KR102589531B1 - Magneto-caloric alloy and preparing method thereof - Google Patents

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김종우
강기훈
이아영
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한국재료연구원
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Abstract

본 발명은 우수한 자기열량 특성을 가지는 자기열량합금 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a magnetocaloric alloy having excellent magnetocaloric properties and a method for manufacturing the same.

Description

자기열량합금 및 이의 제조방법{MAGNETO-CALORIC ALLOY AND PREPARING METHOD THEREOF}Magnetocaloric alloy and its manufacturing method {MAGNETO-CALORIC ALLOY AND PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 자기열량합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 조성 제어를 통해 냉각특성이 향상된 자기열량합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to magnetocaloric alloys and their manufacturing methods. Specifically, it relates to a magnetocaloric alloy with improved cooling characteristics through composition control and a method for manufacturing the same.

자기냉각소재란 자화되면 가열되고, 탈자되면 냉각되는 자기열량 효과(MCE, Magnetocaloric Effect)을 이용하여 기존의 냉장고 및 에어컨에 사용되는 프레온 가스 냉매(CFC, chlorofluorocarbon) 없이 냉각시킬 수 있는 소재이다.Self-cooling material is a material that can be cooled without Freon gas refrigerant (CFC, chlorofluorocarbon) used in existing refrigerators and air conditioners by using the magnetocaloric effect (MCE), which heats when magnetized and cools when demagnetized.

자기열량 효과를 사용하는 시스템은 열 에너지를 자기 일(magnetic work)로 전환하는 열자기 장치에서부터 자기 일이 저온의 공급원으로부터의 열 에너지를 고온의 싱크로 전환하는데 사용되는(또는 그 반대로) 열 펌프까지 적용될 수 있다. 일반적으로 열자기, 열전기적 및 열자석 발전기, 자기 냉동기, 열교환기, 열펌프 또는 에어컨 시스템에 해당한다.Systems that use the magnetocaloric effect range from thermomagnetic devices that convert thermal energy into magnetic work to heat pumps in which magnetic work is used to convert thermal energy from a cold source to a hot sink (and vice versa). It can be applied. This generally applies to thermomagnetic, thermoelectric and thermomagnetic generators, magnetic refrigerators, heat exchangers, heat pumps or air conditioning systems.

Gd계 자기냉각소재는 상온에서 높은 자기열량효과를 나타내는 대표적 소재이다. 다만, 희토류인 Gd의 경우 실제 시스템에 적용되기에 가격 및 효율 측면에서 어려움이 있다. 이에, Gd계 자기냉각소재를 대체하기 위하여, 다양한 소재들이 연구되어져 왔으며, 현재 La계 합금과 비희토류 Mn계 합금이 대체가능한 후보소재로 주목받고 있다.Gd-based self-cooling material is a representative material that exhibits high magnetocaloric effect at room temperature. However, in the case of Gd, a rare earth element, it is difficult to apply it to actual systems in terms of price and efficiency. Accordingly, in order to replace Gd-based self-cooling materials, various materials have been studied, and La-based alloys and non-rare earth Mn-based alloys are currently attracting attention as possible replacement candidate materials.

따라서 자기열량합금의 조성을 제어하여 자기열량효과를 향상시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a method to improve the magnetocaloric effect by controlling the composition of the magnetocaloric alloy.

1. 대한민국 공개특허 제10-2013-0051440호1. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0051440 2. 대한민국 공개특허 제10-2012-0135233호2. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0135233

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 자기열량 특성을 가지는 자기열량합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a magnetocaloric alloy with excellent magnetocaloric properties and a method for manufacturing the same.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시상태는, 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되고, 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1인 자기열량합금을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a magnetocaloric alloy expressed by the chemical formula MnFe 0.95- x Ni

본 발명의 일 실시상태는, 철(Fe)계 원료, 망가니즈(Mn)계 원료, 니켈(Ni)계 원료, 규소(Si)계 원료, 및 철-인(Fe-P)계 원료를 포함하는 원료 혼합물을 준비하는 원료 혼합물 준비 단계; 상기 원료 혼합물을 아크 멜팅하여 합금 잉곳을 제조하는 아크 멜팅 단계; 및 상기 합금 잉곳을 열처리하는 열처리 단계;를 포함하고, 상기 합금 잉곳은 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가지며, 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1인 자기열량합금의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention includes iron (Fe)-based raw materials, manganese (Mn)-based raw materials, nickel (Ni)-based raw materials, silicon (Si)-based raw materials, and iron-phosphorus (Fe-P)-based raw materials. A raw material mixture preparation step of preparing a raw material mixture; An arc melting step of manufacturing an alloy ingot by arc melting the raw material mixture; And a heat treatment step of heat treating the alloy ingot, wherein the alloy ingot has a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y , 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤ A method for manufacturing a magnetocaloric alloy of 0.1 is provided.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며 냉각 효율이 우수하여 상대적 냉각 효율이 높을 수 있다.The magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a high magnetic entropy change (△Sm) value and has excellent cooling efficiency, so the relative cooling efficiency can be high.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 상온 근처에서 Tc(Curie 온도)를 가져 상온용 냉각 시스템 등에 용이하게 활용될 수 있다.The magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a Tc (Curie temperature) near room temperature and can be easily used in a room temperature cooling system.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금의 제조방법은 자기열량 특성이 우수한 자기열량합금을 제조할 수 있다.The method for manufacturing a magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention can produce a magnetocaloric alloy with excellent magnetocaloric properties.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금의 제조방법은 균일한 조성을 가지는 자기열량합금을 용이하게 제조할 수 있다.The method for manufacturing a magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention can easily manufacture a magnetocaloric alloy having a uniform composition.

본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from this specification.

도 1은 자기열량효과(MCE, Magnetocaloric Effect)를 측정하는 방법의 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 11 내지 실시예 14에서 제조한 자기열량합금의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1, 실시예 7, 실시예 15 및 비교예 2에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 온도에 따른 자화(magnetization) 물성의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16 및 비교예 3에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도 및 Tpk를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 15에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도 및 △Thys를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16, 비교예 1, 비교예 3, 비교예 6 내지 비교예 8에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도의 경향성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16 및 비교예 3에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 2T 조건에서의 온도에 따른 자기엔트로피 변화량(△S)을 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing an example of a method for measuring magnetocaloric effect (MCE).
Figure 2 is a diagram showing XRD patterns of magnetocaloric alloys prepared in Examples 11 to 14.
Figure 3 is a diagram showing the change in magnetization properties of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1, 7, 15, and Comparative Example 2 of the present invention according to temperature under the condition of an externally applied magnetic field of 1T.
Figure 4 shows the Curie temperature and T pk of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 2, 4, 8, 12, 16, and Comparative Example 3 of the present invention under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. It is a drawing.
Figure 5 is a diagram showing the Curie temperature and △T hys of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1 to 15 of the present invention under the condition of an externally applied magnetic field of 1T.
Figure 6 is an external view of the magnetocaloric alloy prepared in Example 2, Example 4, Example 8, Example 12, Example 16, Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Examples 6 to 8 of the present invention. This is a diagram showing the trend of Curie temperature under 1T magnetic field conditions.
Figure 7 shows the change in magnetic entropy ( This is a drawing showing △S).

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where the member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 단위 "중량부"는 각 성분간의 중량의 비율을 의미할 수 있다.Throughout the specification herein, the unit “part by weight” may refer to the ratio of weight between each component.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.Throughout this specification, “A and/or B” means “A and B, or A or B.”

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 실시상태는, 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되고, 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1인 자기열량합금을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a magnetocaloric alloy expressed by the chemical formula MnFe 0.95-x Ni

