[논문]픽셀내 다수의 산화물 박막트랜지스터로 구성된 동영상 엑스레이 영상센서와 디텍터에 대한 평가

전승익; 이봉구

doi:10.7742/jksr.2023.17.3.359

초록
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높은 초당 프레임 속도와 낮은 영상지연을 갖는 동영상 엑스레이 디텍터의 요구조건을 만족하기 위해서는 픽셀내 포토다이오드와 금속 배선간 중첩 영역의 기생정전용량을 최소화하여야 한다. 본 연구에서는 리드아웃 박막트랜지스터, 리셋 박막트랜지스터, 그리고 포토다이오드로 픽셀이 구성된 듀오픽스^TM(duoPIX^TM) 동영상 엑스레이 영상센서를 처음으로 제시하였다. 이후 150 × 150 mm² 영상영역, 73 ㎛ 픽셀 크기, 2048 × 2048 해상도(4.2 M pixels), 최대 초당 50 프레임의 특성을 갖는 duoPIX^TM 동영상 엑스레이 디텍터를 제작하여 초당 프레임 속도, 감도, 노이즈, MTF, 영상지연과 같은 엑스레이 영상 성능을 기존 엑스레이 영상센서를 적용한 동영상 엑스레이 디텍터와 비교 평가하였다. 평가 결과 이전 연구에서 기대했던 것과 같이 duoPIX^TM 동영상 엑스레이 디텍터가 기존 동영상 엑스레이 디텍터 대비 모든 특성에서 우위의 성능을 보여 주었다.

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In order to satisfy the requirements of dynamic X-ray imaging with high frame rate and low image lag, minimizing parasitic capacitance in photodiode and overlapped electrodes in pixels is critically required. This study presents duoPIXTM dynamic X-ray imaging sensor composing of readout thin film tr...

In order to satisfy the requirements of dynamic X-ray imaging with high frame rate and low image lag, minimizing parasitic capacitance in photodiode and overlapped electrodes in pixels is critically required. This study presents duoPIXTM dynamic X-ray imaging sensor composing of readout thin film transistor, reset thin film transistor and photodiode in a pixel. Furthermore, dynamic X-ray detector using duoPIXTM imaging sensor was manufactured and evaluated its X-ray imaging performances such as frame rate, sensitivity, noise, MTF and image lag. duoPIXTM dynamic X-ray detector has 150 × 150 mm2 imaging area, 73 um pixel pitch, 2048 × 2048 matrix resolution(4.2M pixels) and maximum 50 frames per second. By means of comparison with conventional dynamic X-ray detector, duoPIXTM dynamic X-ray detector showed overall better performances than conventional dynamic X-ray detector as shown in the previous study.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Circuit diagrams of duoPIX^TM X-ray imaging sensor.
그림 Fig. 2. Pixel diagram of conventional X-ray imaging sensor showing residual parasitic capacitance left behind in photodiode right after readout IC scrubbing.
그림 Fig. 3. Pixel diagram of duoPIX^TM X-ray imaging sensor showing no residual parasitic capacitance left behind in photodiode right after individual pixel reset through reset TFT.
그림 Fig. 4. Photograph of duoPIX^TM d y namic X-ray imaging sensor module for 150 × 150 mm² imaging.
표 Table 1. Parameter extraction of duoPIX^TM dynamic X-ray Imaging Sensor; mechanical, electrical and noise performance
그림 Fig. 5. Conventional pixel driving scheme with readout TFT driving.
그림 Fig. 6. duoPIX^TM pixel driving scheme with readout TFT and reset TFT driving.
그림 Fig. 7. Photograph of X-ray shielding image test cabinet to acquire dark and bright images of a dynamic X-ray detector.
표 Table 2. Evaluation conditions for image performance comparison
그림 Fig. 9. X-ray images of cylindrical battery for comparison of (a) conventional and (b) duoPIX^TM X-ray image sensors at 90 kV, 3 mA and SDD 100 cm.
표 Table 3. Imaging performance comparison of duoPIX^TM and conventional dynamic X-ray detectors

AI 본문요약
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대상 데이터

기존 박막트랜지스터 기반의 엑스레이 디텍터에 적용하고 있는 모든 엑스레이 영상센서의 픽셀 구성은 섬광체로부터의 가시광선을 광전 변환하는 포토다이오드와 이를 스위칭해 리드아웃 IC로 픽셀 정보를 보내는 리드아웃 박막트랜지스터만으로 구성되어 있다. 하지만 포토다이오드에는 상존 내지는 전 프레임에서 완전하게 제거되지 않은 기생정전용량이 항시 존재하므로 높은 다크 오프셋(Dark offset)으로 인한 포토다이오드의 감도와 대조를 저하시키는 낮은 동적범위(Dynamic range)를 갖게 된다.

데이터처리

동영상 엑스레이 디텍터의 영상 성능을 평가하기 위해 Fig. 7과 같이 엑스선 차폐 설비 내에서 동영상 엑스레이 디텍터에 대한 영상 성능을 평가하였다.
비교 대상 동영상 엑스레이 디텍터로는 기존 동영상 엑스레이 영상센서를 적용한 동급의 A 제품을 선정하여 동일 환경과 조건에서 영상 성능을 비교 평가하였으며 그 조건은 Table 2와 같다.

이론/모형

MTF(Modulation Transfer Function)는 Slanted edge method에 의해 Tungsten edge phantom을 사용하였으며 감도(Sensitivity)는 평가 대상 디텍터의 Dark correction 이후 선량별로 X-ray bright 영상을 획득하여 선량 조건에 대한 밝기 값을 Dose-gray value 선형 그래프의 기울기 값으로 획득한다. 영상지연(Image Lag)은 평가 대상 디텍터의 Dark/gain correction 이후 영상지연 측정 표준 팬텀(Tungsten edge phantom)을 사용하여 100 프레임의 영상을 획득한 후 팬텀의 내외부 차이를 계산함으로서 그 값을 얻는다.

참고문헌 (5)

S. U. Ryu, "Current status and prospect of？non-destructive testing technology", The Korean？Society of Mechanical Engineers, Vol. 56, No. 4, pp.？37-40, 2016.
S. I. Jun, P. D. Rack, "Direct-current substrate bias？effects on amorphous silicon sputter-deposited films？for thin film transistor fabrication", Applied Physics？Letters, 87, 132108, pp. 87-89, 2005.
J. W. Park, S. Kwon, S. I. Jun, T. E. Mcknight, A.？V. Melechko, M. L. Simpson, M. Dhindsa, J.？Heikenfeld, P. D. Rack, "Active-Matrix？Microelectrode Arrays Integrated With Vertically？Aligned Carbon Nanofibers", IEEE Electron Device？Letters, Vol. 30, No. 3, pp. 254-257, 2009.？https://doi.org/10.1063/1.2061860

상세보기
S. I. Jun, B. G. Lee, "duoPIX X-ray imaging sensor？composing of multiple thin film transistors in a pixel？for digital X-ray detector", Journal of the Korean？Society of Radiology, Vol. 16, No. 7, pp. 969-974,？2022. https://doi.org/10.7742/jksr.2022.16.7.969

원문보기 상세보기
S. I. Jun, "X-ray detecting panel of X-ray detector and method of manufacturing the same", US Patent 9935150, 2018.

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