KR20080064799A

KR20080064799A - 고온 초전도 와이어 및 코일

Info

Publication number: KR20080064799A
Application number: KR1020087005094A
Authority: KR
Inventors: 토마스 코덴칸다트; 웨이 쯔항; 이빙 후앙; 지아오핑 리; 에드워드 제이. 시갈; 마틴 더블유. 루피치
Original assignee: 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-07-09
Also published as: RU2414769C2; WO2008036073A2; KR101441139B1; EP1925040A4; AU2006346993B2; EP1925040A2; EP1925040B1; WO2008036073A3; RU2008107766A; AU2006346993A1; CN101512829B; AU2006346993A8; CN101512829A; CA2622384C; JP2009507358A; AU2006346993B8; CA2622384A1; US7781376B2; ES2553261T3; US20070111893A1

Abstract

본 발명은, 적층 관계로 하나 이상의 기판 위에 배치된 적어도 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층을 포함하는 초전도 와이어로서, 여기서 상기 제1 초전도체 층은 제1 조성물의 고온 초전도 산화물을 포함하고, 제2 초전도체 층은 제2 조성물의 고온 초전도체 층을 포함하며, 제1 조성물 및 제2 조성물은 상이한 것인 초전도 와이어를 제공한다. 제1 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 수직인 자기장(H//c)의 존재하에 증대된 임계 전류(Ic(c))를 제공하도록 선택된 고온 초전도체 조성물을 임의로 포함한다. 제2 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 평행한 자기장(H//ab)의 존재하에 증대된 임계 전류(Ic)를 제공하도록 선택된 고온 초전도체 조성물을 임의로 포함한다.

Description

고온 초전도 와이어 및 코일{HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING WIRES AND COILS}

관련출원

본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 "고온 초전도 와이어 및 코일(High Temperature Superconducting Wires and Coils)"이라는 발명의 명칭으로 2005년 7월 29일 출원된 미국 가특허출원 제60/703,815호의 이익을 특허 청구하는 것으로, 상기 출원은 전체 내용이 본원에 참고로 인용된다.

본 출원은 "고온 초전도 와이어를 위한 구성물(Architecture For High Temperature Superconductor Wire)"이라는 발명의 명칭으로 2005년 7월 29일 출원된 동시계류중 미국 특허출원 제11/193,262호에 관한 것으로, 상기 출원의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 고온 초전도 와이어(high superconducting wire)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 제2 세대 고온 초전도 와이어(wire) 및 테이프(tape)라고도 불리는 코팅된 전도체(coated conductor)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자기장 배향을 변화시키는 경우에도 일정 전류를 유지할 수 있는 초전도 구조물에 관한 것이다.

발명의 배경

고온 초전도(HTS, High Temperature Superconducting) 재료(액체 질소 온도 77K 이상에서 초전도성을 나타내는 것)를 발견한 이후, 이러한 HTS 재료를 사용하여 다양한 공학적 용도를 개발하고자 노력하여 왔다. 박막 초전도 장치 및 와이어에 있어서, 대부분의 진보는 잘 알려진 YBa₂Cu₃O₇ _-x(이하, Y123이라 한다)의 기본 조성으로 이트륨, 바륨, 구리 및 산소를 포함하는 산화물 초전도체가 이용되는 장치의 제작에 의해 이루어졌다. 또한, Y를 부분적으로 치환하는 희토류 원소("RE", rare earth element)를 함유하는 조성물에 의해서도 진보하였다. Y123과 같은 이축 조직화된 초전도 금속 산화물(biaxially textured superconducting metal oxide)은 코팅된 전도체 구성물에서 높은 임계 전류 밀도를 달성하였다. 이들 와이어는 종종 제2 세대 HTS 와이어라 불리며, 케이블, 모터, 발전기, 동기 콘덴서, 발전기, 한류기(current limiter), 및 군사 용도, 고 에너지 물리학 용도, 재료 가공 용도, 수송 용도 및 의료 용도를 위한 자기 시스템(magnet system)을 비롯한 다수의 용도에 바람직한 재료이다.

HTS 재료의 전류 운반 용량(current carrying capability)은 그 결정의 정렬(alignment) 또는 조직(texture)과 크게 관련이 있다. 산화물 초전도체 입자(grain)는, 전형적으로 와이어 표면에 평행한 ab 평면 및 와이어 표면의 평면에 수직인 c-축으로 정렬된다. 인접하는 결정 HTS 입자의 오정렬(misalignment)에 의 해 형성된 입자 경계는 초전도 전류 흐름에 대한 장애를 형성하는 것으로 알려져 있는데, 이러한 장애는 정렬 또는 조직의 정도가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 그 재료를 상업적으로 실용적인 제품(예를 들어, HTS 와이어)으로 제조하기 위해서, HTS 재료는 비교적 긴 거리에 걸쳐 결정의 정렬 또는 조직을 고도로 유지해야 한다. 그렇지 않으면, 초전도 전류 운반 용량(임계 전류 밀도)이 제한될 것이다.

대면적에 걸쳐 고도의 결정학적 정렬 또는 조직을 가진 HTS 재료는, 그의 표면에 고도의 결정학적 조직을 가지도록 제작된 가요성 테이프-형태의 기판의 상부 위에서 재료의 얇은 층을 에픽택셜적으로 성장시킴으로써 제작될 수 있다. 결정 HTS 재료가 이러한 표면 위에 에픽택셜적으로 성장하는 경우, HTS 재료의 결정 정렬은 기판의 조직에 일치하게 성장한다. 바꾸어 말하면, 기판 조직은 결정성 HTS 재료의 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 위한 템플릿(template)을 제공한다. 또한, 기판은 HTS 층에 구조적 완전성(structural integrity)을 제공한다.

기판은 에픽택셜 HTS 층을 생성하는 템플릿을 제공하도록 조직화될 수 있다. 그 중에서도 특히 니켈, 구리, 은, 철, 은 합금, 니켈 합금, 철 합금, 스테인리스 스틸 합금 및 구리 합금과 같은 재료가 사용될 수 있다. 기판은 기판의 압연(rolling) 및 재결정화 어닐링(recrystallization annealing)을 포함하는 공정과 같은 변형 공정(deformation process)을 사용하여 조직화될 수 있다. 이러한 공정의 예는 압연-보조 이축 조직화 기판(RABiTS, rolling-assisted biaxially textured substrate) 공정이다. 이 경우, 대량의 금속은 변형 공정 및 어닐링에 의해 경제적으로 처리될 수 있으며, 고도의 조직을 달성할 수 있다.

위에 HTS 재료를 성장시키기 위해 적합한 결정학적 템플릿을 사용하여 기판 표면 위에 하나 이상의 완충층(buffer layer)을 증착시키거나 성장시킬 수 있다. 완충층은 또한 기판 재료로부터의 원자가 HTS 재료의 결정 격자내로 또는 산소가 기판 재료내로 확산되는 것을 방지하는 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 이러한 확산 또는 "중독(poisoning)"은 결정의 정렬을 붕괴시켜 HTS 재료의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다. 완충층은 또한 기판과 HTS 층 사이의 강화된 접착력을 제공할 수 있다. 또한, 완충층(들)은 초전도체 재료의 열팽창 계수와 매우 일치하는 열팽창 계수를 가질 수 있다. 와이어에 응력이 가해질 수 있는 상업적 적용에서 그 기술을 구현하는 경우, 이러한 성질은 기판으로부터 HTS 층이 탈적층화(delamination)되는 것을 방지하는데 도움을 주기 때문에 바람직하다.

대안으로, 하스텔로이(Hastelloy)와 같은 비조직화된 기판이 사용될 수 있으며, 조직화된 완충층은 이온-빔-보조 증착법(IBAD, ion-beam-assisted deposition) 또는 경사 기판 증착법(ISD, inclined substrate deposition)과 같은 방법에 의해 증착될 수 있다. 추가의 완충층은 IBAD 또는 ISD 층 위에 임의로 에피택셜적으로 증착되어 HTS 층의 에피택셜 증착을 위한 최종 템플릿을 제공할 수 있다.

템플릿으로서 하나 이상의 완층층과 기판의 적합한 조합물을 사용함으로써, 우수한 결정 정렬 또는 조직을 갖고 템플릿 표면에 대한 우수한 접착력을 가지며 그리고 기판으로부터의 원자에 의한 중독에 대하여 충분한 장벽을 가진 HTS 층이 에피택셜적으로 성장될 수 있다. HTS 층은 금속-유기물 증착(MOD, metal-organic deposition) 공정, 금속-유기물 화학 기상 증착(MOCVD, metal-organic chemical vapor deposition), 펄스형 레이저 증착(PLD, pulsed laser deposition), 열 또는 전자빔 증발 또는 다른 적합한 방법을 비롯한 다양한 방법 중 어느 것에 의해 증착될 수 있다. 마지막으로, 상부로부터의 HTS 층의 오염 및 손상을 방지하는데 도움을 주는 캡층(cap layer)이 다층 조립체에 추가될 수 있다. 캡층은 예를 들어 은일 수 있고 예를 들어 HTS 층 위에 스퍼터링(sputtered)될 수 있다.

HTS 와이어의 개발을 통해 임계 전류 밀도, 특히 높은 자기장 및 온도(Jc(H,T))에서의 임계 전류 밀도의 개선점을 계속 찾고 있다. 이러한 개선점은 HTS 재료에서 높은 임계 전류 밀도(Jc)에 대한 근본적인 메커니즘인 초전도 볼텍스(superconducting vortex)의 "피닝(pinning)"을 개선시킴으로써 달성할 수 있다. 초전도체에서 피닝을 달성하기 위해서는, 국부적 위치 에너지 차를 초전도 플럭스 라인 또는 볼텍스의 정상적인 코어의 치수와 가능한 한 근접하게 치수를 맞추어야 한다. 그 단면 코어는 결맞음 길이(coherence length)와 비슷한 치수를 가지는데, 이는 고온 초전도 구리산화물(cuprate)에서 다양한 나노미터의 크기로 존재하고, 온도에 따라 증가한다. 따라서, 플럭스 라인을 피닝하고 자기장에서 전류 운반 특성을 개선시키기 위해 산화물 초전도체 입자에 나노미터 크기의 결함이 도입된다.

결정학적으로 정렬된 산화물 초전도체 층의 전류 운반 특성은 자기장 배향에 의존한다. 도 1은 막 평면에 대해 평행 및 수직으로 배향된 자기장을 가진 산화물-완충 금속 기판 위에 금속-유기물 증착된(MOD) Y123 막의 전형적인 자기장 의존성(field dependence)을 도시한 것이다. 27K 및 75K 모두에서, 막 평면에 수직으로 배향된 자기장을 가진 경우, Ic는 평행한 배향인 경우의 값으로부터 상당히 감소하 여 다수의 코일 적용에서 Y123 와이어의 유용성을 제한한다. 예상되는 대다수의 적용은, 성능을 크게 떨어뜨리는 조건인 막 평면에 수직으로 배향된 1 내지 3 테슬라의 자기장하에 55K 내지 65K 범위의 온도에서 사용하게 된다. 자기장에서의 Y123 와이어의 평행 및 수직 성능 이외에, 도 2에 도시된 바와 같이 중간 각도에서 자기장 성능을 시험하는 것이 중요하다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, Y123 막은 전형적으로 (Y123 막 평면에 대해 0° 및 180° 또는 수직인) c-축에서 작은 피크를 보이는데, 이는 확대된 평면 또는 선형 결함(예, 쌍 경계(twin boundaries), 입자 경계(grain boundaries), a-축 입자)의 존재로 인해 증대될 수 있다.

다수의 적용, 예를 들어 모터 및 자기 코일에서, HTS 와이어는, 와이어의 한 영역에서 경험하게 되는 자기장이 와이어의 다른 영역에서 경험하게 되는 자기장과 상당히 다를 수 있도록 자기장 배향에 있어서 국부적인 변화를 경험하게 될 것이다. 이러한 적용의 경우, Y123 와이어의 성능은 임의의 자기장 배향에서의 최소 성능에 의해 결정되는 것이지 수직 배향에서의 최소 성능 단독에 의해서만 결정되는 것이 아니다. 따라서, HTS 와이어는, 최적 배향으로부터 벗어난 자기장 영역에서 전류 밀도의 감소를 나타낸다.

발명의 개요

와이어 또는 장치 내의 상이한 위치에서 상이한 자기장 배향을 경험하는 적용 및 장치에 사용될 수 있는 고온 초전도(HTS) 와이어가 기술된다. HTS 와이어는 적어도 두 개의 초전도체 층을 가지며, 이들 각각은 특정의 자기장 배향에서의 그 성능을 위해 선택된다. 초전도체 층들의 조합물을 선택함으로써, HTS 와이어는 와이어 표면에 대하여 평행하게 배향된 자기장(H//ab), 와이어 표면에 대하여 수직으로 배향된 자기장(H//c), 또는 중간 배향된 자기장에서 최적 성능을 나타낸다.

본 발명의 한 양태에서, 초전도 와이어는 적층 관계(stacked relationship)로 하나 이상의 기판 위에 배치된 적어도 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층을 포함한다. 제1 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 수직인 임계 전류에 대한 초전도체 층의 표면에 평행한 임계 전류의 제1 소정 비율(Ic(ab)/Ic(c))을 제공하도록 선택된 제1 고온 초전도 산화물을 포함하고, 제2 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 수직인 임계 전류에 대한 초전도체 층의 표면에 평행한 임계 전류의 제2 소정 비율(Ic(ab)/Ic(c))을 제공하도록 선택된 제2 고온 초전도 산화물을 포함한다. 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층은, 조합으로, 선택된 자기장 배향에서 소정의 전체 임계 전류 Ic를 제공한다.

하나 이상의 구체예에서, 제1 고온 초전도체 또는 제2 고온 초전도체는 초전도체 층의 표면에 대하여 수직으로 배향된 자기장(H//c)의 존재하에서 증대된 임계 전류(Ic(c))를 제공하도록 선택된다. Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제1 소정 비율은 1 테슬라 이상, 예를 들어 약 1 테슬라 내지 약 6 테슬라 범위의 인가 자기장에서 2.6 이하, 2.0 미만 또는 1.5 미만이다.

하나 이상의 구체예에서, 고온 초전도체는 2 이상의 희토류 원소, 예를 들어 에르븀 및 홀뮴 중 하나 이상을 포함하는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함한다. 홀뮴 및/또는 에르븀은 희토류-알칼리 토류-구리 산화물내 희토류의 화학양론적 양의 25% 내지 150% 범위의 양으로 존재한다.

하나 이상의 구체예에서, 고온 초전도체는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물, 및 산화물 초전도체의 입자내 위치한 금속-함유 화합물을 가진 적어도 하나의 제2 상 나노입자를 포함한다.

하나 이상의 구체예에서, 제1 고온 초전체 조성물 또는 제2 고온 초전도체 조성물은 초전도체 층의 표면에 대하여 평행하게 배향된 자기장(H//ab)의 존재하에서 증대된 임계 전류(Ic)를 제공하도록 선택된다. Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제2 소정 비율은 1 테슬라 이상, 예를 들어 약 1 테슬라 내지 약 6 테슬라 범위의 인가 자기장에서 2.5 초과, 3.5 초과 또는 5.5 초과이다.

하나 이상의 구체예에서, 고온 초전도체는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함하며, 여기서 알칼리 토류에 대한 구리의 비는 1.5 초과이다.

하나 이상의 구체예에서, 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층의 두께는 상이하며, 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층의 두께는 선택된 자기장 배향에서 소정의 전체 임계 전류를 제공하도록 선택된다. 초전도체 층의 표면에 대하여 평행하거나 수직인 자기장에서 임계 전류 밀도를 증대시키는 추가의 층이 포함될 수 있다.

