KR101379865B1 - 초전도체 물질의 접합 방법 - Google Patents

초전도체 물질의 접합 방법 Download PDF

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Abstract

초전도체 물질의 접합 방법이 개시된다. 제1 열흡수판 및 상기 제1 열흡수판에 대응하는 제2 열흡수판을 포함하는 마이크로파 챔버가 제공된다. 제1 초전도체 물질 및 제2 초전도체 물질은 마이크로파 챔버 내에서 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판 사이에 위치된다. 상기 제1 초전도체 물질 및 상기 제2 초전도체 물질은 그것들 사이에 겹치는 부분을 갖고, 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판에 압력이 가해진다. 마이크로파 파워가 상기 마이크로파 챔버에 공급된다. 상기 겹치는 부분에서 상기 제1 초전도체 물질 및 상기 제2 초전도체 물질이 접합하도록 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판은 상기 마이크로파 파워를 열에너지로 변환한다.

Description

초전도체 물질의 접합 방법{METHOD OF JOINING SUPERCONDUCTOR MATERIALS}
본 발명은 접합 방법에 관한 것으로, 특히, 초전도체 물질의 접합 방법에 관한 것이다.
현재의 산업 기술 기반에서, 초전도체 물질은 연결 보조 물질로서 구리를 사용하여 연결된다. 그러나, 그러한 연결 타입을 사용하여 제조된 고온 초전도성 이트륨 바륨 구리 산화물(yttrium barium copper oxide, YBCO) 리드(lead)는 단지 최대 500 미터의 길이만을 가진다. 만약 초전도성 리드의 길이가 더 길어지면, 그것에 의한 초전도성 제품이 장시간 사용된 후에 그 성능이 영향을 받는다. 초전도 물질을 연결하는 것으로 사용된 구리의 저항값이 높지 않지만, 어쨌든 구리는 어떤 저항 값을 갖는 것이 주 원인이다. 그러므로, 장시간 사용하는 동안 열은 불가피하게 발생되어 에너지의 소비를 유발하고, 심지어 초전도성 리드의 전도도를 잃어버리게 만든다. 따라서, 초전도성 전송선의 전체 질이 영향을 받는다.
이것과는 별개로, 고온 초전도체 물질은 대부분 세라믹 산화물의 복잡한 구조이다. 통상적인 세라믹 물질간의 연결을 위해서, 융제(fluxing agent)가 세라믹의 연결 온도(그것의 소결 온도보다 낮은)를 낮추기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 세라믹은 서로 접합될 수 있지만, 계면의 구조가 변화되고, 그렇게 되면 계면의 구조는 원래 물질의 그것과는 같을 수 없다. 그러므로, 접합 계면에서 분명히 더 큰 저항값이 존재한다.
본 발명은 초전도체 물질의 접합 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있고, 이는 저항값의 문제와 통상적인 접합 방법에서 발생될 수 있는 다른 문제를 해결할 수 있다. 본 방법에서는, 마이크로파 챔버(microwave chamber)가 제공된다. 마이크로파 챔버는 제1 열흡수판 및 상기 제1 열흡수판에 대응하는 제2 열흡수판을 갖는다. 제1 초전도체 물질 및 제2 초전도체 물질은 마이크로 챔버 내에서 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판 사이에 위치된다. 상기 제1 초전도체 물질 및 상기 제2 초전도체 물질은 그것들 사이에 겹치는 부분을 갖는다. 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판에 압력이 가해진다. 마이크로파 파워가 상기 마이크로파 챔버에 제공된다. 상기 제1 초전도체 물질 및 상기 제2 초전도체 물질이 겹치는 부분에서 접합하도록 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판은 상기 마이크로파 파워를 열 에너지로 변환한다.
도면들을 수반하는 몇몇 실시예들이 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해 아래에서 상세하게 개시된다.
수반되는 도면들은 더 나은 이해를 제공하기 위하여 포함되는 것이고, 본 명세서의 일부로 포함되고 구성된다. 도면들은 설명과 함께 실시예들을 도시하고, 본 발명의 원리에 대한 설명을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체 물질의 접합 방법에 대한 도식적인 도해이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도체 물질의 접합 방법에 대한 도식적인 도해이다.
