KR102478700B1 - 임계전류밀도 특성이 향상된 In-situ 이붕화 마그네슘 초전도 선재의 제조방법 - Google Patents

임계전류밀도 특성이 향상된 In-situ 이붕화 마그네슘 초전도 선재의 제조방법 Download PDF

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박성건
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 입자크기가 상이한 Mg 미세분말을 최적화하여 혼합하는 방법으로 Mg-B 혼합분말을 제조하고 이를 이용하여 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하므로 상기 선재의 초전도 코어 내부에 기공이 최소화되어 임계전류밀도 특성이 향상된 효과가 있다. 또한 본 발명의 제조방법은 단심 In-situ MgB2 초전도 선재와 다심 In-situ MgB2 초전도 선재에 모두 적용하여 상용화가 가능한 장점이 있다.

Description

임계전류밀도 특성이 향상된 In-situ 이붕화 마그네슘 초전도 선재의 제조방법{Manufacturing Method of In-situ MgB2 Superconducting Wire Improved Critical Current Density}
본 발명은 임계전류밀도 특성이 향상된 In-situ 이붕화 마그네슘(MgB2)초전도 선재의 제조방법에 관한 것이다.
이붕화마그네슘(MgB2) 초전도 선재는 연성이 좋은 금속 튜브에 원료 분말을 장입하고 인발(drawing) 공정으로 선재를 제조하는 PIT(powder-in-tube) 공정으로 제조될 수 있다. 상기 PIT 공정은 금속 튜브에 장입되는 원료분말의 조건에 따라 Ex-situ 공정과 In-situ 공정으로 분류된다. Ex-situ 공정은 합성된 MgB2 분말을 초기 원료분말로 사용하는 반면 상기 In-situ 공정은 Mg 분말과 B 분말을 혼합하여 열처리하는 방법으로 MgB2 분말을 합성하는 차이점이 있다. 또한 Ex-situ 공정을 통해 제조한 MgB2 초전도 선재(Ex-situ MgB2 초전도 선재)는 길이 방향 특성이 균일한 장점이 있는 반면 결정립(grain) 간의 연결성(connectivity)이 작아 임계전류밀도(J c, critical current density) 특성이 낮은 단점이 있다. 이에 반하여 In-situ 공정을 통해 제조한 MgB2 초전도 선재(In-situ MgB2 초전도 선재)는 결정립 간의 연결성이 높아 임계전류밀도 특성이 높고, 전구체(precursor) 분말의 전처리 공정을 통해 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성이 큰 장점이 있다.
In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하기 위해서는 연성 금속 튜브에 Mg와 B의 혼합분말을 장입하여 인발한 후 650℃ 내외에서 반응 열처리하여 MgB2를 합성하여야 한다. 상기 열처리 과정에서 Mg 분말은 B 분말로 확산되어 MgB2가 합성되는데 이를 커켄달 효과(Kirkendall effect)라 한다. 상기 커켈달 효과에 의해 확산된 Mg가 확산되면 상기 Mg가 차지하였던 공간은 기공으로 남게 되는데 상기 기공들은 in-situ MgB2 초전도 선재의 전류 흐름을 방해하여 초전도 선재의 임계전류밀도 특성을 저하시키는 문제점이 있었다. 따라서 In-situ MgB2 초전도 선재는 상기 기공의 발생을 최소화하여 In-situ MgB2 초전도 선재 내부의 초전도 코어(MgB2) 밀도를 높이는 방법으로 초전도 선재의 임계전류밀도 특성을 향상시키는 제조방법이 필요하다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
한국등록특허 10-2002821
송규정, 고락길, 김호섭, 하홍수, 하동우, 오상수, 2010, 초전도와 저온공학 12권 1호 7-16. Seyed Amir Farzadfar, Martin J. Murtaghb, Navin Venugopal, 2020, Powder Technology, 375, 60-80.
