JP5097044B2 - 金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材およびその接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材およびその接合方法に係り、より具体的には、パンケーキ状に巻いた超伝導薄膜線材および安定化材を金属コーティング層を用いて容易に接合させ、超伝導薄膜線材の曲げ変形量に合わせて中立軸を自由に調節し、厚い安定化材も迅速に接合させることができる、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材およびその接合方法に関する。

一般に、超伝導体は、多量の電流を損失なく流れるようにすることができ、強力な磁石を作って例えば磁気浮上列車や磁気共鳴映像（ＭＲＩ）の診断装置などの多様な分野に応用される。また、超伝導体は、既存の金属または半導体が持っていない特殊な電磁気的特性を持っており、従来の素子では実現することができない水準の超高感度、超高速、超高効率のセンサーおよび情報電子素子の開発が可能である。

このような超伝導体の中でも、高温超伝導体は、ＢＳＣＣＯ系またはＹＢＣＯ系などからなり、液化窒素（ＬＮ_２）の沸騰点である７７Ｋより高い温度でも超伝導性を示すので、液化ヘリウム（ＬＨｅ）を使用する低温超伝導体に比べて、液化窒素を冷媒として用いるため冷却コストが低いという利点がある。

ところが、高温超伝導体は、酸化物として存在するため軟性が足りなくて欠陥が生じ易く、これにより電流の流れが低下するおそれがある。よって、前記高温超伝導体を長尺化して使用する方法が研究されている。

このように長尺化した超伝導薄膜線材は、超伝導体とは別途の金属材で形成された安定化材が接合し、臨界電流以上の電流が超伝導体に流れると、安定化材に電流が通過するようにして超伝導薄膜線材を保護するように形成される。

ここで、安定化層を製造する方法としては、粉末充填法や多様な真空薄膜蒸着法などがある。

１９９７年９月２日に登録された特許文献１には、耐火粉末の充填圧力を用いた高温超伝導長尺テープの熱間積層接合方法が開示されている。

図１は従来の技術に係る耐火粉末の充填圧力を用いた高温超伝導長尺テープの熱間積層接合方法の流れ図である。

まず、ビスマス系粉末を銀チューブに入れて引抜加工し、圧延加工してテープ線材に加工する。その後、図１の（ａ）に示すように、所望の長さに超伝導テープを切った後、所望の本数のテープを臨時積層した後、図１の（ｂ）に示すように、非常に薄い有機材料接着剤である接着テープによって、臨時積層された線材を包む。この接着テープは、長い線材を厚さ方向に臨時積層する間に、超伝導線材テープが乱れることなく所望の形を安定的に維持させることを可能にする。

次に、図１の（ｃ）に示すように、多重に臨時積層させた線材を、熱間作業のためにプレスで破砕された粉末に付けて螺旋状に配置した後、図１の（ｄ）に示すように、容器の外から粉末の表面にプレスで圧力を加えて粉末による３次元方向の圧力を発生させることにより、線材の積層圧力（接触圧力）を形成させる。

最後に、図１の（ｅ）に示すように、プレスからそのまま加熱炉に入れて熱間接合させる。

このような段階で製造された超伝導線材は、臨界電流密度の高い超伝導線材を提供することができるという利点があるが、高価の銀チューブを使用しなければならないという欠点があり、長い時間および高い装備コストがかかるという欠点もある。

かかる問題点を解決するために、超伝導層に薄くＡｇまたはＡｕを蒸着した後、安定化材（主にＣｕ）をロウ付けで接合させる技術が提案された。

２００７年８月１３日に登録された特許文献２には、圧縮応力印加型超伝導線材連続ラミネーション装置が開示されている。

図２に示すように、溶融された半田入りの水槽状の半田供給部２００に超伝導テープ１０が収容されることにより、超伝導テープ１０の表面に半田が付く。そして、半田が供給された超伝導テープ１０と前記補強材テープ２０はいずれも所定の温度で予熱されるように予熱部３００を通過する。

このように予熱されて出てきた前記超伝導テープ１０と補強材テープ２０は、張力調節圧着部４００を通過しながら圧着され、半田によって接合する。前記張力調節圧着部４００は、前記補強材テープ２０の張力が前記超伝導テープ１０の張力より相対的にさらに大きい状態となるよう、張力を調節することができるように形成される。このような状態で圧着されて接合した超伝導薄膜線材３０には、全体的に圧縮応力が作用する。すなわち、補強材テープ２０が伸張した状態で超伝導テープ１０と接合するので、接合の後、補強材テープ２０の圧縮応力に対応して超伝導テープ１０も圧縮応力が作用する。

このように半田を用いて超伝導テープ１０と補強材テープ２０とを接合させる方法は、製造コストを減らすことができ、超伝導線材に圧縮応力を作用させて超伝導層の損傷を最小化させるという効果がある反面、半田溶融で熱処理の際に安定化材が離れてしまうおそれがあり、半田接合の際に超伝導線材が加熱されるという欠点がある。

