KR20070120584A - 접합 초전도 제품 - Google Patents

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Abstract

초전도 제품은 공칭 두께 tn1을 갖는 제 1 초전도 세그멘트, 공칭 두께 tn2를 갖는 제 2 초전도 세그멘트, 및 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스(splice)를 포함하는 접합 영역을 포함한다. 스플라이스는 접합 영역을 따라 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들 모두의 일부들을 오버라잉(overlying)하고, 접합 영역은 두께 tjr를 가지며, 여기서 tjr은 1.8tn1과 1.8tn2 중 적어도 하나 보다 크지 않다.
초전도 제품, 초전도 세그멘트, 스플라이스, 접합 영역, 초전도층, 안정화층, 결합층, 초전도 도전체

Description

접합 초전도 제품{JOINED SUPERCONDUCTIVE ARTICLES}
본 발명은 일반적으로 초전도 제품들 및 그것들을 형성하는 방법들에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 접합되어 코팅된 도전체의 형태의 초전도 제품들, 및 그것을 포함하는 장치들에 관한 것이다.
초전도 재료들은 기술 분야에서 오랫동안 알려졌고 이해되어져 왔다. 액체 헬륨의 사용을 요구하는 온도에서(4.2K) 초전도 특징들을 나타내는 저온(저-TC) 초전도체들은 약 1911년경부터 알려져 왔다. 그러나, 산화물-기반 고온(고-Tc) 초전도체가 발견된 것은 어느 정도 최근에 와서였다. 1986년 쯤, 액체 질소의 온도 이상의 온도에서(77K) 초전도 특징들을 갖는, 제 1 고온 초도전체(high-temperature superconductor;HTS), 즉, YBa2Cu3O7 -x(YBCO)가 발견되었다, 그 후 지난 15년 동안 Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y(BSCCO) 등을 포함하는 추가 재료들의 개발이 뒤따랐다. 부분적으로는, 액체 헬륨에 기초한 비교적 비용이 더 드는 극저온 인프라구조보다는 저 비용으로 초전도체들을 액체 질소와 동작시킬 수 있기 때문에, 고-Tc 초전도체들의 개발이 그런 재료들을 포함하는 경제적으로 가능한 초전도체 컴포넌트들의 개발의 잠 재성을 생성시켜 왔다.
산업계는, 다수의 잠재적 어플리케이션들 중에, 전력 생산, 전송, 분배, 및 저장을 위한 어플리케이션들을 포함하여, 전력 산업에서 그런 재료 사용의 개발을 탐구해왔다. 이 관점에서, 구리-기반 상업적 전력 컴포넌트의 자연 저항이 한 해에 수십억 달러의 전력 손실의 원인인 것으로 추정되므로, 전력 산업계는 전송 및 분배 전력 케이블, 발전기, 변압기, 및 오류 전류 차단기와 같은 전력 컴포넌트들에서 고온 초전도체의 사용에 기초한 이득을 얻으려 하고 있다. 또한, 전력 산업에서 고온 초전도체들의 다른 이득들로는, 전력-핸들링 능력의 3-10 배의 증대, 전력 장치 크기(즉, 밑넓이(footprint))의 큰 감소, 감소된 환경적 영향, 향상된 안전, 및 종래 기술 이상 증가된 능력을 포함한다. 그런 고온 초전도 제품들의 잠재적 이득들이 매우 매력적인 것으로 남아있지만, 다수의 기술 난제들이 대규모 고온 초전도체 생산 및 상업화에 계속 존재한다.
고온 초전도체들의 상업화와 연관된 난제들 중에, 많은 문제들이, 다양한 전력 컴포넌트 형성에 사용될 수 있는 초전도 테이프의 제조에 관련하여 존재한다. 초전도 테이프의 제 1 세대는 위에 언급된 BSCCO 고온 초전도체의 사용을 포함한다. 이 재료는 일반적으로, 통상적으로 은인, 불활성 금속의 주형에 임베딩된(embeded) 이산 필라멘트(discrete filaments) 형태로 제공된다. 그런 도전체들은 전력 산업에 구현하기 위해 필요한 확장된 길이로 만들어질 수 있지만(예를 들어, 수 킬로미터 정도로), 재료 및 제조 비용으로 인해, 그런 테이프는 상업적으로 가능한 제품을 나타내지는 않는다.
따라서, 높은 상업적 경쟁력을 갖는 소위 제 2 세대 HTS 테이프에 많이 관심이 있어왔다. 이들 테이프는 통상적으로, 기계적 지지를 제공하는 유연(flexible) 기판, 선택적으로 복수의 막들을 포함하고 기판을 오버라잉(overlying)하는 적어도 하나의 버퍼층, 버퍼층을 오버라잉하는 HTS층, 및 통상 적어도 일 불활성 금속으로 형성된, 초도전체층을 오버라잉하는 전기적 안정화층을 일반적으로 포함하는 층구조에 따른다. 그러나, 현재로서는, 다수의 공학 및 제조 상의 난제들이 그런 제 2 세대 테이프들의 완전한 상업화 이전에 남아있다.
따라서, 전술된 관점에서, 초전도체 분야에서, 특히, 상업적으로 경쟁력이 있는 초전도 테이프, 그것의 형성 방법, 및 그런 초전도 테이프들을 사용하는 전력 컴포넌트들의 공급에서 다양한 필요성들이 계속 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 테이프 도전체의 일반 층구조를 나타낸다.
도 2는 접합 초전도 제품의 특정 구조를 나타내는 일 실시예를 나타낸다.
도 3은 접합 초전도 제품의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 스플라이스(splice)를 나타낸다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 접합 초전도 제품에 따른 기본 아키텍쳐를 나타낸다.
도 6 및 도 7은 전력 케이블의 초전도 도전체의 구현을 나타낸다.
도 8은 변압기를 개략적으로 나타낸다.
도 9는 발전기의 기본 구조를 나타낸다.
