KR20190007781A

KR20190007781A - 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190007781A
Application number: KR1020170089217A
Authority: KR
Inventors: 하홍수; 손명환; 오상수
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-23
Also published as: WO2019013386A1; KR102314493B1

Abstract

본 발명은, 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법에 있어서, 선재 형상으로 절단된 금속기판의 모서리에 형성된 버(burr)를 제거하는 단계와; 상기 버가 제거된 상기 금속기판에 초전도층을 적층하고, 표면에 도금층을 도금하여 초전도선재를 제조하는 단계와; 상기 도금층의 표면을 연마(grinding)하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 금속기판의 버를 가공을 통해 없애고 모서리를 두께가 균일한 구조로 만들어 도금층의 도금이 용이하도록 하며, 연마를 통해 도금층의 두께를 균일하게 가공 가능하다.

Description

표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법 {Surface fabricating superconducting wire and manufacturing method the same}

본 발명은 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속기판의 버를 가공을 통해 없애고 모서리를 두께가 균일한 구조로 만들어 도금층의 도금이 용이하도록 하며, 연마를 통해 도금층의 두께를 균일하게 가공하는 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하며, 액체 헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS), 액체 헬륨보다 고온의 액체 질소 온도인 77K에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)라 일컫는다. 고온초전도선재는 테이프 형태의 금속층의 상부에 복수의 완충층을 코팅하고, 완충층의 상부에 초전도층을 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 제조한다. 금속층, 완충층 및 초전도층이 순차적으로 적층된 고온초전도선재 중 외부로 노출된 초전도층에는 필요에 따라서 은(Ag)을 추가로 코팅한다. 이러한 고온초전도선재는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 마그넷, 초전도 케이블, 초전도 모터 또는 초전도 발전기 등과 같은 전력용 기기에 적용이 기대되고 있다.

초전도선재를 대량으로 생산하기 위해 종래의 기술은 주로 선폭이 넓은 판상의 초전도선재를 일정 간격으로 절단하여 원하는 선폭의 초전도선재를 얻게 된다. 이와 같이 초전도선재를 절단하는 방법으로는 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-0766052호 필라멘트 타입용 고온초전도 선재의 제조방법'과 같이 레이저(laser) 또는 슬리터(slitter)를 사용할 수 있다. 초전도선재를 절단하기 위해 레이저를 이용할 경우 레이저 조사에 따르는 발열에 의해 초전도 특성을 저하시킬수 있으며, 긴 길이의 초전도선재를 이용하는 경우에는 레이저를 장시간에 걸쳐 연속해서 사용해야 하는 문제점이 있다. 또한 레이저는 장치 가격이 고가이기 때문에 생산 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또 다른 종래기술인 '대한민국특허청 공개특허 제10-2008-0113112호 초전도선재의 선폭 가공 방법'의 경우 슬리터를 사용하여 초전도선재를 절단하는 방법에 관한 것으로, 대향하는 2개의 절단부 사이에 초전도선재를 끼워넣고 초전도선재를 절단하는 공정으로 이루어진다.

이와 같이 기계적 방식을 이용하여 초전도선재를 절단할 경우 도 1에 도시된 것과 같이 초전도선재의 모서리 부분에 버(burr)가 형성될 수 있다. 초전도선재에 버가 형성될 경우 버에 전압이 집중되는 문제가 생기게 되며, 스테인리스기판 및 초전도층의 표면에 구리 도금층을 형성할 때 전압이 집중되는 버 영역에 두꺼운 두께의 구리도금이 이루어져 표면에 도금이 균일하게 이루어지지 않게 된다는 문제가 생기게 된다. 즉 초전도선재가 모서리 부분이 두꺼운 아령 형상의 단면이 형성되며, 이러한 초전도선재를 통해 코일 형상으로 권선시 코일의 중간에 빈 공간이 생기거나 초전도선재가 어긋나게 적층된다. 이로 인해 동일 권선 턴수라도 최종 권선 후 높이차가 발생하여 불균일한 자장이 형성하게 된다는 문제점이 있다.

대한민국특허청 등록특허 제10-0766052호 대한민국특허청 공개특허 제10-2008-0113112호

따라서 본 발명의 목적은, 금속기판의 버를 가공을 통해 없애고 모서리를 두께가 균일한 구조로 만들어 도금층의 도금이 용이하도록 하며, 연마를 통해 도금층의 두께를 균일하게 가공하는 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 선재 형상으로 절단된 금속기판의 모서리에 형성된 버(burr)를 제거하는 단계와; 상기 버가 제거된 상기 금속기판에 초전도층을 적층하고, 표면에 도금층을 도금하여 초전도선재를 제조하는 단계와; 상기 도금층의 표면을 연마(grinding)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법에 의해서 달성된다.

