KR20210001699A - 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법 - Google Patents

탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법은 마그네슘 분말 표면에 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상을 코팅하는 단계를 포함한다.

Description

탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING CARBON-DOPED MgB2 SUPERCONDUCTOR}
본 발명은 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 마그네슘 분말의 표면 안정화 특성이 우수한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법에 관한 것이다.
이붕소마그네슘(Magnesium diboride, MgB2)은 미국의 물리학자인 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 주장하여 1972년 노벨 물리학상을 받은 BCS 이론의 금속성 초전도체의 한계온도인 절대온도 ~30K를 넘어 ~39K의 초전도 임계 전이온도를 갖는다는 점에서 전 세계적으로 많은 관심과 연구의 대상이 되고 있다(J. Nagamatsu, N.Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature, 401, pp.63-64 (2001)).
또한, 이러한 이붕소마그네슘은 현재 많은 연구가 이루어지고 있는 고온 산화물계 초전도체보다 구조가 매우 간단하고 화학적으로도 안정되어 있으며, 그 원료가 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 그 공급이 원활하다는 이점을 갖고 있다.
게다가, 이붕소마그네슘은 초전도 전이온도가 39K라는 점에서 액체헬륨을 사용하지 않고 현존하는 전기 냉동기를 사용하여 충분히 초전도성을 발휘하는 온도까지 낮출 수 있고, 초전도 임계 전류밀도 측정값이 높아서 경제적인 이점이 크며 그 응용 범위가 매우 넓다.
그러나, 이붕소마그네슘의 자기장하에서의 임계 전류밀도의 값은 실질적인 응용분야에 적용되기에는 낮은 수준이다. 특히, 상용화급인 저온초전도체 NbTi 및 고온초전도체인 YBCO 등에 비하여, 자기장하에서 낮은 임계 전류밀도 특성은 오랫동안 해결해야할 숙제로 남아 있다.
이에 따라 이붕소마그네슘 초전도체 내부에 나노 크기의 탄화규소, 탄소, 탄소나노튜브, 탄화수소 등 탄소계 화합물 나노분말을 첨가하여 자기장하에서의 임계 전류 특성을 월등히 향상시킬 수 있다는 것이 보고되었다. 이 경우 이붕소마그네슘의 붕소 일부를 탄소가 치환하여 격자 결함을 형성하고, 그 결과 초전도체의 자기장하 임계 전류 특성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 이붕소마그네슘 초전도체의 자기장 하의 임계전류밀도를 향상시키기 위해서는, 초전도체에 침투해 들어오는 외부 자기장을 효과적으로 고정시키는 자속고정점이 필요하다. 자속고정점을 유도하기 위해 이붕소마그네슘 초전도체에 넣어주는 도핑 소재 및 도핑 방법에 있어 경제성 및 효율성이 높게 요구된다.
도핑된 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 시, 거의 모든 도핑물질은 붕소 분말과 먼저 혼합하게 된다. 이는 붕소의 녹는점이 2076 ℃로 매우 높고 모스 경도가 9.5로 매우 높아, 혼합 공정 또는 반응 공정에서 붕소 분말이 덜 민감하기 때문이다. 즉, 도핑물질과 붕소 분말을 먼저 혼합하고, 이후에 마그네슘 분말과의 혼합을 진행한다.
그러나, 고체상태의 도핑물질을 단순 혼합하는 경우 균일성이 문제된다. 즉, 볼밀링 등에 의해 도핑물질과 붕소 분말이 균일하게 혼합되었다 하더라도, 이후 마그네슘 분말과의 혼합 분말을 금속튜브에 장입하여 선재 제조공정인 인발, 압연 등을 실시하게 되면, 금속튜브 내부에서 장입된 마그네슘 분말, 붕소 분말 및 도핑 물질의 이동이 계속적으로 일어나게 되는데, 이 때 각 원료 분말의 서로 다른 물리적 특성에 따라 이동하게 되므로, 최종적으로 얻어진 선재의 길이방향으로 원료 분말이 균일하게 분포하기는 매우 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 반응성이 덜한 붕소분말에 도핑물질을 코팅하는 방법이 개발되었다. 첫 번째로는 붕소분말 제조 시에 메탄가스 등을 넣어주어, 붕소분말 제조와 동시에 메탄가스에서 분해된 탄소가 붕소 분말 표면에 코팅되게 하는 방법이 있다. 두 번째로는 탄수화물 또는 탄화수소 화합물 등의 도핑물질을 붕소 분말과 같이 진공 석영튜브에 넣고 진공상태로 만든 다음 외부에서 온도를 높여 도핑물질을 녹이거나 증발시켜 붕소분말에 코팅하는 방법이 개발되었다. 그러나, 이러한 방법들은 코팅되지 않은 붕소 분말의 존재 가능성이 높아 문제가 있었다.
