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요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 38
제1절 연구개발의 목적 및 필요성 38
제2절 연구개발의 범위 39
제2장 국내외 기술개발 현황 44
제1절 국외 연구개발 현황 및 기술수준 44
제2절 국내 연구개발 현황 및 기술수준 45
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 50
제1절 원자로 구조재료 조사손상 모델링 50
1. 스테인리스강 조사 경화 모델링 50
2. 스테인리스강 조사유기편석 모델링 57
3. 스테인리스강 스웰링 모델링 79
4. 고선량 원자로용기 잠재적 석출물 형성 모델링 90
제2절 원자력재료 조사결함 평가분석 신기술 개발 111
1. 방사선 조사재 미세구조 분석 기술 111
2. 방사선 조사재 마이크로역학 물성평가 135
3. 원자단위 조사결함 정밀분석 기술 155
4. 조사특성과 조사유기 응력부식균열성장 기구의 상관관계 해석 186
제3절 원자력 재료열화 종합정보시스템(MD-Portal) 구축 198
1. MD-Portal 웹사이트 구축(2012-2014) 198
2. MD-Portal 웹사이트 업그레이드(2015-2016) 206
3. MD-Portal 재료물성 Database 구축(2012-2014) 212
4. MD-Portal 재료물성 Database 업그레이드(2015-2016) 218
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 230
제1절 연도별 목표 및 달성도 230
1. 2012년도 연구목표 및 달성도 230
2. 2013년도 연구목표 및 달성도 231
3. 2014년도 연구목표 및 달성도 232
4. 2015년도 연구목표 및 달성도 233
5. 2016년도 연구목표 및 달성도 234
제2절 관련분야 기술발전에의 기여도 235
제5장 연구개발결과의 활용계획 238
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 242
제7장 연구개발성과의 보안등급 246
제8장 연구장비의 구축 및 활용 결과 250
제9장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 254
제10장 참고문헌 258
제1절 원자로 구조재료 조사손상 모델링 258
1. 스테인리스강 조사경화 258
2. 스테인리스강 조사경화 258
3. 스테인리스강 조사경화 259
4. 고선량 원자로용기 잠재적 석출물 형성 모델링 259
제2절 원자로 내부구조물 조사손상예측 전산 모델링 260
1. 방사선 조사재 조사결함 분석 기술 260
2. 방사선 조사재 마이크로역학 물성 평가 261
3. 원자단위 조사결함 정밀분석 기술 261
4. 조사특성과 조사유기 응력부식균열성장 기구의 상관관계 해석 262
서지정보양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 263
표 3.1.1-1. 스테인리스 304 재료의 kinetic 파라메타 53
표 3.1.2-1. 시험에 사용된 SS316의 조성 (wt%) 60
표 3.1.2-2. 본 연구에 사용된 모델의 파라미터 62
표 3.1.2-3. APT 실험에 사용된 SS316의 조성 71
표 3.1.2-4. APT 분석을 통한 조사결함의 조성 분포 78
표 3.1.2-5. Si-interstitial correlation을 위한 모델 파라미터 78
표 3.1.4-1. 참고문헌에서[1] 미세구조를 분석한 네 가지 SA 508 Gr. 3 강의 화학적 조성 (무게%) 92
표 3.1.4-2. 각기 원소의 각 상에서의 diffusivity와 활성화 에너지. FCC Fe 상에서 Si 관련 데이터를... 99
표 3.2.1-1. 조사 조건에 따른 조사결함들의 정량 분석결과 비교 121
표 3.2.1-2. 원자로 용기용 강들의 화학조성 123
표 3.2.1-3. 양성자 조사시험 조건 및 조사손상량 123
