JP6103447B2 - 超伝導線材及び超伝導線材の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は超伝導線材に関する。

超伝導体（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は臨界温度以下ですべての電気抵抗が無くなり、多量の電流は損失無しで超伝導体を通過することができる。最近、２軸配向された集合組織を有する薄い緩衝層又は金属基板上に超伝導膜を形成する２世代高温超伝導線材（Ｃｏａｔｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）に対する研究が活発に進行されている。前記２世代高温超伝導線材は一般的な金属線より著しく優れた単位面積当たり電流輸送能力を有する。前記２世代高温超伝導線材は電力機器の電力損失を減らすことができ、ＭＲＩ、超伝導磁気浮上列車及び超伝導推進船舶等のような分野で利用され得る。

本発明の一課題は磁束固定点（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｐｉｎｎｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒｓ）を含む超伝導線材を提供する。

本発明の他の課題は磁束固定点を含む超伝導線材を形成する方法を提供する。

本発明は超伝導線材の形成方法を提供する。前記方法は、基板上にピニングシード層を形成し、前記ピニングシード層が形成された基板上に超伝導前駆体膜を形成し、前記超伝導前駆体膜が形成された基板を熱処理して、前記基板上に磁束固定点を含む超伝導膜を形成することを含み、前記磁束固定点は、前記ピニングシード層を構成する少なくとも１つの元素と前記超伝導前駆体膜を構成する少なくとも１つの元素とを含む。

前記超伝導前駆体膜を形成することは、前記基板上に希土類、バリウム、及び銅を提供することを含有することができる。

前記超伝導前駆体膜は、反応性同時蒸発（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）方法によって形成され得る。

前記ピニングシード層は、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム、錫酸化物、チタニウム酸化物、チタニウム、ハフニウム酸化物、ハフニウム、イットリウム酸化物、セリウム酸化物又はセリウムを含有することができる。

前記磁束固定点は、バリウムジルコニウム酸化物、バリウムチタニウム酸化物、バリウムハフニウム酸化物又はバリウムセリウム酸化物を含有することができる。

前記基板は、集合組織を有する金属又は金属基板上に集合組織を有する酸化物バッファ層を含有することができる。

本発明は、超伝導線材を提供する。前記超伝導線材は、前記基板の上のピニングシード層と、前記ピニングシード層と直接接触し、前記基板と垂直に羅列された磁束固定点を含有する超伝導膜と、を含み、前記磁束固定点は、前記ピニングシード層を構成する少なくとも１つの元素と前記超伝導前駆体膜を構成する少なくとも１つの元素とを含む。

前記超伝導膜は、希土類、バリウム、及び銅を含有することができる。

前記磁束固定点は、バリウム金属酸化物を含有することができる。

前記基板は、集合組織を有する金属、又は金属基板上に集合組織を有する酸化物バッファ層を含有することができる。

本発明によれば、磁束固定点（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｐｉｎｎｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒｓ）を容易に形成することができる。

本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法を説明する断面図である。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法を説明する断面図である。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法を説明する断面図である。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法を説明する断面図である。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法を説明する断面図である。 ＹＢＣＯの状態図（ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）を示す。 ＹＢＣＯの状態図（ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）であって、本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法を示す。 ＹＢＣＯの状態図（ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）であって、本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法を示す。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成装置を概略的に図示する。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成装置の膜蒸着ユニットの断面を概略的に図示する。 本発明の概念にしたがうリール・トー・リール装置の平面図を図示する。 本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成装置の熱処理ユニットを概略的に図示する。 本発明の概念にしたがって形成された超伝導線材の電気的物理的特性を示す。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態に対して詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されるものではなく、他の形態に具体化されることもあり得る。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底されたものであり、完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達されるように下記のように提供される。また、望ましい実施形態によることであるため、説明の順序にしたがって提示される参照符号はその順序に必ずしも限定されない。

