KR101976811B1 - 극가변 구조체 및 그러한 극가변 구조체로 이루어진 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고, 상기 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되며, 상기 기본 단위셀 사이에는 상기 기본 단위셀을 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가지며, 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 단위셀의 상대 위치가 변화하여 활성화되는 내재된 형태를 가지는 기본 변위단위체를 포함하는 극가변 구조체에 관한 것이다(여기서, m은 4 또는 6의 정수임). 또한, 본 발명은 이러한 극가변 구조체로 이루어진 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

극가변 구조체 및 그러한 극가변 구조체로 이루어진 리튬 이차전지 {EXTREMELY DEFORMABLE STRUCTURE AND LITHIUM SECONDARY BATTERY MADE THEREFROM}
본 발명은 계층 구조를 이용하여 내재된 형태를 갖는 극가변 구조체 및 그러한 극가변 구조체로 이루어진 리튬 이차전지에 관한 것이다.
대부분의 재료는 그 재료가 가진 속성과 기능에 최적화된 고유의 형태를 가진다. 하지만, 일부 소재들은 특정 자극에 의해 일부 기능을 상실하기도 하고, 외형이 변하기도 한다.
외력이나 온도와 같은 특정 외부 자극에 의해 소재의 구조적 및 형태적 특성이 변화하게 되면, 기존의 기계적인 관점에서는 구조가 불안정한 것으로 판단하여 일종의 고장으로 취급하게 된다.
이와 달리, 형상기억합금과 같은 소재는, 힘을 가해서 형상을 변화시키더라도, 본래의 형상을 기억하고 있어서, 특정 온도 이상이 되도록 열을 가하면 본래의 형상으로 복원하는 특성이 있다. 구체적으로, 일정 온도 이상이라는 조건을 만족하면, 소재 자체가 가지고 있는 내재적인 결정의 배열이 변화하면서 소재 자체의 형상이 변화하는 특성을 구비한다. 기계적인 관점에서, 이러한 형상기억합금은 특정 환경에서는 정형화된 형상을 유지하지 못하는 불안정한 재료로 평가될 수 있다. 그렇지만, 이러한 특성을 활용하면 인공 장기나 정형외과용 접골판과 같은 의료기기나 화재경보기 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.
줄기세포는 여러 종류의 신체 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 미분화 세포이다. 그리고, 줄기 세포는 일정한 조건이 맞춰지면 인체 내의 어떠한 장기로도 자라날 수 있는 소위 전능성이라는 특성이 있다.
한편, 컴퓨터, 휴대전화, 텔레비전과 같은 다양한 전자기기들이 발전을 거듭하면서, 디스플레이 소자나 에너지 소자와 같은 전자제품에 사용되는 소자들이 고성능화, 박막화 되고 있다. 또한, 최근에는 단지 얇고 고성능을 가지는 소자들을 제조하는데 그치지 않고, 연성, 유연성, 스트레쳐블, 구김성과 같이 기존의 소재들로는 구현하기 힘들었던 특성들까지 구현하고자 하는 시도가 계속 이루어지고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 연성, 유연성, 스트레쳐블 및 구김성 등과 같이 외부의 자극에 의해 외형 및 구조가 2차원 및 3차원적으로 자유로이 변화할 수 있는 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 위와 같이 외부 자극에 의해 외형 및 구조가 3차원적으로 자유로이 변화할 수 있는 구조체로 제조되는 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서, "극가변 구조"라는 용어는 "형태변환구조"라는 용어와 혼용되어 사용될 수 있으며, 또한 "2차원 및 3차원적으로 극단적으로 변형 가능한 구조"라는 의미로 사용될 수 있다. 또한, 상기 “극가변 구조”의 일 특징으로, 극단적으로 구겨지기 전과 후의 작동 성능이 동일하게 유지되며, 최초 상태로의 복귀가 자유롭다는 것을 의미하기 위해 "가역적-구김성(reversibly wrinkable)"이라는 용어도 사용될 수 있다.
이하에서, 특별한 언급이 없는 한, 단위셀들 사이의 거리가 멀어져서 내재되어 있던 형태를 가지게 된 경우를 활성 상태로, 단위셀들 사이의 거리가 최소인 경우를 잠재 상태로 기술한다.
또한, 본 발명에서 특별한 언급이 없으면, 소위 변위 또는 변형은 구조의 2차원적 형태의 변화뿐만 아니라, 3차원적 형태의 변화도 포함하는 것이다.
이하에서, 계층구조에서 같은 차원을 구성하는 구성요소들(분리구조, 단위셀, 변위단위체 등)임을 나타내기 위해, 기본, (1)차 내지 (n)차와 같은 용어를 함께 사용하였다. 또한, 각각 서로 다른 차원의 구성요소들을 모두 통칭하거나, 구성요소의 일반적인 특징을 설명하는 경우에는 각 구성요소들의 명칭만으로 호칭하였다.
또한, 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "전지단위체" 또는 "부분단위체"라는 용어는 기재의 편의상 명세서에 기재된 리튬 이차전지의 특정 구성요소들을 개념적으로 아우르려는 의미로 사용된 것이지, 리튬 이차전지가 작동됨에 있어서의 단위체와는 무관한 것으로 이해되어야 한다.
이하에서, 본 발명에 대해 좀 더 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 극가변 구조체는, 다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고, 상기 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되며, 상기 기본 단위셀 사이에는 상기 기본 단위셀을 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가지며, 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 단위셀의 상대 위치가 변화하여 활성화되는 내재된 형태를 가지는 기본 변위단위체를 포함할 수 있다(여기서, m은 4 또는 6의 정수임).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극가변 구조체가 잠재 상태에서 활성 상태로 변화하는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극가변 구조체에 포함되는 기본 변위단위체가 4각형의 외형을 가지며 m=4인 경우를 예로 들어 각 부분의 명칭을 설명한 개념도이다.
도 1 및 도 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 극가변 구조체는 기본 변위단위체로 이루어져 있다. 상기 기본 변위단위체는 다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고 있으며, 이들 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되어 있다.
분리되어 있는 이웃하는 기본 단위셀들은 접합부에 의해 연결되어 있다. 상기 접합부는 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부로 이루어지며, 이들 외곽접합부 및 내부접합부가 순차로 반복되어 접합부 패턴을 형성한다.
