KR101687526B1 - 방사선 검출기 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체와 상기 섬광체에 형성되는 광검출기를 포함하고, 상기 섬광체는 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사선 검출기를 제공한다. 상기 섬광체는 상기 2차원 나노 물질이 적층되어 형성되는 것으로 상기 2차원 나노 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 방사선 검출기와 그 제조 방법에 관한 것이다.
방사선을 측정하는 방사선 검출기에는 여러 종류가 있으나, 섬광체형 방사선 검출기는 방사선이 입사하면 빛을 발생시키는 섬광체와 그 발생된 빛을 검출하는 광검출기가 결합된 구조를 가진다.
섬광체는 LaBr3, LYSO, Gd2SiO5(GSO), Bi4Ge3O12(BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI2 등의 비교적 고가(高價)인 결정성 화합물을 기반으로 하고 있는데, 이들은 부피가 크고 견고하며 대면적으로 제작하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 제조시 단결정의성장 시간이 많이 걸리고, 성장 조건도 까다로워 제조 단가가 높다.
광검출기는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 등의 두께가 두꺼우면서 딱딱한 반도체 웨이퍼(wafer)를 기반으로 제작되는 것이 일반적이다.
이러한 섬광체와 광검출기가 결합된 종래의 방사선 검출기는 유연하지 못하고 접히거나 휘어진 상태에서는 작동이 어려우므로, 웨어러블(wearable) 하거나 폴더블(foldable)한 디바이스(device)에는 채용되기 어렵다. 또한, 대면적에 활용하기 곤란해서 방사선을 활용한 미사일 검색이나 컨테이너 검색과 같이 대면적의 방사선 검출기가 요구되는 곳에 적용되기 어렵다는 단점이 있다. 제조 후 방사선 검출기의 두께 역시 증가되는 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은, 섬광체 및 광검출기를 종래와는 다르게 구성하여 종전보다 두께가 감소되면서도 유연성을 가지며, 대면적으로 형성 가능한 방사선 검출기의 구조를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 본 발명에 따르는 방사선 검출기를 제조하는 방법을 제안하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 실시예와 관련된 방사선 검출기는,방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체; 및 상기 섬광체에 형성되는 광검출기를 포함하고, 상기 섬광체는 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 섬광체는 상기 2차원 나노 물질이 적층되어 형성되는 것으로, 상기 2차원 나노 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고, 상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며, 상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 광검출기는 서로 이격된 위치에 배치되는 제1 접촉 전극과 제2 접촉 전극; 및 상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극의 사이를 연결하고, 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하는 활성층을 포함하며, 상기 활성층은 상기 섬광체에 대응된 형상으로 결합될 수 있도록, 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 형성된다.
이때, 상기 2차원 나노 물질은, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고, 상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며, 상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 광검출기는 상기 활성층에 밀착되고, 상기 접촉 전극들에 의해 지지되며, 상기 활성층의 외부로의 노출을 제한하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이에 개재되어 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이의 전기적 신호를 차단하는 절연층을 더 포함한다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 섬광체를 제조하는 단계; 및 상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 섬광체를 제조하는 단계는, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션을 제조하는 단계; 상기 폴리머 솔루션을 인쇄 공정을 통해 기판에 도포하는 단계; 상기 폴리머 솔루션의 수분을 제거하여 상기 섬광체를 형성하는 건조 단계; 및 상기 섬광체 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계는, 2차원 나노 물질을 활성층의 재료로서 섬광체 상에 형성하는 단계; 상기 활성층의 표면에 접촉 전극을 형성하는 단계; 및상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극 사이에 상기 활성층이 개재되도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 섬광체를 형성하는 단계; 상기 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계; 소자 전사 임시기판을 상기 광검출기 상에 형성시키고, 상기 실리콘옥사이드 기판을 SiO2 에칭용액에 침전시켜 제거하는 단계; 및 상기 광검출기를 지지하는 상기 소자 전사 임시기판을 상기 섬광체의 표면에 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법에서, 상기 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계는, 실리콘옥사이드 기판 상에 2차원 나노 물질을 전사하여 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극을 형성하는 단계; 및 상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극들의 사이에 상기 활성층이 위치하도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법에서, 상기 섬광체의 표면에 부착된 상기 소자 전사 임시기판의 제거를 위하여, 수분을 제거하는 건조 단계; 및 아세톤용액에 침전시켜 화학반응이 이루어지도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 발명에 의하면, 섬광체는 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 퀀텀닷을 포함하는 2차원 나노 물질로 형성되고, 광검출기는 그래핀까지 더 포함하는 2차원 나노 물질을 이용하여 형성될 수 있으므로 방사선 검출기는 그 물질의 특성상 두께가 얇으며 유연성을 가지게 된다.
또한, 본 발명은 섬광체의 표면에 직접 광검출기를 형성하는 방법을 이용하여 고가의 반도체 장비를 사용하는 공정을 수행하지 않고서도 인쇄 공정을 통해 대면적의 방사선 검출기를 제작할 수 있으므로 그 제조 비용과 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 기판 위에 방사선 검출기가 결합되어 있는 개념도.
도 2는 기판 위에 방사선 검출기가 결합되어 그 구조를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명인 방사선 검출기를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명인 방사선 검출기를 도 3에 표시된 선으로 자르고, A 방향에서 바라본 단면도.
도 5는 광검출기의 활성층에 패시베이션층이 결합된 방사선 검출기의 사시도.
도 6은 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 개념도.
도 7은 섬광체를 제조하는 과정을 포함한 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 흐름도.
도 8은 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 9는 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 10은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 11은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 12는 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 13은 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 14는 본 발명이 결합된 휴대장치를 나타내는 개념도.
도 15는 도 14의 휴대장치를 실제 사용하는 예를 나타내는 그림.
도 16은 방사선 검출기를 대면적에 형성시키고, 그 실사용 예를 나타내는 그림.
도 17은 본 발명을 포함하는 방사선 측정 과정의 개략도.
도 2는 기판 위에 방사선 검출기가 결합되어 그 구조를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명인 방사선 검출기를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명인 방사선 검출기를 도 3에 표시된 선으로 자르고, A 방향에서 바라본 단면도.
