[논문]보론 분말의 결정화에 대한 열처리 영향과 MgB2 초전도체의 임계전류밀도 특성

유병윤; 김찬중; 박순동; 전병혁

doi:10.3740/mrsk.2014.24.9.465

보론 분말의 결정화에 대한 열처리 영향과 MgB2 초전도체의 임계전류밀도 특성
Effect of Heat-Treatment on the Crystallization of B Powder and Critical Current Density Property of MgB2 Superconductor 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.24 no.9, 2014년, pp.465 - 468

유병윤 (한국원자력연구원 중성자응용기술부) , 김찬중 (한국원자력연구원 중성자응용기술부) , 박순동 (한국원자력연구원 중성자응용기술부) , 전병혁 (한국원자력연구원 중성자응용기술부)

Abstract ▼ AI-Helper

The crystallization effects of boron (B) powder on the phase, full width at half maximum (FWHM) values, and critical properties were investigated for in-situ reacted $MgB_2$ bulk superconductors. The semi-crystalline B powder was heat-treated at different temperatures of 1000, 1300 and $1500^{\circ}C$ for 5 hours in an Ar atmosphere. Then, using as-received and heat-treated B powders, the $MgB_2$ samples were prepared at $600^{\circ}C$ for 40 hours in an Ar atmosphere. As the heat-treatment temperature of the B powder increased, both the particle size of the B powder and crystalline phase increased. In the case of $MgB_2$ samples using B powders heat-treated at above $1300^{\circ}C$, unreacted magnesium (Mg) and B remained due to the improved crystallinity of the B powder. As the heat-treatment temperature of B powder increased, the critical current density of $MgB_2$ decreased continuously due to the reduction of grain boundary density and superconducting volume caused by unreacted Mg and B.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 B 분말의 결정화 정도를 다르게 하기 위하여 B 분말을 1000oC, 1300oC, 1500oC로 열처리 하였고, 열처리 된 B 분말로 MgB2를 제조하여 상분석, 결정성 그리고 초전도 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 초기 B 원료 분말의 결정화가 MgB₂상 형성 및 초전도 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 1000℃ 이상의 다양한 온도에서 열처리 후 B 분말의 상 및 결정성의 변화를 살펴보았고, 열처리 된 B 분말을 사용하여 600℃저온에서 MgB₂초전도체를 제조하여 결정성, 결정립 크기, 임계온도, 임계전류밀도의 특성을 분석하였다.

가설 설정

⁶⁾ MgB₂ 초전도체는 결정립계에 weak links가 없고, 플럭스 피닝 센터(flux pinning center)로 작용하는 결정립계의 밀도를 높일 경우 임계 전류 특성을 향상시킬 수 있다.⁷⁾ 따라서 MgB₂의 결정립 크기를 제어했을 경우 초전도성에 크게 영향을 줄 수 있다.

제안 방법

B 분말의 결정화 정도와 합성된 MgB2의 상 분석 및 결정구조 분석은 Cu-Kα(λ = 1.5418Å) 타켓을 사용하는 X-ray diffraction(XRD, Rigaku)으로 측정되었다.
02° 간격으로 측정되었다. 분말의 입자 크기를 확인하고자 field emission-scanning electron microscope(FE-SEM) 을 사용하였다. 초전도 특성 측정은 magnetic property measurement system(MPMS, Quantum Design)을 이용하였다.
초전도 임계온도 측정은 20 G의 외부자기장에서 20-40 K범위에서 측정되었고, 0-7 T의 자기장하에서 5 K과 20 K의 온도에서 자화율이 측정되었으며, Bean’s critical model을 이용하여 임계전류밀도를 계산하였다.

대상 데이터

초기 분말로 Mg(순도 99 %, 입도 4~10 µm, Tangshan Weihao Magnesium Powder Co. Ltd., China) 결정 분말과 B(순도 95~97 %, 입도 1 µm 이하, Tangshan Weihao Powder Co. Ltd., China) 반결정질 분말을 사용하여 insitu 반응으로 MgB2 펠렛을 제조하였다.

