KR20200075753A - 마이크로 수직 채널을 구비하는 고온 초전도 자석 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 향상된 여자 특성 및 전류 분류 특성을 갖는 초전도 코일 및 이를 포함하는 초전도 마그넷을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되고 내부에 초전도층과 상기 초전도층 상부의 상부 금속부 및 하부의 하부 금속부를 포함하는 고온 초전도 선재를 적층한 고온 초전도 코일에 있어서, 상기 초전도 코일은 상기 초전도 선재의 초전도층을 적층 방향으로 관통하여 인접하는 초전도 선재와 전기적으로 연결하기 위한 복수의 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일을 제공한다.
Description
본 발명은 초전도 마그넷에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2세대 고온 초전도 마그넷에 관한 것이다.
액화 질소 온도에서 동작하는 고온 초전도 선재는 고자장에서 높은 임계전류밀도 특성을 나타내어 초전도 마그넷 등의 고자장 응용으로 주목 받고 있다.
고온 초전도 선재는 도전성 금속 외피 내에 필라멘트 또는 박막 형태의 초전도부가 연장되는 구조를 가지며, 그 구조에 따라 1세대 및 2세대 초전도 선재로 나눌 수 있다. 예컨대, 2세대 초전도 선재는 금속 기판, 완충층, 초전도층 및 안정화층의 적층 구조를 가지며, 선재의 외곽은 Cu, Ag와 같은 도전성 금속 또는 그 합금에 의한 피복 구조를 구비한다. 이에 따라, 코일 권선 시 인접한 턴의 선재는 전기적으로 접촉하게 된다.
이와 같은 전기적 접촉을 방지하기 위하여 초전도 선재는 테프론 또는 캡톤과 같은 절연 물질로 감싸진 상태로 권선 될 수 있다.
그러나, 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 선재의 절연 여부는 초전도 마그넷의 여자 등 전자기적 특성에 영향을 미치게 된다.
또한, 초전도 선재의 절연 여부는 ?치에 대한 보호 특성에 심각한 영향을 미치게 된다. 특히 고온 초전도 선재는 저온 초전도 선재에 비해 높은 열용량 및 높은 임계온도를 구비하여 ?치(quench) 발생 가능성이 낮은 것으로 알려져 있지만, 정작 ?치 전파 속도가 낮아 외부에서 ?치 현상의 검출이 곤란하다는 문제점을 가지며, 국부적 ?치 현상에 의해 선재가 번 아웃에 이르는 치명적인 결함을 나타낸다. 따라서, 초전도 코일의 인접하는 초전도 선재가 절연된 경우에는 ?치에 취약한 특성을 나타내게 된다.
이러한 문제점으로 인하여, 초전도 마그넷의 여자 특성의 열화 없이 ?치 현상의 검출이나 이로부터 선재를 보호하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 오고 있지만 현재까지 근본적인 해결책은 없는 실정이다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 향상된 여자 특성 및 전류 분류 특성을 갖는 초전도 코일 및 이를 포함하는 초전도 마그넷을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되고 내부에 초전도층과 상기 초전도층 상부의 상부 금속부 및 하부의 하부 금속부를 포함하는 고온 초전도 선재를 적층한 고온 초전도 코일에 있어서, 상기 초전도 코일은 상기 초전도 선재의 초전도층을 적층 방향으로 관통하여 인접하는 초전도 선재와 전기적으로 연결하기 위한 복수의 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일을 제공한다.
본 발명은 상기 초전도 코일은 인접하는 두 초전도 선재의 금속부가 직접 접촉 상태일 수 있다. 이와 달리, 상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 메탈 인슐레이션층이 더 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 전도성 채널은 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 채널은 솔더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 채널은 도금층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 채널은 솔더와 도금층을 모두 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 채널은 Ag 패이스트와 같은 금속 패이스트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 채널은 금속절연전이(MIT) 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 초전도 선재의 초전도층과 하부 금속부 사이에는 완충층을 포함하고, 상기 채널은 상기 초전도층과 상기 완충층을 관통할 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 채널들 사이의 간격은 500 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 상기 복수의 채널 사이의 간격은 1000 ㎛ 미만, 2000 미만일 수 있다.
