라돈222는 대자연에 존재하는 물질 중에 석암이나 토양 등에 함유된 우라늄238로부터 붕괴되어 만들어지는 자연 방사성 물질이다. 그리고 색깔과 맛이 없으며 냄새도 나지 않고, 다른 물질과 화학적 반응은 하지 않는 비활성 기체이다. 또한 자연 붕괴하며 방사선을 방출하기 때문에 물리적으로 매우 불안정하다. 사람의 호흡에 의해 체내에 흡수될 때 대부분의 라돈222는 호흡에서 직접 방출되거나 혈액으로 퍼지기 때문에 큰 손상을 입히지 않는다. 그러나 실내 라돈농도가 높아져 라돈222가 기관지나 폐포에 장시간 머무르게 될 때 라돈222의 붕괴로 인해 라돈 자핵종이 생성되며 방사선을 방출해 세포의 염색체와 DNA에 돌연변이를 일으켜 폐암을 유발하게 된다. 즉, 폐암의 직접적인 원인은 ‘라돈222’ 때문이 아니라, 호흡으로 체내에 흡수된 일부 라돈222가 붕괴되면서 생기는 부산물인 ‘라돈 자핵종’이 방사선을 방출하기 때문이다.
미국 EPA는 연간 폐암 사망자의 10%이상이 라돈 자핵종의 누적에 의한 것이며, 이는 대기오염에 의한 사망보다 10배 이상 높은 것으로 나타났다고 보고했다. 세계보건기구 WHO는 흡연에 이어 폐암 발생 원인 2위로 대기 중 라돈을 지목했다. 라돈은 WHO 산하기관인 국제암 연구소에서도 명확한 발암물질로 분류된 바 있다. 이러한 라돈 자핵종은 사람의 감각으로는 인지할 수 없기에, 특정 센서의 측정기를 통해서만이 라돈 자핵종 존재 유무와 누적된 농도를 판단할 수 있다.
지금까지 포집된 라돈 부산물의 방사성 알파 붕괴에 의해 생성된 알파입자를 측정하기 위한 다양한 방법과 장치가 제안되어 왔다. 저농도 라돈가스 포집을 위해 CR-39 플라스틱 트랙 탐지기를 이용한 라돈가스 포집 챔버가 제안되었고, 빛을 차단하면서 라돈 알파입자를 확산시키는 데 도움이 되는 충전된 고압 필터가 장착된 라돈 측정기도 개발되었다. 라돈 알파입자를 측정하는 MOS IC를 이용한 라돈 포집기로 업그레이드 된 측정기를 구현할 수 있게 되었다. 그리고 정전기 집진기와 업그레이드 시스템을 이용하여 반응속도가 빠른 측정기를 개발하였다. 플라스틱 터널을 금속화해 구현한 정전기 집진기는 웹캠에서 나오는 광학 이미지 센서 노출면에 대전된 라돈 알파입자를 집중시켜 라돈 측정 방식을 개선했다. 라돈 알파입자가 CCD 센서의 표면에 충돌하면서 CCD 센서 픽셀의 전하가 충분히 포화되는 원리를 이용한 라돈 측정도 구현했다. 또한 핀 포토다이오드 센서의 경우 빛 또는 전자기 방사선을 측정할 수 있기 때문에 많은 라돈 측정 장치에서 이용되고 있다.
본 논문에서는 핀 포토다이오드와 CCD, CMOS 등 반도체 센서에서 출력된 신호를 이용해 MCU에서 라돈 알파입자를 인식할 수 있도록 측정 회로를 설계하여 라돈 계수기를 구현하였다. 구현한 핀 포토다이오드 및 CMOS 센서 라돈 계수기를 라돈 알파입자 카운트값을 동일한 환경에서 비교해 보았다. 164시간동안 측정 결과, 핀 포토다이오드 센서가 CMOS 센서보다 알파입자 측정 기울기가 약 1.5배 더 높은 것을 확인했다. 또한, 고정밀 라돈 측정기 RAD7이 측정한 라돈농도를 기준으로 164시간동안의 측정한 라돈 알파입자 카운트값을 12시간 간격으로 이동평균하여 선형회귀분석을 이용해 라돈농도로 변환하는 선형회귀 모델을 도출하였다. 비교 결과, 핀 포토다이오드 센서 라돈 계수기에서 더 높은 결정계수 (=0.651)과 더 작은 RMSE (=1.83)을 가지는 선형회귀 모델이 도출됨에 따라 핀 포토다이오드 센서가 CMOS 센서 보다 라돈 측정 센서로서의 유용성이 더 높은 것으로 확인했다.
