KR100564945B1 - 초전도 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말 대신에 붕화마그네슘 섬유로 구성된 다발을 금속 튜브에 충진시키는 방법으로 초전도 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초전도 선재의 제조방법은, 금속 또는 금속합금으로 구성된 튜브구조체를 준비하고, 상기 준비된 튜브구조체의 내부를 초전도체의 섬유로 충진하며, 상기 초전도체의 섬유로 충진된 튜브구조체를 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

초전도, 선재, 붕화마그네슘, 섬유, PIT, FIT

Description

초전도 선재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR SUPERCONDUCTING WIRE}

도 1은 종래 기술에 따른 산화물 초전도체 선재의 제조공정의 순서도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 초전도체 선재의 제조방법의 개념도

도 3은 본 발명에 따른 튜브구조체

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 초전도체 선재의 제조방법의 개념도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10a 섬유(fiber) 10b 분말

10c 섬유 + 분말 11 튜브

12 롤러 20 선재 테이프

31 튜브 32 붕소 섬유

33 마그네슘 섬유 34 붕화마그네슘 분말

본 발명은 초전도 선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말 대 신에 붕화마그네슘 섬유로 구성된 다발을 금속 튜브에 충진시키는 방법으로 초전도 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 선재는 임계온도 이하에서 전기저항이 제로가 되는 특성을 가지고 있기 때문에 이를 이용하여 변압기, 모터, 발전기, 전력 저장장치, NMR 및 MRI에 사용되는 초전도 자석, 송전케이블, 자기부상열차 등 고전력을 필요로 하는 많은 분야에서 활용될 것으로 보인다.

금속 초전도체의 경우, 금속의 변형성(전성, 연성)을 이용하여 자유자재로 선재의 형성, 가공, 변형이 가능하다. 예를 들면 나이오븀(Nb)계 합금인 Nb3Sn이나 NbTi 등과 같은 금속형 초전도체의 경우에는 튜브나 분말의 복잡한 공정이 필요 없이 선재의 형성이 가능하다. 이때, 필요한 공정은 압출, 압연, 열처리 등이다. 그러나, 이러한 금속형 초전도체는 초전도체로의 상전이가 일어나는 온도가 영하 250℃ 이하의 매우 낮은 온도로서 냉매로써 고가의 액체 헬륨이 필요하게 된다.

1980년대 후반에 발견된 구리계 세라믹스 초전도체의 경우는 상전이가 일어나는 온도가 영하 193℃ 이상으로 저렴한 냉매인 액체 질소의 비등점보다 높은 온도에서도 저항이 영인 초전도상을 가지게 된다. 그러나, 이 물질은 세라믹스로서 기계적인 성질이 약하고 깨지기 쉬우며 긴 선재로 만들 수 없다. 따라서, 이 물질을 분말(powder)로 만들어서 튜브에 충진시키는 방식으로 선재를 만드는 방법이 제안되어 연구되어 오고 있다. 이 방법이 적용될 수 있는 물질은 비스무쓰(Bi)계의 구리 산화물로 분말 제조 시 바늘 모양으로 길게 만들어서(whisker 상) 초전도 입자 사이의 연결성(connectivity)을 향상시키는 방법을 채용하여 왔다. 그러나, 이 경우에는 높은 임계 전류 밀도를 얻기가 어렵고 또한 튜브로서 값비싼 은을 사용해야 만 하는 어려움이 남게 되었다.

초기에 붕화마그네슘 분말을 이용한 초전도 선재는 PIT(Powder-in-Tube) 방법을 이용하여 산화물 고온초전도를 선재로 제조하는 기술이 시도되어 왔으며, 다음은 PIT 방법의 일반적인 공정을 설명한다.

