JP2009016257A - 超電導線材および超電導線材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】臨界電流値を向上できる超電導線材および超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】超電導線材１０は、基板１１と、基板１１上に形成され、中間層１２ａ，１３ａと中間層１２ａ，１３ａ上に形成された超電導層１２ｂ，１３ｂとからなる積層単位１２，１３が２以上備えられた超電導線材である。それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下である。２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂの主表面の一部が露出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導線材および超電導線材の製造方法に関し、たとえば中間層と超電導層が交互に積層されている超電導線材および超電導線材の製造方法に関する。

従来、超電導線材は、基板と、基板上に形成される中間層と、中間層上に形成される超電導層とを備えている。このような超電導線材において、臨界電流値Ｉｃを向上することを目的として超電導層を厚膜化すると、超電導層を厚くするにしたがって、超電導層の表面平滑性は低下する。超電導層の表面平滑性が低下すると、臨界電流密度Ｊｃが低下してしまう。たとえば超電導層の厚みを２μｍ以上とすると、１ＭＡ／ｃｍ²以上の臨界電流密度Ｊｃを実現することは困難であった。

超電導層の表面平滑性を向上するため、平滑性に優れる単元素系中間層であるＣｅＯ₂からなる中間層上に、超電導特性に優れるＹＢＣＯからなる超電導層を形成した超電導線材や、平滑性に優れるＲＥ系１２３結晶膜であるＳｍＢＣＯからなる中間層上にＹＢＣＯからなる超電導層を形成した超電導線材が提案されている。しかし、このような超電導線材では、ＣｅＯ₂やＳｍＢＣＯからなる中間層に人工的な平滑化処理は実施されておらず、単純に材料が自然に保有している平滑性の性質を利用しているにすぎない。そのため、超電導層が薄い場合にはＹＢＣＯは超電導特性に優れているものの、膜厚を大きくすると、臨界電流密度Ｊｃは悪くなる。そのため、臨界電流値Ｉｃが低いという問題がある。

そこで、特開２００６−２７９５８号公報（特許文献１）に、基板上に形成された膜の特性を向上させることを目的とした薄膜材料およびその製造方法が提案されている。特許文献１では、基板と、該基板上に形成された上部表面が研磨加工されている中間薄膜層と、該中間薄膜層上に形成された単結晶性薄膜層とを備えている薄膜材料が開示されている。
２００６−２７９５８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の薄膜材料では、超電導層の厚みが０．２５μｍ以内であれば高い臨界電流密度Ｊｃを得られるものの、超電導層を厚膜化すると、ａ軸方向の粒子の成長に伴いポーラスになって結晶性が悪くなり、超電導層の表面平滑性が悪くなる。そのため、十分な臨界電流密度Ｊｃを得られず、臨界電流値Ｉｃが低いという問題がある。

それゆえ本発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、臨界電流値を向上できる超電導線材および超電導線材の製造方法を提供することである。

本発明の超電導線材は、基板と、基板上に形成され、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位が２以上備えられた超電導線材である。それぞれの積層単位において、超電導層と対向する中間層の面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下である。２以上の積層単位のうち、基板から見て最上層に位置する積層単位以外の積層単位の少なくとも１つにおいて、超電導層の主表面の一部が露出している。

本発明の超電導線材の製造方法は、基板を準備する工程と、積層単位を２以上形成する工程と、積層単位の一部を除去する工程とを備えている。積層単位を２以上形成する工程は、基板上に、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位を２以上形成する。積層単位の一部を除去する工程は、２以上の積層単位のうち、基板から見て最上層に位置する積層単位以外の積層単位の少なくとも１つにおいて、超電導層の主表面の一部が露出するように、積層単位の一部を除去する。２以上の積層単位を形成する工程は、それぞれの積層単位において、超電導層と対向する中間層の面の表面粗さＲａが２０ｎｍ以下になるように、中間層を平滑化する工程を含んでいる。

本発明の超電導線材および超電導線材の製造方法によれば、それぞれの積層単位において、超電導層と対向する中間層の面の表面を平滑化しているので、中間層上に形成される超電導層の表面平滑性および面内配向性が向上する。そのため、それぞれ超電導層について、臨界電流密度や臨界電流値などの超電導特性を向上できる。また、最上層の超電導層および主表面の一部が露出された超電導層に電流を流すことができる。そのため、臨界電流密度が向上したこれらの超電導層に電流を流すことによって、臨界電流値を向上できる。よって、臨界電流値を向上できる超電導線材を得ることができる。

なお、上記「表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して測定される値である。

上記超電導線材において好ましくは、２以上の積層単位の端部では、それぞれの積層単位を構成する超電導層の主表面がそれぞれ露出するように、積層単位の主表面の位置が基板から離れるにしたがって階段状に後退するように決定されている。

