KR20130039177A - 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기 - Google Patents

신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기 Download PDF

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Abstract

신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은, 방사선 투과성의 지지 기판; 상기 지지 기판의 일면 상에 형성된 반사막; 및 상기 지지 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 반사막은, PSR(Photoimageable Solder Resist) 잉크로 형성된다.

Description

신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기{SCINTILLATOR PANEL AND RADIATION DETECTOR INCLUDING THE SAME}
본 발명은 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기에 관한 것이다.
최근 FPXD(Flat Panel X-ray Detector) 등의 방사선 검출기가 개발되어 의료, 공업 등의 분야에 널리 이용되고 있다. 일반적으로 방사선 검출기는 입사되는 방사선을 가시광선으로 변환하고 이 가시광선을 다시 전기적 신호로 변환하여 출력하는 방식을 이용하며, 이를 위하여 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 구비한 패널(이하, 신틸레이터 패널)을 포함한다.
신틸레이터 패널은 방사선 투과성의 지지 기판과, 지지 기판 상에 형성된 반사막과, 반사막 상에 형성된 신틸레이터층을 포함하는 기본 구조를 갖는데, 방사선 검출기의 검출 특성을 향상시키기 위해서는 신틸레이터 패널에서 지지 기판의 방사선 투과율 및 반사막의 가시광선 반사율이 클 것이 동시에 요구되고 있다.
상기 요구를 만족시키기 위하여 종래에는 지지 기판으로 방사선 투과율이 높은 탄소 섬유 강화 플레이트(Carbon Fiber Reinforced Plate, 이하 CFRP)과 같은 카본 기판을 이용하였고, 또한 반사막으로 반사율이 높은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, 이하 PET)막을 이용하였다. 그러나, 이러한 종래 기술에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, 카본 기판은 방사선 투과율이 높기는 하나, 일반적으로 다음과 같은 일련의 공정 즉, 카본 원사에 열경화성 수지를 함침시키고 이를 열경화시키는 프리프레그(prepreg) 방식의 카본 원단 형성 후, 이들 카본 원단을 오토클레이브(autoclave) 내에서 복수층으로 적층하는 공정에 의해 제조되기 때문에, 제조 공정이 복잡하고 그에 따라 공정 시간 및 공정 비용이 상승하는 문제가 있다.
또한, 카본 기판은 가시광선 반사율이 현저히 낮고 오히려 대부분의 가시광선을 흡수하기 때문에, 반드시 반사막의 형성을 필요로 한다. 그런데, 반사막으로 이용되는 PET막은 내열성이 낮기 때문에 후속 공정 예컨대, 신틸레이터층을 형성하기 위한 증착 공정 등에서 변형될 수 있고, 그에 따라 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기의 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 신뢰성이 향상된 반사층을 적용함으로써, 제조 수율을 증가시켜 공정 비용을 감소시키면서 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널은, 방사선 투과성의 지지 기판; 상기 지지 기판의 일면 상에 형성된 반사막; 및 상기 지지 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고, 상기 반사막은, PSR(Photoimageable Solder Resist) 잉크로 형성된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기는, 상기 신틸레이터 패널; 및 상기 신틸레이터 패널로부터 출력되는 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함한다.
본 발명의 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기에 의하면, 신뢰성이 향상된 반사층을 적용함으로써, 제조 수율을 증가시켜 공정 비용을 감소시키면서 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기를 나타내는 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께 또는 간격에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널(10)은, 방사선 투과성의 지지 기판(100), 지지 기판(100)의 일면 상에 형성된 반사막(110), 반사막(110) 상에 형성되고 지지 기판(100)으로 입사되는 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층(120), 및 이들 지지 기판(100), 반사막(110) 및 신틸레이터층(120)을 덮도록 형성된 보호막(130)을 포함한다.
여기서, 지지 기판(100)은 신틸레이터층(120)을 지지하는 역할을 하며, 신틸레이터 패널에서 요구되는 최소한의 방사선 투과율을 갖기만 한다면 어떠한 기판이 사용되어도 무방하다. 예컨대, 지지 기판(100)으로 유리 기판, 엔지니어링 플라스틱 기판, 세라믹 기판, 금속 기판 등이 이용될 수 있고 나아가 종래 기술에서 언급한 카본 기판이 이용될 수도 있다. 여기서, 카본 기판은 예를 들어, 비정질 카본 또는 카본 섬유(carbon fiber)로 형성될 수 있고, 세라믹 기판은 예를 들어, 알루미나 또는 보론 나이트라이드로 형성될 수 있고, 금속 기판은 예를 들어, 베릴륨, 마그네슘 또는 알루미늄으로 형성될 수 있다. 다양한 물질로 이루어지는 지지 기판(100)의 방사선 투과율 측정 결과에 대해서는 아래의 [표 1]에 나타내었다. 본 실험은 80kVp 및 2mA 내지 8mA의 X-선을 이용하고, 코닥 사의 Lanex fine을 사용하여 측정되었다.
