KR101410857B1 - 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법 - Google Patents

박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동형 자기재생식 냉동기의 제조시 자성물질의 적층률을 높여 자기열 효과를 극대화시키도록 자성물질을 기판이 없는 박판 형태로 제조할 수 있도록 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 금속기판의 일면에 가열 상태의 자성물질을 진공 증착하여 결정질 금속의 자성막을 형성하는 증착단계; 상기 금속기판을 상온에서 냉각하는 냉각단계; 및 상기 자성막을 상기 금속기판에서 박리하여 박판 형태를 갖는 자기냉동용 자성물질의 제조를 완료하는 박리단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법{Manufacturing method of sheet type material for magnetic freezer}
본 발명은 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동형 자기재생식 냉동기의 제조시 자성물질의 적층률을 높여 자기열 효과를 극대화시키도록 자성물질을 기판이 없는 박판 형태로 제조할 수 있도록 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자기냉동기술은 자기냉동용 자성물질에 외부 자기장을 인가하면 전자스핀의 정렬 상태가 되면서 자기냉동용 자성물질의 온도가 상승하고 외부 자기장을 해제하면 전자스핀의 정렬이 무질서한 상태가 되면서 자기냉동용 자성물질의 온도가 하강하는 자기냉동용 자성물질의 자기열 효과(MCE, Magnetocaloric effect)를 이용한 것이다.
이러한 자기냉동기술을 상온에서 구현하기 위하여 능동형 자기 재생식 냉동기(AMRR, Active Magnetic Regenerative Refrigerator)가 개발되었는데, 이는 자기냉동용 자성물질을 알갱이, 분말, 리본, 판 등과 같은 형태로 내부의 특정 공간 안에 채워 넣고 외부 자기장을 반복적으로 인가 또는 해제하는 과정에서 냉각효과를 얻고, 내부에 열전달 유체를 저온부에서 고온부로 순환시켜 냉동하는 시스템이다.
상기 능동형 자기 재생식 냉동기는 재생기의 재생물질로 자기냉동용 자성물질을 사용하고 열전달매체로 유체를 사용한다. 따라서 열전달효율이 우수하고 유체의 속도와 외부 자기장의 조절이 가능하여 제어가 용이한 장점이 있을 뿐만 아니라 외부 자기장의 변화에 따라 능동적으로 열을 흡수하고 방출하여 능동적 재생기로 작동하는 특성이 있다.
이와 같은 능동형 자기 재생식 냉동기의 재생기에 적용되는 자기냉동용 자성물질은 자기열 효과를 효과적으로 발휘하여 우수한 냉동효율을 발휘하기 위해서는 몇 가지 요구조건을 충족해야 한다.
즉, 자기냉동용 자성물질은 자기열 효과와 열전도도 및 열확산도가 높아야 하고, 변형 등이 방지되도록 어느 정도의 기계적 강도를 가져야 하며, 중량밀도가 높아야 하고, 내산화성과 장기적 안정성 및 내부식성도 우수해야 하며, 교류손실과 이방성이 적어야 하고 와전류 손실이 줄이기 위해 전기저항도 높아야 한다.
상기한 요구조건에 충족하는 자기냉동용 자성물질은 현재 다양한 제조방법으로 제조되고 있는데, 자성물질 금속을 아크 용해하여 잉곳(ingot)을 만든 다음 리본이나 판재로 가공하는 방법, 분무 열분해법(spray pyrolysis)으로 자성물질 금속을 분말형태로 만들어 여러 용액과 혼합한 후 슬러리로 가공하여 닥터 블레이딩법으로 판재를 만드는 방법(C.R.H. Bahl, APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 121905 (2012)), 자성 금속을 아르곤 분위기에서 용해한 용탕을 노즐을 통해 고속으로 회전하는 드럼 표면에 떨어트려 급속 응고시켜 리본 형태를 만드는 방법(C.F.Sanchez-Valdes 등, Scripta Materialia 논문지,(2013)), PLD나 스퍼터링 등의 진공증착법으로 세라믹 기판위에 자성물질막을 코팅하는 방법, 원심분무 공정으로 Gd 등의 금속을 고온의 진공 상태에서 녹인 뒤 이를 고속으로 회전하는 원판 위에 분사시킴으로써 원심력에 의해 미세하고 균일한 구형 분말 형태로 급속 응고시켜 제조하는 방법 등이 있다.
