공부하고 정리하고

(출처 : https://news.samsung.com)

이번에 삼성전자에서 X선 피폭량을 줄일 수 있는 고감도 디텍터를 개발하였다고 합니다. 삼성전자 종합기술원에서 방사선 피폭량을 1/10로 줄일 수 있는 디텍터를 성균관대와 공동연구를 통해서 개발하였는데 X선 발생장치와 삼성전자의 개발한 부분을 소개할게요.

(출처: http://www.teledyneicm.com)

[X-선 발생장치 원리]

위에 그림과 같이 진공 tube 안에 필라멘트를 두고 열을 주면 전자가 튀어나오게 됩니다. 이 전자를 튜브에서 고전압을 걸어서 가속을 시키고 양극에 연결된 금속(보통 텅스텐사용)을 때리게 됩니다. 금속의 핵들은 가속된 전자와 충돌하여 전자가 들뜨게 되어 안정화되며 빛을 발산합니다. 이때 X선이 발생하게 됩니다.
발생한 X선은 tube를 나와 target(샘플 또는 사람)을 지나고 물질을 지나면서 감쇠한 에너지 정도를 detector로 받아들이게 됩니다. 여기서 감쇠는 질량감쇠계수에 따라 감소하는데 나중에 원리에 대해서 자세히 소개하겠습니다.

(출처 : https://www.tue.nl) ->기존의 Detector방식

[Detector의 무엇을 바꾼건가?]

삼성에서는 Detector에 사용하는 소재를 개발했는데 기존의 X-ray 평판 디텍터에 비해 감도가 20배 이상 뛰어나고 생산 가격도 더 낮은 페로브스카이트 반도체 소재를 개발하였습니다. 우선 20배 이상 감도가 좋다는 것은 기존의 X-선보다 20배 이상 낮은 선량을 가진 X-선도 감지한다는 것이기 때문에 피폭량을 줄일 수 있을 것입니다.
그리고 페로브스카이트라는 물질을 사용하였는데 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 무기물+유기물 결합하여 가지는 어떤 결정 구조체를 말합니다. 이 결정 구조체는 AMX_3큐빅으로 A, M양이온, X는 음이온으로 결합된 구조입니다. 이 결정구조는 에너지 전환 효율이 20%가 넘어 기존에 고효율 태양전지로 연구가 진행이 되고 있던 물질입니다.

(출처 : http://www.asiae.co.kr)

이 물질을 이용해 디텍터로서 사용을 하려면 투과성질을 낮추어야 하므로 태양전지의 1000배 이상 두께가 필요하고 동시에 엑스선에 의해 변환된 전기신호를 보존하는 성능확보가 가능한 합성방법을 이번에 개발한 것이라고 합니다.
또한, 이 물질은 진공 증착법으로 만든 기존의 디텍터와는 다르게 액상 공정을 통해 대면적으로 제작할 수 있어 디텍터를 크게 만들어 한 번에 전신 촬영이 가능한 X-ray 장치를 만들 수 있다고 합니다.
아직 남아있는 기술적 문제들이 있어서 연구중이라고 하지만 개발이 된다면 X선, CT 촬영을 좀 더 안심하고 받을 수 있는 날이 오지 않을까 싶습니다.

[왼쪽부터 라이너 바이스 교수, 배리 배리시 교수, 킵 손 교수]

이번 노벨물리학상은 중력파를 최초로 검출한 연구진에게 수여됐습니다. 이 연구진은 레이저 간섭계 중력파관측소(LIGO)의 연구진입니다. 실제 관측은 2016년에 하였고 수상을 이번에 하였습니다.
중력파란 시공간의 휘어짐이 퍼져나가는 파동을 말합니다. 이를 1915년 그때로부터 100년이 넘게 흐른 지금 아인슈타인의 예측이 실험으로 검증이 된 것입니다.

