KR101323243B1 - 초전도 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어를 이용하여 자화손실 및 통전손실에 따른 상기 초전도 선재의 교류손실(AC loss)를 감소시킬 수 있는, 초전도 선재의 초전도 박막을 분할하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 초전도 선재의 제조방법은 테이프 형상의 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 상기 기판의 장축을 따라 연장하는 와이어를 배치하는 단계; 상기 와이어가 배치된 상기 기판 상에 초전도 물질을 증착하여, 초전도 박막층을 형성하는 단계; 및 상기 와이어를 상기 기판으로부터 제거하여, 상기 와이어에 의해 형성된 분할영역에 의해 상기 초전도 박막층을 복수개로 분할하는 단계;를 포함한다.

Description

초전도 선재의 제조방법{SUPERCONDUCTOR WIRE AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}

본 발명은 초전도 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어를 이용하여 자화손실 및 통전손실에 따른 상기 초전도 선재의 교류손실(AC loss)를 감소시킬 수 있는, 초전도 선재의 초전도 박막을 분할하는 방법에 관한 것이다.

초전도체가 사용되는 분야가 넓어짐에 따라서, 초전도 선재의 필요성이 증가하고 있다. 일반적으로, 초전도체(superconductor)는 상온에서는 절연체의 속성을 지니지만, 임계온도(Tc) 이하에서 저항이 제로(zero)가 되는 물질을 말한다. 상기 초전도체는 초전도 마그넷, 초전도 케이블, 전력기기 및 디바이스 등에 응용되고 있다.

상기 초전도체를 상기의 분야에 적용하기 위해서는, 임계전류밀도(Jc)가 높고, 또한 높은 임계 전류(Ic) 값을 갖는 긴 선재(a long wire)로 초전도체를 가공한다. 따라서, 상기 초전도체를 긴 테이프(a long tape)형태를 얻기 위해서 강도와 가용성의 관점에서 금속 테이프 위에 초전도체를 형성한다. 상기 초전도체는 직류 전류에 대해서는 저항이 없으므로 손실 또한 없다. 그러나, 교류 전류를 인가 받거나 또는 시간에 대해서 전류나 자기장이 변화할 때에 손실이 발생하는데 이것을 교류 손실(AC loss)이라고 한다. 상기 교류 손실은 외부 자기장이 변하는 경우에 발생하는 자화손실, 전류의 변화에 의해 발생되는 통전 손실로 나누어 진다.

종래에 일반적으로 행해지는 초전도 선재에 형성되는 초전도 박막층을 형성하는 방법은 금속기판 상에 일정두께의 초전도 박막층을 증착한 후에, 레이저 빔이나 기타 기계적 방법을 사용하여 일정간격으로 초전도 박막층을 분할하는 방법이 사용된다.

그러나, 이러한 방법은 초전도 박막층의 분할 방법은 선재 분할을 위한 별도의 공정을 시행해야 함으로, 공정 시간이 길어지고, 레이저 빔과 같은 별도의 기자재를 구비하여야 한다는 단점이 있었음, 레이저 빔을 이용한 초전도 박막층의 분할 과정에서 초전도 박막에 손상을 익혀 균일하고 평평한 분할 단면을 구비하지 못할 뿐만 아니라, 초전도 박막층의 폭도 일정하지 않다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 빔을 사용하지 않고, 초전도 선재에 손상을 가하지 않으면서도, 교류손실(AC loss)을 개선할 수 있는 초전도 선재를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 교류손실(AC loss)을 개선할 수 있는 초전도 선재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 선재는, 테이프 형상의 기판과, 상기 기판 상에 형성되되 상기 기판의 장축을 따라 연장되는 분할영역에 의하여 복수개로 분할되는 초전도 박막,을 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 분할영역의 단면은 호의 형상을 가지며, 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 분할영역의 단면은 직각 사각형의 형상을 가진다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 초전도 박막 상에 상기 분할영역에 의하여 복수개로 분할되는 보호층을 더 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 초전도 선재의 제조방법은 테이프 형상의 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 상기 기판의 장축을 따라 연장하는 와이어를 배치하는 단계; 상기 와이어가 배치된 상기 기판 상에 초전도 물질을 증착하여, 초전도 박막층을 형성하는 단계; 및 상기 와이어를 상기 기판으로부터 제거하여, 상기 와이어에 의해 형성된 분할영역에 의해 상기 초전도 박막층을 복수개로 분할하는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 초전도 물질을 기화시켜 상기 기판 상에 증착시키고, 상기 증착된 초전도 물질을 상기 기판(10) 상에서 결정화하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 초전도 박막층의 두께는 적어도 상기 와이어의 직경보다 작은 값을 가지고, 상기 와이어의 크기는 0.01mm 이하의 직경을 갖도록 형성한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 와이어는 한 쌍의 릴들을 이용하여 상기 기판의 장축과 평행하게 이동이 가능하도록 형성한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 와이어의 일 부분이 상기 기판과 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 와이어는 백금인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 기판은 한 쌍의 릴들 사이에서 이동하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 바와 같이, 금속 기판 상에 초전도 박막층을 형성하기 전에, 와이어를 이용하여 분할영역을 형성함으로써, 기판 상에 단면이 원호 또는 사각형의 형태를 가지는 분할영역으로 분할되는 복수개의 초전도 박막층들을 형성하여, 초전도 선재의 교류손실을 개선할 수 있으며, 초전도 선재에 손상을 가하지 않고, 작업 시간도 획기적으로 개선할 수 있다는 장점이 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 제조장비의 구조를 나타내는 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 초전도 선재 및 이의 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 제조방법을 설명한다.

