WO2017039299A1 - 스마트 인슐레이션을 구비하는 고온 초전도 코일, 그에 사용되는 고온 초전도 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

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superconducting
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transition material
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김석환
조영식
고락길
하동우
김형욱
박찬
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil formed by a winding of a superconducting wire, and more particularly, to a high temperature superconducting coil having a structure for electrically insulating adjacent windings by an insulating layer.
  • High-temperature superconducting wires that operate at liquefied nitrogen temperatures show high critical current density characteristics in high magnetic fields and are attracting attention as high magnetic fields such as superconducting magnets.
  • 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 the conductive metal shell, and may be classified into first and second generation superconducting wires according to its structure.
  • the second generation superconducting wire has a laminated structure of a metal substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer, and the outer edge of the wire has a coating structure made of a conductive metal such as Cu or Ag or an alloy thereof. Accordingly, the wire rods of adjacent turns are in electrical contact during coil winding.
  • the superconducting wire may be wound in a state of being wrapped with an insulating material such as Teflon or Jopton.
  • the insulation of the superconducting wire constituting the superconducting magnet affects the electromagnetic characteristics such as excitation of the superconducting magnet.
  • an object of the present invention is to provide a superconducting coil made of a high temperature superconducting wire suitable for high magnetic field applications.
  • an object of the present invention is to provide a high temperature superconducting coil having a self-protection function from the quench phenomenon generated during operation of the superconducting magnet.
  • an object of this invention is to provide the manufacturing method of the high temperature superconducting wire mentioned above.
  • the present invention is a high-temperature superconducting coil wound around a high-temperature superconducting wire extending in a longitudinal direction with a predetermined width, the metal-insulator transition for electrically insulating between superconducting portions of the adjacent superconducting wire
  • a high temperature superconducting coil characterized by interposing a material (MIT) layer.
  • the metal-insulator transition material layer preferably has a transition temperature above the critical temperature of the superconducting wire. In addition, the metal-insulator transition material layer preferably has a transition temperature lower than the threshold temperature + 100K.
  • the metal-insulator transition material layer may increase the electrical conductivity before and after the transition temperature by 10 3 times or more, more preferably by 10 5 times or more.
  • the metal-insulator transition material layer may have a transition temperature of room temperature or less.
  • the superconducting wire includes a superconducting material and a conductive metal sheath surrounding the superconducting material, and the metal-insulator transition material layer is interposed between the metal sheaths of adjacently stacked superconducting wires. It may be.
  • the metal-insulator transition material layer may be interposed continuously or intermittently in the longitudinal direction of the wound wire.
  • the present invention a superconducting portion extending in the longitudinal direction and a conductive metal shell surrounding the superconducting portion; And a metal-insulator transition material layer coated on at least a portion of the upper or lower surface of the conductive metal shell and extending in the extending direction of the superconducting portion.
  • the conductive metal shell may include a metal substrate on which the superconducting portion is formed and a metal layer protecting the superconducting portion.
  • the conductive metal shell may include a metal layer surrounding the superconducting portion.
  • the metal-insulator transition material layer may extend intermittently.
  • the metal-insulator transition material layer may include a support and a metal-insulator transition material supported on the support.
  • the support may have a mesh structure.
  • the metal-transfer material layer may include a metal-transition material powder; It may include a binder for binding the metal-transfer material powder.
  • the present invention is a superconducting portion extending in the longitudinal direction and a conductive metal shell surrounding the superconducting portion; A metal-insulator transition material layer coated on at least a portion of an upper surface or a lower surface of the conductive metal shell and extending in an extension direction of the superconducting portion; And a conductive protective layer on the metal-insulator transition material layer.
  • the conductive protective layer is electrically insulated from the conductive metal shell.
  • the conductive protective layer is preferably a metal material.
  • the metal-insulator transition material layer may be formed to surround at least a portion of the conductive metal sheath.
  • the present invention also provides a superconducting wire including a superconducting portion having a predetermined width and extending in the longitudinal direction and a conductive metal shell surrounding the superconducting portion; And providing a metal-insulator transition material layer on at least a portion of the upper or lower surface of the metal shell of the superconducting wire.
  • the providing of the metal-insulator transition material layer may include providing a solution in which the metal-insulator transition material is dispersed; And applying the solution to at least a portion of the upper or lower surface of the metal shell.
  • the present invention it is possible to provide a high temperature superconducting coil suitable for high magnetic field applications.
  • the superconducting coil of the present invention is easy to control the electromagnetic characteristics including the response characteristics when used as a magnet, it is possible to provide a highly stable superconducting coil having a self-protection function from the quench phenomenon during operation of the magnet, etc. do.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a superconducting coil 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the coil of FIG. 1 cut along the line AA ′.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of another embodiment of the coil of FIG. 1.
  • Figure 4 is a graph schematically showing the electrical conductivity characteristics according to the temperature of VO and V 2 O 3 as an example of the MIT material of the present invention.
  • FIG 5 shows the transition temperature of vanadium oxide according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A and 9B are views exemplarily illustrating an MIT layer coating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining an example of an MIT tape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the structure of a superconducting coil according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a superconducting wire suitable for implementing the coil structure of FIG. 9.
  • 13 is a graph showing the voltage change with the temperature change of the MIT bulk.
  • FIG. 14 is a graph illustrating voltage, current, and magnetic flux density measurement results of a superconducting coil to which an MIT coating is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is an enlarged view of a portion of FIG. 14.
  • FIG. 16 is a graph illustrating voltage, current, and magnetic flux density measurement results of a superconducting coil insulated by a dapton tape for comparison with the present invention.
  • the high temperature superconducting coil refers to a coil formed by winding a high temperature superconducting wire.
  • Embodiments of the present invention described below are mainly described and illustrated with reference to a second generation high temperature superconducting wire, but the present invention is not limited thereto and is also applicable to the first generation high temperature superconducting wire.
  • the high temperature superconducting coil of the present invention can be applied to a magnet operating in any operation mode such as a current application mode such as a field coil of a superconducting generator, a superconducting magnet of MRI, or a permanent current mode.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a superconducting coil 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the tape-shaped superconducting wire 110 extending in the longitudinal direction is wound in a clockwise direction to form a laminated structure.
  • the turn number of the winding forming the superconducting coil 100 may be appropriately designed according to the characteristics of the coil required. 1 illustrates a basic coil winding in which individual windings are concentric in cross section, the superconducting coil of the present invention is not limited to the illustrated structure. For example, it can be applied to any winding in which superconducting wires are laminated and / or wound, regardless of the form of a pan cake, double pan cake, toroidal, or the like.
  • a layer 120 of a metal-insulator transition is interposed between windings of adjacent turns in the stacking direction of the superconducting wire 110.
  • the MIT layer 120 may extend continuously along the winding.
  • FIG. 1 illustrates that one MIT layer 120 is interposed between adjacent turns
  • the present invention is not limited thereto.
  • two MIT layers may be interposed between adjacent turns of the superconducting coil.
  • the two interposed MIT layers may be connected to each other, but may have a structure in which a third conductive layer is interposed between the two MIT layers.