상기 버를 제거하는 단계에서, 상기 버는 초경 바이트를 통해 제거되며, 상기 초경 바이트를 통해 상기 금속기판의 모서리를 두께가 균일한 직사각형 또는 둥근형으로 연마(grinding)하는 것이 바람직하며, 상기 도금층의 표면을 연마하는 단계를 통해, 상기 초전도선재는 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 도금층의 표면을 연마하는 단계는, 상기 초전도선재가 3 내지 7m/min의 속도로 이동하여 상기 도금층 표면을 연마하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속기판은 니켈합금(Ni alloy) 또는 스테인레스 스틸(SUS) 소재이며, 상기 도금층은 구리(Cu), 황동(brass), 스테인레스스틸(SUS), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재인 것이 바람직하다.

상기한 목적은 또한, 모서리에 버(burr)가 제거된 선재 형상의 금속기판과; 상기 금속기판의 상부에 적층된 초전도층과; 도금 및 연마를 통해 상기 금속기판 및 상기 초전도층의 표면에 형성된 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하인 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재에 의해서도 달성된다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 금속기판의 버를 가공을 통해 없애고 모서리를 두께가 균일한 구조로 만들어 도금층의 도금이 용이하도록 하며, 연마를 통해 도금층의 두께를 균일하게 가공 가능하다.

도 1은 종래기술의 제조방법을 통해 얻어진 초전도선재의 단면 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 제조방법의 순서도이고,
도 3은 압연 가공을 통해 제조된 종래기술에 따른 초전도선재 단면 사진이고,
도 4는 버가 제거된 금속기판의 단면 사진이고,
도 5 내지 도 8은 각각 다른 연마조건에 따른 초전도선재의 단면 사진이고,
도 9는 표면 연마된 초전도선재의 단면 사진이고,
도 10은 표면 연마된 초전도선재의 단면 두께 분포를 분석한 그래프이다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 표면이 가공된 초전도선재 및 그 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.

본 발명의 표면이 가공된 초전도선재는, 모서리에 버가 제거된 선재 형상의 금속기판과, 금속기판의 상부에 적층된 초전도층과, 도금 및 연마를 통해 금속기판 및 초전도층의 표면에 형성된 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하인 도금층을 포함한다. 정확하게 초전도선재는 금속기판-완충층-초전도층-보호층 및 도금층 구조로 이루어지게 된다.

이와 같은 구조로 이루어진 초전도선재의 제조방법으로는 도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 금속기판의 모서리에 형성된 버(burr)를 제거한다(S1).

금속기판의 경우 초전도선재의 대량 생산을 위해서 큰 판상으로 이루어진 박판을 레이저(laser) 또는 슬리터(slitter)를 통해 절단하여 선재 형상의 금속기판을 얻게 된다. 이로 인해 금속기판은 선재 형상으로 절단됨에 의해 모서리에 버(burr)가 형성된다. 도금되는 도금층의 표면 형상은 도금 자체의 문제도 있지만 최초로 사용되는 금속 기판의 형상에도 의존한다. 즉 버가 금속기판에 존재할 경우 버에 전압이 집중되는 문제가 생기게 되며, 초전도선재의 표면에 도금층의 도금을 실시할 때 전압이 집중되는 버 영역에 과도한 도금이 이루어져 표면에 도금이 균일하게 이루어지지 않게 된다는 문제가 생기게 된다. 이로 인해 아령 형상의 단면을 가지는 도금층이 형성되며, 이는 코일 권선시 코일의 중간에 빈 공간이 생기거나 초전도선재가 어긋나게 적층된다. 이로 인해 동일 권선 턴수라도 최종 권선 후 높이차가 발생하여 불균일한 자장이 형성하게 된다는 문제점이 있다.

따라서 선재 형상으로 절단된 금속기판의 모서리에 형성된 버를 제거하게 된다. 이러한 버는 초경 바이트(carbide tool bite)를 통해 제거되며, 초경 바이트를 통해 금속기판의 모서리를 두께가 균일한 직사각형 또는 둥근형으로 연마(grinding)하여 버를 모두 제거하게 된다. 금속기판의 두께가 폭방향으로 균일하지 않을 경우 이후에 적층되는 초전도층 및 도금되는 도금층 역시 균일한 두께를 형성하지 못하기 때문에 최종 초전도선재가 아령 형상으로 이루어질 수 있다. 이를 방지하기 위해 금속기판은 버를 제거함과 동시에 폭방향 두께가 균일하도록 연마할 수 있으며, 또한 모서리를 직사각형 또는 둥근형으로 연마하여 도금층 도금시 모서리에 전압이 집중되는 현상을 막을 수 있다.

여기서 금속기판은 니켈합금(Ni alloy) 또는 스테인레스 스틸(SUS) 소재인 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.

금속기판에 초전도층을 적층하고, 도금층을 도금하여 초전도선재를 제조한다(S2).

S1 단계를 통해 버가 제거되고 균일한 두께를 가지는 금속기판의 상부에 초전도층을 적층하고, 금속기판 및 초전도층의 표면에 도금층을 도금하여 초전도선재를 제조한다. 정확하게 초전도선재는 금속기판-완충층-초전도층-보호층 및 도금층 구조로 이루어지게 되며, 이러한 구조를 위한 초전도선재의 제조방법은 일반적으로 널리 알려진 방법이기 때문에 상세한 제조방법의 설명은 생략한다.

여기서 도금층은 구리(Cu), 황동(brass), 스테인레스스틸(SUS), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재인 것이 바람직하나, 이러한 소재에 한정되지는 않는다.

도금층의 표면을 연마한다(S3).

S2 단계를 통해 형성된 도금층의 표면을 연마(grinding)하는 단계를 수행한다. 이를 통해 초전도선재는 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하가 되도록 비교적 균일한 두께를 형성한다. 표면 연마는 초전도선재가 3 내지 7m/min 속도로 이동하여 도금층 표면을 연마하는 것이 바람직한데, 속도가 3m/min 미만일 경우 도금층이 과하게 연마되어 모서리도 함께 깎일 뿐 아니라 도금층이 얇아져 추후에 벗겨지는 문제가 발생할 수 있다. 또한 속도가 7m/min를 초과할 경우 도금층이 제대로 연마되지 못하여 폭방향 두께 차이가 3㎛를 넘을 수 있으며, 폭방향 두께 차이가 3㎛를 넘을 경우 초전도 코일을 제조하는 과정에서 균일한 적층이 이루어지지 않는다는 문제가 발생하게 된다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세하게 설명한다.

<비교예>

비교예에서는 본 발명과 같이 금속기판의 버를 제거하는 단계 및 도금층을 연마하는 단계를 거치지 않고 일반적인 방법인 압연 가공을 통해 초전도선재의 표면을 가공하였다. 일반적으로 사용되는 열간 압연기의 경우 폭방향 압하율이 부정확하며, 압연 후 불균일한 변형이 확인되었다. 좀 더 상세히 말하면 도 3에 도시된 것과 같이 열과 압력에 의해 도금층의 표면이 손상되거나 또는 초전도층이 손상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 도금층의 모서리가 균일하지 못하고 아령 형상으로 이루어지는 것 또한 관찰되었다.

<실시예>

실시예는 본 발명에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 금속기판의 버를 제거하는데, 도 4는 가공된 금속기판의 단면을 분석한 도면에 해당한다. 그 다음 도금층을 연마하는 단계를 통해 표면이 가공된 초전도선재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기서 표면 연마는 정면기(PCB 기판표면 연마용, 500mm 폭)를 이용하여 실시하였다. PCB 기판에 초전도선재를 붙인 후, 단면만 연마하였으며, 연마 조건으로는 연마롤러 회전수를 1800rpm으로 하고, 연마롤러(SiC + 페놀수지)의 압력을 구동모터의 부하로 0.3 내지 0.7A로 하였으며, 연마 입자크기는 SiC 600mesh를 이용하였다. 이러한 조건에서 각각 초전도선재의 이동 선속을 1m/min 및 5m/min로 연마하여 그 결과를 확인해 보았다.

