WO2017047959A1 - 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법 - Google Patents

고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법 Download PDF

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WO2017047959A1
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superconducting wire
high temperature
protective layer
superconducting
patch
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고락길
김석환
조영식
하동우
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한국전기연구원
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    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/22—Sheathing; Armouring; Screening; Applying other protective layers

Definitions

  • the present invention relates to the field of superconducting wire rods. More specifically, the present invention relates to a method for repairing a defect of a high temperature superconducting wire and a method for producing a high temperature superconducting wire having excellent properties.
  • Superconductivity refers to the phenomenon that when a certain kind of metal or alloy is cooled near absolute zero (0K: -273 °), the electrical resistance suddenly disappears and the current flows without any obstacle.
  • Superconductors include NbTi, Low Temperature Superconductors (LTS) such as Nb3Sn, YBCO (Y-Ba-Cu-O), BSCCO (Bi-Sr-Ca-Cu-O), TCBCO (Tl-Ca- High Temperature Superconductor (HTS) such as Ba-Cu-O) and HBCCO (Hg-Ba-Ca-Cu-O) system (critical temperature is 25K or more).
  • LTS Low Temperature Superconductors
  • YBCO Y-Ba-Cu-O
  • BSCCO Bi-Sr-Ca-Cu-O
  • TCBCO Tl-Ca- High Temperature Superconductor
  • HBCCO Hg-Ba-Ca-Cu-O
  • the low temperature superconductor has a critical temperature of 25K or less, and has a property of becoming superconductor in liquefied helium.
  • the low temperature superconductor has the advantage of being easy to process as a wire rod and having excellent current characteristics.
  • the use of helium has the disadvantage that the cooling cost increases.
  • the high temperature superconductor has a critical temperature of 25K or more, and has the advantage of reducing the cooling cost and increasing the applicability by using liquefied nitrogen as the refrigerant.
  • the high temperature superconductor can be used as a wire rod product of the long wire, the high temperature superconductor wire is required to have a uniform performance in the longitudinal direction. This is to achieve, for example, high stability of the generated magnetic field and stability from the quench of the superconducting magnet formed by winding the high temperature superconducting wire.
  • defects may occur during various thin film processes during the manufacturing of the high temperature superconducting wire.
  • the defects formed in the high temperature superconducting wire eventually result in defects in the superconducting layer, resulting in deterioration of magnetic field characteristics including conduction current of the superconducting layer.
  • the uniformity of the performance of the high temperature superconducting wire in the longitudinal direction is lowered, which makes it difficult to make the high temperature superconducting wire longer.
  • the superconducting wire company sells the manufactured high temperature superconducting wire as a superconducting wire of 1,000m length of a long wire having a critical current of 300A, or cuts the superconducting wire to remove three defective places and has a critical current of 1,000A. It can only be sold as a superconducting wire of short length.
  • a defect occurring in the superconducting wire may not occur only during the manufacturing process of the wire, and may be generated while a user who purchases the superconducting wire of the long wire performs a work process such as a winding and a storage process.
  • the defect repair method of the high temperature superconducting wire and the manufacturing method of the high temperature superconducting wire according to an embodiment of the present invention aims to obtain a high temperature superconducting wire of a long wire.
  • defect repair method of the high temperature superconducting wire and the manufacturing method of the high temperature superconducting wire according to an embodiment of the present invention is to achieve the performance uniformity of the high temperature superconducting wire.
  • a method for repairing a defect of a high temperature superconducting wire and a method for manufacturing a high temperature superconducting wire according to an embodiment of the present invention aims to repair a defect of a high temperature superconducting wire in such a manner that the thickness of the high temperature superconducting wire does not increase significantly.
  • the defect repair method of the high temperature superconducting wire may include attaching a superconducting patch having no substrate to a defect site of the high temperature superconducting wire. have.
  • 1 is a view showing a general high temperature superconducting wire.
  • 2 (a) and 2 (b) are views for explaining a method of joining a general high temperature superconducting wire.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a superconducting patch used in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a repaired high temperature superconducting wire in accordance with one embodiment of the present invention.
  • 5 (a) to 5 (d) are views for explaining a defect repair method for a high temperature superconducting wire according to another embodiment of the present invention.
  • 6 (a) to 6 (c) are views for explaining a method for manufacturing a high temperature superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
  • the method may include attaching a superconducting patch having no substrate to a defect portion of the high temperature superconducting wire.
  • the high temperature superconducting wire may include a first protective layer, and the attaching may include attaching a superconducting patch to the first protective layer at a defect portion of the high temperature superconducting wire.
  • the high temperature superconducting wire further includes a second protective layer positioned outside the first protective layer, and the attaching may include removing the second protective layer; And attaching a superconducting patch to the first protective layer at a defect portion of the high temperature superconducting wire.
  • the defect repair method of the high temperature superconducting wire may further include depositing the second protective layer on the high temperature superconducting wire to which the superconducting patch is attached.
  • the depositing of the second protective layer may include: forming the second protective layer such that the thickness of the second protective layer at the point where the superconducting patch is attached is smaller than the thickness of the second protective layer at the point where the superconducting patch is not attached. And depositing a protective layer.
