KR100738373B1 - 2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및방법 - Google Patents

2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및방법 Download PDF

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Abstract

2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이 방법은 빌렛을 제조한 후, 압연 공정을 이용하여 상기 빌렛으로부터 금속 테이프를 제조하는 단계를 포함한다. 이후, 환원 분위기에서 상기 금속 테이프를 재결정화한다. 이때, 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 금속 테이프에 소정의 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.

Description

2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및 방법{System And Method For Fabricating Metal Wire Article Having Biaxial-Alignment Property}
도 1은 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정화 단계에서의 금속 선재의 자성 상태와 온도 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 선재의 재결정화 단계를 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 선재의 결정 구조를 분석한 그래프이다.
도 5a는 종래 기술에 따라 제조된 니켈 시료의 (111) 결정면을 파이 스캔한 그래프이다.
도 5b는 본 발명에 따라 제조된 니켈 시료의 (111) 결정면을 파이 스캔한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 제조 방법에 따라 준비된 니켈 시료를 (111) 결정면 방향에서 측정한 3차원 극점도이다.
도 6b는 본 발명의 제조 방법에 따라 준비된 니켈 시료를 (111) 결정면 방향에서 측정한 2차원 극점도이다.
도 7a은 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 시스템을 설명하기 위한 장치 구성도이다.
도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 선재의 제조 시스템을 보여주는 장치 구성도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 전자석의 모양을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
본 발명은 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 선재의 모재로서 이용될 수 있는 2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 것처럼, 초전도체(superconductor)는 직류 전류에 대한 전기적 저항이 없는 완전 도체(perfectly conducting body)이다. 상기 초전도체는 임계 온도의 크기에 따라 저온 초전도체 및 고온 초전도체로 구분될 수 있으며, 초전도 물질의 종류에 따라서는 금속 초전도체, 산화물 초전도체 및 유기물 초전도체 등으로 구분될 수 있다. 상기 산화물 초전도체는 상기 금속 초전도체 및 유기물 초전도체에 비해 월등히 높은 임계 온도를 갖기 때문에, 통상적으로 '고온 초전도체'라고 불린다.
상기 산화물 초전도체는 1986년 스위스의 IBM 연구소의 베드노르츠(A. Bednortz)와 뮐러(Karl A. Muller)에 의해 La-Ba-Cu-O가 35K에서 초전도 성질을 갖는다는 사실을 발견한 이래, 액체질소의 비등점보다 높은 임계온도(Tc)들을 갖는 초전도체들(예를 들면, Y1Ba2Cu3O7 (Tc=92K), 비스무스 화합물 Bi2Sr2Ca1Cu2O8 (Tc=110K), 탈륨화합물 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tc=125K) 및 수은화합물 HgBa2Ca2Cu3O8 (Tc=133K) 등)이 차례로 합성되었다. 이때, 상기 액체 질소는 저렴한 냉매라는 점에서, 상기 고온 초전도체를 다양한 산업 분야에서 이용할 수 있게 되었으며, 이에 대한 연구가 현재 활발하게 수행되고 있다.
이러한 산업적 이용에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 초전도체는 손실이 없는 송전선, 강한 자기장 또는 안정된 자기장을 발생시키는 초전도 자석, 에너지 저장 장치, 모터, 발전기, 변압기 등과 같은 큰 전류를 발생시키거나 수송하는 전력 분야 및 초전도 자기부상열차 및 초전도 추진 선박 등과 같은 교통 분야에서 이용될 수 있다. 이러한 분야에서는 통상적으로 선재 형태의 초전도체(이하, 초전도 선재)가 사용된다. 또한, 상기 초전도체는 박막의 낮은 전류 손실 특성을 이용하는 수동 소자 및 초전도 접합을 이용하는 조셉슨 접합(Josephson junction) 등과 같은 능동 소자에 이용될 수 있으며, 이러한 분야에서는 박막 형태의 초전도체가 사용된다.