도 5 내지 도 8은 각각 다른 연마조건에 따른 초전도선재의 단면 사진으로, (a)는 좌측모서리, (b)는 중앙부, (c)는 우측모서리에 해당하는 사진이다. 도 5는 0.7A의 구동모터를 통한 연마롤의 압력과 1m/min의 초전도선재의 선속 조건으로 연마한 것으로, 모서리가 깎여나가고 중심부의 두께도 10㎛로 얇아지는 것을 확인할 수 있다. 특히 좌측모서리 사진을 통해 확인할 수 있듯이 도금층의 상부와 하부 간의 연마 정도가 차이가 나서 두께가 상이한 것을 알 수 있다. 도 6은 0.3A의 구동모터를 통한 연마롤의 압력과 1m/min의 초전도선재의 선속 조건으로 연마한 것으로, 마찬가지로 모서리가 깎여지고 중심부의 두께도 7㎛ 정도로 얇아지는 것을 확인할 수 있다. 도 7은 0.29A의 구동모터를 통한 연마롤의 압력과 1m/min의 초전도선재의 선속 조건으로 연마한 것으로, 모서리 한쪽이 많이 깎였으며 중간부도 10㎛ 두께로 연마되는 것을 알 수 있다. 이에 비해 도 8은 0.29A의 구동모터를 통한 연마롤의 압력과 5m/min의 초전도선재의 선속 조건으로 연마한 것으로, 모서리 부분에 깎임이 없으며 중심부의 두께도 20㎛로 유지하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 낮은 롤 압력 및 저속에서는 초전도선재 표면의 과도한 연마가 일어나고 이로 인해 모서리가 깎이는 것을 알 수 있으며, 이동속도를 높였을 때 알맞은 표면 연마가 이루어졌다.

도 9 및 도 10은 표면 연마된 초전도선재의 단면 사진 및 단면 두께 분포를 분석한 그래프로, 그래프에서 1은 0.7A, 1m/min 조건, 2는 0.3A, 1m/min 조건, 3은 0.29A, 1m/min 조건, 4는 0.29A, 5m/min 조건으로 초전도선재를 연마한 것이다. 여기서 폭방향 위치별 두께 분포 분석은 도 9와 같이 구분되며, 두께 값은 식 1을 통해 계산된다.

<식 1>

폭방향 위치별 두께 = (위치별 두께 - ⑥ 번 두께) / ⑥ 번 두께 × 100%

도 10의 그래프를 통해 알 수 있듯이 4번의 조건에 해당하는 0.29A, 5m/min 조건에서 폭방향 두께 차이가 가장 적었으며, 이는 양면 가공이 될 경우 두께 편차는 절반으로 줄어들 것으로 예상된다.

즉, 다음과 같은 실시예를 통해 선속 1m/min로 초전도선재 표면을 연마시 연마롤이 압하력과는 관계 없이 과도한 연마가 되어 모서리 부분에 초전도층이 노출되는 것을 확인하였다. 이에 비해 선속 5m/min로 초전도 선재의 표면을 연마할 경우 최소 압하력으로 연마하게 되면 가공 흔적은 있으나 모서리 부분에 과도한 연마는 없는 것을 확인하였으며, 초전도선재의 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하로 매우 균일한 두께의 표면이 형성되는 것을 알 수 있다.

종래기술의 경우 초전도선재의 표면을 균일하게 하기 위해 압연 공정을 실시하였으나, 초전도선재를 압연할 경우 열과 압력에 의해 도금층의 표면이 손상되거나 또는 초전도층이 손상되어 초전도선재의 제 역할을 수행할 수 없다는 문제점이 있었다. 이에 비해 본 발명은 금속기판의 버를 가공을 통해 없애고 모서리를 두께가 균일한 구조로 만들어 도금층의 도금이 용이하도록 하며, 연마를 통해 도금층의 두께를 균일하게 가공 가능하다.

Claims

표면이 가공된 초전도선재 제조방법에 있어서,
선재 형상으로 절단된 금속기판의 모서리에 형성된 버(burr)를 제거하는 단계와;
상기 버가 제거된 상기 금속기판에 초전도층을 적층하고, 표면에 도금층을 도금하여 초전도선재를 제조하는 단계와;
상기 도금층의 표면을 연마(grinding)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 버를 제거하는 단계에서,
상기 버는 초경 바이트를 통해 제거되며, 상기 초경 바이트를 통해 상기 금속기판의 모서리를 두께가 균일한 직사각형 또는 둥근형으로 연마(grinding)하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 도금층의 표면을 연마하는 단계를 통해,
상기 초전도선재는 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 도금층의 표면을 연마하는 단계는,
상기 초전도선재가 3 내지 7m/min의 속도로 이동하여 상기 도금층 표면을 연마하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 금속기판은 니켈합금(Ni alloy) 또는 스테인레스 스틸(SUS) 소재인 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 도금층은 구리(Cu), 황동(brass), 스테인레스스틸(SUS), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 소재인 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재 제조방법.
표면이 가공된 초전도선재에 있어서,
모서리에 버(burr)가 제거된 선재 형상의 금속기판과;
상기 금속기판의 상부에 적층된 초전도층과;
도금 및 연마를 통해 상기 금속기판 및 상기 초전도층의 표면에 형성된 폭방향 두께 차이가 3㎛ 이하인 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면이 가공된 초전도선재.