以下の実施形態では超伝導体ＹＢＣＯ及びＳｍＢＣＯが例として説明されるが、これに限定されるものではない。超伝導体はＲＥＢＣＯを含有することができる。ＲＥＢＣＯはＲＥ_１＋ｘＢａ_２−ｘＣｕ_３Ｏ_７−ｙで示すことができ、この時、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５であり得る。前記希土類元素ＲＥはイットリウムＹ及びランタニド系列の元素又はこれらの組み合わせであることと理解されることができる。ランタニド系列の元素は公知であり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等を含むことができる。

図１乃至図５は本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法を示す断面図である。図６はＹＢＣＯ（ｙｔｔｒｉｕｍ ｂａｒｉｕｍ ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ）の状態図（ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）である。図１乃至図５を参照して、本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法が概略的に説明される。

図１を参照して、基板１０が提供される。前記基板１０は２軸配向された集合組織（ｂｉａｘｉａｌｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができる。前記基板１０は金属基板であり得る。前記金属基板は、圧延熱処理されたＮｉ、Ｎｉ系合金（Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ等）、ステンレス、銀、銀合金、Ｎｉ−銀の複合体等の立方晶系金属であり得る。前記基板１０は線材のためのテープ状であり得る。

図２を参照して、前記基板１０上にＩＢＡＤ層２０が形成され得る。前記ＩＢＡＤ層２０は順次的に積層された拡散防止膜（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、シード膜（例えば、Ｙ_２Ｏ_３）、及びＭｇＯ膜を含有することができる。前記ＩＢＡＤ層２０はＩＢＡＤ方法で形成される。前記ＭｇＯ膜上にエピタキシャル成長されたホモエピタキシＭｇＯ（ｈｏｍｏｅｐｉ−ＭｇＯ）膜がさらに形成され得る。前記ＩＢＡＤ層２０上にバッファ層３０が形成され得る。前記バッファ層３０はＬａＭｎＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、又はＳｒＴｉＯ_３を含有することができる。前記バッファ層３０はスパッタリング方法で形成され得る。前記ＩＢＡＤ層２０及び前記バッファ層３０は前記金属基板とその上部の超伝導物質との反応を防止し、２軸配向された集合組織の結晶性を伝達する役割を果たす。

図３を参照して、前記バッファ層３０上にピニングシード層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）４０が形成される。前記ピニングシード層４０は超伝導体内に磁束固定点を形成することを誘導することができる物質を含む。前記ピニングシード層４０は、例えばジルコニウム酸化物、ジルコニウム、錫酸化物、チタニウム酸化物、チタニウム、ハフニウム酸化物、ハフニウム、イットリウム酸化物、セリウム酸化物又はセリウムを含有することができる。ジルコニウム酸化物、錫酸化物、チタニウム酸化物、ハフニウム酸化物、イットリウム酸化物、セリウム酸化物等の金属酸化物はバリウムを追加的に含有することができる。前記ピニングシード層４０はスパッタリング方法又は電子ビーム蒸着方法で形成され得る。前記ピニングシード層４０の厚さは大略数十ｎｍであり得る。

図４を参照して、前記ピニングシード層４０上に超伝導前駆体膜（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｆｉｌｍ）５０が形成される。前記超伝導前駆体膜５０は結晶化が進行されなかった非晶質状態であると理解されることができる。前記超伝導前駆体膜５０は、例えば希土類元素ＲＥの中の少なくとも１つ、銅Ｃｕ及びバリウムＢａを含有することができる。

前記超伝導前駆体膜５０は多様な方法で形成され得る。前記超伝導前駆体膜５０は、例えば蒸発法（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、レーザーアブレーション（ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ）、ＣＶＤ、有機金属積層法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）、又はゾルーゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）方法で形成され得る。

一例において、前記超伝導前駆体膜５０は蒸発法で形成され得る。前記蒸発法は希土類元素ＲＥの中の少なくとも１つの、銅Ｃｕ及びバリウムＢａを含む容器に電子ビームを照射して、生成される金属蒸気（ｍｅｔａｌ ｖａｐｏｒ）を前記基板上に提供して超伝導前駆体膜を蒸着することができる。前記希土類元素ＲＥはイットリウムＹ及びランタニド系列の元素又はこれらの組み合わせであることと理解されることができる。ランタニド系列の元素は公知であり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等を含む。

