KR20100015226A - 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의접합방법 - Google Patents

초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의접합방법 Download PDF

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Abstract

기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥에서 초전도체층을 직접 맞대어 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것으로서, (a) 초전도 선재의 2가닥 일단을 식각하여 안정화제층을 제거하고, (b) 안정화제층이 제거되어 노출된 초전도체층을 맞대어 접촉시키고, 홀더로 고정시키고, (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 용융점(melting point)으로 용융확산(melting diffusion)에 의한 접합을 하고, (d) 상기 접합부분을 산소분위기로 산화(oxidation)시키는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의해, 중간 매개체 없이 직접 초전도체층을 맞대어 용융확산함으로써, 상전도 접합에 비해 접합저항이 거의 없이 충분히 긴 선재를 제작할 수 있고, 특히, 고온에서 용융확산한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)시킴으로써, 고온에서 용융확산 과정 중에서 초전도체로부터 손실된 산소를 보상하여 초전도체 성질을 유지할 수 있다.
초전도 선재, 제2세대, 접합, 용융, YBCO-CC

Description

초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법 { Method of joining YBCO-CC superconducting wire by the melting diffusion of two superconductor layers facing each other }
본 발명은 기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥을 서로 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 초전도 선재의 안정화제층을 식각하여 들어난 초전도체층을 서로 맞대어 홀더로 고정하고, 고정된 부분을 용융확산하고 산소분위기에서 산화(oxidation)시키는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 선재의 접합은 다음과 같은 경우에 필요하다. 첫째로는 코일 권선 시 선재의 길이가 짧아서 장선재로 사용하기 위하여 선재를 접합해야 하는 경우이며, 두 번째로는 초전도 선재를 권선한 코일을 서로 연결하기 위하여 초전도 마그네트 코일간의 접합이 필요한 경우이다. 마지막으로 영구전류모드 운전을 위한 초전도 영구 전류 스위치를 병렬로 연결해야 할 때, 초전도 마그네트 코일과 초전도 영구전류 스위치간의 접합을 해야 하는 경우이다.
특히, 영구전류모드 운전이 필수적으로 요구되어지는 초전도 응용기기에서 초전도 선재를 연결하여 사용하기 위해서는, 연결된 초전도 선재가 마치 하나의 선재를 이용하는 것과 같이 연결되어야 한다. 그래서 모든 권선이 이루어졌을 때 손실이 없는 운전이 이루어져야 한다. 예를 들면, NMR(Nuclear Magnetic Resonance), MRI(Magnetic Resonance Imaging), SMES(Superconducting Magnet Energy Storage) 및 MAGLEV(MAGnetic LEVitation) 시스템 등과 같은 초전도 마그네트 및 초전도 응용기기에서 그러하다.
하지만 초전도 선재간의 접합부위는 일반적으로 접합되지 않은 선재보다 특성이 낮으므로 영구전류모드 운전시 임계전류는 접합부에 크게 의존한다. 따라서 초전도 선재간의 접합부위의 임계전류 특성을 향상시키는 것은 영구전류 모드형 초전도 응용기기 제작에 매우 중요하다. 그러나 저온초전도 선재와는 달리 고온초전도 테이프 선재의 경우 초전도체가 세라믹이므로 초전도 상태를 유지하는 접합은 매우 어렵다.
도 1과 도 2를 참조하여, 종래의 2세대 고온 초전도 선재를 접합하는 방법을 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 2세대 고온 초전도 선재(10)는 적층구조로 테이프 형상으로 만들어진 선재이다. 초전도 선재(10)의 적층구조는 기판부(11, substrate), 완충층(12, Buffer Layer), 초전도체층(13), 안정화제층(14)으로 구성된다.
기판부(11)는 Ni 또는 Ni합금 등 금속계 물질을 재질로 압연 및 열처리하여 큐브 집합조직(Cube texture)을 형성하여 제작된다. 완충층(12)은 ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 또는 HfO2 등의 재질로 단일층 또는 다수의 층으로 기판부(11) 위에 에피택셜(Epitaxial)하게 적층된다.
