集合組織金属テープを用いた
低コスト高温超伝導線材
京都大学
大学院エネルギー科学研究科
教授
土井 俊哉
兵庫県立大学 大学院工学研究科
助教
岡井 大祐
電力中央研究所
上席研究員
一瀬 中
1
本日、紹介予定の新技術
（１） 圧延再結晶集合組織金属テープを基材に用いた
低コスト高温超伝導線材
保護層
（エナメル被覆等）
保護層
YBa2Cu3O7
導電性中間層
配向Cu
テープ
YBa2Cu3O7
或いは
Fe 又は
ステンレス
中間層
珪素鋼板
Cu（後付け）
鉄の{100}面を圧延面に
平行に揃えた鉄板
0.287 nm
（２） {100}<001>集合組織Feの製造方法
圧延方向
2
現状、市販されている高温超伝導線材の問題点
価格が非常に高いため、最終製品価格が高額になる。
市場形成には，２桁の低コスト化が必要と考えられている
・Agが必須
・ハステロイを使用
Cu
Ag（貴金属）
高温超伝導体
RBa2Cu3O7
の単結晶的薄膜
CeO2
CeO2（レアアース）
MgO
MgO
単結晶的なMgO
MgO
単結晶的な
Y22O33（レアアース）
（希土類）
Al2O3
レアメタル
ハステロイ
Ｎｉ基耐熱合金
テープ
IBAD線材
・Agが必須
・Ni-Wを使用
Cu
Ag（貴金属）
高温超伝導体
RBa2Cu3O7
の単結晶的薄膜
2
MgO
CeOCeO
（レアアース）
2
MgO
単結晶的な
YSZ
（レアアース）
Y32O3
レアメタル
Ni-W配向
Ｎｉ基耐熱合金
テープ
RABiTS線材
3
YBCO高温超伝導線材の断面構造
100 mm
YBCO高温超伝導線材の材料費の大部分は，金属部分
材料費の高い順に（単価×使用量）
① ハステロイテープ
or Ni-Wテープ
②Ag（スパッタ成膜層）
③Cu（安定化層）
Cu
ハステロイテープ
IBAD線材の断面構造
Ag (5mm)
GdBa2Cu3O7
CeO2
エピ-MgO
IBAD-MgO
Y2O3
Al2O3
Cu
Ag (5mm)
YBa2Cu3O7
CeO2
Ni-Wテープ
RABiTS線材の断面構造
YSZ
Y2O3
4
新しく提案する高温超伝導線材の断面構造
保護層
新構造①
配向
Cuテープ
YBa2Cu3O7
導電性
中間層
新構造②
配向
Feテープ
（珪素鋼板）
ステンレステープ
Cuテープ
Ag不使用
5
配向Cuテープに導電性酸化物中間層を形成することで
安定化層作製を不要にした低コストRE系超伝導線材
保護層
配向
Cuテープ
ステンレス
テープ
導電性中間層
（NbドープSrTiO3, その他）
（エナメル被覆等）
YBa2Cu3O7
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
6
{100}<001>Cu/SUS316貼合せテープ上への
導電性中間層の作製
{100}<001>Cu/SUS316
貼合せテープ
表面を研磨
第1中間層
Ni層をめっき
第2中間層
Sr(Ti0.95Nb0.05)3を
PLD法で形成
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
7
Cu/SUS316テープ上にSr(Ti0.95Nb0.05)O3を中間層として
介して作製したYBa2Cu3O7薄膜の配向性
YBa2Cu3O7
Sr(Ti0.95Nb0.05)3
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
Cu/SUS316テープ上に
導電性中間層としてSr(Ti0.95Nb0.05)O3を
介して作製したYBa2Cu3O7薄膜は
良好な２軸配向性を有している
20
40
120°
90°
⊿φ
60°
150°
60
2θ (degree)
0°RD
210°
80
= 5.7゜
30°
180°
YBCO(009)
YBCO(007)
Cu (200) + Ni (200)
YBCO(005)
Nb-SrTiO3(002)
YBCO(006)
YBCO(004)
YBCO(003)
intensity (a.u.)
