보고서 정보
주관연구기관 |
한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2001-05 |
주관부처 |
산업자원부 Ministry of Commerce Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO200200052811 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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초록
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Ⅰ. 제 목: 고온초전도체를 이용한 전류인입선용 고전류도체 개발 Ⅱ. 기술개발목적 및 중요성 가. 연구의목표 고온 초전도 선재를 이용한 에너지절약형 고전류 도체 개발 나. 연구의 중요성 1986년 Bednorz와 M ller는 La-Ba-Cu-O계 산화물에서 임계온도가 30K인 구리계산화물 초전도체를 발견하여 노벨상을 수상하는 영광을 얻었으며, 새로운 구리계산화물 초전도체의 시대를 열었다. 특히 1987년 미국의 Chu교수는 Y-Ba-Cu-O계에서 임계온도가 95K인 고온초전도체를 발견하였는데 이의 중요한 의미는 임계
Ⅰ. 제 목: 고온초전도체를 이용한 전류인입선용 고전류도체 개발 Ⅱ. 기술개발목적 및 중요성 가. 연구의목표 고온 초전도 선재를 이용한 에너지절약형 고전류 도체 개발 나. 연구의 중요성 1986년 Bednorz와 M ller는 La-Ba-Cu-O계 산화물에서 임계온도가 30K인 구리계산화물 초전도체를 발견하여 노벨상을 수상하는 영광을 얻었으며, 새로운 구리계산화물 초전도체의 시대를 열었다. 특히 1987년 미국의 Chu교수는 Y-Ba-Cu-O계에서 임계온도가 95K인 고온초전도체를 발견하였는데 이의 중요한 의미는 임계온도가 액체헬륨의 온도영역에서 액체질소의 온도영역인 77K 이상에 도달했다는 점이며, 이는 액체질소가 액체헬륨보다 수십분의 일 정도 값싸고 대량공급이 가능하여 초전도체의 실용화에 커다란 전기를 마련하게 되었다. 그후 임계온도가 각각 120K, 125K정도인 Bi-Sr-Ca-Cu-O계, Tl-Ba-Ca-Cu-O계 등이 발견되어 고온초전도체 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되었으며, 이와 병행하여 미국 일본등지에서는 실용화의 측면에서 고온초전도 선재및 Bulk 재료의 개발을 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 따라서 선진 각국은 이 재료를 응용하는 기술을 개발하여 에너지 효율을 높임으로서 산업경쟁력을 높이고자 저마다 고온 초전도재료 개발 응용기술을 국가적인 과제로 추진하고 있는 상태이다. 현재 미국, 일본, 독일 등 선진 각국은 의료기기인 MRI용 자석 및 초전도 전력 송전선, 변압기, 발전기, 모터, 한류기, 대용량 에너지 저장장치, 전류 인입선의 개발을 위한 초전도 재료개발 및 이재료의 선재화 및 전력 응용기기 연구에 표 1과 같이 막대한 연구 개발비(1995년 기준)를 투자하고 있는 상황이다. 따라서 초전도체의 기술적, 경제적 중요성으로 선진 각국은 기술의 유출을 꺼리고 있는 실정이다. 표1. Funding profiles in US, Japan, and Germany (R&D related to power applications of superconductivity) M : Million 가장 실용화에 접근하고 있는 고온초전도 전류인입선의 경우 95년 American Superconductors사에서 1,000A급 전류인입선을 개발하였는데 기존 전류인입선 대비 30% 정도 에너지절감을 가져와 상품화에 성공하여 시판하고 있으나 기술이전을 회피하고 있다. 따라서 고온초전도 재료분야에서 가장 빨리 상품화에 성공한 전류인입선 개발을 위한 초전도 재료개발 및 이 재료의 고전류 도체화기술을 개발하여 선진국의 기술독점에서 벗어나 독자적으로 전력계통의 에너지효율을 높이기 위한 선진국대비 최소한의 초전도 응용기술을 확보해야 한다. 본 에너지절약형 고전류 도체 개발연구는 향후 대용량 에너지 저장장치 등의 시스템 개발에 중요할 뿐 아니라, 가장 깨끗한 에너지인 전기에너지를 사용하며, 고에너지밀도화, 소형화 및 환경친화형으로 생활환경을 더욱 쾌적하게 한다. 또한 에너지의 대부분을 수입하고 있고 에너지의 고 효율화로 산업경쟁력을 높여야 하는 우리의 경제 현실을 고려할 때 전류 인입선을 포함한 전력 응용기기 개발을 위한 고전류 도체 개발연구를 수행할 필요가 있다. Ⅲ. 기술개발내용 및 범위 Ⅳ. 기술개발결과 및 활용에 대한 건의 1. 기술 개발 결과 1,000A급(77K) 고효율 전류인입선용 고전류도체 개발을 위해 관련 핵심요소기술 (BSCCO precursor 분말제조기술, 은피복 합금 제조기술, 고온초전도 장선재 제조 및 열처리 기술 등)의 연구를 수행하여 이를 기반으로 고온 초전도 BSCCO 2223선재를 이용하여 1,000A급 (77K) 전류 인입선용 도체 개발연구를 성공적으로 수행하였고, 현재 이를 가용 운전 범위 1,000A의 통전하에 헬륨의 손실을 측정하고 있다. 본 과제를 수행하면서 다양한 핵심요소기술을 연구함으로서 많은 기술적 진보를 이루었으며 그 성과를 요약해보면 다음? 대량의 전구체 분말을 제조하였으며, 조성, 하소조건, 입도조절에 의해 반응성 및 고순도의 BSCCO 2223 전구체를 제조하였다. 