KR102044454B1 - 양자점 방식의 방사선 계측기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사선 센서에 관한 것이다. 그러한 방사선 센서는 센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하며, 센서물질(3)은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)으로 구성된 SiCdZn 화합물층이 양자점 구조로 적층되거나, 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te)으로 구성된 CZT 화합물층이 양자점 구조로 적층되거나, NaI(Tl) 형광체를 양자점 구조로 적층하여 방사선을 감지할 수 있다.

Description

양자점 방식의 방사선 계측기{quantum dot radiation detector}
본 발명은 양자점을 소재로 한 방사선 계측기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SiCdZn 화합물, CZT 화합물, NaI(Tl)를 양자점 구조의 반도체 화합물로 제조함으로써 방사선을 검출할 수 있는 방사선 계측기에 관한 것이다.
일반적으로, 방사선 센서는 원자력 산업에서 원자력 발전소, 입자 가속기, 방사성 동위원소 생산 및 취급기관, 원자력 관련 연구소 등과 같은 시설들의 안전을 위한 방사선 계측에 사용되고 있다. 또한 의료 산업에서 방사선 치료 시 환자의 개인 선량을 측정하는 데 사용되고 있으며, 물성 특성 및 비파괴 검사와 같은 학술 분야에서 연구용으로 널리 이용되고 있다.
그리고, 방사선 센서 종류로는, 직접 전리 방식에 의한 방사선 측정과, 간접 전리 방식에 의한 방사선 측정 방법이있고, 측정은 분광법, 선량 측정법, 영상 측정 방법, 광섬유를 이용한 선량 측정 방법이 개발되고 있다.
이러한 방사선 센서는 주로 HPGe, NaI(Tl), CZT 방식으로 구분된다.
먼저 HPGe 방식 검출기는 고순도 게르마늄(HPGe)을 이용한 검출기 시스템으로 분해능력이 우수해 정확한 분석 결과를 보여준다. 다만 반도체 물질인 게르마늄의 물리적 특성 때문에 사용 전 반드시 일정기간 냉각을 해야 한다. 이 때문에 냉각용 질소를 담을 수 있는 용기가 필요하고 관련 설비가 크고 많아서 휴대형으로 만들기 어렵다.
또한, NaI(Tl) 방식은 미량의 탈륨(Tl)을 함유하는 요오드화나트륨(NaI)의 결정으로 된 검출기로 크기가 작아 휴대성이 좋은 것이 장점이다. 다만 상온에서 온도 등 외부 요인에 영향을 많이 받고, 방사선 에너지 분석 능력이 떨어지는 것이 흠이어서 정밀한 측정이 요구되는 곳에서는 사용하지 않는다.
그리고, CZT 센서물질을 이용한 검출기는 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te)의 3가지 원소가 합성된 반도체 화합물을 이용하여 방사선을 전기적 신호로 변환시켜 검출하는 장치이다.
이러한 CZT 검출기는 상온에서 별도의 냉각장치 없이도 센서로서 작동될 수 있어 소형화가 가능하다. 특히 실리콘(Si) 반도체 센서물질 보다 반응 효율이 2배 높은 장점이 있다.
또한, CZT 방식은 고밀도와 적정한 에너지 밴드 갭(band gap), 상온 반도체라는 장점을 가지고 있지만 단일 화합물의 크기에 한계가 있어 검출 물질의 부피가 작다 보니 계측 효율이 낮고 결국은 장시간의 측정 시간이 필요한 문제점이 있다.
특허출원 제10-2008-7026223호(명칭: 방사선 검출기 및 방사선 검사장치)
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 SiCdZn 화합물, CZT 화합물, NaI(Tl)를 양자점 구조의 반도체 화합물로 제조함으로써 방사선을 검출할 수 있는 방사선 센서를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는,
센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하는 방사선 센서로서, 센서물질(3)은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)으로 구성된 SiCdZn 화합물층이 양자점 구조로 적층되어 방사선을 감지할 수 있는 방사선 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는,
센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하는 방사선 센서로서, 센서물질(3)은 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te)으로 구성된 CZT 화합물층이 양자점 구조로 적층되어 방사선을 감지할 수 있는 방사선 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는,
센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하는 방사선 센서로서, 센서물질(3)은 NaI(Tl) 형광체를 양자점 구조로 적층하여 방사선을 감지할 수 있는 방사선 센서를 제공한다.
