KR101215533B1 - 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 선재의 임계전류 측정방법에 관한 것으로서, 초전도 선재의 계속적인 공급과 이송이 이루어지며, 전류단자 및 전압단자를 적용하여 초전도 선재가 상기 전류단자 및 전압단자에 접촉되어 이송되면서 임계전류 측정이 이루어지는 초전도 선재의 임계전류 측정방법에 있어서, 일정 간격(L)으로 형성된 상기 전압단자로부터 초전도 선재의 양단 전압을 측정하고, 상기 초전도 선재를 L보다 작은 단위 길이(d=L/m, m은 L을 단위 길이만큼 나눈 수) 만큼 이송한 후 다시 일정 간격(L)에 대한 초전도 선재의 양단 전압을 측정하여, 이 값으로부터 초전도 선재의 임의의 지점에서의 간격(d)에 해당되는 전압을 계산하여 이 지점에서의 임계전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 초전도 선재를 미소 단위 길이(d) 만큼씩 이송하며 일정 간격(L)에 대한 임계전류를 측정하게 되면, 일정 간격(L)의 평균 임계 전류가 아닌 미소 단위 길이(d)에 대해서 부분 임계전류(local Ic)를 측정할 수 있고, 이동거리 d를 작게 하면 할수록 실제적인 부분 임계 전류의 분포의 측정도 가능하게 되어, 초전도 선재의 국부적인 결함이 있는 경우 정확한 결함 지점을 찾는데 유용한 이점이 있다.

초전도 선재 부분 임계전류 릴투릴

Description

초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법{local HTS wire critical current measurement method}

본 발명은 초전도 선재의 임계전류 측정방법에 관한 것으로서, 특히 초전도 선재를 미소 단위 길이만큼 이송하여 연속적으로 측정된 임계전류로부터 그 특정 구간에서의 부분 임계전류를 산출할 수 있는 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법의 제공을 그 목적으로 한다.

초전도 선재가 산업화되는 시점에 있어서 빠른 제조속도가 요구되고 있고, 이와 병행하여 초전도 선재의 품질을 결정하는 빠르면서 정확한 측정방법이 요구되고 있으며, 초전도 선재에 손상을 주지 않고 빠르고 정확하게 품질을 측정할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

기존의 초전도 선재의 임계전류 측정방법으로는 4단자 임계전류 측정방법으로서, 초전도 선재에 전류단자 2개와 그 사이에 전압단자 2개를 배치하고 전류단자에 전류를 통전시켜 임계전류를 측정하는 것이다.

이러한 방법은 직접 선재에 통전시키므로 비교적 정확한 임계전류를 얻을 수 있는 반면에, 임계전류 측정시 과전류, 전류, 전압단자에 의한 선재에 가하는 하중, 측정을 위한 단자 형성시 납땜 작업 등에 의하여 초전도 선재가 손상되기 쉬운 단점이 있으며, 길이가 긴 선재의 임계전류를 측정하는 것으로는 부적절하다. 따라서 길이가 긴 테이프의 임계전류를 측정하기 위해서는 납땜을 하지 않고 각 단자의 물리적인 접촉에 의해 전류를 흘리면서 전압을 측정하는 접촉식 임계전류 측정 방법이 도입되어야 한다.

종래의 장선의 선재의 임계전류 측정하는 방법으로써, 크게 2가지 정도가 사용되고 있다.

첫째는 초전도 선재의 임계전류를 배치(batch)형으로 측정하는 것으로, 초전도 선재가 액체 질소 용기 내에 위치하고 있는 2개의 초전도 선재 가이드 롤러 사이를 지나가도록 한다. 그리고 초전도 선재의 아래에는 선재가 쳐지는 것을 방지하기 위하여 지지대가 형성되어 있다. 그리고 4단자법에 의한 임계전류 측정을 위하여 4개의 단자를 고온 초전도 테이프 상에 순서대로 (+)전류단자, (+)전압단자, (-)전압단자, (-)전류단자를 배치시켜 각 단자들이 위에서 아래로 내려와 초전도 선재와 접촉하게 되면, 전류단자에서 전류를 흘리면서 전압단자에서 초전도 선재의 전압을 측정하는 방법이다.

두번째 측정방법은 가이드롤러를 따라 테이프를 연속으로 보내면서 임계전류를 측정하는 장치로, 초전도 선재를 액체 질소 용기 내에 있는 가이드 롤러 사이를 지나가게 한다. 여기서, 상기 가이드 롤러는 (+)전류단자를 겸하고 있으며, 또한 다른 가이드 롤러는 (-)전류단자를 겸하고 있다. 이처럼 가이드 롤러가 초전도 선재를 이송시킬 뿐만 아니라 초전도 선재에 전류를 흘릴 수 있는 역할을 겸하고 있 다. 그래서 초전도 선재가 움직이는 상태에서 전압을 측정하기 위해서는 별도의 단자가 필요한데, (+)전압단자용 롤러와 (-)전압단자용 롤러가 전압단자 역할을 한다. 연속형 임계전류 측정 장치를 사용하기 위해서는 초전도 선재 가이드롤러 사이의 초전도 선재를 강하게 당겨 초전도 선재 가이드롤러와 초전도 선재의 밀착력을 높여야 접촉저항을 줄일 수가 있다. 따라서 이러한 방법은 강도가 높은 초전도 선재의 임계전류 측정에 적합하다.

