KR102668419B1 - 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도층이 적층된 형태로 다층구조를 이루는 고온초전도선재에 관한 것이다.
본 발명은 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재에 있어서, 메인기판과, 상기 메인기판 상측에 구비되는 하나 이상의 완충층과, 완충층 상측에 구비되는 둘 이상의 초전도층과, 초전도층 사이마다 구비되는 하나 이상의 접합보호층 및 상기 접합보호층과 동일재질로 형성되며, 최외곽 초전도층의 상측에 구비되는 외곽보호층을 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 단위면적당 초전도층의 비율이 증가되어 전류밀도가 향상되는 이점을 가지며, 요구되는 전류밀도에 따라 초전도층을 추가 적층하여 다중 초전도층을 형성할 수 있다. 또한, 접합보호층에 의한 초전도층의 분리로 교류손실이 감소될 수 있으며, 상기 접합보호층을 대기압하에서 연속하여 생산할 수 있으므로 제조공정 및 제조장비가 간소화될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 접합보호층은 확산 접합에 의해 접합 계면이 존재하지 않으므로 열팽창계수 차이에 따른 박리가 방지될 수 있다.

Description

다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재{ High temperature superconducting wire with multi-superconducting layer }

본 발명은 초전도층이 적층된 형태로 다층구조를 이루는 고온초전도선재에 관한 것이다.

초전도 현상은 임계온도(critical temperature) 이하에서 물질의 저항이 0에 가까워지는 물리적 현상으로 이를 이용하여 제조되는 선재(wire) 즉, 초전도 선재(superconducting wire)는 대전류 통전, 고자장 생성 등의 측면에서 우수한 특성을 가진다. 상기 초전도 선재의 이와 같은 특성은 제품의 성능향상은 물론 소형화 구현 등이 가능하다.

따라서, 초전도 마그네트, 초전도 케이블, 초전도 모터 및 초전도 발전기 등과 같은 전력용 기기 개발은 물론, NMR, MRI 등의 의료장비 개발, 가속기, 핵융합장치 등의 거대과학장비 개발 등 다양한 산업분야에서 초전도 선재를 활용하기 위한 꾸준한 노력이 이루어지고 있다.

한편, 상기 초전도 선재는 임계온도를 기준으로 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS)와 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)로 구분된다.

그 중 고온초전도선재(HTS)는 절대온도 0K(-273℃)에 가까운 임계온도의 저온초전도선재(LTS)와 비교하여 임계온도가 100K(-173℃)부근으로 비교적 높은 온도에서 초전도 특성을 나타내며, 주로 박막형으로 제조되어 활용되고 있다.

일반적으로 박막형 고온초전도선재는 금속기판 상부에 복수의 완충층(buffer layer)을 형성하고, 완충층의 상부에 초전도층을 물리적 또는 화학적인 방법으로 적층하여 제조되며, 필요에 따라 초전도층의 상측으로 보호층과 안정화층이 추가로 적층될 수 있다.

이와 같은 구성의 박막형 고온초전도선재는 초전도층이 단층으로 형성됨에 따라 1000A 이상의 대전류 통전에 어려움이 있다. 따라서, 고온초전도선재의 대전류 통전을 위하여 복수의 초전도 선재를 집합화하여 다층구조로 형성하기 위한 노력이 이어지고 있다.

한편, 초전도 선재를 집합화 하기 위한 가장 일반적인 방법은 초전도 선재를 서로 솔더링(soldering, 납땜)하여 병렬로 연결하는 방법이다.

하지만, 이와 같이 솔더링에 의해 집합화된 경우에는 선재간 저항이 비교적 높게 나타나 초전도 성능의 저하를 초래하며, 솔더링 부분의 박리 등 집합화된 초전도선재의 전체적인 저항이 균일하지 못함에 따라 전류의 흐름이 일측으로 과잉되어 초전도 선재 내부 온도가 상승하면서 초전도 상태가 깨어질 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 이를 해소하기 위하여 종래 기술에서는 초전도 선재를 길이 방향으로 연결하거나, 안정화재를 이용하여 초전도 선재 주변을 전기도금하거나, 다심의 초전도 선재 간의 필라멘트를 접합시키거나, 빌렛 형태의 초전도 선재를 다시 안정화용 선재로 피복하는 등 솔더링에 의해 상전도 부분의 저항을 감소시키기 위한 기술들이 개발되었다.

하지만, 이와 같은 종래 기술들은 시간이나 비용의 소모가 높고, 금속 안정화재가 결합된 초전도 선재에 별도의 초전도 선재나 다른 전기적 연결 장치를 연결하고자 할 경우 솔더링 공정을 다시 수행하게 되는데, 이때 발생되는 열은 이미 솔더링된 부분에 영향을 미쳐 초전도 선재와 기 솔더링된 부분이 분리되는 등의 문제점이 발생되고 있다.

한편, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 “적층된 초전도선재의 접합방법 및 이를 통해 적층 접합되는 초전도선재유니트(KR 1845474 B1)”에서는 복수의 초전도선재가 서로 적층되는 영역에 진공분위기 하에서 구리(Cu) 입자를 진공증착(vacuum evaporation)하여 초전도선재간을 구리 안정화층으로 형성하면서 접합시키는 기술이 게시된다.

