KR102002821B1 - MgB2 초전도 선재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인발 방식으로의 선재 제조시 확산 방지층으로 Ti 합금을 사용하여 요철 현상을 방지하고, 임계전계밀도 등이 우수한, MgB₂ 초전도 선재에 관한 것이다. 본 발명은 MgB₂ 초전도 선재로서, 튜브; 상기 튜브 내로 장입되는 적어도 하나 이상의 MgB₂ 필라멘트 선재; 및 상기 MgB₂ 필라멘트 선재를 감싸며 상기 튜브 금속과 Mg간의 반응을 방지하는 확산방지층을 포함하며, 상기 확산 방지층은 Ti 합금인 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재를 제공한다.

Description

MgB2 초전도 선재{MgB2 superconducting wire}

본 발명은 MgB₂ 초전도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인발 방식으로의 선재 제조시 확산 방지층으로 Ti 합금을 사용하여 요철 현상을 방지하고, 임계전계밀도 등이 우수한, MgB₂ 초전도 선재에 관한 것이다.

MgB₂의 초전도 현상 발견이후 많은 연구가 되어 왔으나 이를 실용화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. MgB₂는 단순히 마그네슘과 붕소로 이루어진 2원자 금속간 화합물로 취성(brittle)이 강해, 직접적인 방법, 즉 압연(rolling) 이나 인발(drawing)으로, 선재(wire)나 테이프(tape)를 장선화 시키는 것이 어렵다.

따라서, MgB₂ 초전도 선재는 마그네슘, 붕소 및 MgB₂가 모두 연성이 부족하므로 PIT(Powder In Tube) 방식으로 제조하게 되는데 적용되는 분말의 특징에 따라 In-situ 방식과 Ex-situ 방식으로 구분된다. In-situ 방식은 마그네슘과 붕소 분말을 혼합하여 튜브안에 투입한 후 소성 가공 후 열처리를 통하여 MgB₂를 형성시키는 방식으로 MgB₂를 형성시키는 열처리 과정에서 최외곽층으로 사용되는 Cu 층과 마그네슘의 반응을 방지하기 위해 확산방지층이 중간에 적용되어 선재로 제작된다.

따라서 확산 방지층이 적용되기 위해서 아래의 몇 가지 요구되는 조건이 있다.

(1) 열처리 시 마그네슘 및 보론 분말과 반응이 없을 것

(2) 고온의(섭씨 700도 이상) 열처리 시 소재의 물리적 변화 없을 것(융점이 높을것)

(3) 가공이 용이할 것

(4) 자성이 없을 것

상기의 조건을 만족시키는 확산 방지층 소재로 종래에는 니오븀(Nb) 소재가 적용되어 사용되어 왔다. 하지만, 이러한 니오븀(Nb) 소재의 가격이 MgB₂ 선재 원자재 가격의 60% 이상을 차지하고 선재로 제작 시 니오븀(Nb)와 분말 계면의 요철이 심하여 선재의 임계전류밀도 특성을 저하시키는 원인이 되고 있다.

또한 실용 초전도 선재는 열적 안정성의 향상이나 교류 손실 감소의 관점에서, 단심 보다는 다심의 초전도 선재를 사용하는 것이 일반적이다. 다심의 초전도 선재의 경우, 초전도 층이 균일하지 못하면 n-value가 낮아서 실용화에 적용하기에는 특성이 저하되는 문제점이 있다. n-value는 초전도 선재의 불균일 정도를 나타내는 것으로, 초전도 선재의 특성을 나타내는 주요 인자의 하나이다. n-value는 전압과 전류의 특성을 나타내는 지수함수이며, n-value가 클수록 초전도 선재의 균일성이 향상됨을 의미한다.

MgB₂ 초전도 다심 선재는 연성이 부족한 원재료를 이용한 PIT 법으로 제조하기 때문에, 다심 선재의 신선 가공시, 불균일 변형 발생으로 인해 필라멘트 형상 및 치수의 불규칙성이 발생하기 쉬운 문제가 있고 과도한 신선 가공량으로 인해 필라멘트의 단선이 발생하여 장선재를 제조하기 어렵고 단면 형상의 균일성 저하로 인해 초전도 전류가 흐를 수 있는 유효면적 감소 및 선재길이 방향으로 초전도상의 연결성이 떨어지게 되므로 초전도 특성을 구현하기 어려운 문제점이 있다.

다심 선재의 경우, 단심 선재를 최외층의 Cu 튜브에 조립시 원형의 단심 선재 사이에 빈 공간이 생기게 되고 이로 인해 신선 가공시 불균일한 변형이 발생하여 필라멘트(Mg, B 분말이 충진되어 있는 영역)의 형상 왜곡이 발생하게 되고 이를 보호하고 있는 확산 방지층인 Nb 튜브의 변형은 더욱 불균일하게 발생하여 신선 가공량이 증가함에 따라 Nb 튜브의 부분 절선이 발생되는 문제점이 있다.

