(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）高温超伝導体層をそれぞれ含む接合対象となる２本のＲｅＢＣＯ高温超伝導体を用意する段階；
（ｂ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれの接合部位にホールを加工する段階；
（ｃ）エッチングを通して前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれの接合部位のＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を露出させる段階；
（ｄ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層のそれぞれの露出面が互いに直接接触したり、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層のそれぞれの露出面が第３のＲｅＢＣＯ高温超伝導体のＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の露出面に直接接触したりするように各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を配列する段階；
（ｅ）熱処理炉にそれぞれの露出面が互いに接触した高温超伝導体を投入した後、前記熱処理炉の内部を真空状態に維持する段階；
（ｆ）前記熱処理炉の内部を昇温し、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれのＲｅＢＣＯ高温超伝導体層における各露出面の部分微細溶融拡散圧接を行う段階；
（ｇ）酸素雰囲気下で前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位を熱処理し、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれのＲｅＢＣＯ高温超伝導体層に酸素を供給する段階；
（ｈ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位に過電流が発生したとき、前記過電流をバイパスさせることによってクエンチングが発生しないように、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位に銀（Ａｇ）をコーティングする段階；及び
（ｉ）前記銀がコーティングされたＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位をソルダーやエポキシで強化する段階；を含むことを特徴とするＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項２】
前記（ｂ）段階は、前記基板から前記超伝導体層の前又は安定化層まで貫通してホールを形成し、各ホールを１０〜１００μｍの直径及び１〜１０００μｍの間隔で形成することを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項３】
前記（ｃ）段階は、湿式エッチング方法又はプラズマによる乾式エッチング方法で実施されることを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項４】
前記（ｅ）段階は、Ｐ（Ｏ２）≦１０−５ｍＴｏｒｒの真空圧、１１００℃以下の接合温度で、前記高温超伝導体の接合部位に０．１〜３０ＭＰａの圧力を加えながら実施されることを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項５】
前記（ｆ）段階又は前記（ｇ）段階において、前記高温超伝導体の接合部位は、熱を加えながら外部の荷重によって加圧されることを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項６】
前記（ｇ）段階は、加圧酸素雰囲気及び２００〜７００℃の温度範囲で前記熱処理炉の内部に酸素ガス及び窒素ガスを含む混合ガスを供給し、前記ＲｅＢＣＯのＲｅ（稀土類元素）１モルに対して酸素が６．４〜７モルになるまで実施することを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項７】
前記（ｈ）段階は、過電流バイパッシング効率が向上するように、前記銀（Ａｇ）を２〜４０μｍの厚さでコーティングすることを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項８】
前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体は、
導電性基板；
前記導電性基板上に一つ以上の層で形成されるバッファー層；
前記バッファー層上に形成されるＲｅＢＣＯ高温超伝導体層；及び
前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層上に形成され、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を電気的に安定化させる安定化層；を含むことを特徴とする、請求項１に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項９】
前記基板は、ニッケル又はニッケル合金からなり、
前記バッファー層は、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ―ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉａ）、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうち１種以上を含み、
前記安定化層は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及びステンレススチールのうち１種以上を含むことを特徴とする、請求項８に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【請求項１０】
