KR101696304B1 - 코팅 전도체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내측 기판 층과 외측 기판 층 사이에 개재된(sandwiched) 고온 초전도체 층을 포함하며 상기 고온 초전도체 층은 중립 변형 축 영역(region of neutral strain axis) 영역에 배치되는 실질적으로 둥근 단면을 갖는 코팅 전도체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고온 초전도체(HTS: high temperature superconductor)에 관한 것으로, 특히 코팅 전도체(coated conductor)로 알려진 고온 초전도체 그리고 코팅 전도체 성형(shaping)의 자유도(freedom) 개선을 가능케 하는 코팅 전도체의 제조 방법에 관한 것이다.
"2세대 초전도체"로도 지칭되는 코팅 전도체들은 전형적으로, 테이프(tape) 또는 스트라이프(stripe)와 같은, 평면들을 지닌 길이가 긴 형상을 갖는다. 그것들은 기판을 구비한 멀티층 구조 및 초전도체층을 포함하며, 필요에 따라 상기 기판과 상기 초전도체층 사이에 하나 이상의 버퍼층들을 포함하고, 이때 상기 층들은 상기 기판의 평면 상에 증착된다. 상기 버퍼층(들)은 사용 물질들의 상이한 다양한 물성들을 보상하도록 작용한다. 전형적인 코팅 전도체 구조들은 다양한 버퍼층들을 필요로 한다. 마지막으로, 상기 초전도체층 상에는 금속성 보호층이 증착되어 전체적인 전도체 구조를 완성할 수 있다.
코팅 전도체와 같은 고온 초전도체들은 동력 전달 케이블, 모터와 발전기의 로터 코일, 변압기와 오류 전류 제한기(fault current limiter)의 권선 및 의료용 자기 공명 이미징(MRI)과 같은 여러 응용물들에 대해 유망한 후보이다.
HTS-케이블 제조에서 그 케이블에 테이프-형상 코팅 전도체를 나선형으로 감는 방식이 공지되어 있다.
코팅 전도체 제조에서 한 가지 중요 문제는 초전도체 물질의 결정 단위체들(crystal grains)의 배향(orientation) 또는 정렬(alignment)이며, 이러한 초전도체 물질은 초전도성 상태에서 임계 전류 밀도(Jc: critical current density) 및 임계 전류(Ic: critical current)와 같은 고전류 운반 성질들을 갖기 위해 단결정 완전성(single-crystalline perfection)에 가까워야 한다. 정렬(alignment)은 텍스쳐(texture)라고도 지칭되며, 결정 단위체의 배향이 임의적이지 않고 바람직한 방향을 가짐을 의미한다. 면내 텍스쳐(in-plane texture)와 면외 텍스쳐(out-of-plane texture)를 구별할 필요가 있다. 바람직하게는, 상기 초전도체층은 양면 텍스쳐(biaxial texture)를 가져야 하며 이때 결정 단위체들은 면내에서 그리고 면외에서 정렬된다.
양면 텍스쳐의 품질은 전형적으로 결정학상의 내면 및 외면의 단위체간 오정렬 각도(grain-to-grain misorientation angle)로 표현되며, 이는 개별 결정 단위체들의 서로에 대한 경사 각도를 반영한다. 오정렬 각도가 작을수록 상기 층의 텍스쳐는 보다 좋다. 상기 층의 단위체들의 내면 및 외면에서의 배향 분배 기능(orientation distribution function)을 보이는 X-ray 회절에 의해 텍스쳐의 각도가 결정될 수 있다. 그러한 X-ray 데이타에 기초하여 내면 파이 스캔(in-plane phi scan : ΔΦ) 및 외면 로킹 커브(out-of-plane rocking curve: Δω)의 FWHM(full-width-half-maximum)의 값들이 얻어질 수 있다. 각각의 FWHM 값이 작을수록 텍스쳐가 좋다. 전형적으로, 오정렬 각도들은 약 10°이하이어야 하며, 특히, 약 5°이하이어야 한다.
