KR20160040383A - Rebco 초전도층 간 rebco 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법 - Google Patents

Rebco 초전도층 간 rebco 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법 Download PDF

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Abstract

2세대 REBCO 고온 초전도체의 REBCO 초전도층간 REBCO 물질의 삽입을 통한 2세대 REBCO 고온 초전도체의 영구전류모드 접합 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 방법은 REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6) 고온 초전도층 및 안정화층을 포함하는 2세대 REBCO 고온 초전도체를 접합하는 방법에 있어서, 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 오버랩(overlap) 형태로 접합되도록 하거나 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 브리지(bridge) 형태로 접합되도록 하되, 초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 박막 혹은 분말 성형체의 REBCO 물질을 삽입한 상태에서 접합 부위 가압 및 가열하여 접합을 수행하고, 접합 이후에, 접합 부위 초전도층의 산소 회복을 위한 열처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

REBCO 초전도층 간 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법 {METHOD OF PERSISTENT CURRENT MODE SPLICING OF 2G REBCO HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS BY INSERTING REBCO MATERIALS BETWEEN SUPERCONDUCTING LAYERS}
본 발명은 REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6)와 같은 초전도체(superconductor)를 포함하는 2세대 고온 초전도체의 접합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 REBCO 초전도층 간 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 REBCO 초전도층 간 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 접합 구조에 관한 것이다.
일반적으로 선재 형태의 초전도체의 접합은 다음과 같은 경우에 필요하다.
첫째로, 코일 권선시 초전도체의 길이가 짧아서 장선재로 사용하기 위하여 초전도체들을 상호 접합해야 하는 경우이다. 두번째로, 초전도체를 권선한 코일을 서로 연결하기 위하여 초전도 마그네트(magnet) 코일간의 접합이 필요한 경우이다. 세번째로, 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 요구되는 초전도 응용기기에서 초전도체를 연결하여 사용하기 위해서는, 상호 연결된 초전도체가 마치 하나의 초전도체를 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 초전도체 간의 접합부위는 일반적으로 접합되지 않은 부분보다 전기적 특성이 낮으므로 영구전류모드 운전시 임계전류는 초전도체 간의 접합부위에 크게 의존한다.
따라서 초전도체 간의 접합부위의 임계전류 특성을 향상시키는 것은 영구전류모드형 초전도 응용기기 제작에 매우 중요하다. 그러나 저온 초전도체와는 달리 고온 초전도체, 특히 2세대 고온초전도체의 경우, 그 자체가 세라믹으로 형성되므로 초전도 상태를 유지하는 접합은 매우 어렵다. 도 1은 일반적인 2세대 REBCO 고온 초전도체의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 2세대 REBCO 고온 초전도체(100)는 REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6)와 같은 고온 초전도 물질을 포함하며, 적층 구조로 테이프 형상으로 만들어진 선재에 해당한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 2세대 REBCO 고온 초전도체(100)는 REBCO 초전도층(130) 및 안정화층(140)을 포함한다. 보다 상세하게는, 일반적인 2세대 REBCO 고온 초전도체(100)는 기판(110), 버퍼층(120), REBCO 초전도층(130) 및 안정화층(140)을 포함한다.
2세대 고온초전도선재는 세라믹결정의 특성인 취성과 결정학적 이방성 때문에 요구되는 유연성과 통전성을 만족시키기 위하여 기판 금속 모재(110) 위에 여러 층의 세라믹 버퍼층(110)과 금속 박막층(140)을 적층하기 때문이며, 도 1과 같은 테이프 형태로 제작되는 이유는 기본적으로 초전도 전류를 흘리는 역할을 하는 REBCO 초전도층의 결정이 페로브스카이트(perovskite) 단위결정 3개가 결합된 구조를 가지며 여기에서 c축(단위결정에서의 수직축)에 수직인 00l 수평면으로 배향된 CuO 면이 전류통전을 담당하기 때문이다. 이 결정면의 결접립계가 약 결합(weak link) 특성이 있기 때문에 아주 적은 뒤틀림 각도(misfit angle)에서만 초전도 전류가 잘 전달되므로 단결정 수준의 소각입계 (low angle grain boundary)로 만들어져야 원하는 전류밀도를 얻을 수 있다. 이렇게 2축 정렬된 초전도 산화물의 결정질 박막을 증착시키기 위해서 2축 정렬된 기판(110)의 준비가 선행되어야 한다.
기판(110)는 Ni 또는 Ni 합금 혹은 Cu 또는 Cu 합금 등 금속계 물질로 이루어질 수 있으며, 압연 및 열처리를 통하여 큐브 집합조직(Cube texture)으로 형성될 수 있다.
