KR20110122082A - 세라믹 선재 형성 방법, 세라믹 선재 형성 시스템, 및 이를 이용한 초전도 선재 - Google Patents

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Abstract

세라믹 선재 형성 시스템이 제공된다. 상기 세라믹 선재 형성 시스템은 선재 기판 상에 세라믹 박막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛; 및 상기 박막 증착 유닛에서 형성된 세라믹 박막을 포함하는 선재 기판을 열처리하기 의한 열처리 유닛을 포함한다. 상기 열처리 유닛은, 상기 선재 기판을 연속적으로 통과시킬 수 있고 차례로 인접한 제 1 용기, 제 2 용기 및 제 3 용기를 포함하고, 상기 제 1 용기, 상기 제 2 용기 및 상기 제 3 용기는 서로 독립적으로 펌핑되어 독립적인 진공을 유지할 수 있고 서로 독립적으로 온도를 유지할 수 있도록 구성된다.

Description

세라믹 선재 형성 방법, 세라믹 선재 형성 시스템, 및 이를 이용한 초전도 선재{METHOD OF FORMING CERAMIC WIRE, SYSTEM OF FORMING THE SAME, AND SUPERCONDUCTOR WIRE USING THE SAME}
본 발명은 세라믹 선재에 관한 것이다.
초전도체(superconductor)는 낮은 온도에서 전기 저항이 '0'에 가까워져 많은 량의 전류를 흘릴 수 있다. 최근, 이축 배향된 집합조직을 갖는 얇은 완충층 또는 금속 기판 상에 초전도막을 형성하는 2세대 고온초전도 선재(Coated Conductor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 상기 2세대 고온초전도 선재는 일반적인 금속선보다 월등히 우수한 단위 면적당 전류 수송 능력을 갖는다. 상기 2세대 고온초전도 선재는 전력 손실이 적은 전력 분야, MRI, 초전도 자기부상열차 및 초전도 추진선박 등과 같은 분야에서 이용될 수 있다.
본 발명은 두꺼운 세라믹의 세라믹 선재를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 개념의 실시예들은 세라믹 선재 형성 시스템을 제공한다. 상기 세라믹 선재 형성 시스템은 선재 기판 상에 세라믹 박막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛; 및 상기 박막 증착 유닛에서 형성된 세라믹 박막을 포함하는 선재 기판을 열처리하기 의한 열처리 유닛을 포함하고, 상기 열처리 유닛은, 상기 선재 기판을 연속적으로 통과시킬 수 있고 차례로 인접한 제 1 용기, 제 2 용기 및 제 3 용기를 포함하고, 상기 제 1 용기, 상기 제 2 용기 및 상기 제 3 용기는 서로 독립적으로 펌핑되어 독립적인 진공을 유지할 수 있고 서로 독립적으로 온도를 유지할 수 있도록 구성된다.
빠른 속도로 세라믹 후막의 세라믹 선재를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 YBCO의 상태도(phase diagram)를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 개념의 실시예들에 따라 형성된 세라믹 선재의 단면을 도시한다.
도 4는 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 일 실시예에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 5는 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 다른 실시예에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성장치의 막 증착 유닛의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 개념에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선제 형성장치의 열처리 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 세라믹 선재의 전기적 물리적 특성을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
본 발명의 개념에서, 세라믹 물질은 대표적으로 초전도체일 수 있다. 그러나, 세라믹 물질이 초전도체로 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예들에서는 세라믹 물질로 초전도체가 예를 들어 설명된다. 또한 초전도체의 예로 YBCO 및 SmBCO가 설명되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 초전도체는 ReBCO를 포함할 수 있다. ReBCO는 Re1 + xBa2 - xCu3O7 -y로 나타낼 수 있으며, 이 때 0 ≤ x ≤ 0.5, y 일 수 있다. 상기 희토류 원소(Re)는 이트륨(Y) 및 란타늄족 원소 또는 이들의 조합인 것으로 이해될 수 있다. 란타늄족 원소 원소는 잘 알려진 바와 같이, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2는 YBCO의 상태도(phase diagram)이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재의 형성방법이 개략적으로 설명된다.
