KR101568459B1 - 배터리 모듈용 면상발열체 - Google Patents

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Abstract

기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.

Description

배터리 모듈용 면상발열체{HEATING PLATE FOR BATTERY MODULE}
전기 자동차의 배터리 모듈에 사용되는 배터리 모듈용 면상발열체에 대한 것이다.
태양광 발전 및 전기 자동차에 사용되는 배터리는 기온이 낮아져 동절기에는 방전 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 외부기온이 약 -20℃ 이하로 낮아지면 배터리의 방전 효율이 약 50 % 이하로 낮아지며, 주위 온도가 약 -10 ℃ 이하인 환경에서 배터리는 전해질 내 이온의 이동도가 낮아져, 전류의 흐름이 나빠지고 동시에 배터리의 출력이 떨어지게 된다. 특히, 전기 자동차(EV car)의 경우 완전 충전된 상태에서 외부에 주차하게 되면, 외부 기온에 의해 전해질이 딱딱해지는데, 이는 배터리의 장기 수명에도 문제를 일으키게 된다. 그러므로 배터리의 수명과 효율이 일정하게 유지되기 위해서는 겨울에도 배터리의 일정 온도를 유지시켜줄 필요가 있다.
배터리를 가열하기 위한 방법으로 열전소자나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터로 공기를 가열하는 방법들이 제안되고 있기는 하나, 보다 효과적이고 효율적인 방법으로 배터리를 직접 가열하는 방법에 대한 연구는 계속되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 배터리 셀들을 균일하게 가열시키면서도, 일정한 표면온도를 유지할 수 있는 면상발열체를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
상기 열전도성 유기물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 폴리에스테르계 바인더 수지 100중량부에 대해서 열전도성 유기물질을 약 10중량부 내지 약 60중량부 포함할 수 있다.
상기 발열층은 열전도성 유기물질 및 폴리에스테르계 바인더 수지 외에 분산제, 소포제, 레벨링제, 커플링제 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 발열층의 두께는 약 4㎛ 내지 약 9㎛일 수 있다.
상기 전극층은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부를 서로 이격된 형태로 포함할 수 있다.
상기 전극층은 상기 (+) 메인 전극부, 상기 (-) 메인 전극부가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부 및 (-) 서브 전극부를 포함할 수 있다.
상기 전극층에 24볼트 이하의 전압인가시 면상발열체의 면저항이 약 700Ω/□ 내지 약 6000Ω/□일 수 있다.
상기 전극층에 24볼트 이하의 전압인가시 면상발열체의 표면온도가 약 40℃ 내지 약 80℃ 일 수 있다.
상기 전극층에 24볼트 이하의 전압인가시 100cm2의 단위면적당 면상발열체의 발열량이 약 10W 내지 약 60W일 수 있다.
상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하고, 상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다.
상기 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다.
상기 발열부의 패턴형상은 병렬 패턴, 직렬 패턴 및 격자 패턴 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 병렬 패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴으로 연결된 패턴일 수 있다.
상기 직선패턴의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있다.
상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그 패턴으로 연결된 패턴일 수 있다.
상기 지그재그 패턴의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있다.
상기 면상발열체는 자동차 배터리 모듈용 면상발열체일 수 있다.
상기 면상발열체는 배터리의 균일한 가열을 가능하게 하고, 다른크기와 모양을 갖는 다양한 종류의 배터리에도 효과적으로 적용될 수 있다.
상기 면상발열체가 적용된 전기자동차의 배터리는 겨울철 외기에도 불구하고 배터리의 구동을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 배터리 모듈용 면상발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 전극층의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예인 발열부의 병렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열층의 직렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열층의 격자패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
면상발열체는 면 모양의 열을 내는 물체를 일컫는바, 면상발열체에 부여되는 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 주는 면형태의 발열체를 일컫는다. 상기 면상발열체는 배터리 모듈용으로 배터리에 부착되어 발열함으로써 배터리의 구동을 가능 할 수 있다.