버퍼층(120)은 Al2O3, ZrO2, CeO2, YSZ(Yttria-stabilized zirconia), Y2O3, HfO2, MgO, LMO(LaMnO3) 등을 1종 이상 포함하는 재질로 형성될 수 있으며, 단일층 또는 다수의 층으로 기판(110) 위에 에피택셜(Epitaxial)하게 적층될 수 있다.
REBCO 초전도층(130)은 초전도체인 REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6)로 이루어진다. 즉, RE:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율(7-x)은 6.4 이상인 것이 바람직하다. REBCO에서 희토류 원소 1몰에 대한 산소(O)의 몰비율이 6.4 미만일 경우 REBCO의 초전도성을 상실하여 상전도체로 변화될 수 있기 때문이다.
REBCO를 구성하는 물질 중에서 희토류 원소(RE)는 대표적으로 이트륨(Y)을 제시할 수 있으며, 이외에도 Nd, Gd, Eu, Sm, Er, Yb, Tb, Dy, Ho, Tm 등이 이용될 수 있다.
안정화층(140)은 과전류시 REBCO 초전도층(130)을 보호하는 등 REBCO 초전도층(130)을 전기적으로 안정화시키기 위하여 REBCO 초전도층(130) 상부면에 적층되어, 과전류가 흐를 때 REBCO 초전도층(130)을 보호하는 역할을 한다. 안정화층(140)은 전기저항이 상대적으로 낮은 Ag, Cu 등으로 형성되는데, 예를 들어 Ag층 혹은 Cu층과 같은 단층으로 형성되거나 Ag층과 Cu층이 적층된 형태로 형성될 수 있다.
도 2는 종래의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2의 (a)에 도시된 접합 방법의 경우, 2세대 고온 초전도체들(100a, 100b)을 직접 접합하는 랩 조인트(Lap joint) 접합 방식을 나타낸다. 반면, 도 2의 (b)에 도시된 접합 방법의 경우, 2개의 2세대 고온 초전도체들(100a, 100b)을 버트 타입으로 배열한 후 제3의 2세대 고온 초전도체(100c)를 위에 얹어 브리지(bride) 형태로 접합하는 버트 타입 오버랩 조인트 (Overlap joint with butt type arrangement) 접합 방식을 나타낸다. 이때 2개의 2세대 고온 초전도체들(100a, 100b) 간의 간격은 0 ~ 수 센티미터 (cm)까지 할 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 종래에는, 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합을 위하여, 초전도체 사이에 솔더(105)를 비롯한 상전도 물질을 매개하여 접합하였다.
그러나, 이러한 방식의 접합 구조의 경우, 전류의 흐름이 반드시 솔더(105) 및 안정화층(140)과 같은 상전도체층을 지나게 되어 높은 접합 저항의 발생을 피할 수 없게 되므로, 초전도성 유지가 어렵다. 솔더 방식에 의하면 초전도체 타입 및 접합배열 방식에 따라 접합 부위의 저항이 20~2,800 nΩ 정도로 아주 높다.
본 발명에 관련된 배경 기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0071336(2013.06.28. 공개)에 개시된 초전도체 물질의 접합 방법이 있다.
본 발명의 하나의 목적은 REBCO 초전도층 간에 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 REBCO 초전도층 간에 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 접합 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법은 REBCO(REBa2Cu3O7-x, (여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6) 고온 초전도층 및 안정화층을 포함하는 2세대 REBCO 고온 초전도체를 접합하는 방법에 있어서, 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되도록 하거나(오버랩, overlap) 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되도록 하되, 초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 REBCO 물질을 삽입한 상태에서 접합 부위 가압 및 가열하여 접합을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 REBCO 물질은 REBCO 박막일 수 있다. 또한, 상기 REBCO 물질은 REBCO 분말 성형체일 수 있다. 이 경우, 상기 REBCO 물질은 단결정 혹은 단결정 수준의 소각입계 (low angle grain boundary)로 만들 수 있다.
또한, 상기 접합은 400~1100 ℃의 열처리로에서 접합 부위를 2~20 MPa로 가압한 상태에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 접합은 열처리로를 진공으로 유지한 상태에서 수행될 수 있으며, 접합 후 잃은 산소를 보충하기 위하여 산소 분위기에서 산소 회복을 위한 열처리를 할 수 있고, 이후에 접합 부위 강도를 보강할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 2세대 고온 초전도체 접합 구조는 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되어 있거나 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되어 있되, 초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 REBCO 물질이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.
