KR100716047B1 - 유기섬광체 함침막 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기섬광체 함침막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질이 함침되는 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막으로, 높은 발광특성을 지닌 투명한 단일구조이고, 유기섬광체 함침막의 안정성과, 검출효율 및 성능향상을 이룰 수 있어 알파선측정용 자동화장치에 장착하여 효율적인 탐지를 할 수 있다.

폴리설폰, 유기섬광체, 함침막, 알파선 측정방법. 알파선 측정장치

Description

유기섬광체 함침막 및 그 제조방법{ORGANIC SCINTILLATOR-IMPREGNATED MEMBRANES AND ITS PREPARATION METHOD}

도 1a, 도 1b는 본 발명의 유기섬광체 함침막에 있어서, 제1유기섬광물질과 제2유기섬광물질의 농도에 따른 발광스펙트럼이며,

도 1a는 PPO(제1유기섬광물질)의 농도에 따른 발광스펙트럼,

도 1b는 POPOP(제2유기섬광물질)의 농도에 따른 발광스펙트럼.

도 2는 본 발명의 유기섬광체 함침막에 있어서, 도 1a, 도 1b에서 선택된 제1유기섬광물질과 제2유기섬광물질의 최적 농도에서의 발광스펙트럼이고,

도 3은 본 발명의 유기섬광체 함침막에 있어서, 제1유기섬광물질인 PPO의 농도에 따른 가시광선 영역에서 광투과율의 변화를 나타낸 그래프이며,

도 4는 본 발명의 유기섬광체 함침막의 제조방법의 일예를 나타낸 공정도이고,

도 5는 본 발명의 유기섬광체 함침막에 있어서, 방사능 검출 성능을 평가하기 위한 측정회로도이며,

도 6은 본 발명의 유기섬광체 함침막의 최적 제조조건에서 알파선 방출핵종을 도포한 후, 도말 두께에 따른 알파선 검출 성능을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 유기섬광체 함침막과 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질이 함침되는 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막과 그 제조방법에 관한 것이다.

방사성 물질을 산업에 활용하기 위한 연구는 원자력 에너지를 얻는 것으로부터 인체 내부에 투여된 물질의 경로추적을 위한 약품 제조에 이르기까지 다양한 분야에 걸쳐 폭 넓게 이루어지고 있다. 이러한 에너지 생산, 제품의 제조 및 연구 과정에서 방사성 물질의 광범위한 사용에 따른 오염은 피할 수 없다. 따라서, 방사성 물질을 장기간 사용할 경우, 사용지역에서 이들의 오염 가능성은 증대될 것이며, 적절히 제어되지 않고 방치될 경우 관련 당사자들의 안전이 위협받는 수준까지 도달할 가능성이 있다. 또한, 적정 사용기간이 경과된 방사능 처리시설의 폐기 또는 수리 등의 과정에서 방사능 오염도를 측정하는 것이 폐기 공정의 방법을 결정하는데 중요한 역할을 하게 된다. 이에 방사선 취급자의 안전 및 주변지역의 안전을 위해서는 이들 방사성 물질에 의한 오염도를 정기적으로 또한 신속하게 측정함과 아울러 효율적으로 관리하는 것이 필요하다. 실제로, 미국의 핵규제위원회(Nuclear Regulatory Commission)의 규정에 따르면, 방사성 핵종을 취급하는 모든 지역은 방사능 오염도에 대한 정기적인 점검을 통해 실험실 및 방사능 관련 시설의 방사선학적인 상태를 감시하도록 의무화하고 있다(U.S.Nuclear Regulatory Commission, Washington DC, NRC Regulatory Guide 8. 23, Rev. 1, January 1981).

최근, 방사능 오염도 측정의 효율성을 증대시키기 위해, 오염 현장에서 사람의 손을 빌리지 않고 원격장치를 통해 자동으로 오염도를 분석함으로써 오염 측정의 신속성 및 방사능 취급자의 안전을 증대시키고, 관련 처리비용의 절감을 이룰 수 있는 기술개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위해서는 오염 현장에서 채취된 시료를 측정실로 옮기지 않고 현장에서 직접 측정을 할 수 있는 장비의 개발이 요구된다. 이러한 장비의 개발을 위해서는 효율적인 시료채취 부분과 채취된 시료의 방사능 오염 정도를 효율적으로 측정할 수 있는 검출부분, 및 이들을 손쉽게 이송시킬 수 있는 자동이송 장치부분의 설계가 각각 이루어져야 한다.

