[논문]벌크형 초전도체의 전기자기적 특성

이상헌

doi:10.4313/jkem.2017.30.2.111

벌크형 초전도체의 전기자기적 특성
Electromagnetic Properties of Bulk High-Tc Superconductor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.2, 2017년, pp.111 - 114

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In this research, the development of fabrication technique of bulk YBaCuO superconductors for application was studied. In fluence of $BaZrO_3$ addition on magnetization characteristics of thermal pyrolysis textured YBaCuO superconductor was investigated. Fine $BaZrO_3$ particle were dispersed within the textured YBaCuO matrix by means of the thermal pyrolysis processing. Magnetic levitation force for YBaCuO superconductors were obtained using Nd-B-Fe permanent magnet, at 77 K and at the magnetic field from 0 to 5.3 K gauss. In the unadded superconductor and 5 wt% $BaZrO_3$ addition, anomalous magnetization behavior, which is characterized by the intermediate magnetic field, was observed at 77 K. Critical current density was about few hundreds $A/cm^2$ and the magnetic characteristics increased slightly by addition of $BaZrO_3$ powder. Maximum magnetic force was obtained in the YBaCuO superconducting bulk with 3 wt.% $BaZrO_3$ addition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 초전도 합성을 위한 물리적, 화학적 제조 기법의 문제점으로 지적되고 있는 조성제어를 극복할 수 있는 대안으로써 제조 단가가 저렴하고 입자크기가 균일하고 조성 제어가 우수한 thermal pyrolysis를 이용하여 경제성 있는 초전도 벌크 제조 기술로의 적용 가능성을 조사하였다. 제조된 초전도체의 미세조직과 초전도 특성, 77 K에서의 자기부상력과, 포획자력의 관계로부터 초전도 기초물성에 관한 첨가물의 효과를 알아보았다.
특히 이 분야의 연구는 에너지 저장과 산업 전반에 혁신 적인 변화를 가져올 수 있기 때문에 초전도 재료의 제조기술의 확립이 시급하게 되었다. 본 연구에서는 초전도 재료의 제조 단가가 저렴하고 초전도 입자 크기가 균일하고 조성 제어가 우수한 thermal pyrolysis를 이용하여 경제성 있는 초전도 벌크 제조 기술로의 적용 가능성을 조사하고자 한다.

가설 설정

그림 4에서 YBaCuO 123 초전도 시료에 BaZrO₃를 첨가하게 되면, 초전도체의 자화 특성을 나타내는 초전도시료 중량이 증가하게 된다. BaZrO₃의 첨가량이 3 wt% 이상으로 증가하게 되면, 자화력에 비례하는 시료 중량은 감소하여 초전도 특성은 저하 된다.

제안 방법

3 kG Nd-B-Fe계 영구자석을 사용하여 측정하였다. field cooling 된 YBaCuO 벌크 초전도체의 포획자력 분포와 자장의 세기를 측정하였다. 본 실험은 Nd-Fe-B영구자석과 초전도 시편이 서로 접한 상태에서 냉각시킨 후 자석을 떼어내고, hall sensor로 2 mm 간격으로 스캔하며 포획 자력의 크기를 측정하였다.
그림 1에서는 초전도체의 자기 특성을 평가하기 위하여 영구 자석을 사용하여 자석과 YBaCuO 벌크사이의 반발력 및 포획자력을 측정하였다. 반발력 측정을 위해서 제조된 시편을 자력냉각(FC)으로 액체질소 온도까지 냉각한 다음에 표면 자력이 5.3 kG Nd-B-Fe계 영구자석을 사용하여 측정하였다. field cooling 된 YBaCuO 벌크 초전도체의 포획자력 분포와 자장의 세기를 측정하였다.
field cooling 된 YBaCuO 벌크 초전도체의 포획자력 분포와 자장의 세기를 측정하였다. 본 실험은 Nd-Fe-B영구자석과 초전도 시편이 서로 접한 상태에서 냉각시킨 후 자석을 떼어내고, hall sensor로 2 mm 간격으로 스캔하며 포획 자력의 크기를 측정하였다.
합성분말을 직경 22 mm, 두께 10 mm의 펠렛으로 일축 프레스 성형하여, 열처리를 하였다. 제조된 초전도체의 미세조직과 초전도 특성(77K에서의 자기부상력과, 포획자력)의 관계로부터 초전도 기초물성에 관한 첨가물의 효과를 알아보았다.
본 연구에서는 기존의 초전도 합성을 위한 물리적, 화학적 제조 기법의 문제점으로 지적되고 있는 조성제어를 극복할 수 있는 대안으로써 제조 단가가 저렴하고 입자크기가 균일하고 조성 제어가 우수한 thermal pyrolysis를 이용하여 경제성 있는 초전도 벌크 제조 기술로의 적용 가능성을 조사하였다. 제조된 초전도체의 미세조직과 초전도 특성, 77 K에서의 자기부상력과, 포획자력의 관계로부터 초전도 기초물성에 관한 첨가물의 효과를 알아보았다. YBaCuO 초전도 벌크에 산화물인 BaZrO₃를 첨가하면, BaZrO₃를 첨가 하지 않은 시료와 비교하여 자기적 특성이 향상되었다.