도 1을 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 테이프(tape) 형태로 제공된다. 기판(10)은 금속으로 형성되는 데, 예를 들면 상기 기판(10)은 니켈(Ni), 스테인레스 또는 티타늄(Ti)을 포함한다. 기판(10)은 초전도 선재의 모재에 해당한다.

상기 기판(10)의 일 면 상에 절연층(30)을 형성한다. 상기 절연층(30)은 복수개의 막들로 형성될 수 있다. 절연층(30)은 확산방지막, 시드막(seed layer) 및 버퍼막을 포함한다. 상기 절연층(30)은 금속산화물로 형성되는 바, 예를 들면, 상기 확산방지막은 알루미늄 산화물이고, 상기 시드막은 이트륨 산화물일 수 있다.

절연층(30)은 PLD(pulse laser deposition)방법, IBAD(ion beam assisted deposition)방법 또는 에피택셜(epitaxial) 성장으로 형성할 수 있다. 상기 확산방지막, 상기 시드막 및 상기 버퍼막들은 각각 다른 두께로 형성될 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 기판(10) 상에 와이어(50)를 배치할 수 있다. 상기 와이어(50)의 일 부분이 상기 기판(10)의 일 면과 접촉하도록 배치된다. 와이어(50)는 상기 기판(10)의 장축에 평행한 방향으로 배치된다.

상기 와이어(50)는 1.0mm 이하의 직경을 가질 수 있으며, 와이어의 직경이 초전도 박막의 두께보다 커야만 도 4와 같은 호의 형상의 분할영역이 형성될 수 있다.

상기 와이어(50)는 상기 기판(10)의 상기 장축 방향으로 이동한다. 바람직하게는, 상기 와이어(50)는 금속으로 형성되는 데, 예를 들어, 백금(Pt)으로 형성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 와이어(50)가 배치된 기판(10) 상에 초전도 물질을 증착하여 초전도 박막층(70)을 형성한다. 상기 초전도 박막층(70)은 상기 와이어(50)와 접촉하지 않는 상기 기판(10) 상에 형성된다. 도시되지는 않았으나, 와이어 상에도 초전도 박막층이 형성됨을 물론이다. 상기 초전도 박막층(70)의 두께는 상기 와이어(50)의 직경보다 작은 값을 가진다. 이는 와이어를 제거한 경우에 도 4와 같은 호의 형상의 분할 영역이 형성되도록 하기 위해서이다.

상기 증착방법은 상기 초전도 물질을 증발시키고, 상기 기판(10) 상에 다시 결정화시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 증착방법은 IBAD(ion beam assisted deposition)방법, PLD(pulse laser deposition)방법, 및/또는 열 증착(Thermal Evaporator deposition) 방법일 수 있다. 상기 증착하는 방법은, 도 5에서 도시된 것과 같이, 상기 기판(10)을 마주보도록 상기 초전도 소스(73)를 배치하고, 상기 기판(10) 및 상기 초전도 소스(73)를 사이에 배치된 상기 와이어(50)를 마스크로 사용하여, 상기 와이어와 접촉하지 않는 상기 기판(10) 상에 초전도 박막층(70)을 형성하게 된다.

