特許 7501938 高温超電導線材、およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-10

(45)【発行日】2024-06-18

(54)【発明の名称】高温超電導線材、およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/06 20060101AFI20240611BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

H01B12/06

H01B13/00 565D

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022576666

(86)(22)【出願日】2022-01-17

(86)【国際出願番号】 JP2022001333

(87)【国際公開番号】W WO2022158413

(87)【国際公開日】2022-07-28

【審査請求日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】P 2021009425

(32)【優先日】2021-01-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「航空機用先進システム実用化プロジェクト／次世代電動推進システム研究開発／高効率かつ高出力電動推進システム」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】町 敬人

(72)【発明者】

【氏名】和泉 輝郎

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２１８００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００４－５０１４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／５２７３６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｂ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長尺状の第１金属基板と、
前記第１金属基板上に、前記第１金属基板の長手方向に延在するように配置された、複数のフィラメント線材と、を有し、
複数の前記フィラメント線材は、間隙をあけて配置されており、
それぞれの前記フィラメント線材は、前記第１金属基板側から、希土類元素を含む第１超電導層、第１安定化層、第２安定化層、希土類元素を含む第２超電導層、および第２金属基板をこの順に含む、
高温超電導線材。

【請求項2】

それぞれの前記フィラメント線材は、前記第１金属基板と前記第１超電導層との間に配置された第１中間層と、前記第２超電導層と前記第２金属基板との間に配置された第２中間層と、をさらに有する、
請求項１に記載の高温超電導線材。

【請求項3】

それぞれの前記フィラメント線材は、前記第１安定化層および前記第２安定化層の間に、金属を含む接続層をさらに有する、
請求項１または２に記載の高温超電導線材。

【請求項4】

前記第１超電導層および前記第２超電導層が、それぞれＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ系化合物（ＲＥは、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｌａ、Ｔｂ、Ｔｍ、およびＬｕからなる群から選択される、少なくとも１種の元素を表し、ｘは６．２～７．０を表す）を含む、
請求項１～３のいずれか一項に記載の高温超電導線材。

【請求項5】

隣り合う前記フィラメント線材どうしが、完全に離間している、
請求項１～４のいずれか一項に記載の高温超電導線材。

【請求項6】

前記高温超電導線材を平面視したとき、前記フィラメント線材が形成されている領域および前記間隙が形成されている領域の合計面積に対する、前記フィラメント線材の天面の合計面積が、８０％以上である、
請求項１～５のいずれか一項に記載の高温超電導線材。

【請求項7】

隣り合う前記フィラメント線材の間に、絶縁体が配置されている、
請求項１～６のいずれか一項に記載の高温超電導線材。

【請求項8】

第１金属基板、前記第１金属基板上に配置された、希土類元素を含む第１超電導層、および前記第１超電導層上に配置された第１安定化層、を有する長尺状の第１線材、ならびに第２金属基板、前記第２金属基板上に配置された、希土類元素を含む第２超電導層、および前記第２超電導層上に配置された第２安定化層、を有する長尺状の第２線材を準備する工程と、
前記第１安定化層および前記第２安定化層が向かい合うように前記第１線材および前記第２線材を接続する工程と、
前記第１線材および前記第２線材の長手方向に沿って、前記第２線材、前記第１安定化層、および前記第１超電導層を分断する溝を形成する工程と、
を含む、高温超電導線材の製造方法。

【請求項9】

前記溝の形成工程で、レーザを照射する、
請求項８に記載の高温超電導線材の製造方法。

【請求項10】

前記レーザがナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、またはフェムト秒レーザのいずれかである、
請求項９に記載の高温超電導線材の製造方法。

【請求項11】

前記レーザの発振波長が紫外域にある、
請求項９または１０に記載の高温超電導線材の製造方法。

【請求項12】

前記第１線材および前記第２線材を接続する工程で、前記第１線材および前記第２線材をはんだ、または金属ペーストで接続する、
請求項８～１１のいずれか一項に記載の高温超電導線材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温超電導線材、およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高温超電導体は、その臨界温度が液体窒素温度を超えることから超電導マグネット、超電導ケーブル、電力機器及びデバイス等への応用が期待されており、多くの研究結果が報告されている。

【0003】

高温超電導体を上記の分野に適用するためには、長尺状の線材とする必要がある。また特に、高温超電導化合物として希土類を含む化合物を使用する場合には、金属テープ等からなる金属基板上に高温超電導化合物を積層して、テープ状の線材とすることが一般的である。

【0004】

ここで、高温超電導線材では、通常、交流損失が発生する。交流損失の種類には、ヒステリシス損失、カップリング損失等があり、上述のようなテープ状の線材では、ヒステリシス損失が大きくなる。また特に、線幅が広い線材ほどヒステリシス損失の影響が大きくなる。そこで、線材中の超電導層を幅方向に複数に分割し、交流損失を低減する手法が提案されている（例えば、非特許文献１）。当該方法によれば、個々の超電導層（以下、「フィラメント線材」とも称する）を流れる超電導電流の量は少ないものの、上記交流損失が小さくなる。また、フィラメント線材の数を多くすることで、所望の量の超電導電流が得られる。

