[지상강좌] 전자빔가속기의 산업적 응용

서론

전자빔을 이용한 기술은 그 자체가 청정기술이 라고 할 수 있다. 이는 전자빔가속기가 단순한 전 기에너지에 의해서 운전되기 때문이다. 또한 기술 적 측면에서도 청정기술과 관련된 분야가 많이 개 발되어 왔다. 전자빔을 이용한 물질의 개질반응은 주로 실온과 상압에서 이루어지기 때문에 기존의 열에너지가 필요치 않으며 공정도 대폭 간소화시 킬 수 있다. 한 예로 전자빔을 이용한 수지경화공 정은 기존의 열에너지에 의한 경화와는 달리 용제 를 전혀 사용치 않고 수지와 모노머로만으로 이루 어지며 자외선 경화에서 사용되는 개시제나 감광 제등의 첨가도 필요치 않기 때문에 기존의 수지경 화에서 제기되는 휘발성 유기화합물의 배출이 전 혀 없는 청정공정이라고 할 수 있다.

전자빔가속기의 개발은 매우 오래전부터 수행 되었다. 1905년에 Marcello Von Pirani가 티타늄 같은 내열성 물질을 녹이는데 전자빔을 성공적으 로 이용하였으나 실용화되지는 못했다. 1920년 중 반에 전자 광학적인 측면에서 동역학적 실험이 수 행되었고, 1930년 초에 진공공학 발전과 함께 전

자빔가속기 주요 구성 성분인 전자빔 발생기와 전 자빔 가이드를 다루는 방법이 알려졌다. 1950년경 Steiger Wald이 정밀가공으로 마이크로 범위의 드릴링과 머신닝에 집속전자빔이 기술적으로 가 능하다는 연구결과를 발표하였다. 항공공학과 핵 공학이 발달되면서 새로운 분야, 새로운 물질을 위한 기술적 장치가 요구되어 재래식 및 불안전한 기술 등이 정리되는 과정에서 자극을 받아 1950년 중반 기술적인 목적으로 전자빔이 사용되어졌다.

특히, 1952년 A. Charlesby에 의해 전자빔에 의한 폴리에틸렌의 가교기술이 발명되면서 가교반응의 공업화는 대단히 유망시 되었다. 1960년대 진공 변압기형, 절연 코아 변압기형 등 Cockraft형 가 속기가 개발되었고, 어느 가속기이든 빔 전류가 6~20mA로 되어 전자빔을 이용한 화학반응공업 이 발전되기 시작하였다. 1965~1975년은 전자빔 기술과 장비의 자동화가 이루어지면서 많은 분야 에 응용되기 시작하였는데, 특히 1972년 500~750 KV, 100mA 전원이 개발되면서 각종 플라스틱의 개질에 이용되었고, 1975년경에는 1MeV 이상에 서 50~100mA 출력장치로 보다 두꺼운 물질의

영남대학교 응용화학공학부 교수 [email protected]

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개질과 중합, 가교반응, 반도체, 수지 경화 등에 이 용될 수 있었다. 최근에는 3MeV 이상의 장치가 산 업에 이용되고 있다. 이러한 기술은 러시아, 미국, 영국, 독일, 프랑스, 일본 등에서 앞서 있으며, 다양 한 분야에서 수많은 기술 및 논문들이 발표되고 있 다. 국내에서는 이미 개발된 기술을 바탕으로 선진 외국의 기술을 도입하여 일부 생산에 활용하고 있 으나, 선진국에 비해 기술개발이 미미한 실정이다.

전자빔가속기의 구성

고전압 전자빔 가속기(high voltage electron beam accelerator)는 직류 고전압 발생회로를 이 용하여 직류 고전압을 발생시켜 수백에서 수천 kV의 고에너지 전자빔을 얻을 수 있도록 설계되

어 있다. 그 구성은 TV브라운과 매우 흡사하지만, 주된 차이는 TV브라운관의 경우는 전자를 가속 하는 전압이 수십 kV정도에 불과한 반면에 전자 빔가속기는 수백에서 수천 kV의 전압을 사용한 다. 또한 TV브라운관에서는 가속된 전자가 형광 면에 충돌하여 발광하여 영상을 만들지만, 전자빔 가속기에서는 광속도에 가깝게 가속된 전자들이 수십 ㎛의 박막을 통과하여 대기 중으로 방출되어 서 처리할 물체에 조사된다. 전자빔가속기의 주요 구성 기기는 다음과 같다.

