KR101337432B1

KR101337432B1 - 2세대 고온 초전도 선재의 은보호층 확산에 의한 접합방법

Info

Publication number: KR101337432B1
Application number: KR1020120061381A
Authority: KR
Inventors: 이해근; 박연주; 신현진; 오영근
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-06

Abstract

본 발명은 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법에 관한 것으로서 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층 일부가 겹쳐지도록 서로 맞대어 랩 조인트를 형성하고, 겹쳐진 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 것을 특징으로 하며, 산소 분위기로 산화시키는 추가 공정이 필요 없어 열처리 공정만으로 단시간 내에 쉽고 간단하게 초전도 선재를 접합할 수 있다.

Description

2세대 고온 초전도 선재의 은보호층 확산에 의한 접합방법{Joining methods of ReBCO coated conductor tapes with silver protecting layers by diffusion junction process}

본 발명은 2 가닥의 2세대 고온 초전도 선재 접합방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온에서 열처리 공정을 거치는 동안 초전도 선재의 물질인 ReBa₂Cu₃O₇ _-x에서 산소(O)가 빠져 나와 상기 초전도 선재 물질이 상변화를 일으키지 않도록 400 ℃ 이내의 저온에서 은보호층을 확산접합하는 열처리 공정을 함으로써, 초전도성을 잃어버리지 않도록 하는 2세대 고온 초전도 선재 접합방법에 관한 것이다.

2세대 고온 초전도 선재(2G High Temperature Superconducting tape)는 다단계 공정으로 여러 금속 및 산화물층을 에피텍셜(epitaxial)형으로 적층시켜 테이프 형상으로 제조한다. 이렇게 제작된 2세대 고온 초전도 선재는 끝단부가 생기기 마련이며 이러한 끝단부를 연결하는 과정은 선재의 장선화 및 영구전류모드 운전에 있어 반드시 필요하다. 이러한 이유로 마치 하나의 선재를 이용하는 것과 같이 2세대 고온 초전도 선재의 끝단부를 연결하는 기술이 요구되지만 초전도 선재간의 접합부위는 일반적으로 접합되지 않은 초전도 선재의 부위보다 임계전류 감소 및 접합 저항 발생 등의 요인으로 초전도 특성이 저하된다. 따라서 영구전류모드형 초전도 응용기기 제작에 있어 초전도 특성은 접합부위에 크게 의존할 수밖에 없다.

도 1은 2세대 고온 초전도 선재(ReBCO-CC)의 구조를 도시한 도면이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 2세대 고온 초전도 선재(10)는 적층구조로 테이프 형상으로 제작된 선재이다.

2세대 고온 초전도 선재(10)는 기판층(11, substrate), 완충층(12, buffer layer), 초전도층(13, ReBCO layer) 및 은보호층(14, silver protecting layer)의 순서로 적층되어 구성된다.

기판층(11)은 Ni 또는 Ni합금 등 금속계 물질을 재료로 사용하고, 압연 및 열처리하여 큐브 집합조직(cube texture)을 형성하여 제작된다.

완충층(12)은 ZrO₂, CeO₂, YSZ, Y₂O₃ 또는 HfO₂ 등의 재료로 단일층 또는 다수의 층으로 기판층(11) 위에 에피택셜하게 적층된다.

초전도층(13)은 ReBa₂Cu₃O₇ _-x계로 대표되는 산화물 초전도 재료로 이루어진다. 즉, Re:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7로 구성된다. 초전도층(13)을 구성하는 산화물 초전도체의 산소량이 변동함으로써 초전도층(13)의 특성이 크게 변화되므로 상기 산소의 몰비율은 일정하게 유지시켜주어야 한다.

은보호층(14)은 초전도층(13)을 전기적으로 안정화시키기 위하여 초전도층(13) 상부에 적층되며, 2세대 고온 초전도 선재(10)에 과전류가 흐를 경우, 2세대 고온 초전도 선재(10)를 보호하기 위해 전기저항이 상대적으로 낮은 금속물질로 구성된다. 예를 들면, 은 또는 동 등의 전기저항이 낮은 금속물질 또는 스테인리스 등이 이용될 수 있다.

