Ni tapes were textured by taking advantage of their secondary recrystallization. The tapes were single crystalline with their [001] axes tilted with respect to the surface and their [100] axes parallel to the rolling direction. The reproducibility of this method, the application to NiCr tapes to improve stiffness, and the possibility of c-axis normal $YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ film growth on those tapes were studied. %We took statistics on the crystal orientations of 24 Ni tapes. We obtained a NiCr (13 atomic%) tape by diffusion of Cr atoms, and fabricated coated conductors on this substrates. $CeO_2$/YSZ/$CeO_2$ buffer layers were deposited by e-beam evaporation and YBCO overlayer was deposited by coevaporation. Resistivity and critical transport current density were anisotropic in the surface. Transition temperature was 86 K, and critical current density was $3×10^5~A/㎠$ at 77 K in the rolling direction. And we also grew c-axis normal YBCO films on tilted textured Ni tapes by sputtering method.
Tensile stress dependent critical current densities ($J_C$) of two types of coated conductors, which were fabricated on a pure Ni, a NiCr (13 atomic %) RABiTS tape and NiCr RATiS, respectively, were measured at 77 K. Until the stress reached a certain values ($K_C$), $J_C$ of each sample was constant, and then it began to decrease as the stress was increased more. $K_C$'s for those of Ni and NiCr were ~100 MPa and ~270 MPa, respectively, which means $K_C$ was almost three times enhanced for the sample fabricated on the NiCr. The $K_C$ for the coated conductors on NiCr RATiS were ~100 MPa, and degradation processes are somewhat different from coated conductors on RATiS. According to the detailed changes of voltage signals for applied currents under various stresses, the degradation process of each sample could be divided into four different regimes, and the process is disdussed in accordance with the crack formation.
Magneto-resistances of the coated conductors fabricated on tilted single crystalline Ni substrates were measured under various magnetic fields. The activation energies of vortices were estimated from them in the frame of Anderson-Kim flux creep. For the currents flowing in the rolling direction, the activation energies were similar to those of c-axis normal $Y_1Ba_2Cu_3O_{7-δ}$ (YBCO) films on $SrTiO_3$ (STO) single crystals and were slightly larger than those of the RABiTS coated conductors. For the currents flowing in the transverse direction, the magneto-resistances show double transitions in temperature with much smaller activation energies. We explain double transition by a series effect of resistivities due to in-plane current and tunneling current of YBCO film.
$YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ (YBCO) superconducting films were grown on nonmagnetic and bi-axially textured PtPd tapes. The PtPd were Cube textured by rolling and recrystallization. Good textures of PtPd tapes were obtained only with certain concentrations of Pd and rolling temperatures. The effect of rolling temperature and Pd contents on the deformation and recrystallization texture of PtPd were investigated. Based on the recent picture of recrystallization, we considered the necessary conditions for development of Cube texture and discussed our experimental results. The buffer layers $CeO_2$/YSZ/$CeO_2$ were deposited by e-beam evaporation technique. Good textures of buffer layers were obtained only under certain conditions of oxygen partial pressure. The buffer layers with smooth surfaces were free of cracks. The YBCO films deposited on the buffer layers by dc sputtering method were biaxially well-textured with 87 K of zero resistivity temperature.
기존의 초전도 테이프는 다결정성을 지닌 니켈, 또는 니켈 합금 위에 고온 초전도체인 $YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ 층을 형성하여 제작되어왔다. 압연과 열처리에 의한 일차 재결정에 의해 형성된 이러한 기판은 RABiTS (rolling-assisted biaxially-textured-substrates)라고 부른다. 결정성을 갖는 작은 그래인 (grain) 들로 구성되어 있으며, 그래인들의 결정 축들은 두 방향으로 잘 정렬되어 있다. 테이프에 수직 방향으로 [001] 축이 평행하고, 긴 테이프 면에서 전류가 진행하는 방향으로 [100] 축이 평행하다. 이러한 구조를 Cube 집합조직 (texture)라고 한다. 그래인들 [001] 또는 [100] 축들의 분포는 수직 축, 또는 전류 진행 축에 대해 10도 이내로 회전되어 있다. 이러한 테이프를 흐르는 전류는 YBCO 특성상 각 그레인 (grain)들 간의 경계 각 (misrientation angle)이 4도 이내로 작은 영역을 지난다. 고각으로 만나는 영역에서는 고온 초전도체의 임계전류가 급속히 감소하기 때문이다. 인접한 그래인들이 고각으로 만나는 부분이 초전도체에 국소적이더라도 한 곳에 몰려있으면, 초전도 테이프에 흐르는 전류는 이 영역에서 임계전류를 초과하여 흐르게 되므로 열이 발생하게 된다. 이 문제는 다결정성을 지닌 금속을 이용한 테이프 형태에 있어서 근본적으로 발생하는 문제로서, 그래인들의 결정 축이 확률적으로 분포한다는 것이 그 원인이다. 따라서 본 논문은 이 문제를 해결하고자 단결정성을 갖는 금속 기판을 개발하고 그 위에 초전도 테이프를 제작, 그 특성을 기존의 테이프와 비교 분석하는 것을 주제로 하고 있다.
