Category Article
[해외기술특집] 장척 선재 개발과 저코스트화
2009-05-14

[차세대 고온 초전도 선재 개발 현황과 응용 전망]
장척 선재 개발과 저코스트화

IBAD/PLD 선재

Y계 초전도 재료는 액체질소 온도역에서의 높은 임계전류밀도 및 자계 하에서의 임계전류 특성이 양호하기 때문에 선재화가 기대되는 재료다. 선재발견 당초 단결정 기판 위에 성막한 Y계 박막 소편시료에서는 100만A/㎠ 이하의 임계전류밀도 특성이 실현돼도 선재 레벨에서는 수천~수만A/㎠에 머물렀을 뿐이었다. 이것은 결정입계에 걸쳐 전류를 흘리기 위해서는 인접하는 상호 결정의 각도를 몇℃ 이내가 되도록 결정을 배치해야 했지만, 보통 다결정체에서는 서로 인접한 결정의 경사각은 임의의 각도를 취하기 때문에 필요한 전류 패스를 확보할 수 없어, 결과적으로 수송 전류가 대폭 저하되기 때문이다. 따라서 이 고특성을 선재에서 실현하기 위해서는 단결정 같이 결정을 선재 전역에 걸쳐 배향제어할 필요가 있다.
Y계 초전도선을 실현하기 위해서는 고도의 결정배향화 기술이 불가결하여 지금까지 결정 제어 방법으로 몇 개의 방법이 제창되고 있다. 1992년에 일본 ㈜후지쿠라가 개발한 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법은 Y계 초전도 선재의 배향제어 기술로는 최초로 개발된 방법이며, 현재 일본과 미국에서 개발된 Y계 초전도 선재의 대부분에 이용되는 결정 제어 기술이다. <그림 1>에 IBAD법의 개념도를 나타냈다.

IBAD법에서는 기상 성막에 의해 중간층을 성막할 때 Ar 등의 희가스 이온을 기재에 대해 특정 방향에서 조사한다. 이 방법에 의해 중간층 결정은 성막의 진행에 따라 결정이 특정한 방향으로 갖춰진다. 그 결과 서브미크론(Submicron)의 다결정체지만 대부분이 3차원적으로 동일한 방향으로 결정 배향한 중간층이 만들어진 구조가 된다.

배향 중간층 재료로는 당초 이트리아(Yttria) 안정화 지르코늄(YSZ)에 의해 결정 배향성이 전망됐으며, 그 후 동일한 결정 구조를 가진 재료 등으로 같은 효과가 전망됐다.
<그림 2>에 YSZ 재료와 Gd₂Zr₂O7(GZO) 재료의 성막에 따른 결정 배향성을 X선에 의해 평가한 결과를 나타냈다.
초전도선으로 이용할 수 있는 반가폭으로 15°부근에 착안하면, YSZ보다도 빠른 단계에서 배향하는 GZO는 약 절반의 시간에서 필요로 하는 중간층을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 향후 재료 탐색에 의해 보다 고속으로 중간층을 얻을 수 있는 가능성이 있다.
지금까지의 연구 개발의 결과로, 1m 길이의 이온원을 가진 중간층 제작 장치를 새롭게 설계 제작하여 중간층을 성막했다. 이로써 기존 1m/h 정도였던 제조 속도가 5m/h로 성막 가능할 것으로 전망된다.
또 GZO 중간층 위에 레이저 증착법으로 CeO₂막등의 캡 층을 만드는 것도 효과적이다. 이것은 성막조건을 선정함에 따라 IBAD법으로 제작한 중간층위에 이온빔 어시스트 없이 자기 배향한 캡 층을 형성할 수 있다. IBAD법에 의한 성막보다 레이저 증착법으로 했을 때 더 성막 속도가 빠르기 때문에, 양자를 병용함으로써 공학적인 제조 속도의 향상이
가능해졌다. 지금까지 200m가 넘는 장척 중간층을 안정적으로 제작할 수 있게 됐다.
<그림 3>에는 대형 IBAD법 중간층 제작 장치를 나타냈다.
Y계 초전도체의 적층 방법은 레이저 증착법(PLD법), 유기 금속 증착법(MOD법), 유기 금속화학 기상 증착법(MOCVD법) 등 각종 방법이 제안되어 각각 높은 특성이 보고되고 있다. 이 중 레이저 증착법은 엑시마 레이저(Exima Laser)를 초전도체 소결체 타깃에 조사하여 결정 배향한 중간층 위에 성막하는 방법으로, 기상법 중에 성막 속도가 훨씬 빠르다는 특징이 있다. 선재를 만들기 위해 엑시마 레이저가 초전도체 타깃에 조사되어 발생하는 입자군(플룸)의 적당한 위치에 중간층을 형성한 기재 테이프를 통과시킨다. 이 때 증착되는 선재 온도 및 가스 압력 등을 최적화하면 고특성인 YBCO초전도막이 형성된다. 이 방법으로 100~200m의 선재를 만든다.