하나 이상의 구체예에서, 선택된 자기장 배향은 0°(H//c) 내지 90°(H//ab)이다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도 와이어는 제1 코팅된 부재를 포함한다. 제1 코팅된 부재는 제1 기판, 상기 제1 기판위에 배치되어 제1 초전도체 층을 지지하는 적어도 하나의 제1 완충층 및 상기 제1 초전도체 층 위에 배치된 제1 금속성 보호층을 포함한다. 제2 코팅된 부재는 제2 기판, 상기 제2 기판위에 배치되어 제2 초전도체 층을 지지하는 적어도 하나의 제2 완충층 및 상기 제2 초전도체 층 위에 배치된 제2 금속성 보호층을 포함한다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도 와이어는, 또한 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재가 제1 기판 및 제2 기판에서 결합되도록 제1 코팅된 부재와 제2 코팅된 부재의 사이에 배치된 중간 결합제 층(intervening binder layer) 또는 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재가 제1 금속성 보호층 및 제2 금속성 보호층에서 결합되도록 제1 코팅된 부재와 제2 코팅된 부재 사이에 배치된 중간 결합제 층을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태는 고온 초전도 장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 방법은 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 제1 영역, 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 제2 영역 및 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물과 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물의 혼합물을 포함하는 제3 영역을 포함하는 초전도 와이어의 길이를 제공하는 단계, 및 제1 영역이 고온 와이어에 대하여 수직인(0°) 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하고, 제2 영역이 고온 와이어에 대하여 평행한(90°) 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하며, 그리고 제3 영역이 0° 내지 90° 사이의 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하도록 장치내에 초전도 와이어의 길이를 정렬하는 단계를 포함한다.

하나 이상의 구체예에서, 장치는 코일이고; 고온 초전도 와이어의 제1 영역은 코일의 선단(end)에 위치하며; 고온 초전도 와이어의 제2 영역은 코일의 내부에 위치하고; 고온 초전도 와이어의 제3 영역은 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치한다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 물품은 고온 초전도체 층을 포함하는 초전도 와이어를 포함하며, 여기서 물품은 물품내 상이한 위치에서 상이한 배향의 자기장을 경험하며, 고온 초전도체 층의 조성물은 주어진 위치에서 자기장의 배향을 조절하도록(accommodate) 그 길이를 따라 변화된다.

하나 이상의 구체예에서, 물품은 코일이고, 작동시 코일은 초전도체 층의 평면에 대하여 실질적으로 평행 내지 초전도체 층의 평면에 거의 수직인 범위의 유도 자기장을 경험한다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도 와이어의 조성물은 주로 작동중 초전도체 층의 표면에 수직인 자기장을 경험하는 코일의 제1 영역내에 존재하는 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물이고; 초전도 와이어의 조성물은 주로 작동중 초전도체 층의 표면에 실질적으로 평행한 자기장을 경험하는 코일의 제2 영역내에 존재하는 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물을 포함하며; 초전도 와이어의 조성물은 작동중 초전도체 층의 표면에 대하여 0° 내지 90° 각도의 자기장을 경험하는 코일의 영역내에 존재하는 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물과 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물의 혼합물을 포함한다.

상이한 자기장에서 상이한 전류 운반 성능을 가진 초전도체 층의 선택은 H//ab 및 H//c 방향을 따라 Ic 이방성을 변경시킨다. 특히, Ic 및 Jc는 H//ab를 따라 Ic 용량을 감소시키지 않으면서 H//c를 따라 증가된다.

"적층 관계"란, 부재들이 적층으로, 예를 들어 서로에 대해 중첩 관계로 정렬된 것을 의미하는 것으로, 여기서 층들은 접촉될 수 있거나 그들 사이에 하나 이상의 중간층을 가질 수 있다. 적층 순서는 제시되거나 내포되어 있지 않다.

도면의 간단한 설명

다음의 도면을 참조하여 본 발명을 설명하는데, 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 부재를 말하는 것이고, 이들 도면은 단지 예시를 목적으로 나타낸 것으로서 본 발명을 제한하고자 의도된 것이 아니다.

도 1은 26K 및 75K에서 막 평면에 대하여 평행하게(H//ab, θ=90°) 및 수직으로(H//c, θ=0°) 배향되고 세기가 증가하는 자기장(H)에서 Y-123 HTS 와이어에 대한 임계 전류(Ic)를 나타낸다.

도 2는 1-7 테슬라의 인가 자기장에서 도 1의 HTS 와이어에 대한 중간 자기장 배향(0°＜θ＜90°)에서의 자기장 성능(Ic)을 나타낸다.

도 3은 솔레노이드 전자석의 말단부 턴(end turn) 주위에 존재하는 자기장 분포를 나타낸다.

도 4는 (A) 높은 Ic(ab), (B) 높은 Ic(c) 및 (C) 각각의 높은 Ic(ab) 및 ㄴ높은 (c) 중 하나의 층을 가진 2 개의 초전도체 층을 포함하는 2층 HTS 와이어의 단면도를 나타내며; 도 4D는 구리 중간층을 가진 2층 HTS 와이어의 단면도이다.

도 5는 (A) 높은 Ic(ab), (B) 높은 Ic(c) 및 (C) 각각의 높은 Ic(ab) 및 높은 Ic(c) 중 하나의 층을 가진 2 개의 초전도체 층을 포함하는 양면 HTS 와이어의 단면도를 나타낸다.

도 6은 1T 및 3T에서 측정된, 각종 조성물의 초전도 산화물에 대한 77K에서의 임계 전류(Ic) 대 자기장 배향(θ)의 플롯이다.

도 7은 각각의 기판에서 결합된 두 개의 HTS 조립체의 단면도로서, 여기서 제1 조립체는 높은 Ic(ab)를 가진 제1 초전도체 층을 가지며 제2 조립체는 높은 Ic(c)를 가진 제2 초전도체 층을 가진다.

도 8은 각각의 캡층에서 결합된 두 개의 HTS 조립체의 단면도로서, 여기서 제1 조립체는 높은 Ic(//ab)를 가진 제1 초전도체 층을 가지며 제2 조립체는 높은 Ic(c)를 가진 제2 초전도체 층을 가진다.

도 9는 각각의 기판에서 결합되고 전기 전도성 구조물로 에워싸인 두 개의 HTS 조립체의 단면도를 나타낸다.

도 10은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 적층 HTS 와이어를 제조하는데 사용되는 적층 공정의 도면이다.

도 11은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 HTS 와이어를 제조하는데 사용되는 예시적인 공정의 흐름도를 나타낸다.

도 12는 실시예 3에 기술된 HTS 와이어에 대한 77K 및 1 테슬라에서의 임계 전류(Ic) 대 자기장 배향(θ)의 플롯이다.

발명에 관한 상세한 설명

도 3은 솔레노이드 전자석(310)의 말단부 턴(300) 주위에 존재하는 자기장 분포의 이차원 플롯을 나타내는 것으로, 이것은 자기장 세기(H)(다른 색의 화살표로 표시됨. 색은 도 3의 사이드 바에 나타낸 자기장 세기에 상응함) 및 자기장 배향(θ)(화살표 배향으로 표시됨) 모두 코일내 상이한 위치에 크게 변하는 것을 입증하는 것이다. 특정의 자기장에서 전기 전류 운반 특성이 최적인 HTS 와이어는 상이한 전류(Ic)를 나타낼 것이고, 따라서 코일의 각 영역과 같이 코일의 상이한 영역에서의 상이한 전류 밀도(Jc)는 상이한 배향의 자기장을 경험한다. 코일의 성능은 와이어의 최소 성능에 의해 제한된다. 따라서, 와이어의 전체 전류는 내내 감소되며, 와이어는 긴 길이의 와이어에 걸친 전류 용량의 몇 분의 일만 작용한다. 전류 용량이 와이어의 미약한 영역에 대한 전류 용량을 증가시킬 수 있다면 전체 와이어의 전류를 전체적으로 향상시킬 수 있다.

RE123 초전도 산화물 입자는 전형적으로 자기장에서 강한 이방성을 나타내며, 산화물 입자의 (ab) 평면으로(에피택셜 HTS 층의 표면을 따라) 배향된 자기장에서의 전류가 HTS 층에 수직으로 배향된 자기장에서의 전류보다 매우 높다. I(ab)는 Ic(c) 보다 2 배, 3 배, 심지어 10 배 이상 클 수 있고; 이방성은 더 높은 자기장 세기에서 더 현저하다. 특정의 HTS 재료가 자기장 이방성을 감소시키는 것을 알고 있었지만, Ic(c)는 전형적으로 Ic(ab)를 희생하여 수득된다.

본 발명의 하나의 양태에서, HTS 와이어는 통상의 HTS 와이어보다 높은 비율의 전체 전류 용량에서 작동한다. 하나 이상의 구체예에서, HTS 와이어는 거의 완전 전류 부하에서 작동한다. 전류 운반 특징은 HTS 와이어 또는 장치의 상이한 영역에서 상이한 성능 특징을 가진 HTS 재료를 사용함으로써 개선된다. HTS 재료는 예상되는 국부적 자기장 배향에서 최적 성능을 위해 선택된다. 따라서, 예를 들면, HTS 와이어는 국부적 인가 자기장에서 최적의 성능을 제공하도록 선택된 두 개의 초전도체 층을 포함한다. 이 두 층은 임의의 순서로 정렬되거나 적층될 수 있다. HTS 와이어가 초전도체 층의 평면에 평행하게 배향된 인가 자기장(H//ab 또는 θ=90°)을 경험하는 영역에서, 상기 초전도체 층 둘 모두는 H//ab를 따라 최적의 전류를 제공하는(즉, Ic(ab)＞＞Ic(c)) 조성물 및 구조물을 가진 초전도체 층을 가질 수 있다. HTS 와이어가 초전도체 층의 평면에 수직으로 배향된 인가 자기장(H//c 또는 θ=0°)을 경험하는 영역에서, 상기 초전도체 층 둘 모두는 H//c를 따라 최적의 전류를 제공하는(즉, Ic 이방성이 목적하는 수준으로 감소되는) 조성물 및 구조물을 가진 초전도체 층을 가질 수 있다. HTS 와이어가 그의 배향이 H//ab와 H//c의 중간인 인가 자기장을 경험하는 영역에서, 제1 층은 H//ab를 따라 최적의 전류 성능을 제공하는 조성물 및 구조물을 가진 초전도체 층을 가질 수 있고, 제2 층은 H//c를 따라 최적의 전류 성능을 제공하는 조성물 및 구조물을 가진 초전도체 층을 가질 수 있다. 두 층들의 상대적인 두께는 목적하는 밸런스의 Ic(c) 및 I(ab) 성능을 제공하도록 선택된다. HTS 와이어는 목적하는 성능의 전체 임계 전류, 예를 들어 목적하는 전류 부하를 제공한다.

하나 이상의 구체예에서, HTS 와이어는 그 길이의 적어도 일부에서 적어도 80A/cm-폭의 전체 Ic(c)를 운반하며; Ic(ab)/Ic(c)는 2.0 보다 크거나 약 2 내지 3이고; 또는 Ic(c)는 약 120-150A/cm-폭이고 Ic(ab)/Ic(c)는 2.0 보다 크거나 약 2 내지 3이고; 또는 Ic(c)는 약 150-180A/cm-폭이고 Ic(ab)/Ic(c)는 2.0 보다 크거나 약 2 내지 3이다. 전체 Ic(c)는 두 초전도체 층의 추가의 전류 성능에 의해 달성된다. Ic(c)가 높다는 것은 층들 중 적어도 한층이 수직 자기장에서 우수하게 실행되는 것을 보증하는 것이다. Ic(ab)가 Ic(c)의 2 배수 이상이라는 것은 평행한 자기장에서의 전류가 크게 더 높다는 것을 보증하는 것이다. 전체 전류 성능은 다양한 조합, 이를 테면 적당한 Ic(c)와 적당한 Ic(ab)를 가진 두 와이어의 조합으로 달성될 수 있다. 대안으로, 우수한 Ic(c)의 와이어를 양호한 Ic(ab)가 아닌 불량한 Ic(c)와 조합시킬 수 있다.

높은 Ic(ab) 초전도체 층과 높은 Ic(c) 초전도체 층의 목적하는 조합을 제공하는 것 이외에, 2층 HTS 와이어는 HTS 와이어내 초전도체 재료의 부피를 실질적으로 배가시킴으로써 유사한 단층 초전도 와이어 이상으로 임계 전류 밀도를 증가시킨다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도체 층은 기판의 동일면 위에 코팅될 수 있다. 도 4A는 최적의 Ic(ab)(440)를 가진 하나의 초전도체 층과 최적의 Ic(c)(470)를 가진 하나의 초전도체 층을 기판(460)의 동일면 위에 코팅한 이중층 HTS 와이어(400)를 나타낸다. 이 도면 및 모든 후속되는 도면에서, 크기는 축적하여 도시된 것이 아님을 유의해야 한다. 기판은 조직화된 금속 기판일 수 있거나, 조직화된 기판을 포함하고 그 두께의 범위가 일반적으로 약 0.05-0.2 mm인 금속 기판일 수 있다. 금속 기판, 이를 테면 Ni, Ag 또는 Ni 합금(예를 들어, NiW 또는 다른 하스텔로이 금속)은 와이어에 가요성을 제공하며 길이가 길고 큰 면적으로 제작될 수 있다. 초전도체 층은 H//ab 또는 H//c에서 우수한 성능을 가지도록 선택된 재료를 포함한다. 또한, 초전도체 층은 산화물 초전도체의 ab 평면이 와이어 표면에 대하여 평행하도록 결정학적으로 정렬된다. 각각의 초전도체 층은 일반적으로 약 0.5 ㎛ 내지 약 2.0 ㎛의 범위일 수 있으며 더 클 수도 있다. 도 4A에 도시된 바와 같이, HTS 와이어는 전형적으로 중간 배향의 자기장, 즉 0°＜θ＜90˚의 자기장을 경험하는 와이어 또는 와이어의 영역에서 유용하다.

θ가 약 0°인 와이어의 영역에서, 도 4B에 도시된 바와 같이, 최적의 Ic(c)를 가진 두 개의 초전도체 층(470)이 기판(460)의 동일면 위에 코팅된 이중 층 HTS 와이어(410)가 사용될 수 있다. 도 4C는 최적의 Ic(ab)를 가진 두 개의 초전도체 층(420)이 기판(460)의 동일면 위에 코팅된 이중 층 HTS 와이어(420)를 나타낸다. HTS 층은 H//ab에서의 최적 성능을 나타낸다. 상이한 자기장 배향을 경험하는 장치에서 최적의 성능을 가진 와이어를 제공하기 위해서, 와이어는 상이한 자기장 배향에 상응하는 장치내 상이한 위치에 이들 구성물 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.