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며 냉각 효율이 우수하여 상대적 냉각 효율이 높을 수 있다. The magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a high magnetic entropy change (△Sm) value and has excellent cooling efficiency, so the relative cooling efficiency can be high.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 상온 근처에서 Tc(Curie 온도)를 가져 상온용 냉각 시스템 등에 용이하게 활용될 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금은 상온에 가까운 Tc(Curie 온도)를 가져, 자기 냉동기, 열교환기, 대용량 에어컨 시스템 등의 냉각 시스템에 용이하게 활용될 수 있다.The magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a Tc (Curie temperature) near room temperature and can be easily used in a room temperature cooling system. Specifically, the magnetocaloric alloy has a Tc (Curie temperature) close to room temperature, so it can be easily used in cooling systems such as magnetic refrigerators, heat exchangers, and large-capacity air conditioning systems.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금은 망가니즈(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 인(P) 및 규소(Si)를 구성 원소로 포함하는 5성분계 합금으로서, Fe, Ni, P 및 Si를 적정 범위의 함량비로 포함하여, 자기열량 효과를 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy is a five-component alloy containing manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), phosphorus (P), and silicon (Si) as constituent elements, By including Fe, Ni, P, and Si in an appropriate range, the magnetocaloric effect can be improved.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금은 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가진다. 이때, x는 0.01 이상 0.05 이하, 0.02 이상 0.04 이하, 0.01 이상 0.03 이하, 또는 0.03 이상 0.05 이하일 수 있다. 또한, y는 -0.05 이상 0.1 이하, -0.05 이상 0.05 이하, -0.05 이상 0 이하, 또는 -0 이상 0.1 이하일 수 있다. 전술한 조성을 가지는 상기 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며, 상대적으로 상온에 가까운 Tc(Curie 온도)를 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy has a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y . At this time, x may be 0.01 or more and 0.05 or less, 0.02 or more and 0.04 or less, 0.01 or more and 0.03 or less, or 0.03 or more and 0.05 or less. Additionally, y may be -0.05 or more and 0.1 or less, -0.05 or more and 0.05 or less, -0.05 or more and 0 or less, or -0 and 0.1 or less. The magnetocaloric alloy having the above-described composition has a high magnetic entropy change (ΔSm) value and may have a Tc (Curie temperature) relatively close to room temperature.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, Ni의 함량과 Fe의 함량 비는 1:15 내지 1:95일 수 있다. 즉, 상기 자기열량합금에 포함된 Ni 대 Fe의 원자수 비가 1:15 내지 1:95일 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금에 포함된 Ni의 함량과 Fe의 함량 비(Fe/Ni)는 1:20 내지 1:90, 1:25 내지 1:80, 1:30 내지 1:70, 1:40 내지 1:60, 1:15 내지 1:50, 또는 1:40 내지 1:90일 수 있다. 상기 자기열량합금에 포함 Ni의 함량과 Fe의 함량 비가 전술한 범위 내인 경우, 상기 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며, 상대적으로 상온에 가까운 Tc(Curie 온도)를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ratio of Ni content and Fe content may be 1:15 to 1:95. That is, the atomic ratio of Ni to Fe contained in the magnetocaloric alloy may be 1:15 to 1:95. Specifically, the content ratio of Ni and Fe contained in the magnetocaloric alloy (Fe/Ni) is 1:20 to 1:90, 1:25 to 1:80, 1:30 to 1:70, 1: It may be 40 to 1:60, 1:15 to 1:50, or 1:40 to 1:90. When the ratio of Ni content and Fe content contained in the magnetocaloric alloy is within the above-mentioned range, the magnetocaloric alloy has a high magnetic entropy change (△Sm) value and can have a Tc (Curie temperature) relatively close to room temperature. there is.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, P의 함량과 Si의 함량 비는 1:0.7 내지 1:1.7일 수 있다. 즉, 상기 자기열량합금에 포함된 P 대 Si의 원자수 비가 1:0.7 내지 1:1.7일 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금에 포함된 P의 함량과 Si의 함량 비(Si/P)는 1:0.8 내지 1:1.5, 1:0.7 내지 1:1, 또는 1:1 내지 1:1.5일 수 있다. 상기 자기열량합금에 포함 P의 함량과 Si의 함량 비가 전술한 범위 내인 경우, 상기 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며, 상대적으로 상온에 가까운 Tc(Curie 온도)를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ratio of the content of P and the content of Si may be 1:0.7 to 1:1.7. That is, the atomic ratio of P to Si included in the magnetocaloric alloy may be 1:0.7 to 1:1.7. Specifically, the ratio of the content of P and the content of Si (Si/P) contained in the magnetocaloric alloy may be 1:0.8 to 1:1.5, 1:0.7 to 1:1, or 1:1 to 1:1.5. there is. When the ratio of the content of P and the content of Si contained in the magnetocaloric alloy is within the above-mentioned range, the magnetocaloric alloy has a high magnetic entropy change (△Sm) value and can have a Tc (Curie temperature) relatively close to room temperature. there is.

Curie 온도(Tc)는 자기열량 재료에 있어서 상(phase) 전이가 발생할 때 나타나는 온도로서, 온도가 감소할 때 Curie 온도(Tc) 부근에서 상자성체에서 강자성체로 변하므로, 자기 냉각 기술이 응용될 수 있는 범위의 제품 내지 시스템들이 작동되는 온도 범위를 고려하여, 자기 냉각 기술의 원리가 되는 자기열량효과가 나타나는 온도의 목적 값을 갖는 자기열량재료를 선정할 수 있다.Curie temperature (Tc) is the temperature that appears when a phase transition occurs in a magnetocaloric material. When the temperature decreases, it changes from a paramagnetic material to a ferromagnetic material around the Curie temperature (Tc), so magnetic cooling technology can be applied. Considering the temperature range at which products or systems operate, a magnetocaloric material can be selected that has the target temperature value at which the magnetocaloric effect, which is the principle of magnetic cooling technology, appears.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금은 Tc(Curie 온도)가 270 K 내지 325 K일 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금의 Tc는 275 K 내지 320 K, 280 K 내지 320 K, 285 K 내지 320 K, 290 K 내지 320 K, 295 K 내지 320 K, 300 K 내지 320 K, 305 K 내지 320 K, 310 K 내지 320 K, 270 K 내지 300 K, 또는 295 K 내지 325 K일 수 있다. 전술한 범위의 Tc를 가지는 상기 자기열량합금은 열펌프의 냉각 시스템, 전기차의 냉각 시스템, 데이터 센터의 냉각 시스템, 자기 냉동기의 냉각 시스템, 열교환기의 냉각 시스템, 대용량 에어컨의 냉각 시스템 등의 다양한 냉각 시스템에 용이하게 적용될 수 있다. 이때, 상기 자기열량합금의 Tc(Curie 온도)는 외부인가 자기장 1T 조건에 대한 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy may have a Tc (Curie temperature) of 270 K to 325 K. Specifically, the Tc of the magnetocaloric alloy is 275 K to 320 K, 280 K to 320 K, 285 K to 320 K, 290 K to 320 K, 295 K to 320 K, 300 K to 320 K, and 305 K to 320 K. K, 310 K to 320 K, 270 K to 300 K, or 295 K to 325 K. The magnetocaloric alloy having a Tc in the above-mentioned range is used in various cooling applications such as a heat pump cooling system, an electric vehicle cooling system, a data center cooling system, a magnetic refrigerator cooling system, a heat exchanger cooling system, and a large-capacity air conditioner cooling system. It can be easily applied to the system. At this time, the Tc (Curie temperature) of the magnetocaloric alloy may be for the condition of an externally applied magnetic field of 1T.

도 1은 자기열량효과(MCE, Magnetocaloric Effect)를 측정하는 방법의 예시를 나타낸 도면이다. Figure 1 is a diagram showing an example of a method for measuring magnetocaloric effect (MCE).

소정 소재의 자기열량효과는 하기와 같이 평가될 수 있다. 먼저, 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이 소재의 M-T 곡선 측정 후에 기울기가 급변하는 온도 구간을 분석하여, Tc(Curie 온도)를 추출할 수 있다. 또한, 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이 소정 온도 범위에서의 M-H 곡선을 측정하고, M-H 곡선 각각에 대하여 하기 수학식 1을 통해 도 1의 (c)와 같은 T-S 곡선을 계산할 수 있다. 또한, 도 1의 (c)에 나타난 T-S 곡선에 대하여 하기 수학식 2를 통해 초록색 영역을 계산하여 RC(refrigeration capacity)를 도출할 수 있다.The magnetocaloric effect of a given material can be evaluated as follows. First, as shown in (a) of FIG. 1, Tc (Curie temperature) can be extracted by analyzing the temperature section where the slope changes rapidly after measuring the M-T curve of the material. In addition, as shown in (b) of FIG. 1, the M-H curve in a predetermined temperature range can be measured, and the T-S curve as shown in (c) of FIG. 1 can be calculated for each M-H curve through Equation 1 below. In addition, RC (refrigeration capacity) can be derived by calculating the green area for the T-S curve shown in (c) of FIG. 1 through Equation 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

상기 수학식 1은 “A. Smith et al. Adv. Energy Mater. 2(2012) 1288”에서 인용된 것으로, △Sm은 자기 엔트로피 변화(magnetic entropy change), T는 온도, H는 자기장(magnetic field), M은 자화(magnetization)를 나타낸다.Equation 1 above is “A. Smith et al. Adv. Energy Mater. 2 (2012) 1288”, where △S m represents magnetic entropy change, T represents temperature, H represents magnetic field, and M represents magnetization.

