KR101455382B1 - 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치 - Google Patents

휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 엑스-선 검출 장치에 관한 것으로서, 간단한 구성을 가지면서 엑스-선에 대한 민감도 향상 및 저선량에서의 영상 획득, 고화질 및 고해상도의 선명한 영상 획득이 가능하고, 불안정한 광전도체 물질의 사용을 줄여 환경에 대한 민감도가 낮으며, 기존 TFT 전기적 스위칭 독출 방식이 가지는 문제점이 해결될 수 있는 새로운 구성의 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 영상 신호를 수집하기 위해 가시광을 발생시키는 광 발생장치; 엑스-선 입사시 입사된 엑스-선에 상응하는 전자가 발생되어 포획되고, 상기 광 발생장치의 가시광 입사시 포획된 전자에 상응하는 가시광을 발생시켜 방출하는 휘진성 형광체; 상기 휘진성 형광체로부터 입사되는 가시광에 의해 전자와 정공이 발생하는 리드아웃용 광전도체층; 상기 리드아웃용 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극; 및 상기 전극 중 신호 수집 전극에 연결되어 신호 수집 전극을 통해 출력되는 전기적 신호를 독출하기 위한 신호감지용 회로;를 포함하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제공한다.

Description

휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치{Hybrid X-ray Detection Apparatus using Photostimulable Phosphor}
본 발명은 엑스-선 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 구성을 가지면서 엑스-선에 대한 민감도 향상 및 저선량에서의 영상 획득, 고화질 및 고해상도의 선명한 영상 획득이 가능하고, 불안정한 광전도체 물질의 사용을 줄여 환경에 대한 민감도가 낮으며, 기존 TFT 전기적 스위칭 독출 방식이 가지는 문제점이 해결될 수 있는 새로운 구성의 하이브리드 엑스-선 검출 장치에 관한 것이다.
오늘날 의료용 및 산업용으로 엑스-선의 투과성질을 이용하여 환자의 신체부위나 물체를 투시 촬영하는 디지털 엑스-선 검출 장치가 널리 사용되고 있다.
디지털 엑스-선 검출 장치는 크게 간접 방식과 직접 방식으로 나눠지며, 도 1은 일반적인 간접 또는 직접 방식의 엑스-선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
간접 방식의 디지털 방사선 검출 장치는 엑스-선을 흡수하여 가시광선을 발생시키는 섬광체(scintillator), 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), CCD(Charge Coupled Device) 등의 이미지 센서로 구성된다.
직접 방식 디지털 엑스-선 검출 장치는 입사되는 엑스-선을 가시광선으로의 전환 없이 바로 전하(전자-정공)를 발생시키는 광전도체층(PCL:Photo Conductive Layer), 및 발생한 전하를 전기적 신호로 읽기 위한 TFT(thin film transistor)를 포함하는 이미지 센서로 구성되어 있다.
상기한 간접 방식의 경우 섬광체 내에서 가시광선의 산란으로 인해 영상의 공간 분해능이 감소하는 단점을 가지고 있다.
또한 직접 방식의 경우 두꺼운 비정질 셀레늄(amorphous selenium, a-Se) 등의 광전도체층을 사용하므로 광전도체층 내에서 발생한 전하를 수집하기 위한 높은 전압의 인가가 필요하여 이미지 센서를 구성하는 TFT 어레이(array)의 손상(breakdown)이 발생할 수 있고, 영상에 잔상(image lag) 또는 고스트(ghost) 현상 등이 나타나는 단점이 있다.
최근에는 도 2에 나타낸 바와 같이 간접 방식의 섬광체와 직접 방식의 광전도체층(PCL)을 조합한 하이브리드 구조를 기반으로 하면서 TFT 어레이의 이미지 센서를 적용한 방식이 시도되고 있다.
이러한 하이브리드 방식에서는 엑스-선이 섬광체에 입사될 경우 섬광체가 엑스-선을 흡수하여 가시광선으로 변환하고, TFT 어레이가 섬광체에서 변환된 가시광선에 대응되는 전기적 신호를 독출하여 영상 정보를 획득하게 된다.
이와 더불어, TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출 방식이 아닌, 도 3에 나타낸 바와 같이 Non-TFT 방식, 즉 광학적 스위칭 독출(optical switching readout) 방식을 적용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치가 제시되어 있으며, 이는 하부전극(6)을 통해 출력되는 전기적 신호를 독출하기 위한 신호감지용 회로(7)를 더 포함한다.
이러한 광학적 스위칭 독출 방식의 검출 과정에 대해 좀더 상세히 설명하면, 섬광체(1)에서 변환된 가시광선은 광전도체 물질로 이루어진 광전도체층(PCL)(3)으로 입사되고, 이에 광전도체층(3)이 가시광선을 흡수하여 전하(전자-정공)을 발생시킨다.
이때 형성된 전자와 정공은 상부전극(2)과 하부전극(6) 사이에 인가된 전압에 의해 각 전극방향으로 분리되어 전하 중 전자는 양(+) 전위의 전극 쪽으로, 정공은 음(-) 전위의 전극 쪽으로 이동된다.
또한 이렇게 이동되는 전자 또는 전공 중 하나는 CTL(Charge Trapping Layer) 또는 CAL(Charge Accumulation Layer) 등의 전하수집층(4)에 모여 축적된다.
