基材接続部を有する酸化物超電導導体とその製造方法
【課題】本発明は、金属テープを溶接により一体化した基材を備えていても溶接部分の上に設けた酸化物超電導層に抵抗部分が少なく、優れた超電導特性を発揮する長尺の酸化物超電導導体の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする。
【解決手段】本発明は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基材接続部を有する酸化物超電導導体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは電磁コイル等として使用することが要望されている。酸化物超電導導体の一例構造として、機械的強度の高いテープ状の金属基材を用い、この金属テープ基材の表面にイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により結晶配向性の良好な中間層を形成し、該中間層の表面に成膜法により酸化物超電導層を形成し、その表面にＡｇからなる保護層とＣｕなどの良導電材料からなる安定化層を形成した構造の酸化物超電導導体が知られている。
【０００３】
この種の酸化物超電導導体は、超電導送電用途あるいは超電導コイル用途など、いずれの用途においても、長尺の導体が望まれるので、単一体として圧延された一続きの長尺の金属テープからなる基材上に中間層と酸化物超電導層が成膜されている。前記金属テープ基材は、中間層を成膜する前に研磨によって平坦化されるか、塗布焼成した膜等の平坦化層を形成してから基材として成膜工程に供与される。成膜工程においては、金属テープ基材を搬送装置によって移動させながら成膜エリアを通過させ、金属テープ基材の長さ方向全表面に成膜する処理を必要回数繰り返し、下地層、配向層、酸化物超電導層、保護層、安定化層などを順次積層することで酸化物超電導導体を得ることができる。
通常、一続きの超電導特性を有する超電導導体は、一続きの金属テープ基材の上に作製されている。従って、通常の溶接法などで金属テープ基材同士を接続し連結した酸化物超電導導体は、溶接部を挟んだ両端側で別々の酸化物超電導線材と見なされる。
【０００４】
この種の酸化物超電導導体を接合する方法として、接合するべき酸化物超電導層どうしをＡｇの層で拡散接合する接合方法が知られているが、拡散接合部分は完全な超電導接続にはなっておらず、Ａｇからなる常電導体を介する接合であるので、わずかな電気抵抗が発生する問題がある。
また、酸化物超電導導体同士の接合構造の他の例として、金属テープ基材上に酸化物超電導層を形成した酸化物超電導導体同士の接続構造であって、酸化物超電導導体同士の突き合わせ予定端部の酸化物超電導層を除去し、露出させた基材同士を突き合わせて接合し、この基材接合部分と露出部分に跨るように接続用酸化物超電導層を形成し、次いでこの接続用酸化物超電導層上と露出した酸化物超電導層上に表面保護層を設けて接続した構造が知られている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３１９７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先の特許文献１に開示されている酸化物超電導導体の接続構造において、後付けで形成した接続用酸化物超電導層と基材上に既に形成されている酸化物超電導層は、完全な超電導接合にはならないので、わずかな抵抗が発生する問題がある。
しかし、長尺の金属テープ基材は、製造会社によっても異なるが、長いものでも長さ１〜２ｋｍ程度であり、それ以上の長さの金属テープ基材は特別に発注する必要があり、製造コストが高くなる問題がある。このため、送電用途など、より長い酸化物超電導導体を製造する場合、基材も含めて酸化物超電導導体を接合する必要があるので、酸化物超電導層の部分が常電導部分を介する接合状態となり、接合部分が超電導接合にはならない問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、単長として長さに限界のある金属テープの基材を用いても、より長い一続きの金属テープの基材として提供できる技術を実現することにより、金属テープの接合部分上において良好な超電導接合を実現できる酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体とその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の接合部を備えた酸化物超電導導体は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする。
【０００９】
金属テープ同士の端部を溶接し、より長尺の金属テープ基材を構成する場合、金属テープ同士の突き合わせ溶接部分表面を段差２０ｎｍ以下の平坦面にすると、１本の連続した金属テープの基材の場合と同様に、この平坦面の上方に形成される各層の結晶配向性、膜質、特性などを良好な状態にできるので、接合部分の上に形成される酸化物超電導層に良好な特性の酸化物超電導層を生成できる。よって、複数の金属テープを接合した基材を備えていても、接合部分の上の酸化物超電導層には常電導接合部分を有していない一続きとしての酸化物超電導導体を提供できる。
【００１０】
本発明の製造方法は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して接合し、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分に形成された凹凸部を除去するように表面を研磨あるいは平坦化膜により平坦化して前記突き合わせ溶接部分表面に段差２０ｎｍ以下の平坦面を形成してから配向層と酸化物超電導層と保護層を形成することを特徴とする。
溶接部分の段差を２０ｎｍ以下としてから配向層と酸化物超電導層を形成するならば、金属テープの接合部分の上においても良好な結晶配向性の配向層と酸化物超電導層を形成できるので、金属テープの接合部分の上において良好な超電導接合を実現させた一続きの酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、金属テープの溶接部分の上に抵抗発生部分を生じていない酸化物超電導層を有することができ、溶接部分上を含めて全長に渡り超電導状態を維持できる酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体とその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体を示す部分断面図。
【図２】同酸化物超電導導体を製造するための工程の一例を示すもので、図２（ａ）は基材同士を突き合わせる状態を示す側断面部、図２（ｂ）は突き合わせ端部同士を溶接した状態を示す側断面図、図２（ｃ）は溶接後の状態を示す側断面図、図２（ｄ）は研磨後の状態を示す側断面図、図２（ｅ）は溶接部分を平坦化した状態を示す側断面図、図２（ｆ）は研磨後に下地層を形成した状態を示す側断面図、図２（ｇ）は配向層を形成した状態を示す側断面図、図２（ｈ）は酸化物超電導積層体とした場合の側断面図。
【図３】同酸化物超電導導体を製造するための工程の他の例を示すもので、図３（ａ）は配向基材同士を突き合わせる状態を示す側断面部、図３（ｂ）は突き合わせ端部同士を溶接した状態を示す側断面図、図３（ｃ）は溶接後の状態を示す側断面図、図３（ｄ）は研磨後の状態を示す側断面図、図３（ｅ）は溶接部分を平坦化した状態を示す側断面図、図３（ｆ）はキャップ層を形成した状態を示す側断面図、図３（ｇ）は酸化物超電導積層体とした場合の側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る酸化物超電導導体の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体１を模式的に示す概略断面図である。
