KR100986299B1 - 발열체, 열 스위치, 전지 모듈 및 핀 구조물을 구비하는 전지 - Google Patents

발열체, 열 스위치, 전지 모듈 및 핀 구조물을 구비하는 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발열체, 열 스위치와 전지모듈 및 핀 구조물을 구비하는 전지시스템에 관한 것이다.
본 발명은 내부 공간을 형성하는 전지 케이스, 전지 케이스의 내부에 위치하며, 전지를 포함하는 전지모듈, 전지 케이스의 내부에 위치하며, 충격에 의해 열을 발생하여 전지 시스템의 온도를 상승시키는 발열체 구조물 및 외부의 충격을 발열체 구조물의 소정 부위에 집중하여 전달하는 핀 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
열 스위치, 박막전지, 비축전지, 활성화시간, 발열, 라이징 타임

Description

발열체, 열 스위치, 전지 모듈 및 핀 구조물을 구비하는 전지{Battery having battery module, thermal switch, heating source and pin structure}
본 발명은 발열체, 열 스위치와 전지모듈 및 핀 구조물을 구비하는 전지시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로는 외부로부터 충격에 의해 기폭하는 화약과 이로부터 에너지를 받아 발화하는 열원(heating source)에서 발생하는 열에 의해 낮은 융점을 갖는 금속 시트를 녹인 후 상부의 전해질 및 활물질 등이 고체상 형태로 구현된 전지를 사용하여 제작된 전지모듈의 전류 집전체와 연결됨으로써, 평상시에는 전지가 비활성화 상태를 유지하다가 사용시 매우 짧은 라이징 타임(rising time) 후, 저온을 포함한 넓은 온도범위 내에서 상온과 동일한 전지성능을 나타내는 것에 관한 것이다. 이러한 전지시스템은 전지가 지니고 있는 단점 중의 하나인 저온에서 고 출력시 내부저항 증가로 인해 전압이 급격히 감소하는 현상을 방지하는데 이용될 수 있다.
종래에 제안된 바 있는 몇 가지 유형의 비축전지의 형태는 평상시 유리 앰플에 전해질 용액이 담겨있고, 상기 유리 앰플의 외측에 금속 전극이 외장되어 있는 구조로서, 외부충격에 의해 유리 앰플을 파괴하여 전해질과 각 금속 전극이 접촉하여 전기를 생성시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 형태의 전지는 장기간 보존이 가능하다는 장점이 있으나, 유리 앰플을 파괴하여 전해질 용액을 양 전극 간 접촉시키지 않으면 사전에 전지의 특성을 알 수 없는 단점을 가진다. 또한, 유리 앰플이 파괴되어 전해질 용액이 양 전극 간에 접촉하여 전류를 유발하는 시간이 수백 msec로 상대적으로 길다는 단점을 가진다. 또한 전지의 크기가 작아질 경우, 유리앰플 안에 전해질 용액을 장착해야하는 구조는 제조 공정상의 복잡성 때문에 대량 양산이 용이하지 않다. 아울러 액체 전해액으로 사용되는 전해질은 매우 독성이 강하기 때문에 누액 시 환경이나 안전 문제를 유발할 수 있다.
상기에 기술한 문제점을 해결하기 위해서는 유리 앰플 형태가 아닌 전지 자체가 모두 고체상으로 이루어진 박막전지를 사용하는 것이 바람직하다. 현재까지 공지된 전지시스템은 모두 액체 전해질을 사용하는 것이 대부분이며, 최근 고분자 전해질을 사용하는 것도 개발되고 있으나, 이 역시 일정량의 액체 전해질을 함침하여야 한다. 그러나, 이러한 전지를 사용할 경우 자가방전 현상으로 인해 전지의 용량은 시간이 경과함에 따라 감소하며, 전지 내부저항은 점차 증가하게 됨으로써 순간적으로 고출력을 요구하는 전자소자로의 전원공급이 원활하지 못하게 된다. 현존하는 활성화 전지 시스템중 자가방전 측면에서 가장 유리한 형태는 박막전지로서 자가방전율은 년 2%미만으로 알려져 있다. 박막전지는 금속, 세라믹, 유리등 다양한 형태의 기판상에 물리적기상증착법(PVD) 혹은 화학적기상증착법(CVD) 등에 의해, 전류 집전체, 양극, 전해질, 음극 및 보호막을 순차적으로 증착하는 것으로 고 체 전해질을 사용하기 때문에 전지의 비 사용중 보존수명이 매우 우수하고, 마스크패턴에 따라 원하는 형태로의 제작이 자유롭다는 장점을 지니고 있다. 현재 사용되는 고체전해질은 그 두께가 2㎛ 이내로 매우 얇아서 상온 혹은 고온에서 사용하는데는 문제가 없지만, 저온으로 갈수록 고체전해질 자체의 이온전도도가 매우 낮아 고출력을 요구하는 경우 전지 내부저항 증가로 인해 급격한 전압강화를 초래하게 된다. 이러한 현상을 극복하기 위해서는 많은 수의 전지를 병렬로 연결하여 전지 내부저항을 크게 감소시켜야 하는 것이다. 그러나, 공간적인 제약이 있는 경우 많은 수의 전지를 연결하는 것은 기술적, 경제적으로 많은 어려움이 있어 이를 극복할 수 있는 적절한 방법의 도입이 필요하다고 볼 수 있다.