도 1로부터 명확하게 알 수 있듯이, 접합부 패턴을 구성하는 접합부를 중심으로 서로 연결되어 있는 기본 단위셀들이 서로 멀어지거나 가까워지는 회전 이동, 그리고 단위셀들 각각의 회전 이동에서 유래되는 다수의 단위셀들 사이의 상대적 위치 이동에 의하여, 기본 변위단위체의 구조 및 전체적인 외형이 변화하게 된다.
논의의 편의를 위해, 도 1에는 2차원적으로 변화하는 양상만 도시하였지만, 접합부가 3차원적으로 회전 이동이 가능하게 구성될 수도 있다. 그러한 경우, 극가변 구조체는 소위 가역적 구김성을 구비하게 된다.
도 1에서 위쪽 도면은 4각형의 기본 단위셀 4개로 이루어진 기본 변위단위체를, 아래쪽 도면은 3각형의 기본 단위셀 6개로 이루어진 기본 변위단위체를 예시하고 있다.
4각형인 변위단위체는 내부의 4개의 분리부들과 각각의 분리부들의 일 말단에 형성된 접합부들을 포함하는 4개의 단위셀을 포함한다. 좌측 상단의 단위셀부터 시계방향 순으로 순차로 단위셀1 내지 단위셀4로 칭하고, 상기 단위셀1과 단위셀2 사이에 위치하는 분리부를 분리부1이라 칭한다. 한편, 상기 분리부1과 변위단위체의 외곽선이 만나는 부분에 형성되어 있는 접합부인 접합부1은 외곽접합부의 형태를 가진다. 반면, 분리부2(단위셀2와 단위셀3의 사이에 위치)는 변위단위체의 외곽선과 접하지 않는 변위단위체의 내부에 위치하므로, 내부접합부의 형태를 가진다.
상기 접합부1 내지 접합부4는 외곽접합부와 내부접합부 중에서 어느 하나의 접합부 형태를 가지되, 순차로 외곽접합부와 내부접합부가 반복되도록 구성된다. 이는, 변위단위체가 활성 상태로 변화되는 과정에서 단위셀들의 회전 및 이동시킬 수 있는 조건으로, 서로 이웃하는 두 개의 접합부(하나의 단위셀에 동시에 접하는 동일 차원의 접합부)가 동일한 외각접합부 또는 내부접합부의 형태를 가지지 않는다는 것을 의미한다.
도 1에서 화살표로 표시된 방향으로 힘이 가해지면, 상기 단위셀들은 각각의 단위셀 내부에 표시된 화살표 방향으로 회전하면서 단위셀들이 서로 멀어지는 회전 운동을 하게 된다. 이러한 회전 운동에 의해, 단위셀들 사이에는 빈 공간이 형성되고, 그러면서 변위단위체 전체의 외형 및/또는 크기가 변화하게 된다.
예시적으로, 도 1의 하단에 그려진 6각형의 외형을 가진 변위단위체를 기준으로 변위단위체의 기본적인 구조와 활성상태로 변할 때 나타나는 변화를 설명한다.
6각형의 변위단위체는 6개의 이웃하는 단위셀과, 내부에 6개의 분리부들, 및 각각의 분리부들의 일 말단에 형성된 집합부들을 포함한다. 이웃하는 단위셀들을 연결하는 접합부들은 순차로 외곽접합부와 내부접합부가 번갈아 형성되어 하나의 단위셀에 접하는 두 개의 접합부가 서로 다른 접합부 형태를 가진다. 도 1에서 화살표 방향으로 힘이 상기 6각형의 변위단위체에 가해지면 각 단위셀들은 단위셀 내에 표시된 화살표 방향으로 회전 운동하면서 활성 상태로 변화하고, 각 단위셀들이 최대한 멀어지도록 하면, 단위구조체에는 단위셀들로 둘러싸인 빈 공간이 형성되고, 최종적으로 도 1에 도시된 형태중 가장 오른쪽의 형태로 변경된다.
한편, 본 발명의 극가변 구조체는 (1)차 변위단위체 내지 (n)차 변위단위체로 구성되는 n차 계층구조로 이루어질 수 있다(여기서, n은 2 이상의 정수임).
계층구조라 함은, 단위셀과 접합부 패턴을 포함하는 변위단위체가 반복하여 부가되어 구성되는 구조를 의미한다. 이렇게 극가변 구조체가 차원을 달리하여 계층적으로 형성되면, 예를 들어 도 4 내지 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 잠재 상태에서는 마치 극가변 구조체의 표면에 일정한 패턴이 형성되어 있는 타일 패턴으로 보이게 된다.
한편, 본 명세서 전반에서는 단위셀과 접합부 패턴을 포함하는 변위단위체가 반복하여 부가되어 계층 구조를 형성하는 방식으로 기재하였지만, 극가변 구조체가 기본 접합부 패턴과 기본 단위셀 구조를 포함하는 기본 변위단위체, 그리고 상기 기본 변위단위체의 내부에 각각 형성되며 상위 접합부패턴을 가지도록 형성된 상위 접합부 패턴과 상위 단위셀 구조를 포함하는 상위 변위단위체를 포함하는, 소위 탑-다운 방식의 계층 구조를 가질 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 갖는 소재의 (1)차 접합부 패턴이 알파형이고, 그 (1)차 변위단위체에 접합부 패턴이 알파형인 (2)차 변위단위체가 부가되어 있는 극가변 구조체(좌측)와, (1)차 접합부 패턴이 베타형인 (1)차 변위단위체에 접합부 패턴이 알파형인 (2)차 변위단위체가 부가되어 있는 극가변 구조체(우측);인 2차 계층구조를 가진 극가변 구조체의 접합부 패턴을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참고하면, (1)차 접합부 패턴과 (2)차 접합부 패턴에 포함된 접합부들의 상대적인 형태 차이에 의하여 2차 이상의 계층구조를 가지는 극가변 구조가 가지는 접합부 패턴의 전체적인 형태가 달라질 수 있다는 점을 알 수 있다.