  • the protective layer of the superconducting patch attached to the first protective layer and the first protective layer may be made of silver, and the second protective layer may be made of copper.
  • the method for repairing a defect of the high temperature superconducting wire may further include determining a defect site of the high temperature superconducting wire based on at least one of a hall probe and a 4-point probe.
  • the high temperature superconducting wire may include a first generation high temperature superconducting wire or a second generation high temperature superconducting wire.
  • a method of manufacturing a high temperature superconducting wire comprising: generating a preliminary superconducting wire including a substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a first protective layer; Determining a defect site in the preliminary superconducting wire; Attaching a superconducting patch having no substrate to the determined defect site; And depositing a second protective layer on the preliminary superconducting wire to which the superconducting patch is attached.
  • the depositing of the second protective layer may include: forming the second protective layer such that the thickness of the second protective layer at the point where the superconducting patch is attached is smaller than the thickness of the second protective layer at the point where the superconducting patch is not attached. And depositing a protective layer.
  • the term 'high temperature superconducting wire' means the second generation high temperature superconducting wire unless otherwise specified, and the 'defective area' of the high temperature superconducting wire is the upper surface or the lower surface of the point where the defect is located in the high temperature superconducting wire. Means.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a general high temperature superconducting wire 10.
  • a general high temperature superconducting wire 10 may include a substrate 11, a buffer layer 13, a superconducting layer 15, and protective layers 17 and 19.
  • the substrate 11 may be a conventional substrate for manufacturing a superconducting wire, such as a metal substrate or a ceramic substrate.
  • the substrate 11 may be a metal substrate including nickel or a nickel alloy.
  • the buffer layer 13 is interposed between the substrate 11 and the superconducting layer 15 to provide a crystallographic orientation to the subsequent superconducting layer 15 while preventing diffusion of metal material from the substrate 11 during the process.
  • Acts as a layer to The buffer layer 13 may be formed of at least one material selected from the group consisting of ZrO 2, CeO 2, YSZ, Y 2 O 3, and HfO 2.
  • the buffer layer 13 may be formed of a single layer or a plurality of layers depending on the use and manufacturing method of the superconducting product.
  • the superconducting layer 15 may be made of a superconducting material containing rare earth elements.
  • a RE123 superconducting material represented by YBa2Cu3O7 can be used.
  • a Bi-based superconducting material may be used.
  • the protective layers 17 and 19 may be made of a conductive metal.
  • the protective layers 17 and 19 may be attached to at least a portion of the outer circumference of the substrate 11, the buffer layer 13, and the superconducting layer 15.
  • the protective layers 17 and 19 may increase the mechanical strength of the superconducting wire 10 while improving the overcurrent characteristics of the superconducting wire 10.
  • the protective layers 17 and 19 may include the first protective layer 17 and the second protective layer 19.
  • the first protective layer 17 may be made of a first material (eg, silver (Ag)), and the second protective layer 19 may be made of a second material (eg, copper (Cu)). have.
  • the substrate 11 has a thickness of about 50 ⁇ m to 100 ⁇ m
  • the buffer layer 13 has a thickness of about 0.2 ⁇ m
  • the superconducting layer 15 has a thickness of about 1 ⁇ m
  • the first protective layer 17 has a thickness of about 2 ⁇ m
  • the second protective layer 19 has a thickness of about 20 ⁇ m. That is, the thickness of the substrate 11 is more than half of the total thickness of the high temperature superconducting wire 10.
  • 2 (a) and 2 (b) are diagrams for explaining a bonding method of a general high temperature superconducting wire 10.
  • the length of the high temperature superconducting wire 10 is inevitably shortened. Therefore, in order to lengthen the high temperature superconducting wire 10, a method of bonding two or more high temperature superconducting wires 10 to each other is required.
  • FIG. 2 (a) and 2 (b) illustrate a lab joint method, as shown in FIG. 2 (a), in which one high temperature superconducting wire 10a and the other high temperature superconducting wire ( After attaching 10b) with solder 20 or arranging two high temperature superconducting wires 10c and 10d in a line, as shown in FIG. 2 (b), two high temperature superconducting wires 10c, Another high temperature superconducting wire 10e may be attached to the top of 10d) with the solder 20.
  • the thickness of the joint portion of the finally produced high temperature superconducting wire 10 becomes very large, and a step occurs in the thickness as a whole, mechanical strength It may be weakened, causing a winding error in the magnet winding, which causes an increase in the error of the designed magnetic field.
  • the thickness of the high temperature superconducting wire 10 using a high temperature superconducting patch in which the substrate 11 does not exist in repairing a defect of the high temperature superconducting wire 10 or manufacturing the high temperature superconducting wire 10, the thickness of the high temperature superconducting wire 10 using a high temperature superconducting patch in which the substrate 11 does not exist. To prevent it from increasing significantly.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an exemplary superconducting patch 30 used in one embodiment of the present invention.
  • the superconducting patch 30 shown in FIG. 3 includes only the superconducting layer 15 and the protective layers 17 and 19, and in some cases, may include a portion of the buffer layer 13.