하나 이상의 구체예에서, 도 4D에 HTS 와이어(430)에 대하여 도시된 바와 같이, 전도층 또는 절연층(490)이 제1 초전도체 층과 제2 초전도체 층 사이에 배치될 수 있다. 전도층은 두 층들 사이에 전기적 접속을 제공하는 것으로 예를 들어 구리 및 은일 수 있다. 예시적인 절연층은 Y₂O₃, CuO 및 CeO₂와 같은 금속 산화물을 포함한다. 임의의 중간층은 HTS 재료에 구조적 및 화학적으로 상용성을 지녀야 하며, 예를 들어 에피택셜 HTS 층의 증착을 허용하는 조직화된 결정 구조를 가질 수 있다. 중간층의 두께는 일반적으로 20 nm 내지 200 nm의 범위이며, 예를 들어, 스퍼터링 증착법(sputtering), 증발 증착법(evaporation deposition) 또는 펄스형 기상 증착법(pulsed vapor deposition) 또는 다른 통상의 방법에 의해 증착된다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도체 층은 기판의 반대면 상에 코팅된다. 도 5A는 최적의 Ic(//ab)를 가진 하나의 초전도체 층(440)과 최적의 Ic(//c)를 가진 하나의 초전도체 층(470)을 기판(460)의 반대면 상에 코팅한 이중층 HTS 와이어(520)를 나타낸다. 도 5B는 최적의 Ic(//c)를 가진 두 개의 초전도체 층(470)이 기판(460)의 반대면 상에 코팅된 이중층 HTS 와이어(510)를 나타낸다. 도 5C는 최적의 Ic(//ab)를 가진 두 개의 초전도체 층(440)이 기판의 반대면 상에 코팅된 이중 층 HTS 와이어(500)를 나타낸다. 추가의 초전도체 층이 기판의 양면 위에 포함될 수 있으며 Ic(c) 또는 Ic(ab)를 증대시킬 수 있다.

도 4A-4D 및 도 5A-5C, 및 본 명세서의 다른 곳에 설명된 HTS 와이어는 기판과 초전도체 층 사이에 배치된 하나 이상의 완충층(도시되어 있지 않음), 및 초전도체를 덮는 하나 이상의 캡층(도시되어 있지 않음)을 포함한다. 하나 이상의 구체예에서, 전기 전도성 재료도 사용될 수 있지만, 완충층은 전기 절연성 재료로 구성된다. 완충층은 예를 들어 불활성 금속, 산화물, 지르콘산염, 티탄산염, 니오브산염, 질화물, 탄탈산염, 알루민산염, 구리산염, 망간산염, 또는 금속 또는 희토류 원소의 루테늄산염(예를 들어, Al₂O₃, CeO₂, Y₂O₃, MgO, Gd₂O₃, 티탄산스트론튬, 지르콘산가돌리늄, 이트리아-안정화 지르코니아, AlN, Si₃N₄, LaMnO₄, La₂Zr₂O₇, 또는 La₂ _- _xCe_xZr₂0₇)으로 구성된다. 완충층은 물리적 및 화학적 증착 방법을 비롯한 임의의 공지된 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 캡층은 초전도체 층을 덮으며, 화학적 및 기계적 열화로부터 초전도체 층을 보호한다. 캡층은 전도성일 수 있다. 캡층은 스퍼터링된 Ag 또는 다른 불활성 금속일 수 있다.

하나 이상의 층에서, 높은 Ic(ab) 또는 높은 Ic(c)를 가진 초전도 재료는 층들의 선택적 처리에 의해 수득된다. 두 개의 초전도체 층이 동일 기판 위에 증착되는 상기 예에서, 이것은 공정중 초전도체를 형성하는데 사용되는 처리 조건을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 전형적으로, 초전도체를 형성하기 위한 반응은 하부 완충층과의 계면에서 개시되며, 초전도체는 그 계면의 바깥으로부터 성장한다. 따라서, 높은 Ic(c) 재료에 유리한 조건으로부터 높은 Ic(ab) 재료에 유리한 조건으로 공정 도중 조건을 변화시키면 상이한 전류 운반 특성을 가진 적층 구조물이 생성된다. 대안으로, 두 개의 초전도체 층은 HTS 형성후 성능을 최적화하기 위해 선택적으로 처리되고 결합될 수 있다.

H//ab에서 우수한 성능을 가진 예시적인 초전도 재료는 희토류(RE)-알칼리 토류-구리 산화물을 포함하는데, 여기서 금속은 실질적으로 화학양론적 비율로 존재한다. 즉, 예로서 희토류, 바륨 및 구리의 비율이 실질적으로 1:2:3인 RE-123은 ab 평면에 대하여 평행하게 배향된 자기장에서 최적 전류를 나타내는 것을 알 수 있었다. 예시적인 산화물 초전도체는 YBa₂Cu₃O₇ _-0이다.

구리가 풍부하거나 알칼리 토류 금속이 부족한 초전도 재료가 또한 높은 Ic(ab)를 나타낸다. 하나 이상의 구체예에서, 초전도 산화물은 희토류-바륨-구리 산화물이며, 바륨에 대한 구리의 비는 1.5 초과이다. Cu:Ba 비는 RE-123 조성물에서 산화물 초전도체내 바륨의 양을 감소시키거나(즉, 바륨의 비율이 2.0 미만임) 구리 함량을 증가시킴으로써(즉, 구리의 비율이 3.0 초과임) 달성된다. 일부 구체예에서, 산화물 초전도체는 과량의 구리, 예를 들어 화학양론적 RE-123을 제조하는데 필요한 구리의 양과 비교하여 5% 이하 과량 또는 10% 이하 과량 또는 20% 이하 과량의 구리를 함유한다. 다른 구체예에서, 산화물 초전도체는 부족량의 바륨, 예를 들어 화학양론적 RE-123을 제조하는데 필요한 구리의 양과 비교하여 5% 이하 부족량 또는 10% 이하 부족량 또는 20% 이하 부족량의 바륨을 함유한다.

하나 이상의 구체예에서, 구리 중간층은 과량의 구리를 공급하는데 전체 또는 일부가 사용된다. 예를 들어, 구리 층은 도 4A-4D에서와 같이 이중 층 와이어내 두 초전도체 층 사이에 중간층으로서 증착된다. 산화물 초전도체를 형성하는데 필요한 열처리 동안, 구리는 초전도체 층(440, 470) 모두에 확산되어 구리-풍부 HTS 층을 형성한다. 구리-풍부 HTS 와이어를 처리하는데 있어서 구리 중간층의 용도에 대한 추가의 정보는 "성능이 개선된 초전도체 후막(Thick Superconductor Films With Improved Performance)"이라는 발명의 명칭으로 2006년 5월 6일 공개된 동시계류중이며 공동 소유된 미국 특허출원공개 제2006-0094603호에서 찾아볼 수 있고, 상기 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

특정 구체예에서, Cu 농도를 20% 이하 과량의 Cu로 증가시키면 Ic(ab)가 증가한다. 도 6은 각종 조성물의 산화물 초전도체에 대한 75K에서의 임계 전류(Ic) 대 자기장 배향(θ)의 플롯이다. 곡선(610, 610')은 7.5% 과량의 구리를 함유하는 Y-123에 대하여 각각 1T 및 3T에서 θ의 범위에 걸쳐 전류를 측정한 것이다. 상기 곡선은 90°(H//ab)에서 강한 최대를 0°(H//c)에서 최소를 나타내며, 이는 본 초전도체 조성물이 H//ab에서 최적의 성능을 가진다는 것을 입증하는 것이다. 구리-풍부 Y-123은 또한 H//ab 및 H//c 사이에서 강한 전류 이방성을 나타내는데, 여기서 Ic(c)에 대한 Ic(ab)의 비는 1T에서 약 2.4, 3T에서 6이다. 하나 이상의 구체예에서, 높은 Ic(c) 초전도체는 3T에서 20-55A/cm-폭(65K) 이상의 Ic(c), 및 적어도 1 테슬라의 자기장에서 2.5 초과 또는 3.5 초과 또는 5.5 초과의 Ic(ab)/Ic(c) 비를 가진다. 이러한 비는 최대 6 테슬라의 자기장 강도에 대하여 수득되며, 이를 통해 이러한 비가 매우 높은 자기장에서 적합할 수 있다는 것이 예상된다.

H//c에서 우수한 성능을 가진 예시적인 초전도 재료는 화학양론적 비율의 양 또는 화학양론적 비율의 과량으로 희토류 원소 또는 둘 이상의 희토류 원소를 과량 함유하는 희토류(RE)-알칼리 토류-구리 산화물을 포함한다. 임의의 특정 작동 방식에 의해 한정되는 것은 아니지만, 과량의 희토류는, 플럭스 피닝 센터(flux pinning center)의 역할을 하는 나노스케일의 결함을 형성함으로써 Ic(c)를 개선하는 것으로 여겨진다. 원자 결함은 Y-123 초전도체내에 상이한 희토류 원소를 도입함으로써 달성될 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, 예를 들어 이트륨-함유 조성물에 대한 희토류 원소의 약 25% 이하 첨가, 또는 희토류 원소의 약 150% 이하 치환이 예상된다. 하나 이상의 구체예에서, 희토류 원소는 홀륨 및/또는 에르븀이다. 산화물 초전도체 층에 둘 이상의 희토류를 도입하면 Ic(c)가 증가될 뿐만 아니라 Ic(ab)와 Ic(c) 사이의 차이(이방성)가 감소된다. 도 6과 관련하여, 곡선(620, 620')은 초전도체 조성물에 25% 에르븀이 첨가된(예를 들어, Y:Er=4:1) Y-123 층에 대하여 각각 1T 및 3T에서 θ의 범위에 걸쳐 전류를 측정한 것이다. 곡선(630, 630')은 50% 추가 에르븀을 함유하는(예를 들어, Y:Er=2:1) Y-123 층에 대하여 각각 1T 및 3T에서 자기장 배향의 범위에 걸쳐 전류를 측정한 것이다. 0°(H//c)에서 임계 전류가 증가한 반면 90°(H//ab)에서 임계 전류는 유의적으로 감소하였는데, 이는 초전도체 층의 조성을 선택함으로써 절대적으로는 H//c에서의 임계 전류를 개선시킬 뿐만 아니라 Ic(ab)와 Ic(c) 사이의 전류 이방성을 감소시킬 수 있음을 입증하는 것이다. 50% 에르븀이 보충된 Y-123의 경우 H//c에 대한 H//ab의 비는 1T에서 약 1.2 및 3T에서 1.6인 반면, 25% 에르븀이 보충된 Y-123의 경우 Ic(c)에 대한 Ic(ab)의 비는 1T에서 약 1.8 및 3T에서 2.6이다. 이는 높은 Ic(ab) 와이어의 전류 이방성 보다 상당히 적다. 구리-풍부 Y-123의 경우 Ic(ab)/Ic(c)가 2.4(1T) 및 6.0(3T)인 것과 비교된다. 하나 이상의 구체예에서, 높은 Ic(c) 초전도체 층은 최대 1 테슬라의 자기장에서 2.6 미만, 또는 2.0 미만, 또는 1.5 미만의 Ic(ab)/Ic(c)를 가진다. 이러한 비는 최대 6 테슬라의 자기장 강도에 대하여 수득되었으며, 이를 통해 이러한 비가 매우 높은 자기장에서 적합할 수 있다는 것이 예상된다.

하나 이상의 구체예에서, 고 Ic(c) 초전도체 재료는 산화물 초전도체의 입자내에 제2 상(phase) 나노입자를 포함한다. 나노입자는 금속-함유 화합물로 구성되며, 희토류 원소, 알칼리 토류 금속 및 전이 금속 중 하나 이상을 함유할 수 있다. 제2 상 나노입자는 산화지르코늄, 산화알루미늄, Y₂Cu₂0₅, Y₂BaCu0₄, 산화마그네슘, BaZrO₃, 은 및 CeO₂ 중 하나 이상일 수 있다. 플럭스 라인(flux line)을 피닝하고 자기장에서의 전류 운반 특성을 개선하기 위해 산화물 초전도체 입자내에 나노미터-크기의 결함을 형성시키는데 적합한 다른 조성물은 "나노도트 플럭스 피닝 센터를 가진 산화물 막(Oxide Films with Nanodot Flux Pinning Centers)"라는 발명의 명칭으로 2005년 1월 16일 출원된 동시계류중이며 공동 소유된 미국 특허출원 제10/758,710호에서 찾아볼 수 있으며, 상기 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

하나 이상의 구체예에서, 고 Ic(ab) 및 고 Ic(c) 층의 두께는 자기장 배향에서 사전선택된 성능을 제공하도록 선택될 수 있다. 따라서, 예를 들면 테이프 표면에 대하여 45˚로 배향된 자기장에서의 성능에 가장 적합한 테이프 또는 와이어를 제조하기 위해, 고 Ic(c) 초전도체 층 및 고 Ic(ab) 초전도체 층 둘 모두가 사용될 수 있는데, 여기서 Ic(c) 층은 도 6에 나타낸 바와 같은 데이터에 기초한 Ic(ab) 층과 비교하여 더 얇다. 두 층들의 상대적인 두께는 예를 들어 Ic(c)＞80A/cm-폭 및 2 초과의 Ic(ab)/Ic(c), 또는 Ic(c)＞120-150A/cm-폭 및 2 초과의 Ic(ab)/Ic(c), 또는 Ic(c)＞150-180A/cm-폭 및 2-3의 Ic(ab)/Ic(c)를 수득하도록 조정될 수 있다.

하나 이상의 구체예에서, 초전도체 층은 금속 유기물 증착(MOD, metal organic deposition)에 의해 증착된다. 제1 산화물 초전도체 층의 구성 원소를 함유하는 전구체 용액을 증착시키고, 제2 초전도체 층을 적용하기 전에 상기 전구체 층을 중간 메탈옥시 층으로 분해시킨다. 그 후, 제2 산화물 초전도체 층의 금속성 구성 원소를 함유하는 제2 전구체 용액을 증착한 다음 중간 메탈옥시 층으로 분해시킨다. 이어 두 중간층을 HTS 층으로 완전히 전환시킨다. 예로서, 전구체 용액은 불소화물을 비롯한 금속 염을 포함할 수 있고, 전구체는 분해되어 중간 옥시플루오르화 금속 층을 형성할 수 있다. 옥시플루오르화 금속 층을 추가로 열처리하여 산화물 초전도체를 형성할 수 있다. 다른 구체예에서, 제1 전구체 층은 증착되고 산화물 초전도체 층으로 완전히 전환된다. 이어, 제2 전구체 층이 또한 증착되고 산화물 초전도체 층으로 완전히 전환된다. 각각의 초전도체 층의 두께는 약 0.6 ㎛ 내지 약 1.5 ㎛, 또는 그 이상일 수 있다. 초전도체 층의 총 두께는 약 0.6 ㎛ 내지 약 2.0 ㎛일 수 있으며, 일반적으로 약 3 ㎛을 초과하지 않는다.

다른 구체예에서, 각각의 초전도체 층은 별도의 기판, 즉 HTS 조립체 위에 증착된다. 이어, 코팅된 기판을 결합하여 두 개의 기판/초전도체 층 조립체를 가진 HTS 와이어를 형성한다. 본원에 사용된 표현 "HTS 조립체"는 기판, 하나 이상의 완충층, 초전도체 층 및 하나 이상의 캡층을 포함하는 다층 구조물을 나타낸다.

도 7에 나타낸 바와 같이, HTS 조립체는 캡핑된(capped) 초전도체 층이 밖으로 향하도록 그들 각각의 기판에서 결합될 수 있다. HTS 와이어(700)는 두 개의 HTS 조립체(710 및 720)로 구성된다. 이들 조립체 각각은 당업계에 공지되어 있고 본원에 더욱 상세히 설명된 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 조립체(710)는 금속 기판(760)을 포함한다. 기판(760)은, 완충층(750) 및 HTS 층(740)을 위한 결정 템플릿(template)을 제공하도록 적어도 하나의 이축 조직화된 표면을 가진다. 완충층(750)은 기판(760)을 덮으며 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 완충층(750)을 덮는 HTS 층(740)은 임의의 HTS 재료일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, HTS 층은 H//ab 및 H//c에서의 성능을 최적화시키는 Y-123과 같은 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함한다. 캡층(730)은 HTS 층(740) 위에 위치하며 화학적 및 기계적 열화로부터 HTS 층을 보호한다. 인서트(720')는 동일하거나 유사한 구조물을 가질 수 있으며, 이들로는 기판(760'), 완충층(750'), HTS 층(740') 및 캡층(730')이 포함된다. 도 7에 나타낸 구체예에서, 초전도체 층(740)은 고 Ic(c) 초전도체 재료로 보여지고 초전도체 층(740')은 고 Ic(ab) 초전도체 재료로 보여지나, 초전도체 층 둘 모두가 고 Ic(ab) 재료 또는 고 Ic(c) 재료일 수 있다.

