KR102218390B1 - 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차의 배터리 팩 케이스 등에 바람직하게 적용될 수 있는 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 상부 강판 및 하부 강판을 구비하고, 상기 상부 강판 및 하부 강판의 사이에는 폴리머 코어가 구비되는 샌드위치 강판이며, 상기 상부 강판은 0.2~0.6mm의 두께를 가지고, 상기 하부 강판은 0.4~1.0mm의 두께를 가지며, 상기 폴리머 코어는 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 갖는 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법{SANDWICH STEEL SHEET HAVING POLYMER CORE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차의 배터리 팩 케이스 등에 바람직하게 적용될 수 있는 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 전기자동차의 배터리 팩 케이스의 사진이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기자동차의 배터리 팩 케이스는 내부에 장착되는 배터리 셀을 외부의 기계적, 환경적 영향으로부터 보호하기 위한 박스 형태의 구조물이다. 상기 배터리 팩 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스가 볼트로 체결되어 구성된다. 상기 하부 케이스는 충돌사고 시 내부의 배터리 셀을 보호하는 역할과 동시에 외부의 열과 냉기를 차단하는 역할을 한다. 여름철에는 외부로부터 열을 차단하고, 겨울철에는 외부로부터 냉기를 차단해야 전기차 배터리가 제대로 성능을 발휘할 수 있다. 이는 극심한 온도 변화가 발생하면 배터리 셀의 성능이 저하되기 때문이다. 이로 인해, 배터리 팩 케이스는 단열성능이 필요하다. 한편, 내부의 배터리 셀은 충전 또는 방전 중에 열을 발생시키기 때문에 외부로 열을 효과적으로 방출해야 배터리의 안정된 작동을 보장할 수 있다.
전기자동차의 대중화를 위한 시장의 핵심 요구사항 중 하나는 주행거리 향상이다. 이에 따라, 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 기술과 동시에 차체와 배터리 팩의 무게를 줄이기 위한 기술 개발이 동시에 진행되고 있다. 무게를 줄이기 위해서는 경량 소재인 알루미늄이나 플라스틱을 적용하는 방법을 고려해볼 수 있으나, 상기 알루미늄이나 플라스틱은 철강재에 비해 고가이고 적용할 수 있는 부품에 기능상 한계가 있어 부분적으로 적용하고 있다. 예를 들어, 배터리 팩의 경량화 요구로 인해 팩 케이스 소재로 알루미늄을 적용하는 경우가 많지만, 알루미늄은 열전도가 높아서 외부의 온도 변화가 쉽게 배터리 팩 케이스 내부로 전달되는 단점이 있다. 또한, 기존의 철강재나 알루미늄 소재는 충돌성능과 단열성능을 모두 만족하기 위해 두껍게 만들거나 추가로 단열 패치가 필요하여 무게가 늘어나는 단점이 있다.
즉, 전기자동차 배터리 팩 케이스는 차체 충돌 시 외부의 물리적 충격으로부터 내부의 배터리 셀을 보호해야 하며 동시에 주행거리 증가를 위해 최대한 가볍게 만들어야 한다. 또한, 외부의 온도변화가 심해도 내부는 적정한 온도가 유지되도록 방열성과 단열성을 갖춰야 한다. 이를 해결하기 위해서는 외부의 온도 변화와 무관하게 배터리 팩 내부가 항상 일정 온도 범위를 유지하도록 부가 장치를 장착할 필요가 있으나, 이러한 부가 장치 없이도 배터리 팩 내부의 온도를 가능한 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 경량화 및 충돌 성능을 확보할 수 있는 배터리 팩 케이스용 소재의 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 일측면은, 경량이면서도 높은 단열성능을 갖는 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 상부 강판 및 하부 강판을 구비하고, 상기 상부 강판 및 하부 강판의 사이에는 폴리머 코어가 구비되는 샌드위치 강판이며, 상기 상부 강판은 0.2~0.6mm의 두께를 가지고, 상기 하부 강판은 0.4~1.0mm의 두께를 가지며, 상기 폴리머 코어는 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 갖는 폴리머 코어 샌드위치 강판을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 0.2~0.6mm의 두께를 갖는 상부 강판, 0.4~1.0mm의 두께를 갖는 하부 강판 및 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 갖는 폴리머를 준비하는 단계; 상기 상부 강판 및 하부 강판 사이에 상기 폴리머를 구비시킨 뒤, 압착하는 단계를 포함하는 폴리머 코어 샌드위치 강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 경량이면서도 높은 단열성능을 갖는 폴리머 코어 샌드위치 강판 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차의 배터리 팩 케이스의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 강판 또는 하부 강판의 표면을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판의 단면을 나타내는 모식도이다.
