multiscale modelling 에 의한 재료의...

Multiscale Modelling에 의한

재료의 조사손상평가(조사손상 평가기술의 새로운 패러다임)

권상철․여운동

머 리 말

21세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식

기반 산업사회로 나아가고 있으며, 최고가 아니면 살아남을

수 없는 무한경쟁시 가 되어가고 있습니다. 이러한 변화 속

에서 각 국가에서는 미래 유망기술(Emerging Technology)을

선정하여 국가 역량을 집 함으로써 차세 국가경쟁력을 확

보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다.

최근 우리나라에서도 미래 유망기술에 한 심이 어느 때

보다도 증 되고 있는 가운데, 한국과학기술정보연구원에서는

과학계량학 인 방법으로 미래 국가 유망기술을 측하기

한 일련의 연구를 수행하고 있습니다.

본 보고서는 과학기술정보데이터베이스(SCIE)에서 최근 6

년간 분야별 피인용도가 높은 핵심논문들을 가지고 정보계량

학 인 분석을 행하여 선정된 핵심 유망 연구 역에 해

련 국내 문가들의 자문을 토 로 작성된 R&D 동향보고서입

니다. 본 보고서가 련 과학기술정보를 국내에 확산시키고,

미래 국가유망기술의 략 육성을 한 연구개발 활동에 작

으나마 도움이 되었으면 합니다.

마지막으로 본 보고서를 집필한 자들의 노고에 감사드리

며, 본고의 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝 둡니다.

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

ⅰ

목 차

제1장 서론 ··························································································1

1. 연구의 배경 ····························································································1

2. 연구의 방법 ····························································································2

제2장 기술의 개요 ·············································································3

1. 기술에 한 정의 ···················································································3

2. 기술의 요성 ·························································································4

가. 안전한 에너지 생산 ·················································································4

나. 기존 조사손상평가기술의 문제점 극복 ·························································4

다. 차세대 원자로 재료의 조사취화 평가 ··························································5

3. 기술의 개발배경 ·····················································································5

가. 조사취 모델 확립 ····················································································5

나. 전산 시스템의 비약적 발전 ·······································································6

다. Multiscale modelling 기술 개발 ································································6

라. 재료전산과학기술개발 ··············································································7

4. 기술의 내용 ····························································································7

가. 조사손상 평가 ························································································7

나. Multiscale modelling ··············································································9

5. 기술의 수 ··························································································10

제3장 국내외 기술개발동향 ····························································13

1. 해외 연구개발 동향 ··············································································14

가. ab initio ······························································································14

나. MD ·····································································································15

다. KMC/Metropolis Monte Carlo ································································17

ⅱ

라. DD ·····································································································19

2. 국내 연구개발 동향 ··············································································21

가. 연구경위 ······························································································21

나. 주요 연구 내용 ·····················································································22

다. 주요 연구 그룹의 활동 ···········································································23

3. 국내외 기술 수 비교 ········································································24

가. ab initio ······························································································24

나. MD ·····································································································25

다. KMC ···································································································25

라. DD ·····································································································26

4. 국내외 연구 환경 ·················································································26

가. 연구수요 ······························································································26

나. 연구인력 ······························································································27

다. 소프트웨어 및 전산자원 ··········································································28

5. 기술로드맵 ····························································································30

가. 조사손상 전산모사와 관련실험기술 ···························································30

나. 국내 조사손상 전산모사기술개발 계획 ·······················································31

제4장 결론 제언 ·········································································35

1. 산모사기술의 한계성 ········································································35

가. 실험방법의 대체 기술로서의 가능성 ··························································35

나. 각 단계 모사의 기술적 한계성 ·································································36

다. 가시적 성과 도출의 제한성 ·····································································38

2. 산모사기술개발의 기 효과 ······························································39

가. 차세대 원자로재료의 선정 ·······································································39

나. 현행 원자로의 건전성 확보 ·····································································40

다. 파급효과 ······························································································40

ⅲ

3. 국내기술개발의 방향과 략 ·······························································42

가. 조사손상평가 전산모사 ···········································································42

나. 재료전산과학연구 분야와 연계 ·································································43

다. 교육용 프로그램의 개발 ··········································································43

라. 국제공동연구 프로그램 활용 ····································································43

4. 제언 ·······································································································44

가. 대학의 재료전산과학교육 활성화 ······························································44

나. 재료전산과학분야 연구의 활성화 ······························································46

참고 문헌 ··························································································49

별 첨 ····························································································51

ⅱ

그림 목차

<그림 2-1> 증성자 조사에 의한 조사결함 생성 ·········································8

<그림 2-2> 조사재의 괴 인장 특성 변화 ···········································9

<그림 3-1> 조사손상 산모사기술의 구성과 실험기술과의 계 ···········30

<그림 3-2> 조사손상평가 산모사기술 로드맵 ·········································32

1

제1장

서 론

1. 연구의 배경

○ 21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며, 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있음.

○ 우리나라 과학기술부도 2005년 6월 ‘미래국가유망기술

원회’를 구성하여 ‘과학기술 측조사(2005-2030)’ 결과

(2005년 5월, 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있음.

○ 한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며, 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2～3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논

평 형식으로 풀이한 심층 Expert Review임.

2 Multiscale Modelling에 의한 재료의 조사손상평가

2. 연구의 방법

○ 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서, 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1%인 고인용 논문(HCP; Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 ‘미래 유망연구

역’을 도출하 음.

○ 상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았음.

○ 본 보고서는 Multiscale Modelling에 의한 재료의 조사손

상평가에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문들을 종

합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께 세계

인 연구동향을 개 으로 살펴보고, 미래 핵심기술로

자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 음.

3

제2장

기술의 개요

1. 기술에 대한 정의

○ 실험에 의하여 규명된 조사손상의 원인 상을 기

로 하여 모델화함으로써 multiscale modelling에 의하여

조사손상을 산모사로 평가하는 기술

○ 조사손상

방사선을 재료에 조사하여 생성된 결함으로 인하여 재료

가 취화하는 상. 이를 조사효과 는 조사손상이라 함.

○ 조사손상 평가기술

조사손상 상의 원인과 취화 상의 정도를 측정

측하는 기술.

○ Multiscale modelling

양자역학, 통계역학, 확산 론의 각 모델을 사용하

여 나노크기 재료 상에서부터 실재 크기의 재료 상까

지 단계 으로 산모사하는 기법. 재료를 구성하는 각

원자 간의 potential로부터 재료의 최종특성을 악하기


하여 ab initio, molecular dynamics, kinetic Monte

Carlo dislocation dynamics를 이용하여 계산.

2. 기술의 중요성

가. 안전한 에너지 생산

○ 안 한 원자로 운 조건 제시

성자 조사로 인한 원자로 재료의 취화정도를 평가하여

안 한 원자로의 운 조건 제시

○ 내방사선재료 개발방안 제시

조사취화에 한 합 원소 불순물의 향평가로 방사

선 조사조건에서 재료개발 방안 제시

나. 기존 조사손상평가기술의 문제점 극복

○ 경제 문제 극복

기존의 실험에 의한 평가는 원자로 는 가속기와 같은

형의 조사시설과 방사선 차폐가 된 형의 조사재 시

험시설이 필요하나, 산모사에 의한 평가에는 비교

비용의 산시스템의 보유만으로 가능

○ 기술 문제 극복

기존의 실험에 의한 평가에서 조사재 취 으로 인한 작

제2장 기술의 개요 5

업자의 방사선 피폭의 문제 이 있음. 한 조사취화에

향을 주는 각종 변수, 즉 조사율, 조사량, 온도 등에

한 측이 어렵기 때문에 매 조건마다 실험에 의하여 자

료를 구하지만, 산모사에 의한 평가에서는 측이 가

능

다. 차세대 원자로 재료의 조사취화 평가

○ 차세 원자로의 개발

용 원자력 발 보다 효율 인 원자로의 개발이 국제

으로 진행 이며, 한국도 이러한 국제공동연구 로그램

에 참여하고 있음.

