KR20110115432A - 수직 적층형 섬광체 구조물을 이용한 방사선 검출 장치 - Google Patents

수직 적층형 섬광체 구조물을 이용한 방사선 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직 적층형으로 섬광체 구조물을 제작하여 X-선 등 방사선 검출 장치와 같이 고 에너지 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위한 섬광체 구조물, 그 제작 방법 및 응용 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 섬광체 구조물의 제작 방법은, 겉 틀 내부에 격벽부 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환(입사되는 방사선을 가시광으로 변환)하는 섬광 물질을 수직으로 1회 이상 순차 적층하는 방식으로 이루어진다.

Description

수직 적층형 섬광체 구조물을 이용한 방사선 검출 장치{Radiation Detection Apparatus using Laminated Type Scintillation Structure}
본 발명은 방사선 검출 장치를 위한 섬광체 구조물에 관한 것으로서, 특히, 수직 적층형으로 섬광체 구조물을 제작하여 X-선 및 감마선 등의 진단 방사선 검출장치와 고 에너지의 방사선 치료기기를 포함한 고 에너지 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위한 섬광체 구조물, 그 제작 방법 및 응용 방법에 관한 것이다.
X-선 및 감마선과 고 에너지의 방사선을 비정질 실리콘(amorphous silicon) TFT(Thin film transistor), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등 이미지 센서가 인식할 수 있는 가시광으로 변환하기 위하여 여러 종류의 방사선 변환 물질이 사용되고 있다. 방사선 검출 장치에 적용을 위하여, 섬광체 제조를 위한 일반적인 방법으로, 인쇄기법을 사용하거나 혹은 바늘 기둥(columnar) 구조로 증착 시키는 방법, 공간 분해능을 높이기 위해 격벽을 구현하는 방법 등이 널리 알려져 있다. 예를 들어, 섬광 물질로 이루어진 다수의 섬광셀들이 격벽에 의하여 분리된 섬광체 구조물을 이용할 수 있다.
섬광체 구조물을 제작하기 위하여, 일반적으로 소정 사이즈의 금속, 실리콘, 유리 등의 기판에 필요한 격벽들을 수평 방향으로 형성한 후, 격벽들 사이에 섬광 물질을 채우는 방법을 사용한다.
그러나, 이와 같은 종래 방식에서 격벽들을 형성하기 위하여는 D-RIE(Deep Reactive Ion Etching) 방식을 이용하여 필요한 깊이까지 트렌치(trench) 공정을 진행하여야 하므로 격벽을 형성할 수 있는 최대 트렌치 깊이가 제한되는 문제점이 있다. 트렌치 내부의 격벽의 깊이가 증가하면 섬광체의 두께를 크게 할 수 있지만, 격벽의 너비가 함께 증가하기 때문에 섬광셀의 부피가 줄어들어 양자검출효율(Quantum detection efficiency)이 감소하고, 격벽의 높이가 높아지면 격벽의 폭을 넓힐 수는 있지만, 이때 섬광셀의 부피가 줄어들어 양자 효율(quantum efficiency)이 감소하고 섬광셀에서 광 변환되어 하부의 이미지센서로 전달되는 가시광의 양이 줄어드는 문제점이 있다.
섬광셀에서 양자 효율을 높이기 위하여 격벽 양측면에 반사층을 형성하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 종래의 섬광체 구조물의 형성 방법에서는, 격벽의 깊은 부분에까지 균일하게 반사층을 형성하는 것이 용이하지 않으며, 더 나아가 격벽 양측면의 깊은 부분에까지 다중 반사층을 균일하게 형성하는 것은 더욱 어렵다.
