KR20190091781A - 고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법 - Google Patents

고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법과 응용에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 다층으로 구성되는 비스무트-주석 합금 분말 및 고분자 수지로 이루어지는 필름, 시트 또는 직물 형태의 기재; 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편을 포함하여 이루어지고, 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 다층구조 방사선 차폐재는 비스무트-주석합금의 방사선 차폐성능과 더불어 텅스텐의 차폐성능을 복합적으로 이용할 수 있어서 저에너지 방사선은 물론 고에너지 방사선에 대해서도 매우 높은 차폐성능을 나타내므로 고에너지 방사선 피폭 위험으로부터 작업자를 보호하는 안전복, 보호장구, 방사선 폐기물 포장용기 및 포장백, 방사선 발생원을 차단할 포장막 재료에 이르기까지 널리 이용될 수 있다.

Description

고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법 {Multi-layered high energy radiation shielding material using polymer/lead-free metal composites and preparation method thereof}
본원 발명은 고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
보다 구체적으로는 다층으로 구성되는 비스무트-주석 합금 분말 및 고분자 수지로 이루어지는 필름, 시트 또는 직물 형태의 기재; 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편을 포함하여 이루어지고, 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치하여 방사선이 통과하지 못하도록 차단하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재에 대한 것이다.
현대 사회에서 방사선은 원자력 발전소, 군용 장비, 의료 방사선, 산업 방사선 등의 다양한 분야에서 유용하게 이용되고 있지만, 한편으로는 체르노빌 원전 사고나 최근의 후쿠시마 원전 사고와 같이 의도치 않은 사고에 의해 유출되어 심각한 피해를 입히기도 한다. 이와 같은 배경에서 방사선을 차폐할 수 있는 소재의 수요는 점점 증가하고 있다. 특히나 후쿠시마 사태에서 보듯이 고에너지 방사선에 대해서는 마땅한 보호복이 없어서 현장에서 작업하는 작업자의 안전을 확보하기가 힘든 실정이었다.
현재까지 사용되는 방사선 차폐재 중에서 가장 보편적인 방사선 차폐 물질은 납 (lead)이지만 장기간 반복적으로 접촉하는 경우 인체에 대하여 독성을 나타낼 뿐만 아니라 방사선 안전복이나 차폐재로 이용하기에 무게가 무겁고 장시간 착용시 인체에 부담이 되며 또한, 고분자복합재료에 비해 가공성과 유연성이 떨어진다는 단점을 지닌다.
납 (lead)의 대체재로서 다양한 고분자 내에 금속 입자를 분산시킨 복합소재를 사용하면 금속의 우수한 차폐 성능과 고분자의 가공성, 유연성을 동시에 가지게 되는 장점이 있다. 이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064988호, 제10-2011-0126934호 등을 비롯한 많은 특허들에서 소재의 종류와 함량, 제조 방법 등에 변화를 준 고분자-금속 복합재료 방사선 차폐재를 제안하고 있다. 그러나 상기 선행 특허들은 납 (lead)을 포함하여 다양한 금속 입자들을 고분자-금속 복합재료 방사선 차폐재에 이용할 수 있음을 설명하고 있지만, 그 안에서 납 (lead)보다 우수한 방사선 차폐 성능을 가지면서 경제성과 가공성 등의 측면에서 현실적으로 적용할 수 있는 금속들은 극소수에 불과하다. 특히나 고에너지 방사선에 대해서 납 (lead) 만큼의 차단성을 나타낼 수 있는 재료는 현재로서는 텅스텐이 기장 유망하지만 텅스텐의 경우 납 (lead) 보다도 비중이 높아서 작업복에 적용하기 힘들 뿐 아니라 매우 높은 용융온도를 가져서 실제 가공하기가 매우 힘들다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064988호. 대한민국 공개특허공보 재10-2011-0126934호.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 납의 대체재로서 우수한 방사선 차폐 성능을 가지는 저융점 비스무트주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼합하여 고르게 분산시킨 후 이를 압출기에서 압출하여 필름의 형태로 만들거나 또는 섬유상으로 압출한 후 이를 직조하여 시트형태로 만들어서 그 자체로도 방사선 차폐 성능이 우수한 차폐재를 제공할 뿐만 아니라 그 위에 접착제를 도포한 후 균일한 모양의 텅스텐 박편을 일정하게 배치하여 텅스텐과 고분자-비스무트주석 혼합체와의 혼합 시트를 만든 후 이 혼합 시트에 동일한 텅스텐 박편이 다른 위치로 배향된 시트를 적층 시킴으로써 방사선이 투과할 수 있는 핀홀이 방지된 고에너지 방사선 다층 (2층 이상) 차폐 복합시트를 제공함을 그 목적으로 한다. 이때 다층 복합시트는 텅스텐 필름과는 달리 고분자-비스무트주석 시트가 유연하여 자유롭게 구부러질 수 있는 특성을 가지며 더 많은 다층 구조로 제조될수록 더 높은 차폐성능을 가지게 된다.
