KR102129599B1 - 열전지용 연소 열원 구조 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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정해원
김민우
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국방과학연구소
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Abstract

점화감도는 열원 수준으로 낮으면서도 연소속도는 열지 수준으로 급속활성이 가능한 열전지용 연소 열원 구조가 개시된다. 상기 열전지용 연소 열원 구조는, 중심층이 되는 열지, 및 상기 열지의 외면을 둘러싸는 열판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전지용 연소 열원 구조 및 이의 제조 방법{High burning-rate heat source structure for thermal battery, and Method for manufacturing the same}
본 발명은 연소 열원에 대한 것으로서, 더 상세하게는 열전지에 열에너지를 공급하는 연소 열원 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
상온에서 비활성인 열전지(thermal battery)는 화약 열원(pyrotechnic heat source)에 의해 공급되는 열에너지에 의해 고체 상태의 전해질이 녹으면서 비로소 활성화(activation)되는 대표적인비축전지(eserve batteries)의 하나이다. 즉, 열전지는 상온에서는 용융염 전해질이 고체이지만, 전원이 필요한 즉시 화약열원에 의해 공급되는 열에너지에 의해 고체 상태의 전해질이 녹으면서 전지가 활성화된다.
열전지의 대표적인 화약 열원으로는 열판(heat pellet) 또는 열지(heat paper)가 있다. 현재 많이 사용하고 있는 열판(Fe/KClO4)은 점화감도가 낮아서 안전하게 취급할 수 있지만, 연소속도(burning rate)가 약9㎝/s로 낮아서 열전지의 빠른 활성에 한계가 있다. 열전지에 사용되는 파이로테크닉 부품은 화염분사식 착화기(flame igniter) 및 전기식 착화기(electric match, 전기식 성냥), 열지(heat paper 또는 fuse strip), 열판(heat pellet) 등이 있다. 열전지의 급속 활성을 위해서는 빠른 열에너지의 공급이 필요한데, 이는 열판과 열지의 연소속도에 의해 상당 부분 좌우된다.
열지(Zr/BaCrO4)는 연소속도가 50㎝/s이상으로 빠르지만, 점화감도가 민감하여 취급 중의 부주의로 작업자가 화상 및 화재 피해를 입을 수 있다. 따라서 점화감도는 열원(Fe/KClO4) 수준으로 낮으며 연소속도는 열지(Zr/BaCrO4) 수준으로 빨라서 안전하고 급속활성이 가능한 새로운 파이로테크닉 부품의 개발이 필요하다.
1. 일본공개번호 제2015-88431호 2. 한국공개특허번호 제10-1508632호 3. 한국공개특허번호 제10-1750200호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해, 점화감도는 열원 수준으로 낮으면서도 연소속도는 열지 수준으로 급속활성이 가능한 열전지용 연소 열원 구조 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 화염 분사형 착화기(flame igniter) 또는 전기식 성냥(electric match)과 병행 사용하여 착화 신뢰성을 크게 높일 수 있는 열전지용 연소 열원 구조 및 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 점화감도는 열원 수준으로 낮으면서도 연소속도는 열지 수준으로 급속활성이 가능한 열전지용 연소 열원 구조를 제공한다.
상기 열전지용 연소 열원 구조는,
중심층이 되는 열지; 및
상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 열판(heat pellet);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전지용 연소 열원 구조는, 상기 열지의 가장자리에 패킹되어 상기 열지가 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 테두리부는 금속 분말 형태 또는 금속링인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열지의 조성은 연료, 산화제, 및 지지체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열지의 연료, 산화제 및 지지체의 조성비는 각각 지르코늄(Zr) 15~40 중량%, 크롬산바륨(BaCrO4) 55~75 중량%이고, 그리고 지지체로 유리섬유를 5~15 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열원용 분말(heat powder)의 조성비는 연료로서 철(Fe) 75~90 중량%, 산화제로서 KClO4 10~25 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열지는 연소 속도를 증가시키기 위해 PbO, PbCrO4, PbO2, Pb3O4, SnO2 등과 같은 산화물 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열판은 입자 형태인 연료인 철(Fe)과 산화제인 과염소산칼륨(KClO4)으로 구성된 열원용 분말을 성형한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열지는 분말 입자 형태 또는 고체 종이 형태인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 중심층이 되는 열판; 및 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 열지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조를 제공한다.
