KR20210133839A - 고온초전도 선재 제조장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 릴-투-릴 방식으로 기판을 공급하면서 전자빔증발, 스퍼터링, 열증발 증착 중 하나 이상의 방법으로 물질층을 증착시켜 고온초전도 선재를 제조하기 위한 고온초전도선재 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 진공챔버와, 상기 진공챔버 내부에 구비되는 증착물질 별로 구획부재에 의해 구획되는 복수의 증착공간과, 상기 진공챔버 내부에서 상기 복수의 증착공간을 모두 경유하는 길이로 형성되며, 외면에 기판의 이동을 안내하기 위한 가이드홈이 형성되는 가이드 드럼과, 상기 진공챔버 내부에서 상기 가이드 드럼의 일측에 구비되어 상기 가이드홈을 따라 기판을 공급하는 공급릴과, 상기 진공챔버 내부에서 가이드 드럼의 타측에 구비되어 상기 복수의 증착공간을 모두 경유한 기판을 회수하는 회수릴을 포함하고, 구획부재는 진공챔버를 구성하며, 증착물질의 증발공간을 제공하는 하부챔버에서 각 증착물질의 타 공간 유입을 방지하기 위한 하부구획부재와, 진공챔버를 구성하며 기판에 증착된 물질의 반응공간을 제공하는 상부챔버를 하부챔버의 구획위치와 대응되도록 구획하는 상부구획부재를 포함하도록 구성되고, 상부구획부재와 하부구획부재의 각 일면은 상기 드럼의 외면 형상과 대응되도록 형성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 다결정 기판에서도 결정배향성이 개선된 단결정 수준의 초전도 층이 형성된 고온초전도 선재가 제조될 수 있다.

Description

고온초전도 선재 제조장치 및 방법{A manufacturing apparatus and method for high temperature superconductive wires}
본 발명은 릴-투-릴 방식으로 기판을 공급하면서 전자빔증발, 스퍼터링, 열증발 증착 중 하나 이상의 방법으로 물질층을 증착시켜 고온초전도 선재를 제조하기 위한 고온초전도선재 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
초전도 현상은 임계온도(critical temperature) 이하에서 물질의 저항이 0에 가까워지는 물리적 현상으로 이를 이용하여 제조되는 선재(wire) 즉, 초전도 선재(superconducting wire)는 대전류 통전, 고자장 생성 등의 측면에서 우수한 특성을 가진다. 상기 초전도 선재의 이와 같은 특성은 제품의 성능향상은 물론 소형화 구현 등이 가능하다.
따라서, 초전도 마그네트, 초전도 케이블, 초전도 모터 및 초전도 발전기 등과 같은 전력용 기기 개발은 물론, NMR, MRI 등의 의료장비 개발, 가속기, 핵융합장치 등의 거대과학장비 개발 등 다양한 산업분야에서 초전도 선재를 활용하기 위한 꾸준한 노력이 이루어지고 있다.
한편, 상기 초전도 선재는 임계온도를 기준으로 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS)와 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)로 구분된다.
그 중 고온초전도선재(HTS)는 절대온도 0K(-273℃)에 가까운 임계온도의 저온초전도선재(LTS)와 비교하여 임계온도가 100K(-173℃)부근으로 비교적 높은 온도에서 초전도 특성을 나타내며, 주로 박막형으로 제조되어 활용되고 있다.
그리고, 박막형으로 제조되는 고온초전도선재의 경우 초전도박막의 결정들이 잘 정렬된 형태를 보일 수록 높은 임계전류를 가진다. 따라서, 초전도층의 높은 임계전류 확보를 위하여 결정배향성을 개선하고자 하는 다양한 노력이 이루어지고 있다.
현재 상용화된 고온초전도 선재의 경우에는 2축-배향된 테이프 형태의 금속 기판 위에 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방식 등을 이용하여 이루어지는데, 제조 공정이 다단계로서 비경제적이다.
먼저, 우수한 특성을 가지는 고온초전도 박막선재를 제조하기 위해서는 사용하는 테이프 형태의 금속 기판이 2축-배향성을 가져야한다.
2축-배향성의 금속기판 제조 방식에는 대표적으로 압연도움 이축배양 집합구조기판(Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate, 이하 RABiTS라 함)과, 이온빔 도움 증착(Ion Beam Assisted Deposition, 이하 IBAD라 함) 방법으로 구분된다.
상기와 같은 방법으로 제조된 테이프 형태의 2축-배향 금속기판에는 결정배향을 따라 에피택셜하게 복수의 완충층(buffer layer)이 형성되며, 완충층의 상측으로 고온초전도층이 증착된다.
상세히, 상기 완충층은 펄스레이저 증착(Pulsed Laser deposition), 알에프 스퍼터링(RF-Sputtering), 열 동시증발(Thermal Co-evaporation), 유기금속화학 기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 유기금속 증착(Metal Organic Deposition) 등의 방법으로 증착될 수 있다.
그리고, 고온초전도층의 경우에도 PLD(Pulsed Laserdeposition), RF-Sputtering, Thermal Co-evaporation, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 혹은 MOD(Metal Organic Deposition) 방법 등으로 증착되며, 고온초전도 선재의 상측으로 다시 보호층 및 안정화층을 더 형성하여 고온초전도선재의 제조가 완료된다.
일 예로 대한민국 등록특허 제1093085호,“테이프 기판 위에 초전도체 재료를 형성하기 위한 방법 및 장치”에는 각 공정에 대응되는 수의 진공챔버를 직렬로 배치하여 상호 연통되고, 양단에 테이프 기판의 공급 및 회수를 위한 릴이 각각 구비되는 릴챔버를 포함하여 각 공정에 해당되는 챔버를 거치면서 순차적으로 증착 및 열처리되어 고온초전도 선제가 제조된다.
하지만, 상기와 같은 경우 각 제조공정에 대응되는 수의 진공챔버가 요구되고, 각 챔버 사이를 분리시키기 위한 분리챔버가 별도로 더 포함되어야 하므로 제조단가가 높아지게 되는 문제점을 가진다.
또한, 각각의 챔버를 직렬로 배치함에 따라 고온초전도 선재 제조장치의 설치를 위한 공간 확보에 어려움이 있으며, 기판의 상측에 순차적으로 증착되는 완충층의 종류나 수량이 가변될 경우 진공챔버를 이에 대응하여 배치해야만 하는 문제점을 가진다.
