KR20020064040A - Cu-Sheathed Bi2Sr2CaCu2Ox High-Tc Superconductor Thick Film and Method for Producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 구리를 기판으로 사용한 Bi2Sr2CaCu2Ox 고온초전도 후막 테이프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 Bi계 고온초전도 후막 테이프를 제조하되 금속피복재(기판)로 구입비용이 비싼 은 대신 비용이 덜드는 구리를 사용하여 Bi2212 고온초전도 선재를 대량으로 제조토록 함으로써 비용이 적게 들면서도 공정시간을 단축하여 대량생산이 가능하여 높은 생산성과 경제성을 얻도록 한 것이다.The present invention relates to a Bi2Sr2CaCu2Ox high-temperature superconducting thick film tape using copper as a substrate and a method of manufacturing the same. In particular, a Bi-based high-temperature superconducting thick film tape is manufactured, but a low-cost copper is used instead of silver, which is expensive to purchase as a metal coating material (substrate). By making Bi2212 high-temperature superconducting wire in large quantities, it is possible to obtain high productivity and economic efficiency by shortening the process time and mass production by reducing the process time.
고온초전도 선재 제조기술은 초전도 기술 분야 중에서 핵심적인 기술로, 고온초전도체의 발견 이후 새롭게 떠오른 기술이다.High-temperature superconducting wire manufacturing technology is a core technology in the field of superconducting technology, and has emerged since the discovery of high-temperature superconductors.
이 기술은, 임계온도 아래에서 초전도체의 전기저항이 0이 되어 전류손실이 거의 없다는 독특한 현상 때문에, 다양한 응용이 가능하여 현재 활발히 연구가 진행되고 있고 이미 미국 전력회사에서는 2000년에 초전도 케이블을 설치하겠다고 선언하였다.This technology, due to the unique phenomenon that the electrical resistance of the superconductor becomes zero and there is almost no current loss under the critical temperature, various applications are possible and are currently being actively researched, and the US electric power company plans to install the superconducting cable in 2000. Declared.
이는 초전도 선재기술이 상용화 차원에 접근하였음을 말하여 주는 것이다.This indicates that superconducting wire technology has approached the commercialization level.
이 기술이 적용될 수 있는 응용분야는 케이블, 발전기, 한류기, SMES, 전구리기와 같은 전력/수요분야와 MRI와 같은 의료분야로서 각 분야의 기기 들이 상용화되면 산업혁명에 버금가는 변화를 가져다 줄 것으로 기대된다.Applications that this technology can be applied to are power / demand fields such as cables, generators, current limiters, SMESs, light bulbs, and medical fields such as MRI, and the commercialization of devices in each field will bring a change comparable to the industrial revolution. It is expected.
고온초전도 선재가 응용되기 위해서는 유연하면서도 강한 기계적 특성과 미세조직을 배향화하여 큰 전류를 수송할 수 있는 능력이 있어야만 한다.In order for high temperature superconducting wires to be applied, they must be flexible and have strong mechanical properties and the ability to transport large currents by orienting microstructures.
Y-계 고온초전도체는 수분에 약하고 취약하며 일방향 성장을 위한 열처리온도가 피복재(Ag)의 녹는점(960.5℃)보다 높기 때문에 선재 형태의 가공이 어렵다.The Y-based high temperature superconductor is weak and vulnerable to moisture, and because the heat treatment temperature for unidirectional growth is higher than the melting point (960.5 ° C.) of the coating material (Ag), it is difficult to form a wire rod.
따라서 지금까지 초전도 선재 제조기술 연구는 Bi-계 고온초전도체를 중심으로 기계적 특성을 향상시키기 위한 피복재 연구와 임계전류밀도를 높이기 위한 제조공정 개발에 집중되었다.Therefore, research on manufacturing superconducting wires has been focused on research on coating materials to improve mechanical properties, especially on Bi-based high-temperature superconductors, and on manufacturing process to increase critical current density.
피복재는 연성이 좋은 금속을 이용하여 산화물이 갖는 취성을 보완해서 가공성을 높여 주고, 열 전달이 잘 이루어져서 냉각효과를 크게하고, 초전도 특성을 잃어버렸을 때 대신해서 전류를 흘릴 수 있게 해주는 등의 역할을 하는 것으로 Ag, Cu, Au, Pt 등이 있다. Au나 Pt는 초전도체와 반응하여 제 2상을 형성하기 때문에 응용에 제약이 있고 Cu는 열처리 중에 산화되는 문제 때문에 피복재로 사용되고 있지 않다.The cladding uses a ductile metal to improve the workability by supplementing the brittleness of the oxide, to increase the cooling effect due to the good heat transfer, and to allow the current to flow instead of losing superconducting properties. Ag, Cu, Au, Pt and the like. Since Au and Pt react with the superconductor to form a second phase, the application is limited and Cu is not used as a coating material because of the problem of oxidation during heat treatment.
Ag는 산화가 되지 않고 산소의 용해도를 가지므로 초전도체를 열처리할 때, 피복재료를 통화하여 산소를 산화물 내부로 공급할 수 있고 초전도 재료와도 반응하지 않기 때문에 초전도 선재의 경우 Ag를 피복재로 사용하고 있다.Since Ag does not oxidize and has oxygen solubility, Ag is used as a coating material in the case of superconducting wires because when heating the superconductor, oxygen can be supplied to the oxide through the coating material and does not react with the superconducting material. .