2) Ag Alloy Tube 제조기술 선재의 용도에 따른 세분화된 피복합금의 제조 및 Tube압출기술 등을 확보하였고(국내 특허 등록), 연구결과를 보완하여 국외 특허를 출원하여 선진국의 특허장벽에 대응할 수 있도록 하였다. 3) 장선화 공정 및 특수 열처리 공정 기술 개발 임계전류 >22.5A, 임계전류밀도 >22,500A/cm2를 갖는 100m 급 BSCCO 장선재를 성공적으로 개발하였으며, 이 요소 기술을 기반으로 수백미터급 BSCCO 선재의 개발에 박차를 가하고 있다. 4) 전류인입선용 고온 초전도체의 기계적, 열적 특성 평가 제조된 전류 인입선의 성능 평가를 위해서 전류 인입선에서의 온도 분포를 계산하여 이에 해당하는 액체 헬륨으로의 열 유입량 및 열 유입을 통한 헬륨 증발량을 계산하였다. 제조된 Ag 합금의 열전도도는 Ag의 함량이 감소됨에 따라 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 기계적인 특성으로써는 Au, Pd, Mg, Al 등의 이종원소가 첨가된 함금에서 경도 및 강도값은 증가하였으며, 반면에 연신율은 감소하는 것으로 나타났다 5) 다심선재 집적화에 의한 Bus bar 제조 및 특성평가 BSCCO 2223 다심선재의 집적화에 의해 임계전류 1,000A이상인 bus bar를 제조하였다. 2. 기타 연구성과 <국외논문지> 1. "Long-length processing of BSCCO-2223 tapes made by using Ag alloys sheath",IEEE Trans. Appl. Supercon. vol7(1997)p1837 2. "The role of Bi-2212 in Bi-2223 Ag sheathed tapes fabricated by a controlled process",Physica C282 (1997)p2601 3. "Microstructure and phase evolution of ultra-fine MgO doped Bi-2223/Ag tapes",Physica C291 (1997)p149 4. "Effect of precursor powders on phase evolution and electromagnetic properties of controlled melting processed Bi-2223 Ag tape", Phsica C, 308(1-2) (1998) p105-114 5. "Fabrication of Bi-223 Ag-Au-Mg alloy sheathed tapes with a controlled melting process", Physica C, 308(1-2) (1998) p105-114 6. "Fabrication and properties of Bi-2223 Ag-Au-Al alloy sheathed tapes prepared by a controlled melting process", J. Super. Sci. Tech. Super. Sci. Tech. 12(1999) p153 7. "The influence of precursor powders on the phase evolution, grain size and transport current properties of BSCCO 2223 Ag-sheathed tapes", Physica C 331 (2000) p285-291 8. "Twisted multifilamentary BSCCO 2223 tapes by using high resistive sheath", Progress in Superconductivity 1(2) (2000) p141 9. "Development and characterization of sheath alloys for Bi-(Pb)-Sr-Ca-Cu-O superconductor tape", Transactions on Applied Superconductivity, Volume 10(1) (2000) p1186-1189 10. "Microstructure and electromagnetic properties of Bi-2223 Ag alloy sheathed tapes prepared by a controlled melting process", Physica C 337 1-4 (2000) p165-168 <국내논문지> 1. "Bi계 고온 초전도 선재 제조 및 응용기술현황", 요업기술지 vol.12, No.5(1997) p322 2. "Fabrication and properties of 100m lengths of 37 filament BSCCO-2223 tapes",High Temp. Superconductivity 7 (1997)p47 3. "The microstructure control of (Ca,Sr)2(Pb,Bi)O4 as a flux-pinning center in BSCCO",High Temp. Superconductivity 7 (1997)p83 4. "Effect of starting phase compositions on the development of Bi-2223 phase and microstructures",High Temp. Superconductivity 7 (1997)p125 5. "61심 BSCCO 2223 고온 초전도 선재의 접합부 제조", 한국요업학회지 35 (1998) p137-144 6. "Characterization of ultrafine MgO added BSCCO-2223 tapes with different starting