이 중 시료채취부의 요구에 부합할 수 있는 재료는 미국 핵규제위원회에서 규정한 와이프 시험(wipe test)에 적합한 특성을 지니는 것이 요구된다. 핵규제위원회의 지침에 따르면, 방사성 핵종을 사용하는 현장은 방사능 오염도를 측정하기 위하여 정기적으로 와이프 시험을 수행하여 이들 오염지역의 제염 여부를 파악해야 한다고 규정하고 있으며, 와이프 시험은 오염 예상지역의 표면을 일정하게 모니터할 수 있는 방법이면 매체나 적용 방법에 구애받지 않는다고 규정하고 있다. 상기 통상적인 적용 방법은 오염 예상 지역으로부터 오염된 물체의 표면을 스미어 종이(smear paper) 등과 같은 채취용 막을 이용하여 문지른 후 이들 채취된 시료를 액체섬광계수기나 저준위 알파/베타 계수기를 이용하여 오염도를 평가하는 것이다(R.C.Klein, L.Linins, and E.L.Gershey, Health Phys. Soc., 62, 186 (1992)).

상기 채취용 막의 기본적 성능으로는 장비에 탈부착이 용이하며, 오염 지역에서 시료를 채취한 후 측정기로 이송이 용이해야 한다. 이를 위해 채취용 막은 진공을 통해 시료채취부에 부착되고, 부착된 막은 원격조정에 의해 시료채취에 사용되며, 탈진공에 의해 자동적으로 측정장치로 이송되도록 하는 것이 필요하다. 이러한 기능에 적합한 채취용 막을 제조하기 위해서는 우선적으로 채취용 막이 진공에 의해 쉽게 장비에 흡인될 수 있도록 치밀한 구조를 포함해야 한다.

일반적인 채취용 막을 제조하기 위하여 스미어 종이 자체에 방사선과 직접 상호작용에 의해 오염도를 평가할 수 있는 스미어(smear) 매질 제조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(미국특허 제4,916,320호; 미국특허 제4,562,158호; 미국특허 제4,692,266호; C.G.Potter and G.T.Warner, In H.Ross, J.E.Noakes, and J.D.Spaulding (Eds.), Liquid Scintillatant Counting and Organic Scintillators, Chelsea, Michigan, Lewis Publishers, 1991; M.J.Han, P.M.Bummer, and M.Jay, J. Membrane Sci., 140, 235 (1998)). 상기 스미어 매질 또는 측정막은 고분자로서 방사성 물질과 상호작용하여 형광을 방출하는 무기 형광체를 함침시켜 제조하는 것으로, 폴리설폰 막에서의 무기 형광체의 함침 특성과 이들의 방사성 핵종에 대한 탐지 특성에 대해 분석한 바 있다(M.J.Han, P.M.Bummer, and M.Jay, J. Membrane Sci., 148, 223 (1998); M.J.Han, and M.Jay, Korea Polymer J., 6(4), 341 (1998); M.J.Han, Membrane J., 9(2), 132 (1999)). 형광체 가 분산된 균일상의 무정형 고분자 용액을 제막하고, 이를 비용매 욕조에 함침시키거나 높은 습도의 대기에 방치시켜, 비용매와 용매의 상호 교환을 통한 상전환 방법을 통해 고체화하였을 때, 고형화된 측정막에서의 무기 형광체는 용액의 침지 특성에 따라 뚜렷하게 다른 특징으로 나타낸다.

그러나, 일반적으로 제막용액을 비용매 욕조에 침지시키는 상전환 공정을 이용하여 고형화된 막은 막 전체에 다공성의 형상을 지님으로써 진공에 적용하였을 때, 막 표면에서 진공압의 손실이 불가피하여 시료채취부에 적용하기 어렵다. 즉, 측정막에 형성된 기공은 분획특성을 필요로 하는 분리공정에는 바람직한 요소로 작용될 수 있으나, 와이프 시험에 사용되는 측정막의 효율을 증대시키는데는 기여하지 않는다. 방사선과 형광체의 상호작용이 막표면 가까이에서 일어날 경우는 계수기인 광전자증배관에 계수될 확률이 증가하나 함침막의 기공을 통해 측정막 내부로 확산되어 막 내부에서 상호작용에 의하여 생성된 빛은 섬광소멸효과(scintillator quenching effect)로 인하여 광전자증배관에 도달하지 못하는 경우가 많다. 즉, 이는 측정효율의 감소를 초래한다(M.Muramatsu, Surface and Colloid Science, 6, 101 (1973)).

