KR100964354B1 - Method of joining YBCO-CC superconducting wire by the melting diffusion of two superconductor layers facing each other - Google Patents
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Abstract
기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥에서 초전도체층을 직접 맞대어 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것으로서, (a) 초전도 선재의 2가닥 일단을 식각하여 안정화제층을 제거하고, (b) 안정화제층이 제거되어 노출된 초전도체층을 맞대어 접촉시키고, 홀더로 고정시키고, (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 용융점(melting point)으로 용융확산(melting diffusion)에 의한 접합을 하고, (d) 상기 접합부분을 산소분위기로 산화(oxidation)시키는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.In the method of joining the second generation superconducting wires by direct melt diffusion of the superconductor layer connecting the superconductor layers directly to each other by connecting the superconductor layers directly to each other in the two strands of the second generation superconducting wires composed of the substrate portion, the buffer layer, the superconductor layer, and the stabilizer layer. The method relates to (a) etching one end of two strands of superconducting wire to remove the stabilizer layer, (b) removing the stabilizer layer so that the exposed superconductor layer is brought into contact with each other, fixed with a holder, and (c) the fixing Placing the prepared portion in a furnace, bonding by melting diffusion to a melting point of the superconductor layer, and (d) oxidizing the bonded portion with an oxygen atmosphere. Prepare a configuration.
상기와 같은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의해, 중간 매개체 없이 직접 초전도체층을 맞대어 용융확산함으로써, 상전도 접합에 비해 접합저항이 거의 없이 충분히 긴 선재를 제작할 수 있고, 특히, 고온에서 용융확산한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)시킴으로써, 고온에서 용융확산 과정 중에서 초전도체로부터 손실된 산소를 보상하여 초전도체 성질을 유지할 수 있다.By the method of joining the second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer as described above, by directly melting and diffusing the superconductor layer without an intermediate medium, it is possible to produce a sufficiently long wire with little bonding resistance compared to the phase conduction bonding. In particular, by oxidizing in an oxygen atmosphere after melt diffusion at high temperature, the superconductor properties can be maintained by compensating oxygen lost from the superconductor during the melt diffusion process at high temperature.
초전도 선재, 제2세대, 접합, 용융, YBCO-CC Superconducting Wire, Second Generation, Bonding, Melting, YBCO-CC
Description
본 발명은 기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥을 서로 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of a superconductor layer connecting two strands of a second generation superconducting wire composed of a substrate portion, a buffer layer, a superconductor layer, and a stabilizer layer to each other and connecting them into one strand. will be.
특히, 본 발명은 초전도 선재의 안정화제층을 식각하여 들어난 초전도체층을 서로 맞대어 홀더로 고정하고, 고정된 부분을 용융확산하고 산소분위기에서 산화(oxidation)시키는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것이다.Particularly, the present invention provides a superconductor layer obtained by etching a stabilizer layer of a superconducting wire to be fixed with a holder, and by direct melt diffusion of a superconductor layer which melt-diffuses the fixed portion and oxidizes it in an oxygen atmosphere. A method for joining generation superconducting wires.
일반적으로 초전도 선재의 접합은 다음과 같은 경우에 필요하다. 첫째로는 코일 권선 시 선재의 길이가 짧아서 장선재로 사용하기 위하여 선재를 접합해야 하는 경우이며, 두 번째로는 초전도 선재를 권선한 코일을 서로 연결하기 위하여 초전도 마그네트 코일간의 접합이 필요한 경우이다. 마지막으로 영구전류모드 운전을 위한 초전도 영구 전류 스위치를 병렬로 연결해야 할 때, 초전도 마그네트 코일과 초전도 영구전류 스위치간의 접합을 해야 하는 경우이다.In general, joining of superconducting wires is necessary when: Firstly, when the coil is wound, the length of the wire is short and the wire must be joined to use it as a long wire. Second, when the coils of the superconducting wire are wound together, the superconducting magnet coils need to be joined together. Finally, when the superconducting permanent current switch for the permanent current mode operation must be connected in parallel, the superconducting magnet coil and the superconducting permanent current switch must be joined.