현재, 상기 바람직한 텍스쳐를 달성하기 위한 두 가지 주요 방안이 있다. 첫째 방안에 따르면 이온빔 보조 증착(IBAD: ion beam assisted deposition)과 같은 다이렉트 물리 코팅 방법(directed physical coating processes)에 의해 폴리크리스탈린 임의배향 기판(polycrystalline, randomly oriented substrate) 상에 고-텍스쳐 버퍼층(highly textured buffer layer)이 증착된다. 상기 고-텍스쳐 버퍼층들은 상기 버퍼층 상에서 성장된 초전도체층에 요구되는 텍스쳐를 전달하도록 작용한다.
둘째 방안에 따르면, 고-텍스쳐 기판(highly textured substrate)이 사용되며, 이것은 RABiTS(Rolling assisted biaxial texturing of substrates)와 같은 기계적 작용에 의해 얻어질 수 있다. 이때, 기판의 텍스쳐는 버퍼층에 전달되며, 이후, 그 위에 증착된 초전도체층에 전달된다. 기판으로서 적합한 금속들의 예는 구리, 니켈, 은, 철 및 이들의 합금들이다.
비제한적으로, 코팅 전도체 제조시, REBa2Cu3O7 -x라는 공식을 가진 희토 바륨 커프레이트-타입(rare-earth barium cuprate-type) 초전도체들이 현재 통상적으로 사용되고 있으며, 상기 공식에서 x는 특정 초전도체 물질에 적합한 범위에 있는 산소 함량을 나타낸다. 이것의 바람직한 일원은 YBCO-123이라는 표기로 공지된 것이며, 이때 숫자 조합 123은 Y, Ba 및 Cu 원소들의 화학량 비율(stoichiometric ratio)을 나타낸다.
전형적인 버퍼층들은 세라믹 옥사이드들(ceramic oxides)이며, 란탄 지르코네이트(lanthanum zirconate), 세륨 옥사이드(cerium oxide), 이트륨-안정화 지르코니아(YSZ: yttrium-stabilized zirconia), 스트론튬 티타늄 옥사이드(strontium titanium oxide), 희토 알루미네이트들(rare-earth aluminates) 및 다양한 희토 옥사이드들(rare-earth oxides)을 포함하다.
버퍼층들 및 초전도체층들을 위한 증착 기술들은 종래에 공지되어 있다. 또한, 테이프-형상 코팅 전도체들 및 이들의 제조 방법 또한 종래에 공지되어 있으며 폭넓게 설명되어 있다.
세라믹 본질에 기해 버퍼층들 및 HTS 층들은 취성(brittleness)을 갖는다. 또한, 텍스쳐의 품질은 응력에 매우 민감하다. 따라서, 코팅 전도체의 성형과 같은 추가 공정에서의 손상을 피하는 것이 과제이다. 이 쉬운 손상의 문제는 단지 약 0.5 내지 3㎛의 작은 두께를 갖는 전형적인 HTS 층들 때문에 증가된다.
테이프-형상 코팅 전도체들의 벤딩 응력(bending stress)에 대한 기계적 강인함(robustness)을 개선하기 위해, Supercond. Sci. Technol. 16 (2003) 1158-1161(Verebelyi et al.) 및 US 2002/144838 A1(Fritzemeyer et al)은 코팅 전도체 상에 오버층(over-layer)을 배치함으로써 중립축(neutral axis) 영역에 고온 초전도체층을 배치하는 것을 제안한다. 이런 구조에 의해 임계 전류(critical current)가 손상됨 없이 횡방향 축 둘레의 약 12 mm 이하의 벤딩 직경들(structure bending diameters)이 얻어졌다. 하지만, 약 12 mm의 테이프 폭을 고려하면 길이방향 축 둘레의 벤딩에 대한 벤딩 직경은 약 3 내지 6 mm가 되며 이는 상기 물질에 훨씬 큰 응력을 부과하게 된다.