前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層は、稀土類（Ｒｅ）成分としてＹ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＴｍのうち１種以上を含有することを特徴とする、請求項８に記載のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７―ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）などの超伝導体（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を含む２世代高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法に関し、より詳細には、２本の２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれの高温超伝導体層を直接接触し、部分微細溶融拡散圧接によって接合することによって超伝導特性に優れた２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合、及び高い温度での接合中に酸素原子の移動拡散で失った酸素によって損失された超伝導特性を酸素供給アニーリング熱処理を通して再び回復させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、線材形態の超伝導体の接合は次のような場合に必要である。
【０００３】
一つ目、コイルの巻線時、超伝導体の長さが短いことから、長線材として使用するために各超伝導体を相互接合しなければならない場合。二つ目、超伝導体を巻線したコイルを互いに連結するために超伝導マグネットコイル間の接合が必要な場合。三つ目、永久電流モード運転のための超伝導永久電流スィッチを並列に連結しなければならないとき、超伝導マグネットコイルと超伝導永久電流スィッチとの間を接合しなければならない場合。
【０００４】
特に、永久電流モード運転が必ず要求される超伝導応用機器において超伝導体を連結して使用するためには、相互連結された超伝導体が一つの超伝導体を用いる場合と同様に連結されなければならない。そのため、全ての巻線がなされたとき、損失のない運転が行われるべきである。
【０００５】
これは、例えば、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）、ＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ）及びＭＡＧＬＥＶ（ＭＡＧｎｅｔｉｃ  ＬＥＶｉｔａｔｉｏｎ）システムなどの超伝導マグネット及び超伝導応用機器においてそうである。
【０００６】
しかし、超伝導体間の接合部位は、一般に接合されていない部分より特性が低いので、永久電流モード運転時、臨界電流は超伝導体間の接合部位に大きく依存する。
【０００７】
従って、超伝導体間の接合部位の臨界電流特性を向上させることは、永久電流モード型超伝導応用機器の製作において非常に重要である。しかし、低温超伝導体とは異なり、高温超伝導体の場合、それ自体がセラミックで形成されるので、超伝導状態を維持する接合が非常に難しい。
【０００８】
図１は、一般的な２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の構造を示した図である。
【０００９】
図１を参照すると、２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体１００は、ＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７―ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）などの高温超伝導物質を含み、積層構造でテープ状に形成された線材に該当する。
【００１０】
図１に示したように、２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体１００は、一般に、基板１１０、バッファー層１２０、高温ＲｅＢＣＯ超伝導体層１３０、及び安定化層１４０を含む。
【００１１】
図２は、従来の２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法を概略的に示した図である。
【００１２】
図２の（ａ）に示した接合方法の場合、各高温超伝導体１００を直接接合するラップジョイント（Ｌａｐ ｊｏｉｎｔ）接合方式を示す。一方、図２の（ｂ）に示した接合方法の場合、第３の高温超伝導体２００を用いて各高温超伝導体１００を間接的に接合するバットタイプのオーバーラップジョイント（Ｏｖｅｒｌａｐ  ｊｏｉｎｔ  ｗｉｔｈ  ｂｕｔｔ  ｔｙｐｅ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）接合方式を示す。
【００１３】
図２の（ａ）及び（ｂ）を参照すると、従来は、２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を接合するために、超伝導体の超伝導体層の表面Ａ間にソルダー２１０を始めとする常伝導体層物質を媒介にしていた。
【００１４】
しかし、このような方式で接合された超伝導体の場合、電流の流れが必ずソルダー２１０及び安定化層１４０などの常伝導体層を経るようになり、高い接合抵抗の発生を避けられなくなるので、超伝導性を維持することが難しい。ソルダー方式によると、接合部の抵抗は、超伝導体のタイプ及び接合配列方式に従って約２０〜２８００ｎΩと非常に高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、２本の２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を接合する方法において、２本の高温超伝導体の各安定化層を化学的湿式エッチング又はプラズマ乾式エッチングなどを通して除去した後、２つの高温超伝導体層の表面同士を直接接触し、これを真空状態で熱処理炉内で加熱し、高温超伝導体層における表面の部分微細溶融によって各原子を相互拡散させ、溶融するとともに超伝導体に圧力を加えることによって二つの超伝導体層の表面接触及び原子の相互拡散を向上させた後、再び温度を下げて凝固させることによって２つの超伝導体層の表面を接合する２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の目的は、接合過程中にＲｅＢＣＯ超伝導体物質から酸素を損失することによって超伝導性質を失うことを考慮した上で、凝固過程中に適正な温度で又は完全に凝固した後で適正な温度で再び加熱した状態で熱処理炉内に酸素を供給することによって、２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の超伝導特性を維持できる２