특히, 영구전류모드 운전이 필수적으로 요구되어지는 초전도 응용기기에서 초전도 선재를 연결하여 사용하기 위해서는, 연결된 초전도 선재가 마치 하나의 선재를 이용하는 것과 같이 연결되어야 한다. 그래서 모든 권선이 이루어졌을 때 손실이 없는 운전이 이루어져야 한다. 예를 들면, NMR(Nuclear Magnetic Resonance), MRI(Magnetic Resonance Imaging), SMES(Superconducting Magnet Energy Storage) 및 MAGLEV(MAGnetic LEVitation) 시스템 등과 같은 초전도 마그네트 및 초전도 응용기기에서 그러하다.In particular, in order to connect and use the superconducting wires in a superconducting application device in which permanent current mode operation is required, the connected superconducting wires must be connected as if using a single wire. So when all the windings have been made a lossless operation should be made. This is the case, for example, in superconducting magnets and superconducting applications such as Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Magnetic Resonance Imaging (MRI), Superconducting Magnet Energy Storage (SMES) and MAGnetic LEVitation (MAGLEV) systems.
하지만 초전도 선재간의 접합부위는 일반적으로 접합되지 않은 선재보다 특성이 낮으므로 영구전류모드 운전시 임계전류는 접합부에 크게 의존한다. 따라서 초전도 선재간의 접합부위의 임계전류 특성을 향상시키는 것은 영구전류 모드형 초전도 응용기기 제작에 매우 중요하다. 그러나 저온초전도 선재와는 달리 고온초전도 테이프 선재의 경우 초전도체가 세라믹이므로 초전도 상태를 유지하는 접합은 매우 어렵다.However, the junction between superconducting wires is generally lower than that of unbonded wires, so the critical current depends on the joints in the permanent current mode operation. Therefore, improving the critical current characteristics of the junction between superconducting wires is very important for the fabrication of permanent current mode superconducting applications. However, unlike low-temperature superconducting wires, in the case of high-temperature superconducting tape wires, the superconductor is ceramic, so it is very difficult to maintain a superconducting state.
도 1과 도 2를 참조하여, 종래의 2세대 고온 초전도 선재를 접합하는 방법을 설명한다.With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the method of joining the conventional 2nd generation high temperature superconducting wire is demonstrated.
도 1에서 보는 바와 같이, 2세대 고온 초전도 선재(10)는 적층구조로 테이프 형상으로 만들어진 선재이다. 초전도 선재(10)의 적층구조는 기판부(11, substrate), 완충층(12, Buffer Layer), 초전도체층(13), 안정화제층(14)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the second generation high temperature
기판부(11)는 Ni 또는 Ni합금 등 금속계 물질을 재질로 압연 및 열처리하여 큐브 집합조직(Cube texture)을 형성하여 제작된다. 완충층(12)은 ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 또는 HfO2 등의 재질로 단일층 또는 다수의 층으로 기판부(11) 위에 에피택셜(Epitaxial)하게 적층된다.The
초전도체층(13)은 YBa2Cu3O7-x계로 대표되는 산화물 초전도 물질로 이루어진다. 즉, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7이어야 한다. 초전도체층(13)을 구성하는 산화물 초전도체의 산소량이 변동함으로써 초전도체층(13)의 특성이 크게 변화된다. 따라서 상기 산소의 몰비율은 일정하게 유지시켜주어야 한다.The
안정화제층(14)은 과전류시 초전도체층(13)을 보호하는 등 초전도체층(13)을 전기적으로 안정화시키기 위하여 초전도체층(13) 상부면에 적층된다. 안정화제층(14)은 과전류가 흐를 때 선재를 보호하기 위하여 전기저항이 상대적으로 낮은 금속물질로 구성된다. 예를 들면, 은 또는 동 등의 전기저항이 낮은 금속물질로 구 성된다. 또, 스테인리스 등이 이용될 수도 있다.The
도 2는 상기와 같은 제 2세대 초전도 선재을 접합하는 종래의 기술을 도시하고 있다. 도 2에서 보는 바와 같이, 초전도체층(13)의 연결하고자 하는 부위를 에칭 등으로 안정화제층(14)을 제거하고, 그 사이에 솔더(15, solder)를 비롯한 상전도체 층 물질을 매개로 한 접합이 이루어진다. 이때, 전류의 흐름(16)이 반드시 상전도체 층을 지나게 되어 접합 저항의 발생을 피할 수 없게 된다.2 illustrates a conventional technique for joining the second generation superconducting wires as described above. As shown in FIG. 2, the
접합 저항에 의하여 전류가 흐를 때 열이 발생하게 되고, 열이 발생하면 접합부위에 온도가 올라가게 된다. 극한 경우 온도 상승으로 인해 낮은 온도에서 초전도 성질을 나타내는 초전도체가 상전도로 전이될 수도 있다. 그렇지 않다하더라도, 온도를 낮추기 위한 냉각 비용이 많이 들게 되는 문제점들이 발생한다.When the current flows due to the junction resistance, heat is generated, and when heat is generated, the temperature rises at the junction. In extreme cases, the temperature rise may cause the superconductor, which exhibits superconductivity at low temperatures, to transition to phase conduction. Even if not, problems arise that the cooling cost for lowering the temperature is high.