뿐만 아니라, 붕소분말에 코팅되는 탄소층의 두께가 한정적이어서 결과적으로 탄소 도핑량에도 제한이 있다. 또한, 붕소분말의 크기는 이붕소마그네슘 초전도체의 특성을 좌우하므로 작은 것이 유리한데, 작은 분말의 표면에 존재하는 탄소층은 높은 응력을 갖고 있어 쉽게 떨어져 나올 수 있어, 마찬가지로 탄소 도핑량에 한계가 있을 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 도핑물질의 손실을 효과적으로 방지할 수 있는 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 및 케톤계 용매의 혼합물에 마그네슘 분말을 첨가하여 마그네슘 분산액을 얻는 단계; 상기 마그네슘 분산액을 건조하여 상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말을 얻는 단계; 상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말과 붕소 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법은 반응성이 높은 마그네슘 분말 표면을 안정화시키고, 도핑 물질의 손실을 방지하여 탄소를 효율적으로 도핑할 수 있다.
도 1a는 제조예 1에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 1b는 제조예 2에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 1c는 제조예 1에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘의 EDS 원소 맵핑 결과이다.
도 2a는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 XRD 그래프이다.
도 2b는 도 2a의 49 ° 내지 66 ° 부분 그래프를 확대한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 온도에 따른 자기모멘트의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 자기장에 따른 임계전류밀도의 로그스케일 그래프이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 제조 방법은 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 및 케톤계 용매의 혼합물에 마그네슘 분말을 첨가하여 마그네슘 분산액을 얻는 단계; 상기 마그네슘 분산액을 건조하여 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말을 얻는 단계; 상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말과 붕소 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 열처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 우선 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 및 케톤계 용매의 혼합물에 마그네슘 분말을 첨가하여 마그네슘 분산액을 얻는다. 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원은 고체상일 수 있고, 케톤계 용매에 용해될 수 있으며, 유기산을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 유기산은 말레산, 푸마르산, 숙신산, 말산, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 젖산, 타르타르산 및 시트르산 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 말산이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 케톤계 용매는 아세톤 및 메틸에틸케톤 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아세톤이 바람직할 수 있다. 케톤계 용매를 사용하는 경우, 탄소공급원의 용해도가 높을 수 있고, 비점이 낮아, 실온에서 높은 증기압으로 증발 및 제거가 용이할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 마그네슘 분말은 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원에 포함된 탄소 원자의 질량과 상기 마그네슘 분말의 질량의 비가 1:7 내지 1:100, 1:7 내지 1:70, 1:10 내지 1:50, 1:20 내지 1:50 또는 1:20 내지 1:35이 되도록 첨가될 수 있다. 구체적으로, 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 분자식을 통해 포함된 탄소의 분율을 계산하여, 상기 수치 범위 내의 질량비로 첨가되는 마그네슘 분말의 양을 계산하고 결정할 수 있다. 상기 범위 내의 질량비로 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 및 마그네슘 분말을 첨가하는 경우, 마그네슘 분말에 균일하게 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 코팅을 형성할 수 있으며, 코팅이 너무 두꺼워지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 마그네슘 분말은 입자 직경이 100 nm 초과 5000 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 균일한 분산을 위해 분산액을 초음파 처리할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분산액은 10 분 내지 100 분 간 초음파 처리될 수 있다. 상기 범위 내로 초음파 처리되는 경우, 분산액은 균일하게 혼합될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 제조된 마그네슘 분산액을 건조하여 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말을 얻는다. 