상기와 같은 제조방법으로 제조되는 종래의 자기냉동용 자성물질은 주로 구형 입자나 판재 등의 형태로 자기 재생기에 적용되고 있다.
그러나 상기한 방법들은 공정단계가 많거나 제조가 용이하지 못하여 생산 효율이 떨어질 뿐만 아니라 이를 적용하는 자기 재생기의 형상을 한정시켜 자기 재생기의 형태를 다양하게 할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 제조가 용이하면서 재생기용 자성물질의 형상을 다양화할 수 있는 형태를 가진 자기냉동용 자성물질에 대한 연구 개발이 절실히 요구되고 있다.
미국 등록특허공보 제04332135호, 1982.06.01.자 등록. 미국 공개특허공보 제2007/0220901A1호, 2007.09.27.자 공개.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 기판에 결합되지 않고 자성물질만으로 단독 구성된 박판 형태로 제조하여 능동형 자기 재생식 냉동기의 제작시 높은 충진율로 자기냉동용 자성물질만을 적층하여 자기열 효과를 극대화시킬 수 있도록 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법은, 금속기판의 일면에 가열 상태의 자성물질을 진공 증착하여 결정질 금속의 자성막을 형성하는 증착단계; 상기 금속기판을 상온에서 냉각하는 냉각단계; 및 상기 자성막을 상기 금속기판에서 박리하여 박판 형태를 갖는 자기냉동용 자성물질의 제조를 완료하는 박리단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 증착단계에서는, 상기 금속기판을 히터로 가열하여 상기 금속기판의 온도를 높여 상기 자성물질의 결정화 반응을 유도하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기 박리단계는, 상기 자성막을 이루는 상기 자성물질과 상기 금속기판 간의 열팽창률의 차이에 의해 가능하게 됨을 특징으로 한다.
상기 금속기판은, 스테인리스스틸, 하스텔로이 중의 하나로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 자성물질은, 여러 금속 성분으로 이루어진 화합물계 자성물질 또는 Gd로 이루어진 단독 자성물질로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 자성물질은, 유도가열, 저항가열 중의 하나의 방식으로 가열되어 증발되도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은, 기판이 없는 단독적으로 박판 형태를 갖는 자기냉동용 자성물질의 제조를 가능하게 함에 따라 자기 냉동 기술에 적용시 자기냉동용 자성물질로만으로 적층이 가능하여 단위면적당 자기냉동용 자성물질의 적층률을 높여 자기열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 공정도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 공정도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질을 적용한 능동형 자기 재생식 냉동기에 대한 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따라 Gd를 자성물질로 하여 제조된 박판형 자기냉동용 자성물질에 대한 사진.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따라 Gd를 자성물질로 하여 제조된 박판형 자기냉동용 자성물질에 대한 X선 회절 분석도.
본 발명에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법은, 능동형 자기 재생식 냉동기의 재생기를 구성하는 것으로, 외부 자기장의 인가 및 해제에 따라 열을 흡수 및 방출하여 자기열 효과를 발휘하는 자기냉동용 자성물질을 제조하기 위한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법은, 기판이 없는 자기냉동용 자성물질만으로 단독 구성된 박판 형태의 자기냉동용 자성물질을 제공함에 따라, 능동형 자기 재생식 냉동기의 제작시 자기냉동용 자성물질만으로 적층하여 자기냉동용 자성물질의 적층율을 높여 자기열 효과를 극대화시킬 수 있도록 한 것이 특징이다.
이러한 특징은, 금속기판의 일면에 자성물질을 진공 증착하여 자성막을 형성하는 증착단계, 자성막이 일면에 형성된 금속기판을 상온에서 냉각하는 냉각단계, 및 상온에서 냉각된 금속기판으로부터 자성막을 박리하여 박판 형태의 자기냉동용 자성물질의 제조를 완료하는 박리단계를 포함하는 구성에 의해 달성된다.
즉, 증착단계, 냉각단계, 및 박리단계를 차례대로 거치면서 금속기판에 자성물질이 진공 증착되어 결정질 금속으로 변화된 자성막을 박판 형태 그대로 박리하여 분리함으로써 기판이 없는 박판 형태의 자기냉동용 자성물질을 제조할 수 있게 된다.
