KR101782177B1 - 멀티필라멘트 도체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 리본형 기판(2) 및 하나 이상의 초전도 층(3)으로 형성된 멀티필라멘트 도체(1)에 관한 것으로, 상기 초전도 층(3)은 필라멘트들(20, 20')로 분할된다. 리본형 기판(2)은 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제1 방향을 가지며, 하나 이상의 필라멘트(20, 20')는 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제2 방향을 가진다. 제1 방향과 제2 방향은 영(0)이 아닌 각도를 형성한다. 특히 멀티필라멘트 도체(1)는, 그의 전면(9) 및 후면(10) 상에 필라멘트들(20, 20')이 형성되어 서로 전기적으로 연결됨으로써 교차 도체가 형성되도록 구성된다. 또한, 본 발명은 그러한 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

멀티필라멘트 도체 및 그의 제조 방법 {MULTIFILAMENT CONDUCTOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 리본형 기판 및 하나 이상의 초전도 층으로 형성된 멀티필라멘트 도체에 관한 것이다. 하나 이상의 초전도 층은 리본형 기판의 하나 이상의 표면상에 형성되어 필라멘트들로 분할된다. 리본형 기판은 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제1 방향을 가지며, 하나 이상의 필라멘트는 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제2 방향을 가진다. 또한, 본 발명은 그러한 멀티필라멘트 도체의 제조 방법에 관한 것이다.
초전도 층들을 포함하는 멀티필라멘트 도체는 특히 초전도 장치에서 도체로서 사용된다. 즉, 멀티필라멘트 도체는 예컨대 자기공명 단층촬영 장치의 초전도 권선, 모터, 제너레이터 또는 전류 제한기에서 사용될 수 있다. 특히, 예컨대 Y2BaCu3O7 (YBCO)와 같은 고온 초전도(HTS) 선재를 사용할 경우, 이미 액체 질소의 온도에서 도체의 초전도 특성이 달성된다. 따라서 신뢰성 있고 경제적인 초전도 특성이 구현될 수 있다.
2세대(2G) 산업 HTS 도체는, 금속 리본형 캐리어 상에 형성되는, 특히 세라믹 YBCO 소재의 단결정 HTS 박막을 전류 전송 층으로서 포함한다. 캐리어 상에 단결정 HTS 박막을 적층하기 위해, 상기 캐리어는 결정배향된 다중 버퍼층으로 코팅되고, 상기 버퍼층 위에 예컨대 증발, 레이저 증착 또는 화학적 분해와 같은 증착 공정에 의해 HTS 층이 적층된다.
HTS 층 위에 추가로, HTS 층 내 결함 지점들 및 정상 전도도를 지니게 된 짧은 섹션들을 전기적으로 제거할 수 있고 HTS 층을 기계적 손상으로부터 보호하는 정상 전도성 보호층 또는 안정화층이 적층된다. 정상 전도 층은 대개 은 및/또는 구리로 형성된다. 버퍼층, HTS 층 및 안정화 층으로서 구성된 층 스택이 상부에 적층된 리본형 캐리어는 대개 수 밀리미터 또는 수 센티미터 범위의 폭을 갖는다.
교류 애플리케이션에서는 종종 리본형 캐리어에 대해 수직으로 시변 자장(time-varying field) 성분이 발생한다. 그로 인해 HTS 층 내에, 그리고 그보다 더 약하게 안정화층 내에도 순환 차폐 전류가 유도되며, 상기 순환 차폐 전류는 전송 전류에 중첩된다. 이러한 차폐 전류는, 열의 형태로 방출되며 냉각 장치에 의해 HTS 도체로부터 소산되어야 하는 전력 손실을 야기한다. 따라서, HTS 도체의 사용을 통해 종래의 저항 도체(ohmic conductor)에 비해 에너지가 절약됨으로써 얻어질 수 있는 경제적 이점들이 감소하거나 완전히 무효화된다.
길이 당 손실(Ph/L)은 하기와 같이 교번 자장 진폭(ΔB), 주파수(f), 임계 전류(IC), 및 자장에 수직인 유효 도체 폭(df)에 비례한다.
Figure 112012015122424-pct00001
NbTi 초전도체 및 Nb3Sn 초전도체에서는, 횡단면이 예컨대 구리와 같은 금속 기지 내에 매립되는, 작은 df를 가진 다수의 얇은 필라멘트들로 분할됨으로써 손실이 감소한다. 그러나 이러한 조치는 도체가 연선 도체(stranded conductor)인 경우에만 효과적이다.
이러한 원리는 뢰벨(Roebel) 도체에 의해 HTS 도체에 적용된다. WO 03/100875 A2로부터, HTS 코팅된 복수의 리본형 캐리어가 평행하게 배치된 뢰벨 도체가 공지되었다. HTS 도체의 상응하는 구조 내에서 손실은 개별 리본의 폭에 의해 정해진다. 예컨대 US 2007/0191202 A1에서는 손실을 더욱 최소화하기 위해서, 초전도 층 및 구리로 된 안정화 층을 리본형 캐리어의 길이 방향에 평행한 세로 홈들을 통해 필라멘트들로 분할하는 방법이 공지되었다. 캐리어에까지 이르는 세로 홈들 또는 트랜치들을 형성하는 방법은 기계적 처리, 화학적 에칭, 레이저 가공, 포토레지스트 기술 및 결정 구조의 국부적 붕괴를 포함한다. 이로써 캐리어 상에 놓인 하나의 필라멘트가 캐리어의 종축에 평행하게 연장하는 복수의 개별 필라멘트들로 분할된다. 필라멘트로서의 초전도 코팅 캐리어의 폭과는 대조적으로, 캐리어 상의 개별 필라멘트들의 폭은 유효 도체 폭(df)으로 채택된다.
