KR101214374B1 - 픽셀형 섬광체 구조물을 이용한 하이브리드 방사선 검출 장치 - Google Patents

픽셀형 섬광체 구조물을 이용한 하이브리드 방사선 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위하여, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하는 하이브리드 방사선 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서의 상부에 부착되고, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 비례하여 광전도체에서 전자-정공을 발생하고, 독출 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하는 것을 특징으로 한다.

Description

픽셀형 섬광체 구조물을 이용한 하이브리드 방사선 검출 장치{Hybrid Radiation Detection Apparatus using Pixel Type Scintillation Structure}
본 발명은 하이브리드 방사선 검출 장치에 관한 것으로서, 특히, X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위하여, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하는 하이브리드 방사선 검출 장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 간접 또는 직접 방식 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, X-선 등 방사선의 투과성질을 이용하여 환자의 신체부위나 물체를 투시하여 촬영하기 위하여 의료 및 산업분야에 디지털 방사선 검출 장치가 널리 사용되고 있다.
디지털 방사선 검출 장치는 크게 간접방식과 직접방식으로 나눠지며, 간접 방식 디지털 방사선 검출 장치는 X-선 등 방사선을 흡수하여 가시광선을 발생하는 섬광체, 및 발생한 가시광선을 전기적 신호로 읽기 위한 포토다이오드(PD)를 포함하는 비정질 실리콘 TFT(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, a-Si TFT), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등의 이미지 센서로 구성된다. 직접방식 디지털 방사선 검출 장치는 입사하는 X-선 등 방사선을 가시광으로 전환 없이 바로 전하(전자-정공)를 발생시키는 광전도체(PCL: Photo Conductive Layer), 및 발생한 전하를 전기적 신호로 읽기 위한 TFT(thin film transistor)를 포함한 이미지 센서로 구성되어있다.
간접방식의 경우 섬광체 내에서 발생한 가시광선의 산란으로 영상의 공간 분해능이 감소하는 단점을 가지고 있으며, 직접방식은 두꺼운 amorphous selenium(a-Se) 등의 광전도체의 사용으로 광전도체 내에서 발생한 전하를 수집하기 위하여 높은 전압의 인가가 필요하여 이미지 센서를 구성하는 TFT 어레이의 손상(breakdown)을 야기하며, 영상에 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상 등이 나타나는 단점을 가지고 있다.
최근에는 도 2와 같이, 간접 방식의 섬광체와 직접 방식의 광전도체(PCL)와 TFT 어레이 이미지 센서를 적용하려는 시도가 있다. 이때, 섬광체로서, 수십 내지 수백 μm의 두께를 가지는 Gd2O2S(Tb), Gd2O2(Eu) 물질 등 다양한 분말형 섬광체(powdered phosphor)가 시도되고 있으며, 또한, 빛의 퍼짐을 줄여 공간 분해능을 향상시키기 위한 섬광체로서 물리적 기상증착장비(physical vapor deposition, PVD)를 통하여 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세구조형 섬광체(structured phosphor)가 시도되고 있다. 섬광체는 CsI(Na) 또는 CsI(Tl) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이어야 하며, 또한 방출되는 가시광선의 파장이 광전도체와 양자 효율(quantum efficiency)이 좋은 도핑 물질이어야 한다. 하지만 바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도, 도 3과 같이 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 이웃 픽셀로의 빛의 산란을 방지하기 위한 연구가 필요하다. 이외에도 광전도체 내에서 발생한 전하를 가속시켜 전하 증폭을 통해 영상 신호를 획득하려는 시도가 있으나, 더욱 더 양자 효율 및 공간 분해능을 향상시키기 위한 노력이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위하여, 섬광체를 이용하는 간접방식과 광전도체를 사용하는 직접방식을 접목시키되, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하여 빛의 퍼짐을 방지하여 양자 효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 방사선 검출 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 픽셀형 섬광체 구조물에 의한 엑스선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, readout효율을 향상(광학 스위칭 readout 방식의 경우 더욱 향상됨.)시켜, 이미지 센서를 구성하는 TFT들의 손상을 방지할 수 있으며, 높은 민감도를 가지고, 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상을 최소화하여 저잡음의 영상을 획득할 수 있는 하이브리드 방사선 검출 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 픽셀형 섬광체에서 발생한 가시광선을 흡수한 광전도체가 전하를 발생시킬 때, 애벌런치 현상(avalanche effect)을 이용해 전하 증폭이 발생되도록 함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 엑스선으로도 선명한 영상을 획득할 수 있으며, 광학 스위칭 readout 방식의 경우 기존의 엑스선 흡수를 위한 두꺼운 광전도체 대신 하이브리드 구조의 얇은 광전도체 층으로 인해 최종적인 신호의 readout 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 하이브리드 방사선 검출 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서의 상부에 부착되고, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀화된 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체로부터 방출되는 가시광에 따라 광전도체에서 전자-정공을 발생하고, readout 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하는 것을 특징으로 한다.