また、上記超電導線材の製造方法において好ましくは、積層単位の一部を除去する工程では、２以上の積層単位の端部において、それぞれの積層単位を構成する超電導層の主表面がそれぞれ露出するように、積層単位の主表面の位置が基板から離れるにしたがって階段状に後退するように、積層単位の一部を除去する。

これにより、それぞれの積層単位を構成する超電導層について、有する最大の能力の電流をそれぞれ流すことができる。そのため、臨界電流密度を向上する超電導層について、最大の能力を発揮できる。よって、臨界電流値をより一層向上できる超電導線材を得ることができる。

本発明の超電導線材および超電導線材の製造方法によれば、中間層上に形成される超電導層の表面平滑性および面内配向性が向上するため、それぞれの超電導層について、臨界電流密度や臨界電流値などの超電導特性を向上できる。また、最上層の超電導層および主表面の一部が露出された超電導層に電流を流すことができるため、臨界電流値を向上できる。よって、臨界電流値を向上できる超電導線材を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超電導線材を示す概略斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における超電導線材に電流端子を接続した状態を示す概略斜視図である。図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１における超電導線材を説明する。本発明の実施の形態１における超電導線材１０は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に形成され、中間層１２ａ，１３ａと中間層１２ａ，１３ａ上に形成された超電導層１２ｂ，１３ｂとからなる積層単位１２，１３が２以上備えられた超電導線材である。それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下である。２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂの主表面の一部が露出している。

詳細には、超電導線材１０は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に形成された第１の中間層１２ａと、第１の中間層１２ａ上に形成された第１の超電導層１２ｂと、第１の超電導層１２ｂ上に形成された第２の中間層１３ａと、第２の中間層１３ａ上に形成された第２の超電導層１３ｂとを備えている。積層単位１２は、第１の中間層１２ａと第１の超電導層１２ｂとからなる。積層単位１３は、第２の中間層１３ａと第２の超電導層１３ｂとからなる。実施の形態１における超電導線材１０は、２の積層単位１２，１３を備えている。

基板１１は、たとえば長尺の帯状の形状を有している。基板１１において中間層１２ａと対向する面を、予め平滑化処理することが好ましい。その面上に優れた中間層を形成できる観点から、基板１１における平滑化処理する面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下であることが好ましい。

基板１１を構成する材料は金属であることが好ましい。基板１１は、配向金属基板を用いることがより好ましい。なお、配向金属基板とは、基板１１の表面の面内の２軸方向に関して、結晶方位が揃っている基板を意味する。配向金属基板としては、たとえばＮｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、およびＡｕ（金）のうち２以上の金属からなる合金が好適に用いられる。これらの金属を他の金属または合金と積層することもでき、たとえば高強度材料であるＳＵＳなどの合金を用いることもできる。なお、基板１１の材料は特にこれに限定されず、たとえば金属以外の材料を用いてもよい。

積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下であり、好ましくは１８ｎｍ以下であり、より好ましくは１０ｎｍ以下である。表面粗さＲａが２０ｎｍを超えると、中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性や面内配向性を向上できないため、臨界電流値や臨界電流密度などの超電導特性を向上できない。表面粗さＲａを１８ｎｍ以下とすることによって、中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性や面内配向性をより向上できるため、臨界電流値や臨界電流密度などの超電導特性をより向上できる。表面粗さＲａを１０ｎｍ以下とすることによって、中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性や面内配向性をより向上できるため、臨界電流値や臨界電流密度などの超電導特性をより一層向上できる。

中間層１２ａ，１３ａの半値幅△Φ（°）は、たとえば５°〜８°であることが好ましい。８°を超える場合には、臨界電流密度（Ｊｃ）が１ＭＡ／ｃｍ²を超えることは困難であり、実用的な臨界電流値（Ｉｃ）の確保が難しい。８°以下とすることによって、１ＭＡ／ｃｍ²以上の臨界電流密度（Ｊｃ）の確保が容易である。より好ましくは５°〜６°程度にすることによって、臨界電流密度（Ｊｃ）を２ＭＡ／ｃｍ²程度に向上することができる。

中間層１２ａ，１３ａを構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物であることが好ましい。このような結晶構造を有する酸化物として、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化ホルミニウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、および酸化イッテルビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）などの希土類元素酸化物、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ₃）、および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などのＬｎ−Ｍ−Ｏ化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素、ＭはＳｒ、Ｚｒ、およびＧａの中から選ばれる１種以上の元素、Ｏは酸素）が挙げられる。特に、結晶定数および結晶配向の観点から、中間層１２ａを構成する材料が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）などが好適に用いられる。これらの材料は、超電導層１２ｂ，１３ｂとの反応性が極めて低く、超電導層１２ｂ，１３ｂと接触している境界面においても超電導層１２ｂ，１３ｂの超電導特性を低下させない。特に、基板１１を構成する材料として金属を用いる場合には、表面に結晶配向性を有する基板１１と超電導層１２ｂ，１３ｂとの差を緩和して、超電導層１２ｂ，１３ｂを高温で形成する際に、表面に結晶配向性を有する配向金属からなる基板１１から超電導層１３ｂへの金属原子の流出を防止する役割を果たすことができる。なお、中間層１２ａ，１３ａを構成する材料は特にこれに限定されない。