제 1 단계(S10)로, 선재 기판 상에 세라믹 전구체막이 형성된다. 상기 세라믹 전구체막은 결정화가 진행되지 않은 비정질 상태로 이해될 수 있다. 상기 선재 기판은 2축 배향된 집합조직(biaxially aligned textured structure)을 갖는 모재일 수 있다. 상기 모재는 집합조직을 갖는 금속, 단결정 기판, 또는 금속 기판 상에 제공된 집합조직을 갖는 산화물 버퍼층을 포함할 수 있다. 상기 금속 또는 단결정 기판은, 압연 열처리된 Ni, Ni계 합금(Ni-W, Ni-Cr, Ni-Cr-W등), 은, 은 합금, Ni-은 복합체 등의 입방정계 금속일 수 있다. 상기 산화물 버퍼층은 세라믹 중간층, MgO, LaAlO3, LaMnO3, 또는 SrTiO3 등일 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 모재와 그 상부의 세라믹 물질과의 반응을 방지하고 2축 배향된 집합조직의 결정성을 전달하는 역할을 한다.
상기 세라믹 전구체막은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 세라믹 전구체막은, 예를 들면 증발법(co-evaporation), 레이저 어블레이션(laser ablation), CVD, 유기금속 증착법(Metal Organic Deposition: MOD), 또는 졸-겔(sol-gel) 방법으로 형성될 수 있다.
일 방법으로, 상기 세라믹 전구체막은 증발법으로 형성될 수 있다. 상기 증발법은 희토류 원소(Re) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 담은 그릇들에 전자 빔을 조사하여, 생성되는 금속 증기(metal vapor)를 상기 선재 기판 상에 제공하여 세라믹 전구체막(precursor film)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 상기 희토류 원소(Re)는 이트륨(Y) 및 란타늄족 원소 또는 이들의 조합인 것으로 이해될 수 있다. 란타늄족 원소는 잘 알려진 바와 같이, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 등을 포함한다.
다른 방법으로, 상기 세라믹 전구체막은 유기금속 증착법(Metal Organic Deposition: MOD)으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 유기 용매에 희토류(Re)-아세테이트, 바륨(Ba)-아세테이트, 구리(Cu)-아세테이트를 용해시키고, 증발 증류 및 재용해-중합(Refluxing) 공정을 거쳐서, 희토류 원소(Re) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 포함하는 금속 전구용액을 제조한다. 상기 선재 기판 상에 상기 금속 전구용액을 도포한다.
도 2를 참조하여, 상기 제 1 단계(S10)에서 형성된 상기 세라믹 전구체막인 ReBCO는 Re2BaCuO5(이하, "211"), ReBa3Cu2O6(이하, "132") 및 BaCu2O2(이하, "012")로 분해된 상태로 이해될 수 있다. 여기서 "012"는 저온에서 고체 상태이다. 즉, ReBCO의 분해 과정에서 "012"의 고체 상태가 나타난다. "012"은 해칭된 영역들에서 액체 상태를 갖는다. 회색 영역(gray area)은 열역학적으로 안정된 ReBCO를 갖는다.
제 2 단계(S20)로, 상기 세라믹 전구체 막이 증착된 상기 선재 기판이 열처리된다. ReBCO의 분해 성분 중 "012"이 액체 상태를 갖도록, 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절된다.(S21) 이때, ReBCO는 액체 상태의 "012" 내에 "211" 및 "132"가 녹아 있는 것으로 이해될 수 있다.(도 2의 영역 A) 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, 경계선 I를 지남에 따라, "012" 액체 상태로부터 안정된 에피택시 ReBCO 막이 형성될 수 있다.(S22) 보다 구체적으로, 액체 상태의 "012" 내에 녹아 있던 "211" 및 "132"으로부터, 상기 선재 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 ReBCO 막이 에피 성장할 수 있다.(도 2의 영역 B)
도 3을 참조하여, 이와 같은 방법으로 버퍼층(11)을 갖는 선재 기판(10) 상에 형성된 ReBCO 막(12)은, 상기 버퍼층(11)에 인접하고 초전도상을 갖는 제 1 부분(13)과, 상기 제 1 부분(13) 상에 초전도상과 다른 상을 갖는 제 2 부분(14)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 부분(13)에서 희토류: 바륨: 구리의 비는 1: 2: 3이고, 상기 제 2 부분(14)에서 희토류: 바륨: 구리의 비는 1: 2: 3과 다를 수 있다. 왜냐하면, ReBCO 막의 하부에서 상기 액체 상태의 "012"에 녹아 있던 "211" 및 "132"으로부터 ReBCO 막이 에피 성장되는 동안, 상기 ReBCO 에피 박막의 상부에는 여전히 세라믹 전구체가 잔존한다. 이에 따라, 최종적으로 형성된 ReBCO 막의 상부 표면은 상기 제 2 부분(14)으로, 상기 세라믹 전구체의 흔적인 비화학량론적인 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제 2 부분(14)은 상기 제 1 부분(13)과 다른 결정 구조를 갖는 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 상기 제 1 부분(13)은 Re2O3 알갱이를 추가적으로 함유할 수 있다.
