KR102089583B1 - 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은, 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않은 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며 각 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 각 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계와; 상기 각 화소의 검출 투과도에 대응되는 상기 화소의 기준 투과도의 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 측정전압만큼을 차감하여 상기 각 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함한다.

Description

액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법{METHOD FOR DECIDING X-RAY IMAGE OF LIQUID CRYSTAL X-RAY DETECTOR}
본 발명은 엑스선 영상 촬영 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 X선 조사시 리드빔의 편광투과 특성을 변화시키는 액정을 이용하여 피검체의 X선 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엑스선 촬영장치는 피사체를 투과한 X선 흡수층의 전하 분포를 디지털 신호로 변환하여 피사체의 내부를 영상화하는 장치로서, 환자진단을 위한 의료분야 내지 건축물의 비파괴검사 등에 다양하게 이용되고 있다.
최근 들어 엑스선 검출기는 디지털 기술을 도입하거나 액정소자를 도입하여 그 기술개선을 꾀하고 있다. 대표적인 예로, 액정소자를 도입한 엑스선 검출기가 있는데, 이는 통상적으로 액정 엑스선 검출기 내지 엑스선 감지 액정 검출기라고 칭하고 있다. 이러한 액정 엑스선 검출기는 크게 광도전소자, 액정소자, 광원, 및 광검출부로 구성된다.
액정 엑스선 검출기는 광도전층에 X선을 쬐어주고, 양쪽 전극에 전압을 걸어주면, 피검체를 지나온 X선이 광전도층을 지나면서 광전도층에 분극현상을 일으킨다. 그러면 이 분극현상은 액정층에 영향을 줌으로써 액정의 상태를 변화시킨다. 그리고, 광원으로부터 나온 리드빔이 이와 같은 액정층을 지나 결상렌즈에 의해 결상됨으로써 피검체의 X선 영상을 촬영할 수 있게 된다.
그런데, 결상렌즈에 입사되는 리드빔의 경로는 리드빔의 액정층 투과 위치마다 상이하다. 액정층의 중심으로 투과하는 빛은 액정을 지나는 방향에 상관없이 결상렌즈에 입사되어 광검출부에 결상되는 반면, 액정층의 모서리 부위로 투과하는 리드빔은 특정한 각도로 액정을 지난 빛만 결상렌즈에 입사되어 광검출부에 결상된다.
즉, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우, 광검출부의 각 화소마다 이에 대응되는 각 액정의 시야각 특성이 상이하고, 이에 따라 각 화소마다 결상렌즈에서 빛을 모으는 정도가 달라, 결국 광검출부의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된다. 이와 같이 광검출부의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된 상태에서 영상을 출력하면 부정확한 엑스선 영상을 얻게 되고, 결국 해당 엑스선 영상으로는 피검체를 정밀하게 진단할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 미국등록특허 제7,687,792호(특허문헌 1)는 액정층에 리드빔이 수직으로 투과하는 광학계를 만들고, 이 광학계를 이동시키면서 엑스선 영상을 여러번 촬영하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같은 엑스선 영상 촬영 방법에 따르면, 축 이동이 가능한 별도의 기구가 추가적으로 필요하여 엑스선 검출기의 비용을 증대시키고, 엑스선 영상을 다수회 촬영함에 따른 시간 경과에 따라 액정층에 누설전류가 발생되어 이 역시 엑스선 영상을 왜곡시키는 요인으로 작용하는 또 다른 문제점이 있었다.
따라서, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우 리드빔의 시야각 의존성이 수반되는 바, 이러한 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
특허문헌 1 : 미국등록특허 제7,687,792호 (2010.03.30 등록)
본 발명의 목적은 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있어 왜곡이 없는 엑스선 영상을 획득할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래와 같은 별도의 이동기구를 이용한 다수회 촬영방식을 사용하지 않고도, 정확한 엑스선 영상을 출력할 수 있는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은, 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않은 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며 각 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계와; 상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 각 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계와; 상기 각 화소의 검출 투과도에 대응되는 상기 화소의 기준 투과도의 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 제3 단계의 측정전압 만큼을 차감하여 상기 각 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 의하면, 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있게 되었고, 액정 엑스선 검출기의 선형성을 확보할 수 있게 되었다.
또한, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법에 의하면 종래와 같이 별도의 이동기구를 이용한 다수회 촬영방식을 사용하지 않고도, 정확한 엑스선 영상을 출력할 수 있는 바, 장치 비용 및 X선 영상 촬영 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 액정 엑스선 검출기의 전체 구성도.
