KR102297933B1 - 중성자 차폐용 조형물 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 (a) 금속 모재를 준비하는 단계; (b) 상기 금속 모재 상면의 적어도 일부에 금속 분말 및 세라믹 분말을 공급하는 단계; (c) 레이저를 조사하여 상기 금속 분말을 용융시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 생성물을 고형화시켜 서멧층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 내지 (d) 단계가 1회 이상 수행되어 소정의 형상을 가지는 조형물을 제조하는, 중성자 차폐용 조형물 및 그의 제조방법을 제공한다.

Description

중성자 차폐용 조형물 및 그의 제조방법{A NEUTRON SHIELDING MAETRIAL AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 중성자 차폐용 조형물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼차원 프린팅(Three-dimensional printing, 3D printing) 내지 적층제조(Additive Manufacturing, AM) 기술을 이용한 중성자 차폐용 조형물의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 사용후핵연료 건식저장용기를 제작할 때 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐체가 주로 사용되고 있다. 중성자 차폐체는 건식저장용기 내부에서 핵연료집합체를 둘러싼 형태로 장착되어 있으며, 핵연료의 임계도를 통제하는 용도로 이용되고 있다.
미국 특허출원공개공보 US2007/0064860은 알루미늄 기반 중성자 흡수체 및 그 제조방법에 관한 발명을 개시하고 있다. 상기 제조방법에 따르면, 밀링방법을 통해 세라믹(B4C) 분말과 금속(Al) 분말을 균질하게 혼합한 뒤, 알루미늄(Al) 또는 스테인레스 강으로 이루어진 몰드에 혼합된 분말을 투입하여 가열을 진행한다. 이어서, 압연 공정을 통해 박스(box) 형태의 중성자 흡수체를 판형(plate) 중성자 흡수체로 변형시켜 사용후핵연료 건식저장용기의 제작에 사용된다.
그러나, 상기 미국 특허출원공개공보 US2007/0064860에 개시된 제조방법에 따르면 다양한 형상의 중성자 흡수체를 제조하는 데에 한계가 있으므로, 중성자 흡수체를 이용하여 구조물을 제작할 때 흡수체 사이 이격이 쉽게 발생하는 문제가 있다. 특히, 구조물 접합에 용접 기술을 적용하면 중성자 흡수체의 분포가 바뀌거나 용접 결함 또는 뒤틀림에 의한 변형이 발생될 우려가 높다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래 구현할 수 없었던 다양한 형상의 중성자 차폐용 조형물을 제조함으로써, 차폐체가 사용되는 기기나 부품에서 요구되는 복잡한 형상의 차폐체의 제조가 가능하다. 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 적층제조 기술을 적용하여 사용후핵연료 건식저장용기를 제작할 때 차폐체 사이 발생하는 이격을 저감할 수 있는 중성자 차폐용 조형물의 제조방법도 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 적층제조방법을 통해 서멧 조형물을 제조함으로써, 세라믹의 고강도 특성뿐만 아니라 금속의 우수한 전기 및 열전도성을 조화롭게 구현하여 전기 작업재료, 가공 장비, 자동차 엔진 마찰부, 군수품 등에 적용가능한 서멧 조형물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 (a) 금속 모재를 준비하는 단계; (b) 상기 금속 모재 상면의 적어도 일부에 금속 분말 및 세라믹 분말을 공급하는 단계; (c) 레이저를 조사하여 상기 금속 분말을 용융시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 생성물을 고형화시켜 서멧층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 내지 (d) 단계가 1회 이상 수행되어 소정의 형상을 가지는 조형물을 제조하는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계는 동시에 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 금속 모재의 용융점보다 낮고, 상기 금속 분말의 용융점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, (e) 상기 중성자 차폐용 조형물을 소정의 높이만큼 절단하여 상기 금속 모재로부터 분리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 모재는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 스테인레스강, 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스강, 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 세라믹 분말은 보론 카바이드(Boron carbide), 보론 옥사이드(Boron oxide), 보론 나이트라이드(Boron nitride), 카드뮴 카바이드(Cadmium carbide), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 나이트라이드(Cadmium nitride), 인듐 카바이드(Indium carbide), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트라이드(Indium nitride), 사마륨 