KR100409057B1

KR100409057B1 - 산화물초전도선, 솔레노이드코일, 자장발생장치 및산화물초전도선의 제조방법

Info

Publication number: KR100409057B1
Application number: KR10-2000-7006260A
Authority: KR
Inventors: 다나카가즈히데; 오카다미치야; 후쿠시마게이지; 와쿠다츠요시
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2003-12-11
Also published as: EP1039483A1; US20030205403A1; KR20010032917A; CN1281579A; US6591120B1; WO1999030333A1

Abstract

본 발명은 선재의 단면형상중 외형상을 둥근형상으로 하고, 단면내부에 있어서 테이프형상의 초전도체를 대략 능형상이 되도록 적층한 군으로 하며, 상기 군을 조합시켜 전체가 육각형상이 되도록 구성하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 복수의 산화물초전도체 필라멘트를 가지는 산화물초전도 테이프선재를 코어부에 회전대칭으로 배치한다. 산화물초전도체 필라멘트는 단면의 평균두께가 3㎛ 내지 20㎛이고, 또한 단면의 애스펙트비의 평균이 2 이상 l0 이하로 한다. 산화물초전도 테이프선재를 회전대칭으로 배치하는 것은 다중 심테이프선재를 가장 바깥 둘레의 금속시스가 되는 제 3 금속파이프에 충전할 때 행한다.

다중 심테이프선재가 회전대칭으로 배치되어 있기 때문에, 산화물초전도체 필라멘트중의 산화물초전도체의 c축이 여러가지의 방향을 향한다. 따라서 자장의 인가방향에 의하지 않고 임계전류의 저하를 억제할 수 있고, 또한 산화물초전도체필라멘트가 가장 적합한 크기이기 때문에 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다. 산화물초전도체는 비스무트계 산화물초전도체가 좋으며, 특히 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X조성이 좋다.

Description

산화물초전도선, 솔레노이드코일, 자장발생장치 및 산화물초전도선의 제조방법{OXIDE SUPERCONDUCTING WIRE, SOLENOID COIL, MAGNETIC FIELD GENERATOR, AND METHOD OF PRODUCING OXIDE SUPERCONDUCTING WIRE}

일반적으로 초전도 마그넷장치의 용도로는 자장조차만 발생할 수 있으면, 균일도나 안정도 등을 거의 고려하지 않아도 좋은 용도와, 그 자장의 질, 즉 균일도와 안정도가 문제되는 용도가 있다. 후기하는 바와 같은 고균일(高均一)하고 또한 고안정된 자장은 통상, 물성측정 등의 연구용도나 의료용 자장발생장치등에 사용되고, 고품위의 초전도 마그넷에는 필수적인 기술로서 알려져 있다. 종래 이와 같은 마그넷은 니오브·티탄이나 니오브·주석 등의 금속계 초전도체를 사용하여 제작되고, 엄밀한 가공정밀도로 제작된 선재를 엄밀한 품질관리하에서 조심스럽게 솔레노이드 감기로 만들어져 매우 안정된 전원, 또는 영구전류모드로 운전되어 높은 시간적, 공간적안정도가 제공된다. 그러나 최근 이와 같은 고균일한 자장마그넷장치에 있어서는, 핵자기공명장치 등의 요구에 따라 해마다 발생자장이 향상되고 있어 20T 정도의 마그넷시스템이 출현하고 있다. 그러나 종래의 금속계 초전도체에서는 물성상의 임계자장의 관계로부터 20T 정도의 자장발생이 한도으로서 이것을 크게 넘는 균일자장의 발생에는 산화물초전도체의 응용이 필수이다.

종래 산화물초전도체를 사용한 자장발생장치로서는, 저패니즈저널오브업라이드피직스, 제35권, 1996년, 파트2, L 623-626에 기재되어 있는 바와 같이 테이프형상의 선재를 더블팬케익형상으로 감아 제작한 코일이 알려져 있다. 이 코일은 22T 이상의 종래의 금속계 초전도체에서는 도달불가능한 높은 자장을 발생하는 경우에는 적합하나, 한편 균일한 자장은 낼 수 없다는 문제가 있었다. 그 이유는 도체가 테이프형상이며 이것을 팬케익형상으로 권선한 코일을 적층하여 마그넷이 제작되어 있기 때문이다. 이 문제를 해결하는 방법으로서 도체에 둥근단면형상의 선을 사용하고, 이것을 솔레노이드코일형상으로 권선한 마그넷의 제작이 시도되고 있다. 예를 들어 저널오브머터리얼사이언스, 제30권, 1995년, 제3200-3206페이지에 기재가 있다. 둥근단면을 사용한 선에서는 비교적 높은 자장균일도를 기대할 수 있으나, 임계전류밀도(Jc)가 테이프선과 비교하여 1/5이하로 낮고, 소망하는 자장을 발생할 수 없다는 단점이 있다. 한편 테이프선을 솔레노이드에 감는 방법으로는 자장강도는 확보하기 쉬우나, 테이프선의 외형치수 정밀도의 문제로부터 충분한 균일자장을 확보할 수 없는 문제가 있다.

일반적으로 둥근단면의 선재는 다이스 와이어드로잉으로 제작되기 때문에 테이프가공과 비교하여 미크론단위의 높은 가공정밀도를 확보할 수 있고 균일자장발생에 적합하다. 한편, 테이프선재의 가공에는 롤압연가공이 사용되기 때문에 두께 및 폭의 가공정밀도는 통상 10 마이크로단위의 정밀도가 한계이다. 그 때문에 수천턴의 권선을 행한 경우, 외형상의 가공정밀도의 불량때문에 장소에 따라 권선수가 다른 등의 문제를 일으켜 자장균일도가 저하되는 문제가 있었다. 따라서 높은 전류밀도와 기계가공정밀도를 양립한 새로운 고균일 자장발생용 산화물초전도선재의 개발이 요망되고 있다.

본 발명은 산화물초전도체을 응용한 고자장발생장치에 관한 것으로 특히 고균일성하고 높은 자장을 필요로 하는 기기, 예를 들면 이화학기기나 핵자기공명분석장치, 의료용 MRI장치 등에 가장 적합한 신규의 산화물초전도선을 제공하는 동시에 그것을 사용한 솔레노이드코일, 자장발생장치 및 산화물초전도선의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 제 1 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 2는 제 2 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 3은 제 3 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 4는 제 4 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 5는 제 5 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 6은 제 6 실시예의 산화물초전도선재의 단면구성을 나타내는 도,

도 7은 제 6 실시예의 산화물초전도선재의 제작방법을 나타내는 도,

도 8은 제 9 실시예의 산화물초전도 다중 심선재(6)를 나타내는 도,

도 9는 산화물초전도 다중 심선재(6)의 제작방법을 나타내는 도,

도 10은 평각형상의 산화물초전도 다중 심선재(20)를 나타내는 도,

도 11은 산화물필라멘트(9)의 두께와, 임계전류밀도(Jc)의 관계를 나타내는 도,

도 12는 산화물초전도 다중 심선재(6)의 임계전류밀도(Jc)의 자장의존 특성을 나타내는 도,

도 13은 산화물초전도 다중 심선재(6)의 은(Ag)비를 여러가지의 비율로 하였을 때의 임계전류밀도(Jc)를 나타내는 도,

도 14는 산화물초전도 다중 심선재(6) 및 산화물초전도 다중 심선재(20)에 관하여 단면적을 변화시켰을 때의 임계전류밀도(Jc)를 나타내는 도,

도 15는 초전도분말의 평균입자지름이 1㎛, 3㎛, 4.5㎛, 6㎛의 경우의 임계전류밀도(Jc)의 분포상태를 나타내는 도,

도 16 내지 도 22는 다른 산화물초전도 다중 심선재의 단면의 예를 나타내는 도,

도 23은 제 10 실시예인 솔레노이드코일(13)을 나타내는 도,

도 24는 솔레노이드코일(14)을 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적은 고균일하고 높은 자장을 발생하기 위하여 형상정밀도가 높은 산화물초전도선재를 제공하여 그것을 사용한 솔레노이드코일을 제공하는 것에 있다. 여기서 고균일이란 자장균일도로 0.1% 이하, 바람직하게는 0.01% 이하이고, 고자장이란 22T 이상이다. 이와 같은 자장강도에 있어서는 산화물초전도선재를 사용한 마그넷외에 초전도에 의한 자장발생은 곤란하기 때문에 종래, 균일도가 높은 자장을 발생하는 것은 곤란하였다.

