이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소분압 조절을 통한 2세대 고온 초전도 선재의 용융확산 접합방법을 설명하는 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 초전도 선재의 일단에서 안정화재층을 제거한 후의 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)를 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 2세대 고온 초전도 선재(20)는 기판부(21), 완충층(22), 초전도체층(23) 및 안정화재층(24)으로 구성된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2세대 고온 초전도 선재의 접합 방법은 10 단계에서 초전도 선재(20)의 2가닥 일단을 식각하여 안정화재층(24)을 제거하고(S10), 20 단계에서 안정화재층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)을 맞대어 접촉시킨 후, 홀더로 고정시키고(S20), 30 단계에서 상기 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 산소분압을 조절시킨 상태에서 초전도체층 용융점(melting point)으로 가열하여 용융확산(melting diffusion)에 의한 접합을 하고(S30), 40 단계에서 상기 접합부분을 산소분위기로 산화(oxygenation annealing)시킨다(S40). 이상의 각 단계에서 대해서 도 4 내지 도 6을 참조하여 이하 상세히 살펴보기로 한다.

10 단계는 초전도 선재(20)의 2가닥에 대하여, 각 가닥 일단의 소정의 길이 부분을 식각하여 안정화재층(24)을 제거하는 공정이다(S10). 바람직하게는, 10 단계는 (a1) 초전도 선재 가닥(20) 일단으로부터 소정의 길이 떨어진 부분(25) 안쪽 부분에 레지스트(resist)를 도포하는 단계; (a2) 초전도 선재 가닥 일단(20)의 끝단으로부터 소정의 길이 떨어진 부분(25)까지의 영역을 에칭으로 안정화재층을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다. 2세대 고온 초전도 선재(YBCO-CC)(20)에서 영구전류가 흐를 수 있는 초전도체를 이루는 초전도체 층(23)은 완충층(22) 및 안정화재층(24) 등 상전도체 층 사이에 적층되어 있다. 따라서 원래 제조된 상태에서는 초전도체 끼리 접합하는 것은 불가능하다.

초전도체 간에 접합을 하기 위해, 선행되는 공정은 초전도체 층(23)을 노출시키도록 초전도체 층(23)을 덮고 있는 상전도 층을 제거하는 일이다. 바람직하게는, 광학적 방법 또는 화학적 방법을 통해 초전도체 층(23)을 덮고 있는 안정화재층(24)을 제거하여 초전도체층(23)을 노출시킨다. 도 4는 접합하고자 하는 부분의 안정화재층(24)을 제거하여 초전도체층(23)이 드러난 모습을 보여주고 있다.

안정화재층(24)을 화학적 방법에 의해 제거하는 데는 에칭의 방법이 이용될 수 있다. 먼저 제거하고자 하는 안정화재층(24)의 이외 부분에 레지스트(resist)를 도포한다. 접합하고자 하는 부분은 초전도 선재(20)의 끝단으로부터 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이만큼 떨어진 부분(25)까지이므로, 접합하고자 하는 부분을 제외한 안정화재층(24) 상에 레지스트로 도포를 한다. 도 4에서 도면부호 25인 지점이 초전도 선재(20)의 끝단에서 소정의 길이만큼 떨어진 부분이고, 도면부호 25부터 초전도 선재(20)의 끝단의 반대 방향으로 레지스트를 도포한다.

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

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라, 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 접촉시키는 것을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 2가닥의 초전도 선재를 맞대어 고정시키는 홀더의 구성을 도시한 도면이다. 20 단계는 도 3과 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

20 단계는 초전도 선재(20)의 2가닥의 일단을 서로 겹쳐 홀더(30)로 고정하되, 안정화재층(24)이 제거되어 노출된 초전도체층(23)이 맞대어 접촉하도록 고정하는 공정이다(S20). 바람직하게는, 20 단계에서, 한 가닥의 초전도 선재(20)의 끝단이 다른 가닥의 초전도 선재의 단차부분(25)에 닿고 초전도체층(23)이 밀착되도록 홀더(30)로 고정한다.