특히, (상기 고온 초전도체를 전성이나 연성이 우수한 Ni 등의 금속 테이프 위에 증착한) 박막형 초전도 선재는 일반적인 금속선보다 월등히 우수한 단위 면적당 전류 수송 능력을 갖기 때문에, 최근 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있 다. 하지만, 상기 고온 초전도체는 다수의 결정립들(grains)이 무질서하게 결합된 다결정 상태이기 때문에, 그 초전도 특성(특히, 임계 전류 밀도)을 향상시키기 어려운 문제를 갖는다. 보다 구체적으로, 상기 고온 초전도체의 각 결정립들은 일 방향(예를 들면, 기판 표면에 수직한 방향)(즉, c축)으로 배향되지만 다른 두 방향들(즉, a 및 b 축)에서는 무질서하게 배향되기 때문에, 인접하는 두 결정립들 사이의 결정각(이하, 경계각)은 다양한 값들을 가질 수 있다. 그 결과, 초전도 특성을 결정하는 초전도 결맞음(superconducting coherence) 또는 양자적 결합성(quantum coupling)이 상실되는 문제를 나타난다.
특히, (단위 면적당 흐를 수 있는 최대 전류 밀도를 나타내는) 초전도체의 임계 전류 밀도는 상기 경계각이 작아질수록 증가한다는 점에서, 상기 결정립의 경계각을 줄이는 것이 요구된다. 예를 들면, 상기 경계각이 10도 이상일 경우, 초전도체의 임계 전류 밀도가 급속히 감소한다. 종래 기술에 따르면, 이러한 무질서한 경계각에 의한 임계 전류 밀도의 감소를 해결하기 위한 방법으로, RABiTS(rolling assisted biaxially textured substrate) 기술 및 IBAD(ion beam assisted deposition) 기술 등이 제시되었다. 이 기술들은 YBCO 등의 희토류계 산화물 고온 초전도체가 박막의 평면 방향으로 2축 배향(biaxial alignment)을 갖도록 만드는 방법에 관한 것들이다.
먼저, 상기 IBAD 기술은 기판으로 사용되는 모재와는 상관없이 모재 상부의 템플릿(template) 층을 단결정화시키는 기술로서, (결정 내면의 반가폭이 4도 이하인) 우수한 결정배열을 갖는 템플릿을 제조할 수 있다. 하지만, 이 기술은 진공장 치에서 이온빔을 사용하는 단계 및 유연성이 있는 금속 테이프를 전해 연마하는 단계가 필요하기 때문에, 이 기술을 위해 요구되는 설비 투자 비용이 높은 단점을 갖는다.
이에 비해, 상기 RABiTS 기술은 기판으로 사용되는 모재 자체를 단결정처럼 만들어 그 상부에 2축 배향을 갖는 다결정 초전도체 박막을 형성하는 기술이다. 구체적으로, 상기 RABiTS 기술은 이미 잘 확립된 기술인 냉간 압연 공정을 통해 금속 빌렛(billet)을 원하는 두께로 형성한 후, 이를 서냉 처리함으로써 2축 배향성을 지닌 집합조직을 얻는 단계를 포함한다. 이때, 상기 재결정화를 위한 열처리 공정(즉, 상기 서냉 처리)은 800℃ 이상의 온도에서 소정의 시간 동안 유지하는 방식으로 수행된다. 하지만, 상기 RABiTS 기술은 상기 재결정화를 위해 공정 온도 및 유지 시간 만을 제어한다는 점에서, 2축 배향성을 갖는 집합의 조직도를 향상시키는데 한계를 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2축 배향성을 갖는 집합의 조직도를 향상시킬 수 있는 초전도 선재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저렴한 비용으로 우수한 결정 배열 특성을 갖는 초전도 선재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2축 배향성을 갖는 집합의 조직도를 향상시킬 수 있는 초전도 선재의 제조 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 결정 배열 특성을 갖는 초전 도 선재를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 초전도 선재의 제조 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 자기적 서냉 처리를 실시하는 단계를 포함하는 초전도 선재의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 빌렛을 제조하고, 압연 공정을 이용하여 상기 빌렛으로부터 금속 테이프를 제조한 후, 환원 분위기에서 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 상기 금속 테이프에 소정의 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 한 주기의 열처리 공정을 복수번 실시하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 한 주기의 열처리 공정은 퀴리 온도 이하의 온도에서 상기 금속 테이프에 소정의 자기장을 인가하고, 상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이상으로 가열하면서 소정의 자기장을 인가한 후, 상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이하로 급냉시키면서 소정의 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 불활성 가스 및 환원 가스를 포함하는 가스 분위기에서, 800 내지 1100℃의 온도 범위에서 10 내지 60 분 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 인가되는 자기장의 선속 밀도는 대략 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)일 수 있다.
