KR101487831B1 - 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법을 개시한다. 그의 제조장치는, 기판에 초전도 박막을 형성하는 제 1 증착 유닛과, 상기 제 1 증착 유닛에 인접하여 배치되고, 상기 초전도 박막의 상부 표면에 생성된 표면 석출물을 제거하는 표면 석출물 제거 유닛를 포함한다.

Description

세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법{apparatus for manufacturing a ceramic wire and ceramic wire manufacturing method used the same}

본 발명은 전기 선재(electric wire)의 제조장치 및 그를 이용한 전기 선재의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 초전도 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법에 관한 것이다.

초전도체(superconductor)는 초전도 현상을 갖는 물질로서, 초전도 현상은 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 '0'에 가까워지면서 전류를 무제한 흘려보내는 현상을 말한다. 이러한 초전도체는 초전도 현상이 나타나는 임계 온도에 따라 저온 초전도체와 고온 초전도체로 분류될 수 있으며, 초전도 물질의 종류에 따라 금속 초전도체와 산화물 초전도체 및 유기물 초전도체 등으로 분류될 수 있다. 산화물 초전도체는 금속 초전도체 및 유기물 전도체에 비해 월등히 높은 임계 온도를 갖기 때문에 통상적으로 '고온 초전도체'라 불린다. 고온 초전도체의 제조방법은 등록특허 제1158747호에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 신뢰성 높은 초전도체를 제조할 수 있는 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 접합 저항(contact resistance)이 낮은 초전도 세라믹 선재를 제공할 수 있는 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치는, 기판에 초전도 박막을 형성하는 제 1 증착 유닛; 및 상기 제 1 증착 유닛에 인접하여 배치되고, 상기 초전도 박막의 상부 표면에 생성된 표면 석출물을 제거하는 표면 석출물 제거 유닛를 포함한다. 여기서, 상기 표면 석출물 제거 유닛은: 상기 표면 석출물을 제거하기 위한 이온 빔을 상기 초전도 박막 상에 제공하는 이온 건; 및 상기 이온 건과 상기 제 1 증착 유닛 사이에 배치되어 상기 초전도 박막 상의 표면 석출물을 나타내는 제 1 이미지를 검출하는 제 1 이미지 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 표면 석출물 제거 유닛은 상기 제 1 이미지 내에서 상기 표면 석출물을 인식하고, 상기 표면 석출물의 밀도에 비례하여 상기 이온 빔의 세기를 제어하는 제어 신호를 상기 이온 건에 출력하는 유닛 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 표면 석출물 제거 유닛은 상기 제 1 이미지 센서에 대향되는 상기 이온 건의 타측에 배치되고, 상기 표면 석출물이 제거된 상기 초전도 박막을 나타내는 제 2 이미지를 검출하는 제 2 이미지 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 1 이미지 센서 및 상기 제 2 이미지 센서는 광 센서 또는 전하 결합 소자를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 표면 석출물 제거 유닛과 상기 코일링 릴 사이에 배치되고, 상기 초전도 박막이 형성된 상기 기판 상에 보호막을 형성하는 제 2 증착 유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 1 증착 유닛과 상기 표면 석출물 제거 유닛 사이에 배치되고, 상기 기판 상의 상기 초전도 박막을 열처리하는 열처리 유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 세라믹 선재의 제조방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 초전도 박막을 형성하는 단계; 및 상기 초전도 박막의 형성 시 상부 표면에 유발되는 표면 석출물을 이온 밀링 공정으로 제거하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 표면 석출물의 제거 단계는: 상기 초전도 박막의 제 1 이미지를 획득하는 단계; 상기 제 1 이미지 내에서 상기 초전도 박막 상의 표면 석출물의 제 1 밀도를 파악하는 단계; 및 상기 표면 석출물의 제 1 밀도에 따라 상기 이온 빔의 세기를 조절하여 상기 표면 석출물을 제거하는 단계를 포함하는 세라믹 선재의 제조방법.기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 초전도 박막을 형성하는 단계; 및 상기 초전도 박막의 형성 시 상부 표면에 유발되는 표면 석출물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

