"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 14, No. 5, October 2020" A Study on Barium Mixed Radiation Shield using 3D Pr

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1 "J. Korean Soc. Radiol., Vol. 14, No. 5, October 2020" Heon-Hyo Gang, Dong-Hyun Kim * Department of Radiological Science, Collage of Health Sciences, Catholic University of Pusan Received: August 19, Revised: October 27, Accepted: October 31, 2020 ABSTRACT Instead of lead, we intend to develop shielding materials for morphological implementation by mixing barium sulfate, an eco-friendly substance, and PLA filament, a 3D printer material. The environmental substance, barium sulfate powder and PLA filament, a 3D printer material, were used, and the shielding was made with a 3D printer after being fused into an extruder to mix the powder powder of barium sulfate with PLA. To check the mixing ratio of barium sulfate powder and PLA filament, the mixing input was analyzed, and the absorption dose by thickness according to barium sulfate content was obtained to check the shielding function of the mixed shielding. In the evaluation of the mixture of sulfate barium powder particles and PLA filaments, it was mixed in the most appropriate proportion when the content was 30% in the apparent and electron microscopic observation photographs. In the absorption dose results by thickness according to barium sulfate content, the difference between the content of 0% and the content of each % was greatest at 0.5 cm in thickness and the lowest dose value at 3 cm in thickness when the barium content was 30%. In addition, as the barium content began to increase at 30%, the absorbed dose value increased again. Instead of conventional lead, barium sulfate, an eco-friendly substance, could be mixed with PLA, a filament material, to create morphological shielding. Based on this study, it is expected that the mixing ratio of barium to the mixture is the most appropriate 30%, and will be used as the basis for the implementation of morphological shielding using 3D printers in the diagnosis and treatment section. Keywords: Barium sulphate, PLA filament, 3D printer, mixed shielding Ⅰ. INTRODUCTION 현대의학에서주로사용되고있는의료방사선은방사선피폭에의한위해보다환자가얻을수있는이익이더크기때문에환자피폭에대한선량한도가적용되지않지만, 비록의료방사선이더라도과다피폭을받게되면여러가지장애가발생할수있다. 