KR20050043047A - 반사형 액정변조기를 쓴 엑스선 검출방법과 그 장치 - Google Patents

반사형 액정변조기를 쓴 엑스선 검출방법과 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정변조기를 쓴 X선 검출기에 관한 것으로, 피폭량을 줄이고 측정의 잡음을 줄여 정밀도를 높였다. 종래의 액정변조기를 쓴 X선 검출기는 X선과 변조광이 X선 감지막을 동시에 투과하는 구조였다. 변조광은 X선 감지막에서 일부 흡수가 되어 전하를 일정량 생성하므로, X선에 생성되는 전하와 섞여서 신호대 잡음비가 떨어져서 계측의 정밀도가 낮았다. 또한 액정층과 X선 감지막에 걸리는 바이어스전압에 대한 관계가 잘 알려지지 않아 최적조건을 설정하는데 시행착오가 많았다. 본 발명에서는 변조광이 X선 감지막에 들어가지 못하도록, 유전체 반사막과 빛 빛차단막을 두는 반사형 액정변조기 구조를 발명하였다. 이 결과 X선 감지막에는 변조광이 차단되어, X선에만 반응하므로 신호대 잡음비를 높였다. 바이어스 전압파형의 조건과 최적 X선 량을 액정층의 반사특성곡선으로부터 정량적으로 도출하는 방법을 찾았다. 또한 변조광의 반사 측정으로부터 X선의 강도를 구하는 방법도 제시하였다. 본발명의 X선 검출기는 피폭량이 적고, 해상도가 높아 의료용으로 적합하다.

Description

반사형 액정변조기를 쓴 엑스선 검출방법과 그 장치 { X-Ray Detection Method with Reflective Liquid Crystal Modulator and Its Apparatus}
본 발명은 반사형 액정변조기를 써서 X선을 검출하는 방법과 그 장치에 관한 것으로, X선 피폭량을 줄이고 측정의 정밀도를 높였다. X선 검출장치는 의료 및 비파괴 검사등의 산업용으로 그 쓰임새가 매우 많다. 대부분의 X선 검출장치는 X선이 형광체에 조사될 때의 발광분포로부터 X선 분포를 알아내는 방법을 주로 쓴다. 형광체의 발광분포는 필름을 써서 사진처럼 기록하거나 또는 CCD(Charge Coupled Device)를 써서 디지털 화상자료로 저장할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 형광체에서 빛이 여러 방향으로 산란되므로 해상도가 낮아, 액정변조기(LC Modulator)를 써서 X선을 검출하는 방법이 연구되었다. 도1은 1997년 캐나다의 토론토대학 로날드 연구단이 메디컬 피직스(Med. Phys. 24(8), 1997)에 발표한 투과형 액정변조기를 쓴 X선 검출장치의 개념도이다. 도1의 X선 검출장치는 광발생부(100), 액정변조부(200), 광검출부(300)의 3분류로 나눌 수 있다. 광발생부는 X선을 생성하는 X선 발생기(120)와 액정층에서 편광상태가 달라지는 변조광을 발생하는 투과 변조광원(110)으로 구성된다. 변조광은 X선 감지막에서 흡수가 적어야 한다. X선 감지막의 재질이 비정질 Se인 경우, 변조광은 파장이 800nm 이상인 적외선을 주로 쓴다. X선 감지막은 비정질 Se막 또는 Si(규소) 단결정을 주로 쓴다. Si 단결정을 X선 감지막으로 쓸 경우에는 상유리기판(231)이 없이 Si 단결정 기판에 상바이어스전극(233)을 바로 만들수 있다. 액정변조부(200)는 투과형 X선 액정변조기(230)와 편광판(검광판)(210,220)으로 구성이 된다. 편광판은 변조광원을 선편광판으로 만들고, 투과형 X선 액정변조기에서는 들어오는 X선의 강도에 따라서 액정층에 걸리는 전압이 달라져, 액정층을 지나는 변조광의 편광상태를 변조(modulation)한다. 광검출부(300)는 투과액정변조기(230)를 지나 검광판을 나온 변조광의 강도를 재서, 이것을 X선의 선량(강도)의 정보로 바꾼다. 광검출부는 주로 CCD(Charge Coupled Device) 모듈로 구성된 광검출기 소자(310)와 광검출기 소자에서 나온 변조광의 밝기(Brightness)의 정보를 X선의 강도의 정보로 바꾸어주는 영상계산부(320)로 구성된다.