  • the MIT layer 120 may insulate between turns of the winding in the superconducting state of the superconducting wire, and may have any structure that can achieve this.
  • Conventional insulated coils which are insulated between turns of coil windings using insulation materials such as polyimide, teflon, phanton, etc., lower the time constant of the coil and ensure the fast response characteristics of the magnet.
  • this conventional insulated coil has a disadvantage of low electrical stability. For example, when quenching occurs during operation of the superconducting magnet, the insulating layer existing between turns of the insulating coil cannot carry the turn-by-turn bypass current when quenching occurs in the superconducting part.
  • Non-insulated coils are used.
  • Non-isolated coils provide a bypass path for current between turns to improve electrical stability, but degrade the response characteristics with increasing or decreasing current. For example, if a non-isolated coil is used as the superconducting field coil of a generator, the high time constant of the coil does not provide fast response to the applied current.
  • the MIT layer expresses the advantages of the non-insulated coil and the insulated coil according to the operating state of the coil. That is, in a superconducting state below the critical temperature of the superconducting wire, the MIT insulates the coils so that the coils exhibit fast response characteristics (charge and discharge characteristics). Then, when the superconducting coil transitions to the phase conduction state due to quench or other abnormal heat generation, the MIT layer exhibits high electrical conductivity and provides a bypass path for current.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a cross section obtained by cutting the coil of FIG. 1 in a direction AA ′.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a cross section obtained by cutting the coil of FIG. 1 in a direction AA ′.
  • the coil is formed by laminating superconducting wires 110a, 110b, and 110c.
  • the superconducting wires 110a, 110b, 110c are wound through the MIT layer 120.
  • the superconducting wires 100a, 100b, and 100c are second generation superconducting wires in which the superconducting portion of the wire is realized by the superconducting layer 114.
  • the MIT layer 120 may be provided in a form coated on the surface of the superconducting wire.
  • the superconducting wires 110a, 110b, and 110c may include a metal substrate 112, a superconducting layer 114, a capping layer 116, and a stabilization layer 118.
  • a buffer layer for growth of the superconducting layer 114 may be formed on the metal substrate 112, but is not illustrated here for convenience.
  • the capping layer 116 for protecting the superconducting layer 112 is illustrated as being formed on the superconducting layer 114, the capping layer 116 may extend to surround the side of the superconducting layer and the substrate 112.
  • the stabilization layer 118 extends to surround the substrate 112 on the superconducting layer 114, the shape can be appropriately designed by those skilled in the art.
  • the thickness of the remaining layers except for the metal substrate in the drawing is very thin compared to the illustrated, but is exaggerated for the convenience of illustration.
  • the above-described metal substrate 112 of the superconducting wire 110 may be a biaxially oriented metal substrate such as a rolling assisted biaxially substrate (RABiTS) substrate or a polycrystalline metal substrate such as an ion beam assisted deposition (IBAD) substrate.
  • the substrate may be made of a material such as nickel alloy or stainless steel.
  • the buffer layer may consist of a biaxially oriented metal oxide layer.
  • materials such as Y 2 O 3 , YSZ, CeO 2 , and MgO may be used.
  • the buffer layer may have a laminated structure of two or more material layers.
  • the superconducting layer 130 may be a ReBCO (ReBa 2 Cu 3 O 7 , wherein Re is at least one of metallic elements consisting of Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, and Y) high temperature superconducting material.
  • ReBCO ReBa 2 Cu 3 O 7
  • Re is at least one of metallic elements consisting of Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, and Y
  • the stabilization layer 118 may be made of a conductive metal made of silver, copper, or an alloy thereof. Accordingly, the MIT layer 120 electrically insulates the conductive metal of the adjacent superconducting wire 110, and the current flows through the superconducting layer 112 in the normal operating state of the superconducting wire.
  • the stabilization layer 118 acts as a bypass path for current.
  • the MIT layer 120 transitions to a metal state, and current passes from one superconducting wire 110a to the adjacent superconducting wire 110b through the MIT layer 120. Can be.
  • FIG. 3 is a view showing a cross-sectional structure of a superconducting coil according to another embodiment of the present invention.
  • the superconducting wires 110a, 110b, and 110c have a structure of first generation wire rods in which a filamentary superconducting portion 14 is arranged inside a metal matrix such as the metal stabilization portion 16.
  • the superconducting unit may be made of, for example, a superconducting material such as Bi2223.
  • the MIT layer 120 is interposed between the wires 110a, 110b, and 110c.
  • MIT described in FIGS. 2 and 3 generally refers to a material having a low electrical conductivity below a predetermined temperature (transition temperature) to behave as an insulator, but exhibiting a sharp increase in electrical conductivity above the transition temperature. .
  • MIT is used in substantially the same sense as the conventional usage of the term.
  • MIT suitable in the present invention preferably has a transition temperature above 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 or more.
  • the MIT has a transition temperature that is greater than or equal to the critical temperature of the superconducting material used for the wire rod.
  • the transition temperature of the MIT is less than the critical temperature + 150 K, more preferably the critical temperature + 100 K, more preferably the critical temperature + 50 K of the superconducting material.
  • the transition temperature of the MIT usable in the present invention may be around room temperature.
  • the transition temperature of the MIT may be above the critical temperature of the superconducting material, but is not necessarily limited thereto.
  • Exemplary MIT materials suitable for the present invention include vanadium oxide.
  • FIG 4 is a graph schematically showing the electrical conductivity characteristics according to the temperature of VO and V 2 O 3 as an example of the MIT material of the present invention.
  • the MIT changes the electrical conductivity of the temperature rise and temperature decrease process proceeds in a different path, such as a hysteresis loop. If the VO, and the electrical conductivity increases abruptly to at least 10 3 times higher in the vicinity of 123K (-150 °C) during heating transition temperature, V 2 O 3 is 163K (-110 °C) 10 3 or more times larger than the electric conductivity in the vicinity of It shows a sharp increase in.
  • FIG 5 shows the transition temperature of vanadium oxide according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows, as an example, the transition temperature (T t ) values presented in “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 of AL Pergament. It is shown.
  • MIT Metal-Insulator Transition
  • 6 (a) to 6 (d) are diagrams schematically showing the cross-sectional structure of a superconducting wire rod according to an embodiment of the present invention.
  • the superconducting wire 210 includes a metal substrate 212, a superconducting layer 214, a capping layer 216, and a stabilization layer 217 on which a buffer layer 213 is formed. have.
  • the MIT layer 218 is coated on the top surface of the superconducting wire 210.
  • the MIT layer 218 may be coated by any suitable application technique.
  • the MIT layer 218 may be formed by sputtering.
  • a wet method of forming the required MIT layer 218 from the precursor solution may of course be used.
  • the MIT layer may be formed by welding or joining a strip-type MIT layer manufactured separately.
  • a flexible MIT strip may be attached to one side or the bottom of the wire rod.
  • the polymer material may be used as the binder of the MIT material, and at this time, the polymer binder may include a conductive polymer.
  • the thickness of the MIT layer 218 may be appropriately selected in consideration of the electrical mechanical properties of the coating layer.
