KR100797405B1 - 초전도 선재와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, Nb₃Sn 초전도 선재를 제조하는 내부확산법에서, 리스택킹 빌렛 제조시 모듈들 사이에 형성되는 공간 형태에 따라 서로 다른 여러 종류의 스페이서를 삽입한 초전도 선재와 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 초전도 선재는, 3본의 모듈들 사이와 확산방지튜브와 2본의 모듈들 사이에 동 스페이서와 동/주석의 단면적 비율이 6.0 이상인 저주석/동 스페이서 중의 어느 하나가, 4본의 모듈들 사이에 동/주석의 단면적 비율이 0.01∼1.5 미만인 고주석/동 스페이서 또는 동/주석의 단면적 비율이 1.5∼6.0 미만인 중주석/동 스페이서가 배치되는 구조이다.

본 발명의 초전도 선재는, 리스택킹 빌렛의 인발시 단선이 최소화되며, 내부 조직의 균일성 향상에 의해 초전도 특성이 현저히 향상되는 장점이 있다.

초전도 선재, 초전도, 리스택킹 빌렛, 니오븀, 동, 주석

Description

초전도 선재와 그 제조방법{Superconducting wire, and the processing method of the same}

도 1은 동 빌렛에 니오븀 필라멘트들이 삽입된 압출빌렛의 단면도.

도 2는 압출봉재의 중심부에 주석봉이 결합된 서브엘레멘트의 단면도.

도 3은 확산방지튜브에 다수의 모듈들을 결합한 종래 리스택킹 빌렛의 단면도.

도 4는 스페이서들이 결합되기전 상태를 보인 본 발명 일실시예 초전도 선재 제조용 리스택킹 빌렛을 보인 것으로,

(가)는 19본의 모듈이 삽입 배치된 리스택킹 빌렛의 단면도이고,

(나)는 37본의 모듈이 삽입 배치된 리스택킹 빌렛의 단면도이다.

도 5는 도 4의 리스택킹 빌렛에 사용되는 스페이서를 보인 것으로,

(가)는 동 스페이서의 단면도이고,

(나)는 저주석/동 스페이서의 단면도이며,

(다)는 고주석/동 스페이서의 단면도이다.

도 6은 스페이서들이 결합된 상태를 보인 본 발명 일실시예 초전도 선재 제조용 리스택킹 빌렛의 단면도.

도 7은 스페이서들이 결합된 상태를 보인 본 발명 다른 실시예 초전도 선재 제조용 리스택킹 빌렛의 단면도.

도 8은 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 발명재 1의 단면 사진.

도 9는 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 발명재 2의 단면 사진.

도 10은 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 발명재 3의 단면 사진.

도 11은 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 비교재 1의 단면 사진.

도 12는 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 비교재 2의 단면 사진.

도 13은 열처리가 실시되기 전의 인발 상태를 보인 본 발명에 따른 비교재 3의 단면 사진.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

4. 리스택킹 빌렛 41. 안정화튜브 42. 모듈

42A. 니오븀 필라멘트 42B. 주석봉 43. 스페이서

43A. 주석봉 43B. 동봉 43_L.저주석/동 스페이서

43_H. 고주석/동 스페이서 43_C. 동 스페이서 44. 확산방지튜브

R. 공간 R₃. 삼각공간 R₄. 사각공간

R₂. 외곽공간

본 발명은, 동봉의 중심부에 주석봉이 삽입되고, 주석봉 주위의 동 기지에 니오븀(Nb) 필라멘트들이 삽입 배열된 서브엘레멘트를 절단 세척한 모듈 다수를, 확산방지튜브의 내부에 밀집 배열하여 리스택킹(restacking) 빌렛을 만든 후, 이를 가공 및 열처리하여 Nb₃Sn 초전도 선재를 제조하는 내부확산법에서, 확산방지튜브와 모듈들 및 모듈들 사이에 서로 다른 종류의 스페이서를 배치한 초전도 선재에 관한 것이다.

본 발명은, 압출빌렛으로 제조된 동봉의 중심부에 일정한 크기로 구멍을 뚫어 그 공간에 주석봉이 삽입되고, 주석봉 주위의 동 기지에 니오븀(Nb) 필라멘트들이 삽입 배열된 서브엘레멘트(Subelement)를 절단 세척한 모듈 다수를, 확산방지튜브의 내부에 밀집 배열하여 리스택킹(Restacking Billet) 빌렛을 만든 후, 이를 수십회의 인발가공 및 열처리를 통하여 A15구조의 Nb₃Sn 초전도 선재를 제조하는 내부 확산법에서, 확산방지튜브와 모듈과 모듈 사이에 서로 다른 종류의 스페이서를 배치한 초전도 선재에 관한 것이다.

초전도 현상이란 일정한 온도와 일정한 자장 하에서 외부 인가 전압의 전류에 대한 저항이 없어져 BCS이론에 의한 쿠퍼쌍의 전자를 형성하여 저항으로 인한 열손실이 사라지는 현상으로써, 많은 금속들의 경우 -270∼-196℃ 정도의 낮은 온도에서 갑자기 저항이 없어지는 바, 이때의 물질을 초전도체라 하며, 초전도 현상이 일어나는 온도와 자장을 '임계온도' 및 '임계자장'이라 한다.

일반적으로 모든 물질은, 외부 자기장의 방향으로 배열되면서 전체적으로 자석에 끌리게 되는 스핀 자석들로 이루어지며, 이러한 스핀 자석들이 자기장 방향으로 배열되는 효과가 매우 약하여 일상생활 속에서는 자석에 끌리게 되는 현상이 거의 관찰되지 않는 일반적인 물질들을 상자성체라 하고, 상기와 같은 특성이 강하여 자석에 잘 끌리는 물질 즉, 철과 같은 물질을 강자성체라 한다.

그리고, 스핀 자석들이 없기 때문에 물질 내부의 전자가 외부 자기장의 영향으로 전자기 유도에 의한 유도 전류를 발생시켜 외부 자기장을 차단시킴으로써 자석에서 밀리는 방향으로 힘을 받는 물질을 반자성체라 한다.