【0005】

ただし、個々のフィラメント線材の幅を細くすると、高温超電導層中の欠陥の影響を受けやすくなる。具体的には、フィラメント線材内に欠陥があると、超電導電流が欠陥によって妨げられ、超電導電流が流れなくなる。そして、一部のフィラメント線材が機能しなくなると、臨界電流が小さくなる。

【0006】

そこで、高温超電導層中の欠陥を減らすことが考えられるが、希土類を含む化合物からなる高温超電導層は、薄膜形成プロセスによって作製される。そのため、現在の技術では、高温超電導層中に存在する欠陥（臨界電流を低下させる部位）を皆無にすることは非常に難しい。

【0007】

一方、幅の広いテープ状の高温超電導線材を２枚貼り合わせ、高温超電導層中の欠陥の影響を減らす技術が提案されている（非特許文献２および非特許文献３参照）。当該技術によれば、一方の高温超電導線材に欠陥があったとしても、超電導電流が他方の高温超電導線材を通って流れることができ、臨界電流の低下が抑制される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【文献】町敬人、外４名、「希土類系高温超電導テープ線材のスクライビング技術の動向（Trend in Scribing Technologies for RE-based High-Tc Superconducting Coated Conductors）」、低温工学、２０１５年、第５０巻、第１０号

【文献】木須隆暢、外７名、「Ｆａｃｅ－ｔｏ－Ｆａｃｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｔａｃｋ（ＦＦＤＳ）構造を有する１ｍｍ幅細線加工ＲEＢＣＯコート線材の電流－電圧特性（Current-Voltage Characteristics in Face-to-Face Double Stacked (FFDS) 1-mm-Wide REBCO Coated Conductor Tapes）」、第９６回２０１８年度春季低温工学・超電導学会、２０１８年５月

【文献】鬼塚雄大、外９名、「Ｆａｃｅ－ｔｏ－Ｆａｃｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｔａｃｋ構造によるＲEＢＣＯ線材の電流輸送特性のロバスト性向上（Improvement of Robustness of Current Transport Properties in REBCO Coated Conductor by Face-to-Face Double Stack Structure）」、第９８回２０１９年度春季低温工学・超電導学会、２０１９年５月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記のように、交流損失の主たる要素であるヒステリシス損失は線材幅に比例して増大するため、ヒステリシス損失を低減するためには、高温超電導線材を幅方向に分割することが有効である。そして、臨界電流の低減を抑制するためには、２つの線材を重ね合わせることが有用である。そこで、これらの技術を組み合わせることが考えられる。しかしながら、高温超電導線材を幅方向に分割した後のフィラメント線材は非常に細く、２つのフィラメント線材を誤差なく貼り合わせることは困難であった。また、貼り合わせることができたとしても、隣り合うフィラメント線材どうしが接触しやすく、交流損失の第２の要素であるカップリング損失の低減効果が十分に得られなかった。つまり、従来の技術では、交流損失が少なく、かつ臨界電流が十分に高い超電導体は実現できていないのが実状であった。

【0010】

そこで、本発明は、臨界電流が高く、かつ交流損失が少ない高温超電導線材、および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】

【0011】

すなわち、本発明は、以下の高温超電導線材を提供する。
長尺状の第１金属基板と、前記第１金属基板上に、前記第１金属基板の長手方向に延在するように配置された、複数のフィラメント線材と、を有し、複数の前記フィラメント線材は、間隙をあけて配置されており、それぞれの前記フィラメント線材は、前記第１金属基板側から、希土類元素を含む第１超電導層、第１安定化層、第２安定化層、希土類元素を含む第２超電導層、および第２金属基板をこの順に含む、高温超電導線材。

【0012】

本発明は、以下の高温超電導線材の製造方法も提供する。
第１金属基板、前記第１金属基板上に配置された、希土類元素を含む第１超電導層、および前記第１超電導層上に配置された第１安定化層、を有する長尺状の第１線材、ならびに第２金属基板、前記第２金属基板上に配置された、希土類元素を含む第２超電導層、および前記第２超電導層上に配置された第２安定化層、を有する長尺状の第２線材を準備する工程と、前記第１安定化層および前記第２安定化層が向かい合うように前記第１線材および前記第２線材を接続する工程と、前記第１線材および前記第２線材の長手方向に沿って、前記第２線材、前記第１安定化層、および前記第１超電導層を分断する溝を形成する工程と、を含む、高温超電導線材の製造方法。

【発明の効果】

【0013】

本発明の高温超電導線材は、臨界電流が高く、かつ交流損失が少ない。また、本発明の高温超電導線材の製造方法によれば、複雑な工程等を経ることなく簡便な方法で高温超電導線材を作製可能である。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１Ａは、本発明の高温超電導線材の一実施形態に係る斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ－Ａ線での断面図である。

【図2】図２Ａ～図２Ｃは、第１超電導層および第２超電導層、ならびに欠陥を模式的に示す図である。

【図3】図３Ａ～図３Ｃは、本発明の高温超電導線材の製造方法の一実施形態に係る工程図である。

【図4】図４Ａは、実施例１で作製した高温超電導線材の模式図であり、図４Ｂは、実施例１で作製した高温超電導線材を上面から撮影した写真であり、図４Ｃは、実施例１の高温超電導線材におけるフィラメント線材の電圧－電流特性を示すグラフである。

