KR101621387B1 - X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 x-선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고해상도 및 고출력을 나타내는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 제공한다.
Description
본 발명은 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기는 의료 진단 분야나 비파괴 검사 분야 등에서 널리 이용될 수 있다.
종래부터 대상물에 X-선을 조사(irradiation)함으로써 투과한 X-선 강도 분포를 검출하여 대상물의 내부를 촬영하는 장치가 의료 진단 분야나 비파괴 검사 분야 등에서 널리 이용되고 있다. 이러한 X-선 검출기에 대하여, 고체 소자화와 함께 영상 신호의 디지털화가 진행되어, X-선 감광 필름이나 휘진성(輝盡性) 형광체(radiate out phosphor)를 이용한 이미징 플레이트(imaging plate)를 대신하는 플랫 패널 디텍터(FPD, flat panel detector)로의 치환이 급속히 진행되고 있다. FPD는 촬영한 화상을 확인할 수 있으며, 동영상 촬영도 가능하다는 점 등 많은 이점을 가지고 있다.
FPD는 비결정 Se(셀레늄)을 이용한 직접변환형 FPD 및 X-선을 가시광으로 변환하는 형광체를 이용한 간접변환형 FPD가 있다. 직접변환형 FPD는 해상도가 뛰어나지만, 높은 검출 효율을 달성하기 위하여서는 고전압 인가가 필요하다는 문제점을 가지고 있다. 한편, 간접변환형 FPD는 해상도는 직접변환형 FPD에 뒤떨어지지만, S/N비율(signal to noise ratio)이 높은 저압 회로만으로 구성할 수 있다는 이점이 있다.
간접변환형 FPD는 CsI:Tl 신틸레이터(scintillator)를 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device) 또는 PD(photodiode)를 갖춘 박막 트랜지스터(TFT, thin film transistor) 등의 광전변환 검출기에 직접 증착한 구조인 증착 구조 간접변환형 FPD(이하, 증착 구조 FPD, CsI:Tl 증착 구조 FPD, CsI:Tl FPD, 또는 CsI FPD라고도 칭함), 및 희토류 산황화물 형광체인 Gd2O2S:Tb 등의 형광체 분말을 바인더 수지와 혼합하여 페이스트를 만들고 이를 평평한 시트 모양으로 성형한 형광판을 광전변환 검출기와 부착시킨 구조인 형광판 구조 간접변환형 FPD(이하, 형광판 구조 FPD, GOS FPD, 또는 Gadox FPD라고도 칭함)가 제안되어 있다.
상술한 증착 구조 FPD에서, 물리적 증착법으로 증착된 CsI:Tl 형광체는 지름이나 간격의 길이가 수 ㎛ 정도인 원형 또는 다각형의 기둥 구조로 형성되며 상기 기둥 구조 내를 X-선에 의해 발광한 빛이 전파하기 때문에, 형광판 구조 FPD보다 해상도가 높은 화상을 얻을 수 있지만, 증착 시간이 지나치게 길고, 값비싼 원료 사용 및 증착 과정 중 원료 손실 등으로 인해 높은 비용이 드는 문제가 있다. 그러므로 실용적인 측면에서 주로 저비용의 형광판 구조 FPD를 사용하는 간접변환형 X-선 검출기가 널리 보급되어 있다.
한편, X-선을 이용한 디지털 영상 기술에 사용되는 X-선 검출기 중 형광판 구조 FPD를 사용하는 X-선 검출기는 제조에 비교적 저비용이 필요하므로 비용적인 측면에서 유리하지만, X-선에 의해 발광한 빛이 형광판 내에서 산란에 의해 확산되기 때문에, CsI:Tl 신틸레이터(scintillator, 또는 섬광체라 칭함)를 이용한 증착 구조 FPD보다 해상도가 뒤떨어지는 문제를 가지고 있다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 형광판 구조 FPD를 사용하는 간접변환형 X-선 검출기에 사용하기 위한 형광판으로서, 평균 입경이 다른 2종류의 형광체를 이용한 2층 구조의 형광판이 제안되었다(일본 등록특허공보 제3731028호, 일본 등록특허공보 제3913342호, 일본 등록특허공보 제4095648호). 상기 2층 구조의 형광판에서, 발광 강도는 높지만 발광한 빛의 확산각이 넓은 평균 입경이 큰 입자는 광전변환 검출기 측에 배치되고, 발광 강도는 상대적으로 낮지만 발광한 빛의 확산각이 좁은 평균 입경이 작은 입자는 X-선 입사측에 배치된다. 그러나 상기 2층 구조도 빛의 확산(퍼짐)을 제어한 구조가 아니므로 해상도 향상이 불충분하다.
한편, 일본 특개평05-60871호에서 방사선 검출 소자로서, 내습성과 검출 효율을 향상시키기 위하여, 소정의 간격(pitch)으로 기판에 형성되는 복수의 홈부 바닥에 신틸레이터를 매입하여 구성하는 신틸레이터 매입 패널과 복수의 화소를 가지는 광검출 패널이 조합된 방사선 검출 소자가 제안되었다. 상기 방사선 검출 소자의 신틸레이터 매입 패널 상부에 보호막 및 반사막을 형성함으로써 내습성 및 검출 효율을 향상시킬 수 있었다. 그러나, 신틸레이터 매입 패널의 형광체 소자를 광검출 패널의 화소에 맞추어 조합하는 과정이 복잡하며, 화소 사이즈가 작아지면 작아질수록 기술적으로 달성하기 어렵다는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제10-2009-0065699호에서는 금속 메쉬에 120㎛ 사각형 비아 홀(via hole)이 일정 간격으로 분포하며, 상기 비아 홀(via hole)에 GOS계 형광체 분말이 충전된 구성이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허 문헌에서는 한 개의 소자 크기가 120㎛ⅹ120㎛ 사각형으로, 소자 크기가 너무 크기 때문에, 오히려 디지털 영상의 해상도가 충분히 향상되지 않는다. 또한, 금속 메쉬를 이용시 소자 크기를 더 이상 작게 만드는 것은 실질적으로 불가능하며, 금속 메쉬의 소재 특성상 유연성이 거의 없고, 재료 비용이 고가이며, 공정시 치수 오차가 크다는 단점이 있다.