상기 이미지 센서는, 기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 TFT 어레이, 상기 TFT 어레이 위에 형성된 광전도체층, 및 상기 광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함한다.
상기 전기적 신호를 독출하기 위한 상기 TFT 어레이의 해당 전극과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 전자-정공 발생을 증폭할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 픽셀 전극 어레이, 상기 픽셀 전극 어레이 위에 형성된 광학 스위칭(optical switching) readout용 제1광전도체층, 상기 제1광전도체층 위에 형성된 charge trapping layer(CTL), 상기 CTL 위에 형성된 엑스선 또는 가시광선을 흡수하는 제2광전도체층, 및 상기 제2광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함한다.
상기 픽셀 전극 어레이는 각각 독출용 투명 전극, 및 전하 소거용 불투명 전극을 포함하고, 상기 전기적 신호를 독출할 때 상기 투명 독출용 전극에만 전압이 인가되고, 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 상기 투명 독출용 전극 및 상기 불투명 전하 소거용 전극에 모두 전압이 인가될 수 있다.
상기 전기적 신호를 독출할 때, 광스위치 소자를 이용해 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 상기 투명 readout용 전극 쪽으로 빛을 조사하고, 상기 방사선에 의해 상기 제2광전도체층으로부터 발생되어 상기 CTL에 모인 전자가, 상기 광스위치 소자로부터의 빛에 의해 상기 제1광전도체층에서 정공과 재결합되고, 상기 제1광전도체층의 남은 전자에 의해 상기 투명 readout용 전극을 통해 상기 전기적 신호가 독출되며, 상기 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 상기 픽셀형 섬광체 구조물의 상부 또는 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 빛을 조사하여 상기 제1광전도체층의 남은 전하를 소거할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 투명 readout용 전극에 연결된 상기 전기적 신호의 감지용 회로를 더 포함한다.
상기 전도체층과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 전자-정공 발생을 증폭할 수 있다.
상기 이미지 센서는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 상기 픽셀형 섬광체 구조물은 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀형 섬광체를 포함하고, 상기 방사선이 조사될 때, 1차원의 행 또는 2차원의 어레이 단위로 스캔하여 각 행 또는 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 행의 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치의 동작 방법은, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서의 상부에, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 부착하고, 상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하며, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체로부터 방출되는 가시광에 비례하여 광전도체에서 전자-정공을 발생하고, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 readout 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치는, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용하여 빛의 퍼짐을 방지하여 양자 효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있다.
또한, 픽셀형 섬광체에 의한 엑스선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, readout 효율을 향상(광학 스위칭 readout 방식의 경우 더욱 향상됨.)시켜, 이미지 센서를 구성하는 TFT들의 손상을 방지할 수 있으며, 높은 민감도를 가지고, 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상을 최소화하여 저잡음의 영상을 획득할 수 있다.
또한, 픽셀형 섬광체에서 발생한 가시광선을 흡수한 광전도체가 전하를 발생시킬 때, 애벌런치 현상을 이용해 전하 증폭이 발생되도록 함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 엑스선으로도 선명한 영상을 획득할 수 있으며, 광학 스위칭 readout 방식의 경우 기존의 엑스선 흡수를 위한 두꺼운 광전도체 대신 하이브리드 구조의 얇은 광전도체 층으로 인해 최종적인 신호의 readout 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고 X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히 저선량의 엑스선 fluoroscopy 응용분야뿐만 아니라 고분해능을 필요로 하는 general radiography, mammography등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
도 1은 일반적인 간접 또는 직접 방식의 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 하이브리드 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 하이브리드 방사선 검출 장치에서 공간 분해능의 저조함을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 픽셀형 섬광체 구조물과 이미지 센서의 픽셀 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 픽셀형 섬광체 구조물의 단면에 대한 사진들을 예시한 그림이다.
