KR102272831B1

KR102272831B1 - 맹수 눈 반사현상을 모사한 ｘ선 검출장치

Info

Publication number: KR102272831B1
Application number: KR1020190108851A
Authority: KR
Inventors: 정세채; 조효민; 조한샘
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-07-05
Also published as: KR20210027852A

Abstract

본 발명은 맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 맹수 눈에 형성된 반사막에 의하여 망막을 통과한 광이 반사되어 망막으로 재흡수되는 맹수 눈 반사현상을 모사하여, X선을 흡수하여 가시광선 또는 근적외선과 같은 저에너지광을 발광하는 형광체 및 X선만을 산란시키는 X선산란체의 혼합물을 이용하여 X선 흡수효율을 극대화하고 궁극적으로는 X선 측정감도를 증가시키는, 맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치를 제공함에 있다.

Description

맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치 {X-ray detector imitating reflection effects in eyes of predatory animals}

본 발명은 맹수 눈 반사현상을 모사한 X선 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 맹수 눈의 반사현상을 모사하여 공간분해능을 유지하면서도 X선 측정감도를 획기적으로 증가시킬 수 있는, 맹수눈 반사현상을 모사한 Ｘ레이 검출장치에 관한 것이다.

X선을 활용하는 분야는 매우 다양하며, 특히 의학분야에서 이미징을 기반으로 하는 다양한 형태의 X선 영상진단기기의 비약적인 발전이 이루어지고 있어, 관련 핵심 부품에 대한 새로운 기술이 요구되고 있다. 또한 4차 산업혁명시대의 스마트팩토리를 구현함에 있어서, 기존의 가시광선 혹은 적외선 적용 검사장비는 제품의 내부를 검사하기에는 한계가 있다는 문제가 꾸준히 지적되어 왔으며, 이에 X선 단층촬영(tomography) 방식은 이러한 기술적인 한계를 극복할 수 있는 대안으로 제시될 수 있다. 구체적인 예로서, 2018년 12월 4일 발생한 배석역 열수관 파열 사고로부터 이러한 X선에 대한 수요를 유추할 수 있다. 상기 사고는 부실 용접에 의한 열배관이 파손된 것으로, 2019년 1월 22일 국과수에 의하여 밝혀졌던 점을 상기하면, 이러한 사고를 방지하기 위하여서는 배관 시공 중 배관 이음새의 용접 후에 정밀 검사가 이루어져야 한다는 필요성이 강력히 인식된다. 이 때 현재 일반적으로 배관 용접을 검사하는 방법으로서 방사선투과법(RT)이 가장 널리 사용되고 있으나, 방사선투과기는 인체에 유해한 방사선을 방출하기 때문에 기기의 분실 또는 방사선 피폭 등의 문제로 전문가 이외에는 사용이 제한된다. 또한 방사선투과기의 크기로 인하여 경우에 따라서는 현장에서는 사용이 어려울 수도 있으며, ??탐색속도가 느리고, 탐색비용이 상당히 고가라는 등 다양한 문제점이 있다. 이에 따라 실제로 방사선투과기를 사용하여 모든 현장을 검사하지는 못하는 실정이다. 이러한 분야에 X선을 이용한 단층촬영기가 활용된다면, 상술한 바와 같은 문제들을 일거에 해소할 수 있을 것임을 쉽게 기대할 수 있다. 이처럼 다양한 의료분야, 산업분야 등에서의 X선 검출기술의 응용 및 활용 가능성이 높기 때문에, 저 피폭선량 및 소형화를 통한 휴대형 X선 측정시스템에 대한 수요가 급격하게 늘어나고 있다.

X선 센서란 X선 영역의 매우 높은 에너지를 갖는 광자를 전기 신호 혹은 사진건판과 같은 이미지 형태로 변환하는 장치로서, 물체의 내부를 관찰하는데 사용한다. 예를 들어 산업분야에서는 X선 센서를 사용하여 관(tube)이나 터빈날개 같은 거시적인 형태의 구조물의 이음새 균열 혹은 피로도와 같은 측정을 함으로써, 사고를 미연에 방지하는 구조물 안전진단을 하거나, 적층화된 복잡한 전자부품 및 자동차의 신호전달 체계에서 활용되는 다양한 형태의 커넥터 등을 공정 상 실시간으로 모니터링 하는데 사용하고 있다. 또한 의료분야에서는 방사선탐상(radiography), CT(computed tomography), 형광투시(fluoroscopy), 유방암 및 골밀도 진단장비, 치과용 영상장치 등 다양한 분야에서 인체 내부의 영상 혹은 병변을 알아보는데 활용되고 있다.