상기 초전도 소스(73)는 희토류금속을 포함하는 금속산화물이다. 예를 들면, 초전도 소스(73)는 이트륨(Yi),바나듐(Ba) 또는 사마륨(Sm) 금속산화물이 사용된다. 초전도 박막층(70) 상에 도전막을 증착하여 보호층(90)을 형성할 수 있다. 보호층(90)은 금속으로 형성되는 바, 예를 들면, 상기 금속은 은(Ag)일 수 있다.

바람직한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초전도 박막층(70)의 두께와 상기 와이어(50) 간의 간격은 동일한 크기를 가질 수 있다. 이에 더하여, 바람직하게는 상기 보호층(90)의 두께는 상기 초전도 박막층(70)의 두께보다 작은 값을 가진다.

도 4를 참조하면, 상기 기판(10) 상의 와이어(50)를 제거하여, 상기 와이어(50)가 제거된 영역에 분할영역(75)이 형성된다. 상기 분할영역의 단면은 상기 와이어(50)의 프로파일을 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 상기 와이어의 단면이 원이라면, 상기 분할영역(75)의 단면은 호의 형태를 가지고, 상기 기판(10)의 장축 방향으로 연장되도록 형성된다. 상기 분할영역에 의해서 분할된 상기 초전도 박막들의 측면은 곡면으로 형성되는 것이다.

와이어의 단면은 일반적으로 도시된 바와 같이 원형으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 직각 사각형의 단면을 가질 수 있다. 직각 사각형의 단면을 가지는 와이어를 사용할 경우에는 초전도 박막의 분할영역(75)의 형상도 직각 사각형이 될 것이고, 이는 호의 형상을 가지는 것보다 높은 초전도 특성을 지니게 된다.

도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재의 제조장비의 구조에 대해서 설명하기로 한다.

도 5를 참조하면, 기판(10)은 테이프(tape) 형태를 가지고, 쌍으로 이루는 릴에 감겨, 하나의 릴(100)에서 다른 하나의 릴(100)로 이동하게 된다. 즉, 상기 기판(10)은 장축 방향으로 한쪽의 릴(100)에서 다른 쪽 릴(100)로 이동하게 되는 것이다.

상기 테이프의 일 면을 마주보도록 초전도 소스(73)가 배치된다. 상기 초전도 소스(73)와 상기 기판(10) 사이에 와이어(50)가 배치된다. 상기 와이어(50)는 상기 기판(10)의 장축과 평행한 방향으로 배치되되, 상기 와이어(50)의 일부분이 상기 기판(10)과 접촉하게 된다. 상기 와이어 또한 기판과 동일하게 쌍을 이루는 하나의 릴(130)에서 다른 하나의 릴(130)로 이동한다. 상기 와이어(50)는 상기 기판(10) 상에 배치되어 마스크로 사용되는 것이다. 상기 초전도 소스(73)의 초전도 물질은 상기 와이어(50)가 배치되지 않은 기판(10) 상에 증착되어 초전도 박막층(70)을 형성한다.

상기 초전도 박막층(70)은 상기 초전도 물질을 기화시키고, 상기 기화된 초전도 물질을 상기 기판(10) 상에서 결정화하는 단계를 거쳐서 형성된다. 상기 증착방법은 PLD(pulse laser deposition)방법, IBAD(ion beam assisted deposition)방법, 및/또는 열 증착(Thermal Evaporator deposition) 방법일 수 있다.

상기 와이어는 일정한 간격으로 다수개 설치되며, 상기 와이어의 간격에 따라 초전도 박막층의 간격이 결정되게 된다.

상기 초전도 박막층 형성 시, 상기 마스크로 사용되는 상기 와이어 상에 상기 초전도 물질이 증착되더라도, 상기 와이어가 한 쌍의 릴(130) 사이를 이동함으로서, 상기 마스크 상에 상기 초전도 물질이 축적되는 것을 방지할 수 있다.

도 4를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재를 설명한다.

기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 테이프 형태를 가진다. 상기 기판(10)은 금속일 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(10)은 니켈(Ni), 스테인레스 또는 티타늄(Ti)이다.

