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대상물의 반대편으로 방출되는 중성자를 빛으로 변환하는 컨버터(converter)는 섬광체 (Scintilator) 방식으로서, 중성자에 의해 내부 물질이 이온화 되었다가 안정 상태로 떨어지면서 광자가 분출되는 방식이다. 중성자 소스가 중성자 영상 촬영의 기본 성능을 결정하는 요소라면, 컨버터의 성능은 중성자 영상 촬영 시스템의 공간분해능을 결정하는 가장 중요한 요소이다.







그림 2. 원자번호에 따른 중성자 흡수 계수            그림 3. 전형적인 중성자 영상촬영 장치구성도

(그림 출처: [3])                                      (그림 출처: [4])



초기에 중성자 영상 촬영법은 항공 재료 등의 부식이나 균열 등에 대한 비파괴 검사에만 주로 활용되었지만, 최근 들어서 중성자를 가시광선으로 바꿔주는 속도가 현저히 개선된 섬광체(scintillator)의 발달로 관내 유동 패턴과 같은 변화하는 현상(예: 수소연료전지 내 물의 양)을 관찰하는데도 매우 효과적인 검사 방법이 되었다.



3. 중성자 영상기술의 응용 사례



3.1. 연료전지 성능 평가

수소자동차는 수소가 전자와 양성자로 분리돼, 수소 음이온 전자는 전기를 생산하고 수소 양이온 양성자는 산소와 결합해 물로 변하는 원리로 움직인다. 이때 전해질과 분리판에 존재하는 물의 양에 따라 자동차 연료의 효율이 결정된다. 이 미세한 물의 흐름을 알아보는데 중성자를 이용할 수 있다. 중성자 영상법을 이용하면 수소연료전지 내부를 0.1㎜ 단위까지 들여다보고 1초당 30장의 영상을 찍을 수 있기 때문에 물이 흘러가는 미세한 흐름을 실시간으로 파악할 수 있다. [5]

연료전지 운전 과정에서 생기는 물은 전해질 내에 존재하는 양에 따라 수소 이온 전도성과 연료 공급에 크게 영향을 미치기 때문에 연료전지 시스템 최적화의 중요한 인자 중의 하나이다. 다공성의 전극 내에 물이 축적되어 연료의 공급 및 반응을 저해하는 현상을 Flooding현상이라 하며, 연료전지의 작동 안정성 및 효율성 향상을 위하여 음극에서의 Flooding 현상에 대한 개선이 필요하다. 그러나 연료전지 내부의 화학 반응에 따른 Flooding 현상에 대한 이해가 없이는 이러한 현상을 개선하기 어렵다. 따라서 연료전지 음극 내에서의 물의 거동을 가시화하는 연구가 필요하다. [6]

특히, 수소자동차 동력원으로 주목 받는 고체 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 운전 중 발생한 물이 성능에 많은 영향을 미치기 때문에 적절한 물관리(Water Management)를 위해서는 PEMFC 내부 가시화가 필수적이다. 그러나 불투명 금속막을 갖는 대부분의 PEMFC 의 내부, 특히 MEA 가시화는 기존의 방법으로는 불가능하며, 중성자 영상법으로만 가능하다.

수소 연료전지의 물관리를 위해서는 현재 중성자 영상 기술이 가지는 해상도의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 고해상도의 중성자 영상 섬광체(Scintilator)의 개발이 중요하다. 섬광체의 성능은 중성자 영상 촬영 시스템의 공간분해능을 결정하는 가장 중요한 요소이기 때문이다. 연료전지의 물 분포 프로파일 및 전기 강판의 자기 도메인 스케일은 수십 마이크로미터 이하의 분해능을 요구한다.



3.2. 문화재 보존 및 분석

2016년말 기준 국내에서 발굴된 총 유물 수는 약 180여만 점으로 보존처리가 필요한 문화재는 그보다 더 많을 것으로 추정된다. [7]

문화재는 발굴 당시의 원형 모습대로 내부 상태 및 구조를 관찰하여 보존 방법 등을 결정한다. 석재 문화재의 경우 내부 구조가 물에 의한 부식이 발생되어 정기적인 결함 진단이 요구되며, 목재 문화재의 경우 흰개미에 의한 Worm Hole 등의 이유로 인해 구조물 침하가 나타나 대책 마련이 요구되는 경우가 많다. X-선이나 감마선은 벽으로 둘러싸여 있는 목조 침하 등을 볼 수가 없으므로, 이에 대한 새로운 검사법이 필요하다. [8]

연구용 원자로에서 핵분열로 만들어진 중성자로는 문화재의 산지 및 편년을 추정할 수 있고, 투과력과 분해능이 뛰어난 중성자의 성질을 이용한 중성자 영상 촬영 기술로는 문화재 내부 관찰이나 미세 결함의 비파괴 검사가 가능하다.