삭제

삭제

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 표면 석출물의 제거 단계는, 상기 이온 빔에 노출된 이후에 상기 초전도 박막의 제 2 이미지를 획득하는 단계; 상기 제 2 이미지 내에서 상기 표면 석출물의 제 2 밀도를 파악하는 단계; 및 상기 제 2 밀도를 갖는 상기 표면 석출물을 다시 제거해야 할지를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 초전도 박막이 형성된 상기 기판을 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 표면 석출물 제거 후에 상기 초전도 박막 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 초전도 세라믹 선재 상에 유발되는 표면 석출물을 제거하여 상기 세라믹 선재의 접합 저항(contact resistance)을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법은 신뢰성 높은 초전도 세라믹 선재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 세라믹 선재의 제조장치에 의해 제조된 초전도 세라믹 선재를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 제 1 릴투릴 장치를 나타내는 평면도이다.
도 4은 도 2의 초전도 박막 상의 표면 석출물 제 1 이미지를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6는 도 4의 표면 석출물이 점진적으로 제거된 제 2 이미지를 나타낸 도면들이다.
도 7은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 초전도체의 상태도(phase diagram)이다.
도 9는 구리의 양에 따른 초전도 선재의 접합 저항을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한, 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 실시 예들은 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.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치(100)의 개략적인 단면을 보여준다. 도 2는 도 1의 세라믹 선재의 제조장치(100)에 의해 제조된 초전도 세라믹 선재(200)를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 제 1 릴투릴 장치(45)를 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치(100)는, 릴리즈 릴(20), 코일링 릴(30), 제 1 증착 유닛(40), 열처리 유닛(50), 표면 석출물 제거 유닛(60), 및 제 2 증착 유닛(70)을 포함할 수 있다.

리즈 릴(20)은 선재 기판(110)을 코일링 릴(30)에 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 선재 기판(110)은 모재 기판(base substrate, 112)과 상기 모재 기판(112) 상의 버퍼 층(114)을 포함할 수 있다. 모재 기판(112)과 버퍼 층(114)은 2축 배향된 집합조직(biaxially aligned textured structure)을 가질 수 있다. 모재 기판(112)은 금속 기판, 또는 단결정 기판을 포함할 수 있다. 버퍼 층은 산화물 버퍼 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모재 기판(112)은, 압연 열처리된 Ni, Ni계 합금(Ni-W, Ni-Cr, Ni-Cr-W등), 은, 은 합금, Ni-은 복합체 등의 입방정계 금속일 수 있다. 버퍼 층(114)은 세라믹 중간층, MgO, LaAlO₃, LaMnO₃, CeO₂ 또는 SrTiO₃ 등일 수 있다. 세라믹 중간층은 Al₂O₃, Y₂0₃, Sc₂O₃, Nb₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃, Ln₂O₃, Pm₂O₃ 중 하나를 포함할 수 있다. 버퍼 층(114)은 모재 기판(112)과 그 상부의 초전도 박막(120)의 반응을 방지하고 2축 배향된 집합조직의 결정성을 전달하는 역할을 한다.

코일링 릴(30)은 릴리즈 릴(20)으로부터 이격하여 배치될 수 있다. 코일링 릴(30)은 선재 기판(110)을 감을 수 있다. 선재 기판(110)은 릴리즈 릴(20)과 코일링 릴(30) 사이에 연속적으로 이동될 수 있다.

제 1 증착 유닛(40)은 제 1 릴투릴 장치(45) 및 제 1 증착 부재(41)를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 제 1 릴투릴 장치(45)는 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)를 포함하며, 상기 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)는 이격되어 서로 마주한다. 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)는 초전도 박막(120)의 증착이 이루어지는 영역에서 상기 선재 기판(110)을 멀티턴(multi-turn)시킨다. 즉, 선재 기판(110)은 상기 제 1 릴 부재(46)와 상기 제 2 릴 부재(47) 사이를 오가며 상기 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)에 턴된다. 상기 제 1 릴 부재(46) 및 상기 제 2 릴 부재(47)는 서로 동일한 구성을 갖는다.