표 3.2.2-1. 원자로 압력용기용 강들의 항복시의 1축 응력평균값과 벌크 재료 물성 140
표 3.2.2-2. 세팅 온도와 측정된 Heating stage 및 시료(Fused silica)의 온도 149
표 3.2.3-1. SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo계 저합금강의 화학조성 156
표 3.2.3-2. SA508 Gr.4N의 HANARO 조사 특성 157
표 3.2.3-3. 감마선 분광분석을 통한 중성자 조사 SA508 Gr.4N의 핵종분석 결과 159
표 3.2.3-4. APT분석을 통한 SA508 Gr.4N의 화학조성 164
표 3.2.3-5. Chemical composition of Ni-Cr-Mo model alloy 167
표 3.2.3-6. Tensile properties of Ni-Cr-Mo model alloys with and without neutron irradiation 169
표 3.2.3-7. Comparison between APT composition and Bulk composition of Ni-Co-Mo model lloy 169
표 3.2.3-8. Chemical composition of Ni-Si precipitates in neutron-irradiated... 175
표 3.2.3-9. 양성자 조사 Medium Mn Ni RPV강의 Solute analyses로 계산된 클러스터 특성 정보 181
표 3.2.3-10. Iso-surface method로 추출된 클러스터들의 화학조성 181
표 3.2.3-11. 양성자 조사 High Ni RPV강의 Solute analyses로 계산된 클러스터 특성 정보 183
표 3.2.3-12. 양성자 조사 High Cu RPV weld의 Solute analyses로 계산된 클러스터 특성 정보 184
표 3.2.4-1. Database에 사용된 변수 190
표 3.2.4-2. 변수간의 상관계수 191
표 3.2.4-3. 항복강도 증가량 예측 모델 식에서 상수값 197
표 3.3.1-1. CMS 패키지의 비교 200
표 3.3.1-2. MD-Portal 서버 소프트웨어 사양 200
표 3.3.2-1. 원자력재료 연구문서 목록 208
표 3.3.4-1. 추가 개발되는 MD-Portal 물성DB의 목표 및 세부 내용 219
표 3.3.4-2. MD-Portal 서버 사양 220
표 3.3.4-3. MD-Portal 물성DB 자료 수집 현황 222
그림 3.1.1-1. 조사시간에 따른 점결함 농도 변화 (A: 1.23×10⁻⁹, B: 1.91×10⁻¹⁰/sec)[이미지참조] 54
그림 3.1.1-2. 조사시간에 따른 격자 간 원자 클러스터 농도 변화 (dpa rate=1.23×10⁻⁹, 288℃) 55
그림 3.1.1-3. 조사시간에 따른 스테인리스강 304의 항복강도 변화량 (288℃, A: 1.23×10⁻⁹, B: 1.91×1010⁻¹⁰/sec) 56
그림 3.1.2-1. 경수로에서 조사 받은 300계열 스테인리스강의 계면에서 발생한 Cr, Ni, Si, 그리고 P... 57
그림 3.1.2-2. 50%A-50%B 2원계 합금에서 일어나는 RIS의 도식도. (a) 공공의 유동에 따른 공공... 58
그림 3.1.2-3. SRIM code로 계산된 dpa와 주입된 Fe 농도 분포 60
그림 3.1.2-4. FIB로 제작한 시편의 형태 및 결정립계를 포함하는 시편의 TEM 관찰 결과 61
그림 3.1.2-5. RIS 1차원 모델의 모식도 63
그림 3.1.2-6. 40-60°의 고경각입계를 가지는 조사시편의 TEM 사진 및 계면의 TEM/EDS 조성 분석 결과 63
그림 3.1.2-7. 다양한 계면에서 Cr과 Ni의 조성 변화. 최초 조성은 Cr 17.1 wt%, Ni 11.1 wt%이었... 64
그림 3.1.2-8. 폭이 8 nm인 Σ3 쌍정 입계의 HRTEM 사진 및 EDS point-analysis 결과 66
그림 3.1.2-9. 폭이 14 nm 인 다중 Σ3 쌍정 입계에서 HRTEM 사진 및 정합 입계에서 EDS point-analysis 결과 (S1-S4) 66