아인슈타인은 1905년에 빛의 속도는 일정하며 어떤 물체도 광속을 도달하여 넘을 수 없음을 말합니다. 이는 특수상대성이론입니다. 이로부터 11년 뒤 1916년에 일반상대성이론을 발표합니다. 우선 상대론이라는 것은 현재 우리가 서 있는 지구라는 환경이 한 관성계라면 다른 환경에 있는 관성계는 지구의 환경과 다른 관성계임이 틀림없습니다. 이 상대적인 관성계끼리의 차이는 시간 지연과 길이수축이라는 현상으로 예상이 되었고 관측이 됩니다. 특수상대성이론에서는 이 다른 환경을 속도에 의한 차이로 계산합니다. 일반상대성이론에서는 중력이 영향을 미칩니다.

영화 ‘인터스텔라’를 보셨다면 이해하시기 쉽습니다. ‘인터스텔라’에서 거대한 행성에 단 몇 시간 정도 있었을 뿐인데 우주에서 기다리던 동료는 10년이 넘는 시간이 흘러 혼자 기다리고 있죠. 여기서 행성에 간 동료들에게 일어난 것은 중력에 의한 시간 지연 현상입니다. 이 이유는 간단히 생각한다면 우선 행성을 동시에 들어간 빛들은 동시에 나오는 점을 생각하여야 합니다. 빛의 속도는 일정하고 이동거리도 똑같으니까 동일합니다. 그런데 가까이에 있어서 중력에 의해 더 휘어진 빛과 멀리 있어서 덜 휘어진 빛이 있다면 이 두 빛은 동시에 나와야 하지만 이동 경로는 행성에 가까운 빛이 경로가 짧겠죠? 하지만 동시에 나오려면 가까운 빛은 시간 지연 현상이 나타나야 할 것입니다. 자세히 알려고 하면 매우 복잡하지만… 이런 느낌입니다.!!

아무튼, 중력파는 중력이 존재하는 곳에서 이러하듯 시공간이 뒤틀리게 만듭니다. 이렇게 뒤틀리면 호수에 돌을 던지면 구면파가 발생하는 것처럼 중력파가 발생한다고 합니다. 이 중력파를 100년이 지난 지금에서 드디어 관측하였다고 하니 아인슈타인의 계산은 시대를 앞서간 것이 확실한 것 같습니다!!

그렇다면 어떻게 LIGO는 중력파를 관측 하였을까요?
‘에테르’라고 들어보셨나요? 과거에 빛이 파동이라면 매질이 존재해야 한다. 그 매질은 에테르라는 주장이 있었습니다. 즉 이 우주 공간은 에테르로 차 있다고 생각을 하였고 이를 증명하기 위해 노력을 했었습니다. 이를 증명하기 위한 장치 중 하나가 마이컬슨몰리실험입니다.

이 실험은 빛을 쏘아서 두갈래로 하나는 직각 하나는 원래 방향으로 가도록합니다. 다시 반사되도록하여 받아 두빛을 합쳐 간섭현상을 관측합니다. 하지만 아무리 실험을 해보아도 간섭현상을 볼 수 없었고 이 실험을 통해 에테르가 없음을 반증하게 됩니다. 아이러니하게도 이 실험을 통해 마이컬슨은 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 실험의도에 따르면 실패한 실험인데도 말이죠.

이 유명한 실험이 LIGO에서 진행하는 실험과 개념이 동일합니다. 단지 LIGO는 그 크기가 엄청 큽니다. 직각으로 갈라져 나아가는 거리가 4km이고 이 거리를 수백번 왕복시킨다고 합니다. (중력파로 인한 거리변화가 미미하기 때문에 한번 왔다갔다해서는 관측이 어렵기 때문입니다.) 이러한 관측소를 워싱턴에 하나 루이지애나주에 하나 총 두 개의 관측소를 두고 측정을 합니다.
이렇게 측정을 하던 와중에 13억 광년 떨어진 곳의 두 블랙홀이 충돌함으로써 중력파가 발생하였고 이 중력파가 지구를 지나며 시공간에 뒤틀림이 생겼습니다. 이때 LIGO가 이 변화를 레이저 간섭으로 관측을 해낸 것입니다.

두개의 관측소에서 거의 동일하게 간섭현상을 관측한 것을 볼 수 있습니다.

(출처 : https://namu.moe)

[동위원소란 무엇일까요?]