도 10은 전력 그리드(power grid)의 기본 개략도를 나타낸다.
제 1 양태에 따르면, 초전도 도전체, 특히, 초전도 제품은, 두께 tn1를 갖는 제 1 초전도 세그멘트, 두께 tn2를 갖는 제 2 초전도 세그멘트, 및 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스(splice)를 포함하는 접합 영역을 포함한다. 스플라이스는 접합 영역을 따라 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들 모두의 일부분들을 오버라잉하고, 접합 영역은 두께 tjr을 가지며, tjr은 1.8tn1과 1.8tn2 중의 적어도 하나보다는 크지 않다.
또 다른 양태에 따르면, 초전도 제품은, 감소된 두께 tr1을 갖는 제 1 세그멘트 종단부를 갖는 제 1 초전도 세그멘트, 감소된 두께 tr2를 갖는 제 2 세그멘트 종단부를 갖는 제 2 초전도 세그멘트, 및 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스를 포함하는 접합 영역을 포함한다. 스플라이스는 제 1 및 제 2 세그멘트 종단부들을 오버라잉한다.
또 다른 양태에 따르면, 초전도 제품은, tn1보다 감소된 두께 tr1을 갖는 제 1 세그멘트 종단부를 가지며, 두께 tn1을 갖는 제 1 초전도 세그멘트, tn2보다 감소된 두께 tr2를 갖는 제 2 세그멘트 종단부를 가지며, 두께 tn2를 갖는 제 2 초전도 세그멘트를 포함하고, 제 1 및 제 2 종단부들은 접합 영역에서 서로 결합된다. 접 합 영역은 1.8tn1과 1.8tn2 중의 적어도 하나보다는 크지 않는 두께 tjr을 가진다.
또 다른 양태에 따르면, 초전도 제품은 공칭 두께 tn1을 갖는 제 1 초전도 도전체, 및 접합 영역을 따라 제 1 도전체를 오버라잉하는 제 2 초전도 도전체를 포함하고, 상기 접합 영역은 1.8tn1보다 크지 않은 두께를 갖는다.
또 다른 양태에 따르면, 초전도 제품은, 제 1 기판, 제 1 기판을 오버라잉하는 제 1 초전도층, 및 제 1 초전도층을 오버라잉하는 안정화층을 포함하는 제 1 초전도 세그멘트를 포함한다. 상기 초전도 제품은, 제 2 기판, 제 2 기판을 오버라잉하는 제 2 초전도층, 및 제 2 초전도층을 오버라잉하는 안정화층을 포함하는 제 2 초전도 세그멘트를 더 포함한다. 스플라이스를 포함하는 접합 영역은 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트를 함께 접속하도록 제공되고, 상기 스플라이스는 초전도층을 포함하지만, 안정화층과 기판 중의 하나는 없다.
<본 발명을 실행하는 모드들>
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 제품의 일반 층구조가 도시되었다. 초전도 제품은 기판(10), 기판(10)을 오버라잉하는 버퍼층(12), 초전도층(14), 그 위에 통상적으로 불활성 금속층인 캡핑층(capping layer;16), 그리고 통상적으로 구리와 같은 활성 금속인 안정화층(18)을 포함한다.
기판(10)은 일반적으로 금속-기반이고, 통상적으로 적어도 2개의 금속 소자들의 합금이다. 더 구체적으로, 적절한 기판 재료는 공지된 Inconel®합금 그룹과 같은 니켈-기반 금속 합금들을 포함한다. Inconel®합금은, 팽창 계 수(coefficient of expansion), 인장력(tensile strength), 항복응력(yield strength), 및 연신율(elongation)을 포함하는, 바람직한 크리프(creep), 화학적, 및 기계적 특성들을 갖는 경향이 있다. 이들 금속들은 일반적으로, 통상적으로 오픈릴식(reel-to-reel)인 테이프 핸들링을 사용할 것인, 초전도 테이프 제조에 특히 적절한, 스풀링된 테이프들의 형태로 상업적으로 이용가능하다.
기판(10)은 통상, 높은 치수 비율을 갖는 테이프-유사 구조를 갖는다. 예를 들어, 테이프의 너비는 일반적으로 약 0.4-10 cm 정도이고, 테이프의 길이는 통상 적어도 약 100 m이고, 통상 대부분 약 500 m 이상이다. 사실상, 본 발명의 실시예들은, 1 km 이상 정도의 길이를 갖는 기판(10)을 포함하는 초전도 테이프를 제공한다. 따라서, 기판은, 10보다는 작지 않거나, 약 102보다 작지 않거나, 혹은 약 103보다도 작지 않은, 매우 높은 치수 비율을 가질 수 있다. 특정 실시예들은, 104 의 치수 비율 이상의 길이를 가질 수 있다. 본 출원서에서 사용되는 바와 같이, '치수 비율'이라는 용어는 기판 혹은 테이프의 길이에 대한 그 다음 긴 치수인 기판 혹은 테이프의 너비의 비율을 나타내기 위해 사용된다.
일 실시예에서, 기판은 초전도 테이프의 구성 층들의 후속 피착을 위해 바람직한 표면 특성들을 갖도록 처리된다. 예를 들어, 표면은 바람직한 평탄성(flatness)과 표면 거칠기(roughness)를 위해 가볍게 마무르게 될 수 있다. 또한, 본 출원서의 실시예들이 통상적으로 상술된 상업적으로 이용가능한 니켈-기반 테이프들과 같은, 텍스쳐가 없는, 다결정 기판을 사용하지만, 공지된 RABiTS(roll assisted biaxially textured substrate) 기술에 의해서와 같이, 이 분야에서 이해되는 것처럼 이축으로 텍스쳐가 되도록 처리될 수 있다.
