KR20060107273A - 신규 초전도 물품, 그 형성 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

기판과, 상기 기판 위에 놓이는 버퍼층과, 상기 버퍼층 위에 놓이는 초전도층과, 상기 초전도층 위에 놓이는 전기 도금된 안정층을 구비하는 초전도 물품가 개시되어 있다. 또한, 초전도 테이프를 통합한 컴포넌트, 그 제조 방법 및 그 사용 방법이 개시되어 있다.

Description

신규 초전도 물품, 그 형성 및 사용 방법{NOVEL SUPERCONDUCTING ARTICLES, AND METHODS FOR FORMING AND USING SAME}
본 발명은 전반적으로, 초전도 또는 초전도체 컴포넌트, 특히 신규한 초전도 테이프, 이 초전도 테이프를 통합한 전력 컴포넌트 및 그 사용 및 제조 방법에 관한 것이다.
당업계에는 초전도 물질이 오랫동안 공지되어 알려져 왔다. 액체 헬륨의 사용을 필요로 하는 온도(4.2K)에서 초전도 특성을 보이는 저온(저-Tc) 초전도체는 약 1911년부터 공지되어 왔다. 그러나, 현재까지 산화물계 고온(고-Tc) 초전도체는 발견되지 않았다. 1986년 경에, 액체 질소의 온도 이상의 온도(77K)에서 초전도 특성을 갖는 제1 고온 초전도체(HTS), 즉 YBa2Cu3O7-x(YBCO)가 발견된 이래로, 과거 15년에 걸쳐 Bi2SrCa2Cu3o10+y(BSCCO) 및 그 외의 물질을 포함하는 추가의 물질이 개발되었다. 고-Tc 초전도체의 개발은 부분적으로 액체 헬륨을 기초로 한 비교적 보다 값비싼 극저온 기초 구조보다 액체 질소로 그러한 초전도체를 작동시키는 비용으로 인해 그러한 물질을 통합한, 잠재적이고 경제적으로 가능한 초전도체 컴포넌트를 개발하게 되었다.
무수한 잠재적 용례 중에, 산업에서는 전력 발생, 전송, 분배 및 저장 용례를 비롯하여 전력 산업에 그러한 물질의 용도 개발을 추구하였다. 이와 관련하여, 구리계의 상업적인 전력 컴포넌트는 전기에 있어서 매우 심각한 손실의 원인이 되고, 따라서 전력 산업은 전송 및 분배 전력 케이블, 발전기, 변환기 및 누전 전류 인터럽터 등의 전력 컴포넌트에서 고온 초전도체의 활용을 기초로 하여 상당한 효율을 얻기를 지속한다. 그 외에, 전력 산업에서 고온 초전도체의 다른 이점으로는 일차 내지 2차 크기의 전력 취급 용량의 증가, 전력 장비의 상당한 크기(즉, 풋프린트) 감소, 환경 충격의 감소, 안전성 고양 및 종래 기술에 걸쳐서 용량 증가가 있다. 그러한 고온 초전도체의 잠재적 이점은 대용량의 고온 초전도체의 생산 및 상업화의 존재에 이어서 매우 도전적인 수많은 기술적 도전 과제가 남아있다.
고온 초전도체의 상업화와 관련한 많은 도전 과제 중에서, 다양한 전력 컴포넌트의 형성을 위해 사용될 수 있는 초전도체 테이프의 제조가 많이 존재한다. 제1 세대의 HTS 테이프는 전술한 BSCCO 고온 초전도체의 사용을 포함한다. 이 물질은 일반적으로 이산 필라멘트의 형태로 제공되고, 이 필라멘트는 귀금속, 통상 은의 매트릭스 내에 매립되어 있다. 그러한 전도체가 전력 산업에서 실시하기 위해 필요한 연장된 길이(예컨대, 수킬로미터 정도)로 제조될 수 있지만, 재료 및 제조 비용으로 인해 그러한 테이프는 상업화가 가능한 생산성을 보이지 않는다.
따라서, 우수한 상업적 가능성을 갖는 소위 제2 세대 HTS 테이프에 상당한 관심이 대두되었다. 이들 테이프는 통상 일반적으로 기계적 지지를 제공하는 가요성 기판, 기판 위에 놓이고 선택적으로 다중 필름을 포함하는 적어도 하나의 버퍼 층, 버퍼 필름 위에 놓이는 HTS층 및 초전도체 위에 놓이는 전기 안정층을 포함하는 층상 구조에 의존한다. 그러나, 최근까지, 그러한 제2세대 테이프의 완전한 상용화 전에 많은 공학적 및 제조상의 도전 과제가 남아있다.
