KR100949015B1 - 격자구조가 개선된 초전도 박막선재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 위에 형성된 완충층과, 상기 완충층 위에 형성된 초전도층을 포함하는 초전도 박막선재에 있어서, 상기 초전도층의 격자상수(α)에 대한 상기 완충층의 격자상수(β)의 비(β/α)가 관계식, 0.23 ≤ β/α ≤ 0.24를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 박막선재를 개시한다.

초전도 박막선재, 격자상수, FWHM, 입계 경계각, 격자구조

Description

격자구조가 개선된 초전도 박막선재{SUPERCONDUCTING THIN FILM WIRE IMPROVED IN LATTICE STRUCTURE}

본 발명은 초전도 박막선재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집합조직(texture) 특성과 결정립계각(Grain boundary angle)(이하, '입계 경계각'이라 함) 특성의 향상을 위해 내부 구조가 개선된 초전도 박막선재에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 박막선재는 1세대 BSCCO(Bi-Sr-Ca-Cu-O) 선재와 2세대 YBCO(Y-Ba-Cu-O) 박막선재로 구분될 수 있는데, 특히 2세대 초전도 박막선재는 상대적으로 가격이 저렴하고 고자장에 대한 내성이 강하여 향후 SuperVAR(TM), 모터, 발전기, 전력 케이블, 자기추진선, MRI, 전력케이블 등에 널리 응용될 것으로 기대되고 있다.

초전도 박막선재는 도 1에 도시된 바와 같이 금속기판(11), 완충층(12), 초전도층(13) 및 보호층(14)을 포함하는 구조로 제조된다. 금속기판(11)은 하스텔로이(Hastelloy), 니켈(Ni), 니켈(Ni) 합금 등의 금속계 물질을 압연 및 열처리하여 가공되고, 완충층(12)과 초전도층(13)은 물리증착법(Physical Vapor Deposition; PVD) 또는 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등의 증착공정에 의해 금 속기판(11) 위에 적층됨으로써 제공된다. 보호층(14)은 과전류가 흐를때 선재를 보호하기 위한 용도로 구비되는 박막으로서, 전기저항이 상대적으로 낮은 은(Ag) 등의 금속물질을 이용한 스퍼터링(Sputtering) 공정에 의해 형성된다.

초전도 박막선재의 특성 개선과 관련된 종래기술로서, KR 2005-7007424, KR 2005-0067425, EP 1557486, JP 2004-149380, US 20060009362, WO 04/040047 등에는 초전도층의 집합도를 특정하여 격자 불일치를 최소화하는 내용이 개시되어 있다.

또한 초전도층의 집합도 향상과 관련하여 KR 2005-0083851, EP 1557485, JP 2004-149378, US 20060166831, WO 04/040046 등에는 기판, 중간층(완충층), 초전도층 간의 계면 에너지 관계를 특정한 기술이 개시되어 있다.

초전도 박막선재는 내부 격자구조의 특성에 따라 선재의 성능과 품질이 크게 좌우되므로 양질의 초전도 박막선재를 제조하기 위해서는 금속기판은 물론 완충층과 초전도층의 격자구조의 특성을 최적치로 정량화하는 것이 매우 중요하다.

예를 들어, 금속기판의 집합조직 비율(Ratio of cube texture)이 낮을 경우에는 그 위에 성장하는 완충층의 집합도가 떨어지거나 방향성이 상이하게 성장이 이루어지게 되며, 입계 경계각이 일정치 이상으로 고각인 경우에는 그 부위에서 크랙(Crack)이 발생할 수 있다. 또한, 금속기판의 집합조직 비율과 입계 경계각이 불균일할 경우에는 초전도층의 성능과 품질을 저하시키게 된다.

초전도 박막선재의 특성 평가를 위한 주요 측정법으로는 집합조직을 X-ray 스캔하여 반가폭(Full Width at Half Maximum; FWHM)을 정량화하는 방법과, 입계 경계각을 측정하여 평가하는 방법과, 박막선재의 기계적 특성을 평가하는 방법 등 이 널리 사용되고 있다. 특히, FWHM과 입계 경계각의 특성에 영향을 미치는 파라미터를 최적치로 정량화할 경우에는 성능과 품질이 우수한 초전도 박막선재를 제조할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 완충층과 초전도층의 격자구조를 개선하여 FWHM과 입계 경계각 특성을 향상시킨 초전도 박막선재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 위에 형성된 완충층과, 상기 완충층 위에 형성된 초전도층을 포함하는 초전도 박막선재에 있어서, 상기 초전도층의 격자상수(α)에 대한 상기 완충층의 격자상수(β)의 비(β/α)가 관계식, 0.23 ≤ β/α ≤ 0.24 를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 초전도층은 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지며, 상기 완충층은 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 입방정계(Cubic) 중 선택된 어느 하나의 구조를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 위에 형성된 완충층과, 상기 완충층 위에 형성된 초전도층을 포함하는 초전도 박막선재에 있어서, 상기 초전도층은 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지며, 상기 완충층은 사 방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 입방정계(Cubic) 중 선택된 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 박막선재가 제공된다.

