KR20100038460A

KR20100038460A - 증대된 높은 자기장 특성을 갖는 초전도체, 이를 제조하는 방법, 및 이를 포함하는 자기공명영상 장치

Info

Publication number: KR20100038460A
Application number: KR1020107004485A
Authority: KR
Inventors: 김용진
Original assignee: 김용진
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-04-14
Also published as: WO2009017370A2; US7791343B2; KR101092345B1; EP2173247A4; EP2173247A2; JP5792462B2; JP2010535414A; CN101765399A; CN101765399B; US8390293B2; US20090033330A1; WO2009017370A3; EP2173247B1; JP2014179326A; US20100285966A1

Abstract

본 명세서에서 예시적으로 기술한 초전도체는, 초전도 재료를 포함하고, 이 초전도 재료는 그 내부에 형성된 자성 불순물과 비자성 장애를 포함한다. 본 명세서에서 기술한 초전도체는 자석 용도 및 송전에 사용하는데 적합하다.

Description

증대된 높은 자기장 특성을 갖는 초전도체, 이를 제조하는 방법, 및 이를 포함하는 자기공명영상 장치{SUPERCONDUCTOR WITH ENHANCED HIGH MAGNETIC FIELD PROPERTIES, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND MRI APPARATUS COMPRISING THE SAME}

본 발명의 실시예는 대략적으로 초전도체 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명의 실시예는 높은 자기장 특성을 갖는 초전도체, 및 초전도체의 높은 자기장 특성을 증대하는 방법에 관한 것이다.

현재는 높은 자기장의 자석을 제조하기 위해 Nb-Ti합금과 NbSn₃을 주로 사용한다. 최근에 발견된 39K 초전도체 MgB₂는 자석용으로서 큰 가능성을 갖고 있으며, 이에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다(C.Buzea와 T.Yamashita에 의한 "MgB₂의 초전도 특성의 개관"(Supercond.Sci.Technol.15, R115-R146(2001)을 참조). 송전(power transmission)을 위해, 높은 Tc의 큐프레이트(cuprates)로 만들어진 초전도 케이블이 개발 중에 있다(W.Buckel과 R.Kleiner에 의한 "초전도성"(Wiley-VCH, Weinheim(2004) p.382를 참조).

자석 용도 및 송전을 위해서, 초전도 재료는 강한 보텍스 핀닝(vortex pinning) 또는 플럭스 핀닝(flux pinning)에 기인하여, 높은 자기장에서 높은 임계 전류밀도(critical current density)를 가져야 한다. Nb-Ti합금과 NbSn₃는 양호한 핀닝(pinning) 특성을 보인다. 그럼에도 불구하고, 가속기 용도와 같은 특별한 과학적인 응용을 위해서, 이들 재료의 높은 자기장 특성을 더욱 증대시킬 필요가 있다. 더욱이, 20K 근처에서 사용할 수 있는 MgB₂는 양호한 핀닝 특성을 보이지 않는다.

불순물(impurities), 기둥형 결함(columnar defects), 인공 핀(artificial pins), 및 나노 입자(nano-particles)를 부가하고, 기계적 합금(mechanical alloying)을 행하고, 결정 입계(grain boundaries)와 침전물(precipitates)을 도입하고, 방사 데미지(radiation damage)를 적용함으로써, 초전도 재료의 핀닝 특성을 증대시킬 수 있다(W. Buckel과 R. Kleiner에 의한 "초전도성"(Wiley-VCH, Weinheim(2004) p.282를 참조). 샘플의 제조 조건을 변경하는 것 역시 장애(disorder)를 야기하며, 높은 자기 특성의 증대를 가져온다. 이들 방법은 기본적으로, 임계 온도(Tc)를 크게 감소시키지 않으면서, 초전도체 내에 플럭스 핀닝 센터(flux pinning center)를 유도한다. 일반적으로 장애에 의해 생긴 보텍스 핀닝에 대한 신뢰할만한 미시적 이론이 존재하지 않기 때문에, 대부분의 진보는 시행착오를 거쳐 경험적으로 이루어져 왔다(W.Buckel과 R.Kleiner에 의한 "초전도성"(Wiley-VCH, Weinheim (2004) p.284를 참조).

물리적인 관점에서 보면, 상기 핀닝 센터(pinning center)는 필수적으로 전기 전위 변동(electric potential fluctuations)을 생성하여, 전자 밀도 변동(electron density fluctuations)을 초래한다. 전자-포논 상호작용(electron-phonon interaction), 즉 초전도성의 유도력이 전자 밀도의 상관관계(electron density correlations)를 돕기 때문에(Mi-Ae Park 및 Yong-Jihn Kim의 "방사 데미지에 의한 초전도체에서의 약한 국부화 영향", Phys. Rev. B61, 14733(2000) 참조), 유형 II 초전도체의 높은 자기장에서 이들 핀닝 위치는 플럭스의 침투를 촉진하여 국부적으로는 초전도성을 파괴하지만 전체적으로는 초전도성을 가질 수 있도록 한다. 요컨대, 이들 공지 기술들은 전기 전위의 변동, 즉 전기적 특성을 이용하여 초전도체 내에서 핀닝 센터를 생성한다. 그러나, 이들 핀닝 센터 근처의 초전도성은, 국부적인 전기 전위의 변동으로 인해서라기 보다는, 플럭스 침투가 존재할 때 광범위한 에너지 최소화로 인해서 파괴된다. 다시 말하면, 이들 전위의 변동은 국부적으로 초전도성을 파괴할 만큼 충분히 강하지 않으며, 따라서 가장 바람직한 핀닝 센터가 될 수가 없다.