도 2는 엑스선 감지 액정패널의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법의 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 엑스선 영상 결정 방법의 테스트에 사용된 편광판, 액정층 및 검광판 구조를 나타낸 도면.
도 5는 액정층의 시야각(θ,φ)을 정의하는 좌표계.
도 6은 극각 15도에서 액정층의 방위각(φ)에 따른 투과도 곡선.
도 7은 본 발명의 기준 투과도 곡선을 측정하는 바이어스 파형.
도 8은 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선.
도 9는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 구동 파형.
도 10은 액정층의 시야각(0,0)에서 광도전층에 축적된 전하에 따르는 투과도 곡선.
도 11은 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 광도전층의 전하량과 기준 투과도의 바이어스 전압의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 12는 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선.
도 13은 액정층의 시야각(20,225)에서 광도전층에 축적된 전하에 따르는 투과도 곡선.
도 14는 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 광도전층의 전하량과 기준 투과도의 바이어스 전압의 상관 관계를 나타낸 그래프.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엑스선 감지 액정패널의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기는 엑스선 출력부(50), 엑스선 감지 액정패널(100), 리드빔 출력부(60), 구동부(70), 편광판(30), 검광판(40), 결상렌즈(80) 및 촬상부(85)를 포함한다.
엑스선 출력부(50)는 X선을 발생시켜 외부로 출사하는 장치로서, 이로부터 출력된 X선은 피검체(90)를 투과한 후, 엑스선 감지 액정패널(100)의 광도전층 (17)에서 흡수된다.
엑스선 감지 액정패널(100)은 광도전체부(10)와 액정부(20)가 합착된 구조로 이루어진다.
광도전체부(10)는 X선 조사 및 전기장 인가시 전자와 정공의 분포가 변화하는 구성으로서, 세부적으로 기판(11), 투명도전막 (13), 절연막(15), 광도전층(17) 및 배향막(19)을 포함한다.
광도전체부(10)의 기판(이하, '제1 기판(11)'이라 칭함)은 투명도전막(13), 절연막(15), 광도전층(17) 및 배향막을 형성하기 위한 기재로서, 투명한 유리 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
광도전체부(10)의 투명도전막(이하, '제1 투명도전막(13)'이라 칭함)은 광도전체부(10) 측에 전압을 인가하기 위한 구성으로서, 제1 기판(11)의 일면 상에 형성되어 후술할 구동부(70)와 전기적으로 연결된다.
후술할 구동부(70)에 의해 광도전체부(10)의 투명도전막과 액정부(20)의 투명도전막에 전압이 인가되면 이들 사이에 DC 전기장이 형성되고, 이에 의해 광도전층(17) 내 전자와 전공의 이동 즉, 전자-전공 분포 변화가 발생된다.
광도전체부(10)의 절연막(15)은 제1 투명도전막(13)과 광도전층(17) 사이에 개재되어, 제1 투명도전막(13)과 광도전층(17) 간의 전하 이동을 방지하기 위한 구성이다.
광도전체부(10)의 광도전층(17)은 전하를 만들기 위한 구성으로서, 광도전층(17)에 X선이 조사되면 광도전층(17) 내부에 많은 수의 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되고, 이를 전기장에 노출시키면 전자와 전공의 이동 즉, 전하 분포의 변화가 유발된다.
광도전층(17)은 절연막(15) 상에 박막 형태로 형성될 수 있고, 그 재질은 셀레늄(Selenium)으로 이루어질 수 있다. 광도전층(17)은 특히 비정질 셀레늄(a-Se)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이러한 비정질 셀레늄(a-Se)은 저온에서 진공 증착 내지 코팅하여 피막될 수 있다.
광도전체부(10)의 배향막(이하, '제1 배향막(19)'이라 칭함)은 액정부(20)의 배향막(25)과 함께 액정분자를 균일하게 배향시키기 위한 구성에 해당한다.
액정부(20)는 광도전체부(10)와 합착된 구조로 구비되어 리드빔(Read Beam)의 편광투과특성을 변화시키는 기능을 한다. 이러한 액정부(20)는 기판(21), 투명도전막(23), 배향막(25) 및 액정층(27)을 포함한다.
액정부(20)의 기판(이하, '제2 기판(21)'이라 칭함)은 투명도전막(23), 배향막(25) 및 액정층(27)을 형성하기 위한 기재로서, 투명한 유리 재질 또는 폴리머 재질로 형성될 수 있다.