또한, X-선을 이용한 디지털 영상 기술에 사용되는 X-선 검출기의 형광판의 성능은 해상도와 발광강도를 동시에 높이는 것이 중요하지만, 이는 동시에 달성하기 어려운 특성이다. 즉, 발광강도(출력)을 올리기 위해서는 형광판 두께를 두껍게 하거나, 입자 사이즈가 큰 형광체 분말을 사용하여야 하지만, 그 경우 광산란이 커지게 되고 형광판의 해상도가 저하된다. 한편, 광산란을 제어하고 해상도를 높이기 위해서는 형광판 두께를 얇게 하거나, 입자 사이즈가 작은 형광체 분말을 사용하여야 하지만, 이 경우 형광판의 발광강도(출력)이 저하한다. 그러므로, 출력과 해상도를 동시에 개선하는 방법을 찾기 위한 노력이 계속되었으나, 만족할 만한 형광판 및 그의 제조 방법은 아직 알려진 바가 없다.
본 발명은 높은 발광 강도 및 높은 해상도를 동시에 가지며, 낮은 비용으로 제조할 수 있는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 제공하고자 한다.
본 발명은 다수의 오목형 홈(recess) 형태의 허니컴 셀(honey comb cell)을 포함하는 수지 필름, 및 상기 수지 필름 내의 허니컴 셀의 오목형 홈에 충전된 형광체 페이스트를 포함하고, 상기 형광체 페이스트는 바인더 수지 및 형광체 분말의 혼합물을 포함하는 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판을 제공한다.
상기 형광판에 있어서, 수지 필름은 임프린트 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 임프린트 방법은 열 임프린트 방법, UV 임프린트 방법 또는 둘 다일 수 있다.
상기 형광판에서, 허니컴 셀의 셀 간격은 10㎛ 내지 60㎛ 범위일 수 있고, 더욱 바람직하게 10㎛ 내지 30㎛ 범위일 수 있다. 상기 허니컴 셀의 격벽 두께는 1㎛ 내지 6㎛ 범위일 수 있다. 상기 허니컴 셀의 깊이는 100㎛ 내지 700㎛ 범위일 수 있고, 더욱 바람직하게 200㎛ 내지 600㎛ 범위일 수 있다.
상기 형광체는 Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Pr, YAG:Ce, LuAG:Ce, CsI:Tl 또는 NaI:Tl일 수 있고, Gd2O2S:Tb이 바람직하다. 상기 형광체는 분말 상태에서 평균 입경이 1㎛ 내지 10㎛ 범위일 수 있다. 상기 형광체 페이스트 내에서 형광체 분말의 함량은 55내지 75vol% 범위일 수 있다.
상기 허니컴 셀의 내부에 광반사층을 포함할 수 있다. 상기 광반사층은 Al(알루미늄) 또는 Ag(은)으로 이루어지는 금속 박막일 수 있다.
본 발명은 또한 광전 변환 소자를 어레이(array) 형으로 배열한 광전변환 검출기, 상기 광전변환 검출기 상에 부착된 상기에 정의된 형광판을 포함하고, 상기 광전 변환 소자에서 화소 간격이 형광판의 허니컴 셀의 셀 간격의 2배 이상의 크기인 X-선 검출기를 제공한다.
상기 화소 간격은 50㎛ 내지 200㎛ 범위일 수 있다.
상기 광전 변환 소자 및 상기 형광판 사이에 보호 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판은 빛을 충분히 산란시킬 수 있고, 이를 포함하는 X-선 검출기는 높은 해상도(분해능)와 높은 출력(발광강도)의 성능을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판(100)의 구조를 나타내는 정면도(a) 및 단면도(b)이다.
도 2는 본 발명에 따른 형광판의 수지 필름(resin film)의 성형 방법으로 두 가지 임프린트 방법인 (a) 열 임프린트 방법 및 (b) UV 임프린트 방법을 설명하는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판을 포함하는 X-선 검출기(200)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 형광판에서의 셀 간격과 해상도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 형광판에서의 셀 홈(recess)의 깊이와 발광 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 형광판의 수지 필름(resin film)의 성형 방법으로 두 가지 임프린트 방법인 (a) 열 임프린트 방법 및 (b) UV 임프린트 방법을 설명하는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판을 포함하는 X-선 검출기(200)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 형광판에서의 셀 간격과 해상도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 형광판에서의 셀 홈(recess)의 깊이와 발광 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 고해상도와 고발광강도(고출력)를 가지는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 제공한다.
본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판
본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판은 다수의 오목형 홈(recess) 형태의 허니컴 셀(honeycomb cell)을 포함하는 수지 필름, 및 상기 수지 필름 내의 허니컴 셀의 오목형 홈에 충전된 형광체 페이스트를 포함하고, 상기 형광체 페이스트는 바인더 수지 및 형광체 분말을 포함한다.
