KR20030033931A - 방사선 검출장치 - Google Patents

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Abstract

대면적을 형성하는데 적합한 방사선 감응형 비정질 반도체 후막과 전압 인가전극의 단부 에지부 사이에 고내압 절연물질이 형성된다. 그 결과, 전압 인가전극의 단부 에지부에서의 전계집중이 제거되어, 관통방전의 전단계(前段階)의 현상 또는 방전파괴가 발생되지 않는다.

Description

방사선 검출장치{Radiation detector}
본 발명은 의료분야, 산업분야, 원자력분야 등에서 사용되는 직접변환형 방사선 검출장치에 관한 것으로서, 특히 방사선 감응형 반도체막의 내압특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
방사선(예컨대, X선)을 검출하는 검출장치에 의하면, 간접변환형 검출장치와 직접변환형 검출장치가 있다. 간접변환형 검출장치는, 우선 방사선(예컨대, X선)을 광으로 변환한 후, 광전변환에 의해 변환된 광을 전기신호로 변환하는데 적합하게 되어 있다. 직접변환형 검출장치는, 방사선 감응형의 반도체막에 의해 입사 방사선을 전기신호로 직접 변환하는데 적합하게 되어 있다.
후자의 직접변환형 검출장치는, 방사선 감응형 반도체막의 정면에 형성된 전압 인가전극으로 소정의 바이어스 전압을 인가하고, 반도체막의 이면에 형성된 캐리어 수집전극에 의해 방사선 조사에 따라 생성된 캐리어를 수집하여, 방사선 검출신호로서 캐리어를 출력함으로써, 방사선이 검출되는 구성에 의해 구성되어 있다.
또한, 종래의 직접변환형 검출장치중에서, 비정질 셀렌과 같은 반도체 후막이 반도체막으로 사용되는 경우, 비정질 반도체는 진공증착 등의 방법에 의해 두껍고 넓은 막으로 간단히 형성될 수 있다. 그러므로, 비정질 반도체는 대면적의 두꺼운 박막을 필요로 하는 2차원 어레이형 방사선 검출장치를 구성하는데 적합하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 2차원 어레이형 방사선 검출장치는 절연기판(86), 반도체 후막(81) 및 전압 인가전극(82)으로 구성되어 있다. 절연기판(86)에는 전하를 저장하는 복수의 커패시터(Ca) 및 통상적으로 OFF 상태에 있는 스위칭 소자(예컨대, 박막 트랜지스터)(88)가 수직/수평 2차원 매트릭스 형태로 정렬되어 형성된다. 반도체 후막(81)은, 복수의 전하저장 커패시터(Ca)에 대해서 각각 전기적으로 접속되고, 복수의 캐리어 수집전극(87)을 통해서 절연기판(86)상에 형성되어 있다. 반도체 후막(81)에 있어서, 전하 이송매체(캐리어)는 방사선의 입사에 의해 생성되고 있다. 전압 인가전극(82)은, 비정질 반도체 후막(81)의 표면상에 형성되어 있다. 또한, 각각의 캐리어 수집전극(87)에는, 하나의 전하저장 커패시터(Ca)와 하나의 전하판독 스위칭 소자(88)가 설치되어 있다. 캐리어 수집전극(87), 전하저장 커패시터(Ca) 및 전하판독 스위칭 소자(88)의 각각의 세트는 방사선 검출유닛으로서 작용하는 검출소자(DU)를 형성한다.
여기서, 바이어스 전압이 인가된 상태에서 전압 인가전극(82)으로 방사선이 조사되는 경우, 비정질 반도체 후막(81)에 형성된 전하를 전하저장 커패시터(Ca)에 저장하고, 저장된 전하는 스위칭 소자(88)를 ON 상태로 하는 것에 의해 방사선 검출신호로서 판독된다.
도 11의 2차원 어레이 구성의 방사선 검출장치가, 예컨대 X선 투시 촬영장치의 X선 투시화상을 검출하는데 사용되는 경우, 방사선 검출장치에서 출력된 방사선 검출신호에 의거해서 X선 투시화상이 제공된다.
그러나, 종래의 방사선 검출장치에 의하면, 비정질 반도체 후막(81)의 표면상에 형성된 전압 인가전극(82)의 단부 에지부에 전계가 집중되고, 단부 에지부에서 절연파괴가 쉽게 발생한다는 문제가 있다. 단부 에지부에서 발생되는 절연파괴는 2가지 모드가 있다. 하나의 모드는, 비정질 반도체 후막(81)의 단부 에지(81a)의 표면을 따라, 전압 인가전극(82)의 단부 에지(82a)에서 판독라인(810), 게이트라인(811) 및 접지라인(812)의 절연기판(86)상에 노출된 부분(810a, 811a, 812a)에 이르는 경로에서 절연파괴가 발생되는 연면(沿面) 방전의 모드이다.
