KR102711902B1 - Neutron and radiation shielding sheet, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중성자 및 양성자 차폐 시트, 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 바인더 및 충진제를 포함하되, 상기 충진제는 입경이 40~1000nm인 나노입자이고, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 중성자는 물론, 양성자의 차폐 효과가 우수하고, 다양한 형태로 제작이 가능하여, 원자력 산업뿐 아니라 반도체 등 전자 제품의 보호를 위한 필름 형태의 차폐재로의 사용이 가능하다는 장점이 있다.The present invention relates to a neutron and proton shielding sheet and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a sheet comprising a polymer binder and a filler, wherein the filler is a nanoparticle having a particle size of 40 to 1000 nm and comprises a boron compound and zinc borate. According to the present invention, the shielding effect for neutrons as well as protons is excellent, and since it can be manufactured into various shapes, it has the advantage of being usable as a film-type shielding material for protecting electronic products such as semiconductors as well as the nuclear power industry.
Description
본 발명은 중성자 및 양성자 차폐 시트, 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중성자 및 양성자의 차폐 효율이 우수하고, 가공성이 우수하여 다양한 형태로의 제작이 가능한 중성자 및 양성자 차폐 시트, 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a neutron and proton shielding sheet and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a neutron and proton shielding sheet having excellent neutron and proton shielding efficiency and excellent processability, thereby being capable of being manufactured into various shapes, and a method for manufacturing the same.
원자로는 방사성 원소가 다량 발생한다. 그러한 방사성 물질에 따른 방사선 피폭이 발생할 수 있는 구역을 도 1과 같이, 2가지 계통으로 나누고 있으며, 원자로 핵심 구역인 1차 계통은 감마선 및 중성자선 방출이 매우 높다.Nuclear reactors produce a large amount of radioactive elements. The areas where radiation exposure due to such radioactive materials can occur are divided into two systems, as shown in Figure 1. The primary system, which is the core area of the reactor, has very high levels of gamma ray and neutron ray emissions.
감마선과 중성자선는 그 차폐 방법이 완전히 다르며, 감마선은 높은 밀도의 납, 텅스텐, 비스무트 등을 사용하여 차폐하여야 하는 반면, 중성자선은 수소, 붕소, 탄소 등의 원소로 이루어진 물질을 활용하여 차폐하고 있다. 즉, 상기 중성자는 붕소에 의해서 흡수되는 것으로, 붕소가 중성자를 흡수하기 위해서는 중성자를 감속시킬 필요가 있다. 중성자를 감속시키기 위한 물질로 수소가 최적인 것으로 알려져 있는데, 수소 원자가 중성자 중의 고속 중성자와 충돌하여 에너지를 흡수함으로써, 중성자를 효과적으로 감속시킨다. 따라서, 중성자의 차폐는 수소와 붕소를 많이 포함할수록 효과적인 중성자 차폐가 가능할 수 있다.Gamma rays and neutron rays have completely different shielding methods. While gamma rays must be shielded using high-density lead, tungsten, bismuth, etc., neutron rays are shielded using materials made of elements such as hydrogen, boron, and carbon. That is, the neutron is absorbed by boron, and in order for boron to absorb the neutron, the neutron needs to be slowed down. Hydrogen is known to be the optimal material for slowing down neutrons, as hydrogen atoms collide with high-speed neutrons among neutrons and absorb energy, effectively slowing down neutrons. Therefore, neutron shielding can be more effective the more hydrogen and boron it contains.
때문에 종래 이러한 중성자의 차폐는 최대 보론 함유량이 20~30중량%인 HDPE 블록 또는 블록 형태의 물을 담은 물통을 쌓아 중성자선을 차폐하고 있다. Therefore, conventionally, neutron shielding is done by stacking HDPE blocks or block-shaped water tanks containing up to 20 to 30 wt% boron content to shield neutron rays.
그러나 이러한 설치는 많은 시간과 인력이 필요한 것은 물론, 적절한 위치 및 다양한 형태로 활용이 불가능하다는 단점이 있었다.However, these installations required a lot of time and manpower, and had the disadvantage of not being able to be utilized in appropriate locations or in various forms.
한편, 우주 방사선은 지구 외부에서 발생된 에너지가 높은 방사선 및 그 방사선이 지구대기와 충돌하여 생성되는 2차 방사선으로 나누어지며, 발생 원인에 따라 다시 분류하면 은하 우주 방사선(GCR; Galactic Cosmic Ray)과 태양의 흑점 활동에 의해 발생되는 태양 우주 방사선(SCR; Solar Cosmic Ray)으로 나누어진다. Meanwhile, cosmic radiation is divided into high-energy radiation generated outside the Earth and secondary radiation generated when that radiation collides with the Earth's atmosphere. Depending on the cause of generation, it is divided into galactic cosmic radiation (GCR) and solar cosmic radiation (SCR) generated by sunspot activity on the Sun.
최근 이러한 우주 방사선에 관한 관심이 높아지고 있는데 이는 ISO 26262:2018(2ed) 자동차전자부품표준규격의 part 11 부분 반도체에 관한 기준이 강화되어 반도체 신뢰성에 대한 방사선 영향 테스트를 평가해야 되면서 외부 방사선으로부터 반도체의 영향을 최소화하기 위한 반도체 업계의 관심이 높아지고 있기 때문이다.Recently, interest in such cosmic radiation has been increasing. This is because the semiconductor industry is increasingly interested in minimizing the effects of external radiation on semiconductors as the standards for semiconductors in Part 11 of the ISO 26262:2018 (2ed) automotive electronic components standard have been strengthened, requiring evaluation of radiation impact tests on semiconductor reliability.