본 발명은 발열체를 전지케이스 내부에 삽입하여 발열체로부터 열을 발생시켜 전지 자체의 온도를 상승시킴으로 저온에서 문제점으로 대두되는 박막전지 내부의 저항을 감소시킴으로서 상온과 동일한 전지성능을 갖는 전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 기존 앰플형 전지에서와 같이 전지를 사용하지 않는 동안에 전지가 비활성 상태를 유지하기 위해서는 전지 내부에 별도의 스위치가 요구되며, 이러한 스위치는 평상시 녹는점이 상대적으로 낮고 전도성이 우수한 금속 시트 상에 홀이 형성된 절연필름 혹은 절연체로 구성되게 하여 발열체로부터 열이 발생하는 순간 고온에 의해 스위치 구조물 내의 금속 시트가 녹아 전지모듈 하단부와 연결되는 형태가 바람직하다.
따라서 본 발명은 기존에 문제점을 가지는 기존 유리앰플형 형태의 전지의 문제점을 감안하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부 충격에 의해 발열체가 발열하여 열 스위치를 작동시킬 뿐 아니라 전지모듈 내부의 온도를 상승시켜 상온과 동일한 전지성능을 발휘하는 전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 내부 공간을 형성하는 전지 케이스; 전지 케이스의 내부에 위치하며, 전지를 포함하는 전지모듈; 전지 케이스의 내부에 위치하며, 충격에 의해 열을 발생하여 전지 시스템의 온도를 상승시키는 발열체 구조물; 및 외부의 충격을 발열체 구조물의 소정 부위에 집중하여 전달하는 핀 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 충격에 의해 활성화되는 화약 및 화약의 기폭 에너지에 의해 활성화되어 발열하는 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 핀 구조물은, 화약이 위치한 곳에 외부의 충격을 집중하도록 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 핀 구조물의 핀이 정확한 위치를 타격하도록 핀 구조물을 가이드하는 가이드 링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 핀 구조물은 금속 재질 및 세라믹 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지모듈과 발열체 구조물 사이에 위치하며, 발열체 구조물의 발열 시에 전지를 활성화시키는 열 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 시트는, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 절연막은, 발열체 구조물에서 발생하는 열에 대하여 내열성을 가지며, 금속 시트가 용융되어 전지 모듈에 접착할 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 화약, 열원 및 화약과 열원이 내장되는 금속 재질의 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열원은, Zr, B, Ti, Fe 중에서 선택된 금속분말과 KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 중에서 선택된 분말을 혼합하여 압착 형성된 펠렛인 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 화약은 금속 재질의 몰드에서 중앙 측에 위치하고, 열원은 몰드의 외측에 원주를 따라 복수 개의 펠렛이 배열된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 재질의 몰드는, 열원의 상부에 홀이 형성되어 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 재질의 몰드와 금속 시트 사이에 용융된 금속 시트가 열원 상부의 홀을 통해 발열체 구조물로 유입되는 것을 방지하는 금속 메쉬;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 연질의 금속으로 이루어진 발열체 구조물 케이스를 더 포함하며, 금속 재질의 몰드가 발열체 구조물 케이스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. 