<그림 4>는 제작된 200m급 Y급 선재를 나타낸 것이다.
2001년에 Y계 선재로서는 세계 최초로 10m 길이의 선재가 실현됐다. 그 후 장척화와 고특성화의 연구 개발 진전에 따라 2004년에 길이 100m, 임계전류 124A의 Y계 초전도선이 개발됐다. 미국에서도 2004년에 임계전류값(A)과 길이(m)가 모두 200이 넘는 선재가 개발됐다. 이것은 모두 중간층은 IBAD법에 의해, 초전도층은 PLD법으로 제작한 선재다.
지금까지 선재의 개발 족적을 임계전류와 길이의 곱으로 지표로 하면, <그림 5>와 같이 2007년 목표치로 500m 길이, 300A를 향해 순조롭게 진행됐다.
앞으로는 장척화와 함께 저코스트화를 위해 한층더 노력할 필요가 있다.
한편 선재 코스트를 장치, 재료, 운전 경비 등으로 나누면 1m/h 레벨에서는 양산화해도 장치 비용의 비율이 높아지지만, 5m/h의 제조 속도로는 1m, 1A당 12엔이 된다. 더욱이 수년간의 기술 개발에 의해 제조 속도를 높이게 되면 마찬가지로 코스트는 3엔 대까지 저감될 가능성이 있다.
이상 설명한 것과 같이, Y계 초전도선은 초전도 기기로 적용할 수 있을 때까지 계속 연구가 진행되고 있다. 정상으로 오르기까지의 길은 험난하지만, Y계 초전도선이 상용화되기까지 멀지 않았다.

배향 기판/Ho-PLD 선재

1. 개발 현황
템플릿 기판으로 필요한 면 내 배향도와 표면 평활성을 만족시키는 Ni 합금 배향 기판이 얻어지기 시작하면서, 기상 증착법을 이용한 중간층과 초전도층의 형성 기술이 차례로 확립되어 Ic = 100A/㎝ 폭급의 선재가 가능해졌다. 이로써 배향 금속 기판상 차세대 선재는 수 10m부터 수 100m의 장척화가 가능해졌다. 현재 기기 프로트 타입 개발을 위한 후보 선재의 하나로 기대되고 있다.
Ni 합금 배향 기판을 이용한 박막 선재는 기판에서의 에피택셜 성장(Epitaxial Growth : 반도체 제조기술의 하나로, 실리콘 기판 표면에 방향성을 정한 결정을 성장시키는 일) 기술로 이루어지기 때문에 향후에는 Bi계 선재와의 경합 가능한 공업적인 저코스트 · 정척 선재의 본명이라고 생각된다. 그러나 기판은 강도 향상 및 자성의 저감, 저코스트 · 고 Ic를 위한 중간층 구조의 단순화 및 초전도층의 비진공 프로세스 개발 등 Bi계 선재를 대체하기 때문에 필요한 양산 기술 확립을 위한 기술 개발 항목도 많다.
여기에서는 Ni 합금 기판의 결정 배향 조직을 템플릿으로, 중간층과 초전도층 에피택셜 성장 기술 및 희토류계 원소 중에도 장기 안정성과 저온 결정 성장의 특징을 가진 Ho(홀뮴 : 희토류에 속하는 원소의 하나로, 은백색의 금속)을 조합한 PLD(펄스레이저 증착법)로 개발 중인 장척 선재 개발 현황을 소개한다.

