KR101982101B1 - 중성자 변환층을 구비하는 박막 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 중성자 검출기 - Google Patents

중성자 변환층을 구비하는 박막 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 중성자 검출기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따라, 베이스 기판, 및 베이스 기판 상에 위치하며, 붕소 함유 나노 물질 및 바인더를 포함하는 중성자 변환층을 포함하되, 중성자 변환층은, 일 방향을 따라 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지는, 박막 구조체가 게시된다.

Description

중성자 변환층을 구비하는 박막 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 중성자 검출기{Thin film structure having neutron conversion layer, method for fabricating the same and neutron detector including the same}
본 발명의 기술적 사상은 박막 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 중성자 검출기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 붕소 함유 나노 물질로 이루어진 중성자 변환층을 구비하는 박막 구조체, 용액 공정을 이용한 이의 제조 방법 및 상기 박막 구조체를 포함하는 중성자 검출기에 관한 것이다.
최근 원자로나 고속증식로 등의 원자력 시설, 핵융합시설이나 환부 의료용으로서 사용되는 중성자선 치료시설 등의 원자력 사업의 발전과 함께, 이들 각 시설로부터 발생하는 인체에 유해한 중성자선의 검출 및 차폐 보호가 가능한 재료의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 종래의 중성자 검출기는 고비용이며, 제작 가능한 검출 감지 면적이 수 센티미터 이하로 작아서 대면적에 적용하기에 어려움이 있었다. 또한, 종래의 중성자 차폐재는 제작 비용이 높고, 대면적으로 제작하기에는 어려움이 있었다.
따라서, 이러한 종래의 기술을 대체하기 위한 중성자 검출기 및 차폐재를 개발할 필요가 있었다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 저비용 공정을 통해 대면적으로 제작이 가능하고, 높은 내구성과 유연성을 갖는 박막 구조체 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 박막 구조체를 포함하는 중성자 검출기를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 박막 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 중성자 검출기가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 박막 구조체는 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판 상에 위치하며, 붕소 함유 나노 물질 및 바인더를 포함하는 중성자 변환층;을 포함하되, 상기 중성자 변환층은, 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아진다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층은, 상기 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 밀도가 점진적으로 커지거나 작아질 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 붕소 함유 나노 물질은, 붕소 나노 입자, 붕소 질화물 나노 입자 및 붕소 탄화물 나노 입자 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 바인더는 하이드로프로필 메틸 셀룰로스, 결정질 셀룰로스, 폴리(메트)아크릴레이트들, 아크릴레이트와 메타크릴레이트의 공중합체, 스티렌 및 (메트)아크릴레이트의 공중합체, 카르복시메틸 셀룰로스, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스티렌설폰산 및 덱스트란 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판은 전도성 재료를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판은 n형 반도체층 및 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층의 총 중량을 기준으로 상기 붕소 함유 나노 물질은 40중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층은 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층은 전도성 입자를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층의 두께는 2μm 내지 10 μm일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 박막 구조체의 제조 방법은 조(bath) 내에 위치한 베이스 기판 상에 붕소 함유 나노 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 조성물을 제공하는 단계; 및 상기 용매를 제거함으로써 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지는 중성자 변환층을 형성하는 단계;를 포함한다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 용매는 서로 다른 증발 속도를 갖는 복수의 용매들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안, 상기 조가 소정의 시간 동안 완전히 밀폐된 다음, 개방될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 조는 공기 주입구와 공기 배출구를 갖고, 상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안, 상기 공기 주입구와 상기 공기 배출구를 통해 공기가 흐를 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 조성물은 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 양태에 따른 중성자 검출기는 음극; 및 양극을 포함하고, 상기 음극은 상술한 박막 구조체를 포함한다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 음극은 상기 베이스 기판이 외부 표면을 구성하고 상기 박막이 내부 표면을 구성하는 원통형상을 가질 수 있고, 상기 양극은 상기 음극의 내부에 위치하되 상기 박막과 접촉하지 않을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 박막 구조체는 중성자 검출 및/또는 차폐가 가능하고, 저비용으로 제작될 수 있으며, 대면적일 수 있다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 구조체의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 구조체의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막의 제조 방법에서 사용되는 조(bath)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 검출기의 모식도이다.
