KR101060576B1 - 플라스틱 섬광체와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스틱 섬광체와 그 제조방법에 관한 것으로, 광섬유와 섬광셀 및 반사막을 모두 동시에 압출하여 플라스틱 섬광체 제조를 위한 시간과 비용을 대폭 감소하면서, 원하는 치수와 모양으로 플라스틱 섬광체를 제조할 수 있도록 하는 데 있다.

섬광체, 광섬유, 압출

Description

플라스틱 섬광체와 그 제조방법{Plastic scintillator and manufacturing method of it}

본 발명은 플라스틱 섬광체와 그 제조방법에 관한 것으로, 광섬유가 섬광셀의 중심에 위치되도록 동시에 압출 성형함으로써, 제조시간과 단가를 대폭 감소시키는 플라스틱 섬광체와 그 제조방법에 관한 것이다.

고 에너지를 가진 입자의 검출기 등에 사용되는 플라스틱 섬광체(scintillator)는 입사한 입자를 빛으로 변환하기 위한 섬광셀과, 상기 섬광셀에 삽입되어 섬광셀로부터 나오는 빛을 포집하여 외부로 전달하기 위한 광섬유로 구성된다.

이러한 플라스틱 섬광체를 제조하는 방법의 일 예로서 알루미늄 틀을 이용한 중합방법을 이용한 제조방법을 살펴보면, 알루미늄 틀에 단량체 스티렌(STYRENE) 용매 100g당 일차 형광첨가제로 2,5-디페닐옥사졸(PPO) 1g, 이차 형광첨가제로 1,4-비스-[5-페닐-2-옥사졸]벤젠(POPOP, 1,4-bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzene) 0.05g을 넣어 혼합하고, 단량체 스티렌과 첨가물이 잘 섞이게 하기 위해 건조기에 넣어 100℃에서 약 1시간 정도 놓아둔 후 중합반응이 일어나는 온도인 약 120℃로 가열한다. 중합반응은 수시간 내에 일어나지만 반응하지 않은 단량체 스티렌은 색깔을 변하게 하여 플라스틱 섬광체의 특성을 나쁘게 하므로, 여분의 단량체 스티렌을 반응시키거나 증발시키기 위해 약 150시간 이상 가열한다. 중합반응 후 온도를 급격히 냉각시키면 폴리스티렌에 응력이 발생하므로 플라스틱 섬광체의 특성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 12시간 이상 서서히 건조기에서 냉각한다. 그리고 틀에서 꺼낸 플라스틱 섬광체를 밀링 기계를 이용하여 필요한 형태로 가공하고, 거친 천과 부드러운 천으로 이루어진 고속 회전기를 이용하여 표면을 연마한다.

이러한 중합반응은 중합에 약 6-7일 소요되어 시간이 오래 걸리고, 중합을 위하여 고온의 작업이 요구되며, 틀에서 꺼낸 플라스틱 섬광체를 원하는 크기와 모양으로 2차 가공하는 작업(밀링, 연마 등)이 요구되어 시간과 비용 소모가 큰 문제점이 있었다.

그리고 상기한 종래의 섬광체 제조방법에서는 섬광셀만 제조되고 광섬유는 섬광셀과 함께 제조되지 않아서 섬광셀에 별도로 광섬유를 배치시키기 위한 'U'형 홈을 섬광셀 표면에 기계적으로 가공한 후, 'U'형 홈에 광섬유를 끼우고 마일러(Mylar) 테이프로 고정시켜 섬광체의 외주에 전체적으로 반사막을 수작업으로 씌워야 했으므로, 홈을 형성하고 광섬유를 끼우며 반사막을 씌우는 각 과정에 별도의 시간이 소요되고, 광섬유가 섬광체의 일측에만 위치되므로 광효율이 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 플라스틱 섬광체 제조 방법의 다른 예로서는 압출 방식이 있는데, 상기한 압출 방식은 도 1에 나타내는 바와 같이 불활성 가스를 주입하면서 폴 리스티렌 알갱이와 형광첨가제를 혼합하여 압출기에서 중심에 광섬유가 삽입되는 삽입공이 형성되도록 섬광셀을 압출한 후, 삽입공으로 광섬유를 삽입하고, 섬광셀의 외주로 반사막을 수작업으로 씌우는 것으로, 이 또한 광섬유 삽입과정과 반사막을 씌우는 과정을 별도로 수행하여야 하므로 공정에 시간과 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었고, 삽입공 내로 광섬유를 삽입하여야 하나 삽입공과 광섬유의 크기를 정확하게 맞추는데 제한이 있어서 정밀한 섬광체를 제조할 수 없는 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광섬유와 섬광셀 및 반사막을 모두 동시에 압출하여 플라스틱 섬광체 제조를 위한 시간과 비용을 대폭 감소하면서, 원하는 치수와 모양으로 플라스틱 섬광체를 제조할 수 있도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 광섬유와 섬광셀 및 반사막을 동시에 압출 성형하여 광섬유를 중심으로 그 외주에 섬광셀이 일체로 형성되도록 플라스틱 섬광체를 제공하고, 상기한 섬광셀의 외주에는 반사막이 일체로 더 형성될 수 있고, 상기한 광섬유는 광섬유 코어만으로 구성되거나 광성유코어 외주에 클래딩(cladding)이 더 형성된 것으로 구성된다.

