KR20210050177A - 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조방법 및 그 제법에 의한 세라믹 초전도체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 REBa2Cu3O7-y 산화물 형태의 세라믹 원료분말 제조 단계 및 상기 세라믹 원료분말 제조 단계에 의해 합성된 세라믹 원료분말에 산화주석(SnO2) 분말을 첨가하는 단계를 포함하는 세라믹 초전도체 제조 방법으로서, 본 발명에 의해 제조되는 세라믹 초전도체는 세라믹 고온 초전도체의 물리적 특성의 한계를 극복할 수 있어 다양한 산업 분야에 적용 가능하다.
Description
본 발명은 초전도체에 관한 것으로서, 특히 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
1987년 초 액체질소의 비등점(77 K) 이상에서 초전도성을 나타내는 고온 초전도체가 발견된 이후로 많은 연구가 이루어져 오고 있는데, 이는 초전도체가 지닌 무한한 기술적, 경제적 가능성과 새로운 물리적 현상에 대한 학문적인 관심 때문이다. 희토류계 고온 초전도체는 산화물 형태인 REBa2Cu3O7-y(RE, 희토류원소: Gd, Y, Nd, Sm, Dy 등) 형태로 제조된다. 산화물 고온 초전도체 중 현재까지 가장 많이 연구되고 있는 초전도체는 YBaCuO 초전도체(YBa2Cu3O7-y)이다.
YBa2Cu3O7-y 초전도체는 합성이 쉽고, 원료비가 저렴하며 고자기장에서 임계전류밀도가 높고 벌크나 박막 형태로의 가공이 가능하여 가장 응용 가능성이 높은 재료로 주목을 받고 있다. YBa2Cu3O7-y 초전도체는 전기적 특성의 발현이 안정되며 자장에서의 전류밀도가 높아 응용 가능성이 높아 산업으로의 응용을 위해 많은 연구가 진행 중이다.
고온 초전도체를 이용하여 상업화할 수 있는 제품을 제조하기 위하여는 플렉시블한 기능을 가진 초전도체를 각 제품의 특성에 맞게 적당한 형태로 만들어야 하고, 또한 고자장 하에서 발생하는 lorenz force를 극복하여야 하므로 적당한 기계적 특성을 유지하여야 한다.
현재까지 많은 연구들이 초전도 기능 향상과 가공기술 개발에 집중되어 왔으나, 아직까지 고온 초전도 선재(wire rod)를 액체질소온도(77K)에서 대용량 응용분야에 적용하기에는 미흡한 실정이다. 최근 초전도체의 전력기기 응용으로 세라믹 초전도체가 벌크 및 박막 또는 선재로 제작되어 주로 활용 되고 있으나 이러한 초전도체는 그 주 성분이 세라믹으로 재료의 경도가 강하여, 변형하기 어려우며, 이 점이 초전도체가 지니고 있는 가장 큰 취약점으로서 초전도체를 이용한 산업 응용을 크게 저해하는 요인으로 부각되고 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 세라믹 초전도체의 물리적 특성의 한계를 극복할 수 있는 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조방법 및 그 제법에 의한 세라믹 초전도체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 세라믹 초전도체 제조 방법은 REBa2Cu3O7-y 산화물 형태의 세라믹 원료분말 제조 단계 및 상기 세라믹 원료분말 제조 단계에 의해 합성된 세라믹 원료분말에 산화주석(SnO2) 분말을 첨가하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 산화주석이 첨가된 세라믹 원료분말을 포정온도 이상에서 용융 열처리하는 단계 및 상기 용융 열처리 후 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 REBa2Cu3O7-y 산화물의 RE는 Gd, Y, Nd, Sm, Dy 중 어느 하나의 원소인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 세라믹 원료분말 제조 단계는, Y2O3, BaCO3, CuO 분말을 소성하여 출발 조성이 YBa2Cu3O7이 되도록 평량 한 후 구연산에 용해하는 단계 및 상기 구연산이 첨가된 용액을 3차에 걸쳐 가열하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 산화주석 분말을 첨가하는 단계는 상기 세라믹 원료분말 제조 단계에 의해 제조되는 세라믹 원료분말의 총 중량을 기준으로 1wt%이상 보다 바람직 하게는 3wt% 이상의 산화주석 분말을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 냉각시키는 단계는 2℃/h의 냉각 속도로 열처리하는 것을 특징으로 하되 외부 조건이 바뀌면 그에 따라 변경 가능하다.
