초록 ▼

Ⅰ. 제 목
다중극한환경하 물성분석 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
신소재 개발에서 초전도 핵융합 연구장치의 개발에 이르기까지 다중극한발생 기술은 그 자체로도 원천요소기술이며 다중극한환경하에서 양자물성의 연구는 80년대 이후 4개 분야에서 노벨상을 수상하는 등 학계의 중요한 관심사이다. 이 분야의 연구개발 성과는 나노기술의 부각으로 대변되는 전자산업분야 등에 널리 응용되고 있는 상황이다.
이러한 기술 수요를 충족하기 위하여 고자기장·극저온·초고압의 다중극한환경 발생기술을 바탕으

Ⅰ. 제 목
다중극한환경하 물성분석 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
신소재 개발에서 초전도 핵융합 연구장치의 개발에 이르기까지 다중극한발생 기술은 그 자체로도 원천요소기술이며 다중극한환경하에서 양자물성의 연구는 80년대 이후 4개 분야에서 노벨상을 수상하는 등 학계의 중요한 관심사이다. 이 분야의 연구개발 성과는 나노기술의 부각으로 대변되는 전자산업분야 등에 널리 응용되고 있는 상황이다.
이러한 기술 수요를 충족하기 위하여 고자기장·극저온·초고압의 다중극한환경 발생기술을 바탕으로 정밀 물성측정기구 및 새로운 물성측정기법을 개발하여 다중극한환경하에서의 물성분석 시스템을 구축한다. 이를 토대로 한 목표 지향적 극한물성연구 수행을 통해 국내 기술거점(Technology Mecca)으로서의 역할을 수행하는 동시에 국제 경쟁력을 갖춘 국가적 극한물성 공동연구시설로서의 위상을 정립하는 것이 본 과제의 연구목표이다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
다중극한환경 발생기술 확립을 위해, Maraging 300강을 이용한 2 GPa의 정수압을 발생하는 전기적 특성 측정용 압력셀과 BeCu와 MP35N 합금을 모재로 사용하는 자성측정용 압력셀과 같은 다양한 압력셀을 개발하고 20 테슬라 초전도 자석 및 자성측정시스템(MPMS) 등의 극한물성 연구장비에 통합화하였다. 정밀 물성 측정기구 개발분야에서는 국제적 최고 수준의 측정 능력을 확보하기 위한 전략으로 열물성 연구분야의 특성화를 추진하였고 종합적인 자성연구 시스템을 구축하였다. 국가지정연구실 과제의 수행을 통해 구축된 다중극한환경 물성연구 시스템을 이용하여 첨단 물성연구를 수행할 수 있는 기회를 국내 관련 연구자들에 제공함으로써 극한물성연구분야의 기술거점의 역할을 충실히 수행하고 있으며, 7개 연구단과 상호 협력 협정을 체결하고 국내외 25여 개 연구실과 다양한 물성연구분야에서 활발한 공동연구를 수행하고 있다.
Ⅳ. 연구개발결과
1. 다중극한환경 발생기술 확립 및 다중극한물성 연구기반 구축
초고압 발생용 압력셀 개발 기술을 확립하고 이를 고자기장·극저온 시스템에 통합하여 다중극한물성 연구기반을 구축하였다. 압력셀 개발을 위해서는, 보다 높은 압력을 발생시킬 수 있는 기계적 강도와 열적, 자기적 특성을 지니는 재료의 발굴이 우선되어야 한다.
본 연구에서는 탄성강도가 19.6 GPa, 경도가 53.5 HRC가 되는 Maraging 300강을 이용하여 2 GPa까지의 정수압을 발생시킬 수 있는 압력셀을 개발하고 다중극한환경 물성연구 시스템으로 통합하여 10 테슬라의 고자기장 그리고 2 GPa에 이르는 초고압 하에서 전기적 수송특성을 측정할 수 있는 물성연구 시스템을 구축하였다. 고압환경에서 자성 연구에 대한 관심이 최근 증대되는 추세를 반영하여 자성 측정이 가능한 압력셀을 탄성강도가 2 GPa, 경도가 53 HRC에 이르면서도 아주 낮은 자화율을 가지는 Co-Ni계 합금인 MP35N 합금과 탄성강도 1.65 GPa, 경도 45 HRC를 가지는 Be-Cu 합금을 이용하여 개발하고 이를 7 테슬라 자기물성 측정시스템(MPMS-7)에 통합하였다. 높은 압력에서 전기저항과 함께 물질의 자화율과 자기화를 함께 측정하여 비교함으로써 보다 다양하고 깊이 있는 물성연구가 가능하게 되었다.
