Ⅰ.서 론
방사선을 이용한 최신 의료영상 기술의 도입과 다양한 분 야로의 확대적용은 각종 질병의 정확한 진단과 치료에서 핵 심적인 역할을 수행하고 있으며, 그 이용 또한 급격한 추세 로 증가하고 있다[1]. 그러나 방사선을 이용한 의료 분야의 적용 과정에서 환자 및 보호자, 방사선 작업 종사자 등에게 불필요한 방사선의 피폭을 최소화하는 것은 매우 중요한 문 제이다. 방사선 활용의 증가와 더불어 피폭선량의 저감을 위하여 다양한 물질들이 방사선 차폐를 위하여 사용되고 있 지만 현재 의료기관 등에서 가장 보편적으로 사용되는 방사 선 차폐체의 주성분은 납(Pb)이다. 납은 방사선 차폐용으로 사용할 수 있는 여러 물질에 비하여 가공의 편의성이 우수 하다는 장점이 있다. 또한 높은 원자번호(82)를 갖고 있어 방사선에 대한 차폐력이 좋기 때문에 의료분야에서는 방사 선 피폭 방어용 차폐체로서 다양한 형태로 제작되어 사용되 고 있다. 하지만 인체에 대한 의료 방사선 차폐용으로 주로 쓰이고 있는 납성분의 방호복(Lead apron)은 그 무게가 무 거운 편이어서 장시간 착용 시 근·골격계 질환을 초래할 수 있으며[2], 납은 자체가 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 비소(As) 등 과 같이 유해 중금속으로 분류되어 있어 인체에 과다하게 접촉할 경우 납중독 등의 질병에 노출되기 쉬우며, 이로 인 한 질병은 생명을 위협할 정도로 위험하다고 알려져 있다 [3,4]. 이러한 이유로 납을 이용한 차폐체의 지속적 사용과 접촉에 대한 문제점과 고민이 제기되고 있으며, 다양한 물 질을 적용한 차폐체에 대한 연구 및 특허출원이 활발히 진 행 중이다[5,6]. 본 연구는 진단용 X선 에너지 영역에서 차 폐체로 사용되는 납과 실리콘(Si)과 이산화티탄(TiO2)의 혼 합물을 이용한 X선 차폐체의 차폐율을 각각 측정하여 비교 하고, 이를 통해 기존의 납을 이용한 방사선 방호복보다 중 량을 개선시키면서 중금속 독성에 대해 무해하고, 경제적으 로 일정 수준의 차폐 성능을 유지할 수 있는 방사선 차폐 소 재의 연구개발을 위해 사전 실험을 하고자 하였다.
Ⅱ.실험기기 및 방법
1.실험기기 및 재료
실험에 사용된 장치로는 진단용 X선 발생장치(CXD-RI55, CHOONGWAE, KOREA)와 전리조식 선량계(TnT 12000, FLUKE Corp. USA), 교반탈포기(KK-ⅤT300, MAZERUSTAR, KURABO)를 이용하였고, 차폐율 측정을 위한 차폐체의 시료에 는 순도 99%의 가로 50㎜, 세로 50㎜, 두께 0.5 ㎜ 납판 , 액상형 실리콘(CS020, MK Silicone, KOREA), 분말형 이산화 티탄(R-902, Dupont, USA)을 사용하였다[Fig. 1].
2.실리콘-이산화티탄 차폐체의 제작
차폐체의 제작을 위해 액상 실리콘과 경화제, 분말 이산 화티탄을 각각 10 : 1 : 4의 비율로 혼합하였다. 각각 재료 들의 충분한 혼합과 혼합물 내의 균일한 분포, 혼합 과정에 서의 기포의 유입 등으로 인한 방사선 차폐율 측정의 오차 를 줄이기 위해를 위하여 교반탈포기를 이용하여 분당 3,000회 이상의 고속회전으로 혼합물의 교반 및 탈포를 수 행하였다. 충분히 교반된 실리콘-이산화티탄 혼합물은 아 크릴로 제작된 틀에 부어 넣은 후 상온에서 24시간 이상 고 형화 과정을 거쳐 일반적인 실리콘의 물성을 갖는 1 ㎜ 두께 의 얇은 실리콘-이산화 티탄 패드(pad)의 형태로 제작하였 다[Fig. 2].
완성된 실리콘-이산화티탄 패드의 융합차폐체는 50㎜ × 50 ㎜ 크기로 재단하고 버니어 캘리퍼스를 이용하여 두께 의 정확성과 균일도를 확인한 후 두께의 오차율이 1㎜± 0.05%에 해당하는 패드만 선별하여 차폐율 측정 실험용 1 ㎜ 두께 단위의 차폐체 시료로 사용하였다.
