(57)【要約】【課題】  線材サイズの大型化を極力抑え、かつ低コストで必要な安定化を実現できる超電導線材を提供する。【解決手段】  導電性の第一基板10と、第一基板10上に形成された中間層20と、中間層20上に形成された超電導層30と、前記第一基板10および超電導層30の双方に導通される安定化層40とを有する。第一基板10および超電導層30が安定化層40を介して導通されるため、線材に大電流を流したような場合、超電導層30の一部に常電導に転移する箇所が生じても、電流を安定化層40を介して第一基板10にもバイパスさせることができ、超電導層30を保護して安定した状態で電流を流すことができる。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の第一基板と、
第一基板上に形成された中間層と、
中間層上に形成された超電導層と、
前記第一基板および超電導層の双方に導通される安定化層とを有することを特徴とする超電導線材。
【請求項２】
前記安定化層は、超電導層の上面ならびに第一基板、中間層、超電導層の各側面を覆う金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記中間層は第一基板表面の一部に積層され、
前記安定化層は超電導層の上面および側面、中間層の側面ならびに第一基板上面において中間層および超電導層が形成されていない露出面を覆う金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記第一基板との間に超電導層を挟みこむ導電性の第二基板を有し、
前記安定化層は、第二基板の上面ならびに第一基板、中間層、超電導層、第二基板の各側面を覆う金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項５】
安定化層は、超電導線材の上下面と側面を覆う金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材に関するものである。特に、超電導層の一部が常電導に転移した場合にも安定して通電が可能な超電導線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材として、図８に示すように、テープ状基板10の上にイットリウム安定化ジルコニア（YSZ）などの絶縁性の中間層20を形成し、その中間層20の上に酸化物超電導体からなる超電導層30を形成して、さらに超電導層30の上に銀などの安定化層40を形成した超電導線材が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
通常、このような超電導層30には、超電導特性の分布が存在し、この特性のばらつきなどにより、超電導層30に電流を流している際、超電導層30の一部が常電導に転移することがある。安定化層40は、超電導から常電導に転移した部分に流れる電流を安定化層40に流して超電導層30を保護し、超電導線材として安定した電力輸送をおこなうために設けられている。従来の安定化層40は、超電導層30の上面にのみ形成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平7-37444号公報
【特許文献２】特開平7-73759号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の超電導線材では、安定化層として十分な性能を発揮することが難しいという問題がある。
【０００６】
一般に、安定化層は厚みが数μm程度と小さく、十分な電流容量を備えていない。そのため、大きな電流が安定化層にバイパスされると、安定化層が焼損することがある。あるいは、安定化層が薄いために電気抵抗が十分小さくなく、常電導に転移した超電導層に大きな電流が流れ、超電導層が焼損することがある。
【０００７】
一方、安定化層の厚みを大きくすれば大電流が流れた際の安定化層または超電導層の焼損の問題は解消するが、線材の厚みが大きくなる。例えば、従来の超電導線材における安定化層を100μmにすれば、超電導線材の厚みはほぼ倍になる。また、安定化層の厚膜化には、安定化層の材料が多く必要とされる。その上、通常、安定化層は気相法やメッキにより成膜されており、厚い安定化層の成膜には長時間を要する。その結果、超電導線材のコストアップにつながってしまう。
【０００８】