また、中間層１２ａ，１３ａは、良好な結晶配向性を有していることが好ましい。良好な結晶配向性を有する材料としては、上記材料が挙げられる。また、中間層１２ａ，１３ａは、複数の層により構成されていてもよい。中間層１２ａ，１３ａが複数の層により構成される場合、中間層１２ａ，１３ａを構成するそれぞれの層は互いに異なる材質により構成されていてもよいし、同じ材質により構成されていてもよい。

超電導層１２ｂ，１３ｂの厚みは、０．２μｍ以上５μｍとすることが好ましく、０．５μｍ以上２μｍとすることがより好ましい。実施の形態１における超電導線材１０は、臨界電流密度を低下させずに超電導層１２ｂ，１３ｂの厚みを大きくできるため、０．２μｍ以上とすることによって、臨界電流値を向上できる。０．５μｍ以上とすることによって、臨界電流値をより向上できる。５μｍ以下とすることによって、臨界電流密度の低下を防止できる。２μｍ以下とすることによって、臨界電流密度の低下をより防止できる。

超電導層１２ｂ，１３ｂを構成する材料は特に限定されないが、たとえばＲＥ−１２３系の超電導体とすることが好ましい。なお、ＲＥ−１２３系の超電導体とは、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７、ＲＥとはイットリウム、またはＧｄ、Ｓｍ、Ｈｏなどの希土類元素を意味する）として表わされる超電導体を意味する。大きな臨界電流値および臨界電流密度を示すＲＥ−１２３系の超電導体を用いることにより、超電導線材１０の超電導特性をより向上できる。

実施の形態１では、図１に示すように、２以上の積層単位１２，１３の端部では、それぞれの積層単位１２，１３を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面がそれぞれ露出するように、積層単位１２，１３の主表面の位置が基板１１から離れるにしたがって階段状に後退するように決定されている。すなわち、超電導線材１０の末端にいくに従って、積層単位１２，１３のうち最上層に位置する積層単位１３から最下層に位置する積層単位１２まで順に各積層単位１２，１３の超電導層１２ｂ，１３ｂが選択的に露出されている。実施の形態１では、図１に示すように、２段の階段状となっている。

なお、超電導線材１０は、２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂの主表面の一部が露出していれば、特にこの構成に限定されない。たとえば、超電導線材１０の内部において、積層単位１２を構成する超電導層１２ｂが露出されていてもよい。また、上記「超電導層１２ｂの主表面」とは、超電導層１２ｂにおいて、面積の相対的に大きい面（側面などではない面）を意味する。

図２に示すように、超電導線材１０は、２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２において、露出している超電導層１２ｂの主表面の一部に、電流端子２２を接続することができる。このように電流端子２２を接続した超電導層１２ｂには、電流を流すことができる。そのため、超電導線材１０では、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３を構成する超電導層１３ｂと、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２を構成する超電導層１２ｂとに、電流を流すことができる。よって、超電導線材１０は、その臨界電流値を向上できる。

また、超電導線材１０と電流端子２２，２４を接続する場合には、超電導線材１０の幅方向と、電流端子２２，２４の延びる方向とが平行になるように配置されることが好ましい。

なお、露出している超電導層１２ｂの主表面の一部上、および最上層に位置する超電導層１３ｂ上に、安定化層２１，２３を形成して、安定化層２１，２３上で電流端子２２，２４と接続することが好ましい。安定化層２１，２３を構成する材料は、金属であれば特に限定されず、たとえばＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、またはこれらの合金などを用いることができる。電流端子２２，２４は、外部電極と接続可能としている。電流端子２２，２４は、たとえばＣｕリード線などを用いることができる。

露出されている超電導層１２ｂにおいて、超電導線材１０の延在する方向の長さＨは、２ｃｍ以上１０ｃｍ以下とすることが好ましい。２ｃｍ以上とすることによって、露出した部分に電流端子２２を接続できる。１０ｃｍ以下とすることによって、各々の超電導層の特性を劣化させることなく電流の流し込み用端子付けを可能とし、かつ端末をコンパクトに仕上げることができる。

次に、図１〜図３を参照して、超電導線材１０の製造方法について説明する。なお、図３は、本発明の実施の形態１における超電導線材の製造方法を示すフローチャートである。

図１および図３に示すように、まず、基板１１を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、超電導線材１０のベースとなる基板１１を準備する。基板１１としては、たとえばニッケルなどの金属からなる帯状の金属テープを準備する。