【図5】図５Ａは、実施例２で作製した高温超電導線材の模式図であり、図５Ｂは、実施例２の高温超電導線材におけるフィラメント線材の電圧－電流特性を示すグラフである。

【図6】図６Ａ～図６Ｃは、実施例３で作製した高温超電導線材の断面を走査電子顕微鏡で撮影した写真である。

【図7】図７は、参考例で作製した高温超電導線材の断面を走査電子顕微鏡で撮影した写真である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本明細書において、「～」で示す数値範囲は、「～」の前後に記載された数値を含む数値範囲を意味する。

【0016】

本発明の高温超電導線材の構成や物性について説明し、その後、当該高温超電導線材の製造方法について説明する。

【0017】

１．高温超電導線材
本発明の高温超電導線材の一実施形態に係る模式図を図１Ａおよび図１Ｂに示す。ただし、本発明の高温超電導線材は、当該形態に限定されない。図１Ａは、高温超電導線材１００の模式的な斜視図であり、図１Ｂは、当該高温超電導線材１００の図１ＡにおけるＡ－Ａ線での断面図である。図１Ａに示すように、本実施形態の高温超電導線材１００は、長尺状の第１金属基板１１ａ上に、複数のフィラメント線材２０が間隙をあけて配置された構造を有する。各フィラメント線材２０は、第１金属基板１１ａの長手方向に延在するように間隔をあけて、かつ隣り合うフィラメント線材２０が完全に離間するように平行に配置されている。なお、本明細書において、隣り合うフィラメント線材２０が完全に離間するとは、隣り合うフィラメント線材２０の側壁どうしが接触しておらず、これらの間に電気的な導通がないことをいう。

【0018】

また、各フィラメント線材２０は、図１Ｂに示すように、第１中間層１２ａと、第１超電導層１３ａと、第１安定化層１４ａと、接続層１５と、第２安定化層１４ｂと、第２超電導層１３ｂと、第２中間層１２ｂと、第２金属基板１１ｂと、が積層された構造を有する。ただし、第１中間層１２ａおよび第２中間層１２ｂ、ならびに接続層１５は必ずしも配置されていなくてもよい。

【0019】

本実施形態の高温超電導線材１００では、複数のフィラメント線材２０が間隙をあけて配置されていることから、これらの間で電気的な導通が生じ難く、カップリング損失が少ない。また、各フィラメント線材２０が、第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂ（以下、これらをまとめて「超電導層１３」とも称する）を含むことから、超電導層１３中の欠陥の影響を受け難く、臨界電流が低下し難い。

【0020】

その理由を図２Ａ～図２Ｃの模式図を用いて説明する。図２Ａは、第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂの平面視形状を模式的に示す図であり、図２Ｂは、第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂを重ね合わせたときの平面視形状を模式的に示す図である。また、図２Ｃは、図２ＢのＢ－Ｂ線における断面図である。なお、図２Ｃでは便宜上、第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂが直接積層されているように記載しているが、実際は、これらの間に、第１安定化層１４ａや接続層１５、第２安定化層１４ｂ等が配置される。

【0021】

一般的に、各超電導層１３が含む欠陥３１ａ、３１ｂの密度は比較的小さい。例えば、１０ｍｍ幅で１ｍの線材において、１０～５０個程度である。そのため、図２Ａに示すように、欠陥３１ａを有する第１超電導層１３ａと、欠陥３１ｂを有する第２超電導層１３ｂと、を重ね合わせたとき、第１超電導層１３ａ中の欠陥３１ａと、第２超電導層１３ｂ中の欠陥３１ｂとが、縦に重なる確率は非常に低い（図２Ｂおよび図２Ｃ参照）。よって、第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂを幅方向に分割し、フィラメント線材２０としたとき、第１超電導層１３ａを流れる超電導電流（図２Ｃにおいて実線で示す流れ）の一部が欠陥３１ａによって妨げられたとしても、第２超電導層１３ｂを流れる超電導電流（図２Ｃにおいて破線で示す流れ）は、欠陥３１ａの影響を受けない。またさらに、本実施形態の構成を有する高温超電導線材１００では、欠陥３１ａの近傍において、第１超電導層１３ａから第２超電導層１３ｂに向かう超電導電流のバイパスが形成される。つまり、当該第１超電導層１３ａ中の超電導電流が欠陥３１ａによって堰き止められずに流れる。したがって、各フィラメント線材２０を流れる超電導電流の量が減少し難く、高温超電導線材１００の臨界電流が低減し難い。なお、図２Ｃでは、欠陥３１ａを迂回した超電導電流が、第１超電導層１３ａ側に戻っているが、当該超電導電流は、第２超電導層１３ｂ内をそのまま流れてもよい。以下、各構成について説明する。

【0022】

（第１金属基板）
第１金属基板１１ａは、長尺状の基板であって、１つの基板上に後述の複数のフィラメント線材２０を支持可能であれば、その形状は特に制限されない。ただし、第１金属基板１１ａは、低磁性、高い耐熱性、および高い強度を兼ね備えることが好ましい。第１金属基板１１ａがこれらを兼ね備えると、高温超電導線材１００を種々の用途に適用しやすくなる。第１金属基板１１ａは、単層で構成されていてもよく、多層で構成されていてもよい。

