WO2017007108A1 - 방사선 검출기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

방사선 검출기 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2017007108A1
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scintillator
photodetector
active layer
radiation detector
forming
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강창구
하장호
오준호
김한수
김영수
정만희
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한국원자력연구원
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    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
    • G01T1/2023—Selection of materials

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector and a method of manufacturing the same.
  • scintillation type radiation detectors have a structure in which a scintillator for generating light when radiation is incident and a photodetector for detecting the generated light are combined.
  • Scintillators include LaBr 3 , LYSO, Gd 2 SiO 5 (GSO), Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI 2 It is based on relatively expensive crystalline compounds such as, but these are disadvantageous in that they are bulky, robust and difficult to manufacture in large areas. In addition, it takes a long time to grow a single crystal during the production, and the production conditions are high because of the difficult growth conditions.
  • the photodetector is generally manufactured based on a thick and rigid semiconductor wafer such as silicon (Si) or germanium (Ge).
  • One object of the present invention is to propose a structure of a radiation detector having a flexible and large area can be formed while reducing the thickness than before by configuring a scintillator and a photodetector different from the conventional.
  • Another object of the present invention is to propose a method of manufacturing the radiation detector according to the present invention.
  • a radiation detector for realizing the above object, the scintillator for absorbing radiation to generate light; And a photodetector formed in the scintillator, wherein the scintillator is formed of a two-dimensional nanomaterial to impart ductility.
  • the scintillator is formed by stacking the 2D nanomaterial, and the 2D nanomaterial is at least one of graphene oxide, reduced graphene oxide, and graphene quantum dots.
  • the two-dimensional nanomaterial has a chemical formula of MX 2 , M is one of the elements belonging to Groups 4 to 6 in the periodic table, X is sulfur (S), selenium ( Se) and tellurium (Te).
  • the photodetector may include a first contact electrode and a second contact electrode disposed at positions spaced apart from each other; And an active layer connecting between the first contact electrode and the second contact electrode and absorbing light to form an electron-hole pair, wherein the active layer is flexible so as to be coupled in a shape corresponding to the scintillator. It is formed of a two-dimensional nanomaterial to impart.
  • the two-dimensional nanomaterial at least one of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide and graphene quantum dots.
  • the two-dimensional nanomaterial has a chemical formula of MX 2 , M is one of the elements belonging to Groups 4 to 6 of the periodic table, X is sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) Is one of.
  • the photodetector may further include a passivation layer adhered to the active layer, supported by the contact electrodes, and limiting exposure of the active layer to the outside.
  • the light emitting device may further include an insulating layer interposed between the scintillator and the photodetector to block an electrical signal between the scintillator and the photodetector.
  • a method of manufacturing a radiation detector comprises the steps of: preparing a scintillator; And forming a photodetector on the scintillator, wherein preparing the scintillator comprises: preparing a polymer solution comprising two-dimensional nanomaterials except graphene; Applying the polymer solution to a substrate via a printing process; A drying step of removing moisture of the polymer solution to form the scintillator; And forming an insulating layer on the scintillator.
  • a method of manufacturing a radiation detector includes: forming a photodetector on the scintillator, forming a two-dimensional nanomaterial as the material of the active layer on the scintillator; Forming a contact electrode on a surface of the active layer; And patterning the active layer so that the active layer is interposed between the contact electrodes.
  • a method of manufacturing a radiation detector includes: forming a scintillator with two-dimensional nanomaterials except graphene; Forming a photodetector comprising the two-dimensional nanomaterial on a silicon oxide substrate; A device transfer temporary substrate is formed on the photodetector, and the silicon oxide substrate is formed of SiO 2. Precipitating and removing the etching solution; And attaching the device transfer temporary substrate supporting the photodetector to a surface of the scintillator.
  • the forming of the photodetector on the silicon oxide substrate may include forming an active layer by transferring a two-dimensional nanomaterial on the silicon oxide substrate; Forming two contact electrodes spaced apart from each other on a surface of the active layer; And patterning the active layer so that the active layer is positioned between the contact electrodes.
  • a drying step of removing water to remove the device transfer temporary substrate attached to the surface of the scintillator may further comprise the step of allowing the chemical reaction by precipitation in acetone solution.
  • the scintillator is formed of a two-dimensional nanomaterial including graphene oxide, reduced graphene oxide and graphene quantum dot
  • the photodetector further comprises a two-dimensional nanomaterial further comprising graphene Since it can be formed using a radiation detector has a thin thickness and flexibility in the nature of the material.
  • the present invention can manufacture a large-area radiation detector through a printing process without performing a process using expensive semiconductor equipment by using a method of forming a photodetector directly on the surface of the scintillator, the manufacturing cost and time Can be reduced.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram in which a radiation detector is coupled on a substrate.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a structure of a radiation detector coupled to a substrate.
  • FIG 3 is a perspective view showing a radiation detector of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the present invention radiation detector cut in the line shown in FIG. 3 and viewed from the A direction.
  • FIG. 5 is a perspective view of a radiation detector in which a passivation layer is coupled to an active layer of a photodetector.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a process of manufacturing a radiation detector.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a process of manufacturing a radiation detector including a process of manufacturing a scintillator.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a process of forming a radiation detector directly on a desired substrate.
  • FIG. 9 is a flow chart illustrating a process of forming a radiation detector directly on a desired substrate.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a process of forming a photodetector on a scintillator.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a process of forming a photodetector on a scintillator.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a process of forming a photodetector on a scintillator using an element transfer temporary substrate.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a process of forming a photodetector on a scintillator using an element transfer temporary substrate.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram showing a portable device incorporating the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of actually using the portable device of FIG. 14; FIG.
  • Fig. 16 is a diagram showing a radiation detector formed on a large area and an example of its practical use.
  • 17 is a schematic diagram of a radiation measurement procedure incorporating the present invention.
  • FIG. 1 and 2 show the structure of the radiation detector 100 of the present invention
  • Figure 1 is a conceptual diagram showing that the radiation detector of the present invention is coupled to the substrate 125
  • Figure 2 is a perspective view showing the structure of the radiation detector to be.
  • the substrate 125 is made of SiO 2 Silicon oxide substrates may be common, but may be flexible substrates or various kinds of substrates to locate the radiation detector 100, and may be used in a wall, ceiling, or tunnel to fabricate a large-area radiation detector. It can be a wall or a ceiling.
  • the radiation detector 100 refers to a device for measuring the type or intensity of radiation, energy, or exposure dose of a human body.
  • the radiation detector 100 is classified into a gaseous form, a liquid form, and a solid form according to the substance, and the solid form is again divided into a scintillator form and a semiconductor form.
  • the radiation detector 100 is classified into a scintillator type among solid forms.
  • the radiation detector 100 includes a scintillator 110 and a photodetector 120, and has a structure in which the scintillator 110 and the photodetector 120 are combined.
  • the scintillator 110 refers to a material that emits light when the radiation hits, wherein scintillation refers to a phenomenon in which the material is excited to generate light.
  • the scintillator 110 absorbs radiation energy and emits light (specifically visible light) as electrons in the valence electron band are excited by the conduction band and then transition back.
  • the radiation absorbed by the scintillator 110 is a material that moves in a high energy state.
  • the radiation includes x-rays, ⁇ -rays, ⁇ -rays, and ⁇ -rays.
  • ⁇ -rays are produced in the nucleus structure, and ⁇ -rays are mass particles and have a high energy of more than ten volts of electron volts (KeV).
  • Scintillator 110 is generally based on crystalline compounds such as LaBr 3 , LYSO, Gd 2 SiO 5 (GSO), Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI 2 , Due to the large number of unit processes required, manufacturing costs are high, bulky and robust. In addition, since it is inflexible and difficult to operate in a folded or bent state, it is difficult to be applied to a wearable or foldable device. There is a problem that is restricted. In terms of cost, it is difficult to manufacture a large-area radiation detector, which is difficult to apply to missile search or container search using the same.
  • the scintillator 110 is made of a two-dimensional nanomaterial except graphene as its constituent material. Since the scintillator 110 made of the two-dimensional nanomaterial has flexibility by the properties of the material, the radiation having the flexible characteristic by combining with the photodetector 120 made of the two-dimensional nanomaterial as the material of the active layer 123. It is possible to manufacture the detector 100.
  • the scintillator 110 may be manufactured by applying a polymer solution 10 including a 2D nanomaterial to a desired substrate (eg, a flexible substrate, a silicon oxide substrate, a wall or a ceiling, etc.) through a printing process, The detector 120 may be formed to manufacture a large-area low-cost radiation detector 100.
  • the two-dimensional nanomaterial means a material having a thickness of one or two atoms or a combination thereof. Two-dimensional nanomaterials have little thickness and have a two-dimensional planar structure. Two-dimensional nanomaterials include those having the formula of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene quantum dot, and MX 2 . In the present invention, the two-dimensional nanomaterial means at least one of them, and includes each individual material or a bond between them.
  • Graphite has a structure in which carbon layers are stacked in a hexagonal honeycomb structure, and graphene is a thin film in which carbon atoms are separated from graphite by a single layer of carbon.
  • graphene is a two-dimensional material composed of carbon atoms, has a honeycomb-like structure, is very stable physically and chemically, and has a charge mobility of more than 100 times higher than that of silicon (Si).
  • Graphene has a thickness of about one carbon atom (about 0.35 nm), high transparency, and excellent thermal and mechanical properties.
  • graphene has advantages such as high charge mobility, current density, excellent thermal conductivity and low calorific value, simple patterning process, flexibility, and flexibility.
  • the band gap does not exist and thus does not emit light even when radiation is incident, so it is not suitable for use as a material of the scintillator 110.
  • Graphene oxide, reduced graphene oxide, and graphene quantum dots have a thin film form in which carbon atoms are laid out in a planar shape, have a structure similar to graphene, and have a high charge mobility, and thus may react quickly.
  • These materials can be made small or thin in size as nanomaterials, and can use a printing process (solution process) to fabricate a large-area radiation detector 100.
  • a printing process solution process
  • it since it has a flexible (flexible) characteristics, it is possible to manufacture a flexible radiation detector 100 using this. Since these materials have a band gap, when the radiation is absorbed, electron-hole pairs are formed and combined to generate a photoluminescence phenomenon that emits energy corresponding to the band gap as light. It is possible to configure the scintillator 110.
  • the band gap also called an energy gap, refers to the energy level or difference in energy between the highest energy level in which an electron exists and the lowest energy level in which an electron does not exist.
