KR20100007924A - 방사선 검출기와 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사선 검출기와 그 제조 방법에 관한 것으로서, 방사선 검출기는 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자상에 형성되고, 방사선을 형광으로 변환하는 신틸레이터층(13), 상기 신틸레이터층상에 형성되며, 상기 신틸레이터층으로부터의 형광을 반사시키는 광산란성 입자 및 상기 광산란성 입자 사이를 결합하는 바인더재를 함유하고, 또한 상기 광산란성 입자의 주변부에 상기 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부가 형성되어 있는 반사막(14)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 방사선을 검출하는 방사선 검출기와 그 제조 방법에 관한 것이다.
신세대의 X선 진단용 검출기로서 액티브매트릭스를 이용한 평면형 X선 검출기가 개발되어 있다. 이 X선 검출기에 조사된 X선을 검출함으로써 X선 촬상기 또는 리얼타임의 X선 화상이 디지털 신호로서 출력된다. 그리고, 이 X선 검출기에서는 X선을 신틸레이터층에 의해 가시광, 즉 형광으로 변환시키고, 이 형광을 아몰퍼스 실리콘(a-Si) 포토다이오드 또는 CCD(Charge Coupled Device) 등의 광전 변환 소자로 신호 전하로 변환하여 화상을 취득하고 있다.
신틸레이터층을 형성하는 재료로서 일반적으로 요드화세슘(CsI):나트륨(Na), 요드화세슘(CsI):탈륨(Tl), 요드화나트륨(NaI) 또는 산황화가드리늄(Gd2O2S) 등이 이용된다. 신틸레이터층을 형성할 때, 다이싱 등에 의해 홈을 형성하거나 기둥 형상 구조가 형성되도록 증착법으로 재료를 퇴적한다. 이와 같이 신틸레이터층에 기둥 형상 구조를 갖게 함으로써 해상도 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 신틸레이터층으로부터의 형광의 이용 효율을 높여 감도 특성을 개선 하기 위해 신틸레이터층상에 반사막을 형성하는 방법이 있다. 즉, 신틸레이터층에서 발광한 형광 중 광전 변환 소자측에 대해 반대측을 향하는 형광을 반사막으로 반사시켜 광전 변환 소자측에 도달하는 형광을 증대시킨다.
반사막을 형성하는 방법의 예로서는 은 합금이나 알루미늄 등 형광 반사율이 높은 금속층을 신틸레이터층상에 성막하는 방법 등이 일반적으로 알려져 있다. 다른 방법으로서 예를 들면 일본 공개특허공보 제2005-283483호(제 5-6페이지, 도 1)에는 TiO2 등의 광산란성 물질과 바인더 수지로 이루어진 광산란 반사성 반사 재료를 도포하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 신틸레이터막상에 반사막을 형성하지 않고 알루미늄 등의 금속 표면을 가진 반사판을 신틸레이터층에 밀착시켜 신틸레이터 광을 반사시키는 방식도 실용화되어 있다.
(발명의 개시)
그러나 종래와 같이 신틸레이터층상에 금속층을 형성하는 방법에서는 신틸레이터층 표면의 요철의 영향에 의해 금속층에서의 반사율이 낮은 문제가 있다. 이 저반사율을 개선하기 위해 신틸레이터층의 표면을 평탄화하거나 신틸레이터층의 표면에 투명한 수지 보호막을 형성하여 평활화하는 등의 대응책이 있다. 그러나 이 경우, 신틸레이터층의 표면에 손상을 주어 데드 레이어(dead layer)를 만들고, 또한 신틸레이터층의 기둥 사이를 분리하여 라이트 가이드 효과에 의해 해상도를 향상시키도록 하고 있지만, 그 기둥 사이에 수지 보호막이 침입함으로써 라이트가이드 효과가 손상되어 해상도의 저하를 초래한다. 이 때문에 이 경우의 단점은 크다.
또한, 신틸레이터층상에 반사판을 밀착시키는 방법에서는 반사판과 신틸레이터층의 틈의 불균일성에 의해 휘도나 해상도의 불균형을 발생시킨다. 또한, 신틸레이터층의 방습 보호를 위해 신틸레이터층의 표면에 수지의 보호층을 형성할 경우에는 이 수지가 신틸레이터층의 기둥 사이에 침입하여 해상도 저하에 연결되는 등의 문제점이 있다.
TiO2 등의 광산란성 물질과 바인더 수지로 이루어진 광산란 반사성 반사 재료를 도포하는 방법에서는 TiO2 등의 광산란성 물질의 틈 사이에 바인더가 되는 수지가 빈틈없이 충전된다. 이 때문에 고굴절률인 TiO2 등의 광산란성 물질의 광산란 효과가 대폭 감소된다. 그 이유는 고굴절률의 TiO2(굴절률 2.7)와 대기(굴절률 1.0)의 굴절률 차에 비교하여 TiO2(굴절률 2.7)와 바인더의 수지(굴절률 1.6 전후)의 굴절률 차(다른 굴절률 차)가 작게 된다. 이 때문에 굴절률 차에 의해 TiO2 입자와 그 주위의 계면에서 생기는 굴절의 굴절각이 작아진다.
광산란성 물질은 광산란성 물질과 주위 물질의 계면 반사나 계면 굴절의 반복에 의해 광의 진행 방향을 랜덤하게 바꾸는 것이다. 이 효과에 의해 광산란성 물질을 이용하여 형성한 막은 반사막의 역할을 한다. 여기서 이미 설명한 바와 같이 바인더 수지가 빈틈없이 충전되어 광산란성 물질과 주변 물질(=바인더 수지)의 계면의 굴절률 차가 작아지는 결과, 광의 진행 방향이 랜덤하게 방향을 바꾸기까지 필요한 계면 반사나 굴절의 횟수를 늘린다. 즉, 형광이 동일 정도로 방향을 바꾸기까지 멀리 돌 필요가 있는 것을 의미한다. 이 멀리 도는 것은 형광이 반사막의 막두께 방향과 막면 방향의 양쪽에 먼쪽으로 확산되는 것에 연결된다. 이 때문에 반사막 내를 통해 신틸레이터층의 기둥 사이의 형광의 크로스토크가 증대하고, 해상도의 저하를 생기게 한다. 또한, 반사막의 내부에서의 형광의 감쇠에 의한 휘도의 저하를 초래한다.
