| 초록 |
연구개요 다결정체는 많은 입자로 이루어져있고, 최근 나노미터 직경으로 이루어진 나노다결정체가 등장하고 있다. 이는 전적으로 우수한 기계적 강도를 가지는 재료를 디자인하기 위한 일환이다. 이런 다결정체의 물성을 좌우하는 입도를 결정하는 것이 입자간 경계인 입계이다. 우수한 기계적 강도를 위해서는 작은 입도를 가지는 것이 유리한데, 이를 위해서는 입계이동이 억제되어야 한다. 그러나 이러한 입계이동에 미치는 온도, 이동구동력, 그리고 변형이 입계구조의 전이에 어떠한 영향을 미치는가에 대해서는 확실하게 밝혀진 것이 없다. 본 연구에서는 구리, 니켈 쌍결정 입계를 모델로 하여 이를 탐색하고자 하였다. 연구 목표대비 연구결과 구리, 니켈 입계 시편은 시편준비와 관찰과정에서 시편의 산화가 심각한 것을 인지, 산화가 잘 안 되는 Au 입계로의 시스템 변경 요청하였고 (참고: 2020 년 연초보고서에 목표수정 요청, 승인), 금 입계 중심으로 온도효과 관찰 중 투과전자현미경의 전자빔 조사하에서 높은 전류밀도에서 구조전이 가능성을 포착하여 표면구조전이까지로 탐색영역 확장을 제안하였다 (참고: 2021 년 연초보고서에 목표수정 요청, 승인). 이를 중심으로 연구를 진행하여, 재료공학분야 대표저널인 Acta Materialia (3 편)를 포함하여, Metallurgical and Materials Transactions, Materials Characterization, scientific Reports, Scripta Materialia 등에 관련논문을 게재할 수 있었다 (전부, 제 1 및 교신저자). 특히 기존에 전자빔 조사는 재료에 데미지를 주는 artifact 정도로 치부되었는데, 본 연구자는 이를 재료 입계 및 표면 구조의 전이를 유발할 수 있는 열적 여기의 대체재로 사용하여, 기존의 전자빔에 대한 시각을 바꿀 수 있었다. 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 본 연구는 크게 두가지 측면에서 실용적 의미를 가지는 것으로 여겨진다. 우선, 투과전자현미경에서의 전자빔 조사는 원자로 내부에서 일어나는 방사선 조사에 의한 변화를 단시간 내에 확인할 수 있다. 따라서 본 연구를 수행하면서 전자빔 조사 효과 뿐만 아니라 방사선 조사에 따른 재료의 상전이 (phase transformation)에 대한 이해를 끌어 올릴 수 있다. 지금까지는 고에너지 입자 빔 (중상자, 알파입자 등) 의해 입계가 무질서한 구조로 roughening 된다고 막연하게나마 받아들여지고 있으나, 실제로는 그렇지 않다는 것을 본 연구결과가 보여준다. Roughening을 결정하는 것은 주어진 가속전압에서 전류밀도의 상대적인 크기가 좌우한다. 입계가 roughening 되면 입계 mobility가 증가해 입자크기가 커지는데, 입계가 고에너지 빔에 의해 생성되는 결함들을 흡수하는 역할을 한다는 점을 고려하면, 입자성장은 억제되어야 한다. 본 결과는 어떤 입계가 다른 입계에 비해 더 내성이 강해 roughening이 잘 안 되는 것을 보여준다. 이런 성질을 이용하여, 내성이 큰 입계가 많이 생기게끔 재료의 집합조직 (texture, or preferred orientation)을을 조절할 수 있다면, 훌륭한 내성을 가지는 방사선 차폐 재료를 디자인할 수 있을 것이다. 본 연구과제를 수행함으로써, 전자빔 조사와 입계 및 표면 구조, 나노구조체의 구조전이 간 상관관계를 실험적, 이론적으로 완전히 규명할 수 있을 것으로 기대한다. 이에 대한 규명과 이해는 W 방사선 차폐재 및 핵융합로 벽면재료의 미세구조를 조절 (예를 들어, 빔의 크기, 전류밀도, 가속전압 등에 대한 공정 변수의 제어) 등에 응용할 수 있을 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p) |
