KR101920955B1 - 절연처리된 고온 초전도선 및 이의 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두께의 적어도 10배인 폭을 갖는 비-절연처리된 고온 초전도선의 선(1)을 포함하는 절연처리된 고온 초전도선에 관한 것이며, 여기서, 고온 초전도체는 모형 내로 도입되거나 기판에 도포되고, 2개의 절연 층(2, 2')이 선(1, 1')에 비해 돌출되고 2mm 내지 200mm의 값을 갖는 절연 에지 폭을 갖도록 상기 선(1)의 양 측부 상에 전기 비-전도성 절연 층(2, 2')이 제공된다. 또한 본 발명은 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 바람직한 방법에 관한 것이다. 이러한 목적으로, 전기 비전도성 절연 층(2, 2')이 비-절연처리된 고온 초전도선으로 만들어진 선(1)의 양 측부 각각에 도포, 바람직하게는 라미네이트된다. 본 발명에 따라 절연처리되는 고온 초전도선은 절연파괴(3) 및 플래시오버(4)에 대해 적절하게 보호되고, 민감한 표면이 절연 층(2, 2')에 의해 밀봉되고 에지와 표면의 마모로부터 보호되며, 절연 층(2, 2')이 균질하게 도포되며, 힘이 선(1)의 에지가 아니라 전체 면적에 작용하게 함으로써, 축 방향으로의 임의의 힘을 더 잘 흡수하게 된다.

Description

절연처리된 고온 초전도선 및 이의 제작 방법{INSULATED HIGH-TEMPERATURE WIRE SUPERCONDUCTOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 절연처리된(insulated) 고온 초전도선(high temperature superconductor wire) 및 이를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
초전도체는 임계 온도 Tc 미만에서 측정 가능한 저항을 보이지 않는 물질이다. 또한 초전도체 물질은 임계 전류 Ic를 갖고, 이 임계 전류 초과에서 물질은 상전도성이고, 이 임계 전류 미만에서 물질은 초전도성이다. Ic는 온도와 외부 자기장에 따라 달라진다.
임계 온도 >20K를 갖는 물질이 고온 초전도체(HTS: high-temperature superconductor)라고 기재된다. 이들의 얇은 구조 때문에, 2세대 고온 초전도체(2G HTS)가 이러한 절연처리된용으로 특히 적합하다. 이들은 하스텔로이(Hastelloy) C276라고도 알려진 니켈 크롬 몰리브데넘 합금 또는 니켈 텅스텐 합금의 10-200 ㎛ 두께의 전기 전도성 기판에 도포되는 바람직하게는 이트륨 바륨 구리 옥사이드(YBCO: yttrium barium copper oxide)이며 두께 1-10㎛인 초전도성 층을 가진다. SuperPower Inc.라는 회사의 웹사이트 http://www.superpowerinc.com/content/2g-hts-wire에 2G HTS 선의 구성이 나타나 있다.
W. Schmidt 및 H.-P. Kramer에 의해 4th Braunschweig Superconductivity Seminar, 2009에서 제공되고 http://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/iot/8-supraleitende-strombegrenzer-aus-ybco-bandleitern-h-p-kraemer.pdf에서의 간행물의 12쪽에 나타난 것처럼, 저항성 전류 제한기(resistive current limiter)의 초전도체 부품에서, 일반적으로 2세대 고온 초전도선의 배열은 편평한 바이필러 팬케익형 나선이다.
이러한 바이필러 나선의 절연부를 설계할 때, 다음의 물리적 효과가 관측될 것이다:
- 전류가 나선의 꼬임을 통해 흐를 때, 발산 방향으로 대칭 효과(symmetrising effect)를 갖는 로렌츠 힘(Lorentz force)이 작용한다. 그러나 축 방향에서, 나선의 구성에서 피할 수 없는 최소한의 비대칭이 불안정화 효과(반대 축 방향으로 인접한 전도체에 작용하는 힘)를 가지며, 다음이 이에 해당한다: 비대칭이 심할수록 힘이 커진다.
- 교번 주파수(alternating frequency)가 사용될 때 전도체는 2배 주파수에서 진동한다. 즉, 적용된 공급 주파수가 50 Hz라면, 전도체에서 100Hz의 진동이 발생한다.
- 질소 조(nitrogen bath)에 퀀치(quench)될 때, 추가 가스 형성 및 압력 구축이 전도체에 작용한다. 액화 질소가 기화될 때, 약 700배 가스가 만들어진다, 즉, 절연재 아래로 침투한 액체가 퀀치 동안 상기 절연재를 부풀리고 손상을 입힐 수 있다.
