KR100998400B1 - 광결정이 형성된 방사선 검출 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

광결정이 형성된 방사선 검출 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명은 광결정이 형성된 기판에 신틸레이터층이 증착된 신틸레이터패널과 수광소자를 포함하고, 이에 따르면 신틸레이터패널과 수광소자 사이의 계면에서 반사로 인한 광손실을 제거하여 방사선 검출 효율을 향상시킬 수 있다.

신틸레이터층, 광결정

Description

광결정이 형성된 방사선 검출 장치 및 그 제조방법{Radiation detector containing photonic crystal crystal and method thereof}

본 발명은 방사선 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 신틸레이터패널과 수광소자 사이의 계면에서 일어나는 광손실을 제거하여 방사선 검출 효율을 향상시킬 수 있는 광결정이 형성된 방사선 검출 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 방사선 검출에 사용되는 신틸레이터 타입의 방사선 검출 장치는 방사선 에너지를 신틸레이션 광으로 변환시켜주는 신틸레이터패널과, 신틸레이션 광의 펄스의 수 및 펄스의 강도에 비례하는 전기신호를 형성하는 광전자증배관(Photo Multiplier Tube) 또는 포토다이오드를 구비하는 수광소자로 구성되어 있다. 여기에서 신틸레이터패널과 인접한 수광소자면에는 보통 결합제로서 실리콘오일을 발라서 신틸레이터패널과 수광소자의 광학적인 결합을 좋게 해준다.

그런데 신틸레이터 타입의 방사선 검출 장치는 신틸레이터패널과 수광소자와 결합제 각각에 대한 굴절률이 서로 다르다. 즉 신틸레이터를 투과하면서 발생된 빛이 수광소자로 이동하는 도중에 굴절률의 차이를 가져오고 또 이 굴절률의 차이는 신틸레이터패널에 대한 광 투과율을 감소시키게 하므로 신틸레이션 광출력을 감소시킨다.

신틸레이션 광출력을 증가시키기 위해 국제공개 제 2002/63059호에서 신틸레이터 패널 및 방사선이미지 센서에 관한 기술을 제안하였다. 국제공개 제2002/63059 호는 방사성 투과성 기판의 한쪽 표면과 반사막으로서, 광출력을 증가시키기 위해 Al,Cr,Ni 및 Ti 으로 이루어지는 군(group) 중의 물질을 포함하는 금속박막을 사용하고 있으며, 신틸레이터패널 및 방사선이미지 센서에 있어서 굴절율의 차이로 인한 광손실을 고려하지 않아 광출력의 검출효율이 크지 않다.

따라서 방사선 검출효율을 크게 하기 위해서는 신틸레이터 및 수광소자 사이의 결합제의 계면에서 일어나는 굴절률의 차이로 인한 광손실이 일어나지 않도록 신틸레이터패널 및 수광소자 사이에서 광손실을 제거하여 방사선 검출 효율을 향상시킬 수 있는 방사선 검출 장치 및 그 제조방법이 요청된다 할 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 신틸레이터패널에서 발생된 광이 수광소자로 이동하는 경우에 신틸레이터패널과 수광소자 사이의 계면에서의 광반사로 인한 광손실을 제거하여 방사선 검출 효율을 향상시킬 수 있는 방 사선 검출 장치 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 광결정이 형성된 방사선 검출 장치는,

기판, 상기 기판의 소정의 표면에 형성되는 신틸레이터층, 상기 신틸레이터층 아래에 형성되고 적어도 하나의 광결정으로 이루어진 신틸레이터패널 및 상기 신틸레이터패널의 일측에 맞대어 결합한 수광소자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 광결정이 형성된 방사선 검출기의 제조방법은,