만일 신선 가공에 의해, Nb 튜브의 일부가 절선 되게 되면, 최종적인 MgB₂ 생성을 위한 열처리시 Nb 튜브의 외층인 구리 튜브와 초전체를 형성하기 위한 마그네슘 분말과 반응을 하여 Mg-Cu 화합물이 초전도 영역에 존재하고 마그네슘과 반응을 하지 못한 미반응 붕소 분말로 인해 MgB₂ 초전도 다심 선재의 임계 전류 저하의 요인이 된다.

도 1은 Nb를 확산 방지층으로 사용하여 다심 선재를 제조한 경우의 단면 사진이다.

도 1을 참조하면, Nb를 확산 방지층으로 적용, 선재로 제작하였을 경우, 총 누적 변형량이 7 이상으로 증가할 경우, 분말과의 계면 마찰에 의해 모듈이 손상되어 일부 소실되는 구간이 발생하게 되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상이 심화될 경우 선재의 파단으로 발전하게 되며, 설령 파단이 발생하지 않더라도 임계전류밀도의 저하를 야기 시키게 된다. 특히 이러한 문제는 소재와 다이 접촉부에서 소성 변형률이 크고 중심부로 갈수록 작아지는 인발 공정의 특성으로 인해 불균일 성형이 발생하기 쉽다.

도 2는 이러한 Nb를 확산 방지층으로 사용한 선재에서의 선재 길이에 따른 임계전류밀도 특성을 분석한 결과이다.

도 2를 참조하면, 길이가 증가함에 따라 가공량이 증가하게 되고 이에 따라 임계전류밀도 특성이 낮게 나타나는 경향이 있는데, 이는 선재를 인발 가공할 때, 취성이 강한 분말과 연성의 Nb 튜브 계면 사이에서 마찰이 발생해 Nb 튜브 계면에 요철이 발생한다든지, 불균일한 변형에 의해 모듈의 소세징 현상 같은 모듈이 건전성이 떨어지게 됨에 따라 특성 저하가 발생하기 때문이다.

따라서, 이러한 인발 가공에 따른 선재 제조시 요철 등의 문제를 방지할 수 있으면서도 저렴한 확산 방지층 소재 개발이 필요하다.

(0001) 대한민국 공개특허 제10-2010-0107927호 (0002) 대한민국 등록특허 제10-0797405호

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인발 가공에 따른 선재 제조시 요철 등의 문제를 방지할 수 있으면서도 임계전류밀도 등의 특성이 우수한 MgB₂ 초전도 선재를 제공하는 것이다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 MgB₂ 초전도 선재로서, 튜브; 상기 튜브 내로 장입되는 적어도 하나 이상의 MgB₂ 필라멘트 선재; 및 상기 MgB₂ 필라멘트 선재를 감싸며 상기 튜브 금속과 Mg간의 반응을 방지하는 확산 방지층을 포함하며, 상기 확산 방지층은 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 0.3 이하이며, 초기 경도 값은 Hv 140 이하인 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재를 제공한다.

상기 확산 방지층은 Ti를 포함할 수 있다.

상기 확산 방지층은 열처리에 의하여 초기 경도 값이 감소된 것일 수 있다.

상기 확산 방지층은 Nb를 더 포함할 수 있다.

상기 확산 방지층은 20 내지 60 wt% Nb 및 잔량의 Ti를 포함할 수 있다.

상기 초전도 선재는 인발 가공 방식으로 제조되며, 상기 초전도 선재의 원주방향으로의 표면조도(Ra)는 5 μm 이하일 수 있다.

상기 MgB₂ 초전도 선재는 Nb를 확산방지층으로 사용한 초전도 선재에 대비하여 적어도 2.0X10⁵A/㎠(4.2K, 4T)이상으로 높은 임계전류밀도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 MgB₂ 초전도 선재는, 선재 제조를 위한 인발 가공시 요철 문제를 감소시키면서 동시에 확산 방지층으로 Nb를 사용한 경우와 비교하여 임계전류밀도와 n-value 특성이 향상된다.