금속 튜브 속에 초전도 특성을 갖는 물질의 분말을 충진시켜 빌렛(billet)을 만들고 이 빌렛을 스웨이징(swaging), 압출(drawing) 및 압연(rolling) 등의 방법으로 소성 가공하고 열처리하여 선재를 만든다. 보다 상세하게 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 산화물 초전도체 분말을 제조하여(S10) 금속 혹은 금속합금으로 구성된 튜브 속에 충진시킨 후(S20), 스웨이징 및 압출 가공(S30)으로 직경을 줄이고 길이는 늘이는 축경 가공을 한다. 이것을 다시 롤러 등으로 압연하여 테이프 형상의 초전도 선재를 만드는 것이다(S40).

그러나, 이러한 방법에서는 장시간의 세밀한 열처리 과정(S50)을 거쳐야 하는 데, 열처리 공정 중에 선재가 팽창하는 등의 각종의 문제로 인하여 얻어지는 초전도 선재의 초전도 특성이 저하되는 문제가 있었다.

2001년 일본의 아키미츠에 의하여 붕화마그네슘(MgB2)가 39K 정도에서 초전도 특성을 갖는다는 것이 확인된 이후 PIT 기술로 MgB2 초전도체의 선재를 만드는 시도가 많이 있어 왔다. 또한, 붕화마그네슘은 비록 금속은 아니지만, 낚시대 등에 널리 사용되는 붕소섬유나 붕소막대를 통하여 저렴하게 구입할 수 있다.

PIT 방법으로 MgB2 선재를 제작하는 일반적인 방법은 Mg와 B 분말을 혼합하 여 얻어진 분말을 튜브에 충진시키고 반응을 일으켜 MgB2를 얻거나, MgB2 분말을 미리 소결하고서 이를 PIT 튜브에 충진시키는 방법에 있다.

그러나, 종래의 PIT 방법에서는 MgB2 분말을 사용하기 때문에 분말을 구성하는 입자 등 사이의 연결성(connectivity)이 완전히 확보되지 않아, 상용화할 정도의 초전도체 특성 즉, 임계 전류밀도가 나타나지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 섬유(fiber) 형태의 붕화마그네슘 혹은 붕소를 튜브에 충진시키는 방법으로 초전도 선재를 제조하여 초전도 섬유 사이의 연결성을 향상시키므로써, 임계전류밀도가 벌크에 가까운 선재를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 선재의 제조방법은, 금속 또는 금속합금으로 구성된 튜브구조체를 준비하는 제1단계와, 상기 준비된 튜브구조체의 내부를 초전도체의 섬유로 충진하는 제2단계와, 상기 초전도체의 섬유로 충진된 튜브구조체를 변형시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계에서 초전도체 분말을 더 포함하여 충진시킬 수 있으며, 상기 변형은 압출 또는 압연에 의한 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계에서 충진되는 초전도체의 섬유는 한 올씩 혹은 섬유의 다발인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 선재의 제조방법은, 마그네슘 또는 마그네슘합 금으로 구성되거나, 내부가 마그네슘으로 코팅된 튜브구조체를 준비하는 제1단계; 상기 준비된 튜브구조체의 내부를 붕소 섬유로 충진하는 제2단계; 및 상기 붕소 섬유로 충진된 튜브구조체를 변형시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 튜브구조체는 그 일면이 길이방향으로 열리도록 하여 섬유의 충진을 용이하게 할 수 있다.

상기 제2단계에서 중심에 놓인 붕소 섬유의 주변으로 마그네슘 섬유를 충진함으로써 붕소 섬유와 마그네슘 섬유를 섞어서 충진할 수 있으며, 상기 충진된 섬유들의 사이에 마그네슘 분말을 더 충진하는 것을 특징으로 한다.

상기 튜브구조체에 마그네슘 증기를 주입시키고, 상기 제3단계의 전 혹은 후에 상기 튜브구조체를 열처리하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 초전도 선재의 제조방법에 대하여 설명한다. 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 제조방법을 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 만들어진 MgB2 섬유(10a)를 내경 5mm, 외경 8mm인 금속 혹은 금속합금의 튜브(11) 속에 충진시킨다.

