KR20100010964A

KR20100010964A - 다중 촬영 액정 엑스선 검사장치

Info

Publication number: KR20100010964A
Application number: KR1020080071978A
Authority: KR
Inventors: 노봉규
Original assignee: 세심광전자기술(주)
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-03

Abstract

본 발명은 측정의 정밀도를 높인 액정 엑스선 검사 장치에 관한 것이다. 액정 엑스선 검사장치는, 광전도층에서 엑스선이 흡수되면서 생긴 전하가 액정층의 배열의 변화를 주어, 액정 엑스선 검사판에서 반사특성이 달라지는 것을 재서 영상정보를 얻는다. 액정 엑스선 검사장치는 초기 연구 단계라서 바이어스 전압 파형, 영상처리방법, 광전도층 전하의 소거 방법 등이 아직 확립되지 않았다. 본 발명에서는 액정 엑스선 검사판에 비저항이 높은 액정을 주입하여, 화면을 여러 번 촬영하고, 이를 평균하여 영상정보를 나타내어 측정 정밀도를 높였다. 또한 바이어스 전압 파형을 최적화하고, 광전도층에 있는 전하를 소거하는 동안에 바이어스 파형을 걸어주어 전자와 정공이 재결합하는 확률을 높여, 잔상 효과를 줄였다. 본 발명의 액정 엑스선 검사장치는 산업용 및 의료용으로 쓰일 수 있다.

엑스선, 광전도층, 검사장치, 소거빔, 전압보전율

Description

다중 촬영 액정 엑스선 검사장치 {Liquid Crystal X-Ray Detection Device With Multiple Image Caption}

본 발명은 측정의 정밀도를 높인 액정 엑스선 검사 장치에 관한 것이다. 액정 엑스선 검사장치는 초기 연구 단계라서 바이어스 전압 파형, 영상처리방법, 광전도층 전하의 소거 방법 등이 아직 확립되지 않았다. 본 발명에서는 영상의 측정 정밀도를 높이고, 최적화된 바이어스 전압 파형 및 전자와 정공이 재결합하는 확률을 높여 잔상 효과를 줄이는 것에 관한 것이다.

액정 엑스선 검사장치는 1983년 휘냐르(Huignard, 국적 프랑스)등이 광전도층에 콜레스트릭 액정층을 둔 구조를 맨 처음 고안하였다 (참고문헌 ; USP4,368,386). 비정질 셀레늄과 네마틱 액정의 구조로 된 액정 엑스선 검사장치를 로울랜드가 2008년 크기 3cm 정도를 개발 발표하였다 (참고문헌 ; Med. Phys. 35(3), March, p959). 액정 엑스선 검출장치는 낮은 비용과 적은 조사선량 등의 장점이 있지만, 상업화 연구개발이 아직 초기 단계이다. 액정의 시야각(Viewing Angle) 의존성, 액정의 응답(Response Time)특성과 액정의 전압 보전율(Voltage Holding Ratio) 그리고 구동전압 파형과 같은 분야가 현재 정립되지 않았다. 본 발명에서는 액정 엑스선 검출장치의 다중 영상 촬영 조건, 최적 바이어스 파형과 그리고 광전도층의 소거 방법에 대하여 다룬다.

액정 엑스선 검사장치는, 시료를 지난 엑스선 빛의 강도분포를 재서, 시료의 상태를 알아내는 장치이다. 도 1은 액정 엑스선 검사장치의 개략도이다. 액정 엑스선 검사장치는 크게 엑스선 발생기(500), 액정 엑스선 검사판(100), 거울(200), 광원(300), 그리고 영상검출부(400)로 구성된다. 엑스선 발생기(500)에서 나와, 시료를 지난 엑스선은 액정 엑스선 검사판(100)에서 액정분자의 배열분포를 달라지게 한다. 액정 엑스선 검사판은 편광판이 한 장이 붙은 반사형이다. 광원(300)에서 나온 빛은 거울(200)에서 반사되어 액정 엑스선 검사판(100)에서 되반사되어 나오면서 편광반사특성이 달라진다. 편광반사 특성의 차이로 밝기 분포가 달라지는데, 이를 영상검출부(400)에서 재서 영상정보를 저장한다. 영상검출부는 CCD나 CMOS와 같은 영상소자와 렌즈로 이루어진다.