길이가 짧은 도체 샘플들에서는 손실 감소를 확인할 수 있으나, 예컨대 코일 권선과 같은 긴 부분 도체들에서는 필라멘트들 간의 자기 커플링이 소멸하지 않으며, 예컨대 코일 내에 형성되는 것과 같은 외부 교번 자장이 계속해서 큰 차폐 전류를 유도한다. 차폐 전류는 초전도 선재의 임계 전류 밀도를 초과할 수 있으며, 그로 인해 초전도체는 저항 영역으로 진입한다. 이때 상당한 전력 손실이 발생하며, 이러한 전력 손실은 다시 열의 형태로 소산되어야 한다.
따라서 본 발명의 과제는, 종래 기술로부터 공지된 멀티필라멘트 도체들에 비해 전력 손실이 더 적은 멀티필라멘트 도체를 제공하는 것이다. 특히 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체의 과제는 외부 교번 자장 내에서 멀티필라멘트 도체 내 전류 유도를 최소화하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는, 외부 교번 자장 내에서 멀티필라멘트 도체 내 전류 유도가 최소화될 때 최소의 전력 손실을 갖는 멀티필라멘트 도체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
멀티필라멘트 도체와 관련한 과제는 청구항 제1항의 특징들에 의해 해결되며, 멀티필라멘트 도체의 제조 방법과 관련한 과제는 청구항 제11항의 특징들에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체 및 멀티필라멘트 도체의 제조 방법의 바람직한 실시예들은 각각의 종속 청구항들에 제시된다. 이때, 독립 청구항들의 특징들은 각각 하나의 종속 청구항의 특징들과 조합될 수 있거나, 바람직하게는 복수의 종속 청구항의 특징들과도 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체는 하나의 리본형 기판 및 하나 이상의 초전도 층을 포함한다. 하나 이상의 초전도 층은 리본형 기판의 하나 이상의 표면상에 형성되어 필라멘트들로 분할된다. 리본형 기판은 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제1 방향을 가지며, 하나 이상의 필라멘트는 자신의 세로 연장부에 대해 평행하게 제2 방향을 가진다. 리본형 기판의 제1 방향은 하나 이상의 필라멘트의 제2 방향과 함께 영(0)보다 큰 각도를 형성한다.
그 결과, 예컨대 도체가 상호 적층식으로 권축되어 있는 코일에 멀티필라멘트 도체가 사용될 경우 교번 자장 애플리케이션에서의 손실 및 산업 초전도 도체 내 국부적 결함들의 영향이 효과적으로 감소할 수 있다. 특히 바이파일러 코일(bifilar coil)에서 상당한 손실 감소가 이루어진다. 멀티필라멘트 도체에 대해 수직인 교번 자장 진폭(ΔB)에 의한 손실(Ph)은 도체 폭이 아닌 개별 필라멘트들의 폭에 의해 좌우된다. 히스테리시스 손실율은 팩터 df/b 만큼 감소한다. 예컨대 높은 자장 정확도가 요구되는 핵스핀 단층촬영장치, 핵자기 공명 분광기 및 가속기 등의 자기 어플리케이션에서는 필라멘트 폭들로 국지화된 더 작은 차폐 전류에 의해 발생한 자장 결손의 유효 체적이 현저히 감소한다.
매우 바람직하게는, 리본형 기판의 제1 방향과 하나 이상의 필라멘트의 제2 방향 사이의 각도가 30도 내지 60도, 특히 45도이다. 하나 이상의 필라멘트는 전체적으로 제2 방향을 따라, 특히 제1 방향에 대해 평행한 종방향 성분 없이 형성될 수 있다. 제1 방향을 따르는 종방향 성분은 예컨대 바이파일러 코일과 같은 애플리케이션에서 손실을 증가시킨다.
리본형 기판은 전면에 제1 표면을 가지고, 그 반대편에 놓인 후면에 제2 표면을 가지며, 이때 제1 표면과 제2 표면 모두에 복수의 필라멘트가 형성된다. 제1 표면의 필라멘트들은 제2 표면의 필라멘트들의 세로 방향에 평행한 제3의 방향과 같지 않은 제2 방향을 가질 수 있다. 그로 인해, 바이파일러 코일에서의 감소와 유사하게 도체 내에서 손실 감소 효과가 달성된다.
특히 도체의 교차형에서는 저손실 전류 전도가 달성된다. 이를 위해, 전면의 하나 이상의 필라멘트가, 특히 리본형 기판의 하나 또는 2개의 측면 상에 놓인 하나 이상의 제3 표면상에 형성된 하나 이상의 층을 통해, 후면의 하나 이상의 필라멘트와 전기 전도성으로 연결될 수 있다. 교차 길이(transposition length)는 20cm 범위에 있을 수 있다.
초전도 층 내 결함 지점들의 브리징이 매우 효과적으로 수행될 수 있음으로써, 표면상에 2개 이상의 인접한 필라멘트 사이에 하나 이상의 전기 브리지가 형성될 경우 손실이 더욱 감소한다. 상기 브리지(들)에 의해 2개 이상의 인접한 필라멘트의 전기적 연결(들)이 형성된다. 하나 이상의 전기 브리지는 상기 하나의 표면상에서 중앙에, 특히 브리지의 세로 방향이 리본형 기판의 제1 방향에 평행하도록 배치될 수 있다. 국부 전류 용량이 감소된 결손 필라멘트는 상기 브리지 및 인접 필라멘트에 의해 전기적으로 브리징된다.