また、上述した超電導線材では、超電導層と基板との界面にYSZのような絶縁層が介在するため、超電導層と基板との電気的な導通をとることができない。そのため、線材の使用中に超電導層の一部が常電導に転移した場合に、基板へ電流をバイパスさせて超電導体を保護すること、つまり基板を安定化層として機能させることができない。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、線材サイズの大型化を極力抑え、かつ低コストで必要な安定化を実現できる超電導線材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、安定化層の形成構造に工夫を施し、基板にも安定化層としての機能も持たせることで上記の目的を達成する。
【００１１】
本発明超電導線材は、導電性の第一基板と、第一基板上に形成された中間層と、中間層上に形成された超電導層と、前記第一基板および超電導層の双方に導通される安定化層とを有することを特徴とする。
【００１２】
この構成により、第一基板および超電導層が安定化層を介して導通されるため、第一基板自体も安定化層として機能させることができる。つまり、線材に大電流を流したような場合、超電導層の一部に常電導に転移する箇所が生じることがある。その場合でも、電流を安定化層を介して基板にもバイパスさせることができ、超電導層を保護して安定した状態で電流を流すことができる。
【００１３】
また、基板自体に安定化層としての機能、つまり電流のバイパス路としての機能を持たせることができるため、安定化層の厚みを特に大きくとる必要がなく、超電導線材の厚みが大きくなることを回避できる。
【００１４】
安定化層を介して基板と超電導層との導通をとる具体的な構成としては、次のものが挙げられる。
【００１５】
(1)前記安定化層は、超電導層の上面ならびに第一基板、中間層、超電導層の各側面を覆う金属膜とする。この構成によれば、超電導層の上面のみならず、第一基板、中間層、超電導層の各側面にも安定化層を設けることで、基板および超電導層の導通をとることができる。
【００１６】
(2)中間層を第一基板表面の一部に積層する。そして、安定化層は超電導層の上面および側面、中間層の側面ならびに第一基板上面において中間層および超電導層が形成されていない露出面を覆う金属膜とする。この構成によれば、第一基板よりも小さな面積の中間層および超電導層を設けることで、安定化層の形成範囲をより小さくしながらも第一基板と超電導層との導通を十分にとることができる。特に、中間層および超電導層の各側面における安定化層を第一基板の側面と面一に形成することで、超電導線材の幅を第一基板の幅と同一にすることもできる。
【００１７】
(3)第一基板との間に超電導層を挟みこむ導電性の第二基板を設ける。そして、安定化層は、第二基板の上面ならびに第一基板、中間層、超電導層、第二基板の各側面を覆う金属膜とする。この構成によれば、第一基板のみならず、第二基板を有することで、両基板に安定化層の機能を持たせることができ、より一層安定した通電が可能な超電導線材を構成することができる。
【００１８】
(4)安定化層を超電導線材の上下面と側面を覆う金属膜とする。この構成によれば、超電導線材の全周を安定化層で覆うことができ、基板および超電導層の導通をとることができる。
【００１９】
以下、本発明線材の各構成要素をより詳しく説明する。
【００２０】
＜第一・第二基板＞
第一・第二基板は、安定化層として機能させるには低抵抗材料で構成されることが好ましい。ただし、特に第一基板は、基板上に中間層を介して超電導層を形成するための制約、線材として強度を確保するための制約などがあるため、それらの制約に対応できる材料が好適である。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、あるいはハステロイ（登録商標：「例えばハステロイC-276」）などのニッケル合金に代表される各種金属材料、もしくは銅（合金）やアルミニウム（合金）とニッケル（合金）とを貼り合わせた積層体が好ましい。これらの材料は、金属材料として格別抵抗率が低いわけではないが、一般に基板の厚み、特に第一基板の厚みがある程度大きいため、従来の薄い安定化層に比べれば抵抗は低くなる。第一基板が上記制約に対応できるものであれば、第二基板には低抵抗であることを重視した材料を選択することが可能である。例えば、金、銀、銅、アルミニウムまたはこれらの合金が利用できる。もちろん、第二基板の材質を第一基板と同一としてもかまわない。
