(57)【要約】高温超伝導構造体は、少なくとも１つのバッファ層が蒸着された基板と、バッファ層上の超伝導層とを備えており、この超伝導層は、基板の長さ方向に延びる少なくとも２本のほぼ平行な超伝導フィラメントを形成する超伝導材料を有しており、この少なくとも２本の超伝導フィラメントは、少なくとも１本の絶縁体ストリップによって互いから分離されており、この少なくとも１本の絶縁体ストリップは、基板の長さ方向に連続して延びており抵抗率が約１ｍΩｃｍより大きい絶縁材料を含んでいる。また高温超電導体を製造する方法も開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導構造体であって、
この構造体は、少なくとも１つのバッファ層が蒸着された基板を備えており、この基板はある長さと幅を有し寸法比が約１０2以上であり、
この構造体はまた、前記の少なくとも１つのバッファ層上に超伝導層を備えており、この超伝導層は前記の基板の長さ方向に延びる少なくとも２本のほぼ平行な超伝導フィラメントを形成する超伝導材料を有しており、
前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントは互いに反対向きの第１表面と第２表面を有する少なくとも１本の絶縁体ストリップによって互いから分離されており、前記の第１表面はバッファ層に重なっており、前記の第２表面には前記の超伝導材料が実質的に無く、
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップは前記基板の長さ方向に連続して延びており抵抗率が約１ｍΩｃｍより大きい絶縁材料を含んでいる構造体。
【請求項２】
少なくとも長さ１０メートルにわたって前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントの臨界電流が少なくとも２００／ｃｍである請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントが切り離されている請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記の超伝導フィラメントの幅が少なくとも約５０μｍである請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
前記の絶縁材料がさらに強磁性材料を含んでいる請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記の絶縁体ストリップの厚さが約０．５から約３０ミクロンまでの範囲内である請求項１に記載の構造体。
【請求項７】
前記の絶縁体ストリップの幅が約１ミクロンから約２５０ミクロンまでの範囲内である請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
さらに前記の超伝導層に重ねられた少なくとも１つの安定化層を備えている請求項１に記載の構造体。
【請求項９】
前記の少なくとも１つの安定化層が、前記の超伝導層上にそれぞれ第１安定化層と第２安定化層をさらに含んでおり、前記少なくとも１つの安定化層の厚さが少なくとも５ミクロンである請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
前記の第１安定化層の厚さが約０．１ミクロンから約１０．０ミクロンまでの範囲内である請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
前記の第２安定化層の厚さが約１ミクロンから約１０００ミクロンまでの範囲内である請求項９に記載の構造体。
【請求項１２】
前記の第２安定化層が電気めっきされている請求項９に記載の超伝導体の物品。
【請求項１３】
前記の第１安定化層が貴金属を含んでいる請求項９に記載の構造体。
【請求項１４】
前記の貴金属がＡｇである請求項１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記の第２安定化層が非貴金属を含む請求項９に記載の構造体。
【請求項１６】
前記の非貴金属が、銅、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群から選択される材料を含む請求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
前記の非貴金属が銅である請求項１６に記載の構造体。
【請求項１８】
６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁場を前記の構造体の表面に垂直に印加し７７Ｋで測定した交流損失が１Ｗ／ｍ未満である請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、臨界温度Ｔcが約７７Ｋ以上である高温超伝導材料を含んでいる請求項１に記載の構造体。
【請求項２０】
前記のマルチフィラメント超伝導層がＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xを含んでおり、前記のＲＥが希土類元素である請求項１に記載の構造体。
【請求項２１】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項２０に記載の構造体。
【請求項２２】
前記のバッファ層が、薄膜の面内方向および面外方向の両方にほぼ配向した結晶を有する二軸配向結晶薄膜を含んでいる請求項１に記載の構造体。
【請求項２３】
さらに前記の少なくとも１つの安定化層に重ねられた非導電性絶縁層を含んでいる請求項８に記載の構造体。
【請求項２４】
少なくとも１つの安定化層が前記の構造体を包み込む第１側面と第２側面を形成するように延びている請求項８に記載の構造体。
【請求項２５】
前記の基板の長さが少なくとも約１００ｍである請求項１に記載の構造体。
【請求項２６】
前記の絶縁材料がセラミック酸化物である請求項１に記載の構造体。
【請求項２７】
前記のセラミック酸化物が、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ケイ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項２８に記載の構造体。
【請求項２８】
超伝導構造体であって、
この構造体は、少なくとも１つのバッファ層が蒸着された基板を備えており、この基板はある長さと幅を有し寸法比が約１０2以上であり、
この構造体はまた、前記の少なくとも１つのバッファ層上に超伝導層を備えており、この超伝導層は間に非超伝導領域を有する少なくとも２本のほぼ平行な超伝導フィラメントを形成する超伝導材料からなっており、この超伝導フィラメントと非超伝導領域は前記基板の長さ方向に連続して延びており、
この構造体はまた、前記の非超伝導領域上に絶縁層を備えており、この絶縁層が少なくとも１本の絶縁体ストリップを形成しており、
この少なくとも１本の絶縁体ストリップが前記基板の長さ方向に連続的に延びており、約１ｍΩｃｍより大きい抵抗率を有する絶縁材料を含んでいる構造体。
【請求項２９】
少なくとも長さ１０メートルにわたって前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントの臨界電流が少なくとも２００／ｃｍである請求項２８に記載の構造体。
【請求項３０】
前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントが熱処理による材料の除去によって切り離さている請求項２８に記載の構造体。
【請求項３１】
前記の超伝導体フィラメントの幅が少なくとも約５０μｍである請求項２８に記載の構造体。
【請求項３２】
前記の絶縁材料がさらに強磁性材料を含んでいる請求項２８に記載の構造体。
【請求項３３】
前記の絶縁体ストリップの厚さが約０．５から約３０ミクロンまでの範囲内である請求項２８に記載の構造体。
【請求項３４】
前記の絶縁体ストリップの幅が約１ミクロンから約２５０ミクロンまでの範囲内である請求項２８に記載の構造体。
【請求項３５】
さらに前記の超伝導層に重ねられた少なくとも１つの安定化層を含んでいる請求項２８に記載の構造体。
【請求項３６】
前記の少なくとも１つの安定化層が超伝導層にそれぞれ重ねられた第１安定化層と第２安定化層をさらに含んでおり、前記少なくとも１つの安定化層の厚さが少なくとも５ミクロンである請求項３５に記載の構造体。
【請求項３７】
前記の第１安定化層の厚さが約０．１ミクロンから約１０．０ミクロンまでの範囲内である請求項３６に記載の構造体。
【請求項３８】
前記の第２安定化層の厚さが約１ミクロンから約１０００ミクロンまでの範囲内である請求項３６に記載の構造体。
【請求項３９】
前記の第２安定化層が電気めっきされる請求項３６に記載の超伝導体の物品。
【請求項４０】
前記の第１安定化層が貴金属を含む請求項３６に記載の構造体。
【請求項４１】
前記の貴金属がＡｇである請求項４０に記載の構造体。
【請求項４２】
