KR101784118B1 - 방사선 검출기, 신틸레이터 패널, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시형태에 의하면, 방사선 검출기는 광을 전기 신호를 변환하는 광전변환기판과, 이 광전변환기판에 접하고 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함한다. 이 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어진다, 이 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량% 이고, 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다.

Description

방사선 검출기, 신틸레이터 패널, 및 그 제조 방법{RADIATION DETECTOR, SCINTILLATOR PANEL, AND METHODS FOR MANUFACTURING RADIATION DETECTOR AND SCINTILLATOR PANEL}
본 발명은 개괄적으로 방사선 검출기, 신틸레이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
X-선 검출기는 액티브 매트릭스, CCD 및 CMOS와 같은 고체 이미징 소자를 기초로 평면형 방사선 검출기로서 구현될 수 있다. 그와 같은 X-선 검출기는 신세대의 진단 X-선 이미지 검출기로서 주목을 끌고 있다. 이러한 X-선 검출기에 X-선을 조사함으로써 X-선 촬영 이미지 또는 실시간 X-선 이미지가 디지털 신호로서 출력된다.
X-선 검출기는 광을 전기 신호로 변환하는 광전변환기판과, 상기 광전변환기판에 접촉된 신틸레이터 층을 포함한다. 신틸레이터 층은 외부에서 입사한 X-선을 광으로 변환한다. 신틸레이터 층에서 입사한 X-선으로부터 변환된 광은 상기 광전변환기판에 도달하여 전하로 변환된다. 이 전하는 출력 신호로 읽혀서 예를 들면 소정의 신호처리회로에서 디지털 이미지 신호로 변환된다.
상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI로 만들어질 수 있다. 이 경우에, 입사 X-선은 CsI 단독으로는 가시광으로 변환될 수 없다. 따라서, 흔히-사용되는 형광체에서와 같이, 입사 X-선에 대한 광의 여기를 활성화시키기 위해 활성제가 함유된다.
상기 X-선 검출기에서, 광전변환기판의 수광 감도는 가시영역의 400~700 nm 부근에서 피크 파장을 가진다. 따라서, 신틸레이터 층이 CsI로 만들어지는 경우에, 활성제로서 Tl이 사용된다. 그 다음, 입사 X-선에 의해 여기된 광은 550 nm 부근의 파장을 가진다.
상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI에서 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어질 수 있다. 이 경우에, 활성제를 함유하는 흔히 사용되는 형광체에서와 같이, 상기 신틸레이터 층의 특성은 활성제로서 기능하는 Tl의 농도와 농도 분포에 의해 크게 영향을 받는다.
활성제를 함유하는 신틸레이터 층을 포함하는 X-선 검출기에서, 상기 활성제의 농도 및 농도 분포의 최적화가 이루어지지 않는 경우 신틸레이터 층의 특성 열화가 초래된다. 이것은 신틸레이터 층의 발광 특성에 관련된 감도(발광 효율) 및 잔상(n회 째의 X-선 이미지에 (n-1)회 째 이전의 X-선 이미지의 피사체 이미지가 남는 현상)에 영향을 준다.
예를 들면, X-선 이미지를 사용한 진단에서, X-선 투과율이 신체 부위에 따라 다르기 때문에, 촬영 조건이 피사체에 의해 크게 변한다(입사 X-선의 선량: 약 0.0087~0.87 mGy). 이것에 의해 (n-1)회 째의 X-선 이미지와 n회 째의 X-선 이미지 사이의 입사 X-선의 선량이 크게 다를 수 있다. 여기서, 만일 (n-1)회 째가 n회 째보다 X-선 이미지의 입사 X-선의 선량이 더 크다면, (n-1)회 째 X-선 이미지의 비 피사체부의 신틸레이터 층의 발광 특성이 입사 X-선의 큰 에너지에 의해 변화된다. 이 영향은 n회 째의 X-선 이미지에도 잔류하며 잔상을 초래한다.
X-선 이미지를 사용한 진단에서, 잔상 특성은 감도(발광 효율) 및 해상도(MTF)와 같은 신틸레이터 층의 다른 특성보다 더 중요하다.
종래, 감도(발광 효율) 및 해상도(MTF)의 향상을 위해 신틸레이터 층의 활성제의 농도 및 농도 분포를 규정하는 제안이 있었다.
일본 공개특허공보 제2008-51793호
신틸레이터 층의 특성 향상을 위한 종래의 제안들은 대체로 감도(발광 효율) 및 해상도(MTF)에 관한 것이다. 상기 잔상 특성을 포함하는 전체적인 특성 향상에 관련된 제안들은 거의 없다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 신틸레이터 층의 잔상 특성을 포함하는 전체적인 특성을 향상시킬 수 있는 방사선 검출기, 신틸레이터 패널, 및 이것들의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 실시형태에 따른 방사선 검출기는 광을 전기 신호로 변환하는 광전변환기판과, 상기 광전변환기판에 접촉된 신틸레이터 층을 포함하고, 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환한다. 상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로서 만들어진다. 형광체 중의 활성제의 농도는 1.6질량%±0.4 질량%이며, 면내 방향 및 막 두께 방향의 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다.