2. Ho계 선재의 특징
HoBCO(훌뮴바륨 동 산화물)은 YBCO와 같은 결정 구조며, 높은 수분 내구성을 가진다. LaAlO₃다결정 기판 위에 성막한 HoBCO막과 YBCO막에 대해서 고온 고습(온도 : 60℃, 습도 : 70%)의 조건으로 Jc(77K)의 변화를 조사한 결과, YBCO막에서는 100h 후부터 급격하게 Jc 노화가 시작되어 300h 후에는 초전도 특성이 소실됐다. 그에 반해 HoBCO막에서는 100h 후에는 90%의 Jc값, 300h 후에도 70%의 Jc값을 유지했다. 300h 경과후 HoBCO막 표면은 YBCO막과 비교해 석출물이 적고 치밀한 데다 평활한 표면을 유지하여 화학적으로 안정적이기 때문에 조성이 잘 흐트러지지 않았다.
또한 HoBCO막은 성장 속도도 빠르다는 특징이 있다. PLD법에 의해 레이저 출력과 퇴적 속도의 관계를 조사하여 성장 속도를 비교한 결과, HoBCO막은 YBCO막에 비해 성장 속도가 약 2~3배 이상 빠르고 산소 분압의 증가와 함께 최대 5㎛/분에 달했다.

3. 배향 기판상 선재 구조
<표>에 배향 기판을 이용한 전형적인 선재 구조를 각 구성층의 재료 및 기능과 같이 나타냈다.
Ni 합금계 배향 기판은 Ni 합금(100)이 거의 100% 기판 면에 평행한 데다 기판 장수 방향에 Ni합금 ‘001’이 고도로 배향된 집합 조직을 가진다.
중간층에 이용된 CeO₂와 YSZ는 모두 형석(螢石)구조지만, 면심 입방 구조의 Ni 합금에 대해 45°회전시킨 단위격자로 에피택셜 성장이 가능해 적층 페로브스카이트(Perovskite) 구조의 Ho123은 이런 중간층 위에 에피택셜 성장한다. TEM을 이용해 실시한 각층 간 계면은 원자층 레벨에서 평탄하고 계면 직상에서 에피택셜 성장하고 있는 것이 확인됐다. 최외층에서는 초전도층을 공기로부터 보호하여 안정화재 역할을 담당하는 Ag층을 형성하는데, 최근에는 코스트 저감을 목표로 안정화 Cu을 형성하는 연구에 착수했다.

4. 제작 프로세스
Ni 합금 테이프는 용해 · 압연 · 열처리에 의해 제작된다. 중간층 템플릿이 되는 충분한 면 내 배향성을 얻기 위해서는 최종 사양까지 99% 이상의 가공후 1000℃ 이상의 고온으로 적절한 열처리가 필요하다. 미크론 오더(Micron Order)의 중간층과 초전도층의 박막 형성을 위해서는 표면 평활성도 중요하고 경면 마감의 압연 롤과 메카노케미컬 연마법 및 전해 연마법을 조합하여 평균 표면 성김 Ra를 10㎚ 이하로 한 장척 테이프재가 이용된다.

중간층은 기판에서의 원소 확산 억제와 초전도층 형성을 위해서 치밀하고 평활한 결정 성장이 필요한데, 기상 성장법이 적합하다. CeO₂, YSZ 모두 단원소계 산화법이기 때문에 다원소계 박막 형성에서와 같이 원료와 박막의 조성이 어긋나지 않는다. 그리고 스퍼터링 공법 및 전자 빔 증착법 등의 범용 기상 성장 장치에 테이프 선재를 풀어내 감아 옮기는 장치를 조합하여 장척 선재를 형성한다. 성막 시 고려해야 할 파라미터는 기판 온도, 분위기, 막 성장속도 등이다. CeO₂는 후막에서 균열이 생기는 경향이 있어 기판에서의 원소 확산을 방지하는 역할을 YSZ가 담당한다.
여기에서는 초전도층 형성에 200W 엑시마 레이저 10인치 타깃을 3장 장착할 수 있는 대형 성막 챔버, 수백 m의 선재가 장착 가능한 서플라이 · 감아 옮기는 장치를 조합한 장척 PLD 장치(<그림 6> 참조)를 이용했다.