액정부(20)의 투명도전막(이하, '제2 투명도전막(23)'이라 칭함)은 광도전체부(10) 측에 전압을 인가하기 위한 구성으로서, 제2 기판(21)의 일면 상에 형성되어 후술할 구동부(70)와 전기적으로 연결된다.
구동부(70)에 의해 제1,2 투명도전막(13,23)에 전압이 인가되면 이들 사이에 DC 전기장이 형성되고, 이에 의해 광도전층(17) 내 전자와 전공의 이동 즉, 전자-전공 분포 변화가 발생된다.
액정부(20)의 액정층(27)은 엑스선 조사 및 전압 인가에 따른 광도전체부(10)의 전하 분포 변화시, 이에 연동하여 액정 배열이 달라짐으로써 리드빔(Read Beam)의 편광투과특성을 변화시키도록 작용하는 구성으로서, 제1 배향막(19)과 제2 배향막(25)에 주입되는 다수의 액정 분자를 포함한다.
액정부(20)의 배향막(이하, '제2 배향막(25)'이라 칭함)은 제2 투명도전막(23) 위에 형성되고, 액정부(20)를 광도전체부(10)와 합착시 제1 배향막(19)과 대향하는 구조로 구비되어, 제1 배향막(19)과 함께 액정분자를 균일하게 배향시키는 기능을 한다.
리드빔 출력부(60)는 액정부(20)측으로 진행하는 리드빔(61)을 출사하는 장치로서, 예컨대 가시광선 파장대의 빛을 출력하는 엘이디(LED) 소자로 구성할 수 있다.
한편, 광도전층(17)을 비정질 셀레늄으로 형성할 경우, 리드빔 출력부(60)로부터 출력되는 빛(즉, 리드빔(61))은 680 ~ 760nm 파장대의 빛이어야 하고, 바람직하게는 700 ~ 750nm 파장대의 빛이어야 한다.
반투과 거울(Half Mirror,65)은 리드빔 출력부(60) 전방의 광경로 상에 배치되어 리드빔 출력부(60)에서 출사되는 리드빔(61)이 엑스선 감지 액정패널(100) 측으로 진행할 수 있도록 그 광경로를 전환하는 광학소자이다.
구동부(70)는 제1,2 투명도전막(13,23)에 소정의 바이어스 전압 (Vb)을 걸어주어 전자와 전공을 분리하는 구성이다.
편광판(30)은 광도전체부(10)와 리드빔 출사부(60) 사이의 광경로 상에 배치되고, 검광판(40)은 액정부(20) 전방의 광경로 상에 배치되어, 액정층(27)의 편광투과특성 변화에 따라 리드빔의 투과도가 달라질 수 있도록 기능한다.
결상렌즈(80)는 검광판(40) 전방의 광경로 상에 배치되어 검광판(40)을 투과한 리드빔을 결상시켜 촬상부(85)에 결상될 수 있도록 기능한다.
촬상부(85)는 결상렌즈(80)에 의해 결상된 리드빔(61)을 검출하여 그 특성을 분석함으로써 피검체 상태를 진단할 수 있도록 하는 장치이다. 촬상부(85)는 예컨대 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 액정 엑스선 검출기의 동작 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 액정 엑스선 검출기는 도 1과 같이 광도전체부(10)와 액정부(20)가 상호 맞닿는 구조로 구성된다. 광도전체부(10)에 엑스선을 쬐여주면 광도전층(17) 내부에 전자(electron)와 정공(hole)이 만들어진다. 이와 같은 상태에서, 제1 투명도전막(13)과 제2 투명도전막(23) 사이에 DC 전기장을 걸어주면, 전자와 전공이 각각 반대극성의 투명도전막 측으로 이동하는 분극현상이 일어나게 된다.
이와 같은 분극현상은 액정층(27)에 영향을 줌으로써 액정의 상태를 변화시키게 된다. 즉, 도 2와 같이 전하 분포가 변하게 되면, 액정층(27) 내 액정 배열이 달라지게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 엑스선이 조사된 광도전층(17) 영역에는 전자와 전공이 분리되어 광도전층(17) 내부 전기장을 차폐하게 되고, 이에 대한 대응으로 액정층(27)에 걸리는 전압이 커지게 된다.