그러므로, 측정막의 효율을 높이기 위해 저에너지 베타선 방출핵종 직접측정을 위한 이중구조 무기형광 함침막에 대한 연구가 진행되었다(한국특허 제440,240호). 상기 이중구조 무기형광 함침막에서는 폴리설폰(polysulfone, PSF)에 무기 형 광물질이 함침된 저에너지 베타선 방출핵종 측정막을 제조함에 있어서, 1차 무기 지지체 및 2차 무기형광 함침막으로 이루어진 이중 구조의 무기형광 함침막을 제조하였으며, 상기 무기형광 함침막은 기존의 단일 구조의 고분자막의 단점인 안정성을 보완하여 방사능 자동측정장치에 적용할 수 있다.

한편, 원자력 연구시설의 해체와 더불어 대량의 폐기물이 발생하므로, 이들 폐기물들을 처리하기 위해서는 정확한 방사선학적인 오염 특성이 평가되어야 하는 데, 특히 우라늄 변환시설의 경우는 해체시 알파선으로 오염된 배관, 저장용기, 반응용기 등이 많이 발생한다. 그러므로, 이들 해체 폐기물들의 알파선 오염도를 측정할 수 있는 섬광체가 필요하다.

그러나, 상기 저에너지 베타선 방출핵종 직접측정을 위한 이중구조 무기형광 함침막에 대한 연구는 무기섬광체의 섬광붕괴시간이 장시간이고 알파선 방출핵종 직접측정에는 적합하지 않아서 당업계에서는 유기섬광체 고분자막의 개발이 절실히 요구되어 왔다. 따라서, 본 발명자들은 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질이 함침되는 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막을 제작하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질이 함침되는 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 i) 폴리설폰, 유기용매 및 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질을 혼합하여 투명한 유기섬광체 함침막 조성물을 형성하는 단계; 및 ii) 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 기질위에 필름 형태로 제막후 건조 및 고형화하여 단일 구조 유기섬광체 함침막을 제조하는 단계를 포함하는 유기섬광체 함침막 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 유기섬광체 함침막을 이용한 알파선 측정방법 및 알파선 측정장치를 제공함에 있다.

본 발명은 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질이 함침되는 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막을 제공한다.

또한, 본 발명은 i) 폴리설폰, 유기용매 및 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질을 혼합하여 투명한 유기섬광체 함침막 조성물을 형성하는 단계; 및 ii) 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 기질위에 필름 형태로 제막후 건조 및 고형화하여 단일 구조 유기섬광체 함침막을 제조하는 단계를 포함하는 유기섬광체 함침막 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 유기섬광체 함침막을 광전자증배관에 부착시켜 알파선과 유기섬광체 함침막사이에서 발생한 섬광을 광전자증배관에서 전기적인 신호로 바꾸어줌으로써 상기 알파선을 측정하는 단계를 포함하는 알파선 측정방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 유기섬광체 함침막이 부착된 광전자증배관이 구비된 알파선 측정장치를 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 유기섬광체 함침막을 포함한다.

상기 유기섬광체 함침막은 폴리설폰 수지에 알파선 방출핵종의 측정이 가능한 유기섬광물질을 함침하는 것으로 이루어진다. 여기서, 상기 폴리설폰수지는 바람직하게는 중량 평균 분자량이 15000 ~ 30000인 것이 사용될 수 있다. 상기 알파선 방출핵종은 Am-241, Po-210, 또는 Ra-226의 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 바람직하게는 상기 알파선 방출핵종으로 Am-241을 사용할 수 있다.

상기 유기섬광물질은 방사선과의 상호작용에 의하여 섬광이 발생하는 물질이다. 상기 유기섬광물질은 알파선과 비가시광선 영역에서 섬광을 일으키는 제1유기섬광물질과 상기 제1유기섬광물질의 섬광의 파장을 가시광선 영역으로 이동시키는 제2유기섬광물질을 포함할 수 있다.

상기 제1유기섬광물질은 PPO(2,5-디페닐옥사졸), B-PBD(2-(4-부틸페닐)-5-(4-비페닐일)-1,3,4-옥사디아졸), BBOT(2,5-비스-(5-t-부틸벤즈옥사졸일) 티오펜), 파라-터페닐, 나프탈렌, 안트라센, 또는 스틸벤의 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있고, 상기 제2유기섬광물질은 POPOP(1,4-비스-[5-페닐-2-옥사졸]벤젠)을 사용할 수 있다. 바람직하게는 PPO와 POPOP를 사용할 수 있다. 이때, POPOP는 PPO에서 나오는 자외선 영역의 파장을 흡수하여 광전자증배관이 검출할 수 있는 가시광선 영역의 파장으로 바꾸어 빛을 내는 역할을 한다.