この例の酸化物超電導導体１において、端部同士を突き合わせ溶接により接合した金属テープ２Ａ、２Ｂからなる長尺の基材２の上に、金属テープ２Ａ、２Ｂの上に連続するように下地層３と配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６と保護層７と安定化層８をこの順に積層して酸化物超電導積層体９が形成され、この酸化物超電導積層体９の周面を絶縁被覆層１０で覆って酸化物超電導導体１が構成されている。なお、図１では積層構造を見易くするために下地層３と配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６と保護層７と安定化層８を部分断面として位置ずれさせて示したが、これらの層は金属テープ２Ａ、２Ｂの長さ方向全域に積層されている。
【００１４】
前記金属テープ２Ａ、２Ｂは、通常の酸化物超電導導体の基材として使用することができ、高強度で表面を無配向状態とした金属テープであれば良く、長尺の導体とするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属テープが好ましい。例えば、ハステロイ等のニッケル合金、ステンレス鋼等の各種耐熱性金属材料等が挙げられる。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。なお、金属テープ２Ａ、２Ｂは表面の結晶の配向性については無秩序で良く、特に表面の結晶配向性については問わないが、表面の結晶配向性を良好とした配向性金属テープを用いても良い。この結晶配向性金属テープについては後の例において説明する。また、各金属テープ２Ａ、２Ｂにおいては、予め表面粗さを１０ｎｍ以下、望ましくは２〜９ｎｍに研磨しておき、表面を平滑面としたものを用いることが好ましい。
【００１５】
前記金属テープ２Ａの一端側の端部と金属テープ２Ｂの一端側の端部は溶接により一体化され、金属テープ２Ａと金属テープ２Ｂの境界位置２Ｃを有するとともに、金属テープ２Ａの境界位置２Ｃ側の表面が平坦面２Ａ１とされ、金属テープ２Ｂの境界位置２Ｃ側の表面が平坦面２Ｂ１とされている。これらは研磨されて平坦面とされ、金属テープ２Ａの端部と金属テープ２Ｂの端部の間に形成されている段差が２０ｎｍ以下になるように研磨加工されている。この段差の値が２０ｎｍを超えるようであると、この段差部分に上に形成される配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６に対し、段差による影響が生じてこれら各層の膜質、結晶配向性が整わなくなる結果として接続部分上における酸化物超電導層６の臨界電流値が低下し、良好な超電導接続ができなくなる。段差部分を含む接続部分の上において、酸化物超電導層６の臨界電流値の低下割合を小さくするためには、段差２０ｎｍ以下である必要があり、段差１０μｍ以下であることがより好ましい。
【００１６】
下地層３は、以下に説明する拡散防止層とベッド層の複層構造あるいは、これらのうちどちらか１層からなる構造とすることができる。
下地層３として拡散防止層を設ける場合、拡散防止層は構成元素拡散を防止する目的あるいはその上に形成される他の層の膜質を改善するために形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の層であることが望ましく、厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層の厚さが１０ｎｍ未満となると、拡散防止層のみでは基材２の構成元素の拡散を十分に防止できなくなる虞がある。一方、拡散防止層の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層の内部応力が増大し、これにより、他の層を含めて全体が基材２から剥離しやすくなる虞がある。また、拡散防止層の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００１７】
下地層３としてベッド層を設ける場合、ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物であり、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−ｘ）で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造でも良い。ベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。また、ベッド層の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
なお、下地層３は拡散防止層とベッド層の２層構造でも、これらのどちらかからなる単層構造でも良く、場合によっては下地層３を略しても良い。下地層３を略する場合は、基材２上に直接、以下に説明する配向層４が形成される。
【００１８】
配向層４は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層されるキャップ層５の結晶配向性を制御するために以下に説明するＩＢＡＤ法により成膜され、２軸配向した結晶配向性の良好な薄膜から形成される。
一例として配向層４は、複数の結晶粒が粒界を介し接合された多結晶薄膜として構成され、各結晶粒の内部においては、それら結晶粒を構成する結晶が、それらの結晶軸のｃ軸を基材２の表面（あるいは下地層３の表面）に対し個々に垂直に向け、結晶軸のａ軸をほぼ一方向に揃えて（例えば結晶軸の分散の角度を所定の範囲に揃えて）配置されている。
【００１９】
この配向層４をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法により良好な結晶配向性で成膜するならば、その上に形成するキャップ層５の結晶配向性を良好な値とすることができ、これによりキャップ層５の上に成膜する酸化物超電導層６の結晶配向性を良好なものとして、より優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層６を得るようにすることができる。なお、ＩＢＡＤ法を用いて配向層４を成膜しようとしたとして、その下地となる基材２の接合部分の段差が大きいと、配向層４の結晶配向性が部分的に乱れ、この配向層４の結晶配向性が乱れた部分の上に積層されるキャップ層５、酸化物超電導層６のいずれも結晶配向性の乱れが反映されるので、先に説明したように金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分の段差は２０ｎｍ以下が望ましい。
【００２０】
前記キャップ層５は、前記配向層５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層５は、前記配向層４よりも高い面内配向度が得られる可能性がある。
キャップ層５の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層５の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層５は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ２のキャップ層５の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲、より好ましくは１００〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２１】
酸化物超電導層６は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のもの、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を例示することができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
酸化物超電導層６は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）；化学気相成長法（ＣＶＤ法）；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層できる。酸化物超電導層６の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２２】
