KR102399954B1 - 그래핀 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 변압기에 관한 것으로서, 코어부; 및 상기 코어부의 외주면에 권취되는 코일부를 포함하고, 상기 코일부는, 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되며 그래핀 코팅층을 포함하는 제1 금속층; 및 상기 제1 금속층 상에 배치되며 상기 제1 금속층에 코팅된 그래핀 코팅층과 동일한 두께의 그래핀 코팅층을 포함하는 제2 금속층을 포함하고, 상기 베이스층은 상기 코일부 내에서 절연기능을 수행할 수 있다.

Description

그래핀 변압기{A GRAPHENE CONDUCTOR}
본 발명은 그래핀 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변압기에 포함된 그래핀에 의해 변압기의 효율을 극대화시킨 고스펙 변압기이다.
일반적으로 변압기는 자속을 만드는 철심(이하, 코어(Core)라고도 함)과 자속에 의하여 유기되는 전류의 통로가 되는 권선(이하, 코일(Coil)이라고도 함)으로 구성된다.
변압기는 철심과 권선 사이의 전자유도작용에 의해 전압 또는 전류를 변성하여 입력측에서부터 출력측에 같은 주파수의 전력을 전달하는 기기이다. 변압기는 일차 단자(Termial)에 전압을 공급하면 1차코일에 전류가 흐르고 이 전류에 의해 발생한 자속으로 인해 2차코일에 전압이 유기되는 전자기 유도 현상에 의해 동작하는 것이다.
그러나, 변압기는 철심의 전력손실인 철손(Iron loss)과 변압기가 운전 중에 생기는 손실로서 권선 저항에 의해 발생하는 줄손(Joule loss)인 동손(Copper loss)에 의해 효율이 감소하는 문제점이 있다. 특히, 손실의 70% 내지 80%는 동손(Copper loss)으로부터 야기되며 나머지 20% 내지 30%는 철심 자체에 의해 발생한다.
따라서, 변압기의 효율을 높이기 위해서는 동손을 줄이는 것이 관건이며, 동손의 크기(전류2 x 저항)를 결정짓는 가장 큰 요인은 전류이다. 그러나, 전류는 용량(kVA)과 전압(V)에 따라 결정되는 요소이기 때문에 변압기 설계자가 관리할 수 없는 한계가 있다.
오직 변압기의 효율을 높이기 위해서 변압기 설계자가 관리할 수 있는 것은 단지 변압기 내에 사용되는 도체의 선택이 제한된다는 한계가 있다. 일반적으로 변압기의 전선에 사용되는 도체는 동(Copper) 또는 알루미늄(Aluminum)으로 구성된다. 이들은 우수한 전기적 특성과 저렴한 가격으로 인해 보편적으로 사용되었지만 전류 수송 능력 및 기계적 특성으로 인해 동손과 냉각 성능 향상에는 한계가 있다.
[관련 특허문헌]
1.대한민국 등록특허 공보 제10-1028054호(완전고체절연 몰드 변압기 및 이의 제조 방법)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변압기에서 절연 기능을 수행하는 구성이 코일부에 포함됨에 따라 절연 성능은 유지하면서 변압기 전체 중량을 감소시킬 수 있는 고스펙의 그래핀 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변압기에 사용되던 도체에 그래핀을 적용함으로써 단위면적당 흐를 수 있는 전류량 즉, 전류 밀도를 높여 효과적으로 동손을 저감시킬 수 있는 그래핀 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 변압기의 전선으로 그래핀 도체를 사용함으로써, 구리 코일 보다도 수십배 빠른 열전도로 변압기 운전 중 코일과 철손 등에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 그래핀 변압기를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기는 코어부; 및 상기 코어부의 외주면에 권취되는 코일부를 포함하고, 상기 코일부는, 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되며 그래핀 코팅층을 포함하는 제1 금속층; 및 상기 제1 금속층 상에 배치되며 상기 제1 금속층에 코팅된 그래핀 코팅층과 동일한 두께의 그래핀 코팅층을 포함하는 제2 금속층을 포함하고, 상기 베이스층은 상기 코일부 내에서 절연기능을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 베이스층 및 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 제1 접착층; 및 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 배치되며 제2 접착층을 더 포함하고, 상기 제1 접착층 및 제2 접착층은 상기 제1 금속층의 두께보다 얇고 열전도 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 변압기의 전력에 기초하여 적어도 두 개의 상기 코일부가 결합되어 하나의 코일부를 이룰 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 두 개의 코일부가 결합된 상기 하나의 코일부는, 수직 방향으로 적층되어 결합되며 상기 하나의 코일부에 포함되는 그래핀 코팅층의 두께는 모두 동일할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부는 판상형 도체로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 그래핀 용액은 알루미늄 시트에 화학기상증착법으로 도포될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 알루미늄 시트에 탄소 나노 튜브(carbon nano tube; CNT), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 