http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.1293
The Superconducting Properties of a High-Temperature Superconducting GdBCO-Coated Conductor
Seok Han Yang · Kyu Jeong Song
∗Division of Science Education (Physics) and Institute of Science Education, Chonbuck National University, Jeonju 54896, Korea
(Received 2 October 2018 : revised 17 October 2018 : accepted 17 October 2018)
The basic magnetic properties of commercially available High-TcSuperconductor (HTS) GdBCO- coated conductor (GdBCO-CCs) were investigated by using physical property measurement system- vibrating sample magnetometer (PPMS-VSM). From the zero-field-cooled (ZFC) m(T ) curve, the Tc was found to be ∼93 K. After removing the background m(H) data, we obtained both the net m(H) data and the ∆mirr. The Hirr(T ) coincided very well with the power-law relation Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n with n ∼= 1.19. The magnetic flux behavior was investigated by using the δ values in the relationship Jc ∝ ∆mirr ∝ H−δ. A δ ≈ 0 region denoting an independent magnetic flux pinning effect, a δ≈ 0.6 ∼ 1.2 region representing a collective flux pinning effect due to the interaction, and a δ≫ 2 region representing freely moving magnetic fluxes caused by the Lorentz force were observed. The boundary line between δ≈ 0 and δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 is denoted by a H1, and the one between δ≈ 0.6 ∼ 1.2 and δ ≫ 2 is denoted by a H2. The δ(T ) was obtained in the region of H1< H < H2. As the temperature was decreased, the δ value gradually decreased.
PACS numbers: 74.25.Ha, 74.25.-q, 74.25.Sv, 74.72.-h, 74.90.+n
Keywords: GdBCO-coated conductor, Irreversibility field, Characteristic field, Irreversibility magnetic mo- ment, Indicated physical quantity δ
고온초전도 GdBCO 박막선재의 초전도 특성
양석한 · 송규정
∗전북대학교 과학교육학부 물리교육전공 및 과학교육연구소, 전주 54896, 대한민국 (2018년 10월 2일 받음, 2018년 10월 17일 수정본 받음, 2018년 10월 17일 게재 확정)
시판 중인 고온초전도 GdBCO 박막선재의 기본적인 자기적 특성들을 PPMS-VSM 장비를 이용하여 조사하였다. ZFC m(T ) 곡선으로부터 Tc는 ∼93 K였다. m(H) 배경데이터를 제거한 후, GdBCO 초전도층의 알짜 m(H) 데이터를 얻고, ∆mirr을 구하였다. Hirr(T )곡선은 Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n 관계식과 잘 일치하고, n 값은 1.19이다. GdBCO 박막선재의 Jc와 H 의 Jc∝ ∆Mirr∝ ∆mirr∝ H−δ 관계식의 δ 값으로부터 자속 특성을 조사하였다. 독립적인 자속고정효과를 나타내는 δ ≈ 0 인 영역, 상호작용의 집단적인 자속고정효과를 나타내는 δ≈ 0.6 ∼ 1.2 인 영역, 그리고 로렌츠 힘을 받아 자속 들이 자유롭게 움직이는 δ≫ 2 영역 등으로 구분할 수 있다. δ ≈ 0 특성에서 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 특성으로 변화하는 자기장을 H1으로, δ≈ 0.6 ∼ 1.2 특성에서 δ ≫ 2 특성으로 전이하는 자기장을 H2라 하였다.
H1< H < H2영역에서 δ(T ) 관계를 구하였고, 온도가 감소함에 따라 δ 값은 점차적으로 줄어들었다.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
PACS numbers: 74.25.Ha, 74.25.-q, 74.25.Sv, 74.72.-h, 74.90.+n
Keywords: GdBCO 박막선재, 비가역자기장, 특성자기장, 비가역자기모멘트, 지시 물리량 δ
I. 서 론
REBa2Cu3O7−y (RE-123, RE: Y, Gd, etc.) 고온초 전도 (high-Tc superconductor, HTS) 박막선재 (coated conductor, CC) 들은 현재 국내외 여러 제조 회사들로부터 시판 중에 있다 [1,2]. 현재 시판 중인 RE-123 고온초전도 박 막선재들은 고자기장 환경에서 높은 임계전류밀도 특성 및 강한 전자기력을 이겨낼 수 있는 기계적 강도 특성들이 매우 향상되었기 때문에, 이들 박막 선재들을 이용한 자기공명영 상장치 (magnetic resonance imaging, MRI) 혹은 핵자기 공명장치 (nuclear magnetic resonance, NMR) 용 고온초 전도 마그넷 개발이 활발하게 이루어지고 있다 [3–6]. 고온 초전도 마그넷 개발용으로 사용할 수 있는 대표적인 고온초 전도 박막선재로서 고온초전도 YBa2Cu3O7−y (YBCO) 와 GdBa2Cu3O7−y(GdBCO) 박막선재들을 들 수 있다. 고온 초전도 YBCO 박막선재의 경우에는 금속유기-화학기상-증 착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 을 적용하여 제조하는 미국 IGC-Superpower 회사와 금속 유기-증착법(metal organic deposition, MOD)을 적용하여 제조하는 미국 AMSC 회사의 고온초전도 YBCO 박막선재 들이 대표적으로 알려져 있으며 [7,8], 고온초전도 GdBCO 박막선재의 경우에는 동시증발-증착 및 반응법 (reactive co-evaporation by deposition and reaction, RCE-DR) 을 고안하여 제조하는 국내 (주) 서남의 GdBCO 박막선재들이 널리 알려져 있다 [9,10].
