KR102484194B1 - 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치 - Google Patents

플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치에 관한 것이다.
본 발명은 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고, 상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형함으로써, 고농도, 고분산의 텅스텐이 함유되어 방사선 차폐 효율이 우수하고, 직선성 및 경직성이 확보되고 괴산성이 없으며, 다양한 형태와 크기로 제작될 수 있어 의료 방사선 장치, 항공 정밀 운송장치 등에 적용 가능하다.

Description

플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치{RADIATION SHIELDING FABRIC, ITS MANUFACTURING METHOD AND RADIATION SHIELDING ARTICLES USING THE SAME}
본 발명은 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고, 상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형함으로써, 고농도, 고분산의 텅스텐이 함유되어 방사선 차폐 효율이 우수하고, 직선성 및 경직성이 확보되어 괴산성이 없으며, 다양한 형태와 크기로 제작될 수 있어 의료 방사선 장치, 항공 정밀 운송장치 등에 적용가능한 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법, 그의 방사선 차폐체 및 그를 이용한 방사선 차폐장치에 관한 것이다.
의료 기술의 발달로 X선 장치, CT 등 의료영상 진단장치의 사용 빈도가 급격히 증가하고 있다. 진단장치는 환자의 질병을 진단하거나 외과수술 등의 치료과정 결정에 중요한 정보를 제공하는 수단이 되고 있다. 그러나 이러한 진단장치는 최근 다양한 유용성에 반하여, 환자 및 의료종사자의 방사선 피폭을 증가시켜 심각한 부작용을 유발하는 문제점을 동반하고 있다.
이에 의료방사선의 위험도가 새롭게 인식되고, 검사 또는 치료 이외에 불필요한 의료 방사선을 방호 및 차폐하려는 노력이 진행되고 있다.
일반적으로 납, 주석 등의 중금속 차폐체는 유해성 문제와 더불어 강도가 매우 높아 다양한 형태로 가공되기 어렵다는 한계를 지닌다. 특히, 금속 용융 후 주형 틀에 주입하여 사출 가공하고자 할 경우 밀도가 매우 높은 특성으로 인하여 주형 틀이 깨져버리는 문제가 있다.
선행기술문헌 1에는 파라핀 기반의 플라스틱 내 방사선 차폐 블록이 제시되어 있다. 중성자 차폐 성질이 있고 성형이 간편한 장점이 있는 파라핀을 플라스틱에 적용함으로써 납 대신 방사선 차폐에 사용하도록 한다.
그러나 상기 파라핀 플라스틱 방사선 차폐 블록은 그 두께가 매우 두꺼워 차폐성능을 제어하는 데 한계가 있으며, 부피가 커 사용이 제한적이다.
선행기술문헌 2는 붕소가 혼합된 폴리에틸렌 수지를 성형하여 단일 또는 다수개의 피스를 제작하여 차폐복으로 제시한다.
이처럼 액상의 고분자 화합물에 적정 첨가물을 혼합하여 시트나 필름 형태로 제작하는 경우, 일정한 두께와 유연성을 지녀 차폐 의류 용도로 적합하나, 경직성이 없어 실제 의료 방사선 촬영장치 내에 삽입하기에 어려움이 따른다.
이에, 본 발명자들은 종래의 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고, 상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형함으로써 플라스틱 기반 방사선 차페체를 제조하였으며 이에 따르면, 고농도, 고분산의 텅스텐이 함유되어 방사선 차폐 효율이 우수하고, 직선성 및 경직성이 확보되어 괴산성이 없으며, 다양한 형태와 크기로 제작될 수 있어 의료 방사선 차폐, 항공 정밀 운송 장치 등에 적용 가능성을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
등록실용신안공보 제20-0191370호(2000.08.16. 공고) 공개특허공보 제10-2010-0047510 호(2010.05.10. 공개)
본 발명의 목적은 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라스틱 기반 방사선 차폐체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 플라스틱 기반 방사선 차폐체가 적용된 항공 정밀 운송장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 플라스틱 기반 방사선 차폐체가 적용된 의료 방사선 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고, 상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 혼합물이 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여, 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부로 혼합된 것이다.
또한, 상기 텅스텐 분말이 평균 입경 100μm이하인 것이다.
상기 혼합물에 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여, 보론 분말 1 내지 10 중량부가 더 혼합된 것이다.
또한, 상기 사출 성형이 이중 스크류 사출 방식으로 수행되는 것이다.
나아가, 상기 이중 스크류가 최소 50 rpm으로 회전하는 것이다.
상기 사출 성형이 하나의 금형에 소정의 간격을 두고 마련되는 복수개의 주입구를 통해 수행되는 것이다.
본 발명은 상기 제조방법을 통해 사출 성형된, (1) 기계적 충격강도 10 내지 20 kgf·cm/cm² 및 (2) 두께 1.00 내지 3.00 mm 요건을 충족하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체를 제공한다.
구체적으로, 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부가 고함량으로 함유된 것이다.
나아가, 본 발명의 상기 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 1 내지 100kV 범위의 방사선 차폐용 항공 정밀 운송장치에 적용된다.
또한, 본 발명의 상기 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 20 내지 200kV 범위의 방사선 차폐용 의료 방사선 장치에 적용된다.
본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법은 플라스틱 수지 분말에 대한 텅스텐 분말의 단위 면적 당 분산력을 향상시키는 데 기술적 특징을 가짐으로써, 이에 따라 고농도, 고분산의 텅스텐을 함유할 수 있어 방사선 차폐 효율이 우수한 플라스틱 기반 방사선 차폐체를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차페체는 직선성 및 경직성이 확보되어 괴산성이 없으며, 다양한 형태와 크기, 두께로 제작될 수 있어 의료 방사선 장치, 항공 정밀 운송장치 등 범용성이 뛰어나다.
도 1은 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법에 대한 모식도이고,
도 2는 실시예(a) 및 비교예 2(b)에 따라 제조된 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합물의 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컴파운딩 펠렛의 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법에 대한 모식도이다. 본 발명에 따른 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법은 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고, 상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형하는 것으로 구성된다.
본 발명은 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법에 있어서, 플라스틱 수지 분말에 대한 텅스텐 분말의 단위 면적 당 분산력을 향상시키는 데 기술적 특징을 갖는다.
일반적으로 고분자 플라스틱 수지에 중량의 미세한 필러를 혼합할 시에 서로 다른 입자 크기, 부피 및 중량 차이로 인해 분산성이 불량한 문제가 발생한다. 혼합의 균일도는 고분자 플라스틱 수지와 원료물질을 배합 후 용도에 맞게 가공하는 컴파운딩 공정에 있어 가장 중요한 구성요소 중 하나이다.
종래에는 이를 해소하기 위한 다양한 수단과 방법을 기술하고 있으나 상기 필러를 고함량으로 혼합하는 경우는 특히나, 분산성 저하문제가 해결되지 못하고 제품 품질에 중대한 영향을 미치어, 현재로서는 혼입양에 제한을 두고 있는 실정이다.
특히 차폐체가 고함량의 차페물질이 함유되어 얇은 시트 형태로 제작되는 경우, 시트의 일 단면에 다수의 크랙이 발생하여 제품성이 크게 저하된다. 종래 기술 상으로 시트의 두께와 차페물질 농도 문제는 양립되기 어려워 보인다.
도 2에서 (a)는 실시예에 따라 제조된 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 사진이다. 본 실시예에 따른 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 홈, 크랙 발견 없이 균일한 두께 및 표면을 지닌다.
본 발명은 상기 분산성 문제를 해결하기 위하여, 고상의 플라스틱 수지를 분말화하여 혼합에 적용하는 것을 특징으로 한다.
종래 기술은 일반적으로 플라스틱을 용융한 액상 수지에 금속 분말을 혼입하는 방법을 택한다. 이는 수지 특정 부분에 금속 분말의 뭉침이 일어나 방사선이 일부 누설되는 단점이 있다.
