항공우주산업기술동향 15권 2호 (2017) pp. 109~117
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기술동향
우주용 방사차폐 구조 국내 연구 동향
장태성*
1)
, 이주훈**
2)
3)
Domestic Study Trend of Radiation Shielding Structure
for Space
Jang, Tae Seong*, Rhee, Juhun**
ABSTRACT
The representative particle of the radiation, causing the malfunction of the electronic component
of the satellite in orbit, is a proton. To shield the electronic component from radiation/proton, the
CFRP/W/CFRP and polyethylene composite materials have been studied for the lightweight radiation
shielding structures compared with the aluminum alloy. This paper describes the shielding
effectiveness of the CFRP/W/CFRP and polyethylene composite structures for the equivalent proton
shielding effectiveness of the aluminum 150mil thick, and the considerable mass savings are
confirmed.
초 록
우주궤도 상의 위성 전자부품에 방사선 효과를 주는 대표 입자는 양성자이다. 방사선을 차폐
하기 위하여, 기존 위성의 전자장비 하우징에는 알루미늄 합금이 널리 사용되고 있으나, 위성의
경량화 요구가 증가하면서, 알루미늄 합금을 대체할 수 있는 경량 방사차폐 재료에 대한 연구가
수행되어 왔다. 대표적인 것이 CFRP 복합재와 텅스텐을 조합한 CFRP/W/CFRP와 폴리에틸렌 소
재로 구성된 방사차폐 구조물이다. 본 논문에서는 보수적 위성 설계에 적용하는 두께
150mil(=3.81mm) 알루미늄 합금의 양성자 차폐능을 설계의 기준으로, 이에 대응되는
CFRP/W/CFRP 및 폴리에틸렌 소재로 구성된 방사차폐 구조의 국내 연구 결과에 대하여 기술하
며, 알루미늄 합금에 비하여 상당한 경량 효과를 확인하였다.
Key Words : Radiation Shielding(방사차폐), Proton(양성자), Electronic Component(전자부품),
Satellite(인공위성), Aluminum(알루미늄), CFRP(탄소섬유 복합재료), W(텅스텐),
Polyethylene(폴리에틸렌)
* 장태성: 한국과학기술원, 인공위성연구센터
tsjang@satrec.kaist.ac.kr
** 이주훈(교신저자): 한국항공우주연구원, 위성연구본부, 위성사업개발팀
jrhee@kari.re.kr
110
장태성 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 109~117
1. 서 론
지자계(Earth Magnetic Field)에 붙잡힌 고에
너지 양성자 및 전자, 태양에너지입자 (SEP:
Solar Energetic Particles), 고 에너지 우주입자
(GCR: Galactic Cosmic Radiation)에 의한 방사
선으로부터 전자장비를 보호하기 위해, 방사차
폐 기능은 위성 시스템에 필수적이다. 앞의 보
완 설명으로, 총 방사선 효과에 영향을 주는 우
주입자는, 지구 자기장에 의해 잡혀 띠를 형성
하고 있는 방사선 띠 (Radiation Belt) 상의 양
성자 및 전자, 태양활동에 의해 비 주기적인 분
포를 하는 태양 양성자, 그리고, 태양계 외부로
부터 오는 우주선 (Cosmic Ray) 등으로 나눌
수 있다. 이중 양성자는 우주궤도 상의 위성 전
자부품에 방사선 효과를 주는 영향력 있는 대
표 입자이다.