본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판의 구조는 도 1에 예시되어 있다.
도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판(100)은 다수의 오목형 홈 형태의 허니컴 셀을 포함하는 수지 필름(110), 및 상기 수지 필름 내의 허니컴 셀의 오목형 홈에 충전된 형광체 페이스트(120)로 이루어진다.
구체적으로, 상기 수지 필름은 수지 물질로 제조될 수 있다. 상기 수지 물질은, 열가소성 또는 UV 경화성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 열가소성 수지 필름의 비제한적인 예로서, PET(polyethylene terephthalate), PE(polyethylene), PMMA(polymethyl methacrylate), LCP(liquid crystal polymer), COC(cycloolefin copolymer) 아크릴성 수지(acrylic resin) 등을 들 수 있다. 상기 수지 중에서 PE 또는 PET가 가공성이 우수하며 동시에 비용이 낮기 때문에 특히 바람직하다. 또한, UV 경화성 수지 필름은 X선에 의한 변색이나 퇴화를 일으키지 않는 UV 경화성 수지 필름 재료이면 사용 가능하고, 이의 비제한적인 예로서 플루오르 화합물계의 재료, 에폭시, 에폭시 변성 아크릴레이트, 실리콘 변성 아크릴레이트, 우레탄 변성 아크릴레이트 등을 들 수 있다.
또한, 상기 수지 필름은 고반사율을 나타내는 수지 필름일 수 있다. 이 경우, 별도의 광반사층이 필요하지 않기 때문에 특히 바람직하다. 고반사율이란, 예를 들어 히타치사의 Hitachi U3310 Spectrometer로 반사율 측정시 560㎚ 파장에서 상대 반사율이 95% 내지 110% 범위의 반사율을 의미한다. 상기 히타치사의 장비에는 반사율 측정을 위한 표준 샘플(테프론 재질의 확산형 미러(mirror))이 포함되어 있으며, 상술한 상대 반사율의 범위는 상기 표준 샘플에 대한 상대 반사율의 범위이다. 또는 당업자는, 상술한 설명을 기초로 이에 상응하는 고반사율의 범위를 다른 반사율 측정 기계를 사용하여 설정할 수 있다.
상기 수지 필름에 포함된 다수의 허니컴 셀은 육각형 형상의 오목형 홈(recess) 모양이다. 상기 수지 필름에 존재하는 허니컴 셀은 그 육각형 구조로 인해 우수한 기계적 강도를 가지며, 면적 활용도가 매우 효율적이다.
상기 허니컴 셀의 간격(1)은 10㎛ 내지 60㎛ 범위이다. 상기 범위가 10㎛보다 작을 경우 상대적으로 홈 부분에 대한 셀의 격벽 부분의 면적비가 증가하게 되므로 형광체 분말의 충전 밀도가 저하되어 발광 강도가 크게 저하되는 점이 좋지 않으며, 상기 범위가 60㎛보다 클 경우 해상도가 50% 이상 지나치게 저하되는 단점이 있다. 보다 바람직하게, 상기 허니컴 셀의 간격은 10㎛ 내지 30㎛ 범위이다. 상기 범위가 30㎛보다 클 경우, 해상도가 30% 이상 저하되는 단점이 있다. 특히, 상기 허니컴 셀의 크기는, 통상적인 간접변환형 FPD에 사용되는 CMOS 또는 CCD의 개별 화소 크기가 150㎛ 정도인 점과 관련하여 중요한 의미를 갖는다. 구체적으로, 본 발명에 따르는 X-선 디지털 영상 장치용 형광판의 허니컴 셀의 크기는 10 내지 60㎛ 범위로 CMOS 또는 CCD의 개별 화소 크기와 대비하여 충분히 작기 때문에, 각 CMOS 또는 CCD의 각 화소에 화소(pixel) 맞추기라는 공정을 생략할 수 있다. 따라서 로봇과 같은 고가의 장비 구입, 유지, 공정 추가 등의 단점을 해소할 수 있다.
상기 수지 필름의 허니컴 셀 사이에 위치한 격벽(2)의 두께는 1㎛ 내지 6㎛ 범위이다. 상기 범위가 1㎛보다 작을 경우 격벽의 기계적 강도가 지나치게 저하되어 격벽이 변형될 수 있다는 점이 불리하며, 상기 범위가 6㎛보다 클 경우 해상도와 발광 강도가 저하되는 단점이 있다. 그러므로, 격벽 두께는 해상도와 발광 강도의 관점에서 되도록 얇게 하는 것이 바람직하지만, 바인더 수지 및 형광체 분말을 포함한 형광체 페이스트를 수지 필름의 허니컴 셀 내에 충전할 때에 격벽이 변형되지 않도록 최소한의 일정한 기계적 강도를 확보하기 위해 1㎛ 내지 6㎛ 범위가 바람직하다.
상기 수지 필름의 허니컴 셀의 깊이(3)는 100㎛ 내지 700㎛ 범위이다. 상기 범위가 100㎛보다 작을 경우 발광 강도가 저하되는 점이 불리하며, 상기 범위가 700㎛보다 클 경우 수지 필름 성형과 형광체 분말 충전에 문제가 생긴다는 단점이 있다. 보다 바람직하게, 상기 허니컴 셀의 깊이는 200㎛ 내지 600㎛ 범위이다. 상기 범위 내일 때 발광 강도가 더욱 우수하다.
