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문제 정의
- 본 연구에서는 원통형의 YBCO 초전도체 중앙에 c축 방향의 인위적인 홀을 가공한 후, 홀에 레진과 인듐을 주입하였다. 이후 홀 가공 전과 후 그리고 레진과 인듐을 보강한 벌크 복합체에 외부 자기장을 인가 한 후 각 시편의 보강 조건에 따른 포획 자장을 측정, 홀이나 보강재에 따른 영향을 비교, 분석하고자 하였다. 또한 동일한 시편에 대하여 Nb3Ti 저온 초전도 자석을 이용하여 인가된 외부 자기장을 제거 하여 시간에 따른 포획 자장 변화를 조사 하였다.
- Ti 초전도 자석 등 각기 다른 자석을 이용하여 시편 상부나 시편 중앙에 인가 자장의 중심부를 위치시키고 액체질소로 냉각한 후 인가한 자기장을 제거하는 FC(field cooling) 방식을 이용, 시편의 포획 자기장 결과치를 비교하였다. 특히 홀 가공 전과 후 또한 홀 가공으로 인한 잠재적 macrocrack 등에 따른 자기적 변화를 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 2는 본 실험의 자기장 인가를 위해 사용한 Nb3Ti 초전도 자석(좌)과 초전도 자석 내부에 들어가 시편과 홀 센서를 고정할 수 있는 장치(우) 사진이다. 100 mm의 직경을 가진 초전도 자석 보어 내부의 중심 자장 위치에 자기장 측정 센서(Gauss meter)와 시편 고정 장치를 놓았다. 시편은 보어 내 자기장 중심에 위치하였고, 포획 자장값은 센서가 시편의 상부 표면과 밀착하게 만들어 측정하였다.
- Bulk형 YBCO 초전도체에 인위적으로 홀을 가공하거나 보강제로 채워 그에 따른 자기적 특성의 변화를 조사하였다. 홀을 가공하지 않은 (a) 시편의 경우 홀을 가공한 (b), (c), (d) 시편보다 높은 포획 자기장 값을 보여주었고, 2, 3-차원의 포획 자장 분포도에서도 (a) 시편이 seed 부분의 중심자장이 높은 형태로, 좋은 분포를 나타내었다.
- 이후 홀 가공 전과 후 그리고 레진과 인듐을 보강한 벌크 복합체에 외부 자기장을 인가 한 후 각 시편의 보강 조건에 따른 포획 자장을 측정, 홀이나 보강재에 따른 영향을 비교, 분석하고자 하였다. 또한 동일한 시편에 대하여 Nb3Ti 저온 초전도 자석을 이용하여 인가된 외부 자기장을 제거 하여 시간에 따른 포획 자장 변화를 조사 하였다.
- 먼저 3 kG의 자장을 인가하여 모든 시편의 중앙부위의 포획자장값을 측정하여 영구자석에서 측정한 값과 비교하였다. 또한 모든 시편에 3 T의 자장을 인가하여 각 측정 시 외부 자장이 완전히 제거 되는 순간부터 30분 동안 1분 간격으로 각 초전도체 시편의 감소하는 포획 자기장을 측정하였다.
- 초전도 자석으로 특정한 외부 자장을 인가하여 hall sensor가 부착된 시편에 액체질소를 주입해 냉각한 후에 초전도자석의 외부 인가 자장을 제거 한 후 시편의 포획 자장값을 측정하였다. 먼저 3 kG의 자장을 인가하여 모든 시편의 중앙부위의 포획자장값을 측정하여 영구자석에서 측정한 값과 비교하였다. 또한 모든 시편에 3 T의 자장을 인가하여 각 측정 시 외부 자장이 완전히 제거 되는 순간부터 30분 동안 1분 간격으로 각 초전도체 시편의 감소하는 포획 자기장을 측정하였다.
- 3과 4는 4개 초전도시편에 인위적인 홀을 가공하기 전과 후 포획 자기장 분포를 2, 3차원의 공간으로 표현한 도표이다. 먼저 각 시편에 3 kG의 세기의 영구자석으로 FC 과정을 거친 시편 표면에 hall sensor를 부착하여 자기장 변화를 측정하였다. 그림에서와 같이 4개의 시편 모두 중심 자장에서 둥근 원형으로 중심부가 높은 형태의 자장 분포를 보이고, 단결정으로 형성되어 있음을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 원통형의 YBCO 초전도체 중앙에 c축 방향의 인위적인 홀을 가공한 후, 홀에 레진과 인듐을 주입하였다. 이후 홀 가공 전과 후 그리고 레진과 인듐을 보강한 벌크 복합체에 외부 자기장을 인가 한 후 각 시편의 보강 조건에 따른 포획 자장을 측정, 홀이나 보강재에 따른 영향을 비교, 분석하고자 하였다.
