2.1 방사선 차폐 설계

방사선 보호 분야에서는 차폐 및 데이터 기술에서 이루어진 발전은 새로운 장을 여는 데에 있어 큰 기여를 하여왔다. 방사선 차폐는 전반적인 분야에서 핵심적인 이슈로 떠오르고 있으며, 방사선 보호를 위한 새로운 방법들이 최적으로 활용될 수 있는지의 설계가 요구되어 진다. 차폐 계산의 속도와 효율은 지난 수십 년간 비약적으로 향상되었다. 예를 들면, 방사선 차폐 및 조사량에 관련된 평가의 정확도와 정밀도가 크게 향상되었고, 차폐 평가를 통해 방사선 보호 및 저비용 설계에 크게 기여할 수 있게 되었다. 차폐 설계는 실제 사용자와 설계자에 대한 충분한 이해를 바탕으로 한 보다 넓은 방사선 보호 분야의 한 부분으로 고려되어야하며, 설계 번복의 최소화, 총수명 관점에서 대체 설계비용 최적화, 사용상에 있어서 설계 취지의 실현 등이 이에 해당한다. 차폐 설계 개발은 단순히 도구적인 차원이 아니라, 실제 개발과 프로세스를 염두에 두는 보다 깊은 이해가 필요하다(Chmielewski 2004).

2.2 방사선차폐 실험장비

방사선 차폐 실험을 수행하기 위해서는 핵과 관련된 사건을 일으킬 수 있는 핵이나 입자선을 제공해 줄 수 있는 장비인 선원과 방출되는 핵이나 입자를 검출하기 위한 검출기, 그리고 검출기에 수집된 정보를 처리하기 위한 정보 처리 장치가 필수적이다.

2.2.2 검출기

방사선 차폐에 대한 평가는 방사선 동위원소의 위험성으로 활용에 제한을 받는다. 해외저널에 보고된 일반적인 차폐시험 장치는 Figure 1과 같다. 방사선 동위원소를 감마선 발생원으로 사용하면, 차폐물질을 이용한 벽을 설치한다. 요구한 방향성을 위하여 collimator를 사용하며, 시료 뒤에 탐지기를 설치한다(Siqi Xu 2010).

Figure 1.

Schematic of the test set up

2.3 선행연구

중성자, 베타(β), 감마(γ)선 등의 방사선에 노출될 경우, 인체에 큰 손상을 초래하여 암이나 유전병과 같이 생명을 위협하는 병을 유발할 수 있음은 이미 주지된 사실이다. 부득이한 상황이 발생하거나 업무상 방사선과 접촉하게 될 경우와 핵무기 테러 발생시에는 방사선에 대한 피폭은 최대한 제한적으로 이루어져야 한다(Takada 2005). 이를 위해서는 방사선 차폐재의 역할이 매우 중요한데 원자로와 같은 시설의 경우는 밀도가 높은 콘크리트 등을 충분한 두께로 설치하여 방사선을 차폐하고 있지만 개인용 방호복의 경우 원자번호가 큰 납과 같은 차폐재를 활용하는 것이 일반적이었으며(Akkurt 2010), 미국 NIST(National Institute of Standard and Technology)에서는 원자번호별 방사선 차폐성능을 감쇄계수를 기준으로 홈페이지에 게시하였다.

개인용 방사선 방호복에 납을 활용할 경우 무거운 중량과 낮은 가공성으로 인해 제작에서부터 사용자의 착용 및 활동성에 이르기까지 수많은 문제점들을 내포하고 있다(McCaffrey 2007). 또한, 방사선 차폐물질로 사용되고 있는 납은 적정한 가격과 작업성으로 인해 많이 사용되어 왔으나, 최근 환경문제로 일부 유럽국가에서는 사용이 제한되고 있으며, 인체에 대한 알레르기 발생 등이 알려지면서 대체물질에 대한 연구가 필요한 현실이다(Kun et al 2009).

이를 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되었다. 납 산화물(Pb₃O₄)을 이용한 방호복의 경우는 소폭의 물리적 경량화가 가능하지만 이미 한계에 도달하였고, Ba, SiO₂, W, Bi 등의 여러 가지 원소를 혼합한 방호복은 성능을 유지하면서 경량화를 예측할 수 있지만 결국 금속 원소를 사용하였기 때문에 마찬가지로 경량화에 제한이 있었다.(Akkurt et al 2010; Singh et al 2008; Kaewkhao and Limsuwan 2010) 납 성분을 고무에 분산시킨 후 압출하여 성형한 시트상의 가운은 방사선 차폐에는 효과적이나 10kg에 달하는 무게로 인해 활동에 있어 여전히 제약이 컸다. 이를 해결하기 위해 최근에는 다양한 복합재들이 경량화, 가공성, 활동성 등의 다양한 장점들을 앞세워 차세대 방사선 방호복용 차폐재로의 활용을 위해 연구되고 있다(John and Andrew 2005).

방사선 관련 연구는 방사선 동위원소 및 시험장소의 제한으로 국내에서는 기초연구 단계 수준이다. 해외 선진국가 등은 몬테카를로 방법을 이용한 방사선 입자의 시뮬레이션을 많이 이용하고 있다(Nasser et al 2006; Kirk 2010). 이 시뮬레이션은 프로그램화 되어 제한적으로 공개되고 있으며, 이번 연구를 위하여 미국의　핵관련 연구기관인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 배포된 프로그램을 사용하였다. 이를 활용해 다양한 방사선 차폐 소재들을 설계 후 각각의 차폐 성능을 납과 비교 평가하여 납대체 방사선 차폐소재를 제시하고자 한다.

최근의 연구는 금속광물, 고무제품, 시멘트, 투명제품, 중금속 등을 이용한 방사선 차폐제의 개발이 진행되었으며, 최근에는 환경문제를 고려한 재생섬유와 환경폐기물을 이용한 저렴한 가격의 차폐제 연구가 진행되고 있다(Elbio et al 2011; El-Sayed et al 2003; turgay et al 2011).

3.1 시물레이션 코드

본 연구에서 사용된 프로그램은 몬테카를로 시뮬레이션 프로그램으로 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발된 MCNPX(Monte Carlo Neutron and Photon code version X)이다. MCNPX는 Boltzman-Fokker-Plank algorithm을 이용하여 광자(Photon)와 중성자(Neutron) 및 전자(Electron)의 수송현상을 모사하는 일반적인 Monte Carlo code로 각종 원자력 관련 시설 및 장비의 사전 설계 검토에 반영되는 등 높은 신뢰를 받고 있으며, Monte Carlo Method 등 컴퓨터를 사용하는 방법이 신뢰성평가 등에 사용되고 있다(Kirk 2010; Lee 1982; Lee 1994; Kahng 1996). 국내에서는 방사선 검출기의 구조 설계 등의 분야에 많이 활용되고 있으며 일부 영역에서는 방사선 차폐용 소재의 설계 및 검증에도 사용하고 있다.

3.2 방사선원선택

방사선의 방호효과를 확인하기 위해서 Table 1과 같이 저에너지 영역의 감마선 3종을 시험대상으로 선정하였다. 실질적으로 1 MeV 이상의 Energy Level을 지니는 고에너지 감마선은 납과 같은 금속 박막으로는 차폐가 어렵기 때문에 보호복 수준의 방호재로는 실험의 의미가 없으므로 본 실험 대상에서 제외하였다.

Table 1.

Radiation source and Energy Level

3.3 복합재 설계

본 연구에서 설계한 금속-고분자 복합재는 구조는 활성탄(Activated Carbon)으로, 성분은 구리(Copper)와 폴리에틸렌(Polyethylene)으로 구성되어 있다. 활성탄은 천연 또는 합성유기물질을 탄화 및 활성화시켜 만든 다공성 탄소물질로 질량 대비 매우 넓은 표면적을 갖고 있으며(수백 m²/g) Figure 3과 같이 매우 작은 미세기공(수~수백 nm(nanometer)이 잘 발달된 것이 특징이다.

Figure 3.

Activated carbon’s microporous structure

본 실험에서는 이러한 미세기공 구조를 단순화시켜 공간상에 주기적으로 반복되는 단일 층상의 미세기공 배열로서 모사하였다. 또한 구리를 사용한 것은 탄소로 이루어진 활성탄의 경우 감마선에 대해 차폐 효과를 나타내는 것이 불가능하기 때문에 감마선 차폐에 효과적인 금속원소 중 손쉽게 다룰 수 있으면서도 가격경쟁력 및 경량화의 장점과 인체에 무해한 점 등이 고려되었다. 또한, 활성탄의 미세기공에 Figure 4와 같이 금속을 얇게 첨착시킬 경우 질량대비 매우 높은 수준의 표면적을 가지는 금속 나노구조를 손쉽게 형성시킬 수 있다. 이를 활용하여 질량을 줄여 경량화를 달성하는 동시에 높은 표면적을 통해 감마선과의 산란 발생 횟수를 증가시켜 차폐성능을 향상시키는 것이 이 연구의 목적이다.

