하이거

판교핫뉴스

고엔트로피 합금 초전도체 박막 개발-자가치유 특성으로 극한 환경에서 활용 가능한 초전도 신소재 등록일2022.07.22.

하이거 2022. 8. 16. 13:32

고엔트로피 합금 초전도체 박막 개발-자가치유 특성으로 극한 환경에서 활용 가능한 초전도 신소재

 

등록일2022.07.22.

 

 

 

 

  
고엔트로피 합금 초전도체 박막 개발
- 자가치유 특성으로 극한 환경에서 활용 가능한 초전도 신소재 -
  

□ 고성능의 초전도 특성을 가진 고엔트로피 합금* 초전도체** 박막***이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
   * 고엔트로피 합금 : 다수의 원소가 주요 원소로 작용해 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금
   ** 초전도체 : 전기저항이 0이 되어, 전력손실 없이 전기가 흐를 수 있는 물질로 오늘날 MRI를 비롯하여, 송전, 발전기, 항공 우주, 핵융합, 자기부상열차 등 다양한 분야에서 활용 및 연구됨
   *** 박막 : 기계가공으로는 만들 수 없는, 두께가 ㎛ 이하인 얇은 막을 의미함

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박두선 교수, 정순길 연구교수(성균관대학교) 연구팀과 이종수 교수(경희대학교), 석재권 박사(한국원자력연구원 양성자과학연구단)의 공동연구로 항공 우주 및 핵융합로 등의 극한 환경에서 활용 가능한 자가치유* 고성능 고엔트로피 합금의 초전도체 박막을 제작하는데 성공했다고 밝혔다. 
   * 자가치유(self-healing) : 고엔트로피 합금 초전도체의 초전도임계온도가 방사선 조사 손상정도가 증가함에 따라 감소하다가, 더 많은 양의 방사선을 조사하면 그 임계온도가 다시 증가하는 현상

□ 엔트로피란 물질계의 무질서 정도를 나타내며, 극한 환경에서 활용이 가능하여 최근 고기능성 신소재로 각광 받고 있는 고엔트로피 합금으로 부터 초전도성이 발견되어 주목 받고 있다.
 ○ 하지만 고엔트로피 합금은 5개 이상의 금속 원소가 혼합되어 단일상을 이루기 때문에 균일한 박막 제작이 어려웠으며, 
 ○ 고엔트로피 합금 초전도체 산업에의 활용 가능성을 확보하기 위해 높은 임계전류* 값을 가지는 고엔트로피 합금 초전도체 개발과 극한 환경에서 초전도성의 안정성 유무 검증 등이 한계로 남아 있었다. 
   * 임계전류 : 저항이 0일 때 전력손실 없이 수송할 수 있는 최대 전류. 임계전류 이상의 전류에서는 유한한 저항 값을 가짐

□ 이에 연구팀은 탄탈럼-나이오븀-하프늄-지르코늄-타이타늄(Ta-Nb-Hf-Zr-Ti)으로 구성된 대표적인 고엔트로피 합금을 이용하여 고품질의 고엔트로피 합금 초전도체 박막을 제작하는데 성공하였으며, 
 ○ 제작된 박막은 제곱센티미터 면적()당 100,000 A 이상의 전류를 흘려 줄 수 있는 높은 초전도 임계전류 특성을 보였다.

□ 나아가, 제작된 박막에 방사선 조사 연구를 통하여 고엔트로피 합금 초전도체가 방사선 조사 손상에 대한 저항성이 높고 자가치유 또한 가능하다는 것을 밝혔다. 
 ○ 조사량 단위가 10 이상의 고방사선 조건에서 자가치유 능력에 의해 초전도체의 임계온도가 회복하는 현상을 확인 한 것이다.

□ 박두선 교수는“이번 연구결과는 고품질의 고엔트로피 합금 초전도체 박막 제작을 위한 원천기술 확보뿐만 아니라, 물질의 활용 가능성을 검증한 것”이라고 전하며, “초전도 소재 확보로 향후 항공 우주 산업 및 핵융합로를 비롯한 극한 환경에서의 작동 가능성 기대 및 산업적 가치의 실마리를 제공한 것”이라고 기대를 덧붙였다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 창의ㆍ도전연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 자연과학분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 6월 11일(한국시간) 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

 <작성 : 성균관대학교 박두선 교수>

논문명
High critical current density and high-tolerance
superconductivity in high-entropy alloy thin films
저널명 
Nature Communications
키워드 
High entropy alloy superconductor(고엔트로피 합금 초전도체), thin film(박막), critical current density(임계전류밀도), irradiation(방사선조사) self-healing(자가치유)
DOI
10.1038/s41467-022-30912-5
저  자
박두선 교수(교신저자, 성균관대학교), 정순길 연구교수(교신저자/제1저자, 성균관대학교), 한윤석(공동 제1저자, 성균관대학교), 김진희 박사(공동 제1저자, 경희대학교), Rahmatul Hidayati(경희대학교), 이종수 교수(경희대학교), 이정민(성균관대학교), 강원남 교수(성균관대학교), 최우석 교수(성균관대학교), 전혜란(한국원자력연구원), 석재권 박사(한국원자력연구원), 