그 예로, 도 3에서와 같이 상부전극(2)을 음극, 하부전극(6)을 양극으로 하여 고전압을 인가하면, 광전도체층(3) 내 양전하인 정공은 상부전극(2) 쪽으로 이동하고, 음전하인 전자는 하부전극(6) 쪽을 향해 이동하다가 전하수집층(4)에 저장된다.
이어 전하수집층(4)에 축적된 전자를 외부로 읽어내기 위해 하부전극(6) 아래쪽의 광 발생장치(8)에서 하부전극(6)을 통해 소정 파장의 빛을 리드아웃용 광전도체층(5)에 조사하면, 리드아웃용 광전도체층(5)에서는 조사된 빛의 에너지에 따른 전자와 정공 쌍(EHP, Electron-Hole Pair)이 새로이 생성되고, 이때 새로이 생성된 정공은 전하수집층(4)에 저장되어 있는 전자와 결합하여 사라지게 된다(중성화).
결국, 남은 리드아웃용 광전도체층(5) 내부의 전자들, 즉 전하수집층(4)의 전자와 결합한 정공 수만큼의 남은 전자가 하부전극(6)을 통해 출력되어 영상 정보를 반영하는 전하로 획득될 수 있게 된다.
리드아웃용 광전도체층(5)에 남아 있는 전자들을 신호감지용 회로(7)가 독출함으로써 해당 픽셀 신호를 획득할 수 있고, 이를 통해 영상 정보를 얻을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 광 스위칭 방식의 하이브리드 엑스-선 검출 장치는 두꺼운 2개의 광전도체층(PCL), 즉 가시광선을 흡수하여 전하를 발생시키는 광전도체층(3)과, 하측의 광 발생장치(8)로부터 입사되는 빛을 흡수하여 전하를 발생시키는 리드아웃용 광전도체층(5)을 가지며, 이들 광전도체층(3,5)은 모두 a-Se, CZT(CdZnTe), CdTe, PbI2, HgI2, PbO, BiI3 등의 광전도체 물질로 이루어진다.
위에서 광 스위칭 방식의 예를 들어 설명하였으나, TFT 어레이를 적용한 방식에서는 광전도체층이 섬광체에서 변환된 가시광선을 입사 받아 전하를 발생시키고, 상부전극과 각 TFT의 한 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 정공과 분리된 전자가 TFT로 이동하여 독출된다.
한편, 도 2와 같은 TFT 독출 방식의 하이브리드 엑스-선 검출 장치에서는 이미지 센서에서 발생한 전하를 TFT를 이용한 전기적 스위칭 방식으로 독출하므로 전기적인 노이즈가 많고, 낮은 신호대 잡음비(SNR:Signal to Noise Ratio) 및 양자검출효율(DQE:Detective Quantum Efficiency) 특성을 가진다.
또한 TFT 제작에 특별한 공정 및 시설을 필요로 하므로 제작비 및 원가가 상승하는 요인이 되며, 픽셀 크기를 작게 할 경우 픽셀의 필 팩터(fill factor)가 낮아지므로 고해상도를 구현하는데 어려움이 있다.
또한 광전도체층을 구성하는 a-Se의 경우, 고전압 인가시 파괴될 수 있고, 특히 환경에 민감하여 저온이나 일정 온도(60℃) 이상의 온도에서는 쉽게 결정화되므로 사용에 어려움이 있다.
아울러, 도 3과 같은 광 스위칭 독출 방식의 엑스-선 검출 장치는 불안정한 물질로 이루어진 2개의 광전도체층(3,5)을 가지면서 별도의 전하수집층(4)을 구비하므로 구성이 복잡하고, 환경에 민감하다는 단점을 가진다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 간단한 구성을 가지면서 엑스-선에 대한 민감도 향상 및 저선량에서의 영상 획득, 고화질 및 고해상도의 선명한 영상 획득이 가능하고, 불안정한 광전도체 물질의 사용을 줄여 환경에 대한 민감도가 낮으며, 기존 TFT 전기적 스위칭 독출 방식이 가지는 문제점이 해결될 수 있는 새로운 구성의 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 영상 신호를 수집하기 위해 가시광을 발생시키는 광 발생장치; 엑스-선 입사시 입사된 엑스-선에 상응하는 전자가 발생되어 포획되고, 상기 광 발생장치의 가시광 입사시 포획된 전자에 상응하는 가시광을 발생시켜 방출하는 휘진성 형광체; 상기 휘진성 형광체로부터 입사되는 가시광에 의해 전자와 정공이 발생하는 리드아웃용 광전도체층; 상기 리드아웃용 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극; 및 상기 전극 중 신호 수집 전극에 연결되어 신호 수집 전극을 통해 출력되는 전기적 신호를 독출하기 위한 신호감지용 회로;를 포함하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 광 발생장치는 가시광을 휘진성 형광체에 직접 조사할 수 있도록 휘진성 형광체의 상측에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극은 상기 리드아웃용 광전도체층의 하측에 위치되는 상부전극; 및 상기 리드아웃용 광전도체층의 상측에 위치되는 하부전극으로 구성되어 하부전극, 리드아웃용 광전도체층, 상부전극, 휘진성 형광체가 차례로 적층된 구조를 가지며, 상기 상부전극과 하부전극 중 하나가 리드아웃용 광전도체층에서 발생한 전하를 독출하기 위한 신호감지용 회로가 연결되는 신호 수집 전극인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부전극이 투명 전극이고, 상기 하부전극이 신호 수집 전극인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부전극과 하부전극 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 광전도체층에서의 전자-정공 발생을 증폭하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극이 광전도체층의 하측에 각 픽셀마다 나란히 배치되도록 형성된 한 쌍의 하부전극으로 구성되어 하부전극, 리드아웃용 광전도체층, 휘진성 형광체가 차례로 적층된 구조를 가지며, 상기 한 쌍의 하부전극 중 하나가 리드아웃용 광전도체층에서 발생한 전하를 독출하기 