그러나 고온초전도 ReBCO 박막선재들의 실질적인 산 업적 응용을 위해서는 아직도 박막선재들의 초전도 및 기 계적 특성향상이 필수적이다. 고온초전도 박막선재의 임 계전류밀도 특성향상은 자속고정효과 (magnetic flux pin- ning effect) 를 위한 자속고정센터 (magnetic flux pinning center), 즉 국부적인 결함 (defect) 들을 초전도층에 인위 적으로 도입함으로서 달성할 수 있으며, 자속고정효과는 고온초전도 박막선재의 임계전류밀도 특성의 급격한 감 소를 막아주는 역할을 한다. 한편, 고온초전도 박막선재 의 전체적인 기계적 강도 특성향상을 위한 방안으로 두 가지를 생각할 수 있는데, 하나는 고온초전도 박막선재의 기판 (substrate) 들을 기계적 강도가 우수한 재질로 사용 하는 것이고, 다른 하나는 고온초전도 박막선재의 초전도 층을 보호하고, 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 안정화 층 (stabilization layers) 을 도입하는 것이다. 국내의 (주)
∗E-mail: [email protected]
서남은 현재 여러 종류의 기계적 강도 특성을 향상시킨 고온초전도 GdBCO 박막선재들을 시판하고 있는데, 비 자성 스테인리스스틸 (stainless steel, SS) 기판 및 Ag 보 호층으로 구성된 [Ag/GdBCO/Buffer-layers/SS] 구조의 박막선재, 비자성 SS 기판 및 황동 얇은막 (brass lami- nation) 안정화층으로 구성된 [Brass/Ag/GdBCO/Buffer- layers/SS] 구조의 박막선재, 그리고 니켈 합금 (Hastelloy C-276) 기판 및 구리 도금 (Cu plating) 안정화층으로 구성 된 [Cu/Ag/GdBCO/Buffer-layers/Hastelloy] 구조의 박막 선재 등이 시판되고 있다 [11]. 이와 같이 다양한 고온초전도 박막선재들의 각 사양에 따른 세밀한 초전도 특성 분석은 고온초전도 박막선재의 자기공명영상장치 혹은 핵자기공 명장치 마그넷 등 산업적 응용 개발을 위한 필수적인 사전 연구이다.
따라서 본 연구는 (주)서남에서 시판 중인 비자성 SS 기판 및 Ag 보호층으로 구성된 [Ag/GdBCO/Buffer-layers/SS]
구조의 박막선재들을 준비한 후, 물성특성 측정시스템 (physical property measurement system, PPMS) 의 시 료진동 마그네토미터 (vibrating sample magnetometer, VSM) 를 이용하여, 준비된 고온초전도 GdBCO 박막선재 의 기본적인 자기적 초전도 특성들을 조사하였다. 고온초 전도 GdBCO 박막선재의 전체 구성물 중 GdBCO 초전 도층이 차지하는 비율은 대략적으로 3 ∼ 4% 정도로 극 히 일부분이다. 그러므로 GdBCO 초전도층이 아닌 96∼ 97% 정도의 비초전도체 부분들에 대한 배경 데이터 (back- ground data) 를 분석하여 제거한 후, 알짜 (net) GdBCO 박막선재 데이터로부터 GdBCO 박막선재의 비가역자기장 (irreversibility magnetic field) Hirr 얻고, 멱법칙 (power- law) 관계식인 Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n으로 설명하였 다 [12]. 또한 PPMS-VSM 장비를 이용하여 얻은 GdBCO 박막선재의 알짜 자기모멘트 (magnetic moment) m(H) 및 비가역자기모멘트 (irreversibility magnetic moment)
∆mirr(T, H) 데이터들을 Bean 임계상태 (Critical state) 모델 [13]로 분석하여 GdBCO 박막선재 자속들의 거동 특 성들을 분석하였다.
II. 실험 과정
(주) 서남에서 제조된 비자성 SS 기판 및 Ag 보호층으로 구성된 [Ag/GdBCO/Buffer-layers/SS] 구조의 고온초전 도 GdBCO 박막선재들을 준비하여 PPMS-VSM 장비로
기본적인 자기적 초전도 특성들을 조사하였다. PPMS- VSM 자화법 측정이 가능한 3 mm× 3 mm 크기로 준비된 GdBCO 박막선재 시편을 PPMS-VSM 장치에 설치하여 고정된 각각의 온도에서 자기장 변화에 따른 자기모멘트 m(H) 값들을 측정하였다. 즉, PPMS-VSM 장치에서 인 가하는 자기장의 방향을 GdBCO 박막선재 시편의 c-축에 평행하도록 유지 시킨 후, 10 K에서 50 K까지 10 K 간격의 고정된 각각의 온도 및 50 K에서 90 K까지 5 K 간격의 고정된 각각의 온도에서 자기장 변화에 따른 m(H) 측정들 이 수행되었는데, 인가하는 자기장은 0 G부터 70 kG까지 자기장의 세기를 증가시키면서 측정한 후, 이어서 70 kG 부터 0 G까지 자기장의 세기를 감소시키면서 자기모멘트 m의 자기장 세기 의존성 m(H) 을 측정하여 분석하였다.
