KR102400643B1 - 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법 - Google Patents

양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법에 있어서, 초전도 소재로 이루어진 초전도층을 포함하며, 동일한 길이방향을 따라 적층되는 복수의 초전도선재와; 복수의 상기 초전도선재의 외주면을 둘러싸며, 상기 외주면의 외표면을 따라 양극산화처리된 산화알루미늄 양극산화피막이 외표면에 형성된 안정화재를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 초전도선재를 적층하여 전류량을 증가시키며, 표면을 양극산화처리하여 절연특성 및 열전달특성이 우수하며, 기계적 강도가 크게 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다층 초전도 박막선재를 초전도 응용기기에 적용하여 시스템의 컴팩트화, 고성능화 및 고효율화가 가능할 뿐만 아니라 시스템 냉각기의 크기가 줄어들어 경제성이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법 {Multilayer superconducting thin film and its manufacturing method including an anodized surface}
본 발명은 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 초전도선재를 적층하여 전류의 용량을 증가시킬 수 있으며, 적층된 초전도선재를 알루미늄 또는 알루미늄합금 용융도금욕에 침적하여 안정화재를 형성하고, 이를 양극산화처리하여 절연특성과 고열전달특성을 동시에 겸비하고, 임계전류를 증가시킨 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
RE(희토류 원소: 이트륨(Y), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 홀뮴(Ho)..)-Ba-Cu-O계 초전도 박막선재는 일반적으로 니켈합금이나 스테인레스강 등과 같은 금속기판의 상부에 복수의 완충층을 코팅하고, 완충층 상부에 초전도층, 초전도층 상부에 보호층을 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 제조한다. 금속기판, 완충층 및 초전도층이 순차적으로 적층된 초전도선재 중 외부로 노출된 초전도층에는 필요에 따라서 은(Ag)을 추가로 코팅한다. 이를 코티드 컨덕터(Coated conductor)라고 한다.
초전도 코티드 컨덕터를 코일이나 케이블 등과 같은 응용기기로 제작하기 위해 사용할 경우, 일반적으로 그 두께가 약 0.1mm 정도로 얇게 생산되기 때문에 적당한 인장력을 갖도록 하지 않으면, 권선 작업시에 초전도 코티드 컨덕터가 꺾이거나 절단되는 등과 같은 파손이 발생하게 된다. 또한 마그네트의 운전 시에 전자기력에 의하여 코티드 컨덕터에 다양한 형태의 응력이 걸리고, 이러한 응력에 의하여 초전도 특성의 저하가 일어날 수 있다.
이와 같이 초전도 코티드 컨덕터의 인장력을 증가시키기 위해, 종래에는 단독으로 선재를 사용할 때보다 전체 단면적을 증가시켜 인장력이 증가되도록 복수의 초전도 선재를 적층시키는 기술을 사용하고 있다. 이러한 종래기술로는 '대한민국특허청 등록특허 제10-1062808호 고온 초전도체 와이어를 위한 아키텍쳐'와 같이 복수의 초전도 박막선재 및 금속 안정화재를 적층하여 초전도 박막선재의 단면적을 증가시키거나, 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-0755899호 박막형 초전도 선재의 집합방법 및 집합화된 초전도 선재'와 같이 복수의 초전도 박막선재를 적층시키고 이를 솔더링하여 단면적을 증가시켜 최종적으로 선재의 인장력을 증가시키는 기술이 알려져 있다.
핵융합, 입자가속기, 에너지저장장치, 고자장 초전도마그네트 등의 대형 초전도 코일 등에 초전도 박막선재를 사용하는 경우, 전류 용량을 가능한 높일 필요가 있으며, 이 경우 박막선재에서 초전도층의 임계전류를 높이는 것이 요구된다. 초전도 박막선재의 임계전류는 초전도층의 임계전류밀도를 높임으로써 달성되며, 임계전류밀도 향상이 어려운 경우 초전도층의 막 두께를 두껍게 성장시키는 후막화 기술이 필요하게 된다. 초전도 박막선재의 임계전류밀도를 증가시키는 것을 공정의 최적화로 달성할 수 있으나, 한계성이 있으며 두께가 두꺼워질수록 c축으로 성장하는 초전도층 결정 성장이 무너지면서 초전도층 후막화 역시 전류용량을 증가시키는 효율적인 방법이 될 수 없다.