발열체 구조물 케이스는 충격에 의해 기폭하는 화약과 이로부터 발열하는 히트펠렛등과 같은 열원을 담는 기능과 함께 하부로부터 충격활성화 화약에 충격을 효과적으로 전달하는 역할을 한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 재질의 몰드 및 발열체 구조물 케이스는, 각각 열원의 상부에 홀을 포함하여, 열원에서 발생한 열이 열 스위치로 직접 전달될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열 스위치는 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하고, 전지 모듈은, 전지의 하부에 전지를 지지하는 전류집전체를 포함하며, 전류집전체는, 금속 시트를 이루는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차적으로 증착된 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은 병렬 연결 및 직렬 연결 중 적어도 어느 하나에 의해 서로 연결된 복수 개의 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 기판은, 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘 웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은, 측면에 전지 케이스와의 절연을 위한 절연막 코팅 및 절연 필름 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 케이스는 전지를 밀봉하는 전지 덮개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 덮개는 금속으로 이루어지며, 전지 모듈은 전지의 상부에 전류 집전체를 포함하고, 전지 덮개와 전류 집전체 사이에 절연 필름;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 덮개를 관통하며, 전류집전체로부터 외부로 전기적 연결을 제공하는 연결 단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 연결 단자와 전지 덮개 사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
본 발명이 제공하는 전지시스템은 기존 앰플형 전지의 문제점으로 지적되어 왔던 긴 라이징 타임(rising time), 제조공정상의 어려움, 전해질 누액과 같은 환경 문제 등을 극복할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 전지시스템은 박막전지를 사용하여 평상시 비활성 화 상태를 유지하며, 발열체의 발열에 의해 전지를 활성화시키는 것과 함께 전지 모듈의 온도를 상승시켜 저온에서의 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 함과 동시에 사용중 활성화되어 전지가 작동하는 것으로 하단부에 발열체를 장입하여 발열체에 의한 온도상승으로 전지모듈 자체의 온도를 상승시키게 함으로서 저온에서도 상온과 동일한 전지특성을 나타내는 효과가 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 전지시스템은 핀 구조물을 전지케이스내에 포함시킴으로서 별도의 외부 충격용 핀 구조물을 사용할 필요가 없는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지를 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 전지 시스템(100)은 전지 케이스(110) 내에, 핀 구조물(170) 발열체 구조물(120), 열 스위치(130) 및 전지모듈(140)이 하부로부터 순차로 적층되어 있다.
전지 케이스(110)는 니켈, 스테인리스 스틸 구리 및 이들의 합금 등과 같이 금속 재질로 이루어지며, 상부가 개방된 원통형 또는 박스형으로 형성된다. 전지 케이스(110)의 내부에 핀 구조물(170)이 제일 하부에 장입되고, 핀 구조물(170)의 상부에 발열체 구조물(120)이 위치한다. 발열체 구조물(120)은 외부 충격에 의해 기폭하는 화약(122) 및 화약의 기폭 에너지를 받아 발화하는 열원(heating source: 124)을 포함한다. 이때, 열원(124)은 10㎛ 이하의 미세한 Zr, B, Ti, Fe 등의 금속 분말을 6시간 이상 진공건조 한 후, KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 등과 균일하게 혼합된다. 혼합된 페이스트는 프레스로 압착하여 펠렛 형태로 제작되어 열원(124)으로 이용된다. 바람직하게는 발열체 구조물(120)은 화약(122) 및 열원(124)을 고정하는 금속 재질의 몰드(126)를 더 포함한다. 몰드(126)는 일반적으로 SUS를 이용하여 제작된다. 몰드(126)의 하부 중앙에 외부의 충격에 의해 기폭되는 화약(122)이 배치되고, 몰드(126)의 외주에 펠렛 형태로 제작된 복수 개의 열원(124)이 배치된다. 이때, 핀 구조물(170)은 외부의 충격을 최대한 전달받을 수 있도록 비교적 넓은 면적의 원판(172)과, 원판(172) 상에 돌출되며, 화약(122)에 충격을 집중하여 전달할 수 있는 핀(174)이 형성된다. 또한, 원판(172)의 외주에 원판(172)의 이동을 안내하는 가이드 링(176)이 설치된다. 가이드 링(176)은 외부에서 충격이 가해질 때, 원판(172)이 가이드 링(176)을 따라 이동하도록 하여, 핀(174)이 정확히 화약(122)을 타격할 수 있게 한다.