REBCO는 근본적으로 입계 약 결합(Grain Boundary Weak Link), 짧은 간섭 길이(coherence length), 그리고 REBCO 페로브스카이트(perovskite) 결정격자의 이방성에 의해, 발생되는 초전도 임계전류밀도의 결정방위에 따른 큰 이방성을 보인다. 이러한 결점을 극복하고 높은 임계전류 특성을 얻기 위해서는 결정입계가 없는 단결정을 만들거나, 단결정 수준의 소각입계 (low angle grain boundary)로 만들어야 한다. 또한 초전도 박막의 결정립들을 초전도 전자의 이동이 원활한 a-b면의 결정방위가 정렬되도록 해야 한다.
솔더에 의한 2세대 고온 초전도체 간의 접합은 솔더 자체가 상전도 금속물질이므로 높은 저항열이 발생할 수밖에 없으며, 초전도층-초전도층 직접 접합의 경우, 접합을 아무리 잘하여도 두 초전도층 간의 접촉을 100 % 할 수 없기 때문에 접합품질에 따라 간혹 100 % 초전도 회복이 되지 않을 수 있다.
그러나, 본 발명의 경우, 2세대 REBCO 고온 초전도체의 영구전류모드 접합 방법은 박막이나 분말 성형체와 같은 판(plate) 형태의 단결정 혹은 단결정 수준의 소각입계 (low angle grain boundary) 의 REBCO 물질을 삽입하고 접합후 열처리를 통해서 결정방위를 정열하고, 접합부의 초전도층 두께가 증가하므로 단위 면적당 흐르는 전류의 양이 증가하여 임계전류밀도가 증가하는 효과를 얻을 수 있어 두 초전도층 간의 접촉이 100 % 가 안되어도 초전도 선재 수준의 임계전류 (Ic) 및 임계전류밀도 (Jc) 를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 2세대 REBCO 고온 초전도체의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 솔더에 의한 REBCO 고온 초전도체의 접합 방법의 예들을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용 가능한 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 형태를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합(랩조인트, lap joint) 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합(브리지 조인트, bridge joint) 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 진공도에 따른 YBCO와 Ag의 용융점 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 접합시 REBCO의 결정 구조 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 접합 이전 2세대 REBCO 고온 초전도체의 XRD를 나타낸 것이다.
도 9는 접합 이후, 접합 부위의 XRD를 나타낸 것이다.
도 10은 접합 직후의 접합 부위에 대해 4단자(4-point probe)법으로 V-I 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 산소 회복 열처리 후의 접합 부위에 대해 4단자(4-point probe)법으로 V-I 측정 결과를 나타낸 것으로, 임계전류를 1 uV/cm 측정기준에 따라 측정결과 약 107 A 를 보이고 있다. 선재 임계전류는 84 A 이었으므로 약 27 % 향상된 것을 보여준다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시 예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 REBCO 초전도층 간 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 적용 가능한 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 형태를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 형태는 2가닥의 2세대 REBCO 고온 초전도체를 직접 맞대는 형태(도 3의 (a) (랩 조인트, lap joint), 2가닥의 2세대 REBCO 고온 초전도체를 직접 맞대지 않고 제3의 2세대 REBCO 고온 초전도체를 이용하여 버트(butt) 형태로 배열시킨 2가닥의 2세대 REBCO 고온 초전도체 각각을 제3의 2세대 REBCO 고온 초전도체를 브리지(bridge)시켜 맞대는 형태(도 3의 (b), (c), (d)) (브리지 조인트, bridge joint) 등이 이용될 수 있다.
이하, 도 3의 (a) 및 (b)와 같은 형태를 예를 들어, 본 발명에 따른 2세대 REBCO 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법은 REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6) 고온 초전도층 및 안정화층을 포함하는 2세대 REBCO 고온 초전도체를 접합하는 방법이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 REBCO 초전도층 간에 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 예의 경우, 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체(100a)의 초전도층(130)과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체(100b)의 초전도층(130)이 서로 마주보는 형태로 접합된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 REBCO 물질 삽입을 통한 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 예의 경우, 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체(100a, 100b)의 초전도층(130)과 제3의 REBCO 고온 초전도체(100c)의 초전도층(130)이 서로 마주보는 형태로 접합된다.
이때, 도 4 및 도 5에 도시된 예들의 경우, 초전도층(130)과 초전도층(130) 사이에 판(plate) 형태의 REBCO 물질(310)을 삽입한 상태에서 접합이 수행된다.
