섬광현상은 전리 방사선이 검출 가능한 빛으로 변환하는 과정으로, 이는 알파 입자, 전자 또는 고 에너지 광자와 같은 입자가 섬광체(매개체)를 통과할 때 빛을 내는 것을 의미한다. 이러한 섬광체에는 플라스틱, 유리, 유기 액체, 무기 결정 등의 다양한 종류의 소재가 있다.
그 중 무기섬광결정의 경우, 검출 및 측정 계기의 핵심 재료로, 비파괴 검사, 의료영상, 선량측정, 국토안보, 석유 탐사 및 과학 연구(입자 검출기)와 같이 다양한 분야에 사용된다. 섬광결정은 종류마다 각각 다른 특징을 가지고 있으며, 검출기 및 실험 목적에 따라 높은 섬광량 또는 특정 원소가 함유된 결정이 요구된다.
지하실험연구단 실험에 쓰일 결정은 극미한 내부 배경 잡음을 최소화 할 수 있는 초 순수 섬광결정이며 이러한 결정의 육성을 목표로 성장 조건을 최적화하며 실험하고 있다.
결정 성장 방법은 물질의 특성(녹는 점, 휘발성, 용해도, 유기 용해도 등)에 따라 달라지며, 일반적으로 원료를 녹이고 결정화하는 원리를 바탕으로 초크랄스키, 키로플러스, 브리지만, 존멜팅 등의 다양한 결정 성장 방법이 있다.
* 초크랄스키 (Czochralski)
초크랄스키는 가장 널리 사용되는 방법으로 종자(種子)가 원료의 용융물의 경계에 닿게 하고 회전과 인상(引上)을 통하여 작은 종자로부터 결정화를 이루어 단결정을 얻어내는 성장 방법이다. 회전과 인상속도는 소재 및 결정의 특성, 장비, 성장 환경에 따라 조절된다.
* 키로플러스 (Kyropoulos)
키로플러스는 크기가 큰 결정을 얻는데 사용되는 방법으로 종자가 원료의 용융물의 경계에 닿게 하고 성장로를 낮은 속도로 서서히 냉각하여 종자에서부터 결정화가 전파되며 결정을 얻어내는 단결정 성장 방법이다. 이 때문에 세심하고 지속적으로 온도 제어가 요구되는 방법이다.
Ref) Seevakan, K. and S. Bharanidharan. "DIFFERENT TYPES OF CRYSTAL GROWTH METHODS.", Vol. 119, No. 12, 2018, 5743-5758.
지하실험연구단의 결정 성장 팀은 AMoRE 실험을 위해 초크랄스키 방법으로 몰리브덴 (Molybdenum) 계열의 CaMoO4와 Li2MoO4 결정들 그리고 COSINE 실험을 위해 키로플러스 방법으로 NaI:Tl 결정을 육성하고 있다.
AMoRE 실험에 사용하는 CaMoO4와 Li2MoO4 단결정들은 공정 조건 최적화를 완료하였으며, Double-crystallization 과정을 통하여 초 순수 단결정을 육성하였다. 이를 기반으로 중성미자미방출 이중베타붕괴의 후보 동위원소인 100Mo를 사용한 Li2100MoO4 단결정을 집중적으로 육성하고 있다.
NaI:Tl 결정을 사용하는 COSINE 실험에 키로플러스 방법을 적용한 소형, 대형 성장로를 보유하고 있으며, 소형 성장로를 통하여 1 Kg의 작은 NaI:Tl 단결정의 최적화된 공정 조건을 확립하여, 추후 대형 성장로를 사용해 150 Kg의 대형 단결정 성장을 목표로 하고 있다.