KR20130076431A - 다중 에너지 방사선 검출기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

다중 에너지 방사선 검출기 및 그 제조 방법이 개시된다.
개시된 다중 에너지 방사선 검출기는, 서로 다른 두께를 가지는 복수 영역을 포함하는 광전 변환층에서 각각 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출함으로써 하나의 검출기를 이용하여 다중 에너지 대역의 영상을 얻을 수 있다.

Description

다중 에너지 방사선 검출기 및 그 제조 방법{Multi-energy radiation detector and method of manufacturing the same}
본 발명의 실시예는 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출하여 이미징 처리할 수 있는 다중 에너지 방사선 검출기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
엑스선(X-ray)이나 감마선(γ-ray)과 같은 방사선은 투과성이 강하여 이를 이용하면 물체의 내부를 볼 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 방사선은 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 중요하게 쓰인다. 피사체 내부의 밀도에 따라서 방사선의 투과량이 달라지고, 이러한 투과량의 차이를 측정하여 피사체의 내부를 영상화할 수 있다.
그런데, 대부분의 방사선 이미징 시스템은 검출기에 조사되는 방사선의 에너지의 구분없이 사용되고 있다. 하지만, 서로 다른 에너지 영역의 방사선 이미지를 따로 얻어낸 뒤 영상처리를 통하면 방사선의 흡수, 반사, 굴절 정도가 서로 다른 물질을 선별하여 구분할 수 있다. 서로 다른 에너지 영역의 이미지를 얻는 다중 에너지 방사선 이미징 기술을 이용하면 일반 조직과 암조직과의 구분, 경조직과 연조직의 구분 등 성분이 서로 다른 조직을 구분하거나 영상처리하는 것이 가능하다. 다중 에너지 방사선 이미징을 위한 방법으로, 예를 들어, X-ray 소스에 필터를 사용하여 서로 다른 에너지의 X-ray를 이용하거나 검출기에서 포토 카운팅(photon counting) 방식이 사용될 수 있다. 하지만 X-ray 소스에 필터를 사용하는 방식은 같은 피사체에 X-ray 를 여러번 조사해야 하므로 피사체의 미세한 움직임으로 인해 영상이 외곡될 수 있으며, 피사체의 피폭도 증가할 수 있다. 또한 포톤 카운팅 방식은 복잡한 디지털/아날로그 회로가 필요하므로 대면적 검출기를 얻기가 어렵다.
본 발명의 실시예는 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출하여 이미징 처리할 수 있는 다중 에너지 방사선 검출기를 제공한다.
본 발명의 실시예는 다중 에너지 방사선 검출기의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는, 복수의 단위 회로를 포함하는 어레이 기판; 및 상기 어레이 기판 상에 구비된 것으로, 두께가 서로 다른 복수개의 영역을 포함하는 광전 변환층;을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환층은 두께가 상대적으로 작은 제1영역과 두께가 상대적으로 큰 제2영역을 포함할 수 있다.
상기 제1영역은 30-200㎛ 범위의 두께를 가지고, 제2영역은 300-1000㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1영역에서는 제1에너지 대역의 방사선이 검출되고, 상기 제2영역에서는 제1에너지 대역과 다른 제2에너지 대역의 방사선이 검출될 수 있다.
상기 제1에너지 대역이 상기 제2에너지 대역보다 낮을 수 있다.
상기 제1에너지 대역은 10-50keV 범위를 가질 수 있다.
상기 제2에너지 대역은 60-120keV 범위를 가질 수 있다.
상기 광전 변환층은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 방사선 검출기는 엑스레이(X-ray) 검출기 또는 감마레이(γ-ray) 검출기일 수 있다.
상기 단위 회로는 TFT 소자 또는 CMOS 소자를 포함할 수 있다.
상기 두께가 서로 다른 복수개의 영역이 하나의 픽셀 내에 구비될 수 있다.
