[논문]방사선 차폐시트의 적층 구조와 섬유 코팅의 융합적인 현상이 인장강도에 미치는 영향

김선칠

doi:10.15207/jkcs.2020.11.6.083

방사선 차폐시트의 적층 구조와 섬유 코팅의 융합적인 현상이 인장강도에 미치는 영향
Effects of laminated structure and fiber coating on tensile strength of radiation shielding sheet 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.6, 2020년, pp.83 - 88

초록
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최근 의료기관에서 친환경 재료로 제작된 방사선 차폐시트를 많이 사용하고 있다. 차폐시트는 폴리머 소재에 차폐물질을 혼입하여 열성형으로 고형적인 형태로 가공된다. 베이스는 수지 계열로 인장강도에는 한계가 있으며, 이를 위해 표면에 부직포 등의 섬유를 합포하여 사용하고 있다. 차폐시트 공정 기술은 차폐성능을 높이고자 차폐물질의 함유량을 높이면 인장강도가 급격히 떨어지는 문제점을 제시하고 있다. 이를 개선하고자 본 연구에서는 차폐시트에 섬유를 Binding하는 방식과 부직포에 소량의 차폐물질인 텅스텐을 함유하여 적층구조로 Laminating방식을 기본 폴리머 형태로 Compression molding방식 세 가지 종류의 차폐시트를 제조하여 동일한 차폐 물질량을 기준으로 차폐성능과 인장 강도를 비교 평가하였다. 세 종류 차폐시트의 비교에서 섬유 코팅 시트와 압착 방식의 시트는 차폐성능 차이는 5%정도이며, 인장강도는 65MPa에서 280MPa로 큰 차이가 나타났다. 적층구조의 차폐시트는 차폐 성능도 차이가 있었으며, 인장강도도 기준의 4배로 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, radiation shielding sheets made of eco-friendly materials have been widely used in medical institutions. The shielding sheet is processed into a solid form by thermoforming by mixing a shielding material with a polymer material. The base is resin-based and has a limit in tensile strength, and for this purpose, fibers such as non-woven fabrics are used on the surface. The shielding sheet process technology has a problem in that the tensile strength rapidly decreases when the content of the shielding material is increased to increase the shielding performance. In order to improve this, this study intends to compare and evaluate the method of laminating and coating the fibers in the sheet process. In comparison of the three types of sheets, there was no difference in shielding performance between the fiber-coated sheet and the compression sheet, but there was a large difference in tensile strength.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Binder surface coating process and compression molding process
그림 Fig. 2. Measuring arrangement for radiation shielding
그림 Fig. 3. Tensile strength test method
그림 Fig. 4. Shielded sheet cross section
표 Table 1. Result of the radiation shielding tests [100kVp]
표 Table 2. Tensile strength result by shielding sheet

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 또 하나의 방법으로 차폐시트의 외부 보호를 위해 부직포 등의 얇은 섬유로 코팅하는 공정기술을 적용하여 재 가공성을 높이고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 차폐시트 제조 공정 과정에서 섬유 함유 공정에 따른 인장강도의 변화와 동일한 차폐물질 투입에 따른 차폐성능을 비교 평가하여 가장 효과성이 있는 기술공정을 인장강도 관점에서 제시 하고자 한다.
적층구조의 시트는 직접 방사선 이외에 산란선도 차폐시트의 내부 구조로 차폐성능의 개선했을 것이라 예상된다. 또한 내부의 베이스 재료인 폴리머의 결합성도 높여 결과적으로 인장강도를 높이는 결과를 가졌을 것이라 사료됩니다.
본 연구에서는 차폐시트 공정기술인 적층구조를 이용하여 인장강도를 높였고 두께나 경량의 목적으로 부직포 가공 시 내부에 텅스텐 입자를 분산하여 차폐성능도 향상시켰다. 따라서 차폐시트 공정에서 인장강도를 높이기 위해 외부에 코팅하는 방법보다는 적층구조의 차폐시트가 더 효과적인 것을 비교 평가로 증명할 수 있다.
이때 차폐물질 함유량과 차폐물질의 분산에 따라 차폐성능, 인장 강도 등의 차이가 발생되는데[11], 본 실험에서는 제작 방식이 다른 세 가지 형태의 차폐시트의 인장강도를 분석하여 영향인자를 찾고자 한다.
제작된 시트의 내부구조, 인장강도, 차폐성능을 분석하여 섬유 주입에 따른 차폐시트의 변화를 비교 실험하였다. 이를 통해 친환경 방사선차폐시트 제작 시 가장 적절한 기술공정을 정량적 수치로 비교 증명하여 제시하고자 한다.
친환경 소재의 차폐시트 제조과정에서 인장강도를 개선하기 위해 섬유 함유를 목적으로 코팅 공정과 적층구조에 대한 정량적 평가를 통해 적층구조가 더 효과적인 것을 알았다. 또한 동일한 차폐 물질의 양을 기준으로 평가한 차폐성능에서도 코팅 공정보다는 적층구조가 더 우수하였다.