또한, 고강도 크리스탈 기판을 사용하여 격벽의 높이를 크게 함으로써 섬광셀의 부피를 늘릴 수 있지만, 격벽의 폭이 커져 섬광셀에서의 양자 효율을 떨어뜨릴 수 있으며, 공간 분해능도 역시 제한하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 수직 적층형으로 격벽과 섬광물질을 적층한 섬광셀들을 갖는 섬광체 구조물을 제작하여 X-선 및 감마선 등의 방사선 검출 장치와 고 에너지 방사선 분야에 효과적으로 적용하기 위한 섬광체 구조물, 그 제작 방법 및 응용 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 섬광체 구조물의 제작 방법은, 겉 틀 내부에 격벽부 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질을 수직으로 1회 이상 순차 적층하는 단계를 포함한다.
상기 섬광 물질은 입사되는 방사선을 가시광으로 변환한다.
상기 적층하는 단계 후에, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계를 더 포함한다.
또는, 상기 적층하는 단계 후에, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계; 및 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계를 더 포함한다.
상기 기초 구조물을 제작하는 단계 후에, 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 반사막을 형성하는 단계; 및 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 비반사막을 형성하는 단계를 더 포함한다.
또는, 상기 적층하는 단계 후에, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계; 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막만을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계; 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 가시광 반사막을 형성하는 단계; 및 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 가시광 비반사막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 이는 해당 구조물 복수개를 2-D 이미지 센서 어레이에 포함된 2-D 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시키기 위한 것이다.
또는, 상기 적층하는 단계 후에, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계; 절단된 해당 구조물의 전면과 후면 중 어느 한면에만 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계; 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 가시광 반사막을 형성하는 단계; 및 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 가시광 비반사막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 이는 해당 구조물 복수개를 2-D 이미지 센서 어레이에 포함된 2-D 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시키기 위한 것이다.
상기 격벽부는, 셀분리를 위한 제1박막; 상기 제1 박막의 하부에 형성되는 제1반사막; 및 상기 제1 박막의 상부에 형성되는 제2반사막을 포함한다.
또는, 상기 격벽부는, 셀분리를 위한 제1박막; 상기 제1 박막의 하부에 형성되는 제1반사막과 제1방사선 흡수막; 및 상기 제1 박막의 상부에 형성되는 제2방사선 흡수막과 제2반사막을 포함한다.
상기 제1반사막과 상기 제1방사선 흡수막이 순차 적층되고, 복수회 적층되며, 상기 제2반사막과 상기 제2방사선 흡수막이 순차 적층되고, 복수회 적층될 수 잇다.
상기 제1박막의 재질은 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막을 포함한다.
상기 제1박막은 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 포함한다.
상기 적층하는 단계는 액상의 각 물질을 코팅하여 형성하거나 진공 증착하여 형성하는 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 섬광체 구조물을 이용한 방사선 검출 장치는, 이미지 센서 어레이; 및 상기 이미지 센서 어레이의 상부에 부착된 복수 섬광셀을 가지는 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물은, 겉 틀 내부에 격벽부 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질을 수직으로 1회 이상 순차 적층하고 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하는 방식으로 형성된 기초 구조물; 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 형성된 반사막; 및 상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 형성된 비반사막을 포함한다.
상기 이미지 센서 어레이와 상기 섬광체 구조물 사이에 부착을 위한 수단을 포함한다.
상기 기초 구조물은 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 구조일 수 있다.
상기 기초 구조물은, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막만을 형성한 구조이고, 상기 이미지 센서 어레이는 2-D 배열된 포토다이오드들을 포함하며, 상기 섬광체 구조물 복수개를 상기 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시킬 수 있다.
상기 기초 구조물은, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면 중 어느 한면에만 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 구조이고, 상기 이미지 센서 어레이는 2-D 배열된 포토다이오드들을 포함하며, 상기 섬광체 구조물 복수개를 상기 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 섬광체 구조물은 플라스틱, 금속, 유리, 크리스탈 등 다양한 재질의 겉 틀을 이용하여 그 안에 수직 적층형으로 격벽부와 섬광 물질을 적층하는 방식으로 제작되므로, 기존의 격벽을 갖는 틀 또는 거푸집을 제작하기 위한 트렌치 공정이 불필요하고 적층 시 공극(void)에 의한 문제가 발생하지 않아 균일한 섬광셀이 형성되어 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반사층을 그 두께에 상관없이 균일하게 형성할 수 있으며 다중 반사층의 형성도 용이하며, 격벽부의 높이가 아무리 높더라도 그 폭의 제한을 두지 않고 좁게 형성할 수 있다. 다시 말해, 기존 제조 방법과 달리 격벽을 높고 폭이 좁게 형성할 수 있다는 것은 공간 분해능을 높이는 데 큰 효과를 나타낸다.
