발화합성법과 용융공정에 의한 YBCO계 고온 초전도체의 특성

이영민, 김영순, 양석우, 신형식

전북대학교 화학공학부

The Properties of YBCO High-TC superconductor by pyrophoric synthetic method and melting process

Young-Min Lee, Young-Soon Kim, Suk-Woo Yang, Hyung-Shik Shin

School of Chemical Engineering, Chonbuk National University

서론

1986년 전이온도가 액체질소의 비등점(77K) 이상인 산화물 고온 초전도체가 발견됨으로써, 액체 헬륨을 냉매로 사용하는 기존의 저온 초전도체에 비해 실용화의 가능성을 한층 높여주었다. 그러나 산화물 초전도체는 세라믹 고유의 낮은 임계전류밀도와 열악한 기계적 특성, 그리고 가공의 복잡성 등으로 인해서 실용화에 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다.  따라서, 산화물 고온 초전도체가 갖는 열악한 기계적 특성과 전·자기적 성질을 향상시키기 위하여 전세계적으로 많은 연구가 수행되고 있다. 특히, 용융공정을 이용하여 YBa2Cu3O7-x(Y123) 초전도체에 비초전도상인 Y2BaCuO5(Y211)을 첨가함으로써 초전도 특성을 크게 향상시키는 방법 등[1-3]이 개발되었다. 용융공정은 Y1.8Ba2.4Cu3.4O7-x(Y1.8)의 초전도 원료분말을 포정온도 보다 약 10℃ 높게 가열하여 Y2BaCuO5(Y211)과 Ba-Cu-O 액상으로 부분용융시킨 후, 다시 Y123상이 생성되는 온도로 서서히 냉각시켜 초전도결정을 성장시키는 방법으로 MTG(Melt Texture Growth)[4], LPP(Liquid Phase Processing)[5], QMP (Quench Melt Growth)[6] 및 MPMG(Melt Powder Melt Growth)[7] 등의 방법이 있다. 이때, Y123상 내에서 Y211상은 flux pinning site를 제공하고 기계적성질의 향상 및 산소확산을 돕는 platelet를 생성시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 초전도 특성을 향상시키기 위해서는 비초전도상인 Y211이 Y123 domain에서 미세하고 균일하게 분포하여야 한다. 이와 같은 초전도체를 제조하기 위해서는 초전도 원료분말이 미세하고 균일해야 한다. 본 연구는 화학적인 액상혼합과 자연발화를 이용하여 미세하고 균일한 분말을 제조할 수 있는 발화합성법을 이용하여 원료분말을 제조한 다음 용융공정을 통하여 bulk 형태의 초전도체를 제작하였다. 제조한 시편은 조성 및 미세조직은 X-ray 회절분석 및 광학현미경을 통하여 전기적인 성질을 임계전이온도(Tc), 임계전류밀도(Jc) 측정으로 살펴보았다.

실험방법

1. 원료분말의 제조

Fig. . Experimental procedure of

pyrophoric synthetic method.

본 실험에서 사용한 시약은 순도가 모두 99.9%인 Aldrich Chemical Co. 제품의 Y2O3, CuO 및 Showa Co. 제품의 BaCO3를 출발물질로 사용하여 고상반응(mechanical mixing ; MM)법과 발화합성법으로 초전도 원료분말을 제조하였다. 발화합성(pyrophoric synthetic ; PS)법에 의한 초전도 원료분말의 제조공정을 Fig. 1에 나타내었다. 발화합성법은 각각의 원료물질을 양론비에 따라 칭량하여 1L, 1N의 질산(HNO3) 용액에 녹여 3시간 정도 교반하면 완전히 원료분말이 용해되며, 이 용액은 Cu2+의 영향으로 푸른색을 띤다. 이 용액을 chelation시키기 위해 양이온 함량에 따른 chelation 비로 malic acid(C4H6O5)을 첨가하고, 암모니아수(NH3OH)를 사용하여 pH 7로 중화시켰다. 이 용액을 건조기(oven)에서 250℃, 약 5시간 동안 가열하면 발포가 일어나며 동시에 자연 발화하여 매우 미세한 흑갈색의 분말이 얻어진다.

2. 용융공정

발화합성법으로 제조한 초전도 원료분말을 지름 10mm의 mold를 사용하여 원판 형태의 시편을 성형하였다. 성형된 시편은 Fig. 2와 같은 용융공정을 통하여 초전도체를 제조하였다. 용융공정은 성형된 초전도 시편을 포정온도(약 1,035℃)보다 높은 1,050℃에서 30분 동안 용융시킨 후 서서히 온도를 내리면서 조성 Y1.8인  bulk형 초전도체를 제조하는 방법이다. 이와 같이 제조된 초전도체를 산소분위기로 450℃에서 24시간 열처리하였다.

Fig. . Schematic illustration of the melting process.

결과 및 고찰

1. X-ray 회절분석

고상반응법(MM1.8)과 발화합성법(PS1.8)으로 각각 제조한 시편을 용융공정을 통하여 Y1.8 조성의 초전도체를 제조한 후, X-ray 회절분석 하였을 때, Y123 상과 Y211상이 형성되었다. Fig. 3.에 X-ray 회절분석한 결과를 나타내었다.

Fig. . XRD petterns of the melt processed sample. (a) MM1.8          (b) PS1.8

2. Y211상의 분포

Fig.

Fig. 4. Microstructures of polished surface of the melt processed sample. (a) MM1.8 (b) PS1.8

4.는 용융공정으로 제조한 Y1.8 초전도체의 광학현미경 사진이다. (a)는 고상반응법(MM1.8)으로 제조된 시편으로 Y211입자는 전반적으로 고르게 분포는 되었으나 입자의 크기가 큰 것이 수십 □정도, 작은 것이 수 □정도의 크기를 보인다. (b)는 발화합성법(PS1.8)으로 제조된 시편으로 고상반응법으로 제조된 시편보다 Y211입자가 전반적으로 균일한 분포를 보이며 크기도 수 □정도로 미세한 것을 알 수 있다.

참고문헌

1. C. J. Kim, H. W. Park, K. B. Kim and G. W. Hong, Supercond. Sic. Technol. 8, 652 (1995).

2. H. Fujimoto, M. Murakami and n. Koshizuka, Physica C 203, 103 (1992).

3. K. Yamakuchi, M. Murakami, H. Fujimoto, S. Gotoh, T. Oyama, Y. Shiohara, N. Koshizuka and S. Tanaka, J. Mater. Res. 6, 1404 (1991).

4. S. Jin, T. H Tiefel, R. C. Sherwood, M. E. Davis, R. B. van Dover, G. W. Kammlott, R. A. Fastnacht and H. D. Keith, Appl. Phys. Lett. 52, 2074 (1988).

5. K. Salama, V. Selvamanickam, L. Gao and K. Sun, Appl. Phys. Lett. 54, 2352 (1989).

6. M. Murakami, S. Gotoh, N. Koshizuka, S. Tanaka, T. Matsushita, S. Kambe and K. Kitazawa, Cryogenics 30, 390 (1990).