한편, 전술한 ReBCO 막 형성 방법에서, 상기 세라믹 전구체막은 희토류: 바륨: 구리의 비가 1: x: 3(0 < x < 2), 예를 들면 1: 1.5: 3이 되도록 형성될 수 있다. 일반적으로 1: 2: 3의 비를 갖는 ReBCO 전구체는 공기 중에서 분해되는 불안정(unstable) 구조인 반면, 예를 들면 1: 1.5: 3의 비를 갖는 ReBCO 전구체는 공기 중에서도 안정된 구조를 가질 수 있다. 때문에, 1: 2: 3의 비를 갖는 ReBCO 전구체막은 열처리 공정 전까지 진공 하에 있어야 하지만, 1: 1.5: 3의 비를 갖는 ReBCO 전구체막은 공기 중에 노출될 수 있다. 1: x: 3(0 < x < 2)의 비를 갖는 ReBCO 전구체막은 전술한 열처리 공정에 의하여, 희토류: 바륨: 구리의 비가 1: 2: 3인 제 1 부분(13)과, 상기 제 1 부분(13) 상에 희토류: 바륨: 구리의 비가 1: 2: 3과는 다른 상기 제 2 부분(14)을 포함하는 ReBCO 초전도막으로 될 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 부분(14)은 고체 상태의 "012"를 포함할 수 있다. "211" 및 "132"는 상기 제 1 부분(13)의 에피 성장 동안 소모되었다.
본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재의 형성방법이, 도 2의 YBCO 상태도 상의 다양한 열처리 경로의 예들을 고려하여, 보다 구체적으로 설명된다. 도 4 및 5는 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 1 및 도 4을 참조하여, 본 발명의 개념의 일 실시예에 따른 세라믹 선재의 형성방법이 설명된다.
제 1 단계(S10)로, 전술한 것과 같은 방법으로, 상기 선재 기판 상에 상기 세라믹 전구체막이 형성된다. 상기 제 1 단계(S10)에서 형성된 상기 세라믹 전구체막인 ReBCO는 Re2BaCuO5(이하, "211"), ReBa3Cu2O6(이하, "132") 및 BaCu2O2(이하, "012")로 분해된 상태로 이해될 수 있다. 여기서 "012"는 저온에서 고체 상태이다. 즉, ReBCO의 분해 과정에서 "012"의 고체 상태가 나타난다.
제 2 단계(S20)로, 상기 세라믹 전구체막이 증착된 상기 선재 기판이 열처리된다. 상기 열처리 공정은, 도 4의 상태도의 경로를 따라 수행될 수 있다. 경로 1을 따른 열처리 공정은 상대적으로 낮은 산소 분압(예를 들면, 1×10-5 ~ 1×10-4 Torr) 하에서 수행된다. 열처리 온도는 상온에서 대략 800℃으로 증가될 수 있다.