도 2 예시의 경우, 엑스선이 조사되지 못한 '(가)'영역과 엑스선(5)이 조사된 '(나)'영역의 액정셀에 걸리는 전압이 상이하게 된다. 이에 의해, 액정층(27)에서 액정배열이 달라서 액정층(27)을 지나온 리드빔의 편광투과특성이 달라진다. 이렇게 달라지는 액정층(27)의 편광투과특성 때문에 편광판(30)을 거쳐 검광판(40)에 나온 리드빔은 투과도가 달라지므로, 피검체 상태를 분석할 수 있는 X선 영상을 얻을 수 있게 된다.
참고로, 도 2의 경우 '(가)'영역으로 들어온 리드빔은 검광판(40)을 투과하고, '(나)'영역으로 들어온 리드빔은 검광판(40)에서 차단된다.
따라서, 리드빔 출력부(60)에서 출사된 리드빔은 편광판(30), 광도전체부 (10), 액정부(20) 및 검광판(40)을 순차적으로 지나 결상렌즈(80)에 선택적 입사하게 된다. 그리고, 결상렌즈(80)에 의해 결상된 빛을 촬상부(85)가 검출함으로써 피검체의 X선 영상을 획득할 수 있게 된다.
그런데, 결상렌즈(80)에 입사되는 리드빔의 경로는 리드빔의 액정층(27) 투과 위치마다 상이하다. 액정층(27)의 중심으로 투과하는 빛은 액정을 지나는 방향에 상관없이 결상렌즈(80)에 입사되어 촬상부(85)에 결상되는 반면, 액정층(27)의 모서리 부위로 투과하는 리드빔은 특정한 각도로 액정을 지난 빛만 결상렌즈(80)에 입사되어 촬상부(85)에 결상된다.
즉, 액정을 이용한 엑스선 검출기의 경우, 촬상부(85)의 각 화소마다 이에 대응되는 각 액정의 시야각 특성이 상이하고, 이에 따라 각 화소마다 결상렌즈(80)에서 빛을 모으는 정도가 달라, 결국 촬상부(85)의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된다. 그리고 이와 같이 촬상부(85)의 각 화소별 검출 리드빔 강도가 왜곡된 상태에서 영상을 출력하면 부정확한 엑스선 영상을 얻게 된다.
이에 본원 발명자는 바이어스 전압에 따른 투과도를 측정한 후 이를 기준치로 활용함으로써 전술한 액정의 시야각 의존성에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 방법을 개발하였다.
이하에서는, 액정의 시야각에 따른 리드빔의 투과도 차이를 보정할 수 있는 엑스선 영상 결정 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법은 리드빔 출력 단계(S10), 기준 투과도 측정 단계(S20), 전자-정공 분리 단계(S30), 검출 투과도 측정 단계(S40), 바이어스 전압 도출 단계(S50), 보정치 산출 단계(S60), 엑스선 영상 결정 단계(S70), 및 전하 소거 단계(S80)를 포함한다.
리드빔 출력 단계(S10)는 액정 엑스선 검출기에 전원을 입력(S10a)한 후, 리드빔 출력부(60)를 구동하여 리드빔을 출사하는 단계이다.
바람직하게는, 리드빔 출력 단계(S10)는 리드빔의 세기가 안정화될 때까지 대기(S10b)한 후, 리드빔 광원의 출력이 안정되면 기준 투과도 측정 단계를 수행하도록 구성된다.
기준 투과도 측정 단계(S20)는 엑스선 감지 액정패널에 X선이 조사되지 않은 상태에서, 엑스선 감지 액정패널(100)에 인가되는 바이어스 전압(Vb)을 변화시키며 화소의 투과도[T(x,y,V(i))]를 측정하는 단계이다.
여기서, 상기 '바이어스 전압(Vb)'은 구동부(70)에 의해 엑스선 감지 액정패널(100)의 제1,2 투명도전막(13,23)에 인가된다. 상기 '화소'는 촬상부(85) 카메라의 화소를 지칭하고, 상기 '화소의 투과도'는 해당 화소에 대응되는 액정 시야각에 대한 리드빔의 투과도를 지칭한다. 단계 S20의 투과도[T(x,y,V(i))]에서 'x,y'는 촬상부(85)의 화소 좌표를 의미하고, 'V(i)'는 바이어스 전압(Vb)을 바꿔가면서 여러 번 측정하는 것을 의미한다.
이하에서, 단계 S20에 따라 측정되는 화소의 투과도를 '기준 투과도 [T(x,y,V(i))]'라 칭하기로 한다. 따라서, 기준 투과도 측정 단계(S20)를 통해 모집되는 기준 투과도들을 차트 형태로 변환하면 도 8과 같은 기준 투과도 곡선이 생성될 수 있다.