위한 신호감지용 회로가 연결되는 신호 수집 전극인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 한 쌍의 하부전극 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 광전도체층에서의 전자-정공 발생을 증폭하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 신호 수집 전극이 각 픽셀에 대응되는 라인 형태의 스트립 전극으로 형성되고, 광 발생장치가 신호 수집 전극의 길이방향과 교차하는 긴 라인 광을 상기 휘진성 형광체에 입사하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광 발생장치는 독립적 라인 점멸 제어가 가능한 면 광원을 포함하고, 상기 면 광원의 픽셀들을 하나의 라인 단위로 정해진 스캔 방향을 따라 순차적으로 온/오프시켜 라인 광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광 발생장치는 독립적 라인 점멸 제어가 가능한 면 광원을 포함하고, 상기 면 광원의 픽셀들을 하나의 라인 단위로 정해진 스캔 방향을 따라 순차적으로 온/오프시켜 라인 광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 휘진성 형광체는 바늘기둥형태의 미세 구조형 형광체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 휘진성 형광체는 신호 수집 전극의 픽셀에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 형광체를 가지는 픽셀형 형광체 구조물로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 휘진성 형광체는 BaFCl:Eu2 +, BaFBr:Eu2 +, BaFBr0 .85I0 .15Eu2 +, BaFI:Eu2 +, Gd2O2S:Tb3+, CsI:Tl+, CsBr:Eu2 +, RbBr:Tl+ 중에 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 하이브리드 엑스-선 검출 장치에서는 다음과 같은 이점이 있게 된다.
1) 휘진성 형광체를 이용하여 기존의 두꺼운 섬광체와 광전도체층, 별도 전하수집층을 대체한 간단한 구성의 하이브리드 구조를 적용함으로써 제작시의 공정 수 축소 및 원가 절감, 사이즈 축소 등의 이점을 가진다. 섬광체 대신 휘진성 형광체를 사용함으로써 기존 2개 층의 광전도체층 중 하나가 삭제될 수 있고, 전하수집층도 삭제될 수 있다.
2) 안정한 휘진성 형광체 물질을 사용하여 불안정한 셀레늄 물질(광전도체 물질)의 사용을 줄일 수 있으므로 환경에 덜 민감한 이점을 가진다.
3) 기존 직접 방식에서의 두꺼운 광전도체 대신, 휘진성 형광체와 광전도체층의 애벌런치 현상(전자-정공 발생 및 신호의 증폭이 가능함)을 이용하여 엑스-선에 대한 민감도 향상과 저선량에서의 영상 획득이 가능하다. 이에 일반 방사선 진단뿐만 아니라 유방암 진단, 치과용 진단 등과 같이 저선량 및 고분해능을 필요로 하는 진단 분야에서의 의료 영상기기에 유용하게 적용될 수 있다.
4) 광 스위칭 독출 방식을 적용함으로써 TFT 전기적 스위칭 독출 방식의 노이즈 문제, 낮은 SNR 및 DQE의 문제점이 개선될 수 있다. 또한 TFT 사용시의 여러 문제점, 즉 공정 비용 상승 및 그로 인한 원가 상승의 문제점이 해소될 수 있고, 센서 제작이 용이하며, TFT 방식의 픽셀 사이즈에 비해 광 스위칭 방식의 픽셀 사이즈가 크게 축소될 수 있으므로 고화질 및 고해상도의 선명한 영상을 획득할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 간접 또는 직접 방식의 엑스-선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2와 도 3은 종래의 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에서 픽셀형 형광체 구조물을 적용한 실시예의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 종래의 직접 방식 및 간접 방식의 구성, 그리고 TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출 방식을 적용한 구성의 여러 문제점을 동시에 개선할 수 있는 새로운 방식의 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한 본 발명은 엑스-선에 대한 높은 민감도를 가짐으로써 저선량 및 고분해능을 필요로 하는 일반 방사선 진단뿐만 아니라 유방암 진단, 치과용 진단 등 다양한 진단 분야의 의료 영상기기에 유용하게 적용될 수 있는 엑스-선 검출 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 엑스-선에 대한 민감도 향상과 저선량에서의 영상 획득이 가능하도록 CR(Computed Radiography) 방식에 사용되고 있는 휘진성 형광체를 이용하여 기존의 두꺼운 섬광체와 광전도체층, 전하수집층을 대체한 새롭고 간단한 구성의 하이브리드 구조를 제시한다.
이와 동시에 광 스위칭 독출 방식을 적용하여 전기적 스위칭 독출 방식이 가지는 노이즈 문제, 낮은 SNR 및 DQE의 문제점을 개선하고, 보다 고화질 및 고해상도의 선명한 영상을 획득할 수 있는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치를 제시한다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엑스-선 검출 장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 4는 엑스-선 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5는 단면도이다.