제 1 릴 부재(46)는 제 2 릴 부재(47)의 연장 방향으로 배치되어 결합되는 릴들을 포함한다. 제 1 릴 부재(46)는 제 1 상부 릴과 제 1 하부 릴을 포함할 수 있다. 제 2 릴 부재(46)는 제 2 상부 릴과 제 2 하부 릴을 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 릴투릴 장치(45)는 4개의 릴을 포함할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 실시 변경 가능하다. 예를 들어, 제 1 릴투릴 장치(45)는 2개의 릴로 구성될 수도 있다. 선재 기판(110)는 각각의 릴에서 한번씩 턴한다. 상기 각각의 릴의 양 단부는 외측으로 돌출되게 형성될 수 있으며, 상기 선재 기판(110)과 접촉하는 영역의 폭은 선재 기판(110)의 폭과 동일하거나 약 10% 정도 크게 형성될 수 있다. 각각의 릴은 독립적으로 구동될 수 있으며, 선재 기판(110)과의 마찰력에 의해서 회전된다. 선재 기판(110)과 접촉하는 릴의 표면은 선재 기판(110) 보다 크거나 동일한 강도와 경도를 갖는 재질로 이루어질 수 있다.

제 2 릴 부재(47)는 선재 기판(110)의 멀티턴을 위해 상기 제 1 릴 부재(46)와 약간 어긋나게 배치된다. 선재 기판(110)은 상기 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)를 오가면서, 상기 제 1 릴 부재(46) 및 제 2 릴 부재(47)의 연장 방향으로 이동한다.

도 1을 다시 참조하면, 제 1 릴투릴 장치(45)의 아래에 제 1 증착 부재(41)가 제공된다. 제 1 증착 부재(41)는 제 1 릴 부재(46)와 제 2 릴 부재(47) 사이에 위치하는 선재 기판(110)의 아래에 위치하여, 상기 선재 기판(110)의 표면에 초전도 물질의 증기를 제공한다.

일 실시 예로, 제 1 증착 부재(41)는 전자빔 증착(e-beam evaporation) 방법을 이용하여, 선재 기판(110) 상에 초전도 박막(120)을 형성할 수 있다. 제 1 증착 부재(41)는 선재 기판(110) 하부의 제 1 내지 제 3 소스들(42, 43, 44)에 전자 빔을 조사하는 빔 생성 부들을 포함할 수 있다. 빔 생성 부들은 보트를 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 3 소스들(42, 44, 46)은 희토류를 위한 소스, 바륨을 위한 소스, 및 구리를 위한 소스를 각각 포함할 수 있다. 희토류를 위한 소스는 이트륨(Y) 및 란타넘족 원소 또는 이들의 조합인 것으로 이해될 수 있다. 란타늄족 원소 원소는 잘 알려진 바와 같이, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등을 포함한다. 선재 기판(110)은 산소 분위기에 노출될 수 있다. 제 1 내지 제 3 소스들(42, 43, 44)은 산소와 반응하여 선재 기판(110) 상에 초전도 박막(120)을 형성할 수 있다. 따라서, 초전도 박막(120)은 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다.

열처리 유닛(50)은 선재 기판(110)을 연속적으로 통과시킬 수 있고, 차례로 인접한 제 1 용기(52), 제 2 용기(54) 및 제 3 용기(56)를 포함할 수 있다. 제 1 용기(52) 및 상기 제 3 용기(56)는 서로 이격된다. 상기 제 2 용기(54)는 상기 제 1 용기(52) 및 상기 제 3 용기(56)를 둘러싸도록 구성된다. 상기 제 1 용기(52), 상기 제 2 용기(54) 및 상기 제 3 용기(56)는 실린더형의 석영관(quartz)로 구성될 수 있다. 상기 제 1 용기(52)는 제 1 증착 유닛(40)에 인접하여 배치될 수 있다. 제 1 용기(52) 및 제 3 용기(56)는 그들 각각의 양단에 상기 선재 기판(110)이 통과할 수 있는 슬릿을 포함한다.