그리고 본 발명의 다른 특징은 광섬유와 섬광셀을 포함한 섬광체의 각 층별 재료가 각각 투입되는 다수의 호퍼와, 광섬유의 외주에 섬광셀이 동시에 형성되도록 다수의 출구를 갖는 압출다이와, 상기한 호퍼로 투입된 재료가 압출다이의 다수 출구 중 해당하는 출구로 배출되도록 각각의 호퍼와 압출다이의 출구를 연결하는 실린더 및, 상기한 실린더의 내측에 구비되어 호퍼로 투입된 재료를 배출하는 스크류를 포함하는 압출기를 사용하여 광섬유와 섬광셀을 동시에 압출하여 광섬유의 외주에 섬광셀이 위치되도록 섬광체를 형성하는 압출단계와, 상기한 압출단계를 통과한 섬광체가 사이징기를 거치면서 정확한 치수와 형상을 갖도록 하는 사이징단계 와, 상기한 사이징기를 통과한 압출물이 냉각기를 통해서 냉각되는 단계를 포함하여 구성되는 압출 방법에 있다.

상기한 구성에서, 섬광셀과 광섬유는 동일 내지 유사한 굴절률을 갖는 재료를 사용하고, 광섬유의 클래딩은 광섬유 코어보다 굴절율이 작은 재료를 사용한다.

본 발명에 의하면 압출과정에서 광섬유와 섬광셀이 동시에 형성되고 이로 인하여 광섬유를 포함한 섬광체의 생산비가 대폭 절감되는 효과가 있다. 또한, 압출과정에서 광섬유와 섬광셀이 동시에 형성되므로 섬광체를 원하는 어떠한 모양과 크기로도 만들 수 있으므로 종래의 광섬유를 별도로 삽입하는 압출 방식에서 발생되는 시간과 공정의 과다소요 문제점과, 추가 공정으로 광섬유를 삽입함으로 발생되는 치수 불일치로 인한 섬광체의 불량 문제를 모두 해소하므로, 섬광체 제작에 소요되는 비용을 대폭 절감할 수 있고, 생산성이 향상되는 효과가 있으며, 원하는 치수대로 형성할 수 있어서 성형성이 향상되는 효과가 있다.

아울러, 섬광셀의 외주에 반사막이 일체로 압출성형되므로 종래의 반사막을 일일이 수작업으로 씌워야하는 방법에 비하여 생산성이 향상되는 효과가 있다.

이와 같이 성형성이 향상되고 생산비가 대폭 절감되므로, 종래의 섬광셀을 이용하는 각종 기기, 예를 들면 감마선 검출기, 중성자 검출기 등의 생산비가 감소될 수 있고, 이들 검출기의 성능개선이 이루어질 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명의 실시예를 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.