반면에, 본 발명은 고상의 플라스틱 수지를 분쇄 처리함으로써, 텅스텐 분말과 물리적 상태, 부피 및 입자 크기를 유사하게 조절한다. 이를 통해 혼합 시 고른 분산을 유지할 수 있으며, 텅스텐 분말의 함량 또한 더욱 높일 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱 수지 분말의 평균 입경 크기는 텅스텐 분말과 동일한 입경 단위로 분쇄하는 것이 바람직하나, 이에 크게 제한을 두지 아니한다.
또한 본 발명은 분산성 향상을 위한 방법으로, 상기 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 10 내지 30분 간격을 유지하는 것은 질량 차이에 따른 뭉침 현상을 최소화하기 위함이다.
도 2에서 (b)는 비교예 2에 따라 제조된 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 사진으로, 폴리프로필렌(PP)수지 분말 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 750 중량부를 한번에 주입하여 제조된 것이다. 상기 도면에서 확인되는 바와 같이, 최종 제품에서 크랙(crack)이 발생하여 품질 및 상품성이 저하된 것으로 확인된다.
상기 시간 간격이 30분 초과 또는 10분 미만인 경우, 공정기 가동비용이 상승하거나, 서로 다른 두 물질이 고르게 분산되지 못하고 어느 일부분에 동 물질 간의 뭉침이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합물의 사진이다. 본 실시예에 따르면, 대용량의 고속 믹스를 이용하여 최소 12시간 이상동안 30분 간격으로 상기 텅스텐 분말을 소분하여 혼합한다. 이를 통해 상이한 물성으로 인해 균일하게 섞이지 않는 텅스텐 분말 및 플라스틱 수지 분말의 분산성을 향상시키며, 텅스텐 분말을 고함량 혼합하여도 분산도에 지장을 주지 않는다.
한편, 본 발명은 플라스틱 수지 분말 및 텅스텐 분말의 혼합물을 형성한다. 텅스텐은 인체에 무해하며 방사선 차폐 성능이 뛰어난 물질로서, 복사 방지용으로 전시되어 왔던 기존의 납을 대체할 수 있는 차폐 물질이다.
또한, 본 발명의 플라스틱 수지 분말은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(poly propylene, PP), 저밀도폴리에틸렌(lowdensity polyethylene, LDPE), 고밀도폴리에틸렌(highdensity polyethylene, HDPE), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA) 및 폴리올레핀 엘라스토머(poly olefin elastomer, POE) 등의 열가소성 수지군으로부터 어느 하나를 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 수지 분말은 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)를 사용한다. 폴리프로필렌(PP)은 내화학성, 내약품성이 우수하여 화학설비, 식품산업 등 여러 분야에 고루 쓰이는 소재이다. 특히, 비중이 0.99로 물에 뜰 정도의 경량성을 지니며, 가공성이 용이하여 탱크, 포장, 의료기기, 배터리 케이스, 경첩, 직물, 장난감, 그릇 등 다양한 형태로 가공 활용되고 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정하지 아니한다.
본 발명은 상기 혼합물이 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 이와 같이 고함량, 고분산의 텅스텐 분말을 함유함으로써, 방사선과의 충돌 확률을 높여 투과하는 방사선 양을 감소시킬 수 있다.
이때 상기 텅스텐 분말이 900 중량부를 초과하는 경우, 고강도의 금속 분말이 과량 분포하여 추후 사출 성형 공정에 기기 부식 및 생산성 저하로 이어질 수 있다. 반면에 500 중량부 미만인 경우, 수지의 비율이 높아 공극이 크므로 방사선의 높은 투과력을 감안한다면 차폐 효과에 대한 부분은 미흡할 수 있어 바람직하지 못하다.
최종 생산물인 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 두께에 따라서 텅스텐 분말의 함량을 조절할 수 있으며, 상기 범위에 한정하지 아니한다.
본 실시예에 따르면, 가장 바람직하게는 본 발명의 혼합물이 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 566 내지 810 중량부로 혼합됨으로써, 이로부터 제조된 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 실효에너지 30 내지 70keV에 대하여 차폐율 100%을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 텅스텐 분말은 평균 입경 100μm 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 텅스텐 분말은 둘 이상의 평균 크기 분포를 가지는 입자들의 혼합물일 수 있다.