도2는 종래의 투과형 액정변조기(230)의 단면도이다. 상유리기판(231)에는 상바이어스전극(233)과 절연층(235) 그리고 X선 감지막(236)이 형성된다. 하유리기판(232)에는 하바이어스 전극(234)이 형성되고, 상하유리기판 사이에 액정층(237)이 형성된다.
본 발명은 피폭량을 줄이고 측정에 있어서 정밀도를 높였다. 또한 외부 바이어스전압과 액정층의 특성과의 상관관계를 최적화하여 측정의 정밀도를 높인다.
본 발명에서는 변조광이 X 선 감지막에 들어가지 못하도록, 유전체 반사막과 빛차단막을 두는 반사형 X선 액정변조기를 도입하였다. 이 결과 X선 감지막에는 변조광이 들어가지 않으므로 신호대 잡음비를 높였다. 또한 피폭량을 줄이기 위하여, 바이어스 전압파형의 조건과 조사되는 최적 X선량을 액정층의 반사특성곡선으로부터 정량적으로 도출하는 방법과 또한 측정되는 변조광의 반사량으로부터 X선량을 구하는 방법도 제시하였다.
도4는 본발명의 반사형 X선 액정변조기(240)를 쓴 X선 검출기의 개념도이다. 도4의 X선 검출장치는 도1과 같이 광발생부(100), 액정변조부(200), 광검출부(300)의 3분류로 나눌 수 있다. 광발생부는 X선을 생성하는 X선 발생기(120)로만 구성된다. 액정변조부(200)는 반사형 X선 액정변조기(240)와 편광판(210)으로 구성이 된다. 편광판은 변조광원을 선편광판으로 만들고, 반사형 X선 액정변조기는 X선의 강도에 따라서 액정층에 걸리는 전압이 달라져 액정층을 지나 반사되는 변조광의 편광상태를 변조한다. 광검출부(300)는 반사형 X선 액정변조기(230)에서 반사되어 편광판을 나온 변조광의 밝기를 재서, 이것을 X선의 선량의 정보로 바꾼다. 광검출부는 반사 변조광원(330)과 주로 CCD(Charge Coupled Device) 모듈로 구성된 광검출기 소자(310)와 광검출기 소자에서 나온 변조광의 세기의 정보를 X선의 강도의 정보로 바꾸어주는 영상계산부(320)로 구성된다. 도5는 본발명의 반사형 X선 액정변조기(240)의 단면도이다. 상유리기판(231)에는 상바이어스전극(233)과 절연층(235)과 X선 감지막(236)과 빛차단막(239)과 반사막(238)이 형성된다. 반사막(238)은 굴절률이 다른 유전체막을 교대로 적층하여 만든다. 굴절률이 높은 유전체로는 TiO2와 ZnS등이 있고, 굴절률이 낮은 유전체로는 SiO2와 MgF2 등이 있다. 반사막은 면의 수직방향으로 들어오는 빛은 99% 이상 반사가 되나, 수직방향에 20도 이상 벗어나면 빛이 투과되므로, 반사막에서 투과되는 빛을 빛차단막(239)에서 흡수한다. 빛차단막은 CdTe등의 반도체막으로 만들수 있으나, 반도체막은 빛의 흡수 여부에 따라서 막의 저항 특성이 달라지므로, 빛의 세기에 따라서 특성의 변화가 없는 탄소가 포함된 수지로 된 막이 좋다. 하유리기판(232)에는 하바이어스 전극(234)이 형성되고, 상하유리기판 사이에 액정층(237)이 형성된다. 도6은 X선 반사액정변조기의 작동을 나타내는 설명도이다. 반사형 X선 액정변조기에 X선이 들어오면, X선 감지막에서 흡수되어 X선의 에너지로 전자(-)와 홀(hole)(+)이 만들어진다. X선 감지막에서 만들어진 전자와 홀은 상하바이어스전극(233, 234)에 걸리는 전압 차이에 의하여 생기는 전기장(E)으로 전자는 +쪽인 상바이어스전극과 맞닿는 X선 감지막으로, 홀은 -인 하바이어스전극 쪽의 액정층과 맞닿는 X선 감지막으로 이동한다. X선이 조사된 부분은 X선의 강도에 비례하여 전하가 생성되고, 생성된 전하는 외부전기장(E)과의 반대 방향인 전기장(EM)이 생긴다. X선 강도가 클수록 전하가 많이 생기고, 전하들에 의하여 생기는 액정층에 걸리는 전기장 EM은 커진다.