한편, GdBCO 박막선재의 비초전도체 배경 데이터 측정을 위해 GdBCO 초전도체의 임계전이온도 Tc 이상의 온도 영역인, 100 K에서 240 K까지 20 K 간격의 고정된 각각의 온도에서 자기장 변화에 따른 m(H) 측정들이 수행되었는 데, 인가하는 자기장은 0 G부터 40 kG까지 자기장의 세기 를 증가시키면서 측정한 후, 이어서 40 kG부터 0 G까지 자기장의 세기를 감소시키면서 자기모멘트 m 의 자기장 의존성 m(H) 을 측정하여 분석하였다.
먼저, GdBCO 박막선재 시편의 Tc 이상의 온도에서 측 정한 초전도상태가 아닌 배경 데이터 m(H) 를 분석하여 각 온도별 m(H) 커브의 기울기 (∆m/∆H) 값을 구한 후, 기울기 값들의 온도 의존성 관계를 조사하여 GdBCO 박 막선재의 임계전이온도 Tc 이하의 각 온도별 배경 데이터 m(H)를 얻고, 90 K 이하의 각각 온도에서 측정된 초기 (raw) m(H) 데이터들은 배경 데이터 m(H) 로 보정하여 GdBCO 박막선재의 알짜 (net) m(H) 데이터를 얻어 분 석하였다. PPMS-VSM을 통해 측정되는 자기모멘트 m 의 단위는 [emu] = [G·cm3]이다. GdBCO 박막선재의 알짜 m(H)데이터 분석을 통해 GdBCO 박막선재 Hirr 값들의 온도에 따른 변화를 조사하였는데, 멱법칙 (power-law) 관 계식인 Hirr = Hirr(0)(1− T /Tc)n으로 해석하였다 [12].
그리고 배경 데이터로 보정된 각 고정 온도에서 자기모 멘트 m 의 자기장 의존성 m(H) 데이터로부터 비가역자 기모멘트 ∆mirr(H), 즉 감소하는 자기장 영역과 증가되 는 자기장 영역에서의 자기모멘트 m 값의 차로 정의되는
∆mirr = m(Hdce)− m(Hinc)데이터들을 얻은 후, Bean 임계상태 (critical state) 모델인 Jc∝ ∆Mirr ∝ ∆mirr을 적용하여 [13], ln(∆mirr) vs. ln(H) 관계로부터 GdBCO 박막선재의 자속거동 특성들을 분석하고, 특히, 집단적인 자 속거동 특성을 나타내는 영역에서 ∆mirr= H−δ관계식을 적용하여 얻은 자속고정 지수 δ 값의 변화 등을 분석하였다 [14–16].
Fig. 1. (Color online) Zero-field-cooled (ZFC) magnetic moment (m) versus temperature (T ) in an applied field H = 10 G, which is parallel to the c-axis, for the HTS GdBCO CC. The inset shows the superconducting tran- sition temperature Tc = 93 K which was defined by the onset temperature.
III. 결과 및 논의
(주)서남에서 구입한 [Ag/GdBCO/Buffer-layers/SS] 구 조의 고온초전도 GdBCO 박막선재 시편에 대한 반자성 특 성을 Zero-Field-Cooled (ZFC) 조건하에서 측정하였다.
즉, 자기장을 시편에 인가하지 않은 상태에서 시편을 임계 전이온도 Tc 이하인 5 K까지 냉각한 후, 5 K 온도를 유지 한 상태에서 자기장 H = 10 G을 시편의 c-축과 평행하게 인가하여 고정시키고, 시편의 온도를 5 K부터 서서히 증 가시키면서 100 K까지 측정하였다. Fig. 1은 고온초전도 GdBCO 박막선재 시편을 PPMS-VSM의 자화법으로 측정 하여 온도 T 의 함수로서 ZFC 자기모멘트 m(T ) 을 나타낸 것이다. Fig. 1의 삽입된 그래프에서 알 수 있듯이 GdBCO 초전도상이 시작 (onset) 되는 온도로 정의되는 초전도 임계 전이온도 Tc가 93.0 K임을 알 수 있다.
