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KR102260128B1 - 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자 - Google Patents

절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자 Download PDF

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Abstract

절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자가 개시된다.
절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자는, 자성체 및 전류가 인가되는 경우 상기 자성체를 자화시킬 수 있도록 상기 자성체에 코일 형태로 감겨져 있으며, 인접하는 전선과 전기적으로 절연되는 일차원 전도(one dimensional conductivity) 특성을 갖는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 전선을 포함한다.

Description

절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자{MAGNETIC DEVICE USING CARBON NANOTUBE WIRE WITHOUT INSULATING SHEATHS}
본 발명은 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선하여 전력변환 회로에 사용되는 자화소자에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 신소재로서 기계적, 전기적, 물리적 특성이 기존보다 우수하며, 내부 연결구조에 따라 도체, 반도체 또는 절연체로 활용될 수 있어 다양한 산업 분야에 활용이 증가되고 있다.
탄소나노튜브는 구리와 비교하였을 때, 전기전도도가 1000배 높고, 무게가 1/8로 가벼우며, 인공적으로 생산이 가능하여 생산 비용 절감이 가능함은 물론 생산 과정에서 미세먼지가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 또한 탄소나노튜브의 열 전도도는 6000W/m.k로, 이는 구리 및 알루미늄과 비교하였을 때 약 17배 내지 14배에 해당한다.
이러한 장점을 갖는 탄소나노튜브를 전선(electric wire)으로 제작하기 위해서는 절연을 위한 외피가 필요하다. 즉 일반적으로 케이블 용으로 사용되는 탄소나노튜브 전선은 절연외피 제작공정이 필수로 추가되어 생산비용의 증가를 초래하며, 절연외피에 의해 그 무게 및 크기가 증가한다.
본 발명의 일측면은 절연외피를 생략하여 인접하는 전선과 전기적으로 절연되는 특성을 갖는 탄소나노튜브 전선을 코일로 하는 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자는 자성체 및 전류가 인가되는 경우 상기 자성체를 자화시킬 수 있도록 상기 자성체에 코일 형태로 감겨져 있으며, 인접하는 전선과 전기적으로 절연되는 일차원 전도(one dimensional conductivity) 특성을 갖는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 전선을 포함한다.
한편, 상기 탄소나노튜브 전선은, 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 전선은, 내심 전선 및 상기 내심 전선과 동축을 가지며 상기 내심 전선을 감싸는 형태로 구성되는 외심 전선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 전선은, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 전선은, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 전선은, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 전선은, 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 갖는 상기 내심 전선 및 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 갖는 상기 외심 전선을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브 전선의 절연외피를 필요로 하지 않으므로, 이러한 탄소나노튜브 전선을 코일로 사용하는 자화소자는 구리, 알루미늄 등을 코일로 사용하는 전력변환 소자에 비해 그 크기, 무게 및 생산비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 5은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자(100, 이하, 자화소자)는 자성체(110) 및 자성체(110)에 감긴 탄소나노튜브 전선(130)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)는 권선법으로 제조되어 전력변환 소자로 사용될 수 있는데, 전력변환의 코일로 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선(130)을 사용하여 전체 무게, 크기 및 전력변환 손실을 최소화할 수 있다.
탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)는 구리와 비교하였을 때, 전기전도도가 1000배 높고, 무게가 1/8로 가벼우며, 인공적으로 생산이 가능하여 생산 비용 절감이 가능함은 물론 생산 과정에서 미세먼지가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 또한 탄소나노튜브의 열 전도도는 6000W/m.k로, 이는 구리 및 알루미늄과 비교하였을 때 약 17배 내지 14배에 해당한다.
이러한 장점을 갖는 탄소나노튜브를 전선으로 제작하기 위해서는 절연을 위한 외피가 필요하다. 즉 일반적으로 케이블 용으로 사용되는 탄소나노튜브 전선은 절연외피 제작공정이 필수로 추가되어 생산비용의 증가를 초래하며, 절연외피에 의해 그 무게 및 크기가 증가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)는 자성체(110)에 권선되는 코일로 탄소나노튜브 전선(130)을 사용하는데, 탄소나노튜브 전선(130)은 일차원 전도성(one dimensional conductivity) 특성을 가지므로 절연외피를 필요로 하지 않는다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)는 탄소나노튜브 전선(130)을 코일로서 사용하여, 구리, 알루미늄 등을 코일로 사용하는 전력변환 소자에 비해 그 크기, 무게 및 생산비용을 절감할 수 있을 것이다.
이하 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)에 대하여 구체적으로 설명한다.
자성체(110)는 코어로서, 자성 재료로 형성될 수 있다.
예를 들면, 자성체(110)는 좌측 부위에 전후 방향으로 관통되게 좌측 관통 홀이 형성되고, 우측 부위에 전호 방향으로 관통되게 우측 관통 홀이 형성될 수 있다. 자성체(110)는 좌, 우측 관통홀의 배열 방향을 따라 좌, 우측 관통홀을 가로질러 양분된 구조로 이루어져 조립 또는 분해될 수 있다. 이와 같은 경우, 자성체(110)는 좌, 우측 관통홀의 일부분을 이루는 좌, 우측 홈이 형성된 두 개의 코어부를 포함할 수 있다. 이때 각 코어부는 E 형상으로 이루어질 수 있다. 자성체(110)는 이러한 각 코어부에 형성된 좌, 우측 홈이 연결되도록 각 코어부를 한정한 상태에서 각 코어부를 접착제나 고정 밴드 등에 의해 서로 고정하여 이루어질 수 있다.
자성체(110)의 형상은 예시된 바에 한정되지 않고 다양한 형상으로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