또한 화약(122)이 기폭되면 그 에너지에 의해 열원(124)이 활성화되어 발화하고, 순간적으로 전지 시스템(100)의 온도를 상승시켜 준다. 또한 화약(122) 및 열원(124)이 고정된 몰드(126)는 금속 재질의 발열체 구조물 케이스(128) 내에 장입된다. 발열체 구조물 케이스(128)에 의해 화약(122)이 몰드(126)로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 외부의 충격을 화약(122)으로 용이하게 전달하기 위해 발열체 구조물 케이스(128)는 알루미늄과 같이 비교적 큰 연성을 가지는 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
발열체 구조물(120)의 상부에는 열 스위치(130)가 장입된다. 열 스위치(130)는 제일 하부에 위치하는, 즉 발열체 구조물(120)의 바로 위에 놓이는 금속 메쉬(136), 금속 메쉬(136)의 상부에 위치하는 금속 시트(132) 및 금속 시트와 전지모듈(140)을 절연시켜주는 절연막(134)을 포함한다. 전지 시스템(100)이 비축되는 상태에서, 열 스위치(130)는 전지 모듈(140)이 발열체 구조물(120)의 몰드(126) 또는 발열체 구조물 케이스(128)를 통해서 전지 케이스(110)와 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 때문에 전지를 비활성화 상태로 비축할 수 있게 한다. 그러나 외부의 충격에 의해 발열체 구조물(120)에서 열을 발생하면 금속 시트(132)가 용융되어 전지 모듈(140)과 전지 케이스(110)를 전기적으로 연결하여 전지 시스템(100)을 활성화시킨다.
열 스위치(130)의 상부에는 전지 모듈(140)이 장입된다. 전지 모듈(140)은 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리와 같은 다양한 종류의 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차로 적층된 박막전지(미도시)를 구비한다. 전지 모듈(140)은 단위 박막전지를 복수 개 구비할 수 있으며, 박막 전지를 병렬로 연결하여 전지의 축전 용량을 증가시키거나, 박막 전지를 직렬로 연결하여 전지의 전압을 증가시킬 수 있다. 또한 전지 모듈(140)은 복수 개의 박막 전지의 상부 또는 하부에 금속 재질의 전류집전체(144, 146)을 포함하여, 박막 전지를 지지하고 박막 전지를 외부 충격으로부터 보호하며 양극 단자 및 음극 단자를 박막 전지와 연결시켜주는 역할을 한다. 또한 전지 모듈(140)의 측면에 금속 재질 의 전지 케이스(110)과 접촉하여 전지가 단락(shortage)되는 것을 방지하기 위해, 절연층(148)을 포함한다. 절연층(148)은 전지 모듈(140)의 측면에 형성된 절연 코팅 또는 전지 모듈(140)의 측면에 부착되는 절연 필름이 될 수 있다.
전지 모듈(140)의 상부, 즉 상부 전류 집전체(144)에는 연결 단자(150)가 형성된다. 연결 단자(150)는 전지 케이스(110)와 함께 전지 시스템(100)의 (+)극, (-)극의 전극 단자 역할을 하며, 전지 시스템(100)이 다른 장치와 연결되어 전원을 공급하게 한다.
또한 전지 케이스(110) 내에 발열체 구조물(120), 열 스위치(130), 전지 모듈(140) 및 연결 단자(150)가 장입된 이후, 전지 시스템(100)을 밀봉하기 위해 상부에 전지 덮개(160)가 설치된다. 전지 덮개(160)는 전지 시스템(100)을 밀봉하여 전지 시스템(100)을 장기간 보존 가능하게 해 준다. 일반적으로 전지 덮개(160)는 금속으로 형성되어, 금속 재질의 전지 케이스(110)와 용접되도록 하여 장기보존성을 증가시킬 수 있다. 이때, 전지 덮개(160)와 상부 전류 집전체(144)가 접촉하여 전지 시스템(100)이 단락되는 것을 방지하기 위해, 상부 전류 집전체(144)의 상부에는 연결 단자(150)가 접촉하는 곳을 제외하고 절연층(149)이 형성된다. 또한 연결 단자(150)와 전지 덮개(160)가 접촉하여 전지 시스템(100)이 단락되는 것을 방지하는 동시에 밀봉성을 높이기 위해, 연결 단자(150)와 전지 덮개(160) 사이에는 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing: 180)이 행해진다.