次に、図１および図３に示すように、基板１１上に、中間層１２ａ，１３ａと中間層１２ａ，１３ａ上に形成された超電導層１２ｂ，１３ｂとからなる積層単位１２，１３を２以上形成する工程（Ｓ２０）を実施する。積層単位１２，１３を形成する工程（Ｓ２０）は、それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａが２０ｎｍ以下になるように、中間層１２ａ，１３ａを平滑化する工程を含んでいる。中間層１２ａ，１３ａを研磨する工程は、中間層１２ａ，１３ａの面（超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する面）の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下になるように平滑化することがより好ましい。

実施の形態１の工程（Ｓ２０）では、まず、準備された基板１１上に、中間層１２ａを形成する。そして、中間層１２ａの表面粗さＲａが２０ｎｍ以下となるように平滑化する。そして、中間層１２ａ上に、超電導層１２ｂを形成する。そして、超電導層１２ｂ上に第２の中間層１３ａを形成する。そして、中間層１３ａの表面を表面粗さＲａが２０ｎｍ以下となるように平滑化する。そして、中間層１３ａ上に超電導層１３ｂを形成する。

工程（Ｓ２０）において、中間層１２ａ，１３ａの表面粗さＲａを２０ｎｍ以下にするために、電界研磨法、化学研磨法、機械研磨法、およびメカノケミカル法の少なくとも１つを用いて中間層１２ａ，１３ａを平滑化することが好ましい。

電解研磨法とは、たとえば、濃リン酸または濃硫酸などの電解液中に、被研磨材を陽極として浸漬し、電解液に配置された陰極との間に直流電流を流して、電気化学的に被研磨材の表面を研磨する方法をいう。ここで、被研磨材は、基板供給ロール、基板浸漬ロール、および基板巻取りロールなどによって、連続的に電解研磨され巻き取られる。

化学研磨法とは、たとえば、リン酸、硝酸、フッ酸−硝酸（ＨＦ−ＨＮＯ₃）混合溶液、フッ酸−過酸化水素水（ＨＦ−Ｈ₂Ｏ₂）混合溶液、シュウ酸−過酸化水素水（(ＣＯＯＨ)₂−Ｈ₂Ｏ₂）混合溶液などの化学研磨液に、被研磨材を浸漬して、化学反応により被研磨材の表面を研磨する方法をいう。

機械研磨法は、たとえば鏡面研磨法などを用いることができる。鏡面研磨法とは、ロール表面が鏡面加工された圧延ロールを用いて被研磨材を圧延加工することにより、ロール表面の鏡面を被研磨材の表面に転写して被研磨材の表面を平坦化する方法をいう。

メカノケミカル法とは、たとえば、侵食性のある酸性または塩基性の液体中にＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの研磨粒子を分散させた研磨スラリーを研磨スラリー供給装置から供給しながら、押さえ具を用いて研磨シートに被研磨材を押さえつけることによって、機械的かつ化学的な研磨により配向金属基板の表面を平坦化する方法をいう。ここで、研磨シートが配置されている研磨シート台を回転軸により回転させることにより、研磨シートが回転する。また、研磨シート供給ロールおよび研磨シート巻取りロールが回転することにより、新しい研磨シート面が供給される。

なお、上記被研磨材とは、表面粗さＲａを２０ｎｍ以下にする、積層単位１２，１３における超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの表面を含む部材を指す。

中間層１２ａ，１３ａを平滑化する工程では、中間層１２ａ，１３ａの表面粗さＲａを２０ｎｍ以下にできれば特に限定されない。

工程（Ｓ２０）において中間層１２ａ，１３ａを形成するために用いる成膜方法は、任意の成膜方法を用いることができるが、たとえばスパッタ法、ＥＢＤ（電子線ビーム蒸着：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または熱蒸着法などを用いることができる。

また、工程（Ｓ２０）において超電導層１２ｂ，１３ｂを形成するために用いる成膜方法は、たとえば気相法および液相法の少なくともいずれか一方を用いることができる。気相法としては、たとえばレーザ蒸着法、スパッタリング法、および電子ビーム蒸着法などが挙げられる。液相法としては、たとえば有機金属堆積法などが挙げられる。結晶配向性および表面平滑性に優れた表面を有する超電導層１２ｂ，１３ｂを形成することができるため、レーザ蒸着法、スパッタリング法、電子ビーム法、および有機金属堆積法の少なくとも１つの方法またはそれらの複合化法により行なうことが好ましい。

なお、超電導層１２ｂ，１３ｂを形成した後に、酸素雰囲気下で熱処理を行なってもよい。熱処理は、超電導層１２ｂ，１３ｂに酸素をドープするために実施する。熱処理は、３５０℃〜５５０℃で、１０分〜９０分の間、実施することが好ましい。