도 3은 도 1에서의 제1 초전도체 물질과 제2 초전도체 물질의 접합에 대한 도식적인 도해이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체 물질이 접합된 이후의 온도와 저항 간의 관계에 대한 도해이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도체 물질이 접합된 이후의 온도와 저항 간의 관계에 대한 도해이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체 물질의 접합 방법에 대한 도식적인 도해이다. 도 1을 참조하면, 먼저 마이크로파 챔버(200)가 제공된다. 추가적으로, 마이크로파 챔버(200)는 도파관 장치(102)를 통해서 마이크로파 발생기(100)에 연결된다. 상기 마이크로파 발생기(100)는 여러 레벨의 마이크로파 파워를 발생시킬 수 있다. 발생된 마이크로파 파워는 상기 도파관 장치(102)를 통해서 마이크로파 챔버(200)로 들어가고, 그리고 상기 마이크로파 챔버(200) 내에서 공진(resonance) 및 포커싱 효과(focusing effect)를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 마이크로파 챔버(200)는 상부 구조체(200a) 및 하부 구조체(200b)에 의해 형성되는 밀폐된 공간이다. 추가적으로, 제1 열흡수판(210) 및 제2 열흡수판(220)이 상기 마이크로파 챔버(200) 내에 위치된다. 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)은 마이크로파 파워를 흡수할 수 있고, 마이크로파 파워를 열 에너지로 빠르게 변환할 수 있는 판형 물질로 만들어 진다. 예를 들어, 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)은 실리콘 카바이드(SiC), 그라파이트, 활성 차콜(active charcoal), 또는 마이크로파 파워를 잘 흡수할 수 있는 다른 물질들을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 마이크로파 챔버(200)는 O-형 링(204), 쿼츠판(202), 스크류(206), 온도 센서(207), 및 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 상기 마이크로파 챔버(200)의 구조 및 구성은 이에 한정되지 않는다.
상술한 마이크로파 챔버(200)를 이용한 초전도체 물질의 접합 공정은 아래에 개시된다. 먼저, 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)은 상기 마이크로파 챔버(200) 내에서 상기 제1 열흡수판(210)과 상기 제2 열흡수판(220) 사이에 클램프로 고정된다. 본 실시예에 따르면, 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 상기 제2 초전도체 물질(224)은 같은 초전도체 물질이다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예들에서, 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)은 다른 초전도체 물질일 수 있다. 여기서, 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 상기 제2 초전도체 물질(224)은 각각 이트륨 바륨 구리 산화물 화합물(YBa2Cu3O7-δ,YBCO), 또는 도핑된 이트륨 바륨 구리 산화물 화합물(YBa2Cu3-xMxO7-δ 또는 Y1-xNxBa2Cu3O7-δ)와 같은 초전도체 물질을 포함한다. 여기서 M은 Zn, Li, Ni 또는 Zr을 나타내고, N은 Ca, Zr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu를 나타내고, δ는 0~1을 나타낸다. 상기 초전도체 물질은 또한 Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO), Tl2Ba2Ca2Cu3O10(TBCCO), 또는 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127(HBCCO)일 수 있다. 이와는 별개로, 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)의 두께는 0.1 내지 5㎛의 범위이다.
추가적으로, 본 실시예에서, 상기 제1 초전도체 물질(214)은 제1 기판(212)상에 이송되고, 상기 제2 초전도체 물질(224)은 제2 기판(222)상에 이송된다. 상기 제1 초전도체 물질(214)은 증발 공정(evaporation process), 이온빔 보조 증착법(ion-beam-assisted deposition process), 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition process), 또는 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition process)에 의해 상기 제1 기판(212)상에 형성될 수 있다. 상기 제2 초전도체 물질(224)은 증발 공정(evaporation process), 이온빔 보조 증착법(ion-beam-assisted deposition process), 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition process), 또는 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition process)에 의해 상기 제2 기판(222)상에 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기 제1 기판(212) 재료의 선택은 상기 제1 초전도체 물질(214)에 관련이 있고, 상기 제2 기판(222) 재료의 선택은 상기 제2 초전도체 물질(224)에 관련이 있다. 여기서, 상기 제1 기판(212) 및 제2 기판(222)은 각각 스트론튬 티타네이트(STO) 기판 및 란타눔 알루미네이트(LAO) 기판이다.
상술한 바를 바탕으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220) 사이에 고정된 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 상기 제2 초전도체 물질(224)은 그것들 사이에 겹쳐진 부분(R)을 갖는다. 본 실시예에 따르면, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224) 사이에 겹쳐진 부분(R)의 길이(l)는 0.5cm 보다 크거나 같고, 바람직하게는 0.5cm 이다.
