JP5503714B2 - 薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法 - Google Patents

薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法に関する。
高温超電導体の発見以来、ケーブル、コイル、マグネットなどの電力機器への応用を目指した薄膜超電導線材の開発が精力的に行われている。このような薄膜超電導線材は、一般に、金属基板上に配向性のセラミックス層を中間層として形成して金属基材とし、さらに、酸化物超電導層、安定化層を順次積層することにより得られている（特許文献１、２）。
上記において、中間層である配向性のセラミックス層を形成するために用いられる材料はＣｅＯ２やＹＳＺ等のセラミックスであり、金属基板と比べて熱膨張係数が遙かに小さく、金属基板との密着性や結晶性を考慮して、高温で成膜処理することにより金属基板上へ中間層として形成される。
中間層が形成された金属基板、即ち金属基材は、その後、室温まで冷却されるが、この際、前記した熱膨張係数の相違により、金属基板と中間層との間で熱収縮差を生じるため、図３に示すように、中間層を上にした場合逆Ｕ字状に反りを生じる。
近年、薄膜超電導線材の生産性の向上を図る手段として、金属基材の幅広化が検討されている。また、薄膜超電導線材の強度は主として金属基板が担うため、金属基板の強度が重要となる。
しかしながら、幅広（具体的には、２ｃｍ以上）で強度の高い金属基板を用いて超電導線材を作製すると、幅の狭い超電導線材では問題とならなかった反りの存在が大きな問題となり、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程において様々な不良の原因となっていた。
また、反りが発生した薄膜超電導線材は、曲がりにくくなるため、劣化しやすく、その後の工程において扱いにくくなる。
特開２００７−８０７８０号公報 特開２００７−３１１２３４号公報
そこで、本発明は、幅広の金属基板上に中間層が形成された金属基材であっても、金属基板と中間層の熱収縮差による反りの発生を抑制することができ、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程における不良の発生を抑制することができる薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法を提供することを課題とする。
本発明者は、上記の課題の解決につき鋭意検討の結果、従来のように、金属基板上に配向性のセラミックス層を形成して金属基材とするのではなく、さらにその裏面側にも非配向性のセラミックス層をダミー層として設けて金属基材とすることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明に関連する第１の技術は、
金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有していることを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材である。
第１の技術においては、金属基板の表面に金属基板より熱膨張係数が小さいセラミックス層（中間層）を設けるだけでなく、裏面にも金属基板より熱膨張係数が小さいセラミックス層をダミー層として設けて金属基材としているため、室温まで冷却する際に、金属基板の表面側と裏面側とに形成されたセラミックス層との間で、さらには、中間層および酸化物超電導層の表面側の各セラミックス層と裏面側のセラミックス層との間で、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができる。
そして、第１の技術においては、セラミックスを用いてダミー層を形成しているため、中間層を形成する際に用いた成膜装置を用いてダミー層を形成することができ、生産コストを抑えることができる。
また、このダミー層の上には超電導層の形成が行われないため、ダミー層は非配向性のセラミックス層で充分であり、配向処理を必要としない分、さらに生産コストを抑えることができる。
本発明に関連する第２の技術は、
前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して５０〜３００％の厚さであることを特徴とする第１の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
非配向性のセラミックス層の厚さは、金属基材上に形成される酸化物超電導層の厚さを見込み、前記セラミックスの熱膨張係数を考慮して適宜設定すればよいが、配向性のセラミックス層（中間層）に対して５０〜３００％の厚さであれば、反りの発生を充分に抑制することができ好ましい。
本発明に関連する第３の技術は、
前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、ＣｅＯ２、ＹＳＺ、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のいずれかであることを特徴とする第１の技術または第２の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスとしては、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができるセラミックスであれば、特に限定はされないが、ＣｅＯ２やＹＳＺは表面側のセラミックス層の形成にも用いられる材料であり、Ｙ２Ｏ３は酸化物超電導層の一種であるＹＢＣＯの形成にも用いられる材料であるため、材料を準備する手間が掛からず、生産コストを抑えることができる。また、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２は、安価に調達可能な材料でありながら熱膨張係数も充分に小さいため、生産コストを抑えることができる。なお、これらのセラミックスを複数選択して、積層されたセラミックス層を形成してもよい。
