KR20050047523A - 테이프 기판상의 초전도체 재료 - Google Patents

테이프 기판상의 초전도체 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초전도성 와이어는 기판과 자동 정렬된 초전도성 재료로 이루어진 연속 층을 포함한다. 본 발명의 와이어의 길이는 10m를 초과한다.

Description

테이프 기판상의 초전도체 재료{Superconductor material on a tape substrate}
본 출원은, 둘다 본원에 참고로 인용된, "테이프 기판 상에 초전도체 재료를 형성시키기 위한 방법 및 장치"라는 발명의 명칭으로 2002년 7월 26일자로 동시 출원 및 양도된 미국 특허원 제10/206,123호와, "테이프 기판 상에 박막을 형성시키기 위한 방법 및 장치"라는 발명의 명칭으로 2002년 7월 26일자로 동시 출원 및 양도된 미국 특허원 제10/206,783호와 관련이 있는 발명이다.
본 발명은 일반적으로 초전도체, 구체적으로는 테이프 기판 상의 초전도체 재료에 관한 것이다.
금속의 전기 저항은 고체를 통해 전달되는 전자가 완전한 병진 대칭성으로부터의 이탈로 인해 산란되기 때문에 일어난다. 이탈은 불순물이나 포논(phonon) 격자 진동에 의해 생긴다. 불순물은 온도와 무관하게 저항에 기여하고, 진동은 온도에 대해 의존적으로 기여한다.
일부 용품에서 전기 저항은 매우 방해가 된다. 예컨대, 전력 수송에 있어서 전기 저항은 전력 손실을 가져온다. 통상의 도선에서 전력 손실은 전류에 비례하여 커진다(즉, P=I2R). 따라서, 다량의 전류를 운반하는 도선은 다량의 에너지를 소실한다. 또한, 도선의 저항은 그의 길이에 비례하기 때문에 대형 변압기, 대형 모터 또는 긴 수송 거리에 사용되는 도선의 길이가 길어질수록 손실이 커진다. 따라서 비교적 적은 전류를 갖더라도 도선의 길이가 길어질수록 더 많은 에너지가 손실된다. 결과적으로 도선 저항으로 인해 에너지 일부가 손실되기 때문에 발전소에서는 소비자가 사용하는 것보다 더 많은 에너지를 생산한다.
전이 온도 Tc 미만으로 냉각된 초전도체에는 산란 메커니즘이 전류 운반체의 이동을 방해하지 못하기 때문에 저항이 존재하지 않는다. 가장 잘 알려진 종류의 초전도체 재료에서 전류는 쿠퍼쌍(Cooper pairs)으로 알려진 전자쌍에 의해 이동한다. BCS(Bardeen Cooper Schrieffer) 이론에 의해 음전하를 띤 두 개의 전자가 함께 결합된 메커니즘이 설명된다. 초전도 상태, 즉 Tc 미만에서 한 쌍의 전자의 결합 에너지는 페르미(Fermi) 에너지 또는 고체에서 점유된 가장 높은 에너지 준위인 Ef에서 에너지 스펙트럼에 갭의 개시를 유발한다. 이것은 "정상적인" 단일 전자 상태로부터 쌍 상태를 분리한다. 쿠퍼쌍의 크기는 결맞음 길이(coherence length)로 주어지며 전형적으로는 1000Å이지만 산화구리에서처럼 30Å으로 작을 수도 있다. 하나의 쌍에 의해 점유된 공간은 다수의 다른 쌍들을 함유하며, 쌍 상태의 점유의 복합적 상호 의존성을 형성한다. 따라서, 복합적 상호 의존성으로 인해 쌍에서 한 전자의 이동 방향을 역전시킴은 그 쌍과 다수의 다른 쌍들의 붕괴를 요하기 때문에 쌍을 산란시키기 위한 열 에너지가 불충분하다. 결과적으로 쌍들은 방해받지 않으면서 전류를 운반한다. 초전도체 이론에 대한 추가의 정보는 "Introduction to Superconductivity"(M. Tinkham 저, McGraw-Hill, New York, 1975)를 참조한다.
다수의 다른 재료들은 그의 온도가 Tc 미만으로 냉각될 때 초전도체가 될 수 있다. 예를 들면 일부의 전형적인 Type Ⅰ의 초전도체{그들의 각각의 Tc를 캘빈도(K)로 표기}는 탄소 15K, 납 7.2K, 란탄 4.9K, 탄탈 4.47K 및 수은 4.47K이다. 새로운 종류의 고온 초전도체 중 일부인 Type Ⅱ 초전도체(그들의 각각의 Tc를 K로 표기)는 Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138K, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 118K 및 YBa2Cu3 O7-x 93K이다. 이 중 마지막의 초전도체는 그의 구성원인 이트륨, 바륨, 구리 및 산소에 대하여 YBCO로도 잘 알려져 있으며 특히 전력 응용을 위한 고성능 및 높은 안정성의 고온 초전도체인 것으로 여겨진다. YBCO는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 갖는다. 이 구조는 금속 산화물 구조에서 원자의 복합적 적층 구조를 갖는다. 도 1은 이트륨 원자(101), 바륨 원자(102), 구리 원자(103) 및 산소 원자(104)를 포함하는 YBa2Cu3O7에 대한 구조를 나타낸다. 산화물 초전도체에 대한 추가의 정보는 "Oxide Superconductors"(Robert J. Cava, J. Am. Ceram. Soc., 제83권, 제1번, 제5~28쪽, 2000년)을 참조한다.
산화물 초전도체, 구체적으로는 YBCO 초전도체가 일반적으로 갖는 문제점은 그의 산화물 특성으로 인해 제조하기가 어렵고, 그의 복잡한 원자 구조 때문에 초전도 형태로 생산하기 위한 시도가 어렵다는 것이다. 구조 내의 작은 결함, 예를 들면 원자 구조의 무질서화 또는 화학적 조성의 변화는 이들의 초전도 특성을 파괴하거나 현저하게 퇴화시킬 수 있다. 결함은 여러 가지 중에서도 예를 들면 불순물, 불량한 재료 농도, 불량한 재료 상, 불량한 온도, 불량한 원자 구조, 기판에의 재료의 부적절한 공급과 같은 다수의 원인으로부터 일어날 수 있다.
박막 YBCO 초전도체는 펄스 레이저 증착법, 스퍼터링(sputtering), 금속 유기 증착법, 물리적 증착법 및 화학적 증착법을 포함하는 여러 가지 방법에 의해 제조될 수 있다. 박막 YBCO 초전도체의 전형적인 두 가지 증착법을 예로서 설명하겠다. 첫 번째 방법은 도 2에 도시된 바와 같은 반응 챔버(200) 내에서 금속 유기 화학적 증착법(MOCVD)에 의해 웨이퍼 기판 위에 YBCO를 형성한다. 이 제조 방법은 반도체 장치의 제조 방법과 유사하다. 웨이퍼 기판을 홀더(201) 위에 올려놓는다. 기판을 가열기(202)로 가열한다. 기판 웨이퍼 위에 보다 균일한 증착을 달성하고 기판을 고르게 가열하기 위하여 웨이퍼 기판을 회전시킨다. 주입구(204)를 통해 기체 형태의 재료를 샤워 헤드(203)에 의해 기판에 공급한다. 샤워 헤드(203)는 기판 웨이퍼 위에 재료의 층상 유동을 제공한다. 재료는 가열된 웨이퍼 위에 모아져 초전도체를 성장시킨다. 과잉의 재료는 챔버(200)로부터 펌프와 연결된 배출 포트(208)를 통해 제거된다. 챔버(200) 벽에 재료가 원치 않게 증착 되는 것을 막기 위하여 재킷(205)을 통해 벽안으로 냉각제를 유입시킨다. 샤워 헤드(203) 내에 재료가 축적되는 것을 막기 위하여 코일(206)을 통해 샤워 헤드 안으로 냉각제를 유입시킨다. 챔버(200)에 막/기판 샘플을 넣고 꺼내는 것은 도어(207)를 통해서 한다. 막의 제조 과정을 광학 포트(209)를 통해 관찰한다.
