KR20170061864A - 방사선 검출기 및 방사선 검출 방법 - Google Patents

방사선 검출기 및 방사선 검출 방법 Download PDF

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Abstract

발명의 실시예에 따른 방사선 검출 방법은 방사선에 의해 방사선 흡수층에서 생성된 전자정공쌍의 이동에 기인한 저항 변화를 측정하기 위해 전극을 통해 미리 정해진 전류값을 인가하는 단계; 및 상기 전극을 이용하여 전압을 측정하고 상기 전류값 및 전압을 이용하여 저항값을 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

방사선 검출기 및 방사선 검출 방법{Radiation detector and Method for radiation detection}
본 발명은 방사선 검출기 및 방사선 검출 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 방사선 흡수층에서 생성된 전하에 의해 발생된 전계 변화로 인해 변화된 저항을 측정하여 방사선을 검출하는 방사선 검출기 및 방사선 검출 방법에 관한 것이다.
디지털 방사선 검출기(Digital radiation detector)는 인체 또는 물체를 투과한 엑스선(X-ray)과 같은 방사선을 필름 없이 전기적으로 검출하여 영상정보를 획득하는 장치이다. 즉, 방사선을 조사(照射)하여 얻어진 영상정보를 전기적 신호로 변환하고 이를 검출함으로써, 인체의 골격이나 장기의 이상 여부 또는 물체의 균열 등을 확인할 수 있다.
방사선 검출기는 방사선이 조사되면 전자정공쌍(electron-hole pairs)을 생성하는 방사선 흡수층을 구비한다. 방사선 흡수층으로는 방사선의 포톤 에너지에 의한 전자정공쌍의 생성도가 높은 물질이 사용된다.
종래의 검출방식에서 방사선 흡수층은 내부에 전자이온쌍 혹은 전자전공쌍, 즉 전하신호를 생성시켜 이로부터 전기신호를 유도하고, 전자정공쌍이 내부에 인가된 고전압에 의해 형성된 전기장(전계)에 따라 이동하면 이를 전하신호의 형태로 수집, 저장하고 외부의 리드아웃 신호처리회로로 전송하면서 방사선의 강도를 검출하였다.
그런데, 방사선 흡수층과 전극 간의 계면에서는 누설전류가 발생하게 된다. 누설전류는 방사선 조사 시에 충전되는 전하량 및 그에 따른 전기신호에 영향을 주어 영상 출력 시에 잔상문제가 발생할 수 있다. 따라서, 광 도전체와 전극 간의 계면에서 발생하는 누설전류가 문제된다.
본 발명은 상기의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로 전계 변화에 따른 급격한 저항 변화 및 도전율 변화를 측정하여 방사선 검출 효율이 개선된 방사선 검출기 및 방사선 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 실시예에 따른 방사선 검출기는 전압을 인가받고, 사이에 층을 형성하여 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되고 입사된 방사선에 의해 전자정공쌍을 생성하고 생성된 전자정공쌍을 전계에 의해 분리시키는 방사선 흡수층; 상기 방사선 흡수층 상에 배치되고 전계를 형성하는 유전층; 및 상기 유전층 상에 배치되고 전하를 차단하는 그래핀층을 포함한다.
발명의 실시예에 따른 방사선 검출 방법은 방사선에 의해 방사선 흡수층에서 생성된 전자정공쌍의 이동에 기인한 저항 변화를 측정하기 위해 전극을 통해 미리 정해진 전류값을 인가하는 단계; 및 상기 전극을 이용하여 전압을 측정하고 상기 전류값 및 전압을 이용하여 저항값을 산출하는 단계;를 포함한다.
발명의 실시예에 따른 방사선 검출기 및 방사선 검출 방법은 전계 변화에 따른 급격한 저항 변화 및 도전율 변화를 측정하여 방사선 검출 효율이 개선되는 효과가 있다.
또한, 방사선 흡수층에서 생성된 전하에 의해 발생한 전계변화에 따른 급격한 저항 변화 및 도전율 변화를 측정하므로 누설 전류 최소화를 통해 영상 품질을 개선할 수 있다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기의 단면을 나타내는 도면이다. 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기(100)는 제1 전극(110), 방사선 흡수층(120), 유전층(130), 그래핀층(140), 제2 전극(150) 및 전압원(V)을 포함하여 형성될 수 있다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(150)에는 전압이 인가되며, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)을 통해 전계가 형성된다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 도전성을 가지는 물질, 즉, Au, Ni, Ti, Cr 등의 금속, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminum zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide) 등의 투명전도성 산화물(TCO), 도전성 폴리머 등으로 형성될 수 있다.