카바이드(Samarium carbide), 사마륨 옥사이드(Samarium oxide), 사마륨 나이트라이드(Samarium nitride), 하프늄 카바이드(Hafnium carbide), 하프늄 옥사이드(Hafnium oxide), 하프늄 나이트라이드(Hafnium nitride), 유로피움 카바이드(Europium carbide), 유로피움 옥사이드(Europium oxide), 유로피움 나이트라이드(Europium nitride), 가돌리늄 카바이드(Gadolinium carbide), 가돌리늄 옥사이드(Gadolinium oxide), 가돌리늄 나이트라이드(Gadolinium nitride) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 중성자 차폐용 조형물의 세라믹 함량은 상기 중성자 차폐용 조형물의 총 중량을 기준으로 5~50중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 전술한 방법으로 제조된 중성자 차폐용 조형물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 종래 구현할 수 없었던 다양한 형상의 중성자 차폐용 조형물을 삼차원 적층제조함으로써, 차폐체가 사용되는 기기나 부품에서 요구되는 복잡한 형상의 차폐체의 제조가 가능하다. 본 발명의 일 측면에 따른 조형물을 이용하여 사용후핵연료 건식저장용기를 제작할 때 차폐체 사이 발생하는 이격을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 적층제조방법을 통해 서멧 조형물을 제조함으로써, 세라믹의 고강도 특성뿐만 아니라 금속의 우수한 전기 및 열전도성을 조화롭게 구현하여 전기 작업재료, 가공 장비, 자동차 엔진 마찰부, 군수품 등에 적용가능한 서멧 조형물을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 금속 모재 상에 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 단면을 금속현미경으로 촬영한 이미지다.
도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(macro crack)을 SEM으로 촬영한 이미지다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 비교예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(micro crack)을 각각 금속현미경으로 촬영한 이미지와 SEM으로 촬영한 이미지다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편을 촬영한 결과를 기반으로 COMSOL MULTIPHYSICS를 이용하여 열팽창 분석한 결과를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(micro crack)을 각각 금속현미경으로 촬영한 이미지와 SEM으로 촬영한 이미지다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 축적 열량(total heat input)에 대한 혼합층의 두께(cutting depth)를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 비교예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 XRD(X-Ray Diffraction) 분석 결과를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 XRD 분석 결과를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편의 절단부 및 상부를 촬영한 이미지다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원기둥 형상 중성자 차폐용 조형물을 제조하는 과정에서, 경계부 용융 현상이 발생한 영역을 촬영한 이미지다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "적층제조(Additive Manufacturing, AM)"는 3D 형상 데이터를 바탕으로 재료를 연결하여 조형물을 제조하는 방법을 의미한다. 예를 들어, 겹겹이 층을 형성하여 조형물을 제조하는 방법을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "직접 에너지 용융 적층(Direct Energy Deposition, DED)"은 열에너지를 이용하여 재료를 용융시키면서 겹겹이 층을 형성하는 적층제조방법을 의미한다. DED방법은 PBF(Powder Bed Fusion)방법에 비하여 정밀도가 낮은 반면, 생산성이 높고 크기의 제한이 없으면서도 반복재현성이 용이한 점에서 대별된다. 아울러, DED방법에 따르면 높은 강도와 충격치를 갖는 조형물을 제조할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "서멧(Cermet)"은 세라믹과 금속으로 구성된 복합 재료를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "축적 열량(Total heat input)"은 하기 수학식 1과 같이 계산된다.
[수학식 1]
Total heat input[J] = Specific Energy[J/mm2] * Heating Area[mm2] * number of layer
상기 수학식 1에 있어서, 비에너지(Specific Energy)는 모재의 단위 면적 당 가해지는 에너지량을 의미하고, 가열면적(Heating Area)는 열원에 의하여 가열되는 모재의 면적을 의미하며, 적층수(number of layer)는 겹겹이 쌓여 중성자 차폐용 조형물을 이루는 층의 개수를 의미한다.