건조 과정을 통해 케톤계 용매를 제거하여, 결과적으로 마그네슘 분말 표면에 탄소공급원 코팅을 형성할 수 있다. 마그네슘 분말 표면에 탄소공급원 코팅을 형성하는 경우, 붕소 분말보다 큰 직경을 갖는 마그네슘 분말 표면에서 탄소공급원 코팅의 응력이 더 작아 안정적으로 코팅을 형성하여 유지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 건조는 20 ℃ 내지 50 ℃의 온도에서 60 분 내지 120 분 동안 수행될 수 있으며, 진공 조건에서 수행될 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위 내에서 건조를 수행하는 경우, 케톤계 용매가 효과적으로 제거됨으로써 마그네슘 분말 표면에 탄소공급원 코팅이 견고하게 형성될 수 있으며 마그네슘 분말의 손상 및 산화를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 코팅은 두께가 마그네슘 분말 직경의 0.01 % 내지 0.1 %의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 코팅 두께를 갖는 경우, 적정량의 탄소가 도핑된 이붕소마그네슘 초전도체를 얻을 수 있어, 제조되는 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 임계전류밀도특성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소공급원 코팅은 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 형태 그대로 포함하거나, 반응 또는 분해에 의해 변형된 형태로 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 분자 자체로 포함하거나, 무수물로 포함하거나, 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 분자 일부가 분해되거나 반응하여 다른 종류의 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 형태로 포함할 수 있다. 또한, 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 분자가 분해되거나 반응하여 물, 탄화수소, 알코올 등의 다른 물질로 존재할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말과 붕소 분말을 혼합한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 붕소 분말은 입자 직경이 10 nm 내지 100 nm 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 붕소 분말은 상기 마그네슘 분말과 상기 붕소 분말의 질량비가 1:0.8 내지 1:0.95 또는 1:0.87 내지 1:0.89가 되도록 첨가될 수 있다. 구체적으로, 상기 마그네슘 분말 및 상기 붕소 분말은 화학양론적 비로 첨가될 수 있다. 이붕소마그네슘은 마그네슘 대 붕소의 원자 수 비가 1:2 이므로, 24.312 g/mol 인 마그네슘의 원자량과 10.811 g/mol 인 붕소의 원자량을 고려할 때, 마그네슘 분말 및 붕소 분말이 상기 질량비로 첨가되는 경우, 잔여 마그네슘 및 잔여 붕소 없이 이붕소마그네슘이 효율적으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합된 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 성형체는 구형, 원기둥형, 직육면체형, 팔면체형과 같은 3차원 형태일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 압력은 혼합된 분말에 10 MPa 내지 10 GPa로 5 분 내지 60 분간 가해지는 것일 수 있다. 상기 범위 내의 압력 및 시간으로 성형체를 제조하는 경우, 분말 간 공간이 효율적으로 제거될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 성형체를 열처리하여 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상이 코팅된 마그네슘 분말과 붕소 분말이 반응하여 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체를 얻게 된다. 구체적으로, 상기 열처리를 통해 마그네슘과 붕소가 반응하여 이붕소마그네슘을 형성하고, 붕소와 비슷한 원자 크기를 갖는 탄소가 붕소 위치 일부에 치환된 형태로 도핑된 이붕소마그네슘 초전도체를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 성형체를 열처리하는 단계는 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리는 약 600 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 1 분 내지 1200 분간 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 약 600 ℃ 내지 약 700 ℃의 온도에서는 60 분 내지 1200 분간 수행될 수 있고, 약 700 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서는 1 분 내지 60 분간 수행될 수 있다. 상기 범위 내의 조건으로 열처리를 거치는 경우, 얻어진 초전도체는 임계전류밀도특성이 우수해질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체는 본 발명에 따른 방법으로 제조되고, 높은 임계전류밀도의 초전도체로서 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
제조예 1
아세톤 10 ml에 말산 0.04 g(말산에 포함된 탄소의 질량분율은 약 35.82 %)을 첨가하고 교반하여 완전히 용해한 후, 마그네슘 분말(중국, Thanshan weihao, 직경 5 μm 이하) 1 g을 첨가하고 10분 동안 초음파 세척기(한국, 새한초음파산업)로 40 kHz 주파수 조건에서 초음파 처리하였다. 초음파 처리한 다음 상온에서 60분간 건조하여 말산 코팅된 마그네슘 분말을 수득하였다.
