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보고서 상세정보

고온초전도 coated conductor 개발
Development of HTS coated conductor

  • 사업명

    21세기프론티어연구개발사업

  • 과제명

    고온초전도coatedconductor개발

  • 주관연구기관

    한국전기연구원
    Korea Electrotechnology Research Institute

  • 연구책임자

    오상수

  • 참여연구자

    하동우   송규정   하홍수   고락길   김호섭  

  • 보고서유형

    2단계보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2007-04

  • 과제시작년도

    2005

  • 주관부처

    과학기술부

  • 사업 관리 기관

    한국과학재단
    Korea Science and Engineering Foundtion

  • 등록번호

    TRKO201000012507

  • 과제고유번호

    1350000669

  • 키워드

    고온초전도선재.박막형 선재.다층 산화물 박막 증착.물리적 박막증착.2축배향 집합조직.coated conductor.HTS wire.multi-layer oxide film deposition.physical vapor deposition.bi-axial texture.

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    1. Fabrication of 100m long oxide capping layer for IBAD-MgO template
    - Search of suitable capping layer material for ReBCO d...

    1. Fabrication of 100m long oxide capping layer for IBAD-MgO template
    - Search of suitable capping layer material for ReBCO deposition
    - Processing study of 100m long LMO deposition using reel to reel PLD
    2. Development of 100m long HTS Coated Conductor using EDDC method
    - Fabrication of 100m long SmBCO CC good enough in performance with $I_{c}$ > 250 A/cm-w, using batch type EDDC
    - Optimizing of EDDC processing to improve critical current $I_{c}$
    3. Development of characteristic technique for HTS coated conductor
    - Up-grade of reel to reel texture evaluation system for long-length coated conductor
    - $I_{c}$ measurement of 100m long coated conductor by reorganization of continuous $I_{c}$ measurement system
    4. Development of continuous lamination processing for stabilization of HTS CC
    - Improvement of continuous lamination system capable of 100m long-length
    5. Holding of electrical and mechanical characteristic techniques for HTS CC
    - Electrical and mechanical characteristics among fabrication processing for HTS CC
    - Holding of mechanical property data of HTS CC to apply superconducting power devices
    6. Installment and reorganization of the continuous electro-polishing system and the multi-turn IBAD system
    - Heater, Multi-turn reel to reel system, and etc.
    7. Fabrication of long-length IBAD MgO template
    - Electropolishing of metal tape
    - Fabrication of the IBAD MgO template; length > 300 m, Δφ < 7o
    8. Development of fabrication processing of high-Jc superconducting layer to evaluate the quality of the IBAD template by PVD and MOD method
    - Critical current density > 1 MA/cm_{2}$
    9. Interface analysis of the IBAD template and buffer layers
    - Fabrication of the Cross-section TEM samples of Multi-layer thin film
    - Observation and analysis of the IBAD template by TEM
    10. Analysis of the microstructure and orientation by HREM/STEM
    - Orientation analysis of multi-layer thin flim by HREM
    - Components and microstructure analysis of the multi-layer thin film interface by STEM
    11. Development of precursor solution for YBCO coated conductor
    12. Fabrication of YBCO coated conductor using continuous processing
    13. Fabrication of buffer layers using RF multi-turn sputtering
    14. Development of fabrication processing of 300m long Ni-alloy template for HTS coated conductor based on RABiTS template
    - Fabrication of RABiTS template; in plane FWHM Δφ < 7o, Ra(AFM) < 10nm
    15. Basic research of improvement of physical properties of Ni-alloy template
    - Improvement of both texturing and surface roughness, and study of new metal-ally


    1. 100 m 급 IBAD-MgO 템플릿용 산화물 capping layer 증착 기술 개발
    - R2R PLD를 이용한 100 m 급 LMO (in-plane FWHM △φ < 7°) 완충층 연속 증착
    2. EDDC법에...

