭스형상으로 형성된 복수의 포토다이오드(13) 등의 상부에 400㎛의 두께로 칠하여 신틸레이터막을 형성하고, 그 후 소성하여 고화한다.
다음에 다이싱법 등을 이용하여 신틸레이터막을 가공하고, 격벽층(39)이 설치되는 부분에 홈을 형성한다. 이 때, 포토다이오드(13)나 TFT(14)의 배치에 맞춰 150㎛의 피치로 폭 25㎛의 홈을 형성하고, 화소단위로 분리한 신틸레이터층(38)이 형성된다.
다음에 형광재료(II 또는 III), 예를 들면 평균입경이 2㎛의 Gd2O2S:Eu의 작은 입경이나 평균입경이 2㎛의 ZnS:Ag의 분체와 PVB(폴리비닐부티랄)를 혼합한 재 료를 아세트산부틸로 녹인 슬러리형상의 충전재를 홈 부분에 침전법 등에 의해 충전하고, 건조시키고, 그 후 표면에 남은 충전재를 연마 등으로 제거하여 격벽층(39)을 형성한다.
다음에 미립자 분체의 TiO2 와 수지 바인더를 혼합한 재료를 화소마다 분리하여 형성된 복수의 신틸레이터층(38) 및 격벽층(39)의 표면에 도포하고 형광반사막(40)을 형성한다.
또, 형광반사막(40)은 기타 투명한 세라믹의 미립자 분체나 형광체의 미분말로 형성할 수도 있다. 양호한 평탄성을 얻을 수 있으면 메탈막으로 형성할 수도 있다.
또, 습기 등에 의한 신틸레이터층(38)의 변질을 방지하는 경우는 X선 검출기의 주요부를 Al이나 플라스틱 등의 외관용기로 덮어 진공밀봉하고, 또는 외관용기 내에 건조기체를 넣고 봉한다.
상기한 제조방법의 경우, 우선 신틸레이터층(38)을 형성하고, 그 후, 격벽층(39)을 형성하고 있다. 그러나, 격벽층(39)을 형성한 후에 신틸레이터층(38)을 형성할 수도 있다. 예를 들면 형광재료(II 또는 III)를 포함하는 재료로 격벽막을 형성하고, 그 후 신틸레이터층(38)이 되는 부분의 격벽막을 제거하고, 이 제거한 부분에 형광재료(I)를 포함하는 신틸레이터 재료를 충전하는 방법이다.
여기에서 신틸레이터층(38) 및 격벽층(39)을 형성하는 다른 방법에 대해 설명한다. 우선, 성형이 용이한 수지재료 또는 금속재료로 이루어지는 예비막을 포토다이오드 등의 상부에 형성한다. 다음에 격벽층(39)(또는 신틸레이터층(38))이 되는 부분의 예비막을 제거하고, 그 제거한 부분에 격벽층(39)(또는 신틸레이터층(38))이 되는 형광재료를 충전한다. 다음에 앞의 공정에서 제거되지 않아 남은 예비막의 패턴을 선택적으로 제거하고, 예비막이 선택적으로 제거된 부분에 신틸레이터층(38)(또는 격벽층(39))이 되는 형광재료를 충전하는 방법이다.
형광재료는 무기재료로서 경도가 높고 결합 에너지가 높다. 그 때문에, 화학반응이나 기계가공, 열적, 광화학적인 방법에서는 신틸레이터막이나 격벽막을 부분적으로 제거하는 패터닝 가공이 곤란한 경우가 있다. 이와 같은 경우, 수지재료나 금속재료로 이루어지는 예비막을 형성하는 방법이 유효하게 된다. 또, 가공시의 형광체에 가해지는 손상에 의한 발광효율의 저하나 착색에 의한 휘도저하를 억제하는 메리트도 있다.
