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- 루시아 흥
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1 디지털 X-ray 용센서기술및동향 허 영 전성채 진승오 서론 19세기말, 뢴트겐에의해 X-ray라는흥미로운광선이발견되었다. 수십 pm ~ 수 nm 정도의파장을갖는전자기파인 X-ray는투과성, 직진성으로구분되는특별한성질을갖고있으며이런특징들을이용하여매우유용하게활용할수있다. 기존의 X-ray 검출은필름이나마그네틱테이프를이용하였는데필름은해상도는뛰어나지만현상시간이나검색에상당한시간이소요되며비용이나환경오염적인문제로인해이를대체할수단이필요하게되었고이를해결하기위해등장한것이바로디지털 X-ray 센서방식이며그림 1과같은구조를갖고동작하게된다. 일반적으로 X-ray는투과력이좋기때문에피사체를통과하지만 100% 통과하지는않으며, 반응하는물질의밀도에따라투과하기도하고흡수되기도한다. 이렇게투과된 X-ray는피사체를투과하기이전과는다른양을갖게되고이를디지털반도체센서 (digital semiconductor detector) 를통해검출해내게된다. 이검출과정에서 X-ray는전기적인신호로바뀌게되고이를 ROIC(Readout Integrated Circuit, 독출회로 ) 라는집적회로를통해디지털신호로변환하여 computer를통해영상을얻어내게된다. X-ray는의료 (Medical) 분야뿐아니라비파괴검사등일반산업과보안분야까지에도다양하게활용되고있다. 으로써발생된다. 이때표적에충돌하는전자의에너지중대부분은열로소비되며나머지 0.1% 만이 X-ray로변환된다. 표적으로는보통 X-ray를잘발생시키는 Cr, Fe, Co, Ni, W 등의 high-z material( 고저항재료 ) 들이사용된다. 표적에충돌하는전자는원자핵의전기장에의해서진행을방해받는다. 이때전자의운동에너지중아주작은양이 X-ray 형태로방사된다. 이 X-ray는보통연속적인파장을가지고있기때문에연속 X-ray 혹은제동 X-ray라고한다. 한편운동에너지의다른일부는표적물질원자내에서궤도에잡혀있는전자를쫓아내거나높은준위로들뜨게함으로써에너지를잃게되며이때도높은궤도로부터낮은궤도로전자가떨어지면 X-ray가방사되는데, 이 X-ray는궤도간의에너지차에의해서특정한파장을갖게된다. 이 X-ray를특성 X-ray라고부른다. 보통연속 X-ray와특성 X-ray는그림 3에서보여지는바와같이함께나타난다는것을알수있다. 특성 X-ray는전자궤도간의에너지차에의해서파장을가지는데그파장은표적으로사용된원소에따라서만다르며 X-ray 튜브에걸어준전압과는관계가없다. X-ray 의발생원리 그림 1. 디지털 X-ray 영상시스템. X-ray는진공상태인 X-ray 튜브내의필라멘트에고전압을걸어주어필라멘트로부터방출된전자가표적 (target) 에충돌함 저자약력허영박사는미국텍사스주립대학전자공학과공학박사 (1995) 로서, 현재한국전기연구원융합기술연구단생체전자센서전문연구랩랩장으로재직중이다. (yhuh@keri.re.kr) 전성채박사는한국과학기술원원자력및양자공학과공학박사 (2006) 로서, 현재한국전기연구원융합기술연구단생체전자센서전문연구랩선임연구원으로재직중이다. (sarim@keri.re.kr) 진승오연구원은창원대학교전기공학과공학석사 (1998) 로서, 현재한국전기연구원융합기술연구단생체전자센서전문연구랩선임연구원으로재직중이다. (sojin@keri.re.kr) 그림 2. X-ray 발생기. 24
2 그림 3. 특성및연속 X-ray. X-ray는전자기파의일종으로우리주변에서많이쓰이고있다. X-ray는사진작용, 형광작용, 이온화작용을일으키고, 진공중에서는빛과같은속도로진행하며, 밀도가높은물질일수록투과하지못한다. 같은파장의 X-ray라면밀도가높은금속일수록투과력이약하다. 그림 4. X-ray 센서기술분류. 영상품질평가 영상시스템들은영상을평가하기위한세부적인요소들을가지고있다. 이들가운데서도영상품질은다음에설명하는몇몇요소들로평가를할수있다. (1) 명암비 (Contrast) X-ray 디지털영상을평가하는기준중에하나는명암비 (contrast) 이다. 명암비는방사선디지털영상물에서근접한두영역사이의밝고어둠의농도차이를나타낼때사용되는것으로명암비를 C라고할때아래와같이정의된다. I는배경신호의세기를나타내고, ΔI는배경신호와비교하는신호의차이이다. (2) Signal-to-noise ratio (SNR) 방사선영상시스템에서영상의질은신호의질뿐만아니라, 잡음레벨에의해서도결정된다. 잡음이발생하게되면실제신호에영향을주기때문에이를줄이기위해서노력해야한다. Photonic 잡음은시스템을제한하는기본적인잡음이며, 진단방사선의학에서환자들에게조사하는방사선양의최소제한선과일치한다. 잡음에는검출기의불균등성에의한 fixed pattern 잡음과 read-out 회로로부터나오는 electronics 잡음이있다. Fixed pattern 잡음은신호와비례하고, 적당한조정을통해서줄일수가있다. 