전류용량을 높이기 위한 방법으로 종래의 발명과 같이 초전도 박막선재 두 개를 솔더부재로 접합하여 적층하는 방식이 사용되고 있다. 이와 같이 금속기판이 서로 가깝게 대향되도록 접합하여 초전도층 사이의 전류 전달 과정에 있어 제한적이기는 하지만 저항이 발생할 수 있다. 기존의 발명에서는 금속 안정화층과 금속 보강층이 기능적 구분 없이 2개 또는 3개로 이루어진다.
또한, 상기와 같이 제조된 초전도 다층 선재를 전력기기 등에 적용할 경우, 선재간 절연을 위해 수십 마이크로미터 두께의 Kapton 필름을 선간에 삽입하여 선재간 절연을 유지시켜 준다. 이를 경우, 초전도 선재의 코일의 부피가 Kapton필름으로 인하여 매우 커지게 되어, 그에 따라 전력기기의 시스템 역시 커지게 되는 부담이 있다. 시스템의 부피 증가는 특히 냉각기기에 비대화와 냉각효율 감소, 냉각비용의 증가 등을 초래하여, 경제성에 나쁜 영향을 미치게 된다.
그리고 더욱 치명적인 문제는 초전도 선재의 Quenching시, Kapton 필름의 절연성 때문에 선재에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않아, 선재가 번아웃(Burn Out)되는 것을 피할 수 없다. 이런 사고의 발생 가능성은 항상 상존하기 때문에, 초전도 박막선재의 전력기기으로의 응용을 제한하는 치명적인 장애요인이라고 할 수 있다.
따라서, 이를 극복할 수 있는 신개념의 다층 초전도 박막 선재의 개발이 절실히 요구되고 있다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1062808호 대한민국특허청 등록특허 제10-0755899호
따라서 본 발명의 목적은 취약한 박막선재 자체의 기계적인 특성을 증가시키고, 초전도선재를 다층으로 적층하여 전류량을 증가시킬 수 있는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 표면을 양극산화처리하여 다층 초전도선재 표면에 전기적으로 우수한 절연특성을 가지게 할 뿐만 아니라, 동시에 우수한 열전달특성을 겸비할 수 있는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 초전도 합금성분으로 이루어진 초전도층을 포함하며, 동일한 길이방향을 따라 적층되는 복수의 초전도선재와; 복수의 상기 초전도선재의 외주면을 둘러싸며, 상기 외주면의 외표면을 따라 양극산화처리된 산화알루미늄 양극산화피막이 외표면에 형성된 안정화재를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재에 의해 달성된다.
여기서, 복수의 상기 초전도선재는 길이방향을 따라 서로 평행하게 이격되도록 배치되며, 복수의 상기 초전도선재의 사이에 상기 안정화재와 동일한 소재의 내부안정화재가 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 안정화재는, 복수의 상기 초전도선재를 둘러싸며 도전성 금속으로 형성되는 제1안정화층과; 상기 제1안정화층의 외주면을 둘러싸며, 외표면에 상기 양극산화피막이 형성된 제2안정화층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 초전도 소재로 이루어진 초전도층을 포함하는 복수의 초전도선재 표면에 안정화재를 400 내지 600℃의 도금욕에서 도금하는 단계와; 상기 안정화재를 양극산화하여 상기 안정화재의 외표면에 산화알루미늄 양극산화피막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 안정화재를 도금하는 단계 이후에, 상기 도금욕 내에서 도금된 복수의 상기 초전도선재를 공간을 두고 동일한 길이방향으로 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 안정화재를 도금하는 단계 이전에, 복수의 상기 초전도선재를 적층결합하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 복수의 상기 초전도선재 사이에 내부안정화재를 배치하여 초전도선재-내부안정화재-초전도선재와 같은 형태로 적층결합하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 초전도선재를 적층하여 전류량을 증가시키며, 표면을 양극산화처리하여 절연특성 및 열전달특성이 우수하며, 기계적 강도가 크게 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 다층 초전도 박막선재를 초전도 응용기기에 적용하여 시스템의 컴팩트화, 고성능화 및 고효율화가 가능할 뿐만 아니라 시스템 냉각기의 크기가 줄어들어 경제성이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다층 초전도 박막선재의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 다층 초전도 박막선재의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 다층 초전도 박막선재의 단면도이고,
돗 4는 다층 초전도 박막선재 제조방법의 순서도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다층 초전도 박막선재를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 다층 초전도 박막선재(100)는 금속기판(111)-완충층(113)-초전도층(115)-보호층(117)이 순차적으로 적층된 복수의 초전도선재(110)를 포함하며, 초전도선재(110) 외부에는 안정화재(130)가 형성된다.