또한, 본원 발명에서는 이 복합시트를 재단하여 고에너지 방사선 차폐 구조물, 방사선 보호복, 차폐직물, 방사능 폐기물 저장 또는 운반용 백을 제조할 수 있는 효율적인 다층구조 복합차폐재와 그 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 비스무트-주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼련하여 복합수지를 제조하는 복합수지 제조단계; 상기 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나, 섬유상으로 압출한 후 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하여 기재를 제조하는 기재 제조단계; 상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편을 고정하는 텅스텐 박편 고정단계; 및 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치하여 방사선이 투과하는 핀홀이 없는 기재와 텅스텐 박편의 적층단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본원 발명에서는 상기 제조방법에 따라 제조되는 다층으로 구성되는 비스무트-주석 합금 분말 및 고분자 수지로 이루어지는 필름, 시트 또는 직물 형태의 기재; 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편을 포함하여 이루어지고, 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치하여 방사선이 투과할 수 있는 핀홀이 제거되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 제공한다.
본원 발명을 통해 제작된 고분자-저융점 비스무트-주석 합금으로 이루어진 복합시트 위에 텅스텐 박편들을 일정간격으로 배치하여 단층 차단 시트를 제조하고 이들 시트를 다층 (2층 이상)으로 적층하여 방사선이 투과될 수 있는 핀홀이 없으며 차단 성능이 우수하고 유연한 다층구조제를 제조할 수 있다.
다층구조제 제작시 고분자-비스무트주석 복합체 위에 다각형 또는 일정한 원형 모양의 텅스텐 박편들을 일정한 간격으로 배열시킨 후 이들 시트를 다층 적층하되, 다른 층의 텅스텐 박편들의 중심이 서로 어긋나게 배열됨으로써 방사선이 투과로딜 수 있는 핀홀이 없이 텅스텐의 높은 차단성을 동시에 이용할 수 있으며, 다층구조로 제조함으로써 텅스텐 필름이 갖지 못하는 유연성을 부여하여 제조된 다층복합구조체가 기존의 납으로 구성된 방사선 차폐재의 문제점들을 해결할 수 있으며 동시에 다양한 방사선 차폐 장구제조에 이용될 수 있다. 이 다층구조 복합체는 비스무트-주석합금의 방사선 차폐성능과 더불어 텅스텐의 차폐성능을 복합적으로 이용할 수 있어서 저에너지 방사선은 물론 감마선 같은 고에너지 방사선에 대해서도 매우 높은 차폐성능을 나타내므로 고에너지 방사선 피폭 위험으로부터 작업자를 보호하는 안전복, 보호장구, 방사선 폐기물 포장용기 및 포장백, 방사선 발생원을 차단할 포장막 재료에 이르기까지 널리 이용될 수 있다.
또한, 본원 발명으로 제조된 다층구조 복합차폐재는 고에너지 방사선 (감마선)을 차단할 뿐 아니라 X-선같은 저에너지 방사선도 얇은 두께로도 완벽히 차단할 수 있어서 저에너지 방사선 차폐재로도 응용이 가능하다.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 도식적으로 나타낸 것으로 (a) 상면도, (b) 단면도, (c) 굴곡 시 측면도이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 (a) 고분자와 비스무트주석 합금이 용융 혼합된 압출 필름의 단면을 보여주는 현미경 사진이고, (b) 압출기 노즐에서 나온 섬유상 압출체를 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 텅스텐 박편이 일정 간격으로 고르게 부착된 복합 방사선 차폐재의 사진이다.