평균 입경 100μm을 초과하는 경우 차폐물질의 단위 표면적 당 분산도가 감소하여 양호한 차폐능을 기대하기 어렵다. 바람직하게는 나노미터 단위인 것이나 이에 한정하지 아니한다.
아울러 본 발명은 상기 텅스텐 분말과 동일한 입경 단위로 고상의 플라스틱 수지를 분쇄하고, 이들을 소분하여 혼합함으로써 분산성을 더욱 향상시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 혼합물에 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여, 보론 분말 1 내지 10 중량부를 더 혼합할 수 있다. 바람직하게는 5중량부 더 혼합하는 것이나, 이에 한정하지 아니한다.
보론(B)은 중성자 흡수력이 커 중성자 차폐물질로 널리 이용되고 있다. 중성자는 전기적 반응없이 투과성이 커 인체 및 환경에 해로운 존재이나, 가벼운 원소와 충돌할 때 많은 에너지를 손실하는 특성이 있다.
본 발명은 보론 분말을 더 혼합함으로써, 의료용 장비, 원자로 내 중성자 흡수 제어봉, 방사성 물질의 수송 및 저장 용기 등 중성자 차폐용도로 다양한 분야에 적용 가능하다. 특히, 항공 정밀 운반장치에 중성자 차폐용도의 부속품으로 이용하면 항공운반 화합물의 안정성을 보장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컴파운딩 펠렛의 사진이다. 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 형성된 혼합물은 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 상기 혼합물은 플라스틱 수지 분말 및 텅스텐 분말이 배합된 채로 통상의 압출기, 컴파운딩기 또는 트윈 압출기 등에 투입된다. 이후 상기 온도 범위, 보다 바람직하게는 210℃ 내외 조건에서 혼련 및 분산 압출되어 컴파운딩 펠렛으로 제조된다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기 압출기의 Head부로부터 tail부에 이르기까지, 모든 영역에서 210℃ 내외의 균일한 압출 온도를 구현함으로써 온도 차이에 따른 불균일한 혼합을 방지하도록 한다.
상기 혼합물로부터 곧바로 사출 가공하는 것이 아니라 컴파운딩 펠렛을 제조하는 단계를 거침으로써, 플라스틱 수지 및 텅스텐 분말의 분산성이 향상 및 유지된 상태로, 사출 성형될 수 있다.
상기 제조된 컴파운딩 펠렛은 강도가 큰 고상형으로서, 본 발명의 최종 원료로 수년 후에도 사용이 가능하다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 컴파운딩 펠렛은 사출 성형되어 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체로 제조된다.
이때, 상기 사출 성형이 이중 스크류 사출 방식으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
텅스텐은 밀도가 19.25 g/㎤로 매우 굳고 단단한 금속에 속한다. 텅스텐이 포함된 펠렛에 대하여 단일 스크류를 적용하는 경우, 텅스텐의 강도 영향으로 스크류가 쉽게 마모되거나 깨지는 문제가 있다.
이에 본 발명은 이중 스크류를 도입하여 텅스텐이 포함된 펠렛에 대한 용이한 사출 가공을 유도할 뿐만 아니라 단시간 내에 금형으로의 사출양을 증대시킬 수 있다. 나아가, 상기 이중 스크류를 상방향으로 회전시킬 때 발생하는 와류 현상을 이용하여 플라스틱 수지 분말 및 텅스텐 분말 간 분산성을 더욱 향상시키도록 한다.
본 발명에 따르면, 상기 이중 스크류가 최소 50 rpm으로 회전하는 것을 특징으로 한다. 이중 스크류의 고속 회전은 사출 공정에 있어 재료의 균일한 분산성을 위해 필요하다. 반면에 50 rpm 미만인 경우, 혼합물의 고른 혼합이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 그러나 본 발명은 상기 수치 범위로 한정하지 아니한다.