또한, 상기 복수의 채널들은 직경이 50 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 복수의 채널들은 직경은 50~200 ㎛, 또는 50~100 ㎛ 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 향상된 여자 특성 및 전류 분류 특성을 갖는 초전도 코일 및 이를 포함하는 초전도 마그넷을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 코일 부분을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 A-A' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 초전도 선재의 관통 홀 배열을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 초전도 선재의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 선재 패턴을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 레이저 가공한 후 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 가공한 후 비접촉 홀 Ic 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따라 충진된 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 A-A' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 초전도 선재의 관통 홀 배열을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 초전도 선재의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가공된 선재 패턴을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 레이저 가공한 후 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따라 선재를 가공한 후 비접촉 홀 Ic 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따라 충진된 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 마그넷을 구성하는 초전도 코일 부분을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 초전도 코일은 초전도 선재(100)가 소정 형상으로 적층 권선된 구조를 갖는다. 예시적으로, 고온초전도 코일은 싱글 팬케이크, 더블 패케이크, 레이스 트랙, 안장 등의 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
본 발명에서 2세대 초전도 선재는 하부 금속부, 초전도층 및 상부 금속부를 포함한다. 예시적으로, 상기 초전도 선재는 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
예컨대, 초전도 선재가 금속 기판, 완충층, 초전도층, 캡핑층 및 안정화층의 적층 구조를 가질 수 있고, 초전도부로 기능하는 초전도층을 중심으로 상부의 금속층들은 상부 금속부, 하부의 금속층들은 하부 금속부로 칭할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 금속부는 하나의 단일의 금속층으로 구성될 수도 있고, 이와 달리 둘 이상의 복수의 금속층의 적층 구조로 구성될 수도 있다. 또, 상기 초전도층과 상기 기판과 같은 하부 금속부 사이에는 완충층과 같은 다른 층이 개재될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 상부 금속부와 하부 금속부는 선재 외곽을 따라 연결될 수 있음은 물론이다.
상기 본 발명에서 초전도 선재로는 RABiTS(Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate) 기반 또는 IBAD(Ion Beam Assist Deposition) 기반 등의 2세대 초전도 선재가 사용될 수 있다. 예시적으로, 초전도 선재는 Ni 또는 Ni 합금 기판 상에 완충층, 초전도층 및 안정화층이 순차 형성된 구조를 갖는다. 완충층은 MgO, LMO, STO, ZrO2, CeO2, YSZ, Y2O3 및 HfO2로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질로 구성될 수 있으며, 초전도 제품의 용도 및 제조 방법에 따라 단일 층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 초전도층은 이트륨 원소 도는 희토류(RE; Rare Earth) 원소를 포함하는 초전도 물질로 구성될 수 있다. 예컨대 YBa2Cu3O7으로 대표되는 Y123 또는 RE123 초전도 물질이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 초전도층으로는 Bi계의 초전도 물질이 사용되어도 무방하다. 상기 안정화층은 금, 은, 백금 및 팔라듐 등과 같은 귀금속 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 금속 또는 그 금속의 합금층이나, 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 금속 또는 그 금속의 합금층을 포함하는 복층 구조로 구성될 수 있다. 또한, 부가적 또는 선택적으로, 상기 선재의 외곽은 도전성 라미네이션층에 의해 커버될 수 있다. 이 때, 상기 라미네이션층은 강성을 갖는 금속소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 스테인레스 스틸, 브라스와 같은 구리 합금 또는 니켈 합금이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 코일의 A-A' 방향을 따라 절단한 단면 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 초전도 코일은 복수의 초전도 선재(110-1. 110-2, 110-3)가 적층된 구조를 갖는다. 각 초전도 선재는 상부 금속부(112), 초전도층(114) 및 하부 금속부(116)를 구비하고 있다. 물론, 상기 초전도층(114) 및 하부 금속부(116) 사이에는 하나 이상의 완충층이 개재될 수 있으나, 도시 편의상 생략한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 초전도 선재(110-1, 110-2, 110-3)에는 각 층의 적층면에 수직 방향(즉 적층 방향)으로 초전도층(114)를 관통하는 복수의 수직 채널(120)이 형성되어 있다. 상기 채널(120)은 상부 금속부(112)와 하부 금속부(116)를 결합한다. 하지만, 상기 채널(120)은 초전도 선재 내에 국한되며, 인접하는 초전도 선재로 연장되지 않는다.