제조예 2
아세톤 10 ml에 말산 0.08 g을 첨가하고 교반하여 완전히 용해한 후, 마그네슘 분말(중국, Thanshan weihao, 직경 5 μm 이하) 1 g을 첨가하고 10분 동안 초음파 세척기(한국, 새한초음파산업)로 40 kHz 주파수 조건에서 초음파 처리하였다. 초음파 처리한 다음 상온에서 60분간 건조하여 말산 코팅된 마그네슘 분말을 수득하였다.
실시예 1
제조예 1에서 제조된 말산 코팅된 마그네슘 분말 0.08 g 및 붕소 분말(Specialty Materials Inc, 미국, 직경 100 nm 이하) 0.07 g을 균일하게 혼합한 후, 일축가압형 유압 프레스로 30 MPa에서 10분 가압하여 펠릿을 제조하였다. 제조한 펠릿을 아르곤 분위기 하, 700 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체를 제조하였다.
실시예 2
제조예 2에서 제조된 말산 코팅된 마그네슘 분말 0.08 g 및 붕소 분말(Specialty Materials Inc, 미국, 직경 100 nm 이하) 0.07 g을 균일하게 혼합한 후, 일축가압형 유압 프레스로 30 MPa에서 10분 가압하여 펠릿을 제조하였다. 제조한 펠릿을 아르곤 분위기 하, 700 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체를 제조하였다.
비교예 1
마그네슘 분말(중국, Thanshan weihao, 직경 5 μm 이하) 0.08 g 및 붕소 분말(Specialty Materials Inc, 미국, 직경 100 nm 이하) 0.07 g을 균일하게 혼합한 후, 일축가압형 유압 프레스로 30 MPa에서 10분 가압하여 펠릿을 제조하였다. 제조한 펠릿을 아르곤 분위기 700 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 이붕소마그네슘 초전도체를 제조하였다.
TEM 사진 촬영 및 원소 맵핑 분석
JEM 2100F(일본, JEOL사)의 투과 전자 현미경 (TEM) 장비로 제조예 1 및 제조예 2에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 TEM 사진을 촬영하였다.
도 1a는 제조예 1에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 1b는 제조예 2에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
또한, JEM 2100F(일본, JEOL사) TEM 장비에 장착된 에너지 분산형 분광분석장치(EDS)로 제조예 1에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말을 EDS 원소 맵핑하여, Mg, C 및 O 의 분산상태를 분석하였다.
도 1c는 제조예 1에서 제조한 말산 코팅된 마그네슘 분말의 EDS 원소 맵핑 결과이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제조예 1의 마그네슘 분말은 중심부에 구형 입자가 있고, 표면에 코팅이 형성되어 있는 형태를 확인할 수 있다. 도 1c를 참조하면, 중심부에는 Mg가 분포하며, 외표면의 피막에는 C 및 O 가 분포하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 중심부에 마그네슘 입자가 위치하고, 그 외표면에 말산 코팅이 안정적으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
X선 회절 분석을 통한 탄소도핑 효과의 확인
D/Max-2500VL/PC(일본, RIGAKU사)를 이용하여 20 °내지 80 ° 범위 내에서 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 X선 회절 분석(XRD) 데이터를 도출하였다.
도 2a는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 XRD 그래프이고, 도 2b는 도 2a의 49 ° 내지 66 ° 부분 그래프를 확대한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 초전도체의 피크는 비교예 1의 피크와 일치하고, 탄소와 산소를 포함하는 유기산이 코팅된 마그네슘 분말을 사용하여 제조하였음에도 비교예 1의 초전도체보다 더 많은 산화마그네슘의 불순물은 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체는 유기산이 완전히 분해되어, 산소 성분은 기체 산소 또는 물로 제거되고 탄소만이 도핑 물질로 포함되어 있으므로, 유기산에 포함된 산소의 영향은 거의 없는 것을 알 수 있다.