초전도 자석은 동작 온도와 사용가능한 자기장 강도에 영향을 주기 때문에, 자기 공명 영상(MRI) 장치와 핵자기 공명(NMR) 장치에서 초전도 자석은 중요한 부품이다. 현재는 Nb-Ti와 Nb₃Sn 자석을 주로 이용한다. 그러나, 이들 재료들은 낮은 전이 온도(Tc)로 인해 액체 헬륨을 필요로 한다. 그로 인해 MRI와 NMR 장치는 고가이며, 높은 유지보수 비용을 초래한다. 그러므로, MRI 및 관련 NMR 장치용 자석으로서, 고가의 액체 헬륨을 필요로 하지 않으며, 높은 Tc를 갖는 재료를 찾는 것이 매우 바람직하다.

2001년에, Akimitsu 등은 MgB₂가 39K의 임계 온도(Tc)를 갖는 초전도체임을 발견하였다(J.Nagamatsu 등에 의한, Nature, volume 410(2001) p.63-64 참조). 높은 Tc, 낮은 원가, 및 양호한 기계적인 특성으로 인해, MgB₂는 자석 용도로서 큰 가능성을 갖고 있다. 실제로, 2006년 11월에, ASG Superconductors, Paramed Medical Systems, 및 Columbus Superconductors에 의해 처음으로 MgB₂자석에 기반한 MRI가 소개되었다. 어떤 극저온 액체(cryogenic liquid)를 사용하지 않고도, 두 개의 극저온 냉동기(cryocooler)만을 사용하여 20K의 동작 온도를 얻었다. 그러나, MgB₂자석은 단지 0.5T를 생성하므로, MgB₂자석에 기반한 MRI의 시장성에는 한계가 있었다. 왜냐하면, 현재의 Nb-Ti와 Nb₃Sn 자석에 기반한 MRI는 액체 헬륨을 사용하여 4K에서 3T를 생성할 수 있기 때문이다. 이미지(image)의 해상도(resolution)는 자기장 강도의 제곱에 좌우되므로, 높은 자기장은 보다 양호한 영상을 제공한다(E.M.Haake, R.W.Brown, M.R.Thomson 및 R.Venkatesan에 의한 "자기 공명 영상: 물리적인 원리와 시퀀스 설계"(Wiley-Liss, New York, 1999) p.6 참조).

자석 용도로 이용하려면, 초전도 재료는 강한 보텍스 또는 플럭스 핀닝에 기인하여 높은 자기장에서 높은 임계 전류 밀도를 가져야 한다. 그러나, MgB₂는 양호한 핀닝 특성을 보이지 않는다. 그러므로, 보텍스 또는 플러스 핀닝을 증대시키기 위해서 MgB₂에 첨가제를 주입할 수 있다. 예컨대, 전형적인 첨가제는 C(S.X.Dou 등, Appl. Phys. Lett. 83, (2003) p.4996 참조), Al(A. Berenov 등, Cond-mat/0405567 (2004) 참조), SiC(S. X. Dou 등, Appl.Phys.Lett.81, (2002) p.3419 참조), Ti, Zr(Y. Zhao 등, Appl. Phys. Lett. 79(2001) p.1154 참조), Si(X. L. Wang 등, Physica C 385 (2003) p.461 참조), Y₂O₃(J. Wang 등, Appl. Phys. Lett. 81(2002) p.2026을 참조), 및 Mg(B,O) 침전물(Eom 등, Nature 411(2001) p.558 참조)를 포함한다. 상당한 진보가 이루어져 왔지만, MgB₂를 높은 자기장 자석용으로 사용하기 위해서는 더 많은 진보가 요구된다.

본 발명은, 그 내부에 형성된 자성 불순물(magnetic impurities)과 비자성 장애(non-magnetic disorders)를 포함하는 초전도 재료로 이루어지며, 그에 의해 자성 불순물과 비자성 장애를 포함하는 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류밀도 중 적어도 하나가, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재질의 것보다 더 큰 초전도체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 본 발명의 다른 목적은, 상술한 초전도체를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 이 방법은 초전도 재료를 제조하는 단계, 초전도 재료 내에 자성 불순물(magnetic impurities)을 형성하는 단계, 및 초전도 재료 내에 비자성 장애(non-magnetic disorders)를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 자성 불순물과 비자성 장애를 포함하는 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류밀도 중 적어도 하나는, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재료의 것보다 더 크다.

나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 상술한 초전도체를 포함하는 MRI 장치 또는 NMR 장치를 제공하는 것이다.

본 출원은 "Nb-Ti, NbSn₃, 및 MgB₂를 포함하는 초전도 재료, 와이어, 및 테이프의 높은 자기장 특성을 증대시키기 위한 방법"이란 발명의 명칭으로, 2007년 8월 1일에 출원한 미국 가특허출원 제60/963,145호와, "MgB₂자석에 기반한 MRI 및 관련 장치"란 발명의 명칭으로, 2007년 8월 10일에 출원한 미국 가특허출원 제60/964,441호를 우선권 주장하며, 이들의 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 병합한다.