도 1은 기존의 Nb를 확산 방지층으로 사용한 MgB₂ 선재의 필라멘트 형상을 나타낸 사진이다.
도 2는 MgB₂ 선재의 길이에 따른 임계전류밀도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 확산 방지층의 종류에 따른 MgB₂ 선재의 임계전류밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 확산방지층의 종류에 따른 MgB₂의 단면형상을 나타낸 사진으로 (a)는 확산 방지층으로 Nb, (b)는 Ti 합금을 각각 사용한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 Ti 합금을 확산 방지층으로 사용한 MgB₂ 선재의 인발가공에 따른 단면형상을 각기 도시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 확산 방지층의 종류에 따른 인발 가공이후 MgB₂의 단면형상을 나타낸 사진으로 (a)는 확산 방지층으로 Nb, (b)는 Ti 합금을 각각 사용한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 EDX분석결과를 나타낸 것으로 (a)는 확산 방지층으로 Nb, (b)는 Ti합금을 각각 사용한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 의한 확산 방지층의 표면조도 실험결과로 (a)는 확산 방지층으로 Nb, (b)는 Ti합금을 각각 사용한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 의한 인발가공에 따른 확산 방지층의 경도변화를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 11은 종래의 조립 공정에 따라 제조된 MgB₂ 다심 선재의 조립 공정과 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 테이핑 방식에 의한 MgB₂ 초전도 선재 제조방법 순서도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 테이핑 방식에 의한 MgB₂ 초전도 선재를 테이핑하는 방법의 개념도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 테이핑 방식을 통해 가공된 상태와 인발 가공된 상태의 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 테이핑 방식을 통해 가공된 상태와 인발 가공된 상태의 사진이다.
도 16은 본 발명과 비교예 2에 따른 임계전류밀도를 비교하는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 테이핑 각도에 따른 비교 사진이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 다심 선재를 제조하는 제조장치의 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 MgB₂ 초전도 선재로서, 튜브; 상기 튜브 내로 장입되는 적어도 하나 이상의 MgB₂ 필라멘트 선재; 및 상기 MgB₂ 필라멘트 선재를 감싸며 상기 튜브 금속과 Mg간의 반응을 방지하는 확산 방지층을 포함하며, 상기 확산 방지층은 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 0.3 이하이며, 초기 경도 값은 Hv 140 이하인 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재에 관한 것이다.

상기 튜브는 초전도가 외부와 접촉되어 변질되는 것을 방지하며, 인발 가공시 내부에 충전되는 Mg, B 분말을 고정하기 위하여 사용되는 것으로, 상기 초전도 선재의 중간층을 구성한다. 상기 튜브는 상기 초전도의 외부접촉을 차단할 수 있으며, 인발가공이 용이한 재질의 것이라면 재한 없이 사용가능하지만 바람직하게는 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 철 또는 황동을 사용할 수 있다. 아울러 상기 초전도를 2중 구조 또는 다중구조로 하는 경우 각 층간의 분리를 위하여 다수개의 동축튜브 또는 다수개의 튜브가 결합된 튜브 집합체를 사용할 수 있으며, 이때 각 튜브는 동일한 재질로 구성되거나 서로 다른 재질의 튜브로 구성될 수 있다.

상기 MgB₂는 비교적 고온인 39K에서 초전도성을 가지는 것으로 알려진 물질로서 상기 튜브내에 필라멘트 선재의 형태로 장입되어 인발가공에 의하여 선재로서 제조된다. 이러한 MgB₂의 초전도성은 비산화물계 초전도 중 가장 높은 온도의 임계온도를 가지는 것으로 기존에는 Nb를 베리어 금속(확산방지층)으로 하여 초전도를 제조하는 방법이 많이 알려져 있다. 하지만 본 발명에서는 Nb를 대신하여 Ti를 사용하고 있으며, 다만 초전도성을 가지는 심선부를 기존과 동일한 MgB₂를 사용하고 있으므로 기존의 기재를 그대로 활용하여 초전도 선재의 제조가 가능하다.

또한 상기 MgB₂는 단독으로 사용될 수 있지만, MgB₂ 분말(powder), Mg+B 분말(powder), MgB₂+X 분말(powder), Mg+B+X 분말(powder)등을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 이때 상기 X는 자속고정(flux pinning) 효과를 높이거나, MgB₂의 기공(porosity)을 줄여주기 위한 원소들을 의미한다.

상기 확산 방지층은 상기 인발 가공시 Mg 분말이 상기 튜브 금속사이로 확산되는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것으로 기존에는 Nb를 사용하는 것이 일반적이었지만 본 발명에서는 Ti 또는 Ti를 포함하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

이때 사용되는 Ti 합금은 Ti와 적절한 금속을 합금하여 사용하는 것도 가능하지만 바람직하게는 Nb를 추가로 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20 내지 60 wt.% Nb 및 잔량의 Ti를 포함하는 합금을 사용할 수 있다.

상기 확산 방지층은 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 0.3 이하, 바람직하게는 0.2이상 0.3 이하이며, 초기 경도 값은 Hv 140 이하일 수 있다.

기존에 사용되었던 Nb의 경우 가격이 매우 고가이며, Nb와 분말계면의 요철이 많이 발생하여 임계전류밀도특성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 특히 상기 확산 방지층의 경우 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 높을수록 인발가공에 의한 손상이 발생하기 쉽다. 기존의 Nb를 사용하는 확산방지층의 경우 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 0.49로 높게 나타나고 있으므로 낮은 선경으로 인발 가공하는 경우, 모듈의 형상이 불균일해질 뿐만 아니라 분말과의 마찰에 의한 Nb튜브 내면의 계면 요철 현상이 심해 MgB₂ 선재의 입계전류밀도 특성이 낮아지게 되며, 단선의 발생빈도가 높아져 장선재의 제조가 어렵다.