또한, 상기 열전지용 연소 열원 구조는, 상기 열판의 가장자리에 패킹되어 상기 열지가 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열지는 분말 입자 형태 또는 고체 종이 형태인 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 중심층이 되는 내부 열판; 및 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 외부 열판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조를 제공한다.
이때, 상기 내부 열판의 형성을 위한 제 1 분말의 입자 크기는 상기 외부 히트 팰릿의 형성을 위한 제 2 분말의 입자 크기보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전지용 연소 열원 구조는, 상기 내부 열판의 가장자리에 제2 히트 펠릿 분말(조립 분말)로 패킹되어 상기 외부 열판이 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부;를 포함하는 것을 특징으로 열전지용 연소 열원 구조를 제공한다.
또한, 열원 내부의 제1 히트 펠릿 분말은 사전에 약한 압력(약 0.5톤/㎠ 이하)으로 가성형한 얇은 펠릿을 준비한다. 기존 성형압력의 절반이하의 약한 압력으로 성형한다.
또한, 상기 열지는 화염분사형 착화기(flame igniter) 또는 전기식 성냥(electric match)과 병행 사용되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 몰드틀을 준비하는 단계; (b) 열판(110)의 하단부 형성을 위한 일부의 히트 펠릿 분말, 열지(120) 및 상기 열판(110)의 상단부 형성을 위한 나머지의 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및 (c) 상기 열원용 분말 및 열지를 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 열지(120)는 중심층이 되며, 상기 열판(110)이 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되 는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 몰드틀을 준비하는 단계; (b) 열판의 하단부 형성을 위한 열지, 일부의 히트 펠릿 분말 및 열판의 상단부 형성을 위한 나머지의 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및 (c) 상기 히트 펠릿 분말 및 열지를 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 열판은 중심층이 되며, 상기 열지가 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 몰드틀을 준비하는 단계; (b) 외부 열판의 하단부 형성을 위한 일부의 제 1 히트 펠릿 분말, 내부 열판의 형성을 위한 제 2 히트 펠릿 분말, 및 상기 외부 열판의 상단부 형성을 위한 나머지의 제 2 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및 (c) 상기 제 1 히트 펠릿 분말 및 제 2 히트 펠릿 분말을 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 내부 열판(420)은 중심층이 되며, 상기 외부 열판이 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 파이로테크닉 장치에 의해 열전지가 정상적으로 작동하기 시작하는 데에 걸리는 시간(활성화 시간, activation time)을 단축하기 위한 최적의 전해질 및/또는 전극 조성을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 녹는점이 낮은 용융염과 무기질 바인더 첨가량 조정을 통하여 전지의 활성화 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 전극 활물질의 안정성을 향상시키기 위해 저융점 용융염을 첨가하여 과열 현상을 완화시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 열전지의 활성화시간을 측정하기 위하여 값비싼 완성 열전지 대신에 간단한 구조의 단셀을 이용함으로써 경제적인 이점이 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조를 보여주는 개념도이다.
도 5는 일반적인 열원 구조를 보여주는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 9은 본 발명의 활성화 시간 측정을 위한 단열재를 포함하는 단셀 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 사용한 용융염의 종류에 따른 열분석 결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(100)를 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 열전지용 연소 열원 구조(100)는, 열판(110)의 중심에 열지(120)가 삽입되며, 열지(120)의 가장자리에 테두리부(130-1,130-2)가 패킹되는 구조이다. 부연하면, 열전지용 연소 열원 구조(100)는, 중심층이 되는 열지(120), 이 중심층에 적층되어 외층이 되는 열판(110), 열지(120)의 가장자리에 패킹되는 테두리부(130-1,130-2)로 이루어진다.
열지(120)의 길이는 열판(110)의 길이보다 작으며, 따라서, 가장자리에 열판(110)과 열지(120)간 단차가 발생한다. 이 단차에 제 1 및 제 2 테두리부(130-1,130-2)가 삽입 패킹된다.
열판(110)은 분말 입자 형태로 Li-Si, FeS2(Pyrite), LiCl-KCl, LiCl-LiF, LiF-LiCl-LiBr, LiF-CaF2, LiF-KF, LiF-NaF등이 사용될 수 있다.
열지(120)는 분말 입자 형태 또는 고체 종이 형태일 수 있다. 열지(120)의 조성은 연료로 Zr, Fe 등, 산화제로 BaCrO4, KClO4 등, 지지체로 유리섬유 등으로 이루어져 있을 수 있다. 물론, Fe/KClO4,를 사용하는 것도 가능하다.
