KR20160006829A - 초전도체, 초전도 선재, 및 초전도체 형성방법 - Google Patents
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Abstract
초전도체는 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 전구체를 열처리하여 액상의 희토류-구리-바륨 산화물을 형성하는 제1 단계, 상기 액상의 희토류-구리-바륨 산화물로부터 에피택시 성장된 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제1 초전도체를 형성하는 제2 단계, 그리고 상기 제1 초전도체를 열처리하여 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제2 초전도체를 형성하는 제3 단계를 포함하는 공정으로 형성되고, 상기 제3 단계의 열처리는 상기 희토류-구리-바륨 산화물이 액상을 갖지 않는 분위기에서 수행된다.
Description
본 발명은 초전도체에 관한 것이다.
초전도체(superconductor)는 낮은 온도에서 전기 저항이 사라져 많은 양의 전류를 흘릴 수 있다. 최근, 이축 배향된 집합조직을 갖는 얇은 완충층 또는 금속 기판 상에 초전도체을 형성하는 2세대 고온초전도체(Coated Conductor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2세대 고온초전도체는 여러 가지 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, 2세대 고온초전도체를 이용한 선재는 일반적인 금속선 보다 월등히 우수한 단위 면적당 전류 수송 능력을 갖는다. 2세대 고온초전도체를 이용한 선재는 전력기기의 전력손실을 줄일 수 있으며, MRI, 초전도 자기부상열차 및 초전도 추진선박 등과 같은 분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일 과제는 자속 고정점들을 함유하는 초전도체를 제공한다.
본 발명의 다른 과제는 자속 고정점들을 함유하는 초전도 선재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 과제는 자속 고정점들을 함유하는 초전도체를 형성하는 방법을 제공한다.
초전도체의 형성방법이 제공된다. 상기 방법은 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 전구체를 제공하고; 상기 초전도 전구체에 전-열처리 공정을 수행하여, 희토류-구리-바륨 산화물이 에피택시 성장된 제1 초전도체를 형성하고; 그리고 상기 제1 초전도체에 후-열처리 공정을 수행하여 제2 초전도체를 형성하는 것을 포함하되, 상기 전-열처리 공정은: 상기 희토류-구리-바륨 산화물이 희토류 산화물의 알갱이를 함유하는 액상을 갖도록 하는 제1 열처리 단계; 그리고 상기 액상의 상기 희토류-구리-바륨 산화물을 상기 제1 열처리 단계보다 낮은 온도로 냉각하여, 상기 희토류-바륨-구리 산화물이 에피택시 성장되도록 하는 제2 열처리 단계를 포함하고, 상기 후-열처리 공정은: 상기 제1 열처리 단계보다 낮은 온도에서 수행된다.
일 예로, 상기 제1 열처리 단계는 10-6 ~ 10-1 Torr의 산소 분압 및 800℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
일 예로, 상기 제2 열처리 단계는 10-3 ~ 10-1 Torr의 산소 분압 및 800℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
일 예로, 상기 후-열처리 공정은 10-3 Torr 이상의 산소분압 하에서 700 ~ 800℃의 온도에서 수행될 수 있다.
일 예로, 상기 에피택시 성장된 제1 초전도체의 상기 희토류-구리-바륨 산화물은 상기 희토류 산화물로부터 형성될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 초전도체는 그의 내부에 분산된 희토류 산화물의 알갱이를 함유할 수 있다.
일 예로, 상기 제2 초전도체는 그의 내부에 분산된 희토류 산화물의 알갱이 및 구리 산화물의 적층 결합을 함유할 수 있다.
일 예로, 상기 희토류 산화물은 RE2O3이고, 상기 제1 초전도체는 RE1 + xBa2 -xCu3O7-δ의 상을 갖고 상기 제2 초전도체는 RE1 + yBa2 - yCu3O7 -δ의 상을 갖고, x>y이고, RE는 La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu을 포함하는 란타늄족 원소 중의 적어도 하나 또는 Y을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제2 초전도체는 RE2BaCuO5을 더 함유할 수 있다.
일 예로, 상기 희토류-구리-바륨 산화물은 테이프 형상의 기판 상에 형성되고, 상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 기판 상에 형성된 산화물 버퍼층을 포함할 수 있다.
상기 방법은 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 전구체를 열처리하여 액상의 희토류-구리-바륨 산화물을 형성하는 제1 단계; 상기 액상의 희토류-구리-바륨 산화물로부터 에피택시 성장된 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제1 초전도체를 형성하는 제2 단계; 및 상기 제1 초전도체를 열처리하여 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제2 초전도체를 형성하는 제3 단계를 포함하되, 상기 제3 단계의 열처리는 상기 희토류-구리-바륨 산화물이 액상을 갖지 않는 분위기에서 수행된다.
초전도체가 제공된다. 초전도체는 단결정 구조의 희토류-바륨- 구리 산화물; 상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치된 희토류 산화물의 알갱이들; 및 상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치되고, 상기 단결정 구조의 희토류-바륨- 구리 산화물의 c-축 방향으로 정열되어 적층된 구리 산화물의 적층 결함을 포함한다.