초전도체층(13)은 YBa2Cu3O7-x계로 대표되는 산화물 초전도 물질로 이루어진다. 즉, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7이어야 한다. 초전도체층(13)을 구성하는 산화물 초전도체의 산소량이 변동함으로써 초전도체층(13)의 특성이 크게 변화된다. 따라서 상기 산소의 몰비율은 일정하게 유지시켜주어야 한다.
안정화제층(14)은 과전류시 초전도체층(13)을 보호하는 등 초전도체층(13)을 전기적으로 안정화시키기 위하여 초전도체층(13) 상부면에 적층된다. 안정화제층(14)은 과전류가 흐를 때 선재를 보호하기 위하여 전기저항이 상대적으로 낮은 금속물질로 구성된다. 예를 들면, 은 또는 동 등의 전기저항이 낮은 금속물질로 구 성된다. 또, 스테인리스 등이 이용될 수도 있다.
도 2는 상기와 같은 제 2세대 초전도 선재을 접합하는 종래의 기술을 도시하고 있다. 도 2에서 보는 바와 같이, 초전도체층(13)의 연결하고자 하는 부위를 에칭 등으로 안정화제층(14)을 제거하고, 그 사이에 솔더(15, solder)를 비롯한 상전도체 층 물질을 매개로 한 접합이 이루어진다. 이때, 전류의 흐름(16)이 반드시 상전도체 층을 지나게 되어 접합 저항의 발생을 피할 수 없게 된다.
접합 저항에 의하여 전류가 흐를 때 열이 발생하게 되고, 열이 발생하면 접합부위에 온도가 올라가게 된다. 극한 경우 온도 상승으로 인해 낮은 온도에서 초전도 성질을 나타내는 초전도체가 상전도로 전이될 수도 있다. 그렇지 않다하더라도, 온도를 낮추기 위한 냉각 비용이 많이 들게 되는 문제점들이 발생한다.
무엇보다도, 이 경우 접합은 솔더링(Soldering) 등 저항 접합을 이용하므로 접합부위에 저항이 상존하게 되어 엄밀한 의미의 영구전류모드 운전은 불가능하다.
한편, 초전도 판재를 이용하여 제 1세대 고온 초전도 선재인 BSCCO 선재를 접합하는 기술의 일례가 [대한민국 등록특허 10-0360292호(2002.10.26.공개), "고온 초전도 테이프 선재의 초전도 접합 방법"](이하 선행기술 1)에 개시되어 있다.
상기 선행기술 1은 최종 열처리된 다심 고온 초전도 테이프 선재를 초전도결합이 이루어지도록 접합하는 방법에 관한 것으로서, 은 또는 은 합금 및 초전도 필라멘트로 구성되고 최종 열처리가 완료된 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재를 동일한 경사각으로 깎아내고, 단심 초전도 선재를 제조하여 은 또는 은 합금을 제 거한 후에 상기 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면의 면적과 동일한 면적을 갖는 고온 초전도 판재로 만들어서 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 양 경사면 사이에 삽입하며, 상기 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면이 맞닿은 부위를 일정한 소재로 감싼 후에 그 감싼 부위를 소정의 압력으로 가압하여 고정시키고, 그 접합부위를 일정 온도에서 일정시간 열처리 통하여 초전도 접합을 만들 수 있다.
상기 선행기술 1은 상전도의 솔더(solder)를 이용하여 접합하는 대신 초전도 판재를 이용하여 접합함으로써, 초전도체 필라멘트의 접합 확률을 증가시켜 초전도 접합부위의 임계전류를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
그러나 선행기술 1은 초전도 판재를 2가닥의 초전도체층(13)의 사이에 끼움으로써 실제적으로 2개의 접합부위를 형성한다. 즉, 하나의 초전도 선재 가닥과 초전도 판재와의 접합, 초전도 판재와 다른 하나의 초전도 선재 가닥와의 접합이 그것이다. 따라서 2가닥의 초전도 선재의 초전도체층이 직접 접촉하는 것보다 2배의 접합부위를 가짐으로써, 임계전류 또는 임계전류 밀도의 저하가 더 많이 생길 수 있는 문제점이 예상된다.