본 발명의 목적은 기공의 발생을 최소화하여 In-situ MgB2 초전도 선재 내부의 초전도 코어(MgB2) 밀도를 높임으로 임계전류밀도 특성이 향상된 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말과 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말을 혼합하여 혼합 마그네슘 미세분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 혼합 마그네슘 미세분말과 보론(B) 분말을 혼합하여 마그네슘-보론(Mg-B) 혼합분말을 제조하는 제 2 단계; 상기 마그네슘-보론 혼합분말을 금속 튜브에 장입하고 인발하여 선재를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 선재를 열처리하여 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법을 제공한다.
상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 2 내지 4㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 7 내지 9㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 14 내지 18㎛에 해당하고, 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 6 내지 8㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 15 내지 18㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 20 내지 27㎛에 해당하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 혼합 마그네슘 미세분말은 상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말 70 내지 80wt% 및 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말 20 내지 30wt%가 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기의 제조방법으로 제조된 In-situ MgB2 초전도 선재는 MgB2 초전도 코어를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하며 MgB2 초전도 코어의 기공이 최소화되어 임계전류밀도 특성이 향상된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 입자크기가 상이한 Mg 미세분말을 최적화하여 혼합하는 방법으로 Mg-B 혼합분말을 제조하고 이를 이용하여 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하므로 상기 선재의 초전도 코어 내부에 기공이 최소화되어 임계전류밀도 특성이 향상된 효과가 있다. 또한 본 발명의 제조방법은 단심 In-situ MgB2 초전도 선재와 다심 In-situ MgB2 초전도 선재에 모두 적용되어 상용화가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법에 따른 원료분말의 패킹밀도 및 초전도 선재의 성능 향상 과정을 개략적으로 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용한 Mg 미세분말에 대한 입도분포를 분석한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/cm2)를 자기장의 세기(T)에 따라 분석한 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/cm2)를 자기장의 세기(T)에 따라 분석한 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/㎝2)를 7T 자기장에서 측정한 결과를 보여준다.
본 발명은 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말과 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말을 혼합하여 혼합 마그네슘 미세분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 혼합 마그네슘 미세분말과 보론(B) 분말을 혼합하여 마그네슘-보론(Mg-B) 혼합분말을 제조하는 제 2 단계; 상기 마그네슘-보론 혼합분말을 금속 튜브에 장입하고 인발하여 선재를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 선재를 열처리하여 MgB2 초전도 선재를 제조하는 제 4 단계;를 포함하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법은 원료분말인 마그네슘(Mg) 분말과 보론(B) 분말을 혼합한 후 직접 열처리하여 초전도 특성을 갖는 MgB2를 합성하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 상기 열처리 과정에서 Mg은 B로 확산하여 MgB2가 합성되는데 이때 Mg가 확산되어 사라지는 공간이 기공(pore)로 남게 되면 MgB2 초전도 코어의 밀도를 감소시켜 임계전류밀도 특성이 저하된다. 본 발명에서는 상기 열처리과정에서 발생하는 기공을 최소화하기 위하여 원료분말의 패킹 밀도(packing density)을 향상시켰으며 이를 위하여 원료 분말 특히 Mg 미세분말의 입도 특성 및 입도특성에 따른 혼합 마그네슘 미세분말의 배합비를 최적화 하였다.
종래의 연구결과에 따르면 단일 크기 구형 분말의 패킹 밀도는 최대 64-65%인 반면 다양한 크기의 입도가 분포한 분말은 작은 입도의 분말이 큰 입도의 분말 사이 공극에 위치하여 이를 메워주므로 패킹밀도가 최대 87%까지 상승하는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 발명의 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조에 사용하는 Mg 미세분말에 있어서 입도의 종류 및 배합비 조건이 패킹밀도에 어떠한 영향을 주는지 알려진바 없으며 나아가 상기 조건이 MgB2 합성시 열처리로 인한 Mg의 확산 및 이로 인한 기공의 생성정도에 대하여는 전혀 알려진바 없었다.
