KR20150060529A - 나트륨 내성 접합 유리 및 이의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 금속 및/또는 세라믹을 갖는 접합부의 제조에 적합한, 시스템 SiO2 - B2O3 - Na2O - Al2O3에 기초한 나트륨 내성 접합 유리(1)로서, ZrO2를 실질적으로 함유하지 않는 것인 접합 유리(1)와, 이 접합 유리(1)를 이용하는 추가의 접합 부재(2, 3, 4)를 갖는 금속 또는 세라믹의 접합부, 및 접합 유리(1)를 고정재로서 이용하는 피드쓰루(feedthrough) 장치(20)를 제공한다.
Description
본 발명은 세라믹, 예컨대 알루미나(Al2O3, 알루미나 세라믹 또는 Al2O3 세라믹으로도 일컬어짐), 및/또는 금속 및/또는 이 둘의 조합을 갖는 접합부의 제조에 이용될 수 있는 나트륨 내성 접합 유리에 관한 것이다. 또한 본 발명은 나트륨 내성 접합 유리의 용도에 관한 것이다. 나트륨 내성 접합 유리는, 특히 액체 나트륨 및/또는 나트륨 증기를 견딜 수 있는 접합 재료이기 때문에, 예를 들어 액체 나트륨 및/또는 나트륨 증기 및/또는 기타 격렬한 나트륨 화합물 및/또는 나트륨 함유 매질에 노출되는 접합부의 제조에 적합하다.
이 유형의 나트륨 내성 접합 유리는, 예를 들어 액체 나트륨 및/또는 나트륨 화합물이 전해질 또는 냉매로서 사용되는 에너지 저장 및 에너지 발생 수단의 제조에 있어서 관심의 대상이다. 이러한 에너지 발생 수단의 예는 전기화학 전지, 예컨대 배터리뿐만 아니라, 원자로, 특히 고속 증식로, 고속 중성자로, 나트륨 냉각형 고속 원자로 및/또는 액체 금속 고속 증식로의 부류 내의 원자로이다. 이들 원자로에서 사용 가능한 접합 유리는 상기 원자로들 내의, 및/또는 상기 원자로들에 연결된 기술적 구성부재에 이롭게 적용되어, 상기 나트륨 및/또는 나트륨 화합물과 접촉될 수 있다. 이러한 기술적 구성부재의 예는 특히, 예를 들어 전기 펌프 내의 센서 및/또는 작동기 및/또는 전동기에 전력 및/또는 조종 신호를 공급하는 데에 사용되는 피드쓰루(feedthrough) 장치이다. 이 발명에 따른 나트륨 내성 접합 유리의 다른 적용 분야는 공정 내에서 나트륨 화합물 및/또는 나트륨 증기 및/또는 액체 나트륨이 생성될 수 있는 유독성 물질 처리 시설이다.
특히 전기화학 저장 및 에너지 발생 기술은 근래에 상당히 주목받고 있다. 이와 관련하여, 이 기술은 전기 동력(electromobility) 분야에서, 국소적 전원 공급 장치에 비상 전원 시스템으로서 이용될 수 있고, 주로 재생 에너지의 점유율 증가 때문에 네트워크 시스템의 안정화에 이용될 수 있다.
다양한 배터리 기술이 본원에서 논의되며, 가장 논의되는 것은 Li-이온 배터리(LIB)이다. 추가의 배터리 부류는 고온 나트륨 배터리(나트륨 Beta 배터리, SBB)로 대표된다. LIB에 비한 이것의 장점은 보다 높은 에너지 밀도 및 높은 에너지 효율이다. SBB는, 통상적으로 250℃ 초과의 고온에서 음극으로서 액체 나트륨을 사용한다. 일반적인 점에서 두 변종 간에는 차이가 있다: 하나는 양극으로서 황을 사용하는 나트륨-황 배터리(Na/S)이다. 다른 하나는 ZEBRA 배터리로도 일컬어지는 나트륨-금속 염화물 배터리이며, 이것은 양극으로서 금속 염화물, 예컨대 니켈 또는 염화철 및 액체 전해질로서 나트륨 테트라클로로알루미네이트(NaAlCl4)를 사용한다. 두 유형 모두 β- 또는 β"-Al2O3로 이루어진 나트륨 이온 전도성 막 및 α-Al2O3로 이루어진 하우징 부분을 이용한다는 공통적인 특징이 있으며, 후자는 적절한 경우 추가로 금속제 커버에 연결될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 일반 용어 "알루미나", 또는 동의로 알루미나 세라믹, 또는 동의로 Al2O3, 또는 또한 동의로 Al2O3 세라믹은 특히 구체예 α- 및/또는 β- 및/또는 β"-알루미나를 포함한다. 또한 용어 "알루미나"의 사용은 순도, 즉 해당 Al2O3 세라믹 및/또는 구성부재 중 Al2O3의 함량에 어떠한 제한을 나타내는 것이 아니다.
세라믹, 특히 알루미나로 제조된 부성부재들 사이의 접합부, 또는 추가의 금속 부재는 전기화학 전지에서 중요한 구성부재에 해당하는데, 이것이 사용 수명을 결정하기 때문이다. 이 영역에 누출이 발생하는 경우, 액체 나트륨이 대기와 접촉하게 되고 발화할 수 있다. 본원에서 접합 재료로서의 접합 유리의 목적은 배터리의 전체 사용 수명 동안에 지속되는 밀봉 접합을 성취하는 것이다. 이는 특히, 관련된 모든 재료들의 열팽창 계수의 양호한 적용에 의해 성취될 수 있는데, 이는 접합부를 작동 상태에 내성이 있게 만들며, 또한 기능을 저해하지 않으면서 모든 활성 성분에 대한 유리의 내화학성을 매우 좋게 한다.