酸化物超電導層６の上面を覆うように形成されている保護層７は、Ａｇからなり、スパッタ法などの物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により成膜されている。保護層７の厚さは１〜３０μｍ程度とされている。
この保護層７が緻密なＡｇの薄膜である場合、アニールしても再結晶化し難く、表面の荒れやボイドの生成が抑制される。
【００２３】
安定化層８は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層６が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、Ａｇの保護層７とともに、酸化物超電導層６の電流が転流するバイパスとして機能する。安定化層８を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることがら銅合金製が好ましい。なお、酸化物超電導導体１を超電導限流器に使用する場合、安定化層８は高抵抗金属材料より構成され、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などを使用できる。
安定化層８の厚さは特に限定されず、適宜調整可能であるが、１０〜３００μｍとすることが好ましい。
前記被覆層１０は、樹脂絶縁層からなり、酸化物超電導積層体９の外周面に絶縁テープを巻回するなどの手段により酸化物超電導積層体９の全周を覆うように形成されている。
【００２４】
前記金属テープ２Ａ、２Ｂを図１に示すように一体化するには、図２（ａ）に示すように金属テープ２Ａ、２Ｂの端部同士を対向させて突き合わせ溶接により一体化する。突き合わせ溶接を行うには、接合しようとする金属テープ２Ａ、２Ｂの端部同士を突き合わせて、その部分をレーザーにより溶融させて一体化するレーザー溶接法を適用することができる。金属テープ２Ａ、２Ｂの突き合わせ部分をレーザー溶接すると、溶接後の金属テープ２Ａ、２Ｂの突き合わせ部分には突き合わせ部分の溶融と凝固に起因して大径部２Ｄが図２（ｃ）に示すように形成される。この大径部２Ｄが存在する場合は、その上に成膜しても良質の膜は生成できないので、大径部２Ｄを粗研磨加工と仕上研磨加工により図２（ｄ）に示すように平坦面２Ａ１、２Ｂ１に加工して段差２０ｎｍ以下になるように平坦化する。
粗研磨加工には、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒や平均粒径３μｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）砥粒を用いた研磨加工を行うことで段差を少なくし、更に平均粒径０．５μｍのダイヤモンド砥粒や平均粒径１．０μｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）砥粒を用いた仕上研磨加工を行うことで段差２０ｎｍ以下で連続した平坦面２Ａ１、２Ｂ１を得ることができる。
【００２５】
前述のように金属テープ２Ａ、２Ｂを研磨して粗さ２０ｎｍ以下としたならば、図２（ｆ）に示すように下地層３、配向層４を形成し、更に図２（ｈ）に示すようにキャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成することにより、図１に示す酸化物超電導積層体９を得ることができる。
なお、金属テープ２Ａ、２Ｂの溶接部分を研磨して段差を２０ｎｍ以下とする代わりに、図２（ｅ）に示すように、溶接部分の上に平坦化膜２Ｅを形成し、この平坦化膜２Ｅの上に下地層３と配向層４を成膜し、更に、キャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成して酸化物超電導導体を製造することもできる。
以下に下地層３と配向層４を含めてこれら各層の形成方法について説明する。
【００２６】
前記配向層４は、例えばターゲットにイオンビームを照射してターゲットの構成粒子を叩き出すか蒸発させて基材上に飛来させて堆積させるとともに、基材に対し所定の入射角度でアシスト用のイオンビームを照射するイオンビームアシストスパッタ装置で形成できる。
基材２が長尺のテープ状の場合は、イオンビームアシストスパッタ装置の内部において基材２を供給リールから巻取リール側に移動させている間に上述のイオンビームアシストスパッタ装置により成膜することができる。このため、上述の如く複数本の金属テープを溶接して一体化し、研磨して段差を小さくした長尺の基材２を用いることで長尺の酸化物超電導導体１を製造できるようになる。
【００２７】
前記下地層３の表面に、ターゲットの構成粒子を堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、結晶のｃ軸が金属基板の表面に対して垂直方向に配向するとともに、結晶のａ軸どうし（あるいはｂ軸どうし）が面内において一定方向に配向する（２軸配向する）中間薄膜としての配向層４を得ることができる。このため、ＩＢＡＤ法によって下地層３上に形成された配向層４は、高い面内配向度、例えば結晶軸の分散角度１０〜１８゜を示す。
上述のＩＢＡＤ法により結晶配向度の高い配向層４を生成する場合、金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分に大きな段差があると、段差部分における結晶の配向性が乱れ、結晶配向度の高い配向層４を得ることができなくなる。この点において先に説明した如く溶接部分の段差を２０ｎｍ以下に研磨して平坦化しているならば、十分に高い結晶配向度の配向層４を得ることができる。
【００２８】
次に、前述のように、良好な配向性を有する配向層４の上にキャップ層５を形成していると、キャップ層５は自己配向効果により単結晶に近い良好な配向性を示すようになり、この上に形成される酸化物超電導層６もキャップ層５の配向性に整合するように結晶化する。この結果、得られた酸化物超電導層６は、十分に高い臨界電流値を発揮できるようになる。よってキャップ層５も結晶配向性に優れた酸化物超電導層６を得るための配向層の一部とみなすことができる。
【００２９】
以上説明の如く形成された酸化物超電導導体１は、段差２０ｎｍ以下の小さな段差の金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分上に下地層３を介し、ＩＢＡＤ法により成膜された結晶配向性に優れた配向層４を備え、その上にキャップ層５と酸化物超電導層６を備えているので、接合部分の上方において抵抗発生部分を生じることなく、一続きの連続した酸化物超電導層を有する優れた超電導特性を発揮する。
また、前記構造の酸化物超電導導体１は、金属テープ２Ａ、２Ｂを溶接して溶接部分を含む接合部分の段差を小さくした基材として利用するので、金属テープを必要本数接合して基材を構成することにより、任意の長さの基材を得ることができる。従って、長尺の酸化物超電導導体１を製造する場合、従来は基材の長さにより長さの限界が制限されていた課題を解決でき、より長尺の酸化物超電導導体１の提供が可能となる。
【００３０】
前記の如く得られる酸化物超電導導体１に対し、図３（ｅ）に示すように平坦化膜２０Ｅを適用して段差を２０ｎｍ以下にした基材を用いて酸化物超電導導体を製造する場合、平坦化膜として、ゾルゲル法ないしＭＯＤ法 (Metal Organic Deposition) によりイットリア（Ｙ２Ｏ３）の薄い膜を塗布してから焼成し、平坦化膜を形成する方法を採用できる。この平坦化膜の形成により溶接部分の段差を２０ｎｍ以下とすることができる。
例えば、ディップ法として、厚さ１００ｎｍになるように塗布後、Ａｒ雰囲気中において５００℃で熱処理するという工程を繰り返し行い、最終的には厚さ１μｍ程度として平坦化膜を形成する方法を採用することができる。
【００３１】
