보도자료

2023. 11. 9 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

위험한 방사선, 큰 면적의 가볍고 유연한 물질로 막는다!

UNIST 권순용 교수팀, 방사선 막는 맥신-탄화 붕소 복합체 개발
저비용·대량생산 가능해 차폐 산업발전에 기여… Nat. Commun. 게재

방사선에 포함된 위험한 빛줄기인 중성자를 더 효율적으로 막을 수 있는 방법이 개발됐다. 다양한 물질의 표면에 저렴하게 적용할 수 있어 중성자 차폐 산업의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 반도체 소재·부품대학원 및 신소재공학과 권순용 교수팀은 방사선에 포함된 중성자를 막을 수 있는 차폐막을 개발했다. 개발된 차폐막은 큰 면적에 사용 가능하며 가볍고 유연하다.

권순용 교수는 “개발한 맥신-탄화 붕소 복합체 차폐막은 수십 마이크로미터 두께로 기존 상용 물질 대비 1,000배 이상 얇고 페인트를 칠하듯 다양한 표면에 손쉽게 적용할 수 있다”고 설명했다.

방사선에 포함된 중성자는 원자력 발전, 의료기기, 항공·우주산업 등 필수적으로 사용된다. 하지만 유출되면 다른 원자들과의 상호 작용으로 전자기기 혹은 생명체에 예측하지 못한 현상을 유발하는 매우 위험한 입자다.

연구팀은 2차원 나노물질인 맥신(MXene)의 모체인 맥스(MAX phase)와 맥신을 직접 합성했다. 여기에 중성자를 흡수할 수 있는 탄화 붕소를 잘게 쪼개 맥신층 사이에 삽입하는 기술을 고안했다. 이를 바탕으로 큰 면적의 유연하고 가벼운 필름을 개발했다. 개발된 혼합물을 다양한 표면에 적용할 수 있는 페인팅 기술 또한 개발했다.

공동 제1저자인 한주형 신소재공학과 연구원는 “맥신과 탄화 붕소의 특성을 조절해 두 물질의 혼합용액 안정성을 향상시켰다”며 “안정화된 맥신-탄화 붕소 혼합용액으로 큰 면적의 가볍고 유연한 차폐막을 만들었고, 실험을 통해 다양한 물체의 표면에 페인트처럼 적용 가능함을 입증했다”고 설명했다.

개발된 중성자 차폐막은 내부에 기포 구멍이 수십 나노미터에 불과할 정도로 치밀한 구조를 가진다. 즉, 기존에 사용됐던 고분자 기반의 복합체와 비교해 우수한 기계적 성질을 나타낼 수 있다. 열처리 등 추가적인 과정이 필요하지 않아 불순물이 들어가지 않은 순수한 혼합 구조체 제조가 가능하다.

공동 제 1저자 석시현 신소재공학과 연구원은 “코팅막을 입힌 나일론 복합체는 2만 번 이상의 굽힘 테스트에서도 최대 98%까지 원형을 유지하며 그 안정성을 보였다”며 “밀리그램 단위의 탄화 붕소 사용에도 높은 중성자 차폐율(30mg 사용 시 40%)을 보여 그 우수성을 입증했다”고 덧붙였다.

권순용 교수는 “새로 개발한 복합체 제작 기술은 실용적이고 복합한 장비나 공정이 필요하지 않지만, 원하는 두께와 면적을 가지는 중성자 차폐 코팅막을 쉽게 구현할 수 있다”며 “이번 연구는 맥신 소재 코팅기술의 가능성을 확장해 다양한 분야에서의 응용을 입증하는 데 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구성과는 저명한 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월 31일자로 온라인 출판됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부‧한국연구재단 원자력기초연구지원사업 등의 지원으로 이뤄졌다.

(논문명: Robust 2D layered MXene matrix-boron carbide hybrid films for neutron radiation shielding)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

반도체소재부품대학원: 권순용 교수 (052)217-2312

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

현재 원자력 발전, 항공우주, 의료기기 산업 등의 방사선 노출 환경에서 중성자를 차폐하기 위한 차폐막 제조에서 중성자 흡수 물질인 탄화 붕소를 혼합한 구조재 개발이 핵심기술로 여겨지고 있다. 대부분 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 또는 고분자 소재에 붕소 화합물을 분산시키거나 탄화 붕소-알루미늄 혼합물을 소결하여 만들게 된다. 이러한 차폐 소재는 구조체 내에 수십 마이크로미터 크기의 붕소 또는 붕소 화합물을 첨가하게 되는데, 일정량 이상 함유하게 되면 열간/냉간 가공성, 인성 및 용접성 등의 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있어 고농도 흡수재 함유에 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 고효율 중성자 차폐가 가능한 고농도 나노 탄화 붕소를 포함하는 고내구성 코팅형 차폐막 제조 기술을 개발하고, 이를 부위별, 기능별로 다양한 자유곡면 상에 코팅할 수 있는 페인팅 기술개발 연구를 수행하였다.