본 발명의 하이브리드 엑스-선 검출 장치는 광에 노출될 경우 전자가 발생되어 포획되는 휘진성 형광체(photostimulable phosphor), 및 가시광에 의해 전하를 발생시키는 광전도체층(PCL)을 이용하는 하이브리드 구조를 적용함과 더불어, TFT를 이용한 전기적 스위칭 독출 방식이 아닌 광으로 스위칭하여 신호를 획득하는 광 스위칭 독출 방식(Non-TFT 방식)을 적용함에 특징이 있는 것으로, 도시된 바와 같이 광 발생장치(9)와 휘진성 형광체(10), 및 이미지 센서(20)를 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 휘진성 형광체(10)는 엑스-선이 입사될 경우 입사된 엑스-선을 흡수하여 엑스-선에 상응하는 전자를 발생시킴과 더불어 포획하게 되고, 이후 독출 과정에서는 광 발생장치(9)로부터 가시광이 입사될 경우 전자가 포획된 정도에 상응하는 가시광을 발생시켜 이미지 센서(20)에 전달하게 된다.
상기 광 발생장치(9)는 광 스위칭 독출 방식을 구현하기 위한 것으로서, LD(Laser Diode)나 LED(Light Emitting Diode) 등의 광 스위칭 소자를 포함하여 구성되며, 휘진성 형광체(10)에 엑스-선이 조사되고 난 뒤 영상 신호를 수집하기 위해, 즉 엑스-선에 상응하는 전기적 신호를 독출하기 위해 라인 광을 발생시켜 휘진성 형광체(10)에 조사하게 된다.
이때, 광 발생장치(9)는 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이 휘진성 형광체(10)에 직접적으로 광을 조사할 수 있도록 구비됨이 바람직하며, 이를 위해 광 발생장치(9)가 휘진성 형광체(10) 상측에서 아래 방향으로 광을 조사하도록 배치될 수 있다.
물론, 이 경우 독출 과정 이전에 엑스-선이 휘진성 형광체(10)에 입사되어야 할 때 엑스-선 경로가 휘진성 형광체 상측의 광 발생장치(9)에 의해 간섭받지 않도록 광 발생장치(9)를 엑스-선 경로 외측으로 이동시킬 수 있는 장치가 구비될 수 있다.
상기 광 발생장치(9)로는 라인 광 형태의 레이저 빔이나 LED 빔을 방출시킬 수 있는 것이라면 적용이 가능하고, 그 예로서 LD 또는 LED를 갖는 선 광원을 모터 등을 포함하는 기계 장치를 이용하여 정해진 스캔 방향으로 이동시키는 기계적 스캔 방식의 광 발생장치가 적용될 수 있다.
또는 독립적 라인 점멸 제어가 가능한 FPD(Flat Panel Display), 예컨대 LED, OLED(Organic Light Emitting Diode), LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 등의 면 광원을 구비한 광 발생장치가 적용될 수 있으며, 이 경우 면 광원의 픽셀들을 하나의 라인 단위로 정해진 스캔 방향을 따라 순차적으로 온/오프시키는 전기적 스캔이 이루어지게 된다.
또한 이미지 센서(20)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 픽셀 센서들을 포함하며, 이는 휘진성 형광체(10)로부터 가시광을 전달받음과 더불어 전극을 통해 전압이 인가되면 전하(전자-정공)를 발생시키고, 또한 신호감지용 회로(25)를 통해 엑스-선 조사량에 비례하는 전하를 독출하게 된다.
이를 위한 구성으로서, 상기 이미지 센서(20)는 휘진성 형광체(10)로부터 전달되는 가시광에 의해 전하를 발생시키는 리드아웃 광전도체층(PCL)(21), 리드아웃 광전도체층(21)에 전압을 인가하기 위한 것이면서 광전도체층(21)에서 발생한 전하에 의해 전기적 신호가 출력되는 전극(22), 그리고 상기 전극(22)을 통해 출력되는 전기적 신호를 독출하는 신호감지용 회로(25)를 포함하여 구성된다.
이때, 휘진성 형광체(10)가 이미지 센서(20)의 광전도체층(21) 위에 적층 형성되며, 이로써 본 발명의 하이브리드 엑스-선 검출 장치는 휘진성 형광체(10)와 광전도체층(21), 전극(22,23)이 적층된 간단한 구성을 가지게 된다.
이때, 전압을 인가하기 위한 양측의 전극(22,23) 중 하나는 신호감지용 회로(25)가 연결되는 신호 수집 전극(22)이 되고, 다른 하나의 전극(23)은 후술하는 바와 같이 광전도체층(21) 상측으로 휘진성 형광체(10)와의 사이에 개재되는 전극(투명 전극)(도 5 참조), 또는 광전도체층(21) 하측에서 신호 수집 전극(22)과 일정 간격을 두고 나란히 형성되는 전극으로 구현될 수 있다(신호 수집 전극과 함께 하부전극이 됨)(도 7 참조).
바람직한 실시예에서, 독출 과정 동안 휘진성 형광체(10)로부터 방출되는 가시광이 광전도체층(21)에 입사될 때 전극(22,23)을 통해 일정 수준의 높은 전압을 인가해줄 경우, 애벌런치(avalanche) 효과로 광전도체층(21) 내에서의 전자-정공 발생을 증폭시킬 수 있다.