버퍼층(12)을 참조하면, 버퍼층은 단일층일 수 있거나, 혹은 더 일반적으로, 여러 막들로 만들어질 수 있다. 가장 통상적으로, 버퍼층은, 일반적으로 막의 내면과 외면 모두에서 결정 축들을 따라 정렬되는 결정 텍스쳐를 갖는, 이축 텍스쳐를 형성한 막을 포함한다. 그런 이축 텍스쳐 형성은 IBAD에 의해 이루어질 수 있다. 이 분야에서 이해되는 것처럼, IBAD(ion beam assisted deposition) 기술은, 우수한 초전도 특성들을 위해 바람직한 결정학적 배향을 갖는 초전도층의 후속 형성을 위해 적절히 텍스쳐가 형성된 버퍼층을 형성하기 위해 유익하도록 사용될 수 있다. 마그네슘 산화물은 IBAD 막을 위한 통상적 선택 재료이고, 50 내지 500 옹스트롬(Angstroms), 예를 들어, 50 내지 200 옹스트롬과 같은 정도일 수 있다. 일반적으로, IBAD 막은, 본 출원서에 참조로서 병합된 미국 특허 제 6,190,752 호에 정의되어 기재되는 것과 같이 암연(rock-salt) 유사 결정 구조를 갖는다.
버퍼층은, 직접 접촉하기 위해 제공되는 장벽 막과 같은, 추가 막들을 포함할 수 있고, IBAD 막과 기판 사이에 위치될 수 있다. 이 관점에서, 장벽 막은, 산화 이트륨과 같은, 산화물로 유익하게 형성될 수 있고, IBAD 막으로부터 기판을 격리하기 위해 기능할 수 있다. 장벽 막은 또한 실리콘 질화물과 같은 비산화물로 형성될 수 있다. 장벽 막의 피착을 위한 적절한 기술들로는 스퍼터링(sputtering)을 포함하는 화학 증착법(chemical vapor deposition) 및 물리 증착법(physical vapor deposition)을 포함한다. 장벽 막의 통상적 두께는 약 100-200 옹스트롬의 범위 내에 있을 것이다. 또한, 버퍼층은, IBAD 막 상에 형성되는, 에픽텍셜 성장 막도 포함할 수 있다. 이와 관련해서, 에픽텍셜 성장 막은 IBAD 막의 두께를 증가시키기 위해 효과적이고, MgO와 같이 IBAD층을 위해 사용되는 동일 재료로 원칙적으로 만들어지는 것이 바람직할 것이다.
MgO-기반 IBAD 막 및/또는 에픽텍셜 막을 사용하는 실시예들에서, MgO 재료와 초전도층의 재료 사이에 격자 불일치가 존재한다. 따라서, 버퍼층은 또 다른 버퍼막을 더 포함할 수 있고, 이 버퍼막은 특히 초전도층과 하부 IBAD막 및/또는 에피텍셜 막 간의 격자 상수의 불일치를 감소시키기 위해 구현된다. 이 버퍼막은 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 스트론튬 루테네이트(strontium ruthenate), 란탄 망간(lanthanum manganate), 및 일반적으로 페로브스카이트(perovskite)-구조 세라믹 재료들과 같은 재료들로 형성될 수 있다. 버퍼막은 다양한 물리 증착 기술들에 의해 피착될 수 있다.
원칙적으로, 전술된 것이 IBAD와 같은 텍스쳐링 처리에 의해 버퍼 스택(층)에 이축 텍스쳐 막의 구현에 중점을 두었지만, 다른 경우, 기판 표면 자체가 이축 텍스쳐링될 수 있다. 이 경우, 버퍼층은 일반적으로 텍스쳐링된 기판 상에 에픽텍셜 성장되어 버퍼층의 이축 텍스쳐링을 보존한다. 이축 텍스쳐 기판의 형성을 위한 한 가지 처리는, 이 분야에서 일반적으로 이해되는, RABiTS로서 이 분야에서 공지된 처리이다.
초전도 층(14)은 일반적으로 고온 초전도(HTS)층의 형태로 되어 있다. HTS 재료는 통상적으로, 액체 질소의 온도, 77K 이상 초전도 특성들을 나타내는 고온 초전도 재료들 중 임의 것으로부터 선택된다. 그런 재료들은, 예를 들어, YBa2Cu3O7 -x, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 +y, Tl2Ba2Ca2Cu3O10 +y, 및 HgBa2Ca2Cu3O8 +y를 포함할 수 있다. 재료들의 일 클래스는 REBa2Cu3O7 -x를 포함하고, 여기서 RE는 희토류 원소이다. 전술한 것 중에, YBa2Cu3O7 -x는 또한 일반적으로 YBCO로서 일반적으로 지칭되고, 유익하게 이용될 수 있다. 초전도층(14)은, 모든 가능한 막 형성 기술들을 포함하는, 다양한 기술들 중의 임의 것에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, PLD(pulsed laser deposition)과 같은 박막 물리 증착 기술이 높은 피착 비율로 사용될 수 있거나, 또는 화학 증착 기술이 낮은 비용과 더 넓은 표면 영역 처리를 위해 사용될 수 있다. 통상, 초전도층은 약 1 내지 30 마이크론 정도이고, 예를 들어, 약 2 내지 10 마이크론과 같이, 대부분 통상 약 2 내지 20 마이크론의 두께를 갖는다.
캡핑층(16)과 안정화층(18)은 일반적으로 저 저항 인터페이스 그리고 실제 사용에서 초전도 번아웃(burnout) 방지를 돕기 위한 전기적 안정화를 제공하기 위해 구현된다. 더 구체적으로, 층들(16 및 18)은, 냉각이 실패하거나 혹은 임계 전류 밀도가 초과되어, 초전도층이 초전도 상태로부터 저항 상태로 변화하는 경우, 초전도체를 따른 전하의 연속 흐름을 돕는다. 통상, 불활성 금속이, 캡핑층(16)이 안정화층(들)과 초전도층(14) 사이의 원치 않는 인터랙션을 방지하도록 사용된다. 통상 불활성 금속으로는 금, 은, 백금, 및 팔라듐을 포함한다. 은은 통상적으로 그것의 비용 및 일반적 이용성(accessibility) 때문에 사용된다. 캡핑층(16)은 통상적으로 안정화층(18)으로부터 초전도층(14)으로 원치 않는 컴포넌트들의 분산을 방지할 만큼 두껍도록 만들어진다. 통상적 캡핑층(16)의 두께는, 예를 들어, 0.5 내지 약 5.0 마이크론과 같은, 약 0.1 내지 약 10.0 마이크론 내의 범위에 존재한다. DC 전자관 스퍼터링과 같은, 물리 증착을 포함하는, 캡핑층(16)의 피착을 위해 사용될 수 있다.