도 1은 일 실시형태를 도시하는 방사선 검출기의 제1 구조 예의 단면도이다.
도 2는 상기 방사선 검출기의 제2 구조 예의 단면도이다.
도 3은 상기 방사선 검출기의 제3 구조 예의 단면도이다.
도 4는 상기 방사선 검출기의 제4 구조 예의 단면도이다.
도 5는 상기 방사선 검출기의 등가회로도이다.
도 6은 상기 방사선 검출기의 신틸레이터 층의 Tl 농도와 감도비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 7은 상기 방사선 검출기의 신틸레이터 층의 Tl 농도와 MTF 비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 8은 상기 신틸레이터 층의 Tl 농도와 잔상 비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 9는 상기 신틸레이터 층의 적층 주기(stacking pitch)와 감도 비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 10은 상기 신틸레이터 층의 적층 주기와 MTF 비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 11은 상기 신틸레이터 층의 적층 주기와 잔상 비의 상관을 도시하는 그래프이다.
도 12는 상기 신틸레이터 층을 형성하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 13a 내지 도 13e는 전술한 방사선 검출기에 의해 특정한 촬영조건하에서 촬영된 X-선 이미지를 도시한다. 도 13a는 0.1 질량%의 Tl 농도에서의 X-선 이미지이다. 도 13b는 1.0 질량%의 Tl 농도에서의 X-선 이미지이다. 도 13c는 1.2 질량%의 Tl 농도에서의 X-선 이미지이다. 도 13d는 1.6 질량%의 Tl 농도에서의 X-선 이미지이다. 도 13e는 2.0 질량%의 Tl 농도에서의 X-선 이미지이다.
도 14는 0.1 질량%, 1.0 질량%, 1.2 질량%, 1.6 질량%, 및 2.0 질량%의 Tl 농도에서의 상기 방사선 검출기의 특성을 도시하는 테이블이다.
도 15는 일 실시형태를 도시하는 신틸레이터 패널의 제1 구조 예의 단면도이다.
도 16은 상기 신틸레이터 패널의 제2 구조 예의 단면도이다.
도 17은 상기 신틸레이터 패널의 제3 구조 예의 단면도이다.
도 18은 상기 신틸레이터 패널의 제4 구조 예의 단면도이다.
도 19는 상기 신틸레이터 패널을 이용한 촬영장치의 단면도이다.
이제, 본 발명에 따른 실시형태를 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 4에서, 방사선 검출기(1)의 기본 구성이 제1 내지 제4 구조 예와 관련하여 도시되어 있다. 도 5는 상기 기본 구성의 등가회로도를 도시한다.
먼저, 방사선 검출기로서 상기 X-선 검출기(1)의 제1 구조 예를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에서와 같이, X-선 검출기(1)는 간접방식의 X-선 평면 이미지 검출기이다. X-선 검출기(1)는 광전변환기판(2)을 포함한다. 광전변환기판(2)은 가시광을 전기 신호로 변환하는 액티브 매트릭스 광전변환기판이다.
광전변환기판(2)은 지지기판(3)을 포함한다. 지지기판(3)은 장방형 평판의 투광성 유리로 형성된 절연기판이다. 지지기판(3)의 표면에는, 복수의 픽셀(4)이 2차원 매트릭스로 서로 이격되어 배치된다. 각각의 픽셀(4)은 스위칭 소자로서의 박막 트랜지스터(TFT)(5), 전하 축적용 커패시터(6), 픽셀 전극(7), 및 포토다이오드와 같은 광전변환소자(8)를 포함한다.
도 5에서와 같이, 복수의 제어 전극(11)이 지지기판(3) 위에 배선되어 있다. 제어 전극(11)은 지지기판(3)의 행 방향을 따르는 제어 라인이다. 상기 복수의 제어 전극(11)은 각각 지지기판(3) 위에서 픽셀들(4) 사이에 위치되며 지지기판(3)의 열 방향으로 이격되어 있다. 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극(12)은 이들 제어 전극(11)에 전기적으로 접속되어 있다.
지지 기판(3) 위에는 지지기판(3)의 열 방향을 따르는 복수의 읽기 전극(13)이 배선되어 있다. 복수의 읽기 전극(13)은 각각 지지기판(3) 위의 픽셀들(4) 사이에 지지기판(3)의 행 방향으로 이격되어 위치되어 있다. 박막 트랜지스터(5)의 소스 전극들(14)이 이 읽기 전극들(13)에 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터(5)의 드레인 전극(15)은 전하 축적 커패시터(6)와 픽셀 전극(7)의 각각에 전기적으로 접속되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극(12)은 지지기판(3) 위에 섬처럼 형성된다. 게이트 전극(12)을 포함하는 지지기판(3) 위에는 절연막(21)이 적층되어 있다. 절연막(21)은 각각의 게이트 전극(12)을 피복한다. 절연막(21) 위에는 복수의 섬-모양 반절연막(22)이 적층되어 있다. 반절연막(22)은 반도체로부터 형성되며 박막 트랜지스터(5)의 채널 영역으로서 기능한다. 반절연막(22)은 각각의 게이트 전극(12)에 대향하며 이 전극들(12)을 피복한다. 즉, 반절연막(22)은 절연막(21)을 통해서 각각의 게이트 전극(12)에 제공된다.
