KR20170067452A - 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치 - Google Patents
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Abstract
방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치가 개시된다. 개시된 방사선 검출기는 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성되며 방사선이 투과되면서 섬광이 발생하는 다수의 나노 도광체를 신틸레이터나 광전도체로 사용함으로써 높은 양자효율을 달성할 수 있다.
Description
본 개시는 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 나노 도광체를 이용하여 양자효율을 향상시킨 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치에 관한 것이다.
방사선을 이용한 의료기기들이 사용 또는 개발 중에 있다. 방사선을 이용한 의료영상기기인 엑스선 촬영 장치는 아날로그 방식에서 디지털 방식으로 빠르게 변화하고 있다. 이러한 추세에 맞추어 디지털 엑스선 촬영 장치의 핵심부품인 엑스선 검출기 역시 매우 빠르게 발전하고 있다. 디지털 엑스선 검출 기술은 크게 엑스선을 가시광 빛으로 바꾼 후 가시광 빛 신호를 전기 신호로 변환하여 영상을 생성하는 간접 방식과 엑스선 신호를 바로 전기 신호로 변환하여 영상을 생성하는 직접 방식으로 나눌 수 있다.
간접 방식은 CsI:Tl를 침상 (직경 5~10 μm) 형태로 기상 증착하여 신틸레이터(scintillator)로 사용하는 방식, 또는 Gd2O2S 파우더(powder)를 소결 결정화하여 사용하는 방식 등이 상용화되어 있다. 직접 방식은 a-Se를 기상 증착하여 광전도체(photoconductor)로 사용하는 방식이 상용화되어 있다. 간접 방식의 해상도는 대략 모달리티(modality)에 따라 100~500 μm 정도이며 일반 방사선 촬영(General radiography), 흉부 엑스선 촬영(Chest X-ray radiography), 엑스선 투시법(Fluoroscopy), 혈관 조영술(angiography), 컴퓨터 단층 촬영(Computer tomography, CT) 등 광범위하게 사용되고 있으며, 직접 방식은 해상도 50~75 μm의 미세 석회화(micro calcification) 검출이 필요한 유방 촬영술(mammography)에 주로 사용된다.
높은 양자효율을 가지면서도 해상도를 높일 수 있는 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치를 제공하고자 한다.
일 측면에 따르는 방사선 검출기는, 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성되며 방사선이 투과되면서 섬광이 발생하는 다수의 나노 도광체들과, 상기 다수의 나노 도광체 각각을 둘러싸는 보호물질을 포함하는 신틸레이션부; 및 상기 신틸레이션부로부터 발광된 빛을 검출하는 광검출부;를 포함할 수 있다. 상기 방사선 검출기는 평판형 검출기일 수 있다. 달리 말하면, 상기 신틸레이션부는 평판형 신틸레이션 패널이며, 광검출부는 상기 신틸레이션 패널의 배면(즉, 출사면)에 배치되며, 2차원적으로 배열된 다수의 화소 센서들을 구비할 수 있다.
다른 측면에 따르는 방사선 검출기는, 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성되며 방사선이 투과되면서 광전변환하는 다수의 나노 도광체와, 상기 다수의 나노 도광체 각각을 둘러싸는 보호물질을 포함하는 광전도체부; 및 상기 광전도체부에서 광전변환되어 발생된 전하를 검출하는 검출부;를 포함할 수 있다. 상기 방사선 검출기는 평판형 검출기일 수 있다. 달리 말하면, 상기 광전도체부는 평판형 광전도체 패널이며, 검출부는 상기 광전도체 패널의 배면(즉, 출사면)에 배치되며, 2차원적으로 배열된 다수의 화소 센서들을 구비할 수 있다.
상기 나노 도광체는 나노와이어 또는 나노로드일 수 있다. 상기 나노 도광체는 원기둥 또는 사각기둥 형상을 가질 수 있다. 상기 나노 도광체는 10 nm 내지 1000 nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 나노 도광체는 100 μm 내지 1000 μm의 길이를 가질 수 있다.
상기 나노 도광체는 굴절률이 가시광 영역에서 2~4인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 도광체는 납(Pb)을 포함한 페로브스카이트(perovskite)로 형성될 수 있다. 상기 페로브스카이트를 ABX3로 나타낼 때, A 또는 B는 Pb이며, X는 요오드(I) 및 브롬(Br) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 도광체는 CH3NH3PbI3 - xBrx, CsPbI3 - xBrx (0≤x≤3)와 같은 물질로 형성될 수 있다. 또는 상기 나노 도광체는 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 보호물질은 내습성 보호물질(water-proof protecting material)일 수 있다. 상기 보호물질은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 상기 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머는 PC, PMMA, Si 고무, PET, 에폭시(epoxy), 및 아크릴(acryl)을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 신틸레이션부의 입력단을 덮는 보호층이 더 마련될 수 있다. 상기 보호층은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 유리로 형성될 수 있다.
상기 광전도체부의 입력단을 덮는 전극층이 더 마련될 수 있다. 상기 전극층은 금속박막일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속박막은 Al, Au을 포함할 수 있다. 상기 광전도체부와 상기 전극층 사이에는 보호층이 더 마련될 수 있다. 상기 보호층은 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성될 수 있다.