원자번호가 같지만, 원자량이 다른 원소를 말합니다. 원자번호는 양성자수로 넘버링이 됩니다. 수소는 양성자 수 1이고 원자번호는 1이고 탄소의 경우는 양성자 수가 6개고 원자번호는 6이 됩니다. 그리고 이 원자가 이온화된 상태가 아니라면 양성자의 +전하량만큼 -전하가 있어야 평형을 이루겠죠? 그래서 양성자 수와 전하량이 같은 전자가 똑같은 수만큼 있습니다. 그런데 원자량이 다르다라는 말은 무엇이 다른 걸 까요? 바로 중성자 수의 차이입니다. 수소를 기준으로 예를 들겠습니다. 양성자 하나 전자 하나로 이루어진 것이 우리가 아는 수소입니다. 그런데 양성자 하나 중성자 하나 전자 하나로 이루어지게 되면 중수소, 중성자가 하나가 더 있으면 트리튬이 됩니다.

여기서 트리튬의 경우는 불안정합니다. 안정된 상태의 한계치를 넘어선 것이지요. 트리튬은 그래서 붕괴를 하게 됩니다. 이러한 동위원소를 방사성 동위원소라 합니다.
인위적으로 만든 핵종 말고 자연계에도 이러한 방사성동위원소는 존재합니다. 태양으로부터 날아온 우주선을 맞아 생기는 트리튬이나 14-C(탄소연대측정법에 활용되죠)가 있습니다. 그리고 지구의 탄생과 함께 존재해왔을 원시 핵종이 있습니다.

(출처 : http://m.blog.daum.net/_blog/_m/articleView.do?blogid=0MBTd&articleno=6592734

원시 핵종은 계열과 비계열 방사성 동위원소가 있습니다. 비계열은 어떤 핵종으로부터 오거나 어떤 방사성핵종을 만드는 핵종이 아니고 그 하나가 방사성핵종으로서 존재하는 것입니다. 현재까지 존재하는 이유는 반감기가 매우 길기 때문이죠. 여기에는 40-K, 87-Rb입니다. 계열은 우라늄 계열, 토륨 계열, 악티늄 계열, 넵투늄 계열이 있는데 반감기가 긴 방사성 핵종이 붕괴하고 붕괴한 핵종이 또 붕괴해서 안정 핵종인 납까지 붕괴하는 핵종들이 부모와 자식의 관계처럼 연결된다 해서 계열을 이룬다고 합니다. 여기서 넵투늄 계열은 현재는 시간이 흘러 붕괴해버려 존재하지 않습니다.

(출처 : 경북대학교 핵물리연구실)

위에 그래프 처럼 검은색 라인따라서 안정핵종이고 그보다 양성자 수가 많으면 양성자 과잉, 중성자가 더 많으면 중성자 과잉 핵종입니다. 여기서 계열을 따르는 방사성 동위원소들은 중성자과잉 핵종으로 볼 수 있습니다. 양성자 과잉핵종은 입자 가속기에서 생겨납니다. 나중에 이에 대한 소개는 자세히 해볼게요.
결론은 방사성을 나타내는 동위원소가 방사성 동위원소입니다. 자연계에 존재하는 방사성 동위원소는 우주선으로부터 생기거나 태초부터 있었을 것입니다. 태초부터 있는 방사성 동위원소는 계열과 비계열 동위원소로 나뉜다로 정리되겠습니다.

방사선분야 기본상식중 하나인 X선과 감마선의 차이에 대해서 이야기 해볼까 합니다.

X선과 감마선은 전자기파입니다. 즉, 광자입니다. 두 개는 성질이 똑같습니다. 물리적으로 똑같습니다. 차이라고는 에너지 영역의 차이가 있겠네요. 하지만 낮은 에너지 영역의 감마도 있기 때문에 경계에서는 이것으로 구별 짓기는 힘들겠습니다. 그렇다면 왜 두 개를 구분 지을까요? 이 두 선은 출신지가 다르기 때문 입니다. 즉, 발생원인이 다릅니다.

