JP5568612B2 - 超伝導材料の接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接合方法に関するものであり、特に、超伝導材料の接合方法に関するものである。
現在の工業技術によると、超伝導材料は、補助接合材料として銅金属を使用して接合される。しかしながら、この種の接合方法を利用して製造されるイットリウムバリウム銅酸化物(yttrium barium copper oxide, YBCO)の高温超伝導導線は、長さが最長でも500mしかない。熱伝導導線の長さをさらに延伸すると、長時間使用した後に超伝導製品の性能に影響する。主な理由は、超伝導材料を接合するために使用する銅金属の抵抗値が高くなくても、銅金属には一定の抵抗値があるからである。そのため、長時間作動すると必然的に熱が発生して、エネルギーを消費させ、超伝導導線の伝導性が失われることさえある。結果として、超伝導伝送線の品質全体に影響を与える。
これとは別に、高温超電導材料は、ほぼセラミック酸化物材料の複雑な構造になっている。従来のセラミック材料の接着は、融剤を用いてセラミックの接合温度を(その焼結温度よりも低い温度に)下げる。しかしながら、セラミックを接着することができても、界面構造が変化するため、原材料と同じにはならない。そのため、ボンディング界面には必ず大きな抵抗値が存在する。
従来のボンディング界面に大きな抵抗値が存在する問題を解決することのできる超伝導材料の接合方法を提供する。
本発明は、従来の接合方法で生じていた抵抗値の問題やその他の問題を解決することのできる超伝導材料の接合方法を提供することを目的とする。この方法では、まず、マイクロ波チャンバーを提供する。マイクロ波チャンバーは、第1収熱板と、第1収熱板に向かい合う第2収熱板とを有する。マイクロ波チャンバー内の第1収熱板と第2収熱板の間に、第1超伝導材料および第2超伝導材料を配置する。第1超伝導材料および第2超伝導材料は、それらの間に重複領域を有する。第1収熱板および第2収熱板に圧力が印加される。マイクロ波チャンバーにマイクロ波電力を供給する。第1収熱板および第2収熱板は、マイクロ波電力を熱エネルギーに変換し、第1超伝導材料と第2超伝導材料を重複領域で接合する。
超伝導材料は、マイクロ波電力を使用して接合される。本発明の接合方法は、界面接合材料として他の材料を一切使用しないため、従来の超伝導材料の接合に存在していた界面構造または接合材料の抵抗により引き起こされる問題を回避することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
本発明の実施形態に係る超伝導材料の接合方法の概略図である。 本発明の実施形態に係る別の超伝導材料の接合方法の概略図である。 図1の第1超伝導材料と第2超伝導材料の接合の概略図である。 本発明の実施形態に係る接合後の超伝導材料の温度と抵抗の関係を示したものである。 本発明の別の実施形態に係る接合後の超伝導材料の温度と抵抗の関係を示したものである。
図1は、本発明の実施形態に係る超伝導材料の接合方法の概略図である。図1を参照すると、まず、マイクロ波チャンバー200を提供する。そして、導波路素子102を介してマイクロ波チャンバー200をマイクロ波生成器100に接続する。マイクロ波生成器100は、異なるレベルのマイクロ波電力を生成することができる。生成されたマイクロ波電力は、導波路素子102を介してマイクロ波チャンバー200に入り、マイクロ波チャンバー200内に共振と集束効果を生じさせることができる。
本実施形態において、マイクロ波チャンバー200は、上部構造200aと下部構造200bで形成された密閉空間である。そして、マイクロ波チャンバー200内に、第1収熱板210および第2収熱板220を配置する。第1収熱板210および第2収熱板220は、マイクロ波電力を吸収して、マイクロ波電力を熱エネルギーに迅速に変換することのできる板材料で作られる。例えば、第1収熱板210および第2収熱板220は、炭化ケイ素(silicon carbide, SiC)、グラファイト、活性炭、またはマイクロ波電力をよく吸収することのできる他の材料を含む。また、マイクロ波チャンバー200は、さらに、O型リング204と、水晶板202と、ネジ206と、温度センサ207と、他の構成要素とを含んでもよい。マイクロ波チャンバー200の構造および構成要素は、本発明に限定されない。
上述したマイクロ波チャンバー200を使用する超伝導材料の接合プロセスについて、以下に説明する。まず、マイクロ波チャンバー200内の第1収熱板210と第2収熱板220の間に、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224を挟める。本実施形態によると、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、同じ超伝導材料であるが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、異なる超伝導材料であってもよい。ここで、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、それぞれ、イットリウムバリウム銅酸化物化合物(YBa2Cu3O7-δ,YBCO)、またはドープされたイットリウムバリウム銅酸化物化合物(YBa2Cu3-xMxO7-δまたはY1-xNxBa2Cu3O7-δ)を含む。ここで、Mは、Zn、Li、Ni、またはZrを示し、Nは、Ca、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLuを示し、δは、0〜1を示す。超伝導材料は、また、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)、Tl2Ba2Ca2Cu3O10(TBCCO)、またはHg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 (HBCCO)であってもよい。これとは別に、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224の厚さは、0.1〜5μmの範囲内である。