  • the protective layers 17 and 19 may include the first protective layer 17 and the second protective layer 19. According to an embodiment, the protective layers 17 and 19 may include only one of the first protective layer 17 and the second protective layer 19, and in another embodiment, the superconducting patch 30 ), Only one protective layer among the first protective layer 17 and the second protective layer 19 may exist, and both the first protective layer 17 and the second protective layer 19 may exist below.
  • the first passivation layer 17 may be made of a first material (eg, silver), and the second passivation layer 19 may be made of a second material (eg, copper).
  • the substrate 11 does not exist in the superconducting patch 30 shown in FIG. 3. That is, since the board
  • the manufacturing method of the superconducting patch 30 shown in FIG. 3 is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2014-0067495 (Applicant: Korea Electrotechnology Research Institute), and the contents of Korean Publication No. 10-2014-0067495 Reference is made in the specification.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a repaired high temperature superconducting wire 10 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the superconducting patch 30 is attached to the surface of the high temperature superconducting wire 10 to prevent the high temperature superconducting wire 10.
  • the defects d1 and d2 can be repaired.
  • the protective layer of the high temperature superconducting wire 10 and the protective layer of the superconducting patch 30 may be directly attached without using solder. Thereby, it is possible to reduce the decrease in electrical resistance between the high temperature superconducting wire 10 and the superconducting patch 30 and the increase in thickness due to additional bonding medium.
  • the superconducting patch 30 may maintain the characteristics of the high temperature superconducting wire 10 uniformly by providing a bypass path for current flowing in the high temperature superconducting wire 10 at the positions where the defects d1 and d2 are generated.
  • the layers in which the defects d1 and d2 exist may be different.
  • the high temperature superconducting wire 10 may be used. It can be attached so as to cover the upper surface of the point where the defects (d1, d2) are located.
  • the operation of selecting the superconducting patch 30 to be attached to the high temperature superconducting wire 10 may be preceded. For example, if the threshold current of the high temperature superconducting wire 10 is lowered by the defects d1 and d2, the superconducting patch 30 having a threshold current characteristic higher than that of the high temperature superconducting wire 10 should be selected. will be.
  • 5 (a) to 5 (d) are views for explaining a defect repair method of the superconducting wire 10 according to another embodiment of the present invention.
  • the protective layers 17 and 19 of the high temperature superconducting wire 10 and the protective layers 17 and 19 of the superconducting patch 30 are the first protective layer 17 made of silver and the second made of copper.
  • a protective layer 19 may be included.
  • the first protective layers 17 made of silver are preferably attached to each other. This is because the bonding between the first protective layers 17 made of silver is relatively simple without a special medium, and silver (Ag) has high electrical conductivity and excellent chemical stability. Thereby, it is possible to reduce the electrical resistance between the high temperature superconducting wire 10 and the superconducting patch 30 and at the same time reduce the thickness increase by the additional bonding medium.
  • an attachment method through heat treatment, silver paste The attachment method using or the attachment method using a silver complex compound, etc. can be used.
  • Figure 5 (a) shows a high temperature superconducting wire 10, as shown in Figure 5 (a).
  • Two defects d1 and d2 may be formed in the high temperature superconducting wire 10.
  • the position of the defects d1 and d2 in the high temperature superconducting wire 10 may be determined based on at least one of a hall probe and a 4-point probe. Since the hole probe and the four-needle method are mechanisms and methods utilized in the art, detailed descriptions are omitted herein.
  • the position and number of the defects d1 and d2 shown in FIG. 5A are merely exemplary, and the number and position of the defects may vary.
  • FIG. 5A The position and number of the defects d1 and d2 shown in FIG. 5A are merely exemplary, and the number and position of the defects may vary.
  • the defect d1 is located in the superconducting layer 15 and the defect d2 is located in the buffer layer 13, and the defect d1 is based on at least one of the hole probe and the four needle method. Even if the position of d2) is determined, it may be difficult to determine in which layer the actual defects d1 and d2 exist. Instead, it is possible to recognize that at least one of the lower layers of the identified region has a defect by identifying which region of the entire upper surface of the high temperature superconducting wire 10 in the longitudinal direction is deteriorated. have.
  • the second protective layer 19 at the position where the superconducting patch 30 is to be attached is removed from the high temperature superconducting wire 10.
  • the superconducting patch 30 is attached to the surface of the first protective layer 17. If there is a second protective layer 19 made of copper on the superconducting patch 30 before the superconducting patch 30 is attached to the first protective layer 17, the second protective layer 19 of the superconducting patch 30 is present. ) May be preceded by a removal operation.
  • the second protective layer 19 is deposited on the surface of the high temperature superconducting wire 10 to which the superconducting patch 30 is attached.
  • the thickness t1 of the second protective layer 19 at the point where the superconducting patch 30 is attached is applied at the point where the superconducting patch 30 is not attached to the high temperature superconducting wire 10.
  • the thickness of the second protective layer 19 is smaller than t2.
  • 6 (a) to 6 (c) are views for explaining a method of manufacturing the superconducting wire 630 according to one embodiment of the present invention.
  • a preliminary superconducting wire 610 including the substrate 11, the buffer layer 13, the superconducting layer 15, and the first protective layer 17 is generated.