페르미 면이 준 1 차원적 성질을 가지는 유기물 초전도체 등의 특성 연구를 위해 시료를 θ?φ방향으로 360°회전시킬 수 있는 시료회전장치와 제어시스템을 개발 완료하고 20 테슬라 초전도 자석 시스템에 통합화하여, 다양한 시료의 전기적 수송특성의 이방성 연구에 이용할 수 있게 되었다.
2. 정밀 물성 측정기구 개발
그동안 축적한 정밀 온도 측정 및 제어기술을 바탕으로 응집물리에서 가장 기초가 되지만, 정밀 측정 기법 확립이 어려운 열기전력, 비열, 열전도도, 열팽창계수 등의 다양한 열물성을 종합적으로 연구·분석할 수 있는 시스템을? 직류방식으로 열기전력 등의 열전·자기적 효과를 0.1 μV/K 수준으로 정밀하게 측정할 수 있는 장치를 개발하였다. 다양한 모양과 크기 그리고 열적 특성이 상이한 시료들의 비열을 측정할 수 있는, 기존의 단열 방법이나 이완 방법보다 정밀한 2τ 기법을 이용한 비열 측정 기구와 정상상태 열 흐름 방법을 이용한 열전도도 측정장치를 개발하여 9 Tesla 물성측정시스템에 설치 통합화하였다. 열팽창계수와 자기수축 효과를 비교적 용이하게 측정할 수 있는 물성 측정 장치는 변형소자를 이용하여 개발하였으며 이를 응용하여 응력 측정 기구를 개발하였다. 이러한 종합적인 열물성측정기구는 최근의 MgB₂와 같은 신물질의 물성 기초연구에서 초전도 선재의 응력 측정 등의 응용 연구에까지 널리 이용되고 있다.
다양한 신물질의 자성연구 수요를 충족시킬 수 있도록 홀 소자를 이용한 극저온·고자장 자화 측정기구 및 자기 이방성 측정 시스템 등의 종합적 자성 측정 시스템이 확립되었다. 정밀도를 향상시키는 동시에 홀 소자의 개수를 늘리고 홀 소자간의 간격을 좁혀 공간분해능이 향상된 홀 소자 어레이를 직접 제작 고정밀도·고분해능을 요구하는 자성연구에 활용하고 있으며 이 기법을 확장하여 최저 0.3 K 그리고 최고 18 테슬라의 극한환경에서 작동하는 홀 소자를 이용한 고자기장 환경에서의 자성연구가 가능한 자성 측정 시스템을 개발하였다. 자화율의 자기이방성을 측정할 수 있도록 자성측정시스템에 시료회전장치를 부착하여 자화율과 자기토오크의 각도 의존성을 측정하는 시스템을 구축하여 매우 큰 자기 이방성을 가지는 고온초전도체와 CMR 물질의 자기적 특성 연구도 가능해지는 등 종합적인 자성 측정 시스템이 구축되었다.
3. 다중극한환경 물성연구
개발된 다중극한환경 물성연구 시스템은 국내·외 관련 연구자들과의 공동연구에 적극 활용되고 있으며 이를 이용한 본 연구실 고유의 물성연구도 진행되고 있다. 몇 가지 예로 높은 압력에서
의 전기저항 측정을 통하여
의 비-페르미 액체 현상을 분석되었으며 이를 통해
의 전기저항을 높은 압력에서 측정하여 압력에 의해 페르미 준위와 5f 에너지 준위와의 혼성결합을 증가시키면
이 감소하지 않고 증가한다는 사실을 발견되었다.
의 높은 압력과 자기장에서의 전기저항과 자화율 및 자화 측정을 통하여
의 자기적 성질을 연구하였으며 Ni 첨가에 의한 화학적 압력효과 외에 Sb 5p 띠의 홀 농도변화와 결정전기마당 갈라짐의 변화의 중요성을 알 수 있었다. 거대자기저항을 보이는 망간산화물인
의 고압 및 자기장에서의 전기저항측정을 통하여서는 저온영역에서 비저항이 여러 압력과 자기장, Pr 함량에서 scaling된다는 결과를 발견했으며, 이를 통하여 이들 물질에서의 강자성 전도체에서 반강자성 부도체로의 상전이의 성질을 연구하였다. 층상구조의 거대자기저항 물질인
의 자기 이방성 연구를 통해 Sr의 치환 량이 0.35에서 0.45로 증가함에 따라 특이한 자기 이력 특성과 함께 새로운 Kouvel-Graham 모델에 부합하는 자기 이방성 특성을 보임이 밝혀졌다.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
초고압 발생 압력셀 및 정밀 열물성 측정기구 개발 등 산업화가 가능한 기술의 이전을 추진하도록 한다. 또한 이미 활성화된 극한물성 공동연구를 지속적으로 수행하여 개발된 다중극한물성 연구시설의 활용도를 극대화하고 국내 연구진의 보다 나은 연구에 기여하도록 하며, 기초 연구 뿐 아니라 차세대 초전도 응용기술 개발 및 KSTAR 사업과 같은 대규모 유관 연구개발 사업의 수행에도 적극 활용하기 시작하였다.