なお、上述の例では金属テープ２Ａ、２Ｂを接合した例について説明したが、金属テープは何本でも上述のように突き合わせ溶接して一体化できるので、必要な長さの基材を得ようとする場合に、目的の長さの基材よりも短い複数本の金属テープを溶接し、研削、研磨することにより、目的の長さの基材を得ることができる。例えば、５００ｍの長さの超電導導体を製造しようとする場合に１００ｍの長さの金属テープを５本接合するならば、５００ｍの超電導導体の製造が可能となり、１５００ｍの長さの超電導導体を製造しようとする場合に５００ｍの長さの金属テープを３本接合するならば、１５００ｍの超電導導体の製造が可能となる。また、金属テープはボビンなどに巻回されて基材製造会社から搬入され、金属テープの長さについて、種々の長さが提供されているが、１〜２ｋｍが通常の上限であるので、上述の方法を用いることで、一続きの基材としての接合が可能となるので、数ｋｍ〜数１０ｋｍあるいは数１００ｋｍに及ぶ自由な長さの基材を得ることができる。
【００３２】
先に説明した実施形態では、表面の結晶が無配向性の金属テープ２Ａ、２Ｂを溶接して基材２を形成したが、図３に示すように表面の結晶を配向性とした金属テープ２０Ａ、２０Ｂを用いて基材２０を形成し、この基材２０を用いて酸化物超電導導体を製造することもできる。
表面の結晶を配向性とした金属テープ２０Ａ、２０Ｂとは、例えば、Ｎｉ合金に集合組織を導入した圧延材として知られている２軸配向Ｎｉ−Ｗ合金のテープ基材を適用することができる。
【００３３】
前記配向性の金属テープ２０Ａ、２０Ｂを一体化するには、図３（ａ）に示すように金属テープ２０Ａ、２０Ｂの端部同士を対向させて突き合わせ溶接により一体化する。突き合わせ溶接は、接合しようとする金属テープ２０Ａ、２０Ｂの突き合わせ部分にレーザーを照射し、加熱して図３（ｂ）に示すように溶融一体化させる方法である。このため、溶接後の金属テープ２０Ａ、２０Ｂの突き合わせ部分には大径部２０Ｄが図３（ｃ）に示すように形成される。この大径部２０Ｄが存在する内はその上に成膜しても良質の膜は生成できないので、大径部２０Ｄを粗研磨加工と仕上研磨加工により図３（ｄ）に示すように平坦面２０Ａ１、２０Ｂ１として段差２０ｎｍ以下になるように平坦化する。
【００３４】
前述のように金属テープ２０Ａ、２０Ｂを研磨して段差２０ｎｍ以下としたならば、基材２０を得ることができるので、この基材２０上に図３（ｆ）に示すようにキャップ層５を形成し、更に図３（ｇ）に示すように酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成することにより、図１に示す酸化物超電導積層体９と同様な酸化物超電導層を備えた酸化物超電導積層体を得ることができる。なお、酸化物超電導積層体９においてキャップ層５は酸化物超電導層６の直の下地として酸化物超電導層６の配向性を整える配向層としての機能も奏する。
なお、金属テープ２０Ａ、２０Ｂの溶接部分を研磨して段差を２０ｎｍ以下とする代わりに、図３（ｅ）に示すように、溶接部分の上に平坦化膜２０Ｅを形成し、この平坦化膜２０Ｅの上にキャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成して酸化物超電導積層体を製造することができ、この酸化物超電導積層体から酸化物超電導導体を得ることができる。
【実施例】
【００３５】
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１５０ｍｍのテープ状の表面平滑な金属テープを複数本用意した。金属テープは表面の粗さＲａ１０ｎｍ以下のものを用意した。２枚の金属テープを突き合わせ、レーザー溶接機により溶接した。
【００３６】
突き合わせ溶接後、溶接部分の表面を粒径３μｍのアルミナ砥粒を用いて粗研磨し、次いで粒径１μｍのアルミナ砥粒を用いて仕上研磨した。なお、研磨する際、研磨後の溶接部分の段差を５０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を４０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を３０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を２０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を１０μｍとして得られた試料をそれぞれ作製した。
【００３７】
研磨後に金属テープの表面を洗浄してからイオンビームスパッタ法を用い、１００ｎｍ厚のＡｌ２Ｏ３層、２０ｎｍ厚のＹ２Ｏ３層を形成した。
次に、イオンビームアシストスパッタ法を用い、５ｎｍ厚のＭｇＯ配向層を形成した（アシストイオンビームの照射角度４５゜）上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により５００ｎｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（酸化物超電導層）を形成した。
次に、Ａｇのターゲットを用い、酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの保護層を形成し、酸素雰囲気中において５００℃でアニールして酸化物超電導導体を得た。
【００３８】
得られた酸化物超電導導体の各試料について、金属テープの接合部分を挟んで４端子法により臨界電流値を測定した。また、金属テープの接合部分から５ｃｍ離れた部分であって、接合部分を含まない領域の臨界電流値を正常部として求め、正常部に対して接合部を含む領域の臨界電流値の低下割合を測定した。その結果を以下の表１に示す。
【００３９】
「表１」
試料Ｎｏ. 溶接部分表面の段差 正常部に対する接続部分の臨界電流値
１ ５０ｎｍ ４０％
２ ４０ｎｍ ６０％
３ ３０ｎｍ ７０％
４ ２０ｎｍ ９０％
５ １０ｎｍ ９５％
【００４０】
表１に示す結果から、溶接部分表面の段差の値が５０〜３０ｎｍの範囲では、臨界電流値の低下割合が大きく、溶接部分表面の段差がこの範囲であると、良好な結晶配向性の酸化物超電導層が生成されず、溶接部分の上方において一部抵抗を発生する部分（非超電導層部分）が生じ、これが原因となって臨界電流値の低下を引き起こしたものと推定できる。
この結果から、金属テープを溶接して接合し、該溶接部分を研磨して溶接部分表面の段差を２０ｎｍ以下とすることにより、抵抗発生部分の少ない良好な結晶配向性の酸化物超電導層を生成できことが判明した。また、溶接部分の段差については、１０ｎｍ以下とすることがより好ましい結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、例えば数ｋｍ〜数１０ｋｍにも達する長さの酸化物超電導送電線や超電導マグネット用のコイル巻線に利用できる長尺の酸化物超電導導体を提供する技術に大きな貢献ができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…酸化物超電導導体、２…基材、２Ａ、２Ｂ…金属テープ、２Ａ１、２Ｂ１…平坦面、２Ｃ…境界位置、２Ｄ…大径部、２Ｅ…平坦化膜、３…下地層、４…配向層、５…キャップ層、６…酸化物超電導層、７…保護層、８…安定化層、９…酸化物超電導積層体、１０…絶縁被覆層、２０…基材、２０Ａ、２０Ｂ…金属テープ、２０Ｃ…境界位置、２０Ｄ…大径部、２０Ｅ…平坦化膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は基材接続部を有する酸化物超電導導体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは電磁コイル等として使用することが要望されている。酸化物超電導導体の一例構造として、機械的強度の高いテープ状の金属基材を用い、この金属テープ基材の表面にイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により結晶配向性の良好な中間層を形成し、該中間層の表面に成膜法により酸化物超電導層を形成し、その表面にＡｇからなる保護層とＣｕなどの良導電材料からなる安定化層を形成した構造の酸化物超電導導体が知られている。
【０００３】