현재까지 기존 위성 구조물 혹은 전자장비
하우징에는 알루미늄(AL: Aluminum) 합금이 널
리 사용되고 있으나, 위성 경량화 요구가 증가
하면서, 알루미늄(알루미늄 합금을 의미함)을
대체할 수 있는 경량 재료에 대한 관심이 증대
되고 있다. 이에 따라 우주 방사차폐에 있어서
도 경량 재료에 관한 다양한 연구가 수행되어
왔으며, 그중 대표적인 것이 고밀도 금속 박막
을 조합한 다물질 다층 방사차폐재 및 경량 탄
소섬유 복합재료이다. 고밀도 금속 박막을 조합
한 다물질 다층 방사차폐재로는 CFRP(Carbon
Fiber Reinforced Plastics)/W(Tungsten)/CFRP의
다물질 다층 방사차폐재가 위성 경량화를 위한
다기능 구조체에 적용된 바 있다[1-4]. 한편, 경
량
방사차폐재로서,
폴리에틸렌(PE:
Polyethyene, CH2) 소재가 많은 연구자의 관심
을 받고 있으며, 우주 구조물에 적용하기 위한
노력이 진행되고 있다[5-6].
본 논문에서는 보수적 위성 설계에 적용하는
두께 150mil(=3.81mm, 1mil: 0.001 of an Inch)
알루미늄의 양성자 차폐능을 설계의 기준으로
하였으며, 150mil 알루미늄에 대응되는 고밀도
금속 박막을 조합한 다물질 다층 방사차폐 구
조의 CFRP/W/CFRP 및 경량 탄소섬유 복합재
료의 폴리에틸렌으로 구성된 방사차폐 구조의
국내 연구 결과에 대하여 기술한다.
2. 양성자 빔 비정거리 분석
알루미늄 두께에 따른 양성자 빔의 비정거리
(Beam Path Length, 하전입자가 물질 속에서
그 운동에너지를 잃어버릴 때까지 진행하는 거
리)를 SRIM(The Stopping and Range of Ions in
Matter)[7] 코드를 적용하여 분석하였다.
그림 1. 알루미늄 내 빔 에너지 27.5MeV
양성자의 비정거리
<그림 1>은 알루미늄 매질 내에 입사된
27.5MeV (1eV: 1.60217646×10-19J, 전자 하나가
1 볼트의 전위를 거슬러 올라갈 때 드는 일) 양
성자 빔의 비정거리에 대한 분석 결과이며, <표
1>은 알루미늄 두께에 따른 투과된 이온의 비
율을 나타낸 것이다. 즉, 27.5MeV 에너지의 양
성자 빔 1,000개를 입사각 0°로 알루미늄에 조
장태성 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 109~117
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사(Irradiation)하였을 때, SRIM을 이용하여 양성
자 빔의 비정거리를 계산하였다. 27.5MeV 양성
자 빔을 완전히 차폐하기 위해서는 3.9mm 두께
의 알루미늄 매질이 요구됨을 알 수 있다. 본
논문의 알루미늄 3.81mm 두께가 차폐할 수 있
는 양성자 에너지는 27.5MeV보다는 작음을 알
수 있으며, 역으로, 알루미늄 3.81mm 두께에
대하여 양성자 빔의 입사 에너지량을 변화해
가면서 양성자 비정거리를 분석하였다.
Thickness
Transmitted ions
(%)
3.80mm
7.40%
3.81mm
4.90%
3.82mm
4.00%
3.83mm
3.20%
3.84mm
1.60%
3.85mm
1.10%
3.86mm
0.90%
3.87mm
0.10%
3.88mm
0.10%
3.89mm
0.10%
3.90mm
0%
표 1. 알루미늄 내 빔 에너지
27.5MeV 양성자의 투과 이온 비율
(a) 양성자빔 에너지 27.2MeV
(b) 양성자빔 에너지 27.3MeV
(c) 양성자빔 에너지 27.4MeV
그림 2. 알루미늄 내 빔 에너지
27.2/27.3/27.4MeV 양성자의 비정거리
<그림 2>는 일정한 두께의 알루미늄 3.81mm
매질에 대한 양성자 빔의 투과 궤적을 나타낸
다. <표 2>는 빔 에너지 변화에 따른 양성자 빔
의 투과 이온 비율을 제시한 것으로, 두께
3.81mm의 알루미늄 매질이 차폐할 수 있는 양
성자 빔의 에너지는 27.2MeV에 해당함을 알 수
있다.
