KR101459583B1 - 초전도체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
- C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
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Abstract
본 발명은 초전도체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 초전도체는 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판, 상기 기판의 상면 위에 위치하는 초전도층, 상기 초전도층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 제1 안정층, 그리고 상기 제1 안정층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 보호층을 포함하며, 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 합금층을 상기 안정층과 상기 보호층 사이에 더 포함한다.
상기 초전도체는 미시적으로 울퉁불퉁한 표면에 대해서도 보호층의 부착력이 우수하고, 상기 보호층 표면의 평탄도가 매우 우수하여 상기 보호층 상부에 다른 물질막을 형성하는 공정이 용이하고, 상기 다른 물질막의 상기 보호층에 대한 부착력도 우수하다.
상기 초전도체는 미시적으로 울퉁불퉁한 표면에 대해서도 보호층의 부착력이 우수하고, 상기 보호층 표면의 평탄도가 매우 우수하여 상기 보호층 상부에 다른 물질막을 형성하는 공정이 용이하고, 상기 다른 물질막의 상기 보호층에 대한 부착력도 우수하다.
Description
본 발명은 초전도체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부착력 및 평탄성이 우수한 보호층을 포함하는 초전도체 및 상기 보호층을 용이한 방법으로 형성할 수 있는 상기 초전도체의 제조 방법에 관한 것이다.
RE-123계 산화물 초전도체(REBa2Cu3O7 -X, RE는 Y를 포함한 희토류 원소)는 액체 질소 온도에서 초전도성을 나타낸다. 상기 RE-123계 산화물 초전도체는 전류 손실이 낮아 이를 초전도 선재로 가공해서 전력 공급 용의 초전도 도체 혹은 초전도 코일로 제조되고 있다. 이 산화물 초전도체를 선제로 가공하는 방법으로는 금속 테이프의 기본 재료 위에 중산층을 통해 산화물 초전도 층을 형성하며 이 산화물 초전도 계층 위에 안정화 층을 형성하는 방법이 있다.
상기 RE-123계 산화물 초전도체는 종류에 따라 수분에 의해 열화될 수 있고, 초전도 선재를 수분이 많은 환경에 보관하거나, 초전도 선재에 수분을 부착시킨 상태로 방치하면 산화물 초전도층에 수분이 침입하여 초전도 특성이 저하되는 요인이 된다. 따라서, 초전도 선재의 장기적 신뢰성을 확보하기 위해서는 초전도층의 원형을 보호하는 구조를 채용할 필요가 있다.
종래 초전도층 전체를 보호하는 구조로서 일본 특허 공개 제2009-503794호는 적층 구조의 초전도 인서트를 2층의 도전성 비 다공질 충전제로 덮은 구조를 기재하고 있다. 이 고온 초전도체 와이어는 금속제 스태빌라이저 스트립으로 상기 초전도체를 4 바퀴를 에워싸고, 스태빌라이저 스트립의 안쪽에 도전성 비 다공질 충진제를 충전하여 구성된다.
또한, 대한민국 특허 등록 제0682582호는 초전도성 테이프 상면과 하면에 상기 초전도성 테이프 보다 폭이 넓은 금속 테이프를 대고 상기 초전도성 테이프 측면을 비 다공질 땜납 필렛으로 채워 상기 상면과 하면에 위치하는 금속 테이프를 서로 붙이는 구조를 기재하고 있다.
본 발명의 목적은 미시적으로 울퉁불퉁한 표면에 대해서도 보호층의 부착력이 우수하고, 상기 보호층 표면의 평탄도가 매우 우수하여 상기 보호층 상부에 다른 물질막을 형성하는 공정이 용이하고, 상기 다른 물질막의 상기 보호층에 대한 부착력도 우수한 초전도체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용이한 방법으로 상기 보호층을 형성할 수 있는 상기 초전도체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체는 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판, 상기 기판의 상면 위에 위치하는 초전도층, 상기 초전도층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 제1 안정층, 상기 제1 안정층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 보호층, 상기 제1 안정층과 상기 보호층 사이에 위치하고, 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층, 상기 보호층의 상면 위에 위치하는 제2 안정층, 상기 보호층과 상기 제2 안정층 사이에 위치하고, 상기 보호층과 상기 제2 안정층을 부착시키는 저융점 금속층, 및 상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 위치하고, 상기 보호층의 금속과 상기 저융점 금속층의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층을 포함할 수 있다.
상기 보호층은 용융시킨 금속을 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 보호층은 상기 기판, 상기 초전도층 및 상기 제1 안정층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감쌀 수 있다.