구체적으로 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 화학기상증착법(CVD), 플라즈마 여기 CVD(plasmaenhanced CVD, PECVD), 저압 CVD(low pressure CVD, LPCVD), 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등의 증착 방법에 의하여 형성될 수 있으나, 이러한 방법으로 한정되는 것은 아니다.
제2 전극(150)은 전류를 인가하여 전압을 측정함으로써 저항 변화를 산출한다.
방사선 흡수층(120)은 방사선(radiation)을 입력받아 방사선으로부터 공급되는 광자 에너지(photon energy)에 의해 방사선 흡수층(120)에 흡수된 방사선을 전기신호로 변환하는데, 정공(양전하: hole) 전자(음전하: electron) 쌍을 생성한다. 이때, 방사선 흡수층(120)은 방사선의 신호 강도에 비례하여 정공 전자 쌍을 생성한다.
방사선 흡수층(120)은 방사선에 의해 광 도전성을 나타낸다. 전극에 전압이 인가되면, 전계에 의해 방사선 흡수층(120)의 정공과 전자가 상하로 분리되는데, 분리되는 정공과 전자는 각각 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)의 극성에 의해 끌려가게 된다. 예를 들어, 제1 전극(110)에 (+)성분의 전압을 인가하고, 제2 전극(150)에 (-)성분의 전압이 인가되는 경우, 전자는 제1 전극(110)으로, 정공은 제2 전극(150)으로 끌려간다. 방사선 흡수층(120)은 a-Se, CdTe, CdZnTe 등의 물질로 형성될 수 있다.
유전층(dielectric layer)(130)은 전계 형성을 위해 형성되는 층으로, 전계가 형성되면 표면에 전하가 유기된다. 유전층(130)은 실리콘 산화물로 형성될 수도 있으나, 다른 유전 물질, 예컨대, 하프늄 산화물(HfO2) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3) 등과 같은 고유전 상수를 가지는 유전 물질로도 형성될 수 있다. 이러한 하프늄 산화물 또는 알루미늄 산화물 등은 원자층 증착 방법(ALD: Atomic Layered Deposition)으로 증착될 수 있다.
유전층(130)은 상기한 바와 같이 실리콘 산화물로 형성될 수도 있으나, 다른 유전 물질, 예컨대, 지르코늄 산화물(ZrO2) 또는 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 등과 같은 고유전 상수를 가지는 유전 물질로도 형성될 수 있다. 이러한 유전 물질들은 MOCVD 등과 같은 방법으로 증착될 수 있다.
유전층(130)은 절연물질로서, 상기 유전층(130)의 두께가 너무 얇을 경우 전하의 터널링 너무 잘 일어나 스위칭 특성이 악화되고, 너무 두꺼울 경우 전하의 터널링이 잘 일어나지 않아 터널링을 위해 높은 전압이 인가해야 하므로, 이를 고려하여, 바람직하게는 수 ㎚ 내지 수백 ㎚의 두께로 형성된다. 특히, 유전층(130)은 에너지 밴드갭이 크고, 유전상수가 큰 재료로서, High K 비전도성 유전체나 플라스틱과 같은 유기물을 사용하는 것이 바람직하다. 그 외에도, 실리콘 산화물(SixOy), 알루미늄 산화물(AlxOy), 하프늄 산화물(HfxOy), 지르코늄 산화물(ZrxOy), 이트륨 산화물(YxOy), 란탄 산화물(LaxOy), 탄탈륨 산화물 (TaxOy), 프라세오디뮴 산화물(PrxOy), 및 티타늄 산화물(TixOy), 알루미늄 실리콘 산화물 (AlxSiyOz), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 및 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy)을 포함할 수 있으며, 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다.
그래핀(graphene)층(140)은 탄소 화합물을 포함하여 형성되는 층으로, 2차원 6각형 탄소 결정 구조(2-dimensional hexagonal crystalline carbon structure)를 가지는 물질이며 전기적, 열적 및 광학적 특성이 우수하다. 예를 들어, Graphene Oxide-Cs(GOCs)로 구성될 수 있다.
그래핀은 제로 에너지 갭 반도체(zero gap semiconductor)로서, 기본적으로 금속성(metal-like) 성격을 가지고 있으며, 캐리어 이동도(mobility)가 상온(15 내지 25℃)에서 100,000cm2V-1s-1로 기존 실리콘 대비 약 100배 정도 높아 고속동작 소자에 적용될 수 있다.