전자-정공 분리 단계(S30)는 엑스선 감지 액정패널에 분리전압(Vs)을 인가(S30a)하고 엑스선을 조사(S30b)하여, 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 단계이다.
광도전체부(10)에 엑스선을 쬐여주면 광도전층(17) 내부에 전자(electron)와 정공(hole)이 만들어진다. 이와 같은 상태에서, 제1 투명도전막(13)과 제2 투명도전막(23) 사이에 DC 전기장을 걸어주면, 전자와 전공이 각각 반대극성의 투명도전막 측으로 이동하는 분극현상이 일어나게 된다.
도 2를 기준으로 설명하면, 제1 투명도전막(13)에 (+)전압이 걸리므로, 광도전층(17) 내부의 하부영역(즉, 액정층(27) 인접영역)에는 정공이 분포하게 되고, 광도전층(17) 내부의 상부영역(즉, 제1 투명도전막(13) 인접영역)에는 전자가 분포하게 된다.
검출 투과도 측정 단계(S40)는 엑스선 감지 액정패널(100)에 측정전압(Vm)을 인가(S40a)하여 촬상부(85) 화소의 투과도[T(x,y,i)]를 측정(S40b)하는 단계이다. 단계 S40의 투과도[T(x,y,i)]에서 'x,y'는 촬상부(85)의 화소 좌표를 의미하고, 'i'는 액정층(27)이 전압을 유지하는 동안에 해당 화소의 투과도를 다수 회 측정하는 것을 의미한다.
검출 투과도 측정 단계(S40)에서 인가되는 측정전압(Vm)은 이 측정전압을 일정하게 유지시키며 검출 투과도를 측정하도록 구성되거나, 또는 이 측정전압을 변화시키며 검출 투과도를 측정하도록 구성될 수 있다.
바이어스 전압 도출 단계(S50)는 단계 S40의 검출 투과도[T(x,y,i)]와 동일한 값을 갖는 기준 투과도 값을 찾고, 이로부터 해당 기준 투과도에 대응되는 바이어스 전압[V(x,y,i)]을 도출하는 단계이다.
보정치 산출 단계(S60)는 단계 S50에서 도출된 바이어스 전압[V(x,y,i)]에서 단계 S40에서 인가한 측정전압(Vm)만큼을 차감하는 연산을 수행하는 단계이다.
엑스선 영상 결정 단계(S70)는 단계 S60에서 산출된 값에 근거하여 X선 영상을 결정하는 단계이다. 즉, 단계 S50의 바이어스 전압에서 단계 S40의 측정전압을 뺀 값을 이용하여 화소의 X선 영상을 결정(즉, X선 강도 결정)하면, 해당 화소에 대응되는 액정의 시야각 다름에 의해 유발되는 투과도 왜곡이 보정될 수 있다.
그리고, 촬상부(85) 모든 화소에 대하여 전술한 단계 S20 내지 S70를 적용하게 되면, 모든 화소(즉, 피검체의 진단부위 전체)에 대한 X선 영상을 결정할 수 있게 되고, 이에 따라 출력되는 X선 영상은 종래 액정을 이용한 X선 영상 촬영시 발생하였던 각 화소별 리드빔 강도의 왜곡이 제거된 영상을 제공할 수 있게 된다.
전하 소거 단계는 광도전층(17)에 축적된 전하를 없애는 단계이다. 일 실시예에 따르면, 전하 소거 단계는 바이어스 전압을 0V로 접지시킨 상태 또는 5Hz 미만의 구형파를 걸어준 상태에서, 광도전층(17)에 UV를 조사하여 광도전층(17)의 분리된 전하가 재결합하도록 구성될 수 있다.
전하 소거 단계가 완료되면, 단계 S10 내지 단계 S80 과정을 반복함으로써 피검체에 대한 X선 영상 촬영을 재수행할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 4 내지 도 14에 도시한 시험예 및 그 결과를 참조하여, 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 엑스선 영상 결정 방법의 테스트에 사용된 편광판, 액정층 및 검광판 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 편광판(30)과 검광판(40)은 그 투과축이 상호 직교하도록 배치된다. 즉, 편광판(30)의 투과축은 X축 방향으로 배치되고, 검광판(40)의 투과축은 상기 X축과 직교하는 Y축 방향으로 배치된다.
