KR20100136436A - 초전도 요소 및 초전도 요소 제조 방법 - Google Patents

초전도 요소 및 초전도 요소 제조 방법 Download PDF

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Abstract

초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체와, 이론적 밀도의 85% 이상의 실제 밀도를 가지는 초전도 물질을 지닌 그루브에 의해 형성되는 한개 이상의 초전도 트랙을 포함하는 초전도 요소 및 이 초전도 요소의 제조 방법이 개시된다. 본 발명은 이러한 초전도 요소의 가용한 용도에 또한 관련되며, 초전도 요소를 포함하는 초전도 소자에 또한 관련된다.

Description

초전도 요소 및 초전도 요소 제조 방법{SUPERCONDUCTIVE ELEMENT AND RELATIVE PREPARATION PROCESS}
본 발명은 초전도 요소 및 초전도 요소에 관련된 제작 공정에 관한 발명이다. 본 발명은 초전도체 물질의 기술 분야에 포함된다.
초전도체 물질이 사용되는 여러가지 산업 공정에서, 이러한 초전도체 물질은 내열성 및 내구성 측면에서 적절한 특성을 가져야 하며, 전기화학적인 성능도 요구될 수 있다.
현재의 기술 상태에서, 초전도체 물질은 통상적으로 와이어 형태, 굵거나 얇은 스트립 형태, 또는 부피를 가진 소정의 형태로 제조된다. 이러한 와이어나 스트립들은 1밀리미터 미만의 두께를 가지는 것이 일반적으로서, 금속이나 전기절연체로 된 초전도체가 아닌 물질로 만들어진 지지체와 함께 구성되는 것이 일반적이다. 이러한 지지체의 기능은 초전도체 물질에 적절한 기계적 강도를 제공하게 되고, 더불어, 필요에 따라 적절한 전기적 특성 및 내열 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 초전도체 와이어나 스트립을 지지체와 결합함에 있어, 초전도 전류의 통과에 사용되는 와이어나 스트립의 단면적이 감소하게 된다. 극단적인 경우, 지지되는 와이어나 스트립의 전체 단면적과 앞서 언급한 단면적 간의 비가 초전도체 와이어나 스트립의 원래 값의 20~30% 미만으로 떨어질 수 있다. 이는 운반되는 초전도 전류의 밀도를 크게 감소시키게 된다.
초전도체가 아닌 지지체로 둘러싸인 초전도체 인서트들로 구성되는 초전도 한류기(fault current limiter)들이 또한 문헌에 기재되어 있다. 그러나 이러한 한류기들의 응용 분야는 낮은 전류로 제한된다. 이러한 한류기는 다결정 형태의 초전도체 산화물같은 초전도체 물질로 제조된 초전도체 인서트를 기반으로 하며, 이러한 인서트들은 결정립들 간 장벽들로 인해, 고자기장같은 다른 전자기술적 분야에 또한 사용될 수 있도록 하는 임계 전류 밀도를 가지지 못한다. 특히, 그 임계 전류 밀도는 일반적인 전자석이나 종래의 영구 자석으로 제조될 수 있는 것보다 우수하거나 이에 필적할만한 경제적인 자속 밀도를 생성할 수 없으며, 1 테슬라 미만의 값으로 제한되는 것이 일반적이다.
와이어나 스트립과는 달리, 부피가 있는 형태의 초전도체의 전체 단면을 초전도 전류가 통과할 수 있다. 이러한 부피가 있는 형태의 초전도체는, 다양한 밀리미터 단위의 두께를 가진 판이나, 실린더, 고리, 또는 파이프 등의 형태로 제조되는 것이 일반적이다. Pb와 Nb(9K 미만 온도에서의 초전도체 물질)같이 초전도체가 전성이 있을 경우(malleable), 얇은 시트나 박막 형태로 제조될 수도 있다.
10K보다 높은 온도에 사용될 경우, 부피를 가진 초전도체는 아래의 구성을 가진다.
● 이트륨 및 바륨에 기초한 큐프레이트같은 세라믹옥사이드(약 90K의 임계 온도 Tc까지 초전도성을 띔), 또는, 스트론튬 기반(가령, Sr2CuO3 .4)의 큐프레이트같은 세라믹옥사이드 (Tc=95K), 또는 비스무스, 스트론튬 및 칼슘 기반의 큐프레이트같은 세라믹 옥사이드 (Tc=110K).
● FeTe0 .5Se0 .5 (Tc=13K), Ba0 .6K0 .4Fe2As2(Tc = 38K) 또는 FeAsNdO0 .85(Tc=51K) 등과 같은 철 기반 물질
● 마그네슘다이보라이드 (Tc=39K)
● Nb3Sn (Tc=18.7K), Nb3Al (Tc=21.3K), Nb3Ge (Tc=23.6K)같은 금속간 화합물.
일반적으로, 고밀화 형태의 부피를 가진 물질을 이용할 때 임계 전류 밀도 측면에서 최고의 성능을 얻을 수 있다. 특히, 결정질의 완성도가 높을 때(즉, 단결정 상태일 때) 최고의 성능을 얻을 수 있다. 그러나, 단결정 상태로 고밀화 형태의 부피있는 초전도체 물질을 제조하는 것이 그리 용이하지가 않다. 결정립의 성장 및 배향 과정은 실제로 시간이 소요되면서 복합한 공정이어서, 결정질화 과정 중 세심한 온도 제어를 필요로하고, 이에 따라, 몇 센티미터로 제한되는 최대 치수를 가진 초전도체 최종 제품을 생성하게 된다.
10K 이상의 임계 온도를 가지면서 부피가 있는 형태로 제작되는 위 초전도체 물질들 가운데서도, 마그네슘다이보라이드(MgB2)가 다결정 형태로도 유용하게 채택될 수 있는 특징을 가진다. 이는 이 물질에서의 초전도 전류의 전파가 본 물질의 초전도 전류의 흐름이 결정립들 간 결정립계의 통과에 의해, 그리고 결정립 자체의 방향에 의해 그다지 영향받지 않기 때문에 가능하다.
마그네슘다이보라이드의 추가적인 특징은 고밀화 형태로 제작될 수 있다는 것이다. 그러나 10K 이상의 임계 온도를 가진 다른 초전도 물질과 마찬가지로, 마그네슘다이보라이드는 부서지기 쉬운 물질이고, 대부분의 사용 분야에 효과적으로 사용될 수 있도록 하기 위해 기계적 강화 과정을 필요로한다. 관심 대상인 전류가 수천 암페아 수준이고 자속 밀도가 1 테슬라 이상인 고자기장용 자석에서처럼 특히나 강력한 전자기장의 존재 하에서 적절한 기계적 강도는 필수불가결하다.
그러나 대부분의 경우에는 초전도체 재료에 관계없이 (1 센티미터 수준 또는 그 이상의 수준의) 고려할만한 두께를 가진 부피가 있는 초전도체 최종 제품을 이용하는 것이 편리하지 않다. 이러한 불편함은 한편으로, 초전도 전류가 초전도 최종 제품의 일부분에만(특히, 표면에만) 분포되는 경향이 있다는 점과, 다른 한편으로, 초전도 상태로부터 정상 전도 상태로 전이할 때 초전도 물질이 급속하게 냉각되어야 하고 상당히 많은 열 에너지를 순간적으로 배출하게 되는데, 이 냉각 과정이 이러한 두께로 인해 차단된다는 점에 기인한다.
당 업계에 잘 알려진 고형 지지체 상의 인서트를 구비한 초전도체 소자의 또한가지 기술적 문제점은, 요망하는 형태나 크기로 이 초전도체 소자를 제작하는 것이 항상 가능한 것이 아니라는 점이다.
특히 치밀한 세라믹 물질의 소결된 덩어리를 얻기 위해, 그리고, 동역학적인 이유로 대기압에서 순간적인 소결이 물질의 종류에 의해 방해될 때, 고안 가압 고밀화 기법이 사용될 수 있다. 이러한 기술은 소결 처리를 촉진시키기 위해 통상적인 소결 온도(재료의 절대 녹는점의 대략 3/4에 해당하는 온도)에서 기압축된 세라믹 분말에 압력을 가하는 단계를 포함한다. 이 온도는 통상적으로 섭씨 700도 내지 1600도이며, 압력은 수백 기압에 달한다. 압력이 가해지는 과정에 따라, a) 단축 가압과, b) 등방 가압이 있다. 단축 압축의 경우, 일반적으로 그래파이트로 만들어진 압축 피스콘과 분말 컨테이너를 구비한 프레스들이 사용되며, 이 프레스들은 실리콘카바이드로 만든 특정 저항기들을 이용하여 또는 유도 과정에 의해 가열될 수 있다. 이 기술의 주된 단점은 컨테이너의 기계적 저항으로서, 가압될 부분의 크기를 크게 제한하게 된다.
따라서 단축 압축은 두개의 공간적 방향으로 서로 확실하게 다른 크기를 가진 최종 제품, 그래서 가압 방향에 수직인 방향으로는 별다른 변형을 보이지 않는 최종 제품을 제작하는 데 적합하다. 가령, 판이나 박막을 그 예로 들 수 있다.
등방 가압은 소결될 분말에 가해지는 압력을 전달하기 위한 유체로 핫 가스(hot gas)를 이용한다. 등방 가압은 고밀화될 소재가 삽입될 대형 가압-밀폐 챔버를 포함하는 장치에서 수행되며, 이러한 소재는 핫 가스로부터 소재로 압력 전달을 보조하기 위해 높은 처리 온도에서 가소성화되는 유리질 물질층이나 금속 외장(sheath)으로 덮힌다. 이러한 기술로도, 제작될 수 있는 초전도 최종 제품의 크기는 수십 센티미터로 제한된다.