그리고, 상기 냉각시키는 단계는 1020℃에서 980℃까지의 온도 구간에서 진행시키는 것을 특징으로 하되 외부 조건이 바뀌면 그에 따라 변경 가능하다
본 발명은 상기의 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조 방법에 의해 제조되는 세라믹 초전도체를 포함한다.
그리고, 이러한 세라믹 초전도체의 초전도 개시온도는 산화주석 첨가량에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체의 제조 방법에 의하면, 최대 인력이 기존보다 증가하고, 자기 특성을 보다 개선시킨다.
즉, 희토류계 세라믹 초전도체 제조에 있어 산화주석(SnO2)의 첨가량이 증가함에 따라 파괴 인성 값이 크게 나타나므로 경도 값은 감소되어 세라믹 초전도체의 경도를 완화할 수가 있다.
따라서, 기계적 특성이 개선됨에 따라 경도가 완화된 세라믹 초전도체를 벌크, 박막 또는 선재로 제조가 가능하여, 전력기기 응용 등 산업분야에 적용될 수가 있다.
도 1은 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 XRD 측정 결과를 도시한 것이다.
도 2는 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 단면적 FESEM 이미지이다.
도 3은 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 임계온도 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 자기적 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 세라믹 초전도체의 SnO2 함량에 따른 파괴인성값을 나타낸 것이다.
도 2는 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 단면적 FESEM 이미지이다.
도 3은 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 임계온도 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 SnO2 첨가 여부에 따른 세라믹 초전도체의 자기적 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 세라믹 초전도체의 SnO2 함량에 따른 파괴인성값을 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
YBa2Cu3O7-y 초전도체는 합성이 쉽고, 원료비가 저렴하며 고자기장에서 임계전류밀도가 높고 벌크나 박막 형태로의 가공이 가능하여 가장 응용 가능성이 높은 재료로 주목을 받고 있다. YBa2Cu3O7-y 초전도체는 전기적 특성의 발현이 안정되며 자장에서의 전류밀도가 높아 응용 가능성이 높아 산업응용을 위해 많은 연구가 진행 중이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 고온 초전도체를 이용하여 상업화할 수 있는 제품을 제조하기 위하여는 플렉시블하고 유연한 기능을 가진 초전도체를 각 제품의 특성에 맞게 적당한 형태로 만들어야 하고, 또한 고자장 하에서 발생하는 lorenz force를 극복하여야 하므로 적당한 기계적 특성을 유지하여야 한다.
그러나, 최근 지속적인 개발이 진행 중인 YBa2Cu3O7-y 초전도체 등의 희토류계 세라믹 고온 초전도체는 그 주 성분이 세라믹으로 재료의 경도가 강하여, 변형하기 어려운 문제로 인해 산업 응용에 한계가 따른다.
본 발명은 산업 활용성이 높은 REBa2Cu3O7-y(RE, 희토류원소: Gd, Y, Nd, Sm, Dy 등) 산화물 형태의 희토류계 세라믹 고온 초전도체에 관한 것이며, 이러한 세라믹 고온 초전도체의 경도를 완화함으로써 벌크, 박막, 선재로서도 이용 가능한 유연성을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은 초전도체의 자기특성 및 기계적 특성의 향상을 목적으로 용융 프로세스를 적용하여 벌크로 합성된 희토류계 초전도체를 고온 용융시킨 후 다시 서서히 냉각 열처리하여 응고시키는 과정에 의해 제조한다.
예를 들어, YBaCuO 초전도상은 포정온도 이상에서 Y211과 액상의 영역으로 부분 용융되는데, 냉각속도에 따라 초전도 입자의 생성과 성장 속도가 결정되기 때문에 냉각속도를 서서히 냉각시키면 성장되는 초전도 입자의 배열성이 개선되어 YBaCuO 단결정의 크기가 크고 한 방향으로 배열된 조직으로 형성된다. 그리고, 특성 개선재로서 첨가물로 SnO2를 첨가한 용융법으로 합성함으로써 자기 특성 및 기계적 특성이 향상된 희토류계 세라믹 고온 초전도체를 제조한다.
이를 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 세라믹 초전도체 제조방법은 세라믹 원료분말 제조 단계, 산화주석(SnO2) 첨가 단계, 용융 열처리 단계 및 냉각 열처리 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 세라믹 초전도체는 희토류계 중 YBa2Cu3O7-y 산화물 형태인 것을 예로 들어 그 제조 방법을 설명한다.