[수학식 2][Equation 2]

상기 수학식 2는 “V. Franco et al. Prog. in Mater. Sci. 93 (2018) 112”에서 인용된 것으로, RC는 냉동 능력(refrigeration capacity), FWMH는 반치폭(full width at half maximum)을 나타낸다.Equation 2 above is “V. Franco et al. Prog. in Mater. Sci. 93 (2018) 112”, where RC stands for refrigeration capacity and FWMH stands for full width at half maximum.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금은 3 J/kg·K 내지 18 J/kg·K의 자기엔트로피 변화량(△Sm)을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금은 외부인가 자기장 1T 조건에서, 자기엔트로피 변화량(△Sm)이 3 J/kg·K 내지 10 J/kg·K, 4 J/kg·K 내지 10 J/kg·K, 5 J/kg·K 내지 10 J/kg·K, 6 J/kg·K 내지 10 J/kg·K, 또는 7 J/kg·K 내지 10 J/kg·K일 수 있다. 또한, 상기 자기열량합금은 외부인가 자기장 2T 조건에서, 자기엔트로피 변화량(△Sm)이 7 J/kg·K 내지 18 J/kg·K, 8 J/kg·K 내지 18 J/kg·K, 10 J/kg·K 내지 18 J/kg·K, 12 J/kg·K 내지 18 J/kg·K, 14 J/kg·K 내지 18 J/kg·K, 또는 16 J/kg·K 내지 18 J/kg·K일 수 있다. 전술한 범위의 △Sm을 가지는 상기 자기열량합금은 자기 냉각 효율이 우수할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy may have a magnetic entropy change (△Sm) of 3 J/kg·K to 18 J/kg·K. Specifically, the magnetocaloric alloy has a magnetic entropy change (△Sm) of 3 J/kg·K to 10 J/kg·K, 4 J/kg·K to 10 J/kg·K under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. , 5 J/kg·K to 10 J/kg·K, 6 J/kg·K to 10 J/kg·K, or 7 J/kg·K to 10 J/kg·K. In addition, the magnetocaloric alloy has a magnetic entropy change (△Sm) of 7 J/kg·K to 18 J/kg·K, 8 J/kg·K to 18 J/kg·K, under the condition of an externally applied magnetic field of 2T. 10 J/kg·K to 18 J/kg·K, 12 J/kg·K to 18 J/kg·K, 14 J/kg·K to 18 J/kg·K, or 16 J/kg·K to It may be 18 J/kg·K. The magnetocaloric alloy having ΔSm in the above-described range may have excellent self-cooling efficiency.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금은 90 J/kg 내지 170 J/kg의 RC(Refrigeration capacity)를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 자기열량합금은 외부인가 자기장 2T 조건에서, RC(Refrigeration capacity)가 90 J/kg 내지 170 J/kg, 100 J/kg 내지 170 J/kg, 110 J/kg 내지 170 J/kg, 120 J/kg 내지 170 J/kg, 130 J/kg 내지 170 J/kg, 140 J/kg 내지 170 J/kg, 또는 160 J/kg 내지 170 J/kg일 수 있다. 전술한 범위의 RC를 가지는 상기 자기열량합금은 자기 냉각 효율이 우수할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy may have a Refrigeration Capacity (RC) of 90 J/kg to 170 J/kg. Specifically, the magnetocaloric alloy has an RC (refrigeration capacity) of 90 J/kg to 170 J/kg, 100 J/kg to 170 J/kg, and 110 J/kg to 170 J/kg under the condition of an externally applied magnetic field of 2T. , 120 J/kg to 170 J/kg, 130 J/kg to 170 J/kg, 140 J/kg to 170 J/kg, or 160 J/kg to 170 J/kg. The magnetocaloric alloy having an RC in the above-mentioned range may have excellent self-cooling efficiency.

또한, 자기열량효과가 나타나는 온도의 범위(ΔT)가 넓을수록 냉각 능력이 우수하기 때문에, 서로 다른 Curie 온도(Tc)를 가지는 여러 개의 재료들을 함께 사용하여(layered MCMs) 냉각 능력을 향상시킬 수 있다. 즉, 서로 다른 큐리온도를 가지는 여러 개의 재료들을 함께 사용하는 경우, 도 1의 (c)에서 피크의 넓이가 넓은 형태의 그래프로 나타나는 것일 수 있고, 이에 따라 ΔT(곡선의 반치전폭)가 증가하여 RC가 증가할 수 있다.In addition, the wider the temperature range (ΔT) at which the magnetocaloric effect appears, the better the cooling ability, so the cooling ability can be improved by using multiple materials with different Curie temperatures (Tc) together (layered MCMs). . In other words, when several materials with different Curie temperatures are used together, the peak area in Figure 1 (c) may appear as a graph in the form of a wide peak, and ΔT (full width at half maximum of the curve) increases accordingly. RC may increase.

본 발명의 일 실시상태는, 상기 자기열량합금을 포함하는 냉각 시스템을 제공한다. 전술한 바와 같이, 상기 자기열량합금은 높은 자기엔트로피 변화량(△Sm) 값을 가지며, 상대적으로 상온에 가까운 Tc(Curie 온도)를 가짐에 따라, 냉각 시스템에 용이하게 적용될 수 있다.One embodiment of the present invention provides a cooling system including the magnetocaloric alloy. As described above, the magnetocaloric alloy has a high magnetic entropy change (ΔSm) value and a Tc (Curie temperature) relatively close to room temperature, so it can be easily applied to a cooling system.

상기 냉각 시스템은 자기 냉각 시스템일 수 있으며, 예를 들어, 열펌프의 냉각 시스템, 전기차의 냉각 시스템, 데이터 센터의 냉각 시스템, 자기 냉동기의 냉각 시스템, 열교환기의 냉각 시스템, 대용량 에어컨의 냉각 시스템 등일 수 있다. 다만, 상기 냉각 시스템의 종류를 한정하는 것은 아니다.The cooling system may be a magnetic cooling system, for example, a heat pump cooling system, an electric vehicle cooling system, a data center cooling system, a magnetic refrigerator cooling system, a heat exchanger cooling system, a large-capacity air conditioner cooling system, etc. You can. However, the type of cooling system is not limited.

본 발명의 일 실시상태는, 철(Fe)계 원료, 망가니즈(Mn)계 원료, 니켈(Ni)계 원료, 규소(Si)계 원료, 및 철-인(Fe-P)계 원료를 포함하는 원료 혼합물을 준비하는 원료 혼합물 준비 단계; 상기 원료 혼합물을 아크 멜팅하여 합금 잉곳을 제조하는 아크 멜팅 단계; 및 상기 합금 잉곳을 열처리하는 열처리 단계;를 포함하고, 상기 합금 잉곳은 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가지며, 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1인 자기열량합금의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention includes iron (Fe)-based raw materials, manganese (Mn)-based raw materials, nickel (Ni)-based raw materials, silicon (Si)-based raw materials, and iron-phosphorus (Fe-P)-based raw materials. A raw material mixture preparation step of preparing a raw material mixture; An arc melting step of manufacturing an alloy ingot by arc melting the raw material mixture; And a heat treatment step of heat treating the alloy ingot, wherein the alloy ingot has a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y , 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤ A method for manufacturing a magnetocaloric alloy of 0.1 is provided.

본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금의 제조방법은 자기열량 특성이 우수한 자기열량합금을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금의 제조방법은 균일한 조성을 가지는 자기열량합금을 용이하게 제조할 수 있다.The method for manufacturing a magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention can produce a magnetocaloric alloy with excellent magnetocaloric properties. In addition, the method for manufacturing a magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention can easily manufacture a magnetocaloric alloy having a uniform composition.

종래에는 자기열량합금인 MnFePSi 소재를 제조하는 경우, P는 유해성과 함게 다른 원소 대비하여 현저히 낮은 끓는점을 가지고 있어, Fe 분말, Mn 분말, Si 분말 및 적린(Red P) 분말을 이용한 고상반응 합성법을 이용하였다. 그러나, 금속 분말들은 산화에 매우 취약하고, 적린 또한 인화성 및 유해성 문제로 모든 제조 공정이 글로브박스 내에서 수행되어야 하는 문제가 있었다. 이로 인해, 종래의 방법은 높은 공정비용, 제조되는 합금의 조성 불균형, 낮은 생산성 등의 문제가 있었다.Conventionally, when manufacturing MnFePSi material, a magnetocaloric alloy, P has a significantly lower boiling point than other elements in addition to being hazardous, so a solid-state reaction synthesis method using Fe powder, Mn powder, Si powder, and red P powder was used. used. However, metal powders are very vulnerable to oxidation, and red phosphorus is also flammable and harmful, so all manufacturing processes must be performed in a glove box. Because of this, the conventional method had problems such as high processing costs, imbalanced composition of the produced alloy, and low productivity.