KR 10-1093085 B1 KR 10-0795065 B1 KR 10-0750654 B1
본 발명의 목적은 제조 공정을 간소화하면서 증착하고자 하는 물질층의 종류와 수량에 따라 진공챔버 내부공간을 가변시킬 수 있는 고온초전도 선재 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다결정의 기판을 이용하는 경우에도 결정배향성을 개선시켜 고온초전도층이 증착될 수 있도록 하는 고온초전도 선재 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 목적의 고온초전도 선재 제조장치를 이용하여 단결정 수준의 초전도층이 형성되는 고온초전도 선재를 제조하기 위한 고온초전도 선재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치는 진공챔버와, 상기 진공챔버 내부에 구비되는 증착물질 별로 구획부재에 의해 구획되는 복수의 증착공간과, 상기 진공챔버 내부에서 상기 복수의 증착공간을 모두 경유하는 길이로 형성되며, 외면에 기판의 이동을 안내하기 위한 가이드홈이 형성되는 가이드 드럼과, 상기 진공챔버 내부에서 상기 가이드 드럼의 일측에 구비되어 상기 가이드홈을 따라 기판을 공급하는 공급릴과, 상기 진공챔버 내부에서 가이드 드럼의 타측에 구비되어 상기 복수의 증착공간을 모두 경유한 기판을 회수하는 회수릴을 포함하고, 상기 구획부재는 진공챔버를 구성하며, 증착물질의 증발공간을 제공하는 하부챔버에서 각 증착물질의 타 공간 유입을 방지하기 위한 하부구획부재와, 진공챔버를 구성하며 기판에 증착된 물질의 반응공간을 제공하는 상부챔버를 하부챔버의 구획위치와 대응되도록 구획하는 상부구획부재;를 포함하도록 구성되고, 상기 상부구획부재와 하부구획부재의 각 일면은 상기 드럼의 외면 형상과 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 증착공간에 수용되는 증착물질에는 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질이 포함되는 것을 특징으로 한다.
[관계식 A]
0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
상기 하부챔버 및 상부챔버에는 각각 가이드 드럼의 길이방향을 따라 등 간격으로 배치되는 하부고정수단과 상부고정수단이 구비되며, 상기 하부구획부재 및 상부구획부재는 요구되는 공간의 범위에 따라 상기 하부고정수단과 상부고정수단에 위치 가변하면서 끼움 장착되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조방법은 진공챔버 내부에 릴-투-릴 방식으로 기판 이송을 위한 가이드 드럼을 구비하는 가이드 드럼 준비단계와, 상기 진공챔버 내부에 가이드 드럼에 증착되는 증착물질을 배치하고, 각 증착물질 배치 공간을 하부구획부재를 이용하여 구획하는 하부챔버 구획단계와, 상기 하부챔버 구획단계와 대응되도록 상부챔버 내부 공간을 상부구획부재를 이용하여 구획하는 상부챔버 구획단계와, 내부공간이 구획된 진공챔버 내부에서 가이드 드럼을 회전시키며 증착물질을 순차적으로 증착시키는 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하부챔버 구획단계에서는 증착물질의 배치 시 초전도 층을 형성하는 물질의 배치공간 전측에 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질을 배치하는 것을 특징으로 한다.
[관계식 A]
0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
상기 증착단계는 구획된 제1공간에서 기판에 이트륨 옥사이드(Y2O3)를 증착하는 제1증착공정과, 구획된 제2공간에서 상기 이트륨 옥사이드(Y2O3)가 증착된 기판에 IBAD 방식으로 산화마그네슘(MgO)을 증착하는 제2증착공정과, 구획된 제3공간에서 산화마그네슘(MgO)층이 증착된 기판에 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질을 증착시켜 단결정 수준의 배향 증착이 이루어지는 제3증착공정과, 구획된 제4공간에서 단결정 수준으로 배향 증착된 결정배향성 개선 물질층의 상측으로 동시 열증발 증착법을 이용하여 초전도층을 증착하는 제4증착공정과, 구획된 제5공간에서 상기 초전도층의 상측으로 은(Ag)을 증착시켜 보호층을 형성하는 제5증착공정 및 구획된 제6공간에서 상기 제5증착공정까지 완료된 기판을 회수릴로 모두 권취한 이후 제6공간 내부로 산소를 공급하여 초전도층의 산소조성비를 조절하는 제6공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[관계식 A]
0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각 도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
본 발명에 따르면 진공챔버 내부에 증착물질 별 수용공간이 구획되고, 릴-투-릴 방식으로 공급 및 회수되는 기판이 드럼에 형성된 가이드 홈을 따라 회전 이송되면서 각 구간별 증착물질이 순차적으로 적층될 수 있다.
따라서, 복수의 진공챔버가 요구되지 않으며, 한번의 준비과정을 통해 연속된 적층구조를 용이하게 형성할 수 있으므로 고온초전도 선재의 제조에 소요되는 시간과 경비를 줄일 수 있는 이점을 가진다.
또한, 본 발명에 따르면, 진공챔버 내부에 구비되는 증착물질에 결정배향성 개선 물질이 수용되는 공간이 마련되고, 초전도 물질의 증착에 앞서 결정배향성 개선 물질이 증착된 이후 후속 증착되는 물질 및 초전도층을 에피택셜하게 증착시켜 다결정 기판에서도 결정배향성이 개선된 단결정 수준의 초전도 층이 형성된 고온초전도 선재가 제조될 수 있다.
뿐만 아니라, 완충층에 또 다른 기능층을 부가하거나 완충층의 종류를 줄이고자 할 경우와, 초전도층의 형성 이후 보호층 및 안정화층을 형성하고자 할 경우 모두 진공챔버 내부공간을 구획부재를 이용하여 용이하게 가변시킬 수 있으므로 공정 개선이 용이함은 물론 공정 개선에 소요되는 제조경비를 절감할 수 있는 이점을 가진다.
도 1 은 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 주요 구성을 보이기 위한 도면.
도 2 는 본 발명의 요부구성인 구획부재의 설치 구조를 보인 도면.
도 3 은 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 내부공간 구획 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4 는 본 발명의 요부구성인 상부챔버 구획부재(a)와 하부챔버 구획부재(b)의 일실시 예를 보인 도면.
도 5 는 본 발명의 요부구성인 수평 구획부재의 일실시 예를 보인 도면.
도 6 은 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 구획된 내부공간의 일 실시 예를 보인 도면.
도 7 은 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치를 이용하여 고온초전도 선재를 제조하는 과정을 보이기 위한 도면.
도 8 은 본 발명의 단결정 형성 매커니즘을 보이기 위한 도면.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결정배향성 개선 물질로 FeCo 박막을 보인 도면.
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FexCo1-x 합금으로 형성된 박막의 조성비에 따른 2-theta를 분석하여 나타낸 그래프
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 완충물질로 MgO 및 LMO를 적용해 Phi Scan을 분석하여 결정들의 평면방향으로의 정렬도를 나타낸 도면.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 완충물질의 결정립계에서의 결정립들의 결정방위차 각도의 반가폭에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 열증발증착법으로 결정배향성 개선물질의 증착률에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열증발증착법으로 결정배향성 개선물질을 증착시켜 박막을 형성하는 단계에서 증착온도에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면.