이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여, 비스무트-주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼련하여 복합수지를 제조하는 복합수지 제조단계; 상기 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나, 섬유상으로 압출한 후 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하여 기재를 제조하는 기재 제조단계; 상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편을 고정하는 텅스텐 박편 고정단계; 및 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 위-아래층에 배치된 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 하여 상층의 박편 중심이 하층의 박편 간격 사이로 이웃하도록 배치하는 기재와 텅스텐 박편의 적층단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법을 제공한다.
본원 발명은 비연계 금속으로서 방사선 차폐 성능이 우수한 비스무트-주석(Bi-Sn) 합금 분말을 고분자와 용융 혼합하여 직접 필름으로 가공하거나 섬유상으로 가공한 후 직조하여 시트를 만들고 그 시트 위에 일정한 크기와 모양의 (일례로 사각형) 텅스텐 박편들을 배열하고 이 텅스텐 박편들이 서로 다른 층에서 교차하도록 배열하여 방사선이 그대로 통과하지 못하도록 하여 차폐시키는 고분자-금속 복합재료 방사선 차폐재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 일축이나 이축압출기 또는 인터널 믹서(internal mixer)에서 저융점 비스무트-주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼합하는 단계; (b) 혼합된 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나 섬유상으로 압출한 후 이를 직조하여 직물 제조 후 (c) 제조된 필름이나 시트, 직물 위에 얇게 접착제를 도포하고 그 위에 얇은 사각형 텅스텐 박편들을 일정한 간격으로 사이를 두고 배열하고 (d) 이들 텅스텐 박편을 일정하게 배열한 시트들을 적층하되 서로 다른 시트의 텅스텐 입자들이 교대로 배열하도록 적층하여 제작되는 다층 (2층 이상) 구조의 고분자-금속 복합재료로써 핀-홀(pin-hole)이 없이 고에너지 방사선(감마선)을 차단할 수 있는 차폐재 및 그 제조 방법 그리고 응용에 관한 것이다.
본원 발명의 일 구현예에 따르면 상기 (a) 과정을 통해, 비스무트-주석 금속 분말은 압출기 내에서 용융되어 고분자 매트릭스 내에 균일하게 분산되어 그 자체로 핀-홀(pin-hole)이 없는 복합체를 이루고, 이후 이를 (b) 과정에서 필름 형태의 압출체로 가공하면 그 필름 자체가 방사선 차폐 특성을 보이며 또 다른 방법으로는 섬유상 압출체 제조 후 이 섬유를 직조하여 직물을 만들 경우 직물 자체도 방사선 차폐 기능을 나타내고, 더욱이 상기 (c) 과정에서 접착제를 얇게 도포한 후 일정한 크기의 사각형 텅스텐 박편 조각을 동일한 간격으로 배향시키고 (d) 공정에서 이들 텅스텐 조각들이 배열된 시트를 다른 층의 텅스텐 박편들과 엇갈리게 배열함으로써 핀-홀(pin-hole)이 없는 방사선 차폐재를 제조하여 고에너지 방사선(감마선)이 방출되는 것을 차단할 수 있다.
본원 발명의 일구현예에 따른 방사선 복합 차폐재를 방사선 폐기물 이송 포대나 또는 방사선 차폐 보호복이나 보호장구로 제조하여 방사선 관련 사업에서 작업자를 고에너지 방사선 (감마선) 노출로부터 보호하며 방사선 폐기물 저장 용기나 이송 자루 (bag)으로 이용할 수 있다. 또 이 구조체는 다층 적층할수록 차폐성능은 비례하여 높아지고 이를 원전 관련 시설들의 비상사태 때 관련 시설들을 덮기 위한 특수포 또는 포장막 제작에도 사용할 수 있다.
