KR20080041665A - 와이비씨오 코팅에 있어 고 임계전류밀도를 갖는 구조 - Google Patents
와이비씨오 코팅에 있어 고 임계전류밀도를 갖는 구조 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초전도체 막 구조의 임계전류 용량의 개선 및 이의 이용에 관한 것이다. 즉, CeO2 등과 같은 금속산화물 물질의 박막층에 의하여 각각의 고온 바륨-구리산화 층이 분리되는 다층 고온 바륨-구리 산화물 구조가 제공된다.
Description
본 발명은 초전도체 테이프(superconductive film tapes)에 있어 고 임계전류밀도(high critical current density)를 얻기 위한 혼합 구조에 관한 것이다. 이러한 혼합 구조는 고 임계전류 초전도체 테이프를 위한 다층 구조 또는 구성을 포함한다.
초기 개발 이후로, 전도체 코팅(coated conductor)에 관한 연구는 전기용량(capacity)을 전달하는 전체적인 임계전류(critical current)를 증가시키는 동시에, 물질의 길이를 증가시키도록 제조하는 것에 초점이 맞춰져 왔다. 전도체 코팅에 이용된 기술이 무엇이든 간에, 금속 기판에 대해 높은 초전류 전달 능력(high supercurrent carrying capability)을 갖는, YBa2Cu3O7 -x(YBCO)와 같이, 잘 구성된 초전도체 후막(superconducting thick film)을 얻고자 하는 목적은 여전히 남아 있다. 전도체 코팅에 초전도체 후막을 이용하는 것은 논리적인 것으로 보여지는데, 이는 총 임계전류(total critical current) 및 공학 임계전류밀도(engineering critical current density, 총 임계전류와 테이프의 단면 영역의 비율로 정의됨) 모두가 초전도체 막의 두께와 직접적인 관련이 있기 때문이다.
YBCO 막의 임계전류밀도는, 단일결정웨이퍼(single crystal wafers) 또는 다결정 니켈 기반의 합금 기판(polycrystalline nickel-based alloy substrates)에 대한 막 두께의 작용이라는 점이 알려져 있다(Foltyn et al., Appl. Phys. Lett., 63, 1848-1850, 1993 참조). YBCO 막의 두께가 약 100 내지 약 400 나노미터(nm)의 범위에 있을 때, 보다 높은 임계전류밀도가 얻어진다. 반면에, YBCO 막의 두께가 증가하면, 임계전류밀도는 감소하는 경향이 있다. 다결정 금속 기판에 대한 YBCO의 임계전류밀도가 보다 낮은데, 이는 주로 YBCO 막의 평면 구성의 질이 보다 낮기 때문이다. 통상의 공정 조건에서 금속 기판에 약 2㎛ 이상 YBCO 물질을 더 추가하는 시도는, 전기용량을 전달하는 전체적인 초전류에 도움이 되지 않는다는 점이 알려져 있다.
미국 특허 제6,383,989호에 따르면, YBCO 후막의 Jc는, 교호적인 YBCO 층과 세륨산화물(cerium oxide)과 같은 절연체 물질 또는 사마륨-BCO(samarium-BCO)와 같은 또 다른 초전도체 물질의 중간층을 포함하는 다층 구조를 이용함으로써, 개선될 수 있다. 이와 같은 중간체 물질들은 Jc 값을 증가시키는 데는 도움이 되었지만(App. Phys. Lett., 2002 80, pp. 1601-1603 참조), Ic 값은 수 백 A/cm-width를 넘지 못하였다. 더 나아가, Jc 값의 개선은 단일 YBCO 막에서는 찾아볼 수 없는 다층구조의 특징인 막 평탄 효과(film smoothing effect)에 기인한 것이라는 점이 판명되었다. 결과적으로, 그 당시 사용된 거친 기판을 평탄하게 할 필요가 있다는 점 이 판명되었다. 보다 평탄한 기판의 개발(미국 특허출원 제10/624,350호, "High Current Density Electropolishing in the Preparation of Highly Smooth Substrate Tapes for Coated Conductors" by Kreiscott et al.)은 이와 같은 다층 구조의 평탄 효과의 필요성을 충족시켜 주었다. 미국 특허 제6,383,989호에 개시된 다층 구조의 또 다른 요인은, 전류가 막의 z 방향, 즉 세륨산화물과 YBCO의 다층 구조를 가로질러 흐르지 않았다는 점이다. 이로 인하여, 세륨산화물에 의해 분리된 서로 다른 YBCO 층의 전류 측정이 가능하도록 패터닝 공정(patterning process)를 적용할 필요가 있었다.
