KR20150111886A - 방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20150111886A
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Abstract

본 발명은 방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수지와 금속산화물을 포함하는 방사선 차폐용 복합재료 조성물, 이로부터 제조되는 방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방사선 차폐용 복합재료는 수지와 금속 산화물의 복합재료로서 인체에 무해하고, 재료의 유연성으로 인하여 방사선 차폐용 의류, 방사선 차폐용 에이프런(apron), 방사선 차폐용 고글(goggle), 방사선 차폐용 건축재료 또는 방사선 차폐용 의료기기와 같은 방사선 차폐를 필요로 하는 각종 용도에 쉽게 적용할 수 있으며, 우수한 방사선 차폐율을 갖는 특징이 있다.

Description

방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법{COMPOSITE FOR PROTECTING OF RADIATION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수지와 금속산화물을 포함하는 방사선 차폐용 복합재료 조성물, 이로부터 제조되는 방사선 차폐용 복합재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 원자로나 고속증식로 등의 원자력 시설, 핵융합 시설이나 환부 의료용으로서 사용되는 중성자선 치료 시설 등의 원자력 사업의 발전과 함께 이들 각 시설로부터 발생하는 인체에 유해한 중성자선의 차폐 보호가 가능한 재료의 개발이 요구되고 있다.
이러한 시설에서 발생하는 방사선은 중성자(Neutron)와 감마선(Gamma-Rays)이 있다. 더욱이 이들의 2차 방사선도 인체에 유해한 대상이 되기 때문에 차폐재에는 인체로부터 이들을 안전하게 차폐하는 능력이 요구되어진다. 중성자와 감마선은 인간과 환경에 매우 큰 위험을 주고 있다. 예를 들어, 러시아의 Chernovyl 원자력 발전소 붕괴(1986년)와 최근에 일본 Fukushima 원자력 발전소의 붕괴는 인류의 생존을 위험할 정도의 재난을 가져왔으며, 2012~2013년에 닥쳐올 Super Solar Storm과 같은 우주의 Hottest Region에 의해 생기는 감마선 방사에 대한 대비가 시급한 실정이다.
오늘날 두꺼운 납(Pb)판재를 감마선 방사의 차폐 재료로 사용되고 있으나, 납판재는 매우 무겁고, 인체에 유해(Toxic)하며, 환경에 큰 문제를 유발시킨다. 중성자와 감마선은 각각의 물질에 의해 감쇠 특성이 다르기 때문에 여러 물질의 조합이 차폐재로 생각되고 있다.
일반적으로 중성자와 감마선 어느 것에나 유효한 차폐재로는 시멘트가 이용되고 있다. 이러한 시멘트를 이용한 구조물이나 차폐 재료들의 조합으로 필요한 차폐효과를 얻을 수 있기는 하나, 사용 장소 및 용도에 따라 필요한 형태로 가공이 용이하지 않은 경우가 있다.
따라서 다양한 형태로의 가공이 필요한 경우에는 폴리에틸렌(Polyethylene)과 같은 차폐재를 사용하는 것이 일반적이다. 종래에는 폴리에틸렌에 보론 화합물이 함유된 보레이트 폴리에틸렌(Borated Polyethylene) 재료 등이 중성자 차폐재로서 사용되어 왔으나, 이는 전량 수입에 의존하고 있어 가격면에서 비합리적이며, 감마선의 차폐에는 무리가 있다. 따라서, 방사선 차폐재 차폐능이 우수하며, 다양한 분야에 적용이 가능한 새로운 차폐재의 개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 특허출원 제10-2005-0016096호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 인체에 무해하면서도 방사선 차폐에 적합하며 유연성이 있어 다양한 소재에 적용이 가능한 방사선 차폐용 복합재료 조성물, 복합재료 및 이의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin) 40~60중량%와 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속 산화물 40~60중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료 조성물을 제공한다.
상기 금속 산화물은 Bi2O3인 것이 바람직하다.
상기 금속 산화물은 WO3인 것이 바람직하다.
상기 금속 산화물은 Bi2O3 및 Gd2O3인 것이 바람직하다.
상기 금속 산화물은 WO3 및 Gd2O3인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 본 발명의 상기 방사선 차폐용 복합재료 조성물 100중량부에 대하여 경화제 50~100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료를 제공한다.
