KR20210081146A - 후면 조사 구조를 이용한 저선량 및 고해상도 곡면형 방사선 디텍터 - Google Patents

후면 조사 구조를 이용한 저선량 및 고해상도 곡면형 방사선 디텍터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후면 조사 구조를 이용한 저선량 및 고해상도 곡면형 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 본 발명의 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.

Description

후면 조사 구조를 이용한 저선량 및 고해상도 곡면형 방사선 디텍터{Curved Radiation Detector for Implementing Low Dose and High Resolution using Backside Light-Receiving Structure}
본 발명은 X-선, 감마선 등의 방사선 디텍터에 관한 것으로서, 특히, 후면에서 방사선을 조사받아 저선량으로 고해상도의 영상을 획득하되 곡면형의 방사선 디텍터에 관한 것이다.
간접 방식 디지털 방사선 검출 장치는 X-선 등 방사선을 흡수하여 가시광선을 발생하는 섬광체, 및 발생한 가시광선을 전기적 신호로 읽기 위한 포토다이오드(PD), 비정질 실리콘 TFT(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, a-Si TFT), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 CCD(Charge Coupled Device) 등을 포함하는 이미지 센서로 구성된다. 이때, 섬광체로서, 수십 내지 수백 μm의 두께를 가지는 Gd2O2S(Tb), Gd2O2S(Eu) 물질 등 다양한 분말형 섬광체(powdered phosphor)가 시도되고 있다. 간접 방식 디지털 방사선 검출 장치에서, 두꺼운 섬광체를 사용하면 광량은 높일 수 있지만 영상의 해상도 낮게 되며, 얇은 섬광체를 사용하면 광량은 낮지만 영상 해상도는 높일 수 있다. 이는 섬광체가 두꺼울수록 발생한 가시광선 진행하면서 산란이 많이 발생함으로써, 빛의 퍼짐이 증가되며, 최종적으로 X-선 영상 해상도 저하가 심해지기 때문이다.
이와 같은 빛의 퍼짐을 줄여 공간 분해능을 향상시키기 위한 섬광체를 제작하기 위하여 도 1과 같이 이미지 센서(10) 위에 픽셀형 섬광체 구조물(20)을 결합하는 픽셀 구조형이 시도되고 있다. 예를 들어, 물리적 기상증착장비(physical vapor deposition, PVD)를 통하여 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세 구조형 섬광체(structured phosphor)가 시도되고 있으며, 바늘기둥형태의 미세 픽셀 구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도, 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 좀 더 완전하게 빛의 산란을 방지하기 위한 방법이 요구되고 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 RIE(deep reactive ion etching)를 통한 트렌치 공정이나 글래스 위의 절연체에 대한 PDP(Plasma Display Panel) 격벽 구조 공정 등을 통하여 픽셀 구조체를 먼저 제작하고, 이후 격벽으로 구분된 픽셀들의 홈들에 섬광물질 분말을 페이스트와 섞어 채우거나 분말을 녹여 고화시킴으로써 픽셀 구조형 섬광체를 이용하여 선명한 영상 화질을 구현하는 연구가 존재한다.
특히, 분말형 섬광체내에서 발생한 가시광선은 산란을 통해 영상의 공간분해능을 저하시키기 때문에, 이에 대한 대책으로 물리적 기상증착장비를 통하여 바늘기둥형태(columnar structure)의 미세구조를 형성하여 섬광체내에서 발생하는 빛의 퍼짐을 최소화할 수 있다. 여기서 사용된 섬광체는 CsI(Na) 또는 CsI(Tl) 등 원자번호와 밀도가 높은 물질이여야 하며, 방출되는 가시광선의 파장이 그 아래 배치된 포토다이오드와 Quantum efficiency(양자 효율)가 좋은 도핑 물질이어야 한다. 하지만, 바늘기둥형태의 미세구조를 가지는 섬광체를 사용할지라도 여전히 빛의 퍼짐이 존재하기 때문에 완벽한 빛의 산란을 방지하기 위한 연구가 필요하다. 그리고 픽셀 구조형 섬광체를 이용할 경우, 해상도는 향상되지만 민감도가 떨어지는 문제점이 존재한다.
