KR102582231B1 - 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법 - Google Patents

필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도층의 단면적을 줄이고 필라멘트 꼬임을 형성함으로써 교류 손실을 감소시킬 수 있는 고온초전도선재와, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 금속기판, 완충층 및 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트가 형성된 초전도층으로 이루어진 한 쌍의 고온초전도선재; 한 쌍의 고온초전도선재 사이에 중앙 길이방향을 따라 형성되는 안정화층; 안정화층의 양측에 형성되는 프리커서;를 포함하는 것으로, 안정화층을 중심으로 초전도층이 상호 마주보도록 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 필라멘트가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)한 후, 열처리를 통하여 초전도층이 프리커서에 의해 접합되어 필라멘트가 안정화층을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법{Filament twisted high temperature superconducting wire and method of manufacturing the same}
본 발명은 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도층의 단면적을 줄이고 필라멘트 꼬임을 형성함으로써 교류 손실을 감소시킬 수 있는 고온초전도선재와, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하는 것으로, 액체 헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS)라고 하고, 액체 헬륨보다 고온의 액체 질소 온도인 77K에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)라 일컫는다.
그중 고온초전도선재는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 마그넷, 초전도 케이블, 초전도 모터 및 초전도 발전기 등과 같은 전력용 기기에 적용될 수 있으며, 특히 고온초전도 2세대선재는 고온초전도 1세대선재보다 원가 절감 폭이 커 더 경제적인 고온초전도선재의 구축이 가능할 것으로 전망되고 있다.
이러한 고온초전도선재는 직류 또는 교류전원을 사용할 수 있는데, 고온초전도선재는 얇은 판상 구조로 이루어져 있어 교류를 사용할 때 전류의 방향이 계속적으로 바뀌면서 교류 손실이 발생하기 때문에 전력 손실이 초래된다.
상술된 이유로 '저교류 손실 산화물 초전도 도체 및 그 제조방법(공개번호: 10-2007-0053120)'에서는 기재 위에 산화물 초전도층이 설치된 산화물 초전도 도체에 있어서, 산화물 초전도층이 기재의 길이방향을 따라 기재의 폭 방향으로 다수 개 형성된 세선화 홈에 의해 복수의 필라멘트 도체로 분리되고, 세선화 홈에 부착된 고저항 산화물에 의해 세선화 홈을 사이에 두고 인접하는 필라멘트 도체끼리 전기적으로 분리되게 함으로써 교류 손실 감소를 달성해보고자 하였다.
그러나 산화물 초전도층에 레이저 스크라이빙에 의해 세선화 홈을 형성한 후 세선화 홈에 단지 고저항 산화물을 부착하는 구조만으로는, 산화물 초전도층, 안정화층 및 중간층 간에 분리되는 문제점이 있다. 그리고 레이저 스크라이빙에 의해 산화물 초전도층의 폭을 좁게 필라멘트화하더라도 교류 손실 감소 효과가 여전히 미미하다는 문제점이 있다. 또한 교류 손실을 줄이기 위해 필라멘트를 꼴 수 있는 기술이 교류 손실 감소에 훨씬 효과적이긴 하지만 강한 압력으로 필라멘트를 꼬게 되면 오히려 산화물 초전도층의 손실로 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 고온초전도선재의 교류 손실을 효율적으로 감소시킬 수 있도록 하는 새로운 기술개발이 절실히 요구되고 있는 시점이다.
