KR20210023422A - 초전도 선재의 브릿지 접속 구조체 및 접합 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2세대 고온 초전도 선재의 접속 구조체에 관한 것이다. 본 발명은 제1 초전도 선재 및 제2 초전도 선재의 접속 단부를 브릿지 접속하는 접속용 도체를 포함하는 브릿지 접속 구조체에 있어서, 상기 접속용 도체는 초전도층 및 상기 초전도층을 둘러싸는 금속 보호층으로 구성되는 초전도 패치인 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 선재 접속부의 두께를 획기적으로 감소시킴으로써 마그넷 권선 시 선재에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있는 초전도 접합 방법 및 그에 의해 제조된 초전도 접속 구조체를 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 초전도 선재의 접속 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법 및 그에 의해 제조된 초전도 접속 구조체에 관한 것이다.
2세대 고온 초전도 선재는 케이블이나 코일, 마그네트로의 응용을 위해 장선의 제조가 필수적이다.
초전도 선재의 생산 길이는 1Km 정도로 실제 초전도 선재에서 결함없는 구간은 수백 미터 정도이며, 결함 없는 장선의 초전도선재는 길이가 길어질수록 가격이 기하급수적으로 증가하고 그 제조공정의 난이도가 상당히 까다롭게 된다. 이를 극복하기 위해서는 장선의 초전도선재에 존재하는 결함을 제거하고 다시 이어주는 접합기술의 개발이 필요하다.
종래의 접합 기술은 초전도 선재를 겹쳐서 잇는 랩 조인트 방식과 두 선재를 맞대어 잇는 브릿지 조인트 방식이 주로 사용된다. 그러나, 종래의 조인트 방식은 접속부의 두께가 선재 두께의 2배 이상으로 두꺼워지는 문제점을 가지며, 이로 인해 마그넷 등의 용도로 코일 권선시 접합부에 기계적 응력이 집중하게 된다는 문제점을 갖는다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 브릿지 접속 방식에 있어서 접속부 두께를 최소화하는 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 초전도 접속 구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 제1 초전도 선재 및 제2 초전도 선재의 접속 단부를 브릿지 접속하는 접속용 도체를 포함하는 브릿지 접속 구조체에 있어서, 상기 접속용 도체는 초전도층 및 상기 초전도층을 둘러싸는 금속 보호층으로 구성되는 초전도 패치인 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체를 제공한다.
본 발명에서 상기 각각의 제1 및 제2 초전도 선재는 금속 기판;
상기 금속 기판 상의 초전도층; 및 상기 초전도층 상의 안정화층을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 및 제2 초전도 선재의 접속 단부는 안정화층의 최소한 일부가 제거된 영역을 포함하고 상기 초전도 패치는 상기 영역에 안착될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 초전도층이 동일 평면 상에 위치하도록 제1 초전도 선재 및 제2 초전도 선재의 접속 단부를 맞닿게 배치하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 초전도 선재의 접속 단부 상에 접속용 도체를 용접하는 단계를 포함하고, 상기 접속용 도체는 초전도층 및 상기 초전도층을 둘러싸는 금속 보호층을 포함하는 초전도 패치인 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체의 제조 방법을 제공한다. .
본 발명에 따르면 선재 접속부의 두께를 획기적으로 감소시킴으로써 마그넷 권선 시 선재에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있는 초전도 접합 방법 및 그에 의해 제조된 초전도 접속 구조체를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 이용되는 예시적인 초전도 패치(30)를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 접속 구조체가 초전도 패치가 마운트 되기 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 이용되는 예시적인 초전도 패치(30)를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 접속 구조체가 초전도 패치가 마운트 되기 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 2 개의 초전도 선재(100)가 각 선재의 단부에서 접속되어 있다. 상기 접속된 선재(100) 상부에는 접속용 도체가 마운트되어 있다. 도 1에서 초전도 선재는 서로 평행하게 배열되어 있는데, 바람직하게는 두 선재의 초전도층이 동일 평면(공면) 상에 존재하도록 배치되어 있다.
상기 접속용 도체는 솔더(10)에 의해 상기 선재(100)의 접속 단부 상에 용접될 수 있다. 상기 접속 구조체에서 접속용 도체는 접속 구조체의 강성이나 저항 등을 고려하여 적절한 길이로 설계될 수 있다.
본 발명에서 접속부를 형성하는 상기 초전도 선재(100)로는 RABiTS(Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate) 기반 또는 IBAD(Ion Beam Assist Deposition) 기반 등의 2세대 초전도 선재가 사용될 수 있다.