초전도체 테이프의 제조에 관한 근래의 발전에도 불구하고, 임계전류 특성에 관한 계속적인 개선이 필요하다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 아울러 본 출원에서 광범위하게 기재하고 구체화한 본 발명의 목적에 따라, 본 발명은, 단일결정기판, 비결정기판 및 다결정기판으로 이루어지고, 상부에 적어도 하나의 배향층(oriented layer)을 갖는 기판; 및 상기 적어도 하나의 배향층 상부에 마련되는 다층 초전도체 구조를 포함하고, 상기 다층 초전도체 구조는 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을 포함하며, 각각의 층은 약 100nm 내지 약 1000nm의 두께를 가지며, 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층의 쌍은 각각 전기적 전도성 금속산화물 물질 층에 의하여 분리되며, 상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 화학적 및 구조적인 호환성을 가지며, 상기 금속산화물 물질 층은 약 3nm 내지 약 60nm의 두께를 가지며, 이에 따라 다층 초전도체 구조를 관통하여 z-방향으로 전기적 접촉이 존재하며, 상기 다층 초전도체 구조는 적어도 1.0microns의 고온 초전도체 물질 층의 총 두께와 500A/cm-width(센티미터-폭 당 암페어) 이상의 Ic 값을 갖는 것을 특징으로 하는 물품(article)을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층 사이의 전기적 전도성 금속산화물 물질은 세륨산화물이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 적어도 하나의 배향층에 직접 접촉되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층은 약 400nm 내지 약 800nm의 두께를 갖고, 상기 적어도 하나의 배향층에 직접 접촉되지 않는 후속되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층은 약 100nm 내지 약 400nm의 두께를 갖는다.
본 발명의 또 다른 분야에 따라, 본 발명은, 적어도 1.0microns의 고온 초전도체 물질 층의 총 두께와 500A/cm-width(센티미터-폭 당 암페어) 이상의 Ic 값을 갖고, 단일결정기판, 비결정기판 및 다결정기판으로 구성된 군에서 선택되어 진 기판을 포함하고, 상기 기판은 상부에 적어도 하나의 배향층을 갖고 상기 적어도 하나의 배향층 상부에는 다층 초전도체 구조가 마련되고, 상기 다층 초전도체 구조는 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을 포함하고, 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층의 쌍은 각각 전기적 전도성 금속산화물 물질 층에 의하여 분리되고, 상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 화학적 및 구조적인 호환성을 갖는 고온 초전도체 물품을 제조하는 방법에 있어서, 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을, 그 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 기판의 배향층에 증착하는 단계; 전기적 전도성 금속산화물 층을, 그 두께가 약 3nm 내지 약 100nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 고온 초전도체 물질의 첫 번째 층에 증착하는 단계; 후속되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을, 그 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 전도성 금속산화물 층에 증착하는 단계; 및 세륨산화물과 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질의 적어도 한 쌍의 추가 층을, 추가 쌍의 세륨산화물 층이 이전에 증착된 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층과 추가 쌍의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층 사이에 위치하도록 하고, 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질의 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하고 전기적 전도성 금속산화물의 두께가 약 3nm 내지 약 100nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 후속되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층에 증착하는 단계를 포함하고, 이에 의하여, 상기 고온 초전도체 물품의 결과물이, 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 전기적 전도성 금속산화물을 약 770℃ 또는 그 이상에서 증착하여 얻어지는 Ic 값보다 개선된, 500A/cm-width 이상의 Ic 값을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도체 물품을 제조하는 방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 다층 YBCO 막의 일반적인 구조를 도시한 간략도이며,
도 2는, 막 두께에 대한 단일 층 YBCO 막의 전기용량을 전달하는 전류(임계전류 및 전류밀도)를 도시한 그래프이며,
도 3은, 임계전류밀도 대 YBCO와 CeO2의 총 두께 사이의 관계를 도시한 그래프이다(단일 YBCO층(원); 세륨산화물 중간층에 의해 분리된 네 개의 YBCO 층(다이아몬드); 세륨산화물 중간층에 의해 분리된 여섯 개의 YBCO 층(정사각형), 각각 75.4K에 측정된 IBAD-MgO-Ni 합금 기판에 증착).