서론에서 언급하였듯이, (주) 서남에서 시판 중인 고온초 전도 GdBCO 박막선재는 비자성 SS 혹은 Hastelloy 기판 그리고 Ag 보호층 및 Brass 얇은 막 (lamination) 혹은 Cu 도금 안정화층 등으로 구성된 [Brass(or Cu,∼ µm)/Ag(1.5 µm)/GdBCO(1∼ 3 µm)/Buffer-layers(∼ 0.1 µm)/SS(or Hastelloy, 60∼ 80 µm)] 구조의 박막선재들이다 [11]. 이와 같은 고온초전도 GdBCO 박막선재들의 구조에서 GdBCO 초전도층 (1 ∼ 3 µm) 이 차지하는 점유 비율은 전체 물질 (∼80 µm) 의 ∼3% 정도로 매우 미미하다. 따라서 고온초 전도 GdBCO 박막선재의 초전도 자기적 특성을 분석할 경우에는∼97% 정도를 차지하는 비초전도 물질들에 의한 배경 데이터를 보정해야 한다. GdBCO 박막선재의 비초
Fig. 2. (a) The magnetic moment m versus magnetic field H for the HTS GdBCO CC at temperature between 100 K and 240 K, with external fields applied parallel to the c-axis. (b) The plots of the slope (∆m/∆H, from m(H) curves) versus temperature T for the HTS GdBCO CC. The solid lines are fits to experimental solid circle data.
전도 물질들의 온전한 배경 데이터를 얻기 위해 GdBCO 초전도 데이터가 존재하지 않는 정상상태 (normal state) 에서 배경 데이터를 얻어야하기 때문에 임계전이온도 Tc = 93 K 이상의 정상상태 온도 영역에서 배경 데이터 m(H) 측정들을 실시하였다. 즉, 100 K에서 240 K까지 20 K 간격 의 고정된 각각 온도에서 자기장 변화에 따른 m(H) 측정이 수행되었는데, 시편의 c-축과 평행하게 인가하는 자기장은 0 G부터 40 kG까지 자기장의 세기를 증가시키면서 측정한 후, 이어서 40 kG부터 0 G까지 자기장의 세기를 감소시 키면서 자기모멘트 m 의 자기장 의존성 m(H) 의 가역적 이고 선형적인 변화를 측정하여 분석하였다. Fig. 2(a) 는 고온초전도 GdBCO 박막선재의 자기모멘트 m 의 자기장 의존성인 선형적 m(H) 관계를 나타낸 것이고, 2(b) 는 2(a) 의 선형적인 m(H) 관계로부터 얻은 기울기 (∆m/∆H) 의 온도 의존성을 나타낸 것이다. Fig. 2(a) 에서 알 수 있듯이 m(H)데이터는 자기장 H 의 증가와 감소에 따른 가역적이
Fig. 3. The magnetic moment m versus magnetic field H for HTS GdBCO CC at temperatures both (a) 10 K and (b) 90 K, with external fields applied parallel to the c-axis. Open squares are raw data and solid circles are the corrected data by removing background signals.
고 선형적인 m(H) 변화이며, 온도가 감소함에 따라 선형적 인 m(H) 기울기 값이 증가함을 알 수 있다. 따라서 100 K 이하의 초전도 상태의 온도 영역에서 선형적인 배경 데이터 m(H)관계를 예측할 수 있는데, Fig. 2(b) 에 나타낸 것처럼 선형적인 m(H) 기울기 값의 온도 의존성 관계로부터 데이 터-맞춤 (data-fitting) 곡선을 얻을 수 있기 때문에, 100 K 이하의 초전도 상태의 온도 영역에서 각 온도에 해당하는 선형적인 m(H) 기울기 값들을 데이터-맞춤 곡선으로부터 얻을 수 있고, 최종적으로 각 온도에서 선형적인 배경 데이 터 m(H) 를 구할 수 있다.
Fig. 3은 고온초전도 GdBCO 박막선재의 초전도 상태에 서 자기모멘트 m 의 자기장 의존성인 m(H) 관계를 나타낸 것이다. 인가하는 자기장은 시편의 c-축과 평행하고, 0 G 부터 70 kG까지 자기장의 세기를 증가시키면서 측정한 후, 이어서 70 kG부터 0 G까지 자기장의 세기를 감소시키면서 측정하여 자기모멘트 m 의 자기장 의존성인 m(H) 곡선을 얻었는데, Fig. 3(a) 는 GdBCO 임계전이온도 Tc = 93 K
Fig. 4. (a) The magnetic moment m versus magnetic field H and (b) the semilogarithmic plots of the irre- versibility magnetic moment ∆mirrversus magnetic field H for HTS GdBCO CC at temperature between 10 K and 90 K, with external fields applied parallel to the c- axis.
로부터 멀리 벗어난 10 K 온도에서 비가역적인 m(H) 곡 선이고, Fig. 3(b) 는 Tc = 93 K 근처인 90 K 온도에서는 일부 비가역 부분과 대부분 가역 부분이 혼재하는 m(H) 곡선이다. Fig. 3에서 속이 빈 사각형 마크 데이터는 최초 측정을 통해 얻은 데이터로서 GdBCO 초전도 데이터와 배경 데이터 등이 포함된 초기 m(H) 데이터 (raw data) 이고, 속이 찬 원형 마크 데이터는 Fig. 2(b) 로부터 얻은 각 온도의 선형적인 배경 데이터 m(H) 를 제거한 후, 온전한 GdBCO 초전도 상태의 알짜 m(H) 데이터 (net data) 이다.