또한, 기존의 간접 방식 방사선 디텍터는, 리지드한(rigid) 평면형(flat) 센서를 이용함으로써, 신체 크기나 형태에 따라 환자마다 영상의 해상도가 달라져 재촬영해야 하는 경우가 빈번해 불편하고, 방사선의 산란으로 인한 영상의 왜곡은 계속해서 개선해야 할 문제이다.
관련문헌으로서 미국공개특허 US20160370303A1, US20170003401A1 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 곡면형 디텍터 후면에서 X-선, 감마선 등의 방사선을 조사함으로써 섬광체에서 발생하는 광신호를 더 크게 수집하고, 섬광체 내에서 발생하는 가시광의 퍼짐을 최소화함으로써 민감도를 높이고 방사선의 조사선량을 최소화할 수 있으며 영상의 해상도도 동시에 향상시킬 수 있는 곡면형 방사선 디텍터를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
상기 섬광체 구조물은, 분말형 섬광체를 이용하여 제작된 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체, 또는 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되어 픽셀이 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 갖는 픽셀형 섬광체로서, PVD(physical vapor deposition) 공정을 이용하여 형성한 바늘기둥형태의 미세 구조형 섬광체 구조, 픽셀들을 구분하기 위한 격벽들을 먼저 형성하고 격벽들 사이 홈들에 섬광물질을 채운 구조, 또는 상기 이미지 센서에 섬광체를 형성한 후 또는 섬광체 시트 형태를 부착한 후 레이저를 조사하여 식각에 의해 형성된 에어갭들로 구분되는 픽셀 어레이를 형성한 구조를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및 픽셀 구분없이 층상형의 섬광체로 이루어지고, 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일층 섬광체를 포함한다.
상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층 섬광체를 포함한다.
상기 이중층 섬광체는 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 크게 한 형태일 수 있다.
상기 이중층 섬광체는 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 작게 한 형태일 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 방사선 디텍터는, 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및 상기 복수의 픽셀 센서에 대응되어 픽셀이 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광물질 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고, 상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
상기 섬광체 구조물은 픽셀형인 상기 섬광체 구조물의 전면 쪽에 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체를 더 포함한다.
상기 층상형의 섬광체는, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일층, 또는 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층을 포함한다.
상기 이미지 센서는, 회로 어레이가 형성된, 곡면형 또는 유연한 플라스틱 기판으로 제작될 수 있다.
상기 이미지 센서는, 곡면형 또는 유연한 유리 기판 상에 회로 어레이가 형성된 형태, 또는 유리 기판 상에 회로 어레이를 형성한 후 상기 유리 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작될 수 있다.
상기 이미지 센서는, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위해 포토다이오드를 포함한다.
상기 이미지 센서는 결정질 실리콘 기판 상에 구현된 CMOS 이미지 센서이며, 상기 CMOS 이미지 센서의 구조가 형성된 후의 상기 결정질 실리콘 기판의 뒷면을 연마공정으로 얇게 만들어 상기 방사선이 투과 가능하도록 만들어질 수 있다.
본 발명의 방사선 디텍터에 따르면, 곡면형 디텍터 후면에서 X-선, 감마선 등의 방사선을 조사함으로써 섬광체에서 발생하는 광신호를 더 크게 수집하고, 섬광체 내에서 발생하는 가시광의 퍼짐을 최소화함으로써 민감도를 높이고 방사선의 조사선량을 최소화할 수 있으며 영상의 해상도도 동시에 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 기존의 방사선 디텍터의 이미지 센서와 픽셀형 섬광체를 나타내는 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 방사선 디텍터의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 곡면형 방사선 디텍터의 구현 예들이다.
도 4는 본 발명의 이중층 섬광체 구조물의 확대 사진의 일례이다.
