방사선의 산업적 이용

화학과에서 방사선을 함께 배우게 되면 왜 유리한지를 지금부터 간단히 소개하겠습니다. 화학은 모든 산업체에 필수적인 중심학문임에는 틀림없지만, 모든 화학과가 대부분 비슷한 교육과정을 배우기 때문에 졸업 후 특수성이나 희소성을 인정받기가 솔직히 쉽지 않습니다. 하지만, 화학과 함께 방사선을 배우게 되면 산업체에서 꼭 필요로 하는 +α를 하나 더 배운 효과가 있어 값어치가 급상승할 수 있습니다. 이유는 산업체에서의 방사선의 사용분야가 너무도 넓고 다양할 뿐 아니라 활용 분야도 점점 증가하고 있는 추세이기 때문입니다. 이 경우 방사선을 활용하는 기업체는 반드시 방사선을 공부한 안전 관리자를 필요로 할 수밖에 없으니까요. 

방사선의 산업적 이용에서 가장 눈에 띄는 분야는 공업계측(Industrial Instrumentation)입니다. 공업계측이란 방사선이 물질을 통과하게 되면 그 물질에 의해 에너지가 흡수되기 때문에 에너지의 세기가 약해지는데, 이 원리를 각종 측정기에 이용하는 것입니다. 예를 들어, 철판, 종이, 플라스틱, 필름 등의 두께 특정에 이용하는 두께계, 관속을 흐르는 액체의 밀도를 재는 밀도계, 탱크 속의 액상과 분말 상의 준위를 측정하는 준위계(액면계), 담배의 건조상태, 대기오염물질 검사, 토목공사 현장이나 제철소 등의 수분 측정에 활용하는 수분계 등이 대표적인 계측예가 될 수 있습니다. 

방사선은 물체의 내부 상태를 파악하는 데 활용하는 비파괴 검사에도 이용됩니다. 가슴의 엑스선 사진을 찍을 때 뼈 부분과 기타 조직 부분의 엑스선 투과 정도가 필름 상에 다르게 나타나는 것처럼 산업에 이를 활용하는 것입니다. 주물이나 용접, 대형 탱크, 배관의 결함 점검이나 각종 엔진의 부품 검사, 주요 문화재의 수리 및 복원에도 활용하고 있습니다.

또한 방사선을 쪼임으로써 화학적 변화를 일으켜 물질의 합성, 개질 등에 이용할 수도 있는데 그 대표적인 것으로 내열성 전선 제조를 들 수 있습니다. 폴리에틸렌 등의 고분자에 방사선을 쪼이면 그 분자끼리 서로 결합하여 가교결합이 된 고분자를 형성하여 내열성 및 기계적 강도가 향상됩니다. 이를 전선재료에 응용한 것이 내열성 전선입니다. TV, PC, 자동차 등 온도가 높아지는 대부분의 전자회로 배선에 널리 사용하고 있습니다. 그 밖에도 발포 폴리에틸렌, 열수축성 튜브, 전자선의 가교결합 등의 활용분야도 있습니다.

그럼 보다 구체적으로 방사선을 이용한 공업계측기, 즉, 방사선 게이지의 몇 가지 예를 소개해보도록 하겠습니다. 

방사선 게이지

① 두께계 (thickness gauge)

방사선을 판(板)이나 도금에 쪼여 판재에 흡수 또는 산란되는 정도를 측정하여 두께를 알아내는 장치입니다. 예를 들면 열연강판을 압연할 때 강판의 두께는 품질에 지대한 영향을 주는데, 감마선이 투과하는 정도를 측정하여 강판두께를 감시하고 만약 두께가 기준을 벗어나면 압연롤러 압력조절 장치로 피드백하여 조절하는 공정관리 방법입니다. 감시하는 재료의 종류와 두께에 따라 각종 동위원소가 사용되고 있는데, 강판뿐만 아니라 셀로판지, 식품포장용 랩, 알루미늄 호일, 종이, 고무판 등 다양한 제품의 생산관리에 사용되고 있습니다. 도금이나 코팅 두께 감시도 유사하게 합니다.

② 밀도계(density gauge)

두께계측의 역으로 두께가 일정한 용기에 서로 다른 시료(試料)를 넣어 방사선의 흡수 또는 산란의 정도를 측정하면 용기 내 물질의 밀도를 구할 수도 있습니다. 토목용 지반 밀도계는 시공한 지반에 일정 깊이의 구멍을 뚫고 감마선원을 삽입하여 측상방으로 투과하는 감마선의 강도를 측정하여 토양밀도를 평가하는 것입니다.

③ 수위계 (level gauge)

감마선을 액체탱크에 투과시키면 액체탱크 외부에서 내부에 있는 액면의 수위를 알아낼 수 있다. 캔 맥주와 같은 캔 음료를 제조하는 공정에서는 적정 채움 수위를 눈으로 확인할 수 없으니 당연히 수위계를 사용할 수밖에 없겠지요. 

④ 성분계 (component gauge)

밀도계와 같은 원리로서 물질 내에 방사선 흡수특성이 현저히 차이가 나는 성분이 함유된 정도를 평가합니다.  중유 또는 석유제품 중 유황함유량을 측정하는 데 낮은 에너지의 감마선을 이용합니다. 유류의 주 원소인 탄화수소에 흡수되는 감마선 흡수계수보다 불순물인 유황의 감마선 흡수계수가 훨씬 큰 것을 이용하여 유황함유량을 측정하는 방법입니다.  

⑤ 수분계 (moisture meter)

중성자가 수분 특히 물의 성분인 수소에 의해 잘 산란되는 특성을 이용하여 물질 내 수분 함량을 비파괴적 방법으로 알 수 있습니다. 어떤 제품 속에 포함된 수분의 양을 알아내는 것은 제품의 불량 정도와 직결되기 때문에 매우 중요합니다. 

이와 같이 방사선 게이지는제품의품질 향상, 원가절감, 에너지 절약 등 다양한 효과를 얻고 있습니다. 액면, 두께, 밀도, 성분, 습도, 분진, 단위중량 측정기 등이 석유, 가스, 화학, 철강, 금속, 광업, 제지, 플라스틱 산업 등 각종 분야에 폭 넓게 활용되고 있는 것입니다. 또한 발달된 컴퓨터 및 전자 기술을 이용하여 내구성, 정밀도, 효율을 향상시키고 있습니다. 최근에는 검출기의 종류도 다양해지고 마이크로프로세서 이용으로 데이터 분석기법도 정교해짐에 따라 방사선 게이지의 기능도 더욱 높아지고 있습니다. 

국내에서 사용하는 방사선 검출기 및 산업용 응용 계측기는 부분적으로 국내 기술로 교체하고 있으나, 아직은 대체로 수입에 의존하고 있습니다. 이유는, 국내 기술이 부족해서라기보다 대부분의 게이지가 생산설비와 일체로 도입되기 때문입니다. 

- 인제대학교 방사선화학과 제공 -