【0023】

また、第１金属基板１１ａの材料の例には、ニッケル（Ｎｉ）や、ニッケル合金、タングステン合金、ステンレス鋼、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等が含まれる。より具体的には、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ－Ｍｏ系のハステロイ（登録商標）Ｂ、Ｃ、Ｘ等のＮｉ－Ｃｒ系合金；Ｗ－Ｍｏ系合金；オーステナイト系ステンレス鋼等のＦｅ－Ｃｒ系合金；非磁性のＦｅ－Ｎｉ系合金；等が含まれる。第１金属基板１１ａはその強度の観点からビッカース硬度（Ｈｖ）が１５０以上であることが好ましい。また、第１金属基板１１ａの厚みは、通常１００μｍ以下が好ましい。

【0024】

ここで、第１金属基板１１ａが平板状であってもよいが、図１Ｂに示すように、フィラメント線材２０を分断するための溝と対応する凹部を有していてもよい。ただし、凹部の深さが深すぎると、高温超電導線材１００の取扱性が悪くなったり、強度が低くなったりすることがあるため、適度な深さとする。

【0025】

（フィラメント線材）
本実施形態の各フィラメント線材２０には、第１中間層１２ａ、第１超電導層１３ａ、第１安定化層１４ａ、接続層１５、第２安定化層１４ｂ、第２超電導層１３ｂ、第２金属基板１１ｂが、上述の第１金属基板１１ａ側から順に配置されている。

【0026】

第１中間層１２ａおよび第２中間層１２ｂ（以下、これらをまとめて「中間層１２」とも称する）は、第１超電導層１３ａや第２超電導層１３ｂを第１金属基板１１ａや第２金属基板１１ｂの上に形成しやすくするための層であり、第１中間層１２ａおよび第２中間層１２ｂは、同一の層であってもよく、異なる層であってもよい。

【0027】

中間層１２は、二軸配向性を有することが好ましく、単層で構成されてもよく、複数層で構成されていてもよい。中間層１２が複数層で構成される場合、第１金属基板１１ａや第２金属基板１１ｂから超電導層１３側への元素の拡散を抑制するための拡散防止層や、中間層１２に二軸配向性を付与するための配向層等が積層されていることが好ましい。

【0028】

複数層からなる中間層１２の一例として、Ａｌ_２Ｏ_３層またはＧｄ_２ＺｒＯ_７層（第１の層）／Ｙ_２Ｏ_３層（第２の層）／ＭｇＯ層（第３の層）／ＬａＭｎＯ_３層（第４の層）／ＣｅＯ_２層（第５の層）をこの順に積層した積層体等が挙げられる。ただし、中間層１２は当該構成に限定されず、例えば、ＣｅＯ_２層（第５の層）がないものや、Ａｌ_２Ｏ_３／Ｙ_２Ｏ_３が第１の層および第２の層を兼ねるもの等、種々の構成とすることができる。また、各層の厚みは適宜選択される。また、各層の厚みはフィラメント線材２０の長さ方向全てでそれぞれ均一であってもよく、一部異なる領域があってもよい。当該中間層１２は、第１の層が上記第１金属基板１１ａ上に配置される。上記中間層１２の総厚みは、通常１．５μｍ未満が好ましい。

【0029】

一方、超電導層１３（第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂ）は、希土類元素を含む超電導体を含む層であれば特に制限されない。超電導層１３の例には、超電導体としてＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ系化合物（ＲＥは、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｌａ、Ｔｂ、Ｔｍ、およびＬｕからなる群から選択される、少なくとも１種の元素を表し、ｘは６．２～７．０を表す）を含む層が含まれる。ここで、ＲＥは、上記のいずれの元素であってもよいが、Ｙ、Ｇｄ、ＥｕまたはＹおよびＧｄの併用が好ましく、Ｙ、またはＹおよびＧｄの併用が特に好ましい。また、超電導層１３中のＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ系化合物の量は、７０体積％以上が好ましく、８０～１００体積％がより好ましい。第１超電導層１３ａおよび第２超電導層１３ｂは、同一の層であってもよく、異なる層であってもよい。

【0030】

また、超電導層１３の厚みは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下が好ましく、１．０μｍ以上２．０μｍ以下がより好ましい。超電導層１３の厚みが当該範囲であると、高温超電導線材１００を各種用途に適用しやすくなる。

【0031】

第１安定化層１４ａおよび第２安定化層１４ｂ（以下、これらをまとめて「安定化層１４」とも称する）は、超電導層１３の変質等を抑制するための層であり、例えば超電導層１３中の超電導体と反応し難い銀を含む層である。安定化層１４は、銀からなる層の他に、銅、金、白金、あるいはこれらの合金等を含む層をさらに含んでいてもよい。第１安定化層１４ａおよび第２安定化層１４ｂは、同一の層であってもよく、異なる層であってもよい。また、安定化層１４の厚みは、数μｍ以上が好ましい。

【0032】

第２金属基板１１ｂは、フィラメント線材２０の形状に合わせて複数に分割されている以外は、上述の第１金属基板１１ａと同様の基板とすることができる。第１金属基板１１ａおよび第２金属基板１１ｂは同一の材料を含んでいてもよく、異なる材料を含んでいてもよい。第１金属基板１１ａおよび第２金属基板１１ｂの厚みは同一であってもよく、異なっていてもよい。