따라서, 전술한 관점에서, 다양한 요구들, 특히 상업적으로 가능한 초전도 테이프, 그 제조 방법 및 그러한 초전도 테이프를 사용하는 전력 컴포넌트의 제공 요구가 초전도체 분야에 계속 존재한다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 기판과, 상기 기판 위에 놓이는 버퍼층과, 상기 버퍼층 위에 놓이는 초전도층과, 상기 초전도층 위에 놓이는 전기 도금된 안정층을 구비하는 초전도 물품이 제공된다. 특별한 특징에 따르면, 상기 안정층은 주로 구리, 알루미늄 및 그들의 합금으로 형성될 수 있다. 상기 안정층과 초전도층 사이에 귀금속 밀봉층이 제공될 수 있다. 전기 도금된 안정층은 기판의 2개의 대향 주면 중 하나, 또는 주면 양쪽 위에 놓이거나, 기판, 버퍼층 및 초전도층을 완벽하게 봉입할 수 있다. 물품은 비교적 높은 종횡비의 테이프 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 위에 버퍼층을 증착하는 단계와, 상기 버퍼층 위에 초전도층을 증착하는 단계와, 상기 초전도층 위에 안정층을 전기 도금하는 단계를 포함하는 초전도 테이프의 형성 방법이 제공된다. 또한, 전기 도금 단계는 안정층을 초전도층 위에 증착시키도록 수행된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 복수 개의 초전도 테이프를 포함하는 전력 케이블이 제공되고, 상기 초전도 테이프는 전술한 본 발명의 제1 양태에 따라 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 일차 및 이차 권선을 포함하는 전력 변환기가 제공되고, 상기 권선들 중 적어도 하나는 본 발명의 제1 양태에 따라 제공되는 초전도 테이프의 권취 코일을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 로터 코일을 포함하는 전자석을 수용하는 로터에 결합되는 샤프트와, 상기 로터를 둘러싸는 전도성 권선을 포함하는 로테이터를 포함하는 전력 제너레이터가 제공된다. 상기 로터 코일 및/또는 전도성 권선은 전술한 본 발명의 제1 양태에 따른 초전도 테이프를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전력의 발생, 송신 및 분배를 위한 다수의 컴포넌트를 포함하는 전력 격자가 제공된다. 즉, 전력 격자는 전력 제너레이터를 포함하는 전력 발생 스테이션, 이 전력 발생 스테이션으로부터 전력을 수신하여 송신을 위해 전력을 스텝업하는 복수 개의 전력 변환기를 포함하는 송신 변전소 및 이 송신 변전소로부터 전력을 송신하기 위한 복수 개의 전력 송신 케이블을 포함한다. 전력의 분배는 전력 송신 케이블로부터 전력을 수신하는 전력 변전소, 분배를 위해 전력을 스텝다운하는 복수 개의 전력 변환기를 포함하는 전력 변전소, 최종 사용자까지 전력을 분배하기 위한 복수 개의 전력 분배 케이블의 사용에 의해 제공된다. 본 발명의 이 양태의 특별한 특징에 따르면, 전술한 전력 격자 요소들 중 적어도 하나는 전술한 본 발명의 제1 양태에 따라 제공되는 복수 개의 초전도 테이프를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 일반적으로 "풀링" 케이블이라고도 칭하는 전력 케이블의 부설 방법을 제공한다. 상기 방법은 전력 케이블의 코일을 마련하는 단계와, 상기 전력 케이블을 도관 속으로 삽입하는 동안 코일을 푸는 단계를 포함하고, 상기 도관은 지하 용도 도관이다. 전력 케이블의 구조는 전술하였는 바, 즉 본 발명의 제1 양태에 따른 복수 개의 초전도 테이프를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조함으로써 당업자에게 명백한 수많은 목적, 특징 및 이점이 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HTS 도전성 테이프를 도시하는 도면.
도 2는 전체 초전도 테이프가 전기 도금된 안정 수단에 의해 봉입된 본 발명의 다른 실시예에 따른 HTS 테이프의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 HTS 도전성 테이프의 횡단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 도금 공정을 도시하는 도면.
도 5는 전류 과부하 시험의 결과를 보여주는 도면.
도 6은 HTS 테이프의 임계 전류의 과부하 효과를 평가하도록 수행된 시험의 결과를 보여주는 도면.
도 7과 8은 초전도 테이프를 통합한 전력 케이블의 도면.
도 9는 본 발명의 한가지 양태에 따른 전력 변환기의 도면.
도 10은 본 발명의 한가지 양태에 따른 전력 발전기의 도면.
도 11은 본 발명의 다른 양태에 따른 전력 격자의 도면.
상이한 도면에서 동일한 참조 부호의 사용은 유사하거나 동일한 물품을 지시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 HTS 도전체의 일반적인 층상 구조가 도시되어 있다. HTS 전도체는 기판(10), 이 기판(10) 위에 놓이는 버퍼층(12a), 밀봉층(16a), 통상적으로 귀금속층이 후속되는 HTS층(14a) 및 통상적으로 비귀금속인 안정층(18a)을 포함한다.
기판(10)은 일반적으로 금속계이고 통상적으로 적어도 2개의 금속 원소의 합금이다. 특히 적절한 기판 재료는 기지의 Inconel® 군의 합금 등의 니켈계 금속 합금을 포함한다. Inconel® 합금은 바람직하게는 팽창 계수, 열 전도성, 큐리 온도, 인장 강도, 항복 강도 및 신장률을 비롯하여 열적, 화학적 및 기계적 특성을 갖는 경향이 있다. 이들 금속은 일반적으로 특히 릴 대 릴 테이프 취급을 활용하는 HTS 테이프 제조에 적절한 스풀된 테이프의 형태로 시판 중에 있다.
