WO2019147108A1 - 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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flake
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서용석
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서울대학교산학협력단
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    • G21F1/12—Laminated shielding materials
    • G21F1/125—Laminated shielding materials comprising metals

Definitions

  • the present invention relates to a multi-layered high-energy radiation shielding material using a polymer / non-metal composite material and a method of manufacturing the same.
  • the present invention relates to a base material (1) in the form of a film, a sheet or a fabric comprising a multilayered bismuth-tin alloy powder and a polymer resin; And plate-shaped tungsten flakes (2, 3) interposed between the layers of the substrate and arranged and fixed on the surface of the substrate at a predetermined interval with a predetermined shape, wherein the tungsten flakes Layered structure, wherein the mutual positions of the tungsten flakes of the adjacent layers are such that the centers of the flakes do not coincide with each other, thereby shielding the radiation from passing therethrough.
  • a base material (1) in the form of a film, a sheet or a fabric comprising a multilayered bismuth-tin alloy powder and a polymer resin
  • plate-shaped tungsten flakes (2, 3) interposed between the layers of the substrate and arranged and fixed on the surface of the substrate at a predetermined interval with a predetermined shape, wherein the tungsten flakes Layered structure, wherein the mutual positions
  • the most common radiation shielding material used so far is lead, but it is not only toxic to the human body when it is repeatedly contacted for a long time, but it is heavy to use as radiation safety clothing or shielding material. And it is disadvantageous in that it is inferior in workability and flexibility compared with a polymer composite material.
  • the present invention has been developed in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a low-melting-point bismuth tin alloy powder having excellent radiation shielding performance as a substitute for lead by mixing it with a polymer resin and dispersing the same uniformly in an extruder,
  • a shielding material having excellent radiation shielding performance it is also possible to provide a shielding material which is formed by extruding into a fiber form and woven into a sheet shape to thereby provide a shielding material having excellent radiation shielding performance.
  • a tungsten flake having a uniform shape is arranged uniformly, (Two or more layers) shielding composite sheet capable of transmitting radiation by stacking the same tungsten foil pieces in different positions on the mixed sheet after making a mixed sheet with the tungsten mixed body and the tungsten mixed body.
  • the multi-layered composite sheet has flexibility in that the polymer-bismuth tin sheet is flexible and can be bent freely, and a higher shielding performance is obtained as more multilayered structures are manufactured.
  • the present invention provides a method for manufacturing a composite resin, comprising the steps of: preparing a composite resin by kneading a bismuth-tin alloy powder with a polymer resin to produce a composite resin; (1) a step of extruding the composite resin in the form of a film or a sheet, extruding the composite resin into a fiber form, weaving the extruded fiber to woven into a woven fabric to prepare a base material; A tungsten flake piece fixing step of fixing plate-like tungsten flakes (2, 3) arranged on the surface of the substrate with a predetermined shape and at a predetermined interval; And a layer of tungsten flakes fixed to the base material are laminated alternately so that the mutual positions of the tungsten flakes of adjacent layers are arranged such that the centers of the flakes do not coincide with each other so that the pinhole- Layered high-energy radiation shielding material characterized by comprising a step of laminating tungsten flakes
  • the present invention also provides a base material (1) in the form of a film, sheet or fabric composed of a multilayered bismuth-tin alloy powder and a polymer resin produced according to the above production method; And plate-shaped tungsten flakes (2, 3) interposed between the layers of the substrate and arranged and fixed on the surface of the substrate at a predetermined interval with a predetermined shape, wherein the tungsten flakes Layered structure, wherein the mutual positions of the tungsten flakes in the adjacent layers are such that the centers of the flakes do not coincide with each other so that the pinholes through which the radiation can pass are removed. Shielding material.
  • a single-layer barrier sheet is prepared by disposing tungsten flakes at regular intervals on a composite sheet made of a polymer-low-melting-point bismuth-tin alloy manufactured through the present invention, and these sheets are laminated in multiple layers (two or more layers) It is possible to manufacture a multi-layer structure agent having no pinhole and excellent blocking performance and being flexible.
  • tungsten flakes are arranged on a polymer-bismuth tin composite at regular intervals, and the layers are stacked in a multilayer structure.
  • the centers of the tungsten flakes of the other layers are arranged to be shifted from each other,
  • Layered composite structure can be used to solve the problems of the conventional radiation shielding material composed of lead, and at the same time, it is possible to provide various It can be used for manufacturing radiation shielding equipment.
