JP6108888B2

JP6108888B2 - ピーラブル超電導導体、ピーラブル超電導導体の製造方法及び超電導線の補修方法

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Publication number: JP6108888B2
Application number: JP2013050192A
Authority: JP
Inventors: 裕子早瀬; 良和奥野; 義則長洲; 樋口　優; 優樋口
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: CN105164763A; US9508469B2; EP2955726A4; JP2014175293A; WO2014141776A1; KR101806651B1; CN105164763B; US20160027556A1; KR20150132133A; EP2955726A1

Description

本発明は、超電導導体に関する。より具体的には、補修用の超電導導体に関する。

テープ状の基板の片面に超電導層を形成したテープ状の超電導線の超電導層に生じた欠陥部の補修方法として、その欠陥部に対応した安定化層の表面に対し、テープ状の補修用超電導線を半田で接着して、超電導線の超電導層の欠陥部を迂回するように電流の流路を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１８７７４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている補修方法に用いる補修用超電導線では、基板の厚さを補修対象の超電導線の基板よりも薄くしており、基板の厚みが３０μｍ〜５０μｍと薄いため、補修用超電導線の取り扱いに注意が必要であり、かつ、薄い基板上に超電導層を成膜することが製造ハンドリング上、非常に難しいという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、キャリア体に貼り付けられた、薄い基板を有するハンドリングの容易なピーラブル超電導導体を提供することを目的とする。

本発明のピーラブル超電導導体の特徴は、基材と、前記基材の一方の主面上に形成された超電導層とを有する超電導導体と、その超電導導体の超電導層が形成された面と反対側の主面に形成された剥離可能なキャリア体と、を具備することを要旨とする。

このピーラブル超電導導体は、超電導線の補修や接続用に、非常に薄い超電導導体を作成し、キャリア体から当該超電導導体を剥がすことが出来るように調整して貼り付けたものである。補修時には、キャリア体をピーラブル超電導導体から剥がしてから補修対象とする超電導線に接続するか、補修部にピーラブル超電導導体を貼り付けてからキャリア体を当該ピーラブル超電導導体から剥がすことができる。

補修部にピーラブル超電導導体を貼り付けてからキャリア体を当該ピーラブル超電導導体から剥がす場合には、特に補修用超電導導体の基板の厚みが３０μｍ未満のような場合であっても、補修用超電導導体に損傷を与えずに補修を行うことができる。
なお、基板以外の構成（例えば、中間層や超電導層、保護層等）については超電導特性（特にＩｃ値）を補修又は接続対象の超電導線と同程度にする必要があるため、原則、補修又は接続対象の超電導線と同じ構成とする。

本発明のピーラブル超電導導体の製造方法の特徴は、基材の一方の主面に剥離可能なキャリア体を形成する工程と、基材のキャリア体が形成された面と反対側の主面上に超電導層を成膜する工程と、を具備することを要旨とする。

このピーラブル超電導導体の製造方法は、成膜時にキャリア体を貼りつける方法であり、得られた超電導導体及びキャリア体はそのまま補修用に使用し、当該キャリア体は補修の際に剥離する。

このキャリア体は、超電導成膜時の高温に耐え、かつ熱伝導性の良いものが好ましいので、成膜用の極薄基板と同じ材料を用いるのがよいが、コストの安い合金を使用することも可能である。

本発明のピーラブル超電導導体の他の製造方法の特徴は、基材の一方の主面にハンドリング用キャリア体を形成する工程と、基材のハンドリング用キャリア体が形成された面と反対側の主面上に超電導層を成膜する工程と、ハンドリング用キャリア体を除去する工程と、ハンドリング用キャリア体を除去した側の主面に、剥離可能なキャリア体を形成する工程と、を具備することを要旨とする。