3.차폐율의 측정 방법
실험에 앞서 X선 발생장치의 X선 출력의 재현성과 직선 성이 양호함을 확인하였고, 전리조식 선량계는 표준기관에 서 교정된 15 ㏄ 용적의 전리함을 사용하였고, 교정상수는 ISO N60에서 0.98, ISO N80에서 0.98, ISO N100에서는 0.99였다. 본 연구의 실험방법은 한국산업표준의 X선 방호 용품류의 납당량 시험방법과 환자용 X선 방호복에 관하여 기술된 고시 내용을 참고하였다[10,11]. 차폐율 측정의 실험 조건으로 관전압은 60 kⅤp와 100 kⅤp, 관전류 200㎃, 조 사시간 0.1 sec, 고유여과는 2.2㎜Al(알루미늄 당량)으로 고정하였으며, 100 kⅤp의 관전압을 적용한 실험에는 부가 여과로 0.25㎜Cu(구리 당량)의 부가여과를 추가하였다. X선 방호용품류의 납당량 시험방법의 좁은 선속 사용 시 적용되는 기하학적 조건과 동일하게 구현하여 실험하였다 [Fig. 3].
차폐율 계산을 위한 선량측정은 동일한 기하하적 조건 및 X선 조사조건에서 저 X선 에너지의 60 kⅤp와 고 X선 에너 지인 100 kⅤp의 변수를 적용하여 ① 차폐체가 없는 경우의 선량과 ② 두께 0.5mm, 가로 50mm×세로 50mm 면적 의 납판, ③ 1mm 단위의 실리콘-이산화티탄 차폐체 패드 를 적용하여 차폐율이 100%가 될 때까지 1mm 단위로 두께 를 증가시키며 선량을 측정하였다. 선량은 각 10회 측정하 여 평균선량을 산출하였으며, 차폐율은 다음의 식을 적용하 여 계산하였다[12].[식 1]
Ⅲ.결 과
1.선량측정
X선 조사 조건 별 차폐체에 따른 투과 후 측정선량의 평 균값은 <Table 1>과 같다. 60 kⅤp의 관전압 조건에서 차폐 체가 없을 경우의 10회 조사 평균선량은 41.27mR으로 측 정되었다. 0.5 ㎜ 납판 차폐체를 적용하였을 경우에 측정된 10회 조사 평균선량은 1.68mR이었다. 실리콘-이산화티탄 패드의 차폐체를 적용하였을 경우 1 ㎜ 두께에서 측정선량 이 38.53mR 이고, 두께가 증가할수록 측정 선량이 감소하 였으며 13 ㎜ 이상의 두께에서 측정선량이 0mR이 되었다. 100 kⅤp의 관전압 조건(0.25㎜Cu 부가여과 적용)에서 차 폐체가 없을 경우의 10회 조사 평균선량은 58.55mR으로 측정되었다. 0.5 ㎜ 납판 차폐체를 적용하였을 경우에 측정 된 평균선량은 8.63mR이었다. 실리콘-이산화티탄 패드의 차폐체를 적용하였을 경우 1 ㎜ 두께에서 56.24mR, 두께가 증가할수록 선량이 감소하였으며 23 ㎜ 이상에서 측정선량 이 0mR이 되었다.
2.실리콘-이산화티탄 융합차페체의 차폐율 계산
X선 조사 조건 별, 두께 0.5 ㎜ 납판 차폐체와 실리콘-이 산화티탄 패드 차폐체의 차폐율 계산 값은 <Table 2>와 같 다. 60 kⅤp의 관전압 조건에서 차폐체가 없을 경우의 10회 평균 조사선량 41.27mR을 기준으로 하여 0.5 ㎜ 납판 차폐 체의 차폐율은 95.92%로 계산되었다. 그리고 실리콘-이산 화티탄 패드의 융합차폐체를 적용하였을 경우 11 ㎜ 이상의 두께에서 0.5 ㎜ 납판 차폐체와 등가의 차폐율을 나타내었 으며, 12 ㎜ 이상의 두께에서 99% 이상의 차폐율을 확인할 수 있었다. 100 kⅤp의 관전압 조건에서는 차폐체가 없을 경 우의 10회 조사 평균선량 58.55mR을 기준으로 0.5 ㎜ 납판 차폐체의 차폐율은 85.26%로 계산되었다. 실리콘-이산화 티탄 패드의 융합차폐체를 적용하였을 경우 17 ㎜ 이상의 두 께에서 0.5 ㎜ 납판 차폐체와 등가 이상의 차폐율을 나타내 었으며, 22 ㎜ 이상의 두께에서 99% 이상의 차폐율을 관찰 할 수 있었다.