일반적으로 초전도 물질의 전형적인 m(H) 형태는 m = 0 라인을 중심으로 상하 대칭적인 곡선으로 나타내는데, 배경 데이터 m(H)를 제거한 GdBCO 초전도 상태의 알짜 m(H) 데이터는 m = 0 라인을 중심으로 상하 대칭적인 곡선 형태 를 잘 보여주고 있다. 그리고 Fig. 3(a) 와 3(b) 에서 알 수 있듯이 온도가 10 K일 때 배경 데이터 영향이 90 K일 때 보다 미미함을 알 수 있는데, 이는 10 K일 때 초전도 데이터 크기가 90 K일 때 보다 50배 정도 크기 때문에, 온도가 10
K일 때 초전도 데이터에 비하여 상대적으로 매우 작은 배경 데이터 영향이 미미하게 보이는 것이다.
Fig. 4(a)는 Fig. 2와 3의 과정에서 얻은 배경 데이터를 제 거한 후, 고온초전도 GdBCO 박막선재의 각 고정된 온도에 서 자기모멘트 m 의 자기장 H 의존성인 초전도상태의 실질 적인 알짜 m(H) 곡선들을 보여주고 있다. 이미 언급했듯이 10 K에서 50 K 온도 영역에서는 10 K 간격 그리고 55 K에 서 90 K 온도 영역에서는 5 K 간격으로 상승시키면서 특정 온도에 해당되는 m(H) 그래프들을 각각 얻었다. 즉, 10 K 혹은 5 K 간격으로 일정한 온도를 유지하고, 인가하는 자기 장의 방향을 GdBCO 박막선재 시편의 c-축에 평행하게 유 지한 상태에서 자기장의 세기를 0 G에서 70 kG까지 서서히 증가시키면서 m(H) 들을 측정한 후, 다시 자기장의 세기를 70 kG에서 0 kG까지 감소시키면서 m(H) 들을 측정하여, 특정 온도에서 독립적인 m(H) 그래프들을 얻었다. 일반적 으로 Fig. 4(a) 의 m(H) 데이터로부터 고온초전도 GdBCO 박막선재의 기본적인 초전도 자기적 특성을 조사할 수 있는 데, 배경 데이터를 제거한 초전도상태의 알짜 m(H) 데이 터들을 Bean 임계상태 모델 [13], 즉 Jc∝ ∆Mirr∝ ∆mirr
관계식을 적용하기 위해, 임계전류밀도 Jc대신에 직접적인 측정 데이터인 비가역자기모멘트 ∆mirr의 특성 변화를 조사함으로서, 간접적으로 임계전류밀도 Jc의 특성 변화를 예측할 수 있었다. Bean 모델의 관계식에서 ∆Mirr은 비 가역자화도 (irreversibility magnetization) 이고, 비가역자 기모멘트 ∆mirr은 실험과정에서 기술한 것처럼 감소하는 자기장 영역과 증가되는 자기장 영역에서의 자기모멘트 m 값의 차로서 ∆mirr= m(Hdce)− m(Hinc)이다. Fig. 4(b) 는 인가하는 자기장이 GdBCO 박막선재 시편의 c-축에 평행할 때, ∆mirr의 자기장 의존성인 ∆mirr(H)에 대하여
∆mirr과 자기장 H 의 세미-로그 스케일 (semi-log scale), 즉 log(∆mirr) vs. H 관계 그래프를 보여주고 있다.
자기장과 관련된 초전도체의 기본적인 물리량은 정상상 태 (normal state) 와 초전도상태 (superconducting state) 를 구분하는 상부임계자기장 (upper critical field) Hc2, 마 이스너 상태 (Meissner state) 와 vortex 혼합 상태 (vortex or mixed state)를 구분하는 하부임계자기장 (lower critical field) Hc1, 그리고 초전도체의 전류밀도, 즉 Jc̸= 0인 경우 와 Jc = 0인 경우를 구분하는 비가역자기장 (irreversibility magnetic field) Hirr 등을 들 수 있다 [17,18]. 특히, Hirr
는 초전도체 내부에 존재하는 자속들의 거동이 유체의 흐름 처럼 자유롭게 움직이기 시작하는 지점, 즉 Jc= 0이 되는 지점이기 때문에 자속들의 용융선 (melting line) 으로도 알 려져 있다 [12,17,18]. 일반적으로 고온초전도 박막선재의 자기공명영상장치 혹은 핵자기공명장치 마그넷 개발 등 산업적인 응용을 위해서는 고온초전도 박막선재의 Hirr
Fig. 5. (Color online) The temperature dependences of the irreversibility field Hirr(open circles from ∆m ∼= 0 and solid squares from J(∝ ∆mirr) ≤ 10−3 criterion), with fields applied parallel to the c-axis. Solid lines are fits to the function Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n.