Beam Energy
(MeV)
Transmitted Ions (%)
27.2MeV
0.00%
27.3MeV
0.70%
27.4MeV
1.90%
표 2. 알루미늄 내 빔 에너지 27.2/
27.3/27.4MeV 양성자의 투과 이온 비율
추가적으로 다양한 재료에 대한 양성자 비정
거리를 분석한 결과를 <표 3>에 제시하였다[8].
에너지 27.2MeV의 양성자 빔이 입사하였을 때
의 비정거리를 분석하고, 비중과 비정거리의 곱
을 통하여, 동일 에너지의 양성자 빔을 차폐하
는데 소요되는 단위면적당 무게의 비를 살펴보
았다. 이 결과에 따르면, CFRP 재료는 경량 방
사차폐에 상당히 효과적임을 알 수 있으며, 텅
스텐(Tungsten, W)이 얇은 두께(0.1mm)로 삽입
된 다물질 다층 재료의 경우에도 알루미늄 대
비 경량화 효과가 확인된다. CFRP 재료 내에
텅스텐을 삽입한 경우 텅스텐의 높은 비중으로
인하여 CFRP 대비 경량화 효과가 감소함도 알
112
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수 있다. 그러나, 텅스텐과 같은 밀도가 높은
금속은 여전히 고에너지 방사에 대한 정지 효
과가 우수한 것으로 알려져 있으며, 본 논문에
서는 텅스텐을 다층 재료에 적용하는 것을 고
려한다. 폴리에틸렌의 경우 경량 방사차폐재로
매우 유용할 것으로 파악되었으며, 경량 방사차
폐 구조물의 대안이 될 수 있을 것으로 판단된
다. 단, 폴리에틸렌의 열전달계수는 피치계열
CFRP에 비해 상대적으로 낮기 때문에 방사차
폐와 함께 열전달이 함께 요구되는 응용에는
단점으로 지적된다.
3. CFRP/W/CFRP 방사차폐 구조
다물질 다층으로 제작되는 방사차폐 구조물
내 삽입되는 텅스텐의 경우, 물질의 밀도가 크
기 때문에, 경량화를 위해서는 방사환경에 민감
한 전자소자 영역에만 텅스텐을 삽입하여 적용
하는 것이 유리하다. 즉 텅스텐 박막을 국부영
역에만 적용하는 국부차폐 (Spot Shielding) 기
법을 적용하는 것이다. 일반적으로 전자회로의
경우에도, 프로세서, 메모리 및 집적소자 등 방
사능에 민감한 소자에 대해서만 방사차폐 특성
을 높이는 것이 경량화에 효과적이므로, 앞서
설명한 바와 같이 민감 소자 장착 영역에만 국
부차폐를 적용하는 접근 방법을 추천한다.
본 논문에서 설계된 방사차폐 구조물의 방사
차폐능은, 알루미늄 150mil(=3.81mm) 두께가 지
닐 수 있는 양성자 차폐능과 등가하도록 설계
한다. SRIM 코드 해석을 수행한 결과로는, 알루
미늄 3.81mm 두께의 알루미늄은 약 27.2MeV의
양성자를 차폐할 수 있으나, 본 논문에서 제작
된 CFRP/W/CFRP 방사차폐 구조물은, 뒤에 기
술될, 양성자 조사시험에서 구현이 용이한 양성
자 빔 에너지 수준을 고려하여, 27.5MeV의 양
성자를 차폐할 수 있도록 한다. CFRP는 피치
(Pitch)계열 프리프레그(Prepreg)인 Tencate 사
의 YS95A/RS36가 적용된다. SRIM 코드를 이용
하여 CFRP/W/CFRP 다물질 다층 구성물에 대
한 양성자 비정거리를 계산하고 이를 <그림 3>
Material
Density(ρ)
g/cm3
Stopping Distance
d(mm)
ρ×d
Weight %
over AL
Aluminum
2.698
3.81
10.28
100.0%
CFRP
1.717
4.76
8.17
79.5%
Polyethylene
0.93
7.48
6.96
67.7%
CFRP
1.717
2
3.43
W(0.2mm)
19.292
0.2
3.86
CFRP
1.717
1.68
2.89
Sum
10.18
99.0%
CFRP
1.717
2.2
3.78
W(0.1mm)
19.292
0.1
1.93
CFRP
1.717
2.01
3.45
Sum
9.16
89.1%
표 3 다양한 재료에 대한 양성자 빔(27.2MeV)의 비정거리 비교
장태성 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 109~117
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에
제시하였다.