소스 전극(14)과 드레인 전극(15)은 각각 반절연막(22)을 포함하는 절연막(21) 위에 섬처럼 형성된다. 소스 전극(14)과 드레인 전극(15)은 서로 절연되며 전기적으로 접속되어 있지 않다. 소스 전극(14)과 드레인 전극(15)은 게이트 전극(12) 위의 반대 측에 제공된다. 소스 전극(14)과 드레인 전극(15)의 일 단부는 반절연막(22) 위에 적층되어 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 각각의 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극(12)은 같은 행에 위치된 다른 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극들(12)과 함께 공통 제어전극(11)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 각각의 박막 트랜지스터(5)의 소스 전극(14)은 같은 열에 위치된 다른 박막 트랜지스터(5)의 소스 전극들(14)과 함께 공통 읽기전극(13)에 전기적으로 접속되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 전하 축적 커패시터(6)는 지지기판(3) 위에 형성된 섬-모양의 하부전극(23)을 포함한다. 하부전극(23)을 포함하는 지지기판(3) 위에는 절연막(21)이 적층된다. 절연막(21)은 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극(12) 위로부터 하부전극(23) 위까지 연장되어 있다. 또한, 절연막(21) 위에는 섬-모양의 상부전극(24)이 적층되어 있다. 상부전극(24)은 하부전극(23)에 대향하여 설치되며 하부전극(23)을 피복한다. 즉, 상부전극(24)은 절연막(21)을 통해 각각의 하부전극(23) 위에 제공된다. 상부전극(24)을 포함하는 절연막(21) 위에는 드레인 전극(15)이 적층되며 상부전극(24)에 전기적으로 접속되어 있다.
박막 트랜지스터(5)의 반절연막(22), 소스 전극(14), 및 드레인 전극(15)과, 전하 축적 커패시터(6)의 상부전극(24)을 포함하는 절연층(21) 위에는 절연층(25)이 적층된다. 절연층(25)은 각각의 픽셀 전극(7) 주위에 예컨대 산화규소(SiO2)로부터 형성된다.
절연층(25)의 일부에는 스루홀(26)이 개구 형성되어 있다. 스루홀(26)은 박막 트랜지스터(5)의 드레인 전극(15)과 연통하는 콘택트 홀(contact hole)이다. 스루홀(26)을 포함하는 절연층(25) 위에는 섬-모양의 픽셀 전극(7)이 적층되어 있다. 픽셀 전극(7)은 스루홀(26)을 통해서 박막 트랜지스터(5)의 드레인 전극(15)에 전기적으로 접속되어 있다.
각각의 픽셀 전극(7) 위에는 가시광을 전기 신호로 변환하는 포토다이오드와 같은 광전변환소자(8)가 적층되어 있다.
광전변환소자(8)가 형성되는 광전변환기판(2)의 표면 위에는 신틸레이터 층(31)이 형성되어 있다. 신틸레이터 층(31)은 X-선과 같은 방사선을 가시광으로 변환한다. 신틸레이터 층(31)은 진공증착법, 스퍼터링법, 및 CVD법과 같은 기상성장법에 의해 상기 광전변환기판(2) 위에 기둥 모양으로 고휘도 형광 물질을 퇴적시켜 형성된다. 상기 고휘동 형광 물질은 요오드화 세슘(CsI)을 포함하는 할로겐 화합물과 가돌리늄 옥산황화물(GOS: Gadolinium oxysulfide)을 포함하는 산화물계 화합물과 같은 형광체이다. 신틸레이터 층(31)은 복수의 스트립 모양 주상(strip-shaped columnar) 결정들(32)이 광전변환기판(2)의 면내 방향으로 형성되도록 주상의 결정 구조를 가진다.
신틸레이터 층(31) 위에는 반사층(41)이 적층되어 있다. 반사층(41)은 신틸레이터 층(41)에서 변환된 가시광의 이용 효율을 향상시킨다. 반사층(41) 위에는 보호층(42)이 적층되어 있다. 보호층(42)은 대기 중의 습기로부터 신틸레이터 층(31)을 보호한다. 보호층(42) 위에는 절연층(43)이 적층되어 있다. 절연층(43) 위에는 X-선 그리드(44)가 형성된다. X-선 그리드(44)는 픽셀들(4) 사이를 차단하는 격자 모양으로 형성된다.
이와 같이 구성된 X-선 검출기(1)에서, X-선(51)과 같은 방사선은 신틸레이터 층(31)에 입사되어 신틸레이터 층(31)의 주상 결정(32) 내에서 가시광(52)으로 변환된다.