본 발명에서는 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말과 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말을 혼합하여 혼합 마그네슘 미세분말을 제조한다. 상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 2 내지 4㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 7 내지 9㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 14 내지 18㎛에 해당하고, 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 6 내지 8㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 15 내지 18㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 20 내지 27㎛에 해당하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 2.8㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 7.6㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 16.1㎛에 해당하고, 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 6.9㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 16.4㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 23.2㎛에 해당하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기의 조건으로 혼합 Mg 미세분말을 제조하고 이를 B 미세분말과 혼합하여 열처리한 결과 기공의 양이 현저히 줄어든 것이 확인되었으며 이로 인한 초전도체의 임계전류밀도 특성이 향상된 것이 확인되었다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기 혼합 마그네슘 미세분말은 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말 70 내지 80wt%와 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말 20 내지 30wt%를 혼합하여 제조하였는데 이 경우 기공의 형성정도가 가장 많이 줄어든 것이 확인되었다.
상기의 제조방법으로 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재는 MgB2 초전도 코어를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하며 MgB2 초전도 코어의 기공이 최소화되어 임계전류밀도 특성이 향상된 것을 특징으로 한다. 상기 MgB2 초전도 코어가 하나인 것은 단심 In-situ MgB2 초전도 선재를 의미하며 상기 MgB2 초전도 코어가 둘 이상인 것은 다심 In-situ MgB2 초전도 선재를 의미한다. 바람직하게는 상기 다심 In-situ MgB2 초전도 선재는 18개의 MgB2 초전도 코어를 포함하는 18심 In-situ MgB2 초전도 선재를 의미한다. 참고로 상기 18심 In-situ MgB2 초전도 선재는 현재 시판되는 다심 초전도체 선재와 동일한 스펙이므로 본 발명의 제조방법이 실제 다심 초전도체 선재 제품 생산에 적용되어 즉시 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
하기 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 실험재료
본 발명의 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하기 위하여 분무열분해 방법으로 제조한 평균입도가 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg, Magnesium) 미세분말(Small Mg 분말), 평균입도가 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말(Large Mg 분말) 및 평균입도 400㎚인 보론 미세분말(B, Boron)을 준비하였다.
2. 실험방법 및 결과
1) In-situ MgB 2 초전도 선재의 제조
상기 마그네슘 미세분말과 보론 미세분말을 혼합하여 Mg-B 혼합분말을 제조하고 상기 Mg-B 혼합분말을 이용하여 PIT(powder in tube) 공정으로 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하였다. 본 발명의 PIT 공정은 Mg-B 혼합분말을 튜브에 장입한 후 인발하여 선재를 제조하고 상기 선재에 대하여 열처리를 수행하는 in-situ 방식의 PIT 공정이다. 상기 열처리는 상기 제조한 선재를 650℃, 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 30분간 처리하는 것을 의미한다.
표 1은 본 발명의 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법을 보여준다.
In-situ용 Mg-B 혼합분말 초전도 코어 열처리 조건
Mg 미세분말 B 미세분말
실시예 1 Small Mg 분말 평균입도 400㎚ 다심(18심) 또는 단심 650℃ 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 30분간 열처리
실시예 2 Large Mg 분말 평균입도 400㎚ 다심(18심) 또는 단심 650℃ 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 30분간 열처리
실시예 3 Mixed Mg 분말 평균입도 400㎚ 다심(18심) 또는 단심 650℃ 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 30분간 열처리
상기 실시예 1은 평균입도 10㎛ 미만인 Mg(마그네슘) 미세분말(Small Mg 분말)과 평균입도 400㎚인 B(보론) 미세분말을 1:2의 몰 비(mole ratio)로 혼합하여 제조한 Mg-B 혼합분말을 PIT 공정으로 제조한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재이다.
상기 실시예 2는 평균입도 10㎛ 초과인 Mg 미세분말(Large Mg 분말)과 평균입도 400㎚인 B 미세분말을 1:2의 몰 비로 혼합하여 제조한 Mg-B 혼합분말을 PIT 공정으로 제조한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재이다.
