KR102081507B1 - 무납 방사선 차폐 시트 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고에너지(100kVp)대에서 뿐만 아니라 저에너지(50~80kVp)대에서도 우수한 차폐성능을 가지고 시트의 내구성이 향상된 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법에 관한 것이다
본 발명에서 제조된 방사선 차폐시트는 납을 함유하지 않고도 고에너지(100kVp)와 저에너지(50~80kVp)대에서 모두 우수한 차폐효율을 보여준다. 본 발명의 방사선 차폐시트는 고에너지에서보다 저에너지대에서 차폐율이 상대적으로 낮은 텅스텐의 함량을 낮추는 대신 저에너지대에서도 여전히 높은 차페율을 보이는 안티몬(Sb)를 사용함으로서 고에너지(100kVp)와 저에너지대에서의 차폐성능을 모두 증가시켰다. 또한, 본 발명의 방사선 차폐 시트는 고무에 산화아연 등 첨가제를 혼합하여 내구성뿐만 아니라 탄성, 인열강도 및 인장강도를 높였다.

Description

무납 방사선 차폐 시트 및 이의 제조방법{LEAD-FREE RADIATION SHEILDING SHEET AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 무납 방사선 차폐 시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고에너지(100kVp)대에서 뿐만아니라 저에너지(50~80kVp)대에서도 우수한 차폐성능을 가지고 시트의 내구성이 향상된 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법에 관한 것이다.
방사선은 지구가 생성될 당시부터 존재하였으며 지금도 우리는 방사선이 가득한 환경하에 생활하고 있다. 방사성 물질에는 자연에 존재하는 것이 있고 산업, 의학 등에 이용하기 위해 인공적으로 만든 것이 있으며 종류도 다양하다.
전리 방사선은 물질을 통과할 때에 이온화를 일으키는 알파, 베타, 양성자, 중성자, 감마선, X-선 등의 방사선을 말하며 알파선은 종이 정도의 두께를 가진 물질에도 흡수되어 차단되며 공기 중에서도 순식간에 멈추어 특별히 차폐가 필요 없으며, 베타선은 알파선보다는 큰 것으로 알려져 있지만 일반적으로는 얇은 알루미늄 포일이나 플라스틱 판 정도로도 막을 수 있다.
반면, 감마선은 핵의 붕괴나 변환으로부터 발생되며 X선 보다 높은 에너지를 갖고 있는 전자기파로서, 투과력이 매우 강한 특징이 있다. 이러한 감마선은 콘크리트, 또는 철, 납과 같은 밀도가 높은 금속 물질을 통해서 차단할 수 있으나 금속물질을 사용하는 경우, 이들의 고밀도로 인하여 차폐재의 중량이 커지는 문제가 있다.
중성자는 핵이 붕괴하거나 분열할 때 발생하며 전하를 띄지 않으나, 고속 중성자의 경우는 1 MeV 이상의 큰 에너지를 갖기 때문에, 고속 중성자를 감속시키기 위해서는 중성자와 질량이 비슷한 수소가 많이 함유된 물질을 함께 사용하며, 이러한 고속중성자가 감속된 에너지가 적은 열중성자 흡수하기 위한 중성자 흡수물질이 혼합된 차폐재가 요구된다.
특히 감마선 또는 중성자는 원자나 분자에 직접 작용하여 DNA나 단백질의 주요 구조를 변경시킬 수 있고, 생물의 생식세포에 작용하는 경우 돌연변이를 유도하여 기형을 유발할 확률을 증가시킬 수 있으며, 인체에 작용하는 경우 암 등의 질환을 발생시킬 수 있으며 더욱이 열중성자는 주위의 물질을 방사화시켜 주위 환경을 방사능으로 오염시키는 문제가 있다. 방사선이 적용되는 분야에서는 인체와 환경에 유해한 감마선 또는 중성자를 차폐할 수 있는 방사선 차폐재가 필수적으로 요구된다. 종래의 감마선 차폐재는 철, 납, 및 시멘트 등을 포함한 납 가운을 사용하는 것이 일반적이었다. 이러한, 납 가운은 염화비닐 수지(PVC), 고무(RUBBER)성분에 납 성분을 분산시킨 후 압출하여 시트 형태로 사용되고 있으나 무게가 5㎏ ~ 10㎏ 정도로 무거워 착용감이 불량하고 활동성이 나빠 착용이 거의 이루어지지 않는 실정이다. 또한, 납은 중금속 물질로 유해성이 높아 폐기 처분도 쉽지 않다.
한국공개특허 10-2015-0122105호에는 납을 사용하지 않고 텅스텐과 바륨 화합물을 사용하여 제조된 방사선 차폐 시트를 제시하고 있다. 하지만, 상기 공개 특허에 의해 제조된 시트는 텅스텐이 다량 함유되어 있어 시트의 무게가 무거울 뿐만 아니라, 다층으로 형성되어야 한다. 또한, 상기 한국공개특허에는 제조된 방사선 시트의 차폐율에 대한 언급이 없어 제품의 신뢰성이 떨어진다.
