KR101941592B1 - 신틸레이터 패널, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 방사선 검출기 - Google Patents

Abstract

신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은, 방사선 투과성의 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 지지 기판은, 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소로 구성된 세라믹 물질을 포함한다.

Description

신틸레이터 패널, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 방사선 검출기{SCINTILLATOR PANEL, METHOD FOR MANUFATURING THE SAME, AND RADIATION DETECTOR INCLUDING THE SAME}

본 발명은 신틸레이터 패널, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 방사선 검출기에 관한 것이다.

최근 FPXD(Flat Panel X-ray Detector) 등의 방사선 검출기가 개발되어 의료, 공업 등의 분야에 널리 이용되고 있다. 일반적으로 방사선 검출기는 입사되는 방사선을 가시광선으로 변환하고 이 가시광선을 다시 전기적 신호로 변환하여 출력하는 방식을 이용하며, 이를 위하여 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 구비한 패널(이하, 신틸레이터 패널)을 포함한다.

신틸레이터 패널은 방사선 투과성의 지지 기판과, 지지 기판 상에 형성된 반사막과, 반사막 상에 형성된 신틸레이터층을 포함하는 기본 구조를 갖는데, 방사선 검출기의 검출 특성을 향상시키기 위해서는 신틸레이터 패널에서 지지 기판의 방사선 투과율 및 반사막의 가시광선 반사율이 클 것이 동시에 요구되고 있다.

상기 요구를 만족시키기 위하여 종래에는 지지 기판으로 방사선 투과율이 높은 탄소 섬유 강화 플레이트(Carbon Fiber Reinforced Plate, 이하 CFRP)과 같은 카본 기판을 이용하였고, 또한 반사막으로 반사율이 높은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, 이하 PET)막을 이용하였다. 그러나, 이러한 종래 기술에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 카본 기판은 방사선 투과율이 높기는 하나, 일반적으로 다음과 같은 일련의 공정 즉, 카본 원사에 열경화성 수지를 함침시키고 이를 열경화시키는 프리프레그(prepreg) 방식의 카본 원단 형성 후, 이들 카본 원단을 오토클레이브(autoclave) 내에서 복수층으로 적층하는 공정에 의해 제조되기 때문에, 제조 공정이 복잡하고 그에 따라 공정 시간 및 공정 비용이 상승하는 문제가 있다.

또한, 카본 기판은 가시광선 반사율이 현저히 낮고 오히려 대부분의 가시광선을 흡수하기 때문에, 반드시 반사막의 형성을 필요로 한다. 그런데, 반사막으로 이용되는 PET막은 내열성이 낮기 때문에 후속 공정 예컨대, 신틸레이터층을 형성하기 위한 증착 공정 등에서 변형될 수 있고, 그에 따라 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기의 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.

한편, 종래에 제시된 또다른 지지 기판으로 알루미늄 기판이 있다. 그러나, 알루미늄 기판은 방사선 투과율이 다소 낮으므로, 이보다 더 개량된 수준의 기판이 요구된다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 제조 공정을 단순화하여 공정 시간 및 공정 비용을 감소시키면서 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 신틸레이터 패널, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은, 방사선 투과성의 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 지지 기판은, 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소로 구성된 세라믹 물질을 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은. 방사선 투과성의 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 지지 기판은, 백색의 세라믹 물질을 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은, 방사선 투과성의 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 지지 기판은, 다결정 상태의 세라믹 물질을 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기는, 상기 신틸레이터 패널; 및 상기 신틸레이터 패널로부터 출력되는 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널의 제조 방법은, 방사선 투과성의 지지 기판을 제공하는 단계; 및 상기 지지 기판의 일면 상에 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 지지 기판은, 세라믹 재료를 가루로 만든 후 이를 성형함으로써 형성된다.

본 발명의 신틸레이터 패널, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 방사선 검출기에 의하면, 제조 공정을 단순화하여 공정 시간 및 공정 비용을 감소시키면서 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기를 나타내는 단면도이다.

이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께 또는 간격에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널(10)은, 방사선 투과성의 지지 기판(100), 지지 기판(100)의 일면 상에 형성되고 지지 기판(100)으로 입사되는 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층(120), 및 이들 지지 기판(100)과 신틸레이터층(120)을 덮도록 형성된 보호막(130)을 포함한다.

여기서, 지지 기판(100)은 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소로 구성된 세라믹 물질 및/또는 미리 설정된 값 이상의 가시광선 반사율을 갖는 세라믹 물질로 형성된다. 그에 따라, 지지 기판(100)은 신틸레이터층(120)을 지지하면서 방사선을 투과하는 역할 및 가시광선을 반사하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.