두 번째 방법은 연속 금속 테이프 기판(301)을 사용할 수 있는 펄스 레이저 증착법에 의해 기판 위에 YBCO를 형성한다. 테이프 기판(301)은 반응 챔버(300) 내에서 두 개의 롤러(302, 303)에 의해 지지된다. 롤러(302)는 테이프(301)를 YBCO를 성장시키는 온도로 가열하는 가열기(304)를 포함한다. 전형적으로 엑시머 레이저(306)로 YBCO 표적을 조사하여 이 표적으로부터 재료(305)를 깃 모양으로 증발시킨다. 이 후 깃 모양의 증기는 기판(301) 위에 YBCO 초전도체 막을 형성한다. 롤러(302, 303)는 레이저 표적 뒤의 테이프를 연속적으로 이동시켜 YBCO 재료가 테이프에 연속적으로 코팅되도록 한다. 레이저(306)는 챔버(300)의 외부에 존재하며 레이저(306)로부터의 빔은 광학 포트(307)를 통해 챔버(300)로 들어감을 주목한다. 이어서 얻어진 테이프를 잘라 YBCO 초전도체 재료의 층을 갖는 테이프 또는 리본을 제조한다.
상술한 고온의 박막 초전도체의 제조 방법들은 어느 것도 전력 응용에서 구리(또는 기타의 금속) 도선을 대체할 수 있는 YBCO의 긴 테이프 또는 리본을 제조하지는 못한다. 첫 번째 방법은 웨이퍼 위에 초전도체 재료의 작은 조각들을 제조할 수 있을 뿐이다(예: 배치식 공정). 두 번째 방법은 길이가 수 피트인 테이프를 제조하는 데에만 사용될 수 있으며 두께가 수 미크론인 초전도성 막을 생성하기 위해 다중 경로를 사용한다. 두 번째 방법은 약 5 ft의 실제적 한계를 갖는다. 더 큰 조각의 테이프는 더 큰 가열 챔버를 필요로 할 것이다. 보다 큰 가열 롤러도 필요할 것이다. 테이프는 롤러(302)를 벗어난 후에 식기 때문에 목적 온도까지 다시 가열하기 위해 더 많은 시간을 필요로 할 것이다. 챔버의 한쪽 측면에서는 가열되고 챔버의 다른 쪽 측면에서는 식게 되면 YBCO 층 및 기판 위에 형성된 다른 층들에 열적 균열이 생길 수 있다. 두 번째 방법으로 제조된 테이프의 작은 조각들을 함께 슬라이싱하여 긴 테이프를 제조할 수 있는데, 이 조각들이 초전도성을 띠더라도 슬라이스 기술은 아직까지 고품질의 고온 초전도체 슬라이스를 제조하는 단계에 미치지 못했다. 결과적으로, 현재의 초전도체 제조 방법으로는 긴 연속 테이프의 초전도체 재료를 제조할 수 없다.
본 발명은 연속적이고 길이가 긴 초전도체 리본 또는 테이프 또는 와이어를 제조하는 방식같은 연속 방식으로 금속 리본 또는 테이프 또는 와이어 위에서 제조된 초전도체, 바람직하게는 YBCO에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용되는 초전도체 와이어란 전류를 수송하기 위해 사용되는 모든 초전도성 부재를 포함한다는 사실을 주목한다.
상기 독창적인 초전도체의 테이프는 제한됨이 없이 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2 Sr2Ca2Cu3Oy, Pb2- xBixSr 2Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1Cu 2Oz, Tl2Ba2CaCu2Ox, Tl2Ba2Ca2Cu 3Oy, Tl1Ba2Ca2Cu3Oz, Tl 1- xBixSr2- yBayCa2Cu4 Oz, Tl1Ba2Ca1Cu2Oz, Hg1Ba2Ca1Cu2Oy, Hg1Ba2Ca 2Cu3Oy, MgB2, 산화구리, 희토류 금속 산화물, 및 다른 고온 초전도체를 포함하는 상이한 초전도성 재료로부터 제조될 수 있다.
앞서 본 발명의 특징 및 기술적 이점들을 포괄적으로 설명하였으며 이를 통해 후술되는 본 발명의 상세한 설명이 더욱 쉽게 이해될 것이다. 본 발명의 추가의 특징 및 이점들을 이하에 설명할 것이며 이들은 본 발명의 청구 범위에 속한다. 당업자들은 기재된 개념 및 특정 양태들이 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 기타의 구조를 개선 또는 설계하기 위한 근거로서 쉽게 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한 당업자들은 이러한 대등한 구조가 첨부된 청구의 범위에 설명된 본 발명의 취지 및 범주에서 벗어나지 않음을 알게 될 것이다. 추가의 목적 및 이점과 함께 본 발명의 특징인 것으로 믿어지는 신규한 구성 및 방법들은 첨부 도면을 참조로 하여 하기 설명으로부터 쉽게 이해될 것이다. 그러나 각각의 도면은 예시와 설명을 위한 목적으로 제공된 것일 뿐 본 발명을 제한하지 않는다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명을 더욱 완벽하게 이해하기 위하여 첨부 도면을 참조로 하여 설명한다.
도 1은 YBCO 초전도체에 대하여 알려진 원자 구조이다.
도 2는 종래의 YBCO 초전도체의 제1 제조 장치의 배치도이다.
도 3은 종래의 YBCO 초전도체의 제2 제조 장치의 배치도이다.
도 4는 본 발명의 양태의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 초기화 단계의 양태를 나타낸다.
도 6A 내지 6E는 본 발명의 증착 단계의 반응기의 양태를 나타낸다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 전이 챔버의 양태를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 어닐링 단계의 양태를 나타낸다.
도 9A 내지 9D는 본 발명의 초전도체 와이어의 상이한 양태들을 나타낸다.
[발명의 상세한 설명]
도 4는 본 발명을 사용하여 고온 초전도성(HTS) 재료의 연속 테이프를 제조하는 시스템(400)의 양태에 대한 개략도이다. 시스템(400)은 함께 작동되어 금속 기판 위에 SC 재료를 증착시켜 크고 잘 배열된 입자 및 원칙적으로 작은 각도의 입자 경계면을 가지는 HTS 재료가 원자 배열되도록 하는 다수의 단계들을 포함한다. 원자 배열은 높은 전류 밀도, 예를 들면 100,000amps/㎠ 이상의 Jc를 제공한다.
금속 기판은 바람직하게는 두께가 10/1000 내지 1/1000in인 금속 호일 테이프(408)이다. 테이프의 폭은 필요한 만큼 넓게 할 수 있다. 예를 들면, 생성되는 HTS 테이프가 다량의 전류를 운반할 수 있도록 테이프를 넓게 하거나, 생성되는 HTS 테이프를 보다 얇은 스트립으로 절단할 수 있도록 테이프를 넓게 할 수 있다.
테이프(408)는 바람직하게는 니켈 및/또는 니켈 합금으로 구성되며, HTS 재료의 성장을 촉진시키는 소정의 원자 배열을 갖는다. 테이프는 또한 니켈, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 알루미늄, 철, 텅스텐, 탄탈, 바나듐, 크롬, 주석, 아연, 몰리브덴 및 티탄을 포함할 수도 있다. 이러한 테이프는 오크 릿지 내셔널 래보라토리즈(Oak Ridge National Laboratories)가 밝힌 바 있다. 테이프(408)는 HTS 층을 지탱해야하기 때문에, 연성 또는 요곡성이어야 하며 강해야 한다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 테이프의 한면만이 HTS 층으로 코팅되나, 양면이 모두 HTS 층으로 코팅될 수도 있음을 주목한다.
테이프(408)는 바람직하게는 공급 릴(401)에 의해 분배된다. 공급 릴(401)은 테이프를 일정한 속도로 제공하는 연속 공급 릴이다. 공급 릴은 (권취 릴(406)과 함께) 장력을 조절함으로써 테이프가 처지거나(장력이 지나치게 작은 경우) 테이프가 신장 또는 파단되는 것(장력이 지나치게 큰 경우)을 막는 것이 바람직하다. 가공처리 중에 테이프가 처지거나 신장되면 HTS 층을 손상 또는 파괴시킬 수 있다. 가장 바람직한 것은 테이프가 공급 릴(401)로부터 권취 릴(406)로 이동할 때 컴퓨터(409)가 장력 조절기(411)를 통해 테이프의 장력을 조절하는 것이다.