도 5는 광검출기의 활성층에 패시베이션층이 결합된 방사선 검출기의 사시도.
도 6은 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 개념도.
도 7은 섬광체를 제조하는 과정을 포함한 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 흐름도.
도 8은 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 9는 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 10은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 11은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 12는 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 13은 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 14는 본 발명이 결합된 휴대장치를 나타내는 개념도.
도 15는 도 14의 휴대장치를 실제 사용하는 예를 나타내는 그림.
도 16은 방사선 검출기를 대면적에 형성시키고, 그 실사용 예를 나타내는 그림.
도 17은 본 발명을 포함하는 방사선 측정 과정의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대해서 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일 ·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르지않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1 과 도 2는 본 발명인 방사선 검출기(100)의 구조를 나타내는 것으로, 도 1은 기판(125)에 본 발명인 방사선 검출기가 결합되어 있는 것을 나타내는 개념도이고, 도 2는 방사선 검출기의 구조를 보여주는 사시도이다.
여기서 기판(125)이란 SiO2으로 이루어진 실리콘옥사이드 기판이 일반적일 것이나, 플렉서블(flexible)한 성질을 가지는 기판 혹은 방사선 검출기(100)를 위치하고자 하는 여러 종류의 기판일 수 있으며, 대면적의 방사선 검출기를 제작하기 위해 벽이나 천장 또는 터널 내부의 벽이나 천장 등이 될 수 있다.
일반적으로 방사선 검출기(100)는 방사선의 종류나 세기, 에너지나 인체의 피폭선량을 측정하는 장치를 의미한다. 방사선 검출기(100)는 물질에 따라 기체형, 액체형 및 고체형으로 분류되며, 고체형은 다시 섬광체형과 반도체형으로 구분된다.
본 발명에 따르는 방사선 검출기(100)는 고체형 중 섬광체형으로 분류된다. 방사선 검출기(100)는 섬광체(110)와 광검출기(120)를 포함하며, 섬광체(110)와 광검출기(120)가 결합된 구조를 가진다.
섬광체(110)는 방사선이 부딪힘으로써 섬광을 발하는 물질을 의미하는데, 여기서 섬광(scintillation)이란 물질이 여기(excite)되어 빛을 발생시키는 현상을 의미한다. 섬광체(110)는 방사선 에너지를 흡수하여 원자가 전자대에 있는 전자가 전도대로 여기(excite) 되었다가 다시 천이 되면서 빛(구체적으로 가시광선)을 방출하는 과정을 수행하게 된다.
섬광체(110)가 흡수하는 방사선은 높은 에너지 상태로 운동하는 물질이다. 방사선은 x선, α선, β선, γ선을 포함한다. γ선은 핵 구조에서 생성되고, α선은 질량이 있는 입자로 수십 키로 전자볼트(KeV) 이상의 높은 에너지를 가진다.
섬광체(110)는 일반적으로 LaBr3, LYSO, Gd2SiO5(GSO), Bi4Ge3O12(BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI2 등의 결정성 화합물을 기반으로 하는데, 제조시 단위 공정이 많이 요구되어 제조 단가가 높고, 부피가 크며 견고하다는 단점이 있다. 또한, 유연하지 못한 특성이 있어 접히거나 휘어진 상태에서는 동작하기 어려우므로 웨어러블(wearable) 하거나 폴더블(foldable)한 디바이스(device)에는 적용되기 어렵고, 제조 후 방사선 검출기(100)의 두께가 커져 활용에 제약을 받는 문제점이 있다. 비용적인 측면에서도 대면적의 방사선 검출기를 제작하기 어려워 이를 활용한 미사일 검색이나 컨테이너 검색등에는 적용되기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명에서 섬광체(110)는 그래핀(graphene)을 제외한 2차원 나노 물질을 그 구성 재료로 한다. 2차원 나노 물질을 재료로 한 섬광체(110)는 그 재료의 특성에 의해 유연성을 가지게 되므로, 2차원 나노 물질을 활성층(123)의 재료로 하는 광검출기(120)와 결합하여 유연한 특성을 가지는 방사선 검출기(100)의 제작이 가능하게 된다. 또한 섬광체(110)는 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 인쇄 공정을 통해 원하는 기판(ex.플렉서블 기판, 실리콘옥사이드 기판, 벽이나 천장 등)에 도포하여 제작 가능하므로, 그 위에 광검출기(120)을 형성시켜 대면적의 저가형 방사선 검출기(100)의 제작이 가능하게 된다.
2차원 나노 물질이란, 원자 하나 혹은 두 개의 두께를 가지는 물질 또는 그의 조합을 의미한다. 2차원 나노 물질은 두께가 거의 없는 것으로 2차원 평면 구조를 가진다. 2차원 나노 물질은 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 양자점(graphene quantum dot) 및 MX2의 화학식을 가지는 것을 포함한다. 본 발명에서 2차원 나노 물질은 이들 중 적어도 하나를 의미하며, 개별 물질 각각 혹은 그들 상호 간의 결합을 포함한다.
흑연(graphite)은 탄소가 육각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓여 있는 구조를 가지는데, 그래핀은 흑연에서 탄소층 하나를 박리해낸 것으로서 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐져 있는 얇은 막의 형태를 가진다. 즉, 그래핀은 탄소 원자로 구성된 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고, 물리·화학적으로 매우 안정하며 실리콘(Si)보다 100배 이상 높은 전하의 이동도를 가지는 물질을 말한다.
그래핀은 탄소 원자 하나의 두께(약 0.35nm)를 가지고, 높은 투명도를 가지며, 열·기계적 특성도 우수하다. 또한, 그래핀은 높은 전하 이동도, 전류 밀도, 뛰어난 열전도도 및 낮은 발열량, 간단한 패터닝 공정 가능, 유연성, 신축성 등의 장점을 가진다. 다만 그래핀의 경우, 밴드갭이 존재하지 않아 방사선이 입사되어도 빛을 방출하지 않으므로 섬광체(110)의 재료로 이용하기에는 적당하지 않다.