  • the positions of the defects d1 and d2 occurring in the preliminary superconducting wire 610 are determined based on at least one of a hall probe and a four-point probe, and the procedure shown in FIG. As shown, the superconducting patch 30 is attached to the surface of the position where the defects d1 and d2 have occurred. If there is a second protective layer 19 made of copper on the superconducting patch 30 before the superconducting patch 30 is attached to the first protective layer 17, the second protective layer 19 of the superconducting patch 30 is present. ) May be preceded by a removal operation.
  • the second protective layer 19 is deposited on the surface of the high temperature superconducting wire 630 to which the superconducting patch 30 is attached.
  • the thickness t1 of the second protective layer 19 at the point where the superconducting patch 30 is attached is not applied to the high temperature superconducting wire 630 at the point where the superconducting patch 30 is not attached.
  • the thickness of the second protective layer 19 is smaller than t2.
  • the above-described defect repair method for the high temperature superconducting wire and the manufacturing method of the high temperature superconducting wire may be applied to the first generation high temperature superconducting wire.
  • a typical first generation high temperature superconducting wire includes a phase conductor and a bundle of superconducting filaments contained within the phase conductor along the longitudinal direction of the phase conductor.
  • the phase conductor corresponds to the first protective layer of the second generation high temperature superconducting wire, and may be composed of silver (Ag).
  • the superconducting filament bundle may consist of BSCCO 2223 or BSCCO 2212.
  • a second protective layer made of copper may be attached to the surface of the phase conductor.
  • the second protective layer is removed, and then the superconducting patch is attached to the defect site, and the second protective layer is attached to the surfaces of the superconducting patch and the phase conductor, thereby to Fault repair is possible.
  • the superconducting patch is attached to the defective position, and the second protective layer on the surface of the superconducting patch and the phase conductor. By attaching, the first generation high temperature superconducting wire can be manufactured.
  • the defect repairing method of the high temperature superconducting wire and the manufacturing method of the high temperature superconducting wire according to the embodiment of the present invention can obtain the high temperature superconducting wire of the long wire and at the same time achieve the performance uniformity of the high temperature superconducting wire.
  • the defect repairing method of the high temperature superconducting wire and the manufacturing method of the high temperature superconducting wire according to the embodiment of the present invention may repair the defect of the superconducting wire in such a manner that the thickness of the high temperature superconducting wire is not greatly increased.

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Abstract

고온 초전도 선재의 결함 부위에 기판이 존재하지 않는 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법이 개시된다.

Description

고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법
본 발명은 초전도 선재 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고온 초전도 선재의 결함을 보수하는 방법 및 특성이 우수한 고온 초전도 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
초전도 현상이란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0K: -273°) 가까이 냉각시켰을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 말한다. 초전도체는 NbTi, 및 Nb3Sn 등의 저온 초전도체(LTS: Low Temperature Superconductor)와 YBCO(Y-Ba-Cu-O)계, BSCCO(Bi-Sr-Ca-Cu-O)계, TCBCO(Tl-Ca-Ba-Cu-O)계, HBCCO(Hg-Ba-Ca-Cu-O)계 등의 고온 초전도체(HTS: High Temperature Superconductor)(임계온도가 25K 이상)로 분류된다.
저온 초전도체는 임계온도가 25K 이하로서, 액화 헬륨에서 초전도체가 되는 성질을 지니고 있다. 저온 초전도체는 선재로서의 가공이 용이하고, 전류 특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 헬륨을 사용하게 되면 냉각비용이 높아진다는 단점이 있다. 이에 대해, 고온 초전도체는 임계온도가 25K 이상으로서, 액화 질소를 냉매로 사용하여 냉각비용을 절감시키고 응용 가능성이 크다는 장점을 가지고 있다.
고온 초전도체는 장선의 선재 제품으로 활용될 수 있는데, 고온 초전도 선재는 길이 방향으로 균일한 성능을 갖는 것이 요구된다. 이는, 예를 들어, 고온 초전도 선재가 권선되어 형성되는 초전도 마그네트의 퀜치(Quench)로부터의 안정성과 발생 자장의 고균등을 달성하기 위함이다.
일반적으로, 고온 초전도 선재의 제조 과정 중에 여러 박막 공정을 거치면서 결함이 발생할 수 있다. 고온 초전도 선재에 형성된 결함은 결국 최종적으로는 초전도층의 결함으로 귀결되어 초전도층의 통전 전류를 비롯한 자장 특성 저하로 나타난다.
고온 초전도 선재의 길이 방향으로의 성능 균일성을 저하시키고, 고온 초전도 선재의 장선화를 어렵게 하는 원인이 된다.
예를 들어, 1,000m 길이에서 600A의 임계전류를 갖는 초전도 선재를 제조하고자 했으나, 제조 후 길이 방향으로의 임계전류를 측정했을 때, 국소적으로 3군데의 결함으로 임계전류가 300A로 낮아졌다고 가정하자.
이때, 초전도 선재 회사는 제조된 고온 초전도 선재를 300A의 임계전류를 갖는 장선의 1,000m 길이의 초전도 선재로 판매하거나, 초전도 선재를 절단하여 결함이 있는 3군데를 제거한 후 1,000A의 임계전류를 갖는 짧은 길이의 초전도 선재로 판매할 수 밖에 없다.
