다중 밴드 MgB2 소재는 의료 및 에너지 응용 분야를 위해 고려되고 개발되어 왔다. 이러한 응용 중 일부는 수 킬로미터에 달하는 와이어 또는 테이프를 필요로 하므로, 많은 기업들이 분말 충전을 통한 제조 공정을 사용하는 MgB2 소재를 개발해 왔으며(예: 분말-인-튜브 공정), 이는 상업 생산을 위한 장척 길이 요구조건을 충족할 수 있다. 또한 이러한 재료 구조는 자기장 하에서 임계전류의 수송 성능을 향상시키기 위해 연구되어 왔다. 현장 내 성능 향상을 위해서는 결정성/무질서(이는 결정립 성장, 결함 수, 그리고 변형/왜곡의 분포와 관련됨)에 대한 심층적인 이해를 확보하는 것이 필수적이다. 현장 내 성능에 영향을 미치는 재료의 결정성은 MgB2의 구조적 특성으로 인해 이방성을 띨 수 있으나, 대부분의 연구는 이러한 이방성에 초점을 맞추지 않았다. 따라서 본 총설은 임계전류 성능과 이방성 결정성의 관점에서 다중 밴드 MgB2 소재를 정리하고 논의한다. 이러한 관점은 와이어, 테이프, 벌크, 분말 등과 같은 재료 구조를 추가로 변형·개선하는 데에도 유용할 수 있다.

우리는 MgB2 초전도체의 면내 및 면외 결정성에 주목한다. 이 두 가지 구조적 특성은 X선 회절에서 저각 영역의 피크 폭 확대로 평가하였다. 면내 및 면외 피크의 각도 거동은 여러 결정을 구성하는 입자 크기(이는 MgB2의 자장 하 초전도에 영향을 준다)의 경우에 대해 추정된 해당 거동과 비교하는 데 사용되었다. 이러한 비교는, 제작된 MgB2 재료의 결정을 구성하는 입자 크기와 격자 변형률의 수치 값을 계산할 필요 없이, 면내 및 면외 결정성이 자장 하 임계 전류 밀도에 미치는 개별적인 영향을 파악하는 데 유용한 단순 평가를 가능하게 한다고 제안한다. 본 연구에서는 서로 다른 온도에서 소결한 MgB2 시료를 사용하였다. 소결 조건은 결정성뿐 아니라 상(phase) 조성에도 영향을 미쳤다. 무정질 상을 포함한 조성의 거동은 X선 회절 결과에 대한 정량 분석을 이용하여 평가하였다.

초전도 선재에서의 중심부 밀도 증가는 고성능 초전도 선재를 얻기 위해 매우 바람직하다. 공극은 초전도 코어에서 전류 흐름을 방해하며 전기적 특성에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 다공성 특성을 조절하기 위한 마그네슘 분말 블렌딩을 제안하였다. 우리는 MgB2 초전도 선재에서 입자 크기 및 분포와 같은 다양한 입자 매개변수, 불순물(MgO 및 Mg(OH)2), 초전도 전이 온도, 전류 수송 능력 간의 관계를 보다 심층적으로 조사하였다. 그 결과, 이들 요인과 다공성 특성 사이에 유의미한 상관관계가 있음을 확인하였다. 특히, 구형 형태의 원분말을 블렌딩하는 것은 power-in-tube 공정으로 제조된 MgB2 선재의 코어 내부에서 형태학적 구조와 결정성을 조절할 수 있게 하였고, 그로 인해 우수한 초전도 특성을 나타내었다. 본 연구의 결과는 초전도 재료의 보다 광범위한 사용과 응용을 위한 방법론적 접근에 대한 심층적인 통찰을 제공한다.

다중 밴드 MgB2 소재는 의료 및 에너지 응용 분야를 위해 고려되고 개발되어 왔다. 이러한 응용 중 일부는 수 킬로미터에 달하는 와이어 또는 테이프를 필요로 하므로, 많은 기업들이 분말 충전을 통한 제조 공정을 사용하는 MgB2 소재를 개발해 왔으며(예: 분말-인-튜브 공정), 이는 상업 생산을 위한 장척 길이 요구조건을 충족할 수 있다. 또한 이러한 재료 구조는 자기장 하에서 임계전류의 수송 성능을 향상시키기 위해 연구되어 왔다. 현장 내 성능 향상을 위해서는 결정성/무질서(이는 결정립 성장, 결함 수, 그리고 변형/왜곡의 분포와 관련됨)에 대한 심층적인 이해를 확보하는 것이 필수적이다. 현장 내 성능에 영향을 미치는 재료의 결정성은 MgB2의 구조적 특성으로 인해 이방성을 띨 수 있으나, 대부분의 연구는 이러한 이방성에 초점을 맞추지 않았다. 따라서 본 총설은 임계전류 성능과 이방성 결정성의 관점에서 다중 밴드 MgB2 소재를 정리하고 논의한다. 이러한 관점은 와이어, 테이프, 벌크, 분말 등과 같은 재료 구조를 추가로 변형·개선하는 데에도 유용할 수 있다.

