KR20110110898A - 얇은 유리기판을 적용한 액정 엑스선 검사장치 - Google Patents

얇은 유리기판을 적용한 액정 엑스선 검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 면적을 크게 할 수 있고, 고해상도를 갖는 액정 엑스선 검사장치에 관한 것이다. 액정셀을 먼저 만들고, 액정셀의 유리기판을 연마하고 그 위에 반사막과 광전도층을 피막하는 구조로 액정 엑스선 검사판을 만들면, 제조 공정이 매우 간단해진다. 유리 두께가 얇으면 광전도체와 유리기판 사이에 열팽창계수의 차이로, 광전도체나 유리기판에 크랙이 생긴다. 또한 너무 두꺼우면 해상도가 떨어진다. 본 발명에서는 연마된 유리두께를 최적화하였다. 본 발명으로 액정 엑스선 검사장치를 만들면 고신뢰성 및 고해상도를 실현할 수 있다.

Description

얇은 유리기판을 적용한 액정 엑스선 검사장치{X-ray Detection Device with Thin-Glass Liquid Crystal}
본 발명은 액정 엑스선 검사장치에 관한 것으로서, 액정 엑스선 검사판의 유리두께를 최적화하여 고해상도와 고신뢰성을 갖도록 하였다.
액정 엑스선 검사장치는 시료에 엑스선을 조사하고, 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 광검출부(400)로 구성된다. 엑스선 발생기(500)에서 조사되어 시료를 지난 엑스선은 액정 엑스선 검사판(100)에서 액정분자의 배열분포를 달라지게 한다. 액정 엑스선 검사판은 주로 반사형으로 만든다. 광원(300)에서 나온 빛은 거울(200)에서 반사되어 액정 엑스선 검사판(100)에서 되반사되서 나오면서 편광반사특성이 달라진다. 편광반사 특성의 차이로 밝기 분포가 달라지는데, 이를 광검출부(500)에서 재서 영상정보를 저장한다.
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 전압파형은 보통 DC이다. DC 전압이 걸린 광전도층(13)에 엑스선이 조사되면, 광전도층에서 엑스선이 흡수되어, 전자(electron)와 정공(hole)이 생긴다. 전자와 정공이 생기는 숫자는 엑스선 발생기의 가속전압과 엑스선량, 그리고 광전도층에 걸린 DC전압과 광전도층의 종류와 그리고 광전도체의 두께에 따라서 다르다. 광전도체의 비정질 셀레늄이고, 두께가 300㎛이고, 10V/㎛의 전기장이 걸린 경우에는 캐나다의 롤랜드씨가 발표한 논문을 토대로 계산해보면 1mR에서 생성되는 단위 전하는 0.45nC/cm2이다.( 논문제목 : Low Cost digital radiographic imaging system: The x-ray light Valve; 발표학술지 : Proc. of SPIE vol.6142 p1,2006년) 광전도층에 생긴 전자와 정공은 전기장 때문에 각각의 반대극성을 갖는 전극으로 분리된다. 액정층은 부도체이므로, 액정층 접촉면에는 정공이 적층되고, 이 정공 때문에 액정층에 걸리는 전압의 차이로 액정 배열이 달라져 편광 반사율의 차이가 생긴다. 이 차이를 CCD와 같은 영상소자로된 광검출부(400)에서 촬영하여 엑스선 영상정보를 얻는다. 액정 엑스선 검사판은 라이트 밸브(Light Valve)와 같은 구조이다. 라이트 밸브는 비헨드라바하두(Birendra Bahadur)가 저술한 Liquid Crystals Applications and Uses(World Scientific Publing Co. Singapore, 1990)에 비교적 자세히 나와 있다. 라이트밸브는 LCOS(Liquid Crystal On Silicon)등과 같은 소자가 나오기 전에 투영기(Projector)로 많이 쓰였다. 라이트밸브는 쓰는 광(Wright Beam)이 가시광선이기 때문에 광전도층의 두께가 수십(5~20)㎛ 정도면 대부분 흡수되지만, 엑스선의 경우에는 광전도층의 재질에 따라서 다르지만, 보통 수백(100~500)㎛이다. 액정 엑스선 검사 장치에서는 쓰는 광이 엑스선이고, 읽는 광(Read Beam)은 광원(300)에서 나온 빛이다. 읽는 광의 에너지가 광전도체의 밴드갭(band gap) 보다 크면, 읽는 광이 광전도층에서 흡수되어 전자와 정공을 만든다. 따라서 광원은 파장이 긴 적색이나 근적외선 파장이 다소 유리하다. 광전도체가 비정질 셀레늄의 경우에는 밴드 갭이 2.3eV이므로, 이에 대응되는 파장은 약 540nm이다. 따라서 광원이 600nm 이상이면 쓸 수 있다.