구체적으로, 상기 면상발열체는 자동차 배터리에 적용될 수 있는 것으로, 겨울철 외기에 의해 자동차의 배터리가 포함하는 전해질 온도가 약 -10°C이하까지 떨어져 방전될 수 있으나, 상기 면상발열체는 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지로 구성된 발열층을 포함하는바 상기 발열층의 면상발열체의 발열에 의해 외부의 온도 저하와 관계없이 자동차 배터리의 구동이 가능해 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 배터리 모듈용 면상발열체를 도식화하여 나타낸 것으로, 상기 배터리 모듈용 면상발열체는 기재필름(10), 발열층(20) 및 전극층(30)을 포함할 수 있다.
상기 기재필름(10)은 양면에 프라이머(Primer)가 처리된 BOPET(Biaxiallyoriented polyethylene terephthalate), PI(polyimide), OPS(OrientedPolystyrene), OPP(oriented polypropylene), PEI(polyethyleneimine), PPS(Polyphenylene sulfide), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 PES(Poly(ether sulfones))로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 절연성을 갖는다.
상기 기재필름(10)은 약 10㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 기재 필름의 두께가 약 10㎛ 미만인 경우, 그 위에 적층될 발열층을 인쇄 후 건조 과정에서 열안정성 부족으로 필름층의 평할도를 유지하기 어렵다. 또한 기재필름의 두께가 약 100㎛을 초과할 경우, 발열층의 열을 열 전달층에 전달하는 효율이 낮아질 수 있다.
상기 전극층(30)은 전극 간의 간격을 조절함으로써, 최종 제품의 저항을 조절할 수 있다. 상기 전극층(30)은 스크린 프린팅을 이용하여 발열층(22)에 패터닝하여 형성 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 전극층의 평면도를 나타낸 것으로, 상기 전극층은 (+) 메인 전극부(31)와 (-) 메인 전극부(32)를 서로 이격된 형태로 포함할 수 있다. 상기 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부는 일정거리로 이격되어 서로 평행하게 형성될 수 있고, Ag 또는 Cu와 같은 고전도성 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 전극층의 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부 사이의 간격은 약 150mm 내지 약 210mm일 수 있다. 상기 전극부 간 사이의 간격이 약 150mm미만인 경우 전극부로 인한 발열부 면적 구현시, 서브 전극부 간의 거리가 멀어져 발열층이 균일하게 가열되지 않으며, 메인 전극부에만 열이 적층될 수 있고, 약 210mm를 초과하는 경우 전극층을 포함하는 면상발열체의 배터리 부착시 규격초과의 문제점이 있다. 그러므로, 상기 범위의 간격을 유지함으로써, 발열층 또는 패턴형상과의 관계에서도 발열부의 면적을 효율적으로 제어하여 열에너지 전달을 확보할 수 있는바, 배터리 표면 및 내부 전해질의 온도를 균일하게 높이는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 상기 전극층의 상기 (+) 메인 전극부(31), 상기 (-) 메인 전극부(32)가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부(33) 및 (-) 서브 전극부(34)를 포함할 수 있다. 이때 상기 (+) 서브 전극부와 (-) 서브 전극부의 간격은 약 3mm 내지 약 10mm이 될 수 있고, 상기 간격이 약 3mm 미만인 경우 마치 와이어 히터(wire heater)처럼 되어 면 발열체가 아닌 선 발열체처럼 될 수 있고, 원하는 발열량을 얻을 수 없다. 또한, 이 경우, 배터리 셀 표면에 국부적으로 열 공급이 증가하게 되어 배터리 셀의 폭발 가능성이 생기게 될 수 있다.
또한 상기 간격이 약 10mm를 초과할 경우, 배터리 셀 표면의 온도를 균일하게 상승시키기 어렵게 되고, 저전압 작동이 불안전하게 일어날 수 있어, 역시 배터리 셀이 폭발할 위험이 있다. 그러므로, 상기 범위의 간격을 유지함으로써, 발열층 또는 패턴형상과의 관계에서도 폭발가능성을 줄이고, 전극층에 전압인가시 발열부 면적을 확보할 수 있고, 베터리 셀 표면온도 또는 내부 전해질 온도의 균일성을 높일 수 있다.