또한, 초전도 선재에 발생하는 결함은 선재의 제조 과정 중에만 발생하는 것이 아니고, 장선의 초전도 선재를 구매한 사용자가 권선 등의 작업 과정 및 보관 과정을 수행하면서 발생할 수도 있다.
따라서, 고온 초전도 선재에 발생한 결함을 효과적으로 보수할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 장선의 고온 초전도 선재를 획득하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 고온 초전도 선재의 성능 균일성을 달성하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 고온 초전도 선재의 두께가 크게 증가하지 않는 방식으로 고온 초전도 선재의 결함을 보수하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법은, 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법에 있어서, 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에 기판이 존재하지 않는 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법이 달성할 수 있는 일부의 효과는 다음과 같다.
i) 장선의 고온 초전도 선재를 획득할 수 있다.
ii) 고온 초전도 선재의 성능 균일성을 달성할 수 있다.
iii) 고온 초전도 선재의 두께를 크게 증가시키지 않을 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 고온 초전도 선재를 도시하는 도면이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 일반적인 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 이용되는 초전도 패치를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 보수된 고온 초전도 선재를 도시하는 도면이다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법은,
고온 초전도 선재의 결함 보수 방법에 있어서, 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에 기판이 존재하지 않는 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고온 초전도 선재는, 제 1 보호층를 포함하고, 상기 부착시키는 단계는, 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에서, 상기 제 1 보호층에 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고온 초전도 선재는, 제 1 보호층의 외부에 위치하는 제 2 보호층을 더 포함하고, 상기 부착시키는 단계는, 상기 제 2 보호층을 제거하는 단계; 및 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에서, 상기 제 1 보호층에 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법은, 상기 초전도 패치가 부착된 고온 초전도 선재에 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 보호층을 증착하는 단계는, 상기 초전도 패치가 부착된 지점에서의 제 2 보호층의 두께가, 상기 초전도 패치가 부착되지 않은 지점에서의 제 2 보호층의 두께보다 작도록 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 보호층 및 상기 제 1 보호층에 부착되는 상기 초전도 패치의 보호층은, 은으로 이루어지고, 상기 제 2 보호층은, 구리로 이루어질 수 있다.
상기 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법은, 홀 프로브(hall probe) 및 4침법(4-point probe) 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고온 초전도 선재는, 1세대 고온 초전도 선재 또는 2세대 고온 초전도 선재를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 제조 방법은,
고온 초전도 선재의 제조 방법에 있어서, 기판, 완충층, 초전도층 및 제 1 보호층을 포함하는 예비 초전도 선재를 생성하는 단계; 상기 예비 초전도 선재에서의 결함 부위를 결정하는 단계; 상기 결정된 결함 부위에 기판이 존재하지 않는 초전도 패치를 부착하는 단계; 및 상기 초전도 패치가 부착된 예비 초전도 선재에 제 2 보호층을 증착하는 단계는 포함할 수 있다.
상기 제 2 보호층을 증착하는 단계는, 상기 초전도 패치가 부착된 지점에서의 제 2 보호층의 두께가, 상기 초전도 패치가 부착되지 않은 지점에서의 제 2 보호층의 두께보다 작도록 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 '고온 초전도 선재'는 특별하게 명시하지 않는 한 2세대 고온 초전도 선재를 의미하며, 고온 초전도 선재의 '결함 부위'는 고온 초전도 선재 중 결함이 위치하는 지점의 상부 표면 또는 하부 표면을 의미한다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 일반적인 고온 초전도 선재(10)를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 고온 초전도 선재(10)는 기판(11), 완충층(13), 초전도층(15) 및 보호층(17, 19)을 포함할 수 있다.
기판(11)은 금속 기판 또는 세라믹 기판 등 통상의 초전도 선재 제조용 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판(11)은 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는 금속 기판일 수 있다.
완충층(13)은 기판(11)과 초전도층(15) 사이에 개재되어 후속되는 초전도층(15)에 결정학적 배향을 제공하면서 동시에 공정 중 발생하는 기판(11)으로부터의 금속물질의 확산을 방지하기 위한 층으로 작용한다. 완충층(13)은 ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 및 HfO2로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질로 형성될 수 있다. 완충층(13)은 초전도 제품의 용도 및 제조 방법에 따라 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다.
초전도층(15)은 희토류 원소를 포함하는 초전도 물질로 구성될 수 있다. 예컨대 YBa2Cu3O7으로 대표되는 RE123 초전도 물질이 사용될 수 있다. 또한, 초전도층(15)으로 Bi계의 초전도 물질이 사용되어도 무방하다.
