방사선 차폐, 경량화·내압력 소재 개발 必

베타·감마선, 高밀도 차폐소재 요구

중성자 차폐, 물·파라핀 등 가벼원 원소 사용

1. 기술의 개요

1.1 기술의 정의 및 분류

원자는 원자핵 속의 양성자와 중성자의 비율에 의해 안정적인 원자가 되기도 하고 불안정한 원자가 되기도 한다. 불안정한 상태의 원자들은 특정한 입자나 빛을 방출하면서 안정적인 원자핵으로 바뀌려는 성질이 있는데, 이때 나오는 입자나 빛이 바로 방사선이다.

불안정한 상태의 우라늄은 안정한 상태의 원소가 되기 위해 핵분열을 일으키고 열에너지와 중성자를 방출한다. 이 열에너지와 중성자가 바로 방사선이며, 이로 인해 원자력 시설에서는 방사선이 존재하게 된다.

방사선은 눈에 보이지도 않고 냄새를 맡을 수도, 맛을 볼 수도 없지만, 그 종류가 매우 다양하다. 방사선의 종류는 크게는 입자 형태와 빛이나 전파 형태로 구분할 수 있다. 입자 형태의 방사선으로는 알파선, 베타선, 중성자선 등이 있고, 빛이나 전파로 존재하는 방사선으로는 감마선, X선이 있다.

방사선은 높은 에너지를 가지고 있으므로 물질과 반응하여 원자의 에너지를 여기(excitation)시키거나 원자를 전리(ionization)시켜 물질의 특성을 변화시킬 수 있다. 사람의 인체가 강한 방사선에 노출되거나 방사선을 방출하는 방사성물질을 흡수하면 방사선에 의해 세포가 손상되어 생명에 위험해질 수 있다. 또한, 공기나 바다, 산 등의 환경이 방사성물질에 오염되면 궁극적으로 인간이 피해를 보게 되므로 방사선 차폐가 꼭 필요하다.

방사선 중 우리가 가장 유의하면서 철저히 차폐해야 하는 방사선은 전자기파인 감마선(γ-ray)과 전기적으로 중성입자인 중성자이다. 감마선은 빛의 속도로 움직이기 때문에 물질 투과력이 매우 강하고, 중성자는 에너지가 낮다 하더라도 전기적 반응 없이 물질을 투과할 수 있기 때문이다.

방사선에는 크게 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 세 가지 종류가 있다. 이들 알파, 베타, 감마 방사선은 자연방사선원뿐 아니라 인공방사선원에서도 방출된다. 다음은 방사선 종류별 특징이다.

1) 알파선

알파선은 얇은 종이 또는 인체의 피부조직으로도 충분히 차폐가 가능하므로 알파선의 외부피폭은 문제가 되지 않는다. 하지만 알파선을 방출하는 방사선원을 호흡, 섭취하거나, 피부를 통해 체내로 섭취하게 되면 인체에 손상이 생길 수 있다. 따라서 최근 생활환경 중에 존재하는 라돈가스가 문제가 되고 있다.

라돈(Rn-222)은 무색·무미·무취의 기체로 지구상 어디에나 존재하는 자연방사선 물질로, 암석이나 토양, 건축자재 등에 존재하는 우라늄이 몇 차례 붕괴를 거치는 과정에서 생성된다. 라돈은 알파선을 방출하는 방사성핵종으로 주로 호흡을 통해 유입되고 기관지나 폐에 흡착되기도 하므로 라돈을 체내로 흡입하게 되면 잠재적으로 폐암을 유발하는 생물학적 손상을 일으킬 수 있다. 세계보건기구(WHO)에서는 라돈을 1군 발암물질로 분류하고 있다.

2) 베타선

베타선은 알파선보다 투과력이 강하기 때문에 종이로는 차폐할 수 없고 에너지가 크면 피부조직에 손상을 줄 수 있다. 따라서 차폐재로는 베타선의 에너지에 따라 적당한 두께의 플라스틱 또는 나무를 사용한다. 알파선과 마찬가지로 베타선을 방출하는 방사선원이 체내로 섭취되면 인체에 유해한 영향을 줄 수 있다.

3) 감마선

감마선은 세 종류의 방사선 중에서도 가장 투과력이 강하고 일반적으로 베타선과 알파선을 동반하여 방출된다. 투과력이 강한 감마선은 외부 피폭의 경우에도 인체 내부의 장기에 손상을 주므로 감마선 피폭으로부터 보호하기 위해서는 벽두께 정도의 콘크리트 또는 차폐 효과가 우수한 납을 차폐체로 사용해야 한다. X-선은 감마선보다 투과력이 약하다는 것을 제외하면 감마선과 동일하다.

