KR20200050818A - Ceramic film having function of temperature switch and superconducting coils using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a ceramic film and a superconducting coil using the same. The ceramic film according to the present invention comprises a metal layer formed of a conductive metal; and a temperature switch layer comprising a metal-insulator transition material (MIT) provided on one surface of the metal layer.

Description

온도 스위치 기능을 갖는 세라믹 필름 및 이를 이용하는 초전도 코일 {CERAMIC FILM HAVING FUNCTION OF TEMPERATURE SWITCH AND SUPERCONDUCTING COILS USING THE SAME}Ceramic film with temperature switch function and superconducting coil using the same {CERAMIC FILM HAVING FUNCTION OF TEMPERATURE SWITCH AND SUPERCONDUCTING COILS USING THE SAME}

본 발명은 온도 스위치 기능을 갖는 세라믹 필름 및 이를 이용하는 초전도 코일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 코일 권선 시에 간편하게 사용할 수 있는 온도스위치 기능을 갖는 세라믹 필름 및 이를 이용하는 초전도 코일에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic film having a temperature switch function and a superconducting coil using the same, and more particularly, to a ceramic film having a temperature switch function and a superconducting coil using the same.

액화 질소 온도에서 동작하는 고온 초전도 선재는 고자장에서 높은 임계전류밀도 특성을 나타내어 초전도 마그넷 등의 고자장 응용으로 주목 받고 있다.High-temperature superconducting wires operating at liquefied nitrogen temperature have a high critical current density characteristic in a high magnetic field, and are attracting attention as a high magnetic field application such as a superconducting magnet.

고온 초전도 선재는 도전성 금속 외피 내에 필라멘트 또는 박막 형태의 초전도부가 연장되는 구조를 가지며, 그 구조에 따라 1세대 및 2세대 초전도 선재로 나눌 수 있다.The high-temperature superconducting wire has a structure in which a superconducting portion in the form of a filament or a thin film is extended in a conductive metal sheath, and can be divided into first-generation and second-generation superconducting wires according to the structure.

예컨대, 2세대 초전도 선재는 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층의 적층 구조를 가지며, 선재의 외곽은 Cu, Ag와 같은 도전성 금속 또는 그 합금에 의한 피복 구조를 구비한다.For example, the second-generation superconducting wire has a stacked structure of a metal substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer, and the outer periphery of the wire has a coating structure made of a conductive metal such as Cu or Ag or an alloy thereof.

이에 따라, 코일 권선시 인접한 턴의 선재는 전기적으로 접촉하게 된다.Accordingly, during coil winding, the wires of adjacent turns are in electrical contact.

이와 같은 전기적 접촉을 방지하기 위하여 초전도 선재는 테프론 또는 켑톤과 같은 절연 물질로 감싸진 상태로 권선될 수 있다.In order to prevent such electrical contact, the superconducting wire may be wound while being wrapped with an insulating material such as Teflon or Shenton.

그러나, 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 선재의 절연 여부는 초전도 마그넷의 여자 등 전자기적 특성에 영향을 미치게 된다.However, the insulation of the superconducting wires constituting the superconducting magnet affects electromagnetic properties such as excitation of the superconducting magnet.

또한, 초전도 선재의 절연 여부는 퀀치에 대한 보호 특성에 심각한 영향을 미치게 된다.In addition, whether or not the superconducting wire is insulated has a serious influence on the protection properties against quench.

특히 고온 초전도 선재는 저온 초전도 선재에 비해 높은 열용량 및 높은 임계온도를 구비하여 퀀치(quench) 발생 가능성이 낮은 것으로 알려져 있지만, 정작 퀀치 전파 속도가 낮아 외부에서 퀀치 현상의 검출이 곤란하다는 문제점을 나타내며 국부적 퀀치 현상에 의해 선재가 번 아웃에 이르는 치명적인 결함을 가지고 있다.Particularly, high-temperature superconducting wires are known to have a high heat capacity and high critical temperature and low probability of quench compared to low-temperature superconducting wires, but they exhibit a problem that it is difficult to detect the quench phenomenon from the outside due to the low rate of quench propagation. The wire has a fatal defect leading to burnout due to the quenching phenomenon.

이러한 문제점으로 인하여, 초전도 마그넷에 발생하는 퀀치 현상의 검출 및 이로부터 선재를 보호하기 위한 기술이 개발되고 있으며, 그 중 금속/절연 전이 방식이 개발되고 있다.Due to these problems, a technique for detecting a quench phenomenon occurring in a superconducting magnet and protecting wires therefrom has been developed, and among them, a metal / insulation transition method has been developed.

이 방식은 온도가 올라가면 저항이 낮아지는 재료인 금속-절연체 전이 물질을 이용하여 발열이 없는 상태에서는 절연된 전자석과 같이 동작하다가, 발열이 발생하면 절연이 안된 전자석처럼 동작하는 초전도 마그넷 구조를 사용하고 있다. This method uses a superconducting magnet structure that operates like an insulated electromagnet in the absence of heat by using a metal-insulator transition material, which is a material whose resistance decreases when the temperature rises. have.