상기 두께가 서로 다른 복수개의 영역이 각각 다른 픽셀 내에 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는, 기판; 상기 기판 상에 메트릭스 형태로 배열된 것으로, 스위칭 소자와 캐패시터를 포함하는 복수 개의 단위 회로; 상기 복수 개의 단위 회로 중 홀수 열의 단위 회로 위에 구비된 것으로, 제1두께를 가지는 제1 광전 변환층; 및 상기 복수 개의 단위 회로 중 짝수 열의 단위 회로 위에 구비된 것으로, 제2두께를 가지는 제2 광전 변환층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기 제조 방법은, 기판 상에 제1금속층을 증착하고, 패터닝하여 게이트 전극과 제1전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극과 제1전극 위에 절연막을 증착하는 단계; 상기 절연막 위에 반도체층을 증착하고, 패터닝하여 채널층을 형성하는 단계; 상기 채널층 위에 제2금속층을 증착하고 패터닝하여 소스 전극, 드레인 전극, 제2전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극, 드레인 전극, 제2전극을 덮도록 패시베이션 막을 증착하는 단계; 상기 패시베이션 막 위에 제1 두께를 가지는 제1광전 변환층을 형성하는 단계; 마스크를 이용하여 상기 제1광전 변환층의 일부 영역 위에 제2 두께를 가지는 제2 광전 변환층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는 광전 변환층의 두께를 서로 다르게 형성함으로써, 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출할 수 있다. 광전 변환층의 두께에 따라 각각 다른 에너지 대역의 방사선을 검출함으로써 방사선을 피검체에 2회 이상 조사하거나, 복잡한 회로의 구성 없이 다중 에너지 방사선 검출이 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는, 서로 다른 조직, 예컨대 암조직과 정상 조직, 또는 경조직과 연조직에 대해서 각각 감도가 좋은 에너지 대역의 방사선을 이용한 영상을 간단한 방법으로 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기 제조 방법을 이용하여 간단하게 검출기를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기에 채용되는 광전 변환층의 두께에 따른 방사선 투과율을 방사선 에너지 대역 별로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 광전 변환층의 제1영역과 제2영역을 하나의 픽셀에 구비한 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 광전 변환층의 제1영역과 제2영역을 각각 다른 픽셀에 구비한 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 제조 방법을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기(10)를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 방사선 검출기(10)는 어레이 기판(20) 및 어레이 기판(20) 상에 구비된 광전변환층(30)을 포함할 수 있다. 어레이 기판(20)은 광전변환층(30)에 연결된 복수 개의 단위 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 단위 회로는 예를 들어 TFT 소자 또는 CMOS 소자를 포함할 수 있다. 상기 광전변환층(30)은 두께가 다른 복수개의 영역을 포함할 수 있다. 도 1에서는 두께가 다른 복수 개의 영역을 포함하는 단위 영역만을 도시한 것이며, 이러한 단위 영역이 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 영역이 방사선 검출기의 하나의 픽셀을 구성할 수 있다. 또는, 두께가 다른 복수 개의 영역 각각이 서로 다른 픽셀을 구성할 수 있다.
도 1을 참조하면 광전변환층(30)이 예를 들어, 제1두께(t1)를 가지는 제1영역(31)과, 제2두께(t2)를 가지는 제2영역(32)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1두께(t1)가 제2두께(t2)보다 작을 수 있다.
광전 변환층(30)에 방사선, 예를 들어 엑스레이(X-ray) 또는 감마레이(γ-ray) 가 입사되면, 광전 변환층(30)에서 전하가 발생될 수 있으며, 전하의 이동으로 전류가 흐를 수 있다. 광전 변환층(30)에서 흡수된 방사선 강도에 따라 전하 발생량이 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에서 광전 변환층의 방사선 흡수율은 광전 변환층의 두께에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 광전 변환층의 두께가 작은 제1영역(31)은 제1에너지 대역의 방사선이 상대적으로 많이 검출되고, 광전 변환층의 두께가 큰 제2영역(32)은 제2에너지 대역의 방사선이 상대적으로 많이 검출될 수 있다. 예를 들어, 제1에너지 대역은 상대적으로 저에너지 대역이고, 제2에너지 대역은 상대적으로 고에너지 대역일 수 있다.