도 9는 실시예 1의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진을 도시한 것이다.
도 10은 실시예 2의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 11은 실시예 3의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 12는 실시예 4의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 13은 실시예 5의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 14는 실시예 6의 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 15는 평가예 1의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 평가예 2의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 시뮬레이션 값과 평가예 2의 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 기술적 사상은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 기술적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 기술적 사상을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 기술적 사상의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체를 상세히 설명한다. 이는 오직 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 참조에 의하여 제한되는 것을 의미하지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체(1)는 베이스 기판(110); 및 베이스 기판(110) 상에 위치하며, 붕소 함유 나노 물질(121) 및 바인더(122)를 포함하는 중성자 변환층(120);을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 중성자 변환층(120)은, 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아질 수 있다. 중성자 변환층(120)은, 상기 일 방향을 따라 붕소 함유 나노 물질(121)의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아질 수 있기 때문에, 공극률이 최소화될 수 있고, 붕소 함유 나노 물질의 함량이 최대화될 수 있다.
다른 실시예에서, 중성자 변환층(120)은 상기 일 방향을 따라 붕소 함유 나노 물질(121)의 밀도가 점진적으로 커지거나 작아질 수 있다. 예를 들어, 중성자 변환층(120)은 상기 일 방향을 따라 붕소 함유 나노 물질(121)의 밀도가 점진적으로 커질 수 있다.
한편, 상기 일 방향은 베이스 기판(110)으로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 또는, 상기 일 방향은, 베이스 기판(110)의 가장 넓은 표면에 대해 수직인 방향일 수 있다.
붕소 함유 나노 물질(121)은 붕소 나노 입자, 붕소 질화물 나노 입자, 붕소 탄화물 나노 입자 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 여기서, '나노 입자'는 구 형상을 갖는 수 나노미터 크기의 입자를 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 완전한 구 형상 외에 대략적으로 구 형상의 모양인 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, '나노 입자'는 구 형상을 갖되 외표면이 평탄하지 않을 수 있으며, 또는 곡률반경이 일정하지 않을 수도 있다. 한편, 붕소 함유 나노 물질(121)은 상술한 나노 입자들 및 다른 붕소 화합물 나노 입자들 중에서 선택되는 1종 이상일 수도 있다. 이하에서는, 붕소 함유 나노 물질(121)이 붕소 나노 입자, 붕소 질화물 나노 입자, 및 붕소 탄화물 나노 입자 중에서 선택되는 1종 이상인 경우를 예로 들어 설명한다.
상기 붕소 나노 입자, 상기 붕소 질화물 나노 입자 및 상기 붕소 탄화물 나노 입자의 평균 직경은 수십 nm 내지 수 um일 수 있다. 예를 들어, 상기 붕소 나노 입자, 상기 붕소 질화물 나노 입자 및 상기 붕소 탄화물 나노 입자의 평균 직경은 대략 100 nm 내지 275 nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 붕소 나노 입자, 상기 붕소 질화물 나노 입자 및 상기 붕소 탄화물 나노 입자의 직경의 표준 편차는 수 nm 내지 수백 nm 일 수 있다. 예를 들어, 상기 붕소 나노 입자, 상기 붕소 질화물 나노 입자 및 상기 붕소 탄화물 나노 입자의 직경의 표준 편차는 대략 35.8 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 직경의 표준 편차가 적정 범위를 만족하면(예를 들면, 표준 편차가 평균 직경 값의 수십 % 내외인 범위), 상기 중성자 변환층의 공극률을 최소화시킬 수 있고, 상기 중성자 변환층 중 붕소 함유 나노 물질의 함량을 최대화시킬 수 있다.
바인더(122)는 하이드로프로필 메틸 셀룰로스, 결정질 셀룰로스, 폴리(메트)아크릴레이트들, 아크릴레이트와 메타크릴레이트의 공중합체, 스티렌 및 (메트)아크릴레이트의 공중합체, 스티렌부타디인 고무, 카르복시메틸 셀룰로스, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스티렌설폰산, 폴리염화비닐리덴 및 덱스트란 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
구체적으로, 바인더(122)는 폴리염화비닐리덴(전도성, 분산성, 접착성, 유연성에서 좋음) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 붕소 함유 나노 물질(121)은 40중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 붕소 함유 나노 물질(121)의 함량이 전술한 범위를 만족하면, 박막 구조체(1)에 입사되는 중성자의 평균 자유 경로의 길이가 감소하고 붕소 함유 나노 물질과의 충돌 확률이 증가되어 중성자가 효과적으로 변환 및/또는 차폐될 수 있다.
