KR102596245B1 - 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막 - Google Patents

자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저 증착기술을 적용하여 초전도체 박막과 자속고정점 소재의 증착을 동시에 수행하는 것에 의해 저비용 및 고효율로 향상된 특징의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 제작할 수 있도록 하는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막에 관한 것이다.
상술한 본 발명의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치는, 스퍼터링을 위한 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 펄스레이저광원부; 초전도체 소재와 자속고정점 소재를 다중 타겟으로 구비하여, 초전도체 박막 스퍼터링증착과 자속고정점 소재 스퍼터링증착을 번갈아 수행하는 스퍼터링타겟부; 초전도체 층의 증착과, 증착된 초전도체 층에 상기 자속고정점 소재가 산화물로 삽입되는 과정이 반복 수행되어 복수의 자속고정점을 가지는 초전도체 층이 적층된 초전도체 박막이 증착 형성되는 기판; 상기 펄스 레이저가 투과되는 투과창이 형성되고, 상기 스퍼터링타겟부와 상기 기판이 내부에 배치되며, 내부를 진공으로 하는 진공펌프부를 포함하여 구성되는 진공챔버; 및 상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부 및 상기 진공펌프부를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막{APPARATUS FOR MANUFACTURING SUPERCONDUCTOR WIRE WITH FLUX PINNING SITES AND SUPERCONDUCTOR WIRE}
본 발명은 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 펄스 레이저 증착기술을 적용하여 초전도체 박막과 자속고정점 소재의 증착을 동시에 수행하는 것에 의해 저비용 및 고효율로 향상된 특징의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 제작할 수 있도록 하는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 초전도체 박막에 관한 것이다.
일반적으로, 초전도체는 임계온도 이하에서 전기저항이 ‘0’이 되며, 외부 자기장을 전부 밀어내는 반자성을 가지는 물질로서, MRI 의료장비, 양자컴퓨터, NMR, PPMS 등의 분석장비, 핵융합로, 방사광속기 등의 핵심 부품으로 적용되고 있다.
이러한 초전도체의 가장 중요한 조건은 임계전류 밀도가 높아야 한다. 특히 임의의 방향으로 가해지는 큰 자기장 하에서도 임계전류 밀도는 가능한 커야 한다. 임계전류 밀도의 한계는 외부로부터 침입하여 초전도체 내에 분포하는 자속선이 로렌츠 힘에 의하여 움직이고자 할 때 로렌츠 힘에 대하여 자속선을 움직이지 못하도록 고정시키는 자속고정점(피닝센터: pinning center)의 작용으로 정해진다.
이에 따라, 자속고정점의 생성을 위해 레이저를 빔소스(beam source)에 조사하여 양성자를 방출시키고, 방출된 양성자를 캡슐 내부의 초전도체 박막(선재)에 조사하도록 하여 나노 변형을 유도하는 것에 의해 자속고정점을 생성하는 기술이 적용되었으나, 이러한 기술의 경우에는 매우 고가의 장비를 필요로 하며, 실용화가 사실상 불가능한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 등록특허 제10-0772014호는 '보조 클러스트빔 분사에 의한 고온 초전도막 제조방법, 제조장치, 이 방법에 의해 제조되는 고온 초전도막'을 개시하였다.
그러나 상술한 보조 클러스트 빔 분사에 의해 자속고정점을 생성하는 종래기술의 경우에도 진공 챔버 내에서 클러스터 빔으로 증착하게 되는데, 이는 진공챔버 내의 증착환경(온도, 진공도)에 영향을 받으므로 증착 조건이 한정적이게 되어 기판에 자속고정점이 증착되는 속도나 자속고정점의 밀도를 조절하지 못하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0772014호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 펄스 레이저 증착기술을 적용하여 초전도체 박막(선재)에 나노변형을 유도하는 것에 의해 저비용 및 고효율로 초전도체에 나노 자속고정점(나노 피닝센터: Nano Pinning Center)을 형성할 수 있도록 하고, 또한, 나노 자속고정점 형성을 위해 초전도체 층에 삽입되는 자속고정점 소재의 농도 조절을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초전도체 박막 내 손실을 최소화하며 자속고정점 형성을 위한 나노 자속고정점을 생성할 수 있도록 하는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 단일 공정으로 초전도체 박막의 제조 중에 초미량의 나노고정점 소재를 삽입하여 나노 변형을 유도하는 것에 의해 나노고정점 형성을 위한 시간과 비용을 현저히 절감시킬 수 있도록 하는 나노고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치는,
스퍼터링을 위한 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 펄스레이저광원부;
초전도체 소재와 자속고정점 소재를 다중 타겟으로 구비하여, 초전도체 박막 스퍼터링증착과 자속고정점 소재 스퍼터링증착을 번갈아 수행하는 스퍼터링타겟부;
초전도체 층의 증착과, 증착된 초전도체 층에 상기 자속고정점 소재가 산화물로 삽입되는 과정이 반복 수행되어 복수의 자속고정점을 가지는 초전도체 층이 적층된 초전도체 박막이 증착 형성되는 기판;
상기 펄스 레이저가 투과되는 투과창이 형성되고, 상기 스퍼터링타겟부와 상기 기판이 내부에 배치되며, 내부를 진공으로 하는 진공펌프부를 포함하여 구성되는 진공챔버; 및
상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부 및 상기 진공펌프부를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 펄스레이저광원부는,
UV 레이저 펄스를 조사하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는
상기 초전도체 소재에 대하여는 440 ~ 450 펄스를 조사하고, 상기 자속고정점 소재에 대하여는 1~5펄스를 조사하는 것에 의해,
상기 초전도체 층 내부에 상기 자속고정점 소재가 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여 상기 초전도체 층 단결정에 나노변형(nanostrained)을 유발하도록 상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 초전도체 소재는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)이고,
상기 자속고정점 소재는 산화세륨(CeO2)이며,
상기 산화세륨(CeO2)을 자속고정점 소재로 포함하는 초전도박막층은 Ce- FeSexTe1-x 층인 것을 특징으로 한다.