DE 197 24 618 A1(Schippl et al.)은 고온 초전도체층이 증착된 금속 테이프로부터 얻어지는 나선형(helical) 또는 링형(ring) 주름(corrugation)을 지닌 주름진 파이프(corrugated pipe)에 관한 것으로서, 상기 주름진 파이프는 슬롯 파이프(slotted pipe) 안에 고온 초전도체층을 구비한 테이프를 형성하는 과정, 그 슬롯을 폐쇄하는 과정 및 그 파이프에 주름을 형성하는 과정에 의해 얻어진다. 이러한 주름진 파이프에서 고온 초전도체층의 손상은 주름 구조에 기인하는 압축(compression) 및 스트레칭(stretching)으로 인해 물결의 마루들(crests) 및 골들(valleys) 영역에서 관찰되었다. 이런 문제점은 고온 초전도체층을 가진 상기 테이프 상에 추가적인 금속 테이프를 제공함으로써 극복되며 상기 추가적인 테이프는 상기 제1 테이프에 비해 상당히 두꺼우며 예를 들어 8배 두꺼울 수 있다. 또한, 상기 고온 초전도체층과 상기 추가적인 금속 테이프 사이에 접착 증진층(adhesion promoting layer)이 제공되며 이는 상기 주름 요구 구조에 충분한 이동성(mobility)을 제공한다.
보다 두꺼운 테이프 내에 중립충 영역이 있는 상기 구조에서 약 6 mm의 벤딩 반경(bending radius)(12 mm의 벤딩 직경에 대응함)이 고온 초전도체층의 손상 없이 얻어질 수 있다. 즉, 상기 구조는 앞서 언급된 Verebelyi 및 US 2002/144838 A1에서 얻어질 수 있는 벤딩 차수(order)의 벤딩을 허용한다.
최근, "라운드 코팅 전도체들(round coated conductors)"로도 지칭되는 원형 단면을 지닌 코팅 전도체들이 설명되었으며, 여기서 상기 기판은 상기 층 구조에 의해 덮여지는 코어(core)를 형성한다. 상기 코어는 튜브와 같이 중공형(hollow)이거나, 로드(rod)와 같이 솔리드형(solid)일 수도 있다. 예를 들어, 그와 같은 "라운드 코팅 전도체들" 및 이에 대한 제조 방법들은 US 2008/0119365 A1 및 EP 1 916 720 A1에서 설명되어 있으며, 이들은 여기 참조로써 통합된다. 라운드 코팅 전도체의 전형적인 제조 방법은, 평탄 기판을 그것의 길이방향 축을 중심으로 슬롯 튜브(slot tube) 안으로 벤딩시킴으로써 평면 기판을 둥근 형상으로 형성하는 단계, 형성된 상기 기판을 텍스쳐 어닐링(texture annealing)하는 단계(선택적 단계임), 및 그 위에 버퍼층들 및 고온 초전도체층들을 증착하는 단계를 포함한다.
하지만, 벤딩 응력으로 인해 기판의 텍스쳐가 손상될 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 앞서 증착된 버퍼층들 및 고온 초전도체층들을 가진 코팅 전도체의 경우, 손상의 위험성이 증가된다.
라운드 코팅 전도체들의 제조에서 테이프-형상 코팅 전도체는 단지 약 4 mm 내지 약 1 mm에 해당하는 벤딩 직경들에 대응하는 매우 작은 벤딩 각도들을 가지고 그것의 길이방향 축을 중심으로 굽혀져야 한다. 라운드 코팅 전도체들의 제조에서 벤딩 각도들은 벤딩이 도 1에서와 같이 횡축 중심인 HTS 케이블들의 제조에서 비해 상당히 작다. 따라서, 테이프-형상 코팅 전도체들을 그 길이방향 축을 중심으로 벤딩함으로써 발생되는 힘들 및 손상의 위험성은 케이블들의 제조에 비하여 상당히 증가된다.
본 발명은 사전 증착된 버퍼층들 및 고온 초전도체층을 지닌 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체를 벤딩함으로써 얻어질 수 있는 라운드 코팅 전도체들 및 상기 사전 증착된 층들의 기계적 통합성(integrity integrity) 및 텍스쳐를 손상시킴 없이 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체들을 그것의 길이방향 축을 중심으로 벤딩하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 제1 기판층, 추가적인 제2 기판층 및 그 사이에서 샌드위치된 고온 초전도체층을 포함하는 평탄 면들(plane faces)을 지닌 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체로부터 얻어지며, 상기 사전-제조된 코팅 전도체를 그 길이방향 축을 중심으로 벤딩함으로써 얻어지는 실질적으로 둥근 단면을 가진 코팅 전도체에 관한 것이며, 이때 상기 고온 초전도체층은 상기 내측 기판층 및 상기 외측 기판층 사이에서 샌드위치되며, 상기 고온 초전도체층은 중립축 위치 영역 내에 배치된다.