상세히, 도 1 에는 종래 기술에 따른 적층된 초전도선재의 접합과정을 보이기 위한 도면이 도시된다.

도 1 을 참조하면, 초전도층을 다층으로 형성하기 위해서는 우선 복수의 초전도선재(11, 12) 표면을 세척(S1a)하고, 복수의 초전도선재(11, 12)를 이격된 상태로 진공챔버 내에 장입(S2a)하며, 순수한 상태의 구리 입자(10)를 초전도선재 사이에 진공증착(S3a)한 이후 가압롤러를 통과시켜 구리 입자(10)를 구리 안정화층(13)으로 형성(S4a)하는 단계를 거치게 된다.

상기와 같은 단계를 통해 제조되는 적층된 초전도선재는 상온에서 극저온으로 이동하더라도 열팽창계수 차이에 의한 구리 안정화층(13)의 박리가 방지될 수 있으며, 상대적으로 대전류 통전이 가능하게 된다.

하지만, 2층 이상의 초전도층을 형성하고자 할 경우 초전도선재를 복수개 이격된 상태로 장입하여 동일 과정을 수행하여 제조 가능하나, 초전도층을 추가 적층하고자 할 경우에는 구리 안정화층(13)에 열이 가해지면서 계면강도가 낮아지게 되므로, 초전도선재에 추가 열처리가 곤란한 문제점을 가진다.

또한, 복수의 초전도층을 형성하게 될 경우 초전도층과 함께 완충층과 기판 등이 복수로 형성됨에 따라 적층 초전도선재의 전체 두께가 증가하는 문제점을 가진다.

한편, 두께 증가의 문제점을 해소하기 위한 방법으로 박리기술이 적용될 수 있다.

도 2 는 종래 기술에 따른 릴-대-릴 박리 시스템으로, 외부작용을 가하여 초전도층과 버퍼층 사이의 스트레스 레벨을 증가시킨 이후 초전도층을 기계적으로 분리하는 기술이 게시된다.

이를 위해 종래 기술의 박리 시스템은 초전도선재의 권선을 위한 복수의 릴(41, 42, 43)과 텐션을 가하기 위한 복수의 아이들러 롤러(61, 62, 63, 64) 및 스트레스 레벨을 증가시키기 위한 유도성 코일(52) 그리고, 초전도 선재의 안정적인 이송을 위한 스태퍼모터(51) 및 테이프 가이드(53)를 포함하여 구성된다.

즉, 종래 기술에 따른 박리시스템은 릴(41)과 릴(42, 43)을 통해 초전도선재를 이송시키는 과정에서 초전도선재에 스트레스를 가하여 버퍼층과 초전도층의 결합력을 감소시킨 이후 물리적 힘을 이용하여 박리하게 된다. 그리고 이때 초전도 선재에 가해지는 스트레스는 유도성 코일(52), 적외선 또는 무선 주파수 복사선과 같이 외부 소스에 의한 열적 스트레스가 적용되고 있다.

따라서, 상기와 같이 열적 스트레스를 가하고자 할 경우에는 안정화층 즉, 구리(Cu) 층까지 코팅된 선재가 바람직하며, 초전도 선재에 스트레스를 가함에 따라 박리과정을 다수 수행하기에는 어려움이 있다.

KR 10-1845474 B1 KR 10-2019-0051009 A

본 발명의 목적은 초전도층이 반복 적층되어 대전류 통전이 가능한 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고온초전도선재의 단위면적당 초전도층의 비율이 증가된 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 초전도층의 다층구조를 유지하면서 요구되는 물성에 따라 층상구조를 보완할 수 있는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명은 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재에 있어서, 메인기판과, 상기 메인기판 상측에 구비되는 하나 이상의 완충층과, 완충층 상측에 구비되는 둘 이상의 초전도층과, 초전도층 사이마다 구비되는 하나 이상의 접합보호층 및 상기 접합보호층과 동일재질로 형성되며, 최외곽 초전도층의 상측에 구비되는 외곽보호층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서 본 발명은 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재에 있어서, 메인기판과, 상기 메인기판 상측에 구비되는 제1완충층과, 상기 제1완충층 상측에 구비되는 제1초전도층과, 상기 제1초전도층 상측에 구비되는 제2초전도층과, 상기 제1초전도층과 제2초전도층 사이에 구비되어 제1초전도층과 제2초전도층을 연결하는 접합보호층 및 상기 접합보호층과 동일 재질로 형성되며, 상기 제2초전도층 상측에 구비되는 외곽보호층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 측면에서 본 발명은 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재에 있어서, 메인기판과, 상기 메인기판 상측에서 구비되며 메인기판의 격자구조를 따라 에피텍셜하게 이축배향된 제1완충층과, 상기 제1완충층 상측에 구비되며, 제1완충층의 격자구조를 따라 에피텍셜하게 이축배향된 제1초전도층과, 상기 제1초전도층 상측에 구비되며, 상기 제1완충층 및 제1초전도층과 대응되는 격자구조를 따라 에피텍셜하게 이축배향된 제2초전도층과, 상기 제1초전도층과 제2초전도층 사이에 구비되어 제1초전도층과 제2초전도층을 연결하는 접합보호층 및 상기 접합보호층과 동일 재질로 형성되며, 상기 제2초전도층 상측에 구비되는 외곽보호층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징에 부가하여 제1초전도층과 제2초전도층을 연결하는 접합보호층은 제1초전도층과 제2초전도층의 격자구조를 따라 에피텍셜하게 이축배향되지 않는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 가지는 본 발명에 의하면, 단위면적당 초전도층의 비율이 증가되어 전류밀도가 향상되는 이점을 가지며, 요구되는 전류밀도에 따라 초전도층을 추가 적층하여 다중 초전도층을 형성할 수 있다.