종래의 고온초전도 선재 제조기술로 현재 실용화단계이거나 개발 중인 기술로는 powder-in- tube(PIT)법과 부분용융 성장법(partial melt-growth) 등이 있다.Conventional high-temperature superconducting wire manufacturing technology, which is currently in practical use or under development, includes a powder-in-tube (PIT) method and a partial melt growth method.
PIT 법은 상용화 수준은 아니지만 실용화에 가장 근접한 방법으로서 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(Bi2223)에 많이 이용되고, 부분용융 성장법은 Bi2Sr2Ca1Cu2Ox(Bi2212)에 많이 쓰이는 방법이다.Although the PIT method is not commercialized, it is the method most commonly used for Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi2223) and the partial melting growth method is widely used for Bi2Sr2Ca1Cu2Ox (Bi2212).
고온초전도체 개발 초기에 PIT 법은 도체를 제조하기 위해 시도되었고 다양한 금속들이 피복재로 시험되었다.Early in the development of high temperature superconductors, the PIT method was attempted to fabricate conductors and various metals were tested as cladding.
그 결과 산소와 반응하지 않으면서 산소확산이 용이한 은 피복이 최적의 피복재로 각광받았고 Y-Ba-Cu-O계에 처음 사용되었다.As a result, silver coating which is easy to diffuse oxygen without reacting with oxygen was spotlighted as an optimal coating material and was first used in Y-Ba-Cu-O system.
그러나, Y-Ba-Cu-O계는 입계로 인한 약 결합(weak link) 문제 때문에 임계전류밀도가 77 K에서 2000-3000 A/cm2 수준에 머물렀고 선재로서 성공하지 못하였다.However, the Y-Ba-Cu-O system had a critical current density of 2000-3000 A / cm2 at 77 K due to weak link due to grain boundary and was not successful as a wire rod.
이와 같은 약 결합 문제는 Bi-Sr-Ca-Cu-O계를 사용하여 어느 정도 해결되었고 임계온도가 110 K 상인 Bi2223에 Pb를 도핑 하여 약 결합 문제를 상당히 개선하였다.The weak bonding problem was solved to some extent using the Bi-Sr-Ca-Cu-O system, and the weak bonding problem was significantly improved by doping Pb to Bi2223 having a critical temperature of 110 K.
그리고 프레싱이 미세구조의 배향화를 증대시켜서 임계전류밀도를 현저히 증가시킨다는 것이 밝혀지면서 분말공정과 냉간 가공공정 개발에 대한 노력과 발맞추어 임계전류밀도 값은 상당히 증가하였다. 도1은 은피복 powder in tube(PIT)법을 이용한 Bi-계 고온초전도 선재 제조 공정을 간략히 예시한 것으로 현재 이 기술을 이용하여 짧은 Bi2223/Ag 시편에서 69,000 A/㎠(77 K), 장선재에서 50,000 A/㎠ 이상(ASC, 미국)을 제작하고 있으며, EURUS 사에서는 77 K에서 26±5 A의 임계전류를 나타내는 Bi2223/Ag 테이프를 3 km까지 제작할 수 있는 기술을 개발하여 제작,판매하고 있다.It was found that pressing increased the critical current density by increasing the orientation of the microstructures, and in line with the efforts for the development of the powder process and the cold working process, the critical current density value increased significantly. 1 is a simplified illustration of a Bi-based high-temperature superconducting wire manufacturing process using silver-coated powder in tube (PIT) method. Currently, 69,000 A / cm 2 (77 K) in a short Bi2223 / Ag specimen using this technique, 50,000 A / cm2 or more (ASC, USA) is manufactured, and EURUS develops, manufactures and sells the technology to produce Bi2223 / Ag tape up to 3 km, which has a critical current of 26 ± 5 A at 77 K. .
고임계전류밀도를 갖는 은 피복 Bi2Sr2CaCu2Ox 고온초전도체는 부분용융법으로 만들어진다. 이 방법의 원리는 담금법이나 doctor-blade법으로 Bi2212 분말을 은 위에 입힌 테이프를 부분용융 될 때가지 가열한 다음 서냉하는 구리안에 Bi2212가 재형성되도록 하는 방법이다.Silver coated Bi2Sr2CaCu2Ox high temperature superconductors with high critical current density are made by partial melting method. The principle of this method is to heat the tape coated with Bi2212 powder on silver by immersion or doctor-blade until it is partially melted and then regenerate Bi2212 in the slow cooling copper.
그러나, Bi2212 상은 녹을 때 액상과 비초전도 상으로 분리되고 냉각할 때 이 상들로부터 Bi2212 초전도 상이 형성되어야 하기 때문에 여러 가지 문제가 있다.However, the Bi2212 phase has several problems because it separates into a liquid phase and a non-superconducting phase when it melts and a Bi2212 superconducting phase has to be formed from these phases when cooling.
