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문제 정의
- 본 연구에서는 우수한 초전도 특성 및 경제성을 갖는 고온 초전도 단결정 제조방법을 확립하기 위해 기존에 개발되었던 SLMG 방법 [6,7]의 조성과 열처리 방법을 변화 시키고 종자결정성장법과 결합하여 개선된 방법을 개발 하였다. 새로운 조성인 0.
제안 방법
- 4 T 영구자석을 이용하여 field cooling을 한 후 자석을 제거하고 gauss meter를 이용하여 YBCO 초전도 단결정의 포획자장량을 측정하였다. 또한, INSTRON model 8871장비를 이용하여 zero field cooling한 후 부양력 실험을 하여 물성 특성을 평가하였으며 미세 조직 분석은 한밭대에서 올림푸스 광학현미경 및 히타치 SEM (scanning electron microscope) 관찰을 통하여 수행하였다.
- 본 연구에서는 우수한 초전도 특성 및 경제성을 갖는 고온 초전도 단결정 제조방법을 확립하기 위해 기존에 개발되었던 SLMG 방법 [6,7]의 조성과 열처리 방법을 변화 시키고 종자결정성장법과 결합하여 개선된 방법을 개발 하였다. 새로운 조성인 0.9Y2O3 + 2.4BaCuO2 + CuO 조성과 SmBa2Cu3Ox 종자를 이용한 고액용융성장법으로 초전도 단결정을 제조하고 미세구조와 초전도특성 평가를 통해 타 제조방법과의 장단점을 비교하여 개선된 초전도 단결정 제조방법을 제시하고 제조한 단결정을 이용하여 3 T 이상의 고자장을 갖는 초전도 벌크자석과 이것을 적용한 초전도 조작기를 구현하고 결과를 제시하고자 한다.
- 용융응고법과 온도구배를 조합하고 Y123와 Y2O3 전구체를 사용하여 대면적 고특성 YBCO 초전도 단결정을 성공적으로 제조하였다. 제조된 6개의 단결정을 전도 냉각할 수 있도록 배열하고 2 T급 착자기에서는 약 1.
- 이 분말을 각각 5 cm × 5 cm 및 8 cm × 8 cm의 금형에 넣고 유압프레스를 이용하여 단축방향으로 가압한 후 CIP (cold isostatic press) 처리를 한 후에 종자를 올려놓고 1,045℃에서 2시간 부분 용융시킨 다음 1,020℃까지 냉각한 후 980℃까지 0.25℃/hr의 속도로 서냉하여 단결정을 성장시키는 열처리 공정으로 진행하였다.
- 3(b)에서 보는 바와 같이 시편 중심부가 바깥부보다 온도가 낮은 온도구배를 유지하도록 하였다. 자장분포 측정은 77 K의 액체질소에서 Nd계 0.4 T 영구자석을 이용하여 field cooling을 한 후 자석을 제거하고 gauss meter를 이용하여 YBCO 초전도 단결정의 포획자장량을 측정하였다. 또한, INSTRON model 8871장비를 이용하여 zero field cooling한 후 부양력 실험을 하여 물성 특성을 평가하였으며 미세 조직 분석은 한밭대에서 올림푸스 광학현미경 및 히타치 SEM (scanning electron microscope) 관찰을 통하여 수행하였다.
- 코일부의 최대 허용전압은 350 V이고, 최대 허용전류는 350 A이며 안정적 운전전압은 250∼300 V로 설계 되었다.
대상 데이터
- YBa2Cu3Ox 단결정 제조를 위한 초기 분말은 Y1.8Ba2.4Cu3.4Ox에 0.5%의 CeO2가 첨가된 것을 사용하였다. 이 분말을 각각 5 cm × 5 cm 및 8 cm × 8 cm의 금형에 넣고 유압프레스를 이용하여 단축방향으로 가압한 후 CIP (cold isostatic press) 처리를 한 후에 종자를 올려놓고 1,045℃에서 2시간 부분 용융시킨 다음 1,020℃까지 냉각한 후 980℃까지 0.
- 코일부의 최대 허용전압은 350 V이고, 최대 허용전류는 350 A이며 안정적 운전전압은 250∼300 V로 설계 되었다. 사용된 Nd-Fe-B 영구자석의 크기는 가로 9 cm 세로 15 cm이고, 표면자장은 0.4 T이다.
이론/모형
- 4. Heat-treatment schedule and microstructure of Y123+0.3 mol Y211+1% CeO2 superconductor fabricated by top-seeded MTG method.
- 3. Heat-treatment schedule and microstructure of Y123+0.4 mol Y211+1% CeO2 superconductor fabricated by top-seeded MTG method.
성능/효과
- 6 T로서 매우 우수한 포획 특성을 나타내었다. 3.3 T급 착자기를 사용하였을 때에는 표면자장이 약 3 T인 초전도 벌크 자석이 얻어졌다.
- 측정 장비는 MPMS (magnetic properties measurement system) 장비를 이용하였으며, 실험 조건은 77 K, 5 T에서 수행되었다. KX-01, KY-01, KS-01은 본 연구의 결과이며 NX-01, YX-01은 기존 초전도 단결정 생산업체의 임계전류 밀도 결과이다.
- 5℃/h로 서냉하여 성장시킨 시편의 내부 미세조직 사진이다. 기존 조성의 분말 보다 Y211의 크기가 미세해졌고 밀도도 높아졌으며 분포도 상당히 균일함을 알 수 있다.
- 본 연구에서 얻어진 결과 값들이 기존의 단결정들 보다 우세하거나 거의 동등한 수준의 임계전류밀도 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
- 그림 2(b)는 그림 1(b)의 온도분포를 가지는 로에서 동일한 열처리조건으로 성장시킨 YBa2Cu3Ox 단결정의 표면 사진이며, 시편 전체가 종자결정에서 성장한 단결정으로 되어 있음을 볼 수 있다. 이 방법을 이용하면 5 cm를 훨씬 넘는 대면적 단결정의 제조가 가능할 뿐만 아니라 온도구배를 적절히 조절하여 다량의 대면적 단결정을 성장시키는 것이 가능하다.
- 이번에 개발된 초전도 벌크자석으로 차단기용 조작기를 제작하여 힘과 속도를 측정한 결과 8,300 N의 힘과 4 m/s의 이동 속도를 얻어서 송전급 차단기에 충분히 적용 가능하다는 결론을 얻었다.
후속연구
- 무빙코일에 250 V, 40 ms 동안 350 A를 가했을 때 이동부의 최대 힘은 이동속도 측정값으로 계산하여 8,300 N이 얻어졌다. 8,000 N 이상의 힘에 4 m/s의 조작기 이동속도면 72.5 kV / 25 kA GCB에 적용 가능한 것으로 해석되었고 착자기의 댐핑시스템이 더욱 개발되어 초전도 벌크자석용기의 표면자장이 3 T까지 간다면 170 kV/50 kA급 이상의 고전압용 차단시스템에 적용할 수 있는 자석형 차단기 중에서는 유일한 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.
- 고자장 초전도 벌크 자석 기술은 최첨단의 기술로 초전도 모터, 자기분리기 등에 바로 적용이 가능하고, 전력산업분야에서는 초고압 및 송전급 차단기에 적용되어 신뢰성과 안정성 향상에 지대한 공헌을 할 것으로 기대되며, 부가기술인 냉동기술은 초전도 전력기기의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
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