상기와 같은 초전도체를 코일로 사용하는 경우에는 열손실이 없기 때문에, 작은 전류로도 매우 강한 자기장을 형성시킬 수 있는 전자석을 만들 수 있을 뿐 아니라, 초전도체는 반자성체이기 때문에, 초전도체 위에 자석을 위치시키게 되면 자석의 자기장이 초전도체를 통과하지 못하고 배척됨으로써 자석을 부상시킬 수 있는 효과를 얻을 수도 있다.

상기와 같은 초전도 현상이 나타나게 되는 초전도체의 가장 중요한 특징은, 일정한 온도와 일정한 자장 하에서 전류의 흐름을 방해하는 전기 저항이 없는 무저항체라는 점과, 자기장을 통과시키지 않는 반자성체라는 점 및 외부의 자장을 받아 들여 초전도 상태와 정상 상태가 혼합된 상태가 될 수도 있다는 점이다.

초전도체는, 전기 저항이 '0'일 뿐만 아니라 반자성 특성이 매우 강하여 외부 자기장을 완전히 상쇄시킴으로써 물체 내부의 자기장도 '0'이 되는 제1종 초전도 물질과, 어느 한계 값을 기준으로 외부의 자장을 받아들임으로써 초전도 상태가 깨어지면서 초전도 상태와 정상 상태가 혼합되는 제2종 초전도 물질로 구분된다.

상기 제1종 초전도 물질은, 순수한 금속들이 대부분 해당되는데, 외부자기장(H)이 임계자기장(Hc)보다 작을 때 나타나며 초전도체 표면에만 초전류가 흐르고 일정 깊이 이상의 내부에는 전류가 흐르지 않음으로써 내부자기장이 소멸되고, 초전도의 초전류가 흘러 내부자장이 외부자장과 반대 방향으로 흐르게 되어 외부자장을 상쇄시키는 마이스너 효과가 있다.

제2종 초전도체는, Nb₃Sn, Nb₃Al, NbTi, MgB₂ 및 고온초전도체 등이 해당되고 강력한 자기장을 나타내는데, 하부임계자장(Hc1)까지는 외부자기장을 밀어내어 초전도체 내부에 자장이 없는 반자성 상태를 이루지만, 하부임계자기장(Hc1)과 상부임계자기장(Hc2)사이에서는 외부자기장(H)를 조금씩 받아들이면서 초전도체가 조금씩 깨어지기 시작하여 아주 무수히 많은 정상 상태의 보텍스(Vortex)가 발생된다.

그리고, 초전도 성질과 보텍스가 섞인 혼합 상태를 형성함으로써 2개의 쿠퍼 쌍 전자를 구성하게 되는 바, 보텍스 주위 표면을 따라 초전도 전류가 흐르게 되는 것과, 외부에서 인가된 전류에 의해서 2개의 쿠퍼쌍 전자를 구성하면서 전기저항이 없이 초전도 전류가 흐르게 되는 것이 있다.

즉, 제2종 초전도체는 보텍스가 움직이지 않도록 하는 플럭스 핀고정(Vortex Pinning, Flux Pinning)효과가 아주 크기 때문에 초전도 특성이 우수하나, 상부임계자기장(Hc2)을 넘어서면 초전도 현상이 깨어지면서 정상 상태로 된다.

또한, 초전도 물질은 사용하는 온도에 따라 고온초전도체와 저온초전도체로 구분될 수 있는 바, 전자는, 액체질소 온도(77K) 부근에서, 후자는 액체헬륨 온도(4K) 부근에서 초전도 현상이 일어나는 물질로서, 이와 같은 초전도 물질은 금속, 유기물, 세라믹, 화합물 등에서 1천종 이상이 발견되었으며, 금속계 초전도 물질인 Nb-Ti 합금, 화합물계 초전도 물질인 Nb₃Sn이 현재 실용화되어 사용되고 있는데, 핵융합로용 토카막장치, 입자가속기, 의료용 MRI, 분석용 NMR 등에 이용되고 있다.

상기와 같이 다양한 분야에서 사용되고 있는 초전도체를 사용하여 매우 큰 자기장을 형성시킬 수 있는 자석을 만들기 위하여서는 강자장 영역에서 임계전류(I_C)가 우수한 동시에 임계전류밀도(J_C) 특성이 높은 초전도 선재가 필요하며, 대표적인 초전도 선재로는 금속화합물형 Nb₃Sn 선재를 들 수 있고 이는 내부확산법, 브론즈법등 다양한 방법으로 제조되고 있다.

내부확산법은, 우선, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 동(銅)봉과 동을 기 지로 한 동합금봉 중 어느 하나(11)의 내부에 축 방향을 따라 니오븀 필라멘트(12)들을 적절한 위치에 배치 삽입하여 압출빌렛(1)을 제조한 후 이를 압출하여 압출봉재를 만든다.

그리고, 상기 압출봉재의 중앙부에 구멍을 뚫어 주석봉 또는 주석합금봉 중의 어느 하나(13)를 삽입한 후 수 회에 걸쳐 인발 가공을 반복 실시하여 서브엘레멘트(2)를 제조하고, 서브엘레멘트(2)를 적당한 길이로 절단 세척한 모듈(2') 다수를, 탄탈이나 니오븀 등으로 이루어진 확산방지튜브(33)의 내부에 밀집 배열한 다음, 모듈(2')들 사이의 각 공간에 스페이서(32)를 삽입하는 방법으로 리스택킹 빌렛(3)을 구성한다.

이때, 상기 확산방지튜브(33)는, 동 또는 동합금으로 이루어진 안정화튜브(31)의 내주면에 밀착 결합된다.

상기와 같이 만들어진 리스택킹 빌렛을 수 회에 걸쳐 인발 가공한 후 열처리함으로써, 주석봉 또는 주석합금봉 중의 어느 하나와 니오븀 필라멘트 사이에서 열처리에 의해 상호 확산 반응이 일어나면서 초전도체인 Nb₃Sn 화합물이 형성된다.