특히, 액상내의 비초전도 상이 냉각 중에 소모되지 못해서 잔류하게 되고, 이것들이 전류의 흐름을 막고, Bi2212의 배향을 방해하고, Bi2212 단상으로의 전환을 어렵게 한다. 비초전도 상중에서 (Sr,Ca)CuO2(1:1상으로 알려져 있음) 상은 액상 내에서 크게 성장하고 냉각 중에 액상과 느리게 반응하여 공정이 끝난 후에 항상 남게 된다.In particular, the non-superconducting phase in the liquid phase is not consumed during cooling and remains, which prevents the flow of current, hinders the orientation of Bi2212, and makes it difficult to switch to the Bi2212 single phase. In the non-superconducting phase, the (Sr, Ca) CuO2 phase (known as 1: 1 phase) grows largely in the liquid phase and reacts slowly with the liquid phase during cooling, always remaining after the end of the process.
이러한 1:1 상은 공기 중에서 열처리 할 때 특히 심각하게 문제를 일으키기 때문에 많은 연구자들은 부분용융법에서 1:1 상을 감소시키거나 없애기 위한 방법을 연구하고 있다.Since these 1: 1 phases are particularly problematic when heat treated in air, many researchers are investigating ways to reduce or eliminate 1: 1 phases in partial melting.
가능한 방법으로는 전구체 분말의 조성을 변화시키거나 분위기 내의 산소분압을 변화시키는 것이다.Possible methods are to change the composition of the precursor powder or to change the oxygen partial pressure in the atmosphere.
조성을 변화시키는 것은 원하지 않는 다른 초전도 상이 출현할 가능성이 있기 때문에 대부분의 연구는 산소분압을 변화시켜서 1:1 상이 아닌, 액상과 반응성이 좋은 다른 제 2상을 주력 상으로 형성시키는 방향으로 진행되고 있다.Since changing the composition may lead to the appearance of other unwanted superconducting phases, most studies are directed to changing the partial pressure of oxygen to form a second phase that is highly reactive with the liquid phase rather than a 1: 1 phase. .
은피복을 사용한 고온초전도 선재 제조 방법은 전체 재료비 중에서 은값이 75%를 차지하고 있고, 특히 PIT법의 경우에는 다단계 제조공정으로 인하여 제조 단가 및 투자비가 높다는 단점이 있다.In the method of manufacturing high-temperature superconducting wire using silver coating, silver accounts for 75% of the total material cost. In particular, in the case of the PIT method, the manufacturing cost and investment cost are high due to the multi-step manufacturing process.
미국의 DOE에 따르면 경제성 있는 선재 가격은 $0.01/ampere-meter인데 반하여 현재 은피복 선재의 제조비용은 $1/ampere-meter 수준이다.According to the US DOE, the economical price of wire rod is $ 0.01 / ampere-meter, whereas the production cost of silver-coated wire is currently $ 1 / ampere-meter.
이와 같은 고비용은 고온초전도 선재가 사용되는 초전도 기기들이 상용화되는데 걸림돌이 되고 있다.Such high cost has been an obstacle to the commercialization of superconducting devices using high temperature superconducting wires.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 구리 테이프 위에 망인쇄나 담금법을 이용하여 구리 성분이 없는 Bi2O3-SrCO3-CaCO3 혼합물 전구체를 입히고 열처리 함으로써 구리 테이프 위에 Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212) 고온초전도 후막을 제조하는 제조방법을 제공함으로써, 적은 비용과 빠른 시간내에 Bi2212 고온초전도 선재를 대량으로 제조할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi2212) high temperature superconducting thick film is coated on a copper tape by coating and heat-treating a Bi2O3-SrCO3-CaCO3 mixture precursor having no copper component on the copper tape by using net printing or dipping. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method for manufacturing a large amount of Bi2212 high temperature superconducting wire in a low cost and fast time.
도 1은 종래 기술의 은피복 powder in tube(PIT)법을 이용한 Bi-계 고온초전도 선재 제조 공정을 나타낸 예시도.1 is an exemplary view showing a Bi-based high-temperature superconducting wire manufacturing process using a silver coating powder in tube (PIT) method of the prior art.
도 2는 본 발명의 구리피복 Cu-free 전구체법을 이용한 Bi-계 고온초전도 선재 제조 방법을 나타낸 예시도.Figure 2 is an exemplary view showing a Bi-based high temperature superconducting wire manufacturing method using the copper-clad Cu-free precursor method of the present invention.
도 3은 본 발명의 구리피복 Cu-free 전구체법을 이용하여 구리판 위에 Bi2SrCaOx 전구체분말을 인쇄한 후 공기 중에서 820℃, 1 분간 → 870℃, 50 초 → 830℃, 3 분간 열처리하여 제조한 Bi2212 후막의 X-선 회절 패턴을 나타내는 예시도.FIG. 3 is a Bi2212 thick film prepared by printing a Bi2SrCaOx precursor powder on a copper plate by using a copper-clad Cu-free precursor method of the present invention, followed by heat treatment at 820 ° C. for 1 minute to 870 ° C. for 50 seconds to 830 ° C. for 3 minutes in air. Exemplary diagram showing an X-ray diffraction pattern of.