본원 발명에서는 다층구조체 금속재료로서 저융점 비스무트(Bi)-주석(Sn) 합금 분말 과 텅스텐 박편을 사용하는데, 비스무트-주석 합금은 구성 원소로서 함유하고 있는주석의 K-edge의 광자 에너지가 29.2KeV로 이 에너지 값에서부터 납의 K-edge의 광자 에너지인 87.9KeV에 이르는 구간에서 납보다 높은 질량감쇠상수를 가진다. 또한, 주석은 다른 금속과 합금을 형성할 때 융점을 크게 낮춰 가공성을 향상시키는 장점이 있다. 따라서 납(lead)에 비해 원자번호가 1밖에 높지 않아 납(lead)과 거의 같은 질량감쇠상수를 가지는 비스무트와 높은 질량감쇠상수를 보이는 주석이 형성한 비스무트-주석 합금은 139℃ 정도의 낮은 융점을 가져 고분자와 혼합이 쉽게 일어날 수 있으며 주석과 비스무트의 우수한 차폐 성능을 동시에 가짐으로써 방사선 차폐에 사용될 수 있는 납의 대체재로서 적합하다. 또한 본원 발명에 사용되는 텅스텐의 경우 얇은 박편으로 이루어져 있으며 고분자/비스무트-주석 복합필름 위에서 일정 간격으로 배열됨으로써 자유롭게 구부러질 수 있어서 높은 방사차폐 특성과 함께 방사차폐 보호막이나 보호복, 보호장구 그리고 폐기물 운반 이송용 포장 백 제조 등에 이용될 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법에 있어서, 상기 복합수지 제조단계는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 비스무트-주석 합금 분말을 100 내지 500 중량부를 혼합하여 혼련하는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 저융점 비스무트주석 (58:42) 합금 분말 100-500 중량부, 산화 방지제 10-20 중량부, 윤활제 15-25 중량부로 이루어질 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 보다 구체적인 다층구조 방사선 차폐재의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 고분자 수지 100 중량부에 대하여, 저융점 비스무트주석 (58:42) 합금 분말을 400 중량부, 산화 방지제 10-20 중량부, 윤활제 15-25 중량부를 준비하고, 트윈-스크류 인터널 믹서에 투입한 후 혼합한다. 이때 사용되는 저융점 주석비스무트 합금은 비스무트의 함량비가 58%로 이루어진 합금으로서 139oC 정도의 낮은 공융점을 가지는 합금이다.
이때, 상기 고분자 수지는 화학적으로 안정하여 쉽게 물성의 악화가 일어나지 않고, 낮은 온도에서 가공할 수 있으며, 금속 분말을 균일하게 분산시킬 수 있을 정도의 점도를 가진 고분자 수지로서, 폴리에틸렌-프로필렌공중합체, 폴리스타이렌-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리스타이렌-아이소플렌-스타이렌 공중합체, 폴리바이닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리 올레핀 엘라스토머(poly olefin elastomer), 폴리부타디엔, 폴리아이소프렌, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 EPDM 탄성체(Ethylene Propylene Diene Monomer)로 등을 적절한 비율로 섞은 혼합물이 바람직하다.
상기 고분자 수지 중 폴리바이닐아세테이트(polyvinylacetate)는 가공성과 점도, 유연성의 측면에서 매우 우수할 뿐 아니라, 바이닐아세테이트(vinylacetate)의 함량이 증가할수록 접착성이 증가하기 때문에, 바이닐아세테이트의 함량이 높은 재료를 이용함으로써 복수 매의 차폐재의 적층 시 계면접착력을 향상시킬 수 있고, 특히 폴리바이닐아세테이트(polyvinylacetate)와 폴리올레핀엘라스토머(polyolefin elastomer)의 혼합물의 경우 폴리바이닐아세테이트의 비율을 조절함으로써 혼합물의 점착력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지 중 폴리카보네이트(polycarbonate)는 비스무트-주석 합금 분말의 융점인 139℃ 부근에서도 높은 강도를 가지기 때문에, 분해됨이 없이 비스무트-주석 합금 분말을 균일하게 분산시키며 혼합/혼련할 수 있는 장점이 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 비스무트-주석 합금은 인체에 무해하며 방사선 차폐 성능이 뛰어난 물질이지만, 밀도가 높기 때문에 고분자 수지 내에 균일하게 분산시키는 일이 쉽지 않다. 