[논문]방사선 차폐를 위한 3D 프린팅용 텅스텐-고분자 복합체 설계

엄돈건; 김신현

doi:10.7742/jksr.2020.14.5.643

방사선 차폐를 위한 3D 프린팅용 텅스텐-고분자 복합체 설계
3D Printing of Tungsten-Polymer Composites for Radiation Shielding 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.14 no.5, 2020년, pp.643 - 650

엄돈건 (경원고등학교) , 김신현 (한국과학기술원 생명화학공학과)

초록
AI-Helper

가공이 용이한 방사능 차폐 소재, 특히 3D 프린팅이 가능한 소재는 원전용 로봇을 구현하거나 개인용 보호 장구 설계에 매우 중요하다. 본 연구에서는 FDM 방식의 3D 프린팅에 널리 사용되는 고분자 소재인 PLA와 ABS에 방사능 차폐 성능이 우수한 텅스텐 입자를 도입함으로써 3D프린팅이 가능한 방사능 차폐 소재를 구현하였다. 해당 소재는 거시적인 응집체 형성 없이 질량비 기준 텅스텐 함량을 50%까지 도입할 수 있으며, 3D 프린팅을 통해 임의의 형상을 갖는 구조체를 형성할 수 있다. 본 연구에서는 하나의 적용예로 방사능에 취약한 PCB를 보호할 수 있는 로봇 부속품을 텅스텐-고분자 복합체를 이용해 출력하고, 이들을 조립하여 실제 구동 가능한 로봇을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The materials with a high processiblity for radiation shielding, in particular for 3D printable materials, are highly demanding for producing robots working in nuclear plants and designing customized personal protection equipment. In this study, we suspend tungsten particles in a polymeric matrix of either PLA or ABS to compose tungsten-polymer composite filaments; PLA and ABS are widely used for conventional FDM-based 3D printing. The weight fraction of tungsten particles can be increased up to 50% without forming macroscopic aggregates. The composite filaments can be used to print 3D architectures with any shape and geometry. To demonstrate one of potential applications, we print parts for robot actuator and assemble them to protect PCB against gamma ray.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) SEM images of Tungsten particles. (b, c) Optical microscope images of PLA powders with 0%, 30%, and 50% Tungsten particles. (d) Schematics for the formation of Tungsten-polymer composite by thermal treatment and mixing.
그림 Fig. 2. SEM images of surface (left column) and cross-sections (middle and right columns) of 3D printed Tungsten-PLA composites for three different concentrations of Tungsten particles: 10% (top), 30% (middle), and 50% (bottom).
그림 Fig. 3. (a) CAD design and printed sample for evaluation of mechanical property. (b) Strain-stress curves for Tungsten-PLA composites with 6 different concentrations of Tungsten particles. (c, d) Modulus and ultimate stress for the composites as functions of the Tungsten concentration.
그림 Fig. 4. (a) Strain-stress curves for Tungsten-ABS composites with 5 different concentrations of Tungsten particles. (c, d) Modulus and ultimate stress for the composites as functions of the Tungsten concentration.
그림 Fig. 5. (a) CAD designs and printed products of three parts for protection of PCB in actuator. (b) Assembly of parts with actuator. (c) Robot arm composed of three actuators as denoted with red boxes (left panel), which can pick up target materials (right panels).
그림 Fig. 6. Robot parts without (left) and with 40% Tungsten particles in PLA (right), printed by the same condition.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 한국과학기술한림원 영재사사 프로그램을 통해 진행되었다. 기계적 물성 분석 및 SEM 분석에 KAIST 생명화학공학과 박사과정 김종현 학생 및 이상민 학생이 큰 도움을 주었다.
본 연구에서는 3D 프린팅이 가능한 텅스텐-고분자 복합체를 설계하였다. 텅스텐 입자의 표면을 화학적으로 처리하지 않고, 텅스텐 입자와 고분자 분말을 단순 혼합함으로써 입자를 고분자 분말에 흡착시키고, 이를 고온에서 압출함으로써 거시적 응집체가 없는 복합체 필라멘트 형성이 가능하였다.
본 연구에서는 FDM 방식으로 3D 프린팅이 가능한 방사선 차폐용 필라멘트를 구현하기 위해 텅스텐 분말을 PLA 및 ABS에 혼합하여 복합재를 형성하였고, 해당 필라멘트의 3D 프린팅을 통해 출력한 부품들을 조립하여 구동 가능한 로봇 팔을 구현하였다. 텅스텐-고분자 복합재 구현에 있어 텅스텐 분말의 질량비를 0%에서 50%까지 증가시키면서 내부에 텅스텐 입자의 분포를 전자현미경을 이용해 분석하였으며, 형성된 복합재를 시편 형태로 출력하여 질량비에 따른 기계적 물성 변화를 측정하였다.