한편, 선행기술 1은 통상 분말 충진법에 의해 제조된 제 1세대 고온 초전도 선재를 접합하는 것으로, 분말(powder)이 튜브 안에서 넣어지는 구조를 가지고 있다. 따라서 반도체의 박막을 증착시키는 것과 같이 다양한 방법에 의해 적층구조를 가지는 제 2세대 초전도 선재에 그대로 적용하는 것은 어려움이 있다. 예를 들면, 초전도체층이 얇아 경사각을 깎았을 때 경사면의 면적이 충분하지 않는 등의 문제가 예상된다.
또한, 제 2세대 초전도 선재의 재료(Y123 등 YBCO 물질)는 결정이 방향성을 갖게 성장하면 상대적으로 임계전류가 높은 특성을 가진다. 따라서, 2가닥의 제 2세대 선재를 직접 접촉시켜 접합하려면, 접합되는 부분에서도 서로 다른 2가닥의 선재가 서로 결정의 방향성을 갖도록 고온에서 용융점까지 열처리하는 공정이 필요할 것이다.
또한, 2가닥의 제 2세대 선재의 직접 접합부위를 용융공정처리(melt-textured process)를 해주려면, 900℃ 가 넘는 온도에서 고온에서 열처리 (annealing)를 해주어야 한다. 그런데, 이렇게 높은 온도에서는 선재의 물질인 YBa2Cu3O7-x .에서 산소(O)가 빠져 나오게 된다. 산소가 빠져나오면 상기 초전도 선재의 물질은 상변화를 일으켜 초전도성을 잃어버리게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판부, 완충층, 초전도체층 및 안정화제층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2가닥에서 초전도체층을 직접 맞대어 용융확산(melting diffusion)하여 하나의 가닥으로 연결 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2세대 초전도 선재를 맞대어 고온에서 용융확산(melting diffusion)한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)를 시키는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 초전도체층 및 안정화제층을 포함하는 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 초전도 선재의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화제층을 제거하는 단계; (b) 상기 초전도 선재의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더로 고정하되, 안정화제층이 제거되어 노출된 초전도체층이 맞대어 접촉하도록 고정하는 단계; (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)에 의하여 접합하는 단계; (d) 상기 접합부분을 450 ~ 550 ℃에서, 산소분위기로 산화(oxidation)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (a)단계는, (a1) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 소정의 길이 부분 안쪽부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계; (a2) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 끝단에서 소정의 길이까지의 부분을 에칭으로 안정화제층을 제거하는 단 계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 한 가닥의 초전도 선재의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분에 닿고 초전도체층이 밀착되도록 홀더로 고정되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 홀더는 상하 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 (b)단계에서, 상하 2개의 금속판 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재를 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 홀더는, 적어도 1,000℃ 에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 상기 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 초전도체층을 이루는 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 주변의 산소원자의 초전도체 내부로의 확산(in-diffusion)을 유도 하여 산화(oxidation)시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의하면, 중간 매개체 없이 직접 초전도체층을 맞대어 용융확산함으로써, 상전도 접합에 비해 접합저항이 거의 없이 충분히 긴 선재를 제작할 수 있는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 의하면, 고온에서 용융확산한 후에 산소분위기에서 산화(oxidation)시킴으로써, 고온에서 용융확산을 하는 과정에서 초전도체로부터 손실된 산소를 보상하여 초전도체 성질을 유지할 수 있는 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 초전도체층을 직접 용융확산하는 2세대 초전도 선재의 접합 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 2세대 초전도 선재의 접합 방법은 기판부(21), 완충층(22), 초전도체층(23) 및 안정화제층(24)으로 구성된 2세대 초전도 선재(20)를 접합하는 방법에 관한 것이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 2세대 초전도 선재의 접합 방법은 (a) 초전도 선재(20)의 2가닥 일단을 식각하여 안정화제층(24)을 제거하고(S10), (b) 안정화제층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)을 맞대어 접촉시키고, 홀더(30)로 고정시키고(S20), (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층 용융점(melting point)으로 가열하여 용융확산(melting diffusion)에 의한 접합을 하고(S30), (d) 상기 접합부분을 산소분위기로 산화(oxidation)시킨다(S40).