하지만, 금속-절연체 전이 물질을 고온 초전도 선재에 직접 코팅하는 방법은, 초전도층에 손상을 일으키는 온도, 형상 등 고려해야 하는 변수가 많아 제조상 편의성 및 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.However, the method of directly coating a metal-insulator transition material on a high-temperature superconducting wire has a problem that manufacturing convenience and economic efficiency are low due to many variables to be considered, such as temperature and shape that cause damage to the superconducting layer.

즉, 제조 공정이 복잡하여 공정상 제약이 많고, 불량률이 증가하며, 제작 편의성이 낮아지고 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.That is, there are problems in that the manufacturing process is complicated, so there are many process restrictions, the defect rate increases, manufacturing convenience decreases, and manufacturing cost increases.

(1) A. L. Pergament, 'Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides' International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages (1) A. L. Pergament, 'Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides' International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages

본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 코일 권선 시에 간편하게 사용할 수 있는 온도스위치 기능을 갖는 세라믹 필름 및 이를 이용하는 초전도 코일을 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to solve the problems mentioned in the background art, and more particularly, to provide a ceramic film having a temperature switch function that can be easily used when winding a superconducting coil and a superconducting coil using the same.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 온도 스위치 기능을 갖는 세라믹 필름은, 도전성 금속으로 형성되는 금속층 및 상기 금속층의 일면에 구비되는 금속-절연체 전이 물질(MIT)을 포함하는 온도스위치층을 포함할 수 있다.A ceramic film having a temperature switch function according to the present invention devised to solve a technical problem includes a temperature switch layer including a metal layer formed of a conductive metal and a metal-insulator transition material (MIT) provided on one surface of the metal layer. It can contain.

여기서, 상기 금속층은 상기 금속층을 관통하는 관통홀이 복수개 형성되는 메쉬구조로 형성될 수 있다.Here, the metal layer may be formed of a mesh structure in which a plurality of through holes penetrating the metal layer are formed.

또한, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도가 임계 온도 + 100K 보다는 낮을 수 있다.In addition, the temperature switch layer may have a transition temperature of the metal-insulator transition material lower than a critical temperature + 100K.

이때, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도 전후로 전기 전도도가 103배 이상 증가할 수 있다.At this time, the temperature switch layer may increase the electrical conductivity 10 3 times or more before and after the transition temperature of the metal-insulator transition material.

또한, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도 전후로 전기 전도도가 105배 이상 증가할 수 있다.In addition, the temperature switch layer may increase the electrical conductivity by 10 5 times or more before and after the transition temperature of the metal-insulator transition material.

그리고, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질이 상온 이하의 전이온도를 가질 수 있다.In addition, in the temperature switch layer, the metal-insulator transition material may have a transition temperature below room temperature.

한편, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질이 바나듐 산화물을 포함할 수 있다.Meanwhile, in the temperature switch layer, the metal-insulator transition material may include vanadium oxide.

이때, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질이 VO를 포함할 수 있다.In this case, the metal-insulator transition material may include VO in the temperature switch layer.

또한, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질이 VnO2n-1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다.In addition, the temperature switch layer may include at least one material selected from the group consisting of the metal-insulator transition material V n O 2n-1 (where n = 2-9 ).

그리고, 상기 온도스위치층은 상기 금속-절연체 전이 물질이 Fe3O4, RNiO3(R=La, Sm, Nd 또는 Pr), La1-xSrxNiO4(여기서 x<1), NiS1-xSex(여기서 x<1) 및 BaVS3로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함할 수 있다.And, in the temperature switch layer, the metal-insulator transition material is Fe3O4, RNiO3 (R = La, Sm, Nd or Pr), La1-xSrxNiO4 (x <1), NiS1-xSex (x <1) and BaVS3 It may include at least one substance selected from the group consisting of.

한편, 상기 세라믹 필름을 이용한 본 발명에 따른 초전도 코일은, 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 초전도부를 포함하는 고온 초전도 선재 및 상기 고온 초전도 선재의 적어도 일부를 감싸며 구비되는 상기 세라믹 필름을 포함할 수 있다.Meanwhile, the superconducting coil according to the present invention using the ceramic film may include a high temperature superconducting wire including a superconducting portion extending in a lengthwise direction with a predetermined width, and the ceramic film provided surrounding at least a portion of the high temperature superconducting wire. .

상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다. The present invention by the above configuration can expect the following effects.

첫째, 초전도 전자석의 퀀치 발생을 방지하기 위하여 고온 초전도 선재를 코팅하는 공정을 단순화 할 수 있다.First, it is possible to simplify the process of coating the high-temperature superconducting wire to prevent the occurrence of quench of the superconducting electromagnet.

둘째, 고온 초전도 선재의 코팅공정의 편의성 및 경제성을 향상시킬 수 있다.Second, it is possible to improve the convenience and economy of the coating process of the high-temperature superconducting wire.