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するための本発明の実施例に係る２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法は、（ａ）ＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７―ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）高温超伝導体層をそれぞれ含む接合対象となる２本の２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を用意する段階；（ｂ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれの接合部位にホールを加工する段階；（ｃ）エッチングを通して前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれの接合部位のＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を露出させる段階；（ｄ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層のそれぞれの露出面が互いに直接接触したり、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層のそれぞれの露出面が第３のＲｅＢＣＯ高温超伝導体のＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の露出面に直接接触したりするように各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を配列する段階；（ｅ）熱処理炉にＲｅＢＣＯ高温超伝導体層のそれぞれの露出面が直接接触したＲｅＢＣＯ高温超伝導体を投入した後、前記熱処理炉の内部を真空状態に維持する段階；（ｆ）前記熱処理炉の内部を昇温し、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれのＲｅＢＣＯ高温超伝導体層における各露出面の部分微細溶融によって二つの層間の各原子を相互拡散させ、このとき、２本の線材に圧力を加えて溶融を加速化するとともに原子の拡散を促進し、凝固時に均一な接合面をなすように圧接する段階；（ｇ）酸素雰囲気下で前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位を熱処理し、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれのＲｅＢＣＯ高温超伝導体層に酸素を供給する段階；（ｈ）前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位に過電流が発生したときに前記過電流をバイパス（ｂｙｐａｓｓｉｎｇ）させることによってクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）が発生しないように、前記ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位に銀（Ａｇ）をコーティングする段階；及び（ｉ）前記銀がコーティングされたＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位をソルダーやエポキシで強化させる段階；を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法は、ソルダー（ｓｏｌｄｅｒ）や溶加材（ｆｉｌｌｅｒ）などの中間媒介体を用いずＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の表面同士を直接接触させた状態で各超伝導体層における各物質のみの部分微細溶融拡散圧接後の凝固により、従来の常伝導接合に比べて接合抵抗がほとんどなく、永久電流モードで十分に長い超伝導線材を製作することができる。
【００１９】
特に、本発明に係るＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法は、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を接合する前にマイクロホール加工を行うことによって、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合後、酸素補充のための熱処理時にＲｅＢＣＯ高温超伝導体層への酸素拡散経路を提供することができる。従って、酸素補充のための熱処理時間を短縮することができ、また、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合後の超伝導維持特性に優れるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一般的なＲｅＢＣＯ高温超伝導体の構造を示した図である。
【図２】従来のソルダーによるＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法の各例を概略的に示した図である。
【図３】本発明の実施例に係る部分微細溶融拡散圧接を用いたＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法及び酸素供給アニーリング熱処理による超伝導回復方法を概略的に示したフローチャートである。
【図４】（ａ）は、基板から超伝導層の前までホールが貫通する例を示した図で、（ｂ）は、基板から安定化層までホールが貫通する例を示した図である。
【図５】ホールの加工後に安定化層が除去された例を示した図である。
【図６】各ホールが加工され、安定化層が除去された各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体をラップジョイント（Ｌａｐ ｊｏｉｎｔ）方式で接合する例を示した図である。
【図７】各ホールが加工され、安定化層が除去された各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体をバット形式で突き合わせた状態で、各ホールが加工され、安定化層が除去された第３のＲｅＢＣＯ高温超伝導体をオーバーラップ方式で接合する例を示した図である。
【図８】ホールを加工した後、超伝導線材を上から見た例を示した図である。
【図９】ホールを様々なパターンで加工した超伝導線材を上から見た例を示した図である。
【図１０】酸素分圧によるＹＢＣＯとＡｇの溶融点変化を示した図である。