他の例において、前記超伝導前駆体膜５０は有機金属積層法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）で製造され得る。例えば、有機溶媒に希土類ＲＥ−アセテート、バリウムＢａ−アセテート、銅Ｃｕ−アセテートを溶解させ、蒸発蒸留及び再溶解−重合（Ｒｅｆｌｕｘｉｎｇ）工程を経て、希土類元素ＲＥの中で少なくとも１つ、銅Ｃｕ及びバリウムＢａを含む金属前駆溶液を製造する。前記基板上に前記金属の前駆溶液を塗布する。

図５を参照して、前記超伝導前駆体膜５０が形成された前記基板１０が熱処理されて、前記基板１０上に超伝導膜５１がエピタキシャルに成長される。前記熱処理によって、前記ピニングシード層４０の物質が前記超伝導前駆体膜５０へ移動することができる。前記超伝導前駆体膜５０へ移動した前記ピニングシード層４０の物質は前記超伝導前駆体膜５０を構成する物質と速やかに反応してナノサイズ（ｎａｎｏｓｃａｌｅ）の欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）５３を生成することができる。これによって、エピタキシャルに成長された超伝導膜５１内に生成された前記欠陥５３は超伝導体の磁束固定点として機能することができる。前記欠陥５３は互いに分離された凝集体（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｓ）として、前記基板１０と垂直に並び得る。前記欠陥５３は前記ピニングシード層４０を構成する少なくとも１つの元素と前記超伝導前駆体膜５０を構成する少なくとも１つの元素（例えば、バリウム）とを含有することができる。前記欠陥５３はバリウム金属酸化物、例えばバリウムジルコニウム酸化物、バリウムチタニウム酸化物、バリウムハフニウム酸化物又はバリウムセリウム酸化物を含有することができる。図面では前記ピニングシード層４０が残存するが、これに限定されなく、前記ピニングシード層４０の物質のすべてが前記欠陥５３へ移動して残存しないこともあり得る。

図６を参照して、前記超伝導前駆体膜５０の熱処理がさらに詳細に説明される。図１乃至図４を参照して説明された前記超伝導前駆体膜５０であるＲＥＢＣＯはＲＥ_２ＢａＣｕＯ_５（以下、“２１１”）、ＲＥ_２Ｏ_３（以下、“１００”）、ＲＥＢａ_３Ｃｕ_２Ｏ_２（以下、“１３２”）及び液相（以下、“Ｌ”）状態に理解されることができる。ここで、“Ｌ”はＢａ、Ｃｕ、及びＯが主成分であり、ＲＥが溶けられ得る液状である。グレー領域（ｇｒａｙ ａｒｅａ）は熱力学的に安定されたＲＥＢＣＯを有する。

前記超伝導前駆体膜５０が形成された前記基板が熱処理される。ＲＥＢＣＯの分解成分の中でＢａ、Ｃｕ、及びＯが主成分であり、ＲＥが一部溶けられる液状“Ｌ”を有するように、酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節される。この時、ＲＥＢＣＯは“Ｌ”と“１００”とが共存する領域を通りながら、形成され得る（図６の領域Ａ）。酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節されて、図６の領域Ａから境界線Ｉを通ることにより、液状である“Ｌ”から“１００”の反応を通じて安定されたエピタキシ超伝導膜が形成され得る。より具体的に、“Ｌ”内に共存していた“１００”から、前記基板の表面上に核が生成され、これから超伝導膜５１がエピタキシャルに成長することができる（図６の領域Ｂ）。