상기 발열층(20)은 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함할 수 있다. 상기 발열층(20)은 열전도성 유기물질과 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 페이스트를 기재필름 상에 코팅하여 제조하며, 이 때 그라비아 방식을 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도성 유기물질은 발열을 위한 열전도성 유효물질로 작용하며, 상기 폴리에스테르계 바인더 수지는 입자상의 유기물질 상호간 결합력을 도모할 수 있다.
상기 폴리에스테르계 바인더 수지는 접착성을 가지는 바, 폴리에스테르계 바인더 수지를 사용함으로써 기재필름과의 표면 장력 차이를 약±10 dyne/cm이내로 유지할 수 있고, 이로 인해 약 5B 이상의 부착력을 확보할 수 있다. 또한, 열을 가하는 경우 화학반응으로 인해 폴리에스테르계 바인더 수지가 단단해질 수 있고, 그 후 다시 열을 가해도 변하지 않는 장점이 있어 저항 유지에 효과적이다. 아울러, 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 발열층을 포함하여 구성된 면상발열체의 장기 내구성을 개선할 수 있다.
상기 열전도성 유기물질은 높은 열전도도를 갖는 것이 유리하며, 예를 들어 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브의 입자크기는 특별히 한정된 것은 아니지만 약 200㎛이하, 구체적으로는 약 5nm 내지 약 200㎛의 입자크기를 가지는 것을 사용할 수 있다.
상기 발열층(30)은 상기 폴리에스테르계 바인더 수지 100중량부에 대해서 열전도성 유기물질을 약 10중량부 내지 약 60중량부 포함할 수 있다. 상기 열전도성 유기물질을 약 10중량부 미만으로 포함하는 경우 발열층의 면저항이 약 105Ω/□ 이상으로 되어, 약 12볼트의 저전압에서 전류가 원활히 흐르지 못해 발열이 되지 않는 우려가 있고, 약 60중량부를 초과하여 포함하는 경우 발열층이 인쇄가 되지 못하는 상태가 되어 면상발열체로써 제작이 불가능한 문제점이 있다.
그러므로 상기 범위의 열전도성 유기물질을 포함함으로써 일정수준의 면저항을 유지하여 저전압에서 발열체가 가져야 하는 저항값을 가질 수 있다.
상기 발열층(30)은 전술한 열전도성 유기물질 및 폴리에스테르계 바인더 수지 외에 분산제, 소포제, 레벨링제, 커플링제 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제 들을 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 함량 및 종류는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택 및 변형될 수 있고, 열전도성 유기물질의 함유 함량에 따라 변경될 수 있다.
예를 들어, 상기 폴리에스테르계 바인더 수지 100중량부에 대해서, 상기 분산제는 약 10중량부 내지 약 30중량부, 소포제는 약 3중량부 내지 약 10중량부, 레벨링제는 약 3중량부 내지 약 10중량부 및 커플링제는 약 10중량부 내지 약 30중량부를 포함할 수 있다.
상기 발열층(20)의 두께는 약 4㎛ 내지 약 9㎛일 수 있다. 상기 발열층의 두께가 약 4㎛미만인 경우 핀홀이나 벗겨짐에 의해 발열층이 쉽게 손상될 수 있고, 약 9㎛를 초과하는 경우 발열층에 크랙(Crack)이 발생할 우려가 있다. 그러므로 발열층이 상기 범위의 두께를 유지함으로써 장기적인 내구성이 유지되는 효과를 구현할 수 있고, 180°의 굴곡시에도 저항변화가 생기지 않는 점에서 유리하다.
상기 면상발열체가 포함하는 전극층에 전압인가시 발열층에서의 발열이 가능한바, 선택할 수 있는 인가 전압은 12 볼트, 24 볼트, 110볼트, 220 볼트, 360 볼트, 380 볼트이나, 구체적으로 약 24볼트 이하의 전압을 인가할 수 있다. 상기 전극층(30)에 약 24볼트를 초과하는 전압을 인가하는 경우, 상기 면상발열체가 포함하는 기재필름 등에 영향을 주어 상기 면상발열체가 적용되는 배터리의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 상기 발열층(20)의 패턴형상과 상기 전극층(30)의 전극 간격을 조절하여 저항을 결정하고, 시간 당 온도 상승률을 계산하여 전력을 결정할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극층에 약 24볼트 이하의 전압인가시 면상발열체의 면저항이 약 700Ω/□ 내지 약 6000Ω/□ 일 수 있다. 면저항이란 어떤 물질의 표면이 가지는 저항성분을 의미하는바, 발열층의 표면이 가지는 저항성분으로 발열층의 전도성을 나타낼 수 있다. 상기 면상발열체의 면저항이 약 700Ω/□미만인 경우 면상발열체의 온도가 상승하여 기재필름이 변형하면서 면상발열체가 망가질 염려가 있고, 면저항이 약 6000Ω/□를 초과하는 경우 면상발열체가 가열되지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 그러므로 상기 전극층에 약 24볼트 이하의 저전압 인가시에 면상발열체의 면저항이 상기 범위를 유지함으로써 일정수준의 발열량을 유지할 수 있는 면상발열체를 제공할 수 있다.
