DE112009003488T5

DE112009003488T5 - Supraleitender Dünnfilmdraht und supraleitender Kabelleiter

Info

Publication number: DE112009003488T5
Application number: DE112009003488T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Taneda; Tatsouki Nagaishi
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2012-06-14
Also published as: KR20110127634A; WO2010103699A1; US20110244234A1; JP2010212134A; JP5084766B2; CN102165536A; US9255320B2

Abstract

Ein supraleitender Dünnfilmdraht mit einem Kupferplattierungsdünnfilm, der auf einer Oberfläche einer Laminatstruktur ausgebildet ist, hat schlechtere Biegeeigenschaften als ein supraleitender Dünnfilmdraht ohne Kupferplattierungsdünnfilm. Darum ist ein supraleitender Dünnfilmdraht (10) gemäß der vorliegenden Erfindung ein supraleitender Dünnfilmdraht (10) mit einer Laminatstruktur (20) mit einem Substrat (1), einer Pufferschicht (3), die auf einer der Hauptflächen des Substrats (1) angeordnet ist, und einer supraleitenden Schicht (5), die auf einer Hauptfläche der Pufferschicht (3) gegenüber einer Hauptfläche, die dem Substrat zugewandt (1) ist, angeordnet ist. Der supraleitende Dünnfilmdraht enthält ferner einen Kupferplattierungsdünnfilm (9), der einen Außenumfang der Laminatstruktur (20) bedeckt, wobei eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms (9) als eine Kompressionskraft dient. Die Laminatstruktur (20) kann eine aufgesputterte Silberschicht (6) aufweisen. Eine Silberdeckschicht (7), die den Außenumfang der Laminatstruktur (20) bedeckt, kann ferner zwischen dem Kupferplattierungsdünnfilm (9) und der Laminatstruktur (20) angeordnet sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Dünnfilmdraht und einen supraleitenden Kabelleiter und insbesondere einen supraleitenden Dünnfilmdraht, der eine supraleitende Schicht mit Hilfe einer Eigenspannung innerhalb eines Dünnfilms, der die supraleitende Schicht von außen bedeckt, schützt, sowie einen supraleitenden Kabelleiter.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein supraleitender Dünnfilmdraht mit einer Laminatstruktur, die eine supraleitende Schicht enthält, ist im Stand der Technik bekannt. Der supraleitende Dünnfilmdraht ist in Längsrichtung spiralförmig um die Oberfläche eines zylindrischen Kernmaterials, das als ein Formkörper bezeichnet wird, gewickelt, um so beispielsweise einen supraleitenden Kabelleiter zu bilden. Um die Kosten zu senken, ist es erwünscht, den Außendurchmesser eines Querschnitts zu verkleinern, der den supraleitenden Kabelleiter in Längsrichtung schneidet, um den Außendurchmesser eines Querschnitts zu verkleinern, der den Formkörper in Längsrichtung schneidet, und den supraleitenden Dünnfilmdraht um die Oberfläche des Formkörpers zu wickeln. Dementsprechend ist es erwünscht, den supraleitenden Dünnfilmdraht zu wickeln, während er mit einer großen Krümmung relativ zu seiner Längsrichtung gebogen wird. Während des Wickelns wirkt also eine größere Biegespannung auf die radial Außenseite (in Richtung der äußeren Umfangsseite) des Formkörpers in dem supraleitenden Dünnfilmdraht ein.
Zum Beispiel haben mehrere Kabelkerne, die ein supraleitendes Kabel bilden, das in der unten zitierten japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-331893 (Patentdokument 1) offenbart ist, die folgende Struktur. Jeder Kabelkern ist dabei so konfiguriert, daß er enthält: einen Formkörper, der in der Mitte des Kabelkerns angeordnet ist, eine erste supraleitende Schicht, die aus einem supraleitenden Draht besteht, der um den Außenumfang des Formkörpers gewickelt ist (ein supraleitender Draht mit einem supraleitenden Filament, das von einem stabilisierenden Metall, wie zum Beispiel Silber, überzogen ist), eine Isolationsschicht, die sich außerhalb der ersten supraleitenden Schicht befindet, und eine zweite supraleitende Schicht, die sich außerhalb der Isolationsschicht befindet. An einem Querschnitt, der den Kabelkern in Längsrichtung schneidet, hat die zweite supraleitende Schicht, die sich auf der Außenseite befindet, einen größeren Durchmesser als die erste supraleitende Schicht, die sich auf der Innenseite befindet. Das bedeutet, daß eine Biegespannung, die auf die erste supraleitende Schicht wirkt, während der Kabelkern zum Beispiel um die Oberfläche des Formkörpers oder die Isolationsschicht gewickelt wird, einen größeren Wert hat als die, die auf die zweite supraleitende Schicht wirkt. Somit wird in Patentdokument 1 ein Prozeß ausgeführt, mit dem die Zugfestigkeit der zweiten supraleitenden Schicht, auf die eine große Biegespannung wirkt, höher eingestellt wird als die, die auf die erste supraleitende Schicht wirkt, indem die Zugfestigkeit eines Materials, aus dem die zweite supraleitende Schicht besteht, höher eingestellt wird als die eines Materials, aus dem die erste supraleitende Schicht besteht (genauer gesagt, zum Beispiel ein Verfahren, bei dem eine Deckschicht, wie zum Beispiel eine Kupferplattierungsschicht, als ein Verstärkungselement hergestellt wird, die die Oberfläche der zweiten supraleitenden Schicht bedeckt, oder bei dem einen Bandschicht als ein Verstärkungselement an die zweite supraleitende Schicht gehaftet wird). Die Biegeeigenschaften des Kabelkerns und des supraleitenden Kabels werden dadurch verbessert.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-331893

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Die Erfinder haben erwogen, einen supraleitenden Dünnfilmdraht mit einer Laminatstruktur, die eine supraleitende Schicht enthält, einer Metallplattierungsbehandlung (genauer gesagt, einer Kupferplattierungsbehandlung) zu unterziehen, dergestalt, daß die Oberfläche der Laminatstruktur zum Schutz der Laminatstruktur und dergleichen bedeckt wird. Ein Kupferplattierungsdünnfilm, der durch die Kupferplattierungsbehandlung auf der Oberfläche der Laminatstruktur ausgebildet wird, dient dem Schutz der supraleitenden Schicht vor Erosion und dergleichen. Da dieser Kupferplattierungsdünnfilm als die Entsprechung zu der Deckschicht der zweiten supraleitenden Schicht aus dem oben erwähnten Patentdokument 1 angesehen wird, wurden die Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes mit dem auf seiner Oberfläche ausgebildeten Kupferplattierungsdünnfilm unter der Annahme untersucht, daß der supraleitende Dünnfilmdraht um einen Formkörper gewickelt sei. Die Ergebnisse offenbaren, daß der supraleitende Dünnfilmdraht mit dem auf seiner Oberfläche ausgebildeten Kupferplattierungsdünnfilm schlechtere Biegeeigenschaften besaß als ein supraleitender Dünnfilmdraht ohne Kupferplattierungsdünnfilm.
Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung der oben angesprochenen Probleme, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes mit dem darauf ausgebildeten Kupferplattierungsdünnfilm und eines supraleitenden Kabels, das einen solchen supraleitenden Dünnfilmdraht aufweist, bei dem eine Verschlechterung der Biegeeigenschaften verhindert werden kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Nach gründlichem Studium des oben besprochenen supraleitenden Dünnfilmdrahtes mit dem darauf ausgebildeten Kupferplattierungsdünnfilm entwickelten die Erfinder die vorliegende Erfindung. Genauer gesagt, konzentrierten sich die Erfinder auf eine Eigenspannung innerhalb des auf dem supraleitenden Dünnfilmdraht ausgebildeten Kupferplattierungsdünnfilms, die in dem Patentdokument 1 weder offenbart noch angesprochen ist. Das Messen der Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms offenbart, daß die Eigenspannung in einem supraleitenden Dünnfilmdraht, der verschlechterte Biegeeigenschaften aufwies, als eine Zugspannung wirkte.
In dem Fall, wo sich die supraleitende Schicht des supraleitenden Dünnfilmdrahtes auf einer radial äußeren Seite des Formkörpers befindet, wenn der supraleitende Dünnfilmdraht um den Außenumfang des Formkörpers gewickelt wird, wirkt eine Zugspannung auf die supraleitende Schicht. Dann wirkt – wenn ein Kupferplattierungsdünnfilm, auf den eine Zugspannung als die oben besprochene Eigenspannung wirkt, außerhalb der Laminatstruktur, die die supraleitende Schicht, wie oben beschrieben, enthält, vorhanden ist – eine zusätzliche Zugspannung, die aus der oben besprochenen Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms resultiert, auf die supraleitende Schicht. Dies fördert wiederum eine Verschlechterung der Eigenschaften der supraleitenden Schicht, die aus der zusätzlichen Zugspannung entsteht, in einer solchen Weise, daß davon ausgegangen wird, daß sich die Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes verschlechtern (z. B. vergrößert sich der kritische Biegedurchmesser, der ein Biegen gestattet, ohne daß die vorteilhaften supraleitenden Eigenschaften verloren gehen).
Auf der Basis der oben dargelegten Erkenntnisse enthält ein supraleitender Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Erfindung eine Laminatstruktur, die Folgendes aufweist: ein Substrat, eine Pufferschicht, die sich auf einer der Hauptflächen des Substrats befindet, und eine supraleitende Schicht, die sich auf einer Hauptfläche der Pufferschicht gegenüber der Hauptfläche, die dem Substrat zugewandt ist, befindet. Der supraleitende Dünnfilmdraht enthält ferner einen Kupferplattierungsdünnfilm, der einen Außenumfang der Laminatstruktur bedeckt, wobei eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms als eine Kompressionskraft dient.
Der oben beschriebene supraleitende Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, bei der der Kupferplattierungsdünnfilm im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Außenumfangs der Laminatstruktur, die die supraleitende Schicht enthält, bedeckt. Wenn der supraleitende Dünnfilmdraht mit einer solchen Struktur um die Oberfläche des Formkörpers herum gewickelt wird, zum Beispiel in einer solchen Weise, daß die supraleitende Schicht zur Außenseite (gegenüber der Seite, die der Oberfläche des Formkörpers zugewandt ist) weist, dann wirkt eine Zugspannung auf die supraleitende Schicht und auf den außen befindlichen Kupferplattierungsdünnfilm, ähnlich wie bei der supraleitenden Schicht, in einer solchen Richtung, daß die Länge des supraleitenden Dünnfilmdrahtes zunimmt. Wenn innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms eine Eigenspannung in der Kompressionsrichtung existiert, so heben sich an diesem Punkt eine Kompressionskraft als eine Eigenspannung, die in der Gegenrichtung zu der oben beschriebenen, durch das Wickeln entstehenden Zugspannung wirkt, und die durch das Wickeln entstehende Zugspannung gegenseitig auf, und zwar insbesondere innerhalb des nach außen weisenden Kupferplattierungsdünnfilms, so daß die durch das Wickeln entstehende Zugspannung reduziert werden kann (oder wenn die Eigenspannung einen genügend großen Wert hat, so wird die durch das Wickeln entstehende Zugspannung aufgehoben, so daß eine Spannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms als eine Kompressionskraft dient). Dementsprechend ist es weniger wahrscheinlich, daß durch den nach außen weisenden Kupferplattierungsdünnfilm eine große Zugspannung auf die supraleitende Schicht wirkt (oder durch Einwirkung einer Kompressionskraft auf die supraleitende Schicht kann die durch das Wickeln entstehende Zugspannung innerhalb der supraleitenden Schicht reduziert werden). Dies wiederum kann eine mechanische Verformung der supraleitenden Schicht, die den supraleitenden Dünnfilmdraht bildet, infolge der oben besprochenen Zugspannung sowie eine Verringerung des kritischen Stromes Ic, die durch Schwankungen der Zusammensetzung verursacht wird, unterdrücken, so daß die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes verbessert werden können.
Ferner enthält die Laminatstruktur in dem oben beschriebenen supraleitenden Dünnfilmdraht bevorzugt aufgesputterte Silberschichten, die sich auf der anderen der Hauptflächen des Substrats, die nicht der Pufferschicht zugewandt ist, bzw. auf einer Hauptfläche der supraleitenden Schicht, die nicht der Pufferschicht zugewandt ist, befinden.
Die aufgesputterten Silberschichten dienen als leitende Schichten, durch die während einer Plattierungsbehandlung zum Herstellen des Kupferplattierungsdünnfilms, der den supraleitenden Dünnfilmdraht bildet, ein Strom zu der Oberfläche der Laminatstruktur fließt. Genauer gesagt, befinden sich die aufgesputterten Silberschichten auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht (die als die äußerste Fläche dient) gegenüber ihrer Hauptfläche, die der Pufferschicht zugewandt ist, bzw. auf der Hauptfläche des Substrats (die als die äußerste Fläche dient) gegenüber seiner Hauptfläche, die der Pufferschicht zugewandt ist, unter den Hauptflächen, aus denen die Laminatstruktur besteht (den größten Hauptflächen unter den Oberflächen). Indem durch das Paar aufgesputterter Silberschichten ein Strom zu der Oberfläche der Laminatstruktur fließt, kann die Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms reibungslos vonstatten gehen.
Die oben beschriebene aufgesputterte Silberschicht, die sich auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht (die als die äußerste Fläche dient) befindet, fungiert insbesondere als eine Schutzschicht, um zu verhindern, daß die supraleitende Schicht, zum Beispiel durch eine Plattierungslösung und dergleichen erodiert wird. Darum kann die Bereitstellung der aufgesputterten Silberschicht die Wahrscheinlichkeit verringern, daß die supraleitende Schicht durch die Plattierungsbehandlung beschädigt wird.
Bevorzugt enthält der oben beschriebene supraleitende Dünnfilmdraht ferner eine Silberdeckschicht, die den Außenumfang der Laminatstruktur zwischen dem Kupferplattierungsdünnfilm und der Laminatstruktur bedeckt. Die Silberdeckschicht ist eine Dünnfilmschicht, die ausgebildet wird, bevor der Kupferplattierungsdünnfilm hergestellt wird, der den Außenumfang der Laminatstruktur bedeckt, nachdem die Laminatstruktur hergestellt wurde, und dient zum Schutz der supraleitenden Schicht und dergleichen vor einer Kupferplattierungslösung, die für die Kupferplattierungsbehandlung verwendet wird. Darum kann die Bereitstellung der Silberdeckschicht die Flexibilität bei der Auswahl der Kupferplattierungslösung, die für die Kupferplattierungsbehandlung verwendet wird, erhöhen.
