[논문]전면광원(Front Light)을 적용한 액정 X선 검출기 개발

노봉규; 백삼학; 강석준; 이종모; 배병성

doi:10.7742/jksr.2019.13.6.831

초록
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액정을 이용하는 X-선 검출기에서 전면광원을 적용하는 액정 X선 검출기를 제안하였고 X선 영상을 찍어 작동을 확인하였다. 제안한 방식은 빛을 이용하므로 트랜지스터를 이용하는 방식에 비해 잡음이 적고 제작 비용을 낮출 수 있다. 액정을 이용하는 검출기는 광도전층을 이용하여 입사 X선을 액정의 분자 배열 변화로 유도하고 액정을 통과하는 빛의 변화량을 읽도록 한다. X선을 조사하고 잰 빛의 투과율과 이것에 대응되는 기준투과율 곡선의 전압으로부터 X선 조사량을 교정(Calibration)하는 과정을 정립하였다. 비정질 셀레늄을 광도전층으로 적용하였으며 200℃ 이상의 고온 처리가 필요한 배향막 공정 대신 패럴린 배향막을 사용하는 공정을 확립하였다. 제안된 액정 X선 검출기의 경우, 방사선량을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 보였다. 제안된 방식의 X-선 검출기를 제작하고 액정 바이어스 전압을 조절하며 X-선 라인 영상을 비교하였으며 고정 바이어스에서 시간에 따른 이미지 변화를 관찰하였다. 영상사진으로 10 lines/mm의 선패턴을 구별할 수 있었다. 이러한 실험을 바탕으로 검출 패널의 위상이 3π 정도인 17인치 시제품에 적용하여 저선량 액정 X선 검출기의 상용화를 추진할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The X-ray detector by liquid crystal with front light was proposed and verified by a X-ray image. The proposed detector utilizes the visible light instead of the electric signal by transistor. Therefore, it shows low noise and can be fabricated at low cost. The liquid crystal detector uses the orien...

The X-ray detector by liquid crystal with front light was proposed and verified by a X-ray image. The proposed detector utilizes the visible light instead of the electric signal by transistor. Therefore, it shows low noise and can be fabricated at low cost. The liquid crystal detector uses the orientation change of the liquid crystal molecule by conductivity change of the photoconductive layer. We can get the X-ray image from the transmitted light through the liquid crystal. The X-ray dose was calibrated from the measured transmittance of the visible light after comparison to the reference transmittance curve of the liquid crystal. The amorphous Se was used for photo con ducting layer and parylene was used for the liquid crystal alignment instead of the conventional alignment layer which needs high-temperature process over 200℃. The proposed X-ray detector can decrease the X-ray dose by high sensitivity which was verified by simulation. After the fabrication of the X-ray detector, the X-ray image was obtained as a function of the bias voltage to the liquid crystal. 10 lines/mm resolution was obtained from the line pattern and we will apply it to the 17inch diagonal liquid crystal X-ray detector with 3π retardation.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Operation principle of liquid crystal X-ray detector.
그림 Fig. 2. LC X-ray detector with point light source.
그림 Fig. 3. The Structure of the front light.
그림 Fig. 4. LC X-ray detector with the front light.
표 Table 1. Half absorption thickness of PMMA as a function of tube voltages
표 Table 2. The properties of the amorphous Se
그림 Fig. 5. Transmittance of the amorphous Se (Thickness : 120 ㎛).
표 Table 3. Parylene process
그림 Fig. 6. Penetration (the left) and blocking (the right) of the light.
그림 Fig. 7. Voltage-capacitance curve of the liquid crystal layer.
그림 Fig. 8. Voltage-charge curve of the liquid crystal layer.
그림 Fig. 9. Voltage-transmittance curve.
표 Table 4. LC parameters for simulation.
그림 Fig. 10. The reference voltage-transmittance curve (glass substrate 40 ㎛, liquid crystal layer 5 ㎛, amorphous Se 120 ㎛).
그림 Fig. 11. The line pattern image as a function of the bias voltages.
그림 Fig. 12. The line pattern image as a function of the time under the constant bias voltage.
표 Table 5. The incident dose of the DR