도 1에서와 같이 계층구조가 형성되지 않은 변위단위체의 경우에는 외곽접합부와 내부접합부의 상대적인 위치에 의하여 내재된 형태의 차이가 나타나지 않지만, 2차 이상의 계층구조를 갖는 극가변 구조의 경우에는, 각 차수의 변위단위체에 포함되어 있는 서로 대응되는 위치의 접합부들이, 각각 동일한 접합부 형태를 가지는 것인지 서로 다른 접합부 형태를 가지는 것인지가 구별되며, 이에 따라 활성 상태에서의 극가변 구조의 형태도 달라지게 된다.
예를 들어, m개의 (2)차 단위셀들을 서로 연결하는 (2)차 접합부1 내지 (2)차 접합부m가 m개의 (1)차 단위셀들을 서로 연결하는 (1)차 접합부1 내지 (1)차 접합부m와 대응되는 위치에 동일한 방향으로 외곽접합부와 내부접합부가 각각 위치하는 접합부 형태를 가지는 경우에, (1)차 접합부 패턴과 (2)차 접합부 패턴 모두 알파형 접합부 패턴을 가지는 것이고; 서로 다른 접합부 형태를 가지는 경우에는, (1)차 접합부 패턴은 알파형 접합부 패턴을 (2)차 접합부 패턴은 베타형 접합부 패턴을 가지는 것이다.
구체적으로, (1)차 변위단위체와 (2)차 변위단위체에 각각 포함된 접합부 패턴이 각각 동일한 경우와 서로 다른 경우가 서로 구별되고, 2차 이상의 계층구조를 가지는 극가변 구조는, 각각의 차수에 포함된 접합부 형태가 (1)차 분리구조의 접합부 형태와 동일한지, 서로 다른 지에 따라서 적어도 2 종류 이상의 접합부 패턴으로 분류될 수 있으며, 도 3의 좌측과 같이 알파-알파형, 우측과 같이 베타-알파형의 접합부 형태를 가질 수 있다.
이러한 접합부 형태는 극가변 구조가 고차의 계층구조를 가질수록 더 다양한 종류의 접합부 형태를 가질 수 있고, 계층구조의 수와 접합부 형태의 종류에 변화를 주면 내재된 형태(활성상태에서의 외형)를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체에서, 상기 (1)차 변위단위체는 m개의 기본 변위단위체를 포함하되, 상기 m개의 기본 변위단위체 사이에는 m개의 분리부가 형성되며, 상기 기본 변위단위체 사이에는 상기 기본 변위단위체를 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 변위단위체의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 (1)차 접합부 패턴을 가지며, 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 변위단위체의 상대 위치가 변화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체는, 상기 (n)차 변위단위체는 m개의 (n-1)차 변위단위체를 포함하되, 상기 m개의 (n-1)차 변위단위체 사이에는 m개의 분리부가 형성되며, 상기 (n-1)차 변위단위체 사이에는 상기 (n-1)차 변위단위체를 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 (n-1)차 변위단위체의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 (n)차 접합부 패턴을 가지며, 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 (n-1)차 변위단위체의 상대 위치가 변화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체에서, 상기 변위단위체의 접합부 패턴 각각은 접합부1 내지 접합부m을 가지며, 이들 접합부1 내지 접합부m 각각은 외곽접합부 및 내부접합부에서 선택된 접합부 형태를 가지되, 서로 이웃하는 접합부는 서로 다른 접합부 형태를 가지는 알파형과, 상기 알파형과 반대되는 형태의 접합부 형태를 가지는 베타형을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체는, 상기 (1)차 내지 (n)차 변위단위체에 있어서, 알파형 접합부 패턴과 베타형 접합부 패턴이 순차적으로 교대로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 갖는 극가변 구조가 4차 계층구조를 가지는 경우를 나타낸다. 도 4에서 위쪽 도면은 1차 내지 4차의 계층구조가 모두 알파형 분리구조를 가진 경우이고, 아래쪽 도면은 1차 내지 4차의 계층구조가 순차로 번갈아 베타형과 알파형을 가지는 것을 나타낸 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠재형태를 갖는 소재가 4차 계층구조를 가지는 경우에 스트렛칭에 의해 잠재 상태에서 활성 상태로 변하는 과정을 나타내는 것이다.
도 4에 도시되어 있는 극가변 구조가 활성 상태로 변하는 과정을 참고하면, 1차 내지 4차의 변위단위체에서 각 차원이 모두 알파형 접합부 패턴을 가지는 경우(위)와 각각 베타-알파-베타-알파형의 접합부 패턴을 가지는 경우(아래)는 최종적으로 활성화된 상태에서 구조 및 형태가 서로 다르다는 것을 명확하게 알 수 있다.
즉, 계층구조의 차수와 각 차수의 접합부 패턴을 변경하게 되면, 잠재 상태에서는 동일한 외관을 가지더라도 활성 상태에서는 서로 다른 형태를 가지게 할 수 있음을 알 수 있다.
위에서는 극가변 구조에 포함된 동일한 차수의 단위셀들은 그 내부의 구조가 동일한 것을 예를 들어서 설명했으나, 필요에 따라서는 동일한 차수의 단위셀들이라고 하더라도 서로 다른 패턴을 가지거나 일부 단위셀들은 분리구조를 포함하지 않을 수도 있다. 그리고, 이러한 변형으로 인하여 잠재 상태에서의 외관은 거의 동일하더라도 활성 상태에서의 형태가 달라질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 가지는 극가변 구조가 3차 계층구조를 가지는 경우를 나타낸다. 도 6의 위쪽 도면과 아래쪽 도면은 1차 단위셀들 중에서 우측 상단의 단위셀과 나머지 1차 단위셀들의 각 차수별 분리구조의 종류를 조절하여 3차 계층구조를 가진 소재가 활성 상태일 경우의 형태와 면적을 조절한 예이다.
상기 예들은 1차 접합부패턴, 2차 접합부패턴 및 3차 접합부패턴 모두가 알파형 접합부패턴을 가지는 3차 단위셀과, 2차 접합부패턴에서 각각 알파형 접합부패턴과 베타형 접합부패턴이 혼용된 분리구조를 가지는 3차 단위셀들이 함께 있는 예(위의 예), 또는 내부에 추가적인 분리구조를 포함하지 않는 0차 단위셀부터 알파형 접합부패턴과 베타형 접합부패턴이 순차로 나타나는 3차 단위셀들이 함께 있는 예(아래의 예)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 설계된 내재된 형태를 갖는 극가변 구조체의 일 예로, 상단, 중단 및 하단의 3가지 예는 각각의 계층구조의 차수와 각 차수의 분리구조가 어떠한 형을 가지는지에 따라서 잠재 상태에서는 서로 유사한 외형을 가지나 활성상태는 서로 다른 형태와 면적을 가지는지를 보여주는 도면이다.