상기 제1 안정층의 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 보호층의 금속은 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 합금층은 은과 주석 또는 납의 합금으로 이루어질 수 있다.
삭제
상기 저융점 금속층은 용융시킨 금속을 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 저융점 금속층은 상기 보호층을 밀봉시키도록 감쌀 수 있다.
상기 저융점 금속층의 금속은 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 안정층은 구리, 아연, 황동, 니켈, 니켈의 합금, 알루미늄, 스테인리스 및 이들의 합금금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 안정층은 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 금속일 수 있다.
삭제
상기 제2 합금층은 주석과 납의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 저융점 금속층의 저융점 금속의 용융 온도는 상기 보호층의 금속의 용융 온도 보다 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 초전도체의 제조 방법은 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면으로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상면 위에 초전도층을 형성하는 단계, 상기 초전도층의 상면 위에 금속 재질의 제1 안정층을 형성하는 단계, 상기 제1 안정층의 상면 위에 용융시킨 금속을 코팅하여 금속 재질의 보호층을 형성하는 단계, 및 상기 보호층의 상면 위에 용융시킨 저융점 금속을 코팅하여 저융점 금속층을 형성하면서, 상기 저융점 금속층 상면 위에 제2 안정층을 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 보호층을 형성하는 단계에서 상기 제1 안정층의 상면 위에 상기 용융시킨 금속을 코팅함에 따라 상기 제1 안정층과 상기 보호층 사이에 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층이 형성되고, 상기 제2 안정층을 부착시키는 단계에서 상기 보호층 상면 위에 상기 용융시킨 저융점 금속을 코팅함에 따라 상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 상기 보호층의 금속과 상기 저융점 금속층의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층이 형성될 수 있다.
상기 보호층을 형성하는 단계는 상기 용융시킨 금속을 상기 기판, 상기 초전도층 및 상기 제1 안정층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 보호층이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 초전도체의 제조 방법은 상기 보호층의 상면 위에 용융시킨 저융점 금속을 코팅하여 저융점 금속층을 형성하면서, 상기 저융점 금속층 상면 위에 상기 제2 안정층을 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 안정층을 부착시키는 단계에서 상기 보호층 상면 위에 상기 용융시킨 저융점 금속을 코팅함에 따라 상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 상기 보호층의 금속과 상기 저융점 금속층의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층이 형성될 수 있다.
상기 초전도체의 제조 방법은 상기 용융시킨 저융점 금속을 상기 기판, 상기 초전도층, 상기 제1 안정층 및 상기 보호층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 저융점 금속층이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 초전도체는 미시적으로 울퉁불퉁한 표면에 대해서도 보호층의 부착력이 우수하고, 상기 보호층 표면의 평탄도가 매우 우수하여 상기 보호층 상부에 다른 물질막을 형성하는 공정이 용이하고, 상기 다른 물질막의 상기 보호층에 대한 부착력도 우수하다.
또한, 본 발명의 초전도체의 제조 방법은 상기 보호층을 용이한 방법으로 형성할 수 있다. 종래의 보호층 형성은 구리 도금 공정을 이용하기도 하였는데, 이는 생산 속도가 수m/분인 반면, 본 발명의 제조 방법을 적용할 경우 동일 두께에 대하여 수십m/분으로서 약 10배 이상의 생산 속도로서 균일한 후막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체의 분해 사시도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 초전도체의 단면도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 초전도체의 단면도이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 어떤 물질막이 다른 물질막 또는 기판 위에 위치한다고 언급되는 경우, 상기 어떤 물질막은 다른 물질막 또는 기판 위에 직접 형성될 수 있고, 또는 그들 사이에 또 다른 물질막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도체는 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판, 상기 기판의 상면 위에 위치하는 초전도층, 상기 초전도층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 제1 안정층, 그리고 상기 제1 안정층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 보호층을 포함하며, 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 합금층을 상기 안정층과 상기 보호층 사이에 더 포함한다.
도 1은 상기 초전도체의 분해 사시도이고, 도 2는 상기 도 1에 도시된 초전도체의 단면도이다. 이하, 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 초전도체를 설명한다.
상기 초전도체(1)는 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면으로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판(10), 상기 기판(10)의 상면 위에 위치하는 초전도층(30), 상기 초전도층(30) 상면 위에 위치하는 금속 재질의 제1 안정층(40), 그리고 상기 제1 안정층(40)의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 보호층(50)을 포함한다. 상기 초전도체(1)는 선택적으로 상기 기판(10)과 상기 초전도층(30) 사이에 완충 배향층(20)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 일반적으로 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있고, 구체적으로 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 코발트(Co), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 스테인리스(stainless) 및 이들의 합금(예를 들어, 하스텔로이(hastelloy))로 이루어질 수 있다.