구현한 라돈 계수기의 라돈 측정 정밀도를 향상시키기 위한 민감도를 높이는 방안을 실험 하였다. 첫 번째로 구현한 핀 포토다이오드 센서 라돈 계수기에만 ‘390VDC 외 전압 발생이 가능한 전압 파워 모듈’을 설치하였다. 실험장소는 직육면체 형태의 실제 사무공간에서 진행 하였다. 110시간동안 실시한 결과, 선형적으로 라돈 알파입자 카운트값을 얻을 수 있었다. 다음 핀 포토다이오드 및 CMOS 센서 라돈 계수기에만 ‘고전압 390VDC 모듈’을 추가 및 고전압 챔버를 설치하고, 177시간동안 각각 실험 하였다. 결과, 보급형 safety siren pro3보다 핀 포토다이오드 센서 라돈 계수기는 약 1.61배의 알파입자 카운터값을 보였고, 안타깝게도 CMOS 센서 라돈 계수기는 약 0.85배의 알파입자 카운터값을 보였다. CMOS 센서의 크기가 1/3 inch 이상이면 이보다 더 높은 민감도를 기대할 수 있다고 판단했다. 두 번째는 구현한 고전압 핀 포토다이오드 라돈 계수기에만 ‘소형 팬을 고전압 챔버 상부 및 하부’에 추가로 설치하였다. 소형 팬을 이용하여 라돈 알파입자를 포함한 공기의 유동량을 높였다. 각각 168시간동안 보급형 safety siren pro3와 성능 비교 실험 하였다. 소형 팬 상부 설치 시 결과, 보급형 safety siren pro3 기준 라돈 알파입자 카운트값이 약 1.64배 정도로 기울기가 컸지만 96시간 이후부터는 약 0.85배 정도로 크게 낮아졌음을 알 수 있었다. 96시간 이후 고농도 상황에서는 소형 팬에 따른 라돈 알파입자 카운트값 차이가 큰 폭으로 꺾임을 알 수 있었다. 소형 팬 하부 설치 시 결과도, 보급형 safety siren pro3 기준 라돈 알파입자 카운트값이 약 2.06배 정도로 기울기가 컸지만 96시간 이후부터는 약 1.12배 정도로 낮아졌음을 알 수 있었다. 이 결과로 소형 팬을 이용한 경우 고농도 보다는 저농도에서 효과적이고, 소형 팬 위치에 따라 성능이 바뀔 수 있음을 판단할 수 있었다. 추가로 소형 팬 하부 설치를 유지한 채로 소형 팬 교대 운전에 따라 라돈 알파입자 카운트값의 차이가 있는지 총 168시간동안 실험을 하였다. 결과, 이 역시 96시간 이후 고농도 상황 에서는 소형 팬의 ON/OFF에 따른 라돈 카운트값의 차이가 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있었다. 이 역시도, 소형 팬을 이용한 경우 저농도에서 효과적임을 판단할 수 있었다.
본 연구는 이러한 실험을 통해 구현한 반도체 센서 타입 라돈 계수기의 라돈 알파입자 카운트값이 고전압 및 소형 팬 설치로 정밀도를 높이기 위한 민감도를 향상시키는데 매우 유용함을 알 수 있었다.

Radon222 is a natural radioactive substance produced by decaying from uranium 238 contained in stone or soil among substances present in Mother Nature. And it is an inert gas that has no color and taste, does not smell, and does not react chemically with other substances. It is also physically unstable because it collapses naturally and emits radiation. When absorbed into the body by human breathing, most radon 222 is released directly from breathing or spreads to the blood, so it does not cause much damage. However, when radon concentration in the room increases and radon 222 stays in the bronchial tubes or alveoli for a long time, radon autonuclides are produced due to the collapse of radon 222 and emit radiation, causing mutations in the cell''s chromosomes and DNA, causing lung cancer. In other words, the direct cause of lung cancer is not because of ‘radon222’, but because ‘radon autonucleoma’, a by-product caused by the collapse of some radon222 absorbed into the body by breathing, emits radiation.
The U.S. EPA reported that more than 10% of annual lung cancer deaths were caused by accumulation of radon progeny, which is more than 10 times higher than deaths caused by air pollution. The World Health Organization (WHO) pointed to radon in the atmosphere as the second-largest cause of lung cancer after smoking. Radon was also classified as a clear carcinogen by the International Cancer Institute, an organization affiliated with the WHO. Since radon progenys can not be recognized by human senses, only the measuring device of a specific sensor can determine the presence of radon progenys and the accumulated concentration.
