KR102454412B1 - 다이렉트 변환 방사선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양전하를 수송하기 위한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기 위한 제 2 재료를 포함하고, 상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료가 상기 네트워크 내에 분산되어 복수의 전기적 접합을 형성하는 네트워크; 및,상기 네트워크 내에 분산되며, 적어도 하나의 크기가 엑시톤 보어 반경의 두배이고, 적어도 하나의 크기가 100 nm 미만이며, 사용 시에 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 제 2 재료를 통해 수송하는 복수의 나노입자;를 포함여 구성된 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 방사선 검출에 관한 것으로, 특히 방사선 검출을 위한 재료 및 해당 재료를 포함하는 검출기에 관한 것이다.
이온화(예컨대, 핵)방사선은 방사선 요법, 안전 검사 및 산업 응용과 같은 다양한 분야에 광범하게 사용되므로 적절한 방사선 검출 기술의 개발이 필요하다. 본 명세서에서 용어 “이온화 방사선” 및 “핵 방사선”은 모두 알파 입자, 베타 입자, X 선, 감마선 등으로 확장되는 것으로 인정된다. 흔히 볼 수 있는 핵 방사선 검출기는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 등과 같은 반도체 장치를 포함한다. 이런 솔리드 스테이트 장치는 입사 방사선이 검출기 볼륨에서 생성된 전하 캐리어(전자 및 홀)에 응답하는 양을 측정하여 핵 또는 이온화 방사선을 검출한다. 고에너지 방사선 광자 또는 입자가 검출기의 활성 반도체 재료와 충돌되면 이온화를 발생하여 전하 캐리어를 생성하게 된다. 생성된 전하 캐리어는 인가된 바이어스 전압에 의해 생성된 전계의 영향에 의해 가속된다. 결과적으로, 전극에서 쉽게 수집할 수 있는 전류가 발생한다. 전류는 재료에 침적된 방사선의 양에 비례하는 것을 발견할 수 있다. 상기 비례는 입사 방사선의 광자 에너지와 재료의 원자번호(Z)에 의해 결정되며, 물질의 존재는 주로 입사 광자와의 상호 작용의 세 가지 주요 메커니즘, 광전효과, 콤프턴 산란 및 전자쌍 형성에 기인한다. 검출기는 입사 방사선 량, 공간 분포, 방사선 스펙트럼 및 기타 특성을 측정할 수 있다.
실리콘계 고체 무기 방사선 검출기가 잘 알려지고 있다. 무기 방사선 검출기는 비록 성능이 우수하지만, 검출기에 결정 재료를 사용하기에 곡선의 기하 형상의 제조 가능성, 취성 활물질, 높은 제조 비용 및 제한된 검출기 크기 등 주요한 단점이 있다. 무기 대응물과 비교하면 유기반도체(예를 들어, 반도체중합체)는 다양한 장점을 가지기 때문에 대면적, 저비용 전자장치의 유력한 후보가 되었다. 이런 유기반도체로 구성된 잉크는 공액 중합체, 올리고머 및 소형 분자를 일반 유기용매에 용해시킴으로써 제조될 수 있다. 그 다음에, 기존의 습식 공정 기술을 이용하여 이러한 잉크를 기판에 도포하여 매우 저렴한 비용으로 대면적 장치를 제조할 수 있다. 유연한 특성을 가지기 때문에, 유기반도체를 기반으로 하는 대면적 검출기 패널은 튜브와 같은 굴곡을 가진 기하 형태로 형성되어 튜브 주위에 설치됨으로써, 예컨대 방사성 유체를 모니터링할 수 있다. 가요성 유기선량측정기는 X 선 진단이나 암 치료를 위한 환자 선량측정기에 사용될 수 있는데, 예를 들어, 환자의 신체 부위(예를 들어, 사지) 주변에 대면적의 픽셀화 검출관을 형성하여 국부적 공간에 따라 구분된 선량 측정을 제공할 수 있다.
이미 알려진 고에너지 방사선 검출기의 특징은 낮은 암전류(누설 전류), 양호한 정류 거동, 높은 전하 캐리어 이동도 및 높은 방사선 차단력을포함한다. 일반적으로 고체 검출기는 “직접” 및 “간접” 검출기로 세분될 수 있다.
도 1 은 유기 포토 다이오드에 기반한 예시적 간접 방사선 검출 배치를 도시하며, 부호 200 로 표시된다. 검출 배치(200)는 신틸 레이터 재료(202) 및 포토 다이오드(204)를 포함한다. 간접 전환 검출기에서 이온화 방사선은 두가지 단계를 거쳐 전기신호로 전환된다. 일반적으로, 상기 과정의 제 1 단계는 신틸레이터 재료(202)를 통해 입사 방사선을 가시광선으로 전환하는 것이다. 제 2 단계는 가시광선을 흡수하여 전기 신호를 생성하는 포토 다이오드(예를 들어, 포토 다이오드(204))와 같은 제 2 센서를 사용하여 제 1 검출기 재료의 출력을(신틸 레이터가 가시광선인 경우) 전기 신호로 전환하는 것이다. 단계별 전환 효율(100 % 미만)이 각 단계에 영향을 주기 때문에, 입사 방사선이 간접 검출 기술의 다단계 특성에 의해 낮은 효율(단계별 효율의 배가)로 전류로 전환된다.
대조적으로, 직접 검출기는 입사된 이온화 방사선을 직접 전기신호로 전환한다. 상기 전환 과정이 단일 단계 과정이기에 단일 단계 최적화 매개 변수를 사용하면 효율성 손실이 최소화된다.
전에 이미 입증된 바와 같이, 방사선에 의해 유도된 광전류는 직접 방사선 검출기중의 금속/반도체 중합체/금속 장치 구조에서 단일 균질 재료, 예를 들어 폴리(트리아릴아민)(PTAA), 폴리 ([9,9-디옥틸 플루오레닐-2,7-디일]-코-비티오펜) (F8T2)을 사용하여 실현될 수 있다. 이러한 재료는 활성 중합체 재료이지만, 단일 유형의 전하(전자 또는 정공)만 전달가능하다. 단일 균질 재료(단일 유기반도체 시스템)를 포함하는 장치의 단일 캐리어 특성은 실현 가능한 전체 신호 응답을 감소시킨다. 유기반도체는 일반적으로 낮은 원자번호의 탄소와 수소 구성 원자로 구성되어 고에너지 방사선에 대한 낮은 차단력(감쇠량)이 초래된다.
본 발명은 상기 문제점 중의 적어도 일부를 해결하고자 한다.
제 1 양태에서, 본 발명에 따른 장치는 양전하를 수송하기 위한 제 1 재료(예를 들어, (유기 또는 무기)전자 공여체, 정공 수송 재료, P 형 반도체) 및 음전하를 수송하기 위한 제 2 재료(예를 들어, (유기 또는 무기)전자 수용체, 전자 수송 재료, N 형 반도체)를 포함하고, 제 1 재료 및 제 2 재료는 네트워크 내에 분산되어 복수의 전기적 접합을 형성하는 네트워크(예를 들어, 벌크 헤테로 접합); 및, 상기 네트워크 내에 분산되며, 적어도 하나의 크기(예컨대 직경)가 엑시톤 보어 반경의 두배이고, 적어도 하나의 크기(예컨대 직경)가 100 nm 미만이며, 사용 시에 입사 방사선(예를 들어, 직접 전환)을 자유 양전하 및 음전하로 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 제 2 재료를 통해 수송하는 복수의 나노입자;를 포함하여 구성된다. 상기 방사선은 알파 입자, 베타 입자, 중성자, X 선 및 감마선 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 장치에 의해 검출될 수 있는 방사선의 형태에 따라 나노입자의 하나 이상의 크기(예를 들어, 직경) 및/또는 재료를 선택할 수 있다.
나노입자는 입사 방사선을 감쇠시킬 수 있다.
나노입자는 (단일)방사선-나노입자 상호 작용 사건에서 방사선을 양전하 및 음전하로 전환시킬 수 있다.
나노입자의 적어도 하나의 크기(예컨대 직경)는 20 nm 와 100 nm 사이의 크기일 수 있다 (예를 들어, 30 nm 와 50 nm 사이).
나노입자는 적어도 45 이상의 원자번호를 가질 수 있다.
나노입자는 하나 이상의 금속산화물로 형성될 수 있다.
제 1 재료 및 제 2 재료는 유기반도체일 수 있다.
제2양태에서, 본 발명은 제1전극, 제2전극 및 제1양태의 장치를 포함하는 방사선 검출기를 제공한다.
방사선 검출기는 전류 측정 장치를 포함할 수 있다.
방사선 검출기는 전압원(예를 들어, 배터리)을 포함할 수 있다. 전압원을 제공하여 방사선 검출기에 전계를 인가함으로써 전자 및 정공을 각각의 전극으로 주사할 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에서 언급된 바와 같이, 이 전압원은 일부 실시예에서 생략될 수 있다.
방사선 검출기는 실시간 데이터(예를 들어, 선량측정기 사용자의 시간에 따라 노출되는 방사선량을 유지할 수 있는 기록 및/또는 경고 메커니즘 생성하며, 잠재적인 방사선 위험을 사용자에게 통지)를 원격 컴퓨터로 송신할 수 있는 무선송신기를 더 포함할 수 있다.
방사선 검출기는 방사선의 레벨을 표시하기 위한 디스플레이를 포함할 수 있다.
