KR101144748B1

KR101144748B1 - 결맞음 엑스선 발생 엑스선 타깃과 제조방법

Info

Publication number: KR101144748B1
Application number: KR1020090039523A
Authority: KR
Inventors: 최재호
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2012-05-24
Also published as: KR20100120733A

Abstract

본 발명은 결맞음성이 우수하고 높은 휘도를 갖는 경엑스선을 발생시킬 수 있는 X-선 발생소자에 관한 것으로 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 결합한 형태를 갖는다. 엑스선 타깃에서 발생된 엑스선은 엑스선 격자를 전파해가면 격자에 의한 회절, 간섭에 의해 동일한 위상을 가진 엑스선을 집속할 수 있는 조건을 갖도록 엑스선 격자와 타깃이 결합된 광원을 제조하여 높은 결맞음성을 갖는 엑스선 빔이 발생한다.

결맞음엑스선광원, 엑스선 격자, 어레이X-선광원, 회절, 굴절

Description

결맞음 엑스선 발생 엑스선 타깃과 제조방법 {X-ray Targets and its Fabrication Methods for Generation of Coherent X-rays}

본 발명은 엑스선의 결맞음성이 우수하며 높은 휘도를 갖는 엑스선빔을 발생시킬 수 있는 엑스선 격자 -타깃 일체형 엑스선 발생 소자이다.

결맞음성이 우수한 엑스선은 연엑스선의 경우 모세관 내의 기체를 강한 레이저 빔으로 여기 시켜 발생시킨다. 경엑스선의 경우에는 방사광 가속기에서 발생되는 엑스선 빔을 작은 구멍을 통과시켜 얻을 수 있다. 이러한 방법 즉, 작은 구멍을 통과할 때 동일한 위상을 가진 엑스선 만을 투과시키는 방법은 방사광 가속기에서 발생되는 엑스선 빔처럼 광자수가 많은 경우에는 발생된 엑스선 광자의 일부만 투과시켜도 엑스선 측정에 사용할 수 있는 충분히 강한 엑스선 광원을 얻는다.

그러나 일반적으로 엑스선 튜브에서 발생되는 엑스선은 광자수가 초당 10⁷ 개 정도 방출되므로 이와 같이 적은 수의 엑스선 광자를 작은 구멍을 통하여 극히 일부분의 엑스선 빔만을 투과시켜 동일 위상의 빔다발인 결맞음성을 갖는 엑스선을 발생 시킨다면 엑스선 광자수가 엑스선 영상획득 등의 엑스선 응용에 적용할 수 없을 만큼 작게된다.

결맞음 엑스선을 발생하는 또 다른 방법은 엑스선 도파로로 제조하여 엑스선을 도파시키는 방법이 있다. 엑스선 도파로는 투과 효율이 극히 낮아 방사광 가속기에서 발생한 엑스선 광원을 이용하는 경우에 만이 발생된 엑스선을 엑스선 영상 등 응용에 적용 할 수 있다. 효율면에서는 작은 구멍에 비해 큰 이득은 없으나 결맞음성이 작은 구멍을 통과한 엑스선 광보다 우수하다는 장점이 있다.

엑스선 도파로에서의 엑스선 광자수의 감소는 대부분 엑스선을 집속하는 엑스선 집속소자와 엑스선 도파로 간의 정렬시 불완전한 결합에 따른 엑스선 광자의 손실이다.

그러므로 본 발명에서는 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체화하여 엑스선 집속광학소자와 엑스선 도파로 사이의 커플링 손실을 최소화하며 발생된 엑스선을 격자에 의한 회절 및 굴절에 의해 가능한 많은 수의 동일 위상의 엑스선 광자를 발생시키고자 한다.

본 발명에서 제안하는 결맞음 엑스선 타깃을 구성하는 엑스선 격자는 격자의 구멍과 격자 구멍과 구멍사이의 간격을 조절함으로써 스크린 상에서 동일 위상의 엑스선 광원의 크기를 결정할 수 있다. 엑스선 타깃의 또 다른 구성요소인 엑스선 발생 타깃은 엑스선 격자의 입력단에 증착하여 형성하는 투과형 엑스선 타깃형이다.

투과형 엑스선 타깃에서 발생된 엑스선은 엑스선 격자에서 엑스선 빔들의 회절, 간섭효과에 의해 동일 위상의 엑스선 빔이 전파해 가게 되어 스크린 상에서는 높은 휘도를 갖는 결맞음 엑스선 빔을 얻게 된다.