특성을 향상시켜야 하는데, 보편적으로 자연적 및 인위적인 결함들을 이용한 자속고정효과 (flux pinning effect) 등을 도입하여 Hirr특성을 향상 시킬 수 있다 [19–22]. 따라서 고 온초전도 박막선재의 기본적인 자기적 특성 분석에서 Hirr
특성 분석은 필수적이라 할 수 있다. 초전도체의 Hirr값을 결정하는 가장 보편적인 방법은 자화법으로 측정한 m(H) 데이터를 분석하여 결정하는 방법이 있다. 앞서 기술하였 듯이 자화법으로 측정한 m(H) 측정 데이터로부터 비가역 자기모멘트 ∆mirr 특성 변화를 조사하여 ∆mirr(H) ∼= 0 인 지점을 Hirr로 정하는 방법이 있으며, 또한 Fig. 4(b) 에서 점선 화살표로 나타내었듯이 log(∆mirr) vs. H 관계 그래프에서 J(∝ ∆mirr)≤ 10−3 기준선과 교차되는 점을 Hirr로 정하는 방법이 있다. 이와 같은 두 방법들로 구한 Hirr데이터는 Fig. 5에 나타내었는데, Fig. 5는 Hirr과 T 의 의존성 관계이다. 이전 논문에서도 언급하였듯이 보편 적인 고온초전도체의 특성으로 알려진 Tc 근처에서 Hirr
값의 온도에 따른 선형적인 변화와 비교하여, 측정된 데이 터는 선형적인 변화를 기준으로 위로 향하는 곡선 (upper curvature) 특성을 보여주고 있으며, 이와 같이 위로 향하 는 곡선 특성을 보여주는 Hirr데이터들을 멱법칙 (power- law) 관계식인 Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n으로 분석할 수 있다 [14–16]. 일반적으로 비가역자기장 Hirr의 효과적인 멱법칙 관계식은 3D XY Scaling 및 양자 진동들 (quantum fluctuations) 의 존재 등으로 설명할 수 있다 [12]. 한편, Hirr데이터들을 Hirr= Hirr(0)(1− T /Tc)n 관계식과 데 이터-맞춤으로부터 Hirr(0) = 24.0 T이고 n = 1.19인데, 비교적 많은 Hirr데이터를 이용하여 얻은 이전 보고된 값에 비하여 큰 차이가 발생하는 원인으로, 본 연구에서는 비교적
Fig. 6. The logarithmic plots of the irreversibility mag- netic moment ∆mirr versus magnetic field H for HTS GdBCO CC at temperature between 10 K and 90 K, with external fields applied parallel to the c-axis. H1
and H2are the first and the second change lines of slopes, respectively.
적은 Hirr 데이터를 이용한 데이터-맞춤이기 때문이라고 생각된다.
Fig. 6은 인가하는 자기장이 GdBCO 박막선재 시편의 c-축에 평행할 때, ∆mirr의 자기장 의존성인 ∆mirr(H)에 대하여 ∆mirr과 자기장 H 의 로그-로그 스케일 (log-log scale), 즉 log(∆mirr) vs. log(H) 관계 그래프를 보여주고 있다. Fig. 6에 나타낸 고온 초전도 GdBCO 박막선재의 log(∆mirr) 에 대한 log(H) 관계 그래프로부터 자기장 세 기에 따른 자속들의 거동과 관련된 Jc(∝ ∆mirr)와 자기장 H와의 관계식, 즉 Jc ∝ ∆Mirr ∝ ∆mirr ∝ H−δ의 관 계식으로 자속고정효과 (flux pinning effect) 등의 물리적 특성을 설명할 수 있다 [14–16]. Fig. 6에서 알 수 있듯이 log(∆mirr) 에 대한 log(H) 그래프들의 구조가 세 부분적인 영역들로 구분되어 나타나고 있다. 첫째, 낮은 자기장 영역 에서는 log(∆mirr/log(H)≈ 0, 즉 δ ≈ 0으로 log-log 스케 일 그래프의 곡선들이 인가하는 자기장에 거의 독립적이며, 둘째, 중간 자기장 영역에서는 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 으로 log-log 스케일 그래프 곡선들이 인가하는 자기장에 선형적으로 감 소하며, 셋째, 높은 자기장 영역에서는 δ ≫ 2 으로 log-log 스케일 그래프 곡선들이 인가하는 자기장에 매우 급격하게 감소함을 알 수 있다. log(∆mirr) 에 대한 log(H) 그래프 곡선들이 인가하는 자기장에 선형적으로 감소하는 기울기 δ값들의 크기에 따라 초전도체 내의 자속들의 거동현상을 예측할 수 있기 때문에 δ 값을 자속거동에 대한 지시 물리 량으로 해석할 수 있는데, δ 값이 작으면 작을수록 log-log 스케일 그래프 곡선들의 인가하는 자기장에 선형적으로 감소하는 기울기 크기가 작아지며, 초전도체 내의 자속들의 거동이 작아지게 되는 것이다.
Fig. 7. The semilogarithmic plots of the H1 and H2ver- sus temperature T for HTS GdBCO CC, with external fields applied parallel to the c-axis.
따라서 첫 번째의 낮은 자기장 영역에서는 δ ≈ 0 이기 때문에 초전도체 내의 자속들 움직임은 거의 없으며, 이 때 자속들은 점 결함 (point defect) 이나 입계경계면 결함 (grain boundary defect) 등에 서로 상호작용 없이 개별적 혹은 독립적으로 강하게 고정 (pinning) 된 강한 자속고정 효과 (strong flux pinning effect) 를 나타낸다. 두 번째의 중간 자기장 영역에서는 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 이기 때문에 첫 번째 영역의 서로 독립적인 자속고정 상태에서 벗어나, 각 자속들은 주위의 자속들과 서로 상호작용하며 집단적인 자속고정효과 (collective flux pinning effect) 를 나타내고, 인가하는 자기장에 따라 자속들은 서로 상호작용하며 집 단적으로 거동하는 현상을 보여주며, δ 값의 크기에 따라 집단적인 자속고정 효과의 정도를 예상할 수 있다 [14,15].