상기 폴리설폰과 유기섬광물질의 제1 유기섬광물질과 제2 유기섬광물질의 중량비는 폴리설폰 25g을 1로 할 때 1:0.1:0.01 ~ 1:3.0:1.0 이다.

상기 중량비를 초과하면 상기 유기섬광물질의 증가에 따른 알파선 측정 향상을 기대할 수 없으며, 상기 중량비 미만이면 알파선 방출핵종에 대한 감도가 너무 약하여 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.

여기서, 알파선 측정에 최적인 바람직한 폴리설폰 수지, PPO 및 POPOP의 중량비는 1:3.0:0.10이다.

상기 유기섬광체 함침막은 알파선 측정용으로 상기 유기함침막의 도말두께는 150 ~ 300 ㎛인 것이 사용될 수 있다.

여기서, 실제 고형화된 유기섬광체 함침막의 두께는 10 ~ 60 ㎛인 것이 사용될 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우, 유기섬광체 함침막의 두께 증가에 따른 고분자막의 안정성 효과는 증가하지 않으며, 상기 범위 미만인 경우, 고분자막의 안정성을 향상시키는 지지체로서의 역할을 수행할 수 없다. 바람직한 유기섬광체 함침막의 두께는 40 ~ 50 ㎛인 것이 사용될 수 있다.

유기섬광물질의 농도에 따라 유기섬광체 함침막의 섬광특성에 차이가 나타나므로 각 유기섬광물질의 농도에 따른 섬광을 측정해보면, 제1유기섬광물질 약 3.0중량%, 제2유기섬광물질 약 0.10중량% 각각에서 상기 유기섬광체 함침막은 최적의 섬광특성을 나타낼 수 있다(도 1a, 도 1b 참조).

상기 선택된 최적의 제작조건에 따라 제조된 상기 유기섬광체 함침막에서 각각의 PPO와 POPOP에 대한 발광스펙트럼을 조사하면, 420nm 부근의 파장 영역에서 가장 많은 섬광을 방출하고 있어서, 알파선 측정 자동측정장비의 광전자증배관(PMT)의 응답 파장인 420nm와 가장 잘 부합한다(도 2 참조).

또한, 상기 유기섬광체 함침막의 광투과율은 75 ~ 95%인 것이 사용될 수 있다. 상기 광투과율이 높을 수록 알파선 검출효율이 좋다. 본 발명의 유기섬광체 함침막은 알파선 측정용 시료채취 소재로써, 섬광체에서 발생하는 형광의 손실을 최소화하도록 광에 대해 투명하게 제작되어야 한다. 따라서, 상기 제조한 유기섬광체 함침막의 광투과성을 조사하기 위하여 자외선 스펙트로포토메타(UV Spectro-photometer)를 사용하여 유기섬광체 함침막의 광투과율을 측정하면, 섬광체의 양이 증가함에 따라 광투과율이 감소하는 데, 이는 섬광체의 양이 증가함에 따라 광의 흡수율이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는 알파선과의 상호작용에 의하여 생성된 섬광이 광전자증배관에서 수광되는 것을 방해하여 알파선 검출 성능의 저하를 초래할 수 있다. 본 발명의 유기섬광체 함침막의 가시광선 영역의 광투과성은 75 ~ 95%로 광투과도도 높고 광전자증배관에서 수광되는 가시광선의 투과도이므로, 알파선 검출 성능을 감소시키지 않는다(도 3참조).

본 발명의 유기섬광체 함침막은 도말 두께 150 ~ 300 ㎛인 경우 약 24 N/㎟의 인장강도를 나타낸다. 상기 범위를 초과하는 경우, 막의 두께 증가에 따른 막의 안정성 효과는 증가하지 않으며, 상기 범위 미만일 경우, 막의 안정성을 향상시키는 지지체로서의 역할을 수행할 수 없다.