3.3. 휴대용 차세대 중성자 영상 도구

중성자 영상 촬영을 위해서는 중성자 플럭스(flux)가 높을수록 더 선명한 영상을 더 짧은 시간에 얻을 수 있기 때문에 원자로에서 방출되는 중성자를 이용하는 것이 가장 유리하다. 가장 흔한 방법은 연구용 원자로를 이용하는 것이다. 그러나 원자로는 가속기에 비해 비용이 많이 들며 이동이 어렵다는 단점이 있다.

X-선 영상은 좀 더 무거운 화학 물질 감지에는 탁월한 능력을 발휘하지만, 수소와 같은 가벼운 원소를 드러내는 것에는 매우 미약하다. 이러한 이유로, X-선 방사선 장비는 일반적으로 물, 또는 다른 액체에서 그 감별력이 떨어진다. 역으로 중성자 영상은 가벼운 원소나 액체를 시각화하는 데 매우 탁월하며, 심지어 일부 경우에는 물질의 원자 구조까지도 판별하는 능력을 과시한다. 그러나 중성자 영상 촬영을 위한 중성자 소스는 X-선 만큼 실용적이지 못하며 이동이 쉽지도 않다. 일반적으로 길이에서 수백 미터를 확장하기 위해서는, 중성자를 생성하기 위한 강력한 에너지원이 요구되기도 한다.

기존의 영상 기술로는 시각화할 수 없는 물질을 판별하고 감지하는 능력을 확장하기 위하여, 2014년 DARPA는 기존의 X-선과 중성자 방사선의 장점을 상호 보완한 휴대용 차세대 영상 도구를 개발할 것을 제안했다. DARPA가 제안한 강렬한 소형 중성자 소스(ICONS; Intense and Compact Neutron Sources) 프로그램은 중성자와 X-선 모두를 생성할 수 있는 휴대용 장비를 개발하는데 목적이 있다. [9]

여기서 휴대용이라 함은 중성자 가속기를 1m 혹은 그 이하의 크기(이는 지금의 X-선 튜브의 크기와 비슷하다)로 줄인다는 의미이다. 작으면서도 높은 성능을 유지하는 지향적 중성자 소스는 혁신적인 설계와 구축 도구를 필요로 하는 매우 도전적인 과제가 아닐 수 없다.



4. 중성자 영상 기술 연구동향



4.1. NR설비(NRF) 중심 기간의 연구

중성자를 래디오그라피에 최초로 시도한 것은 1935년 독일의 과학자 Kallman과 Kuhn이 가속기로부터 중성자를 생성시켜 물체에 조사하였는데 낮은 중성자 속(flux)과 불안정한 중성자 빔으로 인하여 좋은 영상을 얻지 못했다. 비슷한 시기에 독일에서는 보다 강력한 가속기를 이용하여 래디오그라피에 이용하였지만 제2차 세계대전으로 말미암아 더 이상 진척되지 못하였다.

1960년대부터 전 세계적으로 고중성자속 연구용 원자로들이 건조되면서 순수한 물리적 연구 수준을 넘어선 새로운 실험 기법과 강력한 성능의 분광장치들이 만들어지고 이용 기술과 경험이 축적되면서 일반 산업분야에서도 다양한 적용이 시도되기 시작하였다.

국내에서는 1972년 한국원자력연구소에서 열출력 2MW의 연구용 원자로 TRIGA MARK-Ⅲ 에서 중성자 투과 검사 장치를 이용한 연구가 최초로 수행되었다. 1995년에는 30MW 급의 새로운 연구용 원자로인 하나로(HANARO)가 준공되었다. 하나로는 열중성자속  n/㎠s을 발생시키는 국내 유일의 고성능 연구용 원자로이다.

1996년에 하나로 NR 수평공에 중성자 투과 검사 장치를 설치하였으며, 1999년도 이후에는 필름 영상처리에 의한 이미지와 실시간 영상처리 시스템을 이용한 동영상을 얻을 수 있는 두 가지 시스템으로 운영되고 있다. 이러한 장치를 이용하여 현재 사용 후 핵연료 물질의 내부조사, 폭발물 충진검사, 정밀부품의 결함조사, 화학물질 조사, 그리고 출토된 고고학적 유물 내부조사 등에 응용하고 있다. [10]



4.2. WCNR 출범 후의 연구동향

전 세계적인 연구용 원자로 및 설비에의 투자와 기술 발전에 따른 정보 공유, 연구 개발 목표의 조정과 표준화의 필요성에 의하여 1973년 영국 버밍햄에서 NR을 주제로 처음으로 학회가 열렸다. 8년뒤인 1981년에 제1차 NR세계대회(WCNR; World Conference on Neutron Radiography)가 미국 샌디에이고에서 개최된 후로 3~5년 간격으로 세계대회가 개최되어 왔다. [11]