기판의 제1면에 신틸레이터층을 증착하는 단계, 상기 기판의 제2면에 신틸레이터층에 광결정을 형성하기 위한 마스크로 사용할 물질을 사용하여 마스크 패터닝하는 단계, 패터닝된 마스크를 이용하여 식각을 통한 광결정 패턴을 형성하는 단계 및 상기 신틸레이터층의 일측에 맞대어 결합한 수광소자를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광결정이 형성된 방사선 검출 장치에 따르면, 광결정 구조를 수광소자에 인접한 부분에 형성함으로써 반사로 인한 광손실을 제거하면서 방사선 검출 효율을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 광결정이 형성된 신틸레이터를 이용하여 방사선을 검출하는 방사선 검출 장치 및 그 제조방법에 의하면, 기판 내 수광소자에 인접한 신틸레이터패널에 광결정을 형성함으로써 신틸레이터패널과 수광소자 사이의 굴 절률 차이에 의한 광 손실을 감소시킴으로써 광 투과율을 증가시키고 이를 통해 신틸레이터 광출력에 대한 추출 효율을 극대화시킨다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광결정이 형성된 방사선 검출 장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광결정이 형성된 방사선 검출 장치는 신틸레이터패널(100) 및 수광소자(200)로 이루어지고, 상기 신틸레이터패널(100)은 신틸레이터층(10), 기판(20) 및 광결정(30)을 포함한다.

상기 신틸레이터패널(100)은 상기 수광소자(200)를 결합하여, 신틸레이터(10) 측으로부터 입사하는 방사선을 광으로 변환한다.

상기 신틸레이터패널(100)에서 상기 기판(20)은 사파이어(Al₂O₃), SiO₂, 유리(Glass), 석영(Quartz), 및 신틸레이터 단결정(ZnO, GaN) 중에서 선택된 적어도 하나인 것이 바람직하다. 상기 기판(20)은 신틸레이션 광이 투과하는 투과성의 기판으로서 그 상측에는 신틸레이터층(10)이 스퍼터링증착법, 펄스레이저증착법, 수열합성법, 분자선결정성장시스템 또는 유기 금속 화학 증착법에 의해 증착된다. 본 발명의 실시예의 방사선 검출 장치에서 상기 기판(20)의 표면은 상기 기판(20)의 전면 또는 후면을 포함할 수 있다.

상기 신틸레이터층(10)은 특정원자가 도핑된 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 특정원자가 도핑된 CsI, 및 특정원자가 도핑된 NaI 중 선택된 적어도 하나가 신틸레이터 재료로 사용된다. 상기 특정원자는 산화아연의 경우 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 그룹의 3B족 원소이다. 또, CsI의 경우 대표적으로 나트륨(Na)과 탈륨(Tl)을 사용하고 NaI의 경우 대표적으로 탈륨(Tl)을 도핑한다.

상기 기판(20)은 마스크 패터닝을 하면, 적어도 하나의 홀 또는 기둥모양을 가지는 광결정(30)을 형성한다. 즉 상기 광결정(300)은 적어도 하나의 기둥모양을 홀(hall) 모양으로 할 수도 있다.

상기 적어도 하나의 홀은 상기 광결정(30)내의 기판(20)을 이루는 물질격자들 사이에서 차지하고 있는 공간으로서, 상기 홀에 공기 또는 기판 물질격자와 굴절율이 다른 물질이 채워져서 포토닉 밴드갭을 형성한다. 여기에서 포토닉 밴드갭(photonic bandgap)은 굴절율이 다른 두 종류의 물질로 구성된 광결정을 통과할 경우 특정 파장의 존재가 허용되지 않는 밴드갭을 말한다(도 4 참조).

상기 마스크 패터닝의 경우, 마스크(25,도 3 참조)로 사용할 물질로는, 예컨대 금속 재료, 산화계 재료, 질화계 재료 또는 PR(photo resist)중에서 선택된 적어도 하나를 사용한다.

상기 금속 재료는 Cr, Ag, Al, Au, Ti 및 Cu에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 산화계 재료는 SiO₂, ITO(Indium tin oxide), ZnO, 갈륨이 도핑된 산화아연(Gallium doped ZnO) 및 인듐도핑된 산화아연(Indium doped ZnO)에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 질화계 재료는 SiN, TiN 및 Si₃N₄ 에서 선택된 적어 도 하나를 포함한다.

상기 광결정(30)은 미세한 기둥모양을 형성하고, 대략 50 ~ 400 nm 깊이를 가지고 형성된다. 상기 광결정(30)은 상기 신틸레이터층(10)에서 생성된 광의 광투과율을 증가시키므로, 수광소자(200)에 입사하는 광을 증가시킨다.