제 3 양태에서, 본 발명은 제 2 양태에 따른 복수의 방사선 검출기를 포함하는 시스템을 제공한다.
복수의 방사선 검출기 중 적어도 일부(예를 들어, 적절한 나노입자를 선택하여)는 상이한 유형의 방사선(예를 들어, 중성자 및 X 선)을 검출하고 및/또는 특정 방사선의 상이한 에너지를 식별하도록 배치될 수 있다.
제 2 양태의 방사선 검출기 또는 제 3 양태의 시스템에 따른 방사선 검출기는 단단한 백킹 또는 가요성 백킹(예를 들어, 플라스틱 시트 또는 석고 등)에 통합될 수 있다.
제 4 양태에서, 본 발명은 제 1 양태의 장치 또는 제 2 양태의 방사선 검출기 또는 제 3 양태의 시스템을 사용하여 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 전환하는 단계; 및, 양전하 및 음전하로 인한 특성(예를 들어, 전류)을 기록하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
입사 방사선은 (단일)방사선-나노입자 상호 작용 사건에서 양전하 및 음전하로 전환될 수 있다.
전류는 장치로부터(배터리로부터 유래)인가된 전압에 응답하여(또는 외부 전압이 없는 경우, 장치의 내장 전위에 의해) 생성될 수 있다.
상기 방법은 기록된 전류를 방사선의 레벨의 추정치로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.(또한, 수신된 방사선의 에너지(비 선량) 추정에 사용될 수 있지만, 식별을 위해, 예컨대 에너지 분산 X 선 분광학에 대해 50 keV X 선을 방출하였는지 여부를 식별하기 위해 사용된다.)
제 5 양태에서, 본 발명은 컴퓨팅 장치에 의해 실행될 때 컴퓨팅 장치가 제 4 양태와 관련된 임의의 방법을 실행하게 하는 컴퓨터 판독 가능 명령어를 제공한다.
제 6 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 프로세서; 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 제 1 양태의 장치 또는 제 2 양태의 방사선 검출기 또는 제 3 양태의 시스템 등 설비가 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 전환하게 하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 적어도 하나의 메모리;를 포함하며, 양전하 및 음전하로 인한 특성(예를 들어, 전류)을 기록하는 설비를 제공한다.
제 7 양태에서, 본 발명은 제 1 양태의 장치 또는 제 2 양태의 방사선 검출기 또는 제 3 양태의 시스템을 사용하여 입사 방사선을 양전하 및 음전하로 전환하기 위한 장치; 및, 양전하 및 음전하로 인한 특성(예를 들어, 전류)을 기록하기 위한 장치;를 포함하는 설비를 제공한다.
제 8 양태에서, 본 발명은 반도체를 한가지 이상의 유기용매에 용해시켜 양전하를 수송하기에 적합한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기에 적합한 제 2 재료를 형성하는 단계; 및, 상기 용해 된 중합체에 적어도 하나의 나노입자의 크기가 나노입자의 엑시톤 보어 반경의 두배보다 크고 적어도 하나의 크기가 100 nm 미만인 복수의 나노입자를 첨가하여 매트릭스를 형성하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다. 상기 매트릭스는 기판에 도포될 수 있다.
사용 시에, 상기 나노입자는 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 제 2 재료를 통해 수송될 수 있다.
상기 매트릭스를 나이프 코팅, 슬롯다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 드롭 캐스팅 및 3D 인쇄 중 한가지 이상을 통해 상기 기판에 도포할 수 있다.(매트릭스는 3D 인쇄를 포함하는 임의의 프린팅 기술에 의해 도포될 수 있다.)다만, 프린팅 기술은 필수적인 것이 아닌데, 예를 들어 매트릭스를 펠릿 또는 블록으로 가압할 수 있고, 증발 또는 스퍼터링에 의해 도포할 수도 있다.
제 9 양태에서, 본 발명은 반도체를 한가지 이상의 유기용매에 용해시켜 양전하를 수송하기에 적합한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기에 적합한 제 2 재료를 형성하는 장치; 및, 상기 용해된 중합체에 적어도 하나의 나노입자의 크기가 나노입자의 엑시톤 보어 반경의 두배보다 크고 적어도 하나의 크기가 100 nm 미만인 복수의 나노입자를 첨가하여 매트릭스를 형성하는 장치;를 포함하는 설비를 제공한다.
이제 다음의 첨부 도면을 참조하여, 비제한적인 사례를 통해 예시적인 실시예를 설명한다.
도 1 은 예시적인 간접 방사선 검출 배치를 나타낸 도면이다.
도 2 는 예시적인 실시예에 따른 재료를 나타낸 도면이다.
도 3 은 예시적인 실시예에 따른 도 2 의 재료를 포함하는 회로를 나타낸 도면이다.
도 4 는 도 3 의 회로의 예시적인 사용을 나타낸 흐름도이다.
도 5 는 일부 재료의 X 선 감쇠가 광자 에너지에 따라 변하는 것을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 예시적인 실시예의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7 은 예시적인 실시예의 원자간력현미경(AFM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 10 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 11 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 17 은 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타낸 도면이다.
도 1 은 예시적인 간접 방사선 검출 배치를 나타낸 도면이다.
도 2 는 예시적인 실시예에 따른 재료를 나타낸 도면이다.
도 3 은 예시적인 실시예에 따른 도 2 의 재료를 포함하는 회로를 나타낸 도면이다.
도 4 는 도 3 의 회로의 예시적인 사용을 나타낸 흐름도이다.
도 5 는 일부 재료의 X 선 감쇠가 광자 에너지에 따라 변하는 것을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 예시적인 실시예의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7 은 예시적인 실시예의 원자간력현미경(AFM) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 10 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 11 은 예시적인 실시예의 구현 형태를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 17 은 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타낸 도면이다.
도 2 는 예시적인 실시예에 따른 일반적으로 부호 1 로 표시되는 재료를 나타낸다. 재료(1)는 벌크재료(2)와 벌크재료내에 분산된 복수의 나노입자(4)를 포함한다.
도 3 은 일반적으로 부호 10 로 표시되는 회로도를 나타내며, 상기 도 2 의 재료(1)를 포함한다. 회로(10)는 제 1 전극(12), 제 2 전극(14), 기판(16), 전류 측정 장치(18) 및 전압원(20)(예를 들어, 배터리)을 더 포함한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 재료(1)는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된다.
도 3 의 화살표에 표시된 바와 같이, 회로(10)에서 방사선을 수신한다. 방사선과 재료(1)의 상호 작용에 의해 전류가 생성되며, 상기 전류는 전류 측정 장치(18)를 사용하여 후술하는 내용에서 설명한 방식에 따라 검출될 수 있다.
재료(2)는 벌크 헤테로 접합(BHJ)을 형성한다. BHJ(재료(2))는 유기정공수송체/p 형 반도체/전자 공여체 및 유기전자수송체/n 형 반도체/전자 수용체의 상호 침투 네트워크이다. 이러한 전자 공여체와 수용체 재료의 상호작용은 장치 부피의 전체에 전기적 접합(또는 나노 스케일 다이오드)이 형성되게 한다. 전기적 접합과 나노입자(NP)(4)의 긴밀한 접촉은 최대 개수의 전하 캐리어가 전류로서(또한, 이에 따라 전류 측정 장치(18)에 의해 검출 가능함) 제거되게 한다. 다시 말하면, 나노입자는 본질적으로 내장된 공핍영역에 위치한다. BHJ 는 전체 활성 중합체층에서 전하 캐리어를 제거하는데 유리하다. 따라서, 이러한 시스템은 매우 낮은 전압(<10V)에서 작동될 수 있으며, 심지어 0 V 에서도 작동될 수 있다. 이런 저전압 동작은 바람직한 것으로서, 특히 휴대용 방사선 모니터의 경우, 일반적으로 검출기(10)가 작동 가능한 배터리와 같은 저전압원(예를 들어, 전압원(20))이 요구된다. 바람직하게는, 입사 방사선의 최대 비율을 포착하는 동시에 전극에 대한 전하의 효율적인 추출을 여전히 허용하기 위해, 활동층의 두께가 반드시 커야 한다(대략 1-100 ㎛).
주의할 점은, 전압원의 사용은 모든 실시예에서 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 다른 방식으로도 전하의 발생을 확인할 수 있기 때문에, 전류 검출기의 사용도 모든 실시예에서 필수적인 것은 아니다.
유기재료(즉, 탄소 및 수소와 같은 낮은 원자번호의 성분)의 방사선 감쇠 계수가 낮기 때문에, 단독의 BHJ 활성 유기 재료(2)만의 입사 방사선의 감쇠는 매우 작다. 높은 원자번호의 나노입자(4)의 존재는 입사 방사선의 감쇠에 유리하며, 전하 캐리어의 직접 생성을 허용함으로써 검출 가능한 전류를 생성 할 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에 기재된 실시예에서 사용된 나노입자는 적어도 ASTM E2456-06 표준(ASTM E2456-06(2012), Standard Terminology Relating to Nanotechnology, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org.)에 규정된 정의에 부합된다. 본 명세서에서, 용어“나노입자”는 100 nm 미만의 적어도 한가지 크기의 입자를 가리키는데 사용된다.