도 7은 도 4 구조에서의 애벌런치 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8 구조에서의 애벌런치 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예들을 이용한 이미지 스캔을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(100)는, 이미지 센서(110) 및 픽셀형 섬광체 구조물(120)를 포함한다.
이미지 센서(110)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 이를 위하여 기판(111) 위에 이미지 센서(110)의 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 TFT(Thin Film Transistor) 어레이(112), TFT 어레이(112) 위에 형성된 광전도체층(113), 및 광전도체층(113) 위에 형성된 투명 도전막(114)를 포함한다. 픽셀형 섬광체 구조물(120)는 이미지 센서(110)의 상부에 부착되고, 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 포함한다.
TFT(Thin Film Transistor) 어레이(112)는 금속, 실리콘, 유리 등의 기판(111) 상에 비정질 실리콘을 활성층으로 사용하여 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조로 형성된다.
광전도체층(113)은 PCL(Photo Conductive Layer)층으로서 amorphous selenium(a-Se), CdTe, CZT(CdZnTe), HgI2, PbI2, PbO, BiI3 등 다양한 물질로 이루어질 수 있으며, X-선, 가시광 등 빛을 받으면 전자-정공을 발생하여 전도도가 증가되는 특성을 갖는다.
투명 도전막(114)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등 투명하면서 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어진 박막이며, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 각 픽셀형 섬광체들로부터 들어오는 X-선, 가시광 등을 투과시킬 수 있다.
픽셀형 섬광체 구조물(120)는 도 5와 같이 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서, 즉, TFT 어레이(112)에 대응되도록 격벽으로 구분된 픽셀형 섬광체들을 포함한다. 픽셀형 섬광체 구조물(120)은 소정 기판에 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막 등을 일정 두께로 형성한 후 D-RIE(Deep Reactive Ion Etching) 방식 등을 이용해 필요한 깊이까지 트렌치(trench) 공정을 진행하여 픽셀간 분리를 위한 격벽을 만들고, 격벽 사이에 섬광물질을 채움으로써 제조될 수 있다. 도 6a와 같이, 격벽 사이에 분말형 섬광물질을 채워 픽셀형 섬광체들을 형성할 수 있으며, 또는 도 6b와 같이, 격벽 사이에 분말형 섬광물질을 채운 후 열을 가해 액상으로 만든 후 냉각시켜 견고한 픽셀형 섬광체들이 형성되도록 할 수도 있다. 격벽으로 구분된 픽셀형 섬광체들을 위한 섬광물질로서 NaI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 나트륨), CsI(T1) (탈륨을 첨가한 요오드화 세슘), CsI(Na) (나트륨을 첨가한 요오드화 세슘), BGO, CdWO4, CaF2(Eu), Gd2O2S(Tb), Gd2O2(Eu) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이 사용되며, X-선 등 방사선을 받아 방출되는 가시광선의 파장이 광전도체층(113)와 양자 효율(quantum efficiency)이 양호하도록 되어야 한다.
위와 같이 제조된 픽셀형 섬광체 구조물(120)와 이미지 센서(110)는 소정 투명 부착 수단에 의하여 부착되어 서로 결합될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만, 이와 같은 부착 전에 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 상부(X-선 받는 쪽) 및 측면의 격벽에는 섬광체에서 발생하는 가시광을 반사시키기 위한 막이 형성될 수 있고, 또한, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 하부(이미지 센서 쪽)에는 가시광을 투과시키기 위한 막이 포함될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 픽셀형 섬광체 구조물(120)을 이용하게 되며, 이는 기존의 픽셀 구분 없이 이미지 센서 상부의 전면에 분말형 섬광체(powdered phosphor)나 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조형 섬광체(structured phosphor)를 형성하는 방식과 다르며, 도 4 및 도 5와 같이, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용함으로써 빛의 퍼짐 또는 산란을 방지하여 양자 효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있게 하였다.