그리고, 광도전체부(10)의 배향막에 해당하는 제1 배향막(19)은 방위각 225도의 러빙방향으로 처리하였고, 액정부(20)의 배향막에 해당하는 제2 배향막(25)은 방위각 45도의 러빙방향으로 처리하였다.
도 5는 본 발명의 액정층의 시야각(θ,φ)을 정의하는 좌표계로서, 'θ'는 극각을 나타내고, 'φ'는 방위각을 나타낸다. 도 5에서 리드빔이 액정을 지나는 방향과 Z축이 이루는 각이 'θ'이다.
도 6은 극각 15도에서 액정층의 시야각 특성에 따른 투과도를 나타낸 시험예로서, 광도전체부(10)의 투명도전막(13)과 액정부(20)의 투명도전막(23) 사이에 AC 구형파를 인가하여 투과도를 측정한 것이다.
그리고, 도 6의 시험예는 방위각 0°에서 315°까지 45°간격으로 계산한 것이다. 따라서, 도 6의 그래프에는 모두 8개의 투과도 곡선이 나타나야하나, 3개의 투과도 곡선은 다른 투과도 곡선과 중첩되어 결국 5개의 투과도 곡선만 도시된 것이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 리드빔이 액정층(27)을 지나온 방향 즉, 액정층의 시야각 특성에 따라 각각 투과도가 상이하게 나타나기 때문에, 단순히 이와 같은 투과도만을 이용하여 X선 강도를 측정하게 되면 왜곡이 유발된 X선 영상을 얻게 된다.
광도전층(17)에서 분리된 전하에 의한 액정층(27)의 전압변화는 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 따라 유도될 수 있다.
광도전층(17)의 축적용량이 'C(P)', 액정층(27)의 축적용량이 'C(LC)', 광도전층(17)에 분리된 전하밀도를 '±σ'라 하면, 액정층(17)의 X선이 조사되지 않는 영역의 전압 'V(LC)'은 수학식 1과 같고, 액정층(17)의 X선이 조사된 영역의 전압 'V(LC')'는 수학식 2와 같다.
Figure 112018043234717-pat00001
Figure 112018043234717-pat00002
수학식 1,2에서 알 수 있듯이, 전압에 따르는 액정층(17)의 축적용량을 알면 전하밀도에 따른 액정층(17)의 전압변화를 계산할 수 있고, 액정층(17)의 전압변화를 알아내면 역으로 전하밀도를 결정할 수 있게 된다. 그러나, 액정층(17)의 축적용량은 액정층(17)의 두께와 액정층(17)에 걸린 전압에 따라 달라진다. 따라서 액정층(17)에 걸린 전압의 변화로부터 전하밀도를 역으로 정하는 것은 매우 어려운 한계가 있다.
그런데, 본원발명자는 바이어스 전압에 따른 투과도를 이용할 경우 이와 같은 문제를 해결하여 왜곡이 없는 X선 강도를 결정할 수 있음을 알아내었다.
즉, 전술한 단계 S20과 같이, 엑스선 감지 액정패널에 X선이 조사되지 않은 상태에서, 엑스선 감지 액정패널(100)에 인가되는 바이어스 전압(Vb)을 변화시키며 촬상부(85) 화소의 투과도를 측정하여 기준 투과도 곡선을 생성한다. 그리고, 이 기준 투과도 곡선을 기준으로 액정층(17)의 전압변화를 추적하는 것이다.
도 7은 본 발명의 기준 투과도 곡선을 측정하는 바이어스 파형이다. 도 7을 참조하면, 주파수가 30Hz 정도인 구동파의 전압을 올려가면서 (+)극성의 일정한 시간대에서 카메라 셔터를 열어 리드빔의 투과도를 측정함으로써, 도 8과 같은 해당 화소의 기준 투과도 곡선을 생성한다. 한편, 촬상부(85) 카메라의 화소에 들어온 리드빔은 액정층(27)을 지나온 방향이 모두 다르기 때문에, 각각의 화소마다 전술한 기준 투과도를 측정한다.
도 8은 본 발명에 따른 액정층의 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선으로서, 액정층(27)을 수직으로 지나온 리드빔의 바이어스 전압에 따른 투과도를 각각 측정하여 생성한 것이다.
보다 구체적으로, 도 8 시험예의 액정층(27)은 두께가 10㎛이고, 액정의 유전율 상수는 단축이 3.6, 장축이 8.0이며, 액정의 굴절율 이방성은 0.035인 것을 사용하였다. 그리고, 도 8 시험예의 광도전층(17)은 유전율 상수가 6.0이고, 두께는 300㎛인 것을 사용하였다. 그리고, 리드빔(Read Beam)의 파장 범위는 700 ~ 750nm이고, 빛의 강도는 파장에 관계없이 일정하게 하였다.
