KR101631859B1

KR101631859B1 - 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101631859B1
Application number: KR1020140104281A
Authority: KR
Inventors: 오상수; 하홍수; 김호섭; 심기덕; 조전욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-06-20
Also published as: KR20160019684A

Abstract

본 발명은 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법에 있어서, 금속기판-완충층-초전도층을 포함하는 제1초전도 박막선재와; 금속기판-완충층-초전도층을 포함하며 상기 제1초전도 박막선재의 상부에 이격 배치되는 제2초전도 박막선재와; 상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 사이에 배치된 금속 내부안정화층과; 상기 제1초전도 박막선재의 하부에 배치된 제1보강층과, 상기 제2초전도 박막선재의 상부에 배치된 제2보강층을 포함하는 금속 보강재와; 상기 제1, 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 금속 보강재의 외주면을 둘러싸도록 형성된 솔더부재를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 복수의 초전도 박막선재를 배치시켜 적층 고온초전도 선재의 임계전류를 증가시키며, 복수의 초전도 박막선재의 사이에 금속 안정화층을 배치하여 과도전류를 안정적으로 바이패스시키는 효과를 제공하고, 초전도 박막선재의 금속기판에 금속보강층을 배치하여 기계적 강도를 향상시킨 효과를 제공한다.

Description

적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법 {Laminated high temperature supperconductor wire structure and manufacturing method thereof}

본 발명은 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수의 초전도 박막선재를 초전도층이 서로 대향되도록 적층시켜 임계전류를 증가시키며, 고전도성 금속 안정화재를 배치하여 안정화 특성을 높이고, 안정화층 및 보강층을 복수 배치하여 기계적 강도를 높인 대전류용 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

초전도층을 포함하는 복합 초전도 박막선재는 임계 온도 이하에서 저항이 0인 상태로 많은 전류를 통전할 수 있다. 이러한 이점 때문에 고밀도의 전류가 필요한 초전도마그네트나 저손실 전류공급, 송전을 필요로 하는 산업 분야에 많이 이용될 것으로 기대되고 있다. RE(희토류 원소 : 이트륨(Y), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho)..)-Ba-Cu-O계 초전도 박막선재는 일반적으로 니켈합금이나 스테인레스강 등과 같은 금속기판의 상부에 복수의 완충층을 코팅하고, 완충층의 상부에 초전도층을 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 제조한다. 금속기판, 완충층 및 초전도층이 순차적으로 적층된 초전도 박막선재 중 외부로 노출된 초전도층에는 필요에 따라서 은(Ag)을 추가로 코팅한다.

초전도 박막선재를 코일이나 케이블 등과 같은 응용기기를 제작하기 위해 사용할 경우, 일반적으로 그 두께가 약 0.1mm 정도로 얇게 생산되기 때문에 적당한 인장력을 갖도록 초전도 박막선재를 제작하지 않으면 권선 작업시에 초전도 박막선재가 꺾이거나 절단되는 등과 같은 파손이 발생하게 된다. 또한 마그네트의 운전 시에 전자기력에 의하여 초전도 박막선재에 다양한 형태의 응력이 걸리고 이러한 응력에 의하여 초전도특성의 저하가 일어날 수 있다.

이와 같이 초전도 박막선재의 인장력을 증가시키기 위해 종래에는 단독으로 선재를 사용할 때보다 전체 단면적을 증가시켜 인장력이 증가되도록 복수의 초전도 박막선재를 적층시키는 기술을 사용하고 있다. 이러한 종래기술로는 '대한민국 특허청 등록특허공보 공개번호 10-2008-0066655호_고온 초전도체 와이어를 위한 아키텍쳐'와 같이 복수의 초전도 박막선재 및 금속 안정화재를 적층하여 초전도 박막선재의 단면적 증가시키거나, 종래기술 '대한민국 특허청 등록특허공보 공개번호 10-2006-0089523호_박막형 초전도 선재의 집합방법 및 집합화된 초전도 선재'와 같이 복수의 초전도 박막선재를 적층시키고 이를 솔더링하여 단면적을 증가시켜 최종적으로 선재의 인장력을 증가시키는 기술이 알려져 있다.