제안 방법

이로 인해 후쿠시마 원전에 투입된 로봇들이 대부분 제 기능을 수행하지 못한 것으로 알려져 있다._[9] 본 연구에서는 40%의 텅스텐 입자가 함유된 PLA 복합재를 이용하여 Fig 5-(a)에 나타낸 것처럼 엑추에이터의 PCB를 보호할 수 있는 3가지 부품을 3D 프린팅을 통해 출력하였다. 해당 부품은 방사선으로부터 PCB를 보호할 수 있도록 Fig.
95%의 텅스텐 분말 (NATM(주))를 사용하였다. PLA의 경우 텅스텐 분말을 질량비 기준 10, 20, 30, 40, 50%로 혼합하였고, ABS의 경우 10, 20, 30, 40%로 혼합하였으며, 이를 필라멘트 압출기 (돌담테크(주))를 이용해 직경 1.6-1.8 mm 수준의 필라멘트로 압출하였다. 이때 PLA 분말의 경우 180-220℃의 온도에서 혼합 및 압출 하였으며, ABS의 경우 220-240℃의 온도에서 혼합 및 압출하였다.
3-(a)와 같이 3D 프린팅을 통해 다양한 텅스텐 함량을 갖는 시편을 출력하였다. 기계적 물성 평가용 시편은 중앙부에 두께와 폭이 3.0 mm이고 길이가 11.2 mm인 영역이 존재하며, tensile stress를 가하여 해당 부분을 변형시킴으로써 strain-stress curve를 측정하였다. Fig.
텅스텐-고분자 복합재 구현에 있어 텅스텐 분말의 질량비를 0%에서 50%까지 증가시키면서 내부에 텅스텐 입자의 분포를 전자현미경을 이용해 분석하였으며, 형성된 복합재를 시편 형태로 출력하여 질량비에 따른 기계적 물성 변화를 측정하였다. 더 나아가 복합재 필라멘트를 이용해 3차원 형상을 갖는 다양한 구조의 부품을 출력하였고, 출력한 부품들을 액추에이터와 함께 조립하여 실제 구동이 가능한 로봇 팔을 구현하였다. 비록 구현한 로봇 팔이 높은 세기의 방사선 환경에서도 제대로 작동하는지 확인할 수는 없었지만, 텅스텐이 포함되지 않은 고분자 소재 대비 작업 가능한 시간이 현저히 증가할 것으로 예상된다.
압출된 텅스텐-PLA 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 출력하고, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 출력물의 표면과 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 텅스텐 입자 농도가 증가함에 따라 단면 이미지에서 함량 변화가 확실하게 나타났으며, 표면에서는 함량에 따른 차이가 크게 나타나지는 않았다.
최대 함량까지 고분자 본연의 기계적 물성에 큰 손실은 없었으며, 3D 프린팅 과정에 문제가 발생하지 않았다. 이러한 텅스텐-고분자 복합체 필라멘트를 이용해 PCB 보호를 위한 로봇 부품을 출력하였고, 구동 가능한 로봇을 구현하였다. 본 연구에서 보고한 텅스텐-고분자 복합체는 간단한 방법으로 제조가 가능하고, 3D 프린팅을 통해 다양한 형상의 방사능 차폐 소재 구현이 가능하다.
텅스텐-ABS 복합체도 동일한 시편을 출력하여 기계적 물성 평가를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 FDM 방식으로 3D 프린팅이 가능한 방사선 차폐용 필라멘트를 구현하기 위해 텅스텐 분말을 PLA 및 ABS에 혼합하여 복합재를 형성하였고, 해당 필라멘트의 3D 프린팅을 통해 출력한 부품들을 조립하여 구동 가능한 로봇 팔을 구현하였다. 텅스텐-고분자 복합재 구현에 있어 텅스텐 분말의 질량비를 0%에서 50%까지 증가시키면서 내부에 텅스텐 입자의 분포를 전자현미경을 이용해 분석하였으며, 형성된 복합재를 시편 형태로 출력하여 질량비에 따른 기계적 물성 변화를 측정하였다. 더 나아가 복합재 필라멘트를 이용해 3차원 형상을 갖는 다양한 구조의 부품을 출력하였고, 출력한 부품들을 액추에이터와 함께 조립하여 실제 구동이 가능한 로봇 팔을 구현하였다.