검출기와 read-out 회로가결합된시스템에서 electronic 잡음은노출시간과비례한다. Photonic 잡음이우세하고개별 quantum들을셀수있는 그림 5. 간접방식과직접방식의비교. 방사선영상시스템에서 SNR 은다음과같다. 통계적인분포에서보면다른위치의동일한면적에흡수되는실제숫자는 N이라는평균값으로나오고표준편차는 으로나온다. (3) Detective quantum efficiency (DQE) DQE는입사되는에너지로부터명암비, 잡음인자들이통합된개념으로공간주파수함수와신호와잡음의전달특성함수이다. 입사되는 X-ray의양, 영상에서얻어지는명암비, 영상을얻은상태에서의모든잡음을일원화하여, 디지털장비에입사되는 X-ray의에너지및종류에따른특성및검출기의특성에따른영상의특징을표현한다. 위식과같이 DQE 는영상시스템의입력에서얼마만큼 25
3 그림 6. 하이브리드픽셀검출기. 그림 8. 제작된 PIN 포토다이오드. 그림 9. Energy Band Diagram. 그림 7. Bump bonding. 진화로인해대면적화및고집적화가가능하게되어응용분야가점차커지고있는추세이다. SNR 이출력으로전송되는가를나타낸다. 1) 센서 Physics 기존의 X-ray 센서기술기존의아날로그방식 ( 필름 ) 을대체하여많이사용되는디지털 X-ray 검출방식에는 X-ray와직접반응하여생성된전자-정공쌍을읽어내는직접 (Direct) 검출방식과 X-ray를발광체 (Scintillator) 를통해빛으로변환한뒤빛을검출하여읽어내는간접 (Indirect) 검출방식으로구분된다. 그림 4 2) 에기존의 X-ray 센서기술의분류를표시하였으며직접방식과간접방식의프로세싱원리를그림 5에나타내었다. 하이브리드픽셀검출기최근 X-ray 검출용센서모듈은그림 6 3) 와같이센서칩과 ROIC칩이입체적으로결합되는하이브리드구조의픽셀검출기기술이부각되고있다. 하이브리드화의장점은서로다른이종기술간의장점을취함으로써최고의성능을확보할수있다는것이다. 즉, X-ray 센서응용의경우, X-ray 흡수효율이좋은센서 (CdTe, CZT 등 ) 와성숙된기술, 집적효율이뛰어난 CMOS 공정을이용한 readout간의결합이대표적인예이다. 센서와 electronics 칩은정교한 bonding( 그림 7) 2) 을통해연결되며, 공정기술의 X-ray는빛의파장이매우짧아눈에보이지않으나투과성과직진성이좋아다양한응용에서선원 (source) 으로사용되고있다. X-ray용포토다이오드센서는영상시스템의성능, 즉시스템의해상도및민감도등의주요특성들을결정하기때문에 X-ray 영상시스템에있어서핵심적인부분이라고할수있다. 포토다이오드는동작및구조에따라서 PN 포토다이오드, PIN 포토다이오드, Schottky형포토다이오드, Avalanche형포토다이오드등으로구분된다. 그림 9와같이 Photon이반도체소자에입사하게되면가전도대 (valance band) 에있던전자들이포톤에너지를전달받아밴드갭 (band gap) 에너지차이를넘어전도대 (conduction band) 로여기되어진다. 이로써공핍영역 ( 전자와정공이존재하지않는영역 ) 에서전자- 정공쌍이발생된다.( 그림 10) 공핍영역에서발생된전자- 정공쌍은전계의영향으로전자는 N형준중성영역 (Quasi-Neural n-region) 으로, 정공은 P형준중 1) Bettina Mikulec, Single Photon Detection with Semiconductor Pixel Arrays for Medical Imaging Applications, CERN, Geneva, Switzerland, June ) DR( 디지털 Radiography), 삼성서울병원영상의학과방사선검사실 1 3) Lawrence Pinsky, MEDIPIX: A Technology Developed at CERN, That Can Be Developed As An Active Real Real-time Space Radiation Dosimeter, University of Houston 26
4 그림 10. X-ray 에의해공핍영역에서의전자 - 정공쌍의생성. 그림 12. 포톤계수형방식의독출회로의구성. 그림 11. 전계의영향으로양단으로끌려가는전하. 성영역 (Quasi-Neural p-region) 으로끌려간다. 한편공핍영역끝으로부터확산거리내에발생된 P형의전자나 N형의정공은확산해서공핍영역내로들어갈수있는데이들역시전계에의해바로 N형이나 P형의중성영역으로끌려가게된다.( 그림 11) 이결과로 P형쪽에는정공이, N형쪽에는전자가축적되게되어접합의전극에는기전력이발생하게되고외부회로에전류가흐르게된다. 이와같이빛조사에의한기전력의발생을광기전력효과라한다. 일반적으로 PN 접합다이오드는공핍영역을넓히기위하여역전압을걸어사용한다. 