도시된 바와 같이, 상기 초전도 코일에서 하나의 초전도 선재(110-1)의 하부 금속부와 인접하는 초전도 선재(110-2) 상부 금속부 사이에는 개재층(130)이 도입될 수 있다. 상기 개재층(130)은 예시적으로 메탈 인슐레이션층일 수 있다. 여기서 메탈 인슐레이션이란 초전도부에 비해 높은 저항을 갖는 금속으로 초전도 사이를 인슐레이션하는 것을 말하는데, 이 층은 초전도부에 비해서는 매우 높은 저항값을 나타내므로 초전도 상태에서 선재를 실질적으로 절연하는 역할을 수행하며, 전도성 재질이고 초전도 선재 간의 접촉 개선하는 재질을 사용함으로써 ?치 발생 시 ?치 전류가 인접하는 초전도 선재로 우회할 수 있게 한다. 본 발명에서 권선의 턴(turn)을 구성하는 인접하는 초전도 선재의 채널(120)은 상기 개재층(130)을 통하여 서로 전기적으로 연결된다.
예컨대, 상기 메탈 인슐레이션층으로는 초전도 선재를 구성하는 Ag 또는 Cu 금속 보다 높은 저항을 갖는 금속 예컨대 브라스(Brass), 스테인레스 스틸(SUS), 하스텔로이(Hastelloy) 등과 같은 구리 합금 또는 니켈 합금이 사용될 수 있다.
또한 상기 개재층(130)으로는 V2O3, NdNiO3와 같은 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT) 물질층이 사용될 수도 있다.또한, 본 발명은 개재층(130) 없이 인접하는 초전도 선재가 직접 접촉하도록 설계될 수도 있음은 물론이다.
또한, 전술한 개재층은 초전도 선재의 제조 시 함께 부가될 수도 있으나, 초전도 마그넷의 권선 시 부가되어 함께 권선(co-winding) 될 수도 있다.
도면에는 상기 복수의 채널(120)은 초전도 선재의 각 층을 모두 관통하는 것으로 도시되어 있지만, 이것은 본 발명의 일구현 예에 불과하며 다양한 변형이 가능하다.
상기 채널(120)은 상기 초전도층(114)을 관통하여 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)를 연결한다. 상기 채널(120)은 상기 상부 금속부(112)와 상기 하부 금속부(116)를 기계적, 전기적 및/또는 열적으로 견고히 결합할 수 있다. 나아가, 상기 채널(120)은 적층 구조를 구성하는 각 층을 기계적, 전기적 및/또는 열적으로 견고히 결합할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 채널(120)은 상기 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)과 양호한 접합성을 가질 수 있다. 예컨대, 상부 금속부(112) 및 상기 하부 금속부(116)의 용접에 적합한 재료들이 본 실시예의 채널의 구성 물질이 될 수 있다. 또한 부가적으로 상기 채널은 기계적 강성을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, 은이나 구리와 같은 단일 조성의 금속이나 금속 합금으로 구성되는 것이 바람직하다. 납 합금과 같은 강성을 갖는 재료도 본 발명의 채널에 적합함은 물론이다.
또한 본 발명에서 상기 채널(120)은 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT)을 포함하여 구현될 수 있다. MIT는 통상적으로 소정 온도(전이온도; Transition Temperature) 미만에서는 낮은 전기 전도도를 가져 절연체로 거동하지만 전이 온도 이상에서 전기 전도도(electrical conductivity)의 급격한 증가를 나타내는 물질을 말한다. 본 발명의 명세서에서도 MIT는 그 용어의 통상적인 용법과 실질적으로 동일한 의미로 사용된다. 다만, 본 발명에서 적합한 MIT는 초전도 선재의 임계 온도 이상의 전이온도를 가지고 전이온도를 포함하는 구간 전후의 전기 전도도 비율이 바람직하게는 103 이상 더욱 바람직하게는 105 이상인 것이 좋다. 본 발명에서 상기 MIT는 초전도층에 사용되는 초전도 물질의 임계온도 이상인 전이 온도를 가진다. 바람직하게는 MIT의 전이 온도는 초전도 물질의 임계온도 + 120 K 미만, 더 바람직하게는 임계온도 + 100 K 미만, 더욱 바람직하게는 임계온도 + 50 K 미만인 것이 좋다. 또, ?치 발생시 코일의 번 아웃을 유발할 정도의 높은 열이 발생하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용 가능한 MIT의 전이 온도는 상온 부근 이어도 무방하다. 물론, 상기 MIT의 전이온도는 초전도 물질의 임계온도 이상일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 적합한 예시적인 MIT 물질로는 바나듐 산화물(Vanadium Oxide) 또는 NdNiO3을 들 수 있다. 상기 바나듐 산화물 중 V2O5 상의 경우 전형적인 절연체로 구분되지만, VO, VO2, VnO2n -1(여기서 n=2~9) 조성의 바나듐 산화물은 전이 온도를 가지며 전기적으로 금속-절연체 전이 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명에서 상기 초전도 선재의 극저온의 동작 환경을 고려하면, 열팽창율은 채널의 후보 물질의 선정 시 주요한 고려 요인이 될 수 있다. 통상의 금속 또는 금속 합금은 초전도층에 비하여 높은 열팽창율을 가지며 본 발명에서 채널의 후보가 될 수 있다. 예컨대, 금속 또는 금속 합금으로 된 채널은 적절히 선택되는 경우 냉각 시 상기 금속 기판(110) 및 안정화층(140) 사이에 잔류 압축 응력을 형성하도록 할 수 있다.