제 1 용기(52), 제 2 용기(54) 및 제 3 용기(56)는 산소 분위기(atmosphere)를 가질 수 있다. 제 1 용기(52), 제 2 용기(54) 및 제 3 용기(56) 내의 산소 분압이 서로 독립적으로 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 용기(52) 내의 산소 분압은 상기 제 3 용기(56) 내의 산소 분력 보다 낮고, 상기 제 2 용기(54) 내의 산소 분압은 상기 제 1 용기(52) 내와 상기 제 3 용기(56) 내의 산소 분압의 사이로 유지되도록 조절된다.

제 1 용기(52), 제 2 용기(54) 및 제 3 용기(56)는 이들을 둘러싸는 퍼니스(58) 내에 제공된다. 특히, 제 1 용기(52) 및 제 3 용기(56)가 이격된 중심이 상기 퍼니스(58)의 중심 부근에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제 2 용기(54) 중심 부근의 온도는 제 1 용기(52) 및 제 3 용기(56) 내의 온도 보다 높게 유지될 수 있다. 제 1 용기(52) 및 제 3 용기(56) 내의 온도는 제 2 용기(54)로부터 떨어질 수록 낮아질 수 있다. 예를 들어, 제 1 용기(52) 및 제 3 용기(56)는 약 800℃이상의 온도를 선재 기판(110)에 제공할 수 있다. 제 2 용기(54)는 약 860℃ 정도의 온도를 제공할 수 있다.

초전도 박막(120)이 860℃이상으로 가열되면, 그의 상부 표면에서 표면 석출물(122)이 용출(flow out)될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 표면 석출물(122)은 단일 금속 산화물일 수 있다. 예를 들어, 표면 석출물(122)은 산화 구리(Cu₂O)를 포함할 수 있다. 표면 석출물(122)은 초전도 세라믹 선재(200) 상의 초전도 박막(120) 내에서의 전류 및 저항 특성에 대해 직접적으로 관계되지 않는다. 그러나, 표면 석출물(122)은 초전도 박막들(120) 간의 또는 초전도 세라믹 선재들(200) 간의 본딩(bonding) 시에 접합 저항(contact resistance) 증가를 일으키는 원인이 될 수 있다.

초전도 세라믹 선재(200)는 무한정 연장될 수 없고 일정 구간마다 절단면(미도시)을 갖는다. 초전도 세라믹 선재(200)는 그들의 절단면들이 맞대면(face to face) 접합될 경우, 접합 저항(contact resistance)이 약 수 mΩ이상으로 과도하게 증가될 수 있다. 따라서, 일반적으로 초전도 세라믹 선재들(200)은 오버랩되어 본딩될 수 있다. 이하, 접합 저항은 초전도 세라믹 선재들(200)이 오버랩 본딩되어 계측된 것으로 설명한다.

또는, 초전도 박막(120)의 단선 또는 불량이 발생될 경우, 해당 부분의 상기 초전도 세라믹 선재(200) 상에 다른 초전도 세라믹 선재(200)가 접합될 수 있다. 이때, 초전도 세라믹 선재(200)는 허용치 내의 약 수십 nΩ이하의 전기저항을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 초전도 박막(120) 상에 표면 석출물(122)이 일정 수준이상으로 발생될 경우, 초전도 세라믹 선재(200)는 허용치 이상의 전기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 초전도 박막(120) 상의 표면 석출물(122)의 양은 초전도 세라믹 선재(200)의 제조 시에 일정 수준 이하로 조절되어야 할 것이다.