배터리용 접합 유리의 2가지 기본적인 유형의, 즉 규산염계 유리 및 붕산염계 유리에는 차이가 있다. 붕산염계 유리는 통상적으로 용융 나트륨에 대한 내성이 매우 양호하다는 장점이 있으나, 금속 염화물에 대한 내화학성의 면에서는 부족한 특성을 가진다. 또한, 흔히 사용되는 알루미노붕산염은 결정화에 대해 단지 낮은 안정성을 가지며, 이는 공정 제어의 관점에서 이들을 제한한다. 특별한 형태가, 예를 들어 US 8,334,053 B2호에 명시되어 있으며, 상기 문헌에서는 SBB의 애노드 및 캐소드 상의 내식성에 따른 각각의 유리들을 기술하고 있다. 상기 문헌에 따르면, 40 중량% 초과의 SiO2 및 25 중량% 미만의 B2O3를 포함하는, 높은 규소 함량을 갖는 유리가 금속염 측에 사용되며, 20 중량% 미만의 SiO2 및 35 중량% 초과의 B2O3의 매우 낮은 규소 함량을 갖는 붕산염 유리가 나트륨 측에 사용된다.
GB 2207545 A호는 Na/S 배터리용 접합 유리로서의, Schott AG의 붕규산염 유리 8245의 용도를 기술한다. 이 유리는 Na/S 배터리의 매질에 비해 화학적 안정성이 매우 양호하나, 5.2 ㆍ 10-6 K-1의 낮은 선열팽창 계수 α20-300℃로 인해, 알루미나와는 단지 제한적인 수준으로 견고하게 밀봉 결합될 수 있다.
US 4,268,313 A호는 Na/S 배터리에서 사용되는 붕규산염 유리를 기술한다. 그러나, 이 유리는 총 6 중량% 이상의 알칼리 토금속 산화물 CaO, SrO 및 BaO를 포함한다. 이 성분들은 유리 형성에 유익하고 유동 거동을 향상시킬 수 있으나, 특히 SBB의, 전해질에 의한 이온 이동으로 인해 활성 성분의 성능을 감소시킬 수 있다.
에너지 저장 장치에 있어서 25 중량% 이하의 B2O3를 함유하는 접합 유리가 US 8,034,457 B2호에 기술되어 있다. 상기 상한까지의 B2O3의 함량 제한은, 그렇지 않으면 흡수된 물에 의해 접합 유리가 과도한 공격을 받을 수 있다는 사실에 의해 설명된다.
US 8,043,986 B2호는 0.1 ∼ 10 중량% 이상의 ZrO2를 포함하는 SBB용 접합 유리를 포함한다. 이 문헌에서는 내화학성의 향상을 위해 산화지르코늄이 사용된다. 그러나 이것 역시, 상 분리 및 결정화에 대한 높은 경향, 및 또한 높은 원료 비용으로 인한 유리 제조 공정의 효율 감소를 초래한다.
이러한 배경에 대하여, 본 발명의 목적은 용융 금속염 및 나트륨 용융물, 액체 나트륨 및/또는 나트륨 증기 및/또는 격렬한 나트륨 화합물에 대한 내성이 매우 양호한 금속 및/또는 세라믹을 갖는 접합부의 제조에 적합한 접합 유리를 제공하는 것이다. 접합에 적합한 세라믹은, 특히 알루미나 및/또는 NASICON이며, 적합한 금속은 특히 강철 및/또는 합금이다. 본 발명의 추가의 목적은, 접합 유리로 세라믹, 특히 알루미나 및/또는 NASICON의 접합부를 제공하고, 또한 상기 접합 유리를 포함하는 전기화학 에너지 저장 및/또는 에너지 발생 수단을 제공할 뿐만 아니라, 상기 접합 유리의 특성을 얻어서 향상된 특성을 갖는, 전기 절연 고정재로서 접합 유리를 포함하는 전기 피드쓰루 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위에 따른 접합 유리, 접합부, 전기화학 에너지 저장 및/또는 에너지 발생 수단 및 피드쓰루 장치 및 용도에 의해 달성된다. 바람직한 구체예는 청구범위의 독립항에 종속하는 항들로부터 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명은 이후에 기재한다.
이하, 달리 명백히 명시하지 않은 한, 성분 및/또는 함량과 관련된 모든 정보는 산화물을 기준으로 하는 중량%로 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 접합 유리는 40% ∼ 50%의 SiO2 및 25% ∼ 30% 초과의 B2O3를 포함한다. 이 조합은, 특히 열팽창 계수에 영향을 주며, 동시에 유동 거동을 조절한다. 본 발명에 따르면, 접합 유리는 또한 5% ∼ 15%의 Na2O 및 17% ∼ 25%의 Al2O3를 함유한다. 이들 성분은, 특히, 접합 유리의 양호한 내화학성을 설정하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 접합 유리는, 경우에 따라 총 2% 미만의 알칼리 토금속 산화물 MO를 포함한다. MO는 CaO, SrO 및/또는 BaO를 나타내며, 이들은 상기 총 함량 제한치까지, 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 접합 유리에 존재할 수 있다. 알칼리 토금속 산화물은 유리의 유동 거동에 긍정적인 효과를 가질 수 있다. 이들은 전해질의 나트륨 이온에 의한 확산 또는 이온 이동을 통해 활성 성분 중 하나의 성능을 감소시킬 수 있기 때문에, 그 함량을 본 발명에 따른 최소치로 감량한다.
