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문제 정의
- 벌크 초전도체는 우수한 통전성 및 낮은 열전도도를 이용하는 전류 인입선, 자석과 초전도체간의 부상을 이용하는 자력 부상응용, 초전도체에 자력을 속박시켜 자석으로 사용하는 초전도 자석 등으로 나누어진다. 본 연구에서는 초전도체의 전기에너지 저장용 벌크의 개발을 목표로 유기 금속염법으로 초전도체를 합성 하였다.
제안 방법
- 소결시간을 8시간으로 하고, 초전도 123 phase 조성의 Y 에 대하여, 2.5 및 5at%의 Zr을 치환한 초전도 시료의 소결 온도와 Tc와의 관계를 조사하였다. 이 결과를 그림2에 나타낸다.
- 5%)을 첨가하였다. 시트르산 및 에틸렌글리콜은 출발 원료중에 포함되는 금속이온의 총 원자가수 및 polymer상 화합물의 최적비 에 대응하는 필요량을 첨가하였다. 혼합용액을 hot plate위에 놓고 약 90℃의 온도에서 2~3 시간 가열 각반 하였다.
- Zr의 첨가량은 3~50wt%가 되도록 첨가하였다. 원료분말을 질산에 용해한 후, 시트르산 수화물 (CeHeOr - H2O, 특급시약, 함량 61%) 및 에틸렌글리콜((CH2OH)2, 특급시약, 순도 99.5%)을 첨가하였다. 시트르산 및 에틸렌글리콜은 출발 원료중에 포함되는 금속이온의 총 원자가수 및 polymer상 화합물의 최적비 에 대응하는 필요량을 첨가하였다.
- 모든 가열처리는 대기 중에서 수행하였다. 전기적 특성은 In을 전극재료로 사용 하여, 직류 4단자법으로 임계온도 Tc와 임계전류 Ic를 측정하였다. 주사형 전자현미경 (SEM)에 의하여, 초전도 시료의 결정조직을 관찰 하였다.
- 전기적 특성은 In을 전극재료로 사용 하여, 직류 4단자법으로 임계온도 Tc와 임계전류 Ic를 측정하였다. 주사형 전자현미경 (SEM)에 의하여, 초전도 시료의 결정조직을 관찰 하였다.
- 합성분말을 폭 5mm, 길이 22mm, 두께 1mm의 펠렛으로 프레스 성형하여, 열처리를 하였다. 모든 가열처리는 대기 중에서 수행하였다.
대상 데이터
- 출발원료로는 순도 99.9%의 Y2O3, BaCQj, CuO분말과 순 도 99.7%의 Zr 분말을 소성하여 출발조성이 화학 양론적 조성이 되도록 평량 한 후, 질산에 용해하였다. Zr의 첨가량은 3~50wt%가 되도록 첨가하였다.
이론/모형
- 시트르산 열분해법에 의하여 YBaCuO계 초전도체를 합성하였다. 균일한 원소 첨가가 가능하리라 사려되는 본 합성법에 의거하여, 123 초전도 시료에 Ag를 첨가하면, 최적 소결온도는 약 501정도 명료하게 감소 하였으며, 단시간의 소결만으로도, Ag를 첨가하지 않은 시료와 비교하여 약 수배에 해당하는 Jc가 얻어졌다.
성능/효과
- 또한 123 시료의 Y에 대하여, Zr을 치환한 시료에서는 결정조직이 명료하게 미세하고 균일하게 분포하며, 초전도체가 치밀하게 구성되었다. 30wt% Ag를 첨가한 시료의 Y에 대하여, 5 at% Zr을 치환하게 되면, Ag 첨가 및 Zr 치환을 단독으로 시행한 초전도 시료와 비교하여도 Jc값은 상승되었으며, 소결온도의 증가에 대하여 Jc는 완만하게 감소하는 경향이 있다.
- 이 결과, 소결온도가 910℃에서 Tc의 피크 값이 관측되었다. SEM 관측의 결과, Zr을 1 at% 치환한 경우, 결정 입자는 123 초전도 시료와 비교하여, 약간 미세하게 되어 있으며, 치환량이 2.5 at%, 5at%로 증가함에 따라, 결정입자는 더욱 미세하게 되었다.
