이트륨 바륨 구리 산화물

3. 합성

비교적 순수한 YBCO는 금속 탄산염 혼합물을 1000~1300 K 사이의 온도로 가열하여 처음 합성되었다.^[5][6]

:4 BaCO₃ + Y₂(CO₃)₃ + 6 CuCO₃ + (1/2−''x'') O₂ → 2 YBa₂Cu₃O_7−''x'' + 13 CO₂

YBCO의 현대적 합성은 해당 산화물과 질산염을 사용한다.^[6]

YBa₂Cu₃O_7−''x''의 초전도 특성은 ''x'' 값, 즉 산소 함량에 민감하다. 인 물질만 ''T''_c 이하에서 초전도성을 가지며, 일 때 이 물질은 의 가장 높은 온도에서 초전도성을 나타내거나,^[6] CuO₂ 평면에 수직인 '''B'''에 대해 , CuO₂ 평면에 평행인 '''B'''에 대해 의 가장 높은 자기장에서 초전도성을 나타낸다.^[7]

YBCO의 특성은 산소의 화학량론적 조성뿐만 아니라 사용된 결정화 방법에도 영향을 받는다. YBCO를 소결할 때는 결정립계가 어닐링 및 급랭 온도 속도를 신중하게 제어하여 정렬될 때 최고의 초전도 특성이 얻어지므로 주의해야 한다.

Wu와 그의 동료들이 YBCO를 발견한 이후, 화학 기상 증착(CVD),^[5][6] 졸겔,^[8] 에어로졸^[9] 방법 등 다양한 합성 방법들이 개발되었다.

3. 1. 소결법

3. 2. 기타 합성법

4. 구조

YBCO는 층으로 구성된 결함 페로브스카이트 구조로 결정화된다. 각 층의 경계는 4개의 정점을 공유하는 사각 평면 CuO₄ 단위 평면에 의해 정의된다. 평면은 때때로 약간 구부러질 수 있다.^[5] 이러한 CuO₄ 평면에 수직으로 2개의 정점을 공유하는 CuO₂ 리본이 있다. 이트륨 원자는 CuO₄ 평면 사이에 있고, 바륨 원자는 CuO₂ 리본과 CuO₄ 평면 사이에 있다.

YBCO의 금속 중심 배위 기하학^[11][6]

입방 {YO8}	{BaO10}	사각 평면 {CuO4}	사각 피라미드 {CuO5}

구부러진 Cu 평면	Cu 리본

YBa₂Cu₃O₇은 특정 구조와 화학양론을 가진 잘 정의된 화학 물질이지만, 공식 단위당 7개 미만의 산소 원자를 가진 물질은 비화학양론적 화합물이다. 이러한 물질의 구조는 산소 함량에 따라 달라진다. 이러한 비화학양론성은 화학식 YBa₂Cu₃O_7−''x''의 x로 표시된다. ''x'' = 1일 때, Cu(1) 층의 O(1) 위치는 비어 있으며 구조는 정방정계이다. YBCO의 정방정계 형태는 절연성이며 초전도성을 나타내지 않는다. 산소 함량을 약간 증가시키면 O(1) 위치가 더 많이 점유된다. ''x'' < 0.65의 경우, 결정의 ''b'' 축을 따라 Cu-O 사슬이 형성된다. ''b'' 축의 연장은 구조를 사방정계로 변경하며, 격자 매개변수는 ''a'' = 3.82, ''b'' = 3.89, ''c'' = 11.68 Å이다.^[12] 최적의 초전도 특성은 ''x'' ~ 0.07일 때, 즉 거의 모든 O(1) 위치가 점유되고 빈 곳이 거의 없을 때 발생한다.

다른 원소를 Cu 및 Ba 위치에 치환하는 실험에서, 전도는 Cu(2)O 평면에서 발생하고 Cu(1)O(1) 사슬은 CuO 평면에 캐리어를 제공하는 전하 저장소 역할을 한다는 증거가 나타났다. 그러나 이 모델은 동족체 Pr123 (프라세오디뮴 대신 이트륨)의 초전도성을 해결하지 못한다.^[13] 이 (구리 평면에서의 전도)로 인해 전도성은 ''a''-''b'' 평면에 국한되며 수송 특성의 큰 이방성이 관찰된다. ''c'' 축을 따라 정상 전도율은 ''a''-''b'' 평면보다 10배 작다. 동일한 일반적인 부류의 다른 구리 산화물 초전도체의 경우, 이방성이 훨씬 더 크며 평면 간 수송이 매우 제한적이다.

또한, 초전도 길이 척도는 침투 깊이(λ_ab ≈ 150 nm, λ_c ≈ 800 nm)와 간섭 길이(ξ_ab ≈ 2 nm, ξ_c ≈ 0.4 nm)에서 유사한 이방성을 보입니다. ''a''-''b'' 평면의 간섭 길이가 ''c'' 축을 따라 5배 더 크지만, 니오븀과 같은 고전적인 초전도체(ξ ≈ 40 nm)에 비해 매우 작다.

5. 응용

YBCO는 자기 공명 영상(MRI), 자기 부상, 조셉슨 접합 등에 활용될 수 있다. 특히 핵자기 공명 분광법(NMR)에의 적용이 기대된다.^[21]

YBCO는 단결정 상태에서는 높은 임계 전류 밀도를 가지지만, 다결정 상태에서는 낮은 임계 전류 밀도를 갖는 문제점이 있다. 이는 결정 입계 각도가 약 5°보다 클 때 초전류가 경계를 통과할 수 없기 때문이다. 이러한 문제는 화학 기상 증착법(CVD) 등을 통해 박막을 제조하거나 재료의 텍스처를 처리하여 입계를 정렬함으로써 어느 정도 제어할 수 있다.