도 15 는 단결정 수준의 결정배향성을 나타내는 두께에 대한 실험결과를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다.각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 기재된다. 또한, 실시 예의 설명에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 설명을 간략히 하거나 생략하였으며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 상측에 “구비”,“적층”,“증착”또는“형성”된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소의 상면에 직접적으로 구비, 적층, 증착 또는 형성될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “구비”,“적층”,“증착”또는“형성”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치는 진공챔버 내부에서 릴-투-릴 방식으로 기판이 이송되면서 기판의 이동위치에 따라 순차적으로 증착물질을 증착시켜 고온초전도 선재를 제조하도록 구성된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 기능의 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 에는 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 주요 구성을 보이기 위한 도면이 도시되고, 도 2 에는 본 발명의 요부구성인 구획부재의 설치 구조를 보인 도면이 도시되며, 도 3 에는 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 내부공간 구획 구조를 설명하기 위한 도면이 도시된다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치는 진공챔버(200) 내부에서 가이드 드럼(400)을 회전시키면서, 가이드 드럼(400)에 형성된 가이드 홈(도면부호 부여되지 않음)을 따라 이송되는 기판(100)에 증착물질을 연속해서 증착시키도록 구성된다.
상세히, 상기 진공챔버(200)는 상부챔버(220)와 하부챔버(260) 및 차압챔 버(240)로 구성되며, 상기 차압챔버(240)는 상기 상부챔버(220)와 하부챔버(260) 사이에 구비되어 각 챔버에서 발생되는 반응가스를 차압 배기한다.
상기 상부챔버(220)는 산소공급부(500)를 통해 산소 및 반응 가스 등이 공급됨에 따라 상대적으로 저진공 상태를 유지한다. 그리고, 기판(100)에 증착되는 증착물질이 히터에 의해 가열되어 확산되면서 결정성장 될 수 있는 반응공간을 제공하며, 상기 가이드 드럼(400)을 중심으로 내부히터(420)와 외부히터(222)를 구비하여 반응공간을 가열할 수 있도록 구성된다.
상기 하부챔버(260)는 상대적으로 고진공 상태를 유지하며, 증착물질을 공급하여 기판(100)에 증착물질이 증착될 수 있도록 구성된다.
그리고, 상기 차압챔버(240)는 상기 상부챔버(220)와 하부챔버(260) 사이에서 서로 연동 작용하는 차압 배기를 통해 하부챔버(260)를 고진공 상태로 유지시켜 증착 및 결정성장 환경이 명확히 분리될 수 있도록 한다.
상기와 같이 증착과 결정성장 환경이 구분된 환경의 진공챔버(200) 내부에는 전술한 가이드 드럼(400)이 구비된다.
상기 가이드 드럼(400)은 기판(100)의 공급을 위한 공급릴(420)과 증착이 완료된 기판(100)을 회수하기 위한 회수릴(440)을 더 포함하며, 외주면을 따라 가이드 홈(미도시)이 형성된다.
상기 가이드 홈(미도시)은 공급되는 기판(100)의 폭과 대응되는 폭으로 가이드 드럼(400) 외주면에서 내측으로 소정 깊이 함몰 형성되며, 회수릴(440) 방향으로 진출하는 나선형상으로 형성된다.
따라서, 상기 공급릴(420)에서 풀려 나오는 기판(100)은 가이드 홈에 수용된 상태로 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 일정한 속도로 가이드 홈을 따라 회수릴(440) 방향으로 이송될 수 있다.
한편, 상기와 같은 공급구조에서는 기판(100)이 가이드 홈과 접촉되어 접촉저항이 발생될 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 다양한 구조가 적용될 수 있다.
일 예로, 상기 가이드 드럼(400)에는 본 발명의 선행기술문헌으로 기재된 “(특허문헌 2) KR10-0795065 B1”에서와 같이 드럼의 회전에 따라 가이드홈 외측으로 중력에 의해 노출되는 무게추를 이용하여 기판과 가이드 홈의 마찰을 줄이는 구조가 적용될 수 있다.
다른 예로, 상기 가이드 드럼(400)에는 “(특허문헌 3) KR10-0750654 B1”과 같이 드럼의 길이 방향을 따라 별도의 슬립롤러를 구비하여 가이드 홈을 따라 이동하는 기판의 마찰을 줄이는 구조가 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가이드 드럼(400)은 하부챔버(260) 내부에 구비되는 증착물질의 수용공간을 모두 경유하는 길이로 형성된다.
즉, 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치는 기판(100)에 증착되는 다수의 증착물질이 진공챔버(200) 내부에 순차적으로 배치되고, 기판(100)의 이동 위치에 따라 배치 순서에 따른 증착이 연속해서 진행되어 복수의 증착공정이 단 1번의 준비과정을 통해 이루어질 수 있도록 하는데 특징을 가진다.
이를 위해 본 발명에 따른 진공챔버(200) 내부에는 가이드 드럼(400)의 길이방향을 따라 복수의 증착물질들이 구획부재에 의해 개별적으로 구획되는 공간에 순차적으로 배치된다.
상기 구획부재는 하부챔버(260)의 내부공간을 증착물질이 기판(100)을 향해 공급되는 방향으로 구획하는 하부구획부재(800)와, 상부챔버(220)의 내부공간을 상기 하부구획부재(800)의 위치와 대응하도록 구획하는 상부구획부재(600) 및 상기 가이드 드럼(400)의 축방향과 나란하게 구비되어 상부챔버(220)와 하부챔버(260) 사이에 위치되는 수평구획부재(700)로 구분된다.
상세히, 도 4 에는 본 발명의 요부구성인 상부챔버 구획부재(a)와 하부챔버 구획부재(b)의 일실시 예를 보인 도면이 도시되고, 도 5 에는 본 발명의 요부구성인 수평 구획부재의 일실시 예를 보인 도면이 도시된다.
도 5를 우선 참조하면, 상기 수평구획부재(700)는 상기 가이드 드럼(400)의 길이보다 길게 형성되는 평판 형상의 수평구획패널(720)로 중앙 부분에 개구부(740)가 형성되며, 폭은 진공챔버(200)의 내부와 대응되도록 형성된다.
그리고, 상기 개구부(740)는 상기 가이드 드럼(400)의 직경보다는 작은 폭을 가지면서 가이드 드럼(400)의 길이와 대응되는 길이로 형성된다. 따라서, 상기 가이드 드럼(400)이 진공챔버(200) 내부에 구비된 상태에서 상기 수평구획부재(700)가 설치되면, 가이드 드럼(400)의 하부 일부분만 하부챔버(260)를 향해 노출되고 나머지 부분은 차폐될 수 있도록 한다.
한편, 도 4 의 (a)에 도시된 상부구획부재(600)는 상기 상부챔버(220) 높이 및 폭과 대응되는 높이와 폭을 가지는 평판 형상의 상부구획패널(620)로, 상기 가이드 드럼(400)의 상측 일부분과 대응되는 형상의 개구부인 드럼상부 수용부(640)를 포함한다.