本発明に関連する第４の技術は、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
第４の技術においては、配向性のセラミックス層（中間層）の形成と、非配向性のセラミックス層（ダミー層）形成を同じ成膜装置を用いて行い、それぞれの形成工程に特殊な製造設備を必要としないため、生産コストを抑えることができる。
具体的には、成膜装置内で配向性（または非配向性）のセラミックス層を形成した後、取り出して冷却した後、金属基板を裏返して再び成膜装置にセットして、非配向性（または配向性）のセラミックス層を形成する。
このように、第４の技術によれば、片面に配向性または非配向性のセラミックス層が形成された金属基板を裏返して同じ成膜装置に再びセットするという極めて簡便な方法を用いることにより、極めて容易に、金属基板の両面に中間層およびダミー層を形成することができる。
そして、このように作製された金属基材は、金属基板の表面に配向性のセラミックス層（中間層）が形成され、また裏面には非配向性のセラミックス層（ダミー層）が形成されているため、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができる。
なお、金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程の順序については、いずれを先としても上記した基本的な効果は変わらないが、良質な配向性を有した中間層を得るという点から、配向性のセラミックス層より成膜する方が好ましい。
本発明に関連する第５の技術は、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
第５の技術においては、配向性（または非配向性）のセラミックス層を形成した後、金属基板を成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程、即ち、非配向性（または配向性）のセラミックス層を形成する工程に移しているため、エネルギーコストの無駄を省くことができ、生産コストを抑えることができる。また冷却工程を有しないため、生産速度を向上させることができ、生産性を向上させることができる。なお、ターゲットを金属基板を挟んで両側に配置して、両面を同時に成膜してもよい。
本発明に関連する第６の技術は、
第４の技術または第５の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法である。
第６の技術においては、バランスよく反りの発生を抑制することができる金属基材上に、酸化物超電導層を形成して薄膜超電導線材を作製しているため、その後の安定化層成膜工程、細線化工程における不良の発生を抑制することができる。
本発明は、以上の技術に基づくものであり、各請求項の発明は以下の通りである。
即ち、請求項１に記載の発明は、
金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有しており、
前記配向性のセラミックス層の厚さが、０．１〜２μｍであり、
前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して５０〜３００％の厚さであり、
前記配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、１０．３〜１４×１０−６ ／Ｋであり、
前記非配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、６．５〜９．２×１０−６ ／Ｋである
ことを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材である。
請求項２に記載の発明は、
前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
請求項３に記載の発明は、
前記金属基板の幅が２ｃｍ以上であって、幅方向に反りがないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
請求項４に記載の発明は、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
請求項５に記載の発明は、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラ
ミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
請求項６に記載の発明は、
請求項４または請求項５に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法である。
請求項７に記載の発明は、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミック層の表面に酸化物超電導薄膜が成膜されていることを特徴とする薄膜超電導線材である。
