[논문]감아 뒤집은 YBCO 팬케이크용 영구전류 스위치의 특성시험

표윤수; 김소영; 김우석; 이지광; 박찬; 최경달

문제 정의

본 논문에서는 YBCO CC를 사용하는 영구전류모드 운전을 위한 새로운 형태의 권선법을 사용하여 제작될 코일을 충전하기 위한 영구전류 스위치의 형태를 제안하고, 사용될 광폭의 YBCO CC를 사용하여 직접 제작하고 저항변화특성을 측정하여 적용 가능성을 보였다. 본 논문에서 제안한 영구전류 스위치는 감아 뒤집은 형태의 새로운 권선법의 특성에 의해서 자체적으로 선재의 급격한 휨이나 접합 없이도 무유도성으로 제작이 가능하였으며, 특성시험 결과 50 m 급의 광폭 YBCO CC로 제작할 수 있는 크기의 코일에 영구전류를 유도하기 위한 스위치로 적용 가능함을 보였다.
이러한 형태의 권선법을 사용하면 접합부 없이 폐회로를 가지는 코일을 제작할 수 있으므로, 이러한 형태의 코일을 적층하여 고자장 마그네트의 인서트 마그네트로의 응용이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 새로운 형태의 팬케이크 코일에 전류를 인가하기 위한 영구전류 스위치의 구조를 제안하고, 실제로 스위치부를 제작하여 그 특성을 시험하여 결과를 제시하였다. 본 영구전류 스위치는 구조의 특징에 의하여 자연적으로 자기장이 발생하지 않는 무유도형 스위치가 된다는 장점이 있으며, 스테인리스 스틸로 제작된 히터를 사용하여 열적으로 상변이를 유도하여 온도 및 저항 증가를 측정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 감아 뒤집은 팬케이크 코일 제작 시 분할된 YBCO CC의 한쪽 단부를 약 1 m 정도 남겨두고 이를 별도의 보빈에 히터와 함께 감아서, 온도에 의한 초전도체의 상변이를 이용하여 동작하는 영구전류 스위치를 제작하였다. 아직 마그네트가 제작되지 않았으므로 스위치의 특성만을 파악하기 위하여 표 1에 제시된 사양을 가지는 YBCO CC와 스테인리스 스틸 테이프를 사용하여 영구전류 스위치부만을 제작하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 팬케이크 코일에 전류를 인가하기 위한 영구전류 스위치의 구조를 제안하고, 실제로 스위치부를 제작하여 그 특성을 시험하여 결과를 제시하였다. 본 영구전류 스위치는 구조의 특징에 의하여 자연적으로 자기장이 발생하지 않는 무유도형 스위치가 된다는 장점이 있으며, 스테인리스 스틸로 제작된 히터를 사용하여 열적으로 상변이를 유도하여 온도 및 저항 증가를 측정하였다.
제작된 영구전류 스위치의 모습을 그림 3에 나타내었다. 스위치 동작시에 내부의 온도를 측정하기 위하여 영구전류 스위치의 첫 번째 턴과 마지막 턴에 E-type 열전대를 부착하였으며 YBCO CC의 저항변화를 4 단자법으로 측정하기 위하여 YBCO CC 의 단부에 전류도입부와 전압탭을 부착하였다.
본 연구에서는 감아 뒤집은 팬케이크 코일 제작 시 분할된 YBCO CC의 한쪽 단부를 약 1 m 정도 남겨두고 이를 별도의 보빈에 히터와 함께 감아서, 온도에 의한 초전도체의 상변이를 이용하여 동작하는 영구전류 스위치를 제작하였다. 아직 마그네트가 제작되지 않았으므로 스위치의 특성만을 파악하기 위하여 표 1에 제시된 사양을 가지는 YBCO CC와 스테인리스 스틸 테이프를 사용하여 영구전류 스위치부만을 제작하였다. 그림 2에 보인 시스템으로 1.
절단직후에 절단된 초전도층 단면의 산화를 막기 위하여 우레탄으로 4회 도포하여 보호층을 만들었다. 이렇게 분할된 YBCO CC를 1.4 m 길이의 스테인리스 스틸 테이프와 함께 별도의 보빈에 권선하였다. 직경 46 mm인 보빈은 베이클라이트를 사용하여 제작되었으며, 분할된 YBCO CC를 7회, 히터로 사용한 스테인리스 스틸 테이프는 8회 권선한 후, 스위치 동작 시 초전도 선재의 온도유지를 위하여 Stycast-1266로 함침하였다.
2 m 길이의 YBCO CC를 각각 6 mm 폭을 가지도록 길이방향으로 2등분하였으며, 절단되지 않은 단부의 길이는 20cm 이었다. 절단직후에 절단된 초전도층 단면의 산화를 막기 위하여 우레탄으로 4회 도포하여 보호층을 만들었다. 이렇게 분할된 YBCO CC를 1.
제작된 영구전류 스위치를 77.3 K의 액체질소 조에 넣어 냉각시킨 후, YBCO CC에 10 mA의 전류를 인가하며 전압탭에서 발생하는 전압을 측정하는 방법으로 히터전류에 따른 저항변화를 측정하였다. 그림 4에 히터에 인가한 전류에 따라 측정된 영구전류 스위치 내부의 온도와 분할된 YBCO CC의 저항값의 변화를 나타내었다.
4 m 길이의 스테인리스 스틸 테이프와 함께 별도의 보빈에 권선하였다. 직경 46 mm인 보빈은 베이클라이트를 사용하여 제작되었으며, 분할된 YBCO CC를 7회, 히터로 사용한 스테인리스 스틸 테이프는 8회 권선한 후, 스위치 동작 시 초전도 선재의 온도유지를 위하여 Stycast-1266로 함침하였다. 제작된 영구전류 스위치의 모습을 그림 3에 나타내었다.

