KR100473622B1 - 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 선재간의 초전도 접합방법에 관한 것이다. 본 발명의 초전도 접합방법에서는 초전도체 분말을 안쪽에 나사산이 있는 컵부재에 넣고, 접합하려는 두 초전도 선재의 필라멘트를 상기 컵부재의 입구를 막는 볼트형 마개부재의 구멍을 통해 삽입하고 상기 컵부재와 마개부재를 결합시킨 후 상기 초전도체 분말과 초전도 필라멘트가 함께 존재하는 부분만을 압착한다. 그에 따라 분말 형태의 초전도체의 충전밀도가 증가하여 초전도체 분말을 매개체로 하여 초전도 선재의 필라멘트와 연결되므로 초전도 선재에 흐르는 전류의 흐름을 대부분 초전도 선재로 연결시켜주므로 접합에 의한 임계 전류의 저하를 줄일 수 있다.

Description

초전도체 분말을 매개로 한 초전도 접합방법 {Superconductive joint method with Superconductor Powder}

본 발명은 초전도 접합방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 선재간의 초전도 접합방법과, 이 접합방법에 사용되는 초전도 분말을 충전하면서 초전도 선재를 접합하는 초전도 접합기구에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 접합은 코일 권선 시 선재의 길이가 부족하거나, 개별적으로 권선된 코일을 직렬로 연결할 때와 영구 전류 운전을 위한 초전도 영구 전류 스위치를 병렬로 연결해야 할 때 사용되며, 코일의 운전 전류를 인가했을 때 마치 하나의 선재를 이용하여 모든 권선이 이루어졌을 때와 같은 운전이 이루어져야 한다. 특히, NMR(Nuclear Magnetic Resonance)와 MRI(Magnetic Resonance Imaging)용 초전도 마그네트의 경우 다분할 코일의 권선과 영구 전류 운전이 필수적이므로 초전도 선재간의 초전도 접합은 필연적으로 존재하게 되며 매우 중요하다.

대부분의 초전도 선재는 초전도체 부분과 선재의 안정화를 위한 기지금속으로 구리 또는 구리합금으로 구성되어 있지만, 극저온에서 초전도 선재의 통전시 전류 이동은 단지 초전도체를 통해서만이 이루어지므로 초전도 접합 부분에서의 임계전류 특성은 두 초전도 선재에서 필라멘트간의 연결에 의해 좌우된다.

초전도 선재간의 초전도 접합 성공 여부는 초전도 접합 부분에서의 임계 전류 값의 저하가 선재 자체의 임계 전류 값에 비해 얼마나 최소화되었는지에 의하여 판단할 수 있다.

기존의 일반적인 초전도 접합은 초전도 선재 내 초전도체들을 직접적으로 접촉하는 방법으로 두 초전도 선재의 초전도체에 대한 높은 접촉율을 기대할 수 없기 때문에, 상대적으로 초전도 선재 자체의 임계 전류 값에 비해 매우 낮은 값을 갖게 된다.

또한 연결하려는 초전도체의 종류, 초전도 필라멘트의 크기 및 개수가 서로 다른 초전도체끼리를 서로 연결하는 경우 더 낮은 임계 전류의 저하가 발생된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초전도 선재간의 초전도 접합 시에 초전도 접합 부분에서 발생되는 임계전류 저하를 최소화할 수 있는 새로운 방식의 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 접합방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 초전도 선재간의 초전도 접합 시에 초전도체 분말의 충전 밀도를 높게 유지할 수 있으면서 상기 초전도 선재간을 접합할 수 있도록 구성된 초전도 접합기구를 제공하고자 함에 있다.

본 발명에서는 초전도체 분말을 연결하려는 초전도 선재의 중간에 위치시켜 초전도체간의 직접적인 접촉이 아닌 초전도체 분말을 통한 접촉이 이루어지게 하는 초전도 접합방법을 개발하였다. 이러한 초전도체 분말은 매우 작은 알갱이 형태로 이루어져 있는 MgB₂ 초전도 분말이고, 단순히 초전도 필라멘트만의 접촉만을 기대하는 기존의 방법에서 생길 수 있는 빈 공간의 대부분을 매워서 그 공간을 초전도 상태로 만들므로 초전도 접합 부분에서 발생되는 임계전류 저하를 최소화시킬 수 있다.

이러한 초전도 분말을 매개로 한 초전도 접합에 있어서, 높은 전류를 흐르게 하기 위해서는 초전도 분말의 높은 충전 밀도가 요구되며, 이를 위한 초전도 접합기구를 개발하였다. 본 초전도 접합기구는 SUS재의 캔형상으로, SUS 캔은 나사산이 있는 SUS 컵과 관통 구멍이 있는 SUS 볼트로 구성되어 결합을 통해 MgB₂ 초전도체 분말의 충전 밀도를 높일 수 있다. 그 후 압착기를 이용해 SUS 캔을 압착함으로써 충전 밀도를 더 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 초전도체 분말을 매개로 한 초전도 접합방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

통상적으로 초전도 접합은 주로 다음의 3가지 경우에 이루어지는데, 1) 그 첫 번째로 코일 권선 시 선재의 길이가 부족하여 서로 연결해야 할 때와, 2) 두 번째로 개별적으로 초전도 마그네트 코일(14a,14b)을 권선하여 이를 직렬로 서로 연결할 때, 초전도 마그네트 코일간의 초전도 접합(12)이 이루어지고, 3) 세 번째로 영구 전류 운전을 위한 초전도 영구 전류 스위치(13)를 병렬로 연결해야 할 때, 초전도 마그네트 코일(14a,14b)과 초전도 영구전류스위치(13)간의 초전도 접합(11a,11b)이 이루어지게 된다.