도 2는 종래의 2세대 고온 초전도 선재의 상전도 접합의 단면도 및 전류의 흐름을 표시한 도면이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 2개의 2세대 고온 초전도 선재(10)를 연결하기 위해 접촉된 은보호층(14) 부위에 솔더(15, solder)를 매개로 한 접합이 이루어진다. 이때, 전류의 흐름(16)이 은보호층(14) 및 솔더(15)를 지나게 되어 접합 저항의 발생을 피할 수 없게 된다. 접합 저항에 의하여 전류가 흐를 때 열이 발생하게 되고, 열이 발생하면 접합부위에 온도가 올라가게 된다. 극한 경우 온도 상승으로 인해 낮은 온도에서 초전도 성질을 나타내는 초전도체가 상전도로 전이될 수 있으며 상전도로 전이되지 않는다고 하더라도, 온도를 낮추기 위한 냉각 비용이 많이 들게 되는 문제점들이 발생한다. 무엇보다도, 이 경우 초전도 선재의 접합은 솔더링(soldering)에 의한 접합을 이용하므로 접합부위에 솔더 물질의 저항이 반드시 상존하게 된다.

한편, 초전도 판재를 이용하여 제1 세대 고온 초전도 선재인 BSCCO 선재를 접합하는 기술의 일례가 [대한민국 등록특허 10-0360292호(2002.10.26.공개), "고온 초전도 테이프 선재의 초전도 접합 방법"](이하 선행기술 1)에 개시되어 있다. 상기 선행기술 1은 최종 열처리된 다심 고온 초전도 테이프 선재를 초전도결합이 이루어지도록 접합하는 방법에 관한 것으로서, 은 또는 은 합금 및 초전도 필라멘트로 구성되고 최종 열처리가 완료된 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재를 동일한 경사각으로 깎아내고, 단심 초전도 선재를 제조하여 은 또는 은 합금을 제거한 후에 상기 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면의 면적과 동일한 면적을 갖는 고온 초전도 판재로 만들어서, 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 양 경사면 사이에 삽입하며, 상기 접합시킬 2개의 다심 고온 초전도 테이프 선재의 경사면이 맞닿은 부위를 일정한 소재로 감싼 후에 그 감싼 부위를 소정의 압력으로 가압하여 고정시키고, 그 접합부위를 일정 온도에서 일정시간 열처리를 거치는 초전도 접합에 대한 기술이다.

상기 선행기술 1은 상전도의 솔더(solder)를 이용하여 접합하는 대신 초전도 판재를 이용하여 접합함으로써, 초전도체 필라멘트의 접합 확률을 증가시켜 초전도 접합부위의 임계전류를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 그러나 선행기술 1은 초전도 판재를 2 가닥의 초전도층의 사이에 끼움으로써 실제적으로 2개의 접합부위를 형성한다. 즉, 하나의 초전도 선재 가닥과 초전도 판재와의 접합, 초전도 판재와 다른 하나의 초전도 선재 가닥와의 접합이 형성된다. 따라서 2 가닥의 초전도 선재의 초전도층이 직접 접촉하는 것보다 2배의 접합부위를 가짐으로써, 임계전류 또는 임계전류 밀도의 저하가 더 많이 생길 수 있는 문제점이 발생한다.

한편, 선행기술 1은 통상 분말 충진법에 의해 제조된 제 1세대 고온 초전도 선재를 접합하는 것으로, 분말(powder)이 튜브 안에서 넣어지는 구조를 가지고 있다. 따라서 반도체의 박막을 증착시키는 것과 같이 다양한 방법에 의해 적층구조를 가지는 제 2세대 초전도 선재에 그대로 적용하는 것은 어려움이 있다. 예를 들면, 초전도층이 얇아 경사각을 깎았을 때 경사면의 면적이 충분하지 않은 등의 문제가 예상된다. 또한, 제2 세대 초전도 선재의 재료(ReBCO 물질)은 결정이 방향성을 갖게 성장하면 상대적으로 임계전류가 높은 특성을 가진다. 그러므로 2 가닥의 제2 세대 선재를 직접 접촉시켜 접합하려면, 접합되는 부분에서도 서로 다른 2 가닥의 선재가 서로 결정의 방향성을 갖도록 고온에서 용융점까지 열처리하는 공정이 필요할 것이다.