도 2는 액정 엑스선 검사판(100)의 단면도이다. 상유리기판(111)과 하유리기판(121)에는 바이어스 전압(Vb)을 걸어주는 상전극(112)과 하전극(122)이 피막되어 있다. 상전극과 하전극 사이에는 광전도층(113)과 반사판(114)과 상배향막(115)과 액정층(130) 그리고 하배향막(125)이 형성되어 있다. 바이어스 전압 파형은 보통 DC이다. DC 전압이 걸린 광전도층(113)에 엑스선이 조사되면, 광전도층에서 엑스선이 흡수되어, 전자(electron)와 정공(hole)이 생긴다. 전자와 정공이 생기는 숫자 는 엑스선 발생기의 가속전압과 조사되는 엑스선량, 그리고 광전도층에 걸린 DC전압과 광전도층의 종류와 그리고 광전도체의 두께에 따라서 다르다. 광전도층에 생긴 전자와 정공은 바이어스 전극에서 걸어주는 전기장 때문에 각각의 반대 극성을 갖는 전극으로 분리된다. 액정층은 부도체이므로, 액정층 접촉면에는 정공이 적층이 되고, 이 정공 때문에 액정층에 걸리는 전압의 차이가 생겨, 액정층의 편광 반사율 분포가 다르다. 이 분포의 차이를 영상검출부(400)에서 촬영하여 엑스선 영상정보를 얻는다. 광전도층의 두께는 재질에 따라서 다르지만, 엑스선이 어느 정도 흡수되는 영역인 100 ~ 500㎛ 정도이다. 액정 엑스선 검사 장치에서는 쓰는 빔(Write Beam)이 엑스선이고, 읽는 빔(Read Beam)은 광원(300)에서 나온 빛이다. 액정 엑스선 검사판에서 반사되어 나오는 빛의 밝기 분포를 재서 엑스선 정보를 알아낸다. 읽는 광의 에너지가 광전도체의 밴드갭(band gap) 보다 크면, 읽는 광이 광전도층에서 흡수되어 전자와 정공을 만든다. 따라서 광원은 적색이나 근적외선이 나오도록 한다. 광전도체가 비정질 셀레늄의 경우에는 밴드갭이 2.3eV이므로, 이에 대응되는 파장은 약 540nm이다. 따라서 광원의 파장이 600nm 이상이면 광전도체가 셀레늄인 액정 엑스선 검사장치에 적용할 수 있다.

액정 엑스선 검사장치는 초기 연구 단계라서 바이어스 전압파형, 영상처리, 광전도층 전하의 소거 방법 등이 아직 확립되지 않았다. 본 발명에서는 액정 엑스선 검사장치의 영상 정보에 대한 측정 정밀도를 높이기 위한 액정 재료 선정, 이미지 처리, 바이어스 전압 파형의 생성 그리고 연속촬영에 대한 영향이 없도록 광도전층에 있는 전하의 빠른 소거 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 액정 엑스선 검사판에 비저항이 높은 액정을 주입하여, 화면을 여러 번 촬영하여, 평균하여 영상정보를 나타내므로 측정의 정밀도를 높였다. 또한 바이어스전압 파형을 최적화하고, 광전도층에 있는 전하를 소거하는 동안에 바이어스 파형을 걸어주어 전자와 정공이 재결합하는 확률을 높여, 잔상 효과를 줄였다. 또한 읽는빔과 소거빔 램프를 영역을 분리하여 일체화함으로 비용 및 공간을 줄일 수 있다.