상기 복합재료는 유연성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 복합재료는 방사선 차폐용 의류, 방사선 차폐용 에이프런(apron), 방사선 차폐용 고글(goggle), 방사선 차폐용 건축재료 또는 방사선 차폐용 의료기기에 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료의 제조 방법을 제공한다:
(a) 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin) 40~60중량%와 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속 산화물 40~60중량%를 교반하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)의 결과물을 냉각하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 결과물 100 중량부에 대하여 경화제 50~100 중량부를 첨가하여 교반 및 탈포하는 단계; 및
(d) 상기 단계 (c)의 결과물을 경화시키는 단계.
상기 단계 (b)의 냉각은 상온에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (c)의 탈포는 진공에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (d)의 경화는 진공 및 가열 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방사선 차폐용 복합재료는 수지와 금속 산화물의 복합재료로서 인체에 무해하고, 재료의 유연성으로 인하여 방사선 차폐용 의류, 방사선 차폐용 에이프런(apron), 방사선 차폐용 고글(goggle), 방사선 차폐용 건축재료 또는 방사선 차폐용 의료기기와 같은 방사선 차폐를 필요로 하는 각종 용도에 쉽게 적용할 수 있으며, 우수한 방사선 차폐율을 갖는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료를 제조하기 위한 알루미늄 몰드를 나타낸 사진이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 하나의 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 중 교반 과정을 나타낸 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 하나의 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 중 교반된 수지와 금속 산화물의 혼합물에 경화제를 투입하고 몰드에 주입하여 성형하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 하나의 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정으로부터 제조된 방사선 차폐용 복합재료를 나타낸 사진이다. 도 5a 내지 도 5e는 YD128, YD128+Bi2O3, YD128+WO3, YD128+Bi2O3+Gd2O3 및 YD128+WO3+Gd2O3를 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 중 수지와 금속 산화물을 교반하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 중 경화제 주입 후 탈포 과정을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 다른 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정 중 경화 공정에 사용되는 진공 오븐을 나타낸 사진이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 구체예로서 방사선 차폐용 복합재료의 제조 공정으로부터 제조된 방사선 차폐용 복합재료를 나타낸 사진이다.
도 10은 방사선 측정 장치 및 측정 원리를 나타낸 모식도이다.
도 11a 내지 도 11c는 방사선 측정 장치, 시료 거치대 및 방사선 시료로서 Co-60 및 Cs-137을 나타낸 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 방사선 측정 장치를 사용한 방사선 측정 과정을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 방사선 차폐율이 높으면서도 인체에 무해하며, 재료 자체가 유연성이 높아 어떠한 방사선 차폐용 목적에도 적용이 가능한 재료를 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin)에 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3 등의 금속 산화물을 혼합하여 경화시킨 방사선 차폐용 복합재료를 개발하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin) 40~60중량%와 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속 산화물 40~60중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료 조성물을 제공한다.
상기 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(CAS No. 25068-38-6)로서 다음 표 1의 물성을 갖는 에폭시 수지이다.
Figure pat00001
상기 수지는 부착성, 화학적 저항성, 열 저항성 등이 우수한 소재로서 본 발명의 방사선 차폐용 복합재료의 수지 재료로서 적합하다.
방사선 차폐에 우수한 효과를 나타내게 하기 위하여 본 발명에서는 금속 산화물로서 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
바람직하게는 Bi2O3, WO3, Bi2O3 및 Gd2O3의 혼합물, WO3 및 Gd2O3의 혼합물을 사용하는 것이지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
Bi2O3(비스무스(Ⅲ) 옥사이드, CAS No. 1304-76-3)는 백색의 결정성 분말로서, 분자량 465.96, 밀도 8.9g·cm-3, 녹는점 823℃, 끓는점 1890℃인 금속 산화물이다.
WO3(텅스텐(Ⅵ) 옥사이드, CAS No. 1314-35-8)는 분자량 231.85, 녹는점 1473℃인 금속 산화물이다.
Gd2O3(가돌리늄 옥사이드, CAS No. 11129-31-0)는 백색 분말로서 분자량 362.4982, 밀도 7.41g·cm-3, 녹는점 2330℃인 금속 산화물이다.
