UST·KAERI 연구진, 차세대 방사선 검출 소재 연구 성과 발표

〈(뒷줄 왼쪽부터) 노창현 UST 교수(교신저자), 미구타 파우스틴 응굴리미 UST 박사과정생(공동저자), (앞줄 왼쪽부터) 김시온 UST 통합과정생(공동저자), 카말 아스가르 UST 박사과정생(제1저자)〉

원자력 안전에 대한 관심이 갈수록 높아지는 가운데, 파편화되어 있던 첨단 방사선 검출 소재들의 최신 연구 동향과 데이터를 하나로 엮어내며 전세계 연구자들의 ‘참고서’ 역할을 할 연구성과가 발표됐다. 특히 상용화 비전과 발전 로드맵 제시로 향후 관련 기술 개발을 획기적으로 앞당기는 데 중요한 나침반 역할을 할 것으로 기대된다.

과학기술연합대학원대학교(UST·총장 강대임)-한국원자력연구원(KAERI·원장 주한규) 스쿨 원자력과학기술 전공 노창현 교수(교신저자), 카말 아스가르(Kamal Asghar) 박사과정생(제1저자) 연구팀은 차세대 방사선 검출 소재에 대한 총설 논문을 4월 발표했다.

이번 연구 논문은 재료과학 분야 상위 1%의 학술지인 ‘프로그레스 인 머티리얼스 사이언스(Progress in Materials Science, Impact Factor: 40.0)’ 4월호에 게재되며 학술‧연구‧산업적으로 높은 가치를 입증했다.

연구팀은 핵분열 과정에서 생성되는 다양한 방사선 핵종과 알파‧베타‧감마‧중성자 등의 방사선 물질 간의 상호작용 이해를 바탕으로, 최첨단 소재들이 어떻게 방사선 검출 기술을 혁신하고 있는지를 밝혔다.

대표적으로 차세대 반도체 소재로 주목받는 ‘할라이드 페로브스카이트’는 고에너지 감마선에 대한 반응 감도와 빛 출력 효율이 뛰어나 정밀한 방사선 분석에 탁월함을 밝혔으며, 수 나노미터 크기의 초미세 반도체 입자인 ‘양자점’은 빠른 방사선 반응 속도와 조절 가능한 광특성을 바탕으로 소형‧유연 장비 제작에 적합함을 확인했다.

또한 ‘금속-유기 골격체(MOFs)’는 내부에 미세한 공간을 가진 스펀지 같은 구조를 설계할 수 있어, 마치 체로 거르듯 특정 방사선만 선택적으로 흡수하고 검출할 수 있는 일종의 ‘발광 스펀지’ 역할을 할 수 있음을 밝혔다. 원자 단위의 얇은 두께를 가진 ‘2차원 소재’는 전하가 초고속으로 이동하는 독특한 특성이 있어, 종이처럼 얇은 초박막 엑스레이 및 방사선 검출기 개발에 최적의 선택이 될 수 있음을 증명했다.

아울러, 자연계에 없는 나노 크기의 인공 패턴으로 만든 ‘'메타물질’을 활용하면 사방으로 퍼져나가던 방사선을 센서 쪽으로만 꺽이도록 유도할 수 있음을 밝히고, 기존의 한계를 극복한 초고효율 방사선 검출기 구현이 가능함을 제시했다.

이외에도 저비용 대면적화 가능한 ‘유리’, 고온‧고방사선 환경에서 끄떡없는 ‘세라믹’, 피부 부착 가능한 ‘하이드로겔’ 등은 극한 환경부터 웨어러블 기기까지 방사선 검출기 개발 범위를 획기적으로 넓힐 수 있음을 밝혔다.

연구팀은 이러한 첨단 소재들이 유연 전자소자 등 기술과 결합하면 휴대성과 환경 적응성을 극대화한 차세대 방사선 센서로 거듭날 수 있어, 원자력 시설의 안전 모니터링, 방사선 보안, 의학‧우주‧국방 등 방사선이 발생하는 다양한 산업 영역에 적용되어 혁신적 제품 개발로 이어질 수 있음을 제시했다.

이번 연구성과는 첨단 소재들이 방사선 검출에 어떠한 원리로 작동되며 어떻게 혁신 제품 개발로 이어질 수 있는지를 최신 연구동향에 기반해 처음으로 종합 조명하고 입증해, 향후 전세계 연구자들의 연구 활성화 및 상용화에 중요한 기반 자료가 될 것으로 기대된다.

연구에 제1저자로 참여한 카말 아스가르(Kamal Asghar) UST 박사과정생은 “이번 연구는 빠르게 발전하는 방사선 검출용 첨단 소재 연구를 통합한 결과”라며, “원자력 분야의 정밀성과 안전성이 그 어느 때보다 중요해진 만큼, 이번 성과가 실제 현장에 적용 가능한 고효율·고신뢰성 방사선 검출 시스템 개발의 초석이 될 것으로 기대한다”고 전했다.

교신저자인 노창현 교수는 “원자력 에너지 시스템의 안전성과 효율성을 높이기 위해서는 정밀하고 신뢰도 높은 방사선 검출 기술이 반드시 뒷받침되어야 한다”며, “이번 총설 논문은 세계적으로 주목받는 첨단 소재들이 차세대 방사선 검출 기술을 어떻게 혁신하고 있는지 집대성한 결과물로, 향후 원자력 미래 소재 연구가 나아가야 할 방향성을 제시하는 중요한 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 논문은 프랑스 원자력 및 대체에너지청(CEA)의 기욤 아쉬 베 베르트랑(Guillaume H.V. Bertrand) 박사 팀과의 공동연구 기반을 마련하기 위해 지속적인 협력을 통해 완성됐으며, 향후 양측은 연구결과를 바탕으로 공동연구를 본격화할 예정이다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr