KR20170029818A - 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법 - Google Patents

초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 금속층-초전도층이 적층된 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법에 있어서, 제1초전도선재, 제2초전도선재, 상기 제1 및 제2초전도선재가 권선되는 보빈을 준비하는 단계와; 최외곽에 배치되는 상기 제1초전도선재의 축방향 자기장이 0이 될 때까지 상기 보빈에 상기 제1초전도선재를 권선하는 단계와; 최외곽에 배치된 상기 제1초전도선재와 대향하도록 배치하여 상기 제1초전도선재의 외주면을 따라 상기 제2초전도선재를 권선하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 초전도선재를 권선할 때 로렌츠의 힘 방향에 따라 초전도선재를 배치하여 금속층과 초전도층이 밀착되도록 하며, 이로 인해 금속층과 초전도층 간의 박리를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법 {Pancake coil of a superconducting wire has been winding and method of manufacturing the same}
본 발명은 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도선재를 권선할 때 로렌츠의 힘 방향에 따라 초전도선재를 배치하여 금속층과 초전도층이 밀착되도록 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법에 관한 것이다.
초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하며, 액체헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재(Low Temperature Superconductor, LTS), 액체헬륨보다 고온의 액체질소 온도인 77K에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재(High Temperature Superconductor, HTS)라 일컫는다. 초전도선재는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 마그네트(superconducting magnet), 초전도 케이블(superconducting cable), 초전도 모터(superconducting motor) 또는 초전도 발전기(superconducting generator) 등과 같은 전력용 기기에 적용이 기대되고 있다. 그 중 고온초전도선재를 사용하는 초전도 마그네트는 주로 얇은 테이프 모양의 초전도선재를 권선하여 팬케이크 형상으로 형성된다.
이와 같이 초전도선재를 권선하는 종래기술로는 '대한민국특허청 등록특허 제10-1281779호 초전도 선재의 권선 방법 및 그 방법에 의해 제조된 마그넷'이 있으며, 초전도 선재가 권선되어 있는 소스릴과, 제1래인과 제2래인을 포함하는 제1보빈과, 제3래인과 제4래인을 포함하는 제2보빈을 제공하고, 상기 소스릴로부터 초전도선재를 제1보빈의 제1래인에 제1횟수만큼 제1방향으로 권선하고, 상기 제1보빈과 상기 제2보빈을 서로 고정시키고, 상시 소스릴로부터 상기 초전도선재를 상기 제2보빈의 제3래인에 제2횟수만큼 상기 제1방향으로 권선하고, 상기 제1보빈과 상기 제2보빈을 분리시키고, 상기 제1보빈의 제1래인으로부터 상기 초전도선재를 상기 제2보빈의 제4래인에 제3횟수만큼 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 권선하면서, 상기 제2보빈의 제3래인으로부터 상기 초전도선재를 상기 소스릴에 상기 제3횟수만큼 상기 제2방향으로 권선하는 방법을 통해 이루어진다. 이러한 종래기술은 초전도선재의 접합부분을 최소화하기 위한 기술이다.
금속층-완충층-초전도층-보호층이 순차적으로 적층된 형상의 초전도선재는 소재 간의 열팽창 차이 또는 외부에서 가해지는 충격에 의해 박리(flaking)가 일어나는 경우가 있다. 금속으로 이루어진 금속층과 세라믹으로 이루어진 완충층의 경우 상온에서 극저온으로 갈때 열팽창 계수 차이에 의해 서로 박리가 일어나며, 이는 세라믹으로 이루어진 초전도층과 금속으로 이루어진 보호층의 경우에도 동일하다. 뿐만 아니라 외부에서 c축 방향으로 충격이 가해졌을 때 금속과 세라믹 간에 결합이 분리되는 문제가 발생하게 된다. 하지만 종래기술의 경우 이러한 문제점을 해결하지 못하는 단점이 있다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1281779호 대한민국특허청 등록특허 제10-1198305호
따라서 본 발명의 목적은, 초전도선재를 권선할 때 로렌츠의 힘 방향에 따라 초전도선재를 배치하여 금속층과 초전도층이 밀착되도록 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 금속층-초전도층이 적층된 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법에 있어서, 제1초전도선재, 제2초전도선재, 상기 제1 및 제2초전도선재가 권선되는 보빈을 준비하는 단계와; 최외곽에 배치되는 상기 제1초전도선재의 축방향 자기장이 0이 될 때까지 상기 보빈에 상기 제1초전도선재를 권선하는 단계와; 최외곽에 배치된 상기 제1초전도선재와 대향하도록 배치하여 상기 제1초전도선재의 외주면을 따라 상기 제2초전도선재를 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 보빈의 중심 축선인 z축 방향을 따라 자기장이 형성되며, 상기 z축 방향의 자기장이 0이 될 때까지 상기 보빈에 상기 제1초전도선재를 권선하는 것이 바람직하며, 자기장이 0이 되는 영역으로부터 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재가 서로 구획되며, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재 간의 구획 영역은 로렌츠의 힘에 의해 계산되는 것이 바람직하다.
(여기서, 상기 로렌츠의 힘은 F = B×I×L을 의미하며, F는 초전도선재에 가해지는 힘, B는 자기장, I는 전류, L은 길이를 나타냄.)
또한, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재 간 구획 영역을 기준으로 상기 로렌츠의 힘이 대향하며, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재는 상기 로렌츠의 힘이 가해지는 방향을 따라 초전도층-금속층이 순서대로 배치되어 상기 초전도층이 상기 금속층 방향으로 밀착되는 것이 바람직하며, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재에 형성되는 자기장의 방향은 서로 반대인 것이 바람직하다.
상기 제1초전도선재를 1차 권선하는 단계에서, 상기 제1초전도선재는 상기 초전도층이 상기 보빈의 내측에 배치되어 권선되며, 상기 제2초전도선재를 2차 권선하는 단계에서, 상기 제2초전도선재는 상기 제1초전도선재에 대향하여 상기 초전도층이 상기 보빈의 외측에 배치되어 권선되는 것이 바람직하며, 상기 제2초전도선재의 단부는 상기 제1초전도선재와 대향하도록 상기 제1초전도선재의 단부에 접합되는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 금속층-초전도층이 적층되며 보빈에 권선되는 제1초전도선재와; 축방향 자기장이 0이 되는 영역에 배치되는 상기 제1초전도선재의 최외곽을 따라 상기 제2초전도선재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 초전도선재를 권선할 때 로렌츠의 힘 방향에 따라 초전도선재를 배치하여 금속층과 초전도층이 밀착되도록 하며, 이로 인해 금속층과 초전도층 간의 박리를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법의 순서도이고,
도 2는 본 발명의 실싱예에 따른 팬케이크 코일의 단면도이고,
도 3은 팬케이크 코일의 중심으로부터 이격된 거리 및 자기장에 따른 로렌츠의 힘을 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 따른 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 초전도선재(110, 120)와 보빈을 준비한다(S1).
도 2에 도시된 바와 같이 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일(100)을 제조하기 위해 초전도선재(110, 120)는 제1초전도선재(110) 및 제2초전도선재(120)를 각각 준비한다. 여기서 제1초전도선재(110) 및 제2초전도선재(120)는 동일한 소재 및 형상으로 이루어진 초전도선재를 사용하는 것이 바람직하며, 보빈은 제1초전도선재(110)와 제2초전도선재(120)를 팬케이크 코일(100) 형상으로 권선하기 위해 사용된다. 이와 같은 초전도선재들(110, 120)은 금속층(111, 121) 및 초전도층(113, 123)이 적층된 것을 사용하며, 경우에 따라서 금속층(111, 121)-완충층-초전도층(113, 123)-보호층이 순차적으로 적층된 것을 사용할 수도 있다.
금속층(111, 121)은 자기적으로는 비자성 혹은 약자성의 합금 물질로 이루어지며, 내산화성을 지닌 니켈합금(Ni alloy) 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어지는 것이 바람직하다.
금속층(111, 121)의 상부에는 바로 초전도층(113, 123)이 적층될 수 있으나 금속층(111, 121)과 초전도층(113, 123) 사이에 완충층을 추가로 적층하여 금속층(111, 121)-완충층-초전도층(113, 123)을 이루도록 초전도선재(110, 120)를 형성할 수 있다. 완충층은 초전도층(113, 123)의 결정배향성(crystalline orientation)이 향상되도록 도와주고 금속층(111, 121)으로부터 불순물 원소의 확산을 방지하는 역할을 한다. 구체적으로 초전도선재(110, 120)를 제조시 초전도층(113, 123)은 고온에서 형성되는데, 이때 금속층(111, 121)의 금속물질이 초전도층(113, 123)에 확산되어 초전도층(113, 123)이 오염되는 것을 방지하며, 초전도층(113, 123)의 초전도 특성을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같은 완충층은 일반적으로 세라믹 물질을 포함하고 있으며, 상세하게는 Al2O3, Y2O3, IBAD-MgO, Epi-MgO, LaMnO3 등과 같은 층으로 이루어져 있다.
완충층 상부에 형성되는 초전도층(113, 123)은 완충층에 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 형성된다. 초전도층(113, 123)은 고온 초전도 특성을 가지는 희토류계 원소로 제조되며, 바람직한 초전도층(113, 123)의 재료는 희토류원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O)계이다. 여기서 희토류원소(rare earth elements, RE)는 이트륨(Y), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho) 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 이와 같이 초전도층(113, 123)은 세라믹 물질을 포함하고 있기 때문에 금속층(111, 121)과는 물리적으로 다른 성질을 가지고 있다.
금속층(111, 121)-완충층-초전도층(113, 123)이 순차적으로 적층된 초전도선재(110, 120)의 초전도층(113, 123)에는 경우에 따라서 은(Ag)으로 형성된 보호층을 추가로 적층할 수 있다. 보호층은 초전도층(113, 123)에 얇게 코팅되며, 외부로부터 초전도층(113, 123)을 보호하는 역할을 한다.
본 발명에서는 편의를 위해 금속층(111, 121)-초전도층(113, 123)이 적층된 초전도선재들(110, 120)을 이용하여 설명을 실시한다.
자기장이 0이 될 때까지 보빈에 제1초전도선재(110)를 권선한다(S2).
보빈에는 먼저 제1초전도선재(110)를 권선하는데, 이때 최외곽에 배치되는 제1초전도선재(110)의 자기장이 0이 될 때까지 보빈에 제1초전도선재(110)를 권선한다. 도 3에 도시된 그래프는 코일(100)의 중심축으로부터 직경을 따라 이격되는 거리 및 자기장(Bz)의 예를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 자기장이 2.0T로 가장 높은 부분은 제1초전도선재(110)의 권선이 시작되는 영역이며, 코일(100)의 중심축으로부터 멀어질수록 반대 방향으로 형성되는 자기장에 의해 서로 상쇄되어 자기장이 점점 감소하게 된다. 이때 자기장은 보빈 및 코일(100)의 중심 축선인 z축 방향을 따라 자기장이 형성되며, z축 방향의 자기장이 0이 될 때까지 보빈에 제1초전도선재(110)를 권선한다.
도 3의 그래프에서 초전도선재(110, 120)의 거리 및 자기장에 따른 힘의 값을 알 수 있는데, 여기서 힘은 로렌츠의 힘(Lorentz's force)을 말한다. 로렌츠의 힘은,
<식 1>
F = B×I×L
식 1에 의해 구해지는데 여기서 F는 초전도선재(110, 120)에 가해지는 힘, B는 자기장, I는 전류, L은 길이를 의미한다.
식 1에서 알 수 있듯이 자기장이 감소할수록 로렌츠의 힘도 감소하게 된다. 따라서 도 3의 그래프와 같이 자기장이 0이 되면 로렌츠의 힘도 0이 된다. 또한 z 방향의 자기장이 0 내지 2.0T 영역에서는 코일(100)의 중심에서부터 멀어지는 방향으로 로렌츠의 힘이 가해지기 때문에, 제1초전도선재(110)는 로렌츠의 힘이 가해지는 방향을 따라 초전도층(113)-금속층(111) 순서대로 배치되도록 권선한다. 즉 제1초전도선재(110)는 초전도층(113)이 보빈 내측에 배치되어 권선되는 것이 바람직하다.
이와 같이 권선할 경우 로렌츠의 힘을 받는 초전도층(113) 내의 전하가 로렌츠의 힘과 동일한 방향으로 이동하려는 성질이 있기 때문에 초전도층(113)이 금속층(111)과 밀착된다. 이로 인해 초전도층(113)과 금속층(111)이 견고하게 결합되며, 열팽창이나 외부의 힘에 의해 박리되는 문제가 감소될 수 있다.
제1초전도선재(110)와 대향하도록 제2초전도선재(120)를 권선한다(S3).
코일(100)의 최외곽에 배치된 제1초전도선재(110)와 대향하도록 배치하여 제1초전도선재(110)의 외주면을 따라 제2초전도선재(120)를 권선한다. S2 단계에서 자기장이 및 로렌츠의 힘이 0이 되는 영역까지만 제1초전도선재(110)를 권선하고, 자기장 및 로렌츠의 힘이 반대 방향으로 가해지는 영역에는 제1초전도선재(110)와 대향하도록 제2초전도선재(120)를 권선한다. 이를 통해 제1초전도선재(110)와 제2초전도선재(120)는 자기장이 0이 되는 영역으로부터 서로 구획되며, 이 구획된 영역은 로렌츠의 힘 공식에 의해 계산될 수 있다.
z 방향의 자기장이 0이 되는 즉 제1초전도선재(110)와 제2초전도선재(120) 간 구획 영역을 기준으로 자기장의 방향이 서로 반대가 되며, 이로 인해 로렌츠의 힘이 대향된다. 이에 의해 제2초전도선재(120)는 제1초전도선재(110)와 대향하도록 배치하여야 한다. S2 단계에서 제1초전도선재(110)는 초전도층(113)이 보빈 내측으로 배치되도록 권선하는 데 비해 S3 단계에서 제2초전도선재(120)는 초전도층(123)이 보빈의 외측에 배치되어 권선되도록 한다. 이와 같이 권선될 경우 로렌츠 힘이 가해지는 방향을 따라 초전도층(113, 123)-금속층(111, 121)이 순서대로 배치되며, 이로 인해 초전도층(113, 123)이 금속층(121) 방향으로 밀착된다.
제1초전도선재(110)가 보빈에 권선된 후 제2초전도선재(120)가 권선될 때 외부로 노출된 제1초전도선재(110)의 단부에 대향하도록 제2초전도선재(120)의 단부가 접합되는 것이 바람직하다. 이때 접합은 솔더링(soldering) 공법을 통해 이루어지며, 솔더링은 접합 영역뿐만 아니라 초전도선재들(110, 120)을 보호하기 위해 초전도선재들(110, 120)을 둘러싸도록 보호부재 역할을 할 수도 있다.
초전도선재(110, 120)를 금속층(111, 121)-초전도층(113, 123)으로 설명하였으나, 금속층(111, 121)-완충층-초전도층(113, 123)-보호층으로 이루어진 초전도선재(110, 120)의 경우 금속층(111, 121)과 완충층 사이, 초전도층(113, 123)과 보호층 사이에 박리가 쉽게 일어나며 이 또한 본 발명과 같이 권선할 경우 금속과 세라믹 사이의 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
종래의 초전도선재를 권선하여 코일을 제조하는 방법으로는 세라믹으로 이루어진 초전도층이 파손되는 문제를 방지하기 위하여 금속층을 보빈의 내측으로 배치하고, 초전도층을 보빈의 외측으로 배치하여 권선을 수행하였다. 이 경우 로렌츠의 힘이 보빈의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 가해지기 때문에 초전도층 내의 전하가 금속층과 멀어지는 방향으로 향하여 금속층과 초전도층 간에 박리가 발생하기 쉬웠다. 따라서 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 로렌츠의 힘이 가해지는 방향에 맞춰 초전도층(113, 123)-금속층(111, 121)을 배치하여 초전도층(113, 123)이 금속층(111, 121)으로 밀착되도록 한다. 그 후 자기장 및 로렌츠의 힘이 0이 되는 영역으로부터 변경되는 로렌츠의 힘 방향에 맞춰 제2초전도선재(120)를 제1초전도선재(110)에 대향하여 금속층(111, 121)-초전도층(113, 123)으로 배치한다. 이로 인해 로렌츠의 힘 방향이 바뀌더라도 초전도층(113, 123)이 금속층(111, 121)에 밀착되도록 하며 금속층(111, 121) 및 초전도층(113, 123) 간의 박리를 방지할 수 있다.
100: 코일
110: 제1초전도선재
111, 121: 금속층
113, 123: 초전도층
120: 제2초전도선재

Claims (13)

  1. 금속층-초전도층이 적층된 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법에 있어서,
    제1초전도선재, 제2초전도선재, 상기 제1 및 제2초전도선재가 권선되는 보빈을 준비하는 단계와;
    최외곽에 배치되는 상기 제1초전도선재의 축방향 자기장이 0이 될 때까지 상기 보빈에 상기 제1초전도선재를 권선하는 단계와;
    최외곽에 배치된 상기 제1초전도선재와 대향하도록 배치하여 상기 제1초전도선재의 외주면을 따라 상기 제2초전도선재를 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보빈의 중심 축선인 z축 방향을 따라 자기장이 형성되며, 상기 z축 방향의 자기장이 0이 될 때까지 상기 보빈에 상기 제1초전도선재를 권선하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    자기장이 0이 되는 영역으로부터 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재가 서로 구획되며, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재 간의 구획 영역은 로렌츠의 힘에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
    (여기서, 상기 로렌츠의 힘은 F = B×I×L을 의미하며, F는 초전도선재에 가해지는 힘, B는 자기장, I는 전류, L은 길이를 나타냄.)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재 간 구획 영역을 기준으로 상기 로렌츠의 힘이 대향하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재는 상기 로렌츠의 힘이 가해지는 방향을 따라 초전도층-금속층이 순서대로 배치되어 상기 초전도층이 상기 금속층 방향으로 밀착되는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재에 형성되는 자기장의 방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1초전도선재를 1차 권선하는 단계에서,
    상기 제1초전도선재는 상기 초전도층이 상기 보빈의 내측에 배치되어 권선되며,
    상기 제2초전도선재를 2차 권선하는 단계에서,
    상기 제2초전도선재는 상기 제1초전도선재에 대향하여 상기 초전도층이 상기 보빈의 외측에 배치되어 권선되는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2초전도선재의 단부는 상기 제1초전도선재와 대향하도록 상기 제1초전도선재의 단부에 접합되는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 접합은 솔더링(soldering) 공법을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재는 희토류원소-바륨-구리-산소계(RE-Ba-Cu-O)를 사용하며,
    상기 희토류 원소(RE)는 이트륨(Y), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재는 금속층-완충층-초전도층-보호층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일 제조방법.
  12. 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일에 있어서,
    금속층-초전도층이 적층되며 보빈에 권선되는 제1초전도선재와;
    축방향 자기장이 0이 되는 영역에 배치되는 상기 제1초전도선재의 최외곽을 따라 상기 제2초전도선재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일.
  13. 제 12항에 있어서,
    자기장이 0이 되는 영역으로부터 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재가 서로 구획되며, 상기 제1초전도선재 및 상기 제2초전도선재 간의 구획 영역은 로렌츠의 힘에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 초전도선재가 권선된 팬케이크 코일.
    (여기서, 상기 로렌츠의 힘은 F = B×I×L을 의미하며, F는 초전도선재에 가해지는 힘, B는 자기장, I는 전류, L은 길이를 나타냄.)
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