3D Printing of Tungsten-Polymer Composites for Radiation Shielding

방사선 차폐를 위한 3D 프린팅용 텅스텐-고분자 복합체 설계

Abstract

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.

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.

Ⅰ. INTRODUCTION

2011년 발생한 후쿠시마 원전 사고 이후 전 세계적인 탈핵화 및 비핵화 움직임이 일어나고 있으며, 원전 해체가 본격화되고 있다. 이에 따라 방사선 차폐를 위한 소재의 중요성 및 필요성이 점차 증대 되고 있다. 특히 원전 해체용 로봇이 강한 방사능에 노출되더라도 제 기능을 할 수 있도록 방사선 차폐 소재로 로봇을 구현하는 것이 매우 중요해지고 있으며, 방사선 피폭 가능 종사자에 대한 개인 맞춤형 보호 장구의 개발 또한 작업자의 안전성 확보에 매우 중요한 상황이다. 뿐만 아니라 의료용 방사선 영상 장비의 사용에 있어 검사 부위 이외 장기의 2차 피폭이 문제가 될 수 있으며, 이에 따라 환자 맞춤형 피폭 보호장구 개발 또한 중요해지고 있다.

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. 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.

최근 4차 산업혁명이 대두와 함께 임의의 3차원형상 구현이 가능한 3D프린팅 기술이 날로 발전하고 있다. 3D프린팅 기술은 프린팅 방식에 따라 여러 방법이 존재하며, 그중 고분자를 가열을 통해 용융하고 노즐을 통해 토출시켜 적층하는 Fused Deposition Modeling (FDM) 방식이 가공 및 성형이용이하고 상대적으로 비용이 낮아 가장 보편적으로 사용되고 있다._[2] FDM 방식에 널리 사용되는 고분자 필라멘트로는 polylactic acid (PLA) 및 acrylonitrile butadiene styrene (ABS)가 있다._[3,4] 근래에는 이들 고분자 매트릭스 내에 다양한 보강재를 도입하여 기능성 재료를 구현하고자 하는 연구가 활발히 일어나고 있다. 입자 형태의 구리, 알루미늄, 카본 등을 고분자 매트릭스 내에 분산하여 외관의 색 혹은 광택 효과를 발현하거나 강도를 상승시키는 연구가 진행되어 왔다._[5] 최근 방사선 차폐기능을 하는 고분자 복합체 필라멘트 개발 또한 활발히 연구되고 있다. 예를 들어, 큐브위성과 같은 우주용 소자에 적용하여 X선을 차단하려는 목적으로 polycarbonate에 텅스텐을 최대 5%까지 포함시켜 3D 프린팅이 가능한 복합체를 제조한 사례가 있다.^[6] 또한 bismuth를 ABS에 첨가하여 3D 프린팅이 가능한 방사선 차폐용 복합체를 개발한 사례도 있다.^[7] 그러나 여전히 가공이 용이한 범용 고분자인 PLA나 ABS에 방사선 차폐 성능이 우수한 텅스텐을 고농도로 도입한 사례는 많지 않다. 3D 프린팅이 가능한 방사선 차폐용 고분자 복합체는 원전용 로봇 부품이나 방사선 피폭 가능성이 있는 종사자를 위한 맞춤형 보호 장구 제작에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 방사선 영상 장비에 의한 장기의 2차 피폭을 막는 의료 장구 제작에도 적용 가능하다.^[8]

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. 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.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

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 1.5 μm, 순도 99.95%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. 해당 필라멘트는 FDM 방식의 3D프린터 (210F, 큐비콘)를 이용하여 원하는 형상으로 구조를 출력하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 텅스텐-고분자 복합체 필라멘트 형성

본 연구에 사용한 텅스텐 분말은 Fig. 1-(a)와 같이 넓은 크기 분포를 보이며, 평균 직경 1.5 μm 수준이다. 텅스텐 분말을 고분자 분말과 단순 혼합시켰을 때, 대부분의 텅스텐 입자들은 고분자 분말의 거친 표면에 물리적으로 흡착되었다. PLA 분말과 텅스텐의 혼합비율을 0%에서 30%와 50%로 증가시켰을 때, Fig. 1-(b)에 나타난 바와 같이 입자 흡착에 따라 PLA 분말이 점차 어둡게 변하였다. 50%의 혼합비에서도 PLA 분말 표면에 대부분의 입자가 흡착되었으며, 흡착되지 않은 개별 입자는 미량만 발견되었다. Fig. 1-(c)의 고배율의 현미경 사진에서 입자가 흡착되어 있음을 확인할 수 있다. 텅스텐 입자가 흡착된 고분자 분말을 고온에서 추가 혼합 및 압출함에 따라 고분자 분말이 용융되고 결합되어 텅스텐 입자가 내부에 함침된 고분자 필라멘트가 형성되었다.

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.

Fig. 1-(d)에 도식화한 바와 같이 텅스텐 입자가 고분자 분말의 표면에 대부분 흡착된 상태로 압출이 진행되기 때문에 필라멘트 내에 텅스텐 입자가 고분자 분말 크기인 밀리미터 이하 수준에서 분포할 것으로 예상되며, 거시적 텅스텐 응집체가 형성되지는 않을 것으로 예상하였다.

2. 복합재 내부의 텅스텐 입자 분포

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. 단면 이미지에서는 텅스텐 입자의 응집체가 관찰되었다. 응집체의 크기와 분포는 입자 농도에 따라 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나, 대체로 20-200 μm 크기 수준으로 관찰되었으며, 1 mm가 넘는 거대 응집체는 관찰되지 않았다. 이는 앞서 언급한 것처럼 텅스텐 입자가 고분자 분말의 표면에 흡착된 상태로 용융 및 혼합되기 때문인 것으로 판단된다.