구체적으로, 중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 붕소 함유 나노 물질(121)은 60중량% 내지 90중량%로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 바인더(122)는 1중량% 내지 60중량%로 포함될 수 있다. 바인더(122)의 함량이 전술한 범위를 만족하면, 중성자 변환층(120)의 흐트러짐이나 변형이 방지될 수 있어 중성자 변환층(120)이 높은 내구성을 가질 수 있게 된다.
구체적으로, 중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 바인더(122)는 10중량% 내지 40중량%로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중성자 변환층(120)은 계면활성제를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 상기 계면활성제는 0.01중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 상기 계면활성제의 함량이 전술한 범위를 만족하면, 넓은 면적의 베이스 기판(110)에 균일한 두께와 성분을 가진 중성자 변환층(120)의 형성이 더 용이해지며, 중성자 변환층(120)의 표면 흠결이 최소화될 수 있다.
구체적으로, 상기 계면활성제는 수계 계면활성제, 비수계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제 및 비실리콘계 계면활성제 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로, 상기 계면활성제는 PDMS일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중성자 변환층(120)은 전도성 입자를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 중성자 변환층(120)의 총 중량을 기준으로 상기 전도성 입자는 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 전도성 입자의 함량이 전술한 범위를 만족하면, 중성자 변환층(120)의 전기 전도성을 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 전도성 입자는 은 입자, 구리 입자, 금 입자, 알루미늄 입자, 탄소 입자 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로, 상기 전도성 입자는 탄소 입자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중성자 변환층(120)의 두께는 수 μm, 예를 들어, 대략 2μm 내지 10μm일 수 있다. 박막의 두께가 전술한 범위를 만족하면, 중성자가 효과적으로 차폐될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
베이스 기판(110)은 금속 물질과 같은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스 기판(110)은 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 스칸듐, 이트륨, 코발트, 크 롬, 니켈, 탄탈륨, 몰리브덴 및 텅스텐 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 기판일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 베이스 기판(110)은 상기 전도성 재료가 일면에 증착된 기판일 수도 있다.
베이스 기판(110)이 상기 전도성 재료를 포함하는 경우, 상기 박막 구조체는 중성자 검출기의 일극(예를 들어, 음극)으로 사용될 수 있다.
또는, 베이스 기판(110)이 상기 전도성 재료를 포함하는 경우, 상기 박막 구조체가 소정의 간격을 두고 복수 개 적층되어, 상기 적층체가 중성자 검출기의 일극(예를 들어, 음극)으로 사용될 수 있다(도 2 참조). 상기 박막 구조체가 소정의 간격을 두고 복수 개 적층된 경우, 상기 박막 구조체가 복수 개 포함됨에 따라 중성자 검출 효율이 증가할 수 있고, 상기 박막 구조체가 소정의 간격을 두고 있어, 중성자 검출 신호가 서로 간섭되지 않을 수 있다.
구현예에 따라서는, 베이스 기판(110)은 n형 반도체층 및 p형 반도체층을 포함할 수 있다. 베이스 기판(110)이 n형 반도체층 및 p형 반도체층을 포함하는 경우, 상기 박막 구조체는 고체소자형 중성자 검출기의 중성자 검출부로 사용될 수 있다(도 3 참조).
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법을 상세히 설명한다. 이는 오직 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 참조에 의하여 제한되는 것을 의미하지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 구조체의 제조 방법은 조(bath) 내에 위치한 베이스 기판 상에 붕소 함유 나노 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 조성물을 제공하는 단계; 및 상기 용매를 제거함으로써 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지는 중성자 변환층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 붕소 함유 나노 물질 및 바인더에 대한 설명은 각각 전술한 박막 구조체 중의 붕소 함유 나노 물질 및 바인더에 대한 설명을 참조한다.
상기 박막 구조체의 제조 방법은 간단한 구조의 제조 장치를 사용하고, 대면적으로 박막 구조체의 제조가 가능하고, 버려지는 붕소 함유 나노 물질을 최소화할 수 있으므로, 박막 구조체의 제조 비용이 낮아질 수 있다는 장점이 있다.
상기 용매의 제거는 자연 증발로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 4℃ 내지 50℃의 온도 범위에서 10 내지 10000분 동안 자연 증발을 시킴으로써, 상기 용매를 제거할 수 있다.
상기 용매는 서로 다른 증발 속도를 갖는 복수의 용매들을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 용매는 분자 간의 인력, 점성, 또는 응집력 등의 차이로 인해 증발 속도가 서로 다른 다양한 용매로 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 용매들의 증발 속도를 원하는 대로 제어하여 상기 붕소 함유 나노 물질의 침적 속도를 조절할 수 있어, 상기 중성자 변환층의 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지게 조절할 수 있다.
예를 들어, 초기에는 증발 속도가 더 빠른 용매(A 용매)가 먼저 증발함에 따라 상기 A 용매가 상당부분 남아있게 되며, 이로 인해 상대적으로 크기가 큰 붕소 함유 나노 물질과 상대적으로 크기가 작은 붕소 함유 나노 물질이 함께 쌓이게 된다. 시간이 지남에 따라 증발 속도가 더 느린 용매(B 용매)의 비율이 증가하게 되고, 이에 따라 후기에는 상대적으로 큰 붕소 함유 나노 물질이 먼저 쌓이고 그 다음 상대적으로 작은 붕소 함유 나노 물질이 쌓이게 된다. 이러한 침적 과정의 조정(즉, 침적 속도의 조정)은 상기 중성자 변환층의 표면의 균일성을 향상시키는데 도움이 된다(도 5 참조).
상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안, 상기 조가 소정의 시간 동안 완전히 밀폐된 다음, 개방될 수 있다. 상기 조를 소정의 시간 동안 완전히 밀폐시킨 후 개방시킴에 따라 상기 용매의 증발 속도를 원하는 대로 조절할 수 있으며, 이에 의해 상기 중성자 변환층의 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지게 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 조가 완전히 밀폐되면, 용매의 증발속도가 낮아져 상대적으로 크기가 큰 붕소 함유 나노 물질이 먼저 쌓이고, 그 다음 상대적으로 크기가 작은 붕소 함유 나노 물질이 나중에 쌓일 수 있다. 이후에, 상기 조가 개방되면, 다시 용매의 증발속도가 증가하고, 여전히 용매 내에 부유하고 있던 작은 붕소 함유 나노 물질이 쌓이게 된다(도 6 참조).
상기 조는 공기 주입구와 공기 배출구를 갖고, 상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안, 상기 공기 주입구와 상기 공기 배출구를 통해 상기 수조에 공기가 흐를 수 있다. 상기 조에 흐르는 공기의 제어를 통해 상기 용매의 증발 속도를 원하는 대로 조절함으로써, 상기 중성자 변환층의 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지게 조절할 수 있다.
예를 들어, 초기에 공기의 흐름을 빠르게 조절하여, 상대적으로 큰 붕소 함유 나노 물질과 상대적으로 작은 붕소 함유 나노 물질이 함께 쌓이나, 시간이 지남에 따라 공기의 흐름을 더 느리게 조절하여, 상대적으로 큰 붕소 함유 나노 물질이 먼저 쌓이고, 그 다음 상대적으로 작은 붕소 함유 나노 물질이 나중에 쌓이게 된다. 상기 조가 공기 주입구와 공기 배출구를 갖는 경우, 상기 조는 도 7과 같은 구조를 가질 수 있다.
한편, 구현예에 따라서, 상기 조는 용매를 배출하기 위한 용매 배출구를 더 포함할 수 있으며, 상기 용매 배출구는 수계에 따라 복수개 구비될 수 있다(도 7 참조).
상기 붕소 나노 입자와 상기 바인더의 중량비는 40:60 내지 99:1일 수 있다. 상기 범위를 만족하면, 중성자가 효과적으로 검출 및/또는 차폐되면서도 높은 유연성과 내구성을 갖는 높은 박막 구조체를 제공할 수 있다.