  • the energy level without electrons is called the conduction band
  • the energy level with electrons is called the valence band.
  • the difference is the bandgap.
  • Graphene oxide (graphene oxide) is not known precisely the chemical structure, but the graphene oxide form in the graphene structure oxygen groups are bonded through the covalent bond at the top and edge of the nano-graphene Has a structure.
  • Graphene oxide is formed of an oxide oxidized graphite, and unlike graphite, it is possible to prepare a dispersion solution, thereby forming a film through thinning.
  • the scintillator 110 may be formed by layering the polymer solution 10 including graphene oxide by applying the silicon oxide substrate 125 to the silicon oxide substrate 125.
  • Reduced graphene oxide means a reduced product obtained by reducing graphene oxide.
  • the reduced graphene oxide has a form and properties similar to those of graphene, but has a band gap, and thus may be used as a material of the scintillator 110.
  • the scintillator 110 may be formed by applying the polymer solution 10 including graphene oxide to the silicon oxide substrate 125.
  • Graphene quantum dots refers to a material made in the form of dots of about 10nm or less in size in order to make the graphene conductor material into a semiconductor form. If the particles are tens of nm or less, the electrons become trapped in the space wall and specifically take advantage of the semiconductor properties of the conductor material.
  • the scintillator 110 may be formed by using a method of coating the silicon oxide substrate 125.
  • Two-dimensional nanomaterials include materials having the chemical formula MX 2 .
  • Transition metal dichalcogenide compounds which are layered compounds, have a chemical formula such as MX 2 , where M is one of the elements belonging to groups 4 to 6 of the periodic table, and X is sulfur as a chalcogen element. It is one of the elements consisting of (S), selenium (Se) and tellurium (Te).
  • MX 2 forms covalent bonds between M and X in each layer, while bonds are formed between layers by van der Waals forces. Since it has a layered structure, there is flexibility, and the scintillator 110 may be configured.
  • the scintillator 110 may be formed of a material such as molybdenum disulfide (MoS 2 ), molybdenum disulphide (MoSe 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), or tungsten selenide (WSe 2 ).
  • MoS 2 molybdenum disulfide
  • MoSe 2 molybdenum disulphide
  • WS 2 tungsten disulfide
  • WSe 2 tungsten selenide
  • Molybdenum disulfide (MoS 2 ) is used in field effect transistors, phototransistors, double layer chemical sensors, logic circuits, memories, amplifiers, and the like. Molybdenum disulfide (MoS 2 ) has a layered structure with a band gap of about 1.1 eV in bulk and about 1.55 eV as it is thinned into a single layer. ⁇ 3 ⁇ m, with a thickness of about 3 to 80 nm.
  • the scintillator 110 may be composed of a single layer of two-dimensional nanomaterials except graphene, but when the thickness is thin, radiation of high energy is transmitted without being absorbed. Therefore, in order to absorb radiation, it is preferable to stack two-dimensional nanomaterials several times to thicken them, or to mix them with other materials in the form of composites.
  • the shape of the scintillator 110 shown in each drawing is only one example, and the shape will not be limited thereto.
  • the scintillator 110 absorbs radiation to generate light, and the photodetector 120 absorbs the light (visible light) and converts the light into an electrical signal.
  • the amplifier then amplifies the electrical signal generated by the photodetector 120, and the current / voltage meter measures the amount of radiation incident through the amplified signal.
  • the photodetector 120 is based on a solid semiconductor wafer including silicon (Si), and the process using expensive semiconductor equipment is repeated.
  • the process of attaching the separately prepared scintillator 110 to the photodetector 120 should be further performed.
  • the photodetector 120 has a relatively thick thickness of about 300 ⁇ 600 ⁇ m in the nature of the semiconductor wafer, has a disadvantage in that it is limited to the attachment surface shape of the scintillator 110 because it is manufactured based on the wafer has a solid characteristic.
  • a first contact electrode 121 and a second contact electrode 122 are formed at positions spaced apart from each other on the insulating layer 111 of the scintillator 110.
  • the active layer 123 is connected between the contact electrode 121 and the second contact electrode 122.
  • the configuration and shape of the first contact electrode 121 and the second contact electrode 122 may or may not be identical to each other.
  • the contact electrodes 121 and 122 may have various shapes, and are not limited to the shapes shown in the drawings.
  • the materials of the contact electrodes 121 and 122 are generally formed of palladium (Pd) and platinum (Pt) having good conductivity, but will not be limited only to the material.
  • the contact electrode has a structure in which the first contact electrode 121 and the second contact electrode 122 are disposed at different positions on the insulating layer 111 of the scintillator 110.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 is formed of a two-dimensional nanomaterial including graphene.
  • the active layer 123 absorbs light generated from the scintillator 110, and a path of electrons is formed through the electron-hole pair.
  • the active layer 123 is made of a 2D nanomaterial and has a ductility or elasticity according to the characteristics of the 2D nanomaterial. Therefore, the photodetector 120 may be deformed to correspond to the attachment surface shape of the scintillator 110 and then coupled to the scintillator 110 to configure the radiation detector 100.
  • the photodetector 120 has flexibility by the characteristics of the material, and can be modified to correspond to the shape of the scintillator 110, so that the surface of the scintillator 110 is attached.
  • the shape is not restricted.
  • the two-dimensional nanomaterial is a material having a thickness of one or two atoms or a combination thereof, and has a two-dimensional planar structure that can be considered to have no thickness, as described above.
  • the two-dimensional nanomaterial used as the material of the scintillator 110 described above may be used as the material of the photodetector 120.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 has a chemical formula of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene quantum dot, and MX 2 . It includes having.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 may be composed of at least one included in the two-dimensional nanomaterials, and may be configured by individual materials or their mutual coupling, thereby limiting the shape of the scintillator 110. It is possible to obtain a photodetector 120 that is not received.
  • Graphene oxide, reduced graphene oxide, and graphene quantum dots have a structure similar to graphene with a thin film with carbon atoms spread out in planar form. When it receives, it forms an electron-hole pair to generate an electrical signal. Since they have high charge mobility and flexibility, they may be composed of the active layer 123 of the photodetector 120. Unlike graphite, a dispersion solution may be prepared and then formed into a thin film to form an active layer 123 of the photodetector 120.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 may further include a passivation layer 124 to prevent exposure to the outside.
  • the passivation layer 124 serves to prevent and protect the external exposure of the device.
  • the passivation layer 124 is in contact with the protruding first contact electrode 121, the second contact electrode 122, and the silicon oxide substrate 125, and is connected to the first contact electrode 121 and the second contact electrode 122. Supported by the active layer 123.
  • the passivation layer 124 is configured to have a certain shape in the drawing, this is only one example and may be formed in various shapes.
  • the passivation layer 124 is not an essential component of the photodetector 120, and even if the structure is removed, the passivation layer 124 may function as the photodetector 120.
  • the passivation layer 124 may be made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), but the material is not limited thereto.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the radiation detector 100 cut in the line shown in FIG. 3 and viewed in the A direction.
  • the radiation detector 100 is SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 on the scintillator 110 made of a two-dimensional nanomaterial except graphene Such as Oxide, SiN x , AlN x
  • An insulating layer 111 made of nitride, such as, is formed to a thickness of about 30 ⁇ 50nm.
  • the first contact electrode 121 and the second contact electrode 122 protrude from each other on the insulating layer 111, and the active layer 123 made of a two-dimensional nanomaterial is connected between the two contact electrodes 121 and 122.
  • the photodetector 120 has a structure in which it is located.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 is connected to the two contact electrodes 121 and 122, the function may be performed.
  • the active layer 123 may or may not be in contact with the insulating layer 111.
  • the active layer 123 may be configured in plural and may have different configurations. That is, the photodetector 120 on the insulating layer 111 of the scintillator 110 has a structure in which the active layers 123 formed of two or more two-dimensional nanomaterials are connected between the contact electrodes 121 and 122. Can be.
  • the shape of the photodetector 120 shown in each of the drawings is one example, and the shape of the photodetector 120 will not be limited thereto.
  • the radiation detector 100 has a structure in which an insulating layer 111 is formed on the scintillator 110 and a photodetector 120 is formed thereon. That is, the insulating layer 111 is interposed between the scintillator 110 and the photodetector 120 to block the electrical signal generated directly from the scintillator 110 from being transmitted to the photodetector 120.
  • the insulating layer 111 serves to block an electrical signal between the scintillator 110 and the photodetector 120.
  • the photodetector 120 absorbs the light to generate an electrical signal, and measures radiation based on the electrical signal. If an electrical signal is generated directly from the scintillator 110, it is impossible to measure an accurate radiation dose. Therefore, the insulating layer 111 is positioned between the scintillator 110 and the photodetector 120 to block an electrical signal for accurate measurement of the radiation dose.
  • the insulating layer 111 may be formed to a thickness of about 30-50 nm.
  • the insulating layer 111 is formed of SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 Such as Oxide, SiN x , AlN x Or nitrides such as the like.
  • the insulating layer 111 will not be limited to the above materials.
  • the structure of the radiation detector 100 including the scintillator 110 and the photodetector 120 has been described, and a method of manufacturing the radiation detector 100 will be described below.
  • FIG. 6 shows a process of manufacturing the radiation detector 100, a material having a chemical formula of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene quantum dot and MX 2 as the constituent material of the scintillator 110 (here, M Is one of the elements belonging to Groups 4 to 6 in the periodic table, and X is one of the elements consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) as a chalcogen element.
  • a composite (polymer) solution 10 including two-dimensional nanomaterials except fins is used to construct the composite as shown in FIG. This is because the two-dimensional nanomaterial itself is difficult to form as the scintillator 110 in the substrate 125 or the place for the radiation measurement.
  • the polymer solution 10 including the 2D nanomaterial is formed on the silicon oxide substrate 126.
  • the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial may be formed using a printing process.
  • the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial is formed on the silicon oxide substrate 126.
  • the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial is shown in the drawings. It will not be limited to places.
  • the polymer solution 10 may be formed of a scintillator 110 through a printing process.
  • the printing process is also called a printing electronic device technology, and is used to produce printed materials such as newspapers and magazines, unlike a method of producing conventional electronic products. It is a technique which uses the printing technique to manufacture an electronic component. Printing processes include inkjet printing, screen printing, and the like.
  • the scintillator 110 may be formed by simply spreading the polymer solution 10 including the 2D nanomaterial using a brush or the like.