이론/모형

분말의 입자 크기를 확인하고자 field emission-scanning electron microscope(FE-SEM) 을 사용하였다. 초전도 특성 측정은 magnetic property measurement system(MPMS, Quantum Design)을 이용하였다. 초전도 임계온도 측정은 20 G의 외부자기장에서 20-40 K범위에서 측정되었고, 0-7 T의 자기장하에서 5 K과 20 K의 온도에서 자화율이 측정되었으며, Bean’s critical model을 이용하여 임계전류밀도를 계산하였다.

성능/효과

1300 oC 이상에서 열처리된 B 분말을 사용하여 제조된 MgB2 시편들의 경우, 반응하지 않고 잔류하는 Mg과 B이 있음을 확인하였다.
^2-5)또한 고온 초전도체에 비해 결맞음 길이(coherence length)가 길고 전류 이방성이 심하지 않는 장점을 가지고 있다.⁶⁾ MgB₂ 초전도체는 결정립계에 weak links가 없고, 플럭스 피닝 센터(flux pinning center)로 작용하는 결정립계의 밀도를 높일 경우 임계 전류 특성을 향상시킬 수 있다.⁷⁾ 따라서 MgB₂의 결정립 크기를 제어했을 경우 초전도성에 크게 영향을 줄 수 있다.
Table 2는 MgB₂의 피크의 반가폭을 이용하여 Williamson-Hall 분석법으로 계산된 MgB₂결정립 크기를 나타내었다. B 분말의 열처리 온도가 높을수록 MgB₂ 피크의 반가폭이 감소하는 경향을 보인 반면, 계산된 결정립 크기는 증가하는 경향을 보였다. 이는 열처리된 B 분말의 입자 크기가 커짐에 따라 합성된 MgB₂의 결정립의 크기도 증가된 것으로 사료된다.
B 분말의 열처리 온도가 증가할수록 B 분말의 XRD 피크의 세기가 증가하였고, 특히 1300 oC 이상의 온도에서는 결정질의 회절피크가 나타났다.
3은 as-received B 분말과 온도별로 열처리된 B 분말을 이용하여 600℃에서 40 시간 열처리를 통하여 제조된 MgB₂의 XRD 결과이다. 모든 시편에서 MgB₂상이 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있었고 MgO 이차 상이 같이 관찰되었다. MgO 상은 MgB₂ 열처리 시 B분말에 존재하는 B₂O₃가 Mg와 반응한 결과로 볼 수 있다.
B 분말의 열처리 온도가 증가할수록 B 분말의 XRD 피크의 세기가 증가하였고, 특히 1300℃ 이상의 온도에서는 결정질의 회절피크가 나타났다. 이로부터 B 분말이 열처리를 통하여 결정성이 향상되고 결정립 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 1300℃ 이상에서 열처리된 B 분말을 사용하여 제조된 MgB₂ 시편들의 경우, 반응하지 않고 잔류하는 Mg과 B이 있음을 확인하였다.
4는 as-received B 분말과 열처리된 B 분말을 갖고 제조된 MgB₂의 자기장-임계전류밀도 결과이다. 자기장에 따른 임계전류밀도 값은 as-received B 분말을 사용한 MgB₂ 시편이 가장 우수하였고 B 분말의 열처리 온도가 높아질수록 J_c 가 낮아지는 결과를 보였다. 한 예로 5 K, 5 T의 경우, as-received B 분말과 1000℃, 1300℃, 1500 ℃에서 열처리된 B 분말을 사용한 MgB₂ 시편들에서 각각 10892, 9971, 6788, 4556 A/cm²의 J_c 값을 나타냈다.
한편 B 분말의 열처리 온도에 따른 MgB₂의 임계온도 결과는, B 분말의 열처리 온도와 상관없이 모든 시편에서 임계온도(T_c,onset)는 36.5 K로 나타났다. 이는 MgB₂내에 반응하지 못한 Mg, B 등이 잔류하여도 T_c에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MgB2초전도체의 초전도 전이온도는?	2001년 일본의 Akimitsu 연구그룹에 의해 발견된 MgB2초전도체는 초전도 전이온도가(Tc) 39 K로1) 기존의 NbTi, Nb3Sn등과 같은 금속간 화합물 초전도체에 비해 높아 고가의 액체헬륨을 냉매로 사용하지 않고 20 K 근처에서 냉각기로 운영되는 초전도 응용기기에 적용될 수 있다.2-5)또한 고온 초전도체에 비해 결맞음 길이(coherence length)가 길고 전류 이방성이 심하지 않는 장점을 가지고 있다.
	MgB2 형성에서 붕소 첨가가 미치는 영향은?	붕소(B)보다 마그네슘(Mg)의 낮은 용융점(650oC)으로인하여 MgB2 형성은 650oC 또는 그 온도 이상에서는 액상인 Mg의 빠른 이동으로 MgB2 상 생성 반응이 일어나며 결정립 크기는 초기 B의 입자 크기에 의존한다.8)한편 열처리 온도가 600oC의 저온에서는 Mg과 B모두 고상 상태 확산에 의하여 MgB2상이 형성되는데, 이때 결정성장은 액상-고상 반응보다 느리게 일어나게 되고 MgB2의 결정립 크기가 작게 형성되어 상대적으로 높은 임계전류밀도를 보이게 된다.
	고온 초전도체와 비교하여 MgB2초전도체의 장점은?	2001년 일본의 Akimitsu 연구그룹에 의해 발견된 MgB2초전도체는 초전도 전이온도가(Tc) 39 K로1) 기존의 NbTi, Nb3Sn등과 같은 금속간 화합물 초전도체에 비해 높아 고가의 액체헬륨을 냉매로 사용하지 않고 20 K 근처에서 냉각기로 운영되는 초전도 응용기기에 적용될 수 있다.2-5)또한 고온 초전도체에 비해 결맞음 길이(coherence length)가 길고 전류 이방성이 심하지 않는 장점을 가지고 있다.6) MgB2 초전도체는 결정립계에 weak links가 없고, 플럭스 피닝 센터(flux pinning center)로 작용하는 결정립계의 밀도를 높일 경우 임계 전류 특성을 향상시킬 수 있다.

