Size Effect on Quench Development in Au/YBCO Films

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Size Effect on Quench Development in Au/YBCO Films

H.-R. Kim ^*,a , S.-W. Yim ^a , S.-Y. Oh ^b , O.-B. Hyun ^a

a

Korea Electric Power Research Institute, Daejeon, Korea

b

Chungbuk National University, Cheongju, Korea Received 8 April, 2008

Au/YBCO 박막의 크기가 퀜치 거동에 미치는 영향

김혜림 ^*,a , 임성우 ^a , 오성용 ^b , 현옥배 ^a

Abstract

We investigated the size effect on quench development in Au/YBa

Cu

O

(YBCO) thin film meander lines on sapphire substrates. The meander lines were fabricated by patterning YBCO films coated with gold layers. The lines were subjected to simulated AC fault current, and immersed in liquid nitrogen during the experiment. After the initial rapid rise, the resistance increased moderately and then slowly. In 4 inch-diameter meander lines, the period during which the resistance increased moderately was considerably longer than in 2 inch-diameter line. Moderate increase of resistance was originated from quench propagation. The film temperature was about 180 K at the point when the propagation was completed. The rate of resistance increase after the quench completion was not affected by the film size.

Keywords : quench, YBCO thin film, heat transfer, size effect

I. 서론

초전도체에 임계전류 이상의 전류가 흐르면 초전도성을 잃고 저항체가 되는 성질이 있다.

초전도 한류기(superconducting fault current limiter)는 사고 시에 발생하는 고장전류를 이러 한 성질을 이용하여 수 밀리 초 내에 제한하는 새로운 개념의 전력기기이다. 초전도 한류기에 는 여러 가지 종류가 있는데, 위 성질을 직접 적으로 이용하는 한류기를 저항형 초전도 한류

기라고 한다. 저항형 한류기는 구조와 원리가 간단한 장점이 있어 전세계적으로 활발한 연구 가 진행되고 있다 [1 - 3]. 초전도 한류기를 연 구개발하는 데에 있어서 퀜치 특성에 관한 연 구가 필요한데, 이는 퀜치 특성이 초전도 한류 기의 성능을 결정하여 초전도 한류소자의 설계 에 중요한 자리를 차지하기 때문이다.

본 연구에서는 사파이어 기판 위에 입혀진 Au/YBa

Cu

O

(YBCO) 박막의 크기가 동 박막 내에서의 퀜치 거동에 미치는 영향을 조사하였 다. Au/YBCO 박막은 박막형 초전도 한류기의 핵심 부품이다. 직경 2 인치와 4 인치 박막에 서의 시간에 따른 퀜치 저항과 저항 분포를 측

*Corresponding author. Fax : +82 42 865 7804

e-mail : [email protected]

정하고, 측정 결과를 한류소자에서 발생한 열 의 주위로의 전달 개념으로 설명하였다 [4,5].

II. 실험 방법

직경 2 인치와 4 인치 사파이어 기판 위에 성장된 두께 300 nm의 YBCO 박막을 사용하여 실험 소자를 제작하였다. YBCO 박막은 독일 Theva 사에서 구입하였으며, 박막의 임계전류는 3 MA/cm

, 균일도는 ±5 %이었다. YBCO 박막 을 공기 중의 수분으로부터 보호하고 hot spot 에서 발생하는 열을 분산시키거나 우회시키기 위하여 YBCO 박막 성장 직후에 in-situ로 200 nm 두께의 Au 박막을 증착하도록 하였다. 광 리토그래피를 이용하여 직경 2 인치와 4 인치 의 Au/YBCO 박막을 각각 폭 2 mm 길이 42

(a)

(b)

Fig. 1. The pattern of Au/YBCO meander lines (a) on a 4 inch-diameter substrate, and (b) on a 2 inch-diameter substrate. Not drawn to scale.

cm와 폭 3 mm 길이 142 cm의 meander line이 되도록 식각하였다. meander line의 pattern은 그 림 1과 같다(흰 부분이 식각되는 부분).

