KR102399960B1 - 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기 - Google Patents

그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이형 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기에 관한 것으로서, 이형 변을 갖는 복수의 도체판이 권취된 코어; 코어의 제1 장변을 중심으로 권취되며 제1 저압권선부 및 제1 고압권선부를 포함하는 제1 권선부; 코어의 제2 장변을 중심으로 권취되며 제2 저압권선부 및 제2 고압권선부를 포함하는 제2 권선부; 제1 저압권선부 및 제2 저압권선부에 포함된 복수의 저압권선들의 턴(turn) 사이에 배치하며 일정 간격 이격된 복수의 층간 절연지를 포함하는 절연층; 및 복수의 층간 절연지 사이에 배치되는 복수의 유체 유로를 포함하고, 복수의 층간 절연지는 제1 장변 및 제2 장변에 평행한 방향으로 연장되며 제1 권선부 및 제2 권선부의 양 측 단변부에 형성되고, 복수의 유체 유로는 복수의 층간 절연지와 평행한 방향으로 연장되며 방향으로 연장된 유체 유로를 통해 외부로부터 유입된 공기가 하부에서 상부방향으로 이동하며 제1 권선부 및 제2 권선부를 건식 냉각한다. 이에, 사각형 형상으로 감긴 코어를 사용하여 코어를 쌓는 과정을 생략함으로써 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기의 제작 과정을 단축할 수 있다.

Description

그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기{A HIGH EFFICIENCY TRANSFORMER WITH GRAPHENE CONDUCTOR}
본 발명은 고효율 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그래핀(Graphene) 도체를 사용함으로써 변압기의 동손을 효과적으로 저감시키고 효율을 증대시켜 수명 극대화가 가능한 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기 및 그의 제조 방법이다.
일반적으로 변압기는 자속을 만드는 철심(이하, 코어(Core)라고도 함)과 자속에 의하여 유기되는 전류의 통로가 되는 전선(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 변압기가 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 : 저항손)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 선택으로 제한된다는 한계점이 있다.
[관련 특허문헌]
1. 대한민국 실용신안공개공보 제20-2010-0012884호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제를 해결할 수 있도록 변압기의 안정성과 신뢰성을 모두 유지한 채로 동손을 감소시키면서 높은 열전도성으로 변압기 운전 중 발생하는 열을 급속도로 냉각시킬 수 있는 초고효율 고신뢰성 변압기를 개발하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 변압기에 사용되던 도체를 그래핀으로 변경하여 적용함으로써 높은 전류 밀도로 단위면적당 흐를 수 있는 전류량을 높임으로써 동손을 저감시키고 사용 도체의 중량을 감소시켜 변압기의 스펙을 향상시킬 수 있는 그래핀 도체를 이용한 고효율 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 도체를 이용한 고효율 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 외함의 체적, 동 중량, 절연유 등을 감소시켜 신뢰성과 안정성을 향상시킨 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기는 다중 폭으로 절단된 복수의 도체판이 권취된 코어부; 및 코어부의 장변부의 외주면을 따라 배치되며 금속선재 및 금속선재의 표면에 그래핀용액을 분사하여 그래핀 코팅한 그래핀코팅층을 각각 포함하는 1차 코일과 2차 코일이 순차적으로 권취된 코일부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀코팅층은 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition; T-CVD), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀코팅층은 500nm이하의 두께로 형성되며, 금속선재와 그래핀코팅층 사이에 그래핀 코팅층의 두께보다 얇은 접착층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속선재는 포일(foil) 또는 각선의 형태를 갖으며 전기전도성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속선재는 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 1차 코일은 2차 코일의 내측면으로 후퇴되도록 배치되며 저전압이 인가되는 저압권선이고, 2차 코일은 고압권선일 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀코팅층이 형성된 1차 코일에 전류가 흐름에 따라 전류에 의해 2차 코일에 전압이 유기되어 전류가 흐르는 경우 그래핀변압기가 동작하는 것으로 판단하고, 그래핀변압기가 동작한 후 절연유의 저항은 그래핀변압기가 동작하기 전 절연유의 저항보다 작을 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 도체 판으로 구성된 철심은 중앙부로 갈수록 폭이 점진적으로 넓어져 코어부의 단면은 팔각형 또는 원형을 이룰 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 변압기에 사용되던 도체인 동 또는 알루미늄을 그래핀으로 변경하여 적용함으로써 높은 전류 밀도로 단위면적당 흐를 수 있는 전류량을 높임으로써 동손을 저감시키고 사용도체의 중량을 감소시켜 변압기의 스펙을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 변압기 내에 그래핀 도체를 사용함으로써 구리보다도 수십배 빠른 열전도로 변압기 운전 중 코일과 철손 등에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외함의 체적, 동 중량, 절연유 등을 감소시켜 신뢰성과 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전선에 그래핀을 코팅함으로써 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 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 제조 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 코어 및 코일이 체결되기 전 상태를 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 III-III'에 따른 코어의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일에 그래핀을 도포하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 6a는 도 5의 A-A'에 따른 코일의 단면도이다.