중성자 차폐용 조형물의 제조방법
도 1은 금속 모재 상에 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물의 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 중성자 차폐용 조형물의 제조방법에 의하면, (a) 금속 모재를 준비하는 단계; (b) 상기 금속 모재 상면의 적어도 일부에 금속 분말 및 세라믹 분말을 공급하는 단계; (c) 레이저를 조사하여 상기 금속 분말을 용융시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 생성물을 고형화시켜 서멧층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 내지 (d) 단계가 1회 이상 수행되어 소정의 형상을 가지는 조형물을 제조할 수 있다.
본 발명은 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나인 삼차원 프린터를 이용하여 중성자 차폐용 조형물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래 기술과 달리 차폐체의 재료를 독립된 공급 장치를 통해 공급하기 때문에, 밀링방법을 생략하여 차폐체의 생산성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 분말 공급과 동시에 재료가 용융되어 차폐체를 형성하므로, 종래 혼합공정 및 가열공정이 순차적으로 이어졌던 것을 한 단계로 단순화할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 "소정의 형상"을 가지는 조형물은 사용후핵연료를 수납하기 위한 각기둥 내지 원기둥일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 소정의 형상을 가지는 조형물은 사용후핵연료를 보관하는 데 있어 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있는 형태로 가공될 수 있다.
종래 제조 기술인 압출방법에 따라 서멧을 제조하는 경우, 고무 등 탄성체와 달리 경도가 높은 서멧의 본질적인 특성 상 중성자 차폐체를 판상형으로 압출한 뒤 절단 및 접합하여 가공할 수 밖에 없었다. 본 발명은 삼차원 형상 데이터를 변경하여 손쉽게 다양한 형태의 중성자 차폐체를 제조할 수 있으므로, 종래 기술의 한계로 여겨졌던 차폐체의 형상을 혁신적으로 변형시킬 수 있으며, 차폐체가 사용되는 기기나 부품에서 요구되는 복잡한 형상의 차폐체의 제조가 가능하다. 아울러 사용후핵연료 저장용기의 차폐체 구조물을 제작할 때 발생하는 이격 문제를 해결할 수 있다.
상기 중성자 차폐용 조형물의 제조방법은 (e) 상기 중성자 차폐용 조형물을 소정의 높이만큼 절단하여 상기 금속 모재로부터 분리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 "소정의 높이"는 축적 열량이 200,000 J 미만이면 하기 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 2]
X/X0 = 0.0003 * Y/Y0 + 10.291
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 "소정의 높이"는 축적 열량이 200,000 J 이상이면 하기 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 3]
X/X0 = -0.00001 * Y/Y0 + 78.3
상기 수학식 2 내지 3에 있어서, X는 상기 소정의 높이, 즉, 절단되는 중성자 차폐용 조형물의 높이[㎛]를 의미하며, Y는 축적 열량[J]을 의미한다. 아울러, X0는 1 ㎛, Y0는 1 J을 의미한다.
상기 (c) 단계는 상기 금속 모재의 용융점보다 낮고, 상기 금속 분말의 용융점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 상기 (c) 단계가 금속 모재의 용융점보다 높은 온도에서 수행되면 모재가 용융되어 조형물의 품질이 감소할 수 있다. 상기 (c) 단계가 금속 분말의 용융점보다 낮은 온도에서 수행되면 금속의 가공성이 급격하게 감소할 수 있다.
상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계는 동시 또는 이시에 수행될 수 있으며, 바람직하게는, 동시에 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속 모재는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 스테인레스강, 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 티타늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스강, 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 금속 모재 내지 상기 금속 분말은 각각 페라이트계(Ferritic) 스테인레스강, 오스테나이트계(Austenitic) 스테인레스강, 마르텐사이트계(Martensitic) 스테인레스강 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 세라믹 분말은 보론 카바이드(Boron carbide), 보론 옥사이드(Boron oxide), 보론 나이트라이드(Boron nitride), 카드뮴 카바이드(Cadmium carbide), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 나이트라이드(Cadmium nitride), 인듐 카바이드(Indium carbide), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트라이드(Indium nitride), 사마륨 카바이드(Samarium carbide), 사마륨 옥사이드(Samarium oxide), 사마륨 나이트라이드(Samarium nitride), 하프늄 카바이드(Hafnium carbide), 하프늄 옥사이드(Hafnium oxide), 하프늄 나이트라이드(Hafnium nitride), 유로피움 카바이드(Europium carbide), 유로피움 옥사이드(Europium oxide), 유로피움 나이트라이드(Europium nitride), 가돌리늄 카바이드(Gadolinium carbide), 가돌리늄 옥사이드(Gadolinium oxide), 가돌리늄 나이트라이드(Gadolinium nitride) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 보론 카바이드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 중성자 차폐용 조형물의 세라믹 함량은 상기 중성자 차폐용 조형물의 총 중량을 기준으로 5~50중량%일 수 있다. 상기 세라믹의 함량이 5~50중량%, 바람직하게는, 24~26중량%에 속하면 균열 발생이 저감될 수 있다.