테이프의 속도는 다수의 인자, 예를 들면 반응 챔버의 크기, 증착된 재료의 목적하는 두께, 층의 성장 속도, 반응 온도, 광선속 등에 따라 달라진다. 약 0.5 내지 5㎛ 두께의 YBCO HTS 층을 연속적으로 성장시키기 위해서는 약 3㎝/분의 속도가 바람직하다. 그러나 목적하는 두께, 성장 속도, 사용되는 재료, 재료 농도 등(이들에 제한되지 않음)과 같은 인자에 따라, 1 내지 20㎝/분의 속도를 사용할 수도 있다. 조절 가능한 설정일 수 있는 스테퍼 모터(stepper motor)를 포함한 속도 조절기(410)를 사용하여 테이프의 속도를 조절하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 것은 테이프가 공급 릴(401)로부터 권취 릴(406)로 이동할 때 컴퓨터(409)가 속도 조절기(410)를 통해 테이프의 속도를 조절하는 것이다. 공급 릴이 컴퓨터(409)에 연결될 수 있는 속도 조절기를 포함할 수도 있음을 주목한다.
테이프(408)는 깨끗해야 하며 그리스 및/또는 기타의 오염 물질이 없어야 한다. 이러한 오염 물질은 재료의 증착을 방해할 수 있고, 증착된 재료를 화학적으로 오염시킬 수 있으며, 생성된 박막 구조물을 뒤틀리게 하여 대부분의 경우 초전도 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 초기화 단계(402)에 들어가기에 앞서 예비 세척 단계(412)에서 증기 그리스 제거제 또는 세척제를 사용하여 테이프를 세척할 수 있다. 또는, 기계적 세척기(예: 롤러 와이퍼)를 사용하여 테이프를 세척할 수 있다. 달리, 액상 세척제(예: 아세톤)가 담긴 초음파 수조를 사용하여 테이프를 세척할 수도 있다. 잔류하는 세척제는 초기화 단계(402)에서 테이프로부터 증발 및/또는 가열 제거될 수 있다. 예비 세척 단계(412)는 증기 처리, 기계적 처리 또는 수조 처리를 여러 차례 적용하거나 증기 처리, 기계적 처리 및/또는 수조 처리를 조합하여 사용할 수 있음을 주목한다. 또한 이 단계는 시스템(400)과 별도로 작동시킬 수 있음을 주목한다. 이렇게 하여 얻어진 세척된 테이프를 다시 권취하여 테이프(401)로서 시스템(400)에 사용한다.
초기화 단계(402)에서는 초전도체 층을 성장시키기에 앞서 테이프 기판(408)을 예열 및/또는 전처리한다. 이 단계는 테이프(408)의 온도를 약 500℃로 올린다. 이것은 실온과 후속 단계의 온도 사이의 온도이다. 이는 테이프 기판의 열 충격을 감소시킬 것이다. 전처리는 초전도체 상부 층을 포함한 표면 층을 성장시키기에 앞서 테이프 기판으로부터 오염 물질을 감소시킬 것이다. 이 단계는 금속을 덮고 있던 고유의 산화물도 제거시킨다. 이 단계는 바람직하게는 산소제거제, 예를 들면 수소(H2), 암모니아(NH3) 및/또는 일산화탄소 및 아르곤(및/또는 예로서 질소와 같은 기타의 비반응 기체)을 포함하는 환원성 대기를 갖는다. 산소제거제는 금속 표면 산화물과 반응하여 그를 원래의 금속으로 환원시킨다. 표면 금속 산화물은 HTS 층의 원자 배열을 붕괴시켜서 그의 초전도 특성에 영향을 미치기 때문에 제거되어야 한다.
초기화 단계(402)의 양태의 일례를 도 5에 도시한다. 이 단계는 바람직하게는 석영 또는 비반응성 재료(예: 스테인레스 강)로 구성된 지지체(501)를 적어도 하나 포함한다. 다른 재료는 금, 백금, 산화 알루미늄, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함할 수 있다. 지지체는 테이프가 걸려서 찢어지거나 꼬이지 않도록(이는 지지체의 원자 배열을 손상시켜서 HTS 막의 품질을 저하시킨다) 매끄럽게 연마되어야 한다. 또한, 지지체는 처지는 것을 막는데 필요한 만큼만의 크기를 가져야 하며, 이는 테이프와의 접촉을 최소화하여 오염을 방지할 것이다. 가열기(502)는 테이프를 가열하는데 사용된다. 가열기(502)는 다수의 단계, 예를 들면 (502a), (502b), (502c)를 포함할 수 있으며, 각각의 단계는 테이프를 목적하는 온도로 점진적으로 가열한다. 당해 단계는 테이프 기판의 열 충격을 감소시킬 것이다. 당해 양태에서, 가열기는 지지체 파이프(508)를 포함함을 주목한다. 이 파이프는 파이프 안 및/또는 밖으로 기체 및/또는 기타의 재료를 통과시키는 다수의 포트(도시하지 않음)를 포함한다. 테이프는 테이프 포트(506)를 통해 이 단계에 공급되고 테이프 포트(507)를 통해 배출된다. 테이프 포트(506) 및 (507)는 전이 챔버(701) 상의 포트와 같이 좁은 슬릿일 필요는 없다. 또는, 좁은 슬릿이 전이 챔버의 일부분이 아닐 수 있으며 대신에 테이프 포트(506) 및 (507)가 좁은 슬릿을 포함할 수 있다. 재료 포트(504) 및 (505)는 각각 이 단계의 환경을 한정하는데 사용되는 기체를 위한 주입구 및 배출구를 제공한다. 단계(402)의 외부 온도를 낮추기 위하여 냉각 파이프(503)가 제공된다. 또는, 단계(402) 안에 냉각 재킷을 직접 장착할 수도 있다.
하기 표는 초기화 단계의 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다. SCCM은 ㎤/분(표준)임에 주목한다.
초기화 단계(402)
변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
유입된 테이프 온도 상온 상온
산출된 테이프 온도 350℃ 200-550℃
압력 5-15 Torr 1-700 Torr
가스 유속 800-1000 SCCM 100-2000
가스 조성물 : H2 Ag 22-26%78-74% 3%-30%97%-70%
다음 단계는 증착 단계(403)이다. 이 단계는 바람직하게는 초전도체 층이 증착되는 테이프 기판 위에 하나 이상의 재료를 증착하기 위한 반응기 또는 반응 챔버(601)를 적어도 하나 포함한다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 이 부분은 다수의 반응 챔버(601a), (601b), (601c)를 포함할 수 있으며 이들은 도 7A의 전이 챔버(701)에 의해 분리될 수 있다. 특정한 초전도체는 상이한 재료, 상이한 농도, 상이한 온도, 상이한 압력 및/또는 이들의 조합으로 증착시켜야 해서 하나 이상의 상이한 작업 환경을 필요로 할 수 있다. 각각의 챔버는 유사한 것이 바람직하나, 특정한 환경이 특히 다소 길거나 짧은 성장 시간을 필요로 하고/하거나 층이 다소 두껍거나 얇아야 하는 경우에는 챔버를 테이프 이동 방향으로 더 크거나 작게 만들 수 있다. 테이프는 일정한 속도로 이동하기 때문에 더 긴 증착 시간이 필요한 경우(및/또는 더 두꺼운 막이 필요한 경우)에는 반응 대역을 더 길게 하거나 성장 속도를 더 높이고 그 반대의 경우에는 역으로 함으로써, 시간을 거리에 상등하게 생각할 수 있음을 주목한다. 이와 마찬가지로, 테이프 속도의 변화는 증착 시간을 변화시키는데 예를 들면 테이프 속도를 천천히 하면 증착 시간이 더 길어지고 더 두꺼운 막이 얻어지며 그 역도 성립한다.