현재의 X선 센서는 기존의 필름을 기반으로 하는 아날로그방식에서 다양한 형태의 평판형 디지털 이미징 소자를 활용하는 디지털방식으로 발전하였다. 이중 최근에 급격하게 시장에서 각광받고 있는 디지털방식은 크게 간접변환방식과 직접변환방식으로 구분된다. 간접변환방식은, X선 광자를 가시광선 영역으로 변환하고 이를 CCD 혹은 CMOS와 같이 가시광선 혹은 근적외선 영역의 (비교적 낮은 에너지를 갖는 광자에 감도가 높은) 평판 이미징센서를 이용하여 전기적인 신호로 전환하는 방식으로 이루어진다. 직접변환방식은, X선 에너지를 직접 전자로 변환하여 이를 검출하는 방식으로 이루어진다. 직접변환방식은 X선 광자가 직접 전자로 전환되기 때문에 효율이 높고 높은 해상도를 구현할 수 있을 것으로 기대되나, 대면적으로 X선 이미지를 검출하여야 하는 경우 매우 고품질의 단결정(high-quality single crystal)을 성장시켜야 하는 등 공정이 까다로워 생산단가가 높아지게 되는 단점이 있다. 또한 간접변환방식은 매우 높은 에너지의 X선 광자가 저에너지로 전환하며 발생하는 나머지 에너지를 갖는 광자의 손실이 상대적으로 커서 전환효율이 낮아지는 단점이 있다. 이에 공간적인 분해능을 유지하면서도 X선 측정감도를 증가시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 당업자 사이에서 날로 높아져 가고 있는 실정이다.

특히 대면적의 X선 검출장치의 효율을 개선하기 위한 여러 연구가 진행되고 있는데, 한 예로서 한국특허공개 제2008-0015455호("대면적 X선 검출장치 및 그의 제조방법", 2009.08.25., 이하 '선행문헌')에는 대면적의 신틸레이터 패널 및 센서 패널이 적층 결합된 대면적 X선 검출장치가 개시된다. 선행문헌에서는, 센서 패널에서 가시광선을 센싱하지 못하는 테두리부에 댐을 형성하며, 댐 안쪽으로 저점성의 경화성 물질을 디스펜싱하여 접착층을 형성함으로써, 센서 패널 및 신틸레이터 패널의 균일한 접합 및 기포 함유 저감을 통해 센싱 이미지 질을 향상한다. 그러나 선행문헌은 단순히 가장자리 부분에서 빠져나가는 광을 잡아주는 역할을 하는 수준으로서, 근본적으로 측정감도를 증가시키는 기술은 되지 못한다.

1. 한국특허공개 제2008-0015455호("대면적 X선 검출장치 및 그의 제조방법", 2009.08.25.)

1. "On Predicting the Maximum Efficiency of Phosphor Systems Excited by Ionizing Radiation" Robins D J 1980 J. Electrochem. Soc. 127 2694 2. "X선 phosphor deposition technology for co-integration with amorphous silicon imaging arrays", Z. H. Gu, S. Tao, I. Chan, and A. Nathan, Journal of Vacuum Science & Technology A 18, 639 (2000)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 맹수 눈에 형성된 반사막에 의하여 망막을 통과한 광이 반사되어 망막으로 재흡수되는 맹수 눈 반사현상을 모사하여, X선을 흡수하여 가시광선 또는 근적외선과 같은 저에너지광을 발광하는 형광체 및 X선만을 산란시키는 X선산란체의 혼합물을 이용하여 X선 흡수효율을 극대화하고 궁극적으로는 X선 측정감도를 증가시키는, 맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치(100)는, X선 광을 흡수하여 X선 광보다 상대적으로 에너지 수준이 낮은 저에너지광을 발광하는 형광층(110); 상기 형광층(110)에서 방출된 저에너지광을 감지하는 광감지수단(120);을 포함하는 디지털 간접변환방식의 X선 검출장치(100)에 있어서, 상기 형광층(110)이, 상기 형광층(110)의 형태를 형성하는 기저체(111), 상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 광을 흡수하여 저에너지광을 발광하는 형광체(112), 상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 영역에서만 산란을 발생시키고 저에너지광선 영역에서 산란 및 흡수를 발생시키지 않는 X선산란체(113)를 포함할 수 있다.

이 때 상기 형광층(110)은, 상기 기저체(111)가 단일 개의 층으로 형성되며, 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)가 상기 기저체(111) 내에 혼합 분포된 형태로 형성될 수 있다.