○ 차세 원자로 재료의 개발

차세 원 의 운 조건은 용 원 의 운 조건 보다

고온 고조사량의 조건으로 재는 차세 원 운

조건에서의 실험시설이 없기 때문에 산모사 이외의

안이 없음.

3. 기술의 개발배경

가. 조사취화 모델 확립

○ 조사취화에 한 연구는 약 30년 이상 수행되어온 분야로

서, 조사결함 생성, 성장 결함에 의한 재료특성 변화에


한 많은 연구결과가 그동안 축 되어, 이들에 한 모

델이 확립되게 됨. 그러나 이들 모델들은 단편 으로 실

험결과를 설명하는 데 활용되었을 뿐임. 이들 각각의 모

델을 활용함과 동시에 각 모델을 검증함으로써 기 조사

결함의 생성조건으로부터 성자가 조사된 재료의 최종

특성을 체계 으로 평가할 수 있는 방안이 제시됨.

나. 전산 시스템의 비약적 발전

○ 성자 조사에 의하여 각 원자에 조사에 지를 달하는

양상을 계산하기 해서는 그동안 슈퍼컴에서만 계산이

가능하 으나, 가의 고성능의 PC가 비약 으로 개발

됨으로써 PC를 이용하여 슈퍼컴을 체하는 기술이 개

발됨. 여러 의 PC를 연결하여 cluster를 구성하고 각

PC에 계산량을 분담시키는 병렬처리 기술이 발달함으로

써 산모사기술의 변화를 가져옴.

다. Multiscale modelling 기술 개발

○ 조사결함의 생성, 성장 조사취화 과정에 련된 각

모델을 ab initio, molecular dyanamics, kinetic Monte

Carlo dislocation dynamics를 이용하여 극미세 크기

에서 실제 크기의 시료까지의 특성변화의 각 단계를 연

결함으로써 기조사조건으로부터 최종 재료의 특성변

화를 측하기 한 multiscale modelling 기술에 한

연구가 최근 활발함.


라. 재료전산과학기술개발

○ 일반 재료연구분야에서 산모사기술에 의한 연구, 특히

나노재료의 합성 특성규명에 활용하기 한 연구가

속하게 진행되고 있다. 조사손상평가 산모사기술은

재료 산과학의 단 기술로 볼 수 있다. 일반 재료의

산모사연구와 인 , 기술 교류가 활발히 이루어짐으로

써 기술개발이 활성화 될 것임.

4. 기술의 내용

가. 조사손상 평가

○ 조사결함생성과 조사취화

- 원자로 재료는 핵연료에서 반응에 의하여 생성된 고속

성자에 의하여 결함이 생성된다. <그림 2-1>과 같이

고속 성자가 재료에 조사되면 그 에 지를 재료의 원

자에 달하게 되고, 이 원자는 다시 주변의 원자들에

에 지를 달 연쇄 으로 달함으로써 원자들의

치이동이 생기게 된다. 처음 성자에 충돌괸 원자를

primary knock-on atom(PKA)라고 부르며, 이에 의하

여 기에 생성된 주변원자의 치이동 상태를

cascade라고 부른다. Cascade의 외각에는 interstitial

atom이 모이고 내부에는 vacancy 들이 모인다. 부분

의 생성된 interstitial atom과 vacancy는 다시 재결합


하여 사라지고, 일부 결함만 남게 된다. Intersttial

atom은 원자로 운 온도와 같은 상태에서는 vacancy

보다 이동이 빨라 이들끼리 결합함으로써 interstitial

cluster를 형성한다. 이러한 interstitial cluster는 Frank

loop를 형성하고 어느 정도 크기가 되면 층결함이

사라져 완 의 loop로 남게 된다. 일반 으로 재료

는 합 상태로서 조사결함은 와 같은 결함간의 반

응이외에 합 원소와 작용하여 석출물을 형성하여 더

욱 복잡한 결함들을 형성하게 된다. 이 게 생성된 조

사결함들과 와의 상호작용에 의하여 재료가 취화

하므로, 생성된 조사결함의 종류, 크기, 도 분포

상태를 악하는 것이 매우 요하다.

<그림 2-1> 성자 조사에 의한 조사결함 생성

- 조사결함 생성의 주요 변수: 조사량, 조사율, 조사온도,

합 원소 불순물의 종류 등의 향 평가

○ 조사손상 평가

- 조사재의 미세조직 변화 : 조사유기 편석, 조사 크리

, swelling 등


- 인장 시험 충격시험에 의한 조사경화 조사취화

도 평가 : <그림 2-2>와 같이 조사재는 항복강도 증가

연성-취성 천이온도의 상승의 특성을 보여 .

나. Multiscale modelling[1]

○ 조사손상의 산모사는 상의 크기를 기 으로 가장 작

은 단 의 모사인 ab initio(제1원리)부터 molecular

dynamics(분자동력학, MD), kinetic Monte Carlo(KMC),

dislocation dynamics( 동력학, DD), finite element

method(유한요소법, FEM)의 다단계 모사로 구성된다.

일반 으로 조사손상평가 산모사에서 주로 사용하는 것

은 MD, KMC DD이다.

○ Ab initio

- 고체의 자구조 해석으로부터 원자의 potential, 결합

에 지 등을 구하여 MD KMC의 기 자료로 활용

<그림 2-2> 조사재의 괴 인장 특성 변화

Charpy V-notch test (fracture)1 Tensile test2

I

IIIII

Charpy V-notch test (fracture)1 Tensile test2

I

IIIII


○ MD

- 방사선에 의한 기 조사결함 생성을 계산. 각 원자간

의 에 지 치 등을 계산하므로 계산량이 많아 나노

크기 pico의 시간의 변화를 모사하며, 그 결과는

KMC의 기 자료로 활용

- 결함의 확산계수, 활성화 에 지를 계산하고, 결함과

와의 상호작용에 의한 의 이동도를 계산

○ KMC

- 결함의 성장을 모사함으로써 방사선 조사에 의하여 생

성된 미세조직변화를 악

- 결함 클러스터 loop의 크기, 도 분포를

계산

○ DD FEM

- MD KMC의 계산결과를 이용하여 결함과 와의

상호작용에 의한 조사경화 취화 상을 모사

- 는 변형량이 증가할수록 가 증식하므로 계산

량이 그만큼 증가

5. 기술의 수준

○ 실험에 의한 조사손상평가에 한 기술 : 성숙단계, 원

자로 개발과 함께 30년 이상 연구


○ Multiscale modelling에 의한 조사손상 평가 기술 : 기술

개발의 태동기, 련 코드의 개발 검증/확인 단계

- 모델 개발을 한 실험 보완 필요

- 해외 연구수 은 주요 연구기 을 제외하면 소수의

학에 제한되어 연구가 수행 으로 연구인력이 부족한

상태

- 일부 코드가 공개되어 있으나, 아직은 련 연구기

간에만 상호 공유

- 국내 연구수 은 해외 련 연구기 에서 연구에 참여

한 극소수의 인력 이외에는 무한 상태

13

제3장

국내외 기술개발동향

○ 기존의 조사손상 평가기술은 원자력발 의 역사만큼

오랜 동안 개발되어왔으며, 재의 기술수 은 상용

발 의 안 성 확보에 있어서 부족함이 없다. 그러나

기존의 방법은 실험에 으로 의존하여 고비용과

실험에 많은 시간이 소요되는 문제 을 갖고 있다.