- 그림2에 관측된 결과와 같이 9201C의 소결온도에서 Jc의 피 크값이 관측되며, Ag를 첨가한 시료의 결과와 같이 Ag를 첨가하지 않은 시료와 비교하여, 수배의 Jc 값이 관측 되었으나, 최적 소결온도의 저하는 관측되지 않았다. Zr의 치환량이 10at%의 초전도 시료를 제작한 결과, 일정하지 않은 초전도 특성이 발생하여, Zr의 첨가량을 5at%까지로 하였다. 이 결과, 소결온도가 910℃에서 Tc의 피크 값이 관측되었다.
- 시트르산 열분해법에 의하여 YBaCuO계 초전도체를 합성하였다. 균일한 원소 첨가가 가능하리라 사려되는 본 합성법에 의거하여, 123 초전도 시료에 Ag를 첨가하면, 최적 소결온도는 약 501정도 명료하게 감소 하였으며, 단시간의 소결만으로도, Ag를 첨가하지 않은 시료와 비교하여 약 수배에 해당하는 Jc가 얻어졌다. 30wt% Ag를 첨가한 123 시료에 미량의 Y를 첨가하게 되면, 초전도 123 phase 의 결 정속도가 둔화되며, 장시간의 소결로 Jc가 향상되는 것으로 사려된다.
- 반웅이 시작되면, 용액은 푸른색의 졸 상태로 되며, 반응이 종료되면, 탈수되어 옅은 청색의 겔 상태로 되었다. 반응 종료후, 겔 상태의 혼합물을 전기로에서 350P에서 1.5시간 열분해를 수행하여, 회색의 전구체를 얻을 수 있었다. 이 전 구체를 전기로에서 750V, 8시간 하소하여, 메노유발에서 3 시간 분쇄하는 작업을 2회 되풀이하여 합성 분말을 얻었다.
- 소결온도를 8801로 고정하고, Ag의 첨가량을 0~30wt% 로 변화한 경우, Jc와 소결온도와의 상관관계를 그림1에 제시한다. 이 결과로부터 10~30wt%의 Ag를 첨가하게 되면, 4~8시간의 단시간 소결만 으로도 Jc값을 상승하였으나, 3wt%의 Ag를 첨가한 초전도 시료에서는 Jc의 상승은 관측 되지 않았다. Ag를 첨가한 시료에서는 Ag를 첨가하지 않은 시료의 최적 소결온도 910X: 와 비교하여, 소결온도는 880℃ 로 약 50X:로 저하 되었다.
- 이상의 결과로부터 초전도 123 시료에 Ag 첨가 및 Zr 치환에 의하여, 결정 입자가 미세하고 균일화 되어 결정조직이 치밀하게 구성되었다. Ag를 첨가한 시료에서는, Ag의미 세한 분산에 의하여, Jc값이 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 특히 본 연구의 고 기능성 초전도 합성기술을 이용한 초전도 선재의 개발은 특별한 가공 없이 송전선이나 변압기, 발전기 그리고 전력 저장장치 등의 개발에 활용될 수 있어 전력계통의 효율을 극대화시킬 수 있는 기술로서 전기에너지 문제해결에 크게 기여할 기반기술로 기대되고 있다. 또한 에너지 대체기술로서의 원가절감과 효율 향상을 가져와 고품질의 전력 에너지제반 기술을 초전도 전력케이블, 변압기, 한류기 등 초전도 전력기기의 기반 핵심기술로 제공할 수 있다.
- 현재 실현 가능한 응용 분야가 일부에 제한되어 있으나, 벌크 초전도체를 이용한 에너지 관련 웅용이 가까운 미래에 실현될 것으로 예상된다. 벌크형 초전도체는 일반적 세라믹 공정으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 초전도체에 전류 를 연속적으로 흘릴 필요가 없고 특별히 높은 기계적 강도도 요구되지 않는다.
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