다른 파괴모드는, 전압 인가전극(82)의 단부 에지(82a)에서 비정질 반도체 후막(81)의 단부 에지(81a)의 내부를 관통하여 전압 인가전극(82)의 단부 에지(82a)의 바로 아래에 설치된 캐리어 수집전극(87a)에 이르는 경로에서, 절연파괴가 발생되는 관통방전의 모드이다.
도 12는 전압 인가전극(82)의 단부 에지(82a)를 확대한 도면으로서, 전압이 인가된 경우 전위분포가 중복 기록되어 있다. 그것에 의하면, 전극의 단부 근방(전극 표면에서 아래로 10㎛)에서의 전위분포가 계산되어, 상부전극의 단부 근방에서의 전계강도가 예측된다. 도면으로부터 명백해진 바와 같이, 전극의 단부 근방에서, 전위 변화가 크고, 전계가 집중되는 것은 공지되었다. 또한, 전압 인가전극(82)의 단부 에지(82a)에서 전계가 집중되는 상태에서 고바이어스 전압이 지속적으로 인가되는 경우, 전압 인가전극의 단부 에지부에서 방전이 발생된다. 이 상태하에서 암전류가 취득되는 경우, 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이 밴드(band) 모양 또는 블록(block) 모양의 화상이 제공된다. 여기서, 도 13의 (a)는 전압 인가의 초기상태시 검출장치에서 제공되는 화상을 나타내고, 도 13의 (b)는 전압 인가 후 18시간이 경과된 시점에서 검출장치에서 제공되는 화상을 나타낸다. 도면에 있어서, 전극 바로 아래에서 암전류에 의해 그레이 상부전극이 생기게 되고, 도 13의 (b)는 관통방전의 전단계 현상을 나타내며, 화상은 방전에 의한 전류에 기인하여 하얗게 된다. 또한, 이들 노이즈는 다른 부분으로도 퍼지고, 검출장치는 정상동작으로 동작할 수 없다. 게다가, 고바이어스 전압이 장시간 동안 전압 인가전극으로 지속적으로 인가되는 경우, 방전파괴의 발생 확률이 급속히 증가된다.
본 발명은, 전극의 단부 에지에서 전계집중에 의한 문제를 해결하기 위해 창작된 것이다. 그 목적은, 방사선 감응형 반도체막의 표면상에 형성된 전압 인가전극의 단부 에지에서 전계집중에 의한 관통방전 또는 연면 방전을 방지할 수 있고, 장시간 동안 안정한 검출동작을 보증할 수 있는 방사선 검출장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 방사선 센서부의 구성을 나타내는 개략 단면도,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 방사선 센서부의 구성을 나타내는 개략 단면도,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 방사선 센서부의 구성을 나타내는 개략 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 방사선 센서부의 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 방사선 검출장치의 전체 구성을 나타내는 블록도,
도 6은 본 발명에 의한 고내압 절연물질을 형성하는 방법을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 방사선 검출유닛의 검출동작의 상태를 나타내는 설명도,
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 방사선 검출유닛의 고내압 절연물질의 부분을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 다른 방사선 검출유닛의 고내압 절연물질의 부분을 나타내는 도면,
도 10은 방사선 검출장치의 전계계산 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프,
도 11은 종래 방사선 검출장치의 주요부 구성을 나타내는 개략 단면도,
도 12는 종래 방사선 검출장치에서 전하 집중상태를 나타내는 도면,
도 13의 (a) 및 (b)는 종래 방사선 검출장치에서 방전발생의 상태를 나타내는 실험예이다.
* 주요 부분에 대한 간단한 부호의 설명 *
1비정질 반도체 후막,2전압 인가전극,
3고내압 절연물질,
4내용제성이면서 캐리선택성의 고저항막,
5외주 더미전극,6절연기판,
7캐리어 수집전극,8스위칭 소자,
10판독라인,11게이트라인,
12접지라인,13전하-전압변환기,
14게이트 드라이버,15멀티플렉서,
Ca전하저장 커패시터Ve바이어스 전압공급부.
상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 태양에 의하면, 전하저장 커패시터와 전하판독 스위칭 소자가 형성된 절연기판과; 절연기판상에 형성되어, 전하저장 커패시터에 전기적으로 접속되는 캐리어 수집전극과; 캐리어 수집전극상에 형성되어, 방사선의 입사에 의해 전하 이송매체를 생성하는 방사선 감응형 반도체 후막과; 반도체 후막의 표면상에 형성된 전압 인가전극 및 반도체 후막과 전압 인가전극의 단부 에지부 사이에 형성된 고내압 특성을 갖는 절연물질을 포함하고, 상기 전하는 방사선을 입사함으로써 반도체 후막에서 생성되어, 전하저장 커패시터에 저장되고, 스위칭 소자를 통해서 방사선 검출신호로서 판독되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 제2 태양에 있어서, 본 발명의 제1 태양에 따라, 방사선 검출장치는 적어도 반도체 후막과 고내압 절연물질 사이에 형성된 용제 내성 및 캐리어 선택성을 갖는 고저항막을 바람직하게 더 포함한다.