도 2는 핀 구조물, 발열체 구조물 및 열 스위치의 분해사시도이다. 전지 케이스(110) 내부에 하부로부터 순차로 핀 구조물(170), 발열체 구조물(120), 열 스 위치(130) 및 전지 모듈(140)이 적층되어 있다. 핀 구조물(170)은 발열체 구조물(120)의 중앙에 위치하는 화약(122: 도 1에 도시)을 타격하도록 구성된다. 핀 구조물(170)은 외부로부터 타격을 전달받는 원판(172)과, 원판(172)의 중앙에 돌출되며, 화약(122: 도 1에 도시)으로 힘을 전달하는 핀(174) 및 원판(172)의 외측에 위치하며 화약(122: 도 1에 도시)을 타격할 때 흔들림을 방지하는 가이드 링(176)을 포함한다. 원판(172) 및 핀(174)은 Al, Ni, SUS, W, Mo, Cu, Fe 등의 금속 또는 및 알루미나, 지르코니아등과 같은 세라믹에 의해 일체로 형성되며, 밀도가 큰 SUS, W, Mo 등이 타격 시에 더 큰 충격을 화약(122: 도 1에 도시)으로 전달할 수 있으므로 더욱 바람직하다.
알루미늄 재질의 발열체 구조물 케이스(128) 내에 SUS 재질의 몰드(126)가 삽입된다. 몰드(126)의 하부 중앙에는 화약(122: 도 1에 도시)이 설치되며, 몰드(126)의 외주를 따라 펠렛 형태로 제작된 열원(124)이 배치된다. 일 예로, Zr 분말과 BaCrO4를 각각 82wt%, 19wt%로 균일하게 혼합하고, 프레스로 압착하여 펠렛으로 열원(124)을 제작한 경우, 발열 시 순간적으로 300℃ 이상의 고온으로 200cal/g 이상의 열량을 방출하였다. 열원(124)의 상부는 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 하기 위해 개방되어 있다. 즉 몰드(126)의 상부에 홀이 형성되어 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 한다. 또한 발열체 구조물 케이스(128)에도 상부에 홀이 형성되거나, 상부가 개방된 형태로 제작되어 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 한다. 발열체 구조물(120)의 상부에, 금속 메쉬(136)가 위치한다. 금속 메 쉬(136)는 구리와 같이 열 전달률이 높은 금속으로 제작되어, 발열체 구조물(120)로부터 금속 시트(132)로 열을 빠르게 고루 전달하는 역할을 한다. 동시에, 금속 메쉬(126)의 급속한 용융으로 인해 형성되는 금속 용융물이 발열체 구조물(120)로 빠져나가는 것을 방지하는 역할도 한다. 금속 시트(132)는 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금과 같은 재질로 형성된다. 금속 시트(132)가 급속하게 용융되면, 용융물이 미세한 구슬 형태로 바뀌는데, 금속 메쉬(136)는 이러한 용융된 금속 구슬이 발열체 구조물(120)로 빠져나가는 것을 방지하여, 용융물이 전지 모듈(140)에 접촉할 수 있게 한다. 금속 시트(132)의 상부에는 수십 내지 수백 ㎛ 두께의 절연막(134)이 형성되어, 금속 시트(132)가 발열체 구조물(120)로부터 열을 전달받아 용융하기 전에는 전지 모듈(140)과 접촉하는 것을 방지한다. 이때, 절연막(134)은 발열체 구조물(120)의 발열에 의해 용융된 금속 시트(132)가 전지 모듈(140)과 접촉할 수 있도록 용융된 금속 시트(132)가 통과할 수 있는 홀(134h)이 적어도 하나 형성된다. 한편, 전지 모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)의 하부에는 용융된 금속 시트(132)가 용이하게 부착될 수 있도록 금속 시트(132)를 이루는 재질과 동일한 재질로 수-수십㎛ 두께의 증착면을 형성한다. 금속 시트(132)가 용융될 때, 동종의 재료에 부착이 용이한 성질을 이용한 것으로 전지 시스템(100)을 좀 더 신뢰성있게 활성화시킬 수 있다.
