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중성자를 이용한 응력 측정기술의 응용 현황

전문가 제언: ○ 중성자를 조사하면 시료 내부의 원자핵과 전자들의 스핀(spin) 및 회절현상을 일으킨다. 이러한 회절현상을 분석하면 시료 내부의 격자상수, 원자위치, 온도변수 등의 격자구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.

○ 또한 자성을 가진 물질의 경우는 중성자 조사를 통해 그 물질의 스핀 크기와 정렬방향 등의 자기구조를 연구할 수 있다. 특히 중성자가 가지고 있는 강한 투과성을 이용하면 극저온, 초고압, 현장에서의 측정 등의 다양한 시료 환경을 쉽게 구성할 수 있는 장점이 있다.

○ 최근에 중성자 회절법의 응용 분야는 고체물리뿐만 아니라 이차전지, 수소저장물체, 자성물질, 초전도물질 등으로 확대되고 있으며 연구 사례가 크게 증가하고 있다. 특히 중성자를 이용하는 잔류응력 측정장치는 재료의 피로 및 파괴의 주원인인 잔류응력을 측정하여 분석할 수 있는 장치로서 원자력, 자동차, 조선 및 항공용 첨단구조재료의 안정성과 내구성 검증을 위한 연구에 많이 활용되고 있다.

○ 최근에는 두께 70mm, 폭 90mm의 벌크(bulk) 구조물을 실측하여 부품의 깊이방향 응력분포를 측정한 연구 사례도 발표되고 있으며 또한 차량용 경량 고강도 신소재의 변형거동을 실시간으로 측정하여 첨단재료개발의 기초데이터로 제공되고 있다. 미소각 중성자 산란장치(SANS, Small-Angle Neutron Scattering)는 나노크기(1~50nm)의 미세구조 분석에 효과적인 것으로 알려져 있으며 이러한 장치의 연구 분야는 고분자, 콜로이드, 복합유체, 생체재료, 금속 및 세라믹 재료 등으로 확대되고 광범위하게 확대되고 있다.

○ 따라서 중성자 회절법은 물리, 화학, 생물, 재료 등의 기초연구뿐만 아니라 산업적이 연구에도 널리 활용되고 있다. 특히 최근에는 파장이 긴 냉중성자를 발생시키는 SANS가 개발되어 기존의 열중성자 SANS보다 중성자 빔의 강도가 100배 이상 높아져 산업적 응용범위가 훨씬 광범해졌다. 우리나라도 연구용 원자로인 하나로를 보유하고 있고 중성자를 이용한 연구에 활용할 수 있도록 하고 있다. 이러한 기술과 장치의 응용을 통해 나노 및 바이오기술을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.

저자: Horoshi Suzuki
자료유형: 학술정보