次に、図１および図３に示すように、２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂの主表面の一部が露出するように、積層単位１３の一部を除去する工程（Ｓ３０）を実施する。積層単位１３の一部を除去する工程（Ｓ３０）では、２以上の積層単位１２，１３の端部において、それぞれの積層単位１２，１３を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面がそれぞれ露出するように、積層単位１２，１３の主表面の位置が基板１１から離れるにしたがって階段状に後退するように、積層単位１２，１３を除去することが好ましい。

実施の形態１の工程（Ｓ３０）では、積層単位１３の端部を、積層単位１３の厚さ分だけ除去する。これにより、図１に示すように、超電導線材１０の端部において、積層単位１２を構成する超電導層１２ｂが露出する。除去する積層単位１３の端部の長さ（超電導線材１０の延在する方向の長さ）Ｈは、２ｃｍ〜１０ｃｍとすることが好ましい。

工程（Ｓ３０）において、積層単位１３の一部を除去する場合には、下層の超電導層を損傷させることなく必要長のみを露出させる観点から、化学研磨法およびメカノケミカル研磨法の少なくともいずれか一方を用いて行なうことが好ましい。なお、積層単位１３の一部を除去する手法としては、特にこれに限定されず、たとえば中間層１２ａ，１３ａを除去できるメカノケミカル研磨法など任意の方法を用いることができる。

以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、図１に示す実施の形態１における超電導線材１０を製造できる。超電導線材１０に電流端子を接続する場合には、さらに以下の工程を実施する。

図２に示すように、超電導線材１０において露出された積層単位１２の超電導層１２ｂ上に、安定化層２１を形成する。そして、超電導線材１０において最上層である積層単位１３の超電導層１３ｂ上に安定化層２３を形成する。なお、これらの安定化層２１，２３の形成によって超電導層から酸素が抜ける場合があり、安定化層２１，２３の形成後に再度、超電導層１２ｂ，１３ｂに酸素をドープするための熱処理として、酸素１００％、１気圧の雰囲気にて、３５０℃〜５５０℃で、１０分〜９０分の間、実施することが好ましい。

そして、安定化層２１，２３と、電流端子２２，２４とを接続する。接続する方法は特に限定されないが、たとえば、はんだ接合を用いることができる。また、接続する際に接続が容易になる観点から、超電導線材１０の幅方向（超電導線材１０の延在する方向と反対の方向）に沿って電流端子２２，２４を接続することが好ましい。また、電流端子２２，２４としては、たとえばＣｕリード線などを用いることができる。さらに銀被覆Ｂｉ−２２２３線材やＲＥ系薄膜線材を用いることも可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態１における超電導線材１０によれば、基板１１と、基板１１上に形成され、中間層１２ａ，１３ａと中間層１２ａ，１３ａ上に形成された超電導層１２ｂ，１３ｂとからなる積層単位１２，１３が２以上備えられた超電導線材であって、それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下であり、２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１２，１３以外の積層単位１２，１３の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面の一部が露出している。これにより、それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面を平坦化しているので、中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性および面内配向性が向上する。そのため、各超電導層１２ｂ，１３ｂについて、臨界電流密度や臨界電流値などの超電導特性を向上できる。また、臨界電流密度が向上した最上層の超電導層１３ｂおよび主表面の一部が露出された超電導層１２ｂに電流を流すことができる。２以上の超電導層１２ｂ，１３ｂにおけるそれぞれの臨界電流値の合計が超電導線材１０における臨界電流値となるので、超電導線材１０の臨界電流値を向上できる。よって、臨界電流値を向上できる超電導線材１０を得ることができる。

上記超電導線材１０において好ましくは、中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下である。これにより、それぞれの中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性および面内配向性がより向上する。そのため、それぞれの超電導層１２ｂ，１３ｂについて臨界電流密度をより向上できる。よって、臨界電流密度が向上した複数の超電導層１２ｂ，１３ｂに電流を流すことによって、臨界電流値をより向上できる超電導線材１０を得ることができる。

上記超電導線材１０において好ましくは、２以上の積層単位１２，１３の端部では、それぞれの積層単位１２，１３を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面がそれぞれ露出するように、積層単位１２，１３の主表面の位置が基板１１から離れるにしたがって階段状に後退するように決定されている。これにより、それぞれの積層単位１２，１３を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂのすべてについて、超電導線材１０の形状から発揮できる最大の能力の電流を流すことができる。また、超電導層１２ｂ，１３ｂのすべてについて、臨界電流密度を向上している。よって、臨界電流値をより一層向上できる超電導線材１０を得ることができる。