예시적으로 초전도 선재(100)는 금속 기판(110), 상기 금속 기판 상의 완충층(도시하지 않음) 및 상기 완충층 상의 초전도층(120)을 포함한다. 상기 초전도 선재(100)는 기판(110), 완충층 및 초전도층(120)을 둘러싸는 제1 보호층(130)과 상기 제1 보호층(130) 상의 제2 보호층(140)을 포함하는 복층 구조의 안정화층을 포함하고 있다.
본 발명에서 상기 금속 기판(110)으로는 Ni 또는 Ni 합금 기판이 사용될 수 있다. 또한, 상기 완충층은 MgO, LMO, STO, ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 및 HfO2로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하여 구성될 수 있으며, 초전도 제품의 용도 및 제조 방법에 따라 단일 층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 초전도층(120)은 이트륨 원소 또는 희토류(RE; Rare Earth) 원소를 포함하는 초전도 물질로 구성될 수 있다. 예컨대 YBa2Cu3O7으로 대표되는 Y123 또는 RE123 초전도 물질이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 초전도층으로는 Bi계의 초전도 물질이 사용되어도 무방하다. 상기 제1 보호층은 금, 은, 백금 및 팔라듐 등과 같은 귀금속 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 금속 또는 그 금속의 합금층이 사용될 수 있고, 상기 제2 보호층으로는 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속 또는 그 금속의 합금층을 포함할 수 있다. 또한, 부가적 또는 선택적으로, 상기 선재의 외곽은 도전성 라미네이션층에 의해 커버될 수 있다. 이 때, 상기 라미네이션층은 강성을 갖는 금속소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 스테인레스 스틸, 브라스와 같은 구리 합금 또는 니켈 합금이 사용될 수 있다.
다만, 본 발명에서 제1 보호층 및 제2 보호층의 적층 구조는 예시적인 것으로, 초전도층의 일측에만 복층 구조의 보호층이 적용될 수 도 있을 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 상기 접속용 도체로는 초전도 패치(200)가 사용된다. 본 발명의 초전도 패치의 적층 구조를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에서 이용되는 예시적인 초전도 패치(30)를 도시하는 도면이다.
도 2에 도시된 초전도 패치(30)는 초전도층(220) 및 초전도층 상하의 보호층(230, 240)을 포함하고 있다. 경우에 따라서는 상기 초전도 패치(200)는 완충층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보호층(230, 240)은 제1 보호층(230)과 제2 보호층(240)을 포함할 수 있다. 구현예에 따라서는, 보호층(230, 240)은 제1 보호층(230)과 제2 보호층(240) 중 어느 하나의 보호층만을 포함할 수도 있고, 다른 구현예로서, 초전도 패치(200)의 하부에 제1 보호층(230)과 제2 보호층(240) 중 하나의 보호층만이 존재하고, 상부에는 제1 보호층(230)과 제2 보호층(240) 모두가 존재할 수 있다. 도 1의 초전도 패치(200)는 상부에 복층 구조의 보호층이 형성된 경우를 예시적으로 보여주고 있다.
본 발명에서 제1 보호층(230)으로는 제1 금속 소재 예컨대, 금, 은, 백금 및 팔라듐 등과 같은 귀금속 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 금속 또는 그 금속의 합금층이 사용될 수 있고, 제2 보호층(240)으로는 제2 금속 소재 예컨대 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속 또는 그 금속의 합금층이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 초전도 패치(200)에는 금속 기판이 존재하지 않는다. 이와 같이, 초전도 패치(200)는 초전도 선재 구조에서 금속 기판이 제거된 구조를 가지는데, 기판이 초전도 선재의 두께 대부분을 차지하는 점을 고려하면 패치는 매우 얇은 두께를 갖는다. 예컨대, 초전도 선재의 기판 두께는 대략 50~100 ㎛이고, 완충층은 약 0.2㎛ 이내의 두께이고, 초전도층은 약 1㎛ 정도의 두께이며, 은 보호층은 약 2㎛ 이내의 두께이고, 구리 보호층은 약 20㎛ 정도의 두께를 가지므로, 금속 기판의 두께는 초전도 선재 전체 두께의 40% ~ 60%를 차지한다. 따라서, 금속 기판이 제거된 초전도 패치는 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체의 실질적인 두께 증가를 현저히 감소시킬 수 있게 되며, 브릿지 구조에도 불과하고 초전도 접속 구조체의 최대 두께는 초전도 선재 두께의 1.4~1.6배의 작은 값으로 설정될 수 있다.