이때, 상기 리스택킹 빌렛(3)의 내부에 삽입된 스페이서(32)들은 모듈(2')들 사이에 필수적으로 형성되는 공간을 최소화하기 위하여 사용되는 것으로, 종래에는 주석봉 또는 주석합금봉 등의 주석계 스페이서가 사용되었으며, 원형 단면을 갖는 다수의 모듈(2')들을 확산방지튜브(33)에 삽입 후 모듈(2')들 사이에 형성되는 공간들 중 가장 큰 공간에만 스페이서(32)를 삽입하는 것이 일반적이었다.

따라서, 스페이서가 삽입된 리스택킹 빌렛을 수십 회에 걸쳐 인발하게 되면, 모듈들 사이의 공간이 압착되어 사라지면서 각 서브엘레멘트의 단면 형상이 원형에서 육각형으로 변화하게 되는 바, 이러한 일련의 인발 과정을 통하여 각 서브엘레멘트의 내부 응력이 불균일하게 되고, 그에 따라, 인발 과정에서 단선(斷線) 현상이 발생되면서 길이가 긴 선재를 제조하는데 문제가 발생함은 물론, 제조 비용이 상승하게 된다.

상기의 예로서, 내부확산법으로 A15형 Nb₃Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 제조 방법이 일본특허 평4-129106에 개시되어 있는 바, 이 방법에서는 7본의 모듈이 적층된 최외층에 6본의 주석합금 스페이서들이 삽입되고, 3본의 모듈들 사이에 형성된 대략 삼각형 형상의 단면을 갖는 공간에 선경이 작은 주석합금 스페이서가 삽입된다.

이때, 주석합금이 동 소재보다 강도가 약하기 때문에 모듈과 스페이서 사이의 응력 균형을 잡아 주기가 어렵고, 인발 과정에서 모듈과 주석합금 스페이서의 형상이 변형된다.

즉, 인발시 모듈 3본 사이의 삼각지역을 형성하는 각 모듈의 외주연부에 모서리부가 형성되면서 니오븀 필라멘트는 원형이 아닌 평탄한 형상으로 변화됨으로써, 초전도선재를 여러 가닥으로 꼬으는 연선과 케이블링 및 조관공정 등을 거쳐 일체화된 마그넷이 초전도 현상을 일으키게 되는 특정한 환경, 즉 극저온 및 고자장 하에서 발생되는 압축과 인장의 반복 싸이클에 대한 변형저항성이 약해져 초전 도 선재의 임계전류와 n 값 등이 감소하는 초전도 특성 열화를 초래하게 된다.

그리고, 니오븀 필라멘트 형상이 원형이 아니고 평탄형으로 불균일 변형되면, 외부 자장에 의해 임계전류밀도가 큰 폭으로 감소하게 되고, 인가 자장에 대한 자화손실이 발생함으로써, 강한 교류 자장이 발생하는 초전도선재의 응용에 제한을 받게 될 뿐 아니라, 극저온에서의 인장/압축 하에서 반복되는 싸이클에 의한 스트레인에 대한 초전도특성이 현저히 퇴화하게 된다.

또한, 과도한 주석 성분에 의해, 인발과 열처리 공정을 거쳐 생성되는 초전도 물질로서 Nb₃Sn이 아닌 Nb₆Sn₅ 혹은 NbSn₂ 등과 같은 비정상적인 초전도 물질이 생성됨으로써 임계전류가 저하하게 되는 문제도 있다.

본 발명은, 내부확산법으로 Nb₃Sn 초전도 선재를 제조시, 다수의 모듈들을, 확산방지튜브 내에 주석 스페이서들과 함께 밀집 배열하는 종래의 리스택킹 빌렛 제조 공정에 의해 초래되는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 동 또는 동합금과 주석 또는 주석 합금이 일정한 비율로 구성된 스페이서의 종류와 배치 방법을 달리함으로써, 모듈의 단면 형상이, 수십 회의 강가공 인발 과정에서, 최초의 원형으로부터 육각형화하는 것을 최소화하고, 모듈과 모듈의 형상 변화를 균형 있게 조절함으로써 필라멘트의 형상을 원형에 가깝게 유지할 수 있는 초전도 선재 및 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

그리고, 니오븀 필라멘트 역시 가능한 원형의 형상으로 유지되도록 하고, 그에 따라, 인발 가공시 단선 발생이 억제되도록 함을 물론, 주석의 배열을 균형 있게 배치함으로써, 초전도 선재의 열처리 과정에서 주석 원자의 이동에 따른 확산 압력을 제어하여 균일한 초전도 물질이 형성되도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 주석 성분의 과다로 인한 비정상적인 초전도 물질의 생성을 방지할 수 있는 초전도 선재를 제공함에 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 서로 다른 성분의 상대적 단면적 비율을 달리하는 다수의 스페이서에 의하여 달성된다.

설명에 앞서 용어상의 혼동을 피하기 위하여, 본 발명의 구성 요소에 대한 명칭은, 전술한 바와 같이, 동봉 또는 동을 기지로 한 동합금봉의 내부에 축 방향을 따라 니오븀 필라멘트들이 적절한 위치에 배치 삽입된 것을 "압출빌렛"; 압출빌렛을 압출한 후 그 중앙부에 구멍을 뚫어 주석봉 또는 주석합금봉을 삽입한 상태에서 인발 가공이 실시된 것을 "서브엘레멘트"라 하기로 한다.

그리고, 상기 서브엘레멘트가 적당한 길이로 절단 세척된 것을 "모듈"; 모듈 다수가 탄탈 또는 니오븀 등으로 이루어진 확산방지튜브 내부에 밀집 배열된 다음 확산방지튜브 내경부의 각 공간에 봉형 스페이서가 삽입된 후 확산방지튜브의 외주면에 동 또는 동합금 등으로 이루어진 안정화튜브의 내주면이 밀착 결합된 것을 "리스택킹 빌렛"이라 정의하기로 한다.

본 발명의 초전도 선재는, 초전도선재 특히, 내부확산법에 의해 Nb₃Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 것으로, 확산방지튜브 내경부의 공간 형태에 따라 서로 다른 종류의 스페이서를 사용함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

그리고, 상기 스페이서는 원봉의 형상으로서, 동 또는 동합금(편의상 이하에서는 "동"이라고만 한다.) 봉의 중심부에 주석 또는 주석합금(편의상 이하에서는 "주석"이라고만 한다.) 봉이 밀착하여 삽입 결합된 주석/동 스페이서와 동 스페이서 중의 어느 하나이다.