기판종류 기판두께
(mm)		 X-선 투과율(%)
CFRP 1.5 98.4
POM 1.0 97.9
2.0 96.1
PBT 1.0 98.1
2.0 96.3
PEI 1.5 97.4
PPSU 1.5 95.0
보론나이트라이드 1.3 91
Glass 1.0 84.0~91.9
Mg 0.4 98.0
0.6 96.4
0.8 94.9
PC 2.0 97.2
상기 [표 1]을 살펴보면, 엔지니어링 플라스틱 기판으로서 POM (Polyoxymethylene), PBT (Polybutyleneterephthalate), PEI(Polyetherimide), PPSU(Polyphenylsulfone) 및 PC(Polycarbonate)과, 세라믹 기판으로서 보론 나이트라이드 기판과, 금속 기판으로서 마그네슘 기판 각각에서 측정된 X-선 투과율이 90% 이상으로, 종래에 사용되던 유리 기판의 X-선 투과율보다 높고 방사선 투과율이 매우 높은 CFRP 기판의 X-선 투과율에 거의 근접함을 알 수 있다. 따라서, 종래의 유리 기판이나 CFRP 기판을 대체하여 엔지니어링 플라스틱 기판, 금속 기판, 세라믹 기판 등을 지지 기판(100)으로 이용할 수 있다.
반사막(110)은 지지 기판(100)의 일면 즉, 신틸레이터층(120)을 향하는 면 상에 형성되어 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선이 지지 기판(100)으로 향하는 경우 이를 반사시키는 역할을 한다. 본 실시예에서 반사막(110)은 지지 기판(100)의 상기 일면 상에만 형성되어 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서 반사막(110)은 지지 기판(100)의 상기 일면뿐만 아니라 그 반대편에 위치하는 타면에도 형성될 수 있고, 이에 대하여는 이하의 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
본 실시예의 반사막(110)은 PSR(Photoimageable Solder Resist) 잉크로 형성된다. PSR 잉크는 종래에 반사막으로 사용되던 PET에 비하여 내열성이 훨씬 우수하다. 종래의 PET는 1.8MPa의 압력 하에서 약 75℃에서 열변형되는 것이 실험적으로 확인된 반면, PSR 잉크로 이루어진 막은 일반적으로 260℃ 이상의 공정인 SMT(Surface Mount Technology) 공정에서도 물성 변화가 없음이 실험적으로 확인되었다. 따라서, 신틸레이터층(120)을 형성하기 위한 증착 공정 등에서 변형되지 않는다. 따라서, 본 실시예의 신틸레이터 패널 및 이를 포함하는 방사선 검출기의 신뢰도가 확보될 수 있다.
나아가, 본 실시예의 PSR 잉크는 백색 안료 예컨대, TiO2, Al2O3, BN, SiO2 또는 BaSO4를 포함할 수 있고 그에 따라 가시광선 반사율이 증가되어 반사막(110)으로서의 역할을 충분히 수행할 수 있다. 안료의 비율은 예를 들어, 0% 초과 25% 미만일 수 있다. PSR 잉크는 상기 안료외에도 에폭시 수지(epoxy resin), 아크릴 수지(acrylate resin), 경화제(hardner) 등 필요한 구성요소를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 PSR 잉크로 형성된 반사막(110)을 구비하면서 다양한 종류의 물질로 형성된 지지 기판(100)의 가시광선 반사율 측정 결과에 대해서는 아래의 [표 2]에 나타내었다. 본 실험은 코티카-미놀타 사의 CM-2500D 측정 장비에서 D65 광원 및 540nm 파장의 가시광선을 이용하여 수행되었으며, 표준 시료로는 황산 바륨(BaSO4)을 사용하였다.
기판 + 반사막 1차 2차 3차 Average
Mg + PSR 81.50 82.07 82.22 81.93
Be + PSR 80.01 79.99 80.05 80.02
PC + PSR 80.95 81.10 81.34 81.13
카본 기판 + PSR 78.43 78.48 78.62 78.51
에폭시 기판 + PSR 85.20 85.14 85.60 85.31
상기 [표 2]를 살펴보면, 지지 기판(100)의 종류를 바꿔가면서 반사막(110)으로 PSR 잉크를 적용하고 가시광선 반사율을 측정한 결과, 대부분 80% 근방 또는 그 이상의 가시광선 반사율을 가짐을 알 수 있다. 즉, PSR의 가시광선 반사율이 매우 높아서 신틸레이터 패널의 반사막으로 사용되기 적합함을 알 수 있다.
신틸레이터층(120)은 지지 기판(100)의 일면 상의 반사막(110) 상에 형성되고, 지지 기판(100)의 상기 일면과 반대편에 위치하는 타면으로부터 주로 입사되어 지지 기판(100)을 투과한 방사선을 가시광선으로 변환하는 역할을 한다. 이러한 신틸레이터층(120)은 예컨대, 타륨 첨가의 요오드화 세슘(CsI:TI), 유로퓸 첨가의 브롬화 세슘(CsBr:Eu) 등으로 형성될 수 있고, 지지 기판(100)의 일면으로부터 수직 방향으로 돌출된 복수의 기둥 형상 결정(도면부호 A 참조)을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선은 지지 기판(100)의 일면과 대향하여 배치되는 이미지 센서(후술하는 도 2 참조)로 출력된다. 특히 신틸레이터층(120)에서 변환된 가시광선 중 지지 기판(100)을 향하는 가시광선은 반사막(110)에 의해 반사되어 이미지 센서 방향으로 출력됨으로써 신틸레이터 패널(10)의 가시광선 출력 효율이 증대될 수 있다.