본 발명은 센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하는 방사선 센서로서, 센서물질(3)은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)으로 구성된 SiCdZn 화합물층이 양자점 구조로 적층되거나, 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te)으로 구성된 CZT 화합물층이 양자점 구조로 적층되거나, NaI(Tl) 형광체를 양자점 구조로 적층하여 방사선을 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 방식의 반도체 검출기 구조를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서물질 및 PM튜브의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)원자가 양자점 구조의 화합물로 집적된 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 방식의 방사선 센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 양자점(quantum dot) 방식의 방사선 계측기는 대기 중에 존재하는 베타선 및 감마선 방출 물질로부터 베타선이나 감마선을 측정한다.
이러한 방사선 계측기(1)는 센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)로 구성된다.
센서물질(3)은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)로 구성된 SiCdZn 화합물층이 양자점 구조로 적층됨으로써 고도로 픽셀화된다.
이때, 센서물질(3)이 양자점 구조로 적층되는 과정은 일반적인 양자점 형성과정과 같다.
즉, 기판 상에 실리콘 산화물이나 실리콘 나이트라이드와 같은 유전체 박막을 증착한 후, 양자점이 성장되어야 할 위치에 포토 리소그래피와 식각공정을 이용하여 유전체 박막 패턴을 형성한다.
그리고, 유전체 박막 패턴이 형성된 기판을 성장장치에 배치하고, 일반적인 CBE 성장방법을 따라서 기판을 열 세척한 후, 버퍼층과 장벽층을 순차적으로 성장시킨다.
그리고, 각 장벽층에 하나의 드롭렛(droplet)을 형성하고, 적절한 배기주기를 두어 분압을 낮춘 후, 사전에 1000 ℃ 정도의 온도로 사전 열분해한 아신(arsine)을 공급하여 드롭렛을 양자점으로 전환시킨다.
그리고, 양자점이 형성된 기판에 열처리를 실시하여 장벽층과 버퍼층을 성장시켜 보호층을 형성한다.
이와 같이 양자점 구조로 제조된 센서물질(3)은 표면에 고밀도 패턴의 픽셀 전하 컬렉터/전극을 갖추고 있다. 개별 픽셀의 컬렉터/전극은 픽셀 판독회로와 전기적으로 연통하고 있다. 이러한 센서물질(3)이 적층된 검출기는 입사하는 X선 또는 감마 방사선을 직접 전하로 변환하고 전하 신호를 픽셀의 전기 접점을 통해 판독회로로 전송한다.
상기에서는 양자점 구조의 SiCdZn 화합물층에 의하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 CZT 센서물질을 이용할 수도 있다. 즉, 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te)의 3가지 원소로 구성된 CZT 화합물을 양자점 구조로 제조할 수도 있다. 이러한 CZT 화합물로 구성된 센서물질은 감마선 측정에 사용된다.
그리고, NaI(Tl) 형광체인 경우 센서물질(3)로 NaI(Tl) 형광체를 써서 PM튜브에 연결하게 된다.
상기한 바와 같이, SiCdZn 화합물, CZT 화합물 등은 양자점 구조를 갖는 바, 양자점은 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터(nm=10억분의 1m) 크기 반도체 결정체를 의미하는 바, 양자점 화합물은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn) 원자가 수백~수천개 집적된 구조이다.
이러한 양자점 화합물은 내부의 전자들이 자외선 등의 에너지를 받으면 더 높은 에너지준위로 퀀텀점프(quantum jump,양자도약)하여 올라가게 되고, 다시 에너지를 방출하며 낮은 에너지준위로 떨어지게 되는 것을 반복한다.
특히 자외선을 쪼이면 같은 성분의 입자라도 입자의 크기에 따라 다양한 색을 나타낸다.
상기한 바와 같은 양자점 구조의 방사선 센서는 단결정을 용이하게 성장시킬 수 있어서 대면적의 반도체 검출기를 제조할 수 있다.

Claims (3)

  1. 센서물질(3)과, 광증배관(PM튜브;5)과, 증폭기(7)와, 채널분석기(9)와, 전원부(11)를 포함하는 방사선 계측기로서,
    센서물질(3)은 규소(Si), 카트늄(Cd), 아연(Zn)으로 구성된 SiCdZn 화합물층이 양자점 구조로 적층되며,
    양자점의 적층은, 기판 상에 유전체 박막을 증착한 후, 양자점이 성장되어야 할 위치에 포토 리소그래피와 식각공정을 이용하여 유전체 박막 패턴을 형성하고,
    유전체 박막 패턴이 형성된 기판을 성장장치에 배치하고, 기판을 열 세척한 후, 버퍼층과 장벽층을 순차적으로 성장시키고,
    각 장벽층에 하나의 드롭렛(droplet)을 형성하고, 배기주기를 두어 분압을 낮춘 후, 아신(arsine)을 공급하여 드롭렛을 양자점으로 전환시키고, 양자점이 형성된 기판에 열처리를 실시하여 장벽층과 버퍼층을 성장시켜 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측기.
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