이와 같이 광전도체층(21)에 인가되는 전압을 증가시키면, 신호를 증폭하여 높은 게인(gain) 신호를 획득할 수 있기 때문에 적은 양의 엑스-선이 조사되더라도 영상 정보를 획득하기 위한 신호의 획득이 가능하다.
일 실시예로, 도 4 및 도 5는 광전도체층(21)의 상측과 하측에 전압을 인가하기 위한 전극(22,23)이 적층됨으로써 하부전극(22)과 상부전극(23) 사이의 광전도체층(21)에서 수직방향(vertical direction)으로의 전하 이동이 이루어지는 방식을 나타내고 있다.
도시된 일 실시예의 하이브리드 엑스-선 검출 장치는, 소정의 기판(24) 위에 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 신호 수집 전극(22), 상기 신호 수집 전극(22) 위에 적층 형성된 리드아웃용 광전도체층(21), 상기 리드아웃용 광전도체층(21) 위에 적층 형성된 투명 전극(23), 그리고 상기 투명 전극(23) 위에 형성된 휘진성 형광체(10)를 포함하는 구성을 가진다.
이러한 구성에서는 일체로 적층되던 종래의 섬광체 및 광전도체층(21), 전하수집층이 휘진성 형광체(10)로 대체되고, 이와 더불어 리드아웃용 광전도체층(PCL)(21)이 사용되어, 휘진성 형광체(10), 광전도체층(21), 전극(22,23)이 적층된 하이브리드 형태의 다층 구조를 이루게 된다.
이외에도 신호 수집 전극(22)에 연결되어 전기적 신호를 독출하기 위한 신호감지용 회로(25)를 포함하며, 이 신호감지용 회로(25)는 신호 수집 전극(22), 리드아웃용 광전도체층(21) 및 투명 전극(23)이 형성된 기판(24)상에 일체로 구성되거나, 또는 외부 회로로 구성된 뒤 기판(24)에 부착되어 동작되도록 구현될 수 있다.
또한 하부전극인 신호 수집 전극(22)은 도 4에 예시된 바와 같이 라인 형태의 스트립 전극들이 될 수 있다.
이때, 광 발생장치(9)로부터 신호 수집 전극(22)의 길이방향(Y축 방향)과 교차하도록 X축 방향으로 긴 라인 광이 입사되고, 더불어 신호 수집 전극(22)의 길이방향을 따라 스캔이 이루어지는 경우, 상기 신호 수집 전극(22)을 통해 독출되는 전기적 신호에 의해 2차원의 엑스-선 영상이 획득될 수 있다.
또한 신호 수집 전극(22)은 도면상 예시하지는 않았으나 각 픽셀에 대응되는 독출용 투명 전극과, 전하 소거용 불투명 전극으로 구성될 수 있으며, 이 경우 각 독출용 투명 전극에 전하를 독출하기 위한 신호감지용 회로(25)가 연결된다.
여기서, 독출용 투명 전극은 조사되는 엑스-선에 상응하는 전기적 신호를 독출하기 위한 전극이고, 전하 소거용 불투명 전극은 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에 광전도체층(21)에 남은 전하를 소거 또는 제거하여 리셋시키기 위한 전극이다.
전기적 신호의 독출 과정에서는 독출용 투명 전극에만 전압이 인가되고, 주기적인 전기적 신호의 독출 사이의 기간에는 독출용 투명 전극 및 전하 소거용 불투명 전극에 모두 전압이 인가된다.
상기 광전도체층(PCL)(21)은 a-Se, CdTe, CZT(CdZnTe), HgI2, PbI2, PbO, BiI3 등의 광전도체 물질로 이루어진 층으로서, 엑스-선 및 가시광 등의 빛을 받으면 전자-정공이 발생하여 전도도가 증가하는 특성을 가진다.
또한 신호 수집 전극(22)과 함께 광전도체층(21)에 전압을 인가하기 위한 상부전극으로서, 투명 전극(23)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같이 투명하면서 전기전도성을 가진 물질로 이루어진 박막 전극으로서, 휘진성 형광체(10)로부터 방출되는 가시광선을 투과시키게 된다.
본 발명에서 휘진성 형광체(10)에서 방출되는 가시광선이 광전도체층(21)에 전달되고, 이에 광전도체층(21)이 가시광선을 흡수하여 전하를 발생시키므로, 도 4 및 도 5의 실시예와 같이, 전압을 인가하기 위한 휘진성 형광체(10)와 광전도체층(21) 사이에 개재되는 전극은 휘진성 형광체(10)에서 발생한 가시광선을 광전도체층(21)으로 투과시킬 수 있는 투명 전극이어야 한다.
한편, 휘진성 형광체(10)는 CR(Computed Radiography)의 IP(Image Plate)에서 사용되고 있는 것으로, 엑스-선, 전자선, 자외선, 기사광선에 노출되어 자극을 받으면 그 에너지를 흡수하면서(storage phosphor) 흡수한 에너지를 빛 에너지로 발산하는 성질을 갖는다.
특히, 휘진성 형광체(10)에서는 엑스-선 등의 방사선이나 가시광선에 노출되면 즉시 발광이 이루어지면서 자유전자들의 포획이 이루어지는데, BaFX:EU2+(X=Cl,Br,I)의 예를 들면, 방사선 또는 자외선 노출시 Eu2+가 Eu3+로 변환되면서 전자들이 방출되고, 이때 자유전자들이 플루오라이드 센터(fluoride centers)(F+)에 포획된다.