안정화층(18)은 일반적으로 초전도층(14)을 오버라잉하기 위해, 특히, 도 1에 도시된 특정 실시예의 캡핑층(16)을 오버라잉하여 직접 접촉하도록 포함된다. 안정화층(18)은 험한 환경 조건 및 초전도성 소멸에 대한 안정성을 향상시키기 위한 보호/차폐층으로서 기능한다. 층은 일반적으로 조밀하고 열적으로 그리고 전기적으로 전도성이 있고, 초전도층의 실패의 경우 전류를 바이패스(bypass)하도록 기능을 한다. 이 층은, 초전도 테이프 상에 미리 형성된 구리 조각의 박판을 씌워, 또는 땜납 혹은 용제와 같은 중간 결합 재료를 사용해서와 같이, 다양한 가능한 모든 막 형성 기술들 중의 임의 것에 의해 형성될 수 있다. 다른 기술들은, 비전해 도금 및 전해 도금과 같은 습식 화학 처리는 물론이고, 통상 기상(evaporation) 혹은 스퍼터링과 같은 물리 증착법에 중점을 둔다. 이 관점에서, 캡핑층(16)은 구리 피착을 위한 시드층(seed layer)으로서 기능할 수 있다.
도 1에 도시된 특정 실시예에서, 도전층(8)은 기판(10)의 배면, 즉, 초전도 제품의 구성층들, 가장 주목할만하게는 활성층(초전도층(14))의 반대 측에 제공된다. 도전층(8)은 안정화층(18)의 형성 동안 동일 처리 시퀀스와 동시에 혹은 그 동안에 피착될 수 있고, 구리와 같은, 동일 재료로 형성될 수 있다. 도전층(8)은 통상 전기적으로 도전성이 있고(그러나 초전도성은 아님), 안정화층에 전기적으로 접속되어, 추가적 안정화 기능을 제공할 수 있다.
도 1과 관련하여 초전도 제품의 일반 구조가 설명되었지만, 도 2에는, 초전도 제품, 특히, 도 1에 도시된 초전도 제품(1)의 기본 아키텍쳐를 가질 수 있는, 2개의 초전도 세그멘트들이 서로 접합하여 초전도 제품(200)을 형성하는 영역의 도면이 더 상세히 도시된다. 본 출원서에서, 유사 참조 부호들는 유사 구조 특징들을 나타내도록 사용된다. 구성요소층들의 설명은 이하 반복되지 않는다; 독자는 초전도 제품의 구성요소층들에 대해 제공된 상세한 설명을 참조한다.
더 상세하게는, 초전도 제품(200)은 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들(1a 및 1b)을 각각 포함한다. 세그멘트들(1a 및 1b)은 제 1 및 제 2 기판들(10a 및 10b)을 포함하고, 제 1 및 제 2 기판들(10a 및 10b) 위에, 제 1 및 제 2 버퍼층들(12a 및 12b), 제 1 및 제 2 초전도층들(14a 및 14b), 제 1 및 제 2 캡핑층들(16a 및 16b), 및 제 1 및 제 2 안정화층들(18a 및 18b)을 포함하는, 복수의 층들이 피착된다. 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 세그멘트들(1a 및 1b)은 종단에서 종단까지 배치되도록 위치된다. 특히, 제 1 및 제 2 세그멘트들의 각 종단들은 인터페이스(202)에서 일반적으로 이웃하여 혹은 거의 이웃하여 접촉하도록 위치된다. 작은 틈새가 인터페이스(202)를 따라 도시되었지만, 세그멘트들은 서로 직접 접촉하도록 위치될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예의 일 특정 특징에 따르면, 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들(1a 및 1b)은 접합 영역(204)을 따라 전기적으로 그리고 기계적으로 서로 접합된다. 스플라이스(206)는 접합 영역(204)에 스패닝(spanning)하여 제공되어 세 그멘트들 간의 전기적 그리고 기계적 접속성을 제공한다. 도 2에 도시된 특정 실시예에서, 스플라이스(206)는, 세그멘트들의 층구조에 대해 일반적으로 인버팅된 층 초전도 구조를 포함한다. 또한, 스플라이스(206)는 안정화층이 없다. 더 구체적으로는, 스플라이스(206)는, 기판(20), 버퍼층(22), 초전도층(24), 캡핑층(26)을, 기재된 것과 같은 일반적 시퀀스로, 포함한다. 상기 특정 스플라이스(206)는 초전도 세그멘트들을 형성하는 기본 처리 흐름에 따라 제조되지만, 안정화층을 형성하는 단계는 제외될 수 있다. 대안적으로, 완료된 초전도 구조는 안정화층을 제거하도록 수정되어, 적절한 길이들 혹은 쿠폰들(coupons)로 잘라 스플라이스(206)를 형성하도록 할 수 있다.
스플라이스(206)는 결합층(25)의 사용을 통해 제 1 및 제 2 세그멘트들(1a 및 1b)에 결합된다. 통상, 결합층(25)은, 인듐 땜납 혹은 납-주석 땜납과 같은, 땜납으로 형성된다.