【0033】

接続層１５は、はんだや合金ペースト等、導電性を有する材料によって形成された層であることが好ましい。接続層１５の抵抗は、通常１００ｍΩ以下が好ましく、５０ｍΩ以下がより好ましい。接続層１５の抵抗が１００ｍΩ以下であると、上述のように、一方の超電導層１３が欠陥を有していたとしても、他方の超電導層１３側にバイパスが形成されやすくなり、高温超電導線材の臨界電流が高まりやすい。

【0034】

接続層１５の厚みは、２μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。接続層１５の厚みが当該範囲であると、上記バイパスが形成されやすくなる。一方で、第１金属基板１１ａおよび第２金属基板１１ｂは、上記接続層１５を用いることなく、安定化層１４中の銀の拡散を利用した拡散接続によって接続されていてもよい。

【0035】

ここで、各フィラメント線材２０の線幅は、高温超電導線材の用途等によって適宜選択されるが、通常、１００μｍ以上１．５ｍｍ以下が好ましい。各フィラメント線材２０の線幅が上記範囲であると、交流損失を低減しやすくなる。なお、１つのフィラメント線材２０内で、線幅は一定であってもよく、連続的、または断続的に変化していてもよいが、通常、線幅は一定である。また、複数のフィラメント線材２０の線幅は、互いに同一であってもよく、異なっていてもよいが、通常同一である。なお、本明細書でいう各フィラメント線材２０の線幅とは、高温超電導線材１００を平面視したときの各フィラメント線材２０の天面の線幅をいう。

【0036】

また、高温超電導線材１００を平面視したとき、フィラメント線材２０が形成されている領域および間隙（溝）が形成されている領域の合計面積に対する、フィラメント線材の天面の合計面積は、高温超電導線材の用途によって適宜選択されるが、通常８０％以上が好ましい。フィラメント線材の天面の合計面積が、フィラメント線材２０が形成されている領域および間隙（溝）が形成されている領域の合計面積に対して８０％以上であると、溝の幅が十分に狭くなり、十分な超電導電流が得られやすくなる。

【0037】

ここで、各フィラメント線材２０の天面は、通常平面状であることが好ましいが、高温超電導線材１００の用途に応じて、平面以外の形状であってもよい。一方、各フィラメント線材２０の側壁の形状は、溝の形成方法によっても異なるが、隣のフィラメント線材２０の側壁に接するような隆起や突起を有さないことが好ましく、平面上であることがより好ましい。

【0038】

さらに、各フィラメント線材２０の長さ方向に垂直な断面の形状は特に制限されず、正方形状や長方形、台形状等であってもよい。

【0039】

また、隣り合うフィラメント線材２０の間の距離、すなわち、隣り合うフィラメント線材２０の間に位置する溝の幅は、１μｍ以上１５０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上１００μｍ以下がより好ましい。溝の幅が１μｍ以上であると、隣り合うフィラメント線材２０の側壁どうしが電気的に導通し難くなり、高温超電導線材１００のヒステリシス損失を抑制できる。一方で、溝の幅が１５０μｍを超えると、一つの高温超電導線材１００に配置可能なフィラメント線材２０の数が少なくなり、高温超電導線材１００を流れる超電導電流の量が少なくなる。なお、本明細書でいう、溝の幅とは、高温超電導線材１００を平面視したときの、当該溝を挟んで対向するフィラメント線材２０の天面の端部間の距離をいう。

【0040】

上記溝の幅は、１つの溝内で一定であってもよく、異なっていてもよいが、通常一定である。さらに、高温超電導線材１００が複数の溝を有する場合、複数の溝の幅は同一であってもよく、異なっていてもよいが、通常一定である。

【0041】

また、高温超電導線材１００が含むフィラメント線材２０の数は、高温超電導線材１００の幅や、フィラメント線材２０の幅に応じて適宜選択されるが、通常、３本以上５０本以下が好ましい。高温超電導線材１００が、フィラメント線材２０を当該個数含むと、十分な超電導電流が得られやすくなる。

【0042】

（その他の構成）
高温超電導線材１００は、本発明の目的および効果を損なわない範囲において、上記第１金属基板１１ａおよびフィラメント線材２０以外の構成を含んでいてもよい。例えば、第１金属基板１１ａの底面側（フィラメント線材２０の反対側）や、第２金属基板の天面側（第２中間層１２ｂの反対側）に、第１安定化層１４ａや第２安定化層１４ｂと同様の材料を含む層や、接続層１５と同様の材料を含む層等をさらに有していてもよい。

【0043】

さらに、隣り合うフィラメント線材２０どうしの間に、絶縁体（図示せず）が配置されていてもよい。絶縁体が配置されていると、隣り合うフィラメント線材２０どうしが、さらに接触し難くなり、ヒステリシス損失がより低減される。

【0044】

絶縁体の種類は特に制限されず、例えばポリイミド、ポリアミドイミド、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂等の樹脂であってもよく、無機材料等であってもよい。これらの中でも、隣り合うフィラメント線材２０どうしの間に配置しやすいとの観点で樹脂が好ましく、耐熱性等の観点で、ポリイミドが好ましい。

