[논문]몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 보호복용 방사선 차폐 소재 연구

배만재; 이형민

doi:10.7469/jksqm.2015.43.3.239

몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 보호복용 방사선 차폐 소재 연구
A Study on Radiation Shielding Materials for Protective Garments using Monte Carlo Simulation 원문보기

品質經營學會誌 = Journal of Korean society for quality management, v.43 no.3, 2015년, pp.239 - 252

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Purpose: Lead has been widely used in radiation shielding for its low price and high workability. Recently in several europe countries, use of lead was banned for environmental issues. Also lead can cause health problems like alergies. Alternative materials for lead are highly required. The purpose of this study was to propose lead free radiation shielding material. Methods: Research of radiation shielding in Korea is not easy for certain limits such as radiation materials, experimental facilities and places. The collected data through the research were simulated using MCNPX. The simulation tools used for this study were utilized Monte Carlo method. Results: we suggest new design of lead free radiation shielding material using MCNPX code comparing shielding performance of new composite materials to lead. Conclusion: This newly introduced nano-scale composite of metal and polymer makes new chance for highly lightened radiation protective garments with endurable shielding performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 이러한 미세기공 구조를 단순화시켜 공간상에 주기적으로 반복되는 단일 층상의 미세기공 배열로서 모사하였다. 또한 구리를 사용한 것은 탄소로 이루어진 활성탄의 경우 감마선에 대해 차폐 효과를 나타내는 것이 불가능하기 때문에 감마선 차폐에 효과적인 금속원소 중 손쉽게 다룰 수 있으면서도 가격경쟁력 및 경량화의 장점과 인체에 무해한 점 등이 고려되었다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 구리-폴리에틸렌 나노 복합재를 이용한 새로운 방사선 차폐용 소재를 설계하였다. 실제 방사선 차폐 실험의 수행은 장소, 시설, 장비의 사용이 상당히 제한적이기 때문에 원자력 분야에서 널리 쓰이고 있는 방법인 몬테카를로 시뮬레이션(MCNPX: Monte Carlo Neutron and Photon code version X)를 이용하여 전산모사 형태로 연구를 수행하였다.
실제 방사선 차폐 실험의 수행은 장소, 시설, 장비의 사용이 상당히 제한적이기 때문에 원자력 분야에서 널리 쓰이고 있는 방법인 몬테카를로 시뮬레이션(MCNPX: Monte Carlo Neutron and Photon code version X)를 이용하여 전산모사 형태로 연구를 수행하였다. 이를 통해 기존보다 경량화율을 크게 높이면서도 일정 수준의 차폐 성능을 유지할 수 있는 방사선 보호복 소재의 제작 가능성을 확인하는 것이 본 연구의 목적이다.
또한, 활성탄의 미세기공에 Figure 4와 같이 금속을 얇게 첨착시킬 경우 질량대비 매우 높은 수준의 표면적을 가지는 금속 나노구조를 손쉽게 형성시킬 수 있다. 이를 활용하여 질량을 줄여 경량화를 달성하는 동시에 높은 표면적을 통해 감마선과의 산란 발생 횟수를 증가시켜 차폐성능을 향상시키는 것이 이 연구의 목적이다.
이 시뮬레이션은 프로그램화되어 제한적으로 공개되고 있으며, 이번 연구를 위하여 미국의　핵관련 연구기관인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 배포된 프로그램을 사용하였다. 이를 활용해 다양한 방사선 차폐 소재들을 설계 후 각각의 차폐 성능을 납과 비교 평가하여 납대체 방사선 차폐소재를 제시하고자 한다.