また、別の方法として、超伝導薄膜線材にＡｇなどの金属を薄くコートした後、Ｃｕを用いてウェットメッキ法によって超伝導薄膜線材を完全に取り囲む方法が提案された。この方法は、超伝導を完全に取り囲むので、超伝導薄膜の損傷が少ないうえ、線材の全厚の制御が容易であるという利点がある。ところが、ウェットメッキ法をさらに用いるので、環境汚染および工程コストが上昇し、厚い蒸着には多くの時間がかかり、様々な曲率で巻線することができないという問題点があった。

韓国特許庁登録特許公報第特０１２２１０５号明細書 韓国特許庁登録特許第０７５０６６４号明細書

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、環境汚染が少なく、超伝導薄膜線材に迅速に付着し、工程コストおよび時間を節約することができる、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材およびその接合方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、多様な曲率の変形力にも超伝導薄膜線材の超伝導特性の低下を防止する、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材およびその接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、超伝導薄膜線材、安定化材および接合防止基板をアルコールで洗浄する第１段階と、前記超伝導薄膜線材および前記安定化材の一面にそれぞれ金属コーティング層で薄くコートする第２段階と、前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とを金属コーティング層のある一面で互いに接合させる第３段階と、前記安定化材の外側に前記接合防止基板を配置した後、ボビンに一定の張力で互いに密着するように巻線する第４段階と、前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とが金属コーティング層で拡散接合するように熱処理する第５段階とを含んでなる、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法を提供する。

ここで、前記安定化材はＳＵＳまたはＣｕであることが好ましい。

ここで、前記金属コーティング層はＡｇ、Ａｕ、およびＰｔのいずれか一つからなることが好ましい。

ここで、前記ボビンは、一側に直径２０ｍｍ〜１０００ｍｍの突出部が設けられて前記超伝導薄膜線材、前記安定化材および前記接合防止基板が巻線されることが好ましい。

ここで、前記超伝導薄膜線材はＲＥＢＣＯ（Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系またはＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系からなり、ＲｅはＹまたは希土類金属（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）であることが好ましい。

ここで、前記熱処理は、３００〜７００°Ｃの酸素（１００％、１ａｔｍ）で１時間以上行うことが好ましい。

また、本発明は、円筒状のボビンと、曲率をもって前記胴体に一定の張力で巻線される超伝導薄膜線材と、前記超伝導線材の外側に対面して一定の張力で巻線される安定化材と、前記超伝導薄膜線材および前記安定化材の一側にコートされる金属コーティング層と、前記安定化材の外側に対面して一定の張力で巻線される接合防止基板とを含んでなり、前記接合防止基板を巻線するときに強い張力で巻き、熱処理することにより、前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とが接合することが好ましい。

本発明は、安定化材、超伝導薄膜線材および接合防止基板をパンケーキ状に巻線し、熱処理することにより、厚い安定化材或いは各種の安定化材も金属コーティング層を用いて迅速に超伝導薄膜線材に接合することができるため、工程時間を減らすことができるという効果がある。

また、本発明は、超伝導薄膜線材の中立軸を自由に調整して多様な曲率の超伝導薄膜線材を形成することができ、熱処理以前に超伝導薄膜線材を巻線して超伝導薄膜線材の変形による超伝導の特性低下を防止することができるという効果がある。

図３は本発明に係る金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法の流れ図である。

図３の（ａ）に示すように、第１段階では、超伝導薄膜線材２００、安定化材３００および接合防止基板４００をアルコールで洗浄して異物を除去する。

第２段階では、図３の（ｂ）に示すように、前記超伝導薄膜線材２００および安定化材３００の一面にそれぞれ金属コーティング層２１０を非常に薄くコートして後述の熱処理によって超伝導薄膜線材２００と安定化材３００とが互いに拡散接合し得るようにする。このように薄くコートされた金属コーティング層２１０は、後述する安定化材３００の前駆体の役割を果たす。

ここで、前記超伝導薄膜線材２００は、ＲＥＢＣＯ（Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系またはＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系からなり、ＲｅはＹまたは希土類金属（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）であり、前記安定化材３００は、ＳＵＳまたはＣｕからなることが好ましい。また、前記金属コーティング層２１０は、熱伝導性の高い金属材からなるが、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどからなることが好ましい。

前記安定化材３００は、超伝導薄膜線材２００が不安定であって臨界電流に至ってそれ以上多くの電流を流すことができなくなったとき、超伝導薄膜線材２００に臨界電流以上の電流を流すことができるようにする。

そして、前記安定化材３００は、超伝導薄膜線材２００の熱を周囲の冷媒に伝達して超伝導体の温度を冷却することにより、超伝導薄膜線材２００を超伝導状態に回復させて電流を流すことができるようにする。