신틸레이터막이나 격벽을 부분적으로 제거하여 홈을 형성하고 패턴화하는 방법으로서는 다이싱법 이외에, 자외영역의 레이저에 의한 광화학분해를 이용하는 방법이나 적외영역의 레이저에 의한 가열분해를 이용하는 방법, 바인더 재료를 화학적으로 용해하는 에칭법 등을 이용할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는 화소단위마다 형성된 복수의 광전변환부 상에 신틸레이터층 및 격벽층을 순서대로 형성하고 있다. 그러나, 신틸레이터층 및 격벽층을 별도의 기판상에 형성하고, 그 후 이들 신틸레이터층 및 격벽층을 광전변환부 상에 접합하는 방법을 이용할 수도 있다.
여기에서 본 발명의 실시예와 비교예와의 특성의 측정결과를 다음 표에 나타 낸다.
또, 표 중의 각 특성은 다음의 방법에 의해 측정한 것이다.
<상대감도>
유리기판 상에 TiO2 미분을 수지에 넣고 반죽하여 도포한 반사층을 형성하고, 그 위에 각 신틸레이터층 및 격벽층을 300㎛t의 두께로 형성하여 특성평가용의 샘플을 얻었다. 바둑판의 눈형상으로 화소분리한 막의 화소간 피치는 150㎛이고, 격벽 폭은 약 20㎛폭으로 형성했다. 각 샘플은 연마에 의해 표면을 평탄화하고, 광학 젤을 통해 분광감도 특성이 600~700nm인 a-Si(아몰퍼스실리콘) 포토다이오드 어레이에 밀착시키고, 이 a-Si 포토다이오드의 감도출력을 평균화하여 감도평가의 지표로 했다.
<MTF(해상도 특성)>
감도특성 측정용과 마찬가지로 샘플 작성하고, 50㎛ 이하의 폭의 슬릿형상 라인을 뚫은 연판(鉛板) 차트를 통해 X선의 투과상을 측정하고, 그 X선 투과상의 확산에서 Line Spread Function을 측정한다. 이 Line Spread Function을 푸에리 변환함으로써 공간주파수(Spatial Frequency)에 대한 MTF(Modulation Transfer Function)를 계산했다.
<형광재료의 평균입경>
적당한 단면을 여러 군데 나누어 SEM관찰하고, SEM 화상의 각 형광재료 입자의 면적에서 실효입경을 구하여 이를 평균한다.
Figure 112004033702968-pct00001
(주 1) YTaO4 는 자외선 발광의 형광체
(주 2) *는 비교예(이하 같음)
실시예 및 종래예 모두, 단위화소의 피치는 150㎛, 단위화소 사이즈는 130㎛×130㎛로 하고(격벽의 폭이 20㎛), 신틸레이터층 및 격벽층의 형광체의 체적충전률은 0.5(50%)로 했다. 포토다이오드 등은 플라즈마 CVD법 및 포토리소그래피를 이용하여 형성했다. 포토다이오드 상의 전극막은 ITO를 스퍼터링법으로 형성했다. 포토다이오드는 a-Si의 PIN구조이고, 380 내지 720nm 정도의 파장범위에서 감도를 갖고, 600nm 근방이 감도의 피크가 되고 있다. 또, 신틸레이터층 및 격벽층의 막두께는 300㎛가 되고 있다.
표 1의 샘플 1~4는 발명의 구조에서, 모두 격벽층에 형광재료가 포함되어 있다. 샘플 5는 형광재료가 포함되지 않은 격벽층을 설치한 구조이고, 샘플 6은 격벽층이 없는 구조이다. 해상도 특성은 공간주파수 2Lp/mm의 MTF(%)로 비교했다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 격벽층이 없는 샘플 F의 구조와 비교한 경 우, 종래예인 샘플 E는 휘도의 저하가 크다. 발명의 샘플 A~D는 휘도의 저하는 15% 전후에 머물렀다. 샘플 F는 격벽층이 없기 때문에 휘도저하는 없지만, 해상도 특성이 매우 떨어져, 정밀 화상이 요구되는 X선 진단에는 사용할 수 없는 레벨이 되고 있다.