그리고, 도 4의 (b)에 도시된 하부구획부재(800)는 상기 하부챔버(260)의 높이 및 폭과 대응되는 높이와 폭을 가지는 평판 형상의 하부구획패널(820)과 상기 가이드 드럼(400)의 형상 중 상기 드럼상부 수용부(640)의 형상을 제외한 나머지 가이드 드럼(400)의 하부 형상과 대응되는 형상의 개구부인 드럼하부 수용부(840)를 포함한다.
즉, 상기 상부구획부재(600)와 하부구획부재(800) 및 수평구획부재(700)는 상기 가이드 드럼(400)의 외부에서 가이드 드럼(400)이 구비되는 위치를 제외한 나머지 진공챔버(200) 내부공간과 대응되는 형상으로 형성되되, 가이드 드럼(400)과 접하지 않도록 설치됨으로써 진공챔버(200) 내부공간이 구획된 복수의 공간으로 구분될 수 있도록 한다.
이를 위해 상기 하부챔버(260) 및 상부챔버(220)에는 각각 진공환경 형성을 위한 배기 펌핑은 물론 상기 차압챔버(220)에 의한 배기펌핑이 함께 이루어짐에 따라 상기와 같은 구획부재에 의해 개별적으로 분리되는 공간은 각각 해당 증착물질이 수용되는 영역의 증착공간 및 반응공간으로 작용할 수 있다.
게다가 본 발명에 따른 구획부재는 상기 가이드 드럼(400)의 외면과 10mm 이하의 공극(opening)을 형성하도록 설치되어 상부챔버(220)와 하부챔버(260)의 진공도 차이가 유지될 수 있다.
상기와 같은 설치 구조를 위해 상기 진공챔버(200) 내부에는 구획부재의 설치를 위한 고정수단이 더 구비된다.
상세히, 상기 수평구획부재(700)는 상기 진공챔버(200)의 내벽에 구비되는 수평고정수단(250)에 고정 설치될 수 있다.
상기 수평고정수단(250)은 상기 수평구획패널(720)의 전측 및 후측 양 단부가 각각 끼움 장착될 수 있도록 수평구획패널(720)의 두께만큼 이격된 거리를 가지는 한 쌍의 돌기부 형태로 형성될 수 있다.
상기 하부구획부재(800)는 상기 하부챔버(260)의 저면에 구비되는 하부고정수단(270)에 의해 고정 설치될 수 있다.
상기 하부고정수단(270)은 상기 가이드 드럼(400)의 길이방향을 따라 상방으로 돌출 형성되는 복수개의 돌기부로, 각 돌기부 사이의 이격 거리는 상기 하부고정패널(820)의 두께와 대응되는 거리만큼 형성된다. 따라서, 상기 하부구획부재(800)를 원하는 위치에 이동 설치 가능하며, 증착물질의 수량 및 증착범위에 따라 설치 위치 및 수량이 용이하게 가변될 수 있다.
그리고, 상기 상부구획부재(600)는 상기 상부챔버(220)의 상면에 구비되는 상부고정수단(230)에 의해 고정 설치될 수 있다.
상기 상부고정수단(230)은 상기 하부고정수단(270)과 대응되는 위치에 형성되어 상기 하부구획부재(800)의 설치위치에 대응되어 상기 상부구획부재(600)가 고정 설치될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 상부구획부재(600)과 하부구획부재(800)는 진공챔버(200) 내부공간을 가이드 드럼(400) 축방향과 교차되는 방향으로 구획하여 하나의 증착물질이 다른 증착공간과 구분되어 증착 및 반응할 수 있도록 한다.
한편, 상기와 같이 구획되는 증착공간에는 증착물질의 특성에 따라 전자빔 증착(E-beam evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열증발증착(Thermal evaporator) 및 동시증발증착(Evaporation using Drun in Dual Chamber, EDDC) 방법 중 하나를 이용하여 증착이 이루어질 수 있다.
일 예로 초전도층이 형성되는 증착공간에서는 상기 동시증발증착(EDDC) 방법에 의해 초전도층을 형성하는 물질인 Sm, Ba, Cu 가 동시증발 증착되며, 이를 위해 각각의 물질이 수용되는 도가니(280)와 각 물질별 증발률을 제어하기 위한 QCM(Quartz crystal microbalances) 센서가 구비될 수 있다.
도 6 에는 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치의 구획된 내부공간의 일 실시 예를 보인 도면이 도시된다. 그리고, 도 7 에는 본 발명에 따른 고온초전도 선재 제조장치를 이용하여 고온초전도 선재를 제조하는 과정을 보이기 위한 도면이 도시된다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시 예에 따른 고온초전도 선재 제조장치를 이용하여 고온초전도 선재를 제조하는 방법은 우선, 진공챔버(200)의 내부에 가이드 드럼(400)을 설치하는 가이드 드럼 준비단계부터 수행된다.
상기 가이드 드럼 준비단계에서는 상기 공급릴(420) 및 회수릴(440)과 함께 일정속도로 회전하면서 기판(100)을 이송시키기 위한 가이드 드럼(400)이 설치된다. 상기 가이드 드럼(400)은 외부에서 회전 모터와 연결되어 회전 속도가 가변될 수 있으며, 상부챔버(220)와 하부챔버(260) 사이에 수평구획부재(700)를 설치하여, 가이드 드럼(400)의 하부 일부분만 하부챔버(260)의 상측에 노출될 수 있도록 한다.
상기 가이드 드럼(400)이 설치된 이후에는 진공챔버(200) 내부에 가이드 드럼(400)에 증착되는 증착물질을 배치하고, 각 배치 공간을 하부구획부재(800)를 이용하여 구획하는 하부챔버 구획단계가 수행된다.
상기 하부챔버 구획단계에서는 상기 가이드 드럼(400)의 축방향과 교차되는 방향으로 하부챔버(260) 내부공간을 복수의 공간으로 구획하며, 본 실시 예에서는 상기 하부챔버(260)가 5개의 하부구획부재(800)에 의해 6개의 구분된 공간으로 구획된다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 구획된 공간을 공급릴(420)에서 회수릴(440)을 향하는 방향을 따라 순차적으로 제1증착공간(262), 제2증착공간(263), 제3증착공간(264), 제4증착공간(265), 제5증착공간(266) 그리고, 후열처리공간(268)로 구분하여 설명한다.
그리고, 상기 하부챔버(260)는 배기펌핑에 의해 10-4 Torr 이하의 고진공 상태로 유지되며, 상기 제1내지 5 증착공간(262~266) 및 하부후열처리공간(268)에는 각각 증착물질의 특성에 따른 증착방법과 이를 위한 장치 구성이 부가된다.