일 예로, 상기 희토류 산화물은 RE2O3이고, 상기 희토류-바륨-구리 산화물은 RE1+yBa2-yCu3O7-δ의 상을 갖고, RE는 La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu을 포함하는 란타늄족 원소 중의 적어도 하나 또는 Y을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 초전도체는 RE2BaCuO5 상의 희토류-바륨-구리 산화물을 더 포함할 수 있다.
초전도 선재가 제공된다. 상기 초전도 선재는 기판; 및 기판 상에 형성된 초전도체의 박막을 포함하고, 초전도체의 박막은 에피택시 성장된 희토류-바륨- 구리 산화물; 상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치된 희토류 산화물의 알갱이들; 및 상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치되고, 상기 에피택시 성장된 희토류-바륨- 구리 산화물의 c-축 방향으로 정열되어 적층된 구리 산화물의 적층 결함을 포함한다.
일 예로, 상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 기판 상에 형성된 산화물 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 우수한 결정성을 갖는 초전도체를 보다 빠른 공정으로 형성할 수 있다. 이와 함께 초전도체 내부에 자속고정점들(pinning centers)로 기능할 수 있는 희토류 산화물의 알갱이 및/또는 적층 결함을 용이하게 형성할 수 있다. 나아가, 초전도체의 임계온도(Tc)를 증가시킬 수 있고, 자기장 하에서의 임계전류 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법을 설명하는 플로우 챠트이다.
도 2A는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 전-열처리 공정의 일 예를 나타낸다.
도 2B는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 후-열처리 공정의 일 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법을 나타내는 단면도들이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 에피택시 초전도체의 TEM 이미지들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체의 XRD이다.
도 13a 및 도 13b은 각각 후-열처리 공정 전과 후-열처리 공정 후의 에피택시 초전도체의 TEM 이미지들이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 초전도체의 임계온도(Tc) 특성을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예들 따라 형성된 초전도체의 외부 인가 자기장 하에서의 임계전류(Jc) 특성을 나타낸다.
도 16 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도체 형성 장치의 일 예가 개략적으로 설명된다.
도 2A는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 전-열처리 공정의 일 예를 나타낸다.
도 2B는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 후-열처리 공정의 일 예를 나타낸다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법을 나타내는 단면도들이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 에피택시 초전도체의 TEM 이미지들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체의 XRD이다.
도 13a 및 도 13b은 각각 후-열처리 공정 전과 후-열처리 공정 후의 에피택시 초전도체의 TEM 이미지들이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 초전도체의 임계온도(Tc) 특성을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예들 따라 형성된 초전도체의 외부 인가 자기장 하에서의 임계전류(Jc) 특성을 나타낸다.
도 16 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도체 형성 장치의 일 예가 개략적으로 설명된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
이하의 실시예들에서는 초전도체로 GdBCO가 설명되지만 이에 한정되는 것은 아니다. GdBCO는 RE1 + xBa2 - xCu3O7 -δ(0<x<1, 0<δ<1)을 의미한다. 이하 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법을 설명하는 플로우 챠트이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법은 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하는 공정(S10), 에피택시 초전도체을 형성하는 전-열처리 공정(pre-annealing process, S20), 및 에피택시 성장된 초전도체의 성능을 향상시키는 후-열처리 공정(post-annealing process, S30)을 포함할 수 있다.
도 2A는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 전-열처리 공정의 일 예를 나타낸다. 도 2B는 GdBCO의 상태도(phase diagram) 및 본 발명에 따른 후-열처리 공정의 일 예를 나타낸다.
도 2A 및 도 2B를 참조하여, 제1 영역(R1)은 대략 10-2 Torr 이하의 산소분압 및 850℃ 이하의 온도에서의 상태일 수 있다. 제2 영역(R2)은 대략 10-1 ~ 10-2 Torr 이하의 산소분압 및 850℃ 이상의 온도에서의 상태일 수 있다. 제3 영역(R3)은 대략 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2) 보다 높은 산소분압의 상태일 수 있다. 제3 영역(R3)과 제1 및 제2 영역들(R1, R2)은 경계선 I에 의하여 구분될 수 있다. 제1 영역(R1)에서, GdBCO는 Gd2O3, GdBa6Cu3O7 -δ(0<δ<1) 및 액상(liquid phase)을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 여기서 액상은 Ba, Cu 및 O을 주성분으로 하고 Gd가 녹아 들어간 액체 상태이다. 제2 영역(R2)에서, GdBCO는 Gd2O3 및 액상을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 제3 영역(R3)에서, GdBCO는 에피택시 GdBCO을 갖는 것으로 이해될 수 있다.
도 3 내지 도 7 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법을 나타내는 단면도들이다. 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 초전도체의 형성방법이 개략적으로 설명된다.