Bei dem mit der Silberdeckschicht versehenen supraleitenden Dünnfilmdraht kann ein Teil eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht fließt, zu der Silberdeckschicht umgeleitet werden, wenn es zu einem Defekt, wie zum Beispiel Abschrecken, kommt. Dies kann ein Durchschlagen der supraleitenden Schicht infolge eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht fließt, verhindern.
In dem Fall, wo das supraleitende Kabel, das zum Beispiel durch Wickeln des oben beschriebenen supraleitenden Dünnfilmdrahtes um die Oberfläche des Formkörpers erhalten wird, so gewickelt wird, daß die Seite, auf der sich die supraleitende Schicht befindet, zur Außenseite weist, kann die Zugspannung, die auf den Kupferplattierungsdünnfilm auf der Seite wirkt, wo sich die supraleitende Schicht befindet, um die Kompressionskraft als eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms kleiner sein. Dies kann die Wahrscheinlichkeit verringern, daß eine große Zugspannung auf die supraleitende Schicht wirkt. Weil dadurch die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes, wie oben beschrieben, verbessert werden, können die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften des supraleitenden Kabels verbessert werden.
NUTZEN DER ERFINDUNG
Bei dem supraleitenden Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Erfindung dient die Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms, der den Außenumfang der Laminatstruktur bedeckt, als eine Kompressionskraft. Dementsprechend kann, wenn der supraleitende Dünnfilmdraht so gewickelt wird, daß die Seite, auf der sich die supraleitende Schicht der Laminatstruktur befindet, nach außen weist, die Zugspannung, die auf den Kupferplattierungsdünnfilm wirkt, der ähnlich der supraleitenden Schicht nach außen weist, um die Kompressionskraft kleiner sein, die die Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms ist. Die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes können dadurch verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Schritt des Wickelns des supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer scheibenförmigen Weise zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem der supraleitende Dünnfilmdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer scheibenförmigen Weise gewickelt ist.
4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Region „IV” in 3.
5 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß einer ersten Modifizierung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß einer zweiten Modifizierung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine schematische Schnittansicht, die zeigt, wie der supraleitende Dünnfilmdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um einen Formkörper gewickelt wird.
8 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur eines supraleitenden Kabelleiters gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Flußdiagramm, das detaillierte Schritte in einem Schritt (S10) des Flußdiagramms von 9 zeigt.
11 ist ein Flußdiagramm, das detaillierte Schritte in einem Schritt (S30) des Flußdiagramms von 9 zeigt.
12 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur des supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Funktion, und die gleiche Beschreibung wird nur dann wiederholt, wenn es notwendig ist.
Die 1, 5 und 6 sind schematische Schnittansichten eines Querschnitts in einer Richtung, welche die Richtung schneidet, in der sich ein supraleitender Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt. Dementsprechend gilt die Richtung, die das Zeichnungsblatt schneidet, als die Längsrichtung eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, und es wird angenommen, daß ein supraleitender Strom durch eine supraleitende Schicht 5 in der Richtung, die das Zeichnungsblatt schneidet, fließt. Die 1, 5 und 6 zeigen den Querschnitt in rechteckiger Form mit einem kleinen Unterschied zwischen der Länge in der vertikalen Richtung und der in der horizontalen Richtung für ein einfaches Verständnis der Zeichnungen. Jedoch ist die vertikale Dicke des Querschnitts tatsächlich viel kleiner als die horizontale Breite.
Wie in 1 gezeigt, hat der supraleitende Dünnfilmdraht 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine längliche (bandartige) Form mit einem rechteckigen Querschnitt, und in der vorliegenden Beschreibung wird die Hauptfläche durch eine Oberfläche mit einer relativ größeren Fläche implementiert, die in der Längsrichtung der länglichen Form verläuft. Der supraleitende Dünnfilmdraht 10 enthält eine Laminatstruktur 20, eine Silberdeckschicht 7, die so angeordnet ist, daß sie den Außenumfang der Laminatstruktur 20 bedeckt, und einen Kupferplattierungsdünnfilm 9, der so angeordnet ist, daß er den Außenumfang der Silberdeckschicht 7 bedeckt. Die Laminatstruktur 20 enthält ein Substrat 1, eine Pufferschicht 3, die auf einer der Hauptflächen des Substrats 1 angeordnet ist, eine supraleitende Schicht 5, die auf einer Hauptfläche der Pufferschicht 3 (der oberen Hauptfläche in 1) gegenüber der Hauptfläche, die dem Substrat 1 zugewandt ist, angeordnet ist, und aufgesputterte Silberschichten 6. Die aufgesputterten Silberschichten 6 sind auf der anderen Hauptfläche des Substrats 1 (der unteren Hauptfläche in 1), die nicht der Pufferschicht 3 zugewandt ist, und auf einer Hauptfläche der supraleitenden Schicht 5 (der oberen Hauptfläche in 1), die nicht der Pufferschicht 3 zugewandt ist, angeordnet. Genauer gesagt, sind die aufgesputterten Silberschichten 6 so angeordnet, daß sich das Substrat 1, die Pufferschicht 3 und die supraleitende Schicht 5 von der oberen und der unteren Hauptfläche her zwischen innen befinden. Oder anders ausgedrückt: Das Substrat 1, die Pufferschicht 3, die supraleitende Schicht 5 und die aufgesputterten Silberschichten 6, die oben beschrieben wurden, bilden die Laminatstruktur 20.
Das Substrat 1 hat bevorzugt eine längliche (bandartige) Form mit einem rechteckigen Querschnitt und besteht beispielsweise aus Hastelloy^® oder einer Nickellegierung. Eine Länge, in der sich der supraleitende Dünnfilmdraht 10 in der Erstreckungsrichtung erstreckt, ist beispielsweise mindestens 100 m lang, und seine Länge (Breite), welche die Erstreckungsrichtung schneidet, mißt beispielsweise ungefähr 10 mm. Um die Stromdichte zu erhöhen, die durch den supraleitenden Dünnfilmdraht 10 fließt, hat das Substrat 1 bevorzugt eine kleinere Querschnittsfläche. Wenn jedoch die Dicke des Substrats 1 (in der vertikalen Richtung in 1) zu dünn ist, um die Querschnittsfläche des Substrats 1 zu verringern, so kann die Festigkeit des Substrats 1 verschlechtert werden. Dementsprechend hat das Substrat 1 bevorzugt eine Dicke von beispielsweise ungefähr 0,1 mm.
Wenn sich die supraleitende Schicht 5 auf der Hauptfläche des Substrats 1 befindet, so entsteht ein polykristalliner Dünnfilm, der eine minderwertige Ausrichtung der Kristallachsen in der Richtung entlang der Hauptfläche des Substrats 1 aufweist. In diesem Fall ist es schwierig, die kritische Stromdichte (Jc) des erhaltenen supraleitenden Dünnfilmdrahtes zu erhöhen. Darum befindet sich die Pufferschicht 3 zwischen dem Substrat 1 und der supraleitenden Schicht 5. Die Pufferschicht 3 wird bevorzugt durch ein Material wie zum Beispiel Gd₂Zr₂O₇ (Oxid von Gd (Gadolinium) und Zr (Zirkon)), CeO₂ (Ceroxid) oder YSZ (Yttriumoxidstabilisiertes Zirkonoxid) implementiert. Das Implementieren der Pufferschicht 3 durch ein solches Material vereinfacht das Ausrichten der Kristallachsen der supraleitenden Schicht 5, die auf der Hauptfläche der Pufferschicht 3 angeordnet ist.