또 다른 선행기술로서, [대한민국 등록특허 10-0964354호(2010.02.12.공개), "초전도층의 직접 용융확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법"](이하 선행기술 2)이 공개되어 있다. 상기 선행기술 2는 제2 세대 선재 2 가닥의 은보호층을 식각하여 초전도층을 직접 용융공정처리(melt-textured process)해주어 초전도결합이 이루어지도록 접합하는 방법에 관한 것으로서, 은으로 구성된 은보호층을 화학적인 방법으로 식각하고, 초전도층을 드러내어 초전도층이 맞닿은 부위를 상, 하 2개의 금속판으로 감싼 후에 소정의 압력으로 가압하여 체결시키고, 그 접합부위를 일정 온도에서 일정시간 열처리를 거치는 초전도 접합에 대한 기술이다. 상기 선행기술 2는 상전도의 솔더(solder)를 이용하여 접합하는 대신 초전도층을 이용하여 직접 접합함으로써, 초전도층 간에 직접 용융시키고 확산시켜 초전도 접합 부위의 접합 저항이 발생하지 않는 이점이 있다. 그러나 선행기술 2에서 2 가닥의 제 2세대 선재의 접합부위를 용융하기 위해서는 900 ℃가 넘는 고온에서 열처리(annealing)를 해주어야 한다. 하지만 고온에서 열처리 공정을 거치는 동안 초전도 선재의 물질인 ReBa₂Cu₃O_7-x에서 산소(O)가 빠져나오게 되므로 산소의 결핍으로 인한 상기 초전도 선재 물질이 상변화를 일으켜 초전도성을 잃어버리는 문제가 예상되고, 이러한 이유로 빠져나온 산소를 채워주어 초전도성을 회복시켜주는 단계를 거치게 되는데 이 공정은 매우 긴 시간을 필요로 하는 등의 문제점이 예상된다. 따라서, 900 ℃가 넘는 고온에서 열처리하지 않으면서도 2세대 고온 초전도 선재를 접합시키는 방법이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산소 분위기로 산화시키는 추가 공정이 필요 없어 열처리 공정만으로 단시간 내에 쉽고 간단하게 초전도 선재를 접합할 수 있는 2세대 초전도 선재 접합 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 제1 실시 예로서, 2세대 초전도 선재 2가닥의 은보호층 일부가 겹쳐지도록 서로 맞대어 랩 조인트(lap joint)를 형성하는 단계; 및 상기 겹쳐진 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 2세대 초전도 선재 2가닥의 은보호층 일부가 겹쳐지도록 서로 맞댄 상태에서 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 홀더는 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고, 상기 홀더는 500 °C 이상에서 내열성을 가지는 물질로 제조되며, 상기 2개의 금속판 사이에 상기 2세대 초전도 선재 2가닥을 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결할 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 제2 실시 예로서, 2세대 초전도 선재 2가닥의 은보호층의 일부와 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint)를 형성하는 단계; 및 상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 2세대 초전도 선재 2가닥의 은보호층의 일부와 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint)를 형성한 상태에서 상기 버트 조인트를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 제3 실시 예로서, 2세대 초전도 선재 2가닥 중 1 가닥의 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거하는 단계; 상기 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재의 노출된 초전도체층과 다른 2세대 초전도 선재의 은보호층 일부를 겹치도록 맞대어 랩 조인트(lap joint)를 형성하는 단계; 및 상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 형성된 랩 조인트를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 은보호층을 제거하는 단계는, 상기 2세대 초전도 선재의 2가닥 중 1 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계; 및 상기 2세대 초전도 선재의 2가닥 중 1 가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, 상기 랩 조인트(lap joint)를 형성하는 단계는, 은보호층을 제거하지 않은 2세대 초전도 선재의 일단을, 은보호층 일부를 제거함으로써 형성된 2세대 초전도 선재의 단차부분에 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위한 제4 실시 예로서, 상기 2세대 초전도 선재 2가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거하는 단계; 상기 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재 2가닥의 노출된 초전도체층과 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint)를 형성하는 단계; 및 상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 형성된 버트 조인트를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 은보호층을 제거하는 단계는, 상기 2세대 초전도 선재 2가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계; 및 상기 2세대 초전도 선재 2가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, 상기 버트 조인트를 형성하는 단계는, 은보호층을 포함하는 상기 초전도 선재 조각 양 끝단이, 은보호층이 식각된 2 가닥의 2세대 초전도 선재의 단차부분에 각각 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 400 ℃ 이내의 저온에서 열처리 공정이 진행되므로 고온에서 열처리 공정을 거치는 동안 발생할 수 있는 문제점 즉, 초전도 선재의 물질인 ReBa₂Cu₃O_7-x에서 산소(O)가 빠져 나와 상기 초전도 선재 물질이 상변화를 일으켜 초전도성을 잃어버리지 않는다. 또한, 본 발명에 따르면, 산소 분위기로 산화시키는 추가 공정이 필요 없어 열처리 공정만으로 단시간 내에 쉽고 간단하게 초전도 선재를 접합할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따르면, 별도의 솔더를 사용하지 않으므로 솔더를 사용하였을 때 발생하는 접합저항이 없으며, 은보호층을 직접 확산시켜 접합하므로 접합저항이 매우 작아 실제 응용기기에 적용했을 때 영구전류모드와 유사한 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의해 연결된 2세대 초전도 선재는 은보호층을 포함시키는 구조로 제작되므로 실제 초전도 시스템 제작 및 상용화에 이용하기 편리하다.