검출기의 성능은 일반적으로 나노입자의 크기에 의해 결정된다. 만일 나노입자의 크기가 양자 상태이면, 다시 말하면 전체 성질의 입자 범위가 양자 역학적 효과에 의해 지배되면, 나노입자와의 방사선 상호 작용에 의해 엑시톤(속박전자-전자정공쌍)이 생성되기 때문에 자유 캐리어로 분리하기 위한 추가 단계가 필요하다. 따라서, 전류의 발생은 자유 캐리어로서 생성된 전하만큼 효과적이지 못하다. 따라서, 본 명세서에서는 양자점 범위의 크기를 갖는 나노입자는 고려하지 않는다.
또한, 너무 큰 나노입자는 활성 물질 내에서 비효율적인 충진을 초래하고, 나노입자의 국부 BHJ 내의 접합 다이오드의 수를 감소시키기 때문에 검출기의 효율을 저하시킨다. 또한, 비교적 큰 나노입자는 장치의 다이오드의 동작이 영향을 받아 저항기의 역할을 하게 한다. 따라서, 나노입자(4)의 크기는 반드시 가장 효율적인 경로에서 전하의 생성 및 추출이 가능한 최적의 크기이어야 한다.
나노입자의 크기가 이온화 방사선의 파장보다 크기 때문에, 이온화 방사선은 미산란을 거쳐 경로 길이가 증가하게 된다. 또한, 입자크기가 상기 한도값의 상한에 가까워짐에 따라 산란 효과가 증가한다. 다만, 전하의 추출이 일반적으로 나노입자 크기의 10-15 nm 의 깊이에서 발생하기 때문에, 증착된 X 선 에너지의 대부분이 열에너지로 전환되어 비교적 큰 나노 입자에 사용된다.
비록 크기가 상기 크기의 하한값(양자점 상태)에 가까울수록 전하 추출이 더 효과적이지만, 산란 효과가 현저하게 저하된다. 따라서, 예를 들어 X 선 방사선의 경우 20-100 nm 범위의 입자크기가 제일 바람직하다. 본 발명에서 정의된 바와 같은 나노입자를 사용하면 이온화 방사선 산란 효과에 의해 X 선의 광대역 감지가 가능한데, 다시 말하면, 1 keV 이상의 X 선을 검출할 수 있다. 또한, 현재의 직접 X 선 검출기의 민감도는 매우 좁은 에너지 범위에 제한되는데, 예를 들어, 비정질 셀레늄은 가장 널리 사용되는 직접 X 선 검출기 재료 중 하나로서 에너지가 50 keV 이상인 X 선은 검출할 수 없다.
직접 방사선 검출기(10)는 단지 한단계를 통해 입사되는 고에너지 방사선을 검출 가능한 전기 신호로 직접 전환시킨다. 다시 말하면, 상기 검출기는 가시광의 생성, 신틸 레이터 검출기 또는 엑시톤의 생성, 신틸 레이터 검출기와 양자 나노입자 검출기 등의 별도의 전환 단계를 거치지 않는다.
도 4 는 일반적으로 부호 30 로 표시되는 알고리즘의 흐름도를 나타내며, 또한 도 3 의 회로의 예시적인 사용을 나태낸다. 알고리즘(30)에 의해 도시된 바와 같이, 직접 방사선 검출기(10)는 다음과 같이 동작 할 수 있다.
알고리즘(30)의 단계 32 에서부터, 재료(1)은 입사 방사선의 감쇠에 사용된다. 구체적으로, BHJ 활동층의 벌크재료(2)에 존재하는 높은 원자번호의 나노입자(4)가 입사되는 고에너지 방사선을 감쇠시킨다.
알고리즘(30)의 단계 34 에 도시된 바와 같이, 나노입자의 방사선과의 상호작용은 전자 및 정공이 없는 전하 캐리어가 생성되게 한다.
단계 36 에서, 생성된 전자 및 정공이 없는 전하는 인가된 바이어스 전압(예를 들어, 전압원(20)에서 인가)에 의해 전극(12) 및 전극(14)을 향해 주사되어 유기 BHJ 매트릭스를 통과한다. 전하는 검출기의 내장 전위에 의해 제거됨으로써 0 V 의 바이어스 전압에서 작동될 수도 있다. 즉, 전압원을 생략 할 수 있다.
전극에서 상기 단계 36 과 관련된 전하를 수집하고 알고리즘(30)의 단계 38 의 전류를 기록한다. 보정을 실시해 전류 출력과 입사 방사선량을 관련시킨다. 주의할 점은, 일부 실시예에서 단계 38 은 다른 방식으로 구현될 수 있으며, 여기서는 단지 예시로서 전류의 검출에 대한 보정을 설명하는 것이다.
마지막으로, 단계 40 에서는 단계 38 에서 검출된 전류 또는 보정단계에 기반하여 입사 방사선의 추정치를 결정한다.
방사선 검출기는 검출기(10) 또는 후술되는 다른 검출기 등과 같은 잠재적인 적용기능을 갖는다. 그 중의 한가지 잠재적인 적용기능은 휴대용 선량계이다.
일예로서, 단일 검출기는 다음과 장치와 연결될 수 있다.
● 무선송신기 - 실시간 데이터를 원격 컴퓨터에 송신하며, 상기 원격 컴퓨터는 (i)선량측정기 사용자의 시간에 따라 노출되는 방사선량을 유지할 수 있는 기록및/또는 (ii)경고 메커니즘 생성하며, 잠재적인 방사선 위험을 사용자에게 통지한다.
● 탐지기와 통합된 시스템 ? 예를 들어 노이즈 등의 경고 신호를 생성하며, 주변 방사선의 레벨을 나타내는 디스플레이로 구성된다.
● 상기 두가지 특징의 시스템을 결합한 장치.
이러한 시스템에 전원을 공급하는 사례로는 환경의 조명조건에서 빛을 수집하는 실내 태양 전지, 버튼 배터리, 유연한 또는 단단한 배터리 또는 수퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치가 있다. 또한, 유선 연결을 통해 전원을 공급할 수도 있다.
선량계를 확장해 설정하여 복수개의 검출기를 통합할 수 있고, 각 검출기는 다양한 유형의 방사선, 예를 들어 중성자 및 X 선을 검출하거나 특정 방사선의 상이한 에너지를 식별하거나 또는 양자가 혼합된 에너지를 식별할 수 있다.
전반적인 시스템은 단단한 백킹 또는 가요성 백킹(예를 들어, 플라스틱 시트 또는 석고 등)에 통합될 수 있다.
또한, 검출기(10)의 재료가 가요성을 갖기 때문에, 선량계를 필요한 위치, 예를 들어 튜브에 감싸거나 등 방식으로 고정할 수 있다.
최적화된 검출기 신호는 전하 수집에 의해 결정된다. 검출기 전체에서의 방사선의 감쇠를 감안하여, 전체 능동장치층에서 전하를 수집하는 것이 바람직하다. 단일 캐리어형 유기반도체 시스템은 하나의 전극에서 전하 추출에 유리한 전기적 접합만을 생성한다. 따라서, 상대 전극이 반대의 전하를 추출하기 위한 장벽으로 작용하기 때문에 캐리어는 상기 계면에서만 제거된다. 주의할 점은, 두개의 접촉점이 상이한 일함수를 가지는 경우에만 상기 상황에 해당한다. 상기한 바와 같은 BHJ 시스템은 전체 활성 물질 재료에서 전기적 접합을 생성하는데, 여기서 2 개의 전극에 의해 전하가 추출된다. 이는 고에너지 방사선에 의해 생성된 2 가지 유형의 전하 캐리어를 추출할 수 있는 가능성을 증가시킨다.
상기 메커니즘의 영향은 일반적인 재료의 상이한 광자 에너지에서의 감쇠로부터 알수 있다(<0.1 MeV-광전효과, 0.1-10 MeV-컴프턴 산란 및 >10 MeV-쌍 생성). 나노 입자가 이온화 방사선의 파장보다 약간 클 때 발생하는 이온화 방사선의 미산란은 이러한 효과를 더욱 향상시킨다.
도 5 는 부호 50 로 표시되는 그래프로서, 광자 에너지로서의 일부 물질의 신체 X 선의 감쇠를 나타낸다. 광자 에너지로서의 탄소, 규소, BHJ 및 BHJ-NP 화합물의 총 감쇠를 나타낸다. 나노입자로 인한 산란 효과를 고려하지 않고 NIST XCOM 소프트웨어를 사용하여 벌크재료의 값을 계산할 수 있다 (http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html).
도 5 에 도시된 바와 같이, 높은 원자번호의 나노입자를 유기매트릭스에 도입하면 유기층의 감쇠를 현저하게 증가시킴으로써 실리콘보다 감쇠가 더 높게 되며, 특히 스펙트럼 효과와 스펙트럼의 생산 영역에서 더욱 현저하다.
시험예
다음의 결과와 토론은 유기 공여체와 유기 수용체를 기반으로 하는 BHJ 시스템으로 제작된 직접 방사선 검출기를 기반으로 한다. 본 실시예의 시스템에서, 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일):[6,6]-페닐 C71 부티레이트 메틸 에스테르 (P3HT:PC70BM)벌크 헤테로 접합 활성 재료와 산화 세륨(Bi2O3)을 각각 유기 BHJ(벌크재료(2))와 높은 원자번호 나노입자(4)로 사용한다. 음극과 양극은 각각 알루미늄과 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용한다(검출기(10)의 전극(12) 및 전극(14)).