phase composition", High Temperature Superconductivity Vol. 8 (1998) p285-287 7. "Effect of precursor powders on microstructure and critical current density of Bi-2223/Ag tapes prepared by controlled process", High Temperature Superconductivity Vol. 8 (1998) p312-317 8. "Long-length processing of BSCCO 2223 tapes ant its application to multistrand conductor for power cable", High Temperature Superconductivity Vol. 8 (1998) p318-321 9. "고온 초전도 선재 제조 및 전력 응용 기술 현황", 기계와재료 10(2) (1998) p27-38 10. "고온 초전도 BSCCO 선재 제조 및 전력응용 기술 현황", 한국전자재료학회지 11(10) (1998) p128-138 11. Bi계 고온 초전도 선재 부스바에서의 자기 자장 해석", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp 302-304, 1998, 7, 경주교육문화회관 12. "고온 초전도선재를 이용한 대규모 응용기술", 세라미스트 3(2) (2000) p62 <국제학회발표> 1. "Fabrication of twisted multifilamentary BSCCO 2223 tapes by using high resistive sheath for AC application", Presented for 98 Applied Superconductivity Conference held in California, U.S.A. (9. 14. 1998) 2. "Optimum reduction of self field effects in a Bi-2223 stacked superconducting bus bar", Presented for 98 Applied Superconductivity Conference held in California, U.S.A. (9. 14. 1998) 3. "Effect of MgO addition on superconducting properties of BSCCO-2223/Ag tapes with different starting phase", presented for international Meeting of Pacific Rim Ceramic Societies held at Kyungju, Korea (9. 21. 1998) 4. "Microstructural Development of BSCCO-2223 Fabricated by Modified Two Powder Process", M2S-HTSC-VI, Houston, Texas, USA, Feb. 20-25, 2000 5. "Effect of ultra-fine MgO doping on flux pinning properties of Bi-2223/Ag superconducting tapes", M2S-HTSC-VI, Houston, Texas, USA, Feb. 20-25, 2000 6. "Effect of Pb content variation on microstructure and critical current density of Bi-2223/Ag superconducting tape", M2S-HTSC-VI, Houston, Texas, USA, Feb. 20-25, 2000 7. "The electromagnetic properties of the BSCCO 2223/Ag-sheathed tapes prepared with different starting condition precursor powder", M2S-HTSC-VI, Houston, Texas, USA, Feb. 20-25, 2000. 8. "Bi-Sr-Ca-Cu-O magnets at high stress-strain levels", Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia, USA. 9. "Characterization of thermal conductivity and mechanical property of sheath alloy materials for Bi-2223 superconductor tape", Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia, USA. 10. "Effect of lead content and particle size of precursor powders on formation rate, grain growth and critical current density of BSCCO 2223 tapes", Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia, USA. <국내학회발표> 1. "고온초전도 선재를 이용한 전류도입선의 열분포해석", 대한전기학회 하계학술대회, 1998년 7월 20일 - 7월 22일, 경주 2. "Bi-2212 초전도상 형성을 이용한 임계전류밀도 향상 연구", 한국세라믹학회 춘계연구발표회, 명지대, 2000.4.22 3. "Fabrication and properties of 1000 