KR102505804B1 - 온도 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 제1 실장 영역 및 제1 실장 영역의 일측에서 연장되며 제1 실장 영역보다 큰 넓이 및 큰 폭을 가지는 제2 실장 영역을 포함하는 연성 기판, 제1 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 측정 대상의 온도를 감지하는 온도 센서가 실장되는 제1 강성 기판, 제2 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 온도 센서를 통해 감지된 온도를 기초로 온도 데이터를 생성하는 집적 회로가 실장되는 제2 강성 기판, 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 제2 강성 기판의 일측에 배치되는 안테나, 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 제2 강성 기판의 타측에 배치되며 제1 강성 기판 및 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되어 제1 강성 기판 및 제2 강성 기판에 전력을 공급하는 배터리, 연성 기판의 제1 표면을 커버하는 제1 커버 시트 및 연성 기판의 제2 표면을 커버하는 제2 커버 시트를 포함한다.

Description

온도 측정 장치{TEMPERATURE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 온도 측정 장치에 관한 것이다.
사람은 체온의 발생과 방산을 적절하게 조절하여 체온을 항상 일정하게 유지한다. 이와 같은 체온은 기본적인 생체 신호 중 하나로, 신체의 면역력을 좌우하고, 신체의 이상이나 발병 여부를 확인할 수 있는 중요한 지표 중 하나이다. 따라서 체온은 발열을 수반하는 질병에 걸린 환자들의 상태를 판단하는 중요한 지표 중 하나로 이용된다. 즉, 환자의 건강 상태 확인을 위해서 지속적인 체온의 측정이 필요하다.
일반적으로 막대형 눈금 온도계가 저렴한 비용, 적은 오차 등과 같은 이유로 체온 측정에 이용된다. 그러나 이와 같은 막대형 눈금 온도계는 막대 형상으로 인해 측정 대상자의 장시간 겨드랑이에 끼우고 생활하기에 불편하다. 또한, 측정 대상자가 무의식적으로 겨드랑이에 고정된 체온계를 떨어뜨리는 경우,　쉽게 파손될 수 있는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해서　패치형　온도계가 제시되었다. 패치형　온도계는　온도　센서, 배터리 등과 같은 부품이 실장되는 기판을 포함한다. 그리고 패치형 온도계는 측정 대상자에게 밀착될 수 있도록 연성을 가진다. 이와 같은 상황에서, 패치형 온도계가 측정 대상자에게 밀착되도록 휘어질 때, 기판에 실장되는 부품들이 기판과 쉽게 분리될 수 있는 문제점이 있다.
또한 패치형 온도계는 측정 대상자에게 밀착되기 때문에, 기판에 실장되는 배터리의 안정성 또한 담보되어야 한다.
본 발명의 목적은 기판에 실장되는 부품들이 쉽게 분리되지 않는 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 기판에 실장되는 배터리의 안정성이 담보되는 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 제1 실장 영역 및 상기 제1 실장 영역의 일측에서 연장되며 상기 제1 실장 영역보다 큰 넓이 및 큰 폭을 가지는 제2 실장 영역을 포함하는 연성 기판, 상기 제1 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 측정 대상의 온도를 감지하는 온도 센서가 실장되는 제1 강성 기판, 상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 상기 온도 센서를 통해 감지된 온도를 기초로 온도 데이터를 생성하는 집적 회로가 실장되는 제2 강성 기판, 상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 상기 제2 강성 기판의 일측에 배치되는 안테나, 상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 상기 제2 강성 기판의 타측에 배치되며 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되어 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판에 전력을 공급하는 배터리, 상기 연성 기판의 제1 표면을 커버하는 제1 커버 시트 및 상기 연성 기판의 제2 표면을 커버하는 제2 커버 시트를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 상기 제1 실장 영역과 연결되는 상기 제2 실장 영역의 일측에 배치되고, 상기 안테나는 상기 제2 실장 영역의 타측에 배치되고, 상기 제2 강성 기판은 상기 배터리와 상기 안테나 사이의 영역에 배치된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 상기 연성 기판 상에서 상기 제2 강성 기판과 상기 배터리 사이에 배치된 접점을 통해 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리의 일면은 상기 연성 기판의 제1 표면과 접촉하고, 상기 배터리는 연성을 가지며, 상기 연성 기판이 굴곡될 때 상기 배터리의 일면이 상기 연성 기판의 제1 표면과 떨어지지 않도록 상기 연성 기판과 동일한 굴곡을 가지도록 휘어지며, 외력이 인가되지 않으면 휘어진 상태를 유지한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 상기 연성 기판 상의 접점과 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film; ACF)을 통해 연결된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 연성 기판, 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판 중 적어도 하나에는 맥박 센서, 심전도 센서 및 습도 센서 중 적어도 하나가 실장된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 집적 회로는 상기 온도 데이터를 상기 안테나를 통해 송신할 때 고유 식별 코드를 함께 송신한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 집적 회로는 BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 LoRa(Long Range) 통신 프로토콜을 이용한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 양극, 음극 및 겔 고분자 전해질을 포함하고, 상기 겔 고분자 전해질은 고분자 매트릭스, 용매 및 해리 가능한 염을 포함하며, 상기 양극은 양극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층 및 양극 집전체를 포함하고, 상기 음극은 음극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층 및 음극 집전체를 포함하거나, 겔 고분자 전해질 및 음극 집전체를 포함하고, 상기 배터리는 상기 음극에 형성된 다공성 리튬층을 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 상기 연성 기판 상에 배치된 접점을 통해 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되고, 상기 배터리는 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체 중 적어도 하나가 직접 상기 접점과 전기적으로 연결된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 배터리는 3V 이상의 작동 전압을 가지는 단일 셀의 리튬 일차 전지이다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 연성 기판은 상기 온도 센서와 연결되며, 상기 제1 실장 영역의 제2 표면에 형성된 금속 도금 층을 포함하고, 상기 제2 커버 시트는 상기 금속 도금 층과 접촉하는 위치에 형성된 홀을 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 상기 제1 커버 시트와 상기 제2 커버 시트 사이에 배치되며, 상기 연성 기판의 제1 표면을 커버하는 제3 커버 시트를 더 포함하고, 상기 제1 커버 시트, 상기 제2 커버 시트 및 상기 제3 커버 시트는 고분자 수지 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의상기 제1 커버 시트, 상기 제2 커버 시트 및 상기 제3 커버 시트는 폴리올레핀(polyolefin), EVA(ethylene vinyl-acetate), 또는 폴리우레탄(polyurethane) 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성된다.