이에현재의료기관에서는가능한피폭선량을최소화하기위해환자와방사선종사자들의피폭을줄이기위한노력을마련하고있다. 의료방사선피폭의차폐를위해일반적으로납 (P b) 재질의차폐체로환자와방사선종사자들에게의료환경에서사용되고있다. 납은원자번호와밀도가높기때문에 X선을차단하고흡수할수있으 며환자나방사선종사자가방사선피폭으로부터보호받기위해방사선학분야에서널리사용되어지고있다. [1] 방사선차폐체로널리사용되고있는납 (Pb) 은경제적측면에서의료방사선차폐능과물질의가공성이우수하기에가장많이사용되어지고있는이유중에하나이다. 그러나납 (Pb) 은본질적으로독성을가지고있으며인류뿐만아니라환경에부정적인영향을미친다. 납에대한유해성은이미많이알려져있으며, 중금속으로분류되어관리되고있어작업성노출, 체내흡수등다양한면에서위험성을내포하고있다. [2] 이러한이유로의료용방사선차폐가환자및방사선종사자의방사선피폭에영향을미쳤다는사실은차폐에대한많은연구를촉발했다. [3] 이에납의중독성과경량화 * Corresponding Author: Dong-hyun Kim dhkim@cup.ac.kr Tel: Address: Catholic University of Pusan, Oryundae-ro 57, Hayang-Eup, Geumjeong-gu, Pusan, Rep.of Korea

2 의문제를해결하기위해바륨, 텅스텐, 몰리브덴, 안티몬, 흑연및비스무트와같은다양한물질로납을혼합하여방사선방호의차폐능력을향상하고무게를경량화하기연구등이보고되었다. [4] 그중황산바륨은자연계에널리분포하는물질이며무색, 무미, 무취로공기중에서도안정하며녹는점이 1600 인안정적인물질로서병원에서는조영제즉차폐체로서소화장기의검사시이용되는내복제로사용되고있다. 이러한황산바륨은우수한가공성과경제성을지니고있으며친환경물질이며차폐물질로대두되고있다. 현재임상에서사용되어지고있는황산바륨은분말가루로황산바륨이단일차폐체로써사용시형태학적인제한점이발생한다. 이러한제한점을극복하기위해최근 4 차혁명의대표인 3D 프린트를도입하여형태학적구조적문제점을해결할수있다. 이에본연구는기존의차폐물질인납을대신해친환경물질인황산바륨과형태학적구조의문제를해결하기위한 3 D 프린터의필라멘트재료를압축기로융합하여차폐체로서차폐효과를알아보고자필라멘트재료중일반적으로가장많이사용되는친환경물질인 PLA(Poly-Lactic-Acid) 필라멘트를사용하였으며황산바륨과 PLA의혼합입도를평가하고융합된바륨화합물의차폐효율을알아보고자한다. Ⅱ. MATERIAL AND METHODS 2. 실험장비 2.1 압출기 /3D printer 프린터용소재인 PLA와황산바륨의혼합을위해 Fig. 2. 와같이돌담테크사의필라멘트 Extruder를사용하였으며, 압출기로출력된혼합물의필라멘트의형태학적차폐체를만들기위해 3D printer인 Machine Parameters를사용하였다. (a) Fig. 2. Devices for fabrication of mixtured radiation shield. (a) Filament Extruder (b) 3D Printer (Machine Parameters). 2.2 측정장비 혼합차폐체의차폐능을평가하기위해일반영상촬영장비인 SIEMENS AXIOM Aristos MX 장비와혼합된차폐체의흡수선량을평가하기위하여흡수선량계를사용하였으며선량측정시주변의산란선을제거하기위해 Fig. 3과같이폐기된납 Apron을활용하여납박스를자체제작후선량을측정하였다. 자세한모형은 Fig. 3와같다. (b) 1. 실험재료 Fig.1와같이 FDM 방식의 3D 프린터에서사용되는필라멘트소재인펠렛형태의 PLA와파우더형태인황산바륨을사용하였다. (a) (b) Fig. 3. X-ray tube and radiation dosimeter. (a) SIEMENS AXIOM Aristos MX (b) TEST-O-METER (a) (b) Fig. 1. Materials for fabrication of mixtured radiation shield. (a) PLA pellets, (b) barium sulphate 3. 실험방법 3.1 필라멘트 (PLA)/ 황산바륨혼합차폐체제작 628

3 "J. Korean Soc. Radiol., Vol. 14, No. 5, October 2020" 1) 차폐체설계제작단계 PLA/ 황산바륨단일차폐체를만들기위해 3D 프린터로출력하기전단계로설계프로그램인 Cura 소프웨어를이용하여설계하였다. 차폐체의크기는가로 세로 두께를 cm와 6 6 1cm 두가지의종류를제작하였으며, PLA/ 황산바륨비율을 10%, 20%, 30% 로하며혼합비율당두께는 10%(0.5cm:2 개, 1cm:2개 ), 20%(0.5cm:2개, 1cm:2개 ), 30%(0.5cm: 2개, 1cm:2개 ) 총12개를제작하였다. MX장비를사용하였으며조건은 50 kvp, 2 mas로조사하였다. Fig. 5와같이각 % 당함유된비율로이루어진혼합차폐체의두께 0.5cm, 1cm 크기의차폐체를조합하여 0.5cm, 1cm, 1.5cm, 2cm, 2.5cm, 3cm의두께로만들고, 각 % 당두께별로총 5회조사한후평균을내어흡수선량을측정하였다. 