図５を再び参照して、このような方法によって形成されたＲＥＢＣＯの超伝導膜５１上に超伝導相と異なる相を有する残留膜５５が追加的に形成され得る。前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１で希土類：バリウム：銅の比は１：２：３であり、前記残留膜５５で希土類：バリウム：銅の比は１：２：３と異なり得る。なぜならば、ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１の下部で前記“Ｌ”と“１００”とからＲＥＢＣＯの超伝導膜がエピタキシャルに成長される間、前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜の上には相変わらず、超伝導前駆体が残存する。これによって、最終的に形成されたＲＥＢＣＯの超伝導膜５１の上には前記超伝導前駆体の足跡である非化学量論的な酸化物（ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｏｘｉｄｅ）を含む前記残留膜５５が形成され得る。前記残留膜５５は前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１と異なる結晶構造を有する少なくとも１つの相を含有することができる。前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１は“１００”の粒子を追加的に含有することができる。

一方、前述したＲＥＢＣＯの超伝導膜５１の形成方法で、前記超伝導前駆体膜５０は希土類：バリウム：銅の比が１：ｘ：３（０＜ｘ＜２）、例えば１：１．５：３になるように形成され得る。一般的に１：２：３の比を有するＲＥＢＣＯ前駆体は空気の中で分解される不安定（ｕｎｓｔａｂｌｅ）な構造であるのに対し、例えば１：１．５：３の比を有するＲＥＢＣＯ前駆体は空気の中でも安定された構造を有することができる。そのため、１：２：３の比を有するＲＥＢＣＯ前駆体は熱処理工程の前まで真空の下にいなければならないが、１：１．５：３の比を有するＲＥＢＣＯ前駆体は空気の中に露出されることができる。１：ｘ：３（０＜ｘ＜２）の比を有するＲＥＢＣＯ前駆体は前述した熱処理工程によって、希土類：バリウム：銅の比が１：２：３であるＲＥＢＣＯの超伝導膜５１と、前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１上に希土類：バリウム：銅の比が１：２：３とは異なる前記残留膜５５が形成され得る。この場合、前記残留膜５５は固状のＢａＣｕ_２Ｏ_２（以下、“０１２”）を含有することができる。“１００”は前記ＲＥＢＣＯの超伝導膜５１のエピタキシャルに成長する間に消費される。

本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成方法が、図６のＹＢＣＯ状態図上の多様な熱処理経路の例を考慮して、より具体的に説明される。図７及び図８はＹＢＣＯの状態図（ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）であって、本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法を示す。

図７を参照して、本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法が説明される。

前述したような方法によって、前記基板上に前記超伝導前駆体膜が形成される。前記超伝導前駆体膜であるＲＥＢＣＯは“１００”と“Ｌ”とに分解された状態に理解され得る。ここで、“Ｌ”は低温で固状に存在し、このような固体の主成分は“０１２”である。即ち、ＲＥＢＣＯの分解過程で“０１２”の固状が示される。

前記超伝導前駆体膜が形成された前記基板が熱処理される。前記熱処理工程は、図７の状態図の経路にしたがって遂行されることができる。経路１（ＰＡＴＨ １）にしたがった熱処理工程は相対的に低い酸素分圧（例えば、１×１０^−５〜１×１０^−４Ｔｏｒｒ）の下で遂行される。熱処理温度は常温から大略８００℃に増加され得る。

ＲＥＢＣＯの分解成分の中で“０１２”が液状を有するように、図７の状態図の経路２（ＰＡＴＨ ２）にしたがって酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節される。前記酸素分圧は、例えば１×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒに増加され得る。前記熱処理温度は、例えば８００℃以上であり得る。この時、ＲＥＢＣＯは“Ｌ”と“１００”とが共存していることと理解される。

図７の状態図の経路３（ＰＡＴＨ ３）にしたがって酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節されて、境界線Ｉ（ＢＯＵＮＤＡＲＹ Ｉ）を通ることにしたがって“Ｌ”から安定されたエピタキシＲＥＢＣＯの超伝導膜が形成され得る。前記酸素分圧は、例えば５×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒであり得る。前記熱処理温度は８００℃以下の温度、例えば常温に減少され得る。より具体的には、液状の“Ｌ”と共存する“１００”から、前記基板の表面上に核が生成され、これからＲＥＢＣＯの超伝導膜がエピタキシャルに成長することができる。

