[논문]3D 프린터 필라멘트 재료를 이용한 야외 방사선투과검사용 차폐체 개발을 위한 연구

문익기; 신상화

doi:10.7742/jksr.2019.13.4.565

3D 프린터 필라멘트 재료를 이용한 야외 방사선투과검사용 차폐체 개발을 위한 연구
Study on the Development of an Outdoor Radiographic Test Shield Using 3D Printer Filament Materials 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.13 no.4, 2019년, pp.565 - 572

문익기 (고려검사기술(주) 기업부설연구소) , 신상화 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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본 연구에서는 야외 방사선투과검사 시 방사선작업종사자의 맞춤형 차폐체 제작을 위해 3D 프린터 필라멘트의 재질 및 두께에 대한 차폐 분석을 수행하였다. MCNPX를 이용한 모의 모사를 통해 복셀 선원 $^{192}Ir$, $^{75}Se$를 선택 후 ICRU Slab Phantom에 차폐체를 부착하고, 선원과 Slab Phantom의 거리를 100 cm으로 설정하였다. 12 개의 차폐물질에 대하여 차폐물질이 없는 경우부터 200 mm 까지 5 mm 단위로 나누어 각 차폐물질별 단위 질량 당 흡수되는 에너지를 평가하였다. 그 결과 모든 방사선투과검사용 감마선원에서 ABS + Tungsten, ABS + Bismuth, PLA + Copper, PLA + Iron 순으로 차폐 효과가 높은 것으로 나타났다. 그러나 납에 비해서는 다소 낮은 차폐 효과를 보였다. 향후 본 연구를 토대로 원자번호와 밀도가 높은 필라멘트 재료에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, shielding analysis of material and thickness of 3D printer filaments was performed for the manufacture of custom shielding by radiation workers during outdoor radiographic test. The shielding was attached to the ICRU Slab Phantom after selecting the voxel source $^{192}Ir$ and $^{75}Se$ through simulation using MCNPX, and the distance between the source and the slab Phantom was set at 100 cm. The 12 shielding materials were divided into 5 mm units up to 200 mm from the absence of shielding materials to evaluate the energy absorbed per unit mass of each shielding material. The results showed that the shielding effect was high in the order of ABS + Tungsten, ABS + Bismuth, PLA + Copper, PLA + Iron from all sources of radiographic test. However, compared to lead, the shielding effect was somewhat lower. Based on this study in the future, further study of the atomic number and the high density filament material is necessary.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Composition of ICRU Slab Phantom.
표 Table 2. Physical Characteristics of Radiation Isotopes.
표 Table 3. Material Properties of Filament.
표 Table 4. Thickness of Half Value Layer by Shielding Material.
그림 Fig. 1. The energy distribution according to shielding material and thickness of ¹⁹²Ir and ⁷⁵Se.

AI 본문요약
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문제 정의

납은 원자번호와 밀도가 높아 차폐 효과가 우수하지만, 중량이 매우 무겁고 납 중독 등의 환경적인 문제를 가지고 있다. 그러므로 본 연구에서는 MCNPX를 이용한 모의 모사를 통해, 기존의 납 차폐체가 아닌 3D 프린터 필라멘트를 이용한 맞춤형 방사선 차폐체 제작을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구는 방사선투과검사에 사용되는 ¹⁹²Ir, ⁷⁵Se 선원에 대하여 차폐체 재질 변화 및 두께에 따른 에너지 흡수 분포를 분석하였다. 핵종 별 차폐체 두께에 따른 에너지 분포는 Fig.
본 연구에서는 3D 프린터의 필라멘트 재료를 이용한 방사선 차폐체 제작에 대한 기초 자료를 제공하고자, 필라멘트 재질 및 두께에 따라 MCNPX를 이용한 모의 모사를 수행하였다.
본 연구에서는 현재 3D 프린터의 재료로서 상용화되어 사용하는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA (Poly Lactic Acid), TPU(Thermo Plastic poly Urethane), PETG(Poly Ethylene Terephtalate Glycol), PVA(Polyvinyl Alcohol), Nylon(Nylon polyamides)의 수지로 만들어진 필라멘트와 알루미늄(Al; Aluminium), 구리(Cu; Copper), 철(Fe; Iron), 비스무트(Bi; Bismuth), 텅스텐(W; Tungsten) 스테인레스 스틸(STS; Stainless Steel)을 혼합하여 만들어진 필라멘트의 차폐 효과를 비교하고, 차폐체 제작 시 활용할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