  • the MIT layer 218 may be formed on the bottom surface of the superconducting wire 110, and as shown in FIG. 6C, the top surface of the superconducting wire 110. It may be formed on both and. In addition, as illustrated in FIG. 5D, the MIT layer 218 may be formed to surround the top, bottom, and side surfaces of the superconducting wire.
  • 7 (a) to 7 (d) are diagrams schematically showing the cross-sectional structure of a superconducting wire according to another embodiment of the present invention.
  • the superconducting wire of FIG. 7 is different in that the conductive protective layer 219 formed on the MIT layer 218 is provided.
  • the conductive protective layer 219 protects the MIT layer 218.
  • the conductive protective layer 219 has good conductivity to provide a conductive path when the MIT layer 218 is in a metal state.
  • a conductive metal or alloy such as Cu, Ag, Al may be used as the material for forming the protective layer.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to another embodiment of the present invention.
  • the superconducting wire includes a metal substrate 212, a superconducting layer 214, a capping layer 216, and a stabilization layer 217 on which a buffer layer 213 is formed, similarly to FIG. 6A. Consists of. However, the MIT layer 218 is formed inside the wire of FIG. 8, and is different in that the MIT layer 218 is formed in direct contact with the upper surface of the superconducting layer.
  • the superconducting wire of the present invention described above may be manufactured in various ways.
  • Various methods of forming the MIT layer 218 can be used in addition to the conventional superconducting wire manufacturing method. Dry coating methods such as sputtering and chemical vapor deposition may be applied, and various coating processes such as conventional wet coating processes such as flow coating, dip coating, spin coating, and spray coating may be applied.
  • FIG. 9A is a diagram exemplarily illustrating an MIT layer coating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the superconducting wires 110 and 210 wound around the roll 310 are unwound at a constant speed and supplied to the applicator 320.
  • Applicator 320 provides an MIT solution on the superconducting wire 110.
  • the applicator 320 may include, for example, a sprayer or dispenser.
  • the applicator 320 receives MIT solution continuously or intermittently from an MIT solution supply device (not shown). Of course, any applicator may be used as an applicator in addition to or in place of a sprayer or dispenser.
  • the superconducting wire coated with the MIT material may be pressed by pressing means such as a roller to form a MIT layer of uniform thickness.
  • the roller may have a built-in heating means such as a heater.
  • the superconducting wire 210 having the MIT layer formed thereon may be dried by passing through the dryer 370.
  • FIG. 9B is a diagram exemplarily illustrating an MIT layer coating apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the coating device is provided with the MIT supply roll 330 together with the superconducting wire winding roll 310.
  • the MIT supply roll 310 supplies the MIT layer in the form of a tape.
  • the MIT layer may comprise MIT material and suitable additives for molding in the form of a tape.
  • the MIT tape 400 from the MIT supply roll 330 is bonded by the superconducting wire 110 supplied from the superconducting wire winding roll 310 and pressing means such as a pressure roller.
  • the bonded superconducting wire 210 may be further subjected to additional processes such as drying by the dryer 370.
  • the applicator 320 described above may form the MIT layer on both sides or the entire outer surface of the superconducting wire 110.
  • an applicator having two or more spray nozzles may be used.
  • MIT layers may be formed on both sides of the superconducting wire by using two or more winding rolls 330 shown in FIG. 7B.
  • FIG. 10 is a view for explaining an example of an MIT tape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a plan view of the MIT tape
  • FIG. 10B is a diagram illustrating a cross section after the MIT tape is bonded onto the superconducting wire 410.
  • the cross section shows a cross section in the direction B-B 'in FIG.
  • the MIT tape 400 includes a mesh support 410 and an MIT material layer 420.
  • the MIT material layer 420 is mainly formed in the opening of the mesh.
  • the opening size of the mesh structure the thickness of the support may be appropriately selected.
  • the MIT tape 400 of the present embodiment can be manufactured in various ways. For example, it may be prepared by impregnating or applying the MIT solution to the support 410 of the mesh structure, followed by appropriate drying.
  • the MIT tape 400 manufactured in this manner can be supplied to the apparatus shown in FIG. 6 (b).
  • the tape support without MIT is supplied to the apparatus as shown in FIG. 6 (b), and after bonding with the superconducting wire, impregnation or application of the MIT solution may be performed by a separate coating means.
  • the MIT tape may be based on a skeleton different from the one described above.
  • an MIT tape consisting of MIT powder and a binder supporting it may be used.
  • a conductive binder may be used as the binder.
  • the embodiments of the present invention have been described above based on the second generation wire including a substrate, a buffer layer, a superconducting layer, a capping layer, and a stabilization layer, but the present invention is not limited thereto.
  • the above technical concept of the present invention may be applied to a superconducting coil made of a first generation superconducting wire having a plurality of superconducting filaments embedded in a conductive metal layer. .
  • FIG. 11 is a view showing the structure of a superconducting coil according to another embodiment of the present invention.
  • the superconducting wire 110 of this embodiment is the same as described with reference to FIG. 1 in that the tape-shaped superconducting wire 110 extending in the longitudinal direction is wound to form a laminated structure having a concentric circular cross section. However, the MIT layer 120 interposed between the superconducting wires 110 does not extend continuously in the longitudinal direction of the superconducting wires.
  • the MIT layer 120 is partially interposed between turns of adjacent superconducting wires.
  • Such a structure has a structure similar to a partially insulated coil.
  • the turn in which the MIT layer is interposed may be arbitrarily selected.
  • the MIT layer 120 may be interposed such that one turn of the MIT layer 120 is repeated for n superconducting wire turns.
  • the superconducting coil of this embodiment is more suitable to be used when the stability of the coil is required rather than the response characteristic of the coil.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a superconducting wire suitable for implementing the coil structure of FIG. 11.
  • FIG. 12 is a view showing the side of the superconducting wire.
  • a discontinuous MIT layer 218 is coated on the top surface of the superconducting wire.
  • the spacing between adjacent MIT layers 218 may be determined by the length of the turn and the required coil characteristics.
  • the present invention has been described based on the superconducting coil and the superconducting wire applicable thereto. However, it will be appreciated by those skilled in the art, for example, that the present invention is applicable to a superconducting cable in the case where a plurality of wires are laminated or wound.
  • V 2 O 3 powder was mixed with PVDF (Polyvinylidene Fluoride) and NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone) in an appropriate ratio.
  • the viscosity of the mixture can be controlled by adjusting the content of the binder.
  • a coating slurry was prepared by mixing 97% by weight of V 2 O 3 and 3% by weight of PVDF + NMP.
  • the prepared coating solution was coated on both sides of Sumitomo's DI-BSCCO high-temperature superconducting wire, and the respective wires were separately stacked, and conductive leads were connected to both ends of each wire. Next, the voltage across the conductive lead was measured. The batch was immersed in liquid nitrogen and held for a predetermined time before being taken out to measure temperature and voltage.
  • 13 is a graph showing the voltage change with the temperature change of the MIT bulk.
