펄스 직류 인가 후처리를 이용한 핵융합로 대면재용 텅스텐 피막의 기계적 물성 향상

Abstract

핵융합 발전이 인공태양이라 불리며 미래의 에너지원으로 각광받음에 따라 국제원자력 기구(IAEA)의 지원 하에 유럽연합(27개국), 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 와 함께 우리나라는 ITER라 불리는 국제열핵융합실험로 건설 사업의 참여국으로 포함되어 핵융합 연구를 활발하게 진행하고 있다. 또한 ITER 국제 사업뿐 아니라 KSTAR 라는 한국형 핵융합연구장치를 건설하여 다양한 연구활동을 진행하고 있다. 본 연구의 목적은 핵융합로 내 반응 플라즈마를 대면하는 재료인 텅스텐 피막의 기계적 물성을 경도를 기준으로 하여 측정한 뒤, 측정한 물성을 증가시킬 수 있는 후처리(後處理) 방안을 찾는 것이다. 차세대 핵융합로의 플라즈마 대면소재로 고려되고 있는 텅스텐 피막의 물성 개선을 위해 다양한 후처리 방법들이 연구되고 있다. 텅스텐 피막 제조 방법인 상압 플라즈마 용사법은 공정 상 불가피하게 텅스텐 박막 층에 많은 스플랫 바운더리(Splat boundary)를 형성시킨다. 스플랫 바운더리는 피막 내 기공도(porosity)의 대부분을 차지하는 빈 공간으로써 텅스텐 산화물로 둘러 쌓여 있으며 미세구조의 측면에서 결함으로 작용하여 텅스텐 박막의 기계적 물성을 저해하는 주요한 요인이 된다. 텅스텐 피막의 기계적 물성을 향상시키기 위해서 진공 열처리, 분위기 열처리, 가압 열처리 등을 활용한 여러 연구가 진행되었지만, 그 효과가 미미한 것으로 보고되었다. 실제로 900℃에서 1시간 동안 0.001torr 진공열처리를 진행하고, 더 나아가 각각 2kN, 3kN의 힘을 가하는 가압 열처리(0.1torr Ar 가스 분위기)를 통한 후처리 작업 후 미소경도를 측정해 본 결과, 증착 직후 시편은 122.04hv의 경도를, 진공열처리 시편은 134.97hv, 가압 진공열처리 시편은 개별 온도, 압력 조건에 따라 260~280hv 정도의 경도 값을 나타내었다. 본 연구에서는 텅스텐 피막에 고주파의 펄스 전류를 인가한 가압 열처리를 하였다. 이 후처리가 시행된 텅스텐 피막 시편을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 스플랫 바운더리의 비율이 감소한 것을 확인하였고, 결정립의 변화 여부를 관찰하기 위해 실시한 후방전자산란회절 실험을 통해 그 스플랫 바운더리의 감소 경향을 보다 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 또한 미소 경도 시험 결과, 기존 122.04HV에서 363HV로, 약 240HV 정도의 경도 증가를 보여 기계적 물성이 크게 증가하였음을 확인할 수 있었다.