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).

한편 ABS의 경우에도 입자 함량이 10-40% 수준에서는 표면 및 단면에서의 텅스텐 입자 분포가 PLA와 유사한 경향으로 관찰되었다. 다만 텅스텐 입자의 함량이 50%일 때, 3D 프린팅시 필라멘트가 연속적으로 삽입되지 않고 절단되는 문제가 발생하였으며, 이는 텅스텐 입자가 내부에 커다란 응집체를 형성하여 전반적인 기계적 물성에 악영향을 주기 때문인 것으로 판단된다. ABS 분말과 텅스텐 분말을 압출 전 혼합시 PLA 분말 대비 텅스텐 입자의 표면 흡착량은 유사하였으나, 50% 함량에서는 제법 많은 텅스텐 입자가 흡착되지 않고 남아있었다. 이러한 비흡착 입자들이 거대 응집체를 형성한 것으로 예상된다.

3. 텅스텐 입자 함량에 따른 기계적 물성 변화

텅스텐 입자 함량에 따른 텅스텐-고분자 복합체의 기계적 물성 변화 평가를 위해 Fig. 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. 3-(b)와 같이 텅스텐이 없는 PLA의 경우 기계적 물성 평가에 있어 해당 장비의 최대 허용 force에서도 ultimate stress point가 나타나지 않은 반면, 텅스텐-PLA 복합체의 경우 측정 가능 범위 내에서 ultimate stress point가 나타났다. Fig. 3-(c)와 같이 strain-stress curve의 기울기가 나타내는 tensile modulus 값은 텅스텐 존재 및 그 함량에 따라 큰 차이가 발생하지 않았고, 대략적으로 1 GPa 수준이었다. 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. 한편 텅스텐 함량이 50%의 경우에는 ultimate stress가 43 MPa 수준으로 감소하였는데, 이는 응집체의 크기가 상대적으로 커지고 많아져 복합체가 더욱 취약해져 발생한 것으로 예상된다. 한편 ultimate stress point에서의 strain은 텅스텐 함량 10-50%의 전범위에 걸쳐 유사하게 나타나며, 그 값은 4.5 – 5.5% 범위 내에 존재한다. 텅스텐 함유에 의해 복합체의 기계적 물성이 PLA보다 다소 낮아지긴 했으나, tensile modulus 값에 큰 변화가 없다는 점은 기계적 응력이 크지 않은 환경에서 소재를 적용하기에는 무리가 없음을 의미한다.

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.

텅스텐-ABS 복합체도 동일한 시편을 출력하여 기계적 물성 평가를 수행하였다. Fig. 4-(a)의 strain-stress curve에 드러난 것처럼 ABS의 경우에도 텅스텐 입자 존재에 따라 ultimate stress point가 다소 감소하였다. 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. 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. 한편 ultimate stress point에서의 strain 값은 일정한 경향성 없이 5-6.5% 범위 내에서 변화하는 것으로 나타났다.

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.

4. 엑추에이터 방사능 차폐용 부품 설계

앞서 언급한 바와 같이, 원전에서 작업할 수 있는 로봇을 설계하기 위해서는 방사능 차폐가 필수적이다. 강한 방사선에 오래 노출되게 되면 로봇의 엑추에이션을 제어하는 printed circuit board (PCB)에 변성이 일어나 오작동이 발생하거나 작동이 정지될 가능성이 높다. 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. 5-(b)에 나타낸 것처럼 조립되었다. 방사선 차폐 기능을 갖는 엑추에이터 3개를 이용하여 로봇팔을 구현하였으며, Fig. 5-(c)에 나타낸 것처럼 해당 로봇팔이 프로그래밍된 대로 구동됨을 확인하였다. 아쉽게도 방사능 차폐 성능을 직접 평가할 수 있는 연구 시설이 없어 실제 로봇의 성능 지속시간 향상에 대한 정량적 분석은 불가하였다.

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).

Ⅳ. DISCUSSION

텅스텐은 납에 비해 약 1.4배 방사능 차폐 성능이 우수하며, 이는 텅스텐이 갖는 높은 밀도에 기인한다._[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. 한편 ABS의 경우 최대 함량은 질량비 기준 40%로, 이는 부피비 기준 3.4%, 평균 밀도 1.64 g/cm₃이다. 이는 절대적으로 높은 수치는 아니나, 텅스텐 입자 표면에 특별한 화학 처리 없이 단순 혼합에 의해 간단한 제조 공정으로 얻을 수 있다는 점을 감안하면 상당히 유의미한 수치이다.

텅스텐-고분자 복합재는 FDM 방식의 3D프린팅을 통해 손쉽게 다양한 구조 및 형상을 구현할 수 있다. 따라서 로봇 부품을 포함한 다양한 응용이 가능하다. 그러나 텅스텐 입자가 함유됨에 따라 발생하는 문제점도 있다. 3D 프린팅시 고분자를 용융시키기 위해 PLA의 경우 190-210℃, ABS의 경우 230-240℃의 온도를 사용한다. 이때 텅스텐 입자는 용융된 고분자의 점탄성을 증가시키며, 이는 동일한 프린팅 조건일 때 Fig. 6에 나타난 것처럼 출력물의 해상도를 다소 떨어뜨리는 요인이 된다. 따라서 해상도를 향상시키기 위한 출력 조건의 최적화가 필수적으로 요구된다.

Fig. 6. Robot parts without (left) and with 40% Tungsten particles in PLA (right), printed by the same condition.

Ⅴ. CONCLUSION

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. 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. 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. 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.