또한 본 발명의 사출 성형이 하나의 금형에 소정의 간격을 두고 마련되는 복수개의 주입구를 통해 수행될 수 있다. 이는 복수개의 주입구로부터 용융물을 금형에 동시에 주입하기 위함이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 하나의 금형(103)에 대하여 복수개의 사출 실린더(101)를 더 구비할 수 있다. 상기 사출 실린더(101)의 상측에 호퍼(102)를 각각 구비하여 앞서 제조한 컴파운딩 펠렛(120)을 동시 투입하도록 하며, 상기 사출 실린더(101)의 우측 투입구를 통해 폴리프로필렌(PP)(130)을 공급함으로써 단시간 내에 금형(103)으로의 사출양을 증대시킨다. 이때 공급되는 폴리프로필렌(PP)은 고상, 액상 등 어느 하나의 형태로 한정하지 아니한다.
또한 하나의 금형(103)에 구비된 복수개의 주입구를 통해 용융물을 동시 주입하도록 함으로써 사출 전 영역에 대하여 텅스텐의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 차폐성능의 재현성이 확보된 사출 성형품을 획득할 수 있다.
그러나 상기 복수개의 주입구는 바람직한 실시 형태일 뿐, 본 발명을 이에 한정하지 아니한다.
본 발명의 제조방법으로부터 사출 성형된, 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 (1) 기계적 충격강도 10 내지 20 kgf·cm/cm²및 (2) 두께 1.00 내지 3.00 mm의 요건을 충족한다.
구체적으로, 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 상기 수치범위의 기계적 강도를 구현함에 따라, 높은 강도로 마찰에 우수한 폴리 비닐계 플라스틱과 유사한 직선성 및 경직성을 가진다. 이에 따라 X선 조사 시 부서짐 따위의 괴산성이 없다는 특징을 지닌다.
본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 상기 수치범위의 얇은 두께로 제작됨에 있어, 고함량, 고분산의 텅스텐 분말을 함유하고 있어 방사선 차폐 효율이 우수하며, 종래 차폐시트에 발생하는 크랙(crack)이 발견되지 않는다. 아울러, 상기 수치범위의 얇은 두께는 방사선 촬영장치에 적용시 삽입 및 교체를 용이하게 한다. 그러나 본 발명은 상기 수치범위로 한정하지 아니하며, 필요에 따라 두께를 자유롭게 조절하여 차폐성능을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 텅스텐 분말이 고농도로 포함됨에 따라 면적당 높은 질량으로 구현될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 기계적 충격강도 15 kgf·cm/cm²및 두께 1.50 mm의 요건을 충족한다. 그러나 이에 한정하지 아니한다.
본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부가 고함량으로 함유된 것을 특징으로 한다. 본 발명은 고함량, 고분산의 텅스텐 분말을 함유함으로써 방사선과의 충돌 확률을 높여 투과하는 방사선 양을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 본 발명의 혼합물이 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 566 내지 810 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 이로부터 제조된 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 실효에너지 30 내지 70keV에 대하여 차폐율 100%을 달성할 수 있다.
본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 1 내지 100kV에 대하여 차폐효율이 요구되는 항공 정밀 운송장치에 적용되는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에 따르면 1.00mm 두께로 제작 시 관전류 20mAs 및 전압 60kV의 방사선 조사에 대한 차폐율 78.84%를 보인다.
산업계에서 일반적으로 쓰이는 X선 조사 대역이 최대 60kV임을 고려하면, 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 범용성을 지닌다. 예를 들어, 공항 검색대의 X선 조사 시 불필요한 피폭을 방지할 수 있도록 하는 방사선 차폐체로도 유효하다. 뿐만 아니라 항공우주산업, 원자력 설비, 비파괴검사 등 다양한 분야에 활용 가능하다.
또한, 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 방사선 20 내지 200kV에 대하여 차폐효율이 요구되는 의료 방사선 장치에 적용되는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에 따르면, 1.00mm 두께로 제작 시 관전류 20mAs 및 전압 60kV의 방사선 조사에 대한 차폐율 78.84%을, 전압 100kV의 방사선 조사에 대한 차폐율 71.81%를 보였다. 그러나 상기 수치 범위로 본 발명을 한정하지 아니한다.