CFRP(2.2mm)/
W(0.1mm)/CFRP(2.2mm)의 총 4.5mm 두께의 방
사차폐 구조물의 적층 구성에 대하여, 27.5MeV
의 양성자를 입사하였을 때, 양성자의 비정이
발생하는 것으로 분석된다. <그림 3>의 해석 결
과에 따르면, 입사된 27.5MeV의 양성자 빔은,
얇은 텅스텐 층을 통과하면서 높은 이온화 에
너지를 발생시키며, 4.5mm 근방에서 양성자 빔
이 모두 비정됨을 알 수 있다.
그림 3. CFRP/W/CFRP 내 양성자빔의
궤적 및 이온화 에너지
이
결과를
바탕으로,
다물질
다층
(CFRP/W/CFRP) 방사차폐 구조물 제작을 위한
물질 적층 구성도를 <그림 4>에 나타내었다. 실
제 제작을 위해 설계된 총 4.64mm 두께의
CFRP/W(0.1mm)/CFRP
방사차폐
구조물은
27.5MeV 양성자 빔에 대하여 약간의 방사차폐
여유를 가질 수 있음을 의미한다.
Layer
Material
Plies
#
Stacking Sequence
①
YS95A/
RS36
40
[0/90/90/0]10
②
YS95A/
RS36
2
[90/0]
③
YS95A/
RS36
22
{ [0/90/90/0]5/
0/90 }
그림 4. 다물질 다층 방사차폐 구조의 물질 적층
구성도
그림 5. 텅스텐 박막 처리 및
프리프레그 적층 과정
114
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<그림 5> 및 <그림 6>은 방사차폐 구조물의
제작 과정을 나타낸 것이며, 복합재 경화 공정
은 진공백 성형(Vacuum Bag Molding)을 적용하
였다. 제작된 방사차폐 구조물을 설계된 치수에
따라 기계 가공을 수행한 후, 텅스텐이 삽입된
국부차폐 영역을 설계 치수에 따라 표시하고,
이리듐 동위원소를 이용한 비파괴검사를 통하
여 텅스텐의 삽입 상태를 검사하였다<그림 7>.
텅스텐의 삽입 상태는 매우 양호하고, 설계된
치수에 맞게 정렬 배치됨을 확인하였다.
그림 6. 방사차폐 구조물의 진공백성형 경화 및
탈형
그림 7. 방사차폐 구조물의 비파괴검사
제작된 CFRP/W/CFRP 방사차폐 구조물의 무
게는 150 ~ 152g 정도이며, 동일한 두께의 알루
미늄 구조물의 무게는 226g로, 상당한 경량화를
달성함을 알 수 있다. 이는 방사차폐 전체 영역
에 대해 불필요하게 텅스텐 박막을 적용하지
않고, 국부차폐 방식으로 차폐가 필요한 곳에만
텅스텐을 적용함으로 인하여, 밀도가 상대적으
로 큰 텅스텐의 사용을 최대한 억제했기 때문
이다.
4. 폴리에틸렌 방사차폐 구조
일반적으로 수소 원자는 방사선을 잘 흡수하
고 분산하는데 좋은 특성을 갖고 있음이 알려
져 있고, 특히 폴리에틸렌은 수소 밀도가 높아
방사차폐 재료로 상당한 주목을 받고 있다. 아
울러 폴리에틸렌 복합재료 제조 공정의 발전으
로 폴리에틸렌 소재를 이용한 구조물의 제작이
용이해짐으로써, 우주분야로의 활용성이 증가하
고 있다.