도 6A는 반응기(601)의 양태의 일례이다. 반응기는, 바람직하게는 석영 또는 비반응성 재료(예: 스테인레스 강)로 구성된 지지체(604)를 적어도 하나 포함한다. 다른 재료는 금, 백금, 산화 알루미늄, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함할 수 있다. 지지체는 테이프가 걸려서 찢어지거나 꼬이지 않도록(이는 지지체의 원자 배열을 손상시켜서 HTS 막의 품질을 저하시킨다) 매끄럽게 연마되어야 한다. 또한, 지지체는 처지는 것을 막는데 필요한 만큼만의 크기를 가져야 하며, 이는 테이프와의 접촉을 최소화하여 오염을 방지할 것이다. 지지체는 가열 부재(613), 예를 들면 램프에 의해 제공되는 열을 보충하기 위한 가열기를 포함할 수 있다. 이것은 지지체가 열 흡수체로서 작용하는 것을 막아준다. 반응기의 측면은 석영, 비반응성 재료(예: 스테인레스 강)를 포함하거나 석영 또는 비반응성 재료 계열의 일부 다른 재료를 포함할 수 있다. 기타의 비반응성 재료는 금, 백금, 산화 알루미늄, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함한다. 테이프는 테이프 포트(605)를 통해 이 단계로 공급되고 좁은 테이프 포트(606)를 통해 이 단계에서 배출된다. 테이프 포트(605) 및 (606)는 전이 챔버(701) 위의 포트와 같이 좁은 슬릿일 필요는 없다. 또는, 좁은 슬릿이 전이 챔버의 일부분이 아닐 수 있으며 대신에 테이프 포트(605) 및 (606)가 좁은 슬릿을 포함할 수 있다. 재료 포트(607)는 이 단계에 사용되어야 하는 재료용 배출구이다. 도 6D의 반응기(601)의 저면도에서 포트(607)는 반응기(601) 내에서 재료의 층상 유동을 돕도록 배치된다. 다시 말해서 재료는 샤워 헤드(603)로부터 유입되고 이어서 포트(607)를 통해 배출된다.
반응기(601)는 램프(602) 및 샤워 헤드(또는 분배 헤드)(603)를 포함한다. 도 6B 및 6C는 각각 도 6A에 도시된 램프(602) 및 샤워 헤드(603)의 측면도 및 정면도이다. 도 6E는 샤워 헤드, 기판 및 지지체의 투시도이다{램프(602)는 도시하지 않았다}. 램프는 테이프를 목적하는 온도로 가열하며 이로써 재료의 증착이 이루어질 것이다. 램프는 또한 성장 속도를 현저하게 향상시키는, 즉 반응물의 향상된 표면 확산을 통해 성장 속도를 증가시키는 자외선 및 가시광선을 제공하며, 이것은 두꺼운 층의 신속한 성장, 보다 빠른 테이프 속도 및/또는 반응기의 소형화를 가능케 한다. 램프는 샤워 헤드(603) 바로 밑의 영역인 반응 대역(609)에 광을 조사하기 위하여 반사기를 사용한다. 이것은 챔버 벽으로의 열 유동을 줄여준다. 램프는 바람직하게는 석영 할로겐 램프이며 램프(602)의 길이를 따라 연장된 백열등(608)을 다수 포함한다. 기타의 자외선/가시광선(UV/V) 광원, 예를 들면 크세논 방전, 수은 증기 또는 엑시머 레이저광을 사용할 수도 있음을 주목한다. 샤워 헤드(603)는 반응기의 증착 대역에서 기판 테이프(408)에 운반 기체와 혼합된 반응물 증기의 층상 유동을 제공한다. 샤워 헤드(603)는 바람직하게는 석영으로 만들어지나 스테인레스 강과 같은 기타의 비반응성 재료로 만들어질 수도 있다. 기타의 재료는 금, 백금, 알루미늄 옥사이드, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함할 수 있다.
샤워 헤드 아래의 영역이 반응기의 증착 대역이다. 이 대역의 크기는 기타의 시스템 특성, 예를 들면 테이프 속도, 증착 속도, 챔버 압력 등을 고려하여 목적하는 두께의 막을 제공하도록 선택한다. 테이프(408)는 증착 대역에 있지 않을 때에는 재료가 테이프를 피복 하는 것을 막도록 시일드(612)로 덮여진다.
분배 헤드(603)의 치수와 위치는 기판(408)의 폭에 따라 달라진다. 예를 들면, 도 6B에서 폭 B(612)를 갖는 기판(408)에 대해 지지체(604)의 폭 A(613)는 예를 들면 B-2㎜와 같이 B보다 약간 작은 것이 바람직하다. 그러나 A는 B+2㎜ 내지 B-2㎜ 범위의 값을 가질 수 있다. 샤워 헤드의 폭 C(610)는 예를 들면 B+10㎜와같이 B보다 더 큰 것이 바람직하다. 그러나 C는 B+15㎜ 내지 B-2㎜ 범위의 값을 가질 수 있다. 샤워 헤드와 기판 사이의 간격 D(611)는 바람직하게는 B와 같거나 그보다 크다. 그러나 D는 B/2와 같거나 그보다 큰 값을 가질 수 있다.
램프 하우징은 램프 반사경의 일부분으로서 냉각 재킷(610)을 포함하는 것이 바람직하다. 상이한 냉각제, 예를 들면 물, 오일, 글리콜 등을 재킷에 사용할 수 있다. 반응기의 측면은 냉각 재킷 및/또는 냉각 파이프(614)를 포함할 수도 있다. 냉각 재킷(들)은 반응 챔버 외부 온도를 안전 범위로 낮출 뿐만 아니라 벽 온도를 반응물들의 화학 반응이 일어나지 않는 점으로 감소시킴으로써 벽 위에 목적하지 않는 증착 재료가 축적되는 것을 줄여준다.
반응기는 품질 관리 포트(611)도 포함하는 것이 바람직하다. 이 포트를 통해 증착 공정 중에 테이프를 관찰하고/하거나 테이프의 품질을 시험하기 위해 접근할 수 있다.
기판과 함께 증착 막, 예를 들면 HTS, 완충 층 또는 오버코트 층을 형성하는 증착 재료(반응 물질) 또는 전구체는 전구체 시스템(407)에 의해 제공된다. 공지된 시스템은 기체, 액체, 고체 및 슬러리 제조 시스템을 포함한다. 고상 전구체 전달 시스템은 전형적으로 별도의 가열된 용기에서 고상 전구체를 휘발시키고, 운반 기체를 용기에 통과시킨 후 운반 기체/전구체 증기를 반응 챔버로 통과시킨다. 고상 전구체는 휘발화를 위해 한 덩어리의 고체로 혼합되거나 분리될 수 있다. 슬러리 전구체 전달 시스템은 고온 대역이 마련된 별도의 챔버에서 용매에 용해된 전구체 모두 또는 일부를 함유하는 소량의 진한 슬러리를 휘발시킨다. 액상의 전구체 전달 시스템은 고온 대역이 마련된 별도의 챔버에서 용매에 용해된 전구체 모두 또는 일부를 함유하는 소량의 액상 용액을 휘발시킨다. 그런 다음 증발된 전구체를 반응기의 샤워 헤드로 주입하여 테이프(408)에 공급한다. 액상의 전구체 용액은 원자화된 후 반응기 샤워 헤드에 주입되도록 휘발될 수도 있다.