【００２１】
第一・第二基板の形状は、通常、テープ状が好ましい。一般に、基板の厚みは80〜100μm程度である。第一基板が主に線材強度を確保することに寄与するため、第二基板の厚みは安定化層として機能させるのに必要な厚みを適宜選択することができる。
【００２２】
＜中間層＞
中間層は、超電導層を形成する際の加熱などによって、基板と超電導層との相互拡散が生じ、超電導線材としての性能が劣化してしまうことを回避するために形成する。また、中間層は、基板と超電導層の結晶格子不整合を緩和する役割を持つ場合もある。さらに、多結晶で結晶方位の揃っていない金属基板上に、IBAD法（Ion  Beam  Assisted  Deposition）やISD法（Inclined  Substrate  Deposition）などの方法で結晶方位の揃った中間層を形成する場合もある。そのため、中間層の材質は、超電導層の結晶に近い結晶組織を有し、酸化物超電導層の熱膨張率に近い熱膨張率を有するものが好ましい。例えば、YSZ、SrTiO3、MgO、CeO2などのセラミックス系の材料が好ましい。
【００２３】
中間層の厚みは、一般に数μm程度でよい。中間層を形成する方法は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、化学気相成長法（CVD）などのいずれの成膜法を用いても良い。中でも、パルスレーザ蒸着法（PLD法）は、スパッタ法や分子線エピタキシー法などの他の成膜方法に比べて成膜速度が速く量産に向いている。第一基板としてテープ材を用いる場合は、使用する成膜装置内にテープの送出装置と巻取装置を設け、送出装置から送り出した基材を装置内で連続的に所定の速度で移動させながら巻取装置で巻き取り、移動中の基材に連続成膜処理を行なえば良い。これらテープ材に成膜する方法は次述する超電導層の形成においても同様である。
【００２４】
特に、PLD法を用いたISD法（Inclined  Substrate  Deposition）が好適である。ISD法によれば、ターゲットに対して基板を所定角度傾斜して蒸着を行う。そのため、基板面に垂直な方向と、プラズマの飛翔方向の2軸に配向した結晶構造、つまり多結晶であるが単結晶に近い構造の中間層を形成できる。
【００２５】
そのほか、IBAD法（Ion  Beam  Assisted  Deposition）やRABiTS法（Rolling-assisted  Biaxially  Textured  Substrates）により中間層を形成することも好適である。これらのISD法、IBAD法、RABiTS法は後述する超電導層の形成にももちろん利用できる。
【００２６】
＜超電導層＞
超電導層を構成する超電導体としては、酸化物超電導体が好適である。例えば、希土類元素含有のペロブスカイト型酸化物超電導体や、Bi-Sr-Ca-Cu-O系酸化物超電導体、Tl-Ba-Ca-Cu-O系酸化物超電導体等が適用される。
【００２７】
希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を有する酸化物超電導体は、例えばREM2Cu3O7-x系の酸化物が挙げられる。ここでREは、Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等の希土類元素から選ばれた少なくとも1種の元素、MはBa、Sr、Caから選ばれた少なくとも1種の元素、Xは1以下の数である。REM2Cu3O7-xのうち、Cuの一部はTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Znで置換することも可能である。より具体的には、Y1Ba2Cu3O7-xが挙げられる。
【００２８】
また、Bi-Sr-Ca-Cu-O系の酸化物超電導体には、Bi2Sr2Ca2Cu3OxやBi2(Sr,Ca)3Cu2Oxで表される酸化物が含まれる。このうち、Biの一部はPbで置換することが可能である。代表的にはには、(Bi,Pb)2Ca2Sr2Cu3Ox、(Bi,Pb)2Ca2Sr3Cu4Oxなどが挙げられる。Tl-Ba-Ca-Cu-O系酸化物超電導体は、Tl2Ba2Ca2Cu3OxやTl2(Ba,Ca)3Cu2Ox、Tl1Ba2Ca2Cu3Ox、Tl1Ba2Ca3Cu4Ox等で表される酸化物が挙げられる。
