KR102473163B1 - 낮은 안정화 모재 비율을 갖는 저온 초전도 선재, 이를 포함하는 초전도 코일 - Google Patents

낮은 안정화 모재 비율을 갖는 저온 초전도 선재, 이를 포함하는 초전도 코일 Download PDF

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Abstract

낮은 안정화 모재의 비율을 갖는 저온 초전도 선재가 제공된다. 본 발명은 저온 초전도 필라멘트; 상기 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재; 및 상기 안정화 모재 외곽에서 상기 안정화 모재를 둘러싸는 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 피복을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재를 제공한다. 본 발명에 따르면, 퀀치 현상에 의한 발열에 대응하면서도 낮은 안정화 모재 비율을 달성하여 제조 비용을 절감하면서 높은 전류밀도를 달성할 수 있게 된다.

Description

낮은 안정화 모재 비율을 갖는 저온 초전도 선재, 이를 포함하는 초전도 코일{Low Tc Superconductive Wire With Low Stabilzer Ratio And Superconductive Coil Comprising The Same}
본 발명은 저온 초전도 선재에 관한 것으로 보다 상세하게는 낮은 안정화 모재의 비율을 갖는 저온 초전도 선재에 관한 것이다.
액체 헬륨 온도에서 동작하는 저온 초전도 선재는 금속 합금 재질의 필라멘트형 선을 초전도선으로 사용한다. 저온 초전도 선재는 고자기장을 발생하고 초전도 접합이 용이하여 MRI나 NMR, 핵융합 장치, 대형 가속기 등에 널리 사용되고 있다. 이와 같은 종래의 필라멘트 형태의 초전도선이 안정화 모재에 의해 피복된 구조를 갖는다.
도 1은 종래의 저온 초전도 선재로 제조되는 코일의 단면 구조를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 코일을 형성하는 저온 초전도 선재(10)는 필라멘트형의 초전도선(11)과 상기 초전도 선을 둘러싸는 안정화 모재(12)로 구성된다. 상기 저온 초전도 선재의 외곽에는 바니쉬 코팅 또는 캡톤 테이프 등에 의한 절연 피복(13)이 형성되어 있다.
이와 같은 종래의 저온 초전도 선재는 퀀치로부터 선재를 보호하기 위하여 금속 안정화 모재가 매우 높은 비율을 갖는다. 예를 들어, MRI용 마그네트에 사용되는 저온 초전도 선재는 안정화 모재인 구리와 초전도선의 비율이 체적비로 7:1 이상인 것이 사용되고 있다.
그러나, 높은 안정화 모재 비율은 초전도 선재의 전류 밀도(Je)룰 낮추고 저온 초전도선의 제조 단가를 높이게 된다는 문제점을 갖는다.
(1) A. L. Pergament, 'Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides' International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 낮은 안정화 모재 비율을 달성할 수 있는 초전도 선재 구조를 제시하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 높은 전류 밀도를 갖는 저온 초전도 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 또한, 본 발명은 초전도 마그넷의 운전시 발생하는 퀀치 현상으로부터 자기 보호 기능을 갖는 저온 초전도 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 저온 초전도 선재를 포함하는 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 저온 초전도 필라멘트; 상기 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재; 및 상기 안정화 모재 외곽에서 상기 안정화 모재를 둘러싸는 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 피복을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재를 제공한다.
본 발명에서 상기 금속-절연체 전이 물질은 상온 이하의 전이온도를 갖는 것일 수 있다. 상기 금속-절연체 전이 물질은 바나듐 산화물을 포함할 수 있고, 예컨대 VO를 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속-절연체 전이 물질은 VnO2n - 1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속-절연체 전이 물질은 Fe3O4, RNiO3(R=La, Sm, Nd 또는 Pr), La1 -xSrxNiO4(여기서 x<1), NiS1 -xSex(여기서 x<1) 및 BaVS3로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 저온 초전도 필라멘트는 NbTi, NbZr, Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ge 및 Nb3Al로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다.
또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 저온 초전도 필라멘트와 상기 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재를 포함하는 저온 초전도 선재가 권선된 초전도 코일에 있어서, 인접하는 저온 초전도 선재의 사이에 금속-절연체 전이 물질(MIT)이 개재된 것을 특징으로 하는 저온 초전도 코일을 제공한다. 이 때, 금속-절연체 전이 물질층은 안정화 모재와 접촉하는 구조를 가질 수 있다. .
