낮은 산소 분압 하에서 Y:Ba:Cu=1:1:2.5 조성에 대한 YBa2Cu3O7-d의 상 안정성

Abstract

Reactive Co-Evaporation Deposition and Reaction (RCE-DR) 공정을 통한 2세대 고온 초전도체 REBa2Cu3O7-δ (REBCO) 선재 제조에 적용될 수 있는 Y:Ba:Cu=1:1:2.5 조성의 YBCO 상 안정성 연구는 RCE-DR을 통한 YBCO 선재 제조 공정 최적화에 필수불가결하다. 본 연구는 Y:Ba:Cu=1:1:2.5 조성의 Y-Ba-Cu-O 비정질 전구체 막을 이용하여 1 – 150 mTorr 의 낮은 산소 분압 하에서 해당 조성에 대해 YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 화합물의 상안정성을 실험적으로 정확하게 규명할 목적으로 수행하였다. 본 연구를 위해 Pulsed Laser Deposition (PLD) 증착법을 통해 Y:Ba:Cu=1:1:2.5 조성의 YBCO 비정질 전구체 막을 LaAlO3 (001) 기판에 증착하였고, 증착된 전구체 막은 reel-to-reel 튜브 퍼니스안에서 낮은 산소 분압, 다양한 온도에서 열처리하여 상을 형성시켰으며, 상온으로 급냉한 시편의 상과 미세구조 분석을 통해 YBCO 상의 상 안정 경계선 (phase boundary)과 각 상 영역에서의 평형상을 규명하였다. 실험 결과 초기조성이 Y:Ba:Cu=1:1:2.5인 YBa2Cu3O7-δ (YBCO)의 Y123 상 경계는 Y:Ba:Cu=1:2:3 조성의 YBCO와 비교해 30 – 150 mTorr 영역에서 약 70°C 낮은 온도에 위치하고 있으며, 1 – 30 mTorr 영역에서는 산소 분압이 낮아질수록 온도차가 줄어들어 1 mTorr에서 Y123 상 경계는 Y:Ba:Cu=1:2:3 조성의 YBCO에 비해 약 25°C 낮은 온도에 위치하는 것이 확인되었다. 설정 온도와 평형을 이루게 하고 산소 분압을 조절하는 경로로 열처리할 경우 Y211 + Y132 + L 또는 Y2O3 + Y132 + L에서 ternary peritectic reaction을 통해 Y123 상이 형성되는 Y:Ba:Cu=1:2:3 조성의 YBCO와 달리 Y2O3 + L에서 pseudobinary peritectic reaction을 통해 빠르게 Y123 상이 형성된다. 설정된 산소 분압 하에서 승온시에는 Y123 안정 영역의 안정상인 Y123 + Y2Cu2O5 + CuO 상이 형성되는 것을 확인하였고, 100 mTorr 이상의 산소 분압 분위기에서는 승온시 저온 구간에서 Y123와 CuO가 반응하여 Y211 + L 상이 생성되었고, 이 반응에 의해 상 분리 (phase segregation) 현상이 일어나 안정상이 생성되지 않았다. 결론적으로 본 연구에서 규명한 Y:Ba:Cu=1:1:2.5 조성의 YBCO 상 안정 경계선 위에 Y2O3 + L 평형상이 존재한다는 사실로부터 YBCO 선재도 RCE-DR 공정으로 제조가 가능하다는 것을 알 수 있으므로, 향후 제조 공정의 최적화에 본 연구 결과가 매우 유용한 기초 정보를 제공할 것으로 사료된다.