(a) 직류고전압 발생장치 (b) 전자총 및 가속관 (c) 주사관 및 조사창 (d) 제어계부

[그림 1]은 본 실험실이 보유하고 있는 상업용

그림 1. 고전압 전자빔가속기.

1. Vessel 2. Primary winding 3. Disk magnet guide 4. Cylindrical magnet guide 5. Rectifying section 6. Accelerating tube 7. Injector control unit(ICU) 8. H.V. electrode

9. Injector 10. LED-PH Channel 11. Receiver

12. Section voltage divider 13. Capacitance unit 14. Energy divider 15. Vacuum gate DU-60 16. Primary winding terminals 17. HF scanning coil 18. LH scanning coil 19. Extraction device 20. Lower frame

21. Magnet discharge pumps 22. Cross-head

23. Bellows gate 24. Focusing lens

25. Base of high voltage electrode

고전압 전자빔 가속기의 장치도이다. 고전압 정류 기는 고전압 정류기, 전자빔 분사기를 가진 가속 관, 분사기의 필라멘트 전압을 조정하는 제어회로 및 전자빔 추출 시스템 등과 같은 여러 구성성분 들과 연결되어 있다. 고전압 정류기는 전자빔을 발생하고 전자빔을 가속시키는 전위차 전기장을 발생시키도록 설계되어 있다. 가속관은 고에너지 전자빔을 발생시키고 가속시키는 조건을 제공하 고 내부는 전자빔의 손실을 최대로 줄이기 위해서 5×10

mmHg이하의 진공이 유지되도록 한다. 또 한 가속관은 원판 전극들이 사이에 장착된 세라믹 링들을 서로 접착시킨 긴 관으로 되어 있으며, 하 부는 진공시스템에 연결된다. 전자분사기는 음극 과 양극기능을 하는 가속관의 1차 전극으로 구성 되어 있고, 음극의 구성은 LaB

재질로 된 10mm

직경의 타블렛 형태의 음극, 텅스텐필라멘트 형태 의 가열기, 평면형 준 음극으로 되어있다. 빔추출 장치의 기능은 가속된 전자의 형성 및 통과와 조사 창을 통해서 대기 중으로 전자빔을 추출하는 것이 다. 그 구성요소는 가속된 전자들을 집속시키는 자 기렌즈, 진공게이트, LF(low frequency)와 HF (high frequency) 스캐닝코일 및 추출장치로 구성 된 diffraction device 등이 있다. Diffraction system 의 원리는 2개의 전자석(HF와 LF스캐닝)이 빔을 상호 직각방향으로 조사창의 호일 상에 스캐닝한 다. 제어시스템의 기능으로는 가속기 스위치의 개·폐, 운전방식과 운전상태유지, 운전 중 가속기 시스템의 상태를 진단, 화면상에 시스템의 주요변 수 및 상태표시, 제어프로그램의 수정 및 개선 등이 있다.

표 1. 전자빔가속기를 사용한 응용

타이어 및 고무장갑의 내마모성 향상, 발포 플라스틱 제조, 열수축 튜브제조, 전선 피복재의 Polymer 전기절연 및 내열특성 향상, 섬유 개질(흡수성, 보온성, 염색성, 대전 방지성, 내염성, 항균성 등

향상), 테프론 분해

배기가스 및 쓰레기 소각장에서의 NOx, SOx, C-aromatic compound 제거, 폐수 및 슬러지 처리, 환경 토양속의 농약 및 독성 제거, 염색폐수 처리, 수용액중의 중금속 제거, 계면활성제 폐수 처리,

대형 냉각탑의 정수

과일, 채소의 살균/살충(해충, 살모넬라균, O-157 등 제거), 곡물 살충 및 수입 농산물의 검역, 식품 및 의료기기의 위생용품, 유아용품 소독, 인공장기 멸균 및 살균처리, 일회용주사기, 장갑, 혈액용 PET병의

살균 멸균, 수술도구, 이화학기기소독, 수혈기구, 혈액병, 인공관절 소독, 의약품 원료 멸균, 목재의 살 충 및 곰팡이 제거, 식품의 저장성 증가, 곡류의 발아 억제

전력반도체 스위칭 특성 개선, 차세대 반도체(SiC), PTD(photonuclear transmutation doping), 반도체 분야 영상소자의 해상도 증가, X-ray, IR 검출기 제조, Amorphization of Silicone(TFT, 태양전지, image

scanner 등에 이용), Lithography(기존UV lithography로의 집적도 한계극복)