대상 데이터

방사선 차폐 제로는 평균 직경 1.5 μm, 순도 99.95%의 텅스텐 분말 (NATM(주))를 사용하였다.
본 연구에서는 방사선 차폐 복합재료의 매질로서 평균입도 0.3 mm의 PLA 분말 (PLA powder for 3D printing, Huain Ruanke Trade Co. Ltd)과 평균입도 0.1 mm의 ABS 분말 (ABS Powder, Huain Ruanke Trade Co. Ltd)을 사용하였다. 방사선 차폐 제로는 평균 직경 1.

성능/효과

Fig. 4-(b)에 나타난 것처럼 tensile modulus는 텅스텐 함량이 20%로 증가함에 따라 0.75 GPa에서 0.94 GPa으로 증가하였으며, 이후 텅스텐 함량이 40%까지 증가하면서 0.75 GPa으로 감소하였다. Ultimate stress는 Fig.
Ultimate stress는 Fig. 4-(c)에 나타난 것처럼 텅스텐 함량 증가에 따라 지속적으로 감소하였으며, 순수 ABS의 경우 47 MPa를 보였으나 40% 텅스텐 함량의 경우 37 MPa까지 감소하였다. Ultimate stress의 감소는 PLA의 경우와 동일하게 텅스텐 함량에 따라 내부에 형성되는 응집체의 크기가 커지고, 그 개수 농도가 높아지기 때문에 발생하는 것으로 추론된다.
이러한 텅스텐-고분자 복합체 필라멘트를 이용해 PCB 보호를 위한 로봇 부품을 출력하였고, 구동 가능한 로봇을 구현하였다. 본 연구에서 보고한 텅스텐-고분자 복합체는 간단한 방법으로 제조가 가능하고, 3D 프린팅을 통해 다양한 형상의 방사능 차폐 소재 구현이 가능하다. 이에 해당 소재는 방사능 차폐 성능 평가 이후 상대적으로 낮은 방사능 환경에서 사용하는 개인용 보호구 및 로봇 부품 등에 범용으로 사용 가능할 것으로 판단된다.
_[10]일반적으로 밀도가 높을수록 방사선 감쇠계수가 커지게 된다. 본 연구에서는 텅스텐 입자의 함량을 PLA의 경우 질량비로 최대 50%까지 함유하였고, 이는 부피비 6.3%에 해당하며, 복합체의 평균 밀도는 2.44 g/cm₃이다. 50% 이상의 함량에서는 텅스텐 입자가 필라멘트 표면에 묻어나오는 현상이 발생하였다.
응집체의 크기와 분포는 입자 농도에 따라 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나, 대체로 20-200 μm 크기 수준으로 관찰되었으며, 1 mm가 넘는 거대 응집체는 관찰되지 않았다.
2에 나타낸 바와 같이 출력물의 표면과 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 텅스텐 입자 농도가 증가함에 따라 단면 이미지에서 함량 변화가 확실하게 나타났으며, 표면에서는 함량에 따른 차이가 크게 나타나지는 않았다. 단면 이미지에서는 텅스텐 입자의 응집체가 관찰되었다.
텅스텐 입자의 표면을 화학적으로 처리하지 않고, 텅스텐 입자와 고분자 분말을 단순 혼합함으로써 입자를 고분자 분말에 흡착시키고, 이를 고온에서 압출함으로써 거시적 응집체가 없는 복합체 필라멘트 형성이 가능하였다. 텅스텐 입자의 최대 함량은 PLA 고분자의 경우 질량비 기준 50%였으며, ABS 고분자의 경우 40%였다. 최대 함량까지 고분자 본연의 기계적 물성에 큰 손실은 없었으며, 3D 프린팅 과정에 문제가 발생하지 않았다.
이는 PLA가 시편 전체적으로 연속적인 매질을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. 텅스텐 함량이 10-40%의 범위에서 ultimate stress가 45-46 MPa 수준으로 큰 차이 없이 나타났으며, 텅스텐이 없는 PLA에 비해 감소한 것으로 판단할 수 있다. 이는 내부에 응집체가 발생하여 해당 지점이 취약점으로 작용하기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