그 주된 원인은 산화물초전도체가 이방성이 큰 물질로서 압연가공 등에 의하여 테이프형상으로 가공된 선재는, 10T 이상의 자장속에서 50∼100A/mm²정도의 실상수준의 코일전류밀도가 발생가능한 선재를 얻을 수 있으나, 와이어드로잉가공만으로 제작한 둥근단면형상의 선재에서는 도체전류밀도로 10∼20 A/mm²정도의 전류밀도밖에 얻어지지 않았기 때문이다.

본 발명의 목적은 선재의 외형상의 가공정밀도를 확보하면서 높은 임계전류밀도를 발생가능한 고균일 자장발생용 산화물초전도선을 제공하고, 그것을 사용한 솔레노이드코일 및 자장발생장치를 제공하는 것에 있다.

산화물초전도선재의 전류밀도를 저하시키는 일 없이 외형상의 가공정밀도를 높이기 위한 본원발명의 특징의 하나는, 산화물계 초전도선에 있어서, 이 선의 길이방향으로 수직한 단면의 외형상이 대략 둥근형상으로 되고, 상기 단면내에 있어서 산화물초전도체를 복수의 테이프형상의 초전도체를 적층한 유닛으로 구성하고, 또한 이 유닛내의 상기 테이프는 상기 단면내에서 테이프면에 대하여 대략 60도의 각도로 길이방향과 수직방향으로 계단형상으로 적층하고, 또한 상기 단면내에 있어서의 상기 유닛의 외형상은 대략 능형상으로 되고, 또 상기 단면을 적어도 3개의 다른 상기 유닛으로 구성하며, 각각의 유닛을 인접하는 유닛과, 테이프의 적층방향이 대략 120도의 기하학적 회전대칭성을 가지게 하고, 또한 상기 능형 단면형상에 있어서의 적어도 한 변이 인접하는 유닛과 접하게 하는 것이다.

이것은 바꿔 말하면 둥근단면형상의 선재의 길이방향에 대하여 수직의 단면을 보았을 때, 산화물의 코어가 단면내에서 기하학적인 배치에 있어서 회전대칭이라고 할 수 있다. 둥근단면에 있어서의 회전대칭성을 발현하기 위해서는, 3회, 4회, 6회 등의 회전대칭성을 생각할 수 있다. 한편, 산화물의 가장 밀집된 충전을 고려하면 코어의 형상은 정삼각형을 기본으로 하는 대칭성이 요망된다. 이들을 종합하면 정삼각형을 2개 합쳐서 만든 능형상으로 3회 회전대칭성을 가지게 하는 것이 가장 효율적인 충전율(단면내의 산화물의 단면적이 차지하는 면적비)이 된다.

본 발명에서는 산화물의 형상을 테이프형상으로 하고, 테이프를 겹쳐 도체를 구성한다. 테이프를 만들 때의 압연의 기계가공정밀도나 다중 심 테이프의 조립정밀도 등의 제약으로부터 이상적인 형상은 용이하게는 얻어지지 않는다. 이 점을 고려하여 대략 60도나 대략 120도로 하였다. 이상으로 하는 형상에 가까울 수록 성능은 높다. 이상상태로부터의 어긋남은 산화물의 형상의 흩어짐을 유발하여 성능을 저하시킨다. 각도의 허용범위는 5도 정도이다. 이것을 넘어서면 성능은 적어도 1/2∼1/3 저하한다.

또 상기 산화물초전도선재의 길이방향으로 직교하는 단면내에서 산화물초전도체가 적층된 테이프형상의 산화물초전도체로 이루어지는 3개의 유닛으로 구성되며, 상기 유닛의 집합체는 가장 밀집한 형상으로 상기 선재단면의 중앙에 집합화되고, 모든 상기 테이프는 적어도 그 한쪽 끝부가 바깥둘레를 구성하는 시스재와 접함으로써 달성할 수 있다. 상기한 회전대칭성은 인접하는 3개의 유닛내에서 대칭성을 유지하면 좋고, 단면내 전체에서 대칭성을 가질 필요는 없다. 대칭성에 구애되는 것은 대칭이 아니면 와이어드로잉가공과 같은 고정밀도의 등방적인 단면축경가공에 있어서 극단적인 형상의 흩어짐이 발생하기 때문이다. 3개가 아니면 안되는 것은 아니나, 3개가 가장 만들기 쉽다. 시스재와 접하는 점에 관해서는 기하학적 특징을 말한 것으로, 본 발명과 직접 관계는 없다.

또 본원발명의 다른 특징점은 상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선 (core wire)으로 구성되는 것이다.

또 본원발명의 다른 특징점은 상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선이고, 또한 트위스트시킨 것이다.

또 본원발명의 다른 특징점은 상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선이고, 또한 트위스트되어 있고, 또 각 테이프 사이에 고저항층을 포함하여 이루어지는 것이다.

또 본원발명의 다른 특징점은 상기 초전도선재에 있어서, 상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선이고, 또한 트위스트되어 있고, 또 각 테이프 사이 및 유닛 사이에 고저항층을 포함하고, 또한 상기 선재가 트위스트된 것이다.

또 본원발명의 다른 특징점은 상기 초전도체가 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂Ox 인 것이 바람직한 것이나, 다른 산화물계 초전도체 예를 들어 (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃Ox,나 탈륨계등의 초전도체에도 널리 적용하는 것이 가능하다.

예를 들어

Bi-Sr-Ca-Cu-O 계

Bi_l.5-2.2-Sr_l.5-2.2-C_U0.5-1.3-O_5-7

Bi_l.5-l.2-Sr_l.5-2.2-Ca_0.5-1.3-Cu_l.5-2.3-O_7-9

Bi_l.5-2.2-Sr_l.5-2.3-Ca_l.5-2.3-Cu_2.5-3.3-O_9-11

Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O 계

(Bi_y-Pb_1-y)_1.5-2.2-Sr_l.5-2.2-C_U0.5-1.3-O_5-7

(Bi_y-Pb_l-y)_1.5-l.2-Sr_l.5-2.2-Ca_0.5-1.3-C_U1.5-2.3-O_7-9

(Bi_y-Pb_l-y)_1.5-2.2-Sr_l.5-2.3-Ca_l.5-2.3-C_U2.5-3.3-O_9-11

y = 0.1∼0.9 등을 이용할 수 있다.

본원발명의 다른 특징은 선재의 단면형상중 외형상을 둥근형상으로 하여 단면내부에 있어서 테이프형상의 초전도체를 대략 능형상이 되도록 적층한 군으로 하고, 상기 군을 조합시켜 전체가 6각형상이 되도록 구성하는 것이다. 구체적으로는 산화물초전도선에 있어서 상기 선의 길이방향에 수직한 단면의 외형상이 대략 둥근형상으로서 상기 단면내에 있어서 산화물초전도체는 복수의 테이프형상의 초전도체를 적층한 유닛으로 구성되고, 또한 상기 유닛내의 상기 테이프는 상기 단면내에서 길이방향과 수직방향으로 계단형상으로 적층되고, 또한 상기 단면내에 있어서의 상기 유닛의 외형상은 대략 다이아모드형상이며, 또한 상기 단면은 적어도 3개의 다른 상기 유닛을 가지고, 각각의 유닛은 인접하는 유닛과, 테이프의 적층방향이 기하학적 회전대칭성을 가지고, 또한 상기 다이몬드형 단면형상에 있어서의 적어도 한 변는 인접하는 유닛과 대향하고 있다.