상기 수지와 금속 산화물은 수지 40~60중량%와 금속 산화물 40~60중량%의 함량으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위는 방사선 차폐용 복합재료의 방사선 차폐율 및 복합재료의 유연성을 고려한 것으로서 상기 범위 내로 사용될 경우 최적의 효과를 나타낼 수가 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 상기 방사선 차폐용 복합재료 조성물 100 중량부에 대하여 경화제 50~100 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료를 제공한다.
상기 경화제는 폴리아미드 수지, 방향족 폴리아민, 지방족 폴리아민 등을 예로 들 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 경화제는 경화온도 및 경화시간 등에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 방사선 차폐용 복합재료 100 중량부에 대하여 50~100 중량부로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방사선 차폐용 복합재료 조성물을 사용한 복합재료는 유연성을 갖는 것이 특징이다. 따라서, 상기 복합재료는 방사선 차폐용 의류, 방사선 차폐용 에이프런(apron), 방사선 차폐용 고글(goggle), 방사선 차폐용 건축재료 또는 방사선 차폐용 의료기기 등의 각종 방사선 차폐용 기기에 다양하게 적용할 수 있는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐용 복합재료의 제조 방법을 제공한다:
(a) 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin) 40~60중량%와 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속 산화물 40~60중량%를 교반하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)의 결과물을 냉각하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 결과물 100중량부에 대하여 경화제 50~100중량부를 첨가하여 교반 및 탈포하는 단계; 및
(d) 상기 단계 (c)의 결과물을 경화시키는 단계.
상기 단계 (a)의 교반은 수지에 금속 산화물을 투입한 후 500~1000rpm으로 1분 내지 20분 동안 교반할 수 있다. 교반은 동일한 속도로 일정하게 수행할 수 있으며, 상기 범위 내에서 속도를 점차 증가시켜 교반할 수도 있으며, 상기 범위 내에서 저속에서 교반한 후 고속에서 교반할 수도 있다.
상기 단계 (b)의 냉각은 바람직하게는 상온에서 30분 이상 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (c)의 교반은 1~10분 동안 진행될 수 있으며, 탈포는 진공에서 1~2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 (d)의 경화는 진공 및 가열 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
< 실시예 1 내지 4>
1. 알루미늄 몰드의 제조
외경이 100mm이고, 내경이 95.5mm인 알루미늄 몰드를 성형하였다(도 2).
2. 방사선 차폐용 복합재료 조성물의 성분
다음 표 2의 성분 함량으로 방사선 차폐용 복합재료 조성물을 제조하였다.
시료 조성(부피% / 무게%) 밀도
(g/㎤)
YD128* Bi2O3 WO3 Gd2O3
비교예 100 1.1
실시예 1 85/56.3 15/43.7 2.1
실시예 2 85/48.1 15/51.9 2.0
실시예 3 84.4/42.6 15/55.4 0.6/2 2.2
실시예 4 84.4/47 15/51 0.6/2 2.0
* 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(국도, 대한민국)
3. 교반
상기 표 2의 성분 함량으로 혼합하여 500rpm으로 1분 동안 혼합한 후 1000rpm으로 20분 동안 교반하였다(도 3a 내지 도 3c).
4. 경화제 첨가 및 몰드 주입
상기 3의 교반된 조성물 100중량부에 대하여 경화제(DOMIDE(G-1034), 국도, 대한민국) 100중량부를 혼합하여 10분 동안 교반한 후 알루미늄 몰드에 투입하고 경화시켜 몰드로부터 분리하였다(도 4a 및 도 4b, 도 5a 내지 도 5e).
< 실시예 5 내지 8>
1. 방사선 차폐용 복합재료 조성물의 함량
상기 실시예 1의 표 2와 같은 성분으로 실시예 5 내지 실시예 8의 방사선 차폐용 복합재료 조성물의 함량을 정하였다.
2. 1차 교반
상기 항목 1.의 함량으로 방사선 차폐용 복합재료 조성물을 혼합하고, paste mixer(PDM-300, 대화테크, 대한민국)에 투입한 후 3분 동안 교반하였다(도 6a 및 도 6b).
3. 냉각
상기 항목 2.의 결과물을 상온에서 30분 동안 냉각시켰다.
4. 경화제 첨가, 교반
상기 항목 3.의 결과물 100중량부에 경화제(DOMIDE(G-1034), 국도, 대한민국) 100중량부를 상기 paste mixer에 투입하여 3분 동안 교반하였다.