このピーラブル超電導導体の製造方法は、成膜時に貼りつけたハンドリング用キャリア体を剥がして補修用の別のキャリア体に貼りつけなおす方法である。

ハンドリング用キャリア体も、超電導成膜時の高温に耐え、かつ熱伝導性の良いものが好ましいので、成膜用の極薄基板と同じ材料を用いるのがよいが、コストの安い合金を使用することも可能である。一方、補修用のキャリア体は、熱履歴を受けないので、金属製でもプラスチック製でもよい。

本発明の超電導線の補修方法の特徴は、基材の一方の主面上に超電導層が形成され、他方の主面に剥離可能なキャリア体が形成されたピーラブル超電導導体を用意する工程と、一部にＩ_ｃ劣化部を有する超電導線のＩ_ｃ劣化部を特定する工程と、キャリア体を超電導導体から除去する工程と、Ｉ_ｃ劣化部を覆うようにキャリア体を除去した超電導導体を超電導線に電気的に接続させる工程と、を具備することを要旨とする。

Ｉｃ劣化部にキャリア体を除去した補修用の超電導導体を接続させることで、容易に薄い超電導導体をＩｃ劣化の該当箇所に貼り付けることができ、Ｉｃ劣化部を迂回するように電流の流路を形成することが可能となる。

本発明によれば、キャリア体に貼り付けられた、薄い基板を有するハンドリングの容易なピーラブル超電導導体を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超電導導体の積層構造を示す斜視図である。（ａ）本発明の第１実施形態に係る、成膜用基板をハンドリング用キャリア体に部分的に接合する方法において、幅方向両端部に接合部がある場合を説明する図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る、成膜用基板をハンドリング用キャリア体に部分的に接合する方法において、幅方向中央部に接合部がある場合を説明する図である。本発明の第１実施形態、第２実施形態に係る、成膜用基板とハンドリング用キャリア体を全面接合する方法を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る、ハンドリング用キャリア体をかしめて成膜用基板と一体化する方法を説明する図である。本発明の実施形態に係るピーラブル超電導導体を接続用超電導導体として用いた使用例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）について詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のピーラブル超電導導体は、成膜の際に成膜用基板に「ハンドリング用キャリア体」を貼り付けて超電導層を成膜した後、「ハンドリング用キャリア体」を剥がして「補修用キャリア体」に貼り付けなおすことによって得られる。以下、３つの方法について説明する。

＜成膜用基板をハンドリング用キャリア体に部分的に接合する方法＞
成膜用基板をハンドリング用キャリア体に部分的に接合して、成膜用基板に中間層、超電導層、保護層を成膜した後、接合部を除去（切断）して、ハンドリング用キャリア体を剥がして補修用キャリア体に貼り付けなおすことにより、補修用超電導導体を製造する。

図２（ａ）、（ｂ）に示したように、成膜用基板２０としてハステロイやステンレス等のＮｉ基やＦｅ基合金からなるテープ状の極薄基板（３〜５０μｍの厚み）を用意し、この成膜用基板２０上の一方の面に、成膜用基板２０と合計で厚さが７０〜１２０μｍとなる厚さの黄銅等の金属からなるハンドリング用キャリア体１０を重ね、幅方向における両端部及び／又は幅方向に１か所以上を長手方向に連続又は不連続に接合する。補修用（接続用）超電導導体に用いる基板は、補修（接続）箇所の厚みを抑えるために５０μｍ以下のものが好ましい。
図２（ａ）は、両端部に接合部がある場合、図２（ｂ）は中央部に接合部がある場合を示したものである。

この成膜用基板２０の、ハンドリング用キャリア体１０を接着した面とは反対の面に機械研磨や電界研磨によって表面研磨を施す。このとき、表面研磨を行った成膜用基板２０の表面の算術平均粗さＲａは５ｎｍ以下、好適には２ｎｍ以下とするのが望ましい。