따라서 능동형 자기 재생식 냉동기의 제작시 기판 없이 자기냉동용 자성물질만으로 적층 가능함에 따라 단위면적당 자기냉동용 자성물질의 적층률을 높여 자기열 효과를 극대화시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 공정도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 공정도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질을 적용한 능동형 자기 재생식 냉동기에 대한 예시도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따라 Gd를 자성물질로 하여 제조된 박판형 자기냉동용 자성물질에 대한 사진이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따라 Gd를 자성물질로 하여 제조된 박판형 자기냉동용 자성물질에 대한 X선 회절 분석도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법(S100)은, 도1에 도시된 바와 같이 증착단계(S110), 냉각단계(S120), 및 박리단계(S130)를 포함하여 구성되는데, 이는 사용되는 금속기판(10)과 자성냉동물질(20)의 종류에 따라 제1실시예와 제2실시예로 구분할 수 있다.
먼저, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법(S110)은, 도 2에 도시된 공정도와 같은데, 이에 대한 각각의 단계들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 증착단계(S110)는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 진공챔버(V) 내에서 스테인리스스틸(Stainless steel)로 구성된 금속기판(10)의 하면에 Ni, Mn, 및 Ga로 복합 구성된 자성물질(20)을 진공 증착시켜 결정화 금속의 자성막(30)을 형성하는 단계이다.
이때 자성물질(20)은 금속재질의 도가니(C)에 투입되어 유도 가열, 저항 가열 등의 가열 방식으로 가열되면서 금속기판(10)의 하면에 진공 증착되는 것이 바람직하다.
그리고 금속기판(10)은 온도 상승을 통해 자성물질(20)의 결정화 반응을 일으켜 증착률을 높일 수 있도록 히터(H)에 의해 가열된 상태로 자성물질(20)의 진공 증착이 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 진공챔버(V)는 자성물질(20)이 금속기판(10)의 하면에 원활하게 진공 증착되도록 진공도가 10-5Torr 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 냉각단계(S120)는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 자성막(30)이 하면에 형성된 금속기판(10)을 진공챔버(V) 외부로 인출하여 상온에서 냉각하는 단계이다.
상기 박리단계(S130)는, 도 2의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 상온에서 냉각된 금속기판(10)으로부터 자성막(30)을 박리하여 박판 형태의 자기냉동용 자성물질(100)의 제조를 완료하는 단계이다.
이때 자성막(30)의 박리는 상기 냉각단계(S130)에서부터 금속기판(10)과 자성막(30)을 이루는 자성물질(20) 간에 상호 다른 열팽창률에 따라 서서히 일어나는 자연스러운 현상이다.
즉, 금속기판(10)은 스테인리스스틸 재질로 열팽창률이 17.3×10-6℃이고 금속 결정화된 자성막(30)은 Ni-Mn-Ga 합금 재질로 열팽창률이 17.7×10-6℃이므로 그 차이에 의해 자성막(30)이 금속기판(10)으로부터 외측으로 벌어지게 된다.
따라서 별도의 도구를 이용하거나 수작업으로 자성막(30)을 잡아 금속기판(10)에서 간단하게 박리시켜 분리하면 된다.
단, 금속기판(10)과 자성막(30) 간의 열팽창률 차이가 상대적으로 너무 크면 상기 증착단계(S110)에서 자성막(30)이 금속기판(10)에서 박리되고 상대적으로 너무 작으면 상기 박리단계(S130)에서도 자성막(30)이 금속기판(10)에서 쉽게 박리되지 않으므로, 열팽창률의 차이가 3.0×10-6℃~5.0×10-6℃가 되게 금속기판(10)과 자성막(30)의 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
따라서 박리단계(S130)를 거치게 되면 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 박판 형태의 자기냉동용 자성물질(100)의 제조가 완료되고, 이를 능동형 자기 재생식 냉동기에 적용하면 도 4에 도시된 바와 같이 자기냉동용 자성물질(100)만으로 구성 가능하게 된다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법(S100)은, 도 3에 도시된 공정도와 같은데, 이에 대한 각각의 단계들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 증착단계(S110)는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 진공챔버(V) 내에서 하스텔로이(Hastelloy)로 구성된 금속기판(10)의 하면에 Gd로 단독 구성된 자성물질(20)을 진공 증착시켜 결정화 금속의 자성막(30)을 형성하는 단계이다.
이때 자성물질(20)은 금속재질의 도가니(C)에 투입되어 유도 가열, 저항 가열 등의 가열 방식으로 가열되면서 금속기판(10)의 하면에 진공 증착되는 것이 바람직하다.