본 명세서에서 예시적으로 기술한 일실시예는 대략적으로 초전도체로서 특징지을 수 있다. 초전도체는 초전도 재료를 포함할 수 있고, 이러한 초전도 재료는 그 내부에 형성된 자성 불순물(magnetic impurities)과 비자성 장애(non-magnetic disorders)를 포함하며, 자성 불순물과 비자성 장애를 포함하는 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류밀도 중 적어도 하나는, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재질의 것보다 더 크다.

본 명세서에서 예시적으로 기술한 다른 실시예는 대략적으로 초전도체를 제조하기 위한 방법으로서 특징지을 수 있다. 이 방법은 초전도 재료를 제조하는 단계, 초전도 재료 내에 자성 불순물(magnetic impurities)을 형성하는 단계, 및 초전도 재료 내에 비자성 장애(non-magnetic disorders)를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 자성 불순물과 비자성 장애를 포함하는 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류밀도 중 적어도 하나는, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재료의 것보다 더 크다.

본 명세서에서 예시적으로 기술한 또 다른 실시예는 대략적으로 본 명세서에서 기술한 초전도체를 포함하는 MRI 장치 또는 NMR 장치로서 특징지을 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 양상은 종종 첨부된 도면을 참조하여 이루어지는 본 발명의 다음 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.

본 발명의 실시예는 자석 용도와 송전을 위해, 초전도 재료의 핀닝 특성과, 나아가 높은 자기장 특성을 증대시키는 방법을 제공할 수 있는 것으로 특징지을 수 있다. 본 명세서에 기술하는 바와 같이, 초전도 재료의 핀닝 특성은 초전도체 내에 핀닝 센터를 생성하는 자성 불순물의 물성을 이용하여 증대될 수 있으며, 이는 초전도성을 국부적으로 파괴하기도 한다. 불순물(impurities), 결함(defects) 등과 같은 비자성 장애(non-magnetic disorders)는, Tc의 상당한 감소로 인한 높은 자기장 특성에 대한 자성 불순물의 부정적인 영향을 (부분적으로 또는 완전하게) 보상한다. 이와 같이, 비자성 장애를 부가하면 높은 자기장 특성, 즉 보텍스 핀닝, 임계 전류 밀도(Jc), 및 임계 자기장(Hc)(특히, 상부 임계 자기장(Hc₂))을 증폭시킬 수 있는데, 이는 대응하는 보텍스의 크기가 종래의 보텍스의 크기보다 훨씬 작기 때문이다. 따라서, 자성 불순물에 의한 보텍스 핀닝이 유지되고 증폭될 수 있으면서도, 전체적인 초전도성이 유지될 수 있다.

자성 불순물의 영향에 대한 최근의 주사 터널링 현미경(STM) 연구(A Yazdani, B.A Jones, C.P.Luz, M.F.Crommie, 및 D.M.Eigler에 의한 "초전도체에 대한 자성 불순물의 국부적인 영향 시험", Science Vol. 275, 1767(1997) 참조)는, 각각의 자성 불순물의 1 나노미터 내에서 초전도성이 파괴되는 것으로 이해될 수 있는데, 이는 보텍스가 매우 작은 크기를 가질 수 있음을 암시한다. 이 경우, 보텍스를 통한 플럭스가 양자화되기 때문에, 상부 임계 자기장은 훨씬 높아지고, 보텍스는 강하게 고정될 것이다. 또한, 김용진과 Overhauser는 다른 환경, 즉 자기장이 없을 때(Yong-Jihn Kim 및 A. W. Overhauser에 의한 "초전도체 내의 자성 불순물: 다른 예측에 의한 이론", Phys. Rev. B 49, 15799(1994) 참조)에 자성 불순물에 의해 야기된 Tc 감소가 비자성 장애에 의해 보상될 수 있음을 밝혀냈다. 그럼에도 불구하고, 자성 불순물로 인한 보텍스 핀닝을 해결하기 위하여, 위에서 인용한 김용진과 Overhauser 이론을 일반화하는 방법은 알려지지 않았다.

본 발명의 실시예는, 실험 데이터로부터 얻은, 보텍스 핀닝에 대한 자성 불순물의 영향에 관한 보다 양호한 이해에 의지함으로써, 그리고 이러한 영향에 대한 위에서 인용한 김용진과 Overhauser 이론의 제한을 인식함으로써 달성된다. 먼저, 상술한 STM 데이터는, 자성 불순물이 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 파괴하거나 또는 자성 불순물 근처의 초전도성을 파괴하여, 나노미터 길이 스케일(nanometer length scale)

을 가지면서 그다지 길지 않은 가간섭성 길이 스케일(coherence length scale) ξ₀ (MgB₂의 경우 ξ₀=∼50Å(C. Buzea와 T. Yamashita에 의한 "MgB₂의 초전도 물성의 개관", Supercond. Sci. Technol. 15,(2001) p.R115-R146 참조))을 갖는 준-입자 속박 상태(quasi-particle bound state)를 유도함을 나타낸다. 다시 말하면, 자성 불순물은 매우 강한 핀닝 센터이고, 대응하는 보텍스 크기는 약 ~10Å이며, 이는 플럭스 양자화로 인해 상부 임계 자기장(Hc₂)을 상당히 증가시킨다.