그래핀층(140)은 예를 들어 0.34 nm 내외의 두께를 갖는 단층 그래핀 구조나 단층 그래핀이 복수로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로 그래핀층(140)은 화학기상증착법(CVD)으로 성장시킬 수 있으나, 단결정 그래파이트로부터 물리적으로 또는 화학적으로 그래핀을 분리하는 방법으로 형성될 수도 있다. 한편, 화학기상증착법(CVD)으로는 일반적인 CVD법 이외에도, RTCVD(급속가열 화학기상증착법, PECVD(플라즈마 화학기상 증착법), ICPCVD(유도결합형 플라즈마 화학기상증착법), MOCVD(유기금속 화학기상증착법) 등이 사용될 수 있다.
제2 전극(150)은 단면을 기준으로 짝수로 형성될 수 있다. 이에 따라 전류를 주입하기 위한 전극의 쌍(pair)(152, 153) 및 전압을 측정하기 위한 전극의 쌍(151, 154)으로 형성될 수 있다.
방사선 조사시 방사선 흡수층(120)에서 발생한 에너지가 그래핀 전계에서의 전압차로 유도되고, 전류(I)의 공급량에 대한 저항의 변화를 측정하여 전압을 산출한다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다. 도 2a는 방사선 검출기의 기본 모델을 나타낸 것으로, 전압을 인가하지 않은 상태를 나타낸다. 아직 전원에 의해 전압이 인가되지 않았으므로, 방사선 흡수층(120) 내에서 전자 및 정공은 불규칙적으로 자유롭게 분포되어 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 하부 전극(110) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하여 방사선 흡수층(120)에서 형성된 전하에 의해 전계(electric field)를 형성한다. 전계가 형성됨에 따라 전자 및 정공이 각각 반대되는 극성으로 이동하게 된다.
다음으로, 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 방사선이 주입되면 방사선 흡수층(120)에서 전자정공쌍이 형성되고, 형성된 전자정공쌍은 전계를 따라 이동하여 서로 다른 방향으로 분포된다.
도 2e를 참고하면 상기 과정과 같이 정전위의 방사선에 의해 전계 분포가 변화됨으로써 저항도 변화되고, 변화된 저항을 측정하기 위해 전류를 인가한다(도 2f). 다음으로, 전압을 측정하여 옴의 법칙에 의해 저항을 측정한다. 측정된 저항값은 방사선 조사에 의해 변화된 값으로, 방사선이 조사되기 이전의 저항값과 비교하여 방사선이 조사된 양을 검출할 수 있게 된다(도 2g).
도 3은 발명의 실시예에 따른 방사선 검출 방법을 도시한 순서도이다. 전압원에 의해 전압이 인가되면, 전계가 형성되고(S100), 이 상태에서 방사선이 조사된다(S200). 방사선에 의해 방사선 흡수층에서 전자정공쌍이 생성되고(S300), 전계에 의해 전자정공쌍이 이동하고(S400), 정전위의 전계 분포 변화에 의한 저항 변화를 측정하기 위해 전류를 인가한다(S500). 다음으로, 전압 측정을 통해 저항을 측정(S600)함으로써, 방사선이 조사된 양을 검출할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제1 전극
120: 방사선 흡수층
130: 유전층
140: 그래핀층
150: 제2 전극

Claims (5)

  1. 전압을 인가받고, 사이에 층을 형성하여 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 상에 배치되고 입사된 방사선에 의해 전자정공쌍을 생성하고 생성된 전자정공쌍을 전계에 의해 분리시키는 방사선 흡수층;
    상기 방사선 흡수층 상에 배치되고 전계를 형성하는 유전층; 및
    상기 유전층 상에 배치되고 전하를 차단하는 그래핀층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 복수로 형성되고, 상기 제2 전극을 이용하여 전류를 인가하고, 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 FET의 구조인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  4. 방사선에 의해 방사선 흡수층에서 생성된 전자정공쌍의 이동에 기인한 저항 변화를 측정하기 위해 전극을 통해 미리 정해진 전류값을 인가하는 단계; 및
    상기 전극을 이용하여 전압을 측정하고 상기 전류값 및 전압을 이용하여 저항값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저항값을 산출하여 조사된 방사선의 양을 검출하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
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