도 5는 본 발명의 구조와 기존 구조에서의 빛의 퍼짐 정도를 설명하기 위한 예시적인 빛의 강도 검출 데이터이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 방사선 디텍터의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면형 방사선 디텍터(100)는 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서(1차원 또는 2차원 어레이)를 가지는 곡면형 또는 유연한 이미지 센서(110), 및 이미지 센서(110)에 부착되거나 형성되며, 방사선(예, X-선, 감마선 등)에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물(120)을 포함한다. 이미지 센서(110)에 섬광체 구조물(120)을 부착 고정하는 경우 투과도가 높은 접착제(115)에 의해 접착될 수 있다.
방사선은 섬광체 구조물(120)의 후면 쪽, 즉, 이미지 센서(110)를 향하여 조사되고, 방사선이 이미지 센서를 투과함에 따라, 섬광체 구조물(120)의 섬광물질에서 가시광을 발생시키게 되며, 이미지 센서(100)는 각 픽셀에서의 해당 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출한다.
이를 위하여, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서(110)는 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 포함하며, 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 포토다이오드(111)와 각 픽셀 센서의 구동을 위한 소자들(또는 회로 어레이)(112)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(110)는 곡면형 또는 유연한 플라스틱 또는 유리 기판 위에 이미지 센서(110)의 각 픽셀 센서에 대응되도록 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 형성된 포토다이오드(111)와 각 픽셀 센서의 구동을 위한 회로 어레이(112)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(110)는 유연성이 부족한 두꺼운 유리 기판(111) 상에 포토다이오드(111)와 회로 어레이(112)를 형성한 후 유리 기판(111)의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작된 형태일 수도 있다. 여기서, 회로 어레이(112)는 비정질 실리콘을 활성층으로 사용하여 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조로 형성되는 TFT(Thin Film Transistor) 어레이, 또는 CCD(Charge Coupled Device) 어레이 등의 회로 어레이를 포함할 수 있다.
다만, 치과용 구강 방사선 디텍터로서 작동을 위하여는, 저선량으로 고속, 고감도 및 고해상도를 실현하여야 하므로 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 회로로 구현되는 방식이 바람직하다. 예를 들어, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서(110)는 예를 들어, 결정질 실리콘 기판 상에 구현된 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서이며, CMOS 이미지 센서의 구조가 형성된 후의 결정질 실리콘 기판의 뒷면을 연마공정으로 얇게 만들어 방사선이 투과 가능하도록 만들어질 수 있다. 경우에 따라 이미지 센서(110)는 결정질 실리콘 기판 상의 CCD(Charge Coupled Device) 등의 이미지 센서일 수도 있으며, 기타 결정질 실리콘 기판 상에 구현 가능한 다양한 이미지 센서로 구현될 수 있다.
섬광체 구조물(120)은, 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체 구조일 수도 있고, 또는 이미지 센서(110)의 복수의 픽셀 센서에 대응되어 픽셀이 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 갖는 픽셀형 섬광체 구조일 수도 있다. 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서(110) 상에 직접 형성될 수도 있고 섬광체 쉬트 형태로 부착되거나 접합될 수도 있다.
예를 들어, 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서(110)에 CsI:Tl 섬광체 등(경우에 따라, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능)을 진공 증착 장비를 이용하여 직접 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 쵸크랄스키 방식, 브릿지만 방식, Liquid Phase Epitaxy(LPE)법 등 성장 방식을 이용하여 이미지 센서(110)에 단결정 또는 다결정 섬광체 구조체를 형성할 수 있다. 이에 따라 결정립계(Grain boundary)가 많이 존재하지 않기 때문에 빛의 산란이 없고, 즉 영상의 해상도를 크게 향상시킬 수 있다. 이와 같은 단결정/다결정 구조물은 밀도가 높기 때문에, X-선 등 방사선을 많이 흡수하기 때문에 X-선 차폐를 위한 추가적인 FOP가 필요 없을 수도 있다.
