국립부경대, 납 대체할 X선 차폐 에어로겔 개발

- 3차원 광자 케이지 구조 … X선 흡수 효율 최대 97%

- 화학 분야 세계적 학술지 <Advanced Functional Materials> 게재

국립부경대학교 김정환 교수(신소재시스템공학전공) 연구팀이 유연하고 초탄성, 소수성까지 확보한 차세대 X선 차폐 에어로겔 소재를 개발했다.

X선 기술은 의료, 과학, 산업, 군사 등 다양한 분야에 활용되지만, 인체가 X선에 노출되면 잠재적 위험이 뒤따르는 문제가 있다.

현재 가장 널리 쓰이는 납(Pb) 차폐재는 독성과 환경 유해성, 낮은 유연성 등 여러 한계를 지닌다. 특히 납은 40~88 keV 영역에서 X선 흡수 효율이 떨어지며, X선이 재료와 상호작용하며 발생하는 이차 방사선을 충분히 차단하지 못하는 문제도 있다.

이를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 기존 연구는 주로 2차원(2D) 유연 박막 기반의 납 대체재 개발에 집중되면서 감쇠 단면적의 한계로 인해 근본적인 X선 흡수 성능 향상에 제약이 있었다.

김정환 교수팀은 3차원(3D) 다공성 에어로겔이 낮은 밀도와 높은 유연성을 갖추고, 복잡한 기공 내부에서 광자의 흡수-산란-재흡수가 반복되며 광자 체류 시간이 늘어나 흡수 효율을 크게 높일 수 있다는 점에 착안했다.

연구팀은 가돌리늄(Gd) 기반 상분리 유도 전략을 적용해 3차원 ‘광자 케이지’ 구조를 갖는 유연성 에어로겔을 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 여기에 폴리다이메틸실록산(PDMS) 코팅을 추가하고, 페로브스카이트 물질인 Cs3Bi2I9까지 결합해 초탄성·소수성·단열성·내동결성의 우수한 물성과 함께 4중 상호보완 X선 흡수 특성을 갖춘 차세대 X선 차폐 소재를 구현했다.

연구팀이 개발한 에어로겔은 4중 상호 보완적 흡수 및 광자 케이지의 시너지 효과로 인해 넓은 에너지 범위에서 우수한 차폐 성능을 갖춘 것으로 나타났다. 이 소재로 실험한 결과 40~120 kV 튜브 전압 에너지 범위에서 76~97%의 높은 X선 흡수 효율을 달성했다.

연구팀은 이 에어로겔의 실제 의료 환경 적용 가능성을 확인하기 위해 삼성서울병원과 공동으로 CT 장비를 이용한 차폐 성능 검증도 마쳤다.

김정환 교수는 “이번 성과는 경량·유연성을 바탕으로 한 고효율 X선 차폐 소재 개발에 새로운 구조 설계 패러다임을 제시한 연구로, 향후 의료·군사·산업 등 다양한 분야에서 활용될 잠재력이 크다”라고 밝혔다.

이번 성과는 과학기술정보통신부와 교육부, 한국연구재단의 지원과 국립부경대학교 글로벌 공동연구 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과를 담은 논문 ‘Photon-Cage-Structured Aerogels with Quadruple Complementary Compounds for Efficient X-ray Absorption’은 화학 분야 세계적 저널인 <Advanced Functional Materials>(IF=19)에 게재됐다.

※ 붙임: 1. 차세대 X선 차폐 에어로겔 소재 구조 이미지.

2. 연구팀 사진. Li Shisen 박사과정생(왼쪽)과 김정환 교수.