Figure 4.

Internal structure of composite

(a) Top view (b) Side view

미세기공이 수nm 수준일 경우 약간의 차이에도 표면적이 크게 증감하며 그에 따른 물성이 변화하기 때문에 Table 2와 같이 미세기공 수준을 4nm 에서 80nm에 이르기까지 총 5개 종류에 대해 시험을 수행하였다. 이 때 기공의 크기가 변해 기공의 전체 숫자가 줄어도 금속 두께가 이에 비례하여 늘어나 첨착된 구리의 전체 질량은 동일하도록 설정하였으며 이를 통해 동일 질량 대비 최고의 차폐 성능을 보일 수 있는 재료의 미세구조를 확인할 수 있다.

Table 2.

Types of composites

3.4 측정장치 설계

시뮬레이션 상에서의 시험 장치 구성은 Figure 5와 같다. 이는 가장 일반화된 차폐성능 시험 장치를 단순화하여 구성한 것으로 외부로의 방사선 누출을 차단할 수 있는 두꺼운 납 용기 내부에 지름 10cm 높이 50cm인 원기둥 형태의 빈 공간이 존재하며 그 바닥의 중앙에 방사선원이 위치하고 있다. 방사선원에서 수직으로 50cm 위에 평가대상인 차폐재가 위치하며 그 위에 바로 방사선 검출기가 설치되어 있다. 저에너지 감마선 영역에서는 광전효과와 콤프턴 산란이 주로 일어나는데, 광전효과가 보다 지배적일 것으로 예측하였다.

Figure 5.

Structure of the experimental system used in the simulation

4.1 단일조성 차폐재의 차폐 성능 비교

Figure 6은 ²⁴¹Am 방사선원에 대한 단일 조성 차폐재들의 투과 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다. 차폐재가 없는 경우인 Figure 4a는 방사선원이 아무 방해도 받지 않고 검출기에 도달하기 때문에 차폐율이 0%이다. 단일 조성 차폐재로 사용된 납, 구리, 폴리에틸렌의 차폐율(%)은 차폐재가 없는 경우와 대비하여 전체 에너지 스펙트럼 영역에 걸쳐 투과된 에너지의 총합을 투과율(%)로 정의할 때, [100-투과율](%)로 정의될 수 있으며 이는 스펙트럼 곡선 아래 면적의 합을 통해 계산될 수 있다. 이러한 방법으로 ²⁴¹Am 방사선원에 대해 계산된 차폐율은 납의 경우 100%, 구리의 경우 96%, 폴리에틸렌의 경우 2.2%이며, 금속인 납과 구리가 대부분의 방사선을 차폐하는 데 비해 고분자 재료인 폴리에틸렌은 차폐효과가 거의 없는 것으로 나타났다.

Figure 6.

Transmission energy spectrum of shielding material for ²⁴¹Am Source

Figure 7과 Figure 8은 각각 ⁵⁷Co와 ¹³⁷Cs 방사선원에 대한 단일 조성 차폐재들의 투과 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다. 이들은 앞서 Figure 6에서 분석한 ²⁴¹Am보다 높은 에너지를 갖는 방사선원이기 때문에 상대적으로 차폐율이 낮게 나타난다. ²⁴¹Am에 대해 96%의 차폐율을 보였던 구리는 ⁵⁷Co에 대해서는 39%의 차폐율을, ¹³⁷Cs에 대해서는 13%의 차폐율을 갖는 것으로 측정되었다. 폴리에틸렌의 경우 세 가지 방사선원 모두에 대해 차폐효과가 5%미만으로 단독 사용 시에는 차폐재로서 기능을 수행하지 못하는 것으로 확인되었다.

Figure 7.

Transmission energy spectrum of shielding material for ⁵⁷Co Source

Figure 8.

Transmission energy spectrum of shielding material for ¹³⁷Cs Source

Table 3는 실험에 사용된 차폐재들의 방사선원에 대한 차폐 성능을 보여준다. 모든 차폐재들의 크기와 형태는 동일하며 구성 원소에 따라 질량이 다르다.

Table 3.

Shielding Effectiveness of shielding material

단일 조성 차폐재들의 차폐 성능 차이는 각 차폐재들의 원자량 차이에 기인하는 것으로 상대적으로 큰 원자량을 가지는 납이나 구리가 일정 수준의 차폐 성능을 보이는 반면 탄소와 수소와 같이 작은 원자로 구성된 폴리에틸렌은 차폐재로서 기능을 수행하기 어렵다. 하지만 경량화된 차폐복의 제작을 위해서는 폴리에틸렌과 같은 고분자 재료의 활용이 필수적이며 이를 위해 금속-고분재 복합재의 도입이 필요하다.