또한, 접합보호층에 의한 초전도층의 분리로 교류손실이 감소될 수 있으며, 상기 접합보호층을 대기압하에서 연속하여 생산할 수 있으므로 제조공정 및 제조장비가 간소화될 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 접합보호층은 확산 접합에 의해 접합 계면이 존재하지 않으므로 열팽창계수 차이에 따른 박리가 방지될 수 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 적층된 초전도선재의 접합과정을 보이기 위한 도면.
도 2 는 종래 기술에 따른 릴-대릴 박리 시스템.
도 3 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 일 실시 예를 보인 도면.
도 4 내지 도 6 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 제조과정을 보이기 위한 도면.
도 7 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 페이스트 충진과정을 보이기 위한 도면.
도 8 은 권선 보빈을 이용하여 기판이 분리된 상태를 보이기 위한 사진.
도 9 는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 추가 적층 과정을 보이기 위한 순서도.
도 10 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 다양한 실시 예를 보인 도면.
도 11 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 실시 예들을 보인 사진.
도 12 는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 임계전류 측정결과를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다.각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 기재된다. 또한, 실시 예의 설명에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 설명을 간략히 하거나 생략하였으며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 상측에 “구비”,“적층”,“형성”또는 “코팅”된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소의 상면에 직접적으로 구비, 적층, 형성 또는 코팅될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “구비”,“적층”,“형성”또는 “코팅”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재는 메인기판과, 상기 메인기판의 상측에 구비되는 하나 이상의 완충층과, 상기 완충층 상측에 구비되는 둘 이상의 초전도층과, 상기 초전도층 사이마다 구비되는 하나 이상의 접합보호층 및 상기 접합보호층과 동일재질로 형성되며, 최외곽 초전도층의 상측에 구비되는 외곽보호층을 포함하도록 구성된다.

한편, 상기와 같은 적층구조는 단층구조의 초전도선재를 활용하여 다중 초전도층을 형성한 것으로, 기판-초전도층-보호층을 포함하는 복수의 초전도 선재를 대기압 하에서 접합 및 박리하는 과정을 반복 수행하여 형성될 수 있다.

상세히, 도 3 에는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 일 실시 예를 보인 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재(900, 이하 ‘고온초전도선재(900)’라 함)는 메인기판(100)과, 상기 메인기판(100)의 상측에 구비되는 완충층(200)과, 상기 완충층(200)의 상측에 구비되는 제1초전도층(420)과 제2초전도층(440)과 상기 제1,2, 초전도층(420, 440) 사이에 구비되는 접합보호층(600) 및 상기 접합보호층(600)과 동일재질로 상기 제2초전도층(440)의 상측에 구비되는 외곽보호층(800)을 포함하여 구성된다.

상기와 같은 적층 구조는 제1초전도층(420)을 포함하는 하나의 초전도선재와 제2초전도층(440)을 포함하는 다른 하나의 초전도선재를 접합 및 박리하는 과정에 의해 형성되며, 각각의 초전도선재는 기판-초전도층-보호층을 포함하는 구조면 제조 방법과 상관 없이 모두 적용될 수 있다.

이하, 본 실시 예에서는 동일한 제조방법으로 제조되는 한 쌍의 초전도선재를 이용하여 설명한다.

본 실시 예에서 상기 메인기판(100)은 내산화성을 지닌 니켈합금, 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 완충층(200)은 메인기판(100)과 제1초전도층(420) 사이에 형성되어 다양한 외부 자극을 완충한다.

일반적으로 초전도선재를 제조하는 경우 초전도층은 고온에서 형성되는데 이때 금속기판의 금속물질이 초전도층에 확산되어 초전도층이 오염될 수 있다. 상기 완충층(200)은 이와 같은 오염 상황을 방지하기 위한 것으로 초전도층의 초전도특성을 향상시키는 역할을 하며, 필요에 따라 복수로 형성될 수 있다.

본 실시 예에서 상기 완충층(200)은 이축배향(biaxial texture)된 형태가 적용되며, 이축배향된 완충층(200)의 상측에 형성되는 제1초전도층(420)은 완충층(200)을 따라 결정성장이 이루어진다. 상기와 같은 기능의 이축배향된 완충층(200)은 IBAD, RABiTs, ISD 등과 같은 박막제조 공정을 통해 형성될 수 있다.

상기 제1초전도층(420)은 증착을 통해 형성되며, 전술한 바와 같이 상기 완충층(200)의 결정구조를 따라 이축배향 구조를 가진다.