도 1은 2세대 고온 초전도 선재(ReBCO-CC)의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 2세대 고온 초전도 선재의 상전도 접합의 단면도 및 전류의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 랩 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층과 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 버트 조인트(a)와 버트 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.
도 7은 초전도 선재의 일단에서 은보호층을 식각하여 제거한 후에 초전도층이 드러난 2세대 고온 초전도 선재(20)를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 은보호층이 식각된 2세대 초전도 선재 1가닥과 다른 2세대 초전도 선재 1가닥을 맞대어 형성한 랩 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 은보호층이 식각된 2세대 초전도 선재 2 가닥의 초전도층과 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 버트 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2 가닥의 초전도 선재의 은보호층간 접합된 초전도 선재에서 은보호층이 초전도층으로 확산된 모습을 보여주는 SEM이미지 및 EDX분석 결과이다.

본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.

본 발명은 은보호층을 포함하는 2세대 고온 초전도 선재의 은보호층 확산 접합방법에 관한 것으로서, 상세하게는 기판층, 완충층, 초전도층 및 은보호층으로 구성된 2세대 초전도 선재의 2 가닥을 서로 접합하여 하나의 가닥으로 연결하는 은보호층의 확산에 의한 2세대 초전도 선재의 접합방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 은보호층의 식각 여부와 접합시 초전도 선재의 위치배열에 따라 아래의 네 가지 방법으로 설명할 수 있다.

그 첫째는, 초전도 선재 2 가닥에 대하여 은보호층을 서로 포개어 맞대고(랩 조인트), 맞댄 은보호층을 홀더로 고정한 다음, 고정된 부분을 400 ℃ 이내의 저온에서 일정한 크기의 압력을 가하고 시간을 조절하여 은보호층을 확산시켜 접합하는 방법이다.

그 둘째는, 초전도 선재 2 가닥의 끝단부가 일직선상에 위치하도록 서로 맞닿게 하고(버트 조인트) 초전도 선재 2 가닥의 끝단부가 맞닿은 위치를 중심부로 하여 그 위에 1개의 초전도 선재의 조각을 올린다. 즉, 2 가닥의 초전도 선재의 은보호층과 1개의 초전도 선재 조각의 은보호층을 서로 포개어 맞대고 홀더로 고정한 다음, 고정된 부분을 400 ℃ 이내의 저온에서 일정한 크기의 압력을 가하고 시간을 조절하여 은보호층을 확산시켜 접합하는 방법이다.

그 셋째는, 초전도 선재의 2 가닥 중 1가닥의 은보호층을 화학적으로 식각하여 드러난 초전도층과 나머지 초전도 선재 1가닥의 은보호층을 서로 맞대어 홀더로 고정하고(랩 조인트), 고정된 부분을 400 ℃ 이내의 저온에서 일정한 크기의 압력을 가하고 시간을 조절하여 은보호층을 초전도층으로 직접 확산시켜 접합하는 방법이다.