중성자 차폐용 조형물
본 발명의 다른 일 측면에 따른 중성자 차폐용 조형물은, 전술한 제조방법으로 제조될 수 있다.
상기 중성자 차폐용 조형물은 금속 및 세라믹으로부터 유래한 서멧으로 구성될 수 있다. 종래의 서멧 조형물이 압출법에 의해 판상형으로 형성되어 이들을 절단 후 접합시키는 것과 달리, 상기 중성자 차폐용 조형물은 원기둥 등의 곡면을 포함하거나, 접합면 없이 접힌 구조 등의 형상을 가질 수 있다.
상기 금속은 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스강, 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 금속은 페라이트계(Ferritic) 스테인레스강, 오스테나이트계(Austenitic) 스테인레스강, 마르텐사이트계(Martensitic) 스테인레스강 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 세라믹은 보론 카바이드(Boron carbide), 보론 옥사이드(Boron oxide), 보론 나이트라이드(Boron nitride), 카드뮴 카바이드(Cadmium carbide), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 나이트라이드(Cadmium nitride), 인듐 카바이드(Indium carbide), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트라이드(Indium nitride), 사마륨 카바이드(Samarium carbide), 사마륨 옥사이드(Samarium oxide), 사마륨 나이트라이드(Samarium nitride), 하프늄 카바이드(Hafnium carbide), 하프늄 옥사이드(Hafnium oxide), 하프늄 나이트라이드(Hafnium nitride), 유로피움 카바이드(Europium carbide), 유로피움 옥사이드(Europium oxide), 유로피움 나이트라이드(Europium nitride), 가돌리늄 카바이드(Gadolinium carbide), 가돌리늄 옥사이드(Gadolinium oxide), 가돌리늄 나이트라이드(Gadolinium nitride) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 보론 카바이드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 중성자 차폐용 조형물의 세라믹 함량은 상기 중성자 차폐용 조형물의 총 중량을 기준으로 5~50중량%일 수 있다. 상기 세라믹의 함량이 5~50중량%, 바람직하게는, 24~26중량%에 속하면 균열 발생이 저감될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
비교예 1~6
직접 에너지 용융 적층방법(DED)을 이용하여 중성자 차폐용 조형물을 제조하기 위하여 금속 모재를 준비하였다. 분말 공급 장치를 통해 금속 분말과 세라믹 분말을 금속 모재 위에 공급하면서 레이저를 조사하여 금속 분말을 용융시켰다. 이 때, 챔버에서 3 L/min의 속도로 분말 운반 가스(carrier gas)를 공급하였다. 금속 분말과 세라믹 분말은 그 입자크기(powder size)가 각각 50~100 ㎛에 속하는 것을 사용하였고, 분말 공급장치 모터(powder supplying drum motor)의 전력은 0.1~1.5 W를 유지하였다. 그리고, 레이저 스캔 속도(scan speed)는 5~10 mm/s를, 레이저 전력(laser power)은 150~240 W를 유지하였다. 이어서, 레이저에 의해 용융된 금속 및 세라믹을 고형화시켜 서멧층을 형성하고, 이러한 서멧층을 반복적으로 형성하여 세라믹 함량이 20~35중량%인 중성자 차폐용 조형물을 수득하였다.
구체적인 공정 조건은 하기 표 1과 같다.
항목 비교예
1 2 3 4 5 6
금속 모재 성분 SUS304 SUS304 SUS304 SUS304 SUS304 SUS304
금속 분말 성분 Al Al Al Al Al Al
세라믹 분말 성분 B4C B4C B4C B4C B4C B4C
레이저 전력(W) 180 180 180 180 180 180
스캔 속도(mm/s) 6 6 6 6 6 8
비에너지(J/mm2) 125 125 125 125 125 93.75
적층 수 1 2 3 4 1 1
실시예 1~6
하기 표 2와 같이 공정 조건을 변경한 것을 제외하면, 비교예 1과 동일한 방법으로 세라믹 함량이 20~33중량%인 중성자 차폐용 조형물을 수득하였다.