○ 이러한 문제를 극복하기 한 방법으로 재료의 기 물성

과 방사선에 의한 조사조건 즉, 성자 조사량, 조사율

온도로부터 산모사기술을 이용하여 조사손상에 의

한 기계 특성 변화를 악하기 한 기술이 개발되고

있다. 조사결함 생성, 성장 기계 특성 변화를 단계

으로 모사하므로 이를 multiscale modelling에 의한 조

사손상 평가기술로 부른다. Multiscale modelling에 의한

산모사기술은 재료의 조사손상 평가 이외에도 일반

인 재료, 생물, 유체역학, continuum mechanics 등에도

활용되고 있다. 본 내용에서는 속의 조사손상 평가에

서 multiscale modelling 기술의 용 개발 황을 소

개하고자 한다. 이 에는 원자단 의 크기부터 실재크기

까지의 재료에서 발생하는 여러 상을 독립 으로 구명

하 다고 볼 수 있다. 즉, 재료의 특성을 평가하기 하


여 양자역학, 확산, 상변화, 기계 특성등과 같은 다양

한 분야에서 분야별로 상을 분석 평가하는 방법을

택하 다. Multiscale modelling에서는 이러한 각 분야의

근방법을 체계 으로 통합함으로써, 재료의 원자단

특성으로부터 실재크기의 재료에서 발생하는 기계 특

성, 미세구조 등을 악하기 한 근 방법이라고 할

수 있다.

○ 산모사에 의한 조사손상평가는 아직 개발과정에 있는

것으로 실험에 의한 평가와 병행하여 개발되고 있으며,

개발된 코드의 검증 확인을 하여서도 실험으로 보

완할 필요가 있다.

1. 해외 연구개발 동향

가. ab initio

○ MD KMC 코드에 필요한 interatomic potential을 제

공하고, 조사결함의 특성 즉, 결함의 결합에 지, 이동에

지 등과 같은 기 계산을 수행한다. 개발된 MD

KMC 코드의 신뢰성을 확인하기 하여 ab initio를 활

용하기도 한다.

○ Vienna 학의 G. Kresse가 개발한 WASP (Vienna

Ab-initio Simulation Package)를 사용한다.

제3장 국내외 기술개발동향 15

○ MD KMC를 활용하여 연구하는 그룹에서 ab initio

코드를 활용하고 있다. 따라서 해외의 주요 연구그룹에

한 연구동향은 MD와 KMC의 것을 참조.

나. MD

○ 1960년 George Vineyard[2]가 최 로 시도하 으며

radiation damage에 용은 1984년 Finnis 와 Sinclair[3]

의 α-iron에 한 interatomic potential의 개발과 함께

MOLDY 코드가 개발됨으로써 본격화 되었다.

○ MOLDY는 단원자로 구성된 재료에서만 용되며, 병렬

화되어 있지 않아 일반 PC에서도 수행이 가능하다.

○ 재는 이원계 합 까지는 처리가 가능한 수 으로 EU

에서 개발한 DYMOKA와 미국 LLNL에서 개발한

MDCASK가 많이 사용된다. 이것은 Connecticut 학의

J. Rifkin이 MD와 Monte Carlo simulation을 하여 개

발한 CDCMD[3] 코드를 이용하여 개발한 것이다.

○ 일반 원자로 재료를 상으로 하는 Fe, 핵융합로 재료를

상으로 하는 Fe-Cr, V, Cu 등, 핵연료 재료인 Zr에

하여 주로 연구가 수행되고 있음.

○ 주요 연구 내용

- 방사선의 에 지[4], 조사온도

[5,6], 피조사재의 종류

[7],


합 원소의 향과[8-10]

같이 조사손상에 향을 주는

주요 변수들에 따른 조사결함의 기 생성에 한 연구

- KMC 모사에 필요한 결함의 확산계수 계산[8,11,12]

- 와 조사결함의 상호작용에 의한 결함의 상태변화,

의 이동도[13,14] 악

- 입계에서의 조사결함 거동 분석[15]

○ 주요 연구 그룹의 활동

- Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL, 미국) :

세계최고 수 의 산시스템을 보유하고 있으며,

MDCASK를 개발하 고, multiscale modelling에서 선

두를 차지하고 있음. 핵융합연구에서 일본과의 공동연

구 로그램(1995-2000년)을 수행하는 과정에서 일본

에 multiscale modelling 기술을 하 음. 주로 핵융

합로재료에 한 연구 결과가 많음.

- Oak Ridge National Laboratory(ORNL, 미국) :

실험을 기반으로 하는 조사손상 평가에서는 선두그룹

으로 R. Stoller가 Fe에서 기조사결함 생성에 한

많은 연구를 수행하 으며, 최근 국 Oxford 학에

서 옮겨온 Yuri Osetsky가 와 조사결함의 상호작

용에 한 최다의 연구 결과를 발표하고 있음.

- Pacfic Northwest National Laboratory(PNNL, 미국) :

W. J. Weber F. Gao가 SiC에서의 조사결함생성 에

한 모사를 수행.


- UC Berkeley(,미국) :

B. Wirth가 LLNL에서부터 MD를 사용 Fe Cu에서

조사결함 생성과 He의 거동에 한 연구를 수행하 으

며, 최근 UC Berkeley에서 dislocation과 조사결함의 상

호작용에 한 연구를 수행.

- University of Liverpool( 국) :

D. J. Bacon이 주도하여 BCC, FCC HCP계의 주요

재료에 한 MD 모사를 수행하 으며, F. Gao Yuri

Osetsky와 오랜 동안 많은 연구결과를 발표하 음.

- EU :

국을 제외한 EU에서는 랑스 USTL의 C. S.

Becquart와 EDF의 C. Domain이 DYMOKA라는 MD

코드를 사용하여 Fe-Cu에서 Cu의 거동 Fe에서의

조사결함 거동을 분석하 다.

- 일본

CRIEPI의 N. Soneda가 LLNL의 MDCASK 코드 개발

에 참여하 으나, 아직 일본내에서 조사손상에 한

산모사연구가 활발히 보 되지 않은 상태임. 단, 일반

재료연구에 MD를 용한 연구는 활발함.

다. KMC/Metropolis Monte Carlo

○ MD로서는 조사결함의 성장 실제 크기의 미세조직을


모사할 수 없기 때문에, Monte Carlo 방법을 이용하고

있다.

○ Monte Carlo 방법은 원래 Manhattan project에서 핵분

열성 재료의 성자 확산을 연구하기 하여 von

Neumann, Ulam과 Metropolis[16]에 의하여 개발되었다.

속의 radiation damage에 한 용은 Doran[17]에

의하여 최 로 시도 되었다. Monte Carlo 방법에는 여러

가지가 있으나 radiation damage로 인한 결함의 이동

성장 거동은 Metropolis 방법이나 lattice kinetic Monte

Carlo를 용하고 있다. MD에서 구한 결함의 확산, 분리

반응에 한 ativation energy를 이용하여 결함의 시

간에 따른 거동을 추 함으로써 KMC로 미세구조의 변

화를 측한다.

○ LLNL에서 개발한 BIGMAC와 EDF에서 개발한

LAKIMOCA를 활용하고 있다.