따라서, 본 발명의 목적은 우수한 중성자 및 양성자의 차폐 효과를 가지며, 시트 형태로 가공이 가능하여 다양한 형태로 제작이 가능한 중성자 및 양성자 차폐 시트, 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a neutron and proton shielding sheet having excellent neutron and proton shielding effects and being capable of being processed into a sheet form and thus being capable of being manufactured into various shapes, and a method for manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 가공성이 우수하여, 중성자 및 양성자의 차폐가 요구되는 원자력 산업뿐 아니라 반도체 등 전자 제품의 보호를 위한 필름 형태의 차폐재로의 사용이 가능한 중성자 및 양성자 차폐 시트, 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a neutron and proton shielding sheet having excellent processability and usable as a film-type shielding material for protecting electronic products such as semiconductors as well as the nuclear power industry requiring shielding of neutrons and protons, and a method for manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중성자 및 양성자 차폐 시트는, 고분자 바인더 및 충진제를 포함하되, 상기 충진제는 입경이 40~1000nm인 나노입자이고, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. The neutron and proton shielding sheet of the present invention for achieving the above-mentioned purpose comprises a polymer binder and a filler, wherein the filler is a nanoparticle having a particle diameter of 40 to 1000 nm and comprises a boron compound and zinc borate.
상기 고분자 바인더는, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 네오프렌(neoprene), 클로로프렌고무(CR), 천연고무(NR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 니트릴고무(NBR), 우레탄 수지, 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA) 및 폴리에틸렌(PE) 중 1종 이상인 것을 특징으로 한다. The above polymer binder is characterized by being at least one of ethylene propylene rubber (EPDM), neoprene, chloroprene rubber (CR), natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), urethane resin, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), and polyethylene (PE).
상기 붕소화합물은, 보론카바이드(B4C), 산화붕소(B2O3) 및 붕산염(Boric Acid) 중 1종 이상의 것임을 특징으로 한다.The above boron compound is characterized in that it is at least one of boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), and boric acid.
상기 충진제는 보론 도핑된 그래핀 옥사이드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The above filler is characterized in that it further comprises boron-doped graphene oxide.
상기 충진제는 지방산으로 표면처리된 것으로, 상기 지방산은 올레산(oleic acid), 스테아르산(Stearic Acid) 중 1종 이상의 것임을 특징으로 한다. The above filler is surface-treated with a fatty acid, and the fatty acid is characterized by being at least one of oleic acid and stearic acid.
상기 충진제는 펜타에리트리톨을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The above filler is characterized in that it further contains pentaerythritol.
상기 시트의 두께는 0.5~3mm인 것을 특징으로 한다.The above sheet is characterized by a thickness of 0.5 to 3 mm.
본 발명에 의한 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법은, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 충진제를 200~350℃에서 소결하여 결정수를 제거하는 단계와, 상기 결정수가 제거된 충진제를 밀링처리하여 40~1000nm의 나노입자로 제조하되, 표면활성제인 지방산을 첨가하여 나노입자의 표면을 처리하는 단계와, 상기 표면처리된 나노입자와 고분자 바인더를 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 압출 및 압연하여 시트로 성형하는 단계와, 상기 성형된 시트를 가황하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet according to the present invention is characterized by including the steps of: sintering a filler including a boron compound and zinc borate at 200 to 350°C to remove crystal water; milling the filler from which the crystal water has been removed to manufacture nanoparticles having a size of 40 to 1000 nm; adding a fatty acid as a surfactant to treat the surface of the nanoparticles; mixing the surface-treated nanoparticles with a polymer binder; extruding and rolling the mixed mixture to form a sheet; and vulcanizing the formed sheet.
상기 충진제는 보론 도핑된 그래핀 옥사이드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The above filler is characterized in that it further comprises boron-doped graphene oxide.
상기 충진제는 펜타에리트리톨을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The above filler is characterized in that it further contains pentaerythritol.
상기 지방산은 올레산(oleic acid) 및 스테아르산(Stearic Acid) 중 1종 이상의 것임을 특징으로 한다.The above fatty acid is characterized in that it is at least one of oleic acid and stearic acid.
상기 성형된 시트의 두께는 0.5~3mm인 것을 특징으로 한다.The thickness of the above-mentioned molded sheet is characterized by being 0.5 to 3 mm.
본 발명에 의하면, 중성자는 물론, 양성자의 차폐 효과가 우수하고, 다양한 형태로 제작이 가능하여, 원자력 산업뿐 아니라 반도체 등 전자 제품의 보호를 위한 필름 형태의 차폐재로의 사용이 가능하다는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that it has an excellent shielding effect for protons as well as neutrons, and can be manufactured in various forms, so that it can be used as a film-type shielding material for protecting electronic products such as semiconductors as well as the nuclear power industry.
도 1은 원자력 발전소의 계통을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 보론 도핑된 그래핀 옥사이드의 제조과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조 공정도.Figure 1 is a diagram showing the system of a nuclear power plant.
Figure 2 is a drawing showing a manufacturing process of boron-doped graphene oxide according to the present invention.
Figure 3 is a manufacturing process diagram of a neutron and proton shielding sheet according to the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 의한 중성자 및 양성자 차폐 시트는, 고분자 바인더 및 충진제를 포함하되, 상기 충진제는 입경이 40~1000nm인 나노입자이고, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.The neutron and proton shielding sheet according to the present invention comprises a polymer binder and a filler, wherein the filler is a nanoparticle having a particle diameter of 40 to 1000 nm and comprises a boron compound and zinc borate.
