[논문]BSCCO 플라즈마 용사피막의 부분용융열처리 후 어닐링 시간에 따른 초전도 특성

박정식; 이선홍; 박경채

doi:10.3740/mrsk.2014.24.2.116

BSCCO 플라즈마 용사피막의 부분용융열처리 후 어닐링 시간에 따른 초전도 특성
Characteristics of Plasma Sprayed BSCCO Superconductor Coatings with Annealing Time After Partial Melt Process 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.24 no.2, 2014년, pp.116 - 122

박정식 (대구보건대학교 안경광학과) , 이선홍 (삼성SDI 중앙연구소 기반기술랩) , 박경채 (경북대학교 금속신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$Bi_2Sr_2CaCu_2O_x$(Bi-2212) and $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_y$(Bi-2223) high-Tc superconductors(HTS) have been manufactured by plasma spraying, partial melt process(PMP) and annealing treatment(AT). A Bi-2212/2223 HTS coating layer was synthesized through the peritectic reaction between a 0212 oxide coating layer and 2001 oxide coating layer by the PMP-AT process. The 2212 HTS layer consists of whiskers grown in the diffusion direction. The Bi-2223 phase and secondary phase in the Bi-2212 layer were observed. The secondary phase was distributed uniformly over the whole layer. As annealing time goes on, the Bi-2212 phase decreases with mis-orientation and irregular shape, but the Bi-2223 phase increases because a new Bi-2223 phase is formed inside the pre-existing Bi-2212 crystals, and because of the nucleation of a Bi-2223 phase at the edge of Bi-2212 crystals by diffusion of Ca and Cu-O bilayers. In this study the spray coated layer showed superconducting transitions with an onset Tc of about both 115 K, and 50 K. There were two steps. Step 1 at 115 K is due to the diamagnetism of the Bi-2223 phase and step 2 at 50 K is due to the diamagnetism of the Bi-2212 phase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들 이중층의 용사피막 형성을 위해서는 2001 및 0212의 조성을 가지는 용사분말의 제작하여 용사피막을 형성하였다. 그리고 형성된 용사피막에 대하여 PMP(partial melting process)-AT(annealing treatment)^7-8)를 이용하여 초전도 용사피막을 형성하고, 이에 따라 생성된 Bi-2212/2223상에 대한 초전도 특성을 조사하고 미세조직, 상 및 성분분석을 통하여 이들 초전도 상의 생성에 대해 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 2001/0212 이중층을 이용한 초전도체의 형성을 위해 이제까지의 BSCCO 초전도체 제조방법과는 달리 산화물초전도체의 가공에서 가장 큰 단점인 취성을 극복하고 신속한 초전도체의 형성을 위해 플라즈마 용사를 이용하여 이중층을 만들고자 하였다. 이들 이중층의 용사피막 형성을 위해서는 2001 및 0212의 조성을 가지는 용사분말의 제작하여 용사피막을 형성하였다.