보호층(17, 19)은 도전성 금속으로 구성될 수 있다. 보호층(17, 19)은 기판(11), 완충층(13) 및 초전도층(15)의 외주의 적어도 일부에 부착될 수 있다. 보호층(17, 19)은 초전도 선재(10)의 과전류 특성을 향상시키면서, 초전도 선재(10)의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
보호층(17, 19)은 제 1 보호층(17)과 제 2 보호층(19)을 포함할 수 있다. 제 1 보호층(17)은 제 1 소재(예를 들어, 은(Ag))로 이루어질 수 있고, 제 2 보호층(19)은 제 2 소재(예를 들어, 구리(Cu))로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 기판(11)인 경우 그 두께는 약 50㎛ ~ 100㎛ 정도의 두께를 가지고, 완충층(13)은 약 0.2㎛ 이내의 두께를 가지고, 초전도층(15)은 약 1㎛ 정도의 두께를 가지고, 제 1 보호층(17)은 약 2㎛ 이내의 두께를 가지며, 제 2 보호층(19)은 약 20㎛ 정도의 두께를 가진다. 즉, 고온 초전도 선재(10) 전체 두께 중 기판(11)의 두께가 절반 이상을 차지하게 된다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 일반적인 고온 초전도 선재(10)의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.
고온 초전도 선재(10)에 발생한 결함 부위를 제거하기 위해 고온 초전도 선재(10)를 절단하게 되면, 필연적으로, 고온 초전도 선재(10)의 길이가 짧아지게 된다. 따라서, 고온 초전도 선재(10)의 장선화를 위해서는 2개 이상의 고온 초전도 선재(10)를 서로 접합시키는 방안이 필요하다.
도 2(a)와 도 2(b)는 랩 조인트(lab joint) 방법을 도시하고 있는데, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 어느 하나의 고온 초전도 선재(10a)와 다른 고온 초전도 선재(10b)를 솔더(solder)(20)로 부착하거나, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 두 개의 고온 초전도 선재(10c, 10d)를 일렬로 배열한 후, 두 개의 고온 초전도 선재(10c, 10d)의 상부에 다른 고온 초전도 선재(10e)를 솔더(20)로 부착할 수 있다.
그러나, 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 방법에 의하여서는 최종적으로 생성된 고온 초전도 선재(10)의 접합 부위의 두께가 매우 커지고, 전체적으로 두께에 단차가 발생하게 되어, 기계적 강도가 약화될 수 있으며, 마그네트 권선시 권선 오류를 유발하게 되어 설계한 자계의 오차를 가중시킬 수 있는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 고온 초전도 선재(10)의 결함을 보수하거나, 고온 초전도 선재(10)를 제조하는데 있어, 기판(11)이 존재하지 않는 고온 초전도 패치를 이용하여 고온 초전도 선재(10)의 두께가 크게 증가하는 것을 방지한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 이용되는 예시적인 초전도 패치(30)를 도시하는 도면이다.
도 3에 도시된 초전도 패치(30)는 초전도층(15) 및 보호층(17, 19)만을 포함하며, 경우에 따라서는 완충층(13)의 일부를 포함할 수 있다. 보호층(17, 19)은 제 1 보호층(17)과 제 2 보호층(19)을 포함할 수 있다. 구현예에 따라서는, 보호층(17, 19)은 제 1 보호층(17)과 제 2 보호층(19) 중 어느 하나의 보호층만을 포함할 수도 있고, 다른 구현예로서, 초전도 패치(30)의 상부에는 제 1 보호층(17)과 제 2 보호층(19) 중 하나의 보호층만이 존재하고, 하부에는 제 1 보호층(17)과 제 2 보호층(19) 모두가 존재할 수 있다. 제 1 보호층(17)은 제 1 소재(예를 들어, 은)로 이루어질 수 있고, 제 2 보호층(19)은 제 2 소재(예를 들어, 구리)로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 초전도 패치(30)에는 기판(11)이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 고온 초전도 선재(10)의 구조에서 기판(11)이 제거된 구조를 가지므로, 그 두께가 매우 얇아진 것을 알 수 있다. 도 3에 도시된 초전도 패치(30)의 제조 방법에 대해서는 한국공개번호 제10-2014-0067495호 (출원인: 한국전기연구원)에 개시되어 있으며, 한국공개번호 제10-2014-0067495호의 내용은 본 명세서에서 참조된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 보수된 고온 초전도 선재(10)를 도시하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고온 초전도 선재(10)에 결함(d1, d2)이 존재하는 경우, 고온 초전도 선재(10)의 표면에 초전도 패치(30)를 부착함으로써 고온 초전도 선재(10)의 결함(d1, d2)을 보수할 수 있다. 고온 초전도 선재(10)와 초전도 패치(30)를 서로 부착시키는데 있어, 솔더를 사용하지 않고 고온 초전도 선재(10)의 보호층과 초전도 패치(30)의 보호층을 직접적으로 부착시킬 수 있다. 이에 의해, 고온 초전도 선재(10)와 초전도 패치(30) 사이의 전기 저항 감소와 추가적인 접합 매체에 의한 두께 증가를 감소시킬 수 있다.
초전도 패치(30)는 결함(d1, d2)이 발생된 위치에서 고온 초전도 선재(10)에 흐르는 전류의 바이패스 경로를 제공함으로써, 고온 초전도 선재(10)의 특성을 균일하게 유지시킬 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 결함(d1)과 결함(d2)가 존재하는 층이 상이할 수 있는데, 초전도 패치(30)를 고온 초전도 선재(10)에 부착시킬 때, 고온 초전도 선재(10) 중 결함(d1, d2)이 위치하는 지점의 상부 표면을 덮도록 부착시킬 수 있다.