또는 상기 형광층(110)은, 상기 기저체(111)가 제1기저체층(111a) 및 제2기저체층(111b)이 적층된 형태로 형성되며, 상기 형광체(112)가 상기 제1기저체층(111a) 내에 혼합 분포되고, 상기 X선산란체(113)가 상기 제2기저체층(111b) 내에 혼합 분포된 형태로 형성될 수 있다. 이 때 상기 기저체(111)는, 상기 제1기저체층(111a)으로 X선이 입사되고, 상기 제2기저체층(111b)이 상기 광감지수단(120)과 접하도록 배치되게 형성될 수 있다.

또한 상기 X선산란체(113)는, X선 영역의 광자에 선택적으로 산란을 발생시키는 형태의 나노구조체일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 X선산란체(113)는, 저에너지광 영역의 파장에서의 회절한계보다 작은 크기로 형성될 수 있다.

또한 상기 X선 검출장치(100)는, 상기 형광층(110)의 재료물질이 상기 광감지수단(120)에 도포된 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 X선 검출장치(100)는, 상기 형광층(110)이 필름 형태로 형성되어 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 X선 검출장치(100)는, 상기 형광층(110)의 재료물질이 투명 필름 형태의 지지체(114)에 도포된 적층체가 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성될 수 있다.

또한 상기 저에너지광은, 가시광선 또는 근적외선일 수 있다.

또한 상기 광감지수단(120)은, CMOS, CCD 또는 광다이오드일 수 있다.

본 발명에 의하면, X선을 가시광선으로 변환하고 이미징센서로 변환된 가시광선을 감지하여 X선을 검출하는 간접변환방식을 사용하는 X선 검출장치에서의 측정감도를 획기적으로 증가시키는 효과가 있다. 구체적으로는, 본 발명에서는 X선을 가시광선으로 변환하는 부분에 X선을 흡수하여 가시광선 또는 근적외선과 같은 저에너지광을 발광하는 형광체 및 X선만을 산란시키는 X선산란체의 혼합물을 적용한다. 이에 따라 형광체에 미처 흡수되지 못했던 X선이, X선산란체에 의해 산란됨에 따라 다시 주변의 형광체를 향하게 됨으로써 재흡수가 일어날 수 있다. 이에 따라 X선 흡수효율을 극대화할 수 있으며, 궁극적으로는 X선 측정감도를 획기적으로 증가시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 X선 검출장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 형광층의 제1실시예.
도 3은 본 발명의 형광층의 제2실시예.
도 4는 본 발명의 형광층 및 광감지수단 결합구조의 여러 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 맹수 눈 반사현상을 모사한 Ｘ선 검출장치(100)를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] X선 흡수에 의한 저에너지광 발광 원리

디지털 방식의 X선 검출기 중 직접변환방식(X선 광을 전기로 직접 변환하는 방식)에서 연구되고 있는 반도체 소재는 현재 Si, GaAs, a-Se, CdTe, HgI2 등 다양하다. 그런데 물리-화학적 및 기계적인 특성과 같은 일반적인 물질 특성이 양호한 경우 방사선 흡수도나 변환 효율이 떨어지고, 반대로 방사선에 대한 효율이 양호한 경우 물질 특성이 불량하거나 가격이 높은 문제점이 있다고 알려져 있다. 특히 X선 이미징에서 통상적으로 사용되는 대면적 검출기의 경우 전체 면적을 고품질 결정(high-quality crystal)으로 제작하고자 하는 경우 기술적으로나 가격적인 측면에서 매우 어려운 것이 사실이다. 간접변환방식(X선을 가시광선 또는 근적외선으로 변환한 후 변환된 광을 전기로 변환하는 방식)의 경우에도 적절한 크기의 대면적 형광체 필름(phosphor film)을 매우 균질하게 만드는 것은 그리 손쉬운 방법이 아니다. 그러나 간접변환방식이 직접변환방식에 비해서 경제적인 측면 등에서 보다 유리하며, 따라서 간접변환방식에서의 X선 흡수효율을 높이고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

간접변환방식에서의 X선 흡수에 의한 저에너지광 발광 원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 고에너지 상태인 X선 광자가 어떤 물질에 흡수되거나 혹은 부분적으로 에너지를 잃으며 산란되는 컴프턴 산란(Compton scattering)이 발생하면, 전자 혹은 정공과 같은 자유이송자(free carriers)가 발생한다. 이러한 자유이송자는 열이완(thermal relaxation)을 거친 후 발광성(radiative) 혹은 비발광성(nonradiative) 결합을 통하여 기저상태로 되돌아간다. 이러한 과정을 통하여 X선 광자는 가시광선 또는 근적외선(NIR) 영역의 광으로 변환되는 것이다. X선 광자가 어떤 파장 대역의 광으로 변환되는지는 물질에 따라 다르다.

