방사선 차폐, 금속·고분자 복합소재 활용 가능

경량 연자성 소재, 저선량 방사선 차폐 용이

고분자 복합소재, 내구성 우수·자체 차폐기능

■내방사선(방사선 차폐) 소재 기술

2. 연구개발 동향

2.1 금속 소재 기반 방사선 차폐 소재

경량 연자성 소재는 높은 자기 포화도와 낮은 보자력을 갖기 때문에 전자기파 차폐에 효과적인 것으로 알려져 있다. 이에 따라 산업 분야에서 그 필요성이 증대되고 있으며 아울러 군사적 활용에 대해서도 검토되고 있다.

특히 전자펄스(EMP) 및 전파방해에 대한 차폐 목적으로 군사용 지휘소 및 장비 등에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 이처럼 전자펄스(EMP) 방호를 위해서 경량 연자성 복합소재를 사용할 경우 전자펄스(EMP) 방호뿐만 아니라 방사선에 대한 차폐성능을 제공할 것으로 기대된다.

’21년 육군본부와 육군사관학교에서는 비정질 연자성 복합소재는 비정질(amorphous) 및 나노결정질(nano-crystalline) 기반 복합소재로 얇고 유연해 가공이 용이하다는 장점이 있으며, 80dB(~18GHz) 대역의 전자기파에 대한 차폐가 가능하다는 장점이 있다고 보고했다.

소재 원소 구성비는 철 78%, 실리콘 9%, 보론 13% 등이 함유되어 있으며 밀도는 7.19 g/cm3이다. 시험체 한 장의 두께를 20㎛로 제작할 수 있으므로 현장 재단이 가능해 시공이 용이하고 질김(인성) 특성이 우수해 블라인드 형태의 창이나 롤러블(rollable) 출입문뿐만 아니라 바닥재로도 사용이 가능하다는 특징이 있다고 보고했다.

연자성 복합소재의 두께가 증가함에 따른 감마선 차폐성능이 선형감쇠법칙과 일치했다. 이에 핵·방사능 전시 상황에 맞게 군사용 시설물의 방사선 방호를 위한 복합소재의 두께를 최적화해 적용 가능함을 확인했다. 또한, 복합소재에 보론이 약 13% 함유되어 있어 모델링을 통해 중성자 차폐에 효과적임을 확인했다.

따라서 핵무기 폭발 초기에 발생하는 중성자에 대한 방호를 보장받을 수 있을 것으로 기대한다. 마지막으로 복합소재의 유연성 및 질김 등이 좋아 군사용 지휘 천막에 적용했을 경우에 대한 방사선 차폐 모델링을 했다. 지휘 천막 특성상 복합소재를 두껍게 적용하지 않고 천막에 얇게 덧씌우는 형태를 가정했다. 이때에도 어느 정도 방사선 차폐효과를 얻을 수 있었으며, 두께가 증가함에 따라 방사선 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있었다고 보고했다.

▲ <그림 1>군사용 지휘 천막 예시(자료: https://jeff-porter-b5de.squarespace.com/)

’17년 순천향대학교 영상의학과에서는 현재 의료기관 등에서 가장 보편적으로 사용되는 방사선 차폐체의 주성분은 납(Pb)이며, 납은 방사선 차폐용으로 사용할 수 있는 여러 물질에 비해 가공의 편의성이 우수하다는 장점이 있다고 보고했다.

또한, 높은 원자번호(82)를 갖고 있어 방사선에 대한 차폐력이 좋아서 의료분야에서는 방사선 피폭 방어용 차폐체로서 다양한 형태로 제작되어 사용되고 있다. 하지만 인체에 대한 의료 방사선 차폐용으로 주로 쓰이고 있는 납성분의 방호복(Lead apron)은 그 무게가 무거운 편이어서 장시간 착용 시 근· 골격계 질환을 초래할 수 있으며,

납은 자체가 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 비소(As) 등과 같이 유해 중금속으로 분류되어 있어 인체에 과다하게 접촉할 경우 납중독 등의 질병에 노출되기 쉬우며, 이로 인한 질병은 생명을 위협할 정도로 위험하다고 알려져 있다. 이러한 이유로 납을 이용한 차폐체의 지속적 사용과 접촉에 대한 문제점과 고민이 제기되고 있으며, 다양한 물질을 적용한 차폐체에 대한 연구 및 특허출원이 활발히 진행 중이다.