반사막과 빛 차단막이 액정층과 X선 감지막에 비하여 얇아서 무시할 수 있다면 X선 액정변조기의 등가회로는 도7과 같다. 도7의 (가)는 X선이 조사되지 않았을 때의 등가회로이고, (나)는 X선이 들어와 액정층 위에 전하 Q가 축적되었을 때의 등가회로이다. Cp와 CL는 각각 X선 감지막과 액정층의 축적용량이고, 외부에서 상하바이어스전극에 걸어주는 전압을 V라고하면, 도(7)의 (가)의 등가회로도에서 액정층에 걸리는 전압(VL)은 아래 식과 같다.
[수학식 1]
X선 때문에 액정층 밖에 도7의 (나)처럼 전하 Q가 축적된 경우 액정층에 걸리는 전압은 아래식과 같이 달라진다.
[수학식 2]
X선 감지막이 비정질 셀레늄(Se)층인 경우, 비정질 셀레늄의 유전상수는 약 6이고, 두께는 보통 300∼1,000㎛이다. 액정층의 유전상수는 액정층에 걸리는 전압에 따라서 달라지는데 보통 4∼12로 볼 수 있다. 액정층의 두께는 10㎛ 내외이다. 외부에서 걸어주는 전압은 보통 수천볼트 이상이다. 두께가 d이고, 면적이 A이고, 유전율 상수가 ε인 유전체의 축적용량 C는 아래 식과 같다.
[수학식 3]
비정질 셀레늄층의 두께가 1,000㎛이고, 외부전기장이 10,000V이고, 액정층의 두께가 10㎛이고, 액정층의 유전률 상수가 비정질 셀레늄과 같은 6이라고 가정했을 때, X선이 감지막에 입사되지 않았을 때의 액정층에 걸리는 전압은 식(1)로 계산하면 약 100V가 걸린다. 위의 조건에서 비정질 셀레늄 감지막의 감도는 약 3000pC/(mR·㎠) 정도이고, 액정층의 축적용량은 약 600pF/㎠이므로, X선 10mR이 조사될 때 액정층에 걸리는 전압은 50V가 되고, 20mR이 조사되면 액정층에 걸리는 전압은 외부전기장과 축적된 전하로 인한 전기장이 서로 상쇄되어 0V 전압이 걸린다.