핵융합, 입자가속기, 에너지저장장치, 고자장 초전도마그네트 등의 대형 초전도 코일 등에 초전도 박막선재를 사용하는 경우, 전류 용량을 가능한 높일 필요가 있으며, 이 경우 박막선재에서 초전도층의 임계전류를 높이는 것이 요구된다. 초전도 박막선재의 임계전류는 초전도층의 임계전류밀도를 높임으로써 달성되며, 임계전류밀도 향상이 어려운 경우 초전도층의 막 두께를 두껍게 성장시키는 후막화 기술이 필요하게 된다. 초전도 박막선재의 임계전류밀도를 증가시키는 것은 공정의 최적화로 달성할 수 있으나, 한계성이 있으며 두께가 두꺼워질수록 c축으로 성장하는 초전도층 결정 성장이 무너지면서 초전도층 후막화 역시 전류용량을 증가시키는 효율적인 방법이 될 수 없다.

전류용량을 높이기 위한 방법으로 종래의 발명과 같이 초전도 박막선재 두 개를 솔더부재로 접합하여 적층하는 방식이 사용되고 있다. 이와 같이 금속기판이 서로 가깝게 대향되도록 접합하여 초전도층 사이의 전류 전달 과정에 있어 제한적이기는 하지만 저항이 발생할 수 있다. 기존의 발명에서는 금속 안정화층과 금속 보강층이 기능적 구분 없이 2개 또는 3개로 이루어진다.

따라서 본 발명의 목적은 복수의 초전도 박막선재를 서로 대향하도록 배치하여 전류량을 증가시키며, 복수의 초전도 박막선재의 상하부 및 초전도 박막선재 사이에 복수의 금속 안정화층 및 금속 보강층을 배치하여 고안정화특성과 고강도특성을 갖는 대전류용 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 두 개의 초전도층 사이에서 안정적인 전류 전달을 보장하기 위해서는 초전도층을 서로 대향되도록 적층할 필요가 있으며, 이 경우 금속 안정화층을 중간 매개로 하여 접합하고 금속 보강층을 상하면에 추가적으로 배치시켜 기계적 인장력을 향상시키는 대전류용 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

또한 안정화용이나 보강용 금속테이프, 초전도 박막선재들을 일반적인 딥핑방식의 솔더링 방법으로 접착하는 경우, 표면에 부착된 오염물이나 산화피막 제거를 위하여 기본적으로 플럭싱 처리가 포함되며, 이로 인해 전체 공정 단계가 늘어나도 표면에 불순물 잔류, 플럭스 증발 가스에 의한 환경오염 등의 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 플럭싱 처리가 없이도 솔더의 젖음성을 향상시키는 초음파 솔더링 기술을 이용한 적층 고온초전도 선재 및 그 제조방법을 제공한다.

상기 목적은, 금속기판-완충층-초전도층을 포함하는 제1초전도 박막선재와; 금속기판-완충층-초전도층을 포함하며 상기 제1초전도 박막선재의 상부에 이격 배치되는 제2초전도 박막선재와; 상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 사이에 배치된 금속 내부안정화층과; 상기 제1초전도 박막선재의 하부에 배치된 제1보강층과, 상기 제2초전도 박막선재의 상부에 배치된 제2보강층을 포함하는 금속 보강재와; 상기 제1, 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 금속 보강재의 외주면을 둘러싸도록 형성된 솔더부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제1초전도 박막선재와 상기 제2초전도 박막선재는 서로 대향하도록 배치되며, 상기 제1 및 제2 초전도 박막선재의 초전도층이 상기 금속 내부안정화층과 근접하도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속 내부안정화층, 상기 제1 및 제2보강층은 너비 방향으로 연장된 연장층을 각각 더 포함하며, 상기 연장층의 너비는 상기 금속 내부안정화층, 상기 제1 및 제2보강층의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것이 바람직하며, 상기 솔더부재는 너비 방향으로 연장된 연장솔더부를 더 포함하며, 상기 연장솔더부의 너비는 상기 솔더부재의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것이 바람직하다.