또한, 본 발명은 유기섬광체 함침막의 제조방법을 포함한다.

i) 폴리설폰, 유기용매 및 유기섬광체를 혼합하여 투명한 유기섬광체 함침막 조성물을 형성하는 단계; 및

ii) 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 기질위에 필름 형태로 제막후 건조 및 고형화하여 유기함침막을 제조하는 단계로 이루어진 유기섬광체 함침막의 제조방법을 포함한다.

i)의 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 형성하는 단계는 폴리설폰과 유기섬광물질을 정량한 후, 여기에 유기용매를 투입하여 투명한 조성물을 만드는 단계 또는 유기용매에 유기섬광물질을 첨가한 후, 고분자 소재인 폴리설폰을 녹여서 투명한 조성물을 만드는 단계를 포함한다.

ii)의 상기 유기섬광체 함침막 조성물에 기포가 없는 것을 확인하고 상기 투명한 유기섬광체 함침막 조성물을 기질 위에 제막후 건조 및 고형화하여 폴리설폰 필름을 제조하는 것으로, 기질은 통상적으로 사용할 수 있는 모든 기질을 사용할 수 있고 본 발명에서 제한하지 않는다. 상기 제막방법은 본 분야에서 사용할 수 있는 통상적인 제막장치를 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 닥터 블레이드(Doctor Blade), 캐스팅 기계(Casting Machine)와 같은 균일한 두께를 줄 수 있는 어플리케이트를 사용하여 제막한다. 제막후 상기 유기섬광체 함침막 조성물에 존재하는 용매를 건조시키며, 바람직하게는 진공 및 실온하에서 24 ~ 48 시간동안 건조시켜 폴리설폰 필름, 즉 유기섬광체 함침막을 제조한다.

상기 유기용매는 메틸렌클로라이드, 클로로벤젠, 디메틸포름아마이드, 메틸 피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세테이트, 벤조나이트릴 또는 테트라메틸우레아의 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하고 바람직하게는 메틸렌클로라이드를 사용한다.

또한, i) 단계의 폴리설폰과 유기용매의 중량비는 1:2.0 ~ 1:6.0이고, 상기 i) 단계의 폴리설폰, 유기섬광물질인 제1유기섬광물질과 제2유기섬광물질 그리고 유기용매의 중량비는 1.0:0.1:0.01:2.0 ~ 1.0:3.0:1.0:6.0 이다.

상기 간단한 제조방법에 따라 유연하고 다양한 형상의 고분자 소재가 제조된다.

폴리설폰 수지의 함량이 상기 중량비보다 초과하면 기포가 많이 발생하고, 상기 중량비보다 미만이면 고분자막 형성이 어렵다. 용매의 함량이 상기 중량비보다 초과하면 제막시간이 오래 걸리고, 상기 중량비보다 미만이면 균일한 용액을 형성하기 어렵다. 유기섬광물질 PPO의 함량이 상기 중량비보다 초과하면 투과율이 감소하고, 흡수율이 증가하고, 상기 중량비보다 미만이면 알파선 측정 효율이 감소한다. 파장이동기 POPOP의 함량이 상기 중량비보다 초과하면 섬광소멸효과가 나타나고, 상기 중량비보다 미만이면 측정장비에 적합한 섬광을 방출하지 못한다.

구체적으로, 유기용매에 알파선 방출핵종 측정이 가능한 유기섬광물질 PPO, 파장이동기(wave shifter) POPOP를 용해시키고, 여기에 폴리설폰을 넣어 투명한 조성물을 형성한다. 이 고분자혼합물을 26.5℃에서 24시간 흔들어주어 유기섬광체 조성물을 제조한다. 본 발명의 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 제막 건조시켜 유기섬광체 함침막을 제조한다. 상기 균일한 유기섬광체 함침막 조성물 내에 산소 소멸 효과를 일으킬 수 있는 기포가 없음을 확인한 후, 제막장치를 이용하여 유리판위에 필름형태로 제막한다. 이때 제작된 유기섬광체 함침막은 고정형 닥터 블레이드 또는 캐스팅 기계를 사용하여 도말 두께가 150 ~ 300 ㎛가 되도록 한다. 그후 유리판위에 제막한 유기섬광체 함침막을 24시간 대기에 방치하여 고형화시킨 후, 소량의 물을 고분자막에 떨어뜨려 유리판에서 분리한다(도 4참조).

또한, 본 발명은 유기섬광체 함침막을 사용한 알파선 측정방법을 포함한다.

알파선 측정방법은 유기섬광체 함침막을 광전자증배관에 부착시켜 알파선과 유기섬광체 함침막사이에서 발생한 섬광을 광전자증배관에서 전기적인 신호로 바꾸어줌으로써 상기 알파선을 측정한다.