2. 연구내용

연구팀은 2차원 전이금속 탄화물 맥신(MXene)3) 의 안정한 적층 구조를 기반으로 층간 공간에 탄화 붕소 입자를 도입시키는 기술을 최초로 개발했다. 특정 방향으로 정렬되는 맥신 필름의 특성상 우수한 기계적 강도와 전기전도성을 지니고 있으며, 전자파 차폐에 있어 기존 금속 (구리, 알루미늄 등) 대비 우수한 성능을 지니고 있다. 이러한 맥신 필름에 중성자 차폐가 가능한 탄화 붕소를 도입시킨다면, 작은 에너지를 가진 전자파 차폐서부터 고에너지의 중성자 차폐까지 아우르는 신개념 차폐물질의 제조가 이론상 가능하다.

연구팀은 맥신 필름 내 탄화 붕소의 균일한 인입을 위해 우선적으로 탄화 붕소의 특성을 개질하였다. 기존의 탄화 붕소는 중력에 의해 가라앉아 안정한 분산액 제조가 어려우며, 이를 표면 산화 및 원심 분리법을 통해 negative 표면 전위4)를 가진 안정한 탄화 붕소 분산액을 제조하였다. 이를 바탕으로 농도가 조절될 수 있는 맥신-탄화 붕소 혼합액이 형성되었으며, 용매를 제거하는 방식으로 박막화 하였다.

3. 기대효과

새롭게 개발된 맥신-탄화 붕소 중성자 차폐막은 상대적으로 저렴한 용액공정에 기반해, 저비용ㆍ대량생산이 가능할 것이다. 특히, 상용 중성자 차폐체는 수 센티미터 단위의 무겁고 유연하지 않으므로 본 연구팀이 개발한 초경량ㆍ유연성 중성자 차폐체 기술이 신新개념 중성자 차폐 산업으로서 발전이 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 중성자 (Neutron)

방사성 물질이 안정한 물질로 붕괴될 때 발생하는 방사선에는 알파선, 베타선, 감마선, 중성자선 등 다양한 입자선과 전자기파가 포함되는데 이중 중성자는 다른 입자선들과 달리 전하를 띠지 않아 물질을 통과해 들어가는 투과력이 매우 높다. 중성자선은 지구 자기장을 뚫고 대기권에 도달하는 우주 방사선(Cosmic ray)에도 포함되어 있다. 전기소자나 인체를 구성하는 원자들은 중성자와 만나게 되면 에너지를 전달받아 방사성 동위원소를 만들어 내고 짧은 시간에 강한 방사선을 내뿜게 되므로 매우 위험하다. 중성자선을 막기 위해 중성자와 질량이 비슷한 수소 원자와 충돌시켜 에너지를 분산시키는 방법이 가능하지만 충분한 감쇠를 위해서는 매우 두꺼운 두께의 차폐가 필요하다는 단점이 있다. 결과적으로 안전하게 중성자를 차폐하기 위해서는 많은 중성자를 흡수할 수 있는 원자와 의도적으로 접촉시켜 더 낮은 입자선으로 에너지를 감쇠시키는 방법이 효율적이라 할 수 있다.

2. 탄화 붕소 (Boron carbide, B4C)

탄화 붕소는 단위면적 당 매우 높은 중성자 흡수율을 가지는 붕소 동위원소가 화합물에 포함되어 있어 중성자 흡수 물질로 사용되며 주로 스테인리스강, 알루미늄, 고분자 물질 등에 혼합되어 원자력 발전 산업에서 활용되는 중성자 차폐체로 상용화되고 있다.

3. 2차원 전이금속 탄화물 맥신 (MXene, Ti3C2Tx)

맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 구조로 원자층 수준으로 두께로 얇고 표면 활성 면적은 넓은 2차원 나노소재이다. 높은 전기전도도와 용매 분산성이 공존해 다양한 소재 산업에서 주목받고 있다.

4. 표면전위 (Zeta potential)

나노입자가 용액 내에 분산되어 있을 때 안정적으로 존재하기 위해서는 표면전위가 중요한 역할을 하게 되는데 입자들이 서로 같은 음전하를 띄어 negative 표면전위를 가지게 되면 뭉치지 않고 안정적으로 고르게 분포할 수 있게 된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 2차원 전이금속 탄화물 (맥신, MXene) - 탄화 붕소 복합 분산 용액 제조 방법

(a) 2차원 전이금속 탄화물 (MXene) 합성 모식도

(b) 나노 탄화 붕소 제조 모식도

그림2. 신개념 중성자 차폐 필름 제조 방법 및 중성자 차폐 성능

(a) 진공여과 기법으로 제조된 기판 free 맥신-탄화 붕소 복합필름. 매우 얇고 가벼워 꽃잎으로도 지지가 가능함.

(b) 블레이드 코팅 기법으로 제조된 기판상 맥신-탄화 붕소 복합필름. 구부려도 안정하게 코팅체 유지가 가능함.

(d) 나일론 기판상 대면적으로 코팅된 맥신-탄화 붕소 복합필름.

(e) 매우 적은 탄화 붕소 사용량대비 높은 중성자 흡수 성능을 보여주는 그래프.

(f) 신개념 중성자 차폐 필름의 우수성을 입증하는 중성자 차폐 효율 비교 그래프.

그림3. 2차원 맥신-탄화 붕소 복합체가 중성자를 차폐하는 모습을 묘사한 모식도.

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