本発明の実施の形態１における超電導線材１０の製造方法は、基板１１を準備する工程（Ｓ１０）と、基板１１上に、中間層１２ａ，１３ａと中間層１２ａ，１３ａ上に形成された超電導層１２ｂ，１３ｂとからなる積層単位１２，１３を２以上形成する工程（Ｓ２０）と、２以上の積層単位１２，１３のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１３以外の積層単位１２の少なくとも１つにおいて、超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面の一部が露出するように、積層単位１２，１３の一部を除去する工程（Ｓ３０）とを備え、積層単位１２，１３を形成する工程（Ｓ２０）は、それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａが２０ｎｍ以下になるように、中間層１２ａ，１３ａを平滑化する工程を含んでいる。積層単位１２，１３を形成する工程（Ｓ２０）で、それぞれの積層単位１２，１３において、超電導層１２ｂ，１３ｂと対向する中間層１２ａ，１３ａの面の表面を平滑化にしているので、中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性および面内配向性が向上する。そのため、それぞれの超電導層１２ｂ，１３ｂについて、臨界電流密度や臨界電流値などの超電導特性を向上できる。また、臨界電流密度が向上した最上層の超電導層１３ｂおよび主表面の一部が露出された超電導層１２ｂに電流を流すことができる。そのため、臨界電流値を向上できる。よって、臨界電流値を向上できる超電導線材１０を製造できる。

上記超電導線材１０の製造方法において好ましくは、中間層１２ａ，１３ａを平滑化する工程は、中間層１２ａ，１３ａの面の表面粗さＲａが１０ｎｍ以下になるように研磨している。これにより、それぞれの中間層１２ａ，１３ａ上に形成される超電導層１２ｂ，１３ｂの表面平滑性および面内配向性がより向上する。そのため、それぞれの超電導層１２ｂ，１３ｂについて臨界電流密度をより向上できる。よって、臨界電流密度が向上した複数の超電導層１２ｂ，１３ｂに電流を流すことによって、臨界電流値をより向上できる超電導線材１０を製造できる。

上記超電導線材１０の製造方法において好ましくは、積層単位１２，１３の一部を除去する工程（Ｓ３０）は、２以上の積層単位１２，１３の端部では、それぞれの積層単位１２，１３を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂの主表面がそれぞれ露出するように、積層単位１２，１３の主表面の位置が基板１１から離れるにしたがって階段状に後退するように、積層単位１２，１３を除去する。これにより、それぞれの積層単位１２，１３を構成するすべての超電導層１２ｂ，１３ｂについて、超電導層１２ｂ，１３ｂの形状から可能となる最大の電流を流すことができる。そのため、臨界電流密度を向上できる超電導層１２ｂ，１３ｂについて、それぞれ最大の能力を発揮できる。よって、臨界電流値をより一層向上できる超電導線材１０を製造できる。

（実施の形態２）
図４を参照して、本発明の実施の形態２における超電導線材を説明する。図４に示すように、実施の形態２における超電導線材１０は、基本的には実施の形態１における超電導線材１０と同様の構成を備えているが、３の積層単位を備えている点においてのみ異なる。なお、図４は、本発明の実施の形態２における超電導線材を示す概略斜視図である。

具体的には、３の積層単位１２，１３，１４の端部では、それぞれの積層単位１２，１３，１４を構成する超電導層１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの主表面がそれぞれ露出するように、積層単位１２，１３，１４の主表面の位置が基板１１から離れるにしたがって階段状（３段）に後退するように決定されている。

また、超電導線材が、超電導層１２ｂ，１３ｂ，１４ｂの露出している主表面上に形成された安定化層２１，２３，２５を備えている場合には、その安定化層２１，２３，２５と電流端子２２，２４，２６とを接続することにより、すべての超電導層１２ｂ，１３ｂ，１４ｂに電流を流すことができる。

なお、超電導線材は、特にこの構成に限定されず、図５に示すように、３の積層単位１２，１３，１４のうち、基板１１から見て最上層に位置する積層単位１４以外の積層単位１２，１３の少なくとも１つである積層単位１３において、超電導層１３ｂの主表面の一部が露出している構成としてもよい。この場合には、露出している超電導層１３ｂ，１４ｂ上に形成される安定化層２３，２５を備えると、安定化層２３，２５と電流端子２４，２６とを接続することにより、２の超電導層１３ｂ，１４ｂに電流を流すことができる。なお、図５は、本発明の実施の形態２における超電導線材の別の例を示す概略斜視図である。

実施の形態２における超電導線材の製造方法は、基本的には実施の形態１における超電導線材１０と同様であるが、積層単位を形成する工程（Ｓ２０）において３の積層単位１２，１３，１４を形成する点、および積層単位の一部を除去する工程（Ｓ３０）において２の積層単位１３，１４の端部を除去する点においてのみ異なる。そのため、実施の形態１と同様であるのでその説明は繰り返さない。

なお、図５に示す超電導線材の製造方法では、積層単位の一部を除去する工程（Ｓ３０）において、１の積層単位１４の端部を除去する点においてのみ図４に示す超電導線材の製造方法と異なる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２における超電導線材によれば、３の積層単位１２，１３，１４を備えている。そのため、積層単位１２，１３，１４のすべての超電導層１２ｂ，１３ｂ，１４ｂを露出させて電流を流すことができる場合には、臨界電流密度を向上したすべての超電導層１２ｂ，１３ｂ，１４ｂについて臨界電流値が向上するので、実施の形態２における超電導線材の臨界電流値はさらに向上できる。