표면 석출물 제거 유닛(60)은 초전도 세라믹 선재(200) 상의 표면 석출물(122)을 확인하고, 제거할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 표면 석출물 제거 유닛(60)은 제 1 이미지 센서(62), 이온 건(64), 유닛 제어부(66), 및 제 2 이미지 센서(68)를 포함할 수 있다.

제 1 이미지 센서(62) 및 제 2 이미지 센서(68)은 광 센서(light sensor), 또는 전하결합소자(charge coupled device)를 포함할 수 있다. 제 1 이미지 센서(62)는 도 3의 제 1 이미지(140)를 획득할 수 있다.

도 4는 도 2의 초전도 박막(120) 상의 표면 석출물(122)이 나타나는 제 1 이미지(140)를 보여준다. 도 3을 참조하여, 제 1 이미지(140)에는 초전도 박막(120)와 표면 석출물(122)이 나타날 수 있다. 예를 들어, 표면 석출물(122)은 제 1 이미지(140) 내에서 약 0.3(30%) 이상의 제 1 밀도를 가질 수 있다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하여, 이온 건(64)은 이온 빔(65)을 초전도 박막(120)에 제공할 수 있다. 이온 빔(65)은 표면 석출물(122)을 제거할 수 있다. 표면 석출물(122)의 제거 량은 이온 빔(65)의 세기(intensity)에 비례하여 증가될 수 있다. 이온 건(64)은 선재 기판(110)에 약 45°의 입사각으로 이온 빔(65)을 제공할 수 있다.

유닛 제어부(66)는 제 1 이미지 센서(62) 및 제 2 이미지 센서(68)의 출력 신호로부터 초전도 박막(120) 상의 표면 석출물(122)을 파악할 수 있다. 유닛 제어부(66)는 이온 건(64)의 이온 빔(65)의 출력 파워를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 이온 빔(65)의 출력 파워는 표면 석출물(122)의 제 1 밀도에 비례하여 증가될 수 있다.

제 2 이미지 센서(68)은 도 4 또는 도 5의 제 2 이미지(150)를 검출할 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 3의 표면 석출물(122)이 점진적으로 제거된 제 2 이미지들(150)을 보여준다. 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하여, 제 2 이미지들(150)에는 초전도 박막(120)과, 제 1 밀도보다 낮은 제 2 밀도의 표면 석출물(122)이 나타날 수 있다. 예를 들어, 표면 석출물(122)의 제 2 밀도는 약 0(0%) 내지 0.05(5%)일 수 있다. 초전도 박막(120) 상의 표면 석출물(122)이 0.05 이하의 제 2 밀도로 제거되면, 초전도 세라믹 선재(200)의 접합 저항은 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 선재의 제조장치는 신뢰성 높은 초전도 세라믹 선재(200)를 제조할 수 있다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하여, 제 2 증착 유닛(70)은 선재 기판(110)의 초전도 박막(120) 상에 보호 층(130)을 형성한다. 보호 층(130)은 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 제 2 증착 유닛(70)은 제 2 릴투릴 장치(72)와 제 4 소스(78)를 포함할 수 있다. 제 2 릴투릴 장치(72)는 제 3 릴 부재(74)와 제 4 릴 부재(76)를 포함할 수 있다. 제 4 소스(78)는 구리 또는 은(Ag)을 위한 소스일 수 있다.

도시되지는 않았지만, 릴리즈 릴(20), 코일링 릴(30), 제 1 증착 유닛(40), 열처리 유닛(50), 표면 석출물 제거 유닛(60), 및 제 2 증착 유닛(70)은 적어도 하나의 공정 챔버(미도시)에 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 공정 챔버는 릴리즈 릴(20), 코일링 릴(30), 및 각 유닛들(40, 50, 60, 70)에 진공 상태를 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타내는 흐름도이다. 도 8은 초전도체의 상태도(phase diagram)를 나타낸다. YBCO가 초전도체의 예로 설명된다.

도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재의 형성방법이 설명된다.