한편, 기준 투과도 측정시, 바이어서 전압이 달라져도 투과도가 변하지 않는 영역이 있는데, 이 영역을 지나 투과도가 변하기 시작하는 전압을 문턱치 전압(Vth)라 한다. 따라서, 엑스선 영상 촬영은 이와 같은 문턱치 전압 이상에서 수행되어야 한다.
도 9는 본 발명에 따른 액정 엑스선 검출기의 구동 파형으로서, 전하 분리기간(T1), 투과도 측정기간(T2) 및 전하 소거기간(T3)으로 이루어진 3 단계로 구성된다.
전하 분리기간(T1)에서는 광도전층(17)에 높은 DC 전압을 걸어서 전자와 정공을 분리하고, 투과도 측정기간(T2)에는 문턱치 전압보다 높은 전압을 인가하여 투과도를 측정한다. 그리고 전하 소거기간(T3)에는 바이어스 전압을 0V로 접지시키면서 광도전층(17)에 UV를 조사함으로써 광도전층(17)에 축적된 전하를 제거한다. 한편, 도 9의 전하 소거기간은 바이어스 전압을 접지시켰으나, 5Hz 미만의 구형파를 걸어줄 수도 있다.
전하 분리기간(T1) 동안 걸어준 분리전압(Vs)은 광도전층(17)의 재질과 두께에 따라 다르다. 광도전층(17)이 비정질 셀레늄으로 형성될 경우, 두께 1㎛당 약 10V 정도 걸리게 한다. 예컨대, 광도전층(17) 두께가 300㎛라면 3KV의 분리전압(Vs)를 걸어준다.
투과도 측정기간(T2)에는 기준 투과도 곡선의 문턱치 전압(Vth)보다 높은 측정전압(Vm)을 인가하고, 검출 투과도를 여러 번 측정해서 오차를 줄일 수 있도록 한다.
참고로, TFT LCD에 쓰이는 상용 액정은 17ms 동안 전압 유지율이 99.9% 정도이므로, 검출 투과도를 다수 회 측정하여 측정 노이즈를 줄이도록 한다. 이때, 측정 노이즈는 측정 횟수의 제곱근에 역비례한다. 따라서, 1회 측정 시 측정노이즈가 ±δ라면, 4번 측정하여 평균하면 ±δ/2가 된다.
도 10은 본 발명의 광도전층 단위 ㎠당 전하에 따르는 투과도 곡선으로서, 측정전압(Vm) 36V에서 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 광도전층 전하량 대비 투과도를 측정하여 생성한 것이다.
도 10과 같은 전하 대비 투과도 곡선을 생성할 수 있으면 투과도를 알 수 있고 따라서 X선 영상을 결정할 수 있다. 그러나, 도 10과 같은 곡선을 실제로 얻으려면 X선 조사량을 늘려가면서 투과도를 측정해야 하는데, 이때 X선 조사량을 균일하게 조사하기도 어렵고, 매 측정마다 전하를 소거해야하므로 실제로 도 10과 같은 곡선을 얻는 것은 매우 어렵고 비효율적이다.
이에, 본원 발명자는 도 8의 기준 투과도 곡선과 도 10의 전하 대비 투과도 곡선에서, 동일 투과도에 대응되는 전하와 바이어스 전압 간의 상관관계를 알아냄으로써 전술한 문제를 해결하였다.
도 11은 본 발명에 따른 광도전층의 전하에 각각 대응되는 기준 투과도의 바이어스 전압을 나타낸 그래프로서, 측정전압(Vm) 36V에서 시야각(0,0)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선을 대상으로 하였다.
측정전압(Vm)을 걸어 화소의 검출 투과도를 측정하고, 이 검출 투과도에 대응되는 기준 투과도 곡선의 바이어스 전압이 'Vb'라면, 해당 화소에 대응되는 광도전층(17)의 전하밀도(σ)는 다음의 수학식 3에 따라 도출될 수 있다.
Figure 112018043234717-pat00003
(여기서, σ: 전하밀도, Vb: 단계 S50에서 도출된 바이어스 전압, Vm: 단계 40에서 인가한 측정전압, k: 비례상수)
참고로, 도 11 및 수학식 3에서 비례상수(k)는 '0.172808'이다.
