KR101477989B1 - 자성체를 포함하는 초전도 박막 - Google Patents

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이진환
야니스 세메르치디스
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 초전도 박막에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 초전도층 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 2 - 20 nm 간격으로 형성된 섬(island) 또는 점(dot) 형상의 1 - 200 nm2 면적의 강자성체 또는 반강자성체를 포함하는 초전도 박막에 관한 것이다.

Description

자성체를 포함하는 초전도 박막{Superconductor thin film comprising magnetic material}
본 발명은 자성체를 포함하는 초전도 박막에 관한 것으로, 높은 자기장뿐 아니라, 낮은 자기장에서도 초전도 특성을 나타내는 초전도 박막에 관한 것이다.
초전도체(super conductor)는 낮은 온도에서 전기 저항이 사라져 많은 양의 전류를 흘릴 수 있다. 최근 이축 배향된 집합조직을 갖는 얇은 완충층 또는 금속 기판 상에 초전도막을 형성하는 2세대 고온초전도체(coated conductor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 고온 초전도체의 발견 이래, 메모리 소자, 미세 자기장을 탐지하는 초전도양자간섭소자(SQUIDs)를 이용하는 의료용 정밀진단 장비와 위성통신에 사용하는 마이크로파 통신장비, 조셉슨 소자, 케이블, 한류기(current limiters), 마그네트 등의 전력기기로의 응용을 목표로 한 고온 초전도체의 개발이 활발히 수행되고 있다.
이러한 초전도체는 기판상에 박막 형상으로 형성되는 것이 일반적이며, 이러한 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(Sputtering)법, 전자빔증착(E-beam evaporation)법, 동시증착(co-evaporation)법, 펄스파 레이저 증착(PLD: Pulsed Laser Deposition)법 등이 있다. 이 중에서 스퍼터링법과 펄스파 레이저 증착법(PLD), 특히 PLD법이 가장 많이 사용되고 있으며, 이들 방법은 특성이 우수한 초전도 박막을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, PLD법을 이용하면 타겟과 동일한 조성을 갖는 박막을 만드는 것이 용이하므로, 박막의 특성 조절이 쉽다.
이렇게 제조된 초전도체를 초전도 모터나 발전기, 연구용 전자석 또는 마이크로파 공명장치, 자기부상 열차용과 같은 높은 자기장 하에서 이용할 경우 초전도 특성을 잃어버리는 문제가 있다. 따라서, 높은 자기장 하에서도 초전도 물성을 잃지 않는 초전도 박막을 제조하기 위해 초전도 박막에 투과된 초전도 자속을 최대한 강한 에너지로 움직임 없이 고정하는 것이 필요하며, 초전도를 갖지 않는 미립자를 통해 자력선속을 고정되게 할 수 있으나, 미립자의 크기와 분포를 균일하게 하는 것이 어렵고 미립자의 물성에 따라 자력선속이 고정되지 않아 초전도의 물성이 유지되지 않는 문제가 있고, 낮은 자기장 하에서도 초전도 특성을 계속적으로 유지시키는데 문제가 있다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0891154호(2009.04.06. 공고)에 개시되어 있는 나노점 형성과 전구체 코팅 및 하소 열처리의 연속공정에 의한 초전도 선재의 제조방법이 있다.
따라서, 본 발명은 높은 자기장뿐 아니라, 낮은 자기장에서도 초전도의 물성을 잃지 않는 초전도 박막을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 초전도층 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 2 - 20 nm 간격으로 형성된 섬(island) 또는 점(dot) 형상의 1 - 200 nm2 면적의 강자성체 또는 반강자성체를 포함하는 초전도 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 상부에 형성된 초전도층; 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 형성된 강자성체 또는 상자성체;를 포함하고, 상기 강자성체 또는 상자성체는 2 - 20 nm 간격으로 1 - 200 nm2 면적의 점 또는 섬 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판; 기판 상부의 초전도층; 및 상기 기판 상부 또는 내부에 형성된 강자성체 또는 반강자성체;를 포함하고, 상기 강자성체 또는 반강자성체는 2 - 20 nm 간격으로 1 - 200 nm2 면적의 섬 또는 점 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 박막을 제공한다.
이때, 상기 초전도층은 MgB2, NbSe2, NbTi, Nb3Sn, LaFeAsO, SmFeAsO, PrFeAsO, BaFe2As2, SrFe2As2, CaFe2As2, LiFeAs, NaFeAs, LiFeP, Bi-Ae-Cu-O, (Bi,Pb)-Ae-Cu-O, (Y,Re)-Ae-Cu-O 및 ReBa2Cu3O7(상기 Ae는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 Re는 Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.
상기 강자성체는 Mn5Si3C0 .8, Fe, Co, Ni 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.
