Ⅰ.서 론
플라스틱 섬광체는 입사된 방사선을 빛으로 변환하여 방사선을 측정하는 유기물 방사선센서로서 섬광감쇠시간 특성이 매우 우수하고, 가격이 저렴하며, 대형 검출기로 만들기 쉬운 장점을 가지고 있어서 1950년에 Schorr 및 Torney[1]에 의해 개발된 이후 핵물리학, 고에너지 물리학 분야 및 두께, 액면, 밀도 측정 등 산업 분야에 널리 사용되 고 있다[2～5]. 중성자와 감마선이 동시에 존재하는 혼합장에 서 중성자선의 분리 측정이 가능하고[6], 반도체검출기보다 중성자에 대한 손상의 위험이 적으며[7], 크기와 모양을 측정 공간에 맞도록 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니 라, 특히 구성성분이 인체조직과 유사하여 의료용 장비[8], 고 에너지측정, 광자빔 모니터링, 선량계 등 여러 가지 용도 로 이용되고 있다. 일반적으로 플라스틱 섬광체는 유기섬광 체를 유기용제에 녹인 단량체로부터 열중합법으로 제작하 며, 섬광체 센서의 형태나 크기에 따라 차이는 있지만 중합 및 중합 후 열처리 과정에서 최소 2주 이상의 많은 시간이 소요되고, 광수집 효율을 높이기 위하여 플라스틱 섬광체의 표면을 클리닝하고 연마하는 데 또한 오랜 시간이 요구될 뿐만 아니라 복잡하고 다양한 모양의 섬광체 제작이 매우 어려운 단점이 있다.
최근 각광받고 있는 3D 프린터는 저렴한 경비로 복잡하 고 다양한 형태의 시제품 및 제품을 신속히 제작할 수 있는 장점 때문에 의료, 건축, 디자인, 제조업 등 여러 분야에서 매우 많은 관심을 가지고 있으며, 많은 연구와 개발과정을 통하여 폭넓게 응용되고 있다[9].
본 연구에서는 이에 착안하여 복잡한 모양의 플라스틱 섬 광체를 신속히 제작할 수 있는 기술을 3D 프린팅 기술로 구 현하기 위하여 플라스틱 신소재 개발 관련 연구를 수행하였 다[10]. 플라스틱 섬광체를 3D 프린터로 출력하기 위해서는 반드시 소재가 광에 대한 중합반응을 하여야하며, 반응 후 중합된 플라스틱 섬광체의 섬광특성이 우수하여야 한다. 본 연구에서는 아크릴레이트 기반의 광중합 플라스틱 섬광체 를 개발하고, 제작된 광중합 플라스틱 섬광체의 특성 평가 를 통하여 방사선 센서로서의 가능성에 대하여 조사하였다.
Ⅱ.재료 및 방법
일반적으로 플라스틱 섬광체의 모체는 폴리스티렌이 주로 사용되고 있으며, 유기섬광체로 PPO(2-5- diphenyloxazole), p-terphenyl, stilbene 등이 모체에 첨가되어 사용되고 있 다. 이들 유기섬광체에서 발생하는 섬광은 파장이 350~400 nm로 매우 짧아서 광전자증배관의 양자효율특성과 잘 일치 하지 않기 때문에 섬광 파장을 장파장으로 이동시키기 위하 여 POPOP[1, 4-bis(5-phenyl oxazol-2-yl)benzene] 등 을 파장 이동제(wavelength shifter)를 혼합하여 사용한 다. 하지만 폴리스티렌은 중합속도가 느리고, 스티렌 단 량체가 용해되어 있는 유기 용제가 인체에 유해하여 3D 프린터에 적용하기에는 단점이 있다. 이점을 고려하여 향 후 3D 프린터에 적용가능한 모체 소재로 아크릴레이트를 선정하였으며, 본 연구에서는 아크릴레이트로 TMPTA (trimethlylolpropane triacrylate, Sigma- Aldrich. Co.)와 DPHA(dipentaerythritol hexaacrylate, SigmaAldrich. Co.)를 적정한 비로 혼합하여 사용하였다. 유기 섬광체로는 액체섬광체로 Ultima GoldTM LLT(PerkinElmer)를 사용하 였으며, 자외선 광중합을 시행하기 위하여 중합개시제인 Irgacure 184(1- Hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone, Ciba Specialty Chemimcal. Co.)를 사용하였다.
Fig. 1은 본 연구에서 모체로 사용된 TMPTA와 DPHA의 화학성분과 구조를 나타낸 것으로 수소, 산소 및 탄소로 구 성되어 인체의 유효원자번호의 유사하므로 인체조직등가 물질의 특성을 가진다.
Fig. 2는 광개시제로 사용된 Irgacure 184의 화학식과 구조 및 파장 특성을 나타낸 그림이다. Fig. 2에서 보는 바 와 같이 약 200~325 nm의 자외선 영역에서 광중합반응을 개시하는 특성을 가지고 있다.