상기 (a)단계는 초전도 선재(20)의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화제층(24)을 제거하는 공정이다(S10). 바람직하게는, 상기 (a)단계는 (a1) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 소정의 길이 부분 안쪽부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계; (a2) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 끝단에서 소정의 길이까지의 부분을 에칭으로 안정화제층을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.
2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)(20)에서 영구전류가 흐를 수 있는 초전도체를 이루는 초전도체 층(23)은 완충층(22), 안정화제층(24) 등 상전도체 층 사이에 적층되어 있다. 따라서 원래 제조된 상태에서는 초전도체 끼리 접합하는 것은 불가능하다.
초전도체 간에 접합을 하기 위해, 선행되는 공정은 초전도체 층(23)을 노출시키도록 초전도체 층(23)을 덮고 있는 상전도 층을 제거하는 일이다. 바람직하게는, 화학적 방법을 통해 상전도 층을 제거한다. 더욱 바람직하게는, 초전도체 층(23)을 덮고 있는 안정화제층(24)을 제거하여 초전도체층(23)을 노출시킨다. 도 4는 접합하고자 하는 부분의 안정화제층(24)을 제거하여 초전도체층(23)이 드러난 모습을 보여주고 있다.
안정화제층(24)을 화학적 방법에 의해 제거하는 데는 에칭의 방법이 이용될 수 있다. 먼저 제거하고자 하는 안정화제층(24)의 이외 부분에 레지스트(resist)를 도포한다. 접합하고자 하는 부분은 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이만큼 안쪽이므로, 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이 부분에서부터 그 안쪽으로 레지스트로 도포를 한다. 도 4에서 안정화제층(24)이 식각되기 전이라면, 도면부호 25인 지점이 곧 소정의 길이이고, 도면부호 25부터 그 안쪽으로 레지스트를 도포한다.
레지스트(resist)를 도포한 후에 식각약품으로 에칭을 하여 안정화제층(24)을 식각한다. 상기 식각약품은 안정화제층(24)을 이루는 물질을 식각할 수는 화학물질이다. 이 식각약품은 안정화제층(24)을 이루는 물질에 따라 상기 물질을 식각할 수 있는 약품이 선택된다. 상기 에칭은 본 분야에 공지기술이므로 구체적 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 초전도 선재의 안정화제층(24)을 제거하는 공정을 에칭 공정에 한정하지 않는다. 즉, 안정화제층(24)을 부분적으로 제거할 수 있는 기술이라 면 어느 것이나 적용될 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 초전도 선재(20)의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더(30)로 고정하되, 안정화제층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)이 맞대어 접촉하도록 고정하는 공정이다(S20).
바람직하게는, 상기 (b)단계에서, 한 가닥의 초전도 선재(20)의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분(25)에 닿고 초전도체층(23)이 밀착되도록 홀더(30)로 고정한다.
바람직하게는, 상기 홀더(30)는 상하 2개의 금속판(31) 및 상기 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 (b)단계에서, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재(20)를 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 상기 홀더(30)는 적어도 1,000℃ 에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다.
즉, 위와 같이 안정화체층(24)을 제거한 두 초전도 선재(20)를 도 5와 같이 서로 맞대어 겹치도록 한다. 이때, 초전도 선재(20)의 하나의 가닥은 끝단은 다른 가닥의 단차(25) 부분에 닿도록 한다. 두 초전도 선재(20)가 모두 동일한 소정의 길이로 안정화제층(24)을 제거하면, 2가닥의 노출된 초전도층(23)은 밀접하게 접촉될 수 있을 것이다.
다음으로, 도 6에서 보는 바와 같이 끝단이 단차된 초전도 선재(20)를 마주보도록 놓고 홀더(holder)(20)로 고정한다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2가 닥의 초전도 선재(20)를 맞대어 고정시키는 홀더(30)의 구성을 도시한 도면이다.