前記の第２安定化層が、銅、アルミニウムおよびこれらの合金を含む群から選択される非貴金属を含む請求項３６に記載の構造体。
【請求項４３】
６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁界を前記の構造体の表面に垂直に印加し７７Ｋで測定した交流損失が１Ｗ／ｍ以下である請求項４２に記載の構造体。
【請求項４４】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、臨界温度Ｔcが約７７Ｋ以上である高温超伝導材料を含む請求項２８に記載の構造体。
【請求項４５】
前記のマルチフィラメント超伝導層がＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xを含んでおり、前記のＲＥが希土類元素である請求項２８に記載の構造体。
【請求項４６】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項４５に記載の構造体。
【請求項４７】
前記のバッファ層が、薄膜の面内方向および面外方向の両方にほぼ配向した結晶を有する二軸配向結晶薄膜を含んでいる請求項２８に記載の構造体。
【請求項４８】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが、マスクを介した蒸着、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スタンピング、パターニングおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されるプロセスによって前記の超伝導層に蒸着される請求項２８に記載の構造体。
【請求項４９】
前記のマスクを介して蒸着するためのプロセスが、スパッタリング法、化学蒸着法、ゾルゲルコーティング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション蒸着法からなる群から選択される請求項４８に記載の構造体。
【請求項５０】
前記の超伝導層が、真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法、スピンコーティング法、ベーキング法、パルスレーザー蒸着法、陰極アーク蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、液相エピタキシー法およびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項２８に記載の構造体。
【請求項５１】
前記の絶縁材料が、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ケイ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択したセラミック酸化物である請求項２８に記載の構造体。
【請求項５２】
基板を含み、少なくとも約１００ｍの長さを有する請求項２８に記載の構造体。
【請求項５３】
超伝導構造体の製造方法であって、
この方法は、基板と少なくとも１つのバッファ層とを含むバッファ付き基板を得るステップと、
バッファ付き基板の長さ方向に連続的に延び、抵抗が約１ｍΩｃｍ超える絶縁材料を含んだ少なくとも１本の絶縁体ストリップを前記のバッファ付き基板上に蒸着させるステップとを含み、
この少なくとも１本の絶縁体ストリップが互いに反対向きの第１表面と第２表面を有しその第１表面がバッファ付き基板に隣接するようにする
この方法はまた、前記のバッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させて、前記基板の長さ方向に連続して延び、少なくとも１本の絶縁体ストリップによって互いから分離され、実質的に平行な少なくとも２本の超伝導フィラメントを有する超伝導層を形成するステップを含み、
前記の絶縁体ストリップの前記の第２表面には前記の超伝導材料が実質的に無い方法。
【請求項５４】
前記の高温超伝導体が、６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁界を前記の構造体の表面に垂直に印加して７７Ｋで測定して１Ｗ／ｍ未満の交流損失で動作可能である請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記のバッファ付き基板に前記の超伝導材料を蒸着させて前記の超伝導層を形成するステップが、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xの層を蒸着するステップを含んでおり、前記のＲＥが希土類元素である請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記の超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが、そのマスクを介した蒸着、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スタンピング、パターニングおよびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記のマスクを介して蒸着するためのプロセスが、スパッタリング法、化学蒸着法、ゾルゲルコーティング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション蒸着法からなる群から選択される請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記の超伝導層が、真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法、スピンコーティング法、ベーキング法、パルスレーザー蒸着法、陰極アーク蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、液相エピタキシー法およびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】
高温超伝導構造体を製造する方法であって、
この方法は、基板と少なくとも１つのバッファ層を含むバッファ付き基板を得るステップと、
このバッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させて超伝導層を形成するステップと、
前記バッファ付き基板の長さ方向に連続的に延び、抵抗が約１ｍΩｃｍを超える絶縁材料を含んだ少なくとも１本の絶縁体ストリップを前記のバッファ付き基板上の超伝導材料に蒸着させるステップとを有し、
この少なくとも１本の絶縁体ストリップが互いに反対向きの第１表面と第２表面を有し第１表面が超伝導に隣接しており、
この方法はまた、バッファ付き基板上に超伝導材料上の少なくとも１本の絶縁体ストリップを熱処理し、その少なくとも１本の絶縁体ストリップの下に非超伝導材料を作り出すステップを有し、
形成された少なくとも２本の超伝導フィラメントが少なくとも１つの非超伝導領域によって互いから分離されている方法。
【請求項６１】
前記の高温超伝導体が、６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁場を前記の構造体の表面に垂直に印加して７７Ｋで測定して１Ｗ／ｍ以下の交流損失で動作が可能である請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
バッファ付き基板に超伝導材料を蒸着して超伝導層を形成する前記のステップが、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xの層を蒸着するステップを含み、前記のＲＥが希土類元素である請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
前記の超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが、そのマスク介した蒸着、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スタンピング、パターニングおよびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項６０記載の方法。
【請求項６５】
前記のマスクを介して蒸着させるためのプロセスが、スパッタリング、化学蒸着、ゾルゲルコーティング、真空蒸着、レーザーアブレーション蒸着からなる群から選択される請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記の超伝導層が、真空蒸着、スパッタリング、化学蒸着、スピンコーティング、ベーキング、パルスレーザー蒸着、陰極アーク蒸着、プラズマ化学気相蒸着、分子線エピタキシー法からなる群から選択したプロセスによって蒸着されている、ゾルゲル法、液相エピタキシーおよびこれらの組み合わせが挙げられる請求項６０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府支援の研究または開発に関する陳述