바이필러 나선에서, 유용한 두께를 갖고 전압 값에 조절된 고전압 절연재가 요구된다. 고온 초전도체에 대한 공지된 절연 방법으로는 래핑(wrapping), 바니싱(varnishing), 및 공압출(co-extrusion)이 있으나, 이들 모두 2G HTS의 날카로운 에지에서 문제점을 가진다. 언급된 100Hz 진동 때문에, 날카로운 에지가 에지의 영역에서 얇은 절연 층에 손상을 입히는 마모의 위험을 야기한다.
선(wire)의 에지에서의 급격한 굴곡 때문에, 래핑은 매우 얇은 절연 층으로만 가능하다. 과다래핑(overlapping)이 피해질 수 없고, 이 결과로 불규칙한 두께의 전도체가 유지된다. 이는 예를 들어, American Superconductor라는 회사의 데이터시트 Amperium Wire Insulation (09/2010) 에서 나타나 있으며, 상기 데이터시트는 인터넷에서 이용 가능하다(http://www.amsc.com/products/htswire/InsulatedWire.html).
또한 바니싱을 이용한 절연재는 만들기 어려운데, 왜냐하면, 예를 들어 100㎛ 두께의 전도체의 경우 100㎛의 바니싱 층이 획득될 수 없기 때문이다.
고온 초전도체용 공압출이 WO 01/61712 A1 및 WO 03/073439 A1에 개시되어 있다.
따라서 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점과 한계를 극복하는 것이다.
특히, 2세대 고온 초전도선을 위한 절연부가, 요구되는 절연 강도(dielectric strength)를 갖는 단일의 적절하게 두껍고, 매끄러우며, 균질한 절연 층으로부터 만들어지며, 사용되기 앞서 품질 제어의 측면에서 외부 영향을 통한 열극(fissure), 공극(pore), 및 결함(defect)에 대해 이의 고전압 절연 강도가 시험될 수 있다. 이러한 절연부에 의해 고온 초전도선의 경계(에지)가 더 잘 보호되어야 하며, 특히, 언급된 축방향 로렌츠 힘에 직접 노출되어서는 안된다.
이 목적은 청구항 1의 특징에 의한 절연처리된 고온 초전도선, 및 청구항 7의 특징에 의한 상기 초전도체를 제작하기 위한 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 절연처리된 고온 초전도선은 비-절연처리된 고온 초전도선의 선을 갖고, 상기 선의 폭은 두께의 적어도 10배이고, 고온 초전도선이 모형(matrix) 내로 도입되거나 기판에 도포되며, 상기 기판의 양 측부 모두에 전기 비-전도성 절연 층, 바람직하게는, 폴리머 필름, 특히 바람직하게는 폴리이미드가 제공, 바람직하게는 라미네이트된다.
이하의 기재에서,
B는 절연처리된 고온 초전도선의 폭을 나타내고,
D는 절연처리된 고온 초전도선의 두께를 나타내며,
b는 비-절연처리된 고온 초전도선의 선(wire)의 폭을 나타내며,
d는 비-절연처리된 고온 초전도선의 선의 두께를 나타낸다.
돌출부의 접착부가 가스 형성에 의해 손상을 입거나 완전히 분리된 경우에 특히, 요구되는 고전압 절연 강도에서, 상기 선에 비해 돌출된 절연 에지 폭(B-b)이 크리피지 경로(creepage path)에 걸친 플래시오버(flashover)를 방지하기에 적절하도록 2개의 절연층이 비-절연처리된 고온 초전도선의 선에 도포된다.
특히 바람직한 구성에서, 요구되는 고전압 절연 강도에서,
- 2개의 인접한 선들 간의 2개의 절연층의 두께(D-d)는, 2개의 인접한 절연 층들을 통해 어떠한 절연파괴(breakdown)도 발생하지 않기에 적절하고,
- 절연층과 선 사이의 접착부는, 퀀치에 의한 절연부의 분리의 결과로서 상기 선과 상기 절연층 모두 열화(degrade)되지 않을 수 있도록, 선택되며,
- 돌출된 이중 절연 에지가 앞서 언급된 로렌츠 힘을 안전하게 제어하기 위한 위치에 있도록,
2개의 절연층이 비-절연처리된 고온 초전도선의 선에 도포된다.