우리는 MgB2 초전도체의 면내 및 면외 결정성에 주목한다. 이 두 가지 구조적 특성은 X선 회절에서 저각 영역의 피크 폭 확대로 평가하였다. 면내 및 면외 피크의 각도 거동은 여러 결정을 구성하는 입자 크기(이는 MgB2의 자장 하 초전도에 영향을 준다)의 경우에 대해 추정된 해당 거동과 비교하는 데 사용되었다. 이러한 비교는, 제작된 MgB2 재료의 결정을 구성하는 입자 크기와 격자 변형률의 수치 값을 계산할 필요 없이, 면내 및 면외 결정성이 자장 하 임계 전류 밀도에 미치는 개별적인 영향을 파악하는 데 유용한 단순 평가를 가능하게 한다고 제안한다. 본 연구에서는 서로 다른 온도에서 소결한 MgB2 시료를 사용하였다. 소결 조건은 결정성뿐 아니라 상(phase) 조성에도 영향을 미쳤다. 무정질 상을 포함한 조성의 거동은 X선 회절 결과에 대한 정량 분석을 이용하여 평가하였다.

초전도 선재에서의 중심부 밀도 증가는 고성능 초전도 선재를 얻기 위해 매우 바람직하다. 공극은 초전도 코어에서 전류 흐름을 방해하며 전기적 특성에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 다공성 특성을 조절하기 위한 마그네슘 분말 블렌딩을 제안하였다. 우리는 MgB2 초전도 선재에서 입자 크기 및 분포와 같은 다양한 입자 매개변수, 불순물(MgO 및 Mg(OH)2), 초전도 전이 온도, 전류 수송 능력 간의 관계를 보다 심층적으로 조사하였다. 그 결과, 이들 요인과 다공성 특성 사이에 유의미한 상관관계가 있음을 확인하였다. 특히, 구형 형태의 원분말을 블렌딩하는 것은 power-in-tube 공정으로 제조된 MgB2 선재의 코어 내부에서 형태학적 구조와 결정성을 조절할 수 있게 하였고, 그로 인해 우수한 초전도 특성을 나타내었다. 본 연구의 결과는 초전도 재료의 보다 광범위한 사용과 응용을 위한 방법론적 접근에 대한 심층적인 통찰을 제공한다.

고장(高場) 자기장은 초전도 전자빔 이온원(cryogenic electron beam ion sources, EBISs)의 핵심 구성요소로, 전자빔의 자기적 압축을 통해 고도로 충전된 이온을 생성하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 지속모드(persistent-mode) 운전이 가능한 7 T 니오븀-티타늄 초전도 자석의 설계, 제작 및 평가를 보고한다. 자석은 자기적, 열적 및 기계적 특성을 고려하여 유한요소해석으로 설계하였다. 이후 설계된 자석을 제작하여 조립하고, 재응축(recondensing)형 액체헬륨 냉동장치에서 다양한 설계 파라미터에 대해 평가하였다. 몇 차례의 퀀치 트레이닝(quench training) 이후, 자석은 200 A의 운전 전류, 0.24%의 자기장 균일도, 보어(bore) 내부에서 1.3 m의 전자빔 초점 길이로 목표 자기장 7 T에 도달하였다. 자석은 지속모드로 9.5일(228시간) 동안 성공적으로 운전되었으며, 자기장 감쇠율은 0.42 ppm $\cdot {\text{h}}^{-1}$ 를 달성하였다. 자석 평가 결과는 우리의 초전도 자석 시스템이 EBIS에 적용되어 안정적이고 효율적인 전자빔 압축을 수행할 수 있음을 확인해준다.