입체 규칙성 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT, 40mg, Rieke 4002 EE) 및 [6,6]-페닐 C71 부티레이트 메틸 에스테르(PC70BM, 40mg, 순도 99％;Solenne)를 1ml 디클로로 벤젠에 첨가하여 P3HT:PC70BM(Bi2O3-O)용액을 제조한다. Bi2O3 나노입자(정방 결정 구조를 가진 β상; 38 nm 직경; 표면적 18 m2g- 1;Alfa Aesar)를 P3HT:PC70BM 용액에 분산시켜 40(Bi2O3-40)mg ml- 1 의 Bi2O3 농도를 얻는다. 상기 장치의 나노입자 중량 백분율(wt％)은 33％이다.
공기중에서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌 설포네이트) (PEDOT:PSS; Al 4083;Heraeus)의 전자 차단층과 정공 수송층(HTL)을 ITO(In2O3:Sn)유리기판(15mm×15mm)에 스킨 코팅(5000rpm, 40 초)하고 150℃에서 10 분 어닐링시켜 40 nm 의 두께를 얻는다. 90 μL 부피의 Bi2O3-0 과 Bi2O3-40 용액을 도포 후, 밀폐된 배양 접시에서 60℃에서 20-40 분 어닐링 시킨다. 그 다음에 140℃에서 10 분 어닐링 시킨다. 두번째 어닐링 단계에서 장치를 커버된 배양접시에 위치시키지 않았다. 장치를 3×10-6 mbars 의 압력에서 24 시간 진공을 유지하여 모든 잔류 용매를 제거한다. 그 다음에, 1,2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP;승화급, Sigma Aldrich, 순도 99.99％, 5 nm 두께)으로 전자 수송층(ETL) 및 정공 차단층을 침적하고 또한 증발에 의해 Al 음극(약 120 nm)을 침적한다. 패키지 슬라이드와 자외선 경화 접착제(Ossila)를 사용하여 UV 광에서 5 분간 캡슐화를 수행한다. HTL, ETL 및 전극재료는 BHJ 활성 재료로부터 전하 캐리어를 추출하는 용도를 최적화하는 임의의 재료와 교환 가능하다.
도 6 은 예시적인 실시예의 주사전자현미경(SEM)이미지를 나타낸다. 특히, 도 6 의 (A) 및 (B)는 각각 제 1 장치 표면의 SEM 이미지(60) 및 제 2 장치 표면의 SEM 이미지(62)를 나타내며, 여기서 제 1 장치는 나노입자의 충진량이 33 중량％인 상기 유기 BHJ 를 포함하며, 제 2 장치는 단지 유기 BHJ(즉, 나노입자가 없음)표면만 포함한다.
도 6 에 도시된 SEM 이미지는 나노입자의 존재하에 필름의 미세 구조가 관찰된다. 도 6 은 50×50 ㎛2 의 면적에서 기록된 샘플의 현미경 사진을 나타낸다. SEM 이미지에 따르면, 나노입자의 존재가 분명하며, 나노입자가 장치의 바닥에만 있는 것이 아니라 유기 BHJ 층 전반에 균일하게 분포되었다. SEM 이미지는 나노입자가 있는 필름(이미지 60)의 경우, 필름의 구조가 더욱 두드러졌으며, 나노입자가 없는 표면(이미지 62)의 경우, 표면의 변화를 거의 무시할 수 있다.
도 7 은 예시적인 실시예의 원자간력현미경(AFM) 이미지를 나타낸 도면이다. 특히, 도 7 의 (A) 및 (B)는 각각 제 1 장치의 제 1AFM 이미지(70) 및 제 2 장치의 제 2AFM 이미지(72)를 나타내며, 여기서 제 1 장치는 나노입자 충진량이 33 중량％인 상기 유기중합체를 포함하며, 제 2 장치는 단지 유기중합체(나노입자 없음)의 표면만 포함한다.
혼합 후막의 표면 거칠기는 암전류 및 장치의 성능에 영향을 미친다. 따라서, 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 침적층의 표면 거칠기를 평가한다. 33 중량％ 나노입자가 충진된 장치 및 나노입자가 충진되지 않은 장치의 제곱 평균(r.m.s) 거칠기값은 각각 153.4 와 6.6 nm 이다. 취득한 값으로부터 알수 있다시피, 나노입자가 존재하는 필름의 표면 거칠기는 나노입자가 없는 표면의 표면 거칠기보다 거의 20 배 더 크다.
도 8 은 일반적으로 부호 80 로 표시되는 그래프로서, 예시적 실시예의 구현 형태를 나타낸다. 구체적으로, 도 8 은 나노입자가 충진되지 않은 장치(곡선 82)와 33 중량％의 나노입자가 충진된 장치(곡선 84)의 시간 의존 X 선 응답을 나타낸다. -10V 의 역바이어스 전압에서 27 keGys- 1 의 선량률로 장치에 60keV 텅스텐 X 선원을 1 분간 조사한다. X 선원을 교대로 1 분 동안 켜고 끄고, 27mGys- 1 의 선량률로 조사한다(총선량 1.62Gy 에 해당함). 순수한 유기재료를 가진 장치(나노입자를 포함하지 않는 장치)는 거의 제로의 X 선 응답(곡선 82 참조)을 나타낸다. 다만, BHJ 매트릭스에 33 중량％의 나노입자가 존재하는 경우에는 전류의 응답이 급속히 증가하여 46 nA cm-2 값(곡선 84 참조)를 나타낸다. 이것은 이와 같이 낮은 작동 전압에서 직접 유기 X 선 검출기에 의해 기록된 가장 높은 X 선 응답이다.
도 9 는 일반적으로 부호 90 로 표시되는 그래프로서, 예시적 실시예의 구현 형태를 나타낸다. 구체적으로, 도 9 는 33 중량％의 나노입자가 충진된 장치와 나노입자가 충진되지 않은 장치의 감도를 나타낸다. 27mGy s- 1 의 선량률 및 -10V 역바이어스 전압에서 X 선 응답을 얻는다.
따라서, 도 9 는 나노입자가 존재하는 경우의 장치의 감도를 나타낸다. 나노입자가 포함되지 않은 기준장치는 거의 제로의 감도를 나타낸다(0.003 μC mGy- 1 cm-3). 이는 대부분의 방사선 감쇠가 유기매트릭스에 높은 원자번호의 나노입자가 포함되기 때문이라는 것을 설명한다. 다만, 유기 BHJ 매트릭스에 33 중량％의 나노입자를 첨가하면 감도가 거의 1.7 μC mGy-1 cm-3까지 증가된다.
도 10 은 일반적으로 부호 100 로 표시되는 그래프로서, 예시적 실시예의 구현 형태를 나타낸다. 구체적으로, 도 10 은 33 중량％의 나노입자가 충진된 장치의 시간 의존 X 선 응답을 나타낸다. -100V 의 역바이어스 전압에서 30.1 cGys- 1 의 선량률로 장치에 50keV 텅스텐 X 선원을 15 분간 조사한다. 도 10 은 장치를 15 분간 연속 조사하여 총선량이 271.53 Gy 인 경우 피크가 약 90 μA cm- 2 인 X 선 응답을 나타낸다.
도 11 은 일반적으로 부호 110 로 표시되는 그래프로서, 예시적 실시예의 구현 형태를 나타낸다. 구체적으로, 도 11 은 33 중량％의 나노입자가 충진된 장치의 감도를 전압변화로 한 함수이다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 장치의 X 선 응답은 주로 인가된 바이어스 전압에 의해 결정된다. 도 11 은 33 중량％의 나노입자가 충진된 장치의 더욱 넓은 작동 전압 범위에서의 응답을 나타낸다. 장치는 5V 미만의 저전압에서 0.131 μC mGy- 1 cm- 3 의 감도를 생성하고, 저전압(2.5-10V)상태에서 감도가 선형적으로 증가하여 선형회귀(R2)값이 0.99745 인데, 이는 상기 장치가 휴대용 기기의 배터리에 전력을 공급할 수 있다는 것을 증명한다. 따라서, 결과적으로 높은 원자번호의 나노입자를 사용하면 입사 방사선을 효과적으로 감쇠시키며 두꺼운 BHJ 활성재료층은 전극에 대해 전자 및 정공을 주사하여 전류 응답을 얻는데 유리하다는 것을 나타낸다. 나노입자는 이미 내장된 공핍영역에 위치하기 때문에 거의 0 또는 제로 전압으로 전하를 추출 할 수 있다. 본 명세서의 사례연구에서는 저압 및 고압에서 X 선을 조사할때의 고감도 성능을 설명한다.