먼저, 도 1 내지 도 4을 참조하여 설명된 제 1 증착 유닛(40)에서, 선재 기판(110) 상에 초전도 박막(120)이 증착된다(S110). 이때의 초전도 박막(120)은 결정화가 진행되지 않은 비정질 상태의 초전도 전구체로 이해될 수 있다. 선재 기판(110)은 모재 기판(112)과 버퍼 층(114)을 포함할 수 있다. 모재 기판(112)은 집합 조직을 갖는 금속 기판, 또는 단결정 기판을 포함할 수 있다. 버퍼 층(114)은 집합조직을 갖는 산화물 버퍼 층을 포함할 수 있다. 초전도 박막(120)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 초전도 박막(120)은, 예를 들면 동시 증발법(co-evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablartion), CVD, 유기금속 증착법(Metal-Organic-Deposition: MOD), 졸-겔(sol-gel), 또는 RCE 방법으로 형성될 수 있다. 도 1을 참조하여, 동시 증발법은 희토류 원소(E) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 담은 제 1 내지 제 3 소스들(42, 43, 44)에 이빔을 조사하고, 이로부터 발생되는 금속 증기(metal vapor)를 선재 기판(110) 상에 제공하여 전구체 박막(precrusor film)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 희토류 원소(RE)는 이트륨(Y) 및 란타넘족 원소 또는 이들의 조합인 것으로 이해될 수 있다. 란타늄족 원소 원소는 잘 알려진 바와 같이, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등을 포함한다. 초전도 박막(120)인 ReBCO는 "100"과 "L"로 분해된 상태로 이해될 수 있다. 여기서 "L"은 저온에서 고체 상태로 존재하고, 이러한 고체의 주성분은 "012"이다. 즉, ReBCO의 분해 과정에서 "012"의 고체 상태가 나타난다.

다음, 설명된 열처리 유닛(50)에서, 초전도 박막(120)이 증착된 선재 기판(110)이 열처리된다(S120). 상기 열처리 공정은, 도 8의 상태도의 경로를 따라 수행될 수 있다. 경로 1을 따른 열처리 공정은 상대적으로 낮은 산소 분압(예를 들면, 1×10^-5 ~ 1×10^-4Torr) 하에서 수행된다. 열처리 온도는 상온에서 대략 800℃로 증가될 수 있다.

ReBCO의 분해 성분 중 "012"이 액체 상태를 갖도록, 도 7의 상태도의 경로 2를 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절된다. 상기 산소 분압은, 예를 들면 1×10^-2 ~ 3×10^-1Torr로 증가될 수 있다. 상기 열처리 온도는, 예를 들면 800℃ 이상일 수 있다. 이때, ReBCO는 "L"과 "100"이 공존하고 있는 것으로 이해될 수 있다.

도 8의 상태도의 경로 3을 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, 경계선 I를 지남에 따라 "L"로부터 안정된 에피택시 ReBCO의 초전도막이 형성될 수 있다. 상기 산소 분압은, 예를 들면 5×10^-2 ~ 3×10^-1Torr일 수 있다. 상기 열처리 온도는 800℃ 이하의 온도, 예를 들면 상온으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 액체 상태의 "L"과 공존하는 "100"으로부터, 상기 선재 기판(110)의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 ReBCO 의 초전도막이 에피택시 성장할 수 있다.

다음, 제 1 이미지 센서(62)에서 초전도 박막(120)의 상부 표면의 제 1 이미지들(140)이 획득된다(S130). 제 1 이미지들(140)은 초전도 박막(120)과 표면 석출물(122)을 표시할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 표면 석출물(122)은 제 1 증착 유닛(40)의 제 3 소스(44)의 구리 소스 가스의 양에 비례하여 초전도 박막(120) 상에 석출될 수 있다.

