임의의 구멍을 가진 단결정 벌크형 GdBCO 초전도체의 전자기 특성
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2012
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원 : 전기전자공학과 2012. 8
발행연도
2012
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
Electromagnetic properties of single grain GdBCO bulk superconductors with artificial holes
형태사항
v, 47장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 고태국
소장기관
벌크형 RE-Ba-Cu-O (REBCO, RE: 희토류 원소) 고온초전도체는 초전도 임계전류밀도가 높고, 이에 따른 자기부상력이 매우 크다. 초전도체의 자기부상력은 플라이휠 에너지 저장장치의 베어링이나 자기부상열차에 이용된다. 또한 고자장에서의 높은 전류 통전능력은 초전도 자석의 전류 도입선이나 자기분리장치의 벌크형 자석에 응용된다.
REBCO 초전도체의 초전도 특성을 결정하는 가장 중요한 변수는 초전도 결정내의 산소함량이다. 산소함량이 높을수록 초전도 임계전류밀도가 높다. REBCO 초전도체 결정 내부로 산소확산을 촉진하려면 산소의 확산통로를 증가시켜 주어야 한다. 본 논문에서는 초전도체에 구멍을 가공하는 새로운 공정방법을 제안하였다. 특수 제작한 몰드를 이용하여 분말의 성형과정에서 직경 3 mm와 5 mm 크기의 구멍이 있는 Gd1.5Ba2Cu3O7-y(Gd1.5) 성형체를 제작하였다. 이 방법으로 제작한 구멍이 있는 성형체를 종자결정성장법을 이용하여 단결정 Gd1.5 벌크 초전도체로 성공적으로 제작하였다. 제작한 초전도체에 대해 액체질소의 끓는점인 77 K에서의 자기부상력과 포획자력특성을 측정하였다. 또한 구멍의 가공에 따른 초전도체의 냉각속도의 변화를 알고자 유한요소해석법 방식의 ANSYS 12.0 프로그램을 이용하여 초전도체의 냉각과정을 시뮬레이션 하였다.
시편의 기공밀도를 관찰한 결과, 시편에 구멍이 있을 경우 용융 열처리과정에서 발생한 기포(가스)가 구멍표면을 통해 시편외부로 배출됨으로써 내부의 기공을 줄일 수 있었다. 구멍이 여러 개 있는 경우가 구멍이 없는 시편이나 구멍이 하나 있는 시편에 비해 기공 밀도가 상대적으로 낮았다.
구멍이 없는 시편과 구멍(1 개와 6 개)이 있는 시편에 대해 77 K 에서의 자기부상력(F)과 자기포획력(H)을 측정한 결과 직경 2.4 mm 크기의 구멍이 있는 시편들의 두 값이 구멍이 없는 시편보다 높았다. 시편 중앙에 구멍이 하나가 있는 경우 F=134.8 N과 H=4.02 kG로 가장 높았다. 직경 4.2 mm의 큰 구멍이 있는 시편의 자기부상력과 자기포획력은 구멍이 없는 시편이나 작은 구멍(직경 2.4 mm)이 있는 시편에 비해 현저히 낮았다(F=73.5 N과 H=1.92 kG). 이는 큰 구멍이 있는 경우 초전도체의 부피 분율이 상대적으로 감소하기 때문이다.
초전도체의 냉각에 대한 구멍의 효과를 알고자 구멍이 없는 시편, 2.4 mm 구멍이 6 개 있는 시편과 6 개의 구멍을 금속 Solder(Bi-Pb-Sn-Cd)로 채운 시편에 대해 77 K(액체질소)까지의 실제 냉각속도를 측정하였고, 이 결과를 유한요소해석법에 의한 냉각 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 시뮬레이션에는 Gd123의 물성 값 대신 데이터가 많이 보고된 Y123의 물성 값을 사용하였다. Bi-Pb-Sn-Cd solder의 경우도 데이터가 많지 않기 때문에 금속 은(Ag)의 데이터를 사용하였다. 세 종류 시편의 77 K까지의 실제 냉각시간은 각각 84초, 52초와 78초였다. 구멍이 있는 경우 시편의 표면적 증가에 따라 초전도 시편의 냉각속도가 증가되었으나 구멍을 금속으로 채운 경우에는 냉각속도에 대한 구멍의 효과가 관찰되지 않았다. 세 종류 시편에 대해 유한요소법으로 시뮬레이션을 한 결과, 77 K까지의 냉각시간은 각각 80초, 47초와 75초로 실제 측정한 결과와 잘 일치했다.
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