나노플레이트렛(Graphene Nanoplatelets), 그라파이트(graphite), 그라파이트 나노플레이트(Graphite Nanoplatelets, GNPs) 또는 이들의 적어도 하나의 조합 중 하나를 도포할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 변압기에서 절연 기능을 수행하는 구성이 코일부에 포함되어 절연 성능은 유지하면서 변압기 전체 중량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 변압기 제작의 작업 효율성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 변압기의 도체에 그래핀을 적용함으로써 변압기의 효율 감소의 주된 요인인 동손을 저감시킴으로써 변압기의 신뢰성과 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 변압기에 포함된 그래핀 도체에 의해 종래에 사용되던 구리보다도 수십 배 빠른 열전도율로 변압기 운전 중 코일과 철손 등에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 코일부가 그래핀을 포함함으로써 내화학성 및 내부식성을 개선함과 동시에 유체와 전열관 내 표면 저항을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 저압코일부를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 저압코일부를 나타내는 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 저압코일부의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 임의의 변압기 전력에 따른 저압코일부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기와 비교예에 따른 변압기의 내구성을 비교한 그래프이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 제1, 제2 등과 같은 서수식 표현은 서로 동등하고 독립된 객체를 설명하기 위한 것이며, 그 순서에 주(main)/부(sub) 또는 주(master)/종(slave)의 의미는 없는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 열 전도도, 전기 전도도 및 강도가 향상된 고효율 변압기로서, 코어부(200) 및 코일부(100)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 그래핀 변압기(1000)는 내철형 변압기 또는 외철형 변압기 모두에 적용될 수 있다.
코어부(200)는 변압기 내부에 전기장을 형성하는 구성으로서, 자기(磁氣) 재료로 이루어진 복수의 도체판을 포함할 수 있다. 코어부(200)는 다단계의 폭으로 형성된 복수의 도체판이 연속적으로 감겨진 형태를 갖는다. 이때, 복수의 도체판은 이형 모서리를 갖는 권취용회전축에 의해 이형 모서리를 갖는 직사각형 형태로 권취된다. 여기서, 이형 모서리라 함은 모서리가 직각이 아닌 둥글게 휘어진 모서리인 것을 의미한다.
또한, 도체판은 비투자율과 저항률이 크고 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)이 적은 규소(Si) 강판으로 이루어질 수 있다. 히스테리시스 손실은 변압기 내부에 포함된 코어에 감겨진 코일에 전류가 흐르면서 철심에서 자기장 변화가 나타남에 따라 발생한 손실을 의미한다. 본 발명에서는 히스테리시스 손실을 줄이기 위해 코어의 주 재료인 순철에 규소와 같은 불순물을 넣어 저항률을 증가시킨 규소 강판을 사용한다.
코어부(200)를 구성하는 다중 폭의 도체판들은 얇은 두께의 규소 강판을 미가공 상태에서 폭만 절단하고 길이는 절단하지 않은 상태에서 와인딩된다. 이에 따라, 코어부(200)는 다중 폭의 도체판이 와인딩됨에 따라 가장자리부에서 중앙부로 갈수록 점진적으로 폭이 넓어지고, 중앙부에서 타 측 자장자리부로 갈수록 다시 점진적으로 폭이 좁아지는 형상으로 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 코어부의 권취방향과 수직하는 방향으로 자른 단면은 'O'자 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 코어부(200)는 길이를 절단하지 않은 상태에서 도체판을 압착하여 권취하기 때문에 도체판 사이에 결합 틈이 발생하지 않아 누설자속(漏洩磁束, leakage flux)을 최소화시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 그래핀 변압기(1000)는 코어에 의한 철손을 줄임으로써 변압기의 효율을 증가시킬 수 있다. 누설자속은 무부하 여자 전류에 의한 손실(즉, 철손)을 발생시키는데, 이는 변압기 효율을 떨어트리는 주요 원인 중 하나이므로 변압기 효율을 위해 코어에 의한 철손을 줄이는 것은 매우 중요하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 코어부(200)의 단면적이 'O'자 형태로 형성됨에 따라 점적률(Space Factor(SF))을 높여 코어의 효율을 증가시킬 수도 있다. 이에, 본 발명의 코어부(200)에 코일부(100)를 결합할 때, 권선에 대한 내면적이 최대인 상태로 코어를 제작할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 그래핀 변압기(1000)는 우수한 단락 강도를 갖을 수 있다. 철손 감소를 위한 다양한 실시예에 따른 코어부와 관련해서는 본 출원인이 이전에 발명한 대한민국 특허출원 제10-2020-0152578호에 상세하게 기재되어 있으며, 특허를 참조로서 포함한다.