Die supraleitende Schicht 5 ist eine Dünnfilmschicht, durch die ein supraleitender Strom in einem supraleitenden Dünnfilmdraht 10 fließt, und besteht bevorzugt beispielsweise aus einem Dünnfilm auf Yttrium-Basis (YBa₂Cu₃O_x), bei dem es sich um ein supraleitendes Material handelt. Um den Wert des kritischen Stroms Ic des supraleitenden Stromes, der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, zu verbessern, hat die supraleitende Schicht 5 bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,1 μm und maximal 10 μm.
Die aufgesputterte Silberschicht 6, die auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht 5 angeordnet ist, ist ein Silberdünnfilm, der durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, und hat bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,1 μm und maximal 50 μm. Jedoch kann die aufgesputterte Silberschicht 6 auch durch einen Silberdünnfilm implementiert werden, der durch ein anderes Verfahren als Sputtern erhalten wird.
Die aufgesputterte Silberschicht 6, die auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht 5 angeordnet ist, dient als eine Schutzschicht, um zu verhindern, daß die supraleitende Schicht 5 durch Erosion und dergleichen beschädigt wird. Wie in 1 gezeigt, ist die aufgesputterte Silberschicht 6 nicht nur auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht 5 angeordnet, sondern auch auf der unteren Hauptfläche des Substrats 1, so daß beide aufgesputterten Silberschichten 6 so angeordnet sind, daß sich das Substrat 1, die Pufferschicht 3 und die supraleitende Schicht 5 zwischen ihnen befinden. Beim Durchführen einer Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 können eine Elektrode eines Systems zur Durchführung der Plattierungsbehandlung und die Laminatstruktur 20 auf einfache Weise durch die aufgesputterten Silberschichten 6 in einen leitenden Zustand versetzt werden.
Die Silberdeckschicht 7 ist so angeordnet, daß sie den Außenumfang der Laminatstruktur 20 einschließlich der aufgesputterten Silberschichten 6 bedeckt, das heißt so, daß im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der äußersten Fläche der Laminatstruktur 20 bedeckt ist. Die Silberdeckschicht 7 ist ein Silberdünnfilm, der beispielsweise durch Plattierung hergestellt wird und bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,1 μm und maximal 50 μm hat.
Das Anordnen der Silberdeckschicht 7 in einer solchen Weise, daß im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der äußersten Fläche der Laminatstruktur 20 bedeckt ist, kann die Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 auf der Laminatstruktur 20, die die Silberdeckschicht 7 enthält, vereinfachen. Oder anders ausgedrückt: Der Kupferplattierungsdünnfilm 9 befindet sich auf der Außenfläche der Silberdeckschicht 7. Wenn die Silberdeckschicht 7 die oben beschriebene Dicke hat, so lassen sich die folgenden Effekte erreichen. Genauer gesagt, steht die Oberfläche der supraleitenden Schicht 5 nicht in direktem Kontakt mit der Kupferplattierungslösung, wenn die Laminatstruktur 20 während der Plattierungsbehandlung in eine Kupferplattierungslösung getaucht ist, weil die Oberfläche der supraleitenden Schicht 5 durch die Silberdeckschicht 7 bedeckt ist. Das Vorhandensein der Silberdeckschicht 7 kann dadurch die Wahrscheinlichkeit verringern, daß die Oberfläche und die Innenseite der supraleitenden Schicht 5 beispielsweise durch Erosion, die durch die Kupferplattierungslösung verursacht wird, beschädigt werden. Da die Oberfläche der Laminatstruktur 20 durch die Silberdeckschicht 7 bedeckt ist, braucht bei der Auswahl der Kupferplattierungslösung nicht darüber nachgedacht zu werden, ob die supraleitende Schicht 5 erodiert wird oder nicht, was die Flexibilität bei der Auswahl der für die Kupferplattierungsbehandlung verwendeten Kupferplattierungslösung erhöhen kann.
Außerdem ermöglicht es das Anordnen der Silberdeckschicht 7 auf dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10, daß ein Teil eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, zu der Silberdeckschicht 7 ungeleitet wird, wenn beispielsweise ein Defekt, wie zum Beispiel Abschrecken, in der supraleitenden Schicht 5 auftritt. Dies kann ein Durchschlagen der supraleitenden Schicht 5 infolge eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, verhindern.
Der Kupferplattierungsdünnfilm 9 ist so angeordnet, daß er den Außenumfang der oben beschriebenen Silberdeckschicht 7 bedeckt, das heißt so, daß er im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der äußersten Fläche der Silberdeckschicht 7 bedeckt. Der Kupferplattierungsdünnfilm 9 ist ein Kupferdünnfilm, der durch Plattierung hergestellt wird, und hat bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,1 μm und maximal 50 μm.
In dem Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 dient eine in ihm vorhandene Eigenspannung als eine Kompressionskraft. Genauer gesagt, befindet er sich in einem Zustand, wo beispielsweise eine Kraft auf eine Region in der Richtung wirkt, in der sich der Kupferplattierungsdünnfilm 9 erstreckt, das heißt in der Längsrichtung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, wobei die Kraft in einer solchen Richtung wirkt, daß die Abmessung in der Längsrichtung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 reduziert wird.
Man stelle sich zum Beispiel, wie in den 2 und 3 gezeigt, den Fall vor, wo der supraleitende Dünnfilmdraht 10 in einer scheibenförmigen Weise gewickelt wird (wie eine Wickelrolle). Der supraleitende Dünnfilmdraht 10 wird insbesondere um den auf einer flachen Platte 14 angeordneten Wickelkern 15 in der Richtung eines Drehrichtungspfeils (Richtung A), der auf dem in 2 gezeigten Wickelkern 15 dargestellt ist, zu einer Wickelrolle 100 gewickelt. In dieser Phase wird das Wickeln so ausgeführt, daß sich die supraleitende Schicht 5 auf der Außenseite der Wicklung eines einzelnen supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 befindet, die in 3 von einer Punktlinie umgeben ist (auf der Oberseite in 1), wie in einer vergrößerten Ansicht von 4 gezeigt ist, und so, daß sich das Substrat 1 auf der Innenseite der Wicklung dieses supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 befindet (auf der Unterseite in 1). Das heißt, bei dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10, der wie in den 2 und 3 gezeigt gewickelt ist, weist die Seite, auf der sich das Substrat 1 befindet, zum Wickelkern 15, und die Seite, auf der sich die supraleitende Schicht 5 befindet, weist zur Außenseite der Wicklung und nicht zum Wickelkern 15.
In diesem Fall, wie in 4 gezeigt, wirkt eine Zugspannung auf die Außenseite der Wicklung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, dergestalt, daß die Länge, die sich in der Längsrichtung erstreckt, länger ist als auf der Innenseite der Wicklung. Dementsprechend wirkt eine in 4 gezeigte Zugspannung 11 auf die Hauptfläche des Kupferplattierungsdünnfilms 9, der sich auf der Außenseite der Wicklung auf der Seite befindet, wo sich die supraleitende Schicht 5 befindet. Eine Spannung, die durch die Zugspannung 11 hervorgerufen wird, wirkt ebenfalls auf die supraleitende Schicht 5, die in der Nähe des Kupferplattierungsdünnfilms 9 angeordnet ist, auf den die Zugspannung 11 wirkt. Jedoch existiert, wie oben beschrieben, eine Kompressionskraft 12, wie in 4 gezeigt, als eine Eigenspannung in dem Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10. Da Zugspannung 11 und Kompressionskraft 12 in entgegengesetzten Richtungen wirken und sich dadurch gegenseitig aufheben, wird die Größenordnung der Zugspannung 11 um die Kompressionskraft 12 reduziert (oder wenn die Kompressionskraft 12 groß genug ist, so wird die Zugspannung 11 vollständig kompensiert).
