초록 ▼

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
< 연구개발 목적 > 유독성 가스냉매를 무독성 고체냉매로 대처하여 신기후체제 대비 온실가스 배출량 감소에 기여하며, 열·자기 효과 기반 냉·난방 에너지 소비효율을 획기적으로 개선하는 고체냉각소재의 1. 난성형성 고체냉각 선재/판재 성형 제조기술, 2. 다물리 수치해석 연계 최적 공간형상제어 기술 및 3. 하이브리드 cascading(조합) 벌크 부품화 기술을 개발하고자 함
< 연구개발 필요성 > 신기후체제 대응 에너지 변환 소재인 고체냉각소재는 열화/표면 산화가 잘되고 취성이 높은 난성형성

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
< 연구개발 목적 > 유독성 가스냉매를 무독성 고체냉매로 대처하여 신기후체제 대비 온실가스 배출량 감소에 기여하며, 열·자기 효과 기반 냉·난방 에너지 소비효율을 획기적으로 개선하는 고체냉각소재의 1. 난성형성 고체냉각 선재/판재 성형 제조기술, 2. 다물리 수치해석 연계 최적 공간형상제어 기술 및 3. 하이브리드 cascading(조합) 벌크 부품화 기술을 개발하고자 함
< 연구개발 필요성 > 신기후체제 대응 에너지 변환 소재인 고체냉각소재는 열화/표면 산화가 잘되고 취성이 높은 난성형성 소재로 정밀 성형 및 체계적인 부품화 기술이 고체냉각소재 분야에서의 주요 병목기술이며 이에 대한 해결방안이 요구되는 실정임. 기존의 단일소재 적층 가공 혹은 분말소재 단순 bedding의 단점인 좁은 작동 온도/열교환 저효율, 압손(pressure drop), 유실 등 문제 해결을 위해서 벌크 잉곳을 선재 및 판재로 성형하는 기술을 개발하고 성형품을 원하는 형상으로 적층/접합/배열을 통해 부품화하는 ‘최적 형상 부품화 기술’ 개발이 필수적임

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
< 난성형성 고체냉각소재의 벌크화/성형 기술>
- La-based 4원계 고체냉각소재 조성 설계 및 열간 성형/열처리 공정 기술 개발 수행:
(1) La 4원계 기본 조성 활용 신합금 설계: 자기냉각특성 확대를 위해 3원계 원소 중 Fe를 Co로 치환함에 있어, 열역학 계산 연계 Co 함량을 0.7 – 1.1 atomic ratio로 조정, 260 – 320 K 내 T_c 특성을 가지는 합금 제조 및 평가 완료
(2) La-rich 4원계 조성 설계: (1) Co 0.7, 0.9, 1.1 atomic ratio 조성에서 La 함량을 증가시켜 총 3가지 La-rich 조성을 신규 설계, 하이브리드 적층을 통한 멀티레이어 설계 개념 확보
(3) La계 4원계 합금 열간 성형성 평가 및 열간압연 공정 기술개발 진행: 3차원 최종 부품 정밀도 ≤ ±0.037 mm, 판재 형상 정밀도 ≤±0.045 mm 달성
- Monolithic Gd (상용 소재) 형상 자유도 확장을 위한 선재 제조공정기술개발: 선재 직경 1.00 mm급 제조 성공
< 고체냉각 성형소재 활용 (다물리 수치해석 연계) 최적 공간형상제어 부품화>
- 자기냉각소재 형상 모델링 및 다물리 기초 해석 연구 수행
- 자기냉각 테스트베드 활용 자기냉각 사이클 테스트 수행: Gd simple rod 활용 계산-실측 오차 ΔT=0.24 K (오차율 18.5% 수준) 달성
- 자기냉각소재 베드 내 형상에 따른 2차원 열교환 시뮬레이션 요소 기술 개발

Ⅳ. 연구개발결과
- 논문 1편 출판 완료: Journal of Materials Research and Technology 2022 ; 21 : 4636~4647(JCR 2020 기준 10.56 % / JCR 2021 기준 4.95 % (상위 5% 범위))
- 특허 1건 국내출원 완료: 가돌리늄 세선 와이어 연속제조 및 자기냉각특성회복 공정 (출원번호 10-2022-0134583, 2022년 10월 19일