【００２９】
これらの超電導層は、物理的蒸着法であるスパッタ法、反応性蒸着法、レーザ蒸着法、あるいは化学的蒸着法であるCVD法、有機金属化学蒸着法（MOCVD法）等の各種薄膜形成方法を用いて形成することができる。中でも、成膜速度が速く均質な膜を連続的に長時間成膜することが可能なPLD法を用いることが好ましい。PLD法でレーザ蒸着を行なうには、超電導体材料の焼結体をターゲットとし、このターゲットに真空中でエキシマレーザを照射してプラズマ化して、ターゲットに対向された中間層付き基板に超電導層を堆積させる。
【００３０】
＜安定化層＞
安定化層の材質には、超電導層と反応しないか、反応が少ない材料を用いる。特に酸化物超電導体と熱膨張係数が近いかまたは大きい値を有する金属材料が好適である。例えば、金や銀、白金あるいはその合金が挙げられる。特に、経済性で銀が好ましい。
【００３１】
安定化層の厚みは、約1μm〜数10μm程度でよい。この程度の厚みであっても基板を安定化層として機能させることができるため、超電導線材の安定化は十分に実現できる。
【００３２】
安定化層を形成する方法は、前述の各種成膜法のいずれを用いても良い。金や銀の安定化層は、レーザ蒸着法によって非常に速い成膜速度で形成することが可能である。特に、酸化物超電導層を形成する装置と安定化層を形成する装置とを連続して運転できるようにすることによって、高い生産性が達成される。安定化層を基板、中間層および超電導層の側面に成膜するには、気相法の場合、成膜対象を傾けて、その側面を気相材料の飛翔方向に向けることで可能になる。さらに、上記成膜法のほか、メッキも安定化層の形成に利用できる。メッキ法では特に成膜対象の全周に成膜することが容易にできる。蒸着法とメッキを併用すれば、比較的厚い安定化層も容易に形成できる。
【００３３】
安定化層を形成後は、500℃〜750℃の温度で熱処理を施すことが好ましい。このような熱処理を施すことにより、超電導層と安定化層との接触抵抗を大きく低減することができる。そのため、部分的に超電導から常電導への転移が起こって抵抗が発生しても、その部分では電流は安定化層にバイパスして流れ、発熱が抑えられる。また、この熱処理により、安定化層の表面上の欠陥を減少し、超電導層との密着性を向上させることもできる。熱処理時間は1時間程度よい。さらに、この熱処理においては、超電導層から酸素が放出されて特性が低下するため、酸素中で熱処理することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明超電導線材を示す模式断面図である。この線材は、下から順に、第一基板10、中間層20、超電導層30が積層され、この積層体の上面および側面に安定化層40が被覆されている。ここでは、第一基板10にハステロイC-276を、中間層20にYSZを、超電導層30にYBaCuO系超電導膜を、安定化層40に銀を用いており、積層体50の側面を覆う安定化層40を介して第一基板10と超電導層30とは導通されることになる。従って、超電導層30が部分的に超電導から常電導に転移しても、安定化層40を介して電流を第一基板にバイパスすることができる。つまり、第一基板10を安定化層としても機能させることができ、一層安定して電流を流すことができる超電導線材を構成することができる。
【００３５】
このような線材の製造方法を図５（A）に基づいて説明する。まず、ハステロイC-276の第一基板10（幅10mm、長さ550mm、厚さ0.1mm）を用意する。この第一基板10の上面に、第一基板10との相互拡散を防ぐための中間層20として、YSZをISD法で形成する。続いて、中間層20を形成した第一基板上にISD法でY1Ba2Cu3O7-x膜の形成を行なう。中間層20と超電導層30の形成に用いるISD法では、YSZまたはY1Ba2Cu3O7-xの焼結体をターゲットとし、真空中でターゲットにエキシマレーザを照射してプラズマを発生させ、第一基板10上に中間層20を、または中間層20上に超電導層30を形成する。その成膜装置は、真空チャンバー内に成膜対象テープの送出装置と巻取装置を設け、送出装置から送り出した成膜対象テープを装置内で所定の速度で移動させながら巻取装置で巻き取り、移動中の成膜対象テープに連続成膜処理を行なえる。形成した中間層20の厚みは1μm、超電導層30の厚みは1μmである。