상기 금속 내부안정화층은 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 스테인레스강, 니켈합금, 인코넬합금 중 적어도 어느 하나로 형성되며, 상기 금속 보강재는 알루미늄합금, 스테인레스강, 인코넬합금, 하스텔로이, 비철계 내열합금 중 적어도 어느 하나로 형성되며 비자성 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 금속 보강재는 이종 접합재료로 가공된 박판을 사용하는 것도 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2초전도 박막선재는 희토류원소(이트륨, 사마륨, 가돌리늄)-바륨-구리-산소계를 사용하며, 상기 솔더부재는 외부로부터 상기 제1, 제2초전도 박막선재가 단면의 좌우측으로 직접 노출되지 않도록 밀봉하는 것이 바람직하며, 상기 제1및 제2초전도 박막선재에서 상기 초전도층의 표면에는 은(Ag)으로 이루어진 보호층이 각각 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 제1 및 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재에 각각 솔더를 코팅하는 제1단계와; 코팅된 상기 제1 및 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재를 제1보강층-제1초전도 박막선재-내부안정화층-제2초전도 박막선재-제2보강층 순서로 적층 고온초전도 선재가 적층되도록 적층롤러를 통과하는 제2단계와; 적층된 상기 적층 고온초전도 선재를 가열로 내에서 솔더를 용융시켜 상호 용접 접합시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 적층 고온초전도 선재를 접합한 후 가압롤러를 통과하는 제4단계와; 상기 가압롤러를 지난 상기 적층 고온초전도 선재를 냉각하는 제5단계를 더 포함하며, 냉각된 상기 적층 고온초전도 선재의 표면을 연마하도록 연마기를 통과하는 제6단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

솔더를 가열하고 용융 솔더를 보관하는 솔더조(Solder bath), 초음파가 인가되는 공구혼 및 상기 공구혼으로 초음파를 인가하는 초음파 인가장치를 이용하며, 상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재가 상기 솔더조의 내부로 통과할 때 상부 및 하부의 표면에 상기 공구혼을 이용하여 수직으로 초음파를 인가시키는 디핑(Dipping) 방식의 릴투릴 연속 공정이 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 초음파의 주파수는 15 내지 30kHz이다.

또한 상기 가열로 내에는 가열된 상기 적층 고온초전도 선재의 두께를 조절하도록 한 쌍의 가압부가 더 포함된 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 복수의 초전도 박막선재를 배치시켜 적층 고온초전도 선재의 임계전류를 증가시키며, 복수의 초전도 박막선재의 사이에 금속 안정화층을 배치하여 과도전류를 안정적으로 바이패스시키고, 초전도 박막선재의 상부 및 하부에 금속 보강재를 배치하여 기계적 인장력을 향상시킨 효과를 제공한다.

또한 초전도 박막선재들이 가장 내부에 배치되고 상하면에 두 개의 금속 보강층이 배치됨으로써 초전도층이 보다 안정적으로 보호되며, 초음파 솔더링 방법을 적용하여 초전도 박막선재들을 금속 안정화층과 금속 보강층들에 접합시킴으로써 솔더의 표면 젖음성을 개선하여 접합성을 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 적층 고온초전도 선재의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 적층 고온초전도 선재의 단면도이고,
도 3은 적층 고온초전도 선재의 제조방법에 사용되는 장치의 단면도이고,
도 4a 내지 4c는 적층 고온초전도 선재의 제조단계를 나타낸 단계도이다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 따른 적층 고온초전도 선재(100) 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 제1초전도 박막선재(110) 및 제2초전도 박막선재(120)는 금속기판(111, 121)과, 금속기판(111, 121)의 상부에 형성된 완충층(113, 123)과, 완충층(113, 123)의 상부에 초전도층(115, 125)이 순차적으로 적층되도록 형성된다.