상기 전극층에 약 24볼트 이하의 전압인가시 면상발열체의 표면온도가 약 40℃ 내지 약 80℃ 일 수 있다. 상기 면상발열체의 표면온도가 약 40℃ 미만인 경우 배터리 내부의 전해질 온도까지 면상발열체의 발열효과가 영향을 미치지 아니할 염려가 있고, 표면온도가 약 80℃를 초과하는 경우 배터리 자체가 폭발될 가능성이 있으며, 배터리의 수명을 줄어들게 할 수 있다.
그러므로 상기 전극층에 약 24볼트 이하의 저전압 인가시에 면상발열체의 표면온도가 상기 범위를 유지함으로써 배터리의 표면온도를 약 40℃ 내지 약 80℃로 가열할 수 있고, 이로인해 배터리 내부의 전해질 온도를 약 -10℃ 내지 약 35℃를 유지하게 하여 배터리 출력 및 방전효율을 최대화시킬 수 있다.
또한, 상기 전극층에 약 24볼트 이하의 전압인가시 100cm2의 면적당 면상발열체의 발열량이 약 10W 내지 약 60W일 수 있다. 상기 발열량은 100cm2의 단위면적당 전기에너지량으로 상기 면상발열체의 100cm2의 면적당 소비하는 전기에너지량을 일컫는다. 상기 100cm2의 면적당 면상발열체의 발열량이 약 10W미만인 경우 면상발열체가 부착된 배터리 셀의 온도를 충분히 올려주지 못 할 우려가 있고, 발열량이 약 60W를 초과하는 경우 면상발열체의 온도가 약 2분 이내에 약 300℃ 상승하게 되어 면상발열체가 포함하는 기재필름(10)이 녹고 배터리에서 불이 날 수 있는 위험이 있다. 그러므로 상기 전극층에 약 24볼트 이하의 저전압 인가시에 면상발열체의 발열량이 상기 범위를 유지함으로써 안정적인 면상발열체로써의 효과를 용이하게 구현할 수 있다.
상기 면상발열체가 포함하는 발열층(20)은 기재필름(10) 상에 형성되는 것으로 패턴형상의 발열부를 포함하고, 상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 20% 내지 80%일 수 있다.
상기 발열층의 발열부가 일정한 패턴형상을 가짐으로써 적용되는 배터리 표면을 균일하게 가열할 수 있고, 다양하고 규칙적인 패턴형상으로 인해, 패턴형상에 따른 발열량, 표면온도 등을 구체적으로 제시할 수 있는바, 다른 크기와 모양을 갖는 다양한 종류의 배터리에도 효과적으로 적용될 수 있다.
상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다. 상기 상기 발열부 면적은 면상발열체의 전극층에 인가전압을 가한 경우, 면상발열체의 발열층에 의해 면상발열체에 열이 발생하는 면적을 일컫는바, 상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적에 대해서 상기와 같은 범위를 유지함으로써, 상기 면상발열체는 안정적이고 균일한 발열의 효과를 용이하게 구현할 수 있다.
상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20%미만인 경우 패턴형상에 모두 균일하게 온도를 가해주기 어렵고, 온도를 가하기 위해서는 패턴형상에 약 60℃ 이상의 온도를 가해줘야 하는바, 이로 인해, 배터리 셀 내부 전해질의 온도가 약 60℃에 도달하는 경우 배터리 효율이 0%가 될 수 있다. 또한, 작은 발열부 면적에 높은 열을 가함으로써 배터리를 불안정하게 할 수 있다.