접착층(780)은 그들 각각의 기판에서 조립체(710)를 조립체(720)에 결합하여 HTS 조립체(700)를 생성한다. 캡층(730 및 730')은 조립체(700)의 바깥쪽으로 향하며 기판(760 및 760')은 조립체(700)의 내부에 위치한다. 이러한 구성은 예를 들어 외부 전류 공급원(external current source)과의 효율적인 전기 접촉 및 긴 길이의 초전도 와이어의 효율적인 결합을 제공한다. 조립체의 외부 표면은 전기 전도성 캡층(730 및 730')이다. 이 층들은 각각의 HTS 층(740 및 740')에 편리한 전기 전도성 통로를 제공한다. HTS 층에 전류를 도입하도록, 조립체의 외부 표면 어디에서나 전류원 및 조립체 사이의 접속이 이루어질 수 있다.

HTS 조립체(710 및 720) 사이의 결합을 촉진하기 위해, 습윤층, 예를 들어 Ag 또는 Cu(도시되어 있지 않음)가 임의로 기판(760 및 760') 위에 코팅될 수 있다. 이들 습윤층은 각각의 조립체가 접착층(780)에 결합하는 것을 촉진하며, 따라서 각각의 조립체가 나머지에 결합하는 것을 촉진한다. 하나 이상의 구체예에서, 접착층(780)은 솔더, 수지, 에폭시 또는 다른 비전도성 재료로 제조된다. 예시적인 솔더는 Pb-Sn-Ag이다. 처리중, 금속성 기판의 후면(즉, 완충층에 면하지 않는 표면)은 전기 절연체인 자연 산화물 층을 성장시킬 수 있다. 이 산화물 층은 전형적으로 솔더를 습윤시키지 않는다, 즉 솔더와 결합하지 않는다. 기판(760, 760')에 Ag 습윤층을 추가하면 후면을 솔더 접착층(780)에 습윤가능하도록, 즉 결합가능하도록 한다. 따라서, 기판의 자연 산화물 표면에 결합되는 습윤층을 솔더링함으로써 결합이 달성될 수 있다.

기판들 사이에 우수한 전기적 접촉이 요구되는 적용에서, 기판(760 및 760') 위의 전기 절연성 자연 산화물 층이 먼저 제거될 수 있다. 이러한 제거는 예를 들어 에칭, 전기-폴리싱(electro-polishing), 스퍼터링, 또는 쇼트 블라스팅(shot blasting)에 의해 수행될 수 있다. 이어, 기판 표면 위에 자연 산화물이 재성장하는 것을 방지하기 위해, 금속성 습윤층, 예를 들어 Ag 또는 Cu가 기판(760 및 760') 각각의 후면에 코팅된다. 그러나, 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 HTS 와이어를 제공하기 위해서 자연 산화물 층의 엄격한 제거는 필요하지 않다. 본 발명의 하나 이상의 구체예에 사용하기 위한 HTS 조립체에 대한 더욱 상세한 설명은 "고온 초전도 와이어를 위한 구성물(Architecture For High Temperature Superconductor Wire)"이라는 발명의 명칭으로 2005년 7월 29일 출원된 동시계류중이며 공동 소유된 미국 특허출원 제11/193,262호에서 찾아볼 수 있으며, 상기 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 도 8에 나타낸 바와 같이, HTS 조립체는 캡핑된 초전도체 층이 안쪽으로 향하도록 그들 각각의 기판에서 결합될 수 있다. HTS 와이어(800)는 두 개의 HTS 조립체(810 및 820)로 구성된다. 이들 조립체 각각은 당업계에 공지된 기술을 사용하여 제작된 것으로 본원에 더욱 상세히 설명된다. 조립체(810)는 금속 기판(830)을 포함한다. 기판(830)은, 완충층(840) 및 HTS 층(850)을 위한 결정 템플릿을 제공하도록 적어도 하나의 이축 조직화된 표면을 가진다. 완충층(840)은 기판(830)을 덮으며 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 완충층(840)을 덮는 HTS 층(850)은 임의의 HTS 재료일 수 있다. 하나 이상의 구체예에서, HTS 층은 H//ab 또는 H//c에서의 성능을 최적화시키는 Y-123과 같은 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함한다. 캡층(860)은 HTS 층(850) 위에 위치하며 화학적 및 기계적 열화로부터 HTS 층을 보호한다. 인서트(820)는 동일하거나 유사한 구조물을 가질 수 있으며, 이들로는 기판(830'), 완충층(840'), HTS 층(850') 및 캡층(860')이 포함된다. 도 8에 나타낸 구체예에서, 초전도체 층(840)은 고 Ic(c) 초전도체 재료로 보여지고 초전도체 층(840')은 고 Ic(ab) 초전도체 재료로 보여지나, 초전도체 층 둘 모두가 고 Ic(ab) 재료 또는 고 Ic(c) 재료일 수 있음을 쉽게 알 수 있다. 개개의 HTS 조립체는 여러 방법 중 하나를 사용하여 캡층(860, 860')에서 결합된다. 예를 들어, 예시적인 결합 기술로는 솔더링 및 확산 결합이 포함된다. 두 HTS 조립체(810, 820)를 결합하는 예시적인 솔더 층(880)이 도 8에 도시되어 있다. HTS 조립체와 관련한 추가의 정보는 공동 소유된 미국 특허 제6,828,507호에서 찾아볼 수 있으며, 상기 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

하나 이상의 구체예에서, 두 초전도체 층 HTS 와이어의 전기적 안정성은, 예를 들어 도 7 및 도 8에 도시된 와이어와 같은 초전도 와이어를 도 9에 나타낸 바와 같이 전기 전도성 구조물(900)로 에워쌈으로서 더욱 증대된다. 전기 전도성 구조물은 하나의 초전도체 층으로부터 다른 초전도체 층으로의 전류 수송을 가능하게 한다. 이는 풍부한 전류 경로를 제공하며, 이로써 와이어의 안정성을 향상시켜 성능의 변화 및 국소 결함에 대한 와이어의 민감성을 완화 및 감소시킨다. 전도성 외부 구조물은 HTS 조립체(710, 720)와 전기적으로 접촉하고 있는 상부 및 하부 전도성 스트립(910, 910')을 포함할 수 있다. 실질적으로 비다공성인 전기 전도성 충진제(920, 920')는, 주위 환경으로부터 HTS 조립체를 분리시키고 두 초전도체 층 사이의 전기 접속 및 외부 전기 접속을 제공하도록 초전도 와이어 조립체의 측면을 따라 제1 및 제2 전도성 스트립 사이에서 연장된다.

와이어(900)에서, 충진제(920, 920')는 HTS 조립체(710, 720) 사이에 전기적 전달(electrical communication)을 제공한다. 본질적으로, 충진제(920, 920')는 전도성 도관 또는 브릿지(bridge)로서 거동한다. 충진제(920, 920')가 전도성이라도, 전류가 와이어(900)를 통과하여 흐르기 때문에 전류는 일반적으로 저항성이 낮은 통로를 따를 것이며, 이것은 HTS 조립체(710, 720) 중 하나 또는 둘 다를 통할 수 있다. 전류에 대한 풍부한 전기적 경로의 존재는 와이어의 전기적 안정성을 향상시키며, 와이어(900)의 전류 운반 용량을 단일 조립체 또는 두 개의 분리된 조립체의 전류 운반 용량 이상으로 증가시킨다. 마지막으로, 충진제(920, 920')는 HTS 조립체(710, 720) 중 하나 또는 둘 다에 전기 전류를 도입하기 위한 수단을 제공한다. 충진제(920, 920')에 전류원을 간단히 접촉시키면, 전류는 충진제를 통해 HTS 조립체로 흐른다. 충진제(920, 920')가 전도성 안정제 스트립(910, 910')과 접촉하고 있기 때문에, 스트립(910, 910') 중 하나 또는 둘 다에 전류원을 접촉시키면 또한 HTS 조립체(710, 720) 중 하나 또는 둘 다에 전류가 도입된다.

재료(920, 920')는 비다공성이 되도록, 충분한 강도를 가지도록, 와이어(900)를 실질적으로 에워싸고 실링하기에 충분한 두께로 코팅되도록 선택된다. 와이어(900) 측면 위의 두꺼운 충진제(920, 920')의 코팅은 또한 와이어에 기계적 강도를 추가하여, 굴곡 또는 다른 잠재적인 손상원에 의한 와이어(900)의 탈적층화를 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 재료(920, 920')는 추가의 열 용량을 제공함으로써 와이어에 열적 안정성을 추가한다. 하나 이상의 구체예에서, 와이어는 와이어(900)의 기계적 강도 및 내구성 요건을 충족시키기에 충분한 충진제 폭을 가지나 너무 크지는 않다. 전형적인 개개의 충진제 폭의 범위는 0.025-0.2 mm이나, 더 크거나 작을 수 있다(예를 들어, 0.005-1 mm).

안정제 스트립(910 및 910')은 또한 와이어(900)의 기계적, 전기적 및 열적 안정성을 증대시킬 수 있다. 스트립(910, 910')은 생성되는 와이어의 목적하는 특징에 따라 동일하거나 상이할 수 있다. 스트립의 두께는 목적하는 적용에 따라 약 0.01-2 mm의 넓은 범위, 예를 들어 0.05-0075 mm, 1 mm와 같거나 크도록 변할 수 있다. 스트립(910 및 910')은 일반적으로 가요성 전도성 재료, 예를 들어 금속(알루미늄, 구리, 은, 니켈, 철, 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금, 구리 합금, 은 합금, 니켈 합금, 니켈 텅스텐 합금 또는 철 합금)이다. 대부분의 적용의 경우, 구리와 같은 고 전도성 금속이 바람직하다. 한류기 적용의 경우, 기계적으로 강하고 높은 저항성 합금, 이를 테면 스테인리스 스틸이 바람직하다.

일부 구체예에서, 안정제 스트립(910 및 910')은 HTS 조립체(710 및 720)의 폭보다 큰 폭을 가진다. 이러한 초과하는 폭 및 돌출부(overhang)는 충진제(920, 920')의 층들 또는 필릿(fillet)들이 모세관 작용에 의해 와이어의 측면을 따라 형성되도록 한다. 일반적으로, 스트립(910, 910')의 폭은 HTS 조립체(710, 720)의 폭보다 0.01-2 mm 넓은 범위를 가진다. 예를 들어, 약 4.3 mm의 폭을 가진 안정제 스트립은 4.0 또는 4.1 mm의 폭을 가진 초전도 인서트와 함께 사용될 수 있다.

HTS 와이어, 예를 들어 와이어(1000)는 도 10에 나타낸 바와 같이 제조될 수 있다. HTS 와이어 조립체는 넓은(예를 들어, 약 4 내지 10 cm 폭) 다층 스트립으로서 제작된 다음, 몇 개의 좁은(예를 들어, 4 cm 폭 스트립으로부터 약 0.4 cm 폭 스트립 약 10 개) 스트립으로 길이방향으로 슬릿팅되고, HTS 조립체(1010, 1020)를 형성한다. 도 11의 단계(1090)를 참조할 수 있다. 안정제 스트립이 양 측면위에서 HTS 스트립 위로 돌출하도록, 전도성 안정제 스트립(1060, 1060')의 폭은 좁은 HTS 스트립의 폭보다 넓을 수 있다. 슬릿팅된 후, 충진 재료의 욕조(1000)중에서 좁은 HTS 인서트 스트립(1010, 1020)을 안정제 스트립(1060, 1060')과 결합시킴으로써 와이어가 형성될 수 있다. 예를 들어, 다층 HTS 인서트(1010, 1020)는 릴(1010, 1010')로부터 충진제 베스 내로 공급될 수 있다. 안정제 스트립(1060, 1060')은, 긴 길이의 재료가 적층 구조를 형성하도록 HTS(1010, 1020)의 공급 릴(1010, 1010') 위 및 아래에 위치된 릴(1010, 1020)에서 떨어져 공급될 수 있다. 충진제는 HTS 조립체(1010, 1020)를 동시에 에워싸며, 또한 전도성 안정제 스트립(1060, 1060')에 이들을 적층시킨다. 다이(1030)는 인서트(1010, 1020) 및 안정제 스트립(1060, 1060')을 하나의 초전도 와이어(1000)내로 융합시키고 강고하게 한다. HTS 인서트를 제작 및 슬릿팅한 후 와이어에 안정제 스트립을 적층함으로써, 안정제 스트립은 인서트보다 넓게 용이하게 제조될 수 있다. 돌출부 성질은 상부 및 하부 안정제 스트립(1060, 1060') 사이에서 솔더의 모세관 위킹(capillary wicking)을 촉진하여 와이어의 측면 위에 충진제의 두껍고 기계적으로 강건한 필릿을 제공한다.

본 발명에 따른 HTS 와이어의 하나 이상의 구체예와 함께 사용하기 위한 전기 전도성 구조물에 대한 더욱 상세한 설명은 "고온 초전도 와이어를 위한 구성물(Architecture For High Temperature Superconductor Wire)"이라는 발명의 명칭으로 2005년 7월 29일 출원된 동시계류중이며 공동 소유된 미국 특허출원 제11/193,262호에서 찾아볼 수 있으며, 상기 문헌의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다.

상이한 성능 특징을 가진 와이어들을 한쪽 끝과 다른 한쪽 끝이 이어지도록(end-to-end) 결합시켜 그의 길이를 따라 성능이 변할 수 있는 HTS 와이어를 수득할 수 있다. 이는 도 9에 나타낸 바와 같이, 산화물 초전도체 층과의 전기적 접촉을 제공하는 전기 전도성 외부 구조물을 가진 HTS 와이어를 사용함으로써 촉진된다.

본원에 기술된 것과 같은 HTS 와이어는 전자석 코일 또는 권선에 사용될 수 있다. 즉, HTS 와이어는, 강한 H//ab 성분을 가진 자기장을 경험하는 코일의 영역내의 HTS 와이어가 고 Ic(ab)를 가진 HTS 와이어로 이루어지도록 코일을 형성하기 위해 감겨진다. 유사하게, 강한 H//c 성분을 가진 자기장을 경험하는 코일의 영역내의 HTS 와이어는 고 Ic(c) 및 임의로 목적하는 Ic(ab)/Ic(c) 비를 가진 HTS 와이어로 이루어진다. 중간 배향의 자기장을 경험하는 코일의 영역은 목적하는 고 Ic(c) 및 임의로 목적하는 Ic(ab)/Ic(c) 비를 수득하기 위해 고 Ic(ab) 및 고 Ic(c) 초전도체 층의 목적하는 조합을 가진 HTS 와이어로 구성된다. 또한, 두 층들의 두께는 테이프 표면에 평행 및 수직인 전류 밀도의 목적하는 조합을 수득하도록 선택될 수 있다.