상기 확산 방지층은 열처리에 의하여 초기 경도 값이 감소된 것일 수 있다. Ti 또는 Ti를 포함하는 합금을 사용하는 경우 초기 경도가 높아짐에 따라 단선이 발생할 가능성이 있으므로 추가적인 열처리를 필요로 할 수 있다. 이 경우 Mg가 산화되어 MgO가 형성되는 것을 방지하고 Mg와 B 가 반응하여 MgB₂가 형성되지 않는 것을 방지하기 위하여 500℃ 이내의 온도 및 저진공(진공도: 10^-3 이내) 및 불활성기체 분위기에서 열처리를 하는 것이 바람직하다.

이러한 Ti 또는 Ti를 포함하는 합금의 사용에 따라, 상기 MgB₂ 초전도 선재는 Nb를 확산 방지층으로 사용한 초전도 선재에 대비하여 적어도 2.0X10⁵A/㎠(4.2K, 4T)이상으로 높은 임계전류밀도를 가질 수 있다.

상기 초전도 선재는 인발 가공 방식으로 제조되며, 상기 초전도 선재의 원주방향으로의 표면조도(Ra)는 5㎛ 이하 바람직하게는 4.5㎛ 이하일 수 있다.

기존의 Nb 확산 방지층의 경우 경도가 낮아 가공이 진행됨에 따라 분말과의 마찰로 인하여 내부 계면의 요철현상이 심화되며 전재의 임계전류밀도를 감소시킨다. 이러한 요철현상은 표면조도 관측에 의하여 측정될 수 있으며 기존의 Nb 확산 방지층의 경우 원주방향으로의 표면조도가 약 14㎛로 측정된다. 하지만 본원 발명에서 제시하는 Ti 또는 Ti를 포함하는 합금을 사용한 경우 초기경도가 높아짐에 따라 인발가공시 계면요철 현상이 줄어들게 되어 원주방향으로의 표면조도(Ra)는 5㎛ 이하 바람직하게는 4.5㎛ 이하를 나타낼 수 있다.

본 발명의 MgB₂ 초전도 다심 선재 제조방법은 복수 개의 다심 선재를 테이핑하여 결속하는 단계; 결속된 복수 개의 다심 선재를 튜브 내에 장입하는 단계; 장입된 튜브를 인발 가공하는 단계를 포함할 수 있다.

도 12를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 MgB₂ 초전도 다심 선재 제조방법은 다음과 같은 순차적인 순서로 진행될 수 있으며, 도 13 내지 도 17을 참조하여 설명한다.

먼저, 다수 개의 다심 선재(110)를 구리 테이프(120)로 테이핑하여 결속한다(S100).

이때, 다수 개의 다심 선재(110)를 결속하는 방법은 2가지 방법으로 결속될 수 있다. 그 방법으로, 도 13(a)와 같이, 복수개의 다수 개의 다심 선재(110)를 구리 테이프(120)로 한번에 테이핑하여 튜브(T) 내로 장입하는 방법(이하, 제1 실시예라함), 도 13 (b)와 같이 튜브(T) 내로 장입되는 다심 선재(120)의 복수 개를 동일 개수로 나누어 진행하는 방법(이하, 제2 실시예라함)이다. 본 실시예에서, 도 13 (b)에서는 다심 선재(120) 3개를 한 묶음으로 하여 구리 테이프(120a)로 테이핑하고, 이를 다시 구리 테이프(120b)로 테이핑 하였으나, 다심 선재(120)를 구리 테이프(120a)로 테이핑할 때에, 다심 선재(120)의 개수가 3개로 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 테이프라 함은 호일, 스트립, 시트 형태로서 선재를 물리적으로 결속시키는 임의 형태의 부재를 의미하며, 최종 가공을 튜브를 제조되는 경우 융착될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 테이프가 융착되어 구분이 안되는 경우도 적어도 제조공정에서 이를 사용한 경우는 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 구리 테이프는 구리를 포함하는 테이프로서 이종의 물질이 포함될 수 있다.

이때, 구리 테이프(120)로 다심 선재(110)를 테이핑 할 때에는, 도 17에 나타난 바와 같이, 소정각도 틀어진 상태로 테이핑하게 된다. 이때 틀어지는 각도는 다심선재의 길이 수직 방향에 대하여 10 내지 30도의 각도로 테이핑 할 수 있다.

만약, 테이핑 각도가 10도로 형성되면, 구리 테이프 공급 시 우측 플렌지 간섭을 받게 되어 테이프가 일그러진 상태로 공급되어 테이핑 후에도 일그러진 일부가 남게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로 테이핑 각도가 50도와 같이 크게 형성되면, 좌측 플렌지에 간섭을 받게 되고 구리 테이프가 이송하면서 들뜸 형상이 발생되게 된다.

가장 바람직하게는 테이핑 각도로 20도를 유지한 상태로 구리 테이프를 공급하게 되면, 플렌지간의 간섭이 발생하지 않게 되며, 테이핑되는 중첩폭을 일정하게 유지할 수 있다.