픽셀형 섬광체 구조물(120)의 픽셀 섬광체들은 각각 X-선 등 방사선을 받아 가시광으로 변환할 수 있으며, 픽셀 센서들로 이루어진 이미지 센서(110)의 광전도체층(113)에서는 픽셀형 섬광체로부터의 가시광을 받아 전하(전자-정공 쌍)을 발생하고, 독출(readout) 회로, 즉, 이미지 센서(110)의 TFT 어레이(112)를 이용해 광전도체층(113)에서 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하게 된다.
예를 들어, 하이브리드 방사선 검출 장치(100)는 환자의 암이나 기타 환부의 상태를 진단하기 위하여 X-선 및 감마선 등 방사선을 환부에 조사하고 해당 영상을 획득하기 위한 방사선 촬영 장치에 이용될 수 있다. X-선, 감마선 등의 방사선이 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 픽셀형 섬광체들로 입사되면 섬광체들에서 가시광으로 변환되어 이미지 센서(110)로 출사될 수 있다. 일부 방사선은 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 픽셀형 섬광체들을 투과하여 직접 이미지 센서(110)로 출사되는 경우를 배제하지 않는다. 일정 밴드갭(Eg)을 갖는 섬광체들에 입사된 X-선 등 방사선은 섬광 물질을 여기시켜서 가전자대의 전자를 여기자(exciton) 밴드를 거쳐 전도대로 올리며, 전도대의 전자가 트랩이나 활성화 센터(activation center)를 거쳐 낮은 에너지 상태로 내려 올 때 200~600nm 파장대의 가시광을 방출시킬 수 있게 된다.
이미지 센서(110)는 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체들로부터 출사되는 가시광을 광전 변환하여 소정 화상 신호를 출력할 수 있게 된다. 즉, 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 섬광체들로부터 출사되는 빛은 이미지 센서(110)의 투명 도전막(114)을 통과하여 광전도체층(113)으로 조사되며, 광전도체층(113)에서는 이와 같은 빛을 받아 전자-정공을 발생하고, TFT 어레이(112)는 각 픽셀에서 광전도체층(113)으로부터 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하게 된다. 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에는 일정 전압이 인가되어, 예를 들어, 광전도체층(113)의 정공은 투명 도전막(114)으로 이동하고, 광전도체층(113)의 전자는 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극)으로 끌려오게 됨으로써, TFT 어레이(112)는 각 픽셀에서 방사선에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
예를 들어, 도 10과 같이, 이미지 센서(110)와 픽셀형 섬광체 구조물(120)이 2차원 어레이 형태로 구성된 경우에, 픽셀형 섬광체 구조물(120)로 방사선이 조사될 때, 행 단위(경우에 따라, 복수행 단위 가능)로 스캔하여 각 행의 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 행의 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
이와 같은 TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출(electrical switching readout) 방식의 픽셀화된 섬광체를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(100)에서는, 입사되는 X-선 등 방사선이 섬광체에 흡수되어 가시광을 방출하며, 등방성의 방향으로 발생한 가시광이 픽셀형 섬광체 구조물(120)의 격벽에 흡수 또는 반사되어 이웃 픽셀로 투과 될 수 없으며 아래의 광전도체층(113)로 향하게 되도록 함으로써, 픽셀형 섬광체에 의한 X-선 등 방사선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체층(113)에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, readout 효율을 향상 시킬 수 있으며, 이에 따라 높은 민감도를 가지고, 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상을 최소화하여 저잡음의 영상을 획득할 수 있게 된다. 또한, 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에 인가하는 전압을 낮출 수 있으므로, 이미지 센서(110)를 구성하는 TFT들의 손상을 방지할 수 있게 된다.
도 7은 도 4 구조에서의 애벌런치(avalanche) 효과를 설명하기 위한 도면이다. 예를 들어, 투명 도전막(114)과 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극) 사이에 애벌런치 현상이 발생할 정도의 일정 수준의 전압 크기를 인가하는 경우에, 도 7과 같이, 광전도체층(113)에서 발생하는 전하(전자-정공) 중 정공은 투명 도전막(114)으로 이동하고, 전자는 TFT 어레이(112)의 각 TFT의 한 전극(예를 들어, 소스/드레인 전극)으로 끌려오는 동안, 가속된 전자는 기하 급수적인 전자-정공의 발생을 증폭시킬 수 있고, 이와 같은 애벌런치 현상으로 TFT 어레이(112)를 통해 각 픽셀에서 방사선에 대응된 높은 전기적 신호를 독출함으로써, 증폭된 높은 이득(gain)의 영상 신호에 따라 저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에서, Non-TFT인 광학적 스위칭 독출(optical switching readout) 방식의 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(200)는, 이미지 센서(210), 픽셀형 섬광체 구조물(220), 및 광스위치 소자(230)를 포함한다.