즉, 극가변 구조의 차수와 각각의 단위셀 내부에 상위 차원의 변위단위체를 형성할지 여부, 그리고 각각의 차수의 극가변 구조 내부에 형성하는 접합부 패턴의 종류에 따라서 다양한 형태와 면적(단위셀들 사이의 면적을 포함)를 내재한 극가변 구조를 제공할 있다. 또한, 이렇게 극가변 구조에 내재된 형태는 가역적으로 발현될 수 있으며, 일정한 자극에 의하여 잠재 상태가 발현되거나 반대로 일정한 자극에 의하여 활성 생태가 발현되도록 하여 가역적으로 변화하는 형태를 가지는 구조체를 제공할 수 있다.
이하에서는, 상기 극가변 구조체의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 극가변 구조체는 다양한 물질이 단독 또는 혼용되어 포함될 수 있다. 극가변 구조체에 사용되는 소재 자체를, 실리콘 고무 등과 같이 접합부에 가해지는 회전 모멘텀에도 파괴되지 않는 파괴저항성을 가지는 소재를 적용한다면 극가변 구조체 전체가 동일한 물질로 제조될 수 있다.
한편, 파괴저항성이 없는 강직한 소재를 사용하는 경우에는, 힌지 구조와 같이 기구적 연결수단을 접합부에 적용하여 단위셀들이 연결되는 구조를 가질 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체에서, 상기 단위셀과 접합부는 실리콘고무, 폴리에스테르수지, 하이드로젤, 전이금속, 탄소섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 극가변 구조체에서, 기본 변위단위체의 접합부는 3차원적 회전 이동이 가능한 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 접합부는 3차원적으로 회전 이동이 가능한 힌지 구조일 수 있다.
상기 극가변 구조체는, 미리 특정한 계층구조를 가지도록 설계된 후에 3D 프린터로 제조될 수 있다. 이와 달리, 3D 프린터 등을 이용하여 미리 특정한 계층구조를 가지는 극가변 구조의 몰드를 제조하고, 이 몰드를 이용하여 고분자 수지 등을 몰딩하여 성형할 수도 있다.
또한, 미리 특정된 크기와 구조를 가지는 단위셀들을 힌지 구조 등을 가진 접합부와 조립하는 형식으로도 제조될 수 있다.
이러한 방식으로 제조되는 극가변 구조체는, 가역적-구김성, 스트레쳐블 특성, 플렉서블 특성 또는 이들을 조합한 특성 등을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 단위체; 및 상기 제1 단위체를 봉지하는 봉지재를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 여기서, 제1 단위체는, 양극활물질과 양극집전체를 포함하는 양극, 음극활물질과 음극집전체를 포함하며, 상기 양극에 대향되도록 위치되는 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함할 수 있다.
상기 봉지재는 단위셀, 서로 이웃하는 상기 단위셀들을 외곽 또는 내부에서 연결하는 접합부 및 상기 단위셀을 연결하는 접합부 패턴을 포함하는 전술한 바와 같은 극가변 구조체로 이루어진다.
상기 봉지재는 탄성을 가지는 물질이라면 특별한 제한 없이 적용할 수 있다. 예를 들면, 봉지재로서 실리콘고무, 폴리에스테르수지, 하이드로젤, 전이금속, 탄소섬유 또는 이들을 조합한 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 극가변 구조가 주형의 역할을 하는 봉지재에 적용될 경우, 전체적인 장치는 극가변 구조에 의해 단위셀들이 회전하면서 변형이 이루어지므로 제1 단위체가 변형에 대응하여 특별하게 제작되지 않은 일반 파우치 형태의 리튬 이온전지 모두가 적용이 가능하다.
또한, 본 발명은 양극활물질, 상기 양극활물질과 대향하도록 위치하는 음극활물질, 상기 양극활물질과 상기 음극활물질 사이에 구비되는 분리막, 상기 양극활물질과 음극활물질 각각의 외측에 구비되는 양극집전체 및 음극집전체를 포함하되, 상기 양극활물질 및 음극활물질은 전술한 바와 같은 극가변 구조체로 이루어진 리튬 이차전지에 관한 것이다.
상기 양극활물질 및 음극활물질은 탄성을 갖지 않아도 일정 두께 이하로 도포된다면 특별한 제한 없이 적용이 가능하다. 예컨대 양극활물질로는 가역적 비용량이 우수한 LiCoO2, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, LiMn1 /3Co1 /3Ni1 /3O2 등이 사용될 수 있다. 음극활물질로는 흑연을 사용할 수 있다.
상기 극가변 구조체가 직접 양극 및 음극활물질에 적용될 경우, 전체 장치 부피 내 용량에 기여하는 활물질의 충진률을 향상시킬 수 있으며, 봉지재 한 겹에 의해 밀봉되므로, 극가변 구조체가 주형의 역할을 하는 봉지재에 적용되었을 경우에 비하여 전체 장치의 두께를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 리튬 이차전지를 구성함에 있어서, 주형의 역할을 하는 봉지재에 본 발명에 따른 극가변 구조가 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 직접 활물질에 이러한 극가변 구조가 적용될 수 있기 때문에, 수요자의 요구에 적합하도록 적절하게 변형하여 제조할 수 있다. 또한, 극가변 구조체가 포함되고, 극가변 구조체를 갖는 구성품을 제외한 전지를 이루는 나머지의 구성품들이 서로 전기적으로 연결된 상태로 극가변 구조의 단위셀에 조립될 수 있다면, 활물질이나 봉지재가 아닌 다른 구성품에 극가변 구조가 적용될 수도 있다.
이렇게 리튬 이차전지의 봉지재 또는 활물질에 극가변 구조체를 적용하면, 리튬 이차전지에 플랙서블 특성, 스트레쳐블 특성 및 가역적 구김성을 부여할 수 있다. 즉, 극가변 구조의 특성에 의하여 2차원적 및 3차원적으로 자유로이 변형될 수 있는 리튬 이차전지를 제공할 수 있게 된다.