  • This multi-layered composite can utilize the shielding performance of tungsten in combination with the radiation shielding performance of the bismuth-tin alloy, so that it exhibits very high shielding performance against high-energy radiation such as gamma rays as well as low-energy radiation.
  • the multi-layered composite shielding material manufactured according to the present invention can block not only high-energy radiation (gamma rays) but also low-energy radiation such as X-rays to a thin thickness, so that it can be applied as a low-energy radiation shielding material.
  • high-energy radiation gamma rays
  • low-energy radiation such as X-rays
  • FIG. 1 schematically shows a high energy radiation shielding material having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 (a) is a top view, FIG.
  • FIG. 2 is a micrograph showing a cross-section of an extruded film in which (a) a polymer and a bismuth tin alloy are melt-mixed according to an embodiment of the present invention, and (b) a fibrous extruder from an extruder nozzle.
  • FIG. 3 is a photograph of a composite radiation shielding material in which tungsten flakes according to one embodiment of the present invention are uniformly adhered at regular intervals.
  • the present invention provides a method of manufacturing a composite resin, comprising: a step of preparing a composite resin by kneading a bismuth-tin alloy powder with a polymer resin to produce a composite resin; A base material manufacturing step of extruding the composite resin in the form of a film or a sheet, extruding the composite resin into a fiber form, weaving the extruded fiber, and weaving the same into a fabric; A tungsten flake piece fixing step of fixing plate-like tungsten flakes (2, 3) arranged on the surface of the substrate with a predetermined shape and at a predetermined interval; And the layers of the tungsten flakes being fixed to the substrate are alternately laminated in such a manner that the mutual positions of the tungsten flakes of the adjacent layers are such that the centers of the flakes disposed on the upper and lower layers do not coincide with each other, 2) a step of laminating a base material and a tungsten flake which are disposed such
  • the present invention relates to a process for producing a sheet by melt-mixing a bismuth-tin (Bi-Sn) alloy powder excellent in radiation shielding performance as a nonconjugated metal with a polymer
  • the present invention relates to a radiation shielding material for a polymer-metal composite material and a method of manufacturing the same, wherein the tungsten foil pieces are arranged so that the tungsten foil pieces are arranged so as to cross each other in different layers, Mixing a low melting point bismuth-tin alloy powder with a polymer resin in a single shaft, twin-screw extruder or internal mixer; (b) extruding the mixed composite resin into a film or sheet form or extruding it into a fiber form, and then woven it to prepare a fabric; (c) applying a thin adhesive on the produced film, sheet or fabric, and then forming thin rectangular tungsten flakes (Two or more layers) of a polymer-metal composite material (hereinafter, referred
  • the bismuth-tin metal powder is melted in the extruder and uniformly dispersed in the polymer matrix to form a composite having no pin-hole itself (B), the film itself exhibits radiation shielding characteristics when processed in the form of a film-like extrudate.
  • the fabric when the fabric is made by weaving the fiber after the production of the fiber extrudate, the fabric itself has a radiation shielding function (C) aligning the pieces of the square tungsten flakes at regular intervals after thinly applying the adhesive in the process (c); and (d) aligning the sheets in which the tungsten pieces are arranged in the process with the tungsten flakes of the other layers Thereby making it possible to manufacture radiation shielding materials free of pin-holes and to prevent the release of high-energy radiation (gamma rays) The.
  • C radiation shielding function
  • the radiation shielding material according to one embodiment of the present invention is manufactured as a radiation waste disposal bag or a radiation shielding protective garment or a protective garment to protect workers working in the radiation-related business from exposure to high energy radiation (gamma ray) It can be used as a transfer bag. Also, as the structure is multilayered, the shielding performance increases proportionally, and it can be used to make special foam or film for covering the related facilities in case of nuclear emergency.
  • a low-melting-point bismuth (Bi) -tin (Sn) alloy powder and a tungsten flake are used as a multilayered structure metal material.
  • tin contained as a constituent element has a photon energy of 29.2 KeV And has a mass attenuation constant higher than that of lead in the range from this energy value to the photon energy of lead K-edge of 87.9 KeV.
  • tin has the advantage of improving workability by greatly reducing the melting point when forming an alloy with other metals.
  • bismuth with a mass decay constant equal to that of the lead, and a tin-formed bismuth-tin alloy with a high mass decay constant have a low melting point of about 139 ° C It can be easily mixed with the polymer and has excellent shielding performance of tin and bismuth at the same time, so it is suitable as a substitute for lead which can be used for radiation shielding.