또한, 본 발명은 실질적으로 둥근 단면을 갖는 코팅 전도체의 제조 방법으로서, 제1 사전-제조 테이프-형상 코팅 전도체의 HTS 층을 중립축 위치의 영역으로 운반하기 위해, 상기 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체의 최상 층에 제2 기판 층을 제공하는 단계; 및 이후, 실질적으로 둥근 단면을 가지며 상기 HTS층이 내측 기판 층과 외측 기판 층 사이에 배치되는 코팅 전도체를 얻기 위해, 상기 제2 기판 층에 의해 덮여진 상기 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체를 그것의 길이 방향 축 둘레로 벤딩하는 단계;를 포함하는 코팅 전도체의 제조 방법에 관한 것이다.
전형적으로 상기 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체는 기판 및 고온 초전성 층을 포함하며, 상기 기판과 상기 고온 초전체층 사이에 배치되는 하나 이상의 버퍼층(들)을 선택적으로 포함한다.
바람직하게는 상기 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체의 상기 기판 및 상기 하나 이상의 버퍼층(들) 중 적어도 하나는 양면 텍스쳐(bifacial texture)를 갖는다.
"중립축 위치 영역(Region of neutral axis position)"은 벤딩으로 인해 몸체 내에서 발생된 힘들로부터 자유로운 또는 거의 자유로운 비곡면(non-curved) 몸체를 벤딩함으로써 얻어지는 곡면 몸체 내의 영역을 의미하는 것이다. 일직선의 몸체를 벤딩하는 것과 관련된 도 2에 도시된 바와 같이, 반경 방향에서 서로 대향하는 면들 상에는 반대 방향의 힘들이 발생된다. 즉, 인장 응력은 반경 방향에서 외측면(여기서는 하면) 상에 작용하며 압축력은 반경 방향에서 내측면(여기서는 상면)에 작용한다.
반경 방향에서 외측면 및 내측면 사이에는 굽어진 몸체가 점선 x에 의해 가리켜지는 바와 같이 그것의 최초 연장성(extension)을 유지하는 일 영역이 있으며 이는 변형률(strain)에 의해 단지 약간 영향받는다.
실제적으로, 중림축 영역의 반경 방향 "사이즈(size)" 또는 상기 HTS의 이상적 위치로부터의 편차(deviation)는 해당 적용물에서 허용되는 변형률 수준을 통해 정의될 수 있다. HTS 물질의 특별한 경우에 있어서, 중립축 영역에서의 변형률은 Jc 저하(degradation)를 견딜 수 있어야 한다. 시중에서 입수 가능한 기술적인 코팅 전도체들의 경우, 약 0.5 및 1 %의 변형률 수준으로 각각 벤딩시 10 및 50 %의 Jc 저하가 얻어진다. 허용되는 변형률 수준이 0.5 %라면 1 mm 직경의 둥근 와이어에서 중립축 영역의 반경 방향 사이즈는 5 ㎛이다.
바람직하게는, 본 발명의 경우 HTS 층은 중립축 영역의 위치에 있으며, 이때 HTS 층의 변형률은 0.05 내지 0.5 %의 범위 내에서 유지된다.
첨부 도면들을 참조하여 본 발명이 보다 상세하게 설명된다. 이들 도면들은 단지 예시적인 것이며 본 발명에 대한 제한하는 것은 아니다.
도 1은 테이프-형상의 코팅된 전도체가 둘레에 감겨진 공지된 HTS 케이블이다.
도 2는 "중립축 위치(neutral axis position)" 설명을 위한 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예이다.
도 4는 본 발명의 추가 실시예이다.
도 1은 테이프-형상의 코팅된 전도체가 둘레에 감겨진 공지된 HTS 케이블이다.
도 2는 "중립축 위치(neutral axis position)" 설명을 위한 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예이다.
도 4는 본 발명의 추가 실시예이다.