국내 공개특허공보 제10-2007-0053120호, 2007.05.23.자 공개.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 초전도층의 단면적을 줄이고 필라멘트 꼬임을 형성함으로써 교류 손실을 감소시킬 수 있는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속기판, 완충층 및 초전도층이 차례대로 적층된 한 쌍의 고온초전도선재를 준비하는 제1단계; 상기 초전도층의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트를 형성하는 제2단계; 상기 한 쌍의 고온초전도선재 중 어느 하나 이상의 상기 초전도층 표면에 중앙 길이방향을 따라 안정화층을 적층하는 제3단계; 상기 안정화층의 양측에 프리커서를 형성하는 제4단계; 상기 안정화층을 중심으로 상기 초전도층이 상호 마주보도록 상기 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 상기 필라멘트가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)하는 제5단계; 및 열처리를 통하여 상기 초전도층이 상기 프리커서에 의해 접합되어 상기 필라멘트가 상기 안정화층을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
바람직하게는 상기 제5단계에서는, 상기 한 쌍의 고온초전도선재 양측면에서 상기 n개의 필라멘트가 만나는 각도로 사선이 형성되도록 스태킹(stacking)하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 제6단계에서는, 열처리를 통하여 상기 프리커서가 수직방향으로 분리된 초전도접합부로 형성됨으로써, 상기 필라멘트가 상기 초전도접합부에 접합되어 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속기판, 완충층 및 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트가 형성된 초전도층으로 이루어진 한 쌍의 고온초전도선재; 한 쌍의 고온초전도선재 사이에 중앙 길이방향을 따라 형성되는 안정화층; 및 상기 안정화층의 양측에 형성되는 프리커서;를 포함하는 것으로, 상기 안정화층을 중심으로 상기 초전도층이 상호 마주보도록 상기 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 상기 필라멘트가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)한 후, 열처리를 통하여 상기 초전도층이 상기 프리커서에 의해 접합되어 상기 필라멘트가 상기 안정화층을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재를 기술적 요지로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재 및 이의 제조방법은, 금속기판, 완충층 및 사선방향을 따라 필라멘트가 형성된 초전도층이 차례대로 적층된 한 쌍의 고온초전도선재가 안정화층 양측의 프리커서에 의해 접합되어 필라멘트가 안정화층을 감싸도록 나선형 필라멘트 구조체로 형성됨으로써, 초전도층의 단면적을 줄이고 꼬인 형상으로 만들어 교류 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 한 쌍의 고온초전도선재를 하나의 고온초전도선재로 만들어주기 때문에 통전용량이 늘어나는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1단계의 예시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2단계의 예시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제3단계의 예시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제4단계의 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제5단계의 과정도.
도 6은 도 5의 평면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1과정도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2과정도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온초전도선재.
도 10은 도 9의 평면도.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필라멘트 구조체의 대표 1가닥의 꼬임 형상도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선 기존의 고온초전도선재는 얇은 판상 구조로 이루어져 있어 교류를 사용할 때 전류의 방향이 계속적으로 바뀌면서 교류 손실(AC loss)이 발생함으로 인해 전력 전력 손실이 초래되곤 하였다. 이러한 교류 손실을 줄이기 위해서는 고온초전도선재를 꼬으는 방법이 있으나, 고온초전도선재 자체는 너무 얇아 꼬기에 어려움이 있어왔다.
상술된 어려움을 해결해 보기 위해 본 발명에서는 금속기판(110, 210), 완충층(120, 220) 및 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈(132, 232)에 의해 n개의 필라멘트(131, 231)가 형성된 초전도층(130, 230)으로 이루어진 한 쌍의 고온초전도선재와, 한 쌍의 고온초전도선재 사이에 중앙 길이방향을 따라 형성되는 안정화층(140)과, 안정화층(140)의 양측에 형성되는 프리커서(150)를 포함하는 것으로, 안정화층(140)을 중심으로 초전도층(130, 230)이 상호 마주보도록 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 필라멘트(131, 231)가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)한 후, 열처리를 통하여 초전도층(130, 230)이 프리커서(150)에 의해 접합되어 필라멘트(131, 231)가 안정화층(140)을 감싸도록 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체(300)로 형성되도록 한 고온초전도선재를 제시하고자 하는 것이다.
이와 같이 내부에 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체(300)가 형성된 고온초전도선재는 제1단계(S10), 제2단계(S20), 제3단계(S30), 제4단계(S40), 제5단계(S50) 및 제6단계(S60)를 통하여 제조될 수 있으며, 각각의 단계에 대한 특징은 다음과 같다.