この種の酸化物超電導導体は、超電導送電用途あるいは超電導コイル用途など、いずれの用途においても、長尺の導体が望まれるので、単一体として圧延された一続きの長尺の金属テープからなる基材上に中間層と酸化物超電導層が成膜されている。前記金属テープ基材は、中間層を成膜する前に研磨によって平坦化されるか、塗布焼成した膜等の平坦化層を形成してから基材として成膜工程に供与される。成膜工程においては、金属テープ基材を搬送装置によって移動させながら成膜エリアを通過させ、金属テープ基材の長さ方向全表面に成膜する処理を必要回数繰り返し、下地層、配向層、酸化物超電導層、保護層、安定化層などを順次積層することで酸化物超電導導体を得ることができる。
通常、一続きの超電導特性を有する超電導導体は、一続きの金属テープ基材の上に作製されている。従って、通常の溶接法などで金属テープ基材同士を接続し連結した酸化物超電導導体は、溶接部を挟んだ両端側で別々の酸化物超電導線材と見なされる。
【０００４】
この種の酸化物超電導導体を接合する方法として、接合するべき酸化物超電導層どうしをＡｇの層で拡散接合する接合方法が知られているが、拡散接合部分は完全な超電導接続にはなっておらず、Ａｇからなる常電導体を介する接合であるので、わずかな電気抵抗が発生する問題がある。
また、酸化物超電導導体同士の接合構造の他の例として、金属テープ基材上に酸化物超電導層を形成した酸化物超電導導体同士の接続構造であって、酸化物超電導導体同士の突き合わせ予定端部の酸化物超電導層を除去し、露出させた基材同士を突き合わせて接合し、この基材接合部分と露出部分に跨るように接続用酸化物超電導層を形成し、次いでこの接続用酸化物超電導層上と露出した酸化物超電導層上に表面保護層を設けて接続した構造が知られている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３１９７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先の特許文献１に開示されている酸化物超電導導体の接続構造において、後付けで形成した接続用酸化物超電導層と基材上に既に形成されている酸化物超電導層は、完全な超電導接合にはならないので、わずかな抵抗が発生する問題がある。
しかし、長尺の金属テープ基材は、製造会社によっても異なるが、長いものでも長さ１〜２ｋｍ程度であり、それ以上の長さの金属テープ基材は特別に発注する必要があり、製造コストが高くなる問題がある。このため、送電用途など、より長い酸化物超電導導体を製造する場合、基材も含めて酸化物超電導導体を接合する必要があるので、酸化物超電導層の部分が常電導部分を介する接合状態となり、接合部分が超電導接合にはならない問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、単長として長さに限界のある金属テープの基材を用いても、より長い一続きの金属テープの基材として提供できる技術を実現することにより、金属テープの接合部分上において良好な超電導接合を実現できる酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体とその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の接合部を備えた酸化物超電導導体は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする。
【０００９】
金属テープ同士の端部を溶接し、より長尺の金属テープ基材を構成する場合、金属テープ同士の突き合わせ溶接部分表面を段差２０ｎｍ以下の平坦面にすると、１本の連続した金属テープの基材の場合と同様に、この平坦面の上方に形成される各層の結晶配向性、膜質、特性などを良好な状態にできるので、接合部分の上に形成される酸化物超電導層に良好な特性の酸化物超電導層を生成できる。よって、複数の金属テープを接合した基材を備えていても、接合部分の上の酸化物超電導層には常電導接合部分を有していない一続きとしての酸化物超電導導体を提供できる。
【００１０】
本発明の製造方法は、金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して接合し、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分に形成された凹凸部を除去するように表面を研磨あるいは平坦化膜により平坦化して前記突き合わせ溶接部分表面に段差２０ｎｍ以下の平坦面を形成してから配向層と酸化物超電導層と保護層を形成することを特徴とする。
溶接部分の段差を２０ｎｍ以下としてから配向層と酸化物超電導層を形成するならば、金属テープの接合部分の上においても良好な結晶配向性の配向層と酸化物超電導層を形成できるので、金属テープの接合部分の上において良好な超電導接合を実現させた一続きの酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、金属テープの溶接部分の上に抵抗発生部分を生じていない酸化物超電導層を有することができ、溶接部分上を含めて全長に渡り超電導状態を維持できる酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体とその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体を示す部分断面図。
【図２】同酸化物超電導導体を製造するための工程の一例を示すもので、図２（ａ）は基材同士を突き合わせる状態を示す側断面部、図２（ｂ）は突き合わせ端部同士を溶接した状態を示す側断面図、図２（ｃ）は溶接後の状態を示す側断面図、図２（ｄ）は研磨後の状態を示す側断面図、図２（ｅ）は溶接部分を平坦化した状態を示す側断面図、図２（ｆ）は研磨後に下地層を形成した状態を示す側断面図、図２（ｇ）は配向層を形成した状態を示す側断面図、図２（ｈ）は酸化物超電導積層体とした場合の側断面図。
【図３】同酸化物超電導導体を製造するための工程の他の例を示すもので、図３（ａ）は配向基材同士を突き合わせる状態を示す側断面部、図３（ｂ）は突き合わせ端部同士を溶接した状態を示す側断面図、図３（ｃ）は溶接後の状態を示す側断面図、図３（ｄ）は研磨後の状態を示す側断面図、図３（ｅ）は溶接部分を平坦化した状態を示す側断面図、図３（ｆ）はキャップ層を形成した状態を示す側断面図、図３（ｇ）は酸化物超電導積層体とした場合の側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る酸化物超電導導体の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体１を模式的に示す概略断面図である。
この例の酸化物超電導導体１において、端部同士を突き合わせ溶接により接合した金属テープ２Ａ、２Ｂからなる長尺の基材２の上に、金属テープ２Ａ、２Ｂの上に連続するように下地層３と配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６と保護層７と安定化層８をこの順に積層して酸化物超電導積層体９が形成され、この酸化物超電導積層体９の周面を絶縁被覆層１０で覆って酸化物超電導導体１が構成されている。なお、図１では積層構造を見易くするために下地層３と配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６と保護層７と安定化層８を部分断面として位置ずれさせて示したが、これらの層は金属テープ２Ａ、２Ｂの長さ方向全域に積層されている。
【００１４】
前記金属テープ２Ａ、２Ｂは、通常の酸化物超電導導体の基材として使用することができ、高強度で表面を無配向状態とした金属テープであれば良く、長尺の導体とするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属テープが好ましい。例えば、ハステロイ等のニッケル合金、ステンレス鋼等の各種耐熱性金属材料等が挙げられる。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。なお、金属テープ２Ａ、２Ｂは表面の結晶の配向性については無秩序で良く、特に表面の結晶配向性については問わないが、表面の結晶配向性を良好とした配向性金属テープを用いても良い。この結晶配向性金属テープについては後の例において説明する。また、各金属テープ２Ａ、２Ｂにおいては、予め表面粗さを１０ｎｍ以下、望ましくは２〜９ｎｍに研磨しておき、表面を平滑面としたものを用いることが好ましい。