該当なし。
【０００２】
背景
発明の分野
本発明は高温超伝導体（ＨＴＳ）に関し、より具体的にはマルチフィラメントをもつ交流に耐え得る超伝導体とその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
高温超伝導（ＨＴＳ）には電気エネルギーを効率的に伝送、生成、変換、使用、保存する可能性が認識されている。具体的にいえば、高効率な電力システムは高効率な配線技術に依存している。これまでの進歩によって、脆いＨＴＳ材料でキロメートルオーダーの長さの線材を形成し、同じ物理的寸法を有する従来の銅やアルミニウムといった導体よりも約２００倍の電流を伝送することができるようになった。ＨＴＳ材料における最近の研究によって、このような材料を発電、送電、配電、蓄電など電力業界にける経済的に実現可能な用途への可能性がもたらされている。ＨＴＳデバイスを電力業界において使用できれば、従来の技術に比べて電力機器のサイズ（すなわちフットプリント）の大幅な削減、環境負荷の低減、安全性の向上、容量の増加につながるだろう。
【０００４】
これまでには２つの世代のＨＴＳ線材が開拓されてきた。第１世代（以下１Ｇ）のＨＴＳ線材は、一般的に貴金属（Ａｇなど）のマトリックスに埋め込まれるＢＳＣＣＯ高Ｔc超伝導体の利用を含んでいる。限定はしないが、１Ｇ線材は熱機械的プロセスによって製造することができ、銀のビレットに超伝導粉末を詰めて、抽き出し、圧延、熱処理して線材を形成する。１Ｇ線材には、材料（Ａｇなど）のコストが高く、処理操作が複雑で、高磁場・高温中では一般的に臨界電流性能が乏しいといった欠点があり、線材の長さが制限される。
【０００５】
第２世代（以下２Ｇ）のＨＴＳ線材処理は、ニッケル合金テープ材に多層に薄膜を蒸着する工程を伴う。臨界電流、すなわち超伝導体の最大電流を大きくするために酸化物バッファ層に単結晶状に超伝導膜をエピタキシャル成長させるが、多結晶の金属基板に蒸着する場合であっても単結晶状のテンプレートが得られる。特定の場合として、２ＧのＨＴＳテープ材はＹＢＣＯ被覆導体を採用することができる。
【０００６】
最近のＨＴＳ産業の焦点は、電流容量、線材製造の処理量を増加させ、製造コストを減少させることに当てられてきた。課題は、電力業界に利用して送電線や変圧器など送電網のための装置を構築することのできる、商業的に実現可能な高性能のＨＴＳ線材を製造することである。最近の試作によれば、ＨＴＳ線材が電力目的において大きな可能性をもつことが確認できただけでなく、広く実施するにあたってリスクをもたらす欠点に焦点が当てられてきている。
【０００７】
超伝導体は直流電流に対しては抵抗ゼロであるが、被覆導体の構造は、モーター、発電機、変圧器などの交流への応用向けに最適化されていない。超伝導体のヒステリシス損失は交流損失の主たる成分であってフィラメントの幅と反比例する。特に超伝導線材の幅対厚み比は大きいため、ＨＴＳ被覆導体が非常に大きなヒステリシス損失を示すこととなる。損失の大きさは交流電場の振幅と周波数によって変化するため応用目的によって異なる。銅安定剤を入れた典型的な２ＧのＨＴＳ線材は、６０Ｈｚ、１００ｍＴの垂直磁場中において１０ｋｍ以上にわたって交流損失が１００ｋＷの大きさとなることがある。
【０００８】
変圧器、発電機、モーターなどの交流電力への応用目的で使用するには、ＨＴＳ線材のヒステリシス損失を大幅に削減することが前提条件である。実際には交流損失によって極低温での負担が増加する結果となり、発電システムに対してリスクをもたらす。このリスクを軽減するためには冷却能力を高めたり無駄な冷却装置を用いたりする必要があり、このことは大幅にシステム全体のコストを増加させるとともに、この未成熟の技術を導入することに対して見逃すことのできない妨げとなっている。これらの理由から、商業的に実現可能な高性能で交流に耐え得るＨＴＳ線材を開発することができれば、超伝導製品を電力システムに応用する道を開く革新的な解決手段となるだろう。
【０００９】
超伝導層を、非超伝導性の電気抵抗をもった障壁によって隔離された多くのフィラメント状の超伝導構造体に分割すると、ヒステリシス損失を低減させることができることが知られている。従って、交流ヒステリシス損失を最小限に抑えるためには、テープ材の通電ＨＴＳ層を細長い線状の縞ないしフィラメントに細分化したマルチフィラメント導体を形成することが望ましい。このマルチフィラメント導体はヒステリシス損失を大幅に低減することが示されているが、マルチフィラメントを有する２ＧのＨＴＳ線材を工業生産にまで拡張するには多くの障壁をはらんでおり、ＨＴＳ線材の完全商業化までには開発上および製造上の課題が多く残されている。
【００１０】
交流損失の小さい２ＧのＨＴＳ線材の製造方法は、まず超伝導層を蒸着し、次にその超伝導層を（物理的または化学的手法により）エッチングして線条ないし連続フィラメントを作成することにより、超伝導材料と絶縁材料を複数のフィラメントに分割することである。エッチング液を使用すると、エッジが波打ったり、アンダーカットしたり、フィラメントが壊れたりして、必然的に超伝導材料の損傷につながる。フィラメント間の隙間が狭くなるとフィラメントの損傷が顕著になる。具体的にはフィラメントの損傷によってＨＴＳ線材の電流容量が大幅に減少する。また、フィラメントの損傷を避けるべくエッチングプロセスを変更すれば、フィラメント同士の分離が不完全な架橋部等が残ってフィラメント同士が結合する結果となって交流損失の低減が打ち消されることがある。実際に、エッチング後の隙間に少しでも超伝導体の残渣が残るとフィラメント同士が結合する可能性がある。この問題を回避するため隙間を広げると、それ以上に超伝導材料が除去されることとなって線材の電流容量が大幅に減少する。メートルオーダーなどの短い長さであってもこのようなマルチフィラメントを有する２ＧのＨＴＳ線材にはここで説明したような欠陥が含まれる。このように、連続的な超伝導の平行線を成す細いフィラメントが端から端までにわたっているようなキロメートルオーダーの２ＧのＨＴＳ線材を生産することが、超伝導線材の用途を電力システムにまで拡張するにあたり技術的な障壁となっている。
【００１１】
このように、商業的に実現可能な方法は、マルチフィラメントを有するＨＴＳの層を製造するためのエッチングを用いないプロセスによる交流に耐え得るＨＴＳ線材を製造するために存在していない。エッチングを用いない技術はいくつか提案されており、超伝導体を成長させる前に基板に傷を付ける方法（Foltynらの米国特許出願公開第２００７／０１９１２０２号）や、超伝導フィラメントをインクジェット印刷する方法(R. C. Duckworth, M. P. Paranthaman, M.S. Bhuiyan, F. A. List, and M. J. Gouge, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 3159 (2007))や、超伝導材料を滴下蒸着する方法（Rupichらの米国特許出願公開第２００６／００４０８２９号）がある。しかし、これらの技術ではフィラメント同士の意図しない結合が起き、交流損失の低減が貧弱で一貫せず、テープ材はメートルオーダーであっても利用することができず、キロメートルオーダーではなおさらである。このことは、マルチフィラメントを有するＨＴＳ線材を製造するための高度な精度および制御を提供することに加えて、エッチングを用いない技術を現在のＨＴＳ導体の製造技術と両立させる必要があり、これがＨＴＳテープ材内の磁束や電流の分布を制御するためにも不可欠であることを強調している。
【発明の概要】
【００１２】
簡単な概要
本発明の第１の態様によれば高温超伝導構造体が得られ、この構造体は、少なくとも１つのバッファ層が蒸着された基板を備えており、この基板はある長さと幅を有しその長さは少なくとも約１００ｍであり、この基板はまた寸法比が約１０3以上であり、この構造体はまた、前記の少なくとも１つのバッファ層上に超伝導層を備えており、この超伝導層は前記の基板の長さ方向に延びる少なくとも２つのほぼ平行な超伝導フィラメントを形成する超伝導材料を有しており、前記の少なくとも２つの超伝導フィラメントは互いに反対側を向いた第１表面と第２表面を有する少なくとも１つの絶縁体ストリップによって互いに分離されており、前記の第１表面はバッファ層に重なっており、前記の第２表面には前記の超伝導材料が実質的に無く、前記の少なくとも１つの絶縁体ストリップは前記基板の長さ方向に連続して延びており抵抗率が約１ｍΩｃｍより大きい絶縁材料を含んでいる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば高温超伝導構造体の製造方法が得られ、この方法は、基板と少なくとも１つのバッファ層とを含むバッファ付き基板を得るステップと、バッファ付き基板の長さ方向に連続的に延び、抵抗が約１ｍΩｃｍ超える絶縁材料を含んだ少なくとも１つの絶縁体ストリップを前記のバッファ付き基板上に蒸着させるステップとを含み、この少なくとも１つの絶縁体ストリップが互いに反対向きの第１表面と第２表面を有しその第１表面がバッファ付き基板に隣接するようにするこの方法はまた、前記のバッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させて、前記基板の長さ方向に連続して延び、少なくとも１つの絶縁体ストリップによって互いに分離され、実質的に平行な少なくとも２つの超伝導フィラメントを有する超伝導層を形成するステップを含み、前記の絶縁体ストリップの前記の第２表面が前記の超伝導材料を実質的に含んでいない方法。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は添付した図面を参照することによって良く理解することができる。