도 3을 참조하여, 기판(10)이 제공된다. 기판(10)은 2축 배향된 집합조직(biaxially aligned textured structure)을 가질 수 있다. 기판(10)은 예를 들어, 금속 기판일 수 있다. 금속 기판은, 압연 열처리된 Ni, Ni계 합금(Ni-W, Ni-Cr, Ni-Cr-W 등), 스테인레스, 은, 은 합금, Ni-은 복합체 등의 입방정계 금속일 수 있다. 기판(10)은 판상 또는 선재를 위한 테이프 형상일 수 있다.
기판(10) 상에 IBAD 층(20)이 형성될 수 있다. IBAD 층(20)은 순차적으로 적층된 확산 방지막(예를 들면, Al2O3), 씨드막(예를 들면, Y2O3), 및 MgO 막을 포함할 수 있다. IBAD 층(20)은 IBAD 방법으로 형성된다. MgO 막 상에 에피택시 성장된 호모 에피 MgO(homoepi-MgO) 막이 더 형성될 수 있다. IBAD 층(20) 상에 버퍼층(30)이 형성될 수 있다. 버퍼층(30)은 LaMnO3, LaAlO3, CeO2 또는 SrTiO3 을 포함할 수 있다. 버퍼층(30)은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다. IBAD 층(20) 및 버퍼층(30)은 기판(10)과 그 상부의 초전도 물질과의 반응을 방지하고 2축 배향된 집합조직의 결정성을 전달하는 역할을 한다.
도 1 및 도 4를 참조하여, 버퍼층(30) 상에 초전도 전구체(precursor, 40)가 형성된다.(S10) 초전도 전구체(40)는, 예를 들어 희토류 원소(RE) 중의 적어도 하나(예를 들어, Gd), 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 포함할 수 있다. 희토류 원소(RE)는 이트륨(Y) 및 란타늄족 원소를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 란타늄족 원소는 잘 알려진 바와 같이, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등을 포함한다.
초전도 전구체(40)는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 초전도 전구체(40)는, 예를 들면 증발법(REactive co-evaporation), PLD, 스퍼터링, CVD, 유기금속 증착법(Metal Organic Deposition: MOD) 또는 졸-겔(sol-gel) 방법으로 형성될 수 있다. 초전도 전구체(40)의 형성은 전술한 특정방법에 한정되지 않는다.
일 방법으로, 초전도 전구체(40)는 증발법으로 형성될 수 있다. 증발법은 희토류 원소(RE) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 담은 그릇들에 전자 빔을 조사하여, 생성되는 금속 증기(metal vapor)를 기판 상에 제공하여 초전도 전구체를 증착할 수 있다.
다른 방법으로, 초전도 전구체(40)는 유기금속 증착법(Metal Organic Deposition: MOD)으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 유기 용매에 희토류(RE)-아세테이트, 바륨(Ba)-아세테이트, 구리(Cu)-아세테이트를 용해시키고, 증발 증류 및 재용해-중합(REfluxing) 공정을 거쳐서, 희토류 원소(RE) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 포함하는 금속 전구용액을 제조한다. 기판 상에 금속 전구용액을 도포한다.
또 다른 방법으로, 초전도 전구체(40)는 희토류 원소(RE) 중의 적어도 하나(예를 들어, Gd), 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 포함하는 파우더들일 수 있다.
이후, 에피택시 초전도체 형성을 위한 전-열처리 공정(pre-annealing process, S20)이 수행될 수 있다. 이하, 전-열처리 공정이 자세하게 설명된다.
도 2 및 도 5를 참조하여, 초전도 전구체(40)가 형성된 기판(10)을 제1 열처리한다. 제1 열처리는 10-3 Torr 내지 10-6 Torr의 산소분압 하에서 수행될 수 있다. 제1 열처리의 산소분압은, 예를 들어 대략 10-5 Torr일 수 있다. 제1 열처리의 온도는 800 ~ 1000℃ (예를 들면, 대략 860℃)로 상승될 수 있다. 제1 열처리는 도 2A의 경로 IA을 따라 수행될 수 있다. 제1 열처리에 의하여, 기판(10 상에 비정질의 초전도 전구체(40)가 형성될 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하여, 비정질의 초전도 전구체(40)가 형성된 기판(10)을 제2 열처리한다. 제2 열처리는 800 ~ 1000℃ (예를 들면, 대략 860℃)의 온도에서 수행될 수 있다. 제2 열처리는 제1 열처리에서 보다 산소분압을 증가시켜 수행될 수 있다. 제2 열처리 동안의 산소분압은, 예를 들어 10-5 Torr로부터 10-2 Torr 내지 10-1 Torr(예를 들어 30mTorr)로 증가될 수 있다. 제2 열처리는 도 2A의 경로 IB를 따라 수행될 수 있다. 제2 열처리에 의하여, 비정질의 초전도 전구체(40)는 액상의 초전도 전구체(41)로 변하고, 액상의 초전도 전구체(41) 내에 희토류 산화물(예를 들면, Gd2O3)이 형성될 수 있다. 희토류 산화물(43)은 기판(10) 상의 버퍼층(30)으로부터 성장(dendric growth)될 수 있다. 즉, 경로 IB를 따른 제2 열처리에 의하여, 희토류 산화물(43)을 함유하는 액상의 초전도 전구체(41)가 형성된다.
