초전도재료란 무엇인가? 그 역사적 배경과 특징 그리고 이해

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초전도재료란 무엇인가? 그 역사적 배경과 특징 그리고 이해에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 초전도의 역사적 배경

2-1. 초전도체에서 전기저항이 사라지는 이유(BCS이론)
2-2. 마이스너 효과(완전반자성효과)란
2-3. 조셉슨 효과란 ?

본문내용

작은 임계자기장을 갖고 있다.자기장은 가우스(gauss) 단위로 측정된다. 지구 자기장의 세기는 약 0.5gauss 정도이다. 계열 영구자석의 표면에서의 자기장은 약 16 kilogauss정도이다. 가장 강력한(Hc가 가장 높은) 제 1종 초전도체인 납의 경우라도 임계 자기장은 약 800gauss에 불과하다. 가우스(gauss)는 매우 작은 단위이다. 이보다 큰 단위는 테슬라(tesla, T)로서 1 T는 10,000gauss와 같은 값이다. 그림(11)은 2종 초전도체에서 외부자기장과 유도자기장과의 관계를 표현한 것으로서, 외부자장이 증가할 경우에 2종 초전도체가 어떻게 반응하는 지를 보여준다.1종 초전도체에서와는 달리 두 개의 임계자기장 Hc1 과 Hc2가 있음을 확인할 수 있을 것이다. Hc1 이하에서 초전도체는 모든 외부 자기장을 배척한다. Hc1과 Hc2 사이에서는 자기장이 초전도체로 침투되기 시작한다. 이런 상태를 '혼합상태'라 부르는데, 이는 초전도체의 일부는 상전도 상태로 전이되고, 일부는 여전히 초전도 상태로 남아 있기 때문에 붙여진 이름이다.
이1종 초전도체의 Hc는 실제 기기들에 응용되기에는 너무나도 작다. 반면에, 2종 초전도체의 Hc2는 상당히 크며 YBa2Cu3O7의 경우 약 100 T 정도나 된다.
2종 초전도체의 거동은 마이스너 효과를 이해하는 데에도 도움을 준다. 종 초전도체 위에 자석을 부상시킬 경우, 자석이 초전도체로부터 밀려 떨어지는 것을 막기 위해서는, 자석과 초전도체 사이에 작용하는 반발력이 자석 표면에 균일하게 분포 되어야한다. 결국, 부상을 위해서는 그릇 모양의 초전도체가 사용되어야 한다. Samarium-cobalt 자석 표면의 자기장은 약 600gauss 정도이고 YBCO 초전도체의 Hc1은200gauss 이하이다. 만약 samarium-cobalt자석과 YBCO 초전도체를 사용하여 마이스너효과 실험을 한다면, YBCO 초전도체는 틀림없이 혼합상태에 놓여 있을 것이다. 자석에서 방사된 자기장의 일부는 초전도체에 침투하여 결정구조의 '결함'이나 '결정입계'에 포획될 것이다. 이런 현상을 flux pinning이라고 부르며, 이 현상에 의해 자석은 초전도체 위에 부상하여 '고정'된다. 초전도 상태는 중요한 세 개의 factor에 -임계온도, 임계자장, 임계전류-의해 결정된다. 각각의 factor들은 상호 의존적이다. 초전도 물질을 초전도 상태로 유지하기 위해서는 자기장, 전류밀도 그리고 온도가 모두 각 임계값 이하에 머물러야 한다. 그림(12)의 상태도는 Tc, Hc, Jc 사이의 상호관계를 표현한다. 와 Jc의 최대값은 0 K에서 나타나는 반면, Tc의 최대값은 H와 J가 0일 때 나타난다. 세 개의 파라미터를 모두 고려하면 그림(12)는 하나의 임계표면을 형성한다. 