상기 조성물은 계면활성제를 더 포함할 수 있다. 상기 조성물이 계면활성제를 포함하면, 조성물 중에서 용매가 제거될 때 표면 장력을 감소시킬 수 있어 얻어지는 박막 구조체의 표면을 균일하게 할 수 있다. 계면활성제에 대한 구체적인 설명은 전술한 바를 참조한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 검출기를 상세히 설명한다. 이는 오직 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 참조에 의하여 제한되는 것을 의미하지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 검출기의 모식도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 검출기는 음극; 및 양극;을 포함하고, 상기 음극은, 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판 상에 위치하며, 붕소 함유 나노 물질 및 바인더를 포함하는 중성자 변환층;을 포함하되, 상기 중성자 변환층은, 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아질 수 있다.
상기 음극은 원통형상을 가질 수 있다. 상기 중성자 변환층은 상기 음극의 내부 표면(예를 들어, 상기 원통형상의 내주면)을 구성하고, 상기 베이스 기판은 상기 음극의 외부 표면(예를 들어, 상기 원통형상의 외주면)을 구성할 수 있다. 상기 양극은 상기 음극의 내부에서 상기 박막과 접촉하지 않도록 위치할 수 있다. 상기 음극 및 상기 양극 사이의 공간은 전리될 기체로 채워질 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 합성예 및 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[합성예 및 실시예]
실시예 1
6.7952g의 에탄올, 2.5567g의 아세톤, 4.6476g의 이소프로필 알코올 및 5.3407g의 물에 7.3mg의 폴리비닐피롤리돈을 첨가하였다. 상기 혼합물에 21.87 mg의 붕소 나노 입자를 분산시켰다. 52 mm × 11 mm (지름×높이)의 수조 내에 놓인 35 mm × 35 mm × 0.5 mm(가로×세로×높이)의 실리콘-알루미늄 복합 기판(알루미늄의 두께는 100nm임) 상에 붕소 나노 입자, 폴리비닐피롤리돈, 에탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올 및 물을 포함하는 조성물을 부었다. 25 ℃ 온도에서 20 시간 동안 에탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올 및 물을 증발시킴으로써, 박막 구조체를 얻었다.
이 때, 상기 붕소 나노 입자의 직경은 120nm 내지 250 nm이었고, 평균 직경은 175 nm이었고, 직경의 표준 편차는 35이었다.
얻어진 박막 구조체는 약 4.3μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층(중성자 변환층)을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 9에 도시하였다.
실시예 2
6.7964 g의 에탄올, 2.5531 g의 아세톤, 4.6483 g의 이소프로필 알코올, 5.3350 g의 물, 15.8mg의 폴리비닐피롤리돈 및 23.76 mg의 붕소 나노 입자를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 구조체를 얻었다.
얻어진 박막 구조체는 약 4.71μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 10에 도시하였다.
실시예 3
4.8058 g의 에탄올, 4.8058 g의 아세톤, 4.8058 g의 이소프로필 알코올, 4.8058 g의 물, 2.98 mg의 폴리비닐피롤리돈 및 14.91 mg의 붕소 나노 입자를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 구조체를 얻었다.
얻어진 박막 구조체는 약 3.5μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 11에 도시하였다.
실시예 4
4.8046 g의 에탄올, 4.8046 g의 아세톤, 4.8046 g의 이소프로필 알코올, 4.8046 g의 물, 5.0 mg의 폴리비닐피롤리돈 및 24.84 mg의 붕소 나노 입자를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 구조체를 얻었다.
얻어진 박막 구조체는 약 5.5μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 12에 도시하였다.
실시예 5
4.8034 g의 에탄올, 4.8034 g의 아세톤, 4.8034 g의 이소프로필 알코올, 4.8034 g의 물, 7.0 mg의 폴리비닐피롤리돈 및 34.78 mg의 붕소 나노 입자를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 구조체를 얻었다.
얻어진 박막 구조체는 약 6.5μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 13에 도시하였다.
실시예 6
4.8015 g의 에탄올, 4.8015 g의 아세톤, 4.8015 g의 이소프로필 알코올, 4.8016 g의 물, 10.0 mg의 폴리비닐피롤리돈 및 49.69 mg의 붕소 나노 입자를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 구조체를 얻었다.