Ho123층이 성장 가능한 온도 범위는 넓고 PLD법으로 채용한 100~200m Torr의 저산소에서 650~800℃의 폭을 가진다. Y-123층과 비교하여 1×106A/㎠ 이상의 높은 Jc을 얻을 수 있는 최적온도 폭은 넓고 그 온도 영역은 낮다.
안정화 Ag은 DC 스퍼터링 공법에 의해 형성된다. Ag층 형성 후 100% 산소 가스 속에서 500~600℃의 온도로 산소 도프 처리를 연속 처리로(
)에서 실시하여 선재의 제작 프로세스를 완료한다.

5. 장척 선재의 시험 제작 및 평가
PLD법에서 초전도층의 후막화 프로세스는 일반적으로 1회의 성막으로 0.3㎛ 정도의 얇든 막을 여러 번 적층하는 다층 성막법을 이용한다. 이 성막법에 의해 Ho123을 형성한 단척 시료에서 Ic와 막후의 관계를 <그림 7>로 나타냈다.
Ic값은 중간층의 △ф에 크게 의존하여 △ф=5~6°에 결정 배향한 중간층 위에서는 막 두께1.5㎛ 전후까지 1×106A/㎠가 넘는 Jc값이 유지된다. Ic 최고값은 231A/㎝ 폭(막 두께 1.3㎛, Jc = 1.8×106A/㎠)을 얻을 수 있어 재현성 있게 Ic = 150~190A/㎝ 폭을 얻었다.
단척 선재의 결과를 기본으로 하여 수십 m에서 최대 120m의 Ho123 박막 선재를 시험 제작했다.
Ag 안정화층 형성 및 산소 도프 처리를 실시한 후 120m 선재를 3m마다 분할하여 117m 구간 전 길이의 Ic 분포를 측정한 결과를 <그림 8>로 나타냈다.
117m 전장에서 110A/㎝ 폭이 넘는 Ic 및 39측정 점의 평균 Ic = 134A/㎝ 폭을 얻었다. Ni 합금 배향 기판 위에 3층 중간층 구조를 형성한 Ho123 선재 구성으로, 장척 100m급 선재에서 100A/㎝ 폭급을 가진 선재를 실현할 수 있음을 확인했다.


다단 CVD법에 의한 저코스트 장척 선재

1. 개요
이트륨계(이상 Y계) 초전도 선재 즉, 차세대 선재의 연구 개발 진전이 눈부시다. 특히 임계전류, 길이에 관해서 현저한 진전이 보고되고 있다. 이런 결과는 기존 단척 선재로밖에 실증되지 못했던 차세대 선재 잠재력을 기기 응용 연구에 공시 가능한 레벨의 길이로 실증했기 때문이다. 향후 이런 차세대 선재를 이용한 여러 가지 기기 개발이 전개될 것으로 기대된다.
그러나 이런 성과가 곧바로 초전도 응용 기기의 실용화로 이어지는가 하면 그렇지 않다. 특히 초전도 케이블, 초전도 전력 저장 장치(SMES) 등의 전력 응용에서는 기존 기술을 능가하는 성능을 가져야 함은 물론 코스트와 신뢰성을 양립시켜야 하므로 아직도 해결해야 할 장애물이 많다.
이러한 상황 속에서 초전도 기술을 도입하기 위해서는 코스트 측면에서 우위성을 가져야 하지만, 이는 아직 출발선에 서 있는 상태다. 최근 액정 패널과 Si 기판 사이즈의 대형화의 예에서 알 수 있듯이, 단위 시간당 제조 능력을 향상시키는 것이 저코스트화에 있어 중요한 포인트가 된다.
이런 관점에서 Y계 선재의 제작 프로세스로, 고속화에 의해 저코스트화가 기대되는 방법 중 하나인 다단 CVD법에 의한 선재 개발을 진행 중이다. 최근 미국에서도 CVD법에 의한 연구가 진행되고 있어 장척 선재의 실현 등 착실히 성과를 올리고 있다.