기판(10)은 통상 종횡비가 높은 테이프형 형태로 되어 있다. 예컨대, 테이프의 폭은 일반적으로 약 0.4-10 cm이고, 테이프의 길이는 통상 약 100 m, 가장 통상적으로 약 500 m 이상이다. 사실상, 본 발명의 실시예는 1 km 이상 정도의 길이를 갖는 기판(10)을 포함하는 초전도 테이프를 제공한다. 따라서, 기판은 매우 높은, 103 이상, 심지어는 104 이상인 종횡비를 가질 수 있다. 특정한 실시예는 더 길어서 105 이상의 종횡비를 갖는다. 여기서 사용된 바와 같이, "종횡비"라는 용 어는 기판 또는 테이프의 길이 대 다음의 가장 긴 치수인 기판 또는 테이프의 폭의 비를 가리킨다.
일실시예에 있어서, 기판은 HTS 테이프의 구성층의 후속 증착을 위해 바람직한 표면 특성을 갖도록 처리된다. 예컨대, 표면은 원하는 평탄도 및 표면 거칠기로 약간 폴리싱될 수 있다. 또한, 기판은 당업계에 알려진 바와 같이 기지의 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrate) 기법 등에 의해 이축 방향으로 텍스츄어되도록 처리될 수 있다.
버퍼층(12a)으로 되돌아가서, 버퍼층은 단일층이거나 보다 일반적으로 여러 개의 필름으로 제조될 수 있다. 가장 일반적으로, 버퍼층은 필름의 면내 및 면외 양쪽에서 결정축을 따라 정렬된 결정질 텍스츄어를 갖는 이축 방향으로 텍스츄어된 필름을 포함한다. 당업계에 알려진 바와 같이, IBAD는 우수한 초전도 특성을 위해 바람직한 결정 도표학적 배향을 갖는 HTS층의 후속 형성을 위해 적절하게 텍스츄어된 버퍼층을 형성하도록 유리하게 사용될 수 있는 기법인 이온빔 보조식 증착법을 가리키는 약어이다. 산화마그네슘은 IBAD 필름용으로 선택되는 일반적인 재료로서, 50 내지 500 옹스트롬, 예컨대 50 내지 200 옹스트롬 정도일 수 있다. 일반적으로, IBAD 필름은 본 명세서에 참조 문헌으로 인용되는 미국 특허 제6,190,752호에 규정 및 설명된 암염형 결정 구조를 갖는다.
버퍼층은 IBAD 필름 및 기판 사이에 배치되어 직접 접촉하도록 제공되는 배리어 필름 등의 추가 필름을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 배리어 필름은 이트리아 등의 산화물로 형성되는 것이 유리하고, IBAD 필름으로부터 기판을 이격시키 는 기능을 한다. 배리어 필름의 증착을 위해 적절한 기법은 화학적 기상 증착법 및 스퍼터링을 비롯한 물리적 기상 증착법이 있다. 배리어 필름의 통상적인 두께는 약 100 내지 200 옹스트롬의 범위 내일 수 있다. 더욱이, 버퍼층은 또한 IBAD 필름에 걸쳐 형성되는 에피텍셜 성장된 필름을 포함할 수 있다. 이 문맥에서, 에피텍셜 성장된 필름은 IBAD 필름의 두께를 증가시키는 데에 유효하고, 바람직하게는 MgO 등의 IBAD층에 사용되는 것과 동일한 재료로 주로 제조될 수 있다.
MgO계 IBAD 필름 및/또는 에픽택셜 필름을 사용하는 실시예에 있어서, MgO 재료와 초전도층 사이에서 격자 불일치가 존재한다. 따라서, 버퍼층은 다른 버퍼 필름을 더 포함할 수 있는데, 이 버퍼 필름은 특히 HTS층과 그 아래의 IBAD 필름 및/또는 에피텍셜 필름 사이의 격자 상수의 불일치를 감소시키도록 구현된다. 이 버퍼층은 YSZ(이트리아 안정된 지르코니아) 스트론튬 루테네이트, 란타늄 망가네이트 및 일반적으로 페로브스키트(perovskite) 구조형 세라믹 재료 등의 재료로 형성될 수 있다.
전술한 내용은 주로 IBAD 등의 텍스튜어링 공정에 의해 버퍼 스택(층)에 이축방향으로 텍스츄어된 필름의 구현에 초점을 맞추었지만, 대안적으로 기판 표면 자체가 이축방향으로 텍스츄어될 수도 있다. 버퍼층은 일반적으로 버퍼층의 이축방향 텍스츄어링을 보전하도록 텍스츄어된 기판 상에 에피텍셜 성장된다. 이축방향으로 텍스츄어되는 기판을 형성하는 한가지 공정은 일반적으로 당업계에 알려진 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrates)로서 당업계에 알려진 공정이다.
고온의 초전도체(HTS)층(14a)은 통상적으로 액체 질소의 온도인 77K 이상에서 초전도 특성을 보이는 고온의 초전도 재료들 중 임의의 재료로부터 선택된다. 그러한 재료로는, 예컨대 YBa2Cu3O7-x, Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y, Ti2Ba2Ca2Cu3O10+y 및 HgBa2Ca2Cu3O8+y를 포함할 수 있다. 한 클래스의 재료로는 REBa2Cu3O7-x를 포함하고, 여기서 RE는 희토류 원소이다. 전술한 것 중에, YBCO라고도 불리는 YBa2Cu3O7-x가 유리하게 사용될 수 있다. HTS층(14a)은 두껍고 얇은 필름을 형성하는 기법을 비롯하여 다양한 기법 중 임의의 하나에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 펄스드 레이저 증착법(PLD) 등의 박막 물리적 기상 증착법이 고증착률을 위해 사용될 수 있고, 또는 화학적 기상 증착법이 낮은 비용과 큰 표면적 처리를 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, HTS층은 HTS층(14a)과 관련된 바람직한 암페어 레이팅을 얻기 위하여 약 1 내지 약 30 미크론, 가장 일반적으로 2 내지 약 20 미크론, 예컨대 약 2 내지 약 10 미크론 정도의 두께를 갖는다.