본 발명은 이상의 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 고해상도 및 고휘도의 방사선 검출기와 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 형태에 따른 방사선 검출기는,
광전 변환 소자와,
상기 광전 변환 소자상에 형성되어 방사선을 형광으로 변환하는 신틸레이터층과,
상기 신틸레이터층상에 형성되고, 상기 신틸레이터층으로부터의 형광을 반사시키는 광산란성 입자 및 상기 광산란성 입자 사이를 결합하는 바인더재를 함유하고, 또한 상기 광산란성 입자의 주변부에 상기 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부(空乏部)가 형성되어 있는 반사막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 따른 방사선 검출기의 제조 방법은,
기판상에 광전 변환 소자를 형성하고,
상기 광전 변환 소자상에 신틸레이터층을 형성하며,
광산란성 입자와 상기 광산란성 입자 사이를 결합하는 바인더재와 상기 바인더재를 용해하는 비점 100℃ 이상의 용매를 교반 혼합한 도포액을 상기 신틸레이터층상에 도포한 후에 건조시키고, 상기 광산란성 입자의 주변부에 상기 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부가 형성된 반사막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 X선 검출기를 도시한 사시도,
도 2는 도 1에 도시한 X선 검출기를 도시한 단면도,
도 3은 상기 실시형태의 제 1 실시예에 따른 도면이며, 특히 X선 검출기의 반사막의 공핍부의 함유 비율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 4는 상기 제 1 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막의 공핍부의 함유 비율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 5는 상기 제 1 실시예에 따른 도면이며, 특히 고해상도의 상기 반사막을 현미경 사진(SEM 사진)으로 나타낸 도면,
도 6은 상기 제 1 실시예에 따른 도면이며, 특히 저해상도의 상기 반사막을 현미경 사진(SEM 사진)으로 나타낸 도면,
도 7은 상기 실시형태의 제 2 실시예에 따른 도면이며, 특히 시클로헥사논의 첨가율과 도포 페이스트의 점도의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 8은 상기 제 2 실시예에 따른 도면이며, 특히 X선 검출기의 신틸레이터층의 기둥 사이로의 반사막의 침입이 큰 경우의 신틸레이터층 및 반사막을 현미경 사 진(SEM 사진)으로 나타낸 도면,
도 9는 상기 제 2 실시예에 따른 도면이며, 특히 신틸레이터층의 기둥 사이로의 반사막의 침입이 작은 경우의 신틸레이터층 및 반사막을 현미경 사진(SEM 사진)으로 나타낸 도면,
도 10은 상기 제 2 실시예에 따른 도면이며, 특히 신틸레이터층의 기둥 사이로의 반사막의 침입이 크지만, 광산란성 입자에 대해 바인더재의 비율이 높은 경우의 신틸레이터층 및 반사막을 현미경 사진(SEM 사진)으로 나타낸 도면,
도 11은 상기 실시형태의 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 TiO2의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 12는 상기 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 TiO2의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 13은 상기 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 Al2O3의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 14는 상기 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 Al2O3의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 15는 상기 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 SiO2의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 16은 상기 제 3 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막에 포함되는 SiO2의 광반사성 입자의 함유율과 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 17은 상기 실시형태의 제 5 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막의 막두께 방향으로 광산란성 입자의 함유 비율이 다른 반사막의 특성을 시험한 결과를 나타낸 도면,
도 18은 상기 실시형태의 제 6 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막의 막두께/광산란성 입자의 입자직경 비율과 반사율의 관계를 광학 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프,
도 19는 상기 제 6 실시예에 따른 도면이며, 특히 (광산란성 입자의 입자직경/체적 충전률)/반사막의 막두께와 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 20은 상기 제 6 실시예에 따른 도면이며, 특히 (광산란성 입자의 입자직경/체적 충전률)/반사막의 막두께와 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타낸 그래프,
도 21은 상기 실시형태의 제 7 실시예에 따른 도면이며, 특히 광산란성 입자의 입자직경과 기둥 피치와 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타낸 도면,
도 22는 상기 제 7 실시예에 따른 도면이며, 특히 광산란성 입자의 입자직경 과 기둥 피치와 해상도 특성의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 23은 상기 실시형태의 제 8 실시예에 따른 도면이며, 특히 광산란성 입자의 입자직경과 반사율의 관계를 광학 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프,
도 24는 상기 실시형태의 제 9 실시예에 따른 도면이며, 특히 어레이 기판의 화소 피치와 반사막의 막두께에 의한 해상도에의 영향을 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 25는 상기 제 9 실시예에 따른 도면이며, 특히 어레이 기판의 화소 피치와 반사막의 막 두께에 의한 해상도에의 영향을 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 26은 상기 실시형태의 제 10 실시예에 따른 도면이며, 특히 필러재의 첨가율과 해상도의 관계를 시험한 결과를 표로 나타낸 도면,
도 27은 상기 제 10 실시예에 따른 도면이며, 특히 필러재의 첨가율과 해상도의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 28은 상기 실시형태의 제 11 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막을 신틸레이터층의 측면부에 도포하지 않은 경우의 반사막의 막 두께와 신틸레이터층의 박리의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 29는 상기 제 11 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막을 신틸레이터층의 측면부까지 도포한 경우의 반사막의 막 두께와 신틸레이터층의 박리의 관계를 시험한 결과를 나타내는 그래프,
도 30은 상기 실시형태의 제 12 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막 방식에 의한 휘도와 해상도의 특성을 시험한 결과를 표로 나타낸 도면, 및
도 31은 상기 제 12 실시예에 따른 도면이며, 특히 반사막 방식에 의한 휘도와 해상도의 특성을 시험한 결과를 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태)
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 방사선 검출기로서의 X선 검출기(11)의 사시도, 도 2에 X선 검출기의 단면도를 도시한다. X선 검출기(11)는 방사선상인 X선상을 검출하는 X선 평(平) 센서이며, 예를 들면 일반 의료 용도 등에 이용되고 있다. 그리고, X선 검출기(11)는 형광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 기판으로서의 어레이 기판(12)과, 어레이 기판(12)의 일 주면인 표면상에 설치되어 입사하는 X선을 형광으로 변환하는 X선 변환부인 신틸레이터층(13)과, 신틸레이터층(13)상에 설치되어 신틸레이터층(13)으로부터의 형광을 어레이 기판(12)측으로 반사시키는 반사막(14)을 구비하고 있다. X선 검출기(11)는 필요에 따라서 방습막(15)을 구비하고 있다. 방습막(15)은 신틸레이터층(13) 및 반사막(14)상에 설치되어 외기나 습도로부터 보호한다.
그리고, 어레이 기판(12)은 신틸레이터층(13)에 의해 X선으로부터 가시광으로 변환된 형광을 전기 신호로 변환하는 것이다. 어레이 기판(12)은 유리 기판(16), 유리 기판(16)상에 설치되어 광 센서로서 기능하는 대략 직사각형의 복수의 광전 변환부(17), 행방향을 따라서 설치된 복수의 제어 라인(또는 게이트 라인)(18), 열 방향을 따라서 설치된 복수의 데이터 라인(또는 시그널 라인)(19), 각 제어 라인(18)이 전기적으로 접속된 도시하지 않은 제어 회로, 및 각 데이터 라인(19)이 전기적으로 접속된 도시하지 않은 증폭/변환부를 구비하고 있다.
어레이 기판(12)에는 각각 동일 구조를 가진 화소(20)가 매트릭스상으로 형성되어 있다. 각 화소(20) 내에 광전 변환 소자로서의 포토다이오드(21)가 설치되어 있다. 포토다이오드(21)는 신틸레이터층(13)의 하부에 설치되어 있다.
각 화소(20)는 포토다이오드(21)에 전기적으로 접속된 스위칭 소자로서의 박막 트랜지스터(TFT)(22), 포토다이오드(21)로 변환한 신호 전하를 축적하는 전하 축적부로서의 도시하지 않은 축적 캐피시터를 구비하고 있다. 단, 축적 캐피시터는 포토다이오드(21)의 용량이 겸용하는 경우도 있고, 반드시 필요하지 않다.
각 박막 트랜지스터(22)는 스위칭 기능을 담당하고 있다. 각 박막 트랜지스터(22)는 포토다이오드(21)로의 형광의 입사에서 발생한 전하를 축적 캐피시터에 축적시킬지 축적 캐피시터로부터 방출시킬지 전환한다. 박막 트랜지스터(22)는 비정질 반도체로서의 아몰퍼스 실리콘(a-Si) 또는 다결정 반도체로서의 폴리실리콘(P-Si) 등의 반도체 재료로 적어도 일부가 구성되어 있다. 또한, 박막 트랜지스터(22)는 게이트 전극(23), 소스 전극(24) 및 드레인 전극(25)을 구비하고 있다. 드레인 전극(25)는 포토다이오드(21) 및 축적 캐피시터에 전기적으로 접속되어 있다.
축적 캐피시터는 직사각형 평판 형상으로 형성되고, 포토다이오드(21)의 하부에 대향 배치되어 있다.
제어 라인(18)은 행 방향을 따라서 연장되고, 화소(20) 사이에 설치되어 있 다. 제어 라인(18)은 동일 행의 각 화소(20)의 박막 트랜지스터(22)의 게이트 전극(23)에 전기적으로 접속되어 있다.
데이터 라인(시그널 라인)(19)은 열 방향을 따라서 연장되고, 각 화소(20) 사이에 설치되어 있다. 데이터 라인(시그널 라인)(19)은 동일 열의 각 화소(20)의 박막 트랜지스터(22)의 소스 전극(24)에 전기적으로 접속되어 있다.
제어 회로는 각 박막 트랜지스터(22)의 동작 상태, 즉 온 및 오프를 제어하는 것이다. 제어 회로는 유리 기판(16)의 표면의 행 방향을 따르는 측 테두리부에 실장되어 있다.