도 2 및 도 7을 참조하여, 희토류 산화물(43)을 함유하는 액상의 초전도 전구체(41)를 제3 열처리한다. 제3 열처리는 대략 10-2 Torr 내지 10-1 Torr의 산소분압(예를 들면, 100mTorr) 하에서 온도를 감소시키는 냉각 공정(cooling process)일 수 있다. 냉각 속도는 1℃/1hr 이상(대략 5℃/1hr)일 수 있다. 제3 열처리는 도 2A의 경로 IC을 따라 수행될 수 있다. 제3 열처리에 의하여, 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체(45)가 형성된다. 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체(45)는 희토류 산화물(43)의 희토류를 소모하면서 액상의 초전도 전구체(41)로부터 생성될 수 있다. 이러한 방법으로, 매우 빠른 공정으로 결정성이 띄어난 에피택시 초전도체(45)가 형성될 수 있다. 에피택시 초전도체(45)는 RE1 + xBa2 - xCu3O7 -δ(0<x<1, 0<δ<1)의 상을 가질 수 있다.
이와 함께, 희토류 산화물(43)의 크기는 줄어들고, 희토류 산화물(43)은 길쭉한 모양의 알갱이들로 변화된다. 희토류 산화물(43)의 알갱이들은 대략 1㎛이하의 크기를 가질 수 있다. 에피택시 초전도체(45) 내에는 희토류 산화물(43)의 알갱이들 뿐만 아니라, 액상의 잔류물(48) 및 구리 산화물(47)의 알갱이들이 추가로 생성될 수 있다. 에피택시 초전도체(45)의 상부면 상에는 또 다른 액상의 잔류물(49)이 잔류할 수 있다. 액상의 잔류물들(48, 49)은 에피택시 초전도체(45)로 변화되지 않은 액상의 초전도 전구체(41)에 기인하고, 바륨-구리 산화물일 수 있다.
에피택시 초전도체(45) 내에 생성된 알갱이들(43, 47)은 초전도체의 자속 고정점들로 기능할 수 있다. 희토류 산화물(43)의 알갱이들의 폭은 대략 수십nm 내지 100nm일 수 있다. 희토류 산화물(43)의 알갱이들의 폭은, 바람직하게는 100nm 이하일 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 에피택시 초전도체(45)의 TEM 이미지들이다. 도 8은 기판(10) 상에 형성된 에피택시 초전도체(45), 그 내부에 함유된 희토류 산화물(43)의 알갱이, 및 액상의 잔류물들(48, 49)을 보여준다. 도 9 및 도 10은 기판(10) 상에 형성된 에피택시 초전도체(45) 및 희토류 산화물(예를 들면, Gd2O3)(43)의 알갱이를 보여준다. 희토류 산화물(43)의 알갱이들의 폭은 대략 수십nm이었다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체(45)의 XRD이다. 도 11은 희토류-바륨-구리 산화물의 에피택시 초전도체(45)의 좋은 결정성을 보여준다.
전-열처리 공정(S20)을 위하여, 전술한 실시예들과 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전-열처리 공정은 도 2A 상태도의 경로 IIA 및 경로 IIB를 따라 수행될 수 있다. 먼저, 경로 IIA를 따른 제1 열처리가 수행될 수 있다. 경로 IIA를 따른 제1 열처리는, 예를 들면 10-2 ~ 10-1 Torr의 산소 분압 하에서 수행될 수 있다. 제1 열처리의 온도는 상온에서 대략 800℃ 이상(예를 들면, 850℃ 이상)으로 증가될 수 있다. 경로 IIA를 따른 제1 열처리는 도 2A의 상태도의 경계선 I를 지난다. 이에 따라, 희토류 산화물(43)을 함유하는 액상의 초전도 전구체(41)가 형성된다.(도 6 참조)
다음, 경로 IIB를 따른 제2 열처리가 수행될 수 있다. 경로 IIB를 따른 제2 열처리는, 예를 들면 10-2 Torr 내지 10-1 Torr의 산소분압(예를 들면, 100mTorr) 하에서 온도를 감소시키는 냉각 공정(cooling process)일 수 있다. 이에 따라, 희토류 산화물(43)의 알갱이들 및 에피택시 초전도체(45)가 형성될 수 있다. 에피택시 초전도체(45)는 RE1 + xBa2 - xCu3O7 -δ(0<x<1, 0<δ<1)의 상을 가질 수 있다. (도 7 참조)
전술한 실시예들에 따른 에피택시 초전도체의 성장 과정은 액상 에피택시 성장법(liquid Phase Epitaxy: LPE)과 유사하다.
