WO2018236102A1 - 금속-절연체 전이 물질을 구비한 고온 초전도 선재 - Google Patents

금속-절연체 전이 물질을 구비한 고온 초전도 선재 Download PDF

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WO2018236102A1
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superconducting wire
metal
superconducting
present
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PCT/KR2018/006837
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고락길
김석환
조영식
하동우
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한국전기연구원
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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 wire, and more particularly, to a laminate structure of a high-temperature superconducting wire.
  • High - temperature superconducting wires operating at liquid nitrogen temperature are attracting attention as high - magnetic field applications such as superconducting magnets because of their high critical current density characteristics in high magnetic fields.
  • the superconducting wire has a laminated structure of a substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer.
  • the buffer layer and the superconducting layer are made of ceramics and are susceptible to mechanical stress. Therefore, in a working environment such as coil winding or quenching, And deterioration such as peeling of the laminated structure tends to occur.
  • the high-temperature superconducting wire has a higher heat capacity and a higher threshold temperature than the low-temperature superconducting wire and thus has a low possibility of occurrence of quench.
  • the quench propagation velocity is low and it is difficult to detect the quench phenomenon from the outside . Accordingly, the conventional high-temperature superconducting wire has a fatal defect that the wire rod is burned out due to the localized quenching phenomenon.
  • Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-28837 proposes a high-temperature superconducting coil which can easily control electromagnetic characteristics including response characteristics when used in a magnet.
  • the metal-insulator transition material (MIT) layer for electrically insulating the superconducting portions of the adjacent superconducting wires is interposed, the entire foreign material layer functions as an insulating layer at a normal operating temperature, So that the operating current can be diverted to the adjacent superconducting wire when the quench occurs.
  • MIT metal-insulator transition material
  • a conventional superconducting coil in which a MIT material layer is interposed provides a bypass path for the current to the capping layer and the buffer layer above the wire when a local heating phenomenon occurs in the superconducting wire.
  • a one-way current bypass path is insufficient to bypass the current in the event of a quench phenomenon.
  • the inventors of the present invention aim to provide a superconducting wire capable of being self-protected from a quenching phenomenon by focusing on the problems of the above-described conventional techniques.
  • a superconducting wire comprising a metal substrate, a buffer layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer, the superconducting wire having a metal-
  • the superconducting wire including a plurality of wedges including a foreign substance.
  • the plurality of wedges may be arranged in rows in the longitudinal direction of the superconducting wire, and at least two or more rows may be arranged in the longitudinal direction of the superconducting wire.
  • At least a portion of the plurality of wedges may penetrate the metal substrate. Also, at least a portion of the plurality of wedges may pass through the stabilization layer.
  • the wire may further include an upper MIT layer on the wire, and the plurality of wedges may be connected to the upper MIT layer.
  • a lamination substrate may be laminated on one of the metal substrate and the stabilization layer.
  • a high-temperature superconducting wire suitable for high magnetic field applications can be provided. Further, the superconducting wire of the present invention can easily control the electromagnetic characteristics including the response characteristics when used in a magnet, and can provide a super stable superconducting wire having a magnetic protection function from a quenching phenomenon during operation of the magnet do.
  • Fig. 1 is a view showing an exemplary laminated structure of a typical superconducting wire.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to first and second embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph schematically showing electrical conductivity characteristics of VO and V 2 O 3 according to temperature, as an example of the MIT material of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view of a superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating an exemplary plan view of a superconducting wire according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating an exemplary shape of a wedge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a sixth embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 is a view showing an exemplary laminated structure of a typical second-generation superconducting wire.
  • the superconducting wire comprises a metal substrate 11, a series of buffer layers 12, a superconducting layer 13, a capping layer 14A, and a stabilization layer 14B.
  • the capping layer 14A and the stabilization layer 14B are all formed of a conductive metal layer.
  • the capping layer 14A is made of a noble metal such as silver or gold
  • the stabilization layer 14B is made of copper or an alloy thereof .
  • the capping layer 14A and the stabilization layer 14B may alternatively be formed of one conductive metal layer.