  • An inkjet printing process is a process technology for ejecting fine ink droplets (less than 30 mu m in diameter) from a head and patterning the ink at a desired position. This is a suitable process for implementing complex shapes in small volumes.
  • the inkjet printing method is a method that can reduce the manufacturing cost by simplifying the process, and reduce the loss of material by depositing the material in a desired position.
  • the properties of the material do not change due to chemical influences, and since there is no contact printing method, there is no damage of the device by contact. It is also possible to form on uneven substrates.
  • fine droplets ejected through the nozzle fly through the air and adhere to the surface of the substrate, and when the solvent is dried, the solid component is fixed to form a pattern.
  • the droplets falling on the substrate spread out two-dimensionally on the substrate to form dots of a size larger than the droplets. The spreading of the droplets depends on the kinetic energy and the wettability of the liquid when it hits the substrate.
  • the scintillator 110 may be formed by a method in which the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial is sprayed through a nozzle by an inkjet printing process.
  • Screen printing method uses tension to raise the ink paste on the substrate and then moves the squeegee (squeegee-shaped urethane rubber) by pushing it to push the ink paste through the screen mesh to the surface of the to-be-printed object. It is a process to do it.
  • the screen printing method may be used in a manner in which the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial is an ink paste.
  • Screen printing is formed through four processes: rolling, ejection, plate separation, and leveling.
  • Rolling is a process that is required to obtain a uniform thin film by rotating the paste forward by the squeegee moving the paste on the screen to uniformly stabilize the viscosity of the paste.
  • the discharging process is a process in which the paste is pushed by the squeegee and passed between the screen meshes and pushed out to the substrate surface. The force of discharging depends on the squeegee's angle and the moving speed.
  • the plate separation process is a step in which the screen falls from the substrate after the paste reaches the surface of the substrate to determine resolution and continuous printability.
  • Paste that passes through the screen and reaches the substrate is preferably diffused away from the screen because it spreads in the state sandwiched between the screen and the substrate. To do this, the screen must be pulled with high tension. Paste separated after discharging on the substrate has fluidity, which may change the pattern, resulting in mesh marks and pinholes. Over time, the viscosity increases due to evaporation of the solvent, which loses fluidity and finally completes the pattern. Done. This process is called leveling.
  • the polymer solution 10 including the 2D nanomaterial is formed on the silicon oxide substrate 126 and then dried. After the drying process, the polymer solution 10 including the two-dimensional nanomaterial forms the scintillator 110.
  • the insulating layer 111 is formed on the scintillator 110 as shown in FIG.
  • the insulating layer 111 is formed of SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 Such as Oxide, SiN x , AlN x Nitrides such as the like, but will not be limited to such materials.
  • the photodetector 120 is formed by performing the formation of the active layer 123, the formation of the contact electrode, and the patterning of the active layer 123 on the scintillator 110.
  • the silicon oxide substrate 126 is precipitated in the SiO 2 etching solution 20 and chemically removed.
  • the radiation detector 100 has a shape in which the photodetector 120 is attached to the scintillator 110.
  • a process of transferring the radiation detector 100 to a portion to be formed is performed.
  • the shape shown in (h) of FIG. 6 is one example.
  • the radiation detector 100 includes (a) fabrication of a polymer solution 10 including two-dimensional nanomaterials (S100) and (b) a polymer solution on a silicon oxide substrate 126. (10) Formation (S110), (c) Drying of Polymer Solution 10 (S120), (d) Insulating Layer 111 Formation (S130), (e) Forming Photodetector 120 on Insulator (S140) (f) removing the silicon oxide substrate 126 (S150) and (h) forming the radiation detector 100 (S160) where desired.
  • the radiation detector 100 manufactured as described above has flexible characteristics because the photodetector 120 as well as the scintillator 110 has flexibility, and its thickness is also reduced compared to the conventional radiation detector 100.
  • the scintillator 110 has a thickness of about 10 nm or less
  • the insulating layer 111 has a thickness of about 30 to 50 nm
  • the photodetector 120 has a thickness of about 1 nm, so that the radiation detector 100 to which they are coupled
  • the thickness of has a thickness of about 40 ⁇ 50nm.
  • FIG. 8 shows a process of forming the radiation detector 100 directly on the desired substrate 125 or the position to be attached.
  • the composite is constituted as shown in FIG. 8A using the polymer solution 10 including two-dimensional nanomaterials excluding graphene (S200).
  • the polymer solution 10 is directly formed (S210) where the scintillator 110 is to be formed, rather than on the silicon oxide substrate 126.
  • a desired substrate 125 or a large-area radiation detector 100 may be formed through a printing process in the wall, ceiling, tunnel.
  • a large-area radiation detector 100 can be formed by simply applying a desired place using a large brush or the like.
  • the scintillator 110 is formed through the step S220 of drying the polymer solution 10 applied as shown in FIG. 8C.
  • an insulating layer 111 is formed on the scintillator 110 as shown in FIG. 8D (S230).
  • the insulating layer 111 is formed of SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 Such as Oxide, SiN x , AlN x Nitride such as and the like can be used, but will not be limited to such materials.
  • the photodetector 120 is formed while the active layer 123 is formed on the scintillator 110, the contact electrode is formed, and the active layer 123 is patterned.
  • the radiation detector 100 has a shape attached to the desired place.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a process of forming the photodetector 120 on the scintillator 110.
  • each device of the photodetector 120 is directly formed on the scintillator 110 without separately manufacturing the photodetector 120, a separate photodetector 120 attachment process is unnecessary. Since it does not need to go through a semiconductor process, manufacturing process and manufacturing time can be shortened.
  • a scintillator 110 made of a two-dimensional nanomaterial except graphene is formed where a radiation detector 100 is to be attached, and an insulating layer 111 is formed on the scintillator 110.
  • the photodetector 120 is formed on the insulating layer 111, the radiation detector 100 is formed.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 is formed by forming a two-dimensional nanomaterial including graphene to a thickness of about one atom on the scintillator 110 or the insulating layer 111 of the scintillator 110. ).
  • the two-dimensional nanomaterial including graphene is composed of the monolayer-thick active layer 123, the light transmittance is high and only absorbs 2% to 3% of light. Therefore, in order to increase light absorption of the active layer 123, the active layer 123 may be formed by stacking two-dimensional nanomaterials at least once.
  • the active layer 123 of the photodetector 120 is formed of a two-dimensional nanomaterial including graphene on the insulating layer 111, two contact electrodes protruding therefrom, as shown in FIG. (121, 122) are formed in different positions.
  • the contact electrodes 121 and 122 serve to receive an electrical signal emitted from the active layer 123 by absorbing light, and are typically copper (Cu), gold (Au), or platinum, which have good electrical conductivity. (Pt), palladium (Pt), etc. may be used, but if the metal is electrically conductive, it may be used as the material of the contact electrodes 121, 122.
  • the contact electrodes 121 and 122 are formed, as shown in FIG. 10C, except for the two-dimensional nanomaterial including graphene interposed between the two contact electrodes 121 and 122, they are removed through a patterning process. Will be.
  • Patterning means to form a desired one through the repeated etching process the operator can form the active layer 123 to the desired shape through the patterning process. That is, through the patterning process, the photodetector 120 including the contact electrodes 121 and 122 and the active layer 123 connecting them are positioned on the insulating layer 111.
  • the photodetector 120 has a structure supported by the contact electrodes 121 and 122 while being in close contact with the active layer 123 as shown in FIG. 10D, and a passivation layer for preventing the active layer 123 from being exposed to the outside. 124 may be further included.
  • the passivation layer 124 serves to protect the device by preventing exposure of the device in a manner that covers the device.
  • the passivation layer 124 is formed to a thickness of about 30 nm.
  • the passivation layer 124 is formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), but will not be limited only to the material.
  • a two-dimensional nanomaterial including graphene is formed thereon (S300).
  • Contact electrodes 121 and 122 are formed thereon (S310). If the contact electrodes 121 and 122 are formed, the radiation detector 100 is completed through the active layer 123 patterning process S320 for removing the two-dimensional nanomaterial including graphene. Thereafter, the passivation layer 124 may be selectively formed to protect the active layer 123 (S330).
  • the radiation detector 100 includes (a) forming an active layer 123 made of a two-dimensional nanomaterial on the scintillator 110 (S300) and (b) the active layer 123. Forming two contact electrodes 121 and 122 spaced apart from each other on the surface (S310) and (c) patterning the active layer 123 so that the active layer 123 is positioned between the contact electrodes 121 and 122. Step (S320) and (d) optionally can be manufactured through the step (S330) to form the passivation layer 124.
  • the radiation detector 100 having the photodetectors 120 including the contact electrodes 121 and 122 and the active layer 123 on the scintillator 110 may be manufactured.
  • the photodetector 120 is directly formed on the scintillator 110, it is not necessary to perform an attachment process separately, thereby shortening the manufacturing process and time.
  • FIG. 12 illustrates a process of forming the photodetector 120 on the scintillator 110 using the device transfer temporary substrate 130.
  • the photodetector 120 When the photodetector 120 is formed on the silicon oxide substrate 126 through the steps of transferring two-dimensional nanomaterials including graphene, forming contact electrodes 121 and 122, and patterning the active layer 123, device transfer.
  • the temporary substrate 130 is formed thereon.
  • the element transfer temporary substrate 130 is formed on the photodetector 120 in a structure that coats or covers the photodetector 120.
  • the device transfer temporary substrate 130 is formed in a thin plate within about 1 ⁇ m, and may support or hold the device, and may be flexible to bend.
  • the element transfer temporary substrate 130 serves to form the other member after attaching the element.
  • the device transfer temporary substrate 130 polymethylmethacrylate (PMMA) is generally used.
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • the photodetector 120 is formed using PMMA.
  • the device transfer temporary substrate 130 has no effect on the reaction between devices, and can be easily removed through a simple process after the transfer.
  • the silicon oxide substrate 126 supporting the photodetector 120 may be SiO 2. It is subjected to a process of chemically removing by precipitation in the etching solution (20). Then, as shown in FIG. 12C, the photodetector 120 is attached to the element transfer temporary substrate 130. That is, the device transfer temporary substrate 130 forms a structure in which the contact electrodes 121 and 122 and the active layer 123 of the photodetector 120 are held together.
  • the radiation detector 100 is completed. Thereafter, the device transfer temporary substrate 130 may be removed because the chemical reaction is performed in the acetone solution after the process of drying the moisture and then precipitated in the acetone solution. Even when the device transfer temporary substrate 130 is removed, the photodetector 120 including the contact electrodes 121 and 122 and the active layer 123 may be coupled onto the scintillator 110 without any separate work.