도 11은 본 발명의 각종 구체예에 따른 HTS 와이어를 제조하기 위해 사용된 예시적 공정의 흐름도를 나타낸다. 제1 스테이션(1110)에서, 와이어 기판은 이축 조직을 얻을 수 있도록 처리된다. 바람직하게도, 기판 표면은 비교적 명확하게 정의된 결정 배향(crystallographic orientation)을 가진다. 예를 들어, 표면은 이축 조직 표면(예를 들어, (113) [211] 표면) 또는 입방 조직 표면(예를 들어, (100)[011] 표면 또는 (100)[001] 표면)일 수 있다. 바람직하게도, 표면의 X-선 회절 극점도에서의 피크는 약 20°미만(예를 들어, 약 15°미만, 약 10°미만, 또는 약 5° 내지 약 10°)의 FWHM을 가진다.

표면은 예를 들어 압연 및 어닐링에 의해 제조할 수 있다. 또한 이온 빔 보조 증착법, 경사 기판 증착법 및 당업자에게 공지되어 있는 기타의 진공 기술과 같은 진공 공정을 사용하여 표면을 제조하여, 예를 들어 무작위적으로 배향된 다결정 또는 비정질 표면 위에 이축 조직화된 표면을 형성할 수도 있다. 특정 구체예(예를 들어, 이온 빔 보조 증착이 사용되는 경우)에서, 기판의 표면은 조직화될 필요가 없다(예를 들어, 표면은 무작위적으로 배향된 다결정일 수 있거나, 표면은 비정질일 수 있다).

기판은 완충층 스택 및/또는 초전도체 재료의 층을 지지할 수 있고 최종 와이어에 필요한 기계적 특성을 제공할 수 있는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 기판으로서 사용될 수 있는 기판 재료의 예로는 금속 및/또는 합금, 이를 테면 니켈, 은, 구리, 아연, 알루미늄, 철, 크롬, 바나듐, 팔라듐, 몰리브덴 및/또는 이들의 합금이 포함된다. 일부 구체예에서, 기판은 초합금으로 이루어질 수 있다. 특정 구체예에서, 기판은 비교적 넓은 표면적을 가지는 물체(예를 들어, 와이어 또는 웨이퍼)의 형태일 수 있다. 이들 구체예에서, 기판은 비교적 가요성 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

이들 구체예 중 일부 구체예에서, 기판은 구리, 니켈, 크롬, 바나듐, 알루미늄, 은, 철, 팔라듐, 몰리브덴, 텅스텐, 금 및 아연과 같은 금속 중 두 가지 금속을 함유하는 2원 합금이다. 예를 들어, 2원 합금은 니켈 및 크롬(예를 들어, 니켈 및 최대 20 원자%의 크롬, 니켈 및 약 5 원자% 내지 약 18 원자%의 크롬, 또는 니켈 및 약 10 원자% 내지 약 15 원자%의 크롬)으로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 2원 합금은 니켈 및 구리(예를 들어, 구리 및 약 5 원자% 내지 약 45 원자%의 니켈, 구리 및 약 10 원자% 내지 약 40 원자%의 니켈, 또는 구리 및 약 25 원자% 내지 약 35 원자%의 니켈)로 형성될 수 있다. 추가 예로서, 2원 합금은 니켈 및 텅스텐(예를 들어, 약 1 원자%의 텅스텐 내지 약 20 원자%의 텅스텐, 약 2 원자%의 텅스텐 내지 약 10 원자%의 텅스텐, 약 3 원자%의 텅스텐 내지 약 7 원자%의 텅스텐, 약 5 원자%의 텅스텐)을 함유할 수 있다. 2원 합금은 또한 비교적 소량의 불순물(예를 들어, 약 0.1 원자% 미만의 불순물, 약 0.01 원자% 미만의 불순물, 또는 약 0.005 원자% 미만의 불순물)을 포함할 수 있다. 기판에 대한 바람직한 재료는 Ni-5wt%W이다.

이들 구체예 중 특정 구체예에서, 기판은 두 가지 이상의 금속(예를 들어, 3원 합금 또는 4원 합금)을 함유한다. 이들 구체예 중 일부 구체예에서, 합금은 하나 이상의 산화물 형성제(예를 들어, Mg, Al, Mo, V, Ta, Ti, Cr, Ga, Ge, Zr, Hf, Y, Si, Pr, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu, Th, Er, Tm, Be, Ce, Nd, Sm, Yb 및/또는 La, 이 중 Al이 바람직한 산화물 형성제임)뿐 아니라, 구리, 니켈, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 알루미늄, 은, 철, 팔라듐, 몰리브덴, 금 및 아연 중 두 가지의 금속을 함유할 수 있다. 이들 구체예 중 특정 구체예에서, 합금은 구리, 니켈, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 알루미늄, 은, 철, 팔라듐, 몰리브덴, 금 및 아연 중 2개의 금속을 함유할 수 있으며, 상술한 산화물 형성제 중 임의의 형성제는 실질적으로 없을 수 있다.

합금이 산화물 형성제를 함유하는 구체예에서, 합금은 적어도 약 0.5 원자%의 산화물 형성제(예를 들어, 적어도 약 1 원자%의 산화물 형성제, 또는 적어도 약 2 원자%의 산화물 형성제) 및 최대 약 25 원자%의 산화물 형성제(예를 들어, 최대 약 10 원자%의 산화물 형성제, 또는 최대 약 4 원자%의 산화물 형성제)를 함유할 수 있다. 예를 들어, 합금은 산화물 형성제(예를 들어, 적어도 약 0.5 원자%의 알루미늄), 약 25 원자% 내지 약 55 원자%의 니켈(예를 들어, 약 35 원자% 내지 약 55 원자%의 니켈, 또는 약 40 원자% 내지 약 55 원자%의 니켈), 나머지는 구리를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 합금은 산화물 형성제(예를 들어, 적어도 약 0.5 원자%의 알루미늄), 약 5 원자% 내지 약 20 원자%의 크롬(예를 들어, 약 10 원자% 내지 약 18 원자%의 크롬, 또는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%의 크롬), 나머지는 니켈을 포함할 수 있다. 합금은 비교적 소량의 추가 금속(예를 들어, 약 0.1 원자% 미만의 추가 금속, 약 0.01 원자% 미만의 추가 금속, 또는 약 0.005 원자% 미만의 추가 금속)을 포함할 수 있다.

합금으로 이루어진 기판은, 예를 들어 분말 형태로 성분을 혼합하고 용융 및 냉각시키거나, 예를 들어 고체 상태에서 분말 성분을 함께 확산시켜 제조할 수 있다. 그 뒤 합금은 변형 조직화(예를 들어, 어닐링 및 압연, 스웨이징(swaging), 압출 및/또는 드로잉(drawing))에 의해 조직화된 표면(예를 들어, 이축 조직 표면 또는 입방 조직 표면)을 형성할 수 있다. 또는, 합금 성분을 젤리 롤 형상으로 적층한 뒤, 변형 조직화시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 비교적 열 팽창 계수가 낮은 재료(예를 들어, Nb, Mo, Ta, V, Cr, Zr, Pd, Sb, NbTi, NiAl 또는 Ni₃Al과 같은 금속간 화합물, 또는 이들의 혼합물)가 변형 조직화 이전에 로드(rod)로 형성하여 합금에 포매시킬 수 있다.

일부 구체예에서, 기판 표면 위에 배치되어 있는 중간층을 사용하여, 이축 조직 합금 표면 위에 제1 에피택셜 층(예를 들어, 완충층)이 형성될 때까지, 표면에서 안정한 산화물이 형성되는 것을 제한할 수 있다. 상기 중간층은, 에피택셜 완충층 막의 초기 성장에 필요한 온도 및 PO₂에 의해 설정된 조건에 노출되었을 경우 표면 산화물을 형성하지 않는 에피택셜 금속 또는 합금층을 포함한다. 또한, 완충층은 기판 부재(들)가 중간층의 표면으로 이동하는 것을 방지하고, 에피택셜 층의 초기 성장 동안 산화물이 형성되는 것을 방지하기 위한 장벽으로서 작용한다. 이러한 중간층이 없는 경우, 예를 들어, 상기 산화물 층내 조직의 부재로 인해, 기판내 하나 이상의 부재는 에피택셜 층의 증착을 유의적으로 지연시킬 수 있는, 기판 표면에서의 열역학적으로 안정한 산화물(들)을 형성한다고 예상할 수 있다.

예시적인 중간 금속 층으로는 니켈, 금, 은, 팔라듐 및 이들의 합금이 포함된다. 추가 금속 또는 합금으로는 니켈 및/또는 구리의 합금이 포함될 수 있다. 중간층에 증착된 에피택셜 막 또는 층은 금속 산화물, 칼코겐의 이원 화합물(chalcogenide), 할로겐화물 및 질화물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 중간 금속 층은 에피택셜 막 증착 조건하에서는 산화되지 않는다.

증착된 중간층은, 초기 완충층 구조의 핵화 및 성장에 의해 에피택셜 층이 확립되기 전에, 기판으로 완전히 혼입되지 않거나 기판으로 완전히 확산되지 않도록 주의를 기울여야 한다. 이는 기판 합금에서의 확산 상수, 실질적인 에피택셜 완충층 성장 조건하 산화에 대한 열역학적 안정성 및 에피택셜 층과 일치하는 격자와 같은 적절한 특성을 얻기 위해 금속(또는 합금)을 선택한 후, 증착된 금속 층의 두께를 에피택셜 층 증착 조건, 특히 온도에 맞춰 조정해야 함을 뜻한다.

중간 금속층은 증발 또는 스퍼터링과 같은 진공 공정으로, 또는 (전극을 사용하거나 사용하지 않는) 전기도금과 같은 전기-화학적 수단에 의해 증착시킬 수 있다. 이들 증착된 중간 금속층은 (증착하는 동안의 기판 온도에 따라) 증착후 에피택셜이거나 에피택셜이 아닐 수 있으나, 증착후 열처리하는 동안 에피택셜의 배향을 후속적으로 얻을 수 있다.

특정 구체예에서, 황은 중간층 또는 기판의 표면 위에 형성될 수 있다. 황은, 예를 들어 중간층을 황(예를 들어, H₂S, 탄탈륨 포일 또는 은 포일) 및 수소(예를 들어, 수소, 또는 수소와 불활성 기체의 혼합물, 예컨대 5% 수소/아르곤 기체 혼합물)의 공급원을 함유하는 기체 환경에 소정의 시간(예를 들어, 약 10초 내지 약 1시간, 약 1분 내지 악 30분, 약 5분 내지 약 15분) 동안 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 이는 상승 온도(예를 들어, 약 450℃ 내지 약 1,100℃, 약 600℃ 내지 약 900℃, 850℃의 온도)에서 수행될 수 있다. 수소(또는 수소/불활성 기체 혼합물)의 압력은 비교적 낮거나(예를 들어, 약 1 Torr 미만, 약 1×10^-3 Torr 미만, 약 1×10^-6Torr 미만), 또는 비교적 높을 수 있다(예를 들어, 약 1 Torr 초과, 약 100 Torr 초과, 약 760 Torr 초과).

이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 상기 조건하에서 조직화된 기판 표면을 황 공급원에 노출시키게 되면 상기 조직화된 기판 표면 위에 황의 초구조물(superstructure)(예를 들어, a c(2×2) 초구조물)이 형성될 수 있다고 판단된다. 또한 상기 초구조물은 중간층의 표면을 안정화(예를 들어, 화학적 및/또는 물리적 안정화)시키는데 효과적일 수 있다고도 판단된다.

황의 초구조물을 형성하기 위한 하나의 접근법에 대해 설명하였으나, 상기 초구조물을 형성하기 위해서는 다른 방법도 사용할 수 있다. 예를 들어, 황의 초구조물(예를 들어, S c(2×2))은 적절한 기체 환경에서 적절한 온도로 가열시켜 적절한 유기 용액을 중간층의 표면에 적용함으로써 형성될 수 있다. 또한 중간층의 표면 위에 황의 초구조물을 형성하는 것에 대해 설명하였으나, 다른 초구조물이 또한 상기 표면을 안정화(예를 들어, 화학적 및/또는 물리적 안정화)시키는데 효과적일 수 있다고 판단된다. 예를 들어, 표면 위에 배치된 산소 초구조물, 질소 초구조물, 탄소 초구조물, 칼륨 초구조물, 세슘 초구조물, 리튬 초구조물 또는 셀레늄 초구조물이 상기 표면의 안정화를 증대시키는 데 효과적일 수 있다고 판단된다.

제2 공정 스테이션(1120)에서, 조직화된 금속 표면 위의 에피택셜 성장에 의해 하나 이상의 완충층이 조직 기판 위에 형성된다. 다르게는, 완충층은 이온 빔 보조 증착법(IBAD)을 사용하여 무작위적으로 조직화된 다결정 금속 표면 위에 형성될 수 있다. 이러한 기술에서, 예를 들어, 증발된 완충층 재료가 증착되는 기판의 평활한 비정질 표면으로 이온 빔(예를 들어 아르곤 이온 빔)이 향하는 동안 전자 빔 증발법, 스퍼터링 증착법 또는 펄스형 레이저 증착법을 사용하여 완충층 재료를 증발시킨다.

예를 들어, 완충층 재료가 평면 내부 및 평면 외부 모두에 실질적으로 정렬된(약 13°이하) 표면을 갖도록, 이온 빔 보조 증착법에 의해 기판의 평활한 비정질 표면(예를 들면, 약 100 Å 미만의 제곱 평균 거칠기를 갖는 표면) 위에서 암염과 같은 구조를 갖는 완충층 재료(예를 들어, 암염 구조를 가지는 재료, 이를 테면 MgO를 포함하는 산화물 또는 질화물)를 증발시킴으로써 완충층을 형성할 수 있다.

완충층 재료를 증착하는 동안 사용되는 조건은, 예를 들어, 약 0℃ 내지 약 750℃(예를 들어, 약 0℃ 내지 약 400℃, 약 실온 내지 약 750℃, 약 실온 내지 약 400℃)의 기판 온도, 약 1.0 Å/s 내지 약 4.4 Å/s의 증착 속도, 약 200 eV 내지 약 1,200 eV의 이온 에너지 및/또는 약 110 ㎂/㎠ 내지 약 120 ㎂/㎠의 이온 플럭스를 포함할 수 있다.

일부 구체예에서, IBAD를 사용하는 경우, 기판은 상이한 재료(예를 들어, Si₃N₄)로 이루어진 평활한 비정질 표면을 가진 다결정의 비-비정질 베이스 구조(예를 들어, 니켈 합금과 같은 금속 합금)를 가진 재료로 형성된다.

특정 구체예에서, 복수개의 완충층은 원래의 IBAD 표면 위에서 에피택셜 성장에 의해 증착시킬 수 있다. 각각의 완충층은 평면 내 및 평면 외 모두에서 실질적인 정렬(예를 들어, 약 13°이하)을 가질 수 있다.

완충 재료는 예를 들어 문헌[S.S. Shoup et al., J. Am. Cer. Soc., vol. 81, 3019; D. Beach et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 495, 263 (1988); M. Paranthaman et al., Superconductor Sci. Tech., vol. 12, 319 (1999); D.J. Lee et al., Japanese J. Appl. Phys., vol. 38, L178 (1999) 및 M.W. Rupich et al., I.E.E.E. Trans. on Appl. Supercon. vol. 9, 1527]에 개시되어 있는 바와 같은 금속유기물 증착법을 비롯한 용액 상 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 특정 구체예에서, 용액 코팅 공정은 조직화된 기판 위에 산화물 층 중 임의의 하나 또는 그의 조합의 에피택셜 증착을 위해 사용할 수 있으나; 상기 용액 코팅 공정은 조직화된 금속 기판 위에 초기(시드(seed)) 층을 증착시키는데 특히 적용가능할 수 있다. 시드층의 역할은, 1) 기판에 대하여 산화 대기에서 수행하는 경우 다음 산화물 층의 증착이 일어나는 동안 기판이 산화되는 것을 보호하고(예를 들어, 표적 산화물로부터 이트리아-안정화 지르코니아의 마그네트론 스퍼터 증착); 2) 후속 산화물 층의 성장을 위한 에피택셜 템플릿을 제공하는 것에 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 시드층은 금속 기판 표면의 전체에 걸쳐 에피택셜적으로 성장해야 하며, 후속 에피택셜 산화물 층의 증착을 방해할 수 있는 임의의 오염물이 존재하지 않아야 한다.