【図１】図１は本発明に係るマルチフィラメントを有するＨＴＳ構造体の例を示している。
【図２】図２は本発明の実施例の断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の実施例による超伝導フィラメントと絶縁体ストリップを交互に含んだ超伝導構造体の斜視図を示す。
【図４Ａ−Ｅ】図４Ａ〜Ｅは、本発明のひとつの実施形態によるマルチフィラメントを有するＨＴＳ構造体を製造するエッチングを用いない方法の手順を示す説明図である。
【図５】図５は、本発明のひとつの実施形態を本明細書で説明した通りに製造するプロセスを構成するステップの流れ図を示す。
【図６Ａ−Ｂ】図６Ａ〜Ｂは、本発明のひとつの実施形態によって、絶縁体ストリップと隣接する超伝導材料の両端コーティング材料とで差をつけた蒸着の写真を示す。
【図７Ａ−Ｂ】図７Ａ〜Ｂは、を垂直に貫通して流れる電流に対する絶縁体ストリップの抵抗をテストするために使用した本発明のひとつの実施形態、およびそこから生成された抵抗データを示す。
【図８Ａ−Ｂ】図８Ａ〜Ｂは、本発明のひとつの実施形態に係る銀キャッピング層の電着に影響を与える絶縁材料の微細構造を示す。
【図９Ａ−Ｂ】図９Ａ〜Ｂは、本発明の範囲外の材料、および絶縁材料の微細構造が本発明のひとつの実施形態に係る銀キャッピング層の電着に如何に影響を与えるを示している。
【図１０】図１０は、本発明のひとつの実施形態に係る、絶縁体ストリップからなるテープ材および金属基板にコーティングされた材料の断面を示している。
【００１５】
同じ参照符号が、図面の複数の部分や、異なる図面や、異なる実施形態で使用されているときは、本明細書に説明している類似ないし同一の項目を示す。図面を見ると分かるように、概して図は一定の縮尺で描かれておらず、また本発明の具体的な実施形態を説明するためのものであって本発明の範囲を限定することを意図していないものと理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
詳細な説明
概要
本発明は、マルチフィラメントを有する２ＧのＨＴＳ線材を製造するために遍く使用されてきたフィラメント状のエッチングプロセスを排除する。具体的には、本発明は、マルチフィラメントを有するＨＴＳ被覆導体およびエッチングを用いずにこれを作製する方法を対象としている。本発明のひとつの実施形態によれば、マルチフィラメントで交流に耐え得る超伝導体のエッチングを用いない作製方法は、超伝導材料を蒸着するステップの前に、少なくとも１本の絶縁フィラメントを蒸着するステップを含む。本発明の別の実施形態によれば、マルチフィラメントで交流に耐え得る超伝導体のエッチングを用いない作製方法は、少なくとも１本の絶縁フィラメントを蒸着するステップとその後の熱処理するステップとの前に、超伝導材料を蒸着するステップを含む。
【００１７】
マルチフィラメントＨＴＳ
図１は本発明の実施例によるマルチフィラメントを有するＨＴＳ構造体を示している。図１に示す実施形態では、超伝導フィラメント９１を絶縁体ストリップ２０と交互に備えたＨＴＳ導体２００を示している。図１に示す実施例では、「線材」ないし「テープ材」に沿う電流の流れ３００の方向と平行に超伝導フィラメント９１と絶縁体ストリップ２０が延びているのが示されている。何ら特定の理論によって制限を加えるものではないが、典型的なＨＴＳ導体２００は、ＨＴＳ「線材ないしテープ材」の電流容量を増大させ、交流抵抗損失を低減するために有用であるかもしれない。
【００１８】
本明細書において「線材」および「テープ材」という用語は互換性をもって使用しており、ケーブル、変圧器、発電機、送電網や、ある場所から別の場所に電力を送り、配電等の方法で複数の場所や機器に電力を供給する手段等の、超伝導デバイスの作製に有利な属性を持つＨＴＳ導体を意味する。例えば、テープ材や線材の幅は一般的に約０．０１ｃｍから約２０ｃｍまで、あるいは０．１ｃｍから約１５ｃｍまでのオーダーとすることができ、特定の場合としてテープ材や線材の幅は約０．４ｃｍから約１０ｃｍまでの間とすることもでき、テープ材の長さは典型的には少なくとも約１００ｍ、より典型的には少なくとも約５００ｍとし、約１ｋｍ以上のオーダーの長さとしてもよい。「テープ」や「テープ状」という用語は、長さ対幅比などの寸法比が大きく、約１０2以上、あるいは１０3以上のオーダーであるような物品を指す。テープ材や線材はまた、寸法比が約１０4を超えるものとしてもよく、さらなる例として寸法比を約１０5以上としてもよい。本明細書において「寸法比」という用語は、物品の最も長い寸法の、その次に長い寸法に対する比、例えば長さと幅の比を示すために使用する。
【００１９】
さらに、この物品は幅対厚さ比を１０以上、あるいは１０2以上、さらには約１０3を超えるものとしてもよく、特定の場合としてテープ材や線材の物品は幅対厚さ比を約１０5以上としてもよい。理論的に制限を加えるものではないが、本明細書で用いられる場合、寸法比が大きく（例えば１０2より大きく）、幅対厚さ比が大きい（例えば１０より大きい）ものが「テープ材」ないし「テープ状」であると考えてもよい。
【００２０】
図２は本発明のひとつの実施形態に係る多層構成を有するＨＴＳ導体２００の断面図である。図２にはまた、基板６０の表面６１のうち超伝導層９０間の位置に乗っている複数本の絶縁体ストリップ２０が示されている。本発明によればＨＴＳ導体２００は概して基板６０と、基板６０の表面６１に重ねられた少なくとも１つのバッファ層５０と、少なくとも１つのバッファ層５０の表面５１に重ねられた超伝導層９０とを備えている。超伝導層９０は第１安定化層またはキャッピング層７０がその上に蒸着している。本発明の他の実施例によれば、第２安定化層８０は、超伝導層９０に重なるように組み込んでもよいし、特にキャッピング層７０に重ねて接するように組み込んでも良い。場合によっては、第２スタビライザー層８０はキャップ層７０と直接接触させてもよい。
【００２１】
図３に示すように、本発明によれば、ＨＴＳ導体２００は、少なくとも１本の絶縁体ストリップ２０をさらに備えており、あるいはＨＴＳ導体２００は複数本の絶縁体ストリップ２０を備えている。絶縁体ストリップ２０は、前述の通りＨＴＳ導体２００の長さ方向に連続的に延びるフィラメント状構造や他の構造であってもよい。絶縁体ストリップ２０は互いにほぼ平行に配置され、ＨＴＳ導体２００内の電流の流れ３００とほぼ平行に配置されている。
【００２２】
少なくとも１本の絶縁体ストリップ２０はＨＴＳ導体２００の長さ方向に延びていることが好ましい。例えば絶縁体ストリップ２０の長さは少なくとも約１００ｍあるいは約５００ｍとすることができ、特定の場合として絶縁体ストリップ２０の長さは約１ｋｍ以上の長さとしてもよい。何ら理論によって制限を加えるものではないが、絶縁体ストリップ２０は凡そＨＴＳ導体２００の長さに対応するものと理解できる。代替的な実施形態としては、絶縁体ストリップ２０を導体２００の長さ未満とする。絶縁体ストリップ２０の幅は約１ミクロンから約２５０ミクロンの範囲内、あるいは絶縁体ストリップの幅は約１０ミクロンから約２００ミクロンの間であり、特定の場合として約１５ミクロンから約１００ミクロンとする。さらに、特定の場合として、絶縁体ストリップ２０の幅は交流損失を最小限に抑えながら臨界電流密度を最適化するように選択される。
【００２３】
図１から図３までに示すように、実施例として、絶縁体ストリップ２０は少なくとも１つのバッファ層５０の表面５１に蒸着される。場合によっては、絶縁体ストリップは２０は超伝導層９０を複数の超伝導フィラメント９１に分割して超伝導フィラメントの並びを形成するようになっている。超伝導フィラメント９１は、超伝導材料と共に、絶縁体ストリップ２０と同様にＨＴＳ導体２００の長さ方向にほぼ平行に連続的に延びる超伝導フィラメント９１とを備えている。フィラメント９１の幅は限定されないが、当業者であれば理解できるように、交流損失を最小限に抑えつつ臨界電流密度を最適化するように選択できる。
【００２４】