엑스선의 가장 큰 특징은 직진성, 투과성이 강하다는 것이다. 하지만, X-선 역시 각 물질마다 미소한 차이의 고유 굴절률을 갖는다. 이러한 특징을 잘 이용한다면, X-선 역시 집광이 가능해진다. 엑스선 광학소자는 크게 굴절형, 반사형, 회절형으로 구분할 수 있다. 그중 본 발명의 X-선격자는 투과형 회절격자이다.

회절격자를 통과한 X-선 빔의 단면 모양과 크기는 빛이 회절이론으로부터 예측할 수 있다. 본 발명은 다수의 2중 박막을 적층한 형태를 이룬다. 이 이중 박막층의 한층은 엑스선 창으로 쓰이는 베릴륨을 사용하여 엑스선이 잘 통과하도록 하고, 다른 한 층을 엑스선의 반사가 큰 백금 또는 텅스텐 등의 금속을 사용하여 이들의 주기적으로 적층하여 다층박막 형태를 이룬다.

다중개구로부터 회절되는 빛과 강도 분포는 다음과 같이 주어진다.

여기서

이며 w는 개구의 두께이고 d는 개구 사이의 간격이다. 또한 λ는 입사하는 에스선의 파장이다.

식(1)에서 w의 두께를 입사파장의 100배 입력하고 d를 역시 파장의 100배로 입력하여 계산할 경우 <도 3>과 같은 회절무늬 강도를 얻게 된다.

또한 d값은 파장 50배 경우 <도 4>의 회절무늬 강도를 얻게 된다.

상기 결과로부터 엑스선의 회절 격자의 구조를 입사파장의 크기 회절 조건에 따라 주기적 구조를 제조한다면 동일 위상을 갖는 X-선 광을 이용할 수 있다.

엑스선의 파장은 수 nm(10^-9)에서 수 Å(10^-10m)의 파장을 갖는 전자기파로 강한 직진성과 투과성으로 인하여 불투명 물체 내부를 영상화 하는데 적당한 전자기파로 1895 렌트겐에 의해 발견 이후 다양한 측정 분야에 응용되어 오고 있다. 그러나 짧은 파장 임에도 불구하고 이들 엑스선에 의한 영상의 해상도는 일반적으로 수백 마이크로미터에서 수밀리미터에 불과하다. 이것은 엑스선의 흡수에 의한 그림자만을 계측할 수 있기 때문이다. 특히 연조직과 경골격과의 구분은 가능하나 연조직 내에 변화는 측정할 수 없다. 이것은 결맞음성이 낮고 투과력이 강한 엑스선이 연조직에서 흡수 변화가 적기 때문으로 기존의 결맞음성이 낮은 광원을 사용한 경우 그림자의 연조직내의 변화를 구분하기 어렵기 때문이다.

엑스선 영역 내에서의 물질의 굴절률

주어지는데 δ는 물질의 위상에 관여하는 값이며 10^-5~10^-7의 크기를 갖는다. β물질에서 엑스선의 흡수에 관여하는 값으로 10^-7~10^- ⁹의값을 갖는다. 이것은, 지금까지의 엑스선 흡수 영상은 β값에 의존하는 물질 변화를 측정해 왔으며 d값의 1/10 ~1/100정도의 작은 값을 갖는다. 즉, 동일 매질 내에서의 변화를 측정하기에는 매우 작은 값이다. 현재의 사업용, 임상용 엑스선 영상은 이러한 흡수 계수가 영향을 주기 때문에 생체의 골격과 연조직의 구분만이 가능하다.

δ값을 이용하여 엑스선 영상을 측정한다면 β값보다 10배~100배 큰 값을 측정할 수 있다. 즉, 엑스선 광원의 광자량을 그만큼 줄일 수 있어 실시간 측정이 가능하며, 또한 환자와 시료의 피폭량을 감소시킬 수 있다.

그러나 δ값을 이용하기 위해서는 엑스선 광원의 간섭성이 매우 우수해야 한다는 조건이 필요하다. 본 발명에서는 δ값을 이용하여 엑스선 위상차 영상을 획득할 수 있는 엑스선 광원과 이를 제조할 수 있는 방법을 제시한다. 즉, 엑스선 단일모드 도파로의 입력단에 엑스선 타깃을 증착하여 이 엑스선 타깃에서 발생된 엑스선이 커플링 손실을 최소화하여 엑스선 도파로 내에 전파하게 됨으로써 높은 휘도를 갖도록하고, 이 엑스선 광자들 중 동일 위상의 광자들의 중첩되어 높은 간섭성과 고 휘도를 달성할 수 있는 엑스선 타깃을 제조한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 나노크기의 두께를 가지면 수 마이크로미터 길이를 갖는 다수의 나노채널을 형성하며 이 박막 면의 편평도가 수 옹그스트롱(10^-10m)을 달성하여 엑스선을 전파하여 이들 각 채널은 격자의 개구역활을 하며 소자의 끝단으로부터 발생되는 엑스선 광을 회절에 의한 동일 위상 X-선이 발생된다. 이 격자 입사단에 엑스선 타깃물질을 위치시키고 전자빔을 조사시켜 엑스선을 발생시키고 발생된 엑스선이 격자사이의 개구부를 따라 전파해 가며 그 끝단에서 회절현상에 의해 결맞음성이 큰 엑스선이 발생 된다.