구체적으로, 지지 기판(100)은 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 원소로 구성된 세라믹 물질을 포함하기 때문에, 밀도가 낮고 그에 따라 높은 방사선 투과율을 가질 수 있다. 이는 실험적으로도 확인되었으며 이하의 [표 1]을 참조하여 후술하기로 한다.

또한, 지지 기판(100)은, 미리 설정된 값 이상의 높은 가시광선 반사율을 갖도록 형성되며, 이를 위하여 높은 가시광선 반사율을 갖는 세라믹 물질 예컨대, 보론 나이트라이드나 알루미나와 같은 백색의 세라믹 물질을 이용하거나 또는 0.1 내지 50㎛의 작은 입자 크기를 다결정의 세라믹 물질을 이용할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 값이라 함은 신틸레이터 패널에 요구되는 최소한의 가시광선 반사율을 의미하며, 사용자나 벤더의 요구에 따라 가변될 수 있고, 예를 들어, 50 내지 80%의 범위에 있을 수 있다. 이와 같이 지지 기판(100) 자체가 높은 가시광선 반사율을 갖는 세라믹 물질을 포함하기 때문에, 별도의 반사막이 없어도 그 자체로 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선을 반사하는 반사막으로서의 기능을 수행할 수 있다.

또한, 지지 기판(100)은 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소로만 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 지지 기판(100)은 상기 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소를 주된 구성성분으로 하면서 SiO2, Ca 또는 O가 첨가된 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 그에 따라 지지 기판(100)의 강도, 가공성, 기계적 성질 등이 향상될 수 있다.

또한, 지지 기판(100)의 면들 중 적어도 신틸레이터층(120)을 향하는 상기 일면은 플라즈마 처리될 수 있다. 이러한 경우 신틸레이터층(120)과 지지 기판(10)의 접착 특성이 향상될 수 있다.

이상으로 설명한 방사선 투과율 및 가시광선 반사율을 동시에 만족시키는 지지 기판(100)으로서 본 실시예는 보론 나이트라이드(Boron Nitride) 기판을 예시하였다. 보론 나이트라이드 기판은 미리 설정된 값 이상의 방사선 투과율 예컨대, 유리 기판의 방사선 투과율보다 큰 방사선 투과율을 가질 수 있으며, 이는 아래의 [표 1]에 나타난 바와 같이 실험적으로도 확인되었다. [표 1]은 지지 기판(100)이 보론 나이트라이드 기판인 경우의 방사선 투과율을 측정한 실험 결과를 종래 기술과 비교하여 나타낸 것이다. 본 실험은 80kVp 및 2mA 내지 8mA의 X-선을 이용하고, 코닥 사의 Lanex fine를 사용하여 측정되었다.

	기판종류	기판두께 (mm)	X-선 투과율(%)
비교예1	CFRP	1.5	98.4
비교예2	Glass	1.0	84.0~91.9
비교예3	Al	0.8	88%
실험예1	보론나이트라이드	1.3	91

상기 [표 1]에서 비교예1 내지 비교예3은 종래 기술에서 사용되던 CFRP 기판, 유리 기판 및 알루미늄 기판 각각의 X-선 투과율을 측정한 결과를 나타내는 반면, 실험예1은 보론 나이트라이드 기판의 X-선 투과율을 측정한 결과를 나타내고 있다. 이 측정 결과를 살펴보면, 보론 나이트라이드 기판의 경우 종래의 유리 기판보다 더 두꺼운 두께에서도 유리 기판과 유사한 정도의 높은 X-선 투과율을 가짐을 알 수 있다. 나아가, 보론 나이트라이드 기판은 종래의 알루미늄 기판에 비하여 더 두꺼운 두께에서도 더 높은 방사선 투과율을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 보론 나이트라이드 기판은 신틸레이터 패널에 요구되는 정도의 방사선 투과율을 가지므로 종래의 유리 기판이나 CFRP 기판, 알루미늄 기판 등을 충분히 대체할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따라 예시된 보론 나이트라이드 기판의 가시광선 반사율을 측정한 실험 결과를 종래 기술과 비교하여 아래의 [표 2]에 나타내었다. 본 실험은 코티카-미놀타 사의 CM-2500D 측정 장비에서 D65 광원 및 540nm 파장의 가시광선을 이용하여 수행되었으며, 표준 시료로는 황산 바륨(BaSO₄)을 사용하였다.

