이붕화 마그네슘
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1. 개요
이붕화 마그네슘(MgB₂)은 2001년에 발견된 초전도체로, 39 켈빈(K)의 비교적 높은 임계 온도를 갖는 것이 특징이다. 전통적인 초전도체와는 다른 특성을 보이며, 두 종류의 전자가 초전도성에 기여하는 독특한 전자 구조를 갖는다. MgB₂는 다양한 방법으로 합성될 수 있으며, 초전도 전선, 박막, 벌크 재료 등에 활용된다. 응용 분야로는 초전도 자석, MRI 장비, 초전도 리니어, 에너지 관련 분야 등이 있으며, 탄소 도핑을 통해 특성을 향상시킬 수 있다.
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이붕화 마그네슘 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
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일반 정보 | |
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화학식 | MgB₂ |
몰 질량 | 45.93 g/mol |
밀도 | 2.57 g/cm³ |
용해도 | 다른 용매에 용해됨 |
녹는점 | 830 °C (분해) |
식별 정보 | |
CAS 등록번호 | 12007-25-9 |
PubChem | 15987061 |
ChemSpider | 13118398 |
SMILES | '[B-]=[B-].[Mg+2]' |
InChI | 1S/2B.Mg |
표준 InChIKey | PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N |
Beilstein 등록번호 | 해당 없음 |
Gmelin 등록번호 | 해당 없음 |
3DMet | 해당 없음 |
EC 번호 | 234-501-2 |
구조 | |
결정 구조 | 육각형, hP3 |
공간군 | P6/mmm, No. 191 |
2. 초전도성
이붕화 마그네슘(MgB)의 초전도 현상은 2001년 아오야마 가쿠인 대학의 아키미츠 준 연구팀이 발견했다.[1][29] 이 물질의 임계 온도(''T''c)는 39,000로, 전통적인 초전도체 중에서는 가장 높다. 이는 전통적인 (포논 매개) 초전도체에서는 보기 드문 특성이다. MgB의 전자 구조는 페르미 준위에서 움직임이 크게 다른 두 종류의 전자(시그마 결합, 파이 결합)가 존재하며, 시그마 결합 전자가 파이 결합 전자보다 초전도성에 더 크게 기여한다. 이는 모든 전자가 동일하게 행동한다고 가정하는 포논 매개 초전도성 이론과 상반된다. MgB의 초전도 특성은 두 에너지 갭 모델을 통해 이론적으로 거의 규명되었다. 2001년 당시에는 큐프레이트 초전도체보다는 금속에 더 가까운 거동을 보이는 것으로 평가되었다.[2]
전이 온도는 구리 산화물 기반 고온 초전도체보다는 낮지만, 금속간 화합물 중에서는 NbGe (전이 온도 23K) 이후 가장 높은 값을 기록했다. 2003년에는 MgB에서 다중 초전도 갭이 나타나는 원리에 대한 논문이 발표되었다.[30]
2. 1. 1.5형 초전도체
BCS 이론과 파이 전자 및 시그마 전자 밴드의 알려진 에너지 갭(각각 2.2meV 및 7.1meV)을 사용하여 파이 전자 및 시그마 전자 밴드는 두 개의 서로 다른 결맞음 길이(각각 51nm 및 13nm)를 갖는 것으로 밝혀졌다.[3] 해당하는 런던 침투 깊이는 33.6nm 및 47.8nm이다. 이는 긴즈버그-란다우 매개변수가 각각 0.66±0.02 및 3.68임을 의미한다. 첫 번째는 1/√2보다 작고 두 번째는 더 크므로, 첫 번째는 경계형 제1종 초전도성을 나타내는 것으로 보이며, 두 번째는 제2종 초전도성을 나타내는 것으로 보인다.두 개의 서로 다른 전자 밴드가 두 개의 준입자를 생성하고, 그 중 하나는 제1종 초전도성을 나타내는 결맞음 길이를 갖고 다른 하나는 제2종 초전도성을 나타내는 경우, 특정 경우에 와동이 장거리에서는 인력을, 단거리에서는 척력을 나타낼 것이라고 예측되었다.[4] 특히 와동 간의 퍼텐셜 에너지는 임계 거리에서 최소화된다. 결과적으로 반-마이스너 상태라는 새로운 위상이 추정되었으며, 이 상태에서는 와동이 임계 거리에 의해 분리된다. 인가된 자속이 전체 초전도체를 임계 거리에 의해 분리된 와동 격자로 채우기에 너무 작으면, 이러한 영역을 분리하는 제1종 초전도성, 즉 마이스너 상태의 큰 영역이 존재한다.
