KR20140056680A - 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 및 가공이 용이하여 능동형 자기 재생식 냉동기를 구성하는 재생기의 형태를 다양화할 수 있도록 자성냉매물질을 복합 선재 형태로 제조하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 롤 형태를 갖는 내부식성 비자성금속의 기판을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 비정질물질을 완충층을 형성하는 완충층형성단계; 상기 기판을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 상기 완충층의 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막을 형성하는 자성막형성단계; 상기 기판을 일정 너비간격으로 슬리팅 절단하여 복수 개의 선재로 가공하는 슬리팅가공단계; 및 상기 선재를 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 내부식성물질을 증착시키거나 전기도금하여 보호층을 형성하는 보호층형성단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법{Manufacturing method of composite wire type material for magnetic freezer}
본 발명은 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 및 가공이 용이하여 능동형 자기 재생식 냉동기를 구성하는 재생기의 형태를 다양화할 수 있도록 자성냉매물질을 복합 선재 형태로 제조하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자기냉동기술은 자성냉매물질에 외부 자기장을 인가하면 전자스핀의 정렬 상태가 되면서 자성냉매물질의 온도가 상승하고 외부 자기장을 해제하면 전자스핀의 정렬이 무질서한 상태가 되면서 자성냉매물질의 온도가 하강하는 자성냉매물질의 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 자성냉매물질을 분말, 리본, 판, 등과 같은 형태로 내부의 특정 공간 안에 채워 넣고 외부 자기장을 반복적으로 인가 또는 해제하는 과정에서 냉각효과를 얻고, 내부에 유체를 순환시켜 저온부에서 고온부로 열을 이동시키는 냉동 시스템이다.
상기 능동형 자기 재생식 냉동기는 재생기의 재생물질로 자성냉매물질을 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 자성냉매물질은 자기열 효과를 효과적으로 발휘하여 우수한 냉동효율을 발휘하기 위해서는 몇 가지 요구조건을 충족해야 한다.
즉, 자성냉매물질은 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 자성냉매물질은 현재 다양한 제조방법으로 제조되고 있는데, TSZ 기판 위에 Ni-Mn-Ga 박막을 펄스레이저법으로 증착시켜 제조하는 방법, 알루미나세라믹 또는 폴리비닐알코올 또는 석영 또는 유리 등의 기판 위에 Ni-Mn-Ga 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착시켜 제조하는 방법, 유리 기판 위에 분쇄한 Ni-Mn-Ga막을 플래시 증발법으로 증착시켜 제조하는 방법, 실리콘 기판 위치에 Ni-Mn-Ga막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착시켜 제조하는 방법 등이 있다.
상기와 같은 제조방법으로 제조되는 종래의 자성냉매물질은 튜브, 타공판, 스크린, 분말 등의 형태로 구성되어 자기 재생기에 적용되고 있다.
그러나 상기한 튜브, 타공판, 스크린, 분말 등의 형태는 제조가 용이하지 못하여 생산 효율이 떨어질 뿐만 아니라 이를 적용하는 재생기의 형상을 한정시켜 재생기의 형태를 다양하게 할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 제조가 용이하면서 재생기의 형상을 다양화할 수 있는 형태를 가진 자성냉매물질에 대한 연구 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 제조 용이성을 높여 생산 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 가공이 용이하여 재생기를 다양한 형상으로 구성할 수 있도록 하기 위하여 자성냉매물질을 선재 형태로 제조하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법은, 롤 형태를 갖는 내부식성 비자성금속의 기판을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 비정질물질을 완충층을 형성하는 완충층형성단계; 상기 기판을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 상기 완충층의 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막을 형성하는 자성막형성단계; 상기 기판을 일정 너비간격으로 슬리팅 절단하여 복수 개의 선재로 가공하는 슬리팅가공단계; 및 상기 선재를 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 내부식성물질을 증착시키거나 전기도금하여 보호층을 형성하는 보호층형성단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 완충층형성단계는, 상기 기판의 상면을 상방으로 하여 수평 이동시켜 완충층을 형성하는 단계; 상기 기판의 하면을 상방으로 하여 수평 이동시켜 완충층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 자성막형성단계는, 상기 기판의 완충층을 상방으로 하여 수평 이동시켜 자성막을 형성하는 단계; 상기 기판의 완충층을 상방으로 하여 수평 이동시켜 자성막을 형성하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 슬리팅가공단계는, 상기 기판을 0.5~2mm의 너비 간격으로 절단함을 특징으로 한다.