그림 3.1.2-10. 쌍정 입계에서 입계 싱크 강도(SGB)의 증가에 따라 예측된 Cr, Ni의 조성. 점으로 표... 67
그림 3.1.2-11. 쌍정 입계에서 나타난 균일한 ledge의 형상 67
그림 3.1.2-12. 쌍정 입계 간 간격이 37 nm인 시편의 TEM 사진 및 EDS 조성 분석 결과 68
그림 3.1.2-13. 쌍정 입계 간 간격이 57 nm인 시편의 TEM 사진 및 EDS 조성 분석 결과 69
그림 3.1.2-14. 쌍정 입계 간 간격이 5 nm인 시편의 TEM 사진 및 EDS 조성 분석 결과 70
그림 3.1.2-15. Focused-Ion Beam을 이용하여 제작된 APT 시편 71
그림 3.1.2-16. 이온 조사 시편의 단면 72
그림 3.1.2-17. 표면으로 부터 1 μm 깊이에서 관찰한 기지의 미세구조 73
그림 3.1.2-18. 이온 조사된 SS316의 APT 원소지도. Si 원소지도는 다양한 조사결함의 형태를 뚜렷... 74
그림 3.1.2-19. 전위루프 형태의 조사결함에서 Si, Ni, Cr의 조성분포. 2D 컬러 맵은 원기둥 형태의... 75
그림 3.1.2-20. 구형 클러스터 형태의 조사결함에서 Si, Ni, Cr의 조성분포. 2D 컬러 맵은 원기둥 형... 76
그림 3.1.3-1. 페이즈 필드 전산 모사법에 의해 생성된 입계 구조들. 시뮬레이션 셀 크기는... 81
그림 3.1.3-2. 페이즈 필드 전산 모사법에 의해 형성된 vacancy 농도 분포. 시뮬레이션 셀 크기는... 83
그림 3.1.3-3. 페이즈 필드 전산 모사법에 의해 형성된 미세구조 상의 탄성에너지 분포. 시뮬레이션 셀... 84
그림 3.1.3-4. 시간에 따른 전체 시뮬레이션 cell에서 void가 차지하는 비율을 나타내었다. 가해진 응... 85
그림 3.1.3-5. 서로 다른 응력 조건에서 void swelling 속도를 측정한 결과 86
그림 3.1.3-6. t*=270.0 일 때 각기 다른 응력 조건에서 시각화된 탄성 에너지 87
그림 3.1.3-7. t*=270.0 일 때 각기 다른 응력 조건에서 txx[이미지참조] 87
그림 3.1.3-8. t*=270.0 일 때 각기 다른 응력 조건에서 탄성에너지 87
그림 3.1.3-9. 탄성에너지를 고려하지 않은 시뮬레이션 상에서 서로 다른 시간에서 vacancy 농도 분포 88
그림 3.1.3-10. 시간에 따른 void의 반지름. 시뮬레이션에서 얻어진 curve (빨간색)과 fitting 된 결과 (초록색) 88
그림 3.1.3-11. 시간에 따른 void의 반지름. 기저의 vacancy 농도가 0.1인 경우 (빨간선) 와 0.2인... 89
그림 3.1.4-1. 표 3.1-1. 상의 A합금을 1250 K에서 500 K까지 온도를 떨어뜨리면서 안정상의 상분... 93
그림 3.1.4-2. 표 3.1-1. 상의 B합금을 1250 K에서 500 K까지 온도를 떨어뜨리면서 안정상의 상분... 94
그림 3.1.4-3. 표 3.1-1. 상의 C합금을 1250 K에서 500 K까지 온도를 떨어뜨리면서 안정상의 상분... 94
그림 3.1.4-4. 표 3.1-1. 상의 D합금을 1250 K에서 500 K까지 온도를 떨어뜨리면서 안정상의 상분... 95
그림 3.1.4-5. 2개의 table의 입력 인자, 조건, 출력 인자 102
그림 3.1.4-6. T3, T6, T7 석출물의 시간에 따른 반지름의 크기 104
그림 3.1.4-7. 시간 (t*)에 따른 T3 석출물 상이 존재할 때의 ϕT3값의 변화. 2D 공간에서 0부터 1사...[이미지참조] 105
그림 3.1.4-8. 시간 (t*)에 따른 T3 석출물 상이 존재할 때의 Mn 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부터... 106
그림 3.1.4-9. 시간 (t*)에 따른 T3 석출물 상이 존재할 때의 Ni 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부터... 106
