개요
방사선 방호는 기본적으로 방사선의 종류, 특성, 및 에너지 등을 고려하여야 하는데 방사선 노출시간을 최대한 짧게, 거리는 최대한 멀리, 그리고 차폐가 가능한 경우 차폐를 통해 최대한 방사선에 노출되는 확률을 줄여야 한다. 방사선 차폐는 차폐하고자 하는 방사선의 종류에 따라, 감마선의 경우에는 고밀도 금속을 이용하고, 중성자의 경우에는 수소함량이 높은 고분자를 사용할 수 있다. 특히 중성자의 경우에는 보론이나 가돌리늄과 같은 열중성자 흡수능이 매우 높은 물질을 고분자와 함께 사용하여 최종적으로 열중성자를 흡수하도록 차폐재를 조성할 수 있고, 감마선의 경우에는 고분자 수지에 철, 납이나 텅스텐과 같은 고밀도 분말을 고분자 수지에 혼합하여 사용할 수 있도록 차폐재를 조성할 수 있다. 본 연구에서는 볼밀링 공정을 이용하여 방사선 차폐 입자의 나노화와 동시에 표면처리가 가능한 기술을 개발하였으며, 이를 다양한 고분자 수지에 균일 분산하여 나노융합 방사선 차페재를 제조하는 기술을 개발하였다. 차폐 분말입자의 크기가 작은 경우, 방사선 차폐능이 향상됨을 입증하였고 또한 동시에 차폐재의 기계적, 열적 물성을 향상됨을 확인하였다.
나노융합 방사선 차폐재 제조기술
일반적으로 나노입자는 높은 표면에너지로 인해 서로 응집하여 안정하려는 경향이 있기 때문에 고분자 수지에 균일하게 분산시키는 것이 매우 어렵다. 따라서 나노입자의 표면을 적절하게 표면처리 해야만 고분자 수지 내 분산성과 수지와의 접착성을 향상할 수 있다. 나노입자의 표면처리는 일반적으로 화학적 기능기를 부착하여 표면처리하는 방법을 사용하는데 이는 공정이 복잡하고 시간과 비용이 많이 들어 대량생산에는 한계가 있다. 본 연구에서는 볼밀링으로 나노입자를 제조하고 동시에 적절한 표면처리제를 함께 밀링하여 일체식으로 표면처리된 나노입자를 제조할 수 있는 기술을 개발하였고, 이렇게 제조된 분말을 고분자 나노복합재 제조를 위한 압출공정을 이용하여 연속적으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 일반적으로 볼밀링 공정은 불순물을 함께 생성하며, 입자의 크기가 균일하지 않은 단점이 있으나 본 나노융합 차폐제 제조 기술에 있어서는 이러한 불순물이 함유되었거나 불균일한 입도를 가지고 있는 나노분말도 직접적으로 방사선 차폐재 제조에 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한 아래 그림에서 알 수 있듯이 매우 얎은 시트형의 차폐재 제조에도 적용이 가능한 것도 장점이라 할 수 있다.
본 과제에서 개발한 나노입자 분산 고분자 복합 다목적 방사선 차폐재는 방사선 차폐효과는 물론 기계적, 열적 물성이 향상되어 방사선이 발생하는 다양한 환경, 특히 매우 엄격한 기준을 요구하는 원자력 관련 분야의 방사선 차폐체 및 차폐 구조물에 활용이 가능하며 의료, 국방, 우주항공 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 판단된다. 본 기술은 2011년 4월 동원엔텍(주)에 기술 이전되어 상용화 단계에 있다.
그림 1. 다양한 형태의 나노융합 방사선 차폐재 실물형상