도 2 및 도 5의 참조에서, 제 1 및 제 2 세그멘트들 각각은, 감소된 두께를 각각 갖는, 제 1 세그멘트 종단부(222)와 제 2 세그멘트 종단부(224)를 포함한다. 더 구체적으로, 제 1 세그멘트 종단부(222)와 제 2 세그멘트 종단부(224)는 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들의 공칭 두께에 비해 감소된 두께 tr1 및 tr2를 갖는다. 이하 도 5와 연관하여 추가 설명이 제공된다.
도 3은, 도 2에 도시된 실시예와 어느 정도 유사한 또 다른 실시예를 나타낸다. 그러나, 일반적으로 말하자면, 도 3에 도시된 실시예는, 스플라이스가 기판을 포함하지 않고, 그 대신 안정화층을 포함하는, 상이한 스플라이스 구조를 사용한다. 더 상세하게는, 초전도 제품(300)은 도 2와 연관하여 설명되는 것처럼 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 포함한다. 스플라이스(306)는 접합 영역(304)을 스패닝하기 위해 제공된다. 스플라이스(306)는 안정화층(38), 캡핑층(36a), 초전도층(34), 및 제 2 캡핑층(36b)을 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에 대해 유사하게, 스플라이스(306)는 결합층(35)의 사용을 통해 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들에 결합된다.
스플라이스(306)의 특정 구조는 여러 상이한 방식들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 완성된 초전도 세그멘트 부분은, 초전도층/버퍼층 인터페이스를 따라 구조를 딜레미네이트(delaminate)하여, 세그멘트 부분으로부터 기판을 제거하기 위해 딜레미네이팅할 수 있다. 그 후, 안정화층과 초전도층을 포함하는 딜레미네이트 구조는 초전도층(34) 상에 제 2 캡핑층을 피착하기 위해 선택적으로 처리될 수 있다.
도 4는, 안정화기(48)와 초전도층(44)을 포함하는 더욱 단순화된 스플라이스(406)를 나타낸다. 도 3 및 도 4에 도시된 특정 스플라이스 구조(306 및 406)는 유익하게도 안정화층을 사용하여, 실제 사용에서 접합 영역의 안정화를 향상시킨다. 따라서, 그런 스플라이스 구조들은, 접합 안정화가 중요한 파라미터인 특정 어플리케이션들에서는 바람직할 수 있다.
본 출원서에 설명된 실시예들에 따르면, 스플라이스는 일반적으로 초전도층을 포함한다. 상기 특정 양태는 바람직하게 낮은 접합 저항을 보장하는 것을 돕는 다. 더 구체적으로, 본 출원서의 실시예들에 따르면, 본 출원서에서 기재된 것들과 같은 접합 구조들을 포함하는 초전도 제품은, 예를 들어, 약 50 micro-ohms cm2 이하 혹은 25 micro-ohms cm2 이하일 수도 있는, 약 100 micro-ohms cm2 이하의 접합 저항을 갖는다. 또한, 접합 저항은, 접합 당 0.25 W/cm2 이하와 같이, 접합 당 0.5 W/cm2 이하의 상한으로, 방산 열로 양자화될 수 있다.
특히, 도 5를 참조하면, 초전도 제품(500)과 연관하여 다양한 기술 특징들이 도시되었다. 본 도면에서, 초전도 제품(500)은, 공칭 두께 tn1 및 tn2 각각을 갖는, 제 1 및 제 2 세그멘트들(51a 및 51b)을 포함한다. 이들 공칭 두께들은, 제 1 세그멘트 종단부(522)와 제 2 세그멘트 종단부(524)로서 도 5에 레이블링된, 세그멘트 종단부들을 특히 제외하여, 세그멘트들의 길이의 대부분에 따른 각 세그멘트들의 두께에 대응한다. 제 1 및 제 2 세그멘트 종단부들(522 및 524) 각각은, 감소된 두께, 특히 도시된 것처럼 감소된 두께들 tr1 및 tr2를 갖는다. 종단부들과 연관된 감소된 두께들은 각 세그멘트들의 주(main) 몸체에(비교적 더 두꺼운 공칭 두께를 가짐) 대해 종단부들의 다양한 아키텍쳐 변경을 통해 성취될 수 있다. 예를 들어, 세그멘트들의 종단부들이 안정화층의 일부분, 그리고, 일부 실시예들에서는, 안정화층 전체가 제거되도록 에칭될 수 있다. 대안적으로, 처리 동안, 세그멘트들의 종단부들은 안정화기 피착 동안 마스킹되거나 혹은 그렇지 않으면 처리되지 않고 남아 있을 수 있다. 통상, 세그멘트들의 종단부들과 연관된 감소된 두께들은, 각 세그멘트들의 공칭 두께의, 예를 들어, 80% 이하, 혹은 70% 이하일 수도 있는, 90% 이하이다. 사실상, 특정 실시예들에서, 종단부들의 두께들은, 각 공칭 두께들의 60% 이하의 값일 수 있고, 특정 실시예들에서는 초전도 세그멘트의 공칭 두께의 반인 약 50%까지의 값일 수 있다. 일반적으로, 제 1과 제 2 세그멘트들이, 서로의 약 10% 내의 감소된 두께, 가장 통상적으로는, 처리 제어로 인한 두께의 미미한 변동을 제외하고는, 서로 동일한 감소된 두께를 갖는 종단부들을 갖는 것이 바람직하다.
종단부들에 따른 초전도 세그멘트들의 두께 감소는 비교적 낮은 프로파일 접합 영역들을 형성하게 한다. 더 상세하게는, 특히 도 5를 참조하면, 세그멘트 종단부들(522 및 524)을 스패닝하는 접합 영역(504)은 두께 tjr를 갖는다. 일반적으로, 접합 영역의 두께 tjr은 1.8tn1 및 1.8tn2 중의 적어도 하나 이하이다. 종종, 접합 영역의 프로파일은 약 1.6tn1 혹은 1.6tn2 이하이다. 또한, 접합 영역의 두께는, 예를 들어, 1.5tn1 및 1.5tn2 중의 적어도 하나 이하이거나, 혹은 1.3tn1 및 1.3tn2 중의 적어도 하나 이하와 같이, 더 감소될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 접합 두께는 초전도 세그멘트들 중 적어도 하나의 공칭 두께와 실질적으로 동일하다. 도면들에 도시되지는 않았지만, 접합 영역의 두께는 초전도 세그멘트들의 두께들 중의 하나 혹은 둘 다의 두께 이하일 수 있다.