따라서, 본 발명의 코어부(200)는, 길이와 폭을 절단한 도체판을 원형 지그 안에 겹쳐 쌓아 코어를 제작함에 따라 작업자의 숙련도에 따른 결합틈이 발생하여 누설자속을 발생시키는 종래의 변압기과 달리 변압기의 효율 증가에 효과적이다.
상술한 코어부(200)의 장변부에는 코일부(100)가 권취된다. 코일부(100)는 자속에 의해 유기되는 전류의 통로가 되는 구성으로서, 저압코일부 및 상기 저압코일부의 외측에 권취되는 고압코일부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 코일부(100)는 판상형 도체로 이루어지며, 그래핀 코팅된 금속층을 포함하여 구성되는 것을 기본으로 한다. 다만, 실시예에 따라, 코일부(100)는 가늘고 긴 원통형상의 전선 형태일 수 있다. 또 다른 실시예에 따른 코일부는 알루미늄(Aluminum), 알루미늄 합금, 동(Copper), 구리(Annealed Cooper), 구리 합금 또는 그들의 조합 등으로 이루어진 물질로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저압코일부는 도 3a 내지 도 3b을 참조하여 후술하겠지만 그래핀 코팅된 복수의 알루미늄시트를 포함하는 구조로 형성되며, 고압코일부는 단일층의 철심으로 이루어질 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 3a를 참조하여 본 발명의 코일부(100)에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 저압코일부를 나타내는 개략도이다. 도 3a는 본 발명의 저압코일부의 단면도이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 임의의 변압기 전력에 따른 저압코일부의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기와 비교예에 따른 변압기의 내구성을 비교한 예시도이다.
코일부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 코어부(200)는 이형 모서리를 갖는 형태로 권취되어 형성될 수 있다. 이때, 코일부(100)는 코어부(200)의 한 쌍의 장변부에 기둥 형상이 되도록 권취되어 도 1과 같은 형태를 이룰 수 있다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 코일부(100)는 베이스층(10), 제1 금속층(20), 제2 금속층(30), 제1 접착층(41) 및 제2 접착층(42)을 포함할 수 있다.
베이스층(10)은 코일부(100)의 금속층들을 지지하고, 금속층들의 전류를 절연하기 위한 기판이다. 베이스층(10)은 플렉서빌리티(flexibility)를 갖는 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드(polyimide, PI)로 이루어질 수 있다. 다만, 베이스층(10)은 다른 실시예에 따라, 유연성, 연신 가능성 또는 이들의 조합을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 베이스층(10)은 제1 금속층(20)과 제2 금속층(30)의 두께보다 얇은 것이 바람직하며, 예컨대, 대략 0.237mm의 두께를 갖는다.
베이스층(10)이 플라스틱 물질로 이루어짐에 따라 상부에 배치되는 금속층들 로부터 흐르는 전류를 절연 시켜주는 기능을 수행한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 베이스층(10)은 코일부(100)의 절연지로서 기능할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 코일부(100)는 베이스층(10) 자체가 절연지로서 기능함에 따라, IKP절연지, NOMEX절연지 등을 사용하는 종래의 변압기와 달리 한 층씩 권취되는 저압코일부 사이에 배치되는 절연지를 생략할 수 있다. 이에 따라, 저압코일부 사이에 배치되는 절연지가 생략되기 때문에 변압기 전체 중량 및 부피를 효과적으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 변압기의 저압코일부의 부피 감소로 전체적인 코일부의 부피가 감소하기 때문에, 철심 및 외함에 충진된 절연유의 양도 감소시킬 수 있다.