본 발명의 다른 특징은 복수의 산화물초전도체 필라멘트를 가지는 산화물초전도 테이프선재가 코어부에 회전대칭으로 배치되어 있고, 산화물초전도체 필라멘트는 단면의 평균두께가 3㎛ 내지 20㎛이고, 또한 단면의 애스펙트비의 평균이 2 이상 10 이하인 것에 있다. 산화물초전도 테이프선재를 회전대칭으로 배치하는 것은 다중 심 테이프선재를 가장 바깥둘레의 금속시스가 되는 제 3 금속파이프에 충전할 때 행한다.

이 특징에 의하면 다중 심 테이프선재가 회전대칭으로 배치되어 있기 때문에, 산화물초전도체 필라멘트중의 산화물초전도체의 c 축이 여러가지의 방향을 향한다. 따라서 자장의 인가방향에 의하지 않고 임계전류의 저하를 억제할 수 있고, 또한 산화물초전도체 필라멘트가 가장 적합한 크기이기 때문에, 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다. 산화물초전도체는 비스무트계 산화물초전도체가 좋고, 특히 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X조성이 좋다.

또 은 또는 은합금의 금속시스를 사용하여 금속시스의 비율을 산화물초전도체 필라멘트에 대하여 3 이상 7이하로 하면, 임계전류밀도(Jc)를 더욱 높게 할 수 있다.

또 외형이 평각인 산화물초전도선에서는 단면의 애스펙트비가 1 이상 6 이하로 하면 된다.

또 평균입자지름을 3㎛ 이하의 분말인 산화물초전도체 또는 산화물초전도체의 원료를 사용하면, 종래의 테이프형상의 산화물초전도선재와 동등한 통전특성이고, 또한 길이가 긴 산화물초전도선을 얻을 수 있다.

본 발명의 산화물초전도선은 종래의 테이프형상의 산화물초전도선과 비교하여 용이하게 가공정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 본 발명의 산화물초전도선을 사용한 솔레노이드코일은 종래의 테이프형상의 산화물초전도선재를 사용한 팬케익코일보다도 축방향 및 둘레방향에서 코일형상의 어긋남이 작다. 따라서 본 발명의 산화물초전도선을 사용한 솔레노이드코일은 높고 또한 균일한 자장을 발생할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명하나 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

(실시예 1)

도 1에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지며, 은시스(1)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 필라멘트로 구성되어 있다. 여기서 테이프형상의 필라멘트는 7매씩, 3개의 유닛으로 나누어 적층되어 있으나, 각 유닛내에서는 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때 길이방향으로 수직한 단면으로 정확히 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같은 능형단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 전체가 구성되고, 전체로서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다. 실시예중의 테이프형상이 아닌 부분 도 1의 검은 테이프부 이외는 은시스로 구성되어 있다.

또한 이 실시예에서는 7매의 테이프를 적층하였으나, 적층하는 매수에 관해서는 사용하는 재료의 가공성이나 초전도체의 체적율 등, 용도에 따라 설계상의 소망의 수로 하면 되며, 특별히 한정되는 것이 아니다. 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10 내지 100 mm로 할 수 있다. 선재의 외경이 1∼2 mm가 바람직한 이유는, 초전도코일 등으로 일반적으로 사용되는 치수이며, 이것으로 임계전류가 1000A 정도가 된다. 너무 크면 코일권선이 곤란한 외에 전류치가 너무 많아 곤란하게 된다. 또 교류용도로서 피치가 10∼100 mm가 바람직한 이유는 상용주파수 50∼60Hz에 있어서 교류손실을 0.1W/m 이하로 억제하기 위하여 필요하기 때문이다.

(실시예 2)

도 2에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지며, 은시스(1)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 필라멘트로 구성되어 있다. 여기서 테이프형상의 필라멘트는 7매씩, 3개의 유닛으로 나누어눠 적층되며, 실시예 1과 같이 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때, 길이방향으로 수직한 단면으로 정확히 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같한 능형 단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 유닛이 구성되며, 3개의 유닛을 조합시킨 전체에서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다. 본선재는 이 3개의 유닛을 1세트로 한 육각형의 외형상을 1세그먼트로 하고, 이 세그먼트를 모두 7세트, 조밀하게 조립하여 이루어진다. 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또한 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10∼100mm로 할 수 있다. 여기서 「조밀하게 조립하여 이루어진다.」란, 벌집형상으로 조립하는 것을 말한다.

(실시예 3)

도 3은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지며, 은시스(1)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 필라멘트로 구성되어 있다. 여기서 테이프형상의 필라멘트는 7매씩 3개의 유닛으로 나누어 적층되고, 실시예 1과 같이 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때, 길이방향으로 수직한 단면으로 정확히 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같은 능형 단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 세그먼트가 구성되고, 3개의 유닛을 조합시킨 전체에서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또한 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다. 본선재는 이 3개의 유닛을 1세트로 한 육각형의 외형상을 1세그먼트로 하고, 이 세그먼트를 모두 55세트, 가장 조밀하게 조립하여 이루어진다. 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10∼100mm로 할 수 있다.

(실시예 4)

도 4에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지고, 은시스(l)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 필라멘트로 구성되어 있다. 여기서 테이프형상의 필라멘트는 7매씩, 3개의 유닛으로 나누어 적층되고, 실시예 1과 같이 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때, 길이방향으로 수직한 단면으로 정확하게 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같은 능형 단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 세그먼트가 구성되며, 3개의 유닛을 조합시킨 전체에서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다. 본선재는 이 3개의 유닛을 1세트로 한 육각형의 외형상을 1세그먼트로 하고, 이 세그먼트를 모두 48세트, 조밀하게 조립하여 이루어진다. 또한 선재단면내에서의 중앙부에는 선재의 열적안정성과 기계적강도를 높이는 것을 목적으로 금속층(3)을 설치하고 있다. 이 금속층에는 예를 들어 은 외에 은 0.5중량% Mg합금등의 은보다 기계강도가 높은 또한 은과 대략 동등한 열전도성을 가지는 물질을 사용할 수 있다. 또한 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10∼100mm로 할 수 있다.

(실시예 5)

도 5에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지고, 은시스(1)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 필라멘트로 구성되어 있다. 여기서 테이프형상의 필라멘트는 7매씩 3개의 유닛으로 나누어 적층되고, 실시예 1과 같이 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때 길이방향으로 수직한 단면으로 정확하게 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같은 능형 단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 세그먼트가 구성되며, 3개의 유닛을 조합시킨 전체에서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다. 본선재는 이 3개의 유닛을 1세로로 한 육각형의 외형상을 1세그먼트로 하고, 이 세그먼트를 모두 55세트, 가장 조밀하게 조립하여 이루어진다. 또한 이 선재의 가장 바깥둘레(4)는 은 0.5중량% Mg 합금으로 이루어지는 강화은합금으로 구성되고, 선재의 허용응력을 200 MPa로 높이고 있다. 이 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10∼100mm로 할 수 있다.