먼저, 제1단계는 금속기판(110, 210), 완충층(120, 220) 및 초전도층(130, 230)이 차례대로 적층된 한 쌍의 고온초전도선재를 준비하는 단계이다(S10).
우선 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1단계의 예시도를 나타낸 것으로, 도 1-(a)는 제1고온초전도선재(100)를 나타낸 것이고, 도 1-(b)는 제2고온초전도선재(200)를 나타낸 것이다. 이러한 도 1은 km 단위 등으로 이루어진 긴 길이를 가진 고온초전도선재의 일부분만을 분리하여 나타낸 것으로, 금속기판(110, 210)의 상면에 완충층(120, 220)과 초전도층(130, 230)이 순차적으로 적층된 제1고온초전도선재(100) 및 제2고온초전도선재(200)로 이루어진 한 쌍의 고온초전도선재를 도시한 것임을 알 수 있다. 도 1에 따른 금속기판(110, 210), 완충층(120, 220) 및 초전도층(130, 230)의 특징은 다음과 같이 서술될 수 있다.
첫째, 금속기판(110, 210)은 고온초전도선재에 유연성 및 강도를 부여하기 위한 구성이다.
금속기판(110, 210)의 경우 추후 열처리시 높온 온도에 의해 산화되면 안되기 때문에 니켈(Ni)합금인 하스텔로이(hastelloy) 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 달리, 철(Fe)과 같은 일반 금속은 산화가 일어나므로 금속기판(110, 210)의 적용에 바람직하지 않다.
둘째, 완충층(120, 220)은 금속기판(110, 210)과 초전도층(130, 230) 사이에 형성되어 외부의 다양한 자극을 완충시키는 구성이다.
즉 완충층(120, 220)은 Al2O3, Y2O3, MgO 및 LMO 등의 재료로 단일층 또는 다수층으로 금속기판(110, 210) 상면에 200nm의 두께 범위 내외로 에피택셜하게 적층될 수 있다. 이러한 완충층(120, 220)은 초전도층(130, 230)이 고온에서 형성될 때 금속기판(110, 210)의 불순물 원소와 같은 금속물질이 초전도층(130, 230)으로 확산되지 못하도록 하여 초전도층(130, 230)이 오염되는 현상을 방지함과 함께, 초전도층(130, 230)의 결정배향성이 향상되도록 도와주어 고온초전도특성이 향상되도록 하는 작용을 한다.
셋째, 초전도층(130, 230)은 완충층(120, 220)의 상면에 형성되는 것으로, 완충층(120, 220)에 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 형성되는 구성이다.
초전도층(130, 230)은 고온초전도특성을 가지는 희토류계 원소로 이루어질 수 있는데, 희토류원소는 이트륨(Y) 및 란탄족 원소 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 희토류원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O)계를 사용할 수 있으며, RE-Ba-Cu-O계의 예로는 사마륨-바륨-구리-산소(SmBCO), 가돌리늄-바륨-구리-산소(GdBCO), 홀뮴-바륨-구리-산소(HoBCO), 유러퓸-바륨-구리-산소(EuBCO), 디프로슘-바륨-구리-산소(DyBCO) 및 이트륨-바륨-구리-산소(YBCO) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
다음으로, 제2단계는 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈(132, 232)에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트(131, 231)를 형성하는 단계이다(S20).