진단용 X선 에너지 영역에서 차폐체로 사용되는 납과 실리콘(Si)과 이산화티탄(TiO2)의 혼합물을 이용한 X선 차폐체의 차폐율을 각각 측정해 비교하고, 이를 통해 기존의 납을 이용한 방사선 방호복보다 중량을 개선시키면서 중금속 독성에 대해 무해하고, 경제적으로 일정 수준의 차폐 성능을 유지할 수 있는 방사선 차폐 소재의 연구개발을 위해 사전 실험을 진행하고 있다.

그 결과로 실리콘-이산화티탄 화합물은 실리콘의 물성이 그대로 존재하면서 금속화합물과 융합할 수 있다는 결과를 얻었으며, 이후 방사선 흡수가 더 뛰어난 금속화합물등과 혼합할 경우 납의 위해성을 포함하지 않으며, 재료와 가공성에서 경제적이며, 실리콘의 강점을 살려 탄성과 유연성이 뛰어난 저선량용 방사선 차폐재의 제작 가능성을 확인했다고 보고했다.

’19년 계명대학교 화학공학과에서는 차폐물질 중 텅스텐 분말과 PU를 혼합해 차폐시트를 제조했다고 보고했다. 시트는 PU 대비 텅스텐 분말의 양을 1:1, 1:5, 1:10 비율로 첨가해 제조했다.

주사전자현미경과 광학현미경을 통해 시트의 단면을 촬영해 구조 및 텅스텐의 분포를 확인했으며, 의료용 X-선 관을 이용해 방사선 선량을 측정한 후 각 차폐시트의 차폐율과 질량감쇠계수를 측정했으며, 열처리를 통해 고분자를 제거한 후 차폐시트에 포함된 텅스텐의 함량을 확인하고, 최적화된 비율을 알아보았다.

방사선을 차폐하기 위해 사용되는 납을 대체하기 위해 텅스텐 파우더와 폴리우레탄을 이용해 의료용 X-선 차폐시트를 제조했다. 무기물과 고분자의 함량이 6.4g이 되도록 제조했으나, 무기물의 비율에 따라 건조과정에서 발생하는 차폐시트의 수축률이 달랐다. 각 차폐시트의 특성을 통해 텅스텐의 비율이 증가할수록 고분자의 함량이 감소하게 되고, 그에 따라 용출되는 용매의 양이 감소되어 두께가 얇아지고 밀도가 증가했다고 보고했다.

’18년 국내 기업체인 라스고(주)에서는 납이 1ppm도 함유되지 않은 무납 방사선 차폐 소재를 개발해 국내 병원 방사선과 등에 공급했다고 밝혔다. 의료 현장에서 주로 쓰이는 x선은 γ선보다는 투과력이 낮고, 납으로 막을 수 있다. 하지만 납 역시 인체에 유해하고, 납이 함유된 제품은 물에 취약하고 내구성이 떨어지기 때문에 납을 최소한으로 쓰면서 순수 납 수준의 성능을 낼 수 있는 소재를 개발하는 게 업계의 과제다.

또한, 사람이 앞치마를 직접 입거나 둘러야 하므로 가볍고 유연할수록 좋다. 라스고(주)가 개발한 방사선 차폐시트 라스원(RAS-ONE)은 납 함유량이 1ppm 이하인 완전 무납 제품이다. 납을 섞지 않았지만 납과 얼마나 유사한 성능을 내는지를 나타내는 지표인 납당량은 식약처 기준 고시에서 정한 0.25mmPb 이상을 충족한다. 차폐 소재 두께는 0.77mm, 상·하반신을 덮는 에이프런(apron)으로 제작했을 때 무게는 약 3.5kg 정도다. 두께가 얇아 유연하다.

기존 수입 제품은 납당량이 0.15~0.24mmPb, 무게는 최고 3.95kg(납당량 0.24mmPb 기준)까지 나간다. 종전까지는 금속 분말을 폴리우레탄 등 불용해물(슬러지)에 혼합, 분산시켜 액상 형태로 만든 뒤 이형필름에 도포해 경화시켰다. 라스고(주)는 고형체의 베이스 수지를 소련하고, 금속 분말을 섞어 지점토 같은 고형체로 만든 다음 고압, 고열에서 압출성형한다. 수출용 제품(50kV, 70kV, 90kV 등 중저에너지 기준 납당량 0.25mmPb)을 개발 중이라고 보도됐다.