그러므로 NMR(Nuclear Magnetic Resonance), MRI(Magnetic Resonance Imaging) 및 MAGLEV(MAGnetic LEVitation)와 같이 영구 전류 모드 운전을 하는 초전도 마그네트의 경우, 반드시 초전도 접합이 존재하게 되며, 가장 이상적인 초전도 접합은 선재 자체가 갖는 초전도 특징을 그대로 유지하는 것이다. 특히, 다심의 초전도 선재(21a,21b)의 경우 모든 필라멘트간(22a,22b)의 완전한 연결이 불가능하므로 이에 기인하는 임계 전류 감소가 필연적으로 있게 된다.

본 발명에서는 이런 필연적인 임계 전류 감소를 최소화하기 위한 초전도체 분말을 이용한 간접적인 접촉을 통한 새로운 초전도 접합방법을 제안하고자 한다. 본 실시 예에서의 초전도체 분말은 MgB₂ 초전도체 분말을 사용한다.

MgB₂ 초전도체는 단순한 분자구조로 화학적으로 매우 안정적이며 제조가 쉽고, 값이 싸며 높은 임계 온도와 높은 전류밀도를 갖는 초전도체로 낮은 전력 소비를 갖는 소형 냉동기로 운전될 수 있는 마이크로파 장치 및 이동 가능한 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)센서, MRI 마그네트, 초전도 전자장치로의 응용이 기대되고 있다.

일반적인 초전도 접합은 도2에서와 같이 먼저 초전도 접합을 하고자 하는 다심의 두 초전도 선재(21a,21b)를 화학적인 처리 과정을 통해 안정화재로 사용한 구리 또는 구리합금의 기지금속을 제거하여 초전도 필라멘트(22a, 22b)만을 남게 한다.

상기의 초전도 필라멘트(22a,22b)를 육각형의 구리 또는 구리합금 슬리브(23)에 넣고 압착하여 필라멘트끼리의 직접적인 접촉을 통해 전류의 통전을 기대하게 된다.

그러나, 본 발명에서는 상기와 같은 일반적인 초전도 접합 시 초전도 필라멘트(22a,22b)끼리만의 접촉에서 발생되는 필라멘트끼리의 낮은 접촉율로 인한 임계 전류 값의 저하를 막기 위해, 도3에 도시한 바와 같이 MgB₂ 초전도체 분말(43)을 초전도 필라멘트(22a,22b)와 함께 기존 방법의 슬리브(23)에 해당하는 초전도 접합기구인 SUS 캔(41)에 넣고 압착을 하는 과정을 갖는다.

상기 방법은 필라멘트 사이의 접촉에서 생기는 빈 공간을 매우 작은 알갱이 형태의 MgB₂ 초전도체 분말로 채워지게 되어, 직접적인 접촉과 함께 간접적인 접촉으로 매우 높은 접촉율을 갖게 되므로 초전도 접합부에서의 임계전류 저하를 막을 수 있다.

MgB₂ 초전도체를 채울 캔의 재질은 SUS와 같이 MgB₂ 보다 강도가 높은 금속을 이용한다. 이는 MgB₂ 초전도체의 충전 밀도를 높이기 위해 압착 시 MgB₂보다 높은 강도를 갖는 재질을 사용하지 않으면, MgB₂ 초전도체가 낮은 강도를 갖는 재질 내부로 박히게 되어 충전밀도를 높이는데 비효율적이기 때문이다.

내부에 나사산(44)이 있는 SUS 컵(41)에 MgB₂ 분말(43)을 넣고, 기존의 방법과 같은 화학적 처리 방법을 거쳐서 만들어진 초전도 필라멘트(22a,22b)가 노출된 초전도 선재(21a,21b)를 SUS 볼트(42)의 구멍(32)을 통해 삽입한 후 상기의 MgB₂ 분말(43)로 채워진 SUS 컵(41)과 나사산(44)을 통해 결합시킨다.

상기와 같은 나사 결합을 통해 MgB₂ 초전도체 분말(43)이 있는 공간을 최대한 줄여줌으로 MgB₂ 초전도체 분말(43)의 충전 밀도를 높여 MgB₂ 초전도체의 임계 전류를 높이는 효과를 얻게 된다.

상기 완성된 캔을 도5에 도시한 바와 같이 압착기(51)를 통해 분말이 있는 MgB₂ 초전도체 분말(43)과 초전도 필라멘트(22a,22b)가 함께 존재하는 부분만을 압착하여 다시 필라멘트 사이의 공간을 최대한 줄이고, 이와 함께 빈 공간에 MgB₂ 초전도 분말로 채워지면서 MgB₂의 충전 밀도를 높이도록 한다.