제안 방법

2001 코팅 층과 0212 코팅 층간의 확산반응을 통한 Bi-2212/2223 초전도상의 형성하기 위하여 용사 후 2001/0212 피막을 PMP(Partial Melt Process)- AT(Annealing Treatment)를 Fig. 1과 같이 하였다. 우선, 로내 온도 25 ℃에서 최고온도인 895 ℃까지 약 4 ℃/min의 속도로 높여 1시간 동안 대기 중에서 유지(PMP)한 다음 AT 온도인 850 ℃까지 약 30 ℃/h의 냉각속도로 낮춘다.
플라즈마 용사 Bi-2212/2223 초전도피막의 초전도 특성은 MPMS(Magnetic Property Measurement System, 자기특성측정시스템)를 이용하여 측정하였다. ZFC(Zero Field Cooling: 0 Oe) 조건 하에 모멘트를 측정하고 임계온도를 조사하였다.
용사피막의 미세조직 관찰은 용사를 한 다음 PMP-AT 전/후 형성된 피막 표면 및 절단면의 형상을 보기 위해 표면 및 단면을 관찰하였고 PMP-AT 후 Bi-2212/2223 초전도 상의 미세조직의 변화를 조사하였다. 그리고 초전도피막의 성분분포를 확인하기 위해 EDS 면 분석 및 점 분석을 하였다.
본 연구에서는 2001 및 0212의 비율을 가지는 복합 용사 분말을 볼 밀링 방법으로 제조하여 0212/2001층을 용사하여 코팅층을 만들었다. 이것을 PMP 후 AT 시간에 따른 Bi-2212/2223 초전도피막을 제조하였다.
용사피막의 미세조직 관찰은 용사를 한 다음 PMP-AT 전/후 형성된 피막 표면 및 절단면의 형상을 보기 위해 표면 및 단면을 관찰하였고 PMP-AT 후 Bi-2212/2223 초전도 상의 미세조직의 변화를 조사하였다. 그리고 초전도피막의 성분분포를 확인하기 위해 EDS 면 분석 및 점 분석을 하였다.
본 연구에서는 2001/0212 이중층을 이용한 초전도체의 형성을 위해 이제까지의 BSCCO 초전도체 제조방법과는 달리 산화물초전도체의 가공에서 가장 큰 단점인 취성을 극복하고 신속한 초전도체의 형성을 위해 플라즈마 용사를 이용하여 이중층을 만들고자 하였다. 이들 이중층의 용사피막 형성을 위해서는 2001 및 0212의 조성을 가지는 용사분말의 제작하여 용사피막을 형성하였다. 그리고 형성된 용사피막에 대하여 PMP(partial melting process)-AT(annealing treatment)^7-8)를 이용하여 초전도 용사피막을 형성하고, 이에 따라 생성된 Bi-2212/2223상에 대한 초전도 특성을 조사하고 미세조직, 상 및 성분분석을 통하여 이들 초전도 상의 생성에 대해 검토하고자 하였다.
플라즈마 용사에 의한 초전도피막의 생성 상(Bi-2212/2223)의 분율을 조사하고 PMP-AT 조건에 의한 생성상의 변화를 알아보기 위해 XRD(D/Max-IC, Rigaku), SEM(S-4300, Hitachi) 및 EDS(S-2500C, Hitachi) 분석을 하였다.
용사피막의 제조는 플라즈마 용사 건(9 MB, METCO, USA)을 사용하여 Table 3의 조건으로 대기 중에서 실시하였다. 화염 발생 가스로 수소와 아르곤을 사용하였고, 플라즈마 발생 가스로 1차 가스인 아르곤을 사용하였다. 플라즈마 용사에서 2001 및 0212 피막은 모두 같은 조건을 적용하여 각각 약 200 µm 두께로 용사하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 플라즈마 용사 Bi-2212/2223 초전도피막을 다층 용사피막으로 제작하였다. 0212 (Sr:Ca:Cu=2:1:2) 용사피막 위에 2001 (Bi:Cu=2:1) 용사피막 순서로(이하 0212, 2001라 각각 칭함) 제조하였다.
Bi₂O₃분말과 SrCO₃분말, CaCO₃분말, CuO분말은 분말 전문 제조회사인 Aldrich(USA) 제품을 사용하였다. Bi₂O₃ 분말은 5~10 µm의 입도를 가지고 있고, SrCO₃와 CaCO₃는 10~15 µm, CuO분말은 5~15 µm의 입도를 가지고 있다.
본 연구에서는 플라즈마 용사 Bi-2212/2223 초전도피막을 다층 용사피막으로 제작하였다. 0212 (Sr:Ca:Cu=2:1:2) 용사피막 위에 2001 (Bi:Cu=2:1) 용사피막 순서로(이하 0212, 2001라 각각 칭함) 제조하였다.
용사피막의 제조는 플라즈마 용사 건(9 MB, METCO, USA)을 사용하여 Table 3의 조건으로 대기 중에서 실시하였다. 화염 발생 가스로 수소와 아르곤을 사용하였고, 플라즈마 발생 가스로 1차 가스인 아르곤을 사용하였다.
본 연구에서는 2001 및 0212의 비율을 가지는 복합 용사 분말을 볼 밀링 방법으로 제조하여 0212/2001층을 용사하여 코팅층을 만들었다. 이것을 PMP 후 AT 시간에 따른 Bi-2212/2223 초전도피막을 제조하였다. 이리하여 초전도 코팅 층의 미세조직, 초전도 특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
최종적으로 생산된 복합용사분말은 분급하여 30~90 µm의 입도를 가지는 분말을 사용하였다.