図８は本発明の概念の実施形態による超伝導線材の形成方法を示す状態図である。

図８を参照して、本発明の概念の他の実施形態による超伝導線材の形成方法が説明される。説明を簡易にするために、前述した一実施形態と重複される技術的な特徴と同一の説明及び同一の機能をする技術的な特徴は省略される。

前述した一実施形態のような方法によって、前記基板上に超伝導前駆体膜が形成される。前記超伝導前駆体膜が形成された前記基板が熱処理される。前記熱処理工程は図８の状態図の経路にしたがって遂行されることができる。経路１（ＰＡＴＨ １）にしたがった熱処理は、例えば５×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒの酸素分圧下で遂行されることができる。熱処理温度は常温から大略８００℃以上に増加され得る。経路１にしたがって酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節されて、“０１２”が液状を有することができる。この時、ＲＥＢＣＯは液状の“Ｌ”と“１００”とが共存していることと理解される。

図８の状態図の経路２（ＰＡＴＨ ２）にしたがって酸素分圧及び／又は熱処理温度が調節されて境界線Ｉ（ＢＯＵＮＤＡＲＹ Ｉ）を通ることにしたがって安定されたＲＥＢＣＯの超伝導膜が形成され得る。前記酸素分圧は、例えば５×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒであり得る。前記熱処理温度は８００℃以下の温度、例えば常温に減少され得る。より具体的に、液状の“Ｌ”と共存していた“１００”から、前記基板の表面上に核が生成され、これからＲＥＢＣＯ超伝導膜がエピタキシャルに成長することができる。

前述した実施形態によるＲＥＢＣＯの超伝導膜の成長過程は液相エピタキシ成長法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＬＰＥ）と類似である。一方、図６、図７、及び図８はＹＢＣＯの状態図を示しているので、具体的な酸素分圧及び熱処理温度は希土類元素ＲＥの種類にしたがって異なり得る。
図９乃至図１２を参照して、本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成システムの一例が概略的に説明される。図９乃至図１２を参照して説明される超伝導線材の形成システムは本発明の概念にしたがう一例であり、本発明の概念がこれに限定されるものではない。

図９は本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成システムを概略的に図示する。図９を参照して、前記超伝導線材の形成装置は、基板上に超伝導前駆体膜を形成するための薄膜蒸着ユニット１００、前記薄膜蒸着ユニット１００で形成された超伝導前駆体膜を含む基板を熱処理するための熱処理ユニット２００、及び基板供給／回収ユニット３００（線材供給／回収ユニット３００ともいう）を含む。前記薄膜蒸着ユニット１００、前記熱処理ユニット２００、及び前記基板供給／回収ユニット３００の間に前記基板が通過し、真空に維持できる真空ロード２０が追加に提供され得る。

図１０は本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成装置の薄膜蒸着ユニット１００の断面を概略的に図示する。図９及び図１０を参照して、前記薄膜蒸着ユニット１００は、工程チャンバー１１０、リール・トー・リール（ｒｅｅｌ ｔｏ ｒｅｅｌ）装置１２０、及び蒸着部材１３０を備えることができる。具体的に、前記工程チャンバー１１０は前記基板１０に前記超伝導前駆体膜を形成する蒸着工程が成される空間を提供する。前記工程チャンバー１１０は互いに対向する第１側壁１１１及び第２側壁１１２を含む。前記第１側壁１１１に前記基板供給／回収ユニット３００に連結される引込み部１１３が設けられ、前記第２側壁１１２に前記熱処理ユニット２００に連結される引出し部１１４が設けられる。前記基板１０は前記基板供給／回収ユニット３００から前記引込み部１１３を通じて前記工程チャンバー１１０の内に引き込まれ、前記引出し部１１４を通じて前記熱処理ユニット２００に引き込まれる。

前記蒸着部材１３０は前記リール・トー・リール装置１２０の下に提供され得る。前記基板１０の表面に前記超伝導物質の蒸気を提供する。一実施形態に、前記蒸着部材１３０は蒸発法（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を利用して、前記基板１０上に前記超伝導前駆体膜を提供することができる。前記蒸着部材１３０は、前記基板１０の下部に、電子ビームによって金属蒸気を提供する金属蒸気ソース１３１、１３２、１３３を備えることができる。前記金属蒸気ソースは希土類用のソース、バリウム用のソース、及び銅用のソースを有することができる。