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2단계의 예시도로써, 도 2-(a)는 제1고온초전도선재(100)의 초전도층(130) 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 세선홈(132)이 함몰 형성된 모습을 나타낸 것이고, 도 2-(b)는 제2고온초전도선재(200)의 초전도층(230) 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 세선홈(232)이 함몰 형성된 모습을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 것처럼, 세선홈(132, 232)이 초전도층(130, 230)에서 일정 폭을 갖도록 사선방향을 따라 함몰 형성되면 세선홈(132, 232)에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트(131, 231)가 초전도층(130, 230)에 이격된 상태로 반복적으로 형성됨으로써, 추후 제1고온초전도선재(100)의 필라멘트(131)와 제2고온초전도선재(200)의 필라멘트(231)가 프리커서(150)에 의해 접합되면서 연결되어 안정화층(140)을 감싸는 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체(300)를 만들게 된다. 단, 도 2에서는 4가닥의 필라멘트(131, 231)가 3개의 세선홈(132, 232)에 의해 이격된 상태로 반복 형성됨을 도시한 것이나, 반드시 이에 한정되지는 않고 여러 가닥의 필라멘트(131, 231) 형성이 가능하다. 예를 들어, 1개의 세선홈(132, 232)에 의해 분리된 2가닥의 필라멘트(131, 231)가 반복적으로 연속해서 형성될 수도 있고, 5개의 세선홈(132, 232)에 의해 분리된 6가닥의 필라멘트(131, 231)가 반복적으로 연속해서 형성될 수도 있다.
기존에는 고온초전도선재의 교류 손실을 줄이기 위해 고온초전도선재의 횡단면 기준으로 길이방향을 따라 홈을 함몰 형성시킨바 있으나 오히려 기계적 특성이 저하되었으므로, 본 발명에서는 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈(132, 232)에 의해 n개의 필라멘트(131, 231)를 형성시킴으로써 해소해보고자 한 것이다.
말하자면, 금속기판(110, 210)의 상부에는 완충층(120, 220)을 매개로 세라믹 소재인 얇은 초전도층(130, 230)만이 형성되므로, 꼬임을 형성시키기 쉽지 않다. 이런 이유로 레이저를 이용하여 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 길이방향이 아닌, 사선방향을 따라 1개 이상의 세선홈(132, 232)을 형성하여 세라믹 소재로 이루어진 초전도층(130, 230) 자체에 형성된 필라멘트(131, 231)를 다수 가닥의 꼬인 형상으로 만들 수 있게 된다.
이렇게 레이저 식각을 통해 초전도층(130, 230)의 사선방향을 따라 세선홈(132, 232)을 함몰 형성하면 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200)가 안정화층(140)을 중심으로 서로 마주보도록 초전도접합될 때 제1고온초전도선재(100)의 필라멘트(131)와 제2고온초전도선재(200)의 필라멘트(231)가 열처리로 인해 프리커서(150)가 초전도접합부(151)를 형성함에 의해 연결 접합되어 고온초전도선재 내부에 꼬인 경로가 형성되는 것이다.
만약 초전도층(130, 230)에 사선방향이 아닌, 길이방향을 따라 세선홈을 함몰 형성하면 초전도층(130, 230)에 형성되는 필라멘트(131, 231) 역시 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 길이방향을 따라 세선홈(132, 232)에 의해 분리된 상태로 형성되기 때문에, 이렇게 형성되는 필라멘트(131, 231)는 고온초전도선재의 내부에 꼬인 형상을 만들 수 없다.
따라서 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 1개 이상의 세선홈(132, 232)을 함몰 형성시킴으로써 세라믹 소재로 이루어진 초전도층(130, 230)의 단면적 폭을 줄여 다수 가닥의 필라멘트(131, 231)가 자체적으로 꼬인 형상이 되도록 만들 수 있게 된다.
다음으로, 제3단계는 한 쌍의 고온초전도선재 중 어느 하나 이상의 초전도층(130, 230) 표면에 중앙 길이방향을 따라 안정화층(140, 240)을 적층하는 단계이다(S30).
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제3단계의 예시도이다. 도 3을 참조하면, 제2단계에서 초전도층(130, 230)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 세선홈(132, 232)이 함몰 형성된 한 쌍의 고온초전도선재 중 제1고온초전도선재(100)에 안정화층(140)이 적층된 모습을 나타낸 것임을 알 수 있다.