Ⅳ.고 찰
의료용 방사선으로 주로 사용되는 방사선의 에너지영역 은 보통 40 kⅤp 에서 150 kⅤp 이내에 있으며, 개인피폭에 대한 방사선 방호는 원자번호가 큰 납과 같은 금속을 이용 한 방호복에 주로 의존하고 있다[15]. 선행 연구들은 납 대 체 물질로 붕소(B), 티타늄(Ti), 바륨(Ba), 텅스텐(W), 비스 무스(Bi) 등이 연구되어 결과를 나타내고 있다[5,6,22]. 하 지만 이들 물질은 방사선에 대한 차폐력은 좋으나 차폐체로 서의 보편적 적용에 있어서 제작비용 등으로 인한 경제적 문제가 발생한다. 본 연구에서는 저선량 방사선 차폐소재로 서 능력인 방사선의 차폐율을 나타내는데 실리콘과 금속화 합물의 융합이 가능했다는 것과 금속화합물이 액상실리콘 과 결합하여도 고체상태로 실리콘의 물성을 그대로 나타낸 다는 것이었다. 본 실험에서 차폐체의 기본재료로 사용된 실리콘은 원소번호 14, 화학기호가 Si이다. 밀도가 2.33 g/cm₃으로 알루미늄과 비슷하며 산화가 느리고 고온에서도 안정적인 절연체이다. 비이온성이고 인체에 무해하고 물성 이 대단히 유연하여 구부러짐 등과 같은 물리적 자극에도 쉽게 변형되거나 파손되지 않는다. 이러한 장점은 기존 납 가운을 보관하는데 필요한 공간을 절약할 수 있으며 차폐복 을 작게 접어 보관 및 휴대가 가능하게 할 수 있다. 이산화 티탄은 액체 상태의 실리콘 베이스에 금속성질의 이산화 티 타늄이 고착되면서도 실리콘의 성질을 잘 유지 하였으며, 전이금속인 티탄 원자 하나와 산소 원자 2개가 결합된 분자 로서 화학식은 TiO2이다. 밀도가 4.23 g/cm₃이며 화학적으 로 안정한 물질이다. 보통 생물학적으로 반응하지 않아 환 경 및 인체에 무해하다. X선 영상획득을 위한 필름/증감지 영상계(film/screen system)에서는 자외선을 흡수하는 능 력을 이용하여 증감지의 반사층에 함유되어 사용되기도 한 다[23]. 아울러 실리콘과 같이 가격이 저렴하며 대량 생산 에도 문제가 없어 경제적인 측면이 뛰어나다. 또한 실리콘 과 이산화티탄 등과 같은 금속화합물 융합패드를 이용하면 기존 납방호복의 취약점인 물리적 갈라짐에 강하여 보관상 제약이 없어 휴대성과 보관성이 우수해 지며 납의 위해성을 포함하지 않은 방사선 차폐재료 및 이를 응용한 다양한 형 태의 방사선차폐재의 제작 가능성을 확인해 볼 수 있었다. 기존 연구에서는 실리콘에 바륨 등의 입자를 나노화하여 도 포하는 방식으로 얇은 차폐시트를 만들었다[24]. 하지만 공 정이 복잡하고 생산단가가 비싼 단점이 있었다. 본 연구에 서는 제작단가와 공정을 획기적으로 개선하여 저선량 방사 선 방호에 적용할 수 있는 보다 경제적이고 방사선관계종사 자 및 환자의 안전성과 편의성이 고려된 차폐체를 개발하기 위한 전단계의 과정이다. 따라서 다음 단계의 연구에서는 보다 다양한 금속화합물과 실리콘을 결합하여, 한국산업기 술표준원이 제시하는 차폐능이 납당량 0.25mm 정도의 차 폐재와 궁극적으로는 납당량 0.5mm의 차폐능을 가진 차폐 재를 완성하는 것과[10] 핵의학검사 시에는 납을 이용한 차 폐체는 오히려 피폭을 증가시킬 수도 있어 핵의학분야에서 는 납이 포함 된 차폐를 사용하는데 한계가 있다는 것이 보 고되고 있다[25]. 따라서 다음 단계의 연구에서는 납을 포함 하지 않아 X선 뿐만 아니라 핵의학분야에서도 적용이 가능 한 차폐소재의 개발이 목적이다. 아울러 본 연구의 한계점 은 임상이나 산업현장에서 방사선을 차폐할 일반적 목적으 로 본 연구에서 제시하는 실리콘-이산화티탄 패드를 사용 하는 것은 두께가 너무 두꺼운 관계로 무리가 있다는 점이 며, 이러한 문제점의 해결은 앞서 기술한 바와 같이, 보다 얇아 경량화 되고 제작비용이 경제적인 실리콘-금속화합물 의 조합을 찾아내는 후행연구를 통해 가능 할 것으로 사료 된다.
Ⅴ.결 론
납의 차폐력과 동등하며, 얇고 가벼운 차폐체로서의 역할 을 충분히 수행하기에는 현재의 연구결과 상태로는 부족하 였지만, 실리콘과 금속화합물인 이산화티탄을 사용한 패드 를 일정하게 두께를 증가시켰을 경우 차폐능 증가를 관찰 할 수 있었다. 본 연구의 목적은 납을 대체할 차폐체로서의 적합 여부를 예상하는데 중점을 두었으며, 실험결과 60 kⅤp의 조사조건에서 실리콘-이산화티탄 패드의 차폐체는 9 ㎜ 두께에서 0.5 ㎜ 납판과 등가한 차폐력을 나타냈으며, 100 kⅤp에서는 납 방호복의 3배 이상의 두께인 17㎜에서 0.5 ㎜ 납판과 등가한 차폐력을 나타내어 향후 다양한 배합 실험을 통해 보다 경제적이고 이용이 편리한 방호용 방사선 차폐소재를 개발 할 가능성을 확인하였다.
