화학증착법에 의한 YSZ 완충층과 YBCO 초전도 박막의 제조 및 특성 연구

김길성·황상철·김연수*·조익준**·신형식

전북대학교 공과대학 화학공학부, *광양대학 석유화학공업과

**순천청암대학 환경관리과

Preparation and chracterization of YSZ buffer layers and YBCO superconducting thin films by chemical vapor deposition

Gil-Sung Kim, Sang-Chul Hwang, Yoen-Su Kim*, Ik-Joon Cho**,

Hyung-Shik Shin

School of Chemical Engineering, Chonbuk National University

*Department of Petrochemical Engineering, Kwangyang College

**Department of Environment Management, Sunchon  Chongam College

서론

긴 초전도 테이프를 얻기 위한 많은 방법들이 있지만, 최근에 Oak Ridge National Laboratory(ORNL)에서 RABiTS(Rolling-Assited Biaxially Textured Substrate) 방법을 개발하였다[1]. 이 방법은 테이프를 냉간압연 후 고온 열처리를 하여 재결정시킴으로써 입자들의 방향이 잘 정렬된 테이프를 만들고,  정렬된 테이프 위에 완충층(YSZ, CeO2, etc)을 증착한 후에 YBCO 박막을 증착하는 방법이다. 이러한 결정 성장 방법은 간단하면서 재현성이 있어서, RABiTS는 실제 응용 면에서 YBCO 초전도 테이프 제작 방법 중 가장 기대되는 기술 중의 하나이다[2]. 그러나 많은 금속과 금속 산화물들은 열처리를 하는 동안 YBCO 초전도체와 반응을 하여 전이온도(□T)와 임계전류밀도(Jc)를 감소시킨다. 이러한 표면 반응을 극복하기 위하여 YBCO 초전도체와 반응성이 없는 Ag 기판을 보통 사용하지만, Ag기판과 YBCO 초전도 박막과의 열팽창계수가 매우 커서 균열이 발생하여  낮은 전류밀도를 갖게 된다. 따라서 YBCO 초전도 박막과 격자상수 불일치가 적은 YSZ 완충층을 도입해야 한다[3,4].

본 실험은 화학증착법[5]으로 Ag 기판 위에 완충층 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 증착한 후에 고품질의 Y계 초전도 박막을 증착하는 데 그 목적이 있다. 또한 기판 결정에 따른 YSZ 완충층과 YBCO 결정성을 비교하기 위하여MgO(100)와 Ag 기판 위에 YSZ 완충층을 증착한 후에 YBCO 초전도 박막을 제조하였다. 제조된 YSZ 완충층과 YBCO 초전도 박막을 분석하기 위하여, 미세구조와 결정구조는 각각 주사전자현미경(SEM)과 X-선 회절(XRD)로 분석하였다.

실험

본 실험에서 사용한 원료물질은 유기 금속킬레이트 화합물인 □-diketonate 금속킬레이트 화합물이다. 시약은 미국 Strem사의 Y(TMHD)3, Zr(TMHD)4, Ba(TMHD)2 및 Cu(TMHD)2를 사용하였다. 또한 기판은 MgO(100)과 Adrich사의 polycrystalline silver foil을 사용하였다. YSZ 완충층과 YBCO 고온초전도박막은 동일한 반응기를 사용하여 제조하였으며, 반응기체(reaction gas)인 산소 가스와 함께 증발된 원료물질의 운반기체(carrier gas)로 아르곤을 사용하였다. MFC를 이용하여 가스의 유량을 조절하였으며, 각각의 원료물질 가열온도는 비례온도조절기(proportional temperature controller)를 사용하여 일정한 설정온도에서 자동으로 조절되게 하였다. 반응물이 증착하게 될 기판은 기체 흐름방향과 수직으로 설치하였으며, 반응관 내의 압력을 측정하기 위하여 0.001∼30 torr까지 측정할 수 있는 압력계(Piranri gauge)를 사용하였다. 압력조절밸브를 사용하여 반응관 내의 압력을 조절하였고, 저압으로 유지하기 위하여 회전 진공펌프를 사용하였다. 기판으로 MgO(100)와 Ag 기판을 사용하였으며, YSZ 완충층과 YBCO 박막은 동일한 반응기에서 제조하였다. MgO(100)와 Ag에 증착된 YSZ 완충층과 그 위에 증착시킨 YBCO 박막의 결정구조 및 생성된 상을 일본 Rigaku사의 XRD로 조사하였다. 이때 Cu-K□(□= 1.5418 Å) target를 사용하였다. 또한 증착된 박막들의 표면과 단면의 미세조직은 일본 Hitachi사의 SEM를 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