다른 예로서, 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서(110)에 GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체(경우에 따라, YAG:Ce, LuAG:Ce, LSO:Tb, LYSO, GSO, BGO, 또는 GAGG 등의 섬광체 이용 가능) 입자를 페이스트 형태로 제작한 후 스프레이 또는 스크린 프린팅 방식으로 코팅하여 형성될 수도 있다. GOS(Gd2O2S:Tb) 등의 섬광체 입자는 마이크로입자 또는 나노 분말 형태일 수 있다. 나노 분말 형태는 수 마이크로미터 이내 크기의 분말을 파쇄 또는 그라인딩 공정, 또는 나노 분말 합성을 통해서 획득될 수 있다. 마이크로미터 크기를 가진 섬광체를 사용할 경우, 섬광체 내에서 빛의 산란이 매우 높기 때문에, 블러링(Blurring) 발생 등으로 인해 최종적인 영상의 해상도가 떨어질 수 있으나, 나노 분말의 사용으로 훨씬 높은 해상도를 가진 영상 구현이 가능하게 된다.
섬광체 구조물(120)은, 곡면형 또는 유연하게 개별적으로 제작하여 섬광체 쉬트 형태로 제작한 후, 압착 공정을 통해 이미지 센서(110)에 부착하거나 접합할 수도 있다.
다만, 섬광체 구조물(120)은, 이미지 센서(110)에 직접 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 직접 성장 또는 코팅방식으로 곡면형태가 되었을 때, 뒤틀림 방지가 가능하고, 정렬을 할 필요가 없는 이점이 있다. 또한, 기존 공정 대비 직접 코팅시, 가시광 발광량 및 해상도를 향상시킬 수 있다.
위와 같은 방법으로 층상형의 섬광체 형태의 섬광체 구조물(120)은, Gd2O2S(Tb), Gd2O2S(Eu) 등의 다양한 섬광 물질을 이용한 분말형 섬광체(powdered phosphor)를 수십 내지 수백 μm의 두께를 가지는 층상형으로 제작된 형태이다.
위와 같은 방법으로 픽셀형 섬광체 형태의 섬광체 구조물(120)은, 다양한 구조를 포함하며, 예를 들어, PVD(physical vapor deposition, 물리적 기상증착) 공정을 포함한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 형성한 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세 구조형 섬광체 구조일 수도 있고, PDP(Plasma Display Panel) 공정과 유사한 공정을 이용하여 픽셀들을 구분하기 위한 격벽들을 먼저 형성하고 격벽들 사이 홈들에 섬광 물질을 채운 구조일 수도 있으며, 또는 이미지 센서(110)에 섬광체를 형성한 후 또는 섬광체 시트 형태를 부착하고 레이저를 조사하여 식각에 의해 형성된 에어갭들(에어갭들에 반사물질 도포 가능)로 구분되는 섬광 물질 픽셀 어레이를 형성한 구조일 수도 있다.
픽셀형 섬광체에서 섬광체 픽셀들을 이루는 섬광물질로서 NaI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 나트륨), CsI(T1)(탈륨을 첨가한 요오드화 세슘), CsI(Na)(나트륨을 첨가한 요오드화 세슘), BGO, CdWO4, CaF2(Eu), Gd2O2S(Tb), Gd2O2 S(Eu) 등 원자번호와 밀도가 높은 성분이 사용될 수 있다.
섬광체 구조물(120)의 섬광 물질은 X-선, 감마선 등 방사선을 받아 가시광선을 방출할 수 있다. 가시광선의 파장은 포토다이오드와 양자 효율(quantum efficiency)이 양호하도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 곡면형 방사선 디텍터(100)의 구현 예들이다.
본 발명에서 CMOS, CCD 등의 이미지 센서(110)는 각 픽셀 센서에 포토 다이오드(111)를 가지며, 각 픽셀 센서의 구동을 위한 리셋 트랜지스터, 드라이버 트랜지스터 및 어드레스 트랜지스터 등의 소자들을 포함하는 회로 어레이(112)를 구비할 수 있다.
섬광체 구조물(120)은 글래스, 기판 등 소정의 지지체(121) 상에, 도 3a 내지 도 3e와 같이 다양한 형태의 섬광체를 형성한 구조체일 수 있다. 도 3a ~ 도 3b는 섬광체 단일층/이중층 등의 층상형 섬광체 구조를 나타내었으며, 도 3c는 픽셀형 섬광체 구조를 나타내었고, 도 3d ~ 도 3e는 픽셀형과 층상형을 조합한 하이브리드형 섬광체 구조를 나타내었다.