가시광(52)은 주상 결정(32)을 통과해서 광전변환기판(2)의 광전변환소자(8)에 도달하여 전기 신호로 변환된다. 광전변환소자(8)에서 변환된 전기 신호는 픽셀 전극(7)에 흐른다. 상기 전기 신호는 픽셀 전극(7)에 접속된 박막 트랜지스터(5)의 게이트 전극(12)이 구동 상태로 될 때까지 전하 축적 커패시터(6) 내에 저장 유지된다.
이때, 제어 전극들(11) 중 하나가 구동상태로 되면, 상기 구동상태로 된 이 제어 전극(11)이 접속된 1행의 박막 트랜지스터(5)가 구동상태로 된다.
상기 구동상태가 된 각각의 박막 트랜지스터(5)에 접속된 전하 축적 커패시터(6)에 저장된 전기 신호는 읽기 전극(13)에 출력된다.
그 결과 상기 X-선 이미지의 특정한 행의 픽셀들(4)에 대응하는 신호가 출력된다. 따라서, X-선 이미지의 모든 픽셀들(4)에 대응하는 신호는 제어전극(11)의 구동 제어에 의해 출력될 수 있다. 이 출력 신호는 디지털 이미지 신호로 변환되어 출력된다.
다음, 도 2를 참조하여 X-선 검출기(1)의 제2 구조 예가 설명된다. X-선 검출기(1)의 제1 구조 예에서와 같은 참조번호들이 사용되며, 유사한 구성 및 동작에 대한 설명은 생략한다.
광전변환기판(2)은 제1 구조 예와 같은 구성 및 동작을 가진다.
광전변환기판(2) 위에는 접합층(61)을 통해 신틸레이터 패널(62)이 접합되어 있다. 신틸레이터 패널(62)은 X-선(51)을 투과하는 지지기판(63)을 포함한다. 지지기판(63) 위에는 광을 반사하는 반사층(41)이 형성되어 있다. 반사층(41) 위에는 복수의 스트립 모양 주상 결정(32)을 포함하는 신틸레이터 층(31)이 형성되어 있다. 신틸레이터 층(31) 위에는 신틸레이터 층(31)을 밀폐하는 보호층(42)이 적층되어 있다. 또한, 지지기판(63) 위에는 픽셀들(4) 사이를 밀폐하는 격자 모양의 X-선 그리드(44)가 형성되어 있다.
이렇게 구성된 X-선 검출기(1)에서, X-선(51)은 신틸레이터 패널(62)의 신틸레이터 층(31) 위에 입사되어 신틸레이터 층(31)의 주상 결정(32) 내에서 가시광(52)으로 변환된다.
가시광(52)은 주상 결정(32)을 통과하여 광전변환기판(2)의 광전변환소자(8)까지 진행하여 전기 신호로 변환된다. 상기 전기 신호는 전술한 바와 같이 디지털 이미지 신호로 변환되어 출력된다.
다음, X-선 검출기(1)의 제3 구조 예가 도 3을 참조하여 설명된다. X-선 검출기(1)의 제3 구조 예는 도 1에 도시한 X-선 검출기(1)의 제1 구조 예와 구성이 유사하지만, 신틸레이터 층(31)은 주상 결정(32)을 포함하지 않는다.
다음, X-선 검출기(1)의 제4 구조 예가 도 4를 참조하여 설명된다. X-선 검출기(1)의 제4 구조 예는 도 2에 도시한 X-선 검출기(1)의 제2 구조 예와 구성이 동일하지만, 신틸레이터 층(31)은 주상 결정(32)을 포함하지 않는다.
도 1 내지 도 4에 도시한 구조들의 X-선 검출기(1)에서, 신틸레이터 층(31)은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어진다. 또한, 신틸레이터 층(31)은 다음과 같은 특징 (1), (2), 및 (3)을 가진다.
(1) 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량% 이다. 상기 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다.
(2) 적어도 200 nm 이하의 단위 막 두께의 영역에서, 형광체의 면내 방향 및 두께 방향에서 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다. 따라서 균일성이 유지된다.
(3) 신틸레이터 층(31)은 CsI와 TlI 2개의 증발원을 사용하는 진공증착법에 의해 형성된다. 또한, 바람직하게는, 신틸레이터 층(31)은 스트립 모양 주상 결정(32)의 구조를 가진다.
도 1에 도시된 제1 구조 예의 X-선 검출기(1)에서, 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도와 다양한 특성의 상관이 시험되었다. 도 6 내지 도 8에 그 결과가 도시되어 있다. 이 시험에서, 신틸레이터 층(31)의 막 두께는 600 ㎛이며, 활성제는 Tl이다. 또한, 신틸레이터 층(31)의 적층 피치{단위 막 두께의 형성 피치(기판의 1회전당 형성 막 두께)}가 시험되었다. 그 결과가 도 9 내지 도 11에 도시되어 있다.