본 실시예의 방사선 검출기는 어레이 기판(20)에 연결된 신호 처리부(40)를 더 포함할 수 있다. 신호 처리부(40)는 어레이 기판(20)으로부터 출력되는 신호를 영상화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기는, 제1영역(31)으로부터 저에너지 대역의 방사선에 의한 영상과, 제2영역(32)으로부터 고에너지 대역의 방사선에 의한 영상을 한 번에 얻을 수 있다. 신호 처리부(40)는 어레이 기판(20)과 별도로 구비될 수 있지만, 경우에 따라서는, 어레이 기판(20) 내에 구비될 수도 있다. 신호 처리부(40)의 구성은 잘 알려진바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음은, 광전 변환층의 두께에 따라 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출할 수 있는 원리에 대해 설명한다. 도 2는 HgI2로 형성된 광전 변환층의 두께에 따른 X-레이 투과율 변화를 X-레이의 에너지 대역별로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 예를 들어 대략 100㎛ 정도의 두께에서는 20keV 에너지 대역의 X-레이는 대략 10% 이하 정도 투과되고, 60keV 에너지 대역의 X-레이는 대략 60-80% 정도로 투과될 수 있다. 광전 변환층에서의 X-레이 투과율이 높으면 광전 변환층에서의 X-레이의 흡수율이 낮고, 광전 변환률도 낮을 수 있다. 또한, 광전 변환층에서의 X-레이 투과율이 낮으면 광전 변환층에서의 X-레이 흡수율이 높고, 광전 변환률도 높을 수 있다. 따라서, 대략 100㎛ 정도의 두께를 가지는 광전 변환층에서는, 20keV 에너지 대역의 X-레이가 60keV 에너지 대역의 X-레이에 비해 상대적으로 많이 검출될 수 있다.
반면, 예를 들어 대략 400㎛ 정도의 두께에서는, 20keV 에너지 대역의 X-레이는 대략 10% 이하 정도 투과되고, 60keV 에너지 대역의 X-레이는 대략 20% 정도 투과될 수 있다. 여기서, 20keV 에너지 대역의 X-레이 흡수율이 60keV 에너지 대역의 X-레이 흡수율보다 크다. 하지만, 그 흡수율 차가 크지 않고 20keV 에너지 대역의 X-레이에 의한 전하 생성량이 60keV 에너지 대역의 X-레이에 의한 전하생성량에 비해 크게 작으므로, 대략 400㎛ 두께를 가지는 광전 변환층에서는, 60keV 에너지 대역의 X-레이가 20keV 에너지 대역의 X-레이에 비해 상대적으로 많이 검출될 수 있다.
이와 같이 광전 변환층의 두께에 따라 검출되는 방사선 에너지 대역이 달라지는 것을 이용하여 하나의 검출기를 이용하여 다중 에너지의 방사선을 검출할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환층의 제1영역(31)은 30-200㎛ 범위의 두께를 가지고, 제2영역(32)은 300-1000㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 상기 제1영역(31)에서는 제1에너지 대역의 방사선이 검출되고, 상기 제2영역에서는 제1에너지 대역과 다른 제2에너지 대역의 방사선이 검출될 수 있다. 상기 제1에너지 대역이 상기 제2에너지 대역보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1에너지 대역은 10-50keV 범위를 가지고, 제2에너지 대역은 60-120keV 범위를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 같은 물질로 된 광전 변환층의 두께에 따라 고에너지 대역의 X-레이와 저에너지 대역의 X-레이를 서로 분리해서 검출할 수 있다. 그럼으로써, 한번에 고에너지 대역의 X-레이 영상과 저에너지 대역의 X-레이 영상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 고에너지 대역의 X-레이 영상은 암조직이나 경조직에 우수한 감도를 가진 영상일 수 있으며, 저에너지 대역의 X-레이 영상은 정상 조직 또는 연조직에 우수한 감도를 가진 영상일 수 있다.