도 3a를 참조하면, 베이스층(10) 상에는 제1 접착층(41)이 배치된다. 제1 접착층은, 예를 들어, OCA(optical clear adhesive) 또는 OCR(optical clear resin)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3a를 참조하면, 제1 접착층(41) 상에는 제1 금속층(20)이 배치된다. 제1 금속층(20)은 코어부(200)로부터 형성된 자속에 의하여 유기되는 전류의 통로가 되는 도체판이다. 본 발명의 제1 금속층(20)은 알루미늄(Aluminum, Al) 시트에 그래핀(graphene) 용액을 화학기상증착법으로 얇게 도포한 그래핀 박막을 포함하는 금속층이다. 제1 금속층(20)은 베이스층(10) 보다 두께가 두꺼우며, 예컨대, 대략 0.3mm의 두께를 갖을 것이 바람직하다.
또한, 제1 금속층(20)에 코팅되는 그래핀 용액의 두께는 대략 500nm 이하로 형성될 수 있다. 그래핀 용액은 다층 구조의 그래핀과 금속 입자를 산화시킨 그래핀 산화물의 형태일 수 있다. 그래핀 산화물에서 그래핀과 금속 입자는 대략 9:1인 것으로 가정한다. 이에 따른 산화 그래핀은 수십 W/mK의 열전도율을 가지므로 제1 금속층(20)이 형성된 코일부(100)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.
제1 금속층(20)에 그래핀 용액을 코팅하기 위해서는, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 사용한다. 이때, 화학기상증착법으로는 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(Inductively Coupled Plasma Enhanced Chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 또는 상압화학증기증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD) 등이 사용될 수 있다.
이렇게 CVD방식으로 그래핀코팅층을 형성할 경우, 코일부의 전기전도도를 높일 수 있고 베이스 재료인 알루미늄 시트의 전 영역에 그래핀 용액을 균일하게 도포할 수 있다. 뿐만 아니라, CVD 방식의 경우 박막 코팅층처럼 매우 얇게 도포가 가능하기 때문에 본 발명의 변압기 코일부에 그래핀을 입히기에 바람직한 방식이다.
또는, 실시예에 따라, 스퍼터링(Sputtering), 전자선 증착법(E-Beam Evaporation), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition) 등의 방법을 사용하여 그래핀코팅층을 형성할 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따르면, 제1 금속층은 구리, 철, 니켈, 금, 은, 백금 또는 이들의 적어도 하나 이상의 조합으로 이루어진 금속 중 어느 하나에 탄소 나노 튜브(carbon nano tube; CNT), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 나노플레이트렛(Graphene Nanoplatelets), 그라파이트(graphite), 그라파이트 나노플레이트(Graphite Nanoplatelets, GNPs) 또는 이들의 적어도 하나 이상의 조합을 화학기상증착법에 의해 코팅하여 형성할 수 있다. 이처럼 그래핀 용액이 코팅되어 변압기의 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 물질이라면 이에 제한되지 않는다.
도 3a를 참조하면, 제1 금속층(20) 상에는 제2 금속층(30)과의 결합력을 높이기 위해 제2 접착층(42)이 배치된다. 제2 접착층(42)은 열전도 재료로 이루어질 수 있으며, 금속, 무기물, 탄소 재료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 단, 이때 접착층의 두께는 권선의 체적이 두꺼워지는 것을 방지하기 위해 그래핀코팅층의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제2 접착층(42) 상에는 제2 금속층(30)이 배치된다. 제2 금속층(30)은 제1 금속층(20)과 같이 화학기상증착법(CVD)에 의해 알루미늄 시트에 그래핀 용액이 코팅된 도체판이다. 제2 금속층(30)은 베이스층(10) 보다 두께가 두꺼우며, 제1 금속층(20)과 동일한 두께를 갖는다. 예컨대, 대략 0.3mm의 두께를 갖을 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 금속층(20)과 제2 금속층(30) 상에 배치되는 그래핀코팅층은 수㎛의 두께로 형성된 단일층인 것이 바람직하다. 예컨대, 대략 0.014mm의 두께를 갖을 수 있다.
또한, 제1 금속층(20)과 제2 금속층(30) 상에 배치되는 그래핀코팅층은 동일한 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 대략 0.017mm의 두께를 갖을 수 있다. 하나의 금속층에 그래핀코팅층을 다중층으로 형성할 경우 코팅에 의한 도전율이 저하될 수 있기 때문에 금속층 상에 수㎛ 두께의 그래핀코팅층을 형성한 후, 변압기 전력에 따라 이들의 결합된 구성을 적층하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 저압코일부에 포함되는 제1 금속층(20) 및 제2 금속층(30)은 단면적이 작을수록 바람직하다. 특히, 같은 두께의 그래핀을 코팅하더라도 단면적이 작을 수록 상대적으로 크래핀 코팅의 비율이 높아져 도전율의 상승 효과를 극대화할 수 있을 뿐 아니라 코일부 전체의 부피도 감소시킬 수 있다.