금속기판(111)은 내산화성을 지닌 니켈합금 또는 스테인레스강으로 이루어지며, 금속기판(111)의 상부에 형성된 산화물 완충층(113)은 금속기판(111)과 초전도층(115) 사이에 형성되어 외부에 다양한 자극을 완충시키는 역할을 한다. 구체적으로 초전도 박막선재(100) 제조시 초전도층(115)은 고온에서 형성되는데 이때 금속기판(111)의 금속물질이 초전도층(115)에 확산되어 초전도층(115)이 오염되는 것을 방지하며, 초전도층(115)의 초전도특성을 향상시키는 역할을 한다.
완충층(113) 상부에 형성된 초전도층(115)은 완충층(113)에 물리적 또는 화학적인 방법으로 코팅하여 형성된다. 초전도층(115)은 고온초전도 특성을 가지는 희토류계 원소로 제조되며, 바람직한 초전도층(115)의 재료는 희토류원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O) 계이다.
금속기판(111), 완충층(113) 및 초전도층(115)이 순차적으로 적층된 초전도선재(110)의 최상층에는 은(Ag)으로 형성된 보호층(117)이 적층된다. 보호층(117)은 초전도선재(110)에 얇게 코팅되며, 외부로부터 초전도선재(110)를 보호하는 역할을 한다.
초전도 박막선재(100)를 임계온도 이하의 온도에서 사용할 때 내적 혹은 외적 교란에 의해 초전도상태가 국부적으로 파괴될 경우 초전도 박막선재(100)의 저항이 급격하게 증가하고, 초전도 박막선재(100)의 소손현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 초전도상태가 국부적으로 파괴될 경우 초전도 박막선재(100)를 통과하는 잉여전류를 신속하게 바이패스(Bypass)시키기 위해 금속 안정화재(130)가 형성된다.
안정화재(130)는 바이패스 뿐만 아니라 초전도층(115)의 안정화와 초전도 박막선재(100)의 기계적인 보강을 위해 형성된다. 본 발명의 경우 복수의 초전도선재(110)가 적층되어 있기 때문에 초전도 박막선재(100)가 폭 방향으로 힘을 받게 되는 경우 산화물 초전도층(115)이 손상되기 쉬우며 선재들끼리 결합이 분해될 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 안정화재(130)는 종래의 안정화재보다 두꺼워야 한다.
뿐만 아니라 이와 같은 초전도 박막선재(100)를 코일에 적용할 경우 내부는 전기전도도가 높아야 하고, 외표면은 권선되는 초전도 박막선재(100) 간에 절연특성이 뛰어나야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1실시예에 따른 초전도 박막선재(100)의 경우 복수의 초전도선재(110)가 서로 접촉되도록 길이방향을 따라 적층결합된다. 여기에 가격에 비해 전기전도도와 열전도도가 뛰어난 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금 등과 같은 소재를 이용하여 초전도선재(110)의 길이방향을 따라 외주면을 둘러싸도록 제1안정화층(131)을 형성한다. 여기서 제1안정화층(131)은 초전도 박막선재(100)의 기계적 강도를 증가시키며 전류의 바이패스가 용이하도록 50 내지 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1안정화층(131)이 50㎛ 미만일 경우 초전도 박막선재(100)의 기계적 강도 상승을 기대하기 어려워 초전도선재(110) 간 분리가 일어날 우려가 있으며, 100㎛를 초과할 경우 제1안정화층(131) 자체의 두께가 너무 두꺼워 다양한 산업에 적용하기 용이하지 않다.