상기 보호층형성단계는, 상기 보호층을 1~5미크론의 두께로 형성함을 특징으로 한다.
상기 기판과 상기 선재는, 보빈에 감긴 상태에서 한 쌍을 이루는 공급릴과 회수릴에 의해 일측에서 공급되고 타측으로 회수되면서 연속적으로 수평 이동됨을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은, 간단한 제조 과정을 통해 복합 선재 형태를 갖는 자성냉매물질을 제공함에 따라 선재 형태로 인하여 가공이 용이하여 능동형 자기 재생식 냉동기의 재생기에 적용시 재생기의 형태를 자유롭게 구성할 수 있게 함으로써 다양한 형태를 갖는 재생기를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 재생기를 통과하는 열전달매체와의 접촉면적도 용이하게 조절할 수 있게 함으로써 능동형 자기 재생식 냉동기의 자기열 효과의 제어가 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 블럭도.
도 2는 본 발명의 제조공정에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 단면도.
도 3은 본 발명의 완충층형성단계 또는 자성막형성단계를 도시한 공정도.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 복합 선재형 자성냉매물질을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 복합 선재형 자성냉매물질을 적용한 재생기 내부를 도시한 구조도.
본 발명에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법은, 능동형 자기 재생식 냉동기의 재생기를 구성하는 것으로, 외부 자기장의 인가 및 해제에 따라 열을 흡수 및 방출하여 자기열 효과를 발휘하는 자성냉매물질을 제조하기 위한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법은, 자성냉매물질을 제조성과 가공성이 우수한 선재 형태로 제조하는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징은, 내부식성 비자성금속의 기판 표면에 비정질물질을 증착시켜 완충층을 형성하는 완충층형성단계, 상기 기판의 완충층 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막을 형성하는 자성막형성단계, 상기 기판을 일정너비 간격 길이방향으로 절단하여 복수 개의 선재로 가공하는 슬리팅가공단계, 및 상기 선재의 표면에 내부식성물질을 증착 혹은 도금하여 보호층을 형성하는 보호층형성단계를 포함하는 제조방법에 의해 달성된다.
따라서 상기한 제조방법에 의해 제조되는 자성냉매물질은 사각형 단면을 갖는 복합 선재 형태로 구성됨에 따라 가공이 용이하여 다양한 형태로 형성 가능하고, 이를 통해 재생기의 형태를 다양화할 수 있고, 재생기를 통과하는 열전달매체와의 접촉면적 조절이 가능하여 자기열 효과를 용이하게 제어할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 제조공정에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 완충층형성단계 또는 자성막형성단계를 도시한 공정도이며, 도 4는 본 발명에 의해 제조된 복합 선재형 자성냉매물질을 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의해 제조된 복합 선재형 자성냉매물질을 적용한 재생기 내부를 도시한 구조도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 완충층형성단계(S110), 자성막형성단계(S120), 슬리팅가공단계(S130), 및 보호층형성단계(S140)로 구성되는 것이 바람직하다.
먼저, 상기 완충층형성단계(S110)는, 박막 형태를 갖는 내부식성 비자성금속의 기판(110)의 상면과 하면에 각각 비정질물질을 증착시켜 확산방지 기능을 수행하는 완충층(120)(120')을 형성하는 단계이다.
즉, 하스텔로이, SUS316 등의 하나로 구성된 도 2의 (A)의 기판(110)을 진공도 분위기 하에서 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 일정 속도로 연속해서 수평 이동시키면서 그 상면과 하면에 비정질물질을 스퍼터링, 열증발, 전자빔증발 중의 하나의 방법으로 증착시켜 도 2의 (B)와 (C)의 완충층(120)(120')을 형성하는 단계이다.
이때 기판(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 롤 형태로 보빈에 감겨 있는 상태에서 한 쌍을 이루면서 일정한 속도로 회전 운동하는 일측의 공급릴(A110)과 타측의 회수릴(A120)에 의해 진공챔버(A130)의 내부에서 일정한 속도로 수평 이동하면서 상기 과정이 연속적으로 이루어지게 된다.