이축배향 구조는 두께방향으로는 C-축 배향이며 길이방향으로는 A-B면이 놓여진 격자구조를 의미하며, 이축배향도는 면내배향도(△φ)가 2°<△φ<10°, 면외배향도(△ω)가 1°<△ω<7°에 해당된다. 이와 같은 이축배향 구조를 가질 경우 제1초전도층(420)의 통전특성이 향상될 수 있다.

상기 제1초전도층(420)은 자속고정점을 포함하는 소재 또는 희토류가 혼합된 소재를 이용하여 형성되며, 희토류계가 혼합된 소재의 경우 희토류원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O)계가 적용될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1초전도층(420)은 가돌리늄-바륨-구리-산소(GdBCO), 사마륨-바륨-구리-산소(SmBCO), 유로퓸-바륨-구리-산소(EuBCO), 이트륨-바륨-구리-산소(YBCO), 홀뮴-바륨-구리-산소(HoBCO) 및 이의 혼합으로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서 상기 제1초전도층(420)은 다수의 Re₂O₃ 산화물이 존재하는 구조도 적용될 수 있다.

한편, 상기와 같은 적층구조는 제2초전도층(440)을 포함하는 초전도선재도 동일하게 형성되며, 각 초전도선재의 제1초전도층(420)과 제2초전도층(440)에는 보호층(도 3 에서 도시되지 않음)이 형성된다.

상기 보호층은 상기 제1, 2 초전도층(420, 440)의 상면에 얇게 코팅되어 외부로부터 제1, 2초전도층(420, 440)을 보호하는 기능을 수행한다.

상기 보호층은 초전도층과 접촉하여 반응하지 않으며, 초전도층의 분리 및 열화를 방지하는 기능을 수행하기 위한 것으로 대기중에서 가열하는 경우에도 산화되지 않는 귀금속이 적용될 수 있다.

여기서, 귀금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 실시 예에서는 이러한 보호층으로 은(Ag)이 적용되며, 보호층의 두께는 0.5 내지 10㎛의 범위로 형성될 수 있다. 상기 보호층의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 초전도층을 제대로 보호할 수 없으며 10㎛를 초과할 경우 보호층의 두께가 두꺼워 초전도선재의 전체적인 두께 증가를 가져오게 되므로, 상기와 같은 범위에서 보호층이 형성된다.

한편, 상기와 같이 보호층이 형성된 초전도선재는 서로 독립적으로 존재하며, 본 발명의 요부구성인 접합보호층(600)이 형성되면서 서로 적층된다.

상기 접합보호층(600)은 제1초전도층(420)과 제2초전도층(440)을 접합하여 다층 구조를 형성하기 위한 구성으로, 전술한 제1초전도층(420) 상측의 보호층과, 제2초전도층(440) 상측의 보호층을 서로 마주보도록 적층하여 열처리를 통해 형성된다.

전술한 바와 같이 상기 보호층은 은(Ag)을 얇게 코팅하여 형성되며, 귀금속으로 이루어지기 때문에 표면에 산화가 일어나지 않은 금속 상태로 서로 맞댐 적층되어 열처리될 경우 확산접합되면서 보호층간의 계면이 사라지며 접합보호층(600)을 형성하게 된다.

즉, 상기 접합보호층(600)은 서로 개별 형성된 초전도선재의 초전도층 사이를 대기중에서 열처리를 통해 접합하기 위한 구성으로 귀금속으로 형성됨에 따라 열처리시 산화되지 않으며, 결정의 이축배향 없이 확산 접합에 의해 형성됨에 따라 반복적으로 수행될 수 있다.

상기와 같이 접합보호층(600)에 의해 제1, 2초전도층(420, 440)이 접합되면 메인기판(100)-완충층(200)-제1초전도층(420)-접합보호층(600)-제2초전도층(440)-제2초전도층의 완충층(미도시)-제2초전도층의 기판(미도시) 형태로 적층구조가 형성된다.

이와 같이 적층구조가 형성되면, 상기 제2초전도층(420)의 상측에 형성된 제2초전도층의 완충층과 제2초전도층의 기판이 제거되며, 이로 인해 외부로 노출되는 제2초전도층(440)의 상측에 외곽보호층(800)이 형성된다.

상기 외곽보호층(800)은 상기 접합보호층(600)과 동일 재질로 형성되며, 제3초전도층을 포함하는 제3초전도선재 적층 시 제3초전도선재의 보호층과 맞댐 적층되어 열처리되면서 제2초전도층(440)과 추가되는 제3초전도층을 연결하는 제2접합보호층을 형성하게 된다.

그리고, 상기 제3초전도층의 상측으로 초전도층을 N회 추가 적층하고자 할 경우 상기 제2접합보호층과 동일 방법으로 N개의 접합보호층과 N개의 초전도층이 반복 구성되며, 3+N 번째 초전도층의 상측으로 상기와 같은 외곽보호층(800)이 형성된다.

즉, 상기 외곽보호층(800)은 요구되는 전류밀도에 따라 초전도층을 추가 적층하고자 할 경우 추가 적층되는 초전도선재의 보호층과 확산접합되면서 접합보호층을 형성하게 되며, 추가 적층이 이루어지지 않을 경우 상측에 금속코팅층 또는 금속기판을 더 부가하여 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 적층구조의 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 구체적인 제조과정에 대해 설명한다.