밀봉층(16a)과 안정층(18a)은 일반적으로 실제 사용시 HTS 번아웃의 방지에 일조하기 위하여 전기 안정화를 위해 구현된다. 보다 구체적으로, 층(16a, 18a)은 냉각을 실패하거나 임계 전류 밀도가 초과되고, HTS층이 초전도 상태로부터 이동되어 저항적으로 되는 경우에 HTS 전도체를 따라 전기 전하의 연속적인 흐름에 일조한다. 통상, 귀금속은 안정층(들)과 HTS층(14a) 사이에 원치않는 상호 작용을 방지하도록 밀봉층(16a)에 사용된다. 통상적인 귀금속은 금, 은, 백금 및 팔라듐을 포함한다. 은은 통상 그 가격 및 일반적인 접근성으로 인해 사용된다. 밀봉층 (16a)은 통상 안정층(18a)으로부터 HTS층(14a)으로 컴포넌트의 원치않는 확산을 방지하기에 충분한 두께로 제조되지만, 비용 이유(원료와 처리 비용)로 일반적으로 얇게 제조된다. 통상적인 밀봉층(16a)의 두께는 약 0.1 내지 약 10.0 미크론, 예컨대 0.5 내지 약 5.0 미크론 내의 범위이다. 물리적 기상 증착법, 예컨대 DC 마그네트론을 비롯하여 다양한 기법이 밀봉층(16a)의 증착을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예의 특별한 특징에 따르면, 안정층(18a)은 초전도층(14a) 위에 놓이고, 특히 도 1에 도시된 특정한 실시예의 밀봉층(16a) 위에 놓여 직접 접촉하도록 통합된다. 안정층(18a)은 거친 환경 조건 및 초전도성 소멸에 대한 안정성을 높이도록 보호/회피 층으로서의 기능을 한다. 안정층은 일반적으로 조밀하고 열적 및 전기적으로 전도성이어서, 초전도층의 고장시에 전류를 바이패스시키는 기능을 한다. 종래에, 그러한 층은 땜납 또는 플럭스 등의 중간 접착 재료를 사용하여 예형성된 구리 스트립을 초전도 테이프 상에 적층시킴으로써 형성되었다. 다른 기법은 물리적 기상 증착법, 통상 스퍼터링에 초점을 맞추었다. 그러나, 그러한 도포 기법은 비용이 비싸고 대용량 제조 작업에 특히 경제적으로 용이하지 않다. 실시예의 특별한 특징에 따르면, 안정층(18)은 전기 도금에 의해 형성된다. 이 기법에 따르면, 전기 도금은 초전도 테이프 상에 두꺼운 재료층을 빨리 생성하는 데에 사용될 수 있고, 열적 및 전기적으로 전도성인 금속의 조밀한 층을 효율적으로 생성할 수 있는 비교적 낮은 비용의 공정이다. 한가지 특징에 따르면, 안정층은 약 300℃ 미만의 용융점을 갖는 땜납층(플럭스 포함) 등의 중간 접착층을 사용하지 않고 그리고 그러한 사용에 의존하는 일없이 증착된다.
전기 도금(또한, 전기 증착이라고도 알려짐)은 일반적으로 초전도 테이프를 증착될 금속의 이온을 함유하는 용액에 침지시킴으로써 수행된다. 테이프의 표면은 외부 전력원에 연결되어 전류는 표면을 통과하여 용액 내로 흘러, 금속 이온(Mz-)과 전자(e-)의 작용이 금속(M)을 형성하게 한다.
Mz- + ze- = M
밀봉층(16a)은 그 위에 구리를 증착하기 위한 시드층으로서의 기능을 한다. 안정 금속을 전기 도금하는 특별한 경우에, 초전도 테이프는 일반적으로 구리 이온을 함유하는 용액, 예컨대 황산구리 용액에 침지된다. 전기 접촉이 밀봉층(16a)에 대해 이루어져 Cu2 + + 2e- → Cu의 반응이 밀봉층(16a)의 표면에서 발생하도록 전류가 흐른다. 밀봉층(16a)은 용액 내에서 캐소드의 기능을 하여, 금속 이온이 구리 금속 원자로 환원되어 테이프 상에 증착된다. 한편, 구리 함유 애노드는 구리 이온이 캐소드에서의 환원과 증착을 위해 나아가도록 산화 반응이 발생하는 용액 내에 배치된다.
임의의 이차 반응이 없을 때, 전기 도금 중에 전도성 표면으로 운반되는 전류는 증착된 금속의 양에 직접 비례한다(패러데이의 전기 분해 법칙). 이 관계를 사용하면, 안정층(18a)을 형성하는 증착된 재료의 두께가 쉽게 제어될 수 있다.