상기 빌렛을 제조하는 단계는 니켈 또는 니켈 합금을 분말야금법 또는 주조 법을 이용하여 가공하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 금속 테이프를 제조하기 전에, 진공 또는 환원 분위기에서 상기 빌렛을 치밀화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 치밀화 단계는 대략 1000 내지 1100℃의 온도에서 2 내지 6시간 동안 실시될 수 있다.
한편, 상기 금속 테이프를 재결정화한 후, 상기 금속 테이프 상에 초전도 박막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 재결정화된 금속 테이프의 2축 배향성은 상기 초전도 박막으로 전사되어 초전도 박막의 임계 전류 밀도를 증가시키는데 기여한다.
상기 다른 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 시료에 자기장을 인가할 수 있는 초전도 선재 제조 시스템을 제공한다. 이 시스템은 환원 분위기에서 기판을 열처리하는 열처리부, 상기 기판의 이동을 제어하는 이송부, 상기 기판에 소정의 크기의 자기장을 소정의 방향으로 인가하는 자기장 형성부 및 상기 열처리부, 이송부 및 자기장 형성부들을 제어하는 제어부를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리부는 상기 기판을 소정의 온도까지 가열하는 열원 및 상기 기판이 배치되는 공정 튜브를 구비한다. 이때, 상기 열원은 상기 제어부에 의해 제어되는 전열기이되, 상기 전열기는 할로겐 램프, 저항 발열체, 유도 가열 장치 및 적외선 가열 장치 중에서 선택된 적어도 한가지일 수 있다. 이에 더하여, 상기 공정 튜브의 양단에는 각각 상기 공정 튜브 내부에 소정의 환원 분위기를 형성하는 공정 가스가 유입/배출되는 유입구 및 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기장 형성부는 상기 제어부에 의해 전자적으로 제어되는 전원 장치 및 상기 전원 장치에 전기적으로 연결된 전자석 구조체를 포함한다. 이때, 상기 전자석 구조체는 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)의 선속 밀도를 갖는 자기장을 생성하고, 상기 자기장의 방향과 상기 기판의 표면 방향 사이의 각도가 0 내지 180도를 형성하도록 배치될 수 있다.
상기 기판은 상기 열처리부 내에서 퀴리 온도 이상 및 이하로 반복적으로 가열/냉각된다. 이를 위해, 상기 제어부는 상기 열처리부에 공급되는 전력 및 상기 이송부의 움직임을 제어한다.
이에 더하여, 상기 금속 선재 제조 시스템은 상기 기판 상에 초전도 박막을 형성하는 증착 장치를 더 구비할 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다 양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 선재의 제조 방법은 소정 모양의 빌렛(billet)을 제조하고(S1), 압연 공정(rolling process)을 이용하여 상기 빌렛으로부터 금속 테이프를 제조한 후(S3), 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계(S4)를 포함한다.
상기 빌렛을 제조하는 단계(S1)는 분말야금법(powder metallurgy) 또는 주조법(casting)을 이용하여 금속성 분말 또는 주괴를 원형 또는 사각기둥 형태로 제작하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 빌렛을 위한 금속성 분말 또는 주괴는 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 니켈 합금은 은(Ag), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 크롬(Cr), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W) 중에서 선택된 적어도 한가지를 첨가 원소로서 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 테이프를 제조(S3)하기 전에, 상기 빌렛을 치밀화시키기 위해, 상기 빌렛을 진공 또는 환원 분위기에서 대략 1000 내지 1100℃의 온도로 2 내지 6시간 동안 유지시키는 단계(S2)를 더 실시할 수도 있다.
상기 금속 테이프를 제조하는 단계(S3)는 열간 압연 공정(hot rolling process) 및 냉간 압연 공정(cold rolling process) 중의 적어도 한가지를 이용하여 실시할 수 있다. 상기 열간 압연 공정은 주조 조직의 파괴 및 기포의 압착에 의해 균질적인 결과물을 얻을 수 있고, 상기 냉간 압연 공정은 표면 특성 및 기계적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 정확한 치수를 갖는 결과물을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 테이프를 제조하기 위한 압연 공정은 냉간 압연의 방법을 사용한다.
