원자력(硏), 중성자 유도관 국산화
중성자 유도관 개발을 위한 박막증착장비
정밀 박막 두께 제어 프로그램
코팅된 기판(위)과 접합장치에 의한 유도관 접합(아래)
유도관 내면 평탄도 측정장비
제작된 유도관 완제품
중성자 유도관은 원자로에서 발생한 중성자를 외부의 실험 장치까지 손실 없이 이송할 수 있는 관으로 니켈 등 중성자를 반사시키는 물질로 코팅한 특수 거울을 4각의 관 형태로 접합해 만든다. 중성자의 손실을 최대한 억제하기 위한 특수 거울 제작에 나노 수준의 초정밀 기술이 요구되는 데다 유리관 접합시에도 10㎛(마이크로미터) 이내로 오차를 유지해야 해 지금까지 프랑스 스위스 헝가리 등 3개국에서만 유도관을 생산해왔다.
조상진 박사팀은 니켈(Ni)과 타이타늄(Ti)을 5~10㎚(나노미터) 두께로 번갈아 120~150층을 코팅한 중성자 초거울을 제작, 니켈 코팅 거울보다 중성자 전달 효율이 뛰어난 중성자 유도관을 만들어내는데 성공했다. 초거울로 제작된 중성자 유도관은 수입 단가가 1미터당 5,000만~8,000만원에 달하는 고가로 한국원자력연구소는 냉중성자 실험동에 설치할 유도관 250미터중 3분의 1 가량을 우선 자체 제작할 예정이다.
○ 중성자 유도관(Neutron Guide Tube)
; 중성자는 물질에 입사할 때 대부분의 물질에서 굴절률 n<1이다. 이는 중성자가 임계각(critical angle) 이내로 입사할 때 전반사한다는 것을 의미한다. 이런 성질을 이용, 입사 중성자들을 99% 이상으로 반사시키는 것을 중성자 거울이라고 한다. 이들을 정교하게 10㎛ 이하로 접합하여 만든 관이 중성자 유도관이다. 유도관이 중성자를 실어나르는 것은 광섬유 안에 갇힌 빛이 유리에 반사되어 목적지에 다다르는 것과 같은 원리다.
○ 초거울(super mirror)
; 중성자를 반사하는 니켈을 코팅해 만든 중성자 거울보다 전반사각(임계각)을 2배 이상 늘린 특수 거울이다. 니켈과 타이타늄을 번갈아 5~10㎚(나노미터) 두께로 120~150층을 쌓게 되면 전반사각이 2배로 늘어 그만큼 중성자 전달율이 높아지게 된다. 이번에 개발한 초거울은 전반사각을 2배로 늘린 M2 수준. 니켈/타이타늄을 1,000~1,200층을 쌓아 전반사각을 3배로 늘린 초거울은 M3, 4,000~6,000층을 쌓아 전반사각을 4배로 늘린 초거울은 M4로 부른다.
○ X-선 거울
; 광가속기 등 X-선을 이용한 물질구조분석 장치에서 X-선이 다른 곳으로 빠져나가지 않고 목표 지점에 모이도록 하기 위해 사용되는 장치. 중성자 유도관과 마찬가지로 지금까지 전량 수입에 의존해 왔으며 프랑스, 미국, 독일의 3개사가 세계 시장을 3분하고 있다. 중성자 거울과 제작 원리는 같으며 코팅하는 박막 물질을 X-선에 적절한 물질로 교체하기만 하면 된다.
○ 중성자 유도관/X-선 거울 시장 현황
; 전세계에서 중성자 유도관을 생산하는 제조 업체는 프랑스의 Cilas, 스위스 SwissNeutronics, 헝가리 Mirrortron 3개사 뿐이다. 이 가운데 전세계 유도관의 80%를 공급하던 Cilas사는 기업 합병에 의해 주 생산품을 광디스플레이로 전환하고 2005년 7월 유도관 제작을 중단했다. 유도관 제작 공정 중 코팅 업무만을 담당하는 회사는 독일 Sd-H, NTK 등이 있다.
X-선 거울은 소형 X-선 거울의 경우 프랑스 Xenocs, 미국 Osmic, 독일 Brucker 등 3개사가 전 세계 시장에 공급하고 있다. 가속기 연구소나 항공우주연구소 등에 필요한 대형 X-선 거울은 2개사가 전세계 시장을 석권하고 있다.
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한국원자력연구소 하나로이용기술개발부 조상진 박사 042-868-8439
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