얻어진 박막 구조체는 약 9.9μm의 붕소 나노 입자 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 층을 가졌고, 얻어진 박막 구조체의 SEM 사진을 도 14에 도시하였다.
평가예 1: 중성자 검출 효율 측정
252Cf의 핵 붕괴 반응에 의해 방출되는 중성자를 실시예 3에 의해 얻어진 박막 구조체에 조사하였다.
중성자의 전기적인 검출신호를 얻기 위해서, Ortec 480 Pulser, Ortec 428 detector bias supply, Ortec 109A preamplifier, Ortec 575A shaping amplifier, Ortec Easy-MCA 2k multichannel analyzer 및 컴퓨터를 사용했다.
실시예 3에 의해 얻어진 박막 구조체를 PCB 칩셋 위에 연결 부착된 중성자용 알파검출 PIN 다이오드 센서에 완전 밀착하여 올려놓고 고정하였다. 이 때, 박막 구조체 내의 10B가 중성자와 반응하여 생성된 알파 입자 또는 리튬핵이 PIN 다이오드에서 진성층 내의 공핍 영역으로 들어가 전자가 생성된다. 이렇게 얻어진 전류 신호는 전치 증폭기를 통해 전압 펄스로 변환하게 되고, 변환 된 전압 펄스가 증폭기에서 형상화되고 다시 다중 채널 분석기(MCA)로 들어가서 에너지 크기로 구분되어 측정됨으로써, 에너지 스펙트럼이 얻어진다.
실시예 3에 의해 얻어진 박막 구조체의 LLD(The lower level discriminator)가 300KeV, 500KeV일 때의 중성자 변환 효율을 하기 표 1 및 도 15에 나타내었다.
중성자 변환 효율(%)
(LLD가 300KeV일 때)		 중성자 변환 효율(%)
(LLD가 500KeV일 때)
실시예 3 1.81 1.19
실시예 3의 박막 구조체가 10B 함량이 약 19 원자%임을 감안하면, 10B 함량을 100%로 증가시키면 중성자 변환 효율이 5배로 증가할 것으로 예상할 수 있었다.
평가예 2: 중성자 검출 효율 측정 - 두께에 따른 변화 비교
박막 구조체의 최적의 두께를 결정하기 위하여, 서로 다른 두께의 박막 구조체를 형성한 다음 중성자 검출 효율을 측정하여 Monte carlo 시뮬레이션 (MCNP6 프로그램)의 결과와 비교하였다.
실시예 3 내지 6에서 얻어진 박막 구조체에 대해 평가예 1과 동일한 방법으로 LLD가 300KeV일 때의 중성자 검출 효율을 측정하여 도 16에 나타내었다. 이 때, 실시예 3의 결과는 도 16(a)이고, 실시예 4의 결과는 도 16(b)이고, 실시예 5의 결과는 도 16(c)이고, 실시예 6의 결과는 도 16(d)이다.
실시예 3 내지 6에서 얻어진 박막 구조체의 붕소 함유량을 계산하였다. 실시예 3 내지 6에서 얻어진 박막 구조체의 평균 붕소 함유량은 62 중량%임을 알 수 있었다.
실시예 3 내지 6에서 얻어진 박막 구조체의 중성자 변환 효율과 시뮬레이션 값을 도 17과 같이 비교한 결과, 경향성이 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 이로부터, 박막 구조체의 최적 두께는 약 6μm임을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 조(bath) 내에 위치한 베이스 기판 상에 붕소 함유 나노 물질, 바인더 및 서로 다른 증발 속도를 갖는 복수의 용매들을 포함하는 조성물을 제공하는 단계; 및
    상기 복수의 용매들의 증발 속도를 조절하면서 상기 복수의 용매들을 제거함으로써, 일 방향을 따라 상기 붕소 함유 나노 물질의 평균 입경이 점진적으로 커지거나 작아지는 중성자 변환층을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 박막 구조체의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안,
    상기 조가 소정의 시간 동안 완전히 밀폐된 다음, 개방되는, 박막 구조체의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 조는 공기 주입구와 공기 배출구를 갖고,
    상기 중성자 변환층을 형성하는 단계 동안,
    상기 공기 주입구와 상기 공기 배출구를 통해 공기가 흐르는, 박막 구조체의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 조성물은 계면활성제를 더 포함하는, 박막 구조체의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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