  • the V 2 O 3 bulk has a predetermined resistance value from the change in the voltage value of the V 2 O 3 bulk to the transition temperature (about 160 K) at the liquid nitrogen temperature. It can be seen that the resistance decreases rapidly in the vicinity.
  • the superconducting wire was wound on a bobbin having a diameter of 140 mm while coating a V 2 O 3 slurry on both sides of Sumitomo's DI-BSCCO high temperature superconducting wire.
  • the number of turns of the laminated superconducting wire was 8 turns.
  • the wound coil was heat-treated at a temperature of 110 ° C. for 18 hours to remove the solvent. Subsequently, an epoxy was coated on the outer surface of the coil to cure 3 days in air to prepare a superconducting coil.
  • a superconducting coil of the same type was manufactured from a superconducting wire having no coating applied to the MIT layer.
  • the superconducting wire was insulated with Hommon tape, wound, and then cured by coating with epoxy.
  • Voltage, current, temperature and magnetic flux density of the manufactured superconducting coils were measured. National Instruments used Data Acquisition (DAQ) and a LabVIEW program. At this time, a voltage tap was installed in each coil to measure the voltage for each turn and the entire turn. In addition, the current was measured by installing a shunt resistor on the power supply output terminal. The magnetic field was measured by placing a hall sensor (measured at cryogenic temperatures) in the center of the coil. In addition, the temperature of the coil was measured by inserting an E-type thermocouple between the fourth and fifth turns.
  • DAQ Data Acquisition
  • LabVIEW program LabVIEW program
  • FIG. 14 is a graph illustrating voltage, current, and magnetic flux density measurement results of a superconducting coil to which an MIT coating is applied.
  • FIG. 15 is an enlarged view of a time section of FIG. 12.
  • the graph above can be interpreted as follows. At 210 sec after the voltage is applied, a quench is generated at a predetermined position of the superconducting wire, and thus heat generation heats the MIT material layer formed in the corresponding region and phase-transmits the MIT material layer to the conductive state. As a result of the phase transition, the current temporarily bypasses the MIT material layer and suppresses heat generation in the quench region. Of course, after approximately 20 sec, the superheat will lead to destruction due to continuous heat generation.
  • the MIT material layer of the present embodiment can suppress a sudden increase in the resistance of the superconducting wire and delay the destruction of the wire. Further, the delay of the voltage increase shown in this embodiment makes it possible to detect the quench by measuring the change in voltage and magnetic flux density. In addition, it is possible to give sufficient time to the active control of the coil, such as the operation stop of the coil.
  • FIG. 16 is a graph illustrating voltage, current, and magnetic flux density measurement results of a superconducting coil insulated by a dapton tape for comparison with the present invention.
  • the present invention can be applied to superconducting wires, superconducting coils and superconducting cables.

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Abstract

본 발명은 절연층에 의하여 인접하는 권선 간을 전기적으로 절연하는 구조의 초전도 코일에 관한 것이다. 본 발명은 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 초전도 선재를 적층 권선한 초전도 코일에 있어서, 상기 초전도 선재의 적층 방향으로 인접하는 초전도 선재 사이를 전기적으로 절연하기 위한 금속-절연체 전이 물질(MIT)층이 개재된 것을 특징으로 하는 초전도 코일을 제공한다. 본 발명에 따르면, 응답 특성을 포함하는 전자기적 특성의 제어가 용이하며, 마그넷의 운전시의 퀀치 현상 등으로부터 자기 보호 기능을 갖는 높은 안정성의 초전도 코일을 제공할 수 있게 된다.

Description

스마트 인슐레이션을 구비하는 고온 초전도 코일, 그에 사용되는 고온 초전도 선재 및 그 제조방법
본 발명은 초전도 선재의 권선에 의하여 형성되는 초전도 코일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연층에 의하여 인접하는 권선 간을 전기적으로 절연하는 구조의 고온 초전도 코일에 관한 것이다.
액화 질소 온도에서 동작하는 고온 초전도 선재는 고자장에서 높은 임계전류밀도 특성을 나타내어 초전도 마그넷 등의 고자장 응용으로 주목 받고 있다.
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. 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. 이에 따라, 코일 권선시 인접한 턴의 선재는 전기적으로 접촉하게 된다.
이와 같은 전기적 접촉을 방지하기 위하여 초전도 선재는 테프론 또는 켑톤과 같은 절연 물질로 감싸진 상태로 권선될 수 있다.
그러나, 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 선재의 절연 여부는 초전도 마그넷의 여자 등 전자기적 특성에 영향을 미치게 된다.
또한, 초전도 선재의 절연 여부는 퀀치에 대한 보호 특성에 심각한 영향을 미치게 된다. 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. 이러한 문제점으로 인하여, 초전도 마그넷에 발생하는 퀀치 현상의 검출 및 이로부터 선재를 보호하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 오고 있지만 현재까지 근본적인 해결책은 없는 실정이다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고자장 응용에 적합한 고온 초전도 선재로 이루어지는 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 마그넷으로의 사용시 응답 특성을 포함하는 전자기적 특성의 제어가 용이한 고온 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초전도 마그넷의 운전시 발생하는 퀀치 현상으로부터 자기 보호 기능을 갖는 고온 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 고온 초전도 코일에 사용되기에 적합한 초전도 선재 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전술한 고온 초전도 선재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 고온 초전도 선재를 권선한 고온 초전도 코일에 있어서, 인접하는 상기 초전도 선재의 초전도부 사이를 전기적으로 절연하기 위한 금속-절연체 전이 물질(MIT)층이 개재된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 코일을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서 상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도가 임계 온도 + 100K 보다는 낮은 전이 온도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도 전후로 전기 전도도가 103 배 이상 더 바람직하게는 105 배 이상 증가하는 것이 좋다.
또한, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 상온 이하의 전이온도를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 금속-절연체 전이 물질층은 VO나 VnO2n - 1(여기서 n=2~9)와 같은 바나듐 산화물을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서 상기 금속-절연체 전이 물질층은 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.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 초전도 선재는 초전도 물질 및 상기 초전도 물질을 둘러싸는 도전성 금속 외피를 포함하고, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 인접하여 적층된 초전도 선재의 상기 금속 외피 사이에 개재되는 것일 수 있다.
또한 상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 권선된 선재의 길이 방향으로 연속적으로 개재되거나 단속적으로 개재되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 길이 방향으로 연장되는 초전도부와 상기 초전도부를 둘러싸는 도전성 금속 외피; 및 상기 도전성 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 코팅되어 상기 초전도부의 연장 방향으로 연장되는 금속-절연체 전이 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재를 제공한다.
이 때, 상기 도전성 금속 외피는, 상기 초전도부가 형성되는 금속 기판과 상기 초전도부를 보호하는 금속층을 포함할 수 있다. 또, 상기 도전성 금속 외피는 상기 초전도부를 둘러싸는 금속층을 포함할 수 있다. 또, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 단속적으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 금속-절연체 전이 물질층은 지지체 및 상기 지지체에 담지된 금속-절연체 전이 물질을 포함할 수 있다. 이 때 상기 지지체는 메쉬 구조일 수 있다.