첫 번째 영역과 두 번째 영역의 경계, 즉 독립적으로 강하게 고정되어 있는 자속들의 거동이 서로 상호작용하는 집단적 인 자속들의 거동으로 변화하는 1차 자속상태-전이-자기장 (magnetic flux state transition field) 을 1차-특성자기장 (characteristic magnetic field) H1으로 정할 수 있다. 한 편, 세 번째의 높은 자기장 영역에서는 δ ≫ 2이고, 고정되 어 있던 자속들이 인가하는 자기장 영향으로 로렌츠 힘을 받아 자유롭게 움직이기 때문에 인가하는 자기장에 따라 초전도체의 임계전류밀도는 급격히 Jc(∝ ∆mirr)≈ 0으로 감소한다. 두 번째 영역과 세 번째 영역의 경계, 즉 서로 상호작용하며 집단적으로 거동하는 자속들이 인가하는 자 기장에 따라 자유롭게 이동하는 2차 자속상태-전이-자기장 (magnetic flux state transition field) 을 2차 특성자기장 H2로 정할 수 있다.
Fig. 7은 자속상태-전이-자기장인 1차-특성자기장 H1과 2차 특성자기장 H2의 온도 의존성인 세미-로그 스케일, 즉
Fig. 8. The plots of the δ(H1 < H < H2) versus tem- perature T , with external fields applied parallel to the c-axis. The solid lines are fits to open circle data.
log(H1or H2) vs. T 관계 그래프를 보여주고 있다. 전체 온 도 범위에 걸쳐 3가지 자속거동 영역이 분명하게 구분되어 있음을 알 수 있고, 2차 특성자기장 H2크기는 전체 온도 범 위에 걸쳐 1차-특성자기장 H1크기에 비하여 10∼ 45배 이 상 높아졌음을 확인할 수 있다. 앞서 언급하였듯이 H < H1
인 낮은 자기장 영역은 Jc ∝ ∆Mirr ∝ ∆mirr ∝ H−δ 관 계식에서 δ≈ 0이고 자속들의 개별적 혹은 독립적인 고정 (pinning) 영역으로 독립적인 자속거동을 나타내는 영역이 며, H1 < H < H2인 중간 자기장 영역은 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 이고 자속들이 상호작용으로 인한 집단적인 자속거동을 나타내는 영역이며, H > H2인 높은 자기장 영역은 δ≫ 2 이고 자속들이 고정 위치로부터 벗어나 자유롭게 움직이는 영역, 즉 자유로운 자속이동을 나타내는 영역이다.
Fig. 8은 인가하는 자기장이 고온초전도 GdBCO 박막선 재 시편의 c-축에 평행할 때, H1< H < H2인 중간 자기장 영역에서 Jc ∝ ∆Mirr∝ ∆mirr∝ H−δ 관계식의 δ 값에 대한 온도 의존성 δ(T ) 그래프를 나타낸 것이다. 온도가 감 소함에 따라 δ 값은 점차적으로 줄어들어 온도가 0 K일 때 δ
∼ 0.65 정도임을 예상할 수 있다. 일반적으로 고온초전도 박 막선재의 산업적 응용을 위해서는 인가하는 자기장의 세기 가 증가되어도 임계전류밀도 Jc(∝ ∆mirr∝ H−δ)의 특성 이 우수해야 한다. 특히, 중간 자기장 영역인 H1< H < H2 영역에서 자기장의 증가에 따른 임계전류밀도 Jc변화가 작 아야 한다. 이와 같은 특성은 Jc ∝ ∆Mirr∝ ∆mirr∝ H−δ 관계식의 지시 물리량 δ 을 조사하여 확인할 수 있다. 지시 물리량 δ 값의 크기가 작을수록 초전도체의 자기장 특성은 우수한데, δ 값의 크기를 감소시키는 핵심적인 방안으로 자속고정효과를 들 수 있다. Fig. 8에서 알 수 있듯이 본 연구에서 수행한 고온초전도 GdBCO 박막선재의 경우,
온도가∼ 77 K (액체질소 온도)일 때 δ 값은 ∼ 0.95 정도로 비교적 큰 값을 가진다. 이전 논문에서 언급했듯이 PLD 방법으로 제조한 고온초전도 박막 시편들에 대한 액체질 도 온도에서 일반적인 δ 값은 0.50 ∼ 0.60 정도이고, BZO 나노 분말을 도핑하여 인위적인 자속고정 효과를 도입한 고온초전도 YBCO+BZO 초전도체의 δ 값은∼ 0.21 정도 로 현저하게 향상된 자기장 특성이 보고되었다 [16,19,20].