ReBCO의 분해 성분 중 "012"이 액체 상태를 갖도록, 도 4의 상태도의 경로 2를 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절된다.(S21) 상기 산소 분압은, 예를 들면 1×10-2 ~ 3×10-1 Torr로 증가될 수 있다. 상기 열처리 온도는, 예를 들면 800℃ 이상일 수 있다. 이때, ReBCO는 액체 상태의 "012" 내에 "211" 및 "132"가 녹아 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 4의 상태도의 경로 3을 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, 경계선 I를 지남에 따라 "012" 액체 상태로부터 안정된 에피택시 ReBCO 막이 형성될 수 있다.(S22) 상기 산소 분압은, 예를 들면 5×10-2 ~ 3×10-1 Torr일 수 있다. 상기 열처리 온도는 800℃ 이하의 온도, 예를 들면 상온으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 액체 상태의 "012" 내에 녹아 있던 "211" 및 "132"으로부터, 상기 선재 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 ReBCO 막이 에피 성장할 수 있다.
도 5는 본 발명의 개념의 다른 실시예에 따른 세라믹 선재의 형성방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 개념의 다른 실시예에 따른 세라믹 선재의 형성방법이 설명된다. 설명의 간결함을 위하여, 전술한 일 실시예와 중복되는 기술적 특징들에 동일한 설명 및 동일한 기능을 하는 기술적 특징들은 생략된다.
제 1 단계(10)로, 전술한 일 실시예와 같은 방법으로, 상기 선재 기판 상에 세라믹 전구체막이 형성된다. 제 2 단계(S20)로, 상기 세라믹 전구체막이 증착된 상기 선재 기판이 열처리된다. 상기 열처리 공정은 도 5의 상태도의 경로를 따라 수행될 수 있다. 경로 1을 따른 열처리는, 예를 들면 5×10-2 ~ 3×10-1 Torr의 산소 분압 하에서 수행될 수 있다. 열처리 온도는 상온에서 대략 800℃ 이상으로 증가될 수 있다. 경로 1을 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, "012"이 액체 상태를 가질 수 있다. 이때, ReBCO는 액체 상태의 "012" 내에 "211" 및 "132"가 녹아 있는 것으로 이해될 수 있다. (S21)
도 5의 상태도의 경로 2를 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어 경계선 I를 지남에 따라 안정된 ReBCO 막이 형성될 수 있다.(S22) 상기 산소 분압은, 예를 들면 5×10-2 ~ 3×10-1 Torr일 수 있다. 상기 열처리 온도는 800℃ 이하의 온도, 예를 들면 상온으로 감소될 수 있다. 보다 구체적으로, 액체 상태의 "012" 내에 녹아 있던 "211" 및 "132"으로부터, 상기 선재 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 ReBCO 막이 에피 성장할 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 ReBCO 막의 성장 과정은 액상 에피 성장법(liquid Phase Epitaxy: LPE)과 유사하다. 한편, 도 2, 도 4 및 도 5는 YBCO의 상태도를 나타내기 때문에, 구체적인 산소 분압 및 열처리 온도는 희토류 원소(Re)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성 시스템의 일 예가 개략적으로 설명된다. 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명되는 세라믹 선재 형성 시스템은 본 발명의 개념에 따른 일 예이고, 본 발명의 개념이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 6을 참조하여, 상기 세라믹 선재 형성장치는 선재 기판 상에 세라믹 전구체막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛(100), 상기 박막 증착 유닛(100)에서 형성된 세라믹 전구체막을 포함하는 선재 기판을 열처리하기 의한 열처리 유닛(200) 및 선재 공급/회수 유닛(300)을 포함한다. 상기 박막 증착 유닛(100), 상기 열처리 유닛(200) 및 상기 선재 공급/회수 유닛(300) 사이에 상기 선재 기판이 통과하고 진공을 유지할 수 있는 진공 파이프(20)가 추가로 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성장치의 박막 증착 유닛(100)의 단면을 개략적으로 도시한다. 도 6 및 도 7을 참조하여, 상기 박막 증착 유닛(100)은, 공정 챔버(110), 릴투릴(reel to reel) 장치(120), 및 증착부재(130)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 공정 챔버(110)는 상기 선재 기판(10)에 상기 세라믹 전구체막을 형성하는 증착 공정이 이루어지는 공간을 제공한다. 상기 공정 챔버(110)는 서로 마주보는 제 1 측벽(111) 및 제 2 측벽(112)을 포함한다. 상기 제 1 측벽(111)에 상기 선재 공급/회수 유닛(300)과 연결되는 인입부(113)가 제공되고, 상기 제 2 측벽(112)에 상기 열처리 유닛(200)에 연결되는 인출부(114)가 제공된다. 상기 선재 기판(10)은 상기 선재 공급/회수 유닛(300)으로부터 상기 인입부(113)를 통해 상기 공정 챔버(110) 안으로 인입되고, 상기 인출부(114)를 통해 상기 열처리 유닛(200)으로 인입된다.