이때, 상기 주석/동 스페이서는, 동봉의 중심부에 주석봉이 삽입된 스페이서와, 동봉의 중심부에 주석합금봉이 삽입된 스페이서와, 동합금봉의 중심부에 주석봉이 삽입된 스페이서와, 동합금봉의 중심부에 주석합금봉이 삽입된 스페이서 중의 어느 하나이며,

상기 동 스페이서는 동봉으로만 이루어진 스페이서와, 동합금봉으로 이루어진 스페이서 중의 어느 하나이다.

또한, 상기 주석/동 스페이서의 경우에는, 축방향에 수직한 단면 상에서, 주석봉에 대한 동봉의 단면적 비율이 서로 다른 스페이서가 사용됨에 본 발명의 또다른 기술적 특징이 있다.

즉, 본 발명의 초전도 선재는, 확산방지튜브의 중심부에 모듈 1본을 위치시킨 상태에서 그 주위에 다수의 모듈들을 순차적으로 다수층의 형상이 되도록 적층하여 밀집 배열한 후, 모듈들 사이에 형성되는 내부공간들 중 4본의 모듈들 사이에 형성되는 내부공간에는 주석에 대한 동의 단면적 비율이 상대적으로 작은 고주석/동 스페이서를 삽입하고, 3본의 모듈들 사이에 형성되는 내부공간 및 확산방지튜브와 2본의 모듈들 사이에 형성되는 내부공간에는 주석에 대한 동의 단면적 비율이 상대적으로 큰 저주석/동 스페이서 또는 동 스페이서를 삽입하게 된다.

이때, 상기 고주석/동 또는 저주석/동 스페이서의 "고주석"과 "저주석"은 둘 사이의 동 단면적 비율 차이에 따른 상대적 구분이며, 상기 "고주석"은 "고주석"과 중주석"으로 재분류될 수도 있다.

상기와 같이 공간 형태에 따라 스페이서의 종류를 달리 사용하는 이유를 살펴보면 다음과 같다.

주석봉을 감싼 동 기지에 세경의 니오븀 필라멘트들이 일정 간격으로 삽입 배열된 구조의 서브엘레멘트를 절단 세척하여 만들어진 모듈들을 확산방지튜브 내에 삽입 배치한 경우, 모듈들 사이 및 모듈들과 확산방지튜브 사이에 형성되는 공간들에서는, 인발 과정을 통하여, 모듈들의 동 기지가 합쳐지게 된다.

따라서, 인발과정에서 모듈과 모듈 또는 스페이서와 모듈간의 균형 있는 변형을 유도하고, 열처리과정에서 니오븀 필라멘트들에 대한 주석의 확산 시 주석 원자의 이동에 따른 확산 압력이 작용하면서 니오븀 필라멘트가 움직임으로써 초전도 특성이 저하되는 것을 방지하는 동시에, 각 위치에 있는 필라멘트와 동 및 주석의 균형 있는 확산반응을 일으켜 균일한 조성의 초전도물질이 형성되도록 하기 위하여 확산방지튜브 내의 공간 형태에 따라 다른 형태의 스페이서를 사용하는 것이다.

즉, 3본의 모듈들 사이 및 확산방지튜브와 2본의 모듈들 사이에 삽입되는 스 페이서로는 주석봉에 대한 동봉의 단면적 비율이 6.0 이상인 저주석/동 스페이서 또는 주석봉에 대한 동봉의 단면적 비율이 무한대(∞)라 할 수 있는 동 스페이서를 사용하고, 4본의 모듈들 사이의 스페이서로는 주석봉에 대한 동봉의 단면적 비율이 0.01∼6.0 미만 범위인 고주석/동 스페이서를 사용하게된다.

이때, 상기 고주석/동 스페이서 중 단면적 비율 중 0.01∼1.5 미만인 것을 고주석/동 스페이서, 1.5∼6.0 미만인 것을 중주석/동 스페이서라 세분할 수도 있다.

상기와 같은 각 스페이서의 강성은 동 스페이서, 저주석/동 스페이서 및 고주석/동 스페이서의 순으로 즉, 동의 단면적 비율이 감소함에 따라 작아지는 바, 동 스페이서와 저주석/동 스페이서는 인발 과정에서 모듈의 단면 형상이 육각형화하는 것을 방지하면서 모듈의 모서리부를 라운드화함으로써, 최종 초전도 선재의 임계전류 등 초전도특성이 향상되도록 하는 역할을 하게 된다.

그리고, 상기와 같이 강성이 다른 스페이서를 사용한 것은 스페이서가 삽입되는 내부공간의 형태에 따라 인발 작업 시 서로 다른 성형거동을 보이기 때문으로서, 동 스페이서, 저주석/동 스페이서 및 고주석/동 스페이서를 사용하되, 주석/동 스페이서의 경우, 축 방향에 수직한 방향으로, 주석에 대한 동의 단면적 비율이, 상기의 한정 비율 범위에 미치지 못하거나 초과하는 경우에는 인발 후의 단면 형상이 바람직하지 못하게 되면서 초전도 특성을 떨어뜨릴 수 있게 된다.

이때, 주석/동 스페이서의 경우 상기와 같이 주석에 대한 동의 단면적 비율을 한정한 이유는, 고주석/동 스페이스의 경우 그 비율이 6.0 이상이 되면 스페이 서의 강성이 필요 이상 커져 인발 가공 시 모듈의 형상이 원형이 아닌 형태로 변형되기 쉬우며, 그에 따라, 모듈 내부의 필라멘트들도 원형이 아닌 불균일 형상이나 평탄한 형상으로 변형되기 쉬울 뿐 아니라, 필라멘트들 사이의 간격도 불균일하게 되면서 A15구조의 Nb₃Sn 초전도 물질을 형성키기 위한 열처리 시 Sn 원자의 확산이 불균일해져 초전도 특성이 저하될 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 단면적 비율이 0.01에 비치지 못하면, 스페이서의 강성이 부족하여 인발 가공 시 강성이 약한 스페이서 측으로 응력이 집중되면서 역시 모듈의 형상이 원형이 아닌 타원 형태로 변형되기 쉽다.