Zr/BaCrO4의 조성을 갖는 열지는 연소 중 적은 가스 방출, 높은 점화 감도와 열량을 가지고 있어서 가장 널리 사용되고 있다. Zr 비율을 15~40% 범위로 조절하면 원하는 열량을 1,255~2,100 J/g 범위 안에서 얻을 수 있다. 열지의 경우에는 첨가제를 추가하면 연소 속도는 크게 증가할 수 있다. 첨가제로는 PbO, PbCrO4, PbO2, Pb3O4, SnO2 등을 들 수 있다. 산화물 첨가제 비율을 5~15% 범위이다.
테두리부(130-1,130-2)는 금속 분말 또는 금속링이 될 수 있다. 재질은 Fe, Ni, Al, Cu 등, 이들의 혼합, 합금이 사용될 수 있다.
열판(110)과 열지(120)의 복합구조를 통해 안전성은 유지하면서 연소속도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 점화에 민감하고 연소속도가 빠른 열지를 기존 열원 소스 구조에 포함하는 복합 구조가 되므로 안전하고 빠른 연소가 가능하다.
또한, 기존 열지의 조성물에 금속 산화물을 첨가하여 연소 속도를 크게 형상시킨다. 또한, 열판(110)의 표면에 점화 감도가 민감한 분말 형태 또는 고체 종이 형태의 열지가 구성됨으로, 열지는 정전기 방지용 봉투에 담아서 보관된다. 왜냐하면, 열지는 정전기, 외부 열 등에 의해 쉽게 점화가 발생하기 때문이다.
다음표는 열지의 조성결과의 예시이다. 또한, 상기 열지의 연료, 산화제 및 지지체의 조성비는 각각 지르코늄(Zr) 15~40 중량%, 크롬산바륨(BaCrO4) 55~75 중량%이고, 그리고 지지체로 유리섬유 5~15 중량%인 것을 특징으로 한다. 산화제에 첨가제를 일부 대신 첨가하면 연소속도가 증가된다.
측정치(중량%) 유리섬유 연료 산화제 첨가제
기존 열지 5~15 15~40 55~75 -
개량 열지(120) 5~15 15~40 40~70 5~15
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(200)를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 열전지용 연소 열원 구조(200)는, 열지(220)의 중심에 열판(210)이 삽입되며, 열판(210)의 가장자리에 테두리부(230-1,230-2)가 패킹되는 구조이다. 부연하면, 열전지용 연소 열원 구조(200)는, 중심층이 되는 열판(210), 이 중심층에 적층되어 외층이 되는 열지(220), 열지(220)의 가장자리에 패킹되는 테두리부(230-1,230-2)로 이루어진다.
열지(220)의 길이는 열판(210)의 길이보다 작으며, 따라서, 열판(210)의 가장자리에 열지(220)와 단차가 발생한다. 이 단차에 제 1 및 제 2 테두리부(230-1,230-2)가 삽입 패킹된다. 열지(220)는 고체 종이 형태로 열판(210)을 감싸는 형상이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(300)를 보여주는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 열전지용 연소 열원 구조(300)는, 열지(320)의 중심에 열판(310)가 삽입되며, 열판(310)의 가장자리 말달에 테두리부(330-1,330-2)가 패킹되는 구조이다. 부연하면, 열전지용 연소 열원 구조(300)는, 중심층이 되는 열판(310), 이 중심층에 적층되어 외층이 되는 열지(320), 열판(310)의 가장자리에 패킹되는 테두리부(330-1,330-2)로 이루어진다.
열지(320)의 길이는 열판(310)의 길이보다 작으며, 따라서, 열판(310)의 가장자리에 열지(320)와 단차가 발생한다. 이 단차에 제 1 및 제 2 테두리부(330-1,330-2)가 삽입 패킹된다. 열지(320)는 분말 형태로 열판(310)을 감싸는 형상이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(400)를 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 열전지용 연소 열원 구조(400)는, 외부 열판(410)의 중심에 내부 열판(420)가 삽입되며, 내부 열판(420)의 가장자리 말달에 테두리부(430-1,430-2)가 패킹되는 구조이다. 부연하면, 열전지용 연소 열원 구조(400)는, 중심층이 되는 내부 열판(420), 이 중심층에 적층되어 외층이 되는 외부 열판(410), 내부 열판(420)의 가장자리에 패킹되는 테두리부(430-1,430-2)로 이루어진다.