상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계(S4)는 소정의 환원 분위기(예를 들면, 96%의 아르곤 가스 및 4%의 수소 가스로 구성되는 가스 분위기)에서 800℃ 이상의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 열처리 단계를 실시하는 동안, 상기 금속 테이프의 2축 배향성을 향상시키기 위해, 소정의 자기장이 상기 금속 테이프에 인가된다. 상기 자기장의 선속 밀도는 대략 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)일 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 2 테슬라(Tesla)이다.
알려진 것처럼, 온도가 증가할수록 물질의 스핀 방향은 무질서해지고, 이러한 스핀 방향의 무질서함은 물질의 2축 배향성을 감소시키는 결과를 초래한다. 하지만, 본 발명에 따르면, 상기 재결정화 단계(S4)에서 상기 금속 테이프에 인가되는 자기장 때문에, 상기 금속 테이프의 스핀 배향의 규칙성은 증가될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 상기 금속 테이프는 향상된 2축 배향성을 가질 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 대부분의 금속은 퀴리 온도(Curie temperature)보다 낮은 온도에서는 강자성(ferromagnetism)을 갖고, 상기 퀴리 온도보다 높은 온도에서는 상자성(paramagnetism)을 갖는다. 이러한 특성은 상기 금속 테이프의 자기적 배향성을 증대시키는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 2 및 도 3에 도시한 것처럼, 상기 본 발명의 재결정화 단계(S4)는 퀴리 온도 이하의 온도에서 상기 금속 테이프에 소정의 자기장을 인가하는 제 1 단계(S41), 소정의 자기장을 인가하면서 상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이상으로 가열하는 제 2 단계(S42) 및 소정의 자기장을 인가하면서 상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이하로 급격하게 냉각하는 제 3 단계(S43)를 반복적으로 실시하는 단계를 포함한다. 상술한 자성 상태의 온도 의존성을 고려할 때, 상기 금속 테이프는 상기 제 1 단계(S41)에서는 강자성을 갖고, 상기 제 2 단계(S42)에서는 상자성을 갖는다. 이 경우, 상기 제 1 단계(S41)에서 인가되는 자기장은 상기 금속 테이프의 입자 조직들이 소정의 방향으로 배열되는데 기여하는 자기적 구동력을 제공한다. 또한, 상기 제 2 단계(S42)에서의 퀴리 온도 이상으로의 가열은 상기 금속 테이프가 2축 배향성을 갖도록 입자 조직들의 재배열을 유도한다.
도 4는 상술한 방법을 통해 제조된 금속 선재의 결정 구조를 분석한 그래프로서, 보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 금속 선재를 엑스선 회절 분석 장치(X-ray diffraction; XRD)를 사용하여 분석한 결과이다. 이 실험에서는 니켈로 이루어진 금속 선재가 사용되었다. 도 4에 도시된 것처럼, 본 발명에 따라 제작된 니켈 선재의 XRD 그래프는 다결정 상태에서 나타나는 피크를 갖지 않았다. 즉, 본 발명에 따라 제작된 니켈 선재는 (l00) 결정면을 따라 (l00) 방향으로 성장된 결정 구조를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 자기적 서냉 단계를 포함하는 본 발명의 재결정화 과정의 효과를 분석하기 위한 그래프들이다. 보다 구체적으로, 도 5a는 종래 기술에 따라 제조된 니켈 시료의 (111) 결정면을 파이 스캔한 그래프로서, 사용된 시료는 상기 재결정화 과정에서 자기장을 인가하지 않고 열처리만을 수행하는 단계를 통해 준비되었다. 도 5b는 본 발명에 따라 제조된 니켈 시료의 (111) 결정면을 파이 스캔한 그래프로서, 사용된 시료는 자기장을 인가하면서 재결정화 과정을 수행하는 상술한 본 발명의 제조 방법에 따라 준비되었다. 이에 더하여, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제조 방법에 따라 준비된 시료를 (111) 결정면 방향에서 측정한 극점도들이다. 도 6a는 3차원적으로 도시된 극점도이고, 도 6b는 2차원적으로 도시된 극점도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 자기장을 인가한 시료의 반가폭(full width half maximum; FWHM)(ΔΦ)은 7°였으며(도 5b 참조), 자기장을 인가하지 않은 시료의 반가폭은 9°였다(도 5a 참조). 알려진 것처럼, 시료의 입자들이 결정화될수록 상기 반가폭이 감소한다. 이러한 사실 및 측정된 결과를 고려할 때, 상기 재결정화 과정에서 인가되는 자기장은 금속 선재의 결정화에 기여함을 알 수 있다. 이러한 사실은 도 6a 및 도 6b에 도시된 극점도들에서도 확인할 수 있다. 즉, 도 6a 및 도 6b에 도시된 것처럼, 본 발명에 따라 제조된 니켈 선재는 4개의 축을 따라 배향되고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 방법은 초전도 선재를 제조하기 위한 모재로 사용될 수 있다. 즉, 상술한 방법을 통해 형성된 금속 선재의 표면에는 초전도 박막이 더 형성될 수 있다. 이러한 방법은 상술한 RABiTS 기술에 기초하여 실시될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 금속 선재의 개선된 2축 배향성은 후속 공정에서 형성되는 초전도 박막으로 전사된다. 그 결과, 형성되는 초전도 박막은 통상적인 RABiTS 기술에 비해 개선된 2축 배향성을 가질 수 있다.