그림 3.1.4-10. 시간 (t*)에 따른 T3 석출물 상이 존재할 때의 Si 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부... 107
그림 3.1.4-11. 시간 (t*)에 따른 T7 석출물 상이 존재할 때의 ϕT7 값의 변화. 2D 공간에서 0부터 1...[이미지참조] 107
그림 3.1.4-12. 시간 (t*)에 따른 T7 석출물 상이 존재할 때의 Mn 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부... 108
그림 3.1.4-13. 시간 (t*)에 따른 T7 석출물 상이 존재할 때의 Ni 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부... 108
그림 3.1.4-14. 시간 (t*)에 따른 T7 석출물 상이 존재할 때의 Si 농도 값의 변화. 2D 공간에서 0부... 109
그림 3.2.1-1. 조사 후 미세조직 분석용 TEM 시편 제작 순서도 113
그림 3.2.1-2. 저에너지 이온 밀링 후의 미세조직 분석용 TEM 시편의 상태들 (a) 이온밀링 전 (b) 1차 이온밀링 (c) 3차 이온밀링 113
그림 3.2.1-3. SRIM code 계산 결과 (a) 및 조사온도별 조사결함 TEM 분석 이미지 (b-d) 116
그림 3.2.1-4. 조사온도별 조사루프의 정량 분석결과 및 중성자 조사 분석결과 비교 [1, 6-9] 116
그림 3.2.1-5. 나노크기의 클러스터의 형성과 화학조성을 보여주는 TEM 분석 결과 117
그림 3.2.1-6. RIS 분석용 TEM 시편 제작을 위한 EBSD 분석 예 117
그림 3.2.1-7. 조사 깊이에 따른 조사손상량 변화를 보여주는 SRIM 결과 및 결정립계면에서의 RIS 현상 변화를 보여주는 EDS 분석 결과 117
그림 3.2.1-8. 조사온도별 RIS 측정 결과 (a-d) 및 중성자 조사 SS 강의 RIS 결과와 비교 (e-f) 118
그림 3.2.1-9. 다양한 크기의 쌍정 계면에 대한 이미지 및 쌍정 주위에서의 Cr, Ni 조성 변화 118
그림 3.2.1-10. 뚜렷한 RIS 현상을 보이는 쌍정 계면의 TEM 이미지들 119
그림 3.2.1-11. He 과 H 이온조사에 의한 조사손상량 및 주입량 계산 결과 120
그림 3.2.1-12. He 및 H 이온조사에 의한 조사루프, 버블 그리고 계면 편석에 대한 TEM 분석 결과 121
그림 3.2.1-13. 양성자 조사시험 시 측정된 전류 밀도 (a) 및 시편 온도 (b) 124
그림 3.2.1-14. SRIM code로 계산된 조사조건별 깊이에 따른 조사손상량 124
그림 3.2.1-15. Medium Mn Ni RPV 재료의 저배율 TEM 이미지 125
그림 3.2.1-16. Medium Mn Ni RPV 재료의 Black dots 조사결함 분포:(좌) C2 (우) C3 126
그림 3.2.1-17. Medium Mn Ni RPV 재료의 결정립계면의 RIS 현상 (a) C3 (b) C6 126
그림 3.2.1-18. Medium Mn Ni RPV 재료의 C3 조사재내 클러스터 및 EDS line 결과 126
그림 3.2.1-19. High Ni RPV 재료에서 관찰되는 클러스터 이미지 (a) C2 (b) C3 127
그림 3.2.1-20. High Ni RPV 재료의 C3 조사재내 클러스터 및 EDS line 결과 127
그림 3.2.1-21. High Cu RPV weld 재료에서 관찰되는 클러스터 (a) C2 (b) C3 128
그림 3.2.1-22. High Cu RPV weld C3 조사재의 클러스터의 EDS-line scan 결과 129
그림 3.2.1-23. 중성자 조사용 미세시편 제작 모식도 130
그림 3.2.1-24. Al, Mg, Si 의 하나로 조사후의 중성 조사 후의 흡수선량 계산 결과 131
그림 3.2.1-25. 원자로 주요 구조재료들의 하나로 중성자 조사후의 흡수선량 계산 결과 131
그림 3.2.1-26. 중성자 조사용 미세시편 보호를 위한 시편홀더 내 미세 홀 가공 132