【００１５】
前記金属テープ２Ａの一端側の端部と金属テープ２Ｂの一端側の端部は溶接により一体化され、金属テープ２Ａと金属テープ２Ｂの境界位置２Ｃを有するとともに、金属テープ２Ａの境界位置２Ｃ側の表面が平坦面２Ａ１とされ、金属テープ２Ｂの境界位置２Ｃ側の表面が平坦面２Ｂ１とされている。これらは研磨されて平坦面とされ、金属テープ２Ａの端部と金属テープ２Ｂの端部の間に形成されている段差が２０ｎｍ以下になるように研磨加工されている。この段差の値が２０ｎｍを超えるようであると、この段差部分に上に形成される配向層４とキャップ層５と酸化物超電導層６に対し、段差による影響が生じてこれら各層の膜質、結晶配向性が整わなくなる結果として接続部分上における酸化物超電導層６の臨界電流値が低下し、良好な超電導接続ができなくなる。段差部分を含む接続部分の上において、酸化物超電導層６の臨界電流値の低下割合を小さくするためには、段差２０ｎｍ以下である必要があり、段差１０μｍ以下であることがより好ましい。
【００１６】
下地層３は、以下に説明する拡散防止層とベッド層の複層構造あるいは、これらのうちどちらか１層からなる構造とすることができる。
下地層３として拡散防止層を設ける場合、拡散防止層は構成元素拡散を防止する目的あるいはその上に形成される他の層の膜質を改善するために形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の層であることが望ましく、厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層の厚さが１０ｎｍ未満となると、拡散防止層のみでは基材２の構成元素の拡散を十分に防止できなくなる虞がある。一方、拡散防止層の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層の内部応力が増大し、これにより、他の層を含めて全体が基材２から剥離しやすくなる虞がある。また、拡散防止層の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００１７】
下地層３としてベッド層を設ける場合、ベッド層は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物であり、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−ｘ）で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造でも良い。ベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。また、ベッド層の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
なお、下地層３は拡散防止層とベッド層の２層構造でも、これらのどちらかからなる単層構造でも良く、場合によっては下地層３を略しても良い。下地層３を略する場合は、基材２上に直接、以下に説明する配向層４が形成される。
【００１８】
配向層４は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層されるキャップ層５の結晶配向性を制御するために以下に説明するＩＢＡＤ法により成膜され、２軸配向した結晶配向性の良好な薄膜から形成される。
一例として配向層４は、複数の結晶粒が粒界を介し接合された多結晶薄膜として構成され、各結晶粒の内部においては、それら結晶粒を構成する結晶が、それらの結晶軸のｃ軸を基材２の表面（あるいは下地層３の表面）に対し個々に垂直に向け、結晶軸のａ軸をほぼ一方向に揃えて（例えば結晶軸の分散の角度を所定の範囲に揃えて）配置されている。
【００１９】
この配向層４をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法により良好な結晶配向性で成膜するならば、その上に形成するキャップ層５の結晶配向性を良好な値とすることができ、これによりキャップ層５の上に成膜する酸化物超電導層６の結晶配向性を良好なものとして、より優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層６を得るようにすることができる。なお、ＩＢＡＤ法を用いて配向層４を成膜しようとしたとして、その下地となる基材２の接合部分の段差が大きいと、配向層４の結晶配向性が部分的に乱れ、この配向層４の結晶配向性が乱れた部分の上に積層されるキャップ層５、酸化物超電導層６のいずれも結晶配向性の乱れが反映されるので、先に説明したように金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分の段差は２０ｎｍ以下が望ましい。
【００２０】
前記キャップ層５は、前記配向層５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層５は、前記配向層４よりも高い面内配向度が得られる可能性がある。
キャップ層５の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層５の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
キャップ層５は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ２のキャップ層５の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲、より好ましくは１００〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２１】
酸化物超電導層６は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のもの、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を例示することができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
酸化物超電導層６は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）；化学気相成長法（ＣＶＤ法）；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層できる。酸化物超電導層６の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２２】
酸化物超電導層６の上面を覆うように形成されている保護層７は、Ａｇからなり、スパッタ法などの物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により成膜されている。保護層７の厚さは１〜３０μｍ程度とされている。
この保護層７が緻密なＡｇの薄膜である場合、アニールしても再結晶化し難く、表面の荒れやボイドの生成が抑制される。
【００２３】
安定化層８は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層６が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、Ａｇの保護層７とともに、酸化物超電導層６の電流が転流するバイパスとして機能する。安定化層８を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることがら銅合金製が好ましい。なお、酸化物超電導導体１を超電導限流器に使用する場合、安定化層８は高抵抗金属材料より構成され、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などを使用できる。