    1. 100 m 급 IBAD-MgO 템플릿용 산화물 capping layer 증착 기술 개발
    - R2R PLD를 이용한 100 m 급 LMO (in-plane FWHM △φ < 7°) 완충층 연속 증착
    2. EDDC법에 의한 100 m 급 고온초전도 박막 선재 개발
    - 92 m 선재 증착, 75m구간 평균 Ic = 238 A/cm-w., 27m구간 Ic = 305 A/cm-w 77K
    - 최적 증착온도 및 산소분압 확립 및 재현성 확인
    3. 고온초전도 박막선재 특성 평가기술 개발
    - 길이 30m 0.05t. 초전도박막선재용 template 연속 in-plane-texture 측정
    - R2R 선재 이송 프로그램 up-grade
    - 연속 Ic 측정장치의 전류단자 개조로 50 m 급 박막선재 Ic 측정
    - 대형 FRP보빈과 전류단자 고안으로 4단자법에 의한 100 m 선재 임계전류 측정 시스템 구축
    4. 안정화층 연속 lamination 공정 기술 개발
    - 100m 급 연속 lamination을 위한 기판 가열 전기로 장착
    - 솔더층에서 void를 최소화할 수 있는 가압 롤러 개조
    - 장선재에서 균일한 장력을 유지하기위한 back tension 장치 구축
    - 라미네이션 후 특성 열화를 방지하기 위한 저융점 땜납 연구
    5. 초전도 박막선재의 전기-기계적 특성평가기술 확립
    - 제조 공정별 초전도 박막선재(AMSC, superpower)의 전기-기계적 특성 평가
    - PIT BSCCO 테이프 선재와 초전도 박막선재의 기계적 특성 비교 평가
    - 초전도 기기 적용을 위한 박막선재의 기계적 특성 data 확보
    6. 금속테입 연속 표면연마 장치 및 IBAD template 용 장비 제작 및 개조
    - 12 bath로 구성된 reel-to-reel 전해연마 시스템 구축 및 표면연마(표면거칠기 < 5nm)
    100 m급 CC 제작의 기반 구현 -> 제작 공정 고속화
    - IBAD system (진공챔버, Heater, 14-pass multi-turn 등)을 설계/구축
    7. 장선의 IBAD MgO template 제조
    - 24 m/h 로 고속전해연마( rms roughness < 5 nm ) 400 m hastelloy 테입 제작
    - IBAD법에 의한 MgO textured template (길이 > 300 m, in-plane FWHM Δφ < 7o)제작
    8. PVD, MOD 방법 등으로 실제 CC를 제작하여 제조된 IBAD-MgO template 검증
    - GdBCO CC by PLD (GdBCO/$LaMnO_{3}$/IBAD-MgO template)
    Jc = 1.5MA/$cm^{2}$(Ic> 194 A/cm-width)
    - YBCO CC by PLD (YBCO/$LaMnO_{3}$/IBAD-MgO template)
    Jc = 0.94 MA/$cm^{2}$ (Ic = 206 A/cm-width)
    - YBCO CC by MOD (YBCO/$CeO_{2}$/$LaMnO_{3}$/IBAD-MgO template)
    Jc = 0.75 MA/$cm^{2}$(Ic = 48 A/cm-width)
    9. IBAD 및 완충층의 계면분석
    - 자체 제작한 Tri-pod polisher를 이용하여 전자비임이 투과할 수 있는 두께(<20nm)의 얇은 영역을 2mm이상 일관성 있게 확보할 수 있는 기술 개발 확립.
    - 기존에 이용되고 있는 FIB 방법에 비해 매우 경제적이고 보다 넓은 영역을 관찰할 수 있었음.
    10. HREM/ STEM 을 이용한 미세구조 및 배향성 분석
    - IBAD-MgO template으로 제조된 CC 선재에서 각각의 완충층 및 초전도층의 배향성을 HREM으로 관찰 및 분석.
    - STEM으로 금속 기판과 seed 층의 확산층 계면 분석으로 금속 확산 방지를 위한 완충층의 적합성 확인.
    11. YBCO 선재제조를 위한 전구용액 제조 공정 개발
    - 본 연구에서는 기존 MOD-TFA 공정의 문제점을 해결하기 위해 yttrium과 구리 전구체를 삼불화아세트산염이 아니라 불소를 함유하지 않은 전구체로 대체하여 F-free Y & Cu 전구용액을 합성하였다.
    - 용액 중 불소함량을 저감시켜 HF 등 불소함유 기체 발생량을 70% 이상 줄일 수 있으므로 calcination 공정에서 HF 발생에 따른 균열 및 기공의 발생을 억제할 수 있었으며, 2시간 이내의 calcination 공정으로 균열없는 균일한 전구막을 최대 2.8㎛ 두께까지 얻을 수 있었다.
    - Ni-W/$Y_{2}O_{3}$/YSZ/$CeO_{2}$ 완충층 금속기판 위에 slot die coating법으로 YBCO coated conductor를 제조하였으며, 77K에서 임계전류값은 273A/cm-w이었으며, 제조된 초전도층은 치밀하고 결정성이 좋은 미세조직을 나타내었다.
    12. 연속제조 공정에 의한 YBCO 선재 제조
    - slot-die coating 및 calcination이 연속으로 가능한 slot-die coating & calcination system을 제작하여 금속기판위에 연속적으로 전구막을 형성시킬 수 있는 공정을 개발하였으며, 10m 길이의 완충층 금속기판 위에 coating & calcination 한 결과 균일한 표면을 가지는 전구막 tape를 얻을 수 있었다
    - reel-to-reel 연속 열처리가 가능한annealing 공정 장비를 제작하였으며 길이 10m 급 완충층 금속 기판 위에 slot die coating & calcination 공정으로 형성된 전구막 tape를 적용하여 연속 annealing 공정을 수행하였다. 특히 초기 부분에 발생하는 문제점을 개선하기 위해 dummy tape을 부착한 결과 초기 부분에 발생하는 임계전류 저하를 억제할 수 있음을 알 수 있었다.
