KR102297444B1 - 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버에 관한 것으로, 외부 충격 에너지를 흡수하여 전기차 배터리 팩 내 전달을 방지할 수 있고, 난연 성능이 우수하며, 차량용 경량 부품으로 제조가 가능하다.
또한, 전기차 배터리 케이스용 하부 커버로 이용 시, 난연성 및 충격 흡수 효과와 더불어, 인장 강도, 인장 탄성율, 굴곡강도 및 굴곡 탄성율과 같은 기계적 특성이 우수하고, 경량화된 부품 소재로 제공할 수 있다.
또한, 전기차 배터리 케이스용 하부 커버로 이용 시, 난연성 및 충격 흡수 효과와 더불어, 인장 강도, 인장 탄성율, 굴곡강도 및 굴곡 탄성율과 같은 기계적 특성이 우수하고, 경량화된 부품 소재로 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버에 관한 것으로, 보다 구체적으로 충격 에너지의 흡수 성능이 우수하며, 난연성이 개선된 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차란 자동차의 가솔린이나 디젤엔진 등의 동력발생장치 대신에 미리 전기 충전된 다수개의 배터리로 이루어진 배터리팩에 의해 이것을 동력원으로 하여 전동기를 회전시키고, 이 회전력을 바퀴에 전달하도록 구성되는 구조를 이루게 되는데, 이 전기자동차의 제어는 일반으로 전기회로에 의하므로 그 제어가 쉽고, 자동차용으로서 바람직한 토오크 곡선 등을 가지고 있다.
다만, 배터리팩을 사용하는 경우 그 중량이 커지며, 이에따라 출력성능이 낮아지게 되고, 또한 배터리팩의 충전, 교환 등의 설비와 손질이 필요하기 때문에 사용이 활성화되지 않다가 가솔린 또는 디젤 등의 석유연료의 사용에 의한 배기가스규제가 전 세계적으로 강화됨으로써, 대기오염 방지의 차원에서 중량이 가벼우면서도 출력성능이 우수한 전기자동차의 개발이 이루어지고 있는 추세이다.
이러한 전기자동차의 동력원으로서 사용되는 전기는 다수개의 배터리 모듈에 충전되어 장방형의 용기인 배터리팩에 장착되게 되며, 배터리 모듈은 배터리팩의 개방되어 있는 상부로부터 이격 돌출부 사이로 삽입되어 서로 직렬 연결되도록 배터리팩에 내부에 적재되며 그 상단부는 배터리팩 커버에 의해 닫혀지게 된다.
이때, 배터리 모듈과 결합되어 있는 배터리셀은 배터리팩의 둘레 방향으로 형성되어 있는 수용홈 부에 삽입되어 고정되며, 공기 유입구를 통해 유입된 공기에 의해 배터리 모듈에서 발생한 열이 식혀지면서 데워진 공기는 공기 유출구를 통해 배출되게 된다.
종래의 배터리팩은 충격흡수장치를 구비하지 않고 있기 때문에 전기자동차가 노면이 고르지 않은 도로를 주행 시 배터리 모듈에 가해지는 충격을 흡수할 수 없는 문제가 있었다.
복합소재는 건축, 산업자재 및 자동차부품용도 등 다양한 부분에 적용중인 소재로서 기본적인 물성인 비강도의 장점을 가지고 다양한 부분에 적용되고 있으며, 자동차 경량화 요구에 따라 다양한 자동차 부품용도로 적용이 확대되고 있는 소재이다.
특히, 최근에는 연비 및 배출가스 규제 등 친환경요구 사항이 한층 더 증가되고, 전기차, 수소차 등 친환경 차량이 증가하고 있는 상황에서, 경량화 및 연비개선과 주행성능 개선 등을 위한 방법으로 복합소재의 적용이 확대되고 있는 추세이다.
이에 따라 기존의 차량에 주로 적용되던 금속재질의 부품을 비강도가 뛰어난 복합소재로 변경하기 위한 노력이 계속되고 있으며, 그 중 하나가 전기차 베터리의 주요 부품을 보호하기 위한 베터리 케이스용 하부 보호 커버이다.
상기 보호 커버는 노면에서부터 발생하는 다양한 충격으로부터 고가의 베터리팩 내 주요부품을 보호해야 하는 높은 요구 성능 때문에 복합소재의 적용에 상당한 어려움이 있는 부품에 해당되어, 최근 경량화 추세에도 불구하고 현재까지 금속 재질이 사용되어 왔다.