광학적 스위칭 독출 방식의 이미지 센서(210)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 이를 위하여 소정 기판 위에 이미지 센서(210)의 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 픽셀 전극 어레이(212), 픽셀 전극 어레이(212) 위에 형성된 readout용 광전도체층(213), 및 광전도체층(213) 위에 형성된 CTL(214), CTL(214) 위에 형성된 다른 광전도체층(215), 및 광전도체층(215) 위에 형성된 투명 도전막(216)를 포함한다. 이외에도 픽셀 전극 어레이(212)의 각 픽셀에 대응된 투명 독출용 전극(R), 및 전하 소거용 불투명 전극(E) 중, 각 투명 독출용 전극(R)에 연결되어 전기적 신호를 독출하기 위한 전기적 신호 감지용 회로(211)를 포함하며, 감지용 회로(211)는 픽셀 전극 어레이(212), readout용 광전도체층(213), 및 CTL(Charge Trapping Layer)(214), 광전도체층(215), 및 투명 도전막(216)이 형성되는 기판 상에 이미지 센서(210)와 일체로 구현될 수도 있으며, 경우에 따라서는 외부 회로로서 상기 기판에 부착되어 동작되도록 구현될 수도 있다.
픽셀형 섬광체 구조물(120)는 이미지 센서(210)의 상부에 부착되고, 이미지 센서(210)의 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 포함한다. 기타 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 제조 방법 및 특성은 도 4내지 도 에서 설명한 바와 같으며, 여기서는 픽셀형 섬광체 구조물(220)에 관한 자세한 설명을 생략한다.
픽셀 전극 어레이(212)는 각 픽셀에 대응된 투명 독출용 전극(R), 및 전하 소거용 불투명 전극(E)으로 이루어지며, 투명 독출용 전극(R)은 조사되는 방사선에 대응된 전기적 신호를 독출하기 위한 전극으로서 감지용 회로(211)에 연결되며, 전하 소거용 불투명 전극(E)는 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 광전도체층(213)에 남은 전하를 소거 또는 제거하여 리셋(reset)시키기 위한 전극이다.
광전도체층(213/215)은 PCL(Photo Conductive Layer)층으로서 amorphous selenium(a-Se), CdTe, CZT(CdZnTe), HgI2, PbI2, PbO, BiI3 등 물질로 이루어질 수 있으며, X-선 및 가시광 등 빛을 받으면 전자-정공을 발생하여 전도도가 증가되는 특성을 갖는다.
투명 도전막(216)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등 투명하면서 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어진 박막이며, 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 각 픽셀형 섬광체들로부터 들어오는 X-선, 가시광 등을 투과시킬 수 있다.
CTL(214)은 광전도체에서 발생한 전자를 잡아주는(trapping) 역할을 하며, As2Se3와 Cl이 도핑된 a-Se 물질일 수 있고, 다만 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 전도성이 있는 금속막으로 이루어질 수도 있다.
위와 같이 제조된 픽셀형 섬광체 구조물(220)와 이미지 센서(210)는 소정 투명 부착 수단에 의하여 부착되어 서로 결합될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만, 이와 같은 부착 전에 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 상부(X-선 받는 쪽) 및 측면의 격벽에는 섬광체에서 발생하는 가시광을 반사시키기 위한 막이 형성될 수 있고, 또한, 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 하부(이미지 센서 쪽)에는 가시광을 투과시키기 위한 막이 포함될 수 있다.
이와 같이 광학적 스위칭 readout방식의 본 발명에서도 픽셀형 섬광체 구조물(220)을 이용하게 되며, 이는 기존의 픽셀 구분 없이 이미지 센서 상부의 전면에 분말형 섬광체(powdered phosphor)나 바늘기둥형태(columnar or needle structure)의 미세구조형 섬광체(structured phosphor)를 형성하는 방식과 다르며, 도 4 및 도 5와 같이, 픽셀형으로 제조된 섬광체 구조물을 이용함으로써 빛의 퍼짐 또는 산란을 방지하여 양자 효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있게 하였다.