본 발명에서 상기 채널의 형성에는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예컨대, 초전도 선재의 적층 구조를 완성한 후 통상의 홈 가공 및 통상의 증착법으로 채널을 형성할 수 있을 것이다. 이와 달리, 선재의 적층 구조 일부를 형성한 후 홈 가공 및 증착법이 적용될 수도 있다. 홈 가공으로는 레이저 천공 등의 가공법이 적용될 수 있다. 증착법으로는 전기도금, 무전해 도금, 물리기상 증착, 화학기상 증착 등 다양한 증착법이 적용될 수 있다.
<실험예 1 : 초전도 선재의 관통 홀 형성>
상하이슈퍼컨덕터사(Shanghai Superconductor)의 제품 번호 ST1805-08의 초전도 선재를 사용하였다. 선재의 사양은 다음과 같다.
- 임계전류 (Ic): 128~140A/4mm width,
- 선재 폭: 4mm
-선재 두께: 총∼95㎛ (기판=60㎛, 구리=15㎛)
도 3에 도시된 바와 같이 초전도 선재를 나노초 레이저(Nano-second laser)로 소정 직경과 소정 간격(a)의 관통 홀을 소정 간격으로 가공하였다. 관통홀은 선재의 길이 방향(longitudinal direction)으로 3열을 형성하였고, 폭 방향 열의 개수는 선재 폭에 맞추어 달리하였다. 아래 표 1에 제조된 각 선재 샘플의 홀의 직경 및 홀 간격을 정리하여 나타내었다.
| 구분 | 홀 직경 | 홀 간격 |
| #1 | 100 ㎛ | 1000 ㎛ |
| #2 | 100 ㎛ | 667 ㎛ |
| #3 | 100 ㎛ | 500 ㎛ |
| #4 | 100 ㎛ | 250 ㎛ |
| #5 | 100 ㎛ | 97 ㎛ |
| #6 | 50 ㎛ | 1000 ㎛ |
| #7 | 50 ㎛ | 500 ㎛ |
| #8 | 50 ㎛ | 250 ㎛ |
| #9 | 50 ㎛ | 125 ㎛ |
| #10 | 50 ㎛ | 98 ㎛ |
표 1에 나열된 선재의 임계 전류값을 측정하였다. 임계전류값은 소정 간격으로 가공된 관통홀들을 중심으로 양쪽에 전압을 측정할 수 있는 전압탭과 그 전압탭을 중심으로 양쪽에 전류를 인가할 수 있는 전압탭을 구성하고 일반적인 4단자법으로 측정하였다.
도 4는 직경 100 ㎛인 선재 샘플(#1~#5)의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다. 비교를 위하여 각 선재의 관통 홀 천공 전 임계전류값(Ic0)을 함께 나타내었다.
도 4를 참조하면, 홀 간격 500 ㎛ 이상인 선재 샘플 #1~#3의 경우 천공 후에도 임계전류값의 열화가 거의 관찰되지 않음을 알 수 있다. 하지만, 250 ㎛ 이하의 선재 샘플에서는 임계전류값의 열화가 관찰된다.
도 5는 직경 50 ㎛인 선재 샘플(#6~#10)의 임계 전류값(Ic) 측정 결과를 플롯한 그래프이다. 비교를 위하여 각 선재의 관통 홀 천공 전 임계전류값(Ic0)을 함께 나타내었다.
마찬가지로, 250 ㎛ 이하인 선재 샘플(#8~#10)에서 임계전류값의 열화가 관찰됨을 알 수 있다.