  • the tungsten used in the present invention is formed of a thin flake, and can be freely bent by being arranged at regular intervals on the polymer / bismuth-tin composite film, so that a radiation shielding film, protective shield, protective gear, And can be used for manufacturing packaging bags for transportation and the like.
  • the composite resin is manufactured by mixing and kneading 100 to 500 parts by weight of the bismuth-tin alloy powder with respect to 100 parts by weight of the polymer resin . More preferably, 100-500 parts by weight of a low melting point tin (58:42) alloy powder, 10-20 parts by weight of an antioxidant and 15-25 parts by weight of a lubricant may be added to 100 parts by weight of the polymer resin.
  • a more specific method of manufacturing a multi-layered radiation shielding material according to an embodiment of the present invention is as follows. First, 400 parts by weight of a low-melting-point tin (58:42) alloy powder, 10-20 parts by weight of an antioxidant and 15-25 parts by weight of a lubricant were added to 100 parts by weight of a polymer resin, and the mixture was kneaded in a twin-screw internal mixer After mixing, mix.
  • the low melting point tin bismuth alloy used herein is an alloy having a bismuth content ratio of 58% and an alloy having a low eutectic point of about 139 o C.
  • the polymer resin is a polymer resin that is chemically stable and does not easily deteriorate in physical properties, can be processed at a low temperature, and has a viscosity enough to uniformly disperse the metal powder.
  • the polymer resin include a polyethylene- But are not limited to, polystyrene-butadiene-styrene copolymers, polystyrene-isoprene-styrene copolymers, polyvinyl acetate, polyolefin elastomer, polybutadiene, polyisoprene, polycarbonate, (Ethylene Propylene Diene Monomer). These resins are preferably used as a single resin or mixed in an appropriate ratio.
  • Polyvinylacetate among the above polymer resins is excellent not only in processability, viscosity and flexibility but also in adhesiveness as the content of vinylacetate increases. Therefore, a material having a high content of vinyl acetate It is possible to improve the interfacial adhesion force in the lamination of a plurality of shielding materials, and in particular, in the case of a mixture of polyvinylacetate and polyolefin elastomer, the adhesion of the mixture can be controlled by controlling the ratio of polyvinyl acetate .
  • polycarbonate in the polymer resin has high strength even at around 139 ⁇ , which is the melting point of the bismuth-tin alloy powder, it is possible to uniformly disperse and mix / knead the bismuth-tin alloy powder without decomposition .
  • the bismuth-tin alloy according to one embodiment of the present invention is harmless to the human body and has excellent radiation shielding performance, it is difficult to uniformly disperse the bismuth-tin alloy in the polymer resin because of its high density.
  • the liquid is converted into a liquid, and the viscosity is lowered, and it is uniformly mixed / kneaded uniformly in a polymer resin having a viscosity higher than that of liquid bismuth-tin without separation by density difference.
  • FIG. 1 is a top view, (b) and (c) cross-sectional view schematically showing a multi-layer high energy radiation shield according to one embodiment of the present invention;
  • the composite resin thus produced is extruded in the form of a film or a sheet, extruded into a fiber form, and the extruded fiber is woven to woven into a woven fabric.
  • the adhesive is applied to the base material 1,
  • the tungsten flakes 2, 3 of a shape (polygonal or circular as a square, a triangle, etc.) are arranged at regular intervals as shown in FIGS.
  • the multi-layered high-energy radiation shielding material according to one embodiment of the present invention is characterized in that the radiation shielding performance by the tungsten flake and the radiation shielding performance of the fabric layer containing the bismuth tin alloy are combined to exhibit a further improved radiation shielding performance .
  • the tungsten foil surface may be circular or polygonal, more preferably triangular, square (square or rectangular), or circular.
  • the tungsten flake may be fixed to a substrate such that a distance between adjacent tungsten flakes is spaced by a distance of two times or more the thickness of the tungsten flake have. More specifically, as shown in Fig. 1 (c), the multi-layered high energy radiation shielding material is characterized in that the gap between the tungsten foil pieces is larger than the tungsten film thickness so that the fabric body is bent freely.
  • the step of laminating the base material and the tungsten flake may be such that the center of the flake of one layer, And a step of laminating the base material and the tungsten flake to place the two or more adjacent flakes in the gap.
  • FIG. 2 is a micrograph showing a cross section of an extruded film in which (a) a polymer and a bismuth tin alloy are melt-mixed according to an embodiment of the present invention, (b) a fibrous extruder from an extruder nozzle, , It is preferable to use a uniaxial or biaxial extruder. In case of an internal mixer, it is preferable to speed up the rotation speed of the screw to 30 rpm or higher and mix for 4-5 minutes.
