KR20130084639A - 초전도 선재 및 초전도 선재 형성방법 - Google Patents
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Abstract
초전도 선재의 형성방법이 기술된다. 상기 방법은 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층이 형성된 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하고, 그리고 상기 초전도 전구체 막이 증착된 기판을 열처리하여, 상기 기판 상에 자속 고정점들을 함유하는 초전도막을 형성하는 것을 포함한다. 상기 자속 고정점들은 상기 버퍼층을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막을 구성하는 적어도 하나의 원소를 포함한다.
Description
본 발명은 초전도 선재에 관한 것이다.
초전도체(superconductor)는 낮은 온도에서 전기 저항이 사라져 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 전력기기의 전력손실을 줄일 수 있으며, MRI, 초전도 자기부상열차 및 초전도 추진선박 등과 같은 분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일 과제는 자속 고정점들을 함유하는 초전도 선재를 제공한다.
본 발명의 다른 과제는 자속 고정점들을 함유하는 초전도 선재를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 초전도 선재 형성방법을 제공한다. 상기 방법은 기판 상에 피닝 씨드층을 형성하고; 상기 피닝 씨드층이 형성된 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하고; 그리고 상기 초전도 전구체 막이 증착된 기판을 열처리하여, 상기 기판 상에 자속 고정점들을 함유하는 초전도막을 형성하는 것을 포함하고, 상기 자속 고정점들은 상기 피닝 씨드층을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막을 구성하는 적어도 하나의 원소를 포함한다.
상기 초전도 전구체 막을 증착하는 것은, 상기 기판 상에 희토류, 바륨 및 구리를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 초전도 전구체 막은 반응성 동시 증발(reactive co-evaporation) 방법으로 형성될 수 있다.
상기 피닝 씨드층은 지르코늄 산화물, 지르코늄, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 티타늄, 하프늄 산화물, 하프늄, 이트륨 산화물, 세슘 산화물 또는 세륨을 포함할 수 있다.
상기 자속 고정점들은 바륨 지르코늄 산화물, 바륨 티타늄 산화물, 바륨 하프늄 산화물 또는 바륨 세륨 산화물을 포함할 수 있다.
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 또는 금속 기판 상에 집합조직을 갖는 산화물 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 발명은 초전도 선재를 제공한다. 상기 초전도 선재는 상기 기판 상의 피닝 씨드층; 및 상기 피닝 씨드층과 직접 접촉하고 상기 기판에 수직으로 나열된 자속 고정점들을 함유하는 초전도막을 포함하고, 상기 자속 고정점들은 상기 피닝 씨드층을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막을 구성하는 적어도 하나의 원소를 포함한다.
상기 초전도막은 희토류, 바륨 및 구리를 포함할 수 있다.
상기 자속 고정점들은 바륨 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속, 또는 금속 기판 상에 집합조직을 갖는 산화물 버퍼층을 포함할 수 있다.
반응성 동시 증발방법을 사용하여 초전도막을 형성할 때, 자속고정점들(pinning centers)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재의 형성방법을 설명하는 단면도들이다.
도 6은 YBCO의 상태도(phase diagram)를 나타낸다.
도 7은 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 8은 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 막 증착 유닛의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 개념에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 열처리 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 초전도 선재의 전기적 물리적 특성을 나타낸다.
도 6은 YBCO의 상태도(phase diagram)를 나타낸다.
도 7은 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타낸다.
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도 9는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 막 증착 유닛의 단면을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 개념에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 열처리 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 초전도 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.
이하의 실시예들에서는 초전도체 YBCO 및 SmBCO가 설명되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 초전도체는 REBCO를 포함할 수 있다. REBCO는 RE1 + xBa2 - xCu3O7 -y로 나타낼 수 있으며, 이 때 0 ≤ x ≤ 0.5, 0 ≤ y ≤ 0.5 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 1 내지 도 5는 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타내는 단면도들이다. 도 6은 YBCO의 상태도(phase diagram)이다. 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재의 형성방법이 개략적으로 설명된다.
