KR20010055735A - 고온 초전도체 테이프를 제작하기 위한 테이프형 금속기판및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
고온 초전도체 테이프를 제작하기 위한 테이프형 금속기판 및 그 제조방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 기판은 99.9% 이상의 순도를 가진 니켈의 결정방향이 그 [100]축은 테이프면과 평행이고, 그 [001]축은 상기 테이프면에 대해 일정 각도로 기울어진 것을 특징으로 한다. 이러한 기판을 제작하기 위해, 순도 99.9% 이상의 테이프형 니켈을 압연-스폿 용접-이동식 열처리한다. 본 발명에 따르면, 매우 긴 길이의 테이프형 니켈기판을 단결정 수준으로 제작할 수 있다. 이러한 니켈기판 상에 코팅된 완충막 및 고온 초전도막의 결정축 배열은 테이프 전체 길이에 대해서 완전성을 보이고 큰 막 두께에 대해서도 안정성을 보인다. 따라서, 이러한 결정성에 의해 테이프 전체 길이에 대한 임계전류밀도를 매우 크게 할 수 있고, YBCO 고온 초전도막의 두께를 두껍게 함으로서 총 임계전류도 크게 할 수 있다.
Description
본 발명은 금속기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고온 초전도체 테이프를 제작하기 위한 테이프형 금속기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고온 초전도체는 임계온도 이하에서 저항이 0이 되는 특성을 이용하여 전력손실 없이 큰 전류를 흘릴 수 있는데, 이러한 특성 때문에 송전선의 재료로 고온 초전도체를 이용하기 위한 연구가 거의 실용화 단계에 있다. 특히 전력선에 고온 초전도체를 이용하면, 기존 전력선의 단점인 전력 손실이 없기 때문에 만약 상용화된다면 기존의 전송선들을 대체하므로 큰 시장성을 가지고 있다. 따라서, 전체적으로 우수한 결정성을 가지면서 균일한 두께로 형성되어 임계전류밀도를 크게 할 수 있는 고온 초전도체 테이프를 형성하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다.
일반적으로 고온 초전도체는 사용되는 물질에 따라 크게 두 가지로 나뉘는데, 이는 Bi2Sr2Ca2Cu3O7로 대표되는 비스무스계열의 초전도체와 Y1Ba2Cu3O7(이하, YBCO)로 대표되는 이트륨계열의 초전도체이다. 이트륨계열의 초전도체는 액체 질소 온도 및 수 테스라(Tesla) 이상의 자기장 하에서 임계 전류밀도가 비스무스계열의 것보다 우수하므로, YBCO 고온 초전도 테이프 제작기술의 개발이 최근 세계적으로 관심대상이 되고 있다.
YBCO 고온 초전도 테이프 제작에 있어서, 대부분의 경우 YBCO 고온 초전도막을 테이프형 니켈기판 위에 코팅하여 제작하는 방법이 연구되고 있다. 그런데, YBCO 고온 초전도막이 가능한 한 큰 초전도 임계전류를 갖게 하기 위해서는 YBCO 결정의 결정축들이 잘 정렬되어 있어야 한다. 따라서, 이 결정축을 잘 정렬시키는 기술이 필요하다.
최근 미국 오크 릿지(Oak Ridge) 국립연구소에서 니켈을 압연하고 열처리하여 니켈의 [001]축을 표면에 수직으로, [100]축을 테이프 방향으로 각각 정렬시키는 기술을 제안하였다. 이 기술은 예로부터 널리 알려져 있는 것으로서, 이와 같은 기술로 제작된 기판을 RABiTS(Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate)라고 명명하는데, 이는 고온 초전도 테이프의 모재로 사용되고 있다. 이와 같이 결정축이 정렬된 니켈 기판의 표면 위에 완충막 및 YBCO막을 코팅하되, 이 때 그들의 결정축을 니켈의 결정축과 일치하게 하여 성장시키면 결과적으로 YBCO 결정축을 정렬시킬 수 있다.
그런데, 상기한 RABiTS는 아래와 같은 단점들을 가지고 있다.
첫째, RABiTS로 얻어진 니켈 테이프는 수많은 낱알(grains)들로 이루어져 있고, 그 낱알들의 결정축 방향이 서로 다르다. 각 결정축들은 상기한 바와 같이 [001]축이 표면에 수직이고, [100]축이 테이프 방향으로 정렬되어 있으나, 그 분포의 분산도가 약 9도 정도이다. 결정축의 분포가 완전히 확률적으로 주어지기 때문에 정렬상태가 불량한 부분이 절대로 없다고 할 수는 없다. 그런데 니켈결정의 정렬이 불량한 부분에서는 그 위에 형성된 YBCO 막의 결정의 정렬성도 불량하다. 고온초전도 테이프가 실용적으로 되기 위해서는 그 길이가 수백 미터가 되어야 하는데, 전체 길이에서 단 1㎝라도 불량한 부분이 있어서는 안된다. 왜냐하면, 그러한 불량한 부분에서의 작은 임계전류가 전체의 임계전류를 작은 값으로 결정하기 때문이다. 따라서, 각 낱알들의 결정축 방향의 확률적 성격은 전체 임계전류 크기의 불확실성의 요인이 된다.