5. 탈포
상기 항목 4.의 결과물을 진공 탈포기(진공도 10-3Torr)에서 2시간 동안 탈포시켰다(도 7a 및 도 7b).
6. 경화
상기 항목 5.의 결과물을 진공오븐(SH-VDO70, 삼흥사, 대한민국)에 투입하고 100에서 1시간 동안 경화시켜 방사선 차폐용 복합재료를 제조하였다(도 8 및 도 9a 내지 도 9c).
< 실험예 1>
1. 방사선 측정 원리
도 10과 같은 방서선 측정 원리를 갖는 가이거-뮬러 장치로서 방사선 측정을 수행하였다.
방사선 차폐의 정도를 아래의 선형감쇄 계수로서 나타내었다.
I = I 0e-μx
여기에서, I는 측정한 방사선의 세기를 나타내고, I 0는 초기 방사선의 세기를 나타내고, μ는 차폐재의 선형감쇄 계수(#/cm)를 나타내며, x는 차폐재의 두께(cm)를 나타낸다.
2. 방사선 차폐율 측정
실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예의 복합재료를 도 11a 내지 도 11c의 방사선 측정 장치들을 이용하여 도 12a 및 도 12b의 방법으로 방사선 원으로서 Co-60을 사용한 경우와 Cs-137을 사용한 경우를 측정하여 그 결과를 표 3 및 표 4에 각각 나타내었다.
시료 두께
(cm)		 자연방사능
(cps)		 I0 계측값
(cps)		 I 계측값
(cps)		 I0 net
(cps)		 I net
(cps)		 감쇄계수
(#/cm)
비교예 0.499 25.5 104 86 78.5 60.5 0.5220
2.450 25.5 104 75 78.5 49.5 0.1882
2.949 25.5 104 74 78.5 48.5 0.1633
실시예 1 0.510 25.5 104 79 78.5 53.5 0.7518
2.525 25.5 104 60 78.5 34.5 0.3256
3.035 25.5 104 57 78.5 31.5 0.3009
실시예 2 0.505 25.5 104 78 78.5 52.5 0.7966
2.150 25.5 104 65 78.5 39.5 0.3194
3.035 25.5 104 64 78.5 38.5 0.2683
실시예 3 0.511 25.5 104 76 78.5 50.5 0.8633
2.033 25.5 104 65 78.5 39.5 0.3378
2.544 25.5 104 56 78.5 30.5 0.3716
실시예 4 0.512 25.5 104 78 78.5 52.5 0.7857
1.97 25.5 104 62 78.5 36.5 0.3887
2.482 25.5 104 61 78.5 35.5 0.3197
시료 두께
(cm)		 자연방사능
(cps)		 I0 계측값
(cps)		 I 계측값
(cps)		 I0 net
(cps)		 I net
(cps)		 감쇄계수
(#/cm)
비교예 0.499 25.5 418 334 392.5 308.5 0.4826
2.450 25.5 418 269 392.5 243.5 0.1973
2.949 25.5 418 262 392.5 236.5 0.1735
실시예 1 0.510 25.5 418 229 392.5 203.5 1.290
2.525 25.5 418 150 392.5 124.5 0.4547
3.035 25.5 418 136 392.5 110.5 0.4176
실시예 2 0.505 25.5 418 226 392.5 200.5 1.330
2.150 25.5 418 163 392.5 137.5 0.4879
3.035 25.5 418 155 392.5 129.5 0.4176
실시예 3 0.511 25.5 418 231 392.5 205.5 1.266
2.033 25.5 418 151 392.5 125.5 0.5608
2.544 25.5 418 146 392.5 120.5 0.4642
실시예 4 0.512 25.5 418 225 392.5 199.5 1.322
1.97 25.5 418 164 392.5 138.5 0.5288
2.482 25.5 418 160 392.5 134.5 0.4315
상기 표 3 및 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 수지와 금속 산화물의 방사선 차폐용 복합재료는 수지만을 단독으로 사용한 비교예에 비하여 Co와 Cs의 방사선 차폐율이 현저히 우수함을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 에피클로로하이드린-비스페놀 A 수지(Epichlorohydrin-Bisphenol A Resin) 40~60중량%와 Bi2O3, WO3 및 Gd2O3로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속 산화물 40~60중량%를 포함하는 방사선 차폐용 복합재료 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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