또한, 본 발명의 제3 태양에 있어서, 본 발명의 제1 또는 제2 태양에 따라,복수의 캐리어 수집전극이 2차원 매트릭스 형태로 형성되고, 하나의 전하저장 커래시터와 하나의 전하판독 스위칭 소자가 각각의 캐리어 수집전극에 설치되는 것에 의해, 2차원 어레이를 구성하는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명의 제4 태양에 있어서, 본 발명의 제1 내지 제3 태양중 어느 하나에 따라, 고내압 절연물질은, 전압 인가전극의 단부 에지부를 향해서 경사도가 증가되는 두께를 가지는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명의 제5 태양에 있어서, 본 발명의 제1 내지 제4 태양중 어느 하나에 따라, 방사선 검출장치에서 반도체 후막은 비정질 반도체 후막인 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명에 의한 각각의 방사선 검출장치의 동작이 설명될 것이다.
본 발명의 제1 태양의 방사선 검출장치에 의해 방사선이 검출되는 경우, 바이어스 전압은 방사선 감응형 반도체 후막의 표면측에 형성된 전압 인가전극으로 인가되고, 검출대상을 구성하는 방사선은 검출장치로 입사된다. 이때, 방사선의 입사에 의해 반도체 후막에서 생성된 전하 이송매체(캐리어)에 대응하여, 캐리어 수집전극에 전기적으로 접속된 전하저장 커패시터에 전하가 저장된다. 또한, 전하를 판독하는 스위칭 소자의 ON 상태로의 변동에 따라, 저장된 전하는 스위칭 소자를 통해서 방사선 검출신호로서 판독된다.
또한, 본 발명의 제1 태양의 방사선 검출장치의 경우, 반도체 후막과 전압 인가전극의 단부 에지부 사이에 고내압 특성을 갖는 절연물질이 형성되어 있다. 그러므로, 도 10의 전계계산 시뮬레이션의 결과로부터도 예측되는 바와 같이, 전압인가전극의 단부 에지부에서의 전계집중이 방지되고, 관통방전의 전단계 현상 또는 방전파괴는 발생되지 않아, 장시간 동안 안정한 검출동작이 지속된다.
또한, 본 발명의 제2 태양의 방사선 검출장치의 경우, 용제 내성 및 캐리어 선택성이 제공된 고저항막이, 적어도 반도체 후막과 고내압 특성을 갖는 절연물질 사이에 형성된다. 그러므로, 고내압 절연물질의 용제 성분에 의해 반도체 후막의 표면이 변성되어, 연면 방전이 발생되고, 내압이 낮아지는 현상은 발생되지 않는다. 또한, 사용하는데 적합한 캐리어 선택재료가 적절하게 선택되는 경우, 고저항막을 형성하는 부분에서 감도의 저하, 암전류의 증가 등이 방지된다.
본 발명의 제3 태양의 방사선 검출장치의 경우, 전하저장 커패시터와 전하판독 스위칭 소자는 각각 2차원 매트릭스 형태로 형성된 복수의 캐리어 수집전극에 설치되는 2차원 어레이 구성으로 구성된다. 또한, 2차원 어레이 구성을 형성하기 위해 방사선 검출유닛이 매트릭스 형태로 정렬되고, 각각의 방사선 검출유닛에서 방사선이 국부적으로 검출된다.