상기 기판(10)은 일반적으로 종횡비가 높은 테이프 형태일 수 있다. 상기 테이프 형상의 기판(10)은 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가진다. 예를 들어, 상기 기판(10)의 폭은 0.4 내지 10cm일 수 있고, 상기 기판(10)의 길이는 100m 이상, 통상적으로 500m 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(10)은 103 이상, 또는 104 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 상기 종횡비는 상기 기판(10)의 길이에 대한 폭의 비를 의미한다.
상기 기판(10)은 상기 초전도층(30)의 형성을 위해 바람직한 표면 특성을 갖도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)의 표면은 원하는 평탄도 및 표면 거칠기를 가지도록 폴리싱(polishing) 등과 같이 물리적 방법으로 처리될 수 있고, 에칭 등과 같이 화학적 방법으로도 처리될 수 있다.
또한, 상기 기판(10)은 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrate) 기법 등에 의해 이축 방향으로 배향(bi-axial texture)되도록 처리될 수 있다. 다만, 하기에서는 상기 기판(10) 자체가 이축 방향으로 배향되는 것이 아니라, IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 등의 공정에 의하여 이축 배향된 배향 완충층(20)을 포함하는 경우에 대하여 주로 설명한다.
한편, 상기 초전도체(1)는 상기 기판(10) 위에 위치하는 확산 방지막(21)을 포함할 수 있다. 상기 확산 방지막(21)은 산화마그네슘과 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있으며, 상기 확산 방지막(21)은 바람직하게 물리적 기상증착법(physical vapor deposition))에 의해 형성될 수 있다. 상기 금속 산화물은 화학 양론적으로 산소가 결핍된 것일 수 있는데, 상기 금속 산화물은 산화마그네슘일 수 있으며, 이 경우 상기 금속 산화물은 MgO1 -x로 표현될 수 있다(이때, 0<x<1 이다). 상기 물리적 기상증착법에 의해 형성된 상기 확산 방지막(21)은 결정성(예를 들어, 단결정, 다결정 또는 미세결정) 막일 수 있다. 상기 확산 방지막(21)은 상기 기판(10) 상에 직접 접촉할 수 있다.
상기 배향 완충층(20)은 바람직한 결정학적 방위를 가지는 초전도층(30)을 형성하는데 적합한 이축 배향을 제공하는 막으로서, 템플릿 층(template layer)(24)을 포함하며, 선택적으로 상기 템플릿 층(24)과 상기 기판(10) 사이에 위치하는 시드층(seed layer)(23) 및 상기 템플릿 층(24) 위에 위치하는 버퍼층(buffer layer)(25)을 포함할 수 있다.
상기 시드층(23)은 상기 기판(10) 또는 상기 확산 방지막(21) 위에 형성될 수 있다. 상기 시드층(23)은 상기 템플릿 층(24)의 결정핵생성(nucleation) 표면을 제공하는 역할을 하고, 상기 확산 방지막(21)이 없는 경우 상기 템플릿 층(24)과 상기 기판(10)을 분리하는 역할도 한다. 상기 시드층(23)은 산화이트륨과 같은 산화물로 주로 형성되나, 질화실리콘과 같은 비-산화물로도 형성될 수 있다. 상기 시드층(23)은 화학기상증착(CVD) 또는 스퍼터링을 포함한 물리기상증착(PVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 템플릿 층(24)은 상기 초전도층(30)에 이축 배향을 제공하는 역할을 한다. 즉, 상기 템플릿 층(24)은 막의 면내 및 면외 둘 다에서 일반적으로 결정 축들을 따라 정렬된 결정질 배향을 갖는 이축 배향층이다. 이러한 이축 배향은 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 템플릿 층(24)은 산화마그네슘으로 이루어질 수 있는데, 상기 산화마그네슘은 IBAD용 금속 산화물로 가장 용이하게 사용할 수 있는 물질이다.