판 형태의 REBCO 물질(310)은 REBCO 박막이 될 수 있으며, 박막 두께는 제작 사양에 따라 다를 수 있다.
REBCO 박막은 RF Sputtering, PLD (Pulsed Laser Deposition), PVD (Plasma Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), IBAD (Ion Beam Assisted Deposition), MOD (Metal Organic Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 여러 방식에 의하여 제조될 수 있다.
또한, REBCO 박막은 REBCO 분말 성형체일 수 있다. REBCO 분말 성형체는 REBCO 분말을 열간에서 혹은 냉간에서 가압 성형하는 방식으로 제조될 수 있다.
이러한 REBCO 물질(310)은 접합부의 초전도층 두께를 증가시킴으로써 단위 면적당 흐르는 전류의 양을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 접합 품질이 다소 떨어지더라도 최소한 선재 임계전류 이상으로 접합부의 임계전류를 증가시키는 것이 가능하다.
보다 바람직하게는, REBCO 물질을 단결정 형태로 만드는 것이다. 예를 들어, REBCO 단결정 박막은 SrTiO3, MgO, Al2O3 등의 단결정 기판 상에 증착함으로써 제조될 수 있다.
본 발명에서, 단결정이라 함은 결정입계가 없는 완전한 단결정 형태 뿐만 단결정 수준의 이른바 소각입계 (low angle grain boundary)를 갖는 형태도 포함한다.
접합을 위해서, 우선 접합 부위(301)를 에칭하여, 2세대 REBCO 고온 초전도체(100a, 100b)의 안정화층(140)을 제거함으로써 REBCO 초전도층(130)을 노출시킨다.
이후, 노출된 REBCO 초전도층(130)과 REBCO 초전도층(130) 사이에 판 형태의 REBCO 물질을 삽입한 후, 가압 및 가열하여 접합을 수행한다.
이때, 접합은 400~1100 ℃의 열처리로에서 수행되는 것이 바람직하다. 열처리로 내부 온도가 400 ℃ 미만일 경우, 접합이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 반대로, 열처리로 내부 온도가 1100 ℃를 초과하는 경우, 편정반응을 일으켜 BaCuO2 및 CuO 화합물 등 원하지 않는 화합물들이 생성될 수 있다.
또한, 접합 부위 가압은 REBCO 초전도층 표면 밀착, 및 원자 확산을 가속시키기 위함이며, 또한 접합 시 접합부위에 발생할 수 있는 여러 결함(공공, 등)들을 제거하고 접촉면적을 크게 하기 위해 필요할 수 있다. 이때, 가압은 하중(weight)이나 공기, 유압 혹은 수압 실린더를 이용하여 실시할 수 있다. 접합 부위 가압은 2~20 MPa의 가압력으로 수행되는 것이 바람직하다. 가압력이 2 MPa 미만일 경우, 가압 효과가 불충분하다. 반대로, 가압력이 20 MPa를 초과할 경우, 높은 온도에서의 접합이지만 REBCO 물질이 세라믹이기 때문에 취화할 수 있어 고온 초전도체의 안정성이 저하될 수 있다.
또한, 접합은 열처리로를 진공으로 유지한 상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 진공압은 PO2 ≤10-5 mTorr가 될 수 있다.
도 6은 진공도에 따른 YBCO와 Ag의 용융점 변화를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, REBCO의 일종인 YBCO의 경우 진공도가 높아질수록 용융점이 낮아지나, Ag의 경우 진공도가 높아질수록 용융점이 오히려 높아진다. 이를 통하여, 접합 부위 주변의 Ag 안정화층의 용융없이 REBCO 초전도층(130)과 REBCO 물질(310)의 원자 확산에 의한 직접 접합이 수행될 수 있다.
접합 이후에는, 접합 부위 초전도층의 산소 회복을 위한 열처리를 더 수행할 수 있다.
접합이 진공 및 400 ℃ 이상의 고온에서 수행될 경우, 이러한 진공 및 고온에서는 REBCO로부터 산소(O2)가 빠져 나오는 현상이 발생한다.
REBCO로부터 산소가 빠져 나오면, 희토류 원소 1몰에 대한 산소의 몰 비율이 6.4 미만으로 떨어질 수 있으며, 이 경우 도 7에 도시된 바와 같이, REBCO 초전도층은 초전도 상태인 사방정계(orthorhombic) 구조에서 상전도 상태인 정방정계(tetragonal) 구조로 원자구조 변화가 일어나 초전도성을 상실할 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 200~700 ℃ 근처에서 산소 분위기로 열처리를 수행함으로써, REBCO의 산소 손실을 보상하여 초전도성을 회복시킨다.