So far, various methods and devices have been proposed for measuring alpha particles produced by radioactive alpha decay of collected radon byproducts. A radon gas capture chamber using a CR-39 plastic track detector was proposed for low-concentration radon gas capture, and a radon meter equipped with a charged high-pressure filter to help diffuse radon alpha particles while blocking light was also developed. It is now possible to implement an upgraded measuring instrument with a radon collector using a MOS IC that measures radon alpha particles. In addition, a fast response time meter was developed using electrostatic precipitator and upgrade system. The electrostatic dust collector implemented by metalizing plastic tunnels has improved radon measurement methods by concentrating charged radon alpha particles on the exposed surface of optical image sensors from webcams. Radon measurement was also implemented using the principle that the charge of the CCD sensor pixel is sufficiently saturated as the radon alpha particles collide with the surface of the CCD sensor. In addition, PIN photodiode sensors are used in many radon measurement devices because they can measure light or electromagnetic radiation.
In this thesis, a radon counter was implemented by designing a measurement circuit to recognize radon alpha particles in the MCU using signals output from semiconductor sensors such as PIN photodiodes, CCDs, and CMOS. The implemented PIN photodiode and CMOS sensor radon counter were compared with the radon alpha particle count values in the same environment. As a result of the measurement for 164 hours, it was confirmed that the PIN photodiode sensor has about 1.5 times higher alpha particle measurement slope than the CMOS sensor. In addition, a linear regression model was derived to convert the radon alpha particle count value measured for 164 hours based on the radon concentration measured by the high precision radon measuring device RAD7 into radon concentration using linear regression analysis by moving average 12 hours apart. As a result of comparison, the linear regression model with higher crystal coefficients of 0.651 and smaller RMSE 1.83 was derived from the PIN photodiode sensor radon counter, and it was confirmed that the PIN photodiode sensor was more useful as a radon measurement sensor than the CMOS sensor.
An experiment was conducted to increase the sensitivity to improve the accuracy of radon measurement of the implemented radon counter. Only the first implemented PIN photodiode sensor radon counter was installed with a ‘voltage power module capable of generating voltages other than 390VDC‘. The experiment site was conducted in an actual office space in the form of a rectangular parallelepiped. As a result of performing for 110 hours, a radon alpha particle count value was linearly obtained.As a result of performing for 110 hours, a radon alpha particle count value was linearly obtained. ''high voltage 390VDC module'' was added and a high voltage chamber was installed only on the next PIN photodiode and CMOS sensor radon counter, and experiments were conducted for 177 hours, respectively. As a result, the PIN photodiode sensor radon counter, which is finer than the ready-made goods safety siren pro3, showed an alpha particle counter value of about 1.61 times, and unfortunately, the CMOS sensor radon counter showed an alpha particle counter value of about 0.85 times. If the size of the CMOS sensor is more than 1/3 inch, it is determined that higher sensitivity can be expected. Second, ''small fans were additionally installed in the upper and lower high-voltage chambers'' only on the implemented high-voltage PIN photodiode radon counter. The flow rate of air including radon alpha particles was increased by using a small fan. Performance comparison experiments were conducted with the ready-made goods safety siren pro3 for 168 hours, respectively. As a result of installing the upper part of the small fan, it was found that the radon alpha particle count value based on the ready-made goods safety siren pro3 was about 1.64 times higher, but after 96 hours, it was significantly lowered to about 0.85 times. After 96 hours, it was found that the difference in radon alpha particle count values according to small fans was greatly reduced in high concentration situations. The results of the installation of the lower part of the small fan showed that the radon alpha particle count based on the ready-made goods safety siren pro3 was about 2.06 times higher, but it decreased to about 1.12 times after 96 hours. As a result, it was determined that using small fans is more effective at low concentrations than at high concentrations, and performance may change depending on the location of small fans. In addition, while maintaining the installation of the lower part of the small fan, the experiment was conducted for a total of 168 hours to see if there was a difference in the radon alpha particle count value according to the small fan shift operation. As a result, it was also found that the difference in radon count values according to ON/OFF of small fans did not show a significant difference in high concentration situations after 96 hours. Also, it could be determined that it is effective at a low concentration when using a small fan.
This study found that the radon alpha particle count value of the semiconductor sensor-type radon counter implemented through these experiments was very useful in improving the sensitivity to increase precision by installing high voltage and small fans.