KR100964918B1 - 박막형 고온초전도체를 위한 은 보호층 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 고온초전도체의 구성요소 중의 하나인 은 보호층의 형성방법에 관한 것으로서, 실버페이스트를 도포하는 방식으로 박막형 고온초전도체의 은 보호층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법은 표면이 고온초전도체 박막으로 이루어진 박막형 고온초전도체에 실버페이스트를 도포하는 단계, 도포한 실버페이스트를 건조하는 단계, 건조된 실버페이스트가 도포된 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계, 산소 열처리를 통해 고온초전도 박막이 초전도 특성을 가지는 단계, 초전도 박막 위에 형성된 은 보호층의 위에 구리층을 도포 혹은 접합하는 단계로 구성된다. 본 발명은 박막형 고온초전도체의 고온초전도 박막 위에 실버페이스트를 도포하는 방법에 의해 은 보호층을 형성함으로써, 대기압에서 실행할 수 있어서 진공장비를 필요로 하지 않으며 도포속도가 빠르고, 쉽게 양면 도포가 가능한 장점이 있다.

박막형 고온초전도체, 실버페이스트, 은 보호층

Description

박막형 고온초전도체를 위한 은 보호층 형성방법{METHOD FOR COATING OF SILVER PROTECTIVE LAYER ON HIGH Tc SUPERCONDUCTING FILM USING SILVER PASTE}

본 발명은 박막형 고온초전도체에 박막형 고온초전도체의 구성요소 중의 하나인 은 보호층을 형성하기 위해 실버페이스트 또는 실버잉크를 사용하는 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법에 관한 것이다.

본 발명은 박막형 고온초전도체 제조방법에 있어서, 박막형 고온초전도체의 구성요소 중의 하나인 은 보호층을 실버페이스트 또는 실버잉크를 사용하여 형성하는 방법에 관한 것이다.

박막형 고온초전도체에 전류를 흘려주기 위해서는 박막형 고온초전도체에 전류 도선를 접합시켜야 한다. 하지만 산화물 고온초전도체와 전류 도선을 전기적으로 직접 접합시키기 위한 솔더(solder)가 산화물초전도체와 반응하거나 젖음성이 나빠 좋은 전기적, 기계적 접합을 달성하기 어려웠다. 따라서 그 동안 고온초전도체와 반응성이 거의 없는 은을 물리적증착법(physical vapor deposition method)를 이용하여 증착한 후 이를 열처리하여 사용하였다.

도 1은 박막형 고온초전도체의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 박막형 고온초전도체(1)는 하지층(2)으로 이축방향의 결정학적 배열을 가지는 금속 또는 임의의 결정학적 방위를 갖는 금속을 사용하며, 그 위에 한 층 이상의 에피택시얼하게 성장시킨 세라믹 완충층 혹은 이축방향의 결정학적 배열을 가지는 세라믹 완충층(3)이 형성되고, 세라믹 완충층 위에 에피택시얼하게 성장시킨 고온초전도체 박막(4)이 형성되며, 그 위에 0.1~3㎛ 두께의 은 보호층(5)이 형성되고, 그 위에 구리층(6)이 형성된다.

박막형 고온초전도체에 은 보호층을 형성하는 종래의 방법으로 스퍼터링(sputtering) 방법이 있다. 스퍼터링에 의한 증착은 진공분위기의 챔버내에 아르곤가스가 충전된 상태에서 은 막대에 음극을 접속하고, 박막형고온초전도체에 양극을 접속하여 주면 아르곤 플라즈마가 형성되고 형성된 플라즈마 내의 아르곤 이온들이 은 막대의 표면을 때리게 되고 그 결과 은 막대로부터 은 이온이 튀어나와 박막형고온초전도체에 은 이온이 증착되어 은 보호층이 형성되는 것이었다.

그러나 이러한 스퍼터링 방식에 의한 은 보호층의 형성은 공정 챔버 내부를 고진공조건으로 만들어주어야 하기 때문에 공정이 까다로우며 은 원자의 증착속도가 느려서 은 보호층이 형성되는 속도가 느린 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 박막형 고온초전도체의 구성요소 중의 하나인 은 보호층을 형성하기 위해 실버페이스트 또는 은(실버) 잉크를 사용하여 도포하는 방식으로 박막형 고온초전도체의 은 보호층을 형성하는 방법이다. 따라서 대기중의 조건에서 신속하게 박막형 고온초전도체에 은 보호층을 형성할 수 있으므로 생산단가가 낮아지고 대량생산이 가능해진다.