  • the composite resin may be extruded or extruded in the form of a film or sheet in the step of producing a base material for producing the base material, and then the extruded fibers may be woven into a woven fabric or the extruded film may be connected to a T- .
  • the fibers can be drawn in the form of fibers as shown in FIG. 2 (b), and the thickness of the fibers can be controlled by stretching them according to the intended use.
  • the bismuth-tin alloy of the high-energy radiation shielding material is composed of 58% bismuth and 42% tin, and is melted at about 139 degrees Celsius.
  • the eutectic alloy It can be easily melted and mixed and extruded in an extruder at a composition ratio of 100 to 500 parts by weight of the bismuth-tin alloy powder.
  • the polymer / bismuth-tin composite resin produced in a uniaxial or biaxial extruder or an internal mixer can be extruded into a film, extruded into a fiber, and then woven into a fabric.
  • a substrate made of a bismuth-tin alloy powder and a polymer resin in the form of a film, a sheet or a fabric in the form of a multilayer; And a plate-like tungsten flake inserted between the layers of the substrate and arranged and fixed on the surface of the substrate at a predetermined interval with a predetermined shape so that the layers of the substrate and the fixed tungsten flakes are alternately laminated Layered structure, wherein the mutual positions of the tungsten flakes of the adjacent layers are arranged such that the centers of the flakes of the other layers do not coincide with each other.
  • the polymer resin may be selected from the group consisting of polyethylene-propylene copolymer, polystyrene-butadiene-styrene copolymer, polystyrene-isoprene- one kind of polymer resin selected from the group consisting of polyvinyl acetate, polyolefin elastomer, polybutadiene, polyisoprene, polycarbonate and EPDM elastomer (Ethylene Propylene Diene Monomer) or a mixture of two or more thereof have.
  • the tungsten flake may be fixed to the substrate such that a distance between adjacent tungsten flakes is spaced by a distance of two times or more than the thickness of the tungsten flake.
  • the arrangement of the layers of the tungsten flakes may be such that the center of the flake of one layer is located in a gap portion formed by gathering neighboring flakes of the other layer.
  • the high energy radiation shielding material of the multi-layer structure according to one embodiment of the present invention may be cut and manufactured from any one selected from the group consisting of a radiation shielding protective clothing, a protective equipment, a radiation shielding film, a radiation waste packaging container and a packaging bag.
  • the multi-layered high-energy radiation shielding material according to one embodiment of the present invention can be manufactured by cutting it to one selected from a protective garment for shielding low-energy radiation (X-ray), protective gear, and shielding film.
  • Energy radiation shielding materials have an advantage that they can be used for low energy radiation (X-ray) shielding clothes, protective gears and shielding membranes.
  • the adhesive used in the tungsten flake-fixing step for fixing the plate-shaped tungsten flakes, which are arranged on the surface of the substrate according to the present invention in a predetermined shape and at regular intervals includes epoxy, acrylic adhesive and the like .
  • An adhesive may be coated on the sheet or substrate on which the tungsten flake is placed to facilitate adhesion when laminated with another sheet or substrate, or may be thermally fused with a slight pressure at a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer used in lamination with another layer So that the multilayer sheet can be adhered well.
  • the polymer-metal composite material mixture obtained by mixing the bismuth-tin alloy powder according to the present invention with a polymer resin to produce a composite resin may be extruded in the form of film or sheet, extruded in the form of a fiber, extruded
  • the inside of the bismuth-tin alloy powder is deformed and oriented while being subjected to a pressing process of a base material manufacturing step of fabricating the base material by weaving the fibers into a woven fabric shape, and at the same time, processed into a thin sheet form as shown in Fig. 3 .
  • Bismuth tin (58:42) having an average particle diameter of 20-38 ⁇ m was added to 100 parts by weight of a polymer prepared by mixing polyvinylacetate and polyolefin elastomer as a polymer resin for a matrix at a weight ratio of 7: , 15 parts by weight of an antioxidant and 20 parts by weight of a lubricant were prepared, and the prepared polymer resin, bismuth-tin metal powder, antioxidant and lubricant were added to a twin-screw internal mixer, And extruded.
  • the extruded fibrous linear extrudate was placed in a mold having a mold thickness of 1, 3, 5 mm and pressed at 130 ° C under a pressure of 7 ton for 5 minutes to produce a uniform thickness film. After the compression, the pressure of the hot press was maintained as it was, and the mixture was cooled to room temperature for 4 minutes.