반면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금의 제조방법은, 아크 멜팅(Arc-melting) 공정을 통해, 종래의 고상반응 합성법 대비하여, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 제조되는 자기열량합금의 조성을 효과적으로 균일화시킬 수 있으며, 멜팅 공정에 따른 높은 생산성을 구현할 수 있다.On the other hand, the method for manufacturing a magnetocaloric alloy according to an embodiment of the present invention can simplify the manufacturing process compared to the conventional solid-state reaction synthesis method through an arc-melting process, and the magnetocaloric alloy produced The composition can be effectively uniformed and high productivity can be achieved through the melting process.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 철(Fe)계 원료, 상기 망가니즈(Mn)계 원료, 상기 니켈(Ni)계 원료, 상기 규소(Si)계 원료, 및 상기 철-인(Fe-P)계 원료는 벌크 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 철(Fe)계 원료, 상기 망가니즈(Mn)계 원료, 상기 니켈(Ni)계 원료, 상기 규소(Si)계 원료, 및 상기 철-인(Fe-P)계 원료는 칩(chip) 형태 또는 벌크 피스(bulk pieces) 형태로 사용될 수 있다. 벌크 형태의 Fe계 원료, Mn계 원료, Ni계 원료, Si계 원료, 및 Fe-P계 원료를 사용함으로서, 원료 물질이 산화되는 것을 효과적으로 방지함과 동시에, 자기열량합금의 제조 생산성을 증가시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the iron (Fe)-based raw material, the manganese (Mn)-based raw material, the nickel (Ni)-based raw material, the silicon (Si)-based raw material, and the iron-phosphorus (Fe- P)-based raw materials may be in bulk form. Specifically, the iron (Fe)-based raw material, the manganese (Mn)-based raw material, the nickel (Ni)-based raw material, the silicon (Si)-based raw material, and the iron-phosphorus (Fe-P)-based raw material are chip. It can be used in (chip) form or bulk pieces. By using bulk Fe-based raw materials, Mn-based raw materials, Ni-based raw materials, Si-based raw materials, and Fe-P-based raw materials, oxidation of raw materials can be effectively prevented and at the same time, the manufacturing productivity of magnetocaloric alloy can be increased. You can.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 원료 혼합물 준비 단계는 망가니즈(Mn)계 원료의 산화 피막(oxide film)을 제거하는 공정을 포함할 수 있다. 구체적으로, 산을 이용하여 Mn계 원료의 산화 피막을 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 산은 질산, 황산, 인산 및 염산 중 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해, 제조되는 자기열량합금에 불순물이 포함되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the raw material mixture preparation step may include a process of removing the oxide film of the manganese (Mn)-based raw material. Specifically, the oxide film of the Mn-based raw material can be removed using acid. For example, the acid may include one of nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and hydrochloric acid. Through this, it is possible to effectively suppress impurities from being included in the produced magnetocaloric alloy.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 원료 혼합물 준비 단계는, 상기 Fe계 원료, Mn계 원료, Ni계 원료, Si계 원료, 및 Fe-P계 원료를 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가지는 잉곳이 제조될 수 있도록 칭량하여 혼합될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, in the raw material mixture preparation step, the Fe-based raw material, Mn-based raw material, Ni-based raw material, Si-based raw material, and Fe-P-based raw material have the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y It can be weighed and mixed so that an ingot with a composition expressed as Si 0.5+y can be manufactured.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아크 멜팅 단계는, 상기 원료 혼합물을 제1 전류 조건에서 아크 멜팅하는 제1 아크 멜팅 단계; 및 제1 아크 멜팅되어 형성된 합금 잉곳을 제2 전류 조건에서 아크 멜팅하는 제2 아크 멜팅 단계;를 포함하며, 상기 제2 아크 멜팅 단계는 상기 제1 아크 멜팅 단계보다 높은 전류 조건에서 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the arc melting step includes: a first arc melting step of arc melting the raw material mixture under a first current condition; And a second arc melting step of arc melting the alloy ingot formed by the first arc melting under a second current condition, wherein the second arc melting step may be performed under a higher current condition than the first arc melting step. .

상기 원료 혼합물을 아크 멜팅하여 합금 잉곳을 제조하는 아크 멜팅 단계에서, 전류 조건이 낮은 제1 아크 멜팅 단계를 먼저 수행하고, 보다 전류 조건이 높은 제2 아크 멜팅 단계를 순차적으로 수행함으로써, 자기열량합금의 제조 공정 시에 인(P)이 손실되는 것을 효과적으로 억제할 수 있고, 균질한 조성을 가지며 목적하는 조성을 가지는 자기열량합금을 효과적으로 제조할 수 있다.In the arc melting step of manufacturing an alloy ingot by arc melting the raw material mixture, the first arc melting step with a low current condition is performed first, and the second arc melting step with a higher current condition is sequentially performed, thereby producing a magnetocaloric alloy. The loss of phosphorus (P) during the manufacturing process can be effectively suppressed, and a magnetocaloric alloy having a homogeneous composition and the desired composition can be effectively manufactured.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아크 멜팅 단계는 상기 제1 아크 멜팅 단계와 상기 제2 아크 멜팅 단계 사이에, 제1 아크 멜팅되어 형성된 상기 합금 잉곳을 냉각하는 단계; 및 냉각된 상기 합금 잉곳의 상하 위치를 반전시켜 상기 제2 아크 멜팅 단계를 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료 혼합물을 제1 전류 조건에서 아크 멜팅하여 합금 잉곳을 제조한 후, 합금 잉곳을 냉각시킬 수 있다. 상기 합금 잉곳은 상온 조건에서 냉각될 수 있다. 이후, 냉각된 합금 잉곳의 상하 위치를 바꾼 후에 제2 전류 조건에서 아크 멜팅을 수행할 수 있다. 즉, 제1 아크 멜팅되어 형성된 상기 합금 잉곳의 상측은 상기 제2 아크 멜팅 단계에서 하측으로 위치하고, 제1 아크 멜팅되어 형성된 상기 합금 잉곳의 하측은 상기 제2 아크 멜팅 단계에서 상측으로 위치할 수 있다. 상기 제1 아크 멜팅 단계와 제2 아크 멜팅 단계 사이에 합금 잉곳을 냉각하고 합금 잉곳의 상하 위치를 바꿈으로써, 제조되는 자기열량합금의 조성을 보다 균질화시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the arc melting step includes cooling the alloy ingot formed by the first arc melting between the first arc melting step and the second arc melting step; And it may further include preparing for the second arc melting step by reversing the vertical position of the cooled alloy ingot. Specifically, an alloy ingot may be manufactured by arc melting the raw material mixture under a first current condition, and then the alloy ingot may be cooled. The alloy ingot can be cooled at room temperature conditions. Thereafter, arc melting can be performed under the second current condition after changing the vertical position of the cooled alloy ingot. That is, the upper side of the alloy ingot formed by first arc melting is positioned downward in the second arc melting step, and the lower side of the alloy ingot formed by first arc melting may be positioned upward in the second arc melting step. . By cooling the alloy ingot and changing the vertical position of the alloy ingot between the first arc melting step and the second arc melting step, the composition of the produced magnetocaloric alloy can be more homogenized.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전류 조건과 상기 제2 전류 조건의 전류의 비는 1:1.5 내지 1:2.5, 1:1.6 내지 1:2.0, 1:1.6 내지 1:1.75, 1:1.5 내지 1:1.75, 또는 1:1.6 내지 1:2.5일 수 있다. 상기 제1 아크 멜팅 단계에서 인가되는 제1 전류 조건과 상기 제2 아크 멜팅 단계에서 인가되는 제2 전류 조건의 전류 비를 전술한 범위로 조절함으로써, 자기열량합금의 제조 공정 시에 인(P)이 손실되는 것을 효과적으로 억제할 수 있고, 균질한 조성을 가지며 목적하는 조성을 가지는 자기열량합금을 효과적으로 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the current ratio of the first current condition and the second current condition is 1:1.5 to 1:2.5, 1:1.6 to 1:2.0, 1:1.6 to 1:1.75, 1 :1.5 to 1:1.75, or 1:1.6 to 1:2.5. By adjusting the current ratio of the first current condition applied in the first arc melting step and the second current condition applied in the second arc melting step to the above-mentioned range, phosphorus (P) is produced during the manufacturing process of the magnetocaloric alloy. This loss can be effectively suppressed, and a magnetocaloric alloy having a homogeneous composition and the desired composition can be effectively manufactured.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전류 조건은 40 A 이상 50 A 이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 아크 멜팅 단계가 수행되는 시간은 0.5 분 이상 1 분 이하일 수 있다. 상기 제1 아크 멜팅 단계가 수행되는 전류 조건 및 시간을 전술한 범위로 조절함으로써, 자기열량합금의 제조 공정 시에 인(P)가 손실되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the first current condition may be 40 A or more and 50 A or less. Additionally, the time for performing the first arc melting step may be 0.5 minutes or more and 1 minute or less. By adjusting the current conditions and time for which the first arc melting step is performed within the above-mentioned range, loss of phosphorus (P) during the manufacturing process of the magnetocaloric alloy can be effectively suppressed.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전류 조건은 70 A 이상 80 A 이하일 수 있다. 또한, 상기 제2 아크 멜팅 단계가 수행되는 시간은 1 분 이상 2 분 이하일 수 있다. 상기 제2 아크 멜팅 단계가 수행되는 전류 조건 및 시간을 전술한 범위로 조절함으로써, 균질한 조성을 가지며 목적하는 조성을 가지는 자기열량합금을 효과적으로 제조할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the second current condition may be 70 A or more and 80 A or less. Additionally, the time for performing the second arc melting step may be 1 minute or more and 2 minutes or less. By adjusting the current conditions and time for which the second arc melting step is performed within the above-described range, a magnetocaloric alloy having a homogeneous composition and a desired composition can be effectively manufactured.