2. 다단 CVD법 개요
CVD법은 ‘화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition Method)’을 줄인 말로, 고온 하에서의 화학 반응에 의해 기상(원료 가스)에서 고체를 합성하는 방법이다. 반도체의 제조 프로세스로도 폭넓게 이용되는 이 방법은 레이저 등 고가의 부품을 필요로 하지 않고, 또 비교적 저진공으로 성막이 가능하기 때문에 초전도 분야에서도 저코스트 양산 프로세스가 기대된다.
CVD법을 비롯한 기상법(기체 상태의 원소를 선재의 기본으로 하는 기재 표면에 결정화시키는 방법)은 결정화되는 속도가 늦고 선재 합성 속도에 한계가 있어, 장척화를 실현하기에 해결해야 할 과제가 많다. 선재를 실용 레벨까지 장척화하기 위해서는 이 기상법에 의한 선재 합성 속도를 높이는 것이 꼭 필요하다.

일본은 결정 성장 영역을 복수화하여 1단당 선재합성 속도를 높이는 다단 합성 기술을 개발하여 선재 성능을 노화시키지 않고 합성 속도를 향상할 수 있는 원리 검증에 성공했다. 이로써 다단 합성 방법이 합성 속도 향상에 있어 효과적인 방법임을 확인했다.(<그림 10> 참조)

3. 연구 성과
⑴ 초전도 성막 기술의 확립
이 다단 합성 기술을 이용하면, 초전도 물질의 반응 영역을 더욱 늘림으로써 초전도 선재 양산화에 있어 꼭 필요한 실용적인 제조 속도를 달성할 수 있다. 지금까지 1999년에는 3단 리액터를 이용한 검증에 의해 선재 합성 속도 3m/h를, 2002년에는 6단 리액터로 10m/h를 달성한 바 있다.

또한 2006년에는 12단 리액터를 갖춘 시스템을 이용해 세계 최고 속도인 선재 합성 속도 50m/h를 실현하는 데 성공했다.(<그림 11> 참조)

이것은 단순히 단수만 높인다고 가능한 것은 아니다. 단수 증가에 따라 보다 복잡해지는 각 단마다 결정 성장에 필요한 최적 반응실 온도, 원재료 조성비 등을 보다 정밀하게 제어함으로써 단순한 스케일업 이상의 고속화를 실현할 수 있었다. 또한 50m/h로 제작한 선재의 임계전류 밀도는 2MA/㎠였다.
이러한 Y계 선재의 고속 성막의 실현은 장척화 뿐 아니라 실용화 시에는 공장에서의 제조 효율을 대폭 향상시킬 수 있기 때문에 저코스트화의 관점에서도 큰 의미를 가진다.

⑵ 장척화
기기 응용 연구를 진전시키기 데 있어 선재의 장척화는 필요 불가결한 요소다. 적어도 수백 m 길이의 선재로 제공되지 않으면 실기 레벨에서의 개발은 어렵다.
일본에서는 다단 합성 방법에 의한 고속 합성을 장척 선재 개발에 적용하여 12단 리액터를 가진 장치를 이용함으로써 200m급 Y계 초전도 선재의 제작에 성공했다.
<그림 12>는 제작한 Y계 선재의 일례(외관 사진)를 나타낸 것이다.
여기서 제작한 Y계 초전도 선재의 일부분은 SMES 관련 국가 프로젝트 ‘초전도 전력 네트워크 제어 기술 개발’에 제공되어, Y계 선재를 이용한 초전도 마그넷의 기초 검증이 시작됐다.