내부 열판(420)의 길이는 외부 열판(410)의 길이보다 작으며, 따라서, 내부 열판(420)의 가장자리에 외부 열판(410)과 단차가 발생한다. 이 단차에 제 1 및 제 2 테두리부(430-1,430-2)가 삽입 패킹된다. 외부 열판(410)은 분말 형태로 내부 열판(420)을 감싸는 형상이다. 물론, 내부 열판(420)도 분말 형태가 될 수 있다.
특히, 외부 열판(410)은 조분(粗粉) 분말(粉末)이고, 내부 열판(420)은 미분(微粉) 분말이 될 수 있다. 즉, 외부 열판(410)의 분말 입자의 크기가 내부 열판(420)의 분말 입자의 크기보다 크다. 내부 열판(420)은 325메시(mesh)의 미립(微粒)의 철(Fe) 분말을 체질한 후에 산화제(KClO4)와 혼합하여 제조한다. 메시란 가루 물질의 입자 크기를 분류하는 표준 단위이다.
도 5는 일반적인 열원 구조(510)를 보여주는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 일반적인 열원 구조(510)는 단일 히트 펠릿 분말로 이루어진다. 이러한 일반적인 열원 구조(510)와 도 1 내지 도 3에 도시된 열원 구조에 대하여 연소 속도 및 점화 감도를 비교하면 다음과 같다.
측정치 기존 열원 구조(510) 개량 열원 구조(100 내지 300)
외측 위치 열원(200,300) 내측 위치 열원(100)
연소속도(cm/s) 9.2 51 42
점화감도(W) 2.0 0.5 2.0
연소속도는 두께의 열전쌍(thermocouple)을 열원 위에 일정 간격을 두고 접촉시키고, 열전쌍 한쪽 끝 외곽에 레이저를 조사하여 열전쌍의 온도 변화 차이를 관찰하여 측정한다.
또한, 이러한 일반적인 열원 구조(510)와 도 4에 도시된 열원 구조에 대하여 연소 속도 및 점화 감도를 비교하면 다음과 같다.
파이로테크닉 혼합물 점화감도
(W)		 연소속도
(㎝/s)
단일 열원 구조(510) Fe/KClO4 조분 Fe 2.0 9.2
미분 Fe 1.0 26
단일 열원 구조(510) Zr/BaCrO4 (첨가제 없음) 0.5 59
PbO 0.5 140
복합 열원 구조(400) Fe/KClO4 조분 Fe 2.0 42
Zr/BaCrO4 (첨가제 없음)
복합 열원 구조(400) Fe/KClO4 조분 Fe 2.0 57
Zr/BaCrO4 PbO
점화감도는 해당 출력에서 레이저를 5㎳ 동안 조사하였을 때 점화(기준: 3회 조사 시 2회 이상 점화)되는 레이저 출력(W)이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(100)의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 먼저 몰드틀(미도시)을 준비한다(단계 S610). 이후, 몰드틀에 열판(특히, 하단부)의 형성을 위한 히트 펠릿 분말(약 50%)을 주입한다(단계 S620). 물론, 중심에 중심홀(즉, 열지가 주입되는 부분)이 생기도록 몰드틀의 중심에 박판의 원형관(미도시)이 탈착가능하게 구성된다. 이후, 중심홀에 열지(120)를 주입하고, 이후 테두리부(130-1,130-2)의 형성을 위해 금속 물질을 주입한다(단계 S630,S640). 이후, 열판(특히, 상단부)의 형성을 위한 나머지 히트 펠릿 분말(약 50%)을 주입한다(단계 S650). 이후, 성형 프레스 공법을 통해 압축 성형을 실시한다(단계 S660). 도 7 및 도 8도 도 6과 유사한 공정을 따른다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(200,300)의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 먼저 몰드틀(미도시)을 준비한다(단계 S710). 이후, 몰드틀에 열지(220,320)를 주입한다(단계 S720). 이후, 중심홀에 열판(210,310)의 하단부 형성을 위한 히트 펠릿 분말을 주입하고, 이후 테두리부(230-1,230-2,330-1,330-2)의 형성을 위해 금속 물질을 주입한다(단계 S730,S740). 이후 열판의 상단부를 형성하기 위해 나머지 히트 펠릿 분말을 주입한다(단계 S750). 이후, 성형 프레스 공법을 통해 압축 성형을 실시한다(단계 S760).