따라서 고온초전도 GdBCO 박막선재의 자기공명영상장치 혹은 핵자기공명장치 마그넷 및 전력기기 개발 등 산업적 응용을 위해서는 GdBCO 초전도층 내에 자속들이 강하게 고정될 수 있는 결함들, 즉 물리적으로 자속들이 포획되어 고정되기 적합한 자속고정 센터들을 초전도체 내에 인위적 으로 도입함으로서 액체질도 온도에서 δ 값이∼ 0.2 정도의 자기특성을 향상 시켜야 한다.
IV. 결 론
(주)서남에서 제조한 [Ag/GdBCO/Buffer-layers/SS] 구 조의 고온초전도 GdBCO 박막선재 시편에 대한, 물성 특성 측정시스템 (Physical Property Measurement Sys- tem, PPMS)의 시료진동 마그네토미터 (Vibrating Sample Magnetometer, VSM), 즉 PPMS-VSM 장비를 이용하여, 기본적인 초전도 자기적 특성들을 조사하였다. ZFC (zero field cooled) 자기모멘트 m(T ) 곡선에서 초전도-상 (phase) 이 시작되는 온도를 임계전이온도 Tc로 정하고, Tc ∼= 93 K임을 확인하였다. 그리고 Tc 이하인 초전도상태 (super- conducting state) 와 Tc 이상인 정상상태 (normal state) 등의 전체 영역에서 고정된 각 온도의 자기장 변화에 따른 자기모멘트 m(H) 곡선들을 측정하였다. 먼저, Tc 이상의 정상상태 (100 K ∼ 240K) 배경 데이터 m(H)를 분석하여 Tc 이하 초전도상태의 각 온도 (10 K∼ 90 K) 에서 배경 데이터 m(H) 를 구하였다. 고온초전도 GdBCO 박막선 재의 전체 구조에서 오직∼3% 정도 차지하는 GdBCO 초 전도층의 알짜 (net) m(H) 데이터를 얻기 위해, 고온초 전도 GdBCO 박막선재의 초기 (raw) m(H) 데이터에서 배경 데이터 m(H) 를 제거함으로서 m = 0 을 기준으로 상하 대칭인 GdBCO 초전도층의 알짜 m(H) 데이터를 얻었고, 이를 이용하여 비가역자기모멘트 (irreversibility magnetic moment) ∆mirr = m(Hdce)− m(Hinc) 데이 터를 구하였다. 비가역자기장 (irreversibility field) Hirr
값들은 ∆mirr(H) ∼= 0 인 지점 혹은 log(∆mirr) vs. H 관 계 그래프에서 J(∝ ∆mirr) ≤ 10−3 기준선과 교차되는 지점으로 결정하였고, Hirr(T )곡선을 멱법칙 (power-law)
Hirr= Hirr(0)(1−T /Tc)n관계식과 데이터-맞춤으로부터 n = 1.19를 얻었다.
한편, Bean 임계상태 모델, 즉 Jc∝ ∆Mirr∝ ∆mirr 관 계식을 적용하여 간접적으로 임계전류밀도 Jc(∝ ∆mirr)의 특성을 조사하였다. 자속 (magnetic flux) 들의 거동과 관련 된 Jc와 자기장 H 의 관계식, 즉 Jc∝ ∆Mirr∝ ∆mirr∝ H−δ로부터 자속고정효과를 나타내는 지시 물리량으로 δ 값을 구하였다. δ 값의 크기에 따라, 독립적인 강한 자속고 정효과 (strong flux pinning effect) 를 나타내는 δ≈ 0 영역, 서로 상호작용하며 집단적인 자속고정효과 (collective flux pinning effect) 를 나타내는 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 영역, 그리고 로렌츠 힘을 받아 자속들의 자유로운 움직임을 나타내는 δ ≫ 2 영역 등으로 구분할 수 있다. δ ≈ 0 독립적인 자 속거동 특성에서 δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 집단적인 자속거동 특성 으로 변화하는 1차 자속상태-전이-자기장 (magnetic flux state transition field) 을 1 차-특성자기장 (characteristic magnetic field) H1으로 정하고, δ ≈ 0.6 ∼ 1.2 집단적인 자속거동 특성에서 δ ≫ 2 자유로운 자속거동 특성으로 전이하는 2차 자속상태-전이-자기장을 2차 특성자기장 H2
로 정하였다. 특히, H1 < H < H2인 중간 자기장 영역 에서 δ 값에 대한 온도 의존성 δ(T ) 을 구하였는데, 온도가 감소함에 따라 δ 값은 점차적으로 감소하여 온도가 0 K일 때 δ ∼ 0.65 정도로 예측되었다. 일반적으로 고온초전도 박막선재의 최적화된 조건으로 성공적인 산업적 응용을 위해서는, 중간 자기장 영역인 H1 < H < H2 영역에서 자기장의 증가에 따른 Jc 변화가 작아야 한다. 이를 위해 77 K 온도에서 δ ≈ 0.2 정도 값을 얻을 수 있는 인위적인 자속고정효과 연구는 필수적이다.
감사의 글
이 논문은 2017년도 정부 (교육과학기술부) 의 재원으로 재단법인 한국연구재단 이공학개인기초연구사업의 기본연 구지원사업 (2017R1D1A1B03035841) 지원을 받아 수행한 것입니다.
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