    - annealing 공정의 경우 전체압력을 감소시킴에 따라 성장속도가 비약적으로 향상되는 것을 알 수 있으며, 미세조직 역시 치밀화됨을 보여준다.
    13. RF multi-turn sputtering에 의한 완충층 제조
    - Reel-to-reel multi-turn R. F. sputtering에 의해 이축배향성이 우수한 장선의 완충층을 제조하였다.
    - IBAD-MgO/LMO/$CeO_{2}$, Δ$\phi$($CeO_{2}$)=7.1o (총길이 16m),
    - Ni-W/$Y_{2}O_{3}$/YSZ/$CeO_{2}$, Δ$\phi$($CeO_{2}$)=6.5o (총길이 11.3m)
    - 완충층 전구용액에 저융점 첨가제를 적용하여 저온 열처리(<900oC)가 가능한 전구용액을 합성하여 결정화 열처리 온도를 저감시키고자 하였다. 저융점 첨가제인 Bi를 전구용액에 도입한 시료의 경우 (200) 방향의$CeO_{2}$상생성이 확인되었다. 또한 이축 배향성 분석결과 Δφ($CeO_{2}$)=9.0o 였다.
    14. RABiTS CC선재용 300m급 합금기판제조 공정의 기술 개발
    - 두께 치수의 정밀도가 높은 정밀박판압연기를 이용하여 상용합금모재 Ni-5%W coil소재(Ametek사)를 폭 85mm 두께 50㎛로 압연하여 길이 300m급의 장선재 합금 tape을 제조하였다. 표면 청정화 및 표면조도 향상을 위해서 폭100mm Strip용 연속세척/탈지/연마라인 장비를 제작/설치하였고 이를 이용해 폭 85mm 두께 50㎛ 길이 300m의 압연재를 연속세척/탈지/연마하였다. 그 후 정밀슬리팅기를 이용하여 폭 10mm로 절단하였으며, 이를 연속 열처리로에서 등온열처리하여 RABiTS CC선재용 300m급 합금기판[in plane FWHM Δψ < 7°, Ra(AFM) < 10nm]의 제조에 성공하였다.
    15. 합금기판의 물성향상에 대한 기초연구
    - 고순도 순수 니켈(Nickel)에 텅스텐(W), 구리(Cu) 의 첨가를 통해서 기존의 Ni base 2원계 합금과 차별화되는 다양한 조성의 합금 기판을 제조하여 그 특성을 비교 평가하였고, 이를 이용한 저가형 Ni-W-Cu 3원계기판 제조공정 개발에 성공하였다.
    - 그리고, 장선재 제조공정 개발을 위해, 합금모재 제조에서 최종 texturing 열처리까지 다양한 공정들을 적용시켜 보았으며, 수 백m급 기판 제조가 가능한 분말법 제조공정을 개발하였다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지...1
    2. 제출문 ...2
    3. 보고서초록 ...4
    4. 요약문 ...8
    5. SUMMARY ...14
    6. CONTENTS ...21
    7. 목차 ...22
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ...23
    9. 제1절 연구개발의 목적 ...23
    10. 제2절 연구개발의 필요...
    1. 표지...1
    2. 제출문 ...2
    3. 보고서초록 ...4
    4. 요약문 ...8
    5. SUMMARY ...14
    6. CONTENTS ...21
    7. 목차 ...22
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ...23
    9. 제1절 연구개발의 목적 ...23
    10. 제2절 연구개발의 필요성 ...25
    11. 제3절 연구개발의 범위 ...28
    12. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...35
    13. 제1절 국내외 기술개발현황 ...35
    14. 제2절 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치 ...59
    15. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...61
    16. 제1절 PVD 법에 의한 coated conductor 제조 ...61
    17. 제2절 MOD 법에 의한 coated conductor 제조 ...148
    18. 제3절 IBAD 기판제조 ...172
    19. 제4절 Ni-W 기판제조 ...185
    20. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...224
    21. 제1절 연도별 연구개발 목표 ...224
    22. 제2절 연도별 평가착안점 ...230
    23. 제3절 연도별 연구개발목표의 달성도 ...235
    24. 제4절 목표달성도에 대한 자체평가 ...244
    25. 제5절 관련분야의 기술발전에의 기여도 ...250
    26. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...251
    27. 제1절 추가연구의 필요성 ...251
    28. 제2절 기업화 추진방안 ...252
    29. 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...254
    30. 제1절 전문가 초청을 통한 정보 수집 ...254
    31. 제2절 학화 참가를 통한 정보수집2차년도 정보수집 내용 ...258
    32. 제3절 기관방문을 통한 정보 수집 ...267
    33. 제7장 참고문헌 ...269
  • 참고문헌

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