도 6b는 도 5의 B-B'에 따른 코일의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀코팅층을 포함한 코일의 전기저항의 실험데이터를 나타낸 예시도이다.
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 일 실시예에 따른 그래핀 변압기를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
그래핀 변압기는 그래핀이 도포된 도체를 사용함으로써 열 전도도, 전기 전도도 및 강도가 향상된 고효율 변압기로서, 도 1에 도시된 바와 같이 코어 및 그래핀이 도포된 코일을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 그래핀 변압기는 내철형 변압기 또는 외철형 변압기 모두에 적용될 수 있다.
코어는 변압기 내부에 전기장을 형성하는 구성으로서, 자기 재료로 이루어진 복수의 도체판을 포함한다. 본 발명의 코어부는 다단계의 폭으로 형성된 복수의 도체판이 연속적으로 감겨진 형태를 나타낸다. 이때, 복수의 도체판은 이형 모서리를 갖는 권취용회전축에 의해 이형 모서리를 갖는 직사각형 형태로 권취될 수 있다. 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.
도 1을 참조하면, 직사각형 형태로 권취된 코어의 장변부에는 그래핀 코팅된 코일이 배치된다.
코일은 자속에 의해 유기되는 전류의 통로가 되는 구성으로서, 전도성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코일은 알루미늄(Aluminium), 알루미늄 합금, 동(Copper), 구리(Annealed Cooper), 구리 합금 또는 그들의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 코일은 가늘고 긴 원통형상의 전선이 다층으로 감겨진 형상을 갖는다. 예를 들어, 코일은 상술한 물질들 중 어느 하나의 물질로 이루어진 소선을 꼰 원형(Concentric) 연선, 원형압축(Compact Circular) 연선, 분할압축(Segmental Compact Circular) 연선 등의 형태일 수도 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 그래핀 변압기 효율을 증가시키기 위해 철손 감소를 위한 그래핀 변압기의 코어를 제작하는 과정을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 제조 과정을 나타낸 순서도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 변압기의 코어 및 코일이 체결되기 전 상태를 나타낸 예시도이다. 도 4는 도 3의 III-III'에 따른 코어의 단면을 나타낸 단면도이다.
먼저, 규소 강판을 다단계의 필요 폭으로 절단한다(S100 단계). 이어서, 다단계의 필요 폭으로 절단된 복수의 도체판을 압착시켜 다중층으로 권취한다 (S200 단계). 이어서, 환형 도체의 외곽에 그래핀용액을 분사하여 그래핀이 코팅된 코일을 형성한다 (S300 단계). 이어서, 그래핀 코팅된 코일을 직사각형 형상의 코어의 장변부에 권취한다 (S400 단계).
규소 강판을 다단계의 필요 폭으로 절단하고 압착시켜 다중층으로 권취하는 단계 (S100 내지 S200 단계)에서, 다중 폭의 도체판이 도 3 및 도 4와 같이 연속적으로 권취되어 동일 폭당 6겹을 이룰 수 있다. 이는 각각의 폭을 가진 도체판이 6번 와인딩(Winding)된 것으로 이해될 수 있으며, 와인딩 횟수는 임의로 설정한 것일 뿐, 코어 설계 시 코어의 단면 형상이 8각형 또는 원형에 가깝도록 와인딩되는 횟수를 변경할 수 있다.
도 4를 참조하면, 다중 폭의 도체판이 와인딩됨에 따라 가장자리부에서 중앙부로 갈수록 점진적으로 폭이 넓어지는 것을 알 수 있다. 코어는 후술하는 단계 a 내지 단계 d에 의해 'ㅁ'자 형상으로 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 코어는 직사각형 형태의 권취용회전축을 이용하여 W1의 폭을 갖는 제1 강판을 압착시켜 와인딩하고(단계 a), 와인딩된 제1 강판의 외측면을 따라 W2의 폭을 갖는 제2 강판을 다중 층으로 와인딩하고(단계 b), 와인딩된 제2 강판의 외측면을 따라 Wn-10의 폭을 갖는 제n-10 강판을 다중층으로 권취하고(단계 c), 와인딩된 제n-1 강판의 외측면을 따라 Wn의 폭을 갖는 제n 강판을 다중층으로 권취한 후(단계 d) 다시 폭이 좁아지도록 상술한 과정을 역순으로 반복함에 따라 제작될 수 있다.