【図１１】ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の長さ方向ホール間隔（ｄｖ）及び幅方向ホール間隔（ｄｈ）を示す図である。
【図１２】ｄｖ＝４００μｍ、ｄｈ＝４００μｍになるようにレーザードリルでホールを加工したとき、タイプI（基板から超伝導層の前までホール加工）及びタイプII（基板から安定化層まで全厚さに対してホール加工）によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体に対して４端子法で測定した電流―電圧特性を示すグラフである。電圧１μＶ／ｃｍを基準にして見ると、タイプIは、母材線材と類似する臨界電流１３０Ａの電気的特性を有し、タイプIIは臨界電流１０８Ａの電気的特性を有することが分かる。
【図１３】タイプII（基板から安定化層まで全厚さに対してホール加工）によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体において、ホール間隔の変化によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体の電流―電圧特性を示すグラフである。タイプIIの場合も、ｄｖ＝５００μｍ、ｄｈ＝５００μｍにすると、母材線材と類似する臨界電流特性を示した。
【図１４】タイプIIにおいて各ホールの長さ方向間隔（ｄｖ）を４００μｍに固定した状態で、各ホールの幅方向間隔（ｄｈ）の変化によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体の電流―電圧特性を示すグラフである。ｄｈを６００μｍ及び８００μｍにしたとき、母材線材と類似する臨界電流特性を示した。
【図１５】タイプIIにおいてホール加工をエッチング工程前に行った場合とエッチング工程後に行った場合に対するＲｅＢＣＯコーティング伝導体の電流特性を示した図である。エッチング工程前にホール加工を行う方が良く、特にｄｖ＝４００μｍ、ｄｈ＝６００μｍにおいて優れた電気的特性を示した。
【図１６】Ａｇ安定化層の除去前にレーザーでホールドリリング加工を行ったときの表面状態（図１６の左側）とＡｇ安定化層の除去後にレーザーでホールドリリング加工を行ったときの表面状態（図１６の右側）を示した図である。
【図１７】タイプI（基板から超伝導層の前までホール加工）によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体表面のＳＥＭイメージ及びＥＤＸ分析を示した図である。
【図１８】温度変化によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体物質の格子変化を示した図である。温度上昇とともに各軸の格子長さが大きくなり、特に約５５０℃以上では超伝導体の原子配列構造である斜方晶系（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ）構造から完全な常伝導体である正方晶系（tｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造に変更されることが分かる。
【図１９】接合後のＶ―I測定結果として、完全な常伝導特性を示す図である。
【図２０】酸素供給アニーリング熱処理後の４端子法で測定したＶ―I測定結果を示した図であって、超伝導特性が回復されたことが分かる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明に係る高温超伝導体層の直接接触による部分微細溶融拡散圧接を用いた２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合、及び高い温度での接合中に酸素原子の移動拡散で失った酸素によって損失された超伝導特性を酸素供給アニーリング熱処理を通して再び回復させる方法について詳細に説明する。
【００２２】
図３は、本発明の実施例に係る高温超伝導体層の直接接触による部分微細溶融拡散圧接を用いた２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合、及び高い温度での接合中に酸素原子の移動拡散で失った酸素によって損失された超伝導特性を、酸素供給ホールを通した酸素供給及び供給された酸素を超伝導体層の内部に拡散するためのアニーリング熱処理を通して再び回復させる方法を概略的に示すフローチャートである。
【００２３】
図３を参照すると、図示したＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合方法は、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の用意段階（Ｓ３１０）、接合部位に対する酸素供給用ホールの加工段階（Ｓ３２０）、エッチングによる安定化層の除去段階（Ｓ３３０）、接合形態によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体の配列（ラップ或いはバットオーバーラップ）、熱処理炉へのＲｅＢＣＯ高温超伝導体の投入及び熱処理炉の内部真空化段階（Ｓ３５０）、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層における表面の部分微細溶融拡散圧接段階（Ｓ３６０）、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の酸素補充のためのアニーリング熱処理段階（Ｓ３７０）、銀（Ａｇ）コーティング段階（Ｓ３８０）、接合部位の強化段階（Ｓ３９０）を含む。
【００２４】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の用意
【００２５】
まず、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の用意段階（Ｓ３１０）では、ＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）コーティング層を含むＲＥＢＣＯ高温超伝導体を用意する。
【００２６】
図４は、後述するＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位のホール加工過程の各例を示した図で、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の構造を説明するために、図４に示した例を参照する。
【００２７】