상기 증착부재(130)는 상기 릴투릴 장치(120)의 아래에 제공될 수 있다. 상기 선재 기판(10)의 표면에 상기 세라믹 물질의 증기를 제공한다. 일 실시예로, 상기 증착부재(130)는 증발법(co-evaporation)을 이용하여, 상기 선재 기판(10) 상에 상기 세라믹 전구체막을 제공할 수 있다. 상기 증착부재(130)는, 상기 선재 기판(10) 하부에, 전자빔에 의하여 금속 증기를 제공하는 금속 증기 소스들(131, 132,133)을 포함할 수 있다. 상기 금속 증기 소스들은 희토류를 위한 소스, 바륨을 위한 소스 및 구리를 위한 소스를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다. 도 7 및 도 8을 참조하여, 상기 릴투릴 장치(120)는 제 1 릴 부재(121) 및 제 2 릴부재(122)를 포함하며, 상기 제 1 릴부재(121) 및 제 2 릴부재(122)는 서로 이격되어 마주한다. 상기 증착부재(130)는 상기 제 1 릴부재(121)와 상기 제 2 릴부재(122) 사이에 위치하는 상기 선재 기판의 아래에 위치한다. 상기 제 1 릴부재(121) 및 제 2 릴부재(122)는 상기 세라믹 전구체막의 증착이 이루어지는 영역에서 상기 선재 기판(10)을 멀티턴(multiturn)시킨다. 즉, 상기 선재 기판(10)은 상기 제 1 릴부재(121)와 상기 제 2 릴부재(122) 사이를 왕복하며 상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122)에 턴된다. 상기 제 1 릴부재(121)는 상기 공정 챔버(110)의 제 1 측벽(111)에 인접하여 제공되고, 상기 제 2 릴부재(122)는 상기 공정 챔버(110)의 제 2 측벽(112)에 인접하여 제공될 수 있다. 상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122)는 서로 동일한 구성을 가질 수 있다. 상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122)는 상기 선재 기판(10)의 왕복 방향에 교차하는 방향으로 연장할 수 있다.
상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122)는 각각 상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122) 의 연장 방향으로 배치되어 결합되는 릴들을 포함한다. 상기 선재 기판(10)는 각각의 릴에서 한번 씩 턴한다. 각각의 릴은 독립적으로 구동될 수 있으며, 상기 선재 기판(10)과의 마찰력에 의해서 회전된다. 평면상에서 볼 때, 상기 제 2 릴부재(122)는 상기 선재 기판(10)의 멀티턴을 위해 상기 제 1 릴부재(121)와 약간 어긋나게 배치된다. 상기 선재 기판(10)은 상기 제 1 릴부재(121) 및 상기 제 2 릴부재(122)를 오가면서, 상기 제 1 릴부재 및 상기 제 2 릴부재(122)의 연장 방향으로 이동한다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 세라믹 선재 형성장치의 열처리 유닛(200)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 9를 참조하여, 상기 열처리 유닛(200)은 상기 선재 기판(10)을 연속적으로 통과시킬 수 있고 차례로 인접한 제 1 용기(210), 제 2 용기(220) 및 제 3 용기(230)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230)는 서로 이격된다. 상기 제 2 용기(220)의 중심 부분은, 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230)가 서로 이격된 공간에 대응될 수 있다. 상기 제 2 용기(220)는 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230) 각각의 일부들을 둘러싸도록 구성된다. 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 실린더형의 석영관(quartz)으로 구성될 수 있다. 상기 제 1 용기(210)는 상기 박막 증착 유닛(100)의 상기 인출부(114)와 연결될 수 있다. 상기 제 1 용기 및 상기 제 3 용기는 그 양단에 상기 선재 기판(10)이 통과할 수 있는 인입부들 및 인출부들(211, 212, 231, 232)을 포함할 수있다. 상기 선재 기판(10)은, 상기 제 1 용기의 제 1 인입부(211)로 인입되어 상기 제 1 용기의 제 1 인출부(212)로 인출되고, 상기 제 2 용기의 중심 부분을 통과하고, 상기 제 3 용기의 제 2 인입부(231)로 인입되어 상기 제 3 용기의 제 2 인출부(232)로 인출될 수 있다.