(실시예 6)

도 6에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명의 산화물초전도 선재는 드로잉가공으로 얻은 균일한 둥근단면의 외형을 가지고, 은시스(1)는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X초전도체(2)로 이루어지는 테이프형상의 다중 심테이프선재(5)를 내포한 구성이다. 여기서 각 테이프형상 선재는 7매씩 3개의 유닛으로 나누어 적층되어 있으나, 각 유닛내에서는 계단형상으로 단차를 붙이면서 적층하는 것으로 7매를 적층하였을 때, 길이방향으로 수직한 단면으로 정확하게 능형이 되도록 구성되어 있다. 또 이와 같은 능형 단면형상의 적층체를 1개의 유닛으로 하고, 이것을 3개로 묶어 모두 21심으로 전체가 구성되며, 전체로서는 정육각형의 단면형상으로 이루어진다. 또 이 단면을 구성하는 3개의 유닛은 각각 120도의 기하학적인 회전대칭성을 가지고 있다.

또한 이 실시예에서는 7매의 테이프선재를 적층하였으나, 적층하는 매수에 관해서는 사용하는 재료의 가공성이나 초전도체의 체적율 등, 용도에 따라 설계상의 소망하는 수로 하면 되고, 특별히 한정되는 것이 아니다. 선재의 외형은 1∼2 mm 정도가 바람직하나, 용도에 따라 적절한 단면적의 선재로 하면 된다. 또 교류용도 등에 사용하는 경우에는 꼬임피치로 10∼100mm로 할 수 있다.

(실시예 7)

도 7에 본 발명의 선재의 제조방법의 일 실시예를 나타낸다. 미리 합성한 산화물초전도체의 분말을 은이나 은합금 등의 시스재(제 1 은파이프) 에 충전하고,이것을 와이어드로잉가공하여 단심선재를 얻는다. 필요하면 이것을 다시 다중 심으로 조립하고, 다시 와이어드로잉가공을 실시하여도 된다. 이와 같이 하여 얻은 선재를 압연가공기에 의하여 두께 0.1∼0.3 mm, 폭 2∼5 mm의 테이프형상으로 가공하여 이것을 테이프의 두께방향으로 7매 적층하였다. 이것을 도 1에 나타내는 것 같은 기하학적 배치로 다른 은파이프중에 조립하여 정수압 압출가공후, 다시 와이어드로잉가공을 실시하고 외형으로 0.5∼2 mm, 길이 100m∼1 km의 긴의 선재를 얻었다.

또한 최종의 가공에는 소망하는 외형상을 얻기 위하여 특별히 치수교정된 특별한 다이아몬드다이스를 사용하였다. 이에 따라 균일자장을 발생시키기 위하여 필요한 외형상(예를 들어, 솔레노이드코일의 형상)을 와이어드로잉가공에 의해 용이하게 얻을 수 있었다.

본 실시예에 있어서 압연가공기에 의하여 두께 0.1∼0.3 mm, 폭 2∼5 mm로 하고 있으나, 이와 같이 하면 조합시킬 때 능형을 만들기 쉽다. 또 취급하기 쉽다. 이 경우 애스펙트비가 10 이상이 바람직하다. 만약에 애스펙트비가 10 이상이 아닌 경우, 임계전류밀도는 1/2 이하로 저하되어 버린다.

(실시예 8)

실시예 2의 선재를 사용하여 알루미나 슬리브를 절연재로서 내경 60 mm, 외경 130 mm, 높이 600 mm의 솔레노이드 코일을 제작하여 이것을 870∼885℃에서 10∼30분간 부분용융 열처리하였다. 열처리후 800℃, 5% 산소-95%아르곤가스중에서 캐리어농도조정을 행한 후, 에폭시수지로 함침·보강하였다.

또한 제 1 비교예로서 테이프형상으로 가공한 선재를 권선하여 이루어진 내경 60mm, 외형 130mm, 높이 15mm의 더블팬케익 코일을 제작하여 이것을 40개 적층한 적층더블팬케익 코일을 조립하였다. 또 제 2 비교예로서 와이어드로잉가공에 의해 얻은 둥근단면형상의 산화물초전도부를 가지는 둥근단면 외형의 단심인 Bi-2212계 산화물초전도 은시스선재를 제작하고, 이것을 사용하여 알루미나 슬리브를 절연재로 하여 내경 60mm, 외형 130mm, 높이 600mm의 솔레노이드코일을 제작하였다. 비교예 1에서는 40개의 코일을 적층하여 1개의 마그넷이 구성된다. 이 때문에 높은 자장을 낼 수 있으나 자장의 균일성이 떨어지게 된다.

또 제 2 비교예로서 와이어드로잉가공에 의해 얻었다. 둥근단면형상의 산화물초전도부를 가지는 둥근단면 외형의 단심인 Bi-2212계 산화물초전도 은시스선재를 제작하고, 이것을 사용하여 알루미나 슬리브를 절연재로 하여 내경 60mm, 외경 130mm, 높이 600mm의 솔레노이드코일을 제작하였다. 이들 코일은 21T의 백업자장속에서 4.2K에 있어서 코일성능을 평가하였다. 코일성능의 비교를 표 1에 나타낸다.

	코일전류밀도(A/㎟)	자장균일도(%)	발생자장(T)(21T중)	운전전류(A)
본 발명	100	0.01	3.3	250
비교예 1	125	0.3	3.8	280
비교예 2	25	0.01	0.8	30

여기서 코일전류밀도란 코일단면적당의 전류밀도, 자장균일도는 코일중심의 지름 30mm내에서의 자장의 변동율, 발생자장은 코일중심에서의 값, 운전전류는 최대통전 전류치로 정의하였다. 제 1 비교예(비교예 1)는 발생자장강도의 점에서는본 발명보다 우수하나, 40개의 더블팬케익의 감김수의 오차가 크고, 균일한 자장을 발생할 수 없다. 이것은 테이프선재의 두께의 가공정밀도가 불충분하기 때문이다. 테이프두께는 0.1∼0.3mm 정도의 범위내이나, 두께의 오차는 10% 정도인 것에 의한다. 한편, 제 2 비교예(비교예 2)에서는 둥근단면의 선재를 사용하고 있기 때문에 외형상의 가공정밀도가 뛰어나고, 발생하는 자장의 균일도가 뛰어나지만, 산화물의 결정배향성이 충분하지가 않기 때문에 발생자장이 낮다는 단점이 있다.

본 실시예에서는 선재의 외형은 둥근단면이기 때문에 높은 자장균일도를 얻을 수 있고, 또한 선재의 일단면내에 있어서의 산화물부분은 테이프형상을 가지며, 테이프면을 따른 c축의 결정배향에 의해 높은 초전도특성을 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 권선후 열처리하는 W R 법에 의한 마그넷의 일례를 나타내었으나, 선재를 열처리후에 권선하는 R W 법에 의한 마그넷에 있어서도 마찬가지로 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 이 경우, 절연재에는 에나멜이나 홀말피복을 사용할 수 있고, 솔레노이드코일을 권선함으로써 마찬가지로 균일자장을 발생할 수 있다. 즉 R W 법에 의한 마그넷에서는 열처리후에 벤딩가공을 행하기 때문에 선재에 권선에 의한 손상이 생겨 성능이 저하된다. 그러나 절연재를 얇게 할 수 있거나 열처리에 의한 코일의 변형을 방지할 수 있는 등의 장점이 있다. 선재의 대미지를 무시하면 균일도를 취하기 위해서는 오히려 유리한 방법이다. 지금까지는 둥근선재에서 높은 특성을 가지는 선재가 없었다. 본 발명에 의해 고자장속에서 임계전류밀도(Jc)가 높은 선재를 둥근 단면형상으로 얻을 수 있었다. 둥근 형상은 가공정밀도가 좋고, 또 솔레노이드형상으로 하면 균일한 자장발생이 가능해진다. 본 발명에 의하여 높은 자장균일도와, 2T 이상의 자계발생을 21T 이상의 자장속에서 동시에 달성할 수 있는 것이 처음으로 가능해져 산화물초전도 마그넷장치를 응용한 각종 분석장치, 예를 들어 이화학실험장치, 각 자기공명분석장치, 의료용 MRI장치 등이 가능하게 되었다.