"실질적으로 둥근 단면을 가진 코팅 전도체"는 단면 영역의 형상이, 타원 또는 심지어 다각형과 같이, 이상적인 원형을 벗어날 수 있음을 의미한다.
본 발명에서 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체는 평탄한 기판 및 그 평탄한 기판의 평면에 증착된 층 구조를 포함하는 것으로 사용될 수 있다. 상기 층 구조는 사전에 적절하게 텍스쳐된(tetured), 사용 준비가 된 HTS 층을 포함할 수 있다. 필요에 따라 상기 기판과 상기 HTS 층 사이에는 하나 이상의 버퍼층들이 증착되어 존재할 수 있다. 더욱이, 코팅 전도체들의 기술 분야에서 공지된 바와 같이 금속 보호층과 같은 추가적인 층이 상기 HTS 층 상에 증착될 수 있다.
상기 HTS 층을 중심축 위치에 배치하기 위해 상기 사전-제조된 코팅 전도체의 최상층 상에 제2 기판이 적용된다. 상기 제2 기판의 두께는 +/- 5 ㎛의 범위 내에 있으며, 바람직하게는 상기 제1 기판의 두께의 +/- 0.5 ㎛의 범위 내에 있다. 바람직하게는, 상기 제2 기판은 사전-제조된 코팅 전도체의 기판 층(또는 제1 기판 층으로 지칭됨)과 동일 물질로 제조된다.
하지만, 상기 제2 기판층이 제1 기판층과 동일한 텍스쳐를 가질 필요가 없거나 또는 텍스쳐를 전혀 가지지 않을 수도 있다.
도 3은 일 실시예의 모습을 도시하며, 여기서 제1 사전-제조된 코팅 전도체(1)는 제2 기판(2)에 의해 덮여진다. 또한, 도 3에서 실질적으로 둥근 단면을 가진, 결과적인 코팅 전도체의 중심축 위치가 지칭되고 있으며, 여기서 +τ 및 -τ는 각각 외측 및 내측 기판들에 작용하는 응력이며, 응력의 방향은 화살표들에 의해 지칭되고 있다.
본 발명에 따르면, 3.2 mm 및 1.3 mm의 벤딩 직경들(bending diameters)에 대응하는 10 mm 이하 내지 약 4 mm의 폭을 갖는 테이프-형상의 코팅 전도체들로부터 둥근 코팅 전도체들이 얻어질 수 있다. 특히, 약 1 mm의 벤딩 직경을 갖는 코팅 전도체들을 얻는 것이 가능하다.
도 4에 도시된 바람직한 일 실시예에 따르면, 제2 기판(2)은 제1 코팅 전도체(1)에 적용되는 추가적인 사전-제조된 코팅 전도체일 수 있으며 이때 HTS 층들은 서로 마주보고 있다. 도 4에서 실질적으로 둥근 단면을 갖는, 결과적인 코팅 전도체의 중심축 위치는 도 3에서와 같이 지칭된다.
이 경우, 상기 제2 기판은 사전-제조된 코팅 도전체이며, 바람직하게는 이러한 추가적인 코팅 도전체에의 층 구조는 상기 제1 코팅 전도체의 층 구조와 동일하다.
상기 제2 기판은 솔더링(soldering), 디퓨전 본딩(diffusion bonding) 또는 다른 어떤 적합한 공정에 의해 상기 사전-제조된 코팅 전도체에 결합될 수 있다.
본 발명은 증착될 층들의 텍스쳐링이 IBAD와 같은 증착 방법에 의해 얻어지는, 임의 배향의(radomly oriented) 기판을 구비한 코팅 전도체 및, 층착될 층들의 배향이 에피택셜 성장(epitaxial growth)에 의해 얻어지는, 텍스쳐된 기판들을 구비한 코팅 전도체들에 마찬가지로 적용될 수 있다.