상기 버퍼층(25)은 상기 템플릿 층(24)의 이축 배향 특성을 향상시키는 역할을 한다. 예를 들어, 상기 버퍼층(25)은 동종 에피택시(homo-epitaxial) 금속 산화물로 이루어질 수 있는데, 이는 상기 템플릿 층(24)의 IBAD 두께를 증가시키는데 효과적이다. 상기 버퍼층(25)은 산화마그네슘과 같이 상기 템플릿 층(24)에 사용되는 물질과 동일한 물질 또는 이와 호환되는 물질로 제조될 수 있으며, 바람직하게 이온빔 증착(ion beam deposition) 방법을 이용하여 제조될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 템플릿 층(25)을 주로 구성하는 산화마그네슘과 초전도층(30)의 물질 간에는 격자 부정합이 존재할 수 있는데, 이 부정합을 감소시키기 위하여 상기 배향 완충층(20)은 상기 버퍼층(25) 위에 위치하는 캡핑 층(capping layer)(26)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 캡핑 층(26)은 상기 초전도층(30)과 상기 템플릿 층(25)의 격자 매치(lattice match)와 화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 캡핑 층(26)은 산화이트륨-안정화 지르코니아(YSZ), 스트론튬 루테늄산염, 란타늄 망간산염, 또는 STO(SrTiO3)와 같은 페로브스카이트 구조의 세라믹 물질 등으로 이루어질 수 있다. 상기 캡핑 층(26)은 다양한 물리기상증착 기술들에 의해 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 초전도층(30)은 상기 완충 배향층(20) 위에 위치할 수 있다. 상기 완충 배향층(20)에 의하여 상기 초전도층(30)은 이축 배향 특성을 가지게 된다.
상기 초전도층(30)은 통상적으로 액체 질소의 온도인 77K 이상에서 초전도 특성을 보이는 고온의 초전도 재료들 중 임의의 재료로부터 선택될 수 있다. 상기 재료로는, 예를 들어 YBa2Cu3O7 -x로 표시되는 REBa2Cu3O7 -x(RE는 희토류 원소이다), Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y, Ti2Ba2Ca2Cu3O10 +y 및 HgBa2Ca2Cu3O8 +y를 포함할 수 있고, 바람직하게는 YBCO라고도 불리는 YBa2Cu3O7 -x를 사용할 수 있다. 여기서, 0<x<1이고, 0<y<1이다.
상기 초전도층(30)은 박막을 형성하는 종래의 다양한 기법 중 임의의 하나에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 반응성 동시증착법(reactive co-evaporation, RCE), 펄스드 레이저 증착법(PLD) 등의 박막 물리기상증착법이 고증착률을 위해 사용될 수 있고, 또는 화학적 기상 증착법(CVD)이 낮은 비용과 큰 표면적 처리를 위해 사용될 수 있으며, 이외에도 동시증발법(co-evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablation), 유기금속 증착법(metal organic deposition), 또는 졸-겔(sol-gel) 방법 등도 사용 가능하다.
일반적으로, 상기 초전도층(30)은 바람직한 정격 전류(ampere rating)을 얻기 위하여 1 내지 30㎛, 바람직하게 2 내지 20㎛, 더욱 바람직하게 2 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 안정층(40)은 상기 초전도층(30)을 보호하기 위하여 상기 초전도층(30) 상면 위에 위치한다. 상기 제1 안정층(40)은 상기 초전도체(1)의 냉각이 이루어지지 않거나 임계 전류 밀도가 초과되는 경우, 전기 전하가 바이패스(by-pass)되어 연속적으로 흐를 수 있도록 하며, 냉각제가 상기 초전도층(30)으로 침투하여 상기 초전도층(30)을 열화시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 제1 안정층(40)은 그 효율을 위하여 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있고, 바람직하게 은과 같은 귀금속으로 이루어질 수 있는데, 이에 따라 상기 제1 안정층(40)은 비용적인 이유로 일반적으로 상기 보호층(50) 보다는 얇게 형성된다. 상기 제1 안정층(40)은 바람직하게 DC 마그네트론 스퍼터링과 같은 물리적 기상 증착법에 의하여 형성될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 보호층(50)은 상기 제1 안정층(40)의 상면 위에 위치한다. 또한, 상기 보호층(50)은 상기 기판(10), 상기 초전도층(30) 및 상기 제1 안정층(40)을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성될 수도 있다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 보호층(50)은 상기 초전도층(30)을 밀폐적으로 감싸는데, 구체적으로 상기 초전도층(30)의 상부 표면 및 양 측면을 밀봉하도록 상기 초전도층(30)을 뒤덮는다. 이를 위하여, 상기 보호층(30)은 상기 제1 안정층(40)의 상면과 상기 기판(10)의 하면을 덮고, 상기 제1 안정층(40)의 상면과 상기 기판(10)의 하면을 연결하는 측면까지 덮어 형성될 수 있다.