또한, 본 발명에 따른 접합 유리는, 기껏해야 불순물을 제외하고는, ZrO2를 함유하지 않는다. 불순물은, 유리 제조에 사용되는 원료의 오염, 및/또는 사용하는 용융 수단의 오염 및/또는 부식에 의해 유리 내로 혼입될 수 있다. 이런 종류의 불순물은 일반적으로 0.2 중량%, 특히 0.1 중량%의 비율을 초과하지 않는다. 이것은 물론 ZrO2를 전혀 함유하지 않는다는 것을 역시 포함한다. 인용된 선행 기술의 교시 내용과는 달리, 본 발명에 따른 접합 유리는, 내화학성을 향상시키기 위해 ZrO2를 제거하여도 매우 우수한 내화학성을 갖는다는 것을 발견하였다. 또한, ZrO2가 결정화 핵으로서 작용하여 공정시 결정화를 촉진할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명에 따른 접합 유리의 결정화(부분적 결정화 포함)는 바람직하지 않은데, 결정 영역이 접합부의 제조를 어렵게 하고/하거나 심지어 접합부에서 누출을 야기할 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 접합 유리는, 특히 결정화된 영역을 갖지 않는 비정질 유리인 것이 특히 이롭다.
접합 유리에서 실시한 시험들은, 인용된 선행 기술과는 달리, 25% 초과의 증가된 B2O3 함량에 의한 가수분해성 노화를 규명하는 것이 불가능함을 보여주었다. 대신에, 본 발명자들은 25% ∼ 30% 초과의 높은 붕소 함량이 놀랍게도 나트륨 용융물에 대한 내성도 향상시킴을 발견하였다. 전술한 조성으로 인해, 본 발명에 따른 접합 유리는 결정화 및 분리로부터 자유로운 방식으로 이롭게 용융될 수 있다.
바람직한 구체예에서, 본 발명에 따른 접합 유리는 5% 이하의 ZnO 및/또는 5% 이하의 TiO2 및/또는 5% 이하의 SnO2 및/또는 15% 이하의 MgO를 포함한다. 이 선택적인 추가 성분들은 접합 유리 내에 개별적으로 또는 임의의 바람직한 조합으로 존재할 수 있다. 이들 성분은, 특히 알칼리 범위에서의 내화학성을 향상시킨다. MgO는 선택적인 성분이며, 접합 부재에 접합 유리의 열팽창을 적용시키기 위해 접합 유리에 포함될 수 있다. 통상적으로 MgO 함량의 증가는 열팽창 계수의 증가를 초래한다. 본 발명은 또한, MgO가 0 ∼ <2%로 접합 유리에 함유되는 것이 이로울 것이라고 예상한다.
접합 유리의 조성은, 접합 유리의 20℃ ∼ 300℃ 온도 범위에서의 선열팽창 계수 α20-300℃가 5.5 × 10-6 K-1 ∼ 10.5 × 10-6 K-1 또는 보다 바람직하게는 5.5 × 10-6 K-1 ∼ 8.5ㆍ10-6 K-1, 아주 특히 바람직하게는 6.0 ㆍ 10-6 K-1 ∼ 8.0ㆍ10-6 K-1의 값을 갖도록, 상기 명시한 한도 내에서 선택하는 것이 특히 바람직하다. 이로 인해, 특히 접합 유리를 알루미나의 열팽창 거동에 부합시키는 것이 달성된다.
마찬가지로, 접합 유리는 30 부피% 이하의 산화성 충전제, 특히 무기 산화물을 추가로 함유하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 충전제는, 특히 열팽창 거동 및/또는 내식성 및/또는 유동 거동의 설정에 사용될 수 있으며, 여기서 충전제는 바람직하게는 입자 및/또는 섬유의 형태로 존재한다. 이러한 충전제의 예는 MgO, Al2O3 및/또는 안정화된 ZrO2이다. 이들은 특히, 접합 유리 및 충전제 혼합물의 열팽창을 금속 접합 부재의 열팽창에 부합시키기 위해 적용될 수 있다. 충전제 물질은 통상적으로 유리 기질의 일부는 아니나, 통상 단리된 성분으로서 그에 포매된다.
본 발명은 또한 전술한 접합 유리에 의한 제1 접합 부재와 제2 접합 부재 사이의 접합부를 포함한다. 접합 부재는 접합 유리와 연결되는 임의의 부재를 의미하는 것으로 이해된다. 이 경우에 접합 유리는 특히 각각의 접합 부재와의 일체 결합으로 된다. 일체 결합은, 접착 일원, 여기서는 접합 유리와의 각각의 접합 부재가 원자력 또는 분자력에 의해 함께 고정된다는 사실로 구별된다. 이는 접착 수단, 여기서는 접합 유리의 파괴에 의해서만 분리될 수 있는 비탈리형 접착을 증가시킨다. 접합 유리는 접합 일원으로서의 접합 부재들 사이에, 밀봉된 접합부를 제공할 수 있는 것이 특히 바람직하다.