그림 3.2.1-27. 중성자 조사용 미세시편 제작을 보여주고 있는 SEM 이미지 133
그림 3.2.1-28. (a) 이온 조사 후 미세시편 (b) TEM 시편 샘플링 후의 미세시편 상태 (c) 미세시편에서... 134
그림 3.2.2-1. (a) 마이크로 역학 물성 평가에 활용된 나노인덴터 시스템, (b) 인덴테이션 실험을 얻어... 136
그림 3.2.2-2. 원자로 압력용기용 재료 별 압흔깊이(힘) 에 따른 나노경도변화 137
그림 3.2.2-3. 이온집속장치를 활용한 가공방법의 개략도 (좌), 가공된 마이크로 압축시편 (중앙, 우) 138
그림 3.2.2-4. 마이크로 필라 제작 시 FIB 가공 패턴 138
그림 3.2.2-5. (a) 원기둥 직경에 따른 항복시의 1축 응력 평균값 (b) 원기둥 직경에 따른 항복시의 전... 140
그림 3.2.2-6. 단면시편의 모식도 및 양성자 조사손상층을 보여주는 광학현미경 이미지 141
그림 3.2.2-7. 조사손상층 내에 제작된 마이크로 필라 배열 (a) 및 완성된 마이크로 필라(b) 142
그림 3.2.2-8. 조사재 길이 방향 위치별 경도 시험 결과 (a)와 조사조건 (손상량)에 따른 강종별 경도 변화 (b) 142
그림 3.2.2-9. 양성자 조사 단면 시편들의 5 mN 나노경도 시험 후 광학 이미지 (a), 300 ℃ 와 400... 145
그림 3.2.2-10. 마이크로 압축시험으로 측정된 조사량에 따른 조사경화량 (a), 중성자 조사재 물성... 146
그림 3.2.2-11. 집속이온빔장치 이용 마이크로 외팔보 제작 147
그림 3.2.2-12. 양성자 조사된 304SS의 in-situ 굽힘 시험의 예 148
그림 3.2.2-13. 고온 나노압입 장치 (CSM UNHT) 149
그림 3.2.2-14. Fused silica 의 나노 압입 깊이-하중 데이터 149
그림 3.2.2-15. 냉각수 구동 개략도 150
그림 3.2.2-16. 하나로 조사재의 흡수선량: (좌) SA508Gr3, (우) SA508Gr4N 151
그림 3.2.2-17. 중성자 조사재 기계적 가공을(절단 및 연마) 위한 장비들: (a) 납 차폐 테이블, (b) 저... 152
그림 3.2.2-18. 중성자 조사재 분석시험용 시편제작 과정 152
그림 3.2.2-19. 마이크로 역학 물성 평가용 분석시험편 제작 과정 154
그림 3.2.3-1. SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo계 저합금강 시료의 미세조직 156
그림 3.2.3-2. 중성자 조사시료용기 구성의 개념도와 HANARO OR홀의 삽화 157
그림 3.2.3-3. 방사화 시료의 해외이송 절차도 158
그림 3.2.3-4. 방사화 시료의 포장에 따른 흡수선량율 측정 159
그림 3.2.3-5. 중성자 조사시료의 이송과정에서의 시료손상 분석 160
그림 3.2.3-6. Micro-pillar의 구조분석 및 표면 상화깊이 측정 161
그림 3.2.3-7. 방사화 시료의 원자탐침 토모그래피분석 시료제작 162
그림 3.2.3-8. LEAP400X HR장비와 원자탐침 토모그래피 분석법의 개념도 162
그림 3.2.3-9. Voltage와 Detection Rate 및 검출기의 검출이력 163
그림 3.2.3-10. 원자탐침 토모그래피 분석법을 통한 전위 편석과 입계 클러스터의 생성 164
그림 3.2.3-11. 비조사 Ni-Cr-Mo 모델합금의 FIB를 이용한 APT 시편제작 과정. (a) 부터 (i)까지 시... 167
그림 3.2.3-12. Charpy impact energy transition curves of Ni-Cr-Mo model alloy for... 170
그림 3.2.3-13. Atomic maps of various solutes in unirradiated specimen 170
그림 3.2.3-14. Atomic maps of various solutes in unirradiated specimen including a carbide 171