Abstract ▼

Ⅰ. Title
Development of high sensitivity measurements system under multi-extreme conditions
Ⅱ. Objective and importance
From new material studies to large scale Tokamak research, generation of multi-extreme condition is a basic key technology. Researches on quantum behaviour under mul

Ⅰ. Title
Development of high sensitivity measurements system under multi-extreme conditions
Ⅱ. Objective and importance
From new material studies to large scale Tokamak research, generation of multi-extreme condition is a basic key technology. Researches on quantum behaviour under multi-extreme conditions have prevailed since 80's, and 4 specific topics of which were already awarded Novel prize. These achievements find their applications in industry such as micro-electronics business and emerging nano-technology.
To meet those need, we aim to develop instruments generating multi-extreme conditions, high sensitivity measurement systems under multi-extreme conditions and new measurement methods for specialized and intensified research areas. The objective of this R&D project is to establish our capacity up to world-class National User's Facility and serve as a technology center satisfying the demand of scientists for materials research under extreme physical conditions.
Ⅲ. Scope and contents
To establish multi-extreme condition generation technique, 2 GPa hydrostatic pressure cell for electric-transport measurement, made of Maraging 300 steel were developed together with pressure cell for magnetic property measurement using BeCu and MP35N alloy. Developed cells were integrated into high-field and low-temperature environment such as 20 Tesla superconducting magnet system and SQUID system. In the field of high precision material property measurements, we strategically pursued focused specific development of thermal property measurement systems and established multi-faceted magnetic property measuring system. By providing state-of-the-art material property measurement system resulted from this research project to nation-wide researchers, we are playing a role as technology center in material science under multi-extreme conditions. Bilateral collaboration treaties were signed with 7 research centers and more than 25 laboratories are now working together in various material research activities.
Ⅳ. Results
1. Instruments generating multi-extreme conditions
We established the high pressure cell development technique, combined it with high-field and low-temperature environment, and founded basis for material science under multi-extreme conditions. To develope high pressure cell, search for the suitable material - mechanically strong enough to endure the high pressure, appropriate thermal and magnetic properties, is prerequisite.
We developed 2 GPa hydrostatic pressure cell made of Maraging 300 steel which has elastic limit of 19.6 GPa, hardness 53.5 HRC. Combined it with the high-field and low temperature technique, electrical transport measurement system under extreme conditions is now available. To cope with the recent increasing interest in magnetic property study under high pressure, we developed the pressure cell for magnetic property measurement using BeCu and MP35N alloy. MP35N is a Co-Ni alloy which has very low magnetic susceptibility even though it has high elastic limit up to 2 GPa and hardness of 53 HRC. The elastic limit of BeCu is 1.65 GPa and hardness 45 HRC. It is constituted as a part of SQUID magnetic property measurement system. The material research under high pressures is extended to magnetic property study, which makes more broad and profound material research possible.
A sample rotation system, 360°rotation for both θ?φ directions, together with controller were developed and became a part of 20 Tesla superconducting magnet system. It can be used for the electrical anisotropy study of various material such as organic superconductor which shows quasi 1-dimensional Fermi surface characteristics.
2. Development of high sensitivity measurement systems
On the basis of the accumulated precision temperature measurement and control technique, we developed a complete set of thermal property measurement systems - including thermo-power, heat capacity, thermal conductivity, thermal expansion coefficient measurement, which are known to be difficult.
DC method, a constant temperature gradient applied with varying magnitude and polarity at each of the sample ends, was used for the thermo-electromagnetic measurement system of 0.1 μV/K sensitivity. The specific heat measuring system made use of precision 2τ method, more precise than the conventional adiabatic or relaxation methods, allows measurements of diverse samples with various shape, size and different thermal properties. A thermal conductivity measurement apparatus using steady-state heat flow method was developed and incorporated into the 9 Tesla physical property measurement system. Strain gauge technique was used for thermal expansion and magneto-strain measurement instrument and further applied to the development of stress effect measuring apparatus. These whole thermal property measurement system are being utilized not only for the basic research such as study on newly discovered MgB2 but also for the applied research such as stress effects of superconducting wires.
