Win Tech - 방사선이용 보안검색기술(컨테이너검색기술)
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 하장호 책임연구원
한국원자력연구원 방사선기기연구부
방사선은 우주의 탄생과 함께 시작하였고, 불안정한 원소로부터 기인한다.
태양이 에너지를 만들어 지구에 생명이 살아가게 하는 원동력이기도 하며, 지구의 열에너지의 83%이상을 우라늄, 토륨 등에서 붕괴하는 에너지에서 얻는다. 병원에 가면 가장 길게 줄을 늘어서 있는 곳은 의사의 진료실보다는 엑스선을 촬영하는 곳이다.
우리 생활주변에 많이 활용되고 있지만 원자폭탄이라는 무서운 무기로 인류 앞에 등장한 사건으로 두려움의 대상으로 인식되고 있다.
방사선은 우리 몸에서도 탄소의 동위원소로부터 매초 2천개 이상이 방출되고 있어, 진화의 역사의 큰 역할은 한 장본인이다.
방사선은 높은 에너지를 가지는 입자의 상태이다. 특히 높은 에너지의 빛을 방사선이라 하며, 큰 투과력과 높은 에너지가 대표적인 특성이다. 방사선을 이용한 비파기검사기술은 뢴트켄이 100년 전 엑스선의 발견과 더불어 시작되었다.
특히, 컨테이너검색기술은 전자, 반도체, IT기술 등과 결합된 첨단 융합기술이다. 컨테이너검색기는 병원의 엑스선 촬영기술과 원리적으로 동일하지만, 병원에서 사용하는 엑스선보다 100배나 높은 에너지의 엑스선을 이용한다. 그림 1은 일반적인 컨테이너검색기의 구성도이다.
컨테이너검색기는 높은 에너지의 엑스선을 발생하는 전자가속기, 높은 엑스선을 받아들여 영상을 얻는 영상장치, 70톤의 컨테이너를 견인하는 이송장치, 수집된 영상을 처리하여 화물을 투시하는 영상소프트웨어, 방사선 차폐 건물로 구성되어 있다.
국내에서는 이송장치, 영상소프트웨어, 차폐건물은 가능하였지만 그동안 국내에서는 전자가속기와 영상장치의 핵심 기술이 개발되지 못하여 전량 수입에 의존하고 있던 분야였다.
지난 100년간 방사선을 이용한 비파괴 검사장치 분야에서는 높은 에너지를 발생시키는 전자가속기의 소형화와 정밀한 제어기술을 바탕으로 발전하였다.
또한 화물 컨테이너의 30㎝ 이상의 두께를 투과하고도 내부의 영상을 볼 수 있는 방사선 영상검출기의 기술이 반도체 기술과 디지털 기술을 바탕으로 발전하였다.
국내에서는 주로 관세청, 공항, 항만에서는 밀수나 위험물 검사 등에 활용하고 있다. 병원에서 인체를 열지 않고 엑스선이 인체내부를 보듯, 컨테이너를 개장하지 않고 수 분 이내에 내부 적재물을 투시한다.
동일한 기술로 미사일, 항공기 등 대형구조물을 투시하기도 한다. 방사선의 에너지를 암 등에 전달하여 암을 치료하는 방사선암치료 첨단장치가 앞으로 많이 활용될 전망이다.
특히, 컨테이너검색기는 한 대당 50억 원에서 100억원에 이르는 고가인 융합장치이다. 911테러이후 전 세계는 알카이다, IS, 탈레반 등 국가수준의 테러조직과 국경 없는 전쟁 중이다.
더욱이 미국에서는 대미 수출 컨테이너화물 100% 사전 검색 의무화를 규정한 ‘911테러대책 이행법률 제1701조’와 ‘Safe Port 법률’, 항공화물 100%검사 등의 법률의 발효가 예고되고 있으며, 세계적인 보안 수준의 상향조정이 요구될 전망으로 컨테이너검색기 시장은 확대일로에 있다.
밀수검사용 컨테이너검색기 장치 시장만도 2조 원 규모이며, 기술의 Spin-off 연계분야는 95조 원 이상의 방사선기기 시장이 형성되어 있다.
우리나라가 강한 기계, 정보통신, 영상, 반도체 기술을 접목하면 세계시장을 선점할 수 있는 신산업 분야이다. 냉전체제에서 ‘창’인 군수산업 중심의 세계시장이 이번에는 ‘방패’인 대테러 대응 장비시장으로 재편되고 있다.
한국원자력연구원에서는 미래부의 지원으로 2011년 부터 핵심원천기술을 개발하였으며, 2015년에 컨테이너검색기의 원형개발에 성공하였다.