YBCO 초전도체를 연속적 금속 호일 기판에 통합하기 위하여 3개의 반응기를 사용하는 것이 바람직하다. 처음 두 개의 반응기는 완충 층을 제공하고 세 번째 반응기는 YBCO 층을 제공한다. 제1 반응기(601a)는 얇은 완충 층, 바람직하게는 산화 세륨(CeO2)를 증착시킨다. 완충 층은 금속 기판과 초전도성 층 사이에서 기타 속도의 확산을 막기에 충분하고 원자 배열된 후속의 완충 층 또는 초전도체 층이 성장하기 위한 원자 배열된 주형(templete)을 제공한다. 이 층은 이어지는 2개의 반응기에 비해 비교적 저온에서 증착되며 니켈이 산화되는 것(이것은 후속의 층들이 성장하게 될 니켈 기판 표면의 원자 구조를 파괴시킬 것이다)을 막아준다. 이 반응기는 형성 기체(forming gas), 예를 들면 수소의 환원성 환경에서 작동되면서도 산화물 층을 성장시키는데, 이것은 반응기에 산소도 제공됨을 의미함을 주목한다. 비교적 낮은 압력(표준 대기압에 비해) 때문에 폭발의 위험은 없다. 하기 표는 제1 반응기 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다.
반응기(601a)에 의한 CeO 완충층
변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
반응기 온도 600-700℃ 550-750℃
반응기 압력 2-4 Torr 10 Torr
운반 가스 유속 100-400 SCCM 100-400 SCCM
산소 유속 250-700 SCCM 200-1000 SCCM
환원성 가스 H2 22-26%Ag 78-74% 3-30%97-70%
환원성 가스 유속 200-600 SCCM 100-1000 SCCM
제2 반응기(601b)는 더 높은 증착 온도에서 완충 층, 바람직하게는 이트리아 안정화된 지르콘(YSZ) 완충층을 증착시킨다. 이 완충층은 YBCO 층 내의 금속 기판과 제1 완충 층 사이의 상호 확산을 막아준다. 이 반응기는 O2, N2O, O3, 이들의 조합 또는 기타의 산화제를 포함한 산화제 풍부 환경 하에 1 내지 5Torr의 압력 및 600 내지 700℃의 온도에서 작동시킨다. 하기 표는 제2 반응기 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다.
반응기(601b)에 의한 YSZ 완충층
변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
반응기 온도 780-830℃ 750-850℃
반응기 압력 2-4 Torr 1-10 Torr
산소 유속 300-600 SCCM 100-750 SCCM
아르곤 유속 500-8000 SCCM 200-2000 SCCM
제3 반응기(601c)도 산화제 풍부 환경에서 YBCO 층을 증착시킨다. YBCO 층의 두께, 그의 화학적 순도 및 결정 품질은 제조된 초전도성 테이프의 임계 전류를 결정짓는다. 임계 전류는 그 이상이 되면 초전도체가 더 이상 초전도성을 띠지 않게 되는 전류이다. 하기 표는 고체 형태의 전구체를 위한 제3 반응기 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다.
고체 형태의 전구체를 사용하는 반응기(601c)에 의한 YBCO 층
변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
반응기 온도 780-835℃ 780-835℃
반응기 압력 2-4 Torr 1-10 Torr
전구체 B 온도 270-280℃ 780-835℃
전구체 C 온도 165-185℃ 780-835℃
전구체 Y 온도 165-185℃ 780-835℃
산소 유속 100-500 SCCM 100-1000 SCCM
N2O 유속 100-300 SCCM 100-1000 SCCM
아르곤 유속 500-800 SCCM 300-2000 SCCM
하기 표는 고체(표 4) 및 액체(표 5) 형태의 전구체를 위한 제3 반응기의 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다. M은 몰랄 농도이다.
액체 형태의 전구체를 사용하는 반응기(601c)에 의한 YBCO 층
변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
반응기 온도 780-830℃ 700-900℃
반응기 압력 2-3 Torr 1-10 Torr
전구체 온도 20-40℃ 15-45℃
전구체 농도 0.05-0.1 M 0.01-0.3 M
아르곤 유속 400-500 SCCM 200-1000 SCCM
산소 유속 300-500 SCCM 200-1000 SCCM
N2O 유속 200-500 SCCM 100-1000 SCCM
증착 단계(403)는 단계(402)와 제1 반응기 사이, 반응기들 사이, 그리고 최종 반응기와 단계(404) 사이에 전이 챔버(701)를 갖는다. 도 7A는 전이 챔버 양태의 일례를 보여준다. 테이프는 좁은 슬릿(703)을 통해 전이 챔버로 공급되고 좁을 슬릿(704)을 통해 전이 챔버로부터 배출된다. 슬릿은 기체 및 다른 재료들이 반응 챔버로부터 전이 챔버로, 또 그 반대로 통과되는 것을 막기 위해서 사용된다. 따라서 전이 챔버는 각각의 단계 또는 반응기를 다른 단계 및/또는 반응기들과 단리시킴으로써 한 단계 또는 반응기에서 다른 단계 또는 반응기로 재료 및/또는 기체가 교차 오염되는 것을 막아준다. 전이 챔버는, 전이 챔버의 각 말단부에서 누출되는 재료 또는 기체를 억제하고 공칭 반응 변화압보다 높거나 낮은 압력에서 작동될 수 있는 진공 시스템(706)을 갖는다.
전이 챔버는 테이프 기판을 이동시키기 위한 지지체(702)를 적어도 하나 포함하는 것이 바람직하며, 지지체는 바람직하게는 석영 또는 비반응성 재료(예: 스테인레스 강)로 구성된다. 다른 재료는 금, 백금, 산화 알루미늄, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함할 수 있다. 지지체는 테이프가 걸려서 찢어지거나 꼬이지 않도록(이는 지지체의 원자 배열을 손상시켜서 HTS 막의 품질을 저하시킨다) 매끄럽게 연마되어야 한다. 또한, 지지체는 처지는 것을 막는데 필요한 만큼만의 크기를 가져야 하며, 이는 테이프와의 접촉을 최소화하여 오염을 방지할 것이다.
전이 챔버는 전이 챔버 내에서 테이프의 온도를 유지 및/또는 조절하는 가열 부재(707)를 하나 이상 포함할 수 있다. 가열기(707)는 테이프의 온도를 그와 연결된 두 단계들 사이의 점(예: 중간점)으로 (보다 높거나 낮게) 유지 또는 조절할 수 있다. 예를 들면 하나의 반응기가 550℃의 온도를 갖고 다른 반응기가 700℃의 온도를 갖는다면, 전이 챔버는 625℃의 온도를 갖도록 설정될 수 있다. 이것은 테이프가 단계 및/또는 반응기 사이를 이동할 때의 열 충격을 감소시킬 것이다. 이 양태에서, 가열 부재(707)는 지지 파이프(711)를 포함함에 주목한다. 이 파이프(711)는 파이프 안팎으로 기체 및/또는 다른 재료들을 통과시키는 포트(710)를 다수 갖는다. 도 7B는 포트(710)를 갖는 파이프(711)의 측면도이다.
전이 챔버는 기판 위에 형성된 완충 층(들) 또는 초전도체 층(들)을 안정화 또는 향상시키거나 테이프 위의 후속 층들의 형성을 향상시키도록 전이 챔버 내에 적어도 1종의 기체 재료를 도입시키는 포트(705)를 적어도 하나 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 전이 챔버는 테이프에 산소를 제공하는데 이것은 증착된 막 내의 산소 화학량론을 유지하는데 도움을 줄 것이다. 도입된 기체 재료는 진공 시스템(706)에 의해 제거되며 단계/반응기 안으로 유입되지 않는다.
전이 챔버는 바람직하게는 냉각 재킷(708)도 포함한다. 상이한 냉각제, 예를 들면 물, 오일 또는 글리콜 등을 재킷에 사용할 수 있다. 냉각 재킷은 반응 챔버 외부 온도를 안전 범위로 낮춰줄 뿐 아니라 벽 온도를 반응물들의 화학 반응이 일어나지 않는 점으로 감소시킴으로써 벽 위에 증착 재료가 원치 않게 축적되는 것을 줄여준다.
전이 챔버는 또한 품질 관리 포트(709)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 포트를 통해 증착 공정 중에 테이프를 관찰하고/하거나 테이프의 품질을 시험하기 위해 접근할 수 있다.
하기 표는 전이 챔버(701-1), (701-2), (701-3) 및 (701-4)의 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다.