조사야는 6cm*6cm의크기의혼합차폐체와동일하게맞추었으며주변의산란선을최소화하기위해납박스안에흡수선량계를넣고조사측정하였다. 2) 압출 / 공정단계 PLA와황산바륨의비율로조합하여 10%, 20%, 30%, 각각나누어압출기인필라멘트 extruder를이용하여혼합된필라멘트압출하고압출된필라멘트는 3D프린터인 Machine parameters를이용하여 Fig. 4와같이 10%, 20%, 30% 으로각각함유된두께 0.5cm, 1cm 사이즈의혼합된차폐체총 12개제작하였다. 모형은 Fig. 4와같다. (a) 10%(0.5cm) (b) 20%(0.5cm) (c) 30%(0.5cm) (d) 10%(1cm) (e) 20%(1cm) (f) 30%(1cm) (a) 6cm 6cm 0.5cm (b) 6cm 6cm 1cm Fig. 4. Barium mixture shield. 2) 필라멘트 (PLA)/ 황산바륨혼합입도테스트 PLA와황산바륨을계량하여레오코더에투입하여약 10분간혼합해토출후바로롤을이용하여시트형태를내렸다. 이후조성물의외관및황산바륨의분산정도를확인하였으며혼합조성비는혼합물에대한황산바륨의비율로 50%, 40%, 30% 로하기위하여 PLA와황산바륨을 100:100, 60:40, 70:30비율로혼합하였다. 이후전자현미경으로혼합입도를테스트를하였다. 3.2 혼합차폐체의차폐능평가제작된혼합물차폐체의차페능을측정하기위해일반영상촬영장비인 SIEMENS AXIOM Aristos Fig. 5. Barium mixed shield with 0.5cm and 1cm per each %. Ⅲ. RESULT 1. PLA + BaSO 4 혼합입도결과 1.1 PLA + BaSO 4 (0%) 황산바륨의혼합입도외관상과조성비를확인하기위해먼저 PLA 자체의입자구조를확인하기로하였다. 입자구조를확인하기위해전자현미경의한종류로집중적으로전자빔을주사하여표본의입자구조상을얻을수있는주사전자현미경 (SE M:Scanning Electron Microscope) 을사용하여관찰하였다. Fig. 6과같이필라멘트의형태의조성물을절단하여각배율 (SEM 50배, SEM 100배, SEM 25 0) 배 ) 로내부의입자구조를관찰하였다. 629

4 1.3 PLA + BaSO4(40%) 황산바륨의 비율을 40%의 중량비율로 혼합 시 Fig. 8과 같이 외관상 황산바륨의 입자가 고르게 분 포되어 있지 않고 주사전자현미경(SEM)으로 관찰 시 황산바륨의 입자가 한 곳으로 집중된 양상이 관 (a) 외관 (b) SEM 50배 찰되며 띠 모양으로 입자가 모여 있는 것을 관찰 할 수 있다. (c) SEM 100배 (d) SEM 250배 Fig. 6. PLA Scanning Electron Microscope Magnification Photo. (a) 외관(40%) (b) SEM 50배(40%) (c) SEM 100배(40%) (d) SEM 250배(40%) 1.2 PLA + BaSO4(30%) 30%의 황산바륨이 포함된 조성물의 외관과 바륨 의 분산정도를 확인한결과 Fig. 7와 같이 외관상으 로 PLA와 황산바륨의 입자들이 전체적으로 고르게 분포를 하였으며 주사전자현미경(SEM)의 각 배율 에 나와 있는 황산바륨의 입자는 기존의 자체 PLA 현미경사진과 비교해 볼 때 PLA의 조성물에 황산 바륨 입자들이 전체적으로 고르게 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. Fig % mixed particle size barium scanning microscope magnification photo. 1.4 PLA + BaSO4(50%) PLA와 황산바륨을 1:1 중량비율로 혼합 시 Fig. 9 와 같이 황산바륨의 입자는 PLA 필라멘트에 혼 합이 잘되지 않으며 입자는 뭉쳐서 고르게 분포되 지 못하고 있다. 이러한 분포로 인하여 혼합 후 압 출기로 출력 시 필라멘트에 황산바륨의 입자가 그 대로 묻어나와 3D프린터로 출력하기에 부적절하 다. 따라서 PLA 필라멘트와 황산바륨의 혼합 입도 (a) 외관(30%) (b) SEM 50배(30%) 테스트 결과 황산바륨의 중량비율을 30% 이하로 했을 때 혼합시 전체적으로 PLA 필라멘트에 황산 바륨의 입자가 고르게 분포되었다 (c) SEM 100배(30%) (d) SEM 250배(30%) Fig % mixed particle size barium scanning microscope magnification photo. 630 Fig % mixed granularity Barium mixture composition Exterior photograph.