상기로부터 자성 불순물은 불순물 근처의 초전도성을 국부적으로 파괴하는 보텍스 핀닝에 대한 긍정적인 영향과, 전체 초전도 자유 에너지 및 대응하는 초전도 전이 온도(Tc)를 감소시키는 보텍스 핀닝에 대한 부정적인 영향을 모두 갖는다. 임계온도 Tc의 감소는 궁극적으로 임계 전류(Jc)와 상부 임계 자기장(Hc₂)의 감소를 초래하기 때문에, 상기 부정적 영향은 자성 불순물 농도가 증가시 커진다.

초전도체 내에 비자성 장애를 형성하면, 자성 불순물의 부정적인 영향을 (부분적으로 또는 완전히) 억제하며, 따라서 자성 불순물의 긍정적인 영향을 증폭시킬 수 있다. 예컨대, 이전의 실험적인 연구는, 오직 극소량의 자성 불순물이 초전도체의 높은 자기장 특성을 증대시킬 수 있으며, 여기에 소량의 자성 불순물을 더 부가하면, 이러한 증가가 사라지는 점을 보여주었다. 이러한 영향은 도 6에 선(51)으로 도시되어 있다. 여기에서

이고,

이며,

와

는 자성 불순물이 없는 순수한 초전도체의 상부 임계 자기장과 임계 전류 밀도이다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따라, 자성 불순물을 포함하는 초전도체에 비자성 장애를 부가하면, 임계 전류 밀도(Jc) 및/또는 상부 임계 자기장(

)은 상당히 증대되고, 이는 깊은 통찰력을 요구(non-trivial)한다. 이러한 영향은 도 6에 선(52)으로 도시되어 있다. 비자성 장애를 통해 높은 자기장 특성을 증대시킬 수 있는 이러한 이론은 도 1과 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 자성 불순물과 비자성 장애 모두를 함유하는, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 와이어의 단면도이다.
도 2는 도 1의 초전도체 내의 대응하는 보텍스의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 종래 예의 특성과 본 발명의 일 실시예에 따른 예의 특성을 비교하는 것으로, La₃Al에 기반한 초전도 재질의 H_c2의 온도 의존성을 보이는 그래프이다.
도 4는 종래 예의 특성과 본 발명의 일 실시예에 따른 예의 특성을 비교하는 것으로, 순수한 MgB₂및 2% 나노-Co₃O가 도핑된 MgB₂에 대해 5K에서 임계 전류 밀도(Jc) 대 인가된 자기장을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 MgB₂자석을 구비한 MRI 장치 또는 NMR 장치를 보이는 개략도이다.
도 6은 보텍스 핀닝에 대한 자성 불순물의 영향과, 본 발명의 실시예에 따른 비자성 장애에 의한 높은 자기장 특성의 증대를 도시하는 것으로, Jc와 H_c2의 자성 불순물 농도 의존성을 보이는 그래프이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체를 도시한 단면도이다.

초전도체(10)는 와이어로서 제공될 수 있다. 초전도체(10)는 Nb-Ti합금, Nb₃Sn, MgB₂등과 같은 초전도 재질을 포함할 수 있다. Nb-Ti합금의 사용시, Nb는 초전도 재료로서 작용하고, Ti는 비자성 장애(non-magnetic disorder)로서 작용할 수 있다. 초전도 재료 내에 자성 불순물(11)(화살표로 표시)이 형성될 수 있고, 이는 보텍스 핀닝 센터(vortex pining center)로서 작용한다. 자성 불순물(11)로 인한 전체적인 Tc 감소를 부분적으로 또는 완전히 보상하기 위하여, 비자성 장애(12)("x"로 표시)를 부가한다. 일 실시예에 있어서, 자성 불순물(11)의 스핀은 도 1에 도시된 바와 같이, 임의로 배향될 수 있다(즉, 상자성). 다른 실시예에 있어서, 자성 불순물(11)의 스핀은 초전도체(10)내에서 강자성(ferromagnetic) 또는 반강자성(anti-feromagnetic)으로 배향될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 자성 불순물은 자성 나노입자(magnetic nanoparticles)로 제공될 수 있으며, 이 경우 높은 자기장 특성을 크게 증대시키기 위하여 나노입자의 크기를 제어할 수 있다.

도 2는 도 1의 초전도체 내에서 대응하는 보텍스의 구성을 보이는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 선(20)은 자기력선(the magnetic field lines of force)을 나타낸다. 보텍스의 크기

는 종래의 보텍스의 크기보다 작다. 일 실시예에 있어서, 보텍스의 크기(

)는 대략

정도이다. 결과적으로 얻어진 보텍스의 크기와 상부 임계 자기장(H_c2)은 대략적으로 추정할 수 있으며, 본 발명자가 아는 한, 이러한 추정은 과거에 결코 성취되지 못했다. 보텍스 크기

는 준입자 속박 상태의 크기(

)와, 자성 불순물(11)로 인한 평균 자유 경로 ℓs 및 쿠퍼 쌍의 크기(즉, Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS) 가간섭 길이)

의 비율에 의해 제약을 받는다. ℓs가

와 거의 동일하면, 보텍스 크기(

)는 준입자 속박 상태의 크기(

)(보다 정확하게는

≒

)에 상응할 것이다. 그러나, ℓs >

이면, 보텍스 크기(

)는

보다 클 것이다(즉,

에 상응할 것이다). 이들 두가지 경우를 결합하면, 다음이 얻어진다.