전이 챔버 환경
챔버 변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
701-1 온도 500℃ 400-700℃
압력 3 Torr 1-10 Torr
가스 조성물 : H2 Ag 22-26%78-74% 3-30%97-70%
가스 유속 500 SCCM 100-1000 SCCM
701-2 온도 600℃ 450-800℃
압력 3 Torr 1-10 Torr
가스 조성물 : O2 100% 100%
가스 유속 500 SCCM 100-2000 SCCM
701-3 온도 700℃ 650-850℃
압력 3 Torr 1-10 Torr
가스 조성물 : O2 100% 100%
가스 유속 500 SCCM 100-1500 SCCM
701-4 온도 650℃ 600-800℃
압력 10 Torr 2-100 Torr
가스 유속 500 SCCM300 SCCM 300-2000 SCCM300-2000 SCCM
다음 단계는 어닐링 단계(404)이다. 이 단계는 기판 테이프 위의 초전도성 층 내의 산소 화학량론을 증가시키고 가공 처리가 완료된 테이프를 냉각시킨다. 이 단계 후에, 테이프는 초전도성 층의 퇴화 없이, 정상 공기에 노출될 수 있고 따라서 추가의 전이 챔버는 필요하지 않다. 이 단계에서, 테이프는 약 30 내지 60분을 소요한다. 테이프는 이 단계에 도입될 때 약 800 내지 650℃이고 이 단계를 빠져 나올 때 약 300℃ 이하이다. 테이프는 이 단계에서 산소 분위기 하에 있다.
도 8은 어닐링 단계의 일례를 보여준다. 이 단계는 바람직하게는 석영 또는 비반응성 재료(예: 스테인레스 강)로 구성된 지지체(801)를 적어도 하나 포함한다. 다른 재료는 금, 백금, 알루미늄 옥사이드, LaAlO3, SrTiO3 및/또는 기타의 금속 산화물 재료를 포함할 수 있다. 지지체는 테이프가 처지거나 꼬이지 않도록(이는 지지체의 원자 배열을 손상시켜서 HTS 막의 품질을 저하시킨다) 매끄럽게 연마되어야 한다. 또한, 지지체는 처지는 것을 막는데 필요한 만큼만의 크기를 가져야 하며, 이는 테이프와의 접촉을 최소화하여 오염을 방지할 것이다. 가열기(802)는 테이프를 가열하는데 사용된다. 가열기(802)는 다수의 단계, 예를 들면 (802a), (802b) 및 (802c)를 포함할 수 있으며 각각의 단계는 테이프의 온도를 목적하는 온도로 감소시킨다. 이것은 테이프 기판의 열 충격을 감소시킬 것이다. 이 양태에서 가열기는 지지 파이프(808)를 포함한다. 이 파이프는 파이프의 안팎으로 기체 및/또는 다른 재료들을 통과시키는 포트(도시하지 않음)를 다수 갖는다. 테이프는 테이프 포트(806)를 통해 이 단계에 공급되고 테이프 포트(807)을 통해 이 단계에서 배출된다. 테이프 포트(806) 및 (807)는 전이 챔버(701) 위의 포트와 같이 좁은 슬릿일 필요는 없다. 또는, 좁은 슬릿이 전이 챔버의 일부분이 아닐 수 있으며 대신에 테이프 포트(806) 및 (807)가 좁은 슬릿을 포함할 수 있다. 재료 포트(804) 및 (805)는 각각 이 단계의 환경을 한정하는데 사용되는 기체를 위한 주입구 및 배출구를 제공한다. 단계(404)의 외부 온도를 낮추기 위하여 냉각 파이프(803)가 제공된다. 또는, 단계(404) 안에 냉각 재킷을 직접 장착할 수도 있다.
하기 표는 어닐링 단계 환경의 실례이다. 수치는 단지 예시를 위해 제공된 바람직한 수치 및 사용 가능한 수치이다.
어닐링 단계 환경
단계 변수 바람직한 수치 사용 가능한 수치
단계 Ⅰ 802a 온도 550℃ 500-700℃
압력 760 Torr 100-1500 Torr
O2 유속 500 SCCM 100-2000 SCCM
단계 Ⅱ 802b 온도 350℃ 300-400℃
압력 760 Torr 100-1500 Torr
O2 유속 500 SCCM 100-2000 SCCM
단계 Ⅲ 802c 온도 200℃ ≤300℃
압력 760 Torr 100-1500 Torr
O2 유속 500 SCCM 100-2000 SCCM
임의의 밀봉 단계(405)에서 보호 피막, 예를 들면 래커, 플라스틱, 중합체, 직물, 금속(예: 은, 금 또는 구리)으로 테이프를 피복할 수 있다. 이 재료들은 단지 예시용으로 인용한 것일 뿐이며 다른 피복들도 사용할 수 있다.
임의의 단계(418)에서는 가공처리 중에 있는 테이프 뿐만 아니라 물론 최종의 초전도성 테이프의 적합한 특성을 보장하는 품질 관리 시험을 수행한다. 이 단계는 포트(611) 및/또는 (709)를 사용할 수 있음을 주목한다. 또한, 품질 관리 시험은 반응기(601a, b, c), 전이 챔버(701), 및/또는 전처리 또는 후 어닐링 단계에 도입될 수 있음을 주목한다. 또한 품질 관리 시험은 시스템(400)과 별도로 수행될 수 있음을 주목한다. 이 품질 관리는 원자 배열, 온도, 반사성, 표면 형태, 두께, 미세 구조, Tc, Jc, 마이크로파 저항 등을 포함하는 YBCO 특성의 직접 또는 간접 측정, 또는 테이프의 완충 층 또는 코팅 층의 원자 배열, 온도, 반사성, 표면 형태, 두께, 미세 구조 등을 포함한 특성의 직접 또는 간접 측정을 포함할 수 있다. Jc는 와이어를 파열되기 전에 취급할 수 있는 임계 전류 밀도 또는 최대 전류량임을 주목한다. 일부의 초전도체 부재는 100,000amps/㎠ 이상의 Jc를 가질 수 있다. 양호한 초전도체 부재는 500,000amps/㎠ 이상의 Jc를 가질 수 있다.
본 발명은 초전도성 테이프를 권취하기 위하여 바람직하게는 권취 릴(406)을 사용한다. 와이어 테이프(408)의 길이는 단지 공급 및 권취 릴의 크기에 의해서만 제한됨을 주목한다. 따라서 테이프는 도입/배출 릴의 길이에 따라서 어떠한 목적하는 길이라도 가질 수 있다. 예를 들면 본 발명은 1 또는 2㎞ 길이 또는 심지어 그 이상의 와이어 테이프도 제조 가능하다.
본 발명의 상이한 특징들을 조절하기 위하여 컴퓨터(409)를 사용할 수 있음을 주목한다. 예컨대 컴퓨터는 반응기로 유입되는 재료의 농도, 반응기 또는 전이 챔버의 온도, 테이프 속도, 테이프 장력, 상이한 반응기 또는 단계로 유입되는 재료의 속도 등을 조절할 수 있다. 이것은 와이어 테이프의 특성을 개선하기 위하여 품질 관리 시험으로부터의 피드백을 허용할 것이다.
시스템(400)은 임의로 각각 초기화 단계(402) 및 어닐링 단계(404)에서 압력 조절을 도와주는 압력 조절 챔버(414) 및 (415)를 포함할 수도 있다. 전이 챔버(701)는 압력 조절 챔버를 사용할 수 있다. 이러한 경우 가열 부재(707), 지지 파이프(711) 및/또는 수 재킷(708)은 필요하지 않다. 또한 챔버(414)와 단계(402) 사이 및/또는 챔버(415)와 단계(404) 사이에 좁은 슬릿을 사용하지 않아도 된다. 시스템은 초기화 단계(402)와 정상 대기 사이, 또는 챔버(414)(사용된 경우)와 정상 대기 사이에 추가의 전이 챔버(413)를 사용할 수도 있다. 챔버(413)는 정상 대기와 초기화 단계(402)의 환경이 혼합되는 것을 막아준다. 예를 들면 챔버(413)는 정상 대기로부터 산소가 초기화 단계(402)로 유입되는 것을 막아주고, 초기화 단계로부터 수소가 정상 대기로 유입되는 것을 막아준다.