図４を参照すると、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体４００は、導電性基板４１０、バッファー層４２０、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０及び安定化層４４０を含む。
【００２８】
導電性基板４１０は、Ｎｉ又はＮｉ合金などの金属系物質からなり、圧延及び熱処理を通してキューブ集合組織（Ｃｕｂｅ  ｔｅｘｔｕｒｅ）に形成することができる。
【００２９】
バッファー層４２０は、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ―ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉａ）、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２などを１種以上含む材質で形成することができ、単一層又は多数の層で導電性基板４１０上にエピタキシャル（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）積層を通して形成することができる。
【００３０】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０は、超伝導体であるＲｅＢＣＯ（ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ここで、Ｒｅは、稀土類元素、０≦ｘ≦０．６）からなる。すなわち、Ｒｅ：Ｂａ：Ｃｕのモル比率は１：２：３で、稀土類元素に対する酸素（Ｏ）のモル比率（７−ｘ）は６．４以上であることが望ましい。これは、ＲｅＢＣＯにおいて稀土類元素１モルに対する酸素（Ｏ）のモル比率が６．４未満である場合、ＲｅＢＣＯが超伝導性を失って常伝導体に変化し得るためである。
【００３１】
ＲｅＢＣＯを構成する物質のうち稀土類元素（Ｒｅ）としては、代表的にイットリウム（Ｙ）を提示することができ、その他にも、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍなどを用いることができる。
【００３２】
安定化層４４０は、過電流時にＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０を保護することによってＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０を電気的に安定化させるために、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０の上部面に積層される。安定化層４４０は、過電流が流れたとき、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０を保護するために電気抵抗の相対的に低い金属物質で構成される。例えば、安定化層４４０は、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）などの電気抵抗の低い金属物質で構成することができ、ステンレス鋼などで構成することもできる。
【００３３】
接合部位に対するホール加工
【００３４】
次に、接合部位のホール加工段階（Ｓ３２０）では、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体のそれぞれに対して接合しようとする部位、すなわち、接合部位のドリリングによってマイクロホール４５０を形成する。ドリリングは、超精密加工やレーザー加工方式などを用いて行うことができる。
【００３５】
ドリリングによって形成されるホールは、後述するＲｅＢＣＯの酸素補償のための熱処理段階（Ｓ３７０）でＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０への酸素拡散経路を提供し、熱処理効率の上昇によって接合後の超伝導特性を維持させるとともに、熱処理時間を短縮させる役割をする。
【００３６】
一方、図４を参照すると、接合部位のホール加工は、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から超伝導層の前まで行うことができ（図４の（ａ）ＴｙｐｅI）、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から安定化層４４０まで貫通（図４の（ｂ）ＴｙｐｅII）するように行うことができる。
【００３７】
図５は、ホールを形成した後の超伝導体層の表面を示す図である。
【００３８】
図８は、ホールを縦方向、すなわち、厚さ方向に形成した後で超伝導線材を上から見た例で、図９の（ａ）、（ｂ）は、多様なパターンのホールを形成した後で超伝導線材を上から見た例であるが、図９（ａ）は、シリンダー形態の各ホールを横方向、すなわち、線材長さに沿って加工した後で上から見た例で、図９（ｂ）は、一定のパターンを用いず加工した例である。図８及び図９に示した各例のように、各ホールは、酸素の移動及び拡散を促進するためのものであるので、ホールのサイズ及び形状を多様にすることができ、ホール間の距離も多様にすることができる。
【００３９】
図１１は、ホール間の間隔をホールの長さ方向間隔×ホールの幅方向間隔（ｄｖ×ｄｈ）で表現した図で、図１２〜図１５は、ホールを加工した後のＲｅＢＣＯの電流―電圧特性を示すグラフである。
【００４０】
図１１の左側は、接合部位のホール加工がＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から超伝導層の前まで行われたＴｙｐｅIに関するもので、図１１の右側は、接合部位のホール加工がＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から安定化層４４０まで行われたＴｙｐｅIIに関するものである。
【００４１】
図１２を参照すると、ＴｙｐｅI及びＴｙｐｅIIは、いずれもホールが形成されていない状態のＲｅＢＣＯ（Ｖｉｒｇｉｎ）とほぼ同一の電流―電圧特性を示すことが分かる。特に、基板から超伝導層の前までホールを加工したタイプIの場合、より円状態のＲｅＢＣＯの特性に近いことが分かる。
【００４２】
図１３は、ホールによって形成されるマイクロホールの間隔によるＲｅＢＣＯの電流―電圧特性を示すグラフである。特性評価のために、ホールの長さ方向の間隔（ｄｖ）及び幅方向の間隔（ｄｈ）を２００μｍ×２００μｍ、４００μｍ×４００μｍ、５００μｍ×５００μｍなどに多様に変化させた。図１３を参照すると、ドリリングによって形成されるマイクロホール４５０の間隔が大きいほど電流―電圧特性もより優秀であり、マイクロホールの間隔が５００μｍである場合の電流―電圧特性が最も優秀であった。
