[해외기술특집] 자계 하에서 임계전류 향상 - 나노 조직에 의한 매크로적 특성 개선

장척화와 임계전류

1986년에 발견된 산화물 고온 초전도 재료 YBa₂Cu₃O7-X(이하 YBCO)의 실용화 시기가 가까워지고 있다. 특히 선재 분야에서는 <그림 1>과 같이 세계 최고 특성의 장척선이 개발되어 각종 분야에 응용되리라는 기대가 높아지고 있다.
고온 초전도 발견 당초에는 수 ㎝ 길이의 시료에 의한 물성 연구가 이루어졌는데, 기기 응용에는 수백 m 이상의 선재가 필요하다. <그림 1>의 선재는 길이(L)가 212.6m며, 임계전류값(Ic)도 245A로 높았다. 이는 전류밀도라면 1㎠의 초전도체 단면당 100만A나 흐를 수 있는 것이다.(1MA/㎠) 기기 응용 시의 기준으로는 선재 특성의 곱인 ICxL을 사용하지만, 이 선재의 ICxL값은 5,2000Am이며 기존 기록의 2.5배 이상이 된다.


이 선재로는 하스텔로이(Hastelloy) 금속 테이프 위에 이온빔 증착법(Ion Beam Assisted Deposition : IBAD법)으로 산화물 결정을 배향시키고, 그 위에 레이저를 사용한 증착법(Pulsed Laser Depositi : PLD법)으로 초전도층을 만든다.
IBAD법은 일본 ㈜후지쿠라사가 세계 최초로 개발한 것이며, PLD법은 초전도 공학 연구소에 의해 <그림 2>의 멀티 플룸 멀티 턴법(Multi-Plume Multi-LD PLD-MPMT PLD)이라고 불리는 새로운 기술이 개발됐다. <그림 1>의 선재는 이 기술에 의해 제작이 가능해졌다. 현재 세계 각 연구기관은 선재 개발에 연구 매진하고 있어 실용화에 한층 가까워지고 있다.
그러나 초전도 응용을 위해서는 선재 길이와 함께 임계전류도 중요하다. 앞서 언급한 245A는 제로 임계 하의 값으로는 세계 최고 레벨이지만, 이 임계전류는 자계 중에서 감소한다. 즉, 장척화가 진행된 지금, 자계 중에서의 임계전류를 높이는 것이 한층 더 중요해졌다.



자계 속에서의 임계전류와 응용

<표>에 각종 초전도 응용의 예를 나타냈다.
케이블 외에는 몇 테슬라(T)의 자계 중에서 이용되고 있으므로 자계 중에서의 임계전류가 높아야 한다. 각 기기의 발생 자계는 ‘감은 수×전류’로 정해지기 때문에 선재 길이(턴 수)가 같다면, 임계전류가 높을수록 높은 자계를 발생할 수 있다. 발생 자계가 일정하면 보다 콤팩트한 기기가 된다. 따라서 자계 중에서의 임계전류를 높일 필요가 있다.


<그림 3>과 같이 각종 초전도체 속에서 YBCO는 자계 중 특성이 우수한 것으로 알려져 있다.
예를 들어 Bi계 산화물 초전도선은 이미 ㎞ 오더의 장척화가 진행되고 있는데, 77K 수 T의 임계 중에서는 임계전류가 0이 되어 사용할 수 없다. 이와 비교해 YBCO선은 77K, 수 T에서도 기기 응용이 가능하다. 그러나 이 YBCO 선재를 보다 광범위하게 응용하기 위해서는 보다 높은 임계전류 특성이 요구된다.


나노 조직 제어와 임계전류 향상

자계 중 임계전류는 초전도체 속에 발생하는 자속선 또는 그 격자를 자계 중에서 움직이지 않도록 하는 피닝 특성으로 정해진다. 이 피닝 역할을 하는 조직을 피닝 센터라고 하는데 전위, 결정입계 등의 각종 결핍, 상전도 미세 석출물이 그 전형으로 알려져 있다.
이 자계 중에서의 임계전류를 높이는 방법으로 최근 주목받고 있는 것이 인공 피닝 센터인데, 최근 1~2년의 연구로 특성 향상에 상당히 효과적임을 확인할 수 있어 일본과 미국에서 활발하게 연구 개발이 진행되고 있다.