구체적으로, 방사선 촬영실의 이동형 차폐벽, 테이블 및 버키 등의 방사선 차폐 장치, X선 발생장치의 외부 디자인 및 보호장비 등 다양한 의료 방사선 장치에 적용 가능하다.
이처럼 본 발명의 플라스틱 기반 방사선 차폐체는 고함량, 고분산의 텅스텐 분말이 함유된 얇은 두께로 구현되어, 우수한 차폐능 및 기계적 강도를 확보하며 방사선 장치 내 삽입 및 교체가 용이하다. 또한, 플라스틱 수지 분말 및 텅스텐 분말의 혼합물로부터 컴파운딩 펠렛 제조 후 이를 사출 성형한 것으로, 다양한 형태와 크기로 제작 가능하다.
이하, 실시예에 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예> 방사선 차폐체 제조
폴리프로필렌(PP)수지 분말 및 텅스텐 분말을 평균 입경 10μm로 분쇄하였다. 이후 폴리프로필렌(PP)수지 분말 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 750 중량부의 배합으로 대용량의 고속믹스에 투입하되, 13시간동안 30분 간격으로 상기 텅스텐 분말을 소분하여 혼합하였으며, 보론 분말 5 중량부를 더 혼합하여 혼합물을 형성하였다.
형성된 혼합물은 이축 컴파운딩 압출기(Buss type Co-kneader)를 통해 혼련 및 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛으로 제조하였다. 구체적으로, 압출온도 약 210℃, Melt Pump 3.0~4.0 Hz, Main Moter 7.0~9.0 Hz 및 Measure 3.0~3.2 Hz의 조건으로 수행하였다. 특히, 압출기 Zone 1의 경우 160~180℃, Zone 2의 경우 210℃, Zone 3의 경우 210℃, Zone 4의 경우 220℃, Zone 5의 경우 220℃ 및 Head부의 경우 220℃의 압출 온도로 수행함으로써, Head부로부터 tail부에 이르기까지 온도를 210℃ 내외로 유지한 채 수행하였다.
제조된 컴파운딩 펠렛을 50 rpm으로 회전하는 이중 스크류 사출기에 투입한 후 사출온도 250~330℃에서 금형에 투입하여 사출 성형 후 냉각하여 두께 1.50 mm의 본 발명의 방사선 차폐체를 제조하였다.
이로부터 제조된 본 발명의 방사선 차폐체는 기계적 충격강도 15 kgf·cm/cm², 두께 1.50 mm 및 면적당 질량 2.12 kg/m2의 요건을 충족하였으며, 방사선 실효에너지 30 내지 70keV에 대하여 차폐율 100%을 보였다.
<비교예 1>
폴리프로필렌(PP)수지를 용융한 액상 수지에 텅스텐 분말에 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하게 수행하여 방사선 차폐체를 제조하였다. 그러나 최종 제품에 방사선 조사 시 차폐율이 균일하지 못한 결과로 측정되었다.
<비교예 2>
폴리프로필렌(PP)수지 분말 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 750 중량부를 한번에 주입한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하게 수행하여 방사선 차폐체를 제조하였다. 도 2의 (b)에서 확인되는 바와 같이, 최종 제품에서 크랙(crack)이 발생하여 품질 및 상품성이 저하되었다.
<비교예 3>
제조된 컴파운딩 펠렛을 단일 스크류 사출기에 적용한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하게 수행하여 방사선 차폐체를 제조하였다. 그러나 사출 성형 과정에서 스크류가 쉽게 깨짐이 발생하여 혼합물의 분산성이 저하되고 사출 성형품의 생산성이 감소하였다.
<실험예> 방사선 차폐체의 차폐성능 평가
상기 실시예에서 제조된, 본 발명의 방사선 차폐체의 차폐성능을 평가하였다.
X선 발생장치(LISTEM Co, IEX-650R, Korea)를 사용하여 시험하였으며, 좁은 빔을 사용할 경우 X선관과 시료의 거리는 1500㎜, 시료와 계측기의 거리는 32㎜이상, 계측기와 바닥면은 700㎜이상, 고정 조리개와 시료와의 거리는 200㎜로 거리를 띄우도록 하여, 한국산업규격에서 제시한 X선관과 차폐물질 간 적정 거리를 일정하게 유지하도록 하였다.