또한, 극가변 구조가 적용된 봉지재 또는 활물질의 단위셀들을 연결하는 연결부의 특성을 조절하여 상기 리튬 이차전지 자체에 플랙서블 특성을 부여할 수도 있다. 나아가, 극가변 구조체에 포함되는 단위셀들의 크기, 계층구조의 차수 등을 조절하면 규칙적인 곡면뿐만 아니라 불규칙적인 외형의 곡면에도 들뜸 없이 밀착될 수 있는 전극을 제조할 수 있어서, 곡면에 밀착된 이차전지를 요하는 분야에 요긴하게 활용될 수 있다.
리튬 이차전지의 봉지재나 활물질에 극가변 구조가 적용되면, 리튬 이차전지가 극단적으로 구겨질 경우에 있어서의 스트레인은 극가변 구조 각각의 단위셀들을 연결하는 접합부들만 받게 되고, 각각의 접합부들이 받는 스트레인은 구겨짐에 의한 스트레인이 아닌 단순한 굽힘(bending)에 의한 스트레인일 수 있으며, 따라서 극가변 구조를 적용하지 않은 경우에 있어서의 구겨짐에 의한 스트레인보다 극가변 구조가 적용된 경우가 그 스트레인이 상당히 적을 수 있다.
또한, 가역적 구김성을 가지는 경우, 넓은 기판으로 사용하였을 때 생기는 공간상의 불리함을 제거할 수 있고, 구 형태로 구긴 상태로 운반 등이 가능하기 때문에 이동상 편의가 있을 수 있다. 또한, 깨지거나, 부러지거나, 휘거나 하는 등의 갑작스러운 외력에 대한 내성이 강해질 수 있다.
한편, 리튬 이차전지를 구성하는 극가변 구조체의 단위셀 간의 전기적 연결은 전선 등을 이용하여 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다. 이와 같이, 직렬 또는 병렬 연결의 조합을 조절함으로써, 리튬 이차전지의 전지 용량 및 작동 전압을 제어할 수 있다.
예컨대, 단위셀 봉지재 내 삽입되는 제1 단위체 전지 하나의 스펙이 3.7V, 5mAh이고 총 16개의 단위셀이 한 층만 적층된 경우, 설정 가능한 전지 용량은 3.7V에서 80mAh 이다. 하지만 경우에 따라서 고전압이 필요하다면 병렬 연결을 통해 제1 단위체의 집합으로 이루어진 제2 단위체를 형성하여, 각 제2 단위체를 직렬 연결하여 승압이 가능하고 상기 16개의 단위셀을 연결하여 설정 가능한 작동 전압 및 용량 구간은 3.7V, 80mAh에서 59.2V, 5mAh 이다. 또한, 하나의 단위셀 봉지재 내 제1단위체를 여러 겹으로 적층하면 용량은 적층 수에 비례하여 무한히 확대가 가능하다.
따라서 상기 극가변 구조를 갖는 봉지재 또는 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 전지 용량 및 작동 전압의 자유로운 설정이 가능하고, 그 디자인도 필요에 따라 다르게 설정할 수 있다. 또한 최근 다른 플렉서블 리튬 이차전지 연구와는 다르게 기존 전극 도포 방식을 그대로 사용함에 따라 우수한 가역적 용량을 쉽게 확보할 수 있어 상용화가 가능하다.
본 발명에 의하면, 연성, 유연성, 스트레쳐블 및 구김성 등과 같이 외부의 자극에 의해 외형 및 구조가 2차적 및 3차원적으로 자유로이 변화할 수 있는 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 리튬 이차전지에 본 발명에 따른 극가변 구조체를 적용함으로써, 전지 용량, 또는 작동 전압 등을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 파괴 저항성, 소형화, 휴대 편의성, 운반 용이성 등과 관련하여 중요 파라미터인 탄성 변형률을 제어할 수 있으므로, 군용 소재, 웨어러블 소재, 플렉서블 제품 등에 전원장치로 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극가변 구조체의 기본 변위단위체가 잠재 상태에서 활성상태로 변화하는 과정을 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극가변 구조체에 포함되는 기본 변위단위체가 4각형의 외형을 가지며 m=4인 경우를 예를 들어서 각 부분의 명칭을 설명한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 갖는 극가변 구조의 (1)차 접합부 패턴이 알파형이고 1차 단위 셀들 중에서 좌측 상단의 단위셀에 해당하고 (2)차 변위단위체로써 역할하는 (2)차 변위단위체 내에 형성된 (2)차 접합부 패턴이 알파형인 극가변 구조(좌측);와 상기 좌측의 예시와 동일하나 (2)차 접합부 패턴이 베타형인 극가변 구조(우측);인 2차 계층 구조를 가진 극가변 구조의 접합부 패턴을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 갖는 극가변 구조가 4차 계층구조를 가지는 경우를 나타내며, 위의 예는 1차 내지 4차의 계층구조가 모두 알파형 접합부 패턴을 가진 경우이고, 아래의 예는 1차 내지 4차의 계층구조가 순차로 베타형과 알파형을 번갈아 가지는 것을 나타낸 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 갖는 극가변 구조가 4차 계층구조를 가지는 경우를 나타내며, 위의 예는 1차 내지 4차의 계층구조가 모두 알파형 접합부 패턴을 가지는 소재이고, 아래의 예는 1차 내지 4차의 계층구조가 순차로 알파형 접합부 패턴과 베타형 접합부 패턴이 반복되어 형성된 소재이며, 이들 각각이 활성상태로 변화하는 형태를 단계적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내재된 형태를 가지는 극가변 구조가 8차 계층구조를 가지는 경우를 나타내며, 위의 예와 아래의 예는 1차 단위셀들 중에서 우측 상단의 단위셀과 나머지 1차 단위셀들의 각 차수별 접합부 패턴의 종류를 조절하여 8차 계층구조를 가진 소재가 활성 상태일 경우의 형태와 면적을 조절한 예이다. 상기 예들은 1차 접합부 패턴, 2차 접합부 패턴, 및 3차 접합부 패턴이 모두 알파형 접합부 패턴을 가지는 3차 단위셀과, 2차 접합부 패턴에서 각각 알파형 접합부 패턴과 베타형 접합부 패턴이 혼용된 접합부 패턴을 가지는 3차 단위셀들이 함께 있는 예(위의 예), 또는 내부에 추가적인 접합부 패턴을 포함하지 않는 0차 단위셀부터 알파형 분리구조와 베타형 접합부 패턴이 순차로 나타나는 3차 단위셀들이 함께 있는 예(아래의 예)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 설계된 내재된 형태를 갖는 극가변 구조의 예시로, 상단, 중단 및 하단의 3가지 예는 각각의 계층구조의 차수와 각 차수의 접합부 패턴이 어떠한 형을 가지는지에 따라서 잠재 상태에서는 서로 유사한 외형을 가지나 활성상태는 서로 다른 형태와 면적을 가지는지를 보여주는 도면이다.