상기 방사선은 엑스선일 수 있다.
또 다른 측면에 따르는 방사선 촬영 장치는, 방사선 조사부; 상기 방사선 조사부에서 방출된 방사선을 검출하는 방사선 검출기; 및 상기 방사선 조사부 및 상기 방사선 검출기를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면 나노와이어나 나노로드와 같은 나노 도광체를 방사선 검출기에 사용함으로써 높은 양자효율을 얻을 수 있다.
개시된 실시예에 따르면 납을 포함하는 페로브스카이트나 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe와 같은 고굴절률 물질을 신틸레이터에 사용함으로써 Gd2O2S나 CsI와 대비할 때 간접 방식에서 높은 신틸레이션 양자효율 및 나노구조의 광속박 효과에 따른 고해상도를 얻을 수 있다. 또한 상기 물질을 나노와이어나 나노로드와 같은 나노 광도전체로 사용한 직접 방식 방사선 검출기에서는 상용 a-Se 대비 물질 자체의 높은 감도(sensitivity) 및 형성된 전하의 나노구조 내 속박 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 방사선 검출기를 I-I'선을 따라 본 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 방사선 검출기의 광검출부의 화소회로를 도시한다.
도 4는 도 1의 방사선 검출기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 방사선 검출기에서 다른 예의 나노 도광체를 갖는 신틸레이션층의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출기의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 6의 방사선 검출기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 엑스선 에너지에 따른 Pb 페로브스카이트와 비교물질의 감쇠계수를 보여주는 그래프이다.
도 9는 나노 도광체와 보호물질의 굴절률 비를 달리하는 경우의 검출된 광자의 수를 보여주는 그래프이다.
도 10은 나노 도광체의 직경을 달리하는 경우의 검출된 광자의 개수를 보여주는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11e는 일 실시예에 따라 나노 도광체를 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 방사선 검출기를 I-I'선을 따라 본 단면도를 도시한다.
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도 4는 도 1의 방사선 검출기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 방사선 검출기에서 다른 예의 나노 도광체를 갖는 신틸레이션층의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출기의 측단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 6의 방사선 검출기의 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 엑스선 에너지에 따른 Pb 페로브스카이트와 비교물질의 감쇠계수를 보여주는 그래프이다.
도 9는 나노 도광체와 보호물질의 굴절률 비를 달리하는 경우의 검출된 광자의 수를 보여주는 그래프이다.
도 10은 나노 도광체의 직경을 달리하는 경우의 검출된 광자의 개수를 보여주는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11e는 일 실시예에 따라 나노 도광체를 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. 예를 들어, 본 발명에서 사용되는 방사선은 초음파, 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선 및 중성자선 등 여러 가지가 될 수 있다. 다만, 일반적으로 방사선이라 하면 전리 현상을 일으켜 인체에 해를 줄 수 있는 엑스선을 의미할 수 있다. 발명의 용이한 설명을 위해 엑스선을 예를 들어 설명할 수 있으나, 엑스선 이외의 방사선들로도 본 발명이 구현될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출기(100)의 측단면도를 개략적으로 도시하며, 도 2는 도 1의 방사선 검출기(100)를 I-I'선을 따라 본 단면도를 도시하며, 도 3은 도 1의 방사선 검출기(100)의 광검출부(110)의 화소회로를 도시한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 방사선 검출기(100)는, 신틸레이션부(120)와, 광검출부(110)를 포함할 수 있다. 참조번호 130은 신틸레이션부(120)와, 광검출부(110)를 접합하는 접합층을 나타낸다.
신틸레이션부(120)는 신틸레이션층(140)과, 투명물질층(160)을 포함한다.
신틸레이션층(140)은 다수의 나노 도광체(141)와, 보호물질(145)을 포함할 수 있다.
나노 도광체(141)는 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성된다. 나노 도광체(141)들은 2차원으로 배열되어 있을 수 있다. 신틸레이션층(140)은 2차원 평판 구조를 지닐 수 있다. 나노 도광체(141)의 입사단은 이러한 신틸레이션층(140)의 입사면에 노출되고, 나노 도광체(141)의 출사단은 신틸레이션층(140)의 출사면에 노출되어 있을 수 있다.
나노 도광체(141)는 나노와이어 또는 나노로드일 수 있다. 나노 도광체(141)는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 나노 도광체(141)는 100 μm 내지 1000 μm의 길이(D2)를 가질 수 있다. 나노 도광체(141)의 직경(도 3의 D4)는 예를 들어, 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다.