한편, 상기 제1 전류 조건과 상기 제2 전류 조건의 전류의 비가 전술한 범위를 만족하는 경우, 아크 멜팅이 수행되는 기기에 따라, 상기 제1 전류 조건의 전류값과 상기 제2 전류 조건의 전류값은 전술한 범위와 다르게 조절될 수도 있다. 또한, 상기 제1 전류 조건과 상기 제2 전류 조건의 전류의 비가 전술한 범위를 만족하는 경우, 아크 멜팅이 수행되는 기기에 따라, 상기 제1 아크 멜팅 단계가 수행되는 시간과 상기 제1 아크 멜팅 단계가 수행되는 시간은 전술한 범위와 다르게 조절될 수도 있다.Meanwhile, when the ratio of the current of the first current condition and the second current condition satisfies the above-mentioned range, depending on the device in which arc melting is performed, the current value of the first current condition and the current of the second current condition The value may be adjusted to differ from the above-mentioned range. In addition, when the current ratio of the first current condition and the second current condition satisfies the above-mentioned range, depending on the device in which the arc melting is performed, the time at which the first arc melting step is performed and the time at which the first arc melting step is performed The time at which steps are performed may be adjusted differently from the above-described range.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아크 멜팅 단계는 2회 이상 수행될 수 있다. 구체적으로, 제1 아크 멜팅 단계 및 제2 아크 멜팅 단계를 포함하는 상기 아크 멜팅 단계를 2회 이상, 3회 이상, 4회 이상, 또는 5회 이상 수행할 수 있다. 즉, 제1 아크 멜팅 단계 및 제2 아크 멜팅 단계를 수행하는 사이클을 2회 이상, 3회 이상, 4회 이상 또는 5회 이상 수행할 수 있다. 또한, 상기 아크 멜팅 단계는 6회 이하, 5회 이하, 또는 4회 이하 수행될 수 있다. 즉, 제1 아크 멜팅 단계 및 제2 아크 멜팅 단계를 수행하는 사이클을 6회 이하, 5회 이하, 또는 4회 이하 수행할 수 있다. 상기 아크 멜팅 단계를 반복하는 횟수를 전술한 범위로 조절함으로써, 제조 공정 시간을 적절히 조절함과 동시에, 제조되는 자기열량합금을 효과적으로 균질화시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the arc melting step may be performed two or more times. Specifically, the arc melting step including the first arc melting step and the second arc melting step may be performed 2 or more times, 3 or more times, 4 or more times, or 5 or more times. That is, the cycle of performing the first arc melting step and the second arc melting step may be performed 2 or more times, 3 or more times, 4 or more times, or 5 or more times. Additionally, the arc melting step may be performed 6 times or less, 5 times or less, or 4 times or less. That is, the cycle of performing the first arc melting step and the second arc melting step may be performed 6 times or less, 5 times or less, or 4 times or less. By adjusting the number of repetitions of the arc melting step within the above-mentioned range, the manufacturing process time can be appropriately adjusted and the manufactured magnetocaloric alloy can be effectively homogenized.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 아크 멜팅 단계는 비활성 가스 조건에서 수행될 수 있다. 상기 비활성 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비활성 가스는 아르곤일 수 있다. 비활성 가스 조건에서 아크 멜팅 단계를 수행함으로써, 제조되는 자기열량합금에 불순물이 혼입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the arc melting step may be performed under inert gas conditions. The inert gas may include at least one of nitrogen, argon, and helium. For example, the inert gas may be argon. By performing the arc melting step under inert gas conditions, it is possible to effectively prevent impurities from being incorporated into the produced magnetocaloric alloy.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리 단계는 1,200 K 이상 1,600 K 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리 단계가 수행되는 온도는 1,300 K 이상 1,500 K 이하, 1,200 K 이상 1,450 K 이하, 또는 1,400 K 이상 1,500 K 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열처리 단계가 수행되는 온도는 1,350 K 이상 1,450 K 이하, 1,375 K 이상 1,425 K 이하, 1,350 K 이상 1,425 K 이하, 또는 1,400 K 이상 1,450 K 이하일 수 있다. 또한, 상기 열처리 단계는 90 시간 이상 100 시간 이하의 시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 상기 열처리 단계는 진공 상태에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 단계가 수행되는 온도, 시간 및 대기 조건을 전술한 범위로 조절함으로써, 제조되는 자기열량합금을 효과적으로 균질화시킬 수 있으며, 목적하는 조성을 가지는 자기열량합금을 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the heat treatment step may be performed at a temperature of 1,200 K or more and 1,600 K or less. Specifically, the temperature at which the heat treatment step is performed may be 1,300 K or more and 1,500 K or less, 1,200 K or more and 1,450 K or less, or 1,400 K or more and 1,500 K or less. More specifically, the temperature at which the heat treatment step is performed may be 1,350 K or more and 1,450 K or less, 1,375 K or more and 1,425 K or less, 1,350 K or more and 1,425 K or less, or 1,400 K and 1,450 K or less. Additionally, the heat treatment step may be performed for a period of time between 90 hours and 100 hours. Additionally, the heat treatment step may be performed in a vacuum state. By adjusting the temperature, time, and atmospheric conditions in which the heat treatment step is performed within the above-mentioned range, the produced magnetocaloric alloy can be effectively homogenized, and a magnetocaloric alloy having the desired composition can be implemented.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금의 제조방법은 상기 열처리 단계를 수행하여 제조된 자기열량합금을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리된 자기열량합금을 냉각함으로써, 자기열량합금의 내부에 존재할 수 있는 기공이나 전위(dislocation)와 같은 결함들을 감소시킬 수 있고, 물성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 자기열량합금을 냉각하는 방법은 당업계에서 이용되는 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 5 ℃ 내지 20 ℃의 차가운 물을 이용하여 냉각할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the method for manufacturing the magnetocaloric alloy may further include cooling the magnetocaloric alloy manufactured by performing the heat treatment step. By cooling the heat-treated magnetocaloric alloy, defects such as pores or dislocations that may exist inside the magnetocaloric alloy can be reduced, and physical properties can be further improved. The method for cooling the magnetocaloric alloy can be any method used in the art without limitation. For example, cooling can be done using cold water of 5°C to 20°C.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자기열량합금의 제조방법을 통해 제조된 상기 자기열량합금은 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가질 수 있고, 이때 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloy manufactured through the method for manufacturing the magnetocaloric alloy may have a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y , where 0.01 It may be ≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of this specification are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예 1Example 1

원료로서, Fe 칩(>99.95 wt%), Mn 칩(>99.9 wt%), Ni 벌크 피스(>99.99 wt%), Si 벌크 피스(>99.999 wt%) 및 Fe-P 벌크 피스(>99.9 wt%)를 준비하였다. 이때, Mn 칩은 질산을 처리하여 산화 피막을 제거하고 사용하였다. As raw materials, Fe chips (>99.95 wt%), Mn chips (>99.9 wt%), Ni bulk pieces (>99.99 wt%), Si bulk pieces (>99.999 wt%) and Fe-P bulk pieces (>99.9 wt). %) was prepared. At this time, the Mn chip was used after removing the oxide film by treating it with nitric acid.

이후, Fe 칩, Mn 칩, Ni 벌크 피스, Si 벌크 피스 및 Fe-P 벌크 피스를, 화학식 MnFe0.94Ni0.01P0.55Si0.45로 표현되는 조성을 가지는 잉곳이 제조될 수 있도록 칭량하여, 원료 혼합물을 준비하였다.Thereafter, the Fe chip, Mn chip, Ni bulk piece, Si bulk piece, and Fe-P bulk piece were weighed so that an ingot having a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.94 Ni 0.01 P 0.55 Si 0.45 could be manufactured to prepare a raw material mixture. did.

이후, 원료 혼합물을 아크 멜팅 장치(아크석션멜팅시스템) 내에 위치시키고, 50 A의 전류 조건에서 1 분 동안 제1 아크 멜팅 단계를 수행하여, 합금 잉곳을 형성하였다. 이후, 합금 잉곳을 상온에서 냉각하고 상하 위치를 변경하여 다시 아크 멜팅 장치에 위치시켰다. 이후, 70 A의 전류 조건에서 1 분 동안 제2 아크 멜팅 단계를 수행하였다. 전술한 방법을 3회 반복하여 총 4회의 아크 멜팅(제1 아크 멜팅 단계 + 제2 아크 멜팅 단계)을 수행하였다.Thereafter, the raw material mixture was placed in an arc melting device (Arc Suction Melting System), and a first arc melting step was performed for 1 minute under a current condition of 50 A to form an alloy ingot. Afterwards, the alloy ingot was cooled at room temperature, its up and down positions were changed, and it was placed in the arc melting device again. Afterwards, a second arc melting step was performed for 1 minute under a current condition of 70 A. The above-described method was repeated three times, and a total of four arc melting (first arc melting step + second arc melting step) was performed.

이후, 합금 잉곳을 석영 유리관에서 진공 분위기로 밀봉하고, 1,423 K에서 96 시간 동안 열처리하고, 냉수(20 ℃)에서 급냉하여, MnFe0.94Ni0.01P0.55Si0.45로 표현되는 조성을 가지는 자기열량합금을 제조하였다.Afterwards, the alloy ingot was sealed in a vacuum atmosphere in a quartz glass tube, heat treated at 1,423 K for 96 hours, and quenched in cold water (20 °C) to produce a magnetocaloric alloy with a composition expressed as MnFe 0.94 Ni 0.01 P 0.55 Si 0.45 . did.

실시예 2 내지 실시예 16Examples 2 to 16

하기 표 1과 같은 조성을 가지는 자기열량합금이 제조될 수 있도록 원료 혼합물을 준비한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자기열량합금을 제조하였다.A magnetocaloric alloy was prepared in the same manner as in Example 1, except that a raw material mixture was prepared so that a magnetocaloric alloy having the composition shown in Table 1 below was prepared.