본 발명의 제4 태양의 방사선 검출장치의 경우, 고내압 절연물질은, 내측으로 무한히 얇아지고, 외측으로 두꺼워지도록 형성되는 경사도를 갖는 두께를 가진다. 그러므로, 전압 인가전극의 단부 에지부에서의 전계집중이 더 감소되어, 장시간 동안 더 안정한 검출동작이 보증된다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도 1은 본 발명에 의한 방사선 검출장치의 방사선 센서부의 제1 실시예의 구성을 나타내는 개략 단면도이다. 도 2는 본 발명에 의한 방사선 검출장치의 제2 실시예를 나타내는 개략 단면도이다. 도 3은 실시예의 방사선 검출장치의 제3 실시예를 나타내는 개략 단면도이다. 도 4는 도 1의 실시예에 의한 방사선 검출장치의 방사선 센서부의 평면도이다. 도 5는 도 1의 실시예에 의한 방사선 검출장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 도 6은 고내압 특성을 갖는 절연물질을 형성하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 7은 실시예에 의한 방사선 검출장치의 방사선 검출유닛의 검출동작을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 방사선 검출장치는 방사선 센서부로서 작용하는 유리기판 등의 절연기판(6)과, 비정질 반도체 후막(1) 및 전압 인가전극(2)을 포함한다. 절연기판(6)에는, SiO2층 등을 포함하는 커패시터(Ca) 및 스위칭 소자(8), 예컨대 커패시터(Ca)에 저장된 전하를 출력하기 위해 통상적으로 OFF(차단) 상태로 되는 트랜지스터(TFT)가 형성된다. 비정질 반도체 후막(1)은 전하저장 커패시터(Ca)에 전기적으로 접속되어, 캐리어 수집전극(7)을 통해서 절연기판(6) 위에 형성된다. 비정질 반도체 후막(1)에 있어서, 방사선의 입사에 의해 전하 이송매체(캐리어)가 생성된다. 전압 인가전극(2)은, 방사선 입사측인 비정질 반도체 후막(1)의 표면에 설치된다.
제1 실시예의 방사선 검출장치는, 전압 인가전극(2)으로 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압공급부(전원)(Ve)를 더 포함한다. 방사선 검출장치, 바이어스 전압이 전압 인가전극(2)으로 인가되는 상태에서 방사선이 조사되는 경우, 그것에 따라 생성된 캐리어가 캐리어 수집전극(7)에서 커패시터(Ca)로 전송되어 저장되는구성에 의해 구성되어 있다. 그 때, 판독시, ON 신호가 게이트라인(11)에서 전송되는 것에 의해 스위칭 소자(8)를 ON(접속) 상태로 하여, 방사선 검출신호로서 저장된 전하가 판독라인(10)에서 판독된다. 각 부분의 구성은 다음과 같이 구체적으로 설명될 것이다.
제1 실시예의 방사선 검출장치의 경우, 비정질 반도체 후막(1)은 고유저항이 109Ω㎝(바람직하게는, 1011Ω㎝ 이상) 이상, 막 두께가 약 0.5~1.5㎜인 고순도 비정질 셀렌(a-Se) 후막이다. 비정질 셀렌(a-Se) 후막은, 검출영역의 대면적 형성에 적합하고 특히 우수하다. 비정질 반도체 후막(1)이 얇은 경우, 방사선이 그곳을 통과하므로 충분히 흡수될 수 없다. 그러므로, 약 0.5~1.5㎜의 약간 두꺼운 막이 사용되고 있다.
전압 인가전극(2) 및 캐리어 수집전극(7)은 Au, Pt, Al, Ni, In 등의 적당한 금속 또는 ITO 등으로 형성된다. 물론, 비정질 반도체 후막의 재료 및 전극의 재료는 상기 예시된 것에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 특징적인 구성으로서, 제1 실시예의 방사선 검출장치에 의하면, 고내압 특성을 갖는 절연물질(3)인 실리콘수지는, 비정질 반도체 후막(1)과 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A) 사이에서 약 1㎜의 두께로 형성되어 있다. 고내압 특성을 갖는 절연물질(3)의 폭(3A)이 더 넓으면, 더 좋다. 또한, 전압 인가전극(2)의 크기(LA)는 캐리어 수집전극(7)의 전계집중을 회피하기 위해 외부 주변 더미전극(5)을 포함하는 캐리어 수집전극 영역의 크기(LB)보다 작을필요가 있다. 반대로, LA가 LB보다 큰 경우, 전계는 외부 주변 더미전극(5)상에 집중된다. 외부 주변 더미전극(5)은 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A)의 바로 아래에 설치된 전극으로서, 접지라인(12)에 접속되어 있다. 또한, 외부 주변 더미전극(5)이 별개로 설치되지 않고, 캐리어 수집전극(7)이 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A)의 바로 아래에 설치되는 경우라도, 그 경우는 허용될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 제2 실시예에 의하면, 용제 내성 및 캐리어 선택성이 제공되는 고저항막(4)인 Sb2S3막은, 적어도 비정질 반도체 후막(1)과 고내압 특성을 갖는 절연물질(3) 사이에서 약 1㎛의 두께로 형성되어 있다. 용제 내성 및 캐리어 선택성이 제공되는 고저항막(4)의 예로서 Sb2S3막이 지적되었지만, Sb2S3와 다른 CdS, AsSe, SeTe, CdTe 등의 무기 반도체막 및 캐리어 이송재료가 부가된 폴리카보네이트 등의 유기막 재료가 사용될 수 있다. 이들 막 두께는 캐리어의 선택성, 용제 내성 또는 비정질 반도체 후막(1)에 대한 접착성에 따라 다르지만, 막 두께는 0.05~10㎛ 범위내에서 선택될 수 있다. 또한, 캐리어 선택성 고저항막으로서, 일반적으로 정(正) 바이어스가 사용된 경우 n형 선택막(홀주입 방지형) 및 부(負) 바이어스가 사용된 경우 p형 선택막(전자주입 방지형)이 사용되지만, 고저항막은 그 사용에 따라 그것에 한정되지 않는다.