도 3a는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 제1실시예로서 층상형의 섬광체(단일 섬광체층)를 적용한 예이다. 도 3b는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 제2실시예로서 층상형의 섬광체(이중 섬광체층)를 적용한 예이다.
도 3a와 같이 섬광체 구조물(120)로서 단일층 섬광체(122)를 적용한 경우, 및 도 3b와 같이 섬광체 구조물(120)로서 이중층 섬광체(124, 126)를 적용한 경우, 섬광체 구조물(120)에서 픽셀의 구분은 없으며, 이미지 센서(110)를 향하여 조사된 방사선이 이미지 센서(110)를 투과함에 따라, 섬광체 구조물(120)의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 이미지 센서(110)는 각 픽셀에서의 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출할 수 있다.
섬광체 구조물(120)은, 도 3a와 같이 평균적 섬광체 입자크기가 균일하게 이루어진 단일층 섬광체(122)일 수도 있고, 도 3b와 같이 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층 섬광체(124, 126)일 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 경우에 따라서는 섬광체 구조물(120)로서 이중층 보다 많은 복수의 층들로 이루어지도록 할 수도 있다.
도 3b와 같이 섬광체 구조물(120)이 이중층 섬광체인 경우에, 예를 들어, 도 4의 (b)와 같이 이미지 센서(110) 측의 포토 다이오드(111)가 결합되는 쪽의 해당층(126)의 입자크기가 그 반대측 해당층(124)의 입자크기 보다 더 크게 하는 것이 바람직하다. 다만 이와 반대로 경우에 따라서는 예를 들어, 도 4의 (a)와 같이 이미지 센서(110) 측의 포토 다이오드(111)가 결합되는 쪽의 입자크기가 그 반대측의 입자크기 보다 더 작게 구성하는 것도 가능하다.
도 3c는 본 발명의 방사선 디텍터(100)의 제3실시예로서 픽셀형 섬광체를 적용한 예이다.
도 3c와 같이 섬광체 구조물(120)로서 섬광물질 픽셀들(128)을 포함하는 픽셀형 섬광체를 적용한 경우에도, 이미지 센서(110)를 향하여 조사된 방사선이 이미지 센서(110)를 투과함에 따라, 픽셀들(128)의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 이미지 센서(110)는 각 픽셀에서의 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출할 수 있다.
이와 같은 픽셀형 섬광체는 다양한 구조를 포함하며, 예를 들어, PVD(physical vapor deposition, 물리적 기상증착) 공정을 이용하여 형성한 바늘기둥형태(columnar or needle shape)의 미세 구조형 섬광체 구조일 수도 있고, PDP(Plasma Display Panel) 공정과 유사한 공정을 이용하여 픽셀들을 구분하기 위한 격벽들을 먼저 형성하고 격벽들 사이 홈들에 섬광 물질을 채운 구조일 수도 있으며, 또는 이미지 센서(110)에 섬광체를 형성한 후 또는 섬광체 시트 형태를 부착하고 레이저를 조사하여 식각에 의해 형성된 에어갭들(에어갭들에 반사물질 도포 가능)로 구분되는 섬광물질 픽셀들(128)의 1차원 또는 2차원 어레이를 형성한 구조일 수도 있다. 섬광물질 픽셀들(128)의 어레이의 각 픽셀은 이미지 센서(110)를 구성하는 픽셀 센서들에 각각 대응되도록 픽셀들이 서로 구분되어 있다.
도 3d와 도 3e는 픽셀형과 층상형을 조합한 하이브리드형 섬광체 구조를 나타내며, 즉, 위와 같은 섬광물질 픽셀들(128)을 포함하는 픽셀형 섬광체의 전면 쪽에 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체를 더 형성할 수 있다. 도 3d는 픽셀형 섬광체의 전면에 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일층(122, 도 3a 참조)을 더 형성한 경우를 나타내며, 도 3e는 픽셀형 섬광체의 전면에 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층(124, 126, 도 3b 참조)을 더 형성한 경우를 나타낸다.