Zum Beispiel kann beim Wickeln des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 ein Anstieg der Zugspannung, die auf den Kupferplattierungsdünnfilm 9, der auf der Hauptfläche auf der Außenseite der Wicklung angeordnet ist, wirkt, infolge der erhöhten Zugspannung in dem Kupferplattierungsdünnfilm 9 örtliche Spannungskonzentrationen in der supraleitenden Schicht 5, die auf der Außenseite der Wicklung angeordnet ist, und dergleichen verursachen. Wenn eine große Spannung auf die supraleitende Schicht 5 wirkt, so verringert sich ein kritischer Strom Ic in der supraleitenden Schicht 5. Außerdem kann, wenn die supraleitende Schicht 5 infolge von Spannungskonzentrationen und dergleichen in der supraleitenden Schicht bricht, ein supraleitender Strom nicht mehr durch die supraleitende Schicht 5 fließen.
Im Fall des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verringert sich jedoch eine durch das Wickeln verursachte Zugspannung 11 innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 dank des Vorhandenseins einer Kompressionskraft 12 als eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9, die in der Gegenrichtung zur Zugspannung 11 wirkt. Dies kann eine aus der Zugspannung 11 resultierende Verschlechterung der supraleitenden Schicht 5 sowie eine Verringerung des supraleitenden Stromes (des kritischen Stromes Ic), der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, unterdrücken. Darum können die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 verbessert werden. Genauer gesagt, hat der supraleitende Dünnfilmdraht 10 einen großen kritischen Strom Ic und bietet eine hohe Leistung (mit einer starken Krümmung als Biegegrenze). Ein in 5 gezeigter supraleitender Dünnfilmdraht 30 ist eine Modifizierung des oben beschriebenen, in 1 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 und ähnelt im Wesentlichen dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10. Jedoch ist der supraleitende Dünnfilmdraht 30 nicht mit der Silberdeckschicht 7 versehen.
Der supraleitende Dünnfilmdraht 30 unterscheidet sich von dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10 nur in folgendem Punkt. Das heißt, mit Bezug auf andere Elemente ähnelt der supraleitende Dünnfilmdraht 30 dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10. Genauer gesagt, dient eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 30 ebenfalls als eine Kompressionskraft, ähnlich wie beim Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10. Dies bewirkt den Effekt des Verringerns einer Zugspannung durch die Wirkung der Kompressionskraft, selbst wenn die Zugspannung auf den Kupferplattierungsdünnfilm 9 auf der Seite wirkt, wo sich die supraleitende Schicht 5 befindet, wodurch eine Verschlechterung der supraleitenden Schicht 5 verhindert wird. Darum kann der supraleitende Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem supraleitenden Dünnfilmdraht 30 implementiert werden.
Ein Silberkristall ist ein stabiler Würfel mit einem Schmelzpunkt von 961°C. Jedoch hat Silber die Eigenschaft, wenn es erwärmt wird, schon bei Temperaturen weit unterhalb seines Schmelzpunktes schnell zu erweichen. Zum Beispiel wird, im Fall der Herstellung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, die Silberdeckschicht 7 durch das Leiten von Strom durch die Silberdeckschicht 7 während der Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 nach dem Herstellen der Silberdeckschicht 7 erwärmt. Dadurch kann die Silberdeckschicht 7 durch Wärme erweichen und sich verformen.
Bei dem supraleitenden Dünnfilmdraht 30 kann das Fehlen der Silberdeckschicht 7 Defekte vermeiden, die durch ein Erweichen der Silberdeckschicht 7 während der oben beschriebenen Plattierungsbehandlung auftreten. In dem Schritt des Herstellens des in 5 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 30 können die aufgesputterten Silberschichten 6 dafür verwendet werden, das Leiten von Strom zwischen der Laminatstruktur 20 und der Elektrode des Systems für die Durchführung der Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 zu unterstützen.
Ein in 6 gezeigter supraleitender Dünnfilmdraht 50 ist eine Modifizierung des oben beschriebenen, in 5 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 30 und ähnelt im Wesentlichen dem supraleitenden Dünnfilmdraht 30. Jedoch ist der supraleitende Dünnfilmdraht 50 mit aufgesputterten Silberschichten 6 – zusätzlich zu denen entlang der Hauptfläche der Laminatstruktur 20 – auch in der Richtung versehen, die die Hauptfläche der Laminatstruktur 20 schneidet (in der vertikalen Richtung in 6, d. h. auf den Seitenflächen der Laminatstruktur 20).
Der supraleitende Dünnfilmdraht 50 unterscheidet sich von dem supraleitenden Dünnfilmdraht 30 lediglich in folgendem Punkt. Das heißt, mit Bezug auf andere Elemente ähnelt der supraleitende Dünnfilmdraht 50 dem supraleitenden Dünnfilmdraht 30. Genauer gesagt, dient eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 50 ebenfalls als eine Kompressionskraft, ähnlich wie bei dem Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10. Dies bewirkt den Effekt des Verringerns einer Zugspannung durch die Wirkung der Kompressionskraft, selbst wenn die Zugspannung auf den Kupferplattierungsdünnfilm 9 auf der Seite wirkt, wo sich die supraleitende Schicht 5 befindet, wodurch eine Verschlechterung der supraleitenden Schicht 5 verhindert wird. Darum kann der supraleitende Dünnfilmdraht gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem supraleitenden Dünnfilmdraht 50 implementiert werden.
Durch das Aufbringen von aufgesputterten Silberschichten 6 – zusätzlich zu denen entlang der Hauptfläche der Laminatstruktur 20 – auch in der Richtung, die die Hauptfläche der Laminatstruktur 20 schneidet (in der vertikalen Richtung in 6), sind die aufgesputterten Silberschichten 6 dafür konfiguriert, im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Außenumfangs der Laminatstruktur 20 – ähnlich der Silberdeckschicht 7 – zu bedecken. Darum dienen sie, ähnlich der Silberdeckschicht 7, als Schutzschichten zum Verringern der Wahrscheinlichkeit, daß ein Defekt, wie zum Beispiel ein Erodieren der supraleitenden Schicht 5 durch eine Kupferplattierungslösung, während der Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 entsteht.
Ferner können die aufgesputterten Silberschichten 6 in dem supraleitenden Dünnfilmdraht 50, ähnlich der oben beschriebenen Silberdeckschicht 7, die Aufgabe (als eine Stabilisierungsschicht) übernehmen, einen Teil eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, umzuleiten, wenn beispielsweise ein Defekt, wie zum Beispiel Abschrecken, in der supraleitenden Schicht 5 auftritt. Dies kann ein Durchschlagen der supraleitenden Schicht 5 infolge eines übermäßig hohen Stromes, der durch die supraleitende Schicht 5 fließt, verhindern.
Bei der Aufbringung aufgesputterter Silberschichten 6 auf den gesamten Umfang der Laminatstruktur 20, ähnlich der Silberdeckschicht 7 (vgl. 1) wie in dem supraleitenden Dünnfilmdraht 50, ist es bevorzugt, die aufgesputterten Silberschichten 6 dicker als beispielsweise die aufgesputterten Silberschichten 6 in dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10 auszubilden. Genauer gesagt, mißt die Dicke bevorzugt mindestens 0,5 μm und maximal 50 μm.