나노 도광체(141)는 방사선(10)이 투과되면서 섬광이 발생하는 섬광물질로 형성된다. 방사선은 엑스선일 수 있다. 나노 도광체(141)는 굴절률이 가시광 영역에서 2~4인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 도광체(141)는 CsPbI3와 같은 납(Pb)이 포함된 용액 공정이 가능한 혼합 양이온 페로브스카이트(mixed cation perovskite)로 형성할 수 있다. 페로브스카이트를 ABX3로 나타낼 때, A 또는 B는 Pb이며, X는 요오드(I) 및 브롬(Br) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 도광체는 CH3NH3PbI3 - xBrx, CsPbI3 - xBrx (0≤x≤3)와 같은 물질로 형성될 수 있다. 또는 나노 도광체(141)는 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이 혼합 양이온 페로브스카이트는 엑스선 의료영상에 사용되는 전 영역의 에너지 대역에서 a-Se/CsI 대비 높은 양자효율이 예상된다. 또한, 혼합 양이온 페로브스카이트는 3.0~3.5로 예상되는 높은 가시광 굴절률을 가지고 있으며, 이 소재를 나노 도광체(141)로 구현했을 때 이 소재의 높은 가시광 굴절률로 인해 높은 이득(gain)의 도파관(wave guide)으로 작용할 수 있다. 따라서 상기와 같은 물질을 나노 도광체(141)의 소재로 사용함으로써 같은 두께의 신틸레이터에서 CsI 소재보다 적은 엑스선량으로도 높은 검출 양자 효율을 얻을 수 있는 간접 방식의 엑스선 검출기(100)를 제작할 수 있게 된다.
보호물질(145)은 나노 도광체(141)를 보호하는 물질로서, 나노 도광체(141) 각각을 둘러싼다. 보호물질(145)은 주위로부터 나노 도광체(141)로 수분이 침투하는 것을 방지하는 내습성 보호물질(water-proof protecting material)일 수 있다. 보호물질(145)은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성될 수 있다. 폴리머는, 예를 들어, PC, PMMA, Si 고무, PET, 에폭시(epoxy), 및 아크릴(acryl)을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
투명물질층(160)은 신틸레이션부의 입력단(즉, 신틸레이션층(140)의 입사면)을 덮는다. 투명물질층(160)은 투명물질층(160)은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 유리로 형성될 수 있으며, 신틸레이션층(140)을 보호한다.
신틸레이션층(140)과 투명물질층(160) 사이에는 신틸레이션층(140)에서 발생하여 입사단 쪽으로 향하는 섬광(도 4의 13b 참조)을 반사시키는 반사층(150)이 더 개재될 수 있다. 반사층(150)은 예를 들어 Al, Au와 같은 금속 박막일 수 있다. 반사층(150)은 예를 들어 0.1 내지 5 μm의 두께(D2)로 형성될 수 있다.
광검출부(110)는 신틸레이션부(120)에서 변환된 가시광 빛을 검출한다. 방사선 검출기(100)는 평판형 검출기일 수 있다. 달리 말하면, 신틸레이션부는 평판형 신틸레이션 패널이고, 광검출부(110)는 신틸레이션부(120)(패널)의 배면(즉, 출사면)에 배치되며, 도 3에 도시되듯이 2차원적으로 배열된 다수의 화소 센서들을 구비할 수 있다. 도 3을 참조하면, 광검출부(110)는 2차원으로 배열된 전극 라인(115, 116)과, 상기 전극 라인(115, 116)의 교차점마다 마련된 포토 다이오드(111)와, 화소 회로(113)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드(111)는 신틸레이션부(120)에서 변환된 가시광 빛을 수광하여 전기적 신호로 변환한다. 포토 다이오드(111)는 광전변환소자의 일 예이며, 포토 트랜지스터등이 채용될 수도 있다. 포토 다이오드(111)에서 변환된 전기적 신호는 화소 회로(113)를 거쳐 독출회로부(미도시)에서 영상정보가 담긴 디지털신호로 변환된다. 이러한 디지털신호는 신호처리부(도 12의 552)에서 신호처리되어 방사선 영상신호로 변환되게 된다.
도 4는 도 1의 방사선 검출기(100)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 나노 도광체(141)의 입력단쪽에서 입력되는 방사선(10)은 나노 도광체(141) 내에서 형광체(12)와 부딪혀 섬광 현상을 일으킨다. 반사층(150)은 고에너지의 방사선(10)이 충분히 통과할 수 있도록 박막으로 형성된다. 섬광 현상은 방사선(10)을 가시광 빛(13)으로 변환시킨다. 가시광 빛(13)은 임의의 방향으로 향한다. 즉, 일부의 섬광(13a)은 나노 도광체(141)의 출력단쪽으로 향하며, 일부의 섬광(13b)은 나노 도광체(141)의 입력단쪽으로 향한다. 나노 도광체(141)의 입력단쪽으로 향하는 섬광(13b)은 반사층(150)에서 반사되어 되돌아 간다. 반사층(150)은 저에너지의 섬광(13b)은 반사될 수 있을 정도의 두께를 갖는다. 한편, 나노 도광체(141)는 보호물질(145)로 둘러싸여 있다. 나노 도광체(141)의 굴절률은 보호물질(145)의 굴절률보다 크므로, 나노 도광체(141) 내에서 전반사각(θc) 보다 더 큰 입사각으로 보호물질(145)에 부딪히는 가시광 빔(13)은 전반사에 의해 나노 도광체(141) 내에 갇히게 된다. 이와 같은 나노 도광체(141)의 광가이드에 의해 가시광 빔(13)은 광검출부(100)로 향하게 된다.