그러나 압출기 내에서 용융된 후에는 액상으로 변화되면 점도가 낮아지며 액상 비스무트-주석보다 훨씬 점도가 높은 고분자수지 내에서 밀도차에 의한 분리없이 균일하게 잘 혼합/혼련된다.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 도식적으로 나타낸 (a) 상면도, (b) 단면도, (c) 굴곡시 측면도로 보다 구체적으로 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조한 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나, 섬유상으로 압출한 후 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하여 제조되는 기재에 접착제를 도포한 후 그 위에 두께 5 mm 이하의 일정한 모양 (사각형, 삼각형등의 다각형 또는 원형)의 텅스텐 박편을 도 1의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 일정 간격으로 배열한 후 이렇게 제조된 텅스텐 박편 부착 시트를 다층으로 적층하되 최소 2층 이상으로 적층하여 홀수층과 짝수층의 텅스텐 박편들은 그 중심이 서로 엇갈리게 배치함으로써 다른 층의 공극(핀홀)을 막아주게 되어 핀홀이 생기는 것을 방지하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 제조할 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 텅스텐 박편에 의한 방사선 차폐성능과 비스무트주석 합금을 함유하는 직물층의 방사선 차폐 성능이 복합적으로 작용하여 더욱 향상된 방사선 차폐성능을 보이는 것을 특징으로 한다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법에 있어서, 상기 텅스텐 박면은 원형 또는 다각형일 수 있고, 보다 바람직하게는 삼각형, 사각형(정사각형 이나 직사각형) 또는 원형일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법에 있어서, 상기 텅스텐 박편은 인접하는 텅스텐 박편 간의 간격이 텅스텐 박편의 두께보다 2배 이상의 거리로 이격되도록 기재에 고정하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 텅스텐 박편 사이의 간격이 텅스텐 필름 두께보다 더 커서 직물체가 자유롭게 구부러짐을 특징으로 한다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법에 있어서, 상기 기재와 텅스텐 박편의 적층단계는 도 1의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 일층의 박편 중심이 타층의 이웃한 2 이상의 박편이 모여서 이루어지는 간격부에 위치하도록 하는 기재와 텅스텐 박편의 적층단계를 포함할 수 있다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 (a) 고분자와 비스무트주석 합금이 용융 혼합된 압출 필름의 단면을 보여주는 현미경 사진이고, (b) 압출기 노즐에서 나온 섬유상 압출체를 나타낸 것으로 혼합/혼련 시, 일축 또는 이축 압출기를 사용하는 것이 바람직하고 인터널 믹서(internal mixer)의 경우에는 스크류의 회전속도를 30rpm 이상으로 빠르게 하여 4-5분 혼합하는 것이 바람직하다.
이때 기재를 제조하는 기재 제조단계에서 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나 섬유상으로 압출한 후, 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하거나 또는 압출된 필름을 T-다이를 연결하여 얇은 필름형태로 바로 가공할 수 있다. 다른 형태의 시트 제작을 위해서는 도 2의 (b)와 같이 섬유상으로 뽑을 수 있고 이때 섬유상은 사용 용도에 따라 연신하여 그 굵기를 조절할 수 있다.
특히 본원 발명의 일 구현예에 따른 고에너지 방사선 차폐재의 비스무트-주석 합금은 비스무트 58%와 주석42%로 이루어짐으로서 섭씨 139도 부근에서 용융하는 것을 특징으로 하는 공융합금으로서 고분자 수지 100 중량부에 대하여 비스무트-주석 합금 분말을 100 내지 500 중량부를 혼합하는 구성비율로 압출기 내에서 용이하게 용융 혼합하여 압출할 수 있는 특징이 있다. 또한, 일축 또는 이축 압출기 또는 인터널 믹서(internal mixer) 내에서 제조된 고분자/비스무트-주석 복합수지는 필름상으로 압출하거나 섬유상으로 압출한 후 직조하여 직물 형태로 제조가 가능한 특징이 있다.