상기 보호층(50)은 상기 제1 안정층(40)과 마찬가지로 상기 초전도체(1)의 냉각이 이루어지지 않거나 임계 전류 밀도가 초과되는 경우, 전기 전하가 바이 패스(bypass)되어 연속적으로 흐를 수 있도록 하며, 냉각제가 상기 초전도층(30)으로 침투하여 상기 초전도층(30)을 열화시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상기 초전도체(1)는 상기 제1 안정층(40)과 상기 보호층(50) 사이에 제1 합금층(45)을 더 포함한다.
상기 보호층(50)은 상기 기판(10), 상기 초전도층(30) 및 상기 제1 안정층(40)이 형성된 적층체에 용융시킨 금속을 코팅하여 형성되는데, 이에 따라, 상기 제1 안정층(40)과 상기 보호층(50) 사이의 계면에 상기 제1 안정층(40)의 금속과 상기 보호층(50)의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층(45)이 형성된다.
종래에 상기 보호층(50)은 땜납 또는 플럭스 등의 중간 접착 재료를 사용하여 구리 테이프를 상기 초전도층(30) 위에 접착시켜 형성되거나, 물리적 기상 증착법, 통상 스퍼터링을 통하여 형성된다. 그러나, 상기 땜납 등의 중간 접착 재료를 사용하는 방법은 상기 보호층(50)의 부착력이 좋지 않고, 공정 비용이 비싸고 대량 생산에 경제적으로 불리하다. 본 발명에서는 상기 보호층(50)을 용융시킨 금속을 코팅하여 형성함에 따라 상기 제1 안정층(40)의 금속과 상기 보호층(50)의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층(45)이 형성되어 계면 접착력이 향상된다. 또한, 상기 제1 안정층(40)의 표면은 미시적으로 완전히 평평한 것은 아닌데, 상기 제1 합금층(45)이 상기 제1 안정층(40)의 울퉁불퉁한 표면에 스며들어 상기 제1 안정층(40)과 상기 보호층(50)의 접착력을 향상시킨다. 또한, 상기 방법에 의하여 형성된 보호층(50)은 그 표면이 매우 평탄하여 상기 보호층(50) 상부에 다른 물질막을 형성하는 공정이 매우 용이해지고, 상기 다른 물질막의 상기 보호층(50)에 대한 부착력도 우수해 진다.
상기 보호층(50)을 형성할 수 있는 금속은 너무 높지 않은 온도에서 용융될 수 있는 금속으로서, 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 보호층의 효율 및 제조 비용 등을 고려할 때 주식을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 합금층(45)은 상기 제1 안정층(40)의 금속인 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나와 상기 보호층(50)의 금속인 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 합금일 수 있고, 구체적으로 상기 제1 안정층(40)의 금속이 은이고, 상기 보호층(50)의 금속이 주석 또는 납인 경우 상기 제1 합금층(45)은 은과 주석 또는 납의 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 초전도체(1)는 상기 보호층(50)의 상면 위에 위치하는 제2 안정층(70)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 안정층(70)은 상기 보호층(50)의 상면 위뿐만 아니라, 상기 기판(10)의 하면 아래에도 위치할 수 있고, 상기 보호층(50)의 상면 위 및 상기 기판(10)의 하면 아래에 모두 위치할 수도 있다.
상기 제2 안정층(70)은 상기 제1 안정층(40)과 마찬가지로 바이패스(by-pass) 및 냉각제의 침투를 방지하는 역할을 한다. 상기 제2 안정층(70)은 구리, 아연, 황동, 니켈, 니켈의 합금, 알루미늄, 스테인리스 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 비용적인 측면에서 구리와 아연의 합금인 황동을 바람직하게 사용할 수 있으며, 상기 황동은 소량의 납, 철, 주석 또는 인 등을 소량 포함할 수 있다. 상기 니켈의 합금은 니켈이 주성분인 합금으로서 소량의 텅스텐, 몰리브덴, 코발트, 크롬, 망간, 철, 탄소 또는 티타늄 등을 소량 포함하는 하스텔로이를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 스테인리스는 철의 최대 결점인 내식성의 부족을 개선할 목적으로 만들어진 내식용 강(鋼)의 총칭으로서, 철을 주성분으로 포함하고, 탄소, 실리콘, 망감, 인, 황, 니켈 또는 크롬 등을 소량 포함할 수 있다.