本発明により、幅広の金属基板上に中間層が形成された金属基材であっても、金属基板と中間層の熱収縮差による反りの発生を抑制することができ、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程における不良の発生を抑制することができる薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法を提供することができる。
本発明における薄膜超電導線材の構成を示す概略断面図である。 本発明における薄膜超電導線材の製造工程を示す図である。 薄膜超電導線材用金属基材が反った状態を示す図である。
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
１．薄膜超電導線材の構造
はじめに、本発明における薄膜超電導線材の構造について、図１を用いて説明する。なお、図１は本発明における薄膜超電導線材の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明における薄膜超電導線材２は、金属基板１０の表裏面のそれぞれに、配向性のセラミックス層からなる中間層２０と非配向性のセラミックス層からなるダミー層５０が形成されてなる薄膜超電導線材用金属基材１、中間層２０の上に形成された酸化物超電導層３０および酸化物超電導層３０の上に形成された安定化層４０で構成されている。
（１）薄膜超電導線材用金属基材
（ａ）金属基板
金属基板１０としては、厚さが２０〜２００μｍであって、幅が３ｃｍ以上、例えば幅５ｃｍのテープ状の配向金属基板が好ましく用いられ、具体的には、例えば、ＳＵＳ（熱膨張係数：１６．０〜２０×１０−６ ／Ｋ）、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｎｉ／Ｃｕ／ＳＵＳクラッド等からなる配向金属基板が好ましく用いられる。
（ｂ）中間層
中間層２０としては、厚さが０．１〜２μｍであって、例えば、２軸配向させたＣｅＯ２単層（熱膨張係数：１０．５〜１４×１０−６ ／Ｋ）からなる中間層や、第１のＣｅＯ２層２１、ＹＳＺ層２２（熱膨張係数：１０．３×１０−６ ／Ｋ）および第２のＣｅＯ２層２３の３層からなる中間層が好ましく用いられる。
（ｃ）ダミー層
ダミー層５０としては、Ａｌ２Ｏ３（熱膨張係数：６．５〜７．０×１０−６ ／Ｋ）、ＹＳＺ、Ｙ２Ｏ３（熱膨張係数：８．１×１０−６ ／Ｋ）、ＺｒＯ２（熱膨張係数：９．２×１０−６ ／Ｋ）等からなる非配向性のセラミックス層が好ましく用いられる。
なお、ダミー層の上には超電導層の形成を行わないため、非配向性のセラミックス層で充分であり、生産コストを抑えることができる。そして、ダミー層５０の厚さとしては、中間層２０の上に形成される酸化物超電導層の厚さを見込み、セラミックスの熱膨張係数を考慮して適宜設定すればよく、中間層２０に対して５０〜３００％の厚さが好ましい。
（２）酸化物超電導層
酸化物超電導層３０は、厚さが０．１〜５μｍであって、レア・アース系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３ＯＸ ＲＥ：希土類元素およびイットリウム、ｘ：６〜７．５）からなる層であり、例えばＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３ＯＸ）（面内方向の熱膨張係数：ａ７．４×１０−６ ／Ｋ、ｂ９．６×１０−６ ／Ｋ）等が挙げられる。
（３）安定化層
安定化層４０は、厚さが０．１〜１００μｍであって、ＡｇまたはＣｕからなる層が好ましく用いられる。
２．薄膜超電導線材の製造方法
次に、本発明における薄膜超電導線材の製造方法について、図２を用いて説明する。なお、図２は本発明における薄膜超電導線材の製造工程を示す図である。
（１）金属基板準備工程
まず、金属基板準備工程において、ＳＵＳ３１６Ｌ等のＳＵＳ（ステンレス鋼）や配向性ニッケル合金などからなるテープ状の配向金属基板１０を準備する。
（２）中間層形成工程
次に、中間層形成工程において、配向金属基板１０の表面に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）等の公知の方法を用いて中間層２０を形成する。
（３）ダミー層形成工程
次に、ダミー層形成工程において、中間層２０が形成された配向金属基板１０を裏返して成膜装置にセットし、中間層２０の形成と同様にして、配向金属基板１０の裏面にダミー層５０を形成する。
以上により、薄膜超電導線材用金属基材１が製造される。
（４）酸化物超電導層形成工程
次に、酸化物超電導層形成工程において、中間層２０の上にＰＬＤ法等の公知の方法を用いて酸化物超電導層３０を形成する。
（５）安定化層形成工程
次に、安定化層形成工程において、酸化物超電導層３０の上にＰＬＤ法等の公知の方法を用いて、ＡｇやＣｕ等からなる安定化層４０を形成する。
安定化層形成後、所定の幅にスリット加工が施されて、薄膜超電導線材２が製造される。
（実施例）
以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
（１）薄膜超電導線材用金属基材の作製
イ．配向金属基板の準備および中間層（配向性のセラミックス層）の形成
まず、長尺のテープ状のＳＵＳ３１６Ｌ（ステンレス鋼）を配向金属基板１０として、幅３ｃｍ×厚さ１００μｍで長さが１ｍの配向金属基板１０を準備した。
次に、この配向金属基板１０を成膜装置内にセットして８００℃に加熱し、配向金属基板１０の表面に、ＲＦスパッタ法を用いて、第１のＣｅＯ２層２１（厚さ：０．１５μｍ）、ＹＳＺ層２２（厚さ：０．２５μｍ）、第２のＣｅＯ２層２３（厚さ：０．８μｍ）を順次形成し、総厚０．４８μｍ（４８０ｎｍ）の３層構造の中間層２０を形成した。