여기서, 상기 고분자 바인더는 시트의 가공성을 용이하게 하고, 전체적인 시트의 물성 개선을 위하여, 탄성을 가지는 고무 소재나 합성 플라스틱 소재를 사용함이 바람직하다. 구체적으로, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 네오프렌(neoprene), 클로로프렌고무(CR), 천연고무(NR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 니트릴고무(NBR), 우레탄 수지, 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA) 및 폴리에틸렌(PE) 중 1종 이상을 사용함이 그 가공성, 물성 등을 고려할 때 바람직하다. Here, the polymer binder preferably uses an elastic rubber material or synthetic plastic material to facilitate the processability of the sheet and improve the overall physical properties of the sheet. Specifically, considering the processability, physical properties, etc., it is preferable to use at least one of ethylene propylene rubber (EPDM), neoprene, chloroprene rubber (CR), natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), urethane resin, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), and polyethylene (PE).
본 발명에서 상기 고분자 바인더는 20~80중량%로 포함되는데, 그 함량이 너무 많으면 상대적으로 충진제의 함량이 적어져 중성자 및 양성자의 차폐 효과가 작아지고, 그 함량이 너무 적으면 가공성이 떨어져 시트로의 제작이 어렵기 때문이다.In the present invention, the polymer binder is included at 20 to 80 wt%. If the content is too high, the content of the filler is relatively low, which reduces the shielding effect of neutrons and protons, and if the content is too low, the processability is poor, making it difficult to manufacture into a sheet.
상기 충진제는 중성자 및 양성자의 차폐를 위한 것으로, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함한다. The above filler is for shielding neutrons and protons, and includes boron compounds and zinc borate.
이때, 상기 충진제는 상기 고분자 바인더에의 분산 및 혼련을 위하여 그 입경이 40~1000nm인 나노입자로 사용하는 것이 바람직한데, 그 입경이 상기한 범위를 벗어날 경우 분산 및 혼련에 어려움이 있기 때문이다.At this time, it is preferable to use the filler as a nanoparticle having a particle size of 40 to 1000 nm for dispersion and mixing in the polymer binder, because if the particle size is outside the above range, dispersion and mixing are difficult.
상기 충진제는 20~80중량%로 포함되는데, 그 함량이 너무 많으면 가공성이 떨어지고, 너무 적으면 중성자 및 양성자의 차폐 효과가 작아지기 때문이다.The above filler is included at 20 to 80 wt%. If the content is too high, the processability deteriorates, and if the content is too low, the shielding effect of neutrons and protons decreases.
본 발명에서 상기 충진제로 사용되는 붕소화합물로는 보론카바이드(B4C), 산화붕소(B2O3) 및 붕산염(Boric Acid) 중 1종 이상의 것을 사용하는데, 상기 붕소화합물은 중선자선을 감쇄 및 감속하여 차폐하는 역할을 한다. In the present invention, the boron compound used as the filler is at least one of boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), and boric acid. The boron compound serves to shield the central line by attenuating and slowing it down.
그리고 상기 징크보레이트(Zinc Borate, 2ZnO·3B2O3)는 붕소화합물과 함께 적용시 중성자 차폐 성능을 월등히 개선함은 물론, 난연제로서도 작용하며, 시트의 물성 역시 개선해준다.In addition, the above zinc borate (2ZnO·3B 2 O 3 ) significantly improves neutron shielding performance when applied together with boron compounds, and also acts as a flame retardant and improves the physical properties of the sheet.
즉, 본 발명에서는 상기 충진제로서, 붕소화합물과 징크보레이트를 함께 사용함으로써, 중성자 차폐 효과를 더욱 높일 뿐 아니라, 시트의 난연성, 물성 역시 개선한다는 데 특징이 있다.That is, the present invention is characterized in that by using a boron compound and zinc borate together as the filler, not only is the neutron shielding effect further increased, but also the flame retardancy and physical properties of the sheet are improved.
아울러, 본 발명의 충진제는 보론 도핑된 그래핀 옥사이드를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the filler of the present invention further includes boron-doped graphene oxide.
상기 보론 도핑된 그래핀 옥사이드는 중성자 및 양성자 차폐효율을 현저히 높여줄 뿐 아니라, 전체적인 물성 역시 개선해주는 역할을 한다. 상기 보론 도핑된 그래핀 옥사이드는 수열반응을 통해 보론 도핑되는 것으로, 그래핀 옥사이드 내부의 하이드록실기(-OH)에 붕산을 반응시키는 것이다. 보다 구체적으로는 도 2와 같이, 그래핀 옥사이드와 붕산을 1~2:2~3 중량비로 Inconel batch reactor에 투입하고, 250~300℃에서 반응시킴으로써, 제조한다.The above boron-doped graphene oxide not only significantly increases the neutron and proton shielding efficiency, but also plays a role in improving the overall physical properties. The above boron-doped graphene oxide is doped with boron through a hydrothermal reaction, which reacts boric acid with the hydroxyl group (-OH) inside the graphene oxide. More specifically, as shown in Fig. 2, graphene oxide and boric acid are introduced into an Inconel batch reactor at a weight ratio of 1 to 2:2 to 3, and reacted at 250 to 300°C, thereby producing the graphene oxide.
이때, 상기 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 역시 그 입자 크기를 40~1000nm인 나노입자로 사용하는 것이 바람직하다.At this time, it is also preferable to use the boron-doped graphene oxide as nanoparticles having a particle size of 40 to 1000 nm.