  • the radiation detector 100 as shown in Figures 12 and 13, (a) forming a photodetector 120 containing a two-dimensional nanomaterial on the silicon oxide substrate 126 (S400), (b) Forming the photodetector 120 on the device transfer temporary substrate 130 (S410), (c) removing the silicon oxide substrate 126 (S420) (d) device transfer with the photodetector 120 attached
  • the temporary substrate 130 may be manufactured by attaching the temporary substrate 130 on the scintillator 110 (S430) and removing the device transfer temporary substrate (S440).
  • FIG. 14 and 15 illustrate a portable device employing the radiation detector 100 having the photodetector 120 coupled to the scintillator 110 and an example of its use.
  • the photodetector 120 may be flexible.
  • the scintillator 110 has ductility when made of two-dimensional nanomaterials except graphene.
  • the radiation detector 100 to which they are combined has a flexible property and is independent of the attachment surface. The radiation detector 100 may be used in portable measuring devices, mobile phones and communication equipment, watches, and the like.
  • the flexible radiation detector 100 can be manufactured in various shapes without being attached to the shape of the attachment surface, the radiation detector 100 does not have a specific direction, the equipment operator can be installed in the desired place to measure the radiation There is an advantage that can improve the measurement efficiency of radiation.
  • the scintillator 110 formed of a two-dimensional nanomaterial is easily applied to a place where the radiation detector 100 is to be installed, and a plurality of photodetectors 120 having a high mobility of charges are formed on the scintillator 110, radiation It has a time resolution enough to detect the speed difference of the generated light, and the equipment operator can find out the direction of incidence of the radiation and perform the radiation imaging work efficiently.
  • the equipment operator can arrange a plurality of radiation detectors 100 in a network type, and then perform radiation mapping at a high speed, and the change in local radiation dose may be confirmed through measurement.
  • the radiation detector 100 can be effectively used for isotope production facility safety management, radiation waste security monitoring, military radiation 3D topographic maps.
  • the ultra-compact flexible radiation detector 100 such as the present invention can be utilized and applied in the field of ultra-flexible smart sensor that performs a combination of dosimeters, medical devices, various functions in the defense field.
  • FIG. 16 shows a figure in which the radiation detector 100 is formed in a large area to measure radiation of cargo loaded on a vehicle. After the formation of the scintillator 110 by using a printing process or the like on a large area of the polymer solution 10 including the 2D nanomaterial, the photodetector 120 is formed to provide a simple and economical radiation detector 100. ) Can be produced. When the large-area radiation detector 100 is used, the efficiency of radiation measurement can be improved.
  • 17 is a flow chart illustrating a schematic sequence of radiation measurement including a radiation detector 100.
  • the scintillator 110 When radiation such as X-rays, ⁇ , ⁇ , and ⁇ rays are absorbed on the scintillator 110, the scintillator 110 generates visible light, and the photodetector 120 emits light generated from the scintillator 110 by two-dimensional nanomaterials. Absorbed through the active layer 123 formed to generate an electrical signal. The current generated by the photodetector 120 is amplified through an amplifier and then transferred to the current / voltage meter. The current / voltage meter then measures the current or voltage received to detect the radiation and measure the radiation dose.
  • radiation such as X-rays, ⁇ , ⁇ , and ⁇ rays
  • the above-described radiation detector and the method of manufacturing the radiation detector are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but the embodiments may be selectively combined with all or some of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.
  • the invention can be used in the field of radiation detectors for detecting radiation.

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Abstract

본 발명은 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체와 상기 섬광체에 형성되는 광검출기를 포함하고, 상기 섬광체는 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사선 검출기를 제공한다. 상기 섬광체는 상기 2차원 나노 물질이 적층되어 형성되는 것으로 상기 2차원 나노 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

방사선 검출기 및 이의 제조 방법
본 발명은 방사선 검출기와 그 제조 방법에 관한 것이다.
방사선을 측정하는 방사선 검출기에는 여러 종류가 있으나, 섬광체형 방사선 검출기는 방사선이 입사하면 빛을 발생시키는 섬광체와 그 발생된 빛을 검출하는 광검출기가 결합된 구조를 가진다.
섬광체는 LaBr3, LYSO, Gd2SiO5(GSO), Bi4Ge3O12(BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI2 등의 비교적 고가(高價)인 결정성 화합물을 기반으로 하고 있는데, 이들은 부피가 크고 견고하며 대면적으로 제작하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 제조시 단결정의성장 시간이 많이 걸리고, 성장 조건도 까다로워 제조 단가가 높다.
광검출기는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 등의 두께가 두꺼우면서 딱딱한 반도체 웨이퍼(wafer)를 기반으로 제작되는 것이 일반적이다.
이러한 섬광체와 광검출기가 결합된 종래의 방사선 검출기는 유연하지 못하고 접히거나 휘어진 상태에서는 작동이 어려우므로, 웨어러블(wearable) 하거나 폴더블(foldable)한 디바이스(device)에는 채용되기 어렵다. 또한, 대면적에 활용하기 곤란해서 방사선을 활용한 미사일 검색이나 컨테이너 검색과 같이 대면적의 방사선 검출기가 요구되는 곳에 적용되기 어렵다는 단점이 있다. 제조 후 방사선 검출기의 두께 역시 증가되는 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은, 섬광체 및 광검출기를 종래와는 다르게 구성하여 종전보다 두께가 감소되면서도 유연성을 가지며, 대면적으로 형성 가능한 방사선 검출기의 구조를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 본 발명에 따르는 방사선 검출기를 제조하는 방법을 제안하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 실시예와 관련된 방사선 검출기는,방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체; 및 상기 섬광체에 형성되는 광검출기를 포함하고, 상기 섬광체는 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 섬광체는 상기 2차원 나노 물질이 적층되어 형성되는 것으로, 상기 2차원 나노 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고, 상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며, 상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 광검출기는 서로 이격된 위치에 배치되는 제1 접촉 전극과 제2 접촉 전극; 및 상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극의 사이를 연결하고, 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하는 활성층을 포함하며, 상기 활성층은 상기 섬광체에 대응된 형상으로 결합될 수 있도록, 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 형성된다.
이때, 상기 2차원 나노 물질은, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고, 상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며, 상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 광검출기는 상기 활성층에 밀착되고, 상기 접촉 전극들에 의해 지지되며, 상기 활성층의 외부로의 노출을 제한하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이에 개재되어 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이의 전기적 신호를 차단하는 절연층을 더 포함한다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 섬광체를 제조하는 단계; 및 상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 섬광체를 제조하는 단계는, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션을 제조하는 단계; 상기 폴리머 솔루션을 인쇄 공정을 통해 기판에 도포하는 단계; 상기 폴리머 솔루션의 수분을 제거하여 상기 섬광체를 형성하는 건조 단계; 및 상기 섬광체 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계는, 2차원 나노 물질을 활성층의 재료로서 섬광체 상에 형성하는 단계; 상기 활성층의 표면에 접촉 전극을 형성하는 단계; 및상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극 사이에 상기 활성층이 개재되도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법은, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 섬광체를 형성하는 단계; 상기 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계; 소자 전사 임시기판을 상기 광검출기 상에 형성시키고, 상기 실리콘옥사이드 기판을 SiO2 에칭용액에 침전시켜 제거하는 단계; 및 상기 광검출기를 지지하는 상기 소자 전사 임시기판을 상기 섬광체의 표면에 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법에서, 상기 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계는, 실리콘옥사이드 기판 상에 2차원 나노 물질을 전사하여 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극을 형성하는 단계; 및 상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극들의 사이에 상기 활성층이 위치하도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르는 방사선 검출기의 제조 방법에서, 상기 섬광체의 표면에 부착된 상기 소자 전사 임시기판의 제거를 위하여, 수분을 제거하는 건조 단계; 및 아세톤용액에 침전시켜 화학반응이 이루어지도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 발명에 의하면, 섬광체는 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 퀀텀닷을 포함하는 2차원 나노 물질로 형성되고, 광검출기는 그래핀까지 더 포함하는 2차원 나노 물질을 이용하여 형성될 수 있으므로 방사선 검출기는 그 물질의 특성상 두께가 얇으며 유연성을 가지게 된다.
또한, 본 발명은 섬광체의 표면에 직접 광검출기를 형성하는 방법을 이용하여 고가의 반도체 장비를 사용하는 공정을 수행하지 않고서도 인쇄 공정을 통해 대면적의 방사선 검출기를 제작할 수 있으므로 그 제조 비용과 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 기판 위에 방사선 검출기가 결합되어 있는 개념도.
도 2는 기판 위에 방사선 검출기가 결합되어 그 구조를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명인 방사선 검출기를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명인 방사선 검출기를 도 3에 표시된 선으로 자르고, A 방향에서 바라본 단면도.
도 5는 광검출기의 활성층에 패시베이션층이 결합된 방사선 검출기의 사시도.
도 6은 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 개념도.
도 7은 섬광체를 제조하는 과정을 포함한 방사선 검출기를 제작하는 과정을 나타내는 흐름도.
도 8은 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 9는 원하는 기판 위에 직접 방사선 검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 10은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 11은 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 12는 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도.
도 13은 소자 전사 임시기판을 사용하여 섬광체 상에 광검출기를 형성시키는 과정을 나타내는 흐름도.
도 14는 본 발명이 결합된 휴대장치를 나타내는 개념도.
도 15는 도 14의 휴대장치를 실제 사용하는 예를 나타내는 그림.
도 16은 방사선 검출기를 대면적에 형성시키고, 그 실사용 예를 나타내는 그림.
도 17은 본 발명을 포함하는 방사선 측정 과정의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대해서 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일 ·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르지않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1 과 도 2는 본 발명인 방사선 검출기(100)의 구조를 나타내는 것으로, 도 1은 기판(125)에 본 발명인 방사선 검출기가 결합되어 있는 것을 나타내는 개념도이고, 도 2는 방사선 검출기의 구조를 보여주는 사시도이다.
여기서 기판(125)이란 SiO2으로 이루어진 실리콘옥사이드 기판이 일반적일 것이나, 플렉서블(flexible)한 성질을 가지는 기판 혹은 방사선 검출기(100)를 위치하고자 하는 여러 종류의 기판일 수 있으며, 대면적의 방사선 검출기를 제작하기 위해 벽이나 천장 또는 터널 내부의 벽이나 천장 등이 될 수 있다.