そして、表面研磨された成膜用基板２０の上に、スパッタリング装置を用いて例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７からなる厚さ１００ｎｍのベッド層を成膜し、このベッド層の上に、ＩＢＡＤ法によりＭｇＯからなる配向層（ＩＢＡＤ−ＭｇＯ層）を、常温で１０〜２００Å成膜し、更に配向層の上には、組成式がＬａＭｎＯ_３＋δ（δは酸素不定比量）で表される結晶材料で構成された酸化物層であるＬＭＯ層をＲＦスパッタリング法で４〜１００ｎｍ成膜した。また、ＬＭＯ層は、ＬＭＯの結晶格子が立方晶となる相転移温度を低くできるという観点から、組成式がＬａ_ｚ（Ｍｎ_１−ｘＭ_ｘ）_ｗＯ_３＋δ（Ｍ＝Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｏ及びＴｉから選ばれる少なくとも１つであって、δは酸素不定比量であり、０＜ｚ／ｗ＜２、０＜ｘ≦１である）で表される結晶材料で構成された酸化物層であることが好ましい。なお、δの値は、特に限定されないが、例えば−１＜δ＜１である。更に酸化物層の上にはＣｅＯ_２からなるキャップ層を、スパッタ法により６５０℃で２００ｎｍ成膜して３層の中間層３１とした。なお、配向層とキャップ層の間に形成されたＬＭＯ層は、キャップ層の格子整合性を向上させる機能を有している。キャップ層の上には、ＹＢＣＯ等の組成式がＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−λで表されるＲＥ系超電導体（ＲＥは、Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、λは、酸素不定比量であって、例えば０以上１以下である）からなる超電導層３２を、ＭＯＣＶＤ法により８４５℃で厚さ１μｍ成膜し、さらに、超電導層上にスパッタ法を用いて厚さ２０μｍの保護層（安定化層）３３としてのＡｇ又はＡｇ合金層を成膜して超電導導体１とする。
なお、ベッド層としては、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７の他にＹＡｌＯ_３（イットリウムアルミネート）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＲＥＺｒＯ、ＣｅＯ_２、ＰｒＯ_２、及びＲＥ_２Ｏ_３等を用いることができる。ここで、ＲＥは、単一の希土類元素又は複数の希土類元素を表す。
成膜層３０は、中間層３１、超電導層３２、保護層（安定化層）３３からなる。

図２（ａ）、（ｂ）に示したように、得られた超電導導体１から、基板２０とハンドリング用キャリア体１０の接合部を長手方向に切断（はさみやカッターでもよいが、長尺な場合はスリッターやレーザーを用いて切断）し、ハンドリング用キャリア体１０を取り除き、極薄超電導導体を得る。この極薄超電導導体を、粘着力が非常に弱い両面テープ（例えば、再生紙両面テープ「ナイスタック（登録商標）リムカ（登録商標）」、商品名）を接着層として用いて補修用キャリア体（金属板又は樹脂板、例えばステンレス板やポリプロピレン板やポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）樹脂板）に貼り付ける。
これら補修用キャリア体のうち、補修用キャリア体が接続された状態の補修用（接続用）超電導体（ピーラブル超電導体）を補修（接続）対象の超電導線に半田等によって接続する場合は、半田接続の際の熱に対する耐熱性を有するものを選択するとよい。具体的には、金属板（ステンレス板）やＰＰＴ樹脂板を補修用キャリア体に用いることが好ましい。特に、補修用キャリア体が接続された状態で半田接続を行う場合は、補修用の超電導導体の基板厚さが３０μｍ未満のような極薄のものであっても、補修用の超電導導体に損傷を与えずに接続が可能である。基板が極薄の場合、補修用キャリア体は高強度のものが好ましいため、特に金属板（ハステロイ板やステンレス板）を補修用キャリア体とすることが好ましい。
なお、補修用キャリア体の片面が粘着面であるテープ状シート（たとえば、マスキングテープ、養生テープ等）であってもよく、その場合には、前述の接着層は不要となる。両面テープや、片面が粘着面であるテープ状シートの成膜用基板２０に対する粘着力は、０．５〜５Ｎの範囲に入ることが好ましい。