도 9는 구리의 양에 따른 초전도 선재의 접합 저항을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하여, 초전도 세라믹 선재(200)의 접합 저항은 초전도 박막(120) 상의 표면 석출물(122)의 구리가 증가할수록 급격하게 증가될 수 있다. 따라서, 초전도 박막(120) 상에 일정 수준 이상으로 석출된 표면 석출물(122)는 제거되어야 할 것이다.

도 1 내지 도 8을 다시 참조하여, 유닛 제어부(66)는 제 1 이미지(140) 내에서의 표면 석출물(122)의 제 1 밀도를 파악한다(S140). 표면 석출물(122)의 제 1 밀도는 제 1 이미지(140)의 명암비 또는 색차(color difference)로부터 산출될 수 있다.

이후, 표면 석출물(122)이 제거된다(S150). 표면 석출물(122)의 제거 단계는, 이온 밀링 공정, 플라즈마 식각 공정, 또는 레이저 식각 공정을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예에 따르면, 표면 석출물(122)은 이온 밀링 공정으로 제거될 수 있다. 이온 밀링 공정은 이온 건(64)을 이용하여 수행될 수 있다. 이온 건(64)은 이온 빔(65)을 표면 석출물(122)에 제공할 수 있다. 이온 빔(65)은 표면 석출물(122)의 제 1 밀도에 비례하는 세기를 가질 수 있다. 이온 빔(65)의 세기는 이온 건(64)의 파워에 의해 결정될 수 있다. 유닛 제어부(66)는 표면 석출물(122)의 제 1 밀도에 비례하는 파워를 이온 건(64)에 출력할 수 있다. 따라서, 표면 석출물(122)은 초전도 박막(120) 상에서 제거될 수 있다.

다음, 제 2 이미지 센서(68)에서, 초전도 박막(120)의 상부 표면의 제 2 이미지들(150)이 획득된다(S160). 제 2 이미지(150)는 제 2 이미지 센서(68)에서 획득될 수 있다. 표면 석출물(122)은 제 1 이미지(140)에서보다 제 2 이미지(150)에서 작게 나타날 수 있다.

그 후, 유닛 제어부(66)는 제 2 이미지 내에서 표면 석출물(122)의 제 2 밀도를 파악한다(S170). 제 2 밀도는 제 1 밀도보다 줄어들 수 있다.

다음, 유닛 제어부(66)는 표면 석출물(122)의 제 2 밀도가 일정 수준 이하인지를 판단한다(S180). 표면 석출물(122)의 제 2 밀도가 일정 수준 이상일 경우, 유닛 제어부(66)는 인터락 제어 신호를 출력할 수 있다. 또한, 유닛 제어부(66)는 제 2 밀도를 갖는 표면 석출물(122)을 다시 제거해야 할지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 표면 석출물(122)의 제 2 밀도가 일정 수준 이상이면, 상기 표면 석출물(122)이 다시 제거될 수 있다(S150). 유닛 제어부(66)는 제 2 밀도가 일정 수준 이하가 될 때까지 이온 빔(65)의 세기를 증가시켜 표면 석출물(122)의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 표면 석출물 제거 유닛(60)은 신뢰성 높은 초전도 세라믹 선재(200)를 제조할 수 있다.

도시되지는 않았지만, 초전도 박막(120) 상에 상부 초전도 박막이 증착될 수 있다. 상부 초전도 박막은 초전도 박막(120)과 다른 성분의 ReBCO를 포함할 수 있다. 또한, 상부 초전도 박막은 GdO 또는 Nb₂O₃과 같은 피닝 물질(pinning)을 포함할 수 있다.