또한, 상기 금속-전이체 물질층은 금속-전이체 물질 분말; 상기 금속-전이체 물질 분말을 결합하는 바인더를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 길이 방향으로 연장되는 초전도부와 상기 초전도부를 둘러싸는 도전성 금속 외피; 상기 도전성 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 코팅되어 상기 초전도부의 연장 방향으로 연장되는 금속-절연체 전이 물질층; 및 상기 금속-절연체 전이 물질층 상의 도전성 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재를 제공한다.
이 때, 상기 도전성 보호층은 상기 도전성 금속 외피와는 전기적 절연된다. 또, 상기 도전성 보호층은 금속 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 도전성 금속 외피의 최소한 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 소정 폭을 갖고 길이 방향으로 연장되는 초전도부와 상기 초전도부를 둘러싸는 도전성 금속 외피를 포함하는 초전도 선재를 제공하는 단계; 및 상기 초전도 선재의 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 금속-절연체 전이 물질층을 제공하는 단계를 포함하는 고온 초전도 선재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 금속-절연체 전이 물질층 제공 단계는, 금속-절연체 전이 물질이 분산된 용액을 제공하는 단계; 및 상기 용액을 상기 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고자장 응용에 적합한 고온 초전도 코일을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 초전도 코일은 마그넷으로의 사용시 응답 특성을 포함하는 전자기적 특성의 제어가 용이하며, 마그넷의 운전시의 퀀치 현상 등으로부터 자기 보호 기능을 갖는 높은 안정성의 초전도 코일을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일(100)을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 코일을 A-A'방향으로 절단한 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 코일에 대한 다른 실시예의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 MIT층 도포 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 MIT 테이프의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 12는 도 9의 코일 구조를 구현하기에 적합한 초전도 선재를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 13은 MIT 벌크의 온도 변화에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 MIT 코팅이 적용된 초전도 코일의 전압, 전류 및 자속 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 도 14의 일부 구간을 확대하여 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명과의 대비를 위해 켑톤 테이프에 의해 절연된 초전도 코일의 전압, 전류 및 자속 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
본 발명의 명세서에서 고온 초전도 코일은 고온 초전도 선재를 권선하여 형성된 코일을 말한다.
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 주로 2세대 고온 초전도 선재를 기준으로 설명되고 도시되지만, 본 발명이 이에 한정되지 않고 1세대 고온 초전도 선재에도 적용된다. 또한, 본 발명의 고온 초전도 코일은 초전도 발전기의 계자 코일, MRI의 초전도 마그넷 등 전류인가 모드 또는 영구전류 모드 등의 임의의 운전 모드로 동작하는 마그넷에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일(100)을 모식적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 길이 방향으로 연장되는 테이프 형태의 초전도 선재(110)가 시계 방향으로 권선되어 적층 구조를 형성하고 있다. 상기 초전도 코일(100)을 형성하는 권선의 턴 수(turn number)는 요구되는 코일의 특성에 따라 적절히 설계될 수 있다. 도 1은 개별 권선이 단면상 동심원을 이루는 기본적인 코일 권선을 나타낸 것이지만, 본 발명의 초전도 코일은 도시된 구조에 한정되지 않는다. 예컨대, 팬 케이크(pan cake), 더블 팬케이크(double pan cake), 토로이달(toroidal) 등 형태를 불문하고 초전도 선재가 적층 및/또는 권선되는 일체의 권선에 적용될 수 있다.
본 실시예에서 상기 초전도 선재(110)의 적층 방향으로 인접하는 각 턴의 권선 사이에는 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulator Transition; MIT)의 층(120)이 개재되어 있다.
도시된 바와 같이, 상기 MIT층(120)는 권선을 따라 연속적으로 연장될 수 있다. 도 1에서 인접하는 턴 사이에 하나의 MIT층(120)이 개재되는 것을 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 초전도 코일의 인접하는 턴 사이에는 두 개의 MIT층이 개재될 수 있다. 이 때, 개재된 두 개의 MIT층은 연접할 수도 있지만, 두 개의 MIT층 사이에 제3의 도전층이 개재된 구조를 가질 수도 있다. 본 발명에서 상기 MIT층(120)은 상기 초전도 선재의 초전도 상태에서 상기 권선의 턴 간을 절연하며, 이를 달성할 수 있는 임의의 구조를 가질 수 있다.
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. 하지만, 이 종래의 절연 코일은 전기적 안정성이 낮다는 단점을 갖는다. 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.
이러한 문제점으로 인하여 무절연 코일(non-insulated Coil)이 사용되고 있다. 무절연 코일은 턴 간 전류의 바이패스 경로를 제공하여 전기적 안정성을 향상시키지만 전류의 증감에 따른 응답 특성을 나쁘게 한다. 예를 들어, 발전기의 초전도 계자 코일로 무절연 코일을 사용하면 코일이 갖는 높은 시정수로 인가 전류에 대한 빠른 응답 특성을 나타낼 수 없다.
본 발명에서 MIT층은 코일의 동작 상태에 따라 무절연 코일과 절연 코일의 장점을 발현한다. 즉, 초전도 선재의 임계 온도 이하의 초전도 상태에서 MIT는 코일 간을 절연하여 코일이 빠른 응답 특성(충방전 특성)을 나타내게 한다. 그러다가, 퀀치 또는 그 밖의 이상 발열에 기인하여 초전도 코일이 상전도 상태로 전이하게 되면, 상기 MIT층은 높은 전기 전도도를 나타내며 전류의 바이패스 경로를 제공한다.
도 2는 도 1의 코일을 A-A'방향으로 절단한 단면의 일례를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 코일은 초전도 선재(110a, 110b, 110c)가 적층 권선되어 형성된다. 상기 초전도 선재(110a, 110b, 110c)는 MIT층(120)을 개재하여 권선된다. 상기 초전도 선재(100a, 100b, 100c)는 선재의 초전도부가 초전도층(114)에 의해 구현되는 2세대 초전도 선재이다.
후술하는 바와 같이, 초전도 선재와의 양호한 전기적 및 기계적 밀착성을 확보하기 위하여 상기 MIT층(120)은 초전도 선재의 표면에 코팅된 형태로 제공될 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 초전도 선재(110a, 110b, 110c)는 금속 기판(112), 초전도층(114), 캡핑층(116) 및 안정화층(118)을 포함할 수 있다. 상기 금속 기판(112) 상에는 초전도층(114)의 성장을 위한 완충층이 형성될 수 있는데 편의상 여기서는 따로 도시하지 않는다. 초전도층(112)을 보호하기 위한 상기 캡핑층(116)은 초전도층(114) 상부에 형성된 것으로 도시되어 있지만, 초전도층의 측부 및 기판(112)를 감싸도록 연장될 수 있다. 또한, 상기 안정화층(118)은 상기 초전도층(114) 상부에서 기판(112)을 감싸도록 연장되어 있지만 그 형태는 이 기술 분야의 당업자가 적절히 설계할 수 있다. 또한, 도면에서 금속 기판을 제외한 나머지 층의 두께는 도시된 것에 비해 매우 얇지만, 도시 편의를 위하여 과장하여 도시하였다.