도 7a은 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 시스템을 설명하기 위한 장치 구성도이고, 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 선재의 제조 시스템을 보여주는 장치도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 시스템은 기판(14)에 대한 재결정화 열처리를 수행하는 재결정화 장치(100)를 포함하고, 상기 재결정화 장치(100)는 환원 분위기에서 상기 기판(14)을 열처리하는 열처리부(110), 상기 기판(14)의 이동을 제어하는 이송부(120), 상기 기판(14)에 소정의 세기의 자기장을 소정의 방향으로 인가하는 자기장 형성부(130) 및 이들을 제어하는 제어부(140)를 포함한다.
상기 열처리부(110)는 상기 기판(14)을 소정의 온도(바람직하게는, 800 내지 1100℃)까지 가열하는 열원(12) 및 상기 기판(14)의 산화를 방지하는 공정 튜브(16)를 구비한다. 상기 열원(12)은 상기 제어부(140)에 의한 전기적으로 제어될 수 있으며, 상기 기판(14)을 급속하게 가열할 수 있는 가열 장치인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열원(12)은 상기 제어부(140)에 의해 전원 공급이 제어되는 할로겐 램프이지만, 상술한 조건을 충족시키는 다양한 가열 장치들(예를 들면, 저항 발열체, 유도 가열 장치 및 선형 초점 방식의 적외선 가열 장치 등)이 상기 열원(12)으로 사용될 수도 있다.
이에 더하여, 상기 열처리부(110)는 상기 열원(12)으로부터 방출되는 에너지를 상기 기판(14)의 소정 영역에 집중시키는 집중 수단(13)을 더 구비할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에너지가 집중되는 영역의 면적은 대략 1×10㎟ 내지 10×10㎟인 것이 바람직하며, 상기 열원(12) 및 상기 집중 수단(13)은 상기 에너지 집중 영역의 이러한 면적을 충족시킬 수 있도록 배치된다. 한편, 상기 열원(12)이 상기 할로겐 램프인 경우, 반사경이 상기 집중 수단(13)으로 사용될 수 있다.
상기 공정 튜브(16)는 공정 가스가 각각 주입되고 배출되는 유입구(17) 및 배출구(18)를 갖는다. 상기 유입구(17)와 배출구(18)는 상기 공정 튜브(16)의 양단에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 공정 튜브(16)는 상기 자기장 형성부(130)에서 생성되는 자기장 및 상기 열원(12)으로부터 방출되는 에너지를 통과시키면서, 상기 공정 가스에 대해 내반응성을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 공정 튜브(16)는 석영으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 공정 가스는 상기 공정 튜브(16)의 내부에 환원 분위기를 형성할 수 있는 가스(예를 들면, 수소)를 포함하는 것이 바람직한데, 불활성 가스들 중의 적어도 한가지를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 아르곤 가스 및 수소 가스가 각각 96% 및 4%의 비율로 조합된 가스가 상기 공정 가스로 사용될 수 있다. 한편, 상기 금속 기판(14)의 온도를 모니터링할 수 있도록, 상기 공정 튜브(16) 내에는 상기 제어부(140)에 전자적으로 연결되는 온도 측정 장치(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 상기 온도 측정 장치는 열전대 센서(thermoelectric couple)인 것이 바람직하다.