증폭/변환부는 예를 들면 각 데이터 라인(19)에 대응하여 각각 설치된 복수의 전하 증폭기, 이들 전하 증폭기가 전기적으로 접속된 병렬/직렬 변환기, 병렬/직렬 변환기가 전기적으로 접속된 아날로그-디지털 변환기를 구비하고 있다.
신틸레이터층(13)은 입사하는 X선을 가시광, 즉 형광으로 변환하는 것이다. 신틸레이터층(13)은 예를 들면 요드화 세슘(CsI):탈륨(Ti), 또는 요드화 나트륨(NaI):탈륨(Tl) 등에 의해 진공 증착법으로 기둥 형상 구조로 형성한 것이다. 신틸레이터층(13)은 산황화 가드리늄(Gd2O2S) 형광체 입자를 바인더재와 혼합하고, 어레이 기판(12)상에 도포하여 소성 및 경화하며, 다이서에 의해 다이싱하는 등으로 홈부를 형성하여 사각 기둥 형상으로 형성한 것 등이라도 좋다. 신틸레이터층(13)의 기둥 사이에는 대기 또는 산화 방지용 질소(N2) 등의 비활성 가스가 밀봉되어 있다. 신틸레이터층(13) 기둥 사이는 진공 상태라도 좋다. 그리고, 이하에 나타내는 각 실시예에서는 신틸레이터층(13)은 CsI:Tl의 증착막을 이용하여 형성된다. 상기 증착막의 막두께는 약 600㎛이다. CsI:Tl 증착막의 기둥 형상 구조 결정의 기둥(필러)의 굵기는 최상부(필러의 선단부) 부근에서 8~12㎛ 정도이다.
최종적인 X선 검출기(11)는 전술한 바와 같이 어레이 기판(12)상에 신틸레이터층(13) 및 반사막(14)을 순차 형성하여 완성된다. 단, 이하에 설명하는 각 실시예에서 반사막(14)의 휘도 및 해상도로의 효과를 간이적으로 평가하기 위해 유리제 기판상에 CsI:Tl의 신틸레이터층(13)을 형성하고, 상기 신틸레이터층(13)상에 여러 가지 반사막(14)을 형성하여 휘도와 해상도(CTF) 특성을 측정하는 방법을 적절히 이용했다. 여기서는 X선을 반사막(14) 및 신틸레이터층(13)측으로부터 입사하고, 기판측으로부터 이 유리 기판과 신틸레이터층(13)의 계면에 초점을 맞춰 CCD 카메라로 X선상을 촬영하는 방법을 채용했다.
X선 질 조건으로서는 70KVp의 X선을 22mm의 AL로 필터링하여 RQA-5 상당 조건으로 했다. 휘도는 표준으로 하는 증감지(후지 필름 가부시키가이샤 HG-H2 Back)에 대한 상대 휘도로 했다. 해상도는 해상도 차트상의 2Lp/mm의 CTF(Contrast Transfer Function)의 값=CTF(2Lp/mm)%를 화상 처리에 의해 구했다.
계속해서 본 실시형태의 제 1 실시예를 설명한다.
반사막(14)은 신틸레이터층(13)으로부터 포토다이오드(21)와 반대측으로 나온 형광을 반사하여 포토다이오드(21)에 도달하는 형광 광량을 증대시키는 것이다. 반사막(14)은 광산란성 입자를 함유하고 있다. 반사막(14)에는 광산란성 입자의 주변부에 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부(틈)가 형성되어 있다. 바인더재 는 실리콘계 수지, 에폭시계 수지 등의 열경화성 수지 재료 또는 아크릴 등 메타크릴계 수지나 부티랄계 수지 등의 폴리비닐아세탈계 수지 등 열가소성 수지 재료이다. 광산란성 입자는 평균 입자직경이 서브미크론 정도의 TiO2 분체, Al2O2 분체, SiO2 분체 등이다.
특히 부티랄계 수지의 바인더재의 경우, 도막에 크랙이 발생하기 어렵고, 고품위의 반사막을 형성할 수 잇다. 도포 페이스트를 작성할 때, 우선 바인더재와 용매를 조합하여 가온하면서 바인더재를 용해시킨다. 또한, 광산란성 입자를 혼합, 교반한다. 이에 의해 도포 페이스트가 작성된다. 도포 페이스트를 이용하여 반사막(14)을 형성할 때, 붓칠, 블레이드, 디스펜서, 컨택트 메탈 스크린 인쇄 등의 방법으로 신틸레이터층(13)상에 도포 페이스트를 도포하고, 상온 방치 또는 건조로에서 건조시킨다. 이에 의해 반사막(14)이 형성된다.
본 발명에 따른 반사막은 반사막중에 고굴절률의 광산란성 입자와, 이들을 결합하는 소량의 바인더 수지와, 바인더가 충전되어 있지 않은 틈 영역을 함유하여 이루어진다. 막 내에 광산란성 입자로 이루어진 고굴절률 영역과 틈부로 이루어진 최저 굴절률(n=1)의 영역이 상호 분산되어 있는 점이 중요한 특장(特長)이다. 광산란성 입자와 바인더재만으로 형성되는 경우와 비교하여 최저 굴절률(n=1)의 틈 영역도 포함하여 형성됨으로써 반사막 내의 굴절률의 변화가 크다. 이 때문에 광 산란의 근원이 되는 굴절률이 다른 물질간(또는 물질과 틈)의 굴절을 효율적으로 발생하고, 막으로서 보다 양호한 확산 반사를 발생한다. 따라서 신틸레이터층으로 부터의 형광을 먼쪽까지 확장하지 않고, 가까운 범위 내(작은 영역 내)로 억제하여 반사할 수 있다. 그 결과, 해상도의 저하와 휘도의 저하를 방지하는 것이 가능해진다. 즉, 휘도와 해상도 특성이 우수한 방사선 검출기가 얻어진다.
여기서 광산란성 입자의 입자직경이 작을수록 단위 체적에 충전되는 광산란성 입자의 수는 증가한다. 이 때문에 소영역에서 반사 효과가 얻어지기 쉬워진다. 단, 형광 파장에 대해 대략 1/10 정도 이하로 광산란성 입자의 입자직경이 작아지면 형광을 굴절하는 효과가 저하한다. 보다 소영역에서 반사 효과를 확보하기 위해서는 광산란성 입자의 입자직경이 최대 형광 파장의 10배 내지 1/10 정도인 것이 바람직하다.
굴절률(n)이 높은 재료를 선정하는 관점에서 광산란성 입자 재료로서는 Rutile형 TiO2(n=2.72 정도)를 이용했다. 다른 광산란성 입자재로서는 Anatase형 TiO2나 Al2O3, SiO2 등의 무기 재료를 이용하는 것도 가능하다. 바인더재의 수지의 굴절률의 비율이 큰 점에서 Rutile형 TiO2는 특히 우수하다.
광산란성 입자의 주변은 굴절률이 작을수록 바람직하고, 이상적으로는 진공이나 대기나 다른 가스 상태(n=1.0 정도)가 가장 바람직하다. 단, 반사막(14)으로서의 형상을 유지하기 위해 바인더재가 이용되고 있다. 소영역에서 양호한 반사 효과를 확보하기 위해서는 바인더재의 굴절률과 바인더재의 체적 점유율은 가능한한 작은 쪽이 바람직하다. 또한, 광산란성 입자와 바인더재에 의한 형광 흡수의 로스를 억제하기 위해 바인더재의 형광 투과율은 높을수록 바람직하다. 그리고, 본 실시예에서는 바인더재로서 아크릴계 수지, 부티럴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지를 이용하여 TiO2와 바인더재의 혼합 비율 및 용매 첨가량 비율을 각각 변화시켰다.
상기에서 예시한 광산란성 입자는 고굴절률의 무기 분체 입자이다. 그러나, Au, Ag, Pt, Al 등의 금속 또는 합금의 표면 반사성 금속 분말 또는 이들 금속 또는 합금을 피복하여 표면 반사성을 부여한 입자도 광산란성 입자로서 충분히 기능한다. 광산란성 입자의 입자직경이 형광 파장의 1/10 내지 10배 정도가 바람직한 점은 무기 분체 입자의 경우와 동일하다.
