유기섬광체(Organic Scintillator)는 사용 목적에 따라 다양한 형태로 제작할 수 있는 장점이 있고, 감마선 및 중성자 검출 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 그러나 기존 유기섬광체는 낮은 원자번호(Z)와 낮은 밀도로 인해 측정효율이 낮고, 무기섬광체(Inorganic Scintillator)에 비해 발광효율 등의 낮은 성능의 한계가 있습니다.
이를 극복하기 위해 최근 양자점(Quantum Dot, QD)을 섬광체 내부에 도핑(doping)하여 발광강도를 증가시키고 감마선 및 중성자 판별 성능을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

양자점은 크기에 따라 발광 파장을 조절할 수 있으며, 높은 양자효율(Quantum Yield)과 빠른 발광 특성을 갖고 있어서 방사선 검출효율을 개선하는 데 유리합니다. 하지만 기존 단일 쉘(single-shell) 구조의 양자점은 방사선 조사 시 안정성이 낮으며, 비방사성 재결합(non-radiative recombination)으로 인해 광출력이 감소하는 문제가 있습니다.

따라서, 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 CdS/CdZnS/ZnS 다중 쉘(multi-shell) 구조의 양자점을 합성하고, 이를 유기섬광체에 적용하여 감마선 및 중성자 검출효율 평가를 수행하였습니다.

본 연구에서는 다중 쉘 구조를 가진 양자점을 유기 섬광체 내부에 도핑하여 감마선 및 중성자 검출효율을 평가하였습니다.
이를 위해 CdS/CdZnS/ZnS 다중 쉘 양자점을 합성하고, 이를 기존의 2차 섬광물질(POPOP)을 대신 도핑하여 섬광체를 제작한 결과를 그림 1에 제시하였고, 감마선 및 중성자 검출 성능을 비교 분석하였습니다.

그림 1. 제작된 POPOP기반 섬광체(a,c) 및 QD 기반 섬광체(b,d)

아래 그림 2는 섬광체별 광발광 특성을 평가한 결과입니다. 420~440nm 파장 범위에서 상용섬광체(Commercial scintillator) 대비 양자점 기반의 섬광체의 발광 강도(Photoluminescence Intensity)가 증가하였습니다.

그림 2. 섬광체별 Photoluminescence 분석 결과

또한, 제작한 섬광체와 상용섬광체의 감마선 및 중성자 검출 성능을 비교 평가하였습니다. 감마선 검출 성능을 비교 평가하기 위해, Cs-137 감마 선원(331.4 kBq)을 이용하여 측정한 결과 기존 POPOP 기반 상용섬광체(EJ-200)와 비교했을 때 양자점 기반의 섬광체가 34~38% 검출효율이 향상됨을 확인하였고, 중성자에 대한 검출성능은 중성자 선원(Cf-252, 0.78 MBq)을 활용한 중성자/감마 구분 식별(PSD, Pulse Shape Discrimination) 시험결과 양자점 기반 섬광체가 상용섬광체(EJ-276)와 1.2~1.5 수준의 유사한 Figure of Merit(FOM) 값을 기록하여 기존 유기섬광체의 대체 가능성을 확인하였습니다.

본 연구를 통해 양자점 기반 섬광체가 감마선 및 중성자 측정 분야에 활용 가능성이 높음을 실험적으로 확인하였고, 특히 감마 검출성능에서 상용섬광체 대비 우수한 성능을 확인하였습니다.

향후 연구에서는 양자점 농도 최적화(concentration optimization), 섬광체 구조체 개선(matrix optimization), 데이터 분석 알고리즘 개선 연구 등을 통해 성능 향상 연구를 수행할 계획입니다.

이를 바탕으로 본 연구결과는 추후 원자력 해체, 환경 방사능 감시, 핵물질 탐지, 의료 영상 등 다양한 방사선 검출 응용 분야 연구의 측정 소재로 활용될 것으로 기대합니다.