둘째, 니켈 [001]축이 표면에 수직이므로 완충막의 [001]축과 YBCO막의 c축은 표면에 수직이 된다. 이것은 초전도 전류가 흐르는 ab면과 표면에 평행을 이루게 한다. 따라서, a(b)축들이 잘 정렬되어 있으면, 테이프면을 따라 큰 임계전류를 갖게 된다. 그런데, YBCO막, 완충막 및 니켈 테이프를 포함한 총 단면적에 대한 임계전류가 크려면 YBCO막의 두께가 두꺼워야 한다. YBCO막은 c축에 수직으로 성장하다가 여러 요인에 의해 a축 성장으로 전환되며, 일단 a축 성장이 되면 c축 성장으로 되돌아가지 못한다. 그런데, RABiTS으로 얻어진 [001]축 수직인 니켈 위에서 a축 성장하는 낱알들은 그것의 c축이 [100]방향 또는 [010]방향의 두 가지 방향으로 무작위하게 선택되게 되므로 결정의 정렬성이 상실된다. 따라서, a축 성장의 임계전류는 극히 불량하다. 따라서, c축이 수직인 YBCO막을 수 ㎛ 이상 두껍게 성장시키기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 결정성이 전체적으로 단결정 수준인 니켈 금속기판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 YBCO막을 수 ㎛ 이상 두껍게 성장시키는 경우에도 결정의 방향 및 정렬이 유지된 니켈 금속기판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 방법에 따라 테이프형 니켈기판을 형성하는 과정 및 이에 의해 제조된 기판을 나타낸 도면들;
도 2는 본 발명에 따른 니켈기판 상에 형성된 YBCO 고온 초전도막에 대한 온도-저항 곡선을 나타내는 그래프;
도 3은 도 2의 니켈기판에 대해 액체질소 온도부근에서 측정된 임계전류밀도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 … 가열로 20 … 테이프형 니켈기판
30 … 히터 40 … 인출선
50 … 니켈결정의 단위셀 60 … 니켈결정의 [001]축
70 … 니켈결정의 [100]축
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고온 초전도체 형성용 테이프형 니켈금속기판은, 99.9% 이상의 순도를 가진 니켈의 결정방향이 그 [100]축은 테이프면과 평행이고, 그 [001]축은 상기 테이프면에 대해 일정 각도로 기울어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 일정 각도는 20∼30도 내의 각도인 것이 바람직하다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 니켈 금속기판 제조방법은, 99.9% 이상의 순도를 가진 니켈금속을 압연하여 테이프형으로 만드는 단계와; 상기 테이프형 기판을 부분적으로 열처리하는 단계와; 상기 부분 열처리된 기판을 가열로에 진입시켜 서서히 통과시킴으로써 니켈의 결정방향이 그 [100]축은 테이프면과 평행이고, 그 [001]축은 상기 테이프면에 대해 20∼30도 내의 각도로 기울어지게 만드는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 부분적 열처리는 스폿 용접인 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법으로 제조된 니켈 금속기판을 불순물의 증기로 채워진 가열로 안으로 통과시켜 원자확산방식에 의한 불순물 도핑을 행하는 단계를 더 거치도록 하여도 좋으며, 바람직하기로는 상기 불순물이 탄소 또는 크롬이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 방법에 따라 테이프형 니켈기판을 형성하는 과정 및 이에 의해 제조된 기판을 나타낸 도면들이다.
도 1을 참조하면, 그 외부가 히터(30)에 의해 둘러싸인 가열로(10)의 내부에 테이프형 니켈기판(20)이 삽입되어 있다. 니켈기판(20)은 순도 99.9% 이상의 니켈로 만들어진 것으로서, 압연된 후에 스폿 용접에 의해 열처리가 이루어진 상태이다. 니켈기판(20)은 인출선(40)에 의해 가열로(10)의 화살표 방향으로 끌어 올려지면서 이동식 부분 열처리를 거치게 되는데, 이에 의해 재결정화가 연속적으로 전파되면서 이루어진다. 이와 같은 방법으로 도 1b에 도시된 바와 같이 그 결정방향이 [100]축은 테이프면과 평행이고, [001]축은 테이프면에 대해 일정 각도로 기울어진 니켈기판(20)이 완성된다. 도 2a에서, 참조번호 50은 니켈결정의 단위셀(unit cell)이며, 60은 니켈결정의 [001]축, 70은 니켈결정의 [100]축을 각각 나타낸다. 본 실시예에서는, 열처리 후에 니켈기판(20)이 갖고 있는 기계적 특성의 단점을 제거하기 위하여 크롬을 원자 확산방식으로 첨가하였다. 이와 같은 테이프형 니켈기판 위에 완충막 및 YBCO막을 입히면 이 역시 거의 단결정 수준으로 성장하여 거의 완전한 결정성을 얻을 수 있다. 이 때, 형성된 YBCO막의 a(b)축은 테이프형 니켈기판과 평행이므로 임계전류밀도특성이 우수하다. 특히, c축이 20도 이상 기울어져 있으므로 YBCO막이 점차 두꺼워짐에 따라 결정방향이 다르게 성장하는 모드로 전환되지 않는다. 즉, 이러한 기울어진 성장은 안정되어 있기 때문에, YBCO막을 매우두껍게 형성할 수 있다.