도 1을 참조하여, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 2축 배향된 집합조직(biaxially aligned textured structure)을 가질 수 있다. 상기 기판(10)은 금속 기판일 수 있다. 상기 금속 기판은, 압연 열처리된 Ni, Ni계 합금(Ni-W, Ni-Cr, Ni-Cr-W 등), 스테인레스, 은, 은 합금, Ni-은 복합체 등의 입방정계 금속일 수 있다. 상기 기판(10)은 선재를 위한 테이프 형상일 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 기판(10) 상에 IBAD 층(20)이 형성될 수 있다. 상기 IBAD층(20)은 순차적으로 적층된 확산 방지막(예를 들면, Al2O3), 씨드막(예를 들면, Y2O3), 및 MgO 막을 포함할 수 있다. 상기 IBAD 층(20)은 IBAD 방법으로 형성된다. 상기 MgO 막 상에 에피택시 성장된 호모 에피 MgO(homoepi-MgO) 막이 더 형성될 수 있다. 상기 IBAD 층(20) 상에 버퍼층(30)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(30)은 LaMnO3, LaAlO3, 또는 SrTiO3 을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(30)은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다. 상기 IBAD층 (20) 및 상기 버퍼층(30)은 상기 금속 기판과 그 상부의 초전도 물질과의 반응을 방지하고 2축 배향된 집합조직의 결정성을 전달하는 역할을 한다.
도 3을 참조하여, 상기 버퍼층(30) 상에 피닝 씨드층(pinning seed layer, 40)이 형성된다. 상기 피닝 씨드층(40)은 초전도체 내에 자속 고정점들을 형성하는 것을 유도할 수 있는 물질을 포함한다. 상기 피닝 씨드층(40)은, 예를 들면 지르코늄 산화물, 지르코늄, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 티타늄, 하프늄 산화물, 하프늄, 이트륨 산화물, 세륨 산화물 또는 세륨을 포함할 수 있다. 지르코늄 산화물, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 하프늄 산화물, 이트륨 산화물, 세륨 산화물 등의 금속 산화물들은 바륨을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 피닝 씨드층(40)은 스퍼터링 방법 또는 전자빔 증착 방법으로 형성될 수 있다. 상기 피닝 씨드층(40)의 두께는 대략 수십 nm일 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 피닝 씨드층(40) 상에 초전도 전구체 막(precursor film, 50)이 형성된다. 상기 초전도 전구체 막(50)은 결정화가 진행되지 않은 비정질 상태로 이해될 수 있다. 상기 초전도 전구체 막(50)은, 예를 들어 희토류 원소(RE) 중의 적어도 하나, 구리(Cu) 및 바륨(Ba)을 포함할 수 있다.
상기 초전도 전구체 막(50)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 초전도 전구체 막(50)은, 예를 들면 증발법(reactive 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 초전도 전구체 막(50)은 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 기판 상에 제공하여 초전도 전구체 막을 증착할 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 초전도 전구체 막(50)은 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 기판 상에 상기 금속 전구용액을 도포한다.
도 5를 참조하여, 상기 초전도 전구체 막(50)이 형성된 상기 기판(10)이 열처리되어, 상기 기판(10) 상에 초전도막(51)이 에피택시 성장된다. 상기 열처리에 의하여, 상기 피닝 씨드층(40)의 물질이 상기 초전도 전구체 막(50)으로 이동할 수 있다. 상기 초전도 전구체 막(50)으로 이동한 상기 피닝 씨드층(40)의 물질은 상기 초전도 전구체 막(50)을 구성하는 물질과 빠르게 반응하여 나노 사이즈(nanoscale)의 결함들(defect, 53)을 생성할 수 있다. 이에 따라, 에피택시 성장된 초전도막(51) 내에 생성된 상기 결함들(53)은 초전도체의 자속 고정점들로 기능할 수 있다. 상기 결함들(53)은 서로 분리된 덩어리들로, 상기 기판(10)에 수직으로 나열될 수 있다. 상기 결함들(53)은 상기 피닝 씨드층(40)을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막(50)을 구성하는 적어도 하나의 원소(예를 들면, 바륨)를 포함할 수 있다. 상기 결함들(53)은 바륨 금속 산화물, 예를 들면 바륨 지르코늄 산화물, 바륨 티타늄 산화물, 바륨 하프늄 산화물 또는 바륨 세륨 산화물을 포함할 수 있다. 도면에서는 상기 피닝 씨드층(40)이 잔존하지만, 이에 한정되지 않고 상기 피닝 씨드층(40)의 물질 모두가 상기 결함들(53)로 이동하여 잔존하지 않을 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 초전도 전구체 막(50)의 열처리가 더욱 상세하게 설명된다. 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 상기 초전도 전구체 막(50)인 REBCO는 RE2BaCuO5(이하, "211"), RE2O3(이하, "100"), REBa3Cu2O2(이하, "132") 및 액상(이하 "L") 상태로 이해될 수 있다. 여기서 "L"은 Ba, Cu 및 O가 주성분이고 RE가 녹아 들어갈 수 있는 액체 상태이다. 회색 영역(gray area)은 열역학적으로 안정된 REBCO를 갖는다.