다음에 도 3의 부호 'Q'에서 격벽층에 포함되는 형광재료의 평균입경(횡축, 단위 ㎛)과 해상도 특성의 2Lp/mm의 MTF(종축, 단위%)와의 관계를 나타낸다. MTF의 값은 어느 범위에 편차가 있기 때문에, 부호 'Q'는 소정의 폭에서 나타나 있다. 상기 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 형광재료의 평균입경이 격벽 폭의 1/4인 대략 5㎛ 이하가 되면 해상도 특성의 향상이 현저해진다.
또, 격벽 폭 등 다소 다르지만 상기 샘플 1~6과 거의 같은 구조로서, 표 2의 각 형광재료를 이용하여 X선 검출기를 작성하고, 특성을 측정했다. 비교예와의 대비에서 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112004033702968-pct00002


Figure 112004033702968-pct00003
(주 3) 상대감도; a-Si 포토다이오드로 측정한 신호출력의 상대값(기준은 샘 플 7).
(주 4) 바인더 수지는 400nm~700nm의 파장범위에는 특별히 흡수가 없는 것. 실시예에서는 에폭시계, PVB(폴리비닐부티랄), 실리콘 수지 등.
또, 표 중 비교예로 나타낸 것은 종래구조의 X선 검출기로서, 실시예와의 비교를 위해 나타낸 것이다.
상기한 발명의 구성에 의하면, 격벽층에 신틸레이터층 내의 형광재료와 광학적 특성이 다른 형광재료가 포함되어 있다. 이 경우, 격벽층의 형광재료에 의한 발광이 신틸레이터층의 형광재료에 작용하고, 신틸레이터층의 형광재료가 발생하는 광의 강도를 강하게 하고, 또는 신틸레이터층 내를 진행하는 광의 감쇠를 억제하여, 휘도 특성이 개선된다. 또, 신틸레이터층의 형광재료에서 발생한 광은 격벽층 내의 형광재료와 주변의 바인더와의 계면, 또는 형광재료와 공간과의 계면에서의 굴절이나 반사에서, 격벽층 전체로서 확산반사효과가 확보되고, 또는 형광체와 함께 세라믹 미분등의 반사재나, 색소함유수지 또는 카본블랙 등 무기의 형광흡수재료를 함유하는 것으로 신틸레이터층간의 광의 차폐효과를 얻을 수 있다.
따라서, 각각의 신틸레이터층에서 발생한 형광은 인접화소까지 도달하는 일없이 각각의 화소에 대응하는 광전변환소자에 입사하여 해상도 특성의 열화를 억제할 수 있다.
그 결과, 인가전압이 낮고 신뢰성이 높은 간접방식의 이점을 살리고, 동시에 휘도특성이나 해상도 특성 등의 화상특성을 개선한 X선 검출기 및 그 제조방법을 얻을 수 있다.
본 발명은 화상특성을 개선한 X선 검출기 및 그 제조방법을 실현할 수 있다.
본 발명의 X선 검출기는 인체의 흉부촬영 이외에, 순환기나 소화기 등의 진단에도 적용가능하다. 또 공업용 X선 검출기도 적용가능하다. 또, 2차원적으로 배열한 평면검출기뿐 아니라, 1차원 배열의 라인 검출기(X선 라인 센서)에도 적용가능하다. 따라서, 넓은 분야의 산업상의 이용가능성을 가진다.