무엇보다도, 이 경우 접합은 솔더링(Soldering) 등 저항 접합을 이용하므로 접합부위에 저항이 상존하게 되어 엄밀한 의미의 영구전류모드 운전은 불가능하다.First of all, in this case, since the junction uses a resistive junction such as soldering, resistance is present at the junction, and thus, the permanent current mode operation in the strict sense is impossible.
한편, 초전도 판재를 이용하여 제 1세대 고온 초전도 선재인 BSCCO 선재를 접합하는 기술의 일례가 [대한민국 등록특허 10-0360292호(2002.10.26.공개), "고온 초전도 테이프 선재의 초전도 접합 방법"](이하 선행기술 1)에 개시되어 있다.On the other hand, an example of a technique for joining BSCCO wire, which is the first generation high temperature superconducting wire using superconducting plate, is described in [Korean Patent Registration No. 10-0360292 (published on October 26, 2002), "Superconducting Bonding Method of High Temperature Superconducting Tape Wire". (Hereinafter referred to as prior art 1).
상기 선행기술 1은 최종 열처리된 다심 고온 초전도 테이프 선재를 초전도결합이 이루어지도록 접합하는 방법에 관한 것으로서, 은 또는 은 합금 및 초전도 필라멘트로 구성되고 최종 열처리가 완료된 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재를 동일한 경사각으로 깎아내고, 단심 초전도 선재를 제조하여 은 또는 은 합금을 제 거한 후에 상기 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면의 면적과 동일한 면적을 갖는 고온 초전도 판재로 만들어서 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 양 경사면 사이에 삽입하며, 상기 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면이 맞닿은 부위를 일정한 소재로 감싼 후에 그 감싼 부위를 소정의 압력으로 가압하여 고정시키고, 그 접합부위를 일정 온도에서 일정시간 열처리 통하여 초전도 접합을 만들 수 있다.The prior art 1 relates to a method of joining the final heat-treated multi-core high temperature superconducting tape wire to superconductivity bonding, comprising the same inclination angle of the two multi-core high temperature superconducting tape wire composed of silver or silver alloy and superconducting filament and the final heat treatment is completed. The two inclined surfaces of the two multicore high temperature superconducting tape wires which are to be cut out by a single core superconducting wire, and the silver or the silver alloy is removed, and then made into a high temperature superconducting sheet material having the same area as that of the inclined surface of the multicore high temperature superconducting tape wire. It is inserted between the two multi-core high-temperature superconducting tape wire to be bonded, wrapped around the contact portion of the inclined surface with a constant material, and then press the wrapped portion at a predetermined pressure to fix it, and the joint is heat treated at a constant temperature for a certain time. Create superconductivity junction There.
상기 선행기술 1은 상전도의 솔더(solder)를 이용하여 접합하는 대신 초전도 판재를 이용하여 접합함으로써, 초전도체 필라멘트의 접합 확률을 증가시켜 초전도 접합부위의 임계전류를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The prior art 1 has the advantage of improving the critical current of the superconducting junction by increasing the probability of joining the superconducting filaments by joining using a superconducting plate instead of bonding using a phase-conducting solder (solder).
그러나 선행기술 1은 초전도 판재를 2가닥의 초전도체층(13)의 사이에 끼움으로써 실제적으로 2개의 접합부위를 형성한다. 즉, 하나의 초전도 선재 가닥과 초전도 판재와의 접합, 초전도 판재와 다른 하나의 초전도 선재 가닥와의 접합이 그것이다. 따라서 2가닥의 초전도 선재의 초전도체층이 직접 접촉하는 것보다 2배의 접합부위를 가짐으로써, 임계전류 또는 임계전류 밀도의 저하가 더 많이 생길 수 있는 문제점이 예상된다.However, in the prior art 1, the superconducting plate is sandwiched between the two strands of the
한편, 선행기술 1은 통상 분말 충진법에 의해 제조된 제 1세대 고온 초전도 선재를 접합하는 것으로, 분말(powder)이 튜브 안에서 넣어지는 구조를 가지고 있다. 따라서 반도체의 박막을 증착시키는 것과 같이 다양한 방법에 의해 적층구조를 가지는 제 2세대 초전도 선재에 그대로 적용하는 것은 어려움이 있다. 예를 들면, 초전도체층이 얇아 경사각을 깎았을 때 경사면의 면적이 충분하지 않는 등의 문제가 예상된다.On the other hand, the prior art 1 is to join the first generation high temperature superconducting wire, usually produced by the powder filling method, has a structure in which the powder (powder) is put in the tube. Therefore, it is difficult to apply it as it is to the second generation superconducting wire having a laminated structure by various methods such as depositing a thin film of a semiconductor. For example, when the superconductor layer is thin and the angle of inclination is reduced, there is a problem that the area of the inclined surface is not sufficient.