또한, 상기 발열부 면적이 약 80%를 초과하는 경우 보다 빠른 시간 내에 배터리 내부의 전해질 온도를 가열시킬 수는 있지만, 약 200초 이후에 온도가 35℃ 이상으로 올라가 배터리에 손상을 줄 수 있고, 배터리 주변부를 모두 불필요하게 가열시켜 소모성 전력이 형성될 수 있다. 그러므로, 상기 발열부의 면적범위를 유지함으로써, 배터리의 안정성 확보와 동시에 겨울철의 발열 및 여름철의 방열을 탁월하게 할 수 있다.
상기 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다. 상기 발열부 면적은 상기 면상발열체의 전극층에 일정한 전압을 가하는 경우 면상발열체의 발열전 최초온도에 비해 면상발열체의 발열후 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 가 상승한 면적을 의미한다.
전극층에 전압인가시 발열층의 발열후 면상발열체의 온도가 상기 범위 내로 상승하지 않는 경우 배터리의 출력이 원활하지 못하여 전기자동차의 운행이 정상적이지 못하는 염려가 있고, 상기 범위 이내로 면상발열체의 온도가 상승함으로써 안정적인 운행과 배터리 수명이 좋아지는 효과를 용이하게 구현할 수 있다.
상기 발열부의 패턴형상은 병렬 패턴, 직렬 패턴 및 격자 패턴 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 3은 본 발명의 다른 일실시예인 발열부의 병렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라, 도 4는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열층의 직렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라, 도 5는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열층의 격자패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부 면적에 따라 나타낸 것이다.
상기 병렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴(21)으로 연결된 패턴일 수 있다. 구체적으로, 상기 병렬패턴은 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해 직교하고 일정면적을 가진 하나 이상의 직선패턴(21)을 포함할 수 있다.
상기 하나이상의 직선패턴은 평행할 수 있고, 면상발열체의 가공 및 설치시에 가해지는 외부충격에 의해 열점(hot spot)이 발생하는 경우, 하나 이상의 직선패턴 중 실제로 열점이 발생한 어느 하나의 직선패턴에만 전류변화가 일어나기 때문에, 패턴형상으로 인한 이상여부를 쉽게 확인할 수 있고, 신속하게 대응할 수 있어, 발열에 의한 화제 발생이 사전에 감지하여 차단할 수 있다.
또한, 상기 직선패턴(21)은 상기 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부와 나란한 방향으로 형성될 수 있는 것으로, 하나의 직선패턴에 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부를 포함하는 것이 보통이다. 이 때, 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부 사이와의 간격에 의해 상기 직선패턴의 폭을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 직선패턴(21)의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있는바, 병렬패턴에서 상기 직선패턴의 폭 범위를 유지함으로써 발열부의 면적을 용이하게 확보할 수 있고, 패턴형상에 따른 발열부 면적을 쉽게 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 패턴형상이 병렬패턴인 발열층을 포함하는 면상발열체의 전극층에 약 24볼트 이하의 전압인가시, 면저항이 약100Ω/□미만인 경우 상기 발열층이 도체가 되어 과도한 전류흐름으로 인해 일정하고 균일한 열이 발생하지 않을 수 있고, 면저항이 약10,000Ω/□을 초과하는 경우 상기 발열층은 전류가 원활히 흐르지 않는 유전체가 될 수 있다.
상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그패턴으로 연결된 패턴일 수 있다. 구체적으로, 일정면적을 가지는 지그재그패턴이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부를 하나의 패턴으로 연결할 수 있다.
상기 발열층(20)이 포함하는 패턴형상이 상기 지그재그패턴인 경우, 두께 및 폭이 일정한 하나의 직사각형 판이 지그재그패턴을 형성할 수 있고, 상기 전극층(30)에 전압인가시 발열층에 전달되는 전류흐름이 보다 빨라져 면상발열체 발열온도, 즉 이로인해 가열되는 배터리 셀의 표면온도를 신속하게 상승하게 할 수 있다.