그리고, 본 발명에 따른 섬광체 구조물은 이미지 센서에 부착되어 X-선, 감마선 등 방사선 검출 장치와 같은 의료기기나 기타 고 에너지 방사선 분야 등 산업 전반에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬광체 구조물을 적용한 방사선 검출 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 절단 과정과 절단 구조물의 전면과 후면에 형성되는 막을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 섬광 물질에서의 광 변환 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 2-D 이미지 센서 어레이에 적용을 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 2-D 이미지 센서 어레이에 적용을 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 섬광체 구조물의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬광체 구조물(130)을 적용한 방사선 검출 장치(100)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 검출 장치(100)는, 이미지 센서 어레이(110), 투명 부착 수단(120), 및 섬광체 구조물(130)을 포함한다. 섬광체 구조물(130)은 격벽부(131)와 섬광 물질(132)이 적층된 기초 구조물(139), 반사막(reflective layer)(133), 및 비반사막(anti-reflective layer)(134)을 포함한다. 반사막(133)은 가시광을 반사시키기 위한 막이고, 비반사막(134)은 가시광을 효율적으로 투과시키기 위한 막이다. 격벽부(131)(가시광 반사막과 방사선 흡수 또는 반사막 포함)와 섬광 물질(132)의 반복 적층을 통하여 섬광체 구조물(130)을 제작하는 과정은 도 2 내지 도4에서 자세히 설명한다.
격벽부(131)에 의하여 구분되는 복수의 섬광셀들을 가지는 섬광체 구조물(130)은 이미지 센서 어레이(110)의 상부에 투명 부착 수단(120)에 의하여 부착된다. 이미지 센서 어레이(110)는 유리, 반도체 등의 기판 위에 비정질 실리콘(amorphous silicon) TFT, CMOS(Complementary MOS, 또는 CCD(Charge Coupled Device) 등의 형태로 만들어진 포토 다이오드(photo diode: PD)를 포함할 수 있다. 투명 부착 수단(120)은 실리콘 그리스(grease), 광학용 그리스 또는 EVA(Ethylene vinyl acetate) 등 투명한 부착 재질일 수 있다.
특히, 본 발명에서는 도 2 또는 도 3과 같이, 겉 틀(200) 내부에 격벽부(131)(가시광 반사막과 방사선 흡수 또는 반사막 포함) 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질(132)을 수직으로 1회 이상 순차 적층한 후, 겉 틀(200)의 옆면 전체를 제거하고 원하는 두께로 절단된 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막이나 방사선 흡수 또는 반사막을 형성한 기초 구조물(139)을 기반으로 섬광체 구조물(130)이 제작되어 광 검출 장치(100)에 적용된다. 기초 구조물(139)이 제작되면 격벽부(131)에 수직한 방향으로 기초 구조물(139)의 상면에 반사막(133)을 형성하고, 격벽부(131)에 수직한 방향으로 기초 구조물(139)의 하면에 비반사막(134)을 형성하여, 섬광체 구조물(130)이 완성되고, 섬광체 구조물(130)은 투명 부착 수단(120)에 의하여 이미지 센서 어레이(110)의 상부에 부착된다.
예를 들어, 방사선 검출 장치(100)는 환자의 암이나 기타 환부의 상태를 진단하기 위하여 X-선 및 감마선 등을 환부에 조사하고 해당 영상을 획득하기 위한 X-선 및 감마선 촬영 장치에 이용될 수 있다. X-선, 감마선 등의 방사선이 반사막(133)을 투과하여 섬광 물질(132)로 입사되면 섬광 물질(132)에서 가시광으로 변환되어 이미지 센서 어레이(110)로 출사될 수 있다. 이미지 센서 어레이(110)는 출사되는 가시광을 전하로 광전 변환하여 소정 화상 신호를 출력할 수 있게 된다.