측정방법은 우선 차폐물질이 없는 상태에서 각각의 X선 조건에 2번을 조사하여 차폐율을 구하였다. 다음으로, 같은 X선 조건으로 두께 1.00mm로 제작된 본 발명의 방사선 차폐체에 관전류 20mAs로 X선을 조사하여 이에 대한 차폐율을 구하였다.
X-ray(kV) 입사선량(uR) 투과선량(uR) 차폐율(%)
60 673.37 142.47 78.84
100 2700.00 761.00 71.81
상기 표 1의 결과로부터, 상기 실시예에서 제조된 방사선 차폐체는 두께 1.00mm에서 60kV의 X-ray 에너지 조사 시 입사선량 673.37 uR, 투과선량 142.47 uR로 측정되어 78.84%의 차폐율을 보였다. 또한, 100kV의 X-ray 에너지 조사 시 입사선량 2700.00 uR, 투과선량 761.00 uR로, 71.81%의 차폐율을 확인하였다.
이를 통해 본 발명의 방사선 차폐체는 저에너지(최대 60kV) 및 고에너지(최소 100 kV) 대에 대하여 모두 70% 이상의 양호한 차폐효율을 보임을 확인하였다. 저에너지 대의 산업용 방사선 차폐, 예를 들면, 항공 정밀 운송장치, 공항 검색대, 원자력 발전소의 하수구 이음패킹 등의 용도로 유효할 뿐만 아니라, 고에너지 대의 의료 방사선 차폐, 예를 들면, 방사선 촬영실의 이동형 차폐벽, 테이블 및 버키 등의 방사선 차폐 장치, X선 발생장치의 외부 디자인 및 보호장비 등 다양한 분야에 용이할 수 있음을 확인하였다.
또한, 본 발명의 방사선 차폐체는 두께 1.00mm로 제작되었으며, 두께 조절을 통해 차폐율을 높이는 것에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100: 사출장치
101: 사출 실린더
102: 호퍼(컴파운딩 펠렛 투입구)
103: 금형
110, 110': 스크류
120: 컴파운딩 펠렛
130: 폴리프로필렌(PP)

Claims (11)

  1. 고상의 플라스틱 수지를 분쇄 처리하여 플라스틱 수지 분말을 생성하고,
    상기 플라스틱 수지 분말에 텅스텐 분말을 혼합하되, 상기 텅스텐 분말을 소분하여 10 내지 30분 간격으로 단계적 혼합하여 혼합물을 형성하고,
    상기 혼합물을 200 내지 220℃의 압출 온도에서 분산 압출하여 컴파운딩 펠렛을 제조하고,
    상기 컴파운딩 펠렛을 사출 성형하되,
    상기 플라스틱 수지 분말의 평균 입경 크기는 상기 텅스텐 분말과 동일한 것을 특징으로 하는, 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합물이 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여, 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부로 혼합된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 분말이 평균 입경 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합물에 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여, 보론 분말 1 내지 10 중량부가 더 혼합된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 사출 성형이 이중 스크류 사출 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이중 스크류가 최소 50 rpm으로 회전하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 사출 성형이 하나의 금형에 소정의 간격을 두고 마련되는 복수개의 주입구를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 사출 성형된, 하기 요건을 충족하는 플라스틱 기반 방사선 차폐체:
    (1) 기계적 충격강도 10 내지 20 kgf·cm/cm²및
    (2) 두께 1.00 내지 3.00 mm.
  9. 제8항에 있어서, 플라스틱 수지 100 중량부에 대하여 텅스텐 분말 500 내지 900 중량부가 고함량으로 함유된 방사선 차폐체.
  10. 제8항에 따른 플라스틱 기반 방사선 차폐체를 이용한, 방사선 1 내지 100kV 범위의 방사선 차폐용 항공 정밀 운송장치.
  11. 제8항에 따른 플라스틱 기반 방사선 차폐체를 이용한, 방사선 20 내지 200kV 범위의 방사선 차폐용 의료 방사선 장치.
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