4. 향후 진행 방향
여기에서는 다단 CVD법에 의한 Y계 초전도 선재개발에 대해 소개했다. 기존에는 실현이 어렵다고 생각됐던 Y계 선재의 고속 제조 방법과 관련하여, 다단 CVD법의 기술을 확립함으로써 그 실현 가능성을 확인시켰다. 이제 Y계 선재는 차세대 선재가 아닌, 실기 응용이 가능한 실용 선재로 그 지위를 확립하고 있다. 앞으로 선재 특성의 향상과 함께 금속 배향 기판과의 조립 등 저코스트화를 목표로 한 선재 개발을 진행할 예정이다.

TFA-MOD 선재

1. 개요
MOD(Metal Organic Deposition)법은 유기산염을 화학적으로 알코올계 용매 속에 균일 용해한 용액을 도포하고 소성시켜 막을 형성하는 방법으로, 고가 설비(고진공 챔버, 레이저 등의 열원)가 필요없어 원리적으로 저코스트를 기대할 수 있는 프로세스다. 또한 원료에 삼불화초산염을 이용한 TFAMOD선재법에서는 중간 생성물에 탄산염이 아닌 불화물을 거치기 때문에 저염 처리가 가능한 금속기판 상에서의 형성 기술로 적합한 프로세스다.
이 방법에서 초전도상(YBa₂Cu₃Oy : YBCO) 형성 반응은 1/2Y₂Cu₂O5 + 2BaF₂+ 2CuO + 2H₂O → YBa₂Cu₃Oy + 4HF↑로 표기되지만, 이 반응에서 수증기(H₂O)를 끌어들이는 불화수소(HF)를 방출하는 ‘변환 반응’에 기인하여, 비교적 후막 배향화가 가능해 고특성을 기대할 수 있는 유망한 프로세스도 있다. 따라서 일본에서는 장척 선재 기술로 선행한 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 중간층에 PLD(Pulsed Laser Deposition)법으로 초전도층을 형성하는 선재의 PLD막으로 바꾸고 TFA-MOD법을 적용하여 초전도 선재 코스트 저감을 기대했다.
미국에서는 ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 및 AMSC(American Superconductor INC.)사가 공동으로 개발을 진행하여, 최근 AMSE사가 본격적으로 장척화에 착수했다. 기본적인 구조는 배향 금속 기판 위에 여러 개의 기상 중간층을 매개로 하여 초전도층을 형성하는 것이다. 세계적으로는 미국이 이 방법을 최초로 개발하여 선재화에 착수했으며, 후발대인 일본이 추격하는 상황에 있다. 유럽에서도 몇 개의 기관에서 연구를 진행 중이지만, 일본과 미국 두 나라에 비해 특성, 길이의 양 측면에서 뒤처진 상태다.

2. 고특성화
고특성화는 일본이 리드하고 있는 상태다. IBAD중간층 위 캡 층에 CeO₂을 도포한 구조에서 고배향 세리아층을 적용, 멀티코드법으로 후막화하여 소성조건을 적정화함으로써 400A/㎝ 폭(77K, 자기 자계) 이상의 임계전류(Ic)를 얻는 데 성공했다.(<그림 13> 참조)
여기서 특징적인 것은 PLD막과 같이 배향성 향상에 따라 임계전류밀도(Jc : <그림 13> 속 기울기에 해당)도 향상된다는 것이다.
한편 PLD막의 경우 막 두께의 상승에 따라 Jc가 저하하고 Ic값은 포화하는 경향이 있는 데 반해, TFA-MOD막에서는 막 두께 2㎛까지는 직선으로 증가하여 PLD막과는 다른 경향으로 고Ic막을 얻기쉽다. 그 후에도 Ic화의 노력은 계속되고 고 Ic화하는 데 장애가 되는 후막에서의 균열 발생 억제 프로세스가 개발되어, 최근 500A/㎝ 폭 이상의 높은 Ic값을 얻는 데 이르렀다.