【００４３】
図１４は、ホールによって形成されるマイクロホールのＲｅＢＣＯの長さ方向（ｖｅｒｔｉｃａｌ）及び幅方向（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）の間隔によるＲｅＢＣＯの電流―電圧特性を示すグラフである。特性評価のために、マイクロホールの間隔（長さ方向×幅方向）を４００μｍ×４００μｍ、４００μｍ×６００μｍ及び４００μｍ×８００μｍなどに多様に変化させた。
【００４４】
図１４によると、ホールによって形成されるマイクロホール４５０の間隔が幅方向により大きいほど電流―電圧特性も優秀であった。
【００４５】
図１５は、ホール加工をエッチング工程前に行った場合とエッチング工程後に行った場合に対するＲｅＢＣＯコーティング伝導体の電流特性を示す図である。ホールは、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の長さ方向間隔（ｄｖ）を４００μｍに固定し、ＲｅＢＣＯコーティング伝導体の幅方向間隔（ｄｈ）を４００μｍ、６００μｍ及び８００μｍに変化させて電流特性を評価した。
【００４６】
図１５を参照すると、ホール加工を安定化層の除去のためのエッチング工程前に行ったとき、ホール加工を同一の条件で安定化層の除去のためのエッチング工程後に行った場合に比べて電流特性がより優秀であることが分かる。従って、ホール加工は、安定化層を除去する前に行うことがより望ましい。
【００４７】
図１６は、Ａｇ安定化層を除去する前にレーザーでホールドリリング加工を行ったときの表面状態（図１６の左側）と、Ａｇ安定化層を除去した後でレーザーでホールドリリング加工を行ったときの表面状態（図１６の右側）を示した図である。
【００４８】
図１６を参照すると、Ａｇ安定化層を除去した後でレーザーでホールドリリング加工を行った場合、表面がよりきれいなことが分かる。
【００４９】
図１７は、ホール加工を基板から超伝導層の前まで行ったサンプルの基板表面に対するＳＥＭイメージ及びＥＤＸ分析を示す。
【００５０】
図１７を参照すると、基板は、ニッケル及びクロム合金で構成されることが分かる。
【００５１】
エッチングによる安定化層の除去
【００５２】
次に、エッチングによる安定化層の除去段階（Ｓ３３０）では、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の安定化層をエッチングし、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を露出させる。
【００５３】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の場合、ＲｅＢＣＯが内部に位置しているので、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層間の直接接触による接合のためには、安定化層をエッチングによって除去し、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を露出させなければならない。
【００５４】
安定化層をエッチングするために、安定化層に対する選択的エッチング性を有するレジスト或いはその反対の特性を有するレジストを用いることができる。
【００５５】
接合形態によるＲｅＢＣＯ高温超伝導体の配列（ラップ或いはバットオーバーラップ）
【００５６】
本段階（Ｓ３４０）では、接合形態によってＲｅＢＣＯ高温超伝導体の配列をラップジョイント方式で行ったり（図６）、或いは２本の線材をバット形態にした後、第３の超伝導線材片をオーバーラップして配列（図７）する。図６及び図７は、線材にホールを加工した後で配列した状態を示す。
【００５７】
図６及び図７の（ａ）は、接合部位のホール加工がＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から超伝導層の前まで行われたＴｙｐｅIに関するもので、図６及び図７の（ｂ）は、接合部位のホール加工がＲｅＢＣＯ高温超伝導体の基板４１０から安定化層４４０まで貫通して行われたＴｙｐｅIIに関するものである。
【００５８】
熱処理炉にＲｅＢＣＯ高温超伝導体を挿入した後、熱処理炉の内部真空化
【００５９】
各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を接合方式によって一定の形態で配列した後、各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体をそのままの状態で熱処理炉に挿入し、熱処理炉を真空化する。
【００６０】
真空圧は、Ｐ（Ｏ２）≦１０−５ｍＴｏｒｒになり得る。
【００６１】
熱処理炉の内部を真空に維持する理由は、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の部分微細溶融拡散圧接時、ＲｅＢＣＯのみを溶融して接合させるためである。図１０を参照すると、酸素分圧が非常に低い場合、安定化層を構成する銀（Ａｇ）が超伝導体層を構成するＲｅＢＣＯの溶融温度より相対的に高く、この場合、ＲｅＢＣＯのみの溶融が可能である。
【００６２】
一方、熱処理炉には、直接接触加熱方式、誘導加熱方式、マイクロウェーブ加熱方式、或いはその他の加熱方式を適用することができる。
【００６３】
熱処理炉に直接接触加熱方式が適用される場合、熱処理炉としてはセラミックヒーターを用いることができる。この場合、セラミックヒーターの熱を接触したＲｅＢＣＯ高温超伝導体に直接伝達し、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体を加熱することができる。
【００６４】
その一方、熱処理炉で間接加熱方式が適用される場合、熱処理炉としてはインダクションヒーターを用いることができる。この場合、非接触式でＲｅＢＣＯ高温超伝導体を加熱することができる。また、マイクロウェーブを用いて非接触式でＲｅＢＣＯ高温超伝導体を加熱することができる。
【００６５】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層における表面の部分微細溶融拡散圧接
【００６６】
本段階（Ｓ３６０）では、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層が露出した２つ（ラップジョイントの場合）或いは３つ（バットタイプに配列した後の第３のＲｅＢＣＯ高温超伝導体片オーバーラップ）の各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を互いに接触させた状態でＲｅＢＣＯの溶融点付近の温度で加熱し、各ＲｅＢＣＯ超伝導体層の部分微細溶融によって原子を相互拡散させた後で再び凝固させる。