먼저, 순수한 니켈을 이용하여 단결정성을 갖는 니켈 테이프를 압연과 열처리 과정을 통한 이차 재결정에 의하여 얻었다. 니켈은 3 mm 두께에서 80 mm에 이를 때까지 압연하며, 이 방향으로 길이가 길어진다. 진공 화덕 (furnace) 에서 5 cm 정도의 1000 이상인 고온 영역을 1 cm/min 속도로 지나면서 열처리 한다. 편의상 테이프의 길이 방향, 즉 전류가 흐르게 되는 방향을 압연 방향이라 한다. 니켈은 열처리한 테이프 전체 길이 30~50 cm에 걸쳐 단결정이며 결정축 [001]은 테이프 수직 축에 대해 23도 기울어져 있으며, [100] 축은 압연 방향과 3도 이내에서 평행하다. 즉, 기울어진 [001] 축은 테이프의 수직 축과 압연 방향에 수직인 축이 만드는 평면 내에 있다. 우리는 이러한 기판을 RATiS (rolling-assisted-tilted-single crystalline substrates)라고 부른다. 열처리된 Ni RATiS은 작은 외력에도 쉽게 구부러지는데 이는 단결정성에 의한 현상으로 사려되며, 그 이유는 부정격자선 (dislocation)들의 미끄러짐 (slip) 때문이다. NiCr 합금으로는 단결정성이 만들어지지 않음을 확인하였기 때문에, 이를 개선하기 위해 Cr 입자를 Ni 테이프에 확산시켜 결정성을 유지하면서 부정격자선을 고정 (pinning)하는 효과를 얻었다.
NiCr 위에 형성되는 초전도체에 니켈이 확산되면 초전도 특성이 나빠지므로 이를 막기 위해 산화물 완충층 $CeO_2$/YSZ (yttria stabilized zirconia)/$CeO_2$/Ni을 증착했다. 증착 방법은 전자 빔 증발법 (e-beam evaporation)을 이용하였으며 증착 온도는 600~650℃ 이고 각 층의 두께는 5 nm, 300 nm, 20 nm이다. 니켈 표면에 형성되어 있는 NiO 층은 그 위에 형성되는 산화물 박막이 단결정 형태로 성장하는 것을 방해하므로 수소와 아르곤 혼합 개스를 이용하여 NiO의 산소를 환원하는 과정을 완충층 증착전에 미리 실행하였다. NiCr 위에 바로 증착된 $CeO_2$는 결정축이 원하는 방향으로 잘 정렬되지 않는다. Ni 박막을 미리 증착한는 것은 그 때문이다. $CeO_2$, YSZ 박막은 모두 기판인 니켈의 결정 방향을 따라 기울어진 형태로 성장하였으며, 격자 상수가 니켈과 잘 맞도록 [110] 축이 니켈의 [100] 축과 평행하다. 이 위에 YBCO를 열증발법 (thermal coevaporation)으로 증착하였으며, 완충층과 마찬가지로 YBCO는 기울어진 결정 성장을 하였다. 따라서 초전도 YBCO의 표면 모양은 비슷한 높이의 계단이 반복되는 형태인데, 압연에 수직인 방향으로 전류가 흐르면 이 요철들을 반복하여 지나가야하고, 압연 방향으로 전류가 흐를 때는 계단의 평편 한 면으로 흐른다. 전류를 압연 방향으로 흘릴 때, YBCO의 초전도 전이 온도는 86 K 이고, 초전도 임계전류 밀도는 액체 질소 온도에서 $3×10^5 A/㎠$이다. 표면 (surface morphology)이 계단식 모양으로 되어 있기 때문이며, 테이프 표면에 대한 특성이 이방성을 갖는데 초전도 테이프는 압연 방향으로 전류를 흘리면서 사용하므로 압연 수직 방향으로의 특성은 중요하지 않다.