종래의 액정 엑스선 검사판을 만드는 공정은 도 3에 나와 있다. 상부기판(110-1)과 하부기판(120-1)을 만들고 이 두 기판을 접합하고 그 사이에 액정층(130)을 만든다. 상부기판(110-1)을 만드는 순서는 다음과 같다. 상유리기판(111)을 세정하고, ITO(InTinOxide)와 같은 투명한 상부전극(112)을 형성한다. 전극(112) 위에 광전도층(113)을 만든다. 액정층 두께의 균일도는 보통 ± 0.1㎛ 정도 유지해야한다. 광전도층을 수백 ㎛로 피막하면 두께가 위치에 따라서 다르기 때문에, 광전도층을 평탄화게 만들어야한다. 광전도체 위에 반사판(114)을 피막하고 반사판 위에 배향막을 피막한다. 하부기판(120-1)은 하유리기판(121)에 하전극(122) 그리고 하배향막(125) 순서로 피막한다.
TN(Twist Nematic)형 액정의 응답시간은 대략 20~30ms 정도이다. 광전도체의 시정수가 액정의 응답시간(τLC)보다는 길어야 신호를 안정하게 얻을 수 있다. 광전도체의 시정수는 유전율과 비저항의 곱으로 나타낸다. 유전율은 물질 자체의 특성으로 공정에 영향을 거의 받지 않는다. 그러나 비저항은 공정에 따라서 많은 영향을 받는다. 표 1은 광전도체의 비저항을 나타낸 것이다. 광전도체는 단물질과 혼합물로 구분할 수 있다. 단물질로는 비정질 셀레늄과 비정질 규소, 혼합물로는 PbI2와 HgI2 그리고 CdZnTe가 대표적이다. 혼합물은 대부분이 다결정상태(poly-crystal)이다.
광전도체의 비저항
광전도체 비저항(Ω㎝)
a-Si 108-10
a-Se 1012-16
PbI2(p) 1012
HgI2(p) 1013
CdZnTe(p) 109-11
종래에는 유리기판 위에 광전도체와 반사판을 피막한 다음에 액정 공정을 진행한다. 반사막은 주로 티타늄 산화물과 실리콘 산화물을 교대로 적층하여 만드는데 공정 온도가 100℃ 정도이다. 또한 액정의 배향막 공정은 소성 온도가 200℃ 정도이다. 비정질 셀레뮴의 경우에는 Tg(Glass Transition Temperature)가 40℃ 정도이므로, 박막을 만드는 공정온도가 60℃ 이상이면 비정질 셀레늄이 다결정 클러스터로 변하는 불량이 생기기 쉽다. 광전도체가 비정질 셀레늄인 경우에는 저온 공정으로 반사막과 액정공정을 진행해야한다. Tg가 높은 화합물 다결정 광전도체 경우에는 공정온도의 문제는 없지만, 액정층의 두께를 일정하게 하려면 광전도층의 두께를 ± 0.1㎛ 이내로 평탄하게 만들어야 하는데 이 부분의 공정이 매우 어렵다. 평탄화는 면적이 클수록 어렵다.
본 발명에서는 공정 온도의 제한성과 광전도층의 평탄화가 없어도 되는 액정 엑스선 검사장치를 구성한다. 본 발명에서는 액정셀을 먼저 만든 다음에 유리기판을 얇게 연마하고 그 위에 반사판과 광전도체 그리고 전극을 피막하는 순서로 액정 엑스선 검사판을 만든다.
본 발명에 따른 액정 엑스선 검사장치는 액정셀(140)을 먼저 만든 다음에 유리기판(111)을 얇게 연마하여 그 위에 반사막(114)과 광전도층(113) 그리고 피막하므로, 액정셀을 균일하게 만들 수 있고, 또한 광전도층을 평탄화할 필요가 없으므로 크게 만들기 쉽다. 또한 액정공정을 먼저 진행함으로 비정질 셀레늄처럼 온도 제한이 있는 경우에 쉽게 적용할 수 있다. 본 발명에서는 유리기판의 두께를 최적화함으로써 해상도와 더불어 크랙이 없이 액정 엑스선 검사장치를 만들 수 있다.
도 1은 액정 엑스선 검사장치의 개략도이다.
도 2은 액정 엑스선 검사판 동작을 나타내는 설명도이다.