5 "J. Korean Soc. Radiol., Vol. 14, No. 5, October 2020" 2. 선량평가 2.1 황산바륨각함유량에따른흡수선량평가 황산바륨을함유하지않은차폐체와 10% 에서 50% 까지의황산바륨을함유한차폐체의결과값을살펴보면 10% 인차폐체일경우바륨을함유하지않은차폐체보다각두께별로흡수선량값이전체적으로낮은선량값을가지는결과를나타났으며 0.5cm 두께에서흡수선량에대한차이가가장크게나타났다. 함유량이 20% 인차폐체의경우바륨을함유하지않은차폐체보다각두께별로선량값이전체적으로낮은선량값을나타냈으며 0.5cm두께에서흡수선량의차이가가장크게나타났다. 함유량이 30% 인차폐체의경우각두께별로흡수선량의값이전체적으로낮은선량값을가지며 3cm에서가장낮은흡수선량값을가지며 0.5cm 두께에서흡수선량의차이가크게나타났다. 함유량이 40% 인차폐체의경우전체적으로낮은선량값을가지나 40% 일경우함유량이 30% 일때보다두께별흡수선량값이전체적으로높은결과값을나타냈다. 또한 0.5cm의두께에서흡수선량차이가가장크게나타났다. 마지막으로함유량이 50% 인차폐체의경우각두께별로흡수선량값이전체적으로낮은선량값을가지나바륨함유량이 40% 와마찬가지로바륨함유량이 30% 일때보다두께별흡수선량값이전체적으로높은결과값을나타내었으며, 바륨함유량이 40% 일때보다높은흡수선량값을나타내었다. 0.5cm의두께에서흡수선량의차이가가장크게나타났다. Fig. 11. Thickness of each shield according to mixed grain size 20%. Fig. 12. Thickness of each shield according to mixed grain size 30%. Fig. 10. Thickness of each shield according to mixed grain size 10%. Fig. 13. Thickness of each shield according to mixed grain size 40%. 631

6 Fig. 14. Thickness of each shield according to mixed grain size 50%. Fig. 15. Absorbed dose value by thickness according to barium sulfate content. Ⅳ. DISCUSSION 현재의료분야에서는사용되고있는방사선차폐물질은납 (Pb) 기반의차폐체가대부분이다. 이러한납은차폐체로서무겁고본질적으로독성을가지고있으며, 중금속으로인한유해성은이미많이알려져있다. 결국인체에해로운납중독및경량화한계등의문제를해결하기위해친환경대체물질을개발하고자많은연구가이뤄지고있다. [5] 텅스텐, 비스무트및황산바륨은입증된차폐물질로서 X선보호를위해다양한분야에서사용된다. [6-8] 그중친환경물질인황산바륨은납만큼우수한가공성과경제성을지니고있으며, 관련연구분야에서도가장많이사용되는차폐물질로제시되고있다. [9,10] 또한황산바륨은방사능보호에널리사용되는환경친화적인차폐재료이다. [11] 선행연구에따르면납으로된앞치마 (Apron) 을대신해황산바륨을이용해방사선차폐시트로제작시제작시트의유연성을확보하기위해토르말린을실리콘폴 리머에첨가하여차폐율과시트의가공성을높일수있다고보고되며, 또한시멘트와바륨을혼합하여 X-선흡수율을높여차폐하는방법도제시하였다. 이에본연구에서는최근 3D 프린터를기반으로납대체차폐체로서의효과를분석하고자 PLA 와황산바륨을이용하여새로운차폐체를제작하고차폐능을평가하고자하였다. 3D 프린터의소재중친환경수지인 PLA(Poly lactic acid) 를이용하여황산바륨과혼합입도를평가하고혼합된차폐체의두께에따른흡수선량평가를통해차폐능을분석하였다. 그결과황산바륨의함유량에따른두께별흡수선량결과바륨을함유하지않은자체 PLA 차폐체와각 % 별로황산바륨을함유한차폐체비교시각두께별로두께가증가함따라전체적으로흡수선량값이낮아지는결과값을나타내었다. 특히함유량에따른각두께중 0.5 cm 두께에서흡수선량차이가가장크게나타났다. 또한황산바륨함유량이 30% 일때 3cm 두께에서 4.258μSv로가장낮은흡수선량값을나타내었다. 본연구에서황산바륨함유량에따라흡수선량평가시황산바륨함유량이증가할수록흡수선량값이낮아질거라예상했지만, 바륨함유량이 30% 를기점으로함유량이 40 50% 로증가시흡수선량값이높아지는결과를나타내었다. 이는혼합입도테스트결과와종합해볼때함유량이 30% 일경우황산바륨입자들의입자분포가 40% 와 50% 에비해단일면적당분산정도에서가장고르게분포되어지는점과일맥상통한결과이다. Ⅴ. CONCLUSION 기존의납차폐체를대신해친환경물질인황산바륨으로형태학적인차폐체를만들수있으며, 필라멘트인 PLA와황산바륨을혼합하여차폐체를만들시혼합물의대한바륨의비율은 30% 가가장적절하다고판단된다. Reference [1] Maghrabi, Huda Ahmed, Vijayan Arun, Deb, Pradip, Wang, Lijing, Textile Bioengineering and Informatics Symposium Proceedings Fibers and Polymers, Vol. 17, pp ,