한국실용신안 공개번호 20-2017-0002685에 폴리올레핀 수지에 텅스텐분말을 포함하는 차폐시트를 구비하는 차폐복이 개시되어 있다. 다만, 상기 실용신안은 관전압 50~90kVp의 방사선을 80% 이상 차폐하는 시트를 포함한다고만 기재되어 있을 뿐, 저에너지(50~80kV)에서나 고에너지(90kV 이상)에서의 차폐율이 어느 정도인지에 대한 기재나 실험 데이터가 없어 제품의 신뢰성이 떨어진다.
본 발명의 목적은 납을 사용하지 않으면서도 저에너지(50~80kVp)대와 고에너지대(100kVp 이상)에서도 높은 차폐효율을 가지는 시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 무게가 가볍고 내구성이 우수한 방사선 차폐용 시트를 제공하는 것이다.
본 발명은
텅스텐과 안티몬을 혼합하고, 고무를 소련(素煉)하는 단계 ;
혼합된 텅스텐과 안티몬을 소련된 고무에 넣어 혼련하여 고형화하는 단계 ; 및
고형화된 혼합물을 일정 두께로 압출 성형하는 단계를 포함하되,
상기 고무는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무이고,
상기 혼련 단계는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450 중량부와 안티몬 250~500중량부를 혼합하여 혼련하는 단계인 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법에 관련된다.
다른 양상에 본 발명은
베이스 고무에 텅스텐과 안티몬이 혼합된 방사선 차폐시트로서,
상기 베이스 고무는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무이고,
상기 텅스텐과 안티몬은 입자 크기가 1~100㎛이고,
상기 방사선 차폐시트는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450 중량부와 안티몬 250~500중량부를 포함하는 무납 방사선 차폐 시트에 관련된다.
본 발명에서 제조된 방사선 차폐시트는 납을 함유하지 않고도 고에너지(100kVp)와 저에너지(50~80kVp)대에서 모두 우수한 차폐효율을 보여준다. 본 발명의 방사선 차폐시트는 고에너지에서보다 저에너지대에서 차폐율이 상대적으로 낮은 텅스텐의 함량을 낮추는 대신 저에너지대에서도 여전히 높은 차페율을 보이는 안티몬(Sb)를 사용함으로서 고에너지(100kVp)와 저에너지대에서의 차폐성능을 모두 증가시켰다. 또한, 본 발명의 방사선 차폐 시트는 고무에 산화아연 등 첨가제를 혼합하여 내구성뿐만 아니라 탄성, 인열강도 및 인장강도를 높였다.
도 1은 혼련 단계를 거친 고형화된 혼합물의 사진이고,
도 2는 도 1을 일정 두께로 압착한 시트이고, 도 3은 도 2의 시트에 가황처리한 최종 제품이다.
도 4 내지 도 7은 실시예 1로 제조한 방사선 차폐시트의 방사선 차폐 시험 성적서이다.
도 8은 실시예 1로 제조한 방사선 차폐시트의 무납 성적서이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 무납 방사선 차폐 시트는 금속 파우더 혼합 및 고무 소련(素煉) 단계, 혼련 고형화 단계, 시트 성형 단계를 포함한다.
먼저, 금속 파우더 혼합은 믹서기(혼합기)로 텅스텐과 안티몬을 혼합한다. 상기 텅스텐과 안티몬은 입자 크기가 1~100㎛일 수 있다.
상기 고무로는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무일 수 있다. 상기 고무로서 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무를 사용함으로서 차폐 시트의 내구성을 높일 수 있다.
고무 소련단계는 혼련기 등을 이용하여 원료고무(예를 들면, 생고무)의 분자사슬을 기계적으로 절단, 사슬상태의 분자간의 꼬임을 풀어서 중합도(重合度)를 낮추어 점탄성(粘彈性)을 떨어뜨리고, 가소성(可塑性)을 높이는 공정이다.
상기 고무 소련 단계는 아연화(산화아연 사용), 산화제(가류제) 또는 이들의 혼합 첨가제를 상기 고무에 첨가할 수 있다. 산화제(가류제)로는 유황, 디지오카바메르계(Thiocarabmate) 촉진제나 쥬우람계(Thjuram) 촉진제를 사용할 수 있다.
고무와 첨가제는 중량비로 1 : 0.01~0.15의 비율로 혼합될 수 있다.
본 발명의 방사선 차폐 시트는 고무에 산화아연 등 첨가제를 혼합하여 내구성뿐만 아니라 탄성, 인열강도 및 인장강도를 높일 수 있다.