또한, 저주석/동 스페이서의 경우 상기 단면적 비율이 6.0에 미치지 못하면, 스페이서의 강성이 부족하여 인발가공 시, 고주석/동 스페이서의 경우와 같이, 모듈들의 불균일 변형을 초래하는 등의 초전도 특성 저하를 초래하게 된다.

상기와 같이 서로 다른 종류의 스페이서들이 혼용된 본 발명의 초전도 선재를 제조하기 위한 리스택킹 빌렛의 구조를 도 4 내지 6에 기초하여 살펴보면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 초전도 선재를 제조하기 위한 리스택킹 빌렛(4)은, 일반적으로, 확산방지튜브(44)에 내에 19본, 37본, 64본 등의 모듈(42) 다수가 삽입되며, 모듈(42)들 사이에 형성되는 내부공간(R)들 각각에는, 서로 다른 단면적 비율을 갖는 스페이서(43)가 삽입되는 구조이다.

이때, 상기 확산방지튜브(44)는 그 외주면이 안정화튜브(41)의 내주면에 밀 착 결합된 상태로서, 확산방지튜브(44) 내경부에 형성되는 내부공간(R)들은, 3본의 모듈(42)들 사이에 형성되는 삼각공간(R₃), 4본의 모듈(42)들 사이에 형성되는 사각공간(R₄) 및 확산방지튜브(44)와 2본의 모듈(42)들 사이에 형성되는 외곽공간(R₂)으로 구분될 수 있다.

그리고, 상기 삼각공간(R₃)과 외곽공간(R₂)에는 강성이 상대적으로 큰 동 스페이서(43_C) 또는 저주석/동 스페이서(43_L) 중의 하나가, 사각공간(R₄)에는 강성이 상대적으로 작은 고주석/동 스페이서(43_H)가 각각 삽입된다.

이때, 상기 삼각공간(R₃)과 외곽공간(R₂)을 구분하여, 삼각공간에 동 스페이서를 삽입하면서 외곽공간에 저주석/동 스페이서를 삽입할 수도 있고, 이와 반대로, 삼각공간에 저주석/동 스페이서를 삽입하면서 외곽공간에 동 스페이서를 삽입할 수도 있으며, 삼각공간과 외곽공간 각각에 동 스페이서와 저주석/동 스페이서를 혼합 삽입하거나, 삼각공간과 외곽공간 모두에 동 스페이서 또는 저주석/동 스페이서 한 종류만을 삽입할 수도 있는데, 이는, 제조하고자 하는 초전도 선재의 모듈 배열 형태, 인발가공 정도, 열처리 조건 등에 따라 적절히 선택된다.

그리고, 인발 가공을 실시하기 전 최초의 각 스페이서(43)가 갖는 단면적 비율은 인발 후의 상기 단면적 비율과 거의 같은 범위를 갖는다.

또한, 확산방지튜브(44) 내부에 배치된 다수 모듈(42)의 니오븀 필라멘트(42A)와 동의 전체 단면적에 대한, 모듈(42) 중심부에 위치한 주석봉(42B)의 단 면적과 스페이서(43) 중심부에 위치한 주석봉(43A)의 단면적 비율을 10∼40% 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

즉, 확산방지튜브(44) 내에 배치된 니오븀 필라멘트(42A)와 동의 전체 단면적을 "100"이라 할 때, 주석봉(42B)(43A)의 전체 단면적을 "10∼40"으로 하는 것이 좋은 바, 이 단면적 비율이 10%에 미치지 못하면, 주석의 확산이 충분치 못하게 되어 우수한 초전도 물질인 Nb₃Sn 화합물을 형성하기 어렵고, 40%를 초과하게 되면, 과다한 주석 원자의 확산에 의해 비정상적인 초전도 물질인 Nb₆Sn₅나 NbSn₂ 등의 화합물이 형성되면서 초전도 특성을 해칠 수 있게 된다.

상기와 같은 구조에서, 예를 들어, 19본의 모듈(42)이 사용되고 삼각공간(R₃)에 동 스페이서를, 외곽공간(R₂)에 저주석/동 스페이서를 삽입한다고 하면, 고주석/동 스페이서(43_H)는 6본, 동 스페이서(43c)는 12본, 저주석/동 스페이서(43_L) 12본이 사용되며, 37본의 모듈(42)이 사용되는 경우에는 고주석/동 스페이서(43_H) 12본과 동스페이서(43c) 30본, 저주석/동 스페이서(43_L) 18본이 사용된다.

상기와 같은 방법으로 조립된 리스택킹 빌렛(4)을 수십 회의 인발가공 후 열처리 하여 초전도 물질인 Nb₃Sn이 형성되도록 하게 되는 바, 확산방지튜브내의 영역에 있는 동 기지가 열처리를 통하여 Sn 원자와 확산반응에 의해 양 3∼15wt% Sn 함유 청동으로 변화되면서 초전도 특성이 우수한 Nb₃Sn 초전도물질이 형성되도록 하기 위한 열처리는 다양한 방법들이 있는데, 그 예를 들어보면 다음과 같다.

열처리 로 내부의 분위기를 높은 진공 상태로 유지한 상태에서 200℃까지 7℃/h 속도로 승온하여 5시간 유지한 후 570℃까지 6℃/h속도로 승온하여 200시간 항온 유지하며, 항온처리 완료 후 660℃까지 6℃/h속도로 승온하여 240시간 유지한 다음 6℃/h 속도로 냉각하는 방법이 있다.

또는, 5단계로 온도를 변화시키면서 승온 속도는 각각의 온도에서 5℃/h로 승온시키는 열처리 방법으로서, 210℃에서 50시간 유지하고 340℃에서 25시간 유지하며, 450℃에서 25시간 유지한 다음, 575℃에서 100시간을 유지한 후 다시 660℃에서 200시간 유지하여 초전도 물질을 형성시킨 다음 상온으로 냉각시키는 방법도 있다.