바람직하게는, 홀더(30)는 상하 2개의 금속판(31) 및 2개의 금속판(31)을 체결하는 체결수단을 포함하고, 20 단계에서, 상하 2개의 금속판(31) 사이에 접촉된 2가닥의 초전도 선재(20)를 두고 체결수단으로 2개의 금속판(31)을 체결한다. 특히, 홀더(30)는 적어도 1,000℃ 에서 내열성을 가지는 물질로 제조된 것이 바람직하다. 즉, 위와 같이 안정화체층(24)을 제거한 두 초전도 선재(20)를 도 5와 같이 서로 맞대어 겹치도록 한다. 이때, 초전도 선재(20)의 하나의 가닥은 끝단은 다른 가닥의 단차(25) 부분에 닿도록 한다. 두 초전도 선재(20)가 모두 동일한 소정의 길이로 안정화재층(24)을 제거하면, 2가닥의 노출된 초전도층(23)은 밀접하게 접촉될 수 있을 것이다.

다음으로, 도 6에서 보는 바와 같이 안정화체층(24)이 식각된 초전도 선재(20)의 초전도체층(23)끼리 서로 마주보도록 놓고 홀더(holder)(30)로 고정한다. 즉, 홀더(30)는 마주보는 2개의 금속판(31)과, 금속판(31)에 체결수단을 연결하기 위한 체결홀(32), 체결수단인 볼트(33)와 너트(34)이다. 즉, 볼트(33)와 너트(34)를 체결홀(32)을 관통하여 조여줌으로써, 초전도 선재를 접촉시켜 고정시킨다.

홀더(holder)(30)는 모두 고온에서의 열처리를 견뎌야하므로 내열성이 강한 물질로서 제작되어야 한다. 특히, 용융확산(melting diffusion)을 하는 온도가 800℃ 이상에서 이루어지므로, 최소한 1,000℃가 넘는 온도에서도 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 접합은 초전도체층(23) 사이에 상전도 층이 존재하지 않게 되므로 접합 저항의 발생으로 인한 줄열 및 Quench 발생을 방지해준다.

30 단계는 20 단계에서 고정시킨 부분을 노(furnace)에 넣고, 산소분압이 진공인 상태에서 초전도체층(23)의 초전도체 용융점(melting point)으로 가열하여 맞대어 접촉한 초전도체층을 용융확산(melting diffusion)하는 공정이다(S30). 이때의 진공상태는 진공에 가까운 상태도 포함하며, 이러한 진공에 가까운 상태는 10Pa정도 이하인 분압상태로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 앞서 20 단계에서 홀더(30)로 고정시킨 2가닥의 초전도 선재(20)를 노(furnace)에 넣어서 초전도체층(23) 사이에서 용융확산(melting diffusion)에 따른 결합을 유도한다.

이 때 산소 분압에 따른 물질의 녹는점 변화를 이용하여 용융확산(melting diffusion)에 따른 결합을 유도하기 위한 온도를 조절할 수 있다. 즉, 용융확산을 하기 위한 가열온도를 조절하는 이유는 가열온도에서 초전도체층(23)을 제외한 다른 부분(또는 층)에서 고온에 의해 변형 또는 오염이 발생할 수 있기 때문이다.

예를 들면, 대기압 상태(Po ₂ of 21.3 kPa)에서 2세대 고온 초전도 선재의 초전도체 물질인 YBCO는 980℃ 근처에서 용융(melting)이 이루어지기 시작한다. 즉, YBCO의 용융점은 약 980℃ 이다. 따라서 20 단계에서 고정시킨 초전도 선재의 부분(26)을 용융확산(melting diffusion) 시키기 위해서는 980℃ 근처까지 가열을 해야 한다.