보호막(130)은 지지 기판(100), 반사막(110) 및 신틸레이터층(120)을 덮도록 형성되어 지지 기판(100), 반사막(110) 및 신틸레이터층(120)을 습기나 물리적 충격으로부터 보호할 수 있다. 신틸레이터층(120)이 예컨대, 내습성이 낮은 타륨 첨가의 요오드화 세슘(CsI:TI)으로 이루어지는 경우 이러한 보호막(130)에 의해서 습기로부터 보호될 수 있다. 보호막(130)은 예컨대, 파릴렌(Parylene)으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 보호막(130)이 지지 기판(100), 반사막(110) 및 신틸레이터층(120)의 전면을 덮는 것을 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 보호막(130)은 신틸레이터층(120)을 완전히 덮으면서, 신틸레이터층(120)이 형성된 지지 기판(100)의 일면을 제외한 나머지 면의 전부 또는 일부는 덮지 않도록 형성될 수도 있다. 특히 본 실시예의 지지 기판(100)이 내열성, 내마모성, 화학 안정성 등이 우수한 세라믹 물질, 엔지니어링 플라스틱, 금속 등으로 이루어진 경우, 보호막(130)이 지지 기판(100)의 전부를 덮지 않아도 무방하다.
다음으로, 위와 같은 구조의 신틸레이터 패널(10)의 제조 방법을 도 1을 다시 참조하여 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 지지 기판(100)을 제공한다.
이어서, 제공된 지지 기판(100)의 일면 상에 PSR 잉크를 도포하고 건조하여 반사막(110)을 형성한다. 구체적으로, 반사막(110)은 PSR 잉크 및 경화제를 혼합하여 프린트 방식으로 도포한 후, 소정의 온도 조건 예컨대, 150℃에서 수분 내지 수십분 예컨대, 10분 내지 40분 정도 건조시킴으로써 형성될 수 있다.
이어서, 반사막(110) 상에 신틸레이터층(120)을 형성한다. 신틸레이터층(120)은 예컨대, 진공 증착 등의 증착 방식으로 형성될 수 있다. 즉, 신틸레이터층(120)을 이루는 물질 예컨대, 요오드화 세슘과 탈륨이 들어있는 그릇이 배치된 진공 증착 장비에 반사막(110)이 형성된 지지 기판(100)을 투입하고, 소정 온도 및 압력 조건에서 진공 증착을 수행함으로써 반사막(110) 상에 기둥 형상 결정(A)을 성장시켜 신틸레이터층(120)을 형성할 수 있다.
이어서, 반사막(110) 및 신틸레이터층(120)이 형성된 지지 기판(100)을 덮는 보호막(130)을 형성한다. 보호막(130)은 예컨대, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 증착 방식으로 형성될 수 있다. 이와는 달리 보호막(130)은 적어도 신틸레이터층(120)을 덮으면서 반사막(110) 및/또는 지지 기판(100)의 일부를 덮지 않도록 형성될 수도 있다.
이상으로 설명한 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법에 의하면, 반사막으로 내열성이 높고 충분한 가시광선 반사율을 갖는 PSR 잉크를 이용하기 때문에, 반사막이 후속 공정 예컨대, 신틸레이터층 증착 공정 등에서 변형되는 문제가 방지되어 장치의 신뢰성을 확보할 수 있다
이에 더하여 지지 기판으로 종래의 카본 기판 대신 세라믹 기판, 엔지니어링 플라스틱 기판, 금속 기판 등을 이용하는 경우, 지지 기판 제조 공정이 단순화되고 지지 기판 전부가 보호막으로 덮일 필요가 없어 공정 시간 및 공정 비용이 감소하는 장점이 있다. 또한, 기판 자체의 신뢰성이 우수한 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신틸레이터 패널 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 이하, 도 1과의 차이점만을 설명하기로 한다.
도 2의 신틸레이터 패널은 반사막(110)이 지지 기판(100)의 일면 및 타면에 형성된 것을 제외하고는 도 1의 신틸레이터 패널과 실질적으로 동일하다.
이와 같은 신틸레이터 패널(10) 제조시에는, 지지 기판(100)의 일면 상에 PSR 잉크를 도포하고 건조하여 반사막(110)을 형성한 후, 지지 기판(100)의 타면 상에 PSR 잉크를 도포하고 건조하여 반사막(110)을 형성한다. 이때, 반사막(110)의 형성 순서는 서로 뒤바뀔 수 있다. 즉, 지지 기판(100)의 타면 상에 먼저 반사막(110)을 형성한 후, 지지 기판(100)의 일면 상에 반사막(110)을 형성하여도 무방하다. 또한, 먼저 도포된 PSR 잉크의 건조 시간보다 나중에 도포된 PSR 잉크의 건조 시간을 더욱 길게 하여 최종적으로 양면 PSR 잉크를 건조시킬 수 있다. 예를 들어, 먼저 도포된 PSR 잉크의 건조 시간이 10분 정도라면 나중에 도포된 PSR 잉크의 건조 시간은 40분 정도일 수 있다.
이와 같이 지지 기판(100)의 앙면에 반사막(110)를 형성하는 경우, 공정 중 지지 기판(100)의 일면이 손상되더라도 타면을 이용할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기는, 전술한 도 1의 신틸레이터 패널(10) 및 이에 부착된 이미지 센서(20)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서는 전술한 도 2의 신틸레이터 패널(10) 및 이에 부착된 이미지 센서(20)를 포함할 수도 있다.
이미지 센서(20)는 신틸레이터 패널(10)의 지지 기판(100)의 일면과 대향하여 배치된다. 이미지 센서(20)는 유리 등으로 이루어진 기판(200)과, 기판(200) 상에 형성되고 신틸레이터 패널(10)에서 변환되어 출력되는 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 복수의 수광 소자(210) 및 수광 소자(210)에 의해 변환된 전기적 신호의 출력을 제어하는 복수의 스위칭 소자 예컨대, 박막 트랜지스터 등을 포함한다.
이미지 센서(20)의 기판(200) 상에는 수광 소자(210) 및 스위칭 소자 등을 덮는 평탄화층(220)이 더 형성될 수 있고, 이 평탄화층(220)을 개재하여 신틸레이터 패널(10) 및 이미지 센서(20)가 서로 부착되어 결합될 수 있다.
이러한 방사선 검출기는 도 1에서 설명한 신틸레이터 패널(10)을 이용하기 때문에, 방사선 검출기 제조시 공정 시간 및 공정 비용 감소가 가능하고 장치의 신뢰도가 향상될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 신틸레이터 패널 100: 지지 기판
110: 반사막 120: 신틸레이터층
130: 보호막