그리고 기판(110)의 상면과 하면에 각각 완충층(120)(120')을 형성하기 위해서는 기판(110)을 수평 이동시키면서 비정질물질을 증착시키는 상기 과정을 2회 반복 실시하는 것이 바람직하다.
즉, 기판(110)의 상면이 위로 향하도록 수평 이동시키면서 상면에 비정질물질을 증착시켜 완충층(120)을 형성하는 과정을 1회 실시한 다음, 반대로 기판(110)의 하면이 위로 향하도록 수평 이동시키면서 하면에 비정질물질을 증착시켜 완충층(120')을 형성하는 과정을 1회 실시하면 된다.
또한, 기판(110)의 상면과 하면에 완충층(120)(120')이 견고하게 증착되도록 그 표면을 아세톤 등의 세척제로 세척한 상태에서 상기 비정질물질을 증착시키는 과정을 실시하는 것이 바람직하다.
여기서 비정질물질은 Ce, Y2O3, Al2O3, YSZ, SiO2, Ta 중의 하나로 구성할 수 있다. 단, Ce를 사용할 때는 10-5Torr 이하의 진공챔버(A130) 내에서 증기발생기(A140)를 통한 유도가열, 저항가열 등의 방법으로 수증기를 발생시켜 상온에서 증착시킨다. 그리고 Y2O3와 Al2O3를 사용할 때는 기판(110)을 가열히터(A150)로 500~900℃로 가열하여 10-4~10-5 Torr의 진공챔버(A130) 내에서 기판(110)과의 산화물 반응을 통해 증착시킨다.
다음으로, 상기 자성막형성단계(S120)는, 기판(110)의 완충층(120)(120') 표면에 각각 자성물질을 증착시켜 자기열 효과를 발휘하는 자성막(130)(130')을 형성하는 단계이다.
즉, 기판(110)을 진공도 분위기 하에서 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 일정 속도로 연속해서 수평 이동시키면서 그 완충층(120)120')의 표면에 각각 자성물질을 스퍼터링, 열증발, 전자빔증발 중의 하나의 방법으로 증착시켜 도 2의 (D)와 (E)의 자성막(130)(130')을 형성하는 단계이다.
이때 기판(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 롤 형태로 보빈에 감겨 있는 상태에서 한 쌍을 이루면서 일정한 속도로 회전 운동하는 일측의 공급릴(A110)과 타측의 회수릴(A120)에 의해 진공챔버(A130)의 내부에서 일정한 속도로 수평 이동하면서 상기 과정이 연속적으로 이루어지게 된다.
그리고 기판(110)의 완충층(120)(120') 표면에 각각 자성막(130)(130')을 형성하기 위해서는 기판(110)을 수평 이동시키면서 자성물질을 증착시키는 상기 과정을 2회 반복 실시하는 것이 바람직하다.
즉, 기판(110)의 완충층(120)이 위로 향하도록 수평 이동시키면서 완충층(120)의 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막(130)을 형성하는 과정을 1회 실시한 다음, 반대로 기판(110)의 완충층(120')이 위로 향하도록 수평 이동시키면서 완충층(120')의 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막(130')을 형성하는 과정을 1회 실시하면 된다.
여기서 자성물질은 Gd, GD5(Ge0 .5Si0 .5)4, La(Fe1 - xSiX)13, Mn(As0 .9Sb0 .1), Ni-Mn-Ga 등의 하나로 구성할 수 있는데, 10-5Torr 이하의 진공챔버(A130) 내에서 증기발생기(A140)를 통한 유도가열, 저항가열 등의 방법으로 수증기를 발생시킴과 동시에 가열히터(A150)로 기판(110)의 온도를 상승시켜 결정화 반응을 일으켜 자성막(130)(130')을 형성하면 된다.
다음으로, 상기 슬리팅가공단계(S130)는, 기판(110)을 일정 너비 간격으로 길이방향을 따라 슬리팅(Slitting) 절단하여 복수 개의 선재(100)로 가공하는 단계이다.
즉, 기계식 슬리터를 통해 보빈에 감긴 기판(110)을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하는 과정에서 도 2의 (F)와 같이 일정 너비 간격으로 슬리팅 절단하여 복수 개의 선재(100)로 만드는 단계이다.