또한, 종래의 배치형 임계전류 측정 장치는 접촉식으로만 임계전류(Ic)를 측정할 수 있으며, 전류 및 전압단자에 인가되는 압력이 중요한 변수가 된다. 즉, 전류 통전을 위한 전류단자에서의 충분한 접촉면적을 확보하기 위해 압력을 인가하는 과정에서 과도한 압력에 의해 초전도 선재에 손상이 발생할 수 있으며 너무 압력이 약하면 전류 통전 때 접촉저항에 의한 측정 에러가 생기게 된다. 또한 전압단자에서도 마찬가지로 가하여지는 압력이 너무 낮으면 전압 측정에서 노이즈가 발생할 수 있으며, 너무 높으면 초전도 선재에 손상이 생길 수 있다. 따라서 임계전류(Ic) 측정의 정확성과 신뢰성을 확보할 수 있는 측정 장치를 구축하여야 한다.

이러한 종래의 기술들은 엄밀한 의미에서 연속적인 임계전류 측정이 아니다. 즉, 연속적으로 선재가 이송되면서 측정이 되는 것이 아니고, 측정시에는 선재의 이송을 멈추고, 전류를 인가할 수 있는 평판단자와 전압을 측정하는 평판단자가 선재를 누른 상태에서 측정이 이루어지게 된다. 만약, 장선의 초전도 선재의 경우에는 이러한 go-and-stop 형식으로 전류 또는 전압단자를 올렸다 내렸다 하는 동작을 반복하여야 하므로, 특히 장선의 초전도 선재의 경우에는 임계전류 측정 시간이 많 이 소요되는 단점이 있다.

또한, 평균적인 임계전류를 측정하므로 국부적인 결함은 잡아낼 수 없어 초전도 선재의 특성 평가가 제대로 이루어지지 않으며, 측정 분해능에 한계가 있는 문제점이 있다.

발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초전도 선재의 임계전류를 측정하기 위해 초전도 선재를 미소 단위 길이만큼 이송하여 측정된 연속된 임계전류로부터 그 특정 구간에서의 부분 임계전류를 산출할 수 있는 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 초전도 선재의 계속적인 공급과 이송이 이루어지며, 전류단자 및 전압단자를 적용하여 초전도 선재가 상기 전류단자 및 전압단자에 접촉되어 이송되면서 임계전류 측정이 이루어지는 초전도 선재의 임계전류 측정방법에 있어서, 일정 간격(L)으로 형성된 상기 전압단자로부터 초전도 선재의 양단 전압을 측정하고, 상기 초전도 선재를 L보다 작은 단위 길이(d=L/m, m은 L을 단위 길이만큼 나눈 수) 만큼 이송한 후 다시 일정 간격(L)에 대한 초전도 선재의 양단 전압을 측정하여, 이 값으로부터 초전도 선재의 임의의 지점에서의 간격(d)에 해당되는 전압을 계산하여 이 지점에서의 임계전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법을 기술적 요지로 한다.

이에 따라 초전도 선재를 미소 단위 길이(d) 만큼씩 이송하며 일정 간격(L)에 대한 임계전류를 측정하게 되면, 일정 간격(L)의 평균 임계 전류가 아닌 미소 단위 길이(d)에 대해서 부분 임계전류(local Ic)를 측정할 수 있고, 이동거리 d를 작게 하면 할수록 실제적인 부분 임계 전류의 분포의 측정도 가능하게 되어, 초전도 선재의 국부적인 결함이 있는 경우 정확한 결함 지점을 찾는데 유용한 효과가 있다.

본 발명은 초전도 선재의 임계전류를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 특히 특정 구간에 대해 전압을 도출하여 이로부터 그 특정 구간에서의 임계전류(local Ic)를 계산하고자 하는 것이다.

이러한 초전도 선재는 릴투릴 장치 등에 의해 일정 간격으로 계속적인 공급과 이송이 이루어지도록 하며, 휠타입의 전류단자 및 전압단자를 적용하여 초전도 선재가 상기 전류단자 및 전압단자에 접촉되어 이송되면서 전압을 측정하고, 임계전류를 측정하는 것이 기본 원리이다. 본 발명은 본 출원인이 출원한 "초전도 선재의 임계전류 연속 측정방법"(출원번호 10-2009-0123864호)의 기본 개념을 이용하고, "연속 임계전류 측정장치"(출원번호 10-2009-0123867)를 이용하여 구현한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법에 대한 개념도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 초전도 선재는 일정 간격으로 계속적인 공급과 이송이 이루어지고 있으며, 필요에 따라 이송을 멈추고 임계전류 측정 후 다시 이송되는 반복을 동작하여 수행할 수도 있다. 도 1에서는 전압단자 간의 간격이 1m인 경우 양 단 전압을 0.1mV로 유지되도록 하는 전류값을 임계전류로 정의한 것이며, 초전도 선재의 이송 간격은 1mm씩 이송되도록 하여, 1m 구간 내에서는 총 1000번의 이송이 이루어지게 된다. 여기에서 전압단자 간의 간격을 L, 초전도 선재의 단위 길이 즉 이송 간격을 d, 이로부터 초전도 선재의 이송 횟수(즉 초전도 선재를 나눈 수, 여기에서는 1000번)를 m으로 정의한다.