상기 스퍼터링타겟부(20)는,
상기 제어부(30)의 제어에 따라 회전하면서 상기 초전도체 소재로 형성된 초전도체 소재 증발원(14a)과 상기 자속고정점 소재로서의 자속고정점 소재 증발원(14b)이 교대로 펄스 레이저에 조사되어 증발하여 증착되도록, 상기 초전도체 소재 증발원(14a)과 상기 자속고정점 소재 증발원(14b)이 일정 각도로 이격되어 함께 장착된 후 회전하는 다중 타겟 캐러셀(carousel)(21);을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 스퍼터링타겟부(20A)는,
초전도체 소재가 증착된 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재가 증착된 자속고정점 소재 증착층(9b)이 표면에 교대로 증착된 필름(8);
상기 필름(8)을 감은 상태에서 풀어 공급하는 풀기릴(7); 및
상기 풀기릴(7)에서 공급되는 필름(8)이 상기 펄스 레이저의 초점부를 지나 되감기는 되감기릴(6);을 포함하여 구성되고,
상기 제어부(30)는,
상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)이 형성된 필름(8)이 펄스 레이저의 초점부를 지나도록 이송시켜, 상기 펄스 레이저에 의해 상기 기판(5)에 반복적으로 나노변형을 유발하는 자속고정점 소재를 포함하는 초전도체 층을 적층하는 것에 의해 나노변형에 의한 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 형성하도록 상기 스퍼타링타겟부(20A)와 상기 펄스레이저광원부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 스퍼터링타겟부(20B)는,
필름(8);
상기 필름(8)을 감은 상태에서 풀어 공급하는 풀기릴(7);
상기 풀기릴(7)에서 공급되는 필름(8)이 상기 펄스 레이저의 초점부를 지나 되감기는 되감기릴(6); 및
상기 제어부(30)의 제어(30)에 따라, 상기 펄스 레이저의 초점부의 전단에서 기화되어 상기 필름(8) 상에 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 증착시키는 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b)을 포함하는 증발원(14);을 포함하여 구성되고,
상기 제어부(30)는,
상기 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b)을 제어하여 상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 상기 필름(8) 상에 증착시키고, 상기 풀기릴(7)과 되감기릴(6)을 제어하여 상기 필름(8)을 상기 펄스 레이저의 초점부를 지나도록 이송시켜, 상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)이 교대로 스퍼터링에 의해 상기 기판(5)에 증착됨으로써, 나노변형에 의해 형성되는 자속고정점을 가지는 초전도체 층이 복수로 적층되어 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 형성하도록 상기 스퍼터링타켓부(20B)와 상기 펄스레이저광원부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막은,
펄스 레이저를 이용하여 기판에 초전도체 소재를 증착하여 초전도체 층을 증착형성하고,
상기 초전도체 층에 자속고정점 소재를 증착에 의해 삽입시켜 상기 초전도체 층 단결정에 나노변형을 유발하여 자속고정점을 생성하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 자속고정점을 가지는 초전도체 박막은,
상기 초전도체 층을 증착 형성하는 과정과 상기 자속고정점 소재를 증착에 의해 상기 초전도층에 삽입하여 나노변형을 유발하는 것에 의해 자속고정점을 생성하는 과정을 기 설정된 횟수로 반복 수행하여 자속고정점 소재가 삽입된 초전도체 층이 복수 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 초전도체 박막은,
상기 초전도체 층 내부에 상기 자속고정점 소재가 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여, 상기 초전도체 층을 형성하는 단결정에 나노변형(nanostrained)이 유발되는 것을 특징으로 한다.
