기술내용
원자력 재료는 일반 산업용 재료와 달리 방사선 조사라는 특수 환경에 있다. 따라서 일반 산업용 재료의 신뢰성을 평가할 때 고온, 고압, 부식의 복합 환경을 고려하는 것에 반해 원자력 재료는 방사선 조사라는 환경을 추가로 고려해야 한다. 방사선 조사 된 재료를 취급하기 위해서는 특수한 시설이 필요한데 이는 방사선 조사 후 재료가 방사능 물질이 되기 때문이다. 따라서 원자력재료의 조사효과의 조사열화 평가뿐만 아니라 새로운 원자력 재료의 개발에도 영향을 미친다. 실제 미래형 원자력 시스템의 개발과 함께 요구되는 고성능의 조사저항성 원자력재료의 개발 시 실시간으로 조사 효과를 평가하기 힘든 상황이다. 이에 따라 원자력재료의 방사선 조사 후 기계적 특성의 변화를 효과적으로 평가하여 기존의 원자력재료 조사 효과 평가의 어려움을 해결할 수 있는 중요한 기술로써 미세 시험편을 이용한 방사선 조사효과의 마이크로 역학특성 평가법을 개발하게 되었다. 미세시편을 이용한 마이크로 역학 평가법은 마이크로 스케일의 미세 시료를 사용하기 때문에 조사재의 방사능에 대한 제약이 크게 완화되고, 중성자 조사 효과를 모사함에 있어서도 재료 내부에 조사 손상을 효과적으로 유발시키지만 제한적인 투과 깊이로 인해 정량적 물성 평가가 어려웠던 이온조사 등의 방법도 적극 활용할 수 있는 장점이 있다.
마이크로 압축시편은 재료와 압축시편의 크기에 따라 집속이온빔장치(FIB), 마이크로 방전 가공 (Micro EDM), 노광 공정(Lithography), 유도 결합 플라즈마(ICP) 등의 방법을 통해 제작할 수 있는데, 직경 20μm 이상의 시편부터 수백nm 직경의 매우 미세한 시편까지 다양한 크기의 압축시편을 정교하게 제작할 수 있는 기술을 개발하였다.
그림 1. FIB를 이용해 제작된 스테인리스강 마이크로 압축시편의 압축 전과 후
이와 같이 제작된 기둥형의 마이크로 압축시편을 끝이 평평한 다이아몬드 팁이 장착된 나노압입시험기를 이용해 누르면 응력-변형률 곡선을 얻을 수 있는데, 이로부터 재료의 항복 응력을 쉽게 알아낼 수 있다. 다결정 재료들은 압축시편의 크기가 클 때는 벌크 소재의 물성을 나타내지만 특정 크기보다 작아지면 항복 응력값이 변하는데, 산화물분산강화강, 스테인리스강, 페라이트-마르텐사이트강, 실리콘카바이드 등의 각 원자력재료별로 이 임계 크기를 측정함으로써 미세시편으로부터 벌크소재의 물성을 직접 측정할 수 있는 최소 시편 크기를 정량화 하였다. 또한 이온조사재로부터 마이크로 압축시편을 제작하여 기계적 특성을 분석하는 기술을 개발하였는데, 인장시험 등 일반적인 기계적 물성 측정방법과 마찬가지로 마이크로 압축시험에서도 이온조사에 의해 항복 응력이 증가하는 것으로 측정되었다. 이로써 미세시편을 이용한 물성 평가 기술의 원자력 재료 적용 가능성과 효율성을 확인하였다.
그림 2. 산화물분산강화강, 스테인리스강, 실리콘카바이드의 마이크로압축시험시 시편크기 효과
적용분야
미세시편을 이용한 물성평가 신기술은 미래형 원자력소재 합금개발 단계에서부터 이온조사와 마이크로 역학특성평가 방법을 이용하여 조사 특성 평가를 실시간으로 연동하여 진행할 수 있어 고위험/고부가가치의 합금 아이디어를 구현해 볼 수 있다. 상용원전의 경우 정비/보수 시 발생하는 조그만 파편도 조사특성 평가를 위한 중요한 시료가 될 수 있다. 이를 기반으로 감시시험 시편이 모두 고갈된 상태에서도 상용 원전의 안전성과 수명 연장과 관련하여 요구되는 원자력재료 조사손상의 정량적 평가가 가능할 것으로 기대된다.
적용사례
단결정 재료에 대한 마이크로 압축시험은 지난 10여 년 간 국내외적으로 활발히 이루어 져 왔으나, 다결정의 미세시편을 이용하여 벌크소재의 물성을 평가하는 기술은 아직 시작 단계이다. 국외에서는 스위스 Paul Scherrer 연구소와 미국 UC Berkeley, Los Alamos 국립연구소 등에서 미세시편 압축시험을 통해 산화물분산강화강 및 구리단결정 등의 벌크 물성 및 조사 효과를 측정한 바 있으며, 국내에서는 정부출연연구소와 대학을 중심으로 전자소자, 폴리머 구조물 등에 마이크로 압축시험법을 적용하는 연구가 이루어지고 있다.