특히 바람직한 구성에서, 2개의 절연층(2, 2')의 공통 두께(D-d)는 20㎛ 내지 2㎜의 값을 가진다고 추정된다.
선에 비해 돌출되며 2㎜ 내지 200㎜, 바람직하게는 2㎜ 내지 40㎜인 절연 에지 폭(B-b)은 선에 대해 대칭(즉, 폭이 양 측부 상에서 동일)이거나 비대칭(즉, 폭이 양 측부 상에서 상이)일 수 있다. 특히 바람직한 구성에서, 선에 비해 돌출된 절연 에지 폭은 선에 대해 대칭이고, 각각의 측부 상에서의 크기 (B-b)/2는 1㎜ 내지 100㎜, 바람직하게는 1 내지 20㎜이다.
또한 본 발명은 본 발명에 따르는 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 목적으로, 전기 비-전도성 절연층이 비-절연처리된 고온 초전도선의 선(wire)의 양 측부 각각에 도포되며, 상기 선의 폭은 두께의 적어도 10배이고, 여기서 고온 초전도체가 주형(matrix) 내로 도입되거나 기판으로 도포된다.
특히 바람직한 구성에서, 절연층이 선의 하나의 측부에 또는 선의 양 측부 각각에 라미네이트된다. 바람직한 구성에서, 상기 라미네이트는 100℃ 내지 250℃의 반응 온도를 갖는 고온 접착제 또는 가열성 밀봉 접착제를 이용해 수행되며, 상기 접착제는 선을 바라보는 적어도 하나의 절연층의 각각의 측부에 층으로서 도포된다.
특히, 본 발명은 다음의 이점 및 구체적 효과를 가진다.
- 본 발명에 따르는 고온 초전도선이 절연파괴(breakdown) 및 플래시오버(flashover)에 대해 적절하게 보호되고,
- 선의 민감한 표면 각각이 절연층으로 밀봉되고 에지 또는 표면의 마모에 대해 보호되며,
- 라미네이트 물질이 균질하게 도포되고 따라서 축방향의 어떠한 힘이라도 더 잘 흡수하고,
- 절연 래핑(wrapping)을 이용하는 것과 달리, 표면 당 단 하나의 단일 절연 층을 갖는 적절하게 우수한 절연을 달성할 수 있으며,
- 래핑을 이용하는 것과 달리, 전도체를 변형시킬 수 있는 어떠한 기계적 잔여 응력도 발생하지 않고,
- 라미네이트는 공압출보다 덜 복잡하고 얇고 날카로운 에지를 갖는 선에 더 쉽게 적용될 수 있다.
특정 적용예에서, 가령, 트윈 배열에서, 절연은 하나의 방향에서만 요구된다. 따라서 선의 각각의 측부에 도포되는 필름은 동일해야 할 필요가 없으며, 구체적으로 물질 또는 두께와 관련해 동일할 필요가 없다.
특정 구성에서, 절연층은 선에 접착되지 않는다. 이 경우, 두 필름들 중 단 하나의 필름에만 접착 층이 도포되는 것으로 충분하다.
본 발명에 따라, 실질적으로 더 큰 두께를 갖는 1세대 비-절연처리된 고온 초전도체의 선이 역시 사용될 수 있다. 이 구성에서, 절연층에 전도체를 위해 제공된 홈(groove)이 미리 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 하나의 실시예 및 도면를 참조하여 더 상세히 기재된다.
도 1은 절연처리된 고온 초전도선의 개략도이다.
도 2는 절연처리된 고온 초전도선의 단면도이다.
도 3은 적층된 2개의 절연처리된 고온 초전도선의 단면도를 도시하며, 고전압 절연파괴를 나타낸다.
도 4는 적층된 2개의 절연처리된 고온 초전도선의 단면도를 도시하며, 플래시오버 동안의 크리피지 경로를 나타낸다.
도 1은 고온 초전도선(high temperature superconductor wire)의 개략적 사면도이며, 여기서 절연층(2, 2')이 비-절연처리된 고온 초전도선의 선(wire)(1)의 양 측부 각각에 도포된다. 설명 목적으로, 절연층들 중 하나(2)는 일부분을 따라 선(1)로부터 분리된 것처럼 도시된다.