앞서 설명한 기술들의 제한 사항들을 고려할 때, 이 기술들이 고도의 기계적 저항을 제공하는 금속이나 세라믹 물질 등으로 만든 고형 지지체 상에 배열된 초전도체 인서트를 가진 소자들을 제조하는데 있어 거의 무용함을 알 수 있다. 특히, 단축 기술을 이용할 때, 비-평면 구조의 지지체를 가진 소자를 제조하는 것이 불가능하다.
고온 가압을 필요로하는 물질의 경우에, 인레이(inlay)들의 형태가 분말에 간단하고도 적절한 압력을 가하는 것을 방해하게 된다. 왜냐하면 비-평면 기판 상에서의 단축 가압의 경우에서처럼 기판의 구조가 분말에 대한 변형의 직접적 전이를 방해하기 때문이다. 또한 등방 가압의 경우에도, 기판은 분말에 대한 압력 전이를 크게 방해하게 된다. 왜냐하면, 인레이에 수직한 방향으로 인레이의 노출 표면 상에서 분말을 덮는 물질의 변형만이 유효하기 때문이다.
당 업계의 해당 분야에서, 고형 지지체 상에 초전도체 인서트를 포함하는 초전도체 소자를 제조하기 위해, 용융 고밀화 기술을 참고할 수 있다. 가령, 미국 특허 제 5,426,408 호에서는 한쪽은 전도성 물질로, 다른 한 쪽은 절연 물질로 만든 평탄한 지지체를 제시하고 있다. 인서트들은 비스무스나 이트륨 구리 옥사이드에 기초한 초전도체 물질로 만들어진다. 인서트들은 지지체의 표면에 초전도체 물질을 분포시킴으로써(스크린 프린팅 기법), 그리고 이어서, 초전도체 물질으 녹는점에서 열처리함으로써 제작된다. 미국 특허 제 5,426,408 호에서는 위 초전도체 소자를 복수개 포함하는 초전도체 자석 모듈을 또한 개시하고 있으며, 이때, 각각의 소자들은 초전도체 물질로 충전된 지지체 내 구멍들을 이용하여 서로 연결된다. 이와 같은 초전도체 연결은 제 1 소자의 인서트를 제 2 소자의 인서트와 전기적으로 접촉하게 한다. 그러나 미국 특허 제 5,426,408 호에 개시된 초전도체 소자 및 자석 모듈의 초전도체 인서트들은 매우 제한된 두께를 가지며, 그 범위는 50~200 미크론 수준이다. 더우기, 이트륨구리옥사이드에 기초한 초전도체의 경우, 앞서 설명한 기술로 인서트 및 초전도체 연결에서 얻을 수 있는 초전도체 물질의 밀도가 기껏해야 이론적 밀도의 약 70%에 불과하다. 이는 당 분야에 잘 알려져 있다. 가령, J. O. Willis. 외, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 25, NO. 2, 1989년 3월, 2502-2504에 개시된 내용을 참고할 수 있다.
유럽특허 제 0 503 447 호에서는 초전도체가 아닌 고형 지지체 상에 초전도체 인서트를 포함하는 초전도체 소자들을 개시하고 있다. 이 경우에도, "용융 고밀화"라 불리는 기법을 이용하여 전도성 인서트들을 얻을 수 있다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이, 이 기술로는 고밀도의 초전도체 물질 인서트를 확보할 수 없다. 유럽 특허 제 0 503 447 호에 개시된 소자들은 결과적으로 높은 전류 밀도를 운반함에 있어 제한된 기능을 가지게 된다.
본 발명의 목적은 당 분야에 드러난 결함들을 극복하는 것이다.
본 발명의 첫번째 목적은, 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체를 포함하는 초전도체 요소에 관한 것으로서, 이때, 상기 지지체는 이론적 밀도의 최소 85% 이상의 실제 밀도를 가진 초전도체 물질을 지닌 그루브에 의해 형성되는 한개 이상의 초전도 트랙을 포함한다. 이론적 밀도의 88%보다 큰 실제 밀도를 가지는 것이 더욱 선호된다.
본 발명의 두번째 목적은 아래의 단계들을 포함하는 초전도체 요소 제조 방법에 관한 것이다.
a) 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체의 표면에 한개 이상의 그루브를 만드는 단계와,
b) 그루브 내에 초전도체 물질의 분말 프리커서를 삽입하여 이론적 밀도 값의 50% 이상에 해당하는 실제 밀도로 압축하는 단계와,
c) 프리커서 분말을 지닌 그루브에 인접한 위치에, 또는, 프리커서 분말과 접촉하도록 한개 이상의 고형물 반응제를 배치하는 단계와,
d) 그루브 내에 초전도체 트랙을 형성하도록 반응제가 액화되어 프리커서 분말 내부로 스며들 때까지 프리커서를 지닌 그루브 및 반응제를 가열하는 단계.
아래 단락에서 본 발명의 구체적인 장점 및 효과를 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도체 요소의 개략적 평면도.
도 2는 밀폐가능한 뚜껑을 가진 반응 컨테이너로 둘러싸인 본 발명에 따른 초전도체 요소의 수직 단면의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 초전도체 요소의 추가적 실시예의 개략적 평면도.
도 4A는 초전도체 필라멘트를 이용하여 동일한 초전도체 요소의 두개의 초전도 트랙 사이에서 가능한 연결 모드의 개략도.
도 4B는 서로 다른 두개의 초전도체 요소에 속한 두개의 초전도 트랙을 연결하는 초전도 필라멘트를 이용하여 서로 연결된 두개의 초전도 요소를 포함하는 초전도체 소자의 개락도.
도 5는 나선형의 인레이들을 구비한 초전도체 요소의 개략도.
도 6은 예 1의 초전도 요소 상에서 4.2K 온도에서 측정된 자속 밀도 B(테슬라)에 관련된 임계 전류 Ic 트렌드(암페아)의 그래프.
도 7A는 평행하게 엮여진(interwoven) 인레이들을 포함하는 스트립 형태의 초전도체 요소의 개략적 평면도.
도 7B는 도 7A의 평면 A-A'을 따라 취한 단면도.
도 7C는 도 7A의 평면 B-B'을 따라 취한 단면도.
본 발명의 목적인 초전도체 요소는 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체를 포함하며, 지지체 표면에는 한개 이상의 전도성 트랙이 수 mm2의 단면적을 가진 초전도 물질로부터 에칭된다.
도 1에 도시되는 실시예를 참고할 때, 본 발명의 목적인 초전도 요소(1)는 본 예에서 원형 디스크 형태인 지지체(2)를 포함하며, 지지체(2)의 표면에는 동심 원 형태로 원형 초전도 트랙(3)이 배열된다.
초전도 요소(1)의 초전도 트랙(3)은 임의의 초전도 물질로 제조될 수 있으며, 그 밀도는 이론적 밀도값의 85% 이상이어야 한다. 밀도가 88% 이상인 것이 바람직하다. 선호되는 초전도 물질의 예로는 MgB2, FeNdAsO0 .85, FeTe0 .5Se0 .5, Sr2CuO3 .4가 있다.
본 발명의 특히 선호되는 실시예에서는 초전도 요소의 초전도 트랙이 초전도 물질로 MgB2를 포함한다. 왜냐하면, MgB2로 구성되는 트랙들이 당 업계에 잘 알려진 다른 초전도 물질에 비해 훨씬 간단하게 고밀화 형태로 제조될 수 있기 때문이고, 또한, 다결정 형태에서 결정립계로 인한 제한된 전류 밀도에 관한 문제점이 나타나지 않기 때문이다.
본 발명을 설명함에 있어, "고밀화", "고밀도"라는 표현은 이론적 밀도의 85% 이상의 밀도를 가진 물질을 의미한다.
고밀화 형태의 초전도체의 얇은 인레이로 구성되는 전도 트랙은 다른 종류의 덜 치밀한 초전도 물질로 제조된 동일한 초전도 요소들에 비해 높은 전류 전송 성질을 해당 초전도 요소에게 제공한다. 추가적으로, 고밀화로 인해 나타나는 얇은 두께의 트랙때문에, 초전도 물질의 신속한 냉각이 보장되고, 정상 전도 상태로 전이 중에 초전도 스트림들의 파괴적인 분산이 덜하게 된다.
인레이들을 갖춘 초전도 요소의 추가적인 장점은 지지체 표면 둘레로 인레이된 나선형 형태를 가진 트랙으로 제조될 수 있다는 것이다. 나선형 인레이로 인해 와이어의 브레이딩(braiding)을 시뮬레이션하는 권선들이 형성될 수 있다. 초전도 권선의 이러한 구조는 충전시 발생하거나 교류를 이용할 때 나타나는 전류 전이가 있을 때 불안정 현상을 감소시키기 위해 고자기장의 자석에서 특히 유용하다.
인레이들을 구비한 초전도 요소의 추가적인 장점은 평행한 초전도 트랙들의 그룹을 교차시켜서 이들을 서로 겹쳐지게 하는 스트립 형태로 제조될 수 있다는 것이다. 초전도 트랙을 구비한 이 스트립들은 가령, 레이저 절삭이나 전단 절삭 등과 같이 지지체의 그루브를 형성하는 공정으로 제조될 수 있다. 초전도 요소의 전체 제조 공정은 연속적으로 이루어질 수 있으며, 그루브 내에 프리커서 물질을 충전하는 단계와, 반응물들을 배치하는 단계와 열처리 단계로 구성된다. 이러한 방식으로, 요망 길이를 가진 스트립들을 제조할 수 있다.