일정 밴드갭(Eg)을 갖는 섬광 물질(132)에 입사된 X선 등 방사선은 도 5와 같이 섬광 물질(132)을 여기시켜서 가전자대의 전자를 여기자(exition) 밴드를 거쳐 전도대로 올리며, 전도대의 전자가 트랩이나 활성화 센터(activation center)를 거쳐 낮은 에너지 상태로 내려 올 때 200~600nm 파장대의 가시광을 방출시킬 수 있게 된다.
도 1과 같이, 섬광 물질(132)에서 발생된 가시광은, 바로 비반사막(134)을 투과하여 이미지 센서 어레이(110)로 투과될 수 있으며, 또는, 상부 반사막(133) 또는 격벽부(131)의 반사막(도 2의 201, 203 참조)에서 반사된 후 비반사막(134)을 투과하여 이미지 센서 어레이(110)로 투과될 수도 있다. 섬광 물질(132)에서 격벽부(131)로 가는 일부 X-선은 격벽부(131)의 방사선 흡수막(도 3의 301, 302 참조)에서 흡수될 수도 있으며, 경우에 따라서는 격벽부(131)의 셀분리를 위한 막(도 2의 202 참조)을 X-선, 감마선 등 방사선을 반사하는 물질로 형성하여 격벽부(131)로 가는 일부 X-선이 다시 섬광 물질(132)로 반사되어 나와 광자 효율을 높이도록 할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬광체 구조물(130)의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 겉 틀(200) 내부에 격벽부(131)(가시광 반사막과 방사선 흡수 또는 반사막 포함) 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질(132)을 수직으로 1회 이상 순차 적층한다(S11). 격벽부(131)를 성층하고 소성하여 고형화하며 그 후 섬광 물질(132)을 성층하고 소성하여 고형화하는 과정을 반복하여 필요한 높이로 적층할 수 있다. 격벽부(131)와 섬광 물질(132)은 액상의 각 물질을 스핀 코터, 디스펜서 등을 이용해 코팅하여 형성하거나 진공 챔버 내에서 진공 증착하여 형성할 수 있다. 겉 틀(200)은 유리, 크리스탈, 금속, 플라스틱 등 적층과 소성에 적절한 재료로 이루어질 수 있다.
격벽부(131)는 셀분리를 위한 제1박막(202), 제1 박막(202)의 하부에 형성되는 제1반사막(201), 및 제1 박막(202)의 상부에 형성되는 제2반사막(203)을 포함한다. 제1 박막(202)의 하부에 제1반사막(201)을 형성한 후, 제1박막(202)을 형성하고, 그 뒤에 제2반사막(203)을 형성하는 순서로 진행할 수 있다. 여기서, 셀분리를 위한 제1박막(202)은 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막 등일 수 있으며, 제1반사막(201)과 제2반사막(203)은 Al, Ru, Pt, Ag, TiO2, Pb 등 금속을 포함하는 박막으로 이루어질 수 있다.
또한, 공간분해능 향상을 위하여 격벽부(131) 구성을 제1박막(202) 대신에 방사선 반사막으로 형성하고, 그 상부와 하부에 가시광 반사막(201, 203)을 형성할 수도 있다. 즉, 위에서도 기술한 바와 같이, 격벽부(131)의 셀분리를 위한 제1박막(202)을 X-선, 감마선 등 방사선을 반사하는 물질(예를 들어, Pt-Pd 합금 등)로 형성하여 격벽부(131)로 가는 일부 X-선이 다시 섬광 물질(132)로 반사되어 나와 광자 효율을 높이도록 할 수도 있다.
섬광 물질(132)은 NaI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 나트륨), CsI(T1) (탈륨을 첨가한 요오드화 세슘), BGO, CDWO4, CaF2(Eu), Gd2O2S(Tb) 등으로 이루어질 수 있다.