보다 상세하게, 도 3a에서 본 발명의 실시예에 따른 그래핀코팅층이 포함된 금속층은 두 층이 적층된 것으로 도시하였으나, 변압기의 전력 세기에 따라 두 층 이상이 적층될 수 있다. 단 그래핀코팅층이 포함된 금속층이 한 층만 배치되면 그래핀의 단면적 비율이 너무 낮아 변압기 도체의 도전율 상승 효과가 미미하므로 두 층 이상인 것이 바람직하다. 단, 금속층이 10층 이상으로 적층될 경우 변압기 코일부(저압코일부 및 고압코일부)의 변압기의 체적이 증가할 수 있고, 이에 따라 중량이 증가할 수 있으므로 10층 미만으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 저압코일부는 도 3a과 같이, 베이스층(10) 상에 두 개의 금속층(20, 30)이 적층된 구성을 갖는 것으로 도시하였으나, 변압기의 전류에 따라, 제1 금속층(20) 및/또는 제2 금속층(30)과 동일한 물질로 이루어진 제3 금속층 등이 추가될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 금속층(20) 및 제2 금속층(30)은 변압기 전류에 따른 임의의 두께 및 길이를 갖도록 제작될 수 있다. 예를 들어, 30kVA 전력을 갖는 본 발명의 그래핀 변압기(1000)를 위해 0.6T(mm) 두께에 340mm의 길이로 형성된 저압코일부가 요구된다고 가정하기로 한다.
이때, 도 3b에 도시된 바와 같이, 저압코일부는 상술한 과정에 의해 형성한 베이스층(10), 제1 접착층(41), 제1 금속층(20), 제2 접착층(42) 및 제2 금속층(30)으로 이루어진 5층 구조의 코일부(0.3T)를 병렬로 적층하여 0.6T의 저압코일부를 형성한다. 다시 말해, 그래핀 용액을 두껍게 코팅할 수록 투과도가 낮아지기 때문에 변압기의 효율을 떨어트릴 수 있는데, 본 발명의 그래핀 변압기(1000)는 코일부(100)에 포함되는 그래핀 코팅층의 두께를 얇게 코팅한 5층 구조의 코일부를 병렬로 적층함으로써 높은 열전도성은 유지하면서 변압기의 효율을 증가시킬 수 있다.
보다 상세하게, 도 4와 같이, 본 발명의 비교예에 따른 코어부(Core)의 중량은 93.9kg인데에 반해, 실시예에 따른 코어부의 중량은 85kg으로 8.9kg이 감소한 것을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 코어부의 철손(w)은 비교예에 비해 3.6w 만큼 감소한 것을 알 수 있다.
또한, 도 4와 같이, 본 발명의 비교예에 따른 코일부(Coil)의 일차전선(저압코일부)의 중량은 31.26kg이고, 이차전선(고압코일부)의 중량은 23.12kg인데에 반해, 실시예에 따른 저압코일부 및 고압코일부의 중량은 각각 24.5kg 및 15.5kg인 것을 알 수 있다. 즉, 실시예에 따른 코일부의 중량은 비교예에 비해 대략 13kg 정도 감소된 것을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 코일부의 동손(w)은 비교예에 비해 71w 만큼 감소한 것을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 그래핀이 적용된 도체를 사용함으로써, 단면적의 크기를 일정 크기로 유지한 상태에서 단위면적당 흐를 수 있는 전류량(즉, 전류밀도)을 높여 변압기의 효율 감소의 주된 요인인 동손을 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 본 발명의 그래핀 변압기(1000)는 판상형 도체를 권취하여 코일부를 생성하기 때문에 단면적을 넓어진 상태를 유지하여 저항을 줄일 수 있고, 코일부에 형성된 그래핀층에 의해 전류 밀도가 증가하게 되는데, 저항 감소와 동시에 전류 밀도의 감소는 동손 감소에 효과적이다. 따라서, 본 발명의 변압기(1000)는 동손에 따른 발열 및 열축적의 위험성을 방지할 수 있기 때문에 변압기의 신뢰성 및 안정성을 극대화할 수 있다.