한편, 고온 초전도 선재(10)에 초전도 패치(30)를 부착하기 전에, 고온 초전도 선재(10)에 부착될 초전도 패치(30)를 선정하는 작업이 선행될 수 있다. 예를 들어, 결함(d1, d2)에 의해 고온 초전도 선재(10)의 임계전류가 낮아졌다면, 고온 초전도 선재(10)의 임계전류보다 높은 임계전류 특성을 갖는 초전도 패치(30)가 선정되어야 할 것이다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 선재(10)의 결함 보수 방법을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 바와 같이, 고온 초전도 선재(10)의 보호층(17, 19)과 초전도 패치(30)의 보호층(17, 19)은 은으로 이루어진 제 1 보호층(17)과 구리로 이루어진 제 2 보호층(19)을 포함할 수 있는데, 초전도 패치(30)를 고온 초전도 선재(10)에 부착시키는 데 있어, 은으로 이루어진 제 1 보호층(17)끼리 서로 부착되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 은으로 이루어진 제 1 보호층(17)끼리의 접합은 특별한 매체 없이도 비교적 간단한 방법으로 접합이 잘 되며, 은(Ag)은 높은 전기 전도도를 가지면서 화학적 안정성이 우수하기 때문이다. 이에 의해, 고온 초전도 선재(10)와 초전도 패치(30) 사이의 전기 저항을 감소시킬 수 있는 동시에 추가적인 접합 매체에 의한 두께 증가를 감소시킬 수 있다.
은으로 이루어진 고온 초전도 선재(10)의 제 1 보호층(17)과 초전도 패치(30)의 제 1 보호층(17)을 서로 부착시키는 데 있어, 열처리를 통한 부착 방법, 은 페이스트(silver paste)를 이용한 부착 방법 또는 은 착체 화합물을 이용한 부착 방법 등이 사용될 수 있다.
먼저, 도 5(a)는 고온 초전도 선재(10)를 도시하고 있는데, 도 5(a)에 도시된 바와 같이. 고온 초전도 선재(10)에는 2개의 결함(d1, d2)이 형성되어 있을 수 있다. 고온 초전도 선재(10)에서의 결함(d1, d2)의 위치는 홀 프로브(hall probe) 및 4침법(4-point probe) 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 홀 프로브 및 4침법은 당업계에서 활용되고 있는 기구 및 방법이므로, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다. 도 5(a)에 도시된 결함(d1, d2)의 위치 및 개수는 실시예일뿐이며, 결함의 개수 및 위치는 다양하게 변할 수 있다. 도 5(a)는 결함(d1)이 초전도층(15)에 위치하고, 결함(d2)이 완충층(13)에 위치하는 것으로 도시하고 있는데, 홀 프로브 및 4침법 중 적어도 하나에 기초하여 결함(d1, d2)의 위치를 판단하더라도, 실제 결함(d1, d2)이 어느 층에 존재하는지를 확인하기는 어려울 수 있다. 대신 고온 초전도 선재(10)의 길이 방향으로의 상부 표면 전체 영역 중 어느 영역에서 초전도 선재의 특성이 저하되는지를 확인함으로써, 확인된 영역의 하부 층들 중 적어도 하나의 층에 결함이 발생한 것으로 인지할 수 있다.
다음으로, 도 5(b)를 보면, 초전도 패치(30)가 부착될 위치의 제 2 보호층(19)이 고온 초전도 선재(10)로부터 제거된다. 다음으로, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 제 1 보호층(17)의 표면에 초전도 패치(30)가 부착된다. 제 1 보호층(17)에 초전도 패치(30)를 부착하기 전에 초전도 패치(30)에 구리로 이루어진 제 2 보호층(19)이 존재하는 경우, 초전도 패치(30)의 제 2 보호층(19)을 제거하는 작업이 선행될 수 있다.
마지막으로, 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 초전도 패치(30)가 부착된 고온 초전도 선재(10)의 표면에 제 2 보호층(19)을 증착한다. 이때, 고온 초전도 선재(10)에 단차가 생기지 않도록 초전도 패치(30)가 부착된 지점에서의 제 2 보호층(19)의 두께(t1)가, 초전도 패치(30)가 부착되지 않은 지점에서의 제 2 보호층(19)의 두께(t2)보다 작도록 한다.
도 5(d)에 도시된 고온 초전도 선재(10)에서는 결함(d1, d2)이 발생된 위치의 상부에 초전도 패치(30)가 부착되어 있으므로, 고온 초전도 선재(10)의 성능의 균일성이 달성될 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 선재(630)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 기판(11), 완충층(13), 초전도층(15) 및 제 1 보호층(17)으로 이루어진 예비 초전도 선재(610)를 생성한다.