제안 방법

미세기공이 수nm 수준일 경우 약간의 차이에도 표면적이 크게 증감하며 그에 따른 물성이 변화하기 때문에 Table 2와 같이 미세기공 수준을 4nm 에서 80nm에 이르기까지 총 5개 종류에 대해 시험을 수행하였다. 이 때 기공의 크기가 변해 기공의 전체 숫자가 줄어도 금속 두께가 이에 비례하여 늘어나 첨착된 구리의 전체 질량은 동일하도록 설정하였으며 이를 통해 동일 질량 대비 최고의 차폐 성능을 보일 수 있는 재료의 미세구조를 확인할 수 있다.
본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 이용한 구리-폴리에틸렌 복합재 전산모사를 통해 방사선 차폐 성능을 추정하였다. 실험 결과, 폴리에틸렌과 같은 비금속은 차폐재로서의 특성이 매우 떨어지기 때문에 단독으로 활용되기보다는 구리와 같은 금속재와 복합재의 형태로 구성될 때 보다 효과적인 것으로 확인되었다.
앞서 ‘실험’에서 기술한 바와 같이, 구리-폴리에틸렌 복합재의 최적 설계를 위하여 Table 3과 같이 균일한 미세기공의 직경이 4~80nm에 이르는 5 종류의 차폐재를 설계하였다.

대상 데이터

방사선의 방호효과를 확인하기 위해서 Table 1과 같이 저에너지 영역의 감마선 3종을 시험대상으로 선정하였다. 실질적으로 1 MeV 이상의 Energy Level을 지니는 고에너지 감마선은 납과 같은 금속 박막으로는 차폐가 어렵기 때문에 보호복 수준의 방호재로는 실험의 의미가 없으므로 본 실험 대상에서 제외하였다.
본 연구에서 설계한 금속-고분자 복합재는 구조는 활성탄(Activated Carbon)으로, 성분은 구리(Copper)와 폴리에틸렌(Polyethylene)으로 구성되어 있다. 활성탄은 천연 또는 합성유기물질을 탄화 및 활성화시켜 만든 다공성 탄소물질로 질량 대비 매우 넓은 표면적을 갖고 있으며(수백 m²/g) Figure 3과 같이 매우 작은 미세기공(수~수백 nm(nanometer)이 잘 발달된 것이 특징이다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 프로그램은 몬테카를로 시뮬레이션 프로그램으로 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발된 MCNPX(Monte Carlo Neutron and Photon code version X)이다. MCNPX는 Boltzman-Fokker-Plank algorithm을 이용하여 광자(Photon)와 중성자(Neutron) 및 전자(Electron)의 수송현상을 모사하는 일반적인 Monte Carlo code로 각종 원자력 관련 시설 및 장비의 사전 설계 검토에 반영되는 등 높은 신뢰를 받고 있으며, Monte Carlo Method 등 컴퓨터를 사용하는 방법이 신뢰성평가 등에 사용되고 있다(Kirk 2010; Lee 1982; Lee 1994; Kahng 1996).
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 구리-폴리에틸렌 나노 복합재를 이용한 새로운 방사선 차폐용 소재를 설계하였다. 실제 방사선 차폐 실험의 수행은 장소, 시설, 장비의 사용이 상당히 제한적이기 때문에 원자력 분야에서 널리 쓰이고 있는 방법인 몬테카를로 시뮬레이션(MCNPX: Monte Carlo Neutron and Photon code version X)를 이용하여 전산모사 형태로 연구를 수행하였다. 이를 통해 기존보다 경량화율을 크게 높이면서도 일정 수준의 차폐 성능을 유지할 수 있는 방사선 보호복 소재의 제작 가능성을 확인하는 것이 본 연구의 목적이다.
해외 선진국가 등은 몬테카를로 방법을 이용한 방사선 입자의 시뮬레이션을 많이 이용하고 있다(Nasser et al 2006; Kirk 2010). 이 시뮬레이션은 프로그램화되어 제한적으로 공개되고 있으며, 이번 연구를 위하여 미국의　핵관련 연구기관인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 배포된 프로그램을 사용하였다. 이를 활용해 다양한 방사선 차폐 소재들을 설계 후 각각의 차폐 성능을 납과 비교 평가하여 납대체 방사선 차폐소재를 제시하고자 한다.