1. 연구의 필요성
○ 전기저항이 0인 초전도체*는 전력손실 없이 대전류 송전이 가능하기 때문에, 초전도체 발견 이후 초전도 현상을 송전, 교통, 에너지, 의료 등 다양한 산업에 활용하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 현재 가장 보편적으로 상용화되어 있는 초전도물질은 60여 년 전에 발견된 NbTi 합금*으로 그 사용범위가 제한적이다. 
   * 초전도체 : 전기저항이 0이 되어, 전력손실 없이 전기가 흐를 수 있는 물질로 오늘날 MRI를 비롯하여, 송전, 발전기, 항공 우주, 핵융합, 자기부상열차 등 다양한 분야에서 활용 및 연구됨
   ** NbTi 합금 : 15 T(테슬라)의 자기장을 견디는 나이오븀과 타이타늄의 합금
○ 5개 이상의 금속 원소가 주요 원소로 작용하여 단일상을 형성하는 고엔트로피 합금*은 우수한 기계적, 물리적 및 화학적 특성을 가지고 있어 고압, 고온, 극저온, 그리고 높은 방사화 환경 등의 극한 환경 하에서도 활용이 가능한 고기능성 신물질로 여겨지고 있다. 
○ 하지만, 최근 다양한 고엔트로피 합금에서 초전도성이 발견되었음에도 불구하고, 아직까지 이의 산업에의 활용 가능성이 검증되지 않고 있었다. 
   * 고엔트로피 합금 : 다수의 원소가 주요 원소로 작용해 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금
○ 초전도체를 산업에 활용하기 위해 중요한 특성 중 하나가 전력손실 없이 수송할 수 있는 임계전류* 값의 크기이다. 고엔트로피 합금이 고기능성 신소재로써 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 지금까지 보고된 고엔트로피 합금 초전도체의 경우 임계전류 값이 실제 산업에는 활용이 어려울 정도로 아주 미미한 상황이었다.   
    * 임계전류 : 저항이 0일 때 전력손실 없이 수송할 수 있는 최대 전류. 임계전류 이상의 전류에서는 유한한 저항 값을 가짐
○ 따라서, 고엔트로피 합금 초전도체의 산업에의 활용 가능성을 확보하기 위하여 높은 임계전류 값을 가지는 고엔트로피 합금 초전도체 개발 및 극한 환경에서 초전도성의 안정성 유무를 검증하는 것이 시급한 문제로 남아 있었다. 

2. 연구내용 
○ 펄스레이저 증착법*을 이용하여 큰 임계전류 값을 가지는 Ta-Nb-Hf-Zr-Ti** 기반 고엔트로피 합금 초전도체 박막***을 개발하는데 성공하였다. 이때, 초전도체 박막은 섭씨 270-570도의 넓은 범위에 걸쳐 제작할 수 있었으며, 섭씨 520도에서 제작한 고엔트로피 합금 초전도체 박막이 가장 우수한 임계전류 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다(그림1 참조). 
   * 펄스레이저 증착법(Pulsed laser deposition) : 타겟표면에 레이저 빔을 집속시켜 타겟표면 물질을 플라즈마 상태로 만들고 결정구조를 가진 박막을 증착시키는 방법
   ** Ta : 탄탈럼, Nb : 나이오븀, Hf : 하프늄, Zr : 지르코늄, Ti : 타이타늄
   *** 박막: 기계가공으로는 만들 수 없는, 두께가 ㎛ 이하인 얇은 막을 의미함 
○ 고엔트로피 합금 초전도체의 방사선조사에 대한 저항성을 알아보기 위해, 한국원자력연구원 양성자과학연구단에서 이온빔 조사를 수행하였다. 그 결과 고엔트로피 합금 초전도체가 타 초전도물질들에 비해 방사선 조사에 대한 저항성이 약 1000배 이상 우수하다는 것을 알아내었다(그림2 참조).
○ 또한, 고엔트로피 합금 초전도체의 초전도임계온도가 방사선 조사 손상정도가 증가함에 따라 감소하다가 더 많은 양의 방사선을 조사하면 그 임계온도가 다시 증가하는 자가치유 현상을 보였다. 
○ 이는 고엔트로피 합금이 보이는 자가치유 특성이 고엔트로피 합금 초전도체에서도 발현함을 보이는 결과로, 고엔트로피 합금 초전도체가 항공 우주 산업 및 핵융합로 등의 극한환경에서도 활용 가능한 신소재가 될 수 있음을 시사한다(그림2 참조). 

3. 연구성과/기대효과
○ 고성능 고엔트로피 합금 초전도체 박막을 개발하였다.
○ 그동안 높은 임계전류 값을 가지는 고엔트로피 합금 초전도체가 개발되지 않아 이의 산업에의 활용 가능성이 검증되지 않았었는데, 본 연구 결과를 통해 고엔트로피 합금 초전도체의 활용가능성을 보였다. 
○ 고엔트로피 합금 초전도체의 방사선 조사에 대한 저항성이 타 초전도물질들에 비해 월등히 우수하기 때문에, 항공 우주 산업 및 핵융합로 등의 극한 환경에 활용될 가능성이 높은 초전도소재임을 보였다.     
○ 본 연구결과로 인해 고엔트로피 합금 초전도체 연구에 더욱 활기를 불러일으킬 것이라 기대된다. 