도 4 내지 도 6 에는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 제조과정을 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고온초전도선재(900)의 제조과정은 우선, 기판-초전도층-보호층을 포함하는 복수의 초전도선재를 준비하는 준비단계(S100)에서 시작된다.

상기 준비단계(S100)에서는 한 쌍의 초전도선재를 선택하게 되며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1초전도선재(510)와 제2초전도선재(520)를 구분하여 설명한다.

상세히, 상기 준비단계(S100)에서는 제1기판(110)-제1완충층(210)-제1초전도층(420)-제1보호층(610)으로 구성되는 제1초전도선재(510)와, 제2기판(120)-제2완충층(220)-제2초전도층(440)-제2보호층(620)으로 구성되는 제2초전도선재(520)을 준비한다.

본 실시예에서 상기 제1,2초전도선재(510, 520)는 각각 제1공급릴(330)과, 제2공급릴(350)에 권선된 상태로 준비되며, 준비가 완료되면 제1보호층(610)과 제2보호층(620)이 마주보도록 제1,2초전도선재(510, 520)를 적층하는 적층단계(S200)가 수행된다.

상기 적층단계(S200)에서는 권선보빈(310)을 이용하여 제1공급릴(330)과 제2공급릴(350)에서 공급되는 제1,2초전도선재(510,520)의 제1,2보호층(610, 620)이 서로 마주보도록 권선보빈(310)에 팬케이크 형태로 권취하면서 적층된다.

상기와 같이 권선보빈(310)을 이용하여 팬케이크 형태로 적층할 경우 일정한 장력을 가하면서 적층이 가능하며, 이로 인해 제1,2보호층(610, 620)이 보다 밀착될 수 있다.

한편, 상기와 같이 적층단계(S200)가 수행된 이후에는 적층된 제1,2초전도선재(510, 520)를 열처리하여 접합보호층(600)을 형성하는 접합보호층 형성단계(S300)가 수행된다.

상기 접합보호층 형성단계(S300)에서는 상기 권선보빈(310)에 제1,2초전도선재(510, 520)가 귄취된 상태로 열처리가 이루어진다. 여기서, 상기 제1,2보호층(610, 620)이 은(Ag)으로 코팅된 박막으로 형성됨에 따라 대기중에 노출되더라도 표면산화가 일어나지 않는다.

따라서, 별도의 진공챔버 없이 상기 권선보빈(310)에 가열수단을 이용하여 열처리 가능하며, 가열된 제1,2보호층(510, 520)은 확산접합되어 계면이 없는 하나의 접합보호층(600)을 형성하게 된다.

한편, 상기 접합보호층 형성단계(S300)에서 열처리는 400℃ 내지 600℃ 미만의 온도범위에서 진행된다.

열처리시 400℃ 미만의 온도범위로 가열하게 될 경우 상기 제1,2 보호층(610, 620) 간의 확산접합이 완전히 일어나지 않아 접합보호층(600)의 형성이 원활하지 않으며, 600℃를 초과할 경우 제1,2초전도층(420, 440)이 초전도 특성을 잃어버릴 수 있다. 따라서 상기 접합보호층 형성단계(S300)에서는 소성변형이 일어나지 않고, 원자의 확산을 이용하여 접합이 이루어질 수 있도록 상기와 같은 온도범위 이내로 가열이 이루어진다.

상기와 같은 접합보호층 형성단계(S300)가 완료되면 제1기판(110)-제1완충층(210)-제1초전도층(420)-접합보호층(600)-제2초전도층(440)-제2완충층(220)-제2기판(120)으로 이루어진 적층구조의 하나의 초전도선재가 권선보빈(310)에 권취된 상태로 형성된다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 상태에서 초전도층의 추가 적층이 가능하도록 어느 일측의 초전도층을 노출시키기 위하여 노출될 초전도층 이하의 층상구조를 제거하기 위한 박리단계(S400)가 수행된다.

상세히, 상기 박리단계(S400)는 전술한 접합보호층(600)의 추가 형성을 통해 초전도층을 추가 적층하기 위한 준비과정으로 본 실시 예에서는 제2초전도선재(520)에서 제2초전도층(440)만 남기고 제2기판(120)과 제2완충층(220)을 분리(delamination) 한다.

본 발명에 따른 박리단계(S400)에서는 대기중에서 물리적 힘을 가하여 초전도층을 분리하는 박리방법이 적용된다.

상세히, 상기 접합보호층 형성단계(S300)를 통해 형성된 적층구조에서 각 층간 결합구조를 살펴보면, 세라믹인 초전도층에 귀금속인 접합보호층(600)이 결합된 구조는 상대적으로 강한 결합력이 형성되는 반면, 세라믹인 초전도층에 세라믹인 완충층이 결합된 구조는 상대적으로 약한 결합력을 가진다.

따라서, 제2기판(120)을 물리적인 힘으로 뜯어내면 상대적으로 결합력이 강한 접합보호층(600)과 제2초전도층(440)은 견고하게 결합된 상태를 유지하고, 상대적으로 결합력이 약한 제2완충층(220)과 제2기판(120)이 제2초전도층(440)으로부터 박리된다.