제안 방법

공정 기술은 Fig. 1과 같이 다른 방식을 사용하여 동일한 차폐물질인 텅스텐 분말을 2.3㎏/㎡ 기준으로 사용하고 경화제 등의 첨가제의 양도 동일하게 이용하여 세종류의 차폐시트를 제작하였다. 차폐시트 제작에 사용된 차폐 물질은 10∼100㎛의 텅스텐 입자를 사용하였다.
첫 번째 차폐시트는 고분자 폴리머와 혼합하여 일정한 상온에서 압력(Compress)사출하는 형태로 섬유 함유나 적층 구조 없이 단일 재료로 제조하였다. 두 번째 제작된차폐시트는 고분자로 폴리머로 제작된 시트에 부직포를 바인더(Binder)하여 표면처리를 하였고 이때 바인딩(Bonding)층은 최대한 얇게 코팅 처리하여 인장강도실험에 미치는 영향을 최소화하였다. 세 번째는 적층구조 시트는 부직포에 얇게 텅스텐 입자를 분산한 후 동일한 폴리머 소제의 베이스 재료와 혼합한 차폐시트와 복층구조로 바인더로 제작하였다.
두 번째 제작된차폐시트는 고분자로 폴리머로 제작된 시트에 부직포를 바인더(Binder)하여 표면처리를 하였고 이때 바인딩(Bonding)층은 최대한 얇게 코팅 처리하여 인장강도실험에 미치는 영향을 최소화하였다. 세 번째는 적층구조 시트는 부직포에 얇게 텅스텐 입자를 분산한 후 동일한 폴리머 소제의 베이스 재료와 혼합한 차폐시트와 복층구조로 바인더로 제작하였다.
시편의 크기는 200㎜×300㎜로 제조 원단에서 무작위로 잘라서 5개의 시편으로 실험하였다. 이를 통해 세 종류의 공정기술이 다른 차폐시트의 인장강도를 5회 테스트하여 평균값으로 섬유 코팅과 섬유 함유 등 의 제작 공정이 인장강도에 미치는 영향을 분석하였다.
제작된 시트 간의 인장강도를 비교하기 전에 공정기술이 차폐성능에 어떤 영향을 주었는지 변화를 평가하였다. 차폐성능 평가를 위해 X-선 발생장치(Tosiba E7239, 150kV-500mA, 1999, Japan)를 이용하여 관전류 200mA, 0.
차폐시트 제조공정은 열 압착성형(Compression molding)과 바인딩(Binding, Coating) 공정, 적층(Lamination) 공정 형태로 제작하였다. 제작된 시트의 내부구조, 인장강도, 차폐성능을 분석하여 섬유 주입에 따른 차폐시트의 변화를 비교 실험하였다. 이를 통해 친환경 방사선차폐시트 제작 시 가장 적절한 기술공정을 정량적 수치로 비교 증명하여 제시하고자 한다.
차폐시트 제작에 사용된 차폐 물질은 10∼100㎛의 텅스텐 입자를 사용하였다. 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 통해 차폐시트의 단면을 촬영하여 구조 및 섬유의 함유 분포도 확인하였다.
제작된 시트 간의 인장강도를 비교하기 전에 공정기술이 차폐성능에 어떤 영향을 주었는지 변화를 평가하였다. 차폐성능 평가를 위해 X-선 발생장치(Tosiba E7239, 150kV-500mA, 1999, Japan)를 이용하여 관전류 200mA, 0.1sec, 관전압 100kVp 영역에서 10회 실험하여 평균값을 이용하였다. 투과선량과 입사선량을 기준으로 차폐율을 계산하여 비교 실험하였다.
1sec, 관전압 100kVp 영역에서 10회 실험하여 평균값을 이용하였다. 투과선량과 입사선량을 기준으로 차폐율을 계산하여 비교 실험하였다.
폴리머 등의 수지기반의 동일한 베이스에 동일한 텅스텐의 입자와 양을 사용하여 서로 다른 공정 세 가지 형태의 차폐시트를 제작하였다. 차폐시트 제조공정은 열 압착성형(Compression molding)과 바인딩(Binding, Coating) 공정, 적층(Lamination) 공정 형태로 제작하였다.