도 3은 핀 구조물의 충격에 의해 열 스위치가 작동하여 전지 시스템이 활성화되는 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다. 전지케이스(110) 내부에 하부로부터 핀 구조물(170), 발열체 구조물(120), 열 스위치(130) 및 전지모듈(140)이 순차로 적층되어 있다. 전지케이스(110) 하부에 외부의 충격이 인가되면, 외부의 충격은 핀 구조물(170)로 전달된다. 핀 구조물(170)의 원판(172)은 외부의 충격을 받아 가이드 링(176)에 의해 가이드되며 이동하고, 이동 시에 돌출된 핀(174)이 발열체 구조물(120)의 화약(122)을 타격하여, 화약(122)이 기폭된다. 화약(122)의 기폭 에너지에 의해 열원(124)이 발화된다. 열원(124)의 발화는 전지케이스(110) 내의 온도를 순간적으로 200℃ 이상으로 상승시키며, 이러한 고열에 의해 비교적 녹는점이 낮은 전도성 금속 재질(예를 들어, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금)로 이루어진 금속 시트(132)가 용융된다. 용융된 금속 시트(132)는 절연막(134)에 형성된 홀(134h)을 통해 전지모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)에 부착된다. 따라서, 전지 모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)는 금속 시트(132)를 통해, 전도성 금속 재질로 이루어진 발열체 구조물(120)의 발열체 구조물 케이스(128) 또는 금속 몰드(126)와 전기적으로 연결된다. 또한, 발열체 구조물 케이스(128) 또는 금속 몰드(126)는 전도성 금속 재질의 전지케이스(110)와 전기적으로 연결되므로, 열 스위치(130)에 의해 전지 시스템(100)이 활성화되면 전지케이스(110)는 (+) 전극 단자 또는 (-) 전극 단자 역할을 하게 된다. 예를 들어, 발열체 구조물 케이스(128)가 금속 몰드(126)를 감싸도록 형성되면 발열체 구조물 케이스(128)와 전지케이스(110)가 전기적으로 연결되며, 발열체 구조물 케이스(128)가 형성되지 않으면, 금속 몰드(126)와 전지케이스(110)가 전기적으로 연결된다.
한편 열원(124)의 발화는 전지 모듈(140)의 온도 역시 상승시키게 되는데, 특히 박막 전지를 이용한 전지 모듈(140)에서 이러한 온도의 상승은 전지 모 듈(140)의 내부 저항을 크게 감소시켜 주는 역할을 한다. 따라서, 저온 또는 극저온의 환경하에서도 상온과 동일한 전지 시스템(100)의 성능을 구현할 수 있다.
도 4는 도 1의 전지모듈을 구성하는 박막전지의 단위셀을 도시한 단면도이다. 박막전지(142)는 금속, 세라믹, 유리, 마이카 필름 등과 같은 기판(142a) 위에 양극 전류집전체(142b), 양극 활물질(142c) 및 비정질 유리계 고체 세라믹 전해질(142d), 음극 전류집전체(142e)를 스퍼터링법에 의해 증착한 후, 진공열증착법에 의해 리튬음극(142f)을 증착함으로서 단위셀을 구성하는 것을 나타낸다. 이때, 기판이 금속인 경우에는 기판 하부와 측면에 별도의 절연코팅을 하여야 전지연결시 단락(shortage)를 방지할 수 있다. 이러한 전지모듈(140: 도 1에 도시)은 박막전지(142)의 단위셀을 복수 개 적층하여, 직렬 또는 병렬 연결하여 단위셀보다 전압 또는 용량을 증가시켜 이용할 수 있다.
도 5는 활성화된 전지시스템의 정전류 방전시의 방전곡선을 나타낸 것이다. 도 4에 기술한 박막전지(142: 도 4에 도시) 단위 셀 5개를 이용하여 제작된 전지모듈(140: 도 1에 도시)을 제작하여 4.3V까지 충전시킨 후, 이를 전지케이스(110: 도 1에 도시)에 장입하였다. 그 다음, 외부에서 충격을 인가하여 발열체 구조물(120: 도 1에 도시)을 발열시켜 전지 시스템(100)을 활성화시키고 방전상태를 살펴보았다. 약 35㎂의 정전류를 인가하여 3.0V까지 방전하였을때, 약 35㎂h의 방전용량을 나타내었다. 이는 단위셀 한 개의 방전용량이 약 7㎂h임을 감안할 때 5개의 단위셀이 병렬상태로 잘 연결되어 있음을 알 수 있으며, 양극 활물질로 사용된 리튬코발트산화물의 전형적인 방전곡선, 즉 4.15V와 4.05V부근에서의 육방정/단사 정(hexagonal/monoClinic) 간의 1차 상전위와 3.9V부근에서의 능면체(rhombohedral) 상간의 2차 상전이 현상을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 1에서 상세 기술한 전지시스템을 사용하여 실제 전자소자를 상온, 고온, 저온과 같이 넓은 온도 범위하에서 정상적으로 작동시키는 현상을 확인하기 위하여 도 6과 같이 전지시스템(100)을 도선(400)에 의해 캐패시터(800)에 연결시켜 이를 별도의 지지체(300)에 지지하여 이를 실린더(500)에 고정시킨 후, 이를 순간적으로 낙하시켜 하부지지대(600)에 충돌시키는 충격장치에 관한 것으로서, 전지시스템 내부에 삽입된 핀 구조물에 의해 전지활성화 정도를 알아보기 위한 실험장치이다. 