이 점에 착안하여, 본 발명의 엑스-선 검출 장치에서는 엑스-선 조사시 엑스-선의 양에 상응하는 전자가 광전도체층이 아닌 휘진성 형광체(10)에서 발생되도록 하고, 또한 발생된 전자가 별도의 전하수집층이 아닌 휘진성 형광체(10) 내 트래핑 사이트(trapping site)에 포획되도록 한다.
이때, 엑스-선의 조사량과 세기에 따라 휘진성 형광체(10)에서 전자가 포획되는 정도가 달라지게 된다.
또한 후술하는 바와 같이 독출 과정에서 광 발생장치(9)로부터 휘진성 형광체(10)에 긴 파장의 가시광선이 조사되면, 휘진성 형광체(10)가 이를 흡수하여 짧은 파장의 가시광선을 발생시키는데, 이때 포획된 전자의 양에 상응하는 가시광선을 발생시키고, 이어 휘진성 형광체(10)로부터 광전도체층(21)에 가시광선이 조사되면, 광전도체층(21)에서 가시광선에 상응하는 전하가 발생하게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 엑스-선을 흡수하여 단순히 가시광선으로 변환하는 섬광체 대신, 엑스-선을 조사할 경우 엑스-선의 양에 상응하는 전자 방출이 이루어지면서 발생된 전자의 포획이 이루어지는 휘진성 형광체(storage phosphor)를 사용하여 종래의 섬광체 및 광전도체층, 전하수집층을 대체할 수 있도록 한다.
본 발명에서 상기한 휘진성 형광체(10)의 물질로는 BaFX:Eu2 +, 즉 BaFCl:Eu2+, BaFBr:Eu2 +, BaFBr0 .85I0 .15Eu2 +, BaFI:Eu2 +와 더불어 Gd2O2S:Tb3 +, CsI:Tl+, CsBr:Eu2+, RbBr:Tl+ 등이 사용될 수 있다.
이러한 휘진성 형광체(10)는 가시광선의 산란(이웃한 픽셀로의 빛 퍼짐)으로 인한 영상의 공간 분해능 감소가 최소화될 수 있도록 도 5에서와 같은 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세 구조형 형광체(structured phosphor)로 구현하는 것이 바람직하며, 이는 물리적 기상증착방법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하여 형성할 수 있다.
이러한 바늘기둥형태의 미세 구조형 형광체를 적용할 경우 형광체 내 가시광선의 산란을 줄일 수 있어 고해상도의 영상을 획득하는 것이 가능해진다.
더욱 바람직하게는 휘진성 형광체(10)가 픽셀 구조 형태의 몰드에 휘진성 형광체 물질을 충전한 픽셀형 형광체 구조물로도 구현될 수 있으며, 이를 적용할 경우 공간 분해능(영상의 해상도)을 높일 수 있고, 더욱 선명한 고화질의 영상을 얻을 수 있게 된다.
도 6은 픽셀형 형광체 구조물을 적용한 실시예의 단면도로서, 도시된 바와 같이 픽셀형 형광체 구조물(10)은 신호 수집 전극(픽셀 전극)(22)의 픽셀에 대응되도록 격벽(11)으로 구분된 픽셀형 형광체들을 포함하며, 이는 격벽(11)으로 구획된 몰드의 각 내부공간에 휘진성 형광체 물질(12)을 충전한 구조를 가진다.
이러한 픽셀형 형광체 구조물(10)은 하부층(상부전극인 투명 전극) 위에 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막 등을 일정 두께로 형성한 뒤, D-RIE(Deep Reactive Ion Etching) 방식 등을 이용해 필요 깊이까지 트렌치(trench) 공정을 진행하여 픽셀 간 분리를 위한 격벽(11)을 형성하고, 이어 격벽(11) 사이에 휘진성 형광체 물질(12)을 채움으로써 제조할 수 있다.
이때, 격벽 사이에 분말형 형광체 물질을 채워 픽셀형 형광체들을 형성할 수 있으며, 또는 격벽 사이에 분말형 형광체 물질을 채우고 열을 가해 액상으로 만든 뒤 냉각시켜 보다 견고한 픽셀형 형광체들을 형성할 수 있다.
이러한 픽셀형 형광체 구조물(10)을 적용할 경우, 형광체 내에서 발생한 가시광이 격벽(11)에 의해 차단(흡수 또는 반사)되어 이웃한 픽셀로 투과될 수 없고, 따라서 가시광이 각 격벽 내부공간에서 아래의 광전도체층(21)으로만 향하게 된다.
이에 형광체에서 엑스-선의 흡수량과 가시광의 발생량을 증대시킬 수 있고, 이웃한 셀로의 광 산란(빛 퍼짐) 현상을 최소화할 수 있으며, 가시광을 흡수하는 얇은 광전도체층에서 보다 효과적으로 전하(전자-정공)를 발생시킬 수 있는바, 독출 효율을 향상시킬 수 있음은 물론, 바늘기둥형태의 미세 구조형 형광체에 비해서도 더욱 선명하고 고화질의 영상을 획득할 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엑스-선 검출 장치의 구성에 대해 설명하였는바, 엑스-선 검출이 이루어지는 동작 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 진단 대상의 신체부위나 물체를 투과한 엑스-선이 휘진성 형광체(10)에 조사되면, 휘진성 형광체(10)에서는 엑스-선의 조사량에 상응하는 전자가 발생하고, 이때 발생한 자유전자는 휘진성 형광체 내 밸런스 밴드(balance band)와 컨덕션 밴드(conduction band) 내에 있는 도핑 사이트(doping site)(fluoride centers)에 포획된다.