본 발명자들은 상기 방법으로 얻어진 테이프형 니켈기판의 결정성을 확인하기 위해 X-선 회절분광기(XRD)로 니켈기판을 분석하였다. 그 결과, [100]축은 니켈 테이프의 면에 평행이고, [001]축은 상기 테이프면에 대해 23도 기울어져 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 테이프의 전체 길이에 대해서도 니켈이 완전한 단결정인 것을 확인하기 위해, 표면 에칭(etching) 후에 편광사진을 관찰한 바, 어떠한 결정립계(grain boundary)도 볼 수 없었다. 이는 얻어진 테이프형 니켈기판이 단결정임을 의미한다.
더욱 자세한 분석을 위해, 테이프형 니켈기판 전체를 길이 1㎝의 조각으로 나누어 각각 X-선 회절분광기로 분석하였는데, 모두 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
한편, 테이프형 니켈기판 상에 형성된 CeO2/YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)/CeO2완충막 및 YBCO 고온 초전도막에 대해서도 X-선 회절분광기를 이용한 분석을 한 결과 모든 막의 결정방향이 니켈기판의 결정방향과 일치함을 확인할 수 있었다.
도 2는 본 발명에 따른 니켈기판 상에 형성된 YBCO 고온 초전도막에 대한 온도-저항 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 임계온도가 약 85K임을 알 수 있다.
도 3은 도 2의 니켈기판에 대해 액체질소 온도부근에서 측정된 임계전류밀도를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 액체질소 온도부근에서 측정된 임계전류밀도(Jc)는 약 5×105A/㎠로서 초전도 테이프의 특성이 우수함을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 매우 긴 길이의 테이프형 니켈기판을 단결정 수준으로 제작할 수 있다. 이러한 니켈기판 상에 코팅된 완충막 및 고온 초전도막의 결정축 배열은 테이프 전체 길이에 대해서 완전성을 보이고 큰 막 두께에 대해서도 안정성을 보인다. 따라서, 이러한 결정성에 의해 테이프 전체 길이에 대한 임계전류밀도를 매우 크게 할 수 있고, YBCO 고온 초전도막의 두께를 두껍게 함으로서 총 임계전류도 크게 할 수 있다.
Claims (6)
- 고온 초전도체를 형성하기 위한 테이프형 니켈금속기판에 있어서,99.9% 이상의 순도를 가진 니켈의 결정방향이 그 [100]축은 테이프면과 평행이고, 그 [001]축은 상기 테이프면에 대해 일정 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 테이프형 니켈금속기판.
- 제1항에 있어서, 상기 일정 각도는 20∼30도 내의 각도인 것을 특징으로 하는 테이프형 니켈금속기판.
- 99.9% 이상의 순도를 가진 니켈금속을 압연하여 테이프형으로 만드는 단계와;상기 테이프형 기판을 부분적으로 열처리하는 단계와;상기 부분 열처리된 기판을 가열로에 진입시켜 서서히 통과시킴으로써 니켈의 결정방향이 그 [100]축은 테이프와 평행이고, 그 [001]축은 표면에 대해 20∼30도 내의 각도로 기울어지게 만드는 단계를 구비하는 테이프형 니켈금속기판 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 부분적 열처리는 스폿 용접인 것을 특징으로 하는 테이프형 니켈금속기판 제조방법.
- 제3항에 있어서, 불순물의 증기로 채워진 가열로 안을 통과시켜 원자확산방식에 의한 불순물 도핑을 행하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 테이프형 니켈금속기판 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 불순물이 탄소 또는 크롬인 것을 특징으로 하는 테이프형 니켈금속기판 제조방법.
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| KR1019990057015A KR100340784B1 (ko) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | 고온 초전도체 테이프를 제작하기 위한 테이프형 금속기판및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20010055735A true KR20010055735A (ko) | 2001-07-04 |
| KR100340784B1 KR100340784B1 (ko) | 2002-06-20 |
Family
ID=19625287
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019990057015A KR100340784B1 (ko) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | 고온 초전도체 테이프를 제작하기 위한 테이프형 금속기판및 그 제조방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100340784B1 (ko) |
| DE (1) | DE10055694A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100738373B1 (ko) * | 2006-01-04 | 2007-07-12 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및방법 |
-
1999
- 1999-12-13 KR KR1019990057015A patent/KR100340784B1/ko not_active IP Right Cessation
-
2000
- 2000-11-06 DE DE10055694A patent/DE10055694A1/de not_active Ceased
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100738373B1 (ko) * | 2006-01-04 | 2007-07-12 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 2축 배향성을 갖는 금속 선재를 제조하기 위한 시스템 및방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10055694A1 (de) | 2001-07-05 |
| KR100340784B1 (ko) | 2002-06-20 |
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