또한, 제 2세대 초전도 선재의 재료(Y123 등 YBCO 물질)는 결정이 방향성을 갖게 성장하면 상대적으로 임계전류가 높은 특성을 가진다. 따라서, 2가닥의 제 2세대 선재를 직접 접촉시켜 접합하려면, 접합되는 부분에서도 서로 다른 2가닥의 선재가 서로 결정의 방향성을 갖도록 고온에서 용융점까지 열처리하는 공정이 필요할 것이다.In addition, the material of the second generation superconducting wire (YBCO material such as Y123) has a relatively high critical current when the crystal grows in a direction. Therefore, in order to directly join and bond two strands of the second generation wire, a process of heat treatment from high temperature to the melting point will be required so that two different strands of wires may have crystal orientation with each other.
또한, 2가닥의 제 2세대 선재의 직접 접합부위를 용융공정처리(melt-textured process)를 해주려면, 900℃ 가 넘는 온도에서 고온에서 열처리 (annealing)를 해주어야 한다. 그런데, 이렇게 높은 온도에서는 선재의 물질인 YBa2Cu3O7-x .에서 산소(O)가 빠져 나오게 된다. 산소가 빠져나오면 상기 초전도 선재의 물질은 상변화를 일으켜 초전도성을 잃어버리게 되는 문제점이 있다.In addition, in order to perform a melt-textured process on the direct connection of two strands of the second generation wire, it must be annealed at a high temperature above 900 ° C. However, at such a high temperature, oxygen (O) is released from YBa 2 Cu 3 O 7-x . When oxygen escapes, the material of the superconducting wire causes a phase change and loses superconductivity.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥에서 초전도체층을 직접 맞대어 용융확산(melting diffusion)하여 하나의 가닥으로 연결 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems described above, by melting and diffusion directly facing the superconductor layer in two strands of the second generation superconducting wire composed of the substrate portion, the buffer layer, the superconductor layer and the stabilizer layer. It is to provide a method for joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer connected by strands of.
본 발명의 다른 목적은 2세대 초전도 선재를 맞대어 고온에서 용융확산(melting diffusion)한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)를 시키는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for joining a second generation superconducting wire by direct melting diffusion of a superconductor layer which is oxidized in an oxygen atmosphere after melting diffusion at a high temperature against the second generation superconducting wire. .
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 초전도체층 및 안정화제층을 포함하는 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법에 관한 것으로서, 상기 초전도 선재의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화제층을 제거하는 (a) 단계; 상기 초전도 선재의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더로 고정하되, 안정화제층이 제거되어 노출된 초전도체층이 맞대어 접촉하도록 고정하는 (b) 단계; 상기 초전도 선재의 고정한 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)에 의하여 접합하는 (c) 단계; 상기 초전도 선재의 접합한 부분을 450 ~ 550 ℃에서, 산소분위기로 산화(oxidation)시키는 (d) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a method for joining a second generation superconducting wire including a superconductor layer and a stabilizing agent layer, by etching a predetermined length portion of one end of each strand with respect to the two strands of the superconducting wire. (A) removing the stabilizer layer; (B) fixing one end of the two strands of the superconducting wire to each other with a holder, wherein the stabilizer layer is removed so that the exposed superconductor layer is in contact with each other; (C) attaching a fixed portion of the superconducting wire to a furnace and heating the superconductor layer in contact with each other by melting to a superconducting melting point of the superconductor layer by melting diffusion; (D) oxidizing the bonded portion of the superconducting wire at 450 to 550 ° C. with an oxygen atmosphere.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (a)단계는, (a1) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 소정의 길이 부분 안쪽부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계; (a2) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 끝단에서 소정의 길이까지의 부분을 에칭으로 안정화제층을 제거하는 단 계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer, the step (a) is (a1) a resist (resist) in the inner portion of the predetermined length portion of one end of the superconducting wire strand Applying a; (a2) characterized in that it comprises a step of removing the stabilizer layer by etching a portion from the end of one end of the superconducting wire strand to a predetermined length.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 한 가닥의 초전도 선재의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분에 닿고 초전도체층이 밀착되도록 홀더로 고정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method of joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer, in the step (b), the end of one strand of the superconducting wire touches the stepped portion of the superconducting wire of the other strand and the superconductor layer It is characterized in that the holder is fixed to be in close contact.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 홀더는 상하 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 (b)단계에서, 상하 2개의 금속판 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재를 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method of joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer, the holder includes a fastening means for fastening the upper and lower metal plates and the two metal plates, in the step (b) And fastening the two metal plates with the fastening means, leaving two strands of superconducting wire in contact between the upper and lower metal plates.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 홀더는, 적어도 1,000℃ 에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer, characterized in that the holder is made of a material having heat resistance at least at 1,000 ℃.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 상기 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method of joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of a superconductor layer, characterized in that in step (d), the oxygen is continuously circulated and flowed into the furnace (furnace). .