셋째, 온도 스위치 기능이 요구되는 다양한 장치에 본 발명에 따른 세라믹 필름의 범용적 이용이 가능하다.Third, it is possible to universally use the ceramic film according to the present invention in various devices requiring a temperature switch function.

이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필름 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 온도 스위치 기능을 갖는 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 코일 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 본 발명에 따른 초전도 코일 일 실시예를 A-A’방향으로 절단한 단면 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the configuration of an embodiment of a ceramic film according to the present invention.
2 is a graph schematically showing electrical conductivity characteristics according to the temperature of VO and V 2 O 3 as an example of a metal-insulator transition material (MIT) having a temperature switch function of the present invention.
Figure 3 shows the transition temperature of the vanadium oxide according to another embodiment of the present invention.
4 is a view showing the configuration of an embodiment of a superconducting coil according to the present invention.
5 is a view showing a cross-sectional structure of the superconducting coil according to the invention of FIG. 4 cut in the A-A 'direction.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present invention, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to clarify the gist of the present invention.

아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.In addition, in describing the present invention, terms indicating directions such as forward / backward or upper / lower are described so that those skilled in the art can clearly understand the present invention, and indicate relative directions. It will be said that it is not limited.

그리고, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice, and thus the definition should be made based on the contents of the present specification describing the present invention. .

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 온도 스위치 기능을 갖는 세라믹 필름의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.First, referring to FIGS. 1 and 2, an embodiment of a ceramic film having a temperature switch function according to the present invention will be described in detail.

여기서, 도 1은 본 발명에 따른 온도 스위치 기능을 갖는 세라믹 필름 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.Here, Figure 1 is a view showing the configuration of one embodiment of a ceramic film having a temperature switch function according to the present invention, Figure 2 is the temperature of VO and V 2 O 3 as an example of the metal-insulator transition material (MIT) of the present invention It is a graph schematically showing the electrical conductivity properties according to, Figure 3 shows the transition temperature of the vanadium oxide according to another embodiment of the present invention.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 필름(100)의 일 실시예는 금속층(110) 및 온도스위치층(120)을 포함할 수 있다.First, as shown in FIG. 1, an embodiment of the ceramic film 100 according to the present invention may include a metal layer 110 and a temperature switch layer 120.

금속층(110)은 도전성 금속으로 형성되는 구성으로, 본 발명에 따른 세라믹 필름(100)의 기본적인 형태를 구성할 수 있다.The metal layer 110 is formed of a conductive metal, and may constitute a basic form of the ceramic film 100 according to the present invention.

보다 구체적으로, 금속층(110)은 소정의 면적을 가지는 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 후술하는 초전도 코일의 고온 초전도 선재의 외표면의 형태에 따라 가공될 수 있는 소재로 형성되는 것이 유리할 수 있다.More specifically, the metal layer 110 may be formed in a plate shape having a predetermined area, and it may be advantageous to be formed of a material that can be processed according to the shape of the outer surface of the high-temperature superconducting wire of the superconducting coil described later.

본 실시예에서 금속층(110)은 Cu, Ni 및 Sus등 다양한 소재로 형성될 수 있으며, 이러한 구성은 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.In this embodiment, the metal layer 110 may be formed of various materials such as Cu, Ni, and Sus, and such a configuration may be various without being limited to this embodiment.

또한, 금속층(110)은 금속층(110)을 관통하는 관통홀이 복수개 형성되는 메쉬구조로 형성되는 것이 유리할 수 있다.In addition, the metal layer 110 may be advantageously formed in a mesh structure in which a plurality of through holes penetrating the metal layer 110 are formed.

이러한 경우, 메쉬구조로 형성되는 금속층(110)의 표면에 후술하는 온도스위치층(120)을 코팅하거나, 관통홀의 내부에 온도스위치층(120)이 충진되는 형태로 온도스위치층(120)이 구비될 수 있다.In this case, the temperature switch layer 120 is coated on the surface of the metal layer 110 formed of a mesh structure, or the temperature switch layer 120 is provided in the form of filling the temperature switch layer 120 inside the through hole. Can be.

이때, 금속층(110)의 메쉬구조는 구조의 안정성 및 전기적 특성을 고려하여 메쉬 구조의 관통홀 크기, 지지체의 굵기는 적절히 선택될 수 있다.At this time, the mesh structure of the metal layer 110 may be appropriately selected through the size of the through hole of the mesh structure and the thickness of the support in consideration of the stability and electrical characteristics of the structure.

이러한 금속층(110)의 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며, 후술하는 금속-절연체 전이 물질(MIT)을 필름형태로 형성할 수 있도록 도전성 금속이 구비된다면 그 형태 및 소재는 다양하게 적용될 수 있다.The configuration of the metal layer 110 is not limited to the present embodiment, and if a conductive metal is provided to form a metal-insulator transition material (MIT), which will be described later, in a film form, the form and material may be variously applied.