그런데, 안정화재층(24)의 물질로 많이 이용되는 은(Ag)은 대기압 상태(Po ₂ of 21.3 kPa)에서 공융점(eutectic melting point)이 935℃ 내지 940℃ 이다. 따라서 초전도 선재의 부분(26)을 용융확산(melting diffusion) 시키기 위해서 980℃ 근처까지 가열하면, 은(Ag)이 우선적으로 용융(melting)되어 버린다. 즉, 초전도 선재의 열처리 과정 중 초전도체층(23)의 결합이 이루어지기 전에 은(Ag)이 용융(melting)됨으로써 여러 가지 문제가 발생된다.

따라서 안정화재층(24)에 은(Ag)이 함유되어 있는 경우에는 은(Ag)이 용융(melting)이 되지 않으면서, 초전도체층(23)을 용융확산(melting diffusion) 시킬 수 있어야 한다.

이를 위해, 산소 분압이 진공에 가까운 상태에서는 Y123-Ag의 용융점(melting point)이 Ag의 공융점(eutectic melting point) 보다 낮은 온도에서 발생하게 되는 현상을 이용한다. 즉, 진공상태에서는 Y123-Ag의 용융점(melting point)에서 열처리를 함으로써 Y123-Ag의 확산(diffusion)이나 용융(melting)으로 결합을 시킬 수 있다. 이때 열처리하는 온도(또는 Y123-Ag의 용융점)는 Ag의 공융점보다 낮은 온도이므로, Ag는 용융(melting)이 일어나지 않는다.

산소분압에 따라 Y123-Ag과 Ag의 용융점이 서로 교차되는 것을 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 7과 도 8은 대기압에서의 용융점이 변하는 그래프이고, 도 9와 도 10은 산소분압이 낮은 경우에서의 용융점의 변화를 표시한 그래프이다. 도 8 과 도 10은 도 7과 도 9의 특정 온도 구간(900 ~ 1000℃)을 확대한 그래프이다.

도 7과 도 8에서 보는 바와 같이, 대기압에서는 은(Ag)의 공융점(eutectic melting point)이 피크(peak)인 지점(도 8의 b지점)에서 935 ~ 940℃이고, Y123-Ag의 피크 지점(도 7b의 c지점)에서 990℃ 임을 알 수 있다. 즉, Y123-Ag의 용융점이 은보다 더 높음을 알 수 있다.

반면, 도 9와 도 10을 참조하면 산소분압이 0.55kPa에서는 은(Ag)의 공융점(eutectic melting point), 즉, 3번째 피크(peak)인 지점(도 10의 b지점)에서 960℃이고, Y123-Ag의 용융점인 2번째 피크 지점(도 10의 c지점)에서 950 ~ 955℃ 임을 알 수 있다. 즉, Y123-Ag의 용융점이 Ag보다 더 낮음을 알 수 있다.

이를 비교하여 나타내면, 다음 [표 1]과 같다.

표 1

다만, 앞의 표 1의 결과는 실험에 의한 값으로 Y123-Ag의 상태, 즉, Ag의 함유량 등에 따라 측정된 온도는 약간 차이가 있을 수 있다. 또, Ag의 상태 또는 실험 조건에 따라 실험결과가 약간의 차이가 있을 수 있다.

따라서 초전도체의 형태(예를 들면, 벌크타입 또는 박막타입 등) 또는 Ag의 상태에 따라 온도에 약간 차이가 나더라도 본 발명을 적용할 수 있고, 본 발명은 그 온도 범위까지 포함된다. 본 발명의 일 실시예에서는 산소분압에 따라 Y123-Ag 및 Ag의 용융점(또는 공융점)이 서로 역전되는 현상을 이용한다. 요약하면, 산소분압을 낮추어 열처리를 함으로써, Ag의 용융(melting)으로 인한 문제없이 초전도체 층의 결합을 유도할 수 있다.

40 단계는 30 단계에서의 접합부분을 450 ~ 650 ℃에서, 산소분위기로 산화시킨다(S40). 바람직하게는, 40 단계에서, 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어준다. 특히, 40 단계에서, 초전도체층을 이루는 구성하는 Y(이트륨), Ba(바륨), Cu(구리) 가 각각 1, 2, 3 몰일 때를 기준으로, O(산소 원자)가 6.4 ~ 7몰이 될 때까지 주변의 산소원자의 초전도체 내부로의 확산(in-diffusion)을 유도하여 산화(oxygenation annealing)시킨다.