현재 기술로 나노채널 형성의 집중된 전자빔으로 식각하는 기술을 사용하고 있으나 이 기술은 나노채널 면의 편평도가 엑스선 격자가 요구되는 사양을 만족하지 못한다. 이것은 전자빔의 출력의 미세 요동 및 장치의 미세 진동이 나노채널 내부면의 편평도를 낮게 한다. 그러므로 본 발명에서는 나노크기의 두께를 가진 나노채널을 형성함에 있어 수 옹그스트롱 이하의 도파로 내면의 편평도를 달성하는 나노격자를 제조하여 결맞음성이 우수한 엑스선 빔을 발생시킨다.

본 연구는 엑스선 격자와 타깃을 일체형으로 제조하여 엑스선 광자를 충분히 많게 유지하며 결맞음성이 우수한 어레이 엑스선 광원을 얻고자 한다.

엑스선 도파로에서의 엑스선 광자수의 감소는 대부분 엑스선을 집속하는 엑스선 집 속소자와 엑스선 집속소자 간의 정렬시 불완전한 결합에 따른 엑스선 광자의 손실에 있다.

그러므로 본 발명에서는 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체화하여 엑스선 집속 광학소자와 엑스선 도파로 사이의 커플링 손실을 최소화하며 발생된 엑스선중 가능한 많은 수의 엑스선 광자를 격자내에 입사시키고자 한다.

격자에 입사된 엑스선은 격자에 의해 회절되며 회절되는 엑스선 빔은 격자 개구부의 두께와 격자 간격에 의해 결정되며 식(1)에 의해 회절된 빔의 강도와 빔폭을 계산 할 수 있다.

이 투과형 엑스선 타깃으로 발생된 엑스선은 엑스선 격자에서 회절조건에 만족하는 동일 위상의 엑스선 빔이 전파해 가게 되어 높은 휘도를 갖는 결맞음 엑스선 빔이 발생하게 된다.

본 발명에서 구현하고자 하는 방법은 나노 두께의 격자를 격자면의 편평도는 10^-10m정도를 유지하여 다층 박막을 형성함으로써 격자를 제조하고 이 격자의 전단에 엑스선 타깃 물질을 위치시켜 발생된 엑스선이 광원과 격자의 정렬에서 오는 엑스선 광자 손실을 줄이며 또한 타깃에서 발생된 엑스선이 회절에 의해 동일 위상이 중첩되어 전달된다. 또한 다층박막을 증착하여 제조된 격자는 고 반사율의 격자 면을 형성함으로써 회절이득을 증가시킬 뿐 만 아니라 내부에는 형성되는 엑스선 빔이 동일 위상에 중첩되어 단일모드 형성이 가능하게 된다. 그러므로 본 발명에서 구현하는 나노채널 형성 방법으로 제조된 일체형 엑스선 단일모드 광원은 엑스선 단일모드 격자 제조에 필수적인 기술이며 결맞음 엑스선 발생의 핵심부품으로 향후 엑스선 광자속이 매우 큰 결맞음 엑스선 빔을 발생하게 되고 이를 이용한 회절영상 획득 등 고해상도 엑스선 영상 측정 장치의 중요 부품이 될 것이다.

본 발명에서 제안하는 엑스선 격자-타깃 일체형 엑스선 광원은 타깃에서 발생된 엑스선이 커플링 손실을 최소화하며 엑스선 격자에 입사되고, 입사된 엑스선 빔은 격자들을 통과하여 동일위상의 빔들이 중첩하게 되어 높은 결맞음성을 갖는 엑스선을 발생시킨다. 본 발명에서 제안된 광원은 기존의 방법에 따라 엑스선 집속 광학계를 사용할 때 발생하는 엑스선 광자량 감소를 최소화하여, 높은 휘도를 갖게 될 것이다. 이 엑스선 광원에서 발생되는 엑스선 광원을 사용할 경우 엑스선 빔을 이용하여 엑스선 위상차 영상 획득이 가능해져 연조직, 생체조직 내부의 구조나 변화를 측정할 수 있다. 또한 엑스선 나노 회절 현상을 이용하여 엑스선의 나노영상획득이 가능해질 것이다.