또한, 본 발명에서 상기 충진제인 붕소화합물, 징크보레이트 및 보론 도핑된 그래핀 옥사이드는 지방산으로 표면처리된 것을 사용함이 바람직하다. In addition, in the present invention, it is preferable to use the filler, boron compound, zinc borate and boron-doped graphene oxide, which are surface-treated with fatty acid.
상기 충진제는 시트 내 고함량으로 포함되는바, 표면처리를 통해 계면활성의 역할을 담당토록 하기 위함이다. 이때, 상기 지방산으로는 올레산(oleic acid) 및 스테아르산(Stearic Acid) 중 1종 이상의 것을 사용함이 바람직한바, 올레산과 스테아르산은 본 발명에서 사용되는 고분자 바인더와의 혼화성이 우수하기 때문이다. The above filler is included in a high content in the sheet to play a role of surface activity through surface treatment. At this time, it is preferable to use at least one of oleic acid and stearic acid as the fatty acid, because oleic acid and stearic acid have excellent compatibility with the polymer binder used in the present invention.
그리고 상기 표면처리는 상기 충진제 99~99.9중량%에 상기 지방산 0.1~1중량%를 첨가하여 볼밀에서 30~90분간 밀링함으로써, 수행되는 것으로, 지방산의 사용량이 너무 적으면 혼화성이 개선되지 못하고, 과량이 되면 전체적인 물성에 영향을 미치기 때문이다.And the above surface treatment is performed by adding 0.1 to 1 wt% of the fatty acid to 99 to 99.9 wt% of the filler and milling in a ball mill for 30 to 90 minutes. If the amount of fatty acid used is too little, miscibility is not improved, and if it is excessive, the overall physical properties are affected.
아울러, 상기 충진제로 사용되는 붕소화합물, 대표적으로는 보론카바이드(B4C)와 징크보레이트, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 간의 배합비는 10:5~10:0.1~1 중량비임이 그 차폐 효과를 고려할 때 가장 바람직하나, 이를 제한하는 것은 아니며, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드의 사용을 생략할 경우 붕소화합물과 징크보레이트를 10:5~10 중량비로 사용하는 것이다. In addition, the mixing ratio between the boron compound used as the filler, typically boron carbide (B 4 C), zinc borate, and boron-doped graphene oxide is most preferably 10:5 to 10:0.1 to 1 weight ratio when considering the shielding effect, but is not limited thereto, and if the use of boron-doped graphene oxide is omitted, the boron compound and zinc borate are used in a weight ratio of 10:5 to 10.
또한, 상기 충진제는 펜타에리트리톨(Pentaerythritol, C5H12O4)을 더 포함할 수 있다. 상기 펜타에리트리톨은 수소 함량이 높은 유기 난연제로, 중성자선 감쇄 효과와 난연성을 동시에 가지는 소재이다. 또한, 녹는점은 260.5℃로 높고, 수소 함량을 보완해 줌으로써, 시트의 중성자의 차폐 효과를 높이며, 난연성, 가공성 및 전체적인 물성 역시 개선한다.In addition, the filler may further include pentaerythritol (C 5 H 12 O 4 ). The pentaerythritol is an organic flame retardant with a high hydrogen content, and is a material that has both a neutron attenuation effect and flame retardancy. In addition, it has a high melting point of 260.5°C, and by supplementing the hydrogen content, it increases the neutron shielding effect of the sheet, and also improves flame retardancy, processability, and overall physical properties.
상기 펜타에리트리톨은 상기 붕소화합물과 펜타에리트리톨이 10:1~5 중량비가 되도록 사용함이 바람직한 것으로, 붕소화합물, 징크보레이트, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 및 펜타에리트리톨이 함께 사용시 10:5~10:0.1~1:1~5 중량비가 되는 것이다. It is preferable to use the above pentaerythritol so that the weight ratio of the boron compound and pentaerythritol is 10:1 to 5, and when the boron compound, zinc borate, boron-doped graphene oxide, and pentaerythritol are used together, the weight ratio is 10:5 to 10:0.1 to 1:1 to 5.
상기 펜타에리트리톨 역시 40~1000nm의 나노입자의 형태 및 지방산으로 표면처리하여 사용함이 바람직한바, 이에 대한 추가 설명은 생략한다. It is also desirable to use the above pentaerythritol in the form of nanoparticles of 40 to 1000 nm and by surface treatment with fatty acids, and further description thereof is omitted.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 중성자 및 양성자 차폐 시트는, 중성자 및 양성자의 차폐 효율이 우수한 것은 물론, 그 두께가 0.5~3mm로 제작이 가능하여 가공성이 우수하고, 반도체 등 전자 제품의 보호를 위한 필름 형태의 차폐재로의 사용이 가능하다는 장점이 있다.The neutron and proton shielding sheet of the present invention, configured as described above, has excellent neutron and proton shielding efficiency, and can be manufactured to a thickness of 0.5 to 3 mm, so it has excellent processability and can be used as a film-type shielding material for protecting electronic products such as semiconductors.
이하, 본 발명에 의한 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 중복설명을 피하기 위하여 앞서 설명된 내용은 생략함을 밝혀둔다.Hereinafter, a method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet according to the present invention will be described in detail. However, in order to avoid redundant explanation, it is noted that previously described contents are omitted.