図３の（ｃ）に示すように、第３段階では、金属コーティング層２１０のコートされた超伝導薄膜線材２００の一面と安定化材３００の一面とを互いに密着結合させる。

図３の（ｄ）に示すように、第４段階では、最内側に超伝導薄膜線材２００を前記ボビン１００に対して巻線し、これと同時に、前記超伝導薄膜線材２００の外側に配置された安定化材３００および前記安定化材３００の外側に配置された接合防止基板４００を共に前記ボビン１００の突出部１２０に巻線する。

この際、前記ボビン１００の一側には、前記超伝導薄膜線材２００、安定化材３００および接合防止基板４００が巻線されるように直径２０ｍｍ〜１０００ｍｍの突出部１２０が設けられる。

ここで、前記接合防止基板４００は、以前に巻線された超伝導薄膜線材２００および安定化材３００と、その次に巻線される超伝導薄膜線材２００および安定化材３００とが接合することを防止するように形成される。

また、前記超伝導薄膜線材２００の巻線曲率を自由に変更して超伝導薄膜線材２００の曲げ変形量に合わせて中立軸を自由に調節して巻線すると、多様な曲率で前記超伝導薄膜線材２００および安定化材３００が形成される。

このように、熱処理前に、前記超伝導薄膜線材２００および安定化材３００を巻線することのように形態を備え、熱処理を施すことにより、熱処理後に超伝導薄膜線材２００を巻線しながら起り得る超伝導薄膜線材２００の損失または変形を防止し且つ超伝導特性の低下を防止するようにする。

そして、巻線される間、接合防止基板４００は、相対的に超伝導薄膜線材２００と安定化材３００が巻かれる力より強い張力で巻線され、内側に形成される超伝導薄膜線材２００および安定化材３００に圧縮応力が互いに強く作用するようにする。

図３の（ｅ）に示すように、最後の第５段階では、接合防止基板４００と共に巻線された超伝導薄膜線材２００および安定化材３００を５００°Ｃの酸素（１００％、１ａｔｍ）で１時間以上熱処理することにより、前記超伝導薄膜線材２００と前記安定化材３００とが熱間接合によって互いに強く接合し得るようにする。

図４は本発明に係る金属が形成された超伝導薄膜線材の斜視図である。

図４に示すように、拡散接合を用いた超伝導薄膜線材は、熱処理用ボビン１００、超伝導薄膜線材２００、安定化材３００および接合防止基板４００からなっている。

まず、熱処理用ボビン１００は高さの低い円筒状であり、一面には突出部１２０が円筒状に設けられている。

ここで、ボビン１００の突出部１２０の直径は３００ｍｍ程度が適し、前記ボビン１００の外周面は後述する超伝導薄膜線材２００、安定化材３００および接合防止基板４００が巻かれるように形成される。

超伝導薄膜線材２００は、ＲＥＢＣＯ（Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系であって、ＲｅはＹまたは希土類金属（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）からなる酸化系超伝導薄膜線材であり、０．０１〜０．０９ｍｍの厚さを持つ。

前記安定化材３００は、非磁性のステンレススチール、Ｎｉ合金またはＣｕ合金のいずれか一つからなり、厚さを研磨によって０．０１〜０．０９ｍｍにし、幅を前記超伝導薄膜線材２００と同一にする。

前記安定化材３００は、前記超伝導薄膜線材２００に磁束によって熱が発生し或いは過度な電流が流れると超伝導性質を失ってしまうので、熱と電流を通過させて前記超伝導薄膜線材２００の熱を冷やすことにより、超伝導薄膜線材２００が超伝導性質を保持し得るようにする。

前記超伝導薄膜線材２００および前記安定化材３００は、それぞれの一面にスパッタを用いて後述の金属コーティング層２１０でそれぞれコートした後、後述の接合防止基板４００と共に巻線するようにする。

前記金属コーティング層２１０は、Ａｇ、Ａｕ、およびＰｔのいずれか一つを選択して約０．５μｍの厚さで前記超伝導薄膜線材２００および前記安定化材３００にコートすることにより形成する。

次に、接合防止基板４００は、金属導体からなり、前記超伝導薄膜線材２００と前記安定化材３００の外側面に配置され、前記接合防止基板４００を適切な張力で与えて一回巻いた後、その次に巻くときは、その前に巻いた超伝導薄膜線材２００および安定化材３００がその次に巻いた超伝導薄膜線材２００および安定化材３００と接合しないようにし、酸素熱処理においても、前記接合防止基板４００の一面には金属同士を互いに接合させる金属コーティング層２１０が無いので、前記安定化材３００と接合防止基板４００とが接合せずに強い応力で巻線されるように形成される。