상기 수지 필름은 평평한 PET, PE 등의 수지 필름에 임프린트(imprinting)함으로써 제조할 수 있다. 구체적인 임프린트 방법으로 열 임프린트, UV 임프린트 또는 둘 다 사용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 수지 필름은 도 2에 개시된 방법으로 제조할 수 있다.
도 2의 (a)는 열 임프린트(imprint) 방법을 예시하고, (b)는 UV 임프린트 방법을 예시한다. 도 2의 (a)에 예시된 열 임프린트 방법을 참고하면, 열 임프린트 방법은 열가소성 수지 필름을 유리 전이 온도 이상으로 승온시켜, 몰드로 프레스한 후, 냉각하여 몰드를 떼어내어 몰드의 패턴을 수지 필름에 전사할 수 있다. 도 2의 (b)에 예시된 UV 임프린트 방법을 참고하면, UV 경화성 수지 필름을 사용하여 기판 위에 도포된 UV경화성 수지 필름을 몰드로 변형시킨 후, 석영 유리 등의 투명 몰드를 통해 빛(UV)을 조사함으로써 상기 UV 경화성 수지 필름을 경화시킨 후, 몰드를 떼어내어 패턴을 수지 필름에 전사할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판은, 상기 수지 필름의 허니컴 셀 내부에 바인더 수지와 형광체 분말의 혼합물인 형광체 페이스트를 포함한다.
상기 바인더 수지는 투명성 및 내방사선성(radiation resistant property)을 가지는 것이면 특별한 제한이 없이 당업자가 선택할 수 있다. 비제한적인 예로서, 열가소성, 열경화성, UV 가소성, 또는 UV경화성인 바인더 수지가 사용될 수 있다. 상기 바인더 수지는, 예를 들어 에폭시 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, PVB, PVA 등을 들 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 상기 바인더 수지로는 에폭시 수지, PVB(polyvinyl butyral), 또는 PVA(polyvinyl acetate)가 투명성, 내습성, 저변색, 저가, 우수한 접착성을 갖기 때문에 특히 바람직하다.
상기 형광체는 분말 형태로 사용하며, 상기 형광체의 예는 Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Pr, YAG:Ce, LuAG:Ce, CsI:Tl, NaI:Tl 등을 들 수 있다. 그 중, 본 발명에 따르는 형광판에 적용되는 형광체로서 Tb(테르븀)을 발광 이온으로 하는 희토류 산황화물인 Gd2O2S:Tb이 저렴한 가격, 제조 용이성, 우수한 발광 특성 때문에 가장 바람직하다.
상기 형광체의 평균 입경은 1㎛ 내지 10㎛ 범위가 바람직하다. 상기 범위보다 작은 경우 다중 산란에 의한 발광강도가 저하되는 점이 불리하고, 상기 범위보다 큰 경우 빛(즉, X선에 여기된 후 발광되는 빛)의 확산 범위가 넓어져 해상도가 떨어지며, 허니컴 셀 내부에 효율적으로 패킹하기가 어렵다. 상기 형광체는 당업계에 공지된 방법을 활용 및 변경하여 제조될 수 있다.
상기 바인더 수지와 형광체 분말은 부피를 기준으로(부피%, vol%), (바인더 수지):(형광체 분말)의 비율이 45:55 내지 25:75의 범위가 되도록 혼합될 수 있다. 다시 말하면, 형광체 페이스트에서 형광체 분말의 함량은 55 내지 75vol%가 바람직하다. 상기 형광체 분말의 함량이 55vol% 미만일 경우, 발광 강도가 저하하여 S/N비(신호 대 잡음비)가 저하되고 화질이 저하되기 때문이다. 또한, 상기에서 형광체 분말의 함량이 75vol%보다 크면, 바인더의 함유율이 저하하기 때문에 형광체 분말 입자끼리의 접착 효과가 떨어지고, 형광체 분말 입자를 각 허니컴 셀에 충전하기 어려워지기 때문이다.
상기 바인더 수지와 형광체 분말의 혼합 방법은 당업자가 적절하게 선택하여 실행할 수 있고, 비제한적인 예로서 자전-공전식 회전 믹서기, 볼-밀(Ball-Mill) 등과 같은 혼합기를 사용하여 혼합될 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 상기 형광체 분말은 자전-공전식 회전 믹서기로 1000 내지 2000rpm으로 2 내지 15분 범위에서 충분히 혼합하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 형광체 페이스트를 허니컴 셀의 오목형 홈에 도포한 후, 홈에서 넘쳐 나온 여분의 형광체 페이스트는 스퀴지(squeegee)로 제거하고, 이어서 상기 수지 필름을 상온 내지 70℃로 1 내지 24시간 동안 가열 경화한 후, 표면을 가볍게 버프(buff)로 연마하여 형광판을 제조할 수 있다.
상기 형광체 페이스트는 추가로 가소제, 분산제 등의 첨가제가 포함될 수도 있다. 이러한 추가적인 첨가제의 종류와 첨가량은 당업자가 필요에 따라 적절하게 정할 수 있다. 예를 들어, 당업자는 필요에 따라 형광체 페이스트의 열가소성 및 유연성을 높이기 위해 가소제로서 디옥틸 프탈레이트(DOP)를 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 분산제는 분말의 분산성을 높이기 위한 첨가제로서 수계의 경우 폴리카르본산계 등, 비수계의 경우 에스테르비이온계, 양이온(cation) 계면활성제 등을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 수지 필름의 허니컴 셀의 내부에는 형광체 페이스트가 채워지기 전에 광반사층이 선택적으로 증착될 수 있다. 상기 광반사층은 X-선에 의해 형광체가 발광한 빛을 반사하여 형광판 내의 광 확산을 제어할 수 있기 때문에 해상도와 출력을 향상에 도움이 될 수 있다. 상기 광반사층은, 선택된 형광체의 주 발광 파장에서 광반사율이 큰 금속 박막이 바람직하며, 예를 들어 Gd2O2S:Tb 형광체의 주 발광 파장인 550㎚에서의 광반사율이 큰 Al(알루미늄) 또는 Ag(은)이 바람직하다. 상기 광반사층은 증착법 또는 스퍼터링(sputtering)법으로 허니컴 셀 내부에 형성될 수 있다.