즉, 알파선과 같은 이온화 방사선이 본 발명의 유기섬광체에 흡수되면, 흡수된 에너지의 일부가 가시광선 영역의 섬광을 방출한다. 이때 방출된 섬광은 광전자증배관에서 전기적인 신호로 변환되며, 이 전기적인 신호를 전자회로를 이용하여 계수함으로써 방사능을 측정할 수 있다(도 5 참조).

또한, 본 발명은 유기섬광체 함침막을 사용한 알파선 측정장치를 포함한다.

알파선 측정장치는 유기섬광체 함침막이 부착된 광전자증배관에 전원을 인입하고, 발생한 섬광을 상기 광전자증배관에서 전기적인 신호로 변환시키고, 이 신호를 증폭기에서 1차 증폭, 주증폭한 후, 단일파고분석기(SCA, Single Channel Analyzer)에서 파고를 선별하고 카운터로 방사선 계수한 후 컴퓨터로 장비를 제어 하는 것이다(도 5 참조).

즉, 전원을 유기섬광체 함침막이 설치된 광전자증배관에 공급한 후, 상기 유기섬광체 함침막과 알파선이 반응하여 섬광을 발생하고, 이 섬광을 상기 광전자증배관에서 전기적인 신호로 변환시키고, 이 신호를 1차 증폭, 주증폭한 후, 파고를 선별하고 방사선 계수한 후 컴퓨터로 제어한다.

상기와 같은 알파선 방출핵종 측정을 위한 유기섬광체 함침막은 폴리설폰과 알파선 방출핵종 측정이 가능한 유기 섬광물질로 이루어지므로써, 높은 발광특성을 지닌 투명한 단일구조이고, 유기섬광체 함침막의 안정성과, 검출효율 및 성능향상을 이룰 수 있어 알파선측정용 자동화장치에 장착하여 효율적인 탐지를 할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예> PPO와 POPOP를 사용한 유기섬광체 함침막

유기섬광체 함침막을 유기섬광체 함침막 조성물을 제막한 후, 고형화하는 과정을 거쳐 제조하였다.

상기 고분자 물질로 선택된 폴리설폰(PSF, 중량평균분자량 22,000)은 알드리 치(Aldrich)로부터 구입하였으며, 별도의 정제과정을 거치지 않고 사용하였다. 또한 유기섬광체의 제1유기섬광물질은 PPO(2,5-디페닐옥사졸)를, 파장이동기(WAVE SHIFT)인 제2유기섬광물질은 POPOP(1,4-비스[5-페닐-2-옥사졸]벤젠)을 준비하였다. 유기섬광체를 전자저울을 사용하여 표 1와 같이 정량한 후 삼각플라스크에 넣고, 여기에 용매인 메틸렌클로라이드 80g과 고분자 수지인 폴리설폰 25g을 넣어 26.5℃에서 24시간 흔들어주었다(shaking). 균일한 유기섬광체 함침막 조성물내에 산소 소멸효과(Quenching)를 일으킬 수 있는 기포가 없음을 확인한 후, 제막장치를 사용하여 필름형태로 제막하였다. 이때 제작된 유기섬광체 함침막은 고정형 닥터 블레레이드(Doctor Blade, 상품명:S211201, 제조회사:쉰 계측기 주식회사(Sheen Instruments LTD)를 사용하여 그 도말 두께가 300 ㎛가 되도록 하였다. 유리판위에 제막한 유기섬광체 함침막을 24시간 대기 방치하여 고형화시킨 후, 소량의 물을 고분자막에 떨어뜨려 유리판에서 분리하였다(도 4 참조).

상기 유기섬광체 함침막은 알파선 방출핵종을 직접 측정하게 되므로, 알파선 방출핵종에 오염된 방사성 물질과 유기섬광물질이 직접 접촉하여 반응을 일으킬 수 있었다. 또한, 알파선을 측정하기 위하여는 섬광의 붕괴 시간이 짧아야 하므로 폴리설폰에 유기섬광체인 PPO와 POPOP를 동시에 첨가하였다. 상기 유기섬광체 함침막은 유기섬광물질인 PPO와 POPOP가 동시에 첨가되어 우수한 발광파장(도 1a, 도 1b 참조, 도 2 참조)과 가시광선 영역에서의 높은 광투과율(도 3 참조)을 얻었다. 여기서, PPO는 유기섬광물질이고, POPOP는 PPO에서 발생되는 섬광의 파장을 이동시키는 물질이므로, 상기 섬광의 파장이 이동됨으로써 광전자증배관(PMT)에서 감지할 수 있어, 감지된 광을 전기적 신호로 변환시킬 수 있었다.

