[논문]IBAD-MgO 템플릿을 이용한 SmBCO 박막선재의 제조

하홍수; 김호섭; 양주생; 정예현; 김호겸; 유권국; 고락길; 송규정; 하동우; 오상수; 염도준; 박찬; 유상임; 문승현; 주진호

IBAD-MgO 템플릿을 이용한 SmBCO 박막선재의 제조
Fabrication of SmBCO Coated Conductors using IBAD-MgO Template 원문보기

하홍수 (한국전기연구원) , 김호섭 (한국전기연구원) , 양주생 (한국전기연구원) , 정예현 ((주)서남) , 김호겸 ((주)서남) , 유권국 (한국전기연구원) , 고락길 (한국전기연구원) , 송규정 (한국전기연구원) , 하동우 (한국전기연구원) , 오상수 (서울대학교) , 염도준 (서울대학교) , 박찬 ((주)서남) , 유상임 (성균관대학교) , 문승현 , 주진호

We have fabricated SmBCO coated conductor on IBAD-MgO substrates using unique co-evaporation method. The batch type co-deposition system was specially designed and named as EDDC(evaporation using drum m dual chamber) that is possible to deposit superconducting layer with different composition ratio at low temperature of $700^{\circ}C$. In this study, we have investigated the influence of SmBCO phase composition and texture of IBAD-MgO template on the critical current density. We have changed the deposition rates of Sm, Ba and Cu during co-evaporation to examine the optimal composition ratio shown better critical current density. The composition ratio and surface morphology of SmBCO coated conductors were analyzed by the EDX and SEM, respectively. A higher critical current density was measured at superconducting phase composition ratio of Ba deficiency, Sm or Cu rich compared to the Sm1Ba2Cu3Ox stoichiometry.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 조성비 변화에 따른 초전도 특성의 변화를 확인하고자 하였으며 특히 Sm과 Ba의 비와 함께 Cu 의를田를 달리하여 초전도 특성 변화를 관찰하여 최적의 조성비를 찾고자 하였다. 아울러 동시 증발법의 경우 QCM을 이용한 증발율 제어가 조성비의 ±0.
최적의 조성비를 찾고자 하였다. 아울러 동시 증발법의 경우 QCM을 이용한 증발율 제어가 조성비의 ±0.1 이내의 오차를 나타내므로 상대적으로 넓은 조성비 window에서 안정한 초전도 튺성을 나타내는 조성 영역을 찾고자 하였다.
하지만 본 연구에서는 batch type의 동人I증발법을 채용하여 증착속도가 빠르고 금속원소를 사용하므로 인해 경제적인 면을 추구하고자 하였다. 이 방법은 기존에 KAIST에서 최초로 초전도 박막증착을 위하여 고안되어졌으몌3] 현재 뽄 연구원에서 100 m 선재 제조가 가능하도록 대형으로 개량화된 장비(EDDC)가 운용 중이다.

제안 방법

IBAD-MgO 기 판을 이용하여 다양한 조성비 로 SmBCO 초전도 층을 증착하였다. 최적 조성비 영역은 Sm 대비 Ba 이 L9 ~ 2.
1 mm인 니켈기의 고내열 합금인 Hastelloy C-276 기판을 전해 연마하여 표면을 평탄하게 한 후 비정질층과 IBAD-MgO층을 순서대로 증착하였다. 이후 초전도층과 MgO층과의 격자 mismatch를 완화하고 이축 배향 특성 향상을 위하여 PLD로 LaMnCh층을 약 100 nm 정도 증착하였다.
초전도 층 증착 후 안정 화재인 Ag를 sputter로 증착 후 450 ℃로 4시간 열처리하였다. 제조된 초전도 박막 선재는 XRD를 이용하여 이축 배향 특성을 측정하였으며 SEM으로 조성비 변화에 따른 표면 형상 변화를 관찰하였다, 초전도 특성 평가를 위하여 77 K, 자기 자장 하에서 4 단자 법으로 임계전류를 측정하였다.
이때 선재가 감긴 드럼은 700 ℃의 고온에서 고속으로 회전을 하면서 초전도 층의 증착과 산화 반응을 반복하였다. 조성비는 Sm에 대해 Ba과 Cu를 각각 1.5 ~ 2.1, 2.1 ~ 3.6까지 변화시켰으며 각각의 조성비는 EDX를 이용하여 측정하였다. 초전도 층 증착 후 안정 화재인 Ag를 sputter로 증착 후 450 ℃로 4시간 열처리하였다.

대상 데이터

EDDC장치에 준비된 IBAD-MgO 템플릿을 장착 후 Sm, Ba, 二1리고 Cu를 조성비를 조절하면서 진공 증착하였다. 이때 선재가 감긴 드럼은 700 ℃의 고온에서 고속으로 회전을 하면서 초전도 층의 증착과 산화 반응을 반복하였다.
두께가 0.1 mm인 니켈기의 고내열 합금인 Hastelloy C-276 기판을 전해 연마하여 표면을 평탄하게 한 후 비정질층과 IBAD-MgO층을 순서대로 증착하였다. 이후 초전도층과 MgO층과의 격자 mismatch를 완화하고 이축 배향 특성 향상을 위하여 PLD로 LaMnCh층을 약 100 nm 정도 증착하였다.

성능/효과

그림 3에서 EDX를 이용한 실제 증착 조성비를 분석한 결과 샘플별로 연속적인 조성비를 나타내었으며 최적 조성비 영역은 Sm을 기준으로 할 때 Ba0| 2 이하, Cu가 3 이상이었다. 동시 증발법의 특성상 조성비 조절 오차 범위가 조성비로 약 ±0.1 정도이고 본 실험에서 나타난 최적 조성비 영역과 거의 비슷하므로 조성비 조절에 따른 특성 변화가 거의 없을 것으로 사료된다.

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