상기 지그재그 패턴(22)이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해서 수평하는 방향인 경우(도4), 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부에 대해서는 수직하는 방향으로 형성되며, 상기 지그재그패턴(22)이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해서 수직하는 방향인 경우(미도시), 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부에 대해서는 수평하는 방향으로 형성될 수 있다.
후자의 경우 상기 지그재그 패턴 중 하나의 가로 패턴에 상기 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부를 포함할 수 있고, 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부와의 간격에 따라 상기 지그재그 패턴의 폭을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 지그재그 패턴(22)의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있는바, 상기 지그재그 패턴이 상기 범위의 폭를 유지함으로써 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부와의 접촉면적을 확보함으로써 전압에 전류가 흐를 수 있고, 국부적인 가열을 방지함으로써 직렬패턴에 의한 발열면적을 용이하게 구현할 수 있다.
예를 들어, 상기 패턴형상이 지그재그 패턴인 발열층을 포함하는 면상발명체의 전극층에 약 24볼트 이하의 전압인가시, 면저항이 약 100Ω/□미만인 경우 상기 발열층이 도체가 되어 과도한 전류흐름으로 인해 일정하고 균일한 열이 발생하지 않을 수 있고, 면저항이 약 10,000Ω/□을 초과하는 경우 상기 발열층은 전류가 원활히 흐르지 않는 유전체가 될 수 있다.
상기 격자패턴은 상기 병렬 패턴과 상기 직렬 패턴을 혼합하여 형성된 혼합 패턴으로, 벌집구조를 일컫는바, 가장 이상적인 배터리 발열 패턴으로 직선 패턴과 지그재그 패턴을 동시에 접목시킨 패턴구조로써 면상발열체의 안정성과 온도 균일성 측면에서는 가장 그 효과가 뛰어나다.
상기 발열부가 포함하는 패턴형상 및 상기 발열부 면적에 따라 상기 면상발열체의 표면온도, 발열량 등을 추정할 수 있다. 예를 들어, 패턴형상이 병렬패턴이고 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 50%인 경우 직선패턴의 개수를 결정할 수 있고, 상기 직선패턴의 폭 및 직선패턴 간의 거리를 결정할 수 있다. 또한, 이 경우 상기 발열층 상에 형성된 전극층에 24볼트 이하의 전압인가시 면상발열체의 표면온도 및 발열량을 측정할 수 있다.
상기 면상발열체는 자동차 배터리 모듈용 면상발열체일 수 있다. 태양광 발전 배터리 모듈용 면상발열체일 수 있으나, 자동차 배터리의 겨울철 표면온도를 일정수준으로 높일 수 있다는 면에서 자동차 배터리에 적용됨이 바람직하며, 구체적으로는 전기 자동차 배터리 모듈용 면상발열체일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실험예1 > - CNT 함량에 따른 발열층의 면저항력
제조예1
양면에 Copet프라이머 처리된 100㎛ 두께의 PET 기재필름에 폴리에스테르계 바인더 수지(우즈필사 810P, 분자량 50,000 내지 약 100,000) 100중량부에 대해서 카본나노튜브(CNT) 10중량부, 분산제(BYK사, BYK-9075) 10중량부, 소포제(BASF사, EFKA 2023) 3.2중량부, 레벨링제(BYK사, BYK-354) 3.2중량부 및 커플링제(JUNSEI사, GPTMS) 10중량부를 포함하는 발열층을 제조하였다.
제조예 2 및 제조예 3
상기 발열층이 포함하는 카본나노튜브(CNT), 분산제, 소포제, 레벨링제, 커필링제의 함유 함량을 다르게 한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 발열층을 제조하였다.
제조예 4 및 제조예 5
상기 발열층이 포함하는 카본나노튜브(CNT), 분산제, 소포제, 레벨링제, 커필링제의 함유 함량을 다르게 하고, 제조예 4는 용제로 중비점 용제인 ECA, 제조예 5는 고비점 용제인 a-Terpineol을 더 포함한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 발열층을 제조하였다.