Au/YBCO 박막 meander line의 저항은 그림 2 의 실험회로를 사용하여 측정하였다. V

는 전 원전압, R

는 선로저항을 모의하였으며, 과도전 류 크기 조정에도 사용하였다. 스위치 S

을 닫 아 과도전류를 발생시켜 퀜치를 유도하였으며, 차단기가 보통 5 주기에 작동하는 점을 고려하 여 5~8 주기에 스위치 S

를 열도록 함으로써 초전도체를 불필요하게 과도전류에 노출시키지 않도록 하였다. 퀜치 거동을 이해하기 위하여 일부 박막에 대해서는 퀜치분포를 측정하였다.

Meander line의 각 stripe 양단에 있는 pad에 전 압단자를 부착하고, 다중 channel digitizer을 사 용하여 전압단자 간의 전압을 동시에 측정하였 다. 냉각효율을 높이기 위하여 Au/YBCO 박막 meander line이 액체질소에 잠겨있는 상태에서 실험하였다.

V

R

부하 R

S

S

cryostat

액체질소 박막

V

R

부하 R

S

S

cryostat

액체질소 박막

Fig. 2. A schematic diagram of the quench measurement circuit

III. 결과 및 토의

그 림 3 은 직 경 4 인 치 A u / Y B C O 박 막

meander line의 저항을 보여준다. 저항은 상온

저항 값으로 나눈 값을 나타내었다. 인가전압

은 350 V(2.4 V/cm)였다. 그림에 있는 수평선은

박막의 온도를 나타내는데, 박막의 온도는 Au

박막의 저항을 온도의 함수로 측정한 결과로부

Fig. 3. Resistance of an Au/YBCO film meander line on a 4 inch-diameter substrate at 350 V (2.4 V

/cm).

Fig. 4. Resistance of an Au/YBCO film meander line on a 2 inch-diameter substrate at 100 V (2.4 V

/cm). Data for 4 inch-diameter film is also shown for comparison.

터 유출하였다. 저항은 초기에 급격히 증가하 였고, 그 후 천천히 증가하였다. 박막의 평균 온도는 4주기째에 약 140 K에 이르는 것으로 나타났다. 사고 시 저항 증가에 대한 일반적인 설명은 참고문헌에 소개되어 있다 [5,6].

Au/YBCO 박막의 크기가 퀜치 거동에 미치 는 영향을 보이기 위하여, 직경 2 인치 Au/

YBCO 박막 meander line의 저항을 4 인치 박막 data와 함께 그림 4에 나타내었다. 2 인치 박막 의 저항은 초기에 4 인치 박막보다 더 급속히 증가하였다. 그 후 1 주기 동안 천천히 증가하 다가 1.5 주기 시점부터 매우 완만하게 증가하 였다. 4 주기째에는 저항 값이 4 인치 값과 비 슷하게 되었다. 천천히 증가하는 부분에서의

저항 증가율은 4 인치 박막과 비슷하였다.

인가전압이 퀜치 거동에 미치는 영향을 조사 하기 위하여 여러 전압에서의 퀜치 거동을 측 정하였다. 그림 5에 2 인치 박막과 4 인치 박 막에 대하여 4.2 V/cm(2 인치와 4 인치 박막에 대하여 각각 180 V와 600 V)를 인가하였을 때 의 저항을 나타내었다. 4 인치 박막의 경우, 저 항이 초기에 급속히 증가하였고, 그 후 1 주기 동안 천천히 증가하다가 1.5 주기 시점부터 완 만하게 증가하였다. 2 인치 박막의 경우, 저항 이 초기에 급속히 증가하였고, 천천히 증가하 는 구간이 거의 없이 바로 0.5 주기 시점부터 완만하게 증가하였다. 완만한 부분에서의 저항 증가율은 4 인치 박막과 비슷하였다. 2.4 V/cm 를 인가하였을 때(그림 4)와 비교했을 때, 저항 증가율은 전역에서 4.2 V/cm를 인가했을 때가 더 컸다.