일체형 엑스선 타깃 제조 공정은 다음과 같다. <도2, (10)>에 표시된 기판을 아세톤 및 증류수로 세척하고 스퍼터링 장치에 장착한 후 초고진공(10^-6torr)로 진공한후 알곤가스를 진공 챔버에 주입하여 10^-3torr로 유지한 후 텅스텐 박막<도2, (20)>을 200 나노미터 두께로 증착하여 버퍼층을 증착한다. 이후 격자의 반사층<도2, (30)>을 20 나노미터 두께로 증착하고 엑스선 투과 재료인 베릴륨 <도2, (40)>을 20 나노미터 두께로 증착한다. 상기 반사층(30)과 투과층(40)을 주기적으로 적층하여 엑스선 회절격자를 제조한다.

상기 공정 후 시료를 진공 챔버에서 꺼낸 후 증착면 표면에 폴리머 또는 에폭시를 도포하여 고체화(50)시킨다. 폴리머 층 또는 에폭시 층이 고형화 된 후 일정 크기로 절단 한 후 측면을 폴리싱하고 세척한다. 한쪽 측면에 <도1,(60)>과 같이 구리박막을 50 마이크로로 증착하여 엑스선 타깃 물질을 형성한다. <도 1>과 같이 엑스선 발생 소자를 완성한 후 진공쳄버 내에서 전자빔(도 1. (70)>을 타깃<도 1. (60)>에 조사하여 엑스선을 발생시키고 이 엑스선을 격자에 의해 회절되어 ,<도 3>과 같은 회절무늬 강도를 갖는 엑스선 빔이 발생된다.

10 : 기판

20 : 버퍼층

30 : 반사층

40 : 투과층

50 : 몰딩층(격자보호층)

60 : 엑스선 타깃

70 : 전자빔

Claims

(a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;

(b) 상기 버퍼층 상에 엑스선 반사층을 증착하는 단계;

(c) 상기 엑스선 반사층 상에 엑스선 투과층을 증착하는 단계;

(d) 상기 (c)단계에서 증착된 상기 엑스선 투과층 상에 엑스선 반사층과 엑스선 투과층을 주기적으로 적층하여 엑스선 회절격자를 형성하는 단계;

(e) 상기 엑스선 회절격자의 상기 주기적으로 적층된 표면에 폴리머를 도포하여 고체화시켜 폴리머층을 형성하는 단계; 및

(f) 상기 (a) 내지 (e) 단계에서 적층되어 형성된 구조물을 절단한 후 측면을 폴리싱하고 세척한 후, 절단 후 폴리싱된 측면 상에 투과형 엑스선 타깃인 구리층을 형성하는 단계를 포함하는

엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자의 제조 방법.
제1 항에 있어서,

상기 엑스선 반사층은 백금 또는 텅스텐을 포함하여 이루어지는, 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자의 제조 방법.
제1 항에 있어서,

상기 엑스선 투과층은 베릴륨을 포함하여 이루어지는, 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자의 제조 방법.
제1 항에 있어서,

상기 엑스선 반사층 및 상기 엑스선 투과층은 200nm의 두께를 가지는, 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자의 제조 방법.
격자 구조물; 및

상기 격자 구조물의 일 단면 상에 배치되는 투과형 엑스선 타깃인 구리층을 포함하되,

상기 격자 구조물은,

기판 상에 배치되는 버퍼층;

상기 버퍼층 상에 엑스선 반사층과 엑스선 투과층을 주기적으로 적층하여 형성되는 엑스선 회절격자; 및

상기 엑스선 회절격자의 상기 엑스선 반사층 및 상기 엑스선 투과층이 적층된 표면에 도포 후 고체화되어 형성되는 폴리머층을 구비하고,

상기 격자 구조물의 상기 일 단면은 적층된 상기 버퍼층, 상기 엑스선 회절격자, 및 상기 폴리머층을 절단한 후 절단된 측면을 폴리싱하고 세척하여 형성되는,

엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자.
제5 항에 있어서,

상기 격자 구조물의 상기 엑스선 반사층 및 상기 엑스선 투과층은 상기 투과형 엑스선 타깃인 구리층에서 발생한 엑스선을 회절시키는 기능을 수행하는, 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자.
제5 항에 있어서,

상기 격자 구조물의 상기 엑스선 반사층 및 상기 엑스선 투과층은 상기 투과형 엑스선 타깃인 구리층에서 발생한 엑스선을 회절현상에 의해 동일위상을 갖는 엑스선 광을 발생시키는 기능을 수행하는, 엑스선 격자와 엑스선 타깃을 일체형으로 구비하는 엑스선 발생 소자.