본 연구는 건식 권선(dry-wound) 전도 냉각( conduction-cooled ) 방식의 반응-권선(react-and-wind) MgB2 자석의 설계, 제작 및 운전 시험을 상세히 기술한다. 원형 와이어의 정밀한 건식 권선을 위해 턴-컬러링(turn-coloring) 방법을 적용하였으며, 권선이 설계 사양에 따라 완료되도록 하였다. 반응된 와이어를 위해 납이 충전된 나선형 홈 경로(solder-filled helical grooved path)를 갖춘, 기계적 및 열적으로 안정한 구리 고리형(copper ring-shaped) 전류 리드 구조를 개발하였다. 극저온용 냉동장치 없이 냉각을 설정한 후 자석에 전류를 인가하였고, 그 결과 설계된 운전 전류 수준보다 낮은 전류에서 퀀치(quench) 사건이 발생하였다. 분석 결과, 권선 코일 내부에서 예기치 않은 열원이 발생한 것과, 전도 냉각 경로가 충분하지 않도록 하는 프리로드 구조(pre-load structure)의 부재가 결합되어 국소적인 열 축적이 유발되었고, 이어서 퀀치가 발생한 것으로 시사된다. 이러한 결과는 전도 냉각 MgB₂ 자석의 장기 신뢰성을 확보하고 열 관리 능력을 향상시키기 위해, 특히 코일 프리로드 구조를 통합하는 것을 포함한 자석 설계 및 제조 공정의 개선 필요성을 강조한다.

이 연구는 건식 권선(dry-wound) 고온 초전도(HTS) 레이스트랙 코일에서 스크리닝 전류 유도 응력(SCS)의 영향을 중심으로 기계적 응력 해석을 제시한다. 스크리닝 전류로 인해 발생하는 비선형 전류 분포를 시뮬레이션하기 위해 3차원(3D) H-형식화를 사용하였다. 기존 모델에서 요구되는 바와 같이 고저항성 층으로 분리된 단면 분할을 도입할 필요 없이, 단면에서의 총 전류를 강제하기 위해 수정된 방법을 적용하였다. 코일 영역은 하위 영역으로 분할하지 않아 보다 연속적인 전류 분포를 얻었다. 그 결과로부터 도출된 로렌츠 힘 밀도는 건식 권선 레이스트랙 코일을 나타내기 위해 턴 간 접촉 조건(turn-to-turn contact conditions)을 포함한 3차원 기계 모델에 사용되었다. 해석 결과, 스크리닝 전류는 직선 구간의 전형적인 팽창뿐만 아니라 추가적인 기울어짐 변형을 유발하여 최고 응력을 23.6% 증가시키는 것으로 나타났다. 마지막으로, 레이스트랙 코일의 SCS에 대한 3차원 해석 결과를 평면응력 가정(plane stress assumption)에 기반한 2차원 해석에서 얻은 결과와 비교하였다.

본 연구는 그래디언트 코일 운전에 의해 유도되는 기계적 진동으로 인해 REBCO MRI 자에서 관절(접합부) 손상이 발생할 가능성을 조사한다. Korea Medical Device Development Fund (KMDF) 프로젝트의 일환으로 개발된 6 T REBCO MRI 자를 분석하여 그래디언트 코일 유도 진동에 대한 취약성을 평가하였다. 자의 고유진동수 범위는 1,787–2,000 Hz로 확인되었으며, 이는 그래디언트 코일의 운전 주파수 범위(1–2,000 Hz)와 중첩된다. 단순화된 두 개의 단일 팬케이크(SP) 코일 모델을 사용한 시뮬레이션 결과, 공진 시 관절에서의 최대 응력 수준이 최대 700 MPa에 이를 수 있어 REBCO 테이프의 인장 한계에 근접하는 것으로 나타났다. 본 연구는 잠재적 관절 손상을 방지하기 위해 확인된 공진 범위로부터 최소 500 Hz 이상 떨어진 주파수에서 그래디언트 코일을 운전할 것을 제안한다. 또한 공진 주파수를 집중시키기 위해 SP 코일 사이의 접합부를 더 넓게 사용하는 것이 위험한 운전 조건을 더 쉽게 회피하는 데 도움이 될 것으로 권고된다.

세 겹의 3차원 진동자를 사용하여 분말 충전의 균일성을 향상시키는 기술을 적용함으로써, 250 m-클래스에 해당하는 18-다심 MgB ₂ 선재를 제조하였다. 제조된 선재에 대한 포괄적 평가 결과, 변동계수로부터 산정한 임계전류( I _c )의 균일성과 충전율(fill factor)은 선재 방향에서 각각 2% 및 4%로 나타났다. 이러한 성과를 바탕으로, 길이 약 3 km, 직경 0.83 mm의 대형화된 MgB ₂ 선재를 추가로 제작하였다. 20 K 및 2 T에서 I _c는 191 A로 측정되었다. 이에 대응하는 임계전류밀도( J _c ), 190,000 A/cm ²로 결정된 값은, 기존 중력 기반 분말 충전 방법에서 얻어진 값과 비교할 때 상당한 향상을 나타낸다.