Intensive study on the magnetic relaxation properties of the superconducting coated conductor : 초전도 시료의 자기이완 특성에 대한 심층 연구

국문 초록 (Abstract)

오늘날 초전도체는 전력 기기를 비롯하여 의료분야, 핵융합, 가속기 등 과학 및 산업 여러분야에서 이용 되고 있으나 실용화 하는 데에는 아직까지 장애물이 되는 요인들이 많이 있으며 그 중 자기이완현상(magnetic relaxation) 또한 해결해야 할 과제들 중의 하나이다.
자기이완현상은 시간에 따라 자기 모멘트 (magnetic moment)가 감소하는 현상으로 초전도체의 마그네틱 모멘트를 측정함으로써 쉽게 관찰할 수 있는데, 이 자기이완현상으로 인해 초전도체 내부에 흐르는 전류도 감소하게 된다. 자기완화현상은 전기적 저항의 영향도 있겠지만 초전도체 내부에서 열적으로 활성화된 (thermally activated) 자기력선(flux)들의 운동에 의해 크게 영향을 받는다고 알려져 있다.
자기이완현상이 중요한 연구 주제 중의 하나인 이유로는 여러가지가 있는데 첫번째로 자기이완현상은 그 자체로서 중요하다. 자기이완현상을 측정함으로써 열적활성화에너지(thermal activation energy)나 차폐 전류(shielding current)를 계산할 수 있다. 그리고 무엇보다도 자기이완현상을 설명하기 위해서는 기존의 이론과는 완전히 다른 새로운 이론이 필요하다. 온도, 자기장, 기하학적인 모양 등과 같은 매개 변수에 따른 자기완화현상의 변화를 분명하게 밝혀야 하며, 열 활성화 에너지(activation energy)와 앞서 언급한 매개 변수와 결합된 보다 복잡한 이론이 필요하다. 더 나아가 고온초전도체의 상태도(phase diagram), 피닝 메커니즘(pinning mechanism), 및 열역학(thermodynamics)과 관련된 새로운 이론이 필요하다.
자기이완현상은 전류-전압 특성에도 영향을 미치므로 전류 밀도에 대한 온도 및 시간 의존성은 자기부상(magnetic levitation) 또는 자기 공명 영상(magnetic resonance)에 사용되는 영구 자석과 같은 고온 초전도체의 안정성에 기반을 둔 장치에 대한 한계를 유발한다. 따라서, 이러한 자기이완현상을 이해하는 것은 고온 초전도 기술의 상업화에 필수이다.
본 연구에서는 사진식각공정(photolithography)을 통해 GdBCO 고온 초전도 박막 시료를 다양한 형태로 패터닝(patterning) 하여 시간에 따라 자기 모멘트(magnetic moment)의 값이 줄어드는 자기이완현상을 저온 홀 소자 현미경(LTSHPM)을 이용하여 측정하고 분석하였다. 고온초전도체를 응용하는데 있어서 발생하는 교류 손실 또한 해결해야할 문제 중의 하나이며, 선재를 필라멘트 형태로 나누어 가공 하였을 때 교류 손실을 줄일 수 있다는 사실은 이미 잘 알려져 있으며, 이를 감안하여 본 실험에서는 시료를 스트립형태로 패터닝 하였다.
본 연구에서는 단일 스트립 형태의 시료, 이중 스트립 형태의 시료 및 삼중 스트립 형태로 시료를 패터닝 하여 자기이완현상을 국소적으로 측정하였다. 이중 스트립 및 삼중 스트립 형태의 시료는 끝 부분이 연결된 것과 연결되지 않은 두가지 형태를 고려하였다. 단일 스트립의 경우, 시료의 가운데 부분에서 가장 큰 자기이완율(magnetic relation rate)을 보였으며 가장자리로 위치를 옮겨갈수록 자기이완율이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 또, 시료의 가운데 부분이 연결된 이중 스트립과 삼중스트립의 자기이완율을 시료 끝 부분이 연결되지 않은 것과 비교하였을 때, 끝 부분이 연결된 시료는 단일 스트립 형태의 시료와 같은 경향을 보였다. 예를 들어 이중 스트립의 경우, 단일 스트립의 가운데 부분에 해당하는 왼쪽 스트립의 오른쪽 가장자리 부분, 오른쪽 스트립의 왼쪽 가장자리 부분에서 가장 큰 자기이완율을 보였으며, 이중 스트립을 단일 스트립으로 생각하였을 때 가장자리 부분에 해당하는 왼쪽 스트립의 왼쪽 가장자리, 오른쪽 스트립의 오른쪽 가장자리 부분으로 갈수록 자기이완율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 시료의 끝 부분이 연결되지 않은 스트립의 경우에는 시료를 이루고 있는 각각의 스트립이 단일 스트립처럼 시료의 가운데서 가장 큰 자기이완율을 보였으며, 가장자리로 갈수록 자기이완율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이 실험을 통해 시료 전체의 평균적인 자기이완율을 하나의 값으로 나타내는 MPMS와는 달리 각 영역에서의 자기이완율을 확인할 수 있었다.
다음으로 앞서 측정한 자기 이완 데이터로부터 단일 스트립과 이중스트립의 열적활성화에너지를 계산하였다. 열적활성화에너지를 계산하는 방법을 제시하는 여러가지 모델이 있으나, 본 연구에서는 특정한 모델을 사용하지 않고 확산 방정식(diffusion equation)으로부터 열적활성화에너지를 계산하였다. 전류에 따른 전압의 크기를 측정하여 이를 전류 밀도에 따른 전기장의 크기로 변환하여 점성률(viscosity coefficient)을 계산하였으며, 앞서 측정한 자기이완 및 위치에 따른 자기이완 변화율을 이용하여 열적활성화에너지를 계산하였다. 표준편차의 오차 내에서 위치와 일정함을 보였으며, 잘 알려진 열적활성화식, 즉 시간에 따라 열적활성화에너지가 증가하는 것 또한 확인할 수 있었다.
마지막으로 잔류자기장(remanent magnet field), 자기 이력 손실, (magnetic hysteresis loss), 그리고 자기이완현상(magnetic relaxation)을 동일한 조건, 동일한 위치에서 측정하였으며, 정규화(normalization) 하여 비교하였을 때, 서로 비례관계에 있는 것을 실험 데이터로부터 확인하였다. 이러한 비례관계를 원반 모양의 원통형(disc-shaped cylinder) 시료 에 박막 근사치(thin-film approximation)를 취하여 본 실험의 사용된 박막 시료에 적용할 수 있는 수식으로 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the local magnetic relaxation properties of GdBa2Cu3O7-δ (GdBCO) coated conductor were investigated using low-temperature scanning Hall probe microscopy (LTSHPM).