멀티필라멘트 도체는 리본형 캐리어 재료로 구성된 층 스택, 하나 이상의 버퍼층, 하나 이상의 초전도 층, 특히 고온 초전도(HTS) 층, 및/또는 하나 이상의 안정화 층을 포함할 수 있다. 버퍼층은 캐리어 재료 상에서의 단결정 초전도 층의 에피택셜 성장을 가능케 한다. HTS 층은 초전도 특성을 지닌 멀티필라멘트 도체가 액체 질소의 영역에 놓인 온도에서도 사용될 수 있도록 한다. 안정화 층은 초전도 층을 기계적 손상으로부터 보호하고, 초전도 층 내에서 전류 용량이 감소된 국부적 지점들을 전기적으로 브리징한다. 즉, 전류 용량이 감소된 국부적 지점들을 기계적 및 전기적으로 안정화하고 보호한다.
캐리어 재료는 금속, 특히 강으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 버퍼층은 Al, 산화이트륨, IBAD MgO, 호모 에피 MgO, LMO 그룹 중에서 하나 이상의 물질을 포함할 수 있거나, 상기 물질들의 조합들 또는 합금들 또는 상기 물질들로 구성된 층 스택을 포함할 수 있다. 하나 이상의 초전도 층은 YBCO로 구성될 수 있다. 하나 이상의 브리지 역시 YBCO, 특히 하나 이상의 HTS 층의 YBCO로 구성될 수 있다. 이는 브리지를 통해서도 손실 없이 전기 전도가 될 수 있도록 한다. 하나 이상의 안정화 층은 구리 또는 은으로 구성될 수 있거나, 하나 이상의 구리층 및/또는 하나 이상의 은 층을 갖는 층 스택을 포함할 수 있다. 하나 이상의 브리지는 하나 이상의 안정화 층의 재료로 구성되거나 상기 재료를 포함할 수도 있으며, 이는 브리지의 간단한 제조를 허용한다.
캐리어 재료는 50 내지 100㎛ 범위의 두께와 10mm 범위의 폭을 가질 수 있다. 하나 이상의 버퍼층은 100nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 하나 이상의 초전도 층은 1㎛ 범위의 두께를 가질 수 있으며, 하나 이상의 필라멘트는 0.5mm 범위의 폭을 가질 수 있다. 하나 이상의 안정화 층은 3㎛ 내지 300㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 이는 멀티필라멘트 도체의 수많은 적용들의 바람직한 척도이다.
전술한 멀티필라멘트 도체의 본 발명에 따른 제조 방법은,
- 2개의 리본형 캐리어 재료의 상호 대향하여 놓인 측면들을 서로 기계적으로 연결시키는 단계와,
- 기계적 연결부의 측면의 반대편에 놓인, 리본형 캐리어 재료의 각각의 측면에 하나 이상의 초전도 층을 적층하는 단계와,
- 상기 초전도 층 위에 안정화 층을 적층하는 단계로서, 제1 리본형 캐리어 재료의 안정화 층과 제2 리본형 캐리어 재료의 안정화 층이 상기 두 리본형 캐리어 재료의 에지들에서 중첩되도록 형성됨으로써 상기 에지들을 통해 안정화 층들의 전기적 연결이 이루어지는 단계와,
- 상기 초전도 층과 안정화 층이 필라멘트들로 분할되는 단계를 포함한다.
2개의 리본형 캐리어 재료는 서로 합동을 이루도록 연결될 수 있다. 이러한 방법을 통해, 많지 않은 단계로 멀티필라멘트 도체의 간단하고 경제적인 제조가 가능해진다.
층들의 적층은 기상 금속 화합물들의 전기분해, 납땜, 진공 증착, 스퍼터링 및/또는 열분해를 통해 수행될 수 있다. 초전도 층들과 안정화 층들의 필라멘트로의 분할은 기계적으로 수행될 수 있거나, 하나의 층을 각각 관통하는 트렌치의 레이저 절삭 및/또는 에칭, 특히 건식 에칭 또는 습식 에칭에 의해 수행될 수 있다. 특히 에칭 공정에서는 포토리소그래피가 사용될 수 있다. 선택적으로, 트렌치들의 위치에 아직 코팅되지 않은 기판 리본을 프린트하거나 접착시키는 방법을 통해 층들의 적층이 수행될 수 있다. 이 경우, 후속하는 초전도 층 및 안정화 층의 증착 시에는 재료 도포가 실시되지 않기 때문에, 원하는 필라멘트 구조가 형성된다.
트렌치들은 리본형 기판의 제1 방향과 하나 이상의 필라멘트의 제2 방향 사이에 영이 아닌 각도로 형성된다. 필라멘트들은 2개의 리본형 캐리어 재료상에서 에지들을 통해, 나선형 전류 경로가 형성되도록 전기적으로 연결될 수 있다.
이중층 기판의 2개의 리본형 캐리어 재료는 내열성 절연 중간층 또는 공극에 의해 서로 분리될 수 있다. 이는 특히 2개의 리본형 캐리어 재료를 용접하거나, 1개의 리본형 캐리어 재료를 접어 겹쳐진 2개의 리본을 형성하거나, 특히 리본형 캐리어 재료의 텍스쳐라이징 압연 단계 이전에 튜브를 평판 압연함으로써 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체의 제조 방법의 경우, 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체와 연관된 전술한 장점들이 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 독립 청구항들의 특징들에 따른 바람직한 개선예들과 함께 하기에서 도면들을 참고로 더 상세히 설명된다. 그러나 본 발명이 하기의 실시예들로만 제한되는 것은 아니다.