예를 들어, 이미지 센서(210)에서 전기적 신호를 독출할 때, 픽셀 전극 어레이(212)의 투명 독출용 전극(R)에만 전압이 인가되고, 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 픽셀 전극 어레이(212)의 투명 독출용 전극(R) 및 불투명 전하 소거용 전극(E)에 모두 전압이 인가될 수 있다. 또한, 투명 도전막(216)에도 일정 전압이 인가된다. CTL(214)은 전자를 트래핑 하는 역할을 수행하며 여기에는 전원이 인가되지 않는다.
이미지 센서(210)에서 전기적 신호를 독출할 때, 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 픽셀형 섬광체들은 각각 X-선 등 방사선을 받아 가시광으로 변환할 수 있으며, 픽셀 센서들로 이루어진 이미지 센서(210)의 광전도체층(215)에서는 픽셀형 섬광체로부터의 가시광을 받아 전자-정공(전자-정공쌍)을 발생한다. 또한, 방사선에 의해 광전도체층(215)으로부터 발생된 전자는 CTL(214)으로 모이게 된다(trapping). 이때, 광스위치 소자(230)를 이용해 픽셀 전극 어레이(212)의 하부에서 빛(예를 들어, 블루(청색) 파장)을 조사하면, 투명 독출용 전극(R)쪽을 통해 광전도체층(213)으로 빛이 조사되며, 불투명 전하 소거용 전극(E)의 불투명 성질에 따라 불투명 전하 소거용 전극(E)쪽으로는 빛이 조사되지 않는다. 이때, 전도체층(214)에 트랩된 전자는, 광스위치 소자(230)로부터의 빛에 의해 광전도체층(213)에서 발생한 정공과 재결합되고, 광전도체층(213)의 남은 전자에 의해 투명 독출용 전극(R)에 연결된 감지용 회로(211)는 각 픽셀에서 방사선에 대응된 해당 전기적 신호를 독출할 수 있다.
예를 들어, 도 10과 같이, 이미지 센서(210)와 픽셀형 섬광체 구조물(220)이 2차원 어레이 형태로 구성된 경우에, 픽셀형 섬광체 구조물(220)로 방사선이 조사될 때, 행 단위(경우에 따라, 복수행 단위 가능)로 스캔하여 각 행의 이미지 센서(210)의 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 행의 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 대응된 전기적 신호를 독출할 수 있다.
이와 같이 행 단위로 스캔하여 전기적 신호를 독출하는 과정은 일정 주기로 반복될 수 있으며, 이와 같은 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 픽셀형 섬광체 구조물(210)의 상부 또는 픽셀 전극 어레이(212)의 하부에서 빛(예를 들어, Red(적색), Green(녹색), 또는 Blue(청색) 파장)을 조사하여 광전도체층(213)의 남은 전하를 소거할 수 있다.
이와 같이 Non-TFT인 광학적 스위칭 readout 방식의 본 발명에서, 전기적 신호의 독출 때 광스위치 소자(230)를 통한 빛(예를 들어, Blue(청색) 파장)의 조사와 투명 독출용 전극(R)으로의 전기적 신호 독출 과정, 및 독출 사이의 기간에 광전도체층(213)의 전하 소거를 위하여 광스위치 소자(230)를 통한 빛(예를 들어, Red(적색), Green(녹색), 또는 Blue(청색) 파장)의 조사 과정이 반복된다. 광스위치 소자(230)는 소정 수단을 통해 전기적 신호가 독출되는 행에만 빛을 조사할 수 있다. 광스위치 소자(230)는 램프를 기계적 수단으로 이동시키며 행 단위로 빛을 스캔하는 방식일 수 있고, 또는 램프를 고정하고 필요한 행에만 빛을 조사하도록 광학적 스위치를 온/오프하는 방식 등 다양한 방식이 이용될 수 있다.