본 발명의 목적인 초전도 요소의 지지체는 초전도체가 아닌 물질로 만들어지는 고형 지지체로서, 임의의 기하학적 형태를 가질 수 있다.
지지체의 형태는 초전도 요소가 지향하는 용도와 관련되어 선택되게 된다. 지지체는 2~30 mm(선호되는 범위는 3~20 mm) 두께를 가진 속이 빈 실린더, 스트립, 고리, 디스크, 판 형태인 것이 바람직하다. 그 형태에 관계없이, 지지체의 전체 표면에 그루브를 만들 수 있다. 평면형 지지체의 경우에, 가령, 판이나 디스크의 경우에, 그루브가 지지체의 양면에 새겨질 수 있다. 속인 빈 원통형 지지체의 경우에, 트랙들이 공동의 내면과 외면 모두에 인레이될 수 있다. 본 발명에서 "지지체의 표면"이라는 용어는 그루브의 인레잉에 이용될 수 있는 지지체의 전체 표면을 의미한다.
지지체의 재료는 초전도체가 아닌 물질로서, 전기전도도가 낮고, 높은 기계적 특성을 가지며, 초전도 요소를 얻기 위한 반응 온도보다 섭씨 400도 이상 높은 녹는점을 가지는 물질이 선호된다. 지지체 제조에 적합한 물질의 예로는 비-자성 스테인레스스틸과, 철/니켈 합금과, 니켈 및 니켈/구리 합금(니켈 함량 높음, 즉, 니켈 함량 50% 이상)과, 티타늄과, 이 물질들과 구리와의 화합물 등이 있고, 아연-텔루륨 화합물같이 섭씨 1100도 이상의 녹는점을 가진 금속간 화합물도 있다.
전자기적 분야에 사용하기 위한 초전도 요소들의 대부분의 경우에, 지지체의 재료는 비-자성이어야 한다. 이러한 경우에, 모넬 타입(Monle type)의 니켈-구리 합금이나 AISI 316 계열의 철로 만들어진 지지체를 이용하는 것이 바람직하다.
지지체를 형성하는 물질은 초전도 물질의 스트립 내, 즉, 초전도 트랙 내, 그루브 내부에 배치된 프리커서 분말의 변태를 얻기 위해 이루어지는 처리과정에 내성을 가져야 한다. 프리커서를 초전도 물질로 변환하는 것은 프리커서와 한개 이상의 추가적인 반응제들 간의 고온 화학 반응을 포함하는 처리과정을 이용하여 이루어진다. 분말 형태의 프리커서가 그루브에 삽입되고, 부피가 있는 형태의 다른 반응제들이 그루브 외부에 배치되어 가열 결과로 액화될 때 프리커서와 접촉하게 될 수 있다.
본 발명의 이해를 위해 "프리커서"라는 용어는 분말 형태의 고체 물질을 의미하는 것으로서, 적절한 물리화학적 처리과정을 거칠 때, 그 결정질 속성을 변경하여, 고밀화되고 전류 전도에 유용한 초전도 성질을 얻게 된다. 프리커서는 초전도 물질의 제 1 컴포넌트일 수도 있다. 이러한 제 1 컴포넌트는 제 2 컴포넌트와의 화학적 반응에 의해 초전도 물질로 변환된다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 요소를 얻기 위해 사용될 수 있는 최종 제품의 수직 단면을 나타낸다. 위 변환에 필요한 반응제(6)는 프리커서를 지닌 그루브와 지지체(2)에 대해 겹쳐진 고형질 형태로서, 프리커서를 초전도 물질로 변환하는 처리과정을 수행하기 위해 밀폐된 두껑(5)을 가진 컨테이너(4) 내부에 삽입된다.
지지체와 프리커서 간의, 또는 지지체와, 프리커서를 초전도 물질로 변환하는 데 필요한 다른 반응제 간의 바람직하지 못한 반응들은 사용되는 반응제와 관련하여 지지체의 물질을 적절히 선택함으로써, 그리고, 비활성 내화 물질이 얇은 코팅 필름(도면에 도시되지 않음)을 지지체(2)에 도포함으로써 막을 수 있다. 도포되는 필름의 두께는 약 0.5 ~ 20 미크론인 것이 바람직하다.
그루브의 내면과 지지체의 표면을 모두 코팅할 수 있도록 지지체 상의 그루브를 트레이싱한 후 코팅 필름이 도포된다.
코팅 필름의 재료는 전도 트랙 제조에 사용할 초전도 물질과 관련하여 선택된다. 옥사이드 타입의 전기 절연 물질로 된 코팅 필름이 사용되며, 그 선호되는 예로는 MgO, SiO2, Al2O3, NiO, Fe2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, 또는 이들의 화합물이나 또는, Fe, Ni, 또는 Ti의 금속 타입의 코팅 필름이 있다.
당 업계에 잘 알려진 기술들을 이용하여 그루브와 지지체의 표면에 필름들이 도포될 수 있다. 화학 기상 증착(CVD)이라 불리는 기술 등과 같이 증기 상태에서 물질을 증착하거나 산화 기술을 이용하여 코팅 필름을 도포하는 것이 바람직하다.
지지체 표면의 그루브들은 당 분야에 잘 알려진 종래의 처리 기술들을 이용하여 제조될 수 있고, 이러한 기술의 예로는 밀링, 터닝(turnning), 절삭, 또는 전기-침식 인레잉(electro-ersion inlaying) 등이 있다. 그루브들은 다양한 형태 및 크기로 제조될 수 있다. 지지체 상에 트레이싱되는 그루브들은 0.5 보다 큰 깊이/폭(D/W) 비를 가지며, 선호되는 깊이/폭 비는 1 이상이고, 더욱 선호되는 비는 2 이상이다. 2 내지 20 mm 범위의 지지체의 두께에 대해, 그루브의 폭은 3mm 이하인 것이 바람직하고, 그 깊이는 1.5 내지 9 mm 범위 내에서 변한다. 초전도 요소의 전자기적 요건들에 더욱 우수하게 응답하기 위해 선형 모양을 따라 가변적인 단면을 가진 그루브를 만드는 것이 때때로 유용하다. 그러나, 특정 애플리케이션의 요구사항들을 충족시키기 위해, 마감 공정에서 0.5 미만의 D/W 값을 가지도록 초전도 트랙의 깊이를 감소시키는 것이 가능하다.
초전도 요소의 지지체는 오픈 타입 또는 클로즈 타입의 초전도 트랙을 가질 수 있다. "클로즈" 트랙("closed" track)은 도 1의 트랙(3)의 그루브들이나 도 3의 트랙(3, 7)의 그루브들의 조합 등과 같이, 지지체 상에 폐라인을 구획하는 그루브로부터 시작하여 얻어지는 초전도 트랙이다.
"오픈" 트랙은 지지체 상에 개-라인을 구획하는 그루브로부터 시작하여 얻어지는 전도 트랙이다. 즉, 이때 언급하는 개-라인이란 지지체의 서로 다른 두 점에서 종료되는 두개의 말단을 가진 라인을 말한다. 가령, 도 3의 트랙(3)의 라인 연결점 (8, 9)이나, 점(8', 9')을 예로 들 수 있다. 선호 실시예에서, 오픈 트랙은 나선형이다.
본 발명의 목적인 초전도 요소가 클로즈 트랙을 포함하고 전류가 상기 트랙을 통과할 때, 초전도 요소는 애플리케이션용으로 관심있는 시기에 대해 일관되게 일정한 자화를 가진 영구 자석으로 기능한다.
초전도 요소가 오픈 트랙을 포함하고 전류가 오픈 트랙을 통과할 때, 초전도 요소는 트랙을 통과하는 전류 밀도와 관련하여 가변적인 자기장을 생성한다.
클로즈 트랙은 임의의 형태를 가질 수 있다. 하나의 클로즈 트랙이 동일한 지지체의 표면 중 서로 다른 영역(가령, 평면형 지지체의 양면)에 배치된 오픈 트랙들을 또한 포함할 수 있다. 이때, 상기 오픈 트랙들은 초전도 필라멘트에 의해 서로 연결되며, 또는, 지지체의 양면에 해당하는 경우에, 초전도 물질로 충전된 지지체의 구멍에 의해 서로 연결된다. 초전도 물질로 충전된 구멍들은 앞으로 "초전도 패스-스루"(superconductive pass-throughs)로 표시된다.
초전도 패스-스루들은 서로 구분된 두개의 그루브에 속한 임의의 두 점과 결합한다.
본 발명에 따른 초전도 요소는 한개 이상의 오픈 전도 트랙, 또는 한개 이상의 클로즈 전도 트랙, 또는 한개 이상의 오픈 및 클로즈 전도 트랙을 포함할 수 있다.
선호 실시예에서, 클로즈 트랙을 가진 초전도 요소는 한개 이상의 원형 동심 트랙을 포함한다(도 1 참조). 두번째 선호 실시예에서, 초전도 요소는 원통형 지지체의 양 벽체를 따라, 또는, 평탄한 지지체의 양면에 인레이된 나선형 오픈 트랙들을 포함하며, 이때, 트랙들은 두 초전도 패스-스루에 의해 서로 연결된다.