상기 자속고정점을 포함하는 초전도체 박막은,
초전도체 소재는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)이고,
상기 자속고정점 소재는 산화세륨(CeO2)이며,
상기 자속고정점을 가지는 초전도체 박막은 산화세륨(CeO2)이 자속고정점소재로 삽입되어 철 칼코겐 단결정에 나노변형이 유발된 Ce- FeSexTe1-x 층이 복수로 적층 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치는, 펄스 레이저 증착기술을 적용하여 초전도체 박막에 나노 자속고정점(나노 피닝센터: Nano Pinning Center)를 유도하는 것에 의해 저비용 및 고효율로 초전도체에 자속고정점을 형성할 수 있도록 하고, 또한, 나노 자속고정점 소재의 농도 조절을 용이하게 수행하는 것에 의해 생성되는 자속고정점의 농도를 용이하게 조절할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 초전도체 박막(선재) 내 손실을 최소화하며 자속고정점 형성을 위한 나노 자속고정점을 생성할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 단일 공정으로 초전도체 박막의 제조 중에 나노 변형을 유도하여 자속고정점 형성을 위한 나노 자속고정점을 생성할 수 있도록 하는 것에 의해 나노 자속고정점의 생성을 위한 비용 및 시간을 현저히 절감시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(100)의 구성도.
도 2는 본 발명의 초전도체 박막 제작 장치에 의해 제작된 자속고정점을 가지는 초전도체 박막의 적층도.
도 3은 본 발명의 제2 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(200)의 구성도.
도 4는 도 3 중 A 부분의 확대도.
도 5는 본 발명의 제3 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(300)의 구성도.
도 6은 도 5 중 B 부분의 확대도.
도 7은 결정형성을 확인하기 위한 제작된 초전도체 박막의 X선 회절 그래프.
도 8은 초전도체 소재의 단결정 생성과 상의 균일정도를 확인하기 위한 제작된 초전도체 박막의 전자현미경 사진.
도 9는 제작된 초전도체 박막의 초전도 임계온도에서의 저항 특성을 나타내는 그래프.
도 10은 제작된 초전도체 박막의 초전도 임계전류(Jc) 및 자속고정력(Fp)의 특성을 나타내는 그래프.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자소고정점을 포함하는 초전도체 박막 제작 장치는, 펄스레이저광원부, 스퍼터링타겟부, 기판, 진공챔버 및 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 펄스레이저광원부는 스퍼터링을 위한 펄스 레이저를 생성하여 조사하도록 구성되며, 제어부에 따라 초전도체 소재 증발원과 자속고정점 소재 증발원에 교대로 레이저 펄스를 조사하도록 구성된다.
상기 스퍼터링타겟부는 초전도체 소재와 자속고정점 소재를 다중 타겟으로 구비하여, 상기 펄스 레이저가 초전도체 소재와 자속고정점 소재에 교대로 조사되도록 하여 초전도체 박막 스퍼터링증착과 자속고정점 소재 스퍼터링증착을 번갈아 수행하도록 구성된다. 이러한 스퍼터링타겟부는 회전하는 캐로설(carousel) 또는 초전도체 층과 자속고정점 소재가 표면에 교대로 증착된 필름을 포함할 수 있다.
상기 기판은 스퍼터링타겟부에서 생성된 증기화된 초전도체 소재가 증착되어 초전도체 층을 형성하고, 다시 스퍼터링다켓부에서 생성된 증기화된 자속고정점 소재가 산화물로 초전도체 층에 삽입되도록 한다. 이러한 초전도체 층 증착과 자속고정점 소재의 삽입 과정이 반복 수행되는 것에 의해 상기 기판 상에는 자속고정점을 가지는 복수의 초전도체 층이 적층된 초전도체 박막이 증착 형성된다. 상기 기판은 규격화된 판 상의 기판 또는 필름 등으로 형성될 수 있다.
상기 진공챔버는 펄스 레이저가 투과되는 투과창이 형성되고, 상기 스퍼터링타겟부와 상기 기판이 내부에 배치되는 케이스와, 상기 케이스의 내부를 진공으로 하는 진공펌프부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부는 퍼터링타겟부의 초전도체 층 스퍼터링 증착과 자속고정점 소재의 스퍼터링 증착이 번갈아 진행되도록 상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부 및 상기 진공펌프부를 제어하도록 구성된다.
이하, 본 발명의 실시례를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시례에서는, 상기 펄스레이저광원부는 UV 레이저펄스를 생성하여 조사하도록 구성되며, 상기 초전도체 소재는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)이고, 상기 자속고정점 소재는 산화세륨(CeO2)이며, 상기 산화세륨(CeO2)에 의해 나노 변형되어 생성되는 자속고정점을 포함하는 초전도체 층은 Ce- FeSexTe1-x 층인 것을 예로 하여 본 발명을 설명한다.