이후, 광 스위칭 독출 과정에서 광 발생장치(9)를 통해 영상 신호를 수집하기 위한 소정 파장의 광을 발생시켜 휘진성 형광체(10)에 입사시키며, 광이 입사되는 휘진성 형광체(10) 내 위치를 정해진 방향을 따라 이동시켜가면서 스캔을 수행한다.
이에 휘진성 형광체(10)는 긴 파장(예, 780 nm)을 갖는 가시광선의 레이저 빔 또는 LED 빔에 의해 자극되면서 수 ㎲ 이내의 짧은 파장(예, 300 ~ 500 nm)을 갖는 가시광선을 발생시킨다.
이때, 휘진성 형광체(10)는 광 발생장치(9)가 조사하는 가시광선을 흡수하여 전자가 포획된 정도에 상응하는 가시광선을 발생시키며, 휘진성 형광체(10)에서 발생한 가시광선은 투명 전극(23)을 통해 광전도체층(21)에 입사된다.
이와 같이 가시광선이 입사되면 광전도체층(21) 내에서는 전하(전자-정공)가 발생하게 된다.
이 상태에서 투명 전극(23)과 신호 수집 전극(스트립 전극)(22)을 통해 광전도체층(21)에 전압을 인가하게 되면, 광전도체층(21)에서 발생하는 정공은 두 전극(22,23) 중 음 전위의 전극으로, 전자는 양 전위의 전극으로 이동하게 되는바, 결국 신호 수집 전극(22)에 연결된 신호감지용 회로(25)를 통해 영상 정보를 반영하는 전하를 획득할 수 있게 된다.
도 5는 투명 전극(23)을 음극으로, 신호 수집 전극(22)을 양극으로 하여 전압을 인가하였을 때 신호 수집 전극(22)으로 이동한 전자를 신호감지용 회로(25)를 통해 독출하는 상태를 예시한 것으로, 이때 투명 전극(23)을 양극으로, 신호 수집 전극(22)을 음극으로 하여 전압을 인가할 수도 있다.
이와 같이 엑스-선 조사량에 비례하여 발생한 전하, 도 5의 예와 같이 전압을 인가하여 광전도체층(21) 내 발생한 전자들을 신호감지용 회로(25)를 통해 독출함으로써 해당 픽셀의 영상 신호(전자 개수에 해당하는 신호)로 획득할 수 있고, 그로부터 전체 엑스-선 영상을 얻을 수 있게 된다.
또한 독출 과정 동안 투명 전극(23)과 신호 수집 전극(22)이 인가되는 전압을 증가시킬 경우, 전술한 바와 같이 애벌런치 효과로 광전도체층(21)에서의 전자-정공 발생을 증폭시킬 수 있고, 엑스-선에 대한 민감도를 높일 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 하이브리드 엑스-선 검출 장치에서는 기존의 TFT를 이용한 전기적 독출 방식 대신 광 스위칭 독출 방식을 이용하여 신호를 획득하므로 TFT 방식에서 나타나는 노이즈 문제가 해소될 수 있고, 높은 SNR 및 DQE 성능을 나타낼 수 있게 된다.
그 밖에 TFT를 사용하는 방식의 여러 문제점, 즉 공정 비용 상승 및 그로 인한 원가 상승의 문제점이 해소될 수 있고, 센서 제작이 용이하며, TFT 방식의 픽셀 사이즈에 비해 광 스위칭 방식의 픽셀 사이즈가 크게 축소될 수 있으므로 고해상도의 영상을 획득할 수 있는 이점이 있게 된다.
또한 본 발명의 하이브리드 엑스-선 검출 장치는 섬광체와 비정질 셀레늄 등으로 이루어진 복수의 광전도체층, 전하수집층이 휘진성 형광체(10)와 하나의 얇은 광전도체층(21)으로 대체되어 더욱 간단한 구성을 가지며, 따라서 제작시의 공정 수 축소 및 원가 절감, 사이즈 축소 등의 여러 이점을 가진다.
또한 안정한 휘진성 형광체 물질의 대체 사용으로 불안정한 셀레늄 물질의 사용을 줄일 수 있으므로 환경에 덜 민감한 이점을 가진다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 엑스-선 검출 장치의 구성을 나타내는 단면도로서, 광전도체층(21)에 전압을 인가하기 위한 전극(21,23)을 광전도체층(21)의 하측에 나란히 배치하여 두 전극 사이의 광전도체층(21) 내에서 측방향(lateral direction)으로의 전하 이동이 이루어지는 방식을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 도 7의 다른 실시예는, 광전도체층(21)의 상측과 하측에 위치되는 상부전극(투명 전극) 및 하부전극(신호 수집 전극)을 가지는 도 4의 실시예(버티컬 바이어스(vertical bias) 방식)와 달리, 광전도체층(21)의 하측으로 전압을 인가하기 위한 두 하부전극(21,23)을 가지므로 전기장이 옆으로 형성되어 있는 실시예(래터럴 바이어스(lateral bias) 방식)가 된다.