この際、接合防止基板４００に加える張力が超伝導薄膜線材２００および安定化材３００の巻線張力より相対的にさらに強いため、超伝導薄膜線材２００および安定化材３００に圧縮引張応力が誘導され、全体的に強い応力が作用し、酸素熱処理の際に超伝導薄膜線材２００および安定化材３００が拡散結合する。

また、多様な種類の安定化材３００を厚さに関係なく前記金属コーティング層２１０を用いて巻線した後、熱処理施することにより、迅速に前記超伝導薄膜線材２００および前記安定化材３００を接合させることができる。

前述した内容は、特許請求の範囲がさらに理解できるように本発明の特徴と技術的利点を多少幅広く開示した。開示された本発明の概念と特定の実施例は、本発明と類似の目的を行うための他の構造の設計または修正の基本として直ちに使用できることが、当該技術分野における熟練者によって認識されなければならない。

また、本発明で開示された発明の概念と実施例は、本発明の同一目的を行うために他の構造に修正または設計するための基礎であって、当該技術分野における熟練者によるそのような修正または変更された等価構造は、特許請求の範囲で記述した発明の思想または範囲を逸脱しない範疇内において多様な変化、置換および変更が可能である。

従来の技術に係る耐火粉末の充填圧力を用いた高温超伝導長尺テープの熱間積層接合方法の流れ図である。 従来の技術に係る圧縮応力印加型超伝導線材連続ラミネーション装置に対する主要部の正面図である。 本発明に係る金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法の流れ図である。 本発明に係る金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の超伝導薄膜線材の斜視図である。

符号の説明

１００ ボビン
１２０ 突出部
２００ 超伝導薄膜線材
２１０ 金属コーティング層
３００ 安定化材
４００ 接合防止基板

Claims (12)

1. 超伝導薄膜線材、安定化材および接合防止基板をアルコールで洗浄する第１段階と、
   前記超伝導薄膜線材および前記安定化材の一面にそれぞれ金属コーティング層で薄くコートする第２段階と、
   前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とを金属コーティング層のある一面で互いに接合させる第３段階と、
   前記安定化材の外側に前記接合防止基板を配置した後、ボビンに一定の張力で互いに密着するように巻線する第４段階と、
   前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とが金属コーティング層で拡散接合するように熱処理する第５段階とを含んでなることを特徴とする、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
2. 前記安定化材はＳＵＳまたはＣｕまたはＣｕ合金であることを特徴とする、請求項１に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
3. 前記金属コーティング層はＡｇ、Ａｕ、およびＰｔのいずれか一つからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
4. 前記ボビンは、一側に円形の突出部が設けられて前記超伝導薄膜線材、前記安定化材および前記接合防止基板が巻線されることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
5. 前記超伝導薄膜線材は、ＲＥＢＣＯ（Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系またはＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系からなり、
   ＲｅはＹまたは希土類金属（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
6. 前記熱処理は３００〜７００°Ｃの酸素雰囲気中で行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材の接合方法。
7. 円筒状のボビンと、
   曲率をもって前記胴体に一定の張力で巻線される超伝導薄膜線材と、
   前記超伝導線材の外側に対面して一定の張力で巻線される安定化材と、
   前記超伝導薄膜線材および前記安定化材の一側にコートされる金属コーティング層と、
   前記安定化材の外側に対面して一定の張力で巻線される接合防止基板とを含んでなり、
   前記超伝導薄膜線材、前記安定化材および前記接合防止基板をアルコールで洗浄する第１段階と、
   前記超伝導薄膜線材および前記安定化材の一面にそれぞれ金属コーティング層で薄くコートする第２段階と、
   前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とを金属コーティング層のある一面で互いに接合させる第３段階と、
   前記安定化材の外側に前記接合防止基板を配置した後、ボビンに一定の張力で互いに密着するように巻線する第４段階と、
   前記超伝導薄膜線材と前記安定化材とが金属コーティング層で拡散接合するように熱処理する第５段階とを含んでなる超伝導薄膜線材の接合方法によって接合されることを特徴とする、金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。
8. 前記安定化材はＳＵＳまたはＣｕまたはＣｕ合金であることを特徴とする、請求項７に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。
9. 前記金属コーティング層はＡｇ、Ａｕ、およびＰｔのいずれか一つからなることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。
10. 前記ボビンは、
    一側に円形の突出部が設けられて前記超伝導薄膜線材、安定化材および接合防止基板が巻線されることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。
11. 前記超伝導薄膜線材は、ＲＥＢＣＯ（Ｒｅ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系またはＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系からなり、
    ＲｅはＹまたは希土類金属（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）であることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。
12. 前記熱処理は３００〜７００°Ｃの酸素雰囲気中で行われることを特徴とする、請求項７または８に記載の金属コーティング層を用いた超伝導薄膜線材。

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