도 2에서 나노 도광체(141)은 원 기둥 형사인 경우를 도시하고 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 5는 도 1의 방사선 검출기에서 다른 예의 나노 도광체(141')를 갖는 신틸레이션층(140')의 단면도를 도시한다. 도 5에 도시되듯이, 나노 도광체(141')는 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 이러한 나노 도광체(141')는 한 변의 길이(D5)가 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사선 검출기(200)의 측단면도를 개략적으로 도시하며, 도 7은 도 6의 방사선 검출기(200)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 방사선 검출기(200)는, 광전도체부와, 검출부(220)를 포함할 수 있다.
광전도체부는 광전도체층(240)과, 상부 전극(260)과, 투명물질층(270)을 포함할 수 있다.
광전도체층(240)은 다수의 나노 도광체(241)와, 보호물질(245)을 포함할 수 있다.
나노 도광체(241)는 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성된다. 나노 도광체(241)들은 2차원으로 배열되어 있을 수 있다. 광전도체층(240)은 2차원 평판 구조를 지닐 수 있다. 나노 도광체(241)의 입사단은 이러한 광전도체층(240)의 입사면에 노출되고, 나노 도광체(241)의 출사단은 광전도체층(240)의 출사면에 노출되어 있을 수 있다.
나노 도광체(241)는 나노와이어 또는 나노로드일 수 있다. 나노 도광체(241)는 원기둥 또는 사각기둥 형상을 가질 수 있다. 나노 도광체(241)는 예를 들어, 10 nm 내지 1000 nm의 직경을 가질 수 있다. 나노 도광체(141)는 100 μm 내지 1000 μm의 길이를 가질 수 있다.
나노 도광체(241)는 방사선(10)이 투과되면서 광전변환하는 광전변환물질로 형성된다. 방사선은 엑스선일 수 있다. 나노 도광체(241)는 굴절률이 가시광 영역에서 2~4인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 도광체(241)는 CsPbI3와 같은 납(Pb)이 포함된 용액 공정이 가능한 혼합 양이온 페로브스카이트로 형성될 수 있다. 페로브스카이트를 ABX3로 나타낼 때, A 또는 B는 Pb이며, X는 요오드(I) 및 브롬(Br) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 도광체는 CH3NH3PbI3 -xBrx, CsPbI3 - xBrx (0≤x≤3)와 같은 물질로 형성될 수 있다. 또는 나노 도광체(241)는 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 전술한 실시예와 마찬가지로, 혼합 양이온 페로브스카이트는 엑스선 의료영상에 사용되는 전 영역의 에너지 대역에서 a-Se/CsI 대비 높은 양자효율이 예상되며, 또한3.0~3.5로 예상되는 높은 가시광 굴절률을 가지고 있다. 따라서, 상기와 같은 소재로 나노 도광체(241)를 구현했을 때 이 소재의 높은 가시광 굴절률로 인해 높은 이득의 도파관으로 작용할 수 있다. 또한 혼합 양이온 페로브스카이트는 낮은 트랩 밀도(trap density)가 예상되며 정공 트랩(hole trap)에 의한 생성 전하의 측면 드리프트(lateral drift)를 나노와이어 방향으로 제한할 수 있기 때문에, 높은 캐리어 이동도(carrier mobility)를 가진다. 예를 들어, CsPbI3의 경우 전자/홀 이동도(electron/ hole mobility)가 5/20 [cm2/(V·s)]로서, a-Se의 전자/홀 이동도인 0.003/0.14 [cm2/(V·s)]보다 매우 크다. 따라서, 이러한 특성과 연계하면 혼합 양이온 페로브스카이트와 같은 소재로 나노 도광체(241)를 구현하면, 기존 a-Se을 사용하는 엑스선 검출기의 인가 전기장 (20 V/um)보다 현저히 낮은 세기의 전기장으로도 전하 분리가 효과적으로 가능할 것으로 예상되어 이를 적용한 직접 방식의 엑스선 검출기에서 유방 촬영(mammography) 이외의 고에너지 영상에서도 월등한 검출 양자 효율을 갖는 엑스선 검출기로 구현 가능할 것으로 기대된다.
보호물질(245)은 나노 도광체(241)를 보호하는 물질로서, 나노 도광체(241) 각각을 둘러싼다. 보호물질(145)은 주위로부터 나노 도광체(241)로 수분이 침투하는 것을 방지하는 내습성 보호물질(water-proof protecting material)일 수 있다. 보호물질(245)은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성될 수 있다. 폴리머는, 예를 들어, PC, PMMA, Si 고무, PET, 에폭시(epoxy), 및 아크릴(acryl)을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상부 전극층(260)은 광전도체부의 입력단(즉, 광전도체층(240)의 입사면)을 덮도록 형성된다. 상부 전극층(260)은 금속박막일 수 있다. 예를 들어, 금속박막은 Al, Au을 포함할 수 있다.
광전도체층(240)과 전극층(260) 사이에는 보호층(250)이 더 마련될 수 있다. 보호층(250)은 예를 들어 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성될 수 있다.