통상적으로 전술한 초전도 선재(110)의 금속 기판(112)은 RABiTS(Rolling Assisted Biaxially Substrate) 기판과 같은 이축 배향성 금속 기판이거나 또는 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 기판과 같은 다결정 금속 기판일 수 있다. 상기 기판은 니켈 합금 또는 스테인레스 스틸과 같은 재질로 구성될 수 있다. 완충층은 이축 배향된 금속 산화물층으로 구성될 수 있다. 완충층으로는 Y2O3, YSZ, CeO2, MgO와 같은 물질이 사용될 수 있다. 또한 상기 완충층은 둘 이상의 물질층으로 된 적층 구조를 가질 수도 있다. 상기 초전도층(130)은 ReBCO(ReBa2Cu3O7, 여기서 Re는 Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho 및 Y로 이루어지는 금속 원소 중 최소한 하나)계 고온 초전도 물질이 사용될 수 있다.
상기 안정화층(118)은 은, 구리 또는 그의 합금으로 된 도전성 금속으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 MIT층(120)은 인접하는 초전도 선재(110)의 도전성 금속 사이를 전기적으로 절연하며, 초전도 선재의 정상 동작 상태에서 전류는 초전도층(112)을 통해 흐르게 된다.
반면, 상기 초전도층(112)의 특정 지점이 퀀치 등으로 상전도 상태로 전이하면 이 때 안정화층(118)은 전류의 바이패스 경로로 작동한다. 또한, 이 때 퀀치 현상에 의해 발생되는 열로 인해 MIT층(120)은 금속 상태로 전이하며 전류는 하나의 초전도 선재(110a)로부터 MIT층(120)을 통과하여 인접하는 초전도 선재(110b)로 수송될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 코일의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 초전도 선재(110a, 110b, 110c)는 금속 안정화부(16)와 같은 금속 매트릭스 내부에 필라멘트 형태의 초전도부(14)가 배열된 1세대 선재의 구조를 갖는다. 상기 초전도부는 예컨대, Bi2223 과 같은 초전도 물질에 의해 제조될 수 있다 도 2와 마찬가지로 선재(110a, 110b, 110c) 사이에는 MIT층(120)이 개재되어 있다.
도 2 및 도 3에서 설명되는 MIT는 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.
본 발명의 명세서에서도 MIT는 그 용어의 통상적인 용법과 실질적으로 동일한 의미로 사용된다. 다만, 본 발명에서 적합한 MIT는 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 가지고 전이온도를 포함하는 구간 전후의 전기 전도도 비율이 바람직하게는 103 이상 더욱 바람직하게는 105 이상인 것이 좋다.
본 발명에서 상기 MIT는 선재에 사용되는 초전도 물질의 임계온도 이상인 전이 온도를 가진다. 바람직하게는 MIT의 전이 온도는 초전도 물질의 임계온도 + 150 K 미만, 더 바람직하게는 임계온도 + 100 K 미만, 더욱 바람직하게는 임계온도 + 50 K 미만인 것이 좋다. 또, 퀀치 발생시 코일의 번 아웃을 유발할 정도의 높은 열이 발생하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용 가능한 MIT의 전이 온도는 상온 부근이어도 무방하다. 물론, 상기 MIT의 전이온도는 초전도 물질의 임계온도 이상일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 적합한 예시적인 MIT 물질로는 바나듐 산화물(Vanadium Oxide)을 들 수 있다. 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.
도 4는 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, MIT는 승온 및 감온 과정의 전기 전도도의 변화는 히스테리시스 루프와 같은 상이한 경로로 진행된다. 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.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
VnO2n -1 (n=2~9)로 표현되는 바나듐 산화물의 전이 온도 값은 적절한 모델로 계산될 수 있다. 도 4는 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.
한편, 본 발명에서 MIT(Metal-Insulator Transition; MIT) 물질로는 아래에 예시하는 바와 같이 다양한 물질이 사용될 수 있다.
물질 전이온도 저항비
Fe3O4 120K 100~1000
RNiO3(R=La, Sm, Nd, Pr) 130~240K 100~1000
La1-xSrxNiO4 40~240K 100~10000
NiS1-xSex 80~260K 10~100
BaVS3 74K 10000~100000
이하에서는 도 1의 초전도 코일을 구현하기에 적합한 초전도 선재의 일실시예를 설명한다.
도 6의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 초전도 선재(210)는 완충층(213)이 형성된 금속 기판(212), 초전도층(214), 캡핑층(216) 및 안정화층(217)을 포함하여 구성되어 있다. 상기 초전도 선재(210)의 상면에는 MIT층(218)이 코팅되어 있다.
상기 MIT층(218)은 적절한 도포 기법에 의하여 코팅될 수 있다. 일례로, 상기 MIT층(218)은 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 이와 달리, 전구체 용액으로부터 요구되는 MIT층(218)을 형성하는 습식법이 사용될 수 있음은 물론이다.
또, 이와 달리 별도로 제조된 스트립 형태의 MIT층을 용접(welding) 또는 접합(joining)하는 방법에 의해 상기 MIT층이 형성될 수도 있을 것이다. 또, 유연성을 갖는 MIT 스트립이 상기 선재의 일면 또는 앙면에 접착될 수도 있을 것이다. 이를 위하여 고분자 물질을 MIT 물질의 바인더로 사용될 수도 있으며, 또, 이 때 고분자 바인더는 전도성 고분자를 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에서 상기 MIT층(218)의 두께는 코팅층의 전기적 기계적 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 MIT층(218)은 통상의 MIT 물질 예컨대 VO 및 VnO2n -1 (n=2~9) 등의 바나듐 산화물, 그 혼합 조성물 또는 이들 상의 복합물로 형성될 수 있다. 경우에 따라, 상기 MIT층(218)에는 부가적인 화합물이 포함될 수 있을 것이다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, MIT층(218)은 초전도 선재(110)의 하면에 형성될 수도 있고, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 초전도 선재(110)의 상면 및 하면 모두에 형성될 수도 있다. 또한, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 상기 MIT층(218)은 초전도 선재의 상면, 하면 및 측면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6과 대비하면, 도 7의 초전도 선재는 MIT층(218) 상에 형성된 도전성 보호층(219)을 구비하고 있는 점에서 상이하다. 상기 도전성 보호층(219)은 상기 MIT층(218)을 보호한다. 상기 도전성 보호층(219)는 MIT층(218)이 금속 상태일 때 도전 경로를 제공하기 위하여 양호한 도전성을 갖는다. 예컨대, Cu, Ag, Al과 같은 도전성 금속 또는 합금이 상기 보호층의 형성 물질로 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 초전도 선재는 도 6의 (a)와 마찬가지로, 완충층(213)이 형성된 금속 기판(212), 초전도층(214), 캡핑층(216) 및 안정화층(217)을 포함하여 구성되어 있다. 다만 도 8의 선재의 내부에 MIT층(218)이 형성되어 잇으며, 특히 초전도층의 상면에 MIT층(218)이 직접 접촉하는 방식으로 형성되어 있다는 점에서 상이하다.