그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점은 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐있는 얇은 막의 형태를 가지고, 그래핀과 유사한 구조를 가지며 전하 이동도가 커서 빠르게 반응할 수 있는 장점이 있다. 이들 물질은 나노 물질로서 크기를 작거나 얇게 만들 수 있고, 인쇄 공정(용액 공정)을 사용할 수 있으므로 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작할 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 한 특성을 가지므로, 이를 이용하여 플렉서블 한 방사선 검출기(100)를 제작할 수 있다. 이들 물질은 밴드갭(band gap)을 가지고 있어 방사선을 흡수하면 전자-정공 쌍이 형성되었다가 결합하면서 밴드갭에 해당하는 만큼의 에너지를 빛으로 방출하는 광 발광 현상이 발생되므로 방사선 검출기(100)의 섬광체(110)로 구성 가능하다.
밴드갭(band gap)은 에너지갭(energy gap)이라고도 하는데, 전자가 존재하고 있는 가장 높은 에너지 레벨에서부터 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨 사이의 에너지 준위나 그 에너지의 차이를 말한다. 전자가 없는 에너지 레벨을 전도대(conduction band)라고 하고, 전자가 있는 에너지 레벨을 가전자대(valence band)라고 하는데, 이들의 차이가 밴드갭이다. 물질이 열이나 방사선을 통해 충분한 양의 에너지를 받으면 가전자대에서 전도대까지 전자가 이동하는 것이 가능하다.
그래핀 옥사이드(graphene oxide)는 그 화학 구조가 정확하게 규명되어 있지 않지만, 그래핀이 산화된 형태로서 그래핀 구조에서 산소 작용기들이 나노 그래핀의 윗면과 끝(edge) 부분에서 공유 결합을 통해 결합된 구조를 가진다. 그래핀 옥사이드는 흑연을 산화시킨 산화물로 형성된 것으로 흑연과는 달리 분산 용액을 제조하는 것이 가능하므로 박막화를 통해 막을 형성시킬 수 있다.
도 6 에서처럼 그래핀 옥사이드가 포함되는 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(125) 등에 도포하는 방식으로 층을 이뤄 섬광체(110)를 형성할 수 있다.
그래핀 옥사이드의 분산 용액을 이용하여 그래핀 옥사이드의 박막화 후, 이를 환원시키면 얇은 층 형태의 그래핀을 형성하는 것이 가능하다. 이를 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)라고 한다. 환원된 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드를 환원시켜 얻어진 환원물을 의미한다. 환원된 그래핀 옥사이드는 그래핀과 유사한 형태 및 물성을 가지지만 밴드갭을 가지고 있어 섬광체(110)의 재료로 이용이 가능하다. 그래핀 옥사이드가 포함되는 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(125)에 도포하는 방식을 통해 섬광체(110)를 형성시킬 수 있다.
그래핀 양자점(graphene quantum dot)은 도체 물질인 그래핀을 반도체 형태로 만들기 위해서 크기를 약 10nm 이하의 점의 형태로 만든 물질을 말한다. 입자가 수십 nm 이하인 경우, 전자가 공간 벽에 갇힌 구조가 되어 특이적으로 도체 물질의 반도체적인 특성을 이용한 것이다. 실리콘옥사이드 기판(125)에 도포하는 방식을 이용하여 섬광체(110)로 형성시킬 수 있다.
2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지는 물질을 포함한다. 층상 화합물인 전이금속 디찰코게나이드계 화합물(TMDs)은 MX2와 같은 화학식을 가지는데, 여기서 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이고, X는 칼코겐(chalcogen)원소로서 황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)으로 이루어지는 원소들 중 하나이다. MX2는 각층 내부의 M과 X의 사이에서는 공유 결합을 형성하는 반면, 층 간에는 반데르발스힘을 통해 결합이 이루어진다. 층상 구조를 가지기 때문에 유연성이 있으며, 섬광체(110)로 구성이 가능하다.
즉, 섬광체(110)는 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2)등의 물질로 형성될 수 있다.
이황화몰리브덴(MoS2)의 경우, 전계효과 트랜지스터, 광 트랜지스터, 이중 층 화학 센서, 논리 회로, 메모리, 증폭기 등에 사용된다. 이황화몰리브덴(MoS2)은 벌크 상태에서 약 1.1 eV, 단일층으로 얇아짐에 따라 약 1.55 eV 수준의 밴드갭(band gap)을 갖는 물질로 층상 구조를 이루고 있으며, 통상적으로 조각의 크기는 약 1~3㎛, 두께는 약 3~80nm를 가진다.
본 발명에서 섬광체(110)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질의 단일층으로 구성될 수 있으나, 두께가 얇으면 에너지가 높은 방사선이 흡수되지 않고 투과된다. 따라서 방사선을 흡수할 수 있도록, 2차원 나노 물질을 여러 번 적층하여 두께를 두껍게 하거나, 복합재(composite)의 형태로 다른 물질과 혼합하여 구성하는 것이 바람직하다. 각 도면에 나타난 섬광체(110)의 형상은 하나의 예이며, 그 형상만으로 제한되지는 않을 것이다.
섬광체(110)는 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키고, 광검출기(120)는 그 빛(가시광선)을 흡수하여 전기적인 신호로 바꾸는 역할을 한다. 그 후 증폭기는 광검출기(120)에서 발생한 전기적인 신호를 증폭하고, 전류/전압 측정기는 증폭된 신호를 통해서 입사되는 방사선량을 측정하게 된다.
일반적으로 광검출기(120)는 실리콘(Si)을 포함하는 견고한 반도체 웨이퍼(wafer)를 기반으로 하고, 고가의 반도체 장비를 사용한 공정이 반복되어 제작된다. 그리고 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 별도로 제작된 섬광체(110)를 광검출기(120)에 부착하는 공정을 더 수행하여야 한다. 이러한 광검출기(120)는 반도체 웨이퍼 특성상 약 300~600㎛의 비교적 두꺼운 두께를 가지며, 웨이퍼를 기반으로 제작되어 견고한 특성을 가지므로 섬광체(110)의 부착 면 형상에 제약을 받는 다는 단점이 있다.
도 3을 보면, 광검출기(120)는 섬광체(110)의 절연층(111) 위의 서로 이격된 위치에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 형성되어 있고, 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)의 사이에 활성층(123)이 연결되어 있는 구조를 가진다.