상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은 실버페이스트를 사용하여 박막형 고온초전도체의 은 보호층을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.

상기한 본 발명의 과제는 박막형 고온초전도체의 고온초전도체 박막층 위에 실버페이스트를 도포하는 단계와, 상기 박막형 고온초전도체의 고온초전도체 박막층 위에 도포된 상기 실버페이스트를 건조하는 단계와, 건조된 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계 및 상기 소성된 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 산소열처리하는 단계를 포함하는 실버페이스트를 사용한 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법에 의해 달성된다.

상기 과제를 달성하기 위해 상기 실버페이스트는 은 10 내지 60중량% 및 유기용매 40 내지 90중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 실버페이스트의 점도는 1,000 내지 200,000cps인 것이 바람직하다.

또한 상기 실버페이스트를 구성하고 있는 은 입자의 크기는 3 내지 1,000나 노미터인 것이 바람직하다.

또한 상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계는 섭씨 500 내지 800도의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한 상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계는 산소가 5%이상 포함된 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한 상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계의 소성시간은 10분 이상인 것이 바람직하다.

또한 상기 박막형 고온초전도체의 고온초전도체 박막층 위에 실버페이스트를 도포하는 단계에서의 상기 박막형 고온초전도체에 실버페이스트를 도포하는 방법은 담금코팅, 노즐분사코팅, 롤러코팅, 오프셋인쇄, 스크린인쇄, 잉크젯인쇄 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 후술할 실시예로서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

이와 같이 본 발명은, 박막형 고온초전도체를 구성하고 있는 은 보호층을 도포 하는데 있어 실버페이스트를 사용함으로써, 대기 중에서 도포 작업이 가능하여 고가의 진공 증착장비가 필요하지 않으며, 스퍼터링과 같은 물리적 증착법에서 발생하는 원료물질의 낭비가 없이 투입한 원료의 거의 전부를 도포할 수 있다. 또한 실버페이스트의 점도를 조절함으로써 도포하고자 하는 은 보호층의 두께를 용이하 게 조절할 수 있다. 또한 담금코팅, 롤코팅, 오프셋코팅, 스크린인쇄, 잉크젯인쇄(dip coating, roll coating, offset printing, screen printing, inkjet print) 등의 방법을 사용하므로 공정의 속도가 빠르고, 수 십 미터 이상의 긴 선재에 연속공정으로 은 보호층을 형성할 수 있다.

박막형 고온초전도체의 고온초전도 박막 위에 실버페이스트를 도포하여 은 보호층을 형성하는 방법은 대기압에서 실행되므로 진공장비가 필요하지 않고 도포속도가 빨라서 대량생산에 적합하며 양면 도포가 용이한 장점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법을 구체적으로 설명한다. 도면을 참조한 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 따라서 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 않된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법의 순서도이다.

본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 사용되는 실버페이스트를 준비한다.(S1)

본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 사용되는 실버페이스트는 대부분 알파테르피네올(α-terpineol) 40 내지 90중량%와 은 나노입자 10 내지 60중량%로 구성되며 미량의 분산제가 첨가된다. 바람직하게는 실버페이스트는 은 나노입자가 40 내지 50중량%가 포함되며 용매로서 알파테르피네올(α-terpineol) 50 내지 60중량% 를 포함하여 구성된다. 알파테르피네올(α-terpineol)은 은 나노입자를 용해하고 페이스트로서 적절한 점도를 부여하면서 동시에 은 나노입자를 희석하는 일반적으로 공업적으로 사용될 수 있는 유기용매의 일실시예이다. 분산제는 셀룰로오스 계열의 것을 사용한다. 본 발명은 위 조성을 갖는 실버페이스트 뿐만 아니라 은 나노입자가 상기 함량을 포함하는 조건을 만족하는 다양한 공지된 실버페이스트를 사용하는 것도 가능하다.

실버페이스트에서 은 나노입자의 함량이 10중량% 미만인 경우 은의 밀도가 너무 낮아서 은 보호층을 형성하는데 부적합하며 은 나노입자의 함량이 60중량%를 넘어서는 경우 실버페이스트의 점도가 너무 높아서 도포에 부적합하다.

이 때 실버페이스트의 점도는 1,000 내지 200,000cps인 것이 바람직하다. 점도가 상기 상한값 이상인 경우는 점도가 과도하여 도포에 부적합하며, 그 이하인 경우 점도가 너무 낮아 0.1 내지 3㎛의 두께를 갖는 은 보호층을 형성하기 어렵다. 상기 범위내에서 실버페이스트의 점도를 조절함으로써 도포하고자 하는 은 보호층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.

