^*이 보도자료는 한국연구재단 주관으로 작성됐음을 알려드립니다.

^* 전자기파: 가시광선, 적외선, 자외선, x-선, RF 등 전자기적 과정에 의해 방사되는 에너지

^*전자기파 발생장치 : 전자기파를 발생시키기 위해 만들어진 장치. 마그네트론, 레이저 등이 여기에 속함.

^*플라즈마: 물질이 가열 후 기체 상태를 벗어나 전자, 이온 등 입자들로 나누어진 상태

^*가이거 계수기: 알파선, 베타선, 감마선과 같은 이온화 방사능을 측정하는 장치

^*감마선 : 방사선의 일종으로 통상 100 keV 이상의 광자에너지를 말함.

^*알파선 : 방사선의 일종으로 하나의 핵이 알파붕괴 할 때 방출한 에너지를 말함.

[붙임] 논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

• 논문명 : Remote detection of radioactive material using high-power pulsed electromagnetic radiation
• 저자 정보 : 최은미 교수 (교신저자, 울산과학기술원), 김동성 (제 1 저자, 울산과학기술원), 유동호 (공동저자, 울산과학기술원), 아쉬위니 사완트 (공동저자, 울산과학기술원), 최문석 (공동저자, 울산과학기술원), 이인근 (공동저자, 울산과학기술원), 김성국 (공동저자, 울산과학기술원)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

   ○ 방사능 물질은 의학적 치료 목적이나 원자력 발전소, 생명공학 등의 순수과학 목적 등으로 현 인류에게 필수적이다. 그러나 뜻하지 않은 사고, 불순한 목적을 가진 방사능 물질의 유출 등으로 인해 위협이 되기도 한다. 이런 경우 매우 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

   ○ 뜻하지 않은 방사능 유출 사고 및 불순한 의도로 사용되는 방사능 물질에 가까이 접근하지 않고 원거리에서 감지할 수 있는 기술은 매우 중요하다. 하지만 현존하는 기술로는 은닉되어 있는 방사능 물질의 원거리 탐지는 거의 불가능하기 때문에 방사능을 이용한 핵 테러 및 사고로부터 국민의 안전을 지킬 수 있는 첨단 기술의 개발이 필요하다.

   2. 연구내용

   ○ 연구팀은 눈에 보이지 않는 전자기파를 이용하여 원거리에 존재하는 방사능 물질을 실시간으로 탐지할 수 있는 새로운 개념의 탐지 기법을 실험적으로 구현하는 데 성공하였다. 본 탐지 방식은 미국의 메릴랜드 대학에서 2010년 처음 이론적 개념이 제안되었지만, 실험적으로 이 연구를 통하여 최초로 규명되었다. 강력한 전자기파를 방사능 물질이 존재하는 원거리에서 쪼여 그 주변에 플라즈마를 형성한 후 방사능 물질의 유무를 파악하는 기술이다.

   ○ 연구팀이 자체 개발한 진공소자 기반의 고출력 밀리미터파 발생장치로부터 발생된 전자기파를 파장만큼의 크기로 쪼여 코발트-60이 주변 대기로 방출한 고에너지 자유전자로 인한 대기방전으로 인해 플라즈마를 발생시킨다. 발생한 플라즈마를 감지하여 방사능 물질을 실시간으로 탐지할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

   ○ 연구팀은 0.5μg의 코발트-60 방사능 물질을 사용하여 고출력 밀리미터파 발생장치로부터 발생된 전자기파의 출력 및 쪼이는 거리 등을 변화시키면서 플라즈마 발생여부와 발생 지연시간을 관측하였다. 또한 코발트-60의 노출을 자동으로 조절하여 실시간 탐지 유무를 확인하였다.

   ○ 또한 이론적인 탐지 민감도보다 4,800배 더 민감한 측정이 가능하다는 것을 실험적으로 규명하였는데, 이는 플라즈마 발생 지연 시간을 정확하게 측정함으로써 가능하다는 것을 제시하였다.

   3. 연구 성과

   ○ 이번 연구를 통해 기존 기술로는 불가능했던 수 km 혹은 수백 km에 존재하는 방사능 물질의 존재 유무를 눈에 보이지 않는 전자기파로 탐지 가능함을 실험을 통하여 증명하였다.