이후, 에피택시 성장된 초전도체의 성능을 향상시키는 후-열처리 공정(post-annealing process)이 수행될 수 있다.
도 2B 및 도 12를 참조하여, 에피택시 초전도체(45)를 후-열처리한다. 후-열처리는 경로 III을 따라 수행될 수 있다. 후-열처리는 에피택시 초전도체(45)가 액상을 갖지 않는 분위기에서 수행된다. 예를 들어, 후-열처리는 10-3 Torr 이상, 대략 10-2 Torr 내지 수 Torr의 산소분압(예를 들면, 300mTorr) 하에서 700 ~ 800℃의 온도에서 수행될 수 있다. 후-열처리에 의하여, 에피택시 초전도체(45)로부터 구리 산화물(예를 들면, CuO 또는 Cu2O)(46)이 생성될 수 있다. 이와 함께, 에피택시 초전도체(45)는 RE1 + yBa2 - yCu3O7 -δ의 상으로 변할 수 있다. 이때, x>y이다. 즉, 후-열처리에 의하여, 에피택시 초전도체(45)에서 구리 산화물(예를 들면, CuO 또는 Cu2O)이 빠져나갈 수 있다. 이러한 구리 산화물(46)은 에피택시 초전도체(45)의 c-축 방향으로 정열되어 적층된 플레이트들일 수 있다. 다르게 표현하면, 이러한 구리 산화물(46)은 에피택시 초전도체(45)와 다른 상을 갖는 REBaCuO 화합물(예를 들면, RE1 + zBa2 -zCu4O7-δ, 0<z<1)로 이해될 수 있다. 결국, 이러한 구리 산화물(46)은 에피택시 초전도체(45) 내에 적층 결함(46, stacking faults)을 형성할 수 있다.
도 13a 및 도 13b은 각각 후-열처리 공정 전과 후-열처리 공정 후의 에피택시 초전도체(45)의 TEM 이미지들이다. 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 후-열처리 공정 후에, 에피택시 초전도체(45) 내에 분산된 희토류 산화물(43)의 알갱이들, 및 GdBCO의 c-축에 평행한 적층 결함(46)이 생성됨을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 초전도체의 임계온도(Tc) 특성을 나타낸다. (a)는 후-열처리를 수행하지 않은 경우, (b)는 300mTorr의 압력 하에서 800℃에서 5분 동안 후-열처리한 경우, (c)는 300mTorr의 압력 하에서 800℃에서 10분 동안 후-열처리한 경우, (d)는 300mTorr의 압력 하에서 800℃에서 30분 동안 후-열처리한 경우, 그리고 (e)는 300mTorr의 압력 하에서 800℃에서 120분 동안 후-열처리한 경우의 온도-저항 그래프들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 후-열처리에 의하여 임계온도(Tc)가 대략 4K 정도 상승하였다.
도 15는 본 발명의 실시예들 따라 형성된 초전도체의 외부 인가 자기장 하에서의 임계전류(Jc) 특성을 나타낸다. (a)는 후-열처리를 수행하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명에 따른 후-열처리를 수행한 경우(예를 들어, 300mTorr의 압력 하에서 800℃에서 30분 동안 후-열처리)이다. 초전도 물질은 GdBCO이었다. 측정 온도는 77 K이었고, 자기장의 세기는 1 테슬라(1T)이었다. 자기장의 세기는 일정하게 하였고, 자기장의 방향을 바꾸면서 임계전류를 측정하였다. 그림에서 각도 0도는 자기장이 초전도 선재의 표면과 평행한 방향이고, 90도는 초전도 선재의 표면과 수직한 방향이다.(확인 부탁합니다. PPT 자료에는 90도가 자기장이 ab 면에 평행한 것으로 되어 있습니다.) (a)의 임계전류의 크기는 50% 이상 변하는 반면, 본 발명에 따른 초전도체의 임계전류의 크기(b)는 각도에 따라 대략 20% 이내에서 변하였다. 초전도체에 임계전류 이상의 전류를 흐르면, 초전도체는 초전도 특성을 잃어버린다. 모터나 발전기 등의 전력 기기에서는, 그의 내부에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생하고 자기장의 방향은 제어하기 어렵다. 따라서 초전도체의 임계전류는 각도에 따른 가장 작은 값에 의해 결정된다. 본 발명에 따른 초전도체는 각도에 따른 임계전류의 변화가 매우 적기 때문에 전력 기기에 응용하기에 매우 유리하다.
이러한 초전도체의 우수한 특성은 그의 내부에 생성된 희토류 산화물 알갱이들 및 적층 결함들이 초전도체의 자속 고정점들로 기능하기 때문이다.
