고엔트로피 합금 초전도체 박막 개발

기판 온도에 따른 임계전류의 크기 변화. (자료제공: 연구재단)
 
고성능의 초전도 특성을 가진 고엔트로피 합금 초전도체 박막이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
고엔트로피 합금은 다수의 원소가 주요 원소로 작용해 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금이다. 초전도체는 전기저항이 0이 되어, 전력손실 없이 전기가 흐를 수 있는 물질로 오늘날 MRI를 비롯하여 송전, 발전기, 항공 우주, 핵융합, 자기부상열차 등 다양한 분야에서 활용 및 연구되고 있다.
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 지난달 22일 밝혔다.
엔트로피란 물질계의 무질서 정도를 나타내며, 극한 환경에서 활용이 가능하여 최근 고기능성 신소재로 각광 받고 있는 고엔트로피 합금으로 부터 초전도성이 발견되어 주목받고 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 임계전류값을 가지는 고엔트로피 합금 초전도체 개발과 극한 환경에서 초전도성의 안정성 유무 검증 등이 한계로 남아 있었다.
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 확인한 것이다.
박두선 교수는 “이번 연구결과는 고품질의 고엔트로피 합금 초전도체 박막 제작을 위한 원천기술 확보뿐만 아니라, 물질의 활용 가능성을 검증한 것”이라며 “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 온라인 게재됐다.