나이오븀-주석(Niobium–tin, Nb₃Sn)은 니오븀(Nb)과 주석(Sn)으로 이루어진 금속 간 화합물(intermetallic compound)로, 산업에서 제2종 초전도체(type-II superconductor)로 사용된다. 화학식은 Nb₃Sn이며, A15상(A15 phase) 구조를 가진다.
역사
Nb₃Sn은 1954년 초전도체로서 처음 발견되었다. 이는 최초의 A3B 초전도체인 V₃Si가 발견된 지 1년 후의 일이다. 1961년에는 이 물질이 높은 전류 밀도와 강한 자기장 하에서도 초전도성을 유지한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 고출력 자석 및 전력 기계 제작에 필요한 조건을 충족한 최초의 초전도체가 되었다.
물리적 특성
Nb₃Sn의 임계 온도(critical temperature, Tc)는 18.3K(섭씨 -254.8도)이다. 실제 응용에서는 대기압에서 액체 헬륨의 끓는점인 약 4.2K(섭씨 -268.95도)에서 주로 사용된다. Nb₃Sn은 니오븀-타이타늄(NbTi) 합금보다 비싸지만, NbTi가 약 15테슬라(T)까지 견디는 데 비해 Nb₃Sn은 최대 30테슬라(T)에 달하는 자기장에서도 초전도성을 유지할 수 있다. 2008년 4월에는 12T, 4.2K 조건에서 비구리 전류 밀도 2,643A/mm²의 기록이 보고되었다.
제조 공정
Nb₃Sn은 기계적으로 매우 취성(brittle)이 높기 때문에 초전도 자석용 도선으로 직접 인발(drawing)하기 어렵다. 이를 극복하기 위해 제조사들은 연성(ductile) 전구체를 포함한 복합 도선을 먼저 제작한 후, 최종 크기로 인발하여 코일 형태로 감은 뒤 열처리 과정을 통해 주석(Sn)이 니오븀(Nb)과 반응하여 초전도성 Nb₃Sn 화합물을 형성하도록 한다. 주요 공정으로는 내부 주석(internal tin) 공정, 청동(bronze) 공정, 분말관(powder-in-tube, PIT) 공정이 있다.
응용 분야
Nb₃Sn은 고자기장이 요구되는 다양한 분야에서 사용된다.
- 핵자기 공명(NMR) 장치: 현대 NMR 자석의 고자기장 부분은 Nb₃Sn 도선으로 제작된다.
- 핵융합로: 국제핵융합실험로(ITER)의 중심 솔레노이드 코일(13.5T)과 토로이드 코일(11.8T)에 Nb₃Sn이 사용된다. ITER 프로젝트는 약 600톤의 Nb₃Sn과 250톤의 NbTi를 사용할 예정이다.
- 입자 가속기: CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)의 고성능 사중극자 자석에도 Nb₃Sn이 설치되어 사용되고 있다.
변형 효과
Nb₃Sn은 응력(strain)에 민감하여, 자석 내에서 로렌츠 힘과 냉각 과정의 열응력에 의해 초전도 성능이 저하될 수 있다. 이를 보완하기 위해 Inconel, 스테인리스강, 몰리브덴, 탄탈럼 등의 강화 섬유를 복합 도선에 포함시켜 강성을 높이는 방법이 사용된다. Nb₃Sn의 영률(Young's modulus)은 상온에서 약 140GPa이지만, 50K 이하로 냉각되면 50GPa까지 낮아진다.
연구 동향
하프늄(Hf)이나 지르코늄(Zr)을 Nb₃Sn에 첨가하면 자기장 내에서 최대 전류 밀도가 증가하는 것으로 보고되었으며, 이는 CERN이 계획 중인 미래 원형 충돌기(Future Circular Collider)의 16T 자석에 활용될 가능성이 연구되고 있다.