감지막과 액정층과 외부에서 걸어주는 전압 V 그리고 X선의 강도에 따라서 액정층에 걸리는 전압이 달라지므로, 설계 기준이 필요하다. 도8은 반사형 액정변조기의 액정층에 걸리는 전압에 따른 반사 곡선이다. 아래유리기판과 편광판 사이에는 사반파장판(λ/4 retardation plate) 을 두어 액정층에 전압이 충분히 걸렸을 때 최소의 반사율이 되게 하였다. 사반파장판은 반사형 액정표시소자에 주로 많이 쓰인다. 도8에서 V(90)은 최대반사율을 100%로 두었을 때, 반사율이 90%되는 전압이고, V(10)은 반사율이 10%가 되는 전압이다. 도8과 같이 액정층에 전압이 걸리지 않았을 때의 반사율이 액정층에 전압이 걸렸을 때의 반사율보다 큰 경우를 NW(Normal White)모드라고 한다. 그 반대의 경우는 NB(Normal Black) 모드라고 한다. NW모드에서는 V(90)이 NB모드에서는 V(10)이 문턱치 전압이라고 부른다. NW모드에서는 V(10)이 NB모드에서는 V(90)을 포화전압이라고 부른다. 도8과 같은 특성을 갖는 반사형 액정변조기가 있을 때의 최적인 바이어스 전압파형과 X선 측정 대상체에 조사되는 X선량은 다음의 방법으로 결정할 수 있다. 도9는 본발명의 X선 액정변조기에 걸리는 바이어스 전압파형과 반사광을 측정하는 측정동기 신호를 나타낸 것이다. 도9의 (가)는 X선이 조사되는 시간표이다. X선은 펄스파형으로 주기 T로 조사된다. 도9의 (나)는 바이어스전압파형으로, 진폭이 Vx와 VM으로 구별한다. 진폭이 Vx로 걸리는 기간은 Tx이고, VM으 로 걸리는 기간은 TM이다. 액정층에 오랜 기간 동안 직류전압을 걸어주면 액정이 전기분해되어 수명이 짧아지므로, 바이어스 전압의 극성을 도9의 (나)와 같이 교대로 바꾸어 걸어주어야 한다. Tx 기간 동안에는 전하를 X선 감지막 경계면으로 분리해주는 전기장에 대응되는 Vx를 걸어주고, TM 기간에는 전기강의 세기를 낮추어 VM으로 걸어준다. Vx는 X선을 흡수하여 생기는 전하를 X선 감지막 경계면으로 분리해 준다. VM의 조건은 축적된 전하가 분산되지 않게 하는 역할과, X선이 조사되지 않는 감지막 부분의 액정층에는 V(10)근방의 전압이 걸리게하는 조건으로부터 결정한다. VM의 1차 근사치는 식(1)과 반사율이 10%인 V(10)으로부터 다음과 같다.
[수학식 4]
도9의 (다)는 측정동기 신호로 바이어스전압이 VM의로 바꾸어지면, 액정층의 응답특성을 고려하여 일정한 기간이 지난 다음 광반사율을 잰다.
측정이 되는 시간에서 X선이 조사되지 않는 부분의 액정층에는 V(10) 전압이 걸리고, X선이 조사되어 X선 감지막 경계선에 전하가 Q만큼 축적된 경우의 액정층에 걸리는 전압은 ((V(10) - Q/CL))이다. 도8에서와 같이 액정층의 반사특성은 문턱치전압과 포화전압이 있어서 문턱치보다 낮은 전압부분과 포화전압보다 큰 전압 부분에서는 전압의 변화에 반사율 변화가 없으므로 이 영역에서는 사용을 하면 안된다. 따라서 조사되는 X선량이 최대이고, 바이어스전압이 VM이 걸릴 때의 액정층에 걸리는 전압은 V(90)이 되어야 한다. 생산과정에서 생기는 X선 감지막과 액정층의 두께 편차를 어느 정도 고려해야하므로, 반사율이 10%와 90% 되는 특정치를 기준으로 하였다. 도9에서 전하를 감지막 경계로 분리하는 전압 Vx는 특별한 제한 조건은 없다. 다만 전압이 높으면 전자장치 구성에 많은 비용이 든다. 도9에서 연속 촬영의 경우 주기(T)는 전하의 완화(relaxation) 시간을 감안하여 보통 2∼10초 사이에 둔다. 액정의 응답특성은 50ms 이내이면, 인체를 측정하는데 약간의 움직임이 있어도, 영상이 겹치지 않는다. TN이나 STN등의 니메틱 액정을 쓰는 경우 보통 응답특성이 20∼50ms 정도이므로, 니메틱 액정모드를 주로 쓴다.