접합 부재들 사이의 접합부는 접합 유리에 의해 제조되며, 따라서 접합 유리와 접착되는 각각의 접합 부재의 접합 영역에 존재한다. 따라서 접합 영역은 접합 유리와 접촉하는 각각의 접합 부재의 표면 상의 영역이다. 접합 부재는 그의 표면 전체에 걸쳐 접착될 수 있을 뿐만 아니라, 임의의 바람직한 영역에서는, 접합 유리에, 후자를 통해서는 다른 접합 부재에 접착될 수 있다. 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 접합 유리는 세라믹 및/또는 금속의 결합에 특히 적합하다. 따라서, 본 발명에 따른 접합부는 제1 접합 부재가 적어도 접합 영역에 세라믹 또는 금속 부분을 포함한다는 것을 제공한다. 제2 접합 부재는 또한 적어도 접합 영역에 세라믹 또는 금속을 포함한다. 금속과 세라믹의 조합은, 물론 마찬가지로 가능하고 본 발명에 포함된다. 조합에서, 이는 또한 제2 접합 부재가 접합부 영역에서 금속과 세라믹으로 이루어진 하이브리드 부재일 수 있음을 의미한다. 가능한 간단히, 달리 말해, 본 발명에 따른 접합 유리는 금속과 금속 사이, 또는 세라믹과 금속 사이, 또는 세라믹과 세라믹 사이, 또는 금속과 세라믹 사이에, 금속과 세라믹을 포함하는 하이브리드 부재에 접합부를 제공한다.
기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 접합 유리는 알루미나의 접합에 특히 적합하며, 따라서 이것은, 제1 접합 부재가 알루미나를 포함하고 특히 알루미나로 이루어지는 본 발명에 따른 접합부를 적어도 접합 영역에 제공한다. 제2 접합 부재는 적어도 접합 영역에서 금속, 혹은 알루미나, 또는 이들의 조합을 포함한다. 조합에서는, 특히, 접합부 영역에서 금속과 알루미나로 이루어진 하이브리드 부재의 형태로 접합 부재가 얻어진다.
제1 접합 부재의 알루미나가 α-알루미나 또는 β-알루미나 또는 β"-알루미나를 포함하는 경우, 특히 이들로 이루어지는 경우가 바람직하다. 제2 접합 부재의 알루미나가, 이것이 적어도 접합 영역에서 알루미나로 이루어지거나 알루미나를 포함한는 경우에, 마찬가지로 α-알루미나 또는 β-알루미나 또는 β"-알루미나인 것이 특히 바람직하다. 그러나 이는, 제1 접합 부재의 알루미나의 구체예가 제2 접합 부재의 알루미나의 구체예와 일치해야 한다는 것을 의미하는 것은 아니며; 대신에, 제1 접합 부재와 제2 접합 부재 중 알루미나의 구체예가 상이한 경우, 예를 들어 제1 접합 부재가 α-알루미나를 포함하고 제2 접합 부재가 β-알루미나 또는 β"-알루미나를 포함하는 경우가 이로울 수 있다. 이 구성은 특히 SBB에 사용되며, 그 때문에 관심의 대상이다.
마찬가지로, 알루미나 대신에 NASICON(Na 초이온 전도) 세라믹의 부류, 일반적으로 알칼리 금속 이온 A(예를 들어 Na) 및 다가 금속 이온 B(예를 들어 Fe, Cr, Ti)를 갖는 AxBy(PO4)3 유형으로부터 세라믹이 선택되는 경우가 가능하고 바람직하다. 언급한 모든 구체예가 이들 유형의 세라믹과 가능하다.
또한 격렬한 매질, 특히 액체 나트륨 또는 나트륨 염에 노출되는, 센서 및/또는 작동기의 하우징 내의 접합부재가 가능하다. 이들의 가능한 이용 분야는, 예를 들어, 염 용융물의 전기 분해에 의한 액체 나트륨의 합성, 및 또한 액체 나트륨으로의 증식로의 냉각의 분야에서 찾아볼 수 있다.
기술한 바와 같이, 제2 접합 부재는 마찬가지로 바람직하게는 적어도 접합 영역에 금속을 포함한다. 이 금속의 선열팽창 계수 α20-300℃는 (동일한 온도 범위에서) 세라믹, 특히 알루미나의 선열팽창 계수 α20-300℃ 이상인 것이 특히 바람직하다.
이 금속의 선열팽창 계수 α20-300℃의 값이 8 × 10-6 K-1 초과인 것이 특히 바람직하다. 이러한 바람직한 금속의 예는 고급 강철, 저탄소 강철 및/또는 니켈 합금이다.
본 발명에 따른 접합부는, 늘어난 사용 수명 및/또는 증가된 효율을 갖는 전기화학 에너지 저장 및/또는 에너지 발생 수단의 제조를 가능케 한다. 따라서 이들은 또한 본 발명에 포함된다. 전기화학 에너지 저장 장치의 예는 충전 모드인 축전지이고, 전기화학 에너지 발생 수단의 예는 방전 모드의 배터리 또는 축전지이다. 마찬가지로 에너지 상태가 시약 및 생성물의 각각의 산화 및 환원 상태로 나타내지는 화학 및/또는 생화학 반응을 위한 반응기가 가능하다. 본 발명에 따른 에너지 저장 및/또는 에너지 발생 수단이 본 발명에 따른 접합부를 포함하는 나트륨-황 배터리 또는 나트륨-금속 염화물 배터리인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 접합부는 또한, 피드쓰루 장치, 특히 전기 피드쓰루 장치의 제조를 용이하게 한다.