여기에서, "f "는 적절한 함수를 의미한다. 간단히, "f "는 특정 지수(α)를 가지며, 다음의 방식으로 선택할 수 있다.

대응하는 긴쯔버그-란다우(Ginzburg-Landau) 가간섭 길이(

)는 다음의 수학식3으로 주어진다.

마지막으로, 상부 임계 자기장(H_c2)은 다음과 같이 얻을 수 있다(W. Buckel과 R. Kleiner에 의한 "초전도성", Wiley-VCH, Weinheim(2004) p.236 참조).

불순물, 결함 등과 같은 비자성 장애(12)의 존재시, 비자성 장애로 인한 평균 자유 경로가

인 경우에, 쿠퍼 쌍의 크기는

에서

로 감소된다.

그러므로,

는 대부분의 초전도체 내에서

보다 훨씬 더 크다. 결과적으로, 보텍스 크기는 여전히

에 의해 제약을 받고, 수학식4는 여전히 유효하다. 자성 불순물(11)은 기본적으로 작은 크기의 보텍스를 초래하고, 따라서 상부 임계 자기장(H_c2)의 상당한 증가를 가져오는 점이 강조된다. Jc가

에 비례하는 것으로 가정하면, 임계 전류 밀도 역시 거의 동일한 비율로 증대된다(W. Buckel과 R. Kleiner에 의한 "초전도성", Wiley-VCH, Weinheim(2004) p.271 참조).

여기에서

는 순수한 초전도체에 대한 임계 전류 밀도이다. 따라서 비가역성 자기장(

)은 상당히 증대될 것이다.

실험적으로, 작은 양의 자성 불순물이 초전도체의 높은 자기장 특성을 증대시킬 수 있는 것으로 알려졌다(Y. Kuwasawa, K. Sekizawa, N. Usui 및 K. Yasukochi에 의한 "

시스템에서 초전도 물성에 대한 상자성 불순물의 영향"(J. Phys. Soc. Japan 27, 590(1969); D. K. Finnermore, D. L. Johnson, J. E. Ostenson, F. H. Spedding 및 B. J. Beaudry에 의한 "순수한 La 및 La-Gd에서의 초전도성", Phys. Rev. 137, A550(1965); 및 R. P. Guertin, J. E. Crow, A. R. Sweedler, 및 S. Foner에 의한 "초전도 Gd와 Tm이 도핑된 LaSn₃의 초전도 상부 임계 자기장: 결정 전기장의 영향", Sol. Sta. Commun. 13, 25(1973)). 그러나 이러한 증대는 오직 적은 양의 자성 불순물이 제공되었을 때만 얻어졌고, 자성 불순물로 인해 상당한 Tc 감소를 수반하였다. 따라서 이러한 증대는 실용적이지 못하다.

본 발명의 실시예는 Nb-Ti, Nb₃Sn, 및 MgB₂를 포함하는 임의의 초전도체의 높은 자기장 특성을 상당히 증대시키는 실용적인 방법을 제공한다. 예컨대, 도 3은 La₃Al의 상부 임계 자기장(H_c2)을 증대시키기 위하여 본 발명의 실시예를 어떻게 적용할 수 있는 지를 보이는

그래프이다. 0.3 at.%의 Gd를 부가함으로써, 약 1K에서 Tc가 감소되면서 H_c2의 온도 의존성의 기울기가 증가하는 것으로 밝혀졌다(Y. Kuwasawa, K. Sekizawa, N. Usui 및 K. Yasukochi에 의한 "

시스템에서 초전도 특성에 대한 상자성 불순물의 영향", J. Phys. Soc. Japan 27, 590(1969) 참조). 이 결과는 실선(30)으로 도시되어 있다. 파선(31)은 기울기 증가를 고려하지 않고 Tc 감소를 보상하기 위하여, La₃Al에 오직 비자성 장애만이 부가될 때의 예상 결과를 나타낸다. 실선(32)은 La₃Al에 자성 불순물과 비자성 장애를 부가할 때의 결과를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 실선(32)의 기울기는 파선(31)의 기울기와 비교하여 더욱 증가된다. 이론상 예측인 수학식4는 자성 불순물과 비자성 장애 모두, 즉 선(31)(

및 α=1)과 선(32)(

및 α=1)에 기인하여 H_c2 의 증대량을 계산한다.

본 발명자가 아는 한, MgB₂에서 보텍스 핀닝에 대한 자성 불순물의 영향에 관한 어떠한 실험적 연구도 없었다. 그러나, MgB₂에서 보텍스 핀닝에 대한 자성 나노 입자의 영향에 관한 몇 편의 연구가 수행되었다. 자성 나노 입자와 자성 불순물은 보텍스 고정에 대해 거의 동일한 영향을 미칠 것이다. 도 4는 선(40)으로 MgB₂의 임계 전류 밀도(Jc)와, 선(41)으로 2% Co₃O₄나노 입자로 도핑된 MgB₂의 임계 전류 밀도(Jc)와, 선(42)으로 본 발명의 실시예에 따라 비자성 장애와 2% Co₃O₄나노 입자로 도핑된 MgB₂의 임계 전류 밀도(Jc)를 도시한다.