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 초전도체층을 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 주변의 산소원자의 초전도체 내부로의 확산(in-diffusion)을 유도하여 산화(oxidation)시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer, in step (d), Y (yttrium), Ba (barium), and Cu (copper) forming the superconductor layer Based on when the molar is 1, 2, or 3 moles, oxidization is induced by in-diffusion of the surrounding oxygen atoms into the superconductor until O (oxygen atom) becomes 6.4-7 moles. It is done.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의하면, 중간 매개체 없이 직접 초전도체층을 맞대어 용융확산함으로써, 상전도 접합에 비해 접합저항이 거의 없이 충분히 긴 선재를 제작할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the method of joining the second generation superconducting wires by direct melt diffusion of the superconductor layer according to the present invention, by directly melting and diffusing the superconductor layer without an intermediate medium, the bonding resistance is sufficiently low compared to the phase conduction bonding. The effect of producing a long wire rod is obtained.
또, 본 발명에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의하면, 고온에서 용융확산한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)시킴으로써, 고온에서 용융확산을 하는 과정에서 초전도체로부터 손실된 산소를 보상하여 초전도체 성질을 유지할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the method of joining the second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer according to the present invention, it is lost from the superconductor in the process of melt diffusion at high temperature by oxidizing in an oxygen atmosphere after melt diffusion at high temperature. The effect of compensating the oxygen to maintain the superconductor properties is obtained.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도체층을 직접 용융확산하는 2세대 초전도 선재의 접합 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.First, a method of joining a second generation superconducting wire that directly melts and diffuses a superconductor layer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
본 발명에 따른 2세대 초전도 선재의 접합 방법은 기판부(21), 완충층(22), 초전도체층(23) 및 안정화제층(24)으로 구성된 2세대 초전도 선재(20)를 접합하는 방법에 관한 것이다.A method of joining a second generation superconducting wire according to the present invention relates to a method of joining a second
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 2세대 초전도 선재의 접합 방법은 (a) 초전도 선재(20)의 2가닥 일단을 식각하여 안정화제층(24)을 제거하고(S10), (b) 안정화제층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)을 맞대어 접촉시키고, 홀더(30)로 고정시키고(S20), (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층 용융점(melting point)으로 가열하여 용융확산(melting diffusion)에 의한 접합을 하고(S30), (d) 상기 접합부분을 산소분위기로 산화(oxidation)시킨다(S40).As shown in Figure 3, the second generation superconducting wire bonding method according to an embodiment of the present invention (a) by etching one end of two strands of the
상기 (a)단계는 초전도 선재(20)의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화제층(24)을 제거하는 공정이다(S10). 바람직하게는, 상기 (a)단계는 (a1) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 소정의 길이 부분 안쪽부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계; (a2) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 끝단에서 소정의 길이까지의 부분을 에칭으로 안정화제층을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.Step (a) is a step of removing the
2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)(20)에서 영구전류가 흐를 수 있는 초전도체를 이루는 초전도체 층(23)은 완충층(22), 안정화제층(24) 등 상전도체 층 사이에 적층되어 있다. 따라서 원래 제조된 상태에서는 초전도체 끼리 접합하는 것은 불가능하다.In the second generation high temperature superconducting wire (YBCO-CC) 20, a