이로운 전기 피드쓰루 장치는, 피드쓰루-개구부가 제공된 금속 캐리어 부재, 및 금속 기능 부재를 포함한다. 기능 부재는 기술한 접합 유리에 의해 피드쓰루-개구부 내에 고정되며, 기능 부재로부터 캐리어 부재를 전기 절연한다. 이로써, 피드쓰루-개구부는 밀봉, 특히 밀폐된다.
본 발명에 따른 접합 유리는, 매우 특히 바람직하게는, 나트륨-황 배터리 또는 나트륨-금속 염화물 배터리의 제조, 특히 그의 하우징의 밀봉 및/또는 그의 전해질 전지 중 막 부재의 차폐 및/또는 접착에 사용된다. 적합한 캐리어 부재 등으로 접착시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 피드쓰루 장치는, 유독성 폐기물의 처리 시설 및/또는 원자로, 특히 고속 증식로에 가장 유익하게 이용될 수 있다. 그 곳에서, 원자로의 격납부용 전기 피드쓰루 장치 및/또는 냉각 회로용 전기 피드쓰루 장치로서의 이용은, 주로 본원에 기술된 접합 유리 및/또는 접합 연결부의 능력으로부터 혜택을 얻는 것이다. 냉각 회로는, 특히 고속 증식로에서 냉매로서 액체 나트륨을 사용하는 1차 및/또는 2차 냉각 회로를 포함할 수 있다. 피드쓰루 장치는 액체 나트륨 및/또는 나트륨 증기에 노출될 수 있으며, 이러한 지속적인 노출 또는 비상 상황으로 인한 노출을 견딜 수 있어야 한다. 상기 피드쓰루 장치는, 예를 들어 냉각 회로 내의 전기 펌프 및/또는 센서에 전류를 제공하는 데, 및/또는 냉각 회로에서 또는 냉각 회로 내에 이용된 센서로부터 신호를 받는 데에 사용될 수 있다. 피드쓰루 장치의 이용의 다른 유용한 적용은, 반응기의 격납부 내에서, 해로운 매질이 통과하지 못하게 하면서 격납부의 내부를 외부와 연결시키기 위한 것이다. 이 종류의 적용에서는, 피드쓰루 장치는 특히 비상 상황에서 액체 및/또는 기화된 나트륨에 노출될 수 있으며, 그 때문에 격납부를 확실히 밀봉하는 피드쓰루 장치가 가장 중요하다.
피드쓰루 장치의 다른 유용한 적용 분야는, 예를 들어 폐기물이 소화되거나 화학적으로 파괴됨으로써, 공정시에 격렬한 나트륨 화합물 및/또는 액체 나트륨 및/또는 나트륨 증기가 발생할 수 있는 유독성 폐기물 처리 시설이다.
도면에 기초하여 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이다. 모든 도면은 순전히 개략적인 것이며; 실물의 치수는 도면상의 치수 및/또는 비율과 상이할 수 있다:
도 1a는 접합 유리와 특정 영역에 제공되는 제1 접합 부재의 단면을 도시하고,
도 1b는 접합 유리와 특정 영역에 제공되는 다른 제1 접합 부재의 단면을 도시하며,
도 2a는 접합부를 포함하는 부재 어셈블리의 단면을 도시하고,
도 2b는 접합부를 포함하는 다른 부재 어셈블리의 단면을 도시하며,
도 3은 ZEBRA 배터리의 단면을 도시하고,
도 4는 다른 ZEBRA 배터리의 단면을 도시하며,
도 5a는 피드쓰루 장치의 단면을 도시하고,
도 5b는 도 5a에 따른 피드쓰루 장치의 상면도를 도시하며,
도 6은 대안적인 피드쓰루 장치의 단면을 도시하고,
도 7은 원자로의 격납부의 단면을 도시하며,
도 8은 원자로의 격납부 및 원자로 자체의 단면을 도시한다.
도 1a는 제1 접합 부재의 단면을 개략적으로 도시한다. 접합 부재(2)는, 말하자면, 접합 부재(2)의 표면 상의 특정 영역에 위치하고 상기 영역에서 접합 부재(2)와 일체 결합으로 되는 접합 유리(1)를 위한 기재를 나타낸다. 접합 유리(1)가 존재하는 영역은 접합 영역일 수 있으며, 이하에서 다른 접합 부재와의 접합부가 생성되는 접합 영역으로 정의된다. 접합 유리(1)와 함께 도시된 접합 부재(2)는, 특히 추가의 접합 부재와 조합되어, 접합부를 생성하는 역할을 할 수 있다. 본 예에서는, 접합 부재(2)가 β-알루미나 또는 β"-알루미나 또는 NASICON으로 이루어진다. 기술한 바와 같이, 마찬가지로 접합 부재의 알루미나(2)는 접합 유리(1)를 이용하여 접착을 생성하는 상기 접합 영역에서만 존재할 수 있으며, 접합 부재의 나머지 영역은 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
도 1b는, 이 예에서 접합 부재(3)가 α-알루미나로 이루어지거나 적어도 접합 유리(1)가 존재하는 상기 접합 영역에 후자를 포함하는 것을 제외하고는, 도 1a와 실질적으로 동일한 접합 유리를 갖는 접합 부재를 도시한다. 도 1b에 대한 모든 추가의 서술은 또한 도 1b에 적용 가능하다.