(표 1) WCNR 개최 이력

차수	기간	개최지
WCNR-11	September 2-7, 2018	Sydney, Australia
WCNR-10	October 5-10, 2014	Grindelwald, Switzerland
WCNR-9	October 3-8, 2010	Kwa-Maritane Bush Lodge, South Africa
WCNR-8	October 16-19, 2006	Gaithersburg, MD, USA
WCNR-7	September 15-21, 2002	Rome Casaccia, Italy
WCNR-6	May 17-21, 1999	Osaka, Japan
WCNR-5	June 17-20, 1996	Berlin, Germany
WCNR-4	May 10-16, 1992	San Francisco, USA
WCNR-3	May 14-18, 1989	Osaka, Japan
WCNR-2	June 16-20, 1986	Paris, France
WCNR-1	December 7-10, 1981	San Diego, CA, USA
WCNR-0	September 10-11, 1973	University of Birmingham, U.K.

 

1989년 일본 오사카 세계대회 때 J. S. Brenizer와 G. M. MacGillvray의 제안으로 WCNR과는 별도로 NR 국제 학술대회(ITMNR; International Topical Meeting on Neutron Radiography)가 기획되어 1990년 캐나다 Chalk River에서 제1회 학술대회가 개최되었다. 이어서 1992년에 NR국제학회(ISNR; International Society of Neutron Radiography)가 설립되어 4년마다 학회를 개최하게 되었다. WCNR은 컨퍼런스인 만큼 실용면에 중점을 두고, ITMNR은 학술대회인 만큼 기초연구에 중점을 두고 개최되고 있다고 하나 참가하는 측에서 보면 양자에 큰 차이를 두지 않을 것으로 생각된다.

2014년의 WCNR-10에서는 구두 발표 70건, 포스터 발표가 110건으로 180건 이상의 발표가 있었으며 구두 발표 프로그램을 세션 별로 보면 New Instrumentation 15건, cultural Heritage 3건, Link Scattering 5건, Detectors 5건, Applications 8건, Methods 5건, Porous Media 5건, Exotic Approach 8건, Interferometer 5건, Fuel Cell & Batteries 5건, Polarized Neutrons 6건 등이다. New Instrumentation 섹션에서 New Imaging Facilities 등에 대한 발표가 가장 많았으며, Cultural Heritage 섹션에서는 냉중성자와 X-선을 이용한 문화재의 가시화 사례가 발표되었다고 한다. 보다 자세한 내용은 참고문헌에 올린 대회 참가자의 참가보고서로 미룬다. [12]

가장 최근인 2018년의 WCNR-11에 대해서는 대회 Proceedings를 근거로 연구동향을 추정해 보았다. 세션 별 발표 논문 양을 보았을 때, New Instrumentation 19건, Methods 11건, Software 2건, Application 16건, 총48건이 실려있다. 섹션 구분이 크게 간결해 진 반면, 발표 논문 수는 크게 줄어들었다. [13]

줄어든 양으로 볼 때 절대적으로 발표 논문이 줄어든 것이 아니라, 세계 대회 전 이미 타 전문학술지에 공표되었거나, 관심도가 높은 시설, 방법, 검지기 등에 대해서는 각 연구기관의 전략에 의해 의도적으로 논문 게재를 꺼리는 경우가 있기 때문인 것으로 추측된다. 실제 2014년의 WCNR-10 에서도 180여 구두 발표 논문의 절반 가량이 논문집에 게재되지 않았다.

Instrumentation 섹션에서는 여전히 NR Facilities, Detector, Digital Imaging System 이 주된 내용을 이루었다. Methods 섹션에서는 속중성자(fast neutron) Radiography, 고온열중성자(epithermal neutron) Radiography 등에 대한 발표와 함께 Neutron Tomography 등 보다 선명한 다차원 영상을 얻기 위한 실험적 내용들이 주를 이루고 있다.

Software 섹션에는 영상의 품질개선 방법을 비롯하여 NR 데이터 처리 및 분석에 관한 발표 2건 밖에 없는 것이 아쉬운 부분이다. 정보처리 또는 IT융합 관련 저널들로 넘어간 것으로 추측되며, WCNR-12 에서는 인공지능 기반의 NR, Imaging, Data 처리 등 RT/IT 융합을 주제로 한 논문이 대폭 늘어날 것을 기대하며, 또 그렇게 될 것으로 예상한다. 인공지능은 산업과 기술의 경계를 가리지 않고 시대의 대세로 자리 잡았으며, 대세는 거스를 수 없는 까닭이다.