ロ．中間層形成後の反りの測定
そして、中間層２０が形成された配向金属基板１０を成膜装置から取り出して室温まで冷却した。このとき、配向金属基板１０は、図３に示すように、中間層２０を上にした場合、逆Ｕ字状の反りを発生した。この反りの大きさＡを測定したところ、３ｍｍであった。
ハ．ダミー層（非配向性のセラミックス層）の形成
次に、この表面に中間層２０が形成された配向金属基板１０を裏返して、再び、成膜装置内にセットして８００℃（中間層２０を形成した時と同じ温度）に加熱した。そして、この状態で、中間層の形成と同様に、ＲＦスパッタ法を用いて、厚さ０．４μｍの非配向性のＡｌ２Ｏ３層を形成し、ダミー層５０とした。これにより、薄膜超電導線材用金属基材１が作製された。
ニ．薄膜超電導線材用金属基材の反りの測定
作製した薄膜超電導線材用金属基材１を成膜装置から取り出して室温まで冷却し、前回と同様の方法にて反りの大きさＡを測定したところ、１ｍｍ以下であり、反りが解消されて平らに近い状態にあることが確認された。
（２）薄膜超電導線材の作製
次に、薄膜超電導線材用金属基材１の中間層２０上に、ＰＬＤ法により厚さが２μｍのＧｄＢＣＯからなる酸化物超電導層３０を形成し、さらに、酸化物超電導層３０の上に厚さ８μｍのＡｇ製の安定化層を形成し、幅３ｃｍ、長さ１ｍの薄膜超電導線材２を作製した。
（比較例）
配向金属基板の幅が１ｃｍであり、ダミー層を設けなかったこと以外は、実施例と同様にして超電導線材を作製した。なお、幅１ｃｍの超電導線材では、反りの影響は問題にならない。
（３）超電導特性の測定
イ．測定方法
７７Ｋ、自己磁場下において実施例および比較例の超電導線材の臨界電流値Ｉｃを測定した。
ロ．測定結果
測定結果を表１に示す。なお、表１では、Ｉｃとして、測定値の他に、１ｃｍ幅あたりの値を併せて示している。
Figure 0005503714
表１に示す結果から、実施例で得られた薄膜超電導線材では、１ｃｍ幅あたりのＩｃは、反りの影響が問題にならない比較例とほぼ同等であり、良好なＩｃを発揮することが分かる。
１ 薄膜超電導線材用金属基材
２ 薄膜超電導線材
１０ 配向金属基板
２０ 中間層
２１ 第１のＣｅＯ２層
２２ ＹＳＺ層
２３ 第２のＣｅＯ２層
３０ 酸化物超電導層
４０ 安定化層
５０ ダミー層

Claims (7)

  1. 金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有しており、
    前記配向性のセラミックス層の厚さが、０．１〜２μｍであり、
    前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して５０〜３００％の厚さであり、
    前記配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、１０．３〜１４×１０−６ ／Ｋであり、
    前記非配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、６．５〜９．２×１０−６ ／Ｋである
    ことを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材。
  2. 前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜超電導線材用金属基材。
  3. 前記金属基板の幅が２ｃｍ以上であって、幅方向に反りがないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜超電導線材用金属基材。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
    金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
    金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
    これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラ
    ミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
    を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法。
  5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
    金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
    金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
    これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
    を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法。
  6. 請求項４または請求項５に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法。
  7. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミック層の表面に酸化物超電導薄膜が成膜されていることを特徴とする薄膜超電導線材。
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