도 8은 실시예 1에서 3D 프린터를 이용하여 제조한 3차 계층구조를 가진 소재를 제조한 예이며, 상기 소재의 접합부 패턴은 1차 내지 3차의 접합부 패턴 모두 알파형 접합부 패턴으로 형성된 샘플의 잠재 상태에서의 실물 사진이다.
도 9는 상기 도 8의 극가변 구조체를 활성 상태로 하여 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 극가변 구조체 전도성을 가지는 집전체를 도포하여 제작된 플렉서블, 스트레쳐블 전극의 전도성을 나타낸 사진들이다.
도 11은 상기 도 10에 따라 제조된 플렉서블, 스트레쳐블 전극을 구형의 야구공 위에 놓았을 때 전도성을 나타낸 사진이다.
도 12의 (a)는 극가변 구조체 형상의 리튬 이차 전지 구현을 위한 회로도이다. (b)는 실제로 파우치 타입의 리튬 이차 전지 64개를 니켈 크롬 도금된 구리선을 이용하여 회로도와 유사하게 직렬, 병렬 연결한 사진이다.
도 13은 극가변 구조를 갖는 리튬 이차 전지의 제작 공정을 나타낸 사진이다.
도 14 내지 도 16은 극가변 구조를 갖는 리튬 이차 전지 내 하나의 기본 단위인 전지 두 개의 셀과 두 셀을 연결시켜주는 접합부의 기계적 특성 평가 결과이다.
도 17 내지 도 19는 도 13에서 완성된 극가변 구조를 갖는 리튬 이차 전지의 기계적 응력에 대한 전기화학적 안정성을 나타내는 사진이다. 사용된 디바이스는 작동 전압 범위 10V ~ 16.8V, 양극 활물질 기준 이론 용량 106.7 mAh을 갖는다.
도 20은 도 13에서 완성된 극가변 구조를 갖는 리튬 이차 전지의 전기 화학적 용량을 평가한 그래프이다. 사용된 디바이스는 작동 전압 범위 5V ~ 8.4V, 양극 활물질 기준 이론 용량 213.3mAh을 갖는다. a의 경우 100회의 충방전 시험 동안 디바이스의 충전/방전 용량 변화 추이와 각 사이클에서 충방전 효율을 나타낸 그래프이다. b의 경우 100회의 충방전 시험 동안 양극 활물질 이론 용량 대비 디바이스의 충전/방전 무게 비용량 변화 추이를 나타낸 그래프이다. c의 경우 100회의 충방전이 진행됨에 따라 변화하는 작동 전압 범위 및 전지 용량을 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 실시예와 관련하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.
실시예 1: 4차 계층구조를 가진 극가변 구조체의 제조
3D 프린팅 방식을 사용하여, 4차 계층구조를 가지는 극가변 구조체를 제조하였다. 3D 프린터로는, Stratasys사의 Objet260 ConnexTM를 사용하였으며, (1)차 내지 (4)차 변위단위체가 각각 알파형, 베타형, 알파형, 베타형 접합부 패턴을 가지는 극가변 구조체를 제조하였다.
도 8은 실시예 1 에서 3D 프린터를 이용하여 제조한 4차 계층구조를 가진 극가변 구조를 가진 소재의 예이다. 상기 소재의 접합부 패턴은 1차 내지 4차의 접합부 패턴이 각각 알파형과 베타형 접합부 패턴이 순차로 형성된 샘플의 잠재 상태에서의 실물 사진이고, 도 9는 상기 도 8의 극가변 구조체를 활성 상태로 하여 촬영한 사진이다.
상기 도 8 및 도 9를 참조하면, 각각의 단위셀들이 외력에 의하여 회전 및 상대 이동하여 잠재되어 있던 도 9의 형태로 변형되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2: 극가변 구조를 가진 전극의 제조
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 3D 프린터를 이용하여, 극가변 구조체를 제조할 수 있는 몰드를 제조하였으며, 상기 몰드를 이용하여 실리콘 고무로 이루어진 극가변 구조체를 몰딩 성형하였다.
본 실시예의 극가변 구조체의 일면에 다음과 같은 공정으로 전기전도성 코팅층을 형성하였다.
단계 1: 탄소나노튜브(한화나노텍 제품)와 이미다졸륨 계열의 이온성 액체를 혼합하여 탄소나노튜브 젤을 하기와 같은 방법으로 제조하였다.
막자 사발에 20mg의 단일벽 탄소 나노튜브를 넣고 1-부틸-3-메틸이미다졸?비스(트리플로로메틸설포닐)이미드를 막자 사발에 20mg 혹은 60mg 넣는다. 이후 막자를 이용하여 약 10분간 충분히 교반하면 젤 형태의 물질이 얻어진다.
단계 2: 제조된 탄소나노튜브 젤을 톨루엔 20ml가 담긴 바이알에 넣고 배스 형태의 소니케이터(bath-type sonicator)를 이용하여 1시간 동안 초음파처리를 시행한다.
단계 3: 상용화되어 있는 실리콘 러버인 신에츠(Shinetsu)사의 KE-441을 단계 2에서 제조된 탄소나노튜브 용액에 용해한다. 이때 실리콘 러버의 함량은 소망하는 탄소 나노튜브의 함량비가 되도록 조절하여 넣는다. 즉, 4wt%의 탄소 나노튜브가 포함된 복합체를 얻기 위해서는 480mg의 KE-441을 넣는다. 다음으로 약 6시간 동안 1500rpm의 속도로 교반한다. 탄소 나노튜브/고분자 혼합액을 에어 스프레이를 이용하여 기판에 코팅시킨다. 코팅 방법은 극가변 구조로 된 기판을 50℃의 핫플레이트에 30분간 두어 충분히 예열시킨 후 그 위에 일정 함량의 혼합액을 스프레이 코팅한다. 코팅된 필름은 50℃ 핫플레이트 위에서 약 1시간 정도 건조시킨 후 진공오븐에서 하루 동안 더 건조시킨다.