본 발명에 의한 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법은, 도 3에서와 같이, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 충진제를 200~350℃에서 소결하여 결정수를 제거하는 단계와, 상기 결정수가 제거된 충진제를 밀링처리하여 40~1000nm의 나노입자로 제조하되, 표면활성제인 지방산을 첨가하여 나노입자의 표면을 처리하는 단계와, 상기 표면처리된 나노입자와 고분자 바인더를 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 압출 및 압연하여 시트로 성형하는 단계와, 상기 성형된 시트를 가황하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet according to the present invention is characterized by including, as shown in FIG. 3, a step of sintering a filler including a boron compound and zinc borate at 200 to 350°C to remove crystal water, a step of milling the filler from which the crystal water has been removed to manufacture nanoparticles having a size of 40 to 1000 nm, a step of treating the surface of the nanoparticles by adding a fatty acid as a surfactant, a step of mixing the surface-treated nanoparticles with a polymer binder, a step of forming the mixed mixture into a sheet by extruding and rolling, and a step of vulcanizing the formed sheet.
이하, 도 3을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.Below, each step is described in detail with reference to Fig. 3.
붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 충진제를 200~350℃에서 소결하여 결정수를 제거하는 단계Step of removing crystal water by sintering a filler containing a boron compound and zinc borate at 200 to 350°C
먼저, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하는 충진제를 준비한다. 이때, 상기 충진제는 1~3㎛ 정도의 입도로 분쇄된 것임이 바람직하다. 이는 추후의 볼밀 공정을 고려한 것이다. 여기서, 상기 붕소화합물은, 보론카바이드(B4C), 산화붕소(B2O3) 및 붕산염(Boric Acid) 중 1종 이상의 것이다.First, a filler containing a boron compound and zinc borate is prepared. At this time, it is preferable that the filler is ground to a particle size of about 1 to 3 μm. This is in consideration of the subsequent ball mill process. Here, the boron compound is at least one of boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), and boric acid.
아울러, 앞서 설명된 바와 같이, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드, 펜타에리트리톨 중 1종 이상을 충진제로서 더 포함할 수 있음은 당연하다. 그리고 상기 충진제간 배합비에 대해서는 앞서 충분히 설명되었으므로, 이에 대한 추가 설명은 생략한다.In addition, as explained above, it is natural that one or more of boron-doped graphene oxide and pentaerythritol may be further included as fillers. And since the mixing ratio between the fillers has been sufficiently explained above, further explanation thereon is omitted.
다음으로, 상기 충진제를 200~350℃에서 소결하여 결정수를 제거한다. 다만, 펜타에리트리톨을 사용할 경우 그 녹는점을 넘지 않도록 소결온도를 조절함은 당연하다.Next, the filler is sintered at 200 to 350°C to remove water of crystallization. However, when using pentaerythritol, it is natural to control the sintering temperature so as not to exceed its melting point.
상기 결정수가 제거된 충진제를 밀링처리하여 40~1000nm의 나노입자로 제조하되, 표면활성제인 지방산을 첨가하여 충진제 나노입자의 표면을 처리하는 단계A step of manufacturing nanoparticles of 40 to 1000 nm by milling the filler from which the above crystal number has been removed, and treating the surface of the filler nanoparticles by adding fatty acid, which is a surface active agent.
결정수가 제거된 충진제를 밀링용기에 5~10mm 텅스텐 카바이드(WC) 밀링볼과 함께 장입하고, 400~700rpm으로 30~90분 동안 밀링하여 40~1000nm의 나노입자로 제조한다. 여기서, 상기 밀링볼과 충진제는 1:0.5~2 중량비 정도이면 족한바 이를 제한하지 않는다.The filler from which the water of crystallization has been removed is placed in a milling container together with 5 to 10 mm tungsten carbide (WC) milling balls, and milled at 400 to 700 rpm for 30 to 90 minutes to produce nanoparticles of 40 to 1000 nm. Here, a weight ratio of the milling balls and the filler of about 1:0.5 to 2 is sufficient, and is not limited thereto.
다만, 그 표면을 처리하기 위하여 표면활성제인 올레산(oleic acid) 및 스테아르산(Stearic Acid) 중 1종 이상의 지방산을 첨가하여 충진제 나노입자의 표면을 처리한다. 즉 밀링 중, 또는 밀링 초기 지방산을 첨가함으로써, 표면처리하는 것이다. 여기서, 상기 지방산의 첨가량은 상기 충진제 99~99.9중량%에 대하여 0.1~1중량%이면 족하다.However, in order to treat the surface, at least one fatty acid, such as oleic acid and stearic acid, is added as a surface-active agent to treat the surface of the filler nanoparticles. That is, the surface is treated by adding fatty acids during milling or at the initial stage of milling. Here, the amount of the fatty acid added is sufficient if it is 0.1 to 1 wt% with respect to 99 to 99.9 wt% of the filler.
상기 표면처리된 나노입자와 고분자 바인더를 혼합하는 단계A step of mixing the surface-treated nanoparticles and a polymer binder
그리고 상기 표면처리된 나노입자와 고분자 바인더를 80~140℃의 온도조건에서 30~40rmp으로 혼합한다. 이때, 그 혼합비는 상기 표면처리된 나노입자 20~80중량%에 고분자 바인더 20~80중량%를 혼합하는 것이다.And the surface-treated nanoparticles and the polymer binder are mixed at a temperature of 80 to 140°C at 30 to 40 rpm. At this time, the mixing ratio is 20 to 80 wt% of the surface-treated nanoparticles and 20 to 80 wt% of the polymer binder.
상기 고분자 바인더는, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 네오프렌(neoprene), 클로로프렌고무(CR), 천연고무(NR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 니트릴고무(NBR), 우레탄 수지, 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA) 및 폴리에틸렌(PE) 중 1종 이상인 것이다.The above polymer binder is at least one of ethylene propylene rubber (EPDM), neoprene, chloroprene rubber (CR), natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), urethane resin, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), and polyethylene (PE).