산화물 완충층의 형성은 기판 기본층의 습윤을 촉진시키고자 수행할 수 있다. 또한, 특정 구체예에서, 금속 산화물 층의 형성은 금속 알콕시화물 전구체(예를 들어, "졸 겔(sol gel)" 전구체)를 사용하여 수행할 수 있다.

완충층을 포함하는 조직 기판이 제조되면, 전구체 용액은 상술된 바와 같은 증착 스테이션(1130)에서 증착된다. 임의로, 전구체는 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 레이저 애블레이션(laser ablation) 또는 이온 충돌(ion bombardment)을 사용하여 초전도체 층을 패턴화하는 경우에 패턴화 조작을 달성하기 위해 추가의 장비가 필요할 수 있다. 드롭와이즈(dropwise) 패턴화 증착법이 사용되면, 잉크젯 프린터 증착 장치가 구비된 단일 스테이션은 산화물 전구체 용액의 증착 및 패턴화 둘 다를 달성할 수 있다.

전형적으로, 용액 화학을 사용하여 불소화바륨 및/또는 다른 초전도체 전구체를 제조하며; 용액(예를 들어, 금속염, 이를테면 아세트산 이트륨, 트리플루오로아세트산 이트륨(Y-TFA), 아세트산 구리, 아세트산 바륨 및/또는 바륨의 불소화 아세트산 염)은 표면 위에(예를 들어, 그 위에 배치된 하나 이상의 완충층과 합금 층을 가진 기판과 같은 기판의 표면 위에) 배치된다. 이 용액은 표준 기술(예를 들어, 스핀(spin) 코팅, 딥(dip) 코팅, 슬롯(slot) 코팅)을 사용하여 표면 위에 배치될 수 있다. 이 용액을 건조시켜 용액 중 존재하는 유기 화합물의 적어도 일부를 제거(예를 들어, 약 실온에서 또는 온화한 가열하에 건조)하고, 생성된 물질을 산소 및 물을 함유하는 기체 환경하에 노(furnace)에서 반응시켜(예를 들어 분해시켜) 불소화바륨 및/또는 다른 적절한 재료(예를 들어, CuO 및/또는 Y₂O₃)를 형성한다. 일부 구체예에서, 상술한 반응기는 이들 단계 중 어느 단계 또는 모든 단계에 사용될 수 있다.

생성된 초전도체 층에 요구되는 적절한 비율로 금속원을 사용하여 금속 염 용액이 제조된다. 따라서, 과량의 구리를 가진 고 Ic(ab) 초전도체 층을 제조하는데 사용되는 전구체 용액 중에 예를 들어, Y-123에 사용되는 화학양론적 비율의 과량으로 추가량의 구리 염이 포함된다. 유사하게, 전구체 용액은, 최종 초전도체 조성물을 조정하는데 사용되는 가용성 및 불용성 금속 화합물을 비롯한 첨가제 성분을 함유할 수 있다. 이러한 첨가제로는 예를 들어 전구체 용액에 함유된 용매에 용해할 수 있는 금속 화합물 중 가용성 화합물, 이를테면 이트륨, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬, 알칼리 토류 금속, 이를 테면 칼슘, 바륨 및 스트론튬, 전이금속, 이를테면 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 지르코늄, 세륨, 은, 알루미늄 및 마그네슘이 포함될 수 있다. 첨가제 성분은 또한 전구체 용액중에 포함된 화학양론적으로 과량의 가용성 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가용성 이트륨 염 또는 가용성 구리 염은 Y123를 형성하는데 필요한 양보다 과량으로 전구체 용액중에 포함될 수 있다. 불용성 첨가제 성분이 또한 전구체 용액에 첨가될 수 있다.

사용될 수 있는 금속 염 용액의 예는 다음과 같다.

일부 구체예에서, 금속 염 용액은 비교적 소량의 유리 산을 가질 수 있다. 수용액에서, 이는 비교적 중성인 pH(예를 들어, 강산도 아니고 강염기도 아닌 pH)를 가진 금속 염 용액에 해당할 수 있다. 금속 염 용액은, 초전도체 층이 형성되는 하부 층으로서 사용될 수 있는 매우 다양한 금속을 사용하여 다층 초전도체를 제조하는데 사용될 수 있다.

금속 염 용액중 전체 유리 산 농도는 약 1×10^-3 몰 미만(또는 약 1×10^-5 몰 미만 또는 약 1×10^-7 몰 미만)일 수 있다. 금속 염 용액에 함유될 수 있는 유리 산의 예로는 트리플루오로아세트산, 아세트산, 질산, 황산, 요오드화물의 산, 브롬화물의 산 및 황산염의 산이 포함된다.

금속 염 용액이 물을 함유하는 경우, 전구체 조성물은 적어도 약 3(또는 적어도 약 5 또는 약 7)의 pH를 가질 수 있다.

일부 구체예에서, 금속 염 용액은 비교적 낮은 수분 함량(예를 들어, 약 50 부피% 미만의 수분, 약 35 부피% 미만의 수분, 또는 약 25 부피% 미만의 수분)을 가질 수 있다.

금속 염 용액이 트리플루오로아세트산염 이온 및 알칼리 토류 금속 양이온(예를 들어, 바륨)을 함유하는 구체예에서, 트리플루오로아세트산염 이온의 총량은, 금속 염 용액 내에 함유된 알칼리 토류 금속(예를 들어, 바륨 이온)에 대한 금속 염 용액 내에 함유된 불소(예를 들어, 트리플루오로아세트산염 형태)의 몰비가 적어도 약 2:1(예를 들어, 약 2:1 내지 약 18.5:1, 또는 약 2:1 내지 약 10:1)이 되도록 선택될 수 있다.

일반적으로, 금속 염 용액은 제1 금속(예를 들어, 구리), 제2 금속(예를 들어, 알칼리 토류 금속) 및 희토류 금속의 가용성 화합물을 하나 이상의 목적하는 용매 및 임의로 물과 혼합함으로써 제조될 수 있다. 본원에 사용된 제1, 제2 및 희토류 금속의 "가용성 화합물"은 금속 염 용액중에 함유된 용매(들)에 용해할 수 있는 이들 금속의 화합물을 말한다. 이러한 화합물로는, 예를 들어 이들 금속의 염(예를 들어, 질산염, 아세트산염, 알콕시화물, 요오드화물, 황산염 및 트리플루오로아세트산염), 산화물 및 수산화물이 포함된다.

특정 구체예에서, 금속 염 용액은 당업자들에게 공지된 방법을 사용하여 혼합 및 반응시킨 Ba(O₂CCH₃)₂, Y₂(O₂CCH₃)₃ 및 Cu(O₂CCH₃)₂의 분말로부터 제조된 금속 트리플루오로아세트산염을 함유하는 유기 용액으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 트리플루오로아세트산염 분말은 구리 함량 기준으로 실질적으로 0.94M 용액을 생성하도록 메틸 알콜중에서 2:1:3의 비율로 혼합될 수 있다.

특정 구체예에서, 금속 염 용액은 루이스 염기를 함유할 수 있다. 상기 희토류 금속은 이트륨, 란타늄, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨 또는 루테튬일 수 있다. 일반적으로, 상기 희토류 금속염은, 상기 금속 염 용액 내에 함유된 용매(들)에 가용하며, 중간체(예컨대, 금속 옥시할라이드 중간체)를 형성하도록 처리되는 경우 희토류 산화물(들)(예를 들어, Y₂O₃)을 형성하는 임의의 희토류 금속 염일 수 있다. 이러한 염은 예를 들어 일반식 M(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''')(O₂C-(CH₂)_p-CX''''''X'''''''X'''''''') 또는 M(OR)₃을 가질 수 있다. 상기 M은 희토류 금속이다. 상기 n, m 및 p는 각각 적어도 1이지만, 상기 염을 용매(들)에 대해 불용성이 되게 하는 수 미만의 수(예를 들어, 1 내지 10)이다. 또한 각각의 X, X', X'', X''', X'''', X''''', X'''''', X''''''' 및 X''''''''은 H, F, Cl, Br 또는 I이다. 상기 R은 탄소 함유 기로서, 할로겐화될 수 있거나(예를 들어, CH₂CF₃), 할로겐화되지 않을 수 있다. 이러한 염의 예로는 비할로겐화 카르복시산염, 할로겐화 아세트산염(예를 들어, 트리플루오로아세트산염, 트리클로로아세트산염, 트리브로모아세트산염, 트리요오도아세트산염), 할로겐화 알콕시화물 및 비할로겐화 알콕시화물이 포함된다. 상기 비할로겐화 카르복시산염의 예로는 비할로겐화 아세트산염(예를 들어, M(O₂C-CH₃)₃)이 포함된다. 상기 알칼리 토류 금속은 바륨, 스트론튬 또는 칼슘일 수 있다. 일반적으로, 상기 알칼리 토류 금속염은, 상기 금속 염 용액내에 함유된 용매(들)에 가용하며 중간체(예를 들어, 금속 옥시할라이드 중간체)를 형성하도록 처리되는 경우 알칼리 토류 산화물(들)(예를 들어, BaO)을 형성하기 전에 알칼리 토류 할라이드 화합물(예를 들어 BaF₂, BaCl₂, BaBr₂, BaI₂)을 형성하는 임의의 알칼리 토류 금속 염일 수 있다. 이러한 염은 예를 들어 일반식 M'(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''') 또는 M'(OR)₂을 가질 수 있다. 상기 M'는 알칼리 토류 금속이다. 상기 n 및 m은 각각 적어도 1이지만, 상기 염을 용매(들)에 대해 불용성이 되게 하는 수 미만의 수이다(예를 들어, 1 내지 10). 상기 각각의 X, X', X'', X''', X'''' 및 X'''''는 H, F, Cl, B 또는 I이다. 상기 R은 할로겐화 또는 비할로겐화 탄소 함유 기일 수 있다. 이러한 염의 예로는 할로겐화 아세트산염(예를 들어, 트리플루오로아세트산염, 트리클로로아세트산염, 트리브로모아세트산염, 트리요오도아세트산염)이 포함된다. 일반적으로, 상기 전이금속은 구리이다. 상기 전이금속 염은 상기 금속 염 용액내 포함된 용매(들)에 가용해야 한다. 바람직하게는, 상기 전구체가 중간체(예를 들어, 금속 옥시할라이드)로 전환되는 동안, 불연속 전이금속 분자들(예를 들어, 구리 분자) 간에 최소한의 가교가 일어난다. 이러한 전이금속 염은 예를 들어, 일반식 M''(CXX'X''-CO(CH)_aCO-CX'''X''''X''''')(CX''''''X'''''''X'''''''')-CO(CH)_bCOCX''''''''' X''''''''''X'''''''''''), M''(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''') 또는 M''(OR)₂을 가질 수 있다. 상기 M''는 전이금속이다. 상기 a 및 b는 각각 적어도 1이지만, 상기 염을 용매(들)에 대해 불용성이 되게 하는 수 미만의 수이다(예를 들어, 1 내지 5). 일반적으로, 상기 n 및 m은 각각 적어도 1이지만, 상기 염을 용매(들)에 대해 불용성이 되게 하는 수 미만의 수이다(예를 들어, 1 내지 10). 각각의 X, X', X'', X''', X'''', X''''', X'''''', X''''''', X'''''''', X''''''''', X'''''''''' 및 X'''''''''''는 H, F, Cl, Br 또는 I이다. 상기 R은 탄소 함유 기이고, 할로겐화되거나(예를 들어, CH₂CF₃) 할로겐화되지 않을 수 있다. 이들 염으로는 예를 들어 비할로겐화 아세트산염(예를 들어, M''(O₂C-CH₃)₂), 할로겐화 아세트산염, 할로겐화 알콕시화물 및 비할로겐화 알콕시화물이 포함된다. 이러한 염의 예로는 구리 트리클로로아세트산염, 구리 트리브로모아세트산염, 구리 트리요오도아세트산염, Cu(CH₃COCHCOCF₃)₂, Cu(OOCC₇H₁₅)₂, Cu(CF₃COCHCOF₃)₂, Cu(CH₃COCHCOCH₃)₂, Cu(CH₃CH₂CO₂CHCOCH₃)₂, CuO(C₅H₆N)₂ 및 Cu₃O₃Ba₂(O-CH₂CF₃)₄를 들 수 있다. 특정 구체예에서, 전이금속염은 카르복시산 염(예를 들어, 비할로겐화 카르복시산 염), 이를 테면 전이금속의 프로피온산 염(예를 들어, 전이금속의 비할로겐화 프로피온산 염)이다. 전이금속의 비할로겐화 프로피온산 염의 예는 Cu(O₂CC₂H₅)₂이다. 일부 구체예에서, 전이 금속 염은 단순 염, 이를 테면 황산 구리, 질산 구리, 요오드화 구리 및/또는 옥실화 구리이다. 일부 구체예에서, 상기 n 및/또는 m은 0의 값을 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 상기 a 및/또는 b는 0의 값을 가질 수 있다. 루이스 염기의 예시적이며 비한정적인 예로는 질소-함유 화합물, 이를 테면 암모니아 및 아민이 포함된다. 아민의 예로는 CH₃CN, C₅H₅N 및 R₁R₂R₃N이 포함된다. 각각의 R₁R₂R₃는 독립적으로 H, 알킬 기(예를 들어 직쇄 알킬 기, 분지쇄 알킬 기, 지방족 알킬 기, 비지방족 알킬 기 및/또는 치환된 알킬 기) 등이다. 이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 금속 염 용액 내에 루이스 염기가 존재하면 중간체를 형성하는 동안 구리의 가교결합을 감소시킬 수 있다고 판단된다. 이는 루이스 염기가 구리 이온과 배위 결합(예를 들어, 선택적 배위결합)하여 구리의 가교결합능을 감소시키기 때문에 달성되는 것이라 판단된다.

전형적으로, 금속 염 용액을 스핀 코팅, 딥 코팅, 웨브(web) 코팅, 슬롯 코팅, 그라비아(gravure) 코팅 또는 당업자들에게 공지된 다른 기술에 의해 표면(예를 들어, 완충층 표면)에 적용한 다음 가열한다.

후속 스테이션(1140)에서, 전구체 성분이 분해된다. 적어도 하나의 불소화물-함유 염을 포함하는 전구체 성분의 경우, 가열 단계의 제1 단계를 수행하여 금속유기 분자를 목적하는 초전도체 재료의 하나 이상의 옥시플루오라이드 중간체로 분해시킨다.