단계 4: 제조된 필름의 산 도핑을 시행하기 위해 70℃로 예열된 핫플레이트 위에 5ml의 질산이 담긴 샬레를 놓고 상부를 매우 넓은 비커를 이용하여 덮는다. 약 10분 후 비커 내부에 집게 등을 이용하여 복합체 전극이 코팅된 필름을 걸어 두고 다시 비커를 덮어 약 30분간 필름이 질산 증기에 노출되도록 한다. 산 증기 도핑이 끝난 후 진공 오븐에서 하루 정도 건조시킨다.
이와 같이 제조된 실시예 2의 형태변환 전극의 잠재 상태와 활성 상태에서의 전기전도성을 비교하여 도 10에 나타내었다. 도 10을 참조하면, 잠재 상태 및 활성 상태 모두에서 전기전도성이 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다.
또한 상기 실시예 2의 전극이 곡면에서도 전기전도성을 유지하는지 여부를 실험하여 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11을 참조하면, 시판 야구공을 고정시기고, 구형의 곡면 일면에 상기 형태변환 전극을 위치시키면, 형태변환 전극이 구형의 곡면에 밀착할 수 있는 적절한 단위셀들 사이의 공간을 만들어서 구형의 곡면에 밀착된 형태의 활성 상태를 가지게 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 야구공에 밀착된 상태에서 전구를 이용한 전기전도성 테스트를 한 결과, 도 10과 유사한 밝기로 전구에 불이 들어오는 것을 확인할 수 있었으며, 곡면에 밀착된 활성 상태에서도 형태변환 전극은 전기전도성이 유지된다는 점을 확인할 수 있었다.
실시예 3: 3차 계층구조를 갖는 극가변 구조체의 봉지재를 포함하는 리튬 이차전지의 제조
3차 계층 구조를 갖는 극가변 구조체의 봉지재를 포함하는 리튬 이차전지를 제작하였다. 전통적인 방법으로 제작된 파우치 타입 리튬 이온전지의 적용성을 강조하기 위하여 64개의 파우치 타입 단위셀을 도 12의 (a)에 도시된 회로도에 맞게 벤딩에 강한 니켈-크롬 도금된 구리선 다발 피복 전선을 사용하여 솔더링으로 연결하였다(도 12의 (b) 참조).
각 파우치 타입 셀의 외부 단자인 양극 알루미늄, 음극 니켈과 구리 도선간의 접합을 용이하게 하기 위해서 알루미늄 플럭스, 구리 플렉서를 솔더링시 첨가제로 사용하였다. 하나의 단위셀은 양극활물질 LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2-음극활물질 인조 흑연을 사용하였으며 전해질로서 겔타입의 LiPF6계 물질을 적용하였다. 이때의 단위셀은 이론용량 6.7mAh, 실제 공칭 기대 용량은 300사이클까지 5mAh이다. 단위셀들을 연결할 때에 직렬, 병렬 연결 방식을 변경하면 적용될 어플리케이션에 맞게 전압과 저장 용량을 변경할 수 있으며 본 발명에서는 작동전압 14.8V-80mAh, 7.4V-160mAh, 3.7V-80mAh의 스펙을 갖는 디바이스를 제작하였다. 특히 3.7V-80mAh의 경우, 극가변 구조 속 하나의 변위단위체 내에 4개의 셀을 적층하는 방식으로 제작되어 4개의 변위 단위체 속 16개의 셀을 갖도록 제작하여 용량 증대의 가능성을 확인할 수 있도록 하였다. 상기 설계 용량 및 작동 전압은 상기 계층구조의 차수 간 직렬 또는 병렬 연결의 변경을 통하여 제어가 가능하며, 상기 용량 및 작동 전압으로 한정되는 것은 아니다. 실시예로 표현된 도12 ~ 15에 해당하는 디바이스 스펙은 7.4V-160mAh이다.
탄성 변형이 가능하도록 봉지재 재료로서 강도와 탄성변형률이 우수한 물질 중 하나인 다우코닝사 제품인 실리콘 러버의 한 종류인 RTV-3481을 사용하였다. 베이스 물질과 경화제의 혼합비는 20:1을 사용하였다. 도선으로 연결된 64개의 셀을 패키징 하기 위해서 3D 프린팅 방식을 사용하여 3차 계층구조를 가지는 극가변 구조체를 만들기 위한 몰드를 제조하였다. 3D 프린터로는, 3D Systems 사의 Projet 160을 사용하였으며 3차 변위단위체가 모두 알파형 접합부 패턴을 갖는 패턴을 구현하였다.
도선으로 연결된 64개의 셀이 봉지재 내 기대 위치에 삽입될 수 있도록 각 셀 실링 부분에 2mm 구멍을 두 개씩 뚫어 3D 프린터로 제작된 몰드 내 핀에 고정하는 방법을 사용하였다(도 13의 (a) 참조). 몰드 내에는 셀을 투과하는 2개의 긴 핀과, 완성될 봉지재 내 두께 방향으로 셀이 위치될 수 있도록 절반 높이의 2개의 핀이 있어 64개의 셀이 하나의 변위체 내 x, y 그리고 z 좌표가 고정될 수 있도록 설계하였다(도 13의 (c) 참조)).
도선으로 연결된 64개의 셀들이 몰드 내 기대 위치에 고정된 후 도 13의 (d)와 같이 고체화 전 액상의 실리콘 러버를 몰드 내에 붓고 상온에서 24시간 동안 고체화 시킨 후 도 13의 (e)와 같이 디바이스를 몰드에서 제거하여, 도 13의 (f)와 같이 최종 극가변 구조체를 갖는 리튬 이온전지를 완성하였다.