본 발명에 따르면, 퀀치현상에 의한 발열에 대응하면서도 낮은 안정화 모재 비율을 달성할 수 있는 초전도 선재 구조를 제공할 수 있게 된다. 이에 따라, 제조 비용이 절감되고 높은 전류밀도를 달성할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 저온 초전도 코일을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 초전도 코일의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
본 발명의 명세서에서 저온 초전도 선재는 임계온도가 액체질소 온도보다 높은 고온 초전도 선재와 비교하여 초전도 물질의 임계온도가 이보다 낮은 초전도 선재를 말한다. 저온 초전도 선재를 구분하는 절대적인 임계온도가 존재하지는 않지만, 대략 액체 질소 온도인 77K를 기준으로 그보다 낮은 임계온도를 갖는 선재는 저온 초전도 선재이다. 초전도 선재는 액체헬륨으로 냉각하여 사용하고 있다. 또한, 저온 초전도 코일은 MRI, NMR, 핵융합 장치, 대형 가속기 등 초전도 마그넷에 적용 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초전도 선재는 저온 초전도 필라멘트(110) 및 상기 초전도 필라멘트(110)을 둘러싸는 안정화 모재(120)를 포함하여 구성된다. 상기 안정화 모재(120) 외곽에는 MIT(Metal-Insulation Transition)층이 형성되어 있다.
본 발명에서 상기 저온 초전도 필라멘트(110)는 NbTi, NbZr, Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ge 및 Nb3Al로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 초전도 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 본 발명에서 필라멘트(110)는 단면 형상을 불문하고 길이 방향으로 연장되는 임의의 형상의 것을 포함한다. 도시된 바와 같이, 본 발명에서 상기 필라멘트(110)은 단면이 원형인 와이어 형태일 수 있고, 이와 달리 상기 필라멘트(110)는 내부 구조물을 갖는 중공형의 파이프 형태일 수 있다. 또한 상기 필라멘트는 내부 또는 외부에 추가적인 금속층 또는 초전도 물질층을 함유하는 것일 수도 있다.
본 발명에서 상기 안정화 모재로는 구리, 알루미늄, 은 등의 도전성 금속이 사용될 수 있다.
한편, 상기 MIT는 소정 온도(전이온도; Transition Temperature) 미만에서는 낮은 전기 전도도를 가져 절연체로 거동하지만 전이 온도 이상에서 전기 전도도(electrical conductivity)의 급격한 증가를 나타내는 물질을 말한다.
본 발명의 명세서에서도 MIT는 그 용어의 통상적인 용법과 실질적으로 동일한 의미로 사용된다. 다만, 본 발명에서 적합한 MIT는 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 가지고 전이온도를 포함하는 구간 전후의 전기 전도도 비율이 바람직하게는 103 이상 더욱 바람직하게는 105 이상인 것이 좋다.
본 발명에서 상기 MIT는 선재에 사용되는 초전도 물질의 임계온도 이상인 전이 온도를 가진다. 바람직하게는 MIT의 전이 온도는 초전도 물질의 임계온도 + 150 K 미만, 더 바람직하게는 임계온도 + 100 K 미만인 것이 좋다. 또, 퀀치 발생시 코일의 번 아웃을 유발할 정도의 높은 열이 발생하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용 가능한 MIT의 전이 온도는 상온 부근이어도 무방하다. 물론, 상기 MIT의 전이온도는 초전도 물질의 임계온도 이상일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 적합한 예시적인 MIT 물질로는 바나듐 산화물(Vanadium Oxide)을 들 수 있다. 상기 바나듐 산화물 중 V2O5 상의 경우 전형적인 절연체로 구분되지만, VO, VO2, VnO2n -1(여기서 n=2~9) 조성의 바나듐 산화물은 전이 온도를 가지며 전기적으로 금속-절연체 전이 특성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, MIT는 승온 및 감온 과정의 전기 전도도의 변화는 히스테리시스 루프와 같은 상이한 경로로 진행된다. VO의 경우 승온시 전이 온도인 123K(-150℃) 부근에서 전기 전도도가 103배 수준 이상으로 급격하게 증가하며, V2O3는 163K(-110℃) 부근에서 103배 수준 이상의 전기 전도도의 급격한 증가를 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
VnO2n -1 (n=2~9)로 표현되는 바나듐 산화물의 전이 온도 값은 적절한 모델로 계산될 수 있다. 도 4는 그 일례로서 A. L. Pergament의 "Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides", International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages)에서 제시된 전이온도(Tt) 값을 나타낸 것이다.
한편, 본 발명에서 MIT(Metal-Insulator Transition; MIT) 물질로는 아래에 예시하는 바와 같이 다양한 물질이 사용될 수 있다.
물질 전이온도 저항비
Fe3O4 120K 100~1000
RNiO3(R=La, Sm, Nd, Pr) 130~240K 100~1000
La1-xSrxNiO4 40~240K 100~10000