나노입자는 나노미터의 크기를 가지기에 반도체 중합체에 유리하게 첨가될 수 있는 동시에 서로 연결되지 않고 회로가 단락되지 않는다. 높은 원자번호(Z)를 갖는 나노입자는 강한 방사선의 감쇠제이지만 낮은 원자번호의 중합체 또는 유기물은 이런 기능을 가지지 않는다. X 선 검출기는 높은 광자 플럭스 장치로서 검출 시 검출기 감도의 제한을 받지 않으며, 현재 주로 낮은 감도의 솔리드 스테이트 실리콘 포토 다이오드 검출기를 기반으로 한다. 대조적으로, 33 중량％의 Bi2O3 나노입자를 포함하는 P3HT：PC70BM 다이오드는 50 MeV 이상의 에너지에서 더욱 많은 량의 고에너지 X 선(>1 MeV)을 감쇠시킬 수 있는데, 최대로 약 80％이상 감쇠(볼륨 감쇠 효과만 고려)시킬 수 있다. 낮은 에너지(1 MeV 미만)에서 P3HT:PC70BM:Bi2O3 다이오드는 실리콘 다이오드의 6 배의 입사 방사선을 감쇠시키며, 이와 동시에 중합체 또는 유기 필름의 유연성을 유지한다. 검출기 필름 자체가 인체 조직(조직 동등성)에 가까운 에너지 의존성을 가지기 때문에 방사선 치료 응용 분야에서 매력적이다. 나노입자의 농도가 증가됨에 따라, 나노입자가 충진된 중합체 필름의 조직 동등성은 악화되지만, 나노입자를 포함하기에 다이오드의 양자 효율이 향상된다. 또한, 낮은 농도의 Bi2O3 나노입자를 사용하더라도 일정한 에너지 범위에서 중합체 필름은 실리콘보다 X 선에 더 민감한 것으로 나타났다. 방사선 요법에 적용하는 경우, 조직 동등성과 증가된 감도 사이에서 선택해야 할 것이다.
검출기는 기계적 유연성을 가지기에 접을 수 있다. 따라서, 다층의 중합체/유기반도체/나노입자 필름은 더 많은 입사 방사선을 감쇠시킬 수 있다. 이러한 경량의 가요성 유기반도체/중합체/나노입자 재료에서 생성 및 수집된 전하를 개선하면 일회용 접착 석고에 통합되어 방사선 빔의 단기 실시간 검출/이미징을 가능하게 할 수 있다.
유기반도체 다이오드는 높은 공간 해상도를 가지며 방향 의존성에 적응될 수 있다. 유기반도체 또는 폴리머 다이오드는 서브미크론 크기로 플렉시블기판에 대면적으로 제조될 수 있고, 또한 이들 기술의 조합에 의해 입사 방사선 빔 내에 3 차원으로 위치될 수 있게 한다. 선량은 일차원이기 때문에 부피가 작은 선량계는 높은 공간 해상도를 갖는다. 단일 중합체 유기반도체 검출기를 폴딩하여 입사빔을 여러번 통과시키는 능력은 검출기 감도를 향상시킬 수 있다. 마지막으로, 견고한 고체 반도체 유기 다이오드는 직접 판독 가능한 실시간 전기 응답과 낮은 작동 전압의 장점을 가지며, 배터리로 전원을 공급 가능하고 휴대성을 제고할 수 있다.
음극으로 사용될 수 있는 기타 재료는 n 형 그래핀, n 형 탄소나노튜브, 크롬, 티타늄, 칼슘, 스트론튬 또는 낮은 일함수를 갖는 유사한 재료 및 금속/금속산화물 조합을 포함하는 2 층 음극 시스템을 포함하고, 상기 금속산화물은 산화 아연, 산화 티탄, 산화 크롬 또는 금속/유기조합물일 수 있으며, 상기 유기조합물은 PFN 과 같은 폴리에틸렌이민의 바소큐프로인(bathocuproine, BCP) 또는 그 유도체, 폴리플루오라이드일 수 있다.
양극으로 사용될 수 있는 기타 재료는 높은 일함수를 갖는 재료, 예를 들어 금, 니켈, 그래핀, 금속/금속산화물의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 금속화합물은 텅스텐, 몰리브덴, 니켈 또는 금속/유기물일 수 있으며, 상기 유기물은 PEDOT:PSS, PTAA, F8T2, 스파이로-MEOTAD, P3HT 또는 임의의 p 형 중합체일 수 있다.
상기 동일한 구조는 다양한 유기 BHJ 반도체 및 높은 원자번호의 나노입자로 구현될 수 있다. BHJ 의 경우, 벤조[1,2-b 4,5-b’]디티오펜계 재료, 폴리티오펜계, 폴리(페닐렌 비닐렌), 카바졸계 등은 전자 공여체 재료로 사용될 수 있고, 풀러렌 유도체, ITIC, n 형 금속산화물, Vinazene 유도체, 방향족 고리 수용체 등은 전자 수용체 재료로 사용될 수 있다. 순수한 금속 또는 합성된 높은 원자번호의 나노입자는 탄탈, 텅스텐, 비스무트, 납, 백금, 금, 카드뮴 등과 같은 원소를 포함한다. 납계 재료가 입증된 방사선 감쇠 재료로서 나노입자의 적합한 선택이지만, 환경 독성으로 인해 환영을 받지 못하고 있다.
이하, 예시적인 재료에 대해 보다 상세히 설명한다.
제조 시에, 대면적의 활성 재료를 침적하는 경우에는 스프레이 코팅, 슬롯 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비어 프린팅, 플 렉소 그래픽 프린팅, 파우더 프레싱 등 상이한 롤 또는 시트 코팅 기술을 사용할 수 있다. 본 발명은 동일한 구성을 유지하면서 알파 입자, 베타 입자, 중성자 및 감마선과 같은 다른 이온화(예를 들어, 핵)방사선의 검출에 한층 더 확장될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이는 적절한 나노입자를 사용함으로써 달성될 수 있다. 중성자 검출은 불화 리튬, 탄화 붕소, 질화 붕소 등과 같은 나노입자를 포함하는 Li-6 또는 B-10 을 사용할 수 있다. 감마선 검출은 비스무트, 탄탈, 텅스텐, 납, 금, 백금 및 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 페로브스카이트(납계)와 같은 합금 및 Bi2O3, 나노 다이아몬드 등의 합성된 높은 원자번호의 나노입자와 같은 원자번호가 13 이상인 나노입자를 사용할 수 있다. 알파 및 베타 입자의 검출은 그래 핀, 비정질 탄소, 탄소나노튜브 및 탄소의 모든 동종 이형체를 포함하는 모든 탄소계 재료를 사용할 수 있다. Si 계 나노입자 및 나노 와이어, 은(Ag)계 나노입자 및 나노 와이어, 납(Zn)계 나노입자 및 모든 유형의 금속 및 합금(나노입자 또는 미크론 크기의 입자)은 알파 및 베타 입자의 검출에 사용될 수 있다.
상기 한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사선 검출기는 양전하를 수송하기 위한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기 위한 제 2 재료를 갖는 네트워크를 포함하며, 나노 입자는 네트워크 내에 분산되어 있다. 이하에 설명되는 도 12 내지 도 17 은 제 1 재료와 제 2 재료 및 나노입자의 다양한 배치를 포함한다. 도 12 내지 도 17 에 도시된 배치는 예시를 통해 제공되며, 다른 배치도 가능하다는 것을 이해해야 한다.
도 12 는 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 120 로 표시된다. 배치(120)는 적층하여 배치된 층을 포함한다.
일 실시예에서, 제 1 층(122)은 전자 수송층이고, 마직막층(126)은 정공 수송층이며, 적층(124)은 적층된 전자 및 정공 수송층을 가리킨다. 도 12 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 복수의 나노입자(128)가 적층된 층들 사이에 제공된다. 따라서, 상기 방사선 검출 배치의 제 1 재료 및 제 2 재료를 적층하여 제공한다. 나노입자는 제 1 재료와 제 2 재료(즉, 정공 및 전자 수송층)의 연결부위에 제공되어 하전 입자의 추출(입사 X 선이나 다른 방사선원에 의해 입자가 생성되는 경우)을 최대화할 수 있다. 예를 들어, 적층된 층을 순차적으로 제조할 수 있으며, 적층되는 층을 첨가하기전에 매 층의 상부에 나노입자를 제공할 수 있다. 제 1 층(122)은 정공 수송층 일 수 있다. 유사하게, 마지막 층(128)은 전자 수송층 일 수 있다.
도 13 는 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 130 로 표시된다. 배치(130)는 교차 배치된 층을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 조의 핑거(132)는 전자 수송 재료이고, 제 2 조의 핑거(134)는 정공 수송 재료(물론, 해당 재료는 서로 교환될 수도 있음)이다. 도 13 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 복수의 나노입자(135, 156 및 137)가 전자 수송 재료와 정공 수송 재료의 핑거 사이에 제공된다. 따라서, 상기 방사선 검출 배치의 제 1 재료 및 제 2 재료를 적층해 제공하고, 상기 나노입자를 제 1 재료 및 제 2 재료(즉, 정공 및 전자 수송층)의 연결부위에 제공하여 하전 입자의 추출(입사 X 선이나 다른 방사선원에 의해 입자가 생성되는 경우)을 최대화할 수 있다. 배치(130)는 3D 프린팅기술로 제작하기에 매우 적합하다.
도 14 는 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 140 로 표시된다. 배치(140)은 전자 수송 재료 및 정공 수송 재료의 혼합물로 형성된 매트릭스(142)를 포함한다. 도 14 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 매트릭스내에 많은 나노입자(예를 들어,나노입자(144), (145) 및 (146))가 제공된다. 나노입자가 정공과 전자 수송층의 접합부에 무작위로 제공될 때, 입사 X 선 또는 다른 방사선은 자유 전자 및 정공쌍으로 전환되어 해당 수송층을 통해 전송된다.
도 15 는 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 150 로 표시된다. 방사선 검출 배치(150)는 제 1 장치(152), 제2장치(154) 및 제3 장치(156)를 포함한다. 장치(152) 내지 장치(156)는 도 15에 도시된 배치에 따라 수직으로 적층된다. 장치(152) 내지 장치(156)는 각각 나노입자가 분산된 벌크 헤테로 접합을 포함하며, 또한 상기 방사선 검출 배치(1, 10, 120, 130 및 140)와 같은 임의의 방사선 검출 배치일 수 있다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 장치(152, 154 및 156)는 반드시 물리적으로 접촉되어야 하는 것은 아니다.