또 자계 중에서의 특성 향상을 목표로 핀 정지 점도입법도 개발하여, 일본과 미국은 YBCO 원료에 다른 RE(희토류 원소)를 첨가하여 자계 중 특성을 향상시키는 데 성공했다. 일본에서는 Sm 원소를 첨가하여 3T의 자계 속에서 28A/㎝ 폭을 얻었으며, 미국에서는 Ho 원소을 첨가하여 1T의 자계 속에서 60A/㎝ 폭 이상의 높은 Ic를 얻었다.

3. 장척화
장척화는 미국에서 먼저 시작됐다. AMSC사가 RTR(Reel-to-Reel)식 소성 방법으로 166A/㎝ 폭(평균 Ic) Ic를 가진 85m의 선재 제작에 성공했다.
이 선재의 특징은 Ic의 분포 상태로 전장에 걸쳐 균일성이 높다는 것이다. 이런 선재의 경우 Ic 표준편차는 6.2% 이내가 된다.
한편 일본에서는 장척화에 대해 미국과 같은 RTR식 소성법과 제조 속도에서 장점이 있는 배치식 소성법을 함께 검토했다. RTR식에서 충분한 반응을 얻기 위해 공급 가스 유량 증대 등의 장척 조건을 적정화하여 25m 길이에서 100A인 선재를 얻는데 성공했다. 배치식 소성법에서는 가스 유속, 농도균일화를 위한 노즐 조건 등을 시뮬레이션으로 검토하여, 155A/㎝ 폭 이상의 Ic를 나타내는 40m 장선재 제작에 성공했다.(<그림 14> 참조)


4. 저코스트화 실현
이러한 개발 선재는 일본과 미국이 모두 중간층에 기상법을 이용한 것이며, 코스트 상승의 원인이 될 것으로 우려되는 재료다. 일본은 선재 코스트 1엔/Am 이하로 코스트가 가장 적게 드는 프로세스로서 초전도층뿐만 아니라 중간층도 포함한 모든 층을 MOD법으로 형성하는 All-MOD법도 병행하여 개발 진행 중이다.
미국에서는 ORNL 및 SNL(Sandia National Laboratory)이 중심이 되어 개발을 진행했다. 지금까지는 기판의 금속 원소 확산에 의한 초전도층으로의 오염(Tc 노화) 및 표면 제어의 어려움에 의한 a폭 배향립 출현 등에 의해 Jc로 1MA/㎠ 이상, Ic로 100A 이상은 좀처럼 달성할 수 없었다. 그러나 최근 SNL에서 NiW 배향 금속 기판 위에 STO(Sr-Ti-O)를 중심층으로 하여 0.5㎛ YBCO막에서 1.7MA/㎠의 높은 Ic를 얻었다. 또 ORNL에서도 배향 금속 기판 위에 극히 얇은 기상 Y₂O₃층을 도포하고, 그 위에 La-Zr-O와 CeO₂의 중간층에 MOD법으로 형성한 중간층을 이용해 0.8㎛ 두께 YBCO로 3.2MA/㎠(Ic = 255A/㎝ 폭)라는 높은 특성을 실현했다.
한편 일본에서는 독자의 금속 확산 방지층으로 Ce-Zr-O 재료를 개발하고, 그 위에 기상법으로 극히 얇은 CeO₂캡 층을 도포한 구조로 1MA/㎠의 Jc를 얻었다. 일본에서 진행된 프로젝트에서는 다른 여러 방법과 같이 극저 코스트 선재로 프로세스 개발을 계획하여 향후 전개를 기대하고 있다.

5. 마무리
TFA-MOD법에 의한 선재 개발은 위에서 설명한 것과 같이, 일본과 미국 2개의 나라를 중심으로 치열하게 개발 경쟁이 전개되고 있다. 현재 ‘Ic×L곱’의 지표로 IBAD-PLD 선재를 맹추격하고 있다고 해도 좋을 정도로, 잠재적인 코스트 이점을 고려할 때 TFA-MOD 선재는 최후에 남은 강력한 후보가 될 것으로 기대된다.

트윗터 페이스북

< Energy News >


Copyright(주)전우문화사 All rights reserved.