도 1은 기판 축에 평행한 필라멘트들을 포함하는, 종래 기술에 따른 멀티필라멘트 도체의 경사도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 멀티필라멘트 도체의 일 필라멘트의 층 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 기판의 전면 및 후면 상에 상기 전면 및 후면의 둘레에 비스듬하게 나선형으로 연장되도록 형성된 필라멘트들을 포함하는, 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 것과 유사하며, 인접한 필라멘트들 사이에 브리지들이 형성된 멀티필라멘트 도체를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 멀티필라멘트 도체에, 전면 상의 필라멘트들(실선으로 도시됨) 및 후면 상의 필라멘트들(파선으로 도시됨)이 구비된 모습의 평면도이다.
도 6a는 도 3에 도시된 멀티필라멘트 도체에, 직결된 2개의 캐리어가 구비된 모습의 단면도이다.
도 6b는 도 3에 도시된 멀티필라멘트 도체에 기판으로서 압축 튜브가 구비된 모습의 단면도이다.
도 6c는 노출된 측면에 있는 용접 시임을 갖는 기판으로서 접힌 부재로 형성된, 도 3에 도시된 멀티필라멘트 도체의 단면도이다.
도 1에는 종래 기술에 따른 멀티필라멘트 도체(1)의 종축에 수직인 단면을 상기 멀티필라멘트 도체(1)의 정면에서 비스듬하게 바라본 모습이 도시되어 있다. 멀티필라멘트 도체(1)는 전면(9) 및 후면(10)을 가진 리본형 기판(2)을 포함한다. 리본형 기판(2)의 제1 방향(21)은 리본형 기판(2)의 종방향으로 정의된다. 리본형 기판(2)의 전면(9)에는 제1 방향(21)에 평행하게, 스트립 형태로 버퍼층(4)의 스트립들이 상호 평행하게 배치된다. 버퍼층(4)의 스트립들은 서로 이격되어 있으며, 버퍼층(4)의 스트립들의 종방향에 상응하는 제2 방향(22)을 갖는다. 버퍼층(4)의 스트립들 위에는 예컨대 YBCO 선재로 이루어진 초전도 층(3)이 형성된다. 초전도 층(3) 위에는 얇은 은 층(Ag 층, 5a) 및 구리층(Cu 층, 5b)이 지지 및 안정화 층(5)으로서 형성된다. 각각 버퍼층(4), 초전도 층(3) 및 안정화 층(5)으로 구성된 층 스택들 또는 필라멘트들(20) 사이에는 필라멘트들(20)의 분리를 위한 연속 트렌치(6)가 형성된다.
멀티필라멘트 도체(1)에 외부 시변 자장(B)(8)이 작용할 경우 안정화 층(5) 및/또는 초전도 층(3)에 전류(I)가 유도된다. 유도된 상기 전류(I)는 필라멘트들(20)의 개수의 절반에서는 전류 방향(7)으로 흐르고, 필라멘트들(20)의 나머지 절반에서는 그 반대의 전류 방향(7')으로 흐른다. 전류 경로는 도체 단부들에서 끝난다. 전류(I)는 일반적으로 필라멘트들(20)의 임계 전류를 초과하고 초전도체를 저항 상태로 만들며, 이때 상당한 저항 손실이 발생한다. 도 1에 따른 꼬이지 않은 도체(untwisted conductor)에서 이러한 저항 손실은 전체 리본 폭(b)에 따라 선형으로 증가하며, 폭(df)을 갖는 필라멘트들(20)의 분할에 아무런 영향을 미치지 않는다.
도 2에는 종래 기술에 따른 필라멘트(20)의 층 구조가 세부적으로 도시되어 있다. 기판(2)의 전면(9)에는 알루미늄(Al) 박층(11)이 스트립으로서 적층되는데, 이때 도 2에는 스트립을 따라 잘라낸 단면도의 경사도가 도시되어 있다. Al 층(11) 위에는 산화이트륨 층(12)이 놓인다. 그 위에 IBAD 산화마그네슘(MgO) 층(13) 및 에피텍셜 호모 에피 MgO 층(14)이 증착된다. 상기 에피텍셜 호모 에피 MgO 층(14) 위에 에피텍셜 LMO 층(15)이 형성된다. 상기 층들(11 내지 15)은 함께 버퍼층(4)을 형성하며, 기판(2)에 대해 전기 절연 효과를 갖는다. 상기 층들은 단결정 형태로 배치된 서브층으로서 사용되며, 기판(2) 상에서 버퍼층(4) 위에 예컨대 YBCO로 형성된 초전도 층(3)이 단결정 성장을 하도록 한다.
초전도 층(3) 위에는 은(Ag) 층(5a) 및 구리(Cu) 층(5b)이 형성된다. 상기 두 층은 안정화 층(5)을 형성하며, 상기 안정화 층은 초전도 층(3)을 기계적 손상으로부터 보호하고, 단결정 초전도 재료 내 결함 지점들을 전기적으로 브리징한다.
기판(2)의 후면(10)에는 추가의 Cu 층이 제2 안정화 층(5')으로서 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 멀티필라멘트 도체(1)의 기판(2)은 하스텔로이 또는 강으로 형성되며, 50㎛의 두께와 10mm의 폭을 갖는다. 도 2에 도시된 필라멘트(20)는 100nm 두께의 버퍼층(4)을 포함하며, 0.5mm의 폭을 갖는다. 초전도 층(3)은 1㎛의 두께를 가지며, 기판(2)의 전면(9) 위에 놓인 안정화 층(5)은 23㎛의 두께로 형성되고 20㎛ 두께의 Cu 층을 포함한다. 기판(2)의 후면(10)에 놓인 구리 안정화 층(5')은 20㎛의 두께를 갖는다.