본 출원서의 실시예들에 따르면, 접합 초전도 제품은, 특히 도 1과 연관하여 이미 상술된 바와 같은 치수를 갖는, 비교적 긴 길이를 가질 수 있다. 또한, 개별 세그멘트들은 또한, 예를 들어, 100 이상, 혹은 1000 이상과도 같은, 약 10 이상의 치수 비율을 갖는 것과 같은, 비교적 확장된 길이들을 가질 수 있다. 초전도 제품은, 상기 초전도 제품의 길이 및 치수 비율을 더 확장시킬 수 있고, 각 세그멘트가 본 출원서에 기재된 구조들 및/또는 기술들에 따라 접합되는 추가 초전도 세그멘트들을 포함할 수 있다. 확장된 길이들은, 도시 지역을 지나는 혹은 확장된 지형의 지역들을 지나는 장거리 전류 전송 능력에 특히 적절하다. 또한, 긴 길이, 큰 치수 비율 초전도 제품은, 이하 기재되는 것처럼, 회전 기계들과 변압기들과 같은 코일링되거나 혹은 감긴 구조들에 배치에 특히 유익할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 감소된 두께 종단부들을 갖는 제 1 및 제 2 세그멘트들은 스플라이스를 포함하지 않고 서로 직접 결합될 수 있다. 이와 관련하여, 제 1 및 제 2 세그멘트들은 겹치는 형태로 서로 접합하여 감소된 두께 종단부들이 서로 겹치도록 할 수 있다. 이 관점에서, 일 실시예에서는, 종단부들 각각을 따라 안정화기 재료를 제거하고, 그 다음, 세그멘트들 중 하나를 인버팅하여 접합할 수 있다. 대안적으로, 접합 구조가 세그멘트들 중 하나의 인버젼을 요구하지 않을 수 있다. 본 출원서에서, 제 2 초전도 세그멘트의 종단부를 따라 도전층 및/또는 기판의 일부를 제거하면서, 제 1 초전도 세그멘트를 따라 안정화층의 일부가 제거되어, 어느 한쪽의 세그멘트도 인버팅되지 않고 2 개의 세그멘트들을 접합하도록 할 수 있다. 상기 특정 구조는, 초전도 세그멘트들이 감기거나 혹은 코일링된 구조에 배치되는 어플리케이션들을 특히 포함하는, 다수의 어플리케이션들에 유익할 수 있다. 상술된 실시예들이 전술된 다른 경우의 실시예들에 비해 접합을 위해 스플라 이스에 의존하지만, 상기 다른 경우 실시예들은, 감소된 두께 종단 세그멘트들을 갖는 초전도 도전체들이 낮은 프로파일 접합을 실행시키려고 사용되는 개념을 공유한다.
유의할 점은, 본 출원서에 사용되는 것과 같이, '초전도 도전체'라는 용어는, 초전도 세그멘트 혹은 스플라이스와 같은, 초전도 소자를 일반적으로 나타내려고 사용된다. 즉, 상기 용어는 본 명세서와 청구범위에서 일반적 의미로 사용된다.
본 출원서의 실시예들에 따르면, 접합 초전도 제품들이 비교적 낮은 프로파일 접합 영역을 사용하여 기재됨이 명료해야 할 것이다. 상기 낮은 프로파일 접합 영역은 특히 다양한 산업 어플리케이션들, 특히 접합 영역을 따라 높은 프로파일 혹은 과장된 프로파일에 민감한 어플리케이션들에 유익할 것이다. 종종, 종래 랩(lap) 접합부들은, 초전도 세그멘트들 각각의 공칭 두께의 2배 정도로, 바람직하지 못하게 과도한 프로파일들을 갖는다. 그런 두께 혹은 프로파일은 다양한 어플리케이션들에서 허용되지 않을 수 있고, 최신기술 랩 접합부들에 따른 스플라이스 영역의 기계적 성능이 손상될 수 있다.
초전도 도전체들의 특정 구조들이 전술되었지만, 도 6 및 도 7은 일 상업적 전력 컴포넌트, 즉, 전력 케이블에서 초전도 도전체의 구현을 나타낸다. 도 6은, 플라스틱 혹은 강철 도관일 수 있는, 지하 도관(40)을 통해 확장되는 여러 전력 케이블들(42)을 나타낸다. 도 6은 또한 명료성을 위해 지면(41)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 여러 전력 케이블들이 도관(40)을 통해 통과될 수 있다.
도 7을 참조하면, 특정 전력 케이블의 구조가 도시된다. 초전도 상태에 초전도 전력 케이블을 유지하기 위한 냉각을 제공하기 위해, 액체 질소가 LN2 도관(44)을 통해 전력 케이블을 통해서 공급된다. 한 개 혹은 복수의 HTS 도전체들은 도관(44)을 덮기 위해 제공된다. 종래 테이프들이 일반적으로 나선 방식으로 도관(44)에 배치되지만, 본 발명의 실시예들에 따른 도전체들은 나선형으로 감길 필요가 없고, 다른 실시예들에서, 전력 케이블의 세로 축에 평행하게 선형으로 확장될 수 있다. 추가 컴포넌트들로는, 구리 차폐물(48), 컴포넌트들의 유전적 격리를 위한 유전체 테이프(50), 제 2 HTS 테이프(52), 복수의 중앙 와이어들(56)을 갖는 구리 차폐물(54), 제 2의 더 큰 LN2 도관(58), 극저온 상태 유지를 돕기 위해 제공되는 열 절연체(60), 스키드(skid) 와이어들(64)을 포함하는 구조적 지지를 위한 톱니형 강철 파이프(62), 및 외부 싸개(66)를 포함한다.