지금까지 설명한 바와 같이, 형성된 반사막(14)의 공핍부(틈부)의 체적 비율은 반사막 특성으로의 영향이 크다. 공핍부(틈)의 정도는 후술하는 바와 같이 도포액 작성 시에 혼합하는 광산란성 입자와 바인더재의 혼합 비율에 크게 의존한다. 즉, 광산란성 입자의 체적 혼합 비율을 크게 하고, 바인더재의 체적 혼합 비율을 작게 할수록 공핍부(틈)의 체적 비율은 커진다. 또한, 용매의 종류나 첨가량도 공핍부(틈)의 정도에 다소 영향을 미친다. 그러나, 건조 상태에서의 공핍부(틈)의 정도에 대해서는 도포액 작성 시의 광산란성 입자와 바인더재의 체적 혼합 비율이 지배적이다.
반사막(14)의 공핍부(틈)의 정도(비율)를 반사막의 체적과 함유 성분(광산란성 입자와 바인더재)의 질량으로 시산(試算)했다. 그리고, 공핍부의 정도와 반사막 특성(해상도=CTF(2Lp/mm)%)의 관계를 조사했다. 각각의 반사막(14)은 600㎛의 CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13)상에 100 내지 200㎛ 정도의 두께로 형성했다.
그 결과를 도 3 및 도 4에 도시한다. 판정량적이지만, 반사막(14)의 공핍부(틈)의 함유 비율이 클수록 해상도(지표는 CTF(2Lp/mm)%)의 향상이 보였다.
또한, 반사막(14)의 단면을 관찰하면, 도 5의 현미경 사진(SEM 사진)에 나타내는 바와 같이 고해상도의 반사막(14)은 큰 공핍부(틈) 비율을 갖고 있다. 그리고, 반사막(14)의 어느 부분이라도 공핍부(틈)는 균일하게 관찰되었다. 공핍부가 가능한한 균일하게 분산되어 있는 것은 상기에서 설명한 확산 반사의 메카니즘으로 생각해도 중요하다. 한편, 도 6의 현미경 사진(SEM 사진)에 나타내는 바와 같이 저해상도의 반사막(14)에서는 TiO2 입자는 바인더재에 대략 완전히 매립되어 공핍부(틈)가 약간 보이거나 거의 보이지 않는 상태였다.
따라서 광산란성 입자의 주변부에 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부를 반사막(14)에 형성함으로써 고해상도, 고휘도의 X선 검출기(11)를 제공할 수 있다.
계속해서 본 실시형태의 제 2 실시예를 설명한다.
반사막(14)의 광산란성 입자로서 Rutile형 TiO2 분체와 바인더재로서 부티럴계 수지를 조합한다. 여기서 Rutile형 TiO2 분체와 부티럴계 수지의 질량비는 90:10이다. 그 후, 용매로서 시클로헥사논을 이용하여 도포 페이스트를 작성했다. 시클로헥사논의 첨가율을 바꿈으로써 도포 페이스트의 점도를 바꿨다. 그리고, CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13)상에 도포 페이스트를 도포하여 반사막(14)을 형성했다. 도포 페이스트의 도막 방법은 붓칠이고, 건조는 실온 건조(풍건)를 반나 절 실시했다. 반사막(14)을 형성할 때, 건조 후의 막 두께가 200㎛가 되도록 조정했다.
도 7에 도시한 바와 같이, 시클로헥사논의 첨가율에 대응하여 도포 페이스트의 점도가 변했다. 그리고, 기둥 형상 구조의 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 침입 상태는 변화했다.
도 8 내지 도 10의 현미경 사진(SEM 사진)은 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 침입 상태를 도시하고 있다.
도 8은 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 침입이 큰 경우를 도시하고 있다. 이 경우에는 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 광산란성 입자의 침입이 많고, CTF(2Lp/mm)=48%이며, 고해상도의 특성이 얻어졌다.
도 9는 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 침입이 작은 경우를 도시하고 있다. 이 경우에는 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 광산란성 입자의 침입이 적고, CTF(2Lp/mm)=37%였다.
도 10은 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 침입이 크지만, 광산란성 입자에 대한 바인더재의 비율이 높은 경우를 도시하고 있다. 이 경우에는 신틸레이터층(13)의 기둥 사이로의 반사막(14)의 바인더재의 침입은 많지만 광산란성 입자의 침입이 적고, CTF(2Lp/mm)=28%였다. 이는 신틸레이터층(13)의 기둥 사이를 바인더재가 매립하여 CsI 증착막의 기둥 형상 구조에 의한 라이트 가이드 효과를 줄이고 있기 때문이라고 추정된다. 따라서 신틸레이터층(13)의 기둥 사이에 반사막(14)을 침입시킬 경우에는 반사막(14)의 광산란성 입자/바인더재의 혼합 비 율을 높게 유지하는 것이 중요하다.
계속해서 본 실시형태의 제 3 실시예를 설명한다.
반사막(14)을 구성하는 광산란성 입자의 종류 및 입자직경, 바인더재의 종류 및 광산란성 입자의 충전률(배합 비율)을 여러 가지로 바꿔 반사막(14)의 특성 변화를 조사했다. 광산란성 입자를 시작(試作)할 때, TiO2, Al2O3, SiO2를 이용하여 입자직경으로서는 서브미크론 내지 수십㎛의 범위로 바꿔 실시했다. 또한, 광산란성 입자를 시작할 때의 바인더재의 종류는 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지 및 부티럴계 수지이다. 또한, 광산란성 입자를 시작할 때, 광산란성 입자와 바인더재의 혼합 비율로서 체적 비율을 바꿔 실시했다. 이 때, 광산란성 입자와 바인더재와 체적 비율을 다음에 나타내는 바와 같이 바꿔 휘도와 해상도 특성을 평가했다.
광산란성 입자: 바인더재=10:90 내지 80:20
각 반사막(14)의 막 두께는 100~300㎛ 정도로 했다. 각 반사막(14)의 막 두께는 적용하는 CsI:Tl의 신틸레이터층(13)의 형광(피크 파장은 약 540nm)의 투과가 대략 차폐되는 두께이다. 상기한 바와 같이 반사막(14)을 각종 시작한 경우의 대표적인 결과를 도 11 내지 도 16에 도시한다.
도 11 및 도 12는 광산란성 입자와 여러 가지 수지의 바인더재와의 혼합 비율을 바꿔 반사막(14)을 시작한 경우의 휘도와 해상도 특성을 도시하고 있다. 광산란성 입자는 Rutile형 TiO2(굴절률(n)≒2.72)로 평균 입자직경 0.3㎛ 정도의 분체 이다. 상술한 제 1 실시예와 같이 반사막(14)을 구성하는 광산란성 입자와 바인더재의 비율(광산란성 입자의 양/바인더재의 양)이 높을수록 고해상도의 반사막(14)이 얻어진다. 그러나 광학적인 굴절이나 반사에 관한 현상은 질량에는 직접 관계없고, 입자직경이나 체적 비율 등의 칫수에 의한다. 이 때문에 광산란성 입자와 바인더재의 체적 함유율을 매개변수로 했다. 광산란성 입자로서는 Rutile형 TiO2, Al2O3, SiO2 등의 투명성 무기 분체 입자가 이용된다. 이들 입자의 평균 입자직경은 서브미크론의 정도이다. 바인더재로서는 열가소성 수지의 부티럴계, 아크릴계 및 열경화성 수지의 에폭시계, 실리콘계가 이용된다.
광산란성 입자:바인더재의 체적 비율이 4:6 부근까지는 해상도의 지표인 CTF(2Lp/mm)의 값은 30 내지 35% 정도이다. 그러나, 4:6 부근보다 광산란성 입자의 배합 비율이 높아지면 CTF값은 높아진다. 5:5 부근보다 광산란성 입자의 배합 비율이 높아지면 CTF값은 40% 정도 이상이 된다.