세라믹 원료 분말 제조 단계는 우선 99.9% 순도의 Y2O3, BaCO3, CuO 분말을 소성하여 출발 조성이 YBa2Cu3O7이 되도록 평량 한 후 구연산에 용해한다.
첨가되는 구연산은 용액 중에 포함되어 있는 금속 이온의 총 원자 가수를 계산하여 필요량을 첨가한다.
그런 다음, 구연산이 첨가된 용액을 3차에 걸쳐 가열한다.
1차로 60℃ 내외의 hot plate에서 약 3시간동안 가열 각반하고, 2차로 전기로에서 450℃ 내외에서 약 10시간동안 가열한다. 이렇게 얻어진 원료분말을 3차로 950℃ 내외에서 약 24시간 가열한다.
3차 가열 공정 이후, 상온에서 냉각을 실시한다.
본 발명의 산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조 방법은 이상의 원료분말 냉각 후 원료분말에 산화주석(SnO2) 분말을 첨가한다.
SnO2 첨가량은 중량비로 칭량하여 950℃ 내외의 1차 소성 후 원료분말에 혼합한다.
다음으로, 이렇게 제조된 초전도 시료를 약 1050℃의 포정온도 이상에서 약 1시간 용융 열처리를 한 후, 1020℃에서 980℃까지의 온도 구간에서 2℃/h의 냉각 속도로 열처리함으로써 초전도체를 제조한다.
이와 같이 제조된 본 발명의 일 실시예에 의한 YBa2Cu3O 초전도체의 결정구조를 확인하기 위해 Rigaku사의 x-ray diffraction을 사용하였다. 온도에 따른 저항의 변화를 측정하기 위하여 측정부분에 실리콘 다이오드 온도 센서를 설치하여 온도변화와 저항과의 관계를 이용하여 전기저항을 측정하였다.
도 1은 SnO2 첨가 여부에 따라 용융프로세스로 합성한 YBaCuO 시편의 XRD 분석결과로서, 도 1a는 SnO2가 미첨가된 경우이며, 도 1b는 SnO2 3wt%가 첨가된 경우를 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이, YBaCuO 초전도체의 주요 회절선 (002) (003) (004) (005)가 나타나며 2차상으로 생성된 Y123상의 회절선이 나타난다. XRD 측정 결과로 구조적 특성이 유사하며 SnO2를 첨가하지 않았기 때문에 Sn의 회절상은 관측되지 않는다. SnO2의 미첨가시 XRD 특성의 변화는 관측되지 않고, SnO2의 첨가는 초전도 시편의 자기적 특성과 기계적 특성에 영향을 미치는 것으로 파악된다.
다음, 도 2는 성장이 완료된 YBaCuO계 초전도 시편의 단면을 관찰한 미세조직 사진으로, 도 2a는 SnO2를 첨가하지 않은 시편, 도 2b는 SnO2를 3wt% 첨가한 시편의 단면 미세조직의 사진이다.
도 2b에서 Y123 기지 안에 10㎛ 이하의 Y211 입자들이 다수 존재함을 알 수 있다. 이들 입자는 고온에서 액상과 반응하여 생성된 Y211 입자들이다. 본 미세조직을 보면 2㎛ 크기의 Sn 입자가 Y123에 포획되어 있다. SnO2 입자의 경우 용융 공정 중 용해된 Sn이 시편 내에 생성된 기공으로 이동하고 있다.
도 3은 SnO2를 넣지 않은 시편과 SnO2를 3wt% 첨가한 시편에 대하여 임계 전이온도를 측정한 것이다. 도 3에서 초전도 임계 온도 Tc,onset는 SnO2의 함량이 증가함에 따라 높아지며, 초전도 특성이 향상 되는 결과를 나타낸다. 초전도 개시온도는 각각 86.2K과 87K로 관측되었다.
다음 도 4는 SnO2를 첨가하지 않은 시편과 SnO2를 3wt% 첨가한 시편에 대해 자력 냉각법(field cooled at 77K)으로 초전도체 위에 표면자력을 발생시키고, Nd-B-Fe 영구자석을 올려놓고 자력을 통과시킨 상태에서 액체질소 온도까지 냉각시킨 다음 영구자석을 이용하여 측정한 힘-거리(F-d) 곡선이다.