図１１は本発明によるリール・トー・リール装置の平面図を図示する。図９及び図１０を参照して、前記リール・トー・リール装置１２０は第１リール部材１２１及び第２リール部材１２２を含み、前記第１リール部材１２１及び第２リール部材１２２は互いに離隔されて対向する。前記蒸着部材１３０は前記第１リール部材１２１と前記第２リール部材１２２との間に位置する前記基板の下に位置する。前記第１リール部材１２１及び第２リール部材１２２は前記超伝導前駆体膜の蒸着が成される領域で前記基板１０をマルチターン（ｍｕｌｔｉｔｕｒｎ）させる。即ち、前記基板１０は前記第１リール部材１２１と前記第２リール部材１２２との間を往復し、前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２によってターンされる。前記第１リール部材１２１は前記工程チャンバー１１０の第１側壁１１１に隣接して設けられ、前記第２リール部材１２２は前記工程チャンバー１１０の第２側壁１１２に隣接して設けられ得る。前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２は互いに同一の構成を有することができる。前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２は前記基板１０の往復方向に交差する方向に延長することができる。

前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２は各々前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２の延長方向に配置されて結合されるリールを含む。前記基板１０は各々のリールで１回ずつターン（反転）する。各々のリールは独立的に駆動されることができ、前記基板１０との摩擦力によって回転される。平面上から見る時、前記第２リール部材１２２は前記基板１０のマルチターンのために前記第１リール部材１２１と若干ずれるように配置される。前記基板１０は前記第１リール部材１２１及び前記第２リール部材１２２を往復しながら、前記第１リール部材及び前記第２リール部材１２２の延長方向に移動する。

図１２は本発明の概念にしたがう超伝導線材の形成装置の熱処理ユニット２００を概略的に図示する断面図である。図１２を参照して、前記熱処理ユニット２００は前記基板１０を連続的に通過させることができ、順に隣接する第１容器２１０、第２容器２２０及び第３容器２３０を備えることができる。前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０は互いに離隔される。前記第２容器２２０の中心部分は、前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０が互いに離隔された空間に対応され得る。前記第２容器２２０は前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０各々の一部を囲むように構成される。前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０はシリンダ形の石英管（ｑｕａｒｔｚ）で構成されることができる。前記第１容器２１０は前記薄膜蒸着ユニット１００の前記引出し部１１４に連結され得る。前記第１容器及び前記第３容器はその両端に前記基板１０が通過することができる引込み部及び引出し部２１１、２１２、２３１、２３２を備えることができる。前記線材基板１０は、前記第１容器の第１引込み部２１１へ引き込まれて前記第１容器の第１引出し部２１２へ引き出され、前記第２容器の中心部分を通過し、前記第３容器の第２引込み部２３１へ引き込まれて前記第３容器の第２引出し部２３２へ引き出されることができる。

前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０は独立的な真空を維持することができる。このために、前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０は各々別のポンピングポート２１４、２２４、２３４及び酸素供給部（図示せず）を有することができる。前記酸素供給部を通じて酸素が供給されて、前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０内の酸素分圧が互いに独立的に調節され得る。例えば、前記第１容器２１０内の酸素分圧は前記第３容器２３０内の酸素分圧より低くて、前記第２容器２２０内の酸素分圧は前記第１容器２１０内の酸素分圧と前記第３容器２３０内の酸素分圧との間に維持されるようになり得る。前記第１容器２１０に隣接する部分で前記第３容器２３０に隣接する部分に行くほど、前記第２容器２２０内の酸素分圧は増加することができる。

前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０はこれらを囲むファーネス（ｆｕｒｎａｃｅ）内に提供される。前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０が離隔された部分が前記ファーネスの中心付近に位置することができる。これによって、前記第２容器２２０の中心付近の温度は前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０内の温度より高く維持され得る。前記第１容器２１０及び前記第３容器２３０内の温度は前記第２容器２２０の中心部分から遠くなるほど、低くなり得る。