도 8은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 열전지용 연소 열원 구조(400)의 제조 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 먼저 몰드틀(미도시)을 준비한다(단계 S810). 이후, 몰드틀에 외부 열판(410)의 하단부 형성을 위한 조분의 히트 펠릿 분말을 주입한다(단계 S820). 이후, 중심홀에 내부 열판(420)의 형성을 위한 미분의 히트 펠릿 분말을 주입하고, 이후 테두리부(430-1,430-2)의 형성을 위해 금속 물질을 주입한다(단계 S830,S840). 이후, 외부 열판(410)의 상단부 형성을 위한 나머지 조분의 히트 펠릿 분말을 주입한다(단계 S850). 이후, 성형 프레스 공법을 통해 압축 성형을 실시한다(단계 S860).
도 9를 참조하면, 열전지 단위 셀과 접촉하는 단열재에 따라 전지 성능이 영향을 받았다. 도 9에서 단열재1(다층 마이카, micanite)에 비해 열전도도가 낮은 단열재2(경화 세라믹섬유판, rigidized ceramic fiber paper)를 적용하는 경우에는 활성화 시간이 단축되고 작동시간은 증가하는 것으로 나타났다. 단열재 및 활성화 온도에 따른 단셀의 방전 특성의 실험 결과를 보면 다음과 같다.
단열재 활성화온도
(℃)		 작동시간
(s)		 활성화시간
(㎳)
미카(mica) 200 20.2 103.2
300 37.8 86.2
경화 세라믹섬유판 300 47.2 85.9
도 9의 화약 열원(pyrotechnic heat source)은 Fe/KClO4 성형체(heat pellet)를 사용하였다. 단열재로는 경화된 단열재와 마이카 기반 단열재를 적용하였다. Zr/BaCrO4 열지(heat paper)를 단셀 두께보다도 큰 불꽃을 발생하는 가스라이터를 사용하여 상부와 하부의 열원을 동시에 점화시켜 단셀을 활성화시켰다. 열원에 비해 점화감도가 민감하고 연소속도도 빠른 열지를 아래위로 대칭적인 구조를 사용하였기 때문에 동시 점화에 유리한 구조로 설계하였다.
도 10은 용융염 전해질의 녹는점과 용융잠열을 측정한 열분석 데이터로, 다양한 전해질 용융에 필요한 승온 에너지 및 용융잠열을 나타내고 있다. 저융점 전해질 및 고용량 무기물 바인더를 적용한 경우, 활성화 시간이 단축되는 경향을 보였다. 이는 저융점 전해질 용융에 필요한 승온 에너지 및 용융 잠열이 적어졌기 때문으로 해석된다.
100,200,300,400: 열전지용 연소 열원 구조
110,210,310: 열판
120,220,320: 열지
410: 외부 열판
420: 내부 열판

Claims (20)

  1. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조에 있어서,
    중심층이 되는 열지(120); 및
    상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 상기 중심층과 단차가 형성되는 열판(110); 을 포함하며,
    상기 열지(120)의 조성은 연료, 산화제, 및 지지체로 이루어지며,
    상기 열지(120)는 연소 속도를 증가시키기 위해 첨가제를 포함하며
    증가된 상기 연소 속도는 42cm/s인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열지(120)의 가장 자리에 패킹되어 상기 열지(120)가 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부(130-1,130-2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 테두리부(130-1,130-2)의 재질은 금속 분말 형태 또는 금속링인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 지르코늄(Zr)이고, 상기 산화제는 크롬산바륨(BaCrO4)이고, 상기 지지체는 유리섬유이고, 상기 지르코늄(Zr)은 15~40 중량%이고 상기 크롬산바륨(BaCrO4)은 55~75 중량%이고, 상기 유리섬유는 5~15 중량%인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 PbO, PbCrO4, PbO2, Pb3O4, SnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열판(110)은 분말 형태인 철(Fe) 연료와 과염소산칼륨(KClO4) 산화제로 구성된 열원용 분말을 성형한 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열지(120)는 분말 입자 형태 또는 고체 종이 형태인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  10. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조에 있어서,
    중심층이 되는 열판(210,310); 및
    상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 열지(220,320); 를 포함하며,
    상기 열지(220,320)의 조성은 연료, 산화제, 및 지지체로 이루어지며,
    상기 열지(220,320)는 연소 속도를 증가시키기 위해 첨가제를 포함하며
    증가된 상기 연소 속도는 51cm/s인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열판(210,310)의 가장자리에 패킹되어 상기 열지(220,320)가 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부(230-1,230-2,330-1,330-2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열지(220,230)는 분말 입자 형태 또는 고체 종이 형태인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  13. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조에 있어서,