단, 도 3에서는 제1고온초전도선재(100)에만 안정화층(140)을 코팅한 모습을 예시적으로 나타낸 것으로, 경우에 따라 제1고온초전도선재(100)와 함께 제2고온초전도선재(200)에도 안정화층(240)을 코팅할 수도 있다.
안정화층(140)은 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 귀금속소재로 이루어질 수 있다. 우선 은의 경우 전기저항이 가장 낮은 금속으로써, 안정화층(140)으로 은을 적용해 전기를 주면 전기가 은으로 가지않고 전기저항이 0인 초전도층(130, 230)으로 흘러가게 된다. 즉 초전도층(130, 230)은 안정하지만 약한 세라믹 소재로 이루어져 있기 때문에 약간의 열처리(예를 들어, 300℃)에도 산소를 쉽게 잃어서 초전도특성을 잃어버릴 수 있는데, 그러다보니 산소에 대해 민감하고 다른 기타 이물질 존재 하에 열처리시 초전도층(130, 230)이 금방 망가지게 되므로 초전도층(130, 230)과 양립할 수 있도록 안정하고 산소를 잘 투과시킬 수 있는 금속으로 은을 사용하는 것이 바람직하다. 물론 금도 망가지지는 않아 사용 가능하나, 은보다 고가이고 은보다 산소확산을 상대적으로 못시키기 때문에 산소확산을 잘 시키는 은을 사용하는 것이 바람직하다 할 것이다. 단, 안정화층(140)으로 은(Ag)과 금(Au) 외에도 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 레늄(Re)도 사용 가능하다.
다음으로, 제4단계는 안정화층(140)의 양측에 프리커서(150)를 형성하는 단계이다(S40).
즉 제4단계에서는 안정화층(140)의 양측에 열처리에 의해 초전도물질이 되는 프리커서(150)가 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)과 같은 다양한 방식으로 증착 코팅한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제4단계의 예시도이다. 도 4를 참조하면, 앞선 제3단계에서 세선홈(132)이 형성된 초전도층(130)에 안정화층(140)을 적층한 제1고온초전도선재(100)의 양측에 결정화가 진행되지 않은 비정질 상태의 프리커서(150)가 증착됨을 확인할 수 있다.
프리커서(150)는 열처리로 인해 이축배향된 초전도층으로 되면서 제1고온초전도선재(100)의 초전도층(130)과 제2고온초전도선재(200)의 초전도층(230)을 서로 연결한다. 하지만 제1고온초전도선재(100)의 세선홈(132)과 제2고온초전도선재(200)의 세선홈(232) 위의 프리커서(150)는 열처리로 인해 이축배향되지 않고 전류통전이 어렵다. 즉, 세선홈(132, 232)을 따라서 프리커서(150)는 열처리시 이축배향되지 않아 전류통전이 어렵다.
참고로, 제1고온초전도선재(100)와 함께 제2고온초전도선재(200)에도 안정화층(240)을 적층하는 경우에 있어서, 안정화층(240) 양측에 프리커서(250)가 증착될 수 있음은 도 8에 의해 확인 가능하다.
다음으로, 제5단계는 안정화층(140)을 중심으로 초전도층(130, 230)이 상호 마주보도록 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 필라멘트(131, 231)가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)하는 단계이다(S50).
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제5단계의 과정도이다. 도 5를 참조하면, 안정화층(140)과 프리커서(150)가 코팅된 제1고온초전도선재(100)에 제2고온초전도선재(200)를 겹치는 스태킹 작업과정을 나타낸 것임을 알 수 있다.
이러한 도 5에 도시된 바를 참고하여 상세히 설명해 보자면, 제5단계에서는 한 쌍의 고온초전도선재를 초전도층(130, 230)이 서로 마주보도록 적층하는데, 적층시 도 5처럼 길이방향을 따라 적층할 수도 있으나, 고온초전도선재는 기본적으로 매우 긴 길이로 생산되기 때문에 길이방향으로만 적층하여 평면 가압하기에 용이하지 않을 수 있다. 이런 이유로 보빈으로부터 공급되는 한 쌍의 고온초전도선재 각각을 안정화층(140)을 중심으로 초전도층(130, 230)이 서로 마주보도록 배치한 다음 장력을 인가하면서 권선보빈(B)에 권선하여 적층시키는 것이 바람직하다. 따라서 장력을 가하면서 한 쌍의 고온초전도선재를 권선보빈(B)에 권선하게 되면 압력에 의해 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200)끼리 서로 밀착이 가능하다(제6단계에서 언급될 도 7 및 도 8 참고).