또한, 상기 수광소자(200)는 예컨대 전하결합소자(Charge-Coupled Device; CCD), 광전자증배관(PMT, Photomultiplier Tube), 실리콘 포토다이오드(SPD, silicone photodiode), 광다이오드(PD, Photodiode) 또는 애벌란시 포토다이오드(APD, Avalanche Photodiode)를 포함하며, 상기 신틸레이터패널(100)에 인접한 부분에 결합하고, 상기 신틸레이터패널(100)에서 변환하는 광에 대해 촬상하는 수광소자를 사용하여 검출할 수 있다. 다시 말해 방사선 검출 장치는 상기 신틸레이터패널(100)에 상기 신틸레이터패널(100)을 통해 출력되는 방사선을 변환한 광을 촬상하기 위한 수광소자(200)를 결합한 구조를 포함한다.

도 2는 도 1에 도시된 방사선 검출 장치에서 신틸레이터 층 또는 기판에 형성된 광결정 구조를 나타낸 평면도이다. 도 2에서 부호 a는 상기 적어도 하나의 광결정을 구성하는 홀 또는 기둥 사이의 거리, 즉 주기를 나타내며, 부호 r은 광결정을 구성하는 홀 또는 기둥의 반지름을 나타낸다.

도 2를 참조하면 본 발명의 방사선 검출 장치는 신틸레이터층(10)이 형성된 기판(20)과 적어도 하나의 기둥을 가지는 광결정(30)을 도시하고 있다. 상기 적어도 하나의 광결정(30)은 대략 50 ~ 400 nm 깊이로 되고 서로 이웃하여 형성되는 또 다른 광결정 사이에서 단면이 원형으로 형성되는 것이 바람직하지만, 육각형, 사각형 또는 다각형의 구조로 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 광결정(30)이 배열되는 형상은 포토닉 밴드갭이 되는 도 2의 육각형 이외의 사각형 등 여러 가지 다각형 형상으로 형성할 수 있다.

다음에, 도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 광결정이 형성된 방사선 검출 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

도 3의 (a)는 기판의 뒷면에 마스크로 사용할 물질을 코팅한 신틸레이터패널의 단면도이고, 도 3의 (b)는 마스크를 사용하여 마스크 패터닝을 수행한 신틸레이터패널의 단면도이고, 도 3의 (c)는 RIE(Reactive ion etching) 또는 ICP(inductively coupled plasma)의 공정으로 식각한 신틸레이터패널의 단면도이다.

도면 3의 (a)를 참조하면, 본 실시예의 신틸레이터패널(100)을 제조하기 위해 먼저 기판(20)의 뒷면(신틸레이터(10)가 증착된 반대 면)에 마스크(25)로 사용할 물질을 코팅한다. 여기에서 상기 마스크(25)로 사용할 물질로는, 예컨대 금속 재료, 산화계 재료, 질화계 재료 또는 PR(photo resist)중에서 선택된 적어도 하나를 사용한다. 상기 금속 재료는 Cr, Ag, Al, Au, Ti 또는 Cu에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 산화계 재료는 SiO₂, ITO(Indium tin oxide), ZnO, 갈륨이 도핑된 산화아연(Gallium doped ZnO) 또는 인듐도핑된 산화아연(Indium doped ZnO) 에서 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 질화계 재료는 SiN, TiN 또는 Si₃N₄ 에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.

그 후 도 3의 (b)에서와 같이, 양각 패터닝된 패턴마스크(27)를 사용하여 적어도 하나의 광결정(30)을 형성하는 식각과정을 수행한다.

여기에서 마스크 패터닝을 하는 공정으로는 UV-나노임프린팅 식각공정(UV-nano-imprinting lithography) 또는 홀로그램 리소그래피 공정을 이용한다.

상기 나노임프린팅 식각공정은 구체적으로, UV에 경화되는 마스크(25)를 기판(20)의 뒷면에 증착하고, 패터닝하고자 하는 형태의 양각모양 스탬프(도시 안됨)를 마스크(25)로 사용할 물질에 대해 누르고 동시에 UV를 입사시키면, 상기 마스크(25)가 양각 패터닝된 패턴마스크(27) 상태로 경화되고, 스탬프를 떼어내면 패터닝된 패턴마스크(27) 형태가 얻어진다. 그러나 나노임프린팅 식각공정 이외에 패터닝된 마스크 패턴을 형성하기 위해서는, 열을 사용하여 패터닝된 마스크를 형성하는 핫엠보싱(Hot embossing)공정을 사용하거나 마스크로 사용할 물질이 코팅된 양각 스탬프를 사용하는 마이크로 콘택 프린팅(Micro contact printing)공정을 사용하는 것도 가능하다.