즉, 배터리 케이스용 하부 보호 커버는, 외부의 다양한 외부 충격을 흡수하여 배터리 팩으로 전달을 방지할 수 있어야 하고, 배터리 팩 내부의 화재 발생 시에도 난연 특성을 나타내어 큰 화재로의 확대를 방지할 수 있는 특성을 나타낼 수 있는 소재를 이용해야 한다.
이에, 최근 자동차 부품의 경량화 추세에 맞춰, 금속 재질을 대체할 수 있는, 내연성 및 충격 흡수성이 우수한 복합 소재의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 외부 충격 에너지를 흡수하여 전기차 배터리 팩 내 전달을 방지할 수 있고, 난연 성능이 우수하며, 차량용 경량 부품으로 제조가 가능한 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기차 배터리 케이스용 하부 커버로 이용 시, 충격 흡수 효과와 더불어, 인장 강도, 인장 탄성율, 굴곡강도 및 굴곡 탄성율과 같은 기계적 특성이 우수한 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 전기차 배터리 케이스용 하부 커버를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재는 열경화성 수지 조성물 및 보강재를 포함하며, 상기 열경화성 수지 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 비닐에스테르 수지(Vinyl ester resin); 성형 수축율을 보정하기 위한 첨가제; 난연제; 및 분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제를 포함할 수 있다:
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다.
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다.
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상기 보강재는 보강 유리 섬유 및 직물형태로 직조한 유리 섬유를 포함할 수 있다.
상기 보강재는 필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛이며, 0.5 내지 2 인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 에폭시 화합물, 폴리우레탄 화합물, 폴리스티렌 화합물 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 난연제는 논할로겐계 난연 난연제일 수 있다.
상기 공정 첨가제는 폴리우레탄계 분산제, 지방산 에스테르 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 복합 소재는 열 경화성 수지 40 내지 50 중량% 및 보강재 50 내지 60 중량%를 포함할 수 있다.
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본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버는 상기 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기차 배터리팩은 상기 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
일반적으로 자동차는 원동기를 동력원으로 하여 주행하고 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계를 말한다. 상기 자동차는 원동기의 종류에 따라 분류할 수 있다. 상기 자동차는 가솔린 기관을 원동기로 하는 가솔린 자동차와, 디젤 기관을 원동기로 하는 디젤 자동차와, 액화 석유가스를 연료로 하는 LPG차와, 가스 터빈을 원동기로 하는 가스 터빈 자동차와, 모터를 원동기로 하고 배터리에 충전된 전기를 사용하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)로 분류할 수 있다.
가솔린, 디젤, LPG 등의 화석 연료를 사용하는 자동차의 경우, 배기 가스로 인한 환경오염과 석유 자원의 고갈을 일으켜 그 대안으로 전기를 동력으로 움직이는 전기차가 대두되고 있다.
전기차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 얻는 구동 모터를 이용함으로써, 가솔린이나 디젤 등의 화석연료를 이용하여 동력을 얻는 엔진에 비해 이산화탄소의 배출이 없으므로 친환경 자동차로 각광받고 있다. 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기 자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이다.
상기 전기차의 연료는 배터리인데, 전기차 배터리 팩의 일 예시로, 상측에 다수의 배터리 셀이 결합된 배터리 모듈이 결합될 수 있고, 상기 배터리 모듈의 하부에 배터리 냉각을 위한 작동 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성된 냉각수 채널이 형성될 수 있다.
배터리 팩은 전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태로, 다수의 배터리 셀이 집합된 배터리 모듈, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성된다.
이 중 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체이다.
상기 배터리 셀은 전기 에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위로, 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣어 만든 것이다.
전기차의 배터리팩은, 배터리 셀을 일정한 개수로 묶어 금속 프레임에 넣은 베터리 모듈이 장착된 것으로, 배터리팩은 외부의 충격에 의해 노출되어 배터리 셀의 손상 등의 문제가 발생할 수 있다.
전기차의 배터리팩은 차량의 하단에 위치하는 것이 통상적인 구조에 해당된다. 전기차의 모터를 원동기로 하고, 배터리에 충전된 전기를 사용하여 구동되는 것으로, 모터는 차량의 앞단에 위치하게 되고, 배터리 팩은 차량의 하단에 위치하게 된다.