SRIM 코드를 이용하여 폴리에틸렌 소재에 대
한 27.5MeV 양성자 빔의 비정거리를 분석하고
그 결과를 <그림 8> 및 <표 4>에 제시하였다.
분석된 결과에 의하면, 두께 7.85mm의 폴리에
틸렌은 27.5MeV의 양성자를 차폐할 수 있으며,
이는 알루미늄 150mil(=3.81mm)의 양성자 차폐
능에 상응한다.
그림 8. 폴리에틸렌 내 빔 에너지 27.5MeV
양성자의 비정거리
섬유(Fiber)와 기지(Matrix)가 모두 폴리에틸
렌 재료로 구성된 하니웰(Honeywell) 사의
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SR(Spectra)1214를 적용대상으로 선정하였다.
[0°/90°/0°/90°]의 4플라이가 하나의 적층
롤(Roll)이 되어, 적층 및 고온 성형에 의해 구
조물을 제작하였다. 가로, 세로 10×10cm의 크
기로, 두께가 0.5mm ~ 8.0mm가 되도록
[0/90/0/90]n 형태로 SR1214 폴리에틸렌 복합재
료 프리프레그를 적층한 후, 온도 127℃, 압력
300psi 조건에서 고온 프레스에 의해 고온 경화
하여 시편으로 제작하였다. 제작된 다수의 폴리
에틸렌 시편의 예를 <그림 9>에 제시하였다.
Thickness
Transmitted Ions
7.50mm
45.0%
7.60mm
14.1%
7.70mm
1.5%
7.80mm
0.1%
7.85mm
0.0%
7.90mm
0.0%
8.00mm
0.0%
표 4. 폴리에틸렌 내 빔 에너지 27.5MeV
양성자의 투과 이온 비율
그림 9. 폴리에틸렌 소재로 제작된 경량
방사차폐 구조물
SR1214를 이용하여 제작된 시편에 대한 무게
측정을 통하여 실제 제작된 시편의 밀도는 약
0.9~0.93으로 측정되었으며, <표 3>에 의하여
CFRP 혹은 알루미늄에 비하여 상대적으로 우
수한 경량 특성을 나타냄을 확인하였다.
5. 양성자 조사시험
양성자가 물질을 통과할 때 발생된 이온화
에너지를 이온 챔버(Ion Chamber)를 통하여 측
정하고, 측정값으로부터 양성자의 비정 유무를
판단하는 실험방법을 사용하였다. <그림 10>은
양성자 조사시험의 전체적인 구성도를 나타낸
다. 시험에 적용된 양성자 빔 조사 시설은 원자
력의학원의 MC-50 사이클로트론(Cyclotron)을
활용하였으며, 사이클로트론에서 발생되는 양성
자빔의 에너지는 45MeV로 설정되었다.
그림 10. 방사차폐 성능검증 시험 구성도
사이클로트론에서 생성된 45MeV의 양성자
빔은, 두께 2mm의 알루미늄 윈도우, 50cm의
공기층, 알루미늄 Degrader 및 50cm의 공기층
을 통과하면서 순차적으로 빔의 에너지가 감소
하게 된다. 알루미늄 Degrader는, 그 두께를 조
절함에 의해 최종적으로 시험 시편에 도달하는
양성자 빔의 에너지를 조정하는 기능을 수행한
다. 27.5MeV의 양성자 빔이 시험시편에 입사되
는 조건을 만들기 위하여, SRIM 코드를 이용하
여 해석에 의해 알루미늄 Degrader의 두께에
따른 시험 시편에 입사되는 양성자 빔의 에너
지를 분석하였다<표 5>. 알루미늄 Degrader의
두께가 2.7mm일 때, 시험 시편에 입사하는 양
성자빔의 에너지가 약 27.5MeV에 해당함을 알
수 있다.