이때, 210℃에서 575℃까지 승온시킬 때는 여러 단계를 거치지 않고 곧 바로 승온 시킬 수 있으며, 660℃ 근처에서 온도 유지 시간을 변화시킬 수도 있다.

그 외에, 도 7에 도시된 바와 같이, 확산방지튜브(44) 내에 7본의 모듈을 삽입하는 경우에는 전술한 사각공간이 형성되지 않으면서 동 스페이서 또는 저주석/동 스페이서(43_L) 삽입용 공간만이 형성되는 바, 이 경우에는, 각 내부공간에 저주석/동 스페이서 또는 동 스페이서 중의 하나를 삽입하거나, 저주석/동 스페이서와 동 스페이서 함께 혼합 삽입할 수도 있다.

실시예

압출된 동봉에 축방향으로 구멍들을 뚫은 후 동봉과 니오븀 필라멘트들을 세척한 상태에서, 종래의 방법으로 니오븀 필라멘트를 170본과 180본 및 176본의 니오븀 필라멘트들을, 동봉의 각 구멍에 삽입하여 직경 180mm의 압출빌렛을 조립하였으며, 이를 열간 압출하여 직경 30mm의 압출봉재를 제조하였다.

상기 압출봉재의 중심부에 딥홀(deep hole) 가공을 실시하여 세척한 후 압출봉재의 중앙부에 주석봉을 삽입 조립한 상태에서 20% 이상의 감면율로 인발가공하여 서브엘레멘트를 제조하였으며, 이 서브엘레멘트를 적당한 길이로 절단 세척하여 모듈을 준비한 후 19본의 모듈과 스페이서들을 사용하여 직경 70mm의 리스택킹 빌렛을 조립하였다.

이때, 사각공간은 6개, 삼각공간과 외곽공간은 24개이다.

그리고, 다음의 표 1과 같이 서로 디른 스페이서를 사용하였다.

구 분	스페이서(주석 단면적에 대한 동의 단면적 비율)
	사 각 공 간	삼 각 공 간	외 곽 공 간
발 명 재 1	0.9	∞	∞
발 명 재 2	3.8	7.0	7.0
발 명 제 3	3.0	∞	8.0
비 교 재 1	0.9	1.4	1.4
비 교 재 2	0.9	0	0
비 교 재 3	0.9	0.9	0.9

* ∞; 동 스페이서

* "0"; 주석 스페이서

상기와 같이 서로 다른 종류의 스페이서를 사용한 후 각각 수십 회에 걸쳐 인발 가공하여 직경 0.816mm인 본 발명에 따른 발명재 1, 2, 3과 비교재 1, 2, 3의 초전도 선재를 얻었으며, 그 단면 사진을 도 8 내지 13에 나타내었다.

인발된 초전도 선재를 구성하는 각 모듈의 단면 형상을 살펴보면, 고주석/동 스페이서만을 사용하거나 고주석/동 스페이서와 주석 스페이서를 삽입한 비교재의 경우에는 육각형화 정도가 크다.

그러나, 공간 형태에 따라 고주석/동 스페이서와 동 스페이서를 사용하거나(발명재 1), 중주석/동 스페이서와 저주석/동 스페이서를 사용하거나(발명재 2), 중주석/동 스페이서와 동 스페이서 및 저주석/동 스페이서를 사용한(발명재 3) 본 발명재의 경우에는, 일정한 강성을 가지는 저주석/동 스페이서 또는 동 스페이서 때문에 최외각 모듈이 선재 내측으로 쏠리는 현상이 발생하지 않았고, 그 결과, 모듈의 형상도 원형에 가깝다는 것을 알 수 있다.

그리고, 각각의 초전도 선재를 열처리한 후 각각의 특성을 조사하였는 바, 전압이 0.1마이클볼트/cm일 때의 전류를 임계전류로 결정하였으며, 볼테지탭(Voltage Tap) 사이의 거리를 50cm로 하여 5마이크로볼트가 되는 지점을 임계전류로 읽고 그때 임계전류를 비동(非銅, non-Cu) 영역의 단면적으로 나눈 것을 임계전류밀도로 결정하였다.

또한, 상기의 임계전류와 임계전류밀도 외에 초전도 선재의 필라멘트 형상이 갖는 불균질 정도를 나타내는 값으로써 n값이 사용되는 바, 초전도 필라멘트의 직경이 균일하지 않은 정도 또는 초전도 선재의 불균질성을 나타내는 지표로써, 즉, 초전도성이 깨어진 경우 다시 온도를 강하시켰을 때 초전도 상태로 회복이 잘 되는가 하는 척도와 초전도체가 얼마나 잘 만들어졌는가 하는 척도로 이용되는 지수함수인 n값도 측정 비교하였다.

그 외에, 초전도 선재의 교류손실은, 주로, 열량법, 자화법, 통전법 등에 의해 측정되는 바, 본 발명에서 초전도 선재의 교류손실 측정은, 피피엠에쓰(Physical Property Measurement System)를 이용하여 동이 아닌(non Cu) 부분의 초전도 물질에 외부 교류자장을 +/-3테슬라(Tesla) 범위로 인가하여 자화량을 측정하였다.

초전도체의 전기저항이 "0"이라는 것은, 초전도체를 따라 흐르고 있는 전류가 변하지 않을 때만 해당하는 것으로, 전류가 변하는 경우에는 저항이 발생하게 되면서 손실이 발생하게 되는 바, 이때 발생되는 손실을 교류손실(AC loss)이라고 하며, 교류손실에는 커플링 손실(Coupling loss)와 와류 손실(Eddy current loss) 및 이력 손실(Hysterisis loss)가 포함된다.

그리고, 교류손실의 원인은 자장의 변화에 있는 바, 전류가 변하면 자장이 변하여 그 자장에 의하여 손실이 생기게 된다.

본 발명재와 비교재의 초전도 특성은 다음의 표 2와 같다.