도 2는 본 발명에 따른 섬광체 압출 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 3은 압출기의 구조를 나타내는 도면이며, 도 4는 압출다이 구조를 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 플라스틱 섬광체를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 압출 시스템은 크게, 압출기(100)와 사이징기(200), 냉각기(300), 인출기(400)와 커팅기(500) 및 권취기(600)로 구성되며, 이러한 압출 시스템은 공지의 압출시스템을 본 발명의 섬광셀 모양에 맞게 수정한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기한 구성에서 압출기(100)는 광섬유 코어와 클래딩, 섬광셀, 반사막을 포함한 섬광체의 각 층별 재료가 각각 투입되는 다수의 호퍼(112)(122)(132)(142)(152)와, 광섬유 코어를 중심으로 외측으로 클래딩, 섬광셀, 반사막이 형성되도록 각각의 형상에 대응되는 다수의 출구를 갖는 압출다이(160)와, 상기한 호퍼(112)(122)(132)(142)(152)로 투입된 재료가 압출다이(160)의 다수 출구 중 해당하는 출구로 배출되도록 각각의 호퍼(112)(122)(132)(142)(152)와 압출다이(160)의 출구를 연결하는 실린더(114)(124)(134)(144)(154) 및, 상기한 실린더(114)(124)(134)(144)(154)의 내측에 구비되어 호퍼(112)(122)(132)(142)(152)로 투입된 재료를 배출하는 스크류를 포함하여 구성된다.

그리고 상기한 사이징기(200)는 내부는 진공상태이며, 압출기(100)에서 배출된 섬광체가 관통되는 관통로가 형성되며, 상기한 관통로는 섬광체의 정확한 형상 과 치수에 따라 설계된다.

또한, 상기한 사이징기(200)와 연속하여 냉각기(300)가 설치되며, 냉각기(300)의 후방에는 인출기(400)와 커팅기(500)가 구비된다.

상기한 구성에서 압출다이(160)는 도 3에 나타내는 바와 같이 중심에 광섬유 코어용 배출구(162)가 형성되고, 광섬유 코어용 배출구(162)의 외측에는 각각 제 1/2클래딩용 배출구(164)(165)가 형성되며, 제 2클래딩용 배출구(165)의 외측에는 섬광셀용 배출구(167)가 형성되고, 섬광셀용 배출구(167)의 외측에는 반사막용 배출구(169)가 형성된다.

이상과 같은 압출 시스템을 이용한 본 발명의 압출 방법을 하기에서 설명한다.

우선, 본 발명에서 사용되는 재료를 살펴본다.

섬광셀과 광섬유를 위한 재료로는 폴리스티렌(PS)과 형광첨가제를 사용한다.

상기에서 섬광셀을 위한 형광첨가제는 일차 형광첨가제와 이차 형광첨가제로 구분되는데, 일차 형광첨가제는 파라 테르페닐(PT)나 2,5-디페닐옥사졸(PPO)를 사용한다. 그리고 이차 형광첨가제, 즉 파장 전이제는 POPOP나, 4-비스(2-메틸스티릴) benzene(4-bis(2-Methylstyryl) 벤젠)(bis-MSB)를 사용한다.

그리고 광섬유를 위한 형광첨가제는 K27을 사용하거나 미국 National Diagnostics 제품인 BBQ(7H-benzimidazo[2,1 -a]benz[de]isoquinoline-7-one)와 BASF사의 Lumogen을 사용하여, 검출기 활용 용도에 따라 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 보라의 색과 분홍색의 다른 색의 형광첨가제를 첨가하여 파장 영역 411nm - 613nm의 파장을 전부 이용하여, 기존의 광전자증배관(PMT)이나 실리콘-광전자증배기(SiPM: Silicon photomultipliers) 또는 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC: Multi Pixel Photon Counter)에도 사용할 수 있도록 한다.

그리고 상기한 광섬유의 클래딩으로 사용될 재료를 살펴보면, 광섬유의 1차 클래딩은 광섬유 코어로 PS를 사용할 경우에는 PMMA(Poly Methyl Metha Acrylate)를 사용하는데, 상기한 PMMA는 굴절률이 1.59이고 밀도는 1.19이다. 그리고 상기한 1차 클래딩 외주에 코팅되는 2차 클래딩은 PMMA보다 굴절률이 작은 어떠한 물질(예를 들면 PTFE, PEFE)도 사용할 수 있으며, 경우에 따라 2차 클래딩은 생략할 수도 있다.

한편, 광섬유 코어를 PMMA로 사용할 경우에는 클래딩으로 PTFE, PEFE 등 굴절률이 PMMA보다 작은 것을 사용한다.

그리고 섬광셀의 외측에 위치되는 반사막은 알루미늄이나 이산화티타늄(TiO₂)을 사용한다.

그리고 상기한 재료를 사용한 제조방법을 살펴본다.

우선, PS 알갱이를 60-90℃에서 4-8시간 동안 건조한다. 이후 건조된 PS에 형광첨가제를 넣어 10-30분간 혼합한다.