상기 제2 안정층(70)은 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 금속일 수 있는데, 이 경우 상기 제2 안정층(70)은 상기 보호층(50)과 상기 제2 안정층(70) 사이에 위치하는 저융점 금속층(60)에 의하여 상기 보호층(50) 상면 위에 부착될 수 있다.
상기 저융점 금속층(60)은 상기 보호층(50) 상면 위에 용융된 저융점 금속을 코팅하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 용융시킨 저융점 금속을 상기 기판(10), 상기 초전도층(30), 상기 제1 안정층(40) 및 상기 보호층(50)을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 저융점 금속층(60)이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성됨에 따라, 상기 저융점 금속층(60)은 상기 보호층(50)을 밀봉시키도록 감쌀 수 있다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 저융점 금속층(60)이 상기 보호층(50) 상면뿐만 아니라, 상기 기판(10), 상기 초전도층(30), 상기 제1 안정층(40) 및 상기 보호층(50)을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에도 코팅될 수 있다.
상기 제2 안정층(70)은 상기 보호층(50)의 상면 위에 용융시킨 저융점 금속을 코팅하여 저융점 금속층(60)을 형성하고, 상기 저융점 금속이 굳기 전에 상기 저융점 금속층(60) 상면 위에 상기 제2 안정층(70)을 부착시키고, 상기 저융점 금속을 냉각시켜 상기 보호층(50)의 상면 위에 접합될 수 있다.
상기 초전도체(1)는 상기 보호층(50)과 상기 저융점 금속층(60) 사이에 상기 보호층(50)의 금속과 상기 저융점 금속층(60)의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층(55)을 더 포함한다. 상기 제2 합금층(55)은 상기 보호층(50) 상면 위에 상기 용융시킨 저융점 금속을 코팅함에 따라 형성되며, 이에 따라 상기 보호층(50)의 금속과 상기 저융점 금속층(60)의 금속의 합금으로 이루어진다.
상기 보호층(50)과 상기 저융점 금속층(60) 사이에 상기 제2 합금층(55)이 형성됨에 따라 상기 보호층(50)과 상기 저융점 금속층(60)의 접착력이 향상된다.
상기 저융점 금속층(60)을 형성할 수 있는 금속은 낮은 온도에서 용융될 수 있는 금속으로서, 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 저융점 금속층(60)의 금속은 상기 보호층(50)의 금속 보다 용융 온도가 낮은 금속으로 선택되는 것이 바람직하다. 상기 저융점 금속층(60)의 금속의 용융 온도가 상기 보호층(50)의 금속의 용융 온도 보다 낮아야 상기 용융된 저융점 금속을 상기 보호층(50) 상면 위에 코팅시 상기 보호층(50)의 금속이 용융되지 않기 때문이다. 예를 들어, 상기 보호층(50)의 금속이 주석이고, 상기 저융점 금속층(60)의 금속은 상기 주석 보다 용융점이 낮은 납일 수 있고, 이 경우 상기 제2 합금층(55)은 상기 주석과 납의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 초전도체(1)는 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면으로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판(10)을 준비하는 단계, 상기 기판(10)의 상면 위에 초전도층(30)을 형성하는 단계, 상기 초전도층(30)의 상면 위에 금속 재질의 제1 안정층(40)을 형성하는 단계, 그리고 상기 제1 안정층(40)의 상면 위에 용융시킨 금속을 코팅하여 금속 재질의 보호층(50)을 형성하는 단계를 통하여 제조될 수 있다.
상기 각 단계에 대한 설명은 상기 초전도체(1)에 대한 설명에서 설명한 바와 동일한 바, 여기서 반복적인 설명은 생략한다.
다만, 상기 보호층(50)을 형성하는 단계에서 상기 제1 안정층(40)의 상면 위에 상기 용융시킨 금속을 코팅함에 따라 상기 제1 안정층(40)과 상기 보호층(50) 사이에 상기 제1 안정층(40)의 금속과 상기 보호층(50)의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층(45)이 형성된다.
이때, 상기 보호층(50)을 형성하는 단계는 상기 용융시킨 금속을 상기 기판(10), 상기 초전도층(30) 및 상기 제1 안정층(40)을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 보호층(50)이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성될 수도 있다.
상기 용융된 금속을 상기 적층체에 코팅하는 방법으로는 상기 용융된 금속을 상기 적층체에 도포하거나, 간단하게 상기 금속 용융액에 상기 적층체를 침지시키는 것일 수 있다. 상기 침지는 100 내지 300℃에서 1 내지 120초, 바람직하게는 150 내지 250℃에서 1 내지 60초 동안 이루어질 수 있다. 이후, 상기 용융된 금속이 입혀진 상기 적층체를 0 내지 250℃에서 0 내지 120분 동안, 바람직하게는 0 내지 100℃에서 0 내지 60분 동안, 더욱 바람직하게는 0 내지 50℃에서 0 내지 10분 동안 냉각시켜 상기 보호층(50)을 형성할 수 있다.