安定化層８の厚さは特に限定されず、適宜調整可能であるが、１０〜３００μｍとすることが好ましい。
前記被覆層１０は、樹脂絶縁層からなり、酸化物超電導積層体９の外周面に絶縁テープを巻回するなどの手段により酸化物超電導積層体９の全周を覆うように形成されている。
【００２４】
前記金属テープ２Ａ、２Ｂを図１に示すように一体化するには、図２（ａ）に示すように金属テープ２Ａ、２Ｂの端部同士を対向させて突き合わせ溶接により一体化する。突き合わせ溶接を行うには、接合しようとする金属テープ２Ａ、２Ｂの端部同士を突き合わせて、その部分をレーザーにより溶融させて一体化するレーザー溶接法を適用することができる。金属テープ２Ａ、２Ｂの突き合わせ部分をレーザー溶接すると、溶接後の金属テープ２Ａ、２Ｂの突き合わせ部分には突き合わせ部分の溶融と凝固に起因して大径部２Ｄが図２（ｃ）に示すように形成される。この大径部２Ｄが存在する場合は、その上に成膜しても良質の膜は生成できないので、大径部２Ｄを粗研磨加工と仕上研磨加工により図２（ｄ）に示すように平坦面２Ａ１、２Ｂ１に加工して段差２０ｎｍ以下になるように平坦化する。
粗研磨加工には、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒や平均粒径３μｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）砥粒を用いた研磨加工を行うことで段差を少なくし、更に平均粒径０．５μｍのダイヤモンド砥粒や平均粒径１．０μｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）砥粒を用いた仕上研磨加工を行うことで段差２０ｎｍ以下で連続した平坦面２Ａ１、２Ｂ１を得ることができる。
【００２５】
前述のように金属テープ２Ａ、２Ｂを研磨して粗さ２０ｎｍ以下としたならば、図２（ｆ）に示すように下地層３、配向層４を形成し、更に図２（ｈ）に示すようにキャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成することにより、図１に示す酸化物超電導積層体９を得ることができる。
なお、金属テープ２Ａ、２Ｂの溶接部分を研磨して段差を２０ｎｍ以下とする代わりに、図２（ｅ）に示すように、溶接部分の上に平坦化膜２Ｅを形成し、この平坦化膜２Ｅの上に下地層３と配向層４を成膜し、更に、キャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成して酸化物超電導導体を製造することもできる。
以下に下地層３と配向層４を含めてこれら各層の形成方法について説明する。
【００２６】
前記配向層４は、例えばターゲットにイオンビームを照射してターゲットの構成粒子を叩き出すか蒸発させて基材上に飛来させて堆積させるとともに、基材に対し所定の入射角度でアシスト用のイオンビームを照射するイオンビームアシストスパッタ装置で形成できる。
基材２が長尺のテープ状の場合は、イオンビームアシストスパッタ装置の内部において基材２を供給リールから巻取リール側に移動させている間に上述のイオンビームアシストスパッタ装置により成膜することができる。このため、上述の如く複数本の金属テープを溶接して一体化し、研磨して段差を小さくした長尺の基材２を用いることで長尺の酸化物超電導導体１を製造できるようになる。
【００２７】
前記下地層３の表面に、ターゲットの構成粒子を堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、結晶のｃ軸が金属基板の表面に対して垂直方向に配向するとともに、結晶のａ軸どうし（あるいはｂ軸どうし）が面内において一定方向に配向する（２軸配向する）中間薄膜としての配向層４を得ることができる。このため、ＩＢＡＤ法によって下地層３上に形成された配向層４は、高い面内配向度、例えば結晶軸の分散角度１０〜１８゜を示す。
上述のＩＢＡＤ法により結晶配向度の高い配向層４を生成する場合、金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分に大きな段差があると、段差部分における結晶の配向性が乱れ、結晶配向度の高い配向層４を得ることができなくなる。この点において先に説明した如く溶接部分の段差を２０ｎｍ以下に研磨して平坦化しているならば、十分に高い結晶配向度の配向層４を得ることができる。
【００２８】
次に、前述のように、良好な配向性を有する配向層４の上にキャップ層５を形成していると、キャップ層５は自己配向効果により単結晶に近い良好な配向性を示すようになり、この上に形成される酸化物超電導層６もキャップ層５の配向性に整合するように結晶化する。この結果、得られた酸化物超電導層６は、十分に高い臨界電流値を発揮できるようになる。よってキャップ層５も結晶配向性に優れた酸化物超電導層６を得るための配向層の一部とみなすことができる。
【００２９】
以上説明の如く形成された酸化物超電導導体１は、段差２０ｎｍ以下の小さな段差の金属テープ２Ａ、２Ｂの接合部分上に下地層３を介し、ＩＢＡＤ法により成膜された結晶配向性に優れた配向層４を備え、その上にキャップ層５と酸化物超電導層６を備えているので、接合部分の上方において抵抗発生部分を生じることなく、一続きの連続した酸化物超電導層を有する優れた超電導特性を発揮する。
また、前記構造の酸化物超電導導体１は、金属テープ２Ａ、２Ｂを溶接して溶接部分を含む接合部分の段差を小さくした基材として利用するので、金属テープを必要本数接合して基材を構成することにより、任意の長さの基材を得ることができる。従って、長尺の酸化物超電導導体１を製造する場合、従来は基材の長さにより長さの限界が制限されていた課題を解決でき、より長尺の酸化物超電導導体１の提供が可能となる。
【００３０】
前記の如く得られる酸化物超電導導体１に対し、図３（ｅ）に示すように平坦化膜２０Ｅを適用して段差を２０ｎｍ以下にした基材を用いて酸化物超電導導体を製造する場合、平坦化膜として、ゾルゲル法ないしＭＯＤ法 (Metal Organic Deposition) によりイットリア（Ｙ２Ｏ３）の薄い膜を塗布してから焼成し、平坦化膜を形成する方法を採用できる。この平坦化膜の形成により溶接部分の段差を２０ｎｍ以下とすることができる。
例えば、ディップ法として、厚さ１００ｎｍになるように塗布後、Ａｒ雰囲気中において５００℃で熱処理するという工程を繰り返し行い、最終的には厚さ１μｍ程度として平坦化膜を形成する方法を採用することができる。
【００３１】
なお、上述の例では金属テープ２Ａ、２Ｂを接合した例について説明したが、金属テープは何本でも上述のように突き合わせ溶接して一体化できるので、必要な長さの基材を得ようとする場合に、目的の長さの基材よりも短い複数本の金属テープを溶接し、研削、研磨することにより、目的の長さの基材を得ることができる。例えば、５００ｍの長さの超電導導体を製造しようとする場合に１００ｍの長さの金属テープを５本接合するならば、５００ｍの超電導導体の製造が可能となり、１５００ｍの長さの超電導導体を製造しようとする場合に５００ｍの長さの金属テープを３本接合するならば、１５００ｍの超電導導体の製造が可能となる。また、金属テープはボビンなどに巻回されて基材製造会社から搬入され、金属テープの長さについて、種々の長さが提供されているが、１〜２ｋｍが通常の上限であるので、上述の方法を用いることで、一続きの基材としての接合が可能となるので、数ｋｍ〜数１０ｋｍあるいは数１００ｋｍに及ぶ自由な長さの基材を得ることができる。
【００３２】
先に説明した実施形態では、表面の結晶が無配向性の金属テープ２Ａ、２Ｂを溶接して基材２を形成したが、図３に示すように表面の結晶を配向性とした金属テープ２０Ａ、２０Ｂを用いて基材２０を形成し、この基材２０を用いて酸化物超電導導体を製造することもできる。
表面の結晶を配向性とした金属テープ２０Ａ、２０Ｂとは、例えば、Ｎｉ合金に集合組織を導入した圧延材として知られている２軸配向Ｎｉ−Ｗ合金のテープ基材を適用することができる。
【００３３】