【0045】

本発明の高温超電導線材１００の用途は特に制限されないが、超電導マグネット（ＭＲＩ、ガントリー、加速器用マグネット等）、超電導ケーブル、超電導回転機（モーター、発電機等）、電力機器、および各種デバイス等に適用可能である。

【0046】

２．高温超電導線材の製造方法
上述の高温超電導線材の製造方法の一実施形態について説明する。ただし、上述の高温超電導線材の製造方法は、以下の方法に制限されない。

【0047】

本実施形態の高温超電導線材の製造方法の工程を図３Ａ～図３Ｃに示す。本実施形態の高温超電導線材の製造方法では、第１金属基板１１ａ、第１中間層１２ａ、第１超電導層１３ａ、および第１安定化層１４ａ、を有する長尺状の第１線材１０ａと、第２金属基板１１ｂ、第２中間層１２ｂ、第２超電導層１３ｂ、および第２安定化層１４ｂ、を有する長尺状の第２線材と、を準備する（線材準備工程、図３Ａ）。そして、第１線材１０ａの第１安定化層１４ａと、第２線材１０ｂの第２安定化層１４ｂとが向かい合うように配置し、接続層１５によってこれらを接続する（接続工程、図３Ｂ）。その後、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂの長さ方向に沿って、少なくとも第２線材１０ｂ、第１安定化層１４ａ、および第１超電導層１３ａを分断する溝を形成する（溝形成工程、図３Ｃ）。

【0048】

上述のように従来、１つの高温超電導線材の超電導層を複数のフィラメント線材に分割すること、および２つの高温超電導線材を貼り合わせることはそれぞれ検討されていた。そこで、これらを組み合わせることも考えられるが、幅方向に超電導層を分割した後のフィラメント線材は非常に細く、フィラメント線材どうしを貼り合わせることは現実的ではなかった。

【0049】

これに対し、本実施形態の製造方法では、接続工程で、比較的幅の大きな２つの線材（第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂ）を貼り合わせた後、溝形成工程で、一方の線材（本実施形態では第２線材１０ｂ）側から溝を形成し、複数のフィラメント線材２０を作製する。そのため、細いフィラメント線材どうしを貼り合わせる必要がなく、確実に隣り合うフィラメント線材２０を分離できる。また、当該方法によれば、隣り合うフィラメント線材２０どうしの間隔を狭くできることから、高温超電導線材１００を流れる超電導電流の量を多くできる。

【0050】

以下、本実施形態の高温超電導線材の製造方法の各工程について、詳しく説明する。

【0051】

（線材準備工程）
線材準備工程では、第１金属基板１１ａ、第１中間層１２ｂ、第１超電導層１３ａ、および第１安定化層１４ａ、を有する長尺状の第１線材１０ａと、第２金属基板１１ｂ、第２中間層１２ｂ、第２超電導層１３ｂ、および第２安定化層１４ｂ、を有する長尺状の第２線材と、を準備する。

【0052】

第１線材１０ａを構成する、第１金属基板１１ａ、第１中間層１２ａ、第１超電導層１３ａ、および第１安定化層１４ａは、いずれも上述の高温超電導線材で説明した各構成と同様である。第１線材１０ａは、常法に従って形成できる。なお、第１線材として、市販品を準備してもよい。

【0053】

同様に、第２線材１０ｂを構成する、第２金属基板１１ｂ、第２中間層１２ｂ、第２超電導層１３ｂ、および第２安定化層１４ｂは、いずれも上述の高温超電導線材で説明した各構成と同様である。第２線材１０ｂも常法に従って形成できる。第２線材１０ｂとして、市販品を準備してもよい。

【0054】

ここで、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂは、同一の構成を有していてもよく、異なる構成を有していてもよい。また、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂの厚みも特に制限されず、これらの厚みは同一であってもよく、異なっていてもよい。さらに、線幅や長さは同一であってもよく、異なっていてもよい。ただし、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂが、略同一の線幅および略同一の長さであると、第１線材１０ａまたは第２線材１０ｂを余白なしに重ね合わせることができ、線材の利用効率が高まる。

【0055】

（接続工程）
接続工程では、第１線材１０ａの第１安定化層１４ａと、第２線材１０ｂの第２安定化層１４ｂとが向かい合うように配置し、接続層１５によってこれらを接続する。第１安定化層１４ａおよび第２安定化層１４ｂの接続方法は特に制限されず、例えばはんだ等によって接続してもよく、金属ペースト等を塗布し、これを硬化させて接続してもよい。また、安定化層拡散法によって、接続層１５を形成することなく接続してもよい。

【0056】

（溝形成工程）
溝形成工程では、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂの長さ方向に沿って、少なくとも第２線材１０ｂ、第１安定化層１４ａ、および第１超電導層１３ａを分断する溝を形成する。

【0057】

溝の形成方法は特に制限されないが、上述の第２金属基板１１ｂを切削可能であり、かつ熱の発生を抑制できるとの観点で、レーザ照射が好ましい。中でもパルス長が１００ｎｓ以下のナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザが好ましい。パルス長が短いほど、溝の形状を微細に調整できる。