구분division xx yy 화학식chemical formula 실시예 1Example 1 0.010.01 -0.05-0.05 MnFe0.94Ni0.01P0.55Si0.45 MnFe 0.94 Ni 0.01 P 0.55 Si 0.45 실시예 2Example 2 00 MnFe0.94Ni0.01P0.5Si0.5 MnFe 0.94 Ni 0.01 P 0.5 Si 0.5 실시예 3Example 3 0.020.02 -0.05-0.05 MnFe0.93Ni0.02P0.55Si0.45 MnFe 0.93 Ni 0.02 P 0.55 Si 0.45 실시예 4Example 4 00 MnFe0.93Ni0.02P0.5Si0.5 MnFe 0.93 Ni 0.02 P 0.5 Si 0.5 실시예 5Example 5 0.050.05 MnFe0.93Ni0.02P0.45Si0.55 MnFe 0.93 Ni 0.02 P 0.45 Si 0.55 실시예 6Example 6 0.10.1 MnFe0.93Ni0.02P0.4Si0.6 MnFe 0.93 Ni 0.02 P 0.4 Si 0.6 실시예 7Example 7 0.030.03 -0.05-0.05 MnFe0.92Ni0.03P0.55Si0.45 MnFe 0.92 Ni 0.03 P 0.55 Si 0.45 실시예 8Example 8 00 MnFe0.92Ni0.03P0.5Si0.5 MnFe 0.92 Ni 0.03 P 0.5 Si 0.5 실시예 9Example 9 0.050.05 MnFe0.92Ni0.03P0.45Si0.55 MnFe 0.92 Ni 0.03 P 0.45 Si 0.55 실시예 10Example 10 0.10.1 MnFe0.92Ni0.03P0.4Si0.6 MnFe 0.92 Ni 0.03 P 0.4 Si 0.6 실시예 11Example 11 0.040.04 -0.05-0.05 MnFe0.91Ni0.04P0.55Si0.45 MnFe 0.91 Ni 0.04 P 0.55 Si 0.45 실시예 12Example 12 00 MnFe0.91Ni0.04P0.5Si0.5 MnFe 0.91 Ni 0.04 P 0.5 Si 0.5 실시예 13Example 13 0.050.05 MnFe0.91Ni0.04P0.45Si0.55 MnFe 0.91 Ni 0.04 P 0.45 Si 0.55 실시예 14Example 14 0.10.1 MnFe0.91Ni0.04P0.4Si0.6 MnFe 0.91 Ni 0.04 P 0.4 Si 0.6 실시예 15Example 15 0.050.05 -0.05-0.05 MnFe0.90Ni0.5P0.55Si0.45 MnFe 0.90 Ni 0.5 P 0.55 Si 0.45 실시예 16Example 16 00 MnFe0.90Ni0.5P0.5Si0.5 MnFe 0.90 Ni 0.5 P 0.5 Si 0.5

비교예 1 내지 비교예 5Comparative Examples 1 to 5

하기 표 2와 같은 조성을 가지는 자기열량합금이 제조될 수 있도록 원료 혼합물을 준비한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자기열량합금을 제조하였다.A magnetocaloric alloy was prepared in the same manner as in Example 1, except that a raw material mixture was prepared so that a magnetocaloric alloy having the composition shown in Table 2 below was prepared.

구분division xx yy 화학식chemical formula 비교예 1Comparative Example 1 00 00 MnFe0.95P0.5Si0.5 MnFe 0.95 P 0.5 Si 0.5 비교예 2Comparative Example 2 0.160.16 -0.05-0.05 MnFe0.79Ni0.16P0.55Si0.45 MnFe 0.79 Ni 0.16 P 0.55 Si 0.45 비교예 3Comparative Example 3 00 MnFe0.79Ni0.16P0.5Si0.5 MnFe 0.79 Ni 0.16 P 0.5 Si 0.5 비교예 4Comparative Example 4 0.050.05 MnFe0.79Ni0.16P0.45Si0.55 MnFe 0.79 Ni 0.16 P 0.45 Si 0.55 비교예 5Comparative Example 5 0.10.1 MnFe0.79Ni0.16P0.4Si0.6 MnFe 0.79 Ni 0.16 P 0.4 Si 0.6

비교예 6Comparative Example 6

MnFe0.95P0.5Si0.5의 조성을 가지는 자기열량합금이 제조될 수 있도록 원료 혼합물을 준비하고, “J. Alloys & Compd. 730 (2018) 392”에 개시된 고상 반응(Solid state reaction)법으로 자기열량합금을 제조하였다.A raw material mixture was prepared so that a magnetocaloric alloy with a composition of MnFe 0.95 P 0.5 Si 0.5 could be manufactured, and “J. Alloys & Compd. A magnetocaloric alloy was manufactured using the solid state reaction method disclosed in “730 (2018) 392”.

비교예 7Comparative Example 7

MnFe0.87Ni0.08P0.5Si0.5의 조성을 가지는 자기열량합금이 제조될 수 있도록 원료 혼합물을 준비한 것을 제외하고, 상기 비교예 6과 동일하게 고상 반응법으로 자기열량합금을 제조하였다.A magnetocaloric alloy was prepared using a solid-state reaction method in the same manner as in Comparative Example 6, except that a raw material mixture was prepared to produce a magnetocaloric alloy with a composition of MnFe 0.87 Ni 0.08 P 0.5 Si 0.5 .

비교예 8Comparative Example 8

MnFe0.79Ni0.16P0.5Si0.5의 조성을 가지는 자기열량합금이 제조될 수 있도록 원료 혼합물을 준비한 것을 제외하고, 상기 비교예 6과 동일하게 고상 반응법으로 자기열량합금을 제조하였다.A magnetocaloric alloy was prepared using a solid-state reaction method in the same manner as in Comparative Example 6, except that a raw material mixture was prepared to produce a magnetocaloric alloy with a composition of MnFe 0.79 Ni 0.16 P 0.5 Si 0.5 .

실험예 1: XRD 패턴 분석Experimental Example 1: XRD pattern analysis

상기 실시예 11 내지 실시예 14에서 제조한 자기열량합금에 대하여 X선 회절 분석을 수행하여 XRD 패턴을 수득하였다. X-ray diffraction analysis was performed on the magnetocaloric alloys prepared in Examples 11 to 14 to obtain XRD patterns.

도 2는 실시예 11 내지 실시예 14에서 제조한 자기열량합금의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing XRD patterns of magnetocaloric alloys prepared in Examples 11 to 14.

도 2를 참조하면, 약 40 °, 42 내지 43 °, 45 내지 46 °에서 각각 결정면 (111), (201), (210)피크가 메인 피크로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 실시예 11 내지 실시예 14에서 제조한 자기열량합금이 Fe2P-type hexagonal (space group No. 189, )구조를 가지는 Mn-Fe-P-Si 합금인 것을 확인하였다.Referring to Figure 2, it can be seen that the crystal planes (111), (201), and (210) peaks appear as main peaks at about 40 °, 42 to 43 °, and 45 to 46 °, respectively. Through this, the magnetocaloric alloys prepared in Examples 11 to 14 were Fe 2 P-type hexagonal (space group No. 189, ) It was confirmed that it was a Mn-Fe-P-Si alloy with a structure.

실험예 2: 자기열량효과 평가Experimental Example 2: Evaluation of magnetocaloric effect

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 자기열량합금에 대하여, PPMS(Physical Property Measurement System)장비의 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 모드를 통해 자기열량 특성을 평가하였다. VSM은 Hall probe에 의해 가한 인가 자장을 기록하고 시료의 자화값은 패러데이 법칙에 의해서 시료에 진동을 가할 때 얻어지는 기전력을 기록하여 시료의 자화값을 측정한다. 이를 통해 Curie 온도(Tc)와 자기엔트로피 변화량(ΔSM)을 구하였고, 이를 통해 RC(Refrigeration capacity) 값을 산출하였다. RC는 전술한 바와 같이 ΔS-T 곡선에서 가장 높은 ΔS 값의 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)에 해당하는 온도 구간을 구하고, 해당 구간에서의 ΔS 적분 값으로 계산할 수 있다.For the magnetocaloric alloys prepared in the above examples and comparative examples, the magnetocaloric properties were evaluated through the VSM (Vibrating Sample Magnetometer) mode of the PPMS (Physical Property Measurement System) equipment. VSM records the applied magnetic field applied by a Hall probe and measures the magnetization value of the sample by recording the electromotive force obtained when vibration is applied to the sample according to Faraday's law. Through this, the Curie temperature (Tc) and magnetic entropy change (ΔS M ) were obtained, and the RC (Refrigeration capacity) value was calculated through this. As described above, RC can be calculated by obtaining the temperature section corresponding to the full width at half maximum (FWHM) of the highest ΔS value in the ΔS-T curve and calculating the ΔS integral value in the section.

하기 표 3 내지 표 6에, 외부인가 자기장 1T 및 2T 조건에서, 실시예 및 비교예에서 제조한 자기열량합금에 대하여, 상기 방법으로 측정한 자기엔트로피 변화량의 최대값(│△Smax│), │△Smax│ 값이 나타난 온도(Tpk), Curie 온도(Tc) 및 RC 값을 나타내었다.Tables 3 to 6 below show the maximum value of magnetic entropy change (│△Smax│), │ The temperature at which the △Smax│ value appeared (T pk ), Curie temperature (Tc), and RC value were shown.