원칙적으로, 본 발명에 대해 어떤 고온 초전도체 물질이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 고온 초전도체 물질은 세라믹 옥사이드 고온 초전도체 물질 또는 MgB2이다. 바람직하게는, 상기 세라믹 옥사이드 고온 초전도체 물질은 비스무스-기반의(bismuth-based), 탈륨-기반의(thallium-based), 이트륨-기반의(yttrium-based), 그리고 수은-기반의(mercury-based) 세라믹 옥사이드 초전도체들로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
전형적인 예들은 Bi-Ae-Cu-Oy, (Bi, Pb)-Ae-Cu-Oy,Re-Ae-Cu-Oy, (Tl, Pb)-Ae-Cu-O 또는 Hg-Ae-Cu-Oy 기반의 세라믹 옥사이드 고온 초전도체들을 포함한다. 상기 공식들 각각에서, y는 특정 초전도체 물질에 적합한 범위에서 상대적인 산소 함량을 나타내며, Ae는 적어도 하나의 알카리 토양 원소(alkaline earth element), 특히, Ba, Ca 및/또는 Sr을 의미하며, Re는 적어도 하나의 희토 원소(rare earth element), 특히 Y 또는 원소들 Y, La, Lu, Sc, Ce, Nd 또는 Yb의 둘 이상의 조합을 의미한다.
세라믹 옥사이드 초전도체 물질은 ReBaCuOy 공식의 희토 바륨 커프레이트(rare earth barium cuprate) 유형의 초전도체일 수 있으며 여기서 Re 및 y는 상기와 같이 정의된다.
대안적으로, 초전도체 물질들의 전구체들(precursors)이 사용될 수 있다. 전구체들은 초전도체 물질과 동일한 명칭의 조성을 총괄적으로 갖는 산화물(옥사이드)들의 혼합물들이며 가열시 초전도체 물질을 형성한다.
특히, 적합한 세라믹 산화물 고온 초전도체들은 BSCCO-2212, BSCCO-2223라는 표기로 공지된 것들 및 YBCO-123, YBCO-211라는 표기로 공지된 것들이 있으며, 이때 상기 2212 및 2223이라는 숫자 조합은 원소 Bi, Sr, Ca 및 Cu에 대한 화학량 비율들(stoichiometric ratio)을 나타내며 여기서 Bi 부분은 Pb에 의해 치환 가능하며, 상기 123 및 211이라는 숫자 조합은 원소 Y, Ba 및 Cu에 대한 화학량 비율들을 나타낸다.
가장 바람직하게는, 상기 세라믹 옥사이드 고온 초전도체 물질은 YBCO-123이다.
테이프 또는 코어와 같은 기판으로서 적합한 금속들의 예들은 구리, 니켈, 은, 철 및 이들의 합금들이며, 그러한 합금들의 예로는 W, Mo, Mn 등으로부터 선택된 적어도 하나의 합금 성분을 갖는 Ni-기반의 합금들이 있다.
전형적인 버퍼층들은 세라믹 옥사이드들이며 세륨 옥사이드(cerium oxide), 이트륨-안정화 지르코니아(YSZ: yttrium-stabilized zirconia), 스트론듐 티타늄 옥사이드(strontium titanium oxide), 희토 알루미네이트들(rare earth aluminates), 앞서 정의된 바와 같이 Re를 가지며 A는 Zr 및 Hf로부터 선택되는 일반식 Re2A2O7의 옥사이드들, 특히 La2Zr2O7(LZO), 및 다양한 희토 옥사이드들(rare-earth oxides)을 포함한다.
상기 금속 보호층은 전형적으로 고귀한 금속 또는 고귀한 금속 합금이며, 예로써 금, 은, 백금 및 팔라듐(palladium) 또는 이들의 합금들을 들 수 있다. 은 또는 은 합금들은 비교적 비용이 저렴하므로 바람직하다.
코팅 전도체들을 위한 버퍼층들의 적합한 성장 방법들은, 예로써, 물리적 기상 증착(PVD: physical vapor deposition), 펄스 레이저 증착(PLD: pulsed laser deposition), 전자빔 증착(electron beam evaporation) 및 스퍼터링(sputtering)과 같은 진공법들 뿐만 아니라, 화학 용액 증착(CSD: chemical solution deposition), 화학 기상 증착(CVD: chemical vapor deposition) 및 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition)과 같은 증착 공정들을 포함한다.
초전도체층을 증착하기 위한 적합한 방법들은 금속 유기 화학 기상 증착, 열 증착(thermal evaporation), 금속 유기 증착(metal organic deposition) 및 그 외의 것들과 같은 다양한 물리적 그리고 화학적 증착 공정들을 포함한다.