상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 독립적인 진공을 유지할 수 있다. 이를 위하여 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 각각 별도의 펌핑 포트들(214, 224, 234)을 가질 수 있다. 산소공급 라인들(215, 225, 235)을 통하여 산소가 공급되어, 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230) 내의 산소 분압이 서로 독립적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 용기(210) 내의 산소 분압은 상기 제 3 용기(230) 내의 산소 분압 보다 낮고, 상기 제 2 용기(220) 내의 산소 분압은 상기 제 1 용기(210) 내와 상기 제 3 용기(230) 내의 산소 분압의 사이로 유지되도록 될 수 있다. 상기 제 1 용기(210)에 인접한 부분에서 상기 제 3 용기(230)에 인접한 부분으로 갈수록, 상기 제 2 용기(220) 내의 산소 분압은 증가할 수 있다.
상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 이들을 둘러싸는 열처리로 내에 제공된다. 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230)가 이격된 부분이 상기 열처리로의 중심 부근에 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 용기(220)의 중심 부근의 온도는 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230) 내의 온도 보다 높게 유지될 수 있다. 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230) 내의 온도는 상기 제 2 용기(220)의 중심 부분으로부터 멀어질수록 낮아질 수 있다.
도 4를 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 열처리 과정이 도 9에서 전술한 열처리 유닛(200)과 함께 설명된다. 상기 경로 1의 처리 과정은 상기 선재 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 상기 제 1 용기(210)를 통과하면서 수행될 수 있다. 상기 제 1 용기(210)는 상대적으로 낮은 산소 분압(예를 들면, 1×10-5 ~ 1×10-4 Torr)을 가질 수 있다. 상기 제 1 용기(210) 내의 온도는 상기 제 1 인입부(211)으로부터 증가되어 상기 제 1 인출부(212)에서 대략 800℃가 될 수 있다. 상기 경로 2의 처리 과정은 상기 선재 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 상기 제 2 용기(220)의 중심 부분을 통과하면서 수행될 수 있다. 상기 제 2 용기(220)은, 예를 들면 1×10-2 ~ 3×10-1 Torr의 산소 분압을 가질 수 있다. 상기 제 1 용기(210)에 인접한 부분에서 상기 제 3 용기(230)에 인접한 부분으로 갈수록, 상기 제 2 용기(220) 내의 산소 분압은 증가할 수 있다. 상기 제 2 용기(220)의 중심 부분의 온도는 대략 800℃ 이상일 수 있다. 상기 경로 3의 처리 과정은 상기 선재 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 상기 제 3 용기(230)를 통과하면서 수행될 수 있다. 상기 제 3 용기(230)는, 예를 들면 5×10-2 ~ 3×10-1 Torr의 산소 분압을 가질 수 있다. 상기 제 3 용기(230) 내의 온도는 상기 제 2 인입부(221)의 대략 800℃로부터 상기 제 2 인출부(222)로 갈수록 감소할 수 있다.
도 5를 참조하여 설명된 다른 실시예에 따른 열처리 과정이 도 9에서 전술한 열처리 유닛(200)과 함께 설명된다. 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 독립적인 진공을 유지하지 않도록 구성된다. 예를 들면, 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 하나의 펌핑 포트에 의하여 진공을 유지할 수 있다. 다른 예로, 상기 제 1 용기(210), 상기 제 2 용기(220) 및 상기 제 3 용기(230)는 하나의 실린더형의 용기일 수 있다.