제1안정화층(131) 외주면에는 양극산화된 제2안정화층(133)이 형성된다. 제2안정화층(133)은 양극산화가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄합금을 도포한 후 이를 양극산화시켜 제조된다. 알루미늄 또는 알루미늄합금을 양극산화하게 되면 표면에 산화 알루미늄으로 이루어진 양극산화피막(135)이 형성되는데, 이러한 양극산화피막(135)은 알루미늄에 비해 기계적 강도가 증가한다. 또한 양극산화피막(135)은 우수한 열전달특성을 보유하고 있다. 때문에 이를 포함한 초전도 박막선재(100)를 코일로 권선할 경우 권선된 초전도 박막선재(100) 간에 열전달이 우수하기 때문에 대용량의 냉각기를 사용하지 않아도 초전도 박막선재(100)의 냉각이 용이해진다. 뿐만 아니라 기계적 강도가 우수해 초전도선재(110) 간 분리가 일어나는 것을 방지하며 외부의 자극으로부터 손상을 방지하는 역할을 한다.
이와 같이 양극산화된 양극산화피막(135)을 형성하기 위해 제2안정화층(133)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 30 내지 70㎛의 두께로 제1안정화층(131)에 도포되는 것이 바람직하다. 두께가 30㎛ 미만일 경우 충분한 두께의 양극산화피막(135)이 형성되지 않으며, 70㎛를 초과할 경우 초전도 박막선재(100)의 두께가 증가하여 산업상 이용이 어려워진다.
여기서 알루미늄합금은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 망간(Mn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것과 알루미늄이 혼합된 합금을 말한다.
도 2는 제2실시예에 따른 초전도 박막선재(200)로, 제1실시예와 같이 초전도선재(210)는 동일하나 이들 외주면을 둘러싸는 안정화재(230)의 형상에 있어서 차이가 있다.
제1실시예와 달리 제2실시예의 안정화재(230)는 두 층으로 형성하지 않고 한 번의 공정을 통해 형성된다. 또한 복수의 초전도선재(210)가 서로 접촉하지 않고 길이방향을 따라 서로 평행하게 이격되도록 배치된다. 안정화재(230)는 알루미늄 또는 알루미늄합금을 통해 형성되며, 양극산화피막(231)을 형성하기 위해 제1실시예의 제1안정화층(131)의 두께보다 40 내지 50% 두꺼운 두께로 이루어진다. 이러한 부분을 고려하여 안정화재(230)의 두께는 90 내지 150㎛의 알루미늄층을 갖는 것이 바람직하다. 90㎛ 미만일 경우 양극산화피막(231)을 형성하면 전류가 바이패스되는 영역이 충분하지 못할 뿐만 아니라 복수의 초전도선재(210) 간에 서로 분리될 우려가 있으며, 150㎛를 초과할 경우 초전도 박막선재(200)의 두께가 너무 두꺼워지는 단점이 있다.
도 3에 도시된 제3실시예의 경우 복수의 초전도선재(310)가 이격되어야 할 경우 초전도 박막선재(300)의 공정을 용이하도록 하기 위해 초전도선재(310) 사이에 내부안정화재(331)를 더 포함할 수 있다. 내부안정화재(331)를 더 포함할 경우 초전도선재(310)-내부안정화재(331)-초전도선재(310)를 순차적으로 적층한 상태로 외부에 안정화재(330)를 도금하여 초전도선재(310)가 용이하게 이격되도록 제조할 수 있다.
여기서 내부안정화재(331)는 전도성 금속이면 어느 것이든 가능하나, 안정화재(330)와 동일한 소재로 제조되는 것이 가장 바람직하다. 내부안정화재(331)가 안정화재(330)와 동일한 소재로 이루어질 경우 안정화재(330) 도금 과정에서 반용융상태가 되면서 내부안정화재(331)와 안정화재(330)가 서로 결합된다. 이와 같은 상태에서 안정화재(330)의 외표면에는 양극산화피막(333)이 형성된다.