  • the above-described conductive metal layers 14A and 14B are shown as one stabilizing layer.
  • the material of the superconducting layer is not particularly limited as long as it can be formed into a thin thin film in sheet form.
  • (Bi-Sr-Ca-Cu-O) system such as YBCO (Y-Ba-Cu-O) system, Bi-2212 (Bi2Sr2CaCu2O8) and Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10), TCBCO Based superconductor as well as high-temperature superconducting materials such as HBCCO (Hg-Ba-Ca-Cu-O) and the like can be used as the superconducting layer.
  • a metal substrate made of a material such as nickel or a nickel alloy occupies most of the thickness of the superconducting wire.
  • the metal substrate is about 70 to 100 microns (microns) and the stabilizing layer is tens of microns, while the buffer layer and superconducting layer are each only a few microns.
  • the superconducting wire has a structure in which the superconducting wire is electrically isolated from the metal substrate by interposing the insulating buffer layer. Therefore, although the metal substrate occupies a large volume, it has a limitation that it can not act as a path for bypassing the current at the corresponding point when the superconducting wire is locally overheated.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a cross section of the superconducting wire extending in the longitudinal direction.
  • the superconducting wire has a structure in which a metal substrate 110, a buffer layer 120, a superconducting layer 130, and a stabilization layer 140 are sequentially stacked.
  • the superconducting wire 100 has a plurality of wedges 150 passing through the superconducting layer 130 in the direction perpendicular to the stacking plane of each layer.
  • the plurality of wedges 150 are shown as penetrating all the layers of the superconducting wire, it is only one embodiment of the present invention and various modifications are possible.
  • the wedge 150 penetrates the superconducting layer 130 to connect the stabilization layer 140 and the metal substrate 110.
  • the wedge 150 has good adhesion to the stabilizing layer 140 and the metal substrate 110.
  • the wedge 150 includes a metal-insulator transition material (MIT).
  • MIT metal-insulator transition material
  • MIT generally refers to a material that exhibits a low electrical conductivity at a certain temperature (transition temperature) and behaves as an insulator, but exhibits a drastic increase in the electrical conductivity at or above the transition temperature.
  • MIT is used in substantially the same meaning as the conventional usage of the term.
  • the MIT suitable for the present invention preferably has a transition temperature of the transition temperature of the superconducting wire at or above the critical temperature and a ratio of the electric conductivity before and after the transition period including the transition temperature, preferably at least 10 3, more preferably at least 10 5 .
  • the MIT has a transition temperature which is equal to or higher than a critical temperature of the superconducting material used in the wire rod.
  • the transition temperature of the MIT is less than the critical temperature of the superconducting material + 150 K, more preferably less than the critical temperature + 100 K, more preferably less than the critical temperature + 50 K.
  • the transition temperature of the MIT 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 3 is a graph schematically showing electric conductivity characteristics of VO and V 2 O 3 according to temperature as an example of the MIT material of the present invention.
  • the change in the electrical conductivity of the MIT heating and cooling process progresses to a different path such as a hysteresis loop.
  • the electrical conductivity increases abruptly to more than 10 3 times at a transition temperature of about 123 K (-150 ° C.), and V 2 O 3 has an electrical conductivity of 10 3 times or more at around 163 K (-110 ° C.) Of the total population.
  • MIT Metal-Insulator Transition
  • FIG. 2 (b) is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to a second embodiment of the present invention.
  • the stabilizing layer 140 extends from the upper portion of the superconducting layer to the lower portion of the metal substrate, and surrounds the entire superconducting wire.
  • the wedge 150 may be designed to penetrate to the lower stabilization layer.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting wire according to a third embodiment of the present invention.
  • the stabilizing layer 140 covers the periphery of the superconducting layer 130.
  • the wedge 150 passes through the superconducting layer 130 to connect the stabilization layer 140.
  • the superconducting wire 100 of the present embodiment is applicable when the metal substrate and the buffer layer are removed from the superconducting layer.
  • FIG. 5 (b) shows a superconducting wire without a metal substrate as a modification of the third embodiment.