상기 반강자성체는 Mn5Si3, Cr, CeAl3, CeCu6, Sr2RuO4 및 La2CuO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래 초전도 박막에서 자기장이 없거나 낮은 자기장인 0 ~ 2 T과 3 ~ 9 T하에서는 표유 전자계가 외부 자기장에 의해 상쇄되어 초전도 특성이 없어지는 문제점을 인지하여 강자성체를 초전도 박막에 나노 크기의 일정한 간격 및 면적으로 배열하여 높은 자기장에서 초전도 특성을 유지할 수 있고, 반강자성체를 나노크기의 일정한 간격 및 면적으로 초전도 박막에 형성시켜 높은 자기장은 물론 낮은 자기장에서도 초전도 특성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 박막에 강자성체를 도입하는 경우 외부 자기장에 따른 자기력선을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 박막에 반강자성체를 도입하는 경우 외부 자기장에 따른 자기력선을 나타낸 모식도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 자성체를 포함하는 초전도 박막을 나타낸 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 초전도층 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 2 ~ 20 nm 간격으로 형성된 섬(island) 또는 점(dot) 형상의 1 ~ 200 nm2 면적의 강자성체 또는 반강자성체를 포함하는 초전도 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 상부에 형성된 초전도층; 및 상기 초전도층의 상부 또는 내부에 형성된 강자성체 또는 반강자성체;를 포함하고,
상기 강자성체 또는 반강자성체는 2 ~ 20 nm 간격으로 1 ~ 200 nm2 면적의 섬 또는 점 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 기판; 기판 상부에 형성된 초전도층; 및 상기 기판의 상부 또는 내부에 형성된 강자성체 또는 반강자성체;를 포함하고,
상기 강자성체 또는 반강자성체는 2 ~ 20 nm 간격으로 1 ~ 200 nm2 면적의 섬 또는 점 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 박막을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 박막에 강자성체를 도입하는 경우 외부 자기장에 따른 자기력선을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참고하면, 강자성체를 사용하는 경우 자기장이 없거나 낮은 자기장인 0 ~ 2 T하에서 초전도층에 포함된 섬 또는 점 형상의 강자성체의 표유 전자계(stray field)로 인해 초전도가 강자성체 근처의 넓은 영역에서 깨지는 현상이 있고(도 1의 (a) 및 (b) 참고), 중간 크기의 자기장인 3 ~ 9 T하에서는 표유 전자계가 외부 자기장에 의해 상쇄되어 초전도가 각각의 강자성체의 매우 좁은 영역에서만 깨지는 현상이 있으며(도 1의 (c) 참고), 10 T 이상의 강한 자기장하에서는 강자성체가 모든 외부 자기력선속을 포획하지 못하여 초전도가 각각의 강자성체의 먼 영역에서부터 깨어지나 그 자기력선속의 밀도가 현저히 작은 것을 알 수 있으므로(도 1의 (d) 참고), Mn5Si3C0 .8, Fe, Co, Ni 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 이용하여 중간 크기의 자기장에서 초전도 영역에 자기력선속이 없으며 높은 자기장에서도 초전도 영역에 자기력선속이 현저히 감소됨으로써 초전도가 높은 자기장까지 남아있는 초전도 박막을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 도 2에 나타난 바와 같이 초전도 박막에 반강자성체섬(antiferromagnetic island, AFMI)를 도입함으로써 무자기장 상태에서는 누설 자속이 없어 초전도가 완전히 유지되고(도 2의 (a) 참고) 낮은 자기장인 1 ~ 2 T뿐 아니라, 중간 크기의 자기장인 3 ~ 9 T의 경우에도 외부 자기장에 비례하는 강한 자화력(magnetization)을 활용하여 넓은 자기장 범위에 대해 표유 전자계 없이 외부 자기력선속을 모두 정확히 반강자성체 내에 포획(trap)할 수 있다(도 2의 (b) 및 (c) 참고). 또한 높은 자기장에서는 초전도 영역의 자기력선속이 존재하나 강자성체의 경우와 같이 그 자기력선속 밀도가 현저히 감소됨을 알 수 있다(도 2의 (d) 참고). 이는 반강자성체가 상자성체(paramagnet) 특성을 보이는 수 테슬라(T) 이상의 강자기장 영역에서 자화(magnetization)는 매우 큰 값을 가지며, 이는 이미 원자들이 강자성체와 유사한 크기의 스핀을 띄고 있고 그 방향만이 반강자성체의 상호작용에 의해 상쇄되고 있어 방향이 정렬될 경우 강자성체와 차이가 없음에 기인한다. 대부분의 반강자성체는 반강자성체 영역과 상자성체 영역에 걸쳐 자기장(M)과 자화율(H)이 선형관계를 나타내고, 이를 활용하면 넓은 자기장 대역에 걸쳐 외부 자기장이 모두 포획되게 설계할 수 있음을 나타낸다. 본 발명에 따른 초전도 박막에 포함되는 반강자성체는 Mn5Si3, CeAl3, CeCu6, Sr2RuO4 및 La2CuO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 반강자성체의 투자율이 1보다 큰 경우(χAFMI≫1), 박막 전체 면적에 대한 반강자성체 면적의 비율(a)이 a≪1일 때 (1-a) 비율의 초전도(SC) 영역에 자력선속이 없을 조건은 χSC=-1이므로, 이상적인 반강자성체의 투자율(μ=χ+1)과 면적비율(a)의 상관관계는 진공에서와 같이 <χ>area=0인 것이다(하기 수학식 1 참고).