위와 같이, 격벽부(131)와 섬광 물질(132)을 적층하고 소성하는 과정을 진행하여 필요한 높이로 완성한 후에는, 겉 틀(200)을 90도 회전하여(S12), 겉 틀(200)의 옆면 전체를 제거하고 필요한 크기로 절단하며 절단된 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수 또는 반사막을 형성하여 기초 구조물(139)을 제작한다(S13, S14). 겉 틀(200)의 밑면은 제거할 수도 있고 제거하지 않을 수도 있다.
도 3을 참조하면, 겉 틀(200)의 옆면 전체(A, B)를 제거하면, 이미지 센서 어레이(110)에 장착할 수 있는 적절한 크기가 될 수도 있지만, 경우에 따라서는 겉 틀(200)의 길이나 폭이 충분히 큰 경우에는 격벽부(131)에 수직하게 1회 이상 절단하여 분리된 여러 개의 절단 구조물을 한번에 제작할 수도 있다. 예를 들어, 섬광체 구조물(130)의 원하는 높이만큼 격벽부(131)의 중간 부분(C, D 등)을 한번 이상 수평 절단할 수 있다(S13-1). 즉, 격벽부(131)와 수직한 방향으로 수회 절단할 수 있다. 또한, 이와 같은 절단 후에도 절단된 구조물의 크기가 충분히 큰 경우에는, 이미지 센서 어레이와 정렬될 수 있을 정도의 크기로 하기 위하여 격벽부(131)와 평행한 방향으로 수회 더 절단(수직 절단)할 수 있다(S13-2). 여기서, 겉 틀(200)의 옆면 재료나, 격벽부(131)의 중간 부분을 절단하기 위하여 레이저를 이용할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 겉 틀(200)의 옆면 재료를 블레이드를 사용하여 절단하거나 또는 그라인더 등으로 연마하여 절단 구조물을 제작할 수도 있다.
이와 같은 절단 공정으로 격벽부(131)와 수직 또는 수평하게 절단된 구조물이 완성되면(S13-3), 해당 절단 구조물의 전면과 후면에 필요한 막을 형성한다(S14). 예를 들어, 절단 구조물의 전면과 후면, 즉, 격벽부(131)와 수직한 방향의 양면에 가시광 반사막(205)을 형성한 후, 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막(206)을 형성하여 기초 구조물(139)을 완성한다. 가시광 반사막(205)은 위에서 기술한 반사막(201, 203)과 같은 재질일 수 있으며, 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막(206)은 제1박막(202)을 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막으로 구성할 때의 해당 재질과 같을 수 있다.
도 2에서, 기초 구조물(139)이 완성되면 이미지 센서 어레이(110) 위에 장착하기 전에, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 상면에 반사막(133)을 형성하고, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 하면에 비반사막(134)을 형성한다(S15). 반사막(133)은 섬광물질(132)의 작용에 따라 발생한 가시광을 반사시키기 위한 막으로서, Al, Ru, Pt, Ag, TiO2, Pb 등으로 이루어질 수 있고, 비반사막(134)은 가시광을 투과시키기 위한 막으로서, 투명 수지계 물질 등으로 이루어질 수 있다.
이 후, 격벽부(131)에 의하여 구분되는 복수의 섬광셀들을 가지는 섬광체 구조물(130)이 완성되면, 섬광체 구조물(130)은 이미지 센서 어레이(110)의 상부에 투명 부착 수단(120)에 의하여 부착되어 결합된다(S16). 이때 이미지 센서 어레이(110)의 포토 다이오드들(PD)과 대응되는 위치에 섬광물질(132)이 오도록 정렬하여 결합된다. 이미지 센서 어레이(110)는 유리, 반도체 등의 기판 위에 CMOS또는 CCD 등의 형태로 만들어진 포토 다이오드(PD)를 포함할 수 있다. 투명 부착 수단(120)은 그리스 또는 EVA 등 투명한 부착 재질일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬광체 구조물(130)의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 과정은 S21에서 형성되는 격벽부(131)의 구조만 다를 뿐 나머지 과정(S22~S25)은 도 2 및 도 3과 유사하다.