도 8은, 제 1 와인딩(winding)(72)과 제 2 와인딩(74)이 주위에 제공되는 중앙 코어(central core;76)를 갖는 변압기를 개략적으로 나타낸다. 이 분야에서 잘 공지된 것처럼, 도 8이 사실상 개략적이고, 변압기의 실제 기하학적 구성은 달라질 수 있슴을 유의해야 한다. 그러나, 상기 변압기는 적어도 기본 제 1 및 제 2 와인딩들을 포함한다. 이 관점에서, 도 8에 도시된 실시예에서, 제 1 와인딩(72)은 제 2 와인딩(74) 보다 더 많은 수의 코일들을 가져서, 들어오는 전력 신호의 전압을 낮추는 스텝-다운(step-down) 변압기를 나타낸다. 역으로, 제 2 와인딩에 비해 제 1 와인딩에 더 적은 수의 코일들의 제공은 전압 스텝-업(step-up)을 제공한다. 이 관점에서, 통상적 스텝-업 변압기들은 장거리에서 전력 손실을 감소시키기 위해 고 압으로 전압을 증가시키기 위해 전력 전송 변전소들에서 사용하고, 한편 스텝-다운 변압기들은 종단 사용자들에게 추후에 전력 분배를 위해 분배 변전소들에 병합된다. 제 1 및 제 2 와인딩들 중의 적어도 하나 그리고 바람직하게는 둘 다가 전술된 설명에 따른 초전도 도전체들을 포함한다.
도 9를 참조하면, 발전기의 기본 구조가 제공된다. 발전기는, 이 분야에서 공지된 바와 같이, 예를 들어, 터빈(turbin)에 의해 가동되는 회전자(rotor;86)를 포함한다. 회전자(86)는, 전력 생성을 위한 바람직한 전자기장을 형성하는 회전자 코일들(87)로 형성되는, 고 강도 전자석을 포함한다. 전자장의 발생은, 적어도 하나의 도전 와인딩(89)을 포함하는, 고정자(stator;88)에 전력을 발생시킨다. 본 실시예의 특정 특징에 따르면, 회전자 코일들 및/또는 고정자 와인딩은 상술된 실시예들에 따른 초전도 도전체를 포함한다. 고정자 와인딩들에 사용되는 저 손실 초전도체들은 일반적으로 실질적으로 이력현상(hysteresis) 손실을 감소시킨다.
도 10을 참조하면, 전력 그리드의 기본 개략도가 제공된다. 기본적으로, 전력 그리드(110)는 복수의 발전기들을 통상 하우징하는 발전소(90)를 포함한다. 발전소(90)는 전기적으로 접속되어 통상 전송 변전소(94)와 같이 위치된다. 전송 변전소는 일반적으로, 발생 전력의 전압을 스텝-업하려고 사용되는, 스텝-업 변압기들의 뱅크(bank)를 포함한다. 통상, 전력은 수천 볼트 정도의 전압 레벨에서 발생되고, 전압을 스텝-업하기 위한 전송 변전소 기능들은 라인 손실들을 감소시키기 위해 100,000 내지 1,000,000 볼트 정도이다. 통상 전송 거리는 50 내지 1,000 마일 정도이고, 전력은 전력 전송 케이블들(96)에 의해 이들 거리들을 따라 전송된 다. 전력 전송 케이블들(96)은 복수의 변전소들(98)(도 10에는 단지 한 개만이 도시됨)에 라우팅(routing)된다. 변전소들은 일반적으로, 비교적 높은 전압으로부터, 통상 약 10,000 볼트 이하의 분배 전압으로 전송 레벨 전압을 감소시키기 위해, 스텝-다운 변전소들의 뱅크를 포함한다. 복수의 추가 변전소들은 또한 그리드-유사 형태로 위치되고, 종단 사용자들에게 국지적 전력 분배를 위해 국지적 지역들에 제공될 수 있다. 그러나, 단순성을 위해, 단지 한 개의 변전소만이 도시되었고, 다운스트림(downstream) 변전소들이 연속하여 제공될 수 있슴을 나타낸다. 그 후, 분배 레벨 전력이 전력 분배 케이블(100)을 따라, 주택 내 종단 사용자들은 물론이고 상업적 종단 사용자들도 포함하는 종단 사용자들(102)에게 전송된다. 또한, 개별 변압기들이 종단 사용자들의 개개인 혹은 그룹들에게 국지적으로 제공될 수 있슴을 유의한다. 특정 특징에 따르면, 발전소(90)에 제공되는 발전기들 중 적어도 하나, 변압기들과 전송 변전소, 전력 전송 케이블들, 변전소에 제공되는 변압기들, 및 전력 분배 케이블들은 본 설명에 따른 초전도 테이프들을 포함한다.
본 발명이 특정 실시예들과 관련해서 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 임의 방식으로 벗어나지 않고 다양한 수정본들 및 대체본들이 만들어질 수 있으므로, 기재된 상세사항에 제한되려고 의도되지는 않는다. 예를 들어, 추가적 혹은 동등한 대체본들이 제공될 수 있고, 추가적 혹은 동등한 생산 단계들이 채택될 수 있다. 그렇게 해서, 당업자라면, 일상적 실험만으로도 본 출원서에 개시된 본 발명의 추가 수정본들 및 등가본들을 고안할 수 있을 것이고, 모든 그런 수정본들 및 등가본들은, 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같이, 본 발명의 범위 내 에 속하는 것으로서 믿어진다.