구 분	IC	JC	n 값	교류손실
발 명 재 1	250	950	33	712
발 명 재 2	270	1050	40	653
발 명 재 3	230	920	32	681
비 교 재 1	183	637	17	523
비 교 재 2	180	630	19	514
비 교 재 3	206	770	22	468

초전도성질은 Jc값이 높고 n값이 높을 수 록 그 성능이 우수하며, Jc값이 상승하면 교류 손실값도 함께 상승하게 되는데, 교류 손실값의 상승을 어느 정도 억제시키면서 Jc값의 상승을 가져 올 수 있는 방법이 필요하다.

그리고, 비교재와 같이, 동의 단면적 비율이 하한치에 가까운 고주석/동 스페이서나 주석 스페이서를 사용하는 경우, 열처리 과정에서 주석 원자의 확산압력을 감소시켜 교류 손실을 어느 정도 상쇄시킬 수 있으나, 리스텍킹 빌렛의 인발 과정에서 스페이서가 충분한 강성을 가지지 못하여 모듈과 모듈의 변형이 불균일하게 되면서 단선이 발생하게 될 뿐 아니라, 인발 후 선재의 단면 형상이 일그러져 필라멘트 형상이 불균일하게 변형되어 초전도 특성이 현저하게 저하된다.

그러나 리스텍킹 빌렛을 조립할 때, 상기 비교재에서 야기되는 문제점을 보완하기 위하여, 삼각공간과 외곽공간에 동 스페이서를 삽입하면서 사각공간에 동의 단면적 비율이 하한치에 가까운 고주석/동 스페이서를 삽입하여 제조된 리스텍킹 빌렛으로부터 제조된 본 발명재 1의 경우, 인발 과정에서 최외층에 있는 모듈의 불균일 변형이 감소될 뿐만 아니라, 신선과정에서의 단선이 감소되어 비교재 1, 2, 3 모두에 비하여 교류손실은 어느 정도 상승을 가져왔으나 임계전류, 임계전류밀도 및 n값의 현저한 증가를 가져롬으로써 초전도 특성이 향상됨을 알 수 있다.

이때, 사각공간에 위치한 고주석/동 스페이서가 아직 충분한 강성을 가지지 못하였기 때문에, 발명재 1의 경우 최외층 모듈들의 대부분은 내부방향으로 다소 쏠리고 있음을 발견할 수 있다.

상기 발명재 1의 단점을 보완하기 위해서, 발명재 2는 4개의 모듈사이에 형성되는 사각공간용 고주석/동 스페이서의 강성을 제어하기 위하여 고주석/동 스페이서 중 동의 단면적 비율을 증가시킨 중주석/동 스페이서를 사용하였고, 그에 따라 감소되는 주석 성분의 양을 보충하기 위하여, 발명재 1과 달리, 삼각공간과 외곽공간에는 동 스페이서 대신 저주석/동 스페이서를 사용하였다.

그 결과, 발명재 1에서 야기될 수 있는 최외층 모듈의 내부방향측 쏠림 현상이 없어지고, 확산방지 튜브 내부의 모든 공간에 상호 대칭적으로 주석 혹은 주석합금(2원계이상)이 함유된 스페이서를 사용함에 따라 열처리 시 주석 혹은 주석합금 원자의 확산반응이 상호 균일하게 제어됨으로써 양질의 Nb₃Sn초전도 물질이 형성될 수 있었다.

또한, 주석 혹은 주석합금 원자의 확산 시 발생할 수 있는 확산압력이 상쇄되면서 필라멘트의 브리징(bridging) 현상이 완화될 수 있음으로써, 교류손실의 증가 폭이 완화됨과 동시에 임계전류, 임계전류밀도 등의 초전도 특성이 현저하게 향상되었다.

발명재 3은, 발명재 2와 달리, 삼각공간에 사용된 저주석/동 스페이서 대신에 강성이 큰 동 스페이서를 사용함으로써 신선가공성이 향상되는 동시에, 동 스페이서에 의해 확산방지튜브 내부에서 주석 혹은 주석합금 원자의 확산이 제어됨에도 불구하고 비교재에 비하여 초전도특성이 현저하게 향상됨을 알 수 있었다.

그리고, 비교재의 인발 과정에서 초래되었던 모듈과 모듈의 응력 불균형이 감소하여 모듈의 변형이 균일해지고, 이로 인하여 n값이 상승되면서 Jc와 같은 초전도 특성이 향상되었다.

이때, 최외층 모듈들과 그 내측에 인접한 모듈층 사이의 사각공간에 삽입되는 고주석/동 스페이서의 주석에 대한 동의 단면적 비율이 6.0 이상이 되면, 즉, 저주석/동 스페이서를 삽입하게 되면, 스페이서의 강성이 필요 이상으로 강하여 인발가공 시 모듈의 형상이 원형 외의 형태로 변형되고, 비동(非銅, Non-Cu Area)영역의 주석 성분이 너무 적어지게 되면서 양질의 Nb₃Sn 초전도물질이 형성되기 어려워진다.

그 결과, 모듈 내의 필라멘트도 원형이 아닌 불균일 형상 또는 평탄한 단면 형상으로 변형될 수 있음은 물론, 필라멘트와 필라멘트 간격이 불균일하게 되고, 필라멘트 층와 필라멘트 층간의 간격도 불균일해지면서 A15 구조의 Nb₃Sn 초전도물질을 반응시키기 위한 열처리 시 Sn 원자의 확산이 불균일해지면서 양질의 Nb₃Sn 초전도 필라멘트가 형성되지 못하여 인가자장 하에서의 초전도 특성이 저하될 수 있다.

그리고, 원형 형상이 아닌 필라멘트는, 초전도 선재가 사용되는 극저온의 인장/압축응력하의 반복 싸이클 하에서, 스트레인 특성에 대한 초전도 특성이 저하될 수도 있다.

또한, 삼각공간 또는 외과공간에 삽입되는 저주석/동 스페이서의 주석에 대한 동의 단면적 비율이 6.0 미만일 경우에는, 비교재들과 같이, 최외층 모듈층과 확산방지튜브 사이에 위치한 스페이서의 강성이 낮기 때문에, 인발가공 시 외곽공간에 위치한 스페이서들이 높은 응력을 받아 내경 중심부 측으로 움푹 들어가게 된다.