이와 같은 Non-TFT인 광학적 스위칭 readout 방식의 픽셀화된 섬광체를 이용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(200)에서도, 입사되는 X-선 등 방사선이 섬광체에 흡수되어 가시광을 방출하며, 등방성의 방향으로 발생한 가시광이 픽셀형 섬광체 구조물(220)의 격벽에 흡수 또는 반사되어 이웃 픽셀로 투과 될 수 없으며 아래의 광전도체층(215)로 향하게 되도록 함으로써, 픽셀형 섬광체에 의한 X-선 등 방사선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시키고 가시광선을 흡수한 얇은 광전도체층(215)에서 전하(전자-정공)를 발생시킴으로써, readout효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 높은 민감도를 가지고, 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상을 최소화하여 저잡음의 영상을 획득할 수 있게 된다.
도 9는 도 8 구조에서의 애벌런치 효과를 설명하기 위한 도면이다. 예를 들어, 투명 도전막(216)과 CTL(214) 사이에 애벌런치 현상이 발생할 정도의 일정 수준의 전압 크기를 인가하는 경우에, 도9와 같이, 광전도체층(215)에서 발생하는 전하(전자-정공) 중 정공은 투명 도전막(216)으로 이동하고, 전자는 CTL(214)으로 끌려오는 동안, 가속된 전자는 기하 급수적인 전자-정공의 발생을 증폭시킬 수 있고, 이와 같은 애벌런치 현상으로 CTL(214)에 트랩된 전자는, 광스위치 소자(230)로부터의 빛에 의해 광전도체층(213)에서 발생한 정공과 재결합되고, 광전도체층(213)에서 더욱 많이 남게 된 전자에 따라 감지용 회로(211)에 의하여 방사선에 대응된 증폭된 높은 이득(gain)의 해당 전기적 신호를 독출할 수 있게 된다. 이에 따라 저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득할 수 있게 된다.
지금까지, TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출(electrical switching readout) 방식의 픽셀화된 섬광체 및 Non-TFT인 광학적 스위칭 독출 방식의 픽셀화된 섬광체를 이용하는 하이브리드 방사선 검출 장치에 대하여 설명하였다. 이와 같은 본 발명에 따른 하이브리드 방사선 검출 장치(100/200)는, X-선 및 감마선 등의 진단 방사선 검출장치와 고에너지의 방사선 치료기기를 포함한 고 에너지 방사선 분야 등 산업 전반에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히, 저선량의 엑스선 fluoroscopy 응용분야뿐만 아니라 고분해능을 필요로 하는 general radiography, mammography등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110, 210: 이미지 센서
120, 220: 픽셀형 섬광체 구조물
230: 광스위치 소자

Claims (10)

  1. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서의 상부에 부착되고, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 이미지 센서는, 기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조의 TFT(Thin Film Transistor) 어레이, 상기 TFT 어레이 위에 형성된 광전도체층, 및 상기 광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함하며,
    상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 비례하여 상기 광전도체층에서 전자-정공을 발생하며, 독출 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하되,
    저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득하기 위하여, 상기 TFT 어레이의 해당 전극과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 가속된 전자에 의해 증폭된 상기 전자-정공의 발생에 따라 전기적 신호를 증폭시키기 위한 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서의 상부에 부착되고, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 이미지 센서는, 기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 픽셀 전극 어레이, 상기 픽셀 전극 어레이 위에 형성된 제1광전도체층, 상기 제1광전도체층 위에 형성된 CTL(Charge Trapping Layer), 상기 CTL 위에 형성된 제2광전도체층, 및 상기 제2광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함하며,
    상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하고, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체로부터의 가시광에 비례하여 전자-정공을 발생하고, 독출 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하되, 저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득하기 위하여, 상기 CTL과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 가속된 전자에 의해 증폭된 상기 전자-정공의 발생에 따라 전기적 신호를 증폭시키기 위한 것으로서,
    상기 픽셀 전극 어레이는 각 픽셀에 대한 투명 독출용 전극, 및 전하 소거용 불투명 전극을 포함하고,
    상기 전기적 신호를 독출할 때, 상기 투명 독출용 전극에만 전압이 인가되고, 광스위치 소자를 이용해 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 상기 투명 독출용 전극쪽으로 빛을 조사하고, 상기 방사선에 의해 상기 제2광전도체층으로부터 발생되어 상기 CTL로 트랩된 전자가, 상기 광스위치 소자로부터의 빛에 의해 상기 제1광전도체층에서 발생한 정공과 재결합되고, 상기 제1광전도체층의 남은 전자에 의해 상기 투명 독출용 전극을 통해 상기 전기적 신호가 독출되며,
    주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 상기 투명 독출용 전극 및 상기 전하 소거용 불투명 전극에 모두 전압이 인가되고, 상기 픽셀형 섬광체 구조물의 상부 또는 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 빛을 조사하여 상기 제1광전도체층의 남은 전하를 소거하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 상기 투명 독출용 전극에 연결된 상기 전기적 신호의 감지용 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며,
    상기 픽셀형 섬광체 구조물은 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀형 섬광체를 포함하고,
    상기 방사선이 조사될 때, 행 단위로 스캔하여 각 행의 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 행의 픽셀형 섬광체에서 발생하는 가시광에 대응된 전기적 신호를 독출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치.