상기 실시예 3은 평균입도 10㎛ 미만인 Mg 미세분말(Small Mg 분말)과 평균입도 10㎛ 초과인 Mg 미세분말(Large Mg 분말)을 1:1의 질량비로 혼합하여 혼합 Mg 미세분말(Mixed Mg 분말)을 제조한 후 상기 혼합 Mg 미세분말과 평균입도 400㎚인 B 미세분말을 1:2의 몰 비로 혼합하여 제조한 Mg-B 혼합분말을 PIT 공정으로 제조한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재이다.
2) Mg 미세분말에 대한 입도분석
도 2는 본 발명의 실시예에 사용한 Mg 미세분말에 대한 입도분포를 분석한 결과를 보여준다. 본 발명에는 Mg 미세분말에 대하여 3가지 종류를 사용하였다.
실시예 1에는 평균입도 10㎛ 미만인 Mg 미세분말(Small Mg 분말)을 사용하였으며; 실시예 2에는 평균입도 10㎛ 초과인 Mg 미세분말(Large Mg 분말)을 사용하였으며; 실시예 3에는 평균입도 10㎛ 미만인 Mg 미세분말(Small Mg 분말)과 평균입도 10㎛ 초과인 Mg 미세분말(Large Mg 분말)을 1:1로 혼합한 혼합 Mg 미세분말(Mixed Mg 분말)을 사용하였다. 상기 Mg 미세분말의 입도분석은 Malvern Mastersizer 3000을 사용하여 수행하였다.
표 2는 본 발명의 Mg 미세분말에 대한 입도분석 결과를 보여준다.
Mg 미세분말 Large Mg 분말 Mixed Mg 분말 Small Mg 분말
Particle size distribution D10 6.9㎛ 3.3㎛ 2.8㎛
D50 16.4㎛ 12.7㎛ 7.6㎛
D90 23.4㎛ 22.2㎛ 16.1㎛
분석결과 Large Mg 분말의 입도분포 중간값(D50)은 16.4㎛이었으며; Mixed Mg 분말의 입도분포 중간값(D50)은 12.7㎛이었으며; Small Mg 분말의 입도분포 중간값(D50)은 7.6㎛이었다. 특히 Mixed Mg 분말의 경우 Large Mg 분말의 최대 분포영역(D90)과 Small Mg 분말의 최소 분포영역(D10)을 포함하는 넓은 영역의 입도 분포를 갖는 것을 확인되었다. 넓은 입도 분포를 갖는 분말은 구조학적으로 패킹밀도 향상에 유리하다. 따라서 본 발명에서는 Mixed Mg 분말을 사용하여 선재를 제조하는 것이 패킹밀도 관점에서 효과적일 것으로 판단하였다.
3) In-situ MgB 2 초전도 선재의 미세조직 분석
상기 제조한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재 단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 분석하였다. 상기 주사전자현미경분석은 SEC SNE-4500M을 사용하여 수행하였다.
도 3은 본 발명의 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 패널 (a)는 본 발명의 Large Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여주며; 패널 (b)는 본 발명의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여주며; 패널 (c)는 본 발명의 Small Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 분석결과 Large Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 코어 단면은 다른 선재의 코어 단면에 대비하여 큰 기공(pore)들이 존재하는 것이 확인되었다.
본 발명의 PIT 공정으로 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 초전도체 코어에서 확인되는 기공은 합성 열처리 시 발생하는 커켄달 효과(Kirkendall effect)로 인하여 발생하는 것으로 판단된다. 상기 커켄달 효과는 MgB2 초전도 코어가 열처리를 통해 합성되는 과정에서 Mg 분말이 B 분말로 확산되면서 Mg 분말이 차지하던 공간이 기공(pore)으로 남게 되는 것을 설명한다. 상기 기공은 In-situ MgB2 초전도 선재 내부의 전류 흐름을 방해하여 전기적 특성을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 상기 기공을 최소화하여 MgB2 초전도 코어의 밀도를 증가시키므로 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도 특성을 향상시키는 것을 목적으로 하였다.