시험 시편을 설치하고, 사이클로트론 시험조
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건은, Beam current 5nA, Irradiation Time
20sec으로 설정하였다.
Degrader 두께(mm)
Energy(MeV)@Target
3.1
25.8261
3.0
26.2499
2.9
26.6952
2.8
27.0593
2.7
27.5108
2.6
27.8973
2.5
28.3504
2.4
28.7468
2.3
29.1175
2.2
29.5187
2.1
29.9577
2.0
30.3074
1.9
30.7037
1.8
31.0595
1.7
31.4618
표 5. Degrader 두께에 따라, 시험 시편에
입사되는 양성자 빔의 에너지
Energy
(MeV)
@Target
Ion Chamber Reading
(Unit: nC)
조사 전
조사 후
25.8261
0.008
0.002
26.2499
0.010
0.004
26.6952
0.002
0.015
27.0593
0.007
0.019
27.5108
0.009
0.000
28.3504
0.016
0.011
28.7468
0.004
0.041
29.1175
0.006
0.513
29.5187
0.002
8.108
29.9577
0.011
44.798
30.3074
0.006
126.915
30.7037
0.016
240.670
31.0595
0.006
250.830
31.4618
0.019
213.790
표 6. 양성자 빔의 에너지 변화에 따른
이온화 에너지 측정값
일반적으로 양성자 빔이 비정되면서 이온화
에너지의 값은 증가하며, 완전히 비정되면 이온
화 에너지는 검출되지 않는다. 이온 챔버 측정
값은 미소한 변동의 폭을 갖는데, 편의상 측정
값이 0.1nC 보다 작은 값으로 관측될 때를 양
성자
빔이
비정된
것으로
판단하였다.
CFRP/W/CFRP 방사차폐 구조물은 약 28.7MeV
의 양성자 빔을 차폐할 수 있음을 알 수 있으
며<표 6>, 폴리에틸렌 소재를 활용할 방사차폐
구조물은 약 7.8mm의 두께가 요구됨을 확인하
였다<표 7>.
PE 두께
(mm)
Ion Chamber Reading(unit: nC)
조사 전
조사 후
1.0
0.006
62.488
2.1
0.008
64.733
3.1
0.006
63.636
4.1
0.000
77.836
4.9
0.005
85.615
5.9
0.009
129.362
6.4
0.020
152.949
6.9
-0.014
201.870
7.0
-0.009
203.934
7.5
0.019
17.383
8.0
0.012
0.024
표 7. 폴리에틸렌 시편 두께에 따른 이온화 에너지
측정값 (양성자 빔: 27.5MeV)
6. 결론
알루미늄 150mil(=3.81mm)가 차폐 가능한 양
성자의 에너지는 해석 결과에 의해 27.2MeV이
다. 총 4.64mm 두께의 CFRP/W(0.1mm)/CFRP
방사차폐 구조물은
28.7MeV 양성자 빔을 차폐
할 수 있으며
, 폴리에틸렌 소재의 7.8mm 두께
는
27.5Mev의 양성자 빔을 차폐할 수 있음을
알 수 있었다
. 앞의 3 및 4절에 의하여
CFRP/W(국부차폐)/CFRP 및 폴리에틸렌 소재의
방사차폐 구조물은
알루미늄에 비하여 우수한
경량화
효과를
얻을
수
있었다.
단,
장태성 외 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 109~117
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CFRP/W/CFRP 방사차폐 구조물은 텅스텐을 방
사능에 민감함 국부 영역에만 사용하기를 추천
하며, 폴리에틸렌 소재의 방사차폐 구조물은 부
피가 커짐을 감안하여야 하며, 열전도 특성이
피치계열 CFRP에 비해서는 좋지 않으므로, 열
전달이 필요한 경우 부가적인 열전달 링크가
필요하다는 점이 고려되어야 한다. 그리고, 경
량화 효과와 더불어 경제성 효과도 검토해 볼
필요가 있다.
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