【0058】

これらの中でも、パルス長は、１００ｎｓ以下が好ましく、３００ｆｓ以上３０ｐｓ以下がより好ましい。パルス長が１００ｎｓ以下であると、上述の第２金属基板１１ｂを切削しやすくなり、短時間で第２線材１０ｂや第１線材１０ｂを切削できるため、これらに熱がかかり難くなる。

【0059】

また、レーザの発振波長は特に制限されず、例えば波長１５７～１０５０ｎｍとすることができる。これらの中でも、発振波長が紫外域にあるレーザ、すなわちＵＶレーザがより好ましい。レーザの発振波長が長いと、第２安定化層や第１安定化層を構成する銀や銅がレーザを反射してしまう。したがって、所望の位置に溝を形成することが困難になることがある。これに対し、発振波長が紫外域にあると、上記反射が生じ難く、効率よく溝を形成できる。

【0060】

なお、本明細書において、紫外域とは、波長１５０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下をいう。このような発振波長を有するＵＶレーザとしては、ガスレーザであるエキシマレーザや、繰り返し周波数を高くできるＹＡＧ等の固体レーザの高調波を使用可能である。その例には、発振波長が１５７ｎｍ程度であるＦ_２レーザ、発振波長が１９３ｎｍ程度であるＡｒＦエキシマレーザ、発振波長が２２２ｎｍ程度であるＫｒＣｌエキシマレーザ、発振波長が２４８ｎｍ程度であるＫｒＦエキシマレーザ、発振波長が３０８ｎｍ程度であるＸｅＣｌエキシマレーザ、発振波長が３５１ｎｍ程度であるＸｅＦエキシマレーザ、発振波長が２６６ｎｍ程度であるＹＶＯ_４レーザの四倍高調波、発振波長が３５５ｎｍ程度であるＹＶＯ_４レーザの三倍高調波、発振波長が３５５ｎｍ程度であるＹＡＧレーザの三倍高調波等が含まれる。

【0061】

なお、本実施形態では、第２線材１０ｂ（すなわち、第２金属基板１１ｂ、第２中間層１２ｂ、第２超電導層１３ｂ、および第２安定化層１４ｂ）、第１安定化層１４ａ、第１超電導層１３ａ、および第１中間層１２ａを分断するように溝を形成しているが、第１金属基板１１ａの一部にも、溝を形成してもよい。

【実施例】

【0062】

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲はこれによって何ら制限を受けない。

【0063】

［実施例１］
（第１線材および第２線材の準備）
１０ｍｍ幅、厚み１００μｍのテープ状のハステロイＣ２７６（登録商標）製の第１金属基板の片面に、約５６ｎｍ厚のＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ＧＺＯ）と、約１４ｎｍ厚のＹ_２Ｏ_３層と、約５ｎｍ厚のＭｇＯ層と、約７ｎｍ厚のＬａＭｎＯ_３層と、６００～９００ｎｍのＣｅＯ_２層と、を成膜し、これらを第１中間層とした。当該第１中間層の上に１．６μｍ厚のＥｕＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７からなる第１超電導層を形成した。さらに、当該第１超電導層上に第１安定化層として銀を１０μｍ厚で成膜し、これを第１線材とした。

【0064】

なお、第１線材には、検証のため、人工的に欠陥を作成した。具体的には、図４に示すように、第１線材１０ａの長さ方向に垂直に、第１線材１０ａの一方の側辺から幅１ｍｍ、長さ５ｍｍの欠陥３１ａ（溝）を、化学的エッチング法によって第１超電導層および第１安定化層を除去して形成した。同様に、第１線材１０ａの他方の側辺から幅１ｍｍ、長さ３ｍｍの欠陥３１ａ（溝）を形成した。欠陥３１ａは、第１安定化層から第１超電導層までを分断するように形成した。

【0065】

一方、第２線材として、市販の４ｍｍ幅の線材を準備した。当該第２線材１０ｂは、厚み３０μｍのハステロイＣ２７６からなる第２金属基板、０．５μｍ以下の厚みの第２中間層、１μｍ厚の第２高温超電導層、２μｍ厚のＡｇからなる第２安定化層を有するものとした。

【0066】

（第１線材および第２線材の接続）
上記第２線材１０ｂの第２安定化層上に金ナノペーストを塗布した。そして、第１線材１０ａの第１安定化層と、第２線材１０ｂの第２安定化層とが向かい合うように、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂを重ね合わせ、１５０℃で２時間熱処理して接続した。このとき、図４Ａに示すように、第２線材１０ｂの幅方向中央部と、第１線材１０ａの幅方向中央部とが重なるように接続した。

【0067】

（溝の形成）
第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂの長手方向に沿って、ナノ秒パルスレーザ（発振波長：３５５ｎｍ、パルス長：３０ナノ秒）によりスクライビング加工し、２本の溝を形成した。溝は、第２線材および第１安定化層、第１超電導層、第１中間層、および第１金属基板の一部を分断するように形成した。また、高温超電導線材を平面視したときの溝の幅はそれぞれ３０μｍ程度とした。当該実施例１で作製した高温超電導線材の写真を図４Ｂに示す。