시스템은 시스템의 여러 구성 요소에서 목적하는 압력을 달성하기 위하여 진공 펌프(417)를 사용한다. 액체 질소 트랩 및 필터(416)를 사용하여 반응기(601)에서 사용된 재료를 제거함으로써 펌프(417)가 손상되는 것을 막는다. 다른 구성 요소도 이러한 트랩 및/또는 필터를 사용하여 그와 관련된 펌프가 손상되는 것을 막을 수 있다.
도 9A 내지 9D는 도 4의 시스템으로 제조된 본 발명의 초전도성 와이어의 상이한 양태들의 예를 보여준다. 도 9A는 완충 층(902) 및 HTS 층(904)을 갖는 테이프 기판(901)을 나타낸다. 도 9B는 완충 층(902, 903), HTS 층(904) 및 밀봉 층(905)을 갖는 테이프 기판(901)을 나타낸다.
도 9C는 완충 층(902, 903) 및 밀봉 층(905)을 갖는 기판(901)을 포함한 2개의 HTS 층 와이어를 보여준다. 완충 층(906) 및 (907)은 제1 HTS 층(904)과 제2 HTS 층(907)을 분리한다. 완충 층(906)은 여기에 사용될 수 있고 (902) 또는 (903)과 동일할 필요는 없음에 주목한다. 이 와이어는 도 4의 시스템에서 추가의 반응기, 전이 챔버 및/또는 다른 부재들을 사용하여 추가의 층을 형성함으로써 제조될 수 있다. 이 와이어는 도 4의 시스템의 공정을 반복하여 제조 할 수도 있다. 즉, 제1 HTS 층을 형성한 후 밀봉 층을 추가하지 않은 채로 권취한다. 그런 다음 스풀(spool)을 공급 릴(401)로 옮긴다. 도 4의 시스템의 구성 요소들 중에서 하나를 선택하여 제2 HTS 층을 포함한 후속 층을 형성하는 데에 사용한다.
도 9D는 기판의 각 측면에 HTS 층을 갖는 2개의 HTS 층 와이어의 다른 예를 보여준다. 이 와이어는 도 4의 시스템에서 추가의 반응기, 전이 챔버 및/또는 다른 부재들을 사용하여 추가의 층을 형성하여 제조할 수 있다. 반대면에 층을 형성하기 위해서는 테이프의 바닥면을 처리하도록 필요에 따라 테이프를 비틀거나 뒤집는 추가적 장치를 도 4의 시스템에 부가시킬 것이다. 다시 말해, 제1 HTS 층을 형성한 후 밀봉 층을 추가하지 않은 채로 권취한다. 테이프의 측면을 거꾸로 하기 위해 권취 릴(406)을 도 4에 도시된 바와 같이 릴의 정상부(시계 방향)로부터 감는 대신에 릴의 바닥으로부터 테이프로 감는다(시계 반대 방향). 그런 다음 스풀을 공급 릴(401)로 옮긴다. 이어서 도 4의 시스템으로 테이프를 처리하여 제2 HTS 층을 포함한 후속 층을 형성한다.
본 발명의 와이어는 전류 수송, 전력 분배, 전기 모터, 발전기, 변압기, 한류기, 초전도성 자기 에너지 저장(SMES) 시스템, 및 다수의 자석(제한 없이 MRI 시스템, 자기 부상 열차, 입자 가속기 및 자기 유체 역학 발전기 포함)에 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템은 제한 없이 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu 3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2Sr2Ca2Cu3Oy, Pb2-xBixSr 2Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1Cu 2Oz, Tl2Ba2CaCu2Ox, Tl2Ba 2Ca2Cu3Oy, Tl1Ba2Ca2Cu3Oz, Tl1-xBixSr 2-yBayCa2Cu4Oz, Tl1Ba2Ca 1Cu2Oz, Hg1Ba2Ca1Cu2Oy , Hg1Ba2Ca2Cu3Oy, MgB2, 산화구리, 희토류 금속 산화물, 및 다른 고온 초전도체를 포함한 상이한 초전도성 재료로부터 본 발명의 초전도성 와이어를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 제한 없이 CeO2(또는 CEO), Y2O3-ZrO2(또는 YSZ), Gd2O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3를 포함하는 상이한 완충 재료도 포함할 수 있다.
본 발명 및 그의 잇점들을 상세하게 설명하였으나 첨부된 청구의 범위에 정의된 본 발명의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다양한 변화, 대체 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조 방법, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 양태에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 설명으로부터 본 명세서에 기재된 상응하는 양태들과 실질적으로 동일한 기능을 하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현존하거나 앞으로 개발될 공정, 기계, 제조 방법, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 사용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 이러한 공정, 기계, 제조 방법, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계도 그 범위에 포함한다.

Claims (76)

  1. 기판 및
    기판의 한 면에 위치하고 자동 정렬된 초전도성 재료로 이루어진 연속 층을 포함하고, 길이가 10m를 초과하는 초전도성 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 초전도성 재료가 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu 3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2Sr2Ca2Cu3Oy, Pb2-xBix Sr2Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1 Cu2Oz, Tl2Ba2CaCu2Ox, Tl2 Ba2Ca2Cu3Oy, Tl1Ba2Ca2Cu3Oz, Tl1-xBixSr 2-yBayCa2Cu4Oz, Tl1Ba2Ca 1Cu2Oz, Hg1Ba2Ca1Cu2Oy , Hg1Ba2Ca2Cu3Oy, MgB2, 산화구리 및 희토류 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초전도성 와이어.
  3. 제1항에 있어서, 기판이 니켈, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 알루미늄, 철, 텅스텐, 탄탈, 바나듐, 크롬, 주석, 아연, 몰리브덴 및 티탄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초전도성 와이어.
  4. 제1항에 있어서, 기판이 테이프를 포함하는 초전도성 와이어.
  5. 제4항에 있어서, 테이프의 두께가 20 ㎛ 이상인 초전도성 와이어.
  6. 제1항에 있어서, 초전도성 재료가 고온 초전도성 재료인 초전도성 와이어.
  7. 제1항에 있어서, 연속 층의 두께가 0.5 내지 15 ㎛인 초전도성 와이어.
  8. 제1항에 있어서, 초전도성 재료의 초전도 전이 온도가 1대기압에서의 액체 질소의 최고 온도 이상의 온도인 초전도성 와이어.
  9. 제1항에 있어서, 기판과 초전도성 재료의 연속 층 사이에 하나 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  10. 제9항에 있어서, 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd2 O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  11. 제1항에 있어서, 기판과 초전도성 재료의 연속 층 사이에 위치하는 둘 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd 2O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  13. 제1항에 있어서, 요곡성인 초전도성 와이어.
  14. 제1항에 있어서, 폭이 1mm 내지 20cm인 초전도성 와이어.
  15. 제1항에 있어서, 100,000amp/cm2 이상의 임계 전류 밀도를 갖는 초전도성 와이어.
  16. 제15항에 있어서, 500,000amp/cm2 이상의 임계 전류 밀도를 갖는 초전도성 와이어.
  17. 제1항에 있어서, 연속 층을 덮고 있는 밀봉 층을 추가로 포함하는 초전도체.
  18. 제17항에 있어서, 밀봉 층이 금속, 금속 산화물, 금, 은, 구리, 알루미늄, 고분자 및 유전재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  19. 제1항에 있어서, 자동 정렬된 초전도성 재료로 이루어진 또 다른 연속 층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  20. 제19항에 있어서, 연속 층의 초전도성 재료가 또 다른 연속 층의 초전도성 재료와 상이한 초전도성 와이어.
  21. 제19항에 있어서, 연속 층의 초전도성 재료가 또 다른 연속 층의 초전도성 재료와 동일한 재료인 초전도성 와이어.
  22. 제19항에 있어서, 또 다른 연속 층이 기판의 다른 면에 위치하는 초전도성 와이어.
  23. 제19항에 있어서, 또 다른 연속 층이 연속 층과 기판 사이에 위치하는 초전도성 와이어.