금속기판(111, 121)은 자기적으로는 비자성 혹은 약자성의 합금 물질로 이루어지며, 내산화성을 지닌 니켈합금 또는 스테인레스강으로 이루어진다.

금속기판(111, 121)의 상부에 형성된 산화물 완충층(113, 123)은 금속기판(111, 121)과 초전도층(115, 125) 사이에 형성되어 초전도층(115, 125)의 결정 배향성이 향상되도록 도움을 준다. 구체적으로 초전도 박막선재(110, 120) 제조시 초전도층(115, 125)은 고온에서 형성되는데 이때 금속기판(111, 121)의 금속물질이 초전도층(115, 125)에 확산되어 초전도층(115, 125)이 오염되는 것을 방지하며, 초전도층(115, 125)의 초전도 특성을 향상시키는 역할을 한다.

완충층(113, 123) 상부에 형성된 초전도층(115, 125)은 완충층(113, 123)에 물리적 또는 화학적인 다양한 방법으로 코팅하여 형성된다. 초전도층(115, 125)은 고임계온도의 초전도 특성을 가지며, 희토류계(Rare Earth; RE) 원소를 기반으로 하여 제조된다. 바람직한 초전도층(115, 125)의 재료는 희토류 원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O)계이다.

금속기판(111, 121), 완충층(113, 123) 및 초전도층(115, 125)이 순차적으로 적층된 초전도 박막선재(110, 120)의 초전도층(115, 125)에는 은(Ag)으로 형성된 보호층(117, 127)이 적층된다. 보호층(117, 127)은 초전도 박막선재(110, 120)에 얇게 코팅되며, 외부로부터 초전도 박막선재(110, 120)를 보호하는 역할을 한다.

금속기판(111)-완충층(113)-초전도층(115)-보호층(117)이 순차적으로 적층된 제1초전도 박막선재(110)를 금속기판(111)이 초전도층(115)보다 하부에 위치하도록 배치시키고, 이와 반대로 금속기판(121)-완충층(123)-초전도층(125)-보호층(127) 순서로 초전도층(125)이 금속기판(121)보다 하부에 위치되도록 제2초전도 박막선재(120)를 제1초전도 박막선재(110) 상부에 이격 배치시킨다. 즉 제1초전도 박막선재(110)와 제2초전도 박막선재(120)의 초전도층(115, 125)이 서로 근접하게 마주보도록 배치시킨다.

본 실시예에서는 금속기판(111, 121)의 표면에 추가적인 층이 없는 것으로 제시되었으나, 이는 적용되는 솔더부재(150)의 재질에 따라 변동 가능하다. 금속기판(111, 121)이 스테인레스강의 경우 인듐 솔더를 사용하면 추가적인 층이 없어도 솔더가 표면에 잘 부착이 되나, 주석계(Sn-Pb, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn 등)의 솔더를 사용하는 경우에는 접합성을 향상시키기 위해 스테인레스강의 표면에 은(Ag) 등과 같은 금속 보강막을 2 내지 5 미크론 코팅한 후에 금속 보강막과 솔더링을 하면 접합성이 향상된다.

초전도 박막선재(110, 120)를 임계온도 이하의 온도에서 사용할 때 과도전류가 유입되거나 내적 혹은 외적 교란에 의해 초전도상태가 국부적으로 파괴될 경우 초전도 박막선재(110, 120)의 저항이 급격하게 증가하고, 각 초전도 박막선재(110, 120)의 소손현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 초전도상태가 국부적으로 파괴될 경우 초전도 박막선재(110, 120)를 통과하는 잉여전류를 신속하게 바이패스(bypass)시키기 위해 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)가 형성된다. 금속 보강재(140)는 초전도층(115, 125)의 안정화와 적층 고온초전도 선재(100)의 기계적 보강을 위해 형성되며, 제1보강층(141) 및 제2보강층(143)을 포함한다.