제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)의 구성 및 형상은 서로 동일할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 접촉 전극(121, 122)은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 도면에 나타난 형상만으로 제한되지 않는다.
접촉 전극(121, 122)의 재료로는 주로 전도성이 좋은 팔라듐(Pd), 백금(Pt)으로 형성되는 것이 일반적이나, 그 재료에만 한정되지 않을 것이다. 접촉 전극은 섬광체(110)의 절연층(111) 상의 서로 다른 위치에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 배치되는 구조를 가진다.
광검출기(120)의 활성층(123)은 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질로 형성되는데, 섬광체(110)에서 발생한 빛을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 통해서 전자의 이동 경로가 형성된다. 활성층(123)은 2차원 나노 물질로 이루어지고 2차원 나노 물질의 특성에 따라 휘어지는 연성 혹은 탄성을 가지게 된다. 따라서 광검출기(120)는 섬광체(110)의 부착면 형상에 대응하여 변형된 후 섬광체(110)에 결합하여 방사선 검출기(100)를 구성할 수 있게 된다.
2차원 나노 물질을 활성층(123)의 재료로 사용하면 광검출기(120)는 그 소재의 특성에 의해 유연성을 가지게 되며, 섬광체(110)의 형상에 대응하여 변형 가능하므로 섬광체(110)의 부착면 형상에도 제약을 받지 않게 된다.
2차원 나노 물질이란, 원자 하나 혹은 두 개의 두께를 가지는 물질 또는 그의 조합으로 두께를 가지지 않는다고 볼 수 있는 2차원 평면 구조를 가지는 것으로서 앞서 설명한 바와 같다.
앞에서 설명한 섬광체(110)의 재료로 이용되는 2차원 나노 물질은, 광검출기(120)의 재료로 이용될 수 있다. 광검출기(120)의 활성층(123)은 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 양자점(graphene quantum dot) 및 MX2의 화학식을 가지는 것을 포함한다.
즉, 광검출기(120)의 활성층(123)은 2차원 나노 물질에 포함되는 적어도 하나로 구성될 수 있고, 개별 물질 혹은 그들의 상호 결합에 의해 구성될 수 있으며 이를 통해 섬광체(110)의 형상에 제한을 받지 않는 광검출기(120)를 얻을 수 있게 된다.
그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide) 및 그래핀 양자점(graphene quantum dot)은 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐있는 얇은 막의 형태를 가지는 그래핀과 유사한 구조를 가지며, 빛을 받으면 전자-정공 쌍을 형성하여 전기적인 신호를 발생하는 역할을 하게 된다. 이들은 높은 전하 이동도 및 유연성으로 가지므로 광검출기(120)의 활성층(123)으로 구성될 수 있다. 흑연과 다르게 분산 용액을 제조한 후 박막화로 막을 형성하여 광검출기(120)의 활성층(123)으로 형성시킬 수 있다.
도 5에서 보면, 광검출기(120)의 활성층(123)이 외부로 노출되지 않도록 하는 패시베이션층(124)을 더 포함할 수 있다.
패시베이션층(124)은 소자의 외부노출을 막아 보호하는 역할을 하는 것이다. 패시베이션층(124)은 돌출된 제1 접촉 전극(121) 및 제2 접촉 전극(122), 실리콘옥사이드 기판(125)에 접하면서, 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)에 의해 지지되고, 활성층(123)에 밀착되는 구조를 가진다.
도면에서 패시베이션층(124)을 일정한 형상이 있는 것으로 구성하였으나, 이는 하나의 예시 불과하며, 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 패시베이션층(124)은 광검출기(120)에 있어서 필수적인 구성요소는 아니며, 이를 제거한 구조라도 광검출기(120)로서의 기능 수행이 가능하다. 패시베이션층(124)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어질 수 있으나, 그 재료에 한정되지는 않을 것이다.
도 3에 나타난 선으로 자르고, A 방향으로 바라본 방사선 검출기(100)의 단면도는 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 방사선 검출기(100)의 단면도를 살펴보면, 방사선 검출기(100)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어진 섬광체(110) 상에 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물로 이루어진 절연층(111)이 약 30~50nm의 두께로 형성된다. 절연층(111) 위에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 각각 돌출되어 위치하고, 두 개의 접촉 전극(121, 122) 사이를 2차원 나노 물질로 이루어진 활성층(123)이 연결된 광검출기(120)가 위치하는 구조를 가진다.
광검출기(120)의 활성층(123)은 두 개의 접촉 전극(121, 122)과 연결되어 있으면 그 기능을 수행할 수 있다. 활성층(123)은 절연층(111)과 접하고 있거나 혹은 접하지 않을 수 있다. 활성층(123)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 서로 다른 구성을 가질 수 있다. 즉, 섬광체(110)의 절연층(111) 상에서 광검출기(120)는 접촉 전극(121, 122) 사이를 두 개 혹은 그 이상의 2차원 나노 물질로 형성되는 활성층(123)이 서로 연결된 구조를 가질 수 있다. 본 발명에서 각각의 도면에 나타난 광검출기(120)의 형상은 하나의 예를 나타내고, 그 형상만으로 제한되지는 않을 것이다.
도 2에서 보듯이, 본 발명에 따르는 방사선 검출기(100)는 섬광체(110) 상에 절연층(111)이 형성되고 그 위에 광검출기(120)가 형성되는 구조를 가진다. 즉, 절연층(111)은 섬광체(110)와 광검출기(120)의 사이에 개재되어 섬광체(110)에서 직접 발생한 전기적인 신호가 광검출기(120)로 전달되는 것을 차단하는 역할을 한다. 절연층(111)은 섬광체(110)와 광검출기(120) 사이의 전기적인 신호를 차단하는 역할을 한다.
섬광체(110)가 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키면, 광검출기(120)는 그 빛을 흡수하여 전기적인 신호를 발생시키고, 이 전기적인 신호를 근거로 방사선을 측정하게 된다. 섬광체(110)에서 직접 전기적인 신호가 발생하게 된다면 정확한 방사선량을 측정할 수 없게 된다. 따라서 정확한 방사선량의 측정을 위해서 섬광체(110)와 광검출기(120) 사이에는 전기적인 신호의 차단을 위해 절연층(111)이 위치하게 된다.