이와 같은 X선 흡수에 의한 저에너지광 발광 전체과정의 에너지효율

은 다음과 같은 식 (1)로 표기될 수 있다(비특허문헌 1 참조).

… 식 (1)

는 전체 소자의 반사분률,

은 가시광영역으로 전환된 광자의 에너지, E는 한 쌍의 전자-정공 페어(pair)를 발생하기 위한 에너지,

는 전자-정공 에너지가 발광소자로 전달되는 전달효율, Q는 발광센터에서의 발광양자효율이다.

식 (1)은 발광소자 내에서의 양자효율에 관한 자세한 식이며, 일반적으로는 다음과 같은 식으로 형광체(phosphore)의 효율 S를 표시하는 것이 일반적이다.

S = AQD … 식 (2)

A는 형광체(phosphore)의 흡수상수, D는 검출효율, Q는 발광센터에서의 발광양자효율이다.

한편 가시광선 영역의 검출기의 검출효율 D는 일반적으로 다음과 같은 식으로 발광영역을 포함하도록 한다.

… 식 (3)

는 각 특정 파장에서의 검출효율,

는 광자의 플럭스(flux)이다.

상술한 바와 같은 일련의 형광체 스크린(phosphore screen)의 X선의 흡수에 의한 발광효율에 관한 식들은 다음과 같은 토의를 가능하게 한다. 어떤 형광체(phosphore)를 포함하는 부품(이하 '형광층'이라 함)의 Q(발광센터에서의 발광양자효율) 및 측정장치의 D(검출효율)가 주어진 경우, 식 (2)를 참조하면, 전체감도를 높이기 위하여 흡수율을 증가시키기 위하여 형광층의 두께를 증가시키면 S(효율)의 값을 올릴 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

그러나 실제로는, 형광층의 두께를 증가시킬 경우 형광층 내 형광체들에 의하여 자체적인 산란(scattering) 및 재흡수가 일어나며, 이에 따라 가시광선 영역에서의 광검출효율이 감소하게 된다. 즉 형광체를 포함하는 부품의 두께를 증가시켜 X선 형광체의 효율을 증가시키는 것은 어렵다(비특허문헌 2 참조).

[2] 맹수 눈 반사현상의 원리

한편 맹수 눈 반사현상에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 포유류의 눈에 형성되어 있는 망막은, 입사된 광을 망막 시세포로 흡수하여 전기적 에너지를 발생시켜 뇌로 전달하는 역할을 하는 것으로서, 말하자면 카메라의 필름이나 이미징센서와 같은 역할을 하는 것이다. 인간의 눈 구조를 살펴보면, 망막 뒤에 공막이 형성되어 있어 망막을 통과하여 나온 광을 흡수하도록 되어 있다. 즉 망막을 한 번 통과하고 난 광은 공막으로 흡수되어 버리는 것이다. 그런데 맹수의 눈 구조를 살펴보면, 망막 뒤에 반사막이 더 형성되어 있다. 이에 따라 맹수 눈에서는, 반사막에 의하여 망막을 통과한 광이 반사되어 망막으로 되돌아갈 수 있게 되며, 따라서 망막에서는 한 번 통과해 갔던 광을 재흡수할 수 있게 된다. 맹수 눈에서의 이러한 반사현상으로 인하여, 맹수는 훨씬 광량이 적은 조건에서도 시각정보를 보다 원활하게 획득할 수 있다. 즉 맹수가 인간에 비해 야간시력이 월등한 것은 바로 이러한 반사현상에 기인한다.

한편 X선은 가시광선, 적외선 등에 비해 에너지 수준이 훨씬 높다. 또한 앞서 [1] 단락에서 살핀 바와 같이, 현재 X선 흡수를 위한 형광층의 효율을 높이기 위해 두께를 증가시킬 경우 산란 및 재흡수에 의하여 가시광선 영역에서의 광검출효율이 감소한다는 문제점이 지적된 바 있다. 이 때, 실질적으로 X선 검출기에서 최대한 흡수하고자 하는 광은 X선이며, X선에 반응하여 형광체에서 발광된 가시광선 등의 저에너지광은 재흡수되지 않고 빠져나가 검출장치에 도달할 수 있게 하는 것이 바람직하다. 이 때 맹수 눈 반사현상 원리를 응용하여, 가시광선 등의 저에너지광의 산란은 억제하는 한편 X선의 산란을 촉진하면, 형광층 내 형광체에서의 X선 흡수효율의 향상 효과를 기대할 수 있다. 본 발명은 바로 이러한 원리를 이용한다.

