ETRI, 방사능에도 끄떡없는 센서 개발-24시간 연속 방사선 노출돼도 온도, 압력 측정 가능, 원전 등 극한 환경 적용, 무거운 납 보호복 대체 기대

ETRI, 방사능에도 끄떡없는 센서 개발-24시간 연속 방사선 노출돼도 온도, 압력 측정 가능, 원전 등 극한 환경 적용, 무거운 납 보호복 대체 기대

배포일2021.06.02. 담당자소재부품원천연구본부 나노전자원소자연구실

 ETRI사진자료1

- ETRI 연구진이 개발한 복합소재와 이를 기반으로 만든 내방사선 압력-온도 복합센서를 장갑에 적용하여 시연하고 있는 모습

(왼쪽부터 슈브라몬달 UST 학생연구원, 최춘기 책임연구원)

 

ETRI사진자료2

- ETRI 연구진이 개발한 압력-온도 복합센서에 부착된 장갑으로 딱딱한 물체를 집어 압력 차이를 감지하는 시연을 진행하는 모습

(왼쪽부터 슈브라몬달 UST 학생연구원, 최춘기 책임연구원)

 

ETRI사진자료3

- ETRI 연구진이 개발한 복합소재의 늘어나는 정도와 압력-온도 복합센서로 말랑한 물체를 집어 압력 차이를 감지하는 모습

 

ETRI사진자료4~5

- ETRI 연구진이 개발한 복합소재와 이를 기반으로 만든 압력-온도 복합센서를 장갑에 부착한 모습

 

ETRI사진자료6

- ETRI 연구진이 개발한 복합소재의 유연성을 보이고 있는 모습 

 

ETRI, 방사능에도 끄떡없는 센서 개발

- 24시간 연속 방사선 노출돼도 온도, 압력 측정 가능

- 원전 등 극한 환경 적용, 무거운 납 보호복 대체 기대

 

국내 연구진이 방사능에 견디는 플렉서블 복합소재 기반 센서를 개발했다. 본 소재는 원전 내부에서 압력과 온도를 측정할 수 있는 내방사선 센서로 제작되거나 납으로 된 무거운 보호복을 대체하는 데 효과적으로 활용될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 그래핀(Graphene 한 층이 0.3나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 두께를 갖는 매우 얇은 2차원 평면 구조의 탄소 동소체. 물리적·화학적 안정성과 고 열 전도도가 높음.

), 맥신(MXene 티타늄과 탄소 원자 등으로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원 물질로서, 두께가 1㎚ 이하로 매우 얇고 전기전도성이 뛰어남.

), 고분자수지(Ecoflex 실리콘 수지 중 하나. 유연하고 부드러우며 잘 늘어나는 성질을 지님.

)를 조합한 복합소재를 만들고 이를 기반으로 내방사선 압력-온도 복합센서를 개발했다고 밝혔다. 

원자력발전소에서는 라듐, 우라늄, 토륨, 폴로늄 등 원소들을 이용해 전력을 생산한다. 이때 원소들을 다루는 과정에서 방사선이 나온다. 방사선은 투과력이 매우 높아 전자장치의 고장을 야기하거나 오작동을 일으키고 인체에 노출되면 생체조직에 해를 끼치는 피폭이 일어나게 된다.

 

기존 원전 장비는 주로 반도체 소재로 센서를 만든 뒤, 방사선이 뚫지 못하는 납으로 차폐하여 보호한다. 관련 시설에 출입하는 인원이 입는 보호복도 대부분 납으로 만들어진다. 이로 인해 설비 무게와 부피가 커지고 보호복 역시 너무 무겁다는 단점이 있었다.

이에 ETRI는 높은 에너지를 지닌 방사선에 노출되어도 물리적, 화학적으로 변화가 없으면서도 압력과 온도를 모두 측정할 수 있는 복합 센서를 개발했다. 연구진은 개발한 센서를 정읍에 위치한 한국원자력연구원 첨단방사선연구소에서 성능을 확인하며 그 우수성을 입증하는 데도 성공했다.

실험에서는 사람이 맞으면 치명적인 수준의 방사능 강도로 소재를 실험했다. 연구진은 무려 24시간 동안 코발트-60 인공적으로 코발트-59 원자에 중성자를 충돌시켜 만든 것으로 강한 감마선과 베타선을 내뿜음.

으로부터 감마선 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 영역으로 방사능 및 양전자 소멸 등 핵과정 등에 의해 생성.

 20kGy 그레이(gray, Gy). 어떤 물체에 방사선의 에너지가 매질에 흡수된 정도를 나타내는 흡수선량 단위.

 를 조사했을 때도 소재에 변화나 이상이 없음을 확인했다.

개발된 센서는 유연한 필름 형태다. 무게가 가볍고 넓은 면적과 다양한 형태로 제작할 수 있다. 덕분에 의복 형태로 만들어 원전이나 병원의 방사선 노출 구역 등에서 사용하는 무거운 납 보호복을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

물체를 감지하는 센서로도 활용할 수 있다. 연구진은 실험을 통해 무게에 따라 드는 힘의 차이, 딱딱한 정도에 따라 움켜쥐는 압력 차이, 액체의 온도 차이를 감지할 수 있을 정도로 센서 민감도가 높다는 것도 확인했다. 덕분에 의수는 물론, 사람이 들어가지 못할 정도로 방사선 노출이 심한 극한 환경에 투입되어 작업을 수행하는 로봇 등에 적용할 수 있다.

본 소재는 방사선 차단뿐 아니라 고주파수 전자기파 차폐 효과도 뛰어나 5G 통신용 전자장치나 자율주행자동차의 레이더 시스템, 항공우주산업 분야 등에서도 쓰임새가 높다. 가전제품이나 의료 및 국방 등 산업용 전자기기, 극한 환경에 사용되는 전자부품이나 센서, 스마트 전자기기에도 활용도가 클 것으로 예측된다. 

 

연구진은 오랜 시간 축적해온 2차원 복합소재 수 나노미터의 두께를 갖는 2차원 물질을 기반으로 만든 복합소재.

 관련 기술 노하우를 기반으로 센서를 개발할 수 있었다고 밝혔다. 특히, 적합한 소재를 제조하여 조합하는 기술력을 바탕으로 본 성과를 내는데 주요했다고 말했다.

ETRI 나노전자원소자연구실 최춘기 박사는“본 기술의 뛰어난 차폐 성능을 활용해 방사선이나 전자파 노출이 많은 환경에서 안전하면서도 편리한 작업이나 전자장치 작동을 쉽게 하는 데 큰 도움이 되기를 바란다.”고 말했다.

본 연구는 산업통상자원부의 원자력연구개발사업 지원으로 수행되었다. 연구진이 개발한 기술은 국내 및 미국 특허 등록이 진행 중이다. 본 기술은 소재와 센서 업체 등에 바로 기술이전이 가능할 정도로 완성도가 높으며 연구진은 2년 내로 관련 제품 상용화가 가능하다고 보고 있다. <보도자료 본문 끝>  

 

 

참고1

 

 센서 소재 방사선 테스트 참조 자료

 

 

 

 (위) 제조된 복합소재의 60Co 내방사선 테스트 모식도

 (아래) 60Co 감마선 조사 전후 센서 소재 저항 변화 측정 결과

     

 

참고2

 

 복합 센서 성능 테스트 참조 자료

 

로봇 손에 복합센서를 부착하여 다양한 물체와 형태에 따른 압력, 온도 감지 성능을 테스트 → 측정된 데이터는 무선통신으로 스마트폰에서 데이터 확인 가능