Fig. 5. Resistance of Au/YBCO film meander lines on 2 inch- and 4 inch-diameter substrates at 4.2 V

/cm.

퀜치 거동을 이해하기 위하여 Au/YBCO 박

막 meander line을 구성하는 stripe들의 저항을

측정하여 저항 분포를 조사하였다. 저항 분포

는 임계전류의 분포와 밀접한 관계를 가자고

있었다. 측정 결과 중 4 인치와 2 인치 박막에

2.4 V/cm와 4.2 V/cm를 인가하였을 때의 stripe

저항들을 각각 그림 6과 7에 표시하였다. 이

박막들에서는 임계전류가 한 쪽 전극 부분에서

가장 높고 다른 쪽 전극에서 가장 낮았다. 보

기 편하게 하기 위하여 대표로 몇몇 stripe들의

저항만 표시하였다. 4 인치 박막의 경우 R1과 R24는 전극 바로 옆에, R13은 박막 중앙에 위 치한 stripe의 저항을 나타내고, 2 인치 박막의 경우 R1과 R14는 전극 바로 옆에, R8은 박막 중앙에 위치한 stripe의 저항을 나타낸다. 그림 6(a)를 보면, 4 인치 박막의 1번 stripe에는 저항 이 즉시 발생하였으나 다른 stripe에서는 수 내 지 수십 ms 후에야 저항이 발생하였다. 24번 stripe에는 측정 기간 내에 저항이 발생하지 않 았다. 이는 박막의 한쪽 부분이 먼저 퀜치되어 저항이 발생하고, 퀜치가 천천히 주변으로 전 파되었음을 보여준다. 그림 3에서 저항이 천천 히 증가한 것은 퀜치가 전파되어 초전도 상태 에 있던 부분이 상전도 상태로 전이하였기 때 문이었음을 알 수 있다. 2 인치 박막의 경우(그

Fig. 6. Resistance of selected stripes on (a) a 4 inch- and (b) a 2 inch-diameter Au/YBCO film meander line at 2.4 V/cm.

림 6(b)), 다른 stripe에서는 동시에 퀜치하기 시 작하였고, 14번 stripe에서는 2 ms 후에야 퀜치 하기 시작해서 1.5 주기가 지나서야 완료되었 다. 이 구간은 그림 4에서 저항이 천천히 증가 한 구간과 일치한다.

4.2 V/cm를 인가하였을 때에는, 4 인치 박막 의 경우(그림 7(a)) 퀜치 전파가 첫 1.5주기 동 안으로 축약되어 2 주기가 되기 전에 박막 전 역에서 퀜치가 완료되었다. 퀜치가 완료된 후 에는 박막의 온도가 올라감으로 해서 저항이 증가한다. 이 부분은 그림 5에서 저항이 완만 하게 올라간 부분에 해당한다. 퀜치가 완료되 었을 때의 박막의 평균 온도는 약 180 K였다.

이 온도는 사고가 종료된 후 박막이 초전도성 을 회복할 때, 저항이 감소하는 속도가 바뀌는 시점의 박막 온도와 같다[7]. 초전도체가 회복

Fig. 7. Resistance of selected stripes (a) a 4 inch- and (b) a

2 inch-diameter Au/YBCO film meander line at 4.2 V/cm.

할 때 처음에는 완만하게 감소하다가 박막 온 도가 약 180 K가 되는 시점에서 빠르게 감소하 기 시작하였다. 이 시점에서 박막의 최고 및 최저온도는 각각 약 200 K 및 90 K였다. 즉, R24는 막 퀜치가 완료된 시점에 R1과 R7의 온 도는 약 200 K에 달하였다. 2 인치 박막의 경우 에는(그림 7(b)) 14번 stripe는 1 ms 후에야 퀜치 하기 시작하였으나 급속히 진행되어 0.5 주기 내에 퀜치가 거의 완료되었다. 퀜치가 완료되 었을 때의 박막의 평균 온도는 약 130 K였다 [8]. 이 온도는, 4 인치 박막에서와 같이, 사고 가 종료된 후 박막이 초전도성을 회복할 때, 저항이 감소하는 속도가 바뀌는 시점의 박막 온도와 같았다 [7].