[3] 본 발명의 X선 검출장치

본 발명의 X선 검출장치(100)는 기본적으로 앞서 설명한 간접변환방식을 사용한다. 즉 X선 광을 흡수하여 가시광선 또는 근적외선 등으로 변환하고, 이렇게 변환된 가시광선 또는 근적외선을 적절한 이미징센서로 감지하는 방식이다. 즉 본 발명의 X선 검출장치(100)는, 기본적으로, X선 광보다 상대적으로 에너지 수준이 낮은 저에너지광(즉 가시광선, 근적외선 등)을 발광하는 형광층(110); 상기 형광층(110)에서 방출된 저에너지광을 감지하는 광감지수단(120);을 포함하는 디지털 간접변환방식의 장치이다. 여기에서 상기 광감지수단(120)은, 구체적인 예를 들자면 CMOS, CCD, 광다이오드 등이 될 수 있다.

이 때 본 발명의 X선 검출장치(100)는, X선 광을 흡수하여 가시광선 또는 근적외선 등으로 변환하는 부분에서, 앞서 설명한 바와 같이 맹수 눈 반사현상 원리를 응용하여, X선 산란을 촉진함으로써 X선 흡수효율을 향상시키도록 형성된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명에서는 상기 형광층(110)이, 도 1의 하측 확대도에 도시된 바와 같이, 상기 형광층(110)의 형태를 형성하는 기저체(111) 내에 형광체(112) 및 X선산란체(113)가 혼합 분포되어 있는 형태로 이루어진다. 상기 기저체(111)는, 충분한 투명도를 가지며 반응성이 낮고 다른 재료를 혼합하여 성형하기 쉬운 것이라면 어떤 것이어도 무방하며, 구체적인 예를 들자면 PMMA, PVA, PDMS, PET 등이 될 수 있다.

상기 형광체(112)는 상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 광을 흡수하여 저에너지광, 즉 가시광선 또는 근적외선 등과 같은 광을 발광한다. 종래의 간접변환방식의 X선 검출장치에서 X선을 흡수 및 변환하는 다양한 재료들이 사용되어 왔다. 상기 형광체(112)는 이러한 알려진 재료들 중에 적절한 것을 선택하여 사용하면 되는 바, 여기에서는 구체적인 재료를 굳이 한정하지 않는다.

상기 X선산란체(113) 역시 상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 영역에서만 산란을 발생시키고 저에너지광선 영역에서 산란 및 흡수를 발생시키지 않는 역할을 한다. 상기 X선산란체(113)에 의하여, 앞서 설명한 바와 같이 맹수 눈 반사현상 원리가 적용되어 X선 흡수효율을 높일 수 있게 된다. 상기 X선산란체(113)는, 구체적으로 설명하자면, X선 영역의 광자에 선택적으로 산란을 발생시키는 형태의 나노구조체일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 X선산란체(113)는, 저에너지광 영역(즉 가시광선 영역 또는 근적외선 영역)의 파장에서의 회절한계(diffraction limit)보다 작은 크기로 형성되게 하는 것이 바람직하다(이에 대해서 이후 보다 상세히 설명한다).

도 2 및 도 3은 본 발명의 형광층의 제1, 2실시예를 도시하고 있다. 먼저 도 2의 제1실시예를 통하여 본 발명의 X선 흡수효율 향상 원리에 대하여 설명하고, 도 3의 제2실시예는 도 2의 제1실시예와 비교하여 설명한다.

도 2의 제1실시예에서는, 상기 기저체(111)가 단일 개의 층으로 형성되며, 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)가 상기 기저체(111) 내에 혼합 분포된 형태로 형성된다. 이와 같이 형성된 상기 형광층(110) 내에서 어떠한 작용이 일어나는지 상세히 설명한다.

먼저 도 2의 범례를 위에서부터 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

■ "X-ray" : 가장 진한 색깔로 표시된 화살표로서, X선을 나타낸다.

■ "Luminescence" : 가장 연한 색깔로 표시된 화살표로서, 상기 형광체(112)가 X선과 반응하여 (가시광선 또는 근적외선과 같은) 저에너지광을 발광하는 것을 나타낸다.

■ "X-ray by Compton scatering" : 중간 색깔로 표시된 화살표로서, X선이 상기 X선산란체(113)에 의해 컴프턴 산란이 일어나는 것을 나타낸다.