다음, 도 3의 (c)에서와 같이, 상기 패터닝된 패턴마스크(27)와 기판(20)에 패턴을 형성하도록 반응성 이온들이 마스크가 패터닝된 기판(20)의 표면에 대해 수직으로 동시에 입사된다. 다시 말해 상기 패터닝된 패턴마스크(27)가 패터닝된 기판(20)에 대하여 RIE(Reactive ion etching) 또는 ICP(inductively coupled plasma)의 공정을 사용해서 식각함으로써 다수의 미세한 기둥 모양을 형성하는 광결정(30)으로 이루어진 광결정 패턴을 형성하게 된다.

또한, 상기 신틸레이터패널(100, 도 1참조)의 광결정의 일측에 방사선 수광소자(200), 예컨대 전하결합소자(Charge-Coupled Device; CCD), 광전자증배관(PMT, Photomultiplier Tube), 실리콘 포토다이오드(SPD, silicone photodiode), 광다이오드(PD, Photodiode) 또는 애벌란시 포토다이오드(APD, Avalanche Photodiode)를 결합하여, 방사선 검출 장치를 완성한다.

본 실시예에 따른 방사선 검출 장치에 따르면, 상기 적어도 하나의 광결정이 신틸레이터에서 발생한 광을 수광소자로 전달하는 양을 증가시킬 수 있으므로 수광소자에서 검출하는 발광출력이 크고 따라서 방사선검출 효율이 높게 된다. 광결정에 의해 형성된 포토닉 밴드갭을 도 4를 참조하여 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치를 사용하여 광결정 구조를 형성할 경우 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 포토닉 밴드갭은 광결정의 깊이를 200 nm 로 하였을 때 신틸레이터 층의 광결정비((반지름(r)/주기(a))에 대한 주파수(주기(a)/발광파장(λ))의 변화를 나타낸다.

도 4의 포토닉 밴드갭 그래프에서 아래쪽에 표시된 세로선은 전계모드를 나타내는 TE(Transparant Electricty; TE)모드를 나타내고, 그래프 위쪽에 표시된 선은 전계투과 모드와 자계투과(Transparant Magnet; TM)모드의 결합(Joint mode)모 드를 나타낸다.

구체적으로 본 발명의 실시예에 따라 포토닉 밴드갭을 형성하여 광추출 효과를 향상시키기 위한 파장을 380 nm 라고 한다면, 우선적으로 세로측에서 넓은 영역을 보여주는 지점을 정한다(백색 동그라미영역). 정해진 지점에서의 세로측은 주기/발광파장이 주기/380 nm = 0.555 이므로 주기는 210.9 nm 가 된다.

그리고 가로측은 반지름/주기가 0.28 이므로 반지름/210.28 이라고 한다면(주기는 210.9 nm ), 광결정 비율이 반지름/210.9 nm = 0.28 에서 반지름은 59 nm 로 계산된다.

즉 목표로 하는 380 nm 의 광추출을 위해서 광결정구조로서, 두께 200 nm, 반지름 59 nm, 및 주기 210.9 를 가진 광결정 구조를 형성한다.

도 4에 포토닉 밴드갭으로 예시된 방사선을 검출 결과에 의하면, 광결정이 없이 상기 신틸레이터패널을 형성한 종래의 방사선 검출 장치와 비교하여 기판(20)에 일정한 주기의 광결정을 형성하였을 때 광이 광결정내에서 갇히지 않고 빠져나올 수 있는 포토닉 밴드갭이 형성되어 있기 때문에 광결정을 사용하면 상기 수광소자(200)에서 검출하는 발광출력이 크고 따라서 방사선 검출효율이 높게 증가됨을 확인할 수 있다.