광전도체층(240)의 하부에는 화소 전극(230)이 마련된다. 한편, 광전도체층(240)의 하부의 일부 영역에는 쉴드 전극(shield electrode)(231)가 마련되고, 그 하부에 검출부(220)의 회로 소자들이 위치한다.
검출부(220)는 광전도체층(240)에서 생성된 전하를 검출한다. 방사선 검출기(200)는 평판형 검출기일 수 있다. 달리 말하면, 광전도체부는 평판형 패널이고, 검출부(220)는 광전도체부(패널)의 배면(즉, 출사면)에 배치되며, 2차원적으로 배열된 다수의 화소 센서들을 구비할 수 있다. 검출부(220)는 저장 커패시터(221)와 저장 커패시터(221)에 수집된 전하를 읽어내는 독출회로(221)를 포함할 수 있다.
광전도체층(240)의 양단에 위치한 상부 전극(260)에는 전원(280)이 연결되어 전압이 인가된다. 전원(280)의 타단은 접지되어 있을 수도 있다. 이에 따라, 나노 도광체(241) 내에는 전기장이 걸리게 된다. 방사선(10)이 광전도체층(240)에 입사되면, 나노 도광체(241)를 이루는 물질에 의해 전자와 전공으로 변환된다. 변환된 전자와 전공은 전기장에 의해 상부 전극(260) 및 화소 전극(230)으로 각각 끌려가게 된다.
화소 전극(230)은 방사선(10)이 변환되어 생성된 전하(20)가 모이게 되고, 화소 전극(230)과 연결된 저장 커패시터(221)는 이러한 전하(20)를 수집하게 된다. 독출회로(222)는 저장 커패시터(221)의 전하량을 디지털신호로 변환한다. 이러한 디지털신호는 신호처리부(도 12의 552)에서 신호처리되어 방사선 영상신호로 변환되게 된다.
도 8은 엑스선 에너지에 따른 Pb 페로브스카이트와 비교물질의 감쇠계수를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, CsPbI3의 경우 a-Se이나 CsI에 비교하여 광자 에너지의 전영역에 대해 감쇠계수가 높음을 알 수 있다. 가령, 30 kVp이상에서 CsPbI3는 a-Se 대비 4~5배 이상 높은 X-ray 흡수도가 예상된다. 30-40 keV의 광자 에너지 대역에 있어서 종래의 유방 촬영술(mammography)에는 주로 a-Se이 사용되는데, CsPbI3는 a-Se보다 감쇠계수가 더 높음을 알 수 있다. 따라서, 유방 촬영술과 같이 30~40 kVp 낮은 엑스선 에너지 소스를 사용하는 방식(modality)의 방사선 검출기에서 CsPbI3를 사용함으로써, 종래의 a-Se보다 더 깨끗한 화질의 방사선 영상을 얻을 수 있다. 또한, 40 keV 이상의 광자 에너지 대역에 있어서 종래의 일반 방사선 촬영(General radiography), 흉부 엑스선 촬영(Chest X-ray radiography), 엑스선 투시법(Fluoroscopy), 혈관 조영술(angiography) 등은 주로 CsI이 사용되는데, CsPbI3는 CsI 보다 감쇠계수가 더 높음을 알 수 있다. CsPbI3가 감쇠계수가 높다는 것은 방사선(엑스선)을 좀 더 잘 흡수한다는 것을 의미하며, CsPbI3는 같은 두께의 CsI 소재에 비해 최종 영상의 검출양자효율(detective quantum efficiency; DQE)이 훨씬 좋을 수 있다.
도 9는 나노 도광체와 보호물질(클래드)의 굴절률 비를 달리하는 경우의 검출된 광자(photon)의 개수를 보여주는 그래프이며, 도 10은 나노 도광체의 직경을 달리하는 경우의 검출된 광자의 개수를 보여주는 그래프이다. 도 9 및 도 10의 그래프는 몬테카를로 방법에 의해 시뮬레이션한 결과이다. 도 9 및 도 10에서 n1은 나노 도광체의 굴절률을 나타내며, n2는 나노 도광체를 둘러싸는 보호물질의 굴절률을 나타낸다. 모든 시뮬레이션에서 엑스선에 의해 생성된 가시광 광자의 개수는 1 픽셀 (100 x 100 um) 당 1만 개로 고정하였다.
도 9를 참조하면, 나노 도광체는 직경(φ)이 10 μm이고, 길이가 300 μm인 나노와이어이다. 나노 도광체는 CsPbI3로 형성되어, 대략 3.5 굴절률을 갖는다. 한편, 보호물질(클래드)은 PMMA로 형성되어 1.5의 굴절률을 갖는다. 따라서, 신틸레이션 패널(또는 광전도체 패널)이 CsPbI3 나노 도광체와 PMMA 보호물질로 형성되는 경우, n1/n2의 비가 2.23가 된다. 또한, 만일 보호물질이 3.1과 같은 큰 값의 굴절률를 갖는 경우라면, n1/n2의 비가 1.13이 된다. n1/n2의 비가 1.13인 경우에 비해 n1/n2의 비가 2.33인 경우의 검출된 광자 개수가 훨씬 큼을 볼 수 있다. 즉, n1/n2이 클수록 광 가이드 효과가 우수함을 볼 수 있다. 이는 n1/n2의 비가 1.13인 경우에 있어서, 나노 도광체와 이를 둘러싸는 보호물질의 굴절률에 차이가 거의 없는 까닭에 패브리-페롯 도파관 역할이 제한적인 반면에, n1/n2의 비가 2.33인 경우 굴절률 차에 의해 나노 도광체 내부에 광자를 충분히 가두어 놓을 수 있기 때문이다.