절연층(111)은 약 30~50nm의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물로 구성될 수 있다. 다만, 절연층(111)은 상기와 같은 물질에만 한정되지는 않을 것이다.
이상에서는 섬광체(110)와 광검출기(120)를 포함하는 방사선 검출기(100)의 구조에 대해서 설명하였고, 이하에서는 방사선 검출기(100)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 6은 방사선 검출기(100)를 제작하는 과정을 나타내는데, 섬광체(110)의 구성 재료가 되는 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 그래핀 퀀텀닷 및 MX2의 화학식을 가지는 물질(여기서, M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이고, X는 칼코겐(chalcogen)원소로서 황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)으로 이루어지는 원소들 중 하나이다.) 즉, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머(고분자) 솔루션(10)을 이용하여 도 6의 (a)처럼 복합물을 구성한다. 2차원 나노 물질 그 자체만으로는 기판(125) 혹은 방사선 측정을 위한 장소에 섬광체(110)로서 형성시키기 어렵기 때문이다.
그리고 도 6의 (b)와 같이, 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시킨다. 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)은 인쇄 공정을 이용하여 형성 가능하다. 도 6의 (b)에서는 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시키고 있는데, 본 발명의 특성상, 방사선 검출기(100)를 위치시키고 싶은 곳이라면 도면에 나타난 곳으로 제한되지 않을 것이다.
폴리머 솔루션(10)은 인쇄 공정을 통해서 섬광체(110)로 형성시킬 수 있는데, 인쇄 공정은 인쇄전자소자기술이라고도 하며, 기존의 전자제품을 생산하는 방식과 달리 신문이나 잡지등의 인쇄물을 제작하는데 사용하는 인쇄 기술을 전자부품의 제조에 이용하는 기술이다. 인쇄 공정에는 잉크젯 프린팅법(Inkjet Printing), 스크린 프린팅법(Screen Printing) 등이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 공정 외에도, 붓 등을 이용하여 간단하게 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 펴 바르는 방법을 통해 섬광체(110)를 형성시킬 수 있다.
잉크젯 프린팅(Inkjet Printing) 공정은 헤드로부터 미세한 잉크 방울(직경 30㎛이하)을 토출시켜 원하는 위치에 패터닝하는 공정기술이다. 이는 작은 체적에 복잡한 형상을 구현하는데 적합한 공정이다. 잉크젯 프린팅법은 공정이 간단하여 제조 비용을 낮출 수 있고, 재료를 원하는 위치에 퇴적시켜 재료의 손실을 줄이는 방법이다. 또한, 에칭과 같은 추가 공정이 필요 없기 때문에 화학적 영향으로 재료의 특성이 변화되지 않고, 비접촉식 인쇄 방식이므로 접촉에 의한 디바이스의 손상도 없다. 또한 요철이 있는 기판에도 형성이 가능한 방식이다.
잉크젯 프린팅 공정은 노즐을 통해 토출된 미세한 액적이 공중을 날아 기판등의 표면에 부착되고, 용매가 건조되면 고형성분이 고착되어 패턴이 형성된다. 기판에 떨어진 액적은 기판 위에서 2차원적으로 퍼져 액적보다 큰 사이즈의 도트가 되는데, 액적이 퍼지는 것은 기판에 충돌할 때의 운동에너지와 액체의 습윤성에 의존하게 된다.
즉, 본 발명에서 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)이 잉크젯 프린팅 공정에 의해 노즐을 통해 분사되는 방법에 의해 섬광체(110)를 형성할 수 있다.
스크린 프린팅(Screen Printing)법은 장력을 이용하여 기판 위에 잉크 페이스트를 올린 후 스퀴지(squeegee, 주걱모양으로 된 우레탄 고무)를 내리누르면서 이동시켜 잉크 페이스트를 스크린의 메쉬를 통해 피인쇄물 표면으로 밀어내며 전사하는 공정이다. 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 잉크 페이스트가 되는 방식으로 스크린 프린팅 방법을 이용할 수 있다.
스크린 프린팅법은 롤링, 토출, 판 분리, 레벨링 등 4가지 과정을 통해 형성된다.
롤링은 스크린 위에서 페이스트가 이동하는 스퀴지에 의해 앞쪽으로 회전하게 되는 것으로 페이스트의 점도를 일정하게 안정화시키는 역할을 하여 균일한 박막을 얻는데 필요한 과정이다. 토출과정은 페이스트가 스퀴지에 밀려 스크린 메쉬 사이를 통과하여 기판 표면으로 밀려나오는 과정으로 토출의 힘은 스퀴지의 스크린과의 각도와 이동 속도에 의존한다.
판 분리과정은 페이스트가 기판 표면에 도달한 후 스크린이 기판에서 떨어지는 단계로서, 해상력과 연속 인쇄성을 결정하는 과정이다.
스크린을 통과해 기판에 이른 페이스트는 스크린과 기판에 끼워진 상태에서는 확산 되기 때문에 곧바로 스크린에서 떨어지는 것이 바람직하다. 그러기 위해 스크린은 높은 장력으로 당겨져야 한다. 기판 위에서 토출 후 분리된 페이스트는 유동성이 있어 패턴이 변화할 가능성이 있고, 메쉬 자국이나 핀홀 등이 생기게 되는데, 시간이 지나면서 용매의 증발 등에 의해 점도가 증가하면서 유동성을 잃게되어 최종적으로 패턴을 완성하게 된다. 이러한 과정을 레벨링이라고 한다.
도 6의 (c)에서 보듯이, 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시킨 후에 건조 과정을 거치게 된다. 건조 과정을 거친 후에는 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)은 섬광체(110)를 형성하게 된다.
그 후, 도 6의 (d)와 같이 섬광체(110) 상에 절연층(111)을 형성한다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물을 이용하나, 상기와 같은 물질로 한정되지 않을 것이다.