본 발명은 이상의 설명 및 첨부도면을 통해 설명되었다. 이것들은 단순히 가장 양호한 실시 예시를 위해 나타내는 것으로서, 본 발명을 한정하는 것이라고는 볼 수 없다. 따라서 광결정을 형성하는데 있어서 굴절률이 다른 두 가지 물질을 사용한다면 어떠한 물질을 사용하여 제작하더라도 본 발명과 같은 효과를 얻을 수 있 다. 따라서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치의 개략 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 신틸레이터 층 또는 기판에 형성된 광결정 구조를 나타낸 평면도,

도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 장치의 제조에 있어서 기판의 뒷면에 마스크로 사용할 물질을 코팅한 신틸레이터패널의 단면도,

도 3의 (b)는 마스크를 사용하여 마스크 패터닝을 수행한 신틸레이터패널의 단면도,

도 3의 (c)는 RIE(Reactive ion etching) 또는 ICP(inductively coupled plasma)의 공정으로 식각한 상태의 신틸레이터패널의 단면도 및

도 4는 본 발명에 따른 방사선 검출 장치에 있어서 수광소자에 인접한 부분에 200nm 깊이로 광결정을 형성하였을 때 형성되는 포토닉 밴드갭을 나타낸 그래프이다.

<주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 신틸레이터층

20: 기판

25: 마스크

27: 패턴마스크

30: 광결정

100: 신틸레이터패널　

200: 수광소자　

Claims (16)

1. Al₂O₃, ZnO 및 GaN을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나인 기판과, 상기 기판의 전후면 중 어느 일면 상에 배치되고 특정원자가 도핑된 산화아연(ZnO) 및 특정원자가 도핑된 질화갈륨(GaN)을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 신틸레이터층과, 상기 기판의 전후면 중 다른 일면에 적어도 하나의 광결정을 포함하는 신틸레이터 패널; 및

   상기 기판의 광결정을 포함하는 면에 맞대어 결합되는 수광소자;를 포함하는 방사선 검출 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 신틸레이터층에서 특정원자는

   알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 나트륨(Na) 및 탈륨(Tl) 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광결정은

   적어도 하나의 홀 또는 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광결정은

   상기 기둥의 단면이 원형, 육각형 및 사각형 구조 중에서 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
7. 삭제
8. 제 5항에 있어서, 상기 광결정은

   상기 기둥의 배열이 직사각형 배열 및 육각형 배열 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
9. 기판의 제1면에 신틸레이터층을 증착하는 단계;

   상기 기판의 제2면에 광결정 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 기판의 광결정 패턴이 형성된 면에 수광소자를 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 광결정 패턴을 형성하는 단계는

    상기 기판의 제2면 상에 마스크 물질층을 형성하고 상기 마스크 물질층을 패터닝하여 패터닝된 마스크를 형성하는 단계;

    상기 패터닝된 마스크를 이용하여 상기 기판의 제2면을 식각하는 단계를 포함하며,

    상기 마스크 물질층은 금속 재료, 산화계 재료, 질화계 재료 및 PR(photo resist)중에서 선택된 적어도 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 금속 재료는

    Cr, Ag, Al, Au, Ti 및 Cu 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 산화계 재료는

    SiO₂, ITO(Indium tin oxide), ZnO, 갈륨이 도핑된 산화아연(Gallium doped ZnO) 및 인듐도핑된 산화아연(Indium doped ZnO)중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
13. 제 10항에 있어서, 상기 질화계 재료는

    SiN, TiN 및 Si₃N₄ 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
14. 제 9항에 있어서, 상기 광결정 패턴을 형성하는 단계는

    나노임프린팅 식각공정 또는 홀로그램 리소그래피 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
15. 제 9항에 있어서, 상기 광결정 패턴을 형성하는 단계는

    상기 광결정을 적어도 하나의 홀 또는 기둥모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치의 제조방법.
16. 제 9항에 있어서, 상기 광결정 패턴을 형성하는 단계는

    상기 기판의 제2면 상에 마스크 물질층을 형성하고 상기 마스크 물질층을 패터닝하여 패터닝된 마스크를 형성하는 단계;

    상기 패터닝된 마스크를 이용하여 상기 기판의 제2면을 식각하는 단계를 포함하는 방사선 검출 장치의 제조 방법.

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