엑스레이 검출기용 박막 트랜지스터 어레이 document_id A220623046622

본 발명은 엑스레이(X-ray) 검출기용 박막 트랜지스터 어레이 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엑스레이를 검출하기 위해 사용되는 엑스레이 검출기의 한 기판인 박막 트랜지스터 어레이 기판에 관한 것이다. X-Ray 소오스(source)에서 방출되는 X-Ray가 피사체를 통과하여 피사체의 밀도에 따라 통과된 X-Ray광을 가시 광선영역인 그린(green)광으로 바꾸는 신틸레이터(scintillator)를 통과한 광이 광전변환 센서(sensor)를 통과하여 발생되는 전하량을 검지하여 이를 디지털(digital) 신호로 변화시켜 디지털 이미지(digital image)화하는 방식이 현재 이용되고 있는 진단 방사선 사진법(diagnostic radiography)이다. 진단 방사선 사진법은 영상 처리하는 방법 및 저장 매체로 구분되어 아날로그형(analogue)과 디지털형(digital) 방사선 사진법으로 구분된다. 아날로그형 방식의 진단 방사선 사진법은 일반적으로 이미지를 저장하는 메디아(media)로 감광 필름을 사용한다. 즉 감광 필름에 저장되는 이미지를 이용하는 것으로 감광량에 따라 현상되는 휘도 차이에 따라 대비비(contrast ratio)가 구별되는 방식을 이용하고 있다. 이러한 아날로그형 방식은 현재 주로 사용되고 있지만, 의료 진단기기의 발전에 따라 현재는 그 사용량이 점차 감소되고 있는 추세이다. 이러한 디지털 진단 방사선 사진법에 있어서는 사용하는 센서에 따라 컴퓨터 방사선 사진법(computed radiography : 이하, CR)과 디지털 방사선 사진법(digital radiography : 이하, DR)으로 나뉘게 된다. CR은 이미지 저장 센서로 자기(magnetic) 물질 또는 형광 물질을 사용하여 신틸레이터에서 방출되는 이지미를 직접 저장하여 이를 스케너(scanner)를 통하여 디지털 처리하여 표시 장치(display device)에서 표시하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 CR은 디지털 영상 처리하는 방법을 적용하고는 있지만, 스케너를 사용하기 때문에 실질적으로 디지털 이미지를 표시한다고는 볼 수 없는 것이다. 즉 일반 PC에서 그림 파일(file)을 스케너로 읽어 PC에 그림 파일 형태로 저장하는 것으로 디지털의 고유 장점인 편집 기능, 동시 전달 기능, 높은 대비비 구현등 근본적으로 디지털 이미지 영상 처리를 하는데 한계가 있는 방식이다. 의료 진단 장치의 근본적인 영상처리를 하기 위한 방식이 바로 DR방식의 진단 방사선 사진법이다. DR 방식은 신틸레이터에서 입사되는 그린 광을 변환시키는 센서의 종류에 따라 CCD(charge coupled device) DR, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) DR, FP(flat panel) DR로 구분된다. 상기 3가지 형태의 DR은 디지털 영상 처리하는데 있어서 기본적인 원리는 같다. 즉 X-Ray 소오스에서 피사체 및 신틸레이터를 통과한 가시광선 광이 픽셀(pixel)별로 구분되어 CCD, CMOS, FP 검출 센서로 입사되어 광전변환 장치에서 픽셀 별로 광량에 따라 저장되는 전하량을 각각 픽셀 별로 저장하여 이를 ADC(analog digital converter) 장치에서 각각 디지털 신호로 변환시켜 이를 디지털 영상화하는 방식이다. 이러한 각 방식의 DR중에서 상기 언급한 CCD 및 CMOS 방식의 DR은 센서의 크기가 작기 때문에 디지털 이미지화할 때는 화면을 확대하여야 하는 단점이 있다. 이러한 프로젝션(projection) 방식의 DR은 해상도 및 휘도, 대비비등 전반적인 연상 처리에 있어서 단점이 된다. 이를 대형 평면 TV와 비교한다면, DLP(digital light processing) 방식과 LCD(liquid crystal display) TV 방식으로 비교할 수 있다. DR중 대형화 패널 및 이를 응용하여 포토 일렉트릭(photo-electric) 센서와 1:1로 상호 매칭하여 가장 우수한 X-Ray 이미지를 구현할 수 있는 방식이 바로 플랫 패널(flat panel) 글라스(glass) 를 이용하는 방식이다. 