제1초전도 박막선재(110)와 제2초전도 박막선재(120)의 사이에 배치된 금속 내부안정화층(130)은 제1초전도 박막선재(110)와 제2초전도 박막선재(120)에서 과도전류의 바이패스 경로로 사용가능하도록 공유된다. 금속 내부안정화층(130)으로 초전도 박막선재(110, 120)의 전류를 공급가능하도록 초전도 박막선재(110, 120)의 초전도층(115, 125)은 금속 내부안정화층(130)과 근접하도록 배치된다. 금속 내부안정화층(130)의 재료로는 열전도성과 전기전도도가 우수한 재질을 선택하며, 구리, 구리합금, 알루미늄합금 등이 바람직하다. 금속 내부안정화층(130)의 두께는 초전도층(115, 125)의 두께와 각층의 임계전류 값, 사용하는 재질의 물성 값, 제작하고자하는 초전도기기의 동작조건과 설계조건 등을 고려하여 결정한다.

외부 전원장치로부터 제1초전도 박막선재(110)와 제2초전도 박막선재(120)로부터 전류를 효과적으로 공급하기 위해서도 제1초전도 박막선재(110)의 하부에 제1보강층(141)과 제2초전도 박막선재(120)의 상부에 제2보강층(143)이 설치된다. 제1보강층(141)과 제2보강층(143)은 적층 고온초전도 선재(100)의 기계적 강도를 향상시키는 역할을 하며, 동일한 재질과 두께를 갖는 것이 바람직하다. 적층 고온초전도 선재(100)의 비자성과 기계적 강도를 고려하여 알루미늄 합금, 비자성 스테인레스강, 인코넬, 하스텔로이 등의 비철계 고온내열 합금강 등이 바람직하다. 비철계 고온내열 합금강 등을 선택하는 경우 반드시 자화 값을 확인하여 비자성 특성의 재질을 선택한다.

또한 제1보강층(141)과 제2보강층(143)은 초전도기기 제작 시 초전도 박막선재(110, 120)끼리의 효과적인 솔더링 접합을 위하여, 경우에 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 제2실시예에 따른 적층 고온초전도 선재(200)는 금속 내부안정화층(230)이 구리, 구리합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 금속 보강재(240)의 제1 및 제2보강층(241, 243)에 전기전도성이 양호하고 솔더링 접합이 우수한 구리 혹은 구리 합금을 포함하는 이종 접합재료 박판층(242, 244)이 추가로 적층되도록 가공하여 사용할 수도 있다.

적층 고온초전도 선재(100)에 한 쌍의 초전도 박막선재(110, 120)와 이에 대응하는 한 개의 내부안정화층과(130) 두 개의 제1 및 제2보강층(141, 143)이 배치되어, 적층 고온초전도 선재(100)의 전체 두께가 증가하기 때문에 적층 고온초전도 선재(100)가 쉽게 꺾이거나 과도한 인장력에 의하여 절단되는 등의 문제가 줄어든다. 즉 사용자의 취급이 용이해지고 초전도 기기에 적용 시 전자기력이나 냉각에 따른 응력에 대하여 저항력이 증가하는 장점이 있다.

한 쌍의 초전도 박막선재(110, 120), 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)의 외주면에는 솔더부재(150)가 둘러쌓여 있다. 솔더부재(150)는 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)와 유사하거나 낮은 전기 전도도를 갖는 재질로 이루어지며, 각 초전도 박막선재(110, 120)의 초전도상태가 파괴될 경우 초전도 박막선재(110, 120)의 전류를 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)로 전달하는 통로 역할을 한다. 따라서 전류가 금속 안정화재(130)로 최종적으로 도달하도록 솔더부재(150)는 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)보다 유사하거나 낮은 전기 전도도를 갖는 것이 바람직하다.