- 조사량에 따른 cluster의 도와 cluster의 size별 분포

계산[18]

- 개발된 코드의 검증을 하여 성장 확산에 한 모델

cascade 구조에 따른 효과를 실험결과와 비교[19,20]

- 온도, 조사율 grain boundary 효과 검토[21]

- He에 의한 swelling 효과 모사[22]

- 의 이동도 계산[23]




BIGMAC 코드를 개발하 으며, 조사결함의 성장 련

연구를 주도하 으나, 재는 KMC 련 참여 인력은

거의 외부로 옮긴 상태.

- EU

랑스 USTL의 C. S. Becquart, EDF의 C. Domain

벨기에 SCK․CEN의 L. Malerba가 활동 .

- 일본

CRIEPI의 N. Soneda가 BIGMAC을 개량하여 연구 수

행

라. DD

○ DD의 활용은 조사경화 상과 연성-취성의 천이온도 상

승 상 조사재의 소성변형에서 나타나는 미세조직

을 통하여 변형기구를 검증하는데 필요하나, 재 수

은 코드의 개발단계로서 부족한 이 많다. 재료의 소성

변형과정에서 가 계속 증식되어 계산량이 증가하므

로 재로서는 단까지의 응력-변 곡선을 얻지 못하

고 있다. 아울러 결정의 크기, grain boundary 설정 등

많은 변수를 처리하는데 한계가 있다.

○ 이곳에서는 조사경화 상의 모사에서의 연구활동에 하

여 소개한다.


○ 각 그룹별로 자체 코드를 개발하여 사용하고 있으며,

WSU의 micro3D, IBM의 PARANOID, LLNL의

PARADIS 등이 있다.

○ 최근 랑스 CNRS/ONERA의 B. Devincre가 MicroMegas

를 mM이라는 이름으로 공개하 다. (http//zig.onera.fr/

mm_home_page참조)


- Cu에서 dislocation loop를 조사결함으로 하여 항복강도

증가 loop의 decoration 상을 모사[24]

- Cu에서 stacking fault tetrahedra의 효과 모사[25]

- Fe Cu에서 SIA cluster의 one dimensional motion을

고려하여 조사량에 따른 조사경화 효과 dislocation

channeling 상을 모사[26]

- CISH model 에 의한 yield point drop을 모사[27]



Tomas Diaz de la Rubia의 주도하에 PARADIS 코드

를 개발하 으며, V. Bulatov가 실무를 담당하며,

WSU와 공동연구를 수행하고 있다. FCC BCC에서

의 모사가 가능하고, 재로서는 제일 성능이 우수한

코드 컴퓨터 자원을 활용하고 있다.

계산에 많은 시간이 필요하여, single crystal 의 변형에

한하여 용하고, 그 이상의 크기는 NIKE3D를 사용하

여 유한요소법에 의한 모사를 계획하고 있다.


- Washington State University(WSU, 미국) :

H. Zbib는 LLNL과 공동연구를 통하여 micro3D를 개

발하 다.

- UCLA(미국) :

N. Ghoniem이 loop와 dislocation의 상호작용에 의한

rafting 상, brittle to ductile transition 등의 모사

- 랑스

CNRS/ONERA의 B. Devincre와 L. P. Kubin

CNRS/GPM2의 M. Fivel은 일반 재료의 기계 특성

과 련한 DD 모사를 한 코드를 개발하여 연구를

수행. EDF 주 으로 REVE project에 의하여 개발한

RPV-1 코드 내에 DD용 DUPAIR를 개발하 다고 하

나, 그 수 에 하여는 알 수 없고, 재 PERFECT

라는 EU 공동 project내에서 조사손상과 련하여

MD, KMC DD를 포함하여 모사할 수 있는 RPV-2

코드를 개발 에 있다. 이 코드는 용 원자로 재료를

상으로 한다.

2. 국내 연구개발 동향

가. 연구경위

○ 조사손상 평가를 한 multiscale modelling에 의한 산

모사 기술은 2002년부터 한국원자력연구소 원자력재료기

술개발부에서 원자력 장기 연구과제인 조사손상평가


기반기술개발 과제에서 시작하게 되었다.

○ 국내에는 련 연구인력이 거의 무한 상황이었으며,

국외에서 이 분야의 연구를 수행한 경험이 있더라도 연

구의 필요성이 인식되지 않는 환경에서 과제도출이 어

려웠다.

○ 특히 조사손상과 련한 연구는 원자력과 련된 연구로

원자력분야 이외의 연구자들이 참여하기에는 매우 어려

운 상황이다.

○ 일반 재료, 특히 나노기술과 련하여 ab initio, MD

KMC에 의한 산모사연구가 일부 학 연구기 에

서 수행되고 있었기 때문에 공동연구를 통하면 기반구축

이 가능하다는 단하에 원자력연구소에서 시작하게 되

었다.

○ 우선, MD 계열의 MOLDY를 ORNL로부터 입수하여

기 조사결함 생성을 모사하 으며, 추후 병렬처리된

MDCASK를 UC Berkeley로부터 입수하 다. KMC는

BIGMAC을 확보하 으며, DD는 랑스 CNRS/GPM2

로부터 코드를 확보하여 수행 이다.

나. 주요 연구 내용

○ MD


- MOLDY를 사용하여 Fe에서 성자 조사 에 지에 따

른 기조사결함 생성 모사 MOLDY 결과를 rate

theory를 용한 조사경화 효과 계산

- MDCASK를 사용하여 조사결함과 dislocation의 상호

작용을 모사

○ DD

- 랑스로부터 입수한 DDD 코드를 활용하여 Ni에서의

조사결함과 dislocation의 상호작용에 의한 조사경화효

과 모사

다. 주요 연구 그룹의 활동

○ 한국원자력연구소

- 조사손상 평가를 한 MD, KMC DD 련 코드

입수

- Fe에서의 조사손상을 multiscale modelling에 의한

산모사

- DD 코드 활용 Ni에서의 조사경화 모사

- KIST 포항공과 학교와 공동연구를 통하여 MD에

의한 Fe계열 합 의 조사손상평가 연구 추진

- KIST KISTI의 슈퍼컴을 활용

○ KIST

- MDCASK를 활용하여 Fe Fe-Cu에서 조사결함과

의 상호작용 의 이동도 계산


○ 포항공과 학교‘

- Fe-Cr의 원자간 포텐셜 계산 MD에 의한 조사결함

생성 모사

○ 이화여자 학교

- Fe-P의 interatomic potential 개발 V에서의 조사결

함 특성 ab initio 계산

3. 국내외 기술 수준 비교

○ 국내기술 수 이 아직 외국과 비교할 수 있는 정도의 단

계에 있지 않다. 외국은 이미 기반이 구축된 상태에서

개발단계에 와 있지만, 국내는 이제 기반을 구축하고 있

는 단계이다.

가. ab initio

해 외 국 내

- MD KMC에 필요한

interatomic potential을 계산

- 조사결함의 생성, 결합, 이동

등의 에 지 계산

- MD KMC 연구 그룹에서

활용

- 이화여자 학교 나노 산

과학 연구실에서 조사결함

에 한 연구실 보유

- KIST 재료연구부에서 련

인력 보유


나. MD

해 외 국 내- 미국, 국 랑스 등

자체 으로 련 코드를

개발하여 사용

- 조사손상 연구의 multiscale

modelling에서 가장 활발

- LLNL의 경우 세계최고의

280 Tflops/s의 BlueGene/L

보유하여 processor당

250,000개의 stom을 처리

- 사용목 에 따라 interatomic

potential 로그램을

보완하여 사용

- 일본은 MDCASK를 활용

목 에 맞게 수정하여 사용.