외부 기계적 응력에 대해 극가변 구조체를 갖는 리튬이온전지의 전기화학적 안정성을 확인하기 위해서 두 개의 단위 변위체와 이를 연결하는 접합부(힌지)를 하나의 유닛셀로 지정하여 기계적 특성 시험을 도 14 내지 도 16과 같이 진행하였다.
본 발명에 따른 극가변 구조체의 경우 단위 변위체보다 이를 연결하는 접합부에 변형이 많이 적용되므로 접합부의 안정성을 테스트 하기 위해서 벤딩(도 14), 스트레칭(도 15), 비틀림(도 16) 시험을 1Hz 속도로 3천 회씩 진행하였고 이때의 개방회로전압 변화를 그래프로 나타내었다.
스트레칭 시험의 경우 본 발명에 따른 극가변 구조의 경우 도 1의 위쪽 그림, 즉 기본 변위 단위체가 4각형을 가지며 m=4 일 때 차수가 1일 경우 인접하는 변위체 간 각도는 90도를 형성하게 되는데 이는 차수가 증가할수록 점점 작아지게 되므로 두 변위체간 최대 각도이다. 따라서 극한의 조건을 135도로 설정하여 시험을 진행하였다. 그 결과 세 가지 시험 모두 개방회로전압이 일정하게 유지됨을 확인하였다.
모든 시험은 접합부를 기준하여 지름이 1/8인치 스테인레스 튜브를 축으로 삼아 평가하였다.
도 14는 벤딩 시험 전 후 사진과 3천회 벤딩 시험 동안 개방 회로 전압의 변화 추이를 나타낸 그래프이다. 도 15는 지름 1/8 인치 스테인레스 튜브를 축으로 삼고 접합부를 맞댄 상태에서 하나의 셀이 회전하는 스트레칭 시험 전후 사진과 3천회의 스트레칭 시험 동안 개방 회로 전압 변화를 나타낸 그래프이다. 두 기본 변위체간 각도는 135도까지 진행하였다. 도 16은는 지름 1/8 인치 스테인레스 튜브를 축으로 삼고 접합부를 맞댄 상태에서 하나의 변위체가 축 기준 180도를 회전하는, 즉 전체적으로 비틀림이 형성되는 시험 전후의 사진과 3천회의 비틀림 시험 동안 개방 회로 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13에서 완성된 디바이스의 충방전 특성 평가를 확인한 결과를 도 17에 나타냈었다. 도 17로부터 알 수 있듯이, 첫 번째 방전 용량은 154.3mAh, 100번째 방전 용량은 146.9mAh 로 확인되었고 쿨롱 효율은 최소 99.4%, 최대 100.2%, 평균 99.9%를 갖는다. 100번째까지 용량 열화율은 4.8% 이다.
도 18은 적용된 총 양극활물질의 무게 비용량 변화를 나타낸 그림으로서 첫번째 방전 비용량은 142.5mAh/g, 100번째 방전 비용량은 135.7mAh/g으로 확인되었다. 도 19는 극가변 구조 리튬 이온 전지의 사이클 평가 중 나타나는 전압 범위와 용량 변화 추이를 확인할 수 있는 그래프이다.
극가변 구조를 갖는 리튬 이차전지의 스트레쳐블, 플렉서블 및 가역적-구김성 특성을 평가한 결과를 도 20에 나타내었다.
도 20의 (a)는 극가변 구조체를 최대로 확장시킨 상태이고, (b)는 1cm 곡률반경막대기를 사용하여 롤링한 상태, 그리고 (c) 및 (d)는 평면형 리튬 이차전지를 무작위로 구부리고 비이커 내에 집어넣은 상태에서도 전지가 작동하는지를 평가한 사진이다.
도면으로부터 명확하게 알 수 있듯이, 극가변 구조를 갖는 리튬 이차전지를 최대로 확장시키고, 무작위로 구부리더라도 리튬 이차전지가 정상적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 단위체; 및
    상기 제1 단위체를 봉지하는 봉지재를 포함하되,
    상기 제1 단위체는, 양극활물질과 양극집전체를 포함하는 양극, 음극활물질과 음극집전체를 포함하고 상기 양극에 대향되도록 위치되는 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하고,
    상기 봉지재는,
    다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고,
    상기 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되며,
    상기 기본 단위셀 사이에는 상기 기본 단위셀을 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가지며,
    상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 단위셀의 상대 위치가 변화하여 활성화되는 내재된 형태를 가지는 기본 변위단위체를 포함하되,
    (1)차 변위단위체 내지 (n)차 변위단위체로 구성되는 n차 계층구조로 이루어지며,
    상기 (1)차 변위단위체는 m개의 기본 변위단위체를 포함하되, 상기 m개의 기본 변위단위체 사이에는 m개의 분리부가 형성되며,
    상기 기본 변위단위체 사이에는 상기 기본 변위단위체를 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 변위단위체의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 (1)차 접합부 패턴을 가지며
    상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 변위단위체의 상대 위치가 변화하며,
    상기 (n)차 변위단위체는 m개의 (n-1)차 변위단위체를 포함하되, 상기 m개의 (n-1)차 변위단위체 사이에는 m개의 분리부가 형성되며,
    상기 (n-1)차 변위단위체 사이에는 상기 (n-1)차 변위단위체를 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 (n-1)차 변위단위체의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 (n)차 접합부 패턴을 가지며,
    상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 (n-1)차 변위단위체의 상대 위치가 변화하는 극가변 구조체로 이루어지되,
    상기 극가변 구조체의 상기 단위셀 내에 상기 제1 단위체가 봉지되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
    여기서, m은 4 또는 6의 정수이고, n은 2 이상의 정수임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변위단위체의 접합부 패턴 각각은 접합부1 내지 접합부m을 가지며, 이들 접합부1 내지 접합부m 각각은 외곽접합부 및 내부접합부에서 선택된 접합부 형태를 가지되, 서로 이웃하는 접합부는 서로 다른 접합부 형태를 가지는 알파형과, 상기 알파형과 반대되는 형태의 접합부 형태를 가지는 베타형을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (1)차 내지 (n)차 변위단위체에 있어서, 알파형 접합부 패턴과 베타형 접합부 패턴이 순차적으로 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀과 접합부는 실리콘고무, 폴리에스테르수지, 하이드로젤, 전이금속, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    기본 변위단위체의 접합부는 3차원적 회전이동이 가능한 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접합부는 힌지 구조인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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