도 6은 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도와 감도비의 상관을 도시한다. 시험 조건은 X-선이 70 kV와 0.0087mGy로 입사한다. 상기 감도비는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 0.1 질량%인 경우의 감도를 기준으로 한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외). 도 6에 도시한 것과 같이, 감도는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 1.4 질량% - 1.8 질량%인 부근에서 최대가 되었다.
도 7은 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도와 MTF 비의 상관을 도시한다. MTF 비는 해상도를 나타낸다. 시험 조건은 X-선이 70 kV와 0.0087mGy로 입사한다. MTF 비는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 0.1 질량%인 경우의 MTF(2 Lp/mm에서)를 기준으로 한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외). 도 7에 도시한 것과 같이, 그 결과는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 2.0 질량% 인 부근에서 대략 일정했다.
도 8은 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도와 잔상비의 상관을 도시한다. 시험 조건은 다음과 같다. (n-1)회째 X-선 이미지의 입사 X-선의 선량은 n회째 X-선 이미지의 입사 X-선의 선량보다 크다. (n-1) 회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.87 mGy에서 입사한다. 피사체는 납판(두께 3mm)이다. X-선 이미지 캡처 간격은 60초이다. n 회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.0087 mGy에서 입사한다. 피사체는 없다. X-선 이미지 캡처 간격은 60초이다. 또한, 잔상비는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 0.1 질량%인 경우의 잔상에 기준한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외). 도 8에 도시한 것과 같이, 잔상은 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 1.6 질량% 인 부근에서 최소였다. 또한, 잔상비가 0.5 (바람직하게는 0.4) 이하이고 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 1.6 질량% ± 0.4 질량%인 영역에서 잔상이 확인되지 않았다.
도 9는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도와 적층 피치의 상관을 도시한다. 시험 조건은 X-선이 70 kV와 0.0087mGy로 입사한다. 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 0.1 질량%이다. 감도비는 신틸레이터 층(31)의 적층 피치가 200 nm인 경우의 감도를 기준으로 한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외).
도 10은 신틸레이터 층(31)의 적층 피치와 MTF 비의 상관을 도시한다. 시험 조건은 X-선이 70 kV와 0.0087mGy로 입사한다. 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 0.1 질량%이다. MTF 비는 신틸레이터 층(31)의 적층 피치가 200 nm인 경우의 MTF(2 Lp/mm에서)를 기준으로 한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외).
도 11은 신틸레이터 층(31)의 적층 피치와 잔상비의 상관을 도시한다. 시험 조건은 다음과 같다. (n-1)회째 X-선 이미지의 입사 X-선의 선량은 n회째 X-선 이미지의 입사 X-선의 선량보다 크다. (n-1)회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.87 mGy에서 입사한다. 피사체는 납판(두께 3mm)이다. X-선 이미지 캡처 간격은 60초이다. n 회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.0087 mGy에서 입사한다. 피사체는 없다. X-선 이미지 캡처 간격은 60초이다. 또한, 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 0.1 질량%이다. 상기 잔상비는 신틸레이터 층(31)의 적층 피치가 200 nm인 경우의 잔상에 기준한 비율이다. 각 시험 샘플의 신틸레이터 층을 형성하는 조건은 동일하다(신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도는 제외).
도 9 내지 도 11에 도시한 것과 같이, 신틸레이터 층(31)의 적층 피치가 200 nm 이상인 영역에서 특성이 저하되는 경향이 있다.
신틸레이터 층(31)의 발광 파장은 550 nm 부근에서 피크 파장을 가진다. 신틸레이터 층(31)은 주로 CsI로 만들어지며, 이것은 1.8의 굴절률을 가진다. 신틸레이터 층(31) 내를 전파하는 발광 파장의 피크 파장은 λ1으로 표시된다. 그러면, 굴절률과 파장의 관계로부터 λ1 = 550 nm /1.8 = 306 nm로 볼 수 있다. 따라서, 신틸레이터 층(31)의 적층 피치가 λ1보다 큰 경우에, 도 9 내지 도 11의 결과는, 예를 들어, 신틸레이터 층(31)의 결정성의 변동 및 신틸레이터 층(31) 내 Tl 농도의 변동과 관련된 광학 특성의 저하(산란, 감쇠 등)의 영향을 받을 가능성이 높아지는 것에 기인할 수 있다.
도 8에서와 같이, 잔상은 신틸레이터 층(31)을 구성하는 형광체 내의 활성제의 농도가 1.6 질량% 부근일 때 최소가 되었다. 잔상비가 0.5(바람직하게는 0.4)인 1.6 질량% ± 0.4 질량%인 영역에서는 잔상이 확인되지 않았다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 같이, 감도 및 MTF의 특성은 1.6 질량% ± 0.4 질량%의 영역에서 양호하다. 따라서, 활성제의 농도는 1.6 질량% ± 0.4 질량% 영역이 바람직하다.