한편, 도 2A 및 도 2B는 GdBCO의 상태도를 나타내기 때문에, 구체적인 산소 분압 및 열처리 온도는 희토류 원소(RE)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
전술한 방법으로 형성된 초전도체는 기판(10) 상에 박막(film)으로 형성되는 초전도체일 수 있다. 전술한 실시예들은 초전도막의 형성을 설명하지만, 이에 한정되지 않는다. 전술한 실시예들의 열처리는 벌크 초전도체에도 적용될 수 있음은 자명할 것이다. 예를 들어, 비정질의 희토류-바륨-구리 산화물을 준비한다. 전술한 열처리 공정을 통하여 비정질의 희토류-바륨-구리 산화물은 단결정 구조의 희토류-바륨-구리 산화물로 변화될 수 있을 것이다. 단결정 구조의 희토류-바륨-구리 산화물은 그의 내부에 분산되어 함유된 희토류 산화물의 알갱이들, 바륨-구리 산화물의 알갱이들, 및 적층 결함을 포함할 수 있다.
도 16 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도체 형성 장치의 일 예가 개략적으로 설명된다. 도 16 내지 도 19를 참조하여 설명되는 초전도체 형성 장치는 본 발명에 따른 일 예로 초전도 선재를 위한 것이고, 본 발명의 개념이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 16은 본 발명에 따른 초전도체 형성 장치를 개략적으로 도시한다. 도 16을 참조하여, 초전도체 형성장치는 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛(100), 박막 증착 유닛(100)에서 형성된 초전도 전구체 막을 포함하는 기판을 열처리하기 위한 열 처리 유닛(200) 및 기판 공급/회수 유닛(300)을 포함한다. 박막 증착 유닛(100), 열 처리 유닛(200) 및 기판 공급/회수 유닛(300) 사이에 기판이 통과하고 진공을 유지할 수 있는 진공 로드(20)가 추가로 제공될 수 있다.
도 17은 본 발명에 따른 초전도체 형성장치의 박막 증착 유닛(100)의 단면을 개략적으로 도시한다. 도 16 및 도 17을 참조하여, 박막 증착 유닛(100)은, 공정 챔버(110), 릴투릴(REel to REel) 장치(120), 및 증착부재(130)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 공정 챔버(110)는 기판(10)에 초전도 전구체 막을 형성하는 증착 공정이 이루어지는 공간을 제공한다. 공정 챔버(110)는 서로 마주보는 제1 측벽(111) 및 제2 측벽(112)을 포함한다. 제1 측벽(111)에 기판 공급/회수 유닛(300)과 연결되는 인입부(113)가 제공되고, 제2 측벽(112)에 열 처리 유닛(200)에 연결되는 인출부(114)가 제공된다. 기판(10)은 선재 공급/회수 유닛(300)으로부터 인입부(113)를 통해 공정 챔버(110) 안으로 인입되고, 인출부(114)를 통해 열 처리 유닛(200)으로 인입된다.
증착부재(130)는 릴투릴 장치(120)의 아래에 제공될 수 있다. 기판(10)의 표면에 초전도 물질의 증기를 제공한다. 일 실시예로, 증착부재(130)는 증발법(co-evaporation)을 이용하여, 기판(10) 상에 초전도 전구체 막을 제공할 수 있다. 증착부재(130)는, 기판(10) 하부에, 전자빔에 의하여 금속 증기를 제공하는 금속 증기 소스들(131, 132,133)을 포함할 수 있다. 금속 증기 소스들은 희토류를 위한 소스, 바륨을 위한 소스 및 구리를 위한 소스를 포함할 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다. 도 18을 참조하여, 릴투릴 장치(120)는 제1 릴 부재(121) 및 제2 릴부재(122)를 포함하며, 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)는 서로 이격되어 마주한다. 증착부재(130)는 제1 릴부재(121)와 제2 릴부재(122) 사이에 위치하는 기판의 아래에 위치한다. 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)는 초전도 전구체 막의 증착이 이루어지는 영역에서 기판(10)을 멀티턴(multiturn)시킨다. 즉, 기판(10)은 제1 릴부재(121)와 제2 릴부재(122) 사이를 왕복하며 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)에 턴된다. 제1 릴부재(121)는 공정 챔버(110)의 제1 측벽(111)에 인접하여 제공되고, 제2 릴부재(122)는 공정 챔버(110)의 제2 측벽(112)에 인접하여 제공될 수 있다. 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)는 서로 동일한 구성을 가질 수 있다. 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)는 기판(10)의 왕복 방향에 교차하는 방향으로 연장할 수 있다.
제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)는 각각 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)의 연장 방향으로 배치되어 결합되는 릴들을 포함한다. 기판(10)는 각각의 릴에서 한번 씩 턴한다. 각각의 릴은 독립적으로 구동될 수 있으며, 기판(10)과의 마찰력에 의해서 회전된다. 평면상에서 볼 때, 제2 릴부재(122)는 기판(10)의 멀티턴을 위해 제1 릴부재(121)와 약간 어긋나게 배치된다. 기판(10)은 제1 릴부재(121) 및 제2 릴부재(122)를 오가면서, 제1 릴부재 및 제2 릴부재(122)의 연장 방향으로 이동한다.