위 실험 결과로부터 관통 홀의 직경 50~100 ㎛ 범위에서, 홀 간격이 500 ㎛ 이상인 경우 관통 가공이 초전도 선재의 임계전류값의 열화를 가져오지 않음을 알 수 있다. 관통 홀의 직경과 관통 홀 간격은 초전도 선재의 임계전류값, 채널에 의한 ?치 특성 및 관통 홀의 충진 후의 초전도 선재의 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있다. 예시적으로, 넓은 홀 간격 및 좁은 홀 직경은 임계전류값의 열화를 억제할 수 있지만, 채널 전도에 의한 ?치 억제 효과와 초전도 선재의 강도 보완 효과는 미미하게 된다. 전술한 적절한 범위의 관통홀 직경 및 간격은 임계전류값의 변화를 초래하지 않으면서 채널에 의한 초전도 코일의 ?치 특성 및 기계적 특성을 보완할 수 있다.
<실험예2 : 초전도 선재 내부 채널 형성>
상하이슈퍼컨덕터사(Shanghai Superconductor)의 4mm width에서 임계전류 ~160A인 초전도도 선재 34m를 사용하였다. 선재의 사양은 다음과 같다.
-임계전류 (Ic): ~160A/4mm width,
-선재 폭: 4mm
-선재 두께: 총~95㎛ (기판=60㎛, 구리=15㎛)
초전도 선재를 나노초 레이저(Nano-second laser)로 직경 약 100㎛ 관통 홀 가공을 하였다. 가공된 선재의 길이와 관통 홀 패턴을 도 6에 나타내었다.
도 7은 선재를 레이저 가공한 후 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이고, 도 8은 선재를 레이저 가공한 후 비접촉 홀 Ic 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8로부터 홀 가공 공정을 거치더라도 Ic 감소가 없음을 확인할 수 있었다.
이어서, 초전도 선재에 형성된 채널 홀을 충진 하였다. 42Sn/58Bi 조성의 상품명 DS-0201LF인 크림 솔더로 홀을 충진하고 핫 플레이트에서 150 ℃의 온도로 가열하여 솔더링을 완료하였다.
도 9는 충진된 홀의 전면(a) 및 후면(b)을 촬영한 사진이다. 도 9로부터 솔더에 의해 채널 홀이 완전히 충진됨을 알 수 있다. 충진된 홀의 선재에 대한 비접촉 홀 Ic 측정 결과도 도 8과 같이 비슷하여 Ic 감소가 없음을 확인할 수 있었고, 이에 대한 그래프는 생략하였다.
<실시 예: 초전도 마그넷의 제조>
위 실험예에서 제조된 채널을 구비한 초전도 선재를 권선하였다. 권선 방식은 브라스(Brass) 테이프를 초전도 선재와 함께 권선하는 메탈 인슐레이션(metal insulation)으로 하였다. 브라스 테이프는 폭이 4.3mm이고, 두께가 약 0.145mm인 것을 사용하였다.
코일 권선 조건은 다음과 같다.
-
보빈 크기: 내경 64mm, 외경 80mm
-
권선 코일 크기: 내경=64mm, 외경=104mm
-
권선된 초전도 선재 길이 = 14.45m
-
턴수: 50
-
1개 층의 권선 두께: 0.24mm (고온초전도선 두께 + 브라스 테이프 두께 = 95um+145um)
이상과 같이 코일을 준비하고, 지그에 코일을 고정하고 전압 탭 및 전류 리드를 연결하여 마그넷을 제조하고, 코일의 중앙에 자장 센서를 설치하였다.
제조된 마그넷을 액체 질소에 담가 냉각하고, 마그넷의 전자기적 특성을 측정하였다. 구체적인 측정 조건은 다음과 같다.
-
탭 길이(Tap length): 14.45 m
-
Ic 규정 전압: 1.445 mV
-
Ramping rate : 1A/sec
본 발명과 비교를 위하여 마이크로 채널이 형성되지 않은 초전도 선재와 브라스 테이프를 사용하여 실시예와 동일한 방식으로 메탈 인슐레이션 권선하여 비교예의 마그넷을 제조하였다. 권선된 마그넷의 전자기적 특성을 측정하였다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이고, 도 11은 비교예에 따라 제조된 마그넷의 전자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
실시예 및 비교예의 두 마그넷은 크기를 비롯한 외형이 모두 동일하며, 코일의 임계전류도 모두 100A로 동일하다. 도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 코일 중심에 위치한 자장 센서로부터의 자장값을 비교했을 때, 두 자석은 코일 임계전류인 100A까지의 정상 상태까지는 매우 동일한 코일 특성을 보이고 있다.
이와 같은 마그넷에서는 입력 전류가 증가하여 입력 전류가 100A가 되었을 때, 가장 강한 자장을 경험하는 코일의 내측에서 ?치가 발생하게 된다.