또한, 본원 발명에서는 다층으로 구성되는 비스무트-주석 합금 분말 및 고분자 수지로 이루어지는 필름, 시트 또는 직물 형태의 기재; 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편을 포함하여 이루어지고, 상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 다른 층의 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 제공한다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌-프로필렌공중합체, 폴리스타이렌-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리스타이렌-아이소프렌-스타이렌 공중합체, 폴리바이닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer), 폴리부타디엔, 폴리아이소프렌, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 EPDM 탄성체(Ethylene Propylene Diene Monomer)로 이루어진 군에서 선택되는 1 종의 고분자 수지 또는 2 종 이상의 혼합물일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재에 있어서, 상기 텅스텐 박편은 인접하는 텅스텐 박편 간의 간격이 텅스텐 박편의 두께보다 2배 이상의 거리로 이격되도록 기재에 고정된 것일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재에 있어서, 상기 텅스텐 박편의 층간의 배열은 일층의 박편 중심이 타층의 이웃한 박편이 모여서 이루어지는 간격부에 위치하는 것일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 재단되어 방사선 차폐 보호복, 보호장구, 방사선 차폐용 포장막, 방사선 폐기물 포장용기 및 포장백 중에서 선택되는 어느 하나로 제조될 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 재단되어 저에너지 방사선(X-선) 차폐용 보호복, 보호장구 및 차단막 중에서 선택되는 어느 하나로 제조될 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따르면 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재를 재단하여 방사선 차폐 보호복, 보호장구, 방사선 차폐용 포장막, 방사선 폐기물 포장용기 및 포장백을 제조할 수 있고, 이러한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 저에너지 방사선 (X-선) 차폐복이나 보호장구 및 차단막에도 활용할 수 있는 장점이 있다.
본원 발명에 따른 상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편을 고정하는 텅스텐 박편 고정단계에서 사용하는 접착제는 도포가 용이한 일반 접착제로서 에폭시나 아크릴 접착제등을 포함할 수 있다. 텅스텐 박편이 배치된 시트 또는 기재에 접착제를 코팅하여 다른 시트 또는 기재와 적층시 접착이 용이하게 할 수도 있고 또는 다른 층과의 적층시 사용 고분자의 유리전이온도이상의 온도에서 약간의 압력과 함께 열융착을 시킴으로써 다층 시트가 잘 붙게 할 수 있다.
본원 발명에 따른 비스무트-주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼련하여 복합수지를 제조하는 복합수지 제조단계를 거친 고분자-금속 복합재료 혼합물은, 상기 필름 또는 시트 형태로 압출하거나, 섬유상으로 압출한 후 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하여 기재를 제조하는 기재 제조단계의 압착 과정을 거치면서 내부의 비스무트-주석 합금 분말의 변형과 배향이 이루어지는 동시에, 도 3과 같이 얇은 시트(sheet) 형태로 가공될 수 있다.
이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.
< 제조예 >
매트릭스용 고분자 수지로서 폴리바이닐아세테이트 (polyvinylacetate)와 폴리올레핀엘라스토머 (poly olefin elastomer)를 7:3의 무게비로 혼합한 고분자 100 중량부에 대하여, 입자의 평균 직경 20-38um인 비스무트주석 (58:42)의 금속 분말 400 중량부, 산화 방지제 15 중량부, 윤활제 20 중량부를 준비하고, 준비된 고분자 수지, 비스무트-주석 금속 분말, 산화 방지제, 윤활제를 트윈-스크류 인터널 믹서에 투입하고, 100℃에서 30rpm으로 압출하였다.
압출된 섬유상의 선형 압출체를 몰드 두께가 1, 3, 5 mm인 몰드에 넣고 130℃에서 7 ton의 압력으로 5분간 압착하여 균일한 두께의 필름을 제조하였다. 압착 후 핫 프레스의 압력은 그대로 유지한 채 4분간 상온까지 냉각시켰다.
<방사선 차폐시험>
상기 제조예를 통해 제작된 고분자/비스무트-주석 복합재료 차폐필름을 실험 조건에 따라 각각 5 개씩 이용하여 방사선 차폐 특성을 측정하였다. 전자의 가속전압이 662 KeV인 세슘 (Cs137) 감마선을 조사 (모든 측정값들은 원자력안전연구원에서 세슘 방사선원을 이용하여 측정한 결과임) 하였으며 차폐재 통과 후의 선량을 통과 전의 선량으로 나눔으로써 선량율을 계산하고 이를 1에서 뺌으로서 얻어지는 다층구조 차폐재의 감마선 차폐율을 표 1에 나타냈다. 이때 시트의 두께는 상기 제조된 시트들을 접착제를 사용하여 다층 적합시킨 후 측정하였다.