Es wird nun ein supraleitender Kabelleiter beschrieben, der unter Verwendung des oben beschriebenen supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, 30 oder 50 erhaltenen wird.
Bei Verwendung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 wird zum Beispiel der supraleitende Dünnfilmdraht 10 spiralförmig um die Außenumfangsfläche eines zylindrischen Formkörpers 60 gewickelt, wie in 7 gezeigt. Auf diese Weise werden mehrere supraleitende Drähte 10 in mehreren Schichten auf den Formkörper 60 laminiert, um einen supraleitenden Kabelleiter 70 zu bilden, wie in 8 gezeigt. Wie oben beschrieben, wird der supraleitende Dünnfilmdraht 10 so gewickelt, daß sich die supraleitende Schicht 5 auf der Außenseite der Wicklung jedes supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 befindet (auf der oberen Seite in 1), und so, daß sich das Substrat 1 auf der Innenseite der Wicklung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 befindet (auf der unteren Seite in 1). Das heißt, bei dem supraleitenden Dünnfilmdraht 10, der wie in den 7 und 8 gezeigt gewickelt ist, weist die Seite, auf der sich das Substrat 1 befindet, zur Außenumfangsfläche des Formkörpers 60, und die Seite, auf der sich die supraleitende Schicht 5 befindet, weist zur Außenseite der Wicklung, die nicht dem Formkörper 60 zugewandt ist. Dadurch wird, wie oben beschrieben, eine Zugspannung 11 (vgl. 4), die auf die Hauptfläche des Kupferplattierungsdünnfilms 9 auf der Seite wirkt, wo sich die supraleitende Schicht 5 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 befindet, um die Kompressionskraft 12 (vgl. 4) innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 reduziert. Dies verringert die Spannung, die auf die supraleitende Schicht 5 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 wirkt, wodurch Defekte, wie zum Beispiel eine Verringerung des kritischen Stromes Ic infolge einer Verschlechterung und eines Durchschlagens des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, vermieden werden können, wodurch die elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften verbessert werden.
Wie in 8 gezeigt, werden die supraleitenden Dünnfilmdrähte 10 dergestalt gewickelt, daß die jeweiligen Schichten in wechselweise verschiedenen Richtungen liegen. Zum Beispiel wird eine erste Schicht 10a im Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt; eine zweite Schicht 10b wird entgegen dem Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt; eine dritte Schicht 10c wird im Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt; und eine vierte Schicht 10d wird entgegen dem Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt. Die Wickelrichtungen der ersten Schicht 10a bis vierten Schicht 10d sind aber nicht darauf beschränkt, sondern können in jeder beliebigen Richtung verlaufen. Zum Beispiel können die erste Schicht 10a und die zweite Schicht 10b im Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt werden, und die dritte Schicht 10c und die vierte Schicht 10d können entgegen dem Uhrzeigersinn in der Zeichnung gewickelt werden, oder die erste Schicht 10a bis vierte Schicht 10d können alle in einer einzigen Richtung gewickelt werden.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie in dem Flußdiagramm von 9 gezeigt, wird zuerst ein Schritt (S10) zur Herstellung einer Laminatstruktur ausgeführt. Genauer gesagt, handelt es sich um einen Schritt zum Herstellen der Laminatstruktur 20 eines jeden der in den 1, 5 und 6 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrähte. Genauer gesagt, beinhaltet ferner der Schritt (S10) zur Herstellung der Laminatstruktur einen Schritt (S11) zur Herstellung einer supraleitenden Schicht und einen Schritt (S12) zur Herstellung einer aufgesputterten Silberschicht, wie in dem Flußdiagramm von 10 gezeigt.
Es wird nun speziell der Schritt (S11) zur Herstellung einer supraleitenden Schicht beschrieben. Um die supraleitende Schicht 5 herzustellen, wird zuerst eine Struktur ausgebildet, in der das Substrat 1 und die Pufferschicht 3 laminiert werden. Als Verfahren zur Herstellung der Pufferschicht 3 auf einer der Hauptflächen des Substrats 1 können ein IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)-Verfahren, ein PLD(Pulsed Laser Deposition)-Verfahren oder Sputtern verwendet werden. Mittels dieser Verfahren kann die Kristallausrichtung der supraleitenden Schicht 5, die auf der Hauptfläche der Pufferschicht 3 angeordnet ist, verbessert werden. Die Pufferschicht 3 kann eine einzelne Schicht sein, oder sie kann durch Laminieren mehrerer Schichten implementiert werden.
Dann wird die supraleitende Schicht 5 auf der Hauptfläche der Pufferschicht 3 ausgebildet. Die supraleitende Schicht 5 wird bevorzugt durch einen Dünnfilm, der aus einem Supraleiter auf Yttrium-Basis (YBa₂Cu₃O_x) besteht, zum Beispiel mittels des PLD-Verfahrens, eines Hochfrequenz-Sputterverfahrens oder eines MOD(Metal Organic Deposition)-Verfahrens implementiert.
Im nächsten Schritt (S12) zur Herstellung der aufgesputterten Silberschichten werden die aufgesputterten Silberschichten 6 bevorzugt durch Sputtern ausgebildet; sie können aber auch durch Silberdünnfilme implementiert werden, die mittels eines anderen Verfahrens als Sputtern, wie oben beschrieben, hergestellt werden. Bei der Herstellung des in 6 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 50 folgt auf den Schritt zum Herstellen der aufgesputterten Silberschichten 6 auf die Hauptflächen der Laminatstruktur 20 ein Schritt zum Ausbilden der aufgesputterten Silberschichten 6 auf den Seitenflächen der Laminatstruktur 20. In dem Schritt zum Ausbilden der aufgesputterten Silberschichten 6 auf den Seitenflächen der Laminatstruktur 20 kann jedes beliebige Verfahren verwendet werden, wie zum Beispiel das Anordnen der Hauptflächen der Laminatstruktur 20 schräg zu einem Sputter-Zielmaterial, dergestalt, daß die Endflächen der Laminatstruktur 20 dem Sputter-Zielmaterial zugewandt sind. Die aufgesputterten Silberschichten 6 können gleichzeitig sowohl auf den Hauptflächen als auch auf den Seitenflächen der Laminatstruktur 20 ausgebildet werden. In diesem Fall kann der Neigungswinkel der Hauptflächen der Laminatstruktur 20 relativ zu dem Zielmaterial zweckmäßig so eingestellt werden, daß die aufgesputterten Silberschichten 6 gleichzeitig sowohl auf einer der Hauptflächen (z. B. der äußersten Fläche der supraleitenden Schicht 5) als auch auf einer der Seitenflächen der Laminatstruktur 20 ausgebildet werden.
Bei der Herstellung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 wird dann ein Schritt (S20) zur Herstellung einer Silberdeckschicht ausgeführt. Genauer gesagt, handelt es sich um einen Schritt zum Herstellen der in 1 gezeigten Silberdeckschicht 7, der bevorzugt durch ein Vakuumabscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren implementiert wird. Der Schritt (S20) zur Herstellung einer Silberdeckschicht entfällt im Fall der Herstellung des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 30 oder 50.