이때, 상기 자속고정점은 CeO2의 입자형태, CeO2 주입으로 발생하는 결함형태, CeO2 주입으로 유도되는 나노변형 등의 모든 것을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(100)의 구성도이다.
도 1과 같이, 상기 초전도체 박막 제작 장치(100)는, 펄스레이저광원부(10), 스퍼터링타겟부(20), 기판(5), 진공챔버부(1) 및 제어부(30)를 포함하여 구성된다.
상술한 펄스레이저광원부(10)는 상술한 바와 같이, 스퍼터링을 위한 UV 펄스 레이저를 생성하여 조사하도록 구성되며, 제어부(30)에 따라 초전도체 소재로 제작되는 초전도체 소재 증발원과 자속고정점 소재 증발원에 교대로 레이저 펄스를 조사하도록 구성된다. 이때, UV 레이저펄스의 주기는, 초전도체 소재로 형성되는 증발원에 대하여는 440 ~ 450 펄스를 조사하고, 상기 자속고정점 소재로 형성되는 증발원에 대하여는 1~5펄스의 범위를 가지도록 하여, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층 내부에 산화세륨(CeO2)이 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층을 형성하는 단결정에 자속고정점으로 기능하는 초미세 나노변형(nanostrained)을 유발하도록 한다.
상기 스퍼터링타겟부(20)는, 초전도체 소재로 형성되는 제1 타겟으로서의 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재로 형성되는 제2 타겟으로서의 자속고정점 소재 증발원(14b)이 일정 각도로 이격되어 함께 장착된 후 회전하는 다중 타겟 캐러셀(carousel)(21) 및 제어부(30)의 제어에 따라 타겟 캐러셀(21)을 일정 주기로 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하여 구성된다.
상술한 구성의 스퍼터링타겟부(20)는 제어부(30)의 제어에 의해 타겟 캐러셀(21)을 회전시켜, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 소재 증발원(14a)과 산화세륨(CeO2) 자속고정점 소재 증발원(14b)에 펄스 레이저가 교대료 조사되도록 하는 것에 의해, 기판(5)에 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층 스퍼터링 증착과, 증착된 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층에 산화세륨(CeO2)을 삽입시키는 자속고정점 소재 스퍼터링 증착이 반복 수행되도록 하여 산화세륨(CeO2)에 의한 나노변형에 의해 형성되는 자속고정점이 포함된 초전도체 층(Ce- FeSexTe1-x)이 복수로 적층된 초전도체 박막(15)을 증착 형성한다.
상기 기판(5)은 복수의 자속고정점을 가지는 초전도체 층이 초전도체 박막으로 증착되는 기판 또는 필름 등으로 구성될 수 있다.
상기 진공챔버부(1)는 펄스 레이저가 투과되는 투과창(13)이 형성되고, 스퍼터링타겟부(20)와 기판(5)이 내부에 배치되는 케이스(1c)와 케이스(1c)의 내부를 진공으로 하는 진공펌프와 배관을 포함하는 진공펌프부(2)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부(30)는 상술한 바와 같이, 스퍼터링타겟부(20)의 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층 증착을 위한 스퍼터링 증착과 산화세륨(CeO2) 삽입을 위한 스퍼터링 증착이 번갈아 진행되도록, 상기 펄스레이저광원부(10)와 스퍼터링타겟부(20) 및 상기 진공펌프부(2)를 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 제어부(30)는 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 소재 증발원에 대하여는 440 ~ 450 펄스를 조사하고, 상기 산화세륨(CeO2) 자속고정점 소재 증발원에 대하여는 1~5펄스를 조사하도록 상기 펄스레이저광원부(10)와 스퍼터링타겟부(20)의 다중 타겟 캐로설(21)의 회전을 제어하는 것에 의해, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층 내부에 산화세륨(CeO2)이 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층을 형성하는 단결정에 자속고정점으로 기능하는 나노변형(nanostrained)을 유발하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 초전도체 박막 제작 장치에 의해 제작된 자속고정점을 가지는 초전도체 박막의 적층도이다.
상술한 도 1의 구성을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(100)에 의해서 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 소재(증발원)에 440 ~ 450 펄스를 조사하여 20nm의 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층을 형성하고, 이 후 산화세륨(CeO2) 자속고정점 슈소재(증발원)에 대하여는 1~5펄스를 조사하는 것에 의해, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층에 산화세륨(CeO2)을 미세하게 삽입시킨다. 이에 의해, 도 2와 같이, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 단결정 상에 초미세나노변형(nanostraind)이 유발된 Ce- FeSexTe1-x x 초전도체 층이 스퍼터링 증착에 의해 형성된다. 이때 산화세륨(CeO2)에 의한 초미세나노변형이 자속고정점의 기능을 수행하게 된다.