두께 1mm 3mm 5mm 10mm 15mm 18mm
차폐율 (측정값) 0.03 0.09 0.15 0.28 0.37 0.42
표 1은 고분자/비스무트-주석 합금(400phr) 혼합필름의 두께에 따른 감마선 차폐율(선량율은 감쇠이전에너지로 368 mGy/h 이었으며 신뢰도는 5.5% 이내였다)을 나타낸 것으로 상기 표 1에 따르면 투과율은 Beer-Lambert law에 따라 지수함수적인 거동을 보이며 이를 식에 맞추면 선량율은 99% 이상의 상관관계에서 Ci = 0.99274* exp(-0.030362*x) 로 표시할 수 있다(x= 복합체 두께, mm), 이 식에 따르면 고분자/비스무트-주석 합금 복합체만을 사용하면 전체 두께가 98 mm 이상이면 오차범위이내에서 완전한 감마선 차폐를 이룰 수 있다.
추가적으로 텅스텐 박막 필름만의 차폐특성을 보기위하여 두께별로 각각 5 개씩 이용하여 방사선 차폐 특성을 측정하였다. 앞서의 고분자/비스무트-주석 전자의 가속전압이 662 KeV인 세슘(Cs137) 감마선(원자력안전연구원 측정)을 조사하였으며 차폐재 통과 후의 선량을 통과 전의 선량으로 나눔으로써 선량율을 계산하여 표 2에 나타냈다. 이때 시트는 0.2 mm의 두께의 필름과 0.3mm 두께의 필름을 접착제(에폭시)를 사용하여 다층 적합시킨 후 측정하였다.
두께 0.2mm 0.3mm 0.5mm 0.8mm 1mm
차폐율 (측정값) 0.05 0.07 0.12 0.17 0.20
표 2는 텅스텐 필름의 두께에 따른 세슘(Cs137) 감마선 차폐율(선량율은 감쇠 이전에너지로 368 mGy/h 이었으며 신뢰도는 5.5% 이었다)을 나타낸 것으로 상기 표에 따르면 텅스텐 필름에 대한 감마선 투과율도 Beer-Lambert law에 따르는 지수함수적인 거동을 보이며 이를 99%의 상관관계를 가지는 식에 맞추면 선량율은 Ci = 0.98912* exp(-0.21659*x) 로 표시된다 (x= 복합체 두께, mm). 이 식에 따르면 텅스텐 필름만을 사용하면 14mm 두께면 오차범위 이내에서 이 에너지의 감마선 차폐를 완전히 이룰 수 있다.
다층구조 방사선 차폐재의 경우 방사선 감쇠는 각층에서 독립적으로 일어나므로 여기서 얻어진 식들을 이용하면 다층구조 방사선 차폐재의 선량율 및 차폐율을 얻을 수 있다. 이를 확인하기 위하여 고분자/비스무트-주석 합금 복합시트 10mm 위에 텅스텐 박편들을 두께에 따라 적층시킨 후 선량율과 차폐율을 측정한 결과와 계산한 결과를 표 3에 나타내었다
텅스텐 박편 두께 0.2mm 0.3mm 0.5mm 0.8mm 1mm
차폐율 (측정값) 0.32 0.33 0.36 0.39 0.42
표1과 표2의 수식 계산값 0.32 0.33 0.36 0.4 0.42
표 3은 고분자-비스무트주석 복합시트 10mm 위에 올린 텅스텐 박편의 두께에 따른 감마선 차폐율(선량율은 감쇠이전에너지로 368 mGy/h 이었으며 신뢰도는 5.5% 이내였다)을 나타낸 것으로 실제 측정한 감마선 차폐율과 계산치가 거의 정확하게 일치하는 것에서 고분자/비스무트-주석 합금 복합체 시트 위에 텅스텐 박편들을 올리면 감마선 차단 효과가 두 시트의 차단효과에 복합요소로 작용함을 알 수 있다. 고분자/비스무트-주석 시트 10 mm 두께를 사용한다고 가정할 때 텅스텐 시트의 두께가 12 mm 이면 사용한 감마선은 오차범위 이내에서 거의 차단됨을 알 수 있다.
다른 예로 상기 고분자/비스무트-주석 합금 복합필름에 텅스텐 0.5 mm 박편을 단층 올린 경우와 이들을 2층 올린 경우 측정치 및 3층으로 하였을 경우 계산치를 아래 표4에 예시하였다.