즉, 홀더(30)는 마주보는 2개의 금속판(31)과, 상기 금속판(31)에 체결수단을 연결하기 위한 체결홀(32), 체결수단인 볼트(33)와 너트(34)이다. 즉, 볼트(33)와 너트(34)를 체결홀(32)을 관통하여 조여줌으로써, 초전도 선재를 접촉시켜 고정시킨다.
홀더(holder)(30)는 모두 고온에서의 열처리를 견뎌야하므로 내열성이 강한 물질로서 제작되어야 한다. 특히, 용융확산(melting diffusion)을 하는 온도가 980(±20)℃ 이므로, 최소한 1,000℃가 넘는 온도에서도 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 접합은 초전도체층(23) 사이에 상전도 층이 존재하지 않게 되므로 접합 저항의 발생으로 인한 줄열 및 퀘ㄴ칭(quenching) 발생을 방지해준다.
상기 (c)단계는 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)하는 공정이다(S30). 이때, 초전도체 용융점으로 980℃(±20)로 정하여 가열하는 것이 바람직하다.
즉, 앞서 (b)단계에서 홀더(30)로 고정시킨 2가닥의 초전도 선재(20)를 노(furnace)에 넣어서 초전도체층(23) 사이에서 용융확산(melting diffusion)에 따른 결합을 유도한다. 대기압 상태(Po2 of 21.3 kPa)에서 2세대 초전도 선재의 초전 도체 물질인 YBCO는 980℃ 근처에서 용융(melting)이 이루어지기 시작한다.
따라서 용융확산(melting diffusion)이 일어나게 하기 위해서는 980℃ 근처까지 가열을 해주는 것이 바람직하다. 그러나 초전도체층의 용융확산 조건에 따라 초전도체 용융점은 변화될 수 있고, 이 경우에 이 용융점에 맞추어 가열한다.
상기 (d)단계는 상기 접합부분을 450 ~ 550 ℃에서, 산소분위기로 산화시킨다(S40). 바람직하게는, 상기 (d)단계에서, 상기 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어준다. 특히, 상기 (d)단계에서, 초전도체층을 이루는 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 주변의 산소원자의 초전도체 내부로의 확산(in-diffusion)을 유도하여 산화(oxidation)시킨다.
앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이, 초전도체층(13)은 YBa2Cu3O7-x계로 대표되는 산화물 초전도 물질로 이루어진다. 즉, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7이어야 한다.
그런데 상기 (c)단계에서 열처리를 하기 위해서는 900℃ 이상의 고온으로 유지하면, 이와 같은 높은 온도에서 초전도체층(23)을 이루는 YBa2Cu3O7-x 의 구성에서 산소(O)가 빠져나온다. 산소가 빠져 나오면, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3에 대하여, 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 이하로 떨어지게 된다.
이렇게 되면, 초전도체층(23)은 초전도 상태인 사방정계(orthorhombic) 구조 에서 상전도 상태인 정방정계(tetragonal) 구조로의 상변화가 일어난다. 즉, 초전도체층(23)은 초전도성을 잃어버리게 되는 현상이 발생한다.
상기와 같은 초전도체층(23)의 구조변화를 도 7을 참조하여 보다 자세히 설명한다. 도 6에서 보는 바와 같이, YBa2Cu3O7-x 계의 초전도 물질은 산소의 함량에 따라 격자변수(Lattice parameter)가 변하게 된다. 도 7의 그래프에서 x축은 산소함량을 표시하고, y축은 각 격자변수의 수치를 표시한 것이다. 특히, 산소함량은 YBa2Cu3O7-x에서 7-X를 표시한다.
도 7에서, 산소함량이 6.4보다 작게 되면 격자변수(Lattice parameter) a와 b는 같게 된다. 즉, 격자변수 a와 b가 같다는 것은 정방정계(tetragonal) 구조인 것을 말하고, 곧 초전도성을 잃어버린다는 것을 의미한다.