Dann wird ein Kupferplattierungsdünnfilm 9 in einem Schritt (S30) zur Herstellung eines Kupferplattierungsdünnfilms ausgebildet. Genauer gesagt, enthält der Schritt (S30) zur Herstellung eines Kupferplattierungsdünnfilms einen Schritt (S31) zur Herstellung einer Kupferplattierungslösung, einen Schritt (S32) des Hinzufügens eines Additivs und einen Schritt (S33) der Durchführung einer Plattierungsbehandlung, wie in einem Flußdiagramm von 11 gezeigt.
Die Kupferplattierungslösung, in die die Laminatstruktur 20 eingetaucht wird, um den Kupferplattierungsdünnfilm 9 herzustellen, wird bevorzugt durch eine Lösung implementiert, die beispielsweise durch Auflösen von Kupfersulfat in einer Schwefelsäurelösung erhalten wird, oder durch eine Lösung, die durch Auflösen von Kupferpyrophosphat in flüssigem Ammoniak erhalten wird. Um die Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 als eine Spannung in der Kompressionsrichtung zu nutzen, wird der Elektrolyt bevorzugt, der durch Auflösen von Kupferpyrophosphat in flüssigem Ammoniak erhalten wird. Um die Erosion der Oberfläche der supraleitenden Schicht 5, die die Laminatstruktur 20 bildet, während des Eintauchens der Laminatstruktur 20 zu verhindern, ist die Verwendung der Lösung bevorzugt, die durch Auflösen von Kupfersulfat in Schwefelsäure erhalten wird.
Die in der oben beschriebenen Weise hergestellte Kupferplattierungslösung wird dem Schritt (S32) des Hinzufügens eines Additivs unterzogen, wie in 11 gezeigt. Genauer gesagt, handelt es sich um einen Schritt des Hinzufügens eines Additivs zu der Kupferplattierungslösung zum Zweck des Verbesserns der Ebenmäßigkeit und des Glanzes der Oberfläche des erhaltenen Kupferplattierungsdünnfilm 9.
Das Additiv kann durch ein organisches Material auf der Basis von Verbindungen implementiert werden, wie zum Beispiel Polyethylenglykol oder ein oberflächenaktive Substanz. Jedoch können die Ebenmäßigkeit und der Glanz der Oberfläche des Kupferplattierungsdünnfilms 9 deutlich verbessert werden, wenn Thioharnstoff als das Additiv verwendet wird. Durch die Verwendung von Thioharnstoff als das Additiv ist es auch möglich, die Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 als eine Spannung in der Kompressionsrichtung zu nutzen. Dementsprechend ist es bevorzugt, Thioharnstoff zu einer Lösung zu geben, die beispielsweise durch Auflösen von Kupfersulfat in Schwefelsäure erhalten wird (z. B. eine Lösung mit einer Kupfersulfatkonzentration von mindestens 60 g/l (Liter) und maximal 150 g/l und einer Schwefelsäurekonzentration von mindestens 100 g/l und maximal 220 g/l), dergestalt, daß der Thioharnstoff einen Konzentration von mindestens 8 ppm und maximal 12 ppm hat. Dadurch kann die Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 als eine Spannung in der Kompressionsrichtung genutzt werden, auch wenn die Kupferplattierungslösung durch die Lösung implementiert wird, die durch Auflösen von Kupfersulfat in Schwefelsäure erhalten wird.
Dann wird die Laminatstruktur 20 in dem Schritt (S33) der Durchführung einer Plattierungsbehandlung in die Kupferplattierungslösung, zu der das Additiv gegeben wurde und die das System für die Durchführung der Plattierungsbehandlung darstellt, eingetaucht. Dann werden die aufgesputterten Silberschichten 6 oder die Silberdeckschicht 7 der Laminatstruktur 20 an eine Elektrode (Katode) für die Plattierungsbehandlung, die in der Kupferplattierungslösung angeordnet ist, angeschlossen. Mittels Elektrolyse, die durch Anlegen einer Spannung an Elektroden (Katode und Anode), um Strom fließen zu lassen, herbeigeführt wird, wird der Kupferplattierungsdünnfilm 9 auf der Oberfläche der an die Katode angeschlossenen Laminatstruktur 20 ausgebildet. Der Strom, der an diesem Punkt durch die Katode fließt, kann beispielsweise einen Wert von mindestens 1 A/dm² und maximal 10 A/dm² und besonders bevorzugt von 5 A/dm² haben.
In Schritt (S33) der Durchführung der Plattierungsbehandlung hat – wenn die Kupferplattierungslösung beispielsweise durch eine Lösung implementiert wird, die durch Auflösen von Kupfersulfat in Schwefelsäure erhalten wird – das Plattierungsbad bevorzugt eine Temperatur von mindestens 20°C und maximal 30°C, und wenn die Kupferplattierungslösung beispielsweise durch eine Lösung implementiert wird, die durch Auflösen von Kupferpyrophosphat in flüssigem Ammoniak erhalten wird, so hat das Plattierungsbad bevorzugt eine Temperatur von mindestens 50°C und maximal 60°C.
Durch Ausführen der oben beschriebenen jeweiligen Schritte kann der supraleitende Dünnfilmdraht 10, 30 oder 50 erhalten werden, der den Kupferplattierungsdünnfilm 9 aufweist, dessen Eigenspannung als eine Kompressionskraft dient.
Erstes Beispiel
Ein in 12 gezeigter supraleitenden Dünnfilmdraht 90 mit einem Kupferplattierungsdünnfilm 9, der mit Hilfe einer Plattierungslösung hergestellt wurde, bei der es sich um eine Kupferplattierungslösung handelt, die durch Auflösen von Kupfersulfat in einem Schwefelsäuremedium erhalten wurde, wurde ausgebildet und einem Test unterzogen, um eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 90 zu untersuchen.
Für die vorliegende Anmeldung wurden drei Arten von Kupferplattierungslösungen A, B und C gemäß Konzentrationen von in dem Schwefelsäuremedium aufgelösten Kupfersulfatpentahydrat (CuSO₄·5H₂O) hergestellt. Eine Silberdeckschicht 7, die im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Außenumfangs der Laminatstruktur 20 des in 1 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 bedeckt, wurde aufgebracht, um mit der Katode des Systems für die Durchführung der Plattierungsbehandlung verbunden zu werden, so daß die Plattierungsbehandlung durch Elektrolyse ausgeführt wurde. Neben der Zugabe von Thioharnstoff als das Additiv wurde eine kleine Menge Chloridionen zu den Kupferplattierungslösungen A, B und C gegeben, damit die Kupferplattierungslösungen nicht die Laminatstruktur 20 erodieren.
Ein Zielmaterial der Plattierungsbehandlung zur Herstellung des Kupferplattierungsdünnfilms 9 wurde folgendermaßen hergestellt. Wie in 12 gezeigt, wurden CeO₂ in einer Dicke von 0,1, YSZ in einer Dicke von 0,3 und CeO₂ in einer Dicke von 0,1 als eine erste Pufferschicht 3a, eine zweite Pufferschicht 3b bzw. eine dritte Pufferschicht 3c der Reihe nach durch ein HF-Sputterverfahren auf einer der Hauptflächen eines bandartigen Substrats als das Substrat 1, das aus einer Nickel-Wolfram-Legierung mit einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 80 um hergestellt wurde, ausgebildet. Diese erste Pufferschicht 3a, zweite Pufferschicht 3b und dritte Pufferschicht 3c bilden die Pufferschicht 3. Die Oberfläche einer Struktur, bei der eine 2 μm dicke supraleitende Schicht 5 aus RE123 (REBa₂Cu₃O_7-δ) auf der dritten Pufferschicht 3c mittels des PLD-Verfahren ausgebildet war, wurde einem Gleichstrom-Sputterverfahren zum Herstellen der Silberdeckschicht 7 unterzogen. Die Silberdeckschicht 7 hatte eine Dicke von 8 μm auf der Hauptfläche der supraleitenden Schicht 5, eine Dicke von 2 μm auf der Hauptfläche des Substrats 1 und eine Dicke von 3 μm auf beiden Seitenflächen entlang der Laminierungsrichtung.