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
- 1단계 3년간 난성형성 고체냉각소재를 원하는 형상으로 성형 가능한 요소기술 개발 및 정형 판/선/복잡형상 부품화, 테스트베드 탑재 냉각성능 검증을 통해 관련 기술 선도
- 실용화 적용 타품목 발굴 / 추가 연구: 1단계 과제 종료 후 2단계 스마트 특허 확보 기반 응용화 추진, 고체냉각소재 적용 가능 분야 탐색 (수송기기, 군사 등)
- 관련 산학연과 최신 기술 동향 분석/확보를 위한 교류/미팅: 급격한 기술 개발 흐름에 대체하고자 후방 소재부품 설계/제조 산학연 및 냉각소재 요구 전방산업군 관련 기술 관심사에 대한 지속적 교류 예정

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Ⅱ. The purpose and need for R&D
< Objective > Development of 1. forming technologies for solid-state magneto-caloric materials as a form of wire and sheet, 2. optimal shape design technologies based on multi-physics numerical analysis, and 3. bulk componentization technologies
< Necessity > In

Ⅱ. The purpose and need for R&D
< Objective > Development of 1. forming technologies for solid-state magneto-caloric materials as a form of wire and sheet, 2. optimal shape design technologies based on multi-physics numerical analysis, and 3. bulk componentization technologies
< Necessity > In order to solve the problems such as narrow operating temperature/heat exchange, low efficiency, pressure drop, and materials loss, it is essential to develop a technology for forming bulk ingots into wire and sheet materials. It is also essential to develop 'optimal shape componentization technology' that converts parts through lamination/joining/arranging.

Ⅲ. R&D contents and scope
< Development of composition design and hot forming/heat treatment processes for La-based quaternary solid-state magnetocaloric materials >
- By substituting Co for Fe with Co atomic ratio ranging from 0.7 to 1.1 based on thermodynamic calculation, completing fabrication and evolution of La-based quaternary alloys with Tc within 260 ~ 320 K
- A total of three La-rich quatenary alloys were newly designed, and the concept of multi-layer design was secured through hybrid (tunable) stacking
- Conducting hot forming and hot rolling for La-based quaternary alloys: 3D part accuracy ≤±0.037 mm, plate shape accuracy ≤±0.045 mm achieved
< Development of optimal shape design technologies for solid-state magnetocaloric materials >
- Conducting multiphysics-based 2-D shape modeling for solid-state MCM
- Cyclic cooling test using reference magnetocaloric materials (such as Gd rod) using AMR test-bed: the error between FE simulation and actual measurement (ΔT) = 0.24 K (error rate : 18.5%) achieved
- Development of two-dimensional heat exchange simulation technology according to the shape and fraction of the MCM within bed

Ⅳ. Results of R&D (Quantitative goals)
- Patents – 1 pending
- SCI journal papers - 1 (The number of paper whose I/F is above 2.5 ≧ 1) Journal of Materials Research and Technology 2022 ; 21 : 4636~4647

Ⅴ. Application plan of the R&D results
- Leading related technologies through the development of core technologies: hard-to-form solid-state MCM into a desired shape such as wire and sheet, fabrication of forming parts with a desired sheet/wire/complex shape, and verifying cooling performance mounted on a test-bed for next two years

(source : Summary 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• CONTENTS ... 6
• 목차 ... 7
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 9
• 제 1 절 연구개발 목표 및 범위 ... 9
• 제 2 절 연구개발 필요성 ... 9
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 19
• 제 1 절 난성형성 고체냉각소재 성형기술개발 ... 19
• 제 2 절 다물리 수치해석 연계 최적형상 설계 ... 35
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 43
• 가) 기술적 성과목표(정량적 목표) ... 43
• 나) 계량적 성과목표 ... 44
• 다) 관련분야에의 기여도 ... 44
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 44
• 제 6 장 참고문헌 ... 44
• 끝페이지 ... 44