- 단원자 속의 모사용

MOLDY에서 조사결함 생성

모사

- 병렬처리 된 MDCASK에

의한 와 결함의 상호

작용 모사

- 개발된 코드를 입수하여 코

드를 활용하는 수

- KIST KISTI의 제한된

범 에서 슈퍼컴 활용

다. KMC

해 외 국 내- 미국: BIGMAC을 개발하여

사용목 에 맞게 수정하여

사용. 아직 KMC 연구

결과는 많지 않음.

- EU: 국가간 코드를 공유

공동연구 수행. PERFECT

로젝트를 통하여 Fe 열

조사결함의 성장연구 활발

- 일본: BIGMAC 코드를

목 에 맞게 보완, 활용

- BIGMAC 코드를 입수하여

활용 검토 단계


라. DD

해 외 국 내- 미국: 코드를 개발하는

단계로, 재 FCC

BCC의 처리가 가능하며

와 결함의 상호작용

모델에 따라 로그램의

개발이 가능. 아직 수%의

변형의 계산을 하는 수 .

- EU: FCC BCC 속에서

모사가 가능하나, 항복강도

계산 수

- 일본: Kobe 학에서

ZBIB와 공동연구로

micro3D를 활용 하는 수 .

아직 조사손상 평가에

용한 연구결과 없음

- 랑스로부터 DDD 코드를

입수하여 조사손상에 용을

시도하는 수

4. 국내외 연구 환경

가. 연구수요

○ 해외

미국과 일본은 1995년부터 JUPITER라는 공동연구 로

그램을 통하여 핵융합 재료의 조사손상 산모사 연구를

수행하고 있음. 최근 차세 원자력 시스템용 재료의 조

사손상평가 연구에 한 수요가 증가함에 따라 연구인력

에 한 수요가 증가하고 있음. 미국은 주로 national


laboratory가 주 하고 일부 학에서 공동연구를 수행함.

일본은 원자력재료 연구를 수행 인 각 학이 참여 하

고 있음. 유럽은 용 원자로의 조사손상을 측하기

하여 2004년부터 2007년까지 PERFECT라는 국제공동연

구과제를 구성하여 수행하고 있음. 각 연구소 학이

공동으로 연구과제를 신청하여 수행.

○ 국내

원자력 장기연구로서 조사손상평가 련 1개 소과제의

연구내용의 일부로 재까지 수행하는 수 . 차세 원

시스템에 한 연구가 체계 으로 진행되면 2007년부

터 수요가 증가할 것으로 상.

나. 연구인력

○ 해외

미국은 LLNL이 가장 많은 인력을 확보하고 있으며, 각

학과 공동연구를 수행하고 그로부터 배출된 인력을 활

용하고 있음. LLNL의 문가가 학으로 옮겨서 필요한

인력을 배출하기도 함. 일부 학에서 multiscale

modelling에 한 과목이 개벌되어 있으나, 으로 교

수가 부족하며, curriculum 역시 체계화되지 않음[28]. 특

정 공에 한하지 않고, 물리학, 재료공학, 핵공학, 기계공

학 등의 학과에서 교육하고 있음. UCLA, UC Berkeley,

Washington State University, MIT 등에서 주로 인력이

배출 됨.


국은 University of Liverpool, Oxford U.

Loughborough U.가 연구인력을 배출하고 있음.

랑스는 연구기 에서 학 를 수여할 수 있으므로

CNRS/GPM2, CNRS/ONERA, 학으로는 USTL에서 인

력을 배출. 일반 재료에서의 산모사는 유럽 체의 교육

기 에서 보편화 되어 있음.

일본은 일반재료의 산모사와 련하여 각 학에서 분자

동력학이 교과목으로 채택되고 있음. 그러나 조사손상 산

모사와 련한 연구결과는 소수이며, JUPITER 로그램을

통하여 연구경험을 쌓은 인력이 활동 임.

국은 미국, 랑스, 국 등의 조사손상 산모사를 연구

하는 학에 많은 학생을 보내고 있으므로 향후 국의 이

분야 연구가 활성화 될 것임.

○ 국내

극히 소수이나 최근 외국에서 연구경험을 인력이 학과

연구기 에 소속되어 있음. 아직 조사손상 산모사와

련하여, 교육을 하는 학은 없음. ab initio MD를

교육하는 학의 수가 늘고 있으며, 최근 나노재료에

한 산모사 연구인력이 증가하고 있음. 향후 조사손상

산모사연구에 한 수요가 증가하면 이러한 인력을 활

용할 수 있을 것임.

다. 소프트웨어 및 전산자원

○ 소 트웨어


미국, 국 랑스 등은 자체 으로 조사손상 산모

사 용의 코드를 보유하고 있으며, 계속 개발 임. 문

연구기 끼리 공동연구를 통하여 코드를 공개하고 있음.

일본은 JUPITER 로그램을 통하여 MDCASK

BIGMAC을 입수하 으며, 사용용도에 맞게 개량하고 있

음. 최근 Kobe 학에서 DD용 micro3D를 입수하여 활용

하고 있음. 한국원자력연구소는 pure metal의 MD를 수

행할 수 있는 MOLDY,이원자 합 의 계산이 가능한

MDCASK, KMC용 BIGMAC 그리고 FCC 속에 용

할 수 있는 DD용Discrete Dislocation Dynamics 코드를

확보하고 있음.

○ 산 자원

LLNL은 세계 최고의 BlugeGene/L을 포함한 최강의 슈

퍼컴 자원을 확보하고 있으며, 조사손상 산모사를 연

구하고 있는 원자력 련 기타 national laboratory 역시

성능이 우수한 슈퍼컴을 확보하고 있음. MD의 경우 계

산량이 총원자 개수의 제곱에 비례하며, 많은 원자를 계

산할수록 계산결과의 정 도가 높다. 따라서 형의 슈

퍼컴이 유리. 최근 국가간 경쟁을 하듯이 슈퍼컴을 설치

하고 있는 경향임.

한국원자력연구소는 KISTI KIST의 슈퍼컴을 활용하

고 있으며, 8 node의 소형 클러스터를 확보하 다.


5. 기술로드맵

가. 조사손상 전산모사와 관련실험기술

○ 조사손상 산모사 기술과 련 실험기술의 계는 <그

림 3-1>과 같다. 산모사를 한 모델 계산결과의

신뢰성을 갖기 해서는 정확한 실험결과에 근거하여야

한다. 따라서 기존의 축 된 많은 실험결과에 의한 검증

확인뿐만 아니라, 코드 개발과정에서 필요한 모델의

구성을 하여 추가 인 실험이 필요하다. 경우에 따라

서는 보다 정 한 분석결과가 필요하고 재의 실험기술

로서는 부족하면 기술개발이 제되어야 한다.

○ 나노크기의 석출결함에서 small angle neutron scattering

(SANS), vacancy의 종류 농도를 측정에서 positron

annihilation, 미세조직

<그림 3-1> 조사손상 산모사기술의 구성과 실험기술과의 계

( from B. D. Wirth's presentation)


○ 찰에서 TEM과 같은 분석은 MD KMC의 모사결과

를 확인하는데 활용된다.

○ DD의 모사기술의 개발을 하여서는 TEM에 의한

종류와 분포 분석, 조사재의 인장시험, ball indentation

충격시험을 통한 실험결과가 지원되어야 한다.

○ 따라서 조사손상 산모사기술 개발을 한 로드맵을 설

정하기 해서는 련 실험기술 개발에 한 로드맵을

고려하여야 한다.

나. 국내 조사손상 전산모사기술개발 계획

○ 산모사기술개발을 한 소요인력에 한 확보, 학제간

연구의 필요성 등의 문제가 따르기 때문에 실성 있는

로드맵을 구성하기가 쉽지 않다. 차세 원자력시스템용

원자로 재료의 비선정에서 산모사에 의한 조사손상

평가가 필수 임을 감안하고, 여러 가지 외 제약조건

을 제외한 상태에서 기술의 필요시 을 고려할 때 <그림

3-2>와 같은 로드맵을 구성할 수 있다.