방사선 검출기를 이용하여 피검부의 영상을 얻는 과정을 설명하면 다음과 같다. 피검부에 방사선을 조사하면, 피검부를 투과한 방사선이 방사선 검출기로 입사된다. 피검부의 조직에 따라, 예를 들어 경조직과 연조직에 따라 방사선의 투과 에너지 대역이 다를 수 있다. 예를 들어 경조직의 방사선 투과 에너지 대역이 연조직의 방사선 투과 에너지 대역보다 높을 수 있다. 피검부를 투과한 고에너지 대역의 방사선과 저에너지 대역의 방사선이 방사선 검출기로 입사한다. 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기는 광전 변환층의 두께에 따라, 저에너지 대역의 방사선 검출률이 높은 영역과, 고에너지 대역의 방사선 검출률이 높은 영역을 포함할 수 있다. 따라서, 저에너지 대역의 방사선 검출률이 높은 영역에서는 예를 들어 연조직이나 정상 조직에 대한 영상을 얻을 수 있고, 고에너지 대역의 방사선 검출률이 높은 영역에서는 예를 들어 경조직이나 암조직에 대한 영상을 얻을 수 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는 피검부에 방사선을 여러 번 쪼일 필요 없이 한번에 다중 에너지 영역의 방사선을 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기(100)를 나타낸 것이다. 다중 에너지 방사선 검출기(100)는 단위 회로를 포함하는 어레이 기판(120)과, 상기 어레이 기판(120) 상에 배치된 광전 변환층(130)을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층(130)에서는 제1두께를 가지는 제1영역(131)과, 제1두께보다 큰 제2두께를 가지는 제2영역(132)이 교대로 배열될 수 있다. 상기 다중 에너지 방사선 검출기(100)는 복수 개의 픽셀(PX)을 포함하고, 하나의 픽셀에 상기 제1영역(131)과 제2영역(132)이 포함될 수 있다.
어레이 기판(120)에는 제1영역(131)과 제2영역(132)에 각각 대응되는 단위 회로가 구비될 수 있다. 단위 회로는 예를 들어, 커패시터(122)와 스위칭 소자(124)를 포함할 수 있다. 스위칭 소자(124)로는 TFT 소자가 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 어레이 기판(120)의 제1영역(131)에 대응되는 단위 회로는 제1커패시터(122)와 제1 TFT 소자(124)를 포함할 수 있다. 제1 TFT 소자(124)는 게이트전극, 소오스전극 및 드레인전극을 포함할 수 있다. 제1 TFT 소자(124)의 게이트 전극이 게이트 라인(Gate line)에 연결되고, 제1 TFT 소자(124)의 소오스 전극이 제1데이터 라인(Data line 1)에 연결될 수 있다. 어레이 기판(120)의 제2영역(132)에 대응되는 단위 회로는 제2커패시터(125)와 제2 TFT 소자(127)를 포함할 수 있다. 제2 TFT 소자(127)의 게이트 전극이 게이트 라인(Gate line)에 연결되고, 제2 TFT 소자(127)의 소오스전극이 제2 데이터 라인(data line 2)에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 TFT 소자(122)(127)의 드레인전극은 각각에 대응되는 제1커패시터(122)와 제2커패시터(125)에 연결될 수 있다.
광전 변환층(130)으로 방사선이 입사되면, 광전 변환층(130)의 제1영역(131)에서 상대적으로 많이 검출되는 제1에너지 대역의 방사선으로부터 생성된 전하가 제1 커패시터(122)에 저장된다. 게이트 라인(Gate line)을 통해 제1TFT(124)가 턴온되면 제1 커패시터(122)에 저장된 전하가 제1 데이터 라인(Data line 1)을 통해 신호 처리부(140)로 이동될 수 있다. 이와 동시에, 광전 변환층(130)으로 방사선이 입사되면 광전 변환층(130)의 제2영역(132)에서 상대적으로 많이 검출되는 제2에너지 대역의 방사선으로부터 생성된 전하가 제2 커패시터(125)에 저장된다. 게이트 라인(Gate line)을 통해 제2TFT(127)가 턴온되면 제2 커패시터(125)에 저장된 전하가 제2 데이터 라인(Data line 2)을 통해 신호 처리부(140)로 이동될 수 있다.