(실시예 9)

도 8에 본 발명의 제 9 실시예인 산화물초전도 다중 심선재(6)를 나타낸다. 산화물초전도 다중 심선재(6)는 길이방향으로 수직한 단면이 회전대칭이 되도록 37심 테이프선재(5)를 조합시켜 은시스(1)로 덮은 것이다. 본 실시예에서는 37심 테이프선재(5)를 6개 1세트로 적층한 세그먼트(7)를 3회의 회전대칭으로 배치하여 육각형의 코어(8)를 형성한다. 37심 테이프선재(5)는 37개의 산화물초전도 필라멘트 (9)를 은시스(10)로 덮어 테이프형상으로 한 것이다. 따라서 1개의 산화물초전도다중 심선재(6)에는 37 ×6 ×3 = 666의 산화물초전도 필라멘트(9)가 사용되고 있다. 산화물초전도 필라멘트(9)의 수에 있어서는 사용할 때의 선재의 형상에 의하여 적절하고, 가장 적합한 수로 하는 것이 바람직하다.

(제조 방법)

본 실시예의 산화물초전도 다중 심선재(6)의 제조방법을 설명한다. 먼저, 산화물초전도 필라멘트(9)가 되는 부분을 만든다.

(1) 순도가 99%이상의 산화스트론튬(SrO), 산화칼슘(CaO) 및 산화구리(CuO)의 각 산화물을 출발원료로 하고, 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 구리(Cu)의 원자몰비가 각각 2.0 : 1.0 : 2.0 의 조성이 되도록 칭량하고, 그들의 혼합체를 제작한다. 이혼합체를 원심볼밀에 넣어 20분간에 걸쳐 혼합한다.

(2) 혼합체에 대기중에 있어서 900℃에서 20시간에 걸치는 열처리를 행한다.

(3) 열처리한 혼합체를 실온까지 냉각한 후, 다시 원심볼밀에 넣어, 20분간에 걸쳐 분쇄, 혼합하여 분말상태로 한다.

(4) 얻어진 분말에 비스무트(Bi), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 구리(Cu)의 원자 몰비가 각각 2.0 : 2.0 : 1.0 : 2.O의 조성이 되도록 산화비스무트(Bi₂O₃)를 칭량하여 첨가하고 혼합체를 원심볼밀에 넣어 20분간에 걸쳐 혼합한다.

(5) 얻어진 분말을 대기중에 있어서 800 내지 850℃의 온도에서 10시간에 걸쳐 열처리를 행하여 초전도분말을 제작한다.

이 초전도분말은 분말X선회절의 결과 및 주사형 전자현미경(SEM)의 관찰결과에 의하면 초전도상 이외에 산화스트론튬(SrO), 산화구리(CuO)외에 동정할 수 없는 미반응의 비초전도상도 약간 인정되었다.

(6) 이 초전도분말을 원심볼밀에 넣어 평균입자지름이 3㎛ 이하가 되도록 분쇄 및 혼합하여 초전도 미세분말을 제작한다.

(7) 얻어진 초전도 미세분말을 외경 21.0mm, 내경 17.5mm의 원형의 단면형상을 가지는 제 1 순은파이프에 충전한다.

(8) 이 제 1 순은(Ag)파이프를 드로아웃벤치를 사용하여 단면감소율 11 내지 13%의 신선가공을 실시하여 외경 2.5mm가 될 때까지 지름을 축소한다. 이로써 산화물초전도 필라멘트(9)가 되는 부분이 생긴다.

다음에 37심 테이프선재(5)를 만든다.

(9) 지름을 축소한 제 1 순은(Ag)파이프를 길이방향으로 37등분이 되도록 절단한다. 절단한 37개의 제 1 순은(Ag)파이프를 외경 21.0mm, 내경 18.2mm의 원형단면을 가지는 제 2 순은(Ag)파이프로 조립한다. 이 때의 조립개수는 용도에 따라 증감할 필요가 있다.

(10) 이 제 2 순은(Ag)파이프를 드로아웃벤치를 사용하여 단면감소율 11 내지 13%의 신선(伸線)가공를 실시하여 외경 1.5 내지 2.0mm가 될때 까지 지름을 축소한다.

(11) 지름을 축소한 제 2 순은(Ag)파이프에 압연가공을 실시하여 두께가 0.10 내지 0.50mm의 범위내, 폭이 1.0∼5.0mm의 범위내의 편평한 단면형상을 가지는 37심 테이프선재(5)로 한다.

다음에 37심 테이프선재(5)를 사용하여 산화물초전도 다중 심선재(6)를 만든다.

(12) 37심 테이프선재(5)를 18개로 절단하여 이것을 6개 1세트로 하여 3세트로 나누어 각각을 능형상으로 적층시켜 세그먼트(7)를 만든다. 3세트의 세그먼트 (7)를 외경 21.0mm, 내경 18.2mm의 제 3 순은(Ag)파이프로 조립한다. 이때 3세트의 세그먼트(7)를 3회의 회전대칭이 되도록 배치한다. 동일사이즈의 37심 테이프선재 (5)를 사용하기 때문에 산화물초전도 다중 심선재(6)의 제조공정을 단축할 수 있고, 또한 비용을 저감할 수 있다.

비스무트계 산화물초전도체는 열처리에 의해 c축에 대하여 수직하게 결정립이 성장하는 성질을 가지고 있기 때문에, c축으로 평행한 자장속에서는 임계전류가 저하한다는 물성을 가진다. 37심 테이프선재(5)를 회전대칭성으로 배치하면 자장의 인가방향에 의하지 않고 임계전류의 저하를 억제할 수 있다.

(13) 37심 테이프선재(5)가 조립된 제 3 순은(Ag)파이프를 외경 0.75 내지 2.5mm의 범위내로 신선가공하여 산화물초전도 다중 심선재(6)가 생긴다. 제 3 순은(Ag)파이프가 은시스(1)로, 제 1 은파이프 및 제 2 은파이프가 은시스(10)로, 제 1 은파이프에 충전된 산화물초전도체가 산화물필라멘트(9)로 된다. 이 산화물필라멘트(9)의 두께나 애스펙트비는 조립시의 테이프선재를 가장 적합한 것으로 함으로써 소망하는 형상으로 할 수 있다. 신선가공 및 압연가공은 선재의 단면형상을 소망하는 것으로 함과 동시에, 산화물필라멘트(9)를 고밀도화한다. 또한 압연가공시에 선재의 길이방향으로의 신장을 최소한으로 억제하고, 폭방향으로의 신장을 촉진시킴으로써 산화물필라멘트(9)의 고밀도화를 더 한층 촉진할 수 있다.

산화물초전도 다중 심선재(6)에 필요에 따라 롤압연이나 카세트롤러다이스 등의 가공을 행함으로써 도 10에 나타내는 바와 같은 평각형상의 산화물초전도 다중 심선재(11)로 할 수 있다.

다음에 산화물초전도 다중 심선재(6)에 열처리를 실시하여 초전도특성을 부여한다.

(14) 산화물초전도 다중 심선재(6)를 순산소(산소분압이 1 atm)중에 있어서 산화물필라멘트(9)의 산화물초전도체(본 실시예에서는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X)의 분해온도보다 약간 높은 온도인 875 내지 900℃ 범위내의 온도에서 5 내지 60분의 범위내에 걸치는 열처리를 행하여 산화물초전도체를 부분용융시키고, 그후 실온까지 냉각한다. 이에 따라 산화물초전도 다중 심선재(6)가 초전도특성을 가지게 된다.

또 필요에 따라 1 내지 20%(산소분압이 0.01 내지 0.2 atm)의 산소농도분위기중에 있어서, 산화물초전도체의 분해온도보다 약간 낮은 온도인 800 내지 840℃ 범위내의 온도에서 5 내지 50시간의 범위내에 있어서의 어닐링처리를 행하여도 좋다.