초전도체 간에 접합을 하기 위해, 선행되는 공정은 초전도체 층(23)을 노출시키도록 초전도체 층(23)을 덮고 있는 상전도 층을 제거하는 일이다. 바람직하게는, 화학적 방법을 통해 상전도 층을 제거한다. 더욱 바람직하게는, 초전도체 층(23)을 덮고 있는 안정화제층(24)을 제거하여 초전도체층(23)을 노출시킨다. 도 4는 접합하고자 하는 부분의 안정화제층(24)을 제거하여 초전도체층(23)이 드러난 모습을 보여주고 있다.In order to bond between the superconductors, the preceding process is to remove the phase conductive layer covering the
안정화제층(24)을 화학적 방법에 의해 제거하는 데는 에칭의 방법이 이용될 수 있다. 먼저 제거하고자 하는 안정화제층(24)의 이외 부분에 레지스트(resist)를 도포한다. 접합하고자 하는 부분은 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이만큼 안쪽이므로, 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이 부분에서부터 그 안쪽으로 레지스트로 도포를 한다. 도 4에서 안정화제층(24)이 식각되기 전이라면, 도면부호 25인 지점이 곧 소정의 길이이고, 도면부호 25부터 그 안쪽으로 레지스트를 도포한다.An etching method may be used to remove the
레지스트(resist)를 도포한 후에 식각약품으로 에칭을 하여 안정화제층(24)을 식각한다. 상기 식각약품은 안정화제층(24)을 이루는 물질을 식각할 수는 화학물질이다. 이 식각약품은 안정화제층(24)을 이루는 물질에 따라 상기 물질을 식각할 수 있는 약품이 선택된다. 상기 에칭은 본 분야에 공지기술이므로 구체적 설명은 생략한다.After the resist is applied, the
한편, 본 발명은 초전도 선재의 안정화제층(24)을 제거하는 공정을 에칭 공정에 한정하지 않는다. 즉, 안정화제층(24)을 부분적으로 제거할 수 있는 기술이라 면 어느 것이나 적용될 수 있다.In addition, this invention does not limit the process of removing the
상기 (b)단계는 상기 초전도 선재(20)의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더(30)로 고정하되, 안정화제층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)이 맞대어 접촉하도록 고정하는 공정이다(S20).In the step (b), one end of the two strands of the
바람직하게는, 상기 (b)단계에서, 한 가닥의 초전도 선재(20)의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분(25)에 닿고 초전도체층(23)이 밀착되도록 홀더(30)로 고정한다.Preferably, in step (b), one end of the
바람직하게는, 상기 홀더(30)는 상하 2개의 금속판(31) 및 상기 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 (b)단계에서, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재(20)를 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 상기 홀더(30)는 적어도 1,000℃ 에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다.Preferably, the
즉, 위와 같이 안정화체층(24)을 제거한 두 초전도 선재(20)를 도 5와 같이 서로 맞대어 겹치도록 한다. 이때, 초전도 선재(20)의 하나의 가닥은 끝단은 다른 가닥의 단차(25) 부분에 닿도록 한다. 두 초전도 선재(20)가 모두 동일한 소정의 길이로 안정화제층(24)을 제거하면, 2가닥의 노출된 초전도층(23)은 밀접하게 접촉될 수 있을 것이다.That is, the two
다음으로, 도 6에서 보는 바와 같이 끝단이 단차된 초전도 선재(20)를 마주보도록 놓고 홀더(holder)(30)로 고정한다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2가닥의 초전도 선재(20)를 맞대어 고정시키는 홀더(30)의 구성을 도시한 도면이다.Next, as shown in FIG. 6, the ends of the
즉, 홀더(30)는 마주보는 2개의 금속판(31)과, 상기 금속판(31)에 체결수단을 연결하기 위한 체결홀(32), 체결수단인 볼트(33)와 너트(34)이다. 즉, 볼트(33)와 너트(34)를 체결홀(32)을 관통하여 조여줌으로써, 초전도 선재를 접촉시켜 고정시킨다.That is, the
홀더(holder)(30)는 모두 고온에서의 열처리를 견뎌야하므로 내열성이 강한 물질로서 제작되어야 한다. 특히, 용융확산(melting diffusion)을 하는 온도가 980(±20)℃ 이므로, 최소한 1,000℃가 넘는 온도에서도 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 바람직하다.The
상기와 같은 접합은 초전도체층(23) 사이에 상전도 층이 존재하지 않게 되므로 접합 저항의 발생으로 인한 줄열 및 (quenching) 발생을 방지해준다.As described above, since the phase conduction layer does not exist between the superconductor layers 23, the Joule heat and prevents quenching
상기 (c)단계는 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)하는 공정이다(S30). 이때, 초전도체 용융점으로 980℃(±20)로 정하여 가열하는 것이 바람직하다.The step (c) is a step of melting diffusion of the superconductor layer in contact with each other by putting the fixed portion into a furnace and heating to the superconductor melting point of the superconductor layer (S30). At this time, the superconductor melting point is preferably set to 980 ℃ (± 20) and heated.