도 4는 본 발명의 구리피복 Cu-free 전구체법을 이용하여 구리판 위에 Bi2SrCaOx 전구체분말을 인쇄한 후 공기 중에서 820℃, 1 분간 → 870℃, 50 초 → 830℃, 3 분간 열처리하여 제조한 Bi2212 후막의 온도-저항 관계를 나타내는 예시도.4 is a Bi2212 thick film prepared by printing a Bi2SrCaOx precursor powder on a copper plate by using a copper-clad Cu-free precursor method of the present invention and then heat-treating at 820 ° C. for 1 minute to 870 ° C. for 50 seconds to 830 ° C. for 3 minutes. An illustration showing the temperature-resistance relationship of
도 5는 본 발명의 구리피복 Cu-free 전구체법을 이용하여 구리판 위에 Bi1.5SrCaOx 전구체분말을 인쇄한 후 845℃, 공기 중에서 50 초간 열처리하여 제조한 Bi2212 후막의 표면미세조직을 나타낸 예시도.Figure 5 is an exemplary view showing the surface microstructure of the Bi2212 thick film prepared by printing the Bi1.5SrCaOx precursor powder on a copper plate using a copper-clad Cu-free precursor method of the present invention and then heat-treated in 845 ℃, air for 50 seconds.
도 6은 본 발명의 구리피복 Cu-free 전구체법을 이용하여 구리판 위에 Bi1.5SrCaOx 전구체분말을 인쇄한 후 845℃, 공기 중에서 50 초간 열처리하여 제조한 Bi2212 후막의 온도-저항 관계를 나타내는 예시도.6 is an exemplary view showing the temperature-resistance relationship of a Bi2212 thick film prepared by printing a Bi1.5SrCaOx precursor powder on a copper plate using a copper-clad Cu-free precursor method of the present invention and then heat-treating the same at 845 ° C. for 50 seconds in air.
이에 상기한 목족을 달성하기 위한 본 발명위 여러 실시예를 전술한 기술내용과 연이어 더욱 상세하게 설명한다.In the following, various embodiments of the present invention for achieving the above described group will be described in more detail in connection with the above description.
앞에서 서술했듯이 Cu를 피복재로 사용하기 위해선 초전도 선재를 제조하기 위한 열처리 시에 Cu가 산화되는 문제를 해결해야만 한다.As mentioned above, in order to use Cu as a cladding material, the problem of oxidizing Cu during the heat treatment for manufacturing the superconducting wire must be solved.
이에 대한 해결방법은 산화되는 CuO를 초전도 합성에 필요한 성분인 CuO의 공급원으로 이용하는 것이다.The solution is to use the oxidized CuO as a source of CuO, which is a component necessary for superconducting synthesis.
이를 간단하게 설명하면 도 2에서 도시된 바와같이 Cu 기판 위에 CuO를 제외한 Bi2O3, SrCO3, CaCO3 혼합분말을 screen-printing 이나 dipping법으로 입혀서 열처리하여 초전도 후막을 합성하는 방법에 의해 설명된다.Briefly, as illustrated in FIG. 2, Bi2O3, SrCO3, and CaCO3 mixed powder except for CuO is coated on a Cu substrate by heat-treatment by screen-printing or dipping to synthesize a superconducting thick film.
Bi-Sr-Ca-Cu-O 계에 대한 온도에 따른 정확한 상태도가 아직까지 정립되지 않았고 시간에 따라 Cu 기판의 계속적인 산화로 인하여 후막의 CuO 조성이 변하고 있는 상황이기 때문에 미세구조가 결정학적 c-축으로 배향된 초전도 단상 조직을 얻기 위한 조건을 찾기는 쉽지 않다.The microstructure is crystallographic, because the exact state-by-temperature condition for the Bi-Sr-Ca-Cu-O system has not been established yet, and the CuO composition of the thick film is changing due to the continuous oxidation of the Cu substrate over time. It is not easy to find the conditions for obtaining superconducting single-phase tissue oriented in the -axis.
따라서 본 발명에서는 피복재로 은(Ag) 대신 구리(Cu)을 사용하고 Cu 위에 입히는 Bi2O3, SrCO3, CaCO3 혼합분말의 조성 변화, 인쇄 두께 변화 등을 변화시키면서 다양한 온도에서 실험을 행하여 결정학적 c-축으로 잘 배향된 초전도 조직을 형성시키기 위한 방법을 제시하고자 한다.Therefore, in the present invention, using a copper (Cu) instead of silver (Ag) as a coating material, the crystallographic c-axis by experimenting at various temperatures while changing the composition change, print thickness change, etc. of Bi2O3, SrCO3, CaCO3 mixed powder coated on Cu It is intended to present a method for forming well-oriented superconducting tissue.
도 3은 Cu 기판 위에 Bi : Sr : Ca = 2 : 1 : 1인 혼합 분말을 1회(약 25 ㎛) 인쇄한 후막을 820℃에서 1분간 열처리 한 다음 870℃, 공기 분위기에서 50초간 열처리한 후, 830℃에서 3분간 열처리한 시편의 X-선 회절실험 결과로서 Cu 기판 위에 Bi2212 고온초전도 후막이 성공적으로 제조된 것을 보여주고 있다.FIG. 3 shows a thick film of Bi: Sr: Ca = 2: 1: 1 mixed powder once printed on a Cu substrate (about 25 μm), heat treated at 820 ° C. for 1 minute, and then heat treated at 870 ° C. for 50 seconds in an air atmosphere. After that, the X-ray diffraction experiment of the specimen heat-treated at 830 ℃ for 3 minutes shows that the Bi2212 high temperature superconducting thick film was successfully prepared on the Cu substrate.
830℃에서 3분간 3차 열처리하는 것은 870℃에서 2차 열처리 후 잔류하고 있는 액상을 초전도 상으로 변태시키기 위한 것이다.The third heat treatment at 830 ° C. for 3 minutes is to transform the liquid phase remaining after the second heat treatment at 870 ° C. into a superconducting phase.