CNT 첨가제 용제
분산제 소포제 레벨링제 커플링제 ECA a-terpineol
제조예1 10 10 3.2 3.2 10 - -
제조예2 20 20 6 6 20 - -
제조예3 30 30 9.2 9.2 30 - -
제조예4 40 40 12 12 40 14 14
제조예5 80 80 24 24 80 29 29
상기 제조예1 내지 5의 발열층의 면저항을 면저항 측정기(Mitsubishi사, Loresta-GP)를 통해 측정하였는바, 인가전압에 관계없이 절대값의 면저항값을 얻을 수 있고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
발열층 두께(㎛) 면저항(Ω/□)
제조예1 5.4 20,390
제조예2 5.5 1,098
제조예3 5.2 692
제조예4 5.2 332
제조예5 5.3 180
상기 실험결과에 의하여 제조예 1 내지 5의 면저항은 CNT함량에 따라 약 100Ω/□ 내지 약 20,000Ω/□으로 다양하게 측정되었는바, CNT 함량에 따라 발열층의 면저항을 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
< 실험예2 > - 저전압에서의 면저항에 따른 발열량
실시예1
양면 코폴리에틸렌 테레프탈레이트(COPET)로 프라이머 처리된 100㎛ 두께의 PET 기재필름에 폴리에스테르계 바인더 수지(우즈필사 810P, 분자량 약 50,000 내지 약 100,000) 100중량부에 대해서 카본나노뷰트(CNT) 24중량부, 분산제(BYK사, BYK-9075) 24중량부, 소포제(BASF사, EFKA 2023) 7.2중량부, 레벨링제(BYK사, BYK-354) 7.2중량부 및 커플링제(JUNSEI사, GPTMS) 24중량부를 포함하는 발열층을 10cmX10cm(가로X세로)로 코팅하여 건조하였다. Ag로 형성된 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부를 포함하는 전극층을 스크린 프린팅하여 면상 발열체를 제조하였다.
이 때, 상기 발열층은 상기 (+) 메인 전극부 및 상기 (-) 메인 전극부를 폭이 10mm인 하나이상의 직선패턴으로 연결하는 발열부를 포함하였고, 상기 직선패턴에 의한 발열부 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 50%를 차지하였다.
실시예 2 내지 실시예 11
상기 발열층이 포함하는 카본나노튜브(CNT), 분산제, 소포제, 레벨링제, 커필링제의 함유 함량을 다르게 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 면상발열체를 제조하였다.
CNT 첨가제
분산제 소포제 레벨링제 커플링제
실시예1 24 24 7.2 7.2 24
실시예2 21 21 6.3 6.3 21
실시예3 18 18 5.4 5.4 18
실시예4 18 18 5.4 5.4 18
실시예5 15 15 4.5 4.5 15
실시예6 14 14 4.2 4.2 14
실시예7 13 13 3.9 3.9 13
실시예8 5 5 1.6 1.6 5
실시예9 9 10 3.2 3.2 10
실시예10 80 80 24 24 80
실시예11 100 100 32 32 100
상기 실시예 1 내지 11에 기재된 면상발열체의 전극층에 24볼트의 전압을 가하여 LORESTA-GP/MCP-T610으로 면저항을 측정하였고 그 결과를 하기 표 4 및 표 5에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
발열층 두께(㎛) 5.1 5.0 4.9 5.5 4.8 5.4 5.0
면저항(Ω/□) 710 997 1,640 1,834 3,281 5,216 5,900
저항(Ω) 9.5 13.1 15.6 17.5 41.2 45.5 47.4
전압(V) 24 24 24 24 24 24 24
전류(A) 2.52 1.83 1.54 1.37 0.58 0.52 0.51
면상발열체
표면온도(℃)		 77.9 73.1 62.9 57.3 54.2 45.8 42.7
발열량(W) 60.5 43.9 36.9 32.9 13.9 12.5 12.2
면상발열체를 적용한 배터리의 표면온도(℃) 52 49 38 33 29 20 20
면상발열체 적용한 배터리의 내부 전해질 온도(℃) 30 27 16 11 7 -2 -5
실시예8 실시예9 실시예10 실시예11
발열층 두께(㎛) 5.2 5.0 4.9 4.9
면저항(Ω/□) 112,300 20,390 180 -
저항(Ω) 621 101 0.9 -
전압(V) 24 24 24 24
전류(A) 0.03 0.24 26.7 -
면상발열체
표면온도(℃ )		 25 30.4 Burn -
발열량(W) 0.7 5.8 640.8 -
면상발열체를 적용한 배터리의 표면온도(℃) -2.0 4.8 - -
면상발열체 적용한 배터리의 내부 전해질 온도(℃) -23.0 -15.2 - -
상기 표 4의 실험결과를 참고하면, 실시예 1 내지 7의 면상발열체가 포함하는 발열층은 폴리에스테르계 바인더 수지 100중량부에 대해서 CNT를 10중량부 내지 60중량부를 포함하여 형성되었는바, 전극층에 24볼트의 전압인가시 실시예 1 내지 7의 면상발열체 면저항은 약 700Ω/□ 내지 약 6000Ω/□, 면상발열체의 표면온도는 약 40℃ 내지 약 80℃임을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 7의 경우 모두 100cm2 면적당 발열량 또한 약 10W 내지 약 60W를 확보하여 면상발열체로써의 효과를 용이하게 구현할 수 있음을 확인하였다.