다음으로, 홀 프로브(hall probe) 및 4침법(4-point probe) 중 적어도 하나에 기초하여 예비 초전도 선재(610)에 발생한 결함(d1, d2)의 위치를 결정하고, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 결함(d1, d2)이 발생한 위치의 표면에 초전도 패치(30)를 부착한다. 제 1 보호층(17)에 초전도 패치(30)를 부착하기 전에 초전도 패치(30)에 구리로 이루어진 제 2 보호층(19)이 존재하는 경우, 초전도 패치(30)의 제 2 보호층(19)을 제거하는 작업이 선행될 수 있다.
마지막으로, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 초전도 패치(30)가 부착된 고온 초전도 선재(630)의 표면에 제 2 보호층(19)을 증착한다. 이때, 고온 초전도 선재(630)에 단차가 생기지 않도록 초전도 패치(30)가 부착된 지점에서의 제 2 보호층(19)의 두께(t1)가, 초전도 패치(30)가 부착되지 않은 지점에서의 제 2 보호층(19)의 두께(t2)보다 작도록 한다.
한편, 전술한 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 1세대 고온 초전도 선재에도 적용될 수 있다.
일반적인 1세대 고온 초전도 선재는 상전도체 및 상전도체의 길이 방향을 따라 상전도체의 내부에 포함된 초전도 필라멘트 다발을 포함한다. 상전도체는 2세대 고온 초전도 선재의 제 1 보호층에 대응하며, 은(Ag)으로 구성될 수 있다. 초전도 필라멘트 다발은 BSCCO 2223 또는 BSCCO 2212로 구성될 수 있다. 상전도체의 표면에는 구리로 이루어진 제 2 보호층이 부착될 수 있다.
1세대 고온 초전도 선재에 결함이 발생한 경우, 제 2 보호층을 제거한 후, 초전도 패치를 결함 부위에 부착시키고, 초전도 패치 및 상전도체의 표면에 제 2 보호층을 부착시킴으로써, 1세대 고온 초전도 선재의 결함 보수가 가능해진다.
또한, 1세대 고온 초전도 선재를 제조하는데 있어, 상전도체와 초전도 필라멘트 다발을 포함하는 예비 초전도 선재를 생성한 후, 초전도 패치를 결함 위치에 부착시키고, 초전도 패치 및 상전도체의 표면에 제 2 보호층을 부착시킴으로써, 1세대 고온 초전도 선재의 제조가 가능해진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 장선의 고온 초전도 선재를 획득할 수 있는 동시에 고온 초전도 선재의 성능 균일성을 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법 및 고온 초전도 선재의 제조 방법은 고온 초전도 선재의 두께가 크게 증가하지 않는 방식으로 초전도 선재의 결함을 보수할 수 있다.
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.

Claims (10)

  1. 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법에 있어서,
    상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함하되,
    상기 초전도 패치는, 기판을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 초전도 선재는,
    제 1 보호층를 포함하고,
    상기 초전도 패치를 부착시키는 단계는,
    상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에서, 상기 제 1 보호층에 상기 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고온 초전도 선재는,
    상기 제 1 보호층의 외부에 위치하는 제 2 보호층을 더 포함하고,
    상기 초전도 패치를 부착시키는 단계는,
    상기 초전도 패치의 부착 전에 상기 제 2 보호층을 제거하는 단계; 및
    상기 고온 초전도 선재의 결함 부위에서, 상기 제 1 보호층에 상기 초전도 패치를 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초전도 패치가 부착된 후, 상기 초전도 패치가 부착된 고온 초전도 선재에 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 2 보호층을 증착하는 단계는,
    상기 초전도 패치가 부착된 지점에서의 상기 제 2 보호층의 두께가, 상기 초전도 패치가 부착되지 않은 지점에서의 상기 제 2 보호층의 두께보다 작도록 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제 1 보호층은 은으로 이루어지고,
    상기 제 1 보호층에 부착되는 상기 초전도 패치의 보호층은 은으로 이루어지며,
    상기 제 2 보호층은, 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 패치의 부착 전에 홀 프로브(hall probe) 및 4침법(4-point probe) 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 고온 초전도 선재의 결함 부위를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 결함 보수 방법.
  8. 고온 초전도 선재의 제조 방법에 있어서,
    기판, 완충층, 초전도층 및 제 1 보호층을 포함하는 예비 초전도 선재를 생성하는 단계;
    상기 예비 초전도 선재에서의 결함 부위를 결정하는 단계;
    상기 결정된 결함 부위에 기판이 존재하지 않는 초전도 패치를 부착하는 단계; 및
    상기 초전도 패치가 부착된 예비 초전도 선재에 제 2 보호층을 증착하는 단계는 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제 2 보호층을 증착하는 단계는,
    상기 초전도 패치가 부착된 후, 상기 초전도 패치가 부착된 지점에서의 제 2 보호층의 두께가, 상기 초전도 패치가 부착되지 않은 지점에서의 제 2 보호층의 두께보다 작도록 상기 제 2 보호층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재의 제조 방법.
  10. 기판, 완충층, 초전도층 및 제 1 보호층을 포함하는 예비 초전도 선재;
    상기 예비 초전도 선재에서 결정된 결함 부위에 부착되는 초전도 패치; 및
    상기 초전도 패치가 부착된 상기 예비 초전도 선재에 증착되는 제 2 보호층을 포함하되,
    상기 초전도 패치는, 기판을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 선재.
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