CuO나 Cu2O 피크는 거의 데이터 상에 나타나지 않았으며 주성분은 Bi2212 상으로서 (0 0 l) 방향으로 정렬되어 있고 제 2상으로는 소량의 Bi2SrCuOy (이하 Bi2201) 상이 존재하고 있다.The CuO or Cu2O peaks were hardly shown in the data, and the main component was Bi2212 phase, which is aligned in the (0 0 l) direction, and a small amount of Bi2SrCuOy (hereinafter, Bi2201) phase exists.
그리고 도4는 도3에서 실험한 시편의 온도-저항 곡선으로서 임계온도는 58 K 정도이고 70 K 아래에서 저항감소가 완만해 지는 것은 소량의 Bi2201상의 영향인 것으로 추측된다.4 is a temperature-resistance curve of the specimen tested in FIG. 3, and it is assumed that the critical temperature is about 58 K and the decrease in resistance below 70 K is a small effect of Bi2201.
여기서, 프린팅층의 두께가 미치는 영향을 살펴본다.Here, the influence of the thickness of the printing layer will be described.
Cu 기판위에 Bi : Sr : Ca = 2 : 1 : 1인 혼합 분말을 1회, 2회, 3회 인쇄한 후막을 870℃, 공기중에서 36 sec구리안 열처리한 시편들의 XRD 패턴을 분석한 결과 1회 인쇄된 시편에서는 Bi2212상이 다량 생성되고 소량의 Bi2201상이 생성되었다. 그리고 이들 상들이 결정학적 c-축, 즉 (00l)방향으로 잘 배향이 되어 있는 것을 알 수 있었다.Analysis of XRD patterns of specimens obtained by coating a 1, 2 and 3 mixed powder of Bi: Sr: Ca = 2: 1: 1 on Cu substrates at 870 ° C for 36 sec Samples printed once produced a large amount of Bi2212 phase and a small amount of Bi2201 phase. And it can be seen that these phases are well oriented in the crystallographic c-axis, that is, (00l) direction.
그러나 2회, 3회 인쇄된 시편에서는 다량의 Bi2201상이 형성되고 나머지 대부분도 CuO로 Cu가 과다하게 산화된 것을 알 수 있었다.However, in the specimens printed twice and three times, a large amount of Bi2201 phase was formed and most of the remaining Cu was excessively oxidized with CuO.
2회, 3회 screen printing된 시편에서 다량의 CuO가 생성되는 것은 두 가지로 생각할 수 있는데, 첫 번째로 2회, 3회 screen printing된 시편에서는 1회 인쇄된 시편보다 다량의 액상이 형성되고, 그로 인해 Bi2212상이 형성될 수 있는 영역을 벗어남으로써 Bi2212상이 전혀 생성되지 않는 것이다.Two- and three-time screen-printed specimens can be thought of as two types of CuO. First, two- and three-time screen-printed specimens produce more liquid than the one-printed specimen. As a result, the Bi2212 phase is not generated at all by leaving the area where the Bi2212 phase can be formed.
두 번째로는 출발원료에 포함되어 있는 CO3의 분해이다. 출발원료에 포함되어 있는 SrCO3 와 CaCO3가 열처리온도에서 분해가 일어나고, 생성된 CO가스가 Cu기판 위에 인쇄된 전구체를 통과하여 분출이 된다. 하지만 CO3가 분해되면서 남아 있는 O2가 Cu와 반응하여 다량의 Cu를 산화시키는데, 결과적으로 1회 인쇄된 시편보다는 2회, 3회 인쇄된 시편에서 더 많은 O2가 생성되고 Cu가 다량 산화되는 것이다.Second is the decomposition of CO3 contained in the starting materials. SrCO3 and CaCO3 contained in the starting material are decomposed at the heat treatment temperature, and the generated CO gas is ejected through the precursor printed on the Cu substrate. However, as CO3 decomposes, the remaining O2 reacts with Cu to oxidize a large amount of Cu. As a result, more O2 is generated and twice as much Cu is oxidized in two times and three times.
인쇄된 회수가 증가할수록 나타나는 상이 다량의 액상과 CuO상이라는 것은 열처리 온도가 높다는 것을 의미한다.The higher the number of printed sheets, the higher the amount of liquid phase and the CuO phase, which means that the heat treatment temperature is high.
전구체 분말의 조성이 Bi : Sr : Ca = 2 : 1 : 1인 혼합 분말을 구리 기판 위에 4회 인쇄한 시편의 경우 Bi2212 초전도 후막이 형성되는 온도는 820℃였다.In the case of the specimen in which the mixed powder having the composition of the precursor powder was Bi: Sr: Ca = 2: 1: 1 on the copper substrate four times, the temperature at which the Bi2212 superconducting thick film was formed was 820 ° C.
이번에는 전구체분말의 조성변화에 따른 영향을 살펴본다.This time, the effects of the composition change of the precursor powder will be examined.
전구체 분말 내의 Bi는 액상형성의 용이성에 영향을 끼친다.Bi in the precursor powder affects the ease of liquid phase formation.
