Digital Radiography systems have currently developed and are replacing the conventional X-ray film. In indirect detector of digital radiography systems, the scintillating layer coupled to amorphous silicon photodiode converts the X-ray in to visible light. And also scintillators are the primary radiation sensor in many applications such as medical diagnostics, medical radiographs, and industrial component inspection. Among many various scintillators, T1-activated CsI scintillator is the most promising material for digital radiography.
In this study, thin CsI(Tl) scintillation layers were fabricated by thermal vacuum evaporation of mixture of CsI and T1I2 powder. The thin films with various microstructures were manufactured in accordance with pressure, substrate temperature and substrate material. Due to proper evaporation parameters, thin films with porous, dense and columnar polycrystalline structure were manufactured very well.
The manufactured thin films with different microstructures were annealed by rapid thermal annealing method. And the annealed thin films were measured for optical characteristics such like visible light transmittance and light output under X-ray exposure as different microstructures. And then in order to evaluate the spatial resolution in accordance with porous, dense, columnar microstructure, Modulation Transfer Function (MTF) curve was measured and analyzed by Charge Coupled Device (CCD) detector.
최근이 의료영상 분야에서 X-ray 필름을 대체하기 위한 방사선 디지털 픽셀 검출기에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 비 정질 실리콘이나 실리콘 위에 섬광체를 증착하여 실시간으로 신호를 받아 영상을 획득하는 고체화된 간접방식의 검출기가 각광을 받고 있다. 간접방식의 검출기에서 섬광체는 방사선을 흡수하여 가시광선 발광하며. CCD센서와 CMOS 같은 가시광선을 전자신호로 전환한다. 좋은 영상을 획득하기 위한 방법으로 광센서로의 전달 효과를 향상시키기 위해서 기본적으로 섬광체의 물리적, 광학적 특성에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 이런 용도로 사용되는 섬광체는 광발생량이 높아야 하며, 빠른 반응속도와 작은 인광을 가져야 한다. 또한 사용하려고 하는 광센서와 섬광체에서 발생하는 빛의 파장과 잘 맞아야 한다. 나아가 섬광체의 제조방법에 따라 공간 분해능을 향상 시킬 수 있는 방법이 연구 중이다.
본 연구에서는 여러 가지 섬광체중에서 박막의 형태의 CsI(Tl) 섬광체를 물리적 기상 증착법으로 제조하여 광발생량과 공간 분해능을 평가해보았다.
먼저 CsI(Tl)의 섬광체는 실제로 열 증착법으로 제조 되었는데, 진공장치 안에서 여러 가지 변수에 따라서 다른 미세구조를 가지는 섬광체 박막이 형성된다. 증착과정에서 중요한 변수로 챔버내의 압력과 증착기판의 온도 와 증착 기판의 종류 등이 있다. 즉 위의 세가지 변수를 변화시키면서 세가지 다른 미세구조를 가진 CsI 섬광체 박막을 얻을 수 있었다. Porous한 미세구조를 가진 박막은 $10^{-4}torr$ 압력과 25℃ 온도 유리기판 에서 만들어 졌으며, Dense한 미세구조를 가진 박막은 $10^{-5}torr$ 압력과 200℃ 온도 유리기판에서 형성 되었다, 마지막으로Columnar 한 미세구조를 가진 박막은 $10^{-5}torr$ 압력과 200℃ 온도 SU-8 포토레지스터 물질 기판 위에서 제조 되었다.
이렇게 제조된 서로 다른 미세구조를 가진 섬광체 박막은 광투과도와 광발생량 이 측정되었으며, 또한 각각의 미세구조에 따른 MTF값을 구해서 공간 분해능이 평가 되었다. 제조된 박막시편을 먼저 급속 열처리 장치를 통해서 어닐링을 하였으며, 어닐링을 함으로써 Tl activator 농도가 박막구조 내에서 확산을 통해서 균일하게 되는걸 확인할 수 있었다.
즉 열처리를 한 시편의 광발생량이 열처리를 안 한 시편보다 180% 정도 향상되는걸 확인하였다. 다른 미세구조를 가진 열처리를 거친 시편의 가시광선의 투과도가 측정되었다. 즉 광센서에서 높은 광발생량을 얻기 위해서는 시편내의 발생한 가시광선의 투과도가 높으면 좋기 때문이다. 가시광선을 시편에 투과시켜 측정한 결과 같은 두께의 Columnar 미세구조를 가진 박막이 다른 두 미세구조보다 높은 투과를 보였다.
이제X-ray를 쬐어 실제 광발생량을 측정한 결과, Columnar 미세구조를 가진 박막이 Porous와 Dense 한 미세구조를 가진 섬광체보다 높은 가시광선 투과율 때문에 가장 높은 광발생량을 얻을 수 있었다.
마지막으로 미세구조에 따른 공간 분해능을 평가하기 위해서MTF 값을 측정하였다. 공간 분해능은 두께가 두꺼워질수록 나빠지기 때문에 같은 두께를 가진 두 미세구조의 MTF 값을 구해본 결과, 40% MTF 에서 Columnar 구조는 2.8lp/mm를 가지며 Dense구조는 1.8lp/mm 값을 보였다. 이처럼 Columnar 구조의 공간 분해능은 Dense 구조보다55% 정도 향상되었다.