이와 같이 제1안정화층(131) 또는 안정화재(130, 230, 330)의 두께는 다음과 같은 초전도 박막선재(100,200, 300) 제조방법에 의해 조절된다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1안정화층(131) 또는 초전도선재(210, 310)의 표면을 산세(Pickling)처리한다. 산세처리는 도금 전에 도금액이 표면에 용이하게 부착되도록 하는 목적으로 미리 염산, 황산 또는 인산으로 표면을 세정하는 것을 의미한다. 이와 같이 산세처리를 할 경우 제1안정화층(131) 또는 초전도선재(210, 310) 표면의 작은 조각, 녹, 혼재물 등과 같은 오염물이 세척된다.
산세처리된 제1안정화층(131) 또는 복수의 초전도선재(210, 310)를 플럭스처리한다. 플럭스처리는 표면의 산화막을 제거하고, 도금 작업 중 가열하는 동안 금속의 재산화를 방지한다. 또한, 용융된 도금액은 일반적으로 큰 표면장력을 가지고 있는데 플럭스처리할 경우 도금액의 표면장력으로 저하시킴으로써 표면에 퍼짐성 또는 젖음성을 증가시키는 역할을 한다.
산세처리 및 플럭스처리에 의해 제1안정화층(131) 또는 초전도선재(210, 310)의 표면에는 용액이 묻어있게 되는 데 용액이 있는 상태로 도금을 할 경우 도금이 제대로 이루어지지 않기 때문에 건조를 통해 용액을 모두 제거한다.
그 후 제1안정화층(131) 또는 초전도선재(210, 310)를 알루미늄 또는 알루미늄합금이 용융되어 있는 도금욕에 장입한다. 이때 제1안정화층(131) 또는 복수의 초전도선재(210, 310) 표면 각각에 도금재가 도금된다. 경우에 따라서 도 1과 같이 복수의 초전도선재(110)를 미리 적층결합한 다음에 제1안정화층(131)을 형성하고, 이를 도금욕에 초전도선재(110)를 장입시킬 수 있으며, 또한 도 3과 같이 초전도선재(310) 사이에 내부안정화재(331)가 형성되도록 미리 초전도선재(310)-내부안정화재(331)-초전도선재(310)를 적층결합한 상태로 도금욕에 장입하여 최외곽에만 도금되도록 할 수도 있다.
여기서 도금욕의 온도는 매우 중요한 기술인자로, 도금욕의 온도가 제1 및 제2초전도선재에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 도금욕의 온도는 400 내지 600℃가 바람직하다.
도금욕의 온도가 600℃를 초과할 경우 초전도층으로부터 산소의 출입이 발생하기 때문에 초전도층에 산소 결핍을 방지하기 위해서 도금욕의 온도는 600℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 보호층인 은(Ag)의 두께가 5㎛정도로 매우 얇기 때문에, 가능한 알루미늄과의 반응을 최소화하여 Ag-Al 반응층의 두께를 최소화시킬 필요가 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해서 도금욕의 온도는 600℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한 도금욕의 온도가 400℃ 미만일 경우 도금욕이 냉각되어 도금욕 내에 도금재가 반응고 상태가 되기 때문에 도금처리를 할 수 없다.
종래의 도금욕은 도금이 원활하게 이루어지며 도금액이 굳지 않도록 매우 고온에서 이루어졌다. 하지만 이와 같이 할 경우 초전도선재가 고온에 의해 변형되거나 손상되는 문제가 발생하였다. 따라서 본 발명은 도금욕의 온도를 400 내지 600℃로 하여 제1안정화층(131)이 존재하지 않는 초전도선재(210, 310)의 손상을 방지하면서 도금액이 굳지 않도록 설계하였다.
이와 같이 도금욕의 온도가 종래와 같이 높지 않고 400 내지 600℃가 가능하도록 합금화에 의한 융점(Melting point) 강하, 반용융(Semi-solid) 상태의 도금재 이용, 선속(Line speed)의 최적화 등과 같은 방법을 이용할 수 있다. 즉, 알루미늄에 다수의 합금원소를 첨가하여 융점 강하를 달성함과 동시에 Al-Ag 반응을 최소화하기 위해 도금욕을 반용융화 상태로 유지한다. 이때 사용되는 첨가원소는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 망간(Mn) 등이다. 선속의 경우 1분간 500 내지 1500g/m2의 부착량이 적당하며, 이러한 부착량을 통해 10 내지 150㎛ 두께의 도금층을 얻을 수 있다.