종래의 신틸레이션 패널의 경우 엑스선 흡수에 의해 변환된 가시광선이 이웃 픽셀로 침범하여 발생하는 스왱크 노이즈(Swank noise)를 줄이기 위해 직경 5~10 μm의 침상 CsI:Tl을 형성하여 사용하고 있거나 Si 웨이퍼를 건식 에칭(dry etching)하여 50~100 μm의 구멍(hole)을 뚫고 CsI를 형성하여 광경로를 제한하고 있는데, CsI 소재의 경우 굴절률(refractive index)이 1.8 정도이며, 이는 주변의 수밀보강용 폴리머(water-proof protecting polymer)(PMMA 등)의 굴절률 1.5~1.6과 큰 차이를 보이지 않기 때문에, 침상 구조를 갖더라도 발생된 광자를 침상구조에 충분히 가두어 두질 못한다. 또한, Si 클래딩(cladding)의 경우는 심지어 Si의 굴절률이 3.5로 CsI보다 큰 상황이기에, CsI의 도파 구조는 오히려 광 손실(loss)로 작용할 가능성이 높아서 스왱크 노이즈는 줄일 수 있으나 양자효율에서는 큰 이득이 없거나 오히려 손해로 작용할 수 있다.
전술한 실시예들에서 나노 도광체들(141, 241)은 납(Pb)을 포함한 페로브스카이트(perovskite), PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 또는 CdTe와 같은 물질로 형성하는바, 이와 같은 물질들은 굴절률이 가시광 영역에서 2~4이다. 또한, 보호물질은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 폴리머/CNT의 복합재료(composite)로 형성한다. 따라서, 전술한 실시예들의 방사선 검출기에서 나노 도광체들(141, 241)은 패브리-페롯 도파관 역할을 하여 방출된 광자들을 충분히 가두어 두어 높은 양자효율을 확보할 수 있다.
도 10을 참조하면, n1/n2의 비가 1.13이고, 나노 도광체의 길이가 300 μm이다. 나노 도광체의 직경(φ)이 10 μm인 경우에 비해 나노 도광체의 직경(φ)이 2 μm인 경우의 검출된 광자 개수가 더 늘어났으며, 또한 나노 도광체의 직경(φ)이 0.4 μm인 경우의 검출된 광자 개수가 더욱 늘어났음을 볼 수 있다. 즉, 도 10은 나노 도광체의 직경(φ)이 작을수록 나노 도광체의 광 가이드 효과가 뛰어남을 볼 수 있다.
종래의 침상구조의 CsI:Tl는 직경 5~10 μm의 크기로 형성되던가, 에칭 방식으로 형성된 도광구조의 CsI는 직경 50~100 μm의 크기를 갖는 반면에, 전술한 실시예들에서 나노 도광체들(141, 241)은10 nm 내지 1000 nm의 직경을 가지고 있다. 도 10에서 볼 수 있듯이, 전술한 실시예들의 방사선 검출기에서 나노 도광체들(141, 241)은 그 직경을 충분히 작게 함으로써, 광자들의 가둠 효율을 더욱 향상시켜, 보다 높은 양자효율을 확보할 수 있다.
하기의 표 1은 Pb 페로브스카이트와 비교물질의 양자효율을 계산한 값들을 보여준다.
| CsI (600 μm) | a-Se(1000 μm) | CsPbI3 (600 μm) | |
| 70kV | 75 | 64 | 82 |
| 120kVp | 52 | 35 | 80 |
표 1을 보면, 600 μm 길이의 CsI나 1000 μm 길이의 a-Se에 비하여, 600 μm 길이의 CsPbI3가 더 큰 값의 양자효율을 가지며, 인가전압을 120 kVp와 같이 크게 한 경우, 600 μm 길이의 CsPbI3가 다른 소재에 비하여 훨씬 더 큰 값을 가짐을 볼 수 있다.
도 11a 내지 도 11e는 일 실시예에 따라 나노 도광체(330)를 제조하는 방법을 보여주는 도면이다.