동시에, 상대적으로 강성이 큰 인접 모듈들은 선재 외부 측으로 응력을 받아 모듈의 형상이 원형으로 변형되지 못하고 불규칙한 형상으로 변형되어 필라멘트 형상이 원형이 아닌 불균일 형상이나 평탄한 형상으로 변형되기 쉽고, 필라멘트와 필라멘트 간격이 불균일하게 되고, 필라멘트 층와 필라멘트 층간의 간격도 불균일해지면서, 전술한 바와 같이, 열처리에 의해 양질의 Nb₃Sn 초전도 필라멘트를 형성하지 못하여 인가자장 하에서 초전도 특성이 저하될 수 있다.

각 스페이서를 구성하는 동과 주석의 단면적 비율에 대한 분석은 금속 광학현미경의 이미지 분석 장치를 이용하여 이루어졌는 바, 먼저, 모듈과 모듈 사이에 존재하는 동 구역을 1/2로 분할하여 원래의 모듈이 가지고 있는 최외각 두께의 단면적을 구한 후, 이를 기준으로 삼각공간 및 사각공간의 스페이서가 존재하는 구역에서 상기 1/2로 분할된 최외곽 동 두께만큼 제외시키면 스페이서의 면적이 되며, 각 스페이서의 면적으로부터 주석의 면적과 동의 면적을 금속 광학현미경 이미지 분석장치로서 분석하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 초전도 선재는, 확산방지튜브의 내경 부에 삽입되는 모듈들 사이의 모든 내부공간들에 스페이서가 삽입됨은 물론, 내부공간의 형태에 따라 주석에 대한 동의 단면적 비율이 다른 여러 종류의 주석/동 스페이서와 동 스페이서가 사용됨에 따라, 인발시 단선이 비교재보다 감소되면서 생산성이 향상됨은 물론, 내부 조직의 균일성을 향상시켜 주는 동시에 초전도 특성이 현저히 향상되는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 안정화튜브의 내주면에 확산방지튜브의 외주면이 밀착 결합되고, 동봉 중심부에 위치한 주석봉 주위의 동 기지에 다수의 니오븀 필라멘트가 배치된 다수의 모듈이 확산방지튜브의 내부에 밀집 배치된 후, 확산방지튜브의 내부공간들에 다수의 스페이서가 삽입 결합된 상태에서 인발된 초전도 선재에 있어서,

   상기 확산방지튜브(44)와 모듈(42)들 및 모듈(42)들 사이에 형성되는 모든 공간에는 1본씩의 스페이서(43)가 삽입되며,

   이때, 상기 확산방지튜브(44)와 모듈(42)들 사이 및 3본의 모듈(42)들 사이에 삽입되는 스페이서(43)는, 동 또는 동합금 봉의 중심부에 주석 또는 주석합금 봉이 삽입된 주석/동 스페이서와, 동 또는 동합금 스페이서 중의 어느 하나이며,

   4본의 모듈(42)들 사이에 삽입되는 스페이서(43)는, 동 또는 동합금 봉의 중심부에 주석 또는 주석합금 봉이 삽입된 주석/동 스페이서인 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 확산방지튜브(44)와 모듈(42)들 사이 및 3본의 모듈들 사이에 삽입되는 주석/동 스페이서는, 축방향에 수직한 단면 상에서, 주석 또는 주석합금 봉에 대한 동 또는 동합금 봉의 단면적 비율이 6.0 이상이며,

   4본의 모듈(42)들 사이에 삽입되는 주석/동 스페이서는, 축방향에 수직한 단 면 상에서, 주석 또는 주석합금 봉에 대한 동 또는 동합금 봉의 단면적 비율이 0.01∼6.0 미만인 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
3. 제 1항에 있어서, 상기 모듈(42)의 수는 7본, 19본, 37본 및 64본 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
4. 제 1항에 있어서, 상기 확산방지튜브(44)의 내부에 있는 다수 모듈(42)의 니오븀 필라멘트와 동의 전체 단면적에 대한, 다수 모듈(42) 중심부에 위치한 주석봉의 단면적과 스페이서 중심부에 위치한 주석봉의 단면적 비율은 10∼40% 범위인 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
5. 동봉 내부에 축 방향으로 니오븀 필라멘트들이 삽입된 압출빌렛을 압출하여 압출봉재를 만드는 단계와; 압출봉재의 중앙부에 구멍을 뚫어 주석봉 또는 주석합금봉 중의 어느 하나를 삽입한 후 인발 가공하여 서브엘레멘트를 제조하는 단계와; 서브엘레멘트를 적당한 길이로 절단 세척한 모듈 다수를 확산방지튜브의 내부에 밀집 배열하는 단계와; 확산방지튜브 내의 각 내부공간에 스페이서를 삽입하는 리스택킹 빌렛 제조 단계 등을 포함하여 이루어진 초전도 선재의 제조 방법에 있어서,

   상기 리스택킹 빌렛 제조 단계는,

   확산방지튜브와 모듈들에 의해 형성되는 내부공간들을, 3본의 모듈들 사이에 형성되는 삼각공간과; 4본의 모듈들 사이에 형성되는 사각공간 및 확산방지튜브와 2본의 모듈들 사이에 형성되는 외곽공간으로 구분한 후,

   상기 삼각공간과 외곽공간에는, 동 또는 동합금 봉의 중심부에 주석 또는 주석합금 봉이 삽입된 주석/동 스페이서와, 동 또는 동합금 스페이서 중의 어느 하나를 삽입하고,

   상기 사각공간에는, 동 또는 동합금 봉의 중심부에 주석 또는 주석합금 봉이 삽입된 주석/동 스페이서를 삽입하는 과정이 포함되어 이루어짐을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 삼각공간과 외곽공간에 삽입되는 주석/동 스페이서의 주석 또는 주석합금 봉에 대한 동 또는 동합금 봉의 단면적 비율은, 축방향에 수직한 단면 상에서, 4본의 모듈(42)들 사이에 삽입되는 주석/동 스페이서의 주석 또는 주석합금 봉에 대한 동 또는 동합금 봉의 단면적 비율보다 큼을 특징으로 하는 초전도 선재의 제조 방법.

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