상기 전기차 패터리팩은 다수의 배터리 셀이 조립된 형태로 크기를 고려하여, 차량의 프레임 하단에 설치된다.
즉, 차량의 운행 시 노면에 의해 발생되는 충격을 직접적으로 받는 위치에 설치가 되어, 외부의 충격으로부터 배터리 셀을 보호하는 것이 중요한 문제에 해당된다고 할 것이다.
자동차 산업에서 경량화는 원가 절감과 함께 영원한 숙제에 해당된다. 최근 연비와 환경 규제 강화로 선택이 아닌 필수가 된 것이다. 차량을 가볍게 하면 적은 연료 소모는 물론, 자동차의 기본 성능인 가속, 조향, 제동 성능의 향상과 내구 부품의 수명이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
자동차 부품의 경량화를 위해, 탄소섬유 복합 소재를 사용하여 부품으로 제조하기도 하고, 알루미늄 소재를 적용하기도 하며, 초고장력 강판과 고강도 주철 소재를 적용한 경량화 부품도 양산 중이다.
다만, 자동차 부품은 부품별로 요구되는 특성이 다르기 때문에 이를 고려한 적합한 소재를 맞춤형으로 사용하여 경량화 효과를 극대화하는 것이 바람직하다.
특히, 앞서 설명한 전기차 배터리 케이스의 경우, 차량의 구조적인 특성 상, 외부의 노면에 노출되는 상태로, 운행 중에 발생되는 외부의 충격에 그대로 노출되는 문제가 발생한다.
외부의 충격이 배터리 셀로 전달되는 경우, 배터리 셀의 손상 등의 문제 발생으로 인해 전기차의 전기 충전 효율이 떨어지거나, 전기차의 운행이 불가한 문제가 발생할 수 있다.
즉, 전기차 베터리 케이스의 외부 충격의 전달 방지는 차량의 운행과 안전에 직접적으로 연결되는 중요한 요소라고 할 것이다.
이에 종래에는 차량의 경량화가 중요한 이슈임에도 불구하고, 전기차 배터리 케이스의 하부 보호 커버는 금속 재질로, 외부의 충격을 흡수하여 배터리 셀을 보호할 수 있도록 하였다.
본 발명은, 종래 금속 재질의 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버의 소재로 이용할 수 있는 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 제공하고자 한다.
상기 본 발명의 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재는, 열경화성 수지 조성물 및 보강재를 포함하며, 상기 열경화성 수지 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 비닐에스테르 수지(Vinyl ester resin); 성형 수축율을 보정하기 위한 첨가제; 난연제; 및 분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제를 포함할 수 있다:
[화학식 1]
여기서,
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다.
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상기 열경화성 수지(熱硬化性樹脂, thermosetting resin)는 열과 압력을 가하여 성형을 하고 나면, 다시 열을 가해도 형태가 변하지 않는 수지이다.
통상적으로 열경화성 수지는 내열성, 내약품성, 기계적 물성 등이 좋으며, 보강재 등을 넣어 강인한 성형물을 만들 수 있고, 보강 섬유와 조합하여, 섬유강화플라스틱을 제조하는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 열경화성 수지의 성질을 최대한 활용하되, 접착 성능과 내열성능, 단열성능, 기계적 성능 등을 확보하기 위해 적절한 성분과 배합으로 혼합물을 제조하였다.
이때 상기 열경화성 조성물의 수지는 보다 높은 기계적 강도와 접착력을 확보하기 위해 기존에 일반적으로 사용하는 열경화성 수지인 불포화 폴리에스테르 수지를 대체하여, 비닐에스테르 수지를 사용하는 것을 주요 특징으로 한다.
상기 불포화 폴리에스테르 수지는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다:
[화학식 3]
여기서,
o는 1 내지 100의 정수이다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 에스테르 기를 포함하고 있고, 탄소-탄소 이중 결합의 불포화 작용기를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 비닐에스테르 수지는 본 발명의 복합 소재의 주요 성분으로, 혼합물 내에서 적절한 성능을 보여 접착력과 내열성을 확보하고 기계적 강도를 확보하는 역할을 한다.
상기 비닐에스테르 수지는 복합 수지의 접착 성능, 내열성 및 강성과 같은 기계적 강도에 중요한 역할을 나타낼 수 있다.