도 4에서 자력냉각의 경우는 초전도체에 영구자석이 포획된 상태에서 영구자석을 초전도체로부터 멀리 이동하기 때문에 초전도체에 포획된 자기력과 영구자석의 자기력이 서로 잡아 당기고 있는 상태에서 힘을 측정하게 된다. 따라서 측정된 힘은 (-) 부호를 갖는 인력이 되며 초전도체로부터 영구자석을 멀리하게 되면 인력은 거리에 따라 감소한다. SnO2를 3wt% 첨가한 시료의 field cooling 상태에서 측정한 최대 인력은 31.752 N이며, SnO2 첨가 전에 비해 첨가 후의 최대 인력은 최대 40% 증가하였으며, 자기특성이 개선되었음을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 초전도체 합성과정 중에서 첨가된 SnO2가 플럭스 피닝으로 작용하여 초전도 자기 특성을 크게 개선하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 도 5는 비커스 경도법을 이용하여 파괴인성값을 계산하여 나타낸 결과이다. 초전도 시료 내부에 첨가 되는 SnO2량이 증가 할수록 인성값은 증가하고 있으며, 초전도체의 경도는 감소하는 것으로 나타난다. 본 발명에서의 초전도체와 같은 세라믹 물질은 금속과는 달리 인성값이 증가할수록 초전도 시료의 경도값은 작아진다. 이러한 결과는 세라믹 재료인 YBaCuO 초전도체에 SnO2를 첨가하여 시료의 표면의 단단함이 감소했기 때문으로 판단된다. 즉 초전도 시료는 SnO2의 첨가로 시료 전체가 부드러워져 딱딱한 세라믹 초전도 시료의 고유의 특성으로 인하여 공업적 가공의 곤란으로 따르던 초전도 케이블 및 초전도 선재의 가공 및 적용이 가능함을 의미한다.
즉 SnO2를 첨가한 YBaCuO 초전도체를 초전도 케이블 및 선재와 같은 전력용 소재로 활용하였을 경우 초전도 가공의 유연성이 향상되어 전력기기 소재로의 적용이 용이하게 할 수 있는 것이다. 또한 초전도체에 SnO2를 첨가하지 않은 시편의 파괴인성값은 1.5 MPa 
, SnO2를 1wt%, 3wt% 첨가한 시편에서 파괴인성값은 각각 1.6, 1.83 MPa 
로 SnO2 첨가량이 증가할수록 파괴 인성값이 커진다. 따라서 YBaCuO 초전도체의 경도는 SnO2를 첨가할수록 감소하고, 기계적 특성이 개선됨을 알 수 있다.
이상과 같이 희토류계 세라믹 고온 초전도체에 SnO2를 첨가한 경우, Sn 입자들이 초전도체 내부에 석출되어 기공을 채우고, 기공의 감소로 인하여 초전도 미세조직의 치밀화를 가져와 초전도의 자기력과 기계적 특성을 향상시키는 것이다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
Claims (5)
- REBa2Cu3O7-y 산화물 형태의 세라믹 원료분말 제조 단계; 및
상기 세라믹 원료분말 제조 단계에 의해 합성된 세라믹 원료분말에 산화주석(SnO2) 분말을 첨가하는 단계를 포함하는,
산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 산화주석이 첨가된 세라믹 원료주석분말을 포정온도 이상에서 용융 열처리하는 단계; 및
상기 용융 열처리 후 냉각시키는 단계를 더 포함하는,
산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 REBa2Cu3O7-y 산화물의 RE는 Gd, Y, Nd, Sm, Dy 중 어느 하나의 원소인 것을 특징으로 하는,
산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 세라믹 원료분말 제조 단계는,
Y2O3, BaCO3, CuO 분말을 소성하여 출발 조성이 YBa2Cu3O7이 되도록 평량 한 후 구연산에 용해하는 단계; 및
상기 구연산이 첨가된 용액을 3차에 걸쳐 가열하는 단계를 포함하는,
산화주석이 첨가된 세라믹 초전도체 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조되는 세라믹 초전도체.
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| KR (1) | KR20210050177A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023027537A1 (ko) * | 2021-08-25 | 2023-03-02 | 주식회사 퀀텀에너지연구소 | 상온, 상압 초전도 세라믹화합물 및 그 제조방법 |
| WO2023027536A1 (ko) * | 2021-08-25 | 2023-03-02 | 주식회사 퀀텀에너지연구소 | 상온, 상압 초전도 세라믹화합물 및 그 제조방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170108097A (ko) | 2015-09-16 | 2017-09-26 | 가부시끼가이샤 도시바 | 산화물 초전도체 및 그의 제조 방법 |
-
2019
- 2019-10-28 KR KR1020190134485A patent/KR20210050177A/ko not_active Application Discontinuation
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