또한, 산화물 재료의 취성 때문에 초전도 전선으로 성형하기 어렵다는 문제점도 있다. 비스무트계 고온 초전도체(BSCCO)와 달리, 분말-관 공정은 YBCO에서 좋은 결과를 얻지 못한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 코팅 도체 기술, 즉 유연한 금속 테이프에 YBCO를 증착하는 방식이 개발되었다. RABiTS 공정이나 IBAD 공정을 통해 금속 테이프에 텍스처를 도입하거나 텍스처 처리된 세라믹 완충층을 증착하는 방식으로 이루어진다. 아메리칸 슈퍼컨덕터, 후루카와 전기의 사업부인 슈퍼파워(Superpower), 스미토모, 후지쿠라, 넥상스 슈퍼컨덕터, 커먼웰스 퓨전 시스템즈 등의 회사들이 이러한 공정을 통해 YBCO 테이프를 생산하고 있다.

YBCO 초전도 테이프는 토카막 핵융합로 설계의 핵심 부품으로 활용될 수 있으며, 이를 통해 손익분기점 에너지 생산을 달성할 수 있다.^[15] YBCO는 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO)로 분류되기도 한다.^[16]

표면 개질을 통해 부식 억제, 고분자 접착 등 새로운 특성을 부여하는 연구도 진행되고 있다.^[17]

5. 1. 한국의 YBCO 응용 사례

6. 대량 생산

폴 그랜트는 1987년 이 물질이 발견된 직후, 영국의 과학 학술지 ''뉴 사이언티스트''에 일반적인 장비를 사용하여 YBCO 초전도체를 합성하는 간단한 방법을 기고하였다.^[18] 이 기사와 당시의 유사한 출판물 덕분에 YBCO는 취미 및 교육 분야에서 널리 사용되는 고온 초전도체가 되었으며, 액체 질소를 냉각제로 사용하여 자기 부상 효과를 쉽게 시연할 수 있게 되었다.

2021년, 러시아와 일본의 합작 회사인 SuperOx는 핵융합로용 YBCO 와이어를 제조하는 새로운 공정을 개발했다. 이 새로운 와이어는 제곱밀리미터당 700A에서 2000A의 전류를 전달하는 것으로 나타났다. 이 회사는 2019년에서 2021년 사이에 9개월 만에 약 299.34km의 와이어를 생산하여 생산 능력을 획기적으로 향상시켰다. 이 회사는 플라즈마-레이저 증착 공정을 사용하여 전해 연마된 기판 위에 12mm 폭의 테이프를 만들고 이를 3mm 테이프로 잘랐다.^[19]

참조

_[1] 논문 Interrelation of preparation conditions, morphology, chemical reactivity and homogeneity of ceramic YBCO
_[2] 논문 Growth mode study of ultrathin HTSC YBCO films on YBaCuNbO buffer
_[3] 논문 Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure
_[4] 간행물 Bulk superconductivity at 91 K in single-phase oxygen-deficient perovskite Ba2YCu3O9−δ R. J. Cava, B. Batlogg, R. B. van Dover, D. W. Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, J. P. Remeika, E. A. Rietman, S. Zahurak, and G. P. Espinosa 1987
_[5] 서적 Inorganic Chemistry Prentice Hall
_[6] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
_[7] 논문 Upper critical field for optimally-doped YBa₂Cu₃O_7−δ
[8] 논문 Preparation of Ultrafine YBa₂Cu₃O_7−x Superconductor Powders by the Poly(vinyl alcohol)-Assisted Sol−Gel Method
_[9] 논문 Yttrium Barium Copper Oxide Superconducting Powder Generation by An Aerosol Process University of Cincinnati
_[10] 논문 High quality YBa₂Cu₃O_{7–''x''} thin films grown by trifluoroacetates metal-organic deposition
_[11] 논문 Joint x-ray and neutron refinement of the structure of superconducting YBa₂Cu₃O_7−x: Precision structure, anisotropic thermal parameters, strain, and cation disorder
_[12] 논문 Polarized Neutron Determination of the Magnetic Excitations in YBa2Cu3O7 1993-05-31
_[13] 논문 Crystal growth of superconductive PrBa₂Cu₃O_7−y
[14] 논문 Comparison of Temperature and Field Dependencies of the Critical Current Densities of Bulk YBCO, MgB₂, and Iron-Based Superconductors https://ieeexplore.i[...] 2019-08
_[15] 웹사이트 A small, modular, efficient fusion plant | MIT News http://newsoffice.mi[...]
_[16] 웹사이트 MIT takes a page from Tony Stark, edges closer to an ARC fusion reactor http://www.computerw[...]
_[17] 논문 Surface Coordination Chemistry of YBa₂Cu₃O_7−δ
[18] 논문 Do-it-yourself Superconductors https://books.google[...] Reed Business Information 1987-07-30
_[19] 논문 Development and large volume production of extremely high current density YBa₂Cu₃O₇ superconducting wires for fusion
_[20] 논문 Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure
_[21] 웹사이트 高温超伝導を用いた次世代NMR装置の開発 http://www-sb.tsurum[...]
_[22] 논문 Interrelation of preparation conditions, morphology, chemical reactivity and homogeneity of ceramic YBCO
_[23] 논문 Growth mode study of ultrathin HTSC YBCO films on YBaCuNbO buffer