초전도층(115, 125)의 전류는 내부안정화층(130)으로 갈 때 적층 고온초전도 선재(100)의 두께방향을 따라 전달되지만, 각 보강층(141, 143)으로 전달될 때에는 초전도층(115, 125)과 보강층(141, 143) 사이의 절연 재질인 완충층(113, 123)과 고저항의 금속기판(111, 121)에 의해 두께방향으로 전달되는 과정에서 저항이 발생한다. 따라서 초전도층(115, 125)을 둘러싼 솔더부재(150)로 전류가 전달되고, 솔더부재(150)를 지나 전류는 보강층(141, 143)에 도착한다. 따라서 내부안정화층(130), 제1 및 제2보강층(141, 143)은 너비 방향으로 연장된 연장층(131, 142, 144)을 더 포함하며, 솔더부재(150) 또한 너비 방향으로 연장된 연장솔더부(151)를 더 포함한다. 여기서 연장층(131, 142, 144)은 내부안정화층(130), 제1 및 제2보강층(141, 143)의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것이 바람직하며, 연장솔더부(151)는 솔더부재(150)의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것이 바람직하다.

솔더부재(150)는 전류를 전달하는 역할을 할 뿐만 아니라 적층 고온초전도 선재(100)의 두께를 증가 및 금속 내부안정화층(130)과 금속 보강재(140)를 밀봉하여 외부의 자극으로부터 초전도 박막선재(110, 120), 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)를 보호하는 역할을 한다. 필요에 따라서 솔더부재(150)의 최외곽에 절연부재를 코팅할 수도 있다.

이와 같은 적층 고온초전도 선재(100)의 제조방법으로는, 먼저 제1단계로써 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)에 각각 솔더부재(150)를 코팅한다. 솔더의 딥코팅은 솔더부재의 젖음성을 향상시키기 위해 초음파 솔더기를 이용하여 수행된다. 코팅하고자하는 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130)으로 이루어진 테이프 및 제1, 제2보강층(141, 143)으로 이루어진 테이프를 릴투릴 방식을 이용하여 개별적으로 각각 일정한 속도로 연속적으로 풀어주면서 세척조를 통과시켜 오염물을 제거한다. 그 후 솔더가 용융되어 있는 용융 솔더조(Solder bath) 내로 통과시키면서 용융 솔더에 잠긴 공구혼을 수직방향으로 근접시켜 상부 및 하부에 15 내지 30kHz 범위에서 초음파를 쏘면서 솔더부재(150)를 이들 표면에 코팅한다. 용융 솔더조에 담긴 공구혼의 진동을 통하여 솔더부재(150)에 가해지는 초음파는 미소 기포의 압축과 팽창을 반복하면서 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)의 표면에 양호한 젖음성(Wetability)을 제공한다. 솔더부재(150)는 선택하는 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

스풀(10)에 감긴 총 5개의 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)을 각각 일정한 속도로 연속적으로 풀어주면서 세척조를 통과시켜 오염물을 제거한다. 그 후 초음파발생부와 결합된 솔더용융조에 릴투릴 방식으로 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)을 통과시키면서 이들 표면에 솔더부재(150)를 코팅한다. 솔더용융조에 담긴 소노트로드(sonotrode)의 진동을 통하여 솔더부재(150)에 가해진 초음파는 미소 기포의 압축과 팽창을 반복하면서 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)의 표면에 양호한 젖음성(wetability)을 제공한다. 솔더부재(150)는 선택하는 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

제2단계에서는 도 3에 도시된 제조장치(1)를 이용하며, 제1단계에서 솔더링된 초전도 박막선재(110, 120), 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)을 도 4a에 도시된 바와 같이 제1보강층(141)-제1초전도 박막선재(110)-내부안정화층(130)-제2초전도 박막선재(120)-제2보강층(143) 순서로 적층시킨다. 각 초전도 박막선재(110, 120)와 내부안정화층(130) 및 제1, 제2보강층(141, 143)은 직접 혹은 가이드롤러(11)를 거쳐 적층롤러(20)로 중심이 서로 맞도록 이송되어 순차적으로 적층된다.

제3단계에서는 적층된 적층 고온초전도 선재(100)가 히터(31)를 포함한 가열로(30) 내에서 도 4b와 같이 상호 접합된다. 적층 고온초전도 선재(100)가 가열로(30)를 통과하면서 코팅된 솔더부재(150)가 재용융되어 각 층 사이의 접합이 일어난다. 히터(31)는 열풍기, 적외선히터, 할로겐 히터 및 저항가열 히터 중 적어도 어느 하나이며, 이를 이용하여 가열로(30) 내부 온도를 상승시킨다.