絶縁体ストリップ２０の示す超伝導性は十分に低下しているかあるいはゼロであり、超伝導フィラメント９１を分離して交流損失を低減するようになっている。場合によっては、絶縁体ストリップ２０によって超伝導フィラメント９１同士の電気的結合が防止される。少なくとも１本の絶縁体ストリップ２０は電流に対して高い抵抗率を示す絶縁材料を含むものとし、超伝導フィラメント同士を非結合状態に維持する。適切な絶縁材料は限定しないが、例としてはマグネシウム系、亜鉛系、鉄系、モリブデン系材料が含まれる。本発明のひとつの実施例として、絶縁材料の抵抗率は約１ミリオーム・センチメートル（ｍΩ・ｃｍ）を超えるものとする。また、当業者であれば理解できることだが、用途に適した抵抗率であればいかなるものも制限なく本発明の範囲内にある。特定の場合として、絶縁体ストリップ２０の絶縁材料は、超伝導膜のコーティング処理を施した際に超伝導性物質を形成しないような酸化物としてもよい。非限定的な例として、絶縁材料は、酸化マグネシウムなどのセラミック酸化物や、用途に適した他の酸化物を含むものとしてもよい。さらに別の実施形態として、絶縁材料は、非超伝導性で、低伝導性の導体で、超伝導膜のコーティング処理を施した際に超伝導材料を形成しないような非セラミック材料としてもよい。
【００２５】
本発明の実施形態として、ＨＴＳ導体２００は特定の性能パラメータを有する。実施例によっては、ＨＴＳ導体は、７７ケルビン（Ｋ）において、少なくとも１０メートルの長さにわたり、臨界電流が少なくとも２００Ａ／ｃｍとする。また、ＨＴＳ導体２００は、１００ｍＴの交流磁界と６０Ｈｚの周波数を導体２００の表面に垂直に印加して７７Ｋで測定したとき、約１Ｗ／ｍ未満の交流損失を示すものとする。
【００２６】
図４Ａから図４Ｅまでは、本発明に従ってマルチフィラメント交流に耐え得る導体を製造するための連続したステップを示す説明図である。材料およびこれを蒸着させるための方法の非限定的な例を以下に説明する。図４Ａを見ると分かるように、ＨＴＳ導体２００を作製するには、まず基板６０にバッファ５０を蒸着させてバッファ付き基板１００を形成する。本明細書ではこの予備的なステップを詳細に説明しているが、これは限定的なものではなく、当該技術分野で、あるいは当業者に一般的に知られているバッファ付き基板１００の製造方法を用いることができるものと理解されたい。さらに本発明は、本明細書で説明した特定の実施形態のバッファ付き基板１００に限定されない。基板６０はＨＴＳ導体２００の支持体となる。基板６０は、金属、多結晶セラミックス、合金あるいはこれらの改変物、またはこれらを組み合わせたものとしてもよい。ひとつの実施例として基板６０を金属とし、特定の場合として基板６０を少なくとも２金属の合金、例えばＮｉ系合金とすることができるが、これに限定しない。当業者であれば理解できることだが、基板材料は超伝導物品の使用目的によって異なるため、本発明にとっては重要ではないであろう。基板６０の作製は、例えばリール・ツー・リール法等、任意の適当な移送プロセスを用いて行うことができるが、これに限定しない。
【００２７】
以上に開示したように、基板６０の厚さは用途に応じて異なる。しかし基板６０は典型的にはテープ形状であり寸法比が大きい。基板６０は、ＨＴＳテープ材の構成層をその後に蒸着するのに望ましい表面特性を有するように処理することができる。例えば、所望の平面度と表面粗さとなるまで表面を軽く研磨してもよい。さらに、前記基板は二軸配向するように処理することができる。二軸配向基板を形成するためのひとつのプロセスの例として、当業者であれば理解していることだが、ＲＡＢｉＴＳ法、すなわち圧延による二軸配向基板法がある。
【００２８】
バッファ層５０は基板６の表面６１に配置されている。バッファ層５０は単層であってもよく、あるいは少なくとも１枚の追加の薄膜を用いて作ることもできる。場合によってバッファ層５０にはその後のＨＴＳ層の形成に適した任意の二軸配向薄膜が含まれる。特定の場合として、バッファ層５０は、優れた超伝導特性を得るべく望ましい結晶方位を持つようにＨＴＳ層を支持している。このような二軸配向組織化がイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ）によって達成できることは当該分野で理解されており、米国特許第６１９０７５２号で定義および説明されている通りであるので、この文献を本明細書にあらゆる目的で文献援用する。何ら理論によって制限を加えるものではないが、ＭｇＯはＩＢＡＤ膜を形成するためのひとつの材料である。特定の実施形態として、バッファ層５０は、例えばＩＢＡＤ薄膜からなるものとすることができるがこれに限定されず、そのオーダーは約５０オングストロームから約５００オングストロームとすることができ、あるいは約５０オングストロームから２００オングストローム、さらに場合によっては約５０オングストロームから約１００オングストロームとすることができる。具体的には示さないが、バッファ層５０にはまた追加のフィルムを含めることで、エピタキシャル膜から基板６０を分離したり、ＨＴＳ層とエピタキシャル膜との間の格子定数のミスマッチを減らしたりしてもよい。特定の場合として、基板６０が二軸配向面を有する場合、バッファ層５０を配向基板６０にエピタキシャル成長させて、バッファ層５０の二軸配向性が維持されるようにしてもよいが、これに限定しない。
【００２９】
図４Ｂを見ると分かるように、バッファ付き基板１００の表面に絶縁体ストリップ２０が蒸着されている。本発明に従って、絶縁体ストリップ２０は、静止または移動するバッファ付き基板１００にマスク１１０を介して、化学的蒸着法または物理的蒸着法のいずれかによって蒸着させることができ、あるいはインジェクト印刷、スクリーン印刷などの印刷技術によって蒸着させることができる。理論的に制限を加えるものではないが、絶縁体ストリップ２０は以上に説明した任意のものとしてよく、当業者に公知の任意の方法によって形成することができる。
【００３０】
本発明の実施例として、絶縁体ストリップを蒸着するためのひとつの方法として、マスク１１０を使用してもよい。バッファ付き基板１００の表面に少なくとも１本の絶縁体ストリップ２０を蒸着させるため、バッファ付き基板１００をマスク１１０の下で移動させながら、マスク１１０の開口部を通して絶縁材料を蒸着させる。マスク１１０はバッファ付き基板１００の表面に接触させるのではなく、表面に近接させた状態とするのが好ましい。絶縁材料は、蒸着技術として例えば磁気スパッタリングを利用して、マスク１１０を通して蒸着ゾーンに蒸着される。この技術を使用すると、約１ミリトル（約０．１３Ｐａ）未満の作動圧力で絶縁材料を蒸着させることができる。何ら理論によって制限を加えるものではないが、可能な限り低い作動圧力を用いることでエッジが明瞭で鋭い絶縁体ストリップ２０を得ることができる。マスク１１０を介した絶縁体ストリップの蒸着も限定はしないが、当業者に知られている他の蒸着法を用いて行うことができる。
【００３１】
絶縁材料を蒸着する前にマスク１１０をバッファ付き基板１００の表面に物理的に取り付ける技術を使用することもでき、その後は絶縁体ストリップ２０の蒸着が完了したときにマスク１１０を表面から持ち上げるステップを行う。さらに特定の場合として、絶縁体ストリップ２０は一般的に厚さを約０．５から約３０ミクロンまでの範囲内とし、最も典型的には約２から約２０ミクロンまで、好ましくは本明細書で以前に開示したように約１から約１０ミクロンまでの範囲内とする。以上のことから、図４Ｃはマスク１１０を除去した後の絶縁体ストリップ２０を備えたバッファ付き基板１００を示しているものと理解できる。
【００３２】
次に、図４Ｄに示すように、バッファ付き基板１００に材料を蒸着して超伝導層９０を形成する。本発明によれば、超伝導層９０を蒸着する際、材料はバッファ付き基板１００の表面５１の露出している部分のみに重なる。絶縁体ストリップ２０に重なった材料は抵抗が大きく超伝導特性を全く持たないものとなる。絶縁体ストリップ２０間で基板の表面５１にある材料のみが超伝導体であり、結果としてＨＴＳ導体２００のフィラメント化を制御して次の図４Ｅに符号９１で示すような超伝導フィラメントを作ることができる。絶縁体ストリップ２０間にある表面５１に超伝導材料が蒸着するることで、超伝導フィラメント９１同士が電気的に結合するのを防ぐことができる。マルチフィラメント超伝導体２００の利点を得るためには、本発明において超伝導フィラメント９１同士が結合していない、すなわち電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００３３】
本発明の方法は任意の既知のＨＴＳ材料を用いて実施することができる。本発明の実施に重要ではないが、超伝導層９０の厚さは一般的に約１から約３０ミクロンまでの範囲内、最も典型的には約２から約２０ミクロンまでの範囲内、好ましくは約２から約１０ミクロンまでの範囲内とすることにより、望ましい定格電流を得ることができる。超伝導層９０は、液体窒素温度７７Ｋを超える温度で超伝導特性を示す高温超伝導材料のいずれかを選択することができ、好ましくは酸化物超伝導体とする。ひとつの材料群としてＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xとその関連化合物が含まれ、ここでＲＥは例えばＹのような希土類元素とする。このような材料はまた、例えばＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yを含んでもよい。このうち、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xは一般的にＹＢＣＯとも呼ばれ、特定の場合として利用することができる。また、超伝導層９０の蒸着は当業者に知られている用途に適した任意の蒸着プロセスを用いて行うことができ、限定はしないが、例えば厚膜・薄膜成形技術の両方を採用することができる。