마지막으로, 제 2 증착 유닛(70)에서, 초전도 박막(120) 상에 보호 층(130)이 형성된다(S190). 보호 층(130)의 형성 단계는 물리적 증착 방법을 포함할 수 있다. 물리적 증착 방법은 스퍼터링(sputtering) 방법 또는 증발법(evaporation)을 포함할 수 있다. 물리적 증착 방법은 구리 또는 은을 위한 소스를 사용할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

20: 릴리즈 릴 30: 코일링 릴
40: 제 1 증착 유닛 50: 열처리 유닛
60: 표면 석출물 제거 유닛 70: 제 2 증착 유닛
100: 세라믹 선재의 제조장치 110: 선재 기판
120: 초전도 박막 122: 표면 석출물
130: 보호 층 140: 제 1 이미지
150: 제 2 이미지 200: 초전도 세라믹 선재

Claims (15)

1. 기판에 초전도 박막을 형성하는 제 1 증착 유닛; 및
   상기 제 1 증착 유닛에 인접하여 배치되고, 상기 초전도 박막의 상부 표면에 생성된 표면 석출물을 제거하는 표면 석출물 제거 유닛를 포함하되,
   상기 표면 석출물 제거 유닛은:
   상기 표면 석출물을 제거하기 위한 이온 빔을 상기 초전도 박막 상에 제공하는 이온 건; 및
   상기 이온 건과 상기 제 1 증착 유닛 사이에 배치되어 상기 초전도 박막 상의 표면 석출물을 나타내는 제 1 이미지를 검출하는 제 1 이미지 센서를 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 표면 석출물 제거 유닛은 상기 제 1 이미지 내에서 상기 표면 석출물을 인식하고, 상기 표면 석출물의 밀도에 비례하여 상기 이온 빔의 세기를 제어하는 제어 신호를 상기 이온 건에 출력하는 유닛 제어 부를 더 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 표면 석출물 제거 유닛은 상기 제 1 이미지 센서에 대향되는 상기 이온 건의 타측에 배치되고, 상기 표면 석출물이 제거된 상기 초전도 박막을 나타내는 제 2 이미지를 검출하는 제 2 이미지 센서를 더 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 이미지 센서 및 상기 제 2 이미지 센서는 광 센서 또는 전하 결합 소자를 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 증착 유닛과 상기 표면 석출물 제거 유닛 사이에 배치되고, 상기 기판 상의 상기 초전도 박막을 열처리하는 열처리 유닛을 더 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 증착 유닛의 전단에 배치되어 상기 기판을 상기 제 1 증착 유닛에 제공하는 릴리즈 릴; 및
   상기 표면 석출물 제거 유닛의 후단에 배치되어 상기 릴리즈 릴에서 제공되는 상기 기판을 권취하는 코일링 릴을 더 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 표면 석출물 제거 유닛과 상기 코일링 릴 사이에 배치되고, 상기 초전도 박막이 형성된 상기 기판 상에 보호막을 형성하는 제 2 증착 유닛을 더 포함하는 세라믹 선재의 제조설비.
10. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 초전도 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 초전도 박막의 형성 시 상부 표면에 유발되는 표면 석출물을 이온 밀링 공정으로 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 표면 석출물의 제거 단계는:
    상기 초전도 박막의 제 1 이미지를 획득하는 단계;
    상기 제 1 이미지 내에서 상기 초전도 박막 상의 표면 석출물의 제 1 밀도를 파악하는 단계; 및
    상기 표면 석출물의 제 1 밀도에 따라 상기 이온 빔의 세기를 조절하여 상기 표면 석출물을 제거하는 단계를 포함하는 세라믹 선재의 제조방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 표면 석출물의 제거 단계는,
    상기 이온 빔에 노출된 이후에 상기 초전도 박막의 제 2 이미지를 획득하는 단계;
    상기 제 2 이미지 내에서 상기 표면 석출물의 제 2 밀도를 파악하는 단계; 및
    상기 제 2 밀도를 갖는 상기 표면 석출물을 다시 제거해야 할지를 판단하는 단계를 더 포함하는 세라믹 선재의 제조방법.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 초전도 박막이 형성된 상기 기판을 열처리 하는 단계를 더 포함하는 세라믹 선재의 제조방법.
15. 제 10 항에 있어서,
    상기 표면 석출물 제거 후에 상기 초전도 박막 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 세라믹 선재의 제조방법.

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