Application 섹션에서는 발표 논문 총 수의 반이 문화재 분석에 관한 내용이었으며, 고대 일본도 성분 분석에 관한 논문 5편이 함께 발표되었다. 일본 연구자들의 참여가 높다는 반증이다. 아울러 Polymer 연료전지 내 물 분포 특성에 관한 발표가 1건 있으며 이는 앞으로도 계속되는 주제일 수 밖에 없을 것이다.



5. 전망 및 맺음말



중성자와 X-선의 대부분의 실험 및 분석 방법은 거의 같다. 다양한 산업 분야에서 X-선 촬영법과 중성자 영상 촬영 기법은 매우 중요한 상호보완적인 기술이다. 특히 X-선 촬영 기술이 적용될 수 없는 분야(예: 물 등 수소를 포함한 분자)에서 중성자 영상 촬영 기법은 절대적이며 불가피하다.

이와 같이 기존의 X-선 및 감마선 기술과 상보적이며 이들로서는 하기 어려운 분야에서 NR 기술이 특히 빛을 발한다. 이러한 필요성에 의하여 하나로에서도 NR 장치를 개발하였다. 이러한 장치를 이용하여 현재까지 사용 후 핵연료 물질의 조사, 방위산업과 항공 정밀 부품의 결함 조사, 자동차 산업을 비롯한 일반 산업체의 연구개발을 위한 다양한 비파괴 검사, 그리고 고고학 유물의 검사 등에 응용되고 있으며 앞으로 더욱 더 다양한 분야에 널리 이용될 것으로 전망된다.

중성자의 독특한 성질을 이용하여 X-선과 구별되게 쓰일 수 있는 분야가 구조 분석법, 분자 운동 이용법, 중성자 영상을 이용한 비파괴 검사법, 감마선 측정을 이용한 화학적 성분 분석법 등이다. 그 외에도 중성자의 약한 자성(magnetics), 미약한 낮은 흡수율, 높은 투과력, 낮은 에너지, 작은 유량 등 중성자 만이 가지는 성질들을 결합하면 다양한 응용분야를 생각해 낼 수가 있다.

하나로와 같은 사용자 지원용 인프라를 활용하고, 인공지능 기반의 RT-IT 융합 기술을 적용한 결과를 국내외 학술단체 및 이용자 그룹과 공유해 나간다면 중성자 래디오그라피의 영역이 한 걸음 더 확대해 나갈 것으로 기대한다.

 

References

1. 이창희, Vyacheslav T. Em (2002), ‘중성자 빔의 공학적 이용’, 물리학과 첨단기술, 2002년 1,2월호, 한국물리학회


2. 김만호 (2008), ‘중성자 이용 분석법의 소개’, Polymer Science and Technology 논문지, Vol. 19, No. 4, pp. 338-342, Aug 2008


3. 정용미 (2005), ‘하나로 연구용 원자로를 이용한 동적 중성자 영상 촬영 기법 개발과 연료전지 유로 가시화’, 석사학위 논문, 포항공과대학교 대학원


4. B. Walfort, Ch. Grunzweig, P. Trtik, M. Morgano, E. Lehmann, M. Strobl (2018), ‘Novel scintillation screen with significantly improved radiation hardness and very high light output’, WNCR-11 (11^th World Conference on Neutron Radiation), Sydney Austrailia, 03. Sep 2018


5. 김태주, 김종록, 김무환, 심철무 (2007), ‘중성자속 및 선형 흡수 계수 보정을 고려한 중성자 영상법을 이용한 PEMFC 내의 물 배출 특성에 관한 실험적 연구’, 대한기계학회 춘계학술대회 논문집, pp. 1380-1384


6. 윤종진, 이종현, 안병기 (2009), ‘중성자 가시화를 이용한 연료전지 평가’, 한국자동차공학회 추계학술대회 논문집, pp. 2970-2974


7. 한국원자력연구원 (2018), ‘병든 문화재 치유 돕는 방사선 기술’, KAERI 보도자료, 2018.10.15


8. Mongy T (2014), ‘Application of Neutron Tomography in Culture Heritage Research’, Applied Radiation and Isotopes, No. 85,  pp.54~59


9. https://phys.org/news/2014-09-darpa-highly-portable-neutron-sources.html, viewed 2020-09-30


10. 과학기술부 (2004), ‘중성자 빔의 산업적 이용 (비파괴 검사 및 산업적 적용기술)’, 원자력 연구개발 사업 연구보고서


11. https://www.isnr.de/index.php/information/events/wcnr, Viewed 2020-09-30


12. 오창섭 (2014), ‘중성자 래디오그라피의 최근기술 동향’, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 첨단기술정보분석 보고서


13. Australian Nuclear Science & Technology Organization (2018), ‘WCNR-11 Proceedings’, 2020