이 추측에 대한 실험적 증거는 최근 4.2K에서 수행된 MgB2 실험에서 나타났다. 저자들은 실제로 와동 밀도가 훨씬 더 높은 영역이 존재한다는 것을 발견했다. 제2종 초전도체에서 아브리코소프 와동 사이의 전형적인 간격 변화는 약 1%인 반면, 그들은 와동이 임계 거리에 의해 분리될 수 있는 영역으로 모이는 아이디어에 따라 약 50%의 변화를 발견했다. 이 상태를 위해 1.5종 초전도체라는 용어가 만들어졌다.
3. 합성
이붕화 마그네슘은 1953년에 합성되었고 그 구조가 확인되었다.[5] 가장 간단한 합성은 붕소와 마그네슘 분말의 고온 반응을 포함한다.[2]
3. 1. 합성 방법
이붕화 마그네슘은 몇 가지 방법으로 합성될 수 있다. 가장 간단한 방법은 고온에서 붕소와 마그네슘 분말을 반응시키는 것이다.[34] 합성은 650°C에서 일어난다. 그러나 마그네슘이 652°C에서 녹기 때문에, 이 반응 메커니즘은 마그네슘 증기가 붕소 간의 결정 경계에 확산됨에 의해 감속되는 것으로 생각된다. 일반적인 반응 온도에서는 충분한 재결정화가 결정 간의 조셉슨 양자 터널링을 가능하게 만든다 해도 소결은 최소화된다.초전도 이붕화 마그네슘 전선은 powder-in-tube(PIT) 공법으로 생산될 수 있다. MgB2를 내부에서 만드는 방식의 공법에서는 붕소와 마그네슘의 혼합물이 금속 튜브에 넣어진 뒤, 전통적인 ‘전선을 잡아 늘이는’ 방식으로 전선의 직경을 줄인다. 그런 뒤 전선은 반응 온도까지 가열되어, 내부에서 MgB2가 형성되게 한다. MgB2를 먼저 만드는 방식의 공법에서는 MgB2 분말이 튜브에 채워지고, 직경을 감소시킨 뒤, 800°C~1000°C에서 소결시킨다. 두 경우 모두 공정 후에 약 950°C 정도에서 등압 압착(isostatic pressing)을 하면 성질이 좋아진다.
혼성 물리-화학 증기 증착법(Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition, HPCVD)은 MgB2 박막을 만드는 데 가장 효율적인 방법이다.[35] 다른 방식으로 증착된 MgB2 박막의 표면은 보통 거칠고 조성이 맞지 않는다. 반면 HPCVD 방식으로는 초전도 전기 회로에 필수적인 요소인 조셉슨 접합을 균질하게 만드는 데 요구되는, 표면이 부드러운 좋은 품질의 고순도 MgB2 박막을 만들 수 있다.
4. 전자기적 성질
MgB2의 성질은 제조 방법과 조성에 크게 좌우된다. 층상 구조이기 때문에 많은 성질들이 비등방성을 보인다. 결정 경계에 산화물 등이 있는 ‘더러운’ 샘플은 그렇지 않은 '깨끗한' 샘플과 다른 성질을 보인다.[36]
MgB2의 전자 구조는 페르미 준위에서 동작이 크게 다른 두 종류의 전자가 존재하도록 하는데, 하나는 (시그마 결합) 다른 하나 (파이 결합)보다 훨씬 강하게 초전도성을 나타낸다. 이는 모든 전자가 동일하게 동작한다고 가정하는 폰온 매개 초전도성에 대한 일반적인 이론과 상반된다. 2001년에는 큐프레이트 초전도체보다는 금속과 더 유사한 거동을 하는 것으로 여겨졌다.[2]
4. 1. 임계 온도 및 임계 자기장
이붕화 마그네슘의 임계 온도(''T''c)는 39K로, 전통적인 초전도체 중에서 가장 높다.[1][29] 자기장을 증가시켰을 때 자기장이 시료 표면을 점차 투과한다는 점에서 제 2종 초전도체이다.[36]자기장 내에서의 최대 임계 전류(''J''c)는 다음과 같다.[36][9]
자기장 세기 (T) | 최대 임계 전류 (A/m²) |
---|---|
20 | 105 |
18 | 106 |
15 | 107 |
10 | 108 |
5 | 109 |
2008년 기준 한계 임계 자기장 (''H''c2)은 다음과 같다.[36][9]
조건 | 한계 임계 자기장 (T) |
---|---|
ab 면에 평행 | 약 14.8 |
ab 면에 수직 | 약 3.3 |
박막 | 최대 74 |
섬유 형태 | 최대 55 |
4. 2. 도핑에 의한 특성 향상
이붕화 마그네슘(MgB2)에 폴리비닐 아세테이트와 사과산 10%[37]를 사용하는 등 다양한 방법으로 탄소를 도핑하면 한계 임계 자기장과 최대 전류 밀도를 높일 수 있다.[38][39]탄소 5%를 도핑하면 ''H''c2는 16T에서 36T로 증가하지만, 임계 온도 ''T''c는 39K에서 34K로 감소한다.[40] 한계 임계 전류 밀도(''J''c)는 감소하지만, TiB2 도핑으로 감소를 줄일 수 있다. (MgB2의 Ti 도핑은 특허를 받았다.[41])
ZrB2 도핑은 자기장에서 최대 전류 밀도(''J''c)를 크게 향상시킨다.[42]
소량의 도핑으로도 두 밴드 모두 제 II형 초전도체 영역으로 들어가 반-마이스너 상태는 예상하기 어렵다.