도 4는 배터리 팩 하부 케이스가 배터리 셀 및 냉각장치에 결합된 모습을 나타내는 모식도이며, (a)는 기존의 배터리 팩 하부 케이스가 적용된 모습을 나타낸 모식도이고, (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판이 배터리 팩 하부 케이스로서 적용된 모습을 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판은 상부 강판 및 하부 강판을 구비하고, 상기 상부 강판 및 하부 강판의 사이에는 폴리머 코어가 구비되는 샌드위치 강판이며, 상기 상부 강판은 0.2~0.6mm의 두께를 가지고, 상기 하부 강판은 0.4~1.0mm의 두께를 가지며, 상기 폴리머 코어는 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 갖는 폴리머 코어 샌드위치 강판을 제공한다. 본 발명은 상기 폴리머 코어를 통해 단열 성능을 확보함과 동시에, 제품 경량화를 달성할 수 있다.
본 발명에서는 상기 강판 및 폴리머의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 강도, 경량화 및 단열성능을 확보할 수 있는 것이라면 어느 것이나 이용할 수 있다. 다만, 예를 들어, 본 발명에 적용 가능한 강판은 마일드강, 고강도 강판 등을 이용할 수 있으며, 폴리머로는 PA6, PA66, PA, PP 등을 이용할 수 있다.
상기 상부 강판은 0.2~0.6mm의 두께를 가질 수 있다. 상기 상부 강판의 두께가 0.2mm 미만인 경우에는 제조 단가가 증가하고, 구조 강성이 저하되며 가공성이 어려운 단점이 있으며, 0.6mm를 초과하는 경우에는 경량화가 어려워지는 단점이 있다.
상기 하부 강판은 0.4~1.0mm의 두께를 가질 수 있다. 상기 하부 강판의 두께가 0.4mm 미만인 경우에는 충격 강도를 충분히 확보하지 못하여 외부로부터 충격을 받을 경우 제품 균열 혹은 파단이 일어날 수 있으며, 1.0mm를 초과하는 경우에는 경량화가 어려워지는 단점이 있다.
상기 폴리머 코어는 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 가질 수 있다. 상기 폴리머 코어의 두께가 상부 강판 대비 5배 미만이거나, 하부 강판 대비 2.5배 미만일 경우에는 단열 성능을 충분히 확보하지 못할 수 있으며, 경량화를 달성하기 어려울 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 폴리머 코어 두께의 상한에 대해서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 상기 폴리머 코어 두께가 상부 강판 대비 8배를 초과하거나, 하부 강판 대비 5배를 초과하는 경우에는 돌기를 만들어 상부 강판과 하부 강판을 연결하기 어려운 단점이 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 전술한 두께를 갖는 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머를 준비한다. 상기 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머는 판재의 형태로 준비될 수 있으나, 연속적인 공정을 위하여 롤의 형태로 준비될 수도 있으며, 상기 롤의 형태로 준비된 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머는 이후 공정에서 언코일링되어 샌드위치 강판 제조에 이용될 수 있다.
이후, 상기 상부 강판 및 하부 강판 사이에 상기 폴리머를 구비시킨 뒤, 압착한다. 상기 압착 공정은 프레스 방식을 이용하거나 롤에 의한 연속 공정을 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 강판 또는 하부 강판의 표면을 나타내는 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판의 단면을 나타내는 모식도이다. 이하, 도 2 및 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판에 대하여 설명한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판(100)은 상부 강판(10) 및 하부 강판(20)을 구비하고, 상기 상부 강판 및 하부 강판의 사이에는 폴리머 코어(30)가 구비된다. 이때, 상기 상부 강판 및 하부 강판 중 하나 이상의 표면에는, 소정의 간격을 갖는 돌기(40)가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 돌기(40)는 상기 하부 강판과 상부 강판을 연결하며, 이를 통해, 최종적으로 얻어지는 폴리머 코어 샌드위치 강판의 결합강도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 폴리머 코어를 통해 단열 성능을 확보함과 동시에, 제품 경량화를 달성할 수 있다. 또한, 상기 돌기(40)는 상부 강판과 하부 강판을 전기적으로 연결하여 점용접 작업을 가능하도록 한다.
상기 돌기가 형성된 면적은 강판 표면의 전체 면적 대비 1% 이하일 수 있다. 상기 돌기가 형성된 면적이 강판 표면의 전체 면적 대비 1%를 초과하는 경우에는 폴리머 코어의 면적이 줄어들어 충분한 단열 성능을 확보하지 못할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 돌기가 형성된 면적의 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 샌드위치 강판에 충분한 접합강도를 부여하는 측면에서, 강판 표면의 전체 면적 대비 0.5% 이상일 수 있다.
도 4는 배터리 팩 하부 케이스(200)가 배터리 셀(300) 및 냉각장치(400)에 결합된 모습을 나타내는 모식도이며, (a)는 기존의 배터리 팩 하부 케이스가 적용된 모습을 나타낸 모식도이고, (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판이 배터리 팩 하부 케이스로서 적용된 모습을 나타내는 모식도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기존의 배터리 팩 하부 케이스가 적용되는 경우에는 단열 성능이 충분히 확보되지 않아 외부의 열기나 냉기를 효과적으로 차단하지 못하나, 본 발명의 폴리머 코어 샌드위치 강판을 적용하는 경우에는 충분한 단열 성능의 확보를 통해 외부의 열기나 냉기를 효과적으로 차단할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 폴리머 코어 샌드위치 강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 전술한 특성을 갖는 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머를 준비한다. 상기 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머는 판재의 형태로 준비될 수 있으나, 연속적인 공정을 위하여 롤의 형태로 준비될 수도 있으며, 상기 롤의 형태로 준비된 상부 강판 및 하부 강판과 폴리머는 이후 공정에서 언코일링되어 샌드위치 강판 제조에 이용될 수 있다.