【００３６】
次に、この第一基板10、中間層20、超電導層30の積層体50にレーザーアブレーション法により銀の安定化層40を形成した。その際、図５（A）に示すように、積層体50の超電導層30を下方に向け、さらに積層体50の左側面側もターゲットに向くように積層体50を傾けて成膜を行う。その後、積層体50の右側面側がターゲット（図示せず）に向くように積層体50を傾けて同様の成膜を行う。この過程により、積層体50の上面のみならず、左右両側面にも安定化層40が形成された超電導線材が得られる。
【００３７】
（実施例２）
次に、実施例１とは異なる構成の本発明線材を図２に基づいて説明する。この超電導線材も、下から順に、第一基板10、中間層20、超電導層30が積層されているが、第一基板上面の一部にのみ中間層20および超電導層30が形成されている。すなわち、第一基板10と中間層20との境界には段差があり、第一基板10の上面は中間層20および超電導層30が形成されていない箇所が露出されている。そして、超電導層30の上面および側面、中間層20の側面ならびに第一基板上面において中間層20および超電導層30が形成されていない露出面11を覆うように安定化層40が形成されている。ここでは、安定化層40の側面と第一基板10の側面とが面一となるように安定化層40を形成し、超電導線材の幅を基板の幅と同一としている。
【００３８】
この構成によれば、安定化層40の形成領域をより少なくでき、かつ第一基板10と超電導層30との導通も確保することができる。特に、前記露出面11の幅を広くすれば、実施例１に比べて安定化層40と第一基板10との接触面積が大きいため、より確実に第一基板10と超電導層30との導通をとることができる。そのため、第一基板10を安定化層としても機能させることができ、一層安定して電流を流すことができる超電導線材を構成することができる。
【００３９】
このような線材の製造方法を図６に基づいて説明する。まず、ハステロイC-276の第一基板10（幅10mm、長さ550mm、厚さ0.1mm）を用意する。この第一基板10の上面に、第一基板10との相互拡散を防ぐための中間層20として、YSZをISD法で形成する。その際、第一基板10とターゲットの間にマスク60を介在し、基板10上の所定箇所のみ中間層20が形成されるようにする。続いて、中間層20を形成した第一基板10上にISD法でY1Ba2Cu3O7-x膜の形成を行なう。この超電導層30の成膜でも中間層付き第一基板10とターゲットの間にマスク60を介在し、中間層20の上面のみに超電導層30が形成されるようにする。中間層20と超電導層30の形成に用いるISD法では、YSZまたはY1Ba2Cu3O7-xの焼結体をターゲットとし、真空中でターゲットにエキシマレーザを照射してプラズマを発生させ、第一基板10上に中間層20を、または中間層20上に超電導層30を形成する。その成膜装置は、真空チャンバー内に成膜対象テープの送出装置と巻取装置を設け、送出装置から送り出した成膜対象テープを装置内で所定の速度で移動させながら巻取装置で巻き取り、移動中の成膜対象テープに連続成膜処理を行なえる。形成した中間層20の厚みは1μm、超電導層30の厚みは1μmである。
【００４０】
次に、この第一基板10、中間層20、超電導層30の積層体50にレーザーアブレーション法により銀の安定化層40を形成した。ここでは、ターゲットと成膜対象、つまり中間層20と超電導層40が部分的に形成された第一基板10を水平に配して対向させ、超電導層30の上面および側面、中間層20の側面ならびに第一基板上面において中間層20および超電導層30が形成されていない露出面11のみに安定化層40を成膜する。この過程により、第一基板上面において超電導層30と第一基板10とが安定化層40を介して導通された超電導線材が得られる。
【００４１】
（実施例３）
さらに、実施例１とは異なる構成の本発明線材を図３に基づいて説明する。この超電導線材も、下から順に、第一基板10、中間層20、超電導層30が積層されているが、これら積層体の全周に安定化層40が形成されている点で実施例１とは異なっている。他の構成および第一基板10を安定化層としても機能させることができ、一層安定して電流を流すことができることは実施例１と同様である。
【００４２】