NiS1 - xSex 80~260K 10~100
BaVS3 74K 10000~100000
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 초전도 코일(200)은 복수의 초전도 선재(100)의 권선 구조를 갖는다. 본 발명에서 초전도 코일의 권선 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 초전도 코일은 솔레노이드 방식의 권선 구조를 가질 수 있다.
도시된 도면에서 각각의 초전도 선재(100)는 각각 저온 초전도 필라멘트(110), 안정화 모재(120) 및 MIT층(130)을 포함하고 있다.
초전도 코일 내에서 각 초전도 선재(100)는 상방 또는 측방으로 최소한 하나의 다른 초전도 선재와 접촉하고 있고, 결과적으로 초전도 선재(100)는 MIT층(130)을 개재하여 다른 초전도 선재(100)와 인접하게 된다. 이와 같은 구조에서 상기 초전도 선재(100)에 퀀치가 발생하고 이로 인한 발열로 해당 초전도 선재의 온도가 상승하면 상기 MIT층(130)의 전이 온도 이상이 되면 MIT층(130)은 도전 경로로 작용한다. 이에 따라, 퀀치가 발생한 초전도 선재(100)의 전류는 인접하는 초전도 선재(100)로 바이패스 될 수 있다.
이와 같은 코일 구조에서 각 초전도 선재는 동작 상태에 따라 특정 온도 조건을 만족하면 초전도 선재가 절연 물질 내에서 전기적으로 고립된 상태를 벗어날 수 있다는 잇점을 제공한다. 즉, 본 발명의 코일 구조에서 초전도 선재는 인접 초전도 선재의 안정화 모재를 자신의 바이패스 경로로 사용할 수 있다. 이에 따라, 개별 선재를 구성하는 안정화 모재의 비율은 대폭 낮아질 수 있게 된다.
본 발명에서 상기 MIT층(218)은 적절한 도포 기법에 의하여 코팅될 수 있다. 일례로, 상기 MIT층(218)은 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 이와 달리, 페이스트 형태의 용액으로부터 요구되는 MIT층(218)을 형성하는 습식법이 사용될 수 있음은 물론이다. 이를 위하여 고분자 물질을 MIT 물질의 바인더로 사용될 수도 있으며, 또, 이 때 고분자 바인더는 전도성 고분자를 포함할 수도 있다.
또, 이와 달리 별도로 제조된 스트립 형태의 MIT층을 용접(welding) 또는 접합(joining)하는 방법에 의해 상기 MIT층이 형성될 수도 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 코일의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 저온 초전도 필라멘트(110) 및 상기 초전도 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재(120)으로 구성되는 저온 초전도 선재(100)가 MIT층(330) 기지상 내에서 권선되어 있다. 이 경우에도 초전도 선재(100)는 MIT층(330)을 개재하여 상호간에 접촉한다. 본 실시예에서 MIT층(330)은 개별 선재의 피복 형태로 제공되지 않는 점에서 도 5와는 차이가 있다.
본 실시예에서 MIT층(330)은 다양한 방식에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 초전도 필라멘트(110) 및 안정화 모재(120)로 구성되는 초전도 선재에 MIT 용액을 함침하거나 초전도 선재가 권선된 코일을 MIT 용액에 함침한 후 성형 및 건조함으로써 제조될 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 초전도 선재
110 초전도 필라멘트
120 안정화 모재
130, 330 MIT층

Claims (9)

  1. 저온 초전도 필라멘트;
    상기 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재; 및
    상기 안정화 모재 외곽에서 상기 안정화 모재를 둘러싸는 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 피복을 포함하고,
    상기 MIT 재료는 상온 이하의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질은 바나듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질은 VO를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질은 VnO2n - 1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질은 Fe3O4, RNiO3(R=La, Sm, Nd 또는 Pr), La1 -xSrxNiO4(여기서 x<1), NiS1 -xSex(여기서 x<1) 및 BaVS3로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저온 초전도 필라멘트는 NbTi, NbZr, Nb3Sn, V3Ga, Nb3Ge 및 Nb3Al로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 초전도 선재.
  8. 저온 초전도 필라멘트와 상기 필라멘트를 둘러싸는 안정화 모재를 포함하는 저온 초전도 선재가 권선된 초전도 코일에 있어서,
    인접하는 저온 초전도 선재의 사이에 금속-절연체 전이 물질(MIT)이 개재되고,
    상기 MIT 재료는 상온 이하의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 저온 초전도 코일.
  9. 제8항에 있어서,
    금속-절연체 전이 물질은 안정화 모재와 접하는 것을 특징으로 하는 저온 초전도 코일.


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