구분division Tpk @1T
(K)
T pk @1T
(K)
│△Smax│
@1T
(J/kg·K)
│△Smax│
@1T
(J/kg·K)
Tpk @2T
(K)
T pk @2T
(K)
│△Smax│
@2T
(J/kg·K)
│△Smax│
@2T
(J/kg·K)
실시예 1Example 1 327327 7.237.23 325325 16.9016.90 실시예 2Example 2 335335 7.147.14 335335 16.2616.26 실시예 3Example 3 318318 7.817.81 318318 17.1417.14 실시예 4Example 4 324324 7.757.75 324324 17.1417.14 실시예 5Example 5 318318 4.734.73 318318 10.8410.84 실시예 6Example 6 308308 6.266.26 308308 13.7613.76 실시예 7Example 7 310310 7.627.62 310310 17.2217.22 실시예 8Example 8 309309 6.696.69 309309 15.1215.12 실시예 9Example 9 315315 6.896.89 315315 15.4515.45 실시예 10Example 10 299299 5.895.89 299299 13.1013.10 실시예 11Example 11 282282 7.617.61 282282 17.0717.07 실시예 12Example 12 304304 5.715.71 304304 12.6812.68 실시예 13Example 13 304304 7.067.06 304304 15.3215.32 실시예 14Example 14 288288 3.873.87 288288 8.658.65 실시예 15Example 15 280280 5.875.87 280280 13.3313.33 실시예 16Example 16 291291 5.055.05 291291 11.6211.62

구분division Tc @1T
(K)
Tc @1T
(K)
RC @2T
(J/kg)
RC @2T
(J/kg)
실시예 1Example 1 308308 160.6160.6 실시예 2Example 2 320320 132.1132.1 실시예 3Example 3 299299 165.4165.4 실시예 4Example 4 310310 137.9137.9 실시예 5Example 5 306306 134.6134.6 실시예 6Example 6 297297 113.0113.0 실시예 7Example 7 295295 135.5135.5 실시예 8Example 8 295295 125.2125.2 실시예 9Example 9 301301 129.7129.7 실시예 10Example 10 288288 106.9106.9 실시예 11Example 11 278278 163.9163.9 실시예 12Example 12 290290 152.9152.9 실시예 13Example 13 291291 124.5124.5 실시예 14Example 14 277277 94.594.5 실시예 15Example 15 274274 146.9146.9 실시예 16Example 16 278278 127.1127.1

구분division Tpk @1T
(K)
T pk @1T
(K)
│△Smax│
@1T
(J/kg·K)
│△Smax│
@1T
(J/kg·K)
Tpk @2T
(K)
T pk @2T
(K)
│△Smax│
@2T
(J/kg·K)
│△Smax│
@2T
(J/kg·K)
비교예 1Comparative Example 1 341341 8.028.02 341341 17.9317.93 비교예 2Comparative Example 2 220220 6.436.43 220220 14.4614.46 비교예 3Comparative Example 3 214214 5.515.51 214214 12.1712.17 비교예 4Comparative Example 4 222222 6.716.71 222222 14.2114.21 비교예 5Comparative Example 5 226226 5.955.95 226226 13.0413.04

구분division Tc @1T
(K)
Tc @1T
(K)
RC @2T
(J/kg)
RC @2T
(J/kg)
비교예 1Comparative Example 1 326326 127.9127.9 비교예 2Comparative Example 2 211211 140.1140.1 비교예 3Comparative Example 3 206206 152.4152.4 비교예 4Comparative Example 4 214214 115.7115.7 비교예 5Comparative Example 5 213213 96.596.5

도 3은 본 발명의 실시예 1, 실시예 7, 실시예 15 및 비교예 2에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 온도에 따른 자화(magnetization) 물성의 변화를 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the change in magnetization properties of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1, 7, 15, and Comparative Example 2 of the present invention according to temperature under the condition of an externally applied magnetic field of 1T.

상기 표 3 내지 표 6, 도 3을 참고하면, MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y의 조성을 가지는 자기열량합금에서, Fe 대신하여 Ni이 치환됨에 따라 Curie 온도(Tc)가 감소되는 것을 확인하였다. 특히, 본 발명의 실시예 1, 실시예 7 및 실시예 15에서 제조된 자기열량합금의 경우, Curie 온도(Tc)가 270 K 내지 325 K의 범위에 속하는 것을 확인하였다. 반면, 비교예 2의 경우, Curie 온도(Tc)가 270 K 내지 325 K의 범위를 벗어나는 것을 확인하였다.Referring to Tables 3 to 6 and FIG. 3, in a magnetocaloric alloy having a composition of MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y , the Curie temperature (Tc) decreases as Ni is substituted for Fe. It was confirmed that this was the case. In particular, in the case of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1, 7, and 15 of the present invention, it was confirmed that the Curie temperature (Tc) was in the range of 270 K to 325 K. On the other hand, in the case of Comparative Example 2, it was confirmed that the Curie temperature (Tc) was outside the range of 270 K to 325 K.

도 4는 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16 및 비교예 3에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도 및 Tpk를 나타낸 도면이다. Figure 4 shows the Curie temperature and T pk of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 2, 4, 8, 12, 16, and Comparative Example 3 of the present invention under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. It is a drawing.

상기 표 3 내지 표 6, 도 4를 참고하면, Fe 대신하여 Ni이 치환됨에 따라 Curie 온도(Tc) 및 Tpk가 감소되는 것을 확인하였다. 특히, 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 및 실시예 16에서 제조된 자기열량합금의 경우, Curie 온도(Tc)가 270 K 내지 325 K의 범위에 속하는 것을 확인하였다. 반면, 비교예 3의 경우, Curie 온도(Tc)가 전술한 범위를 벗어나는 것을 확인하였다.Referring to Tables 3 to 6 and FIG. 4, it was confirmed that the Curie temperature (Tc) and T pk decreased as Ni was substituted for Fe. In particular, in the case of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 2, 4, 8, 12, and 16 of the present invention, the Curie temperature (Tc) is in the range of 270 K to 325 K. Confirmed. On the other hand, in the case of Comparative Example 3, it was confirmed that the Curie temperature (Tc) was outside the above-mentioned range.

도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 15에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도 및 △Thys를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 실시예 1 내지 실시예 15에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도를 나타낸 것이다. 또한, 도 5의 (b)는 실시예 1 내지 실시예 15에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 △Thys를 나타낸 것이다. 이때, △Thys는 자기열량합금의 가열, 냉각 시 자기열량효과의 발현온도차이를 의미하며, 도 3 과 같은 온도-자화 곡선에서 가열, 냉각 측정 시 기울기가 최대인 각각의 온도를 미분을 통해 계산하여 평균값을 구하는 방법을 통해 산출하였다.Figure 5 is a diagram showing the Curie temperature and △T hys of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1 to 15 of the present invention under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. Specifically, Figure 5 (a) shows the Curie temperature of the magnetocaloric alloys prepared in Examples 1 to 15 under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. In addition, Figure 5(b) shows ΔT hys of the magnetocaloric alloys manufactured in Examples 1 to 15 under the condition of an externally applied magnetic field of 1T. At this time, △T hys means the difference in temperature at which the magnetocaloric effect occurs during heating and cooling of the magnetocaloric alloy, and in the temperature-magnetization curve as shown in Figure 3, each temperature at which the slope is maximum when measuring heating and cooling is obtained through differentiation. It was calculated by calculating the average value.

상기 표 3 내지 표 6, 도 5을 참고하면, P의 함량과 Si의 함량 비(Si/P)이 증가함에 따라, Curie 온도가 증가하다가 감소하는 경향이 있음을 확인하였고, △Thys는 감소하는 것을 확인하였다. Referring to Tables 3 to 6 and Figure 5, it was confirmed that as the P content and Si content ratio (Si/P) increases, the Curie temperature tends to increase and then decrease, and △T hys decreases. It was confirmed that

도 6은 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16, 비교예 1, 비교예 3, 비교예 6 내지 비교예 8에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 1T 조건에서의 Curie 온도의 경향성을 나타낸 도면이다.Figure 6 is an external view of the magnetocaloric alloy prepared in Example 2, Example 4, Example 8, Example 12, Example 16, Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Examples 6 to 8 of the present invention. This is a diagram showing the trend of Curie temperature under 1T magnetic field conditions.

상기 표 3 내지 표 6, 도 6을 참고하면, 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y의 조성에서, y가 0인 경우에 x가 0.01만큼 증가함에 따라 Curie 온도가 약 7.5 K로 경향성 있게 감소되는 것을 확인하였다. 한편, 본 발명의 일 실시상태에 따른 아크 멜팅을 이용하여 제조된 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16의 자기열량합금의 경우, 고상 반응법으로 자기열량합금을 제조한 비교예 6 내지 비교예 8 대비하여, Curie 온도가 약 70 K 낮은 경향성을 보이는 것을 확인하였다.Referring to Tables 3 to 6 and Figure 6, in the composition of the formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y , when y is 0, as x increases by 0.01, the Curie temperature is about 7.5. It was confirmed that K tends to decrease. Meanwhile, in the case of the magnetocaloric alloys of Examples 2, 4, 8, 12, and 16 manufactured using arc melting according to an embodiment of the present invention, the magnetocaloric alloys were produced using a solid-state reaction method. Compared to Comparative Examples 6 to 8 prepared, it was confirmed that the Curie temperature tended to be about 70 K lower.

도 7은 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12, 실시예 16 및 비교예 3에서 제조한 자기열량합금의 외부인가 자기장 2T 조건에서의 온도에 따른 자기엔트로피 변화량(△S)을 나타낸 도면이다.Figure 7 shows the change in magnetic entropy ( This is a drawing showing △S).