このような線材の製造方法を図５（B）に基づいて説明する。第一基板10を用意し、その上に中間層20、超電導層30を形成し、得られた積層体50の上面と側面に安定化層40を形成するところまでは実施例１と同様である。その後、得られた積層体50に無電解メッキを行って、積層体50の全周を覆う安定化層を形成する。
【００４３】
実施例３の構成によれば、実施例１はもちろん、実施例２に比べても安定化層40と第一基板10との接触面積を大きくできるため、より確実に第一基板10と超電導層30との導通をとることができる。さらに、実施例２に比べて線材全体に占める超電導層30の断面積が大きく、より大きな電流容量を確保できる。
【００４４】
（実施例４）
さらに、実施例１とは異なる構成の本発明線材を図４に基づいて説明する。この超電導線材も、下から順に、第一基板10、中間層20、超電導層30が積層されているが、超電導層30の上面に安定化層40Aを挟んで第二基板70が配され、この第一基板10から第二基板70までの積層体の上面および左右両側面に安定化層40Bが形成されている。ここでは第二基板70として厚さ0.1μmの銅テープを用いている。
【００４５】
この構成によれば、超電導層30の上下面に合計２枚の基板10,70が配され、かつ安定化層を介して導通されているため、両基板10,70を安定化層として機能させることができ、より大電流を安定化層および両基板10,70に流すことができる。特に、第一基板10では、中間層や超電導層作製時に表面酸化などの影響を受けて抵抗が増加する可能性が考えられるが、第二基板70はこのような悪影響を受けないため、より確実に低抵抗を保持して超電導線材に利用することができる。
【００４６】
このような線材の製造方法を図７（A）に基づいて説明する。第一基板10を用意し、その上に中間層20、超電導層30を形成し、得られた積層体50の上面に安定化層40Aを形成する。次に、この安定化層40A上に厚さ0.1mmの第二基板70を接合する。この接合は、接合面に部分的に銀ペーストを配して行った。第一基板10から第二基板70までの積層体51が形成できれば、その後の安定化層40Bの形成は、実施例１と同様である。つまり、左右それぞれに積層体51を傾けて安定化層40Bの成膜を行う。これにより、第一基板10から第二基板70までの積層体51の上面、左右両側面に安定化層40Bが形成された超電導線材を得ることができる。
【００４７】
さらに、図７（B）に示すように、得られた超電導線材に無電解メッキを行って、第一基板10から第二基板70までの積層体51の全周を覆う安定化層40Bを形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明超電導線材は、基板を安定化層として利用することで、線材サイズの大型化を極力抑え、かつ低コストで必要な安定化を実現できる。従って、ケーブルやマグネットなど、高い臨界電流密度が求められている分野での有効利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１にかかる本発明超電導線材の模式断面図である。
【図２】実施例２にかかる本発明超電導線材の模式断面図である。
【図３】実施例３にかかる本発明超電導線材の模式断面図である。
【図４】実施例４にかかる本発明超電導線材の模式断面図である。
【図５】（A）は実施例１の線材の製法を示す説明図、（B）は実施例３の線材の製法を示す説明図である。
【図６】実施例２の線材の製法を示す説明図である。
【図７】（A）は実施例４の線材の製法を示す説明図、（B）はさらに線材の全周に安定化層を形成する製法を示す説明図である。
【図８】従来の超電導線材の模式断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
10  第一基板
11  露出面
20  中間層
30  超電導層
40  安定化層
40A  安定化層
40B  安定化層
50  積層体
51  積層体
60  マスク
70  第二基板
【図１】
2005044636.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005044636.tif 000008
【図７】
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【図８】
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