상기 혼련 고형화 단계는 혼합된 텅스텐과 안티몬을 소련된 고무에 넣어 혼련하여 고형화하는 단계이다.
상기 혼련 고형화 단계는 혼련기(2 Roll mill)로 고무, 텅스텐, 안티몬의 혼합물을 수회 반복하여 압착할 수 있다. 금속 파우더가 고무에 균일하게 분산된 고형물질을 얻기 위해 혼련기를 거친 고형물질을 커팅하여 다시 혼련기에 재투입하는 과정을 수회 반복할 수 있다.
상기 혼련 고형화 단계는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450, 바람직하게는 350~450 중량부와 안티몬 250~500중량부, 바람직하게는 300~420중량부를 혼합할 수 있다.
도 1은 혼련 고형화 단계를 거친 고무 혼합물을 펼쳐 놓은 것이다. 도 1을 참고하면, 고형화된 혼합물은 고체 상태이지만 소정의 신장력을 가져 형상 변형이 가능하다.
상기 혼련 고형화 단계는 상기 고무 100중량부 대비 70~150중량부의 산화가돌리늄을 추가로 넣어 혼합할 수 있다.
상기 혼련 고형화 단계는 상기 고무 소련 단계와 같이 아연화(산화아연 사용), 산화제(가류제) 등의 첨가제를 넣어 혼련할 수 있다.
본 발명의 방사선 차폐시트 제조방법은 텅스텐의 함량을 낮추는 대신 저에너지대에서 텅스텐보다 차폐역이 우수한 안티몬(Sb)을 사용함으로서 고에너지(100kVp)에서의 차폐성능을 유지하면서도 저에너지대에서의 차폐성능을 현저히 증가시킬 수 있다. 본 발명에서는 텅스텐의 함량을 최소로 사용하는 대신, 텅스텐에 비해 중량이 적은 안티몬을 사용함으로서 시트의 무게를 줄일 수 있다.
본 발명에 사용되는 텅스텐, 안티몬 및 산화가돌리늄(Gd2O3)은 X선과 감마선을 효율적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명은 고무를 기계적으로 절단하여 소련하고 여기에 텅스텐 등 금속을 혼합함에 따라 고분자 섬유를 지지체로 사용하는 것에 비해 차폐율이 높을 뿐만 아니라 분산된 금속을 안정적으로 보유할 수 있다.
도 2는 도 1을 일정 두께로 압착한 시트이고, 도 3은 도 2의 시트에 가황처리한 최종 방사선 차폐 시트이다.
상기 압출 성형 단계는 혼련 분산 단계를 거친 고형화된 혼합물을 압출 성형시켜 시트를 제조하는 단계이다. 상기 압출성형 단계는 고형화된 고형물을 압착하는 단계와 가황 단계를 포함할 수 있다. 상기 압착단계는 도 1의 고형화된 혼합물을 카렌다 가공(4개의 롤)하여 일정두께로 압착하여 도 2와 같은 시트를 제조하는 단계이다. 또한, 가황단계는 압착된 시트를 로터큐라는 장비를 이용하여 가황시켜 도 3의 차폐시트를 제조하는 단계이다.
본 발명의 방법은 중성자 차폐 시트를 제조하고, 상기 중성자 차폐 시트를 상기 방사선 차폐 시트의 상부, 하부에 적층할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 중성자 차폐용 필름을 상기 방사선 차폐 시트 사이에 게재할 수 있다.
상기 중성자 차폐용 필름은 폴리에틸렌 수지에 상기 탄소분말을 혼합하고 이를 필름화하여 제조할 수 있다. 상기 탄소분말은 상기 폴리에틸렌 수지 100중량부 대비 5~15중량부를 사용할 수 있다. 상기 탄소분말로는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 흑연 또는 나노다이아몬드일 수 있으며, 바람직하게는 흑연과 나노다이아몬드일 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 무납 방사선 차폐시트에 관련된다.
본 발명의 무납 방사선 차폐시트는 텅스텐, 안티몬이 베이스 고무에 분산되어 성형된 시트이다.
상기 베이스 고무는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무이다.
상기 방사센 차폐시트는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450 중량부와 안티몬 250~500중량부를 포함한다.
상기 텅스텐과 안티몬의 입자 크기는 1~100㎛일 수 있다.
상기 방사선 차폐시트는 상기 고무 100중량부 대비 70~150중량부의 산화가돌리늄을 추가로 포함할 수 있다.
무납 방사선 차폐시트는 산화아연(아연화), 산화제(가류제) 또는 이들의 혼합 첨가제를 포함할 수 있다. 산화제(가루제)는 유황, 디지오카바메르계(Thiocarabmate) 촉진제나 쥬우람계(Thjuram) 촉진제일 수 있다.