상기 경로 1의 처리 과정은 상기 선재 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 인입부로부터 중심 부분을 향하는 과정에서 수행될 수 있다. 상기 경로 2의 처리 과정은 상기 선재 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 중심 부분에서 인출부로 향하는 과정에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 유닛(200)은, 예를 들면 1×10-2 ~ 3×10-1 Torr의 산소 분압을 가질 수 있다. 상기 열처리 유닛(200)의 중심 부분의 온도는 대략 800℃ 이상일 수 있다. 상기 열처리 유닛(200) 내의 온도는 상기 중심 부분으로부터 상기 인입부 및 상기 인출부로 향할수록 낮아질 수 있다.
전술한 예에서는, 상기 박막 증착 유닛(100), 상기 열처리 유닛(200) 및 상기 선재 공급/회수 유닛(300)이 일체로 구성되어, 상기 선재 기판(10)이 연속적으로 이송되는 것이 설명되었지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 먼저 상기 선재 공급/회수 유닛이 상기 박막 증착 유닛(100) 및 상기 열처리 유닛(200) 각각에 별도로 제공될 수 있다. 먼저, 상기 선재 기판(10)을 감은 릴이 상기 박막 증착 유닛(100)의 상기 선재 공급/회수 유닛에 장착된다. 상기 박막 증착 유닛(100)에서, 상기 선재 기판(10) 상에 상기 세라믹 전구체막이 형성된다. 상기 박막 증착 유닛(100)은 전술한 예와 다른 구조일 수 있다. 예를 들면, 상기 박막 증착 유닛(100)은 유기금속 증착(Metal Organic Deposition: MOD)을 위한 것일 수 있다. 다음, 상기 세라믹 전구체막이 형성된 상기 선재 기판(10)을 감은 상기 릴, 상기 박막 증착 유닛(100)으로부터 분리된다. 상기 세라믹 전구체막이 형성된 선재 기판(10)은 상기 열처리 유닛(200)에 장착될 수 있다. 이후 상기 세라믹 전구체막이 형성된 상기 선재 기판(10)은 열처리된다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 세라믹 선재의 전기적 구조적 특성을 나타낸다. 본 발명의 개념에 따라, 예를 들어 형성된 세라믹 선재는 SmBa2Cu3O7-x이었고, 그 두께는 1.5㎛이었다.
도 10은 본 발명의 개념에 따라 형성된 SmBa2Cu3O7 -x 세라믹 선재의 임계온도(Tc)가 94.5K인 것을 보여주었다. 도 11은 본 발명의 개념에 따라 형성된 SmBa2Cu3O7-x 세라믹 선재의 전기적 특성을 보여준다. 측정에 사용된 세라믹 선재는 SmBa2Cu3O7-x 상에 Ag가 덮힌 구조로, 410A 정도의 임계전류(Ic)를 보였고, 임계전류 밀도는 2.27MA/cm2이었다. 도 12 및 도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 SmBa2Cu3O7-x 세라믹 선재의 결정성을 나타낸다. 우수한 결정 특성을 보였다.
100: 박막 증착 유닛
200: 열처리 유닛
300: 공급/회수 유닛

Claims (4)

  1. 선재 기판 상에 세라믹 박막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛; 및
    상기 박막 증착 유닛에서 형성된 세라믹 박막을 포함하는 선재 기판을 열처리하기 의한 열처리 유닛을 포함하고,
    상기 열처리 유닛은, 상기 선재 기판을 연속적으로 통과시킬 수 있고 차례로 인접한 제 1 용기, 제 2 용기 및 제 3 용기를 포함하고, 상기 제 1 용기, 상기 제 2 용기 및 상기 제 3 용기는 서로 독립적으로 펌핑되어 독립적인 진공을 유지할 수 있고 서로 독립적으로 온도를 유지할 수 있도록 구성된 세라믹 선재 형성 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 용기 내의 산소 분압은 상기 제 3 용기 내의 산소 분압 보다 낮고, 상기 제 2 용기 내의 산소 분압은 상기 제 1 용기 내와 상기 제 3 용기 내의 산소 분압의 사이로 유지되는 세라믹 선재 형성 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 용기 내의 온도는 상기 제 1 용기 및 상기 제 3 용기 내의 온도 보다 높은 세라믹 선재 형성 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 용기 및 상기 제 3 용기 내의 온도는 상기 제 2 용기로부터 떨어질수록 낮아지는 세라믹 선재 형성 시스템.
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