이때, 종래의 고온초전도 자석(비교 예)의 경우 코일 안쪽에서 분류가 일어나지만 액체 질소에 의한 냉각으로 안쪽 일부 턴 까지만 전파되고 그 외 턴까지 전파되지 않고 그대로 동작되고 있기 때문에 자장값이 감소하다가 유지되었다.
그러나 실시예의 마이크로 금속 채널이 형성된 고온초전도 자석의 경우 코일 임계전류인 100A에서 ?치가 코일 안쪽에서 시작되어 마이크로 금속 채널을 통해 턴과 턴을 관통하여 급속히 외각의 턴까지 전파되었다. 이는 중심 자장값이 ?치 발생 후 급격하게 감소하여 거의 사라지는 것으로부터 확인할 수 있다.
이와 같이, 마이크로 금속 채널이 형성된 고온초전도 자석은 ?치 후 급속한 ?치 에너지를 분산시킴으로 고온초전도 자석을 안전하게 보호하게 되며, 특히 전도 냉각과 같이 냉각 효율이 좋지 못한 상황에서는 고온초전도 자석을 보호하는 데에 매우 효과적이다.
또한, 본 발명에서 초전도 선재의 적층 구조는 부가적인 층구조를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 안정화층 또는 라미네이션층 외곽과 같이 인접하는 선재 간의 접촉 지점에는 전도성 폴리머층 예컨대 전도성 에폭시와 같은 층이 부가될 수 있다. 부가된 층은 적층 구조의 접촉 저항을 조절에 사용될 수 있다.
100
초전도 코일
110, 110-1, 110-2, 110-3 초전도 선재
112 상부 금속부
114 초전도층
116 하부 금속부
120 마이크로 채널
130 개재층
110, 110-1, 110-2, 110-3 초전도 선재
112 상부 금속부
114 초전도층
116 하부 금속부
120 마이크로 채널
130 개재층
Claims (14)
- 소정 폭으로 길이 방향으로 연장되고 내부에 초전도층과 상기 초전도층 상부의 상부 금속부 및 하부의 하부 금속부를 포함하는 고온 초전도 선재를 적층한 고온 초전도 코일에 있어서,
상기 초전도 코일은 상기 초전도 선재의 초전도층을 적층 방향으로 관통하여 인접하는 초전도 선재와 전기적으로 연결하기 위한 복수의 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 초전도 코일은 인접하는 두 초전도 선재의 금속부가 직접 접촉 상태인 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 메탈 인슐레이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 채널은 전도성 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제4항에 있어서,
상기 전도성 채널은 솔더를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 채널은 도금층인 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 채널은 도금층과 솔더를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 채널은 금속 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 채널은 금속절연전이(MIT) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 금속-절연체 전이 물질(Metal-Insulation Transition Material; 이하 MIT) 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 초전도 코일의 인접하는 두 초전도 선재 사이에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 초전도 선재의 초전도층과 하부 금속부 사이에는 완충층을 포함하고, 상기 채널은 상기 초전도층과 상기 완충층을 관통하는 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 채널들 사이의 간격은 500 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 코일. - 제13항에 있어서,
상기 복수의 채널들은 직경이 50 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 초전도 코일.
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| KR1020190165474A Ceased KR20200075753A (ko) | 2018-12-18 | 2019-12-12 | 마이크로 수직 채널을 구비하는 고온 초전도 자석 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102854446B1 (ko) * | 2024-05-27 | 2025-09-02 | 한국핵융합에너지연구원 | 스택 기반 고온초전도 조인트, 전류 리드, 스택-인-도관 도체 및 자석 |
-
2019
- 2019-12-12 KR KR1020190165474A patent/KR20200075753A/ko not_active Ceased
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102854446B1 (ko) * | 2024-05-27 | 2025-09-02 | 한국핵융합에너지연구원 | 스택 기반 고온초전도 조인트, 전류 리드, 스택-인-도관 도체 및 자석 |
| KR102852618B1 (ko) * | 2024-05-27 | 2025-09-02 | 한국핵융합에너지연구원 | 스택 기반 고온초전도 조인트, 전류 리드, 스택-인-도관 도체 및 자석 |
| KR102876094B1 (ko) * | 2024-05-27 | 2025-10-27 | 한국핵융합에너지연구원 | 스택 기반 고온초전도 조인트, 전류 리드, 스택-인-도관 도체 및 자석 |
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