도 2a는 접합 유리(1)에 의해 접착된 부재 어셈블리에 의해 형성되고, 제1 접합 부재(2) 및 제2 접합 부재(3)로 구성된 접합부의 단면을 도시한다. 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 도시된 물체는 원칙적으로 도 1a와 도 1b의 조합이다. 이 도면에서, 제1 접합 부재(2)의 물질은 다시 β-알루미나 또는 β"-알루미나이고, 제2 접합 부재(3)의 물질은 α-알루미나이다. 접합 유리(1)는 접합 영역에서 접합 부재(2, 3)의 표면에 일체형으로 접착되고, 그로써 접합 부재(2, 3) 사이에 밀폐 및 지속의 접착을 생성할 수 있다.
도 2b는 제1 접합 부재가 β-알루미나 또는 β"-알루미나(2) 및 α-알루미나(3)로 이루어진 것 외에는 도 2a와 유사한 구체예의 단면을 도시한다. 이 예시적인 구체예에서, 제2 접합 부재(4)는 금속으로 이루어진다. 용도에 따른 요구에 맞춰 적용될 수 있는 상이한 전체 부재들의 다양함은 도시된 접합부로부터의 적절한 조합에 의해 생성될 수 있음은, 당업자에게 분명히 명백하다.
도 3은 개략적인 ZEBRA 배터리의 단면을 도시한다. 이 배터리는 단지형 하우징(4) 및 커버(3)에 의해 차폐되어 있다. 하우징(4) 및 커버(3)는 접합 유리(1)에 의해 서로 접착된다. 커버(3)는 말하자면 제1 접합 부재를 나타내고, 하우징(4)은 말하자면 전술한 접합부의 제2 접합 부재를 나타낸다. ZEBRA 배터리에서, 하우징(4)은 통상적으로 금속, 예를 들어 고급 강철, 니켈 합금 또는 저탄소 강철로 이루어지며, 커버(3)는 알루미나, 특히 α-알루미나로 이루어진다. 본 발명에 따른 접합 유리(1)는 두 접합 부재인 커버(3)와 하우징(4) 사이에 견고한 접착을 확실히 견고하게 생성하며, 따라서 ZEBRA 배터리의 내용물이 하우징 내에 단단히 차폐된다.
통상적으로 β-알루미나 또는 β"-알루미나로부터 제조되는 중공 원통형 반투막(2)은 하우징의 내부에 위치한다. 하우징(4)의 내벽과 막(2)의 외벽 사이의 중간 공간은 애노드를 형성하는 액체 나트륨(11)으로 채워진다. 전도성 하우징(4)과의 접촉을 통해, 마찬가지로 후자는 애노드로서 작용한다. 중공 원통형 막(2)의 내부 공간은, 예를 들어 전해질(10)로서의 나트륨 테트라클로로알루미네이트로 채워지고, 캐소드로서 작용한다. β-알루미나 또는 β"-알루미나로 이루어진 반투막(2)은 Na 이온에만 투과성이다. 이것은 접합 유리(1)에 의해 커버(3)에 접착된다. 여기서, 전술한 바와 같은 접합부의 일반 원리로 막(2)은 말하자면 제1 접합 부재를 나타내고 커버(3)는 제2 접합 부재를 나타낸다. ZEBRA 배터리의 이 영역에서의 이 접합부에서는, 접합 유리(1)가 전해질(10) 및 액체 나트륨(11)에 불투과성인 것이 중요한데, 그렇지 않으면 전해질(10) 및/또는 액체 나트륨(11)이 각각의 다른 물질에 의해 오염되어 배터리가 파손되거나 적어도 그의 용량이 감소할 수 있기 때문이다.
이 예에서는, 커버(3) 자체가 전기 절연체이며, 따라서 애노드 및 캐소드를 갖는 배터리를 전기 회로에 연결시킬 수 있도록 하기 위해서는 전극(52)이 필요하다. 도 3에 예시된 본 예에서는, 금속봉(52)이 슬리브(51)를 통해 커버(3)를 관통한다. 이 점에서, 또한 금속봉(52) 또는 일반적으로 전극을, 본 발명에 따른 접합 유리를 포함하는 유리-금속 관통의 커버(2)를 통해 가이드하는 것이 가능하다.
도 4는 도 3에 도시된 ZEBRA 배터리의 대안적인 구체예를 도시한다. 접합 유리(1)가 하우징(4)과 커버(41) 사이의 접착부의 두 접합 부재 사이에 전기 절연 접합부를 생성하므로, 도 4에 도시된 바와 같은 커버(41)를 금속 또는 적어도 전기 전도성 물질로부터 제조하고, 이것을 전해질(10)과 접촉되지 않는 방식으로 기하학적으로 구성함으로써, 관통 전극(52)을 제거하고 커버 자체가 캐소드로서 작용하도록 할 수도 있다. 이어서 접합 유리는, 특히 하우징(4), 커버(3) 및 막(2)의 세 접합 부재를 단일 영역에서, 여기서는 고리의 형태로 접착시킨다.