본 발명에서 버퍼층들 및 HTS 층의 증착 방법에 대한 특별한 제한이 없다. 예를 들어 앞서 언급된 방법들 중 아무 것이라도 사용될 수 있다.
하지만, 화학 용액 증착과 같은 화학적 비-진공 기술들(chemical non-vacuum techniques)이 비용 절감 및 높은 증착률 측면에서 바람직하다.
CSD 공정들에 대한 적합한 예들은 다음과 같다:
1. 메탈-카르복시레이트 화합물들(metal-carboxylate compounds)을 사용하는, 특히 전구체들로서 메탈 트리플루오르아세테이트들(metal trifluoroacetates)을 사용하는 트리플루오르아세테이트(TFA: trifluoroacetate)를 사용하는 금속 유기 분해(MOD: metal organic decomposition),
2. 유기 용매 내에서 전구체들로서 메탈 알콕시화물들(metal alkoxide)을 사용하는 졸-겔-금속-유기 루트(sol-gel-metal-organic route), 및
3. 금속-유기-류트(metal-organic-route)의 수정인 킬레이트 공정들(chelate processes).
본 발명은 초전도성 코팅 전도체의 최종 형상에 대해 보다 많은 자유도(freedom)를 제공한다. 현재 사용되는 것과 같은 테이프들의 평면 형상에 어떠한 제약도 없다. 본 발명에 따르면 둥근, 타원형의 또는 다각형의 단면적과 같은 곡면들을 가진 코팅 전도체들을 얻는 것이 가능하다. 예를 들어, 둥근 단면 또는 육각형과 같은 다각형 단면은, 전기적 성질들의 등방성(isotropy)을 증대시키기에 유리하며, 특정 적용을 위한 설계 및 제조를 용이하게 하는데 유리하다.
성형 및 드로잉(drawing)을 위해, 금속 시트들 및 금속 테이프들의 작업에 대해 일반적으로 공지된 성형 기술들이 적용될 수 있다. 관형 코팅 전도체들에 대한 제조 방법은 여기 참조로 포함되는 EP 1 916 720 A1으로부터 알려진다. 적합한 공정의 예는 롤링, 드로잉, 및 용접 등이다.
원칙적으로, 본 발명을 위한 파이프 또는 와이어를 준비하기 위해 종래에 공지된 통상적인 성형 툴(forming tool)이 사용될 수 있다. 전형적으로, 테이프 또는 와이어가 인출되는 개구를 구비한 드로잉 다이들, 또는 짝을 이루는 성형 롤러들 또는 짝을 이루는 성형 실린더들과 같은 압력 이송 매체(pressure transfer media)를 포함하는 성형 툴들이 사용된다. 이들에 의해 코팅 전도체 테이프는 실질적으로 둥근 단면의 코팅 전도체로 점차 변형된다. 잘 알려진 추가 성형 툴은 "터크 헤드(turk head)"로 불리운다. 통상적인 터크 헤드는 압력 이송 매체로서 서로 직각으로 대칭 배열된 네 개의 롤러들을 포함한다.
예를 들어, 본 발명에 따르면, 제2 기판으로 덮여진 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체는, 그 합성물을 그것의 길이 방향을 따라 스플릿 튜브(split tube)로 성형함으로써, 관 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 스플릿 튜브는 변형 성형된 길이 방향 스플릿을 따라 서로 인접된 길이 방향 에지(edge)들을 갖는다.
그리하여 통상의 와이어와 같이 추가적 공정이 진행될 수 있는 HTS 전도체 와이어가 얻어진다.
요구에 따라, 상기 스플릿은 예로써 용접에 의해 폐쇄될 수 있다.
제2 기판으로 덮여진 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체를 형성하는 것은 실질적으로 관형 또는 와이어 형상의 중심 코어를 중심으로 수행될 수 있다. 상기 중심 코어는 바람직하게는 강철 등과 같은 금속으로 제조될 수 있다.
획득된 중심 축을 갖는 튜브는, 상기 튜브가 상기 중심 코어 상에 가까이 인접할 때까지 인출될 수 있다.