한편, 본 실시 예에서는 이와 같은 박리단계(S400)를 상기 권선보빈(310)과 선재회수릴(320) 및 기판회수릴(340)을 이용하여 수행된다.

상기 기판회수릴(340)은 상기 권선보빈(310)으로부터 공급되는 적층 선재의 제2기판(120)을 고정시켜 회전하며, 제2초전도층(440)으로부터 분리된 제2완충층(220)과 이와 결합된 제2기판(120)을 회수하게 된다.

상기 선재회수릴(320)은 상기와 같이 제2기판(120)이 회수되면서 남게 되는 제1기판(110)- 제1초전도층(420)-접합보호층(600)-제2초전도층(440)을 포함하는 적층구조의 선재를 회수한다.

이때, 상기 제2기판(120)을 보다 용이하게 회수하기 위하여 상기 접합보호층 형성단계(S300)에서 상기 제2기판(120)의 단부가 다른 층 대비 외부로 돌출되도록 접합하고, 상기 박리단계(S400)에서는 이와 같이 돌출된 제2기판(120)을 상기 기판회수릴(340)에 고정시켜 회전하도록 함으로써 박리가 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

한편, 초전도 박막선재를 제조하기 위한 금속기판은 제조공정에서 기판의 평탄화를 위한 전해연마 공정이 수행되는데 이때, 모서리 부분에 집중된 전계에 의해 모서리 부분의 식각이 많이 이루어지는 경우 금속기판의 모서리가 둥글게 형성될 수 있다.

그리고, 이와 같은 기판을 이용하여 제조되는 초전도선재의 경우 물리적인 힘을 이용하여 박리하게 되면, 초전도층의 모서리 부분에서 초전도층의 분리가 원활하게 이루어지지 않은 경우가 발생될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 접합보호층 형성단계(S300) 또는 상기 박리단계(S400)에서 이를 해소하기 위한 부가 공정이 수행될 수 있다.

상세히, 도 7 에는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 페이스트 충진과정을 보이기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 8 에는 권선 보빈을 이용하여 기판이 분리된 상태를 보이기 위한 사진이 도시되어 있다.

우선, 도 7 을 살펴보면, 모서리가 둥근 제1, 2기판(110, 120)의 상측에 각각 형성되는 제1, 2초전도층(420, 440)과 제1, 2 보호층(610, 620)은 제1, 2기판(110, 120)의 모서리 형상을 따라 모두 둥글게 형성된다.

따라서, 상기와 같은 형상으로 적층하게 될 경우 제1보호층(610)과 제2보호층(620)의 가장자리에는 갭(Gap, 690)이 형성된다.

상기 갭(690)은 접합보호층(600)이 형성된 이후에도 존재하게 되며 이와 같은 상태에서 물리적 힘을 이용하여 제2기판(120)을 잡아당길 경우 도 7의 (a)와 같이 박리되는 제2기판(120)에 잔류초전도층(440´)이 함께 잔류하여 손실로 나타난다.

따라서, 이와 같은 손실을 해소하기 위하여 상기 갭(690)을 상기 제1, 2 보호층(610, 620)과 동일 재질의 페이스트(680)로 충진하는 페이스트 충진과정이 더 수행될 수 있다.

상기 페이스트 충진과정은 상기 접합보호층 형성단계(S300)에서 수행될 경우 팬케이크 형태로 제1, 2 보호층(610, 620)이 서로 마주보도록 권취하여 적층한 상태에서 상기 갭(690)에 동일 재질의 페이스트(680)를 충진한 상태에서 열처리하여 갭(690)에 대응되는 영역이 접합보호층(600)과 함께 하나의 층으로 형성되도록 한다.

상기와 같이 갭(690)에 대응되는 부분까지 하나의 층으로 형성된 이후 제2기판(120)을 분리하게 되면, 도 7의 (b)와 같이 제2초전도층(440)의 손실 없이 기판(120)의 분리가 효과적으로 이루어지며, 이는 8 에 도시된 깨끗이 분리된 기판 사진을 통해 확인될 수 있다.

한편, 상기와 같은 페이스트 충진과정은 상기 접합보호층 형성단계(S300) 이외에도 박리단계(S400)에서 수행될 수 있다.

상기 박리단계(S400)에서 수행되는 경우에는 제2기판(120)을 분리하기 이전에 갭(690) 부분에 동일 재질의 페이스트(680)를 충진한 이후 소결열처리를 통해 접합보호층(600)과 페이스트(680)를 다시 하나의 층으로 형성한 이후 제2기판(120)을 분리하여 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

상기와 같은 박리단계(S400)가 수행되면, 상기 제2초전도층(440)이 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 제2초전도층(440)의 상측에는 초전도선재의 추가 적층 또는 기계적 물성보강을 위한 적층이 수행될 수 있도록 외곽보호층 형성단계(S500)가 수행된다.

상기 외곽보호층 형성단계(S500)는 상기 박리단계(S400)에 의해 외부로 노출되는 최외곽 초전도층의 상면에 상기 접합보호층(600)과 동일 재질의 보호층을 얇게 코팅하는 단계로 외곽보호층(800)의 형성이 완료되면 제1기판(110)-제1완충층(210)-제1초전도층(420)-접합보호층(600)-제2초전도층(40)-외곽보호층(800)으로 구성되는 고온초전도선재(900)가 형성된다.