도 5a는 피드쓰루 장치(20)의 단면을 개략적으로 도시한다. 이 피드쓰루 장치(20)는, 이 예에서는 금속 원통으로 나타내는 캐리어 부재(30)를 포함한다. 캐리어 부재(30)는 통상적으로 외부 전도체의 기능을 갖는다. 기술한 응용 분야에서, 이것은 통상적으로 강철로 제조된다. 바람직한 구체예는 탄소강, 오스테나이트강 및/또는 페라이트강을 포함한다. 특정한 응용 분야에 있어서, 캐리어 부재(30)는 코바르 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 캐리어 부재(30)는 또한 캐리어 부재(30)의 한쪽을 다른 쪽에 연결하는 피드쓰루 개구부를 포함한다. 기능 부재(31)는 피드쓰루 개구부 내에 배치된다. 이 예에서 기능 부재(31)는 내부 전도체로도 명명되는, 전기 전도체의 역할을 하는 봉으로 나타낸다. 기능 부재(31)는 상이한 적합한 물질, 예컨대 코바르 및/또는 구리 및/또는 합금, 예를 들어 NiFe 합금 및/또는 CrNi 합금으로 구성될 수 있다. 접합 유리(1)는 기능 부재(31)를 피드쓰루 개구부 내에 전기 절연 방식으로 고정시키며, 동시에 피드쓰루 개구부를 밀봉한다. 본 발명에 따른 접합 유리(1)는, 피드쓰루 개구부가 밀폐될 수 있는 이점을 갖는 피드쓰루 장치(20)를 제공한다. 피드쓰루 장치(20)의 제조를 위해, 접합 유리(1)는 통상 캐리어 부재(30) 및 기능 부재(31)와 함께 융합시킴으로써, 캐리어 부재(30) 및 접합 유리(1) 및 기능 부재(31) 사이에 접합 연결부를 형성한다.
도 5b는 도 5a에 따른 피드쓰루 장치(20)의 상면도를 도시한다. 보이는 바와 같이, 기능 부재(31)는 피드쓰루 개구부 내부에 동심으로으로 배치되어 있다. 이 기하학 구조는 통상적으로, 캐리어 부재(30)의 열팽창이 접합 유리(1)의 열팽창보다 큰 압축 밀봉에 적용된다. 그 효과로서, 피드쓰루 개구부 내에서의 접합 유리의 융합 및 이어지는 냉각 도중에, 캐리어 부재(30)가 말하자면 접합 유리로 수축되어 접합 유리(1)에 대한 압축 응력이 발생된다. 이 압축 응력은 피드쓰루 개구부로부터 접합 유리를 밀어내는 데에 필요한 기계력을 증진시켜, 피드쓰루 장치(20) 전체의 역학적 안정성을 증진시킨다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 피드쓰루 장치(20)는, 이른바 대형 피드쓰루 장치 부류의 전형적인 장치를 나타낸다.
도 6은 캐리어 부재(30) 내에 복수의 출입 개구부를 갖는 피드쓰루 장치(20)의 대안적인 구체예의 단면을 도시한다. 이 소위 평면 요소는 높이보다 폭이 넓은 치수를 갖는다. 피드쓰루 개구부는 매트릭스에 배치될 수 있다. 매트릭스 자체는 가변적이며, 이는 피드쓰루 개구부의 위치가 필요한 용도에 따라 선택될 수 있음을 의미한다. 이 구체예는, 예를 들어 복수의 전기 및/또는 전자 부품에 전류를 제공하는 데에, 예를 들어 그들에게 전력을 공급하고/하거나 캐리어 부재(30)를 통해 이들 부품에 의해 발생된 신호를 받는 데에 사용될 수 있다. 캐리어 부재(30)는 해당 장치의 하우징을 밀봉하거나 밀봉하지 않을 수 있다. 캐리어 부재(30)는 금속 및/또는 합금, 또는 세라믹, 특히 전술한 재료로 제조될 수 있다.
도 7에는, 에너지 발생 장치의 격납부(80), 예를 들어 반응기, 구체적으로 원자로 또는 유독성 폐기물 처리 시설을 도시한다. 이들은 비상 및 고장 상태인 상황에서도 격납부(80) 내에 안전하게 포매되어 있어야 한다. 본 개시 내용에 따른 피드쓰루 장치(20)는 격납부 내의 발전기 및/또는 장치와의 접촉을 제공하기 위해 이롭게 사용될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어 발전기의 작동 상태를 모니터링하는 장치 및/또는 반응기 또는 다른 장치를 조종하기 위한 장치이다.
도 8에는, 에너지 발생 장치(81), 예컨대 원자로를 도시한다. 이 개략도는 또한, 고속 증식로, 특히 냉매로서 액체 나트륨을 이용하는 그의 1차 및/또는 2차 냉각 회로의 경우에서의 원자로 냉각 회로를 포함한다. 피드쓰루 장치(20)는, 특히 전기 펌프 내의 조종 장치 및/또는 센서 및/또는 작동 장치 및/또는 전동기에 전류를 공급하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 격납부(80)에는 도 7의 맥락에서 설명한 바와 같은 피드쓰루 장치(20)가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 접합 유리(1)는 종래의 유리 용융 공정으로 제조하였다. 유리 용융의 상세 사항은 당업자에게 공지되어 있으며, 이 시점에서는 반복 설명하지 않는다.
하기 표 1은, 본 발명에 따른 4종의 예시적인 접합 유리(1) 1번 ∼ 4번의 조성 및 물성을 요약한다.
표 2는, 본 발명에 따른 유리 조성물 범위 밖에 속하며 비교예로서 이하에 CE 1 및 CE 2로 지칭하는 접합 유리의 조성 및 물성을 나타낸다.
비교예의 유리는, 본 발명에 따른 접합 유리보다 SiO2의 함량은 높고 B2O3 및 Al2O3의 함량은 낮다.