광검출기 소자로 측정한 상대 반사율을 X선의 강도의 정보로 바꾸어야 한다. 조사되는 X선의 대표강도에 대하여 대표 반사율을 측정하여, 이 대표값을 이용하여 각 반사율에 대응되는 X선의 상대 강도를 구한다. 조사되는 X선 때문에 전하가 생성되고, 이러한 전하로 인하여 전기장이 달라지고, 액정층에 걸리는 전압이 달라져 액정층의 배열이 변한다. 즉 변조광의 반사율이 X선의 강도에 따라 달라지므로, 변조광의 투과율을 재서, 이로부터 X선 감지막에 들어오는 X선의 강도를 알 수 있다. 도10은 X선 검출기에 들어오는 대표적인 X선량을 나타낸다. 0은 X선이 전혀 조사되지 않았을 때이고, 8은 X선이 최대로 조사되었을 때이다. 도10에서 괄호 값은 상대강도를 나타낸 것이다. X선의 강도는 일정하게 조절하고 , 조사되는 시간 비율을 조절한 것이다. X선이 최대로 조사될 때의 강도를 1로 하여 상대강도로 나타낸다. 도10과 같이 X선을 조절하여, 차례로 주사하고, 광검출기 소자(310) 각 화소의 대표 반사율을 구한다. 도11은 측정한 대표 반사율 값으로부터 X선량을 계산하는 설명도이다. 광검출기 소자의 특정 화소의 대표 X선 강도 φ(0), φ(1), … φ(8)에 대응되는 대표 반사율이 도11에서와 같이 각각 R0, R1, R2, R3, . . . . R8 였고, 특정 부위의 반사율 R이 대표반사율 R(n)과 R(n+1) 사이에 있다면, 조사되는 X의 강도(φ)는 아래 식으로 근사할 수 있다.
[수학식 5]
도12는 본발명의 X선 검출기의 작동 순서도이다. X선을 차폐하고, 바이어스 파형을 조절하여 초기 반사율이 10%가 되는 바이어스 파형의 진폭(VM)을 결정한다. 이어서 피사체가 없이 X선 발생기의 선량을 조절하여 반사율이 90%가 되도록 조절한다. X선 선량을 증가하면서 대표 반사율 비교표를 측정한다. 피사체를 두고 X선을 조사하고, 이어 반사율을 측정하여 대표 반사율 비교표로부터 X선량을 계산한다.
본발명의 X선 검출기는 X선 액정변조기에서 가장 문제가 된 문턱치와 포화영역을 피하여 측정할 수 있고, 또한 피폭량을 줄이면서도 변조광이 X선 감지막에 들어가지않게하여 측정의 정밀도를 높일 수 있었다. 본발명의 반사형 액정변조기를 쓴 X선 검출방법과 그 장치는 해상도와 측정의 정밀도가 높고, 피폭량이 적어서 의료용으로 적합하다.
도1은 종래의 투과형 액정변조기를 쓴 X선 검출장치의 개념도이다.
도2는 종래의 투과형 X선 액정변조기의 단면도이다.
도3은 X선 액정변조기의 작동을 나타내는 설명도이다
도4는 본발명의 반사형 X선 액정변조기를 쓴 X선 검출기의 개념도이다.
도5는 본발명의 반사형 X선 액정변조기의 단면도이다.
도6은 액정층에 걸리는 전기장을 나타내는 설명도이다.
도7은 X선 액정변조기의 등가회로도이다.
도8은 본발명의 반사형 X선 액정변조기의 반사특성을 나타낸다.
도9는 본발명의 X선 액정변조기에 걸리는 바이어스 전압파형이다.
도10은 X선 검출기에 들어오는 대표적인 X선량을 나타낸다.
도11은 X선량을 계산하는 설명도이다.
도12는 본발명의 X선 검출기의 작동 순서도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 광발생부
110 : 투과 변조광원 120 : X선 발생기
200 : 액정변조부
210 : 편광판 220 : 검광판
230 : 투과형 X선 액정변조기
240 : 반사형 X선 액정변조기
231 : 상유리기판 232 : 하유리기판 233 : 상 바이어스 전극
234 : 하 바이어스 전극 235 : 절연층 236 : X선 감지막
237 : 액정층 238 : 반사막 239 : 빛 차단막
300 : 광검출부
310 : 광검출기 소자 320 : 영상 계산부 330 : 반사 변조광원

Claims (21)

  1. X선 감지막(236)의 상 바이어스 전극(233)과 액정층의 하 바이어스 전극(234) 사이에 특정 전압이 걸리고, 액정층과 X선 감지막 사이에 유전체로 된 반사막(238)이 만들어져 있고, 광검출기 소자(310)를 이용하여 반사 변조광원(330)에 대한 액정층의 반사특성으로부터 X선 감지막에 조사되는 X선의 강도(광량)을 알아내는 X선 검출방법.