본 발명에서 초전도 패치는 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 초전도 선재의 금속 기판측이 하측으로 향하도록 하여 어느 정도의 기계적 강도를 가진 두께를 가진 구리 혹은 금속 테이프 판에 InBi나 InSn 등의 용융점이 낮은 솔더(solder)로 고온 초전도 선재를 고정한다. 이어서, 금속 기판을 뜯어내는 방식으로 하면 금속 기판과 이하 금속기판 하부에 형성된 은 보호층 및 구리 보호층이 같이 박리가 되어, 초전도층/은 보호층/구리 보호층이 적층된 구조의 박리 구조체를 얻게 된다. 이어서, 이 구조체의 초전도층 상에 은 보호층을 스퍼터링 등의 방법으로 증착함으로써 초전도 패치가 제조된다.
이상의 제조 방법은 본 발명의 초전도 패치 제조 방법의 일례에 불과하다. 기계적 박리법 대신 금속 기판 등의 금속 원소를 화학적으로 에칭하여 제거하는 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브릿지 구조의 초전도 접속 구조체를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1과 마찬가지로 2 개의 초전도 선재(100)가 각 선재의 단부에서 접속되어 있으며, 상기 접속된 선재(100) 상부에는 초전도 패치(200)가 마운트되어 있다. 전술한 초전도 선재(100) 및 초전도 패치(200)의 구성은 도 1과 관련하여 설명한 것과 같다. 다만, 상기 초전도 선재(100)의 접속 단부는 초전도 패치의 장착을 위한 안착 공간을 제공한다.
도 4는 도 3의 접속 구조체가 초전도 패치가 마운트 되기 전의 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 초전도 선재(100)의 양 접속 단부는 맞닿아 있고, 접속 단부의 제2 보호층(140)이 제거되어 있음을 알 수 있다. 도 3과 같이, 제2 보호층(140)이 제거된 영역(A)은 초전도 패치의 안착 공간이 된다. 도 4에서 초전도 선재(100) 접속 단부에서 제2 보호층(140)은 완전히 제거될 수 있거나 또는 일부만 제거될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명에서 도 4에서 상기 초전도 선재(100가 맞닿은 부위(B)는 패치의 장착 전에 사전 접합될 수 있다. 예컨대, 레이저 웰딩(welding)에 의해 금속 기판(110), 제1 보호층(130) 및 제2 보호층(140)이 용접될 수 있다. 이에 의해 보다 견고한 접속 구조체가 제공될 수 있다.
본 실시예에서의 접속 구조체는 초전도 패치의 일부가 초전도 선재의 제2 보호층 내로 매몰되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 접속 구조체의 두께는 더욱 감소할 수 있다. 예시적으로 제2 보호층의 두께에 해당하는 20 ㎛의 추가적인 두께 감소가 가능하다. 결과적으로, 접속 구조체의 두께는 초전도 선재 대비 브릿지 구조에도 불과하고 초전도 접속 구조체의 최대 두께는 초전도 선재 두께의 1.2~1.4배의 작은 값으로 설정될 수 있다.
100
초전도 선재
110 금속 기판
120 초전도층
130 제1 보호층
140 제2 보호층
200 초전도 패치
220 초전도층
230 제1 보호층
240 제2 보호층
110 금속 기판
120 초전도층
130 제1 보호층
140 제2 보호층
200 초전도 패치
220 초전도층
230 제1 보호층
240 제2 보호층
Claims (5)
- 제1 초전도 선재 및 제2 초전도 선재의 접속 단부를 브릿지 접속하는 접속용 도체를 포함하는 브릿지 접속 구조체에 있어서,
상기 접속용 도체는 초전도층 및 상기 초전도층을 둘러싸는 금속 보호층으로 구성되는 초전도 패치인 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 각각의 제1 및 제2 초전도 선재는
금속 기판;
상기 금속 기판 상의 초전도층; 및
상기 초전도층 상의 안정화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체. - 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 초전도 선재의 접속 단부는 안정화층의 최소한 일부가 제거된 영역을 포함하고 상기 초전도 패치는 상기 영역에 안착된 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체. - 초전도층이 동일 평면 상에 위치하도록 제1 초전도 선재 및 제2 초전도 선재의 접속 단부를 맞닿게 배치하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 초전도 선재의 접속 단부 상에 접속용 도체를 용접하는 단계를 포함하고,
상기 접속용 도체는 초전도층 및 상기 초전도층을 둘러싸는 금속 보호층을 포함하는 초전도 패치인 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 배치 단계에서 상기 제1 및 제2 초전도 선재의 접속 단부는 상기 초전도 패치의 안착 공간을 제공하기 위하여 안정화층의 최소한 일부가 제거된 것을 특징으로 하는 초전도 브릿지 접속 구조체의 제조 방법.
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