신소재 개발 고기능성 SiC제조, 고기능 플라스틱 제조, 첨단 항공기 Body 재료, 탄소 복합체 제조 금속의 표면 강화 금속 표면강도 및 내부식성 향상, 미사일/우주왕복선의 연료탱크 제조

화학물질 제조 및 Organic Radical 제조(물질합성, self-assembling polymer 등에 이용), Solid solvent 제조(전자재료, 물질의 화학적 처리 센서, bio-material 등에 이용), 염료의 탈색 등

자원 재활용 활성탄 재생(흡착성능 90%이상 복원), 폐고무, 폐타이어 재생, 테프론 재생

수지경화 도료 및 도장의 경화제 不사용, 인쇄(인쇄 후 건조공정 불필요), 목재 및 펄프 표면처리, 접착제의 접착력 향상

Fields Improvement

전자빔가속기의 산업적 응용

전자빔가속기의 응용분야는 [표 1]과 같이 여 러 분야에 대해서 적용될 수 있다. 이 중에서 관련 기술의 실용화 단계를 [표 2]에 나타내었다. [표 2]에서 보듯이 국내에서 전자빔과 관련된 기슬 중 에서 상용화된 기술은 난연성 전선제조, 열 수축 튜브, 타이어 및 고무 경화 등과 같이 고분자분야 에 국한된 반면, 외국에서는 인조가죽, 곡물의 살 충, 식료품 및 의료품의 멸균처리, 반도체 분야, 원 자력 분야 등에서도 이미 상용화되고 있다. 특히, 배기가스(SOx, NOx, VOCs)의 정화, 폐수슬러

지 처리, 폐수 중 중금속 제거, NTD 웨이퍼 제작 및 원자력 분야의 일부 관련기술에서 이미 실용화 초기단계에 있다. 앞에서도 언급했듯이 전자빔가 속기와 관련된 분야는 청정기술이라고 할 수 있다.

특히, 기존의 고분자 개질은 열에너지원으로서 화 석연료를 사용하여 고온고압의 수증기를 만들어 사용하고 있기 때문에 대기오염이 심각하고 작업 환경도 매우 열악하다. 화학적 처리와는 달리 가 속된 전자에 의한 식품의 살균 및 멸균처리는 전 혀 화학약품의 첨가가 없기 때문에 인체에 유해하 지 않고 청정 작업환경을 제시할 수 있다. 배기가 표 2. 국내외 전자빔가속기의 이용현황 비교

난연성 전선 제조 ● ●

고분자/화학/ 열수축 튜브 제조

0.3~2 ● ●

섬유분야 인조가죽 ○ ●

타이어, 고무경화 ● ●

배기가스정화(SOx, NOx, VOCs) □ ○

환경분야 폐수처리(염색, 화학, 침출수 등)

1~10 □ ○

폐수 슬러지 처리 △ ○

폐수 중 중금속 제거 △ ○

곡물 살충 △ ●

식료품 멸균처리 □ ●

의료/식품분야 의료용품 멸균처리 1~10 □ ●

종자의 발아억제 □ ●

화훼의 살충 및 생육 억제 △ ○

반도체 분야 전력반도체 스위칭 특성 개선

2~10 □ ●

NTD 웨이퍼 제작 △ ○

핵자료 생산 △ ●

원자로 재료 방사선 손상 연구 △ ●

내 방사선 센서 개발 △ ○

원자력 연구개발 사용 후 핵연료 특성변화 조사 1~30 △ ○

자유전자레이저 개발 □ ○

저 에너지 양전자빔 발생 △ ○

X-ray 및 Y-ray 발생 △ ○

● : 상용화/실용화 단계 ○ : 실용화 초기단계 □ : 연구개발 단계 △ : NO activity

*원자력연구소.

이용분야 대상 에너지 활용 현황

(MeV) 국내 선진국

스 정화시 기존의 석회석 공정은 고형폐기물을 배 출하여 매립과정에서 환경오염을 유발할 수 있지 만 전자빔 공정은 비료원료로 사용할 수 있는 고 형물을 부산물로 생산하고 SOx 및 NOx의 동시 제거가 가능한 특징을 나타낸다.

전자빔가속기를 이용한 응용 연구는 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 전자빔가속기는 상업용 및 연구용으로 미국, 일본, 러시아, 캐나다 등에서 약 1,500기가 가동되고 이다. 미국은 전 세 계 보유대수의 절반이 넘는 약 800여기의 전자빔 가속기를 연구용 및 산업용으로 사용하고 있다.