무납 방사선 차폐시트는 앞에서 상술한 제조방법을 참고할 수 있다.
실시예 1
10㎛ 크기의 텅스텐 270g, 안티몬 450g을 V-믹서로 금속 파우더를 30분간 혼합하였다. 한편, 니트릴부타디엔 생고무 100g, 아연화 3g, Thjuram 촉진제(TT) 1g 등 을 혼련기(2개의 롤)에 넣어 30분 동안 소련하였다. 이어서, 혼련기에 혼합된 금속 파우더를 넣어 다시 60분 동안 혼련분산하였다. 생성된 혼합 고형물을 카렌다 가공(4개의 롤)하여 일정두께로 압착하였다. 일정두께로 압착된 시트를 로터큐라는 장비를 이용하여 가황시켰다. 제조된 시트의 두께는 0.77mm이다.
비교예 1
판매되고 있는 라스고社(제품명 ras-one)의 방사선 차폐시트를 비교예로 선정하였다. 금속 파우더로서 안티몬을 사용하지 않고 텅스텐 720g을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다(시트 두께 0.77mm).
도 4 내지 도 7은 실시예 1로 제조한 방사선 차폐시트의 시험 성적서 1~4페이지의 이미지이고(4페이지의 이미지 가운데에 시트 두께가 0.77~0.78mm로 표시되어 있음), 도 8은 실시예 1로 제조한 방사선 차폐시트의 무납 성적서이다.
하기 표 1은 실시예 1과 비교예 1의 차폐성능을 비교한 것이다.
조사조건은 200mA, 0.1sec, SSD 1500mm이고, 차폐율 공식은 하기와 같다.
차폐율 = ((NON 선량 평균값 -시료통과 후 선량평균값 )/NON 선량 평균값) × 100
구분 50kV 70kV 90kV 100kV 110kV
비교예 1 96.98% 93.3% 90.3% 88.8%
실시예 1 100.00% 96.75% 92.69% 91.17% 89.59%
표 1과 도 4 내지 도 7을 참고하면, 고에너지대(100kVp 이상)에서 실시예 1이 비교예 1보다 차폐율이 2.37% 정도 차이로 높고, 저에너지대(특히 50kVp)에서는 실시예 1이 비교예 1에 비해 3.02% 정도 차폐율이 높은 결과를 얻을 수 있었다. 방사선의 차폐율 차이가 2.37%인 것은, 예를 들면, (동일한 조건의 성분/함량비를 사용하여 제조한 차폐시트인 경우) 차폐시트의 두께를 25% 이상 증가시켜야 확보할 수 있는 차폐율이다. 또한, 50kV에서 방사선 차폐율이 96.98%이면 미국, 유럽 등 선진국에서 기준으로 삼고 있는 납당량 0.25mmPb를 충족하지 못해서 불합격 판정을 받는다(참고로, 50kVp에서 미국,영국 제품의 0.25mmPb 납당량에 해당하는 차폐율은 98.7% 정도 이다). 실시예 1은 고에너지뿐만 아니라 저에너지대에서도 미국이나 유럽의 차폐기준을 모두 만족시킬 수 있으므로 이들 국가에 수출이 가능한 제품임을 확인할 수 있다.
지금까지 본 발명의 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 텅스텐과 안티몬을 혼합하고, 고무를 소련(素煉)하는 단계 ;
    혼합된 텅스텐과 안티몬을 소련된 고무에 넣어 혼련하여 고형화하는 단계 ; 및
    고형화된 혼합물을 일정 두께로 압출 성형하는 단계를 포함하되,
    상기 고무는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무이고,
    상기 혼련 단계는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450 중량부와 안티몬 250~500중량부를 혼합하여 혼련하는 단계이고,
    상기 텅스텐과 안티몬은 입자 크기가 1~100㎛인 것을 특징으로 하는 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 혼련 단계는 상기 고무 100중량부 대비 70~150중량부의 산화가돌리늄을 추가로 포함하는 특징으로 하는 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법은 산화아연(아연화), 산화제 또는 이들의 혼합물인 첨가제를 상기 고무 소련 단계 또는 혼련단계에 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무납 방사선 차폐 시트의 제조방법.
  5. 베이스 고무에 텅스텐과 안티몬이 혼합된 방사선 차폐시트로서,
    상기 베이스 고무는 이소프렌 고무, 니트릴부타디엔 고무 또는 이들의 혼합 고무이고,
    상기 텅스텐과 안티몬은 입자 크기가 1~100㎛이고,
    상기 방사선 차폐시트는 고무 100중량부 대비 텅스텐 250~450 중량부와 안티몬 250~500중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무납 방사선 차폐 시트.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 무납 방사선 차폐 시트는 산화아연(아연화), 산화제 또는 이들의 혼합물인 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 무납 방사선 차폐 시트.
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