기술내용
고에너지의 입자(중성자, 양성자, 이온, 전자)가 재료에 조사되어 재료내의 원자와 충돌 시 에너지 전달로 원자의 국부적 배열이 순간적(~10-11s)으로 흐트러지는 Displacement cascade를 일으킨다. 이때 대부분의 원자는 주기적 배열상태로 돌아오지만 일부는 배열상태를 회복하지 못하고 이탈되어 공공과 침입형원자를 형성한다. 형성된 침입형 원자는 조사에 의한 고에너지와 온도의 영향으로 시료 내에서 움직이게 되고 공공이나 전위, 입계에서 편석된다. 공공에 편석된 원자들의 응집체 즉 미소클러스터는 조사온도(~300°C)에서 원자간 상호 결합된 미소석출물로 발생되기도 한다. 미소클러스터의 사이즈는 수nm에서 수십 μm크기로 존재하며 분포가 증가함에 따라 재료의 초기 설계목적과 다른 물성 변화를 나타내므로 “조사손상 효과”라고 명칭 한다.
조상손상효과를 분석하기 위하여 기존에는 TEM장비를 사용하여 분석이 진행되었으나 수 nm단위의 조사결함의 경우 TEM에서 3D공간의 2D투영 및 STEM-EDS의 상호간섭영역의 문제와 같은 분석한계에 부딪혔다. 따라서 TEM과 같이 분해능이 좋으면서도 3D공간에서의 원소별 분석이 가능한 새로운 분석법이 요구되었기에 원자탐침 분광분석기법(Three-Dimensional Atom Probe Tomography, 3D APT) 을 중성자조사 재료의 분석에 적용하고 분석법을 응용하였다.
그림 1. 3D-APT의 이미지와 개념도
3D-APT는 원자단위의 원소별 3D 이미지를 확인하는 방법으로 원뿔형으로 제작된 “원자탐침 시료(~50nm)”에 전기적 펄스를 가하면 시료의 첨단이 높은 정전기장에 노출되고 이 전기장에 의하여 재료의 첨단은 순간적으로 이온화된다. 이온화된 원자는 전기적 필드에 의하여 X-Y 마이크로 채널로 좌표화된 검출기(Position Sensitive Detector, PSD) 방향으로 가속된 후 일정거리를 비행하여 검출기에 검출된다. 검출된 이온은 펄스발생 시간에서부터 검출기로 검출되기 까지 시간, 비행거리(Time-Of-Flight, TOF)와 2D좌표를 가지고 데이터로 저장되고 2D-이미지가 순차적으로 쌓여 3차원의 데이터가 확보된다. 이후 TOF를 역산하여 원소를 확인한 후 재구성하면 원소들이 3D 이미지로 생성되게 된다. 장비는 Local Electrode Atom Probe(LEAP)의 개발로 시료의 분석영역은 약 50 * 50μm이상으로 관찰영역이 확대 되었었으며 200kHz 펄스 발생기의 개발로 인하여 분당 약 20만개의 원자에 대한 분석이 가능해 측정시간이 급격히 감소하게 되었다. 이를 통하여 재료에서는 약 1억개의 원자의 정보의 분석이 가능하다.
적용분야
최근 Laser 펄스의 개발로 금속재료에만 한정되었던 기존 3D-APT 분석법이 세라믹 재료에도 적용되어 금속뿐 아니라 반도체 영역으로의 응용분야의 확대가 진행되었다. 따라서 탐침형으로 제작된 시료의 약50 * 50μm의 분석영역 한계를 수용하면 3차원이미지와 화학조성 분석을 응용한 미시적 재료현상에 관한 전 분야의 관찰이 가능하다.
원자력 재료연구 분야에서는 상용원자력 재료에서 미래형 원자력재료에 이르는 재료전반의 미시적 현상(조사편석, 미소석출물 생성, 미소균열의 편석현상)을 3D 이미지로 분석함으로써 기존의 2D분석만으로는 가시적으로 나타나지 않은 정보들을 이해하게 되므로 원자력의 신뢰성향상에 기여할 것이라 판단된다. 더욱이 TEM이미지 및 Diffraction분석, EBSD의 연계로 화학적 분석과 결정구조를 연계하여 미소클러스터, 석출물의 형성과 메커니즘을 이해할 수 있을 것으로 판단된다.
적용사례
“원자로 압력용기에서 Mn과 Ni, Si(MNS)의 클러스터는 장기조사 과정에서 급격한 증가 가능성이 존재하고 그 크기는 수nm~수십nm이다. MNS클러스터는 일정시간 이후 급격한 성장을 칭하는 LBP(Late Blooming Phase)라고 부른다.”라는 보고가 있음으로 본 현상을 분석하기 위하여 장기가동 압력용기강 모사시료를 제작하여 클러스터의 존재가능성과 분포 및 조성을 분석하고자 3D-APT법을 사용하였다.
모사시료는 SA508재료를 Ø3mm 디스크로 제작 후 하나로 OR-Hole에서 2주기 조사 하였다. 이후 2년간의 방사선 저감기간을 거쳐 방사능구역 내 FIB 및 3D-APT장치가 확보된 일본의 東北 대학교 재료과학 국제연구센터로 방사선물질 취급규정을 준수하여 안전하게 운반하였다. 3D-APT원자탐침 시료의 제작은 시료내에 입계 및 탄화물을 포함한 미소부위의 선별적 시료제작이 요구됨에 따라 이온집중빔(Focused Ion Beam, FIB)장비를 이용한 환형제작법을 선택 하였다. FIB를 이용한 재료 식각 시 발생되는 오염물은 진공챔버에 부착된 포집장비로 포집하였다.
그림 2. FIB와 시편제작 순서도
위와 같이 준비된 시료는 순간적으로 발생하는 정전기에 의한 과열에 의한 파단을 방지하기 위하여 액체헬륨을 통해 냉각(20-60 k) 후 고전압(3-15 kV) 펄스를 인가하여 분석을 수행하였다. 분석된 데이터는 분석용 프로그램에서 초기의 불안전 이온방출 구간과 검출기의 Local Electrode에 의한 정보왜곡 영역을 제외시킨 후 팁 이미지와 연계하여 3차원 이미지로 변환 후 3D이미지의 ISO-Surface 이미지 기능으로 각 원소별 고농도 구간을 확인하였으며 미소클러스터와 전위로 판단되는 구간의 화학적 조성을 확인 하였다.
그림 3. 3D-APT 분석후의 ISO-Surface 이미지와 클러스터, 전위편석의 화학조성
본 실험을 통하여 중성자 조사에 의한 압력용기강의 변형과 잠재적인 석출물의 생성을 이해하는 귀중한 자료를 확보하였으며 이는 원자력의 신뢰성향상에 기여할 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.