도 16 은 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 150 로 표시되며, 상기 배치(150)과 유사하다. 방사선 검출 배치(160)는 제 1 장치(162) 및 제 2 장치(164)를 포함하며, 도 16 에 도시된 바와 같이, 수평으로 설치된다. 장치(162) 내지 장치(164)는 각각 나노입자가 분산된 벌크 헤테로 접합을 포함하며, 또한 상기 방사선 검출 배치(1, 10, 120, 130 및 140)와 같은 임의의 방사선 검출 배치일 수 있다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 장치(162) 및 장치(164)는 반드시 물리적으로 접촉되어야 하는 것은 아니다.
방사선 검출 배치(150) 및 방사선 검출 배치(160)는 모두 직렬 또는 병렬로 연결된 방사선 검출 장치의 어레이를 제공한다. 어레이의 각종 검출 장치는 상이할 수 있는데, 예를 들어 상이한 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 방식으로 어레이 내의 상이한 방사선 검출 장치가 상이한 유형의 방사선을 검출하게 튜닝할 수 있다. 방사선 검출 배치(150)에서 제 2 장치(154)는 제 1 장치(152)를 통과한 방사선만 수용할 수 있다(제 3 장치(156)는 제 1 장치 및 제 2 장치를 통과한 방사선만 수용할 수 있다).
도 17 은 예시적인 실시예에 따른 방사선 검출 배치를 나타내며, 일반적으로 부호 170 로 표시된다. 방사선 검출 배치(170)는 타일링 방식으로 배치된 복수의 방사선 검출 장치를 포함한다. 블록이 “픽셀”을 형성할 수 있다. 적어도 일부 블록을 상이한 방사선 유형(예를 들어, 나노입자 크기 및/또는 재료의 선택을 통해)에 튜닝할 수 있다. 일부 배치에서, 전부 또는 일부 블록을 동일한 방사선 유형에 튜닝할 수 있다. 방사선 검출 배치(170)는 예를 들어 검출기의 평면도일 수 있다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 배치(170)를 형성하는 각종 검출기는 반드시 물리적으로 접촉되어야 하는 것은 아니다.
일부 실시예에서, 방사선 검출 배치(170)는 방사선 이미저라 불리울 수 있다. 방사선 이미저는 적절한 판독 장치를 포함 할 수 있다. 이런 방사선 이미저는 다음과 같은 다양한 잠재적인 응용 분야를 가진다.
● 이미저는 가요성 백킹(예를 들어, 기판, 석고)에 제조되어 웨어러블 건강 모니터링 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 상처 부위 또는 뼈 손상이 발견된 부위 또는 암 조직이 존재하는 부위에 착용할 수 있는 패치를 구상할 수 있다. 각종 검출기의 픽셀에 대한 높은 감도 때문에, 작은 X 선원을 사용하여 상처 치유, 골절 또는 암 조직의 변화를 주기적으로 관찰 할 수 있다.
● 이미저는 환경에 존재하지 말아야 할 금속물체의 모니터링에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 상기 이미저는 식품 포장 산업에서 식품의 잠재적인 금속오염물질의 식별에 사용될 수 있다. 또한, 이미저는 다중 채널 분석 기술 또는 기타 적절한 기술을 통해 어떤 요소가 있는지 그리고 어디에 위치하는지를 매핑하는데 사용될 수 있다.
● 하나의 실시예로서, 상기 기술은 공항, 항구 및 의심스러운 폭탄이 존재하는 현장의 안전 확인에 적용될 수 있다.
● 상기 기술은 제조 기간이나 또는 작동중인 구성요소 또는 기계 구성 요소를 시스템 자체에 통합하여 지정된 건강 평가 기간 내 기계 구성 요소의 비 파괴성 평가를 실시간으로 모니터링하는데 사용된다. 이미저가 잠재적인 유연성을 가지기 때문에 X 선 필름을 사용할 수 있는 장점(이미징에 대한 제한이 적음)을 가지지만 반드시 디지털 형식(실시간 이미징은 불가능한 필름이 아닌 실시간 이미징이 가능)의 X 선 필름이어야 한다.
● 검출기 및 이미저는 학술연구에 적용된다.
상기 응용은 X 선에만 적용되는 것이 아니라, 다른 형식의 이온화 방사선에도 적용된다.
검출기의 제조에 있어서, 제 1 재료와 제 2 재료(예를 들어, 정공 수송 유기반도체(또는 복수의 정공 수송 반도체) 및 전자 수송층 반도체(또는 복수의 전자 수송층 반도체)) 및 나노입자의 혼합물로 구성된 용액은 다음의 용도로 사용될 수 있다.
● 용액 인쇄 및 코팅 기술을 이용하여 용액에서 직접 증착한다. 예를 들어, 슬롯 다이 코팅, 블레이드 코팅, 그라비아 인쇄, 플 렉소 그래픽 프린팅, 드롭 캐스팅, 3D 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅을 통해 가요성 기판 및 단단한 기판에 침적시킬수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 잉크는 와이어나 필라멘트의 코팅에 사용될 수 있다.
● 열 증착, 화학 기상 증착, 펄스 레이저 소작, 스퍼터 코팅 기술에 의해 기판에 직접 증착한다.
● 다음의 처리를 통해 별도로 입자 또는 블록을 형성한다. 즉, 유기반도체 및 나노 입자와는 용해되지 않지만 사용된 유기용매와는 적어도 부분적으로 혼합될 수 있는 안티 솔벤트를 잉크에 도입하여 시스템에 사용되는 재료를 얻는다. 그 다음에, 남은 용매를 증발시켜 건조 분말을 얻으며, 필요한 경우에는 가압 및 소결하여 별도로 고체 입자를 형성할 수 있다.
● 반도체 잉크는 고압에서 적절한 압력으로 유지되는 저진공시스템에 분무될 수 있고, 상기 적절한 압력에서 용매를 증발시켜 분말을 수집한다. 그 다음에, 분말을 가압하여 별도로 입자를 형성한다. 또는,
● 입자를 X 선 이미저의 하부 등 적절한 전기 접촉 재료 또는 백플레인으로 구성된 기판 위에 가압한다.
또한, X 선 검출기의 필라멘트가 예를 들어 압출 또는 정전기 방사에 의해 형성되도록 잉크의 물리적 특성을 조절할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 제 1 재료, 제 2 재료(즉, 정공 및 전자 수송 재료) 및 나노입자로 사용되는 예시적인 재료표를 제공한다.