상기 혼합된 혼합물을 압출 및 압연하여 시트로 성형하는 단계A step of forming the above-mentioned mixed mixture into a sheet by extruding and rolling it.
다음으로, 상기 혼합된 혼합물을 압출 및 압연하여 0.5~3mm 두께의 시트로 성형한다. 여기서, 상기 압출 및 압연 방법은 특별히 한정되지는 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용하는 압출 및 압연 방법을 선택적으로 이용할 수 있다. Next, the above-mentioned mixed mixture is extruded and rolled to form a sheet having a thickness of 0.5 to 3 mm. Here, the extrusion and rolling method is not particularly limited, and an extrusion and rolling method commonly used in the art can be selectively used.
상기 성형된 시트를 가황하는 단계Step of vulcanizing the above-mentioned molded sheet
그리고 상기 성형된 시트를 가황처리하여 경화시켜 시트의 기계적 성질을 나타나게 한다. 이때, 상기 가황 방법은 특별히 한정되지는 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용하는 가황 방법을 선택적으로 이용할 수 있다. And the above-mentioned molded sheet is cured by vulcanization to exhibit the mechanical properties of the sheet. At this time, the vulcanization method is not particularly limited, and a vulcanization method commonly used in the art can be selectively used.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples.
(실시예 1)(Example 1)
충진제로 1㎛ 입도의 보론카바이드 및 1㎛ 입도의 징크보레이트를 준비하고, 200~350℃에서 5분간 소결하여 결정수를 제거하였다. 그리고 결정수가 제거된 보론카바이드 10kg 및 징크보레이트 5kg을 올레산 150g, 20mm 스텐 밀링볼 15kg과 함께 100rpm으로 60분간 밀링하여 40~1000nm의 표면처리된 나노입자로 제조하였다.Boron carbide with a particle size of 1 μm and zinc borate with a particle size of 1 μm were prepared as fillers and sintered at 200 to 350°C for 5 minutes to remove water of crystallization. Then, 10 kg of boron carbide and 5 kg of zinc borate from which water of crystallization was removed were milled at 100 rpm for 60 minutes with 150 g of oleic acid and 15 kg of 20 mm stainless steel milling balls to produce surface-treated nanoparticles with a particle size of 40 to 1000 nm.
다음으로, 상기 표면처리된 나노입자와 클로로프렌 고무를 고분자 용융 혼합기(high polymer hot mixing machine)를 이용하여 90~130℃에서 15 RPM 으로 30분간 혼합하였다. Next, the surface-treated nanoparticles and chloroprene rubber were mixed using a high polymer hot mixing machine at 90 to 130°C and 15 RPM for 30 minutes.
그리고 90℃에서 압출 및 압연하여 시트로 성형하고, 80~90℃에서 가교 및 가황 처리하고 24시간 자연 건조 하였다. And it was formed into a sheet by extrusion and rolling at 90℃, cross-linked and vulcanized at 80~90℃, and naturally dried for 24 hours.
여기서 상기 표면처리된 나노입자와 크로로프렌 고무의 혼합비 및 시트 두께는 시험예에 따라 달리하여 가공하였다. Here, the mixing ratio of the surface-treated nanoparticles and chloroprene rubber and the sheet thickness were processed differently depending on the test example.
(실시예 2)(Example 2)
실시예 1과 동일하게 실시하되 충진제로 1㎛ 입도의 보론 도핑된 그래핀 옥사이드를 추가로 준비하고, 결정수를 제거한 후, 결정수가 제거된 보론카바이드 10kg, 징크보레이트 5kg 보론이 도핑된 그래핀 옥사이드 100g을 밀링하면서 표면처리하였다.The same procedure as in Example 1 was followed, but boron-doped graphene oxide having a particle size of 1 μm was additionally prepared as a filler, and after removing the water of crystallization, 10 kg of boron carbide from which the water of crystallization had been removed, 5 kg of zinc borate, and 100 g of boron-doped graphene oxide were surface-treated by milling.
이때, 상기 보론이 도핑된 그래핀 옥사이드는, 그래핀옥사이드와 붕산을 1:2 중량비로 Inconel batch reactor 또는 오토클레이브 반응기에 투입하고, 250~300℃ 20분간 수열반응시킴으로써, 제조하였다. At this time, the boron-doped graphene oxide was manufactured by putting graphene oxide and boric acid in a weight ratio of 1:2 into an Inconel batch reactor or an autoclave reactor and performing a hydrothermal reaction at 250 to 300°C for 20 minutes.
(실시예 3)(Example 3)
실시예 2와 동일하게 실시하되, 충진제로 1㎛ 입도의 펜타에리트리톨를 추가로 준비하고, 결정수를 제거한 후, 결정수가 제거된 보론카바이드 10kg, 징크보레이트 5kg, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 100g 및 펜타에리트리톨 5kg을 밀링하면서 표면처리하였다. The same procedure as in Example 2 was followed, except that pentaerythritol having a particle size of 1 μm was additionally prepared as a filler, and after removing the water of crystallization, 10 kg of boron carbide from which the water of crystallization had been removed, 5 kg of zinc borate, 100 g of boron-doped graphene oxide, and 5 kg of pentaerythritol were surface-treated by milling.
(시험예 1)_40m 중성자 소각산란장치에 의한 중성자 차폐 효과(Test Example 1) Neutron shielding effect by 40m neutron scattering device
중성자 차폐 효과 및 효율 측정을 위해 하나로(대전) 연구용 원자로의 40m 중성자 소각산란장치의 조사환경에서 시험을 수행하고, 차폐율을 측정 시료의 온도 변화에 따른 차폐율을 분석하였다. To measure the neutron shielding effect and efficiency, tests were conducted in the irradiation environment of the 40m neutron scattering device of the Hanaro (Daejeon) research reactor, and the shielding rate was analyzed according to the temperature change of the measured sample.