상기 폴리설폰과 유기섬광체 PPO, POPOP로 이루어진 유기섬광체 함침막은 비흡습성의 메틸렌클로라이드 용매를 사용하여 균일하고 치밀한 구조를 가질 수 있었다. 그리고, 상기 유기섬광체 함침막 조성물은 제조시 용액의 투명함을 그대로 유지하여 상기 유기섬광체 함침막도 투명하므로 높은 광투과율을 가질 수 있었다.

<실험예 1> 물리 · 화학적 특성 평가에 의한 유기섬광체 함침막의 최적제조조건 도출

유기섬광체의 제1유기섬광물질과 제2유기섬광물질의 농도에 따른 각각의 섬광특성을 조사하기 위하여 다음 표 1의 조성에 따라 유기섬광체 함침막 조성물을 제조하였다. 이들 용액을 각 조성에 맞게 혼합한 후, 26.5℃에서 24시간 동안 흔들어주었다(shaking). 균일한 유기섬광체 함침막 조성물을 자동 제막장치를 이용하여 필름형태로 유리판위에 고착시킨 후, 대기상태에서 고형화하였다.

폴리설폰 및 유기섬광체 조성 및 분취량

시료	폴리설폰(g)	제1 유기섬광물질	시료	폴리설폰(g)	제2 유기섬광물질
		PPO(중량%)			POPOP(중량%)
1-1	25	0.1	2-1	25	0.01
1-2	25	0.3	2-2	25	0.02
1-3	25	0.5	2-3	25	0.03
1-4	25	0.7	2-4	25	0.04
1-5	25	1.0	2-5	25	0.05
1-6	25	1.5	2-6	25	0.06
1-7	25	2.0	2-7	25	0.07
1-8	25	3.0	2-8	25	0.10
-	-	-	2-9	25	1.00

상기 실험예 1에서 제조한 유기섬광체 함침막들의 발광스펙트럼을 측정하고 그 결과를 도 1a, 도 1b에 나타내었다. 도 1a, 도 1b에서 나타낸 바와 같이, PPO는 3중량%, POPOP는 0.10중량%에서 가장 좋은 섬광특성을 나타내었다. 즉, 유기섬광물질의 각각의 농도에 따른 최적의 제작 조건을 조사하기 위해 유기섬광체의 각 조성 함량에 따라 단독 첨가하여 유기섬광체 함침막을 제조한 후, 각각에 대한 발광스펙트럼을 조사하였다(도 1a, 도 1b 참조). 도 1a는 제1 유기섬광물질인 PPO의 농도에 따른 발광스펙트럼을 나타낸 그래프로서, 약 3.0 중량%에서 가장 좋은 섬광 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 도 1b는 제2 유기섬광물질인 POPOP의 농도에 따른 발광스펙트럼을 조사한 그래프로서, 약 0.10 중량%일 때 가장 좋은 섬광특성을 얻을 수 있었다.

또한, 이들 값의 발광스펙트럼을 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이, 420nm 부근의 파장 영역에서 가장 많은 섬광을 방출하였으며, 알파선 측정 자동측정장비인 광전자증배관(PMT)의 응답파장인 420 nm와 가장 잘 부합하는 것을 나타내었다. 약 420 nm의 파장 영역에서 가장 많은 섬광을 내고 있는 유기섬광체 함침막의 중량비는 1:3.0:0.10 (폴리설폰:PPO:POPOP)으로, 유기섬광물질인 PPO와 POPOP의 농도가 빛의 방출에 많은 영향을 주었다.

표 1에 주어진 PPO와 POPOP의 농도에 따른 고분자막의 광투과율을 측정한 그래프를 보면 광투과율이 350nm이상의 파장에 대해서 급격히 증가하는 특징을 보였다(도 3참조).

상기 실험예에서 도출된 폴리설폰에 대한 유기섬광체의 최적의 무게비를 기준으로 150 ~ 300 ㎛ 범위의 도말 두께로 막을 제조하였다.

또한, 유기섬광체 함침막의 기계적 강도를 측정하기 위해, 상기 유기섬광체 함침막의 최적제조조건의 중량비인 1:3.0:0.1 로 폴리설폰 혼합 용액을 제조한 후, 고정형 닥터 블레이드의 두께를 변화시켜 제막한 유기섬광체 함침막의 인장강도를 조사하였다. 본 발명의 유기섬광체 함침막은 도말 두께 150 ~ 300 ㎛인 경우 약 24 N/㎟의 인장강도를 나타내었다.