일반적으로 임계전류는 다음 수학식 1과 같이 정의한다. 이는 초전도 선재의 일정 간격 L(여기에서는 1m)에 대한 전압단자로부터 임계전류를 측정한 것이다.

여기에서 Ec는 0.1㎶/mm이다.

상기 수학식 1을 기본식으로 하여, 초전도 선재를 1mm 간격으로 연속적인 이송을 하면서, 일정 간격 l에 대한 임계전류를 측정을 하면 다음 수학식 2와 3의 관계가 성립하게 된다.

상기 수학식 2와 3은 초전도 선재의 1m 당 양단 전압을 0.1mV로 유지되도록 하는 전류값을 임계전류로 정의한 것으로부터 계산되어진 값으로, 수학식 3은 초전도 선재를 1mm 이송 후 측정한 임계전류이다. 여기서 I_c,l은 계산하고자 하는 구간 위치 l에서의 부분 임계 전류이며, I_{c_ave,k}는 측정 구간 1m의 평균임계전류로서 부분 임계 전류 I_c,k에서부터 I_c,k+999까지에 대한 평균값이 된다.

상기 수학식 2와 수학식 3을 기본으로 하여 초전도 선재의 일정 간격 L, 초전도 선재의 이송 간격을 l _m (단위 길이=d), 이로부터 초전도 선재의 이송 횟수를 m으로 정의하여 일반식으로 도출하고자 한다.

다음 수학식 4 및 5는 수학식 3과 수학식 4의 일반식이다.

이를 각각 전개하면 다음 수학식 6이 된다.

여기에서

로 정의하여 각각의 식을 정리하면 다음 수학식 7이 된다.

이를 다시 전류값으로 바꾸면 다음 수학식 8이 된다.

상기 수학식 8의 양변에 1/n 승을 하면 다음 수학식 9가 되며, 이는 임의의 지점에서의 특정 구간 l _m (=d)에 대한 임계전류가 된다.

따라서, 수학식 9로부터 임의의 지점에서 특정 구간 _lm (=d)에 대한 임계전류를 측정하고자 하는 경우에는 초전도 선재를 단위 길이 l _m (=d)만큼 이송하여 일정 간격 L에 대한 임계전류를 측정함으로써 알 수 있다. 이는 초전도 선재의 임의의 지점에서의 특정 구간에 대해서 국부적인 임계전류(local Ic)를 측정하고자 하는 경우에 유용하다. 이러한 국부적인 임계전류 값을 모두 추적하면 임의의 간격에 대한 임계전류 값의 추적이 가능하게 되고, 이동거리 l _m (=d)을 작게 하면 할 수록 연속적인 임계전류 측정도 가능하며, 이러한 작업을 장선의 초전도 선재에 걸쳐서 하면 장선의 초전도 선재의 임계전류 측정도 가능하게 된다. 한편, I_c,k가 그 이전 측정값으로부터 알려져 있지 않다면, I_c,k는 초기 측정 영역에서는 균일하다고 가정하여

로 두어 계산하면 된다.

도 1 - 본 발명에 따른 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법에 대한 개념도.

Claims (1)

1. 초전도 선재의 계속적인 공급과 이송이 이루어지며, 전류단자 및 전압단자를 적용하여 초전도 선재가 상기 전류단자 및 전압단자에 접촉되어 이송되면서 임계전류 측정이 이루어지는 초전도 선재의 임계전류 측정방법에 있어서,

   일정 간격(L)으로 형성된 상기 전압단자로부터 초전도 선재의 양단 전압을 측정하고, 상기 초전도 선재를 L보다 작은 단위 길이(d=L/m, m은 L을 단위 길이만큼 나눈 수) 만큼 이송한 후 다시 일정 간격(L)에 대한 초전도 선재의 양단 전압을 측정하여, 이 값으로부터 초전도 선재의 임의의 지점에서의 간격(d)에 해당되는 전압이 계산되어 이 지점에서의 임계전류가 산출되되,

   임계전류는 하기의 수학식에 의해 산출됨을 특징으로 하는 초전도 선재의 부분 임계전류 측정방법.

   [ 수학식 ]

   

   여기서 I_c,k 는 계산하고자하는 구간 k에서의 부분 임계 전류이고, I_{c_ave,k}는 측정 구간 1m의 평균임계전류로서 부분 임계 전류 I_c,k에서부터 I_c,k+m-1까지에 대한 평균값.

Images