상기의 같은 고정을 통해서 결속된 복수 개의 다심 선재를 튜브(T) 내에 장입한다(S200). 이때, 튜브 내의 중심에는 모듈을 고정할 수 있는 원형로드(130)가 구비될 수 있다. 튜브(T)는 구리 테이프와 동일한 구리 재질로 형성될 수 있다.

마지막으로 장입된 튜브를 인발 가공한다(300). 인발 가공은 여러 번 반복할 수도 있다.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 다심 선재를 제조하는 제조장치의 사시도이다.

도 18을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 MgB₂ 초전도 다심 선재를 제조하는 제조장치는 다심선재 안내부(210), 테이핑부(220)를 포함하여 구성된다.

다심선재 안내부(210)는 내부에 홀이 형성되어 홀을 따라 복수의 다심 선재를 안착시켜 일방향으로 다심 선재의 이동을 안내하는 역할을 한다.

테이핑부(220)는 다심선재 안내부를 따라 이동하는 다심 선재에 소정각도 틀어져 복수의 다심 선재를 구리 테이프로 테이핑하는 것으로서, 테이핑 각도조절부(221), 지지판(222), 구리 테이프 공급부(223) 및 장력 조절부(224)를 구비할 수 있다.

테이핑 각도조절부(221)는 다심선재 안내부에 대해서 소정각도 틀어져 테이핑 각도를 조정한다. 테이핑 각도조절부(221)는 하부에 각도를 조정할 수 있는 구동모터가 구비될 수 있으며, 사용자의 입력조건에 따라 해당하는 각도로 조정될 수 있다.

지지판(222)은 테이핑 각도조절부(221)의 상면에서 상측으로 연장되어 구리 테이프 공급부(221)와 결합되며, 구리 테이프 공급부(223)와 결합되는 홀이 형성된다. 홀에는 구리 테이프 공급부(223)의 원활한 회전을 위해서 베어링이 결합될 수 있다.

구리 테이프 공급부(223)는 지지판(222)에 회전가능하게 결합되어 구리 테이프를 공급한다. 이때, 구리 테이프 공급부(223)는 구리 테이프를 탈착 가능하도록 결합될 수 있다.

장력 조절부(224)는 구리 테이프 공급부(223)에 결합되어 공급되는 구리 테이프의 장력을 조절한다. 장력 조절부(224)는 구리 테이프 공급부(223)의 축방향을 따라 삽입되는 스프링의 강도를 통해 구리 테이프 공급부(223)에 전달되는 압력을 조정하여 공급되는 구리 테이프의 압력을 조정하게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

실시예 1

Mg 및 B를 1:2~2.1 몰비로 칭량한 다음, ZrO₂ ball과 media와 함께 4시간 이상 혼합하고 건조하여 혼합체를 제조하였다.

45wt.% Nb 및 잔량의 Ti 중량부가 혼합된 합금을 열처리하여 재결정이 일어난 미세조직을 나타내며, 비커스 경도값이 Hv 130을 갖는 확산 방지층 소재(OD21 x ID 16 x L2,000mm)와 Cu로 제작되는 matrix 소재(OD25 x ID 22 x L2,000mm)로 각기 튜브관을 사용하였다.

상기 Ti 합금 튜브관의 내부에 상기 Mg 및 B의 혼합체를 0.3이상의 상대밀도로 장입한 다음, 상기 Ti 합금 튜브관은 상기 Cu 튜브관 내에 삽입하여 준비하였다. Ti 합금/Cu 튜브관을 단위 감면율 15%로 인발공정을 이용하여 MgB₂ 단심선재를 제조하였다.

확산 방지층의 종류에 따른 효과를 확인하기 위하여 상기 Ti 합금 대신 Nb, Fe 및 Ti를 이용한 단심선재를 제조(실시예 1)하여 임계전류 밀도변화를 측정하였으며, 그 결과를 아래의 표1에 나타내었다.

확산 방지층	선경(mm)	nonSc/Sc	4.2K, 5T
			Ic(A)	Jc(A/㎟)	n-value
Nb	1.03	1.99	215.0	771.9	53.9
Fe	1.03	2.96	122.6	583.6	56
Ti 합금	1.03	2.3	252.4	1000.8	56.3
Ti	0.9	2.19	234.1	1200.7	92.2

임계전류밀도는 통전법으로 측정하였다. 임계전류 측정 준비는 구리링(Cu ring)과 Ti 합금으로 이루어진 배럴(Barrel)에 약 1m 이상의 MgB₂ 선재를 감은 후 솔더링을 통해 MgB₂ 선재와 구리 링, 구리 링과 측정용 프로브 전류 도입선(current lead)을 전기적으로 연결시키고 50cm 길이로 전압탭 간격을 주어 측정하였다.

상기 표1에 나타난 바와 같이, Ti 합금 및 pure-Ti를 확산 방지층으로 사용하였을 경우 높은 임계전류밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

확산 방지층의 종류 및 굵기에 따른 MgB₂ 선재의 임계전류 특성을 확인하기 위하여 Ti 합금 및 Nb를 확산 방지층으로 하여 제조된 단심선재의 각 직경에 따른 임계전류 밀도를 측정한 다음, 하기의 표 2에 나타내었다.