도 4를 참조하면, 2% Co₃O₄나노 입자를 부가하여 MgB₂의 임계 전류 밀도(Jc)를 증대시키는 것이 Awanda 등에 의해 보고되었다(Cond-mat/0601359). Awanda 등은 아마도 Tc의 감소와 부수적인 Jc의 감소로 인하여, 4% 및 6%의 Co₃O₄나노 입자에 대해 Jc가 감소하기 시작하는 것을 발견하였다. 그러므로, 2%의 도핑은 종래에 달성되었던 임계 전류 밀도(Jc)에서 최대의 증가를 보인다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, MgB₂+2% Co₃O₄의 임계 전류 밀도(Jc)는 비자성 장애를 부가함으로써 더욱 증대시킬 수 있다. 만일 MgB₂의 쿠퍼 쌍 크기를 감소시키기 위하여 평균 자유 경로(

)를 갖는 충분한 비자성 장애가 부가되면, Tc 감소를 보상하면서 보텍스 핀닝이 증폭될 수 있어, 선(42)(

및 α=1인 경우)으로 도시한 바와 같이, Jc의 추가적인 증폭을 가져온다.

0.13 wt.%의 Fe₂O₃나노 입자를 갖는 샘플이 자성 히스테리시스의 상당한 증대를 보이는 반면, 0.26 wt.%가 부가된 샘플은 히스테리시스의 보통 증가를 보이는 것이 밝혀졌다(Prozorov 등, Appl. Phys. Lett.83(2003) p.2019 참조). 결과적으로, 자성 나노 입자 도핑으로 인한 플럭스 핀닝의 증대는 매우 낮은 도핑 레벨로만 제한되며, 이는 그다지 유용하지 않다. 한편, 1 wt.% 를 초과하는 더 높은 도핑 레벨에서, FeB 나노 입자로 인해 임계 전류가 감소하는 것이 밝혀졌다(Dou 등, Supercond. Sci. Technol. 18(2005) p.710 참조). Dou 등은 약 0.2 wt.%의 낮은 도핑 레벨에 대해서는 증대를 발견할 수 있었을 것으로 보인다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 재료에 비자성 장애를 부가하여 자성 불순물의 부정적인 영향(즉, Tc 또는 Jc의 감소)를 보상하고, 동시에 긍정적인 영향(즉, H_c2와 Jc의 증가)를 증폭시킬 수 있다. 따라서 자성 불순물과 비자성 장애를 포함하는 초전도 재료의 초전도 전이 온도는 오직 자성 불순물만을 포함하고 비자성 장애를 포함하는 않는 초전도 재료의 초전도 전이 온도보다 더 높을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 자성 불순물과 비자성 장애를 초전도체에 주입하기 위하여, 이용가능한 임의의 기술을 사용할 수 있다. 예컨대, 자성 불순물과 비자성 장애를 초전도체에 주입하기 위하여, 확산(diffusion), 아크-용융(arc-melting), 고상 반응(solid-state reaction), 급냉-응결(quenching-condendation), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 스퍼터링(sputtering), 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE), 기계적 합금화(mechanical alloying), 복사 및 주입(irradiation and implantation), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 파우더-인-튜브(powder-in-tube; PIT) 등의 기술을 사용할 수 있다. 초전도 재료 내에서 자성 불순물의 용해도는 문제가 될 수 있다. 따라서, 초전도 재료 및 기술에 따라 최적의 용해도를 갖는 자성 불순물을 선택해야 한다. 만일 용해도 한계를 초과하여 자성 불순물을 부가하면, 일부 자성 불순물은 침전물을 형성할 수 있다. 이 경우, 침전물은 여전히 임계 전류 밀도(Jc)를 증가시키는데 기여할 수 있다. 그러나, 침전물은 기본적으로 초전도 매트릭스(matrix)와 독립적이기 때문에, 상부 임계 자기장(

)은 크게 증가하지 않는다. 자성 나노 입자(T. H. Alden과 J. Livingston의 "유형 II 초전도체에서 강자성 입자", J. Appl. Phys. 37, 3551(1966); C. C. Koch와 G. R. Love의 "강자성 가돌리니움 또는 상자성 이트리움 분산을 포함하는 니오비움에서 초전도체", J. Appl. Phys. 40, 3582(1969); 및 A. Snezhko, T. Prozorov 및 R. Prozorov의 "유형 II 초전도체에서 효율적인 벌크 고정 중심으로서의 자성 나노 입자", Phys. Rev. B71, 024527(2005) 참조)와, 인공 자성 핀(artificial magnetic pins)(N. D. Rizzo, J. Q. Wang, D. E. Prober, L. R. Motowidlo, 및 B. A. Zeitlin의 "초전도