추가적으로, 수지와의 밀착성을 높이는 목적으로, 광반사층과 다른 재질의 완충층(buffer layer)을 두는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 완충층은 Cr(크롬)을 물리적 증착함으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 상술한 형광판을 포함하는 X-선 검출기
본 발명에 따른 상술한 형광판을 포함하는 X-선 검출기는 상술된 본 발명에 따르는 형광판이 광전변환 검출기와 조합됨으로써 구성된다.
구체적으로, 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 형광판은 광전변환 검출기와 부착되어 X-선 검출기를 구성한다. 상기 광전변환 검출기는 광전변환 소자를 어레이(array) 식으로 배열한 형태이다.
상기 광전변환 검출기에서, 각 화소 간격은 해상도를 고려하여 50㎛ 내지 200㎛ 범위가 바람직하다. 화소 간격이 50㎛보다 작을 때 높은 발광 강도 발현이 불리하며, 화소 간격이 200㎛보다 클 때 우수한 해상도 발현에 불리하다.
또한, 본 발명에 따르면, 광전변환 검출기의 화소 간격이 형광판 허니컴 셀의 간격보다 2배 이상 커야 한다. 광전변환 검출기의 화소 간격이 형광판 허니컴 셀의 간격보다 2배보다 작은 경우, 형광판의 허니컴 셀과 광전변환 검출기의 화소 위치를 별도로 맞추어야 하는데, 상기 화소 맞추기 과정은 고비용이 소모되고 번거로울 뿐만 아니라, X-선 검출기 제조 공정을 크게 지연시킨다. 그러나, 본 발명의 독특하고 특징적인 형광판 구조에서는, 형광판 내의 수지 필름 내의 허니컴 셀의 간격을 광전변환 검출기의 화소 간격보다 1/2배보다 작게 제조가 가능하기 때문에, 상술한 화소 맞추기 과정을 생략할 수 있으며, 이로써 X-선 검출기의 제조 방법을 간략화할 수 있다.
상기 형광판과 광전변환 검출기 사이에는 추가로 보호 필름을 위치시킬 수 있다. 상기 보호 필름은 외부 오염물의 형광체 내부 혼입 방지 및 광전 변환 소자와의 직접적인 접촉을 방지하기 위한 것으로, 광전변환 검출기 상에 보호 필름이 위치되고, 상기 보호 필름 상에 형광판이 위치된다. 상기 보호 필름은 바람직하게 접착성 보호 필름일 수 있다.
상술한 본 발명의 형광판을 포함하는 X-선 검출기는, 종래의 형광판을 포함하는 X-선 검출기와 비교 시 해상도와 출력이 월등히 향상된다. 일반적으로, 해상도의 지표로서 MTF(modulation transfer function) 특성을 평가한다. MTF 특성은 금속 핀이 든 아크릴 수지제 팬텀(모형)을 촬영함으로써 그 신호 파형을 관찰하여 해상도를 평가하는 방법이다. 금속 핀의 간격이 작아질수록 파형의 진폭이 점점 작아진다. 금속 핀의 피치(공간 주파수 라인 페어(line pair) 또는 lp/㎜)와 진폭(진폭 변조도%)과의 관계를 나타내면 어느 정도의 미세함이 어느 정도의 진폭의 신호로 받느냐를 알 수 있으며, 이를 MTF 특성이라 한다. 본 발명에서는 공간 주파수 2 lp/㎜에서의 진폭 변조도의 수로 해상도를 나타낸다.
본 발명의 X-선 검출기는, 상술한 바와 같이 본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판과 광전변환 검출기를 조합한 구성으로 이루어지며, 해상도를 더욱 높이기 위해 형광판과 광전변환 검출기 사이에 광섬유를 묶은 광섬유 플레이트(FOP, Fiber Optic Plate)를 가지는 구성을 포함할 수 있다. 광전변환 검출기로는, 소형 형광판에 대하여 CCD 또는 CMOS를, 대형 형광판에 대하여 PD(포토다이오드)를 갖춘 TFT(박막 트랜지스터, thin film transistor)를 사용하는 것이 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명에 대하여 실시예와 함께 구체적으로 예시하나, 본 발명에 따르는 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기는 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
１
Gd2O2S:Tb 형광체는 하술된 방법으로 제조하였다. Gd2O3분말, Tb4O7 분말, S 분말, Na2CO3 분말, K3PO4 분말을 건식 혼합한 후, 뚜껑 달린 알루미나 도가니에 밀폐 및 밀봉하여, 대기 분위기에서 1200℃로 4시간 동안 소성하였다. 소성 후 수득된 소성물을 묽은 염산과 순수(pure water)의 혼합물인 3% 염산 수용액으로 1 내지 3시간 동안 1회 세척한 후, 2단계로 순수에 1 내지 3시간 동안 1~3회 가량 충분히 세척한 후 건조하여, 평균 입경 5㎛의 Gd2O2S:Tb 형광체 분말을 수득하였다.