확산 방지층	선경(mm)	임계전류밀도 (105A/㎠@4.2K, 4T)
Nb	1.03	1.95
	0.90	1.86
	0.84	1.71
Ti 합금	1.03	2.58
	0.90	2.35
	0.84	2.27

표 2에 나타난 바와 같이, Ti 합금을 사용한 경우 모든 선경에서 Nb를 사용한 단심선재에 비하여 높은 임계밀도전류를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

확산 방지층의 종류에 따른 MgB₂선재의 인발가공이후 단면형상을 확인하기 위하여 Ti 합금 및 Nb를 확산 방지층으로 하여 제조된 단심선재를 이용하여 단면형상을 확인하였다.

확산방지층	선경(mm)	임계전류밀도 (105A/㎠@4.2K, 4T)	n-value
Nb	1.03	1.95	19
Ti 합금	1.03	2.58	43.1

도 6에 나타난 바와 같이, 확산 방지층을 Nb로 한 경우 분말과의 마찰로 인하여 선재의 일부에 터짐 구간이 발생하여 소세징 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 Ti 합금을 사용한 경우에는 선재가 균일하게 제작되었으며 이에 따라 n-value역시 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다(표 3).

다심선재 제조 조립 길이에 맞게 진직화 및 컷팅된 18개의 상기 Ti 합금을 확산 방지층으로 사용한 MgB₂ 단심선재와 1개의 중심 Cu 스페이서를 산세 및 세척 처리 후 1+18다발 형태로 조립하였다.

상기 다발을 stabilizer 소재인 Cu 튜브관에 삽입 한 다음, 상기 금속 튜브관을 단위 감면율 15%로 인발공정을 이용하여 총 누적 변형량이 9.1 이상으로 최종 선경 1.03mm 이하의 MgB₂ 다심선재를 제조하였다. 제조된 MgB₂ 다심선재는 Ar 분위기 내에서 700°C 온도에서 1시간 열처리를 통해 최종 MgB₂ 상을 형성(실시예 2)하였다(도 5).

비교예 1로서 상기 Ti 합금 대신 Nb를 사용한 튜브관을 이용하여 동일하게 단선 없이 1.03mm 이하의 MgB₂ 다심선재를 제조하였다

선경에 따른 임계전류를 변화를 확인하기 위하여 1.03, 0.90, 0.84mm 선경의 MgB₂ 선재 임계전류 측정 결과 도 3에 나타난 바와 같이, 각 선경에서 Ti 합금을 확산 방지층으로 사용한 MgB₂ 선재(실시예 2)가 Nb를 확산방지층으로 사용한 MgB₂ 선재(비교예 1)에 비하여 최소 2.0X10⁵A/㎠(4.2K, 4T)이상으로 높은 임계전류밀도를 보였다.

또한 선재의 건전성 측면에서 상기 임계전류밀도의 향상 원인을 확인하기 위해 동일 길이를 가지는 필라멘트 barrier 표면 관찰하였다.

확산 방지층의 모듈의 건전성을 평가하기 위하여, 인발가공을 이용하여 다심선재 제조 후, 질산 용액에 Cu 튜브를 제거한 후, 모듈의 형상을 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한 선재 단면을 EDX 라인분석을 이용하여 확산 방지층의 성분을 분석하였다.

그 결과 Ti 합금을 확산방지층을 사용한 선재(실시예 2)가 상대적으로 결함이 적었고 MgB₂ core와의 계면 균일성 또한 양호하였다(도 4).

Mg, B 분말이 제거된 barrier 내부 표면 조도 측정을 통해 Ti 합금을 확산방지층으로 사용한 선재(실시예 2)와 Nb 확산방지층을 사용한 선재(비교예 1)의 MgB₂ core와의 계면 상태를 확인한 결과 실시예의 것이 인발 과정에서 분말과의 마찰에 의해 발생한 종, 횡방향에서 거칠기가 낮았고 확산 방지층의 손상이 적음을 확인할 수 있었다(도 8 및 표4).

이때 가공방향에 따른 선재의 단면을 주사전자 현미경으로 관찰하였고 레이져를 이용한 비접촉식 표면조도 측정 장비(OLYMPUS, OLS4100)를 이용하여 표면조도 Ra를 측정하였다.

표면조도 (Ra, ㎛)
	TD	ND
Nb	14.89	3.85
Ti alloy	4.51	2.07

열처리에 의한 물성의 변화를 확인하기 위하여 실시예 2의 선재, 열처리 이전의 선재 및 기존의 Nb를 확산 방지층으로 사용하는 선재(비교예 1)를 이용하여 실험을 실시하였다.

상기 실시예 2 및 비교예 1 선재의 총 변형량이 증가함에 따라 확산방지층의 경도 변화를 관찰하기 위하여, 선재 단면 부위에서 확산 방지층에 대해 마이크로 비커스 경도기(적용하중: 300g)를 이용하여 경도를 측정하였다.