도 2의 초전도체 박막은 이러한 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 층에 산화세륨(CeO2)이 미세하게 흡수시켜 형성된 20nm 두께의 Ce- FeSexTe1-x 초전도체 층을 5회 반복하여 스퍼터링 증착하는 것에 의해 100nm의 두께를 가지도록 제작된 것을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제2 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(200)의 구성도이고, 도 4는 도 3 중 A 부분의 확대도이다.
도 3의 경우 도 1의 초전도체 박막 제작 장치(100)의 구성과는 스퍼터링타겟부(20A) 및 제어부(30)의 제어 구성만 상이하게 구성되므로, 이외의 구성에 대하여는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 제2 실시례에 따르는 초전도체 박막 제작 장치(200)의 스퍼터링타겟부(20A)는, 도 3 및 도 4와 같이, 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)이 교대로 증착된 필름(8)과, 필름(8)을 펄스 레이저의 초점부 위치를 통과하도록 이송시키는 풀기릴(7)과 되감기릴(6) 및 이송되는 필름(8)을 지지하는 보조롤러(12)들을 포함하여 구성된다.
이때, 필름(8) 상에 교대로 증착된 상기 초전도체 증착층(9a)은 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 증착층이고, 자속고정점 소재 증착층(9b)은 산화세륨(CeO2) 증착층이다.
상기 제어부(30)는 필름(8)의 이송 속도에 따라, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 증착층(9a)에는 펄스 레이저가 440 ~ 450 펄스 조사되고, 산화세륨(CeO2) 자속고정점 소재 증착층(9b)에는 펄스 레이저가 1~5펄스 조사되도록 필름(8)의 이송속도 및 펄스레이저광원부(10)의 레이저 조사를 제어하도록 구성된다.
상술한 구성에 의해 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)이 필름(8)에 의해 이송되면서 상기 펄스 레이저에 의해 교대로 스퍼터링 증착되어 기판(5)에 순차적으로 증착됨으로써, 단결정 상에 나노 변형을 일으키는 자속고정점 소재를 포함하는 초전도체 층이 적층되는 것에 의해 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 형성한다. 상술한 초전도체 박막 제작장치(200)에 의해 제작되는 초전도체 박막 또한 도 2의 구성을 가지게 된다.
이에 의해 형성된 초전도체 박막은 초전도체 층 내부에 산화세륨(CeO2)이 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여 초전도체 층을 형성하는 단결정에 초미세 나노변형(nanostrained)을 유발함으로서 자속고정력을 현저히 향상시키게 된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시례에 따르는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치(300)의 구성도이고, 도 6은 도 5 중 B 부분의 확대도이다.
도 5와 같이 본 발명의 제3 실시례의 초전도체 박막 제작 장치(300)는 필름(8)에 초전도체 소재(증발원)와 자속고정점 소재(증발원)를 교대로 증착시킨 후, 펄스 레이저를 필름(8)에 조사하여 초전도체 소재와 자속고정점 소재에 대한 스퍼터링 증착을 순차적으로 수행하는 것에 의해 초전도체 층을 구성하는 단결정 상에 초미세 나노변형을 일으키는 산화 세륨(CeO2)을 포함하는 철 칼코겐 초전도체 박막을 제작하도록 구성된다.
이를 위해, 스퍼터링타겟부(20B)는 필름(8)과, 필름(8)을 펄스 레이저의 초점부 위치를 통과하도록 이송시키는 풀기릴(7)과 되감기릴(6) 및 이송되는 필름(8)을 지지하는 보조롤러(12)들, 그리고 이송되는 필름(8)에 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 증착층인 초전도체 증착층(9a)과 산화세륨(CeO2) 증착층인 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 증착시키는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)으로 구성되는 초전도체 소재 증발원(14a)과 산화세륨(CeO2)으로 구성되는 자속고정점 소재 증발원(14b)을 포함하여 구성된다.
제어부(30)는 필름(8)의 이송 속도에 따라, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 증착층(9a)에는 펄스 레이저가 440 ~ 450 펄스 조사되고, 산화세륨(CeO2) 자속고정점 소재 증착층(9b)에는 펄스 레이저가 1~5펄스 조사되도록 필름(8)의 이송속도 및 펄스레이저광원부(10)의 레이저 조사를 제어하도록 구성된다.