도 3에는 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체(1)를 위에서 비스듬하게 내려다본 모습이 도시되어 있다. 멀티필라멘트 도체(1)의 기판(2)은 하스텔로이 또는 강으로 형성되며, 50㎛의 두께 및 10mm의 폭을 갖는다. 본 실시예에서 필라멘트들(20, 20')은 기판(2) 상에 필라멘트(20)의 종방향을 나타내는 제2 방향(22)으로 배치되며, 상기 제2 방향은 기판(2)의 종방향(21)인 제1 방향과 함께 영이 아닌 각도를 형성한다. 초전도 필라멘트들(20, 20')은 각각 제1 및 제2 캐리어(16, 17)의 표면상에 배치된다. 2개의 캐리어(16, 17)는, 필라멘트들(20, 20')을 포함하는 표면들의 반대편에 놓인 후면들끼리 서로 기계적으로 연결되나, 전기적으로는 중간층(29)에 의해 실질적으로 분리되며, 이때 접촉된 후면들은 이하 기계적 연결부(18)의 측면이라 지칭된다. 2개의 캐리어(16, 17)와 중간층(29)은 함께 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체(1)의 리본형 기판(2)을 형성한다.
기판(2) 표면상의 필라멘트들(20, 20') 사이에 각각 트렌치(6)가 연속으로 형성됨에 따라, 인접한 2개의 필라멘트(20, 20')의 초전도 층들(3)은 각각 전기적으로 서로 분리된다. 제1 캐리어(16) 상의 필라멘트들(20)은, 이들이 제1 캐리어(16)의 에지(19)에서 캐리어(16, 17)의 에지(19)에 있는 제2 캐리어(17)의 필라멘트들(20')과 상하 합동으로 놓이도록 배치된다. 캐리어(16, 17) 상에 안정화 층(5)을 증착하거나 형성할 때, 에지(19)에 안정화 층(5)의 재료가 함께 증착된다. 그로 인해 상기 재료를 통해 캐리어(16)의 필라멘트들(20)이 캐리어(17)의 필라멘트들(20')과 전기적으로 연결된다. 트렌치들(6)의 형성 시, 상기 트렌치들 역시 에지(19)에 있는 안정화 층(5)의 재료를 완전히 관통하도록 형성됨에 따라, 상호 적층된 필라멘트들(20, 20')이 에지(19)에서만 서로 전기적으로 연결된다.
층 두께들, 기판 폭(2) 및 필라멘트 폭(20, 20')은 앞서 도 1 및 도 2의 멀티필라멘트 도체(1)와 관련하여 기술한 두께 및 폭과 동일하다.
전면(9)의 필라멘트들(20)의 각도는 후면(10)의 필라멘트들(20')의 각도와 정반대 값을 갖는다. 상기 각도의 값은 1도 내지 5도 범위와, -1도 내지 -5도 범위에 있다. 전면 및 배면(9, 10)에는, 제한된 길이(b)를 가지며 리본형 기판(2)의 에지들(19)에서 끝나는 초전도 필라멘트들(20, 20')이 형성된다. 상기 초전도 필라멘트들(20, 20') 위에는 예컨대 구리와 같은 정상 전도 재료로 형성된 안정화 층(5, 5')이 적층되며, 상기 안정화 층은 필라멘트들(20, 20')의 초전도 층(3)과 전기적으로 연결되어 결손이 있는, 초전도체의 정상 전도 지점의 전류를 브리징할 수 있다. 리본형 기판(2)의 에지들(19)에는, 전면 및 후면(9, 10)의 필라멘트들(20, 20')이 정상 전도 층을 통해 전기적으로 연결되도록, 안정화 층(5, 5')이 형성된다.
그럼으로써 리본형 기판(2) 둘레에, 상기 리본형 기판(2)의 에지들(19)에 있는 짧은 정상 전도 영역을 제외하고 초전도성을 띄는 하나 이상의 평행 나선형 전류 경로가 형성된다. 그러므로 본 발명에 따라, 종래의 초전도체 기술로부터 공지된, 초전도체 필라멘트들이 평행하게 꼬인 형태의 "트위스트(twist)"를 구비한 박막 초전도체가 구현된다.
도 4에는 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체(1)의 대안적 실시예가 도시되어 있다. 이 멀티필라멘트 도체(1)는, 인접한 필라멘트들(20, 20') 사이에 브리지(23)가 추가로 형성되는 점을 제외하고는 도 3에 도시된 멀티필라멘트 도체(1)와 유사하다. 브리지(23)는 층 구조의 측면에서 도 1 내지 도 3의 필라멘트들(20, 20')과 동일하게 구성되거나, 안정화 층(5)으로만 형성되거나, 안정화 층(5)과 초전도 층(3)으로 형성된다. 브리지들은 전기 전도성을 갖도록 형성되며, 필라멘트들(20, 20')의 초전도 층(3) 내 결함 지점들을 인접한 필라멘트(20, 20')의 초전도 층(3)을 통해 브리징할 수 있다. 도 4에서 브리지들(23)은 기판(2) 표면상의 중앙부에 웨브로서 기판의 제1 방향(21)을 따라 배치된다. 또는 선택적으로 브리지들(23)이 에지(19)에 또는 그 근방에도 배치될 수 있다. 브리지들은 연속 웨브로서 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 표면상에서 각각 2개의 인접하는 필라멘트들(20, 20') 사이에 교대로 또는 불규칙적으로 배치될 수도 있다. 도 4에 도시된 실시예에서 브리지(23)의 폭(a)은 기판(3)의 일 측면상의 하나의 필라멘트(20 또는 20')의 길이(b)의 1/20 범위에 상응한다. 재료 및 요구되는 전류 용량에 따라 브리지(23)의 폭은 다른 값을 가질 수 있다.