(출처:한국원자력환경공단)

원자는 양성자와 중성자로 이루어진 핵과 그 주위에 에너지가 불연속적인 에너지 준위를 따라 오비탈이 형성되고 그 궤도에서 전자는 원운동을 하게 되어 원자를 구성하게 됩니다.
먼저, X선 발생원인을 한번 알아보죠. X선은 전자의 여기 작용으로 발생합니다. 원자가 외부로부터 에너지를 받게 되면 핵과 안정적으로 결합하고 있던 전자가 힘을 받아 더 높은 에너지 준위로 도약을 하게 됩니다. 한마디로 들뜨게 됩니다. 들뜬 상태로 있으면 불안정하겠죠? (자연계는 모든 물질이 안정된 상태로 갈려는 성향 즉, 엔트로피가 증가하는 방향으로 행동을 합니다.)불안정한 전자는 선택규칙에 따라 전자기파를 내며 안정한 준위로 내려오던가 그에 상응하는 전자(오제전자)를 방출하며 안정성을 찾습니다. 이때 나오는 전자기파를 X선이라고 합니다. (사실, 제동복사와 특성 X선으로 방출되지만 그냥 X선이라 하겠습니다.)
두번째로, 감마선의 발생원인은 핵으로부터 나옵니다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어지는데 양성자끼리의 클롱척력을 이겨내기 위해 중성자와의 핵력으로 붙잡고 있는 형태입니다. 그렇다면 이 형태가 불안정하다면 핵이 중성자가 많아서 또는 양성자가 더 많아서 불안정하다면 중성자가 전자를 잡아서 양성자가 되거나 양성자가 전하를 때버리고 중성자가 되려고 합니다. 이때 발생하는 에너지가 감마선으로 방출됩니다.
둘 다 전자기파지만 엑스선은 전자의 여기 작용으로부터 감마선은 핵반응에서 나온다고 보시면 됩니다.

(출처:wikipedia)

방사선에 대해서는 다들 들어 보셨을 거라고 생각합니다. 뭔가 위험하고 조심해야만 할 것 같은 느낌이 들죠. 하지만 동시에 엑스레이나 CT, 암치료분야와 산업 분야 연구 분야등 다양한 분야에서 우리의 삶의 질을 향상하는데 도움을 주기도 합니다.

방사선은 1895년 11월 뢴트겐이 진공 음극관에서 처음으로 엑스선을 발견하면서 우리에게 알려졌습니다. 이때 이것이 무엇인지 몰랐기 때문에 이름을 X선이라고 지었다고 해요. 그리고 그다음 해 1896년에 베크렐이 우라늄에서 방사선을 발견하게 됩니다. 1898년에는 마리 큐리가 라듐과 폴로늄을 분리하여 최초로 인공방사성동위원소로 제조하게 됩니다. 이 뒤로도 방사선에 관한 연구는 활발히 진행되었습니다.

그렇다면 방사선은 도대체 무엇인가? 방사선은 방사능을 가진 물질에서 나오는 빛이나 입자를 말합니다. 여기서 빛이라면 x선, 감마선, 자외선, 가시광선, 전자기파 등이 있고 입자는 알파선, 베타선, 중성자선을 말합니다. 하지만 자외선, 가시광선은 에너지가 낮아 공기를 전리시킬 수 없기 때문에 비 전리 방사선이라 부릅니다.

방사선은 방사능을 가진 물질에서 나오는 거라면 방사능은 무엇일까요? 방사능은 초당 붕괴하는 정도. 즉, 방사선을 내는 정도를 말합니다. 단위 질량 당 방사능이 강할수록 더욱더 위험하게 됩니다.
마지막으로 방사성은 약간 형용사적 느낌이라고 생각하시면 쉽습니다. 방사성 오염구역, 방사성 동위원소로 사용합니다. 방사능을 내는 성질, 방사선을 내는 성질로 생각하시면 됩니다.
따라서 사람이 맞은 양을 표현할 때는 맞은 양을 나타낼 수 있는 방사선을 얼마 맞은지 나타내는 선량이라는 개념을 사용하게 되고 피폭되었다 할 때도 방사선을 받았다 이므로 방사선 피폭이라는 말로 사용을 합니다. 그리고 방사능은 이 동위원소는 방사능이 얼마야 할 때 사용하게 됩니다.

-이미지 출처-

1. http://www.imagegreen.org

2.:wikipidia

3.http://www.hani.co.kr/arti/science/kistiscience/387098.html

4.http://hoho77.kr/board/board.php?board=important&page=1&command=body&no=3

5.