  • the plurality of wedges 150 pass through the buffer layer 120 and the superconducting layer 130 to connect the upper and lower stabilization layers 140.
  • FIG. 6 is a plan view of a superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated superconducting wire 100 has a long strip shape extending in the longitudinal direction.
  • a plurality of wedges 150 are arranged along the longitudinal direction of the superconducting wire 100.
  • the plurality of wedges are arranged in the longitudinal direction with appropriate spacing.
  • the plurality of wedges may be arranged in two or more rows.
  • one row formed by the plurality of wedges may have a width (w 1 , w 2 ) having a predetermined tolerance.
  • the plurality of wedges may be randomly arranged.
  • the plurality of wedges may be arranged to have intervals d1 and d2 with predetermined tolerances therebetween.
  • FIG. 7 is a view illustrating an exemplary plan view of a superconducting wire according to various embodiments of the present invention.
  • the wedge pattern in a plan view can have various cross-sectional shapes and cross-sectional areas.
  • the cross-sectional pattern of the wedge may be a circular pattern 150a, elongated rectangular patterns 150b and 150c, and a combination pattern 150e and 150f thereof.
  • each wedge pattern can be composed of different material combinations as well as different cross-sectional shapes. Different hatching patterns in the figure indicate different materials.
  • the wedge of the circular pattern may be composed of a solder material
  • the wedge of the rectangular pattern may be composed of a magnetic material.
  • different patterns can have different electromagnetic and mechanical properties. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the present invention can be combined with various shapes and materials other than those exemplified above.
  • a plurality of wedges arranged in the longitudinal direction of the wire rod exhibit an effect of composing the superconducting layer with multifilaments, thereby achieving an effect of reducing the acloss as well as reducing the magnetic field reduction due to the screen current during fabrication of the superconducting coil.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a fourth embodiment of the present invention.
  • a plurality of wedges penetrate the superconducting layer 230 as in the first embodiment.
  • the plurality of wedges 250 extend to a portion of the metal substrate.
  • the depth h at which the wedge extends to the metal substrate in this embodiment can be appropriately selected in consideration of the mechanical strength of the wire rod and the like.
  • the plurality of wedges 250 of the present embodiment may have process advantages due to the need not to penetrate the thick metal substrate.
  • FIG. 9 is a view illustrating an exemplary shape of a wedge according to an embodiment of the present invention.
  • the wedge may have various shapes such as V-shape, square shape, and bolt shape.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a separate MIT layer 340 is provided on the wire material in this embodiment.
  • the wedge 350 extends downward from the upper MIT layer 340 and sequentially passes through the superconducting layer 330 and the buffer layer 320. At this time, the wedge 350 may be integrally formed with the same material as the upper MIT layer 340, or may be realized with a different MIT material.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a cross section of a superconducting wire according to a sixth embodiment of the present invention.
  • lamination substrates 410 and 420 are attached to the upper and lower surfaces of the superconducting wire 100 having the plurality of wedges described in FIG.
  • the lamination substrates 410 and 420 are firmly fixed to the outer metal layer, for example, the metal substrate and the stabilization layer of the superconducting wire 100.
  • the lamination substrate 410, 420 may be firmly coupled by the solder 430. Such a structure can further supplement the mechanical rigidity of the superconducting wire.
  • the layers 110, 120, 130 and 140 constituting the superconducting wire have different bonding strengths.
  • the buffer layer 120 and the superconducting layer 130 have low bonding strength, and peeling may occur due to mechanical stress at the time of bending.
  • the plurality of wedges 150 firmly couple the stabilizing layer 140 and the metal substrate 110, so that each layer of the superconducting wire can be supported so as not to peel off. Further, as described below, the wedge of the present invention can provide a bypass path for good electrical conduction and heat conduction compared to the prior art, even in the case where peeling occurs.
  • the MIT material that constitutes the wedge 150 may provide an electrical conduction path in a direction that is electrically conductive and perpendicular to the lamination side of the superconducting wire.
  • the electric path may be formed vertically upward (1) and vertically downward (2) with respect to the lamination surface of the superconducting wire.