<그림 3-2> 조사손상평가 산모사기술 로드맵

- ‘06 ‘07-’12 ‘13-’17

기반구축차세대 원전

재료선정

차세대원전

재료평가

코드 확보

컴퓨터 자원 확보

조사손상 Multiscale

Modelling 기술 보급

(인력자원개발)

Fe 및 Fe-Cu

조사손상 평가(MD,

KMC, DD)

차세대 재료용

interatomic potential

확보

차세대 재료의 조사결

함 생성 모사(MD)

차세대 재료의

조사결함 성장 모사

(KMC)

차세대 재료의

조사취화 평가(DD,

FEM)

차세대 재료의

미세조직 영향

평가(MD, KMC, DD)

차세대 재료의

사용조건 영향

평가(MD, KMC, DD)

○ 차세 원 시스템 재료에 한 조사손상평가 산모사

에 국한하여 각 단계별 모사기술의 개발에 필요한 사항

을 기술하면 다음과 같다.


○ ab initio

- Fe-Cr-He, Si-C-He과 같은 삼원계 이상의 재료에서의

interatomic potential 계산

- 결함생성, 결함간 결합에 지, 재료의 bulk modulus와

같은 기 자료 계산

- 실험결과와 계산결과와의 비교로 검증/확인

○ MD

- 성자 조사조건에 따른 결함 생성 계산

- 결함과 합 원소와의 거동 분석

- 와 결함과의 상호작용분석

- 결함의 확산계수 활성화 에 지 계산

○ KMC

- 조사조건에 따른 결함의 성장 계산

- 결함의 입계편석 분석

- Grain size 효과 평가

- 실험에 의한 미세조직 분석결과와 비교

○ DD

- 결함에 의한 항복강도 증가 효과 분석

- 균열선단에서 결함과 의 향 평가

- 조사재의 변형후에 발생하는 미세조직과 모사결과의

비교

○ FEM

- 다결정체에서 변형거동 분석


- 다결정체에서 괴 거동분석

○ 소 드웨어 개발

병렬처리 기법 개발에 의한 계산속도 향상

- 각 단계 모사에서 모델의 수치해석 처리 기법 개발

35

제4장

결론 및 제언

○ 기술개발에 한 투자의 의미는 그 기술이 가져올 경

제 가치를 우선 으로 단할 수밖에 없다. 따라서

새로운 기술개발의 필요성을 강조할 때, 항상 그 기술

의 경제 효과를 과장하는 경향이 있다. 특히

기 개발단계에서 참여자들이 그러한 우를 범함으로써

결과가 용두사미로 끝나는 경우가 많다. 이러한 것을

방하기 하여 사 에 개발하고자 하는 기술이 갖

고 있는 문제 을 객 으로 분석하고 그 해결책의

가능성을 정확히 단할 필요가 있다. 따라서 본 장에

서는 우선 산모사기술의 한계성을 검토한 후, 그러

한 한계성에도 불구하고 상되는 망 기 효과,

기술개발을 한 략을 제시하고자 한다.

1. 전산모사기술의 한계성

가. 실험방법의 대체 기술로서의 가능성

○ 실험방법에 의한 측 기능을 체하기에는 아직 기술

으로 완벽하지 않은 정도의 기 기술개발 상태에 있다.


간혹 산모사에 의한 조사손상평가를 부정 으로 보는

시각에서 산모사 결과가 실험 결과와 일치하지 않은

경우에 산모사기술에 한 연구의 의미를 격하시키는

주된 이유이다.

○ 그러나 역으로 모사기술이 완벽하게 완성된 상태에 있다

면 기술개발의 필요성은 없고 오직 활용상태에 있다는

것을 의미하게 된다. 다만 재수 으로는 체 계에

있다고 보기는 어렵고, 실험에 의한 방법의 보완 기술로

서의 의미를 가진다. 를 들면, 기단계의 재료선정에

서 각 후보재료에 한 고비용의 실험을 수행하지 않고

산모사를 통하여 정한 재료를 선정함으로써 실험의

횟수를 이는 의미를 갖는다. 한 재의 실험기술로

서 악하지 못하여 불명확한 부분을 제시함으로써 새로

운 실험의 필요성을 제시하는 정 측면을 갖는다.

나. 각 단계 모사의 기술적 한계성

○ ab initio

아직 삼원계 이상의 합 에 한 interatomic potential을

구하기는 어렵다. 일반 재료는 삼원계 이상으로 구성된

합 이므로, 이에 한 기술개발이 되지 않는 한, 합

원소별 향을 평가하는 수 에 그칠 것임.

○ MD

분석할 수 있는 시스템의 크기가 나노 수 으로서, 실험

제4장 결론 및 제언 37

으로 모사결과를 검증/확인하기가 어려운 분야임. 피코

정도의 매우 짧은 시간에서 결함의 생성을 모사하기

때문에 충분히 안정된 상태에서의 결함의 상태에 한

악은 문제가 있음.

그러나, 결함의 accumulation, swelling 조사 creep에

한 실험결과를 설명하기 한 production bias model과

self interstitial atom(SIA) cluster의 one dimensional

motion을 MD에 의한 모사로 입증한 것과 같이[29], 조

사 결함의 생성기구를 설명하는데 요한 수단이 된다.

○ KMC

결함의 확산 모델이 정확하여야 하며, 모든 확산경로와

향을 주는 변수를 고려하여야 한다. 조사손상을 받은

재료에서 나타나는 미세조직, 즉 결함의 종류별 성장, 석

출, 편석, 입계와의 계, 와 결함과의 계 등의 구

에는 아직 기술 으로 충분하지 않다. 그것은 계산량

이 많아 재의 컴퓨터 성능의 한계, 실험으로 규명하지

못하는 것, 기존의 모델에서 락되어 악하지 못한 부

분으로 인하 다고 볼 수 있다. 따라서 아직 후속 단계

의 모사에 활용할 수 있는 정도의 연구결과가 많지 않다.

이러한 한계는 앞으로 극복할 수 있는 정도로서 문제가

되지 않으나, KMC 자체가 갖는 문제의 하나로 grain

size texture 같은 문제를 해결하는 것이다. 병렬처리

방법과 같은 산기법에서 획기 으로 이루어지지 않으

면, 단결정 수 에 머무를 수밖에 없다.


○ DD

는 재료의 변형과정에서 계속 증식하므로, DD에서는

계산이 진행됨에 따라 계산량이 기하 속 으로 증가하

게 된다. 아직까지 응력-변형율 곡선에서 변형율 1%까

지도 계산이 되지 않는 수 . 여기에 조사결함, 석출물

같은 변수까지 포함되는 경우 더욱 계산이 복잡하게 된

다. 이러한 이유로 DD에 의한 모사범 를 단결정의 변형

거동의 해석에 국한하게 된 것으로 생각된다.

DD에 의한 모사결과는 자 미경에 의한 구조

인장시험결과와 직 비교하여 검증/확인하기가 용이하

다. 반면에 기개발단계로 로그램이 완벽할 수 없고,

실험결과와 일치하기 어려운 단 을 갖고 있기 때문에

MD 만큼 연구결과가 많지 않다.

재 수 으로 조사경화의 최신 모델인 cascade induced

source hardening(CISH) 모델을 이용하여 dislocation

channeling 상을 3D로 보여주는 단계까지 도달하 다[30]

.