다음으로, 허니컴 셀 형상인 다수의 오목형 홈(recess)을 가진 수지 필름을 열 임프린트법으로 제조하였다. 우선 볼록형 허니컴 패턴을 가진 니켈 재질의 몰드를 제조하여, 그 표면에 불소 수지로 미리 이형(離型) 처리하였다. 기판에 열가소성 수지 필름으로서 PET 필름을 붙이고, 몰드 온도 110℃, 기판 온도 80℃, 성형 압력 3 MPa, 유지 시간 300초의 가압 성형한 후, 이어서 냉각시키고 몰드를 떼어 내어 허니컴 셀이 임프린트된 수지 필름을 수득하였다. 상기 수지 필름은 두께가 600㎛이고, 각 변의 길이가 10㎝인 정사각형 형태로 제조하였다. 상기 수지 필름 내에 형성된 허니컴 셀은 셀 간격 20㎛, 격벽 두께 2㎛, 오목형 홈 깊이 300㎛이었다.
이어서 상기 수지 필름의 허니컴 셀의 내부에 Al(알루미늄)을 스퍼터링(Sputtering)법으로 약 500㎚ 두께로 증착하여 광반사층을 형성하였다.
앞서 준비한 Gd2O2S:Tb 형광체 분말은 바인더 수지로서 에폭시 수지와 함께 혼합하여 형광체 페이스트를 제조하였다. 구체적으로, 혼합비는 부피 기준으로 에폭시 수지와 형광체 분말을 40:60으로 하고, 자전-공전식 회전 믹서기로 2000rpm으로 10분 동안 충분히 혼합하였다. 상기 형광체 페이스트를 허니컴 셀의 오목형 홈에 도포하였다. 홈에서 넘쳐 나온 여분의 형광체 페이스트는 스퀴지(squeegee)로 제거하고, 이어서 상기 수지 필름을 상온 내지 70℃로 2시간 동안 가열 경화하였다. 가열 경화 후 표면을 가볍게 버프(buff)로 연마하여 형광판을 제조하였다.
상기와 같이 수득한 형광판 및 화소 간격 150㎛의 PD(포토다이오드)를 갖춘 TFT 사이에, 접착제로서 실리콘 수지가 앞뒤로 묻은 PET 재질의 보호 필름을 끼워 접착시킴으로써 X-선 검출기를 제조하였다.
실시예
2
열가소성 수지 필름으로서, 고반사율을 나타내는 백색의 PE 필름(도레이 Lumirror(등록상표), 188-E6SR, 일본 도쿄 소재 도레이(TORAY)사로부터 입수)을 사용하고, Al(알루미늄) 광반사층을 증착하지 않은 것 외에, 실시예 1과 동일한 방법으로 형광판 및 이를 포함하는 X선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
3
형광체 분말 제조시, 실시예 1에 기재된 Gd2O2S:Tb 형광체 제조 방법에서 소성 조건을 1100℃ 및 4시간으로 변경함으로써, 평균 입경 1㎛의 Gd2O2S:Tb 형광체를 제조하였다.
또한, 니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여 허니컴 셀의 셀 간격을 10㎛, 격벽 두께를 1㎛로 하고, 광반사층을 Ag(은)으로 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
4
형광체 분말 제조시, 실시예 1에 기재된 Gd2O2S:Tb 형광체 제조 방법에서, 소성 조건을 1300℃ 및 4시간으로 변경하여 평균 입경 10㎛의 Gd2O2S:Tb 형광체를 제조하였다.
또한, 니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여, 허니컴 셀의 셀 간격을 60㎛, 격벽 두께를 6㎛로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
5
니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여 허니컴 셀의 오목형 홈 깊이를 100㎛로 제조하고, 광반사층을 Ag(은)으로 제조한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
6
니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여 허니컴 셀의 오목형 홈 깊이를 700 ㎛로 제조하고, 광반사층을 Ag(은)으로 제조하고, 형광판의 두께를 1㎜로 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
7
니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 바꾸어 허니컴 형상의 셀 간격을 40㎛, 오목형 홈 깊이를 500㎛로 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 X-선 검출기를 각각 제조하였다.
실시예
8
UV 임프린트 방법으로 다수의 오목형 홈 형상의 허니컴 셀을 가지는 수지 필름을 제조하였다.
우선, 볼록한 허니컴 셀 패턴을 가지는 석영 유리 재질의 몰드를 제조하고, 몰드 표면에 불소 수지로 이형처리하였다. 이후 기판에 UV 경화성 수지인 에폭시 수지를 도포한 후, UV를 조사하였다. 사용한 UV 조사 장치는 UV-LED를 이용한 것으로 피크 파장은 396㎚이었다. UV 경화성 수지를 먼저 90초 동안 UV를 조사하여 예비 경화시키고, 그 후에 압력 0.1㎫로 가압하면서 120초 동안 UV 조사를 실행하였다. 경화 후 몰드를 떼어내어 정사각형의 한 변의 크기 10㎝, 수지 필름의 두께 600㎛이고, 허니컴 셀의 간격이 20㎛, 허니컴 셀의 격벽 두께가 2㎛, 허니컴 셀의 홈 깊이가 300㎛인 다수의 오목형 홈 형태의 허니컴 셀이 형성된 수지 필름을 수득하였다.
상술한 내용 이외의 방법은 실시예 1과 동일하게 형광판 및 X선 검출기를 제조하였다.