A class HTS current lead", 한국초전도학회 연구발표회, 용평, 2000.8.16 4. "Optimization of extrusion process for long-length multi-filaments of BSCCO 2223 superconductor tape", 한국초전도학회 연구발표회, 용평, 2000.8.16 5. "Formation of the precipitate in the Bi-2223/Ag superconducting tapes by post-heat treatment", 한국초전도학회 연구발표회, 용평, 2000.8.16 6. "The effect of the initial BSCCO 2212 grain size on the final grain size and the formation of BSCCO 2223", 한국초전도학회 연구발표회, 용평, 2000.8.16 <특 허> 1. 고온 초전도 선재피복용 은합금, 대한민국 특허 제151833호, 1998.6. 2. Bi-2223/Ag 고온초전도 복합판재 제조방법, 대한민국 특허 제126173호, 1997.10 3. Bi2-xPbySr2Ca2.2Cu3Oz 고온 초전도체 제조 방법, 대한민국 특허 제126518호, 1997.10 4 .Bi2-xPbySr2Ca2.2Cu3Oz/MgO 고온97.10 5. Ag sheath alloys for BSCCO high Temperature Superconductor tapes, 미국 특허 출원 1998.9 3. 활용에 대한 건의 1,000A급의 전류인입선개발이 되면 대용량의 전류통전과 액체헬륨의 냉매증발을 최소화시켜야 하는 의료기기인 MRI용 자석, 저온초전도 자석, 초전도한류기, 송전선, 발전기, 에너지 저장장치 등의 대규모 전력응용기기분야에 활용되어질 것으로 생각된다. 또한 이 분야의 실 수요자측의 요구조건을 확실하게 파악하고 고온초전도체를 이용한 전류인입선의 시제품 test를 통하여 기술적·경제적측면에서 전류인입선의 생산타당성을 인식케하여 기업화를 유도한다. 한편 전류인입선 재료인 고전류 도체제조는 기업체에서 단기간 기술이전이 어려우므로 출연연구소에서 고전류도체를 제조하여 기업체에 공급하고 기업체에서는 최종 전류인입선을 조립 및 packaging함으로써 제품화시간을 최소로 한다. 개발시 경험한 학·연 공동연구 관계를 재 정립하여 산·연 공동연구관계로 업무분담의 효율성을 꾀하며 지속적인 임계전류특성향상과 신수요 창출을 유도해나간다. 아울러 실수요 전류인입선과 관련한 제반 주변기술을 실수요자측에 전수함으로써 새로운 시장 확보와 확대를 가능케하도록 하며 또한 지속적인 선재제조공정 및 전류인입선 제조기술의 지원에 의해 경제성 및 성능을 향상시킴으로써 수입대체 뿐이 아니라 전류인입선 소재의 직접적인 수출이 가능하도록 한다. Ⅴ. 기대효과 기존의 전류인입선 재료보다 저온(77K)에서 전기저항이 0이므로 전기에너지 절약효과가 크며, 열전도도가 기존의 금속 피복재보다 훨씬 작은 피복합금을 사용하므로 냉매 증발 최소화를 도모하여 냉매절약효과도 우수함. 전기에너지 효율면에서 99.2%이상으로 기존 전류인입선 대비 30%이상 절약가능하며 1,000A급 미국 ASC사 제품 경우 열손실이 1,600mW로 작다. 본 고전류도체 개발연구는 대용량 전기에너지 사용분야 및 고자장 발생자석, 송전선 등의 대규모 전력기기시장 창출에 지대한 파급효과를 줌. 고온 초전도 전력응용기기분야 개발활성화 및 신에너지 기술기반구축 MRI, SMES, 초전도송전선, 회전기기류 등의 에너지 고 효율화가 요구되는 분야의 기본재료개발 독자적 제조능력확보에 따른 대외 경쟁력강화 및 고부가가치화는 물론 다기능성 고전류도체의 국산화 개발 및 신수요 창출 유도
목차 Contents
- 제 1 장 서론...19
- 제 1 절 기술의 개요...19
- 제 2 절 개발 기술의 당면 과제 및 애로기술...20
- 제 3 절 국내외 관련 기술의 현황...22
- 제 4 절 주요 관련 기술의 검토...31
- 제 2 장 고순도, 고균일 BSCCO 2223 분말 제조 기술 개발...34
- 제 1 절 개요...34
- 제 2 절 BSCCO-2223 전구체 분말 대량 합성 공정 연구...35
- 제 3 절 하소조건에 따른BSCCO-2223 전구체 분말 합성 공정 연구...40
- 제 4 절 Pb양 및 입도조절에 따른BSCCO-2223 전구체 분말 합성 공정 연구...46
- 제 3 장 열전도도가 낮은 Ag계 합금제조 기술 개발...50
- 제 1 절 서론...50
- 제 2 절 피복합금 제조 및 선재 제조 공정...51
- 제 3 절 결과 및 고찰...53
- 제 4 장 장선화 공정 및 특수 열처리 공정 기술 개발...61
- 제 1 절 서론...61
- 제 2 절 다심 장선재 제조...61
- 제 3 절 Scale up을 위한 압출 공정 연구...79
- 제 5 장 전류인입선용 고온 초전도체의 기계적, 열적 특성 평가...83
- 제 1 절 전류 인입선의 열 해석...83
- 제 2 절 실험방법...124
- 제 3 절 결과 및 토의...145
- 제 4 절 결론...171
- 제 6 장 다심선재 집적화에 의한 Bus bar 제조 및 특성평가...173
- 제 1 절 500A급 길이 25cm Bus bar 제조...173
- 제 2 절 1000A급 길이 50cm Bus bar 제조...178
- 제 7 장 결론...182
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