  • the current can be bypassed via the stabilization layer 140 vertically upward or bypassed to adjacent superconducting wires. Likewise, the current can be bypassed via the metal substrate 110 along the vertical downward or bypassed to other adjacent superconducting wires.
  • the present invention can be applied to high temperature superconducting wire, superconducting magnet, and the like.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 초전도 선재의 적층 구조에 관한 것이다. 본 발명은 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층이 적층된 초전도 선재에 있어서, 상기 초전도층 및 완충층을 관통하여 상기 안정화층과 상기 금속 기판을 연결하는 금속-절연체 전이 물질을 포함하는 복수의 쐐기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재를 제공한다. 본 발명에 따르면, 초전도 선재의 기계적 강성을 향상시켜 열화나 박리에 대한 저항성이 큰 초전도 선재를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 퀀치 현상으로부터 자기 보호 가능한 초전도 선재를 제공할 수 있게 된다.

Description

금속-절연체 전이 물질을 구비한 고온 초전도 선재
본 발명은 초전도 선재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 초전도 선재의 적층 구조에 관한 것이다.
액체 질소 온도에서 동작하는 고온 초전도 선재는 고자장에서 높은 임계전류밀도 특성을 나타내어 초전도 마그넷 등의 고자장 응용으로 주목받고 있다.
초전도 선재는 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층의 적층 구조를 갖는데, 이 중 완충층 및 초전도층이 세라믹스 재질로 구성되어 기계적 응력에 취약하여 코일 권선이나 급냉 등의 작업 환경에서 초전도층의 손상, 선재 적층 구조의 박리 등 열화가 발생하기 쉽다는 단점을 갖는다.
한편, 고온 초전도 선재는 저온 초전도 선재에 비해 높은 열용량 및 높은 임계온도를 구비하여 켄치(quench) 발생 가능성이 낮은 것으로 알려져 있지만, 정작 퀀치 전파 속도가 낮아 외부에서 퀀치 현상의 검출이 곤란하다는 문제점을 갖는다. 이에 따라, 종래의 고온 초전도 선재는 국부적 퀀치 현상에 의해 선재가 번 아웃에 이르는 치명적인 결함을 가지고 있다.
이러한 문제점으로 인하여, 선재의 열화나 퀀치 현상의 검출 및 이로부터 선재를 보호하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 오고 있다.
한국공개특허 제10-2017-28837호는 마그넷으로의 사용시 응답 특성을 포함하는 전자기적 특성의 제어가 용이한 고온 초전도 코일을 제시하고 있다. 위 특허에 따르면 인접하는 상기 초전도 선재의 초전도부 사이를 전기적으로 절연하기 위한 금속-절연체 전이 물질(MIT)층이 개재함으로써, 전이물질층은 통상적인 동작 온도에서 절연층으로 기능하며, 발열시 전도성을 나타냄으로써 퀀치 발생시 동작 전류를 인접하는 초전도 선재로 우회시킬 수 있다.
종래의 MIT 물질층이 개재된 초전도 코일은 초전도 선재에 국부적 발열 현상이 발생할 때에 선재 상방 즉 캡핑층 및 완충층으로 전류의 우회 경로를 제공한다. 그러나, 이와 같은 일방의 전류 우회 경로 제공은 퀀치 현상 발생시 전류의 바이패스에 불충분하다.
본 발명의 발명자들은 전술한 종래 기술의 문제점에 착안하여 퀀치 현상으로부터 자기 보호 가능한 초전도 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고자장 응용에 적합한 초전도 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층이 적층된 초전도 선재에 있어서, 상기 초전도층 및 완충층을 관통하여 상기 안정화층과 상기 금속 기판을 연결하는 금속-절연체 전이물질을 포함하는 복수의 쐐기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재를 제공한다.
본 발명에서 상기 복수의 쐐기는 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 열을 이루어 배열될 수 있고, 초전도 선재의 길이 방향으로 최소한 2열 이상이 배열될 수 있다.