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 온도 안정성은 셀레늄의 낮은 유리 전이 온도에 기인한다. 본 연구에서는 상온에서 증착이 가능한 패럴린 (Parylene) 을 배향막으로 적용 하는 공정을 개발 하여 셀레늄의 온도 안정성 문제를 해결하였다. 또한, 구조가 복잡해지는 점광원 대신 전면광원 (Front Light Source)를 사용하여 구조를 간단히 한 X선 검출기를 개발하고 검출기의 특성을 연구하였다.

제안 방법

X선 조사 없이 X선 감지패널 상하 ITO전극에 교류파형을 걸어주고 투과도를 측정하여, 전압-투과도 곡선을 알아낸다. 이 곡선을 기준 투과도 곡선 이라 부른다.
전면광원을 적용한 액정 X선 검출기 광학계를 제안하였고, X선 영상을 찍어 작동을 확인하였다. X선을 조사하고 잰 투과율과 이것에 대응되는 기준투과율 곡선의 전압을 찾아, 이로부터 X선 조사량을 교정하는 과정을 정립하였다. 비정질 셀레늄 광도전체 위에 패럴린 배향막을 쓰는 액정 X선 검출기의 경우, 방사선량을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 보였고 제작된 검출기로 선패턴 이미지를 얻었으며 10 lines/mm의 선패턴 구분이 가능하였다.
이 곡선을 기준 투과도 곡선 이라 부른다. X선을 조사하고, X선 감지 상하 ITO 전극에 전자와 전공을 분리하는 분리전압(Vs)을 걸고, 전자와 정공의 분포가 안정되면, 액정에 문턱치 전압 이상이 걸리도록 측정전압(V(m))을 걸어주고, 일정 시간이 지난 다음에 투과도를 잰다. 측정전압 (V(m))을 걸고 잰 화소의 투과도와 같은 기준투과도 곡선의 전압을 V(ref)이라고 하면, 액정에 걸리는 전압이 같으므로, X선에 여기 된 전하밀도(σ)는 Eq.
액정 X선 검출기는 편광판과 검광판 사이에 광도전체와 액정층이 적층된 구조인 감지 패널이 놓인 구조이다. 광도전체에 X선을 쪼여주면, 전자와 정공이 만들어지는데, 상하 ITO (Indium Tin Oxide;ITO)막 사이에 DC (Direct Current; DC) 전기장을 걸어서, 전자와 전공을 분리하여 반대 극성의 ITO막으로 모이게 한다. 액정층에 접하는 광도전체 경계면에는 정공이, 대향하는 광도전층 경계면에는 전자가 분포한다.
일반 LCD 공정에서는 PI (Poly-Imid; PI)계 배향막을 러빙하거나 또는 UV 편광된 빛을 조사하는 광배향법을 주로 쓴다. 두 경우 솔벤트를 증발하거나 유기막을 소결하는 온도가 100 ℃ 이상이므로 현재 액정공정에 쓰이는 배향기술로는 50 ℃ 미만으로 공정을 진행할 수 없으며 비정질 셀레늄 막에 위에 패럴린을 입히고, 러빙하여 배향막으로 쓸 수 있는 공정을 개발하였다. 패럴린은 분말 형태의 유기 단분자지만, 온도를 가해 열가소성 중합체들을 진공상태에서 기화시킨 후, 셀레늄 위에 증착한다.
본 연구에서는 상온에서 증착이 가능한 패럴린 (Parylene) 을 배향막으로 적용 하는 공정을 개발 하여 셀레늄의 온도 안정성 문제를 해결하였다. 또한, 구조가 복잡해지는 점광원 대신 전면광원 (Front Light Source)를 사용하여 구조를 간단히 한 X선 검출기를 개발하고 검출기의 특성을 연구하였다. ^[8-10]
액정패널을 두께 0.55 mm 유리기판으로 만들고, 유리를 40 ㎛ 정도의 두께로 갈아낸 후 셀레늄을 두는 구조로 액정 X선 감지 패널을 만들어 특성을 검사하였다. ^[6] 이 경우에는 액정공정이 진행된 다음 비정질 셀레늄을 피막하기 때문에, 일반 LCD에서 쓰이는 PI막을 액정 배향막으로 쓸 수 있다.
전면광원을 적용한 액정 X선 검출기 광학계를 제안하였고, X선 영상을 찍어 작동을 확인하였다. X선을 조사하고 잰 투과율과 이것에 대응되는 기준투과율 곡선의 전압을 찾아, 이로부터 X선 조사량을 교정하는 과정을 정립하였다.