사용되는 선(1)의 두께는 50-150㎛였고, 니켈 크롬 몰리브데넘 하스텔로이(Hastelloy) C276의 전기 전도성 기판에 도포된 초전도성 이트륨 바륨 구리 옥사이드(YBCO)의 1-3㎛의 얇은 층을 가졌다. 폴리에스테르 수지 가열성 밀봉 접착제로 라미네이트(laminate)된 폴리머 폴리이미드가 절연 층(2, 2')으로서 사용되었다. 라미네이트를 위한 반응 온도로서 약 130℃의 값이 선택되었다.
도 2는 절연처리된 고온 초전도선의 단면도를 도시한다. 비-절연처리된 고온 초전도선의 선(1)이 필름 형태의 절연층(2, 2')을 갖는 두 측부 상에 각각 제공된다. 여기서 2개의 절연층 중 적어도 하나가 선(1)을 바라보는 측부 상의 접착제의 층으로 라미네이트된다는 점은 이 층의 최소 두께 때문에 도시되지 않는다.
도 3은 적층된 2개의 절연처리된 고온 초전도선의 단면을 도시한다. 고전압이 사용될 때 2개의 이웃하는 절연층(2', 2'')의 절연파괴(breakdown)가 방지되도록 2개의 절연층(2, 2')의 공통 두께(D-d)가 선택된다.
도 4는 적층된 2개의 절연처리된 고온 초전도선의 단면을 도시한다. 선(1)에 비해 돌출된 각각의 절연층(2, 2')의 대칭 에지 폭(B-b)/2은 양 측부 각각 상에서 4㎜이다. 이 값은, 특히 돌출 에지 폭의 접착제가 손상되거나 가스의 형성으로 인해 완전히 분해되는 경우라도, 2개의 인접한 선(1, 1') 간에 길이(B-b)를 갖는 크리피지 경로(creepage path)(4)의 형성으로 인한 플래시오버(flashover)가 방지되도록 선택된 것이다.

Claims (12)

  1. 두께의 적어도 10배인 폭을 갖는 비-절연처리된 고온 초전도선(wire)(1)을 포함하고, 고온 초전도체가 모형(matrix) 내로 도입되거나 기판에 도포된 절연처리된 고온 초전도선으로서, 2개의 전기 비-전도성 절연층(2, 2')이 선(1, 1')에 비해 돌출되고 2㎜ 내지 200㎜의 값인 절연 에지 폭을 갖도록, 상기 선(1)의 양 측부 모두에 전기 비-전도성 절연층(2, 2')이 제공되는, 절연처리된 고온 초전도선.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2')은 20㎛ 내지 2㎜의 공통 두께를 갖는, 절연처리된 고온 초전도선.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2') 중 적어도 하나가 상기 선(1)의 하나의 측부 상에 라미네이트되는, 절연처리된 고온 초전도선.
  4. 제3항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2') 중 적어도 하나가, 선(1)을 바라보는 측부 상의 접착 층에 의해 라미네이트되는, 절연처리된 고온 초전도선.
  5. 제1항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2') 중 적어도 하나는 적어도 하나의 폴리머로 구성되는, 절연처리된 고온 초전도선.
  6. 제5항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2') 중 적어도 하나는 폴리이미드로 구성되는, 절연처리된 고온 초전도선.
  7. 제1항에 따르는 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    2개의 전기 비-전도성 절연층(2, 2')이 선(1, 1')에 비해 돌출되며 2㎜ 내지 200㎜의 값인 절연 에지 폭을 갖도록, 비-절연처리된 고온 초전도선(1)의 양 측부 각각에 전기 비-전도성 절연층(2, 2')을 도포하는 단계 - 선(1)의 폭은 두께의 적어도 10배이고, 고온 초전도체가 모형(matrix) 내로 도입되거나 기판에 도포됨 - 를 포함하는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 절연층(2, 2')의 두께는 공통 두께가 20㎛ 내지 2㎜이도록 선택되는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.
  9. 제7항에 있어서, 2개의 절연층(2, 2') 중 적어도 하나가 선(1)의 하나의 측부로 라미네이트되는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 라미네이트는 100 ℃ 내지 250 ℃의 반응 온도에서 고온 접착제 또는 가열성 밀봉 접착제를 이용해 수행되며, 상기 라미네이트를 위해 적어도 하나의 절연층(2, 2')의, 선(1)을 바라보는 측부가 고온 접착제 또는 가열성 밀봉 접착제에 의해 라미네이트되는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.
  11. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 폴리머의 필름이 절연층(2, 2')으로서 사용되는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 폴리이미드의 필름이 절연층(2, 2')으로서 사용되는, 절연처리된 고온 초전도선을 제작하기 위한 방법.








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