상기에서 혼합과정은 두 가지의 다른 방법으로 할 수 있다. 그 하나는 폴리 스티렌 알갱이와 형광첨가제를 미리 혼합하여 압출기의 호퍼에 투입하는 것이고, 다른 하나는 폴리스티렌과 형광첨가제를 복수개의 압출기 호퍼에 각각 주입하여 압출기의 실린더 안에서 혼합되도록 하는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 미리 혼합하는 방법을 사용하며, 이 경우 형광첨가제가 잘 고르게 분포되도록 혼합에 주의한다.

그리고 준비된 재료를 각각의 출구에 해당하는 호퍼에 투입하여 광섬유 코어와 클래딩, 섬광셀 및 반사막을 동시에 압출하여 광섬유 코어를 중심으로 하여 광섬유 코어, 클래딩(1차/2차), 섬광셀 및 반사막이 순차적으로 위치되도록 한다.

상기한 압출 단계를 통과한 섬광체는 사이징기를 거치면서 정확한 치수와 형상을 갖게 되는데, 압출기의 압출다이는 원하는 섬광체의 치수보다 다소 큰 치수를 갖도록 하고 사이징기에는 다수의 단계를 거쳐서 원하는 치수를 얻을 수 있도록 다수개의 사이징 다이가 구비된다.

그리고 원하는 치수로 형성된 섬광체는 냉각기를 통해서 냉각되고, 인취기를 통해서 인취된 섬광체는 커팅기에 의해서 원하는 사이즈로 절단된다.

이와 같이 형성된 섬광체는 정사각형, 육각형, 직사각형의 모양이 있으며, 내부로부터 도 5에 나타내는 바와 같이 광섬유 코어(172), 1/2차 클래딩(174)(175), 섬광셀(177), 반사막(179)으로 구성되며, 광섬유의 직경은 필요에 따라 결정한다.

도 1은 종래의 압출 방법에 의한 플라스틱 섬광체의 제조과정을 나타내는 도면

도 2는 본 발명에 따른 압출시스템을 나타내는 도면

도 3은 본 발명에 따른 압출기의 개략적인 구조를 나타내는 도면

도 4는 본 발명에 따른 압출다이의 구조를 나타내는 단면도

도 5는 본 발명에 따른 플라스틱 섬광체를 나타내는 단면도

Claims (5)

1. 폴리스티렌과 형광첨가제로 구성되어 입사한 입자를 빛으로 변환하기 위한 섬광셀과, 상기 섬광셀의 중심에 위치되며 섬광셀로부터 나오는 빛을 포집하여 외부로 전달하기 위한 광섬유로 구성되며, 상기 섬광셀과 광섬유가 동시에 압출되어 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 섬광셀의 외주에 반사막이 일체로 더 형성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기한 광섬유는 코어만으로 구성되거나 광섬유와 섬광셀 사이에 광섬유 코어보다 굴절율이 작은 클래딩 층이 더 일체로 형성된 것 중에서 택일되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체.
4. 폴리스티렌과 형광첨가제로 구성된 플라스틱 섬광셀 재료와 플라스틱 광섬유재료를 포함한 섬광체의 각 층별 재료가 각각 투입되는 다수의 호퍼와, 광섬유의 외주에 섬광셀이 동시에 형성되도록 다수의 출구를 갖는 압출다이와, 상기한 호퍼로 투입된 재료가 압출다이의 다수 출구 중 해당하는 출구로 배출되도록 각각의 호퍼와 압출다이의 출구를 연결하는 실린더 및, 상기한 실린더의 내측에 구비되어 호퍼로 투입된 재료를 배출하는 스크류를 포함하는 압출기를 사용하여,

   입사한 입자를 빛으로 변환하기 위한 섬광셀의 내부에 상기 섬광셀로부터 나오는 빛을 포집하여 외부로 전달하기 위한 광섬유가 위치되도록 광섬유와 섬광셀을 동시에 압출하는 압출단계와,

   상기한 압출단계를 통과한 섬광체가 사이징기를 거치면서 정확한 치수와 형상을 갖도록 하는 사이징단계와,

   상기한 사이징기를 통과한 압출물이 냉각기를 통해서 냉각되는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기한 섬광셀과 광섬유는 동일 내지 유사한 굴절율을 갖는 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 제조 방법.

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