1. YSZ 완충층의 제조

기판의 종류에 따른 YSZ 완충층의 특성변화를 조사하기 위하여 MgO(100)와 Ag 기판을 사용하여 각각 750℃의 증착온도와 4 torr의 전체압력에서 증착실험을 수행하였다. Fig. 1은 MgO(100)기판을 사용하여 증착시간을 각각 20, 30, 40, 및 50분으로 하였을 때 YSZ 완충층에 대한 XRD 결과를 나타낸 것이다. 일정한 증착온도와 압력에서 증착시간에 관계없이 YSZ는 같은 결정구조를 보이고 있으며 증착시간이 증가함에 따라 YSZ(111) peak의 강도가 감소하고 YSZ(002) peak의 강도가 증가함을 알 수 있었다. 이 결과는 (111) 결정방향의 입자는 반응초기에 성장되지만, 반응시간이 증가함에 따라 (002) 결정방향의 입자가 주로 성장됨을 보여주고 있다. Fig. 2는 Ag 기판을 사용하여 증착시간을 각각 30, 40, 및 50분으로 하였을 때 YSZ 완충층에 대한 XRD 결과를 나타낸 것이다. 일정한 증착온도와 압력에서 증착시간에 관계없이 YSZ는 같은 결정구조를 보이고 있다. 증착시간에 30분일 때 YSZ(111) peak이 나타나지 않고 YSZ(002) peak만 보이고 있다. 반응시간이 증가함에 따라 YSZ(111) peak의 강도가 증가하고 YSZ(002) peak의 강도가 감소함을 보여주고 있다. 이 결과는 반응시간에 증가함에 따라(111) 결정방향의 입자가 성장하여 (002) 결정방향의 성장을 방해하고 있음을 보여주고 있다. Fig. 3은 MgO(100) 기판을 사용하고 반응시간이 50분인 YSZ 완충층의 단면 SEM 사진이다. 그림으로부터 미세한 결정들이 기판 표면에 수직하게 성장되었음을 알 수 있고, 입자가 조밀하게 성장되었다. Fig. 4는 Ag 기판을 사용하고 반응시간이 30분인 YSZ 완충층 표면 SEM 사진이다. 그림으로부터 미세한 결정들이 균일하고 조밀하게 성장되었음을 알 수 있다.

2. YBCO 박막의 제조

본 실험은 YSZ 완충층을 성장시킨 YSZ/MgO(100)와 YSZ/Ag를 기판으로 사용하고 750℃에서 40분간 YBCO 박막을 증착하였다. Fig. 5은 750℃에서 40분간 증착시킨 YBCO 박막의 XRD 결과를 나타낸 것이다. YSZ/MgO(100)기판을 사용하여 YBCO 박막을 증착하였을 때 c-축으로 배향되었고 각 peak들의 강도가 크게 나타났다. YSZ/Ag기판을 사용하여 YBCO를 증착하였을 때 c-축으로 배향된 peak들의 강도가 상대적으로 작게 나타남을 보여 주고 있다. 이는 MgO(100)와 Ag기판의 결정구조의 영향이라고 생각되어지고 있다.  Fig. 6은 YSZ/MgO(100)에 증착된 YBCO의 단면 SEM이다. YBCO 입자는 완충층으로 사용된 YSZ 입자보다 크게 성장되었고 YSZ의 성장방향과 동일하게 YBCO 입자가 성장되었음을 보여주고 있다. Fig. 7은 YSZ/Ag에 증착된 YBCO의 표면 SEM사진이다. YBCO입자는 YSZ 완충층 표면 위에서 균일하게 성장되었다.

참고문헌

[1]. A. Goyal, D. P. Norton, J. D. Budai, M. Paranthaman, E. D. Specht, D. M. Kroeger, D. K. Christen, Q. He, B. Saffian, F. A. List, D. F. Lee, P. M. Martin, C. E. Klaubunde, E. Harfield, and V. K. Sikka, Appl. Phys. Lett., 69, 12, 1795(1996)

[2]. R. E. Russo, R. P. Reade, J. M. McMillan and B. L. Olsen., J. Appl.      Phys., 68, 1354(1990).

[3]. E. Narumi, L. W. Song, F. Yang, S. Patel, Y. H. Kao, D. T. Shaw., Appl.  Phys. Lett., 58, 1202(1991).

[4] R. P. Reade, X. L. Mao and R. E. Russo., Appl. Phys. Lett., 59,           739(1991).

[5]. H. Yamane, H. Kurosawa, T. Hirai, K. Watanabe, H. Iwasaki, N.          Kobayashi and Y. Muto., Supercond. Sci. Technol., 2, 115(1989).

Fig. 1. X-ray patterns of the YSZ buffer layers prepared on MgO(100) substrates for various deposition times.

Fig. 2. X-ray patterns of the YSZ buffer layers prepared on Ag substrates for various deposition times.

Fig. 3. Cross-sectional SEM micrograph     Fig. 4. Surface SEM micrograph

of YSZ buffer layer deposited for 50min    of YSZ buffer layer deposited for

on MgO(100) substrate.                    30 min on Ag substrate

Fig. 5. X-ray patterns of the YBCO/YSZ thin films deposited for 40 min

on Ag and MgO(100) substrates.

Fig. 6. Cross-sectional SEM micrograph     Fig. 7. Surface SEM micrograph

of YSZ buffer layer deposited for 40min    of YSZ buffer layer deposited for on MgO(100) substrate.                     40 min on Ag substrate.