Claims (10)

  1. 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 화소단위(12)로 이루어진 평면형 X선 검출기로서,
    각 화소는, 각각이 박막 트랜지스터 및 포토 다이오드를 가지는 광전변환부와, 상기 광전변환부상에 형성된 신틸레이터 화소(38)와, 인접하는 상기 신틸레이터 화소(38)간에 형성된 격벽(39)을 구비하고,
    상기 격벽(39)은, 상기 신틸레이터 화소(38) 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 입자상 형광재료(II)를 함유하고,
    상기 입자상 형광재료(II)의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)은 식 φ/D≤W/2를 만족하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
  2. 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 화소단위(12)로 이루어진 평면형 X선 검출기로서,
    각 화소는, 각각이 박막 트랜지스터 및 포토 다이오드를 가지는 광전변환부와, 상기 광전변환부상에 형성된 신틸레이터 화소(38)와, 인접하는 상기 신틸레이터 화소(38)간에 형성된 격벽(39)을 구비하고,
    상기 격벽(39)은 상기 신틸레이터 화소(38) 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 입자상 형광재료(III)를 함유하고,
    상기 입자상 형광재료(III)의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)은 식 φ/D≤W/2를 만족하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 형광재료(I)가 Gd2O2S 또는 CsI를 모재로 하는 형광재료인 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 형광재료(II 또는 III)가 Gd2O2S를 모재로 하는 형광재료인 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 형광재료(III)의 최장 형광파장이 자외영역에 있는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
  7. 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서,
    상기 화소단위의 광전변환부 상에 형광재료(I)를 포함하는 층을 형성하는 공정과,
    상기 층에서 격벽이 되는 부분을 제거하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과,
    상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정에서 제거한 부분에, 상기 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 상기 형광재료(II), 및 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 형광재료(III)로부터 선택된 적어도 하나로 이루어진 입자상 형광재료를 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 입자상 형광재료는 상기 입자상 형광재료의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)이 식 φ/D≤W/2를 만족하도록 충전되는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 제조방법.
  8. 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서,
    상기 화소단위의 광전변환부 상에, 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 형광재료(II), 및 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나의 입자상 형광재료를, 상기 입자상 형광재료(III)의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)이 식 φ/D≤W/2를 만족하도록 충전하여 상기 격벽층을 포함하는 층을 형성하는 공정과,
    상기 층에서 상기 격벽이 되는 부분 이외의 부분을 제거하여 상기 격벽을 형성하는 공정과,
    상기 격벽을 형성하는 공정에서 제거한 부분에 상기 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 제조방법.
  9. 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서,
    상기 화소단위의 광전변환부 상에 수지재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료에 의해 층을 형성하는 공정과,
    상기 층에서 상기 격벽이 되는 부분을 제거하여 수지재료 또는 금속재료에 의한 가화소를 형성하는 공정과,
    상기 가화소를 형성하는 공정에서 제거한 부분에 형광재료(I)와 광학적 특성이 상이하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 형광재료(II), 및 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상위하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 입자상 형광재료를, 상기 입자상 형광재료의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)이 식 φ/D≤W/2를 만족하도록 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정과,
    상기 가화소를 제거하는 공정과,
    상기 가화소를 제거한 부분에 상기 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 입자상 형광재료는 되는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 제조방법.
  10. 화소단위의 광전변환부 상에 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과, 상기 신틸레이터 화소간에 격벽을 형성하는 공정을 구비한 X선 검출기의 제조방법에 있어서,
    상기 화소단위의 광전변환부 상에 수지재료 등의 유기재료 또는 금속재료 등의 무기재료에 의해 층을 형성하는 공정과,
    상기 층에서 상기 격벽이 되는 부분 이외의 부분을 제거하여 수지재료 또는 금속재료에 의한 가격벽을 형성하는 공정과,
    상기 가격벽을 형성하는 공정에서 제거한 부분에 형광재료(I)를 포함하는 재료를 충전하여 상기 신틸레이터 화소를 형성하는 공정과,
    상기 가격벽을 제거하는 공정과,
    상기 가격벽을 제거한 부분에, 상기 형광재료(I)와 광학적 특성이 상위하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최단 형광파장과 같거나 그보다도 긴 최장 형광파장을 갖는 형광재료(II) 및 상기 신틸레이터 화소 내에 포함되는 형광재료(I)와 광학적 특성이 상위하고, 또한 상기 형광재료(I)의 최장 형광여기파장과 같거나 그보다도 짧은 최단 형광파장을 갖는 형광재료(III)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 입자상 형광재료를, 상기 입자상 형광재료의 평균입경(φ), 상기 격벽층 내의 체적충전률(D) 및 상기 격벽 폭(W)이 식 φ/D≤W/2를 만족하도록 충전하여 상기 격벽을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기의 제조방법.
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