이어서, 도 1을 참조하면, 마이크로파 파워는 마이크로파 발생기(100)를 사용하여 발생된다. 발생된 마이크로파 파워는 마이크로파 챔버(200)로 전해진다. 본 실시예에 따르면, 상기 마이크로파 파워는 대략 500W 이다. 상기 마이크로파를 상기 마이크로파 챔버(200)로 공급하는 시간은 대략 1분이다. 추가적으로, 마이크로파 챔버(200) 내의 압력은 대기압일 수 있다. 본 실시예에서, 상기 마이크로파 파워가 상기 마이크로파 챔버(200)로 공급될 때, 1000 kg/m2보다 높은 압력이 스크류(206)를 통해서 상기 제1 열흡수판(210)과 상기 제2 열흡수판(220) 사이의 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)에 더 공급될 수 있다. 다시 말해서, 상기 스크류(206)가 아래방향으로 조여지면, 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)에 가해지는 압력이 커진다. 반대로, 상기 스크류가 위쪽방향으로 옮겨지면, 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)에 가해지는 압력이 작아진다. 여기서, 상기 압력은 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 상기 제2 초전도체 물질(224)에 파손 또는 데미지를 주는 압력보다 낮다.
상기 마이크로파 챔버(200)에 상기 마이크로파 파워를 전한 후, 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)은 상기 마이크로파 파워를 흡수하고, 그리고 상기 마이크로파 파워를 열에너지로 빠르게 변환한다. 이때, 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 상기 제2 초전도체 물질(224)이 약 790℃ 내지 830℃ 사이의 온도로 가열되도록 상기 제1 열흡수판(210) 및 상기 제2 열흡수판(220)은 각각 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)에 열에너지를 전한다. 추가적으로, 본 실시예에서, 상기 제1 초전도체 물질(214) 및 제2 초전도체 물질(224)이 미리 정해진 온도까지 가열되었는지를 확실히 하기 위하여 상기 마이크로파 챔버(200) 내의 온도 또는 상기 쿼츠판(202)의 온도는 상기 온도 센서(207)에 의해 측정될 수 있다. 다시 말해서, 상술한 것과 같이 선택적으로 압력을 가하는 것과 함께 마이크로파 가열 방법을 사용함으로써, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)이 겹치는 부분(R)에서 접합된다. 그 다음, 상온으로 냉각될 때, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)은 서로 완전히 접합된다.
본 실시예에서, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)은 다른 용융 및 접합 물질을 사용하지 않고 접합된다. 대신, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)은 마이크로파 가열 방법을 통해서 서로 접합되거나 결합된다. 그러므로, 본 실시예는 접합 계면 저항값이 유발하는 문제 및 나아가 초전도체 장치의 효력(efficacy)에도 영향을 미치는 문제를 갖지 않는다. 추가적으로, 본 실시예의 마이크로파 가열 공정은 진공 상태에서 수행될 것이 요구되지 않는다. 접합이 짧은 시간내에 이루어진다. 그러므로, 본 실시예의 접합 방법은 비용이 적게 들고 속도가 빠르다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도체 물질의 접합 방법에 대한 도식적인 도해이다. 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 유사하고, 따라서 같은 구성요소는 같은 지시번호로 나타내어 지고, 이는 반복하여 설명되지 않는다. 도 2를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 챔버(200)는 가스 주입 장치(250)를 더 포함한다. 다시 말해서, 제1 초전도체 물질(214)과 제2 초전도체 물질(224)을 접합하기 위하여 상기 마이크로파 챔버(200)에 마이크로파 파워가 공급될 때, 산소 가스(252)가 상기 가스 주입 장치(250)를 통해서 상기 마이크로파 챔버(200)내로 더 공급될 수 있다. 여기서, 산소 유량은 0 내지 10000 sccm 범위에 있고, 바람직하게는 300 sccm이다.
상기 마이크로파 챔버(200) 내에 산소를 주입함으로써, 상기 산소 가스는 마이크로파 가열 공정이 수행되는 동안 소비된다. 상기 마이크로파 챔버(200)가 충분한 산소 가스를 가질 때, 마이크로파 가열을 통한 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)의 접합 공정은 충분한 산소 공급으로 확실해지고, 접합 품질이 확실해진다.
상술한 실시예에서, 상기 제1 초전도체 물질(214)과 상기 제2 초전도체 물질(224)의 접합의 예는 통상의 기술자가 명확하게 본 발명을 이해할 수 있도록 실시된다.