▲ <그림 2>라스고(주)에서 개발한 방사선 차폐재 라스원(RAS-ONE)(자료 : KIPOST(https://www.kipost.net))

2.2 고분자 복합소재 기반 방사선 차폐 소재

종래의 방사선 차단막은 납판을 그대로 사용하거나 납 분말이나 아산화납을 과량 고분자 수지에 배합한 방사선 차단막을 사용하였다. 이러한 차단막은 무겁고 또한 제조, 사용, 폐기처리 과정에서 납에 의한 인체중독이나 공해가 발생하기 쉽다.

또한, 방사선 차단막의 두께가 얇아서 제조과정에서 매우 작은 핀홀(pin-hole)의 발생으로 일부 방사선이 관통할 수 있는 우려가 있다. 일반적으로 방사선 차단용 고분자 차단막은 얇은 수지시트가 다층으로 적층되어 있어 각 수지시트에 핀홀이 존재하더라도 다른 시트에서 차단할 수 있으므로 차단막을 직접 관통하는 방사선을 최대한 억제할 수 있다.

<그림 3>의 방사선 차단개념과 같이 방사선에 능동적으로 반응할 수 있고, 자체로도 차폐기능을 가지고, 내구성이 우수한 고분자 복합화 기술을 응용하기 위해서는 입자의 나노분말 제조기술, 복합화 기술, 복합체 성형기술 및 분말 표면처리 기술 등의 연구가 진행되고 있다.

▲ <그림 3>방사선 하에서의 고분자 복합소재의 향상된 차단 메커니즘(자료 : Elastomers and Composites (2011) Vol. 46, No. 2, pp.94∼101 )

<그림 4>에서는 방사선 차폐가 요구되는 시설이나 장소 등에서 사용되는 내방사선 고분자 복합소재 제조를 위해 첨가되는 다양한 소재의 형태에 대해 개략도를 보여 주고 있다. 다양한 형태의 나노플레이트, 나노입자, 나노파이버 등이 고분자와 복합돼 원전발전소나 의료시설 등 방사선 차폐가 요구되는 곳에 대해 간략히 보여주고 있다.

또한, <그림 5>에서는 방사선 시설, 항공 산업, 우주비행체, 전자기 및 핵 차폐 장치 등에 적용되는 방호/차폐 물질이 여러 가지 응용처에서 재사용이 되는 고분자 복합소재에 대해 설명하고 있다.

▲ <그림 4> 내방사선 고분자 복합소재 제조를 위해 첨가되는 다양한 소재의 형태

▲ <그림 5> 방사선선 설비, 항공우주산업, 전자파, 핵차폐 등 다양한 용도에서 활용 가능한 재활용 고분자 복합재의 사용처(자료 : Environmental Chemistry Letters (2021) 19, pp.2057∼2090)

’21년 한국전자통신연구원(ETRI)에서는 방사능에 견디는 플렉서블(flexible) 복합소재 기반 센서를 개발했다. 그래핀, 맥신, 고분자수지를 조합한 복합소재를 만들고 이를 기반으로 내방사선 압력-온도 복합센서를 개발했다고 보도했다.

기존 원전 장비는 주로 납으로 차폐해 보호하는데, ETRI는 납 없이 고에너지 방사선에 노출돼도 물리·화학적 변화가 없으면서 압력과 온도를 모두 측정할 수 있는 복합센서를 개발했다. 한국원자력연구원 첨단방사선연구소에서 내방사선 성능 확인도 마쳤으며, 사람에 치명적인 수준의 방사능 강도로 실험했다.

24시간 동안 코발트-60으로부터 감마선 20그레이(Gy·방사선 에너지가 매질에 흡수된 정도)를 조사했을 때도 소재 변화나 이상이 없었다. 개발 센서는 유연필름 형태다. 무게가 가볍고 넓은 면적과 다양한 형태로 제작할 수 있다. 물체 감지 센서로 활용할 수 있다. 의수는 물론, 극한환경에 투입되는 로봇에 적용할 수 있다.

방사선뿐 아니라 고주파수 전자기파 차폐 효과도 뛰어나다. 5G 통신용 전자장치나 자율주행 자동차 레이더 시스템, 항공우주산업 분야에서도 쓰임새가 높다. 의복 형태로 만드는 것도 가능하다. 원전이나 병원의 방사선 노출 구역 등에서 사용하는 무거운 납 보호복을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

세계 최고 수준 전자파 차폐성능을 보이면서 압력 변화까지 감지하는 소재가 우리 기술로 개발됐다고 보도했다. 첨단 기기 내 전자파 오작동 차단, 감압 센서와 로봇 분야에 쓸 수 있는 기술이다.