초전도 테이프는 고자장을 형성하는 자석이나, 모터 등에 이용된다. 초전도 선재에 흐르는 전류는 소레노이드 등과 같은 형태로 되어 있는 경우 큰 자기장을 만들어 내고, 이에 의해 초전도 선재는 전자기적인 힘을 받게 된다. YBCO 같은 산화물 초전도체는 깨지기 쉬우므로 기판으로 이용되는 금속이 이러한 힘을 잘 지탱할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 외력에 대한 테이프의 특성 변화를 연구하기 위해 Ni, NiCr RABiTS 테이프와 NiCr RATiS 테이프에 대해 장력에 대한 임계전류 밀도의 변화를 측정하고 비교하였다. Ni, NiCr RABiTS 테이프를 NiCr RATiS와 같이 제작하였다. Ni, NiCr RABiTS은 앞서 언급한 바와 같이 압연, 열처리에 의한 일차 재결정 현상이며, cube 집합조직 (texture) 구조로 그래인 들이 결정이 정렬되어 있다. NiCr RATiS와 달리 RABiTS은 합금으로도 가능하였으며, 열처리 온도는 900~1000℃이고 열처리 시간은 2 시간이었다. 완충층 및 YBCO 모두 NiCr RATiS에서와 같은 조건에서 성장시켰으며 그 특성도 서로 비슷하다. 이렇게 제작된 Ni, NiCr RABiTS, NiCr RATiS 초전도 테이프의 크기는 폭이 2 mm, 길이가 15 mm 이며, YBCO의 두께는 80 nm이다. 4 단자 방식 (four probe method)를 이용하여 교류 전류에 대한 전압 신호를 장력을 조절하면서 관찰하였다. 전압신호는 교류 전류 한 주기에서 값이 0 볼트인 구간과 전류에 대해 전압이 발생한 구간으로 구분된다. 전류가 아직 초전도 임계전류 보다 크기가 작은 경우 전압은 0 볼트이며, 이를 초과하면 전류 모양과 같은 모양의 전압이 발생한다. 장력의 크기가 어떤 값 ($K_C$) 보다 커지면, 전압이 0 볼트인 구간이 감소하는데, 이는 임계 전류가 감소함을 의미한다. Ni, NiCr RABiTS, NiCr RATiS 초전도 테이프의 $K_C$ 값은 각각, 100 MPa, 270 MPa, 100 MPa이다. Ni, NiCr RABiTS 초전도 테이프는 $K_C$ 보다 큰 장력에서 급격한 임계전류의 감소 변화를 보이나, 이 이후 장력이 커짐에 따라 신호의 모양이 서서히 바뀌면서 전 구간에서 전압이 발생한다. 이 경우 신호의 모양은 장력에 따라 4 단계의 뚜렷한 변화가 나타났으며, 이러한 신호 변화로 부터 초전도 박막 내에 crack이 발생하고, crack이 장력에 크기에 따라 성장, 서로 연결됨을 추론하였다. NiCr RATiS 초전도 테이프의 경우는 $K_C$ 보다 큰 장력에서 임계전류의 크기가 완만히 변화하다가, 어느 순간에 전 구간에 대해 전압이 발생한다. Ni, NiCr RABiTS 신호의 모양과 달리 3 단계의 구분을 보이며, 이는 갑자기 전압이 0 볼트의 구간이 사라지는 것으로, crack 발생과, 굻絶沮？기판에 의한 초전도 표면 모양에 의한 현상으로 추론할 수 있다. NiCr RATiS 초전도 테이프의 경우는 $K_C$ 보다 큰 장력에서 임계전류의 크기가 완만히 변화하는 것은 응용에 좋은 특성이나, 표면 모양이 계단식 요철인 경우는 기계적 특성에 나쁜 여향을 주는 것으로 생각된다. 따라서 기울어진 YBCO 박막대신 [001] 축이 테이프 표면에 수직이 되도록 스퍼터링 방법을 이용하여 YBCO를 증착하였다. 증착 조건 영역이 좁고, 긴 길이의 테이프에 응용하기 위해 개선이 필요하다.