【００６７】
このとき、追加の圧力を加えることができるが、これは、超伝導体層における各表面の接触と原子拡散を向上させるためであり、また、接合時に接合部位に発生し得る多くの欠陥（空孔など）を除去して接触面積を大きくするためである。圧力を加えると、超伝導体層を構成するＲｅＢＣＯの微細な表面突出によって各突出物の熱密度が増加し、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の溶融点以下でも溶融が可能である。従って、加圧の条件下では、実質的な部分微細溶融拡散接合温度を低下させることができる。しかし、この場合も、２超伝導体層（或いは、配列方式に従って３伝導体層）が十分に溶融されて接合され、凝固後にも接合強度を十分に維持しなければならないので、熱処理炉の内部温度を各接触面の溶融のための一定温度以上にする。熱処理炉の内部温度が４００℃未満である場合、接合が十分に行われないので、熱処理炉の内部温度は４００℃以上であることが望ましい。また、熱処理炉の内部温度が１１００℃を超える場合、真空にもかかわらず、安定化層を構成する銀も溶融されるという問題がある。従って、部分微細溶融拡散圧接時、熱処理炉の内部温度は１１００℃以下であることが望ましい。
【００６８】
一方、加圧は、荷重や空気シリンダーを用いて実施することができる。加圧力は０．１〜３０ＭＰａになり得る。加圧力が０．１ＭＰａ未満である場合、加圧効果が不十分である。その一方、加圧力が３０ＭＰａを超える場合、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の安定性が低下し得る。
【００６９】
ＲｅＢＣＯなどの高温超伝導体は、結晶が方向性を有して成長すると、相対的に臨界電流が高いという特性を有する。従って、本発明では、接合部位でも母材の結晶方向性がそのまま維持され、エピタキシャル凝固が行われ得る部分微細溶融拡散圧接方式を用いる。
【００７０】
前記のような２世代ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層を直接接触させて部分微細溶融拡散圧接を行うことによって、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の間にソルダー或いは溶加材などの常伝導層が存在しなくなるので、接合部における接合抵抗の発生によるジュール熱（Ｊｏｕｌｅ
ｈｅａｔ）及びクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）の発生を防止する。
【００７１】
各ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合には、図６に示した例のようなラップジョイント（Ｌａｐ  ｊｏｉｎｔ）方式を用いることができ、図７に示した例のように、バット形式のように突き合わせる配列にオーバーラップジョイント（Ｏｖｅｒｌａｐ  Ｊｏｉｎｔ  ｗｉｔｈ  Ｂｕｔｔ  Ｔｙｐｅ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）方式を用いることができる。
【００７２】
図６に示したラップジョイント方式の場合、接合しようとする２つのＲｅＢＣＯ高温超伝導体４００ａ、４００ｂのそれぞれの接合面、すなわち、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の露出面を互いに向かい合わせた状態でＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の部分微細溶融拡散圧接を直接実施する。
【００７３】
その一方、図７に示したバット形式のように突き合わせる配列にオーバーラップジョイントを行った方式の場合、接合しようとする２つのＲｅＢＣＯ高温超伝導体４００ａ、４００ｂのそれぞれの終端を突き合わせる形式で密着させたり、両端を一定距離だけ離隔させる。
【００７４】
その状態で安定化層を除去した接合のための別途の小さいＲｅＢＣＯ高温超伝導体片（第３のＲｅＢＣＯ超伝導体）４００ｃを接合対象となるＲｅＢＣＯ高温超伝導体４００ａ、４００ｂ上に載せる。その後、外部の荷重で接合部位を加圧しながら、３つのＲｅＢＣＯ高温超伝導体層に対して部分微細溶融拡散圧接を直接実施する。
【００７５】
ラップジョイント（Ｌａｐ  ｊｏｉｎｔ）方式は、一つのＲｅＢＣＯ高温超伝導体の高温超伝導体層を他のＲｅＢＣＯ高温超伝導体の高温超伝導体層とラップ（ｌａｐ）形式で当接させる。
【００７６】
一方、ＲｅＢＣＯの部分微細溶融拡散圧接が行われる熱処理炉の内部は、真空を含んで酸素分圧（Ｐｏ２）を多い範囲に調節しなければならなく、酸素分率も多い範囲に調節するように設計することが望ましい。
【００７７】
図１０は、酸素分圧によるＹＢＣＯとＡｇの溶融点変化を示した図である。図１０の酸素分率の図表を参照すると、熱処理炉の内部に窒素ガスと酸素ガスが混合されており、酸素分率が混合ガスの全体体積の１０％以上である場合、或いは、純粋な酸素圧が約７５Ｔｏｒｒ以上である場合、ＲｅＢＣＯの一種であるＹＢＣＯの溶融点が安定化層に用いられるＡｇより高い。この場合、ＹＢＣＯの溶融拡散接合時にＡｇが先に溶融され、安定化層の変形又は汚染が発生し得る。
【００７８】
しかし、酸素分率が１０％未満である場合、或いは純粋な酸素圧が約７５Ｔｏｒｒ未満である場合、Ａｇの溶融点がＹＢＣＯの溶融点より高いので、ＹＢＣＯの部分微細溶融拡散接合時にＡｇの溶融による問題を最小化することができる。
【００７９】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の酸素補充のための熱処理
【００８０】
本段階（Ｓ３７０）では、接合部を酸素雰囲気下で熱処理し、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層に酸素を供給する。
【００８１】
前記部分微細溶融拡散圧接段階（Ｓ３６０）は、真空及び高温（４００℃以上）状態で実施される。しかし、このような真空及び高温では、ＲｅＢＣＯから酸素（Ｏ２）が抜け出るという現象が発生する。
【００８２】