도 13 및 도 14는 Al2O3의 광산란성 입자를 적용한 경우의 시험 결과를 도시하고 있다. 도 15 및 도 16은 SiO2의 광산란성 입자를 적용한 경우의 시험 결과를 도시하고 있다. 어느 경우도 TiO2를 이용한 경우보다 CTF값의 개선도는 약간 낮다. 그러나, 광산란성 입자와 바인더재의 배합 비율 의존성에 관해서는 동일한 경향이 확인되었다.
이들 배합 비율에 대한 반사막(14)의 단면을 SEM 관찰한 결과, 제 1 실시예 에서 설명한 것과 동일한 반사막(14)의 공핍부(틈부)와 해상도의 관계가 확인되었다. 즉, 광반사성 입자:바인더재의 체적 비율이 4:6 정도 미만인 반사막(14)에서는 광반사성 입자 사이를 바인더재가 대략 빈틈없이 매립하고 있다. 여기서 상기 4:6 미만이라는 것은 3:7 등을 예로 들 수 있다.
한편, 반사막(14)에 있어서, 광반사성 입자:바인더재의 체적 비율이 4:6 정도 이상이 되면, 광반사성 입자와 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부(틈)가 현재화하게 된다. 상술한 바와 같이 광산란성 입자와 주변에 형성된 공핍부(틈)와의 굴절률 비는 크다. 이 때문에 소영역에서 반사 효과를 최대한 발휘하는 것이 가능하다. 소영역에서의 반사 효과 상승은 신틸레이터층(13)으로부터 나온 형광의 반사광이 멀리까지 확장되는 것을 억제하여 고해상도 특성의 발현에 연결된다고 생각할 수 있다. 또한, 소영역에서의 반사 효과 상승에 의해 신틸레이터층(13)의 형광이 반사막(14)으로부터 신틸레이터층(13)으로 복귀되기까지 통과하는 반사막(14) 내의 통과 거리는 짧게 억제된다. 형광이 여분으로 흡수되지 않기 때문에 소영역에서의 반사 효과 상승은 휘도를 높게 유지하는 면에서도 효과적이다.
계속해서 본 실시형태의 제 4 실시예를 설명한다.
반사막(14)의 광반사성 입자와 바인더재를 이용하여 도포 페이스트를 시작했다. 여기서는 반사막(14)의 광반사성 입자로서 평균 입자직경 0.3㎛의 Rutile형 TiO2가 이용되고 있다. 바인더재로서 열경화성 수지의 실리콘계 수지, 에폭시계 수지 및 열가소성 수지의 아크릴계 수지 및 부티럴계 수지가 이용되고 있다.
그리고, 도포 페이스트를 CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13)상에 도포하여 반사막(14)을 형성하고, 각 반사막(14)의 특성을 비교했다. 수지를 녹이기 위한 용매와 그 첨가량은 각각의 바인더재와의 상성(相性)에서 적절히 선정했다. 용매로서는 톨루엔, 메틸시클로헥산, 시클로헥사논 등이 이용되고 있다. 또한, 도포 페이스트를 이용하여 도포 성막 후, 자연 건조하여 반사막(14)을 형성했다. 도포 페이스트는 TiO2 분체, 바인더재 및 용매를 충분히 혼련하여 작성하고 있지만, 도포하기 전에는 다시 자공전형 교반기에 의해 충분히 교반 혼합하여 이용한다.
이들 시작한 반사막(14)을 비교한 결과, 개관(槪觀) 품위에서 부티럴계 수지를 이용한 반사막(14)이 명확히 우수한 것을 알 수 있었다. 즉, 부티럴계 수지를 이용한 반사막(14)에서는 개관 품위에 영향을 주는 크랙이나 표면 요철 등이 발생하기 어렵다. 또한, 반사막을 두껍게 하면 부티럴계 수지 바인더중에서도 평균 분자량이 대략 5×104 이상의 고중합도 부티럴계 수지를 이용한 경우, 특히 크랙이 발생하기 어려운 것이 판명되었다.
반사막(14)에 이용하는 부티럴계 수지로서 폴리비닐알콜에 산촉매하에서 부틸알데히드를 첨가함으로써 수득되는 폴리머를 사용할 수 있다. 또한, 부티럴계 수지에 아세트산 비닐, 비닐알콜과의 공중합 타입의 부티럴계 수지를 사용할 수도 있다.
부티럴계 수지의 구체예는 에스렉 BL-1, BL-1H, BL-2, BL-5, BL-10, BL-S, BL-SH, BX-10, BX-L, BM-1, BM-2, BM-5, BM-S, BM-SH, BH-3, BH-6, BH-S, BX-1, BX-3, BX-5, KS-10, KS-1, KS-3, KS-5(이상, 세키수이 가가쿠 고교 가부시키가이샤제) 등이다. 용매로의 용해성, 도막의 평탄성, 도막의 크랙성의 점에서 부티럴계 수지를 적절히 선택하는 것이 가능하다.
계속해서 본 실시형태의 제 5 실시예를 설명한다.
평균 입자직경 0.3㎛의 Rutile형 TiO2 분체와, 아크릴계나 부티럴계 수지의 바인더재로 이루어진 반사막(14)이 형성된다. 도포 페이스트 작성 시, TiO2 분체와 바인더재의 혼합 비율을 바꿔 도포액이 작성된다. 신틸레이터층(13)은 막 두께 600㎛의 CsI:Tl 증착막이다. 신틸레이터층(13)상에는 우선은 TiO2 함유 비율이 높은 도막(TiO2:바인더재=90:10 질량비)을 형성하고, 그 후 TiO2 함유 비율이 작은 도막(TiO2:바인더재=50:50 질량비)을 형성한다. TiO2 함유 비율이 높은 도막 및 TiO2 함유 비율이 작은 도막은 약 50㎛ 정도의 막 두께를 갖고 있다.
비교용으로서 비교예 1 및 비교예 2의 반사막(14)을 시작했다. 비교예 1의 반사막(14)은 TiO2 함유 비율이 높은 도막(TiO2:바인더재=90:10 질량비)만으로 형성되어 있다. 이 도막의 막 두께는 100㎛ 정도이다. 비교예 2의 반사막(14)은 TiO2 함유 비율이 작은 도막(TiO2:바인더재=50:50 질량비)만으로 형성되어 있다. 이 도막의 막 두께는 100㎛ 정도이다.
그 결과, 도 17에 도시한 바와 같이 해상도 특성의 차이는 본 실시예와 비교예 1에서 거의 없다. 그러나, 본 실시예 및 비교예 1의 해상도 특성에 비해 비교 예 2의 해상도 특성은 명확히 떨어진다. 또한, 도시하지 않지만 휘도 특성의 유의차는 3가지 예에서 거의 없다. 한편, 반사막(14)의 기계적·열적인 신뢰성(크랙의 발생 용이나 부서지기 쉬움)을 조사하기 위해 진동 시험이나 열충격 시험 등을 실시했다. 조사한 결과, 반사막(14)의 기계적·열적인 신뢰성은 비교예 1에서는 명확히 낮다. 반사막(14)의 기계적·열적인 신뢰성에서 본 실시예나 비교예 2에서는 양호한 결과가 얻어졌다.
상기한 바와 같이 본 실시예의 반사막(14)이 고해상도 특성과 기계적·열적인 신뢰성을 구비한 우수한 특장을 갖는다고 생각된다. 이는 광학적인 특성이 더 중요한 신틸레이터층(13)의 근방측에서는 반사막(14)이 충분한 공핍부(틈)를 확보하고 있다고 생각된다. 공핍부는 TiO2의 함유 비율이 높은 것에 의해 TiO2 입자 사이에 충분히 형성되어 있다고 생각된다. 한편, 반사막(14)의 표층측은 바인더재의 함유 비율이 높은 막으로 형성되어 있으므로 충분한 양의 바인더재에 의해 TiO2 입자 사이의 결착력을 높이고 있다. 이 때문에 기계적·열적인 안정성을 확보하고 있다고 생각된다.