TD
330°
240°
270°
300°
(102)YBCO pole figure
8
77K、自己磁場中で測定した I – V 曲線
{100}<001>集合組織Cu/SUS316貼合せテープ上（短尺）に
導電性中間層を介して作製したYBCO薄膜の臨界電流密度
Jc=1.2×106 A/cm2 を得た。
at 77 K in S.F.
CeO2
YBa2Cu3O7
300
・Agが必須
・Ni-Wを使用
Cu
Ag（貴金属）
高温超伝導体
RBa2Cu3O7
の単結晶的薄膜
2
MgO
CeOCeO
（レアアース）
2
単結晶的な
YSZ MgO
（レアアース）
Y32O3
レアメタル
Ni-W配向
Ｎｉ基耐熱合金
テープ
・Ag不使用
・W不使用
・Ni使用量1/100
YBa2Cu3O7
Sr(Ti0.95Nb0.05)3
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
V （μV）
Ag, Ni, Wを多量に使用する
高価な線材と同等の性能を
安価な線材で達成
YSZ
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
200
100
YBa2Cu3O7
Sr(Ti0.95Nb0.05)3
Ni
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
0
0
Ｉ (A)
10
9
配向Cuテープに導電性酸化物中間層を形成することで
安定化層作製を不要にした低コストRE系超伝導線材
保護層
配向
Cuテープ
ステンレス
テープ
導電性中間層
（NbドープSrTiO3, その他）
（エナメル被覆等）
YBa2Cu3O7
配向Cu
テープ
ステンレス
テープ
配向Cuテープ+高強度金属テープ＋導電性中間層
の組合せを使った新しい構造を採用することにより、
高温超伝導線材の大幅な低価格化が実現できる。
ここで、純Cu以外の金属は電気抵抗が十分に低くはないので、安
定化層とテンプレート層を兼ねることができる金属は
純Cuのみである。
10
方向性電磁鋼板を基材とした低コストＲＥ系超伝導線材
配向
Feテープ
（珪素鋼板）
Cuテープ
保護層
最終目標は
レアアースフリー導電性中間層
現状は
絶縁性中間層
YBa2Cu3O7
珪素鋼板
Cu（後付け）
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珪素鋼板上への中間層作製
高い配向度が得られている{110}<001>集合組織珪素鋼テープ上に
パルスレーザー蒸着法を用いて中間層候補物質の薄膜を作製
紫外線レーザー光
ガラス窓
酸素管
ロータリーポンプ
バルブ
基板ホルダー
ヒーター
冷却水
基板
熱電対
バルブ
ターゲット
空気弁
コンダクタンスバルブ
メインバルブ
テープ表面の鉄原子配列
ターボ分子ポンプ
12
YBCO / CeO2 / CSZ /珪素鋼板の２軸配向性
90°
120°
60°
40°
60°
150°
30°
20°
0° 180°
0
9575
19150
28725
38300
47875
57450
67025
76600
YBa2Cu3O7
CeO2
0°
20°
40°
210°
CSZ
330°
60°
240°
300°
270°
Feの{100}極点図
90°
120°
60°
40°
YBCO
Δ φ =5~6°
60°
150°
30°
20°
0° 180°
0°
20°
40°
60°
210°
330°
240°
300°
0
7425
14850
22275
29700
37125
44550
51975
59400
Fe
CeO2
非常に安価な珪素鋼板上に
高い２軸配向性を有する
YBa2Cu3O7層が作製できる
ことを実証できた。
270°
YBCOの(103)極点図
13
直流四端子法による Jc の測定結果
Ic ~ 0.52A
Jc ~ 2.0×104 A/cm2
YBa2Cu3O7
CeO2
CSZ
20
V / μV
{110}<001>
鉄テープ
10
Ｊｃ向上の為の検討課題
77 K
自己磁場中
成膜条件の最適化
平滑性向上
Ｆｅ拡散抑制
Ｏ拡散抑制
0
0
0.2
0.4
I/A
0.6
0.8
14
方向性電磁鋼板を基材とした低コストＲＥ系超伝導線材
配向
Feテープ
（珪素鋼板）
最終目標は
レアアースフリー導電性中間層