다. 가시적 성과 도출의 제한성

○ 일반 재료에 한 multiscale modelling은 나노재료를 포

함한 신재료의 개발과 같이 가시 성과물을 상으로

하나, 조사손상평가 산모사는 그 상이 재료의 특성

평가에 국한하는 것으로그러하지 않다. 따라서 연구개발

의 투자순 를 가시 성과물을 기 으로 결정할 때, 조

사손상평가 산모사기술 개발은 연구개발의 우선순 에

서 뒤처질 수밖에 없다.


○ 실 으로 신규물질의 개발에 한 성공률과 그 신규물

질이 산업화의 가능성으로 평가할 때 매우 낮으나, 조사

손상평가는 행법에 의한 의무사항으로 규정되어 있고,

상당한 비용을 투입하고 있는 실성이 있음에도 불구하

고 연구 필요성에 하여 인식시키기 어렵다.

2. 전산모사기술개발의 기대효과

가. 차세대 원자로재료의 선정

○ 차세 원 시스템 개발을 하여서 먼 원자로재료가

결정되어야 하고, 이 원자로재료 결정의 기단계에 후

보재료의 선정이 무엇보다 필요하다. 후보재료의 건 성

이 원자로 운 수명기간까지 확보될 수 있는지를 실험에

의존할 경우 재의 여건으로는 기술 , 경제 , 시간

으로 거의 불가능하다. 따라서 실험을 보완하는 수단으

로서 산모사기술이 필요하므로, 해외의 차세 원

시스템 개발을 주도하는 기 들이 재 연구를 수행 에

있다. 실험기술 설비면에서 국내수 으로는 외국 수

의 연구결과를 얻기는 어렵다. 그러나 산모사기술은

해외에서도 재 개발단계에 있고, 연구인력이 부족한

상태이므로, 국내에서 조속 기반을 확보한다면 비교우

의 기술개발 여지가 많다. 단, 형 슈퍼컴을 이용하는

분야에서는 재 국내 여건상 해외수 과 경쟁하기는 어

렵다.


나. 현행 원자로의 건전성 확보

○ 행 원자력발 소의 원자로에 한 건 성을 확인하고,

원자로의 안 운 조건을 도출하기 하여 감시시험을

실시하고 있다. 재 20기의 원자력발 소가 가동 으로

이에 한 감시시험을 하여 연간 15억원 정도를 투입

하고 있다. 감시시험으로부터 원자로의 취화 상태를

악하기 한 자료를 얻고 있으며, 취화 원인에 한 정

평가는 별도의 실험이 필요하다.

○ 그러나 이를 산모사기술로 체할 경우 원자로의 취화

상태 뿐만 아니라, 그 취화 원인의 악이 가능하며, 무

엇보다도 비용 감 효과가 있으며, 종사자의 방사선 안

리와 같은 문제가 없다.

○ 재 수 의 모사기술로는 DBTT와 같은 자료를 얻을

수 없지만, 앞으로 기술개발을 통하여 감시시험을 체

할 것으로 망한다.

다. 파급효과

○ IT 산업육성

국내 IT 산업은 재 인터넷을 기반으로 하는 통신분야에

서 국제 경쟁력을 갖추고 있다. 그러나 형컴퓨터 시스템

을 사용하여야 하는 산분야의 경우 비용의 PC cluster

로 환하고 있고, 그 수요가 차 증가하고 있음에도 국


내 경쟁력은 아직 열세이다. 재료 산모사에 한 연구가

학, 연구소 산업체에서 증가함으로써 이에 한 개발

을 서두른다면 국제경쟁력을 갖출 수 있다고 본다.

○ 재료설계기술 개발

국내 많은 수출품들이 부품 소재에 한 원천기술을 확

보하지 못함으로써 수출량이 증가할수록 외국에 지불하

는 기술료가 증가하고 있다. 이러한 원천기술을 확보하

기 해서는 련 물질특허권 는 제법특허권을 보유하

고 있어야 한다. 선진국들은 거 한 시설과 연구투자를

통하여 원천기술을 확보하고 있으나, 우리와 같은 실

에서는 그러한 투자가 어렵다. 그러나 재료 산모사와

같은 방법으로 재료설계기술을 확보하게 되면 비용으

로라도 재료개발이 가능하다.

○ 학제간 연구의 활성화

최근 개발되고 있는 많은 첨단제품들은 학제간 연구를

통하여 가능함을 인식하고 외국의 많은 학들은 공학분

야의 공제를 폐지하고 있다. 그러나 국내에서는 아직

교육시스템과 연구비 배분방식으로 인하여 학제간 연구

가 활성화되지 못하고 있다. 재료 산과학 분야는 물리,

수학, 화학, 재료공학, 산학, 기계공학간의 학제간 연구

로써 가능하다. 재료 산과학을 육성함으로써 학제간 연

구를 유도할 수 있는 좋은 기회라고 본다.

○ 재료분야 교육 연구 시스템 개

주요 선진국의 학 연구기 의 재료분야에 multiscale


modelling에 의한 산모사가 도입되고 있다. 기존의 실험

방법에 의한 연구를 체할 수 있는 연구분야이며, 나노 크

기 역에서 실재크기의 재료연구 역간의 이론 , 실험

근방법의 차이를 연결할 수 있는 도구로서 활용가치가

높기 때문이다. 따라서 각 학의 curriculum에 변화가 있

을 것이며, 재료분야 연구의 pattern에 변화가 상된다.

3. 국내기술개발의 방향과 전략

가. 조사손상평가 전산모사

○ 연구 단계 설정

국내 여건을 감안 3단계로 진행

- 기반구축 단계 : 련 코드 입수, 인력확보

- 기 활용 단계 : Fe Fe-Cu에서의 조사손상 모사

- 활용 단계 : Fe-Cr, Cu SIC 등 차세 재료 모사

○ 국제경쟁력을 갖춘 분야 집 개발

- 자체 실험결과에 근거한 산모사를 수행함으로써 최

소한의 비교우 에 있는 분야를 집 개발.

○ 연구인력 활용

- 외국에서 조사손상 산모사에 한 연구 경험을 보유

하고 있는 인력과 공동연구 탁연구를 통하여 기

반구축


- 해외 문 연구기 학에서 연구할 기회를 제공

나. 재료전산과학연구 분야와 연계

○ 컴퓨터 자원의 활용

- 국내 기 확보된 컴퓨터 자원의 최 활용 : KISTI,

KIST

○ 공동 연구발표회 활성화

- 일반 재료 산과학분야 연구자들과 정보교환 연구

인력교류를 하여 연구발표회를 공동 개최

다. 교육용 프로그램의 개발

○ 학부학생용 보 개발

- 외국의 경우 차 학부과정에도 재료 산모사 련 교

육을 실시함으로써 변화 시키고 있음. 특히 일본은

Materials Explorer라는 MD용 가 보 을 개발하

여 교육실습용으로 활용하고 있음.

- MD, KMC DD 련 코드를 Windows 기반의 일반

PC용으로 개발하여 학부학생용으로 보

라. 국제공동연구 프로그램 활용

○ 차세 원 시스템 연구

- 일본의 경우 핵융합로 개발을 한 미국과의 공동연구


로그램인 JUPITER에 재료손상 산모사를 포함시킴

으로써 인력양성 련 코드를 확보

- 재 추진 인 차세 원 시스템 개발 로젝트의 국

제공동연구 로그램에 재료손상 산모사를 포함시킴

으로써 가능

4. 제언

○ 조사손상평가 산모사기술 개발을 하여 학의 교육

curriculum 조정과 학제간 연구가 실히 필요하며 재료

산과학분야 연구의 활성화 에서 정책 제안을 하

고자 한다.