상기 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면을 SEM으로 분석결과와 Mg 분말들의 입도 분포 결과를 비교하여 보면 MgB2 코어 내의 기공 분포와 Mg 분말의 입도 분포가 서로 상관관계에 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 SEM 결과에 따르면 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재의 MgB2코어 내 기공은 다른 초전도 선재에 대비하여 그 수가 적을 뿐 아니라 그 크기 또한 작은 것으로 확인된다. 따라서 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재는 크기에 상관없이 동일한 크기의 Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재에 대비하여 치밀한 MgB2 초전도 코어를 가지는 것으로 확인된다. 정리하면 크기가 다른 입도를 가진 Mg 입자가 혼합되어 넓은 입도 분포를 갖는 Mg 분말을 원료분말로 사용하면 높은 밀도의 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.
4) In-situ MgB 2 초전도 선재의 임계전류밀도 분석
Mixed Mg 분말을 사용하여 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하되 가장 최적화된 Mixed Mg 분말의 조성을 확인하였다. 이를 위하여 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재에 대하여 임계전류밀도를 분석하였다. 또한 상기의 방법으로 단심 In-situ MgB2 초전도 선재와 다심(18심) In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하고 각각의 임계전류밀도를 분석하였다.
하기 표 3은 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 In-situ MgB2 초전도 선재와 상대적인 임계전류밀도를 분석한 결과를 보여준다.
Mixed Mg 분말(100wt%) In-situ MgB2 초전도 선재의 종류 정규화된 임계전류밀도값
(Normalized Jc)
Small Mg 분말 Large Mg 분말
실시예 4 0wt% 100wt% 단심(1심) 1
실시예 5 0wt% 100wt% 다심(18심) 1
실시예 6 25wt% 75wt% 단심(1심) 1.28
실시예 7 25wt% 75wt% 다심(18심) -
실시예 8 50wt% 50wt% 단심(1심) 1.8
실시예 9 50wt% 50wt% 다심(18심) 2.19
실시예 10 75wt% 25wt% 단심(1심) 2.12
실시예 11 75wt% 25wt% 다심(18심) 3.15
실시예 12 100wt% 0wt% 단심(1심) 1.84
실시예 13 100wt% 0wt% 다심(18심) 2.05
도 4는 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/cm2)를 자기장의 세기(T)에 따라 분석한 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/cm2)를 자기장의 세기(T)에 따라 분석한 결과를 보여준다.
분석 결과에 따르면 모든 종류의 자기장에서 Mixed Mg 분말, Small Mg 분말을 사용한 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도가 Large Mg 분말을 사용한 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도 보다 높은 것이 확인된다. 특히 Small Mg 분말 75 wt%와 Large Mg 분말 25 wt%로 구성된 Mixed Mg 분말을 사용한 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도가 가장 높은 것으로 확인된다. 또한 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 경우 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도 특성과 유사한 것으로 확인되어 다심 In-situ MgB2 초전도 선재로서 상용화가 가능할 것으로 판단되었다.
도 6은 본 발명의 다양한 종류의 Mixed Mg 분말을 사용하여 제조한 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(Critical Current Density, A/㎝2)를 7T 자기장에서 측정한 결과를 보여준다. 패널(a)는 Mixed Mg 분말의 Small Mg 분말 사용량에 따른 4.2K, 7T 자기장 기준 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(A/㎝2)를 분석한 결과를 보여주며; 패널(b)는 Mixed Mg 분말의 Small Mg 분말 사용량에 따른 4.2K, 7T 자기장 기준 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(A/㎝2)를 분석한 결과를 보여주며; 패널(c)는 Mixed Mg 분말의 Small Mg 분말 사용량에 따른 4.2K, 7T 자기장 기준 단심 및 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도(A/㎝2)를 정규화(Normalized)하여 비교한 결과를 보여준다. 정규화된 값은 Large Mg 분말을 사용한 선재의 임계전류밀도 값을 기준으로 하였다.