전형적으로, 이 단계의 초기 온도는 대략 실온이며, 최종 온도는 약 190℃ 내지 약 210℃, 바람직하게는 약 200℃이다. 바람직하게는, 이 단계는 분당 적어도 약 5℃의 온도 램프(temperature ramp), 더 바람직하게는 분당 적어도 약 10℃의 온도 램프, 가장 바람직하게는 분당 적어도 약 15℃의 온도 램프를 사용하여 수행된다. 이 단계를 수행하는 동안, 공칭 기체(nominal gas) 환경에서 수증기의 부분압은 약 5 Torr 내지 약 50 Torr에서 유지시키는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 약 5 Torr 내지 약 30 Torr, 가장 바람직하게는 약 20 Torr 내지 약 30 Torr에서 유지시킨다. 공칭 기체 환경에서의 산소의 부분압은 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr, 바람직하게는 약 730 Torr-740 Torr에서 유지시킨다.

그 후, 분당 약 0.05℃ 내지 분당 약 5℃(예를 들어, 분당 약 0.5℃ 내지 분당 약 1℃)의 온도 램프를 사용하여 약 200℃ 내지 약 290℃의 온도로 계속 가열한다. 바람직하게는, 상기 가열 단계를 수행하는 동안 기체 환경은, 샘플을 초기 온도에서 약 190℃ 내지 약 215℃로 가열시킬 때 사용되는 공칭 기체 환경과 실질적으로 동일하다.

또한, 약 650℃의 온도, 또는 바람직하게는 약 400℃의 온도로 계속 가열하여 옥시플루오라이드 중간체를 형성한다. 이 단계는 바람직하게는 분당 적어도 약 2℃의 온도 램프, 더 바람직하게는 분당 적어도 약 3℃의 온도 램프, 가장 바람직하게는 분당 적어도 약 5℃의 온도 램프를 사용하여 수행한다. 바람직하게는, 이 가열 단계를 수행하는 동안 기체 환경은, 샘플을 초기 온도에서 약 190℃ 내지 약 215℃로 가열시킬 때 사용되는 공칭 기체 환경과 실질적으로 동일하다.

다른 구체예에서, 불소화바륨은 건조된 용액을 약 5 Torr 내지 약 50 Torr의 수증기압(예를 들어, 약 5 Torr 내지 약 30 Torr의 수증기압, 또는 약 10 Torr 내지 약 25 Torr의 수증기압)에서 초기 온도(예를 들어, 실온)에서 약 190℃ 내지 약 215℃의 온도(예를 들어, 약 210℃)로 가열시킴으로써 형성된다. 산소의 공칭 부분압은 예를 들어 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr일 수 있다. 이들 구체예에서, 그후 약 5 Torr 내지 약 50 Torr의 수증기압(예를 들어, 약 5 Torr 내지 약 30 Torr의 수증기압, 또는 약 10 Torr 내지 약 25 Torr의 수증기압)에서 약 220℃ 내지 약 290℃(예를 들어, 약 220℃)의 온도로 계속 가열시킨다. 산소의 공칭 부분압은, 예를 들어, 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr일 수 있다. 이 후, 약 5 Torr 내지 약 50 Torr의 수증기압(예를 들어, 약 5 Torr 내지 약 30 Torr의 수증기압, 또는 약 10 Torr 내지 약 25 Torr의 수증기압)에서 분당 적어도 약 2℃(예를 들어 분당 적어도 약 3℃, 또는 분당 적어도 약 5℃)의 속도로 약 400℃로 가열하여 불소화바륨을 형성한다. 산소의 공칭 부분압은 예를 들어 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr일 수 있다.

특정 구체예에서, 불소화바륨을 형성하기 위해 건조된 용액을 가열시키는 단계는 예열된 노(예를 들어, 적어도 약 100℃, 적어도 약 150℃, 적어도 약 200℃, 최대 약 300℃, 최대 약 250℃, 약 200℃의 온도)에 코팅된 샘플을 두는 단계를 포함할 수 있다. 노 내의 기체 환경은 예를 들어, 수증기의 소정 부분압(예를 들어, 적어도 약 10 Torr, 적어도 15 Torr, 최대 약 25 Torr, 최대 약 20 Torr, 약 17 Torr)과 나머지는 분자 산소인 약 760 Torr의 총 기체압을 가질 수 있다. 코팅된 샘플이 노 온도에 도달한 후, 노의 온도는 소정의 온도 램프 속도(예를 들어, 분당 적어도 약 0.5℃, 분당 적어도 약 0.75℃, 분당 최대 약 2℃, 분당 최대 약 1.5℃, 분당 약 1℃)로 (적어도 약 225℃, 적어도 약 240℃, 최대 약 275℃, 최대 약 260℃, 약 250℃) 상승시킬 수 있다. 이 단계는 제1 가열 단계에서 사용된 것과 동일한 공칭 기체 환경을 사용하여 수행할 수 있다. 그 후, 노의 온도를 소정의 온도 램프 속도(예를 들어, 분당 적어도 약 5℃, 분당 적어도 약 8℃, 분당 최대 약 20℃, 분당 최대 약 12℃, 분당 약 10℃)로 (적어도 약 350℃, 적어도 약 375℃, 최대 약 450℃, 최대 약 425℃, 약 450℃) 더 상승시킬 수 있다. 이 단계는 제1 가열 단계에서 사용된 것과 동일한 공칭 기체 환경을 사용하여 수행할 수 있다.

앞서 증착된 층위에 추가의 층이 증착될 수 있는데, 이는 옥시플루오라이드 중간 막을 형성하기 위해 처리된다. 처리 조건은 본원에 상술한 바와 실질적으로 같으나; 옥시플루오라이드 막으로의 분해동안 수증기의 부분압은 약 5-10 torr이다.

전술한 바와 같이 금속 염 용액을 처리하면 옥시플루오라이드 중간체 막이 형성될 수 있으며, 여기서 금속 산화물 및 금속 불소화물 성분은 막 전체에 걸쳐 균일하게 분포된다. 전구체는 비교적 낮은 결함 밀도를 가지며, 본질적으로 중간 두께 부분을 통하는 크랙이 없는 것이 바람직하다. 불소화바륨을 형성하기 위한 용액 화학이 개시되어 있지만, 다른 방법이 또한 다른 전구체 용액에 사용될 수 있다

그 후, 추가의 처리 스테이션(1150)에서 초전도체 중간층 막을 가열하여 목적하는 HTS 층을 형성할 수 있다. 전형적으로, 이 단계는 분당 약 25℃ 이상의 온도 램프, 바람직하게는 분당 약 100℃ 이상의 온도 램프 속도, 더욱 바람직하게는 분당 약 200℃ 이상의 온도 램프 속도로 약 실온에서 약 700℃ 내지 약 825℃의 온도로, 바람직하게는 약 740℃ 내지 800℃의 온도로, 더욱 바람직하게는 약 750℃ 내지 약 790℃의 온도로 가열함으로써 수행된다. 이 단계는 또한 중간체 옥시플루오라이드 막을 형성하는데 사용되는 약 400-650℃의 최종 온도로부터 출발할 수 있다. 이 단계를 수행하는 동안, 막 표면 위로 공정 기체를 흘려보내 막에 기체성 반응물을 공급하고 막으로부터 기체성 반응 생성물을 제거한다. 이 단계를 수행하는 동안 공칭 기체 환경의 총 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr이며, 이것은 약 0.09 Torr 내지 약 50 Torr의 산소, 약 0.01 Torr 내지 약 150 Torr의 수증기 및 약 0 Torr 내지 약 750 Torr의 불활성 기체(질소 또는 아르곤)로 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 공칭 기체 환경의 총 압력은 약 0.15 Torr 내지 약 5 Torr이며, 약 0.1 Torr 내지 약 1 Torr의 산소 및 약 0.05 Torr 내지 약 4 Torr의 수증기로 이루어진다.

그 후, 막은 적어도 약 5분 내지 약 120분 동안, 바람직하게는 적어도 약 15분 내지 약 60분 동안, 더욱 바람직하게는 적어도 약 15분 내지 약 30분 동안, 약 700℃-825℃, 바람직하게는 약 740℃ 내지 약 800℃, 더욱 바람직하게는 약 750℃ 내지 약 790℃의 온도로 유지시킨다. 이 단계를 수행하는 동안, 막 표면 위로 공정 기체를 흘려보내 막에 기체성 반응물을 공급하고 막으로부터 기체성 반응 생성물을 제거한다. 이 단계를 수행하는 동안 공칭 기체 환경의 총 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 760 Torr이며, 이것은 약 0.09 Torr 내지 약 50 Torr의 산소, 약 0.01 Torr 내지 약 150 Torr의 수증기 및 약 0.01 Torr 내지 약 750 Torr의 불활성 기체(질소 또는 아르곤)로 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 공칭 기체 환경의 총 압력은 약 0.15 Torr 내지 약 5 Torr이며, 약 0.1 Torr 내지 약 1 Torr의 산소 및 약 0.05 Torr 내지 약 4 Torr의 수증기로 이루어진다.

그 후, 막은 약 0.05 Torr 내지 약 150 Torr, 바람직하게는 약 0.1 Torr 내지 약 0.5 Torr, 더 바람직하게는 약 0.1 Torr 내지 약 0.2 Torr의 산소압을 가지는 공칭 기체 환경에서 실온으로 냉각시킨다.

상술된 바와 같이 전구체 막을 처리하여 표준 123YBC 화학양론의 초전도체 산화물을 제공한다. 전구체 조성물이 예를 들어 나노크기의 피닝 부위를 형성하기 위해 제2 상 침전물을 형성하기 위한 첨가제를 함유하는 경우 화학양론은 변할 수 있다.

임의로, 공지된 공정에 의하거나 2004년 9월 29일자로 출원된 미국 특허출원 제10/955,801호에 개시된 공정에 의해 스테이션(1160)에서 필라멘트화가 수행될 수 있다. 추가로 스테이션(1170)에서 귀금속 증착에 의해 처리하고, 스테이션(1180)에서 높은 산소 환경(예를 들어, 760 torr의 O₂)하에 산소 어닐링하며, 스테이션(1190)에서 본원에 상술한 바와 같은 적층 및 슬릿팅하여 공정을 완료한다.

하기 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하며, 이들 실시예는 예시를 목적으로 나타낸 것으로서 본 발명을 제한하고자 의도된 것이 아니다.

실시예 1. 고 Ic(ab) 초전도체 층의 제조

약 0.83 그램의 Y(CF₃CO₂)₃, 약 1.60 그램의 Ba(CF₃CO₂)₂ 및 약 1.54 그램의 Cu(C₂H₅CO₂)₂를 약 4.85 mL의 메탄올(CH₃OH) 및 약 0.15 mL의 프로피온산(C₂H₆CO₂)에 용해시켜 Y:Ba:Cu 1:2:3.34의 화학양론을 가진 Y-123 전구체 용액을 제조하였다. 메탄올을 사용하여 용액의 최종 부피를 약 5 mL로 조정하였다.

Ni(5 원자%)W/Y₂O₃/YSZ/CeO₂ 구조를 가진 폭 1 cm의 이축 조직 산화물 완충 금속성 기판(길이 20 cm 내지 10 m) 위에 2000RPM의 속도로 스핀 코팅 기술에 의해 전구체 용액을 증착하였다. 충분한 양의 전구체 용액을 증착하여 약 0.8 ㎛의 두꺼운 YBa₂Cu₃0₇ _-x 막을 형성하였다.

코팅된 샘플을 직경 2.25"의 관형 노(tube furnace)에서 전체 기체 압력이 약 760 Torr(약 24 Torr의 수증기 압력 및 나머지 산소 압력)인 유동 기체 환경하에 분당 약 15℃의 속도로 실온으로부터 약 200℃로, 이어 분당 약 0.9℃의 속도로 약 200℃로부터 약 250℃로, 이어 분당 약 5℃의 속도로 약 250℃로부터 약 400℃로 가열함으로써 중간체 금속 옥시플루오라이드 막으로 분해하였다.

이어, 금속 옥시플루오라이드 막을 열처리하여 산화물 초전도체를 형성하였다. 짧은 길이(1-2 cm)의 중간 막을 관형 노에서 전체 기체 압력이 약 240 Torr(약 90 Torr의 수증기 압력 및 약 150 mTorr의 산소 압력)인 환경하에 분당 약 200℃의 속도로 약 785℃로 가열하고 약 30분동안 유지하였다. 30분 유지한 후, H₂O 증기를 기체 환경으로부터 제거한 다음 막을 약 150 mTorr O₂에서 실온으로 냉각시켰다. 생성된 막의 두께는 약 0.8 미크론이었다.

실시예 2. 50 몰% 과량의 Er-Y123을 사용하여 고 Ic(c) 초전도체 층의 제조

약 0.83 그램의 Y(CF₃CO₂)₃, 약 0.138 그램의 Er(CH₃CO₂)₃, 약 1.60 그램의 Ba(CF₃CO₂)₂ 및 약 1.28 그램의 Cu(C₂H₅CO₂)₂를 약 4.85 mL의 메탄올(CH₃OH) 및 약 0.15 mL의 프로피온산(C₂H₆CO₂)에 용해시켜 전구체 용액을 제조하였다. 메탄올을 사용하여 용액의 최종 부피를 약 5 mL로 조정하였다.

전구체 용액을 실시예 1 에 기술된 바와 같이 코팅하고 분해한 다음 처리하고 Ag 코팅하였다. 생성된 막은 평활하고 광택이 있는 표면을 가졌으며, 놀랍게도 단일 코팅으로써 약 2.6 미크론의 더 두꺼운 두께를 가졌다. 이 최종 막의 x-선 회절 패턴은 (001) 조직화된 Y(Er)Ba₂Cu₃O_7-x이었다.

실시예 3. 상이한 조성물을 가진 이중 코팅된 초전도체 층의 제조

약 0.85 그램의 Y(CF₃CO₂)₃, 약 1.45 그램의 Ba(CF₃CO₂)₂ 및 약 1.35 그램의 Cu(C₂H₅CO₂)₂를 약 4.85 mL의 메탄올(CH₃OH) 및 약 0.15 mL의 프로피온산(C₂H₆CO₂)에 용해시켜 Y:Ba:Cu 1:2:3.23의 화학양론을 가진 YBCO 전구체 기준 용액을 제조하였다. 용액의 최종 부피를 약 0.4 몰의 Y 농도를 가지도록 메탄올을 사용하여 조정하였다.

약 1.70 그램의 Dy(CH₃CO₂)₃ 및 약 1.90 mL의 메탄올(CH₃OH)을 약 20 mL의 상기 기준 용액에 용해시켜 Y:Dy:Ba:Cu 1:0.5:2:3.23의 화학양론을 가진 50% 디스프로슘이 첨가된 YBCO 전구체 용액을 제조하였다. 용액의 최종 부피를 약 0.3 몰의 Y 농도를 가지도록 메탄올을 사용하여 조정하였다.

Ni(5 원자%)W/Y₂O₃/YSZ/CeO₂ 구조를 가진 이축 조직 산화물 완충 금속성 기판 위에 슬롯 다이 코팅 기술(slot die coating technique)에 의해 50% Dy 첨가 전구 체 용액을 증착하였다. 0.8 ㎛의 두꺼운 REBa₂Cu₃0₇ _-x 막을 형성하도록 표적된 양으로 상기 용액을 완충 기판 위에 코팅하였다.

코팅 샘플을 직경 2.25"의 관형 노에서 20℃ 및 전체 기체 압력 약 760 Torr(약 17.5 Torr의 수증기 압력 및 나머지 산소 압력)을 갖는 유동 기체 환경하에 분당 약 15℃의 속도로 실온으로부터 약 200℃로, 이어 분당 약 0.9℃의 속도로 약 200℃로부터 약 250℃로, 이어 분당 약 5℃의 속도로 약 250℃로부터 약 400℃로 가열함으로써 중간체 금속 옥시플루오라이드 막으로 분해하였다.