표면에서 중심 사이의 공간에 초전도체가 놓일 이 초전도체는 초전도상태를 띠게 된다.이 표면 밖에서는 상전도 상태 혹은, 에너지 손실이 있는 혼합상태에 놓이게 된다.전자가 cooper 쌍을 구성한 경우 전자들은 같은 양자 파동함수(quantum wave-function) 혹은, 같은 에너지 준위를 공유하게 된다. 이것은 초전도체의 에너지 준위를 낮추는 결과를 가져온다. Tc와 Hc값에서 전자쌍은 분리된다. 임계전류값 이상의 전류는 상전도 영역을 통해 흘러가게 된다. 혼합상태의 상전도 영역을 통과해서 흐르는 전류는 pinning 영역을 관통하고 있는 자기장과 상호 작용하게 된다. 대부분의 실제 응용에서는 초전도체는 상전도로 전이되지 않으면서, 많은 전류를 흘릴 수 있어야 하며 동시에 강한 자기장에 견딜 수 있어야 한다. 와 Jc 값은 에너지 최소화에 영향을 주는 두 개의 중요한 파라미터인 '침투깊이'와 '간섭성
길이'에 의존한다. 초전도체는 외부자장을 상쇄하기 위해 표면에 표면전류를 발생시킨다. 그러나, 표면에서 완벽하게 자기장을 차폐 할 수는 없으며 초전도체로 일정부분 외부 자장이 침투한다. 자장이 침투 하는 깊이를 '침투 깊이'라고 부른다. '간섭성 길이'는 초전도 상태가 형성되는 최소 거리로서 이 거리 이상에서 초전도상태를 나타낸다. (예를들어, 초전도체의 표면 부근을 생각할 경우, 표면 근처에서 초전자(전자쌍)의 밀도는 0에 가깝고 내부로 갈수록 초전자(전자쌍)의 밀도는 증가한다. 표면에서부터 일정거리 만큼 안쪽에서 드디어 초전자(전자쌍)의 밀도가 초전도 현상을 나타낼 만큼 증가한다. 이때의 거리를 '간섭성 길이'라 정의한다.)침투깊이와 간섭성길이의 비는Ginzburg-Landau 파라미터로 알려져 있다. 만약 이 비가 0.7 이상이 되면 자속 배척(flux exclusion)은 더 이상 발생하지 않고 자속은 votice로 알려진 core(心)을 통해 초전도체를 투과하게 된다. 상전도 core 주변에서 회전하고 있는 전류는 외부자장과 같은 방향의 자기장을 발생시킨다. 이런 미량의 자기장들은 서로를 밀쳐내며, 정렬된 모양으로 자신들을 배치한다. 이런 정렬된 모양을 '자속 격자'라고 부른다. 이런 혼합상태(상전도core와 초전도상태가 공존하는 상태)는 초전도체를 Hc1과 Hc2사이에 머무르도록 한다. 초전도체에 전류가 흐를 때, vortice들이 자기장에 의하여 이동하지 않는다는 사실은 매우 중요하다. Vortex의 이동은 초전도체 내에 저항을 발생시킨다. Vortex의 이동은 첨가물, 불순물, 결정입계와 같은 원자적 결함이 있는 영역에 효과적으로 고정될 수 있다.vortex의 '고정영역'(pinning site)는 초전도재료에 불순물을 첨가하거나 혹은 재료를 방사능으로 손상을 입힘으로서 인위적으로 생성시킬 수 있다.
2-3. 조셉슨 효과란 ?
조셉슨 접합은 초고속 스위치 장치로 응용이 된다. 조셉슨 접합은 기존의 반도체 회로보다 약 10 ~ 100 배 이상 빠르게 스위칭 기능을 수행할 수 있다. 이것은 전기적 on-off 펄스에 의존하는 컴퓨터와 같은 장비에 충분히 활용될 수 있다. 컴퓨터의 속도는 신호 전달에 소요되는 시간에 의존하기 때문에, 조셉슨 접합 장치는 그것의 탁월한 스위칭 속도로 인해 초고속 초소형 컴퓨터에 이상적으로 적용될 수 있다.

키워드

조전도재료,   조셉슨,   마이너스효과,   BCS,   초전자,   공학의 이해