   ○ 이는 향후 대중을 타깃으로 하는 방사능 물질을 이용한 테러 활동, 장거리에서 일어나는 핵 활동 탐지, 방사능 비상사태 등의 국가 안보에 이바지할 것으로 기대한다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

ㅇ 방사능 물질을 원거리에서 감지한다는 것은 현존하는 기술로는 거의 불가능하다. 최근 이슈가 된 방사능 물질을 탑재한 드론을 이용한 테러 (2015년 일본 총리 관저 옥상에 세슘 탑재 드론 발견) 시도, 후쿠시마 원전 주변 방사능 측정을 위해 투입된 로봇 조차도 접근할 수 없는 상황 등에서 원거리에서 방사능 물질을 측정하는 기술을 확보하는 것은 매우 중요한 상황이다. 현존하는 탐지기술의 감도와 측정거리를 뛰어넘는 새로운 방사능 탐지 기술이 절실히 필요한 상황이다.

ㅇ 2010년도에 고출력 전자기파를 활용하면 원거리에서 방사능 물질 탐지가 가능하다는 매력적인 이론적 제안이 미국 메릴랜드 대학(Univ. Maryland) 에서 제기되었다. 하지만, 실험적인 검증이 매우 중요하며, 최은미 교수 연구팀이 실험적인 검증과 이론적으로 예측하지 못했던 감지 능력에 관한 실험적 연구를 수행하게 되었다.

2. 연구내용

ㅇ 연구팀은 고출력 밀리미터파 발생장치를 자체 개발하여 플라즈마 방전을 일으킬 수 있도록 하였고, 방사능 물질(코발트-60)을 이용하여 플라즈마의 방전 조건이 어떻게 바뀌는 지에 관한 면밀한 실험 연구를 통해 방사능 물질이 존재할 때, 플라즈마가 형성되는 데까지 걸리는 시간이 달라짐을 실시간으로 관측하였다.

ㅇ 연구팀은 플라즈마 형성 시간을 관측하게 되면 이론적으로 예측된 감지 민감도보다 최대 4800배까지 감지 민감도를 높일 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

ㅇ 또한 기존의 이론에서 제시한 인가 전자기파의 주파수가 테라헤르츠대역이어야 측정이 가능하다는 한계 조건이 실제로 맞지 않음을 보이고, 그보다 낮은 주파수 대역에서도 감지가 가능함을 규명하였고, 이는 실제 원거리 탐지를 위한 시스템 구축이 현존하는 기술로 가능함을 보인 것이다.

ㅇ 연구팀은 또한 기존 플라즈마 방전 물리에서 다루지 않은 영역인, 방사능 물질로 인한 고에너지 전자에 의한 방전 물리에 대한 새로운 해석을 제시하였다. 고에너지 전자들이 존재하는 환경에서는 일반 대기상태보다 초기 전자밀도가 훨씬 높고 이는 공기 중 전도도를 높여 전자기파에 의한 플라즈마 방전이 더 낮은 출력에서 쉽게 일어날 수 있도록 한다는 것이다.

3. 기대효과

ㅇ 이 연구를 통하여 원거리에 존재하는 방사능 물질의 존재 여부를 눈에 보이지 않는 전자기파를 쪼여서 탐지할 수 있음을 확인하였다. 이는 사람이 근접할 수 없는 곳에 의심되는 방사능 물질을 탐지할 수 있는 매우 획기적인 기술이다. 이를 통해 그동안 기술적 한계로 인해 원거리 측정을 할 수 없었던 테러를 비롯한 다양한 방사능 물질을 이용한 위협으로부터 보호할 수 있는 가능성이 열렸다.

ㅇ 고출력 전자기파의 적절한 주파수 및 출력, 안테나 크기 등의 선택을 통해 수백 km까지의 방사능 물질 유무 탐지가 가능할 것으로 기대된다. 이는 장거리에서 일어나는 여러 형태의 핵 활동 실시간 탐지, 은닉한 방사능 물질을 이용한 테러활동, 원전 이상사태 등의 국가 안보에 활용될 수 있는 기술로 기대된다.

ㅇ 향후 지속적인 연구 개발을 통해 방사성 핵종 탐지 및 3차원 공간상의 방사능 물질의 분포도 측정으로 활용도를 높일 수 있는 기술을 확보할 예정이다.