前記配向性の金属テープ２０Ａ、２０Ｂを一体化するには、図３（ａ）に示すように金属テープ２０Ａ、２０Ｂの端部同士を対向させて突き合わせ溶接により一体化する。突き合わせ溶接は、接合しようとする金属テープ２０Ａ、２０Ｂの突き合わせ部分にレーザーを照射し、加熱して図３（ｂ）に示すように溶融一体化させる方法である。このため、溶接後の金属テープ２０Ａ、２０Ｂの突き合わせ部分には大径部２０Ｄが図３（ｃ）に示すように形成される。この大径部２０Ｄが存在する内はその上に成膜しても良質の膜は生成できないので、大径部２０Ｄを粗研磨加工と仕上研磨加工により図３（ｄ）に示すように平坦面２０Ａ１、２０Ｂ１として段差２０ｎｍ以下になるように平坦化する。
【００３４】
前述のように金属テープ２０Ａ、２０Ｂを研磨して段差２０ｎｍ以下としたならば、基材２０を得ることができるので、この基材２０上に図３（ｆ）に示すようにキャップ層５を形成し、更に図３（ｇ）に示すように酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成することにより、図１に示す酸化物超電導積層体９と同様な酸化物超電導層を備えた酸化物超電導積層体を得ることができる。なお、酸化物超電導積層体９においてキャップ層５は酸化物超電導層６の直の下地として酸化物超電導層６の配向性を整える配向層としての機能も奏する。
なお、金属テープ２０Ａ、２０Ｂの溶接部分を研磨して段差を２０ｎｍ以下とする代わりに、図３（ｅ）に示すように、溶接部分の上に平坦化膜２０Ｅを形成し、この平坦化膜２０Ｅの上にキャップ層５、酸化物超電導層６、保護層７、安定化層８を形成して酸化物超電導積層体を製造することができ、この酸化物超電導積層体から酸化物超電導導体を得ることができる。
【実施例】
【００３５】
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１５０ｍｍのテープ状の表面平滑な金属テープを複数本用意した。金属テープは表面の粗さＲａ１０ｎｍ以下のものを用意した。２枚の金属テープを突き合わせ、レーザー溶接機により溶接した。
【００３６】
突き合わせ溶接後、溶接部分の表面を粒径３μｍのアルミナ砥粒を用いて粗研磨し、次いで粒径１μｍのアルミナ砥粒を用いて仕上研磨した。なお、研磨する際、研磨後の溶接部分の段差を５０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を４０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を３０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を２０μｍとして得られた試料と、研磨後の溶接部分の段差を１０μｍとして得られた試料をそれぞれ作製した。
【００３７】
研磨後に金属テープの表面を洗浄してからイオンビームスパッタ法を用い、１００ｎｍ厚のＡｌ２Ｏ３層、２０ｎｍ厚のＹ２Ｏ３層を形成した。
次に、イオンビームアシストスパッタ法を用い、５ｎｍ厚のＭｇＯ配向層を形成した（アシストイオンビームの照射角度４５゜）上に、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）により５００ｎｍ厚のＣｅＯ２（キャップ層）を成膜した。次いでＣｅＯ２層上にＰＬＤ法により１．０μｍ厚のＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（酸化物超電導層）を形成した。
次に、Ａｇのターゲットを用い、酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの保護層を形成し、酸素雰囲気中において５００℃でアニールして酸化物超電導導体を得た。
【００３８】
得られた酸化物超電導導体の各試料について、金属テープの接合部分を挟んで４端子法により臨界電流値を測定した。また、金属テープの接合部分から５ｃｍ離れた部分であって、接合部分を含まない領域の臨界電流値を正常部として求め、正常部に対して接合部を含む領域の臨界電流値の低下割合を測定した。その結果を以下の表１に示す。
【００３９】
「表１」
試料Ｎｏ. 溶接部分表面の段差 正常部に対する接続部分の臨界電流値
１ ５０ｎｍ ４０％
２ ４０ｎｍ ６０％
３ ３０ｎｍ ７０％
４ ２０ｎｍ ９０％
５ １０ｎｍ ９５％
【００４０】
表１に示す結果から、溶接部分表面の段差の値が５０〜３０ｎｍの範囲では、臨界電流値の低下割合が大きく、溶接部分表面の段差がこの範囲であると、良好な結晶配向性の酸化物超電導層が生成されず、溶接部分の上方において一部抵抗を発生する部分（非超電導層部分）が生じ、これが原因となって臨界電流値の低下を引き起こしたものと推定できる。
この結果から、金属テープを溶接して接合し、該溶接部分を研磨して溶接部分表面の段差を２０ｎｍ以下とすることにより、抵抗発生部分の少ない良好な結晶配向性の酸化物超電導層を生成できことが判明した。また、溶接部分の段差については、１０ｎｍ以下とすることがより好ましい結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、例えば数ｋｍ〜数１０ｋｍにも達する長さの酸化物超電導送電線や超電導マグネット用のコイル巻線に利用できる長尺の酸化物超電導導体を提供する技術に大きな貢献ができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…酸化物超電導導体、２…基材、２Ａ、２Ｂ…金属テープ、２Ａ１、２Ｂ１…平坦面、２Ｃ…境界位置、２Ｄ…大径部、２Ｅ…平坦化膜、３…下地層、４…配向層、５…キャップ層、６…酸化物超電導層、７…保護層、８…安定化層、９…酸化物超電導積層体、１０…絶縁被覆層、２０…基材、２０Ａ、２０Ｂ…金属テープ、２０Ｃ…境界位置、２０Ｄ…大径部、２０Ｅ…平坦化膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた配向層と酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする接合部を有する酸化物超電導導体。
【請求項２】
金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して接合し、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分に形成された凹凸部を除去するように表面を研磨あるいは平坦化膜により平坦化して前記突き合わせ溶接部分表面に段差２０ｎｍ以下の平坦面を形成してから配向層と酸化物超電導層と保護層を形成することを特徴とする接合部を備えた酸化物超電導導体の製造方法。
【請求項１】
金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して一体化した基材と、該基材の上方に設けられた配向層と酸化物超電導層と保護層とを備えた酸化物超電導導体であって、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分表面が段差２０ｎｍ以下の平坦面とされたことを特徴とする接合部を有する酸化物超電導導体。
【請求項２】
金属テープの端部同士を突き合わせ溶接して接合し、前記金属テープの端部同士の突き合わせ溶接部分に形成された凹凸部を除去するように表面を研磨あるいは平坦化膜により平坦化して前記突き合わせ溶接部分表面に段差２０ｎｍ以下の平坦面を形成してから配向層と酸化物超電導層と保護層を形成することを特徴とする接合部を備えた酸化物超電導導体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−３７９４７（Ｐ２０１３−３７９４７Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４１６１（Ｐ２０１１−１７４１６１）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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