투과성이좋은 X-ray를선원 (source) 으로사용할경우, 전하수집효율 (charge collection efficiency) 을높이기위해공핍영역을최대로넓혀주어야한다. 역방향전압을증가시키면암전류 (dark current-누설전류의일종-) 도증가하기때문에미세한양의광검출이어려워진다. 따라서기판의비저항을크게하는것이바람직한데기판의비저항을크게하기위해진성반도체에가까운고저항의기판을사용한것이바로 PIN 포토다이오드이다. 이것은불순물농도가매우낮은고저항의 n-기판을사용하여역방향바이어스시전압이거의 n- 층에걸리게되어 n-층전체가공핍영역역할을하여광의대부분이여기에흡수되는원리를이용한것이다. PIN 포토다이오드를 X-ray용이미지센서에사용한것도바로이원리이다. 독출회로 (ROIC, Readout Integrated Circuit) 하이브리드픽셀검출기에서중요한핵심기술중의하나는센서에서발생하는전자- 정공쌍을효율적으로읽어낼수있 그림 13. 전단증폭기를통한신호증폭. 는독출용집적회로이다. 기존의디지털 X-ray 검출기술에서도독출용집적회로가사용되었으나, 이는전하축적용커패시터를이용하는방식으로일정한시간동안발생된전자 -정공쌍을커패시터에축적하여 A/D 변환기를통하여읽어내는전하축적방식 (charge integration mode) 이사용되었다. 포토다이오드에인가된 X-ray는전자- 정공쌍을발생시키고이전하는일정시간동안캐패시터에축적된후에 ROIC 회로에의해 read-out 된다. 이방식은 X-ray photon의에너지량에상관없이모든대역의 X-ray photon에의해발생하는전자- 정공쌍의신호가축적됨에따라에너지량에따른영상신호의구분이불가능하며, 발생된신호이외에주변의영향으로발생한잡음까지도모두판독 (read-out) 되기때문에 SNR이비교적낮다. 이러한문제점을극복하기위해포톤계수형방식 (single photon counting mode) 의독출회로의개발이필요하게되었다. 포톤계수형방식의독출회로는, 1980년대많은고에너지분야를연구하는과학자들이입자가속기에관한연구가활발하게진행되고있는상황에서, 입자가속기의 tracking 검출기를개발하기위하여설계한 microstrip 검출기와 semiconductor drift 검출기에기술적기반을두고있다. 그후현재 PCC(photon counting chip) 의기반이라할수있는 pixel 검출기가개발되어다양한진화를거쳐 Hybrid pixel 검출기의형태로사용되게되었다. 그림 12와같이반도체검출기와 read-out 회로는 bump- 27
5 그림 14. 포톤에너지식별을위한비교기회로의동작. 그림 16. EDA 를통해설계된 ROIC single pixel 도면. 그림 15. 계수기를통한디지털신호출력. bonding을통해연결되며, 역전압이인가된포토다이오드는입사된 X-ray와반응하여전자- 정공쌍을생성하게된다. 발생된전하는 read-out 회로의전증폭기 (Preamplifier) 로전달되고이에해당하는전압신호를출력하게된다 ( 그림 13). 증폭기에서출련된전압신호는비교기로전달되어외부에서제어되어지는임의의문턱전압과비교되어 1 또는 0 의디지털신호를출력하고 ( 그림 14), 마지막으로계수기에서는 1 이몇번나왔는지를계수하여디지털형태로데이터를출력한다 ( 그림 15). 그림 12~15와같은 readout 방식을포톤계수형방식이라고부른다. 기존의대표적인 X-ray 포톤검출방식인전하축적방식 (charge integration mode) 의단점은 SNR(signal to noise ratio) 이낮고피폭량이크다는것이다. 이에비해포톤계수형방식은단일 X-ray 포톤에의해신호가발생될때마다비교기를통해정해진문턱전압과비교하여계수하는방식을사용하기때문에잡음의영향이거의없으며, 높은 SNR, 방사선피폭량을크게줄일수있다는장점을가지고있다. 회로설계는 EDA(Electronic design automation) 를통해이루어지고, 성숙된기술, 표준화된공정, 집적화능력이뛰어난 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 공정을통해제작된다. 맺음말 X-ray 영상센서는의료영상및진단분야에필수적인부품으로시스템의성능을결정하는중요한요소로서의료영상분 그림 17. 제작된싱글픽셀 ROIC 칩. 그림 18. 응용분야. 야외에도반도체, PCB, 자동차, 항공, 기계부품에대한 2 차원및 3차원비파괴검사등의산업용으로폭넓게이용될수있다. 예를들어, 의료영상분야로는일반치과용디지털 X-ray 촬영장치, 유방암진단기 (Mammography), CT(Computed Tomography) 용촬영장치, 개인방사선량측정기등이있다. 반도체를이용한디지털방사선센서는전기 전자 반도체 원자력등이융합된지식기반의첨단계측부품으로서국가산업경쟁력확보와함께향후 SoC(System on Chip) 와같은나노급스마트센서분야의활성화에크게기여할것이다. 28
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