도 6 내지 도 8에 도시한 것과 같이, 신틸레이터 층(31)의 Tl 농도가 1.6 질량% ± 0.4 질량%인 영역에서 특성이 안정상태에 가깝다. 따라서, 신틸레이터 층(31)의 Tl 농도의 변동에도(약 ±15%) 상기 특성의 변동은 작다.
형광체 내 활성제의 농도가 1.6 질량% ± 0.4 질량%의 범위에 있더라도, 활성제의 농도 분포가 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 크게 편향되어 있다면, 특성이 크게 변동될 수도 있다. 따라서, 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 활성제의 농도 분포는 바람직하게는 ±15% 이내이다. 형광체의 농도 분포가 약 ±15%의 변동 범위에 있다면 특성 변동이 작고 영향이 적다.
따라서, 특징 (1)에서 전술한 것과 같이, 바람직하게는, 형광체 내 활성제의 농도는 1.6 질량% ± 0.4 질량% 이고, 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 활성제의 농도 분포는 ±15% 이다.
적어도 단위 막 두께가 200nm 이하인 형광체의 영역에서, 활성제(activator)의 농도 분포가 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 크게 편향되어 있다면, 특성이 크게 변동될 수도 있다. 따라서, 특징 (2)에서 전술한 것과 같이, 바람직하게는, 또한 단위 막 두께가 200 nm 이하인 영역에서, 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다.
도 12는 신틸레이터 층(31)을 형성하는 방법을 개략 도시한다. 진공 챔버(71) 내에 기판(72)(광전변환기판(2) 또는 지지기판(63)에 대응함)이 놓인다. 신틸레이터 층(31)의 막은 진공증착법에 의해 적층된다. 진공증착법에서, 진공 챔버(71)에 배치된 CsI의 증발원(73)으로부터의 증발 입자와 TlI의 증발원(74)으로부터의 증발 입자가 기판(72)이 회전하는 동안 기판(72)의 적층 표면 위에 증착된다.
이때, 신틸레이터 층(31)의 적층 주기당 면내 방향 및 막 두께 방향에서의 Tl 농도 분포는 기판(72)의 회전 주기와 CsI 및 TlI의 증발을 제어함으로써 임의의 제어될 수 있다. 따라서, 전체 신틸레이터 층(31)의 면내 방향 및 막 두께 방향에서의 Tl 농도 분포의 균일성은, 신틸레이터 층(31)이 형성될 때 신틸레이터 층(31)의 적층 주기당 면내 방향 및 막 두께 방향에서의 Tl 농도 분포의 균일성을 확보함으로써 확보된다.
따라서, 할로겐화물인 CsI 내의 활성제로서 Tl을 함유하는 형광제로 만들어진 신틸레이터 층(31)에 상기 특징 (1) 내지 (3)을 제공함으로써, 신틸레이터 층(31)의 특성, 특히 잔상 특성이 개선될 수 있다.
이제 도 1에 도시된 제1 구조 예의 X-선 검출기(1)의 실제 예가 설명된다. 이 실제 예에서, 신틸레이터 층(31)의 막 두께는 600 ㎛ 이다. 신틸레이터 층(31)의 적층 피치는 150 nm 이다. 신틸레이터 층(31) 내 형광체의 면내 방향 및 막 두께 방향에서 활성제의 농도 분포는 ±15% 이다. 활성제는 Tl 이다. 신틸레이터 층(31) 내 활성제의 농도가 0.1 질량%, 1.0 질량%, 1.2 질량%, 1.6 질량%, 및 2.0 질량% 인 5개의 샘플이 생성되었다.
이들 5개의 샘플에 대해, 특정의 촬영 조건하에서 피사체가 촬영된다. 촬영된 이미지는 소정의 이미지 처리 조건으로 처리된다. 도 13a 내지 도 13e는 이 경우의 (n회째)의 X-선 이미지를 도시한다. 도 14의 표는 상기 특성의 결과를 보여준다. 도 14에서, 감도비, MTF 비, 및 잔상비는 신틸레이터 층(31) 내의 Tl 농도가 0.1 질량% 인 경우에 기준한 값들이다.
촬영 조건은 다음과 같다. (n-1) 회째의 입사 X-선의 선량은 n 회째의 입사 X-선의 선량보다 더 크다. (n-1) 회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.87 mGy에서 입사한다. 피사체는 납판(판 두께 3 mm)이다. X-선 이미지 캡처 간격은 60 초이다. n 회째 X-선 이미지에서, X-선은 70 kV와 0.0087 mGy에서 입사한다. 피사체는 없다. X-선 이미지 캡처 간격은 60초이다.
이미지 처리 조건과 관련하여, 플랫 필드 보정(flat field correction)이 적용된다. 윈도우 처리가 적용된다(이미지의 히스토그램 평균치 ±10%).
도 13a 및 도 13b에 도시한 것과 같이, 활성제의 농도가 0.1 질량% 및 1.0 질량%일 때, 도면에서 파선으로 포위된 영역 내에 잔상이 확인된다. 도 13c 내지 도 13e에 도시된 것과 같이, 활성제의 농도가 1.2 질량%, 1.6 질량%, 및 2.0 질량% 일 때, 도면에서 파선으로 포위된 영역 내에 잔상이 확인되지 않는다.