상술한 바를 바탕으로, 본 실시예에서, 복수의 초전도체 물질이 긴 리드를 형성하도록 상기 마이크로파 가열 방법을 이용하여 동시에 직접적으로 서로 접합되거나 결합될 수 있다. 그러므로, 본 실시예는 접합 계면 저항값이 유발하는 문제 및 나아가 초전도체 장치의 효력(efficacy)에도 영향을 미치는 문제를 갖지 않는다. 이와는 별개로, 본 실시예에서, 상기 초전도체 물질들은 다른 접합 물질이 없이 직접적으로 접합되거나 결합되고, 따라서 그것들은 저항 0으로 초전도성을 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체 물질이 접합된 이후의 초전도체 물질의 온도와 저항 간의 관계에 대한 도해이다. 도 4를 참조하면, YBCO 초전도체 물질이 도 4에서 사용되었다. YBCO 초전도체 물질에 대한 마이크로파 가열 조건은 500W의 마이크로파 파워 및 1분의 마이크로파 가열 시간을 포함한다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 접합된 YBCO 초전도체 물질의 임계 온도(Tc)는 여전히 80K에서 유지될 수 있다. 일반적으로, 77K보다 높은 임계 온도(Tc)를 갖는 초전도체 물질은 저비용 어플리케이션으로서 잠재력이 있고 가치가 높은 물질일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도체 물질이 접합된 이후의 온도와 저항 간의 관계에 대한 도해이다. 도 5를 참조하면, YBCO 초전도체 물질이 도 5에서 사용되었다. 그것에 대한 마이크로파 가열 조건은 500W의 마이크로파 파워 및 1분의 마이크로파 가열 시간을 포함한다. 추가적으로, 마이크로파 가열 공정중에 산소가 주입된다. 주입되는 산소의 양은 300 sccm이다. 도 5의 실시예에서, 접합된 YBCO 초전도체 물질의 임계 온도(Tc)는 85K로 증가될 수 있다.
상술한 바를 바탕으로, 본 발명에서, 초전도체 물질은 마이크로파 가열 방법을 이용하여 접합된다. 본 발명의 접합 방법은 계면 접합 물질로서 다른 물질을 사용하지 않으므로, 다른 물질들을 사용하는 통상적인 접합 방법에 존재하는 문제와, 계면 또는 접합 물질의 저항 유도의 결과를 나타내는 문제가 더 이상 발생하지 않는다. 추가적으로, 본 발명에서, 마이크로파 가열 방법으로 접합된 초전도체 물질로 형성된 구조체는 여전히 고온 초전도성 특성을 갖는다.
통상의 기술자에게 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고 개시된 실시예의 구조에 대한 다양한 변형 및 변화가 가능함은 분명하다. 상술한 관점에서, 본 발명은 개시된 것의 변형 및 변화를 포함하는 것으로 의도되고, 아래의 청구항의 범위 및 그 균등 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (9)

  1. 초전도체 물질의 접합 방법으로서,
    마이크로파 챔버를 제공하되, 상기 마이크로파 챔버는 제1 열흡수판 및 상기 제1 열흡수판에 대응하는 제2 열흡수판을 포함하고;
    상기 마이크로파 챔버 내에 제1 초전도체 물질 및 제2 초전도체 물질을 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판 사이에 위치시키되, 상기 제1 초전도체 물질과 상기 제2 초전도체 물질은 그것들 사이에 겹치는 부분을 갖고, 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판에 압력이 가해지고; 및
    상기 마이크로파 챔버에 마이크로파 파워를 공급하는 것을 포함하고, 상기 제1 초전도체 물질과 상기 제2 초전도체 물질이 상기 겹치는 부분에서 접합하도록 상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판이 상기 마이크로파 파워를 열에너지로 변환하는 초전도체 물질의 접합 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로파 챔버 내로 산소 가스를 유입시키는 것을 더 포함하는 초전도체 물질의 접합 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 산소 가스의 유량은 0 내지 10000 sccm 범위에 있는 초전도체 물질의 접합 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 초전도체 물질 및 상기 제2 초전도체 물질은 각각 이트륨 바륨 구리 산화물 화합물(YBa2Cu3O7-δ,YBCO), 또는 도핑된 이트륨 바륨 구리 산화물 화합물(YBa2Cu3-xMxO7-δ 또는 Y1-xNxBa2Cu3O7-δ), Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO), Tl2Ba2Ca2Cu3O10(TBCCO), 또는 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127(HBCCO)을 포함하고, 상기 M은 Zn, Li, Ni 또는 Zr을 나타내고, 상기 N은 Ca, Zr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu를 나타내고, 상기 δ는 0~1을 나타내는 초전도체 물질의 접합 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 초전도체 물질의 두께 및 상기 제2 초전도체 물질의 두께는 각각 0.1 내지 5㎛ 의 범위에 있는 초전도체 물질의 접합 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 초전도체 물질과 상기 제2 초전도체 물질 사이에 상기 겹치는 부분의 길이는 0.5 cm 보다 크거나 또는 같은 초전도체 물질의 접합 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 초전도체 물질은 제1 기판 상에 이송되고, 상기 제2 초전도체 물질은 제2 기판 상에 이송되는 초전도체 물질의 접합 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열흡수판 및 상기 제2 열흡수판은 각각 실리콘 카바이드(SiC), 그라파이트, 또는 활성 차콜을 포함하는 초전도체 물질의 접합 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력은 1000 kg/m2보다 큰 초전도체 물질의 접합 방법.
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