다음은 제1실시예의 초전도 박막선재(100)를 제조하기 위한 용융 도금처리에 관한 것이다. 이 초전도 박막선재(100)에서는 제1안정화층(131)이 처리되어있기 때문에 도금층의 두께를 제2실시예와 같이 두껍게 할 필요가 없다. 양극산화처리를 위한 두께만 확보되면 되기 때문에 30 내지 70㎛면 충분하다. 그리고 제1안정화층(131)에 의해 Al-Ag 반응을 일으킬 염려가 없어 열적으로 훨씬 안정되며, 도금욕의 온도에 크게 민감하지 않다. 즉 500 내지 600℃의 온도에서 가능하며 도금재는 알루미늄 또는 다른 모든 알루미늄합금의 적용이 가능하다. 표 1은 가장 높은 도금욕 온도가 필요한 알루미늄을 사용하여 시험한 결과를 정리한 것이다.
알루미늄을 다양한 조건에서 용융도금처리한 초전도 박막선재의 도금특성
번호 합금성분 용융도금욕 온도(℃) 분당부착량
(g/m2)		 도금층두께
(㎛)		 도금상태
1 Al 650 600 30~38 양호
2 Al 600 750 40~47 양호
3 Al 550 800 50~60 양호
4 Al 500 850 60~70 양호
표 1에서 얻어진 시험편 중 3번을 선택하여 양극산화처리 조건에서 시험한 결과를 표 2에 정리하였다. 양극산화처리는 초전도 박막선재(100)를 양극으로 하고, 납(Pb)을 음극으로 하여 전해액 하에서 전기를 인가하여 제2안정화층(133)을 산화시킨다.
여기서 전해액은 20wt%의 황산액을 주로 사용하나, 이 이외에도 일반적으로 사용되는 모든 전해액을 적용할 수 있다.
양극산화처리 조건에 따른 산화알루미늄 피막두께 및 상태
번호 전류(A) 시간(min) 피막두께(㎛) 피막 상태
3 0.5 20 5.2 양호
3 0.5 25 5.3 양호
3 0.5 30 6.9 양호
3 1 20 6.5 양호
3 1 25 7.8 양호
3 1 30 10.8 양호
3 1.5 20 10.4 양호
3 1.5 25 15.8 양호
3 1.5 30 22.8 양호
3 2 20 14.5 양호
3 2 25 20.8 양호
3 2 30 28.9 양호
3 3 20 25.8 양호
3 3 25 35.8 양호
3 3 30 41.5 양호
표 2에서 알 수 있듯이, 전류와 시간에 따라 다양한 피막두께를 얻을 수 있으며, 피막의 상태는 모두 양호하였다. 다른 조건의 시험편에서도 이와 동일한 결과가 얻어질 것으로 판단된다.
표 3 및 4에서는 제2실시예의 초전도 박막선재(200) 형태로 제조하는 것으로, 알루미늄합금을 이용하여 시험을 수행하였다. 알루미늄합금의 경우 첨가원소에 따라 용융 온도가 상이하고 밀착성이 다르기 때문에 많은 실험의 통해 최적의 합금계를 찾아야 한다. 만약 선재에 높은 기계적 강도를 부여하고자 하면 석출경화형 합금을 도금한 후 시효경화 처리함으로써 도금층의 강도 수준을 크게 향상시킬 수 있다.
표 1은 상기의 조건으로 제조한 초전도 박막선재(200)의 제조조건과 특성을 정리한 것으로, 이때 사용한 초전도 박막선재의 선폭은 12mm, 두께는 약 0.1mm이다.