그림 3.2.3-15. Atomic maps of various solutes in irradiated Ni-Cr-Mo model alloy. The...[이미지참조] 172
그림 3.2.3-16. Analysis of K-th nearest neighbor distances in major solute atoms 172
그림 3.2.3-17. luster maps of various solutes in irradiated Ni-Cr-Mo model alloy. The... 173
그림 3.2.3-18. Selected images of Si clusters. The image scales vary 174
그림 3.2.3-19. Histogram of Si-cluster Guinier diameters in irradiated specimen (DBSCAN... 174
그림 3.2.3-20. 삼차원 원자탐침 토모그래피 분석용 미세시편 178
그림 3.2.3-21. 원자로 압력용기용 강의 range file이 적용된 mass spectrum data 178
그림 3.2.3-22. 양성자 조사 Medium Mn Ni RPV 재료의 삼차원 원자 맵 180
그림 3.2.3-23. C1, C2, C3 조건에서 추출된 클러스터 분포 맵 181
그림 3.2.3-24. C1 과 C3 조사재에서 추출된 클러스터의 원소 맵 182
그림 3.2.3-25. 양성자 조사 High Ni RPV 재료의 삼차원 원소 맵 183
그림 3.2.3-26. 양성자 조사 High Ni RPV C6 조사재의 클러스터 삼차원 원소 맵 184
그림 3.2.3-27. 양성자 조사 High Cu RPV weld 재료의 삼차원 원소 맵 185
그림 3.2.4-1. Cr 입계편석량과 균열성장속도 간의 산점도 192
그림 3.2.4-2. Log(조사량)과 Log(균열성장속도) 간의 산점도 192
그림 3.2.4-3. 304 스테인리스강의 중성자조사량과 응력부식균열 성장속도 관계 193
그림 3.2.4-4. 균열성장속도 예측값 vs. 측정값 193
그림 3.2.4-5. 부식전위(ECP)와 IASCC 균열성장속도 관계 194
그림 3.2.4-6. 전도도와 IASCC 균열성장속도 195
그림 3.2.4-7. Ni 농도에 따른 IASCC 균열성장속도 변화 195
그림 3.2.4-8. Mo 농도와 IASCC 균열성장속도 관계 196
그림 3.2.4-9. 스테인리스강 304의 중성자조사량과 항복강도 관계 197
그림 3.3.1-1. Joomla CMS를 이용하여 제작된 MD-Portal 웹사이트의 첫 화면 201
그림 3.3.1-2. MD-Portal의 주요 기능 202
그림 3.3.1-3. MD-Portal의 사이트 구조 203
그림 3.3.1-4. MD-Portal 연구문서의 예시 205
그림 3.3.2-1. MD-Portal 관련 신문기사 스크랩 209
그림 3.3.2-2. 런칭 후 현재까지 MD-Portal 웹사이트의 월간 페이지뷰 변동 사항 210
그림 3.3.2-3. MD-Portal 웹사이트의 분야별 페이지뷰 211
그림 3.3.3-1. MatWeb 웹사이트의 초기화면 및 물성정보 예시 212
그림 3.3.3-2. GrantaMI 솔루션의 소개 및 특징 예시 213
그림 3.3.3-3. MATNAVI 웹사이트의 초기화면 및 물성정보 예시 214
그림 3.3.3-4. 소재정보은행 웹사이트의 초기화면 및 물성정보 예시 214
그림 3.3.3-5. PR-EDB database의 초기화면 및 물성정보 예시 215
그림 3.3.3-6. Gen-IV DB의 초기화면 및 물성정보 예시 215
그림 3.3.3-7. MD-Portal DB의 초기화면 및 물성정보 예시 217
그림 3.3.4-1. MD-Portal 물성DB 첫 화면 221
그림 3.3.4-2. MD-Portal 크리프 물성DB의 리스트 뷰 223
그림 3.3.4-3. Creep 리스트 뷰에서 선택된 레코드의 디테일 뷰 예시 224
그림 3.3.4-4. MD-Portal 물성DB 관리자 메뉴 첫 화면 225
그림 3.3.4-5. MD-Portal 관리자 메뉴 스크린 샷 226