도 6은 도 5의 평면도로써, 도 6-(a)는 제2고온초전도선재(200)와 적층된 제1고온초전도선재(100)를 상부에서 바라본 평면도를 나타낸 것이고, 도 6-(b)는 제1고온초전도선재(100)와 적층된 제2고온초전도선재(200)를 상부에서 바라본 평면도를 나타낸 것이다. 이러한 도 6에서처럼 적층된 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 세선홈(132, 232)이 서로 반대방향이 되도록 스태킹(stacking)함을 알 수 있다.
즉, 제1고온초전도선재(100)의 초전도층(130)과 제2고온초전도선재(200)의 초전도층(230)에 레이저 식각을 통해 사선방향을 따라 세선홈(132, 232)을 형성시킨 후, 실제 적층할 때는 제1고온초전도선재(100)에 형성된 세선홈(132)과 제2고온초전도선재(200)에 형성된 세선홈(232)이 한 쌍의 고온초전도선재를 평면으로 바라봤을 때 서로 반대방향이 되도록 배치해야함을 의미한다.
예를 들어, 레이저 식각을 통하여 제1고온초전도선재(100)의 초전도층(130)에 세선홈(132)에 의해 이격된 상태로 분리된 4가닥의 필라멘트(131a, 131b, 131c, 131d)가 초전도층(130)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 반복적으로 형성되고(도 6-(a)), 제2고온초전도선재(200)의 초전도층(230)에 세선홈(232)에 의해 이격된 상태로 분리된 4가닥의 필라멘트(231a, 231b, 231c, 231d)가 초전도층(230)의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 반복적으로 형성되는데, 제1고온초전도선재(100)의 필라멘트(131)와 제2고온초전도선재(200)의 필라멘트(231)가 평면에서 바라봤을 때 서로 반대방향이 되도록 배치한다. 특히, 추후 열처리를 통해 도 6-(a)에 도시된 한 가닥의 필라멘트(131b)가 초전도접합부(151)를 통해 도 6-(b)에 도시된 한 가닥의 필라멘트(231b)로 연결되었다가 초전도접합부(151)를 통해 다시 도 6-(a)에 도시된 한 가닥의 필라멘트(131b)로 연결되는 것과 같이 안정화층(140)을 감싸는 나선형으로 이루어진 꼬인 형상의 필라멘트 구조체(300)가 만들어지게 된다.
특히 한 쌍의 고온초전도선재 양측면에서 n개의 필라멘트(131, 231)가 만나는 각도로 사선이 형성되도록 스태킹(stacking)해야 필라멘트(131, 231)가 초전도접합부(151)에 의해 서로 만나 필라멘트 구조체(300)를 형성하게 된다.
만약 제1고온초전도선재(100)에 형성된 세선홈(132)과 제2고온초전도선재(200)에 형성된 세선홈(232)이 평면에서 바라왔을 때 서로 동일한 방향이 되도록 겹쳐지게 적층하면 필라멘트(131, 231)가 초전도접합부(151)를 통해 서로 접합되더라도 안정화층(140)을 감싸면서 꼬인 형상의 나선형으로 이루어지지 못하고, 마치 안정화층(140)을 감싸는 사각링 형상에 그치기 때문에 긴 길이를 가진 고온초전도선재의 길이방향을 따라 꼬인 형상을 무한하게 형성할 수 없게 된다.