ABS, PLA, TPU, PETG, Nylon, PVA의 6가지 물성과 PLA + Al, PLA + Cu, PLA + STS, PLA + Fe, ABS + Bi, ABS + W의 6가지 혼합 물성을 이용하여 각각의 감마선에 대한 차폐특성을 납과 비교하였다. 각 필라멘트의 물성은 Table 3에 나타내었다.
74 TBq 이하에 상응하는 방사성동위원소만을 사용할 것으로 명시되어 있다.^[9] 그러므로 본 연구에서는 ¹⁹²Ir 및 ⁷⁵Se를 사용하여 모의 모사를 진행하였으며, 각 선원의 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다. 원자력안전법에 근거하여, X선 발생장치는 야외에서 사용할 수 없으므로 본 연구에서는 제외하였다.
5 mm 의 원기둥 형태의 복셀 선원을 모사했다. 감마상수를 쉽게 적용하기 위해 복셀 선원으로부터 ICRU Slab Phantom 까지의 거리를 1 m 로 정한 뒤, ICRU Slab Phantom 표면에 차폐체를 붙여 모의 모사를 수행하였다.
관심 지점은 ICRU Slab Phantom의 깊이 10 mm 지점이며, 3D 필라멘트 재료 12 가지의 핵종별 단위 질량 당 흡수하는 에너지를 차폐체가 없는 경우부터 200 mm 까지 5 mm 단위로 나누어 비교하였다.
관심지점은 ICRU Slab Phantom의 깊이 10 mm 지점으로 설정하였으며, 관심지점 선량 번호(Tally specification cards)는 F6 번을 이용하여 각 물성의 두께에 따른 흡수된 에너지 분포를 단위 질량 당 흡수된 에너지 (MeV/g)로 획득하였다. 또한 필라멘트의 제1 반가층과 제2 반가층을 측정하여, 각 필라멘트의 차폐력을 평가하였다.
필라멘트 차폐체는 차폐체가 없는 경우부터 200 mm 까지를 5 mm 단위로 나누어 모의 모사 하였다. 모의 모사 내 반복횟수(nps)는 10⁸번 추정하였으며, 신뢰성을 확보하기 위하여 불확도는 3% 미만이 되도록 실험을 진행하였다.
이를 이용하여 피폭방사선량 및 방사선 차폐, 방사선 방호 등의 연구가 전 세계적으로 많이 수행되고 있다. 본 연구에서는 MCNPX 프로그램(Ver.2.5.0)을 사용하여 모의 모사 형태로 연구를 수행하였다.
비파괴검사 중 방사선투과검사의 작업환경 모사를 위해 지름 3 mm, 높이 1.5 mm 의 원기둥 형태의 복셀 선원을 모사하였다. 선원으로부터 ICRU Slab Phantom 까지의 거리를 1 m 로 정한 뒤, ICRU Slab Phantom 표면에 차폐체를 붙여 모의 모사를 수행하였다.
비파괴검사 중 야외 방사선투과검사의 작업환경을 모사하기 위해 현재 사용되는 감마선원의 물리적 특성을 토대로 지름 3 mm, 높이 1.5 mm 의 원기둥 형태의 복셀 선원을 모사했다. 감마상수를 쉽게 적용하기 위해 복셀 선원으로부터 ICRU Slab Phantom 까지의 거리를 1 m 로 정한 뒤, ICRU Slab Phantom 표면에 차폐체를 붙여 모의 모사를 수행하였다.
5 mm 의 원기둥 형태의 복셀 선원을 모사했다. 감마상수를 쉽게 적용하기 위해 복셀 선원으로부터 ICRU Slab Phantom 까지의 거리를 1 m 로 정한 뒤, ICRU Slab Phantom 표면에 차폐체를 붙여 모의 모사를 수행하였다.
필라멘트 차폐체는 차폐체가 없는 경우부터 200 mm 까지를 5 mm 단위로 나누어 모의 모사 하였다. 모의 모사 내 반복횟수(nps)는 10⁸번 추정하였으며, 신뢰성을 확보하기 위하여 불확도는 3% 미만이 되도록 실험을 진행하였다.

대상 데이터

관심지점은 ICRU Slab Phantom의 깊이 10 mm 지점으로 설정하였으며, 관심지점 선량 번호(Tally specification cards)는 F6 번을 이용하여 각 물성의 두께에 따른 흡수된 에너지 분포를 단위 질량 당 흡수된 에너지 (MeV/g)로 획득하였다. 또한 필라멘트의 제1 반가층과 제2 반가층을 측정하여, 각 필라멘트의 차폐력을 평가하였다.
본 연구는 국제방사선단위측정위원회 (ICRU; International Commission on Radiation Unit and Measurements)에서 제시한 모의 피폭체인 ICRU Slab Phantom을 토대로 모의 모사를 수행하였다. 실험에 사용된 ICRU Slab Phantom의 물성은 Table 1에 나타내었다.
본 연구는 국제방사선단위측정위원회 (ICRU; International Commission on Radiation Unit and Measurements)에서 제시한 모의 피폭체인 ICRU Slab Phantom을 토대로 모의 모사를 수행하였다. 실험에 사용된 ICRU Slab Phantom의 물성은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