본 발명의 추가적인 목적은 제 1, 2 초전도 요소를 포함하는 초전도 소자에 관한 것으로서, 이때, 제 1 초전도 요소의 제 1 오픈 트랙이 한개 이상의 초전도 필라멘트를 이용하여 제 2 초전도 요소의 제 2 오픈 트랙에 연결된다. 초전도 소자를 형성하는 초전도 요소들의 지지체들이 전기적으로 서로 연결될 수 있다.
초전도 요소의 오픈 트랙들은 한개 이상의 초전도 필라멘트를 이용하여 서로 연결될 수 있다. 이러한 초전도 필라멘트들은 그루브에 삽입된 초전도 물질의 프리커서 분말 사이의 필라멘트들의 말단들을 인트래핑함으로써, 그리고, 이 필라멘트 존재 하에서 프리커서-초전도체 변환 반응을 수행함으로써, 트랙의 초전도 물질과 일체로 만들어진다. 특히, 연결될 초전도 트랙들은 동일한 초전도 요소에 속할 수도 있고(도 4B 참조), 서로 다른 초전도 요소에 속할 수도 있다(도 4A 참조). 그 결과로 한개의 초전도 소자가 형성되게 된다. 서로 다른 초전도 요소에 속하는 경우, 초전도 요소들은 서로 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 초전도 소자의 기계적 강도를 개선시키기 위해, 초전도 요소들이 초전도체가 아닌 물질로 만든 지지체들 간에 연결 스트랜드들을 이용하여(일례에 불과함) 서로 연결될 수 있다. 동일한 방식으로, 초전도 요소들에 연결된 초전도 필라멘트들의 기계적 강도를 개선시키기 위해, 초전도 필라멘트들이 초전도 요소의 지지체와 동일한 지지체 상에 배치된, 또는 추가적인 지지체 상에 배치된 특정 그루브 내에 삽입될 수 있다. 초전도 필라멘트들은, 프리커서가 위치한 그루브 내 뿐만 아니라 초전도 필라멘트들이 위치한 그루브 내에도 침투되는 위치에서, 반응 컨테이너 내에서 액화될 반응제의 부피있는 바디를 배치함으로써 그루브 내부에서 위치를 유지할 수 있다. 프리커서-초전도체 변환 반응 종료시, 초전도 필라멘트들의 그루브에 침투된 액체 반응제가 고체화되어, 지지체에 초전도 필라멘트들을 견고하게 고정시킨다.
초전도 소자 내에 두개의 초전도 요소들을 연결하는 첫번째 예가 도 4A에 도시되고 있다. 두개의 초전도 요소(ES, ES')가 초전도 필라멘트(12)에 의해 연결되며, 초전도 필라멘트(12)는 제 1 초전도 요소(ES)의 오픈 트랙(3)의 말단(9)을 제 2 초전도 요소(ES')에 배치된 오픈 트랙(3')의 말단(9')에 연결한다.
두개의 초전도 요소들의 두번째 연결 예가 도 4B에 제시되어 있다. 도 4B는 동일한 초전도 요소(ES)에 배치된 두개의 오픈 트랙(3, 3")을 연결하는 초전도 필라멘트(12)에 의해 나타나는 연결을 도시한다. 도 4A와 4B에서는 초전도 필라멘트들을 기계적으로 강화시키기 위한 연결 스트랜드들은 도시되지 않는다.
앞서 설명한 연결들은 두개 이상의 초전도 요소들을 연결하는 다양한 방식들을 예시하고 있으며, 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명에 따른 초전도 요소의 추가적인 선호 실시예가 도 3에 제시되어 있다. 도 3의 초전도 요소에서는 동일 전도 트랙(3)의 두개의 점(8, 8')이 초전도 필라멘트(13)를 이용하여 서로 연결되며, 이 초전도 필라멘트(13)는 반-유도 모드로 배열되고 트위스트되어(선호됨), 트랙(3)보다 훨씬 얇은 한개 이상의 초전도 필라멘트들로 구성되고 열방식 초전도 스위치로 기능하게 된다. 초전도 필라멘트의 단면적은 트랙(3)의 단면적보다 20% 이상 작다. 열방식 초전도 스위치(13)는 트랙(3)의 단면적보다 작은 적절한 단면적을 가진 초전도 트랙으로 대체될 수도 있다. 트랙(3)은 두개의 스위치(10, 10')를 구비한 점(11, 11')에서 두개의 외부 전류 소스들을 구비한 점(9, 9')에 또한 연결된다.
열방식 초전도 스위치(13)가 핫 상태일 경우, 즉, 온도가 초전도 물질의 임계 온도보다 높을 경우, 스위치(13)는 고전류 저항을 제공하고 트랙(3)은 오픈 트랙인 것처럼 거동한다. 이러한 상황하에서, 트랙(3)은 점(11, 11')의 전류 소스의 스위치(10, 10')를 닫음으로써 외부로부터 전류를 공급받을 수 있다.
열방식 초전도 스위치(13)가 콜드 상태일 경우, 즉, 온도가 임계 온도보다 낮을 경우, 트랙(3)과 트랙(3)에 연결된 스위치(13)가 클로즈 트랙인 것처럼 거동하여, 단절없이 전체 트랙-열방식 초전도 스위치 회로 상에서 전류를 순환시키게 한다. 이러한 구조에서, 즉, 전류 순환 방식에서, 점(11, 11')의 외부 전류 소스를 통한 급전은 스위치(10, 10')를 오픈시킴으로써 중지될 수 있다.
본 발명의 초전도 요소들을 이용하여 얻을 수 있는 연결들의 가변성으로 인해, 다양한 장점들을 얻을 수 있다. 특히, 동일한 지지체 상에 서로 연결된 두개 이상의 초전도 트랙들을 또한 구비할 수 있는, 직렬 또는 병렬로 두개 이상의 초전도 요소들을 연결함으로써, 추구하고 있는 특정 분야에 가장 적합한 구조 및 길이를 가진 초전도 소자들을 제작하는 것이 가능해진다.
본 발명의 선호 실시예에서, 나선형 인레이 트랙을 가진 지지체들로 초전도 요소들이 구성된다. 소정 횟수의 나선 회전 이후 닫히게 되는 나선형 인레이 트랙을 구비한 초전도 요소의 한 예가 도 5에 도시되고 있다. 도 5의 초전도 요소는 고리 형태로서 장방형 단면을 가진 지지체를 포함한다. 중심 O를 기반으로 하여 관통되는 고리의 중심축에 대해 기울어진 직선 형태의 트랙(사선형 트랙)이 직사각형의 (상대적으로 큰) 표면에 인레이된다. 지지체의 두개의 큰 표면 중 하나에 속하는 사선형 트랙의 경사는 편향각 β와 같고, 반대쪽 표면에 속한 트랙들은 180-β의 편향각을 가진다. 기울어진 트랙들은 반경 r1의 지지체 내측 둘레를 따라 배치된 한개의 점(P1 i)과, 반경 r2의 지지체 외측 둘레를 따라 배치된 한개의 점(P2 i)을 서로 연결한다. 트랙에 필요한 나선 연속성을 얻기 위해, 점(P1 i)은, 지지체의 동일 표면 상의 대응하는 점(P2 i)과 연결되는 것은 물론이고, 지지체의 반대편에 인레이된 대응하는 초전도 트랙과 초전도 패스-스루를 통해 또한 연결된다.
트랙의 나선형 전개가 고리 형태의 전체 지지체의 균일한 커버리지를 이끌어낸다는 점을 보장하기 위해, 그리고, 트랙의 나선형 전개가 닫힌 상태로 구성되어 나선형 전개의 시작점과 출발점이 일치함을 보장하기 위해, 지지체의 양쪽면 상의 동일 점(도 5의 점(P1 0))을 떠나는 두개의 트랙으로 구성되는 단일 나선을 대하는 도 5의 각도 α와, 고리의 중심축에 대해 트랙의 경사를 규정하는 각도 β(앞서 정의한 바 있음)는 다음의 요건을 반드시 만족시켜야 한다.
Figure pat00001
지지체 표면 상의 점(P1 i, P2 i)의 위치는 다음과 같은 방식으로 표시될 수 있다. 전체 고리를 둘러싸는 단일 나선이 n과 m으로 규정될 때, 나선의 수는 나선의 정수 갯수를 표시하고, 각각의 값은 이전 나선으로부터 각도 α*만큼 시프트되며, 이는 첫번째 나선의 시작점에 재결합하는 데 필요하다. 이 각도 α*는 n과 m을 이용하여 다음의 관계로 표시된다: α* = 360/(n*m)
따라서, 트랙에 의해 연결되는 각 점(P1 i, P2 i)의 극좌표 P(r, θ)는 아래와 같이 규정된다.
Figure pat00002
이때, i = 0, 1, 2, ..., n*m 이다.
사선형으로 기울어진 직선 형태로 트랙에 의해 연결되는 점들의 쌍간 거리는 다음과 같다.