또한, 상기 복수의 쐐기 중 최소한 일부는 상기 금속 기판을 관통할 수 있다. 또한, 상기 복수의 쐐기 중 최소한 일부는 상기 안정화층을 관통할 수도 있다.
또한 상기 선재는 선재 상부에 별도의 상부 MIT층을 더 구비하고, 상기 복수의 쐐기가 상기 상부의 MIT층에 연결될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 금속 기판 또는 상기 안정화층의 어느 하나에는 라미네이션 기판이 적층된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고자장 응용에 적합한 고온 초전도 선재를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 초전도 선재는 마그넷으로의 사용시 응답 특성을 포함하는 전자기적 특성의 제어가 용이하며, 마그넷의 운전시의 퀀치 현상 등으로부터 자기 보호 기능을 갖는 높은 안정성의 초전도 선재를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 전형적인 초전도 선재의 적층 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바나듐 산화물의 전이 온도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 선재를 평면적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초전도 선재의 평면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 쐐기의 형상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 작동 원리를 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 전형적인 2세대 초전도 선재의 적층 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 초전도 선재는 금속 기판(11), 일련의 완충층(12), 초전도층(13), 캡핑층(14A) 및 안정화층(14B)을 포함하여 구성된다.
여기서, 캡핑층(14A) 및 안정화층(14B)은 모두 도전성 금속층으로 형성되는데, 예컨대 상기 캡핑층(14A)은 은, 금 등의 귀금속, 상기 안정화층(14B)은 구리 또는 그 합금 등으로 구성될 수 있다. 물론, 이와 달리 캡핑층(14A) 및 안정화층(14B)은 하나의 도전성 금속층으로 구현될 수도 있다. 이하 본 발명의 명세서에서는 위 도전성 금속층(14A, 14B)을 하나의 안정화층으로 도시한다.
본 발명에서 상기 초전도층의 재질로는 시트 형태의 얇은 박막으로 구현 가능한 한 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, YBCO(Y-Ba-Cu-O)계, Bi-2212(Bi2Sr2CaCu2O8) 및 Bi-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O10) 등의 BSCCO(Bi-Sr-Ca-Cu-O)계, TCBCO(Tl-Ca-Ba-Cu-O)계, HBCCO(Hg-Ba-Ca-Cu-O)계 등 고온 초전도 재료뿐만 아니라 철계 초전도체가 상기 초전도층으로 사용될 수 있다.
도 1의 선재에서 니켈 또는 니켈 합금과 같은 재질로 구성되는 금속 기판은 초전도 선재 두께의 대부분을 차지한다. 예컨대, 금속 기판은 약 70~100 미크론(㎛), 안정화층은 수십 미크론인 반면, 완충층 및 초전도층은 각각 수 미크론에 불과하다. 이와 같이, 초전도 선재는 절연성의 완충층의 개재에 의해 금속 기판과는 전기적으로 격리되는 구조를 갖는다. 따라서, 금속 기판은 많은 부피를 차지함에도 불구하고 초전도 선재의 국부적인 과열 시 해당 지점의 전류를 우회할 경로로 작용할 수 없는 한계를 가지고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 길이 방향으로 연장되는 초전도 선재의 횡단면을 나타낸다. 도 2의 (a)를 참조하면, 초전도 선재는 금속 기판(110), 완충층(120), 초전도층(130) 및 안정화층(140)이 순차 적층된 구조를 갖는다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초전도 선재(100)에는 각 층의 적층면에 수직 방향으로 초전도층(130)을 관통하는 복수의 쐐기(150; wedges)가 형성되어 있다. 상기 복수의 쐐기(150)는 초전도 선재의 각 층을 모두 관통하는 것으로 도시되어 있지만, 이것은 본 발명의 일구현예에 불과하며 다양한 변형이 가능하다.
상기 쐐기(150)는 상기 초전도층(130)을 관통하여 상기 안정화층(140) 및 상기 금속 기판(110)을 연결한다. 상기 쐐기(150)는 상기 안정화층(140)과 상기 금속 기판(110)에 대하여 양호한 밀착성을 갖는다.
본 발명에서 상기 쐐기(150)는 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT)을 포함한다.