49 와 방사성동위원소 핵종정보에 따르면 납의 이론적 반가층은 ¹⁹²Ir 선원에서 방출되는 감마선의 경우 6 mm, ⁷⁵Se 선원에서 방출되는 감마선의 경우 1 mm 미만으로 명시하고 있다.^[12,13] 이를 토대로 12 개의 필라멘트 차폐물질을 몬테카를로 기법으로 시뮬레이션 하여 측정한 결과 차폐물질의 반가층은 납에 비해 ¹⁹²Ir 선원의 경우 3.63 ~ 15.69배, ⁷⁵Se 선원의 경우 18.4 ~ 89.4배 두꺼운 것으로 나타났다. 이는 감마선 차폐에 있어 중요한 요소인 낮은 밀도와 낮은 원자번호의 구성조직이 납에 비하여 좋지 못한 차폐 효과를 나타낸 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 각 필라멘트별 차폐력을 비교한 결과 ABS + W에서 가장 우수한 차폐 효과를 나타내었으며, ABS + Bi, PLA + Cu, PLA + Fe 의 혼합물 순으로 높은 차폐 효과를 나타내었다. 그러나 필라멘트 차폐기구의 차폐 효과는 기존에 차폐체로서 널리 사용되고 있는 납과 대비해서는 다소 낮은 결과를 보였다. 향후 3D 프린팅 기술을 이용한 방사선투과검사 분야 내 맞춤형 방사선 차폐기구 제작 시, 본 연구가 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이는 감마선 차폐에 있어 중요한 요소인 낮은 밀도와 낮은 원자번호의 구성조직이 납에 비하여 좋지 못한 차폐 효과를 나타낸 것으로 판단된다. 또한 방사선투과검사용 감마선원에서 방출되는 높은 에너지로 인해, 3D 프린터 필라멘트 재료의 차폐 효과는 납에 대비하여 다소 낮은 결과를 보인 것으로 사료된다.
83 mm 순으로 제2 반가층이 두꺼워지는 경향을 나타내었다. 또한 제 2 반가층은 제 1 반가층 대비 69.00 ~ 74.50% 의 두께로 단위 질량당 흡수되는 에너지를 절반으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
22 mm 순으로 제2 반가층이 두꺼워지는 경향을 나타내었다. 또한 제2 반가층은 제1 반가층 대비 72.26 ~ 77.35% 의 두께로 단위질량 당 흡수되는 에너지를 절반으로 줄일 수 있는것으로 나타났다.
본 연구를 통해 각 필라멘트별 차폐력을 비교한 결과 ABS + W에서 가장 우수한 차폐 효과를 나타내었으며, ABS + Bi, PLA + Cu, PLA + Fe 의 혼합물 순으로 높은 차폐 효과를 나타내었다. 그러나 필라멘트 차폐기구의 차폐 효과는 기존에 차폐체로서 널리 사용되고 있는 납과 대비해서는 다소 낮은 결과를 보였다.

후속연구

향후 본 연구를 통해 평가한 3D 프린터 필라멘트를 이용한 방사선 차폐기구 제작을 위해서는, 3D 프린터를 통해 실제 제작된 출력물의 성능 평가가 필요할 것으로 사료된다. 또한 연구에 사용된 필라멘트를 제외한 원자번호와 밀도가 높은 필라멘트에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 3D 프린트를 이용하여 필라멘트 차폐체를 제작하여 방사선투과검사 종사자에게 적용할 경우 개인에게 맞춤이 가능한 차폐체 제작이 가능할 것으로 예상된다.
그러나 필라멘트 차폐기구의 차폐 효과는 기존에 차폐체로서 널리 사용되고 있는 납과 대비해서는 다소 낮은 결과를 보였다. 향후 3D 프린팅 기술을 이용한 방사선투과검사 분야 내 맞춤형 방사선 차폐기구 제작 시, 본 연구가 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
향후 본 연구를 통해 평가한 3D 프린터 필라멘트를 이용한 방사선 차폐기구 제작을 위해서는, 3D 프린터를 통해 실제 제작된 출력물의 성능 평가가 필요할 것으로 사료된다. 또한 연구에 사용된 필라멘트를 제외한 원자번호와 밀도가 높은 필라멘트에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사선의 정의는 무엇인가?	방사선이란 ‘고에너지의 불안한 상태에 있는 원자 또는 원자핵이 안정된 상태를 찾기 위해 방출하는 에너지의 흐름’으로 정의한다. 넓은 범위에서 는 우리가 일상에서 접하고 있는 다양한 형태의 전자기파들이 속하고, 좁은 범위에서는 전리방사선인 알파선, 베타선, 감마선 등이 속한다.
	납의 특징은 무엇인가?	현재 야외 방사선투과검사에서 차폐체로 사용되는 대부분의 재료는 납(Lead)이다. 납은 얇은 시트 형태로 만들어질 만큼 가공성이 우수하고, 원자번호와 밀도가 높으며, 경제적이기 때문에 과거에서부터 많이 이용되어 왔다.[5]
	우리나라에서의 비파괴검사(NDT; Non-Destruction Test)는 어떤 것에 사용되고 있는가?	[2] 우리나라에서는 다양한 비파괴검사 방법 중 방사선투과검사가 전체의 약 65%를 차지하고 있다. 제품 및 시설의 안전성과 품질 향상을 위함과 동시에 경제적, 산업적 이익 때문에 필수 불가결한 보증검사수단으로 사용되고 있다.[3] 그러나 방사선투과검사를 실시하는 방사선작업종사자의 경우, 고준위 방사선원에 의한 높은 피폭선량에 노출되고 있다.

저자의 다른 논문 :

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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