신호 처리부(140)는 제1 데이터 라인(Data line 1)을 통해 입력된 신호를 이용하여 제1이미지를 생성할 수 있으며, 제2 데이터 라인(Data line 2)을 통해 입력된 신호를 이용하여 제2이미지를 생성할 수 있다. 이를 통하여 복잡한 회로를 적용하지 않고, 피검부에 방사선 조사를 여러 번 하지 않고, 2개 이상의 서로 다른 에너지 대역의 방사선을 검출하여 영상을 얻을 수 있는 다중 에너지 방사선 검출기를 구현할 수 있다.
도 4는 도 3과 비교할 때, 구성 요소가 실질적으로 동일하며, 광전 변환층의 두께가 서로 다른 제1영역(131)과 제2영역(132)을 각각 다른 픽셀로 구성하는 점에서 다르다. 예를 들어, 방사선 검출기가 n×m 픽셀 어레이 구조를 가질 때, 도 3에 도시된 방사선 검출기에서는 제1에너지 대역의 방사선에 의한 영상과 제2에너지 대역의 방사선에 의한 영상이 각각 해상도의 저하 없이 표시될 수 있다. 한편, 도 4에 도시된 방사선 검출기에서는 제1에너지 대역의 방사선에 의한 영상과 제2에너지 대역의 방사선에 의한 영상이 각각 1/2 해상도로 표시될 수 있다. 하지만, 검출기의 사이즈가 같다고 할 때, 도 3에 도시된 방사선 검출기보다 제4에 도시된 방사선 검출기의 픽셀 수를 더 늘릴 수 있으므로 검출기의 사이즈와 픽셀 수에 따라 도 3에 도시된 구조와 도 4에 도시된 구조 중 하나를 선택할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 구체적인 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 다중 에너지 방사선 검출기는 어레이 기판(AS)과, 상기 어레이 기판(AS) 상에 구비된 광전 변환층(PL)을 포함한다. 상기 어레이 기판(AS)은 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 단위 어레이마다 구비된 단위 회로(UC)를 포함할 수 있다. 단위 회로(UC)는 광전 변환층(PL)으로부터의 전기 신호를 검출하기 위한 것으로, 예를 들어 스위칭 소자(201)와 캐패시터(205)를 포함할 수 있다. 상기 스위칭 소자(201)는 예를 들어 TFT(Thin Film Transistor)일 수 있다. 스위칭 소자(201)는 기판(200) 위의 게이트 전극(202)과, 게이트 전극(202) 위의 절연막(210)과, 절연막(210) 위의 채널층(215)을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극(202)은 게이트 라인(도 3 참조)과 연결될 수 있으며, 예를 들어 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 상기 절연막(210)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 절연막(210)은 예를 들어, 질화실리콘(SiNx), 산화 실리콘(SiOx), SiONx 등으로 형성될 수 있다. 또는 절연막(210)은 Al2O3 또는 HfO2로 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극(202)은 채널층(215)과 마주보게 배치될 수 있으며, 채널층(215) 양측에 소스 전극(217)과 드레인 전극(220)이 배치될 수 있다. 상기 채널층(215)은 아몰퍼스 실리콘(a-Si), 폴리 실리콘(Poly-Si), 산화물 반도체 등으로 형성될 수 있다. 산화물 반도체로는 ZnO 계열에 Ga, In, Hf 등이 도핑된 물질로 형성될 수 있다. 상기 소스 전극(217)과 드레인 전극(220)은 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-텅스텐 합금(MoW), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti) 등으로 형성될 수 있다.
상기 캐패시터(205)는 기판(200) 위의 제1전극(204)과, 제1전극(204) 상의 절연막(210)과, 상기 절연막(210) 상의 제2전극(222)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극(204)과 게이트 전극(202)은 같은 물질로 형성될 수 있다. 상기 드레인 전극(220)은 상기 제2전극(222)과 일체로 형성되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 광전 변환층(PL)은 서로 다른 두께를 가지는 복수의 단위 영역을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환층(PL)은 제1두께(t1)를 가지는 제1영역의 제1 광전 변환층(235)과, 제2두께(t2)를 가지는 제2영역의 제2 광전 변환층(237)을 포함할 수 있다. 제1두께(t1)가 제2두께(t2)보다 작을 수 있다. 광전 변환층(PL)의 단위 영역마다 위에서 설명한 단위 회로(UC)가 구비될 수 있다. 여기서, 두께가 서로 다른 복수개의 단위 영역이 하나의 픽셀 내에 구비될 수 있다. 또는, 두께가 서로 다른 복수개의 영역이 각각 다른 픽셀 내에 구비될 수 있다.