한편, 코어를 구성하는 다중 폭의 도체판들은 얇은 두께의 규소 강판을 미가공 상태에서 폭만 절단하고 길이는 절단하지 않은 상태에서 와인딩하는 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 코어는 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 변압기는 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 변압기는 다중 폭의 도체판의 갯수를 증가시켜 코어의 단면적이 'ㅇ'자 형태를 갖도록 코어를 형성함에 따라 점적율(Space Factor(SF): 占積率)을 향상시켜 코어의 효율을 증가시킬 수도 있다. 이에 따라, 원형 코어를 이용하여 본체를 조립할 때(즉, 코어와 코일을 결합하는 단계에서) 권선에 대한 내면적이 최대인 상태로 코어를 제작할 수 있기 때문에, 단락력이 우수하고 동의 양과 동손을 최소화시킬 수 있다. 철손 감소를 위한 다양한 실시예에 다른 코어에 대해서는 본 출원인이 이전에 발명한 대한민국 특허출원 제10-2020-0152578호에 상세하게 기재되어 있으며, 특허를 참조로서 포함한다.
따라서, 본 발명의 코어는 길이와 폭을 절단한 도체판을 원형 지그 안에 겹쳐 쌓아 코어를 제작함에 따라 작업자의 숙련도에 따른 결합틈이 발생하여 누설자속을 발생시키는 종래의 변압기과 달리 변압기의 효율이 우수함을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 변압기에 사용되던 도체인 동 또는 알루미늄을 그래핀으로 변경하여 적용함으로써 높은 전류 밀도로 단위면적당 흐를 수 있는 전류량을 높임으로써 동손을 저감시키고 사용도체의 중량을 감소시켜 변압기의 스펙을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 변압기 내에 그래핀 도체를 사용함으로써 구리보다도 수십배 빠른 열전도로 변압기 운전 중 코일과 철손 등에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외함의 체적, 동 중량, 절연유 등을 감소시켜 신뢰성과 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전선에 그래핀을 코팅함으로써 내화학성 및 내부식성을 개선함과 동시에 유체와 전열관 내 표면 저항을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이처럼, 본 발명은 변압기 효율 저하의 원인 중 하나인 철손을 감소시킴으로써 변압기의 효율을 증가시킬 있으나, 효율을 보다 극대화하기 위해 변압기 손실의 70% 내지 80%를 차지하는 주된 원인인 동손을 감소시킬 수 있는 권선을 사용한다.
본 발명의 그래핀 변압기는 열전도성이 높은 그래핀을 금속선재에 코팅하여 그래핀코팅층을 형성함으로써 변압기 운전 중에 권선에서 발생하는 열이 잘 방출되도록 함으로써 동손을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 코일에 관한 보다 상세한 설명은 도 5 및 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일에 그래핀을 도포하는 과정을 나타낸 예시도이다. 도 6a는 도 5의 A-A'에 따른 코일의 단면도이다. 도 6b는 도 5의 B-B'에 따른 코일의 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀코팅층을 포함한 코일의 전기저항의 실험데이터를 나타낸 예시도이다. 도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 코일은 금속선재(120B), 접착층(120S), 그래핀코팅층(120C) 및 절연층(120I)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 코일은 도 6a 내지 도 6b와 같이 포일(foil)과 같이 판상형 도체일 수 있다/
도 5의 (i)를 참조하면, 코일을 코어에 권취하기 전 분사노즐(500)을 이용하여 코일이 권취되기 전 금속선재(120B)의 표면에 그래핀용액(501)을 분사한다. 금속선재(120B)에 그래핀코팅층(120C)을 형성하는 방법은 이에 제한되지 않으며, 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) 등을 사용할 수 있다.