한편, 상기와 같이 하부챔버 구획단계가 완료되면, 상기 하부챔버의 구획된 공간과 대응되도록 상부챔버 내부 공간을 구획하는 상부챔버 구획단계가 수행된다.
상기 상부챔버 구획단계에서는 상기 하부구획부재(800)의 설치 위치와 대응되도록 상부구획부재(600)를 설치하여 내부공간을 6개의 공간으로 구획하여 각각 제1반응공간(222), 제2반응공간(223), 제3반응공간(224), 제4반응공간(225), 제5반응공간(226) 그리고, 상부후열처리공간(228)로 구분된다.
한편, 상기와 같이 구획된 상부챔버(220)에도 배기펌핑에 의해 진공상태가 유지되나, 전술한 바와 같이 산소공급부(500)를 통해 산소 및/또는 반응가스 등이 공급됨에 따라 상대적으로 저진공 상태로 유지된다.
상기 산소공급부(500)는 초전도층이 위치되는 제3반응공간(224) 및 상부후열처리공간(228)에 위치되며, 설명의 편의를 위해 각각 제1산소공급부(520) 및 제2산소공급부(540)로 구분한다.
상기와 같이 상부챔버 구획단계가 완료되면, 복수의 증착 및 반응공간 사이에 위치되는 가이드 드럼(400)을 회전시키면서 기판(100)을 이송시켜 증착물질이 순차적으로 증착되는 증착단계가 수행된다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명의 고온초전도 선재 제조과정에 대해 설명한다.
본 실시 예에서 가이드 드럼(400)은 직경 50cm에 72cm의 길이를 가지고, 100m 길이의 선재를 수용한다.
상기 가이드 드럼(400)은 100rpm 으로 회전제어되며, 각 증착공정 모두 동일하게 적용된다.
한편, 각 증착공간은 아래 표와 같이 증착물질이 배치되어 운전조건이 제어된다.
구분 증착물질 증착법 증착온도 진공도 증착률
제1증착공간 Y2O3 전자빔증착법 상온 10-4 Torr 이하 수 nm/sec
제2증착공간 MgO 전자빔증착법 상온 10-4 Torr 이하 수 nm/sec
제3증착공간 Ag
(결정배향개선)		 열증발증착법 600℃ 10-4 Torr 이하 수십/sec
제4증착공간 SmBCO 동시열증발증착법 800℃ 5~20mTorr 수 nm/sec
제5증착공간 Ag 열증발증착법 500~700℃ 10-4 Torr 이하 수 nm/sec
상세히, 상기 제1증착공간(262)에서는 이트륨 산화물(Y2O3)이 증착물질로 수용되어 가이드 드럼(400)이 회전하면서 기판(100)이 공급되면 상온에서 전자빔증착법으로 이트륨산화물이 박막 형태로 증착된다. 그리고, 박막 형태로 증착된 이트륨산화물은 회전에 의해 제1반응공간(222)으로 이동되며, 확산 및 결정성장되어 이트륨산화물층이 형성된다.
상기와 같이 이트륨산화물층이 증착된 기판(100)은 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 제2증착공간(263)으로 이송되고, 제2증착공간(264)에서는 상온에서 전자빔증착법으로 산화마그네슘(MgO)을 박막 형태로 증착된다. 그리고, 박막 형태로 증착된 산화마그네슘(MgO)은 회전에 의해 제2반응공간(223)으로 이송되어 확산 및 결정성장되면서 산화마그네슘층이 형성된다.
상기와 같이 산화마그네슘층이 형성된 기판은 다시 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 제3증착공간(264)으로 이송되고, 상기 제3증착공간(264)에서는 결정배향성을 개선시키기 위한 결정배향성 개선물질인 은(Ag)이 박막 형태로 증착된다. 상기와 같이 박막 형태로 증착되는 은(Ag)은 회전에 의해 제3반응공간(224)으로 이송되어 확산 및 결정성장하면서 결정배향성을 개선시켜 단결정 수준의 박막의 은(Ag) 층이 형성된다.
즉, 상기 제3증착공간(264)에 수용되는 은(Ag)는 결정배향성을 개선시키기 위한 물질의 일 실시 예로, Fe, Fe계 합금, Fe계 화합물, Ni, Ni계 합금, Ni계 화합물, Ag 또는 Cu 중에서 선택될 수 있으며, 이와 같은 물질을 선택하기 위한 결정배향성 개선 매커니즘은 아래에서 첨부된 도면들과 함께 상세히 설명한다.
상기와 같이 단결정 수준의 은(Ag) 박막이 형성된 기판은 다시 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 제4증착공간(265)으로 이송되고, 상기 제4증착공간(265)에서는 Sm, Ba, Cu를 동시증발시켜 SmBCO가 박막 형태로 증착된다. 이때, 상기 SmBCO는 상기 은(Ag) 박막이 단결정 수준으로 형성됨에 제4반응공간(225)으로 이송되어 결정성장할 시 단결정 수준의 결정배향성을 따라 에피택셜하게 성장하여 단결정 수준의 초전도 박막으로 형성된다.
상기와 같이 단결정 수준의 초전도 박막이 형성된 기판은 다시 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 제5증착공간(266)으로 이송되고, 상기 제5증착공간(266)에서는 은(Ag)이 박막형태로 적층되어 제5반응공간(226)을 경유하면서 은(Ag) 보호층으로 형성된다.
상기와 같이 기판에 은(Ag) 보호층의 증착이 완료된 이후에는 상기 가이드 드럼(400)의 회전에 의해 하부후열처리공간(268) 및 상부후열처리공간(228)에서 회수롤(440)에 기판 권취가 완료된 상태로 450℃로 가열하면서 산소 수백Torr를 공급하여 산소 후열처리하여 증착시 부족한 초전도층의 산소 조성비를 최적 조성비로 맞춰준다.
한편, 도 8 은 본 발명의 단결정 형성 매커니즘을 보이기 위한 도면이 도시된다.
도면을 참조하면, 다결정의 제1 물질로 형성된 기판은 층을 이루는 결정립 각각의 배향축 방향이 랜덤하게 형성된 형태일 수 있다.(도 8의 (a) 참조).
상기와 같은 다결정의 기판 상측에 다결정의 결정배향성 개선물질을 증착시켜 박막을 형성하되, 상기 증착시 기판 결정립의 결정 크기(grain size)보다 큰 결정핵이 생성되면서 결정배향성 개선물질의 결정성장과 함께 박막이 증착된다.
즉, 상기 결정배향성 개선물질이 증착될 때, 순간적으로 기판 상에 결정핵이 빠르게 생성 및 성장하면서 증착되고, 기판 결정립계에서의 결정의 크기(grain size)보다 크게 생성되며, 이 때 박막의 결정립들의 배향축 방향이 기판의 결정립들의 배향축 평균방향과 정렬방향이 일치할 때 가장 에너지가 낮아 기판의 평균 배향축 정렬방향과 평행하게 증착될 수 있게 된다(도 8의 (b) 참조).