[수학식 1]
<χ>area = χAFMI×a + χSC×(1-a)=0
즉, a=1/(χAFMI + 1)의 면적으로 반강자성체를 배열하는 것이 바람직하다. 이때, a값에 대해 면적이 큰 섬 또는 점을 이격거리가 넓게 할 수도 있고, 면적이 작은 섬 또는 점을 촘촘히 배열할 수 있다. 면적이 작은 섬 또는 점이 촘촘할수록 초전도 특성을 유지하는데 유리하나 코헤런스 길이(coherence length)보다는 섬 또는 점간의 간격이 넓어야 하므로, 2 ~ 20 nm인 것이 바람직하고, 면적은 1 ~ 200 nm2인 것이 바람직하다.
이때, 상기 초전도층은 MgB2, NbSe2, NbTi, Nb3Sn, LaFeAsO, SmFeAsO, PrFeAsO, BaFe2As2, SrFe2As2, CaFe2As2, LiFeAs, NaFeAs, LiFeP, Bi-Ae-Cu-O, (Bi,Pb)-Ae-Cu-O, (Y,Re)-Ae-Cu-O 및 ReBa2Cu3O7(상기 Ae는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 Re는 Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
상기 기판은 ZrO2, SrTiO3, MgO, Al2O3 및 CeO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있고, 두께는 0.1 mm 이상일 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 자성체를 포함하는 초전도 박막을 나타낸 모식도이다.
더욱 구체적으로, 도 3의 (a)는 초전도층 상부에 강자성체 또는 반강자성체를 형성시킨 경우이고, 도 3의 (b)는 초전도층 내부에 강자성체 또는 반강자성체를 형성시킨 경우이다. 도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 초전도층(100) 상부에 강자성체 또는 반강자성체(200)가 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 규칙적인 섬 또는 점 형상의 강자성체 또는 반강자성체(200)는 나노크기 기공의 다공성 알루미나 또는 조밀한 나노구체를 마스크로 이용하고 이온빔 조사, 스퍼터 증착, 레이저 증착법, CVD 등을 사용할 수 있다. 또한, 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 초전도층(100') 상부에 다공성 알루미나 또는 나노구체를 마스크로 이용하여 초전도층(100')에 강자성체 또는 반강자성체(200')가 형성되는 부분을 에칭한 후 에칭으로 없어진 부분에 강자성체 또는 반강자성체(200')를 주입하여 형성된다.
도 4의 (a)는 기판(300) 상부에 초전도층(400)을 형성시킨 후 초전도층(400) 상부에 강자성체 또는 반강자성체(500)를 형성시킨 초전도 박막이며, 도 4의 (b)는 기판(300') 상부에 초전도층(400')을 형성시킨 후 초전도층(400')을 에칭한 후 없어진 부분에 강자성체 또는 반강자성체(500')를 주입하여 형성시킨 초전도 박막이고, 도 4의 (c)는 초전도층(400'')을 기판(300'')까지 에칭한 후 강자성체 또는 반강자성체(500'')를 주입하여 형성시킨 초전도 박막이다.
도 5의 (a)는 기판(600) 표면에 다공성 알루미나 또는 나노구체를 마스크로 이용하여 강자성체 또는 반강자성체(800)를 형성시킨 후 초전도층(700)을 형성시킨 초전도 박막이고, 도 5의 (b)는 기판(600') 표면에 다공성 알루미나 또는 나노구체를 마스크로 이용하여 강자성체 또는 반강자성체(800')가 주입되는 부분을 에칭으로 제거한 후 강자성체 또는 반강자성체(800')를 주입하고 초전도층(700')을 형성시킨 초전도 박막이다.