  • the radiation shielding properties were measured using five polymer / bismuth-tin composite shielding films prepared according to the above Preparation Example according to experimental conditions.
  • Cesium (Cs137) gamma rays with an electron accelerating voltage of 662 KeV were irradiated (all measured values were obtained from the Nuclear Safety Research Institute using cesium radiation source), and the dose rate after passing the shielding material was divided by the dose before passing, Table 1 shows the shielding ratios of the multi-layered shielding materials obtained from 1 to 10. At this time, the thicknesses of the sheets were measured after the prepared sheets were multilayered using an adhesive.
  • Table 1 shows the gamma ray shielding ratio (the dose rate was 368 mGy / h as the energy before attenuation and the reliability was within 5.5%) according to the thickness of the polymer / bismuth-tin alloy (400 phr) mixed film.
  • the radiation shielding characteristics were measured by using 5 pieces for each thickness.
  • Cesium (Cs137) gamma rays (measured by the Nuclear Safety Research Institute) having an accelerating voltage of 662 KeV of the polymer / bismuth-tin former were irradiated and the dose rate after passing through the shielding material was divided by the dose before passing, and the dose rate was calculated and shown in Table 2.
  • the sheet was measured after multilayering a film having a thickness of 0.2 mm and a film having a thickness of 0.3 mm using an adhesive (epoxy).
  • Table 2 shows the cesium (Cs137) gamma ray shielding ratio (the dose rate was 368 mGy / h as the energy before damping and the reliability was 5.5%) according to the thickness of the tungsten film.
  • the radiation attenuation occurs independently in each layer, so that the obtained formulas can be used to obtain the dose rate and shielding rate of the multi-layered radiation shielding material.
  • the tungsten flakes were laminated on the polymer / bismuth-tin alloy composite sheet 10 mm thick according to the thickness, and the results of the measurement of the dose rate and the shielding ratio are shown in Table 3
  • Table 3 shows the gamma ray shielding ratio (the dose rate was 368 mGy / h as the energy before attenuation and the reliability was within 5.5%) according to the thickness of the tungsten flakes deposited on the polymer-bismuth tin composite sheet 10 mm.
  • the gamma ray shielding rate It can be seen that when the tungsten flakes are placed on the polymer / bismuth-tin alloy composite sheet, the gamma-ray blocking effect acts as a composite element to the blocking effect of the two sheets, since the calculated values are almost exactly the same. Assuming a polymer / bismuth-tin sheet thickness of 10 mm is used, the thickness of the tungsten sheet is 12 mm, which indicates that the used gamma rays are substantially blocked within the error range.
  • Table 4 shows the shielding rate of gamma rays (the dose rate was 368 mGy / h before attenuation and the reliability was within 5.5%) according to the thickness of the composite sheet and the number of layers when tungsten 0.5 mm flakes were placed on a polymer / bismuth-tin composite sheet Single layer and two layers are measured results, and three layers are calculated values. It can be seen that the polymer / bismuth-tin composite sheet is also very effective in blocking gamma rays.
  • Table 5 shows the calculation results of the gamma ray shielding ratio (the dose rate calculated as 368 mGy / h as the energy before attenuation) when the 1 mm thick polymer / bismuth-tin composite (400 phr) film is multilayered with 1 mm slices of tungsten film. Is more than 8 layers, more than 90% of gamma rays are blocked.

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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.

Description

고분자/비연계 금속 복합재료를 이용한 다층구조의 고에너지 방사선 차폐재 및 이의 제조방법
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(1); 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편(2, 3)을 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.
본 출원은 2018년 1월 29일에 출원된 한국 특허출원 제10-2018-0010758호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
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.
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(1) 제조단계; 상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편(2, 3)을 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(1); 및 상기 기재의 층간에 삽입되고, 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열 및 고정되는 판상의 텅스텐 박편(2, 3)을 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 투과될 수 있는 핀홀이 없어 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 기재(1)를 제조하는 기재 제조단계; 상기 기재의 표면에 소정의 모양과 일정한 간격을 가지고 배열되는 판상의 텅스텐 박편(2, 3)을 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(2) 중심이 하층의 박편(3) 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 일하는 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 분말과 텅스텐 박편을 사용하는데, 비스무트-주석 합금은 구성 원소로서 함유하고 있는 주석의 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 139 oC 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)로써 이들 단일 수지로 사용하거나 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 기재(1)에 접착제를 도포한 후 그 위에 두께 5 mm 이하의 일정한 모양 (사각형, 삼각형등의 다각형 또는 원형)의 텅스텐 박편(2, 3)을 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

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,
    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 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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