먼저, 겉 틀(200) 내부에 격벽부(131) 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질(132)을 수직으로 1회 이상 순차 적층한다(S21). 격벽부(131)를 성층하고 소성하여 고형화하며 그 후 섬광 물질(132)을 성층하고 소성하여 고형화하는 과정을 반복하여 필요한 높이로 적층할 수 있다. 여기서, 격벽부(131)는 셀분리를 위한 제1박막(202), 제1 박막(202)의 하부에 형성되는 제1반사막(201)과 제1방사선 흡수막(301), 및 제1 박막(202)의 상부에 형성되는 제2방사선 흡수막(302)과 제2반사막(203)을 포함한다. 제1 박막(202)의 하부에 제1반사막(201)과 제1방사선 흡수막(301)을 순차 형성한 후, 제1박막(202)을 형성하고, 그 뒤에 제2방사선 흡수막(302)과 제2반사막(203)을 순차 형성하는 순서로 진행할 수 있다. 경우에 따라서는 제1 박막(202)의 하부에 형성되는 제1반사막(201)과 제1방사선 흡수막(301)을 복수회 적층할 수도 있으며, 제1 박막(202)의 상부에 형성되는 제2방사선 흡수막(302)과 제2반사막(203)을 복수회 적층할 수도 있다.
여기서, 셀분리를 위한 제1박막(202)은 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막 등일 수 있다. 제1반사막(201)과 제2반사막(203)은 Al, Ru, Pt, Ag, TiO2, Pb등 금속을 포함하는 박막으로 이루어질 수 있다. 제1방사선 흡수막(301)과 제2방사선 흡수막(302)은 Pb, Au, Bi, Cu, W, Mo, Al 등의 물질로 이루어지며, 섬광 물질(132)에서 격벽부(131)로 가는 일부 X-선 등 방사선을 흡수하여 산란에 의한 광 손실을 줄이도록 할 수 있다.
섬광 물질(132)은 NaI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 나트륨), CsI(T1) (탈륨을 첨가한 요오드화 세슘), BGO, CDWO4, CaF2(Eu), Gd2O2S(Tb) 등으로 이루어질 수 있다.
위와 같이, 격벽부(131)와 섬광 물질(132)을 적층하고 소성하는 과정을 진행하여 필요한 높이로 완성한 후에는, 겉 틀(200)을 90도 회전하여(S22), 겉 틀(200)의 옆면 전체를 제거하고 필요한 크기로 절단하며 절단된 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막이나 방사선 흡수 또는 반사막을 형성하여 기초 구조물(139)을 제작한다(S23, S24). 겉 틀(200)의 밑면은 제거할 수도 있고 제거하지 않을 수도 있다. 기초 구조물(139)의 자세한 제작 과정은 위의 도 3에 대한 설명을 참조한다.
도 4에서, 기초 구조물(139)이 완성되면 이미지 센서 어레이(110) 위에 장착하기 전에, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 상면에 반사막(133)을 형성하고, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 하면에 비반사막(134)을 형성한다(S25). 반사막(133)은 섬광물질(132)의 작용에 따라 발생한 가시광을 반사시키기 위한 막으로서, Al, Ru, Pt, Ag, TiO2, Pb 등 금속을 포함하도록 이루어질 수 있고, 비반사막(134)은 가시광을 투과시키기 위한 막으로서, 투명 수지계 물질 등으로 이루어질 수 있다.
