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문제 정의
- 본 논문에서는 핀 포토다이오드 센서를 이용해 라돈의 검출에 대한 가능성을 실험적인 방법을 통해 확인하였다. 핀 포토다이오드 센서에서 출력된 신호를 이용해 MCU(Micro Controller Unit)에서 라돈 검출 여부를 인식할 수 있도록 검출 회로를 설계하여 보급형 라돈 검출기를 구현하였으며, 실험을 통해 핀 포토다이오드 센서를 이용한 보급형 라돈 검출기의 실용화 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 앞서 언급했듯이 라돈의 붕괴로 인한 알파 입자가 핀 포토다이오드 센서에서 검출되면, 센서의 출력에 작은 하강 신호가 발생하고 이 신호는 신호-펄스 변환 회로를 통해 증폭 후 필터링 회로를 거쳐 최종적으로 5V 크기의 하강 펄스가 출력된다. MCU로 아두이노를 사용하는 라돈 검출기 모듈이 라돈 검출 센서 모듈에서 출력되는 하강 펄스 신호를 입력받아 알파 입자 검출 시 하강 에지를 인식하여 인식 횟수를 카운트하는데, 한 시간마다 해당 시간 동안 검출된 알파입자의 발생 빈도를 기록하여 저장한다. 측정된 발생 빈도 및 측정 시간과 관련된 데이터들은 아두이노의 비휘발성 내장 메모리에 저장되어 실험이 끝난 후 결과를 추출할 수 있도록 하며, 측정하는 동안에도 그림 5와 같이 LCD (Liquid Crystal Display) 모듈을 통해 측정 상황을 표시하여 육안으로 확인할 수 있도록 구현하였다.
- 알파 입자를 탐지하는 MOS IC를 이용한 수동형 라돈 모니터와 라돈 자핵종 포집기로 업그레이드 된 라돈농도 측정을 구현할 수 있게 되었다[3]. 그리고 정전기적 집진기와 업그레이된 시스템을 이용하여 반응이 빠른 라돈 탐지기를 개발하였다[4]. 플라스틱 터널을 금속화시켜 구현한 정전기 집진기는 웹캠으로부터 광학적 이미지 센서의 노출된 표면 위에 대전된 라돈의 부산물들이 집중되게 하여 라돈 농도 측정 방법을 향상시켰다[5].
- 이 후 168시간 동안 라돈 검출기를 동작시켜 라돈의 농도를 측정하였으며, 1시간 주기로 라돈 검출 카운트를 저장한다. 또한, 기존 제품과의 성능 비교를 위해 본 연구에서 구현한 핀 포토다이오드 라돈 검출기 이외에도 수입제품인 사이렌 프로 3 라돈 검출기를 넣어 결과를 비교하였다. 그림 10의 누적 그래프에서도 볼 수 있듯이 시간의 흐름에 따른 시간당 알파입자 카운터 수의 누적양이 일정한 기울기를 갖고 증가한다.
- 마지막으로, 본 연구에서 구현한 시제품을 연세대 라돈실험센터에 의뢰해 성능평가하였다. 정밀한 라돈측정치와 비교 평가를 위해, 고가의 라돈측정장비인 RAD7과 기존 제품인 사이렌 프로 3, 그리고 시제품을 라돈챔버와 라돈시료를 이용하여 5일간 실험한 사진이 그림 12에 있다.
- 본 연구에서는 핀 포토다이오드 센서를 이용하여 라돈 검출기를 구현하였고, 라돈 시료의 유무를 조건으로 라돈 검출 및 성능 실험을 실시하였다.
- 알파 입자는 특정 세기를 갖는 광자의 일종이라고 볼 수 있다. 빛을 이용하여 핀 포토다이오드 센서에서 에너지를 생산하려는 목적이 아니므로 광기전력 모드(photovoltaic mode)가 아닌 광전도 모드(photoconductive mode)를 사용하여 라돈을 검출한다. 아래 그림 1은 라돈 검출 실험을 위해 사용된 핀 포토다이오드 센서 모듈이다.
- 핀 포토다이오드 센서 주변으로 고무 패드를 이용하여 암흑 챔버를 조립할 때 틈새로 외부의 빛이 새어 들어가지 못하게 막았으며, 핀 포토다이오드 센서의 아랫부분에는 몇 개의 작은 구멍들이 뚫려 있어 외부와 공기가 통하도록 한다. 외부의 공기 중에 존재하는 라돈 가스가 라돈 검출기 아랫부분의 구멍을 통과해 유입되고, 암흑 챔버 내부에서 붕괴되어 알파 입자가 핀 포토다이오드 센서에서 검출되면 신호-펄스 변환 회로를 통과하며 하강펄스로 변환된 신호를 MCU 모듈에서 인식하여 매 시간동안 검출된 알파 입자의 개수를 측정한다.