또한, 도 3에 도시된 제3 실시예에 의하면, 고내압 특성을 갖는 절연물질(3)인 실리콘수지에는, 그 두께에 경사도가 있다. 두께는 외측의 가장 두꺼운 부분에서 1㎜이고, 절연물질(3)은 그 내측에서 무한히 얇게 형성되어 있으므로, 경사도의정점은 정면 단부에 형성되어 있다. 이 상태는 도 10의 전계계산 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프에서 가장 적은 각도의 경우에 대응하고, 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A)에서의 전계집중은 더 감소된다. 또한, 상술한 제3 실시예에 의하면, 정면 단부에서 정점을 형성하는 구성이 도시되었지만, 정점을 형성하지 않는 경우에도 우수한 결과가 얻어지는 것으로 생각된다.
상술한 도 1의 제1 실시예, 도 2의 제2 실시예 및 도 3의 제3 실시예에 있어서, 실리콘수지는 고내압 특성을 갖는 절연물질(3)의 예로서 사용되고 있었지만, 수지에서의 용제 성분과 비정질 반도체 후막(1) 사이에서 반응성이 작은 재료로 절연물질(3)이 구성되는 한 에폭시 수지, 아크릴 수지, 플루오르 수지 등이 사용될 수 있다. 그러나, 비정질 셀렌(a-Se)이 비정질 반도체 후막(1)에 사용되는 경우, 비정질 셀렌(a-Se)은 열에 의해 쉽게 변성되기 때문에, 상온에서 경화되는 타입의 수지를 선택할 필요가 있다. 물론, 절연물질의 형성 두께는 필요한 바이어스 전압에 의해 결정되고, 바이어스 전압이 높아질수록 두께는 두꺼워진다.
또한, 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 검출장치의 방사선 센서부에 있어서, 평면패널형 방사선 센서부(2차원 어레이 구성의 평면 센서)가 구성되어 있다. 즉, 다수의 캐리어 수집전극(7)이 2차원 매트릭스 형태로 형성되어 있고, 하나의 전하저장 커패시터(Ca)와 하나의 전하판독 스위칭 소자(8)는 각각의 캐리어 수집전극(7)에 설치되며, 방사선 검출유닛인 다수의 검출소자(DU)가 X 및 Y 방향을 따라 정렬된다(예컨대 1024×1024). 또한, 도 4는 도 1의 방사선 센서부의 평면도이고, 도 5는 그 내부 구성을 도식적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 5에 있어서, 전압 인가전극(2)은 모든 검출소자(DU)의 공통전극으로서 전체 표면상에 형성되어 있고, 캐리어 수집전극(7)은 각각의 검출소자(DU)에 대한 개별 전극으로서 2차원 매트릭스 형태로 별개로 형성되어 있으며, 하나의 전하저장 커패시터(Ca)와 하나의 전하판독 스위칭 소자(8)는 각각의 캐리어 수집전극(7)에 접속되어 있는 구성으로 구성된다. 그러므로, 각각의 방사선 검출유닛에 의해 방사선이 국부적으로 검출될 수 있고, 그 결과, 2차원 분포의 방사선 강도가 측정될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 1의 제1 실시예의 방사선 센서부에 의하면, 검출소자(DU)의 스위칭 소자(8)용 박막 트랜지스터의 게이트는 수평(X) 방향에서의 게이트라인(11)에 접속되어 있고, 그 소스는 수직(Y) 방향에서의 판독라인(10)에 접속되어 있다. 판독라인(10)은 전하-전압변환기 그룹(프리앰프 그룹)(13)을 통해서 멀티플렉서(15)에 접속되어 있고, 게이트라인(11)은 게이트 드라이버(14)에 접속되어 있다. 또한, 도 1의 실시예에 의하면, 하나의 전하-전압변환기(13)는 하나의 판독라인(10)에 접속되어 있다.
또한, 도 1의 제1 실시예에 의한 방사선 검출장치의 방사선 센서부의 경우, 신호를 출력하는 주사신호가 멀티플렉서(15) 및 게이트 드라이버(14)로 전송된다. 방사선 센서부의 검출소자(DU)는, X 방향 및 Y 방향에서의 정렬에 따라 각각의 검출소자(DU)에 순차 할당된 주소(예컨대, 0~1023)에 기초해서 특정된다. 그러므로, 신호를 출력하는 주사신호는 각각 X 방향주소 또는 Y 방향주소를 지정하는 신호가 된다.