成膜用基板２０とハンドリング用キャリア体１０の接合は、レーザー溶接、スポット溶接、高温耐性のある金属用接着剤（例えば、パイロダクト(９２７℃)、Ｄｕｒａｂｏｎｄ９５２（１０９０℃）等)による接合、ろう材(例えば、Ｃｕ−ＡＢＡ（１０００℃以上)、ＣＵＳＩＬ−ＡＢＡ（８５０℃）等）による接合、拡散接合（接合材を真空状態又はアルゴン雰囲気下で加熱、圧縮し、原子の拡散を利用して接合する方法）などによって行うことができる。
また、このハンドリング用キャリア体は、超電導成膜時の高温に耐え、かつ熱伝導性の良いものが好ましいので、成膜用の極薄基板と同じ材料を用いるのが好ましい。

＜成膜用基板とハンドリング用キャリア体を全面接合する方法＞
成膜用基板とハンドリング用キャリア体を圧接接合して、成膜用基板に中間層、超電導層、保護層を成膜した後、酸に浸漬してハンドリング用キャリア体を溶解除去し、補修用キャリア体に貼り付けなおすことにより、補修用超電導導体を製造する。

図３のように、成膜用基板２０としてハステロイやステンレス等のＮｉ基又はＦｅ基合金からなるテープ状の極薄基板を用意し、この成膜用基板２０上の一方の面に、例えば黄銅製等の金属からなるハンドリング用キャリア体１０を重ね、圧延機で温間又は冷間で圧延を行なって、合計で厚さを７０〜１２０μｍに仕上げた後６５０℃程度の温度で熱処理を施して２つの金属が全面接合した基板を作成する。成膜用基板２０とハンドリング用キャリア体１０の間に金属接合防止のための剥離材を挟んで圧延してもよい。次いで、成膜用基板２０上に上記と同様の方法で中間層３１、超電導層３２、保護層３３を成膜し、超電導導体１を製造する。得られた超電導導体１を硫酸等のハンドリング用キャリア体１０のみを溶解する酸の溶液に浸漬して、ハンドリング用キャリア体１０を溶解除去し、極薄超電導導体を得る。

この極薄超電導導体を、上記と同様に、粘着力が非常に弱い両面テープ（例えば、再生紙両面テープ「ナイスタック（登録商標）リムカ（登録商標）」、商品名）を接着層として用いて補修用キャリア体（金属板又は樹脂板、例えばステンレス板やポリプロピレン板やポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）樹脂板）に貼り付ける。
これら補修用キャリア体のうち、補修用キャリア体が接続された状態の補修用（接続用）超電導体（ピーラブル超電導体）を補修（接続）対象の超電導線に半田等によって接続する場合は、半田接続の際の熱に対する耐熱性を有するものを選択するとよい。具体的には、金属板（ステンレス板）やＰＰＴ樹脂板を補修用キャリア体に用いることが好ましい。特に、補修用キャリア体が接続された状態で半田接続を行う場合は、補修用の超電導導体の基板厚さが３０μｍ未満のような極薄のものであっても、補修用の超電導導体に損傷を与えずに接続が可能である。基板が極薄の場合、補修用キャリア体は高強度のものが好ましいため、特に金属板（ハステロイ板やステンレス板）を補修用キャリア体とすることが好ましい。
なお、補修用キャリア体の片面が粘着面であるテープ状シート（たとえば、マスキングテープ、養生テープ等）であってもよく、その場合には、前述の接着層は不要となる。両面テープや、片面が粘着面であるテープ状シートの成膜用基板２０に対する粘着力は、０．５〜５Ｎの範囲に入ることが好ましい。