원천기술 확보와 더불어 2015년부터 관세청과 함께 창조경제의 성공사례를 만들고자 공동으로 상용화를 진행 중에 있다.
그림 2는 국내기술로 개발된 핵심 기술이다. 기술개발에 있어 중요시 한 부분은 국산화율이다. 더욱이 초기 핵심 원천기술 개발과정에서 기존의 베리안, 뉴텍 등 동일 시장을 선점하고 있는 다국적 기업과의 경쟁을 염두에 두었다.
아무리 기술이 우수하더라도 가격경쟁력을 확보하지 못하면 잔인한 시장의 출혈경쟁에서 살아남을 수 없기에 90%이상의 핵심부품에 대한 국산 화율을 달성하였다.
특히 컨테이너검색기에 요구되는 9/6, 6/4, 5/3 MeV 등 1개의 전자가속기로 필요에 따라 다양한 에너지 조합 가능한 이중에너지 엑스선 발생 가속기를 집중 개발하였다.
2가지 에너지를 동시에 사용하면 내용물이 가벼운 유기물인지, 무거운 무기물인지를 구분할 수 있어 농산물, 금괴 등을 구분할 수 있다.
기존 외산 제품의 전자빔의 크기가 2㎜인데 비하여 2배 이상 정밀한 0.9㎜의 크기를 달성하여 1㎜이하의 고해상도의 방사선 영상이 가능하게 되었다.
투과력은 기존에는 300㎜ 두께의 철판을 뚫고 15㎜의 구리링을 구분할 수 있는데 비하여 6㎜의 구리링까지 세밀하게 식별할 수 있는 세계 최고 수준에 도달하였다. 고해상도의 달성은 전자빔의 크기가 획기적으로 개선되었기 때문이다.
개발된 기술을 바탕으로 적은 방사선량으로도 기존 도입되는 수준을 구현할 수 있는 안전성이 향상된 장치를 개발할 수 있다.
기술개발의 결과는 관세청에 도입하는 기준에 따라 검수 전문가의 인정을 받았으며, 검증된 기술력을 바탕으로 관세청의 현장에 사용할 목적으로 공동 개발을 진행 중이다.
조만간 우리 기술로 핵심 기술을 확보한 토종 컨테이너검색기가 설치되어 운영될 날도 머지않았다.
컨테이너검색기의 핵심 기술의 국산화는 다양한 장치로의 활용이 가능하다. 나날이 어려워지고 있는 IT, 자동차를 대체할 수 있는 차세대 주자로 의료헬스케어시장과 대테러 시장을 선점할 융합장치 기술개발을 전략적으로 준비하고 있다.
원천 기술을 확장할 수 있는 대표적인 분야는 암치료·진단 의료 분야와 비파괴검사·보안 분야이다.
그림 4처럼 한국원자력연구원에서는 치료시간을 획기적으로 단축할 수 있는 다중 로봇 방사선 암치료기와 노후 미사일에 대한 비파괴 검사장치도 개발 중이다.
헬스케어 시장에 진입할 다중 로봇 암치료기는 기존의 2차원의 암치료기인 토모치료기를 넘어 3차원의 암치료기이다.
특히, 다중의 방사선발생기를 협업하는 로봇시스템을 결합하여 치료시간을 획기적으로 단축할 수 있는 미래기술로 개발된 기술이 확장 중에 있다. 더욱이 치료와 더불어 치료의 정도를 모니터링할 수 있는 영상장치가 결합될 예정이다.
비파괴 보안검색장치는 현재 유기물 무기물만 4단계정도 구분할 수 있는 수준을 넘어서 비파괴 검사와 원소분석이 동시에 영상으로 만들 수 있는 장치기술을 개발할 예정이다. 그림 5는 개발될 신기술의 개념이다.
이 기술은 1개의 전자가속기에서 이중에너지 엑스선뿐 아니라 중성자를 미량 발생시켜 원소분석에 활용하는 기술로 기존의 중성자분석기술과 새로 개발되는 다중방사선 발생장치 기술을 결합하는 신기술이다.
특히, 기존의 한국원자력연구원의 연구용원자로를 이용하여 오랫동안 영상분석기술은 확보된 분야이다.
기존에는 엑스선과 중성자를 2개의 상이한 발생장치를 개별적으로 사용하지만, 개발될 기술은 1개의 발생장치로 2가지 상이한 방사선(엑스선, 중성자선)을 발생시키는 세계 최초의 기술을 연구개발 할 계획이다.
이미 국내외 특허를 확보하고 있으며, 기술구현과 더불어 차세대 보안검색, 비파괴 검사 장치산업에 다양한 포트폴리오를 확보하여 세계시장에 진입할 기술기반을 제공할 전망이다.