Y 방향에서의 주사신호 다음에 게이트 드라이버(14)로부터 X 방향에서의 게이트라인(11)으로 출력전압을 인가함에 따라, 각각의 검출소자(DU)는 로우(row) 단위로 선택된다. 또한, X 방향에서 주사신호에 뒤따라 멀티플렉서(15)를 전환함으로써, 선택된 로우의 검출소자(DU)의 커패시터(Ca)에 저장된 전하가 전하-전압변환기(13…13)의 그룹 및 멀티플렉서(15)를 통해서 연속적으로 외부로 전송된다.
도 1의 제1 실시예의 방사선 검출장치가, 예컨대 X선 투시촬영장치의 X선 검출장치로서 사용되는 경우, 각각의 검출소자(DU)의 검출된 신호는 화소신호로서 멀티플렉서(15)에서 연속적으로 출력되어, 이후 화상처리부(DT)에서 노이즈 처리 등의 필수 신호처리를 받고, 화상표시부(MT)에서 2차원 화상(X선 투시화상)으로서 표시된다.
도 1의 제1 실시예의 방사선 센서부에서 검출된 신호를 출력하는 시스템이 통상의 TV 카메라 등의 촬영장치와 거의 유사한 구성으로 구성되어 있는 것을 상술한 것으로부터 생각될 수 있다. 도 1의 제1 실시예의 경우, 필요에 따라 방사선 센서부에 전하-전압변환기 그룹(13), 멀티플렉서(15), 게이트 드라이버(14) 및 AD 변환기(미도시)가 더 설치되는 집적된 구성으로 구성된다. 그러나, 전하-전압변환기 그룹(13), 멀티플렉서(15), 게이트 드라이버(14) 및 AD 변환기의 전체 또는 일부가 별개로 설치되는 구성으로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 1의 제1 실시예의 구성은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 2차원 구성으로 설명되었지만, 물론 도 2 및 도 3의 제2 및 제3 실시예는 2차원 구성과 같이 형성될 수 있다.
다음에, 도 3에 도시된 제3 실시예의 예를 취해서 방사선 센서부를 형성하는 방법이 설명된다. 우선, 스위칭 소자(8), 커패시터(Ca) 및 캐리어 수집전극(7)용 박막 트랜지스터는, 진공 막 형성공정에 의한 박막 형성기술 및 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝 기술을 이용함으로써, 절연기판(6)의 표면상에 형성된다. 다음에, 비정질 반도체 후막(1), 캐리어 선택성 고저항막(4), 고내압 절연물질(3) 및 전압 인가전극(2)이 절연기판(6)상에 순차적으로 적층되어, 방사선 센서부가 완성된다.
여기서, 고내압 절연물질(3)로는 실리콘수지가 사용될 수 있다. 이와 같은 경우, 고내압 절연 실리콘수지의 점도가 알콜 종류의 용제를 이용하여 조절되는 재료가 사용되고, 판매중인 다양한 종류의 것이 사용될 수 있다. 비정질 반도체 후막(1) 및 고저항막(4)이 형성된 절연기판(6)상에서 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A)에 대응하는 소정의 영역상의 노즐을 이동시키면서, 압축 공기 등을 이용하여 노즐의 선단에서 재료를 주입하는 것에 의해 재료가 도포되고, 이후 건조에 의해 알콜 종류의 용제를 제거함으로써 재료가 단단하게 고착되는 방식으로, 절연물질(3)이 형성된다. 이와 같은 경우, 고내압 절연물질(3)의 두께는 노즐의 단면 형태, 노즐과 비정질 반도체 후막(1) 사이의 거리, 압축공기의 압력, 이동 속도 등에 의해 조절될 수 있다. 노즐측 대신에 보드측을 이동시키는 것에 의해 이동이 실행될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 정면 단부에서 비스듬하게 절단된 노즐을 이용함으로써, 도 3에 도시된 제3 실시예에서 도시된 바와 같이, 고내압 절연물질(3)이 내측이 무한히 얇게 되는 경사도를 갖는 두께를 가지는 모드가 용이하게 실현될 수 있다.