상기 이송부(120)는 상기 금속 기판(14)과 상기 열원(12) 사이의 상대적 위치를 일차원적 또는 이차원적으로 변화시킬 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 상기 이송부(120)는 상기 공정 튜브(16)를 운동시킬 수 있는 전자제어 가능한 기계 장치이다. 이에 더하여, 상기 금속 기판(14)의 길이가 긴 경우, 상기 이송부(120)는 상기 금속 기판(14)의 일단에 인장력을 인가할 수 있도록 구성된 부분(도시하지 않음)을 가질 수 있다. 예를 들면, 이러한 부분은 상기 금속 기판(14)을 권취할 수 있도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이송부(120)는 상기 금속 기판(14)이 로딩된 공정 튜브(16)에 기계적으로 연결된 전기 모터(15)일 수 있으며, 상기 재결정화 단계에서 상기 공정 튜브(16)를 50 내지 500mm/hr 속도로 이동시키는 것이 바람직하다.
상기 자기장 형성부(130)는 상기 제어부(140)에 의해 전자적으로 제어되는 전원 장치(19) 및 상기 전원 장치(19)에 전기적으로 연결된 전자석 구조체(11)를 포함한다. 이때, 상기 자기장 형성부(130)에 의해 생성되는 자기장의 선속 밀도(magnetic flux density)는 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전원 장치(19)는 직류 전류 또는 교류 전류를 상기 전자석 구조체(11)에 공급할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 전원 장치(19)는 직류 전 류를 상기 전자석 구조체(11)에 공급한다. 상기 전자석 구조체(11)는 상기 공정 튜브(16)를 지나는 자기장을 형성하여, 상기 기판(14)을 구성하는 금속 원자들에 자기적 구동력을 인가한다. 이러한 자기적 구동력은 앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 것처럼 상기 기판(14)의 입자 조직들이 소정의 결정 구조를 갖도록 만드는데 기여한다.
한편, 상기 전자석 구조체(11)는 다양한 모양을 가질 수도 있다. 도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 전자석의 모양을 예시적으로 보여주기 위한 도면들이다. 따라서, 아래에서 예시되지 않은 다양한 구조의 전자석들이 본 발명의 전자석 구조체(11)로서 이용될 수도 있음은 자명하다.
도 8a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석 구조체(11)는 원통형 모양의 도전체(200) 및 상기 도전체(200)의 둘레에 감긴 권선(coil, 210)을 구비할 수 있다. 상기 도전체(200)는 투자율(magnetic permeability)이 큰 금속성 물질(예를 들면, 철)인 것이 바람직하며, 초전도체가 사용될 수도 있다. 상기 권선(210)은 상기 전원 장치(19)에 연결되어, 상기 전원 장치(19)로부터 공급되는 전자들이 흐르는 경로를 형성한다. 알려진 것처럼, 이러한 전자들의 흐름은 자기장을 형성하기 때문에, 상기 전원 장치(19)로부터 공급되는 전류의 양을 제어함으로써, 유도되는 자기장의 세기를 조절할 수 있다. 또한, 이렇게 형성되는 자기장(B)의 방향은 전류 방향에 수직하기 때문에, 상기 도전체(200)의 길이 방향의 성분을 갖는다. 상기 자기장의 방향은 상기 기판(14)의 결정 구조에 대한 자기장의 영향을 고려하여, 상기 기판(14)에 대해 소정의 방향으로 배치된다. 본 발명에 따르면, 상기 도전체(200) 의 길이 방향은 상기 기판(14)의 표면에 대해 수직한 것이 바람직한데, 이들 사이의 각도는 0 내지 180도일 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자석 구조체(11)는 양단이 서로 마주보는 말굽형 모양의 도전체(201) 및 상기 도전체(201)의 둘레에 감긴 권선(210)을 구비할 수 있다. 이 경우, 생성되는 자기장(B)은 상기 도전체(201)의 일단에서 타단을 향하는 방향을 갖는다. 이러한 도전체들(201)의 모양과 관련된 차이를 제외하면, 이 실시예는 앞서 설명한 실시예의 전자석 구조체와 동일하다.