도 19는 본 발명에 따른 초전도체 형성장치의 열처리 유닛(200)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 19를 참조하여, 열 처리 유닛(200)은 기판(10)을 연속적으로 통과시킬 수 있고 차례로 인접한 제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230)를 포함할 수 있다. 제1 용기(210) 및 제3 용기(230)는 서로 이격된다. 제2 용기(220)의 중심 부분은, 제1 용기(210) 및 제3 용기(230)가 서로 이격된 공간에 대응될 수 있다. 제2 용기(220)는 제1 용기(210) 및 제3 용기(230) 각각의 일부들을 둘러싸도록 구성된다. 제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230)는 실린더형의 석영관(quartz)으로 구성될 수 있다. 제1 용기(210)는 박막 증착 유닛(100)의 인출부(114)와 연결될 수 있다. 제1 용기 및 제3 용기는 그 양단에 기판(10)이 통과할 수 있는 인입부들 및 인출부들(211, 212, 231, 232)을 포함할 수있다. 기판(10)은, 제1 용기의 제1 인입부(211)로 인입되어 제1 용기의 제1 인출부(212)로 인출되고, 제2 용기의 중심 부분을 통과하고, 제3 용기의 제2 인입부(231)로 인입되어 제3 용기의 제2 인출부(232)로 인출될 수 있다.
제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230)는 독립적인 진공을 유지할 수 있다. 이를 위하여 제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230)는 각각 별도의 펌핑 포트들(214, 224, 234) 및 산소 공급부들(미도시)을 가질 수 있다. 산소 공급부들을 통하여 산소가 공급되어, 제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230) 내의 산소 분압이 서로 독립적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 용기(210) 내의 산소 분압은 제3 용기(230) 내의 산소분압 보다 낮고, 제2 용기(220) 내의 산소분압은 제1 용기(210) 내와 제3 용기(230) 내의 산소분압의 사이로 유지되도록 될 수 있다. 제1 용기(210)에 인접한 부분에서 제3 용기(230)에 인접한 부분으로 갈수록, 제2 용기(220) 내의 산소분압은 증가할 수 있다.
제1 용기(210), 제2 용기(220) 및 제3 용기(230)는 이들을 둘러싸는 퍼니스 내에 제공된다. 제1 용기(210) 및 제3 용기(230)가 이격된 부분이 퍼니스의 중심 부근에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 용기(220)의 중심 부근의 온도는 제1 용기(210) 및 제3 용기(230) 내의 온도보다 높게 유지될 수 있다. 제1 용기(210) 및 제3 용기(230) 내의 온도는 제2 용기(220)의 중심 부분으로부터 멀어질수록 낮아질 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 열처리 과정이 도 19의 열처리 유닛(200)과 함께 설명된다. 경로 IA는 상기 기판(10)이 열처리 유닛(200)의 제1 용기(210)를 통과하면서 수행될 수 있다. 제1 용기(210)는 상대적으로 낮은 산소분압(예를 들면, 1×10-6 ~ 1×10-3 Torr)을 가질 수 있다. 제1 용기(210) 내의 온도는 제1 인입부(211)로부터 증가되어 제1 인출부(212)에서 대략 800℃가 될 수 있다. 경로 IB는 기판(10)이 열처리 유닛(200)의 제2 용기(220)의 중심 부분을 통과하면서 수행될 수 있다. 제2 용기(220)은, 예를 들면 1×10-2 ~ 10-1 Torr의 산소분압을 가질 수 있다. 제1 용기(210)에 인접한 부분에서 제3 용기(230)에 인접한 부분으로 갈수록, 제2 용기(220) 내의 산소분압은 증가할 수 있다. 제2 용기(220)의 중심 부분의 온도는 대략 850℃ 이상일 수 있다. 경로 IC는 기판(10)이 열처리 유닛(200)의 제3 용기(230)를 통과하면서 수행될 수 있다. 제3 용기(230)는, 예를 들면 5×10-2 ~ 3×10-1 Torr의 산소분압을 가질 수 있다. 제3 용기(230) 내의 온도는 제2 인입부(221)의 대략 850℃로부터 제2 인출부(222)로 갈수록 감소할 수 있다.
전술한 예에서는, 박막 증착 유닛(100), 열처리 유닛(200) 및 기판 공급/회수 유닛(300)이 일체로 구성되어, 기판(10)이 연속적으로 이송되는 것이 설명되었지만, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 먼저 공급/회수 유닛(300)이 박막 증착 유닛(100) 및 열처리 유닛(200) 각각에 별도로 제공될 수 있다. 먼저, 기판을 감은 기판 공급/회수 유닛이 박막 증착 유닛(100)에 장착된다. 박막 증착 유닛(100)에서, 기판 상에 초전도 전구체가 형성된다. 박막 증착 유닛(100)은 전술한 예와 다른 구조일 수 있다. 예를 들면, 박막 증착 유닛(100)은 유기금속 증착(Metal Organic Deposition: MOD)을 위한 것일 수 있다. 다음, 초전도 전구체체가 형성된 기판을 감은 선재 공급/회수 유닛은, 박막 증착 유닛(100)으로부터 분리된다. 초전도 전구체가 형성된 기판은 열처리 유닛(200)에 장착될 수 있다. 이후 초전도 전구체가 형성된 기판은 열처리된다.