なお、実施の形態１の超電導線材１０は、２の積層単位１２，１３を、実施の形態２の超電導線材では３の積層単位１２，１３，１４を備えているが、本発明の超電導線材が備える積層単位の数は、２以上であれば特に限定されない。超電導線材が備える積層単位の数は、２以上５以下が好ましい。２以上とすることによって、臨界電流値を向上できる。５以下とすることによって、積層プロセスの複雑さを緩和し、端末をコンパクトにできる。

［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１は、実施の形態１における超電導線材の製造方法にしたがって図１に示す超電導線材を製造した。具体的には、まず、基板を準備する工程（Ｓ１０）として、半値幅△Φが６°であり、表面粗さＲａが１０ｎｍであるＮｉ合金基板を準備した。

次に、基板上に、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる、２以上の積層単位を形成する工程（Ｓ２０）を実施した。具体的には、基板上に、スパッタリング法により１層当たり０．５μｍのＣｅＯ₂からなる中間層を成膜した。その後、中間層の表面粗さＲａが２０ｎｍになるようにメカノケミカル研磨を実施した。その後、中間層の表面粗さＲａが１８ｎｍになるように化学研磨を実施した。２段階の研磨（メカノケミカル研磨および化学研磨）により、中間層の表面は０．１μｍ除去され、１層当たり０．４μｍとした。その後、中間層上にＨｏＢＣＯからなる超電導層を、１層当たり０．３μｍとなるように形成した。その後、超電導層上に中間層を同様に形成した。その後、中間層上に超電導層を同様に形成した。なお、ＨｏＢＣＯからなる超電導層を形成した後に、酸素１００％雰囲気下で５００℃の温度で６０分の熱処理を実施した。熱処理を実施することで、超電導層へ酸素のドープを完全に行なった。

次に、２以上の積層単位のうち、基板から見て最上層に位置する積層単位以外の積層単位の少なくとも１つにおいて、超電導層の主表面の一部が露出するように、積層単位の一部を除去する工程（Ｓ３０）を実施した。具体的には、超電導線材の最上層に位置する１の積層単位の端部を、５ｃｍ除去した。

次に、最上層の積層単位の超電導層および一部が露出した超電導層の表面上に、厚さ２０μｍのＡｇからなる安定化層を形成した。これにより、実施例１における超電導線材を得た。なお、安定化層上に電流端子を接続して、２の超電導層に通電を可能とした。

（実施例２）
実施例２は、基本的には実施例１と同様の構成を備えているが、実施例２は、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位を３つ備えている点、およびそれぞれの中間層の表面粗さＲａを２０ｎｍとした点においてのみ異なる。なお、超電導層の最上層に位置する積層単位の端部を５ｃｍ除去し、最上層から２層目に位置する積層単位の端部を３ｃｍ除去して、３の超電導層に通電を可能とした。

（比較例１）
比較例１は、基本的には実施例１と同様の構成を備えているが、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位を１つ備えている点、中間層を平滑化する工程を実施していない点においてのみ異なる。

（比較例２）
比較例２は、基本的には実施例１と同様の構成を備えているが、中間層を平滑化する工程を実施していない点においてのみ異なる。なお、２の超電導層に通電を可能とした。

（比較例３）
比較例３は、基本的には実施例１と同様の構成を備えているが、中間層と中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位を３つ備えている点、中間層を平滑化する工程を実施していない点においてのみ異なる。なお、３の超電導層に通電を可能とした。

（比較例４）
比較例４は、基本的には実施例１と同様の構成を備えているが、中間層と中間層上に形成されている超電導層とからなる積層単位を１つ備えている点、および中間層の表面粗さＲａを１４ｎｍとした点においてのみ異なる。

（測定方法）
実施例１，２、および比較例１〜４について臨界電流密度および臨界電流値をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。なお、実施例１，２、および比較例２，３の超電導線材の臨界電流密度は、それぞれの超電導層の臨界電流密度の平均値としている。

（測定結果）
表１に示すように、実施例１および２の超電導線材は、比較例１〜４の超電導線材と比較して臨界電流値を向上できた。なお、積層単位が同じ（厚みが同じ）実施例１と比較例２、実施例２と比較例３とを比較して、臨界電流密度が向上していることがわかった。そのため、超電導層の厚みが同じであれば臨界電流値が非常に向上することがわかった。また、超電導層の厚みの合計を大きくした実施例２は、臨界電流値がさらに向上することがわかった。一方、中間層の平滑化処理を行なわなかった比較例１〜３については臨界電流密度が悪かった。また、中間層の平滑化処理を行なった比較例４は、臨界電流密度は良好であったものの、超電導層が１層であったため、臨界電流値は実施例１，２に比べて悪かった。