또한, 상기 면상발열체를 KOKAM Li-ion polymer 배터리 셀 표면에 부착하여 -30℃, 50%인 항온항습기 안에 넣은 후, 2시간 후 전극층에 24볼트의 전압인가시 면상발열체의 발열에 의한 배터리 셀의 표면 온도를 측정한 결과 1시간 이후, 배터리 셀의 표면온도가 약 20℃ 내지 약 80℃임을 알 수 있었고, 상기 면상발열체의 발열에 의한 배터리 내부의 전해질 온도는 약 -10℃ 내지 약 30℃임을 확인하였다.
상기 표 5를 참고하면, 실시예 8 내지 11의 면상발열체가 포함하는 발열층은 폴리에스테르계 바인더 수지 100중량부에 대해서 CNT를 10중량부 미만, 60중량부 초과하여 포함하였는바, 면상발열체의 표면온도가 약 30℃이하로 떨어지고, 전술한 항온항습기 조건에서 면상발열체를 적용한 배터리의 표면온도 및 내부 전해질 온도가 실시예 1 내지 7에 비해 많이 떨어져 배터리가 원활하 작동하지 못하는 문제점이 발생했다. 특히 실시예 10의 경우 전극층에 24볼트의 전압인가시 발열층의 온도가 180℃이상으로 상승하여 기재필름이 변형하면서 면상발열체가 망가져, 면상발열체의 표면온도 측정에 어려움이 있었다.
10: 기재필름
20: 발열층
30: 전극층

Claims (18)

  1. 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조를 갖는 면상발열체이고,
    상기 발열층은 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하고,
    상기 발열층은 상기 폴리에스테르계 바인더 수지 100 중량부에 대하여 열전도성 유기물질로서 탄소나노튜브 10 중량부 내지 60 중량부, 및 분산제 10 중량부 내지 30 중량부를 더 포함하고,
    상기 전극층에 24볼트의 전압 인가시 면상발열체의 면저항이 700Ω/□ 내지 6000Ω/□이고, 표면 온도가 40℃ 내지 80℃인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층은 상기 열전도성 유기물질로서 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층은 상기 열전도성 유기물질 및 상기 폴리에스테르계 바인더 수지 외에 소포제, 레벨링제, 커플링제 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층의 두께는 4㎛ 내지 9㎛인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부를 서로 이격된 형태로 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 (+) 메인 전극부, 상기 (-) 메인 전극부가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부 및 (-) 서브 전극부를 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층에 24볼트의 전압인가시 100cm2의 면적당 면상발열체의 발열량이 10W 내지 60W인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하고,
    상기 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 20% 내지 80%인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 30℃ 내지 50℃ 상승한 면적을 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 발열부의 패턴형상은 병렬 패턴, 직렬 패턴 및 격자 패턴 중 선택된 어느 하나를 포함하는
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상 발열체.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 병렬 패턴은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴으로 연결된 패턴인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 직선패턴의 폭은 5mm 내지 15mm인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 직렬패턴은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그 패턴으로 연결된 패턴인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 지그재그 패턴의 폭은 5mm 내지 15mm인
    전기 자동차의 배터리 모듈용 면상발열체.
  18. 삭제
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