비교예
1
소성 조건을 1100℃, 6hr 및 1200℃, 5hr로 각각 평균 입경이 2㎛와 6㎛의 Gd2O2S:Tb 형광체 분말을 제조하였다. 이 분말들을 따로 사용하여 두께가 75㎛의 두 종류의 시트 성형체(형광판)을 각각 제조하였다. 상기 시트 성형체(형광판)들은 각각 형광체 분말, PVB(폴리비닐부티랄), 프탈산 에스테르계의 가소제, 에탄올, 부탄올을 자전-공전식 회전 믹서기로 1000 내지 2000rpm으로 2 내지 15분 정도로 충분히 혼합하고, 진공 탈포하여 점도를 조정한 후, 닥터 블레이드(Doctor Blade)법으로 수득하였다. 상기 두 종류의 시트 성형체를 라미네이터(Laminator)로 적층시킨 후, 실온 건조하였다. 이렇게 얻은 2층 구조의 형광판을 평균 입경 6㎛의 입경이 큰 형광체를 광전변환 검출기 측에 오도록 배열하고, 접착제가 포함된 PET 재질의 보호 필름을 그 사이에 끼워서 화소 간격 150㎛의 PD(포토다이오드)를 갖춘 TFT와 접착시켜 X-선 검출기를 제조하였다.
비교예
２
니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여 수지 필름 내의 허니컴 셀의 셀 간격을 100㎛, 격벽 두께를 4㎛로 한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 형광판 및 X-선 검출기를 제조하였다.
비교예
3
니켈 재질 몰드의 패턴 형상을 변경하여 수지 필름 내의 허니컴 셀의 셀 간격을 40㎛, 격벽 두께를 10㎛로 한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 형광판 및 X-선 검출기를 제조하였다.
성능 평가
상술한 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에 기재된 방법으로 각각 제조한 X-선 검출기를 저(低) 노이즈 앰프와 AD(Analog to Digital) 컨버터를 가진 디지털 보드를 통해 PC에 연결하여 해상도(MTF 특성)과 출력 특성 평가를 실시하였다. X-선원으로 W(텅스텐) 타겟을 사용하여, 관 전압 90㎸, 관 전류 10㎃의 X-선을 조사하였다.
해상도는 MTF 특성을 평가하여 금속 핀이 들어간 아크릴 재질의 팬텀(모형)을 촬영하고, 공간 주파수는 2 lp/㎜의 진폭 변조도로 하였다.
출력 특성은 광전변환 검출기로부터 나온 출력 평균치로 평가하였다.
하기 표 1에 평가 결과를 나타내었다. 결과는 비교예 1에 따른 광전변환 검출기의 해상도와 출력을 각각 100으로 설정하고, 그에 대한 상대치로 나타내었다.
|
|
각 부 치수 | 형광체의 평균 입경 (㎛) |
광반사층 | 해상도 (상대치) |
출력 (상대치) |
||
| 셀 간격 (㎛) |
격벽 두께 (㎛) |
셀 홈의 깊이(㎛) | |||||
| 실시예 1 | 20 | 2 | 300 | 5 | Al | 195 | 145 |
| 실시예 2 | 20 | 2 | 300 | 5 | - | 190 | 135 |
| 실시예 3 | 10 | 1 | 300 | 1 | Ag | 250 | 100 |
| 실시예 4 | 60 | 6 | 300 | 10 | Al | 110 | 165 |
| 실시예 5 | 20 | 2 | 100 | 5 | Ag | 195 | 100 |
| 실시예 6 | 20 | 2 | 700 | 5 | Ag | 195 | 100 |
| 실시예 7 | 40 | 2 | 500 | 5 | Al | 195 | 140 |
| 실시예 8 | 20 | 2 | 300 | 5 | Al | 195 | 145 |
| 비교예 1 | - | - | - | 2 / 6 | Al | 100 | 100 |
| 비교예 2 | 100 | 4 | 300 | 5 | Al | 70 | 150 |
| 비교예 3 | 40 | 10 | 300 | 5 | Al | 80 | 85 |
비교예 1은 본 명세서의 배경 기술에서 개시된 2층 구조의 형광판을 이용한 X-선 검출기에 대응된다. 본 발명의 실시예 1 내지 8에 따라 제조된 X-선 검출기는 모두 비교예 1에 따라 제조된 X-선 검출기보다 해상도가 높고 출력도 동등 이상을 나타낸다.
비교예 2에 따르는 X-선 검출기는 허니컴 셀의 셀 간격이 100㎛로 지나치게 크기 때문에 출력은 크지만, 실시예 1 내지 8에서 제조된 X-선 검출기에 비해 해상도가 현저히 저하된 것을 확인할 수 있으며, 비교예 3의 경우 격벽의 두께가 10㎛로 크기 때문에 해상도와 출력이 동시에 저하되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판을 포함하는 X-선 검출기에서, 광전변환 검출기로 화소의 간격이 150㎛의 PD(포토다이오드)를 갖춘 TFT를 이용하는 경우 허니컴 셀의 간격과 해상도의 관계를 측정하여 그 결과를 도 4에 개시하였다. 이때, 셀의 격벽 두께는 2㎛, 셀의 깊이는 300㎛로 일정하게 하였다. 도 4의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 셀 간격이 커질수록 해상도는 저하하였다. 구체적으로, 셀 간격이 10㎛일 때의 해상도를 100%로 설정할 때, 셀 간격이 30㎛의 경우 해상도는 30%가 저하되어 70% 수준이고, 60㎛의 경우 해상도는 50%로 저하되었다.