Claims (28)

  1. 초전도 제품(superconducting article)에 있어서,
    공칭 두께 tn1를 갖는 제 1 초전도 세그멘트;
    공칭 두께 tn2를 갖는 제 2 초전도 세그멘트;
    상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스(splice)를 포함하는 접합 영역을 포함하고, 상기 스플라이스는 상기 접합 영역을 따라 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들 모두의 부분들을 오버라잉(overlying)하고, 상기 접합 영역은 두께 tjr을 가지며, tjr은 1.8tn1과 1.8tn2 중 적어도 하나 이하인, 초전도 제품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스플라이스는 초전도층을 포함하는, 초전도 제품.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스플라이스는 상기 초전도층을 오버라잉하는 안정화층을 더 포함하는, 초전도 제품.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 스플라이스는 상기 초전도층을 오버라잉하는 기판을 더 포함하는, 초전도 제품.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 tn1은 실질적으로 tn2와 동일한, 초전도 제품.
  6. 제 1 항에 있어서, tjr은 1.6tn1과 1.6tn2 중 적어도 하나 이하인, 초전도 제품.
  7. 제 6 항에 있어서, tjr은 1.5tn1과 1.5tn2 중 적어도 하나 이하인, 초전도 제품.
  8. 제 7 항에 있어서, tjr은 1.3tn1과 1.3tn2 중 적어도 하나 이하인, 초전도 제품.
  9. 제 1 항에 있어서, tjr은 실질적으로 tn1과 tn2 중 적어도 하나와 동일한, 초전도 제품.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 초전도 세그멘트는 제 1 기판, 상기 제 1 기판을 오버라잉하는 제 1 초전도층, 및 상기 제 1 초전도층을 오버라잉하는 제 1 안정화층을 포함하고, 상기 제 2 초전도 세그멘트는 제 2 기판, 상기 제 2 기판을 오버라잉하는 제 2 초전도층, 및 상기 제 2 초전도층을 오버라잉하는 제 2 안정화층을 포함하는, 초전도 제품.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들은 제 1 및 제 2 버퍼층들을 각각 포함하고, 상기 제 1 버퍼층은 상기 제 1 기판과 상기 제 1 초전도층 사이에 제공되고, 상기 제 2 버퍼층은 상기 제 2 기판과 상기 제 2 초전도층 사이에 제공되는, 초전도 제품.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초전도층들은, 약 77K 이상인 임계 온도 Tc를 갖는, 고온 초전도 재료를 포함하는, 초전도 제품.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 REBa2Cu3O7 -x를 포함하고, 여기서 RE는 희토류 원소인, 초전도 제품.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제품은 약 10 이상인 치수 비율을 갖는, 초전도 제품.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제품은 약 100 이상인 치수 비율을 갖는, 초전도 제품.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들 각각은 약 10 이상인 치수 비율을 갖는, 초전도 제품.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 스플라이스와 제 1 및 제 2 초전도층들 사이에 제공되는 결합층을 더 포함하는 초전도 제품.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 결합층은 땜납을 포함하는, 초전도 제품.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 접합 영역은 약 100 micro-ohms cm2 이하의 접합 저항을 갖는, 초전도 제품.
  20. 초전도 제품에 있어서,
    감소된 두께 tr1을 갖는 제 1 세그멘트 종단부를 갖는 제 1 초전도 세그멘트;
    감소된 두께 tr2를 갖는 제 2 세그멘트 종단부를 갖는 제 2 초전도 세그멘트; 및
    상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 서로 접속하는 스플라이스를 포함하는 접합 영역을 포함하고, 상기 스플라이스는 상기 제 1 및 제 2 세그멘트 종단부 들을 오버라잉하는, 초전도 제품.
  21. 초전도 제품에 있어서,
    tn1 보다 작은 감소된 두께 tr1를 갖는 제 1 세그멘트 종단부를 갖는 공칭 두께 tn1을 갖는 제 1 초전도 세그멘트; 및
    tn2 보다 작은 감소된 두께 tr2를 갖는 제 2 세그멘트 종단부를 갖는 공칭 두께 tn2를 갖는 제 2 초전도 세그멘트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 종단부들은 접합 영역에서 서로 결합되고, 상기 접합 영역은 1.8tn1과 1.8tn2 중 적어도 하나 이하인 두께 tjr를 갖는, 초전도 제품.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 접합 영역은 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스를 포함하고, 상기 스플라이스는 상기 제 1 및 제 2 세그멘트 종단부들을 오버라잉하는, 초전도 제품.
  23. 초전도 제품에 있어서,
    공칭 두께 tn1을 갖는 제 1 초전도 도전체; 및
    1.8tn1 이하인 두께를 갖는 접합 영역을 따라 상기 제 1 도전체를 오버라잉하는 제 2 초전도 도전체를 포함하는 초전도 제품.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 초전도 도전체는 제 1 초전도 세그멘트이고, 상기 제 2 초전도 도전체는 스플라이스인, 초전도 제품.
  25. 제 24 항에 있어서, 제 2 초전도 세그멘트를 더 포함하고, 상기 스플라이스는 상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들 모두를 오버라잉하고, 상기 접합 영역은 상기 제 1 및 제 2 세그멘트들 모두를 스패닝(spanning)하는, 초전도 제품.
  26. 초전도 제품에 있어서,
    제 1 기판, 상기 제 1 기판을 오버라잉하는 제 1 초전도층, 및 상기 제 1 초전도층을 오버라잉하는 안정화층을 포함하는 제 1 초전도 세그멘트;
    제 2 기판, 상기 제 2 기판을 오버라잉하는 제 2 초전도층, 및 상기 제 2 초전도층을 오버라잉하는 안정화층을 포함하는 제 2 초전도 세그멘트; 및
    상기 제 1 및 제 2 초전도 세그멘트들을 함께 접속하는 스플라이스를 포함하는 접합 영역을 포함하고, 상기 스플라이스는 초전도층을 포함하지만 안정화층과 기판 중 하나가 없는, 초전도 제품.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 스플라이스는 기판을 포함하지만 안정화층이 없는, 초전도 제품.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 스플라이스는 안정화층을 포함하지만 기판이 없는, 초전도 제품.
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