본 발명은 고온 초전도체 와이어 또는 테이프(high temperature superconducting wire or tape) 및 이를 구성하는 고온 초전도체 막(high temperature superconducting films)의 이용에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 초전도체 물질은 일반적으로 바륨구리산화물(barium copper oxide) 고온 초전도체를 의미한다. 고온 바륨구리산화물 초전도체를 구성하는 수많은 희토류 금속(rare earth metals), 가령 사마륨(samarium), 디스프로슘(dysprosium), 에르븀(erbium), 네오디뮴(neodymium), 유로퓸(europium), 홀뮴(holmium), 이테르븀(ytterbium), 및 가돌리늄(gadolinium)을 포함하는 희토륨 금속이 알려져 있다. 이르륨(yttrium)은 고온 바륨구리산화물 초전도체(YBCO), 가령 YBa2Cu3O7 -δ, Y2Ba4Cu7O14 +x, 또는 YBa2Cu4O8을 구성하는 바람직한 금속이며, 다른 변형물질들 또한 이용될 수 있다. 이트륨과 다른 희토류 금속의 조합도 고온 바륨구리산화물 초전도체로 이용될 수 있다. 비스무트(bismuth)와 탈륨(thallium) 기반의 초전도체 물질과 같은 다른 초전도체 물질이 간혹 이용될 수도 있다. YBa2Cu3O7 -δ이 초전도체 물질로서 바람직하다.
선택된 미립자 물질들을 고온 초전도체 물질에 첨가함으로써, 플럭스 피이닝(flux pinning) 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 미립자 물질들로는 바륨지르콘산염(barium zirconate), 이트륨바륨지르콘산염(yttrium barium zirconate), 이트륨산화물(yttrium oxide) 등이 될 수 있다. 미립자 물질은 장축의 치수가 약 5나노미터 내지 약 100나노미터의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 일반적으로 약 1 내지 약 20중량퍼센트의 양으로 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고온 초전도체 막에서 기판은 가령 어떠한 비결정 물질 또는 다결정 물질이 될 수 있다. 다결정 물질은 금속 또는 세라믹과 같은 물질을 포함할 수 있다. 이러한 세라믹은 가령 다결정 알루미늄산화물(aluminum oxide) 또는 다결정 지르코늄산화물(zirconium oxide)과 같은 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기판은 니켈, 구리 등과 같은 다결정 금속일 수 있다. 다양한 Hastalloy 금속과 같은 니켈이 포함된 합금은 구리, 바나듐(vanadium), 및 크롬(chromium)이 포함된 합금과 마찬가지로 기판으로서 유용하다. 초전도체 물질이 증착되는 금속 기판은 결과물이 구부러지기 쉽도록 마련되는 것이 바람직하며, 이에 따라 초전도체 제품(가령, 코일, 모터, 또는 자석)의 형상을 만들 수 있다. rolling assisted biaxially textured substrates(RABiTS)와 같은 다른 기판 또한 이용될 수 있음은 물론이다.
전기용량을 전달하는 전류의 측정값이 "임계전류(critical current)"이며, Ic로 표시하고, 단위는 암페어(A)이다. "임계전류밀도(critical current density)"는 Jc로 표시하고, 단위는 제곱센티미터 당 암페어(A/cm2)이다. 폭을 통일한 값으로서, Ic는 센티미터-폭 당 암페어(A/cm-width)로 나타낼 수 있으며, 폭은 초전도체 물질의 치수를 참조한 것이다. 이와 같은 방식으로, 산출된 값은 서로 다른 표본 사이에서 보다 의미있게 비교될 수 있다.
