BSCCO

3. 종류

BSCCO는 Bi(비스무트), Sr(스트론튬), Ca(칼슘), Cu(구리), O(산소)의 비율에 따라 여러 종류로 나뉜다. 대표적인 BSCCO 화합물은 다음과 같다.

• Bi-2212: 듀폰의 수브라마니안(Mas Subramanian)^[5] 등과 AT&T 벨 연구소의 카바(Cava)^[6] 등이 발견했다.
• Bi-2223: Bi의 약 15%를 Pb(납)로 치환하여 형성과 품질을 크게 향상시켰다. 뉴질랜드 정부 연구소의 탈론(Tallon)^[7]등에 의해 확인되었다.
• Bi-2201: 2212 구조에서 상하 반쪽에 CuO₂가 하나 적고 Ca층이 없다.

4. 특징

BSCCO는 산소 원자를 추가하거나 정공(hole) 도핑을 통해 초전도성을 갖게 된다. 도핑 정도에 따라 임계온도(Tc)가 달라지며, 최적 도핑(optimally doped) 상태에서 가장 높은 Tc를 보인다.^[19] Bi-2212는 granular superconductivity 특징을 가지며, 초전도성 영역과 비초전도성 영역이 혼재하는 구조를 가진다. 각 영역은 수 나노미터 크기로, 위치에 따라 다른 전자적 구조를 보인다.^[20]

BSCCO는 제2종 초전도체이며, 4.2 K에서 Bi-2212 다결정 샘플의 상부 임계 자기장 ''H''_c2는 200 ± 25 T로 측정되었다.^[10] 하지만, 불가역 자기장 ''H''*는 상대적으로 낮아 고자기장 자석 제작에는 한계가 있다.^[11] 이러한 이유로, 제작이 더 어렵더라도 YBCO 도체가 BSCCO보다 선호된다.

다른 고온 초전도체와 비교하여 110K에서 초전도 현상을 나타내기 때문에 많은 용도에 적용될 것으로 기대되며, 실용화를 위한 선재화 기술도 개발되었다.^[14] 2005년 11월에는 비스무트계 초전도체 초전도전자석을 사용한 자기부상식 철도의 주행 실험이 성공적으로 수행되었다.^[15][16]

5. 실험

Bi-2212 연구에는 주사형 터널 현미경(STM)이 활용된다. 연구에 사용되는 STM은 온도가 변해도 열적으로 안정되어 원자 크기의 초전도 현상을 측정할 수 있다. 매우 낮은 온도에서 Bi-2212를 부수면, 상대적으로 결합력이 약한 BiO면 사이가 깨진다. 이 깨진 면을 대상으로 STM을 이용하여 터널링 전기전도도를 측정한다. 실험 결과, 도핑 정도에 따라 전기전도도의 온도 및 에너지 의존도가 다르게 측정된다.^[18] 또한 Bi-2212는 표면의 각 지점마다 다른 전자적 구조를 가지고 있는 것으로 측정되며, 실험하는 표면의 위치에 따라 다른 결과가 측정된다.^[19][18]

Bi-2212를 초전도성 물질로 만들기 위해서는 산소 원자를 추가하거나 정공(hole) 도핑을 해야 한다. Bi-2212는 도핑 정도에 따라 임계 온도(T_c)가 달라지는데, 최적 도핑된 샘플은 93K의 임계온도를 가지지만, 저도핑(underdoped) 또는 과도핑(overdoped) 샘플은 93K 이하의 임계온도를 가진다.^[19]