한편, 저압코일부의 각 구성(베이스층(10), 제1 금속층(20) 및 제2 금속층)의 두께, 냉온에서의 저항(냉 저항), 81.7℃에서의 저항, 동손 및 동 중량을 하기 표 1에 나타냈다. 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 저압코일부는 동손에 영향을 주는 저항이 현저히 낮은 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 이에 따른 각 구성의 동손이 낮아져 저압코일부 전체의 동손 및 동 중량을 낮출 수 있다. 즉, 저압코일부 전체 동손(w)은 994w이고, 동 중량(kg)은 168.1kg인 것을 알 수 있다.
저압코일부
구분 베이스층(10) 제1 금속층(20) 제2 금속층(30)
실 두께 (mm) 0.237 0.314 0.317
폭(mm) 340mm 370mm 370mm
냉 저항(mΩ) 0.155 0.084 0.084
81.7℃ 저항 (mΩ) 0.180 0.108 0.122
동손 (w) 361 317 316
동 중량 (kg) 57.5 55.2 55.4
또한, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 코일부 내에 절연 기능을 수행하는 구성이 포함됨에 따라 절연 성능은 유지하면서 변압기 전체 중량을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 변압기 제작의 작업 효율성을 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 변압기에 포함된 그래핀 도체에 의해 종래에 사용되던 구리보다도 수십 배 빠른 열전도율로 변압기 운전 중 코일과 철손 등에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 변압기(1000)는 그래핀이 포함된 코일부(100)에 의해 내화학성 및 내부식성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 유체와 전열관 내 표면 저항을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 그래핀 변압기 100: 코일부
200: 코어부 10: 베이스층
20: 제1 금속층 30: 제2 금속층
41: 제1 접착층 42: 제2 접착층

Claims (8)

  1. 코어부; 및 상기 코어부의 외주면에 권취되는 코일부를 포함하고,
    상기 코일부는,
    폴리이미드(polyimide; PI)로 이루어진 베이스층;
    상기 베이스층 상에 배치되며 그래핀 코팅층을 포함하는 제1 금속층; 및
    상기 제1 금속층 상에 배치되며 상기 제1 금속층에 코팅된 그래핀 코팅층과 동일한 두께의 그래핀 코팅층을 포함하는 제2 금속층을 포함하고,
    상기 베이스층은 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층을 지지하며 상기 코일부 내에서 절연기능을 수행하되,
    변압기의 전력에 기초하여 적어도 두 개의 상기 코일부가 결합되는 경우, 상기 베이스층은 하부에 배치되는 제2 금속층과 상부에 배치되는 제1 금속층 사이에서 절연지 역할을 수행하는, 그래핀 변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층 및 상기 제1 금속층 사이에 배치되는 제1 접착층; 및
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 배치되며 제2 접착층을 더 포함하고,
    상기 제1 접착층 및 제2 접착층은 상기 제1 금속층의 두께보다 얇고 열전도 재료로 이루어지는, 그래핀 변압기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일부는,
    상기 베이스층, 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층이 결합되어 하나의 구성을 이루되 금속층은 적어도 두 개 이상 열 개 미만이 포함되는 저압코일부; 및
    단일층의 철심으로 이루어진 고압코일부를 포함하는, 그래핀 변압기.
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 두 개의 코일부가 결합된 상기 하나의 코일부는,
    수직 방향으로 적층되어 결합되며 상기 하나의 코일부에 포함되는 그래핀 코팅층의 두께는 모두 동일한, 그래핀 변압기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일부는 판상형 도체로 이루어지는, 그래핀 변압기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층은 알루미늄 시트 및 상기 알루미늄 시트에 그래핀 용액을 화학기상증착법으로 도포한 그래핀 박막을 포함하고,
    상기 그래핀 용액은 다층 구조의 그래핀과 금속 입자를 9:1의 비율로 산화시킨 그래핀 산화물인, 그래핀 변압기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알루미늄 시트에 탄소 나노 튜브(carbon nano tube; CNT), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide), 그래핀 나노플레이트렛(Graphene Nanoplatelets), 그라파이트(graphite), 그라파이트 나노플레이트(Graphite Nanoplatelets, GNPs) 또는 이들의 적어도 하나의 조합 중 하나를 도포하는, 그래핀 변압기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀 코팅층은 500nm이하의 두께로 도포되는, 그래핀 변압기.
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