図７を参照して説明された一実施形態による熱処理過程が図１２で前述した熱処理ユニット２００と共に説明される。前記経路１は前記基板１０が前記熱処理ユニット２００の前記第１容器２１０を通過しながら、遂行されることができる。前記第１容器２１０は相対的に低い酸素分圧（例えば、１×１０^−５〜１×１０^−４Ｔｏｒｒ）を有し得る。前記第１容器２１０内の温度は前記第１引込み部２１１から増加されて前記第１引出し部２１２で大略８００℃になり得る。前記経路２は前記基板１０が前記熱処理ユニット２００の前記第２容器２２０の中心部分を通過しながら、遂行されることができる。前記第２容器２２０は、例えば１×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒの酸素分圧を有し得る。前記第１容器２１０に隣接する部分から前記第３容器２３０に隣接する部分に行くほど、前記第２容器２２０内の酸素分圧は増加することができる。前記第２容器２２０の中心部分の温度は大略８００℃以上であり得る。前記経路３は前記基板１０が前記熱処理ユニット２００の前記第３容器２３０を通過しながら、遂行されることができる。前記第３容器２３０は、例えば５×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒの酸素分圧を有し得る。前記第３容器２３０内の温度は前記第２引込み部２３１の大略８００℃から前記第２引出し部２３２に行くほど、低くすることができる。

図８を参照して説明された他の実施形態による熱処理過程が図１２で前述した熱処理ユニット２００と共に説明される。前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０は独立的な真空を維持しないように構成される。例えば、前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０は１つのポンピングポートによって真空を維持することができる。他の例において、前記第１容器２１０、前記第２容器２２０、及び前記第３容器２３０は１つのシリンダ形の容器であり得る。

前記経路１は前記基板１０が前記熱処理ユニット２００の引込み部から中心部分に向かう過程で遂行されることができる。前記経路２は前記基板１０が前記熱処理ユニット２００の中心部分から引出し部に向かう過程で遂行されることができる。前記熱処理ユニット２００は、例えば１×１０^−２〜３×１０^−１Ｔｏｒｒの酸素分圧を有し得る。前記熱処理ユニット２００の中心部分の温度は大略８００℃以上であり得る。前記熱処理ユニット２００内の温度は前記中心部分から前記引込み部及び前記引出し部に向かうほど、低くなり得る。

前述した例では、前記薄膜蒸着ユニット１００、前記熱処理ユニット２００、及び前記基板供給／回収ユニット３００が一体に構成されて、前記基板１０が連続的に移送されることが説明されたが、これに限定されない。例えば、先ず前記供給／回収ユニットが前記薄膜蒸着ユニット１００及び前記熱処理ユニット２００の各々に別に提供され得る。先ず、前記基板１０を巻いたもの（リール）が前記基板供給／回収ユニットから前記薄膜蒸着ユニット１００に供給される。前記薄膜蒸着ユニット１００で、前記基板１０上に前記超伝導前駆体膜が形成される。前記薄膜蒸着ユニット１００は前述した例と異なる構造であり得る。例えば、前記薄膜蒸着ユニット１００は有機金属積層（Ｍｅｔａｌ ＯｒｇａｎｉｃＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）のユニットになり得る。次に、前記超伝導前駆体膜が形成された前記基板１０を巻いたもの（リール）は、前記薄膜蒸着ユニット１００から分離される。前記超伝導前駆体膜が形成された基板１０は前記熱処理ユニット２００に供給され得る。その後、前記超伝導前駆体膜が形成された前記基板１０は熱処理される。