일반적으로 방사선 검출기(100)는 방사선의 종류나 세기, 에너지나 인체의 피폭선량을 측정하는 장치를 의미한다. 방사선 검출기(100)는 물질에 따라 기체형, 액체형 및 고체형으로 분류되며, 고체형은 다시 섬광체형과 반도체형으로 구분된다.
본 발명에 따르는 방사선 검출기(100)는 고체형 중 섬광체형으로 분류된다. 방사선 검출기(100)는 섬광체(110)와 광검출기(120)를 포함하며, 섬광체(110)와 광검출기(120)가 결합된 구조를 가진다.
섬광체(110)는 방사선이 부딪힘으로써 섬광을 발하는 물질을 의미하는데, 여기서 섬광(scintillation)이란 물질이 여기(excite)되어 빛을 발생시키는 현상을 의미한다. 섬광체(110)는 방사선 에너지를 흡수하여 원자가 전자대에 있는 전자가 전도대로 여기(excite) 되었다가 다시 천이 되면서 빛(구체적으로 가시광선)을 방출하는 과정을 수행하게 된다.
섬광체(110)가 흡수하는 방사선은 높은 에너지 상태로 운동하는 물질이다. 방사선은 x선, α선, β선, γ선을 포함한다. γ선은 핵 구조에서 생성되고, α선은 질량이 있는 입자로 수십 키로 전자볼트(KeV) 이상의 높은 에너지를 가진다.
섬광체(110)는 일반적으로 LaBr3, LYSO, Gd2SiO5(GSO), Bi4Ge3O12(BGO), NaI, CsI, TlBr, HgI2 등의 결정성 화합물을 기반으로 하는데, 제조시 단위 공정이 많이 요구되어 제조 단가가 높고, 부피가 크며 견고하다는 단점이 있다. 또한, 유연하지 못한 특성이 있어 접히거나 휘어진 상태에서는 동작하기 어려우므로 웨어러블(wearable) 하거나 폴더블(foldable)한 디바이스(device)에는 적용되기 어렵고, 제조 후 방사선 검출기(100)의 두께가 커져 활용에 제약을 받는 문제점이 있다. 비용적인 측면에서도 대면적의 방사선 검출기를 제작하기 어려워 이를 활용한 미사일 검색이나 컨테이너 검색등에는 적용되기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명에서 섬광체(110)는 그래핀(graphene)을 제외한 2차원 나노 물질을 그 구성 재료로 한다. 2차원 나노 물질을 재료로 한 섬광체(110)는 그 재료의 특성에 의해 유연성을 가지게 되므로, 2차원 나노 물질을 활성층(123)의 재료로 하는 광검출기(120)와 결합하여 유연한 특성을 가지는 방사선 검출기(100)의 제작이 가능하게 된다. 또한 섬광체(110)는 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 인쇄 공정을 통해 원하는 기판(ex.플렉서블 기판, 실리콘옥사이드 기판, 벽이나 천장 등)에 도포하여 제작 가능하므로, 그 위에 광검출기(120)을 형성시켜 대면적의 저가형 방사선 검출기(100)의 제작이 가능하게 된다.
2차원 나노 물질이란, 원자 하나 혹은 두 개의 두께를 가지는 물질 또는 그의 조합을 의미한다. 2차원 나노 물질은 두께가 거의 없는 것으로 2차원 평면 구조를 가진다. 2차원 나노 물질은 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 양자점(graphene quantum dot) 및 MX2의 화학식을 가지는 것을 포함한다. 본 발명에서 2차원 나노 물질은 이들 중 적어도 하나를 의미하며, 개별 물질 각각 혹은 그들 상호 간의 결합을 포함한다.
흑연(graphite)은 탄소가 육각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓여 있는 구조를 가지는데, 그래핀은 흑연에서 탄소층 하나를 박리해낸 것으로서 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐져 있는 얇은 막의 형태를 가진다. 즉, 그래핀은 탄소 원자로 구성된 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고, 물리·화학적으로 매우 안정하며 실리콘(Si)보다 100배 이상 높은 전하의 이동도를 가지는 물질을 말한다.
그래핀은 탄소 원자 하나의 두께(약 0.35nm)를 가지고, 높은 투명도를 가지며, 열·기계적 특성도 우수하다. 또한, 그래핀은 높은 전하 이동도, 전류 밀도, 뛰어난 열전도도 및 낮은 발열량, 간단한 패터닝 공정 가능, 유연성, 신축성 등의 장점을 가진다. 다만 그래핀의 경우, 밴드갭이 존재하지 않아 방사선이 입사되어도 빛을 방출하지 않으므로 섬광체(110)의 재료로 이용하기에는 적당하지 않다.
그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점은 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐있는 얇은 막의 형태를 가지고, 그래핀과 유사한 구조를 가지며 전하 이동도가 커서 빠르게 반응할 수 있는 장점이 있다. 이들 물질은 나노 물질로서 크기를 작거나 얇게 만들 수 있고, 인쇄 공정(용액 공정)을 사용할 수 있으므로 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작할 수 있다. 또한, 플렉서블(flexible) 한 특성을 가지므로, 이를 이용하여 플렉서블 한 방사선 검출기(100)를 제작할 수 있다. 이들 물질은 밴드갭(band gap)을 가지고 있어 방사선을 흡수하면 전자-정공 쌍이 형성되었다가 결합하면서 밴드갭에 해당하는 만큼의 에너지를 빛으로 방출하는 광 발광 현상이 발생되므로 방사선 검출기(100)의 섬광체(110)로 구성 가능하다.
밴드갭(band gap)은 에너지갭(energy gap)이라고도 하는데, 전자가 존재하고 있는 가장 높은 에너지 레벨에서부터 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨 사이의 에너지 준위나 그 에너지의 차이를 말한다. 전자가 없는 에너지 레벨을 전도대(conduction band)라고 하고, 전자가 있는 에너지 레벨을 가전자대(valence band)라고 하는데, 이들의 차이가 밴드갭이다. 물질이 열이나 방사선을 통해 충분한 양의 에너지를 받으면 가전자대에서 전도대까지 전자가 이동하는 것이 가능하다.
그래핀 옥사이드(graphene oxide)는 그 화학 구조가 정확하게 규명되어 있지 않지만, 그래핀이 산화된 형태로서 그래핀 구조에서 산소 작용기들이 나노 그래핀의 윗면과 끝(edge) 부분에서 공유 결합을 통해 결합된 구조를 가진다. 그래핀 옥사이드는 흑연을 산화시킨 산화물로 형성된 것으로 흑연과는 달리 분산 용액을 제조하는 것이 가능하므로 박막화를 통해 막을 형성시킬 수 있다.
도 6 에서처럼 그래핀 옥사이드가 포함되는 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(125) 등에 도포하는 방식으로 층을 이뤄 섬광체(110)를 형성할 수 있다.
그래핀 옥사이드의 분산 용액을 이용하여 그래핀 옥사이드의 박막화 후, 이를 환원시키면 얇은 층 형태의 그래핀을 형성하는 것이 가능하다. 이를 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)라고 한다. 환원된 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드를 환원시켜 얻어진 환원물을 의미한다. 환원된 그래핀 옥사이드는 그래핀과 유사한 형태 및 물성을 가지지만 밴드갭을 가지고 있어 섬광체(110)의 재료로 이용이 가능하다. 그래핀 옥사이드가 포함되는 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(125)에 도포하는 방식을 통해 섬광체(110)를 형성시킬 수 있다.
그래핀 양자점(graphene quantum dot)은 도체 물질인 그래핀을 반도체 형태로 만들기 위해서 크기를 약 10nm 이하의 점의 형태로 만든 물질을 말한다. 입자가 수십 nm 이하인 경우, 전자가 공간 벽에 갇힌 구조가 되어 특이적으로 도체 물질의 반도체적인 특성을 이용한 것이다. 실리콘옥사이드 기판(125)에 도포하는 방식을 이용하여 섬광체(110)로 형성시킬 수 있다.
2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지는 물질을 포함한다. 층상 화합물인 전이금속 디찰코게나이드계 화합물(TMDs)은 MX2와 같은 화학식을 가지는데, 여기서 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이고, X는 칼코겐(chalcogen)원소로서 황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)으로 이루어지는 원소들 중 하나이다. MX2는 각층 내부의 M과 X의 사이에서는 공유 결합을 형성하는 반면, 층 간에는 반데르발스힘을 통해 결합이 이루어진다. 층상 구조를 가지기 때문에 유연성이 있으며, 섬광체(110)로 구성이 가능하다.
즉, 섬광체(110)는 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2)등의 물질로 형성될 수 있다.
이황화몰리브덴(MoS2)의 경우, 전계효과 트랜지스터, 광 트랜지스터, 이중 층 화학 센서, 논리 회로, 메모리, 증폭기 등에 사용된다. 이황화몰리브덴(MoS2)은 벌크 상태에서 약 1.1 eV, 단일층으로 얇아짐에 따라 약 1.55 eV 수준의 밴드갭(band gap)을 갖는 물질로 층상 구조를 이루고 있으며, 통상적으로 조각의 크기는 약 1~3㎛, 두께는 약 3~80nm를 가진다.
본 발명에서 섬광체(110)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질의 단일층으로 구성될 수 있으나, 두께가 얇으면 에너지가 높은 방사선이 흡수되지 않고 투과된다. 따라서 방사선을 흡수할 수 있도록, 2차원 나노 물질을 여러 번 적층하여 두께를 두껍게 하거나, 복합재(composite)의 형태로 다른 물질과 혼합하여 구성하는 것이 바람직하다. 각 도면에 나타난 섬광체(110)의 형상은 하나의 예이며, 그 형상만으로 제한되지는 않을 것이다.
섬광체(110)는 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키고, 광검출기(120)는 그 빛(가시광선)을 흡수하여 전기적인 신호로 바꾸는 역할을 한다. 그 후 증폭기는 광검출기(120)에서 발생한 전기적인 신호를 증폭하고, 전류/전압 측정기는 증폭된 신호를 통해서 입사되는 방사선량을 측정하게 된다.
일반적으로 광검출기(120)는 실리콘(Si)을 포함하는 견고한 반도체 웨이퍼(wafer)를 기반으로 하고, 고가의 반도체 장비를 사용한 공정이 반복되어 제작된다. 그리고 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 별도로 제작된 섬광체(110)를 광검출기(120)에 부착하는 공정을 더 수행하여야 한다. 이러한 광검출기(120)는 반도체 웨이퍼 특성상 약 300~600㎛의 비교적 두꺼운 두께를 가지며, 웨이퍼를 기반으로 제작되어 견고한 특성을 가지므로 섬광체(110)의 부착 면 형상에 제약을 받는 다는 단점이 있다.