이후, 상기 상부 강판 및 하부 강판 중 하나 이상의 표면에 소정의 간격을 갖는 돌기를 형성시킨다. 본 발명에서는 상기 돌기 형성 방법에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 돌기를 갖는 롤 또는 프레스로 상기 상부 강판 또는 하부 강판을 압착하여 상기 상부 강판 또는 하부 강판에 돌기를 형성시킬 수 있다.
이후, 상기 상부 강판 및 하부 강판 사이에 상기 폴리머를 구비시킨 뒤, 압착한다. 상기 압착 공정을 통해, 상기 상부 강판 및 하부 강판은 상기 돌기에 의해 연결된다. 상기 압착 공정은 프레스 방식을 이용하거나 롤에 의한 연속 공정을 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
하기 표 1과 같은 구조를 갖는 강판을 제조한 뒤, 전기자동차의 배터리 팩 케이스로 적용한 후, 배터리 팩 내부로 전달되는 열전달량과 열저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이 때, 강판으로는 340E 강을 이용하였으며, 폴리머 코어로는 PA6를 이용하였다. 아울러, 비교예 3 및 4와 발명예 1에 기재된 판재의 종류는 상부 강판, 폴리머 코어, 하부 강판 순으로 기재하였다.
구분 판재 종류 및 두께 외부온도(℃) 열전달량(W) 열저항(K/W)
비교예1 알루미늄(3mm) 80 4484 0.29
-20 3669
비교예2 강판(1mm) 80 4361 0.30
-20 3568
비교예3 강판(0.3mm)+폴리머 코어(0.4mm)+강판(0.3mm) 80 1933 0.78
-20 1572
비교예4 강판(0.2mm)+폴리머 코어(0.4mm)+강판(0.4mm) 80 1942 0.77
-20 1589
발명예1 강판(0.2mm)+폴리머 코어(1.0mm)+강판(0.4mm) 80 1821 0.83
-20 1490
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 상부 강판, 폴리머 코어 및 하부 강판의 두께 범위를 만족하는 발명예 1의 경우에는 열전달량이 낮을 뿐만 아니라, 열저항이 0.83K/W로 높은 수준임을 알 수 있다.
반면, 알루미늄 판재를 이용한 비교예 1, 강판을 이용한 비교예 2와 본 발명이 제안하는 상부 강판, 폴리머 코어 및 하부 강판의 두께 범위를 만족하지 않는 비교예 3 및 4의 경우에는 발명예 1에 비하여 열전달량이 높을 뿐만 아니라, 열저항이 0.8K/W 미만으로 낮은 수준임을 알 수 있다.
10: 상부 강판
20: 하부 강판
30: 폴리머 코어
40: 돌기
100: 폴리머 코어 샌드위치 강판
200: 배터리 팩 하부 케이스
300: 배터리 셀
400: 냉각장치

Claims (6)

  1. 상부 강판;
    하부 강판; 및
    상기 상부 강판과 상기 하부 강판 사이에 배치되는 폴리머 코어를 포함하고,
    상기 상부 강판은 0.2~0.6mm의 두께를 가지고,
    상기 하부 강판은 0.4~1.0mm의 두께를 가지며,
    상기 폴리머 코어는 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께를 가지며,
    상기 상부 강판 및 하부 강판 중 하나 이상의 표면에는, 소정의 간격을 가지며 상기 하부 강판과 상부 강판을 연결하는 돌기가 형성되고,
    상기 돌기가 형성된 면적은 강판 표면의 전체 면적 대비 1% 이하인 폴리머 코어 샌드위치 강판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 0.2~0.6mm의 두께를 갖는 상부 강판, 0.4~1.0mm의 두께를 갖는 하부 강판 및 상기 상부 강판 대비 5배 이상, 하부 강판 대비 2.5배 이상의 두께 갖는 폴리머를 준비하는 단계;
    상기 상부 강판 및 하부 강판 중 하나 이상의 표면에 소정의 간격을 갖는 돌기를 형성시키는 단계; 및
    상기 상부 강판 및 하부 강판 사이에 상기 폴리머를 구비시킨 뒤, 압착하는 단계를 포함하고,
    상기 돌기가 형성된 면적은 강판 표면의 전체 면적 대비 1% 이하가 되도록 하는 폴리머 코어 샌드위치 강판의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 돌기를 형성시키는 단계는, 돌기를 갖는 롤 또는 프레스로 상기 상부 강판 또는 하부 강판을 압착하여 이루어지는 폴리머 코어 샌드위치 강판의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113909665A (zh) * 2021-10-22 2022-01-11 哈尔滨工业大学 一种钼铼合金有中间层扩散焊接可伐合金的方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007537900A (ja) * 2004-05-21 2007-12-27 インテリジェント エンジニアリング （バハマ） リミテッド 改良型の構造用サンドイッチ板部材

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