마지막으로, 제6단계는 열처리를 통하여 초전도층(130, 230)이 프리커서(150)에 의해 접합되어 필라멘트(131, 231)가 안정화층(140)을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체(300)로 형성되는 단계이다(S60).
즉 제6단계에서는 안정화층(140)을 중심으로 서로 마주보도록 적층된 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200)가 열처리를 통하여 프리커서(150)가 수직방향으로 분리 형성된 초전도접합부(151)에 접합되어 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체(300)로 형성된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1과정도이다. 도 7을 참조하면, 제1고온초전도선재(100)에만 안정화층(140)과 프리커서(150)를 형성시킨 다음 제2고온초전도선재(200)와 열처리를 통해 하나의 고온초전도선재가 제조됨을 나타낸 것임을 알 수 있다.
즉 도 7은 안정화층(140)과 프리커서(150)가 형성된 제1고온초전도선재(100)와, 안정화층(240)과 프리커서(250)가 형성되지 않은 제2고온초전도선재(200)를 팬케이크 권선방식으로 권선하여 고온초전도선재가 완성되는 모습을 예시적으로 나타내었다.
예를 들어 설명해 보자면, 우선 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200) 각각이 권선된 보빈으로부터 안정화층(140)을 중심으로 초전도층(130, 230)이 서로 마주보도록 세워 배치한 다음 장력(tension)을 인가하면서 권선보빈(B)에 권선하여 초전도접합시킨다. 이렇게 장력을 가하면서 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200)를 권선하게 되면 압력에 의해 한 쌍의 고온초전도선재가 서로 밀착되는 방식이다. 이와 같은 권선보빈(B)을 이용한 연속가압 방법을 통해 긴 길이로 이루어진 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200)를 용이하게 적층 및 가압할 수 있다.
열처리를 할 때는, 초전도특성이 산소를 쉽게 잃어버리고 쉽게 받기 때문에 산소 분위기여야 산소를 잃어버리지 않고 산소가 충분히 산화되어 초전도특성을 가지므로 산소분압 0.1~1기압 하에서 750~850℃의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
열처리시, 750℃ 미만이면 초초전도접합부(151)를 통해 초전도층(130, 230) 간에 접합이 완전히 일어나지 않고, 850℃를 초과하면 오히려 초전도층(130, 230)의 초전도특성을 잃어버릴 수 있다. 이런 이유로 초전도특성을 잃어버리지 않으면서 초전도층(130, 230) 간의 안정적인 접합이 가능한 온도인 800~820℃에서 열처리가 이루어지는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2과정도이다. 도 7과 달리 도 8은 제1고온초전도선재(100)와 제2고온초전도선재(200) 모두 안정화층(140, 240)과 프리커서(150, 250)를 형성시킨 후 제1고온초전도선재(100)의 안정화층(140)과 제2고온초전도선재(200)의 안정화층(240)이 상호 마주보도록 스태킹하여 열처리함으로써, 제1고온초전도선재(100)의 안정화층(140) 및 제2고온초전도선재(200)의 안정화층(240)을 중심으로 필라멘트(131, 231)가 감싸져 나선형의 꼬인 형상으로 이루어진 필라멘트 구조체(300)가 만들어지도록 한다. 도 8의 경우, 제1고온초전도선재(100) 및 제2고온초전도선재(200) 모두 안정화층(140, 240)이 형성된 상태로 열처리되기 때문에 도 7에 비해 완성된 고온초전도선재의 안정화층(140, 240) 두께가 더 두꺼움이 확인된다.
도 9는 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온초전도선재이다. 도 9를 참조하면, 도 7에 도시된 과정을 거쳐 완성된 고온초전도선재 내부에 꼬인 형상으로 이루어진 나선형의 필라멘트 구조체(300)가 분리홈(301)에 의해 다수 가닥 이격된 상태로 형성됨을 알 수 있다. 이때 분리홈(301)은 다수 가닥의 필라멘트 구조체(300)가 이격된 상태가 되도록 분리하는 것으로, 초전도접합부(151)를 통해 초전도층(130, 230)이 서로 접합될 때 세선홈(132, 232)이 프리커서(150)의 초전도접합부(151) 간 분리된 공간과 연결되면서 형성된 것을 의미한다.