산소 분위기는 열처리로(furnace) 내부에 가압 하에서 산소를 지속적으로 흘려 넣어주는 것으로 만들어질 수 있다. 이를 산소공급 어닐링(oxygenation annealing) 처리라고 하며, 특히, 200~700 ℃ 범위에서 열처리하여 산소공급을 하는데, 이유는, 이 온도범위에서 사방정계(orthorhombic phase)가 가장 안정적이며, 따라서 초전도성을 회복하기 때문이다.
산소 회복 열처리시 가압력은 산소 공급 및 REBCO 초전도체의 내구성을 고려하여, 대략 1~30 atm 정도가 바람직하다.
산소공급 어닐링 열처리는 고상 원자확산 압접에 의하여 손실된 산소를 보상하기 위한 것이므로, REBCO의 RE(희토류 원소) 1몰에 대하여, O2(산소)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 실시할 수 있다.
또한, 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 부위에 미리 레이저 가공이나 초정밀 가공 방법 등으로 마이크로 홀을 형성하여, 산소회복 열처리 시에 산소가 마이크로 홀을 통하여 REBCO 초전도층 내부로 확산되는 경로를 제공함으로써, 산소회복 열처리 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 산소 회복을 위한 열처리 이후에, 외부 응력에 의한 접합 부위 파손을 방지하기 위하여, 접합 부위 강도를 보강할 수 있다. 강도 보강은 솔더, 에폭시, 슬리브(sleeve) 등으로 수행할 수 있다.
상기 과정을 통하여 형성된 2세대 REBCO 고온 초전도체의 접합 구조는 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되거나 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합될 수 있다. 이때, 본 발명의 경우, 접합시 판 형태의 REBCO 물질이 이용되는 바, 접합 구조 역시 초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 REBCO 물질이 삽입되어 있는 형태를 갖는다.
전술한 바와 같이, 판 형태의 REBCO 물질은 REBCO 박막이거나 REBCO 분말 성형체일 수 있으며, 단결정 형태인 것이 바람직하다.
도 8은 접합 이전 2세대 REBCO 고온 초전도체의 XRD를 나타낸 것이다. 도 9는 접합 이후, 접합 부위의 XRD를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 방법으로 접합 후 XRD 분석을 수행한 결과, C축의 피크가 접합 이전과 마찬가지로 대부분 관찰되는 것을 볼 수 있다.
도 10은 접합 직후의 접합 부위의 V-I 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 11은 산소 회복 열처리 후의 접합 부위의 V-I 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 접합 직후 접합 부위의 초전도 특성이 상실되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 산소 회복 열처리를 수행한 경우, 도 11과 같이 초전도성을 회복하는 것을 볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 100a, 100b, 100c : 2세대 REBCO 고온 초전도체
110 : 기판
120 : 버퍼층
130 : REBCO 초전도층
140 : 안정화층
310 : REBCO 물질

Claims (12)

  1. REBCO(REBa2Cu3O7-x, 여기서 RE는 희토류 원소, 0≤x≤0.6) 고온 초전도층 및 안정화층을 포함하는 2세대 REBCO 고온 초전도체를 접합하는 방법에 있어서,
    하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 오버랩(overlap) 형태로 접합되도록 하거나 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 브리지(bridge) 형태로 접합되도록 하되,
    초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 REBCO 물질을 삽입한 상태에서 접합 부위 가압 및 가열하여 접합을 수행하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 REBCO 박막인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 REBCO 분말 성형체인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 단결정 형태인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접합은 400~1100 ℃의 열처리로에서 접합 부위를 2~20 MPa로 가압한 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접합은 열처리로를 진공으로 유지한 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    접합 후에 산소 분위기의 열처리로에서 산소공급 어닐링(oxygenation annealing) 열처리를하여 초전도를 회복하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    접합 및 산소공급 어닐링(oxygenation annealing) 열처리 이후에, 접합 부위 강도를 보강하는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 영구전류모드 접합 방법.
  9. 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 다른 하나의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되어 있거나 또는 각각의 2세대 REBCO 고온 초전도체의 초전도층과 제3의 REBCO 고온 초전도체의 초전도층이 서로 마주보는 형태로 접합되어 있되,
    초전도층과 초전도층 사이에 판 형태의 REBCO 물질이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 접합 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 REBCO 박막인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 접합 구조.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 REBCO 분말 성형체인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 접합 구조.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 REBCO 물질은 단결정 형태인 것을 특징으로 하는 2세대 고온 초전도체 접합 구조.
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