CdTeFPD

검출 방법: 간접 변환형과 직접 변환형

아래 그림의 왼쪽은 X선에 의해 발광하는 신틸레이터라는 물질로 X선을 빛으로 변환하고, 이를 CMOS 카메라로 수광하는 간접 변환형입니다. 빛으로 변환될 때 방향을 제어할 수 없어 빛이 확산됩니다. 이것이 화상 번짐(흐림)의 원인이 됩니다. 해결 방법으로는 신틸레이터를 얇게 하여 확산을 줄이는 방법, 픽셀마다 격벽을 설치해 반사시키는 방법 등이 있습니다. 어느 방법이든 검출 효율이 저하됩니다.

아래 그림의 오른쪽은 X선과 물질의 상호작용으로 발생하는 전자를 신호로 처리하는 직접 변환형입니다. 소자에 두께가 있더라도 바이어스 전압이 인가되어 있어 확산이 최소한으로 억제됩니다. 검출 효율을 희생하지 않고 고콘트라스트 화상을 얻을 수 있습니다.

측정 방법: 축적 방식과 포톤 카운팅 방식

검출기(카메라)에서 얻은 신호를 처리하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 축적 방식으로, 일정 시간 동안 얻은 신호를 누적합니다. 이때 카메라의 노이즈도 함께 누적되기 때문에 선량이 적은 상태에서는 노이즈가 두드러지기 쉽습니다.

다른 하나는 포톤 카운팅 방식으로, 빛의 최소 단위인 포톤(광자)을 하나하나 셉니다. 따라서 선량이 적은 상태에서도 노이즈 없는 화상을 얻을 수 있습니다.

측정 방법: 에너지 판별형 포톤 카운팅

포톤 카운팅 방식은 단순히 포톤 수를 얻는 방법이지만, 본래 포톤이 가진 에너지 정보(파장)는 버리고 있습니다. 이 에너지 정보까지 활용하는 것이 에너지 판별형 포톤 카운팅 방식입니다. 일반적으로 포톤 수를 세로축, 에너지(keV)를 가로축으로 표현하는 히스토그램이 사용됩니다. 풀 스펙트럼을 취득하는 회로는 복잡해지기 때문에 대면적 플랫 패널에서는 일반적으로 보급되어 있지 않습니다.

아래 그림은 MCA(멀티채널 애널라이저)로 X선관을 측정한 결과를 보여줍니다. 이상적으로는 픽셀마다 이러한 정보를 갖는 것이지만, 회로 규모, 소비 전력, 발열, 데이터 전송량 등의 과제로 인해 X선 카메라의 대면적 FPD에서는 아직 실현되지 않았습니다.

측정 방법: 글로벌 셔터와 롤링 셔터

글로벌 셔터는 모든 픽셀이 동시에 노광되어 동시에 화상을 취득하는 방식입니다. 화상 전체가 한 번에 캡처되므로 움직이는 피사체를 촬영할 때에도 흔들림이 적고 고속 촬영이 가능합니다.

반면 롤링 셔터는 픽셀별로 순서대로 노광되어 순차적으로 화상을 취득하는 방식입니다. 화상 취득이 픽셀별로 이루어지기 때문에 피사체나 카메라의 움직임에 따라 화상 왜곡이나 모션 블러가 발생할 수 있어, 저속 피사체나 정지 화상 촬영에 적합합니다.

가시광 CMOS 센서는 일반적으로 롤링 셔터를 채택하고 있으며, 그 기술을 유용한 신틸레이션형에서도 많이 채택되고 있습니다. 최근에는 가시광 카메라에서도 글로벌 셔터를 채택한 제품이 판매되기 시작했습니다. ANSeeN FPD는 글로벌 셔터를 채택하고 있어 높은 fps에서도 흔들림이 적은 화상을 얻을 수 있습니다.