따라서, 만일 본 실시형태에서 정의된 상기 특징들 (1) 내지 (3)이 신틸레이터 층(31)에 제공된다면, 감도 및 MTF가 역시 양호하게 되므로 잔상 특성이 개선될 수 있다. 이것은 X-선 검출기(1)의 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 신틸레이터 층이 신틸레이터 패널에 사용되는 실시형태를 설명한다.
도 15 내지 도 19에서, 신틸레이터 패널(90)의 기본적인 구성이 제1 내지 제4 구조 예를 참조하여 설명된다.
먼저, 도 15를 참조하여 신틸레이터 패널(90)의 제1 구조 예를 설명한다. 신틸레이터 패널(90)은 X-선과 같은 방사선을 투과하는 지지기판(91)을 포함한다. 지지기판(90) 위에는 광을 반사하는 반사층(92)이 형성되어 있다. 반사층(92) 위에는 방사선을 가시광으로 변환하는 신틸레이터 층(93)이 형성되어 있다. 신틸레이터 층(93) 위에는 신틸레이터 층(93)을 밀폐하는 보호층(94)이 적층되어 있다.
지지기판(91)은 전이금속 원소보다는 가벼운 원소를 주성분으로 하고, X-선 투과율이 좋은 재료로 형성된다.
반사층(92)은 Al, Ni, Cu, Pd 및 Ag 등의 반사율이 높은 금속 재료로 만들어진다. 반사층(92)은 신틸레이터 층(93)에 의해 생성된 광을 지지기판(91)과 반대 방향으로 반사한다. 따라서, 반사층(92)은 광 이용 효율을 향상시킨다.
신틸레이터 층(93)은 진공증착법, 스퍼터링법, 및 CVD법 등의 기상 성장법에 의해 지지기판(91) 위에 주상으로 고휘도 형광 물질을 퇴적시킴으로써 형성된다. 고휘도 형광 물질은 요오드화 세슘(CsI)을 포함하는 할로겐화물과 가돌리늄 옥시황화물(GOS)을 포함하는 산화물계 화합물과 같은 형광체이다. 신틸레이터 층(93)은 복수의 스트립 모양 주상의 결정들(32)이 지지기판(91)의 면내 방향으로 형성되도록 주상의 결정 구조로 형성된다.
이렇게 구성된 신틸레이터 패널(90)에서, X-선(96)과 같은 방사선이 지지기판(91)으로부터 신틸레이터 층(93)에 입사하여 신틸레이터 층(93)의 주상 결정(93a) 내에서 가시광으로 변환된다. 가시광(97)은 지지기판(91)과 반대측의 신틸레이터 층(93)의 표면(보호층(94)의 표면)으로부터 방출된다.
도 16은 신틸레이터 패널(90)의 제2 구조 예를 도시한다. 신틸레이터 패널(90)의 제2 구조 예는, 반사층(92)을 포함하지 않는 것 외에는, 도 15에 도시된 신틸레이터 패널(90)의 제1 구조 예와 구성이 유사하다.
도 17은 신틸레이터 패널(90)의 제3 구조 예를 도시한다. 신틸레이터 패널(90)의 제3 구조 예는, 신틸레이터 패널(90)이 주상 결정들(93a)을 포함하지 않는 것 외에는, 도 15에 도시된 신틸레이터 패널(90)의 제1 구조 예와 구성이 유사하다.
도 18은 신틸레이터 패널(90)의 제4 구조 예를 도시한다. 신틸레이터 패널(90)의 제4 구조 예는, 신틸레이터 패널(90)이 주상 결정들(93a)을 포함하지 않는 것 외에는, 도 16에 도시된 신틸레이터 패널(90)의 제2 구조 예와 구성이 유사하다.
도 19는 신틸레이터 패널(90)에 기초한 예컨대 CCD-DR 타입의 촬영장치(100)를 도시한다. 촬영장치(100)는 하우징(101)을 포함한다. 신틸레이터 패널(90)은 하우징(101)의 일 단부에 배치되어 있다. 하우징(101) 내부에는 경면 반사판(102)과 광학 렌즈(103)이 배치되어 있다. 하우징(101)의 타 단부는 CCD와 같은 수광소자(104)가 배치되어 있다. X-선(96)이 X-선 발생원(X-선관)(105)으로부터 방사되어 신틸레이터 패널(93) 위에 입사된다. 신틸레이터 층(93) 내에서 변환된 가시광(97)이 신틸레이터 층(93)의 표면으로부터 방출된다. 신틸레이터 층(93)의 표면 위에 상기 X-선 이미지가 투사된다. 이 X-선 이미지는 반사판(102)에 의해 반사된다. 한편, X-선 이미지는 광학렌즈(103)에 의해 집광되어 수광소자(104)에 조사된다. X-선 이미지는 수광소자(104) 내에서 전기 신호를 변환되어 출력된다.