본 실시예에서는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X조성의 산화물초전도체의 원료분말에는 비스무트(Bi)화합물, 스트론튬(Sr)화합물, 칼슘(Ca)화합물 및 구리(Cu)화합물을 사용하나, 필요에 따라 납(Pb)화합물이나 바륨(Ba)화합물을 사용하여도 좋다. 각 원료분말은 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염, 붕산염, 초산염 등의 것이 사용된다. 또한 비스무트(Bi)계 이외의 산화물초전도체도 적용가능하고, 일례로서는 탈륨(Tl)계초전도체, 수은(Hg)계 초전도체 등도 사용할 수 있다.

금속시스재는 열처리에 있어서 부식 등을 일으키지 않는 은이나 은합금으로 하는 것이 바람직하다. 은합금화에는 금(Au), 안티몬(Sb), 백금(Pt), 마그네슘 (Mg), 티탄(Ti), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al)등을 사용하는 것이 바람직하다.

또 산화물초전도분말을 합성하거나, 중간소성을 행하거나 할 때의 열처리는 700 내지 950℃범위내의 온도에서 행하여진다. 또 필요에 따라 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X로 이루어지는 조성에 제 3 원소를 첨가, 또는 치환하여 얻어진 산화물초전도체를 부분용융온도이상으로 가열한 후, 이것을 냉각하는 과정에 있어서 초전도상의 결정립내에 비초전도상을 분산시켜 핀닝력을 높이는 방법을 사용하여도 좋다.

또한 본 실시예에서는 산화물초전도 다중 심선재(6)를 형성하기 위하여 파우더인튜브법을 이용하고 있으나, 다른방법 예를 들어 로드인튜브법, 닥터블레이드법, 딥코트법, 스프레이파일로리시스법, 스크린인쇄법 또는 젤리롤법 등을 사용하여도 좋다.

이상과 같게 하여 제작한 산화물초전도 다중 심선재(6)에 관하여 초전도특성을 측정한다.

(측정결과 1)

표 2에 산화물필라멘트(9)의 평균두께를 1.5㎛ 내지 40㎛의 범위내로 하고, 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하여 산화물초전도 다중 심선재(6)의 임계전류밀도(Jc)를 측정한 결과를 나타낸다.

산화물필라멘트(9)의 평균두께가 3㎛ 내지 20㎛의 범위내에 있어서는 230 내지 260A/mm²의 임계전류밀도(Jc)를 얻을 수 있었다. 그러나 3㎛ 이하의 경우 및 25㎛ 이상의 경우에는 임계전류밀도(Jc)는 저하하는 경향이 인정되었다.

따라서 산화물필라멘트(9)의 평균두께는 3㎛ 내지 20㎛의 범위내로 선택하면 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다.

산화물필라멘트의 평균두께(㎛)	1.5	2.5	3	5	10	15	20	25	40
Jc(4.2K, 0T)(A/㎟)	150	185	230	245	235	260	248	190	180

(측정결과 2)

도 11에 산화물초전도 다중 심선재(6)에 포함되는 산화물필라멘트(9)중, 50% 이상을 차지하는 산화물필라멘트(9)의 두께와, 임계전류밀도(Jc)의 관계를 나타낸다.

도 11에 나타내는 바와 같이 산화물초전도 다중 심선재(4)에 포함되는 산화물필라멘트(9)중 50% 이상의 산화물필라멘트(9)를 3㎛ 내지 15㎛의 범위내로 함으로써 안정되게 230A/mm²의 임계전류밀도(Jc)가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

(측정결과 3)

표 3에 산화물필라멘트(9)의 평균 애스펙트비를 1∼20의 범위내로 하고, 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하여 임계전류밀도(Jc)를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서의 애스펙트비는 산화물필라멘트(9)의 종횡비로 하였다. 산화물필라멘트(9)의 평균 애스펙트비가 2∼10의 범위내에 있어서는 225A/mm²내지 245A/mm²의 임계전류밀도(Jc)를 얻을 수 있었다. 그러나 그 범위밖의 애스펙트비에서는 임계전류밀도(Jc)는 저하하는 경향이 인정되었다.

따라서 산화물필라멘트(9)의 평균 애스펙트비는 2∼10으로 선택하면 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다.

산화물필라멘트의 평균두께(㎛)	1	1.5	2	2.5	5	7.5	10	12.5	20
Jc(4.2K, 0T)(A/㎟)	150	185	225	245	225	230	240	190	190

또한 산화물필라멘트(9)의 애스펙트비가 2∼10 범위내의 산화물필라멘트(9)를 90% 이상으로 함으로써 산화물초전도 다중 심선재(6)의 길이가 50m 이상이어도 안정되게 200A/mm²이상이 높은 임계전류밀도(Jc)가 얻어지는 것을 실험적으로 확인하였다.

(측정결과 4)

표 4에 평각형상의 산화물초전도 다중 심선재(20)의 애스펙트비(외형의 종횡의 비)를 1∼30의 범위내로 하고, 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하여 임계전류밀도(Jc)를 측정한 결과를 나타낸다. 애스펙트비가 1∼15의 범위내에 있어서는 220A/mm²내지 250A/mm²의 임계전류밀도(Jc)를 얻을 수 있었다. 그러나 애스펙트비가 6을 넘어서면 임계전류밀도(Jc)는 포화하는 경향이 있다. 또 산화물초전도 다중 심선재(6)를 평각형상으로 가공할 때 애스펙트비가 6을 넘어서면 단선이 많이 생기기 때문에 매우 제조가 어렵게 된다.

따라서 산화물초전도 다중 심선재(20)의 애스펙트비를 1∼10로 선택하면 된다.

산화물필라멘트의 평균두께(㎛)	1	2	4	5	6	8	12	16	20
Jc(4.2K, 0T)(A/㎟)	220	225	235	245	250	240	250	245	245

(측정결과 5)

도 12에 산화물초전도 다중 심선재(6)의 임계전류밀도(Jc)의 자장의존 특성을 나타낸다. 실선은 산화물초전도 다중 심선재(6)의 특성이며, 점선은 비교예 선재로 산화물필라멘트(9)의 형상을 테이프형상으로 하지 않고 둥글게 한 산화물초전도 다중 심선재의 특성이다.

도 12에 나타내는 바와 같이 온도 4.2K에서 인가자장을 제로일 때의 임계전류밀도(Jc)는, 산화물초전도 다중 심선재(6)로서는 250A/mm²가 얻어진 것에 대하여 비교예 선재는 180A/mm²였다. 또 온도 4.2K에서 인가자장이 20T일 때의 임계전류밀도(Jc)는, 산화물초전도 다중 심선재(6)에서는 125A/mm²가 얻어진 것에 대하여, 비교예 선재는 40A/mm²였다. 이 결과로부터 각 인가자장속에 있어서의 임계전류밀도(Jc)는, 비교예 선재와 비교하여 산화물초전도 다중 심선재(6)쪽이 분명히 높은 것을 확인할 수 있었다.

(측정결과 6)

도 13에 산화물초전도 다중 심선재(6)의 은(Ag)비를 여러가지의 비율로 하였을 때의 임계전류밀도(Jc)를 나타낸다. 여기서, 은(Ag)비는 산화물초전도 선재(4)의 단면내에 차지하는 산화물필라멘트(9)의 비율을 1로 하였을 때의 금속매트릭스은(Ag)의 비율이다. 도 13에 있어서 세로축은 A/mm²로 표시하는 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하였을 때의 임계전류밀도(Jc)이며, 가로축은 은비를 나타낸다.

도 13에 나타내는 바와 같이 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하였을 때의 임계전류밀도(Jc)는 은(Ag)비가 3∼7의 범위내에서는 220A/mm²내지 245A/mm²범위내를 얻을 수 있었다. 그러나 그 범위밖의 은(Ag)비의 선재는 임계전류밀도(Jc)가저하하는 것을 확인할 수 있었다.