탄소나노튜브 전선(130)은 탄소나노튜브로 형성되는 전선으로, 자성체(110)에 코일 형태로 감겨질 수 있다. 이에, 탄소나노튜브 전선(130)은 전류가 인가되는 경우, 자성체(110)를 자화시킬 수 있을 것이다. 여기서 탄소나노튜브 전선(130)은 절연외피를 가지지 않은 탄소나노튜브로 구성되는 전선으로, 일예로, 선(線) 상체로 성장한 탄소나노튜브 한 가닥으로 구성될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 탄소나노튜브 전선(130)을 형상과 관련한 다양한 실시예는 도 2 이하를 참조하여 후술한다.
이러한 탄소나노튜브 전선(130)은 일차원 전도 특성을 가져 인접하는 전선과 전기적으로 절연될 수 있다. 여기서 일차원 전도 특성은 자성체(110)에 권선된 탄소나노튜브 전선(130) 간에 접촉하는 경우, 탄소나노튜브 전선(130) 간에 전류가 거의 도통되지 않는 특성이라 할 수 있다. 이는 탄소나노튜브는 연장방향으로는 전기적 성질이 상대적으로 우수하지만, 연장방향에 수직인 방향으로는 전기적 성질이 우수하지 못하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)는 탄소나노튜브 전선(130)을 자성체(110)에 코일 형태로 감아 형성되는데, 탄소나노튜브 전선(130)에 절연외피가 없더라도 인접한 다른 자화소자(100)에 포함되는 탄소나노튜브 전선(130)과 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자화소자(100)는 자성체(110)에 감긴 탄소나노튜브 전선(130)을 코일로 한 전력변환 소자로, 필요로 하는 인덕턴스를 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선(130)의 권선 수를 설정할 수 있을 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 탄소나노튜브 전선(131)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 탄소나노튜브 전선(131)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥(13) 다발에 브레이딩 공정을 적용하여 도 2와 같은 브레이디드 구조로 형성될 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 전선(131)은 탄소나노튜브 단일 가닥으로 구성되는 전선에 비해 견고한 구조를 가져 자성체(110)에 권선되는 경우, 다양한 외부 조건 하에서도 일차원 전도 특성을 유지할 수 있을 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 탄소나노튜브 전선(132)은 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
탄소나노튜브 전선(132)은 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b) 중 적어도 하나는 한 가닥 이상의 탄소나노튜브로 구성될 수 있다.
예를 들면, 내심 전선(132a)이 한 가닥 이상의 탄소나노튜브로 구성되고, 외심 전선(132b)이 일반적으로 전선 제작에 널리 사용되는 금속으로 구성될 수 있다. 이와 반대로, 내심 전선(132a)이 금속으로 구성되고, 외심 전선(132b)이 한 가닥 이상의 탄소나노튜브로 구성될 수 있다. 또는, 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b) 모두 한 가닥 이상의 탄소나노튜브로 구성될 수도 있다. 이하의 설명에서는 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b)이 모두 한 가닥 이상의 탄소나노튜브로 구성된 것을 예로 들어 설명한다.
내심 전선(132a)은 탄소나노튜브 전선(132)의 중심에 구비될 수 있다.
외심 전선(132b)은 내심 전선(132a)과 동축을 가지며 내심 전선(132a)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b)은 모두 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 탄소나노튜브 전선(132)은 도 3과 같이 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
내심 전선(132a)은 도 3과 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
외심 전선(132b)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 장방향으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 즉 외심 전선(132b)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 가질 수 있다.
도 5은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 탄소나노튜브 전선(132)은 도 3과 같이 내심 전선(132a) 및 외심 전선(132b)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
내심 전선(132a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 장방향으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 즉 내심 전선(132a)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 가질 수 있다.
외심 전선(132b)은 도 3과 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(13)이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 전선(132)은 자성체(110)에 권선되는 경우, 동축 전선 구조에 의해 표피가 벗겨지더라도 일차원 전도 특성을 유지할 수 있을 것이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자
110: 자성체
130: 탄소나노튜브 전선

Claims (7)

  1. 자성체; 및
    전류가 인가되는 경우 상기 자성체를 자화시킬 수 있도록 상기 자성체에 코일 형태로 감겨져 있으며, 인접하는 전선과 전기적으로 절연되는 일차원 전도(one dimensional conductivity) 특성을 갖는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 전선을 포함하는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인(braided) 구조를 갖는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    내심 전선; 및
    상기 내심 전선과 동축을 가지며 상기 내심 전선을 감싸는 형태로 구성되는 외심 전선을 포함하는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥으로 구성되는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 갖는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 갖는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 전선은,
    복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 갖는 상기 내심 전선; 및
    복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 갖는 상기 외심 전선을 포함하는, 절연외피가 없는 탄소나노튜브 전선을 권선한 자화소자.
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