본 발명은 코팅된 전도체에서 YBCO 막의 총 전류전달능력을 향상시키는 것에 관한 것이다. 본 발명에서는, 막 두께가 증가함에 따라 임계전류가 선형적으로 증가하지 않는 전도체 코팅에 이용된 단일층 막의 한계를 해소하도록, 다층 구조를 이용한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 제공하여, YBCO 막의 총 전류전달능력을 향상시키는 것이다. 연속되는 초전도체 층(가령, YBCO 층) 사이의 중간층으로서, 전기적으로 전도성인 금속 산화 물질이 이용된다. 이와 같은 과정이 필요 또는 바람직한 횟수만큼 반복된다. 이와 같은 다층 구조는 보다 많은 표면적을 제공하여, 표면 피이닝(surface pinning)이 초전도체 막의 임계전류를 증가시키데 추가적인 역할을 담당할 수 있도록 한다. 중간층으로 이용되는 금속 산화 물질은 화학적 및 구조적으로 YBCO와 호환될 수 있어야 하며, 본 발명에서 사용되는 두께에서 전기적 전도성을 가져야 한다. 금속 산화 물질은 일반적으로, 가령 세륨산화 물(cerium oxide, CeO2), 이트륨산화물(yttrium oxide, Y2O3), 스트론튬티탄산염(strontium titanate, SrTiO3), 스트론튬루테늄산화물(strontium ruthenium oxide, SrRuO3), 하프늄산화물(hafnium oxide, HfO2), 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 마그네슘산화물(magnesium oxide, MgO), 니켈산화물(nickel oxide), 사마륨산화물(samarium oxide), 유로퓸산화물(europium oxide), 란탄알루미늄산화물(lanthanum aluminum oxide, LaAlO3), 란탄스트론튬코발트산화물(lanthanum strontium cobalt oxide, La0 .5Sr0 .5CoO3), 네오디뮴구리산화물(neodymium copper oxide), 카드뮴구리산화물(cadmium copper oxide), 유로퓸구리산화물(europium copper oxide), 및 네오디뮴가돌리늄산화물(neodymium gadolinium oxide, NdGaO3)로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 금속 산화 물질은 CeO2, Y2O3, SrRuO3, 또는 SrTiO3이며, 보다 바람직하게는, 금속 산화 물질은 CeO2이다.
금속산화물 층의 두께는, 일반적으로 약 3나노미터(nm) 내지 약 60nm이며, 보다 바람직하게는 약 5nm 내지 약 60nm이며, 가장 바람직하게는 약 5nm 내지 40nm이다. 금속산화물 층의 두께는, 층의 상부로부터 하부로, 즉 다층 초전도체 구조를 관통하여 z-방향으로 전류가 흐를 수 있도록 마련되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 전체 막 두께에 걸쳐 전기적 연결을 얻기 위해 여러 층을 패터닝(patterning)할 필요가 없다.
각각의 YBCO 층은, 일반적으로 약 100nm(0.1㎛) 내지 약 1000nm(1㎛)의 두께를 가지며, 보다 바람직하는 약 100nm(0.1㎛) 내지 약 600nm(0.6㎛)의 두께를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 첫 번째 YBCO 층의 두께는 이후의 YBCO 층보다 두껍게 증착될 수 있다. 가령, 첫 번째 YBCO 층은 약 400nm(0.4㎛) 내지 약 800nm(0.8㎛)의 두께로 증착될 수 있으며, 이후의 YBCO 층은 100nm(0.1㎛) 내지 약 400nm(0.4㎛)의 두께로 증착될 수 있다. 보다 얇은 YBCO 층을 다층 구조에 추가함으로써 일반으로 보다 우수한 Ic 및 Jc 값을 얻을 수 있다.
다층 막의 총 두께는, 약 1㎛ 이상이며, 바람직하게는 약 1.5㎛ 이상이며, 보다 바람직하게는 약 3㎛ 이상이다. 두께는 요구되는 한 높은 범위, 가령 약 10㎛ 이상이 될 수도 있으나, 일반적으로 약 2㎛ 내지 약 5㎛의 범위이다. 다층 구조의 서로 다른 층은 선택된 용도에 따라 서로 다른 두께를 가질 수도 있다.