열처리온도가 높을수록 액상형성이 용이하겠지만 Bi-free 상과 같은 원하지 않는 상들이 형성될 가능성이 높고 Cu 기판이 과도하게 산화되는 경향이 있다.The higher the heat treatment temperature, the easier it will be to form the liquid phase, but it is more likely that unwanted phases such as Bi-free phases are formed and the Cu substrate tends to be excessively oxidized.
또한 전구체 분말 내에 Bi 양이 많으면 미세조직이 결정학적 c-축으로 잘 배향된 Bi2212 초전도 상을 얻기는 용이하지만 Fig. 3에서 보는 바와 같이 2차 열처리 후에도 잔류액상이 남아 있는 문제점이 있어서 Bi2212 단상을 얻기가 힘들다.In addition, it is easy to obtain Bi2212 superconducting phase in which the microstructure is well oriented in the crystallographic c-axis if the Bi content is high in the precursor powder. As shown in Fig. 3, the residual liquid phase remains after the second heat treatment, which makes it difficult to obtain Bi2212 single phase.
도 4에서 임계온도가 완만하게 감소하는 결과에서 보듯이 Bi : Sr : Ca = 2 : 1 : 1인 전구체 분말을 프린팅하여 열처리한 시편에서는 액상형성을 용이하게 하는 Bi 성분이 다량 포함됨으로 인하여 830℃에서 후 열처리 후에도 액상과 제 2상들이 잔류하고 있다.As shown in the result that the critical temperature decreases slowly in FIG. 4, the specimen heat-treated by printing the precursor powder having Bi: Sr: Ca = 2: 1: 1 has a large amount of Bi that facilitates liquid phase formation at 830 ° C. The liquid phase and the second phase remain even after the post-heat treatment at.
초전도 특성에 나쁜 영향을 미치는 잔류 액상과 제 2상을 감소시키기 위하여 전구체 분말내의 Bi 성분의 양을 줄여서 실험을 행하였다.In order to reduce the residual liquid phase and the second phase which adversely affect the superconducting properties, the experiment was performed by reducing the amount of Bi in the precursor powder.
도 5는 Cu 기판에 Bi : Sr : Ca = 1.5 : 1 : 1인 전구체 분말을 1회 프린팅하여 845℃, 공기중에서 50초간 열처리한 시편의 표면 미세조직이다.FIG. 5 is a surface microstructure of a specimen obtained by printing a precursor powder having Bi: Sr: Ca = 1.5: 1: 1 on a Cu substrate and heat-processing at 845 ° C. for 50 seconds in air.
그리고 도 6은 도 5의 미세구조를 갖는 시편의 온도-저항 곡선이다. 845℃는 830-870℃ 사이에서 열처리한 시편의 미세조직과 임계온도 특성이 가장 우수한 온도이다. 820℃에서 전 열처리를 하지 않은 이유는 Bi : Sr : Ca = 2 : 1 : 1인 전구체 분말의 경우와는 달리 기체 발생으로 인한 표면기공이 거의 관찰되지 않았기 때문이다.And FIG. 6 is a temperature-resistance curve of a specimen having the microstructure of FIG. 5. 845 ℃ is the best temperature and microstructure of specimens heat-treated between 830-870 ℃. The reason why the heat treatment was not performed at 820 ° C. was because surface pores due to gas generation were hardly observed unlike in the case of precursor powders of Bi: Sr: Ca = 2: 1: 1.
미세조직 상 특징은 Bi2212 초전도 상이 표면에 평행하게 빠르게 성장한다는 것이다. 전구체 분말 내의 Bi 몰수가 2인 경우와 달리 830℃에서 후 열처리를 하지 않았음에도 불구하고 임계온도는 76 K였고, 임계온도 근처에서 저항이 빠르게 감소하는 것으로 보아 잔류액상과 제 2상이 많이 줄었으며 Bi2212 초전도상의 입자 크기가 증가했다는 것을 알 수 있다.The microstructure phase feature is that the Bi2212 superconducting phase grows rapidly parallel to the surface. Unlike the case where the number of Bi moles in the precursor powder was 2, the critical temperature was 76 K even though the post-heat treatment was not performed at 830 ° C., and the resistance decreased rapidly near the critical temperature, resulting in a large reduction in the residual liquid phase and the second phase. It can be seen that the particle size of the superconducting phase is increased.
Cu 기판에 Bi : Sr : Ca = 1.3 : 1 : 1인 전구체 분말을 1회 프린팅하여 855℃, 공기중에서 50초간 열처리한 시편은 전구체 분말 내의 Bi 몰비가 1.5인 경우에 비하여 Bi 양이 줄어서 부분용융 상태에서 액상의 양이 상대적으로 적어졌기 때문에 임계온도는 79 K로서 높았고 전구체 분말의 조성이 Bi : Sr : Ca = 1 : 1 : 1인 경우에는 열처리 온도가 870℃ 이상으로 증가 하였고 Bi2212가 형성되기는 하지만 부분용융되는 액상량이 너무 적어서 미세구조의 배향화는 거의 일어나지 않았다.The specimens that were once heated with Cu precursor powder of Bi: Sr: Ca = 1.3: 1: 1 were heat-treated at 855 ° C for 50 seconds in air, and the amount of Bi was reduced compared to the case where the Bi molar ratio in the precursor powder was 1.5. Because the amount of liquid phase in the state was relatively small, the critical temperature was high as 79 K. When the composition of the precursor powder was Bi: Sr: Ca = 1: 1: 1, the heat treatment temperature increased to 870 ° C or higher, and Bi2212 was not formed. However, the amount of liquid phase partially melted was so small that almost no orientation of the microstructure occurred.