즉, 앞서 (b)단계에서 홀더(30)로 고정시킨 2가닥의 초전도 선재(20)를 노(furnace)에 넣어서 초전도체층(23) 사이에서 용융확산(melting diffusion)에 따른 결합을 유도한다. 대기압 상태(Po2 of 21.3 kPa)에서 2세대 초전도 선재의 초전 도체 물질인 YBCO는 980℃ 근처에서 용융(melting)이 이루어지기 시작한다.That is, the two strands of the
따라서 용융확산(melting diffusion)이 일어나게 하기 위해서는 980℃ 근처까지 가열을 해주는 것이 바람직하다. 그러나 초전도체층의 용융확산 조건에 따라 초전도체 용융점은 변화될 수 있고, 이 경우에 이 용융점에 맞추어 가열한다.Therefore, in order to cause the melting diffusion (melting diffusion) it is preferable to heat up to around 980 ℃. However, depending on the melt diffusion conditions of the superconductor layer, the superconductor melting point may be changed, in which case the heating is performed in accordance with this melting point.
상기 (d)단계는 상기 접합부분을 450 ~ 550 ℃에서, 산소분위기로 산화시킨다(S40). 바람직하게는, 상기 (d)단계에서, 상기 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어준다. 특히, 상기 (d)단계에서, 초전도체층을 이루는 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 주변의 산소원자의 초전도체 내부로의 확산(in-diffusion)을 유도하여 산화(oxidation)시킨다.In step (d), the junction part is oxidized at an oxygen atmosphere at 450 to 550 ° C. (S40). Preferably, in the step (d), the oxygen is continuously circulated in the furnace (furnace) flowing. In particular, in the step (d), O (oxygen atoms) is 6.4 to ~ based on when Y (yttrium), Ba (barium), and Cu (copper) constituting the superconductor layer are 1, 2, and 3 mol, respectively. Oxidation is induced by induction of in-diffusion of the surrounding oxygen atoms into the superconductor until it reaches 7 moles.
앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이, 초전도체층(13)은 YBa2Cu3O7-x계로 대표되는 산화물 초전도 물질로 이루어진다. 즉, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7이어야 한다.As described in the background art, the
그런데 상기 (c)단계에서 열처리를 하기 위해서는 900℃ 이상의 고온으로 유지하면, 이와 같은 높은 온도에서 초전도체층(23)을 이루는 YBa2Cu3O7-x 의 구성에서 산소(O)가 빠져나온다. 산소가 빠져 나오면, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3에 대하여, 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 이하로 떨어지게 된다.However, in order to perform the heat treatment in step (c), when the temperature is maintained at 900 ° C. or higher, oxygen (O) is released from the composition of YBa 2 Cu 3 O 7-x constituting the
이렇게 되면, 초전도체층(23)은 초전도 상태인 사방정계(orthorhombic) 구조 에서 상전도 상태인 정방정계(tetragonal) 구조로의 상변화가 일어난다. 즉, 초전도체층(23)은 초전도성을 잃어버리게 되는 현상이 발생한다.In this case, the
상기와 같은 초전도체층(23)의 구조변화를 도 7을 참조하여 보다 자세히 설명한다. 도 6에서 보는 바와 같이, YBa2Cu3O7-x 계의 초전도 물질은 산소의 함량에 따라 격자변수(Lattice parameter)가 변하게 된다. 도 7의 그래프에서 x축은 산소함량을 표시하고, y축은 각 격자변수의 수치를 표시한 것이다. 특히, 산소함량은 YBa2Cu3O7-x에서 7-X를 표시한다.The structural change of the
도 7에서, 산소함량이 6.4보다 작게 되면 격자변수(Lattice parameter) a와 b는 같게 된다. 즉, 격자변수 a와 b가 같다는 것은 정방정계(tetragonal) 구조인 것을 말하고, 곧 초전도성을 잃어버린다는 것을 의미한다.In FIG. 7, when the oxygen content is less than 6.4, the lattice parameters a and b are the same. In other words, the same lattice variables a and b mean a tetragonal structure, which means that superconductivity is lost.
요약하면, 용융확산을 위해 고온으로 열처리를 하면, 초전도체층(23)은 산소의 손실로 인한 상변화가 일어나고 곧 초전도성을 잃어버린다.In summary, when the heat treatment at a high temperature for melt diffusion, the
즉, 이를 해결하기 위해 상기 (d)단계는 450~550℃ 근처에서 산소 분위기로 산화(oxidation)를 시켜줌으로써 산소의 손실을 보상하여 초전도성을 회복시키는 두 번째 열처리 공정이다.That is, in order to solve this problem, the step (d) is a second heat treatment process for recovering superconductivity by compensating for the loss of oxygen by oxidizing the oxygen atmosphere in the vicinity of 450 to 550 ° C.