  24. 제23항에 있어서, 연속 층과 또 다른 연속 층 사이에 하나 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  25. 제24항에 있어서, 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd2 O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  26. 제19항에 있어서, 또 다른 연속 층의 초전도성 재료가 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2 Sr2Ca2Cu3Oy, Pb2-xBixSr2 Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1Cu2 Oz, Tl2Ba2CaCu2Ox, Tl2Ba2Ca2Cu 3Oy, Tl1Ba2Ca2Cu3Oz, Tl 1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz, Tl1Ba2Ca1Cu2Oz, Hg1Ba2Ca1Cu2Oy, Hg1Ba2Ca 2Cu3Oy, MgB2, 산화구리 및 희토류 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초전도성 와이어.
  27. 제1항에 있어서, 전류 이송에 사용되는 초전도성 와이어.
  28. 제1항에 있어서, 전력 분배에 사용되는 초전도성 와이어.
  29. 제1항에 있어서, 자기장에서 사용되는 초전도성 와이어.
  30. 제1항에 있어서, 전동기에서 사용되는 초전도성 와이어.
  31. 제1항에 있어서, 발전기에서 사용되는 초전도성 와이어.
  32. 제1항에 있어서, 전류 오작동 제한 장치에서 사용되는 초전도성 와이어.
  33. 제1항에 있어서, 초전도성 자력 저장 시스템에서 사용되는 초전도성 와이어.
  34. 제1항에 있어서, 변압기에서 사용되는 초전도성 와이어.
  35. 기판 및
    기판의 한 면에 위치하는 초전도성 재료로 이루어진 연속 층을 포함하고, 길이가 10m를 초과하고 연속 층의 임계 전류 밀도가 100,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  36. 제35항에 있어서, 연속 층의 임계 전류 밀도가 500,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  37. 제35항에 있어서, 초전도성 재료가 자동 정렬된 초전도성 와이어.
  38. 제35항에 있어서, 초전도성 재료가 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu 3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2Sr2Ca2Cu3O y, Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1Cu2Oz, Tl2Ba2CaCu 2Ox, Tl2Ba2Ca2Cu3Oy, Tl1Ba2Ca 2Cu3Oz, Tl1-xBixSr2-yBayCa 2Cu4Oz, Tl1Ba2Ca1Cu2Oz , Hg1Ba2Ca1Cu2Oy, Hg1Ba2Ca2Cu3Oy, MgB2, 산화구리 및 희토류 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초전도성 와이어.
  39. 제35항에 있어서, 기판이 니켈, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 알루미늄, 철, 및 당해 금속과 텅스텐, 탄탈, 바나듐, 크롬, 주석, 아연, 몰리브덴 및 티탄과의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  40. 제35항에 있어서, 기판이 테이프를 포함하는 초전도성 와이어.
  41. 제40항에 있어서, 테이프의 두께가 20㎛ 이상인 초전도성 와이어.
  42. 제35항에 있어서, 초전도성 재료가 고온 초전도성 재료인 초전도성 와이어.
  43. 제35항에 있어서, 연속 층의 두께가 0.5 내지 15㎛인 초전도성 와이어.
  44. 제35항에 있어서, 초전도성 재료의 초전도 전이 온도가 1대기압에서의 액체 질소의 최고 온도 이상의 온도인 초전도성 와이어.
  45. 제35항에 있어서, 기판과 초전도성 재료의 연속 층 사이에 하나 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  46. 제45항에 있어서, 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd2 O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  47. 제35항에 있어서, 기판과 초전도성 재료의 연속 층 사이에 위치하는 둘 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  48. 제47항에 있어서, 각각의 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd 2O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  49. 제35항에 있어서, 요곡성인 초전도성 와이어.
  50. 제35항에 있어서, 폭이 1mm 내지 20cm인 초전도성 와이어.
  51. 제35항에 있어서, 연속 층을 덮고 있는 밀봉 층을 추가로 포함하는 초전도체.
  52. 제51항에 있어서, 밀봉 층이 금속, 금속 산화물, 금, 은, 구리, 알루미늄, 고분자 및 유전재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  53. 제35항에 있어서, 자동 정렬된 초전도성 재료의 또 다른 연속 층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  54. 제53항에 있어서, 연속 층의 초전도성 재료가 또 다른 연속 층의 초전도성 재료와 상이한 초전도성 와이어.
  55. 제53항에 있어서, 연속 층의 초전도성 재료가 또 다른 연속 층의 초전도성 재료와 동일한 재료인 초전도성 와이어.
  56. 제53항에 있어서, 또 다른 연속 층이 기판의 다른 면에 위치하는 초전도성 와이어.
  57. 제53항에 있어서, 또 다른 연속 층이 연속 층과 기판 사이에 위치하는 초전도성 와이어.
  58. 제57항에 있어서, 연속 층과 또 다른 연속 층 사이에 하나 이상의 완충층을 추가로 포함하는 초전도성 와이어.
  59. 제58항에 있어서, 완충층이 CeO2, YSZ, Y2O3-ZrO2, Gd2 O3, Eu2O3, Yb2O3, RuO2, LaSrCoO3, MgO, SiN, BaCeO2, NiO, Sr2O3, SrTiO3 및 BaSrTiO3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 초전도성 와이어.
  60. 제53항에 있어서, 또 다른 연속 층의 초전도성 재료가 YBCO, YBa2Cu3O7-x, NbBa2Cu3O7-x, LaBa2Cu3O7-x, Bi2 Sr2Ca2Cu3Oy, Pb2-xBixSr2 Ca2Cu3Oy, Bi2Sr2Ca1Cu2 Oz, Tl2Ba2CaCu2Ox, Tl2Ba2Ca2Cu 3Oy, Tl1Ba2Ca2Cu3Oz, Tl 1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz, Tl1Ba2Ca1Cu2Oz, Hg1Ba2Ca1Cu2Oy, Hg1Ba2Ca 2Cu3Oy, MgB2, 산화구리 및 희토류 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 초전도성 와이어.
  61. 제35항에 있어서, 전류 이송에 사용되는 초전도성 와이어.
  62. 제35항에 있어서, 전력 분배에 사용되는 초전도성 와이어.
  63. 제35항에 있어서, 발전기에 사용되는 초전도성 와이어.
  64. 제35항에 있어서, 자기장에 사용되는 초전도성 와이어.
  65. 제35항에 있어서, 전동기에 사용되는 초전도성 와이어.
  66. 제35항에 있어서, 전류 오작동 제한 장치에서 사용되는 초전도성 와이어.
  67. 제35항에 있어서, 초전도성 자력 저장 시스템에서 사용되는 초전도성 와이어.
  68. 제35항에 있어서, 변압기에서 사용되는 초전도성 와이어.
  69. 기판,
    기판에 인접한 층으로서, Ce와 O를 포함하는 제1 완충층,
    제1 완충층에 인접한 층으로서, YSZ를 포함하는 제2 완충층 및
    제2 완충층에 인접한 층으로서, 자동 정렬된 YBCO 초전도성 재료로 이루어진 연속 층을 포함하는 초전도성 와이어.
  70. 제69항에 있어서, 초전도성 와이어의 길이가 10m 이상인 초전도성 와이어.
  71. 제69항에 있어서, 연속 층의 임계 전류 밀도가 100,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  72. 제69항에 있어서, 연속 층의 임계 전류 밀도가 500,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  73. 기판,
    기판에 인접한 층으로서, Ce와 O를 포함하는 제1 완충층,
    제1완충층과 인접한 층으로서, YSZ을 포함하는 제2 완충층 및
    제2완충층과 인접한 층으로서, YBCO 초전도성 재료로 이루어진 연속 층을 포함하고,
    연속 층의 임계 전류 밀도가 100,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  74. 제73항에 있어서, 연속 층의 임계 전류 밀도가 500,000amp/cm2 이상인 초전도성 와이어.
  75. 제73항에 있어서, 길이가 10m를 초과하는 초전도성 와이어.
  76. 제35항에 있어서, 초전도성 재료가 자동 정렬되는 초전도성 와이어.
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