【００３４】
何ら理論によって制限を加えるものではないが、超伝導材料は絶縁体ストリップ２０ではなくバッファ付き基板１００の表面５１に優先的に連続的にコーティングされることから、本作製技術によれば一定の利点が得られ、長尺に拡張することが容易になる。すなわち、超伝導材料は絶縁体ストリップ２０を連続的な膜でコーティングしないため、ここで説明した通り、研磨・エッチングにより絶縁体ストリップ２０の表面から超伝導材料を除去するという前記の作製方法にあったようなステップを導入する必要はない。もし必要であるにもかかわらずそれが成されなかったとすれば、結果として超伝導フィラメント９１同士が結合し、本明細書に開示するマルチフィラメントＨＴＳ導体２００を作製する利点が打ち消されることとなるだろう。
【００３５】
図４Ｅに示すように、本分野で公知の電着技術を使用して超伝導フィラメント９１を表面に第１安定化層ないしキャッピング層７０を蒸着することができ、続いて第２安定化層８０を電着する。キャッピング層７０および第２安定化層８０は一般に電気的な安定化のために施されている。具体的には、冷却が上手くいかなかったり臨界電流密度を超えたりして超伝導フィラメント９１が超伝導状態から脱して抵抗を持つようになった場合に、キャッピング層７０と第２安定化層８０の両方によって電荷がＨＴＳ導体２００を継続的に流れる助けをする。
【００３６】
本発明において、超伝導フィラメント９１の抵抗率は絶縁体ストリップ２０よりも桁違いに小さい。したがって、超伝導フィラメントと絶縁体ストリップとを交互に有するＨＴＳテープ材２００の構造は、キャッピング層７０と安定化層８０を超伝導フィラメント９１のみに優先的に電着させるための予備的な手段となっている。このようにして、本発明によれば超伝導フィラメント同士が如何様に結合するのも回避でき、交流損失が小さいというフィラメント化の利点が維持される。理解できるように、キャッピング層７０に貴金属を利用することで安定化層８０とＨＴＳ層９１とが不必要に相互作用するのを防ぐことができる。典型的な貴金属としては、これらに限定はしないが、金、銀、白金、パラジウム、およびこれらを組み合わせたものが含まれる。特定の場合として銀を使用することで、コストを削減するとともに一般への入手可能性を向上させることができる。キャッピング層７０は、コスト上の理由から薄く、しかも安定化層８０の成分が不必要にＨＴＳ層９１へと拡散するのを防ぐのに十分な厚さとするのが好ましい。キャッピング層７０の厚さは限定しないが、典型的には約０．１ミクロンから約１００ミクロンの範囲内とし、場合によっては約０．１ミクロンから約１０ミクロンの範囲内とし、特定の場合としては約１．５ミクロンから約３．０ミクロンとする。
【００３７】
再び図４Ｅを見て分かるように、第２安定化層８０を蒸着することもできる。第２安定化層８０は銅が好ましく、厚い安定剤として機能する。本発明によれば、このような電気めっきなどの電気化学的蒸着技術を使用し、適当な安定剤で導体２００を完全にコーティングして包み込むことで、キャッピング層７０の露出した領域に第２安定化層８０を形成することができる。安定化層内に十分な電流容量を得るためには、第２安定化層８０の厚さは典型的には約１から約１，０００ミクロンの範囲内であり、最も典型的には約１０から約４００ミクロンの範囲内であり、例えば約１０から約２００ミクロンとする。特定の実施形態では公称厚さが約２０ミクロンから約５０ミクロンの範囲内であったが、これに限定はしない。
【００３８】
ひとつの実施形態の特定の特徴によれば、米国出願公開第２００６／００７９４０３号（シリアル番号１１／１３０，３４９）で定義および説明されている電気めっき技術を用いて安定化層８０を形成することができ、これを本明細書に文献援用する。キャッピング層７０は導電性をもつため、この技術によれば、電気めっきを速い蒸着速度で、典型的には毎分１ミクロン以上の速度で行って、厚い安定化層８０を素早く超伝導テープ材に作り上げることができる。具体的には、キャッピング層７０は、その上に銅や他の金属を蒸着するためのシード層として機能する。以上では概して銅について述べたが、アルミニウム、銀、金など熱的・電気的伝導性を有するもの等の金属を、安定化層８０を形成するための二次安定剤としても利用できることに留意されたい。しかし一般的には、非貴金属を利用することで超伝導テープ材の形成にかかる全体的な材料コストを低減するのが望ましい。ここで開示した特定の場合としては標準的な電気めっき技術に触れたが、利用の電気化学蒸着法については特に制限はない。本発明によれば、安定化層８０を基板両側の２つの最大面の一方に重ねたり、最大面の両方に重ねたり、基板とバッファ層と超伝導層とを完全に包み込んだりしてもよい。しかし、絶縁体ストリップ２０は抵抗が高いことに起因して安定化層でコーティングされない。絶縁体ストリップ２０をコーティングされないように残すことによって、超伝導フィラメント同士の結合が妨げられる。
【００３９】
上述のように、完全にエッチングを用いないプロセスは、堅牢かつ高収率で長く拡張することができるマルチフィラメントを有する２ＧのＨＴＳ線材を作製することが可能である。本発明の具体的な実施形態によれば、ＨＴＳテープ材２００には幅４００μｍの超伝導フィラメント９１と幅１００μｍの絶縁体ストリップ２０が設けられている。この実施形態では超伝導体断面の約２０％が電流を流すために使用できない。電流容量を最大にするためには、絶縁体ストリップ２０の幅を最小にすればよい。このことから、本発明の好ましい実施形態としてＨＴＳテープ材２００は幅１０μｍの絶縁体ストリップ２０で区切られた幅１００μｍの超伝導フィラメント９１を備えており、結果として交流損失低減係数が４０であって臨界電流が１０％しか減少しない。本発明のさらなる実施形態として、交流損失をさらに低減した超伝導構造体を作製できる。例えば、ひとつの実施形態として、絶縁体ストリップ２０に強磁性材料を組み込むことにより交流損失をさらに低減する。上述のようなエッチングを用いない新しい作製プロセスのひとつの実施形態を構成する個々のステップのフローチャートを図５に示す。
【００４０】
図６Ａおよび図６Ｂに本発明の実施形態のミクロ構造の写真を示す。具体的には、図６Ａは、本発明の実施形態の一部を５００倍に拡大したものを示しており、具体的には絶縁体ストリップ２０とその両側の超伝導層９０および関連する遷移層１０を示している。図６Ｂは、同じ材料を３５００Ｘ倍に拡大したものを示しており、超伝導層９０と絶縁体ストリップ２０およびこれらの間の遷移部１０のミクロ構造の詳細を示している。超伝導体を蒸着した後のコーティング材料の差別化された組織がはっきりと示されている。
【００４１】
図７Ａおよび図７Ｂにテープ材２０１本発明のひとつの実施形態の抵抗率試験の結果を示す。具体的には、図７Ａには開示すなわち、絶縁体ストリップ２０と超伝導フィラメント９１を交互にのテープ材２０１の交互繊維状構造を示している。現在３００が流れていない時に、フィラメント９１が延びる方向と動作時の電流の流れ３００の方向とに垂直に、電圧を変化させながら、テープ材２０１の両面に、つまりテープ材２０１を貫くように印加した。電流の結果は、図７Ａの矢印で示す電流の流れ６００の方向で、例えば、開示線材やテープ材２０１の両端で測定した。図７Ｂは、抵抗率のデータのプロットを示しており、絶縁材料２０には超伝導材料が含まれておらず、電流が流れたとしても１０ｎＡ程度であろうということが判明したことを示しており、テープ材２０１は約５４ｍΩの抵抗を有していた。
【００４２】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の範囲内でコーティングされた材料の微細構造と、この構造がその後に銀を材料に電着することに対していかにして影響を及ぼすかを示している。図８Ａは酸化マグネシウムからなる絶縁体ストリップにコーティングされた材料の微細構造を、図８Ｂはその材料に銀を電着した結果を示している。銀は、材料の超伝導部分９１に強く付着している一方で、絶縁体ストリップ２０にコーティングされた抵抗の大きい材料に付着しなかったことが明らかに確認できる。
【００４３】