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상기 보강재는 보강 유리 섬유로, 필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛ E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 보강재는 필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛이며, 0.5 내지 2 인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 포함할 수 있다.
상기 유리섬유(琉璃纖維, glass fiber)는 용융한 유리를 가는 필라멘트 모양으로, 끊어지지 않은 긴 광물섬유를 말하는 것으로, 철근콘크리트에서 철근의 역할처럼 열경화성 수지 혼합물의 기계적 성질을 강화하는데 사용된다.
상기 유리 섬유는 복합 소재 내 보강재로써, 구조 및 충격 강도를 확보하기 위해 포함될 수 있다.
즉, 열경화성 수지만으로 구성되는 경우, 충분한 기계적인 물성을 나타내기 어려워, 외부의 충격에 의해 쉽게 깨지는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 전기차 배터리 케이스는 차량 내 하단에 위치하여 외부 노면에 노출되는 구조적인 특성으로 인해, 외부의 충격이 직접적으로 전달되는 부분으로, 기계적인 물성이 중요한 문제라고 할 것이다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 본 발명에서는 보강재로 유리 섬유를 포함시켜, 열경화성 수지가 가지는 문제를 해결하여, 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버로 성형하여 하부 보호 커버로 사용 시, 외부 충격에도 깨짐이 발생하지 않는, 충분한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
상기 첨가제는 에폭시 화합물, 폴리우레탄 화합물, 폴리스티렌 화합물 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것으로, 성형 수축율을 보정하고 내충격성을 보완을 위해 포함되는 것이다.
구체적으로, 상기 첨가제는 성형수축율을 보정해서 제품의 구조 안정성 및 충격에너지 흡수성능 등의 기계적 물성을 보다 더 향상시키기 위해 포함되는 것으로, 에폭시 화합물, 폴리우레탄 화합물, 폴리스티렌 화합물 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 에폭시 화합물, 폴리우레탄 화합물 및 폴리스티렌 화합물 중 둘 이상을 혼합하여 포함하는 것이다.
보다 구체적으로 상기 첨가제는 Epoxy modified Saturated Polyester, Urethane modified Saturated Polyester, Rubber modified Polystyrene 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 상기 예시 화합물 중 둘 이상을 혼합하여 포함할 수 있다.
상기 첨가제를 포함함에 따라, 본 발명의 복합 소재는 몰드를 이용하여 성형할 때, 성형 수축을 방지하여, 최종 제품의 구조적 안정성을 높일 수 있고, 외부 충격의 흡수 성능 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 난연제는 최종 제품의 기계적 강도 및 난연성을 높이기 위해 포함되는 것이다.
보다 구체적으로 상기 난연제는 비할로겐계 난연제이며, 트리페닐포스페이트, 트리케실포스페이트, 트리스디크로로프로필로스페이트, 포스파젠 등의 인계 난연제, 삼산화안티몬 등의 안티몬계 난연제, 수산화알루니늄, 수산화마그네슘 등의 무기물의 난연제일 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않고, 비할로겐 난연제는 제한 없이 모두 사용이 가능하지만, 바람직하게는 수산화알루미늄을 포함하는 난연제이다.
상기 열경화성 수지 조성물은 분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 공정 첨가제는 분산성을 향상시키기 위한 폴리우레탄계 분산제 및 성형 공정 상 흐름성을 향상시키기 위한 지방산 에스테르를 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄 분산제는 폴리우레탄 중합체로, 중합체 골격이(예를 들어, 2- 또는 더 높은-작용성의 단량체성, 올리고머성 또는 중합체성 폴리아이소시아네이트로부터의) 아이소시아네이트 기와(예를 들어, 2-또는 더 높은-작용성의 단량체성, 올리고머성 또는 중합체성 폴리올로부터의) 하이드록실 기의 반응으로부터 유래된 우레탄 연결을 함유하는 중합체이다.
상기 중합체는 또한 우레탄 연결 이외에 다른 아이소시아네이트-유래의 연결, 예컨대 우레아, 뿐만 아니라 폴리아이소시아네이트 성분 또는 폴리올 성분에 존재하는 다른 유형의 연결 (예컨대, 에스테르 및 에테르 연결)을 함유할 수 있다.