와이어에서 강자성 인공 핀닝 센터", Appl. Phys. Lett. 69, 2285(1996) 참조)과, 자성 도트(magnetic dots)(G. Teniers, M. Lange, V. V. Moshchalkov의 "자성 도트의 격자를 갖는 초전도체에의 보텍스 역학", Physica C 369, 268(2002) 참조)를 부가하는 것은 자성 불순물 부가와 같이, 임계 전류의 유사한 증대를 가져올 수 있다. 그러나, 이들 기술은 나노 입자 크기의 미세조정을 필요로 할 수 있는데, 이는 대량 생산에 적합하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 자성 나노 입자의 부정적인 영향 역시 본 명세서에서 논의하는 비자성 장애의 부가를 통해 보상할 수 있으며, 그러므로 긍정적인 영향은 비자성 장애에 의해 증폭될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 개시한 방법은 초전도체의 높은 자기장 특성, 즉 H_c2와 Jc 모두를 상당히 증대시킬 수 있고, 이는 자성 불순물이 유도한 보텍스의 강한 핀닝을 유도하므로 고유하고 강력하기 때문에, 본 발명의 방법이 유리하다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 자성 불순물은 예컨대, Mn, Fe, Ni, Cr, Co, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh 등과 같이 부분적으로 채워진 d-전자를 갖는 이온(즉, 전이 금속), Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, U 등과 같이 부분적으로 채워진 f-전자를 갖는 이온(즉, 희토류 원소) 및 자성 입자(예, 자성 침전물)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 비자성 장애는 예컨대, Zn, Al, Ti, C, B, Li 등과 같은 s-전자 및/또는 p-전자를 갖는 비자성 이온으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 비자성 장애는 예컨대, 공공 결함(vacancy defect), 침입형 결함(interstitial defect), 전위(dislocation), 방사 데미지(radition damage) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 결함 같은 임의 형태의 결정 결함(crystalline defect)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 비자성 장애는 예컨대, 비자성 입자(non-magnetic particla)(예컨대, 비자성 침전물), 제2상 함유물(second-phase inclusion), 나노 크기의 입자(nano-sized particle), 초전도 재료의 결정 입계에서의 석출물(segregate) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 비자성 장애가 상기 예들의 조합을 포함할 수 있다는 것도 이해할 수 있을 것이다. 일 실시예에 있어서, 초전도 재료의 형성 동안에 공정 조건을 변화시킴으로써, 초전도 재료 내에 비자성 장애를 형성할 수 있다. 다른 실시예로서, 초전도체 재료를 형성한 후에, 비자성 장애를 형성할 수 있다. 자성 불순물과 비자성 장애의 최적의 결합을 위해서는, 이들 제조상의 모든 문제를 고려해야 한다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따라서, 자성 불순물로서 Mn, Co, Fe, Ni, 등과 비자성 장애로서 C, Zn, Al, 등의 조합을 사용할 수 있다.

MgB₂는 37~128Å 범위의 다소 작은 쿠퍼 쌍의 크기를 갖는다(C. Buzea와 T. Yamashita에 의한 "MgB₂의 초전도 물성의 개관", Supercond. Sci. Technol. 15, (2001) p.R115-R146 참조). MgB₂가 결정 입계 사이에서 약한 링크 문제를 갖지 않는다 할지라도, 결정 입계에서 쿠퍼 쌍의 크기에 상응하는 침전물, 나노 입자 또는 제2상 함유물의 과잉은, 여전히 임계 전류를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 도핑 원소의 침전물, 나노 입자 또는 제2상 함유물의 크기를 쿠퍼 쌍의 크기보다 작게 제어하는 것이 바람직하며, 그러한 경우에는 임계 전류를 증대시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 MgB₂자석을 갖는 MRI 장치 또는 NMR 장치를 보이는 개략도이다.

도 5를 참조하면, MRI 장치 또는 NMR 장치는 자성 불순물과 비자성 장애 모두를 포함하는 MgB₂자석(100)을 포함할 수 있다. MgB₂자석(100)은 20K에서 1~3 테슬라의 자기장을 생성할 수 있다. 극저온 냉각기(110)를 사용하면, MRI 또는 NMR은 스캐너 보어(bore)(120)에 누워 있는 환자의 영상을 생성하도록 구성될 수 있다.

자성 불순물과 비자성 장애의 최적의 양은 MgB₂와 같은 초전도 재료의 임계 전류 밀도(Jc)와 상부 임계 자기장(H_c2)의 최적의 증가에 의해 결정할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 자성 불순물의 농도는 초전도 재료의 0.1 at.% 이상부터 20 at.%이하까지의 범위일 수 있다. 이는 자성 불순물과 초전도 재료에 따라서 Tc가 20~30% 감소하는 것에 해당된다.

일 실시예에 있어서, 초전도체 재료 내의 비자성 장애의 농도는 결과로 얻어지는 평균 자유 경로(ℓ)에 의해 산정할 수 있고, 이러한 평균 자유 경로(l)는 수학식7과 같은 초전도 재질의 BCS 가간섭 길이(

)와 동등하거나, 이보다 작아야 한다.

일 실시예에 있어서, 비자성 장애의 농도는 초전도 재질의 1 at.% 이상부터 40 at.% 이하까지의 범위일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 초전도 재료 내에서 비자성 장애의 농도는, 임의의 비자성 장애가 평균 자유 경로(ℓ)를 유도하고, 수학식7을 충족시키도록 선택할 수 있다.

이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 여러 방식으로 실시할 수 있다. 아래에 기재한 것은 본 발명의 일부 실시예에 대한 비제한적인 설명이다.