상기 초전도 전구체 막(50)이 형성된 상기 기판이 열처리된다. REBCO의 분해 성분 중 Ba, Cu 및 O가 주성분이며 RE가 일부 녹아 들어갈 수 있는 액체 상태("L")를 갖도록, 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절된다. 이때, REBCO는 "L"과 "100" 이 공존하는 영역을 지나면서 형성될 수 있다.(도 6의 영역 A) 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, 도 6의 영역 A으로부터 경계선 I를 지남에 따라, 액체 상태인 "L" 로부터 "100" 의 반응을 통해 안정된 에피택시 초전도막이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, "L" 내에 공존하던 "100"으로부터, 상기 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 초전도막(51)이 에피택시 성장할 수 있다.(도 6의 영역 B)
도 5를 다시 참조하여, 이와 같은 방법으로 형성된 REBCO의 초전도막(51) 상에 초전도상과 다른 상을 갖는 잔류막(55)이 추가적으로 형성될 수 있다. 상기 REBCO의 초전도막(51)에서 희토류: 바륨: 구리의 비는 1: 2: 3이고, 상기 잔류막(55)에서 희토류: 바륨: 구리의 비는 1: 2: 3과 다를 수 있다. 왜냐하면, REBCO의 초전도막(51)의 하부에서 상기 "L"과 "100"으로부터 REBCO의 초전도막이 에피 성장되는 동안, 상기 REBCO의 초전도막 상에는 여전히 초전도 전구체가 잔존한다. 이에 따라, 최종적으로 형성된 REBCO의 초전도막(51) 상에는 상기 초전도 전구체의 흔적인 비화학량론적인 산화물을 포함하는 상기 잔류막(55)이 형성될 수 있다. 상기 잔류막(55)은 상기 REBCO의 초전도막(51)과 다른 결정 구조를 갖는 적어도 하나의 상을 포함할 수 있다. 상기 REBCO의 초전도막(51)은 "100" 알갱이를 추가적으로 함유할 수 있다.
한편, 전술한 REBCO의 초전도막(51) 형성 방법에서, 상기 초전도 전구체 막(50)은 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 전구체는 열처리 공정 전까지 진공 하에 있어야 하지만, 1: 1.5: 3의 비를 갖는 REBCO 전구체는 공기 중에 노출될 수 있다. 1: x: 3(0 < x < 2)의 비를 갖는 REBCO 전구체는 전술한 열처리 공정에 의하여, 희토류: 바륨: 구리의 비가 1: 2: 3인 REBCO의 초전도막(51)과, 상기 REBCO의 초전도막(51) 상에 희토류: 바륨: 구리의 비가 1: 2: 3과는 다른 상기 잔류막(55)이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 잔류막(55)은 고체 상태의 BaCu2O2(이하, "012")를 포함할 수 있다. "100"은 상기 REBCO의 초전도막(51)의 에피 성장 동안 소모되었다.
본 발명의 개념에 따른 초전도 선재의 형성방법이, 도 6의 YBCO 상태도 상의 다양한 열처리 경로의 예들을 고려하여, 보다 구체적으로 설명된다. 도 7 및 8은 YBCO의 상태도(phase diagram)로, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타낸다.
도 7을 참조하여, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법이 설명된다.
전술한 것과 같은 방법으로, 상기 기판 상에 상기 초전도 전구체 막이 형성된다. 상기 초전도 전구체 막인 REBCO는 "100"과 "L"로 분해된 상태로 이해될 수 있다. 여기서 "L"은 저온에서 고체 상태로 존재하고, 이러한 고체의 주성분은 "012"이다. 즉, REBCO의 분해 과정에서 "012"의 고체 상태가 나타난다.
상기 초전도 전구체 막이 형성된 상기 기판이 열처리된다. 상기 열처리 공정은, 도 7의 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 7의 상태도의 경로 2를 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절된다. 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 "L"과 "100"이 공존하고 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 7의 상태도의 경로 3을 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어, 경계선 I를 지남에 따라 "L"로부터 안정된 에피택시 REBCO의 초전도막이 형성될 수 있다. 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 "L"과 공존하는 "100"으로부터, 상기 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 REBCO 의 초전도막이 에피택시 성장할 수 있다.
도 8은 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 초전도 선재의 형성방법을 나타내는 상태도이다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 개념의 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 형성방법이 설명된다. 설명의 간결함을 위하여, 전술한 일 실시예와 중복되는 기술적 특징들에 동일한 설명 및 동일한 기능을 하는 기술적 특징들은 생략된다.