이상의 결과로부터 산화물초전도 다중 심선재(6)의 은(Ag)비를 3∼7로 선택하면 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다.

(측정결과 7)

도 14에 둥근형상의 산화물초전도 다중 심선재(6) 및 평각형상의 산화물초전도 다중 심선재(20)에 관하여 단면적을 변화시켰을 때의 임계전류밀도(Jc)를 나타낸다.

도 14에 나타내는 바와 같이 온도 4.2K에서 인가자장을 제로로 하였을 때, 단면적이 1mm²보다도 작은 경우에는 임계전류밀도(Jc)가 200A/mm²이하였다. 그러나 단면적이 1mm²를 넘어서면 230A/mm²이상의 임계전류밀도(Jc)를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상의 결과로부터 산화물초전도 다중 심선재(6) 및 산화물초전도 다중 심선재(20)의 단면적을 1mm²이상으로 선택하면 임계전류밀도(Jc)를 높게 할 수 있다.

(측정결과 8)

도 15에 제 1 순은(Ag)파이프에 충전하는 초전도분말의 평균입자지름을 3㎛, 1㎛, 3㎛, 4.5㎛, 6㎛로 하여 온도 4.2K에서 인가자장이 제로일 때의 산화물초전도다중 심선재(6)의 길이방향에 있어서의 임계전류밀도(Jc)의 분포상태를 나타낸다. 전압단자간 거리를 30mm로 한다.

도 15에서 분명한 바와 같이, 초전도분말의 입자지름이 커짐에 따라 각 부의임계전류밀도(Jc)의 분포가 넓어지고, 불균질해지는 것이 확인되었다. 구체적으로는 초전도분말의 평균입자지름을 6㎛의 경우는 임계전류밀도(Jc)가 가장 높은 부분이 270A/mm²였으나, 임계전류밀도(Jc)가 가장 낮은 부분에서는 190A/mm²까지 저하되어 있었다.

또 초전도분말의 평균입자지름을 4.5㎛의 경우는 임계전류밀도(Jc)가 가장 높은 부분이 290A/mm²이나, 임계전류밀도(Jc)가 가장 낮은 부분에서는 200A/mm²였다. 한편, 초전도분말의 평균입자지름이 1㎛ 및 3㎛의 경우는 각 부의 임계전류밀도(Jc)는 240 내지 290A/mm²의 범위내로 수습되어 균질성이 향상하고, 또한 높은 값의 임계전류밀도(Jc)를 얻을 수 있음이 확인되었다.

이들 산화물초전도 다중 심선재(6)의 횡단면의 조직을 주사형전자현미경으로 관찰한 바, 초전도분말의 평균입자지름을 크게 함에 따라 비초전도상도 조대화하고 있음을 알 수 있었다. 이 조대화한 비초전도상이 석출되어 있는 부분에서는 조대화한 비초전도상이 전류패스를 차단하기 때문에 임계전류밀도(Jc)가 낮아진다고 생각된다.

따라서 제 1 금속파이프에 충전되는 초전도체분말의 평균입자지름은, 3㎛ 이하까지 분쇄한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 평균입자지름이 3㎛ 이하의 초전도체분말을 사용함으로써, 종래의 테이프형상의 산화물초전도 선재와 동등한 통전특성으로 또한 길이가 긴 산화물초전도 다중 심선재(6)를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 37심 테이프선재(5)를 적층한 세그먼트(7)를 3회의 회전대칭으로 배치하여 육각형의 코어(8)를 형성하였으나, 도 16∼도 13에 나타내는 바와 같이 복수의 37심 테이프선재(5)를 배치하여도 좋다. 이들과 같은 적층구조로 한 경우, 산화물필라멘트(9)가 다방향을 향하고 있기 때문에, 이방성이 작은 선재가 되고, 자장의 인가방향에 의하지 않고 임계전류의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 또 도 2∼도 5에 나타내는 바와 같이 조밀하게 배치하여도 된다.

또 도 18에 나타내는 바와 같이 산화물초전도 다중 심선재(6)의 중심에 은 (Ag) 또는 은(Ag)을 주성분으로 하는 은(Ag)합금의 제 4 금속파이프 또는 금속선 (12)을 배치하여도 좋다. 산화물초전도 다중 심선재(6)의 중심에 배치되는 산화물필라멘트(9)는 압연가공하여도 표면부에 위치하는 산화물필라멘트(9)와 비교하여 치밀성이 낮기 때문에 산화물필라멘트(9) 대신에, 산화물초전도 다중 심선재(6)의 중심에 제 4 금속파이프 또는 금속선(12)을 배치하여도 임계전류(Ic)가 크게 변화되는 일은 없다. 실제로 산화물필라멘트(9), 금속파이프 또는 금속선(12)에 의하지 않고 임계전류밀도(Jc)의 유의차는 거의 관찰되지 않았다. 또한 제 4 금속파이프를 배치함으로써 기계강도의 향상을 가능하게 하고, 또한 단면형상의 균질화도 달성할 수 있음도 실험적으로 확인하였다. 또 꼬임선도체를 제조하기 위하여 산화물초전도 다중 심선재(6)에 꼬임을 실시하여도 중심은 실질적으로는 꼬여있지 않고, 교류손실의 저감에는 실질적으로 관여하지 않기 때문에 산화물필라멘트(9)일 필요성은 없다.

또 제 3 금속파이프의 내경측의 형상을 둥글게 한정하지 않고 다각형으로 하여도 좋고, 다각형으로 하면 37심 테이프선재(5)의 충전밀도가 향상한다는 장점도있다. 충전밀도를 가장 높게 할 수 있어 단면형상의 흩어짐을 방지할 수 있기 때문에 육각형으로 하는 것이 가장 적합하다.

이상에서 설명한 산화물초전도 다중 심선재를 초전도기기에 널리 이용할 수 있다. 예를 들어 초전도송전케이블, 부스바, 긴 도체, 영구전류스위치소자, 대형마그넷, 핵자기공명분석장치, 의료용 자기공명진단장치, 초전도전력저장장치, 자기분리장치, 자장속 단결정인상장치, 냉동기냉각 초전도마그넷장치, 초전도에너지저장, 초전도발전기, 핵융합로용 마그넷, 가속기, 전류리드, 전류제한기 등에 이용할 수 있으며, 이들의 기기를 고효율화할 수 있다.

또 본 발명의 산화물초전도 다중 심선재의 냉각에는 액체헬륨 이외에도 액체질소나 냉동기를 사용하는 것이 가능하게 되기 때문에, 장치의 운전비용의 저감, 쿠엔치(초전도상태로부터 상전도상태로의 전이가 급격하게 일어나 파괴되는 현상)방지를 위한 조치의 간략화 등을 할 수 있고, 비용을 대폭 저감할 수 있다. 또 동시에 초전도특성의 신뢰성을 높일 수 있다.

(실시예 10)

다음에 본 발명의 제 10 실시예인 솔레노이드코일을 설명한다. 도 23에 지름 1.5mm의 둥근형상의 산화물초전도 다중 심선재(6)를 내열성금속의 보빈(6)에 감아 제작한 내경 35mm, 외경 70mm, 높이 150mm의 솔레노이드코일(11)을 나타낸다. 솔레노이드 코일(11)을 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X조성의 산화물초전도체의 분해온도보다 약간 높은 온도인 890℃의 온도에서 10분간 유지하여 산화물초전도체를 부분용융시키고,그후 실온까지 냉각함으로써 초전도특성을 부여하였다. 또한 초전도특성을 높일 목적으로 800℃의 온도에서 50시간의 어닐링처리를 10% 산소분위기중에서 행하였다.