- 100 mm의 직경을 가진 초전도 자석 보어 내부의 중심 자장 위치에 자기장 측정 센서(Gauss meter)와 시편 고정 장치를 놓았다. 시편은 보어 내 자기장 중심에 위치하였고, 포획 자장값은 센서가 시편의 상부 표면과 밀착하게 만들어 측정하였다. 초전도 자석으로 특정한 외부 자장을 인가하여 hall sensor가 부착된 시편에 액체질소를 주입해 냉각한 후에 초전도자석의 외부 인가 자장을 제거 한 후 시편의 포획 자장값을 측정하였다.
- 이후 3 kG의 영구자석과 Nb3Ti 초전도 자석 등 각기 다른 자석을 이용하여 시편 상부나 시편 중앙에 인가 자장의 중심부를 위치시키고 액체질소로 냉각한 후 인가한 자기장을 제거하는 FC(field cooling) 방식을 이용, 시편의 포획 자기장 결과치를 비교하였다. 특히 홀 가공 전과 후 또한 홀 가공으로 인한 잠재적 macrocrack 등에 따른 자기적 변화를 확인하고자 하였다.
- 5Ba2Cu3O7-y (YBCO) 초전체를 제조하였다. 제조한 YBCO 시편 중 일부에 mechanical drilling 을 하여 c축 방향에 10 mm의 직경의 홀을 가공하였다 또한 가공한 홀에 에폭시와 인듐을 각각 주입하였다. Fig.
- 시편은 보어 내 자기장 중심에 위치하였고, 포획 자장값은 센서가 시편의 상부 표면과 밀착하게 만들어 측정하였다. 초전도 자석으로 특정한 외부 자장을 인가하여 hall sensor가 부착된 시편에 액체질소를 주입해 냉각한 후에 초전도자석의 외부 인가 자장을 제거 한 후 시편의 포획 자장값을 측정하였다. 먼저 3 kG의 자장을 인가하여 모든 시편의 중앙부위의 포획자장값을 측정하여 영구자석에서 측정한 값과 비교하였다.
이론/모형
- Top-seeded melt growth (TSMG)법으로 Y1.5Ba2Cu3O7-y (YBCO) 초전체를 제조하였다. 제조한 YBCO 시편 중 일부에 mechanical drilling 을 하여 c축 방향에 10 mm의 직경의 홀을 가공하였다 또한 가공한 홀에 에폭시와 인듐을 각각 주입하였다.
성능/효과
- 시편이 완전히 냉각 된 후 외부 자기장을 제거하여 30분 동안 1분 간격으로 각 시편의 포획 자장을 측정한 결과이다. 홀을 가공하지 않은 (a) 시편은 인가 자장을 제거 하였을 시 7,500 G에서 약 3분 동안 급격히 감소하였고 30분 동안 조금씩 감소하여 30분이 경과하였을 시 6,500 G의 포획 자장값을 보였다. 홀을 가공하지 않은 (a) 시편의 경우 나머지 (b), (c), (d) 시편에 비해 높은 포획 자장 값을 보여주고 있다.
- Bulk형 YBCO 초전도체에 인위적으로 홀을 가공하거나 보강제로 채워 그에 따른 자기적 특성의 변화를 조사하였다. 홀을 가공하지 않은 (a) 시편의 경우 홀을 가공한 (b), (c), (d) 시편보다 높은 포획 자기장 값을 보여주었고, 2, 3-차원의 포획 자장 분포도에서도 (a) 시편이 seed 부분의 중심자장이 높은 형태로, 좋은 분포를 나타내었다. Nb3Ti 초전도 자석을 이용하여 외부 자기장을 인가 한 후, 시편이 완전히 냉각 된 다음 인가 자기장을 제거하고 30분 동안 측정한 시편의 포획 자장 값을 보면, 홀을 가공하지 않은 (a) 시편은 6,500 G, 홀을 가공한 (b) 시편은 4,500 G, 홀에 레진을 채운 (c) 시편은 4,000 G, 홀에 인듐을 채운 (d) 시편은 3,000 G로 감소하였다.
- 그리고 홀을 가공한 (b), (c), (d) 시편 중에서 보강 물질이 없는 (b) 시편이 4,500 G로 (c), (d) 시편보다 더 높은 자기적 성질을 보여주었다. 또한 보강 물질을 채운 (c), (d) 시편 중에서는 금속물질인 인듐을 채웠을 시 고분자물질인 레진을 채운 경우보다 1,000 G 정도 낮은 포획 자기장 값을 보여주었다. 초전도 복합체에서 보강 물질을 채울 시 고분자 재료인 레진이 금속 재료인 인듐보다 초전도체의 자기적 특성에 좀 더 작은 영향을 미치는 것으로 조사되었다.