전술한 내용은 일반적으로 구리를 참조하였지만, 알루미늄, 은, 금 및 다른 열적 및 전기적 전도성 금속을 비롯하여 다른 금속이 또한 사용될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 그러나, 일반적으로 초전도 테이프를 형성하기 위한 전체 재료 비용을 저감시키기 위해 비귀금속을 사용하는 것이 바람직하다.
전술한 설명과 도 1은 초전도 테이프의 한 측면을 따라 안정층(18a)을 형성하는 전기 도금을 설명하였지만, 초전도 테이프의 주 측면이 코팅되고, 사실상 전체 구조가 봉입되도록 코팅될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 이와 관련하여 도 2를 주목한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 횡단면도로서, 전체 초전도 테이프는 제1 안정층(18a), 초전도 테이프의 대향 주 측면 상에 증착된 제2 안정층(18b)으로 봉입되고, 제1 및 제2 안정층(18a, 18b)은 초전도 테이프의 측면을 따라 함께 결합되어 일반적으로 볼록한 측부 또는 사이드 브릿지(20a, 20b)를 형성한다. 이 특정한 구조는 극저온 고장, 초전도성 소멸 등의 경우에 전류를 더욱 개선시키고 HTS층(14a)을 추가로 보호하기에 바람직하다. 본질상 제1 및 제2 안정층(18a, 18b)을 형성하여 증착된 안정층의 횡단면적을 2배로 함으로써, 전류 운반 능력에 있어서 괄목할 만한 개선이 제공된다. 안정층(18a, 18b) 사이의 전기 연속성은 측방향 브릿지 부분(20a, 20b)에 의해 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 측방향 브릿지 부분(20a, 20b)은 바람직하게는 HTS 전력 디바이스가 경험하는 고전압에서 전기 전하의 생성을 더 감소시킬 수 있는 거의 볼록면을 형성하도록 포지티브 곡률 반경을 갖는다. 또한, 적절한 전기적 전도성 재료가 기판(10)에 사용되는 범위까지, 추가의 전류 운반 능력이 도 2에 도시된 봉입부에 의해 제공될 수 있다. 즉, 측바양으로 연장되어 테이프의 측면을 규정하는 브릿지 부분은 코팅된 도전체(테이프) 의 전류 운반 능력에 추가될 수 있는 전기 접속을 기판 자체에 제공할 수 있다.
도 2에 도시되지는 않았지만, 일반적으로 전술한 바와 같이 구리 또는 알루미늄 등의 비귀금속일 수 있는 브릿지 부분(20a, 20b)의 재료로부터 초전도층(14a)을 격리시키도록 초전도 테이프의 전체를 따라, 특히 초전도 테이프의 측면을 따라 귀금속층을 증착시키는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 예시하고 있다. 상기 실시예는 도 2에 도시된 것과 다소 유사하지만, 기판의 제1 및 제2 표면(11a, 11b)위에 각각 놓이는 제1 및 제2 버퍼층(12a, 12b)을 포함하는 이중 측면 구조를 형성한다. 또한, 제1 및 제2 초전도층(14a, 14b)은 제1 및 제2 밀봉층(16a, 16b)과 함께 제공된다. 이 특정한 구조는 초전도층(14a, 14b)의 코팅을 위해 기판의 양측면을 사용함으로써 추가의 전류 운반 능력의 이점을 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른 전기 도금 공정을 개략적으로 도시한다. 통상, 전기 도금은 공급 릴(32)로부터 테이프를 공급하고 권취 릴(34)에서 테이프를 권취하여 초전도 테이프를 전기 도금 용액(27)을 통해 공급함으로써 릴 대 릴 공정으로 수행된다. 테이프는 복수 개의 롤러(26)를 통해 공급된다. 롤러는 용액 내에 제공된 금속 이온의 전기 증착을 위해 밀봉층(들) 및/또는 기판을 따라 음의 전하를 충돌시키도록 음극으로 하전될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예는 단일의 애노드(28)가 단일 측면형 전기 도금을 위해 배치될 수 있지만, 이중 측면형 증착을 위해 2개의 애노드(28, 30)를 보여주고 있다. 전술한 바와 같이, 전기 도금 용액(27)은 일반적으로 전기 증착을 위해 원하는 종의 금속 이온을 함유한다. 구리의 특정한 경우 에, 용액은 예컨대, 황산구리와 황산을 함유하는 황산구리 용액일 수 있다. 애노드(28, 30)는 전기 증착에 바람직한 원료 금속을 제공하고, 높은 순수성의 구리 플레이트로 간단히 형성될 수 있다. 롤러(26)는 초전도 테이프를 바이어스시키도록 전기적으로 바이어스될 수 있지만, 바이어스는 롤러 자체에 원치않는 금속 증착을 생략하도록 용액조 외측에서 발생할 수도 있다.
특정예를 전술한 전기 도금법을 사용하여 생성하였다. 특히, 시료는 3 미크론 두께의 밀봉층을 형성하도록 은의 DC 마그네트론 스퍼터링을 받게 하였다. 이들 시료는 황산구리 용액 내에 배치하고 밀봉층이 캐소드를 형성하고 애노드가 구리 플레이트가 되도록 바이어스시켰다. 전기 도금을 수행하여 약 40 미크론의 공칭 두께를 갖는 구리층을 형성하였다. 시료의 시험은 이하에 설명한다.