표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 접합 유리의 내성은, 표 2에 나타낸 비교예의 유리 CE 1 및 CE 2와 비교하여 구하였다. 이 목적으로, 해당 유리로 이루어진 유리 입방체를 가장 자리 길이로 용융 나트륨 배쓰 중에 300℃에서 소정 시간 동안 방치하고, 샘플 외관, 샘플 표면의 구조 및 또한 질량 감소를 구한다. 표 1에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 모든 접합 유리는, 표 2에 나타낸 비교예보다 내성이 더 높거나 열팽창 계수가 더 높으며, 그 결과 접합 연결부에 접합 부재로서 금속을 제공하는 능력이 향상됨이 입증된다.
선행 기술에 비한 본 발명에 따른 접합 유리의 장점은, 이들이 세라믹 및/또는 금속을 갖는 접합부의 제조에 사용될 수 있다는 사실과, 또한 그의 향상된 내화학성에 있다.
Claims (15)
- 기껏해야 불순물을 제외하고는, ZrO2를 함유하지 않으며,
(산화물을 기준으로 하여 중량%로)
SiO2 40 ∼ 50
B2O3 > 25 ∼ 30
Na2O 5 ∼ 15
Al2O3 17 ∼ 25
ΣMO 0 ∼ < 2
를 포함하는 접합 유리(1)로서,
MO가 CaO 및/또는 SrO 및/또는 BaO 각각을 또는 이들의 임의의 조합을 나타내는 것인 접합 유리(1). - 제1항에 있어서, 추가로,
(산화물을 기준으로 하여 중량%로)
ZnO 0 ∼ 5
TiO2 0 ∼ 5
SnO2 0 ∼ 5
MgO 0 ∼ 15
를 개별적으로 또는 임의의 조합으로 포함하는 것인 접합 유리(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서, 20℃ ∼ 300℃의 온도 범위에서 선열팽창 계수 α20-300℃가 5.5 × 10-6 K-1 ∼ 10.5ㆍ10-6 K-1, 바람직하게는 5.5 × 10-6 K-1 ∼ 8.5 × 10-6 K-1, 더 바람직하게는 6.0 × 10-6 K-1 ∼ 8.0 × 10-6 K-1인 접합 유리(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 특히 열팽창 거동 및/또는 내식성 및/또는 유동 거동을 설정하기 위한 산화성 충전제를 30 부피% 이하로 더 포함하며, 상기 충전제가 바람직하게는 입자 및/또는 섬유의 형태로 존재하는 것인 접합 유리(1).
- 제1항 또는 제2항에 따른 접합 유리(1)에 의한 제1 접합 부재(2)와 제2 접합 부재(3, 4, 41) 사이의 접합부로서, 상기 접합 유리(1)가 제1 접합 부재(2)의 접합 영역을 제2 접합 부재(3, 4, 41)의 접합 영역에 접착시키는 것인 접합부.
- 제5항에 있어서, 제1 접합 부재(2)가 적어도 그의 접합 영역에 세라믹을 포함하고, 제2 접합 부재(3, 4, 41)가 적어도 그의 접합 영역에 금속 및/또는 세라믹을 포함하는 것인 접합부.
- 제6항에 있어서, 제1 접합 부재(2) 및/또는 제2 접합 부재(3, 4, 41)의 접합 영역에서의 세라믹이 알루미나 및/또는 α-알루미나 및/또는 β-알루미나 및/또는 β"-알루미나 및/또는 NASICON으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 접합부.
- 제6항에 있어서, 제2 접합 부재(41)의 금속이, 동일한 온도 범위에서 세라믹의 선열팽창 계수 α20-300℃ 이상의 선열팽창 계수 α20-300℃를 갖는 것인 접합부.
- 제5항에 있어서, 제1 접합 부재(2)가 적어도 그의 접합 영역에 금속을 포함하고, 제2 접합 부재(3, 4, 41)가 적어도 그의 접합 영역에 금속을 포함하는 것인 접합부.
- 제6항에 있어서, 제2 접합 부재의 금속(41)에 대해서 α20-300℃ > 8 × 10-6 K-1가 유효한 것인 접합부.
- 제5항에 따른 접합부를 1 이상 포함하는 전기화학 에너지 저장 및/또는 에너지 발생 수단, 바람직하게는 나트륨-황 배터리 또는 나트륨-금속 염화물 배터리.
- 제5항에 따른 접합부를 1 이상 포함하는 피드쓰루(feedthrough) 장치(20), 바람직하게는 전기 피드쓰루 장치(20).
- 1 이상의 피드쓰루 개구부를 갖는 금속 캐리어 부재(30), 및
금속 기능 부재(31)
를 포함하는 전기 피드쓰루 장치(20)로서,
금속 기능 부재(31)가, 피드쓰루 개구부를 밀봉하는 제1항 또는 제2항에 따른 접합 유리(1)에 의해 캐리어 부재(30)로부터 전기적으로 절연되어 피드쓰루 개구부 내에 고정되어 있는 것인 전기 피드쓰루 장치(20). - 제1항 또는 제2항에 있어서, 나트륨-황 배터리 또는 나트륨-금속 염화물 배터리의 제조, 특히 그의 하우징(4)의 밀봉 및/또는 막 부재(2)의 차폐에 이용되는 것인 접합 유리(1).
- 제12항에 있어서,
폐기물 처리를 위한 시설 또는 시설의 격납부 내에서, 및/또는
원자로, 바람직하게는 증식형 원자로 내에서,
특히 격납부 내의 전기 피드쓰루 장치(20)로서, 및/또는 냉각 회로용 전기 피드쓰루 장치(20)로서 이용되는 것인 피드쓰루 장치(20).
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