그래핀코팅층(120C)는 그래핀용액(501)을 대략 500nm 이하의 두꼐로 형성될 수 있고 이에 따른 그래핀변압기의 외함의 체적도 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 그래핀용액(501)이 금속선재(120B)의 표면에 코팅되어 그래핀코팅층(120C)이 형성된 코일이 (ii), (iii)과 같이 권취된다. 이때, 그래핀코팅층(120C)은 저전압이 인가되는 저압권선인 1차 코일(121) 및 고전압이 인가되는 고압권선인 2차 코일(122)에 모두 포함되는 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
여기서, 금속선재(120B)는 포일(Foil) 또는 각선 등의 형태로 형성될 수 있다. 금속선재(120B)의 물질은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있으나, 그래핀용액(501)이 코팅되어 전기전도성을 향상시킬 수 있는 물질이라면 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 구리(Cu), 그라파이트(graphite) 및 탄소 나노 튜브(carbon nano tube; CNT) 등으로 이루어질 수도 있다. 이처럼 금속선재(120b)를 이루는 물질은 그래핀코팅층(120C)과 부착 특성을 강화하여 보다 효과적으로 열을 전달하는 전기수송능력을 갖는다.
금속선재(120B)의 표면에 분사되는 그래핀용액(501)은 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 열전도도를 가지므로 그래핀코팅층(120C)이 형성된 권선에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.
한편, 그래핀코팅층(120C)과 금속선재(120B) 사이의 결합력을 높이기 위해 접착층(120S)을 더 포함할 수 있다. 접착층(120S)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 그래핀코팅층(120C)의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
또한, 그래핀코팅층(120C)까지 형성된 코일이 권취될 때, 코일 간의 절연을 위해 절연층(120I)이 더 배치될 수 있다.
도 8을 참조하면, 그래핀코팅층(120C)이 형성된 코일을 포함하는 그래핀 변압기의 동작 전과 후를 비교하면, 변압기가 동작하기 전(즉, 절연유가 가열되기 전)의 저항 값은 8.442mΩ이고 절연유가 가열된 후의 저항 값은 3.440mΩ인 것을 알 수 있다. 즉, 그래핀코팅층(120C)은 절연유가 가열된 후에도 권선의 저항이 감소하기 때문에 변압기 손실의 원인인 동손을 감소시키는데 효과적이다.
따라서, 본 발명은 변압기에 사용되던 도체인 동 또는 알루미늄을 그래핀으로 변경하여 적용함으로써 높은 전류 밀도로 단위면적당 흐를 수 있는 전류량을 높임으로써 동손을 저감시키는 효과가 있다.
이에 따라, 종래의 구리 코일 보다 중량이 가벼운 그래핀을 사용함으로써 변압기의 스펙을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 변압기 내에 그래핀코팅층이 형성된 코일은 종래의 구리 코일을 사용한 변압기보다도 수십배 빠른 열전도로 변압기 운전 중 코일에서 발생하는 열을 신속하게 냉각시켜 변압기의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 외함의 체적, 동 중량, 절연유 등을 감소시켜 신뢰성과 안정성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전선에 그래핀을 코팅함으로써 내화학성 및 내부식성을 개선함과 동시에 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.
110: 코어 120: 코일
121: 1차 코일 122: 2차 코일
120B: 금속선재 120C: 그래핀코팅층
500: 분사노즐 501: 그래핀용액

Claims (8)

  1. 다중 폭으로 절단된 복수의 도체판이 권취된 코어부; 및
    상기 코어부의 장변부의 외주면을 따라 배치되며 금속선재 및 상기 금속선재의 표면에 그래핀용액을 분사하여 그래핀 코팅한 그래핀코팅층을 각각 포함하는 1차 코일과 2차 코일이 순차적으로 권취된 코일부;를 포함하며,
    상기 그래핀코팅층이 형성된 상기 1차 코일에 전류가 흐름에 따라 상기 전류에 의해 상기 2차 코일에 전압이 유기되어 전류가 흐르는 경우 그래핀변압기가 동작하는 것으로 판단하고,
    상기 그래핀변압기가 동작한 후 절연유의 저항은 상기 그래핀변압기가 동작하기 전 절연유의 저항보다 작은, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀코팅층은 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition; T-CVD), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의해 형성되는, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀코팅층은 500nm이하의 두께로 형성되며,
    상기 금속선재와 상기 그래핀코팅층 사이에 상기 그래핀 코팅층의 두께보다 얇은 접착층; 및
    권취되는 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일 사이를 절연시키는 절연층;을 더 포함하는, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속선재는 각선 또는 포일(foil)의 형태를 갖으며 전기전도성 물질로 이루어지는, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속선재는 알루미늄을 포함하는, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 코일은 상기 2차 코일의 내측면으로 후퇴되도록 배치되며 저전압이 인가되는 저압권선이고,
    상기 2차 코일은 고압권선인, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도체판은 중앙부로 갈수록 폭이 점진적으로 넓어져 상기 코어부의 단면은 팔각형 또는 원형을 이루는, 그래핀 도체를 이용한 고효율 변압기.
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