Figure pat00003
본 발명의 일실시예에서, 초전도 요소는 요망 길이를 가진 스트립 형태로 제조된다. 도 7A-7C를 참고할 수 있다. 스트립(13) 형태의 초전도 요소는 서로 겹쳐진 세개 이상의 층들을 포함한다. 가장 외측의 층(14, 16)들은 그루브(20) 내부에 배치된 평행한 초전도 트랙(3)들로 인레잉된 지지체들로 구성된다. 도 7A에서는 지지체(14) 상에 존재하는 속이 빈 그루브(20)들만이 도시되고 있다. 지지체(14, 16)들은 중앙 금속 지지체(15)의 양쪽면에 접촉하도록 배치되고, 제1층(14)의 초전도 트랙(3)이 제2층(16)의 초전도트랙(3)에 대해 개별적인 방향으로 전개되도록 배향된다. 세개의 층(14, 16, 16)이 겹쳐짐으로써, 서로 엮여진 초전도 트랙들을 가진 초전도 요소가 제조된다. 중앙 금속 지지체(15)는 반응성 물질을 하우징하기 위한 공동(17)과, 층(14)의 초전도 트랙을 층(16)의 초전도 트랙과 연결하기 위해 적절히 배열되는 연결 구멍(패스-스루 구멍)(18)과, 세개의 층들의 리벳점(reveting points)(19)을 가진다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 추가적인 목적은 상술한 바와 같은 종류의 초전도 요소를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은,
a) 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체의 표면에 한개 이상의 그루브를 만드는 단계와,
b) 그루브 내부에 초전도 물질의 분말 프리커서를 삽입하여 이론적 밀도 값의 50% 이상의 실제 밀도 값을 가지도록 압축하는 단계와,
c) 프리커서 분말과 접촉하도록, 또는, 분말을 함유한 그루브에 인접한 위치에 한개 이상의 고형물 반응제를 배치하는 단계와,
d) 반응제가 액화되어 프리커서 분말 내부로 침투할 때까지 반응제와 프리커서 함유 그루브를 가열하는 단계로서, 이에 따라 그루브 내부에 초전도 트랙이 형성되는 것을 특징으로 하는 단계
를 포함한다.
단계 a)는 고형 지지체의 표면에 한개 이상의 그루브를 형성하는 단계를 포함하며, 프리커서의 삽입과 초전도 물질로의 변환 이후 상기 그루브는 초전도 물질의 트랙을 형성한다.
단계 b)는 초전도 물질의 프리커서로 그루브를 충전하여 압축하는 단계를 포함한다.
프리커서는 상온에서 분말 형태로 고체 물질로 구성되는 것이 일반적이다. 프리커서를 그루브에 배치한 후, 초전도 물질로의 변환 반응 이전에 이론적 밀도 값의 50% 이상에 해당하는 실제 밀도 값을 가질 때까지 프리커서를 압축한다. 이러한 분말 가압에 의해, 단계 d)의 변환 반응으로부터 초전도 물질을 획득할 수 있고, 이는 그루브를 완전히 충전하여 이론적 밀도 값의 85%보다 큰 실제 밀도 값을 나타내게 된다. 선호되는 실제 밀도 값 범위는 이론적 밀도 값의 88% 이상이다.
본 발명에서 실제 밀도란 분말 질량과 총 부피 간의 비를 의미하는 것으로서, 분말을 삽입하게 되는 그루브 내에서 점유되는 분말 결정립들 간의 빈 공간을 포함한다.
분말 가압에 사용되는 통상적인 기술 및 가압 기기에 따라 이러한 가압 과정이 수행될 수 있다(가령, 단축 가압, 등방 냉간 가압, 롤링, 등).
초전도 물질의 프리커서의 예로는 아래와 같은 물질들이 있다.
- 1미크론보다 작은 탄소 분말을 첨가하거나, 1미크론보다 작은 크기의 SiC 분말을 첨가하거나 Mg-Zn 또는 Mg-Co 합금 분말을 첨가한 붕소 분말(첨가제는 선택사항임).
- Cu-Sr 합금 분말과 스트론튬페록사이드 분말의 혼합물.
- 네오디뮴같은 희토류 군에 속한 원소(란타나이드)와 철 분말의 혼합물.
- 황을 첨가한 Fe와 Te 분말의 혼합물(첨가제는 선택사항임).
- 황을 첨가한 Fe와 Se 분말의 혼합물(첨가제는 선택사항임)
적절한 반응 조건 하에서, 액체 금속 마그네슘의 존재하에서 초전도 물질 MgB2로 변환될 수 있는 분말 형태의 마이크로결정질 붕소(기계적으로 활성화됨)가 특히 선호되는 실시예에 해당한다.
단계 c)는 분말 프리커서와 반응할 수 있는 화합물에 해당하는 한개 이상의 고형물 반응제(앞으로 '고형물'이라 부름)를 배치하여 초전도 물질을 형성하는 단계를 포함한다. 고형물은 그루브 위 지지체 상에 배치되고, 프리커서 분말과 접촉하거나 그루브에 인접한 위치에 배치되어, 적절한 온도 및 압력 조건 하에서 가열에 의해 액체 상태가 되면 액체 반응제가 프리커서와 접촉하도록 그루브 내부로 침투될 수 있다. 그루브 내에 함유된 프리커서 분말과 액체 반응제 간의 화학적 반응으로 인해 초전도 물질이 형성되고 따라서, 초전도 트랙이 지지체 내에 인레이된다.
Sr2CuO3 .4의 초전도 트랙을 가진 초전도 요소가 제조될 때, 단계 b)에서 Cu-Sr 합금의 분말과 스트론튬페록사이드 분말의 혼합물로 구성되는 프리커서가 사용되고 단계 c)에서는 고형물이 스트론튬페록사이드로 구성된다.
FeNdAsO0 .85의 초전도 요소가 제조될 때, 단계 b)에서는 Fe와 Nd 분말의 혼합물을 포함하는 프리커서가 사용되고, 단계 c)에서는 고형물 반응제가 As 및 As 옥사이드의 복합물로 구성된다.
FeTe0 .5Se0 .5의 초전도 트랙을 가진 초전도 요소가 제조될 때, 단계 b)에서는 Fe 및 Se 분말의 혼합물이나 Fe 및 Te 분말의 혼합물로 구성되는 프리커서가 사용된다. 단계 c)에서는 사용되는 고형물 반응제가 Se, Te, 또는 Se-Te 합금이 된다.
액체 반응제를 압축된 프리커서 분말에 침투시킴으로써 단계 d)에서 일어나는 화학적 반응은 밀폐된 컨테이너로 구성되는 폐환경에서 이루어진다. 이 반응은 섭씨 400도 내지 1100도 범위의 온도에서 30분 내지 30시간 범위의 시간구간동안 그루브 외부에 배치된 고형물 형태의 다른 반응제들과 프리커서들로 충전된 그루브들을 가진 지지체를 포함하는 전체 컨테이너를 가열함으로써 수행되는 것이 일반적이다.
Sr2CuO3 .4 트랙의 경우에, 가열은 섭씨 400도 내지 1000 도 범위 내에서 1시간 내지 20시간의 시간구간동안 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 처리과정에 이어, 초전도 물질을 위한 요망 화학적 산소 함량을 얻기 위해, 제어된 분위기(산화 분위기 또는 환원 분위기)에서 상온 내지 섭씨 300도의 온도 범위에서 1시간 내지 10 시간의 시간구간동안 추가적인 열처리가 진행된다.
FeNdAsO0 .85 트랙의 경우에, 가열은 섭씨 900 내지 1200도 범위에서 30분 내지 30시간동안 수행되는 것이 바람직하다.
FeTe0 .5Se0 .5 트랙의 경우에, 가열은 섭씨 500 내지 900도 범위에서 30분 내지 10시간동안의 시간구간동안 이루어지는 것이 바람직하다.
컨테이너 밀폐는 내부의 공기를 아르곤같은 비활성 기체로 대체한 후 이루어지는 것이 일반적이다. 일부 경우에, Sr2CuO3 .4 또는 FeNdAsO0 . 85같은 초전도 물질이 제조될 때, 밀폐 이전에 컨테이너 내부 기체의 비활성화가 필요치 않다.
프리커서를 초전도 성질을 가진 물질로 변환하기 위해(단계 d), 한개 이상의 고형 지지체와 서로 다른 지지체들을 연결하기 위한 초전도 필라멘트들을 하우징하는데 적절한 형태 및 크기를 가진 반응 컨테이너들이 사용된다.
컨테이너의 구성 재료는 사용되는 프리커서의 종류와 관련하여 결정된다. 컨테이너 재료는 단계 d)의 동작 조건 하에서 프리커서와, 그리고 다른 반응제와 반응하지 않아야 한다. MgB2의 트랙을 가진 초전도 요소를 얻기 위해, 컨테이너는 가령, 강철, 또는 스테인레스스틸같이 섭씨 1000도의 온도에 이를 때까지도 내성을 보이는 물질로 제조될 수 있다.
또한, 단계 d) 중 바람직하지 못한 반응을 피하기 위해, 반응 컨테이너는 특정 비활성 및 내화 물질의 보호층으로 내부적으로 코팅되는 것이 바람직하다. Sr2CuO3.4의 트랙을 가진 초전도 요소를 제조하기 위해, 컨테이너는 섭씨 1100도의 온도에서도 내성을 지니는 물질로 만들어져야 하며, 가령, 강철이나 티타늄이 적절하며, 또는 니켈 기반 합금이 적절하다. 이 물질들의 보호는 산화 분위기에서 표면 산화에 의해 얻어질 수 있다. FeNdAsO0 .85의 트랙을 가진 초전도 요소를 제조하기 위해, 컨테이너는 섭씨 1200도의 온도에도 내성을 지니는 물질로 만들어져야 하며, 가령, 티타늄이나 스테인레스스틸이 적합하고, 이 경우에는 SiO2 또는 Al2O3같은 물질로 구성되는 코팅 필름으로 내부적으로 코팅되어야 한다. 코팅 필름은 CVD 기술 등을 이용하여 도포될 수 있다.
