연구배경
원자력 발전에 사용되는 내부 구조재료로 사용되는 316 스테인리스강은 핵반응으로 생성된 중성자에 의해서 재료의 물성이 변하게 된다. 대표적인 것이 입계편석과 응력부식균열 현상 등이 있다. 이 중에서 입계편석에 관한 연구는 투과전자현미경을 이용하여 오래전부터 연구되어 왔다. 그러나 결정입계의 폭은 매우 얇고 측정하는 빔의 최소크기에 한계가 있었기 때문에 정밀하게 조성변화를 측정하는데 어려움이 있었다. 투과전자현미경에서 전자기렌즈의 구면수차(spherical aberration)를 보정해주는 기술이 최근에 개발되었다. 이것을 적용한 구면수차보정 투과전자현미경(Cs corrected TEM)은 빔의 크기를 0.1~0.2 nm로 만들 수 있기 때문에 보다 더 정밀하게 조성변화를 EDS(energy dispersive spectrometer)나 EELS(electron energy loss spectrometer)로 측정할 수 있게 되었다. 그러나 EDS나 EELS의 공간분해능 때문에, 즉 시편의 두께 효과, 한 점의 조성은 투과시편의 두께에 대한 평균조성의 정보를 얻게 된다. 이러한 공간분해능의 문제를 해결하기 위해서는 3차원 원자탐침(atom probe) 기술을 적용하는 것이다. 이 기술은 원자들을 한 층씩 떼어내며 분석할 수 있기 때문에 질량분석기를 이용하여 성분을 알아내고 위치민감형검출기(position sensitive detector)를 이용하여 그것의 위치를 3차원적으로 알아낸다. 이러한 3차원 원자탐침토모그래피(atom probe tomography : APT) 분석기술은 원자단위에서 분석할 수 있기 때문에 원자력재료의 중성자에 의한 조사손상을 연구하는데 있어서 매우 유용한 방법이 될 수 있다. 뿐만 아니라 이온조사재의 경우 이온조사에 의해서 손상된 영역이 표면에서 매우 제한적으로 형성되기 때문에 국소부위의 조성변화를 분석하는 방법으로도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 첨단 분석기술을 적용하여 정밀한 측정이 이루어지면 전산모사(computer simulation) 방법으로 예측하는 모델의 타당성을 뒷받침할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 원자단위에서 분석이 가능한 APT 방법으로 미세구조를 분석할 필요가 있다.
연구방법
현재 국내에 설치되어 서비스하는 곳은 포항나노기술집적센터(NCNT), 한국과학기술연구원(KIST) 등이 있다. 일반적으로 3D-APT 분석을 하기위해서는 집속이온빔(FIB: focus ion beam)으로 끝이 뾰족한 바늘모양의 시편을 제작하여야만 한다. NCNT에서 분석하는 경우에, 원자탐침의 분석영역은 X, Y 측으로 100nm 이하, Z 축(깊이 방향)으로 수 백 nm 이하, 공간 분해능은 수평방향으로 0.3 nm이고 수직방향으로 0.2 nm 이다. 대략적으로 107개 정도의 이온들을 획득하여 분석한다. 분석하는 방법은 다음과 같다. 시편 표면으로부터 떨어져 나온 이온들이 TOF-MS(질량분석기)를 거치면서 위치민감형 검출기에 충돌하게 되고, 이때에 컴퓨터가 충돌한 이온의 좌표, 이온의 비행시간 등 여러 가지 변수들을 기록하고, 각 이온의 질량/전하 비율을 계산하여 이온의 종류를 판단한다. 그리고 충돌한 위치로부터 2차원 원소분포도를 알 수 있으며 누적된 2차원 데이터로부터 3차원 원소분포도를 얻게 된다. 따라서 APT 분석으로부터 시편의 구조정보를 각 원소별로 mapping할 수 있고, 10 ppm 정도의 정확도로 국소영역의 조성 정보를 분석할 수 있다. 그리고 같은 조성을 가지는 위치를 연속적으로 연결하여 하나의 면으로 보여주는 iso surface 분석, 수 나노 크기의 용질원자 응집체를 분석하는 cluster identification, 관심영역만을 선택 및 추출하여 분석할 수 있도록 하는 square selection 방법 등으로 APT 데이터를 분석할 수 있다.
그림 1. APT 방법으로 입계편석을 분석한 데이터 (Si와 Ni: 편석; Cr: 고갈)
기대효과
3D-APT 데이터로부터 입체적인 이온분포를 알 수 있으며 1nm 이하의 크기에서 일어나는 현상도 분석할 수 있다. 따라서 원자력발전에 사용하고 있는 내부구조물의 이온조사 효과에 대한 영향을 3D-APT 방법으로 분석하는 경우에 원자단위의 크기에서 분석할 수 있기 때문에 전산모사의 결과와 서로 비교하기에 적합하다고 할 수 있겠다. 그리고 3D-APT 데이터는 너무나 국소적인 영역에 대한 정보만을 갖고 있기 때문에 전자빔의 크기를 0.1~0.2 nm로 만들 수 있는 구면수차보정 투과전자현미경을 이용하여 결정입계의 조성변화를 EDS 또는 EELS로 넓은 영역에서 분석한 결과와 서로 보완하여 사용할 수 있겠다. 이러한 첨단 분석기법을 이용한 이온조사재의 미세구조 분석은 내부구조물의 중성자 조사효과에 대한 영향을 분석하는데 많은 도움을 줄 것으로 기대한다.