＜ハンドリング用キャリア体をかしめて成膜用基板と一体化する方法＞
成膜用基板２０としてハステロイやステンレス等のＮｉ基又はＦｅ基合金からなるテープ状の極薄成膜用基板を用意し、この極薄成膜用基板上の一方の面に、極薄成膜用基板よりも少し大きめの黄銅等からなるハンドリング用キャリア体１０を重ね、かしめ用のパンチを用いて２つの金属の一部をかしめた基板を作成する。成膜用基板２０上に上記と同様の方法で中間層３１、超電導層３２、保護層３３を成膜し、超電導導体１を製造する。得られた超電導導体のハンドリング用キャリア体のかしめ部を機械的に展ばしてハンドリング用キャリア体を除去し、極薄超電導導体を得る。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態のピーラブル超電導導体は、成膜の際に成膜用基板にハンドリング用キャリア体を貼り付けて中間層、超電導層、保護層を成膜し、ハンドリング用キャリア体をそのまま補修用キャリア体として用いることによって得られる。以下、２つの方法について説明する。

＜成膜用基板とハンドリング用キャリア体を全面接合する方法＞
成膜用基板とハンドリング用キャリア体を圧接接合して、成膜用基板に中間層、超電導層、保護層を成膜し、そのまま補修用超電導導体とする。この場合、ハンドリング用キャリア体は、そのまま補修用キャリア体となる。

第１実施例と同様に、図３に示したように、成膜用基板２０としてハステロイ等のＮｉ基合金からなるテープ状の極薄基板を用意し、この成膜用基板２０上の一方の面に、例えば黄銅製のハンドリング用キャリア体１０を重ね、圧延機で温間又は冷間で圧延を行なって、合計で厚さを７０〜１２０μｍに仕上げた後６５０℃程度の温度で熱処理を施して２つの金属が全面接合した基板を作製する。この基板上に第１実施形態と同様の方法で中間層３１、超電導層３２、保護層３３を成膜して超電導導体１を製造し、これを補修用のピーラブル超電導導体とする。

＜成膜用基板とハンドリング用キャリア体の間に剥離層を挟む方法＞
成膜用基板とハンドリング用キャリア体の間に、剥離層を挟むことができる。剥離層としては、Ｔａ（融点２９９６℃）、Ｎｂ（融点２５００℃）、Ｚｒ（融点２１２７°）、Ｎｉ（融点１４５５℃）、Ｃr（融点１９００°）、Ｔｉ（融点１７２７℃）、Ｆｅ（融点１５３９℃）、Ｓｉ（融点１４１０°）、Ｍｏ（融点２６２２℃）、Ｃｏ(融点１４７８℃)、Ｖ（融点１６９７°）、Ｗ（融点３３８２°）の金属単体、合金、酸化物、水酸化物等融点が高く、耐熱性を有する材料を用いることができる。ハンドリング用キャリア体に剥離層の物質をめっき法でつけ、成膜用基板もめっき法で形成することもできる。上記成膜用基板とハンドリング用キャリア体を全面接合する方法において、圧延の際に間に炭素等の介在物を挟んでおくことで意図的に剥がれやすくすることも可能である。

第１実施形態、第２実施形態で得られたピーラブル超電導導体を用いて、Ｉ_ｃ劣化部を有する超電導線のＩ_ｃ劣化部を補修する場合、ピーラブル超電導導体から補修用キャリア体を容易に剥離除去することができ、薄い成膜用基板等からなる超電導導体をＩ_ｃ劣化部に半田等で接合して電流の迂回路を形成することができる。このように補修した超電導線の補修部の厚さ増加は最小限に抑えることができ、コイルなどに加工する際に厚さが問題となることはない。

具体的には、ある一定の長さを有する超電導線のＩｃ測定を行い（例えば、ＴＨＥＶＡ社製のＴＡＰＥＳＴＡＲ（登録商標）を用いればよい）、Ｉｃ劣化部が発生している場合には、その劣化部を特定し、当該劣化部に超電導導体を、半田を用いて貼り付ければよい。このとき、ピーラブル超電導導体は、Ｉｃ劣化部に対して、劣化部周囲をオーバーラップさせるように配置して貼り付けることが好ましい。なお、貼り付ける場合には、超電導線の超電導層側とピーラブル超電導導体の超電導層側が対向するように配置すればよい。