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 3은 본 발명의 MIT 물질의 일례로서 VO 및 V2O3의 온도에 따른 전기 전도도 특성을 모식적으로 도시한 그래프이다.
도 3을 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 4는 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 나탄 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
도 2의 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 2의 (b)에서 안정화층(140)은 초전도층 상부로부터 금속 기판의 하부로까지 연장되어 초전도 선재 전체를 둘러싸고 있다. 이 경우, 쐐기(150)는 하부의 안정화층까지 관통하도록 설계될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초전도 선재의 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
먼저 도 5의 (a)를 참조하면, 초전도층(130)의 주위를 안정화층(140)이 피복하고 있다. 이 때, 쐐기(150)는 상기 초전도층(130)을 관통하여 상기 안정화층(140)을 연결한다. 본 실시예의 초전도 선재(100)는 금속 기판 및 완충층이 초전도층으로부터 제거된 경우에 적용 가능하다.
한편, 도 5의 (b)는 제3 실시예의 변형예로서 금속 기판이 존재하지 않는 초전도 선재를 나타낸다. 여기서도, 복수의 쐐기(150)는 완충층(120) 및 초전도층(130)을 관통하여 상하의 안정화층(140)을 연결하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 선재를 평면적으로 도시한 도면이다.
도시된 초전도 선재(100)는 길이 방향으로 연장되는 긴 스트립 형태를 갖는다. 상기 초전도 선재(100)의 길이 방향으로 따라 복수의 쐐기(150)가 배열되어 있다.
상기 복수의 쐐기는 적절한 간격을 가지며 열을 지어 길이 방향으로 배열된다. 상기 복수의 쐐기는 2열 이상 배열될 수도 있다. 본 실시예에서 복수의 쐐기가 형성하는 하나의 열은 소정의 공차를 갖는 폭(w1, w2)을 가질 수 있다. 물론, 이와 달리 상기 복수의 쐐기는 무작위로 배열될 수도 있을 것이다.
또한 상기 복수의 쐐기는 상호간의 소정의 공차를 갖는 간격(d1, d2)을 가지도록 배열될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초전도 선재의 평면을 예시적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 평면적으로 보면 쐐기 패턴은 다양한 단면 형상 및 단면적을 가질 수 있다. 쐐기의 단면 패턴은 원형 패턴(150a), 길쭉한 사각형 패턴(150b, 150c) 및 이들의 조합 패턴(150e, 150f)일 수 있다.
또한 각 쐐기 패턴은 상이한 단면 형상뿐만 아니라 상이한 재질의 조합으로 구성될 수 있다. 도면에서 상이한 해칭 패턴은 상이한 재질임을 나타낸다. 예컨대, 원형 패턴의 쐐기는 땜납 재료로 구성될 수 있고, 사각형 패턴의 쐐기는 자성 재료로 구성될 수도 있다. 또한, 상이한 패턴은 상이한 전자기적 특성 및 기계적 특성을 구비할 수 있다. 이상 예시한 이 외에 다양한 형상 및 재질의 조합이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 잘 알 수 있을 것이다.