また、本実施形態において、第1超伝導材料214は、第1基板212に配置され、第2超伝導材料224は、第2基板222に配置される。第1超伝導材料214は、蒸発法、イオンビーム支援蒸着法、有機金属気相成長法、またはパルスレーザ蒸着法によって、第1基板212上に形成される。第2超伝導材料224は、蒸発法、イオンビーム支援蒸着法、有機金属気相成長法、またはパルスレーザ蒸着法によって、第2基板222上に形成される。一般的に、第1基板212の材料の選択は、第1超伝導材料214の材料と関係があり、第2基板222の材料の選択は、第2超伝導材料224の材料と関係がある。ここで、第1基板212および第2基板222は、それぞれチタン酸ストロンチウム(Strontium Titanate, STO)基板およびアルミン酸ランタン(Lanthanum Aluminate, LAO)基板である。
上記に基づき、第1収熱板210と第2収熱板220の間に挟まれた第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、図3に示すように、それらの間に重複領域Rを有する。本実施形態によると、第1超伝導材料214と第2超伝導材料224の間の重複領域Rの長さIは、0.5cmより大きいか、それに等しく、好ましくは、0.5cmである。
続いて、図1を参照すると、マイクロ波電力は、マイクロ波生成器100により生成される。生成されたマイクロ波電力は、マイクロ波チャンバー200に伝送される。本実施形態によると、マイクロ波電力は、およそ500Wである。マイクロ波電力をマイクロ波チャンバー200に供給する時間は、およそ1分である。また、マイクロ波チャンバー200内の圧力は、大気圧力であってもよい。本実施形態において、マイクロ波電力がマイクロ波チャンバー200に供給された時、ネジ206を介して、第1収熱板210と第2収熱板220の間の第1超伝導材料214および第2超伝導材料224に1000kg/m2より大きい圧力がさらに供給される。つまり、ネジ206が下方にロックされた時、第1収熱板210および第2収熱板220に印加される圧力は、より大きくなる。反対に、ネジ206が上方に移動した時、第1収熱板210および第2収熱板220に印加される圧力は、より小さくなる。ここで、圧力は、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224を破損または損傷させる圧力よりも小さい。
マイクロ波電力がマイクロ波チャンバー200に伝送された後、第1収熱板210および第2収熱板220は、マイクロ波電力を吸収して、マイクロ波電力を熱エネルギーに迅速に変換する。この時、第1収熱板210および第2収熱板220は、熱エネルギーをそれぞれ第1超伝導材料214および第2超伝導材料224に伝送して、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224を約790℃〜830℃の温度まで加熱する。また、本実施形態において、マイクロ波チャンバー200内の温度または水晶板202の温度を温度センサ207によって測定し、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224が所定の温度まで加熱されたことを確認する。つまり、上述したマイクロ波加熱法と選択的に圧力供給を組み合わせることによって、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、重複領域Rで接合される。その後、室温に冷却されると、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、完全に一つに接合される。
本実施形態において、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、他の溶接および接着材料を使用せずに接合される。その代わり、第1超伝導材料214および第2超伝導材料224は、マイクロ波加熱法により互いに直接接着または接合される。そのため、本実施形態は、接合界面抵抗値が生じて超伝導装置の効果に影響を及ぼす問題を回避することができる。また、本実施形態のマイクロ波加熱プロセスは、真空状態で行う必要がなく、短時間で接合を行うことができる。そのため、本実施形態の接合方法は、低コストであり、且つ迅速である。
図2は、本発明の実施形態に係る別の超伝導材料の接合方法の概略図である。図2の実施形態は、図1の実施形態と類似しているため、同じ素子については同じ符号で示し、繰り返し説明しない。図2を参照すると、本実施形態のマイクロ波チャンバー200は、さらに、ガス注入装置250を含む。つまり、マイクロ波チャンバー200にマイクロ波電力を供給して、第1超伝導材料214と第2超伝導材料224を接合した時、ガス注入装置250を介して、マイクロ波チャンバー内に酸素ガス252がさらに注入される。ここで、酸素流量は、0〜10000sccmの範囲内であり、好ましくは、300sccmである。
マイクロ波チャンバー200に酸素を注入することによって、マイクロ波加熱プロセスの間に消費された酸素ガスが補充される。マイクロ波チャンバー200が十分な酸素ガスを有する時、第1超伝導材料214と第2超伝導材料224のマイクロ波加熱による接合プロセスは、十分な酸素供給を確実に行い、接合品質が確保される。