그러면 하나의 기판(110)로부터 그 보다 작은 너비를 갖는 복수 개의 선재(100)가 만들어지게 되는데, 이러한 선재(100)는 사각 단면을 갖는 것으로, 자성막(130)(130')의 자기열 효과와 함께 가공성을 동시에 확보하기 위해서는 0.5~2mm의 너비 간격으로 슬리팅 절단되는 것이 가장 바람직하다.
마지막으로, 상기 보호층형성단계(S140)는, 선재(100)의 표면을 내부식성물질로 증착 또는 전기도금하여 열전달매체로부터의 부식을 방지하기 위한 보호층(140)을 형성하는 단계이다.
즉, 선재(100)를 진공도 분위기 하에서 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 일정 속도로 연속해서 수평 이동시키면서 그 표면에 내부식성물질을 스퍼터링 방법으로 증착하거나, 선재(100)를 내부식성물질의 도금액에 투입시켜 전기도금 방법으로 도금하여 도 2의 (G)의 보호층(140)을 형성하는 단계이다.
단, 선재(100)에 내부식성물질을 스퍼터링 방법으로 증착시켜 보호층(140)을 형성할 때 상기한 완충층(120)(120')과 자성막(130)(130')의 형성 과정과 같이 선재(100)의 상면과 하면에 모두 보호층(130)이 형성되도록 상기 과정을 2회 반복하는 것이 바람직하다.
여기서 내부식성물질로는 내부식성이 강한 Ti 등으로 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법은, 가공이 용이한 도 4와 같은 복합 선재 형태의 자성냉매물질을 제공함에 따라, 도 5의 (A) 내지 (E)와 같이 다양한 형태로 가공하여 재생기에 적용할 수 있으므로 재생기의 형태를 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 재생기 내부를 통과하는 열전달매체와의 접촉면적의 조절이 가능하므로 냉동기의 자기열 효과를 용이하게 제어할 수 있다.
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 실시예 뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
100: 선재 110: 기판
120, 120': 완충층 130, 130': 자성막
140: 보호층
S110: 완충층형성단계 S120: 자성막형성단계
S130: 슬리팅가공단계 S140: 보호층형성단계
A110: 공급릴 A120: 회수릴
A130: 진공챔버 A140: 증기발생기
A150: 가열히터

Claims (6)

  1. 롤 형태를 갖는 내부식성 비자성금속의 기판(110)을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 비정질물질을 증착시켜 완충층(120)(120')을 형성하는 완충층형성단계(S110);
    상기 기판(110)을 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 상기 완충층(120)(120')의 표면에 자성물질을 증착시켜 자성막(130)(130')을 형성하는 자성막형성단계(S120);
    상기 기판(110)을 일정 너비간격으로 슬리팅 절단하여 복수 개의 선재(100)로 가공하는 슬리팅가공단계(S120); 및
    상기 선재(100)를 일측에서 공급하고 타측에서 회수하여 수평 이동시키면서 표면에 내부식성물질을 증착시키거나 전기도금하여 보호층(140)을 형성하는 보호층형성단계(S140);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충층형성단계(S110)는,
    상기 기판(110)의 상면을 상방으로 하여 수평 이동시켜 완충층(120)을 형성하는 단계;
    상기 기판(110)의 하면을 상방으로 하여 수평 이동시켜 완충층(120')을 형성하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성막형성단계(S120)는,
    상기 기판(110)의 완충층(120)을 상방으로 하여 수평 이동시켜 자성막(130)을 형성하는 단계;
    상기 기판(110)의 완충층(120')을 상방으로 하여 수평 이동시켜 자성막(130')을 형성하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬리팅가공단계(S130)는,
    상기 기판(110)을 0.5~2mm의 너비 간격으로 절단함을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층형성단계(S140)는,
    상기 보호층(140)을 1~5미크론의 두께로 형성함을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판(110)과 상기 선재(100)는,
    보빈에 감긴 상태에서 한 쌍을 이루는 공급릴(A110)과 회수릴(A120)에 의해 일측에서 공급되고 타측으로 회수되면서 연속적으로 수평 이동됨을 특징으로 하는 복합 선재형 자성냉매물질의 제조방법.
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