반면에 한국은 약 20여기의 전자빔 가속기를 보유 하고 있는 것으로 파악되는데, 이 중에서 연구용 으로는 4, 5기가 있으며 나머지는 산업용으로 대 한전선, LG전선, 금호타이어, 한국타이어, 한국 KDK 등의 일부 기업에서 생산현장에 적용하여 사용되고 있다.

전 세계적으로 전자빔가속기의 응용분야는 식 품 및 의료기구 살균, 반도체제조, 고분자재료 특 성개선(전선, 타이어, 열수축튜브 제조 등), 신소 재 개발, 폐수 및 토양오염 제거 등 광범위하게 사 용되고 있다. 중국은 국가적 차원에서 전자빔가속 기 관련 기술개발에 집중적 지원을 하고 있으며, 최근에 배연가스의 정화(SOx 및

NOx 동시제거)에 전자빔 가속기 를 적용하여 실용화 단계에 있다.

또한 중국의 운환전자가속기연구소 에서는 10MeV급 전자빔 조사설비 를 설치하여 곡물 살충 및 발아 억 제, 식품 저장, 위생용품 살균, 의약 품 및 의료용구 살균, 전력반도체 생산 등에 전자빔가속기를 사용하 고 있다.

1) 전자빔을 이용한 수지경화 기술

전자빔을 이용한 수지경화 기술은 현재 많은 분 야에서 이용되고 있으며 새로운 응용분야가 다양 하게 개발되고 있다. 이는 기존의 열을 이용한 경 화공정에 비해 경화속도가 훨씬 빠르고 긴 시간을 요하는 건조 공정이 필요치 않아서 대량 생산에 따른 원가절감을 가져올 수 있고, 용제를 전혀 사 용하지 않으므로 휘발성 유기화합물의 배출이 전 혀 없는 청정공정이기 때문이다. 경화 메카니즘이 유사한 자외선 경화는 박막의 수지코팅에만 이용 되고 광개시제(photoinitiator)와 감광제(photo- sensitizer)를 첨가해야만 경화가 가능하지만 전자 빔에 의한 수지 경화는 첨가제가 없어도 라디칼 반 응에 의한 매우 빠른 경화속도를 나타내고 빔 에너 지에 따라 수십 mm 두께의 수지코팅에도 이용될 수 있다. 특히 안료가 첨가한 불투명한 수지도 경화 될 수가 있고 높은 전자빔의 투과력에 의해서 물체 와 코팅의 접착성이 매우 우수하여 그 응용분야가 매우 광범위 하다. 또한 전자빔에 의한 수지경화는 금속이나 플라스틱 표면에 대한 접착성이 매우 우 수하여 스틸글라스, 마그네트 테이프 및 CD의 표면 코팅에도 이용되고 있다[그림 2].

자외선을 이용한 수지 코팅에 비하여 전자빔에

그림 2. 전자빔에 의한 수지코팅 제품. (A)스틸그라스, (B)플라스틱, (C)가

구, (D)PCB

의한 수지 코팅은 불투명 안료를 첨가하여도 높은 경화도를 나타낼 수 있고, 안료와의 접착성도 우 수한 장점을 가지고 있다. 이는 광속에 가깝게 가 속된 전자빔은 그 투과 깊이가 자외선에 비해 월 등히 깊고, 또한 불투명 안료에 전혀 영향을 받지 않기 때문이다. [그림 3]은 산화철계 안료를 에폭 시아크릴레이트계 올리고머에 첨가하여 질소분위 기 하에서 전자빔으로 경화시 매우 높은 경화도를 가짐을 나타낸 것이다(98% 이상).

[그림 4]는 파괴점에서 신장도(elongation)과 신장강도(stress)를 보여준다. 산화철계 안료의 신 장도 및 신장강도는 안료의 첨가량이 20%까지는

첨가량에 따라 증가하였다. 이와 같은 결과는 전 자빔은 산화철과 수지의 결합강도를 증대시키는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

2) 전자빔을 이용한 섬유상의 그래프팅 기술 전자빔을 이용한 그래프팅 기술은 기존의 화학 적 방법에 비해 비교적 공정이 간단하고 첨가제의 양 및 종류를 최소화할 수 있고, 또한 모노머와 섬 유간의 화학적 결합이 강하여 모노머의 그래프팅 으로부터 개질된 섬유의 특성이 장기간 유지 될 수 있다. 또한 고전압 전자빔가속기의 높은 투과 성으로부터 섬유 표면과 내부를 동시에 개질 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 전자빔의 높은 반응성과 투과성으로 말미암아 어떤 섬유에 대해서는 분해반응(사슬절단 등)에 의한 섬유의 기계적 특성의 감소와 같은 문제점이 발생되는데, 이는 최소 전자빔조사에너지에 의해 생성 라디칼 의 제어로부터 그래프팅율을 정밀하게 조절하여 극복할 수 있다. [그림 5]는 전자빔에 의해 그래 프팅 된 섬유를 2번의 세척과정을 거친 후의 견뢰 도 측정결과이다. 미반응된 모노머가 제거된 후에 는 모노머의 탈리가 전혀 없음을 알 수 있다.