아크릴레이트 단위체(monomer)는 이중결합을 가진 비 닐기로 구성되며, 이 단위체에 자외선을 가하게 되면 이중 결합이 풀리게 되고, 주위에 있는 다른 단위체와 공유결합 을 하면서 거대한 결합조직을 이루게 되어 아크릴레이트 중 합체(ploymer)가 되며, 일반적으로 스티렌 소재의 중합체 에 비하여 아크릴 소재의 중합체는 투명도가 높기 때문에 섬광체에서 발생된 빛이 광전자증배관에 전달되기까지 섬 광체 내부의 차체흡수롤 최소화할 수 있다. 첨가된 유기 섬 광체는 모체가 중합되는 과정 중에 단위체의 벤젠고리 또는 이중결합에 있는 수소원자와 섬광체의 수소원자가 공유결 합을 하면서 섬광중합체를 형성하게 된다.
본 연구에 사용된 Ultima GoldTM LLT(Perkin- Elmer) 은 저준위 삼중수소 측정용으로 제조판매하고 있는 유기섬 광체로 다른 유기섬광체들이 선정된 모체에 잘 혼합되지 않 는데 비하여 모체성분과 매우 잘 혼합되는 특성을 나타내어 플라스틱 섬광체 소재로 선정하였다.
Fig. 3은 선정된 재료를 사용하여 광중합 플라스틱 섬광 체의 제작흐름도이다. 재료의 점성과 강도를 고려하여 모재 료인 TMPTA와 DPHA를 8 : 2로 혼합한 후 Ultima GoldTM LLT 유기섬광체를 20wt% 투입한 후 3시간 이상 마그네틱 바와 스터러를 이용하여 혼합하였다. 제조된 혼합물에 광개 시제인 Irgcure 184를 1.0wt% 첨가한 후 다시 3시간 이상 혼합하였으며, 혼합 과정 중 재료가 자연광에 의해 중합되 는 것을 방지하기 위하여, 소재의 혼합은 암실에서 시행하 였다. 최종적으로 혼합된 재료는 20ml 바이알에 정량하여 투입한 후 자외선을 이용하여 혼합된 소재의 광중합을 시행 하였다. 중합된 플라스틱 섬광체는 다이아몬드 절단기(Mo. Isomet Low Speed Saw, Buehler LTD)를 이용하여 직경 2.5 cm, 길이 1 cm의 원통형으로 자른 후 단면을 먼저 사포 #1,500, #2,000으로 연마하고 Buehler Micropolish B, C 로 연마하였다.
중합된 플라스틱 섬광체의 X-선에 대한 섬광스펙트럼은 텅스턴 타겟의 X-선 발생장치(DRGEM Co.)로 X선으로 여 기시켰을 때, QE65000 분광광도계(Ocean Optics)를 사용 하여 300~800 nm 파장 범위에서 측정하였다. 이때 X-선 발생장치의 관전압과 관전류는 각각 50 kV, 1mA이었다. 펄스파고 분석과 섬광감쇠시간 측정은 XP2260 광전자증배 관(Photonis), Ortec 571 비례선형증폭기와 플래시 아날로 그-디지털 변환기로 구성된 시스템으로 측정하였다. 섬광 체에서 발생된 광자는 광전자증배관에서 전기적 신호로 변 환 및 증폭하여 비례선형증폭기에 입력된 후 다시 증폭 및 펄스 성형하여 25 MHz 플래시 아날로그-디지털 변환기에 입력된다. 이때 플래시 아날로그-디지털 변환기의 제어 및 데이터 획득은 리눅스(LINUs' miniX) 기반의 ROOT에서 수행하였으며, 측정된 파고스펙트럼의 분석 및 함수 피팅을 시행하였다[11]. 섬광감쇠시간 특성은 400 MHz의 고속 플래 시 아날로그-디지털 변환기를 사용하였으며, ROOT 프로그 램을 이용하여 데이터 획득 및 분석을 시행하였다.
Ⅲ.결과 및 고찰
Fig. 4는 20ml 바이알에 혼합된 소재를 투입한 후 자외 선으로 광중합하여 제조된 플라스틱 섬광체의 사진이다. 중 합된 플라스틱 섬광체는 투명한 옅은 갈색 톤이 관찰되었으 며, 스티렌 소재로 플라스틱 섬광체를 중합하였을 때 중량 의 40% 이상 감소되는데 비하여 아크릴레이트 계열 플라스 틱 섬광체는 수축율이 낮아서 반응 전후 부피가 약 5% 정도 감소하였다. 이는 스티렌 기반의 섬광체에 비하여 아크릴레 이트 소재의 플라스틱 섬광체는 원하는 크기와 모양으로 쉽 게 제작할 수 있음을 의미한다. 전체 벌크중합시간은 2시간 으로 3D 프린팅용 소재로 사용하기에 다소 길었으나, 동일 한 크기의 스티렌 기반 플라스틱 섬광체가 250℃ 이상의 온 도에서 열중합 및 열적응시간이 10시간 정도 걸리는 것에 비하여 매우 빠른 중합시간 특성을 보였다. 일반적인 DLP(digital layer projection) 방식의 3D 프린터 출력시 1 회에 출력되는 1 슬라이스의 두께가 5~100μm로 충분히 얇고, 중합에 사용할 자외선 광원의 세기를 증가시킴으로써 향후 3D 프린터에 적용하더라도 충분한 출력속도를 구현할 수 있을 것으로 판단된다.