그리고 진공챔버(V)는 자성물질(20)이 금속기판(10)의 하면에 원활하게 진공 증착되도록 진공도가 10-5Torr 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
단, 금속기판(10)은 히터로 가열하지 않더라도 도가니(C)에서 방사되는 열로도 충분히 자성물질(20)의 금속 결정화 반응을 유도하여 그 하면에 자성막(30)의 형성이 가능하다.
상기 냉각단계(S120)는, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 자성막(30)이 하면에 형성된 금속기판(10)을 진공챔버(V) 외부로 인출하여 상온에서 냉각하는 단계이다.
상기 박리단계(S130)는, 도 3의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 상온에서 냉각된 금속기판(10)으로부터 자성막(30)을 박리하여 박판 형태의 자기냉동용 자성물질(100)의 제조를 완료하는 단계이다.
이때 자성막(30)의 박리는 상기 냉각단계(S130)에서부터 금속기판(10)과 자성막(30)을 이루는 자성물질(20) 간에 상호 다른 열팽창률에 따라 서서히 일어나는 자연스러운 현상이다.
즉, 금속기판(10)은 하스텔로이 재질로 열팽창률이 11.3×10-6℃이고 금속 결정화된 자성막(30)은 Gd 재질로 열팽창률이 9.0×10-6℃이므로 자성막(30)이 금속기판(10)으로부터 외측으로 벌어지게 된다.
따라서 별도의 도구를 이용하거나 수작업으로 자성막(30)을 잡아 금속기판(10)에서 간단하게 박리시켜 분리하면 된다.
단, 금속기판(10)과 자성막(30) 간의 열팽창률 차이가 상대적으로 너무 크면 상기 증착단계(S110)에서 자성막(30)이 금속기판(10)에서 박리되고 상대적으로 너무 작으면 상기 박리단계(S130)에서도 자성막(30)이 금속기판(10)에서 쉽게 박리되지 않으므로, 열팽창률의 차이가 3.0×10-6℃~5.0×10-6℃가 되게 금속기판(10)과 자성막(30)의 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
따라서 박리단계(S130)를 거치게 되면 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이 박판 형태의 자기냉동용 자성물질(100)의 제조가 완료되고, 이를 능동형 자기 재생식 냉동기(200)에 적용하면 도 4에 도시된 바와 같이 자기냉동용 자성물질(100)만으로 구성 가능하게 된다.
그리고 금속기판(10)에서 박리된 박판 형태의 자기냉동용 자성물질(100)의 사진은 도 5에 도시된 바와 같고, 이에 대한 X선 회절 분석도를 도 6에 도시된 바와 같이 미량의 Gd2O3 산화물이 발견된 것을 제외하고는 Gd 금속결정을 가진 것임을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법은 금속기판 없는 박판 형태의 자기냉동용 자성물질의 제조를 가능하게 함으로써 이를 자기냉동 기술에 적용하여 자기열 효과를 극대화시킬 수 있게 된다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
10: 금속기판 20: 자성물질
30: 자성막
100: 박판형 자기냉동용 자성물질
200: 능동형 자기 재생식 냉동기
S100: 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법
S10: 증착단계 S20: 냉각단계
S130: 박리단계
V: 진공챔버 C: 도가니
H: 히터

Claims (6)

  1. 금속기판(10)의 일면에 가열 상태의 자성물질(20)을 진공 증착하여 결정질 금속의 자성막(30)을 형성하는 증착단계(S110);
    상기 금속기판(10)을 상온에서 냉각하는 냉각단계(S120); 및
    상기 자성막(30)을 상기 금속기판(10)에서 박리하여 박판 형태를 갖는 자기냉동용 자성물질(100)의 제조를 완료하는 박리단계(S130);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증착단계(S110)에서는,
    상기 금속기판(10)을 히터(H)로 가열하여 상기 금속기판(10)의 온도를 높여 상기 자성물질(20)의 결정화 반응을 유도하도록 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박리단계(S130)는,
    상기 자성막(30)을 이루는 상기 자성물질(20)과 상기 금속기판(10) 간의 열팽창률의 차이에 의해 가능하게 됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속기판(10)은,
    스테인리스스틸, 하스텔로이 중의 하나로 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성물질(20)은,
    Ni, Mn, 및 Ga로 이루어진 복합 자성물질 또는 Gd로 이루어진 단독 자성물질(20)로 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성물질(20)은,
    유도가열, 저항가열 중의 하나의 방식으로 가열되어 증발되도록 구성됨을 특징으로 하는 박판형 자기냉동용 자성물질의 제조방법.
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