한편, 본 발명에 따른 금속 선재는 초전도 선재를 제조하기 위한 모재로 사용될 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 시스템은 상기 재결정화 장치(100)에 더하여 초전도 박막 형성 장치를 더 구비할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 방법 및 이를 제조하기 위한 시스템은 금속 입자 조직의 배향성을 개선시킬 수 있다는 점에서, 초전도 선재뿐만이 아니라 물질의 입자 배향성을 향상시키는 방법이 요구되는 다양한 산업 분야에 폭넓게 응용될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따르면, 금속 선재의 재결정화 과정에서, 상기 금속 선재의 자성 상태가 상자성과 강자성 사이를 오가도록(oscillate) 공정 온도를 변화시키면서, 소정의 자기장을 인가한다. 이때 인가되는 자기장은 상기 금속 선재의 입자 조직들이 방향성을 가지고 배열되는데 기여한다. 그 결과, 본 발명에 따른 금속 선재는 개선된 배향성(특히, 2축 배향성)을 가질 수 있다.
초전도 선재의 제작과 관련하여, 금속 선재의 배향성은 그 상부에 형성되는 초전도 박막의 배향성을 개선시키며, 초전도 박막의 배향성의 증가는 그 임계 전류 밀도의 증가를 가져온다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 선재의 제조 방법이 고온 초전도체를 제작하는 과정에 이용될 경우, 제작되는 초전도 선재는 증가된 임계 전류 밀도를 가질 수 있다.

Claims (12)

  1. 빌렛을 제조하는 단계;
    압연 공정을 이용하여 상기 빌렛으로부터 금속 테이프를 제조하는 단계; 및
    환원 분위기에서 상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계를 포함하되,
    상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 상기 금속 테이프에 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 한 주기의 열처리 공정을 복수번 실시하는 단계를 포함하되,
    상기 한 주기의 열처리 공정은
    퀴리 온도 이하의 온도에서 상기 금속 테이프에 자기장을 인가하는 단계;
    상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이상으로 가열하면서 자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 금속 테이프를 상기 퀴리 온도 이하로 급냉시키면서 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계는 불활성 가스 및 환원 가스를 포함하는 가스 분위기에서, 800 내지 1100℃의 온도 범위에서 10 내지 60 분 동안 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 테이프를 재결정화하는 단계에서 인가되는 자기장의 선속 밀도는 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)인 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 빌렛을 제조하는 단계는 니켈 또는 니켈 합금을 분말야금법 또는 주조법을 이용하여 가공하는 단계를 포함하는 금속 선재의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 테이프를 제조하기 전에, 진공 또는 환원 분위기에서 상기 빌렛을 치밀화시키는 단계를 더 포함하되, 상기 치밀화 단계는 1000 내지 1100℃의 온도에서 2 내지 6시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 테이프를 재결정화한 후, 상기 금속 테이프 상에 초전도 박막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 재결정화된 금속 테이프의 2축 배향성은 상기 초전도 박막으로 전사되는 것을 특징으로 하는 금속 선재의 제조 방법.
  8. 환원 분위기에서 기판을 열처리하는 열처리부;
    상기 기판의 이동을 제어하는 이송부;
    상기 기판에 자기장을 인가하는 자기장 형성부; 및
    상기 열처리부, 이송부 및 자기장 형성부들을 제어하는 제어부를 구비하는 금속 선재 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열처리부는
    상기 기판을 가열하는 열원; 및
    상기 기판이 배치되는 공정 튜브를 구비하되,
    상기 열원은 상기 제어부에 의해 제어되는 전열기이고, 상기 전열기는 할로겐 램프, 저항 발열체, 유도 가열 장치 및 적외선 가열 장치 중에서 선택된 적어도 한가지이고,
    상기 공정 튜브의 양단에는 각각 상기 공정 튜브 내부에 환원 분위기를 형성하는 공정 가스가 유입/배출되는 유입구 및 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 선재 제조 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 자기장 형성부는
    상기 제어부에 의해 전자적으로 제어되는 전원 장치; 및
    상기 전원 장치에 전기적으로 연결된 전자석 구조체를 포함하되,
    상기 전자석 구조체는 0.01 내지 20 테슬라(Tesla)의 선속 밀도를 갖는 자기장을 생성하고, 상기 자기장의 방향과 상기 기판의 표면 방향 사이의 각도가 0 내지 180도를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 선재 제조 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판을 퀴리 온도 이상 및 이하로 반복적으로 가열/냉각시키는 동작을 수행하기 위해, 상기 제어부는 상기 열처리부에 공급되는 전력 및 상기 이송부의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 선재 제조 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 상에 초전도 박막을 형성하는 증착 장치를 더 구비하는 금속 선재 제조 장치.
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