대상 데이터

광흡수가 적고 투과율이 높은 850 nm 이상인 NIR (Near Infrared Radiation; NIR)이 읽는 빔으로 이상적이나, NIR 편광판의 가격은 가시광선에 비하여 매우 높고, 500 mm x 500 mm 이상의 크기로 만들기가 어렵다. LCD에 쓰이는 일반 편광판의 편광효율은 760 nm 이상에서는 급격히 떨어지므로 주파장이 730 nm인 LED를 읽는 빔의 광원으로 채택하였다.
본 연구에서 측정용 X선 검출기 샘플은 유리 기판을 사용하여 제작되었으며 크기는 가로 130 mm 세로 130 mm 의 정사각형이다. Fig.

이론/모형

액정 X선 검출기의 기본 아이디어는 1983년 Jean-Pierre Huignard 등이 발표한 니메틱 또는 니메틱 콜레스테릭 혼합 액정층 구조였다.^[2] 1998년 반사형 TN (Twist Nematic; TN) 모드와 2008년 선주사(line scan) 방식을 이용한 액정 X선 검출기의 기본 특성을 John Rowlands가 발표했다.

성능/효과

평판형 검출기로서 X선을 직접 전기신호로 변화하는 방식과 X선을 가시광으로 변환한 다음 가시광을 검출하는 간접 방식이 있다.^[1] 두 경우 모두 매트릭스로 구성이 되는 박막 트랜지스터 배열의 기판이 필요하며 공정의 복잡성과 낮은 수율이 원가의 상승 요인이다.
X선을 조사하고 잰 투과율과 이것에 대응되는 기준투과율 곡선의 전압을 찾아, 이로부터 X선 조사량을 교정하는 과정을 정립하였다. 비정질 셀레늄 광도전체 위에 패럴린 배향막을 쓰는 액정 X선 검출기의 경우, 방사선량을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 시뮬레이션으로 보였고 제작된 검출기로 선패턴 이미지를 얻었으며 10 lines/mm의 선패턴 구분이 가능하였다. 이러한 실험을 바탕으로 검출 패널의 위상이 3π 정도인 17인치 시제품에 적용하여 저선량 액정 X선 검출기의 상용화를 추진할 예정이다.