이어, 최종의 표적 두께가 0.6 ㎛인 YBa₂Cu₃O_x가 되도록, 앞서 언급된 바와 같이 제조된 YBCO 전구체 기준 용액을 사용하여 금속 옥시플루오라이드 막을 코팅하였다.

H₂O 증기압을 약 9.2 Torr로 억제한 것을 제외하고는 앞서 언급된 것과 동일한 공정에 의해, 코팅된 테이프를 다시 분해하여 중간체 금속 옥시플루오라이드를 형성하였다.

분해된 테이프를 가열처리하여 산화물 초전도체를 형성하였다. 이 테이프를, 반응 동안 균일하고 제어된 환경을 확립하기 위해 정면 및 후면 모두에 유사하게 코팅된 NiW 리더(leader) 테이프 4 m와 결합하였다. 그 후, 이 테이프를 하기 파라미터를 가지고 785℃에서 반응시켰다. 상기 테이프를 약 285℃/분의 평균 램프 속도로 785℃ 까지 올렸다. 반응하는 동안, 전체 압력은 반응내내 약 1 Torr로 제어하였다. H₂O 부분압은 약 800 mTorr이었고, 산소 부분압은 약 200 mTorr이었다. 반 응 시간은 약 11분이었다. 냉각하는 동안, 약 200 mTorr의 산소 부분압 및 약 800 mTorr의 N₂ 부분압으로 이루어진 전체 압력 약 1 Torr을 사용하였다.

반응된 막을 약 3 ㎛의 Ag 보호층으로 코팅한 다음, 760 Torr 산소 환경하에 어닐링하였다. 생성된 막은 77K(자기 자기장)에서 약 4 MA/㎠의 Jc 또는 약 500A/cm-폭의 Ic를 운반하였다. 75K 및 1 테슬라에서의 임계 전류(Ic) 대 자기장 배향(θ)을 도 12에 플롯팅하였다. 75K 및 1 테슬라에서, HTS 와이어는 동일한 표면에 대하여 수직 및 평행한 자기장에서 각각 114A/cm-폭의 Ic 및 178A/cm-폭의 Ic를 운반한다. 이는 약 1.5의 이방성을 나타내는 것이다.

인용된 참고 문헌

하기 문헌들이 본원에 참고로 인용되어 있다: 1993년 7월 27일 등록된 미국 특허 제5,231,074호(발명의 명칭 "Preparation of Highly Textured Oxide Superconducting Films from MOD Precursor Solutions"); 2000년 2월 8일 등록된 미국 특허 제6,022,832호(발명의 명칭 "Low Vacuum Process for Producing Superconductor Articles with Epitaxial Layers"); 2000년 2월 22일 등록된 미국 특허 제6,027,564호(발명의 명칭 "Low Vacuum Process for Producing Epitaxial Layers"); 2001년 2월 20일 등록된 미국 특허 제6,190,752호(발명의 명칭 "Thin Films Having Rock-Salt-Like Structure Deposited on Amorphous Surfaces"); 2000년 10월 5일 공개된 PCT 공보 제WO 00/58530호(발명의 명칭 "Alloy Materials"); 2000년 10월 5일 공개된 PCT 공보 제WO/58044호(발명의 명칭 "Alloy Materials"); 1999년 4월 8일 공개된 PCT 공보 제WO 99/17307호(발명의 명칭 "Substrates with Improved Oxidation Resistance"); 1999년 4월 8일 공개된 PCT 공보 제WO 99/16941호(발명의 명칭 "Substrates for Superconductors"); 1998년 12월 23일 공개된 PCT 공보 제WO 98/58415호(발명의 명칭 "Controlled Conversion of Metal Oxyfluorides into Superconducting Oxides"); 2001년 2월 15일 공개된 PCT 공보 제WO 01/11428호(발명의 명칭 "Multi-Layer Articles and Methods of Making Same"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08232호(발명의 명칭 "Multi-Layer Articles And Methods Of Making Same"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08235호(발명의 명칭 "Methods And Compositions For Making A Multi-Layer Article"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08236호(발명의 명칭 "Coated Conductor Thick Film Precursor"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08169호(발명의 명칭 "Coated Conductors With Reduced A. C. Loss"); 2001년 3월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/15245호(발명의 명칭 "Surface Control Alloy Substrates And Methods Of Manufacture Therefor"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08170호(발명의 명칭 "Enhanced Purity Oxide Layer Formation"); 2001년 4월 12일 공개된 PCT 공보 제WO 01/26164호(발명의 명칭 "Control of Oxide Layer Reaction Rates"); 2001년 4월 12일 공개된 PCT 공보 제WO 01/26165호(발명의 명칭 "Oxide Layer Method"); 2001년 2월 1월 공개된 PCT 공보 제WO 01/08233호(발명의 명칭 "Enhanced High Temperature Coated Superconductors"); 2001년 2월 1일 공개된 PCT 공보 제WO 01/08231호(발명의 명칭 "Methods of Making A Superconductor"); 2002년 4월 20일 공개된 PCT 공보 제WO 02/35615호(발명의 명칭 "Precursor Solutions and Methods of Using Same"); 2002년 8월 20일 등록된 미국 특허 제6,436,317호(발명의 명칭 "Oxide Bronze Compositions And Textured Articles Manufactured In Accordance Therewith"); 2001년 7월 31일 출원된 미국 가특허출원 제60/309,116호(발명의 명칭 "Multi-Layer Superconductors And Methods Of Making Same"); 2004년 9월 28일 등록된 미국 특허 제6,797,313호(발명의 명칭 "Superconductor Methods and Reactor"); 1999년 11월 18일 출원된 미국 가특허출원 제60/166,297호(발명의 명칭 "Superconductor Articles and Compositions and Methods for Making Same"); 2005년 12월 13일 등록된 공동 소유 미국 특허 제6,974,501호(발명의 명칭 "Superconductor Articles and Compositions and Methods for Making Same"); 2005년 3월 24일 공개된 미국 특허출원공개 제2005-0065035호(발명의 명칭 "Superconductor Methods and Reactors"); 2006년 2월 23일 공개된 미국 특허출원공개 제2006-0040830호(발명의 명칭 "Low AC Loss Filamentary Coated Superconductors"); 2004년 9월 29일 출원된 미국 특허출원 제10/955,801호(발명의 명칭 "Stacked Filamentary Superconductors"); 2006년 7월 21일 출원된 미국 가특허출원(출원번호 미정)(발명의 명칭 "Fabrication of Sealed High Temperature Superconductor Wires"); 2006년 7월 21일 출원된 미국 가특허출원(출원번호 미정)(발명의 명칭 "High Current, Compact Flexible Conductors Containing High Temperature Superconducting Tapes"); 2006년 7월 21일 출원된 미국 가특허출원(출원번호 미정)(발명의 명칭 "Low Resistance Splice for High Temperature Superconductor Wires"); 및 2006년 7월 24일 출원된 미국 가특허출원(출원번호 미정)(발명의 명칭 "High Temperature Superconductors Having Planar Magnetic Flux Pinning Centers and Methods for Making the Same")(상기 문헌들은 모두 본원에 참고로 인용된다).

Claims

적층 관계로 하나 이상의 기판 위에 배치된 적어도 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층을 포함하는 초전도 와이어로서,

상기 제1 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 수직인 임계 전류에 대한 초전도체 층의 표면에 평행한 임계 전류의 제1 소정 비율(Ic(ab)/Ic(c))을 제공하도록 선택된 제1 고온 초전도 산화물을 포함하고,

상기 제2 초전도체 층은 초전도체 층의 표면에 수직인 임계 전류에 대한 초전도체 층의 표면에 평행한 임계 전류의 제2 소정 비율(Ic(ab)/Ic(c))을 제공하도록 선택된 제2 고온 초전도 산화물을 포함하며,

상기 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층은, 조합으로, 선택된 자기장 배향에서 소정의 전체 임계 전류 Ic를 제공하는 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 제1 고온 초도체 또는 제2 고온 초전도체는, 초전도체 층의 표면에 대하여 수직으로 배향된 자기장(H//c)의 존재하에서 증대된 임계 전류(Ic(c))를 제공하도록 선택되는 것인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제1 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 2.6 이하인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제1 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 2.0 미만인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제1 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 1.5 미만인 초전도 와이어.
제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 인가 자기장은 약 1 테슬라 내지 약 6 테슬라의 범위로 존재하는 것인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 고온 초전도체는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함하고, 여기서 상기 희토류는 2 이상의 희토류 원소를 포함하는 것인 초전도 와이어.
제7항에 있어서, 상기 희토류-알칼리 토류-구리 산화물은 화학양론적 희토류-알칼리 토류-구리에 필요한 양의 과량으로 이트륨을 포함하는 것인 초전도 와이어.
제7항에 있어서, 상기 희토류 원소는 에르븀 및 홀뮴 중 하나 이상을 포함하는 것인 초전도 와이어.
제9항에 있어서, 상기 홀뮴 및 에르븀 중 하나 이상은, 희토류-알칼리 토류-구리 산화물내 희토류의 화학양론적 양의 25% 내지 150% 범위의 양으로 존재하는 것인 초전도 와이어.
제10항에 있어서, 상기 희토류 원소는 이트륨을 더 포함하는 것인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 고온 초전도체는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물, 및 산화물 초전도체의 입자내 위치한 금속-함유 화합물을 포함하는 적어도 하나의 제2 상 나노입자를 포함하는 것인 초전도 와이어.
제12항에 있어서, 상기 제2 상 나노입자는 희토류 원소, 알칼리 토류 금속 및 전이 금속 중 하나 이상을 포함하는 것인 초전도 와이어.
제12항에 있어서, 상기 제2 상 나노입자는 산화지르코늄, 산화알루미늄, Y₂Cu₂0₅, Y₂BaCu0₄, 산화마그네슘, BaZrO₃, 은 및 CeO₂로 구성된 군 중에서 선택되는 것인 초전도 와이어.
제2항에 있어서, 상기 제1 고온 초전도체 조성물 또는 제2 고온 초전도체 조 성물은, 초전도체 층의 표면에 대하여 평행하게 배향된 자기장(H//ab)의 존재하에서 증대된 임계 전류(Ic)를 제공하도록 선택되는 것인 초전도 와이어.
제15항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제2 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 2.5 초과인 초전도 와이어.
제15항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제2 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 3.5 초과인 초전도 와이어.
제15항에 있어서, 상기 Ic(ab)/Ic(c)에 대한 제2 소정 비율이 1 테슬라 이상의 인가 자기장에서 5.5 초과인 초전도 와이어.
제16항, 제17항 또는 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 인가 자기장은 약 1 테슬라 내지 약 6 테슬라의 범위로 존재하는 것인 초전도 와이어.
제15항에 있어서, 상기 고온 초전도체는 희토류-알칼리 토류-구리 산화물을 포함하며, 여기서 알칼리 토류에 대한 구리의 비는 1.5 초과인 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층의 두께는 상이한 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 제1 초전도체 층 및 제2 초전도체 층의 두께는, 선택된 자기장 배향에서 소정의 전체 임계 전류를 제공하도록 선택되는 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 선택된 자기장 배향이 0°(H//c) 내지 90°(H//ab)인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 제1 초전도체 층은 기판의 상부 표면 위에 배치되고, 상기 제2 초전도체 층은 기판의 하부 표면 위에 배치되는 것인 초전도 와이어.
제24항에 있어서, 적어도 하나의 제1 완충층은 기판의 상부 표면과 제1 초전도체 층 사이에 배치되고, 적어도 하나의 제2 완충층은 기판의 하부 표면과 제2 초전도체 층 사이에 배치되는 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 제2 초전도체 층은 상기 제1 초전도체 층을 덮고 있는 것인 초전도 와이어.
제26항에 있어서, 상기 제1 초전도체 층과 제2 초전도체 층 사이에는 전도층 이 배치되는 것인 초전도 와이어.
제27항에 있어서, 상기 전도층은 구리를 포함하는 것인 초전도 와이어.
제26항에 있어서, 하나 이상의 완충층은 상기 기판과 상기 제1 초전도체 층 사이에 배치되는 것인 초전도 와이어.
제1항에 있어서, 상기 와이어는,

제1 기판, 상기 제1 기판 위에 배치되어 제1 초전도체 층을 지지하는 적어도 하나의 제1 완충층 및 상기 제1 초전도체 층 위에 배치된 제1 금속성 보호층을 포함하는 제1 코팅된 부재; 및

제2 기판, 상기 제2 기판 위에 배치되어 제2 초전도체 층을 지지하는 적어도 하나의 제2 완충층 및 상기 제2 초전도체 층 위에 배치된 제2 금속성 보호층을 포함하는 제2 코팅된 부재

를 더 포함하는 것인 초전도 와이어.
제30항에 있어서, 상기 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재가 상기 제1 기판 및 제2 기판에서 결합되도록 상기 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재 사이에 배치된 중간 결합제 층을 더 포함하는 것인 초전도 와이어.
제31항에 있어서, 상기 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재가 상기 제1 금속성 보호층 및 제2 금속성 보호층에서 결합되도록 상기 제1 코팅된 부재 및 제2 코팅된 부재 사이에 배치된 중간 결합제 층을 더 포함하는 것인 초전도 와이어.
고온 초전도 장치를 제조하는 방법으로서,

높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 제1 영역, 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 제2 영역, 및 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물과 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물의 혼합물을 포함하는 제3 영역을 포함하는 초전도 와이어의 길이를 제공하는 단계; 및

상기 제1 영역이 고온 와이어에 대하여 수직인(0°) 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하고, 상기 제2 영역이 고온 와이어에 대하여 평행한(90°) 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하며, 그리고 상기 제 3 영역이 0° 내지 90° 사이의 자기장 배향을 경험하는 장치내 위치를 차지하도록 장치내에 초전도 와이어의 길이를 정렬하는 단계

를 포함하는 방법.
제33항에 있어서, 상기 장치가 코일인 방법.
제34항에 있어서, 상기 고온 초전도 와이어의 제1 영역은 코일의 선단에 위치하는 것인 방법.
제35항에 있어서, 상기 고온 초전도 와이어의 제2 영역은 코일의 내부에 위치하는 것인 방법.
제36항에 있어서, 상기 고온 초전도 와이어의 제 3 영역은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 위치하는 것인 방법.
고온 초전도체 층을 포함하는 초전도 와이어를 포함하는 물품으로서,

상기 물품은 물품내 상이한 위치에서 상이한 배향의 자기장을 경험하며, 상기 고온 초전도체 층의 조성물은 주어진 위치에서 자기장의 배향을 조절하도록 그의 길이를 따라 변화되는 것인 물품.
제38항에 있어서, 상기 물품은 코일을 포함하고, 여기서 작동시 코일은 초전도체 층의 평면에 대하여 실질적으로 평행 내지 초전도체 층의 평면에 대하여 실질적으로 수직인 범위의 유도 자기장을 경험하는 것인 물품.
제39항에 있어서, 상기 초전도 와이어의 조성물은 주로 작동중 초전도체 층의 표면에 수직인 자기장을 경험하는 코일의 제1 영역에서 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 것인 물품.
제40항에 있어서, 상기 초전도 와이어의 조성물은 주로 작동중 초전도체 층의 표면에 실질적으로 평행한 자기장을 경험하는 코일의 제2 영역에서 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물을 포함하는 것인 물품.
제41항에 있어서, 상기 초전도 와이어의 조성물은 작동중 초전도체 층의 표면에 대하여 0° 내지 90° 각도에 있는 자기장을 경험하는 코일의 영역에서 높은 Ic(c) 고온 초전도체 조성물과 높은 Ic(ab) 고온 초전도체 조성물의 혼합물을 포함하는 것인 물품.