실버페이스트를 구성하고 있는 은 입자의 크기는 3 내지 1,000나노미터인 것이 바람직하다. 실버페이스트에 포함된 은 입자의 크기가 1,000나노미터 이상인 경우 소성온도만 높아질 뿐 특별한 이득이 없다.

이러한 실버페이스트는 도포 시 도포성이 우수하고 초전도체 박막과의 젖음성이 좋으며 초전도체 박막과의 부착성이 우수하다.

다음으로 위쪽 표면에 고온초전도체 박막이 형성된 박막형 고온초전도체에 후술할 방법을 통해 상기 실버페이스트를 도포한다(S2).

다음으로 상기 실버페이스트가 도포된 박막형 고온초전도체를 대기중이나 아르곤가스분위기에서 100℃미만의 온도에서 건조한다(S3). 박막형 고온초전도체 약 20㎝를 약 65℃에서 10초간 건조하였더니 적절하였다.

다음으로 건조가 이루어진 실버페이스트가 도포된 박막형 고온초전도체를 산소가 5%이상 포함된 분위기에서 500~800℃로 10분 이상 소성한다(S4). 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법은 실버페이스트를 사용하기 때문에, 실버페이스트 상태에서의 은과 초전도 박막층과의 부착력을 증가시키고 은 나노입자의 소결을 통해 은 보호층에서의 은의 밀도를 높이기 위하여 소성의 과정을 필요로 한다.

이 때 실버페이스트의 소성온도는 500~800℃인 것이 바람직하다. 소성온도가 500℃미만인 경우 소결상태가 좋지 않으며 800℃를 넘어서면 초전도 박막층의 고온초전도체가 분해되거나 은과 반응하므로 적합하지 않다.

또한, 실버페이스트의 소성 분위기는 유기물의 연소를 위해 산소가 5%이상 포함된 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.

또한 실버페이스트의 소성시간은 은 보호층의 밀도를 높이기 위해서 10분 이상 수행하는 것이 바람직하다. 실버페이스트를 5시간을 소성하였더니 은 보호층의 은의 밀도가 99중량% 이상이 되었다.

다음으로 소성이 이루어진 실버페이스트가 도포된 박막형 고온초전도체에 산소 열처리를 수행하여 실버페이스트가 도포된 박막형 고온초전도체를 구성하는 고온초전도체 박막이 초전도 특성을 가지도록 한다(S5). 이 때 산소열처리는 100% 산 소분위기에서 400℃의 온도로 5시간동안 수행하였다. 산소열처리는 박막형 고온초전도체의 고온초전도체 박막이 초전도 특성을 가지도록 하는 것으로서 상기 온도, 산소함량 및 시간조건에 한정되지 않고 박막형 고온초전도체를 산소열처리 하는 공지된 통상적인 조건들이 사용될 수 있다.

다음으로 박막형 고온초전도체를 완성하기 위해서 은 보호층의 위에 구리층을 형성한다(S6).

은 보호층의 위에 구리층을 형성하는 방법은 당업자에게 공지된 다양한 방법이 사용될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 의하면 박막형 고온초전도체에 은 보호층을 형성하기 위해 진공장비를 필요로 하지 않으며, 도포속도가 매우 빠르게 되고, 양면 도포 또한 쉽게 할 수 있다. 박막형 고온초전도체의 은 보호층의 위쪽 및 하지층의 아래쪽에 구리층을 형성하는 방법으로 전착의 방법을 사용하는 경우, 박막형 고온초전도체의 은 보호층의 위쪽 및 하지층의 아래쪽 각각에 은 보호층이 있게 되면 전착이 좋게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 일실시예를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법 중 실버페이스트를 도포하는 장치의 일실시예는 실버페이스트가 채워지는 용기(10)와 용기(10)의 진입측에 형성된 진입롤러(12)와 박막형 고온초전도체가 실버페이스트에 담궈지도록 용기(10)의 하부에 위치하는 안내롤러(14) 및 용기(10)의 진출방향으로 용기(10)의 외부에 설치된 진출롤러(16)를 포함한다.