MgB₂ 초전도체 분말은 열처리 전후 모두 초전도성질을 가지므로 NbTi 선재와 같이 열처리한 선재의 경우 상기 공정을 거친 후 열처리 없이 초전도 접합을 사용할 수 있고, Nb₃Sn 선재와 같이 열처리 전의 선재를 권선한 경우, 상기 공정을 거친 후 권선 마그네트와 함께 열처리하거나, 열처리된 Nb₃Sn 마그네트에 별도의 국소 열처리를 통해 초전도 접합을 할 수 있다.

또한 MgB₂의 임계온도인 40K 이하에서 운전되는 고온 초전도체를 이용한 마그네트에서 선재 사이의 초전도 접합에도 이용될 수 있다.

본 발명은 MRI, NMR, MAGLEV, SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage) 마그네트 시스템 등과 같이 초전도 영구 전류 운전을 하는 모든 초전도 마그네트 시스템뿐만 아니라, 불가피하게 초전도 선재간의 연결이 필요할 때 이용될 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초전도 접합방법은 다음과 같은 발명의 효과가 있다.

첫째, 분말 형태의 MgB₂ 초전도체를 매개체로 사용하여 선재의 초전도체 필라멘트와 연결되므로 초전도 선재에 흐르는 전류의 흐름을 대부분 초전도 선재로 연결시켜주므로 접합에 의한 임계 전류의 저하를 줄일 수 있다.

둘째, 서로 연결하려는 초전도체의 종류, 필라멘트의 크기 및 개수에 관계없이 각 선재에 흐르는 전류 그대로 MgB₂ 초전도체를 거쳐 보내므로 서로 다른 선재간의 초전도 접합의 경우에도 임계전류의 저하를 줄일 수 있다.

셋째, 열처리 전후 모두 초전도체의 성질을 갖는 MgB₂를 사용하므로 NbTi 및 Bb₃Sn 등의 금속계 초전도체 전체에 이용될 수 있다.

넷째, MgB₂의 임계 온도인 40K 이하에서 운전되는 고온초전도체를 이용한 마그네트에서 선재 사이의 초전도 접합에도 이용될 수 있다.

도 1은 영구 전류 운전 초전도 마그네트 시스템의 회로 구성도,

도 2는 기존의 초전도 접합의 개략도

도 3은 본 발명에 따른 초전도 접합방법에 사용되는 초전도 접합용 육각 SUS 캔의 사시도,

도 4는 도 3에 도시한 초전도 접합용 육각 SUS 캔의 A-A' 단면도,

도 5는 도 3에 도시한 초전도 접합용 SUS 캔을 압착한 상태의 단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11a, 11b : 초전도 접합 12 : 초전도 접합

13 : 초전도 영구전류 스위치 14a, 14b : 초전도 마그네트 코일

21a, 21b : 다심 초전도 선재 22a, 22b : 필라멘트

23 : 육각 슬리브

32 : 관통 구멍 41 : SUS 컵

42 : SUS 볼트 43 : MgB₂ 초전도체 분말

44 : 나사산 51 : 압착기

Claims (21)

1. 초전도체 선재간의 초전도 접합을 함에 있어서, 상기 초전도 선재 사이에 MgB₂의 초전도체 분말을 매개체로 사용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 접합되는 초전도 선재들중 한 쪽은 금속계 저온초전도체이고 다른 한쪽은 세라믹계 고온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 접합되는 초전도 선재들 양쪽이 금속계 저온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 접합되는 초전도 선재들 양쪽이 세라믹계 고온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
6. 제1항과 제 3항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 분말 형태의 초전도체를 접합하려고 하는 상기 초전도체 선재 사이에 위치시키고 통전에 의하여 접합하는 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
7. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 금속계 저온초전도체는 NbTi 또는 Nb₃Sn인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. MgB₂로 이루어진 초전도체 분말을 안쪽에 나사산이 있는 컵부재에 넣고, 접합하려는 두 초전도 선재의 필라멘트를 상기 컵부재의 입구를 막는 볼트형 마개부재의 구멍을 통해 삽입시킨 후 상기 컵부재와 마개부재를 결합시킨 후 상기 초전도체 분말과 초전도 필라멘트가 함께 존재하는 부분만을 압착하는 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 압착 후 열처리하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
16. 삭제
17. 제 14항에 있어서, 상기 컵부재 및 마개부재는 SUS로 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 접합 방법.
18. 제 14항에 있어서,

    상기 접합되는 초전도 선재들중 한 쪽은 금속계 저온초전도체이고 다른 한쪽은 세라믹계 고온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
19. 제 14항에 있어서,

    상기 접합되는 초전도 선재들 양쪽이 금속계 저온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
20. 제 14항에 있어서,

    상기 접합되는 초전도 선재들 양쪽이 세라믹계 고온초전도체인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.
21. 제 19항에 있어서,

    상기 금속계 저온초전도체는 NbTi 또는 Nb₃Sn인 것을 특징으로 하는 초전도 접합방법.