참고문헌 (11)

J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zentitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001).

상세보기
R. Musenich, P. Fabbricatore, C. Fanciulli, C. Ferdeghini, and G. Grasso, IEEE Trans. Appl. Supercond. 14, 365 (2004).

상세보기
M. Takahashi, K. Tanaka, M. Okada, H. Kitaguchi, and H. Kumakura, IEEE Trans. Appl. Supercond. 16, 1431 (2006).

상세보기
R. Musenich, P. Fabbricatore, S. Farinon, M. Greco, M. Modica, R. Marabotto, R. Penco, M. Razeti, and D. Nardelli, Supercond. Sci. Technon. 19, S126 (2006).

상세보기
J. Bascuan, H. Lee, E. S. Bobrov, S. Hahn, Y. Iwasa, M. Tomsic, and M. Rindfleisch, IEEE trans. Appl, Supercond 16, 1427 (2006).

상세보기
D. Larbalestier, A. Gurevich, D.M felddmann, and A Polyanskii, Nature 414, 368 (2001) .

상세보기
P. Mikheenko, E. Martinez, A. Bevan, J. S. Abell, and J. L. MacManus-Driscoll, Supercond. Sci. Technol. 20, S264 (2007).

상세보기
A. Yamamoto, J. Shimoyama, S. Ueda, Y. Katsura, S. Horii, and K. Kishio, Supercond. Sci. Technol. 18, 116 (2005).

상세보기
B. -H. Jun, N. K Kim, K. S. Tan, and C. -J. Kim, J. Alloys Compd. 492, 446 (2010).

상세보기
B. -H. Jun, S. D. Park, and C. -J. Kim, J. Alloys Compd. 535, 27 (2012).

상세보기
G. K. Williamson, and W. H. Hall, Acta Metall. 1, 22 (1953).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증