또한 방사선 의료 영상 장비에 의한 장기의 2차 피폭을 막을 수 있는 의료 보호구 제작에도 사용 가능할 것이다. 다만, PLA와 ABS의 유리전이온도가 각각 약 60℃ 및 105℃임을 고려할 때 텅스텐-고분자 복합체로 구성된 방사능 차폐소재도 해당 유리전이온도 이하에서만 사용 가능할 것이다.
이에 해당 소재는 방사능 차폐 성능 평가 이후 상대적으로 낮은 방사능 환경에서 사용하는 개인용 보호구 및 로봇 부품 등에 범용으로 사용 가능할 것으로 판단된다. 또한 방사선 의료 영상 장비에 의한 장기의 2차 피폭을 막을 수 있는 의료 보호구 제작에도 사용 가능할 것이다. 다만, PLA와 ABS의 유리전이온도가 각각 약 60℃ 및 105℃임을 고려할 때 텅스텐-고분자 복합체로 구성된 방사능 차폐소재도 해당 유리전이온도 이하에서만 사용 가능할 것이다.
본 연구에서 보고한 텅스텐-고분자 복합체는 간단한 방법으로 제조가 가능하고, 3D 프린팅을 통해 다양한 형상의 방사능 차폐 소재 구현이 가능하다. 이에 해당 소재는 방사능 차폐 성능 평가 이후 상대적으로 낮은 방사능 환경에서 사용하는 개인용 보호구 및 로봇 부품 등에 범용으로 사용 가능할 것으로 판단된다. 또한 방사선 의료 영상 장비에 의한 장기의 2차 피폭을 막을 수 있는 의료 보호구 제작에도 사용 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사선은 어떻게 구분되는가?	방사선은 여기 상태에 있던 원자핵이나 전자가 상대적으로 에너지 준위가 낮은 바닥 상태 혹은 준 안정 상태로 변환되는 과정에서 방출된다.[1] 방사선은 전리 방사선과 비전리 방사선으로 구분되는데, 전리 방사선은 알파, 베타, 감마, X선과 같이 인체에 큰 해를 끼칠 수 있는 방사선을 일컫고, 비전리 방사선은 가시광선, 적외선, 자외선과 같이 상대적으로 인체에 해가 적은 방사선을 일컫는다. 전리 방사선들 중 알파선과 베타선은 투과도가 상당히 낮아 내부피폭을 제외하면 차폐할 필요가 없는 반면, 감마선은 물체에 대한 투과력이 높으면서도 인체에 위해하고 전자장비의 오작동을 일으킬 수 있어 차폐가 매우 중요하다.
	방사선은 어떻게 방출되는가?	방사선은 여기 상태에 있던 원자핵이나 전자가 상대적으로 에너지 준위가 낮은 바닥 상태 혹은 준 안정 상태로 변환되는 과정에서 방출된다.[1] 방사선은 전리 방사선과 비전리 방사선으로 구분되는데, 전리 방사선은 알파, 베타, 감마, X선과 같이 인체에 큰 해를 끼칠 수 있는 방사선을 일컫고, 비전리 방사선은 가시광선, 적외선, 자외선과 같이 상대적으로 인체에 해가 적은 방사선을 일컫는다.
	방사선 차폐 소재로써 납과 텅스텐의 한계점은 무엇인가?	기존의 방사선 차폐 소재는 주로 납(Lead), 텅스텐(Tungsten) 등이 사용되고 있다. 이들은 복잡한 구조의 로봇 부품을 구성하기 위해 정교한 절삭 공정 등을 이용해야 하며, 이는 범용 기술로 적용하기 어렵다. 또한 개인 맞춤형 방사선 차폐 장구를 제작하기에도 가공성에 한계를 지닌다.