대상 데이터

시편의 크기는 200㎜×300㎜로 제조 원단에서 무작위로 잘라서 5개의 시편으로 실험하였다.
차폐시트 제작에 사용된 차폐 물질은 10∼100㎛의 텅스텐 입자를 사용하였다.
폴리머 등의 수지기반의 동일한 베이스에 동일한 텅스텐의 입자와 양을 사용하여 서로 다른 공정 세 가지 형태의 차폐시트를 제작하였다. 차폐시트 제조공정은 열 압착성형(Compression molding)과 바인딩(Binding, Coating) 공정, 적층(Lamination) 공정 형태로 제작하였다. 제작된 시트의 내부구조, 인장강도, 차폐성능을 분석하여 섬유 주입에 따른 차폐시트의 변화를 비교 실험하였다.
첫 번째 차폐시트는 고분자 폴리머와 혼합하여 일정한 상온에서 압력(Compress)사출하는 형태로 섬유 함유나 적층 구조 없이 단일 재료로 제조하였다. 두 번째 제작된차폐시트는 고분자로 폴리머로 제작된 시트에 부직포를 바인더(Binder)하여 표면처리를 하였고 이때 바인딩(Bonding)층은 최대한 얇게 코팅 처리하여 인장강도실험에 미치는 영향을 최소화하였다.

이론/모형

의료용 X선의 방어복인 에이프런(Apron)의 성능 검사 중 인장강도는 한국산업표준에 진료용 X선 방호 앞치마(KS P 6023 : 2018)의 시험방법인 KS M ISO 37을 적용하였다[12]. 다용도 시험기기인 AGX-V (2010.
) 로 검, 교정 후 사용하였다. 제조된 세 가지 차폐성능 평가를 위한 실험 방법은 Fig. 2와 같이 한국산업표준에 X선 방호용품류의 납당량 시험방법(KS A 4025 : 2017)과 동일한 실험 방법을 적용하였다.