즉, 캐패시터(800)를 전지시스템(100)과 연결하여 활성화시에 캐패시터 충전전압을 측정하는 장치를 일컫는다. 전지모듈(140: 도 1에 도시), 발열체 구조물(120: 도 1에 도시), 열 스위치(130: 도 1에 도시) 및 핀 구조물(170: 도 1에 도시)을 갖는 전지시스템(100)은 양극, 음극이 외부 도선에 의해 150uF의 정전용량을 갖는 캐패시터(800)에 연결되어 있고, 이때 캐패시터(800) 전압은 별도의 컴퓨터(900)를 통해 10msec 단위로 측정하였다. 전지시스템이 캐패시터(800)에 연결되어 있는 초기에는 전지시스템(100) 내부의 전지모듈(140: 도 1에 도시)이 열 스위치(130)에 의해 회로가 끊어져 있으므로 캐패시터(800) 전압은 0V를 나타내게 된다. 전지시스템(100)의 활성화를 위해 전지가 고정된 지지체(300)가 실린더(500)에 의해 급하강하여 하부지지체(600)를 강타할 때 전지시스템(100)은 강한 충격을 받게 되며, 이 충격은 전지시스템(100) 내부에 삽입된 핀 구조물(170: 도 1에 도시)이 발열체 구조물(120: 도 1에 도시)의 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)을 타격하는 결과를 초래하여 결과적으로 발열체(124: 도 1에 도시)가 가열되어 지고, 가열된 열에 의해 열 스위치(130:도 1에 도시)가 연결되어 전지가 활성화 되게 된다. 이로부터 캐패시터(800)가 충전되게 된다. 상온, 고온, 온도등 넓은 온도범위에서의 실험을 위해 전지활성화 시험장치는 일정한 온도가 유지되는 항온항습기(1000) 내에 설치하였으며, 실린더(500)는 외부 가이드(700)에 의해 수직방향으로만 이동하게 된다.
도 7은 상온,고온,저온에서 각각 활성된 전지를 사용하여 캐패시터를 충전할 시의 캐패시터 충전전압을 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 6에 기술한 전지활성화 시험장치를 이용하여 실제 전지 시스템(100)이 활성화될 때 전지 시스템(100)에 연결된 캐패시터(500)를 충전시킨 결과를 나타내었다. 실제 발열체가 가동하여 열스위치를 작동시키는 시간을 고려하지 않고, 스위치가 정상적으로 작동되었을 때, 상온에서 10msec라는 매우 짧은 시간 내에 3.6V까지 캐패시터(500)가 충전되고 있음을 알 수 있으며, 전지의 OCV(Open-circuit voltage)인 4V까지 40msec이내에 충전이 완료됨을 보여주고 있다. 이로부터 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)에 의해 열원(124: 도 1에 도시)이 발열 후 금속 시트(132: 도 2에 도시)를 녹여 회로를 연결시키는 활성화 시간은 거의 무시할 수 있는 수준임을 알 수 있다. 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)에 의해 열원(124: 도 1에 도시)이 발열 후 금속 시트(132: 도 2에 도시)를 녹여 회로를 연결시키는 활성화 시간은 본 실험과 동시에 측정하지는 않았지만, 별도의 실험결과 상온에서 30-40msec로 매우 짧은 수치를 나타내었으며, 영하 30도의 저온에서도 최대 100msec를 넘지 않았으므로, 스위치가 작동하기 위한 rising time을 고려하더라도 상온에서는 최대 80msec이내에 캐패시터를 충전 시킴을 알 수 있다. 이와 같은 수치는 기존 앰플형태의 전지에 비해 활성화 시간을 크게 감소시킨 결과에 해당함을 알 수 있다. 43oC의 고온에서는 발열시 약간의 온도증가가 전지모듈(140)에 인가되어 캐패시터(500: 도 6에 도시) 충전전압은 10msec경과후 3.8V이고, 30msec이내에 충전이 완료된다. 영하 30도의 저온에서는 상온 혹은 고온의 경우에 비해 10msec 후의 캐패시터 충전전압이 3.4V로 약간 낮으나, 4V충전시간은 저온임에도 불구하고 50msec내에 완료됨을 보여주고 있다. 별도의 실험에서 얻은 저온에서의 스위치 작동시간을 고려하더라도 최대 150msec내에 캐패시터 충전을 완료시키게 된다.