한편, 온도스위치층(120)은 전술한 금속층(110)의 일면에 구비되는 금속-절연체 전이 물질(MIT)을 포함하는 구성일 수 있다.Meanwhile, the temperature switch layer 120 may be configured to include a metal-insulator transition material (MIT) provided on one surface of the metal layer 110 described above.

금속-절연체 전이 물질(MIT)은 통상적으로 소정 온도(전이온도; Transition Temperature) 미만에서는 낮은 전기 전도도를 가져 절연체로 거동하지만 전이 온도 이상에서 전기 전도도(electrical conductivity)의 급격한 증가를 나타내는 물질을 말한다.Metal-insulator transition material (MIT) typically refers to a material having a low electrical conductivity below a predetermined temperature (transition temperature) and acting as an insulator, but exhibiting a rapid increase in electrical conductivity above the transition temperature.

본 발명의 명세서에서도 금속-절연체 전이 물질(MIT)은 그 용어의 통상적인 용법과 실질적으로 동일한 의미로 사용된다. In the context of the present invention, metal-insulator transfer material (MIT) is used in substantially the same sense as the conventional usage of the term.

다만, 본 발명에서 적합한 금속-절연체 전이 물질(MIT)은 초전도 선재의 임계온도 이상의 전이온도를 가지고, 전이온도를 포함하는 구간 전후의 전기 전도도 비율이 바람직하게는 103이상 더욱 바람직하게는 105이상인 것이 좋다.However, the metal-insulator transition material (MIT) suitable in the present invention has a transition temperature equal to or greater than the critical temperature of the superconducting wire, and the electrical conductivity ratio before and after the section including the transition temperature is preferably 10 3 or more, more preferably 10 5 It is good to be over.

본 발명에서 상기 금속-절연체 전이 물질(MIT)은 후술하는 초전도 코일의 고온 초전도 선재에 사용되는 초전도 물질의 임계온도 이상인 전이 온도를 가진다. In the present invention, the metal-insulator transition material (MIT) has a transition temperature equal to or greater than the critical temperature of the superconducting material used in the high-temperature superconducting wire of the superconducting coil described later.

바람직하게는 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 전이 온도는 초전도 물질의 임계온도 + 150 K 미만, 더 바람직하게는 임계온도 + 100 K 미만, 더욱 바람직하게는 임계온도 + 50 K 미만인 것이 좋다.Preferably the transition temperature of the metal-insulator transition material (MIT) is less than the critical temperature of the superconducting material + 150 K, more preferably less than the critical temperature + 100 K, more preferably less than the critical temperature + 50 K.

또, 퀀치 발생시 코일의 번 아웃을 유발할 정도의 높은 열이 발생하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용 가능한 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 전이 온도는 상온 부근이어도 무방하다.In addition, in consideration of the fact that heat generated high enough to cause the coil to burn out when quench occurs, the transition temperature of the metal-insulator transition material (MIT) usable in the present invention may be near room temperature.

물론, 상기 금속-절연체 전이 물질(MIT)의 전이온도는 초전도 물질의 임계온도 이상일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Of course, the transition temperature of the metal-insulator transition material (MIT) may be greater than or equal to the critical temperature of the superconducting material, but is not limited thereto.

본 발명에 적합한 예시적인 금속-절연체 전이 물질(MIT)로는 바나듐 산화물(Vanadium Oxide)을 들 수 있다. Exemplary metal-insulator transition materials (MIT) suitable for the present invention include vanadium oxide (Vanadium Oxide).

상기 바나듐 산화물 중 V2O5 상의 경우 전형적인 절연체로 구분되지만, VO, VO2, VnO2n-1(여기서 n=2~9) 조성의 바나듐 산화물은 전이 온도를 가지며 전기적으로 금속-절연체 전이 특성을 나타낸다.In the case of the V 2 O 5 phase among the vanadium oxide, it is classified as a typical insulator, but the vanadium oxide having a composition of VO, VO 2 , and V n O 2n-1 (here n = 2 to 9) has a transition temperature and is electrically metal-insulator transition. Characteristic.

도 2에 도시된 바와 같이, 금속-절연체 전이 물질(MIT)은 승온 및 감온 과정의 전기 전도도의 변화는 히스테리시스 루프와 같은 상이한 경로로 진행된다. As shown in FIG. 2, in the metal-insulator transition material (MIT), changes in the electrical conductivity of the temperature increase and temperature reduction process proceed in different paths, such as a hysteresis loop.

VO의 경우 승온시 전이 온도인 123K(-150℃) 부근에서 전기 전도도가 103배 수준 이상으로 급격하게 증가하며, V2O3는 163K(-110℃) 부근에서 103배 수준 이상의 전기 전도도의 급격한 증가를 나타내고 있다.In the case of VO, the electrical conductivity rapidly increases to about 10 3 times or more at the transition temperature of 123K (-150 ℃), and V 2 O 3 has electrical conductivity of 10 3 times or more at around 163K (-110 ℃). It shows a sharp increase in.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, VnO2n-1 (n=2~9)로 표현되는 바나듐 산화물의 전이 온도 값은 적절한 모델로 계산될 수 있다. In addition, as shown in Figure 3, the transition temperature value of the vanadium oxide represented by V n O 2n-1 (n = 2 ~ 9) can be calculated by an appropriate model.