Der Kupferplattierungsdünnfilm 9 wurde unter verschiedenen Bedingungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ausgebildet, wobei die Konzentrationen des Kupfersulfats, die Stromdichte durch die Katode während der Plattierungsbehandlung und die Dauer der Plattierungsbehandlung variiert wurden. Im Ergebnis wurde ein 20 μm dicker Kupferplattierungsdünnfilm 9 erhalten. Richtung und Größenordnung einer Eigenspannung innerhalb des auf diese Weise erhaltenen Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10 wurden gemessen; die Ergebnisse sind in folgender Tabelle 1 dargestellt. Es ist anzumerken, daß die Eigenspannung mit Hilfe eines Röntgen-Eigenspannungsmessgerätes beurteilt wurde.
Tabelle 1 offenbart das Ergebnis, daß der Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 10, der mittels der Plattierungsbehandlung unter Verwendung der Kupferplattierungslösung C mit einer Stromdichte von 10 A/dm² und einer Plattierungsdauer von 9 Minuten erhalten wurde, eine Eigenspannung von 4 MPa in der Kompressionsrichtung hatte.
Zweites Beispiel
Ein supraleitender Dünnfilmdraht 90 mit einem Kupferplattierungsdünnfilm 9, der unter Verwendung eines Elektrolyten als eine Kupferplattierungslösung hergestellt wurde, die durch Auflösen von Kupferpyrophosphat in flüssigem Ammoniak erhalten wurde, wurde ausgebildet und einem Test zum Untersuchen einer Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 90 unterzogen.
Es wurde eine Kupferplattierungslösung D hergestellt, die durch Auflösen von Kupferpyrophosphat in flüssigem Ammoniak erhalten wurde. Ein Zielmaterial der Plattierungsbehandlung wurde durch ein Material implementiert, das die gleiche Struktur aufwies wie die, die in dem oben beschriebenen ersten Beispiel verwendet wurde. Die Silberdeckschicht 7, die im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Außenumfangs der Laminatstruktur 20 des in 12 gezeigten supraleitenden Dünnfilmdrahtes 90 bedeckt, wurde aufgebracht, um mit der Katode des Systems für die Durchführung der Plattierungsbehandlung verbunden zu werden, so daß die Plattierungsbehandlung durch Elektrolyse ausgeführt wurde. Neben Kupferpyrophosphat wurde Kaliumpyrophosphat, bei dem es sich um Kaliumsalz mit einer hohen Löslichkeit handelte, das Phosphationen enthielt, in der Kupferplattierungslösung D aufgelöst. Dies diente der Gewährleistung der Menge an Phosphationen, die in dem Elektrolyten der Kupferplattierungslösung D aufgelöst wurden.
Der Kupferplattierungsdünnfilm 9 wurde unter Verwendung der Kupferplattierungslösung D gebildet, die unter den in der folgenden Tabelle 2 gezeigten Bedingungen ähnlich dem ersten Beispiel hergestellt wurde, Richtung und Größenordnung einer Eigenspannung innerhalb des so erhaltenen Kupferplattierungsdünnfilms 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 90 wurden gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten dargestellt.
Das P-Verhältnis in Tabelle 2 ist ein Wert, der ein Gewichtsverhältnis von Pyrophosphationen zu Kupferionen in dem Elektrolyten der Kupferplattierungslösung D darstellt. Tabelle 2 offenbart das Ergebnis, daß der Kupferplattierungsdünnfilm 9 des supraleitenden Dünnfilmdrahtes 90, der mittels der Plattierungsbehandlung unter Verwendung der Kupferplattierungslösung D mit einer Stromdichte von 5 A/dm² und einer Plattierungsdauer von 18 Minuten erhalten wurde, eine Eigenspannung von 300 MPa in der Kompressionsrichtung hatte.
Darum läßt sich feststellen, daß, wenn die Kupferplattierungslösung durch eine Kupferpyrophosphatlösung implementiert wird, ein Kupferplattierungsdünnfilm 9 mit einer Eigenspannung in der Kompressionsrichtung ohne Hinzufügen eines Additivs erhalten werden kann.
Es versteht sich, daß die im vorliegenden Text offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht nur der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung dienen. Es ist beabsichtigt, daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche und nicht durch die obige Beschreibung definiert wird und alle Modifizierungen und Varianten enthält, die in Bedeutung und Umfang den Ansprüchen vergleichbar sind.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere als eine Technik zum Verbessern der elektrischen Eigenschaften und Biegeeigenschaften eines supraleitenden Dünnfilmdrahtes,
Bezugszeichenliste

1: Substrat
3: Pufferschicht
3a: erste Pufferschicht
3b: zweite Pufferschicht
3c: dritte Pufferschicht
5: supraleitende Schicht
6: aufgesputterte Silberschicht
7: Silberdeckschicht
9: Kupferplattierungsdünnfilm
10, 30, 50, 90: supraleitender Dünnfilmdraht
10a: erste Schicht
10b: zweite Schicht;
10c: dritte Schicht;
10d: vierte Schicht;
11: Zugspannung;
12: Kompressionskraft;
14: flache Platte;
15: Wickelkern;
20: Laminatstruktur;
60: Formkörper
70: supraleitender Kabelleiter;
100: Wickelrolle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-331893 [0003, 0004]

Claims

Supraleitender Dünnfilmdraht (10, 30, 50, 90), umfassend eine Laminatstruktur (20) mit: einem Substrat (1), einer Pufferschicht (3), die auf einer der Hauptflächen des Substrats (1) angeordnet ist, und einer supraleitende Schicht (5) die auf einer Hauptfläche der Pufferschicht (3) gegenüber einer Hauptfläche, die dem Substrat (1) zugewandt ist, angeordnet ist, wobei der supraleitende Dünnfilmdraht ferner umfaßt: einen Kupferplattierungsdünnfilm (9), der einen Außenumfang der Laminatstruktur (20) bedeckt, wobei eine Eigenspannung innerhalb des Kupferplattierungsdünnfilms (9) als eine Kompressionskraft dient.
Supraleitender Dünnfilmdraht nach Anspruch 1, wobei die Laminatstruktur (20) ferner aufgesputterte Silberschichten (6) enthält, die auf der anderen der Hauptflächen des Substrats (1), die nicht der Pufferschicht (3) zugewandt ist, bzw. auf einer Hauptfläche der supraleitenden Schicht (5), die nicht der Pufferschicht (3) zugewandt ist, angeordnet sind.
Supraleitender Dünnfilmdraht nach Anspruch 1, der ferner eine Silberdeckschicht (7) umfaßt, die den Außenumfang der Laminatstruktur (20) zwischen dem Kupferplattierungsdünnfilm (9) und der Laminatstruktur (20) bedeckt.
Supraleitender Kabelleiter, der den supraleitenden Dünnfilmdraht (10, 30, 50, 90) nach Anspruch 1 umfaßt.