이때, 광전도체층(21) 하측의 두 하부전극(22,23)은 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극이면서 이중 하나는 신호 수집 전극이 되며, 두 하부전극(22,23) 모두 라인 형태의 스트립 전극으로 구비될 수 있다.
또한 하나의 픽셀마다 나란한 두 하부전극(22,23)이 하나의 쌍으로 형성되며, 두 하부전극을 한 쌍으로 하여 각 쌍의 하부전극이 해당 픽셀의 영상 신호를 획득하는데 이용된다.
도 7의 실시예에서는 휘진성 형광체(10)와 광전도체층(21) 사이에서 투명 전극이 삭제될 수 있고, 휘진성 형광체(10)에서 발생한 짧은 파장의 가시광선이 투명 전극에서 흡수될 수 있는 도 4의 실시예와 달리, 휘진성 형광체(10)에서 방출되는 가시광선이 광전도체층(21)에 손실 없이 입사될 수 있다.
이에 광전도체층(21)에서의 전하량 발생이 높은 이점이 있으며, 또한 래터럴 바이어스 구조의 경우 하부전극(22,23) 간의 거리가 가깝기 때문에 독출 효율(readout efficiency)이 크게 향상될 수 있고, 신호의 독출 시간이 단축되는 이점이 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
9 : 광 발생장치 10 : 휘진성 형광체(픽셀형 형광체 구조물)
11 : 격벽 12 : 휘진성 형광체 물질
20 : 이미지 센서 21 : 광전도체층
22 : 신호 수집 전극
23 : 전극(투명 전극 또는 전압을 인가하기 위한 하부전극)
24 : 기판 25 : 신호감지용 회로

Claims (13)

  1. 영상 신호를 수집하기 위해 가시광을 발생시키는 광 발생장치;
    엑스-선 입사시 입사된 엑스-선에 상응하는 전자가 발생되어 포획되고, 상기 광 발생장치의 가시광 입사시 포획된 전자에 상응하는 가시광을 발생시켜 방출하는 휘진성 형광체;
    상기 휘진성 형광체로부터 입사되는 가시광에 의해 전자와 정공이 발생하는 리드아웃용 광전도체층;
    상기 리드아웃용 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극; 및
    상기 전극 중 신호 수집 전극에 연결되어 신호 수집 전극을 통해 출력되는 전기적 신호를 독출하기 위한 신호감지용 회로;
    를 포함하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 발생장치는 가시광을 휘진성 형광체에 직접 조사할 수 있도록 휘진성 형광체의 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극은
    상기 리드아웃용 광전도체층의 상측에 위치되는 상부전극; 및
    상기 리드아웃용 광전도체층의 하측에 위치되는 하부전극;
    으로 구성되어 하부전극, 리드아웃용 광전도체층, 상부전극, 휘진성 형광체가 차례로 적층된 구조를 가지며, 상기 상부전극과 하부전극 중 하나가 리드아웃용 광전도체층에서 발생한 전하를 독출하기 위한 신호감지용 회로가 연결되는 신호 수집 전극인 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부전극이 투명 전극이고, 상기 하부전극이 신호 수집 전극인 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부전극과 하부전극 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 광전도체층에서의 전자-정공 발생을 증폭하는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광전도체층에 전압을 인가하기 위한 전극이 광전도체층의 하측에 각 픽셀마다 나란히 배치되도록 형성된 한 쌍의 하부전극으로 구성되어 하부전극, 리드아웃용 광전도체층, 휘진성 형광체가 차례로 적층된 구조를 가지며, 상기 한 쌍의 하부전극 중 하나가 리드아웃용 광전도체층에서 발생한 전하를 독출하기 위한 신호감지용 회로가 연결되는 신호 수집 전극인 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 한 쌍의 하부전극 사이에 일정 수준의 전압 크기를 인가하여 애벌런치 효과로 광전도체층에서의 전자-정공 발생을 증폭하는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 수집 전극이 각 픽셀에 대응되는 라인 형태의 스트립 전극으로 형성되고, 광 발생장치가 신호 수집 전극의 길이방향과 교차하는 긴 라인 광을 상기 휘진성 형광체에 입사하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 광 발생장치는 독립적 라인 점멸 제어가 가능한 면 광원을 포함하고, 상기 면 광원의 픽셀들을 하나의 라인 단위로 정해진 스캔 방향을 따라 순차적으로 온/오프시켜 라인 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 발생장치는 독립적 라인 점멸 제어가 가능한 면 광원을 포함하고, 상기 면 광원의 픽셀들을 하나의 라인 단위로 정해진 스캔 방향을 따라 순차적으로 온/오프시켜 라인 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 휘진성 형광체는 바늘기둥형태의 미세 구조형 형광체로 형성되는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 휘진성 형광체는 신호 수집 전극의 픽셀에 대응되도록 격벽으로 구분된 복수의 픽셀형 형광체를 가지는 픽셀형 형광체 구조물로 형성되는 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
  13. 청구항 1, 청구항 11, 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 휘진성 형광체는 BaFCl:Eu2 +, BaFBr:Eu2 +, BaFBr0 .85I0 .15Eu2 +, BaFI:Eu2 +, Gd2O2S:Tb3+, CsI:Tl+, CsBr:Eu2 +, RbBr:Tl+ 중에 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 휘진성 형광체를 이용한 하이브리드 엑스-선 검출 장치.
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