고분자/비스무트-주석 시트 두께 1mm 3 mm 5 mm 10mm 15mm 18mm
단층 (측정값) 0.15 0.2 0.25 0.37 0.45 0.49
2층 (측정값) 0.27 0.36 0.44 0.6 0.69 0.74
3층 (계산값) 0.38 0.49 0.58 0.75 0.83 0.87
표 4는 텅스텐 0.5 mm 박편을 고분자/비스무트-주석 복합 시트에 올렸을 때 복합 시트 두께 및 층수에 따른 감마선 차폐율 (선량율은 감쇠이전에너지로 368 mGy/h 이었으며 신뢰도는 5.5% 이내였다)을 나타낸 것으로 단층과 2층은 측정한 결과이며 3층은 계산값이다. 고분자/비스무트-주석 복합시트도 감마선 차단에 매우 효율적임을 알 수 있다.
표 5는 1 mm 두께의 고분자/비스무트-주석 복합 (400phr) 필름에 텅스텐 필름 1 mm 박편을 다층 올릴 경우 감마선 차폐율 계산 결과(선량율은 감쇠이전에너지로 368 mGy/h 로 계산)를 나타낸 것으로 층수가 8층 이상이 되면 90% 이상의 감마선이 차단됨을 알 수 있다.
층수 1 2 3 4 5 6
3층 (계산값) 0.224 0.4 0.53 0.64 0.72 0.78
1: BiSn(함유) 직포, 2: 상층 텅스텐 박편, 3: 하층 텅스텐 박편

Claims (12)

  1. 비스무트-주석 합금 분말을 고분자 수지와 혼련하여 복합수지를 제조하는 복합수지 제조단계;
    상기 복합수지를 필름 또는 시트 형태로 압출하거나, 섬유상으로 압출한 후 압출된 섬유를 직조하여 직물 형태로 직조하여 기재를 제조하는 기재 제조단계;
    상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편을 고정하는 텅스텐 박편 고정단계; 및
    상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치하는 기재와 텅스텐 박편의 적층단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합수지 제조단계는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 비스무트-주석 합금 분말을 100 내지 500 중량부를 혼합하여 혼련하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리에틸렌-프로필렌공중합체, 폴리스타이렌-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리스타이렌-아이소프렌-스타이렌 공중합체, 폴리바이닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer), 폴리부타디엔, 폴리아이소프렌, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 EPDM 탄성체(Ethylene Propylene Diene Monomer)로 이루어진 군에서 선택되는 1 종의 고분자 수지 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 텅스텐 박면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 텅스텐 박편은 인접하는 텅스텐 박편 간의 간격이 텅스텐 박편의 두께보다 2배 이상의 거리로 이격되도록 기재에 고정하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기재와 텅스텐 박편의 적층단계는 일층의 박편 중심이 타층의 2 이상의 박편이 모여서 이루어지는 간격부에 위치하도록 하는 기재와 텅스텐 박편의 적층단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재의 제조방법.
  7. 다층으로 구성되는 비스무트-주석 합금 분말 및 고분자 수지로 이루어지는 필름, 시트 또는 직물 형태의 기재; 및
    상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편을 포함하여 이루어지고,
    상기 기재와 고정되는 텅스텐 박편이 이루는 층이 교대로 적층되도록 다층으로 적층하되, 서로 인접한 층의 텅스텐 박편 간의 상호 위치는 박편의 중심이 서로 일치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
  8. 청구항 7에 있어서,
    기 고분자 수지는 폴리에틸렌-프로필렌공중합체, 폴리스타이렌-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리스타이렌-아이소프렌-스타이렌 공중합체, 폴리바이닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer), 폴리부타디엔, 폴리아이소프렌, 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 EPDM 탄성체(Ethylene Propylene Diene Monomer)로 이루어진 군에서 선택되는 1 종의 고분자 수지 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 텅스텐 박편은 인접하는 텅스텐 박편 간의 간격이 텅스텐 박편의 두께보다 2배 이상의 거리로 이격되도록 기재에 고정된 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 텅스텐 박편의 층간의 배열은 일층의 박편 중심이 타층의 2 이상의 박편이 모여서 이루어지는 간격부에 위치하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
  11. 청구항 7에 있어서
    상기 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 재단되어 방사선 차폐 보호복, 보호장구, 방사선 차폐용 포장막, 방사선 폐기물 포장용기 및 포장백 중에서 선택되는 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
  12. 청구항 7에 있어서
    상기 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재는 재단되어 저에너지 방사선(X-선) 차폐용 보호복, 보호장구 및 차단막 중에서 선택되는 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재.
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