図９Ａおよび図９Ｂは、コーティングされた材料の微細構造と、この構造がその後に銀を材料に電着することに対していかにして影響を及ぼすかを示している。具体的には、図９Ａはイットリアからなる絶縁体ストリップ２０にコーティングされた材料の微細構造を、図９Ｂはその材料に銀を電着した結果を示している。図８Ｂに示す材料と比べて、銀は材料の全体にわたってはるかに自由に付着していることが明らかである。イットリアでコーティングされた材料は抵抗が小さいため、銀が材料の超伝導領域９１・絶縁領域２０の両方に付着して超伝導フィラメント同士を結合させてしまい、フィラメント構造が交流損失低減に役立たない。
【００４４】
図１０は、酸化マグネシウムからなる絶縁体ストリップ２０と金属基板６０にコーティングされた材料とからなるテープ材の断面を示している。絶縁体ストリップ２０に隣接する遷移領域１０も示されている。
【００４５】
図１１を見て分かるように、本発明の別の実施例として、絶縁体ストリップ２０は、バッファ５０でコーティングされた基板６０にではなく、超伝導層９０にコーティングされていることが理解できる。超伝導層９０には、本明細書に開示したバッファ付き基板上の絶縁体ストリップ２０に使用されるものと同じ材料をコーティングすることができるが、これに限定しない。この別の実施例では、超伝導層９０に絶縁体ストリップ２０を蒸着した後に、テープ材４００に熱処理を施して、絶縁層２０の構成成分が直下の超伝導層９０に拡散するのを促進する。このような熱処理の温度は、約３００℃から約９００℃、あるいは約４００℃から約７００℃の範囲とすることができる。特定の場合として、この熱処理の時間は約１０分から約２０時間の範囲とすることができる。当業者によって理解されるように、熱処理時間は、絶縁材料と、超伝導材料と、熱処理温度に達するまでの温度変化の速度制御とに、少なくとも部分的に依存する。何ら理論によって制限を加えるものではないが、この熱処理の間に絶縁体ストリップの下に超伝導膜があることは有害な影響を及ぼし、非超伝導性の材料１９０へと変化することとなる。
【００４６】
ここで説明した代替的な方法によれば、図１１に示したＨＴＳ線材あるいはテープ構造体４００を製造するための追加の方法が得られる。超伝導フィラメント９０は本発明に従って非超伝導材料１９０で区切られている。熱処理の後、安定化層７０は、本明細書で前に説明した通り、電着などのプロセスによってテープ材に蒸着される。非超伝導材料１９０の頂上の絶縁体ストリップ２０は抵抗が大きいため、銀は超伝導フィラメント９０にのみコーティングされ絶縁体ストリップ２０にはコーティングされない。次に用いる安定化被覆８０は、厚い銅に限らず、本明細書で前に説明した通り、電着などのプロセスによってテープ材４００に蒸着させることができる。繰り返すが、非超伝導材料１９０の頂上の絶縁体ストリップ２０は抵抗が大きいため、銅は銀が重ねられた超伝導フィラメント９０にのみコーティングされ、絶縁体ストリップ２０にはコーティングされない。したがって、この代替的な実施形態よってもまた、いかなるエッチングを用いることなく完全に縞状の安定化層とマルチフィラメント超伝導体４００を作製することができる。
【００４７】
このように、何ら理論によって制限を加えるものではないが、前記の構造体は図１１に示すように一連の層を含んでもよい。再び図１１を見て分かるように、多層構成を有するＨＴＳ導体４００の断面図。場合によって、超伝導層９０は少なくとも１つのバッファ層５０に蒸着される。本明細書に説明したように、絶縁体ストリップ２０は熱処理する前に超伝導層９０に蒸着させることができる。熱処理した後では、非超伝導材料１９０が超伝導層９０の中に形成されている。このように、本発明によれば、概してＨＴＳ導体４００は、基板６０と、この基板６０の表面６１に重ねられた少なくとも１つのバッファ層５０と、この少なくとも１つのバッファ層５０の表面５１に重ねられた超伝導層９０とを備えている。超伝導層９０は、第１安定化層ないしキャッピング層７０がその上に蒸着している。前に説明した本発明の別の実施形態によれば、第２安定化層８０を組み込んで超伝導層９０に重ねてもよく、特にキャッピング層７０に重ねて接触させてもよい。場合によっては、第２安定化層８０はキャッピング層７０と直接接触している。
【００４８】
本明細書に開示された実施形態の利点はエッチングを用いないことによって得られるのではあるが、エッチングのステップを少なくとも１回利用することで、絶縁マイクロフィラメントや超伝導マイクロフィラメントの欠陥、成膜の欠陥、汚染を除去し、そして一般的に本発明で開示されたマルチフィラメント構造とその作製方法を改善できることは当業者であれば理解できるであろう。このようなエッチングのステップは、これらに限定するわけではないが、例えばＨＴＳ導体２００の品質管理、形成後の修理、改装の手段として本発明の範囲内に含めることができることは当業者であれば認識することができる。さらにＨＴＳ導体２００は、これらに限定するわけではないが、例えば電力ケーブル、変圧器、発電機、送電網などの商用電力機器に組み込んで、様々な応用目的で用いることができることは当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００４９】
少なくとも１つの実施形態を開示したが、当該分野の通常の技術を有する者が、この実施形態や実施形態の特徴を変形したり、組み合わせたり、修正を添加したりすることは、本発明の範囲内にある。実施形態の特徴を組み合わせたり、統合したり、省略したりして得られる別の実施形態もまた、本発明の範囲内にある。数値の範囲ないし限定が明示的に記載されている箇所では、そうした明示的な範囲ないし限定にはこの明示的に記載された範囲ないし限定内に収まる均等な大きさの範囲ないし限定が反復して含まれる（例えば、約１から約１０までには２、３、４等が含まれ、０．１より大きいものには０．１１、０．１２、０．１３等が含まれる）ものと理解されたい。例えば、下限Ｒｌと上限Ｒｕを有する数値的な範囲が開示されているときは常に、その範囲内に入る任意の数がその特別な場合として開示されていることとする。具体的にはその範囲内にある以下の数Ｒが特別な場合として開示されていることとする。ここで、Ｒ＝Ｒｌ＋ｋ×（Ｒｕ−Ｒｌ）で、ｋは１パーセントの増分で１パーセントから１００パーセントまでをわたる変数、すなわち１パーセント、２パーセント、３パーセント、４パーセント、５パーセント、・・・、５０パーセント、５１パーセント、５２パーセント、・・・、９５パーセント、９６パーセント、９７パーセント、９８パーセント、９９パーセント、１００パーセントである。さらに、上で定義した数Ｒを２つ用いて境界を定めた任意の数値範囲も、その特別な場合として開示されていることとする。請求項の任意の構成要素について使用している「必要に応じて（optionally）」という用語は、その要素が必要であったり必要ではなかったりすることを意味しており、このいずれもが請求項の範囲に含まれることを意味している。「備える、含む、有する（comprises, includes, having）」等の広義の用語の使用は、「〜からなる（consisting of）」、「本質的に〜からなる（consisting essentially of）」、「実質的に〜から構成されている（comprised substantially of）」、等の狭義の用語をサポートしていると理解されたい。したがって、保護の範囲は前述の説明によって制限されず、後記の特許請求の範囲によってのみ定まり、この範囲は特許請求の範囲の対象事項のすべての均等物を含む。いかなる請求項もさらなる開示として本明細書中に援用し、特許請求の範囲は本発明の実施形態とする。本明細書中での参考文献の議論は、特に本願の優先日以降の刊行日を有する参考文献について、それが先行技術であると認めるわけではない。本明細書に引用したすべての特許、特許出願、および出版物は、本発明を補足する例示的、手続的その他の詳細となる範囲で参照して援用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある長さと幅を有しその寸法比が約１０2以上である基板に少なくとも１つのバッファ層が蒸着されており、
この少なくとも１つのバッファ層上に前記の基板の長さ方向に延びる少なくとも２本のほぼ平行な超伝導フィラメントを成す超伝導材料で構成された超伝導層があり、
抵抗率が約１ｍΩｃｍより大きい絶縁材料を含む少なくとも１本の絶縁体ストリップが前記の基板の長さ方向に連続して延びている、超伝導構造体。
【請求項２】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが互いに反対側を向いた第１表面と第２表面を有し、その第１表面が前記のバッファ層に重なり、第２表面に前記の超伝導材料が実質的に存在せず、前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントが前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップで分断されている請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３】