멀티필라멘트 도체(1)에서는 길이가 더 길고 폭이 더 작을수록, 필라멘트들(20, 20') 내 국부적 취약 지점이 전류 용량을 감소시킬 확률이 증가한다. 따라서 길이가 긴, 멀티필라멘트 도체(1)의 권선들에서는 상호 절연된 필라멘트들(20, 20')을 포함하는 전체 멀티필라멘트 도체(1)의 전류 용량이 크게 감소할 수 있다. 필라멘트들(20, 20') 사이에 브리지(23)가 배치됨으로써 결손 필라멘트(20, 20')로부터 인접 필라멘트(20, 20')로의 전류 재분배가 이루어질 수 있다. 필라멘트들(20, 20')을 따라 취약 지점들 사이의 평균 간격이 교차 길이(L)보다 훨씬 더 큰 한, 총 전류는 충분히 비손상 전류 경로를 찾을 것이고, 긴 멀티필라멘트 도체(1) 내에서도 임계 총 전류는 약간만 감소할 것이다.
도 5에는 도 3에 도시된 실시예에 상응하는 멀티필라멘트 도체(1)의 평면도가 도시되어 있다. 제1 캐리어(16)상의 필라멘트들(20)[도 5에서 필라멘트(20)의 폭을 한정하는 실선들]의 제2 방향(22)이 제2 캐리어(17)상의 필라멘트들(20')[도 5에서 필라멘트(20')의 폭을 한정하는 파선들]의 세로 연장부의 제3 방향(26)에대해 임의의 각도로 배치된다. 따라서 캐리어(16, 17)상의 필라멘트들(20, 20')은 임의의 각도를 형성한다. 상기 각도는 2 내지 3도의 범위에 있다. 또는 예컨대 도 5에 도시된 것처럼 다른 각도도 고려될 수 있다.
에지(19)에서의 전기적 연결을 통해, 제1 캐리어(16)와 제2 캐리어(17)상의 필라멘트들(20, 20')은 트위스트형 또는 교차형 멀티필라멘트 도체(1)를 형성한다. 필라멘트들(20, 20')은 도체를 나선형으로 둘러싼다. 멀티필라멘트 도체(1)에 대해 수직인 교번 자장 진폭(ΔB)으로 인한 손실(Ph)과 관련하여, 필라멘트들(20, 20')을 포함하지 않는 도체의 경우에서처럼 도체 폭(b)보다는 개별 필라멘트들(20, 20')의 폭(df)이 결정적인 요소이다. 히스테리시스 손실율은 팩터(df/b)만큼 감소한다. 필라멘트들(20, 20')의 교차에 의해, 필라멘트들(20, 20') 사이에 유도되는 차폐 전류로 인한 손실도 더 작아지거나, 버퍼층(4)이 캐리어(16, 17)에 대해 충분히 절연되는 경우에는 영이 된다. 2개의 임의의 평행하는 필라멘트들(20, 20') 사이의 면을 통과하는 자속은 교차 길이(L)의 1회 회전 후 합산하여 각각 0이 된다. 따라서 필라멘트들 사이에 유도된 전압 및 그와 더불어 손실을 발생시키는 와전류는 멀티필라멘트 도체(1)의 총 길이와 무관하게 효과적으로 감소한다.
도 5에는 예컨대 전면(9)에 놓인 2개의 임의의 필라멘트(20) 또는 후면(10)에 놓인 2개의 임의의 필라멘트(20')에 의해 형성되는 면(A)이 일점쇄선으로 표시되어 있다. 자장 성분(B)이 면(A)에 수직일 때, 자속 "B×A"가 상기 면(A)을 통과한다. 기판(2)의 전면(9) 및 후면(10)의 필라멘트들(20, 20')의 2개의 교차점(27, 28) 각각을 통해 유도 전압(U = ½ A dB/dt)이 인가된다. 이 유도 전압은 도체 중앙부에서 가장 높고, 에지(19)에서는 영이다. 제1 캐리어(16)와 제2 캐리어(17) 사이에 놓인 본 발명에 따른 전기 절연 층(29)은 필라멘트들(20, 20') 사이에서 박막 기판(2)을 수직으로 관통하는 유도 전류를 방지한다. 이러한 전류는 필라멘트들(20, 20') 내 전송 전류에 중첩되어 필라멘트들(20, 20')을 손실이 발생하는 저항 상태로 만들며, 기판(2) 내에 추가로 저항 손실을 발생시킨다. 제1 캐리어(16)와 제2 캐리어(17) 사이의 중간층 또는 전기 절연 층(29)에 의해 기판(2)을 통하는 자기 결합(magnetic coupling)이 방지된다.
예컨대 핵스핀 단층촬영장치, 가속기 및 핵자기 공명 분광기 등과 같이 높은 자장 정확도가 요구되는 자기 어플리케이션에서는 필라멘트 폭들로 국지화된 더 작은 차폐 전류에 의해 발생한 자장 결손의 유효 체적이 현저히 감소한다. 따라서 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체(1)는 임계적 직류 애플리케이션에서도 사용될 수 있다.
에지들(19)을 통해 필라멘트들(20, 20') 사이에 형성된 정상 전도성 전기 접점들에서는 거의 하기의 값에 달하는 옴 저항(Rn)이 생성된다.
Figure 112012015122424-pct00002
상기 식에서 ρn은 비 전기 저항이고, dn 및 ds는 정상 금속층 및 캐리어(16, 17)의 두께이고, "Ln = df L/2b"는 브리지(23)의 제1 방향(21)으로의 길이이며, df는 필라멘트 폭이다. 각각의 필라멘트들(20, 20')에서 연선 길이(L)당 2개의 브리지(23)가 합쳐져서 하기와 같이 길이당 평균 저항이 도출된다.