절연층(111)을 형성시킨 후에는 도 6의 (e)와 같이, 섬광체(110) 상에 활성층(123) 형성, 접촉 전극 형성, 활성층(123) 패터닝 과정을 수행하여 광검출기(120)를 형성하게 되고, 도 6의 (f)에서 보듯이, 실리콘옥사이드 기판(126)을 SiO2 에칭용액(20)에 침전시켜 화학적으로 제거하는 공정을 거치게 된다. 그러면, 도 6의 (g)와 같이 섬광체(110)에 광검출기(120)가 부착된 형상을 가지는 방사선 검출기(100)가 된다. 그 후, 도 6의 (h)처럼 방사선 검출기(100)를 형성하고자 하는 부위에 전사하는 과정을 거치게 된다. 다만, 도 6의 (h)에 나타난 형상은 하나의 예시이다.
즉, 도 6과 도 7에서 보듯이, 방사선 검출기(100)는 (a) 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)의 제작(S100), (b) 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 폴리머 솔루션(10) 형성(S110), (c) 폴리머 솔루션(10)의 건조(S120), (d) 절연층(111) 형성(S130), (e) 절연체 상에 광검출기(120) 형성(S140), (f) 실리콘옥사이드 기판(126) 제거(S150) 및 (h) 원하는 곳에 방사선 검출기(100) 형성(S160)을 거치게 된다.
이렇게 제작된 방사선 검출기(100)는 섬광체(110)뿐만 아니라 광검출기(120)도 유연성을 가지므로 플렉서블(flexible)한 특성을 가지고, 그 두께도 종래 방사선 검출기(100)에 비하여 줄어들게 된다. 섬광체(110)는 약 10nm 이내의 두께를 가지고, 절연층(111)은 약 30~50nm의 두께를 가지며, 광검출기(120)는 약 1nm 의 두께를 가지므로, 이들이 결합된 방사선 검출기(100)의 두께는 약 40~50nm 의 두께를 가지게 된다.
도 8은 원하는 기판(125)이나 부착하고자 하는 위치에 직접 방사선 검출기(100)를 형성하는 과정을 나타낸다.
도 6의 과정과 같이, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 이용하여 도 8의 (a)처럼 복합물을 구성(S200)한다. 그 후, 도 8의 (b)에서처럼 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위가 아닌, 섬광체(110)를 형성하고자 하는 곳에 직접 형성(S210)하게 된다. 원하는 기판(125) 혹은 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 벽이나 천장, 터널 내부에 인쇄 공정을 통해서 형성시킬 수 있다. 특히 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 큰 붓 등을 이용해서 원하는 곳에 간단하게 바르는 작업을 통해서 형성이 가능하다. 그 후에는 도 8의 (c)처럼 도포된 폴리머 솔루션(10)을 건조시키는 단계(S220)를 거치면 섬광체(110)가 형성된다. 섬광체(110)가 형성되면, 도 8의 (d)와 같이 섬광체(110) 상에 절연층(111)을 형성(S230)한다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물을 이용할 수 있으나, 상기와 같은 물질로 한정되지 않을 것이다. 절연층(111)을 형성시킨 후에는 도 8의 (e)와 같이, 섬광체(110) 상에 활성층(123) 형성, 접촉 전극 형성, 활성층(123) 패터닝 과정을 거치면서 광검출기(120)를 형성(S240)하게 되면, 방사선 검출기(100)가 원하는 곳에 부착된 형상을 가지게 된다. 원하는 곳에 직접 섬광체(110)를 형성시킴으로써 도 6의 (f), (g) 및 (h) 과정은 불필요하다.
즉, 도 8과 도 9에서 보듯이, (a) 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)의 제작(S200), (b) 원하는 기판(125) 위에 폴리머 솔루션(10) 형성(S210), (c) 폴리머 솔루션(10)의 건조(S220), (d) 절연층(111) 형성(S230), (e) 절연체 상에 광검출기(120) 형성(S240) 과정을 통해서 원하는 곳에 방사선 검출기(100) 형성 가능하다.
도 10은 섬광체(110) 상에 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도이다.
방사선 검출기(100)를 제작할 때, 광검출기(120)를 따로 제작하지 않고 섬광체(110) 상에 직접 광검출기(120)의 각 소자를 형성시킨다면, 별도의 광검출기(120) 부착 과정이 불필요하고 반도체 공정을 거치지 않아도 되므로, 제조 공정과 제조 시간을 단축시킬 수 있다.
우선, 방사선 검출기(100)를 부착하고자 하는 곳에 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어진 섬광체(110)를 형성시키고, 섬광체(110) 위에 절연층(111)을 형성시킨다. 절연층(111) 위에 광검출기(120)가 형성되면 방사선 검출기(100)가 된다.
도 10의 (a)에서처럼 섬광체(110) 혹은 섬광체(110)의 절연층(111) 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 원자 하나 정도의 두께로 형성시켜 광검출기(120)의 활성층(123)을 구성하게 된다. 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질이 단원자 두께의 활성층(123)으로 구성되면, 빛 투과율이 높아 불과 2~3%의 빛만을 흡수하게 된다. 따라서 활성층(123)의 빛 흡수율을 높이기 위해 적어도 한번 이상 2차원 나노 물질을 적층하여 활성층(123)을 형성시킬 수 있다.
절연층(111) 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질로 광검출기(120)의 활성층(123)을 형성시킨 후에는 그 위에 도 10의 (b)에서 보는 바와 같이, 돌출된 2개의 접촉 전극(121, 122)을 서로 다른 위치에 형성시킨다.
접촉 전극(121, 122)은 활성층(123)이 빛을 흡수하고서 방출하는 전기적인 신호를 수용하는 역할을 하는 것으로, 통상적으로는 전기 전도성이 좋은 재료인 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pt) 등이 이용될 것이나, 전기 전도성이 있는 금속이라면 접촉 전극(121, 122)의 재료로 이용 가능할 것이다.
접촉 전극(121, 122)을 형성시킨 후에는 도 10의 (c)와 같이, 두 개의 접촉 전극(121, 122) 사이에 개재된 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질 이외에는, 패터닝 과정을 통해 제거되게 된다.