前記の超伝導層が前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントの間に非超伝導領域を有しており、この非超伝導領域に前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが蒸着されている請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項４】
前記の少なくとも２本の超伝導フィラメントが熱処理による材料の除去によって切り離されており、少なくとも長さ１０メートルにわたって臨界電流が少なくとも２００／ｃｍであるか、幅が少なくとも約５０μｍであるか、長さが少なくとも約１００ｍであるかのいずれかの性質を有する請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項５】
前記の絶縁材料が、強磁性材料を含んでおり、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化クロム、酸化ケイ素およびこれらの組み合わせからなる群から選択したセラミック酸化物を含んでいる請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項６】
前記の絶縁体ストリップの厚さが約０．５から約３０ミクロンまでの範囲内であり、幅が約１ミクロンから約２５０ミクロンまでの範囲内である請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項７】
前記の超伝導層に貴金属を含んだ少なくとも１つの安定化層が重ねられており、
この少なくとも１つの安定化層の厚さが約０．１ミクロンから約１０．０ミクロンまでの範囲内であり、前記の構造体を包み込む第１側面と第２側面を形成するように延びている請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項８】
前記の少なくとも１つの安定化層がさらに前記の超伝導層に重ねられた外部安定化層を含んでおり、
この外部安定化層が銅、アルミニウムおよびこれらの合金を含む群から選択される電気めっきされた非貴金属を含んでおり、厚さが約１ミクロンから約１０００ミクロンまでの範囲内である請求項７に記載の超伝導構造体。
【請求項９】
６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁界を前記の構造体の表面に垂直に印加し７７Ｋで測定した交流損失が１Ｗ／ｍ未満である請求項８に記載の超伝導構造体。
【請求項１０】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、臨界温度Ｔcが約７７Ｋ以上である高温超伝導材料を含む請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項１１】
前記のマルチフィラメント超伝導層がＲＥを希土類元素とするＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xを含む請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項１２】
前記のマルチフィラメント超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項１１に記載の超伝導構造体。
【請求項１３】
前記のバッファ層が、薄膜の面内方向と面外方向の両方にほぼ配向した結晶を有する二軸配向結晶薄膜を含む請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項１４】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが、マスクを介した蒸着、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スタンピング、パターニングおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されるプロセスによって前記の超伝導層に蒸着される請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項１５】
前記のマスクを介して蒸着するためのプロセスが、スパッタリング法、化学蒸着法、ゾルゲルコーティング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション蒸着法からなる群から選択される請求項１４に記載の超伝導構造体。
【請求項１６】
前記の超伝導層が、真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法、スピンコーティング法、ベーキング法、パルスレーザー蒸着法、陰極アーク蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、液相エピタキシー法およびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項１７】
基板と少なくとも１つのバッファ層とを含むバッファ付き基板を設けるステップと、
このバッファ付き基板の長さ方向に連続的に延び抵抗率が約１ｍΩｃｍ超える絶縁材料を含んだ少なくとも１本の絶縁体ストリップを前記のバッファ付き基板上に蒸着して、その少なくとも１本の絶縁体ストリップが互いに反対側を向いた第１表面と第２表面を有しその第１表面が前記のバッファ付き基板に面するようにするステップと、
前記のバッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させて、前記基板の長さ方向に連続して延び前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップで互いから分断された実質的に平行な少なくとも２本の超伝導フィラメントを有する超伝導層を形成し、前記の絶縁体ストリップの第２表面に超伝導材料が実質的に存在しないようにするステップとを含む、
超伝導構造体を製造する方法。
【請求項１８】
前記の高温超伝導体が、６０Ｈｚの周波数で１００ｍＴの交流磁界を前記の構造体の表面に垂直に印加して７７Ｋで測定して１Ｗ／ｍ未満の交流損失で動作が可能である請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
バッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させて超伝導層を形成する前記のステップが、ＲＥを希土類元素とするＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xの層を蒸着するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記の超伝導層が、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+y、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+yおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記の少なくとも１本の絶縁体ストリップが、マスクを介した蒸着、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スタンピング、パターニングおよびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
マスクを介して蒸着するための前記のプロセスが、スパッタリング法、化学蒸着法、ゾルゲルコーティング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション蒸着法からなる群から選択される請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記の超伝導層が、真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法、スピンコーティング法、ベーキング法、パルスレーザー蒸着法、陰極アーク蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、液相エピタキシー法およびこれらの組み合わせからなる群から選択したプロセスによって蒸着される請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１本の絶縁体ストリップを蒸着する前にバッファ付き基板に超伝導材料を蒸着させる前記のステップを行い、
前記のバッファ付き基板上の超伝導材料上にある少なくとも１本の絶縁体ストリップを熱処理してその絶縁体ストリップの下に非超伝導材料を設け、形成された少なくとも２本の超伝導フィラメントが少なくとも１つの非超伝導領域で互いから分断されるようにするステップを有する請求項１７に記載の方法。
【国際調査報告】
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