또한, 본 발명에 따른 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판을 포함하는 X-선 검출기에서, 허니컴 셀 홈의 깊이와 X 선 여기에 의한 형광판의 발광 강도와의 관계를 측정하여 그 결과를 도 5에 개시하였다. 이때 허니컴 셀의 간격은 20㎛이고, 격벽 두께는 2㎛로 일정하게 하였다. 도 5의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 홈 깊이는 400㎛까지는 깊어질수록 발광 강도가 증가하였으나, 400㎛을 넘으면서 깊어질수록 발광 강도는 오히려 저하되었다.
상기 실시예에서 살펴본 바와 같이, 종래 기술로 제조된 비교예 1 에 기재된 X-선 검출기의 해상도 및 출력과는 달리, 본 발명에 의해 만들어진 X-선 검출기들은 해상도 및 출력 중 적어도 하나 이상이 10% 이상 뛰어남을 확인할 수 있다. 이는, X-선 검출기의 해상도 향상을 달성함과 동시에 출력 향상도 달성함을 나타내는 것으로, 본 발명에 따르는 형광판과 이를 포함하는 X-선 검출기의 우수성을 알 수 있다.
특히, 의료용에서, 본 발명에 따르는 형광판과 이를 포함하는 X-선 검출기를 사용하면, 기존의 FPD에서는 흐리거나 보이지 않았던 뼈 또는 신체 장기 등을 더욱 선명한 화질로 구현이 가능하며, 높은 발광강도를 가지기 때문에 기존보다 적은 양의 X선으로도 촬영이 가능하기 때문에, 이로 인해 진료의 정확성이 향상되고 방사선 진료시 피폭량에 대한 걱정을 줄일 수 있다.
１ 허니컴 셀의 간격
２ 허니컴 셀의 격벽 두께
３ 허니컴 셀의 깊이
４ 형광체 페이스트
５ 광반사층
６ 광전 변환 소자
７ 보호 필름
２ 허니컴 셀의 격벽 두께
３ 허니컴 셀의 깊이
４ 형광체 페이스트
５ 광반사층
６ 광전 변환 소자
７ 보호 필름
Claims (17)
- 다수의 오목형 홈(recess) 형태의 허니컴 셀(honey comb cell)을 포함하는 수지 필름, 및
상기 수지 필름 내의 허니컴 셀의 오목형 홈에 충전된 형광체 페이스트를 포함하고,
상기 형광체 페이스트는 바인더 수지 및 형광체 분말의 혼합물을 포함하고, 상기 허니컴 셀의 셀 간격은 10㎛ 내지 60㎛ 범위인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 수지 필름은 임프린트 방법에 의해 제조되는 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 2 항에 있어서,
상기 임프린트 방법은 열 임프린트 방법, UV 임프린트 방법 또는 둘 다인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 허니컴 셀의 셀 간격은 10㎛ 내지 30㎛ 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 허니컴 셀의 격벽 두께는 1㎛ 내지 6㎛ 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 허니컴 셀의 깊이는 100㎛ 내지 700㎛ 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 7 항에 있어서,
상기 허니컴 셀의 깊이는 200㎛ 내지 600㎛ 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 형광체는 Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Pr, YAG:Ce, LuAG:Ce, CsI:Tl 또는 NaI:Tl인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 9 항에 있어서,
상기 형광체는 Gd2O2S:Tb 인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 형광체는 분말 상태에서 평균 입경이 1㎛ 내지 10㎛ 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 형광체 페이스트 내에서 형광체 분말의 함량은 55 내지 75vol% 범위인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 허니컴 셀의 내부에 광반사층을 포함하는 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 제 13 항에 있어서,
상기 광반사층은 Al(알루미늄) 또는 Ag(은)으로 이루어지는 금속 박막인 것인 X-선 디지털 촬영 장치용 형광판. - 광전 변환 소자를 어레이(array) 형으로 배열한 광전변환 검출기,
상기 광전변환 검출기 상에 부착된 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 정의된 형광판을 포함하고,
상기 광전 변환 소자에서 화소 간격이 형광판의 허니컴 셀의 셀 간격의 2배 이상의 크기인 것인 X-선 검출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 화소 간격은 50㎛ 내지 200㎛ 범위인 것인 X-선 검출기. - 제 15 항에 있어서,
상기 광전 변환 소자 및 상기 형광판 사이에 보호 필름을 더 포함하는 것인 X-선 검출기.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140071816A KR101621387B1 (ko) | 2014-06-13 | 2014-06-13 | X-선 디지털 촬영 장치용 형광판 및 이를 포함하는 x-선 검출기 |
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| KR20150142989A KR20150142989A (ko) | 2015-12-23 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101969024B1 (ko) | 2017-12-12 | 2019-04-15 | 주식회사 비투지코리아 | 섬광체 구조 및 그 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 엑스선 영상 검출기 |
| US10649098B2 (en) | 2018-01-29 | 2020-05-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light converting nanoparticle, method of making the light converting nanoparticle, and composition and optical film comprising the same |
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| JP2011021924A (ja) * | 2009-07-14 | 2011-02-03 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc | シンチレータパネル、放射線検出装置、及びシンチレータパネルの製造方法 |
| WO2013140444A1 (ja) * | 2012-03-21 | 2013-09-26 | 株式会社島津製作所 | シンチレータ及びその製造方法、並びに放射線検出器及びその製造方法 |
-
2014
- 2014-06-13 KR KR1020140071816A patent/KR101621387B1/ko active IP Right Grant
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