성능/효과

이들은 앞서 Figure 6에서 분석한 ²⁴¹Am보다 높은 에너지를 갖는 방사선원이기 때문에 상대적으로 차폐율이 낮게 나타난다. ²⁴¹Am에 대해 96%의 차폐율을 보였던 구리는 ⁵⁷Co에 대해서는 39%의 차폐율을, ¹³⁷Cs에 대해서는 13%의 차폐율을 갖는 것으로 측정되었다. 폴리에틸렌의 경우 세 가지 방사선원 모두에 대해 차폐효과가 5%미만으로 단독 사용 시에는 차폐재로서 기능을 수행하지 못하는 것으로 확인되었다.
이는 미세기공 구조를 활용하여 구현된 높은 수준의 단위질량당 표면적에 기인한 것이며 특히 저에너지 영역인 ²⁴¹Am에 대해서는 평균적으로 75% 이상의 높은 차폐 성능을 나타냈다. 고에너지 영역인 ⁵⁷Co와 ¹³⁷Cs에 대해서는 차폐재로 사용되기에는 부족한 성능을 나타냈지만 ¹³⁷Cs의 경우 납도 차폐율이 23%에 불과해 차폐재로 사용되기에 부적합한 것으로 확인되었다.
또한, 구리-폴리에틸렌 복합재는 기존의 차폐재로 널리 이용되는 납 대비 38%에 불과한 무게로 높은 수준의 경량화를 달성하면서도 저에너지 영역에서는 납 대비 80% 수준의 차폐 성능을 구현하였으며 이를 통해 새로운 방사선 보호복용 차폐 소재로서의 가능성을 확인하였다. 구리-폴리에틸렌과 같은 복합재의 설계에 있어서 복합재의 내부 구조에 따라 목적에 부합하는 차폐 효과가 다르게 나타난다는 것을 밝혀낼 수 있었다.
실험 결과, 폴리에틸렌과 같은 비금속은 차폐재로서의 특성이 매우 떨어지기 때문에 단독으로 활용되기보다는 구리와 같은 금속재와 복합재의 형태로 구성될 때 보다 효과적인 것으로 확인되었다. 또한, 구리-폴리에틸렌 복합재는 기존의 차폐재로 널리 이용되는 납 대비 38%에 불과한 무게로 높은 수준의 경량화를 달성하면서도 저에너지 영역에서는 납 대비 80% 수준의 차폐 성능을 구현하였으며 이를 통해 새로운 방사선 보호복용 차폐 소재로서의 가능성을 확인하였다. 구리-폴리에틸렌과 같은 복합재의 설계에 있어서 복합재의 내부 구조에 따라 목적에 부합하는 차폐 효과가 다르게 나타난다는 것을 밝혀낼 수 있었다.
본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 이용한 구리-폴리에틸렌 복합재 전산모사를 통해 방사선 차폐 성능을 추정하였다. 실험 결과, 폴리에틸렌과 같은 비금속은 차폐재로서의 특성이 매우 떨어지기 때문에 단독으로 활용되기보다는 구리와 같은 금속재와 복합재의 형태로 구성될 때 보다 효과적인 것으로 확인되었다. 또한, 구리-폴리에틸렌 복합재는 기존의 차폐재로 널리 이용되는 납 대비 38%에 불과한 무게로 높은 수준의 경량화를 달성하면서도 저에너지 영역에서는 납 대비 80% 수준의 차폐 성능을 구현하였으며 이를 통해 새로운 방사선 보호복용 차폐 소재로서의 가능성을 확인하였다.
단일 조성 차폐재로 사용된 납, 구리, 폴리에틸렌의 차폐율(%)은 차폐재가 없는 경우와 대비하여 전체 에너지 스펙트럼 영역에 걸쳐 투과된 에너지의 총합을 투과율(%)로 정의할 때, [100-투과율](%)로 정의될 수 있으며 이는 스펙트럼 곡선 아래 면적의 합을 통해 계산될 수 있다. 이러한 방법으로 ²⁴¹Am 방사선원에 대해 계산된 차폐율은 납의 경우 100%, 구리의 경우 96%, 폴리에틸렌의 경우 2.2%이며, 금속인 납과 구리가 대부분의 방사선을 차폐하는 데 비해 고분자 재료인 폴리에틸렌은 차폐효과가 거의 없는 것으로 나타났다.
이 가속기에서 얻은 빔은 주로 세 가지로 사용된다. 첫째, 고에너지의 핵이나 입자들을 표적에 충돌시켜 새로운 핵이나 입자를 만드는데 사용할 수 있고, 이것은 전자와 양전자의 충돌로 광자를 만드는 것과 같다. 둘째, 고에너지 입자의 드브로이 파장은 짧기 때문에 이 입자로 작은 크기의 다른 핵이나 입자의 내부 구조를 탐지할 수 있다.
²⁴¹Am에 대해 96%의 차폐율을 보였던 구리는 ⁵⁷Co에 대해서는 39%의 차폐율을, ¹³⁷Cs에 대해서는 13%의 차폐율을 갖는 것으로 측정되었다. 폴리에틸렌의 경우 세 가지 방사선원 모두에 대해 차폐효과가 5%미만으로 단독 사용 시에는 차폐재로서 기능을 수행하지 못하는 것으로 확인되었다.