現状は
絶縁性中間層
Cuテープ
保護層
YBa2Cu3O7
珪素鋼板
Cu（後付け）
①低価格で市販されている珪素鋼板上に2軸配向したYBa2Cu3O7層
を形成できることを実証した。
②この結果は、高価なNi基合金テープを基材に用いることなく
安価な基材で高温超伝導線材が作製できることを意味する。
③珪素鋼板を基材に使用した更なる低コスト高温超伝導線材
の作製には、珪素鋼板上で使用するのに適した導電性中間層
の開発が課題として残っている。
15
配向鉄シートの特徴と製造技術
・結晶配向した多結晶鉄シート（純鉄）は，付加価値が高い機能性材料である．
・結晶配向鉄シートの製造の難しさは，
｛１００｝配向 ＞ ｛１１０｝配向 ＞｛１１１｝配向
の順である．
・｛１００｝配向鉄シートの製造方法として，交叉圧延法，特殊な熱処理法等が検討
されているが， ｛１００｝配向鉄シートの実用化に至っていない．
高付加価値の配向鉄シート
鉄板
（ｂｃｃ）
{100}面
｛１００｝＜００１＞
{110}面
｛１１０｝＜００１＞
{111}面
γ -繊維組織
・本技術（一般的な圧延と熱処理）により，｛１００｝配向鉄シート
の作製を可能にした．
16
{１００}配向鉄シートの用途および作製技術
配向鉄シートの用途
•｛１００｝配向鉄シートは，立方晶型疑似単結晶基板材料，軟磁性材料
として応用が期待できる．
結晶配向
｛１００｝＜００１＞
機能性材料
立方晶型疑似単結晶材料
軟磁性材料
｛１１０｝＜００１＞
軟磁性材料
γ -繊維組織
塑性加工材料
用途
エピタキシャル膜用大面積鉄基板
Goss方位珪素鋼板（変圧器の鉄
心材料）
自動車ボディーパネル用鋼板
本技術の現状と課題
・種々の鉄合金において，｛１００｝配向シートの製造を行うには，
製造条件の調整が必要な場合がある．
17
新技術の特徴・従来技術との比較
（高温超伝導線材に関して）
• 従来技術において，高材料コストの主因で
あった銀とNi基特殊合金を，汎用金属である
銅と鉄に置き換えることに成功した．
• 材料コストを２桁程度低減するための新構造
においても，従来技術と同等の性能が得られ
ることを確認済み．
18
想定される用途
• 高温超伝導線材は，基本的に全ての電力機
器に使用することが可能で，その機器の効率
を向上させる．比較的近い時期の用途として
は，医療用MRIとリニア新幹線車両が有望と
考えている．
• {100}<001>集合組織Feテープについては，
結晶配向を必要とする各種の機能性材料
向け基板としての用途も期待できる．
19
実用化に向けた課題
• 高温超伝導線材の開発については，実験室
レベルの技術開発はほぼ完了．今後は既存
の長尺線材製造技術の改良による試作，およ
び長尺線材特有の問題の洗い出しとその解
決策の開発が必要であると考えている．
• {100}<001>集合組織Feテープについては，
結晶配向度の向上を更に進める必要がある．
20
企業への期待
• 高温超伝導線材の開発については，長尺の
電線形状の線材を製造可能な設備および技
術を有する企業との共同開発を希望．
• {100}<001>集合組織Feテープについては，
炭素鋼，合金鋼の製造，加工を実施している
企業，あるいは金属加工設備および技術を有
している企業との共同開発を希望．
21
産学連携の経歴
1987年度-1998年度
㈱日立製作所日立研究所勤務
1999年度-2014年度 日立，東芝，中部電力，
田中貴金属工業，㈱九州日昌
などと共同研究実施
2011年度-2014年度
JST-ALCA事業に採択
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本技術に関する知的財産権
発明の名称
出願番号
出願人
発明者
：高温超伝導線材の製造方法および高温超伝導線材
：特願2013-195238
：京都大学
：土井俊哉
お問い合わせ先
関西ティー・エル・オー株式会社
担当：藤ヶ崎諒平
兵庫県立大学 知的財産本部
担当：久保 幸雄
ＴＥＬ： 075-753-9150
ＦＡＸ： 075-753-9169
e-mail ： [email protected]
ＴＥＬ： 079-283-4560
ＦＡＸ： 079-283-4561
e-mail ： [email protected]
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