다음에, 도 7을 참조하여 도 1 내지 도 3에 도시된 제1 내지 제3 실시예의 방사선 검출장치에 의한 방사선 검출동작이 설명된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예의 방사선 검출장치에 의해 방사선이 검출되는 경우, 검출대상을 구성하는 방사선은 바이어스 전압을 인가한 상태에서 비정질 반도체 후막(1)의 표면측 전압 인가전극(2)으로 입사된다. 방사선의 입사에 의해 생성된 전하 이송매체(캐리어)인 전자 및 홀은, 바이어스 전압에 의해 전압 인가전극(2) 및 캐리어 수집전극(7)으로 이동되고, 전하는 생성된 수에 대응하여 캐리어 수집전극(7)측의 전하저장 커패시터(Ca)에 저장된다. 전하판독 스위칭 소자(8)의 ON 상태로의 변동에 따라, 저장된 전하는 스위칭 소자(8)를 통해 방사선 검출신호로서 판독되고, 이후 전하-전압변환기(13)에 의해 전압신호로 변환된다.
또한, 도 1 내지 도 3의 방사선 검출장치의 제1 내지 제3 실시예의 경우, 비정질 반도체 후막(1)과 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A) 사이에 고내압 절연물질(3)이 형성되므로, 전압 인가전극의 단부 에지부(2A)상에서의 전계집중이 제거되고, 관통방전의 전단계 현상 또는 방전 파괴가 발생되지 않는다.
또한, 비정질 반도체 후막(1)과 전압 인가전극(2)의 단부 에지부(2A) 사이에 고내압 절연물질(3)이 형성되는 구조는, 환경 내성이 상대적으로 열악한 비정질 반도체 후막(1)의 단부 에지부의 보호막으로도 기능한다.
또한, 도 2 및 도 3의 제2 및 제3 실시예에 의하면, 용제 내성 및 캐리어 선택성이 제공된 고저항막이, 적어도 고내압 절연물질(3) 및 비정질 반도체 후막(1) 사이에 형성된다. 그러므로, 고내압 절연물질(3)의 용제 성분에 의해 비정질 반도체 후막(1)의 표면이 변성되어, 연면 방전이 발생되고, 내압이 낮아진다는 현상이 발생되지 않는다.
다음에, 실시예의 검출장치가 전극의 단부 에지부에서 관통방전을 방지하는 효과를 달성하는 것을 확인하기 위해, 전계가 계산된다. 도 10은 그 결과를 나타내고, 도 8, 도 9 및 도 12는 계산 모델을 나타낸다.
도 8은, 도 1의 제1 실시예에 대응하는 경우를 나타내는 것으로서, 고내압 절연물질을 전극의 단부 에지부로 삽입함으로써 전극 단부를 높이는 경우이다. 전극의 단부에서 절연물질에 의해 높여진 부분의 폭은 10㎜이고, 삽입된 절연물질의 두께는 1㎜이며, 비유전율은 3.0이다.
도 9은 제3 실시예에 대응하는 경우를 나타내는 것으로서, 절연물질의 두께에 경사도가 주어지는 것에 의해 내측은 얇게 하고 외측은 두껍게 하는 경우이다. 절연물질의 정면 단부의 각도는 30도 및 60도의 2 종류로 구성된다.
그것과 반대로, 상술한 바와 같이, 도 12는 절연물질이 삽입되지 않는 종래 예의 경우를 나타낸다. 각각의 경우에 대해서 생각하면, 전극의 단부 근방(전극의 표면에서 아래로 10㎛)에서의 전위분포가 계산되어, 상부전극의 단부 근방에서의 전계 강도가 예측된다. 또한, 도 12에 있어서, 참고하기 위해 전압을 인가하는 경우의 전위분포도 표시하기 위해 중복 기록되고, 미리 기술된 바와 같이, 전위 변화가 크고, 전극의 단부 근방에서 전계가 집중되는 것이 공지되었다.
도 10은, 도 8, 도 9 및 도 12의 각각의 경우에서 전계계산 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 도 10은 도 12의 횡축에서 0~10㎛ 범위의 전위변화를 나타낸다. 또한, 도 10에 있어서, "전극 단부(2A)로부터의 거리"의 횡축은 깊이 방향(도면에서 아래 방향)에서 비정질 반도체 후막(1)(비정질 반도체 후막의 표면)의 표면상에서 전극 단부(2A)에 대응하는 위치로부터의 거리를 나타낸다. 도면으로부터 명백해지는 바와 같이, 절연물질의 정면 단부 각도를 예각으로 하면(θ가 작으면), 깊이 방향에서 전위강하는 작아지고, 전계집중은 작아지는 것이 공지되었다.
본 발명이 상술되었지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 예컨대 다음에 도시된 실시예도 채용될 수 있다.
(1) 상술한 실시예의 경우, 비정질 반도체 후막(1)은 고순도 비정질 셀렌(a-Se) 후막이었지만, 본 발명에 의한 비정질 반도체 후막(1)은 결정화 방지동작을 가지는 As 또는 Te가 도프된 a-Se 후막 또는 Se 종류의 화합물의 비정질 반도체 후막일 수 있다. 또한, 비정질 반도체 후막 대신에, 카드뮴 텔루르(CdTe) 등의 방사선 감응막이 사용될 수 있다.