시작 평가의 결과에서 신틸레이터층(13)측의 반사막(14)(반사 우선층)의 TiO2 함유 비율의 기준은 다음과 같으면 좋다. 광산란성 입자와 바인더재의 체적 비율이 4:6 이상(광산란성 입자의 체적/바인더재의 체적 ≥ 4/6). 또한, 상기한 것은 본 실시예와 같이 실질적으로 TiO2 분체만인 경우 이외에도 적용할 수 있다. 또한, TiO2 함유율이 낮은 표층측의 반사막(형상 유지 우선층)의 TiO2 함유 비율의 기준은 다음과 같으면 좋다. 광산란성 입자와 바인더재의 체적 비율이 4:6 이하(광산란성 입자의 체적/바인더재의 체적 ≤ 4/6).
본 실시예에서는 광산란성 입자와 바인더재의 체적 함유 비율이 서로 다른 2 종류의 반사막(14)을 적층했지만, 이에 한정되지 않고 함유 비율이 서로 다른 3종류 이상의 반사막(14)을 적층해도 상기한 효과를 얻을 수 있다.
반사막(14)의 막두께 방향으로 TiO2 함유 비율을 변화시키는 다른 방법으로서는 예를 들면 막(도포 페이스트)중의 TiO2의 고 비중에 의한 침전 효과를 이용하는 방법이 있다. 예를 들면 용매의 첨가량을 많게 하여 도포 페이스트 도포 후의 건조 시간을 길게 함으로써 실시된다. 용매의 첨가 비율이 높을수록 반사막(14)의 막두께 방향으로 TiO2 함유 비율의 구배(勾配)가 발생하는 것이 확인되었다. 상기 방법을 이용함으로써 전술한 적층하는 방법과 동일하게 고해상도이고 고신뢰성의 반사막을 형성할 수 있다.
계속해서 본 실시형태의 제 6 실시예를 설명한다.
도 18에 광로 추적형 광학 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 광산란성 입자의 굴절률에도 의하지만, 광산란성 입자가 대략 10층 전후 이상 적층되면, TiO2 등 고굴절률의 광산란성 입자를 이용한 경우, 80% 이상의 반사율이 얻어진다. 또한, 도시하고 있지 않지만, SiO2 등 굴절률이 그다지 높지 않은 광산란성 입자인 경우에도 60% 이상의 반사율이 얻어진다.
한편, 광산란성 입자의 입자직경이 커지면 충분한 반사율을 얻기 위한 반사막의 막 두께는 이에 대략 비례하여 두꺼워진다. 그 경우, 신틸레이터층(13)측으로 되돌아가는 반사광의 확장은 반사막(14)의 막두께에 따라서 커지고, 해상도의 저하를 초래한다. 또한, 반사막(14)의 막 두께가 큰 경우는 광로 길이가 길어지고, 광의 감쇠가 현재화되며, 휘도에의 악영향도 미친다. 따라서, 반사막은 가능한한 얇고, 또한 상기 관계식을 만족하도록 광반사성 입자의 입자직경을 선정하는 것이 바람지하다.
실제의 반사막(14)에서는 광학 시뮬레이션과 같이 광산란성 입자가 정연히 배열되어 있지 않다. 이 때문에 막 두께와 광산란성 입자의 체적 충전률의 관계로 반사막(14)중에 평균 몇층 정도의 광산란성 입자가 적층되게 되는지를 견적을 낼 필요가 있다.
광산란성 입자의 입자직경을 바꿔 아크릴계, 부티럴계, 실리콘계, 에폭시계의 각 바인더재 (1)~(4)를 이용한 경우의 (광산란성 입자의 입자직경/체적 함유율)/반사막 두께와 해상도 특성의 시험 결과를 도 19 및 도 20에 도시한다. 신틸레이터층(13)은 진공 증착법에 의해 0.7mm의 유리 기판상에 형성된다. 신틸레이터층(13)은 CsI:Tl 증착막으로 형성되고, 600㎛의 막 두께를 갖고 있다. 도포 페이스트는 신틸레이터층(13)상에 건조시 막 두께 상당 막두께 50㎛로 도포되어 건조되고, 반사막(14)이 형성된다. 도포 페이스트는 Rutile형 TiO2 분체를 이용하고 있 다. 도포 페이스트의 TiO2 분체의 체적 함유율은 70%이다.
이들 결과로부터 동일 막 두께인 경우, 광산란성 입자와 체적 충전률과 반사막 두께의 관계가 대략 다음과 같은 관계를 만족하는 범위에서 특히 해상도의 개선 효과가 현저히 나타나는 것을 알 수 있었다.
광산란성 입자의 평균 입자직경/광산란성 입자의 체적 충전률≤1/10×막두께
계속해서 본 실시형태의 제 7 실시예를 설명한다.
기둥 형상 구조의 신틸레이터층(13)은 CsI:Tl 증착막으로 형성되고, 600㎛의 두께를 갖고 있다. 신틸레이터층(13)을 형성할 때, 온도나 분위기압 등의 증착 조건을 바꾸고 있다. 이에 의해 CsI:Tl 증착막의 필러(기둥)의 선단의 평균 피치가 약 6㎛~약 16㎛의 신틸레이터층(13)이 작성되어 있다. Rutile형 TiO2 분체의 평균 입자직경을 바꿔 반사막(14)을 시작하고, TiO2의 평균 입자직경과 해상도 특성의 관계를 시험했다. 바인더재는 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계 또는 부티럴계의 수지이다. 용매는 각각의 바인더재에 대해 적절히 선정된다. 용매의 첨가량은 점도를 고려하면서 결정된다.
도 21 및 도 22에 도시한 바와 같이, CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13)의 필러(기둥) 피치(도면에는 필러 피치라고 나타냄)의 차이에 의해 당연히 신틸레이터층(13)의 해상도 특성에 차이가 생긴다. 그러나, 반사막(14)의 TiO2 입자직경과 기둥 피치의 관계에서 보면, 반사막(14)의 TiO2 입자직경이 기둥 피치의 대략 1/4(0.25)보다 낮은 경우, 해상도 특성의 현저한 개선이 보였다.
도시하지 않지만, 이 경향은 GOS:Tb의 소성형 신틸레이터를 다이싱으로 매트릭스상으로 화소 분리한 신틸레이터층(13)이라도 동일한 것을 확인할 수 있었다. 이 경우, 광산란 입자의 입자직경이 분리의 화소 피치에 대해 1/4 정도 이하이면 해상도 특성의 상승이 현저해졌다.
계속해서 본 실시형태의 제 8 실시예를 설명한다.
도 23에 광산란성 입자의 입자직경과 반사율에 관한 광학 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 그 결과, 광산란성 입자를 이용한 반사막(14)이 고반사율이 우수한 반사막(14)으로서 기능하므로 반사막(14)의 광산란성 입자의 입자직경이 신틸레이터층(13)에서 발생한 형광 파장의 1/10 내지 10배 정도의 범위 내이면 좋은 것을 알 수 있다. 실제로 시작에 이용하는 TiO2 등의 광산란성 입자의 입자직경은 신틸레이터층(13)의 CsI:Tl의 형광 파장 피크(540nm)나 GOS:Tb의 주 형광 파장(535nm)에 대해 1/10 내지 10배의 범위 내이다. 또한, 반사막(14)의 광산란성 입자의 평균 입자직경이 신틸레이터층의 최대 발광 파장의 1/10 내지 10배의 범위내이면 상술한 효과를 얻을 수 있다.
계속해서 본 실시형태의 제 9 실시예를 설명한다.
도 24 및 도 25에 해상도 특성을 평가한 결과를 도시한다. 여기서는 화소 피치가 150㎛ 및 300㎛의 각 어레이 기판(12)상에 CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13) 및 반사막(14)이 형성되어 있다. 본 실시예에서는 어레이 기판(12)상에 신 틸레이터층(13) 및 반사막(14)을 성막하여 2Lp/mm의 콘트라스트 차트의 화상 출력으로 CTF(2Lp/mm)%를 구했다. 어레이 기판(12)을 통해 측정하는 해상도는 화소 피치로 정해지는 Niquist 주파수(fNq)와 해상도를 측정하는 공간 주파수(f(Lp/mm))의 관계로 SIN(X)/X배로 저감한다. 여기서 X=(π/2)·(f/fNq)이다. 본 실시예의 경우, 150㎛ 피치의 어레이 기판(12)에서는 2Lp/mm의 해상도는 막의 해상도의 약 0.86배로 저감한다. 또한, 300㎛ 피치의 어레이 기판(12)에서는 2Lp/mm의 해상도는 막의 해상도의 약 0.50배로 저감한다.
