Digital X-ray imaging systems have been replacing analog X-ray imaging systems with conventional X-ray film-screen for radiography applications. Between the direct- and indirect-detection methods for X-ray imaging, indirect-detection type consisted of an X-ray converter (or a scintillator film) and 2D imaging devices are more widely used in medical diagnoses and industrial fields due to its high stability and high performance. Scintillation materials such as terbium doped gadolinium oxysulfide $(Gd_2O_2S:Tb, Gadox)$, europium- doped gadolinium $(Gd_2O_3:Eu)$ and CsI:Tl screen with columnar structure are commonly used because of their high luminescence efficiency and emission wavelength(visible light region) well matching to silicon sensors such as a-Si:H panel detector, CCD and CMOS type imaging devices. However, scintillators with higher sensitivity and spatial resolution are still required for X-ray imaging detector development. It is known that X-ray absorption efficiency due to a higher packing density and spatial resolution due to the reduced light spreading using the nanocrystalline phosphor could be improved.
In this study, $Gd_2O_3:Eu$ scintillators with nanocrystalline structures were successfully synthesized through precipitation and hydrothermal method and subsequent calcination process with different temperatures, times and Eu doping concentration. And then the microstructures such as particle size, morphology and crystal structures as a function of various calcination temperatures, times and Eu doping concentration were observed. Moreover, their scintillation properties such as luminescent spectra and light intensity by photo- and X-ray excitation were investigated. Nanocrystalline $Gd_2O_3:Eu$ scintillator with high light output was observed at synthesis condition of $1100\degC$ temperature, 5 hour and 5mol% Eu doping concentration.
Commercial bulk $Gd_2O_3:Eu$ product and our fabricated screens with nanocrystalline particles were used and measured for X-ray imaging performance such as the light intensity, linearity of X-ray to light and spatial resolution. And pixel-structured nanocrystalline $Gd_2O_3:Eu$ scintillator screen was fabricated and used for a scintillator-based X-ray imaging detector with high sensitivity and higher spatial resolution.
디지털 X-선 영상 검출기는 비파괴검사와 흉부, 유방 및 소동물 촬영을 위한 다양한 바이오 및 의료분야에 널리 활용되고 있으며, 기술 또한 크게 발전하고 있다. X-선 영상 검출기 중에서 섬광체 기반의 간접방식은 엑스선을 섬광체를 이용하여 1차적으로 가시광선으로 변환 후, 가시광선을 다시 전기신호로 변환하여 최종적으로 디지털 영상을 획득한다. 간접방식은 직접방식에 비해 안정적이며, 상대적으로 가격이 저렴한 장점이 있는 반면, 섬광체에서 발생하는 빛의 산란으로 인한 공간 분해능의 저하가 큰 단점으로 남아 있다. 이를 위해 세계적으로 다양한 픽셀형 섬광체를 제작하여 공간 분해능 향상을 위한 연구가 현재 진행 중이다.
본 연구에서는 기존의 벌크(Bulk) 섬광체 또는 바늘 기둥형태의 섬광체 대신 새로운 나노 섬광체를 제조하였으며, 엑스선 영상검출기에 활용하여 영상특성 및 성능을 평가하였다. 그리고 실리콘 기반의 픽셀 구조체를 제작하여 픽셀 구조형 나노 섬광체를 개발하여, 고분해능 및 고민감도의 X-선 영상 획득을 목표로 하였다. 먼저 엑스선에 대한 반응성과 발광량이 높은 $Gd_2O_3:Eu$ 물질을 선택하여 침전법(Precipitation)및 열수 합성법(Hydrothermal)을 통하여 나노 구조의Gd2O3:Eu 섬광체를 제조하였다. 이후 공정상의 조건인 열처리 온도, 시간 및 Eu 도핑 농도에 따른 미세구조의 변화, 결정구조 및 섬광특성에 대한 다양한 평가가 행해졌다. 두 합성법을 통하여 공정 조건에 따라 나노 입자(Nano particles)와 나노 막대기(Nanorod)모양의 미세구조를 관찰하였으며, 열처리 온도에 따라 Cubic의 상과 Monoclinic의 상의 관찰 또한 이루어 졌다. 이를 바탕으로 100-200nm크기의 나노 구조를 가지면서 발광효율이 높은 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체를 열수합성법을 통하여 $1100\deg C$ 의 열처리 온도, 5시간의 열처리 시간 및 5mol% Eu 도핑 농도에서 엑스선에 대한 최고의 발광량을 확인하였다.
발광량이 높은 나노 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체를 스크린 프린팅 방법을 사용하여 박막형 스크린 형태의 섬광체를 제조하였다. 이후 상용품인 마이크로 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체 스크린과 발생광량(Light output), X-선 선형성(Linearity) 및 공간 분해능(Spatial resolution)등의 다양한 영상평가가 행해졌다. 또한 제조한 나노 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체 스크린에 반사막 코팅을 통하여 50%이상의 발광량 향상을 이루었다. 그리고 공간 분해능의 향상을 위하여 MEMS 공정을 활용하여 실리콘 기반의 픽셀 구조체를 제작하였으며, 나노 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체를 픽셀 구조체에 삽입하여 조밀 충진을 이룬 픽셀 구조형 나노 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체 스크린을 제작하였다. 마지막으로 개발한 새로운 픽셀 구조형 나노 $Gd_2O_3:Eu$ 섬광체를 X-선 영상 검출기로 활용하여, 아직 연구해야 할 부분이 많지만 고민감도와 고분해능의 X- 선 영상을 획득할 수 있었다. 앞으로 저 선량 및 고분해능을 요구하는 다양한 바이오 및 의료분야에서 섬광체 기반의 엑스선 영상 검출기로 활용될 수 있을 것이다.