알루미늄합금 성분에 따라 다양한 제조조건에서 용융도금처리한 초전도 박막선재의 도금특성
번호 합금성분 용융도금욕 온도(℃) 분당부착량
(g/m2)		 도금층두께
(㎛)		 도금상태
5 Al-Mn 600 1,200 110~120 양호
6 Al-Mn 550 1,300 120~135 양호
7 Al-Mn 500 1,500 135~150 양호
8 Al-Si 500 1,200 115~130 양호
9 Al-Si 450 1,300 130~145 양호
10 Al-Si 400 1,500 145~150 양호
11 Al-Mg 550 1,200 100~120 양호
12 Al-Mg 500 1,300 120~135 양호
13 Al-Mg 450 1,500 135~155 양호
14 Al-Cu-Mg 550 1,200 95~110 양호
15 Al-Cu-Mg 500 1,300 110~120 양호
16 Al-Cu-Mg 450 1,500 120~135 양호
17 Al-Mg-Si 500 1,200 95~115 양호
18 Al-Mg-Si 450 1,300 115~125 양호
19 Al-Mg-Si 400 1,500 125~140 양호
20 Al-Zn-Mg 500 1,200 95~125 양호
21 Al-Zn-Mg 450 1,300 125~135 양호
22 Al-Zn-Mg 400 1,500 135~145 양호
23 Al-Si 550 1,200 100~120 양호
24 Al-Si 500 1,300 125~140 양호
25 Al-Si 450 1,500 140~150 양호
26 Al-Cu-Si 550 1,200 95~110 양호
27 Al-Cu-Si 500 1,300 110~125 양호
28 Al-Cu-Si 450 1,500 125~135 양호
29 Al-Cu-Mn 550 1,200 95~115 양호
30 Al-Cu-Mn 500 1,300 115~130 양호
31 Al-Cu-Mn 450 1,500 130~145 양호
32 Al-Mn-Si 600 1,200 90~110 양호
33 Al-Mn-Si 550 1,300 110~125 양호
34 Al-Mn-Si 500 1,500 125~135 양호
35 Al-Zn-Mg-Cu 500 1,200 90~100 양호
36 Al-Zn-Mg-Cu 450 1,300 100~115 양호
37 Al-Zn-Mg-Cu 400 1,500 115~130 양호
표 3에 결과로 알 수 있듯이, 합금 성분이 많을수록 융점이 낮아지는 경향을 보였고, 4원계 합금에서 가장 낮은 융점을 나타내었다. 또한, 도금욕의 온도가 낮은 반용융 상태에서도 초전도 박막선재(200)에 도금처리 하는데 아무런 문제도 발견되지 않았다. 합금성분과 제조조건에서 목표 도금층 두께를 얻을 수 있었으며, 도금층의 상태도 모두 제품으로 생산가능할 정도로 양호하였다.
표 1에서 제조된 19번 초전도 박막선재(200)를 선정하여 아래와 같은 양극산화 조건에 처리하여 양극산화피막(231) 두께와 피막 상태를 조사한 결과를 표 2에 정리하였다.
양극산화처리 조건에 따른 양극산화피막 두께 및 상태
샘플번호 전류(A) 시간(min) 피막두께(㎛) 피막상태
19 0.5 20 5.16 양호
19 0.5 25 5.16 양호
19 0.5 30 6.88 양호
19 1 20 6.45 양호
19 1 25 7.74 양호
19 1 30 10.75 양호
19 1.5 20 10.32 양호
19 1.5 25 15.48 양호
19 1.5 30 22.37 양호
19 2 20 14.19 양호
19 2 25 20.64 양호
19 2 30 28.39 양호
19 3 20 25.15 양호
19 3 25 35.2 양호
19 3 30 45.9 양호
19 4 20 50.16 양호
19 4 25 60.3 양호
19 4 30 69.78 양호
표 4에서 알 수 있듯이, 전류와 시간을 변수로 조정하면 양극산화피막(231) 두께를 자유로이 조절할 수 있으며, 피막상태 역시 양호하였다. 이는 다른 알루미늄합금에서도 동일한 결과가 얻어질 것으로 판단된다. 이와 같은 실험을 통해 양극산화시 전류는 0.5 내지 4A를 가하는 것이 바람직하며, 시간은 전류에 따라 변동될 수 있지만 1 내지 30분이 바람직하다. 전류가 0.5A 미만일 경우 원하는 두께의 양극산화피막(231)을 얻을 수 없으며, 전류가 4A를 초과할 경우 양극산화 속도가 빨라 두께를 조절하는데 용이하지 않다. 또한 양극산화 시간이 1분 미만일 경우 원하는 만큼의 양극산화피막(231) 두께를 얻을 수 없으며, 30분을 초과할 경우 공정시간이 길 뿐더러 양극산화피막(231)의 두께가 두꺼워져 산업상 이용이 용이하지 않다.