[붙임] 연구 이야기

1. 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 방사능 물질을 이용한 테러라든지 선박을 통해 밀수입하는 방사능 물질을 원거리에서 미리 감지할 수 있는 기술적인 요구가 대두되고 있다. 가이거 계수기나 이온챔버와 같은 현존하는 방사능 물질 탐지 기술은 탐지 민감도로 인하여 원거리에서 감지하기에는 그 한계가 있다. 고출력 전자기파는 원거리에서 쪼일 수 있기 때문에 방사능 물질로부터 주변에 방출된 고에너지 전자를 고출력 전자기파로 방전시킬 수 있다는 기존 이론적인 아이디어로부터 출발하였다.

2. 연구 전개 과정에 대한 소개

연구진이 개발한 고출력 전자기파 발생장치는 대기상태에서 플라즈마를 발생시키기 위해 요구되는 출력에 비해 훨씬 적은 출력을 내는 장치여서, 연구 초기에는 대기 상태에서 실험을 하지 못하고 기압을 낮추어 아르곤 가스로 플라즈마를 발생시켰다. 방사능 물질이 근처에 존재할 때는, 고출력 전자기파를 쪼여 플라즈마를 발생시키는데 걸리는 시간이 현격히 줄어듬을 실험적으로 관측하였고, 이를 통해 측정 민감도를 이론적 예측치 대비 4800배 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 예상과는 다르게 본 연구에 사용된 전자기파 발생장치가 대기압 상태에서 플라즈마를 만들기 위해 요구되는 출력보다 10배 적음에도 불구하고 방사능 물질이 존재하는 경우 대기 중 플라즈마가 발생함을 관측하였고, 고에너지 전자로 인하여 플라즈마 방전에 요구되는 출력이 훨씬 줄어들었음을 분석하여 대기방전 물리에 새로운 이론을 제시하였다.

3. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

밀리미터파 대역의 전자기파를 이용하여 플라즈마를 대기압에서 발생시키기 위해서는 연구진이 개발한 전자기파 발생장치보다 10배 높은 출력이 요구되었는데, 매우 흥미롭게도 방사능 물질이 존재하는 대기상태에서는 기존 이론으로 계산된 요구되는 출력보다 훨씬 적은 출력을 필요로 함을 관측하였다. 이런 실험적 관측을 새로운 이론적 해석으로 이끌어내어 대기압 부피 방전물리에서 다루지 않은 영역으로 지평을 넓힘으로써 극복하였다.

4. 이번 성과, 무엇이 다른가?

고출력 전자기파를 원거리에서 쪼여 플라즈마를 발생시켜 주위에 방사능 물질의 존재유무를 알아낼 수 있다는 아이디어가 처음으로 실험적으로 규명된 연구이다. 또한 기존 이론에서 예측된 측정 민감도보다 실험적으로 관측한 측정민감도가 4800배 정도 높다는 것이 실험적으로 확인되었고, 이는 플라즈마 발생시간의 관측을 통해 이루어질 수 있다는 것을 밝혀냈다. 또 하나 중요한 성과는, 궁극적으로 대기상태에서 고출력 전자기파를 쪼여 플라즈마 방전을 일으켜야 하는데, 이때 요구되는 전자기파의 출력이 방사능 물질이 있을 경우에 10배 줄어든다는 것이다. 이것이 시사하는 바는, 첫째, 제시된 방사능 물질 감지를 위한 시스템의 크기가 훨씬 작아질 수 있다는 것과, 둘째, 플라즈마 방전이 일어나는 전자기파의 문턱 출력을 측정함으로써 방사성 핵종을 알아낼 수 있음을 간접적으로 시사한다.

5. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

향후 제시된 원거리 방사능 탐지 기법을 통하여 공간상에 임의로 분포하는 방사능 물질의 3차원 영상을 얻는 연구와, 정밀 측정을 통하여 방사성 핵종도 탐지하는 방법을 구현해 내는 것이다. 또한 궁극적으로, 수 백 킬로미터에 떨어진 방사능 물질을 탐지할 수 있는 시스템을 개발하여 다양한 응용을 모색하는 것도 흥미로운 주제이다.

[붙임] 용어설명

1. Nature Communications

영국의 Springer Nature사에서 창간한 과학 학술지로, 2017년 현재 인용지수 (Impact factor) 11.329으로 과학기술 분야에서 세계적 수준의 권위를 가진 저널이다.

2. 방사능 물질(Radioactive material)

원자핵이 붕괴하면서 고에너지 전자기파 및 입자를 방출하는 능력을 가진 물질을 말한다.

3. 밀리미터파 (millimeter-wave)

파장이 1 millimeter에서 10 millimeter 사이인 전자기파 대역을 일컫는다.

[붙임] 그림설명