그림 설명





(그림1) 기판 온도에 따른 임계전류의 크기 변화 
- 기판 온도(substrate temperature, Ts)를 달리하며 제작된 고엔트로피 합금 초전도체 박막들의 임계전류밀도(critical current density, Jc) 값을 살펴보면, 박막으로 제작하기 전의 벌크 형태에 비해 상당히 큰 값을 가지는 것을 볼 수 있다. 
- 제곱센티미터 당 100,000 A의 전류를 흘려 줄 수 있는 지점을 붉은 색 점선으로 표시하였는데, 이 값은 초전도체를 대규모 응용에 활용하기 위해 일반적으로 고려되고 있는 기준 값이다. 
- 박막 형태로 제작된 고엔트로피 합금 초전도체들은 이 기준 값보다 큰 임계전류밀도를 보였으며, 특히 기판 온도가 섭씨 520도 근방에서 제작된 박막들의 경우 이 기준 값을 월등히 능가하였다. 
- 이는 고엔트로피 합금 초전도체가 다양한 산업 분야에 활용될 수 있는 소재라는 것을 직접적으로 보여주는 결과이다. 

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박두선 교수 
[출처] Jung, SG., Han, Y., Kim, J.H. et al. High critical current density and high-tolerance superconductivity in high-entropy alloy thin films. Nat Commun 13, 3373 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30912-5



(그림2) 조사량 단위에 따른 초전도물질들의 초전도임계온도 변화
- 조사량 단위(displacements per atom, dpa)*로 표현된 방사선 조사 손상 정도에 따른 다양한 초전도물질들의 초전도임계온도(Tc) 변화를 나타내었다. 
- 여기서 상대적인 비교를 위하여 초전도임계온도는 각 초전도물질들에 대하여 조사 손상이 없을 때의 초전도임계온도 값(Tc,0)으로 규격화하였다. 
- 산업에 활용하기 위해 활발히 연구되고 있는 타 초전도물질들에 비해 고엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA) 초전도체가 1000배 이상 방사선 조사에 저항성이 있는 것을 보여주며, 
- 또한 조사량 단위가 약 10 이상 될 경우 고엔트로피 합금이 가지고 있는 독특한 특성인 고방사선 조사 환경 하에서의 자가치유(self-healing) 능력에 의해 초전도체의 임계온도가 다시 증가하는 현상을 볼 수 있다. 
- 이는 고엔트로피 합금 초전도체가 항공 우주 산업 및 차세대 핵융합로 등의 극한 환경에서 활용이 가능한 초전도 신소재로 개발될 가능성이 높음을 시사한다. 
 * 조사량 단위(displacements per atom, dpa): 방사선 조사(irradiation)로 인해 구성 원자가 평균적으로 몇 번 튀어나올 것인가 하는 1원자당의 변위횟수

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박두선 교수 
[출처] Jung, SG., Han, Y., Kim, J.H. et al. High critical current density and high-tolerance superconductivity in high-entropy alloy thin films. Nat Commun 13, 3373 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30912-5


연구 이야기


                                       <작성 : 성균관대학교 박두선 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?  

고엔트로피 합금이 첨단 신소재로 활발히 연구되고 있음에도 불구하고 아직까지 우수한 초전도특성을 보이는 고엔트로피 합금 초전도체가 개발되지 않아, 고성능 고엔트로피 합금 초전도체 박막을 제작하고자 하였다. 


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

최근 다양한 고엔트로피 합금 초전도체가 발견되었지만, 실제 활용에 필수적인 임계전류 값이 확보되지 못해 초전도 소재로써 실용화 가능성은 검증되지 않은 상황이었다. 본 연구 결과를 통해 고엔트로피 합금 초전도체가 항공 우주 산업 및 핵융합로 등의 극한 환경을 포함한 다양한 산업분야에 사용될 수 있는 초전도 소재라는 것을 제시하였다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

이 연구는 고성능 고엔트로피 합금 초전도체 개발 가능성을 확인하기 위한 기초연구이다. 본 연구를 통해 고엔트로피 합금 초전도체가 산업에 활용되기에 충분히 우수한 초전도 임계전류특성을 가지고 있다는 것을 확인하였다. 고엔트로피 합금 초전도체는 극한환경에서도 활용이 가능한 소재로써 개발이 요구되는 고기능성 초전도신물질이다. 이런 최첨단소재 개발 및 이에 대한 성능 향상을 위한 원천기술을 선점하기 위하여 초전도소재 개발을 위한 과제가 필요할 것이다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

고엔트로피 합금 초전도체의 임계특성(임계온도, 임계자기장, 임계전류) 향상 및 이의 초전도체 메커니즘을 규명하는 것이 매우 시급하다.