상기 초전도체(1)의 제조 방법은 상기 보호층(50)의 상면 위에 용융시킨 저융점 금속을 코팅하여 저융점 금속층(60)을 형성하면서, 상기 저융점 금속층(60) 상면 위에 상기 제2 안정층(70)을 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 안정층(70)을 부착시키는 단계에서 상기 보호층(30) 상면 위에 상기 용융시킨 저융점 금속을 코팅함에 따라 상기 보호층(30)과 상기 저융점 금속층(60) 사이에 상기 보호층(30)의 금속과 상기 저융점 금속층(60)의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층(55)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 용융시킨 저융점 금속을 상기 기판(10), 상기 초전도층(30), 상기 제1 안정층(40) 및 상기 보호층(30)을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 저융점 금속층(60)이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성될 수도 있다.
상기 용융된 저융점 금속을 상기 적층체에 코팅하는 방법으로는 상기 용융된 저융점 금속을 상기 적층체에 도포하거나, 간단하게 상기 저융점 금속 용융액에 상기 적층체를 침지시키는 것일 수 있다. 상기 침지는 150 내지 400℃에서 1 내지 220초, 바람직하게는 150 내지 350℃에서 1 내지 10초, 더욱 바람직하게는 150 내지 320℃에서 1 내지 5초 동안 이루어질 수 있다. 상기 용융된 저융점 금속이 입혀진 상기 적층체를 상기 저융점 금속 용융액에서 꺼내어 상기 제2 안정층(70)을 붙인 후, 상기 적층체를 0 내지 400℃에서 1 내지 20분 동안, 바람직하게는 0 내지 250℃에서 0 내지 60분 동안, 더욱 바람직하게는 0 내지 50℃에서 0 내지 10분 동안 냉각시켜 상기 저융점 금속층(60)을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[
실시예
: 초전도체의 제조]
(
실시예
)
하스텔로이 기판 상에 스퍼터링 방식으로 알루미늄 산화물(Al2O3)로 이루어진 비정질(amophous)의 확산 방지막을 형성하였다. 상기 확산 방지막 위에 스퍼터링 방식으로 Y2O3로 이루어진 시드층을 형성하였다. 상기 시드층 위에 IBAD 방식으로 산화마그네슘으로 이루어진 템플릿 층을 형성하였다. 상기 템플릿 층 위에 이온빔 증착 방식으로 산화마그네슘으로 이루어진 버퍼층을 형성하였다. 상기 버퍼층 위에 스퍼터링 방식으로 LMO로 이루어진 캡핑 층을 형성하였다.
초전도층을 형성하기 위하여, Gd, Cu 및 Ba을 담은 그릇들에 전자 빔을 조사하여 생성된 금속 증기를 상기 완충 버퍼층이 형성된 기판에 가하여 세라믹 전구체막을 형성한 후, 열처리하였다.
상기 형성된 초전도층 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 방식으로 은으로 이루어진 제1 안정층을 형성하였다.
상기 초전도층이 형성된 기판을 온도가 230℃인 주석 용융액에 2초 동안 침지시킨 후 이를 냉각시켜 두께가 20㎛인 보호층을 형성하였다.
상기 보호층이 형성된 기판을 온도가 250℃인 납합금 용융액에 3초 동안 침지시킨 후 꺼내어 테이프 형상의 황동을 부착하고, 공기중 50℃에서 30초 동안 냉각시켜 저융점 금속층 및 제2 안정층을 형성하였다.
상기 제조된 초전도체의 표면을 연삭하면서 EDS 분석을 통하여, 상기 제1 안정층과 상기 보호층 사이에 제1 합금층이 형성되고 상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 제2 합금층이 형성됨을 확인하였다.
상기 확인 결과, 상기 제1 합금층은 은과 주석의 합금으로 이루어짐을 확인하였고, 상기 제2 합금층은 주석과 납합금의 합금으로 이루어짐을 확인하였다.