▲ <그림 1>방사선의 종류와 투과력(자료: 한국수력원자력 웹진, 2003.01)

전파, 가시광선, 감마선과 같은 전자기파 형태로 공간 또는 매질을 통해 전달되는 에너지를 전자기 복사(electromagnetic radiation) 또는 전자파라고 한다. 입자 방사선과 달리 빛이나 전파 형태를 띠는 감마선과 X선이 이에 속한다. 전파처럼 공간을 타고 퍼지면서 물질 안을 잘 통과해 나간다는 특징이 있지만 두꺼운 납이나 콘크리트를 이용해 이를 막을 수 있다.

전자파는 전자기장의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지이다. 즉 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데, 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자기파라고 한다. 가시광선도 전자기파에 속하며 전파, 적외선, 자외선, X선 같은 전자기파들은 우리 눈에 보이지 않는다.

고전 역학에서 전자기 복사는 동시에 전자기 복사의 효과는 복사의 일률(Power)과 진동수에 의존한다. 가시광선이나 더 파장이 큰 전자기 복사의 경우 세포나 다른 물질에 가해지는 피해는 주로 일률(Power)에 의해 결정되며 이는 수많은 광자가 합산된 에너지로부터의 가열에 의한 것이다.

반면에 자외선이나 더 에너지가 큰 전자기 복사의 경우 화학적 물질이나 살아있는 세포는 단순한 가열에 의한 피해보다 더 막대한 피해를 입게 된다. 높은 에너지의 광자의 경우 개개의 광자들이 분자에 직접적인 영향을 주기 때문이다.

방사선의 방호목적으로 사용되는 차폐재의 구성성분은 매우 다양하며, 차폐재 선택은 매우 중요한 요소이다. 같은 재료의 차폐재라고 하더라도 조성에 따라 밀도가 달라지므로 방사선 감쇠에 미치는 영향이 다르다. 방사선 차폐 소재는 방사선의 종류에 따라 다양한 소재가 적용되고 있다.

▲ <표 1> 방사선의 종류에 따른 차폐 소재(자료 : NNPC 심층분석 보고서, 방사선 차폐/흡수 소재, 2018, pp.9)

전자파 간섭(EMI, electromagnetic interference)은 전기에너지를 사용하는 모든 전자, 통신, 운송, 항공, 군사 장비들에서 발생하는 전자기파 간에 의한 간섭 현상이다. 전자파간섭 현상은 장치의 오작동 원인이 될 수 있을 뿐만 아니라 사용자인 인간에게도 유해한 영향을 줄 수 있어 이를 줄이기 위한 노력이 필요하다.

특히, 최근 전자 장치들이 소형화, 고집적화, 모바일화 및 고기능화 되면서 장치 간의 전자파간섭 현상에 의한 오작동 문제가 더욱 심각해지고 있다. 전자파 차폐 소재는 전자파간섭 현상을 차단하는 소재로서 전기전도성이 높은 소재일수록 전자파차폐 효율이 우수한 특성을 가진다. 은, 구리 과 같은 금속 소재들이 주로 사용되나, 밀도가 높고, 제조비용이 많이 들고, 무거우며, 부식되기 쉽고, 가공의 어려움 등의 단점이 있어 차세대 모바일 전자·통신 장치에 사용하는 데에 제약이 있다.

1.2 기술의 원리

방사선은 공기를 포함한 모든 매질을 통과할 때 매질 내에 있는 원소들과 상호작용(산란 또는 흡수)을 하면서 에너지를 잃거나 소멸된다. 즉, 방사선이 가진 에너지를 작용하는 원소에 일부 또는 모두를 전달하는 것이다. 이와 같이 방사선이 에너지를 잃는 정도를 감쇠계수(Radiation Attenuation Coefficient, 또는 매질의 방사선 흡수계수)라 한다.

방사선이 직선으로 매질을 투과하는 경우에 방사선의 초기방사능(강도)을 N0라고 하고 매질의 방사선 감쇠계수를 μ라 하면 매질을 길이 t만큼 통과했을 때 방사선의 방사능 N(t)는 N(t)=N0e-μt이다. μ는 방사선의 에너지 크기에 따라 달라진다. t는 방사선이 투과하는 물질의 두께, 단위면적당 질량/mol수/원자수 등으로 나타낼 수 있는데 각각에 해당하는 감쇠계수는 선 감쇠계수, 질량/mol/원자 감쇠계수로 부른다.

방사선 피폭(노출)은 외부피폭과 내부피폭으로 나눌 수 있다. 외부의 방사성물질이나 방사선을 내는 선원이 몸 밖에서 방사선피폭을 주는 것을 외부피폭이라고 하며, 몸 안으로 방사성물질(기체, 액체, 입자 등)이 들어와서 몸 안에서 방사성물질이 방출되는 내부피폭이 있다.

외부피폭의 방호 개념은 ‘시간, 거리, 차폐’의 3대 원칙에 의해 정해진다고 볼 수 있다. 시간의 경우 우리가 방사선원 근처에 머무르는 시간이 짧을수록 피폭량은 당연히 감소한다. 한여름의 해변에 장시간 머무르게 되면 당연히 햇빛 노출량이 증가하고 심한 경우에는 화상을 입기도 하는 것과 마찬가지이다. 물론 햇빛을 피해 그늘에서 더 많은 시간을 보낸다면 화상의 정도가 덜할 것이다.