Bi : Sr : Ca = x : y : z인 전구체 분말에서 Bi2212 고온초전도 상이 Cu 기판위에 합성 될수 있는 조성영역은 x=1-3, y=1-2, z=0.5-1.5이었다. Bi양의 증가는 Bi2212가 합성될 수 있는 열처리온도를 낮추고 Sr양의 증가는 열처리온도를 증가시키며 Ca양의 변화는 열처리온도에는 영향을 끼치지 않으나 잔류하는 제 2상에 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다.In the precursor powders of Bi: Sr: Ca = x: y: z, the composition regions in which the Bi2212 high temperature superconducting phase could be synthesized on the Cu substrate were x = 1-3, y = 1-2, and z = 0.5-1.5. Increasing the amount of Bi lowers the annealing temperature at which Bi2212 can be synthesized, an increase in the amount of Sr increases the annealing temperature, and a change in the amount of Ca does not affect the annealing temperature but affects the remaining second phase. .
이번에는 Bi2212 초전도 후막 형성 기구에 대하여 살펴본다.This time we look at the Bi2212 superconducting thick film forming mechanism.
막 표면의 미세조직이 결정학적 c-축으로 잘 배향되고 단상의 초전도 상을 얻기 위한 필요조건은 초전도 형성 반응이 액상이 존재하는 상태에서 진행되어야 하고 적절한 양의 액상이 존재해야 한다는 것이다.The requirement for the microstructure of the membrane surface to be oriented well in the crystallographic c-axis and to obtain the superconducting phase of the single phase is that the superconducting reaction must proceed in the presence of the liquid phase and that an appropriate amount of liquid phase is present.
이러한 관점에서 전구체 분말 내의 Bi는 액상형성의 용이성에 영향을 끼친다.In this respect, Bi in the precursor powder affects the ease of liquid phase formation.
전구체분말 내에 Bi 양이 많으면 미세조직이 결정학적 c-축으로 잘 배향된 Bi2212 초전도 상을 얻기는 용이하지만 잔류액상이 남아 있는 문제점이 있어서 Bi2212 단상을 얻기가 힘들다.If the amount of Bi in the precursor powder is high, it is easy to obtain a Bi2212 superconducting phase in which the microstructure is well-oriented to the crystallographic c-axis, but there is a problem that a residual liquid phase remains, making it difficult to obtain a Bi2212 single phase.
Bi 양이 적으면 중간 반응과정에서 액상량이 적기 때문에 배향된 초전도 후막을 얻기 힘들뿐만 아니라 초전도 형성 반응도 매우 느려져서 구리 기판의 과도한 산화문제가 발생하게 된다.When the Bi content is small, the amount of liquid phase is small during the intermediate reaction, so that it is difficult to obtain the oriented superconducting thick film, and the superconducting reaction is also very slow, causing excessive oxidation of the copper substrate.
열처리온도가 높을수록 액상형성이 용이하겠지만 Bi-free 상과 같은 원하지 않는 상들이 형성될 가능성이 높고 Cu 기판이 과도하게 산화되는 경향이 있다.The higher the heat treatment temperature, the easier it will be to form the liquid phase, but it is more likely that unwanted phases such as Bi-free phases are formed and the Cu substrate tends to be excessively oxidized.
Bi2212 초전도 상이 형성되는 과정은 다음과 같이 설명될 수 있다. 구리 기판 위에 프린팅 된 Cu 없는 전구체 분말이 용융되기 위해선 CuO 성분을 공급받아야만 한다.The process of forming the Bi2212 superconducting phase can be described as follows. In order for the Cu-free precursor powder printed on the copper substrate to melt, it must be supplied with a CuO component.
CuO 성분은 열처리 초기에 다공성의 프린팅 층을 통한 산소 공급에 의해서구리 기판이 산화되서 형성되고 구리시에 CuO 층과 접촉하고 있는 전구체 분말이 CuO를 공급받아서 부분용융이 일어나기 시작한다.The CuO component is formed by the copper substrate being oxidized by the oxygen supply through the porous printing layer at the beginning of the heat treatment, and the precursor powder, which is in contact with the CuO layer at the time of copper, is supplied with CuO to start partial melting.
Cu 기판에 Bi : Sr : Ca = 1.5 : 1 : 1인 전구체 분말을 2회(약 50 ㎛) 프린팅하여 850℃, 공기중에서 40, 45, 50, 그리고 55초간 열처리한 시편의 표면 미세조직을 분석해 보았다. 850℃에서 열처리한 이유는 그 온도에서 알려진 상태도와 비교하기 위해서이고 2회 인쇄한 이유는 액상량 증가로 상변화 관찰이 용이하기 때문이다.Two times (about 50 μm) of precursor powder of Bi: Sr: Ca = 1.5: 1: 1 was printed on Cu substrate, and the surface microstructure of the specimen heat-treated at 850 ° C. for 40, 45, 50, and 55 seconds was analyzed. saw. The reason for the heat treatment at 850 ° C. is to compare with the known state at that temperature, and the reason for printing twice is that the phase change can be easily observed due to the increase in the amount of liquid.