경우에 따라서는 위와 같은 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체가 이미지 센서(110)와 접착되도록 하고, 층상형의 섬광체의 전면 쪽에 픽셀형 섬광체를 형성한 구조를 적용할 수도 있다.
이와 같이, X-선 디텍터의 전면이 아닌 후면에서 X-선을 조사하는 방식을 채택하기 위하여, 본 발명에서는, 플라스틱 또는 유리 기판 상의 PD(photodiode)-TFT(thin film transistor) 기반, 또는 결정질 실리콘으로 제작된 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 기반의 픽셀 센서 어레이를 이용하되, 이미지 센서(120) 기판을 연마공정(thinning) 등을 통하여 얇게 만들고 다양한 섬광체 종류와 결합된 곡면형 또는 유연한 방사선 센서모듈을 제작함으로써, 후면 조사(back-side)를 통해 얇은 이미지 센서에서 흡수되는 방사선량을 최소화하고 광신호를 더 크게 수집할 수 있게 된다.
섬광체에 조사되는 X-선은 대부분 표면에서 흡수가 되어 많은 가시광선을 발생하여 가까운 거리에 있은 PD(포토다이오드)에 전달되어 전하를 발생하기 때문에 영상의 신호를 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 적은 양의 방사선을 조사함으로써 기존의 디텍터와 동등한 수준의 영상 신호를 획득할 수 있게 된다. 또한, 기존의 방식에서 두꺼운 섬광체에 발생한 가시광선은 진행하면서 섬광체내에 흡수되거나 산란이 많이 발생하기 때문에 포토다이오드에 도착하는 신호는 많이 퍼진 신호를 받기 때문에 영상이 많이 흐릿하고 해상도가 많이 떨어진다. 따라서 본 발명과 같은 구조의 독출(readout) 방식을 이용할 경우, X-선의 입사면 섬광체 내에 많이 발생한 가시광선은 가까운 거리에 있는 포토다이오드에 많이 전달되고, 빛의 퍼짐이 없기 때문에 신호가 많이 증가하고, 빛의 퍼짐도 적기 때문에 해상도가 크게 증가된다.
또한, 본 발명의 방사선 디텍터에 따르면, 가시광선 발생의 향상 및 해상도 향상을 위해서 다양한 구조를 가지는 섬광체를 제안하였으며, 예를 들어, 반도체 MEMS 공정, PDP 공정 또는 레이저 가공을 이용해서 제작된 픽셀형 섬광체 구조를 적용하여 해상도를 크게 향상시킬 수 있다. 섬광체를 형성하기 위하여 CsI(Na), CsI(Tl), Gadox 또는 GOS(Gd2O2S(Tb)) 등 다양한 종류의 물질을 이용하여 제작될 수 있으며, GOS 섬광체의 경우 단일층(single layer)의 섬광체 또는 이중층(double layer)의 섬광체 형태로 형성될 수 있다. 이중충 섬광체의 경우, 윗면이 입자가 큰 섬광체 및 아랫면이 입자가 작은 섬광체로 이루어질 수 있고 경우에 따라 그 반대 구조를 적용할 수도 있다. 이중층 섬광체에서 포토다이오드가 결합하는 부분 쪽에 큰 입자를 배치하고, 포토다이오드와 먼 거리 쪽으로 작은 입자를 가지는 구조를 이용할 경우, 좀 더 향상된 광량 및 영상의 해상도를 보여줄 수 있다.
또한, 이와 같은 본 발명에 따라 후면에 X-선을 조사할 수 있는 디텍터 구조와 기존의 섬광체를 대체한 발전된 새로운 형태의 섬광체들을 이용할 경우, 기존에 발표된 디텍터보다 더 뛰어난 영상 화질을 구현하고, 환자에게 조사되는 X-선 등 방사선을 최소화할 수 있기 때문에 초저선량으로 고화질의 영상 화질을 제공할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 구조와 기존 구조에서의 빛의 퍼짐 정도를 설명하기 위한 예시적인 빛의 강도 검출 데이터이다.