도 3은 그 일례로서 A. L. Pergament의 "Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides", International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages)에서 제시된 전이온도(Tt) 값을 나타낸 것이다.3 is an example of the AL Pergament "Metal-Insulator Transition Temperatures and Excitonic Phases in Vanadium Oxides", International Scholarly Research Network ISRN Condensed Matter Physics Volume 2011, Article ID 605913, 5 pages) shown in the transition temperature (Tt) value It is shown.

한편, 본 발명에서 MIT(Metal-Insulator Transition; MIT) 물질로는 아래에 예시하는 바와 같이 다양한 물질이 사용될 수 있다.Meanwhile, as the MIT (Metal-Insulator Transition; MIT) material in the present invention, various materials may be used as illustrated below.

물질
matter
전이온도
Transition temperature
저항비
Resistance ratio
Fe3O4
Fe 3 O 4
120K
120K
100~1000
100 ~ 1000
RNiO3(R=La, Sm, Nd, Pr)
RNiO 3 (R = La, Sm, Nd, Pr)
130~240K
130 ~ 240K
100~1000
100 ~ 1000
La1-xSrxNiO4
La1-xSrxNiO 4
40~240K
40 ~ 240K
100~10000
100 ~ 10000
NiS1-xSex
NiS 1-x Se x
80~260K
80 ~ 260K
10~100
10 ~ 100
BaVS3
BaVS 3
74K
74K
10000~100000
10000 ~ 100000

이러한 온도스위치층(120)은 다양한 방식으로 전술한 금속층(110)의 일면에 구비될 수 있다.The temperature switch layer 120 may be provided on one surface of the metal layer 110 described above in various ways.

스퍼터링, 화학기상증착과 같은 건식 코팅 방법이 적용될 수 있고, 흐름 코팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 통상의 습식 코팅 공정 등 다양한 도포 공정이 적용될 수 있다.Dry coating methods such as sputtering and chemical vapor deposition can be applied, and various application processes such as flow coating, dip coating, spin coating, spray coating, and other conventional wet coating processes can be applied.

전술한 온도스위치층(120)의 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며, 금속층(110)의 일면에 금속-절연체 전이 물질(MIT)이 구비되도록 형성된다면 다양한 소재 및 배치가 적용될 수 있다.The above-described configuration of the temperature switch layer 120 is not limited to this embodiment, and various materials and arrangements may be applied if a metal-insulator transition material (MIT) is formed on one surface of the metal layer 110.

전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 세라믹 필름(100)은 초전도 전자석의 고온 초전도 선재의 표면을 감싸며 구비되어, 초전도 전자석에서 퀀치(quench) 현상이 발생하는 경우 초전도 전자석을 보호하는 효과를 얻을 수 있다.The ceramic film 100 according to the present invention including the above-described configuration is provided to cover the surface of the high-temperature superconducting wire of the superconducting electromagnet, so that when a quench occurs in the superconducting electromagnet, an effect of protecting the superconducting electromagnet can be obtained. have.

이어서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 세라믹 필름을 이용하는 본 발명에 따른 초전도 코일의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Next, with reference to FIGS. 4 and 5, an embodiment of the superconducting coil according to the present invention using the ceramic film according to the present invention will be described in detail.

여기서, 도 4는 본 발명에 따른 초전도 코일 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 본 발명에 따른 초전도 코일 일 실시예를 A-A’방향으로 절단한 단면 구조를 나타내는 도면이다.Here, FIG. 4 is a view showing the configuration of one embodiment of a superconducting coil according to the present invention, and FIG. 5 is a view showing a cross-sectional structure of one embodiment of the superconducting coil according to the present invention in the A-A 'direction. .

본 발명에 따른 초전도 코일의 일 실시예는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 필름(100) 및 고온 초전도 선재(200)를 포함할 수 있다.One embodiment of the superconducting coil according to the present invention may include a ceramic film 100 and a high temperature superconducting wire 200 as shown in FIGS. 4 and 5.

세라믹 필름(100)은 전술한 본 발명에 따른 세라믹 필름(100)의 구성과 동일한 구성으로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.The ceramic film 100 has the same configuration as that of the ceramic film 100 according to the present invention described above, and a detailed description thereof will be omitted.

이러한 세라믹 필름(100)은 후술하는 고온 초전도 선재(200)의 적어도 일부를 감싸며 구비되어, 본 발명에 따른 초전도 코일을 퀀치(quench) 현상으로부터 보호하는 기능을 수행할 수 있다.The ceramic film 100 is provided to surround at least a portion of the high-temperature superconducting wire 200 to be described later, and may perform a function of protecting the superconducting coil according to the present invention from a quench phenomenon.