ＲｅＢＣＯから酸素が抜け出ると、稀土類元素１モルに対する酸素のモル比率が６．４未満に低下し、この場合、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層４３０は、超伝導状態である斜方晶系（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ）構造から常伝導状態である正方晶系（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造への相変化が起き、超伝導性を失い得る。
【００８３】
これを解決するために、本熱処理段階（Ｓ３７０）では、２００〜７００℃付近で加圧しながら酸素雰囲気で熱処理を通してＲｅＢＣＯの酸素損失を補償し、超伝導性を回復させる。
【００８４】
酸素雰囲気は、熱処理炉の内部に加圧下で酸素を持続的に流し込むことによって作ることができる。これを酸素供給アニーリング（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理といい、特に２００〜７００℃の範囲で熱処理して酸素供給を行うが、その理由は、図１８から分かるように、この温度で斜方晶系（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃｐｈａｓｅ）が最も安定的であり、その結果、超伝導性を回復するためである。
【００８５】
熱処理時の加圧力が低いと、酸素供給に問題があり、加圧力が高いと、必要以上の圧力で超伝導体の耐久性に影響を及ぼし得る。従って、熱処理時の加圧力は約１〜３０ａｔｍであることが望ましい。
【００８６】
熱処理は、部分微細溶融拡散圧接によって損失された酸素を補償するためのもので、ＲｅＢＣＯのＲｅ（稀土類元素）１モルに対して、Ｏ２（酸素）が６．４〜７モルになるまで実施することができる。
【００８７】
本発明では、接合部位にホールを形成する段階（Ｓ３２０）で、高温超伝導体に予めマイクロホール４５０を形成し、熱処理時に酸素がＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の内部に拡散される経路を提供することができる。従って、高温超伝導特性の回復のための熱処理時間を短縮させることができる。
【００８８】
上述したように、本発明に係るＲｅＢＣＯ高温超伝導体の微細溶融拡散圧接方法は、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合前に接合部位に予めマイクロホールを形成し、熱処理時にＲｅＢＣＯ高温超伝導体層に酸素拡散経路を提供することによって熱処理時間を短縮することができ、また、接合後の超伝導維持特性に優れるという長所を有する。
【００８９】
図１９は、接合後のＶ―I測定結果を示した図で、図２０は、酸素供給アニーリング熱処理後のＶ―I測定結果を示した図である。
【００９０】
図１９及び図２０を参照すると、接合後には超伝導特性を失ってオーミック（Ｏｈｍｉｃ）特性を示すが（図１９）、熱処理後には再び超伝導特性が回復されたことが分かる（図２０）。
【００９１】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位の銀（Ａｇ）コーティング
【００９２】
上述した高温超伝導体の部分微細溶融拡散接合を行う場合、接合部位は安定化層が除去された状態になる。従って、接合部に過電流が流れる場合、これをバイパスできなくなり、クエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）の危険がある。
【００９３】
従って、このために、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位及びその周囲を銀でコーティングする。
【００９４】
銀コーティングの厚さは２〜４０μｍであることが望ましい。銀コーティングの厚さが２μｍ未満である場合、銀コーティングにもかかわらず、過電流バイパッシングの効果が不十分である。その一方、銀コーティングの厚さが４０μｍを超える場合、それ以上の効果がなく接合費用の上昇をもたらす。
【００９５】
ソルダリング又はエポキシを用いたＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位の強化
【００９６】
ＲｅＢＣＯ高温超伝導体接合部位に銀コーティングを行った後は、接合部位に対する外部応力による接合部位の保護のために、ソルダー又はエポキシでＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位を強化する。
【００９７】
上述したように、本発明では、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体層の直接接触による部分微細溶融拡散圧接を用いるとともに、ＲｅＢＣＯ高温超伝導体の接合部位にホール加工を行うことによって接合効率が向上し、接合後の超伝導性の維持効果に優れるという長所を有する。
【００９８】
以上、添付の図面を参照して本発明の各実施例を説明したが、本発明は、前記各実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に変形可能である。本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須な特徴を変更せずとも他の具体的な形態で実施され得ることを理解できるだろう。従って、上述した各実施例は、全ての面で例示的なものであって、限定的なものでないことを理解しなければならない。
【図１】
0005770947.tif 000002
【図２】
0005770947.tif 000003
【図３】
0005770947.tif 000004
【図４】
0005770947.tif 000005
【図５】
0005770947.tif 000006
【図６】
0005770947.tif 000007
【図７】
0005770947.tif 000008
【図８】
0005770947.tif 000009
【図９】
0005770947.tif 000010
【図１０】
0005770947.tif 000011
【図１１】
0005770947.tif 000012
【図１２】
0005770947.tif 000013
【図１３】
0005770947.tif 000014
【図１４】
0005770947.tif 000015
【図１５】
0005770947.tif 000016
【図１６】
0005770947.tif 000017
【図１７】
0005770947.tif 000018
【図１８】
0005770947.tif 000019
【図１９】
0005770947.tif 000020
【図２０】
0005770947.tif 000021