솔레노이드 코일(11)에 관하여 20T의 외부자장하에서 여자테스트를 행하였다. 그 결과 1.5T의 자장을 발생할 수 있었다. 또 이 코일 단독으로의 자장균일도를 측정한 바, 20 mmφ에서 0.005ppm으로 되어 있어 매우 높은 자장균일도를 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 24에 두께 1.1mm, 폭 2.2mm의 평각형상의 산화물초전도 다중 심선재(20)를 내열성금속의 보빈(21)에 감아 제작한 내경 35mm, 외경 70mm, 높이 150mm의 솔레노이드 코일(14)을 나타낸다. 그리고 솔레노이드 코일(14)에 솔레노이드 코일 (13)과 같은 열처리를 행함으로써 초전도특성을 부여하였다.

솔레노이드 코일(12)에 관하여 20T의 외부자장하에서 여자테스트를 행하였다. 그 결과 1.7T의 자장을 발생할 수 있었다. 또 이 코일단독으로 자장균일도를 측정한 바, 20 mmφ에서 0.007ppm으로 되어 있고, 종래의 적층팬케익코일에서는 곤란하였던 매우 높은 자장균일도를 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

둥근형상의 산화물초전도 다중 심선재(6) 또는 평각형상 산화물초전도 다중 심선재(20)는 종래의 테이프형상의 산화물초전도 선재와 비교하여 용이하게 가공정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 이들을 사용한 솔레노이드 코일(13, 14)은 종래의 테이프형상의 산화물초전도 선재를 사용한 팬케익코일보다도 축방향 및 둘레방향에서 코일형상의 어긋남을 작게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서 솔레노이드코일(11, 14)은 높고 또한 균일한 자장을 요구되는 고분해능 NMR 마그넷에 적용할 수가 있다.

본 발명에 의하면 선재의 외형상의 가공정밀도를 확보하면서 높은 임계전류밀도를 발생가능한 고균일 자장발생용 산화물초전도선을 제공하여 그것을 사용한 솔레노이드 코일 및 자장발생장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 다중 심테이프선재가 회전대칭으로 배치되어 있기 때문에 자장의 인가방향에 의하지 않고 임계전류의 저하를 억제할 수 있으며, 또한 산화물초전도체 필라멘트가 가장 적합한 크기이기 때문에 임계전류밀도(Jc) 를 높게 할 수 있다.

또 은 또는 은합금의 금속시스를 사용하여 금속시스의 비율을 산화물초전도체 필라멘트에 대하여 3 이상 7이하로 하면 임계전류밀도(Jc)를 더욱 높게 할 수 있다.

또 외형이 평각인 산화물초전도선에서는 단면의 애스펙트비가 1 이상 6 이하로 하면 좋다.

또 평균입자지름을 3㎛ 이하의 분말인 산화물초전도체 또는 산화물초전도체의 원료를 사용하면 종래의 테이프형상의 산화물초전도 선재와 동등한 통전특성이고 또한 길이가 긴 산화물초전도선을 얻을 수 있다.

본 발명의 산화물초전도선을 사용한 솔레노이드 코일은 높고 또한 균일한 자장을 발생할 수 있다.

본 발명의 산화물초전도선은 선재의 외형상의 가공정밀도를 확보하면서 높은 임계전류밀도를 발생할 수 있기 때문에, 균일하고 높은 자장을 필요로 하는 기기, 예를 들어 이화학기기나 핵자기공명분석장치, 의료용 MRI장치 등에 이용할 수 있다.

Claims

산화물초전도선에 있어서, 상기 선의 길이방향으로 수직한 단면의 외형상이 대략 둥근형상이고, 상기 단면내에서 거의 동일한 크기의 복수의 테이프형상의 산화물초전도체를 적층한 유닛으로 구성되며, 또 상기 유닛내의 상기 테이프는 상기 단면 내에서 테이프면에 대하여 대략 60도의 각도로 길이방향과 수직방향으로 계단형상으로 적층되고, 또 상기 단면 내에서의 상기 유닛의 외형상은 대략 능형상이며, 또 상기 단면은 적어도 3개의 다른 상기 유닛을 가지고, 각각의 유닛은 인접하는 유닛과, 테이프의 적층방향이 대략 120도의 기하학적 회전대칭성을 가지며, 또한 상기 능형 단면형상에 있어서의 적어도 한 변은 인접하는 유닛과 접하고 있는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
둥근단면형상을 가지는 산화물초전도선에 있어서,

상기 선의 길이방향으로 직교하는 단면 내에서 거의 동일한 크기의 복수의 테이프형상의 산화물초전도체가 대략 능형상으로 적층된 3개의 유닛으로 구성되고, 상기 유닛의 집합체는 가장 조밀형상으로 상기 선재단면의 중앙에 집합화되고, 모든 상기 테이프는 적어도 그 한 끝부가 바깥 둘레를 구성하는 시스재와 접하고 있는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선이고, 또한 꼬여있는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선으로서 꼬여지고, 또한 각 테이프사이에 고저항층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 테이프형상의 산화물초전도체가 다중 심선으로서 꼬여지고 또한 각 테이프사이 및 유닛사이에 고저항층을 포함하며, 또한 상기 선재가 꼬여져 있는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 초전도체가 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X인 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
선재의 단면형상 중 외형상을 둥근형상으로 하고 단면내부에 있어서 거의 동일한 크기의 복수의 테이프형상의 초전도체를 대략 능형상이 되도록 적층한 군으로 하고, 상기 군을 조합시켜 전체가 육각형상이 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제1항, 제2항 및 제8항 중 어느 한 항에 기재된 산화물초전도선으로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 코일.
제1항, 제2항 및 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 산화물초전도선재로 구성되는 것을 특징으로 하는 자장발생장치.
길이가 긴 방향으로 수직한 단면의 평균두께가 3㎛ 내지 20㎛, 애스펙트비의 평균이 2 이상 10 이하인 복수의 산화물초전도체 필라멘트를 가지는 다중 심테이프선재와,

거의 동일한 크기의 상기 다중 심테이프선재를 대략 능형상으로 적층한 유닛을 가지는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 11항에 있어서,

상기 산화물초전도체 필라멘트는 비스무트계 산화물초전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 11항에 있어서,

상기 산화물초전도체 필라멘트는 Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_X조성의 초전도상을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 11항에 있어서,

상기 금속시스는 은 또는 은합금이며,

길이가 긴 방향으로 수직한 단면을 차지하는 상기 금속시스의 비율은 상기 산화물초전도체 필라멘트에 대하여 3 이상 7 이하인 것을 특징으로 하는 산화물초전도선.
제 11항에 있어서,

외형이 평각이며, 길이가 긴 방향으로 수직한 단면의 종횡비인 애스펙트비가 1 이상 6 이하인 것을 특징으로 산화물초전도선.
제 1 금속파이프에 산화물초전도체 또는 산화물초전도체의 원료를 충전하고, 압연가공을 실시하여 산화물초전도체 필라멘트를 제작하는 공정과,

상기 산화물초전도체 필라멘트를 제 2 금속파이프에 복수 충전하고, 압연가공을 실시하여 다중 심테이프선재를 제작하는 공정과,

복수의 거의 동일한 크기의 상기 다중 심테이프선재를 대략 능형상이 되도록 적층하고, 상기 능형상으로 적층된 상기 다중 심테이프선재를 회전대칭이 되도록 제 3 금속파이프에 충전하고, 압연가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 산화물초전도선의 제조방법.
제 16항에 있어서,

상기 산화물초전도체 또는 상기 산화물초전도체의 원료는 평균입자지름이 3㎛ 이하의 분말인 것을 특징으로 하는 산화물초전도선의 제조방법.
제 11항에 기재된 산화물초전도선을 사용한 것을 특징으로 하는 솔레노이드코일.