즉, 약 111 A의 임계 전류(Ic)를 갖는, 폭이 1 cm이고 길이가 4 cm이며 두께가 1.7 미크론인 YBCO HTS층인 시료를 326 A의 전류 부하를 받게 하였다. 시료에 과부하를 걸고 전압 데이터를 도 5에 도시된 바와 같이 수집하였다. 기록된 전압은 326 A에서 44.4 mV인데, 이는 LN2 냉각 조건에서 임계 히트 플럭스 밀도(5-20 W/cm2)보다 낮은 3.6 W/cm2의 열 방산률에 대응한다. 이것은 50 미크론의 안정층을 갖는 이 코팅된 전도체가 번아웃없이 LN2에서의 326 A보다 높은 전류를 운반한다는 것을 의미한다. 안정층없이, 예상된 전력 방산률은 326 A에서 62.5 KW/cm2보다 높다. 전술한 내용은 전기 도금된 안정층이 과부하 동안 번아웃으로부터 초전도 필 름을 보호하도록 견고한 회피층으로서 작용한다는 것을 가리킨다.
순차적으로, 시료를 제2 부하, 이어서 과부하를 받게 하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 곡선은 과부하 전후에 약 111 A의 동일한 Ic를 도시한다. 전술한 내용은 과부하 후에 HTS 테이프가 임계 전류값을 보유한다는 것을 가리킨다.
안정층에서 적절한 전류 운반 능력을 제공하기 위하여, 통상적으로 안정층은 약 1 내지 약 1,000 미크론의 범위, 가장 일반적으로 약 10 내지 약 400 미크론의 범위, 예컨대 약 10 내지 약 200 미크론의 범위 내의 두께를 갖는다. 특별한 실시예는 약 40 미크론과 약 50 미크론의 공칭 두께를 가졌다.
초전도 테이프의 특별한 구조로부터 멀리 이동하여, 도 7과 8은 시판 중인 전력 컴포넌트, 즉 전력 케이블에서 초전도 테이프의 구현을 도시하고 있다. 도 7은 플라스틱 또는 강제 도관일 수 있는 지하 도관(40)을 통해 연장되는 여러 개의 전력 케이블(42)를 도시하고 있다. 도 7은 또한 명확도를 위해 지면(41)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 여러 개의 전력 케이블이 도관(40)을 통해 뻗어 갈 수 있다.
도 8로 돌아가면, 전력 케이블의 특별한 구조가 도시되어 있다. 초전도 상태에서 초전도 전력 케이블을 유지하도록 냉각을 제공하기 위해, 액체 질소가 LN2 도관(44)을 통해 전력 케이블을 통과한다. 도관(44)을 덮기 위해 하나 이상의 HTS 테이프(46)가 제공된다. 테이프는 나선형으로 도관(44) 상에 위치될 수 있어, 테이프를 도관(44) 둘레에 나선형으로 감는다. 추가 컴포넌트로는 구리 실드(48), 컴포넌트들의 유전체 분리용의 유전체 테이프(50), 제2 HTS 테이프(52), 복수 개의 센터링 와이어(56)를 갖는 구리 실드(54), 더 큰 제2 LN2 도관(58), 극저온 상태를 유지하는 데에 일조하도록 제공되는 열적 절연부(60), 스키드 와이어(64)를 비롯한 구조적 지지용의 파형 강제 파이프(62) 및 외측 엔클로져(66)를 포함한다.
도 9는 일차 권선(72)과 이차 권선(74)이 둘레에 제공되는 중앙 코어(76)를 갖는 전력 변환기를 개략적으로 도시한다. 도 9는 개략적으로 사실상 개략적이지만, 변환기의 실제 기하학적 구성은 당업계에 널리 알려진 바와 같이 다를 수도 있다. 그러나, 변환기는 기본적인 일차 및 이차 권선을 포함한다. 이와 관련하여, 도 9에 도시된 실시예에서, 일차 권선이 제2 권선(74)보다 많은 수의 코일을 가져서, 유입하는 전력 신호의 전압을 감소시키는 스텝다운 변환기를 보여주고 있다. 반대로, 이차 권선에 대해 일차 권선에서의 코일의 수가 적으면 전압 스텝업을 제공한다. 이와 관련하여, 통상적으로 스텝업 변환기는 전압을 높은 전압으로 증대시키고 긴 거리에 걸쳐 전력 손실을 감소시키도록 전력 송신 변전소에 사용되지만, 스텝다운 변환기는 최종 사용자까지 전력의 후단계 분배를 위한 분배 변전소로 통합된다. 바람직하게는 일차 및 이차 권선 중 적어도 하나는 전술한 설명에 따른 초전도 테이프를 구비한다.
도 10으로 돌아가면, 제너레이터의 기존 구조가 제공된다. 제너레이터는 로터(86)를 회전 가능하게 구동시키기 위해 샤프트(84)에 연결되는 터빈(82)을 포함한다. 로터(86)는 전력 발생을 위해 원하는 전자기장을 형성하는 로터 코일로 구성되는 고강도 전자석을 포함한다. 터빈(82), 이에 따라 샤프트(84)와 로터(86)는 수력 전기 전력 제너레이터의 경우에 물 또는 핵, 디젤 또는 석탄 연소 전력 제너레이터의 경우에 증기 등의 유동 유체의 작용에 의해 회전된다. 전자기장의 발생은 적어도 하나의 전도성 권선을 포함하는 스테이터(88)에서 전력을 발생시킨다. 실시예의 특별한 특징에 따르면, 로터 코일과 스테이터 권선 중 적어도 하나는 전술한 실시예들에 따른 초전도 테이프를 구비한다. 통상, 적어도 로터 코일은 이력 현상 손실을 저감시키는 데에 유효한 초전도 테이프를 포함한다.