이와 같은 방법을 통해 제조되는 다층 초전도 박막선재는 초전도선재를 다층으로 적층하기 때문에 이에 의해 전류의 용량을 증가시킬 수 있다.
초전도 박막선재에 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어진 안정화재를 형성하고, 안정화재를 양극산화시켜 초전도 박막선재 간의 열전도도 및 기계적 강도를 증가 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 적층된 복수의 초전도 선재를 폭 방향의 힘에 대한 저항력이 증가되도록 초전도 선재 외주면을 따라 형성되는 안정화재의 두께를 조절가능한 효과를 얻을 수 있다.
100, 200, 300: 초전도 박막선재
110, 210, 310: 초전도선재
111: 금속기판
113: 완충층
115: 초전도층
117: 보호층
130, 230, 330: 안정화재
131: 제1안정화층
133: 제2안정화층
135, 231, 333: 양극산화피막
331: 내부안정화재

Claims (14)

  1. 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재에 있어서,
    초전도 소재로 이루어진 초전도층을 포함하며, 동일한 길이방향을 따라 적층되는 복수의 초전도선재와;
    상기 복수의 초전도선재의 외주면을 둘러싸며, 상기 외주면의 외표면을 따라 양극산화처리된 산화알루미늄 양극산화피막이 외표면에 형성된 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 형성된 안정화재;를 포함하고,
    상기 복수의 초전도선재는 길이방향을 따라 서로 평행하게 이격되도록 배치되며,
    상기 복수의 초전도선재 사이에 상기 안정화재와 동일한 소재의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 내부안정화재가 배치되고,
    상기 안정화재는, 상기 복수의 초전도선재를 둘러싸며 도전성 금속으로 형성되는 제1안정화층과 상기 제1안정화층의 외주면을 둘러싸며, 외표면에 상기 양극산화피막이 형성된 제2안정화층을 포함하되,
    상기 제1안정화층 또는 초전도선재의 표면에 산세처리 뒤 플럭스처리 하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1안정화층은 50 내지 100㎛의 두께로 이루어지며,
    상기 제2안정화층은 30 내지 70㎛의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 안정화재는,
    90 내지 150㎛의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재.
  8. 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법에 있어서,
    초전도 소재로 이루어진 초전도층을 포함하는 복수의 초전도선재 사이에 내부안정화재를 배치하여 초전도선재-내부안정화재-초전도선재와 같은 형태로 적층결합하는 단계와;
    상기 복수의 초전도선재 표면에 안정화재를 400 내지 600℃의 도금욕에서 도금하는 단계와;
    상기 안정화재를 양극산화하여 상기 안정화재의 외표면에 산화알루미늄 양극산화피막을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 안정화재는 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 형성되고,
    상기 복수의 초전도선재는 길이방향을 따라 서로 평행하게 이격되도록 배치되며,
    상기 복수의 초전도선재 사이에 상기 안정화재와 동일한 소재의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 내부안정화재가 배치되며,
    상기 안정화재는, 상기 복수의 초전도선재를 둘러싸며 도전성 금속으로 형성되는 제1안정화층과 상기 제1안정화층의 외주면을 둘러싸며, 외표면에 상기 양극산화피막이 형성된 제2안정화층을 포함하되,
    상기 도금하는 단계이전에 제1안정화층 또는 초전도선재의 표면에 산세처리 뒤 플럭스처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8항에있어서,
    상기 양극산화피막을 형성하는 단계는,
    0.5 내지 4A의 전류를 가하여 상기 양극산화피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법.
  13. 제 8항에있어서,
    상기 양극산화피막을 형성하는 단계는,
    1 내지 30분 동안 전류를 가하여 상기 양극산화피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 도금욕에는 알루미늄 또는 알루미늄합금이 용융된 도금액이 저장된 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 다층 초전도 박막선재 제조방법.
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