	기판종류	가시광선 반사율(%)
		1차	2차	3차	평균
비교예1	CFRP	7.58	8.04	7.83	7.82
실험예1	보론 나이트라이드	84.31	84.22	84.09	84.21

상기 [표 2]에서 비교예1은 종래 기술에서 사용되던 CFRP 기판의 가시광선 반사율을 측정한 결과를 나타내고, 실험예1은 본 실시예의 보론 나이트라이드 기판의 가시광선 반사율을 측정한 결과를 나타내고 있다. 이 측정 결과를 살펴보면, 종래의 CFRP 기판은 반사율이 10% 미만으로 매우 낮고 이는 CFRP 기판을 이용하는 신틸레이터 패널의 경우 필연적으로 반사막이 더 구비되어야 함을 의미한다. 반면, 보론 나이트라이드 기판의 경우 CFRP 기판보다 훨씬 높은 반사율 예컨대, 80%를 초과하는 반사율을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 보론 나이트라이드 기판은 신틸레이터 패널에 요구되는 정도의 가시광선 반사율에 따라 반사막 없이 사용될 수 있다. 예컨대, 신틸레이터 패널에 요구되는 가시광선 반사율이 80% 이상이라 할 때, 보론 나이트라이드 기판을 반사막 없이 단독으로 사용할 수 있다.다시 도 1로 돌아와서, 신틸레이터층(120)은 지지 기판(100)의 일면 상에 형성되고, 지지 기판(100)의 상기 일면과 반대편에 위치하는 타면으로부터 주로 입사되어 지지 기판(100)을 투과한 방사선을 가시광선으로 변환하는 역할을 한다. 이러한 신틸레이터층(120)은 예컨대, 타륨 첨가의 요오드화 세슘(CsI:TI), 유로퓸 첨가의 브롬화 세슘(CsBr:Eu) 등으로 형성될 수 있고, 지지 기판(100)의 일면으로부터 수직 방향으로 돌출된 복수의 기둥 형상 결정(도면부호 A 참조)을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선은 지지 기판(100)의 일면과 대향하여 배치되는 이미지 센서(후술하는 도 2 참조)로 출력된다. 특히 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선 중 지지 기판(100)을 향하는 가시광선은 지지 기판(100)에 의해 반사되어 이미지 센서 방향으로 출력됨으로써 신틸레이터 패널(10)의 가시광선 출력 효율이 증대될 수 있다.

보호막(130)은 지지 기판(100) 및 신틸레이터층(120)을 덮도록 형성되어 지지 기판(100) 및 신틸레이터층(120)을 습기나 물리적 충격으로부터 보호할 수 있다. 신틸레이터층(120)이 예컨대, 내습성이 낮은 타륨 첨가의 요오드화 세슘(CsI:TI)으로 이루어지는 경우 이러한 보호막(130)에 의해서 습기로부터 보호될 수 있다. 보호막(130)은 예컨대, 파릴렌(Parylene)으로 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 보호막(130)이 지지 기판(100) 및 신틸레이터층(120)의 전면을 덮는 것을 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 보호막(130)은 신틸레이터층(120)을 완전히 덮으면서, 신틸레이터층(120)이 형성된 지지 기판(100)의 일면을 제외한 나머지 면의 전부 또는 일부는 덮지 않도록 형성될 수도 있다. 본 실시예의 지지 기판(100)이 내열성, 내마모성, 화학 안정성 등이 우수한 세라믹 물질을 포함하므로, 보호막(130)이 지지 기판(100)의 전부를 덮지 않아도 무방하다.

다음으로, 위와 같은 구조의 신틸레이터 패널(10)의 제조 방법을 도 1을 다시 참조하여 간략히 설명하기로 한다.

먼저, 지지 기판(100)을 제공한다. 이때, 지지 기판(100)은, 지지 기판(100)을 이루는 세라믹 재료 예컨대, 보론 나이트라이드나 알루미나를 준비하고 이를 가루로 만든 후, 가루 상태의 세라믹 재료를 고온 및 고압에서 성형함으로써 형성될 수 있다. [표 2]의 보론 나이트라이드 기판의 경우, 2000℃ 이상의 온도 및 2000psi 이상의 압력 조건에서 핫 프레스(hot press)에서 제작되었다. 이러한 경우 지지 기판(100)이 입자 크기가 작은 다결정의 세라믹 물질로 이루어지기 때문에, 전반사로 인한 가시광선 반사효율이 증가될 수 있다. 또한, 세라믹 재료를 가루로 만든 후 고온 고압에서 성형하면, 세라믹 재료 자체가 투명하다 할지라도 백색의 세라믹 기판을 획득할 수 있으므로, 가시광선 반사효율이 증가될 수 있다.

이어서, 도시되지 않았으나, 지지 기판(100)의 적어도 일면을 플라즈마처리할 수 있다. 이는 후술하는 신틸레이터층(120)과의 접착 특성을 높이기 위함이다.

이어서, 제공된 지지 기판(100)의 일면 상에 신틸레이터층(120)을 형성한다. 신틸레이터층(120)은 예컨대, 진공 증착 등의 증착 방식으로 형성될 수 있다. 즉, 신틸레이터층(120)을 이루는 물질 예컨대, 요오드화 세슘과 탈륨이 들어있는 그릇이 배치된 진공 증착 장비에 지지 기판(100)을 투입하고, 소정 온도 및 압력 조건에서 진공 증착을 수행함으로써 지지 기판(100)의 일면 상에 기둥 형상 결정(A)을 성장시켜 신틸레이터층(120)을 형성할 수 있다. 이때, 지지 기판(100)의 적어도 일면이 플라즈마처리된 경우, 신틸레이터층(120)은 이 플라즈마처리된 면 상에 상에 형성될 수 있다.