도 11으로 돌아가면, 전력 격자의 기본적인 개략도가 제공된다. 근본적으로, 전력 격자(100)는 통상 복수 개의 전력 제너레이터를 수용하는 전력 플랜트(90)를 포함한다. 전력 플랜트(90)는 전기적으로 접속되어 통상 송신 변전소(94)와 함께 배치된다. 송신 변전소는 발생된 전력의 스텝업 전압으로 사용되는 스텝업 전력 변환기의 뱅크를 포함한다. 통상, 전력은 수천 볼트 정도의 전압 레벨로 발생되고, 송신 변전소는 라인 손실을 감소시키도록 100,000 내지 1,000,000 정도로 전압을 스텝업시키는 기능을 한다. 통상적인 변전소 거리는 50 내지 1,000 마일 정도이고, 전력은 이 거리를 따라 전력 송신 케이블(96)에 의해 운반된다. 번력 송신 케이블(96)은 복수 개의 전력 변전소(98; 도 10에 하나만 도시됨)를 경유한다. 전력 변전소는 비교적 높은 값으로부터 통상 약 10,000 볼트 미만인 분배 전압으로 송신 레벨 전압을 감소시키도록 스텝다운 전력 변환기의 뱅크를 포함한다. 복수 개의 추가 전력 변전소가 또한 최종 사용자가지 국부적인 전력 분배를 위해 국부적 영역에 제공되는 격자 형태로 배치될 수 있다. 그러나, 간소화하기 위해, 단 하나의 전력 변전소가 도시되어 있고, 하류측의 전력 변전소는 직렬로 제 공될 수도 있다는 것을 유념해야 한다. 분배 레벨의 전력은 상업적 최종 사용자 뿐만 아니라 주택 최종 사용자를 포함하는 최종 사용자(102)까지 전력 분배 케이블을 따라 송신된다. 개별적인 변환기는 최종 사용자의 개별 또는 그룹을 위해 국부적으로 제공된다. 특별한 특징에 따르면, 전력 플랜트(90)에 제공된 제너레이터 중 적어도 하나, 변환기와 송신 변전소, 전력 송신 케이블, 전력 변전소에 제공된 변환기 및 전력 분배 케이블은 본 설명에 따른 초전도 테이프를 포함한다.
본 발명은 특정한 양태에 대해서 설명하였으나, 당업자라면 본 청구범위의 범위 내에서 변경이 가능할 수 있다는 사실을 명시하는 바이다.

Claims (43)

  1. 기판과;
    상기 기판 위에 놓이는 버퍼층과;
    상기 버퍼층 위에 놓이는 초전도층; 및
    상기 초전도층 위에 놓이는 전기 도금된 안정층을 포함하는 초전도 물품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 비귀금속을 포함하는 초전도 물품.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 비귀금속은 구리, 알루미늄 및 그들의 합금으로 이루어지는 군으로부터의 재료를 포함하는 초전도 물품.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 비귀금속은 구리를 포함하는 초전도 물품.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 본질적으로 비귀금속으로 이루어지는 초전도 물품.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 이축방향 결정 텍스츄어된 필름을 포함하고, 상기 필름은 이 필름의 면내 및 면외 양쪽에서 전체적으로 정렬된 결정을 갖는 초전도 물품.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 배리어 필름을 포함하는 초전도 물품.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층과 초전도층 사이에 구비되는 귀금속층을 추가로 포함하는 초전도 물품.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 귀금속층은 은을 포함하는 초전도 물품.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도층은 약 77 °K 이상의 임계 온도(Tc)를 갖는 고온 초전도 재료를 포함하는 초전도 물품.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 REBa2Cu3O7 -x를 포함하고, 상기 RE는 희토류 원소인 초전도 물품.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 YBa2Cu3O7을 포함하는 초전도 물품.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 약 1 내지 1000 미크론 범위 내의 두께를 갖는 초전도 물품.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 약 10 내지 200 미크론 범위 내의 두께를 갖는 초전도 물품.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 초전도 테이프의 형태인 초전도 물품.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 기판은 103 이상의 종횡비를 갖는 초전도 물품.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 기판은 104 이상의 종횡비를 갖는 초전도 물품.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 기판은 제1 및 제2 대향 표면을 포함하고, 상기 전기 도금된 안정층은 기판의 제1 및 제2 대향 표면 위에 각각 놓이는 전기 도금된 제1 및 제2 안정층을 포함하는 초전도 물품.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전기 도금된 제1 및 제2 안정층은 초전도 테이프의 제1 및 제2 표면을 형성하여 초전도 테이프를 봉입하도록 연장되는 초전도 물품.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안정층은 초전도 물품의 측면 중 일부를 따라 볼록 윤곽을 형성하는 초전도 물품.