    중심층이 되는 내부 열판(420); 및
    상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되는 외부 열판(410);을 포함하며,
    상기 내부 열판(420)의 형성을 위한 제 1 히트 펠릿 분말의 입자 크기는 상기 외부 열판(410)의 형성을 위한 제 2 히트 펠릿 분말의 입자 크기보다 작으며,
    연소 속도는 42cm/s 또는 57cm/s이고,
    상기 내부 열판(420)은 325메시(mesh)의 분말을 체질한 후에 산화제와 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 내부 열판(420)의 가장자리에 제 3 히트 펠릿 분말로 패킹되어 상기 외부 열판(410)이 외부 노출되는 것을 방지하는 테두리부(430-1,430-2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 내부 열판(420)의 형성을 위한 제 1 히트 펠릿 분말은 사전에 미리 0.5 톤/㎠ 이하의 압력으로 가성형된 펠릿인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 제7항 내지 제 13항, 제15항, 및 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열지(120,220,230)는 화염분사형 착화기(flame igniter) 또는 전기식 성냥(electric match)과 병행 사용되는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조.
  18. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법에 있어서,
    (a) 몰드틀을 준비하는 단계;
    (b) 열판(110)의 하단부 형성을 위한 일부의 히트 펠릿 분말, 열지(120)및 상기 열판(110)의 상단부 형성을 위한 나머지의 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및
    (c) 상기 히트 펠릿 분말 및 열지(120)를 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조(100)를 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 열지(120)는 중심층이 되며,
    상기 열판(110)이 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되며,
    상기 열지(120)의 조성은 연료, 산화제, 및 지지체로 이루어지며,
    상기 열지(120)는 연소 속도를 증가시키기 위해 첨가제를 포함하며
    증가된 상기 연소 속도는 42cm/s인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법.
  19. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법에 있어서,
    (a) 몰드틀을 준비하는 단계;
    (b) 열판(210,310)의 하단부 형성을 위한 열지(210), 일부의 히트 펠릿 분말, 및 상기 열판(210,310)의 상단부 형성을 위한 나머지의 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및
    (c) 상기 히트 펠릿 분말 및 열지(220,320)를 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조(200,300)를 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 열판(210,310)은 중심층이 되며,
    상기 열지(220,320)가 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되며,
    상기 열지(220,320)의 조성은 연료, 산화제, 및 지지체로 이루어지며,
    상기 열지(220,320)는 연소 속도를 증가시키기 위해 첨가제를 포함하며
    증가된 상기 연소 속도는 51cm/s인 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법.
  20. 단셀인 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법에 있어서,
    (a) 몰드틀을 준비하는 단계;
    (b) 외부 열판(410)의 하단부 형성을 위한 일부의 제 1 히트 펠릿 분말, 내부 열판(420)의 형성을 위한 제 2 히트 펠릿 분말, 및 상기 외부 열판(410)의 상단부 형성을 위한 나머지의 제 1 히트 펠릿 분말을 상기 몰드틀에 차례로 장입하는 단계; 및
    (c) 상기 제 1 히트 펠릿 분말 및 제 2 히트 펠릿 분말을 압축 성형하여 열전지용 연소 열원 구조(400)를 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 내부 열판(420)은 중심층이 되며,
    상기 외부 열판(410)이 상기 중심층에 적층되어 외층이 되며 가장자리에 상기 중심층과 단차가 형성되며,
    상기 내부 열판(420)의 형성을 위한 제 1 히트 펠릿 분말의 입자 크기는 상기 외부 열판(410)의 형성을 위한 제 2 히트 펠릿 분말의 입자 크기보다 작으며,
    연소 속도는 42cm/s 또는 57cm/s이고,
    상기 내부 열판(420)은 325메시(mesh)의 분말을 체질한 후에 산화제와 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 열전지용 연소 열원 구조의 제조 방법.
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