YBCO선재에서는 ① 산화물 입자 나노 도트법, ② 산화물 입자 혼합법, ③ RE계 123상을 이용한 방법으로 인공 핀 도입을 시도했다.
나노 도트법은 <그림 4>와 같이 YBCO막 제작 전기판 위에 미세한 산화물 나노 도트를 만들어, YBCO막의 성장 중 조직적 결함을 도입하여 피닝특성을 높인다. 일본에서는 연구를 통해 Y₂O₃의 나노 도트로 높은 임계전류를 얻었다.
<그림 5>는 ②의 산화물 입자 혼합법에 의한 선재조직이다. 기존 YBCO 선재에서는 단순한 YBCO소결체를 레이저 타깃으로 사용하고 있는데, 이 타깃에 상전도체의 산화물 입자, 예를 들어 YSZ, BaZrO₃등을 혼합 제작하면 YBCO 성막 중에 유효한 피닝센터가 되는 결함이 형성되어 자계 중의 임계전류가 향상된다. <그림 5>의 YBCO 막 속에는 상전도 BaZrO₃가 직경 10~20㎚으로 균일하게 형성되고 있다. 이것이 효과적인 핀 정지점이 되어 자계 중의 임계전류를 크게 향상시킨다. 직경은 나노 오더지만, 막 두께 방향으로는 미트론 오더에 걸쳐 에피택셜 성장을 유지하고 있어 재료학적으로도 흥미롭다.
이외에 YBCO의 Y원소를 RE 원소(Gd, Sm 등)로 치환하여 특성을 높이는 시도도 이루어졌다. 이런 원소 치환으로 인해 초전도를 나타내는 임계온도도 높아진 데다 조직 중에는 많은 결함이 생겨 피닝 센터가 되어 임계전류 특성이 향상됐다.
선재의 자계 중 임계전류를 측정하면, <그림 6>과 같이 대폭 향상된 특성을 확인할 수 있다.


보통 YBCO 선재와 비교하면 임계전류밀도는 2배 이상으로 향상됐다. 예를 들어 0.1MA/㎠의 임계전류밀도가 되는 자계는 보통 YBCO 선재에서는 2T였지만, 인공 핀을 도입하면 그림과 같이 4~5T로 크게 향상됐다. 이 기술은 현재 단척 시료에서 장척으로 적용되는 단계로 접근하고 있다. 이러한 선을 사용하면 보다 고특성 코일이나 기기를 만들 수 있어 초전도 응용에 한층 가까워진다. 그렇기 때문에 현재 미국에서도 장척화 이외에 인공 핀 개발이 중요한 과제로 주목받아 오크리지 국립연구소 등에서 YBCO와 BaZrO₃등을 만드는 연구가 활발하게 진행되고 있다.


마무리

최근 고온 초전도 선재의 개발, 특히 임계전류밀도 향상에 대한 진전 상황을 소개했다. 장척화와 마찬가지로 나노 조직 제어에 의한 인공 핀 도입 선재의 개발도 현저하게 진전되어 강자계 응용으로의 실용화도 가까워지고 있다. 또 인공 핀 연구는 초전도로서 뿐 아니라 재료학적으로 주목 받고 있다.
100m 클래스의 초전도선 제작에도 적용할 수 있어 나노와 매크로를 융합한 기술로 향후 주목할 가치있는 기술 영역으로 기대된다.

고온 초전도 재료(High-temperature Superconductive Material) 초전도 현상은 0K 가까이까지 재료를 냉각하지 않으면 실현할 수 없었다. 1986년에 IBM연구소에서 더 높은 온도로도 초전도가 얻어진다는 것이 판명되고부터 각국이 다투어 연구하여, 최근에는 세라믹스 재료로 상온 가까이에서도 단시간 가능한 것이 출현했다. 임계전류(Critical Current) 외부자계가 존재하지 않는 특정 온도 상태에서 초전도 물질이 정상적 상태로부터 초전도 성질을 갖게 될 때 흐르는 전류를 말한다.