40초간 열처리한 시편의 XRD분석 결과 액상과 제 2상(Cu-free상, (Ca,Sr)O상)으로 구성되어 있었고 45초에서 Bi2212상이 핵형성 되기 시작하여 성장하기 시작하였다. 55초간 열처리하면 후막 표면 전체는 Bi2212상으로 덮히게 된다.XRD analysis of the specimen heat-treated for 40 seconds consisted of the liquid phase and the second phase (Cu-free phase, (Ca, Sr) O phase), and Bi2212 phase began to nucleate and grow at 45 seconds. After 55 seconds of heat treatment, the entire thick film surface is covered with Bi2212.
구리 기판의 산화로 CuO를 공급받고 전구체 분말로서 Bi2O3, CaCO3, 그리고 SrCO3를 사용하는 본 연구에서는 정해진 온도에서 일정 시간구리안 열처리하여 c-축으로 잘 배향된 Bi2212 초전도 상이 형성되는 과정을 설명하기 위해선 두 가지 변수를 고려해야 한다.In this study, where CuO is supplied by oxidation of a copper substrate and Bi2O3, CaCO3, and SrCO3 are used as precursor powders, this study describes the formation of a Bi2212 superconducting phase oriented well along the c-axis by a certain time copper heating at a given temperature. Two variables must be considered.
첫 번째는 부분용융 후에도 CuO가 계속 공급되기 때문에 구리 기판 위의 부분용융막의 총조성이 CuO가 증가하는 방향으로 변한다는 것이고 두 번째는 열처리 초기에 부분용융이 일어 날 때 전구체 분말 내의 카보네이트가 급격하게 액상 내로 용해되면서 짧은 시간 안에 다량의 액상형성을 가능하게 해 줄 수 있다는 점이다.The first is that CuO is continuously supplied after partial melting, so the total composition of the partial molten film on the copper substrate changes in the direction of increasing CuO. The second is that the carbonate in the precursor powder rapidly increases when partial melting occurs at the beginning of the heat treatment. It is able to dissolve into a liquid phase and enable a large amount of liquid formation in a short time.
이 두 가지 변수가 구리시에 작용하여 어떤 상호작용을 일으키는 지는 알 수 없지만 후막의 초기 조성과 열처리 후에 예상되는 조성을 상태도로부터 유추할 수있고 카보네이트 분해반응으로 부분용융반응이 빠르게 진행되기 때문에 상태도로부터 최종적인 상 집단을 예상할 수는 있다.It is unknown whether these two variables act on copper and cause the interaction, but the initial composition of thick film and the expected composition after heat treatment can be inferred from the state diagram, and the partial melting reaction can be accelerated by carbonate decomposition. You can expect a group of prizes.
도 3으로 부터 유추해 보면 혼합 전구체 분말(BixSr1Ca1Ox) 내의 Bi 양이 2∼1.3 인 경우 CuO의 양이 적을 때에는 Cu-free 상 + (Sr,Ca)O + 액상이었다가 CuO의 양이 증가하면 Bi-free 상과 Bi2212 상이 나타났다가 CuO 양이 더욱 증가하면 CuO + Bi2223 + 액상이 공존하는 상태에 도달하게 된다.Inferring from FIG. 3, when the amount of Bi in the mixed precursor powder (BixSr1Ca1Ox) is 2 to 1.3, when the amount of CuO is small, it is a Cu-free phase + (Sr, Ca) O + liquid, but when the amount of CuO is increased, Bi is increased. When the -free phase and Bi2212 phase appear and the CuO content increases further, the CuO + Bi2223 + liquid phase coexists.
그러나 Bi2223 상은 형성속도가 매우 느리기 때문에 본 실험과 같이 열처리 시간이 짧은 경우에는 CuO + Bi2212 + 액상이 공존하는 준 안정상태를 유지할 것이다.However, Bi2223 phase is very slow to form, so in case of short heat treatment time like this experiment, CuO + Bi2212 + liquid phase will maintain quasi-stable state.
상기와 같이 본 발명은 종래 기술인 PIT법에 의한 Bi-계 고온초전도 테이프 제조 방법에 비해 원료분말의 준비 공정, 열처리시간, 제작공정이 간단하기 때문에 공정비용이 대폭 절감되고 압연기, 인발기, 대형로 등이 필요없기 때문에 투자비용이 적게 드는데 특히, 피복재로 은 대신에 구리를 사용하기 때문에 제작비용이 적게 드는등 생산성을 높힐 수 있다.As described above, the present invention has a simple process for preparing a raw material powder, a heat treatment time, and a manufacturing process, compared to the Bi-based high temperature superconducting tape manufacturing method using the PIT method. Since it does not require lamps, investment costs are low. In particular, copper is used instead of silver as a coating material, so production costs can be increased.
이러한 장점을 볼 때, 본 발명에서 제시한 바와같이 구리 테이프를 사용한 Bi-계 고온초전도 선재 제조 방법은 고온초전도 선재가 사용되는 초전도 기기에 경제성 측면에서 큰 향상을 가져다 줄 수 있는 매우 유용한 기술인 것이다.In view of these advantages, Bi-based high-temperature superconducting wire manufacturing method using a copper tape as presented in the present invention is a very useful technology that can bring a great improvement in economics to the superconducting device using the high-temperature superconducting wire.
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2001
- 2001-01-31 KR KR1020010004637A patent/KR20020064040A/en not_active Application Discontinuation
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