후속연구

이는 복합재의 차폐성능이 단순히 단위질량당 표면적의 크기에 비례하기보다는 차폐성능을 최대로 발휘하는 최적 설계점이 존재함을 알려준다. 이러한 최적점은 미세기공의 형상과 종횡비에 따라 달라질 수 있기 때문에 향후 실제 차폐 소재의 제작 시 원하는 형태와 크기에 적합한 미세구조를 확인하기 위해서는 그에 적합한 시뮬레이션이 수행되어야 할 것이다.
특히, 이 복합재는 기존에 다양한 분야에서 사용되는 활성탄의 미세구조에 구리를 첨착시킨 형태이기 때문에 향후 실제 소재의 제작이 용이하며 대량 생산의 가능성도 열려 있다고 할 수 있으며, 기존의 무겁고 활동에 불편하며 인체 유해성을 내포한 납 방호복 대신 금속/비금속 복합재를 이용하여 가볍고 활동성이 뛰어나며 납을 포함하지 않은 새로운 개념의 방사선 방호복의 제작 가능성을 확인해 볼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알파선에서 감마선으로 갈수록 투과력이 커지기에 각각 어떤 식으로 차폐하는가?	알파선에서 감마선으로 갈수록 파장이 짧아지면서 투과력이 커지기 때문에 방호하기가 어려워진다. 일반적으로 알파선은 공기 중에서도 수cm밖에 이동하지 못할 정도로 쉽게 차폐되고, 베타선은 0.1cm 두께의 알루미늄 막으로 막아낼 수 있지만, 감마선은 수cm의 납판을 투과할 정도로 강력하기 때문에 매우 위험한 것으로 알려져 있다. 만약 방사선에 인체가 노출될 경우, 직접적인 장기의 손상 뿐 아니라 암이나 유전병과 같은 심각한 후유증에 시달리게 된다.
	방사선이란 무엇인가?	우선 방사선이란 “고 에너지의 불안한 상태에 있는 원자 또는 원자핵이 안정된 상태를 찾기 위해 방출하는 에너지의 흐름”으로 정의할 수 있으며 넓은 범위에서 정의하면 적외선, 자외선, 마이크로파, 라디오파 등 우리가 일상에서 접하고 있는 다양한 형태의 전자기파들이 이에 속하고 있다. 하지만 일반적으로 사용되는 좁은 범위에서의 방사선은 전리 방사선인 알파(α)선, 베타(β)선, 감마(γ)선과 전자기파인 X선, 입자선인 중성자선, 양성자선 등으로 정의되며 그중에서도 대표적인 것은 알파선, 베타선, 감마선이다.
	좁은 범위에서의 방사선은 어떻게 정의되는가?	우선 방사선이란 “고 에너지의 불안한 상태에 있는 원자 또는 원자핵이 안정된 상태를 찾기 위해 방출하는 에너지의 흐름”으로 정의할 수 있으며 넓은 범위에서 정의하면 적외선, 자외선, 마이크로파, 라디오파 등 우리가 일상에서 접하고 있는 다양한 형태의 전자기파들이 이에 속하고 있다. 하지만 일반적으로 사용되는 좁은 범위에서의 방사선은 전리 방사선인 알파(α)선, 베타(β)선, 감마(γ)선과 전자기파인 X선, 입자선인 중성자선, 양성자선 등으로 정의되며 그중에서도 대표적인 것은 알파선, 베타선, 감마선이다. 알파선에서 감마선으로 갈수록 파장이 짧아지면서 투과력이 커지기 때문에 방호하기가 어려워진다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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