X선이 상기 형광층(110)에 주사되면, (1)~(7)과 같은 다양한 작용들이 나타난다. 각각의 작용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

■ (1) : 주사된 X선 광이 상기 형광체(112)에 흡수되어 저에너지광을 발광시키고, 나머지 에너지에 해당하는 X선 광자가 발생하는 과정을 나타낸다. 도면에서는 지나치게 복잡해지지 않도록 생략하였으나, 이 과정에서 컴프턴 산란도 발생하게 된다.

■ (2) : 주사된 X선 광이 상기 형광체(112)에 흡수되어, 두 개 이상의 적은 에너지의 광자를 발생시키는 과정을 나타낸다. 이렇게 발생된 두 개 이상의 적은 에너지의 광자는, (이어서 도시된 바와 같이) 근처에 있는 다른 상기 형광체(112)와 반응하여 두 개 이상의 저에너지광 발광을 발생시킨다.

■ (3) : 주사된 X선 광이 아무런 상호작용 없이 그대로 상기 형광층(110)을 투과하는 과정을 나타낸다. 상기 기저체(111) 내에 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)가 분포 배치되어 있기 때문에, X선 광의 경로 상에 상기 형광체(112) 또는 상기 X선산란체(113)가 없다면 이와 같이 X선 광이 아무 상호작용 없이 투과되어 지나갈 수도 있다.

■ (4) : 주사된 X선 광이 상기 X선산란체(113)에 의하여 산란되고, 산란된 X선 광이 근처에 있는 상기 형광체(112)에 흡수되며, 상기 형광체(112)에서 발생된 광자가 근처에 있는 다른 상기 형광체(112)에 흡수되어 저에너지광 발광이 일어나는 과정을 나타낸다.

■ (5) : 주사된 X선 광이 상기 X선산란체(113)에 의하여 산란되되, (3)과 유사하게 아무런 상호작용 없이 상기 형광층(110) 밖으로 되돌아나가는 과정을 나타낸다.

■ (6) : 주사된 X선 광이 상기 형광체(112)에 작용하되, 광자 발생, 저에너지광 발광 등의 작용이 일어나지 않고 단지 흡수되어 소멸되는 과정을 나타낸다.

■ (7) : 주사된 X선 광이 상기 기저체(111)에 흡수되어 소멸되는 과정을 나타낸다.

이 중 (1)~(3), (6), (7) 과정은, 형광체만 포함하는 종래의 간접변환방식 X선 검출장치의 형광층에서도 마찬가지로 일어나는 작용이다. (5) 과정은 상기 X선산란체(113)에 의하여 새롭게 발생하는 작용이기는 하나 실질적으로 (3) 과정과 마찬가지로 실질적으로 감지가 이루어지지 않는 과정이다.

한편 (4) 과정을 살펴보면, 부가적으로 넣어준 상기 X선산란체(113)에 의하여 X선이 산란됨으로써, 보다 많은 다른 상기 형광체(112)와 상호작용할 수 있는 확률이 증가될 수 있음을 알 수 있다. 앞서 맹수 눈 반사현상 원리에서, 망막을 한 번 통과한 광이 반사막에 의하여 반사됨으로써 망막으로 재흡수됨에 따라 감지효율이 향상된다는 점을 설명하였다. 본 발명에서도 마찬가지 원리로, 상기 X선산란체(113)에 의하여 주사된 X선이 산란하여 다양한 방향으로 경로를 바꾸어 줌으로써 다른 상기 형광체(112)와 상호작용하여 더 많은 저에너지광 발광이 일어나게 된다. 즉 맹수 눈 반사현상에서 반사막이 망막을 한 번 통과한 광의 경로를 바꾸어 주어 망막으로 재흡수시키는 것과 마찬가지로, 본 발명에서는 상기 X선산란체(113)가 상기 형광층(110)을 한 번 지나간 X선 광의 경로를 바꾸어 주어 상기 형광층(110) 내로 재흡수시키는 것이다. 이에 따라 상기 형광층(110)에서 발생되어 상기 광감지수단(120)으로 들어오는 저에너지광의 광량이 크게 증가되며, 궁극적으로 X선 측정감도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