Figure 112012015122424-pct00003
교차 길이(L)가 클수록 상기 저항은 매우 작아질 수 있다. 즉, 예컨대 폭(b)이 10mm이고, 총 두께가 0.3mm이고, Ic = 300A이며, 0.5mm 폭(df)의 15개의 필라멘트들(20, 20')을 포함하는 멀티필라멘트 도체(1)의 경우, 멀티필라멘트 도체(1) 내 유효 임계 전류 밀도 je = 100A/㎟이고, 교차 길이 또는 연선 길이 L = 20cm이고, 77K에서 구리의 ρn = 2×10-9 Ωm이고, 구리층(5) 및 기판(2)의 두께(dn, ds)가 똑같이 0.1mm일 때, 필라멘트(20, 20')의 평균 옴 저항은 구리 브리지(23)에 의해 하기와 같이 도출된다.
<Rn> / l = 12.5μOhm/m
필라멘트(20, 20') 내에서 I = IC/15 = 20A일 때, 전압 강하는 250㎶/m 또는 2.5 ㎶/cm이다. 이는 산업 초전도체에서 임계 전류가 통상적으로 규정되는 전압 강하(1㎶/cm)의 범위 내에 속한다.
추가 손실은 전류의 제곱에 비례하여 증가한다. IC = 300A일 때, 추가 손실은 멀티필라멘트 도체(1)의 미터당 75mW이거나, 킬로암페어 미터당 250mW이다. 따라서 종래의 해결책에 비해 본 발명에 따른, HTS 선재를 포함하는 멀티필라멘트 도체(1)는 구리로 된 저항 도체에 비해 90%의 에너지 절약을 실현한다. 초전도 선재에서의 자화 손실(Ph)은 전술한 것처럼 작은 필라멘트 폭(df)에 의해 감소할 수 있다. 따라서 50/60Hz에서의 교류 애플리케이션들은 초전도 케이블, 초전도 변압기, 초전도체를 구비한 전기 기계들에서, 그리고 본 발명에 따른 멀티필라멘트 도체(1)를 구비한 다른 애플리케이션들에서 경제적으로 구현될 수 있다.
이에 추가로, 종래의 구리 도체이 비해 전류 밀도가 1 내지 2차수 더 높을 수 있다는 장점도 제공된다.
도 6a 내지 6c에는 도 5에 도시된 멀티필라멘트 도체(1)에 하나 이상의 중간층(29)을 통한 제1 캐리어(16)와 제2 캐리어(17)의 다양한 연결부(18)가 구비된 모습이 단면도로 도시되어 있다. 필라멘트들(20, 20')은 전술한, 버퍼층(4), 초전도 층(3) 및 안정화 층(5)으로 형성된 층 스택의 필라멘트들(20, 20')과 동일하게 구성된다. 인접한 필라멘트들(20, 20') 사이에 각각 트렌치(6)가 형성된다. 기판(2)의 전면(9) 및 후면(10)상의 필라멘트들(20, 20')은 에지부(19)를 통해 안정화 층(5)에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
도 6a에서는 제1 캐리어(16)와 제2 캐리어(17)가 각각 자신의 후면을 통해 면에 걸쳐서 서로 전기적으로 절연되도록 연결된다. 상기 연결은 예컨대 후면들 상호간의 접착에 의해 이루어질 수 있다. 캐리어들(16, 17) 사이에는 추가로 열절연 층이 배치될 수 있다.
도 6b에서는 기판 재료(2)로부터 튜브(24)가 압축 성형됨으로써 캐리어들(16, 17) 형성된다. 튜브의 내부에는 냉각에도 이용될 수 있는 얇은 절연 공극이 형성되어 유지될 수 있다. 그럼으로써 상기 공극을 통해 액체 질소가 안내되어 내부에서 멀티필라멘트 도체(1)를 추가로 냉각할 수 있다.
도 6c에서는 하나의 캐리어(16, 17)의 폭의 두배와 동일한 폭을 가진 광폭 캐리어가 접혀서 제1 및 제2 캐리어(16, 17)가 형성되며, 이때 접음선은 광폭 캐리어의 중앙에서 상기 광폭 캐리어의 종축을 따라 연장된다. 상기 접음선은 기판(2)의 에지(19)를 형성하며, 그 반대편에 놓인 기판(2) 에지(19)를 따라 용접 시임 또는 접착 시임(25)이 제1 및 제2 캐리어(16, 17)를 기계적으로 안정적이도록 서로 연결할 수 있다. 안정화 층(5)의 증착 및 트렌치들(6)의 형성 시, 상기 에지들(19)을 통해 각각 제1 및 제2 캐리어(16, 17)의 필라멘트들(20)이 연결되는데, 이때 에지(19)에도 트렌치들(6)이 형성될 경우 상기 에지(19)에서 캐리어(16 또는 17)의 인접한 필라멘트들(20)은 각각 서로 전기적으로 분리된다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 실시예들이 도 4의 실시예와 조합될 경우, 브리지들(23)을 통해 캐리어(16 또는 17)상의 필라멘트들(20)의 전기적 연결이 구현된다.