6. 선재 및 테이프

BSCCO는 실용적인 초전도선 제작에 사용된 최초의 고온 초전도체(HTS) 물질이다. 모든 고온 초전도체는 1.6 nm 정도의 매우 짧은 코히어런스 길이를 갖는다. 이는 다결정 와이어의 결정립이 매우 좋은 접촉 상태에 있어야 하고, 원자 수준으로 매끄러워야 함을 의미한다. 또한 초전도성은 주로 구리-산소 평면에만 존재하기 때문에 결정립이 결정학적으로 정렬되어야 한다. 따라서 BSCCO는 용융 공정이나 기계적 변형을 통해 결정립을 정렬할 수 있기 때문에 적합한 후보 물질이다. 이중 비스무트 산화물 층은 반데르발스 힘으로만 약하게 결합되어 있다. 따라서 흑연이나 운모와 마찬가지로 변형은 이러한 BiO 평면에서 미끄러짐을 유발하고 결정립은 정렬된 판으로 변형되는 경향이 있다. 또한 BSCCO는 n=1, 2, 3 구성원을 가지고 있기 때문에 이들은 자연스럽게 저각 입계를 수용하는 경향이 있어 실제로 원자 수준으로 매끄럽게 유지된다.^[2][3]

7. 응용

BSCCO는 실용적인 초전도선 제작에 사용된 최초의 고온 초전도체(HTS) 물질이다. 다른 고온 초전도체와 비교하여 110K에서 초전도 현상을 나타내기 때문에 많은 용도에 적용될 것으로 기대된다. 실용화의 열쇠가 되는 선재화 기술이 개발되어 앞으로 다양한 용도로의 적용이 기대된다.^[14]

• 전력 송전: Bi-2223 다심선 테이프로 제작된 1세대 도체가 사용된다. 예를 들어 홀브룩 초전도체 프로젝트가 있다.
• 전자석 및 전류 리드: CERN에서 BSCCO 테이프 테스트가 이루어졌다.^[4]
• 자기부상열차: 비스무트계 초전도체 초전도전자석을 사용한 자기부상식 철도의 주행 실험이 2005년 11월에 실시되어 성공했다.^[15][16]
• 기타: 변압기, 자석, 모터, 발전기 등에 활용된다.^[2][3]

8. 더 읽어보기

분말관법을 통해 BSCCO를 은 금속과 함께 테이프로 압축하여 실용적인 응용에 사용한다. 모든 고온 초전도체는 코히어런스 길이가 매우 짧다.

참조

_[1] 논문 A New High-T_c Oxide Superconductor without a Rare Earth Element
_[2] 논문 Microstructural evolution of the BSCCO-2223 during powder-in-tube processing
_[3] 논문 Comparison of the powder-in-tube processing properties of two (Bi_2−''x''Pb_''x'')Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δpowders
_[4] 웹사이트 HTS materials for LHC current leads https://at-mel-cf.we[...] 2005-11-23
_[5] 논문 A new high-temperature superconductor: Bi₂Sr_3−''x''Ca_''x''Cu₂O_8+''y''
[6] 논문 Structure and physical properties of single crystals of the 84-K superconductor Bi_2.2Sr₂Ca_0.8Cu₂O_8+δ
[7] 논문 High-T_c superconducting phases in the series Bi_2.1(Ca,Sr)_''n''+1Cu_''n''O_{2''n''+4+δ
[8]} 논문 General trends in oxygen stoichiometry effects in Bi and Tl superconductors
_[9] 논문 Generic Superconducting Phase Behaviour in High-T_c Cuprates: T_c variation with hole concentration in YBa₂Cu₃O_7−δ
[10] 논문 Low temperature direct measurements of ''H''_c2 in HTSC using megagauss magnetic fields
_[11] 논문 Properties of Pb-doped Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductors
_[12] 웹사이트 ビスマス系高温超電導体の米国特許取得で一苦労 http://scienceportal[...]
_[13] 특허 US patent 7132388
_[14] 웹사이트 革新的ビスマス系超電導線(DI-BSCCO) http://sei.co.jp/sup[...]
_[15] 뉴스 JR東海，高温超電導磁石を初めて搭載したリニアモーターカーの走行試験を開始 https://xtech.nikkei[...]
_[16] 뉴스 JR東海，リニアモータ車両の実物や最新の超電導コイルを展示 https://xtech.nikkei[...]
_[17] 논문 A New High-Tc Oxide Superconductor without a Rare Earth Element
_[18] 논문 Electronic Origin of the inhomogeneous Paring Interaction in the High-Tc Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ
_[19] 논문 Imaging the granular structure of high-Tc superconductivity in underdoped Bi2Sr2CaCu2O8+δ
_[20] 논문 Phase Separation in the t-J Model