이 후, 격벽부(131)에 의하여 구분되는 복수의 섬광셀들을 가지는 섬광체 구조물(130)이 완성되면, 섬광체 구조물(130)은 이미지 센서 어레이(110)의 상부에 투명 부착 수단(120)에 의하여 부착되어 결합된다(S26). 이때 이미지 센서 어레이(110)의 포토 다이오드들(PD)과 대응되는 위치에 섬광물질(132)이 오도록 정렬하여 결합된다. 이미지 센서 어레이(110)는 유리, 반도체 등의 기판 위에 CMOS또는 CCD 등의 형태로 만들어진 포토 다이오드(PD)를 포함할 수 있다. 투명 부착 수단(120)은 그리스 또는 EVA 등 투명한 부착 재질일 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 수직 적층형으로 격벽부(131)와 섬광 물질(132)을 적층하는 방식으로 섬광체 구조물(130)을 제작하여, 트렌치 공정이 불필요하고 적층 시 공극(void)에 의한 문제의 염려가 없도록 하였다. 또한, 반사막(201, 202)을 그 두께에 상관없이 균일하게 형성할 수 있으며 다중 반사층의 형성도 용이하며, 격벽부(131)의 높이가 아무리 높더라도 그 폭의 제한을 두지 않고 좁게 형성할 수 있다.
이에 따라, 섬광체 구조물(130)에 균일한 섬광셀이 형성되어 양자 효율 및 공간분해능을 향상시킬 수 있으며, 섬광체 구조물(130)이 이미지 센서 어레이(110)에 부착되어 X-선 및 감마선 등의 진단 방사선 검출장치와 고에너지의 방사선 치료기기를 포함한 고 에너지 방사선 분야 등 산업 전반에 효과적으로 적용될 수 있다.
위에서, 이미지 센서 어레이(110)는 1-D(1차원)으로 배열된 포토 다이오드들(PD)을 포함할 수 있지만, 2-D(2차원)으로 배열된 포토 다이오드들(PD)을 포함할 수도 있다. 이하에서는 도 6과 도 7을 참조하여 2-D 이미지 센서 어레이(110)에 적용을 위한 섬광체 구조물(130)의 제작 과정을 설명한다.
먼저, 도 2의 S13과 도 4의 S23 단계에서는 절단하는 과정(도 3의 S13-1, S13-2 참조) 후에, 절단 구조물의 전면과 후면, 즉, 격벽부(131)와 수직한 방향의 양면에 가시광 반사막(205)을 형성한 후, 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막(206)을 형성하여 기초 구조물(139)을 완성하였다.
도 6을 참조하면, 여기서는 절단 구조물의 전면과 후면, 즉, 격벽부(131)와 수직한 방향의 양면에 가시광 반사막(401)만을 형성하여 기초 구조물(139)을 완성한다(S31). 가시광 반사막(205)은 위에서 기술한 반사막(201, 203)과 같은 재질일 수 있다.
이후, 도 2의 S15 또는 도 4의 S25 단계와 같이, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 상면에 반사막(133)을 형성하고, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 하면에 비반사막(134)을 형성하여 섬광체 구조물(130)을 완성하며(S32), 이와 같이 제작된 섬광체 구조물(130) 복수개를 결합한 후 2-D 이미지 센서 어레이 상부에 정렬하고 투명 부착 수단(120)에 의하여 부착되도록 결합시킬 수 있다(S33). 이때 2-D 이미지 센서 어레이에 2-D로 배열된 포토 다이오드들(PD)과 대응되는 위치에 섬광물질(132)이 오도록 정렬하여 결합된다.
또한, 도 7을 참조하면, 여기서는 도 2의 S13과 도 4의 S23 단계 후에, 절단 구조물의 전면과 후면 중 어느 한면, 즉, 격벽부(131)와 수직한 방향의 어느 한면에만 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막(501)만을 형성하여 기초 구조물(139)을 완성한다(S41). 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막(501)은 위에서 언급한 제1박막(202)을 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막으로 구성할 때의 해당 재질과 같은 재질일 수 있다.