| 약자 | 풀네임 |
| P3HT | 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일) |
| PCDTBT | 폴리[N-9'-헵타데실-2,7-카바졸-alt-5,5-(4', 7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조티아디아졸]],폴리[[9-(1-옥틸 노닐)-9H-카르바졸-2,7-디일]-2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아 디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일] |
| PCPDTBT | 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b;3,4-b'] 디티오펜)-alt-4,7(2,1,3-벤조티아디아졸)] |
| Si-PCPDTBT | 폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]티올)-al t-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)] |
| PTB7 | 폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b’]디티오펜- 2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카르보닐]티에노[3,4-b] 티오펜디닐]] |
| PCE10, PBDTTT-EFT, PBDTT-FTTE, PTB7-Th |
폴리[4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)벤조[1,2-b;4,5-b']디 티오펜-2,6-디일-alt-(4-(2-에틸헥실)-3-플루오로티에노[3,4-b] 티오펜-)-2-카르복실 에스테르-2-6-디일)] |
| PCE11, PFFBT4T-2OD |
폴리[(5,6-디플루오로-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일)-alt-(3,3 ”’-디(2-옥틸도데실)-2,2’;5’,2”;5”,2’”-테트라티오펜-5,5’”-디일)] |
| DPP-DTT, PDBT-총-DTT, PTT-DTDPP, PDPP-DTT, DPPTT-TT, DPP-TTT, PDPP2T-TT, PDPP2T-TT-OD |
폴리[2,5-(2-옥틸도데실)-3,6-디케토피롤로-alt-5,5-(2,5-디(티 오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)] |
| MEH-PPV | 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌 비닐렌] |
| PPDT2FBT | 폴리[(2,5-비스(2-헥실데실옥시)페닐렌)-alt-(5,6-디플루오로-4 ,7-디(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아디아졸)] |
| PCE12, PBDB-T |
폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4, 5-b’]디티오펜))-alt-(5,5-(i’,3’-디-2-티에닐-5’,7’-비스(2-에틸헥실)벤조[i’,2’-c:4’,5’-c’]디티오펜-4,8-디케톤)] |
| DTS(FBTTh2)2, F-DTS, p-DTS(FBTTh2)2 |
7,7'-[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-실롤[3,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6- 디일]비스[6-플루오로-4-(5'-데실-[2,2'-디티오펜]-5-일)벤조[c] [1,2,5]티아디아졸] |
| PCDTFBT (PFT-100) |
폴리[(5-플루오로-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일)(4,4-디헥사 데실-4H-시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일)(6-플루오로-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일)(4,4-디헥사데실-4H-시 클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일)] |
| 약자 | 풀네임 |
| PC60BM,PC61 BM, 60PCBM |
[6,6]-페닐-C61-메틸 부티레이트 |
| PC7OBM, PC7lBM, 7OPCBM |
[6,6]-페닐-C61-메틸 부티레이트 |
| ZnO | 산화 아연 |
| TiO2 | 산화 티타늄 |
| FBR | (5Z,5'Z)-5,5'-{(9,9-디옥틸-9H-플루오렌-2,7-디일)비스[2,1,3-벤 조티아디아졸-7,4-디일(Z)메틸 일리덴 ]}비스(3-에틸-2-티오-1,3-티아졸리딘-4-온) |
| O-IDTBR | (5Z,5’Z)-5,5'-((7,7'-(4,4,9,9-테트라옥틸-4,9-디하이드로-s-인다 시노[1,2-b:5,6-b']디티오펜-2,7-디일)비스(벤조[c][1,2,5]티 아디아졸-7,4-디일))비스(메탄일리덴))비스(3-에틸-2-티오티아졸리딘-4-온) |
| ITIC | 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11- 테트라키스(4-데실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d’]-s-인다시노 디티오펜[1,2-b:5,6-b']디티오펜 |
| ICBA, ICBA60 | 1’,1”,4’,4”-테트라 히드로-디[1,4]메타노나프탈레노[5,6]풀러린-C60 |
| ICBA70 | 1’,1’’,4’,4”-테트라 히드로-디[1,4]메타노나프탈레노[5,6]풀러린-C70 |
| P(NDI2OD-T2), N2200, 폴리나프탈렌- 비티오펜 |
폴리{[N,N'-비스(2-옥틸도데실)나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르 복시미드)-2,6-디일]-alt-5,5'-(2,2'-비티오펜)} |
| PNDI-2F, P(NDI2OD-T2F ), PNDI(2OD)2T- 2F |
폴리[[1,2,3,6,7,8-헥사하이드로-2,7-비스(2-옥틸도데실)-1,3,6,8 -테트라옥사벤조[lmn][3,8]페난트롤린-4,9-디일](3,3'-디플루오로[2,2'-디티오펜]-5,5'-디일)] |
| DPPDPyBT | 폴리(2,5-비스(2-옥틸도데실)-3,6-디(피리딘-2-일)-피롤로[3,4-c ] 피롤-1,4(2H,5H)-디케톤-alt-2,2’-디티오펜) |
| 약자 | 풀네임 |
| Bi2O3 | 산화 세륨 |
| BiI3 | 요오드화 바륨 |
| BiOCl | 옥시염화 비스무트 |
| TiO2 | 산화 티타늄 |
| Ta2O5 | 산화 이트륨 |
| WO3 | 산화 텅스텐 |
| CdT | 카드뮴 텔루라이드 |
| HgTe | 텔루르화 수은 |
| 다이아몬드 | |
| PbS | 황화납 |
| PbSe | 셀레늄화납 |
| ABX3 에서, A 는 메틸 암모늄, 포름아미딘, 세슘, 류비듐일 수 있고, B 는 납이고, X 는 요오드 또는 브롬일 수 있다. |
납 할로겐화 페로브스카이트 |
이하의 설명에서는 적어도 일부 실시예의 흥미로운 측면을 요약한다.
일반적으로 높은 원자번호의 나노입자(예를 들어, Z>45)가 사용되는데, 상기 나노입자는 단일 이온화 방사선/나노입자 상호 작용 사건에서 이온화 방사선을 정지시키고 자유 전자 및 정공을 생성하는 능력을 갖는다.
본 발명에서 정의된 나노입자는 일반적으로 ASTM E2456-06 에 따르며, 한개 또는 두개의 크기가 1-100 nm 범위에 포함된다. 가장 작은 나노 입자의 크기는 엑시톤 보어 반경의 두배보다 크며, 상기 엑시톤 보어 반경보다 작으면 나노입자가 에너지 준위의 정량화(즉, 양자점)를 나타내어 이온화 방사선과 상호 작용할 때 간접적인 행동을 나타낸다.(예를 들어, 이온화 방사선의 상호 작용은 전자 및 정공에 의해 유기반도체를 수송하여 추출된 자유 캐리어의 생성보다는 빛의 방출을 초래한다.)
검출기의 성능은 일반적으로 나노입자의 크기에 의해 결정된다. 나노입자의 크기가 이온화 방사선의 파장보다 크기 때문에, 이온화 방사선은 산란(예를 들어, 미산란)되어 경로의 길이가 증가하게 된다. 또한, 입자크기가 상기 한도값의 상한에 가까워짐에 따라 산란 효과가 증가한다. 다만, 전하의 추출이 일반적으로 나노입자 크기의 10-15 nm 의 깊이에서 발생하기 때문에, 증착된 X 선 에너지의 대부분이 열에너지로 전환된다. 다른 한편으로는, 크기가 상기 크기의 하한값에 가까울수록 전하 추출이 더 효과적이지만, 산란 효과가 현저하게 저하된다. 따라서, 30-50 nm 범위의 입자 크기가 바람직하지만(예를 들어, X 선 방사선의 경우), 다른 크기도 가능하다. 본 발명에서 정의된 바와 같은 나노입자를 사용하면 이온화 방사선 산란 효과에 의해 X 선의 광대역 감지가 가능한데, 다시 말하면, 1 keV 이상의 X 선을 검출할 수 있다. 또한, 현재의 직접 X 선 검출기의 민감도는 매우 좁은 에너지 범위에 제한되는데, 예를 들어, 비정질 셀레늄은 가장 널리 사용되는 직접 X 선 검출기 재료 중 하나로서 에너지가 50 keV 이상인 X 선은 검출할 수 없다.
본 명세서에 따른 방사선 검출기는 적어도 두가지 유기반도체로 구성된 잉크를 사용할 수 있으며, 고체 반도체로 가공되는 경우, 하나는 우선 양전하(정공)를 수송하고, 다른 하나는 우선 음전하(전자)를 수송하여 접촉점을 분리시킨다. 유기 광전 소자 및 광 검출기(자외선에서부터 전자기 스펙트럼까지의 근적외선 부분 검출)분야에서, 상기와 같은 유기반도체의 혼합물을 사용한다. 상기 혼합물은 일반적으로 벌크 헤테로 접합(BHJ)이라 불리운다. 자외선에서부터 전자기 스펙트럼까지의 근적외선 부분의 에너지 범위의 광자의 상호작용은 속박전자와 정공이 형성되게 하는데, 이를 엑시톤이라 부른다. 유기 광전 소자 및 광 검출기에서, 전자와 정공을 통해 유기반도체(일반적으로, 수용체 위상 및 공여체 위상이라 불리우며, 특히 엑시톤을 기반으로 하는 시스템에서)를 수송하여 제거하기 전에 엑시톤을 자유 전하로 분열(해체)시기키 위해 이런 BHJ 구조를 이용한다. 본 명세서에서 엑시톤의 형성이 존재하지 않기에 유기반도체의 혼합물이 직접 방사선 검출기의 엑시톤 분해 과정에 관여하지는 않지만, 내장된 전계의 형성을 감안하여 상기 조합을 여전히 벌크 헤테로 접합이라 부른다. 대안적으로, 동일한 벌크 헤테로 접합은 p-n 접합, 상호 침투 p-n 접합, 삼투 전자 및 정공 수송 위상의 상호 침투 네트워크 또는 공여체(정공 수송 유기 반도체)-수용체(전자 수송 유기반도체)시스템이라 불리울 수 있다.
상기 전하 수송을 방해하지 않는 한, 유기반도체의 수량을 증가할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 확인된 유기반도체는 중합체, 소형 분자, 0 차원, 1 차원, 2 차원 또는 3 차원 구조 일 수 있다.
또한, 유기반도체를 선택하여 유기반도체의 조합 또는 유기반도체와 나노입자의 조합에 의해 내장 전계를 형성하여 입사 X 선과 나노입자의 상호작용 시에 생성되는 자유 전자 및 정공을 구동하여 접촉점을 분리시킴으로써 전기신호(외부 바이어스 전압이 없는 경우에도 가능함)를 생성할 수 있다. 다시 말하면, 외부 전계가 없는 경우에도 상기 유기반도체 조합을 이용하여 완전히 공핍된 다이오드를 실현할 수 있다.
본 명세서에서 개시된 실시예는 높은 원자번호(Z)의 나노입자와 적어도 한가지 정공 수송 재료(예를 들어, 유기반도체) 및 적어도 한가지 전자 수송 재료(예를 들어, 유기반도체)의 조합에 의해 구성된 검출기를 제시하며, 상기 나노입자는 단일 단계에서 이온화 방사선과 상호 작용 시에 직접 자유 전자 및 정공을 생성한다. 외부 바이어스 전압이 없는 경우에도, 사용된 전자 및 정공 수송 재료(예를 들어, 유기 반도체)의 혼합물에서 X 선에 의해 생성된 자유 캐리어를 추출할 수 있다.
사용된 나노입자는 단일 재료 유형이거나 또는 상이한 높은 원자번호 재료로 구성된 나노입자의 혼합물일 수 있다. 재료의 선택에 있어 전자와 정공의 추출에 방해되지 않고 개별 나노입자내의 재료가 양자점의 성질을 나타내지 않는 한, 나노입자는 두가지 높은 원자번호의 재료로 구성 될 수도 있다. 한가지 높은 원자번호의 재료를 다른 한가지 높은 원자번호의 재료에 적층하는 경우 상기와 같은 방식으로 수행된다. 나노 입자 자체 내부에서도 이온화 방사선과 상호 작용 시에 생성 된 전하를 효과적으로 추출 할 수 있다.