次に、２以上の積層単位のうち、基板から見て最上層に位置する積層単位以外の積層単位の少なくとも１つにおいて、超電導層の主表面の一部が露出していることの効果を確認するべく以下の実験を行なった。

（実施例３）
実施例３は、図４に示す実施例２の超電導線材と同様の超電導線材を製造した。得られた超電導線材の３の超電導層上にＡｇからなる安定化層を１０μｍ形成した。さらに超電導層の熱処理は、酸素１００％の雰囲気下で、５５０℃の温度で、３０分間実施した。

（実施例４）
実施例４は、図５に示す超電導線材とした。具体的には、実施例２と同様に、基板を準備する工程（Ｓ１０）と３の積層単位を形成する工程（Ｓ２０）とを実施した。次に、積層単位の一部を除去する工程（Ｓ３０）について、最上層に位置する積層単位についてのみ除去した。これにより、図５に示す実施例３における段数が２段の超電導線材を製造した。

（比較例５）
比較例５は、図６に示す超電導線材とした。具体的には、実施例２と同様に基板を準備する工程（Ｓ１０）と３の積層単位を形成する工程（Ｓ２０）とを実施した。そして、積層単位の一部を除去する工程（Ｓ３０）を実施しなかった。これにより、段数が１段の図６に示す比較例４における超電導線材を製造した。なお、図６は、比較例５における超電導線材を示す概略斜視図である。

（測定方法）
実施例３，４および比較例５の超電導線材について、同様に臨界電流値を測定した。その結果を表２に示す。なお、臨界電流値の設計値は、基板の側から見て、８４Ａ、６６Ａおよび６０Ａであった。

（測定結果）
表２に示すように、実施例３，４の超電導線材は、３層および２層の超電導層に電流を流すことができたので、比較例５の超電導線材よりも臨界電流値が高かった。特に、すべての超電導層に電流を流した実施例３の超電導線材は、臨界電流値を非常に向上できた。なお、実施例３，４および比較例５の超電導線材の臨界電流値は、設計値とほぼ同じであった。

以上説明したように、実施例によれば、積層単位において、超電導層と対向する中間層の面の表面粗さＲａを２０ｎｍ以下とすることによって、臨界電流密度を向上できることが確認できた。また、２以上の積層単位のうち、基板から見て最上層に位置する積層単位以外の積層単位の少なくとも１つにおいて、超電導層の主表面の一部が露出することによって、臨界電流密度を向上できることが確認できた。さらに、２以上の積層単位の端部では、それぞれ積層単位を構成する超電導層の主表面がそれぞれ露出するように、積層単位の主表面の位置が基板から離れるにしたがって階段状に後退するように決定することによって、超電導線材の臨界電流値をさらに向上できることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１における超電導線材を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態１における超電導線材に電流端子を接続した状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態１における超電導線材の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における超電導線材を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態２における超電導線材の別の例を示す概略斜視図である。 比較例５における超電導線材を示す概略斜視図である。

符号の説明

１０ 超電導線材、１１ 基板、１２，１３，１４ 積層単位、１２ａ，１３ａ，１４ａ 中間層、１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ 超電導層、２１，２３，２５ 安定化層、２２，２４，２６ 電流端子。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、中間層と前記中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位が２以上備えられた超電導線材であって、
   それぞれの前記積層単位において、前記超電導層と対向する前記中間層の面の表面粗さＲａは２０ｎｍ以下であり、
   ２以上の前記積層単位のうち、前記基板から見て最上層に位置する前記積層単位以外の前記積層単位の少なくとも１つにおいて、前記超電導層の主表面の一部が露出している、超電導線材。
2. ２以上の前記積層単位の端部では、それぞれの前記積層単位を構成する前記超電導層の主表面がそれぞれ露出するように、前記積層単位の主表面の位置が前記基板から離れるにしたがって階段状に後退するように決定されている、請求項１に記載の超電導線材。
3. 基板を準備する工程と、
   前記基板上に、中間層と前記中間層上に形成された超電導層とからなる積層単位を２以上形成する工程と、
   ２以上の前記積層単位のうち、前記基板から見て最上層に位置する前記積層単位以外の前記積層単位の少なくとも１つにおいて、前記超電導層の主表面の一部が露出するように、前記積層単位の一部を除去する工程とを備え、
   前記積層単位を形成する工程は、それぞれの前記積層単位において、前記超電導層と対向する前記中間層の面の表面粗さＲａが２０ｎｍ以下になるように、前記中間層を平滑化する工程を含む、超電導線材の製造方法。
4. 前記積層単位の一部を除去する工程では、２以上の前記積層単位の端部において、それぞれの前記積層単位を構成する前記超電導層の主表面がそれぞれ露出するように、前記積層単位の主表面の位置が前記基板から離れるにしたがって階段状に後退するように、前記積層単位を除去する、請求項３に記載の超電導線材の製造方法。

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