또한 선재의 길이 방향으로 배열된 복수의 쐐기는 초전도층을 멀티 필라멘트로 구성한 효과를 나타내어 Ac Loss 감소 효과뿐만 아니라 초전도 코일 제작 시 스크린 커런트(screen current)에 의한 자계 감소를 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1 실시예와 마찬가지로 복수의 쐐기가 초전도층(230)을 관통한다. 본 실시예에서 복수의 쐐기(250)는 금속 기판의 일부까지 연장되어 있다. 본 실시예에서 쐐기가 금속 기판으로 연장되는 깊이(h)는 선재의 기계적 강도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 실시예의 복수의 쐐기(250)는 두꺼운 금속 기판을 관통할 필요가 없다는 것에 기인하는 공정상의 이점을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 쐐기의 형상을 예시적으로 도시한 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 쐐기는 V형, 사각형, 볼트형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에서 선재 상부에는 별도 MIT층(340)이 구비된다. 상기 쐐기(350)는 상부 MIT층(340)으로부터 하부로 연장되며, 초전도층(330) 및 완충층(320)을 순차 관통하고 있다. 이 때, 상기 쐐기(350)는 상기 상부 MIT층(340)과 동일 재질로 일체로 구현되거나 상이한 MIT 물질로 구현될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 초전도 선재의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 도 1에서 설명한 복수의 쐐기를 구비한 초전도 선재(100)의 상하면에 라미네이션 기판(410, 420)이 부착되어 있다. 상기 라미네이션 기판(410, 420)은 초전도 선재(100)의 외곽 금속층 예컨대 금속 기판 및 안정화층에 견고히 고정된다. 부가적으로 상기 라미네이션 기판(410, 420)은 솔더(430)에 의해 견고히 결합될 수 있다. 이와 같은 구조는 초전도 선재의 기계적 강성을 추가적으로 보완할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 작동 원리를 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 코일 권선 등의 작업시 벤딩에 의해 초전도 선재에 응력이 발생한다. 초전도 선재를 구성하는 각 층(110, 120, 130, 140)은 상이한 결합 강도를 가진다. 예컨대, 완충층(120)과 초전도층(130)은 낮은 결합 강도를 가지며, 벤딩시의 기계적 응력에 의해 박리가 발생할 수 있다. 본 발명에서 복수의 쐐기(150)는 안정화층(140)과 금속 기판(110)을 견고히 결합함으로써, 초전도 선재의 각 층이 박리되지 않도록 지탱할 수 있게 한다. 나아가, 아래에서 설명하는 바와 같이 본 발명의 쐐기는 박리가 발생하는 경우에도 불구하고 종래에 비해 양호한 전기전도 및 열전도를 위한 바이패스 경로를 제공할 수 있다.
도 13을 참조하여, 본 발명의 쐐기가 전류 우회 경로로 작용하는 과정을 설명한다.
도 13을 참조하면, 초전도층의 어느 지점(A)에서 상전도 전이 상태(퀀치)가 발생하면 해당 지점의 저항은 국부적으로 증가하며 이로 인해 열을 발생한다. 이 열로 인해, 쐐기(150)를 구성하는 MIT 물질은 전기 전도성을 나타내며 초전도 선재의 적층면에 대해 수직인 양향으로 전기 전도 경로를 제공할 수 있다. 상기 전기 경로는 초전도 선재의 적층면에 대하여 수직 상방(①) 및 수직 하방(②)으로 각각 형성될 수 있다. 전류는 수직 상방으로 안정화층(140)을 경유하여 바이패스되거나 인접하는 초전도 선재로 바이패스될 수 있다. 마찬가지로, 전류는 수직 하방을 따라 금속 기판(110)을 경유하여 바이패스 되거나 인접하는 다른 초전도 선재로 바이패스될 수 있다.
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 고온 초전도 선재, 초전도 마그넷 등에 응용 가능하다.

Claims (16)

  1. 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층이 적층된 초전도 선재에 있어서,
    상기 초전도층 및 완충층을 관통하여 상기 안정화층과 상기 금속 기판을 연결하는 금속-절연체 전이물질을 포함하는 복수의 쐐기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쐐기는 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 열을 이루어 배열되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쐐기는 상기 초전도 선재의 길이 방향으로 최소한 2열 이상이 배열되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쐐기 중 최소한 일부는 상기 금속 기판을 관통하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쐐기 중 최소한 일부는 상기 안정화층을 관통하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선재 상부에 상부 MIT층을 더 구비하고,
    상기 복수의 쐐기는 상기 상부 MIT층에 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기판 또는 상기 안정화층의 어느 하나에는 라미네이션 기판이 적층된 것을 특징으로 하는 초전도 선재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상기 고온 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도가 임계 온도 + 100K 보다는 낮은 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도 전후로 전기 전도도가 103 배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 전이 온도 전후로 전기 전도도가 105 배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 상온 이하의 전이온도를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 바나듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속-절연체 전이 물질층은 VO를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
  15. 제13항에 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.
  16. 제13항에 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.
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