상기 지방산 에스테르는 파라핀 왁스, 카나우바왁스(canauba wax), 미소결정왁스(microcrystalline wax), 밀랍(bee's wax), 몬탄왁스(montan wax), 저팬왁스(japan wax), 라놀린왁스(lanoline wax), 차이니즈왁스(Chinese wax), 라이스왁스(rice wax), 칸델릴라왁스(candelilla wax), 오우리큐리왁스(ouricury wax), 실리콘왁스(silicon wax), 플루오로왁스(fluoro wax) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제는, 분산성을 향상시키기 위한 폴리우레탄계 분산제를 사용할 수 있으나, 열경화성 수지 조성물의 분산성을 향상시키기 위한 것이라면 폴리우레탄계 분산제 이외에 당업자가 사용 가능한 것은 제한 없이 모두 사용 가능하다.
또한, 성형 공정 상 흐름성을 향상시키기 위한 지방산 에스테르도 상기 예시에 국한되지 않고 당업자가 흐름성의 개선을 위해 사용 가능한 것은 모두 사용 가능하다.
본 발명의 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재는, 전기차 배터리 케이스 하부 보호커버를 제조하기 위한 것으로, 열경화성 수지 조성물 40 내지 50 중량% 및 보강재 50 내지 60 중량%로 포함한다.
상기 범위 내에서 복합 소재로 제조함에 따라, 전기차 배터리케이스용 하부 보호 커버로 성형하여 사용 시, 우수한 내충격성, 난연성 및 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로 상기 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재는 비닐에스테르 수지(Vinyl ester resin); 성형 수축율을 보정하기 위한 첨가제; 난연제; 분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제 및 보강재를 포함하며, 상기 비닐에스테르 수지 20 내지 30 중량%; 성형 수축율을 보정하기 위한 첨가제 5 내지 10 중량%; 난연제 10 내지 15 중량%; 공정 첨가제 2 내지 5 중량% 및 보강재 50 내지 60 중량%로 포함할 수 있다.
상기 보강재는 필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛이며, 0.5 내지 2 인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 포함하며, 상기 0.5 내지 2인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 1:1 내지 1:2의 중량 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 직물 형태로 직조한 유리 섬유는, 유리 섬유만을 사용하는 경우에 비해 기계적 강도의 확보를 가능하게 하고, 내충격성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 보강재는, 50 중량% 범위 미만으로 포함하는 경우, 내충격성이 떨어지거나, 기계적 강도가 떨어지는 문제로 인해 외부의 충격에 의해 쉽게 크랙이 발생하는 문제가 발생할 수 있고, 60 중량%를 초과하여 포함하는 경우, 성형 공정 상에서 흐름성이 저하되어 부위별로 불균일한 품질의 제품이 제조될 수 있다.
상기 비닐에스테르 수지를 20 중량% 미만으로 포함하는 경우, 성형된 제품의 내충격성 등의 기계적 강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 30 중량%를 초과하여 포함하면, 성형 시, 제품의 성형 크랙 발생 및 수축에 의한 휨 발생이 발생할 수 있고, 원료 간의 상 분리 현상의 발생으로 균일성이 떨어져 부위별 불균일한 물성을 나타낼 수 있다.
상기 첨가제를 5 중량% 미만으로 포함 시, 성형 수축을 방지하는 기능이 떨어져서 제품의 구조 안정성이 떨어지고, 내충격성 등의 기계적 물성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 10중량%를 초과하여 첨가되면, 제품 표면에 얼룩, 미세 구멍, 흐름자국 등의 불량이 발생하게 되고, 성형 수축 불균형에 의해 성형 시 크랙이 발생하게 된다.
상기 난연제를 10 중량% 미만으로 포함하게 되면, 기계적 강도 및 난연성이 저하되는 문제가 발생하게 되고, 15 중량%를 초과하여 포함하게 되면, 제품의 성형성이 떨어지는 문제와 경제성이 떨어질 수 있다.
상기 공정 첨가제는 바람직하게 원료간 분산성능을 향상시키고 성형공정에서 흐름성을 향상시키기 위해 포함되는 것으로, 폴리우레탄계 분산제 및 지방산 에스테르를 1:1의 중량비율로 포함하여, 성분간의 분산 성능의 향상과 성형 공정에서의 흐름성의 개선을 위해 상기 범위 내에서 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버는 상기 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 성형하여 제조되는 것이다.
