자기 냉장고: 실용화를 위해 개발되어야 할 기술적 이슈

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자기 냉장고

실용화를 위해 개발되어야 할 기술적 이슈

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○ 자기 냉각시스템은 프레온 가스 대신에 고체 냉매를 사용하고 모터대신에 영구자석을

사용하여 물질을 냉각시키는 기술임. 자기 냉각 시스템의 주요 기술 개발 역사는 다음

과 같음.

- 1926 : Magnetic refrigerator proposed by Debyeand Giauque

- 1949 : Nobel Prize awarded to Giauquefor magnetic refrigeration - 1978 : Los Alamos DOE Lab patents "AMR" magnetic refrigerator - 1989 : Navy demonstrates "AMR" magnetic refrigerator

- 1991 : Astronautics demonstrates 40 K high efficiency AMR - 1997 : Astronautics demonstrates high power NRT AMR

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[그림 2] 4단계의 자기 냉각 사이클

자료 출처: C. B. Zimm, et. al. Proceedings of the 6th International Conference Superconduct. Applic., p. 471 (1993).

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[그림 3] 왕복운동 자기냉각시스템(Reciprocating magnetic refrigerator)

자료 출처: C. Zimm et. al., Adv. Cryog. Eng. 43, p.1759, (1998)

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[그림 4] 회전운동 자기냉각시스템(Rotary magnetic refrigerator) 자료 출처: S.J. Lee et. al., Presentation at APS March Meeting,

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본론

국내외 연구개발 동향

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○ 현재 가장 활발하게 강한 자기열 효과를 보이는 물질을 연구하는 연구소는 미국 아이오와 주 립대의 에임스 연구소임.

- 에임스 연구소의 Karl Gschneidner 교수와 Vitalij Pecharsky 교수가 이 분야에서는 가장 알려져 있음. 지금까지 이 분야의 논문만 수십편이 넘게 발표를 해 왔는데 주요물질은 GdSiGe 합금임. 이 물질에 자기장을 걸어주면 물질의 온도가 증가하고 걸어준 자기장을 해 지시키면 물질의 온도가 감소하는 것임. - 이 물질은 실온 부근에서 온도의 증감이 최대가 되므로 실온에서 작동하는 자기냉장고의 고체 냉매로써 적당한 조건을 갖추고 있음. 이 물질의 Si 과 Ge 조성비를 약간씩 바꾸면 최 대 자기열효과를 보이는 온도 조절이 가능하다는 장점이 있음. ○ 자기냉장고를 설계하고 시제품을 만드는 것이 중요한데, 이를 수행하는 연구소로는 미국 위 스콘신 주 매디슨에 위치한 Astronautics Corporation of America가 있음.

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2 국내외 산업동향

가. 국내외 산업동향 및 전망

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이슈 분석

이슈 제기

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가. 자기냉각기술의 응용에 있어서 문제점

○ 현재 자기 냉각기술 응용에 있어서 문제점은 크게 두 가지로 나눌 수 있음. 먼저 자성 냉매 물질과 자기장발생원의 문제임. ○ 현재 시제품에 사용 중인 희토류 가돌리늄은 정제과정의 복잡함과 희귀성으로 인하여 가 격이 비싼 상태임. - 물론 대량생산이 될 경우 가격인하를 어느 정도 유도할 수 있지만, 기본적으로 생산이 풍부하지 않고, 쉽게 얻을 수 없다는 문제점이 있음. 그리고 박막형태나 다른 혼합물들이 계속 개발되고 있으나, 물질특성이 이상적인 자기냉각시스템의 운영에 아직도 만족시키지 를 못하고 있음. ○ 그 다음으로 당면한 큰 문제점은 자기장 발생원으로써 사용되는 영구자석의 자기장세기 가 충분히 크지 못하다는 것임.

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세기를 발생하는 자기장 발생원을 개발하여야 한다는 것임. - 물론 초전도자석이나 전자석 등이 충분히 큰 자기장을 발생시키지만, 초전도자석은 가 동을 위해서 고가의 액체헬륨을 계속 공급해 주어야 한다는 단점이 있음. - 그리고 전자석은 부피가 너무 크고 전기에너지를 많이 소모한다는 단점이 있음. 그에 비해서 영구자석은 전기에너지 소모가 없고 부피를 작게 만들 수 있다는 장점이 있으나, 현재 아무리 강한 영구자석이라도 1테슬라 이상의 자기장을 발생시키기는 어려운 상태임. 따라서 적어도 2테슬라 이상의 자기장을 발생시키기 위해서는 특별히 디자인된 영구자석 어레이를 개발해야 함. ○ 그다음 해결하여야 할 문제는 현재 시제품에 사용되고 있는 희토류 금속인 가돌리늄의 가 격이 너무 비싸다는 것임. 냉각파워를 높이기 위해서 사용되는 가돌리늄의 무게가 증가함 에 따라 가격도 비싸진다는 단점이 있음. 따라서 성공적인 자기냉각 시스템의 개발을 위해서는 강한 자기력을 내는 영구자석 어레이 개발과 값싼 금속 자성 냉매를 개발하여야 할 것임. [그림 6] GdSiGe의 자기열 효과