4.2 구리-폴리에틸렌 복합재의 차폐 성능 비교

앞서 ‘실험’에서 기술한 바와 같이, 구리-폴리에틸렌 복합재의 최적 설계를 위하여 Table 3과 같이 균일한 미세기공의 직경이 4~80nm에 이르는 5 종류의 차폐재를 설계하였다. Figure 9는 ²⁴¹Am 방사선원에 대한 구리-폴리에틸렌 복합재들의 투과 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다. 복합재들의 차폐율은 74% 이상으로 측정되었는데, 이들의 구리 함량이 동일 부피 금속 차폐재의 40%에 불과하며 폴리에틸렌의 경우 단독으로 사용 시 차폐효과가 거의 없다는 것을 고려할 때 매우 높은 수치이다. 즉 미세기공 복합재의 차폐 성능은 단순히 두 소재 특성의 선형 결합이 아니며 이는 미세기공으로 인한 단위질량당 표면적의 증가로 인해 방사선이 금속 원소와 산란 횟수가 늘어나 차폐 성능이 향상된 것으로 볼 수 있다.

Figure 9.

Transmission energy spectrum of cupper-polylethylene composite for ²⁴¹Am Source

Figure 10과 Figure 11은 각각 ⁵⁷Co와 ¹³⁷Cs 방사선원에 대한 구리-폴리에틸렌 복합재들의 투과 에너지 스펙트럼을 나타낸 것이다. 앞서 단일 조성 차폐재에서 살펴본 바와 같이 고에너지 영역에서는 구리 뿐 아니라 납의 차폐 성능도 떨어지기 때문에 복합재들의 차폐 성능도 ²⁴¹Am에 비해 상대적으로 감소하였다. 하지만 이 경우에도 구리-폴리에틸렌 복합재들은 질량 대비 높은 차폐 성능을 보여준다.

Figure 10.

Transmission energy spectrum of cupper-polyethylene composite for ⁵⁷Co Source

Figure 11.

Transmission energy spectrum of cupper-polyethylene composite for ¹³⁷Cs Source

Table 4는 실험에 사용된 차폐재들의 방사선원에 대한 차폐 성능을 보여준다. 미세기공의 크기가 변해도 그에 비례해서 구리 박막의 두께가 변하도록 설계하였기 때문에 복합재들의 질량은 모두 일정한 값을 가진다. 이를 통해 구리 함량 효과를 제외하고 순수한 미세기공 구조에서 나오는 표면적 효과로 인한 차폐 성능을 확인할 수 있다.

Table 4.

Shielding Effectiveness of metal-polymer composite

금속-고분자 복합재들의 질량은 17.1g으로 동일 부피의 납이 44,5g, 구리가 35.1g인 것에 비해 가볍지만 3.7g의 폴리에틸렌 보다 무겁다. 하지만 폴리에틸렌 단독으로는 차폐 성능을 거의 발휘하지 못하는 데 비해 금속-고분자 복합재는 일정 수준의 차폐 성능을 발휘하면서도 높은 경량화 수준을 달성하였다. 이는 미세기공 구조를 활용하여 구현된 높은 수준의 단위질량당 표면적에 기인한 것이며 특히 저에너지 영역인 ²⁴¹Am에 대해서는 평균적으로 75% 이상의 높은 차폐 성능을 나타냈다. 고에너지 영역인 ⁵⁷Co와 ¹³⁷Cs에 대해서는 차폐재로 사용되기에는 부족한 성능을 나타냈지만 ¹³⁷Cs의 경우 납도 차폐율이 23%에 불과해 차폐재로 사용되기에 부적합한 것으로 확인되었다.

다양한 크기의 미세기공을 갖는 복합재 중에서 8nm의 직경을 갖는 복합재는 다른 복합재들에 비해 높은 차폐성능을 나타낸다. 이는 복합재의 차폐성능이 단순히 단위질량당 표면적의 크기에 비례하기보다는 차폐성능을 최대로 발휘하는 최적 설계점이 존재함을 알려준다. 이러한 최적점은 미세기공의 형상과 종횡비에 따라 달라질 수 있기 때문에 향후 실제 차폐 소재의 제작 시 원하는 형태와 크기에 적합한 미세구조를 확인하기 위해서는 그에 적합한 시뮬레이션이 수행되어야 할 것이다.