상기 제1광전 변환층(235)의 하부와 상부에 각각 하부 전극(230)과 상부 전극(240)이 구비될 수 있다. 그리고, 제2광전 변환층의 하부와 상부에 각각 하부 전극(230)과 상부 전극(240)이 구비될 수 있다. 상기 하부 전극(230)은 각 단위 영역마다 이격되게 배치되고, 상부 전극(240)은 하나의 공통전극으로 형성될 수 있다. 상기 하부 전극(230)은 홀(227)에 채워진 전도성 물질(228)을 통해 상기 제2전극(222)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(230), 제1광전 변환층(235) 및 상부 전극(240)은 제1포토 다이오드를 구성할 수 있다. 그리고, 상기 하부 전극(230), 제2광전 변환층(237), 상부 전극(240)은 제2포토 다이오드를 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 다중 에너지 방사선 검출기의 동작을 설명하면, 방사선 검출기에 방사선이 입사되면, 두께가 서로 다른 제1광전 변환층(235)과 제2광전 변환층에서 각각 다른 에너지 대역의 방사선이 검출될 수 있다. 예를 들어, 제1광전 변환층(235)에서 제1에너지 대역의 방사선이 상대적으로 많이 검출되고, 제2광전 변환층(237)에서 제2에너지 대역의 방사선이 상대적으로 많이 검출될 수 있다. 제1에너지 대역의 방사선으로부터 생성된 전하가 제1광전 변환층(235)에 연결된 커패시터(205)에 저장되고, 제2에너지 대역의 방사선으로부터 생성된 전하가 제2광전 변환층(237)에 연결된 커패시터(205)에 저장된다. 게이트 라인(Gate line)(도 3 참조)을 통해 스위칭 소자(201)가 턴온되면 커패시터(122)에 저장된 전하가 각각에 대응되는 데이터 라인을 통해 신호 처리부(도 3 참조)로 이동될 수 있다. 제1 광전 변환층(235)으로부터의 신호를 이용하여 제1 에너지 대역의 제1이미지를 생성할 수 있으며, 제2 광전 변환층(237)으로부터의 신호를 이용하여 제2 에너지 대역의 제2이미지를 생성할 수 있다.
도 5에서는 제1광전 변환층과 제2광전 변환층으로 이루어진 한 세트의 구조만을 도시하였으나, 이러한 구조가 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 다시 말하면, 상기 기판(200) 상에 스위칭 소자와 캐패시터를 포함하는 복수 개의 단위 회로가 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 복수 개의 단위 회로 중 홀수 열의 단위 회로 위에 제1두께를 가지는 제1 광전 변환층(235)이 배열되고, 짝수 열의 단위 회로 위에 제2두께를 가지는 제2 광전 변환층(237)이 구비될 수 있다.
도 5의 구조는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기의 구체적인 구조를 예시적으로 보여주는 것에 불과하고, 이 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 6a를 참조하면, 기판(200) 상에 제1금속층을 증착하고, 제1금속층을 패터닝하여 게이트 전극(202)과 제1전극(204)을 형성한다. 상기 기판(200)은 글라스 기판 또는 웨이퍼 기판일 수 있다. 도 6b를 참조하면, 상기 게이트 전극(202)과 제1전극(204) 위에 절연막(210)을 증착한다. 절연막(210)은 예를 들어, 산화막, 질화막 또는 비유전률이 높은 유전체로 증착될 수 있다. 산화막으로는 SiNx, SiO2, SiONx 와 같은 Si 산화막이 사용될 수 있다. 유전체로는 예를 들어, Al2O3, HfO2 등이 사용될 수 있다. 상기 절연막(210)은 TFT 소자의 게이트 절연막과 캐패시터의 유전체에 대응될 수 있다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(210) 위에 반도체층을 증착하고, 패터닝하여 채널층(215)을 형성한다. 상기 채널층(215)은 예를 들어, a-Si(비정질 실리콘), Poly-Si(다결정 실리콘), 산화물 반도체 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 산화물 반도체로는 예를 들어, ZnO 계열에 Ga, In, Hf 등이 도핑된 물질이 사용될 수 있다.
