Today, in digital X-ray radiographic imaging, CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) image sensors (CIS's) are taking the place of CCDs in many applications due to low cost, low power consumption and chances to integrate.
In this thesis, We designed and fabricated a CMOS integrated image sensor with 128×128 pixels and 50㎛ pitch using AMIS 0.5㎛ standard CMOS process as a small test-sample for developing X-ray image sensors. Active pixel sensors, analog signal processing blocks and a 10-bit pipe-lined Analog-to-Digital Converter (ADC) were integrated in a single chip. We also developed a data acquisition system in order to analyze the characteristics of the CIS. Finally, the monolithic X-ray CIS system was developed by coupling the pixelated scintillator with the fabricated CIS.
We measured various properties to evaluate the performance of the CIS such as the linearity, the charge-to-voltage conversion gain, the dark current and the photo-response non-uniformity. For the scintillator coupled CIS, we took a measurement of the MTF so as to verify the spatial resolution of the obtained image. Additionally, the dark current of the CIS coupled with the pixelated scintillator was investigated. And we ultimately took X-ray images which are applicable for the high resolution X-ray imaging.
최근 X-선을 이용한 영상 기술이 많은 분야에 응용되고 있어, 고전적인 X-ray 필름을 대체할 수 있는 디지털 픽셀 검출기에 대한 연구가 각광 받고 있다. 특히, 방사선에 강하고, 비용 절감 효과가 있으며, 하나의 칩에 모든 기능을 집적할 수 있는 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, 상보형 금속 산화막 반도체) 기술을 이용한 영상 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 AMIS 0.5㎛ 표준 CMOS 공정을 이용하여, 50㎛ 크기의 픽셀을 가지는 고분해능CMOS 영상 센서를 설계하고 제작하였다. 3-트랜지스터 구조의 능동 픽셀과 아날로그 신호처리 회로, 아날로그-디지털 변환기 등을 하나의 칩에 집적하였다. 또한, 영상 센서의 특성과 X-선 영상을 평가하기 위해서 자료 획득 장치를 제작하였다. 마지막으로, 단일형 X-선 영상 시스템을 구현하기 위하여, CMOS 영상 센서 위에 픽셀화된 섬광체를 직접적으로 증착하였다.
제작된 CMOS 영상 센서에 대해서 빛에 대한 선형 반응성, 전하-전압 변환이득, 암전류, 영상의 불균일성 등의 특성이 평가되었다. 빛에 대한 반응은 0.1-1.5V의 구간에서 선형 특성을 보였으며, 전하-전압 변환 이득은 0.35㎶/electron으로 측정되었다. 또한, 암전류는 285 pA/㎠ 였으며, 영상의 불균일성은 4 % 정도로 나타났다.
한편, 섬광체가 증착된 영상 센서에 대해서는 X-선을 이용하여 특성들을 평가 하였다. X-선에 대한 선형 반응성에서 좋은 특성을 보였으며, 20 %의MTF에서 3 lp/mm 정도의 공간 분해능이 측정되었다. 한편, 픽셀화된 섬광체를 증착하는 과정에서 자외선과 비교적 높은 온도가 사용되는데, 이 때문에 암전류가 증가된 것을 볼 수 있었다. 이 문제는 앞으로의 연구해서 해결되어야 할 과제이다. 마지막으로, 제작된 단일형 X-선 영상 시스템을 이용하여 얻은 영상들은 고분해능을 요구하는 분야에의 적용가능성을 보여주었다.