다른 실시예에서, 기판은 선재 타입이 아니라 대면적의 판상일 수 있다. 이러한 경우, 공급/회수 유닛은 전술한 예와는 다른 구조를 가질 수 있다. 기판은 박막 증착장치에 제공되고, 기판 상에 초전도 전구체가 형성된다. 초전도 전구체가 형성된 기판은 전술한 열처리 단계들을 수행할 수 있는 장치에 제공되어 열처리된다.
Claims (16)
- 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 전구체를 제공하고;
상기 초전도 전구체에 전-열처리 공정을 수행하여, 희토류-구리-바륨 산화물이 에피택시 성장된 제1 초전도체를 형성하고; 그리고
상기 제1 초전도체에 후-열처리 공정을 수행하여 제2 초전도체를 형성하는 것을 포함하되,
상기 전-열처리 공정은:
상기 희토류-구리-바륨 산화물이 희토류 산화물의 알갱이를 함유하는 액상을 갖도록 하는 제1 열처리 단계; 그리고
상기 액상의 상기 희토류-구리-바륨 산화물을 상기 제1 열처리 단계보다 낮은 온도로 냉각하여, 상기 희토류-바륨-구리 산화물이 에피택시 성장되도록 하는 제2 열처리 단계를 포함하고,
상기 후-열처리 공정은:
상기 제1 열처리 단계보다 낮은 온도에서 수행되는 초전도체의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 열처리 단계는 10-6 ~ 10-1 Torr의 산소 분압 및 800℃ 이상의 온도에서 수행되는 초전도체의 형성방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 제2 열처리 단계는 10-3 ~ 10-1 Torr의 산소 분압 및 800℃ 이하의 온도에서 수행되는 초전도체의 형성방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 후-열처리 공정은 10-3 Torr 이상의 산소분압 하에서 700 ~ 800℃의 온도에서 수행되는 초전도체의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 에피택시 성장된 제1 초전도체의 상기 희토류-구리-바륨 산화물은 상기 희토류 산화물로부터 형성되는 초전도체의 형성방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 제1 초전도체는 그의 내부에 분산된 희토류 산화물의 알갱이를 함유하는 초전도체의 형성방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제2 초전도체는 그의 내부에 분산된 희토류 산화물의 알갱이 및 구리 산화물의 적층 결합을 함유하는 초전도체의 형성방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 희토류 산화물은 RE2O3이고, 상기 제1 초전도체는 RE1 + xBa2 - xCu3O7 -δ의 상을 갖고 상기 제2 초전도체는 RE1 + yBa2 - yCu3O7 -δ의 상을 갖고, x>y이고,
RE는 La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu을 포함하는 란타늄족 원소 중의 적어도 하나 또는 Y을 포함하는 초전도체의 형성방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제2 초전도체는 RE2BaCuO5을 더 함유하는 초전도체의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 희토류-구리-바륨 산화물은 테이프 형상의 기판 상에 형성되고,
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 기판 상에 형성된 산화물 버퍼층을 포함하는 초전도체의 형성방법. - 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 전구체를 열처리하여 액상의 희토류-구리-바륨 산화물을 형성하는 제1 단계;
상기 액상의 희토류-구리-바륨 산화물로부터 에피택시 성장된 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제1 초전도체를 형성하는 제2 단계; 및
상기 제1 초전도체를 열처리하여 상기 희토류-구리-바륨 산화물의 제2 초전도체를 형성하는 제3 단계를 포함하되,
상기 제3 단계의 열처리는 상기 희토류-구리-바륨 산화물이 액상을 갖지 않는 분위기에서 수행되는 초전도체의 형성방법. - 에피택시 성장된 희토류-바륨- 구리 산화물;
상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치된 희토류 산화물의 알갱이들; 및
상기 희토류-바륨-구리 산화물 내에 배치되고, 상기 에피택시 성장된 희토류-바륨- 구리 산화물의 c-축 방향으로 정열되어 적층된 구리 산화물의 적층 결함을 포함하는 초전도체. - 청구항 12에 있어서,
상기 희토류 산화물은 RE2O3이고, 상기 희토류-바륨-구리 산화물은 RE1 + yBa2 -yCu3O7-δ의 상을 갖고,
RE는 La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu을 포함하는 란타늄족 원소 중의 적어도 하나 또는 Y을 포함하는 초전도체. - 청구항 13에 있어서,
RE2BaCuO5 상의 희토류-바륨-구리 산화물을 더 포함하는 초전도체. - 기판; 및
상기 기판 상에 형성된 청구항 11의 초전도체의 박막을 포함하는 초전도 선재. - 청구항 15에 있어서,
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 기판 상에 형성된 산화물 버퍼층을 포함하는 초전도 선재.
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