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장의 크기의 약 90%가 됨. 16개의 경우는 95 %, 32 개의 경우는 99 % 가 됨. 이와 같은 계산 결과로 볼 때 8개의 영구자석부분으로 만들어진 실린더 형태의 영구자석이 실제 제 작에 있어서 제작 공정의 간단함과 자기장의 크기가 그다지 크게 줄어들지 않는다는 점에 서 가장 유력한 형태가 될 것임. - 그림7에서 볼 수 있듯이 실린더의 외부반경과 내부반경의 비를 크게 하면 이론적으로 자기장의 세기를 무한히 크게 할 수 있다는 것을 알 수 있음. [그림 7] 유한요소 방법으로 계산한 자기장 크기

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구자석 어레이를 내타낸 것임. - 영구자석 어레이의 가운데 빈공간의 자기장의 크기를 측정해보면 Halbach 이론값에 매 우 근접하다는 것을 알 수 있음. ○ 그림9의 오른쪽에 보이는 것이 연자성 물질을 이용하여 자기장의 크기를 증대시킬 수 있 는 실린더형 영구자석배열임. - 이 그림에서 SM (soft magnetic)은 연자성 물질임. 이렇게 함으로써 영구자석의 부피를 늘리거나 더 사용하지 않고 20% 정도 더 큰 자기장을 얻을 수 있음. [그림 8] 영구자석 어레이 제작

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○ 그림9에 나타낸 영구자석 어레이를 이용하면 자기냉각 시스템에 필요한 충분한 크기의 자 기장을 발생시킬 수 있음. 그러나 실용화를 위하여 해결해야 할 과제가 있음. - 첫째 NdBFe 영구자석의 가격이 비싸다는 문제점이 있음. 현재 이 영구자석의 주성분인 Nd은 중국에서만 생산되고 있음. 그리고 이 가격이 계속하여 오를 것이라는 전망이 있음. 따라서 자기장의 크기를 높이기 위해서 외부반경을 무작정 크게 늘릴 수도 없는 문제점이 있음. 이 자석은 무게가 보통 금속보다 더 나가기 때문에 자동차 에어컨으로 사용하고자 할 경우 무게를 줄여야 할 필요성이 있음. - 두 번째로 이 영구자석 어레이를 제작하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있음. 영구자석 들은 기본적으로 개개의 자기력이 강하고 반대극성의 영구자석을 가까이 가져갈 경우 강 력한 반발력으로 튕겨져 나감. 즉, 제작시 안전성에 문제가 있는 것임. 따라서 안전한 제 작을 위한 제작방법이 강구되어야 할 것임. - 셋째, 자성냉매로 쓰이는 가돌리늄의 가격이 비싸다는 문제점이 있음. 현재 실온에서 작동하는 자기냉각시스템의 경우 대부분 가돌리늄 금속을 기본으로 하여 다결정, 파우더, 필름 형태로 만들어 자성냉매로 사용하고 있음. 따라서 이 금속의 가격 역시 계속 증가하 고 있고, 중국 이외에는 생산지가 별로 없어서 장기적으로 문제점이 될 수가 있음. 따라 서 가돌리늄 대신에 값싼 금속으로 대체할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것임. [그림 9] 실린더형 영구자석 어레이 (a) 8개 영구자석 부분으로 이루어진 실린더형 영구자석 배열에서 각각의 영구자석 부분의 자화방향 (b) 연자성 물질을 이용하여 자기장의 크기를 증가 시킨 실린더형 영구자석배열

자료 출처: S.J. Lee, J.M. Kenkel, V.K. Pecharsky, and D.C. Jiles, J. Appl. Phys. vol. 91, pp. 8894-8897, (2002).

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1. S. J. Lee, J. M. Kenkel, and D. C. Jiles, “Design of Permanent Magnet Field Source for Rotary Magnetic Refrigeration Systems,” IEEE Trans. Magn., 38, 2002, pp. 2991-2993.

2. S. J. Lee, J. Kenkel, V. K. Pecharsky, and D. C. Jiles, "Permanent magnet array for the magnetic refrigerator," J. Appl. Phys. 91, 2002, pp. 8894-8897.

3. S. J. Lee, D. C. Jiles, V. Pecharsky, K. A. Gschneidner, "Permanent magnet structure for generation of magnetic fields, " US Patent Number: 6,680,663 (2004).

4. K.A. Gschneidner, Jr., A.O. Pecharsky, and V.K. Pecharsky, "Method of making active magnetic refrigerant, colossal magnetostriction and giant magnetoresistive materials based on Gd-Si-Ge alloys," U.S. Patent No. 6,589,366, 2003.

5. K.A. Gschneidner, Jr., A.O. Pecharsky, and V.K. Pecharsky. Ductile Magnetic Regenerator Alloys for Closed Cycle Cryocoolers. US Patent No. 6,318,090, 2001.

자기 냉장고: 실용화를 위해 개발되어야 할 기술적 이슈