上述した実施形態において、本分野の技術者に本発明を明確に理解させるため、第1超伝導材料214と第2超伝導材料224の接合を例として説明している。
上記に基づき、本実施形態は、マイクロ波加熱法により複数の超伝導材料を同時に直接接着または接合して、長導線を形成する。そのため、本実施形態は、接合界面抵抗値が生じて超伝導装置の性能に影響を及ぼす問題を回避することができる。これとは別に、本実施形態において、超伝導材料は、他の接合材料を一切使用せずに直接接着または接合されるため、超伝導をゼロ抵抗値に維持することができる。
図4は、本発明の実施形態に係る接合後の超伝導材料の温度と抵抗の関係を示したものである。図4を参照すると、図4において、YBCO超伝導材料を適用する。YBCO超伝導材料に対するマイクロ波加熱条件は、マイクロ波電力が500Wであること、マイクロ波加熱時間が1分であることを含む。図4からわかるように、接合されたYBCO超伝導材料の臨界温度(Tc)は、80Kで維持される。一般的に、77Kよりも高い臨界温度(Tc)を有する超伝導材料は、低コスト応用として可能性および価値のある材料である。
図5は、本発明の別の実施形態に係る接合後の超伝導材料の温度と抵抗の関係を示したものである。図5を参照すると、図5において、YBCO超伝導材料を適用する。マイクロ波加熱条件は、マイクロ波電力が500Wであること、マイクロ波加熱時間が1分であることを含む。また、マイクロ波加熱のプロセス中に酸素を注入する。注入した酸素の量は、300sccmである。図5の実施形態において、接合されたYBCO超伝導材料の臨界温度(Tc)は、85Kまで増加する。
以上のように、本発明において、超伝導材料は、マイクロ波加熱用を使用して接合される。本発明の接合方法は、界面接合材料として他の材料を一切使用しないため、従来の接合方法のように他の材料を用いて界面または接合材料の抵抗を引き起こす問題を回避することができる。また、本発明において、マイクロ波加熱法で超伝導材料を接合することによって形成された構造は、高温超伝導の特性を有する。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
本発明は超伝導材料の接合方法に関するものである。
100 マイクロ波生成器
102 導波路素子
200 マイクロ波チャンバー
200a 上部構造
200b 下部構造
202 水晶板
204 O型リング
206 ネジ
207 温度センサ
210 第1収熱板
212 第1基板
214 第1超伝導材料
220 第2収熱板
222 第2基板
224 第2超伝導材料
250 ガス注入装置
252 酸素ガス
R 重複領域
I 長さ

Claims (6)

  1. マイクロ波チャンバーを提供し、そのうち、前記マイクロ波チャンバーが、第1収熱板と、前記第1収熱板に向かい合う第2収熱板とを有することと、
    前記マイクロ波チャンバー内の前記第1収熱板と前記第2収熱板の間に、第1超伝導材料および第2超伝導材料を配置し、そのうち、前記第1超伝導材料および前記第2超伝導材料が、それらの間に重複領域を有するとともに、前記第1収熱板および前記第2収熱板に圧力が印加されることと、
    前記マイクロ波チャンバーにマイクロ波電力を供給し、そのうち、前記第1収熱板および前記第2収熱板が、前記マイクロ波電力を熱エネルギーに変換して、前記第1超伝導材料と前記第2超伝導材料を前記重複領域で接合することと、
    前記マイクロ波チャンバーに酸素ガスを流入することと、
    を含み、
    前記酸素ガスの前記流量が、300〜10000sccmの範囲内であって、
    前記第1収熱板および前記第2収熱板が、それぞれ炭化ケイ素(Sic)、グラファイト、または活性炭を含む超伝導材料の接合方法。
  2. 前記第1超伝導材料および前記第2超伝導材料が、それぞれ、イットリウムバリウム銅酸化物化合物(YBa2Cu3O7-δ,YBCO)、ドープされたイットリウムバリウム銅酸化物化合物(YBa2Cu3-xMxO7-δまたはY1-xNxBa2Cu3O7-δ)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)、Tl2Ba2Ca2Cu3O10(TBCCO)、またはHg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127(HBCCO)を含み、そのうち、Mが、Zn、Li、Ni、またはZrを示し、Nが、Ca、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLuを示し、δが、0〜1を示す請求項1に記載の超伝導材料の接合方法。
  3. 前記第1超伝導材料の厚さおよび前記第2超伝導材料の厚さが、それぞれ0.1〜5μmの範囲内である請求項1または2に記載の超伝導材料の接合方法。
  4. 前記第1超伝導材料と前記第2超伝導材料の間の前記重複領域の長さが、0.5cmよりも大きいか、それに等しい請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の超伝導材料の接合方法。
  5. 前記第1超伝導材料が、第1基板に配置され、前記第2超伝導材料が、第2基板に配置される請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の超伝導材料の接合方法。
  6. 前記圧力が、1000kg/m2よりも大きい請求項1乃至請求項の何れか一項に記載の超伝導材料の接合方法。
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