그 넷째는, 초전도 선재 2 가닥의 은보호층을 화학적으로 식각하여 드러난 초전도층의 끝단부가 일직선상에 위치하도록 맞닿게 하고(버트 조인트) 초전도 선재 2 가닥의 끝단부가 맞닿은 위치를 중심부로 하여 그 위에 1개의 초전도 선재의 조각을 올린다. 즉, 2 가닥의 초전도 선재의 초전도층과 1개의 초전도 선재 조각의 은보호층을 서로 포개어 맞대고 홀더로 고정하여 고정된 부분을 400 ℃ 이내의 저온에서 일정한 크기의 압력을 가하고 시간을 조절하여 은보호층을 초전도층으로 직접 확산시켜 접합하는 방법이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 은보호층을 제거하지 아니한 2세대 고온 초전도 선재(10) 두 가닥을 접합하는 방법이 기재되어 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 랩 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.

300 단계에서 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층 평평한 면 일부가 겹치도록 서로 맞대어 랩 조인트(lap joint, 17)를 형성한다. 이때, 상기 형성된 랩 조인트를 홀더로 고정하는 것이 바람직하다.

상기 홀더는 상하 2개의 금속판(31) 및 상기 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단(32, 33, 34)을 포함하고, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2 가닥의 초전도 선재를 두고 상기 체결수단(32, 33, 34)으로 상기 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 상기 홀더(30)는 적어도 500 ℃에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다.

310 단계에서 상기 랩 조인트를 노(furnace)에 넣고, 상기 겹쳐진 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합한다.

이때, 은보호층이 확산되는 온도인 400 ℃ 이내로 정하여 가열하는 것이 바람직하다. 홀더(30)로 고정시킨 2 가닥의 초전도 선재(10)를 노(furnace)에 넣어서 초전도층(13)과 은보호층(14) 사이에서 은보호층의 확산에 따른 결합을 유도한다. 10 MPa 이하의 압력 상태에서 2세대 초전도 선재의 은보호층은 저온인 400 ℃ 이내에서 확산이 이루어진다. 따라서 확산이 일어나게 하기 위해서는 적정 압력과 온도를 조절해주는 것이 바람직하다.

일반적으로 초전도층에 금속물질을 솔더링하기는 매우 어렵다. 하지만 일정 온도에서 일정한 크기의 압력을 가하고 일정 시간을 조절하면 솔더없이 초전도층을 보호하고 있는 은보호층을 연결하려는 초전도 선재의 초전도층으로 확산시켜 접합할 수 있다. 이 경우, 전류가 흐를 때 초전도층과 초전도층을 연결해주는 역할을 하는 은보호층의 두께가 매우 얇아지므로 접합저항이 작아지는 효과가 있다. 특히, 77 K에서 매우 작은 접합저항 값을 가지므로 이보다 낮은 온도에서 운전할 경우 영구전류모드와 같은 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 은보호층을 제거하지 아니한 2세대 고온 초전도 선재(10) 두 가닥과 별도의 초전도 선재 조각(40)을 이용하여 접합하는 방법이 기재되어 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층과 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 버트 조인트(a)와 버트 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.

500 단계에서 2세대 초전도 선재 2 가닥의 은보호층의 일부와 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint, 18)를 형성한다. 이때, 상기 버트 조인트(18)를 홀더로 고정하는 것이 바람직하다. 상기 홀더는 상하 2개의 금속판(31) 및 상기 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단(32, 33, 34)을 포함하고, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2 가닥의 초전도 선재 및 초전도 선재 조각을 두고 상기 체결수단(32, 33, 34)으로 상기 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 상기 홀더(30)는 적어도 500 ℃에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다.

510 단계에서 상기 버트 조인트를 형성하는 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합한다.

이때, 은보호층이 확산되는 온도인 400 ℃ 이내로 정하여 가열하는 것이 바람직하다. 홀더(30)로 고정시킨 2 가닥의 초전도 선재(10) 및 초전도 선재 조각(40)을 노(furnace)에 넣어서 초전도층(23)과 은보호층(14) 사이에서 은보호층의 확산에 따른 결합을 유도한다. 10 MPa 이하의 압력 상태에서 2세대 초전도 선재의 은보호층은 저온인 400 ℃ 이내에서 확산이 이루어진다. 따라서 확산이 일어나게 하기 위해서는 적정 압력과 온도를 조절해주는 것이 바람직하다.

도 7은 2세대 초전도 선재의 일단으로부터 소정 길이의 은보호층을 식각하여 제거한 후에 초전도층이 드러난 2세대 고온 초전도 선재(20)를 도시한 도면이다.