항목 실시예
1 2 3 4 5 6
금속 모재 성분 Ti Ti Ti Ti Ti Ti
레이저 전력(W) 220 220 220 180 180 180
스캔 속도(mm/s) 6 6 6 6 6 6
비에너지(J/mm2) 152.8 152.8 152.8 125 125 125
적층 수 1 1 1 2 3 4
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실험예 1. 조형물 내부 균열 발생 요인 분석
도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(macro crack)을 SEM으로 촬영한 이미지다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 비교예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(micro crack)을 각각 금속현미경으로 촬영한 이미지와 SEM으로 촬영한 이미지다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 비에너지, 적층 수 변경 여부와 상관 없이 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 다수의 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이후, 모재의 성분이 조형물의 균열 생성 및 박리 발생에 미치는 영향을 분석하기 위하여, COMSOL MULTIPHYSICS를 이용한 열팽창 분석을 수행하였다. 광학 현미경(optical microscope)으로 조형물 시편을 촬영한 이미지를 기반으로, 대기 온도 25℃ 조건에서 8 mm * 8 mm * 3 mm 규격의 직육면체 모재를 형상화하였다. 그리고 재료의 방사율(emissivity)를 반영하여 시편 상부 표면의 복사 냉각현상을 묘사하고, 노출된 시편의 전체 표면에 대하여 대류 냉각현상을 묘사하였다.
도 6(a)를 참고하면, 티타늄 금속 모재의 피크 온도가 SUS304에 비하여 높은 것을 알 수 있다.
도 6(b)를 참고하면, 티타늄, 텅스텐, 알루미늄 등 금속 모재의 폰 미세스 응력(von Mises Stress)이 SUS 304에 비하여 낮은 것을 알 수 있다.
열팽창 분석을 통해, 금속 분말을 용융시키기 충분한 온도를 구현할 수 있으면서, 모재와 조형물의 경계부 응력 값이 낮은 티타늄이 모재 성분으로서 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물 시편 내부에 발생한 균열(micro crack)을 각각 금속현미경으로 촬영한 이미지와 SEM으로 촬영한 이미지다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 티타늄을 포함한 모재를 적용하여 조형물을 제조하는 경우 균열이 저감되는 것을 알 수 있다.
실험예 2. 조형물 미세구조 분석
중성자 차폐용 조형물의 제조과정에서, 모재와 조형물의 경계부에 형성되는 혼합층은 차폐 성능이 떨어지므로 제거될 필요가 있다. 그러나, 공정 조건에 따라 형성되는 혼합층의 두께가 변화하므로, 매번 혼합층의 두께를 측정하여 혼합층을 제거하는 것은 공정의 비효율성을 초래한다. 따라서, 공정 변수와 혼합층의 두께의 관계를 분석하여, 쉽게 혼합층의 두께를 예측할 수 있는 방법이 연구되었다.
다양한 공정 변수 중 모재에 가해지는 축적 열량(Total heat input)과 혼합층 두께의 관계를 분석하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 조형물의 축적 열량과 평균 혼합층 두께를 측정하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물을 광학현미경으로 촬영하여 경계부 용융현상이 일어난 혼합층을 확인하였고, 상기 경계부 양 끝단을 잇는 직선과, 직선 상부의 경계부 사이 거리를 16개 지점에서 측정하였다. 이 때, 표면의 불균질함에 의한 혼합층의 두께 변화 효과는 무시하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조형물의 제조과정에 있어서, 제거된 혼합층의 평균 두께를 축적 열량에 대해 도시한 그래프(black)와 10%의 여유도가 추가된 두께를 도시한 그래프(red)를 함께 나타낸 것이다.