MgB2 섬유를 충진시키기 위한 튜브(11)로 사용되는 금속은 은, 스테인레스 스틸, 철, 구리, 티타늄, 마그네슘으로 구성된 그룹에서 선택된 것이며, 상기 금속합금은 상기 금속의 합금이다. 그 내부가 마그네슘으로 코팅된 것을 사용할 수도 있다. 한편, 튜브구조체는 섬유를 충진하기 위하여 적어도 일면이 열려있는 구조이며, 그 일면은 튜브의 양끝 중 적어도 하나(도 3a) 혹은 길이방향의 옆면이다(도 3b). 길이가 긴 섬유를 용이하게 충진하기 위해서는 도 3b와 같이 길이방향의 옆면이 열려 있는 구조가 바람직하다.

충진되는 MgB2 섬유(10a)는 길이가 1mm 이상 바람직하게는 1 내지 10cm이고, 지름이 1㎛ 이상 바람직하게는 약 50㎛ 정도로 길게 연장된 물질이다. MgB2를 충진시킬 때 한올 한올 충진시킬 수도 있으나, 바람직하게는 길이가 무한히 긴 섬유로 다발을 만들어서 한번에 충진시키는 것이 효율면에서 좋을 것이다. 초전도체의 섬유를 한 올씩 하는 경우는 초전도체의 질을 향상시킬 수 있으나 기계적으로 응력을 받아 휠 수 있으며, 다발의 경우는 초전도체의 질은 약간 부족할 수 있으나 충진할 때 손쉽게 튜브에 위치하게 할 수 있다.

다음, 일반적인 PIT 방법에서와 동일하게 스웨이징 및 압출(drawing)을 통해 튜브의 직경을 약 2mm 정도로 줄이고, 길이는 늘이는 축경 가공을 한다. 또한 롤러(12)를 이용한 압연(rolling) 공정을 통하여 MgB2 섬유가 충진된 튜브를 변형시켜 테이프 형상의 선재(20)로 만든다.

이렇게 만들어진 테이프 형상의 선재를 아르곤 가스 분위기에서 800 내지 900℃의 온도에서 수시간 정도 열처리하여 MgB2 조직을 더욱 치밀하게 만든다. 이러한 열처리 공정은 비용 절감을 위하여 생략할 수도 있다.

한편, 본 실시예에서는 충진재로 MgB2 섬유만을 사용할 수도 있으나, 필요에 따라서는 일반적인 PIT에서 사용되는 분말을 부분적으로 혼합하여 치밀도를 증가시 킴으로써 섬유 사이의 연결성을 보다 향상시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 제조방법을 설명한다. 이 실시예에서는 충진재로 초전도 상이 형성된 붕화마그네슘을 사용하는 것이 아니라, 튜브구조체에 붕소 섬유와 마그네슘 섬유를 충진하고 열처리하여 초전도 선재를 제조하는 것이다.

튜브구조체로는 일반적인 금속이 아닌 마그네슘 혹은 마그네슘 합금을 사용하거나, 그 내부가 마그네슘으로 코팅된 금속을 사용한다. 이러한 마그네슘은 초전도 선재의 외부 보호막으로 사용될 뿐만 아니라 붕소섬유와 반응하여 초전도 상을 형성하기 위한 출발물질로도 사용된다.

이러한 튜브구조체(31)에 붕소 섬유(32)를 충진한다. 이때 붕소 섬유만을 충진할 수도 있으나, 보다 균일한 초전도 상을 얻기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같은 방법으로 그 단면이 벌집형 구조가 되도록 충진하는 것이 바람직하다. 벌집형 구조는 중심에 놓인 붕소 섬유의 주변으로 마그네슘 섬유를 규칙적으로 충진함으로써 붕소 섬유와 마그네슘 섬유를 섞어서 충진한 것이다. 이와 같이, 선재를 여러개 묶어서 만든 다심 선재를 사용하므로써, 초전도 물질의 단면 비율을 증가시킬 수 있다. 이때 충진되는 섬유는 한 올씩 충진될 수도 있으나, 기계적인 응력의 문제가 있기 때문에 여러개의 섬유를 묶은 다발을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