To satisfy the demand for the magnetic property studies on various new materials, the high-field low-temperature Hall probe magnetometer, magnetic anisotropy measurement system, etc., were introduced and became parts of comprehensive total magnetic property measurement system. We'd designed and fabricated the Hall probe arrays of increased precision, larger number of probes, and narrower width between the probes, and use them for high accuracy high resolution magnetic property measurements. This method was expanded and further utilized for the development of low-temperature down to 0.3 K, and high-field up to 18 Tesla magnetic property measurement apparatus. For the magnetic anisotropy measurement, the sample rotation systems were introduced, which made it possible to measure angular dependence of magnetization and magnetic torque. Comprehensive magnetic property measurements system encompassing the magnetic anisotropy measurement on highly anisotropic
superconductor and CMR material, is now established.
3. Material researches under multi-extreme conditions
Developed precision measurement system under multi-extreme conditions are actively applied for the collaboration with relevant research laboratories as well as for our own specialized research themes. Some of the highlights are; We analyzed the non-Fermi liquid behaviour through the electric-transport measurements of
under high-pressure, and found out that the
increases as the hybridization between conduction electron and U 5f electron increased by pressure. Magnetic properties and resistance measurements of
at high-pressure and high-field, revealed the importance of Sb 5p hole concentration and the crystal electric field splitting as well as chemical pressure effects due to Ni incorporation. Through the high-pressure high-field electrical transport studies of manganite
a colossal magneto-resistance material, it was discovered that resistivity scales at various pressure, field, and Pr doping contents, which further analyzed in relation to the phase transition from ferromagnetic-metal to antiferromagnetic-insulator. We studied the magnetic anisotropy of layered manganite,
, and found strange magnetic hysteresis. The characteristic features of anisotropy measurements can be well fitted by the new Kouvel-Graham model.
Ⅴ. Proposals for application
The high-pressure cell technology as well as the high sensitivity thermal property measurement technique, of which immediate commercialization is possible, will be transferred to related industry. We are planning to carry on the already active collaboration programs to maximize the performance of the developed user-oriented facilities, which will eventually contribute to the relevant domestic research teams. Not only for the basic science but also for the large scale application such as KSTAR project, the developed set-up's are now being active applied.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론
  제 1 절 다중극한환경 발생기술 확립 및 다중극한물성 연구기반 구축
  제 2 절 정밀 물성 측정기구 개발
  1. 종합적 열물성 시스템 확립
  2. 종합적 자성 측정 시스템 확립
  제 3 절 다중극한환경 물성연구
  제 2 장 국내외 기술개발 현황
  제 1 절 다중극한환경 발생기술
  제 2 절 정밀 물성 측정기구 개발
  1. 종합적 열물성 시스템 확립
  2. 종합적 자성 측정 시스템 확립
  제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과
  제 1 절 다중극한환경 발생기술 확립 및 다중극한물성 연구기반 구축
  1. 2 GPa 정수압 압력셀의 개발 및 시스템 통합화
  가. 2 GPa 정수압 발생용 압력셀 개발을 통한 극한환경 물성연구 시스템 구축
  나. 고압력 액체 압력셀의 구조
  다. 압력셀을 이용한 저온 실험
  2. 자성측정용 1 GPa 정수압 발생장치의 개발과 시스템 통합화
  가. 자성측정용 압력셀 개발의 필요성
  나. 자성측정용 압력셀의 제작과 시스템 통합화
  다. 압력셀의 압력 보정과 활용 예
  3. 20 테슬라 초전도 자석시스템용 시료회전장치
  가. 20 테슬라 초전도 자석시스템 시료회전장치 개발
  나. 20 테슬라 초전도 자석 시스템용 시료회전장치의 작동 정밀도 개선
  제 2 절 정밀 물성 측정기구 개발
  1. 종합적 열물성 시스템 확립
  가. 극저온환경 열전·자기적 효과 측정기구 개발
  (1) 열전효과 측정장치의 설계 및 제작 특성
  (2) 기타 측정장비
  (3) 측정 방법
  나. 극저온 환경 정밀 비열 측정기구 개발
  (1) 2τ 기법을 이용한 비열 측정장치 개발
  (2) 비열 측정기구의 성능 평가 및 측정 결과
  다. 열전도도 측정기구 개발
  (1) 열전도도 측정기구 개발
  (2) Ag-sheathed 고온초전도
  라. 열적·자기적 팽창계수 측정기구 개발 완료 및 성능 평가
  (1) 열팽창과 자기변형
  (가) 열팽창
  (나) 자기변형
  (2) 열팽창의 측정
  (3) 열적·자기적 팽창계수 측정기구 개발
  (4) 열적·자기적 팽창계수 측정기구 성능 평가
  마. 전자기적 특성의 응력 효과 측정 기구의 개발
  2. 종합적 자성 측정 시스템 확립
  가. 9 테슬라의 고자기장 환경에서 작동하는 국소 홀