일반적으로 단심 In-situ MgB2 초전도 선재는 내부 구조가 단순하고, 초전도 filling factor가 높기 때문에 다심 In-situ MgB2 초전도 선재에 대비하여 높은 임계전류밀도값을 가진다. 그러나 흥미롭게도 정규화를 통해 Mg 분말의 사용 방법 최적화가 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도특성을 얼마나 향상시켰는지 분석하여 보면 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도특성 향상 정도가 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도특성 향상 정도보다 더 우수한 것으로 확인된다(도 6의 패널(b) 및 표 3 참조).
상기 결과는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조를 위한 PIT 공정에서 인발로 인한 직경의 변화정도를 통해 설명가능하다. 본 발명의 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 초전도 코어 직경은 60 ㎛ 정도로서 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 초전도 코어 직경(550㎛)의 약 1/10 수준에 해당한다. 본 발명의 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 인발 전 직경과 인발 후 직경의 변화율(단면 감소율, %)을 비교해 보면 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면 감소율은 99.98%인 반면 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면 감소율은 98.1%로 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 단면 감소율이 더 높은 것으로 확인된다.
상기 결과는 인발로 인한 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 압축률이 단심 In-situ MgB2 초전도 선재보다 높다는 것을 의미하며 상기 높은 압축률은 Mg 분말의 높은 혼합 밀도로 이어지게 되고 이는 열처리시 발생하는 기공의 감소의 감소로 나타나게 되는 것으로 판단된다. 상기 결과는 자기장 4.2 K, 7 T 기준으로 임계전류밀도 특성이 가장 낮은 Large Mg를 사용한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도와 임계전류밀도 특성이 가장 높은 Small Mg 분말 75 wt%와 Large Mg 분말 25 wt%가 혼합된 Mixed Mg 분말을 사용한 단심 또는 다심 In-situ MgB2 초전도 선재 임계전류밀도 결과를 비교한 결과 단심 In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도는 약 110% 향상한 반면 다심(18심) In-situ MgB2 초전도 선재의 임계전류밀도는 약 215% 향상한 결과에 의해 지지된다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (5)

  1. 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말과 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말을 혼합하여 혼합 마그네슘 미세분말을 제조하는 제 1 단계;
    상기 혼합 마그네슘 미세분말과 보론(B) 분말을 혼합하여 마그네슘-보론(Mg-B) 혼합분말을 제조하는 제 2 단계;
    상기 마그네슘-보론 혼합분말을 금속 튜브에 장입하고 인발하여 선재를 제조하는 제 3 단계; 및
    상기 선재를 열처리하여 In-situ MgB2 초전도 선재를 제조하는 제 4 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 2 내지 4㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 7 내지 9㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 14 내지 18㎛에 해당하고, 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘(Mg) 미세분말은 상기 마그네슘 미세분말 중 10% 누적 입도 분포값(D10)이 6 내지 8㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 50% 누적 입도 분포값(D50)이 15 내지 18㎛에 해당하며; 상기 마그네슘 미세분말 중 90% 누적 입도 분포값(D90)이 20 내지 27㎛에 해당하는 것을 특징으로 하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 마그네슘 미세분말은 상기 평균입도 10㎛ 미만인 마그네슘(Mg) 미세분말 70 내지 80wt% 및 상기 평균입도 10㎛ 초과인 마그네슘 미세분말 20 내지 30wt%가 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 In-situ MgB2 초전도 선재는 MgB2 초전도 코어를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 In-situ MgB2 초전도 선재는 MgB2 초전도 코어의 기공이 최소화되어 임계전류밀도 특성이 향상된 것을 특징으로 하는 In-situ MgB2 초전도 선재의 제조방법.
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