한편, 상기와 같이 형성된 고온초전도선재(900)에는 전술한 바와 같이 초전도층이 추가 적층될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 고온초전도선재(900)는 적용분야에서 요구되는 전류밀도에 따라 초전도층을 반복 적층하여 제공할 수 있으며, 전류밀도의 요구조건이 만족되면 구리 안정화층과 같은 기계적 물성 보강층을 형성하여 제공할 수 있도록 구성된다.

이하에서는 고온초전도선재(900)에 초전도층을 추가 적층하기 위한 추가적층단계(S600)에 대하여 설명한다.

도 9 에는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 추가 적층 과정을 보이기 위한 순서도가 도시되어 있고, 도 10 에는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 다양한 실시 예를 보인 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전술한 S100 내지 S500 단계를 통해 제조된 고온초전도선재(900)에 추가 초전도층을 적층하고자 할 경우에는 우선, 제1,2초전도층(420, 440) 및 상기 외곽보호층(800)을 포함하는 고온초전도선재(900)와 추가 적층되는 초전도선재를 준비하는 과정(S610)이 수행된다.

상기 과정(S610)에서는 상기 고온초전도선재(900)가 하나의 공급릴을 통해 공급되고, 추가 적층되는 초전도선재가 다른 공급릴을 통해 공급될 수 있도록 준비된다.

상기와 같은 과정(S610)이 완료되면, 권선보빈(310)에 상기 고온초전도선재(900)와 추가 적층되는 초전도선재가 팬케이크 형태로 권선 적층되며 이때, 상기 외곽보호층(800)과 추가 적층되는 초전도선재의 보호층(도시되지 않음)이 서로 마주보는 형태로 적층되는 과정(S620)이 수행된다.

상기 과정(S620)이 완료되면, 열처리를 통해 추가 접합보호층을 형성하는 과정(S630)이 수행되고, 이때, 전술한 페이스트 충진과정이 다시 추가될 수 있다.

한편, 상기 과정(S630)이 완료되면, 추가 적층된 초전도선재의 기판을 반리하는 과정(S640)이 수행되고, 기판이 박리되어 외부로 노출되는 추가 적층된 초전도층의 상측에는 다시 외곽보호층(800)을 형성하는 과정(S650)이 수행되어 초전도 3층 구조의 고온초전도선재가 형성된다.

그리고, 상기 S610 내지 S650의 과정은 적용분야에서 요구되는 전류밀도에 따라 반복하여 수행가능하며, 도 10 및 도 11과 같이 다양한 실시 형태로 나타날 수 있다.

도 10의 (a)에 도시된 고온초전도선재(910)는 추가적층단계(S600)를 3회 수행한 형태로 제1기판(110)-제1완충층(210)-제1초전도층(420)-접합보호층(600)-제2초전도층(440)-접합보호층(600a)-제3초전도층(460)-접합보호층(600b)-제4초전도층(480)-접합보호층(600c)-제5초전도층(490)-외곽보호층(800)으로 형성된다.

그리고, 상기와 같이 초전도층의 다중 구조가 형성된 이후에는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 금속코팅층(710)을 포함하는 고온초전도선재(920)로 형성될 수 있으며, 여기서 금속은 구리, 청동, 황동, 스테인레스스틸 등이 적용될 수 있다.

한편, 도 10의 (c)에 도시된 고온초전도선재(930)는 도 10의 (a)에 도시된 고온초전도선재(910)에서 제1기판(110)을 제거한 형태이며, 도 10의 (d)는 고온초전도선재(930)에 금속코팅층(720)을 포함하는 형태로 형성한 것으로, 이와 같은 형태는 적용분야에 따라 적절하게 사용될 수 있다.

또한, 도 10의 (e)는 도 10의 (a) 내지 (d)에 해당하는 각 고온초전도선재(910, 920, 930, 940)의 외표면에 솔더링(730) 및 추가 금속기판(130, 140)을 부가한 것으로, 이와 같은 구조일 경우 기계적 강도가 향상된 고온초전도선재(950)를 형성할 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 과정을 통해 제조되는 고온초전도선재의 보다 구체적인 실시예를 설명한다.

<실시예>

금속기판-완충층-초전도층-보호층으로 이루어지며, 보호층이 은(Ag)으로 코팅된 12mmw 초전도선재 한 쌍을 준비한다.

준비된 초전도선재를 권선용 보빈인 인코넬 원형 권선보빈에 한 쌍의 초전도선재가 은 보호층이 서로 마주보도록 팬케이크 권선한다.

이때, 더미선재를 co-winding 하는데 더미 선재는 005t×10mmw LMO코팅 하스텔로이선재를 권선한다.

권선 방법으로는 더미선재를

3kgf로 10turn 정도 권선한 후 초전도선재 한 쌍을 보호층이 마주보도록 적층한 다음 더미선재를 co-winding 한다. 이때 더미선재를 추가로 30turn 정도 감아서 풀리는 것을 방지한다.

권선된 초전도선재를 500℃에서 3시간 정도 산소 열처리 후 꺼내며, 이를 통해 적층된 보호층이 계면이 존재하지 않는 상태인 하나의 층으로 확산 접합된다.