한편, 고온 초전도 선재(200)는 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 초전도부를 포함하는 구성일 수 있다.Meanwhile, the high-temperature superconducting wire 200 may be configured to include a superconducting portion extending in a lengthwise direction with a predetermined width.

본 발명에 따른 초전도 코일은 고온 초전도 선재(200)를 권선하여 형성된 코일을 말하며, 본 실시예에서 고온 초전도 선재(200)는 1세대 고온 초전도 선재 및 2세대 고온 초전도 선재 등 다양할 수 있다.The superconducting coil according to the present invention refers to a coil formed by winding the high temperature superconducting wire 200, and in this embodiment, the high temperature superconducting wire 200 may be various, such as a first generation high temperature superconducting wire and a second generation high temperature superconducting wire.

또한, 본 발명의 초전도 코일은 초전도 발전기의 계자 코일, MRI의 초전도 마그넷 등 전료인가 모드 또는 영구전류 모드 등의 임의의 운전 모드로 동작하는 마그넷에 적용 가능하다.In addition, the superconducting coil of the present invention can be applied to a magnet that operates in any operation mode such as a field coil of a superconducting generator, a superconducting magnet of an MRI, or a permanent application mode, such as a permanent current mode.

이러한 고온 초전도 선재(200)는 시계 방향으로 권선되어 적층 구조를 형성할 수 있다.The high-temperature superconducting wire 200 may be wound in a clockwise direction to form a laminated structure.

본 발명에 따른 초전도 코일을 형성하는 권선의 턴 수(turn number)는 요구되는 코일의 특성에 따라 적절히 설계될 수 있다.The turn number of the windings forming the superconducting coil according to the present invention can be appropriately designed according to the characteristics of the required coil.

본 실시예에서는 개별 권선이 단면상 동심원을 이루는 기본적인 코일 권선을 나타낸 것이지만, 본 발명에 따른 초전도 코일은 도시된 구조에 한정되지 않는다.In this embodiment, although the individual windings show the basic coil windings concentric in cross section, the superconducting coil according to the present invention is not limited to the illustrated structure.

예컨대, 팬케이크(pan cake), 더블 팬케이크(double pan cake), 토로이달(toroidal) 등 형태를 불문하고 초전도 선재가 적층 및/또는 권선되는 일체의 권선에 적용될 수 있다.For example, it can be applied to any winding in which superconducting wires are laminated and / or wound regardless of the shape of a pan cake, a double pan cake, a toroidal, or the like.

본 실시예에서 전술한 고온 초전도 선재(200)의 적층 방향으로 인접하는 각 턴의 권선 사이에는 전술한 세라믹 필름(100)이 개재되어 있다.In the present embodiment, the above-described ceramic film 100 is interposed between windings of adjacent turns in the stacking direction of the high-temperature superconducting wire 200 described above.

즉, 세라믹 필름(100)이 고온 초전도 선재(200)의 적어도 일부를 감싸며 구비된 상태에서 세라믹 필름(100) 및 고온 초전도 선재(200)가 함께 권선되어 적층될 수 있다.That is, the ceramic film 100 and the high temperature superconducting wire 200 may be wound and stacked together while the ceramic film 100 is provided while surrounding at least a portion of the high temperature superconducting wire 200.

도시된 바와 같이, 세라믹 필름(100)은 권선을 따라 연속적으로 연장될 수 있다.As shown, the ceramic film 100 may extend continuously along the winding.

본 실시예에서는 인접하는 턴 사이에 하나의 세라믹 필름(100)이 구비되는 것을 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.Although this embodiment shows that one ceramic film 100 is provided between adjacent turns, the present invention is not limited thereto.

예컨대, 초전도 코일의 인접하는 턴 사이에는 두 개의 세라믹 필름(100) 층이 개재될 수 있다.For example, two ceramic film 100 layers may be interposed between adjacent turns of the superconducting coil.

이 때, 개재된 두 개의 세라믹 필름(100) 층은 연접할 수도 있지만, 두 개의 세라믹 필름(100) 층 사이에 제3의 도전층이 개재된 구조를 가질 수도 있다.At this time, the interposed two ceramic film 100 layers may be connected, but a third conductive layer may be interposed between the two ceramic film 100 layers.

본 발명에서 상기 세라믹 필름(100)은 상기 고온 초전도 선재(200)의 초전도 상태에서 상기 권선의 턴 간을 절연하며, 이를 달성할 수 있는 임의의 구조를 가질 수 있다.In the present invention, the ceramic film 100 insulates between turns of the winding in a superconducting state of the high-temperature superconducting wire 200, and may have any structure capable of achieving this.