- 챔버의 크기는 40 x 27×50cm의 직육면체 투명 아크릴 재질이며, 실험 챔버들에 각각 라돈 검출기를 넣은 후 실험 챔버 하나에는 라돈 시료가 있고 다른 하나에는 라돈 시료가 없는 조건에서 밀봉하여 3일간 라돈 농도가 포화되기까지 대기한다. 이 후 168시간 동안 라돈 검출기를 동작시켜 라돈의 농도를 측정하였으며, 1시간 주기로 라돈 검출 카운트를 저장한다. 또한, 기존 제품과의 성능 비교를 위해 본 연구에서 구현한 핀 포토다이오드 라돈 검출기 이외에도 수입제품인 사이렌 프로 3 라돈 검출기를 넣어 결과를 비교하였다.
- MCU로 아두이노를 사용하는 라돈 검출기 모듈이 라돈 검출 센서 모듈에서 출력되는 하강 펄스 신호를 입력받아 알파 입자 검출 시 하강 에지를 인식하여 인식 횟수를 카운트하는데, 한 시간마다 해당 시간 동안 검출된 알파입자의 발생 빈도를 기록하여 저장한다. 측정된 발생 빈도 및 측정 시간과 관련된 데이터들은 아두이노의 비휘발성 내장 메모리에 저장되어 실험이 끝난 후 결과를 추출할 수 있도록 하며, 측정하는 동안에도 그림 5와 같이 LCD (Liquid Crystal Display) 모듈을 통해 측정 상황을 표시하여 육안으로 확인할 수 있도록 구현하였다. 그림 6은 LCD 모듈을 포함하여 MCU인 아두이노 보드, 그리고 핀 포토다이오드 센서에서 발생한 출력을 읽어 들이는 라돈 검출기 모듈이다.
- 핀 포토다이오드 센서를 이용한 라돈 검출기의 성능을 테스트하기 위해 라돈 시료가 있는 실험 챔버와 라돈 시료가 없는 실험 챔버를 각각 설치하고 일주일 간 측정하였다. 그림 9는 핀 포토다이오드 센서를 이용한 라돈 검출기의 라돈 유무에 따른 검출 결과를 확인하기 위한 실험 장치이다.
- 핀 포토다이오드 센서를 이용한 라돈농도의 측정은 라돈 원소 1개가 방사성 붕괴할 때 알파입자 1개가 발생한다는 특성을 이용하여 시간당 발생한 알파입자의 발생 빈도를 핀 포토다이오드의 변화를 측정해 계산한다. 알파입자는 매우 큰 운동에너지를 갖고 있고 물질파 파장이 매우 짧은 특성이 있어 대부분의 물질들을 관통하지 못한다.
- 본 논문에서는 핀 포토다이오드 센서를 이용해 라돈의 검출에 대한 가능성을 실험적인 방법을 통해 확인하였다. 핀 포토다이오드 센서에서 출력된 신호를 이용해 MCU(Micro Controller Unit)에서 라돈 검출 여부를 인식할 수 있도록 검출 회로를 설계하여 보급형 라돈 검출기를 구현하였으며, 실험을 통해 핀 포토다이오드 센서를 이용한 보급형 라돈 검출기의 실용화 가능성을 확인하였다.
대상 데이터
- 그림 9는 핀 포토다이오드 센서를 이용한 라돈 검출기의 라돈 유무에 따른 검출 결과를 확인하기 위한 실험 장치이다. 라돈 시료로는 라돈을 지속적으로 발생시키는 토양 시료를 사용했다. 챔버의 크기는 40 x 27×50cm의 직육면체 투명 아크릴 재질이며, 실험 챔버들에 각각 라돈 검출기를 넣은 후 실험 챔버 하나에는 라돈 시료가 있고 다른 하나에는 라돈 시료가 없는 조건에서 밀봉하여 3일간 라돈 농도가 포화되기까지 대기한다.
성능/효과
- 2011년부터 2012년까지 국내 주택 라돈 조사 결과에서 조사 대상 주택의 약 22%가 이 기준을 초과한 것으로 드러났다.
- 38개로 라돈 시료가 있는 경우의 라돈 검출 센서 모듈의 출력 펄스 신호 발생 빈도가 높다는 것이 확연히 드러났다. 또한 기성 제품인 사이렌 프로 3와의 비교 실험을 통해 상품화 가능성을 타진하였고 기성 제품에 비해서 더 높은 민감도를 보이는 것을 확인하였다. 정밀측정기와의 비교평가에서는 사이렌 프로 3에 비해 시제품이 다소 성능이 미흡한 것으로 판단되나, 추가적으로, 선형회귀법을 이용한 정밀도 향상, 시제품을 덮는 케이스의 구조 및 크기에 따라 라돈 검출에 미치는 성능을 연구하여 핀 포토다이오드 센서 타입 라돈 검출기의 성능 개선을 위한 연구도 향후 필요할 것으로 사료된다.