도 3은 종래의 액정 엑스선 검사판의 제작 순서를 나타내는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 공정을 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 유리두께(40㎛)에 따른 해상도를 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 7은 본 발명의 유리두께(80㎛)에 따른 해상도를 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 8은 본 발명의 유리두께(120㎛)에 따른 해상도를 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도면과 함께 본 발명에 따른 엑스선 감지 액정소자와 그 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 단면도이고 도 5는 공정을 나타내는 설명도이다. 도 5에서는 액정셀(140)을 만들고, 상유리기판(111)을 연마하여 얇게 만든 다음, 그 위에 반사판(114)과 광전도층(113) 그리고 상전극(112)을 형성한다. 액정셀을 만드는 공정은 매우 잘 알려져 있다. 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 하부기판(120-2)은 하유리기판(121)에 하전극(122)과 하배향막(125)을 만든다. 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 상부기판(110-2)은 상유리기판(111)에 상배향막(115)을 만든다. 상부기판(110-2)과 하부기판(120-2)을 접합하고 그 사이에 액정층(130)을 만든다. 이어서 상부기판을 식각 또는 랩핑으로 갈아내어 얇게 만들고, 광택연마하여 조도를 높인다. 그 위에 반사판(114)과 광전도체(113) 그리고 상전극(112)을 만든다. 광전도층은 주로 진공열증착법(Vacuum Thermal Evaporation Method)으로 도포한다. 이 방법은, 새물리 볼륨 43, 2001년 12월 S28P에서 잘 나타낸 것처럼, 진공에서 광전도체가 놓인 용기를 가열하면, 광전도체가 증기가 되어, 피막하고자하는 기판에 달라붙는다. 특히 비정질 셀레늄을 도포하는 경우에는 증착하고자하는 온도가 약 60℃가 넘지 않도록 주의한다. 상유리기판(111)을 얇게 하는 연마 공정에서 액정셀의 간극제(spacer)들이 진동으로 서로 뭉치기 때문에, 간극제는 고착형이 유리하다. 유리기판을 랩핑할 때, 액정층에 상처가 나지 않도록 연마속도를 분당 1-2㎛가 넘지 않게 조절한다. 광전도층과 액정층 사이에 있는 유리기판의 두께가 해상도에 영향을 준다. 상유리기판에 모인 자발분극이 수평방향의 전기장을 생기게 하여, 해상도를 떨어뜨린다. 상유리기판(121)의 두께에 따라 해상도가 다르다. 도 6과 도 7 그리고 도 8은 2차원 시뮬레이이션한 모습이다. 해상도를 보기 위하여 상전극(112)은 접지시키고, 하전극(122)은 접지전압과 신호전압을 전극마다 번갈아 걸어주었다. 하전극(122)의 폭은 50㎛이다. 광전도층은 비정질 세레늄으로 가정하여 유전율을 설정하였다. 광전도체에서 보는 포물선은 등전압곡선이다. 도 6에서는 광전도체 두께를 40㎛와 신호전압을 25V, 도 7에서는 광전도체의 두께를 80㎛와 신호전압을 50V, 도 8에서는 광전도체 두께를 120㎛와 신호전압을 75V로 설정했다. 광전도체의 두께에 비례하여 신호전압을 설정하였다. 도 6, 도 7, 도 8의 위의 상부 곡선은 반사도 곡선이다. 반사도는 5등분하여 각각 20, 40, 60, 80, 100%로 구분하였다. 도 6과 같이 광전도체 두께를 40㎛인 경우에는 인접 전극 사이에서 반사도의 차이가 뚜렷하다. 도 7에서는 인접 전극의 경계면에서 반사도의 차이가 도 6보다는 뚜렷하지 않다. 도 8에서는 인접 전극의 경계면에서 반사도의 차이가 작아서 경계면이 잘 구별되지 않는다. 이는 해상도가 유리기판의 두께에 따라서 결정되는 것을 알 수 있다.