대상 데이터

아직 마그네트가 제작되지 않았으므로 스위치의 특성만을 파악하기 위하여 표 1에 제시된 사양을 가지는 YBCO CC와 스테인리스 스틸 테이프를 사용하여 영구전류 스위치부만을 제작하였다. 그림 2에 보인 시스템으로 1.2 m 길이의 YBCO CC를 각각 6 mm 폭을 가지도록 길이방향으로 2등분하였으며, 절단되지 않은 단부의 길이는 20cm 이었다. 절단직후에 절단된 초전도층 단면의 산화를 막기 위하여 우레탄으로 4회 도포하여 보호층을 만들었다.

성능/효과

본 논문에서는 YBCO CC를 사용하는 영구전류모드 운전을 위한 새로운 형태의 권선법을 사용하여 제작될 코일을 충전하기 위한 영구전류 스위치의 형태를 제안하고, 사용될 광폭의 YBCO CC를 사용하여 직접 제작하고 저항변화특성을 측정하여 적용 가능성을 보였다. 본 논문에서 제안한 영구전류 스위치는 감아 뒤집은 형태의 새로운 권선법의 특성에 의해서 자체적으로 선재의 급격한 휨이나 접합 없이도 무유도성으로 제작이 가능하였으며, 특성시험 결과 50 m 급의 광폭 YBCO CC로 제작할 수 있는 크기의 코일에 영구전류를 유도하기 위한 스위치로 적용 가능함을 보였다. 추후 50 m 길이의 광폭 YBCO CC를 사용하여 감아뒤 집은 코일을 제작할 예정이며 본 연구에서 제안된 형태의 스위치를 구성하여 영구전류 모드 운전시험을 할 계획이다.
절반으로 분할을 하더라도 운전전류보다 큰 임계전류를 가질 수 있도록 넓은 폭의 선재를 사용하여야 하며, 기계적인 분할시에 진동에 의한 초전도층의 손상을 최소화하도록 노력해야 한다. 본 연구에서는 다이아몬드 디스크에 의한 절단을 시도하였으며 분할된 각 선재의 임계전류 측정 결과 충분히 안정적으로 분할할 수 있음이 기존 연구에서 이미 증명되었다.[3] 이렇게 감아 뒤집은 팬케이크 코일을 제작할 때에는 필연적으로 선재의 뒤틀림이 수반되나, 이러한 비틀림 변형에 따른 YBCO CC의 특성변화에 대한 연구가 행해진 바 있으며 폭이 1 mm 이고 길이가 50 cm인 선재를 6회전시켜 비틀림 변형을 주었을 경우에 있어서도 초전도 특성의 저 하가 관찰되지 않았으므로[4], 본 연구에서도 사용 가능할 것으로 판단된다.
그림 4에 히터에 인가한 전류에 따라 측정된 영구전류 스위치 내부의 온도와 분할된 YBCO CC의 저항값의 변화를 나타내었다. 측정 결과 히터의 전류를 7 A정도 유지하였을 때 약 100 mQ의 스위치 저항을 얻을 수 있었다. 제작된 영구전류스위치는 약 50 m 길이의 광폭 YBCO 선재를 분할하여 제작될 마그네트의 스위치에 대한 시험이며, 마그네트의 인덕턴스 는 20 mH 정도로 예상되므로 마그네트의 충전 속도가 1 A/sec 인 경우 스위치에 흐르게 될 전류는 200 mA이며 4 mW의 손실이 영구전류 스 위치에서 발생하게 된다.

후속연구

본 연구에서는 다이아몬드 디스크에 의한 절단을 시도하였으며 분할된 각 선재의 임계전류 측정 결과 충분히 안정적으로 분할할 수 있음이 기존 연구에서 이미 증명되었다.[3] 이렇게 감아 뒤집은 팬케이크 코일을 제작할 때에는 필연적으로 선재의 뒤틀림이 수반되나, 이러한 비틀림 변형에 따른 YBCO CC의 특성변화에 대한 연구가 행해진 바 있으며 폭이 1 mm 이고 길이가 50 cm인 선재를 6회전시켜 비틀림 변형을 주었을 경우에 있어서도 초전도 특성의 저 하가 관찰되지 않았으므로[4], 본 연구에서도 사용 가능할 것으로 판단된다.
최근에 이러한 한계를 극복하기 위하여 새로운 기술인 광폭 YBCO CC를 사용하여 감아 뒤집은 형태의 팬케이크 권선기법이 본 연구진에 의하여 제안되었다[3]. 이러한 형태의 권선법을 사용하면 접합부 없이 폐회로를 가지는 코일을 제작할 수 있으므로, 이러한 형태의 코일을 적층하여 고자장 마그네트의 인서트 마그네트로의 응용이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 새로운 형태의 팬케이크 코일에 전류를 인가하기 위한 영구전류 스위치의 구조를 제안하고, 실제로 스위치부를 제작하여 그 특성을 시험하여 결과를 제시하였다.
본 논문에서 제안한 영구전류 스위치는 감아 뒤집은 형태의 새로운 권선법의 특성에 의해서 자체적으로 선재의 급격한 휨이나 접합 없이도 무유도성으로 제작이 가능하였으며, 특성시험 결과 50 m 급의 광폭 YBCO CC로 제작할 수 있는 크기의 코일에 영구전류를 유도하기 위한 스위치로 적용 가능함을 보였다. 추후 50 m 길이의 광폭 YBCO CC를 사용하여 감아뒤 집은 코일을 제작할 예정이며 본 연구에서 제안된 형태의 스위치를 구성하여 영구전류 모드 운전시험을 할 계획이다.

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