요약하면, 용융확산을 위해 고온으로 열처리를 하면, 초전도체층(23)은 산소의 손실로 인한 상변화가 일어나고 곧 초전도성을 잃어버린다.
즉, 이를 해결하기 위해 상기 (d)단계는 450~550℃ 근처에서 산소 분위기로 산화(oxidation)를 시켜줌으로써 산소의 손실을 보상하여 초전도성을 회복시키는 두 번째 열처리 공정이다.
산소 분위기는 열처리를 하는 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것으로 만들어진다. 특히, 450~550℃ 근처에서 산화(oxidation)를 시키는 이유는 이 온도에서 사방정계(orthorhombic phase)가 가장 안정적이기 때문이다.
상기와 같이 열처리를 하는 시간을 조절하는 이유는 상기 시간을 넘어서 장시간 산소분위기에서 산화(oxidation)를 시키면 오히려 산소함유량이 높아지고, 충분한 시간동안 산화(oxidation)를 시키지 않으면 산소함유량이 미달되기 때문이다.
한편, 앞서 기재한 발명은 YBa2Cu3O7-x계의 산화물 초전도 물질로 이루어진 초전도체층(23)을 대상으로 그 상부에 안정화제층(24)을 둔 경우로 실시예를 설명하였다. 그러나 이 실시예에 한정하는 것은 아니다. 즉, 초전도 선재의 모재나 안정화제 층의 종류에 관계없이 상전도 층을 제거할 수 있다면, 이런 경우도 열처리를 통해 간단하게 초전도 접합이 가능하다.
한편, 본 발명은 상전도 층을 제거하고 열처리를 통해 간단히 초전도 접합이 가능하고, 실제 초전도 시스템 제작에 이용하기 편리하다는 장점도 있다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 2세대 초전도 선재의 2가닥을 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 초전도 선재의 접합에 이용될 수 있다. 특히, 본 발명은 MRI, NMR, MAGLEV, SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage) 마그네트 시스템 등과 같이 초전도 영구 전류 운전을 하는 모든 초전도 마그네트 시스템 개발에 이용되는 충분히 긴 초전도 선재를 제작하는데 이용될 수 있다.
도 1은 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)의 상전도 접합의 단면도 및 전류의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따라, 초전도 선재의 일단에서 안정화제층을 제거한 후의 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라, 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 접촉시키는 것을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 고정시키는 홀더의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 산소함량에 따른 초전도 선재(YBCO-CC)의 격자변수(Lattice parameter)의 변화를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,20 : 초전도 선재 11,21 : 기판부
12,22 : 완충층 13,23 : 초전도체층
14,24 : 안정화제층 15 : 솔더(solder)
25 : 단차부분 25 : 접합부위
30 : 홀더 31 : 금속판
32 : 체결홀 33 : 볼트
34 : 너트

Claims (7)

  1. 초전도체층 및 안정화제층을 포함하는 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 초전도 선재의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화제층을 제거하는 단계;
    (b) 상기 초전도 선재의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더로 고정하되, 안정화제층이 제거되어 노출된 초전도체층이 맞대어 접촉하도록 고정하는 단계;
    (c) 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 초전도체층의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)에 의해 접합하는 단계;
    (d) 상기 접합부분을 450 ~ 550 ℃에서, 산소분위기로 산화(oxidation)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 (a)단계는,
    (a1) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 소정의 길이 부분 안쪽부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계;
    (a2) 상기 초전도 선재 가닥 일단의 끝단에서 소정의 길이까지의 부분을 에칭으로 안정화제층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
    한 가닥의 초전도 선재의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분에 닿고 초전도체층이 밀착되도록 홀더로 고정되는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 홀더는 상하 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고,
    상기 (b)단계에서, 상하 2개의 금속판 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재를 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결하는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 홀더는,
    1,000℃ 이상에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 (d)단계에서,
    상기 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 (d)단계에서,
    초전도체층을 이루는 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 산화분위기에서 산화(oxidation)시키는 것을 특징으로 하는 초전도체층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법.
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