액정 엑스선 검사장치는 초기 연구 단계라서 바이어스 전압파형, 영상처리, 광전도층 전하의 소거 방법 등이 아직 확립되지 않았다. 본 발명에서는 액정 엑스선 검사판에 비저항이 높은 액정을 주입하여, 화면을 여러 번 촬영하여, 평균하여 영상정보를 나타내므로 측정의 정밀도를 높였다. 또한 바이어스 전압 파형을 최적화하고, 광전도층에 있는 전하를 소거하는 동안에 바이어스 파형을 걸어주어 전자와 정공이 재결합하는 확률을 높여, 잔상 효과를 줄였다. 또한 읽는빔과 소거빔 램프를 영역을 분리하여 일체화함으로 비용 및 공간을 줄일 수 있다. 본 발명의 액정 엑스선 검사장치는 산업용 및 의료용으로 쓰일 수 있다.

액정층 양단에 걸린 유효전압에 따라서 반사도가 달라진다. 도 3은 액정층에 걸린 전압에 따른 반사 곡선이다. 액정(MAT-07-1034)의 규격은 표 1에 있다. 액정층 두께는 5㎛이고, 꼬인각은 90도이다.

MAT-07-1034 액정 규격

광특성	ne	1.6367
광특성	no	1.4984
유전특성	ε∥	8.4
유전특성	ε⊥	3.7
상전이온도	60℃

최대 반사도 변화율을 100%로 하여, 10%가 변했을 때의 전압을 문턱치전압 V(10)으로 표기하고, 90%가 변했을 때의 전압을 포화전압 V(90)으로 나타낸다. 액정층에 걸린 전압이 문턱치전압 보다 낮거나 또는 포화전압보다 큰 영역에서는 반사도곡선의 기울기가 낮아서 또는 반사도 변화가 없어, 반사도를 재서 액정층에 걸린 전압을 정확히 결정하기 어렵다. 따라서 상전극과 하전극에 걸린 바이어스 전압과 엑스선량을 조절하여, 액정층에 걸린 전압이 문턱치전압과 포화전압 사이에 두어야한다.

도 4는 영상을 얻는 타이밍 챠트(Timing Chart)의 한 예이다. 먼저 바이어스 전압이 Vs가 되도록 걸어준다. 바이어스 전압 Vs가 걸리는 일부 동안에 엑스선 발생기에서 엑스선이 조사된다. 엑스선이 조사된 광전도층에는 전자와 전공이 생기고, 바이어스 전압 Vs에 의한 전기장 때문에 각각의 전하는 반대전극으로 이동한다. 하전극이 -전극이라면 액정층에서 정공이 쌓인다. 엑스선 조사가 끝나면, 바이어스 전극 전압을 Vr로 바꾸어준다. 바이어스 전압 Vr과 액정층에 쌓인 전하에 의하여 액정층에 걸린 전압분포(V _LC )가 아래 식과 같이 달라진다.

C _LG 는 액정의 축전용량이고, C _PH 는 광전도체의 축전용량이고, σ는 정공의 전하밀도이다. 바이어스 전압 파형이 Vs에서 Vr로 변하는 동안에 광원(400)에서는 읽는 빔을 조사한다. 읽는 빔의 광에너지는 광전도체의 밴드갭보다 작어야 한다.

바이어스 전압 파형이 Vs에서 Vr로 변하고, 읽는 빔의 휘도와 액정의 응답이 안정화되면 영상측정을 한다. 영상측정이 끝나면 다음 측정을 위하여 액정층에 적층된 전하를 빨리 소거시켜야한다. 광전도체의 비저항이 워낙 높기 때문에 자연적인 소거는 수 분이 걸리기도 한다. 광전도체에 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 빔을 조사하면 소거가 빨리된다. 소거 빔을 조사하면서 바이어스파형은 교류전압을 걸어준다. 교류전압을 걸어주면 전자와 정공이 전기장에 의하여 움직이기 때문에 결합이 빨리된다.