도 3을 보면, 광검출기(120)는 섬광체(110)의 절연층(111) 위의 서로 이격된 위치에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 형성되어 있고, 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)의 사이에 활성층(123)이 연결되어 있는 구조를 가진다.
제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)의 구성 및 형상은 서로 동일할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 접촉 전극(121, 122)은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 도면에 나타난 형상만으로 제한되지 않는다.
접촉 전극(121, 122)의 재료로는 주로 전도성이 좋은 팔라듐(Pd), 백금(Pt)으로 형성되는 것이 일반적이나, 그 재료에만 한정되지 않을 것이다. 접촉 전극은 섬광체(110)의 절연층(111) 상의 서로 다른 위치에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 배치되는 구조를 가진다.
광검출기(120)의 활성층(123)은 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질로 형성되는데, 섬광체(110)에서 발생한 빛을 흡수하여, 전자-정공 쌍을 통해서 전자의 이동 경로가 형성된다. 활성층(123)은 2차원 나노 물질로 이루어지고 2차원 나노 물질의 특성에 따라 휘어지는 연성 혹은 탄성을 가지게 된다. 따라서 광검출기(120)는 섬광체(110)의 부착면 형상에 대응하여 변형된 후 섬광체(110)에 결합하여 방사선 검출기(100)를 구성할 수 있게 된다.
2차원 나노 물질을 활성층(123)의 재료로 사용하면 광검출기(120)는 그 소재의 특성에 의해 유연성을 가지게 되며, 섬광체(110)의 형상에 대응하여 변형 가능하므로 섬광체(110)의 부착면 형상에도 제약을 받지 않게 된다.
2차원 나노 물질이란, 원자 하나 혹은 두 개의 두께를 가지는 물질 또는 그의 조합으로 두께를 가지지 않는다고 볼 수 있는 2차원 평면 구조를 가지는 것으로서 앞서 설명한 바와 같다.
앞에서 설명한 섬광체(110)의 재료로 이용되는 2차원 나노 물질은, 광검출기(120)의 재료로 이용될 수 있다. 광검출기(120)의 활성층(123)은 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 양자점(graphene quantum dot) 및 MX2의 화학식을 가지는 것을 포함한다.
즉, 광검출기(120)의 활성층(123)은 2차원 나노 물질에 포함되는 적어도 하나로 구성될 수 있고, 개별 물질 혹은 그들의 상호 결합에 의해 구성될 수 있으며 이를 통해 섬광체(110)의 형상에 제한을 받지 않는 광검출기(120)를 얻을 수 있게 된다.
그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide) 및 그래핀 양자점(graphene quantum dot)은 탄소 원자들이 평면 형태로 펼쳐있는 얇은 막의 형태를 가지는 그래핀과 유사한 구조를 가지며, 빛을 받으면 전자-정공 쌍을 형성하여 전기적인 신호를 발생하는 역할을 하게 된다. 이들은 높은 전하 이동도 및 유연성으로 가지므로 광검출기(120)의 활성층(123)으로 구성될 수 있다. 흑연과 다르게 분산 용액을 제조한 후 박막화로 막을 형성하여 광검출기(120)의 활성층(123)으로 형성시킬 수 있다.
도 5에서 보면, 광검출기(120)의 활성층(123)이 외부로 노출되지 않도록 하는 패시베이션층(124)을 더 포함할 수 있다.
패시베이션층(124)은 소자의 외부노출을 막아 보호하는 역할을 하는 것이다. 패시베이션층(124)은 돌출된 제1 접촉 전극(121) 및 제2 접촉 전극(122), 실리콘옥사이드 기판(125)에 접하면서, 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)에 의해 지지되고, 활성층(123)에 밀착되는 구조를 가진다.
도면에서 패시베이션층(124)을 일정한 형상이 있는 것으로 구성하였으나, 이는 하나의 예시 불과하며, 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 패시베이션층(124)은 광검출기(120)에 있어서 필수적인 구성요소는 아니며, 이를 제거한 구조라도 광검출기(120)로서의 기능 수행이 가능하다. 패시베이션층(124)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어질 수 있으나, 그 재료에 한정되지는 않을 것이다.
도 3에 나타난 선으로 자르고, A 방향으로 바라본 방사선 검출기(100)의 단면도는 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 방사선 검출기(100)의 단면도를 살펴보면, 방사선 검출기(100)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어진 섬광체(110) 상에 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물로 이루어진 절연층(111)이 약 30~50nm의 두께로 형성된다. 절연층(111) 위에 제1 접촉 전극(121)과 제2 접촉 전극(122)이 각각 돌출되어 위치하고, 두 개의 접촉 전극(121, 122) 사이를 2차원 나노 물질로 이루어진 활성층(123)이 연결된 광검출기(120)가 위치하는 구조를 가진다.
광검출기(120)의 활성층(123)은 두 개의 접촉 전극(121, 122)과 연결되어 있으면 그 기능을 수행할 수 있다. 활성층(123)은 절연층(111)과 접하고 있거나 혹은 접하지 않을 수 있다. 활성층(123)은 복수 개로 구성될 수 있으며, 서로 다른 구성을 가질 수 있다. 즉, 섬광체(110)의 절연층(111) 상에서 광검출기(120)는 접촉 전극(121, 122) 사이를 두 개 혹은 그 이상의 2차원 나노 물질로 형성되는 활성층(123)이 서로 연결된 구조를 가질 수 있다. 본 발명에서 각각의 도면에 나타난 광검출기(120)의 형상은 하나의 예를 나타내고, 그 형상만으로 제한되지는 않을 것이다.
도 2에서 보듯이, 본 발명에 따르는 방사선 검출기(100)는 섬광체(110) 상에 절연층(111)이 형성되고 그 위에 광검출기(120)가 형성되는 구조를 가진다. 즉, 절연층(111)은 섬광체(110)와 광검출기(120)의 사이에 개재되어 섬광체(110)에서 직접 발생한 전기적인 신호가 광검출기(120)로 전달되는 것을 차단하는 역할을 한다. 절연층(111)은 섬광체(110)와 광검출기(120) 사이의 전기적인 신호를 차단하는 역할을 한다.
섬광체(110)가 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키면, 광검출기(120)는 그 빛을 흡수하여 전기적인 신호를 발생시키고, 이 전기적인 신호를 근거로 방사선을 측정하게 된다. 섬광체(110)에서 직접 전기적인 신호가 발생하게 된다면 정확한 방사선량을 측정할 수 없게 된다. 따라서 정확한 방사선량의 측정을 위해서 섬광체(110)와 광검출기(120) 사이에는 전기적인 신호의 차단을 위해 절연층(111)이 위치하게 된다.
절연층(111)은 약 30~50nm의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물로 구성될 수 있다. 다만, 절연층(111)은 상기와 같은 물질에만 한정되지는 않을 것이다.
이상에서는 섬광체(110)와 광검출기(120)를 포함하는 방사선 검출기(100)의 구조에 대해서 설명하였고, 이하에서는 방사선 검출기(100)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 6은 방사선 검출기(100)를 제작하는 과정을 나타내는데, 섬광체(110)의 구성 재료가 되는 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드, 그래핀 퀀텀닷 및 MX2의 화학식을 가지는 물질(여기서, M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이고, X는 칼코겐(chalcogen)원소로서 황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)으로 이루어지는 원소들 중 하나이다.) 즉, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머(고분자) 솔루션(10)을 이용하여 도 6의 (a)처럼 복합물을 구성한다. 2차원 나노 물질 그 자체만으로는 기판(125) 혹은 방사선 측정을 위한 장소에 섬광체(110)로서 형성시키기 어렵기 때문이다.
그리고 도 6의 (b)와 같이, 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시킨다. 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)은 인쇄 공정을 이용하여 형성 가능하다. 도 6의 (b)에서는 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시키고 있는데, 본 발명의 특성상, 방사선 검출기(100)를 위치시키고 싶은 곳이라면 도면에 나타난 곳으로 제한되지 않을 것이다.
폴리머 솔루션(10)은 인쇄 공정을 통해서 섬광체(110)로 형성시킬 수 있는데, 인쇄 공정은 인쇄전자소자기술이라고도 하며, 기존의 전자제품을 생산하는 방식과 달리 신문이나 잡지등의 인쇄물을 제작하는데 사용하는 인쇄 기술을 전자부품의 제조에 이용하는 기술이다. 인쇄 공정에는 잉크젯 프린팅법(Inkjet Printing), 스크린 프린팅법(Screen Printing) 등이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 공정 외에도, 붓 등을 이용하여 간단하게 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 펴 바르는 방법을 통해 섬광체(110)를 형성시킬 수 있다.
잉크젯 프린팅(Inkjet Printing) 공정은 헤드로부터 미세한 잉크 방울(직경 30㎛이하)을 토출시켜 원하는 위치에 패터닝하는 공정기술이다. 이는 작은 체적에 복잡한 형상을 구현하는데 적합한 공정이다. 잉크젯 프린팅법은 공정이 간단하여 제조 비용을 낮출 수 있고, 재료를 원하는 위치에 퇴적시켜 재료의 손실을 줄이는 방법이다. 또한, 에칭과 같은 추가 공정이 필요 없기 때문에 화학적 영향으로 재료의 특성이 변화되지 않고, 비접촉식 인쇄 방식이므로 접촉에 의한 디바이스의 손상도 없다. 또한 요철이 있는 기판에도 형성이 가능한 방식이다.
잉크젯 프린팅 공정은 노즐을 통해 토출된 미세한 액적이 공중을 날아 기판등의 표면에 부착되고, 용매가 건조되면 고형성분이 고착되어 패턴이 형성된다. 기판에 떨어진 액적은 기판 위에서 2차원적으로 퍼져 액적보다 큰 사이즈의 도트가 되는데, 액적이 퍼지는 것은 기판에 충돌할 때의 운동에너지와 액체의 습윤성에 의존하게 된다.
즉, 본 발명에서 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)이 잉크젯 프린팅 공정에 의해 노즐을 통해 분사되는 방법에 의해 섬광체(110)를 형성할 수 있다.