도 6d를 참조하면, 상기 채널층(215) 위에 제2금속층을 증착하고 패터닝하여 소스 전극(217), 드레인 전극(220), 제2전극(222)을 형성한다. 소스 전극(217)과 드레인 전극(220)은 서로 이격되게 배치되고, 소스 전극(217)과 드레인 전극(220) 사이로 채널층(215)이 노출될 수 있다. 제2전극(222)은 캐패시터의 전극으로 사용될 수 있다. 여기서, 드레인 전극(220)과 제2전극(222)은 연결될 수 있다. 도 6e를 참조하면, 소스 전극(217), 드레인 전극(220), 제2전극(222)을 덮도록 패시베이션 막(225)을 증착하고, 상기 제2전극(222)의 일부가 노출되도록 패시베이션 막(225)에 홀(227)을 형성한다. 그리고, 상기 패시베이션 막(225) 위에 제3금속층을 증착하고 패터닝하여 하부 전극(230)을 형성한다. 제3금속층은 상기 홀(227)에도 채워져 하부 전극(230)은 상기 홀(227)을 통해 제2전극(222)과 연결될 수 있다.
도 6f를 참조하면, 상기 하부 전극(230) 위에 제1 두께(t1)를 가지는 제1광전 변환층(235)을 형성한다. 제1 광전 변환층(235)은 진공증착법이나 스크린 프린팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 다음, 도 6g에 도시된 바와 같이, 마스크를 이용하여 제2 광전 변환층(237)을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 광전 변환층(237)은 그 아래 형성된 제1광전 변환층(235)까지 포함한 영역을 나타내는 것으로 한다. 그리고, 제2 광전 변환층(237)은 전체적으로 제2두께(t2)를 가지는 것으로 한다. 제1 광전 변환층(235)과 제2 광전 변환층(237)은 같은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 광전 변환층(235)과 제2 광전 변환층(237)은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 다음, 상기 제1 광전 변환층(235)과 제2 광전 변환층(235) 위에 상부 전극(240)을 형성한다.
상기 게이트 전극(202), 채널층(215), 소스 전극(217), 드레인 전극(220)이 TFT 소자를 구성할 수 있다. 그리고, 상기 제1전극(204)과, 제1전극(204)과 마주보는 제2전극(222), 제1전극(204)과 제2전극(222) 사이의 절연막(210)이 캐패시터를 구성할 수 있다. 그리고, TFT 소자와 캐패시터와 같은 단위 회로를 포함하는 층이 어레이 기판의 일 예가 될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는 간단한 반도체 공정을 통해 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 에너지 방사선 검출기는 2개 이상의 서로 다른 에너지 영역을 검출할 수 있는 플랫 패널(flat panel) 검출기로, 하나의 어레이 내에 또는 한 픽셀 내에 서로 다른 두께를 가지는 광전 변환층을 포함한다. 동일한 재질의 광전 변환층이라도 두께에 따라 방사선 에너지 별로 흡수 계수가 차이가 나므로 이를 이용하여 하나의 어레이 또는 한 픽셀에서 에너지 별로 서로 다른 영상을 얻을 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상(idea) 범위 내에서 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환층은 방사선 검출기뿐 아니라, 그 밖의 다른 다양한 소자에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10...다중 에너지 방사선 검출기, 20,120,AS...어레이 기판
30,130,PL...광전 변환층, 131,235...제1광전 변환층
132,237...제2광전 변환층, 210...스위칭 소자
205...캐패시터, UC...단위 회로
200...기판, 202...게이트 전극
215...채널층, 217...소스 전극
220...드레인 전극, 204,222...전극

Claims (24)

  1. 복수의 단위 회로를 포함하는 어레이 기판; 및
    상기 어레이 기판 상에 구비된 것으로, 두께가 서로 다른 복수개의 영역을 포함하는 광전 변환층;을 포함하는 다중 에너지 방사선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환층은 두께가 상대적으로 작은 제1영역과 두께가 상대적으로 큰 제2영역을 포함하는 다중 에너지 방사선 검출기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1영역은 30-200㎛ 범위의 두께를 가지고, 제2영역은 300-1000㎛ 범위의 두께를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1영역에서는 제1에너지 대역의 방사선이 검출되고, 상기 제2영역에서는 제1에너지 대역과 다른 제2에너지 대역의 방사선이 검출되는 다중 에너지 방사선 검출기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1에너지 대역이 상기 제2에너지 대역보다 낮은 다중 에너지 방사선 검출기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1에너지 대역은 10-50keV 범위를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2에너지 대역은 60-120keV 범위를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 변환층은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 다중 에너지 방사선 검출기.