도 5의 (a)는 도 1의 기존의 경우이며, 도 5의 (b)는 도 5의 (a) 보다 섬광체 구조물(120)의 두께가 큰 경우이다. 도 5의 (c)는 본 발명에 따른 도 3a의 구조의 경우이며, 도 5의 (d)는 도 5의 (c) 보다 섬광체 구조물(120)의 두께가 큰 경우이다.
도 5에서, Spread(a.u.)는 방사선의 입사 방향에서 섬광체 구조물의 깊이(depth)를 나타내며, 방사선은 섬광체 표면에서 가장 많이 흡수되고 섬광체에서 발생한 가시광의 강도(Intensity(a.u.)) 역시 섬광체 표면에서 높으며, 섬광체의 더 깊은 위치에서는 방사선 흡수량이 적고 발생 가시광의 강도가 작아진다. 기존 섬광체 구조(a,b)에서는 가시광 발생이 포토다이오드에서 먼 위치에서 많이 일어나고 이에 따라 검출되는 가시광의 산란이 커지고 결국 빛의 퍼짐이 크게 나타난다. 반면, 본 발명의 섬광체 구조(c,d)에서는 포토다이오드에서 가까운 위치에서 가시광 발생이 많이 일어나고 이에 따라 검출되는 가시광의 산란이 적고 빛의 퍼짐을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명과 같이 실리콘 CMOS 이미지센서를 연마하여 얇게 함으로써 실리콘에서 흡수되는 방사선 선량을 약 10% 정도 감소함으로써 섬광체에서 입사되는 선량을 증가시킴으로써 영상의 신호를 향상시킬 수 있으며, 전면에 방사선을 조사하는 것보다 후면에 방사선을 조사하는 구조를 가진 본 발명의 방사선 디텍터를 이용할 경우, 영상의 신호를 약 10% 이상 더 높게 획득함으로써 환자에 조사되는 선량을 최소화 할 수 있다. 나아가 디텍터의 후면에 X-선을 조사 방식에 픽셀 구조형 또는 하이브리드형 섬광체를 이용할 경우, 섬광체 내의 빛의 산란을 차단 또는 방지하기 때문에 깨끗하고 선명한 영상화질을 획득할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 방사선 디텍터(100)에 따르면, 기존의 X-선 디텍터 구조 및 조사방식을 변경하여 환자의 피폭선량 최소화 및 선명한 영상 화질을 획득할 수 있다. 기존 방식에서는 X-선 디텍터 구조에서 전면 조사를 통해서 영상을 획득하고 또한 픽셀 구조체형 섬광체를 이용하여 영상의 퍼짐을 방지하여 영상화질을 개선하고자 하는 데에는 한계가 있고, 본 발명의 신규 방식에서는 X-선 디텍터 구조를 변경하고 후면을 통해서 X-선을 조사하여 입사하는 X-선 선량을 최소화할 수 있고, 빛의 산란을 억제함으로써 영상의 해상도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초저선량 및 고해상도를 가지는 방사선 디텍터(100)는, 후면 조사 구조를 가지는 디텍터를 적용함으로써, 민감도 및 영상의 해상도 두 장점을 향상시킬 수 있다. 또한, 추가적으로 픽셀형 섬광체 구조 및 하이브리드 섬광체 구조를 결합하는 방식을 이용하여 빛의 퍼짐을 방지하여, 양자검출효율 및 공간 분해능을 향상시킬 수 있다. 즉 엑스선의 높은 흡수와 가시광선의 발생광량을 향상시킴으로써 전기적 신호의 독출 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 방사선 디텍터는 X-선, 감마선 등의 진단 방사선이나 고 에너지의 방사선 분야에 효과적으로 적용될 수 있으며, 특히 저선량의 엑스선 투시 응용분야뿐만 아니라 고분해능을 필요로 하는 General radiography(일반방사선촬영), Dental radiography(치과방사선촬영), Mammography(유방방사선촬영) 등 다양한 진단용 의료영상기기로 사용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 곡면형 방사선 디텍터(100)에 따르면, 곡면형 디텍터 후면에서 X-선, 감마선 등의 방사선을 조사함으로써 섬광체에서 발생하는 광신호를 더 크게 수집하고, 섬광체 내에서 발생하는 가시광의 퍼짐을 최소화함으로써 민감도를 높이고 방사선의 조사선량을 최소화할 수 있으며 영상의 해상도도 동시에 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이미지 센서(110)
섬광체 구조물(120)
섬광체층(122, 124, 126)
섬광물질 픽셀들(128)

Claims (14)

  1. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는, 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은,