고온 초전도체 바륨-구리산화물의 여러 화합물이 서로 다른 층에 이용될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 고온 초전도체 바륨-구리 산화물은 일반적으로 이트륨 또는 사마륨, 디스프로슘, 에르븀, 네오디뮴, 유로퓸, 홀뮴, 이테르븀, 및 가돌리늄과 같이 주기율표에서 선택된 희토류 금속을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 고온 초전도체 바륨-구리산화물은 이트륨 및 하나 이상의 희토륨 금속을 포함하거나, 또는 둘 이상의 희토류 금속을 포함할 수 있다. 이트륨은 잘 알려진 YBCO를 형성하는데 있어 고온 초전도체 바륨-구리 산화물에 바람직한 금속이다.
다층 YBCO 막은, 이온빔증착(ion beam assisted deposition)에 의해 증착되 는 MgO(IBAD-MgO)를 주형으로 이용하여, 다결정 Ni-합금에 증착되어 왔다. IBAD-YSZ 또한 주형으로 이용될 수 있다. 다층 YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO 구조는 IBAD-MgO/Ni-합금 기판에 증착되었으며, YBCO 층의 두께는 약 0.75㎛이었고, CeO2 층의 두께는 약 50nm이었다. 또 다른 YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO 구조는 IBAD-MgO/Ni-합금 기판에 증착되었으며, YBCO 층의 두께는 약 0.55㎛이었고, CeO2 층의 두께는 약 40nm이었다. 두 가지 경우 모두에 있어서, 전류는 다층 구조를 가로질러 또는 관통하여 z-방향으로 측정될 수 있다.
YBCO 층은, 가령 펄스레이저증착(pulsed laser deposition)에 의하여, 또는 coevaporation, e-beam evaporation, 및 activated reactive evaporation을 포함하는 진공증착, magnetron sputtering, ion beam sputtering, 및 ion assisted sputtering을 포함하는 스퍼터링(sputtering), cathodic arc deposition, chemical vapor deposition, organometallic chemicl vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, a sol-gel process, a solution process, 및 liquid phase epitaxy와 같은 방법에 의하여 증착될 수 있다. 몇몇 증착 기술은 원하는 초전도성을 얻기 위하여 증착 후 풀림(anneal) 공정이 필요하다.
펄스레이저증착에 있어서, 증착될 재료의 가루를 고압, 일반적으로 약 1000PSI(pounds per square inch, 제곱인치 당 파운드) 이상에서, 디스크 또는 펠 렛(pellet)에 압축하고, 압축된 디스크를 약 950℃에서 적어도 약 1시간동안, 바람직하게는 약 12 내지 24시간동안, 산소 기체 또는 산소-포함 기체에서 소결(sinter)시킨다. 펄스레이저증착에 적합한 장치가 Appl. Phys. Lett. 56, 578 (1990), "Effects of Beam Parameters on Excimer Laser Deposition of YBa2Cu3O7 -δ"에 개시되어 있다.
펄스레이저증착에 적합한 조건에는, 가령 엑시머 레이저(excimer laser, 20나노초(ns), 248 또는 308나노미터(nm))와 같은 레이저가 포함되며, 엑시머 레이저는 약 45°의 입사각도로 목표 물질의 회전하는 펠렛에 맞춰진다. 기판은 약 0.5rpm으로 회전하는 가열된 홀더에 장착되어, 결과물의 막 또는 코팅의 두께에 편차가 발생하는 것을 최소화할 수 있다. 기판은 증착 공정 중에, YBCO가 초전도체 물질일 경우 약 600℃ 내지 약 950℃의 온도로 가열될 수 있으며, 바람직하게는 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도로 가열된다. 증착 챔버 내부는 증착 공정 중에, 약 0.1밀리토르(mTorr) 내지 약 10토르(Torr), 바람직하게는 약 100 내지 약 250mTorr의 산소 기체가 유지될 수 있다. 기판과 펠렛 사이의 거리는 약 4cm 내지 약 10cm일 수 있다. 놀랍게도, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서 다층 초전도체 구조를 증착하는 것이, 단일결정기판에 대하여 Jc 값이 감소하는 약 775℃ 이상과 같이 보다 높은 고온에서 증착을 하는 것에 비하여 우수한 결과를 나타낸다는 점이 알려져 있다.