마찬가지로, FeTe0 .5Se0 .5의 물질로 구성되는 초전도 트랙을 가진 초전도 요소가 획득될 때에는, SiO2의 얇은 코팅 필름으로 코팅된 강철이나, ZnTe 타입의 얇은 중간 필름으로 코팅된 강철이 컨테이너 재료로 사용될 수 있다. 이때, 필름 형성을 위해 증기 증착법이 이용된다.
상술한 바와 같이, 특히 선호되는 실시예에서, 초전도 요소들은 고밀화된 MgB2를 포함하는 초전도 트랙을 포함한다.
고밀화된 MgB2를 포함하는 초전도 트랙들을 구비한 초전도 요소들의 경우에, 비-자성 강철, 특히, AISI 304 및 AISI 316 계열의 강철, 철/니켈 합금, 티타늄, 니켈 및 구리 기반 합금(가령, 모넬(monel))을 포함하는 물질군 중에서 선택된 물질로 고형 지지체가 제조된다. 지지체가 비-자성 강철이나 티타늄 또는 모넬로 제조되는 것이 바람직하다.
그루브 내부와 그루브 사이에 절연 보호 코팅 필름이 필요할 경우, MgO, Fe 옥사이드, Ni 옥사이드, Ti 옥사이드같은 옥사이드 화합물로 증기 증착될 수 있다.
MgB2를 포함하는 전도 트랙을 제조하기 위해, 단계 b)는 단계 a)에서 지지체 상에 생성된 그루브를, 기계적으로 활성화된 분말 형태의 결정질 또는 비정질 붕소로 구성되는 프리커서로 충전하고, 가능한 경우, 1미크론 미만 크기의 SiC 분말이나 1미크론 미만 크기의 탄소 분말, 또는, Mg-Zn 합금이나 Mg-Co 합금 분말을 첨가하는 단계를 포함한다. 비정질 붕소의 기계적 활성화는 회전 실린더로 분쇄기에서 그라인딩을 통해 이루어질 수 있다. 이러한 활성화 과정을 통해, 입자간 집합체(aggregates)의 크기가 감소하게 되고, 이때, 첨가된 분말들이 더 우수하게 산포하게 되며, 그루브 충전 순간에 압축 분말의 실제 밀도가 증가하게 된다.
기계적으로 활성화된 결정질 붕소는 다양한 밀리미터 크기의 결정질 붕소 플레이크들의 반복적 그라인딩에 의해 얻어질 수 있다. 특히, 99.4% 이상의 순도인 것이 바람직하다.
그라인딩은 회전 실린더 사이에서 그라인딩을 통해 "동적"인 조건 하에서, 또는, 올레오다이나믹 프레스에서 "거의 정적"인 조건 하에서 고하중을 인가함으로써 압축에 의해 수행될 수 있다. 이러한 활성화는 더 미세한 입자-크기를 가진 분말을 획득하는 것은 물론이고(100 미크론 미만 크기 분말이 획득됨, 40 미크론 미만인 것이 바람직함), 붕소 결정질 결정립의 노출 표면이 산소 및 수분같은 불순물에 의해 오염되는 것을 크게 감소시키게 된다. 따라서, 분말이 액체 마그네슘에 대해 좀더 침투성을 띄게 된다. 물론 액체 마그네슘이 붕소 분말과 반응하여 MgB2를 얻게 된다.
특히, 활성화된 결정질 붕소 분말은 10 내지 70 미크론 크기의 평균 직경을 가진 입자들을 포함하도록 선택된다.
단계 b)에서, 기계적으로 활성화된 붕소 분말은, 결정질 붕소의 이론적 밀도보다 50% 높은 실제 밀도에 도달할 때까지 그루브 내에서 압축된다. 롬보헤드랄 결정질 붕소의 이론적 밀도는 2.35g/cm3 다.
그루브를 충전하는 분말 형태의 붕소는 최대 20% 원자비의 마그네슘으로 된 금속 마그네슘을 혼합물 형태로 포함할 수 있다. 또한 이 경우에 지지체 상의 그루브 내에 배치된 프리커서가 앞서 규정한 실제 밀도 요건에 반드시 부합하여야 한다.
앞서 언급한 붕소 및 마그네슘 혼합물에 대한 대안으로서, 프리커서는 기계적으로 활성화된 붕소 분말과 30 미크론 미만(10미크론 미만이 선호됨)의 입자 크기를 가진 MgB2 분말을 기계적으로 혼합함으로써 얻어지는 혼합물로 구성된다. MgB2 분말의 몰 양은 붕소 분말의 몰 값보다 작거나 같다. 특히, 붕소 분말의 30% 몰비율보다 작은 것이 바람직하다. 지지체 상의 그루브 내에서 압축된 붕소 분말과 MgB2의 혼합물의 실제 밀도는 1.2 g/cm3보다 커야 하며, 1.4 g/cm3보다 큰 것이 바람직하다.
MgB2를 포함하는 초전도 트랙을 획득하기 위해, 단계 c)에서는 99% 이상의 순도를 가진 결정질 금속 마그네슘의 한개 이상의 덩어리가 사용된다. 마그네슘 덩어리의 위치는, 단계 d)의 작업 조건 하에서 마그네슘의 차후 침투에 이어, 액체 마그네슘이 활성화된 붕소 분말을 통해 또는 상술한 붕소 분말을 함유한 다른 혼합물을 통해 침투하여, 이들과 반응하여 MgB2를 포함하는 그루브 내 전도 트랙을 초전도 물질로 형성하도록, 선택되어야 한다.
붕소로 충전된 그루브에 가까이 배치된 마그네슘 덩이라는 0.5보다 높은 Mg/B분말의 원자비를 가지도록 하는 전체 질량을 가진다.
선호 실시예에서, 마그네슘 덩어리는 1-5mm의 두께를 가진 박막 형태를 취하며, 이는 그루브가 프리커서로 충전된 후 지지체에 대해 겹쳐지게 된다. 도 2의 박막(6)을 참조할 수 있다.
대안으로, 고순도 마그네슘 덩어리들과 함께, Ga, Sn, In, Zn같은 마그네슘보다 낮은 녹는점을 가진 한개 이상의 금속들과 마그네슘과의 합금 덩어리들을 이용하는 것이 또한 가능하다. 이때, 녹는점이 낮은 이 금속들은 마그네슘을 주종으로 하는 합금의 공융점의 조성에 대응하는 무게 분율보다 낮은 함량으로 존재한다.
상술한 마그네슘 합금을 이용하여 얻은 MgB2에 기초한 트랙들은 고순도 금속 마그네슘을 이용하여 얻은 것과 유사한 초전도 성질을 가진다.
순수 마그네슘보다 낮은 녹는점을 가진 이러한 합금들을 이용함으로써, 프리커서를 초전도 물질로 변환하는 반응(단계 d)이 좀더 빠르게, 그리고 조금 더 저온에서 진행될 수 있으며, 따라서, 본 발명의 목적인 초전도 요소의 제작 공정의 비용을 감소시키는 데 유용한 기술임이 입증되었고, 또한, 고형 지지체의 열적 확장/수축을 감소시키는 데도 유용하다는 것이 밝혀졌다.
마그네슘 덩어리와 함께 초전도 물질의 프리커서로 충전된 그루브를 가진 고형 지지체는 그후 앞서 설명한 타입의 컨테이너로 전달된다. 이 컨테이너는 20% 원자비보다 작은 산소 함량을 가진 분위기 또는 비활성 기체 분위기를 가지도록 밀폐된다. 컨테이너 내의 압력은 차후 단계 d)의 전체 처리 중 액체 상태의 마그네슘 존재를 보장하도록 결정되어야 한다. 컨테이너 밀폐는 당 업계에 잘 알려진 기술 및 수단을 이용하여 수행된다. 가령, 금속 컨테이너의 경우, 밀폐 뚜껑(closing lid)을 용접함으로써 밀폐가 이루어진다(도 2, 뚜껑(5) 참조).
MgB2를 포함하는 트랙을 가진 초전도 요소를 제작하기 위해, 프리커서를 초전도 물질로 변환하는 단계 d)는 섭씨 700도 이상의 온도에서 컨테이너 내에 밀폐된 지지체를 열처리하는 단계를 포함한다.
이 열처리는 30분 이상 수행된다. 단계 d)가 섭씨 750 내지 900도에서 1시간 내지 5시간동안 수행되는 것이 바람직하다.
컨테이너 내부에 존재하는 기체 분위기에 의해 가해지는 압력과 온도로 인해, 고체 마그네슘(고형체 또는 박판 형태)가 액체화되어 그루브 내에 존재하는 프리커서의 분말을 통해 침투한다. 액체 마그네슘과 활성화된 결정질 붕소(가능하다면 마그네슘 분말이나 MgB2 분말과 혼합함) 간의 반응에 의해, 지지체 상에 형성된 트랙 내에 초전도 MgB2 인레이가 형성되게 된다.
본 발명에 따른 초전도 요소를 얻기 위한 지지체의 열처리는 오븐같은 장소에서 전체 컨테이너를 가열함으로써 이루어진다.
단계 d)의 처리과정의 종료시, 컨테이너가 닫히고 열려서 MgB2의 트랙을 가진 초전도 요소를 회복시키게 된다.
초전도 요소는 그후 지지체 상의 반응 잔류물(특히, 재-고체화된 액체 마그네슘의 잔류물)로부터 세정된다. 특히, MgB2와는 다른 초전도 물질의 트랙의 경우, 그외 다른 종류의 재-고체화된 액체 반응물의 잔류물로부터 세정된다. 그후, 터닝, 밀링, 절삭, 그리고 그라인딩 처리에 의해 크기 조정된다.