이를 위해 상기 기판의 상측에 증착되는 결정배향성 개선물질의 결정립 크기는 상기 기판 결정립 크기의 적어도 2배 이상이며, 보다 바람직하게는 5~6배 이상일 때 기판 결정립들의 배향축 평균방향과 박막의 결정립들의 배향방향이 거의 일치할 수 있게 된다. 이후 결정배향성 개선물질의 증착이 지속됨에 따라 상기 결정핵이 성장하면서 박막 증착이 완료되면, 박막의 결정립 결정배향성은 결정립계에서의 결정방위차 각도의 반가폭이 3°이내를 만족하는 단결정성을 나타내게 된다.(도 8의 (c) 참조)
보다 구체적으로, 도 9 에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결정배향성 개선 물질로 FeCo 박막을 보인 도면이 도시된다.
도 9의 (a)는 FeCo 합금 박막의 표면을 SEM 사진을 나타낸 것으로 이를 참조하면, FeCo 박막은 FeCo 결정모양이 직사각형을 형성하며 배향축이 반듯하고 일정하게 정렬되어 있는 바, 이는 단결정 수준으로 배향된 상태로 결정핵이 생성되고 결정이 에피택셜하게 성장하면서 박막이 형성되었음을 의미한다.
즉, 다결정의 기판 상에 다결정인 FeCo 합금박막이 형성됨에도 불구하고, 기판 결정립들의 배향축 평균방향과 정렬방향이 일치하여, 기판의 평균 배향축 정렬방향과 평행하게 FeCo 박막이 증착됨에 따라 단결정성의 FeCo 박막이 형성된다.
또한, 도 9의 (b)는 FeCo 합금 박막의 단면을 TEM 사진으로 나타낸 것으로 이를 참고하면, LMO층과 FeCo 합금 박막의 계면에서부터 에피택셜하게 결정 성장이 이루어짐을 단적으로 나타내고 있다. 여기서 상기 LMO 층은 기판의 결정배향성 개선물질층인 FeCo 합금 박막의 결합력을 향상시키기 위한 다결정 완충층으로 이와 같은 구조는 아래에서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
그리고, 도 9의 (c)는 600℃ 이상의 온도에서 열증발증착법을 통해 증착 형성된 FeCo 합금 박막의 400nm 이하 두께에서의 표면을 SEM 사진으로 나타낸 것으로, FeCo 합금 박막의 FeCo 결정들이 사각형을 가지면서 일자로 정렬된 모습을 보인다.
또한, 도 9의 (d)의 경우 400~600℃의 온도에서 열증발증착법을 통해 증착 형성된 FeCo 합금 박막의 400nm 이상의 두께에서의 표면을 SEM 사진으로 나타낸 것으로, FeCo 합금 박막의 FeCo 결정들이 합쳐져서 평탄한 표면을 가짐을 나타낸다.
따라서, 본 발명에서 결정배향성을 개선시키기 위한 박막은 상술한 바와 같이 결정배향성 개선물질층 증착시 결의핵이 생성되고 결정이 에피택셜하게 성장하며, 결정핵이 생성될 때 에너지가 가장 낮은 상태로 FeCo 박막의 결정배향성이 제어되므로, 결정배향성 개선물질이 증착됨과 거의 동시에 단결정 수준의 결정배향성을 나타내게 된다.
바람직하게는 본 발명의 결정배향성 개선 물질층은 기판과의 계면에서부터 수십 nm 이내에서 기판 결정립들의 배향축 평균방향과 평행하게 결정배향되도록 증착되고, 결정이 에피택셜하게 성장하면서 박막으로 증착됨에 따라 수백 nm 내지 수 ㎛에 이르는 단결정성 박막으로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 본 발명의 결정배향성 개선 물질층 하부에 형성된 기판과의 계면에서부터 40nm 이내에서 관계식 A를 만족시키는 단결정성을 나타낸다.
[관계식 A]
0°< FWHM2 ≤ 3°
(단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
또한, 본 발명에 있어서 다결정의 결정배향성 개선물질은 Fe, Fe합금 또는 Fe계 화합물일 수 있다. 이 때, 상기 Fe계의 결정배향성 개선 물질로 형성되는 박막 즉 결정배향성 개선물질층은, 체심입방(body-centered cubic: bcc) 구조를 가짐에 따라, 기판 결정립들의 배향축의 평균방향과 평행하게 각 결정의 중심에 위치하는 결정핵이 배향되면서 증착될 수 있다.
또한, Fe는 지각에서 알루미늄 다음으로 흔한 금속이며 지구를 구성하는 원소 중 가장 비중이 높다. 따라서 상기 Fe계 단결정성 박막은, 원가면에서 경제성을 높이는 것은 물론 결정배향성이 우수하고, 다결정 기판의 종류에 관계없이 우수한 결정배향성을 나타낼 수 있어 본 발명에 적용될 수 있다.
이 때, 바람직하게는 상기 Fe계 박막은 Fe와 Co 및/또는 Ni의 합금으로 형성된 박막일 수 있다.
보다 바람직하게는 FexCo1-x(단, 0≤x≤0.5) 또는 FeNi3일 수 있다.
또한, 상기 박막을 형성하는 결정배향성 개선물질은 Fe, Fe계 합금, Fe계 화합물, Ni, Ni계 합금, Ni계 화합물, Ag 또는 Cu 중에서 선택되는 어느 하나 일 수 있다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 FexCo1-x합금으로 형성된 박막의 조성비에 따른 2-theta를 분석하여 나타낸 그래프로 FeCo 박막의 결정배향성을 측정하기 위한 철과 코발트의 증착부위 관련, #1에 가까울수록 철의 조성비가 높고 #7에 가까울수록 코발트의 조성비가 높음을 의미한다. 이를 참고하면, 철과 코발트의 조성비가 상이하더라도 결정들의 평면방향으로의 정렬도가 유지되는 것으로 나타난다.
이러한 결과로부터 철과 코발트 사이의 조성비에 민감하지 않고 조성비의 변화에 따라 결정배향이 큰 차이 없이 결정배향성을 잘 유지하고 있는 바 FexCo1-x 박막은 단결정성 박막으로서 상용화될 수 있음을 의미한다.
한편, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다결정 완충층으로 MgO 및 LMO를 적용해 Phi Scan을 분석하여 결정들의 평면방향으로의 정렬도를 나타낸 도면이 도시된다.(단, Phi Scan은 평면을 360°각도로 보았을 때, cube texture는 4개의 피크가 보여야 하는데, 각 피크가 샤프할수록 정렬이 잘 되었다고 볼 수 있다).