3) 전자빔을 이용한 VOC 제거기술

휘발성 유기물질(Volatile Organic Compound：

그림 3. 산화철 안료의 첨가에 따른 수지 경화도의 영향.

그림 4. 산화철 안료의 첨가에 따른 전자빔에 의해 경 화된 수지의 파괴점에서의 신장도 및 신장강도의 영향.

그림 5. 전자빔에 의해 그래프팅된 섬유의 견뢰도.

VOC)은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되 고, 대기 중에서 질소산화물과 공존시 태양광의 작용을 받아 광화학반응을 일으켜 오존 및 PAN 등 광화학산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그 를 유발하는 물질을 총칭하는 것으로 유기용제나 석유화학 관련 산업에서 배출된다. 이것은 또한 지하수와 토양을 오염시키기도 한다. 이와 같은 VOC를 제거하는 기술로는 흡착방법이 널리 이용 되고 있으나 흡착포를 처리하기 위한 후 시설이 필요하다. 저농도의 VOC를 처리하기 위한 것으 로 연소방법이 있으나 많은 에너지를 필요로 하는 단점이 있고, 소요 에너지를 줄이기 위한 촉매연 소방법은 수백 ppm 정도의 VOC를 처리하기 위 해서 많은 에너지가 소모되며 여러 종류의 VOC 에 따라 선택적으로 작용하므로 다양한 성분의 VOC를 처리하기에는 한계가 있으며, 부산물에 대한 독성도 해결해야 할 문제이다. 전자빔을 이 용한 VOC 제거기술은 연소방법과 촉매연소방법 에 비해 소모 에너지가 월등히 낮은 에너지절약형 제거방법이다.

그 한 예로서 chloroethylene(CE)계 화합물 종 류에 따른 분해율을 [그림 6]에 나타냈다.

Perchloroethylene(PCE), Trichloroethylene(TCE), 1,1-Dichloroethylene(DCE)을 공기와 혼합하여 전자빔 흡수에너지량 변화(단위: kGy = kJ/kg) 에 따른 농도변화율을 비교한 결과이다. 전자빔 흡수에너지에 따른 CE의 분해율은 조사량이 낮을 경우 세 종류의 CE 모두 비슷하다. 그러나 전자빔 의 조사량이 증가하면 PCE와 TCE의 분해율은 비슷한 경향을 나타낸 반면, DCE의 분해율은 낮 게 나타난다. 따라서 전자빔에 의해 생성된 활성 산소(activated oxygen)에 의한 추출반응 (abstraction reaction) 또는 첨가반응(addition) 과 같은 이분자 분해반응(bimolecular dissociation reaction)에 의한 반응물의 분해가 이루어지기 때 문이라 할 수 있다.

맺음말

비록 전자빔가속기의 가격이 고가이지만 그 생 산성은 기존의 열에너지 및 자외선에 비해 월등히 높기 때문에 대량생산이 적용되는 분야에서는 기 존의 기술과 비교하여 경제성이 충분히 있다. 그 러나 아직 국내에서는 선진국에 비해서 전자빔을 이용한 응용분야가 극히 제한적이다. 이는 아직까 지 전자빔가속기를 상업적으로 생산할 수 있는 기 술이 아직까지 확보되지 못하고 있으며 가격 또한 고가이기 때문이다. 수지 경화 및 코팅분야에서는 전자빔을 이용한 기술의 적용이 전무한 상태이며, 단지 자외선을 이용한 기술이 일부 적용되고 있는 실정이다. 전자빔에 의한 고분자개질 공정은 고부 가의 고분자를 제조할 수 있고, 작업환경도 기존 의 공정에 비해 대폭 개선될 수 있기 때문에 유망 한 분야이다. 대기정화에 대한 적용기술도 선진국 에서는 실용화단계에 있는 반면에 국내에서는 초 기 연구단계에 머물고 있는 실정이어서 이 분야의 실용화 연구는 활발히 진행될 것으로 기대된다.

그림 6. 전자빔에 의한 chloroethylene계 VOC의 분해

율(초기 농도=2000ppm).