액정층에는 DC전압이 걸리지 않도록 유의해야한다. 소거시키는 동안에 걸어주는 교류 파형을 변형하여 액정층에 걸린 DC전압을 어느 정도 보정한다. 전하를 분리하는 Vs동안에 액정층에는 +전압이 걸리고, 또한 측정하는 동안에 +Vr전압이 걸린 상태이므로, 교류전압이 걸리는 동안에는 이를 보정한다. 따라서 V(-)가 V(+)보다 크게 DC 오프셋이 걸리도록 교류 파형을 만든다.

광전도체의 비저항은 보통 10¹²Ωcm 이상이고, 보통 유전상수는 6~10이므로, 광전도체의 시상수(Time Constant:비저항과 유전율의 곱)는 1초 이상이다. TFT LCD에 쓰이는 액정도 비저항은 보통 10¹³Ωcm 이상이고, 보통 유전상수는 10정도 이다. 액정의 시상수는 10초 이상이다. 이는 액정이 2~8초 정도 내에서는 어느 정도 전압을 보전하고 있다. 따라서 이 기간 동안에 촬영을 여러 번 하고 이를 신호처리(Data Processing)하면, 한번 측정한 경우보다 정밀한 정보를 얻을 수 있다. 영상소자가 8bit 신호라면, 4번 측정하여 각 화소의 신호를 더하면 10bit 신호가 된다. 낮은 비트의 영상소자라도 여러 번 재서 신호처리하면 높은 비트의 영상을 얻 을 수 있다. 또는 인접 측정값 사이에 변화값을 살펴보면서 다른 영상정보를 얻을 수 있다. 도 5는 영상측정을 두 번한 예이다. 영상측정을 한번 더한 것을 제외하고는 도 4와 동일한 흐름이다.

바이어스 전압 Vr을 결정하는 것은 매우 중요하다. 액정은 문턱치 전압 이하에서는 반응하지 않기 때문에 초기에 액정층에 전하가 축적되더라도, 액정이 반응하지 않는다. 따라서 초기 전하가 축전되지 않았을 때 액정층에는 문턱치전압이 걸리도록 바이어스 전압 Vr을 설정해야한다. 도 6은 바이어스 전압 Vr을 결정하는 타이밍챠트이다. 엑스선은 조사하지 않고, 상하전극에 바이어스 전압을 증가하면서 액정 엑스선 검사판에서 반사되는 빛을 잰다. 이를 각각의 화소마다 또는 액정 엑스선 검사판을 여러 영역으로 나누고 각각의 영역에서 평균값을 기록할 수도 있다. 화소의 밝기를 바이어스전압에 따라 반사도를 나타내면 도6과 같은 곡선이 되는데, 반사율이 10% 정도 변하는 V(10)을 찾아서 이를 바이어스전압 Vr로 정한다. 도 3에서 V(10)은 대략 2.5V이다. 비정질 셀레늄의 경우 유전상수가 5.8이고, 두께가 500㎛라면, Vr은 아래 식으로 160V라는 대략적인 값을 얻을 수 있다.

전하를 분리하는 바이어스 전압(Vs)을 결정하는 차례는 도 7의 타이밍 챠트 에 나타나있다. Vr은 도 5처럼 먼저 결정한다. 엑스선을 조사하면서 바이어스 전압 파형을 걸고, 엑스선이 조사되는 동안에 전하를 분리하는 바이어스전압 Vs를 증가하면서 영상을 측정한다. 엑스선 발생기에서 나온 빛이 모두 액정 엑스선 검출기에 들어가게 한다. 즉 시료를 두지 않는다. Vs를 증가하면서 반사도를 재면 도 8과 같은 곡선을 얻는데, 반사도가 90% 정도 변하는 전압 V(90)을 찾아서 이 전압을 Vs로 한다. 비정질 셀레늄인 경우에는 광전도체의 전기장이 5V/㎛ ~ 10V/㎛이므로, 두께가 500㎛이라면 Vs는 대략 2,500V ~ 5,000V이다.