막의 증착 비율은, 레이저 반복율(laser repetition rate)을 약 0.1Hz(헤르 츠) 내지 약 200Hz로 변화시킴으로써, 약 0.1A/s(초당 옹스트롬) 내지 약 200A/s로 변화시킬 수 있다. 일반적으로, 레이저는 약 1 내지 4J/cm2의 평균 에너지밀도를 갖는 약 1mm X 약 4mm의 크기일 수 있다. 증착 공정 후에, 막은 일반적으로 상온 및 약 100Torr 이상의 산소 기체 내에서 냉각된다.
후술하는 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이는 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니며, 수많은 수정 및 변형이 가능하다는 것이 당업자에게 자명할 것이다.
실험예 1 (HW 219)
4개의 YBCO 층과 3개의 세륨산화물(CeO2) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO)를, 통상적인 처리 조건, 즉 약 700℃의 기판 온도(Jia et al., Physica C, v. 228, pp. 160-164, 1994 참조) 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 니켈 금속 기판에 증착하였다. 니켈 금속 기판은, 니켈 상에 알루미늄산화물(Al2O3) 층, Al2O3 상에 이트륨산화물(Y2O3) 층, 이온빔증착(IBAD)에 의하여 Y2O3 상에 증착된 마그네슘산화물(MgO) 층, IBAD MgO 상에 마그네슘산화물의 호모에피텍셜(homoepitaxial) 층, 및 MgO의 버퍼층으로서 스트론튬티탄산염(strontium titanate) 층을 포함한다. 전체 YBCO의 두께 약 3.0㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.75㎛이었다. 각각의 CeO2 층의 두께는 약 30nm이었다. 측정 된 Jc 값은 약 2.5MA/cm2이었다.
실험예 2 (HW 162)
4개의 YBCO 층과 3개의 세륨산화물(CeO2) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO)를, 통상적인 처리 조건 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 니켈 금속 기판에 증착하였다. 니켈 금속 기판은, 니켈 상에 알루미늄산화물(Al2O3) 층, Al2O3 상에 이트륨산화물(Y2O3) 층, 이온빔증착(IBAD)에 의하여 Y2O3 상에 증착된 마그네슘산화물(MgO) 층, IBAD MgO 상에 마그네슘산화물의 호모에피텍셜(homoepitaxial) 층, 및 MgO의 버퍼층으로서 스트론튬티탄산염(strontium titanate) 층을 포함한다. 전체 YBCO/Y2O3의 두께 약 2.5㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.60㎛이었다. 각각의 CeO2 층의 두께는 약 30nm이었다. 측정된 Jc 값은 약 3.2MA/cm2이었다.
실험예 3 (HW 370)
4개의 YBCO 층과 3개의 세륨산화물(CeO2) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO)를, 약 760℃의 기판 온도를 적용하였다는 점을 제외하고는 통상적인 처리 조건 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 단일결정 MgO 기판에 증착하였다. 단일결정 MgO 기판은, MgO의 버퍼층으로서 스트론튬티탄산 염(strontium titanate) 층을 포함한다. 전체 YBCO의 두께 약 2.2㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.55㎛이었다. 각각의 CeO2 층의 두께는 약 30nm이었다. 측정된 Jc 값은 약 4.0MA/cm2이었다.
실험예 4 (HW 372)
4개의 YBCO 층과 3개의 이트륨산화물(Y2O3) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/Y2O3/YBCO/Y2O3/YBCO/Y2O3/YBCO)를, 약 760℃의 기판 온도를 적용하였다는 점을 제외하고는 통상적인 처리 조건 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 단일결정 MgO 기판에 증착하였다. 단일결정 MgO 기판은, MgO의 버퍼층으로서 스트론튬티탄산염(strontium titanate) 층을 포함한다. 전체 YBCO/Y2O3의 두께 약 2.5㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.60㎛이었다. 각각의 Y2O3의 두께는 약 30nm이었다. 측정된 Jc 값은 약 3.5MA/cm2이었다.