현재 가장 진보된 DR이 바로, 본 플랫 패널 X-ray 검출(Flat Panel X Ray Detecting : FPXD) 방식이다. FPXD DR은 크게 직접(direct) 방식과 비직접(indirect) 방식으로 구분된다. Direct 방식 DR은 박막 트랜지스터(thin film transistor : TFT) 회로만으로 신틸레이터에서 변환되는 광전 전하를 TFT 회로에 직접 바이어싱(Biasing)하여 전하를 TFT 회로에 유기하여 광전 전류를 유도시켜, 이를 ADC를 거쳐 디지털 이미지화 시키는 구조이다. 즉 광전 변환 효과를 TFT 회로 상부에 직접 부착되어 있는 아모퍼스 셀레늄(a-Se) 형태의 신틸레이터와 TFT 회로상을 직접 바이어싱시키는 구조로 되어 있어 비교적 구조가 간단한 장점이 있으나, 광전 변환 효율이 높은 a-Se 계열의 신틸레이터를 직접 TFT 기판 상부에 코팅하여야 하는등 수율 관리적인 면에서 단점이 있다. 또 광전 변환 효율이 근본적으로 높아야 하기 때문에, 변환효율이 우수한 a-Se 계열의 신틸레이터를 사용하지만 이러한 a-Se 계열의 신틸레이터는 열적 특성이 열악하여 TFT 가동중 발생되는 열에 의하여 검지 능력이 현저히 저하되는 단점이 있다. 상기와 같은 문제점 때문에 DR에서 현재 가장 각광받는 구조가 바로 비직접 방식의 DR이다. 비직접 방식의 플랫 패널 부위를 보면, 엑스레이를 검출하기 위해 사용되는 엑스레이 검출기도 박막 트랜지스터 어레이 기판에는 박막 트랜지스터 어레이를 가지고 있으나, 액정 표시 장치와 달리 각각의 화소에는 P형의 불순물을 포함하는 P형의 광 도전체층과 불순물을 함유하지 않는 광 도전체층과 N형의 불순물을 포함하는 N형의 광 도전체층의 도전체층과 도전체층의 양단에 전압을 인가하기 위한 두 전극을 포함하는 PIN 광 다이오드(photo diode) 어레이가 형성되어 있다. 이어 상부에는 신틸레이터가 배치되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 X-ray 검출기는 외부로부터 화소 전극으로 전달하는 화상 신호를 통하여 화상을 표시하는 액정 표시 장치와 다르게 외부로부터 조사되는 X-ray에 의해 PIN 광 다이오드에서 생성되는 전자를 바이어스 전압을 인가하여 외부로 전달함으로써 빛을 전기적인 신호로 변환하는 기능을 가진다. 좀 더 상세하게, 비직접 DR 구동 원리는, X Ray 소오스에서 방출되는 광이 피사체를 투과하여 CsI:Tl 신틸레이터에서 가시광선인 그린 광으로 변환된 광이 플랫 패널상의 PIN 정션 다이오드(junction diode)의 진성(intrinsic) 실리콘(Si)층에 입사되면 Si이 해리되어 전자(electron)와 정공(hole)로 분해가 된다. 이렇게 해리된 상태에서 p-Si 상부층에 네가티브 전압(negative voltage)(대략 5-7V 정도)으로 바이어싱을 해주면 네가티브 전하(negative charge)인 전자가 p-Si 층과는 다른 방향인 n-Si 층 반대 방향으로 이동하게 된다. 이렇게 n-Si 층으로 이동된 전자가 TFT 기판상에 있는 소오스-드레인 층(source-drain layer)를 거쳐 ROIC(Read Out IC)에 축적되게 된다. 이렇게 축적된 전하를 TFT 회로의 게이트 층(gate layer)를 구동시켜 이를 리딩(reading)하는 것이다. 이러한 방식으로 각 픽셀 별로 리딩되는 신호는 광전류 단위의 아날로그형 신호이다. 리딩된 아날로그형 신호는 픽셀 단위별로 입사되는 광량에 따라 각각 다르게 나타나게 된다. 즉 X- Ray 소오스에서 투과되는 X-Ray는 피사체의 밀도에 따라(인체라면, 고 밀도인 뼈 부위와 상대적으로 저 밀도인 살 부위) 신틸레이터로 입사되는 X-Ray 세기가 각각 다르게 나타난다. 이렇게 각각 양적으로 픽셀 별로 다르게 나타나는 아날로그양을 ADC를 거쳐 디지털화하여 최종적으로 모니터에 디지털 이미지를 구현하는 것이다. 이러한 X-ray 검출기의 특성향상을 위해 고려되는 핵심인자는 PIN 광 다이오드의 광전변환 효율과, X-ray 광을 가시광선 영역으로 변환시키는 신틸레이터의 효율 그리고 전반적인 누설전류수준을 낮게 유지시키는 것이다.