  2. 제1항에 있어서 광검출기 소자(310)의 화소에 대응되는 반사율값을 재서, 대표반사율 값으로부터 근사하여 X선 감지막(236)에 조사되는 X선의 강도(광량)를 알아내는 X선 검출방법.
  3. 제1항에 있어서 바이어스 전압의 극성이 교류인 것을 특징으로 하는 X선 검출방법.
  4. 제1항에 있어서 X선이 조사되는 동안과 액정층의 반사율을 재는 동안의 바이어스 전압의 크기가 다른 것을 특징으로 하는 X선 검출방법.
  5. 제4항에 있어서 반사율을 재는 동안에 액정층에 걸리는 바이어스 전압이, 포화전압보다 작은 것을 특징으로 하는 X선 검출방법.
  6. X선 감지막(236)의 상 바이어스 전극(233)과 액정층의 하 바이어스 전극(234) 사이에 특정 전압이 걸리고, 액정층과 X선 감지막 사이에 유전체로 된 반사막(238)이 만들어져 있고, 광검출기 소자(310)를 이용하여 반사 변조광원(330)에 대한 액정층의 반사특성으로부터 X선 감지막에 조사되는 X선의 강도(광량)을 알아내는 X선 검출장치.
  7. 제6항에 있어서 광검출기 소자(310)의 화소에 대응되는 반사율을 재서 대표 반사율 값으로부터 근사하여 X선 감지막(236)에 조사되는 X선의 강도(광량)를 알아내는 X선 검출장치.
  8. 제6항에 있어서 바이어스 전압의 극성이 교류인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  9. 제6항에 있어서 X선이 조사되는 동안과 액정층의 반사율을 재는 동안의 바이어스 전압의 크기가 다른 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  10. 제9항에 있어서 반사율을 재는 동안에 액정층에 걸리는 전압이 포화전압보다 작게 바이어스 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  11. 제9항에 있어서 바이어스 전압이 진폭이 가변적인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  12. 제6항에 있어서 X선 감지막이 규소(Si)나 셀레늄(Se)인 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  13. 제6항에 있어서 반사막(238)과 X선 감지막(236) 사이에 빛 차단막(239)이 형성된 것을 특징으로하는 X선 검출장치.
  14. 제13항에 있어서 빛 차단막이 수지로 된 것을 특징으로 하는 X선 검출장치.
  15. 위(또는 아래)유리기판과 X선 감지막 사이에 상 바이어스 전극(233)이 형성되어 있고, 아래(또는 위) 유리기판과 액정층(237) 사이에는 하 바이어스 전극(234)이 형성되어 있고, 액정층과 X선 감지막(236) 사이에 반사막(238)이 형성되어 있는 것을 특징으로하는 X선 액정변조기(240).
  16. 제15항에 있어서 X선 감지막이 규소나 셀레늄인 것을 특징으로하는 X선 액정변조기.
  17. 제15항에 있어서 반사막이 굴절률이 다른 유전체막을 다층으로 피막한 것을 특징으로 하는 X선 액정변조기.
  18. 제17항에 있어서 반사막과 X선 감지막 사이에 빛 차단막이 형성된 것을 특징으로하는 X선 액정변조기.
  19. 제18항에 있어서 빛 차단막이 수지로 된 것을 특징으로하는 X선 액정변조기.
  20. 제15항에 있어서 아래 유리기판과 편광판 사이에 사반파장판이 부착된 것을 특징으로 하는 X선 액정변조기.
  21. 제15항에 있어서 액정의 종류가 니메틱인 것을 특징으로 하는 X선 액정변조기.
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