도 1은 발열체, 열 스위치, 전지모듈 및 핀 구조물이 함께 장착된 전지시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 핀 구조물, 발열체 구조물 및 열 스위치의 분해사시도이다.
도 3은 핀 구조물의 충격에 의해 열 스위치가 작동하여 전지 시스템이 활성화되는 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 전지모듈(140)을 구성하는 박막전지의 단위셀을 도시한 단면도이다.
도 5는 발열체가 작동한 전지시스템의 정전류 방전시의 방전곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 전지활성화 시험장치와 활성된 전지를 캐패시터에 연결하여 충전하는 장치에 관한 것이다.
도 7은 상온,고온,저온에서 각각 활성된 전지를 사용하여 캐패시터를 충전할 시의 캐패시터 충전전압을 측정한 결과이다.

Claims (26)

  1. 전도성 재질의 전지 케이스;
    전지 케이스의 내부에 위치하는 전지모듈;
    전지 케이스의 내부에 위치하며, 충격에 의해 열을 발생시키는 발열체 구조물;
    외부의 충격을 발열체 구조물의 소정 부위에 집중하여 전달하는 핀 구조물; 및
    전지 케이스와 전지 모듈을 절연하며, 발열체 구조물의 발열에 의해 용융되어 전지 케이스와 전지 모듈을 전기적으로 연결하는 열 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    발열체 구조물은, 충격에 의해 활성화되는 화약 및 화약의 기폭 에너지에 의해 활성화되어 발열하는 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    핀 구조물은, 화약이 위치한 곳에 외부의 충격을 집중하도록 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    핀 구조물의 핀이 정확한 위치를 타격하도록 핀 구조물을 가이드하는 가이드 링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    핀 구조물은 금속 재질 및 세라믹 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    열 스위치는 전지모듈과 발열체 구조물 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    금속 시트는, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    절연막은, 발열체 구조물에서 발생하는 열에 대하여 내열성을 가지며, 금속 시트가 용융되어 전지 모듈에 접착할 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    발열체 구조물은, 화약, 열원 및 화약과 열원이 내장되는 금속 재질의 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    열원은, Zr, B, Ti, Fe 중에서 선택된 금속분말과 KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 중에서 선택된 분말을 혼합하여 압착 형성된 펠렛인 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 제10항에 있어서,
    화약은 금속 재질의 몰드에서 중앙 측에 위치하고, 열원은 몰드의 외측에 원주를 따라 복수 개의 펠렛이 배열된 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    금속 재질의 몰드는, 열원의 상부에 홀이 형성되어 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    금속 재질의 몰드와 금속 시트 사이에 용융된 금속 시트가 열원 상부의 홀을 통해 발열체 구조물로 유입되는 것을 방지하는 금속 메쉬;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제10항에 있어서,
    발열체 구조물은, 연질의 금속으로 이루어진 발열체 구조물 케이스를 더 포함하며, 금속 재질의 몰드가 발열체 구조물 케이스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    발열체 구조물 케이스는, 상부에 홀이 형성되어, 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제15항에 있어서,
    금속 재질의 몰드 및 발열체 구조물 케이스는, 각각 열원의 상부에 홀을 포함하여, 열원에서 발생한 열이 열 스위치로 직접 전달될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제1항에 있어서,
    열 스위치는 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하고,
    전지 모듈은, 전지의 하부에 전지를 지지하는 전류집전체를 포함하며,
    전류집전체는, 금속 시트를 이루는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제1항에 있어서,
    전지 모듈은 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차적으로 증착된 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    전지 모듈은 병렬 연결 및 직렬 연결 중 적어도 어느 하나에 의해 서로 연결된 복수 개의 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  21. 제20항에 있어서,
    기판은, 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘 웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지.
  22. 제1항에 있어서,
    전지 모듈은, 측면에 전지 케이스와의 절연을 위한 절연막 코팅 및 절연 필름 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  23. 제1항에 있어서,
    전지 케이스는 전지를 밀봉하는 전지 덮개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  24. 제23항에 있어서,
    전지 덮개는 금속으로 이루어지며,
    전지 모듈은 전지의 상부에 전류 집전체를 포함하고,
    전지 덮개와 전류 집전체 사이에 절연 필름;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전지.
  25. 제24항에 있어서,
    전지 덮개를 관통하며, 전류집전체로부터 외부로 전기적 연결을 제공하는 연결 단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  26. 제25항에 있어서,
    연결 단자와 전지 덮개 사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전지.
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