대상 데이터

출발원료로는 순도 99.99%의 Y₂O₃, BaCO₃, CuO분말과 순도 99%의 BaZrO₃분말을 소성하여 출발조성이 화학양론적 조성이 되도록 평량한후, 질산에 용해하였다. 질산으로 완전히 용액으로 용해한 후, 시트르산 수화물 (C₆H₆O₇․H₂O, 특급시약, 함량 65%) 및 에틸렌글리콜((CH₂OH)₂, 특급시약, 순도 99.

성능/효과

제조된 초전도체의 미세조직과 초전도 특성, 77 K에서의 자기부상력과, 포획자력의 관계로부터 초전도 기초물성에 관한 첨가물의 효과를 알아보았다. YBaCuO 초전도 벌크에 산화물인 BaZrO₃를 첨가하면, BaZrO₃를 첨가 하지 않은 시료와 비교하여 자기적 특성이 향상되었다. 열처리공정에서 BaZrO₃를 첨가함으로써 약 12%의 자기특성이 개선되었음을 알 수 있다.
따라서 thermal pyrolysis를 통하여 입자들이 방향성을 갖게 함으로써 입자간의 결합력을 증대시켜 초전도 크랙 현상을 최소화하는 효과를 기대할 수 있다. 결국 thermal pyrolysis 방식의 초전도벌크 제작방법을 적용하여 크랙 현상 및 초전도 입자간 결합 상태를 해소하고 초전도 입자간의 전착밀도를 극대화 할 수 있으며, 이를 통하여 임계전류밀도를 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.
BaZrO₃의 첨가량이 3wt%이상으로 증가하게 되면, 자화력에 비례하는 시료중량은 감소하여 초전도 특성은 저하된다. 본 연구 결과, 초전도체에 첨가되는 BaZrO₃ 입자가 초전도체 내부의 플럭스 피닝으로 작용하여 초전도 자기 특성을 개선하고 있는 것으로 판단된다.
field cooling의 상태에서 측정한 자기 반발력은 9 N으로 측정되어, 열처리 공정에서 BaZrO₃를 첨가함로서 약 12%의 자기특성이 개선되었음을 알 수 있다. 본 연구 결과, 초전도체에 첨가되는 BaZrO₃입자가 플럭스 피닝으로 작용하여 초전도 자기 특성을 개선하고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	thermal pyrolysis의 장점은 무엇인가?	특히 이 분야의 연구는 에너지 저장과 산업 전반에 혁신 적인 변화를 가져올 수 있기 때문에 초전도 재료의 제조기술의 확립이 시급하게 되었다. 본 연구에서는 초전도 재료의 제조 단가가 저렴하고 초전도 입자 크기가 균일하고 조성 제어가 우수한 thermal pyrolysis를 이용하여 경제성 있는 초전도 벌크 제조 기술로의 적용 가능성을 조사하고자 한다.
	급속한 산업발전으로 인해 나타나는 자원 고갈, 그로 인해 생긴 오염 물질 등의 이러한 문제점을 해결하기 위해 나타난 대안은 무엇인가?	급속한 산업발전으로 인한 석탄, 석유등 천연자원이 고갈되고 있으며, 또 이러한 자원의 사용으로 인해 오염 물질들이 발생하고 있다. 이런 문제점을 해결 하고자 자원고갈 문제도 없고, 공해를 발생시키지 않는 친환경 소재 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 고효율 에너지 저장 소재인 고온 초전도체의 합성에 대한 관심이 고조되고 있다. 초전도 재료를 에너지, 기계, 수송, 의료, 전자산업등에 실용화하기 위해서는 재료의 초전도 전이온도, 임계 전류밀도등의 특성을 향상 시켜야 하며, 각각의 용도에 맞게 적합한 형태인 선재나 박막 등의 형태로 가공하는 기술이 개발되어야 한다.
	초전도 재료를 에너지, 기계, 수송, 의료, 전자산업 등에 실용화하기 위해서는 무엇이 필요한가?	이런 문제점을 해결 하고자 자원고갈 문제도 없고, 공해를 발생시키지 않는 친환경 소재 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 고효율 에너지 저장 소재인 고온 초전도체의 합성에 대한 관심이 고조되고 있다. 초전도 재료를 에너지, 기계, 수송, 의료, 전자산업등에 실용화하기 위해서는 재료의 초전도 전이온도, 임계 전류밀도등의 특성을 향상 시켜야 하며, 각각의 용도에 맞게 적합한 형태인 선재나 박막 등의 형태로 가공하는 기술이 개발되어야 한다. 최근에는 선재, 박막 이외에도 벌크형 초전도체를 특별한 가공 없이 직접 활용할 수 있는 제조기술이 개발되어 여러 응용분야에 다양하게 활용될 전망이다.

참고문헌 (5)

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H. Murakami and T. Suga, Jpn. J. Appl. Phys., 29, 2720 (1990). [DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.29.2720]

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