도 3의 실버페이스트 도포 장치에 의하면, 긴 테이프 형태의 박막형 고온초전도체가 용기(10)내에 실버 페이스트를 일정 높이만큼 채워넣은 상태에서 진입롤러(12)와 안내롤러(14)를 거치면서 박막형 고온초전도체에 실버페이스트가 도포되며 실버페이스트의 도포가 완료된 박막형 고온초전도체는 진출롤러(16)를 통해 배출된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 다른 실시예는 실버페이스트가 채워지는 용기(20)와 박막형 고온초전도체의 진입측에 형성된 진입롤러(22)와 용기(20)에 채워진 실버페이스트에 아래쪽 일부분이 잠기고 위쪽 일부분이 박막형 고온초전도체의 아래면에 접촉하도록 설치된 도포롤러(24)와 박막형 고온초전도체의 진출측에 설치된 진출롤러(26)를 포함한다.

도 4의 실버페이스트 도포 장치에 의하면, 긴 테이프 형태의 박막형 고온초전도체는 초전도체 박막이 아래를 향하도록 위치시킨다. 박막형 고온초전도체는 진입롤러(22)를 거쳐 도포롤러(24)가 회전하면서 초전도체 박막에 실버페이스트가 도포되고 진출롤러(26)를 거쳐 외부로 배출된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바 와 같이, 실버페이스트를 도포하는 장치의 또 다른 실시예는 박막형 고온초전도체를 이송시키는 이송롤러(30)와 이송롤러(30)의 일측에 인접하게 위치하여 실버페이스트를 분출하는 도포노즐(32)을 포함하여 구성된다.

도 5의 실버페이스트 도포 장치에 의하면, 긴 테이프 형태의 박막형 고온초전도체는 초전도체 박막이 위쪽을 향하면서 이송롤러(30)를 통해 이동되며, 이송롤러(30)의 일측에 인접한 도포노즐(32)에서 분출되는 실버페이스트가 박막형 고온초전도체에 도포된다.

상기 예시한 실버페이스트 도포 장치는 실버페이스트를 도포하기 위한 장치의 다양한 실시예들 중의 일부를 설명한 것에 지나지 않으며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 담금코팅(도 3 참조), 롤코팅(도 4 참조), 오프셋코팅, 스크린인쇄, 잉크젯인쇄 등의 다양한 방법을 사용하여 실버페이스트를 도포할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 있어서 공기 중에서 500℃의 온도로 소성을 수행한 이후의 소결된 은 보호층의 표면의 SEM사진이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 중에서 500℃의 온도로 소성을 수행하여 소결된 은 보호층의 표면의 SEM사진으로부터 공극이 없이 은 입자가 치밀하게 소결된 것을 확인할 수 있다.

도 7은 도 6의 은 보호층의 단면을 나타낸 SEM사진이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 은 보호층의 단면사진에서도 공극이 없이 은 입자가 치밀하게 소결된 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 은 보호층을 형성한 박막 형 고온초전도체에 77K의 온도에서의 임계전류를 보여주는 전류-전압강하 곡선의 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 은 보호층을 형성한 박막형 고온초전도체에 전압강하가 1㎶/㎝가 될 때까지 전류를 증가시킨 결과 153A의 임계전류값을 얻었다. 따라서 전류-전압강하 곡선으로부터 실버페이스트를 사용하여 형성시킨 은 보호층을 통하여 고온초전도 박막에 초전도 박막의 임계 전류( critical current)이상의 전류를 흘릴 수 있는 것이 확인된다.

도 1은 박막형 고온초전도체의 구성을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법의 순서도이고,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 일실시예를 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이고,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 실버페이스트를 도포하는 장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 있어서 공기 중에서 500℃의 온도로 소성을 수행한 이후의 소결된 은 보호층의 표면의 SEM사진이고,

도 7은 도 6의 은 보호층의 단면을 나타낸 SEM사진이고,

도 8은 본 발명에 따른 은 보호층 형성방법에 따라 은 보호층을 형성한 박막형 고온초전도체에 77K의 온도에서의 임계전류를 보여주는 전류-전압강하 곡선의 그래프이다.

Claims (8)

1. 박막형 고온초전도체의 고온초전도체 박막층 위에 실버페이스트를 도포하는 단계;

   상기 박막형 고온초전도체의 상기 고온초전도체 박막층에 도포된 상기 실버페이스트를 건조하는 단계;

   건조된 상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계; 및

   상기 소성된 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 산소열처리하는 단계를 포함하는 실버페이스트를 사용한 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실버페이스트는 은 10 내지 60중량% 및 유기용매 40 내지 90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계는 섭씨 500 내지 800도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계는 산소가 5%이상 포함된 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 실버페이스트가 도포된 상기 박막형 고온초전도체를 소성하는 단계의 소성시간은 10분 이상인 것을 특징으로 하는 박막형 고온초전도체의 은 보호층 형성방법.
8. 삭제

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