▲ <그림 6> ETRI가 개발한 내방사선 고분자 복합소재(자료 : Adv. Mater. Technol. 2021, 2001039, pp.1∼9)

또한, 한국전자통신연구원(ETRI)은 그래핀 나노복합소재에 2차원 전이금식 카바이드(멕신)를 첨가해 고기능 전자파 차폐 소재를 개발했다. 전자파 차폐 소재는 전자파 간섭(EMI)을 차단해 기기 오작동을 막는다. 기존에는 금속을 주로 썼는데, 무겁고 유연하지 않아 신소재 개발이 절실했다. 가공도 쉽지 않았다.

연구팀은 그래핀 고분자 복합소재로 새로운 전자파 차폐 소재를 만들었다. 그래핀은 탄소 원자 2차원 평면 구조 물질로, 유연하면서 강도가 높다. 다만 금속보다 전기전도도가 낮아 차폐성능이 떨어진다는 문제가 있었다. 전기전도도가 높은 물질은 표면에 흐르는 자유전자가 외부 전자파를 튕겨내 높은 차폐성능을 발휘한다. 연구팀은 전기전도도가 높은 멕신을 그래핀 복합소재에 표면에 바르는 방법으로 문제를 해결했다. 이 결과로 가볍고 유연한 특성, 99.9999994%에 달하는 전자파 차폐 효율을 갖는 소재에 개발할 수 있었다고 보고했다.

▲ <그림 7> ETRI가 개발한 고분자 복합소재 기반 고주파수 차폐 소재(자료 : Chemical Engineering Journal 393 (2020) 124608, pp.1∼10)

’16년 한국과학기술연구원(KIST)에서는 기존 전자파 차폐 소재들의 문제점들을 극복하기 위하여, 2D 나노재료인 transition metal carbide(MXene)를 포함하는 고분자 복합체를 이용하여 전기전도성이 우수하면서도 가볍고, 저가이며, 가공성 또한 우수한 전자파차폐 소재를 개발했다. MXene 소재는 티탄늄(Ti)과 같은 중금속 원자와 탄소(C) 원자로 이루어진 나노물질로서 형상적으로는 1nm 두께와 수 μm 길이를 가지는 이차원적인 판상구조를 가지는 2D 나노 재료이다.

기존 나노재료에 비해 제조 공정이 간편하고 저비용으로 생산 가능할 뿐만 아니라 표면에 다수의 친수기를 포함하고 있어 용매에 분산이 쉽고 고분자 복합체 제조가 용이하다.

▲ <그림 8> KIST가 개발한 맥신(MXene) 기반 차폐 소재(자료 : Science 353, 6304 (2016) pp.1137∼1140)

또한, 우수한 전기전도성을 가지고 있어 전기전도성이 요구되는 다양한 필름, 코팅 제품 응용에 유리한 특성을 가진다. 개발된 MXene 고분자 복합체는 기존 고분자 복합체에 비해 매우 얇은 두께에서도 우수한 전자파차폐 특성을 보인다.

이는 2D 나노 판상구조인 MXene이 우수한 전기전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 필름‘내부 다중 반사(internal multiple reflection)’효과가 발생하기 때문이다. 또한, MXene 고분자 복합체는 스핀코팅, 스프레이코팅, 캐스팅, 롤가공 등의 다양한 필름가공과 코팅성형이 가능하여 향후 전자파차폐재 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있다.

MXene 고분자 복합체는 기존 고분자 복합체에서 구현하지 못해 힘들었던 우수한 전기전도성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 가공성, 저비중, 저비용, 고(高)유연 특성들을 가지고 있어 전자파 차폐 소재 뿐만 아니라 다양한 전자소재 분야에도 응용이 기대되는 소재이다.

<표 1>과 <표 2>는 최근 다양한 분야에서 각광받고 있는 MXene-고분자 열경화성 및 열가소성 소재에 대해 복합소재 제조 방법과 특성에 대해 간략히 정리돼 있다.

▲ <표 1>다양한 특성을 갖는 맥신 및 열경화성 고분자 복합소재

▲ <표 2> 다양한 특성을 갖는 맥신 및 열가소성 고분자 복합소재