시험장비로는 40m 중성자 소각 산란장치를 사용하였다. A 40m neutron scattering device was used as the test equipment.
1) 장치 길이(m) : 401) Device length (m): 40
2) 검출기 크기(m2) : 100×100 2) Detector size (m 2 ): 100×100
3) 검출기 분해능(cm2) : 0.5×0.53) Detector resolution (cm 2 ): 0.5×0.5
4) 중성자 속도 선별기 최대 투과율 : 10%4) Neutron velocity selector maximum transmittance: 10%
5) 파장범위(A) : 4~205) Wavelength range (A): 4~20
6) 시료-검출기간거리(M) : 1.1~19.86) Sample-to-detection interval (M): 1.1~19.8
7) 중성자 유도관 단면적(cm) : 5×5 7) Neutron induction tube cross-sectional area (cm): 5×5
7) 온도 조절장치 : RT-300℃7) Temperature control device: RT-300℃
이때, 시료와 선원 또는 중성자 발생원 과의 거리는 19.8m, 시료와 검출기 혹은 디텍터와의 거리는 약 2m였다.At this time, the distance between the sample and the source or neutron generator was 19.8 m, and the distance between the sample and the detector or detector was approximately 2 m.
그리고 시험편은 하기 표 1과 같이 준비하였으며, 그 결과는 하기 표 2 및 표 3(측정시 시료 온도를 증가시켜 측정)에 나타내었다.And the test specimens were prepared as shown in Table 1 below, and the results are shown in Tables 2 and 3 below (measured by increasing the sample temperature during measurement).
혼합비(중량기준)Surface-treated nanoparticles and chloroprene rubber
Mixing ratio (by weight)
(D/F)Transmission
(D/F)
[1-(D/F)]×100
(%)Shielding rate
[1-(D/F)]×100
(%)
(40℃)Example 2
(40℃)
(40℃)Example 3
(40℃)
(60℃)Example 2
(60℃)
(60℃)Example 3
(60℃)
(D/F)Transmission
(D/F)
[1-(D/F)]×100
(%)Shielding rate
[1-(D/F)]×100
(%)
상기 표 2 및 표 3에서와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1 내지 3은 모두 중성자선량 감쇄율이 상온에서 우수함은 물론, 가열 상태에서도 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. As shown in Tables 2 and 3 above, it was found that Examples 1 to 3 according to the present invention all had excellent neutron dose attenuation rates at room temperature and that there was no significant difference even in a heated state.
(시험예 2)_중성자 투과 비파괴검사장치에 의한 중성자 차폐 효과(Test Example 2) Neutron shielding effect by neutron penetration non-destructive testing device
중성자 차폐 효과 및 효율 측정을 위해 하나로(대전) 연구용 원자로의 열중성자 조사환경에서 시험을 수행하고 차폐율을 측정하였다. To measure the neutron shielding effectiveness and efficiency, tests were conducted in the thermal neutron irradiation environment of the Hanaro (Daejeon) research reactor and the shielding rate was measured.
시험장비로는 중성자 투과 비파괴검사장치를 사용하였다. A neutron penetration non-destructive testing device was used as testing equipment.
1) 중성자속 : 최대 2×107n/cm2Sec 1) Neutron flux: Up to 2×107n/ cm2 Sec
2) L(선원-검출기 거리)/D(선원 어퍼처 크기) ratio : 2672) L(source-detector distance)/D(source aperture size) ratio: 267
3) 빔크기 : 350 × 450mm2 3) Beam size: 350 × 450mm 2
4) 중성자 영상 검출기 : 2048 ×2048 Andor CCD 카메라 + 6LiF 중성자 섬광체(두께 200um) 4) Neutron imaging detector: 2048 × 2048 Andor CCD camera + 6LiF neutron scintillator (200um thick)
이때, 시료와 선원 또는 중성자 발생원 과의 거리는 약 6m이고, 시료와 검출기혹은 디텍터와의 거리는 약 2cm 였다.At this time, the distance between the sample and the source or neutron generator was about 6 m, and the distance between the sample and the detector or detector was about 2 cm.
그리고 시험편은 하기 표 4와 같이 준비하였으며, 그 결과는 하기 표 5에 나타내었다.And the test specimens were prepared as shown in Table 4 below, and the results are shown in Table 5 below.
혼합비(중량기준)Surface-treated nanoparticles and chloroprene rubber
Mixing ratio (by weight)
상기 표 5에서와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1 내지 3은 모두 중선자선량 감쇄율이 우수함을 확인할 수 있었다. As shown in Table 5 above, it was confirmed that Examples 1 to 3 according to the present invention all had excellent central beam attenuation rates.
(시험예 3)_양성자 차폐 효과(Experimental Example 3)_Proton shielding effect
양성자 차폐 효과 및 효율 측정을 위해 100MeV의 양성자 빔 조사환경에서 측정을 진행하였다. To measure the proton shielding effect and efficiency, measurements were conducted in a 100 MeV proton beam irradiation environment.
시험장비로는 TR-102를 사용하였다. TR-102 was used as the test equipment.