벌집형 구조의 섬유들 사이의 공간에는 마그네슘 분말 혹은 MgB2 분말(34)을 더 채워 넣음으로써 치밀도를 향상시킬 수 있다. 이때 마그네슘은 그 분말의 크기가 초미세인 경우에는 폭발력이 강하기 때문에 조작에 어려움이 있어 수 ㎛ 이하의 분말인 경우에는 수소화마그네슘(MgH2)을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 위와 같은 방법으로 붕소 섬유를 포함하는 섬유가 충진된 튜브구조체에 마그네슘 증기를 주입시키고 밀봉하므로써, 붕소 섬유의 주변에 마그네슘을 도입시키는 것도 가능하다. 마그네슘 증기의 도입 이후에는 튜브구조체를 밀봉하는 이유는 이후의 열처리 공정에서 마그네슘 가스가 유출되는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같이 붕소 및 마그네슘의 섬유가 충진된 튜브구조체를 열처리하여 MgB2 초전도 상이 형성되도록 하고, 압출 또는 압연공정을 거쳐 테이프 형상의 초전도 선재를 형성한다. 이때 열처리 공정은 필요에 따라 압출 또는 압연 공정 후에 할 수도 있다.

이와 같은 방법 즉, Fiber-in-Tube(FIT) 방법을 사용하면, 초전도 섬유 사이의 연결성을 향상시키므로써, 임계전류밀도가 벌크에 가까운 선재를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에서는 초전도체로 MgB2를 사용하는 것만을 기재하고 있으나, 알칼리금속을 부가적으로 포함시켜 만든 MgB2 초전도체를 사용할 수도 있을 것이다. 부가적으로 포함되는 알칼리 금속으로는 Ca, Sr, Al, Be 등이 가능하다. 이러한 부가물을 추가하면 비록 임계전류밀도가 감소되는 단점이 있지만, flux pinning에 위한 특성을 위하여 가능한 모든 불순물이나 도펀트도 부가물로 사용가능하다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 섬유(fiber) 형태의 MgB2를 튜브에 충진시키므 로써 초전도 섬유 사이의 상호 연결성을 향상시킬 수 있으며, MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도가 벌크에 가까운 특성을 갖는 띄어난 효과가 있다.

또한, 붕화마그네슘 섬유를 미리 제작한 후 밀집하여 충진할 수 있기 때문에 열처리 과정을 생략하거나 줄일 수 있는 장점이 있으며, PIT 공정을 그대로 사용할 수 있으므로, 추가적인 설비의 투자가 없어 기존의 BSCCO PIT 설비를 사용할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 초전도 선재의 제조방법에 있어서,

   마그네슘 또는 마그네슘합금으로 구성되거나, 내부가 마그네슘으로 코팅된 튜브구조체를 준비하는 제1단계;

   상기 준비된 튜브구조체의 내부를 붕소 섬유로 충진하는 제2단계; 및

   상기 붕소 섬유로 충진된 튜브구조체를 열처리하고 변형시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 튜브구조체는 그 일면이 길이방향으로 열려있는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제2단계에서 상기 붕소 섬유에 마그네슘 섬유를 섞어서 충진하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,

    중심에 놓인 붕소 섬유의 주변으로 마그네슘 섬유를 충진하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 충진된 섬유들의 사이에 마그네슘 분말 혹은 붕화마그네슘 분말을 더 포함하여 충진하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 튜브구조체에 마그네슘 증기를 주입시키는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
14. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제3단계에서 상기 튜브구조체를 열처리하는 공정은 상기 변형 공정의 전 혹은 후에 실시하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.
15. 제8항에 있어서,

    제3단계에서의 변형은 압출 또는 압연에 의한 것임을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조방법.

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