실험예 5 (HW 310)
6개의 YBCO 층과 5개의 세륨산화물(CeO2) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO/CeO2/YBCO)를, 통상적인 처리 조건(Jia et al., Physica C, v. 228, pp. 160-164, 1994 참조) 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 니켈 금속 기판에 증착하였다. 니켈 금속 기판은, 니켈 상에 알루미 늄산화물(Al2O3) 층, Al2O3 상에 이트륨산화물(Y2O3) 층, 이온빔증착(IBAD)에 의하여 Y2O3 상에 증착된 마그네슘산화물(MgO) 층, 및 IBAD MgO 상에 마그네슘산화물의 호모에피텍셜(homoepitaxial) 층을 포함한다. 전체 YBCO의 두께 약 3.3㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.55㎛이었다. 각각의 CeO2 층의 두께는 약 40nm이었다. YBCO/세륨 다층의 전체 두께는 약 3.5㎛이었다. 측정된 Jc 값은 약 4.0MA/cm2이었다. Ic 값은 약 1400A/cm-width로 산출되었다.
비교를 위하여, 약 3.7㎛의 두께를 갖도록 단일의 YBCO 층을 유사한 기판에 증착하였으며, 이 경우에 Jc 값은 약 1.3MA/cm2으로 측정되었다. 따라서, 단일층은 다층 구조에 비하여 약 1/3 정도의 임계전류만을 전달하였다.
실험예 6 (HW 335-339)
2개의 YBCO 층과 두께를 달리하는 1개의 세륨산화물(CeO2) 중간층을 포함하는 다층 구조(YBCO/CeO2/YBCO)를, 통상적인 처리 조건 하에 펄스레이저증착을 이용하여, 단일결정 MgO 기판에 증착하였다. 단일결정 MgO 기판은, MgO의 버퍼층으로서 스트론튬티탄산염(strontium titanate) 층을 포함한다. 전체 YBCO/CeO2 의 두께 약 1.2㎛에 대한 각각의 YBCO 층의 두께는 약 0.60㎛이었다. CeO2 층의 두께는 약 5nm 내지 50nm로 변화시켜 적용하였다. 측정된 Jc 값을 아래의 표 1에 나타내었다.박막 의 세륨산화물이 우수한 Jc 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
| CeO2 두께 (nm) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
| Jc(MA/cm2) | 3.0 | 2.9 | 3.6 | 3.3 | 3.5 | 2.9 |
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
Claims (20)
- 단일결정기판, 비결정기판 및 다결정기판으로 구성된 군에서 선택하고, 상부에 적어도 하나의 배향층(oriented layer)을 갖는 기판; 및상기 적어도 하나의 배향층 상부에 마련되는 다층 초전도체 구조를 포함하고,상기 다층 초전도체 구조는 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을 포함하며, 각각의 층은 약 100nm 내지 약 1000nm의 두께를 가지며, 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층의 쌍은 각각 전기적 전도성 금속산화물 물질 층에 의하여 분리되며, 상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 화학적 및 구조적인 호환성을 가지며, 상기 금속산화물 물질 층은 약 3nm 내지 약 60nm의 두께를 가지며, 이에 따라 다층 초전도체 구조를 관통하여 z-방향으로 전기적 접촉이 존재하며, 상기 다층 초전도체 구조는 적어도 1.0microns의 고온 초전도체 물질 층의 총 두께와 500A/cm-width(센티미터-폭 당 암페어) 이상의 Ic 값을 갖는 것을 특징으로 하는 물품(article).