초전도층과 은보호층을 맞대어 접합을 하기 위해, 선행되는 공정은 초전도 선재의 초전도층(23)을 노출시키도록 초전도층(23)을 덮고 있는 은보호층(24)을 제거하는 일이다. 바람직하게는, 화학적 방법을 통해 은보호층을 제거한다.

초전도 선재로부터 은보호층(24)을 화학적 방법에 의해 제거하는 데는 에칭의 방법이 이용될 수 있다. 먼저 제거하고자 하는 은보호층(24)의 이외 부분에 레지스트(resist)를 도포한다. 접합하고자 하는 부분은 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이만큼 안쪽이므로, 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이 부분에서부터 그 안쪽으로 레지스트로 도포를 한다. 도 7에서 2세대 고온 초전도 선재(20)의 끝단에서 단차부분(25)까지의 길이가 상기 소정의 길이이고, 단차부분(25)부터 상기 끝단 방향의 반대방향으로 레지스트를 도포한다.

레지스트(resist)를 도포한 후에 식각약품으로 에칭을 하여 은보호층(24)을 식각한다. 상기 식각약품은 은보호층(24)을 이루는 물질을 식각할 수 있는 화학물질이다. 이 식각약품은 은보호층(24)을 이루는 물질에 따라 상기 물질을 식각할 수 있는 약품이 선택된다. 상기 에칭은 본 분야에 공지기술이므로 구체적 설명은 생략한다. 한편, 본 발명은 초전도 선재의 은보호층(24)을 제거하는 공정을 에칭 공정에 한정하지 않는다. 즉, 은보호층(24)을 부분적으로 제거할 수 있는 기술이라면 어느 것이나 적용될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 은보호층을 제거하지 아니한 2세대 고온 초전도 선재(10)와 은보호층을 제거한 2세대 고온 초전도 선재(20)를 이용하여 접합하는 방법이 기재되어 있다.

도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 은보호층이 식각된 2세대 초전도 선재 1가닥과 다른 2세대 초전도 선재 1가닥을 맞대어 형성한 랩 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.

800 단계에서 2세대 초전도 선재 2 가닥 중 1 가닥의 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거한다.

바람직하게는, 상기 2세대 초전도 선재의 2 가닥 중 1 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계와 상기 2세대 초전도 선재의 2 가닥 중 1 가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

810 단계에서 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재의 노출된 초전도체층과 다른 2세대 초전도 선재의 은보호층 일부를 겹치도록 맞대어 랩 조인트(lap joint, 26)를 형성한다. 이때, 상기 형성된 랩 조인트를 홀더로 고정하는 것이 바람직하다.

상기 랩 조인트 형성시 은보호층을 제거하지 않은 2세대 초전도 선재의 일단을, 은보호층 일부를 제거함으로써 형성된 2세대 초전도 선재의 단차부분에 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 은보호층(24)을 제거하여 초전도층(23)이 노출된 초전도 선재(20)와 은보호층(14)을 포함하는 초전도 선재(10)의 접합방법에서, 은보호층(14)을 포함하는 초전도 선재(10)의 끝단을, 은보호층(24)을 제거하여 초전도층(23)이 드러난 초전도 선재(20) 다른 가닥의 단차부분(25)에 닿도록 한다. 1가닥의 초전도 선재(20)에서 균일한 소정의 길이로 은보호층(24)을 제거하면, 1가닥의 노출된 초전도층(23)과 은보호층(14)은 밀접하게 접촉될 수 있을 것이다.

820 단계에서 랩 조인트를 형성하는 부분을 노(furnace)에 넣고, 상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합한다.

이때, 은보호층이 확산되는 온도 400 ℃ 이내로 정하여 가열하는 것이 바람직하다. 홀더(30)로 고정시킨 2 가닥의 초전도 선재(10, 20)를 노(furnace)에 넣어서 초전도층(23)과 은보호층(14) 사이에서 은보호층의 확산에 따른 결합을 유도한다. 10 MPa 이하의 압력 상태에서 2세대 초전도 선재의 은보호층은 저온인 400 ℃ 이내에서 확산이 이루어진다. 따라서 확산이 일어나게 하기 위해서는 적정 압력과 온도를 조절해주는 것이 바람직하다.

도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 은보호층의 직접 확산에 의한 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 은보호층을 제거한 2 가닥의 2세대 고온 초전도 선재(20), 및 별도의 초전도 선재 조각(40)을 이용하여 접합하는 방법이 기재되어 있다.