도 2c를 참조하면, 비교예 1의 초전도체의 (110) 피크가 실시예 1 및 실시예 2의 초전도체에서는 우측으로 시프팅된 것을 확인할 수 있다. 이는 탄소 도핑의 효과로 볼 수 있으며, 말산의 농도가 높아질수록 경우 탄소 도핑량도 많은 것을 확인할 수 있다.
자기모멘트 측정
PPMS(Physical Property Measurement System)의 옵션인 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 기기를 이용하여, 자기장을 가하지 않고 온도를 12K/min의 속도로 10 K까지 내린 다음, 10 Oe(Oesterd) 자기장을 인가하였다. 이 상태에서 온도를 45 K까지 1 K/min의 속도로 등온하며 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 자기모멘트를 측정하였다.
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 온도에 따른 자기모멘트의 그래프이다.
도 3을 참조하면, 초전도체는 반자성 효과로, 가해준 자기장에 대하여 초전도체 내부에 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기 모멘트가 형성되는 바, 자기 모멘트는 음의 값을 갖는다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 초전도체의 자기모멘트 절대값이 비교예 1에서 제조한 초전도체의 자기모멘트 절대값보다 큰 것을 알 수 있다. 자기모멘트 절대값이 클수록 반자성 효과가 큰 것으로, 초전도 분율이 높아 더 강력한 초전도체에 해당한다. 즉, 본원발명에 따른 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체는 자기모멘트 절대값이 더 크므로 초전도 분율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
임계전류밀도 측정
물리적 특성 분석장치(PPMS, 미국, Quantum Design사, Model 6000)를 이용하여, 5 K 또는 20 K의 온도에서, 0 내지 9 T의 자기장 범위 내의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 임계전류밀도를 측정하였다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체 및 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 자기장에 따른 임계전류밀도의 로그스케일 그래프이다.
도 4를 참조하면, 5 K 및 20 K 에서 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 임계전류밀도가 비교예 1에서 제조한 이붕소마그네슘 초전도체의 임계전류밀도보다 높은 것을 확인할 수 있다. 또한 탄소 도핑량이 더 많은 실시예 2의 초전도체가 실시예 1의 초전도체보다 임계전류밀도가 더 높은 것을 확인할 수 있다.
상기 내용을 종합하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조방법에 따라 제조된 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체는 마그네슘 분말 표면에 유기산 코팅이 안정적으로 형성되어 효과적으로 이붕소마그네슘에 탄소가 도핑되고, 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 임계전류밀도특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원 및 케톤계 용매의 혼합물에 마그네슘 분말을 첨가하여 마그네슘 분산액을 얻는 단계;
    상기 마그네슘 분산액을 건조하여 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말을 얻는 단계;
    상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원이 코팅된 마그네슘 분말과 붕소 분말을 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기산은 말레산, 푸마르산, 숙신산, 말산, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 젖산, 타르타르산 및 시트르산 중 1종 이상을 포함하는 것인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케톤계 용매는 아세톤 및 메틸에틸케톤 중 1종 이상을 포함하는 것인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그네슘 분말은 상기 유기산, 탄화수소 및 탄수화물 중 1종 이상의 탄소공급원에 포함된 탄소 원자의 질량과 상기 마그네슘 분말의 질량의 비가 1:7 내지 1:100이 되도록 첨가되는 것인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건조는 20 ℃ 내지 50 ℃ 의 온도로 60 분 내지 120 분 동안 진행되는 것인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅은 두께가 마그네슘 분말 직경의 0.01 % 내지 0.1 %인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마그네슘 분말은 입자 직경이 100 nm 초과 5000 nm 이하인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 분말은 입자 직경이 10 nm 내지 100 nm 인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 분말은 상기 마그네슘 분말 및 상기 붕소 분말의 질량비가 1:0.8 내지 1:0.95 이 되도록 첨가되는 것인 탄소 도핑 이붕소마그네슘 초전도체의 제조 방법.
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