가열로(30) 내에는 가열된 적층 고온초전도 선재(100)의 두께를 조절하도록 한 쌍의 가압부(33)가 설치된다. 가압부(33)는 반용융 상태의 솔더부재(135)를 고온에서 1차적으로 두께를 얇게 조절하는 역할을 한다.

제4단계에서는 가압부(33)를 통과한 적층 고온초전도 선재(100)를 가압롤러(40)에 통과시킨다. 가압롤러(40)는 적층 고온초전도 선재(100)를 일정한 압력으로 눌러 적층 고온초전도 선재(100)의 두께 및 너비를 2차로 조절하는 역할을 한다. 가압롤러(40)를 통과한 적층 고온초전도 선재(100)는 도 4c에 도시된 바와 같이 솔더부재(140)가 내부 공간으로 더 채워지고 더 치밀해지는 과정을 거친다.

제5단계에서는 가압롤러(40)를 통과한 적층 고온초전도 선재(100)는 냉각기(50)를 통과하면서 용융상태의 솔더부재(150)가 완전히 고화된다. 냉각기(50)는 노즐 압축공기나 질소가 적층 고온초전도 선재(100)의 표면에 분사되도록 한다.

제6단계에서는 적층 고온초전도 선재(100)의 표면을 연마하는 연마기(60)를 통과하면서 표면에 과잉으로 묻는 솔더부재(150)가 제거되고, 최종적으로 사각 단면 형상이 만들어진다. 이 이후에는 권취기(70)를 통해 적층 고온초전도 선재(100)를 권취한다.

본 발명에 따른 박막형 적층 고온초전도 선재(100)는 한 쌍의 초전도 박막선재(110, 120) 및 초전도 박막선재(110, 120) 사이에 배치된 금속 내부안정화층(130), 제1보강층(141), 제2보강층(143) 및 이들을 감싸는 솔더부재(150)를 통해 기존에 판매되고 있는 초전도선재에 비해 두께가 두껍다. 이로 인해 초전도 박막선재(110, 120)의 초전도현상이 파괴될 경우 전류의 바이패스가 용이하다. 또한 두꺼운 두께로 인해 적층 고온초전도 선재(100)의 인장력에 대해 견디는 힘이 증가하며, 초전도 박막선재(110, 120), 금속 내부안정화층(130) 및 금속 보강재(140)에 솔더부재(150)가 둘러쌓여 있기 때문에 외부로부터 초전도 박막선재(110, 120), 금속 내부안정화(130)층 및 금속 보강재(140)를 보호하는 효과를 제공한다.

1: 제조장치 10: 스풀
11: 가이드롤러 20: 적층롤러
30: 가열로 31: 히터
33: 가압부 40: 가압롤러
50: 냉각기 60: 연마기
70: 권취기 100, 200: 적층 고온초전도 선재
110: 제1초전도 박막선재 111, 121: 금속기판
113, 123: 완충층 115, 125: 초전도층
117, 127: 보호층 120: 제2초전도 박막선재
130, 230: 금속 안정화층 131, 142, 144: 연장층
140, 240: 금속 보강재 141, 241: 제1보강층
143, 243: 제2보강층 150: 솔더부재
151: 연장솔더부 242, 244: 박판층