대면적 반도체 플랫 패널 검출기가 어려운 이유

반도체 소자는 신틸레이터에 비해 제조 비용이 높고, 결정 크기에도 한계가 있습니다. 결정 크기보다 큰 검출기는 만들 수 없습니다.

반도체 소자 아래에 판독 집적 회로(ROIC)가 필요하며, 그 ROIC에서 신호를 꺼내기 위해 와이어 본딩하는 구조가 일반적입니다. 그 때문에 판독용 공간이 필요하여 2차원으로 배열할 수 없었고, 가로로 늘어놓은 라인 센서를 만드는 것밖에 할 수 없었습니다. 아래 그림은 이미지 센서를 네 변에서 판독하는 경우로, 타일링이 전혀 불가능한 구조의 예입니다.

3DLSI를 통한 대면적화

기존 ROIC는 한쪽 면만 접합할 수 있는 타입이어서 판독용 공간이 필요했고, 2차원(세로와 가로)으로 배열할 수 없었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 앞면과 뒷면 모두 접합할 수 있는 LSI를 자체적으로 설계·개발하고 제조했습니다. 신호를 ROIC 바로 아래로 인출할 수 있어 판독용 공간이 필요 없는 구조를 실현했습니다. 이를 통해 대면적화가 가능해졌습니다.

데이지 체인과 프레임 레이트

모듈 바로 아래로 인출된 신호는 옆에 있는 LSI로 데이터가 전달됩니다. 옆의 LSI는 전달받은 데이터와 자신의 데이터를 다시 옆으로 전달합니다. 가로로 배열하는 수가 늘어날수록 전송 속도는 느려지지만, 자유롭게 배치할 수 있는 LSI가 되었습니다. 몇 행 몇 열이든 배치가 가능하므로 FPD와 라인 센서 모두 같은 LSI로 구현할 수 있습니다.

모듈 하나의 최대 프레임 레이트는 800fps이지만, 가로로 배열하는 모듈 수가 늘어나면 느려집니다. 예를 들어 가로로 12모듈을 배열한 경우 800/12=66.666이 되어 최대 약 66fps가 됩니다.

ANSeeN CdTeFPD의 측정 모드

(1)포톤 카운팅 모드

포톤 수를 출력하기 위한 가장 단순한 모드입니다. 노이즈 제거를 위해 LLD로 임계값을 설정합니다. 에너지 정보를 구분하지 않기 때문에 40keV든 100keV든 똑같이 1카운트로 출력됩니다.

(2)단일 임계값 모드

노이즈 제거를 위한 LLD에 더해, 일정 이상의 에너지도 제거하는 모드입니다. LLD~ULD에 해당하는 에너지인 경우 포톤 카운트 대상으로 합니다.

(3)이중 임계값 모드

이 모드에서는 LLD부터 ULD까지를 저에너지 카운트로, ULD를 초과하는 것을 고에너지 카운트로 출력합니다. 데이터 전송량이 2배가 되므로 프레임 레이트는 다른 모드에 비해 절반이 됩니다.

(4)MDEI 모드

다른 모드가 포톤 수를 출력하는 데 비해, 이 모드는 에너지 가중치를 부여한 픽셀 값을 출력합니다. 이를 통해 기존 축적형에 가까운 화상을 얻을 수 있습니다. 또한 축적형의 약점이었던 노이즈를 누적하지 않는 선명한 화상도 얻을 수 있습니다.

금속 등을 측정 대상으로 하는 경우, X선을 차폐하기 쉬운 물질에서는 고에너지 빛이 많이 투과합니다. 다만 단순히 포톤 수만 고려하면 기존 촬상 방법에 비해 농담 차이가 잘 나타나지 않습니다. 따라서 고에너지에 가중치를 부여함으로써 위화감이 적은 화상을 얻을 수 있습니다.