물론 상기 X선산란체(113)에 의해 산란된 X선 광이, (5) 과정과 같이 다른 상기 형광체(112)와 상호작용 없이 상기 형광층(110)을 빠져나가 버리거나, (6), (7) 과정과 같이 상기 형광체(112) 또는 상기 기저체(111)에 흡수 및 소멸되어 버릴 여지도 있다. 그러나 상기 기저체(111)의 재료로서 산란효율이 소멸효율보다 높은 재료를 선택하여 (6)의 과정을 최소화시킴과 동시에 (4)의 과정을 최적화시킨다면, 상기 형광층(110)에 포함된 상기 형광체(112) 밀도가 동일하다고 할 때, 상기 X선산란체(113)가 없는 경우(즉 종래의 경우)보다 상기 X선산란체(113)가 있는 경우(즉 본 발명의 경우)가 X선에서 저에너지광으로의 변환효율을 훨씬 향상할 수 있다. 이와 같은 성질을 가지는 상기 기저체(111)의 재료는, 구체적인 예를 들면 PET(Pentaerythritol) 등이 될 수 있다.

한편 앞서 상기 X선산란체(113)가 저에너지광 영역의 파장에서의 회절한계(diffraction limit)보다 작은 크기로 형성되게 하는 것이 바람직하다고 설명하였다. 이와 같이 할 경우, 단위 X선산란체의 중량은 동일한 상태에서도 전체 표면적이 증가하게 되어, X선 산란확률은 최대화되는 반면 저에너지광 영역에서의 산란확률은 최소화되어, X선 변환효율을 더욱 향상할 수 있다.

도 3의 제2실시예에서는, 상기 기저체(111)가 제1기저체층(111a) 및 제2기저체층(111b)이 적층된 형태로 형성되며, 상기 형광체(112)가 상기 제1기저체층(111a) 내에 혼합 분포되고, 상기 X선산란체(113)가 상기 제2기저체층(111b) 내에 혼합 분포된 형태로 형성된다. 즉 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)를 각기 다른 층에 혼합하고 이들을 적층한 형태, 즉 이중층(double layer) 구조로서 상기 형광층(110)을 형성하는 것이다. 이 경우 상기 기저체(111)는 당연히, 상기 제1기저체층(111a)으로 X선이 입사되고, 상기 제2기저체층(111b)이 상기 광감지수단(120)과 접하도록 배치되게 형성되도록 한다. 제1, 2실시예는 서로 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)의 분포 위치를 구분했다는 점만 다르기 때문에, 도 3의 제2실시예에서 발생하는 (1)~(7) 작용은 도 2의 제1실시예에서 발생하는 (1)~(7) 작용과 대동소이하다.

물론 도 3의 제2실시예는 이중층 구조를 제작하는 과정에 의한 부가적인 공정 추가가 발생하며, 이에 따라 공정비용이 증가하고 생산성이 저하될 가능성이 일부 있을 수 있다. 그러나 이중층 구조를 택함으로써 각 층에서의 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)의 단위부피당 밀도 조절이 매우 용이하며, 이에 따라 제작된 장치의 효율을 극대화하기 훨씬 용이하다는 장점이 있다.

더불어, X선이 산란되면서 상기 기저체(111)에 흡수되는 것을 최소화하기 위해서는 상기 기저체(111)의 재료를 적절히 선택하여야 한다는 점을 앞서 설명하였다. 제2실시예의 경우 상기 X선산란체(113)가 포함되는 층이 상기 제2기저체층(111b)이므로, 상기 제2기저체층(111b)의 재료는 앞서 예시한 PET가 되도록 할 수 있다. 한편 상기 형광체(112)가 포함되는 제1기저체층(111a)의 재료는, 충분히 높은 투명도 및 충분히 낮은 반응성을 가지는 재료로서, PET를 사용할 수도 있고 또는 PDMS를 사용할 수도 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상술한 바와 같은 성질을 가지는 재료라면 어떤 것이든 적절히 적용 가능함은 당연하다.

도 4는 본 발명의 형광층 및 광감지수단 결합구조의 여러 실시예를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 상기 형광층(110)은, 상기 기저체(111) 내에 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)가 혼합 분포된 형태로 이루어진다. 이와 같은 상기 형광층(110)을 상기 광감지수단(120)에 결합하기 위해, 도 4(A), (B), (C)와 같이 다양한 방식을 사용할 수 있다.

도 4(A)의 실시예에서는, 상기 형광층(110)의 재료물질이 상기 광감지수단(120)에 도포된 형태로 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 기저체(111)는 PDMS, PET 등이 될 수 있으며, 이러한 재료는 경화시키기 전에는 점성을 가지는 액체 상태이다가, 경화시키면 탄성 및 유연 재질의 물체로서 형태를 유지할 수 있다. 따라서 상기 기저체(111) 재료가 경화 전 액체 상태일 때 상기 형광체(112) 및 상기 X선산란체(113)를 혼합하고, 이를 상기 광감지수단(120) 표면에 분사 등의 방법으로 도포한 후 경화시키면, 상기 형광층(110)이 상기 광감지수단(120)에 원활하게 결합될 수 있게 된다.