반사막(14)에 이용한 광산란성 입자는 Rutile형 TiO2 분체 및 SiO2 분체이다. Rutile형 TiO2 분체는 고굴절율의 대표이다. SiO2 분체는 저굴절률의 대표이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 막 두께와 광산란성 입자의 평균 입자직경의 관계가 제 6 실시예에서 나타낸 관계식을 만족한 조건하에서 막두께가 화소 피치와 동일 정도 이하인 경우에 특히 해상도 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는 제 6 실시예에서 나타낸 관계식을 만족하고 있다. 그리고, 도면에 도시한 바와 같이 막 두께가 화소 피치와 동일 정도 이하인 경우, 특히 해상도 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 단, 도시하지 않지만, 해상도와는 반대로 휘도는 반사막 두께의 박막화에 따라 저감하는 경향을 나타낸다. 상술한 바와 같이 반사막 두께가 얇은 경우, 반사막(14)에 의한 휘도 상승률은 저하하지만, 해상도의 열화는 억제된다. 휘도 상승률은 신틸레이터층(13)의 형광의 일부가 반사막(14)을 통과하여 손실되는 비율이 커짐에 따라서 저하한다고 생각된다. 해상도의 열화는 반사 막(14)내에서 면 방향의 보다 먼쪽으로의 형광의 확장이 적어지므로 억제된다고 생각된다.
계속해서 본 실시형태의 제 10 실시예를 설명한다.
신틸레이터층(13)상에 복수 종류의 반사막(14)을 시작한 경우에 있어서, 특성을 도 26 및 도 27에 도시한다. 신틸레이터층(13)은 CsI:Tl의 증착막으로 형성되고, 600㎛의 두께를 갖고 있다. 반사막(14)은 Rutile형 TiO2 분체를 이용하여 형성되어 있다. 반사막(14)의 TiO2 분체의 함유율은 70%이다. 반사막(14)은 50㎛의 두께를 갖고 있다. 반사막(14)은 예를 들면 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계, 부티럴계 등의 적당한 바인더재 및 이 바인더재에 적합한 적당한 용매를 이용하여 형성되어 있다. 또한, 반사막(14)은 신틸레이터층(13)의 형광을 흡수하는 안료계의 필러재를 이용하여 형성되어 있다. 반사막(14)을 시작할 때, 필러재의 첨가율을 바꿔 실시했다. 필러재의 첨가율이 높아짐에 따라서 휘도는 약간 저하하지만, 반대로 해상도는 개선된다. 상기한 것은 신틸레이터층(13)의 형광의 일부를 반사막중의 필러재가 흡수함으로써 반사막(14)의 토탈 반사율이 저감되고, 해상도 저하로의 영향이 작은 직접광의 비율이 상대적으로 증대하기 때문이라고 생각된다. 또한, 상기한 것은 반사막(14)중의 먼쪽으로의 형광의 확산이 억제되고, 해상도를 보다 저하시키는 반사광 성분이 감소하기 때문이라고 생각된다.
X선 검출기(11)의 용도에 따라서는 휘도를 어느 정도 저하시켜도 해상도가 중시된다. 형광 흡수성 필러재의 재질, 형상 및 첨가량을 적정화함으로써 휘도와 해상도의 밸런스를 시프트시키는 것이 가능해진다. 필러재의 재질로서는 예를 들면 카본블랙, 그림 물감 및 페인트에 이용되는 안료 등 중에서 선정할 수 있다.
계속해서 본 실시형태의 제 11 실시예를 설명한다.
반사막(14)의 성막은 기본적으로는 신틸레이터층(13)의 상면을 덮도록 도포 페이스트를 도포한 후에 건조시켜 실시한다. 그러나, 건조시의 반사막(14)의 체적 수축에 의해 반사막(14)이 신틸레이터층(13)에 응력을 미치고, 신틸레이터층(13)의 박리, 즉 어레이 기판(12)과 신틸레이터층(13) 사이에 박리가 발생할 우려가 있다.
본 실시예에서 도포 페이스트를 CsI:Tl 증착막의 신틸레이터층(13)상에 도포하여 건조시켜 반사막(14)을 형성했다. 도포 페이스트는 Rutile형 TiO2 분체와, 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계, 또는 부티럴계의 바인더재와, 바인더재에 적합한 용매로 이루어진다. 도포 페이스트를 작성할 때, 예시는 하지 않지만 용매 첨가량 등도 변화시켜 실시했다. 신틸레이터층(13)은 25mm 스퀘어이고, 600㎛의 막 두께를 갖는다. 또한, 본 실시예와 비교하기 위해 비교예로서 도포 페이스트의 도포 영역 및 도포량을 바꿔 반사막(14)을 형성했다.
계속해서 본 실시예 및 비교예를 비교한 결과를 나타낸다.
본 실시예에서 도포 페이스트를 신틸레이터층(13)의 상면부에만 도포하고, 측면부에는 도포하지 않고, 반사막(14)을 형성했다. 이 경우, 도 28에 도시한 바와 같이 반사막 두께가 200㎛를 초과하기까지 CsI:Tl의 신틸레이터층(13)의 박리는 발생하지 않았다.
한편, 비교예에서 도포 페이스트를 신틸레이터층(13)의 상면부 및 측면부에 도포하여 반사막(14)을 형성했다. 이 경우, 도 29에 도시한 바와 같이 반사막 두께가 150㎛ 정도라도 CsI:Tl의 신틸레이터층(13)의 박리가 발생했다. 이 경향은 용매의 첨가율에는 특별히 의존성은 보이지 않았다. 상기한 바와 같이 반사막(14)을 신틸레이터층(13)의 측면부까지 피복한 경우, 건조시의 반사막(14)의 체적 수축에 의한 응력에 의해 신틸레이터층(13)의 단면에 벗기는 힘(박리 모드의 힘)이 작용하여 신틸레이터층(13)의 주변부로부터 박리가 발생하기 쉬워진다고 추정된다.
계속해서 본 실시형태의 제 12 실시예를 설명한다.
반사막(14)의 도포 페이스트를 작성할 때, 바인더재를 용해하는 용매중에서 비점이 다른 몇가지 용매를 이용하여 도포 페이스트를 시작했다. 이들 도포 페이스트를 이용하여 성막한 반사막을 비교했다. 광산란성 입자로서는 평균 입자직경 0.3㎛의 Rutile형 TiO2 분제가 이용된다. 바인더재로서는 아크릴계 및 부티럴계의 수지를 이용했다. 비교용 용매는 아세톤(비점=약 56℃), 메틸시클로헥산(비점=약 101℃), 시클로헥사논(비점=약 156℃) 등이다.
반사막(14)을 비교한 결과, 예를 들면 아세톤 등의 비점이 낮은 용매를 이용한 경우에는 평활성이 나쁜 반사막(14)이 된다. 상기한 것은 도포 페이스트의 도포 후의 건조가 빠르므로 도포 시에 발생하는 반사막 표면의 구불구불함이나 도포 불균형이 그대로 남기 때문이다. 또한, 급격한 건조에 의해 반사막(14)에 크랙도 발생하기 쉽다.
한편, 비점이 높은 메틸시클로헥산 및 시클로헥사논을 이용한 경우, 표면의 평활성이 우수한 반사막(14)이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 상기한 것은 도포 후의 건조 시간은 필요하지만, 건조하기까지의 동안에 도포막 표면의 평활성이 개선되기 때문이다. 또한, 단시간의 건조에 비해 크랙의 발생도 억제된다. 특히 시클로헥사논을 이용한 경우, 표면 평활성이 우수한 반사막(14)이 얻어지기 쉽다. 이들 평활성이 우수한 반사막(14)은 X선 화상의 휘도 불균형을 작게 할 수 있고, 또한 크랙도 발생하기 어렵기 때문에 신뢰성면에서도 우수하다. 반사막의 상면에 방습막(폴리파라크실리렌의 CVD막 등)(15)을 형성한 경우, 반사막(14)에 크랙이 없으므로 방습막의 연속성을 확보할 수 있고, 높은 방습 성능이 얻어진다.