그림 5에서 주목할 것은 직경 2 인치와 4 인 치 박막의 저항이 같은 속도로 증가하였다는 것이다. 이는 사고가 종료된 후 박막이 초전도 성을 회복할 때의 특성과 매우 다르다. 회복의 경우에는 직경 2 인치 박막의 저항이 4 인치 박막보다 현저히 빠르게 감소하였다[7]. 이는 사고지속 기간에는 많은 열이 발생하여 액체질 소에 의한 냉각이 퀜치 거동에 큰 영향을 미치 지 않는 때문으로 생각된다.

IV. 결론

Au/YBCO 박막의 크기가 사고 시 퀜치 거동 에 미치는 영향을 조사하였다. 저항은 초기에 급속히 증가한 후, 천천히 증가하다가 완만하 게 증가하였다. 4 인치 박막은 2 인치 박막에 비해 저항이 천천히 증가하는 구간이 길어서, 2.4 V/cm이 인가되었을 때에는 측정 시간 내내, 4.2 V/cm에서는 약 1.5주기 동안 지속되었다.

저항이 천천히 증가한 것은 퀜치가 전파하여 초전도 상태에 있던 부분이 상전도로 전이함에 따라 저항이 발생하기 때문인 것으로 나타났다.

4 인치 박막에서 퀜치전파가 완료된 시점의 박 막의 평균 온도는 약 180 K이었다. 퀜치가 완 료된 후의 저항증가 속도는 박막의 크기에 영 향을 받지 않았다. 이 결과는 Au/YBCO 박막을

사용하는 초전도 한류소자의 설계에 활용될 예 정이다.

감사의 글

본 연구는 21세기 프론티어 연구개발사업인 차세대초전도응용기술개발사업단의 연구비 지 원에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

[1] J. Bock et al., “CUL 10: Development and field-test of a 10 kV/10 MVA resistive current limiter based on bulk MCP-BSCCO 2212,” IEEE Tr. Applied Supercond.

15, 1955-1960 (2005).

[2] H. P. Kraemer et al., “Test of a 1 kA superconducting fault current limiter for DC applications,” IEEE Tr.

Applied Supercond. 15, 1986-1989 (2005).

[3] K Yasuda et al., “Research & development of superconducting fault current limiter in Japan,” IEEE Tr. Applied Supercond. 15, 1978-1981 (2005).

[4] Hye-Rim Kim, Hyo-Sang Choi, Hae-Ryong Lim, In- Seon Kim, Ok-Bae Hyun, "Initial quench development in uniform Au/Y-Ba-Cu-O thin films," IEEE Tr. on Applied Supercond. Vol. 11, 2414-2417 (2001).

[5] Hye-Rim Kim, Ok-Bae Hyun, Hyo-Sang Choi, Sang- Do Cha, and Je-Myung Oh, “Resistance Development in Superconducting Fault Current Limiters Prior to Quench Completion,” IEEE Tr. Applied Supercond. 13, 2032-2035 (2003).

[6] Hye-Rim Kim, Hyo-Sang Choi, Hae-Ryong Lim, In-Seon Kim, Ok-Bae Hyun, “Resistance of superconducting fault current limiters based on YBa

Cu

O

thin films after quench completion,”

Physica C, 372–376, 1606–1609 (2002).

[7] H.-R. Kim, S.-W. Yim, S.-Y. Oh, O.-B. Hyun, “Analysis on recovery in Au/YBCO thin film meander lines,”

Progress in Superconductivity, 9, 119-125 (2007).

[8] H.-R. Kim, J. Sim, I.-J. Choi, S.-W. Yim, O.-B. Hyun,

“Resistance Development in Au/YBCO thin film meander lines under High-Power Fault Conditions,”

Progress in Superconductivity, 8, 81-86 (2006).