이러한 처리는 한개 이상의 초전도 필라멘트에 연결된 한개 이상의 초전도 트랙을 가진 초전도 요소를 제작하기 위해 약간의 수정과 함께 또한 사용될 수 있다. 그래서, 초전도체의 임계 온도 이하에서 연결 영역의 전기 저항이 10-8 오옴보다 작고(10-9 오옴보다 작은 것이 선호됨) 연결 영역이 103 암페아 이상의 전류를 운반할 수 있게 된다. 이러한 연결에 사용될 수 있는 초전도 필라멘트는 반응성 침투 처리로부터 나타나는 속이 빈 섬유 형태의 MgB2 필라멘트인 것이 바람직하다. 이를 위해 사용되는 섬유의 예가 특허출원 MI2002A001004 호에 공개되어 있다.
초전도 트랙과 초전도 필라멘트 간 연결을 위해, 두가지 방식으로의 동작이 가능하다. 첫번째 모드에서는 초전도 필라멘트의 한 단부가, 이를 코팅하고 있는 초전도체가 아닌 물질로부터 세정되고 그루브 내에 삽입되며, 그루브는 초전도 물질의 프리커서로 충전된다. 두번째 모드에서는 초전도 필라멘트의 프리커서 스레드(즉, 분말 프리커서와 동일한 물질로 구성된 스레드)의 한 단부가, 프리커서 분말이 드러나 그루브 내에 삽입되고 이 그루브가 초전도 물질의 프리커서 분말로 충전될 때까지, 외부 금속 피복으로부터 세정된다. 프리커서로 충전된 그루브에 삽입된 프리커서 필라멘트를 구비하거나 초전도 필라멘트를 구비한 지지체가, 그후, 20% 원자비보다 작은 산소 함량을 가진 분위기에서 또는 비활성 기체 분위기에서 반응 컨테이너 내에서 밀폐된다. 이러한 첫번째 제조 방법에서 반응 컨테이너는 한개 이상의 추가적인 밀폐가능형 구멍들을 구비할 수 있고, 이러한 구멍을 통해 지지체 외부로 돌출하는 초전도 필라멘트의 일부분이 통과할 수 있다. 이러한 방식으로, 트랙 내에 삽입된 필라멘트의 일부분이 단계 d)의 처리 과정을 거치게 된다.
앞서 설명한 공정을 통해, MgB2에 기초한 트랙 및 높은 초전도 전류 밀도를 보장할 수 있는 그외 다른 고밀도 초전도체를 가진 초전도 요소를 제조할 수 있다.
이러한 초전도 요소들은 동일한 재료, 형태, 전체 부피를 가진 다른 최종 제품들의 유사한 (부피를 가진) 초전도체에 비해, 뛰어난 전자기적, 기계적, 그리고 열적 성능을 보인다. 초전도 물질이 고밀화 형태로 감소된 두께로 제조되기 때문에, 본 발명의 초전도 요소들은 부피가 있는 고형체 형태의 초전도체에 통상적으로 나타나는 표면에서의 초전도 전류의 분산 문제를 나타내지 않는다. MgB2에 기초한 트랙들을 포함하는 초전도 요소들의 제조에서는 다른 형태의 초전도 물질에 비해 훨씬 간단하게 제조 작업이 이루어지는 장점이 또한 있다.
본 발명의 초전도 요소들의 추가적인 장점 중 하나는 종래의 영구 자석을 대체하는, 고정 자기장을 얻는데 적합한 클로즈 트랙을 가진 초전도 요소들의 응용 분야에서 나타난다. 이 경우에, 부피가 있는 초전도체들과는 달리, 이러한 초전도 요소들은 높은 여기 자기장에 초전도 요소들을 노출시킬 필요없이 충전될 수 있다. 초전도 요소는 앞서 설명한 초전도 요소의 트랙에 연결된 열방식 초전도 스위치 시스템을 이용하여 필요 전류를 공급하는 전류 발생기를 통해 훨씬 간단하게 충전된다.
실질적으로 0의 전기저항을 제공하는 초전도 트랙을 가진 초전도 요소들을 이용함으로써, 에너지 소모없이 전자기적 장치들을 제작할 수 있게 된다.
초전도 요소들은 다양한 기술 분야에 수없이 많이 산업적으로 응용될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 본 발명에 따라 제조된 초전도 요소들의 용도에 또한 관련된다.
- 전기 회로망 간 고밀도 전류 전송 로드(rod)나 초전도 시스템용 전류 리드
- 고효율 전기 모터나 제너레이터용 자석
- 한류기
- 전기 에너지 축적용 자석
- 폐수 정화 장치의 자석 또는 황화물로부터 석탄 먼지를 정제하기 위한 장치에 사용되는 자석
- 반자성 극저온 냉각을 위한 가변 필드 자석
- 고효율 자기 유도 히터
- 회전 시스템용 초저마찰 부양식 자석 베어링
- 이방성 반자성 물질의 배향용 또는 물질의 자기 분리용 고자기장 자석
- 공중 부상 차량용 초전도 선형 모터
- 자기 공명 장치의 정적 자기장 조성용 자석
- 입자 가속기용 자석
- 핵융합 연구용 대형 자석
- 마이크로파 수준의 전기자파를 송신 및 수신하기 위한 안테나
특히, 전기기술적인 분야에서, 초전도 요소는 고정자에 오픈 트랙을 가진 초전도 요소를 배치하고 회전자에 클로즈 트랙을 가진 초전도 요소들을 배치함으로써, 고효율 전기 모터나 제너레이터를 제작하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 초전도 요소들을 이용하여 고자기장을 얻음으로써, 당 업계에 잘 알려진 종류에 비해, 동일한 파워를 가지면서도 훨씬 더 작고 가볍게 모터를 제작할 수 있고, 훨씬 빠르게 가속시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 초전도 요소를 이용할 경우, 전기 회로망의 오전류 제어와 같이 특히 효과적인 한류기를 제작하는 것 역시 가능하다.
환경 분야에서는 폐수 정화 공정 및 황화물에서 분탄을 정제하는 과정에서 본 발명의 초전도 요소들을 이용할 수 있고, 수 테슬라에 이르는 자기 유도로 대형의 영구 자석을 제작할 수도 있다.
다음의 예는 본 발명의 설명적인 용도로 제공되는 것이며, 발명을 제한하는 의미로 받아들여서는 안될 것이다.
예 1
본 발명에 따른 초전도 요소가 아래와 같이 제작되었다. 60mm의 직경을 가진 디스크 형태의 강철 지지체 표면에 전기-침식에 의해 0.5 내지 1 mm의 폭과 4.5mm의 깊이를 가진 그루브가 형성되었다. 54mm의 외경에 도달할 때까지 20mm의 내경으로부터 시작하는 7개의 나선들로 풀린(unwinded) 나선 형태의 지지체 상의 오픈 트랙을 생성하도록 그루브가 형성되었다. 그루브는 결정질 붕소로 구성된 프리커서 분말로 충전되었다. 붕소 분말은 회전 실린더로 분쇄기에서 분쇄하여 기계적으로 활성화되었다. 그후 그라인딩된 붕소 분말을 40 미크론 크기의 단위 격자들을 가진 체로 걸렀다. 분말은 25 미크론의 평균 직경을 가지게 되었다. 그후, 실제 밀도가 1.2 g/cm3에 도달할 때까지 롤러를 이용하여 그루브 내에서 수동으로 분말을 압축하였다. 압축된 분말로 충전된 그루브를 가진 지지체가 99.9%의 순도, 7mm의 두께를 가진 금속 마그네슘 박판과 겹쳐졌다. 지지체는 그후 강철 컨테이너로 전달되었으며, 이 컨테이너의 내부는 100 미크론의 두께를 가진 Nb 시트 층으로 코팅되었다(총 두께는 200 미크론). 두개의 Nb 박판들 각각은 100 미크론의 두께를 가지며, 강철 컨테이너의 바닥과 뚜껑 아래에 놓였다. 지지체를 컨테이너로 전달하는 것은 대기 분위기에서 이루어졌으며, 그후 컨테이너에 아르곤이 유입되어 밀폐처리되었다. 컨테이너는 섭씨 900도에서 3시간동안 오븐 내에서 가열되었으며, 냉각 후 MgB2의 나선형 오픈 트랙을 가진 초전도 요소가 컨테이너로부터 배출되었다. 그 초전도 양태는 도 6에 도시되는 바와 같이 인가되는 자속 밀도 B에 대해 임계 전류 Ic를 측정함으로써 4.2 K에서 확인되었다.
예 2
직경 70mm, 두께 8mm의 디스크 형태의 강철 지지체를 초전도 요소로 이용하여 초전도 영구 자석을 제조하였다. 지지체 상에는 두개의 나선형 그루브(폭 1.5mm, 깊이 2.5~3.0 mm)들이 인레이되었으며, 그 표면의 양면에는 동방향으로 16개의 나선이 디스크 중심으로부터 둘레를 향해 전개된다. 즉, 두개의 나선들이 동일 방향으로 지지체의 수직축 둘레로 감긴다. 두개의 그루브는 지지체에 배치된 직경 3mm의 두 구멍을 통해 결합되어, 두개의 줌심을 서로 연결하고 나선형 그루브의 두 말단을 연결하였다.
