기판 표면 처리 및 증착 조건에 따른 CsI:Tl scintillator 박막의 미세구조와 이에 따른 광학적 특성 변화

Abstract

X-ray detector는 디지털 방식의 등장으로 인해 진단 의학 분야와 산업 분야 등에서 널리 사용되고 있다. 이러한 X-ray detector는 직접 방식과 간접 방식으로 나눠지는데 직접 방식의 X-ray detector는 반도체 물질이나 a-Se 같은 물질을 사용하여 X-ray를 감지하는 방식이고, 간접 방식의 X-ray detector는 scintillator를 사용하여 X-ray를 가시광으로 변환하여 감지하는 방식이다. Scintillator는 간접 방식의 X-ray detector의 특성을 결정하는 중요한 물질로 GdOS나 CsI:Tl 같은 다양한 scintillator가 연구되고 있다. 기존의 GdOS scintillator는 형성의 간편함으로 인해 가장 널리 사용되고 있으나 광학적 특성의 한계를 가지고 있다. 반면 thallium-doped Cesium Iodide(CsI:Tl) scintillator는 gadolinium oxysulfide(GdOS)와 비교하여 높은 광학적 특성을 갖는 장점이 있어 최근 간접 방식의 X-ray detector 산업에서 각광받고 있다. Thermal evaporating 방식으로 형성한 CsI:Tl scintillator는 공정 조건에 따라 미세 구조가 변화하며 이러한 구조의 변화가 광학적 특성에 큰 영향을 주는 것이 알려져 있다. 본 연구에서는 기판 표면 처리 방법과 공정 변수의 조절을 통해 다양한 미세구조를 갖는 CsI:Tl을 형성 하였고, 각각의 미세 구조에 따른 광학적 특성의 변화에 대하여 고찰하였다. 첫 번째로 CsI:Tl의 광학적 특성을 저하시키는 초기 무질서한 구조를 주상 구조 형태로 개선하기 위하여 기판의 온도와 증착 power를 조절하는 방법을 사용하였다. 그 중 증착 power를 조절하여 주상 구조로 형성시키는 방법을 통해 light output을 70 %, 해상도가 0.19에서 0.26으로 향상되는 결과를 얻었다. 또한 기판의 plasma 표면 처리 조건 중 CF4와 O2 분압을 8:2에서 2:8로 변화하여 CsI:Tl의 주상 구조의 직경을 1.37 ㎛에서 2.47 ㎛로 조절하였다. 이러한 직경의 변화는 light output을 20% 향상시키는 동시에 해상도를 0.34에서 0.50로 저하시켰다. 즉 주상 결정의 직경 증가는 light output을 향상 시키고 해상도를 저하 시키는 trade-off 관계를 갖는 것을 확인하였다. 다양한 공정 조건 변화와 plasma 표면 처리에 따른 CsI:Tl의 미세 구조 변화는 광학적 특성에 큰 영향을 주며 이러한 특성들에 대하여 고찰한다면 X-ray detector의 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.