유리기판의 두께가 얇으면 해상도가 좋아지지만, 반면에 열팽창계수 차이로 크랙이 생기기 쉽다. 광전도체를 피막할 때, 기판의 온도가 중요한 변수이다. 온도가 낮으면 부착력 및 박막의 균일성이 떨어진다. 반대로 온도가 높으면 부착력은 좋아지지만, 다결정이 생기기 쉽다. 비정질 셀레늄의 경우는 기판의 온도를 60℃ 정도로 한정하고, 비정질 실리콘은 약 180℃ 근방에 둔다. PbI2, HgI2, CdZnTe는 약 250℃ 정도에서 피막한다. 그러나 증착이 끝난 다음 상온으로 온도가 떨어지면 광전도체와 얇은 유리기판 사이에 열팽창계수 차이로 스트레스가 생긴다. 유리기판이 너무 얇으면 스트레스에 크랙으로 액정이 밖으로 나와, 액정 엑스선 검사판을 쓸 수가 없다. 특히 열팽창계수가 큰 비정질 셀레늄과 HgI2는 유리기판의 두께가 30㎛ 이상이어야 크랙이 생기지 않는 것을 확인할 수 있었다. 표 2는 유리와 광전도체의 열팽창계수를 나타낸다. 비정질셀레늄과 HgI2를 광전도체로 활용할 경우에는 소다라임 유리가 이글-2000보다 다소 유리하다.
유리기판과 광전도체의 열팽창계수
물질 열팽창계수(10-6/K)
유리(이글-2000) 2.8
유리(소다라임) 8.5
비정질규소(a-Si) 1.0
비정질 셀레늄(a-Se) 56
PbI2(p) 4.5
HgI2(p) 46
CdZnTe(p) 3.9
또한 유리기판(111)이 너무 얇으면 광전도체의 무게를 견디지 못하고, 유리기판이 뜯어진다. 비정질 셀레늄의 경우에는 보통 두께가 500㎛ 정도인데, 유리두께가 30㎛ 이하인 경우에는 쉽게 떨어지는 것을 알 수 있다. 유리기판이 두꺼우면 크랙이 생기는 확률은 줄지만, 엑스선 검출 해상도가 떨어진다. 흉부촬영의 경우에는 보통 100에서 150㎛의 해상도를 요구한다. 유방암 촬영의 경우에는 50㎛ 정도의 해상도가 필요하다. 유방암 촬영의 경우에는 유리기판(111) 두께를 20㎛에서 60㎛ 정도로 만들고, 흉부촬영의 경우에는 60㎛에서 100㎛ 정도로 만든다.
100 : 액정 엑스선 검사판 100-1 : 종래의 액정 엑스선 검사판
100-2 : 본 발명의 액정 엑스선 검사판
110 : 액정 엑스선 검사판의 상부기판
110-1 : 종래 액정 엑스선 검사판의 상부기판
110-2 : 본 발명의 엑스선 검사판의 상부기판
111 : 상유리기판 111-1 : 연마된 상유리기판
112 : 상전극 113 : 광전도층
114 : 반사막 115 : 상배향막
120 : 액정 엑스선 검사판의 하부기판
120-1 : 종래 액정 엑스선 검사판의 하부기판
120-2 : 본 발명의 액정 엑스선 검사판의 하부기판
121 : 하유리기판 122 : 하전극
125 : 하배향막 126 : 편광판
130 : 액정층 140 : 액정셀
200 : 거울 300 : 광원
400 : 영상 검출부 500 : 엑스선 발생기

Claims (2)

  1. 액정 엑스선 검사 액정판(100-2)의 유리기판(111)의 두께가 20㎛에서 70㎛ 사이이고,
    상기 연마된 유리기판(111)에 광전도층(113)이 피막된 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검사장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    광전도층(113)의 재질이 비정질 셀레늄(a-Se)이나 또는 CdTe 또는 CdZnTe 또는 PbI2 또는 HgI2인 것을 특징으로 하는 액정 엑스선 검사장치.
KR1020100030182A 2010-04-02 2010-04-02 얇은 유리기판을 적용한 액정 엑스선 검사장치 KR20110110898A (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019203452A1 (ko) * 2018-04-20 2019-10-24 세심광전자기술(주) 액정 엑스선 검출기 및 이의 제조 방법

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KR20190122438A (ko) * 2018-04-20 2019-10-30 세심광전자기술(주) 액정 엑스선 검출기 및 이의 제조 방법

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