실시예 1: 초전도 박막 제조 1
표면을 연마한 사파이어 기판 위에 YBa2Cu3O7의 초전도층을 레이저 밀도 1 J/㎠으로 펄스 레이저 증착법을 이용하여 형성시킨 후 사파이어 기판을 제거하였다. 제조된 YBa2Cu3O7 초전도층 위에 다공성 알루미나 또는 조밀한 나노구체를 마스크로 위치시킨 후 Mn5Si3O를 빔 가속 전압 300V와 이온 전류밀도 1 mA/㎝의 이온빔을 이용하여 초전도층 위에 10 nm 간격으로 100 nm2의 면적의 섬 형상 반강자성체를 형성시켰다(도 3의 (a) 참고).
실시예 2: 초전도 박막 제조 2
실시예 1에서 제조된 초전도층에 다공성 알루미나를 마스크로 위치시킨 후 반강자성체가 형성되는 부분을 에칭한 후 이온빔을 조사하여 초전도층 내부에 반강자성체를 형성시켰다(도 3의 (b) 참고).
실시예 3: 초전도 박막 제조 3
Al2O3 기판을 700 ℃로 가열하고 산소분압이 100 mTorr가 되게 하며 레이저 에너지 밀도는 1 J/㎠으로 하여 기판 위에 YBa2Cu3O7의 초전도층을 증착하였다. 제조된 초전도층 상부에 다공성 알루미나 또는 조밀한 나노구체를 마스크로 위치시킨 후 Mn5Si3O를 빔 가속 전압 300V와 이온 전류밀도 1 mA/㎝의 이온빔으로 이용하여 초전도층 상부에 섬 형상의 반강자성체를 형성시켰다(도 4의 (a) 참고).
실시예 4: 초전도 박막 제조 4
초전도층을 에칭한 후 초전도층 내부에 반강자성체를 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 초전도 박막을 제조하였다(도 4의 (b) 참고).
실시예 5: 초전도 박막 제조 5
초전도층을 기판 상부까지 에칭한 후 반강자성체를 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 초전도 박막을 제조하였다(도 4의 (c) 참고).
실시예 6: 초전도 박막 제조 6
Al2O3 기판 상부에 Mn5Si3O를 이온빔을 이용하여 섬 형상의 반강자성체를 형성시킨 후 초전도층을 증착하여 초전도 박막을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 초전도 박막을 제조하였다(도 5의 (a) 참고).
실시예 7: 초전도 박막 제조 7
Al2O3 기판을 에칭한 후 기판 내부에 Mn5Si3O를 형성시킨 후 초전도층을 증착한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 초전도 박막을 제조하였다(도 5의 (b) 참고).
지금까지 본 발명에 따른 자성체를 포함하는 초전도 박막에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 100', 400, 400', 400'', 700, 700': 초전도층
300, 300', 300'', 600, 600': 기판
200, 200', 500, 500', 500'', 800, 800': 강자성체 또는 반강자성체

Claims (7)

  1. 초전도층 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 2 - 20 nm 간격으로 형성된 섬(island) 또는 점(dot) 형상의 1 - 200 nm2 면적의 반강자성체를 포함하고,
    상기 반강자성체는 Mn5Si3, CeAl3, CeCu6, Sr2RuO4 및 La2CuO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 초전도 박막.
  2. 기판; 상기 기판 상부에 형성된 초전도층; 및 상기 초전도층 상부 또는 내부에 형성된 반강자성체;를 포함하고,
    상기 반강자성체는 2 - 20 nm 간격으로 1 - 200 nm2 면적의 섬 또는 점 형상으로 형성되며,
    상기 반강자성체는 Mn5Si3, CeAl3, CeCu6, Sr2RuO4 및 La2CuO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 초전도 박막.
  3. 기판; 기판 상부의 초전도층; 및 상기 기판 상부 또는 내부에 형성된 반강자성체;를 포함하고,
    상기 반강자성체는 2 - 20 nm 간격으로 1 - 200 nm2 면적의 섬 또는 점 형상으로 형성되며,
    상기 반강자성체는 Mn5Si3, CeAl3, CeCu6, Sr2RuO4 및 La2CuO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 초전도 박막.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도층은 MgB2, NbSe2, NbTi, Nb3Sn, LaFeAsO, SmFeAsO, PrFeAsO, BaFe2As2, SrFe2As2, CaFe2As2, LiFeAs, NaFeAs, LiFeP, Bi-Ae-Cu-O, (Bi,Pb)-Ae-Cu-O, (Y,Re)-Ae-Cu-O 및 ReBa2Cu3O7(상기 Ae는 Mg, Ca, Sr 및 Ba로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 Re는 Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 초전도 박막.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 ZrO2, SrTiO3, MgO, Al2O3 및 CeO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 초전도 박막.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3049125U (ja) * 1997-04-14 1998-06-02 香司 花木 非超電導相を幾何学的に分散分布させた超電導導体
JP2001044025A (ja) * 1999-07-29 2001-02-16 Alps Electric Co Ltd グラニュラー硬磁性薄膜及びグラニュラー硬磁性薄膜の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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