도 9에 나타난 바와 같이, Nb를 확산 방지층으로 사용하여 MgB₂ 선재를 제조하는 경우(비교예 1) 선재를 인발 가공함에 따라 경도 증가 지수가 0.49로 높게 나타났다. 이에 따라 낮은 선경으로 인발가공 할 때 모듈 형상이 불균일하고 분말과에 마찰에 의한 Nb 튜브 내면의 계면 요철 현상이 심해 MgB₂ 선재의 임계전류밀도 특성이 낮아지게 되고 단선 발생 빈도수가 높아져 장선재 제조가 어려운 것을 확인할 수 있었다.

열처리를 실시하지 않은 Ti 합금을 사용하여 선재를 제조 할 경우 초기경도가 Hv 170에 달하며 인발가공에 따른 경도 증가지수는 0.21로 나타났다. 이 경우 인발가공에 따른 경도 증가 지수가 낮게 나타나기는 했지만 초기경도가 높고 총 누적변형량이 9.0이상으로 증가하여 경도값이 Hv 260 이상 나타나서 가공한계에 의한 단선 발생률이 높은 것으로 나타났다.

열처리를 실시한 Ti 합금을 사용하여 선재를 제조 할 경우(실시예 2) 초기경도를 Hv 130으로 나타났으며 인발가공에 따른 경도 증가지수는 0.26으로 나타났다. 이는 열처리를 실시하지 않은 Ti 합금에 비하여 인발가공에 따른 경도 증가지수의 증가가 높게 나타나기는 했지만 초기경도 및 초기의 낮은 경도 및 총 변형량에 따른 경도값이 260을 초과하지 않았으며, 모듈의 건전성 향상으로 인하여 MgB₂선재의 임계전류밀도의 향상과 더불어 단선의 발생률이 낮아지는 것으로 확인되었다.

비교검토

테이핑 없이 형성되는 비교예 2, 실시예 3 및 실시예 4에 대해서 조립형상 및 진직성, 광학 현미경을 이용한 단면 형상 관찰 및 임계전류 밀도를 비교 평가하였다.

(1) 실험조건

실시예 3과 실시예 4를 비교하기 위해서, 다음과 같은 실험절차가 선행되었다. 먼저, 실시예 3은 18 + 1(다심선재 + 구리재질의 원형로드) 형태로 모듈을 조립한 후 최외곽에 1회 테이핑을 실시하였다. 실시예 4는 3개의 단심선재를 테이핑한 후 테이핑된 6개의 다발을 중심 구리 스페이서와 함께 조립 후 최외곽에 추가 테이핑을 실시하였다. 이때, 사용된 MgB₂는 습식 혼합공정을 이용하여 Mg 분말(75μm), B 분말(<400nm)을 중간재(media)와 함께 4시간 이상 혼합 후 건조 및 sieving 공정을 통해 얻어진 혼합체를 산세 및 세척된 확산방지층(OD21 x ID 16 x L2,000mm) 튜브 내에 상대밀도 0.3 이상으로 장입하여 형성되었다.

테이핑에 사용된 구리 합금 테이프는 터프피치동을 적용하였다. 테이핑 시, 장력은 구리 합금 테이프와 모듈 간 결속에 적합한 텐션을 부여하였다. 구리 합금 테이프의 두께는 테이핑 장력에 따라 달라질 수 있으나, 적합한 0.1 ~ 0.25mm를 적용하였다. 테이핑된 다발을 구리 튜브(Cu sheath)에 조립 후 금속 튜브 관을 단위감면율 15%로 인발공정을 이용하여 최종 선경 1.03mm 이하의 MgB₂ 다심선재를 제조하였다. 제조된 MgB₂ 다심선재는 Ar 분위기 내에서 700°C 온도에서 1시간 열처리를 통해 최종 MgB₂ 상을 형성 시켰다.

(2) 조립형상 및 진직성

테이핑 없이 일정 간격을 주고 조립한 다심선재(비교예 2)와, 실시예 3(1회 테이핑) 및 실시예 4(2회 테이핑)를 실시한 다심선재의 조립형상과 3,000mm 길이의 모듈 간 진직성을 확인하였다.

비교예 2에서는 구리 튜브에 삽입하는 과정에서 모듈의 이탈이 발생하였고, 모듈의 진직도 차이 및 튜브와 모듈 간의 공차에 의해 모듈 형상이 일정하지 않았다. 또한, 조립된 다심선재를 인발 가공시 스웨이징 공정에서 모듈의 회전에 의한 모듈 불균일 현상이 발생하였다.

반면, 실시예 3의 조립 결과는 선, 후방의 조립 형상이 육각과 원형 형태로 달랐으며 모듈의 비틀림이 확인 되었다(도 14 (a) 참조). 이는 구리 원형로드를 중심으로 배치되는 6개의 단심선재의 진직성이 결여된 상태에서 그 둘레 방향을 따라 12개의 단심선재 모듈이 추가배치되어 테이핑을 실시하였기 때문인 것으로 판단된다. 이에 따라 내부모듈 또한 테이핑에 의한 추가적인 모듈고정이 더욱 바람직함을 알 수 있었다.