도 11은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 은보호층이 식각된 2세대 초전도 선재 2 가닥의 초전도층과 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 형성한 버트 조인트(a)와 랩 조인트를 고정시키는 홀더(b)의 구성을 도시한 것이다.

1000 단계에서 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거한다.

바람직하게는, 상기 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계와 상기 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

1010 단계에서 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재 2 가닥의 노출된 초전도체층과 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint, 27)를 형성한다. 이때, 상기 형성된 버트 조인트를 홀더로 고정하는 것이 바람직하다.

상기 홀더는 상하 2개의 금속판(31) 및 상기 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단(32, 33, 34)을 포함하고, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2 가닥의 초전도 선재 및 초전도 선재 조각을 두고 상기 체결수단(32, 33, 34)으로 상기 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 상기 홀더(30)는 적어도 500 ℃에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다.

바람직하게는, 은보호층을 포함하는 상기 초전도 선재 조각(40) 양 끝단이, 은보호층이 식각된 2 가닥의 2세대 초전도 선재의 단차부분(25)에 각각 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하는 것이 바람직하다.

즉, 은보호층(24)을 제거하여 초전도층(23)이 노출된 초전도 선재(20) 2 가닥과 은보호층(14)을 포함하는 초전도 선재 1조각(40)을 서로 맞대어 겹치도록 한다. 이때, 초전도 선재 조각(40)의 양 끝단은 초전도 선재(20) 2 가닥의 단차부분(25)에 각각 닿도록 한다. 2 가닥의 초전도 선재(20)를 균일한 소정이 길이로 은보호층(24)을 제거한다면, 2 가닥의 노출된 초전도층(23)과 은보호층(44)은 밀접하게 접촉될 수 있을 것이다.

1020 단계에서 고정된 부분을 노에 넣고 상기 은보호층이 확산되는 온도로 가열하여, 맞대어 접촉한 은보호층과 초전도층이 형성하는 버트 조인트를 확산접합한다.

이때, 은보호층이 확산되는 온도 400 ℃ 이내로 정하여 가열하는 것이 바람직하다. 홀더(30)로 고정시킨 2 가닥의 초전도 선재(20) 및 초전도 선재 조각(40)을 노(furnace)에 넣어서 초전도층(23)과 은보호층(44) 사이에서 은보호층의 확산에 따른 결합을 유도한다. 10 MPa 이하의 압력 상태에서 2세대 초전도 선재의 은보호층은 저온인 400 ℃ 이내에서 확산이 이루어진다. 따라서 확산이 일어나게 하기 위해서는 적정 압력과 온도를 조절해주는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 4(b), 도 6(b), 도 9(b), 및 도 11(b)를 참조하여, 초전도 선재(10, 20) 및 초전도 선재 조각(40)을 고정시키는 홀더(holder, 30)를 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

홀더(30)는 마주보는 2개의 금속판(31)과, 상기 금속판(31)에 체결수단을 연결하기 위한 체결홀(32), 체결수단인 볼트(33)와 너트(34)이다. 즉, 볼트(33)와 너트(34)를 체결홀(32)을 관통하여 조여줌으로써, 초전도 선재(10, 20) 및 초전도 선재 조각(40)을 접촉시켜 고정시킨다. 홀더(30)는 압력 및 열처리를 견뎌야하므로 최소한 500℃가 넘는 온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 바람직하다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2 가닥의 초전도 선재의 은보호층간 접합된 초전도 선재에서 은보호층이 초전도층으로 확산된 모습을 보여주는 SEM이미지 및 EDX분석 결과이다.

은보호층(14)간 결합된 모습과 은보호층(14)이 초전도층(13)으로 확산된 모습을 도 12로부터 확인할 수 있다.

한편, 앞서 기재한 발명은 ReBa₂Cu₃O₇ _-x계의 산화물 초전도 물질로 이루어진 초전도층(13, 23)을 대상으로 그 상부에 은보호층(14, 24)을 둔 경우를 실시 예로 설명하였다. 그러나 이 실시 예에 한정하는 것은 아니며 초전도 선재의 모재나 은보호층의 종류에 관계없이 상전도 층을 제거할 수 있다면, 이런 경우에도 압력 및 열처리를 통해 간단하게 은보호층의 확산에 의한 접합이 가능하다.