에너지(Energy) : 30~100MeVEnergy: 30~100MeV
빔 전류(Beam Current) : 2~5mABeam Current: 2~5mA
선량률(Beam Fluence) : 1E6~1E8#/㎠(1.2mGy~0.12Gy)Beam Fluence: 1E6~1E8#/㎠ (1.2mGy~0.12Gy)
조사 면적(Irrad. Area) : 100mm×100mmSurvey area (Irrad. Area): 100mm×100mm
품질기준(ISO9001) : -조사선량(Fluence):±15%Quality Standard (ISO9001): - Fluence: ±15%
-균일도(Uniformity):±10%-Uniformity: ±10%
-에너지(Energy) :±10%-Energy: ±10%
시험 환경Test environment
양성자 빔 에너지 : 100MeVProton beam energy: 100 MeV
유효빔 크기 : 10×7Cm2 Effective beam size: 10×7Cm 2
불확실도 : 8.83%Uncertainty: 8.83%
차폐물과 Detector 와의 거리 10cmDistance between shield and detector 10cm
선원과의 거리는 양성자 빔 특성상 거의 미비함.The distance from the source is virtually negligible due to the nature of the proton beam.
그리고 시험편은 하기 표 6과 같이 준비하였으며, 그 결과는 하기 표 7에 나타내었다.And the test specimens were prepared as shown in Table 6 below, and the results are shown in Table 7 below.
혼합비(중량기준)Surface-treated nanoparticles and chloroprene rubber
Mixing ratio (by weight)
(Monitor chamber with)(#/cm2)Before
(Monitor chamber with)(#/cm2)
(Farmer IC)After
(Farmer IC)
시간start
hour
시간end
hour
상기 표 7에서와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1 내지 3은 양성자 차폐율이 우수함을 확인할 수 있었다.As shown in Table 7 above, it was confirmed that Examples 1 to 3 of the present invention had excellent proton shielding rates.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined manner.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 충진제는 입경이 40~1000nm인 나노입자이고, 붕소화합물 및 징크보레이트를 포함하며,
상기 충진제는 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 및 펜타에리트리톨을 더 포함하고,
상기 충진제는 지방산으로 표면처리된 것이며,
상기 붕소화합물, 징크보레이트, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 및 펜타에리트리톨의 중량비는 10:5~10:0.1~1:1~5인 것을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트.
Including polymer binders and fillers,
The above filler is a nanoparticle having a particle size of 40 to 1000 nm and contains a boron compound and zinc borate.
The above filler further comprises boron-doped graphene oxide and pentaerythritol,
The above filler is surface-treated with fatty acid,
A neutron and proton shielding sheet characterized in that the weight ratio of the above boron compound, zinc borate, boron-doped graphene oxide, and pentaerythritol is 10:5 to 10:0.1 to 1:1 to 5.
상기 고분자 바인더는,
에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 네오프렌(neoprene), 클로로프렌고무(CR), 천연고무(NR), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 니트릴고무(NBR), 우레탄 수지, 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA) 및 폴리에틸렌(PE) 중 1종 이상인 것이고,
상기 붕소화합물은,
보론카바이드(B4C), 산화붕소(B2O3) 및 붕산염(Boric Acid) 중 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트.
In the first paragraph,
The above polymer binder,
At least one of ethylene propylene rubber (EPDM), neoprene, chloroprene rubber (CR), natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), urethane resin, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), and polyethylene (PE).
The above boron compound is,
A neutron and proton shielding sheet characterized by comprising at least one of boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), and boric acid.
상기 시트의 두께는 0.5~3mm인 것을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트.
In the first paragraph,
A neutron and proton shielding sheet, characterized in that the thickness of the above sheet is 0.5 to 3 mm.
상기 결정수가 제거된 충진제를 밀링처리하여 40~1000nm의 나노입자로 제조하되, 표면활성제인 지방산을 첨가하여 나노입자의 표면을 처리하는 단계와,
상기 표면처리된 나노입자와 고분자 바인더를 혼합하는 단계와,
상기 혼합된 혼합물을 압출 및 압연하여 시트로 성형하는 단계와,
상기 성형된 시트를 가황하는 단계를 포함하며,
상기 충진제는 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 및 펜타에리트리톨을 더 포함하고,
상기 붕소화합물, 징크보레이트, 보론 도핑된 그래핀 옥사이드 및 펜타에리트리톨의 중량비는 10:5~10:0.1~1:1~5인 것을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법.
A step of removing crystal water by sintering a filler containing a boron compound and zinc borate at 200 to 350°C,
A step of manufacturing nanoparticles of 40 to 1000 nm by milling the filler from which the above crystal number has been removed, and treating the surface of the nanoparticles by adding fatty acid, which is a surfactant;
A step of mixing the surface-treated nanoparticles and a polymer binder,
A step of forming the above-mentioned mixed mixture into a sheet by extruding and rolling,
A step of vulcanizing the above-mentioned molded sheet is included,
The above filler further comprises boron-doped graphene oxide and pentaerythritol,
A method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet, characterized in that the weight ratio of the boron compound, zinc borate, boron-doped graphene oxide, and pentaerythritol is 10:5 to 10:0.1 to 1:1 to 5.
상기 지방산은 올레산(oleic acid) 및 스테아르산(Stearic Acid) 중 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법.
In Article 7,
A method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet, characterized in that the fatty acid is at least one of oleic acid and stearic acid.
상기 성형된 시트의 두께는 0.5~3mm인 것을 특징으로 하는 중성자 및 양성자 차폐 시트의 제조방법.In Article 7,
A method for manufacturing a neutron and proton shielding sheet, characterized in that the thickness of the above-mentioned molded sheet is 0.5 to 3 mm.
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---|---|---|---|
KR1020240015623A KR102711902B1 (en) | 2024-02-01 | 2024-02-01 | Neutron and radiation shielding sheet, and manufacturing method thereof |
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