가. 대학의 재료전산과학교육 활성화

○ Curriculum 조정

- 재료 산과학분야의 교육을 해 학의 재료공학과

련되는 공분야 curriculum을 조정할 필요가 있다.

- 학부과정에 별도로 재료 산 련과목을 추가하는 것은

학생들에게 많은 부담을 요구하게 되므로, 기존 교과

목 특히 고체물리, 수치해석, 열역학, 확산 상변

태, 론과 같은 과목에 multiscale modelling을 소개

하고 기 algorithm을 교육시킬 필요가 있다.

- 산, 수치해석 병렬처리와 같은 교과목을 추가하

여 교육


- 학원과정에 multiscale modelling을 추가. 재 교수

인력이 부족하므로 물리, 화학 기계공학과 같은

공에서 개설된 과목을 이수토록하면 될 것임. 아직

당한 text가 없기 때문에 외국에서도 어려움이 많다고

한다. 참고로 교육용 text와 software를 소개하면 별첨

과 같다.

○ 학제간연구

- 산모사 기술개발은 물리, 수학, 화학과 같은 기 과

학분야와 기계공학, 재료공학과 같은 공학분야와의 학

제간 연구가 필요함.

- 재는 원자력연구개발사업의 장기연구 에서 세부

과제 연구내용의 일부분으로 수행됨. 산규모의 제한

으로 별도의 과제화가 어려운 상황이며 따라서 학제간

연구는 더욱 어려운 상황.

- 특정기 연구지원사업의 융합과학으로 분류될 수 있으

나, 특정기 연구지원사업의 지원규모가 연간 1.2억원

이내로서 정부출연연구소가 참여하기는 어려운 상황

- 특정기 연구지원사업의 지원규모를 증액시키거나, 원

자력연구개발사업의 장기연구과제 에서 조사손상평

가 산모사부분을 별도 세부과제화 하는 경우, 산

측면에서 학제간 연구가 활성화 될 것임.

- 미국의 경우 조사손상평가 산모사기술 개발에 한

연구가 DOE의 연구과제분류에서 Fusion Energy

Science의 일부로 되어있음. 일본과의 공동연구 로그

램을 통하여 연구비를 확보하 으나, 일본과의 공동연

구 로그램 산이 축소되고, Fusion Energy Science


에 한 미국자체의 연구비 한 축소됨으로써 기존의

련 연구자들이 산확보 상의 어려움을 겪고 있음.

하지만 EU의 경우 EURATOM 연구과제내에서

PERFECT라는 독립연구과제를 구성함으로써 안정된

연구가 활발히 진행되고 있음. 이러한 두가지 경우를

비교할 때, 독립과제로 지원할 필요가 있음.

나. 재료전산과학분야 연구의 활성화

- 재료 산과학분야의 연구가 국내에서는 독립항목으로

되어 있지 못하며, 가시 성과물에 의한 과제 평가

로 인하여 특정연구개발사업 에서 부분 나노재료

련과제에 포함되어 수행되고 있다. 따라서 재는

체계 으로 구성되지 못하고 각 연구자들이 별도로

수행하고 있는 상태.

- 미국의 경우 DOE의 7 연구 로그램 에서 1개의

형 로그램인 Advanced Scientific Computing

Research에서 산시스템 모사용 소 트웨어 개발

을 지원하고, Basic Energy Sciences내의 Theoretical

Condensed Matter Physics라는 이름의 독립된 과제로

지원하고 있다. 특히 DOE 지원하에 Computational

Material Science Network www.phys.washington/

users/cmsn/)를 구성하여 학과 연구소간의 교류를

활성화시키고 있음. 미국의 조사손상평가 산모사연

구 련자들은 재 Theoretical Condensed Matter

Physics 로그램에 참여하기 해 노력하고 있다.


- 국내에서도 재료 산과학분야연구를 독립된 과제로서

구성하여 체계 연구가 수행되도록 할 필요가 있음.

49

참고 문헌

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별 첨 51

별 첨

1. Text 및 참고도서

- Allen M P and Tildesley D J, 1989 Computer simulation of

Liquids (Oxford: Oxford University Press)

- Arfken G B and Weber H J, 1995 Mathematical Methods for

Physicists (San Diego, CA: Academic)

- Atkinson K, 1993 Elementary Numerical Analysis (New York:

Wiley)

- Haile J M, 1992 Molecular Dynamics Simulation: Elementary

Methods(New York: Wiley)

- Kalos M H and Whitlock P A, 1996 Monte Carlo Methods Vol.

1: Basics (New York: Wiley)

- Leach A R, 1996 Molecular Modeling: Princioles and Applications

(harlow, England: Pearson Education Limited)

- Martin R M Electronic Structure 2004 (Cambridge: Cambridge

University Press)

- Newman M E J and Barkema G T, 1999 Monte-Carlo Methods

in Statistical Physics (Oxford: Oxford University Press)

- Fong C Y, 1998 Topics in Computational Materials Science

(Singapore: World Scientific)

- Frankel D and Smit B, 1996 Understanding Molecular

Simulation (New York: Academic)

- Gaylord R and Nishidate K, 1996 Modeling Nature: Cellular

Automata Simulations wit Mathematica (Santa Clara, CA:

TELOS)

- Gaylord R and Wellin P R, 1995 Computer Simulations with


Mathematica: Equations in Complex Physical and Biological

systems (Santa Clara, CA: TELOS)

- Raabe D, 1998 Computational Materials Science (New York:

Wiley)

- Liu W K, Kaprov E G, Zhang S and Park H S, 2004 An

introduction to computational nanomechanics and materials

Comput. Methods Appl. Mech. eng. 193, 1529-1578

- McQuarrie D A, 1973 Statistical Thermodynamics (New York:

Haper and Row)

- Parr R. G and Yang W, 1989 Density-Functional Theory of

Atoms and Molecules (Oxford: Oxford University Press)

- Press W H, Teukolsky S A, Vetterling W T and Flannery B

P, 1992 Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific

Computing (Cambridge: Cambridge University Press)

- Saunders N and Miodownik AP, 1998 CALPHAD (Calculationa

of Phase Diagrams): A Comprehensive Guide (New York:

Pergamon)

- Starfield A M, Smith K A and Bleloch A L, 1994 How to

Model It: Problem solving for the computer Age (Edina, MN:

Burgess International Group)

- Taylor J R, 1997 An Introduction to Error Analysis: The Study

of Uncertainties in PhysicalMeasurements (Sausalito, CA:

University Scientific Books)

2. Softwares

- Cerius : a suite of modelling/simulation tools

- CLAMPS : simulates a classical many particle system

별 첨 53

- DICTRA : a one-dimensional phase transformation code

- Dynamo and ParaDyn : a molecular dynamics code from

Sandia National Lab

- GULP : General Utility lattice Program

- IDL : a computation, data analysis and visualization tool

- MathCad : a math, modelling and visualization tool

- mathematica : a math, modelling and visualization tool

- Matlab : a math, modelling and visualization tool

- PANDAT :software for multicomponent phase diagram calculation

- Physica+ : continuum modelling code

- PWSCF : calculates electronic structure

- Thermocalc : calculates phase equilibria from thermodynamic

databases

- VASP : calculates electronic structure

저자소개

권 상 철

․재료공학박사

․한국원자력연구소 책임연구원

여 운 동

․ , 한국과학기술정보연구원 연구원

․ 서: 블루투스 기술개발동향 등

BB104 권상철․여운동

Multiscale Modelling에 의한

재료의 조사손상평가

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 : 3299-6114

등록: 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

multiscale modelling 에 의한 재료의...

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