먼저 도 11a를 참조하면, 기판(310) 상에 템플레이트용 박막(320)을 형성한다. 기판(310)은 예를 들어 실리콘 기판일 수 있으며, 상부면은 나노 도광체(나노와이어)의 수직배향이 우수한 (100)면일 수 있다. 템플레이트용 박막(320)은 알루미늄, 타이타늄과 같은 재질로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 11b를 참조하면, 템플레이트용 박막(320)을 양극 산화 처리한다. 예를 들어, 산성 전해액이 구비된 반응조 내에서 템플레이트용 박막(320)이 형성된 기판(310)을 양극으로 하여 통전하면, 양극에서 발생하는 산소에 의해 상기 템플레이트용 박막(11)이 산화되어 상기 템플레이트용 박막(320)의 표면에 얇은 양극 산화막이 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 양극 산화막에 충분한 전압이 인가되면, 전해액은 침식작용을 일으켜, 양극 산화막을 침식시킬 수 있다. 이때, 침식작용이 수행됨에 따라 발생되는 열은 상기 전해액의 침식작용을 더욱 가속시켜 주므로, 기판(310) 방향으로 공극(322)들이 형성될 수 있다. 이와 동시에, 상기 양극에서 생성되는 산소들은 상기 템플레이트용 박막(11)을 계속적으로 산화시킴으로써 템플레이트용 박막(320)을 양극 산화막(321)으로 변화시킬 수 있다. 즉, 템플레이트용 박막(320)의 상부면에서 하부면(즉, 기판(310)과 접하는 면)까지 연장된 공극(322)들을 갖는 양극 산화막(321)이 형성된다. 일 예로서, 템플레이트용 박막(320이 알루미늄인 경우, 양극 산화막(321)은 알루미늄 산화물 박막일 수 있다.
다음으로, 도 11c를 참조하면, 양극 산화막(321)의 공극(322) 내에 나노 도광체(330)을 성장시킨다. 나노 도광체(330)는 예를 들어, CH3NH3PbI3 - xBrx, CsPbI3 -xBrx (0≤x≤3)와 같은 납(Pb)이 포함된 용액 공정이 가능한 혼합 양이온 페로브스카이트(perovskite)를 반응용액 침지, 바 코팅(bar coating), 수열합성, 등의 방법으로 형성할 수 있다. 또는 나노 도광체(330)는 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성할 수 있다. 나노 도광체(33)는 이종 촉매 시드(heterogeneous catalytic seeds)에 의한 기체-액체-고체 성장법(vapor-liquid-solid; VLS)을 사용하여 형성할 수도 있다. 이와 같은 나노 도광체(33)를 성장시키기에 앞서, 공극(322)들 내로 노출된 기판(310) 상에, 또는 템플레이트 없이 유리나 실리콘 기판 상에 금속 촉매(미도시)를 형성하여 성장할 수도 있다.
다음으로, 도 11d를 참조하면, 양극 산화막(321)을 제거한다. 이 결과, 기판(310)상에 나노 도광체(330)들이 세워진 상태로 2차원으로 배열되어 있다. 나노 도광체(330)들은 소정 공간(331)을 사이에 두고 이격되어 있다.
다음으로, 도 11e를 참조하면, 나노 도광체(330)들 사이의 공간(도 11d의 331)를 보호물질(340)로 채워, 나노 도광체층을 완성한다. 보호물질(340)은 예를 들어, 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)일 수 있다. 폴리머는, 예를 들어, PC, PMMA, Si 고무, PET, 에폭시(epoxy), 및 아크릴(acryl)을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질일 수 있다.
상기와 같이 제조된 나노 도광체층은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 방사선 검출기(100)의 신틸레이션층(도 1의 140)이거나, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 방사선 검출기(200)의 광전도체층(240)일 수 있다. 이와 같은 나노 도광체층은 기판(310)과 분리하여, 광검출기(도 1의 110)이나 검출기(도 6의 220)에 부착될 수 있다. 경우에 따라서는, 기판(310)이 제거되지 않은 상태로 광검출기(도 1의 110)이나 검출기(도 6의 220)에 부착될 수도 있을 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 촬영 장치(500)를 개략적으로 도시한다. 이러한 방사선 촬영 장치(500)는 고정식 또는 이동식일 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 방사선 촬영 장치(500)는 방사선 조사부(510), 방사선 검출부(520), 및 이들을 제어한 제어부(550)를 포함할 수 있다.
방사선 조사부(510)는 방사선을 발생시키는 방사선 소스(미도시) 및 발생된 방사선의 경로를 안내하여 방사선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터(collimator)(미도시)를 포함할 수 있다. 방사선 소스는, 예를 들어 엑스선관(X-ray tube)을 포함하며, 엑스선관은 양극과 음극으로 된 2극 진공관으로 구현될 수 있다. 엑스선관의 음극과 양극 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kVp로 표시할 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 엑스선관에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 필라멘트에서 방출되는 열전자의 수가 증가하고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다. 따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있다.
방사선 검출부(520)는 방사선 조사부(510)에서 조사되어 대상체를 투과한 방사선을 검출하는 것으로, 평판형의 방사선 검출기를 포함한다. 이러한 방사선 검출기(521)는 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 방사선 검출기(100, 200)일 수 있다. 도 11에서는 방사선 검출부(520)가 방사선 촬영 장치(100)에 포함되는 것으로 도시되어 있으나, 방사선 검출부(520)는 방사선 촬영 장치(100)에 연결 및 분리 가능한 별개의 장치일 수도 있다.