광원에서는 읽는 빔과 소거 빔이 시간차이를 두고 조사해야한다. 광원을 도 10처럼 구성하면 경제적이다. 도 10은 광원의 평면도로, 일부에는 읽는 빔에 해당하는 램프가 있고, 나머지 부분에는 소거 빔 램프가 있다. 광전도체는 주로 비정질 셀레늄이나, PbI₂ 또는 HgI₂와 같이 밴드갭이 보두 2.3~2.3eV에 있으므로, 읽는빔의 파장은 630nm, 650nm, 670nm 빛이 나오는 붉은색 LED가 적당하다. 소거 빔은 480nm 또는 450nm 빛이 나오는 파란색 LED가 적당하다. 면적비를 달리하여 광량비를 조절할 수 있다. 소거 빔의 휘도가 밝도록 소거 빔의 램프가 차지하는 면적비를 크게 한다.

도 9위에 확산판을 두어, 광원의 휘도를 균일하게 한다.

도 1은 액정 엑스선 검사장치의 개략도이다.

도 2은 액정 엑스선 검사판 동작을 나타내는 설명도이다.

도 3은 액정층의 전기광학 반사 곡선이다.

도 4는 영상을 얻는 타이밍 챠트의 한 예이다.

도 5는 영상을 얻는 타이밍 챠트의 한 예이다.

도 6는 바이어스전압 Vr을 알아내는 타이밍 챠트이다.

도 7는 도 6의 신호로 얻은 액정 엑스선 검사판의 반사도 곡선이다.

도 8은 바이어스전압 Vs을 알아내는 타이밍 챠트이다.

도 9는 도 7의 신호로 얻은 액정 엑스선 검사판의 반사도 곡선이다.

도 10은 본 발명의 광원의 한 예이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

100 : 액정 엑스선 검사판

111 : 상유리기판

112 : 상전극 113 : 광전도층

114 : 반사막 115 : 상배향막

121 : 하유리기판 122 : 하전극

125 : 하배향막 126 : 편광판

130 : 액정층

200 : 거울 300 : 광원

301 : 읽는 빔 램프 302 : 소거 빔 램프

400 : 영상 검출부 500 : 엑스선 발생기

Claims

광전도층(113)에서 흡수된 엑스선이 전하를 생성하여 액정층(130)의 배열 분포가 달라져 영상정보를 얻는 액정 엑스선 검사장치에 있어서,

액정 엑스선 검사판(110)의 액정배열이 유지되는 동안에 여러 번 촬영하여 얻은 영상정보들을 평균하여, 영상을 유출해내는 액정 엑스선 검사장치.
광전도층(113)에서 흡수된 엑스선이 전하를 생성하여 액정층(130)의 배열 분포가 달라져 영상정보를 얻는 액정 엑스선 검사장치에 있어서,

광전도층에 소거 빔(Erase Light)을 조사하면서 동시에 광전도층에 교류파형이 걸어주는 액정 엑스선 검사장치.
광전도층(113)에서 흡수된 엑스선이 전하를 생성하여 액정층(130)의 배열 분포가 달라져 영상정보를 얻는 액정 엑스선 검사장치에 있어서,

소거 빔 램프(302)와 읽는 빔 램프(301)가 동일 광원(300)에 설치된 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검사장치.
광전도층(113)에서 흡수된 엑스선이 전하를 생성하여 액정층의 배열 분포가 달라져 영상정보를 얻는 엑스선 액정 검사장치에 있어서,

엑스선이 조사되지 않는 상태에서 액정층에 문턱치 전압이 걸리도록 바이어 스전압 Vr을 결정하고, 엑스선 발생기에서 나온 빛을 액정 엑스선 검사판(110)에 조사하면서 액정층에 포화전압 이하가 걸리게 바어스전압 Vs를 결정하는 액정 엑스선 검사장치.