한편, 본 발명은 저온에서 열처리하여 산소의 손실로 인해 초전도 특성을 잃어버리는 현상이 발생하지 않으므로 임계전류 특성을 그대로 나타내는 장점과 추가 공정이 필요 없으므로 간단한 접합이 가능한 장점이 있다. 또한, 별도의 솔더(15)를 사용하지 않으므로 솔더(15)로 인한 접합 저항이 발생하지 않으며 얇은 두께의 은보호층을 확산시켜 접합하므로 접합저항이 작아져 영구전류모드와 유사한 효과를 내는 장점과 모든 2세대 초전도 선재가 은보호층을 포함하는 구조로 제작되므로 실제 초전도 시스템 제작에 이용하기 편리하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 2세대 초전도 선재 20 : 은보호층 일부가 제거된 2세대 초전도 선재
11,21 : 기판부 12,22 : 완충층
13,23 : 초전도층 14,24 : 은보호층
15 : 솔더 16 : 전류흐름
17, 26 : 랩 조인트 18, 27 : 버트 조인트
25 : 단차부분 30 : 홀더
31 : 금속판 32 : 체결홀
33 : 볼트 34 : 너트
40 : 초전도 선재 조각 41 : 기판부
42 : 완충층 43 : 초전도층
44 : 은보호층

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
초전도체층 및 은보호층을 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법에 있어서,
상기 2세대 초전도 선재 2 가닥 중 1 가닥의 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거하는 단계;
상기 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재의 노출된 초전도체층과 다른 2세대 초전도 선재의 은보호층 일부를 겹치도록 맞대어 랩 조인트(lap joint)를 형성하는 단계; 및
상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하되,
상기 랩 조인트(lap joint)를 형성하는 단계는,
은보호층을 제거하지 않은 2세대 초전도 선재의 일단을, 은보호층 일부를 제거함으로써 형성된 2세대 초전도 선재의 단차부분에 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제7 항에 있어서,
상기 형성된 랩 조인트를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제8 항에 있어서,
상기 홀더는 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고,
상기 홀더는 500 °C 이상에서 내열성을 가지는 물질로 제조되며,
상기 2개의 금속판 사이에 상기 2세대 초전도 선재 2 가닥을 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결하는 것을 특징으로 하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제7 항에 있어서,
상기 은보호층을 제거하는 단계는,
상기 2세대 초전도 선재의 2 가닥 중 1 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계; 및
상기 2세대 초전도 선재의 2 가닥 중 1 가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
삭제
초전도체층 및 은보호층을 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 접합하는 방법에 있어서,
상기 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이의 은보호층을 화학적으로 식각하여 은보호층을 제거하는 단계;
상기 은보호층이 제거된 2세대 초전도 선재 2 가닥의 노출된 초전도체층과 별도의 초전도 선재 조각 1개의 은보호층을 서로 맞대어 버트 조인트(butt joint)를 형성하는 단계; 및
상기 은보호층이 확산되는 온도와 압력으로 상기 2 가닥의 2세대 초전도 선재를 확산접합하는 단계를 포함하되,
상기 버트 조인트를 형성하는 단계는,
은보호층을 포함하는 상기 초전도 선재 조각 양 끝단이, 은보호층이 식각된 2 가닥의 2세대 초전도 선재의 단차부분에 각각 닿게 하여 은보호층과 초전도층을 밀착하는 단계인 것을 특징으로 하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제12 항에 있어서,
상기 형성된 버트 조인트를 홀더로 고정하는 단계를 더 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제13 항에 있어서,
상기 홀더는 2개의 금속판 및 상기 2개의 금속판을 체결하는 체결수단을 포함하고,
상기 홀더는 500 °C 이상에서 내열성을 가지는 물질로 제조되며,
상기 2개의 금속판 사이에 상기 2세대 초전도 선재 2 가닥을 두고 상기 체결수단으로 상기 2개의 금속판을 체결하는 것을 특징으로 하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
제12 항에 있어서,
상기 은보호층을 제거하는 단계는,
상기 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 일단으로부터 소정의 길이를 제외한 은보호층 부분에 레지스트를 도포하는 단계; 및
상기 2세대 초전도 선재 2 가닥에 대하여 상기 일단으로부터 상기 소정의 길이까지의 은보호층을 에칭으로 제거하는 단계를 포함하는 2 가닥의 2세대 초전도 선재 접합 방법.
삭제