7 "J. Korean Soc. Radiol., Vol. 14, No. 5, October 2020" [2] Kim, Ki-Jeong, Sim, Jae-Gu, A Study on the Shielding Element Using Monte Carlo Simulation. Journal of radiological science and technology, Vol.40, no.2, pp , [3] Yoo, Se-Jong, Lim, Chang-seon, Sim, Kyu-ran. A study on performance evaluation of Apron by shielding rate and uniformity. Journal of the Korea safety management & science Vol.17 no.1, pp , [4] Kim, Seon-Chil, Kyung-Rae Dong, and Woon-Kwan Chung. "Performance evaluation of a medical radiation shielding sheet with barium as an environment-friendly material." Journal of the Korean Physical Society, Vol. 60, pp , [5] Kim, K. T., et al. "Comparison of shielding rate of tungsten and lead in continuous x-ray energy using monte carlo simulation." Proceedings of the 2011 autumn symposium on the korean society of radiology. Vol. 5, No. 2, pp , [6] Sastri, Vinny R. "Polymer additives used to enhance material properties for medical device applications." Plastics in medical devices. pp , [7] El-Sarraf, M. A., and A. El-Sayed Abdo. "Insulating epoxy/barite and polyester/barite composites for radiation attenuation." Applied Radiation and Isotopes 79 pp [8] Seon-Chil, Kyung-Rae Dong, and Woon-Kwan Chung. "Medical radiation shielding effect by composition of barium compounds." Annals of Nuclear Energy. Vol. 47, pp. 1-5, [9] Kim, Y.K., Jang, Y.I., Kim, J.M., The weight of the apron for radiation protection and shielding performance improvement. Journal of Radiol. Sci. Tech. Vol. 26, pp , [10] Kim, Seon-Chil, Park, Meong hwan. Development of Radiation Shield with Environmentally-Friendly Materials ; Ⅰ: Comparison and Evaluation of Fiber, Rubber, Silicon in the Radiation Shielding Sheet Journal of radiological science and technology. Vol.33 no.2, pp , [11] Kim, Seon-Chil, Kyung-Rae Dong, and Woon-Kwan Chung. "Medical radiation shielding effect by composition of barium compounds." Annals of Nuclear Energy. Vol. 47, pp. 1-5,

8 3D 프린터를이용한바륨혼합형차폐체에대한연구 강헌효, 김동현 * 부산가톨릭대학교방사선학과 요약 본연구는기존의납을대신해친환경물질인황산바륨과 3D 프린터소재인 PLA 필라멘트를혼합하여형태학적구현을위한차폐체를개발하고자하였다. 환경물질인황산바륨분말가루와 3D 프린터소재인 PLA 필라멘트를사용하였으며, 황산바륨분말가루와 PLA 를혼합하기위하여압출기로융합후 3D 프린터로차폐체를제작하였다. 황산바륨파우더분말가루와 PLA 필라멘트혼합비율을확인하기위해혼합입도를분석하였으며, 혼합된차폐체의차폐능을확인하기위해황산바륨함유량에따른두께별흡수선량을구하여선량을평가한후차폐능을분석했다. 황산바륨분말입자와 PLA 필라멘트혼합입도평가시외관상과주사전자현미경관찰사진에서함유량이 30% 일때가장적정비율로혼합된것을확인하였다. 황산바륨함유량에따른두께별흡수선량결과에서함유량이 0% 일때와각 % 별함유량을비교했을때두께 0.5 cm 에서흡수선량의차이가가장크게나타났으며, 바륨함유량이 30% 일때두께 3 cm 에서가장낮은선량값을나타냈다. 또한바륨함유량이 30% 를기점으로함유량이증가할수록흡수선량값은다시높아지는결과가나타났다. 기존의납대신친환경물질인황산바륨을필라멘트소재인 PLA 와혼합하여형태학적인차폐체를만들수있었다. 혼합물에대한바륨의혼합비율은 30% 가가장적절하며, 본연구를토대로진단방사선분야내 3D 프린터를이용한형태학적차폐체구현을위한기초자료로사용될것으로기대한다. 중심단어 : 황산바륨, PLA 필라멘터, 3D 프린터, 혼합차폐체 연구자정보이력 성명 소속 직위 ( 제1저자 ) 강헌효 부산가톨릭대학교방사선학과 대학원생 ( 교신저자 ) 김동현 부산가톨릭대학교방사선학과 교수 634