Special 차세대 단결정 성장기술 및 산업응용 동향(1)

방사선검출용 단결정 소재 현황 및 방사선기기팹 역할

김한수_한국원자력연구원 방사선융합기술연구부 책임연구원

1. 서론

방사선은 라돈 침대 사태, 후쿠시마 원전사고 등의 이슈로 인해 위험한 존재로 인식되고 있으나, 다른 물리적 성질로 대체 불가한 방사선의 고유한 특성으로 인해 전산화 단층촬영장치(Computed Tomography, CT), 양전자단층촬영장치(Positron Emission Tomography, PET)과 같은 의료진단기기와 암치료, 수하물검색과 같이 우리 생활에 주변에 많이 이용되고 유용한 도구임은 분명하다.

그림 1. 방사선 응용분야

  방사선은 눈에 보이지도 않고, 냄새도 나지 않기 때문에 인간이 인지할 수 있는 형태로 바꾸어 줘야 한다. 주로 방사선과 물질과의 상호작용으로 생성되는 전기적인 신호, 빛 또는 열의 형태로 바꾸어 방사선의 양, 종류, 에너지를 측정하게 된다. 따라서, 방사선을 유용하게 사용하기 위해서는 방사선을 정확하게 측정해야 하며, 방사선과 상호작용하는 소재가 중요한 역할을 하게 되는 것이다. 방사선 검출은 기체형, 섬광체형, 반도체형으로 크게 나눌 수 있으며, 사용되는 방사선 환경과 기기에 따라 달리 적용되고 있다. 최근에는 반도체 기술의 발전으로 다양한 반도체 검출소재와 검출기가 개발되고 응용되고 있다.

그림 2. 방사선 검출 원천기술

  의료, 산업용으로 사용되는 방사선 검출기는 섬광체와 반도체가 주로 사용되고 있다. 시장자료에 의하면 전 세계적으로 섬광체 검출기는 2020년 55만대에서 2026년 82만대로 매년 꾸준히 증가할 것이며, 반도체 검출기는 2020년 73 만대에서 2026년 106만대로 활용이 더 많이 될 것으로 예측된다. 섬광체 검출기와 반도체 검출기 시장은 연평균 약 3% 성장률로 2020년 1.2 B$에서 2026년 1.5 B$로 성장할 것으로 예측되고 있다.

표 1. 세계 방사선 검출기 시장

출처: Global Radiation Detector Market Research Report(‘20)

2. 방사선 검출용 무기 섬광체 단결정 현황

섬광체 단결정은 핵물질 판별, 오염지역 매핑, 오염 물질 분산도 측정, 원격 모니터링, 핵무기 컨트롤과 비확산 조약, 핵물질 도발 대응 등에 활용되고 있다. 이러한 응용분야에 사용되는 검출기는 작은 크기지만 높은 검출효율이 요구되며 생산량 또한 많아야 한다. 검출 물질은 방사선 검출기에서 핵심적이며, 사용 제한이라든지 검출능력 등을 결정짓는 중요한 요인이 된다.
  1940년 NaI(Tl) 섬광체를 시작으로 1990년대 고에너지 물리(High Energy Physics, HEP) 실험과 의료영상을 위한 CERN의 CCC(Crystal Clear Collaboration)에서 섬광체 개발이 본격화되었다. 2000년대 초에는 미국의 자국보호(Homeland security)를 위한 보안검색 강화를 위해 새로운 섬광체가 개발되었다. 이후 2008년도에는 높은 광량, 에너지에 대한 비례성, 662 keV 감마선에 대해 2%의 에너지 분해능을 보이는 감마선 스펙트럼 분석용 섬광체 연구가 주를 이루었다.
  산화물계 섬광체 중 일반적으로 Ln3(Al,Ga)5O12와 같은 화학식의 석류석(garnet)이 주목할 만한 섬광체이다. 여기서, Ln은 Y, Gd, Lu 또는 이들의 조합을 나타낸다. Gd, Al/Ga 석류석인 GAGG는 현재 60,000 ph/MeV의 광량을 보이고 있어 산화물계와 할라이드계의 광량 차이를 극복하였다. Ce이 도핑된 석류석은 뛰어난 시간특성을 가지고 있으나, 감마선 에너지 스펙트럼 분석에서는 1 μs 이하의 시간특성을 요구하고 있지 않기 때문에 보안 검색분야에서는 잘 활용되지 않고 있다. 할라이드계 역은 주기율표상 I족, II족, III족, IV족 원소를 도핑하여 활성체로 사용함으로써 적절한 밴드갭을 가질 수 있다. 엘파소라이트(Elpasolite)와 같은 이원소 할라이드, 다원소 할라이드가 새로운 그룹의 섬광체로 자리 잡았으며, 이론적으로 얻을 수 있는 섬광량을 갖는 BaBrI, CsBa2I5, SrI2와 같은 섬광체가 개발되고 성능이 향상되었다.

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