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 검출기는 엑스레이(X-ray) 검출기 또는 감마레이(γ-ray) 검출기인 다중 에너지 방사선 검출기.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 회로는 TFT 소자 또는 CMOS 소자를 포함하는 다중 에너지 방사선 검출기.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두께가 서로 다른 복수개의 영역이 하나의 픽셀 내에 구비되는 다중 에너지 방사선 검출기.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두께가 서로 다른 복수개의 영역이 각각 다른 픽셀 내에 구비되는 다중 에너지 방사선 검출기.
  13. 기판;
    상기 기판 상에 메트릭스 형태로 배열된 것으로, 스위칭 소자와 캐패시터를 포함하는 복수 개의 단위 회로;
    상기 복수 개의 단위 회로 중 홀수 열의 단위 회로 위에 구비된 것으로, 제1두께를 가지는 제1 광전 변환층; 및
    상기 복수 개의 단위 회로 중 짝수 열의 단위 회로 위에 구비된 것으로, 제2두께를 가지는 제2 광전 변환층;을 포함하는 다중 에너지 방사선 검출기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1두께가 제2두께보다 작은 다중 에너지 방사선 검출기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환층은 30-200㎛ 범위의 두께를 가지고, 제2 광전 변환층은 300-1000㎛ 범위의 두께를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환층에서는 제1에너지 대역의 방사선이 검출되고, 상기 제2 광전 변환층에서는 제1에너지 대역과 다른 제2에너지 대역의 방사선이 검출되는 다중 에너지 방사선 검출기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1에너지 대역이 상기 제2에너지 대역보다 낮은 다중 에너지 방사선 검출기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1에너지 대역은 10-50 keV 범위를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2에너지 대역은 60-120 keV 범위를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광전 변환층은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 다중 에너지 방사선 검출기.
  21. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 검출기는 엑스선(X-ray) 검출기 또는 감마선(γ-ray) 검출기인 다중 에너지 방사선 검출기.
  22. 기판 상에 제1금속층을 증착하고, 패터닝하여 게이트 전극과 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극과 제1전극 위에 절연막을 증착하는 단계;
    상기 절연막 위에 반도체층을 증착하고, 패터닝하여 채널층을 형성하는 단계;
    상기 채널층 위에 제2금속층을 증착하고 패터닝하여 소스 전극, 드레인 전극, 제2전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극, 드레인 전극, 제2전극을 덮도록 패시베이션 막을 증착하는 단계;
    상기 패시베이션 막 위에 제1 두께를 가지는 제1광전 변환층을 형성하는 단계;
    마스크를 이용하여 상기 제1광전 변환층의 일부 영역 위에 제2 두께를 가지는 제2 광전 변환층을 형성하는 단계;를 포함하는 다중 에너지 방사선 검출기의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환층과 제2 광전 변환층은 HgI2, PbI2, CdTe, CdZnTe, PbO, PbO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 다중 에너지 방사선 검출기의 제조 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환층은 30-200㎛ 범위의 두께를 가지고, 제2 광전 변환층은 300-1000㎛ 범위의 두께를 가지는 다중 에너지 방사선 검출기 제조 방법.
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