참고문헌 (10)

M. F. L'Annunziata, "Radioactivity: Introduction and History," Elsevier Science, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-52715-8.X5000-2
B. J. Kim, H. T. Lee, I. S. Sohn, "A study of mechanical properties with FDM 3D printing layer conditions," Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering, Vol. 12, No. 3, pp. 19-24, 2018. http://dx.doi.org/10.22847/ksdme.12.3.201812.003
D. H. You, "Optimal Printing Conditions of PLA Printing Material for 3D Printer," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 65, No. 5, pp. 825-830, 2016. http://dx.doi.org/10.5370/KIEE.2016.65.5.825

원문보기 상세보기
Y. G. Kang, T. W. Lee, G. S. Shin, "The Influence of Experiment Variables on 3D Printing using ABS Resin," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 2, pp. 94-101, 2017. http://dx.doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.2.094
Y. J. Shin, H. J. Yun, E. J. Lee, W. Y. Chung, "A Study on the Development of Bamboo/PLA bio-composites for 3D Printer Filament," Journal of the Korean Wood Science and technology, Vol. 46, No. 1, pp. 107-113, 2018. https://doi.org/10.5658/WOOD.2018.46.1.107
C. M. Shemelya, A. Rivera, A. T. Perez, C. Rocha, M. Liang, X. Yu, C. Kief, D. Alexander, J. Stegeman, H. Xin, R. B. Wicker, E. MacDonald, D. A. Roberson, "Mechanical, electromagnetic, and X-ray shielding characterization of a 3D printable tungsten - polycarbonate polymer matrix composite for space-based applications," Journal of Electronic Materials, Vol. 44, No. 8, pp. 2598-2607, 2015. http://dx.doi.org/10.1007/s11664-015-3687-7

상세보기
J. Ceh, T. Youd, Z. Mastrovich, C. Peterson, S. Khan, T. A. Sasser, I. M. Sander, J. Doney, C. Turner, W. M. Leevy, "Bismuth infusion of ABS enables additive manufacturing of complex radiological phantoms and shielding equipment," Sensors, Vol. 17, No. 3, pp. 459, 2017. http://dx.doi.org/10.3390/s17030459

상세보기
Y. I. Cho, J. H. Kim, “Evaluation of the Effectiveness of 3D Printing Shielding Devices using Monte Carlo Simulation in Plain Radiography,” Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 14, No. 3, pp. 303-311, 2020. https://doi.org/10.7742/jksr.2020.14.3.303
D. S. kim, H. S. Hong, H. M. Park, J. H. Kim, K. S. Joo, "Radiation Damage of Semiconductor Device by X-ray," Journal of radiation protection and research, Vol. 40, No. 2, pp. 110-117, 2015. http://dx.doi.org/10.14407/jrp.2015.40.2.110

원문보기 상세보기
D. G. Jang, G. H. Kim, C. W. Park, "Analysis of Shielding Effect of Lead and Tungsten by use of Medical Radiation," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 12, No. 2, pp. 173-178, 2018. https://doi.org/10.7742/jksr.2018.12.2.173

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증