이때, 진공챔버부(1)를 구성하는 케이스의 내부는 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b)을 이용하여 필름(8) 상에 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)을 형성하는 영역과, 기판(5) 상에 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)에 레이저를 조사하여 자속고정점 소재가 삽입된 초전도체 층을 스퍼터링 증착시키는 영역으로 분할 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 제3 실시례의 초전도체 박막 제작 장치(300)는 제어부(30)의 제어에 따라 먼저 필름(8)의 이송 중에 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b)을 증발시켜 필름(8) 상에 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 증착시킨다.
이후, 제어부(30)가 필름(8)의 이송 속도에 따라, 철 칼코겐(FeSexTe1-x) 초전도체 증착층(9a)에는 펄스 레이저가 440 ~ 450 펄스 조사되고, 산화세륨(CeO2) 자속고정점 소재 증착층(9b)에는 펄스 레이저가 1~5펄스 조사되도록 필름(8)의 이송속도 및 펄스레이저광원부(10)의 레이저 조사를 제어하는 것에 의해, 기판(5) 상에 산화세륨(CeO2)이 포함된 철 칼코겐 초전도 층을 반복적으로 적층 형성하는 것에 의해 자속고정점을 포함하는 초전도체 박막이 형성되며, 상술한 초전도체 박막 제작장치(200)에 의해 제작되는 초전도체 박막 또한 도 2의 구성을 가지게 된다.
이에 의해 형성된 초전도체 박막을 구성하는 초전도체 층은 내부에 산화세륨(CeO2)이 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되도록 하여 초전도체 층을 형성하는 단결정에 초미세 나노변형(nanostrained)을 유발함으로서 자속고정력을 현저히 향상시키게 된다.
이하, 도 7 내지 도 10을 참조하여 상술한 도 1, 도 3 내지 도 6의 초전도체 박막 제작 장치(100, 200, 300)에 의해 제작된 도 2의 초전도체 박막의 나노변형, 임계전류, 임계온도에서의 저항, 자속고정력 특성을 설명한다.
도 7은 결정형성을 확인하기 위한 X선 회절 그래프이다. 도 7에서 (a)는 Ce-FeSexTe1-x과 단결정들의 피크 점들을 나타내며, (b)는 주기적인 단결정의 위성피크로서 단결정 층과 층 사이의 주기적인 격자 인장 변형을 나타낸다.
상술한 도 1, 도 3 내지 도 6의 초전도체 박막 제작 장치(100, 200, 300)에 의해 제작된 도 2의 초전도체 박막은, X선 회절에 의해 확인한 결과, 도 7의 (a)와 같이 Ce-FeSexTe1-x과 단결정이 잘 형성되었고, 도 7의 (b)와 같이 단결정의 주위로 자속고정점으로 작용하는 초미세 나노변형(nanostrained)이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 초전도체 소재의 단결정 생성과 상의 균일정도를 확인하기 위한 초전도체 박막의 전자현미경 사진이다. 도 8의 (a)는 초전도체 박막의 전자현미경 사진이며, (b)는 (a)의 전자현미경 사진 내에서 나노변형된 부위를 식별하기 위해 색을 입힌 사진이고, (c)는 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 단결정 층들로 구성된 초전도체 박막의 사진이고, (d)는 (c)의 전자현미경 사진 내에서 나노변형된 부위를 식별하기 위해 색을 입힌 사진이다.
도 8의 (c) 및 (d)와 같이 FeSexTe1-x 단결정 층들로 구성된 초전도체 박막의 경우에는 나노변형이 발생하지 않았으나, (a) 및 (b)의 전자현미경 사진에서 알 수 있는 바와 같이, Ce-FeSexTe1-x 단결정 층들 사이에는 자속고정점으로 작용하는 초미세 나노변형(nanostrained)이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 초전도 임계온도에서의 저항 특성을 나타내는 그래프이다. 도 9에서 (a)는 나노변형을 가지는 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막의 임계온도에 따른 저항특성을 나타내고, (b)는 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 초전도체 박막의 임계온도에 따른 저항특성을 나타내며, (c)와 (d)는 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 초전도체 박막과 나노변형을 가지는 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막의 온도에 따른 임계자기장(Hirr, Hc2)의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하여 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 초전도체 박막과 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막의 비교결과, 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막에서 임계온도가 0.8K로 저하되었으나, 향상된 임계 자기장(Hirr, Hc2) 특성을 보임에 따라, 나노변형의 결함을 형성하는 경우에도 임계 자기장(Hirr, Hc2) 특성은 향상됨에도 불구하고, 임계온도의 저하가 1K 미만으로서 거의 발생하지 않음을 알 수 있었다.