5. 열전도도
MgB₂는 다중 밴드 초전도체이며, 각 페르미 면은 서로 다른 초전도 에너지 갭을 갖는다. MgB₂의 경우, 붕소의 시그마 결합은 강하고 큰 s파 초전도 에너지 갭을 유도하며, 파이 결합은 약하고 작은 s파 갭을 유도한다.[16]
큰 갭의 보텍스에 대한 준입자 상태는 보텍스 코어에 매우 국한된다. 반면에 작은 갭의 준입자 상태는 보텍스 코어에 느슨하게 결합되어 있다. 따라서 인접한 보텍스 사이에서 쉽게 비편재화되고 겹쳐질 수 있다.[17] 이러한 비편재화는 열전도율에 크게 기여할 수 있으며, 이는 Hc1 이상에서 급격한 증가를 보인다.[1]
6. 응용
이붕화 마그네슘은 초전도 특성과 저렴한 가격으로 인해 다양한 분야에 활용될 수 있다.[18][19] 특히, 램제트 연료,[25] 폭발력 증강 폭약,[26] 추진제[27] 등으로의 활용이 제안된다.
이붕화 마그네슘은 원소 붕소와 달리 산소 또는 산화제 혼합물에서 점화 시 완전 연소된다. 이는 유리질 산화물 층이 산소 확산을 방해하여 붕소의 불완전 연소와 대조되는 특징이다. 이붕화 마그네슘/테플론/비톤 혼합 기만 섬광은 기존 마그네슘/테플론/비톤(MTV)보다 30~60% 향상된 스펙트럼 효율(Eλ, J g−1sr−1)을 보인다. 또한, 이붕화 마그네슘을 파라핀 왁스 연료 입자에 혼합하여 기계적 특성과 연소 특성을 향상시키는 혼합 로켓 추진 연구도 진행되었다.[28]
6. 1. 초전도 자석
초전도 특성과 저렴한 가격 덕분에 이붕화 마그네슘은 여러 분야에서 활용 가치가 높다.[18][19] MgB2 분말을 은 금속(또는 316 스테인리스강)과 함께 분말-튜브 공정으로 압축하여 와이어나 테이프 형태로 만들어 사용한다.


2006년에는 18km 길이의 MgB2 와이어를 사용하여 0.5 테슬라 개방형 MRI 초전도 자석 시스템을 구축했다. 이 MRI는 외부에서 극저온 액체를 공급받지 않고 폐쇄 루프 극저온 냉각기를 사용하여 냉각했다.[20][21]
차세대 MRI 장비는 액체 헬륨 냉각 없이 20~25K에서 작동하는 NbTi 코일 대신 MgB2 코일을 사용해야 한다. MgB2 도체는 25K, 1T 환경에서 초전도 변압기, 회전자, 전송 케이블 등에 활용될 수 있다.[1]
CERN에서는 MgB2 케이블 제작 프로젝트를 통해 거대 강입자 충돌기의 고휘도 업그레이드와 같이 매우 높은 전류(20,000 암페어)를 전달할 수 있는 초전도 테스트 케이블을 만들었다.[22]
IGNITOR 토카막 설계는 극방향 코일에 MgB2를 기반으로 했다.[23]
얇은 코팅은 에너지 손실을 최소화하고 액체 헬륨 냉각 니오브 공동의 비효율성을 줄이기 위해 초전도 고주파 공동에 사용될 수 있다.
저렴한 가격 덕분에 MgB2는 초전도 저/중 자장 자석, 전기 모터 및 발전기, 고장 전류 제한기, 전류 리드 등에 사용될 가능성이 있다.
JR 도카이는 초전도 리니어용 코일 연구를 진행했으며, 2005년 아이치 엑스포에서 초전도 리니어용 이붕화 마그네슘 코일을 공개했다.