이상 설명한 본 발명의 초전도 선재는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 종래의 초전도 선재 제조 방법에 부가하여 MIT층(218)을 형성하는 다양한 방식이 사용될 수 있다. 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.
도 9의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 MIT층 도포 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.
롤(310)에 권치된 초전도 선재(110, 210)가 일정 속도로 풀려 도포기(320)로 공급된다. 도포기(320)는 MIT 용액을 상기 초전도 선재(110) 상에 제공한다. 상기 도포기(320)는 예컨대 스프레이어(sprayer) 또는 디스펜서(dispenser)를 구비할 수 있다. 상기 도포기(320)는 MIT 용액 공급 장치(도시하지 않음)로부터 연속적 또는 단속적으로 MIT 용액을 공급받는다. 물론, 스프레이어나 디스펜서에 부가하여 또는 이를 대신하여 임의의 막 도포용 도구(applicator)가 도포기로 샤용될 수 있다.
도시된 바와 같이, MIT 물질이 도포된 초전도 선재는 롤러와 같은 가압 수단에 의해 가압되어 균일한 두께의 MIT층이 성형될 수 있다. 상기 롤러에는 히터와 같은 가열 수단이 내장될 수 있다. 또, 부가적으로 MIT층이 성형된 초전도 선재(210)는 건조기(370)를 통과하여 건조될 수 있다.
도 9의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 MIT층 도포 장치를 예시적으로 설명한 도면이다.
도 9의 (b)를 참조하면, 도포 장치에는 초전도 선재 권치 롤(310)과 함께 MIT 공급 롤(330)이 구비된다. MIT 공급 롤(310)은 테이프 형태의 MIT층을 공급한다. 상기 MIT층은 MIT 물질과 테이프 형태의 성형을 위한 적절한 첨가제를 포함할 수 있다. MIT 공급 롤(330)로부터의 MIT 테이프(400)는 초전도 선재 권취 롤(310)로부터 공급되는 초전도 선재(110)와 가압 롤러 등의 가압 수단에 의해 합착된다. 합착된 초전도 선재(210)는 건조기(370)에 의해 건조 등의 부가적 공정을 더 거칠 수 있다.
이상 도 9를 참조하여, 초전도 선재(110)의 일면에 MIT층을 형성하는 것을 설명하였지만, 전술한 도포기(320)는 초전도 선재(110)의 양면 또는 외곽 전체에 걸쳐 MIT층을 형성할 수 있으며, 이를 위해 둘 이상의 분사 노즐을 구비한 도포기가 사용될 수 있다. 또한, 도 7의 (b)에 도시된 둘 이상의 권치 롤(330)을 사용하여 초전도 선재의 양면에 MIT층을 형성할 수도 있을 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 MIT 테이프의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)는 MIT 테이프의 평면도이고, 도 10의 (b)는 초전도 선재(410) 상에 MIT 테이프가 합착된 후의 단면을 도시한 도면이다. 단면은 도 10의 (a)에서 B-B' 방향의 단면을 도시하였다.
도 10의 (a)를 참조하면, MIT 테이프(400)는 메쉬 구조의 지지체(410) 및 MIT 물질층(420)을 포함한다. 상기 MIT 물질층(420)은 메쉬의 개공부에 주로 형성된다. 구조의 안정성 및 전기적 특성을 고려하여 메쉬 구조의 개공부 크기, 지지체의 굵기는 적절히 선택될 수 있다.
본 실시예의 MIT 테이프(400)는 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 예컨대, 메쉬 구조의 지지체(410)에 MIT 용액을 함침 또는 도포한 후 적절히 건조함으로써 제조될 수 있다. 이러한 방식으로 제조된 MIT 테이프(400)가 도 6의 (b)에 도시된 장치로 공급될 수 있다. 또, 이와 달리 MIT를 포함하지 않은 테이프 지지체가 도 6의 (b)와 같은 장치로 공급되며, 초전도 선재와 합착 후 별도의 도포 수단에 의해 MIT 용액의 함침 또는 도포가 수행될 수 있을 것이다.
도 10을 참조하여 지지체 구조에 기반한 MIT 테이프의 일례를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 상기 MIT 테이프는 전술한 것과 다른 골격(skeleton)에 기초한 것일 수 있다. 예컨대, MIT 분말과 이를 지지하는 바인더로 구성되는 MIT 테이프가 사용될 수도 있을 것이다. 이 경우, 상기 바인더로는 도전성 바인더가 사용될 수도 있을 것이다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 기판, 완충층, 초전도층, 캡핑층 및 안정화층을 포함하여 구성되는 2세대 선재를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 복수의 초전도 필라멘트가 도전성 금속층 내에 매립되어 있는 1세대 초전도 선재로 이루어진 초전도 코일에도 상술한 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 누구나 알 수 있을 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 코일의 구조를 도시한 도면이다.
이 실시예의 초전도 선재(110)는 길이 방향으로 연장되는 테이프 형태의 초전도 선재(110)가 권선되어 단면상 동심원 형태의 적층 구조를 형성하고 있는 점에서는 도 1과 관련하여 설명한 것과 같다. 그러나, 상기 초전도 선재(110) 사이에 개재되는 MIT층(120)은 초전도 선재의 길이 방향으로 연속적으로 연장되지 않는다.
상기 MIT층(120)은 인접한 초전도 선재의 턴 사이에 부분적으로 개재된다. 이와 같은 구조는 부분 절연 코일(partially insulated coil)과 유사한 구조를 갖는다. 예컨대, 상기 MIT층이 개재되는 턴은 임의로 선택될 수 있다. 또한, n회의 초전도 선재 턴에 대하여 1 턴의 MIT층(120)이 반복되도록 MIT층(120)이 개재될 수 있다. 본 실시예의 초전도 코일은 코일의 응답 특성 보다는 코일의 안정성이 요구되는 경우 사용되기에 더 적합하다.
도 12은 도 11의 코일 구조를 구현하기에 적합한 초전도 선재를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12는 초전도 선재의 측면을 나타낸 도면이다. 도 12을 참조하면, 초전도 선재의 상면에는 비연속적인 MIT층(218)이 코팅되어 있다. 인접하는 MIT층(218) 사이의 간격은 턴의 길이, 요구되는 코일 특성에 따라 정해질 수 있다.
이상 초전도 코일 및 이에 적용 가능한 초전도 선재를 중심으로 본 발명을 설명하였다. 그러나 예컨대, 복수의 선재가 적층 또는 권선되는 경우의 초전도 케이블에도 본 발명이 적용 가능함은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
A. MIT 용액 및 초전도 코일의 제조
V2O3 분말을 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)를 바인더로 적절한 비율로 혼합하였다. 혼합물의 점도는 바인더의 함량을 조절하여 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 97 중량%의 V2O3와 3 중량%의 PVDF+NMP를 혼합하여 코팅 슬러리를 제조하였다.