- 실험 챔버 내에 라돈 가스가 완전히 포화되어 농도가 일정한 상태로 만들었기 때문이다. 라돈 시료가 있는 실험 챔버에 측정 오차 20%인 성능을 갖는 기성제품인 사이렌 프로 3 라돈 측정기를 같이 넣어 비교했을 때, 사이렌 프로 3 라돈 측정기 농도 수치는 15.3pCi/L이었다. 위 결과를 토대로 시간당 평균 4.
- 본 연구에서는 핀 포토다이오드 센서를 이용하여 라돈 검출기를 구현하였고, 라돈 시료의 유무를 조건으로 라돈 검출 및 성능 실험을 실시하였다. 라돈의 붕괴에 의해 발생하는 알파입자를 검출할 때 핀 포토다이오드 센서에서 발생하는 출력 신호를 MCU 에 입력 가능한 디지털 펄스 신호로 변환하는 회로를 구현해 시험함으로써, 핀 포토다이오드 센서가 라돈 검출 센서로서 유용함을 확인할 수 있었다. 실험 결과로는 라돈 시료가 없는 경우 시간당 평균 0.
- 그림 11은 라돈 시료가 있는 실험 챔버에서 구현된 핀 포토다이오드 타입 라돈 검출기와 기성 제품인 사이렌 프로 3의 시간당 라돈카운터 수의 누적치를 비교한 결과이다. 사이렌 프로 3의 경우 같은 농도에서 시간당 평균 2.74개의 펄스 신호가 측정되었으며 구현된 라돈 검출기는 사이렌 프로 3보다 약 1.5배의 카운터 수를 보인다. 위 실험들을 통해 구현된 포토다이오드 타입 라돈 검출기의 상품화 가능성과, 기성제품보다 민감도 (sensitivity)에서 더 우수함을 확인할 수 있었다
- 라돈의 붕괴에 의해 발생하는 알파입자를 검출할 때 핀 포토다이오드 센서에서 발생하는 출력 신호를 MCU 에 입력 가능한 디지털 펄스 신호로 변환하는 회로를 구현해 시험함으로써, 핀 포토다이오드 센서가 라돈 검출 센서로서 유용함을 확인할 수 있었다. 실험 결과로는 라돈 시료가 없는 경우 시간당 평균 0.58개, 라돈 시료가 있는 경우 시간당 평균 4.38개로 라돈 시료가 있는 경우의 라돈 검출 센서 모듈의 출력 펄스 신호 발생 빈도가 높다는 것이 확연히 드러났다. 또한 기성 제품인 사이렌 프로 3와의 비교 실험을 통해 상품화 가능성을 타진하였고 기성 제품에 비해서 더 높은 민감도를 보이는 것을 확인하였다.
- 3pCi/L이었다. 위 결과를 토대로 시간당 평균 4.38개의 알파 입자가 발생할 때 라돈농도가 약 15.3pCi/L임을 알 수 있었다. 그림 11은 라돈 시료가 있는 실험 챔버에서 구현된 핀 포토다이오드 타입 라돈 검출기와 기성 제품인 사이렌 프로 3의 시간당 라돈카운터 수의 누적치를 비교한 결과이다.
- 위 실험들을 통해 구현된 포토다이오드 타입 라돈 검출기의 상품화 가능성과, 기성제품보다 민감도 (sensitivity)에서 더 우수함을 확인할 수 있었다
- 핀 포토다이오드 센서를 이용한 라돈 검출의 원리를 살펴보면, 그림 2와 같이 순방향 바이어스 전압을 건 상태에서 라돈이 센서에 부딪치면 핀 포토다이오드 센서의 순방향 전류가 감소하게 되고 따라서 부하 저항 R 에 걸리는 전압 Vout 가 순간적으로 하강하는데 이를 신호 처리하여 라돈검출을 확인한다
후속연구
- 성능면에서 거의 차이가 없어 보인다. 본 연구의 시제품을 조금 더 개량하여 보급형의 저가모델로 상품화 한다면 국내 저가 라돈카운터로서의 가치가 충분히 있을 것으로 판단된다. 사이렌 프로 3가 시중에서 10만원 후반대로 판매되고 있는데, 본 시제품을 양산한다면 10만원 초반대로 판매가능하며 추가로 와이파이가 가능한 무선기능을 탑재하여 그 용도를 넓히고자 추진중이다.
- 또한 기성 제품인 사이렌 프로 3와의 비교 실험을 통해 상품화 가능성을 타진하였고 기성 제품에 비해서 더 높은 민감도를 보이는 것을 확인하였다. 정밀측정기와의 비교평가에서는 사이렌 프로 3에 비해 시제품이 다소 성능이 미흡한 것으로 판단되나, 추가적으로, 선형회귀법을 이용한 정밀도 향상, 시제품을 덮는 케이스의 구조 및 크기에 따라 라돈 검출에 미치는 성능을 연구하여 핀 포토다이오드 센서 타입 라돈 검출기의 성능 개선을 위한 연구도 향후 필요할 것으로 사료된다.
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