초전도성 물질의 HTS 층의 상단에는 하나 이상의 추가 층(들)이 증착될 수 있으며, 이를테면 금속성 션트층(metallic shunt layer), 금속성 보호층(metallic protective layer) 및 절연층(insulator layer)이 증착될 수 있다.
상기 금속성 션트층 및 상기 금속성 보호층은 전기도금(electroplating)에 의해 증착될 수 있으며 Ag, Au, Cu 등으로 제조될 수 있다.
상기 절연층은 폴리에스테르(polyester), PEEK(polyetheretherketone) 등과 같은 공지된 절연체를 압출함으로써 형성될 수 있다.
본 발명은 특히 약 3.2 mm 이하 특히 약 1 mm까지 작아진 차수(order)의 크기를 갖는, 매우 작은 벤딩 직경을 가진 코팅 전도체들의 제조에 특히 유용하다.
Claims (11)
- 고온 초전도체 층이 내측 기판 층과 외측 기판 층 사이에 배치되는 둥근 단면을 갖는 코팅 전도체 제조 방법으로서,
제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체(1)의 고온 초전도체 층을 중립축 위치의 영역으로 가져가기 위해, 상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체의 최상 층에 제2 기판 층(2)을 제공하는 단계; 및
실질적으로 둥근 단면을 가진 코팅 전도체를 얻기 위해, 상기 제2 기판 층에 의해 덮힌 상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체를 종축 둘레로 벤딩하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체(1)는 테이프-형상 기판 층과 고온 초전도체 층을 포함하며, 선택적으로 상기 테이프-형상 기판 층과 상기 고온 초전도체 층 사이에 배치된 하나 이상의 버퍼 층을 포함하는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 기판 층(2)은 상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체(1)의 기판 층과 동일한 물질로 제조되며 상기 기판 층과 동일한 두께를 갖는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 기판 층(2)은 제2 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체에 해당하며,
상기 제2 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체는 고온 초전도체 층들이 서로 마주하도록 상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체(1) 상에 적용되는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고온 초전도체는 비스무스-기반, 탈륨-기반, 이트륨-기반 및 수은-기반의 세라믹 옥사이드 초전도체들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고온 초전도체는 일반식 ReBaCuOy를 가지는 세라믹 옥사이드 고온 초전도체이며, 여기서 Re는 Y, La, Lu, Sc, Ce, Nd 및 Yb로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 희토 원소이며 y는 산소 함량을 나타내는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고온 초전도체는 일반식 Y1Ba2Cu3Oy 또는 Y2BaCuOy을 가지며 y는 산소 함량을 나타내는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 사전-제조된 테이프-형상 코팅 전도체의 하나 이상의 테이프-형상 기판 층 및 하나 이상의 버퍼 층은 양면 텍스쳐를 갖는, 코팅 전도체의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 의해 얻어질 수 있는 둥근 단면을 갖는 코팅 전도체로서,
상기 코팅 전도체는, 제1 기판 층과 고온 초전도체 층을 포함하고 선택적으로 상기 제1 기판 층과 고온 초전도체 층 사이에 배치되는 하나 이상의 버퍼 층을 포함하는 제1 코팅 전도체(1), 및 제2 기판 층(2)으로 구성되며,
실질적으로 둥근 단면을 갖는 상기 코팅 전도체에서, 상기 고온 초전도체 층은 상기 제1 코팅 전도체(1)의 제1 기판 층과 상기 제2 기판 층(2) 사이에 배치되며, 상기 고온 초전도체 층은 상기 중립축 위치의 영역에 배치되는, 코팅 전도체. - 제8항에 있어서,
상기 제1 코팅 전도체(1)의 하나 이상의 제1 기판 층 및 하나 이상의 버퍼 층은 양면 텍스쳐를 갖는, 코팅 전도체. - 제8항에 있어서,
상기 제2 기판 층(2)의 두께는 상기 제1 코팅 전도체(1)의 제1 기판 층의 두께의 +/- 5 ㎛ 내에 있는, 코팅 전도체. - 제8항에 있어서,
상기 제2 기판 층(2)은 사전-제조된 코팅 전도체에 해당하는, 코팅 전도체.
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