<실험예 2> 방사선 적용성 실험

유기섬광체 함침막과 방사선과의 상호작용에 의하여 생성된 섬광을 측정하여 이들의 성능을 해석하였다. 제조된 측정막의 표면에 동일한 양의 방사성 핵종을 투여하고 발생하는 섬광의 양을 계수하여 막의 탐지 특성을 측정하였다.

상기 실시예 1에서 제조된 단일구조 유기섬광체 함침막의 방사선학적인 적용성을 평가하기 위하여 알파선 방출핵종인 Am-241을 이용하였다. 준비한 Am-241 표준선원을 방사능 농도가 100 ㏃/㎕이 되도록 제조하였다. 표준용액을 여러 가지 공정에 따라 제조한 유기섬광체 함침막에 30 ㎕를 도포하였다. 방사성 표준용액을 도포한 유기섬광체 함침막은 광전자증배관을 이용하여 알파선 검출 성능을 측정하였다. 상기에서 도출한 최적 제조조건을 바탕으로 도말두께별 유기섬광체 함침막의 알파선 검출 성능을 도 6에 나타내었다.

도말 두께가 150 ㎛이고 유기섬광체 함침막의 막두께가 26.8 ㎛일 때 알파선 계수율보다 도말 두께가 250 ㎛이고 유기섬광체 함침막의 막두께가 46.4 ㎛일 때 알파선 계수율이 높고, 또한 도말 두께가 300 ㎛이고 유기섬광체 함침막의 막두께가 50.0 ㎛일 때 알파선 계수율보다 도말 두께가 250 ㎛이고 유기섬광체 함침막의 막두께가 46.4 ㎛일 때 알파선 계수율이 높으므로 도말 두께가 250 ㎛일 때가 알파선 검출용 최적 도말 두께임을 얻을 수 있었다(도 6 참조).

알파선 방출핵종 측정을 위한 유기섬광체 함침막은 폴리설폰과 알파선 방출핵종 측정이 가능한 유기 섬광물질로 이루어지므로써, 높은 발광특성을 지닌 투명한 단일구조이고, 막의 안정성과, 검출효율 및 성능향상을 이룰 수 있어 알파선측정용 자동화장치에 장착하여 효율적인 탐지를 할 수 있다.

Claims (22)

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11. i) 폴리설폰; 및 알파선과 비가시광선 영역에서 섬광을 일으키는 물질인 PPO(2,5-디페닐옥사졸), B-PBD(2-(4-부틸페닐)-5-(4-비페닐일)-1,3,4-옥사디아졸), BBOT(2,5-비스-(5-t-부틸벤즈옥사졸일) 티오펜), 파라-터페닐, 나프탈렌, 안트라센, 또는 스틸벤으로 구성되는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 제1 유기섬광물질; 및 상기 제 1유기 섬광물질의 섬광의 파장을 가시광선 영역으로 이동시키는 제2 유기섬광물질인 POPOP; 및 메틸렌클로라이드, 클로로벤젠, 디메틸포름아마이드, 메틸피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세테이트, 벤조나이트릴 또는 테트라메틸우레아의 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 유기용매를 중량비 1.0:0.1:0.01:2.0~1.0:3.0:1.0:0.6 로 혼합하여 유기섬광체 함침막 조성물을 형성하는 단계; 및

    ii) 상기 유기섬광체 함침막 조성물을 기질 위에 필름 형태로 제막 후 건조 및 고형화하여 단일 구조 유기섬광체 함침막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알파선 방출핵종의 측정용 유기섬광체 함침막 제조방법.
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17. 제 11항에 있어서, 유기섬광체 함침막은 그 도말두께가 150~300 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.
18. 제 11항에 있어서, 유기섬광체 함침막은 그 광투과율은 75~95% 인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.
19. 제 11항에 있어서, 제1 유기섬광물질은 PPO, 제2 유기섬광물질은 POPOP 인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.
20. 제 19항에 있어서, 폴리설폰과 PPO, POPOP의 중량비는 1:0.1:0.01~1:3.0:1.0 인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.
21. 제 11항에 있어서, 상기 i)단계의 폴리설폰수지의 중량 평균 분자량은 15000~30000 인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.
22. 제 11항에 있어서, 상기 ii)단계의 유기섬광체 함침막이 측정 가능한 알파선 방출핵종은 Am-241, Po-210, 또는 Ra-226의 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기섬광체 함침막 제조방법.

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