도 10은 초전도 임계전류(Jc) 및 자속고정력(Fp)의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 10의 (a)는 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 초전도체 박막(Printine FST)의 자기장에 따른 임계 전류밀도(Jc)를 나타내는 그래프이고, (b)는 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막(nanostrained FST)의 자기장에 따른 임계 전류밀도(Jc)를 나타내는 그래프이며, (c)는 나노변형이 없는 FeSexTe1-x 초전도체 박막(Printine FST)과 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막(nanostrained FST)의 자기장에 따른 자속고정력(Fp)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 초전도체 박막(nanostrained FST)의 셀프필드 Jc 값이 3.2MA/cm2(4.2K)로 임계전류밀도를 크게 향상시켰고, 전체 자기장 영역에서의 자속고정력(Fp)이 향상되어 전체 자기장 영역에서의 성능이 향상되었음을 알 수 있었다.
본 발명의 실시례에서 상술한 기판(5)은, 초전도 선재를 제작하는 경우에는 양측에 권출롤 및 권취롤이 형성되어 일측은 초전도 선재 기판을 풀고, 타측은 초전도 선재 기판을 감도록 구성되어, 상기 초전도 선재가 스퍼터링 타켓부의 영역을 가로질러 지나면서, 철 칼코겐(Ce-FeSexTe1-x) 단결정의 증착 및 철 칼코겐(Ce-FeSexTe1-x) 단결정 상에 초미세나노변형(nanostraind)이 유발된 Ce-Ce-FeSexTe1-x 초전도체 층이 스퍼터링 증착되는 시간 동안 정지하고 이송되는 것을 반복되도록 구동시키는 것에 의해 롤 형의 초전도 선재 기판에 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 형성할 수 있도록 구성될 수 있다. 이때의 초전도 선재 기판은 릴이 적용되어 박막이 증착되는 보편적인 기판뿐만 아니라 테이프 형태의 선재 기판 등 기판의 형태에 제약되지 않는다.
상술한 본 발명의 초전도체 박막 제작장치(100, 200, 300)는 초전도체 층과 자속고정점으로 되는 자속고정점 소재의 스퍼터링 증착을 위한 레이저 펄스의 제어에 의해 자속고정점 소재의 농도를 용이하게 조절할 수 있게 되어 나노 자속고정점의 농도 조절을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
이에 따라, 나노 자속고정점의 생성을 위한 자속고정점 소재의 농도를 미세하게 조절하여 삽입시키게 되므로 초전도체 박막 내 손실을 최소화하게 된다.
또한, 단일 공정으로 초전도체 박막의 제조 중에 나노 변형을 유도하여 자속고정점을 생성할 수 있게 되므로, 나노 자속고정점의 생성을 위한 비용과 시간을 현저히 절감시킨다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시례에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시례가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 진공챔버
2: 진공펌프부, 3: 투과창
5: 기판
20, 20A, 20B: 스퍼터링타겟부
6: 되감기릴
7: 풀기릴
8: 필름
9: 증착층
9a: 초전도체 증착층, 9b: 자속고정점 소재 증착층
12: 보조롤러
10: 펄스레이저광원부
14; 증발원, 14a: 초전도체 소재 증발원, 14b: 자속고정점 소재 증발원
15: 박막
30: 제어부

Claims (11)

  1. 스퍼터링을 위한 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 펄스레이저광원부;
    초전도체 소재와 자속고정점 소재를 다중 타겟으로 구비하여, 초전도체 박막 스퍼터링증착과 자속고정점 소재 스퍼터링증착을 번갈아 수행하는 스퍼터링타겟부;
    초전도체 층의 증착과, 증착된 초전도체 층에 상기 자속고정점 소재가 산화물로 삽입되는 과정이 반복 수행되어 복수의 자속고정점을 가지는 초전도체 층이 적층된 초전도체 박막이 증착 형성되는 기판;
    상기 펄스 레이저가 투과되는 투과창이 형성되고, 상기 스퍼터링타겟부와 상기 기판이 내부에 배치되는 케이스와, 상기 케이스 내부를 진공으로 하는 진공펌프부를 포함하여 구성되는 진공챔버; 및
    상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부 및 상기 진공펌프부를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되고,
    상기 초전도체 소재는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)이고,
    상기 자속고정점 소재는 산화세륨(CeO2)이며,
    상기 산화세륨(CeO2)에 의해 나노변형된 자속고정점을 포함하는 초전도박막층은 Ce-FeSexTe1-x 층인 자속고정점을 가지고,
    상기 스퍼터링타겟부는 상기 제어부의 제어에 따라 회전하면서 초전도체 소재 증발원과 자속고정점 소재 증발원이 교대로 펄스 레이저에 조사되는 것에 의해 상기 기판에 스퍼터링 증착되도록, 상기 초전도체 소재 증발원과 상기 자속고정점 소재 증발원이 일정 각도로 이격 장착되어 회전하는 다중 타겟 캐러셀(carousel);을 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는 레이저펄스의 주기가 상기 초전도체 소재에 대하여는 440 내지 450 펄스를 조사하고, 상기 자속고정점 소재에 대하여는 1 내지 5펄스를 조사하는 것에 의해,
    상기 초전도체 층 내부에 상기 자속고정점 소재가 0.001% 내지 0.2%의 범위로 포함되도록 하여 상기 초전도체 층 단결정에 초미세 나노변형(nanostrained)이 균일하게 형성되도록 상기 펄스레이저광원부와 스퍼터링타겟부를 제어하는 것을 특징으로 하는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스레이저광원부는,
    UV 레이저 펄스를 조사하도록 구성되는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치.