  9. 하이브리드 방사선 검출 장치의 동작 방법에 있어서,
    어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서의 상부에, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 부착하고,
    상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하며,
    기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조의 TFT(Thin Film Transistor) 어레이, 상기 TFT 어레이 위에 형성된 광전도체층, 및 상기 광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함하도록 이루어진, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체에서 발생하는 가시광에 비례하여 상기 광전도체층에 전자-정공을 발생하고,
    상기 복수의 픽셀 센서가 각각 독출 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하되,
    저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득하기 위하여, 상기 TFT 어레이의 해당 전극과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하는 단계, 및 상기 전압의 인가에 따라 애벌런치 효과로 가속된 전자에 의해 증폭된 상기 전자-정공의 발생에 따라 전기적 신호를 증폭시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치의 동작 방법.
  10. 하이브리드 방사선 검출 장치의 동작 방법에 있어서,
    어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 이미지 센서의 상부에, 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 섬광체를 가지는 픽셀형 섬광체 구조물을 부착하고,
    상기 복수의 픽셀형 섬광체가 각각 방사선을 받아 가시광으로 변환하며,
    기판 상에 형성된, 상기 전기적 신호를 독출하기 위한 픽셀 전극 어레이, 상기 픽셀 전극 어레이 위에 형성된 제1광전도체층, 상기 제1광전도체층 위에 형성된 CTL(Charge Trapping Layer), 상기 CTL 위에 형성된 제2광전도체층, 및 상기 제2광전도체층 위에 형성된 투명 도전막을 포함하도록 이루어진, 상기 복수의 픽셀 센서가 각각 해당 픽셀형 섬광체에서 발생하는 가시광에 비례하여 전자-정공을 발생하고,
    상기 복수의 픽셀 센서가 각각 독출 회로를 이용해 상기 발생된 전자-정공에 대응하는 전기적 신호를 독출하되,
    저선량의 방사선으로도 선명한 영상을 획득하기 위하여, 상기 CTL과 상기 투명 도전막 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 가속된 전자에 의해 증폭된 상기 전자-정공의 발생에 따라 전기적 신호를 증폭시키기 위한 것으로서,
    상기 픽셀 전극 어레이는 각 픽셀에 대한 투명 독출용 전극, 및 전하 소거용 불투명 전극을 포함하고,
    상기 전기적 신호를 독출할 때, 상기 투명 독출용 전극에 전압을 인가하는 단계, 광스위치 소자를 이용해 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 상기 투명 독출용 전극쪽으로 빛을 조사하는 단계, 및 상기 방사선에 의해 상기 제2광전도체층으로부터 발생되어 상기 CTL로 트랩된 전자가, 상기 광스위치 소자로부터의 빛에 의해 상기 제1광전도체층에서 발생한 정공과 재결합하고, 상기 제1광전도체층의 남은 전자에 의해 상기 투명 독출용 전극을 통해 상기 전기적 신호를 독출하는 단계를 포함하며,
    주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에, 상기 투명 독출용 전극 및 상기 전하 소거용 불투명 전극에 모두 전압을 인가하는 단계, 및 상기 픽셀형 섬광체 구조물의 상부 또는 상기 픽셀 전극 어레이의 하부에서 빛을 조사하여 상기 제1광전도체층의 남은 전하를 소거하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방사선 검출 장치의 동작 방법.
KR1020100092374A 2010-09-20 2010-09-20 픽셀형 섬광체 구조물을 이용한 하이브리드 방사선 검출 장치 KR101214374B1 (ko)

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