본 발명에 따르면 완충층과 초전도층의 집합조직과 입계 경계각의 특성이 우수한 고품질의 초전도 박막선재를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 박막선재의 구성을 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 박막선재는 금속 소재의 베이스 기판(100)과, 베이스 기판(100) 위에 증착된 완충층(101)과, 완충층(101) 위에 증착된 초전도층(102)을 포함하고, 초전도층(102)과 완충층(101) 간의 격자상수 비(β/α)는 0.23 ≤ β/α ≤ 0.24를 만족하는 구조를 갖는다.

베이스 기판(100)은 압연된 하스텔로이(Hastelloy) 테이프를 표면연마(전해연마)한 후 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법으로 표면처리함으로써 형성된다. 대안으로, 베이스 기판(100)은 니켈(Ni)이나 니켈(Ni) 합금을 포함하는 금속 소재에 의해 형성될 수 있다. 베이스 기판(100)은 소정 길이를 갖는 형태로 가공되는 것이 바람직하나, 이러한 예에 한정되지 않고 필요에 따라 금속편 형태로 가공될 수도 있음은 물론이다.

완충층(101)과 초전도층(102)은 물리증착법(Physical Vapor Deposition; PVD) 또는 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등의 증착공정에 의해 형성된다. 후술하는 바와 같이 완충층(101)과 초전도층(102)의 격자구조를 최적으로 특정하기 위해, 초전도층(102)은 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지며, 완충층(101)은 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 또는 입방정계(Cubic) 구조를 갖는 것이 가장 바람직하다. 이해를 돕기 위해, 도 3에는 사방정계(Orthorhombic)(a), 정방정계(Tetragonal)(b) 및 입방정계(Cubic)의 격자구조가 개략적으로 도시되어 있다(단, a < b < c).

상기 완충층(101)과 초전도층(102)의 재료로는 공지의 초전도 박막선재용 재료가 동일하게 채용될 수 있다. 예컨대, 완충층(101)의 재료로는 ZrO₂, CeO₂, YSZ, Y₂O₃, HfO₂ 등이 채용될 수 있으며, 초전도층(102)의 재료로는 YBCO(Y-Ba-Cu-O), SmBCO(Sm-Ba-Cu-O) 또는 GaBCO(Ga-Ba-Cu-O)가 채용될 수 있다.

도 4 내지 도 6을 참조할 때, 초전도층(102)의 격자상수(α)에 대한 완충층(101)의 격자상수(β)의 비(β/α)는 아래의 수학식 1과 같이 특정된다.

0.23 ≤ β/α ≤ 0.24

도 4에는 격자상수의 비 β/α가 0.226 내지 0.244의 범위를 갖도록 완충층(101)과 초전도층(102)의 재료를 조절하여 초전도 박막선재를 제조한 후 당해 기술분야에서 널리 알려져 있는 φ-scan을 이용하여 FWHM을 측정함으로써 초전도층(102)의 집합조직을 평가하고, EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)를 이용하여 입계 경계각을 측정한 결과를 나타낸 테이블이 도시되어 있으며, 도 5와 도 6에는 각각 상기 β/α의 변화에 따른 FWHM과 입계 경계각의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, β/α가 0.23 내지 0.24인 범위에서 FWHM는 대략 9 deg. 미만의 범위에서 현저히 평준화됨으로써 우수한 집합도 특성을 나타내게 되며, 입계 경계각은 대략 10 deg. 미만의 범위에서 현저히 평준화됨으로써 우수한 입계 경계각 특성을 나타내게 된다. 이와 같은 범위에서는 완충층(101)과 초전도층(102)의 집합조직 비율(Ratio of cube texture)이 높고, 입계 경계각이 대략 10 deg. 미만의 저각으로 균일하게 유지되므로 크랙 발생이 억제되고 격자구조가 안정화된 초전도 박막선재가 얻어질 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 초전도 박막선재의 구성을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 박막선재의 구성을 도시한 단면도이다.

도 3은 일반적인 결정 격자구조를 나타낸 모형도이다.

도 4는 본 발명에 따라 초전도 박막선재에 대하여 FWHM(Full Width at Half Maximum)과 입계 경계각(Grain boundary angle)을 측정한 결과를 나타낸 테이블이다.

도 5는 도 4에서 β/α의 변화에 따른 FWHM의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6은 도 4에서 β/α의 변화에 따른 입계 경계각의 변화를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

100: 베이스 기판 101: 완충층

102: 초전도층

Claims (3)

1. 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 위에 형성된 완충층과, 상기 완충층 위에 형성된 초전도층을 포함하는 초전도 박막선재에 있어서,

   상기 초전도층의 격자상수(α)에 대한 상기 완충층의 격자상수(β)의 비(β/α)가 관계식,

   0.23 ≤ β/α ≤ 0.24

   를 만족하는 것을 특징으로 하는 초전도 박막선재.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초전도층은 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지며,

   상기 완충층은 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 입방정계(Cubic) 중 선택된 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 박막선재.
3. 삭제

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