이론/모형

플라즈마 용사 Bi-2212/2223 초전도피막의 초전도 특성은 MPMS(Magnetic Property Measurement System, 자기특성측정시스템)를 이용하여 측정하였다. ZFC(Zero Field Cooling: 0 Oe) 조건 하에 모멘트를 측정하고 임계온도를 조사하였다.

성능/효과

2001층의 Bi, Cu성분은 0212층으로 부분 용융되어 확산되는 반면, 0212층의 Sr, Ca, Cu는 2001층으로 확산된다. 그 결과 Bi-2212상 휘스커가 먼저 생성하고 이후 AT 시간이 경과함에 따라 확산이 더욱 진행되어 주로 Bi-2223상이 되고 제 2상 그리고 일부 Bi-2212의 잔존이 확인되었다.
2001층의 Bi, Cu성분은 0212방향으로 부분 용융되어 확산되었고, 0212층의 Sr, Ca, Cu는 2001방향으로 상호 확산된다. 그 결과 Bi-2212상 휘스커가 먼저 생성하고 이후 AT시간이 경과함에 따라 확산 층은 그림 (b)와 같이 주로 Bi-2223과 Bi 성분이 없는(Bi-free) 제 2상 그리고 일부 Bi-2212가 확인된다.
(d)는 AT 20시간의 단면 조직으로 Bi-2223내에 Bi-2212상 휘스커가 약간 존재했다. 따라서 AT의 시간이 지남에 따라 Bi-2223상은 증가하고 Bi-2212층의 휘스커는 점차 소멸해가는 것을 확인할 수 있다.
9는 AT 시간에 따른 Bi-2212상과 Bi-2223상의 분율을 그림3의 AT 5시간과 10시간의 조직 분율과 그림7의 XRD 분율 결과로부터 나타낸 것이다. 여기서 최초 AT 5시간에서는 Bi-2212상과 Bi-2223상이 각각 53 %, 47 %를 나타내며 이 후 AT 시간이 증가하면 Bi-2212상은 급격히 감소하다가 서서히 감소하는 반면 Bi-2223상은 급격히 증가하다가 서서히 증가한다. 이는 AT 시간이 경과함에 따라 최초 Bi-2212상이 빠른 시간 내에 먼저 생성되고 이후 확산에 의해 Bi-2212상에서 Bi-2223상이 생성되는 현상으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PIT 법이란?	이와 같은 이유로 일반적으로 기존의 산화물 고온초전도 제조는 주로 Ag파이프 안에 산화물을 충진시킨 후 인발 및 소결하여 제조하는 PIT 법3-4)이 많이 사용되어 왔다. 그러나 이 공정은 인발 및 소결 시 초전도 산화물의 손상 및 수축변형으로 인해 초전도 특성이 매우 저하되는 단점이 있다.
	금속과 비교했을 때 산화물의 단점은?	그러나 BSCCO계를 포함한 이들 고온초전도체는 대부분 산화물로 이루어져 있어 저온초전도체와 비교하여 다양한 형상으로 제조할 수 없다는 큰 약점을 가지고 있다. 산화물은 금속에 비해 연성이나 소성이 매우 낮아 기계적인 성질이 약해 선재나 코일로 제작하는 것이 어렵다. 또한 고온초전도체는 다성분계의 산화물로 화학조성의 불균일성 또는 산소의 결손 등 초전도 성능을 저하시킬 수 있는 다용한 요소가 있다.
	PIT 법의 단점은?	이와 같은 이유로 일반적으로 기존의 산화물 고온초전도 제조는 주로 Ag파이프 안에 산화물을 충진시킨 후 인발 및 소결하여 제조하는 PIT 법3-4)이 많이 사용되어 왔다. 그러나 이 공정은 인발 및 소결 시 초전도 산화물의 손상 및 수축변형으로 인해 초전도 특성이 매우 저하되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 복합 산화물 분말을 용사 코팅하여 박막형태로 제조하는 방법이 시도되고 있다.

참고문헌 (9)

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S. H. Cho, S. H. Lee and K. C. Park, J. Kor. Int. Met. Mater., 44(7), 497 (2006).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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