초전도체층(13)은 YBa ₂ Cu ₃ O _7-x 계로 대표되는 산화물 초전도 물질로 이루어진다. 즉, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3이고, 이에 대한 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 내지 7이어야 한다.

그런데 30 단계에서 열처리를 하기 위해 900℃ 이상의 고온으로 유지하면, 이와 같은 높은 온도에서 초전도체층(23)을 이루는 YBa2Cu3O7-x 의 구성에서 산소(O)가 빠져나온다. 산소가 빠져 나오면, Y:Ba:Cu의 몰 비율은 1:2:3에 대하여, 산소(O)의 몰비율은 일반적으로 6.4 이하로 떨어지게 된다.

이렇게 되면, 초전도체층(23)은 초전도 상태인 사방정계(orthorhombic) 구조에서 상전도 상태인 정방정계(tetragonal) 구조로의 상변화가 일어난다. 즉, 초전도체층(23)은 초전도성을 잃어버리게 되는 현상이 발생한다.

이와같은 초전도체층(23)의 구조변화를 도 11을 참조하여 보다 자세히 설명한다. 도 11에서 보는 바와 같이, YBa ₂ Cu ₃ O _7-x 계의 초전도 물질은 산소의 함량에 따라 격자변수(Lattice parameter)가 변하게 된다. 도 11의 그래프에서 x축은 산소함량을 표시하고, y축은 각 격자변수의 수치를 표시한 것이다. 특히, x축의 산소함량은 YBa ₂ Cu ₃ O _7-x 에서 7-X가 나타내는 값이다.

도 11에서, 산소함량이 6.4보다 작게 되면 격자변수(Lattice parameter) a와 b는 같게 된다. 즉, 격자변수 a와 b가 같다는 것은 정방정계(tetragonal) 구조인 것을 말하고, 초전도성을 잃어버린다는 것을 의미한다. 요약하면, Y-123 와 Ag의 녹는점 변화를 위해 진공상태에서 고온으로 열처리를 하면, 초전도체층(23)은 산소의 손실로 인한 상변화가 일어나 초전도성을 잃어버린다. 즉, 40 단계는 이를 해결하기 위해 450~650℃ 근처에서 산소 분위기로 산화(oxygenation annealing)를 해 줌으로써 산소의 손실을 보상하여 초전도성을 회복시키는 두 번째 열처리 공정이다.

산소 분위기는 산화(oxygenation annealing)를 하는 노(furnace) 내부에 산소를 지속적으로 순환시켜 흘려 넣어주는 것으로 만들어진다. 특히, 450~650℃ 근처에서 열처리하여 산화시키는 이유는 이 온도에서 사방정계(orthorhombic phase)가 가장 안정적이기 때문이다.

40 단계에서 산화(oxygenation annealing)를 하는 시간을 조절해야 하는데 그 이유는 일정 시간을 넘어서 장시간 산소분위기에서 산화(oxygenation annealing)시키는 경우 오히려 산소함유량이 높아지고, 충분한 시간동안 산화(oxygenation annealing)를 하지 않으면 산소함유량이 미달되어 초전도성을 읽어버리기 때문이다.

한편, 앞서 기재한 발명은 YBa ₂ Cu ₃ O _7-x 계의 산화물 초전도 물질로 이루어진 초전도체층(23)을 대상으로 그 상부에 안정화재층(24)을 둔 경우의 실시예를 설명하였으나 이 실시예에 한정하는 것은 아니다. 즉, 초전도 선재의 모재나 안정화재층의 종류에 관계없이 상전도 층을 제거할 수 있다면, 본 발명에 따라 열처리를 통해 간단하게 초전도 접합이 가능하다. 또한, 본 발명은 상전도 층을 제거한 후 열처리를 통해 간단히 초전도 접합이 가능하고, 실제 초전도 시스템 제작에 이용하기 편리하다는 장점도 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.