[
실험예
1: 초전도체 특성 평가]
상기 실시예에서 제조된 초전도체에 대하여 12mm 폭의 초전도 선재를 제조하고, 대기압 하에서 액체질소 77K에 침지(열평형 상태에서 5분)시키고, 상온에 노출(초전도체 온도를 상온까지 대기)시키고, 건조를 100회 반복한 후, 초전도체의 특성을 평가한 결과, 측면 벌어짐 및 부품 등의 외관 결함 발생이 없으며 더불어 초전도층의 특성의 변화가 없는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 초전도체
10: 기판
20: 완충 배향층
21: 확산 방지막 23: 시드층
24: 템플릿 층 25: 버퍼층
26: 캡핑 층
30: 초전도층
40: 제1 안정층 45: 제1 합금층
50: 보호층 55: 제2 합금층
60: 저융점 금속층
70: 제2 안정층
10: 기판
20: 완충 배향층
21: 확산 방지막 23: 시드층
24: 템플릿 층 25: 버퍼층
26: 캡핑 층
30: 초전도층
40: 제1 안정층 45: 제1 합금층
50: 보호층 55: 제2 합금층
60: 저융점 금속층
70: 제2 안정층
Claims (20)
- 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판,
상기 기판의 상면 위에 위치하는 초전도층,
상기 초전도층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 제1 안정층,
상기 제1 안정층의 상면 위에 위치하는 금속 재질의 보호층,
상기 제1 안정층과 상기 보호층 사이에 위치하고, 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층,
상기 보호층의 상면 위에 위치하는 제2 안정층,
상기 보호층과 상기 제2 안정층 사이에 위치하고, 상기 보호층과 상기 제2 안정층을 부착시키는 저융점 금속층, 및
상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 위치하고, 상기 보호층의 금속과 상기 저융점 금속층의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층을 포함하는 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 보호층은 용융시킨 금속을 코팅하여 형성되는 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 보호층은 상기 기판, 상기 초전도층 및 상기 제1 안정층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸는 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 제1 안정층의 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 보호층의 금속은 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 제1 합금층은 은과 주석 또는 납의 합금으로 이루어진 것인 초전도체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 저융점 금속층은 용융시킨 금속을 코팅하여 형성되는 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 저융점 금속층은 상기 보호층을 밀봉시키도록 감싸는 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 저융점 금속층의 금속은 주석, 납, 안티몬, 은 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 제2 안정층은 구리, 아연, 황동, 니켈, 니켈의 합금, 알루미늄, 스테인리스 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 제2 안정층은 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면들로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 금속인 것인 초전도체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 합금층은 주석과 납의 합금으로 이루어진 것인 초전도체. - 제1항에 있어서,
상기 저융점 금속층의 저융점 금속의 용융 온도는 상기 보호층의 금속의 용융 온도 보다 낮은 것인 초전도체. - 길이 방향을 따라 상면, 하면 및 양 측면으로 정의되는 표면들을 가지는 테이프 형상의 기판을 준비하는 단계,
상기 기판의 상면 위에 초전도층을 형성하는 단계,
상기 초전도층의 상면 위에 금속 재질의 제1 안정층을 형성하는 단계,
상기 제1 안정층의 상면 위에 용융시킨 금속을 코팅하여 금속 재질의 보호층을 형성하는 단계, 및
상기 보호층의 상면 위에 용융시킨 저융점 금속을 코팅하여 저융점 금속층을 형성하면서, 상기 저융점 금속층 상면 위에 제2 안정층을 부착시키는 단계를 포함하며,
상기 보호층을 형성하는 단계에서 상기 제1 안정층의 상면 위에 상기 용융시킨 금속을 코팅함에 따라 상기 제1 안정층과 상기 보호층 사이에 상기 제1 안정층의 금속과 상기 보호층의 금속의 합금으로 이루어진 제1 합금층이 형성되고,
상기 제2 안정층을 부착시키는 단계에서 상기 보호층 상면 위에 상기 용융시킨 저융점 금속을 코팅함에 따라 상기 보호층과 상기 저융점 금속층 사이에 상기 보호층의 금속과 상기 저융점 금속층의 금속의 합금으로 이루어진 제2 합금층이 형성되는 것인 초전도체의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계는 상기 용융시킨 금속을 상기 기판, 상기 초전도층 및 상기 제1 안정층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 보호층이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성되는 것인 초전도체의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제16항에 있어서,
상기 초전도체의 제조 방법은 상기 용융시킨 저융점 금속을 상기 기판, 상기 초전도층, 상기 제1 안정층 및 상기 보호층을 포함하는 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들에 코팅하여 상기 저융점 금속층이 상기 적층체의 상면, 하면 및 양 측면들을 감싸도록 형성하는 것인 초전도체의 제조 방법.
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