스크린 프린팅(Screen Printing)법은 장력을 이용하여 기판 위에 잉크 페이스트를 올린 후 스퀴지(squeegee, 주걱모양으로 된 우레탄 고무)를 내리누르면서 이동시켜 잉크 페이스트를 스크린의 메쉬를 통해 피인쇄물 표면으로 밀어내며 전사하는 공정이다. 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 잉크 페이스트가 되는 방식으로 스크린 프린팅 방법을 이용할 수 있다.
스크린 프린팅법은 롤링, 토출, 판 분리, 레벨링 등 4가지 과정을 통해 형성된다.
롤링은 스크린 위에서 페이스트가 이동하는 스퀴지에 의해 앞쪽으로 회전하게 되는 것으로 페이스트의 점도를 일정하게 안정화시키는 역할을 하여 균일한 박막을 얻는데 필요한 과정이다. 토출과정은 페이스트가 스퀴지에 밀려 스크린 메쉬 사이를 통과하여 기판 표면으로 밀려나오는 과정으로 토출의 힘은 스퀴지의 스크린과의 각도와 이동 속도에 의존한다.
판 분리과정은 페이스트가 기판 표면에 도달한 후 스크린이 기판에서 떨어지는 단계로서, 해상력과 연속 인쇄성을 결정하는 과정이다.
스크린을 통과해 기판에 이른 페이스트는 스크린과 기판에 끼워진 상태에서는 확산 되기 때문에 곧바로 스크린에서 떨어지는 것이 바람직하다. 그러기 위해 스크린은 높은 장력으로 당겨져야 한다. 기판 위에서 토출 후 분리된 페이스트는 유동성이 있어 패턴이 변화할 가능성이 있고, 메쉬 자국이나 핀홀 등이 생기게 되는데, 시간이 지나면서 용매의 증발 등에 의해 점도가 증가하면서 유동성을 잃게되어 최종적으로 패턴을 완성하게 된다. 이러한 과정을 레벨링이라고 한다.
도 6의 (c)에서 보듯이, 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시킨 후에 건조 과정을 거치게 된다. 건조 과정을 거친 후에는 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)은 섬광체(110)를 형성하게 된다.
그 후, 도 6의 (d)와 같이 섬광체(110) 상에 절연층(111)을 형성한다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물을 이용하나, 상기와 같은 물질로 한정되지 않을 것이다.
절연층(111)을 형성시킨 후에는 도 6의 (e)와 같이, 섬광체(110) 상에 활성층(123) 형성, 접촉 전극 형성, 활성층(123) 패터닝 과정을 수행하여 광검출기(120)를 형성하게 되고, 도 6의 (f)에서 보듯이, 실리콘옥사이드 기판(126)을 SiO2 에칭용액(20)에 침전시켜 화학적으로 제거하는 공정을 거치게 된다. 그러면, 도 6의 (g)와 같이 섬광체(110)에 광검출기(120)가 부착된 형상을 가지는 방사선 검출기(100)가 된다. 그 후, 도 6의 (h)처럼 방사선 검출기(100)를 형성하고자 하는 부위에 전사하는 과정을 거치게 된다. 다만, 도 6의 (h)에 나타난 형상은 하나의 예시이다.
즉, 도 6과 도 7에서 보듯이, 방사선 검출기(100)는 (a) 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)의 제작(S100), (b) 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 폴리머 솔루션(10) 형성(S110), (c) 폴리머 솔루션(10)의 건조(S120), (d) 절연층(111) 형성(S130), (e) 절연체 상에 광검출기(120) 형성(S140), (f) 실리콘옥사이드 기판(126) 제거(S150) 및 (h) 원하는 곳에 방사선 검출기(100) 형성(S160)을 거치게 된다.
이렇게 제작된 방사선 검출기(100)는 섬광체(110)뿐만 아니라 광검출기(120)도 유연성을 가지므로 플렉서블(flexible)한 특성을 가지고, 그 두께도 종래 방사선 검출기(100)에 비하여 줄어들게 된다. 섬광체(110)는 약 10nm 이내의 두께를 가지고, 절연층(111)은 약 30~50nm의 두께를 가지며, 광검출기(120)는 약 1nm 의 두께를 가지므로, 이들이 결합된 방사선 검출기(100)의 두께는 약 40~50nm 의 두께를 가지게 된다.
도 8은 원하는 기판(125)이나 부착하고자 하는 위치에 직접 방사선 검출기(100)를 형성하는 과정을 나타낸다.
도 6의 과정과 같이, 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 이용하여 도 8의 (a)처럼 복합물을 구성(S200)한다. 그 후, 도 8의 (b)에서처럼 폴리머 솔루션(10)을 실리콘옥사이드 기판(126) 위가 아닌, 섬광체(110)를 형성하고자 하는 곳에 직접 형성(S210)하게 된다. 원하는 기판(125) 혹은 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 벽이나 천장, 터널 내부에 인쇄 공정을 통해서 형성시킬 수 있다. 특히 대면적의 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해서는 큰 붓 등을 이용해서 원하는 곳에 간단하게 바르는 작업을 통해서 형성이 가능하다. 그 후에는 도 8의 (c)처럼 도포된 폴리머 솔루션(10)을 건조시키는 단계(S220)를 거치면 섬광체(110)가 형성된다. 섬광체(110)가 형성되면, 도 8의 (d)와 같이 섬광체(110) 상에 절연층(111)을 형성(S230)한다. 절연층(111)은 SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 산화물이나, SiNx , AlNx 등과 같은 질화물을 이용할 수 있으나, 상기와 같은 물질로 한정되지 않을 것이다. 절연층(111)을 형성시킨 후에는 도 8의 (e)와 같이, 섬광체(110) 상에 활성층(123) 형성, 접촉 전극 형성, 활성층(123) 패터닝 과정을 거치면서 광검출기(120)를 형성(S240)하게 되면, 방사선 검출기(100)가 원하는 곳에 부착된 형상을 가지게 된다. 원하는 곳에 직접 섬광체(110)를 형성시킴으로써 도 6의 (f), (g) 및 (h) 과정은 불필요하다.
즉, 도 8과 도 9에서 보듯이, (a) 2차원 나노 물질이 포함된 폴리머 솔루션(10)의 제작(S200), (b) 원하는 기판(125) 위에 폴리머 솔루션(10) 형성(S210), (c) 폴리머 솔루션(10)의 건조(S220), (d) 절연층(111) 형성(S230), (e) 절연체 상에 광검출기(120) 형성(S240) 과정을 통해서 원하는 곳에 방사선 검출기(100) 형성 가능하다.
도 10은 섬광체(110) 상에 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 나타내는 개념도이다.
방사선 검출기(100)를 제작할 때, 광검출기(120)를 따로 제작하지 않고 섬광체(110) 상에 직접 광검출기(120)의 각 소자를 형성시킨다면, 별도의 광검출기(120) 부착 과정이 불필요하고 반도체 공정을 거치지 않아도 되므로, 제조 공정과 제조 시간을 단축시킬 수 있다.
우선, 방사선 검출기(100)를 부착하고자 하는 곳에 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어진 섬광체(110)를 형성시키고, 섬광체(110) 위에 절연층(111)을 형성시킨다. 절연층(111) 위에 광검출기(120)가 형성되면 방사선 검출기(100)가 된다.
도 10의 (a)에서처럼 섬광체(110) 혹은 섬광체(110)의 절연층(111) 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 원자 하나 정도의 두께로 형성시켜 광검출기(120)의 활성층(123)을 구성하게 된다. 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질이 단원자 두께의 활성층(123)으로 구성되면, 빛 투과율이 높아 불과 2~3%의 빛만을 흡수하게 된다. 따라서 활성층(123)의 빛 흡수율을 높이기 위해 적어도 한번 이상 2차원 나노 물질을 적층하여 활성층(123)을 형성시킬 수 있다.
절연층(111) 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질로 광검출기(120)의 활성층(123)을 형성시킨 후에는 그 위에 도 10의 (b)에서 보는 바와 같이, 돌출된 2개의 접촉 전극(121, 122)을 서로 다른 위치에 형성시킨다.
접촉 전극(121, 122)은 활성층(123)이 빛을 흡수하고서 방출하는 전기적인 신호를 수용하는 역할을 하는 것으로, 통상적으로는 전기 전도성이 좋은 재료인 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pt) 등이 이용될 것이나, 전기 전도성이 있는 금속이라면 접촉 전극(121, 122)의 재료로 이용 가능할 것이다.
접촉 전극(121, 122)을 형성시킨 후에는 도 10의 (c)와 같이, 두 개의 접촉 전극(121, 122) 사이에 개재된 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질 이외에는, 패터닝 과정을 통해 제거되게 된다.
패터닝이란 반복적으로 식각하는 과정을 통해 원하는 것을 형성하는 것을 의미하는 것으로서 운용자는 패터닝 과정을 통해서 활성층(123)을 원하는 형태로 형성시킬 수 있다. 즉, 패터닝 과정을 통해서 절연층(111) 위에 접촉 전극(121, 122)과 이를 연결하는 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)가 위치하게 된다.
광검출기(120)는 도 10의 (d)와 같이 활성층(123)에 밀착되면서 접촉 전극(121, 122)에 의해 지지되는 구조를 가지며, 활성층(123)이 외부로 노출되는 것을 막기 위한 패시베이션층(124)을 더 포함할 수 있다.
패시베이션층(124)은 소자를 덮는 방식으로 소자의 노출을 방지하여 보호하는 역할을 한다. 패시베이션층(124)은 약 30nm의 두께로 형성된다. 본 발명에서 패시베이션층(124)은 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성되었으나, 그 재료에만 한정되지는 않을 것이다.
즉, 방사선 검출기(100)를 제작하기 위해 섬광체(110) 상에 절연층(111)이 형성되어 있다면, 그 위에 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 형성(S300)시킨다. 그리고 그 위에 접촉 전극(121, 122)을 형성(S310)시킨다. 접촉 전극(121, 122)이 형성되었다면, 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 제거하는 활성층(123) 패터닝 과정(S320)을 통해 방사선 검출기(100)가 완성된다. 그 후, 선택적으로 활성층(123)을 보호하는 패시베이션층(124)을 형성(S330) 시킬 수 있다.
도 10과 도 11을 참조하면, 방사선 검출기(100)는 (a) 섬광체(110) 상에 2차원 나노 물질로 이루어지는 활성층(123)을 형성시키는 단계(S300), (b) 활성층(123)의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극(121, 122)을 형성하는 단계(S310), (c) 활성층(123)을 패터닝하여 접촉 전극(121, 122)들 사이에 활성층(123)이 위치하도록 하는 단계(S320) 및 (d) 선택적으로 패시베이션층(124)을 형성하는 단계(S330)를 통해서 제조될 수 있다.