이어서, 신틸레이터층(120)이 형성된 지지 기판(100)을 덮는 보호막(130)을 형성한다. 보호막(130)은 예컨대, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 증착 방식으로 형성될 수 있다. 이와는 달리 보호막(130)은 적어도 신틸레이터층(120)을 덮으면서 지지 기판(100)의 일부를 덮지 않도록 형성될 수도 있다.

이상으로 설명한 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법에 의하면, 지지 기판(100)으로 미리 설정된 값 이상의 가시광선 반사율을 가지면서, 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 하나 이상의 원소로 구성된 세라믹 물질을 이용함으로써 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

우선, 종래의 카본 기판을 이용하는 경우에 비하여 세라믹 기판의 제조 공정 자체가 단순하기 때문에, 공정 시간 및 공정 비용이 감소하는 장점이 있다.

또한, 백색 및/또는 다결정 상태의 세라믹 기판 자체의 가시광선 반사율이 높기 때문에 별도의 반사막 형성 공정이 요구되지 않는다. 다시 말하면, 세라믹 기판은 신틸레이터층을 지지하는 역할과 동시에 가시광선을 반사하는 반사막으로서의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 반사막 형성 공정의 생략에 기인한 공정 시간 및 공정 비용 감소는 물론, 반사막이 후속 공정 예컨대, 신틸레이터층 증착 공정 등에서 변형되는 문제가 원천적으로 방지되어 장치의 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 세라믹 기판으로서 알루미늄보다 낮은 원자번호를 갖는 원소로 구성된 세라믹 기판을 이용하기 때문에 종래의 알루미늄 기판 등에 비해 방사선 투과율이 높아 방사선 검출기의 검출 효율을 증대시킬 수 있다.

나아가, 세라믹 기판은 내마모성, 내열성, 화학 안정성 등이 우수하기 때문에 종래의 카본 기판보다 신뢰성이 우수하고, 기판 전부가 보호막으로 덮일 필요가 없어 공정 시간 및 공정 비용을 더욱 감소시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기는, 전술한 도 1의 신틸레이터 패널(10) 및 이에 부착된 이미지 센서(20)를 포함한다.

이미지 센서(20)는 신틸레이터 패널(10)의 지지 기판(100)의 일면과 대향하여 배치된다. 이미지 센서(20)는 유리 등으로 이루어진 기판(200)과, 기판(200) 상에 형성되고 신틸레이터 패널(10)에서 변환되어 출력되는 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 복수의 수광 소자(210) 및 수광 소자(210)에 의해 변환된 전기적 신호의 출력을 제어하는 복수의 스위칭 소자 예컨대, 박막 트랜지스터 등을 포함한다.

이미지 센서(20)의 기판(200) 상에는 수광 소자(210) 및 스위칭 소자 등을 덮는 평탄화층(220)이 더 형성될 수 있고, 이 평탄화층(220)을 개재하여 신틸레이터 패널(10) 및 이미지 센서(20)가 서로 부착되어 결합될 수 있다.

이러한 방사선 검출기는 도 1에서 설명한 신틸레이터 패널(10)을 이용하기 때문에, 방사선 검출기 제조시 공정 시간 및 공정 비용 감소가 가능하고 장치의 신뢰도가 향상될 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10: 신틸레이터 패널 100: 지지 기판
120: 신틸레이터층 130: 보호막

Claims (8)

1. 방사선 투과성의 지지 기판;
   상기 지지 기판의 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시 광선으로 변환하는 신틸레이터층; 및
   상기 신틸레이터층을 덮는 보호막을 포함하고,
   상기 지지 기판은 알루미늄과 원자 번호가 같거나 낮은 세라믹 물질 중 선택된 하나 이상의 가루를 성형하여 가시광선 반사율이 50% 이상이며,
   상기 신틸레이터층은 타륨 첨가의 요오드화 세슘(CsI:TI) 또는 유로퓸 첨가의 브롬화세슘(CsBr:Eu)으로 이루어진 복수의 기둥 형상 결정이고,
   상기 세라믹 물질은 알루미나 또는 BN을 포함하고,
   상기 가루는 입자 크기가 0.1 내지 50μm인
   신틸레이터 패널.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 기판의 상기 일면은 플라즈마 처리된,
   신틸레이터 패널.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 세라믹 물질은 SiO₂, Ca, O를 더 포함하는
   신틸레이터 패널.
   
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