이후, 도 2의 S15 또는 도 4의 S25 단계와 같이, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 상면에 반사막(133)을 형성하고, 격벽부(131)에 수직한 방향의 기초 구조물(139)의 하면에 비반사막(134)을 형성하여 섬광체 구조물(130)을 완성하며(S42), 이와 같이 제작된 섬광체 구조물(130) 복수개를 결합한 후 2-D 이미지 센서 어레이 상부에 정렬하고 투명 부착 수단(120)에 의하여 부착되도록 결합시킬 수 있다(S43). 이때 2-D 이미지 센서 어레이에 2-D로 배열된 포토 다이오드들(PD)과 대응되는 위치에 섬광물질(132)이 오도록 정렬하여 결합된다.이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 이미지 센서 어레이
120: 투명 부착 수단
130: 섬광체 구조물
131: 격벽부
132: 섬광 물질
133: 반사막
134: 비반사막
139: 기초 구조물

Claims (18)

  1. 겉 틀 내부에 격벽부 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질을 수직으로 1회 이상 순차 적층하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬광 물질은 입사되는 방사선을 가시광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계 후에,
    상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계 후에,
    상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계; 및
    절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 기초 구조물을 제작하는 단계 후에,
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 비반사막을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계 후에,
    상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계;
    절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막만을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계;
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 가시광 반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 가시광 비반사막을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    해당 구조물 복수개를 2-D 이미지 센서 어레이에 포함된 2-D 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시키기 위한 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계 후에,
    상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하고, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하는 단계;
    절단된 해당 구조물의 전면과 후면 중 어느 한면에만 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 기초 구조물을 제작하는 단계;
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 가시광 반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 가시광 비반사막을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    해당 구조물 복수개를 2-D 이미지 센서 어레이에 포함된 2-D 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시키기 위한 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부는,
    셀분리를 위한 제1박막;
    상기 제1 박막의 하부에 형성되는 제1반사막; 및
    상기 제1 박막의 상부에 형성되는 제2반사막
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부는,
    셀분리를 위한 제1박막;
    상기 제1 박막의 하부에 형성되는 제1반사막과 제1방사선 흡수막; 및
    상기 제1 박막의 상부에 형성되는 제2방사선 흡수막과 제2반사막
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1반사막과 상기 제1방사선 흡수막이 순차 적층되고, 복수회 적층되며,
    상기 제2반사막과 상기 제2방사선 흡수막이 순차 적층되고, 복수회 적층되는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1박막의 재질은 포토레지스트, 실리콘, 실리콘 산화막, 또는 금속 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1박막은 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계는 액상의 각 물질을 코팅하여 형성하거나 진공 증착하여 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬광체 구조물의 제작 방법.
  14. 섬광체 구조물을 이용한 방사선 검출 장치에 있어서,
    이미지 센서 어레이; 및
    상기 이미지 센서 어레이의 상부에 부착된 복수 섬광셀을 가지는 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 섬광체 구조물은,
    겉 틀 내부에 격벽부 및 입사광과 다른 에너지를 갖는 광으로 변환하는 섬광 물질을 수직으로 1회 이상 순차 적층하고 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거하는 방식으로 형성된 기초 구조물;
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 상면에 형성된 반사막; 및
    상기 격벽부에 수직한 방향의 상기 기초 구조물의 하면에 형성된 비반사막
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이미지 센서 어레이와 상기 섬광체 구조물 사이에 부착을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기초 구조물은 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막과 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 구조인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 기초 구조물은, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면에 가시광 반사막만을 형성한 구조이고,
    상기 이미지 센서 어레이는 2-D 배열된 포토다이오드들을 포함하며,
    상기 섬광체 구조물 복수개를 상기 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시킨 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 기초 구조물은, 상기 겉 틀의 옆면 전체를 제거한 후, 상기 격벽부에 수직 또는 수평 방향으로 1회 이상 절단하고, 절단된 해당 구조물의 전면과 후면 중 어느 한면에만 방사선 흡수막 또는 방사선 반사막을 형성한 구조이고,
    상기 이미지 센서 어레이는 2-D 배열된 포토다이오드들을 포함하며,
    상기 섬광체 구조물 복수개를 상기 포토 다이오드들의 위치에 대응되도록 정렬하여 결합시킨 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
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