이를 참고하면, 0°, 90°, 180°, 270°에서의 피크를 통해 정방향으로 성장된 MgO로 이루어진 다결정 완충층 반가폭의 평균이 6.8°이고, 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 2.6°인 것으로 나타났고(도 11의 (a)), 0°, 90°, 180°, 270°에서의 피크를 통해 정방향으로 성장된 LMO를 포함하는 기판 반가폭의 평균이 6.8°이고, 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 2.9°인 것으로 나타났다(도 11의 (b)).
즉, 다결정 완충층의 종류에 상관없이 증착되는 FeCo 박막은 3°이내의 반가폭을 나타내었는바, 다결정 완충층의 종류가 다르더라도 유사한 단결정성의 배향성을 보임을 확인할 수 있게 된다.
그리고, 도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다결정 완충층의 결정립계에서의 결정립들의 결정방위차 각도의 반가폭에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면으로 다결정 완충층으로 MgO를 적용하고, 결정배향성 개선물질로 FeCo를 동일하게 적용하되, 다결정 완충층의 MgO의 반가폭만을 달리하여 Phi Scan을 분석해 결정배향능력을 나타낸 것이다.
이를 참고하면 도 12a는 0°, 90°, 180°, 270°에서의 피크를 통해 정방향으로 성장된 MgO를 포함하는 기판 반가폭의 평균이 6.8°이고, 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 2.8°이고, 도 12b는 0°, 90°, 180°, 270°에서의 피크를 통해 정방향으로 성장된 MgO를 포함하는 기판 반가폭의 평균이 무려 13.53°이고, 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선 물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 2.6°인 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 다결정 완충층이 형성된 기판의 평균 배향축의 결정방위차 각도가 6.8° 혹은 13.53°로 치우쳐 있더라도 기판의 결정립들의 전체적인 배향축 평균방향은 한 방향이므로, 다결정 완충층인 MgO의 결정배향능력이 나쁘더라도 FeCo 박막이 단결정 수준으로 배향됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 있어서 상기 다결정 완충층의 상부에 다결정의 결정배향성 개선물질이 결정배향되면서 단결정성을 나타내게 되는 바, 본 발명에 따른 결정배향성 개선물질층은 특히 기판과 결정배향성 개선물질층의 결정배향성이 아래의 [관계식 B]를 만족하면서, 다결정 완충층과 결정배향성 개선물질층의 결정배향성이 0°< FWHM2 ≤ 3°를 만족하는 것을 특징으로 한다.
[관계식 B]
5°< FWHM1 - FWHM2 ≤ 20°
(단, FWHM1,FWHM2는 각각 기판과 박막의 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
즉, 단결정성 박막을 형성하는 결정배향성 개선물질이 증착되면서 형성되는 결정립의 크기가 기판의 결정립의 크기의 적어도 2배 이상으로 형성되면서 결정핵이 생성되고, 결정이 성장하면서 배향이 이루어지게 되므로, 기판의 결정립계에서의 반가폭과 단결정성을 나타내는 박막의 반가폭은 상당한 차이를 나타내게 된다.
특히, 증착 속도가 증가할수록 결정핵이 급격히 성장하면서 단결정 수준으로 박막이 형성될 수 있고, 초전도체에 적용되는 IBAD, RABiTS 금속기판은 결정방위차 각도가 평균 6°이고 일반적으로 사용되는 기판의 결정립계에서의 결정방위차 각도의 반가폭은 최대 20°정도이므로, 상술한 바와 같이 기판과 박막의 결정배향성이 관계식 B를 만족하면서, 박막의 결정배향성이 0°< FWHM2 ≤ 3°를 만족할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 박막을 형성하는 단계는, 기판의 상부에 다결정의 결정배향성 개선물질이 증착될 때 결정핵이 생성되고 결정이 에피택셜하게 성장하여 박막이 형성되는 바, 결정핵이 생성될 때 에너지가 가장 낮은 상태로 박막의 결정배향성이 제어되므로, 결정배향성 개선물질이 증착됨과 거의 동시에 단결정 수준의 결정배향성을 나타내어, 상술한 관계식 A 및 관계식 B를 만족하게 된다.
이 때, 상기 증착방법으로는 화학적 기상증착(CVD:chemical vapor deposition), 물리적 기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition), 원자층 증착(ALD:atomic layer deposition), 스핀 온 글라스(Spin-On-Glass, SOG), 도금 기타 다양한 방법을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 박막을 형성하는 단계는 박막의 조직을 제어하고 결정배향성을 향상시키기 위하여 진공증착에 의하여 박막을 형성하는, 열 또는 플라즈마를 이용하는 CVD법, 열증발, 전자빔 또는 스퍼터링을 이용하는 PVD법을 이용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 열증발증착법으로 결정배향성 개선물질을 증착시켜 박막을 형성하는 단계에서, 결정배향성 개선물질의 증착률에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면이다.
즉, 결정배향성 개선물질의 증착률을 빨리 했을 때와 느리게 했을 때를 도 13의 (a) 내지 (c)에 나타낸 본 발명의 결정배향성 개선물질의 증착률에 따른 결정배향능력을 Phi Scan 분석결과로 나타낸 것이다. 단, 0°, 90°, 180°, 270°에서의 피크를 통해 정방향으로 성장된 MgO를 포함하는 기판 반가폭의 평균이 6.8°이다.
이를 참고하면, 도 9a는 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 1.5°인 것으로 나타났으며, 이 때 증착률은 40Å/sec이다. 또한 도 13b는 45°, 135°, 225°, 315°에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeCo 합금의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 3.5°이다. 이때 증착률은 증착시작점에서 0에서부터 시작하여 40Å/sec 증가하는 증착률이다. 또한 도 13의 (c)는 45°, 135°, 225°, 315° 부근에서의 피크를 통해 45°방향으로 성장된 FeNi3의 결정배향성 개선물질로 이루어진 박막의 반가폭의 평균이 1.5°인 것으로 나타났으며, 이 때 증착률은 40Å/sec이다.
상기 도 13의 (a) 내지 (c)의 결과로부터 증착률이 클 경우 결정핵의 생성 및 결정의 성장이 빨리 이루어져 결정립의 크기가 증대되어 결정배향성이 높아지고, 증착률이 작은 경우 결정핵의 생성 및 결정의 성장이 상대적으로 천천히 이루어짐에 따라 결정립의 크기가 작고 결정배향성이 낮아짐을 확인할 수 있다. 따라서 증착률이 높을수록 결정배향성이 높아진다. 또한 결정배향성 개선물질로서 Fe계 물질은 체심입방구조를 가짐에 따라 기판의 결정립들의 배향축의 평균방향과 평행하게 각 결정의 중심에 위치하는 결정핵이 배향되면서 높은 증착률로 증착될 때 결정배향성이 높아진다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른, 열증발증착법으로 결정배향성 개선물질을 증착시켜 막을 형성하는 단계에서 증착온도에 따른 결정배향능력을 나타낸 도면으로, 증착온도에 따른 FeCo 박막의 결정배향능력을 FeCo(002) 피크에 의해 확인한 결과를 나타낸 것이다. 즉, 도 14의 (a) 내지 (h)는 기판의 온도가 각각 150℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃일 때 결정배향성 개선물질인 FeCo 합금 박막의 XRD 결과를 나타낸 것이다. 이를 참조하면, FeCo가 기판 온도 150℃에서 비정질이다가 200℃에서부터 결정배향이 이루어져 결정화되는 것으로 나타났으며, 이렇게 200℃에서부터 결정배향이 이루어지다가 800℃에서도 결정배향이 이루어진 것을 확인할 수 있다.