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  6. 청구항 1에 있어서, 상기 스퍼터링타겟부(20A)는,
    초전도체 소재가 증착된 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재가 증착된 자속고정점 소재 증착층(9b)이 표면에 교대로 증착된 필름(8);
    상기 필름(8)을 감은 상태에서 풀어 공급하는 풀기릴(7); 및
    상기 풀기릴(7)에서 공급되는 필름(8)이 상기 펄스 레이저의 초점부를 지나 되감기는 되감기릴(6);을 포함하여 구성되고,
    상기 제어부(30)는,
    상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)이 형성된 필름(8)이 펄스 레이저의 초점부를 지나도록 이송시키고, 상기 펄스 레이저에 의해 상기 기판(5)에 반복적으로 초전도체 층의 스퍼터링 증착과 자속고정점 소재의 스퍼터링 증착을 수행하여 자속고정점 소재가 포함된 초전도체 층을 적층하는 것에 의해 초전도체 박막을 형성하도록 상기 스퍼타링타겟부(20A)와 상기 펄스레이저광원부(10)를 제어하도록 구성되는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 스퍼터링타겟부(20B)는,
    필름(8);
    상기 필름(8)을 감은 상태에서 풀어 공급하는 풀기릴(7);
    상기 풀기릴(7)에서 공급되는 필름(8)이 상기 펄스 레이저의 초점부를 지나 되감기는 되감기릴(6); 및
    상기 제어부(30)의 제어(30)에 따라, 상기 펄스 레이저의 초점부의 전단에서 기화되어 상기 필름(8) 상에 초전도체 증착층(9a)과 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 증착시키는 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b)을 포함하는 증발원(14);을 포함하여 구성되고,
    상기 제어부(30)는,
    상기 펄스레이저광원부(10)와, 상기 초전도체 소재 증발원(14a)과 자속고정점 소재 증발원(14b) 및 상기 풀기릴(7)과 되감기릴(6)을 포함하는 스퍼터링타겟부(20B)를 제어하여,
    상기 필름(8) 상에 상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)을 교대로 증착시키고,
    상기 초전도체 증착층(9a)과 상기 자속고정점 소재 증착층(9b)이 교대로 상기 기판(5)에 스퍼터링증착됨으로써, 자속고정점 소재가 삽입된 초전도체 층이 복수로 적층되어 자속고정점을 가지는 초전도체 박막을 형성하도록 구성되는 자속고정점을 가지는 초전도체 박막 제작 장치.
  8. 펄스 레이저를 이용하여 기판에 초전도체 소재를 증착하여 초전도체 층을 증착형성하고,
    상기 초전도체 층에 자속고정점 소재를 증착에 의해 삽입시켜 상기 초전도체 층 단결정에 나노변형을 유발하여 자속고정점을 생성하고,
    상기 초전도체 층을 증착 형성하는 과정과 상기 자속고정점 소재를 증착에 의해 상기 초전도층에 삽입하여 나노변형을 유발하는 것에 의해 자속고정점을 생성하는 과정을 기 설정된 횟수로 반복 수행하여 자속고정점 소재가 삽입된 초전도체 층을 복수 적층하는 것에 의해 형성되는 자속고정점을 가지되,
    상기 초전도체 소재는 철 칼코겐(FeSexTe1-x)이고,
    상기 자속고정점 소재는 산화세륨(CeO2)이며,
    상기 자속고정점을 가지는 초전도체 박막은 산화세륨(CeO2)이 자속고정점으로 삽입되어 철 칼코겐 단결정에 나노변형이 유발된 Ce-FeSexTe1-x 층이 복수로 적층 형성된 것이고,
    상기 자속고정점을 생성하는 과정에 있어서 상기 기 설정된 횟수는, 레이저펄스의 주기가 상기 초전도체 소재에 대하여는 440 내지 450 펄스를 조사하고, 상기 자속고정점 소재에 대하여는 1 내지 5펄스를 조사하는 것이고,
    이에 따라 상기 초전도체 층 내부에 상기 자속고정점 소재가 0.001% ~ 0.2% 이하의 범위로 포함되고, 상기 초전도체 층 단결정에 초미세 나노변형(nanostrained)이 균일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도체 박막.
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