성능/효과

폴리머와 배합하여 압출 성형한 제품을 기준으로 섬유가 함유 될수록 차폐성능은 향상되었으나, 일반 섬유를 표면에 코팅한 경우와 섬유 함유처리가 없는 시트와 차폐성능 비교에는 차이가 없었다.
이는 압착 형태가 다른 공정으로 적용되는 차이로 이해할 수 있다. 동일한 양의 텅스텐을 사용하였지만, 부직포에 미량의 텅스텐을 투입한 시트가 훨씬 효과적인 성능을 보였다.
본 연구에서는 차폐시트 공정기술인 적층구조를 이용하여 인장강도를 높였고 두께나 경량의 목적으로 부직포 가공 시 내부에 텅스텐 입자를 분산하여 차폐성능도 향상시켰다. 따라서 차폐시트 공정에서 인장강도를 높이기 위해 외부에 코팅하는 방법보다는 적층구조의 차폐시트가 더 효과적인 것을 비교 평가로 증명할 수 있다. 다만, 동일한 차폐성능의 조건을 바탕으로 인장강도를 비교하지 못한 점이 본 실험의 한계점이라 할 수 있다.
친환경 소재의 차폐시트 제조과정에서 인장강도를 개선하기 위해 섬유 함유를 목적으로 코팅 공정과 적층구조에 대한 정량적 평가를 통해 적층구조가 더 효과적인 것을 알았다. 또한 동일한 차폐 물질의 양을 기준으로 평가한 차폐성능에서도 코팅 공정보다는 적층구조가 더 우수하였다. 인장강도 시험평가에서는 섬유를 적층구조로 함유한 차폐시트가 기존의 65Mpa에서 280Mpa로 4배 이상 개선된 사실을 실험을 통해 알 수 있다.
부직포를 이용하여 외부에 섬유 코팅한 경우나 외부코팅 없이 제작된 시트와의 차폐율 차이는 거의 없는 걸로 나타났는데 이는 차폐성능에는 영향을 주지 않지만 차폐시트의 두께와 인장강도에는 영향을 미치는 것으로 평가할 수 있다. 또한 적층구조의 시트는 내부에 차폐물질이 포함된 섬유가 있어 차폐성능도 향상되고 인장강도도 우수한 것으로 나타났다.
인장강도 실험에서는 Table 2와 같이 세 가지 차폐시트를 평가한 결과 적층구조의 시트가 가장 우수하게 나타났으며, 폴리머 기반의 차폐시트 인장강도는 평균 65MPa로 나타났다. 적층구조의 시트는 평균 280MPa로 4배 이상의 차이를 보였으며, 섬유 코팅의 차폐시트도 부직포 자체의 강도와 본드로 접착한 부분의 강도 등으로 인장강도가 높게 나왔으며, 이는 사용된 섬유의 종류에 따라 차이가 있을 것이다.
인장강도 실험에서는 Table 2와 같이 세 가지 차폐시트를 평가한 결과 적층구조의 시트가 가장 우수하게 나타났으며, 폴리머 기반의 차폐시트 인장강도는 평균 65MPa로 나타났다. 적층구조의 시트는 평균 280MPa로 4배 이상의 차이를 보였으며, 섬유 코팅의 차폐시트도 부직포 자체의 강도와 본드로 접착한 부분의 강도 등으로 인장강도가 높게 나왔으며, 이는 사용된 섬유의 종류에 따라 차이가 있을 것이다.

후속연구

기존의 친환경 기술로 차폐 복합재료에 대한 연구개발이 중요하다면, 차폐 제품 용도에 따른 기능적, 내구성에 대한 연구가 향후 필요하다고 할 수 있다. 의료기관에서 사용되는 차폐시트도 단순히 경량소재 개발보다 사용 용도에 맞는 맞춤형 제품 개발 연구가 이루어져야 한다[15].
따라서 차폐시트 공정에서 인장강도를 높이기 위해 외부에 코팅하는 방법보다는 적층구조의 차폐시트가 더 효과적인 것을 비교 평가로 증명할 수 있다. 다만, 동일한 차폐성능의 조건을 바탕으로 인장강도를 비교하지 못한 점이 본 실험의 한계점이라 할 수 있다.
인장강도 시험평가에서는 섬유를 적층구조로 함유한 차폐시트가 기존의 65Mpa에서 280Mpa로 4배 이상 개선된 사실을 실험을 통해 알 수 있다. 따라서 향후 차폐시트는 내구성 있는 방사선 차폐 제품 개발에 기여할 것으로 사료된다.
특히 적층구조의 차폐시트의 경우 폴리머 내, 외부에 섬유와 텅스텐 입자가 서로 엉키어 있는 형태로 구성되어 있었다. 이러한 구조는 향후에 피로도에서 발생되는 크릭현상을 방지하는 역할을 수행할 것이다.
따라서 배합 공정에서 기포를 제거하거나, 코팅과정에서 입자별 크기를 계산하여 구조적 배열 등의 기술공정도 차폐성능 향상에 크게 도움을 주고 있다[18]. 이와 같이 방사선 차폐시트의 인장강도를 향상시키는 공정기술도 차폐 재료와 베이스의 혼입과정에서 수지의 친화성을 높이는 첨가제를 넣은 방법과 표면에 가벼운 부직포로 코팅을 하여 차폐시트의 원단 가공성과 인장강도를 높이는 방법을 공정기술에 적용하고 있으나, 본 연구에서와 같이 부직포 내부에 차폐물질과 혼입한다면 강도와 차폐성능 향상의 역할을 기대할 수 있다.

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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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