실시예 4의 조립 결과는 조립된 다심 선재의 선방에서 후방까지 조립 형상이 동일하게 유지되었고 3,000mm 길이에서도 모듈 위치가 동일하였다(도 15 (a) 참조). 모듈 형상 및 위치가 동일하게 조립된 다심선재는 인발 가공시에도 모듈 형상이 균일하게 유지되었다.

(3) 단면 형상 관찰

인발가공을 통해 제조된 MgB₂ 다심선재(1.03mm)를 광학현미경을 통해 실시예 3 및 4 각각에 대한 선재의 단면을 관찰하였다.

실시예 3은 0.1mm 두께의 구리 합금 테이프로 테이핑하여 최종선경을 1.03mm으로 인발가공된 단면을 관찰한 결과, 최외곽 모듈에 테이핑이 된 구간이 존재하는 것이 확인 되었으며, 두께는 13~17㎛로 나타났다.

실시예의 4는 내부가 0.1 mm, 외부가 0.2 mm의 두께를 가지는 구리 합금 테이프를 사용하여 테이핑을 실시 한 후 최종 선경을 1.03mm로 인발 가공된 단면을 관찰한 결과, 각 모듈 사이에 테이핑이 존재하는 것이 확인되었으며, 최종 선경에서 내부 테이프 두께는 6.9 ~ 7.4 ㎛, 외부 테이프 두께는 14.8 ~ 16.1㎛로 나타났다. 외부 테이프는 0.2mm 두께를 사용하였고 내부 테이프 두께는 0.1mm를 사용하여 외부 테이프 두께가 두껍게 나타났다. 만약, 내부 테이프의 두께를 외부 테이프와 동일한 두께를 사용하게 되면, 테이핑이 어려워질 뿐만 아니라 조립선경이 커지게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기와 같이 내부 테이프를 외부 테이프에 비해서 상대적으로 얇은 두께를 사용하는 것이 바람직하다.

(4) 임계전류 밀도

임계전류밀도는 통전법으로 측정하였다. 임계전류 측정 준비는 구리 링(Cu ring)과 Ti 합금으로 이루어진 배럴(Barrel)에 약 1m 이상의 MgB₂ 선재를 감은 후 솔더링을 통해 MgB₂ 선재와 구리 링, 구리 링과 측정용 프로브 전류 도입선(current lead)을 전기적으로 연결시키고 50cm 길이로 전압탭 간격을 주었다.

이와 같이, 테이핑이 적용되지 않은 비교예 2와, 실시예 3 및 실시예 4의 MgB₂의 선재에 대해 표 5에 비교하였다.

테이핑 방식	선경 (mm)	nonSc/Sc	4.2K, 3T
			Ic(A)	Jc(A/mm2)
비교예 2	1.03	4.42	332.1	2044.7	테이핑 없음
실시예 3	1.03	4.61	423.8	2848.3	도 13(a)
실시예 4	0.90	4.02	402.9	3180.0	도 13(b)

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 실시예 4는 비교예 2에 비해서 임계전류밀도(Jc)를 55% 이상을 증대시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 실시예 3에 비해서도 임계전류밀도(Jc)가 증가하는 것으로 나타났다. 이를 도 18의 그래프로 표시 하였다. 이와 같이, 실시예 4의 임계전류밀도가 비교예 2 및 실시예 3에 비해서 증가하는 것은 다심 선재(120)를 복수 개로 동일 개수로 나누어 진행함으로써 테이핑에 의한 모듈 형상의 균일성 및 선재 전체의 건전성이 향상되어 선경을 보다 콤팩트하게 형성시킬 수 있기 때문인 것으로 판단된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

1. MgB₂ 초전도 선재로서,
   튜브;
   상기 튜브 내로 장입되는 적어도 하나 이상의 MgB₂ 필라멘트 선재; 및
   상기 MgB₂ 필라멘트 선재를 감싸는 확산방지층을 포함하며,
   상기 확산 방지층은 Ti를 포함하고, 상기 확산방지층의 스트레인(ε)에 대한 경도 증가 지수가 0.3 이하이며, 초기 경도 값은 140 이하인 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 확산 방지층은 열처리에 의하여 초기 경도 값이 감소된 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 확산 방지층은 Nb를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 확산 방지층은 20 내지 60 wt.% Nb 및 잔량의 Ti를 포함하는 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 초전도 선재는 인발 가공 방식으로 제조되며, 상기 초전도 선재의 원주방향으로의 표면조도(Ra)는 5 μm 이하인 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 MgB₂ 초전도 선재는 Nb를 확산방지층으로 사용한 초전도 선재에 대비하여 적어도 2.0X10⁵A/㎠(4.2K, 4T)이상으로 높은 임계전류밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 MgB₂ 초전도 선재.

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