폴리이미드, 테프론, 켑톤 등의 절연재를 사용하여 코일 권선의 턴 간이 절연되는 종래의 절연 코일(insulated coil)은 코일의 시정수를 낮추며 마그넷의 빠른 응답 특성을 보장한다.Conventional insulated coils, which are insulated between turns of a coil winding using insulating materials such as polyimide, teflon, and hempton, lower the time constant of the coil and ensure a fast response characteristic of the magnet.

하지만, 이 종래의 절연 코일은 전기적 안정성이 낮다는 단점을 갖는다. However, this conventional insulating coil has the disadvantage of low electrical stability.

예컨대, 초전도 마그넷의 운전 중 퀀치가 발생한 경우 절연 코일의 턴 간에 존재하는 절연층은 초전도부에서 퀀치가 발생할 때 턴 간 바이패스 전류를 수송할 수 없다.For example, when a quench occurs during the operation of the superconducting magnet, the insulating layer existing between turns of the insulating coil cannot transport the bypass current between turns when the quench occurs in the superconducting part.

이러한 문제점으로 인하여 무절연 코일(non-insulated Coil)이 사용되고 있다.Due to this problem, a non-insulated coil is used.

무절연 코일은 턴 간 전류의 바이패스 경로를 제공하여 전기적 안정성을 향상시키지만 전류의 증감에 따른 응답 특성을 나쁘게 한다. Non-insulated coils provide a bypass path for current between turns, improving electrical stability, but deteriorating the response characteristics of increasing and decreasing current.

예를 들어, 발전기의 초전도 계자 코일로 무절연 코일을 사용하면 코일이 갖는 높은 시정수로 인가 전류에 대한 빠른 응답 특성을 나타낼 수 없다.For example, if an insulated coil is used as a superconducting field coil of a generator, the high response time to the applied current cannot be exhibited due to the high time constant of the coil.

본 발명에서 세라믹 필름(100)은 코일의 동작 상태에 따라 무절연 코일과 절연 코일의 장점을 발현한다. In the present invention, the ceramic film 100 expresses the advantages of an insulated coil and an insulated coil according to the operating state of the coil.

즉, 초전도 선재의 임계 온도 이하의 초전도 상태에서 세라믹 필름(100)은 코일 간을 절연하여 코일이 빠른 응답 특성(충방전 특성)을 나타내게 한다.That is, in the superconducting state below the critical temperature of the superconducting wire, the ceramic film 100 insulates between the coils so that the coil exhibits fast response characteristics (charging and discharging characteristics).

그러다가, 퀀치 또는 그 밖의 이상 발열에 기인하여 초전도 코일이 상전도 상태로 전이하게 되면, 상기 세라믹 필름(100)은 높은 전기 전도도를 나타내며 전류의 바이패스 경로를 제공한다.Then, when the superconducting coil transitions to the phase conducting state due to quenching or other abnormal heat generation, the ceramic film 100 exhibits high electrical conductivity and provides a bypass path for electric current.

이러한 세라믹 필름(100)은 고온 초전도 선재(200)의 어느 일면에 형성될 수도 있고, 고온 초전도 선재(200)의 양면 모두에 형성될 수도 있으며, 고온 초전도 선재(200)의 상면, 하면 및 측면을 모두 둘러싸도록 형성될 수 있다.The ceramic film 100 may be formed on either side of the high-temperature superconducting wire 200, may be formed on both sides of the high-temperature superconducting wire 200, the top, bottom and side surfaces of the high-temperature superconducting wire 200 It can be formed to surround all.

또한, 고온 초전도 선재(200)의 일면에 구비된 세라믹 필름(100)의 상부에는 도전성 보호층이 별도로 구비될 수도 있다.In addition, a conductive protective layer may be separately provided on the upper portion of the ceramic film 100 provided on one surface of the high-temperature superconducting wire 200.

이러한 본 발명에 따른 초전도 코일의 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며, 고온 초전도 선재(200)가 권선되며 형성되는 초전도 코일의 권선 내부에 세라믹 필름(100)이 구비되도록 형성된다면 다양할 수 있다.The configuration of the superconducting coil according to the present invention is not limited to this embodiment, and may be varied if the high temperature superconducting wire 200 is wound and formed so that the ceramic film 100 is provided inside the winding of the superconducting coil.

전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 초전도 코일은 고온 초전도 선재(200)에 세라믹 재료를 직접 코팅하지 않아, 제조상 편의성 및 경제성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.The superconducting coil according to the present invention including the above-described configuration does not directly coat the ceramic material on the high-temperature superconducting wire 200, so that it is possible to obtain an effect of improving convenience and economy in manufacturing.

즉, 별도로 세라믹 필름(100)을 제작하여 이를 고온 초전도 선재(200)를 감싸도록 구비함으로써, 금속/전연 전이 초전도 전자석 제조의 공정을 단순화하고, 불량률을 감소시키며, 제작 편의성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.That is, by separately preparing the ceramic film 100 and providing it to surround the high-temperature superconducting wire 200, it is possible to simplify the process of manufacturing a metal / lead transition superconducting electromagnet, reduce the defect rate, and improve the manufacturing convenience. Can be.