패터닝이란 반복적으로 식각하는 과정을 통해 원하는 것을 형성하는 것을 의미하는 것으로서 운용자는 패터닝 과정을 통해서 활성층(123)을 원하는 형태로 형성시킬 수 있다. 즉, 패터닝 과정을 통해서 절연층(111) 위에 접촉 전극(121, 122)과 이를 연결하는 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)가 위치하게 된다.
광검출기(120)는 도 10의 (d)와 같이 활성층(123)에 밀착되면서 접촉 전극(121, 122)에 의해 지지되는 구조를 가지며, 활성층(123)이 외부로 노출되는 것을 막기 위한 패시베이션층(124)을 더 포함할 수 있다.
패시베이션층(124)은 소자를 덮는 방식으로 소자의 노출을 방지하여 보호하는 역할을 한다. 패시베이션층(124)은 약 30nm의 두께로 형성된다. 본 발명에서 패시베이션층(124)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성되었으나, 그 재료에만 한정되지는 않을 것이다.
즉, 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해 섬광체(110) 상에 절연층(111)이 형성되어 있다면, 그 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 형성(S300)시킨다. 그리고 그 위에 접촉 전극(121, 122)을 형성(S310)시킨다. 접촉 전극(121, 122)이 형성되었다면, 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 제거하는 활성층(123) 패터닝 과정(S320)을 통해 방사선 검출기(100)가 완성된다. 그 후, 선택적으로 활성층(123)을 보호하는 패시베이션층(124)을 형성(S330) 시킬 수 있다.
도 10과 도 11을 참조하면, 방사선 검출기(100)는 (a) 섬광체(110) 상에 2차원 나노 물질로 이루어지는 활성층(123)을 형성시키는 단계(S300), (b) 활성층(123)의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극(121, 122)을 형성하는 단계(S310), (c) 활성층(123)을 패터닝하여 접촉 전극(121, 122)들 사이에 활성층(123)이 위치하도록 하는 단계(S320) 및 (d) 선택적으로 패시베이션층(124)을 형성하는 단계(S330)를 통해서 제조될 수 있다.
위와 같은 과정을 통해서 섬광체(110) 상에 접촉 전극(121, 122)과 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)가 결합된 방사선 검출기(100)를 제조할 수 있다. 섬광체(110) 상에 직접 광검출기(120)를 형성시키는 경우, 별도로 부착공정을 수행하지 않아도 되어 제조 공정과 시간이 단축되게 된다.
도 12는 소자 전사 임시기판(130)을 사용하여 섬광체(110) 상에 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 나타낸다.
실리콘옥사이드 기판(126) 위에서 광검출기(120)가 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질의 전사, 접촉 전극(121, 122)의 형성, 활성층(123)의 패터닝의 단계를 거쳐 형성되면, 소자 전사 임시기판(130)을 그 위에 형성시킨다.
소자 전사 임시기판(130)은 광검출기(120)를 코팅하거나 위에서 덮는 구조로광검출기(120) 상에 형성되게 된다. 소자 전사 임시기판(130)은 약 1㎛ 이내의 얇은 판의 형태로 이루어졌고, 소자를 지지하거나 붙잡을 수 있으며, 연성이 있어 휘어질 수 있는 성질을 가진다. 소자 전사 임시기판(130)은 소자를 부착한 뒤, 다른 부재에 형성되도록 하는 역할을 한다.
소자 전사 임시기판(130)으로는 일반적으로 PMMA(polymethylmethacrylate)를 많이 사용한다. 본 발명에서 소자 전사 임시기판(130)을 이용해서 광검출기(120)를 섬광체(110)에 형성시킬 때에도 PMMA를 이용하여 형성하였다. 소자 전사 임시기판(130)은 소자들 간의 반응에는 아무런 영향을 미치지 않으며, 전사 후에 간단한 공정을 통해서 쉽게 제거될 수 있다.
소자 전사 임시기판(130)을 광검출기(120) 위에 형성시킨 후에는 광검출기(120)를 지지하고 있는 실리콘옥사이드 기판(126)을 SiO2 에칭용액(20)에 침전시켜 화학적으로 제거하는 공정을 거치게 된다. 그러면, 도 12의 (c)와 같이 소자 전사 임시기판(130)에 광검출기(120)가 부착된 상태가 된다. 즉, 소자 전사 임시기판(130)이 광검출기(120)의 접촉 전극(121, 122)과 활성층(123)을 붙잡고 있는 구조를 이룬다.
소자 전사 임시기판(130)을 도 12의 (d)와 같은 과정을 통해서 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 형성된 섬광체(110) 상에 형성시키면 방사선 검출기(100)가 완성된다. 그 후, 소자 전사 임시기판(130)은 수분을 건조하는 과정을 거친 후 아세톤 용액에 침전시키면, 아세톤 용액 내에서 화학 반응이 이루어지므로 제거될 수 있다. 소자 전사 임시기판(130)이 제거되는 경우라도 접촉 전극(121, 122) 및 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)는 별도의 작업이 없더라도 섬광체(110) 상에 결합되어 있게 된다.
즉, 방사선 검출기(100)는 도 12과 도 13에서 보듯이, (a) 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기(120)를 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시키는 단계(S400), (b) 광검출기(120)를 소자 전사 임시기판(130) 위에 형성시키는 단계(S410), (c) 실리콘옥사이드 기판(126)을 제거하는 단계(S420) (d) 광검출기(120)가 부착된 소자 전사 임시기판(130)을 섬광체(110) 상에 부착하는 단계(S430), (e) 소자 전사 임시기판을 제거하는 단계(S440)를 통해서 제조될 수 있다.
도 14 와 도 15은 섬광체(110)에 광검출기(120)가 결합된 방사선 검출기(100)가 채용된 휴대용 장치와 그 사용 예를 나타낸다.
그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 광검출기(120)의 활성층(123)으로 구성하면 광검출기(120)는 휘어질 수 있는 연성을 가진다. 또한, 섬광체(110)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어지는 경우 연성을 가진다. 또한 이들이 결합된 방사선 검출기(100)는 플렉서블(flexible)한 특성을 가지며, 부착 면에 구애받지 않게 된다. 이러한 방사선 검출기(100)는 휴대용 측정기, 휴대 전화 및 통신장비, 시계 등에 이용될 수 있다.