초전도체의 중요한 성질은 자기장에 대한 특성이다. 고온 초전도체는 자기장이 초전도 내부로 침투할 수 있다. 양자 자속밀도 (quantum flux) 단위로 침투하며, 볼텍스라로 불린다. 자기장이 있는 경우, 초전도체에 전류가 흐르면, 로렌츠 힘과 볼텍스를 고정시키는 힘 (vortex pinning force)의 차이에, 온도에 따라 볼텍스 움직임이 달라진다. 움직임이 연속적인 흐름 (vortex flow) 영역에서는 초전도 요동 (fluctuation) 본 논문에서는 자기장 내에서 초전도 전이를 측정하고, Anderson-Kim′s vortex creep model로부터 볼텍스의 고정 에너지 (pinning potential,or activation energy)를 계산하였다. 완충층이 증착된 RATiS 기판 위의 YBCO 박막은, 압연 방향으로 전류가 흐를 때에는 기존의 YBCO 박막과 마찬가지의 특성을 보이나, 전류 방향이 테이프의 폭 방향으로 흐르면, 비저항의 감소가 온도에 따라 둔화되는 영역이 보인다. 이는 앞서 언급한 테이프의 표면 구조의 영향으로 근본적으로 기울어진 결정 성장을 하기 때문이다. 테이프의 폭 방향으로 흐르는 전류는 YBCO의 ab 평면으로 흐르는 전류와 ab 평면들을 뚫고 흐르는 전류가 동시에 존재하여 이 두 종류의 전류에 의해 저항이 다르게 발생하는 것이다. 전류의 방향에 따라 볼텍스 고정 에너지도 이방성을 나타냄을 확인하였다. 전류가 압연 방향으로 흐를 때의 볼텍스 고정 에너지는 $SrTiO_3$ 단결정 위에 성장한 YBCO의 경우와 그 값이 비슷하나, 이에 수직인 방향으로 흐르는 경우에는 볼텍스 고정에너지는 1/5 배 정도의 작은 값을 보였다. 이를 통하여 임계 전류 밀도가 방향에 따라 다른 이유를 물리적으로 해석할 수 있었다. 또한 이 값들을 완충층이 증착된 RABiTS 기판 위의 YBCO 박막의 경우와 비교하였는데, RATiS 기판을 이용한 경우가 압연 방향으로 전류가 흐르는 겨우 더 큰 값을 갖는다.
위에서 측정 분석한 결과를 종합하면, RATiS 형태의 기판은 RABiTS에 비해 많은 전류를 흘릴 수 있는 가능성은 있으나, 기울어진 결정성이라는 단점이 기계적 특성을 다소 좋지 않게 한다. 이를 해결하기 위해서는 RATiS 위에 YBCO 박막은 [001] (또는 c-축) 결정 방향이 테이프 면에 수직 형태로 성장하는 것이 필요하다.
비자성 PtPd 합금을 이용하여 RABiTS 기판을 만들고, 이를 이용하여 YBCO 테이프를 제작하였다. PtPd를 Cube 집합조직으로 만들기 위해 압연 온도, Pd의 함유량을 조절하였는데, 압연의 온도가 상온 보다는 영하로 낮고, Pd의 양이 원자 비율로 19% 이상인 경우에 Cube 집합 구조가 잘 형성됨을 알았다. 이 위에 $CeO_2$/YSZ (yttria stabilized zirconia)/$CeO_2$를 전자빔 증발법으로 증착하였으며, YBCO 박막은 직류 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 모든 박막은 결정 성장이 잘 이루어 졌으며, 완충층의 표면은 완만 (smooth) 하나, 각 그래인 경계에서 그래인들의 높이 높낮이가 존재하며 crack은 없다. 초전도 전이 온도는 87 K 이나, 임계전류 밀도는 $5×10^4 A/㎠$ 이었다.