도 10은 도 9의 평면도이다. 도 10을 참조하면, 도 9에 도시된 고온초전도선재를 평면에서 바라봤을 때 필라멘트(131, 231)가 초전도접합부(151)에 의해 접합되어 형성된 필라멘트 구조체(300)를 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필라멘트 구조체(300)의 대표 1가닥의 꼬임 형상도이다. 도 11을 참조하면, 도 9과 도 10에 도시된 필라멘트 구조체(300)가 고온초전도선재의 길이방향을 따라 꼬인 형상의 나선형으로 연속 형성됨을 나타낸 것이다.
이러한 본 발명을 통하면 세라믹 소재로 이루어진 초전도층(130, 230)을 프리커서(150)의 초전도접합부(151)를 통해 안정적으로 접합할 수 있기 때문에 고온초전도선재를 직접 꼬으지 않아도 고온초전도선재 내부에 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체(300)를 연속적으로 형성하고 유지할 수 있으므로, 초전도층(130, 230)의 단면적을 줄여 교류 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 한 쌍의 고온초전도선재를 사용하기 때문에 통전용량이 늘어나는데 의미가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 제1고온초전도선재
110: 금속기판
120: 완충층
130: 초전도층
131: 필라멘트
132: 세선홈
140: 안정화층
150: 프리커서
151: 초전도접합부
200: 제2고온초전도선재
210: 금속기판
220: 완충층
230: 초전도층
231: 필라멘트
232: 세선홈
240: 안정화층
250: 프리커서
300: 필라멘트 구조체
301: 분리홈
B: 권선보빈

Claims (4)

  1. 금속기판, 완충층 및 초전도층이 차례대로 적층된 한 쌍의 고온초전도선재를 준비하는 제1단계;
    상기 초전도층의 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트를 형성하는 제2단계;
    상기 한 쌍의 고온초전도선재 중 어느 하나 이상의 상기 초전도층 표면에 중앙 길이방향을 따라 안정화층을 적층하는 제3단계;
    상기 안정화층의 양측에 프리커서를 형성하는 제4단계;
    상기 안정화층을 중심으로 상기 초전도층이 상호 마주보도록 상기 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 상기 필라멘트가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)하는 제5단계; 및
    열처리를 통하여 상기 초전도층이 상기 프리커서에 의해 접합되어 상기 필라멘트가 상기 안정화층을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제5단계에서는,
    상기 한 쌍의 고온초전도선재 양측면에서 상기 n개의 필라멘트가 만나는 각도로 사선이 형성되도록 스태킹(stacking)하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제6단계에서는,
    열처리를 통하여 상기 프리커서가 수직방향으로 분리된 초전도접합부로 형성됨으로써, 상기 필라멘트가 상기 초전도접합부에 접합되어 꼬인 형상의 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재의 제조방법.
  4. 금속기판, 완충층 및 횡단면 기준으로 사선방향을 따라 함몰된 세선홈에 의해 n개(n은 2 이상의 자연수)의 필라멘트가 형성된 초전도층으로 이루어진 한 쌍의 고온초전도선재;
    한 쌍의 고온초전도선재 사이에 중앙 길이방향을 따라 형성되는 안정화층; 및
    상기 안정화층의 양측에 형성되는 프리커서;를 포함하는 것으로,
    상기 안정화층을 중심으로 상기 초전도층이 상호 마주보도록 상기 한 쌍의 고온초전도선재를 평면에서 바라볼 때 상기 필라멘트가 서로 반대방향이 되게 스태킹(stacking)한 후, 열처리를 통하여 상기 초전도층이 상기 프리커서에 의해 접합되어 상기 필라멘트가 상기 안정화층을 감싸는 나선형 필라멘트 구조체로 형성되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 꼬임을 갖는 고온초전도선재.
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