이때, 상기 복합소재를 압축성형용 몰드(mold)내에 원하는 두께를 기준으로 투입하고 일정한 공정조건으로 압축 성형하여 전기차 배터리케이스용 하부 보호 커버로 제조할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 복합 소재는 몰드(mold)에 투입하고, 압축 성형하여 제조하는 것으로, 상기 압축 성형 단계에서 몰드는 진공 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 몰드가 진공 상태에서 압축 성형하게 되면, 상하 몰드가 맞물려 닫힐 때, 몰드 내부의 공기와 복합 소재가 경화반응을 진행하면서 발생되는 가스를 배출시켜 줌과 동시에 상기 복합 소재의 원활한 흐름을 유도해서 제품을 성형 시에 보다 균일한 물성을 확보할 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 배터리케이스용 하부 보호 커버는 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 몰드 내 주입 후 성형하여 제조하는 것으로, 상기 몰드 내 복합 소재를 주입한 후, 진공 조건 하에서 압축 성형함에 따라, 소재의 특성으로 인해 난연성 및 우수한 기계적 강도를 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 성형 조건으로 인해 제품의 품질이 우수하며, 균일한 성능을 나타낼 수 있는 전기차 배터리케이스용 하부 보호 커버를 제조할 수 있다.
본 발명의 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버는 외부 충격 에너지를 흡수하여 전기차 배터리 팩 내 전달을 방지할 수 있고, 난연 성능이 우수하며, 차량용 경량 부품으로 제조가 가능하다.
또한, 전기차 배터리 케이스용 하부 커버로 이용 시, 난연성 및 충격 흡수 효과와 더불어, 인장 강도, 인장 탄성율, 굴곡강도 및 굴곡 탄성율과 같은 기계적 특성이 우수하고, 경량화된 부품 소재로 제공 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 배터리 케이스용 하부 커버에 관한 구조이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제조예 1
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재의 제조
하기 화학식 1로 표시되는 비닐에스테르 수지, 첨가제, 수산화알루미늄 및 실리콘왁스를 혼합하여 열경화성 수지 조성물을 제조하였다:
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다.
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다.
삭제
삭제
삭제
삭제
상기 첨가제는, Epoxy modified Saturated Polyester 및 Urethane modified Saturated Polyester를 1:1의 중량비로 혼합한 것이다.
필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛이고, 길이가 1인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 식물 형태로 직조된 유리 섬유를 1:1의 비율로 혼합한 보강재를 상기 열경화성 수지 조성물과 혼합하였다.
복합 소재의 함량은 하기 표 1과 같다.
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 실시예6 | 실시예7 | 실시예8 | |
| 비닐에스테르수지 | 25 | 20 | 28 | 18 | 32 | 28 | 28 | - |
| 불포화비닐에스테르수지 | - | - | - | - | - | - | - | 25 |
| 첨가제 | 7 | 7 | 7 | 14 | 3 | 8 | 8 | 7 |
| 수산화알루미늄 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 실리콘왁스 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 7 | 15 | 12 |
| 보강재 | 53 | 58 | 50 | 53 | 50 | 54 | 46 | 53 |
(단위 중량%)
제조예 2
전기차 배터리케이스용 하부 보호 커버의 제조
상기 실시예 1 내지 8의 복합 소재는 몰드에 주입하고 성형하여 하부 보호 커버로 제조하였다.
이때, 몰드 내부는 진공 상태로 유지한 후, 압축 성형하였다.
비교예로, 실시예 1과 동일한 복합 소재를 몰드 내로 주입하여 압축 성형하며, 진공 조건이 아닌 상태로 제품을 제조하였다.
실험예 1
기계적 강도 측정
상기 제조예2에서 제조된 하부 보호 커버에 대한 난연성능, 인장강도, 인장 탄성율, 굴곡강도, 굴곡 탄성율, 충격강도 및 충격 에너지 흡수에 대한 실험을 진행하였다.