Claims (15)

  1. 하나의 리본형 기판(2) 및 하나 이상의 초전도 층(3)을 포함하는 멀티필라멘트 도체(1)이며,
    하나 이상의 초전도 층(3)은 리본형 기판(2)의 하나 이상의 표면상에 형성되어 필라멘트들(20, 20')로 분할되며, 리본형 기판(2)의 종방향이 리본형 기판(2)의 제1 방향(21)이고, 하나 이상의 필라멘트(20, 20')의 종방향이 하나 이상의 필라멘트(20, 20')의 제2 방향(22)이고,
    리본형 기판(2)의 제1 방향(21)과 하나 이상의 필라멘트(20, 20')의 제2 방향(22) 사이의 각도가 영(0)보다 크고,
    리본형 기판(2)의 제1 방향(21)과 하나 이상의 필라멘트(20, 20')의 제2 방향(22) 사이의 각도는 1도 내지 5도인 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 필라멘트(20, 20')는 전체적으로 제2 방향(22)을 따라, 제1 방향(21)에 대해 평행한 종방향 성분 없이 형성되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 리본형 기판(2)은 전면(9)에 제1 표면을 가지고, 그 반대편에 놓인 후면(10)에 제2 표면을 가지며, 제1 표면과 제2 표면 모두에 복수의 필라멘트(20, 20')가 형성되며, 제1 표면의 필라멘트들(20)은 제2 표면의 필라멘트들(20')의 세로 방향에 평행한 제3의 방향(26)과 같지 않은 제2 방향(22)을 갖는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  4. 제3항에 있어서, 전면(9)의 하나 이상의 필라멘트(20)가, 리본형 기판(2)의 하나 또는 2개의 측면 상에 놓인 하나 이상의 제3 표면상에 형성된 하나 이상의 층(19)을 통해, 후면(10)의 하나 이상의 필라멘트(20')와 전기 전도성으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 일 표면상에 놓인 2개 이상의 인접한 필라멘트(20, 20') 사이에 하나 이상의 전기 브리지(23)가 형성되며, 상기 브리지에 의해 2개 이상의 인접한 필라멘트(20, 20')의 전기적 연결이 형성되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  6. 제5항에 있어서, 하나 이상의 전기 브리지(23)는 상기 하나의 표면상에서 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 멀티필라멘트 도체(1)는 리본형 캐리어 재료(16, 17)로 구성된 층 스택, 하나 이상의 버퍼층(4), 하나 이상의 초전도 층(3), 또는 하나 이상의 안정화 층(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  8. 제7항에 있어서, 캐리어 재료(16, 17)는 금속으로 구성되며, 또는 하나 이상의 버퍼층(4)은 Al(11), 산화이트륨(12), IBAD MgO(13), 호모 에피 MgO(14), LMO(15) 그룹 중에서 하나 이상의 물질을 포함하거나, 상기 물질들의 조합들 또는 상기 물질들로 구성된 층 스택을 포함하며, 또는 하나 이상의 초전도 층(3)은 YBCO로 구성되며, 또는 하나 이상의 브리지(23)는 YBCO로 구성되며, 또는 하나 이상의 안정화 층(5)은 구리 또는 은으로 구성되거나 하나 이상의 구리층(5b) 또는 하나 이상의 은 층(5a)을 갖는 층 스택을 포함하며, 또는 하나 이상의 브리지(23)는 하나 이상의 안정화 층(5)의 재료로 구성되거나 상기 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  9. 제7항에 있어서, 캐리어 재료(16, 17)는 50 내지 100㎛ 범위의 두께와 10mm 범위의 폭을 가지며, 또는 하나 이상의 버퍼층(4)은 100nm 범위의 두께를 가지며, 또는 하나 이상의 초전도 층(3)은 1㎛ 범위의 두께를 가지며, 또는 하나 이상의 필라멘트(20, 20')는 0.5mm 범위의 폭을 가지며, 또는 하나 이상의 안정화 층(5)은 3㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 필라멘트들(20, 20')은 교차되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 따른 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법에 있어서,
    2개의 리본형 캐리어 재료(16, 17)의 상호 대향하여 놓인 측면들을 서로 기계적으로 연결시키며, 이때 기계적 연결부(18)의 측면의 반대편에 놓인, 리본형 캐리어 재료(16, 17)의 각각의 측면에 하나 이상의 초전도 층(3)을 적층하며, 상기 초전도 층(3) 위에 안정화 층(5)을 적층하며, 이때 제1 리본형 캐리어 재료(16)의 안정화 층(5)과 제2 리본형 캐리어 재료(17)의 안정화 층(5')이 상기 두 리본형 캐리어 재료(16, 17)의 에지들(19)에서 중첩되도록 형성됨으로써 상기 에지들(19)을 통해 안정화 층들(5, 5')의 전기적 연결이 이루어지며, 상기 초전도 층들(3)과 안정화 층들(5, 5')이 필라멘트들(20, 20')로 분할되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 층들의 적층은 기상 금속 화합물들의 전기분해, 납땜, 진공 증착, 스퍼터링 또는 열분해를 통해 수행되며, 또는 초전도 층들(3)과 안정화 층들(5, 5')의 필라멘트(20, 20')로의 분할은 하나의 층을 각각 관통하는 트렌치(6)의 레이저 절삭 또는 에칭을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 트렌치들(6)은 리본형 기판(2) 상의 필라멘트들(20, 20') 사이에서 하나 이상의 필라멘트(20, 20')의 제2 방향(22)을 따라서 형성되며, 2개의 리본형 캐리어 재료(16, 17) 상의 필라멘트들(20, 20')은 에지들(19)을 통해, 나선형 전류 경로가 형성되도록 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 층들의 적층은 기상 금속 화합물들의 프린팅, 접착, 전기분해, 납땜, 진공 증착, 스퍼터링 또는 열분해를 통해 수행되며, 이때 바로 필라멘트 구조물(20, 20')이 형성되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서, 2개의 리본형 캐리어 재료(16, 17)는 내열성 절연 중간층(29) 또는 공극에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는, 멀티필라멘트 도체(1)의 제조 방법.
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