도 4(B)의 실시예에서는, 상기 형광층(110)이 필름 형태로 형성되어 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성된다. 도 4(A)의 실시예의 경우 가장 공정이 단순하다는 장점은 있지만, 상기 광감지수단(120)에 상기 형광층(110)의 재료물질을 직접 도포하거나 경화하는 과정에서 상기 광감지수단(120)이 손상될 위험도 있고, 또한 상기 형광층(110)의 재료물질이나 비율 등을 변경하고자 할 때 공정을 중단해야 하는 등 불편함이 있다. 이에, 도 4(B)의 실시예에서와 같이 상기 형광층(110)을 별도의 필름 형태로 제작하고, 완성된 필름 형태의 상기 형광층(110)을 상기 광감지수단(120)에 부착하는 방식으로 공정을 진행하면, 상술한 바와 같은 문제점들을 쉽게 해소할 수 있다. 다만 이 방식의 경우 상기 광감지수단(120)이 대면적일 때 상기 형광층(110)이 구김없이 전체적으로 균일하게 잘 부착되게 해야 하기 때문에 약간의 공정 상의 어려움이 있을 수도 있으므로, 실제 제작 시에는 도 4(A)의 실시예와 도 4(B)의 실시예 중 장단점을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.

도 4(C)의 실시예에서는, 상기 형광층(110)의 재료물질이 투명 필름 형태의 지지체(114)에 도포된 적층체가 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성된다. 도 4(C)의 실시예는 기본적으로 도 4(B)의 실시예와 유사하다. 그런데 도 4(B)의 실시예의 경우, 상기 형광층(110)의 재료물질이 필름 형태로 제작되었을 때 충분한 강성을 가지지 못할 수도 있으며, 그러면 제작과정에서 상기 형광층(110)이 손상될 우려가 있다. 그러나 도 4(C)의 실시예에서와 같이 충분한 강성을 가지는 상기 지지체(114)를 부가해 줌으로써 이러한 문제를 쉽게 해소할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : X선 검출장치
110 : 형광층
111 : 기저체 112 : 형광체
113 : X선산란체 114 : 지지체
120 : 광감지수단

Claims

X선 광을 흡수하여 X선 광보다 상대적으로 에너지 수준이 낮은 저에너지광을 발광하는 형광층(110); 상기 형광층(110)에서 방출된 저에너지광을 감지하는 광감지수단(120);을 포함하는 디지털 간접변환방식의 X선 검출장치(100)에 있어서,
상기 형광층(110)이,
상기 형광층(110)의 형태를 형성하는 기저체(111),
상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 광을 흡수하여 저에너지광을 발광하는 형광체(112),
상기 기저체(111) 재료 내에 분포되며, X선 영역에서만 산란을 발생시키고 저에너지광선 영역에서 산란 및 흡수를 발생시키지 않는 X선산란체(113)
를 포함하되,
상기 형광층(110)은,
상기 기저체(111)가 제1기저체층(111a) 및 제2기저체층(111b)이 적층된 형태로 형성되며,
상기 형광체(112)가 상기 제1기저체층(111a) 내에 혼합 분포되고, 상기 X선산란체(113)가 상기 제2기저체층(111b) 내에 혼합 분포된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
삭제
삭제
제 1항에 있어서, 상기 기저체(111)는,
상기 제1기저체층(111a)으로 X선이 입사되고, 상기 제2기저체층(111b)이 상기 광감지수단(120)과 접하도록 배치되게 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 X선산란체(113)는,
X선 영역의 광자에 선택적으로 산란을 발생시키는 형태의 나노구조체인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 5항에 있어서, 상기 X선산란체(113)는,
저에너지광 영역의 파장에서의 회절한계보다 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 X선 검출장치(100)는,
상기 형광층(110)의 재료물질이 상기 광감지수단(120)에 도포된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 X선 검출장치(100)는,
상기 형광층(110)이 필름 형태로 형성되어 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 X선 검출장치(100)는,
상기 형광층(110)의 재료물질이 투명 필름 형태의 지지체(114)에 도포된 적층체가 상기 광감지수단(120)에 부착된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 저에너지광은,
가시광선 또는 근적외선인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
제 1항에 있어서, 상기 광감지수단(120)은,
CMOS, CCD 또는 광다이오드인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.