    분말형 섬광체를 이용하여 제작된 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체, 또는
    상기 복수의 픽셀 센서에 대응되어 픽셀이 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광체 픽셀 어레이를 갖는 픽셀형 섬광체로서, PVD(physical vapor deposition) 공정을 이용하여 형성한 바늘기둥형태의 미세 구조형 섬광체 구조, 픽셀들을 구분하기 위한 격벽들을 먼저 형성하고 격벽들 사이 홈들에 섬광물질을 채운 구조, 또는 상기 이미지 센서에 섬광체를 형성한 후 또는 섬광체 시트 형태를 부착한 후 레이저를 조사하여 식각에 의해 형성된 에어갭들로 구분되는 픽셀 어레이를 형성한 구조를 포함하는 방사선 디텍터.
  3. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및
    픽셀 구분없이 층상형의 섬광체로 이루어지고, 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일층 섬광체를 포함하는 방사선 디텍터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은, 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층 섬광체를 포함하는 방사선 디텍터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이중층 섬광체는 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 크게 한 방사선 디텍터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이중층 섬광체는 상기 이미지 센서 측의 상기 입자크기가 그 반대측의 상기 입자크기 보다 더 작게 한 방사선 디텍터.
  8. 어레이 형태의 복수의 픽셀 센서를 가지는 곡면형 또는 유연한 이미지 센서; 및
    상기 복수의 픽셀 센서에 대응되어 픽셀이 구분되는 1차원 또는 2차원 섬광 물질 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 이미지 센서에 결합되며, 방사선에 의해 가시광으로 변환하기 위한 곡면형 또는 유연한 섬광체 구조물을 포함하고,
    상기 섬광체 구조물의 후면 쪽의 상기 이미지 센서를 향하여 조사된 상기 방사선이 상기 이미지 센서를 투과함에 따라, 상기 섬광체 구조물의 섬광물질에서 가시광을 발생하고, 상기 이미지 센서는 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하는 방사선 디텍터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 섬광체 구조물은 픽셀형인 상기 섬광체 구조물의 전면 쪽에 픽셀 구분 없는 층상형의 섬광체를 더 포함하는 방사선 디텍터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 층상형의 섬광체는, 평균적 섬광체 입자크기가 균일한 단일층, 또는 평균적 섬광체 입자크기가 서로 다른 이중층을 포함하는 방사선 디텍터.
  11. 제1항, 제3항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 회로 어레이가 형성된, 곡면형 또는 유연한 플라스틱 기판으로 제작된 방사선 디텍터.
  12. 제1항, 제3항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 곡면형 또는 유연한 유리 기판 상에 회로 어레이가 형성된 형태, 또는 유리 기판 상에 회로 어레이를 형성한 후 상기 유리 기판의 후면을 식각하거나 연마하여 곡면형 또는 유연한 기판으로 제작된 방사선 디텍터.
  13. 제1항, 제3항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 각 픽셀에서의 상기 가시광에 비례하는 전기적 신호를 독출하기 위해 포토다이오드를 포함하는 방사선 디텍터.
  14. 제1항, 제3항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 결정질 실리콘 기판 상에 구현된 CMOS 이미지 센서이며, 상기 CMOS 이미지 센서의 구조가 형성된 후의 상기 결정질 실리콘 기판의 뒷면을 연마공정으로 얇게 만들어 상기 방사선이 투과 가능하도록 만들어진 방사선 디텍터.
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