위와 같은 과정을 통해서 섬광체(110) 상에 접촉 전극(121, 122)과 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)가 결합된 방사선 검출기(100)를 제조할 수 있다. 섬광체(110) 상에 직접 광검출기(120)를 형성시키는 경우, 별도로 부착공정을 수행하지 않아도 되어 제조 공정과 시간이 단축되게 된다.
도 12는 소자 전사 임시기판(130)을 사용하여 섬광체(110) 상에 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 나타낸다.
실리콘옥사이드 기판(126) 위에서 광검출기(120)가 그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질의 전사, 접촉 전극(121, 122)의 형성, 활성층(123)의 패터닝의 단계를 거쳐 형성되면, 소자 전사 임시기판(130)을 그 위에 형성시킨다.
소자 전사 임시기판(130)은 광검출기(120)를 코팅하거나 위에서 덮는 구조로광검출기(120) 상에 형성되게 된다. 소자 전사 임시기판(130)은 약 1㎛ 이내의 얇은 판의 형태로 이루어졌고, 소자를 지지하거나 붙잡을 수 있으며, 연성이 있어 휘어질 수 있는 성질을 가진다. 소자 전사 임시기판(130)은 소자를 부착한 뒤, 다른 부재에 형성되도록 하는 역할을 한다.
소자 전사 임시기판(130)으로는 일반적으로 PMMA(polymethylmethacrylate)를 많이 사용한다. 본 발명에서 소자 전사 임시기판(130)을 이용해서 광검출기(120)를 섬광체(110)에 형성시킬 때에도 PMMA를 이용하여 형성하였다. 소자 전사 임시기판(130)은 소자들 간의 반응에는 아무런 영향을 미치지 않으며, 전사 후에 간단한 공정을 통해서 쉽게 제거될 수 있다.
소자 전사 임시기판(130)을 광검출기(120) 위에 형성시킨 후에는 광검출기(120)를 지지하고 있는 실리콘옥사이드 기판(126)을 SiO2 에칭용액(20)에 침전시켜 화학적으로 제거하는 공정을 거치게 된다. 그러면, 도 12의 (c)와 같이 소자 전사 임시기판(130)에 광검출기(120)가 부착된 상태가 된다. 즉, 소자 전사 임시기판(130)이 광검출기(120)의 접촉 전극(121, 122)과 활성층(123)을 붙잡고 있는 구조를 이룬다.
소자 전사 임시기판(130)을 도 12의 (d)와 같은 과정을 통해서 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 형성된 섬광체(110) 상에 형성시키면 방사선 검출기(100)가 완성된다. 그 후, 소자 전사 임시기판(130)은 수분을 건조하는 과정을 거친 후 아세톤 용액에 침전시키면, 아세톤 용액 내에서 화학 반응이 이루어지므로 제거될 수 있다. 소자 전사 임시기판(130)이 제거되는 경우라도 접촉 전극(121, 122) 및 활성층(123)을 포함하는 광검출기(120)는 별도의 작업이 없더라도 섬광체(110) 상에 결합되어 있게 된다.
즉, 방사선 검출기(100)는 도 12과 도 13에서 보듯이, (a) 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기(120)를 실리콘옥사이드 기판(126) 위에 형성시키는 단계(S400), (b) 광검출기(120)를 소자 전사 임시기판(130) 위에 형성시키는 단계(S410), (c) 실리콘옥사이드 기판(126)을 제거하는 단계(S420) (d) 광검출기(120)가 부착된 소자 전사 임시기판(130)을 섬광체(110) 상에 부착하는 단계(S430), (e) 소자 전사 임시기판을 제거하는 단계(S440)를 통해서 제조될 수 있다.
도 14 와 도 15은 섬광체(110)에 광검출기(120)가 결합된 방사선 검출기(100)가 채용된 휴대용 장치와 그 사용 예를 나타낸다.
그래핀을 포함하는 2차원 나노 물질을 광검출기(120)의 활성층(123)으로 구성하면 광검출기(120)는 휘어질 수 있는 연성을 가진다. 또한, 섬광체(110)는 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 이루어지는 경우 연성을 가진다. 또한 이들이 결합된 방사선 검출기(100)는 플렉서블(flexible)한 특성을 가지며, 부착 면에 구애받지 않게 된다. 이러한 방사선 검출기(100)는 휴대용 측정기, 휴대 전화 및 통신장비, 시계 등에 이용될 수 있다.
유연성을 가지는 방사선 검출기(100)가 부착 면의 형상에 구애받지 않으면서 다양한 형상으로 제작 가능한 경우, 방사선 검출기(100)는 특정한 방향성을 가지지 않고, 장비 운용자는 원하는 장소에 설치하여 방사선을 측정할 수 있어 방사선의 측정 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 생기게 된다.
방사선 검출기(100)를 설치하고자 하는 곳에 쉽게 2차원 나노 물질로 형성된 섬광체(110)를 도포하고 섬광체(110) 상에 전하의 이동도가 빠른 다수의 광검출기(120)를 형성하면, 방사선에 의해 발생된 빛의 속도차를 감지해 낼 수 있을 정도의 시간 분해능을 가지게 되고, 장비 운용자는 방사선의 입사방향을 알아내고 방사선 이미징 작업을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
장비 운용자는 다수의 방사선 검출기(100)를 네트워크형으로 배치 시킨 후 빠른 속도로 방사선 맵핑(mapping) 작업을 할 수 있고, 국부적인 방사선량의 변화를 측정을 통해서 확인할 수 있게 될 것이다. 이러한 방사선 검출기(100)는 동위원소 생산시설 안전관리, 방사선 폐기물 보안 모니터링, 군사용 방사선 3차원 지형도 작성 등에 효과적으로 활용 가능하다. 본 발명과 같은 초소형의 유연 방사선 검출기(100)는 국방 분야에서 병사용 선량계나 의료기기, 여러 가지 기능을 복합적으로 수행하는 초소형 유연 스마트 센서 분야에서 활용 및 응용이 가능하다.
도 16은 방사선 검출기(100)를 대면적에 형성하여, 차량에 적재된 화물의 방사선을 측정하는 그림을 나타낸다. 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션(10)을 대면적에 인쇄 공정 등을 이용하여 섬광체(110)를 형성한 후, 광검출기(120)를 형성시키는 과정을 통해 간편하면서도 경제적으로 방사선 검출기(100)를 제작 가능하다. 대면적의 방사선 검출기(100)를 이용하면, 방사선 측정의 효율을 높일 수 있게 된다.
도 17은 방사선 검출기(100)를 포함하는 방사선 측정의 개략적인 순서를 나타내는 순서도이다.
X선, α, β, γ선과 같은 방사선이 섬광체(110) 상에 흡수되면, 섬광체(110)는 가시광선을 발생시키고, 광검출기(120)는 섬광체(110)에서 발생한 빛을 2차원 나노 물질로 형성된 활성층(123)을 통해서 흡수하여 전기적인 신호를 발생시키게 된다. 광검출기(120)가 발생시킨 전류는 증폭기를 통해서 증폭된 후 전류/전압 측정기 쪽으로 전달된다. 그 후 전류/전압 측정기는 전달받은 전류나 전압을 측정하여, 방사선을 탐지하고 방사선량을 측정하게 된다.
이상에서 설명된 방사선 검출기 및 방사선 검출기의 제조 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 방사선을 검출하기 위한 방사선 검출기 분야에서 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 방사선을 흡수하여 빛을 발생시키는 섬광체; 및
    상기 섬광체에 형성되는 광검출기를 포함하고,
    상기 섬광체는,
    연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬광체는,
    상기 2차원 나노 물질이 적층되어 형성되는 것으로,
    상기 2차원 나노 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고,
    상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며,
    상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광검출기는,
    서로 이격된 위치에 배치되는 제1 접촉 전극과 제2 접촉 전극; 및
    상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극의 사이를 연결하고, 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하는 활성층을 포함하며,
    상기 활성층은 상기 섬광체에 대응된 형상으로 결합될 수 있도록, 연성을 부여하는 2차원 나노 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차원 나노 물질은 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 2차원 나노 물질은 MX2의 화학식을 가지고,
    상기 M은 주기율표상 4 내지 6족에 속하는 원소들 중 하나이며,
    상기 X는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루늄(Te) 중 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 광검출기는,
    상기 활성층에 밀착되고, 상기 접촉 전극들에 의해 지지되며, 상기 활성층의 외부로의 노출을 제한하는 패시베이션층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 섬광체와 상기 광검출기 사이에 개재되어 상기 섬광체와 상기 광검출기 사이의 전기적 신호를 차단하는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  9. 섬광체를 제조하는 단계; 및
    상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 섬광체를 제조하는 단계는,
    그래핀을 제외한 2차원 나노 물질을 포함하는 폴리머 솔루션을 제조하는 단계;
    상기 폴리머 솔루션을 인쇄 공정을 통해 기판에 도포하는 단계;
    상기 폴리머 솔루션의 수분을 제거하여 상기 섬광체를 형성하는 건조 단계; 및
    상기 섬광체 위에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 섬광체 상에 광검출기를 형성하는 단계는,
    2차원 나노 물질을 활성층의 재료로서 섬광체 상에 형성하는 단계;
    상기 활성층의 표면에 접촉 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극 사이에 상기 활성층이 개재되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
  11. 그래핀을 제외한 2차원 나노 물질로 섬광체를 형성하는 단계;
    상기 2차원 나노 물질을 포함하는 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계;
    소자 전사 임시기판을 상기 광검출기 상에 형성시키고, 상기 실리콘옥사이드 기판을 SiO2 에칭용액에 침전시켜 제거하는 단계; 및
    상기 광검출기를 지지하는 상기 소자 전사 임시기판을 상기 섬광체의 표면에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광검출기를 실리콘옥사이드 기판 상에 형성하는 단계는,
    실리콘옥사이드 기판 상에 2차원 나노 물질을 전사하여 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층의 표면에 서로 이격된 두 개의 접촉 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층을 패터닝하여 상기 접촉 전극들의 사이에 상기 활성층이 위치하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 섬광체의 표면에 부착된 상기 소자 전사 임시기판의 제거를 위하여,
    수분을 제거하는 건조 단계; 및
    아세톤용액에 침전시켜 화학반응이 이루어지도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기의 제조 방법.
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