또한, 이러한 세라믹 필름(100)은 고온 초전도 전자석 뿐만 아니라, 이미 상용화된 저온 초전도 전자석 응용제품에도 적용이 가능할 수 있다.In addition, the ceramic film 100 may be applicable not only to high-temperature superconducting electromagnets, but also to low-temperature superconducting electromagnet applications already commercialized.

한편, 본 발명에 따른 세라믹 필름(100)은 초전도 전자석 외에도 온도 변화 감지 센서에 적용할 수 있으며, 보다 구체적으로 배터리 열폭주 방지를 위한 보호용 센서 등 온도 스위치 기능이 요구되는 다양한 장치에 구비되어 적용될 수 있다.On the other hand, the ceramic film 100 according to the present invention can be applied to a temperature change detection sensor in addition to a superconducting electromagnet, and more specifically, it can be installed and applied to various devices requiring a temperature switch function, such as a protection sensor for preventing thermal runaway of a battery. have.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been examined, and the fact that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the embodiments described above has ordinary knowledge in the art. It is obvious to them. Therefore, the above-described embodiments should be regarded as illustrative rather than restrictive, and accordingly, the present invention is not limited to the above description and may be changed within the scope of the appended claims and their equivalents.

100 : 세라믹 필름
110 : 금속층
120 : 온도스위치층
200 : 고온 초전도 선재100: ceramic film
110: metal layer
120: temperature switch layer
200: high temperature superconducting wire

Claims (11)

도전성 금속으로 형성되는 금속층; 및
상기 금속층의 일면에 구비되는 금속-절연체 전이 물질(MIT)을 포함하는 온도스위치층;
을 포함하는 세라믹 필름.A metal layer formed of a conductive metal; And
A temperature switch layer including a metal-insulator transition material (MIT) provided on one surface of the metal layer;
Ceramic film containing a. 제 1항에 있어서,
상기 금속층은,
상기 금속층을 관통하는 관통홀이 복수개 형성되는 메쉬구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 1,
The metal layer,
A ceramic film characterized in that it is formed in a mesh structure in which a plurality of through holes penetrating the metal layer are formed. 제 1항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도가 임계 온도 + 100K 보다는 낮은 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 1,
The temperature switch layer,
The ceramic film, characterized in that the transition temperature of the metal-insulator transition material is lower than the critical temperature + 100K. 제 3항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도 전후로 전기 전도도가 103배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 3,
The temperature switch layer,
The ceramic film, characterized in that the electrical conductivity of the metal-insulator transition material before and after the transition temperature increases by 10 3 times or more. 제 3항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질의 전이 온도 전후로 전기 전도도가 105배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 3,
The temperature switch layer,
The ceramic film, characterized in that the electrical conductivity is increased by 10 5 times or more before and after the transition temperature of the metal-insulator transition material. 제 3항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질이 상온 이하의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 3,
The temperature switch layer,
Ceramic film, characterized in that the metal-insulator transition material has a transition temperature below room temperature. 제 1항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질이 바나듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.According to claim 1,
The temperature switch layer,
Ceramic film, characterized in that the metal-insulator transition material comprises vanadium oxide. 제 7항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질이 VO를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.The method of claim 7,
The temperature switch layer,
Ceramic film, characterized in that the metal-insulator transition material comprises VO. 제 7항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질이 VnO2n-1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.The method of claim 7,
The temperature switch layer,
The metal-insulator transition material is a ceramic film characterized in that it comprises at least one material selected from the group consisting of V n O 2n-1 (here n = 2 ~ 9). 제 7항에 있어서,
상기 온도스위치층은,
상기 금속-절연체 전이 물질이 Fe3O4, RNiO3(R=La, Sm, Nd 또는 Pr), La1-xSrxNiO4(여기서 x<1), NiS1-xSex(여기서 x<1) 및 BaVS3로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필름.The method of claim 7,
The temperature switch layer,
The metal-insulator transition material is at least 1 selected from the group consisting of Fe3O4, RNiO3 (R = La, Sm, Nd or Pr), La1-xSrxNiO4 (x <1), NiS1-xSex (here x <1) and BaVS3. A ceramic film comprising a species material. 상기 제 1항 내지 제 10항에 의한 세라믹 필름을 이용한 초전도 코일에 있어서,
소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 초전도부를 포함하는 고온 초전도 선재; 및
상기 고온 초전도 선재의 적어도 일부를 감싸며 구비되는 상기 세라믹 필름;
을 포함하는 초전도 코일.In the superconducting coil using the ceramic film according to claim 1 to 10,
A high temperature superconducting wire including a superconducting portion extending in a lengthwise direction with a predetermined width; And
The ceramic film is provided surrounding at least a portion of the high-temperature superconducting wire;
Superconducting coil comprising a.
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WO2022084398A3 (en) * 2020-10-20 2022-06-23 Tokamak Energy Ltd High temperature superconductor field coil

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