후속연구

이러한 실험을 바탕으로 검출 패널의 위상이 3π 정도인 17인치 시제품에 적용하여 저선량 액정 X선 검출기의 상용화를 추진할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평판형 검출기에는 어떠한 방식이 있는가?	의료 진단에 X선 검출기가 널리 사용이 되고 있고 필름 방식에서 디지탈방식으로 변화 되면서 여러 가지 X선 검출기가 개발되었다. 평판형 검출기로서 X선을 직접 전기신호로 변화하는 방식과 X선을 가시광으로 변환한 다음 가시광을 검출하는 간접 방식이 있다.[1] 두 경우 모두 매트릭스로 구성이 되는 박막 트랜지스터 배열의 기판이 필요하며 공정의 복잡성과 낮은 수율이 원가의 상승 요인이다.
	액정 X선 검출기는 어떤 구조인가?	액정 X선 검출기는 편광판과 검광판 사이에 광도전체와 액정층이 적층된 구조인 감지 패널이 놓인 구조이다. 광도전체에 X선을 쪼여주면, 전자와 정공이 만들어지는데, 상하 ITO (Indium Tin Oxide;ITO)막 사이에 DC (Direct Current; DC) 전기장을 걸어서, 전자와 전공을 분리하여 반대 극성의 ITO막으로 모이게 한다.
	액정 X선 검출기는 어떤 과정을 통하여 X 선량을 측정하는가?	액정 X선 검출기는 편광판과 검광판 사이에 광도전체와 액정층이 적층된 구조인 감지 패널이 놓인 구조이다. 광도전체에 X선을 쪼여주면, 전자와 정공이 만들어지는데, 상하 ITO (Indium Tin Oxide;ITO)막 사이에 DC (Direct Current; DC) 전기장을 걸어서, 전자와 전공을 분리하여 반대 극성의 ITO막으로 모이게 한다. 액정층에 접하는 광도전체 경계면에는 정공이, 대향하는 광도전층 경계면에는 전자가 분포한다. 분리된 전하량에 따라서 액정층의 배열이 달라지므로, 액정층을 지나는 읽는-빔(Read Beam)의 편광투과특성을 재면 광도전층의 전하밀도를 알 수 있고 광도전층의 전하밀도는 X선량에 따라 변하므로 X선량을 측정할 수 있다.

참고문헌 (12)

K. T. Kim, M. J. Han, J. S. Kim, Y. J. Heo, K. M. Oh, J. K. Park, S. H. Nam, "Structural design of digital radiography detector using hybrid method for the improvement of response property by X-ray," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 9, No. 6, pp. 363-367, 2015.

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J. -P. Huignard, S. Le Berrre, C. Mayeux, F. Micheron, "Liquid-Crystal image converter device," United States Patent 4368386, 1983.
P. K. Rieppo, J. A. Rowlands, "X-Ray imaging with amorphous selenium: Theoretical feasibility of the liquid crystal light valve for radiography," Medical Physics, Vol. 24, No. 8, pp. 1279-1291, 1997.

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T. C. Szeto, C. A. Webster, I. Koprinarov, J. A. Rowlands, "The X-Ray Light Valve: A potentially low-Cost, digital radiography imaging system - a liquid crystal cell design for chest radiograpy," Medical Physics, Vol. 35, No. 3, pp. 959-967, 2008.

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S. Marcovici, V. N. Sukhovatkin, P. Oakham, "X-ray light valve (XLV): a novel detectors' technology for digital mammography," SPIE Conference on Medical Imaging 2014, San Diego, CA; Physics of Medical Imaging, Vol. 9033, Part 2, 2014.
B. G. Rho, "A new X-ray image sensor utilizing a liquid crystal panel," Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 19, No. 4, pp. 249-254, 2008.

원문보기 상세보기
P. M. Rieppo, J. A. Rowlands, "Method of generating multiple X-ray images of an object from a single X-ray exposure," United States Patent 6052432, 2000.
B. G. Rho, "Liquid crystal x-ray detector", Korea Patent,10-2018-0046208, 2018.
B. G. Rho, "Method for detecting x-ray image of liquid crystal x-ray detector", Korea Patent, 10-2018-0050460, 2018.
B. G. Rho, "Liquid crystal x-ray detector and manufacturing method thereof", Korea Patent, 10-2018-0046212, 2018.
J. A. Rowlands, C. A. Webster, I. Koprinarov, P. Oakham, S. Germann, J. A. R. Stiles, "X-ray light valve based digital radiographic imaging systems," United States Patent 7687792B2, 2010.
NIST Standard Database 126, X-Ray Mass Attenuation Coefficient

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