また、超電導線同士の接続の場合に、当該ピーラブル超電導導体を接続用超電導導体として用いてもよい。
具体的には、図５のように、超電導線５０，５０同士を突き合わせ、超電導線５０，５０を跨ぐようにピーラブル超電導導体１００を配置する。補修用キャリア体は超電導線のハンドリング時にはその補強用として剥がさずに保持しておき、最終的な製品（コイルやケーブル）とする場合に、当該キャリア体を剥離してもよい。この場合には、補強用とするキャリア体としては、ハステロイやステンレス等の強度の高い材質を用いることが好ましい。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１超電導導体
１０ハンドリング用キャリア体
２０成膜用基板
３０成膜層
３１中間層
３２超電導層
３３保護層（安定化層）
５０超電導線
１００ピーラブル超電導導体

Claims

基材と、前記基材の一方の主面上に形成された超電導層とを有する超電導導体と、
前記超電導導体の前記超電導層が形成された面と反対側の主面に形成された剥離可能なキャリア体と、
を具備することを特徴とするピーラブル超電導導体。
前記キャリア体と前記超電導導体は接着層を介して接続されている請求項１に記載のピーラブル超電導導体。
前記基材は金属基板を有し、前記キャリア体は金属からなり、前記金属基板と前記キャリア体が部分的にかしめ接合されている請求項１に記載のピーラブル超電導導体。
前記基材は金属基板を有し、前記金属基板の厚みが、５０μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のピーラブル超電導導体。
基材の一方の主面に剥離可能なキャリア体を形成する工程と、
前記基材の前記キャリア体が形成された面と反対側の主面上に超電導層を成膜する工程と、
を具備することを特徴とするピーラブル超電導導体の製造方法。
前記キャリア体は、前記基材と同じ材料からなる請求項５に記載のピーラブル超電導導体の製造方法。
基材の一方の主面にハンドリング用キャリア体を形成する工程と、
前記基材の前記ハンドリング用キャリア体が形成された面と反対側の主面上に超電導層を成膜する工程と、
前記ハンドリング用キャリア体を除去する工程と、
前記ハンドリング用キャリア体を除去した側の主面に、剥離可能なキャリア体を形成する工程と、
を具備することを特徴とするピーラブル超電導導体の製造方法。
前記ハンドリング用キャリア体と前記基材は部分的に接合した接合部を有し、前記ハンドリング用キャリア体を除去する工程において、前記接合部を除去することを特徴とする請求項７に記載のピーラブル超電導導体の製造方法。
基材の一方の主面上に超電導層が形成され、他方の主面に剥離可能なキャリア体が形成されたピーラブル超電導導体を用意する工程と、
一部にＩ_ｃ劣化部を有する超電導線の前記Ｉ_ｃ劣化部を特定する工程と、
前記キャリア体を前記ピーラブル超電導導体から除去する工程と、
前記Ｉ_ｃ劣化部を覆うように前記キャリア体を除去した前記ピーラブル超電導導体を前記超電導線に電気的に接続する工程と、
を具備することを特徴とする超電導線の補修方法。
基材の一方の主面上に超電導層が形成され、他方の主面に剥離可能なキャリア体が形成されたピーラブル超電導導体を用意する工程と、
一部にＩ_ｃ劣化部を有する超電導線の前記Ｉ_ｃ劣化部を特定する工程と、
前記Ｉ_ｃ劣化部を覆うように前記ピーラブル超電導導体を、超電導層側同士が対向するように配置し、電気的に接続する工程と、
前記キャリア体を前記ピーラブル超電導導体から除去する工程と、
を具備することを特徴とする超電導線の補修方法。
前記基材を構成する金属基板の厚みが３０μｍ未満である請求項１０に記載の超電導線の補修方法。