- (b), (c), (d) 시편은 약 2분 동안 자장의 세기가 급격히 감소한 반면 홀을 가공한 (b) 시편의 경우 약 5,200 G에서 감소하기 시작하여 4,500 G까지 감소하였으며, 홀에 레진을 채운 (c) 시편은 약 4,800 G에서 시작하여 4,000 G로 감소하였다. 홀에 인듐을 채운 (d) 시편은 약 3,600 G에서 감소하여 3,000 G로 가장 낮은 포획 자장 값을 얻을 수 있었다. YBCO 초전도체에 보강 물질을 채우지 않은 (b) 시편의 경우 30분 후의 자장 세기값은 4,500 G로 나머지 (c), (d) 시편의 결과값보다 높았고, 보강 물질을 채운 (c), (d) 시편의 경우 레진을 채웠을 시 4,000 G로 인듐을 채운 시편의 3,000 G 보다 더 높은 포획 자기장 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 홀에 인듐을 채운 (d) 시편은 약 3,600 G에서 감소하여 3,000 G로 가장 낮은 포획 자장 값을 얻을 수 있었다. YBCO 초전도체에 보강 물질을 채우지 않은 (b) 시편의 경우 30분 후의 자장 세기값은 4,500 G로 나머지 (c), (d) 시편의 결과값보다 높았고, 보강 물질을 채운 (c), (d) 시편의 경우 레진을 채웠을 시 4,000 G로 인듐을 채운 시편의 3,000 G 보다 더 높은 포획 자기장 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 위의 결과로 YBCO 초전도체에 홀을 가공하게 되면 초전도체의 부피가 줄어들게 되어 특성이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 위의 결과로 YBCO 초전도체에 홀을 가공하게 되면 초전도체의 부피가 줄어들게 되어 특성이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 고분자 재료인 레진이 금속 재료인 인듐 보다 초전도체의 자기적 특성에 좀 더 작은 영향을 미치는 것으로 조사되었다.
- Nb3Ti 초전도 자석으로 자기장을 인가 후 측정한 포획 자장 값은 홀을 가공하지 않은 (a) 시편이 2,689 G로 가장 높고 나머지 (b), (c), (d) 시편은 각각 2,480, 2,492, 2,479 G로 (a) 시편보다 낮게 나타났다. 영구자석과 Nb3Ti 초전도자석에 의한 측정 결과 차이는 자석이 위치한 부위와 측정 위치에 따라 약간씩 달리 나타난 것으로 판단되었다. 즉 Nb3Ti 초전도 자석을 이용하였을 시에는 시편 중앙의 홀과 상부 표면이 맞닿은 부분에 hall sensor가 위치하였으나 영구자석을 이용하였을 시에는 초전도 벌크 위 직접적으로 바로 맞닿는 부위에 프로브가 위치하였다.
- YBCO 초전도체에 보강 물질을 채우지 않은 (b) 시편의 경우 30분 후의 자장 세기값은 4,500 G로 나머지 (c), (d) 시편의 결과값보다 높았고, 보강 물질을 채운 (c), (d) 시편의 경우 레진을 채웠을 시 4,000 G로 인듐을 채운 시편의 3,000 G 보다 더 높은 포획 자기장 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 위의 결과로 YBCO 초전도체에 홀을 가공하게 되면 초전도체의 부피가 줄어들게 되어 특성이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 고분자 재료인 레진이 금속 재료인 인듐 보다 초전도체의 자기적 특성에 좀 더 작은 영향을 미치는 것으로 조사되었다.
- 또한 보강 물질을 채운 (c), (d) 시편 중에서는 금속물질인 인듐을 채웠을 시 고분자물질인 레진을 채운 경우보다 1,000 G 정도 낮은 포획 자기장 값을 보여주었다. 초전도 복합체에서 보강 물질을 채울 시 고분자 재료인 레진이 금속 재료인 인듐보다 초전도체의 자기적 특성에 좀 더 작은 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 영구자석과 Nb3Ti 초전도자석에 의한 포획자장 결과는 측정 부위에 따라 약간 다르게 나타났다.
- Nb3Ti 초전도 자석을 이용하여 외부 자기장을 인가 한 후, 시편이 완전히 냉각 된 다음 인가 자기장을 제거하고 30분 동안 측정한 시편의 포획 자장 값을 보면, 홀을 가공하지 않은 (a) 시편은 6,500 G, 홀을 가공한 (b) 시편은 4,500 G, 홀에 레진을 채운 (c) 시편은 4,000 G, 홀에 인듐을 채운 (d) 시편은 3,000 G로 감소하였다. 홀을 가공하게 되면, 영구자석과 Nb3Ti 초전도 자석을 이용한 포획 자장 실험에서 모두 홀을 가공하기 전보다 특성이 떨어지는 것을 확인하였는데 이는 홀을 가공함으로써 초전도체의 부피가 줄어들어 자장 값이 감소한 것으로 판단된다. 그리고 홀을 가공한 (b), (c), (d) 시편 중에서 보강 물질이 없는 (b) 시편이 4,500 G로 (c), (d) 시편보다 더 높은 자기적 성질을 보여주었다.
- 4개의 초전도 시편 중 (b), (c), (d) 3개의 시편 중앙에 10 mm 직경의 인위적인 홀을 만들고 이 중 2개의 시편 (c), (d)은 레진과 인듐을 채워 포획 자장을 측정하였다. 홀을 가공한 시편과 홀에 레진과 인듐을 채운 시편 모두 가공하기 전과 비교하였을 시 중심부의 자장이 감소한 것을 볼 수 있었다. 이는 가공한 시편 중심부 초전도체 물질의 부피가 줄어들어 자기적 특성이 저하된 것으로 판단된다.
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