산소 분위기는 열처리를 하는 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것으로 만들어진다. 특히, 450~550℃ 근처에서 산화(oxidation)를 시키는 이유는 이 온도에서 사방정계(orthorhombic phase)가 가장 안정적이기 때문이다.The oxygen atmosphere is made by continuously circulating and flowing oxygen into a furnace that is subjected to heat treatment. In particular, the reason for the oxidation (oxidation) in the vicinity of 450 ~ 550 ℃ is because the orthorhombic phase (orthorhombic phase) is the most stable at this temperature.
상기와 같이 열처리를 하는 시간을 조절하는 이유는 상기 시간을 넘어서 장시간 산소분위기에서 산화(oxidation)를 시키면 오히려 산소함유량이 높아지고, 충분한 시간동안 산화(oxidation)를 시키지 않으면 산소함유량이 미달되기 때문이다.The reason for controlling the heat treatment time as described above is that if the oxidation (oxidation) in the oxygen atmosphere for a long time over the above time, the oxygen content is increased, and if the oxygen content is not oxidized for a sufficient time, the oxygen content is insufficient.
한편, 앞서 기재한 발명은 YBa2Cu3O7-x계의 산화물 초전도 물질로 이루어진 초전도체층(23)을 대상으로 그 상부에 안정화제층(24)을 둔 경우로 실시예를 설명하였다. 그러나 이 실시예에 한정하는 것은 아니다. 즉, 초전도 선재의 모재나 안정화제 층의 종류에 관계없이 상전도 층을 제거할 수 있다면, 이런 경우도 열처리를 통해 간단하게 초전도 접합이 가능하다.Meanwhile, the above-described invention has been described in the case where the
한편, 본 발명은 상전도 층을 제거하고 열처리를 통해 간단히 초전도 접합이 가능하고, 실제 초전도 시스템 제작에 이용하기 편리하다는 장점도 있다.On the other hand, the present invention has the advantage that it is possible to simply superconducting through removing the phase conduction layer and heat treatment, it is convenient to use in the actual superconducting system fabrication.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example, Of course, a various change is possible in the range which does not deviate from the summary.
본 발명은 2세대 초전도 선재의 2가닥을 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도 선재의 접합에 이용될 수 있다. 특히, 본 발명은 MRI, NMR, MAGLEV, SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage) 마그네트 시스템 등과 같이 초전도 영구 전류 운전을 하는 모든 초전도 마그네트 시스템 개발에 이용되는 충분히 긴 초전도 선재를 제작하는데 이용될 수 있다.The present invention can be used for the bonding of superconducting wires connecting two strands of second generation superconducting wires to one strand. In particular, the present invention can be used to manufacture a sufficiently long superconducting wire used in the development of all superconducting magnet systems for superconducting permanent current operation, such as MRI, NMR, MAGLEV, Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) magnet system.
도 1은 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)의 구조를 도시한 도면이다.1 is a view showing the structure of the second generation high temperature superconducting wire (YBCO-CC).
도 2는 일반적인 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)의 상전도 접합의 단면도 및 전류의 흐름을 표시한 도면이다.2 is a view showing a cross-sectional view of a phase-conducting junction of a general second generation high temperature superconducting wire (YBCO-CC) and a flow of current.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of joining a second generation superconducting wire by direct melt diffusion of the superconductor layer according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따라, 초전도 선재의 일단에서 안정화제층을 제거한 후의 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating a second generation high temperature superconducting wire (YBCO-CC) after removing a stabilizer layer from one end of the superconducting wire according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따라, 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 접촉시키는 것을 도시한 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating contact between two strands of superconducting wire in contact with each other according to the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 고정시키는 홀더의 구성을 도시한 도면이다.Figure 6 is a view showing the configuration of a holder for fixing the two strands of superconducting wire in accordance with an embodiment of the present invention.
도 7은 산소함량에 따른 초전도 선재(YBCO-CC)의 격자변수(Lattice parameter)의 변화를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the change of the lattice parameter of the superconducting wire (YBCO-CC) according to the oxygen content.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10,20 : 초전도 선재 11,21 : 기판부10,20:
12,22 : 완충층 13,23 : 초전도체층12,22:
14,24 : 안정화제층 15 : 솔더(solder)14,24: stabilizer layer 15: solder
25 : 단차부분 25 : 접합부위25: step portion 25: junction
30 : 홀더 31 : 금속판30
32 : 체결홀 33 : 볼트32: fastening hole 33: bolt
34 : 너트34: Nut
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