따라서, 바람직하게는 상기 Fe계의 결정배향성 개선물질로 박막을 형성하는 단계는 적어도 200℃, 보다 바람직하게는 500 내지 600℃에서 증착이 이루어질 수 있다. 일반적인 금속박막 형성시 700℃이상의 고온에서 증착되는 것이 요구되는 것과 비교하면 특히 Fe계의 결정배향성 개선물질로 박막을 형성할 때 결정배향능력이 매우 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
이처럼 본 발명에 따르면, 상기 기판의 상부에 다결정의 결정배향성 개선물질을 증착시켜 박막을 형성하는 단계는 증착온도 및 증착율을 제어함으로써 단결정 수준의 높은 결정배향성을 갖도록 할 수 있다.
도 15 는 단결정 수준의 결정배향성을 나타내는 두께에 대한 실험결과를 나타낸 도면으로, 결정배향성 개선물질로 Fe 합금 중 FeCo 합금의 두께에 따른 증착 시 결정배향시점을 나타낸 것이다. 즉, 기판 상에 (a) 40nm, (b) 80nm, (c) 120nm로 달리하여 FeCo박막을 증착시킨 경우, 증착과 거의 동시에 Fe(110) 결정면 방향 분포도가 0.5° 이내로 자발적으로 정렬되어 단결정 수준의 결정배향성을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 단결정 형성 매커니즘에 따르면 결정배향성 개선물질층으로 형성되는 박막은 다결정 완충층이 형성된 기판과의 계면에서부터 수십 nm 이내에서 기판의 결정립들의 배향축의 평균방향과 평행하게 결정배향되도록 증착되며, 보다 바람직하게는 결정배향성 개선물질층 박막의 하부에 형성된 기판과의 계면에서부터 40nm 이내에서 상술한 관계식 A를 만족시키는 단결정성을 나타낸다.
100.......... 기판 200.......... 진공챔버
220.......... 상부챔버 240.......... 차압챔버
260.......... 하부챔버 400.......... 가이드 드럼
420.......... 공급릴 440.......... 회수릴
600.......... 상부구획부재 700.......... 수평구획부재
800.......... 하부구획부재

Claims (6)

  1. 진공챔버;
    상기 진공챔버 내부에 구비되는 증착물질 별로 구획부재에 의해 구획되는 복수의 증착공간;
    상기 진공챔버 내부에서 상기 복수의 증착공간을 모두 경유하는 길이로 형성되며, 외면에 기판의 이동을 안내하기 위한 가이드홈이 형성되는 가이드 드럼;
    상기 진공챔버 내부에서 상기 가이드 드럼의 일측에 구비되어 상기 가이드홈을 따라 기판을 공급하는 공급릴;
    상기 진공챔버 내부에서 가이드 드럼의 타측에 구비되어 상기 복수의 증착공간을 모두 경유한 기판을 회수하는 회수릴;을 포함하며,
    상기 구획부재는 진공챔버를 구성하며, 증착물질의 증발공간을 제공하는 하부챔버에서 각 증착물질의 타 공간 유입을 방지하기 위한 하부구획부재와, 진공챔버를 구성하며 기판에 증착된 물질의 반응공간을 제공하는 상부챔버를 하부챔버의 구획위치와 대응되도록 구획하는 상부구획부재;를 포함하도록 구성되며,
    상기 상부구획부재와 하부구획부재의 각 일면은 상기 드럼의 외면 형상과 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착공간에 수용되는 증착물질에는 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재 제조장치.
    [관계식 A]
    0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부챔버 및 상부챔버에는 각각 가이드 드럼의 길이방향을 따라 등 간격으로 배치되는 하부고정수단과 상부고정수단이 구비되며, 상기 하부구획부재 및 상부구획부재는 요구되는 공간의 범위에 따라 상기 하부고정수단과 상부고정수단에 위치 가변하면서 끼움 장착되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재 제조장치.
  4. 진공챔버 내부에 릴-투-릴 방식으로 기판 이송을 위한 가이드 드럼을 구비하는 가이드 드럼 준비단계;
    상기 진공챔버 내부에 가이드 드럼에 증착되는 증착물질을 배치하고, 각 증착물질 배치 공간을 하부구획부재를 이용하여 구획하는 하부챔버 구획단계;
    상기 하부챔버 구획단계와 대응되도록 상부챔버 내부 공간을 상부구획부재를 이용하여 구획하는 상부챔버 구획단계;
    내부공간이 구획된 진공챔버 내부에서 가이드 드럼을 회전시키며 증착물질을 순차적으로 증착시키는 증착단계;를 포함하는 고온초전도 선재 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부챔버 구획단계에서는 증착물질의 배치 시 초전도 층을 형성하는 물질의 배치공간 전측에 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질을 배치하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재 제조방법.
    [관계식 A]
    0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 증착단계는
    구획된 제1공간에서 기판에 이트륨 옥사이드(Y2O3)를 증착하는 제1증착공정과,
    구획된 제2공간에서 상기 이트륨 옥사이드(Y2O3)가 증착된 기판에 IBAD 방식으로 산화마그네슘(MgO)을 증착하는 제2증착공정과,
    구획된 제3공간에서 산화마그네슘(MgO)층이 증착된 기판에 [관계식 A]를 만족하여 단결정 수준의 결정배향성을 가지는 물질을 증착시켜 단결정 수준의 배향 증착이 이루어지는 제3증착공정과,
    구획된 제4공간에서 단결정 수준으로 배향 증착된 결정배향성 개선 물질층의 상측으로 동시 열증발 증착법을 이용하여 초전도층을 증착하는 제4증착공정과,
    구획된 제5공간에서 상기 초전도층의 상측으로 은(Ag)을 증착시켜 보호층을 형성하는 제5증착공정 및
    구획된 제6공간에서 상기 제5증착공정까지 완료된 기판을 회수릴로 모두 권취한 이후 제6공간 내부로 산소를 공급하여 초전도층의 산소조성비를 조절하는 제6공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온초전도 선재의 제조방법.
    [관계식 A]
    0°< FWHM2 ≤ 3° (단, FWHM2는 박막 결정립계에서의 결정방위차 각도(misorientation angle) 분포곡선의 반가폭(full width at half maximum)이다.)
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