방사선 피폭도 동일한 원리이다. 또한, 거리의 관점에서 방사선원으로부터 멀리 떨어져 있을수록 당연히 피폭량은 줄어든다. 락 음악 콘서트장에서 스피커로부터 멀리 떨어져 앉을수록 음악소리가 작게 들리는 것과 마찬가지이다. 그리고 차폐는 방사선원 주위에 차폐체를 설치하면 외부피폭으로 인한 피폭량을 감소할 수 있기에 중요하다. 비 오는 날 우산을 쓰면 비에 젖는 것을 막아주는 것과 마찬가지이다. 본고에서는 외부피폭시 방사선 차폐 소재기술에 대해 다룰 예정이며, 방사선 차폐는 다음과 같은 경우로 나눌 수 있다.

1) 하전입자 차폐

하전입자(α선, β선, 전리된 입자 등)는 물질과 상호작용할 때 에너지를 급격히 잃기 때문에 비록 높은 에너지를 가지고 있다 하더라도 차폐에 별 어려움이 없다. 예를 들어 α선의 경우 공기 중에서 에너지를 완전히 잃기 전까지 움직이는 거리(비정거리)가 매우 짧아 인체에 직접 피폭이 되지 않는 한 문제가 없으며 종이 한 장 정도로도 쉽게 차폐할 수 있다.

β선의 경우는 아크릴판 1cm 정도로 차폐할 수 있다. 그러나 고에너지의 β선의 경우 제동방사 X선이 나오므로 아크릴판의 뒤(인체측)에 X선차폐용 납이 필요하다.

2) 감마선 차폐

γ선이 방출되는 경우는 매우 다양하다. 핵분열 γ선, 방사성물질의 γ선 붕괴, 중성자 포획 후 방출 γ선, 중성자의 비탄성 충돌로 여기 된 원자핵 방출 γ선, 전자장에서 전자의 가속·감속 시 발생하는 γ선, 전자기파인 제동복사(Bremsstrahlung) 등이 차폐대상 γ선이다. 차폐물질로는 밀도가 높은 납이 대표적으로 이용된다.

3) 중성자 차폐

중성자원(源)도 다양하다. 핵분열 중성자, 핵분열생성물의 방사붕괴, α입자 충돌로 발생하는 중성자, 광 중성자(Photoneutron) 등이 대표적이다. 중성자는 γ선과 달리 가벼운 원소와 충돌하면 많은 에너지를 잃는다. 대표적인 원소가 수소이다. 경수로(輕水爐)에서 중성자 감속재로 물을 사용하는 이유이다. 따라서 중성자 차폐에는 원자로에서와 같이 물, 파라핀, 붕소함유 물질, 콘크리트 등이 대표적으로 사용된다.

1.3 극한환경 소재기술 관점에서 기술의 중요성

인구가 기하급수적으로 늘어나고 자원이 급격히 감소하면서 심해나 극지, 궁극적으로는 우주로 활동 영역을 확장하는 일이 인류의 당면 과제가 되었다. 이에 따라 사람이 접근하기 힘든 극한환경을 극복하고 활용하기 위한 극한환경 기술이 부상하고 있다.

극한환경 소재기술은 제조 강국인 우리나라가 관심을 기울여야 할 부분이기도 하다. 스마트폰 등을 위시한 산업의 소프트화, 서비스화 물결이 거센 가운데 극한환경 소재기술은 고부가가치의 첨단 제조업으로서 그 가치가 높기 때문이다.

원자력발전소의 경우 라듐, 우라늄, 토륨 등의 원소를 이용해 전력을 생산하는데 이 원소들을 다루는 과정에서 방사선이 나온다. 방사선은 투과력이 매우 높아 전자장치의 고장이나 오작동을 일으키고, 인체에 노출될 경우 생체조직에 해를 끼치는 피폭이 일어나기도 한다.

그러나 원자력발전소에서 사용하는 보호복 등의 장비는 방사성 동위원소의 투과를 막기 위해 납으로 차폐해 만들기 때문에 너무 무겁고 부피가 큰 것이 단점이다. 무게가 가볍고 넓은 면적으로 제작할 수 있는 방사선 차폐 소재가 있다면 무거운 납 보호복을 대체할 수 있을 것이다.

또한, 방사선 차폐기능을 유지하며 압력과 온도 변화에도 유지될 수 있는 소재를 만들 수 있다면 방산선 노출이 심한 극한환경에서 활용될 수 있다. 특히 원전뿐만 아니라 다양한 전자기기에서 방출되는 전자기파를 차폐하는 소재기술은 인체를 보호하거나 전자기기장치를 보호하는 데에 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.