The loss of alternating current remains a problem in high-temperature superconductors; however, it can be reduced when the superconductor is processed into filaments as alternating current loss is related to the width of the sample. Here, samples were patterned into filaments by photolithography and processed into single, double, and triple strips placed in parallel. In addition, two types of double and triple strip samples were considered: connected and unconnected.
First, the local magnetic relaxation of patterned samples with various shapes is presented, and the features of local magnetic relaxation dependent on the sample shape are described. In addition, the local magnetic relaxation was compared with data obtained using a magnetic property measurement system (MPMS), showing the average magnetic relaxation rate of an entire sample with one value, and characterizing each sample with different relaxation rates at each position.
Next, the thermal activation energies of single and double strips were calculated from the magnetic relaxation data. Various models suggest methods different methods to calculate thermal activation energy; however, in this study, the thermal activation energy was calculated from the diffusion equation without reference to a specific model. The variation of activation energy with time and position is described.
Finally, the proportional relations between the remanent field, hysteresis loss, and magnetic relaxation are provided. Thin-film samples were used in these experiments; however, there is no appropriate equation for thin films. Therefore, a mathematical relation was derived by taking a thin-film approximation of the formula for a disc-shaped cylinder.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• 1. Overview 3
• 1.1. Theoretical background 3
• 1.1.1. Flux pinning 3
• 1.1.2. Flux motion and flux flow 12
• 1.1.3. Flux creep 18
• 1.2. Experimental condition 21
• 1.2.1. Sample specification 21
• 1.2.2. Photolithography 24
• 1.2.3. Experimental system 28
• Bibliography 33
• 2. Magnetic relaxation 38
• 2.1. Theoretical background 38
• 2.1.1. Research on the magnetic relaxation 38
• 2.1.2. Basic mechanism of the magnetic relaxation 42
• 2.2. Experimental details 46
• 2.3. Data analysis 51
• 2.3.1. Local relaxation measurement 51
• 2.3.2. Global and local measurement comparison 63
• Bibliography 65
• 3. Activation Energy 66
• 3.1. Theoretical background 66
• 3.1.1. Activation Energy 66
• 3.1.2. Activation Energy for local measurement 68
• 3.1.3. E-J characteristics 72
• 3.1.4. Flux flow resistivity 74
• 3.2. Experimental details 77
• 3.3. Data analysis 79
• Bibliography 91
• 4. Correlation of the remanent field, hysteresis loss and magnetic relaxation 93
• 4.1. Experiment procedure 93
• 4.1.1. Remanent magnetic field 93
• 4.1.2. Local hysteresis loss 94
• 4.2. Data analysis 100
• 4.2.1. The Relation between remanent field and hysteresis loss 100
• 4.2.2. The Relation between remanent field and relaxation rate 101
• 4.2.3. Experimental data: The Relation between remanent field, hysteresis loss and relaxation rate 109
• 5. Conclusion 116
• Bibliography 118

참고문헌 (Reference)

1 Sang-Im Yu, "“제2세대 고온초전도 장선재 제조기술 현황 및 전망”", ceramist, vol. 15, no. 6, pp. 7-15, 2012

2 박상국, "저온 주사 레이저 및 홀 소자 현미경을 이용한 고온 초전도 박막 도체의 국소적 특성 분석", 경북대학교 대학원, 2012

3 박상국, 이형철, 박희연, "“Investigation of the superconducting properties of YBCO coated conductor based on LTSLHPM“, Progress,in, Superconductivity,and", Cryogenics, vol. 15, No.1, pp.1-5, 2013

4 박상국, 이형철, 박희연, "“YBCO 초전도 선재를 이용한 단일 브릿지 및 이중 브릿지 형태로의 변형에 따른 국소적 영역에서의 물리적 특성 비교”", 새물리, vol. 63, No. 2, pp. 162-182, 2013