일 실시예에 있어서, 초전도 전이 온도 미만에서 높은 자기장 특성을 갖는 초전도체는, 초전도성을 갖는 초전도 재료; 초전도 재료 내에 형성된 자성 불순물; 및 초전도 재료 내에 형성된 비자성 장애를 포함한다. 이 비자성 장애는, 초전도 재료 내에 자성 불순물만을 형성하는 경우보다 더 큰 값으로 초전도체의 상부 임계 자기장 또는 임계 전류 밀도를 증가시킬 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 초전도 전이 온도 미만에서 높은 자기장 특성을 갖는 초전도체를 제조하는 방법은, 초전도성을 갖는 초전도 재료를 제조하는 단계와; 초전도 재료 내에 자성 불순물을 형성하는 단계와; 초전도 재료 내에 비자성 장애를 형성하는 단계를 포함한다. 이 비자성 장애는, 초전도 재료 내에 자성 불순물만을 형성하는 경우보다 더 큰 값으로 초전도체의 상부 임계 자기장 또는 임계 전류 밀도를 증가시킬 수 있다. 자성 불순물과 비자성 장애는 초전도 재료을 제조하는 동안, 또는 초전도 재료를 형성한 이후에, 단일 공정으로 형성할 수 있다.

본 명세서에서 예시적으로 기술한 바와 같이, 초전도체는 자성 불순물과 비자성 장애(예컨대, 불순물, 결함 등)를 모두 포함하며, 그로 인해 초전도체의 높은 자기장 특성은 상당히 증대될 수 있게 된다. 만일, 용해도 한계 이상으로 불순물을 부가하면, 이들은 여전히 높은 자기장 특성의 증대에 기여할 수 있는 별도의 침전물 또는 나노 입자를 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예는 파우더-인-튜브(PIT) MgB₂와이어 및 테이프에 쉽게 적용할 수 있다. 결과로 얻어지는 MgB₂자석은 20K에서 1-3 T를 생성할 것으로 예상되는데, 이는 현재의 MRI 및 관련 NMR 장치용 Nb-Ti 자석을 대체할 수 있다. 자성 불순물은 초전도 재질 내에서 최적의 용해도를 갖도록 선택할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예를 예시적으로 도시 및 설명하였으나, 당업자라면 첨부된 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 형식과 세부사항에서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 초전도체 11 : 자성 불순물
12 : 비자성 장애 20 : 자기력선
100: MgB₂자석 110: 극저온 냉각기
120: 스캐너 보어

Claims

그 내부에 자성 불순물(magnetic impurities) 및 비자성 장애(non-magnetic disorders)가 형성된 초전도 재료를 포함하고,
상기 자성 불순물과 상기 비자성 장애를 포함하는 상기 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류밀도 중 적어도 하나는, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재질의 것보다 큰, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 Nb₃Sn와 MgB₂로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 불순물은 보텍스 핀닝 센터(vortex pinning centers)로 작용하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 초전도 재료로서 Nb와, 비자성 장애로서 Ti와, 자성 불순물을 포함하는 Nb-Ti 합금인, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 불순물은, 부분적으로 채워진 d-전자를 갖는 자성 이온, 부분적으로 채워진 f-전자를 갖는 자성 이온 및 자성 입자로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 불순물은 Mn, Fe, Ni, Cr, Co, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru 및 Rh로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 불순물은 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 U로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료 내의 상기 자성 불순물의 농도는 0.1 at.%부터 20 at.%까지의 범위인, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 불순물과 상기 비자성 장애를 포함하는 상기 초전도 재료의 초전도 전이온도는, 상기 자성 불순물을 포함하고 상기 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재질의 초전도 전이온도보다 큰, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 비자성 장애는, 결정 결함, s-전자를 갖는 비자성 이온, p-전자를 갖는 비자성 이온 및 비자성 입자로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 초전도체.
제 10 항에 있어서, 상기 비자성 장애는, 공공 결함, 침입형 결함, 전위 및 방사 데미지로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 결정 결함을 포함하는, 초전도체.
제 10 항에 있어서, 상기 비자성 장애는, 침전물, 제2상 전이, 나노 크기의 입자 및 상기 초전도 재료의 결정 입계에서의 석출물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 비자성 장애는 Zn, Al, Ti, C, B 및 Li로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료 내에서 상기 비자성 장애의 농도는,
/ℓ이
의 범위에 있도록 선택되며,
는 상기 초전도 재료의 BCS 가간섭 길이이고, ℓ은 상기 비자성 장애를 포함하는 상기 초전도 재료 내에서 평균 자유 경로인, 초전도체.
제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료 내의 상기 비자성 장애의 농도는 1 at.% 이상부터 40 at.% 이하까지의 범위인, 초전도체.
초전도체를 제조하는 방법으로서,
초전도 재료를 제조하는 단계와;
상기 초전도 재료 내에 자성 불순물(magnetic impurities)을 형성하는 단계와;
상기 초전도 재료 내에 비자성 장애(non-magnetic disorder)를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 자성 불순물과 상기 비자성 장애를 포함하는 상기 초전도 재료의 상부 임계 자기장과 임계 전류 밀도 중 적어도 하나는, 자성 불순물을 포함하고 비자성 장애는 포함하지 않는 초전도 재료의 것보다 큰, 초전도체를 제조하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 비자성 장애는 상기 초전도 재료를 제조하는 단계 동안에 형성되는, 초전도체를 제조하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 비자성 장애는 상기 초전도 재료를 제조하는 단계 이후에 형성되는, 초전도체를 제조하는 방법.
제 1 항에 따른 초전도체를 포함하는 MRI 또는 NMR 장치.