CMOS와 CdTe 비교

CdTe 반도체 FPD인 직접 변환형과 CMOS 신틸레이션 FPD인 간접 변환형의 성능을 비교합니다. CMOS는 CdTe에 비해 픽셀 크기가 약 1/4입니다.

PARAMETER CMOS CdTe
SCINTILLATOR TYPE CsI:Tl
TOTAL PIXEL MATRIX(Pixels) 2400 x 3000 288 x 288 (3x3FPD)
1152 x 1152 (12x12FPD)
PIXEL PITCH(μm) 49.5 100
A/D CONVERSION(bits) 14(A/D Conversion) 16(photon count)
FRAME RATE(fps) 10 266 (3x3FPD)
66 (12x12FPD)
ENERGY RANGE(kV) 40 –225 40-450

다이내믹 레인지 비교

CMOS의 Normal (Full resolution) mode, Binning 2x2 mode 및 ANSeeN CdTe FPD의 선량률 의존성(Typical Pixel)은 아래 그림과 같습니다. 관전압 110kV를 사용하여 각 FPD의 최고 프레임 레이트로 10초간 촬상하고, 적산 화상을 단위 시간당 픽셀 값·계수 값으로 변환했습니다.

MTF(에지법)

에지법으로 구한 CdTe FPD의 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function, MTF)는 아래 그림과 같습니다. 촬상 시 X선원으로 G-311VH-D를 사용하여 RQA5, RQA6, RQA7, RQA8 각 조건에 대해 FID 880mm에서 텅스텐판을 검출면 바로 앞에 두고, 1 fps로 촬상한 화상 60장을 적산한 데이터로부터 MTF를 구했습니다.

배관 비교(투과상)

내경 40mm, 두께 5.4mm의 철 배관을 확대율 2배(FOD510mm, FID 1020mm), 10fps로 10장 촬상하고 평균 처리했습니다. 검출기의 차이뿐만 아니라 225kV 0.4mA와 450kV 0.8mA로 촬상하여 X선관 관전압의 차이도 평가했습니다.

X선으로 배관을 투과하는 경우, 아래 그림과 같이 바깥쪽에서 급격히 두께가 두꺼워지며, 안쪽에 면한 부분이 가장 두꺼운 부위가 됩니다. 그리고 중앙 부근에 가까워질수록 점차 얇아집니다.

X선은 에너지가 높을수록 투과력이 높아지는 특성이 있습니다. 이 때문에 촬상 대상인 배관뿐만 아니라 X선 검출기도 투과하기 쉬워져 검출 효율 저하로 이어집니다. 아래 그림과 같이 백그라운드와 배관 부분을 선택하여 라인 프로파일을 비교합니다.

CdTe는 고에너지에도 반응하여, 225kV보다 450kV에서 두께를 더 쉽게 파악할 수 있는 결과가 나왔습니다. 나아가 에너지 보정이 있는 MDEI 모드에서는 두께를 더욱 쉽게 식별할 수 있습니다.

FPGA 비교(CT)

촬상 범위가 같아지도록 CMOS는 부분적으로 잘라내어 재구성했습니다. 포커스 크기 0.4mm의 밀리포커스 X선관을 사용하여 확대율 2배(FOD510mm, FID 1020mm)로 촬상했습니다.

CMOS 10fps(144초) 225kV 0.5mA

CMOS 10fps(144초) 225kV 1.0mA

CdTe 10fps(144초) 225kV 1.0mA

CdTe 60fps(24초) 225kV 2.0mA

CdTe 60fps(24초) 225kV 1.0mA

CBCT 촬상 예

솔더 볼과 베어링 볼

문의 및 데모 촬상

당사는 110kV 마이크로포커스 X선관과 450kV 밀리포커스 X선관을 보유하고 있습니다. 측정해 보고 싶은 샘플, 본 사이트의 내용이나 제품에 관한 문의, 공동 개발 등에 대해서는 아래로 연락해 주시기 바랍니다.

← Blog 목록으로