(2) 또한, 상술한 실시예에 의하면, 캐리어 수집전극(7)과 비정질 반도체 후막(1) 사이에 중간층이 설치되어 있지 않지만, Sb2S3막, Se 종류의 화합물막 등의 캐리어 선택성 중간층이 설치될 수 있다.
(3) 또한, 상술한 실시예에 의하면, 다수의 검출소자(DU)는 수직 및 수평 방향으로 정렬된 2차원 어레이 구성으로 구성되지만, 복수의 검출소자(DU)가 수직 및 수평 방향에서 1개의 로우 또는 컬럼에 의해서만 정렬된 라인 센서의 구성을 갖는 검출장치 또는 1개 검출소자(DU)만의 구성을 갖는 검출장치가 변형 예로서 지적된다.
(4) 또한, 본 발명의 방사선 검출장치에서 검출대상을 구성하는 방사선도 X선에 한정되지 않고 모든 방사선일 수 있다.
본 발명의 방사선 검출장치에 의하면, 대면적을 형성하는데 적합한 방사선 감응형 반도체 후막과 전압 인가전극의 단부 에지부 사이에 고내압 절연물질이 형성된다. 그러므로, 전압 인가전극의 단부 에지부상에서 전계집중이 제거되고, 관통방전의 전단계 현상 또는 방전 파괴가 발생되지 않고, 장시간 동안 안정한 검출동작이 지속된다.
또한, 전압 인가전극의 단부 에지부에서 고내압 절연물질을 형성하는 구조는, 환경 내성이 상대적으로 열악한 반도체 후막의 보호막으로도 기능한다. 그러므로, 장시간 동안 신뢰성이 보증될 수 있다.
게다가, 본 발명의 방사선 검출장치에 의하면, 용제 내성 및 캐리어 선택성이 제공된 고저항막이 적어도 반도체 후막과 고내압 절연물질 사이에 형성된다. 그러므로, 고내압 특성을 갖는 열경화성 합성수지의 용제 성분에 의해 반도체 후막의 표면이 변성되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 암전류의 증가도 방지할 수 있는 효과가 달성된다. 고바이어스 전압이 인가되어도 암전류의 증가가 사소한 고감도 검출특성이 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 방사선 검출장치에 의하면, 전하저장 커패시터와 전하판독 스위칭 소자는, 2차원 매트릭스 형태로 다수 형성된 각각의 캐리어 수집전극에 설치되고, 방사선 검출유닛은 매트릭스 형태로 정렬되는 2차원 어레이 구성으로 구성된다. 그러므로, 각각의 방사선 검출유닛에서 방사선이 국부적으로 검출될 수 있고, 방사선 강도의 2차원 분포는 고바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 고정밀도로 측정될 수 있다.
게다가, 본 발명의 방사선 검출장치에 의하면, 고내압 절연물질은 경사도를 갖는 두께를 가지므로, 절연물질은 내측에서 무한히 얇아지게 되고, 외측에서 두껍게 되도록 형성된다. 그러므로, 전압 인가전극의 단부 에지부에서 전계 집중은 더 감소되고, 장시간 동안 신뢰성이 달성될 수 있다.

Claims (5)

  1. 전하저장 커패시터와 전하판독 스위칭 소자가 형성된 절연기판과,
    절연기판상에 형성되어, 전하저장 커패시터에 전기적으로 접속되는 캐리어 수집전극과;
    방사선의 입사에 의해 전하 이송매체를 생성하기 위해, 캐리어 수집전극상에 형성되는 방사선 감응형 반도체 후막과;
    반도체 후막의 표면상에 형성되는 전압 인가전극 및;
    반도체 후막과 전압 인가전극의 단부 에지부 사이에 형성되어 고내압 특성을 갖는 절연물질을 포함하고,
    상기 전하는 방사선을 입사함으로써 반도체 후막에서 생성되어, 전하저장 커패시터에 저장되고, 스위칭 소자를 통해서 방사선 검출신호로서 판독되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 반도체 후막과 고내압 절연물질 사이에 형성되어, 용제 내성 및 캐리어 선택성을 가지는 고저항막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복수의 캐리어 수집전극이 2차원 매트릭스 형태로 형성되고, 하나의 전하저장 커패시터와 하나의 전하판독용 스위칭 소자가 각각의 캐리어 수집전극에 설치되는 것에 의해, 2차원 어레이를 구성하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    고내압 절연물질은, 전압 인가전극의 단부 에지부를 향해서 증가되는 경사도를 갖는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    반도체 후막은, 비정질 반도체 후막인 것을 특징으로 하는 방사선 검출장치.
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