B. 금속-절연체 전이온도 측정
제조된 코팅 용액을 스미토모사의 DI-BSCCO 고온 초전도 선재 양면에 코팅하여 각각 제조된 별개의 선재를 겹쳐서 배치한 후 각 선재의 양단에 도전성 리드를 연결하였다. 이어서, 도전성 리드 양단에 걸리는 전압을 측정하였다. 위 배치를 액체 질소 내에 담가 소정 시간 유지한 후 외부로 끄집어 내면서 온도 및 전압을 측정하였다.
도 13은 MIT 벌크의 온도 변화에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, V2O3 벌크의 전압 값 변화로부터 액체 질소 온도에서 전이온도(약 160 K)에 이를 때까지 V2O3 벌크가 소정의 저항값을 가짐을 알 수 있으며, 전이온도 부근에서 저항값이 급격히 감소함을 알 수 있다.
C. 초전도 코일의 제조
전술한 것과 마찬가지로 스미토모사의 DI-BSCCO 고온 초전도 선재 양면에 V2O3 슬러리를 코팅하면서 직경 140 mm인 보빈에 초전도 선재를 권선하였다. 적층된 초전도 선재의 권선 수는 8 턴으로 하였다. 권선된 코일을 110℃의 온도에서 18 시간 열처리하여 용매를 제거하였다. 이어서, 코일의 외면에 에폭시를 코팅하여 공기 중에 3일을 경화하여 초전도 코일을 제조하였다.
본 발명과의 대비를 위하여, MIT층이 코팅을 적용하지 않은 초전도 선재로 동일한 형태의 초전도 코일을 제조하였다. 초전도 선재를 켑톤 테이프에 의해 절연하고 권선한 후 에폭시로 코팅하여 경화하였다.
제조된 초전도 코일의 전압, 전류, 온도 및 자속밀도를 측정하였다. 측정 장비로는 내쇼날 인스트루먼트(National Instrument)사의 DAQ(Data Acquisition)와 LabVIEW 프로그램을 사용하였다. 이 때 코일에 각 턴마다 전압 탭을 설치하여 각 턴별 및 전체 턴에 대한 전압을 측정하였다. 또, 전류는 전원(Power supply) 출력 단자에 션트(Shunt) 저항을 설치하여 전류를 측정하였다. 극저온에서 측정 가능한 홀센서(hall sensor)를 코일의 중심에 위치하여 자장을 측정하였다. 또, E-type 열전대를 4번째 턴과 5번째 턴 사이에 삽입하여 코일의 온도를 측정하였다.
도 14는 MIT 코팅이 적용된 초전도 코일의 전압, 전류 및 자속 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 전압 인가 후 약 210 sec 경과 후에 급격한 전압의 증가가 관찰되며, 이후 구간에서 전압이 일정 시간 동안 증감하는 양상을 나타내었다.
도 15는 도 12의 시간 구간을 확대하여 도시한 도면이다.
도 15로부터 약 210 sec 경과 후 약 20 sec 동안 전압의 증감이 관찰됨을 알 수 있다. 또한, 이 구간에서 자속 밀도는 완만하게 하락하고 있음을 알 수 있다.
위 그래프는 다음과 같이 해석될 수 있다. 전압 인가 후 210 sec 경과 시점에서 초전도 선재의 소정 위치에 퀀치가 발생하였고 이에 따른 발열은 해당 영역에 형성된 MIT 물질층을 가열하고 MIT 물질층을 전도 상태로 상전이시킨다. 상전이에 따라 전류는 일시적으로 MIT 물질층으로 우회하며 퀀치 부위의 발열은 억제된다. 물론, 대략 20 sec 이후에는 지속적인 발열로 인해 초전도 선재가 파괴에 이르게 된다.
즉, 본 실시예의 MIT 물질층은 초전도 선재의 저항의 급격한 증가를 억제하고 선재의 파괴를 지연할 수 있음을 보여준다. 나아가, 본 실시예에서 나타난 전압 증가의 지연은 전압 및 자속 밀도의 변화를 측정함으로써 퀀치를 검출 가능하게 한다. 또한, 코일의 동작 중지 등 코일의 능동적 제어에 충분한 시간을 부여할 수 있게 한다.
도 16은 본 발명과의 대비를 위해 켑톤 테이프에 의해 절연된 초전도 코일의 전압, 전류 및 자속 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16에 나타난 바와 같이 약 80 sec 경과 후 나타난 전압 증가로 인해 코일은 순식간에 파괴됨을 알 수 있다. 이 경우, 퀀치 발생을 검출하거나 코일 동작을 제어하는 것은 불가능하게 된다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명은 초전도 선재, 초전도 코일 및 초전도 케이블 등에 응용 가능하다.

Claims (30)

  1. 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되는 초전도부를 포함하는 고온 초전도 선재를 권선한 고온 초전도 코일에 있어서,
    인접하는 상기 고온 초전도 선재의 초전도부 사이에 개재되는 금속-절연체 전이 물질(MIT)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 고온 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도가 임계 온도 + 100K 보다는 낮은 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도 전후로 전기 전도도가 103 배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도 전후로 전기 전도도가 105 배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상온 이하의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 바나듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 VO를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 VnO2n - 1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 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 초전도 코일.
  11. 제1항에 있어서.
    상기 고온 초전도 선재는 초전도부 및 상기 초전도 물질을 둘러싸는 도전성 금속 외피를 포함하고,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 인접하여 적층된 고온 초전도 선재의 상기 금속 외피 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 권선된 선재의 길이 방향으로 연속적으로 개재되는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 권선된 선재의 길이 방향으로 단속적으로 개재되는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  14. 길이 방향으로 연장되는 초전도부와 상기 초전도부를 둘러싸는 도전성 금속 외피; 및
    상기 도전성 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 코팅되어 상기 초전도부의 연장 방향으로 연장되는 금속-절연체 전이 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 도전성 금속 외피는,
    상기 초전도부가 형성되는 금속 기판과 상기 초전도부를 보호하는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 도전성 금속 외피는,
    상기 초전도부를 둘러싸는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 단속적으로 연장되는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 바나듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 VO 및 VnO2n - 1(여기서 n=2~9)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은,
    지지체 및 상기 지지체에 담지된 금속-절연체 전이 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 지지체는 메쉬 구조인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은,
    금속-절연체 전이 물질 분말; 및
    상기 금속-절연체 전이 물질 분말을 결합하는 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층 상의 도전성 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 도전성 보호층은 상기 초전도부의 임계 온도 이하에서 상기 도전성 금속 외피와는 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 도전성 보호층은 금속 재질인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 도전성 금속 외피의 최소한 일부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 금속-전이체 물질층은 상기 초전도부의 상면에 형성되어 상기 초전도부의 연장 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 초전도부의 상면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
  29. 소정 폭을 갖고 길이 방향으로 연장되는 초전도부와 상기 초전도부를 둘러싸는 도전성 금속 외피를 포함하는 고온 초전도 선재를 제공하는 단계; 및
    상기 초전도 선재의 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 금속-절연체 전이 물질층을 제공하는 단계를 포함하는 고온 초전도 선재의 제조 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층 제공 단계는,
    금속-절연체 전이 물질이 분산된 용액을 제공하는 단계; 및
    상기 용액을 상기 금속 외피의 상면 또는 하면의 최소한 일부에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 제공 방법.
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