용매의 비점 온도가 높을수록 반사막(14)의 평활성 개선 효과는 높다. 비점이 대략 100℃ 이상의 용매이면, 예를 들면 디스펜서, 바코트, 콘택트메탈스크린 인쇄, 붓칠 등의 여러 가지 도포 방식이라도 특별히 문제없는 레벨의 평활성을 확보할 수 있다.
계속해서 반사막(14)의 형성 후의 공정에 관해 설명한다.
반사막(14)을 형성 후, 신틸레이터층(13)의 흡습에 의한 특성 열화를 방지하기 위해 방습막(15)을 형성했다. 방습막(15)을 형성할 때, 폴리파라크실리렌의 열 CVD막으로 신틸레이터층(13)과 반사막(14)의 표면 전체를 덮는 방법을 이용했다.
열CVD 장치는 기화실, 열분해실, 증착실, 배기계 등으로 이루어진다. 파라크실리계 수지의 다이머를 기화실에서 기화하고, 그 후 열분해실에서 반응성이 높은 래디컬인 모노머까지 분해하여 증착실에 도입된다. 반사막까지 형성한 시료는 증착실에 넣고, 모노머로서 증착실에 도입된 파라크실리렌이 시료의 표면에 접촉하여 중합하고, 폴리머막으로서 퇴적된다. 본 실시예에서는 파라크실리렌계중에서도 수증기 투과율이 낮아지는 파릴렌C를 이용하여 폴리파라크실리렌 방습막의 막 두께는 약 20㎛로 했다.
어레이 기판(12)의 주변부의 전극 패드부 등은 CVD 공정 전에 미리 마스크 테이퍼 등으로 보호하여 CVD에 의한 성막 후에 마스크 테이프를 벗기는 방법으로 전극 패드를 노출시키고 있다.
폴리파라크실리렌 방습과 다른 방습 방식으로서는 알루미라미네이트 필름이나 알루미박, 무기막과 유기막의 적층 방습 시트 또는 유리판 등 수증기 배리어성이 높은 방습층 부재와, 신틸레이터 주변부에 배치하는 프레임 형상의 방습 부재를 이용하는 방식 등 여러 가지 방식의 적용이 가능하다.
방습막(15)의 형성에 의해 X선 검출기(11)의 패널은 완성된다. 계속해서 제어 라인, 신호 라인의 각 전극 패드부에 TAB 접속에 의해 배선을 연결하고, 배선을 통해 각 전극 패드부를 앰프 이후의 회로에 접속한다. 또한, 패널을 하우징체 구조에 조립함으로써 본 실시예의 X선 검출기(11)가 완성된다.
본 실시예의 X선 검출기(11)의 주요 특성으로서 휘도 특성을 평가했다. 또한, 해상도 차트를 이용하여 CTF(Contrast Transfer Function)를 측정하여 해상도 특성을 평가했다. 비교용 종래예의 반사막으로서는 알루미 반사판을 신틸레이터층(13)에 눌러 형성한 반사막 및 스퍼터링 성막을 이용하여 Ag-Pt-Cu 합금을 신틸레이터상에 직접 형성한 반사막이다. 또한, 이들 종래예의 반사막을 이용한 경우 의 특성도 본 실시예와 동일하게 평가했다.
이들 평가 결과를 도 30 및 도 31에 도시한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 X선 검출기(11)에서 반사막이 없는 경우의 특성에 대해 휘도는 대폭 상승되고, 또한 해상도의 저하는 작다. 알루미 반사판을 반사막으로서 이용한 비교용 X선 검출기에서 휘도는 그대로 상승하지만, 해상도의 저하는 크다. 또한, Ag-Pt-Cu 합금을 반사막으로서 이용한 비교용 X선 검출기에서 해상도는 상승하지만 휘도는 저하한다. 이는 CsI:Tl막의 기둥 구조상에서는 증착이나 스퍼터법 등의 박막 성막 방식의 반사막은 평활성을 얻을 수 없고, 반사 효과를 충분히 발휘할 수 없기 때문이라고 생각된다. 비교용 반사막은 신틸레이터층(13)의 표면측으로의 형광을 흡수하므로 해상도는 상승되지만, 휘도는 손실된다. 휘도의 손실은 X선 검출기로서는 치명적이다.
상기한 바와 같기 때문에 본 실시예의 반사막(14)을 이용한 X선 검출기(11)는 휘도 특성과 해상도 특성 모두 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 실시 단계에서는 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화 가능하다. 또한, 상기 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 여러 가지 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면 실시형태에 나타낸 전체 구성 요소에서 몇가지 구성 요소를 삭제해도 좋다.
예를 들면 본 발명은 X선 검출기와 그 제조 방법에 한정되지 않고, 방사선 검출기와 그 제조 방법이면 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면 반사막에는 광산란성 입자의 주변부에 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부가 형성되어 있으므로 광산란성 입자와 공핍부의 계면에서의 굴절각은 작아지고, 신틸레이터층에 의해 변환된 형광의 다중 굴절에 의한 반사 효과가 소영역 내에서 발생한다. 반사광의 먼곳으로의 확산에 의한 해상도 저하나 휘도의 저하를 억제할 수 있으므로 고해상도, 고휘도의 방사선 검출기를 제공할 수 있다.
Claims (12)
- 광전 변환 소자,상기 광전 변환 소자상에 형성되고, 방사선을 형광으로 변환하는 신틸레이터층,상기 신틸레이터층상에 형성되고, 상기 신틸레이터층으로부터의 형광을 반사시키는 광산란성 입자 및 상기 광산란성 입자 사이를 결합하는 바인더재를 함유하고, 또한 상기 광산란성 입자의 주변부에 상기 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부가 형성되어 있는 반사막을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 신틸레이터층은 기둥 형상 구조를 갖고,상기 반사막의 광산란성 입자는 상기 신틸레이터층상에 위치하며, 또한 상기 신틸레이터층의 기둥 사이에 침입되어 있는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막은 상기 광산란성 입자의 체적/상기 바인더재의 체적≥4/6의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 바인더재는 부티럴계 수지인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막의 상기 광산란성 입자의 체적 점유 비율은 상기 반사막의 표층측 보다 상기 신틸레이터층측에서 큰 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막은 상기 광산란성 입자의 평균 입자직경/상기 광산란성 입자의 체적 충전률≤1/10×막 두께의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 신틸레이터층은 기둥 형상 구조를 갖고,상기 반사막의 광산란성 입자의 평균 입자직경은 상기 신틸레이터층의 기둥 형상 구조의 기둥 사이 평균 피치에 대해 1/4 이하인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막의 광산란성 입자의 평균 입자직경은 상기 신틸레이터층의 최대 발광 파장의 1/10 내지 10배의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광전 변환 소자는 소정의 피치로 배열되고,상기 반사막의 막 두께는 상기 광전 변환 소자의 피치와 동등 이하인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막은 상기 신틸레이터층이 발광하는 형광 성분의 적어도 일부를 흡수하는 광흡수성 필러재를 함유하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막은 상기 신틸레이터층의 상면부를 피복하고, 상기 신틸레이터층의 측면부를 피복하지 않으며 피복해도 상면부에 대해 얇은 막 두께를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 기판상에 광전 변환 소자를 형성하는 단계,상기 광전 변환 소자상에 신틸레이터층을 형성하는 단계,광산란성 입자와 상기 광산란성 입자 사이를 결합하는 바인더재와 상기 바인더재를 용해하는 비점 100℃ 이상의 용매를 교반 혼합한 도포액을 상기 신틸레이터층상에 도포한 후에 건조시키고, 상기 광산란성 입자의 주변부에 상기 바인더재가 충전되어 있지 않은 공핍부가 형성된 반사막을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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| FPAY | Annual fee payment |
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