도 15 내지 도 19에 도시된 구조들의 신틸레이터 패널(90)에서, 신틸레이터 층(93)은 할로겐화물인 CsI 내의 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어진다. 또한, 신틸레이터 층(93)은 다음과 같은 특징들 (1), (2), 및 (3)을 가진다.
(1) 형광체 내의 활성제 농도는 1.6 질량%±0.4 질량% 이다. 형광체의 면내 방향 및 두께 방향에서의 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다.
(2) 적어도 단위 막 두께가 200 nm 이하인 영역에서, 형광체의 면내 방향 및 두께 방향에서의 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내이다. 따라서, 균일성이 유지된다.
(3) 신틸레이터 층(93)은 CsI 및 TlI의 2개의 증발원을 이용한 진공증착법에 의해 형성된다. 또한, 바람직하게는, 신틸레이터 층(93)은 스트립 모양 주상 결정(93a)이 구조를 가진다.
도 6 내지 도 11에 도시된 것과 같이, 본 실시형태에서 정의된 상기 특징들 (1) 내지 (3)을 가진 신틸레이터 층(93)이 신틸레이터 패널(90)에서 사용된다. 따라서, 신틸레이터 패널(90)의 감도 및 MTF가 양호하게 잔상 특성이 개선될 수 있다. 이것은 신틸레이터 패널(90)의 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있다.
신틸레이터 층(93)을 형성하는 방법은 도 12를 참조하여 설명한 신틸레이터 층(31)을 형성하는 방법과 유사하게 이루어질 수 있다.
몇몇 실시형태가 설명되었지만, 이 실시형태들은 단지 예로서 제시된 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 설명된 신규한 실시형태들은 다양한 다른 형태로 구현될 수도 있으며, 또한 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 생략, 치환 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부한 청구항 및 그것들의 균등물은 본 발명의 범위 및 사상에 속하는 그러한 형태 또는 변형을 포함하는 것을 의도한다.
1 X-선 검출기 2 광전변환기판
3 지지기판 4 픽셀
5 박막 트랜지스터 6 전하 축적 커패시터
7 픽셀 전극 8 광전변환소자
11 제어전극 12 게이트 전극
13 읽기 전극 14 소스전극
15 드레인 전극 21 절연막
22 반절연막 23 하부전극
24 상부전극 25 절연층
26 스루홀 31 신틸레이터 층
32 주상 결정 41 반사층
42 보호층 43 절연층
44 X-선 그리드 51 X-선
52 가시광 61 접합층
62 신틸레이터 패널 63 지지기판
71 진공챔버 72 기판
73, 74 증발원 90 신틸레이터 패널
91 지지기판 92 반사층
93 신틸레이터 층 93a 주상 결정
94 보호층 96 X-선
97 가시광 100 촬영장치
101 하우징 102 반사판
103 광학렌즈 104 수광소자
105 X-선 발생원

Claims (9)

  1. 방사선 검출기에 있어서,
    광을 전기 신호로 변환하는 광전변환기판; 및
    상기 광전변환기판에 접하며 외부로부터 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함하고,
    상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어지고, 상기 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량%이고, 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내인, 방사선 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신틸레이터 층 내에서, 상기 면내 방향과 상기 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 200 nm 이하의 단위 막 두께의 영역에서 ±15% 이하인, 방사선 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신틸레이터 층은 주상 결정 구조를 가지는, 방사선 검출기.
  4. 광을 전기 신호를 변환하는 광전변환기판과, 상기 광전변환기판에 접하고 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함하는 방사선 검출기를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어지고,
    상기 방법은, CsI 및 Tl의 물질 공급원을 이용하여 기상성장법에 의해 상기 신틸레이터 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량%이고, 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내인, 방사선 검출기 제조 방법.
  5. 신틸레이터 패널에 있어서,
    방사선을 투과하는 지지기판; 및
    상기 지지기판에 접하고 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함하고,
    상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어지고,
    상기 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량%이고, 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내인, 신틸레이터 패널.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 신틸레이터 층에서, 200 nm 이하의 단위 막 두께의 영역에서 상기 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15%인, 신틸레이터 패널.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 신틸레이터 층은 주상 결정 구조를 가지는, 신틸레이터 패널.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 지지기판은 전이금속원소보다도 가벼운 원소를 함유하는 물질로부터 형성되는, 신틸레이터 패널.
  9. 반사선을 투과하는 지지기판과, 상기 지지기판에 접하고 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함하는 신틸레이터 패널을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 신틸레이터 층은 할로겐화물인 CsI 내에 활성제로서 Tl을 함유하는 형광체로 만들어지고,
    상기 방법은, CsI 및 Tl의 물질 공급원을 이용하여 기상성장법에 의해 상기 신틸레이터 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 형광체 내의 활성제의 농도는 1.6 질량%±0.4 질량%이고, 면내 방향과 막 두께 방향에서의 상기 활성제의 농도 분포는 ±15% 이내인, 신틸레이터 패널의 제조 방법.
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