고체 검출기의 제조는 나이프 코팅, 슬롯 다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 분무 코팅, 스핀 코팅, 드롭 캐스팅 등과 같은 기술을 사용하여 잉크를 직접 코팅함으로써 수행될 수 있다. 또한, 고체 검출기는 유기반도체 분말을 제조함으로써 제조될 수 있다. 유기반도체 분말은 잉크에 안티 솔벤트를 첨가하여 얻을 수 있는데, 유기반도체와 나노입자의 혼합물을 침강시킨 후, 회전 증발에 의해 용매를 제거하고, 공기중에서 건조하거나 또는 진공 건조하여 분말을 얻을 수 있다. 분말을 임의의 원하는 크기로 압축하여 고체디스크/입자/플레이트/블록/웨이퍼 등을 형성할 수 있으며, 이는 적절한 접촉점과 조합되어 동일한 표면 또는 상이한 표면의 상이한 영역 또는 그 조합에서 전자 및 정공을 선택적으로 추출함으로써 전체적으로 직접 이온화 방사선 검출기의 역할을 한다.
금속 코팅을 사용하여 전자 및 정공을 추출하면 상기 시스템이 상기 용액을 사용하여 제조된 코팅 또는 상기 분말로 제조된 단일 검출기 요소의 기능을 발휘하게 한다. 잉크를 CCD 또는 CMOS 백플레인 판독 시스템에 증착 후, X 선 민감성 유기반도체와 나노입자의 혼합물의 표면에 단일 금속 코팅을 침적시키거나 또는 유기반도체와 나노입자의 혼합물에 패턴화된 금속 코팅을 침적하여 X 선 이미저를 제조할 수 있다. 분말의 경우, 분말을 CCD 또는 CMOS 백플레인에 직접 가압한 다음 X 선 민감성 유기 반도체와 나노입자 혼합물의 표면에 단일 금속 코팅을 적용하거나 또는 유기반도체와 나노입자의 혼합물에 패턴화된 금속 코팅을 추가하여 X 선 이미저를 제조할 수 있다. 상기 두가지 경우에 백플레인 전자부품을 이온화 방사선의 위치 라인이 아닌 다른 위치에 단독으로 설치할 수도 있고, 하나의 검출기 표면의 패턴화된 금속 접촉점은 판독 전자부품의 각 위치에 전기적으로 접촉될 수 있다.
본 명세서의 적어도 일부 실시예는 다음과 같은 유익한 점을 가진다.
● 직접 전하로 전환되는 적절한 크기 범위에서 높은 원자번호를 가진 나노입자를 선택한다. 다만, 높은 원자번호를 가진 재료 모두가 X 선을 직접 전하로 전환하는 적합한 시스템인 것은 아닌데, 예를 들어 X 선 신틸 레이터의 경우 X 선은 가시 광선의 높은 원자번호 재료로 전환된다.
● 나노입자 크기의 선택을 통해 (i)이온화 방사선의 미산란을 실현가능하고; (ii) 간접 검출 효과를 피면(크기가 양자점 범위에 있거나 물질이 신틸 레이터로 작용)할 수 있고; (iii) 생성된 자유 양성자와 전자를 효과적으로 추출 할 수 있다.
● 산란 효과는 1 keV 이상의 모든 X 선 에너지에 보편적으로 적용되기 때문에 감출기는 광대역 응답을 갖는다.
● 적어도 두개의 유기반도체를 사용하며, 그 중 하나는 우선 정공을 수송하고, 다른 하나는 전자를 수송한다.
● 상기 유기반도체 시스템을 사용하면 외부 바이어스 전압이 없어도 장치 내부에 내장 전계를 생성하여 검출기가 작동할 수 있게 한다.
필요한 경우, 명세서에 설명된 상이한 기능들은 서로 다른 순서에 의해 및/또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 상기 한가지 이상의 기능은 임의로 선택되거나 조합될 수 있다. 유사하게, 도 4 의 흐름도는 단지 예시일 뿐이며, 여기에 설명된 다양한 동작은 생략되거나 재정렬되거나 및/또는 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
상기한 바와 같은 실시예는 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 개시내용을 기반으로 당업자는 다른 변형 및 수정이 가능하다는 것을 명백할 것이다.
또한, 본 발명의 개시내용은 본 발명에 의해 명시적으로 또는 암시적으로 개시된 임의의 신규한 특징 또는 특징의 임의의 신규한 조합 또는 임의의 요약으로 이해되어야 하며, 본 출원서 또는 본 출원서에 의해 유래된 다른 출원의 심사기간에 상기 특징 및/또는 이런 특징의 조합을 포함하는 새로운 청구사항을 작성할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태가 독립항에 기재되어 있지만, 본 발명의 다른 양태는 설명된 실시예의 특징의 다른 조합 및/또는 독립항의 종속항 및 특징을 포함하며, 단지 청구범위에서 설명된 조합인 것은 아니다.
상기한 바와 같이 다양한 실시예를 설명하였지만, 이러한 실시예를 본 발명에 대해 제한하는 것으로 인정하여서는 안된다. 오히려, 본 발명의 청구범위에 의해 정의된 발명의 범위를 벗어나지 않는 조건에서 다양한 변형 및 수정이 가능하다.
Claims (29)
- 양전하를 수송하기 위한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기 위한 제 2 재료를 포함하는 네트워크; 및,
상기 네트워크 내에 분산되며, 적어도 하나의 크기가 엑시톤 보어 반경의 두배이고, 적어도 하나의 크기가 100 nm 미만이며, 사용 시에 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 직접 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료를 통해 수송하는 복수의 나노입자;를 포함하고,
상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 상기 네트워크 내에 분산되어 복수의 전기적 접합을 형성하는 장치.
- 청구항 1 에 있어서,
상기 나노입자는 상기 입사 방사선을 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자는 방사선-나노입자 상호 작용 사건에서 상기 방사선을 양전하 및 음전하로 전환시키는 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자의 적어도 하나의 크기는 20 nm 와 100 nm 사이인 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자의 원자번호는 적어도 45 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자는 하나 이상의 금속산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료는 유기반도체인 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 네트워크는 벌크 헤테로 접합인 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 방사선은 알파 입자, 베타 입자, 중성자, X 선 및 감마선 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자의 크기 및/또는 재료는 상기 장치에 의해 검출되는 방사선의 형태에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 전극;
제 2 전극; 및,
청구항 1 내지 청구항 10 중의 임의 한 항의 장치;를 포함하며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 방사선 검출기.
- 청구항 11 에 있어서,
전류 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 청구항 11에 있어서,
전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 청구항 11에 있어서,
실시간 데이터를 원격 컴퓨터로 송신 할 수 있는 무선송신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 청구항 11에 있어서,
방사선의 레벨을 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 청구항 11의 방사선 검출기를 포함하는 시스템.
- 청구항 16 에 있어서,
상기 복수의 방사선 검출기 중 적어도 일부는 상이한 유형의 방사선을 검출하고 및/또는 특정 방사선의 상이한 에너지를 식별하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 청구항 11에 있어서,
상기 방사선 검출기는 단단한 백킹 또는 가요성 백킹에 통합되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 청구항 1 내지 청구항 10 중의 어느 한 항의 장치를 사용하여 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 직접 전환하는 단계; 및,
상기 양전하 또는 음전하로 인한 특성을 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 19 에 있어서,
방사선-나노입자 상호 작용 사건에서 상기 입사 방사선을 양전하 및 음전하로 전환하는 단계;를 더 포함하는 방법.
- 청구항 19에 있어서,
상기 장치에 전압을 인가하는 것에 응답하여 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 19에 있어서,
상기 기록된 전류를 상기 방사선 레벨의 추정치로 전환하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
- 반도체를 한가지 이상의 유기용매에 용해시켜 양전하를 수송하기에 적합한 제 1 재료 및 음전하를 수송하기에 적합한 제 2 재료를 형성하는 단계; 및,
상기 용해 된 중합체에 적어도 하나의 나노입자의 크기가 나노입자의 엑시톤 보어 반경의 두배보다 크고 적어도 하나의 크기가 100 nm 미만인 복수의 나노입자를 첨가하여 매트릭스를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 나노입자는 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 직접 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료를 통해 수송하는 방법.
- 청구항 23 에 있어서,
상기 매트릭스를 기판에 도포하는 단계;를 더 포함하는 방법.
- 청구항 24 에 있어서,
상기 매트릭스를 상기 기판에 도포하는 단계는 나이프 코팅, 슬롯다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 그라비어 인쇄, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 드롭 캐스팅 및 3D 프린팅 중 한가지 이상을 포함하는 방법.
- 청구항 23 내지 청구항 25 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 매트릭스를 하나 이상의 입자 또는 블록으로 형성하는 단계;를 더 포함하는 방법.
- 청구항 23 내지 청구항 25 중의 어느 한 항에 있어서,
사용 시에 상기 나노입자는 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 직접 전환시켜 각각 상기 제 1 재료 및 제 2 재료를 통해 수송하는 방법.
- 청구항 16에 있어서,
각 방사선 검출기는 단단한 백킹 또는 가요성 백킹에 통합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 청구항 11의 방사선 검출기를 사용하여 입사 방사선을 자유 양전하 및 음전하로 직접 전환시키는 단계; 및
상기 양전하 또는 음전하로 인한 특성을 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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