바람직하게는 상기 기판(10)의 일 면 상에 절연층(30)이 위치한다. 상기 절연층(30)은 복수개의 막들을 포함하는 데, 상기 절연층(30)은 확산방지막, 시드막 및 버퍼막을 포함하게 된다. 상기 절연층(30)은 금속산화물이 바람직한데, 예를 들면, 상기 확산방지막은 알루미늄 산화물, 상기 시드막은 이트륨 산화물일 수 있다. 상기 확산방지막, 상기 시드막 및 상기 버퍼막들은 각각 다른 두께를 가질 수 있다.

상기 절연층(30) 상에 분할영역(75)에 의해서 분할되는 초전도 박막층(70)이 위치한다. 상기 분할영역의 단면은 바람직하게는 호의 형태를 가지고, 상기 기판(10)의 상기 장축과 평행한 방향으로 연장 형성된다. 따라서, 상기 초전도 박막층(70)의 폭은 상기 초전도 박막층(70)의 두께와 동일한 값을 가질 수 있다.

상기 초전도 박막층(70)은 희토류금속을 포함하는 금속산화물인 데, 예를 들면, 상기 초전도 박막층(70)은 이트륨(Yi), 바나듐(Ba) 또는 사마륨(Sm)의 금속 산화물이다. 상기 초전도 박막층(70)의 조성비는 ReBa₂Cu₃O_{6 +x} (여기서 Re는 ，Nd，Sm，Gd，Eu，Yb，Pt 및 Ho로부터 선택된 적어도 １종 이상의 원소를 나타낸다．여기서 x는, x>1)일 수 있다.

상기 초전도 박막층(70)을 덮는 보호층(90)이 위치할 수 있다. 상기 보호층(90)은 상기 초전도 박막층(70)과 마찬가지로 상기 분할영역(75)에 의해서 분할된다. 상기 보호층(90)은 도전물질로서, 예를 들면, 상기 도전 물질은 금속일 수 있다. 바람직하게는 상기 금속은 은(Ag)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초전도 박막층(70)의 두께와 상기 와이어들(50) 간의 간격은 동일한 크기를 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 보호층(90)의 두께는 상기 초전도 박막층(70)의 두께보다 작은 값을 가질 수 있다.

상기 초전도 박막층(70)이 초전도 선재로 사용될 때, 상기 초전도 박막층(70)의 폭이 넓게 형성될 경우, 상기 초전도 선재의 교류 손실은 증가하게 된다. 그러나 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 초전도 박막층(70)의 폭(width)을 상기 초전도 박막층(70)의 두께(thickness)의 크기와 동일하게 형성한다. 즉, 상기 폭과 상기 두께의 비율이 대략 1에 가까운 값을 가지도록 상기 초전도 선재를 형성하여, 자화손실 및 통전손실에 따른 상기 초전도 선재의 교류손실(AC loss)를 감소시킬 수 있다.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수도 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

즉, 본 발명은 상기에서 설명되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.

10: 기판
30: 절연층
50: 와이어
70: 초전도 박막층
75: 분할영역
90: 보호층

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 테이프 형상의 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 상기 기판의 장축을 따라 연장하는 와이어를 배치하는 단계;
   상기 와이어가 배치된 상기 기판 상에 초전도 물질을 증착하여, 초전도 박막층을 형성하는 단계; 및
   상기 와이어를 상기 기판으로부터 제거하여, 상기 와이어에 의해 형성된 분할영역에 의해 상기 초전도 박막층을 복수개로 분할하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 초전도 물질을 기화시켜 상기 기판 상에 증착시키고, 상기 증착된 초전도 물질을 상기 기판 상에서 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 와이어의 단면은 원호의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
9. 제6 항에 있어서,
   상기 와이어의 단면은 직사각형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
10. 제6 항에 있어서,
    상기 초전도 박막층의 두께는 적어도 상기 와이어의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 와이어의 크기는 0.01mm 이하의 직경을 갖도록 형성하는 초전도 선재 제조방법.
12. 제6 항에 있어서,
    상기 와이어는 한 쌍의 릴을 이용하여 상기 기판의 장축과 평행하게 이동이 가능하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
13. 제6 항에 있어서,
    상기 와이어의 일 부분이 상기 기판과 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
14. 제6 항에 있어서,
    상기 와이어는 백금인 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.
15. 제6 항에 있어서,
    상기 기판은 한 쌍의 릴 사이에서 이동하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 제조방법.

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