Claims

적층 고온초전도 선재에 있어서,
금속기판-완충층-초전도층을 포함하는 제1초전도 박막선재와;
금속기판-완충층-초전도층을 포함하며 상기 제1초전도 박막선재의 상부에 이격 배치되는 제2초전도 박막선재와;
상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 사이에 배치된 금속 내부안정화층과;
상기 제1초전도 박막선재의 하부에 배치된 제1보강층과, 상기 제2초전도 박막선재의 상부에 배치된 제2보강층을 포함하는 금속 보강재와;
상기 제1, 제2초전도 박막선재, 상기 금속내부안정화층 및 상기 금속 보강재의 외주면을 둘러싸도록 형성된 솔더부재를 포함하며,
상기 제1초전도 박막선재와 상기 제2초전도 박막선재는 서로 대향하도록 배치되며, 상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 초전도층이 상기 내부안정화층과 근접하도록 대향 배치되며,
상기 금속 보강재는 이종 접합재료로 가공된 박판을 사용하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
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제 1항에 있어서,
상기 내부안정화층, 상기 제1 및 제2보강층은 너비 방향으로 연장된 연장층을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 4항에 있어서,
상기 연장층의 너비는 상기 내부안정화층, 상기 제1 및 제2보강층의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 1항에 있어서,
상기 솔더부재는 너비 방향으로 연장된 연장솔더부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 6항에 있어서,
상기 연장솔더부의 너비는 상기 솔더부재의 전체 너비 중 0.2 내지 0.5 너비부인 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 1항에 있어서,
상기 금속 내부안정화층은 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 스테인레스강, 니켈합금, 인코넬합금 중 적어도 어느 하나로 형성되며,
상기 금속 보강재는 알루미늄합금, 스테인레스강, 인코넬합금, 하스텔로이, 비철계 내열합금 중 적어도 어느 하나로 형성되며, 비자성 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
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제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2초전도 박막선재는 희토류 원소-바륨-구리-산소계를 사용하며,
상기 희토류 원소는 이트륨, 사마륨, 가돌리늄 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 1항에 있어서,
상기 솔더부재는 외부로부터 상기 제1, 제2초전도 박막선재가 단면의 좌우측으로 직접 노출되지 않도록 밀봉하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 상기 초전도층의 표면에는 은(Ag)으로 이루어진 보호층이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재.
적층 고온초전도 선재의 제조방법에 있어서,
제 1항에 따른 상기 제1 및 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재에 각각 솔더를 코팅하는 제1단계와;
상기 솔더가 코팅된 상기 제1 및 제2초전도 박막선재, 상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재를 제1보강층-제1초전도 박막선재-내부안정화층-제2초전도 박막선재-제2보강층 순서로 적층 고온초전도 선재가 적층되도록 적층롤러를 통과하는 제2단계와;
적층된 상기 적층 고온초전도 선재를 가열로 내에서 상호 용접 접합시키는 제3단계를 포함하며,
상기 제1초전도 박막선재와 상기 제2초전도 박막선재는 서로 대향하도록 배치되며, 상기 제1 및 제2초전도 박막선재의 초전도층이 상기 금속 내부안정화층과 근접하도록 대향 배치되며,
상기 금속 보강재는 이종 접합재료로 가공된 박판을 사용하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.
제 13항에 있어서,
상기 적층 고온초전도 선재를 용접 접합한 후 가압롤러를 통과하는 제4단계와;
상기 가압롤러를 지난 상기 적층 고온초전도 선재를 냉각하는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.
제 14항에 있어서,
냉각된 상기 적층 고온초전도 선재의 표면을 연마하도록 연마기를 통과하는 제6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.
제 13항에 있어서,
상기 솔더를 코팅하는 제1단계는,
솔더를 가열하고 용융 솔더를 보관하는 솔더조(Solder bath), 초음파가 인가되는 공구혼 및 상기 공구혼으로 초음파를 인가하는 초음파 인가장치를 이용하며,
상기 금속 내부안정화층 및 상기 금속 보강재가 상기 솔더조의 내부로 통과할 때 상부 및 하부의 표면에 상기 공구혼을 이용하여 수직으로 초음파를 인가시키는 디핑(Dipping) 방식의 릴투릴 연속 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.
제 16항에 있어서,
상기 초음파의 주파수는 15 내지 30kHz인 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.
제 13항에 있어서,
상기 가열로 내에는 가열된 상기 적층 고온초전도 선재의 두께를 조절하도록 한 쌍의 가압부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 적층 고온초전도 선재 제조방법.