Claims (7)

  1. 방사선 투과성의 지지 기판;
    상기 지지 기판의 일면 상에 형성된 반사막; 및
    상기 지지 기판의 상기 일면 상에 형성되고, 방사선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터층을 포함하고,
    상기 반사막은,
    PSR(Photoimageable Solder Resist) 잉크로 형성되는
    신틸레이터 패널.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 PSR 잉크는, 백색 안료를 포함하는
    신틸레이터 패널.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 백색 안료는, TiO2, Al2O3, BN, SiO2 또는 BaSO4인
    신틸레이터 패널.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반사막은,
    상기 지지 기판의 상기 일면과 반대편에 위치하는 타면에 더 형성되는
    신틸레이터 패널.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 신틸레이터층을 덮는 보호막을 더 포함하는
    신틸레이터 패널.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 보호막은,
    상기 지지 기판의 상기 일면을 제외한 나머지 면 전부 또는 일부를 덮지 않는
    신틸레이터 패널.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 신틸레이터 패널; 및
    상기 신틸레이터 패널로부터 출력되는 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함하는
    방사선 검출기.
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US10153321B2 (en) 2014-11-20 2018-12-11 Koninklijke Philips N.V. Radiation detector core assembly and method for constructing the same
KR20230093392A (ko) 2021-12-19 2023-06-27 김희승 센서를 활용해 훈련 장비를 설치하고 보관하는 스마트 훈련 드론

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