전술한 일 실시예와 같은 방법으로, 상기 기판 상에 초전도 전구체 막이 형성된다. 상기 초전도 전구체 막이 증착된 상기 기판이 열처리된다. 상기 열처리 공정은 도 8의 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 "L"과 "100"이 공존하고 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 8의 상태도의 경로 2를 따라 산소 분압 및/또는 열처리 온도가 조절되어 경계선 I를 지남에 따라 안정된 REBCO의 초전도막이 형성될 수 있다. 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 "L"과 공존하고 있던 "100"로부터, 상기 기판의 표면 상에 핵이 생성되고, 이로부터 REBCO 초전도막이 에피택시 성장할 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 REBCO의 초전도막의 성장 과정은 액상 에피택시 성장법(liquid Phase Epitaxy: LPE)과 유사하다. 한편, 도 6, 도 7 및 도 8은 YBCO의 상태도를 나타내기 때문에, 구체적인 산소 분압 및 열처리 온도는 희토류 원소(RE)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성 시스템의 일 예가 개략적으로 설명된다. 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명되는 초전도 선재 형성 시스템은 본 발명의 개념에 따른 일 예이고, 본 발명의 개념이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 9를 참조하여, 상기 초전도 선재 형성장치는 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하기 위한 박막 증착 유닛(100), 상기 박막 증착 유닛(100)에서 형성된 초전도 전구체 막을 포함하는 기판을 열처리하기 의한 열 처리 유닛(200) 및 기판 공급/회수 유닛(300)을 포함한다. 상기 박막 증착 유닛(100), 상기 열 처리 유닛(200) 및 상기 기판 공급/회수 유닛(300) 사이에 상기 기판이 통과하고 진공을 유지할 수 있는 진공 로드(20)가 추가로 제공될 수 있다.
도 10은 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 박막 증착 유닛(100)의 단면을 개략적으로 도시한다. 도 9 및 도 10을 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 기판(10)에 상기 초전도 전구체 막을 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 기판 공급/회수 유닛(300)과 연결되는 인입부(113)가 제공되고, 상기 제 2 측벽(112)에 상기 열 처리 유닛(200)에 연결되는 인출부(114)가 제공된다. 상기 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 열 처리 유닛(200)으로 인입된다.
상기 증착부재(130)는 상기 릴투릴 장치(120)의 아래에 제공될 수 있다. 상기 기판(10)의 표면에 상기 초전도 물질의 증기를 제공한다. 일 실시예로, 상기 증착부재(130)는 증발법(co-evaporation)을 이용하여, 상기 기판(10) 상에 상기 초전도 전구체 막을 제공할 수 있다. 상기 증착부재(130)는, 상기 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 11은 본 발명에 따른 릴투릴 장치의 평면도를 도시한다. 도 9 및 도 10을 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 기판의 아래에 위치한다. 상기 제 1 릴부재(121) 및 제 2 릴부재(122)는 상기 초전도 전구체 막의 증착이 이루어지는 영역에서 상기 기판(10)을 멀티턴(multiturn)시킨다. 즉, 상기 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 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 기판(10)는 각각의 릴에서 한번 씩 턴한다. 각각의 릴은 독립적으로 구동될 수 있으며, 상기 기판(10)과의 마찰력에 의해서 회전된다. 평면상에서 볼 때, 상기 제 2 릴부재(122)는 상기 기판(10)의 멀티턴을 위해 상기 제 1 릴부재(121)와 약간 어긋나게 배치된다. 상기 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 12는 본 발명의 개념에 따른 초전도 선재 형성장치의 열처리 유닛(200)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 12를 참조하여, 상기 열 처리 유닛(200)은 상기 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 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) 및 산소 공급부들(미도시)을 가질 수 있다. 상기 산소 공급부들을 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 퍼니스 내에 제공된다. 상기 제 1 용기(210) 및 상기 제 3 용기(230)가 이격된 부분이 상기 퍼니스의 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 7을 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 열처리 과정이 도 12에서 전술한 열처리 유닛(200)과 함께 설명된다. 상기 경로 1은 상기 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 2는 상기 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 3은 상기 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(231)의 대략 800℃로부터 상기 제 2 인출부(232)로 갈수록 감소할 수 있다.