도 9를 참고하면, 혼합층의 평균 두께는 축적 열량이 증가함에 따라 증가하다가 결국 수렴하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 모재의 축적 열량을 측정하여 혼합층의 두께를 예측할 수 있고, 나아가 제거되는 혼합층의 두께를 최적화하여 경제적으로 조형물을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 3. 상 확인(phase identification)
본 발명의 제조방법에 따라 안정적으로 중성자 차폐용 조형물이 제조되는지 확인하기 위하여, 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에 따라 제조된 중성자 차폐용 조형물을 대상으로 XRD(X-Ray Diffraction) 분석을 수행하였다.
도 10(a)~10(b)는 본 발명의 일 비교예에 따라 제조된 중성자 차폐용 조형물의 분석 결과를 도시한 것이고, 도 11(a)~11(c)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 중성자 차폐용 조형물의 분석 결과를 도시한 것이다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에 따른 중성자 차폐용 조형물은 반응물인 Al, B4C를 주로 포함하지만, 일부 미반응물 내지 금속 및 세라믹이 반응하여 생성된AlB2, C, Al4C3, AlB12C2도 포함된 것을 확인할 수 있다. 그러나, C 이외 성분의 피크 강도가 매우 낮으므로, 불순물의 생성량이 매우 적은 것을 알 수 있고, 나아가 중성자 차폐용 조형물이 안정적으로 제조될 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4. 중성자 차폐체 형상의 다변화
본 발명의 제조방법에 따라 다양한 형상의 중성자 차폐용 조형물을 제조할 수 있는지 확인하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중성자 차폐용 조형물을 촬영하였다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제조방법에 따라 판상형 중성자 차폐체 및 원기둥형 중성자 차폐체를 제조하는 과정을 촬영한 이미지다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 적층제조 기술을 이용하여 중성자 차폐용 조형물을 제조하는 경우, 삼차원 형상 데이터를 변경하여 손쉽게 다양한 형태의 중성자 차폐체를 제조할 수 있으므로, 종래 기술의 한계로 여겨졌던 차폐체의 형상을 혁신적으로 변형시킬 수 있으며, 차폐체가 사용되는 기기나 부품에서 요구되는 복잡한 형상의 차폐체의 제조가 가능하다. 아울러 사용후핵연료 저장용기의 구조물을 제작할 때 발생하는 이격 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 금속
2 : 세라믹
3 : 금속 모재

Claims (9)

  1. (a) 금속 모재를 준비하는 단계;
    (b) 상기 금속 모재 상면의 적어도 일부에 금속 분말 및 세라믹 분말을 공급하는 단계;
    (c) 레이저를 조사하여 상기 금속 분말을 용융시키는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계의 생성물을 고형화시켜 서멧층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 내지 (d) 단계가 1회 이상 수행되어 소정의 형상을 가지는 조형물을 제조하고,
    상기 (c) 단계는 상기 금속 모재의 용융점보다 낮고, 상기 금속 분말의 용융점보다 높은 온도에서 수행되는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계는 동시에 수행되는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    (e) 상기 중성자 차폐용 조형물을 소정의 높이만큼 절단하여 상기 금속 모재로부터 분리하는 단계;를 더 포함하는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 모재는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 스테인레스강, 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스강, 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 보론 카바이드(Boron carbide), 보론 옥사이드(Boron oxide), 보론 나이트라이드(Boron nitride), 카드뮴 카바이드(Cadmium carbide), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 나이트라이드(Cadmium nitride), 인듐 카바이드(Indium carbide), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트라이드(Indium nitride), 사마륨 카바이드(Samarium carbide), 사마륨 옥사이드(Samarium oxide), 사마륨 나이트라이드(Samarium nitride), 하프늄 카바이드(Hafnium carbide), 하프늄 옥사이드(Hafnium oxide), 하프늄 나이트라이드(Hafnium nitride), 유로피움 카바이드(Europium carbide), 유로피움 옥사이드(Europium oxide), 유로피움 나이트라이드(Europium nitride), 가돌리늄 카바이드(Gadolinium carbide), 가돌리늄 옥사이드(Gadolinium oxide), 가돌리늄 나이트라이드(Gadolinium nitride) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중성자 차폐용 조형물의 세라믹 함량은 상기 중성자 차폐용 조형물의 총 중량을 기준으로 5~50중량%인, 중성자 차폐용 조형물의 제조방법.
  9. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된, 중성자 차폐용 조형물.
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