그 후 물리적인 힘으로 초전도선재를 분리하면 보호층이 하나의 층으로 접합된 상태이기 때문에 상대적으로 약하게 결합된 초전도층과 완충층이 서로 분리되어 금속-완충층-초전도층-보호층-초전도층으로 이루어진 초전도선재와, 금속기판-완충층으로 이루어진 선재가 분리된다.

이와 같이 초전도층이 노출된 초전도선재의 상부에 보호층으로 은을 코팅한다음 이를 다른 초전도선재와 함께 보빈에 권선 및 열처리를 반복하여 다시 보호층을 하나의 층으로 접합시키고, 초전도선재로부터 금속기판-완충층으로 이루어진 선재 분리를 반복하여 최종적으로 초전도층이 반복 적층된 초전도선재를 얻을 수 있으며,

도 11 은 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 실시 예들을 보인 사진이 도시되어 있으며, 초전도층과 은(Ag) 보호층이 서로 분리되지 않고, 견고하게 적층된 상태를 확인할 수 있으며, 도 12 는 본 발명에 따른 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재의 임계전류 측정결과를 나타낸 그래프로, 실제 측정한 초전도선재의 폭은 1mm 이나 10mm 폭으로 환산하였을 때 임계전류 값이 980A/cmw가 나오는 것을 확인할 수 있다.

100.......... 기판 110.......... 제1기판
120.......... 제2기판 200.......... 완충층
210.......... 제1완충층 220.......... 제2완충층
310.......... 권선보빈 320.......... 선재회수릴
330.......... 제1공급릴 340.......... 기판회수릴
350.......... 제2공급릴 420.......... 제1초전도층
440.......... 제2초전도층 460.......... 제3초전도층
480.......... 제4초전도층 490.......... 제5초전도층
510.......... 제1기판 520.......... 제2기판
600, 600a, 600b, 600c..................... 접합보호층
610.......... 제1보호층 620.......... 제2보호층
680.......... 페이스트 800.......... 외곽보호층

Claims (12)

1. 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재에 있어서,
   메인기판;
   상기 메인기판 상측에 구비되는 제1초전도층;
   상기 제1초전도층 상측에 구비되는 제2초전도층;
   상기 제1초전도층과 제2초전도층 사이에 구비되어 제1초전도층과 제2초전도층을 연결하는 접합보호층;
   상기 제2초전도층 상측에 구비되는 제3초전도층;
   상기 제2초전도층과 제3초전도층 사이에 구비되어 제2초전도층과 제3초전도층을 연결하는 접합보호층; 및
   상기 제3초전도층의 상측으로,
   상기 제2초전도층과 제3초전도층 사이의 접합보호층 및 제3초전도층의 적층구조와 동일한 구조로, 상기 제3초전도층 상측에 접합보호층과 초전도층이 N회 반복 구성된 후 3+N 번째 초전도층 상측에 구비되는 외곽보호층;을 포함하며,
   상기 제1초전도층과 제2초전도층을 연결하는 접합보호층은 기판-초전도층-보호층을 포함하는 적층구조의 초전도선재 한 쌍에서 보호층을 서로 맞댄 이후 열처리를 통해 확산 접합하여 형성되고,
   1+N 번째 초전도층과 2+N 번째 초전도층을 연결하는 접합보호층은,
   기판-초전도층-보호층을 포함하는 적층구조의 2+N 번째 초전도선재 및 기판에 제1초전도층의 상측으로 접합보호층과 1+N 번째 초전도층 및 외곽보호층이 형성된 적층구조의 초전도선재에서 상기 2+N 번째 초전도선재의 보호층과, 상기 1+N 번째 초전도층 상측에 형성된 외곽보호층을 서로 맞댄 이후 열처리를 통해 확산 접합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제3초전도층의 상측으로 N회 반복 구성되는 접합보호층은 3+N 번째 적층되는 초전도선재의 보호층과 2+N 번째 초전도층의 상측에 구비되는 외곽보호층을 서로 맞댄 이후 열처리를 통해 확산 접합하여 형성되고,
   상기 3+N 번째 초전도층 상측에 구비되는 외곽보호층은,
   상기 2+N 번째 초전도층과 3+N 번째 초전도층을 연결하기 위한 접합보호층의 형성 이후 3+N 번째 초전도선재의 기판이 제거된 상태에서 3+N 번째 초전도층의 상측에 코팅되는 것을 특징으로 하는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재.
   
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 접합보호층은,
   보호층과 보호층 또는 보호층과 외곽보호층을 맞대면서 형성되는 가장자리의 갭(Gap)에 동일 재질의 페이스트가 충진되어 열처리를 통해 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 접합보호층과 외곽보호층 및 갭(Gap)에 충진되는 페이스트는 은(Ag)으로 400℃ 내지 600℃ 미만의 온도범위에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재.
   
5. 제3 항에 있어서,
   상기 접합보호층은 권선보빈에 권취된 상태에서 형성되며, 추가 적층되는 초전도선재의 기판은 선재회수릴 및 기판회수릴을 이용하여 물리적으로 박리되는 것을 특징으로 하는 다중 초전도층을 가지는 고온초전도선재.
   
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