유연성을 가지는 방사선 검출기(100)가 부착 면의 형상에 구애받지 않으면서 다양한 형상으로 제작 가능한 경우, 방사선 검출기(100)는 특정한 방향성을 가지지 않고, 장비 운용자는 원하는 장소에 설치하여 방사선을 측정할 수 있어 방사선의 측정 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 생기게 된다.
방사선 검출기(100)를 설치하고자 하는 곳에 쉽게 2차원 나노 물질로 형성된 섬광체(110)를 도포하고 섬광체(110) 상에 전하의 이동도가 빠른 다수의 광검출기(120)를 형성하면, 방사선에 의해 발생된 빛의 속도차를 감지해 낼 수 있을 정도의 시간 분해능을 가지게 되고, 장비 운용자는 방사선의 입사방향을 알아내고 방사선 이미징 작업을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
장비 운용자는 다수의 방사선 검출기(100)를 네트워크형으로 배치 시킨 후 빠른 속도로 방사선 맵핑(mapping) 작업을 할 수 있고, 국부적인 방사선량의 변화를 측정을 통해서 확인할 수 있게 될 것이다. 이러한 방사선 검출기(100)는 동위원소 생산시설 안전관리, 방사선 폐기물 보안 모니터링, 군사용 방사선 3차원 지형도 작성 등에 효과적으로 활용 가능하다. 본 발명과 같은 초소형의 유연 방사선 검출기(100)는 국방 분야에서 병사용 선량계나 의료기기, 여러 가지 기능을 복합적으로 수행하는 초소형 유연 스마트 센서 분야에서 활용 및 응용이 가능하다.
도 16은 방사선 검출기(100)를 대면적에 형성하여, 차량에 적재된 화물의 방사선을 측정하는 그림을 나타낸다. 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 대면적에 인쇄 공정 등을 이용하여 섬광체(110)를 형성한 후, 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 통해 간편하면서도 경제적으로 방사선 검출기(100)를 제작 가능하다. 대면적의 방사선 검출기(100)를 이용하면, 방사선 측정의 효율을 높일 수 있게 된다.
도 17은 방사선 검출기(100)를 포함하는 방사선 측정의 개략적인 순서를 나타내는 순서도이다.
X선, α, β, γ선과 같은 방사선이 섬광체(110) 상에 흡수되면, 섬광체(110)는 가시광선을 발생시키고, 광검출기(120)는 섬광체(110)에서 발생한 빛을 2차원 나노 물질로 형성된 활성층(123)을 통해서 흡수하여 전기적인 신호를 발생시키게 된다. 광검출기(120)가 발생시킨 전류는 증폭기를 통해서 증폭된 후 전류/전압 측정기 쪽으로 전달된다. 그 후 전류/전압 측정기는 전달받은 전류나 전압을 측정하여, 방사선을 탐지하고 방사선량을 측정하게 된다.
이상에서 설명된 방사선 검출기 및 방사선 검출기의 제조 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션
20 : SiO2 에칭용액 30 : 휴대 장치
100 : 방사선 검출기 110 : 섬광체
111 : 절연층 120 : 광검출기
123 : 활성층 124 : 패시베이션층
125 : 기판 126 : 실리콘옥사이드 기판
130 : 소자 전사 임시기판
20 : SiO2 에칭용액 30 : 휴대 장치
100 : 방사선 검출기 110 : 섬광체
111 : 절연층 120 : 광검출기
123 : 활성층 124 : 패시베이션층
125 : 기판 126 : 실리콘옥사이드 기판
130 : 소자 전사 임시기판
Claims (13)
- 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체;
상기 섬광체 위에 형성되고, 상기 섬광체에서 발생되는 빛을 흡수하여 전기적인 신호를 발생시키는 광검출기; 및
상기 섬광체와 상기 광검출기 사이에 개재되어 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이의 전기적 신호를 차단하는 절연층을 포함하고,
상기 섬광체는, 연성을 부여하는 2차원 나노 물질의 적층으로 이루어지며,
상기 광검출기는,
서로 이격된 위치에 배치되는 제1 접촉 전극과 제2 접촉 전극;
상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극의 사이를 연결하고, 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하며, 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 이루어지는 활성층; 및
상기 활성층에 밀착 형성되어 덮도록 이루어지며, 상기 활성층의 외부 노출을 제한하는 패시베이션층을 포함하며,
유연한 특성을 가지고 방사선량을 측정하기 하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 섬광체는,
상기 2차원 나노 물질로서 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 섬광체의 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고,
상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며,
상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 제1항에 있어서,
상기 활성층은, 상기 섬광체에 대응된 형상으로 결합되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 제4항에 있어서,
상기 2차원 나노 물질은 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 제4항에 있어서,
상기 활성층의 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고,
상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며,
상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기. - 삭제
- 삭제
- 섬광체를 제조하는 단계; 및
상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 섬광체를 제조하는 단계는,
그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션을 제조하는 단계;
상기 폴리머 솔루션을 인쇄 공정을 통해 기판에 도포하는 단계;
상기 폴리머 솔루션의 수분을 제거하여 상기 섬광체를 형성하는 건조 단계; 및
상기 섬광체 위에 절연층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계는,
2차원 나노 물질을 활성층의 재료로서 섬광체 상에 형성하는 단계;
상기 활성층의 표면에 접촉 전극을 형성하는 단계; 및
상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극 사이에 상기 활성층이 개재되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법. - 삭제
- 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 섬광체를 형성하는 단계;
상기 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계;
소자 전사 임시기판을 상기 광검출기 상에 형성시키고, 상기 실리콘옥사이드 기판을 SiO2 에칭용액에 침전시켜 제거하는 단계; 및
상기 광검출기를 지지하는 상기 소자 전사 임시기판을 상기 섬광체의 표면에 부착하는 단계를 포함하고,
상기 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계는,
실리콘옥사이드 기판 상에 2차원 나노 물질을 전사하여 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극을 형성하는 단계; 및
상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극들의 사이에 상기 활성층이 위치하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법. - 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 섬광체의 표면에 부착된 상기 소자 전사 임시기판의 제거를 위하여,
수분을 제거하는 건조 단계; 및
아세톤용액에 침전시켜 화학반응이 이루어지도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
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