【0068】

（高温超電導線材の特性）
得られた高温超電導線材のうち、欠陥３１ａを導入したフィラメント線材（図４Ａにおける一番上のフィラメント線材）の電流－電圧特性を測定した。結果を図４Ｃに示す。図４Ｃでは、縦軸が、検出された電圧（μＶ／ｃｍ^２）であり、横軸は印加した電流値（Ａ）である。当該フィラメント線材では、第１超電導層が完全に分断されているにも関わらず、通常の高温超電導線材と同様の電流－電圧特性が得られ、かつその臨界電流値は１００Ａ以上であった。つまり、第１超電導層の欠陥部分において、第２超電導層側にバイパスが生じたといえる。

【0069】

［実施例２］
（第１線材および第２線材の準備）
上述の実施例１の第１線材と同一の構成の長さ１５０ｍｍの第１線材１０ａと、上述の実施例１の第１線材と同一の構成の長さ８０ｍｍの第２線材１０ｂとを準備した。第１線材１０ａには、検証のため、人工的に欠陥３１ａ（溝）を作成した。具体的には、図５Ａに示すように、第１線材１０ａの長さ方向に垂直に、第１線材１０ａの一方の側辺から幅１ｍｍ、長さ５ｍｍの欠陥３１ａ（溝）を、上述と同様に、化学的エッチング法によって形成した。欠陥３１ａ（溝）は、第１安定化層から第１超電導層までを分断するように形成した。

【0070】

（第１線材および第２線材の接続）
上記第１線材１０ａをはんだ浴（ＰｂＳｎ）に通した後、第１線材１０ａの第１安定化層と、第２線材１０ｂの第２安定化層とが向かい合うように、第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂを重ね合わせ、接続した。

【0071】

（溝の形成）
第１線材１０ａおよび第２線材１０ｂの長手方向に沿って、ピコ秒パルスレーザ（波長：３５５ｎｍ、パルス長：１０ピコ秒）によりスクライビング加工し、２本の溝を形成した。溝は、高温超電導線材の一方の側辺から２．５ｍｍ、および５ｍｍの位置に形成した。また、各溝によって、第２線材および第１安定化層、第１超電導層、第１中間層、および第１金属基板の一部を分断した。また、高温超電導線材を平面視したときの溝の幅はそれぞれ４０μｍとした。

【0072】

（高温超電導線材の特性）
得られた高温超電導線材のうち、欠陥を導入したフィラメント線材（図５Ａにおける一番上のフィラメント線材）の電流－電圧特性を測定した。結果を図５Ｂに示す。図５Ｂでは、縦軸が、検出された電圧（μＶ／ｃｍ^２）であり、横軸は印加した電流値（Ａ）である。当該フィラメント線材では、第１超電導層は分断されているにも関わらず、通常の高温超電導線材と同様の電流－電圧特性が得られた。また、その臨界電流値は５０Ａ以上であった。つまり第１超電導層の欠陥部分において、第２超電導層側にバイパスが生じたといえる。

【0073】

［実施例３］
第１の線材に人工的に欠陥を生じさせなかった以外は、実施例２と同様に高温超電導線材を作製した。当該高温超電導線材の断面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した。結果を図６Ａに示す。図６Ａに示すように、ピコ秒パルスレーザ（発振波長３５５ｎｍ）によるスクライビング加工によれば、第２線材１０ｂだけでなく、第１線材１０ａの第１安定化層１４ａや第１超電導層１３ａ、第１中間層１２ａ、第１金属基板１１ａの一部も分断可能であった。

【0074】

続いて、上記ピコ秒パルスレーザの代わりに、フェムト秒パルスレーザ（発振波長：１μｍ、パルス長：３００フェムト秒）を用いて溝を形成した場合の断面を図６Ｂに示す。また、ピコ秒パルスレーザ（発振波長：１μｍ、パルス長：１０ピコ秒）を用いて溝を形成した場合の断面を図６Ｃに示す。いずれにおいても、第２線材１０ｂだけでなく、第１線材１０ａの第１安定化層１４ａや第１超電導層１３ａ、第１中間層１２ａ、第１金属基板１１ａの一部も分断可能であった。

【0075】

［参考例］
実施例２と同様に、第１線材および第２線材を貼り合わせた。当該線材に対し、１００Ｈｚ、最大出力０．５ＪのＫｒＦエキシマガスレーザ（波長２４８ｎｍ、パルス長：１５ナノ秒）を照射し、溝を形成しようとした。しかしながら、図７に示すように、一般的なＫｒＦエキシマガスレーザでは、第２金属基板１１ｂも貫通できなかった。

【0076】

本出願は、２０２１年１月２５日出願の特願２０２１－００９４２５号に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明の高温超電導線材は、臨界電流が高く、かつヒステリシス損失が少ない。したがって、当該高温超電導線材は、超電導マグネット、超電導ケーブル、電力機器及びデバイス等に適用可能である。

【符号の説明】

【0078】

１０ 線材
１０ａ 第１線材
１０ｂ 第２線材
１１ 金属基板
１１ａ 第１金属基板
１１ｂ 第２金属基板
１２ 中間層
１２ａ 第１中間層
１２ｂ 第２中間層
１３ 超電導層
１３ａ 第１超電導層
１３ｂ 第２超電導層
１４ 安定化層
１４ａ 第１安定化層
１４ｂ 第２安定化層
１５ 接続層
２０ フィラメント線材
３１ａ、３１ｂ 欠陥
１００ 高温超電導線材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】