본원 발명자는 시야각이 다른 경우를 검증하기 위하여, 극각(θ)이 20°이고, 방위각(φ)이 225°인 화소에서 기준 투과도 곡선을 구하고, 측정전압(Vm)이 60V인 경우를 테스트하였다.
도 12는 본 발명에 따른 액정층의 시야각(20,225)에 대응되는 화소의 기준 투과도 곡선이고, 도 13은 본 발명에 따른 촬상부의 화소에 대응되는 광도전층의 전하량 대비 투과도 곡선으로서, 도 13의 화소는 측정전압 60V에서 시야각(20,225)에 대응되는 화소이다. 그리고, 도 14은 본 발명에 따른 촬상부의 화소에 대응되는 광도전층의 전하량 대비 기준 투과도 곡선의 바이어스 전압을 나타낸 그래프로서, 도 14의 특정 화소는 측정전압 60V에서 시야각(20,225)에 대응되는 화소이다. 참고로, 도 14의 경우 비례상수(k)는 '0.17285'이다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, X선이 조사되지 않는 상태에서 바이어스 전압을 변화시키며 측정한 기준 투과도 곡선을 생성하고, 측정전압을 인가하여 검출 투과도를 측정한 후, 이 검출 투과도에 대응되는 기준 투과도 곡선 상의 바이어스 전압을 정한다. 그리고, 이에 따라 정해진 바이어스 전압에서 측정전압을 빼준 값은 화소에 관계없이 일정하게 X선 조사로 생기는 전하량에 비례하는 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 정해진 바이어스 전압과 상기 측정전압으로부터 수학식 3에 따라 해당 화소의 전하밀도(σ)를 산출할 수 있고, 이를 통해 해당 화소의 엑스선 영상을 결정할 수 있다.
결국, 전술한 엑스선 영상 결정 방법에 따르면, 각 액정의 시야각이 달라서 발생되는 리드빔의 투과도 차이와 이로 인한 각 화소별 검출 리드빔 강도의 왜곡을 보정할 수 있어 정확한 X선 진단 영상을 획득할 수 있게 되었고, 액정 엑스선 검출기의 선형성을 확보할 수 있게 되었다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 광도전체부 11: 제1 기판
13: 제1 투명도전막 15: 절연막
17: 광도전층 19: 제1 배향막
20: 액정부 21: 제2 기판
23: 제2 투명도전막 25: 제2 배향막
27: 액정층 30: 편광판
40: 검광판 50: X선 출력부
60: 리드빔 출력부 65: 반투과 거울
70: 구동부 80: 결상렌즈
85: 촬상부

Claims (5)

  1. 광도전체부; 및 상기 광도전체부 상에 구비되는 액정부를 포함하는 엑스선 감지 액정패널을 이용한 엑스선 영상 결정 방법으로서,
    상기 엑스선 감지 액정패널에 엑스선이 조사되지 않는 상태에서, 상기 엑스선 감지 액정패널에 인가되는 바이어스 전압을 변화시키며, 상기 바이어스 전압의 변화에 따른 화소의 투과도(이하, '기준 투과도'라 칭함)를 측정하는 제1 단계;
    상기 엑스선 감지 액정패널에 분리전압을 인가하고 엑스선을 조사하여, 상기 광도전체부의 전자와 정공을 분리시키는 제2 단계;
    상기 엑스선 감지 액정패널에 측정전압을 인가하여 상기 화소의 투과도(이하 '검출 투과도'라 칭함)를 측정하는 제3 단계;
    상기 제3 단계의 검출 투과도에 대응되는 기준 투과도(이하, '제1 기준 투과도'라 칭함)를 찾아, 상기 제1 기준 투과도에 대응되는 바이어스 전압을 도출하는 제4 단계; 및
    상기 제4 단계에서 도출된 바이어스 전압에서 상기 제3 단계의 측정전압을 빼서 상기 화소의 엑스선 영상을 결정하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 측정전압을 일정하게 유지시키며 상기 검출 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 측정전압을 변화시키며 상기 검출 투과도를 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제5 단계는,
    수학식 3에 따라 산출되는 전하밀도(σ)를 통해 상기 화소의 엑스선 영상을 결정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
    수학식 3
    전하밀도(σ) = k(Vb - Vm)
    (여기서, Vb: 상기 제4 단계의 바이어스 전압, Vm: 상기 제3 단계의 측정전압, k: 비례상수)
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 화소의 검출 투과도를 다수 회 측정하는 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검출기의 엑스선 영상 결정 방법.
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