- 제1항에 있어서,상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은, 세륨산화물, 이트륨산화물, 스트론튬티탄산염, 하프늄산화물, 이트리아-안정화 지르코니아, 마그네슘산화물, 니켈산 화물, 유로퓸산화물, 사마륨산화물, 네오디뮴구리산화물, 카드뮴구리산화물, 및 유로퓸구리산화물로 구성된 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질은, 희토류 바륨-구리산화물인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은, 약 5nm 내지 약 50nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 기판은, 비결정기판 또는 다결정기판이고, 상기 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층으로부터 (선택한) 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층이 약 400nm 내지 약 800nm의 두께를 갖고 상기 기판에 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제5항에 있어서,상기 기판에 직접 접촉되지 않는 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층은, 약 100nm 내지 약 600nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은, 세륨산화물인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 다층 초전도체 구조는, 적어도 세 개의 고온 초전도체 물질 층을 포함하고 각각의 상기 층은 약 100nm 내지 약 600nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 다층 초전도체 구조는, 적어도 네 개의 고온 초전도체 물질 층을 포함하고 각각의 상기 층은 약 100nm 내지 약 600nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제8항에 있어서,상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은, 세륨산화물이고 각각의 전기적 전도성 세륨산화물 층은 약 5nm 내지 50nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 다층 초전도체 구조는, 적어도 3.0microns의 고온 초전도체 물질 층의 총 두께와 1000A/cm-width(센티미터-폭 당 암페어) 이상의 Ic 값을 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제3항에 있어서,상기 희토류 바륨-구리산화물은, 이트륨바륨구리산화물인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제3항에 있어서,상기 희토류 바륨-구리산화물은, 이트륨사마륨바륨구리산화물인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 두 개의 고온 초전도체 물질 층은, 희토류 바륨-구리 산화물의 다양한 합성물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 고온 초전도체 물질 층은, 플럭스 피이닝 미립자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제12항에 있어서,상기 이트륨바륨구리산화물은, 플럭스 피이닝 미립자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
- 제15항에 있어서,상기 플럭스 피이닝 미립자는, 바륨지르콘산염의 나노미립자인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제16항에 있어서,상기 플럭스 피이닝 미립자는, 바륨지르콘산염의 나노미립자인 것을 특징으로 하는 물품.
- 제1항에 있어서,상기 기판은, 단일결정기판이고, 상기 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층으로부터 (선택한) 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층이 약 100nm 내지 약 600nm의 두께를 갖고 상기 기판에 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 물품.
- 적어도 1.0microns의 고온 초전도체 물질 층의 총 두께와 500A/cm-width(센 티미터-폭 당 암페어) 이상의 Ic 값을 갖고, 단일결정기판, 비결정기판 및 다결정기판으로 구성된 군에서 선택되어 진 기판을 포함하고, 상기 기판은 상부에 적어도 하나의 배향층을 갖고 상기 적어도 하나의 배향층 상부에는 다층 초전도체 구조가 마련되고, 상기 다층 초전도체 구조는 적어도 두 개의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을 포함하고, 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층의 쌍은 각각 전기적 전도성 금속산화물 물질 층에 의하여 분리되고, 상기 전기적 전도성 금속산화물 물질은 상기 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 화학적 및 구조적인 호환성을 갖는 고온 초전도체 물품을 제조하는 방법에 있어서,고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을, 그 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 기판의 배향층에 증착하는 단계;전기적 전도성 금속산화물 층을, 그 두께가 약 3nm 내지 약 100nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 고온 초전도체 물질의 첫 번째 층에 증착하는 단계;후속되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층을, 그 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 전도성 금속산화물 층에 증착하는 단계; 및세륨산화물과 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질의 적어도 한 쌍의 추가 층을, 추가 쌍의 세륨산화물 층이 이전에 증착된 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층과 추가 쌍의 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층 사이에 위치하도록 하고, 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질의 두께가 약 100nm 내지 약 1000nm가 되도록 하고 전기적 전도성 금속산화물의 두께가 약 3nm 내지 약 100nm가 되도록 하여, 약 740℃ 내지 약 765℃의 온도에서, 상기 후속되는 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질 층에 증착하는 단계를 포함하고,이에 의하여, 상기 고온 초전도체 물품의 결과물이, 고온 바륨-구리산화물 초전도체 물질과 전기적 전도성 금속산화물을 약 770℃ 또는 그 이상에서 증착하여 얻어지는 Ic 값보다 개선된, 500A/cm-width 이상의 Ic 값을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도체 물품을 제조하는 방법.
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