제어부(550)는 고전압 발생부(551), 신호처리부(552), 및 조작부(553)를 포함하며, 방사선 촬영 장치(500)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 고전압 발생부(551)는 방사선의 발생을 위한 고전압을 발생시켜 방사선 조사부(510) 내의 방사선 소스에 인가한다. 신호처리부(552)는 방사선 검출부(520)에서 검출된 정보를 처리하여 방사선 영상을 생성하거나 조작부(153)에 입력된 정보를 기반으로 제어신호를 생성하여 방사선 촬영 장치(100)의 각종 구성부들을 제어할 수 있도록 한다.
조작부(153)는 방사선 촬영 장치(500)의 조작을 위한 인터페이스를 제공하는 것으로서, 사용자로부터 방사선 촬영 장치(500)의 조작을 위한 명령 및 방사선 촬영에 관한 각종 정보를 입력받을 수 있다.
방사선 촬영 장치(500)는 방사선의 조사 등 촬영 관련 정보를 나타내거나 신호처리부(5520)에서 생성된 방사선 영상을 표시하는 출력부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 방사선 촬영 장치(500)는 워크스테이션과 연결되어, 워크스테이션에 의해 방사선 검출부(520)에서 검출된 정보를 처리하여 방사선 영상을 생성하거나 방사선 촬영 장치(100)의 각종 구성부들이 제어될 수도 있도록 한다.
전술한 본 발명인 방사선 검출기 및 이를 채용한 방사선 촬영 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 방사선 검출기
110: 포토다이오드
120: 신틸레이션부 130: 접합층
140: 신틸레이션층 141: 나노 도광체
145: 보호물질 150: 반사층
160: 투명물질층 200: 방사선 검출기
210: 기판 220: 독출회로부
230: 화소 전극 231: 쉴드 전극
240: 광전도체층 241: 나노 도광체
245, 250: 보호물질 10: 방사선
260: 전극 270: 투명물질층
120: 신틸레이션부 130: 접합층
140: 신틸레이션층 141: 나노 도광체
145: 보호물질 150: 반사층
160: 투명물질층 200: 방사선 검출기
210: 기판 220: 독출회로부
230: 화소 전극 231: 쉴드 전극
240: 광전도체층 241: 나노 도광체
245, 250: 보호물질 10: 방사선
260: 전극 270: 투명물질층
Claims (20)
- 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성되며 방사선이 투과되면서 섬광이 발생하는 다수의 나노 도광체와, 상기 다수의 나노 도광체 각각을 둘러싸는 보호물질을 포함하는 신틸레이션부; 및
상기 신틸레이션부로부터 발광된 빛을 검출하는 광검출부;를 포함하는 방사선 검출기. - 입사단에서 출사단까지 길게 연장되어 형성되며 방사선이 투과되면서 광전변환하는 다수의 나노 도광체와, 상기 다수의 나노 도광체 각각을 둘러싸는 보호물질을 포함하는 광전도체부; 및
상기 광전도체부에서 광전변환되어 발생된 전하를 검출하는 검출부;를 포함하는 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 나노와이어 또는 나노로드인 방사선 검출기. - 제3 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 원기둥 또는 사각기둥 형상을 갖는 방사선 검출기. - 제3 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 10 nm 내지 1000 nm의 직경을 갖는 방사선 검출기. - 제3 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 100 μm 내지 1000 μm의 길이를 갖는 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 굴절률이 가시광 영역에서 2~4인 물질로 형성되는 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 납(Pb)을 포함한 페로브스카이트(perovskite)로 형성되는 방사선 검출기. - 제7 항에 있어서,
상기 페로브스카이트를 ABX3로 나타낼 때, A 또는 B는 Pb이며, X는 요오드(I) 및 브롬(Br) 중 적어도 어느 하나인 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 나노 도광체는 PbI2, HgI2, PbO, CdZnTe, 및 CdTe을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성되는 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 보호물질은 내습성 보호물질(water-proof protecting material)인 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 보호물질은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 상기 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)로 형성되는 방사선 검출기. - 제12 항에 있어서,
상기 폴리머는 PC, PMMA, Si 고무, PET, 에폭시(epoxy), 및 아크릴(acryl)을 포함하는 그룹 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성되는 방사선 검출기. - 제1 항에 있어서,
상기 신틸레이션부의 입력단을 덮는 보호층을 더 포함하는 방사선 검출기. - 제14 항에 있어서,
상기 보호층은 굴절률이 1.99 보다 작은 폴리머 또는 유리로 형성되는 방사선 검출기. - 제2 항에 있어서,
상기 광전도체부의 입력단을 덮는 보호층을 더 포함하는 방사선 검출기. - 제16 항에 있어서,
상기 보호층은 금속박막을 포함하는 방사선 검출기. - 제17 항에 있어서,
상기 보호층은 상기 금속박막상에 마련되는 폴리머와 CNT의 복합재료(composite)층을 더 포함하는 방사선 검출기. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 방사선은 엑스선인 방사선 검출기. - 방사선 조사부;
상기 방사선 조사부에서 방출된 방사선을 검출하는 것으로, 제1 항 또는 제2 항에 기재된 방사선 검출기; 및
상기 방사선 조사부 및 상기 방사선 검출기를 제어하는 제어부;를 포함하는 방사선 촬영 장치.
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