  21. 제 15 항에 있어서, 상기 초전도 물품은 이중 측면형 구조를 가지며, 상기 기판은 서로 대향하는 제1 및 제2 표면을 가지며, 상기 버퍼층은 기판의 제1 및 제2 표면 위에 각각 놓이는 제1 및 제2 버퍼층을 포함하고, 상기 초전도층은 제1 및 제2 버퍼층 위에 각각 놓이는 제1 및 제2 초전도층을 포함하며, 상기 전기 도금된 안정층은 제1 및 제2 초전도층 위에 각각 놓이는 전기 도금된 제1 및 제2 안정층을 포함하는 초전도 물품.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 접착층의 통합없이 부착되는 초전도 물품.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 도금된 안정층은 땜납층의 통합없이 부착되는 초전도 물품.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 전력 케이블이고, 이 전력 케이블은 복수 개의 초전도 테이프를 포함하고, 각 테이프는 상기 기판, 버퍼층, 초전도층 및 전기 도금된 안정층을 각각 포함하는 초전도 물품.
  25. 제 24 항에 있어서, 냉각 유체의 통과를 위한 도관을 추가로 포함하는 초전도 물품.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 초전도 테이프는 도관 둘레에 권취되는 초전도 물품.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 전력 케이블은 전력 송신 케이블을 포함하는 초전도 물품.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 전력 케이블은 전력 분배 케이블을 포함하는 초전도 물품.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 전력 변환기이고, 이 전력 변환기는 일차 권선 및 이차 권선을 포함하고, 상기 일차 권선 및 이차 권선 중 적어도 하나는 초전도 테이프의 권취 코일을 포함하며, 상기 초전도 테이프는 상기 기판, 버퍼, 초전도층 및 전기 도금된 안정층을 포함하는 초전도 물품.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 이차 권선은 전압을 감소시키기 위해 일차 권선보다 권선 개수가 작은 초전도 물품.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 일차 권선은 전압을 증대시키기 위해 이차 권선보다 권선 개수가 작은 초전도 물품.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 전력 제너레이터이고, 로터 코일을 포함하는 전자석을 구비하는 로터에 결합된 샤프트와, 상기 로터를 둘러싸는 전도성 권선을 포함하는 스테이터를 구비하고, 상기 권선과 로터 코일 중 적어도 하나는 상기 기판, 버퍼층, 초전도층 및 전기 도금된 안정층을 포함하는 초전도 테이프를 구비하는 초전도 물품.
  33. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 전력 격자이고, 상기 전력 격자는,
    전력 제너레이터를 구비하는 전력 발생 스테이션과;
    상기 전력 발생 스테이션으로부터 전력을 수신하여 송신을 위해 전력을 스텝업하기 위한 복수 개의 전력 변환기를 구비하는 송신 변전소와;
    상기 송신 변전소로부터 전력을 송신하기 위한 복수 개의 전력 송신 케이블과;
    분배를 위해 전력을 스텝다운하기 위한 복수 개의 전력 변환기를 구비하고, 전력 송신 케이블로부터 전력을 수신하는 전력 변전소; 및
    전력을 최종 사용자에게 분배하기 위한 복수 개의 전력 분배 케이블을 포함하고,
    상기 전력 분배 케이블, 전력 송신 케이블, 전력 변전소의 변환기, 송신 변전소의 변환기 및 전력 제너레이터 중 적어도 하나는 복수 개의 초전도 테이프를 포함하고, 각 초전도 테이프는 상기 기판, 버퍼층, 초전도층 및 전기 도금된 안정 층을 포함하는 초전도 물품.
  34. 기판을 구비하는 단계와;
    상기 기판 위에 버퍼층을 증착하는 단계와;
    상기 버퍼층 위에 초전도층을 증착하는 단계; 및
    상기 초전도층 위에 안정층을 전기 도금하는 단계를 포함하는 초전도 테이프의 형성 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 전기 도금은 초전도 테이프를 전기 도금 용액을 통과시킴으로써 수행되고, 상기 테이프는 캐소드를 형성하도록 바이어스되며, 상기 용액 내에 애노드가 제공되는 초전도 테이프의 형성 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 안정층은 비귀금속을 포함하는 초전도 테이프의 형성 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 비귀금속은 구리를 포함하는 초전도 테이프의 형성 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 용액은 황산구리를 포함하는 초전도 테이프의 형성 방법.
  39. 제 35 항에 있어서, 상기 초전도 테이프는 릴 대 릴 공정에 의해 용액을 통과하는 초전도 테이프의 형성 방법.
  40. 제 34 항에 있어서, 상기 전기 도금은 안정층이 기판의 일측면 위에 놓이도록 수행되는 초전도 테이프의 형성 방법.
  41. 제 34 항에 있어서, 상기 전기 도금은 안정층이 기판의 제1 및 제2 대향 측면 위에 놓이도록 수행되는 초전도 테이프의 형성 방법.
  42. 제 34 항에 있어서, 상기 전기 도금은 안정층이 기판, 버퍼층 및 초전도층을 봉입하도록 수행되는 초전도 테이프의 형성 방법.
  43. 전력 케이블의 코일을 제공하는 단계, 및
    상기 전력 케이블을 도관 내로 삽입하면서 코일을 푸는 단계를 포함하고,
    상기 전력 케이블은 복수 개의 초전도 테이프를 포함하고, 각 테이프는 기판, 이 기판 위에 놓이는 버퍼층, 이 버퍼층 위에 놓이는 초전도층, 및 이 초전도층 위에 놓이는 전기 도금된 안정층을 포함하고, 상기 도관은 지하 용도 도관인 전력 케이블 부설 방법.
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