図１３は本発明の概念にしたがって形成された超伝導線材と一般的な方法で形成された超伝導線材とにおける、外部印加磁気場の下での臨界電流特性を示す。図１３の（ａ）はピニングシード層がハフニウムを含む場合、（ｂ）はピニングシード層がジルコニウムを含む場合であり、（ｃ）は一般的な方法で形成された場合である。超伝導物質はＳｍＢＣＯであった。超伝導線材の温度は７７Ｋであり、磁気場の強さは６，３００ガウスであった。磁気場の強さは一定にし、磁気場の方向を変えながら、臨界電流を測定した。図面で角度（Ａｎｇｌｅ）０°は磁気場が超伝導線材の表面と平行な方向であり、９０°は超伝導線材の表面と垂直になる方向である。本発明による超伝導線材の臨界電流の大きさは角度によって２０％以内で変わるのに対し、一般的な超伝導線材の臨界電流の大きさは５０％以上で変わる。超伝導線材に臨界電流以上の電流が流されれば、超伝導線材は超伝導特性を失う。モーターや発電機等の電力機器では、その内部に流れる電流によって磁気場が発生し、磁気場の方向は制御することが難しい。したがって、超伝導線材の臨界電流は角度にしたがう最も小さい値によって決定される。本発明による超伝導線材は角度にしたがう臨界電流の変化が非常に少ないので、電力機器に応用するのに非常に有利である。

本発明によれば、磁束固定点を容易に形成することができる。

上述した説明は本発明の望ましい実施形態を示しているだけあり、これに制限されるものではなく、添付された特許請求の範囲は本発明の思想内にある全ての変形例、向上例、及び他の実施形態を包含する。したがって、本発明の範囲は法で許容可能である最大の範囲で特許請求の範囲及び均等物の許容可能な最大の範疇によって決定され、上述した詳細な説明によっては制限または限定されない。

Claims (9)

1. 基板上にピニングシード層を形成し、
   前記ピニングシード層が形成された基板上に超伝導前駆体膜を形成し、
   前記超伝導前駆体膜が形成された基板を熱処理して、前記基板上に垂直に羅列された磁束固定点を含有する超伝導膜を形成することを含み、
   前記ピニングシード層は、前記熱処理によって前記超伝導前駆体膜へ移動可能な物質を含み、
   前記磁束固定点は、前記超伝導前駆体膜中に含まれる前記ピニングシード層の物質と、前記超伝導前駆体膜を構成する物質との生成物を含み、
   前記ピニングシード層の物質は、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム、錫酸化物、チタニウム酸化物、チタニウム、ハフニウム酸化物、ハフニウム、又はセリウムを含む、超伝導線材の形成方法。
2. 前記超伝導前駆体膜を形成することは、前記基板上に希土類、バリウム、及び銅を提供することを含む請求項１に記載の超伝導線材の形成方法。
3. 前記超伝導前駆体膜は、反応性同時蒸発（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）方法によって形成される請求項２に記載の超伝導線材の形成方法。
4. 前記磁束固定点は、バリウムジルコニウム酸化物、バリウムチタニウム酸化物、又はバリウムハフニウム酸化物を含む請求項１に記載の超伝導線材の形成方法。
5. 前記基板は、集合組織を有する金属又は金属基板上に集合組織を有する酸化物バッファ層を含む請求項１に記載の超伝導線材の形成方法。
6. 基板と、
   前記基板の上のピニングシード層と、
   前記ピニングシード層と直接接触し、前記基板に垂直に羅列された磁束固定点を含有する超伝導膜と、を含み、
   前記超伝導膜は、超伝導前駆体膜の熱処理物を含み、
   前記ピニングシード層は、熱処理によって前記超伝導前駆体膜へ移動可能な物質を含み、
   前記磁束固定点は、前記超伝導前駆体膜中に含まれる前記ピニングシード層の物質と、前記超伝導前駆体膜を構成する物質との生成物を含み、
   前記ピニングシード層の物質は、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム、錫酸化物、チタニウム酸化物、チタニウム、ハフニウム酸化物、ハフニウム、又はセリウムを含む、超伝導線材。
7. 前記超伝導膜は、希土類、バリウム、及び銅を含む請求項６に記載の超伝導線材。
8. 前記磁束固定点は、バリウム金属酸化物を含む請求項７に記載の超伝導線材。
9. 前記基板は、集合組織を有する金属、又は金属基板上に集合組織を有する酸化物バッファ層を含む請求項６に記載の超伝導線材。