그 결과는 하기 표 2와 같다.
| 규격 | 단위 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 실시예6 | 실시예7 | 실시예8 | 비교예 | |
| 난연성능 | UL94-V0 | V0 | V0 | V0 | V0 | V0 | V1 | V0 | V0 | V0 | |
| 인장강도 | ASTM 638 | MPa | 431.8 | 429.8 | 430.6 | 290.7 | 350.7 | 405.9 | 330.2 | 280.5 | 280.5 |
| 인장탄성율 | ASTM 638 | GPa | 31.2 | 30.2 | 30.9 | 20.5 | 23.1 | 28.5 | 25.3 | 18.5 | 21.5 |
| 굴곡강도 | ASTM 790 | MPa | 495.7 | 493.5 | 495.2 | 250.1 | 270.7 | 475.3 | 380.4 | 230.7 | 247.6 |
| 굴곡탄성율 | ASTM 790 | GPa | 29.9 | 27.4 | 28.9 | 17.8 | 20.4 | 30.1 | 21.3 | 17.6 | 20.6 |
| 충격강도 | ASTM 256 | kJ/㎡ | 166.8 | 164.2 | 166.5 | 122.9 | 108.3 | 152.7 | 120.7 | 90.7 | 121.7 |
| 충격흡수에너지 (700J) |
J | 193.9 | 191.3 | 195.9 | 135.7 | 152.0 | 149.4 | 133.7 | 120.3 | 128.5 |
인장 강도/탄성율: ASTM D638굴곡 강도/탄성율: ASTM D790
충격강도: ASTM 256
난연성능: UL94-V0
충격흡수에너지:
시험장비: Instron社 CEAST 9350 낙하충격시험기
시편사양: 60mm x 60mm x 2.3T
시험조건: 충격에너지 700J, (충격체 45.5kg, 속도 5.5m/sec, Φ 12.5 Φ20반구형)
상기 실험 결과에 따르면, 본 발명의 복합 소재를 이용한 하부 보호 커버는 난연 성능 이외에 우수한 기계적 강도를 나타내며, 외부 충격에 대한 충격 흡수 효과도 우수함을 확인하였다.
반면, 본 발명의 범위를 벗어나는 복합 소재를 이용하여 제조된 하부 보호 커버는 난연 성능이 떨어지거나, 난연성이 확보되더라도, 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있으며, 공통적으로 외부 충격에 대한 흡수 효과가 떨어짐을 확인하였다.
또한, 비교예의 경우 성형 과정에서의 조건을 달리한 것으로, 진공 조건 상태가 아닌 상태에서 압축 성형 시, 균일한 물성의 확보가 불가하여, 기계적 강도가 상대적으로 떨어지는 것으로 확인하였다.
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.
S100: 배터리 케이스
S200: 배터리 셀
S300: 냉각수 채널
S400: 하부 보호 커버
S200: 배터리 셀
S300: 냉각수 채널
S400: 하부 보호 커버
Claims (10)
- 열경화성 수지 조성물 및 보강재를 포함하며,
상기 열경화성 수지 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 비닐에스테르 수지(Vinyl ester resin);
성형 수축율을 보정하기 위한 첨가제;
난연제; 및
분산성 및 흐름성을 향상시키는 공정첨가제를 포함하는
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재:
[화학식 1]
여기서,
n은 1 내지 100의 정수이다. - 제1항에 있어서,
상기 보강재는 보강 유리 섬유 및 직물형태로 직조한 유리 섬유를 포함하는 것인
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 제2항에 있어서,
상기 보강재는 필리멘트의 굵기가 10 내지 15㎛이며, 0.5 내지 2 인치로 절단된 E-Glass 유리 섬유 및 직물 형태로 직조한 유리 섬유를 포함하는
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 제1항에 있어서,
상기 첨가제는 에폭시 화합물, 폴리우레탄 화합물, 폴리스티렌 화합물 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 제1항에 있어서,
상기 난연제는 논할로겐계 난연 난연제인
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 제1항에 있어서,
상기 공정 첨가제는 폴리우레탄계 분산제, 지방산 에스테르 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복합 소재는 열 경화성 수지 40 내지 50 중량% 및 보강재 50 내지 60 중량%를 포함하는
난연성 및 충격 흡수성 복합 소재. - 제1항에 따른 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재를 포함하는
전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버. - 제9항에 따른 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버를 포함하는
전기차 배터리팩.
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|---|---|---|---|
| KR1020200044766A KR102297444B1 (ko) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | 난연성 및 충격 흡수성 복합 소재 및 이를 포함하는 전기차 배터리 케이스용 하부 보호 커버 |
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- 2020-04-13 KR KR1020200044766A patent/KR102297444B1/ko active IP Right Grant
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