JR 도카이는 2007년 4월 20일, 이붕화 마그네슘을 사용한 초전도 선재로 직경 500밀리미터의 대형 초전도 코일을 제작, 냉동기로 냉각하여 자계를 발생시켜 추를 부상시키는 실험에 성공했다고 발표했다.[31]
이붕화 마그네슘은 야마나시 리니어 실험선에서 사용되는 니오브 티타늄 합금보다 임계 온도가 −234℃로 35℃ 높아 효율적으로 초전도 상태를 유지할 수 있다. 세라믹 계열보다 튼튼하고 취급하기 쉬워 비용 효율이 높다. JR 도카이는 2003년에 이붕화 마그네슘 선상화에 성공, 2004년에 코일을 제작하여 당시 세계 최고 자계를 발생시켰다. 2007년 4월에는 직경 500밀리미터의 대형 코일을 제작, 냉동기에 의한 전도 냉각으로 자계를 발생시키는 데 성공했다. 약 0.05테슬라의 자계로 약 630킬로그램의 추를 부상시켰다.
전도 냉각 방식은 냉각 장치를 간소화하고 전체 비용을 절감할 수 있어 리니어 응용에 유리하다.
6. 2. 기타 응용
이붕화 마그네슘은 초전도 특성과 저렴한 가격 덕분에 여러 분야에서 활용되고 있다.[18][19] 분말-튜브 공정을 통해 이붕화 마그네슘 분말을 은 금속 등과 함께 압축하여 와이어나 테이프 형태로 만든다.2006년에는 18km 길이의 이붕화 마그네슘 와이어를 사용하여 0.5 테슬라 개방형 MRI 초전도 자석 시스템이 구축되었다. 이 MRI는 외부 극저온 액체 없이 폐쇄 루프 극저온 냉각기를 사용했다.[20][21] 차세대 MRI 장비는 액체 헬륨 냉각 없이 20~25 K에서 작동하는 NbTi 코일 대신 이붕화 마그네슘 코일을 사용할 것으로 예상된다. 이붕화 마그네슘 도체는 초전도 변압기, 회전자, 전송 케이블 등에도 활용될 수 있다.[1]
CERN에서는 거대 강입자 충돌기의 고휘도 업그레이드 등에 사용될 20,000 암페어 전달 가능 초전도 케이블 제작 프로젝트가 진행되었다.[22] IGNITOR 토카막 설계에도 극방향 코일에 이붕화 마그네슘이 사용되었다.[23] 초전도 고주파 공동에 얇은 이붕화 마그네슘 코팅을 사용하면 에너지 손실을 최소화하고 액체 헬륨 냉각 니오브 공동의 비효율성을 줄일 수 있다. 저렴한 가격으로 인해 이붕화 마그네슘은 초전도 저/중 자장 자석, 전기 모터 및 발전기, 고장 전류 제한기, 전류 리드 등에 사용될 가능성이 있다.
원소 붕소와 달리 이붕화 마그네슘은 산소 또는 산화제 혼합물에서 점화 시 완전 연소된다. 이는 유리질 산화물 층이 산소 확산을 방해하는 붕소의 불완전 연소와 대조적이다.[24] 따라서 이붕화 마그네슘은 램제트 연료,[25] 폭발력 증강 폭약,[26] 추진제 등에 사용이 제안되었다. 이붕화 마그네슘/테플론/비톤 혼합 기만 섬광은 기존 마그네슘/테플론/비톤(MTV)보다 스펙트럼 효율이 30~60% 높다.[27] 이붕화 마그네슘을 혼합 로켓 추진에 적용하는 연구도 진행되어, 파라핀 왁스 연료 입자에 혼합하여 기계적 특성과 연소 특성을 향상시켰다.[28]
초전도 리니어용 코일로 JR 도카이(도카이 여객철도)의 연구가 진행되었으며, 2005년 아이치 엑스포에서 관련 코일이 공개되었다. JR 도카이는 2007년 4월 20일 이붕화 마그네슘 초전도 선재로 직경 500밀리미터의 대형 초전도 코일을 제작, 냉동기로 냉각하여 자계를 발생시켜 추를 부상시키는 실험에 성공했다고 발표했다.[31]
이붕화 마그네슘은 야마나시 리니어 실험선에 사용되는 니오브 티타늄 합금보다 임계 온도가 −234℃로 35℃ 높아 효율적으로 초전도 상태를 유지할 수 있다. 세라믹 계열보다 튼튼하고 취급하기 쉬워 비용 효율이 높다. JR 도카이는 2003년 선상화, 2004년 코일 제작에 성공하여 당시 세계 최고 자계를 발생시켰다. 2007년 4월에는 직경 500밀리미터의 대형 코일을 제작, 냉동기에 의한 전도 냉각으로 자계를 발생시키는 데 성공했다. 약 0.05테슬라 자계로 약 630킬로그램의 추를 부상시킨 것으로 추정된다. 직접 담금 냉각 방식은 안정적이지만 유지 보수가 어렵다. 전도 냉각은 냉각 장치를 간소화하여 전체 비용 절감을 기대할 수 있다.
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