도 8을 참조하여 설명된 다른 실시예에 따른 열처리 과정이 도 12에서 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 1은 상기 기판(10)이 상기 열처리 유닛(200)의 인입부로부터 중심 부분을 향하는 과정에서 수행될 수 있다. 상기 경로 2는 상기 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 기판 공급/회수 유닛(300)이 일체로 구성되어, 상기 기판(10)이 연속적으로 이송되는 것이 설명되었지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 먼저 상기 공급/회수 유닛이 상기 박막 증착 유닛(100) 및 상기 열처리 유닛(200) 각각에 별도로 제공될 수 있다. 먼저, 상기 기판(10)을 감은 상기 기판 공급/회수 유닛이 상기 박막 증착 유닛(100)에 장착된다. 상기 박막 증착 유닛(100)에서, 상기 기판(10) 상에 상기 초전도 전구체 막이 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 세라막 전구체 막이 형성된 상기 기판(10)을 감은 상기 선재 공급/회수 유닛은, 상기 박막 증착 유닛(100)으로부터 분리된다. 상기 초전도 전구체 막이 형성된 기판(10)은 상기 열처리 유닛(200)에 장착될 수 있다. 이후 상기 세라막 전구체 막이 형성된 상기 기판(10)은 열처리된다.
도 13은 본 발명의 개념에 따라 형성된 초전도 선재와 일반적인 방법으로 형성된 초전도 선재의 외부 인가 자기장 하에서의 임계전류 특성을 나타낸다. (a)는 피닝 씨드층이 하프늄을 포함하는 경우, (b)는 피닝 씨드층이 지르코늄을 포함하는 경우이고, (c)는 일반적인 방법으로 형성된 경우이다. 초전도 물질은 SmBCO이었다. 초전도 선재의 온도는 절대온도 77 K이었고, 자기장의 세기는 6,300 가우스이었다. 자기장의 세기는 일정하게 하였고, 자기장의 방향을 바꾸면서 임계전류를 측정하였다. 그림에서 각도 0도는 자기장이 초전도 선재의 표면과 평행한 방향이고, 90도는 초전도 선재의 표면과 수직한 방향이다. 본 발명에 따른 초전도 선재의 임계전류의 크기는 각도에 따라 20% 이내에서 변하는 반면, 일반적인 초전도 선재의 임계전류의 크기는 50%이상 변한다. 초전도 선재에 임계전류 이상의 전류를 흐르면, 초전도 선재는 초전도 특성을 잃어버린다. 모터나 발전기 등의 전력 기기에서는, 그의 내부에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생하고 자기장의 방향은 제어하기 어렵다. 따라서 초전도 선재의 임계전류는 각도에 따른 가장 작은 값에 의해 결정된다. 본 발명에 따른 초전도 선재는 각도에 따른 임계전류의 변화가 매우 적기 때문에 전력 기기에 응용하기에 매우 유리하다.
Claims (10)
- 기판 상에 피닝 씨드층을 형성하고;
상기 피닝 씨드층이 형성된 기판 상에 초전도 전구체 막을 형성하고; 그리고
상기 초전도 전구체 막이 증착된 기판을 열처리하여, 상기 기판 상에 자속 고정점들을 함유하는 초전도막을 형성하는 것을 포함하고,
상기 자속 고정점들은 상기 피닝 씨드층을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막을 구성하는 적어도 하나의 원소를 포함하는 초전도 선재 형성방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 초전도 전구체 막을 증착하는 것은, 상기 기판 상에 희토류, 바륨 및 구리를 제공하는 것을 포함하는 초전도 선재 형성방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 초전도 전구체 막은 반응성 동시 증발(reactive co-evaporation) 방법으로 형성되는 초전도 선재 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 피닝 씨드층은 지르코늄 산화물, 지르코늄, 주석 산화물, 티타늄 산화물, 티타늄, 하프늄 산화물, 하프늄, 이트륨 산화물, 세륨 산화물 또는 세륨을 포함하는 초전도 선재 형성방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 자속 고정점들은 바륨 지르코늄 산화물, 바륨 티타늄 산화물, 바륨 하프늄 산화물 또는 바륨 세륨 산화물을 포함하는 초전도 선재 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속 또는 금속 기판 상에 집합조직을 갖는 산화물 버퍼층을 포함하는 초전도 선재 형성방법. - 기판;
상기 기판 상의 피닝 씨드층; 및
상기 피닝 씨드층과 직접 접촉하고 상기 기판에 수직으로 나열된 자속 고정점들을 함유하는 초전도막을 포함하고, 상기 자속 고정점들은 상기 피닝 씨드층을 구성하는 적어도 하나의 원소와 상기 초전도 전구체 막을 구성하는 적어도 하나의 원소를 포함하는 초전도 선재. - 청구항 7에 있어서,
상기 초전도막은 희토류, 바륨 및 구리를 포함하는 초전도 선재. - 청구항 8에 있어서,
상기 자속 고정점들은 바륨 금속 산화물을 포함하는 초전도 선재. - 청구항 7에 있어서,
상기 기판은 집합조직을 갖는 금속, 또는 금속 기판 상에 집합조직을 갖는 산화물 버퍼층을 포함하는 초전도 선재.
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