플라스틱 섬광체에 방사선이 입사하게 되면 플라스틱을 구성하는 모체와 반응하여 입사 방사선의 에너지가 전달되 고, 흡수된 에너지 중 일부가 섬광체의 π-결합 전자로 전달 되면서 궤도전자의 에너지준위가 여기 된다. 에너지준위가 여기 된 전자는 기저 상태로 내려오면서 매우 빠른 시간 특 성을 가진 섬광을 발생하게 된다. Fig. 5는 텅스텐 표적을 사용한 X-선 발생장치에서 발생한 X-선으로 조사하였을 때 제조된 플라스틱 섬광체의 발광스펙트럼이다. Fig. 5에 서 보는 바와 같이 제조된 플라스틱 섬광체의 발광스펙트럼 파장 범위는 380~520 nm이었으며, 중심파장은 423 nm이 었다. 많은 유기섬광체들이 Table 1에서 보는 바와 같이 400 nm 전후 짧은 파장의 빛을 발생하므로 일반적인 광전 자증배관의 양자효율 특성에 잘 일치하지 않는데 비하여[12] 본 연구에서 개발한 플라스틱 섬광체의 발광 파장범위는 광 전자증배관의 양자효율 특성과 잘 일치하였다.
Fig. 6은 241Am 5.4 MeV 알파선원을 이용하여 제조된 플 라스틱 섬광체에 대하여 측정한 섬광감쇠시간 곡선이다. 측 정된 섬광감쇠 곡선을 ROOT를 이용하여 지수함수로 피팅 결과 시간감쇠특성이 12 ns인 1개의 섬광감쇠특성이 측정되 었으며, 일반적인 유기섬광체에 비하여 다소 길게 측정되었 다. 아크릴레이트 소재가 스티렌에 비하여 에너지 전이 효 율이 낮은 것으로 알려져 있으며, 이 때문에 섬광감쇠시간 특성이 다소 증가한 것으로 사료된다[13].
Fig. 7은 제조된 플라스틱 섬광체의 파장별 투과율을 측 정한 결과이다. 개발된 플라스틱 섬광체는 400~800nm의 파장범위에 대하여 광 투과율이 약 50%이었고, 400 nm이 하의 파장에 대해서는 흡수율이 매우 높게 나타났으며, 실 험 범위에서 특정 흡수파장은 나타나지 않았다. 투과율은 섬광체의 자체흡수를 결정하는 중요한 특성으로 이상적인 섬광체는 모든 파장영역에서 투과율이 높아야 한다. 하지만 실제 사용되고 있는 모든 섬광체는 특정 파장 영역에 대하 여 고유의 흡수 특성을 가지며, 섬광형 방사선센서로 사용 하기 위해서는 방사선을 검출하는 과정에서 발생한 빛의 파 장영역에 대하여 섬광체가 투명하여야 한다. Fig. 5에서 보 는 바와 같이 개발된 플라스틱 섬광체의 별다른 표면 연마 공정 없이 발광파장영역인 380~520 nm에 대하여 50% 이 상의 양호한 투과율을 보였다.
Ⅳ.결 론
본 연구에서는 TMPTA와 DHPA를 모체로 Ultima GoldTM 유기 섬광체를 혼합하여 자외선에 대하여 광중합 특성을 가 진 플라스틱 섬광체를 제작하고, 그 섬광특성을 조사하였 다. 제작된 플라스틱 섬광체의 발광파장 스펙트럼이 광전자 증배관의 양자효율 특성과 잘 매칭되며, 모체가 섬광체에서 발생한 빛에 대하여 투명한 특성을 확인하였다. 향후 플라 스틱섬광체로 유용하게 사용하기 위해서는 광출력을 향상 과 섬광체 표면에 대한 연마 공정 확립을 통하여 투명도 향 상을 위한 연구가 필요하다. 아울러 플라스틱 섬광체는 인 체와 유효원자번호와 밀도가 비슷하여 인체의 흡수선량 평 가에 유용하게 사용할 수 있으므로, 3D 프린팅용 소재로서 의 최적화에 대한 추가 연구를 수행하여 용적선량 도시메트 리에 기여하고자 한다.