상기 표 3 내지 표 6, 도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예 2, 실시예 4, 실시예 8, 실시예 12 및 실시예 16의 경우, 비교예 3 대비하여, 상온에 가까운 온도에서 보다 큰 자기엔트로피 변화량(△Smax)을 나타내는 것을 확인하였다. Referring to Tables 3 to 6 and Figure 7, in the case of Examples 2, 4, 8, 12, and 16 of the present invention, compared to Comparative Example 3, the temperature was higher than that at a temperature close to room temperature. It was confirmed that a large magnetic entropy change (△Smax) was observed.

전술한 실험 데이터를 참고하면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금에서 P의 함량과 Si의 함량 비의 조절 보다, Ni의 함량과 Fe의 함량 비를 조절함에 따라, 자기열량합금의 큐리 온도를 보다 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 상온에 가까운 큐리 온도를 나타내고 있음을 확인하였다. 나아가, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 GMCE(giant magnetocaloric effect) 소재인 Gd5Si2Ge2와 비슷한 △Smax 값을 가지는 것을 확인하였다. 특히, 실시예 13에서 제조된 자기열량합금의 경우, 상온에 가까운 304 K에서 외부인가 자기장 2T 조건에서, Gd5Si2Ge2 대비하여 상온에 가까운 304 K에서 상기 소재에 준하는 15.32 J/kg·K의 △Smax 값을 가지는 것을 확인하였다. 나아가, 실시예 3에서 제조된 자기열량합금의 경우, 외부인가 자기장 2T 조건에서 165.4 J/kg의 우수한 RC 값을 가지는 것을 확인하였다.Referring to the above-described experimental data, by adjusting the content ratio of Ni and Fe rather than controlling the content ratio of P and Si in the magnetocaloric alloy according to an embodiment of the present invention, the Curie of the magnetocaloric alloy It was confirmed that the temperature could be controlled more effectively. In addition, it was confirmed that the magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention exhibits a Curie temperature close to room temperature. Furthermore, it was confirmed that the magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a ΔSmax value similar to Gd 5 Si 2 Ge 2 , a GMCE (giant magnetocaloric effect) material. In particular, in the case of the magnetocaloric alloy prepared in Example 13, at 304 K, close to room temperature, under the condition of an externally applied magnetic field of 2T, compared to Gd 5 Si 2 Ge 2 , at 304 K, close to room temperature, 15.32 J/kg, equivalent to the above material. It was confirmed that it had a △Smax value of K. Furthermore, the magnetocaloric alloy prepared in Example 3 was confirmed to have an excellent RC value of 165.4 J/kg under the condition of an externally applied magnetic field of 2T.

따라서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 자기열량합금은 상대적으로 상온에 가까운 큐리 온도(Tc)를 가지며, 자기엔트로피 변화량(△Sm)이 높아 냉각 효율이 우수한 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the magnetocaloric alloy according to an exemplary embodiment of the present invention has a Curie temperature (Tc) relatively close to room temperature and has a high magnetic entropy change (△Sm), showing excellent cooling efficiency.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the patents described below will be understood by those skilled in the art. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the claims.

Claims (14)

화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되고,
0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1이고,
Tc(Curie 온도)가 270 K 내지 325 K인 것인 자기열량합금.
It is expressed as the chemical formula MnFe 0.95-x Ni x P 0.5-y Si 0.5+y ,
0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1,
A magnetocaloric alloy having a Tc (Curie temperature) of 270 K to 325 K.
제1항에 있어서,
Ni의 함량과 Fe의 함량 비는 1:15 내지 1:95인 것인 자기열량합금.
According to paragraph 1,
A magnetocaloric alloy in which the ratio of Ni content to Fe content is 1:15 to 1:95.
제1항에 있어서,
P의 함량과 Si의 함량 비는 1:0.7 내지 1:1.7인 것인 자기열량합금.
According to paragraph 1,
A magnetocaloric alloy wherein the ratio of the P content to the Si content is 1:0.7 to 1:1.7.
삭제delete 제1항에 있어서,
3 J/kg·K 내지 18 J/kg·K의 자기엔트로피 변화량(△Sm)을 가지는 자기열량합금.
According to paragraph 1,
A magnetocaloric alloy having a magnetic entropy change (△Sm) of 3 J/kg·K to 18 J/kg·K.
제1항에 있어서,
90 J/kg 내지 170 J/kg의 RC(Refrigeration capacity)를 가지는 자기열량합금.
According to paragraph 1,
A magnetocaloric alloy having an RC (Refrigeration capacity) of 90 J/kg to 170 J/kg.
철(Fe)계 원료, 망가니즈(Mn)계 원료, 니켈(Ni)계 원료, 규소(Si)계 원료, 및 철-인(Fe-P)계 원료를 포함하는 원료 혼합물을 준비하는 원료 혼합물 준비 단계;
상기 원료 혼합물을 아크 멜팅하여 합금 잉곳을 제조하는 아크 멜팅 단계; 및
상기 합금 잉곳을 열처리하는 열처리 단계;를 포함하고,
상기 합금 잉곳은 화학식 MnFe0.95-xNixP0.5-ySi0.5+y로 표현되는 조성을 가지며, 0.01≤x≤0.05, -0.05≤y≤0.1이고, Tc(Curie 온도)가 270 K 내지 325 K인 것인 자기열량합금의 제조방법.
A raw material mixture for preparing a raw material mixture containing iron (Fe)-based raw materials, manganese (Mn)-based raw materials, nickel (Ni)-based raw materials, silicon (Si)-based raw materials, and iron-phosphorus (Fe-P)-based raw materials. preparatory stage;
An arc melting step of manufacturing an alloy ingot by arc melting the raw material mixture; and
A heat treatment step of heat treating the alloy ingot,
The alloy ingot has a composition expressed by the chemical formula MnFe 0.95- x Ni A method of manufacturing a magnetocaloric alloy.
제7항에 있어서,
상기 철(Fe)계 원료, 상기 망가니즈(Mn)계 원료, 상기 니켈(Ni)계 원료, 상기 규소(Si)계 원료, 및 상기 철-인(Fe-P)계 원료는 벌크 형태인 것인 자기열량합금의 제조방법.
In clause 7,
The iron (Fe)-based raw material, the manganese (Mn)-based raw material, the nickel (Ni)-based raw material, the silicon (Si)-based raw material, and the iron-phosphorus (Fe-P)-based raw material are in bulk form. Manufacturing method of phosphorus magnetocaloric alloy.
제7항에 있어서,
상기 아크 멜팅 단계는,
상기 원료 혼합물을 제1 전류 조건에서 아크 멜팅하는 제1 아크 멜팅 단계; 및
제1 아크 멜팅되어 형성된 합금 잉곳을 제2 전류 조건에서 아크 멜팅하는 제2 아크 멜팅 단계;를 포함하며,
상기 제2 아크 멜팅 단계는 상기 제1 아크 멜팅 단계보다 높은 전류 조건에서 수행되는 것인 자기열량합금의 제조방법.
In clause 7,
The arc melting step is,
A first arc melting step of arc melting the raw material mixture under first current conditions; and
A second arc melting step of arc melting the alloy ingot formed by the first arc melting under a second current condition,
The second arc melting step is performed under higher current conditions than the first arc melting step.
제9항에 있어서,
상기 제1 전류 조건과 상기 제2 전류 조건의 전류의 비는 1:1.5 내지 1:2.5인 것인 자기열량합금의 제조방법.
According to clause 9,
A method of producing a magnetocaloric alloy, wherein the current ratio of the first current condition and the second current condition is 1:1.5 to 1:2.5.
제9항에 있어서,
상기 아크 멜팅 단계는 2회 이상 수행되는 것인 자기열량합금의 제조방법.
According to clause 9,
A method of manufacturing a magnetocaloric alloy wherein the arc melting step is performed two or more times.
제9항에 있어서,
상기 아크 멜팅 단계는 상기 제1 아크 멜팅 단계와 상기 제2 아크 멜팅 단계 사이에,
제1 아크 멜팅되어 형성된 상기 합금 잉곳을 냉각하는 단계; 및
냉각된 상기 합금 잉곳의 상하 위치를 반전시켜 상기 제2 아크 멜팅 단계를 준비하는 단계;를 더 포함하는 것인 자기열량합금의 제조방법.
According to clause 9,
The arc melting step is between the first arc melting step and the second arc melting step,
Cooling the alloy ingot formed by first arc melting; and
Preparing for the second arc melting step by reversing the upper and lower positions of the cooled alloy ingot. The method of manufacturing a magnetocaloric alloy further comprising.
제7항에 있어서,
상기 아크 멜팅 단계는 비활성 가스 조건에서 수행되는 것인 자기열량합금의 제조방법.
In clause 7,
A method of manufacturing a magnetocaloric alloy, wherein the arc melting step is performed under inert gas conditions.
제7항에 있어서,
상기 열처리 단계는 1,200 K 이상 1,600 K 이하의 온도에서 수행되는 것인 자기열량합금의 제조방법.
In clause 7,
A method of producing a magnetocaloric alloy, wherein the heat treatment step is performed at a temperature of 1,200 K or more and 1,600 K or less.
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