예 1에서와 같은 결정질 붕소 분말이 지지체의 그루브 및 구멍에 삽입되었다. 그후 1.2 g/cm3의 실제 밀도에 도달할 때까지 수작업으로 가압하였다. 예 1에 사용된 종류의 두개의 마그네슘 박판들이 지지체의 디스크 양면에 서로 마주하게 배치되었다. 그후 지지체는 강철 컨테이너에 삽입되었고, 예 1에서와 같은 절차에 따라 아르곤 분위기에서 섭씨 900도에서 3시간동안 열처리되었다. 나선형 클로즈 트랙을 가진 MgB2의 초전도 요소가 컨테이너로부터 배출되었다. 특히, 패스-스루 초전도체에 의해 직렬로 결합되는 두개의 그루브들은 클로즈 트랙을 형성하고, 이러한 클로즈 트랙은 그 내부에 전류의 동-회전 트렌드를 생성하여 결과적으로 동방향의 자기장을 생성하였다.
초전도 자석 내에 상기 초전도 요소를 배치함으로써, 초전도 요소에 전류가 유도되었으며, 이러한 유도 전류는 여기 자석이 오프된 이후에도 영구적으로 지속되었다. 초전도 트랙에서 유도된 전류는 12K 온도에서 다음과 같았다. 즉, 두개의 나선 중 한개의 중심에 대응하도록 초전도 요소의 표면으로부터 1mm 지점에서 1.15 테슬라의 인트래핑된 영구 자속 밀도를 측정할 수 있었다. 비교하자면, 본 발명의 초전도 요소보다 세배 큰 초전도 물질의 양을 가지도록 제작된 MgB2 디스크가, 유사한 온도 조건 및 충전 조건 하에서 0.90 테슬라의 인트래핑된 자속 밀도를 유지하였다.
예 3
19개의 MgB2 초전도 클로즈 트랙을 가진, 두께 8mm, 직경 60mm의 디스크 모양 비-자성 AISI 316 강철 지지체로 구성된 초전도 요소가, 두께 0.5mm, 직경 52~10 mm 및 깊이 3~4mm의 동심 원 형태로, 그리고 직경 5mm의 중앙 실린더 형태로 양 표면에 인레이되었다. 초전도 요소는 예 2에서와 같이 제조되었으며, 그 인트래핑된 자속 밀도가 표면으로부터 1mm 거리에서 측정되었다. 1 테슬라의 영구 자속 밀도가 21K 온도에서 나타났다.

Claims (18)

  1. 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체를 포함하는 초전도 요소에 있어서, 상기 지지체는 이론적 밀도에 비해 85% 이상, 또는 88% 이상의 실제 밀도를 가진 초전도 물질을 함유한, 그루브로부터 형성되는 한개 이상의 초전도 트랙을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, MgB2, FeNdAsO0 .85, FeTe0 .5Se0 .5, Sr2CuO3 . 4 의 물질군 중에서 선택된 초전도 물질로 상기 초전도 트랙을 만드는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 초전도 트랙은,
    1) 원형의 클로즈 트랙,
    2) 나선형 확장부를 가진 클로즈 또는 오픈 트랙,
    3) 선형의 오픈 트랙,
    4) 밴드-형태의 트위스트 확장부를 가진 오픈 트랙
    중 한가지 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 평탄한 지지체의 양쪽 표면 상에, 또는, 원형 지지체의 양쪽 벽체를 따라 한개 이상의 오픈 나선 트랙들을 포함하며, 이 트랙들은 초전도 물질로 충전된 지지체 내 구멍을 통해 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  5. 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 고형 지지체의 표면과 그루브의 표면은 전기 절연 물질의 코팅 필름으로 코팅되며, 전기 절연 물질은 MgO, SiO2, Al2O3, NiO, Fe2O3, TiO2, ZnO, ZrO2, Y2O3, 또는 이들의 화합물, 또는 Fe, Ni, 또는 Ti의 필름 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  6. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고형 지지체가 비-자성 스테인레스스틸, 철/니켈 합금, 니켈 및 니켈 함량 50% 이상인 니켈/구리 합금, 티타늄, 이 물질들과 구리와의 화합물, 섭씨 1100도 이상의 녹는점을 가진 금속간 화합물, 아연-텔루륨 화합물 중에서 선택된 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 전도 트랙의 두개의 점들이 열방식 초전도 스위치의 기능을 가진 초전도 필라멘트를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 두개의 초전도 요소를 포함하는 초전도 소자로서, 각각의 초전도 요소는 한개 이상의 오픈 트랙을 가지며, 제 1 초전도 요소의 제 1 오픈 트랙은 한개 이상의 초전도 필라멘트를 통해 제 2 초전도 요소의 제 2 오픈 트랙에 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 초전도 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자석.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도 요소가,
    - 전기 회로망 간 고밀도 전류 전송 로드(rod)나 초전도 시스템용 전류 리드
    - 고효율 전기 모터나 제너레이터용 자석
    - 한류기
    - 전기 에너지 축적용 자석
    - 폐수 정화 장치의 자석 또는 황화물로부터 석탄 먼지를 정제하기 위한 장치에 사용되는 자석
    - 반자성 극저온 냉각을 위한 가변 필드 자석
    - 고효율 자기 유도 히터
    - 회전 시스템용 초저마찰 부양식 자석 베어링
    - 이방성 반자성 물질의 배향용 또는 물질의 자기 분리용 고자기장 자석
    - 공중 부상 차량용 초전도 선형 모터
    - 자기 공명 장치의 정적 자기장 조성용 자석
    - 입자 가속기용 자석
    - 핵융합 연구용 대형 자석
    - 마이크로파 수준의 전기자파를 송신 및 수신하기 위한 안테나
    중 한가지 이상에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 초전도 요소.
  11. 제 1 항에 따른 초전도 요소를 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    a) 초전도체가 아닌 물질로 만든 고형 지지체의 표면에 한개 이상의 그루브를 형성하는 단계와,
    b) 그루브 내부에 초전도 물질의 분말 프리커서를 삽입하여 분말 프리커서를 이론적 밀도의 50% 이상에 달하는 실제 밀도에 이르도록 압축하는 단계와,
    c) 프리커서 분말과 접촉하도록, 또는, 프리커서 분말이 위치한 그루브에 인접한 위치에서 한개 이상의 고형 반응제를 배치하는 단계와,
    d) 반응제가 액화되어 프리커서 분말 내부로 침투할 때까지 프리커서를 지닌 그루브와 반응제를 가열하여, 그루브 내부에 초전도 트랙을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 단계 b)는 단계 a)에서 만들어진 그루브를,
    - 1미크론보다 작은 탄소 분말을 첨가하거나, 1미크론보다 작은 크기의 SiC 분말을 첨가하거나 Mg-Zn 또는 Mg-Co 합금 분말을 첨가한 붕소 분말.
    - Cu-Sr 합금 분말과 스트론튬페록사이드 분말의 혼합물.
    - 네오디뮴같은 희토류 군에 속한 원소(란타나이드)와 철 분말의 혼합물.
    - 황을 첨가한 Fe와 Te 분말의 혼합물.
    - 황을 첨가한 Fe와 Se 분말의 혼합물
    중에서 선택되는 초전도 물질의 프리커서로 충전하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 단계 b)는 단계 a)에서 지지체 상에 만들어진 그루브를, 기계적으로 활성화된 결정질 또는 비정질 붕소 분말로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c)에서 반응제는 순도 99% 이상의 결정질 금속 마그네슘의 덩어리 또는 박판 형태인 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  15. 제 11 항 내지 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 d)는 섭씨 700도 이상에서 30분 이상, 또는, 섭씨 750 내지 900도 범위에서 1시간 내지 5시간동안 컨테이너 내부에 밀폐된 반응제와, 지지체에 삽입된 프리커서를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 단계 c)에서 반응제는
    Sr2CuO3 .4의 초전도 트랙을 얻기 위해, Cu-Sr 합금의 분말과 스트론튬페록사이드 분말의 혼합물이 프리커서일 경우, 스트론튬페록사이드,
    FeNdAsO0 .85의 초전도 트랙을 얻기 위해, Fe와 Nd 분말의 혼합물이 프리커서일 경우, As 및 As 옥사이드의 화합물
    FeTe0 .5Se0 .5의 초전도 트랙을 얻기 위해, Fe 및 Se 분말의 혼합물이나 Fe 및 Te 분말의 혼합물이 프리커서일 경우 Se, 또는, Te, 또는 Se-Te 합금
    의 고형물인 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 단계 d)는 섭씨 400도 내지 1100도 범위의 온도에서, 30분 내지 30 시간 사이의 가변적 시간동안 컨테이너 내부에 밀폐된 반응제와, 지지체에 삽입된 프리커서를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 단계 d)는 컨테이너 내부에 밀폐된 반응제와, 지지체에 삽입된 프리커서를,
    FeNdAsO0 .85의 전도 트랙을 얻기 위해, 섭씨 900 내지 1200도 범위에서 30분 내지 30시간의 가변 시간동안 열처리하고,
    FeTe0 .5Se0 .5의 전도 트랙을 얻기 위해, 섭씨 500 내지 900도 범위에서 30분 내지 10시간의 가변 시간동안 열처리하며,
    Sr2CuO3 .4의 전도 트랙을 얻기 위해, 섭씨 400도 내지 1000 도 범위 내에서 1시간 내지 20시간의 시간구간동안 열처리하고, 이어서, 산화 분위기 또는 환원 분위기에서 상온 내지 섭씨 300도의 온도 범위에서 1시간 내지 10 시간동안 추가적인 열처리를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 요소 제조 방법.
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