본 발명에 따른 온도 측정 장치는 기판에 실장되는 부품들이 쉽게 분리되지 않는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 온도 측정 장치는 기판에 실장되는 배터리의 안정성이 담보되는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 측정 장치의 일부 구성을 분해한 상태를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 "A-A" 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 "B"부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 이용되는 배터리의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 온도 측정 장치가 무선 통신을 수행할 때, 공급되는 전압에 따른 전류 소모량을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 종래 기술에 따른 배터리의 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 이용되는 배터리의 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 온도 측정 장치를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 측정 장치의 일부 구성을 분해한 상태를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 "A-A" 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 "B"부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 연성 기판(110), 제1 강성 기판(120), 제2 강성 기판(130), 안테나(140), 배터리(150), 제1 커버 시트(160) 및 제2 커버 시트(170)를 포함한다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 제3 커버 시트(180)를 더 포함할 수 있다.
연성 기판(110)은 외력이 가해지면 휘어지는 연성을 가지는 기판으로, 제1 실장 영역(111) 및 제2 실장 영역(112)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 제1 실장 영역(111)은 직사각형 형태일 수 있다. 제1 실장 영역(111)에는 후술되는 제1 강성 기판(120)이 배치된다.
제2 실장 영역(112)은 제1 실장 영역(111)의 일측에서 연장되며 제1 실장 영역(111)보다 큰 넓이 및 큰 폭을 가진다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 실장 영역(112)은 직사각형 형태일 수 있다. 이때 제2 실장 영역(112)은 제1 실장 영역(111)보다 가로 및 세로의 길이가 모두 긴 직사각형 형태일 수 있다. 제2 실장 영역(112)에는 후술되는 제2 강성 기판(130), 안테나(140) 및 배터리(150)가 배치된다.
연성 기판(110)은 도선(미도시)을 포함한다. 도선은 연성 기판(110) 상에 인쇄된 패턴 형태로 구비될 수 있다. 도선은 연성 기판(110) 상에 배치되는 부품들을 전기적으로 연결한다.
연성 기판(110)은 제1 실장 영역(111)의 제2 표면에 형성된 금속 도금 층(113)을 포함한다. 이는 도 4를 통해 확인할 수 있다.
금속 도금 층(113)은 온도 측정 장치(100)를 이용하여 측정 대상의 온도를 측정할 때 측정 대상과 직접 접촉할 수 있다. 금속 도금 층(113)은 후술되는 온도 센서(121)와 연결되어, 온도 센서(121)가 측정 대상의 온도를 감지할 수 있도록 한다.
제1 강성 기판(120)은 외력이 가해지더라도 휘어지지 않는 강성을 가지는 기판으로, 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111)의 제1 표면 상에 배치된다. 이때 제1 강성 기판(120)은 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111) 중 제2 실장 영역(112)과 연장되지 않는 타측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 제1 강성 기판(120)은 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111)보다 작은 크기의 직사각형 형태일 수 있다.
제1 강성 기판(120)에는 온도 센서(121)가 실장된다. 온도 센서(121)는 측정 대상의 온도를 감지한다.
온도 센서(121)는 측정 대상의 온도를 감지하고, 감지된 결과를 후술되는 집적 회로(131)로 실시간으로 전달할 수 있다. 온도 센서(121)는 금속 도금 층(113)과 연결된다. 이때 온도 센서(121)는 금속 도금 층(113)을 통해 측정 대상의 온도를 감지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 온도 센서(121)는 써미스터 또는 TMP116과 같은 칩 형태의 온도 센서 모듈 중 어느 하나 일 수 있다.
제2 강성 기판(130)은 외력이 가해지더라도 휘어지지 않는 강성을 가지는 기판으로, 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)의 제1 표면 상에 배치된다. 이때 제2 강성 기판(130)은 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112) 중 제1 실장 영역(111)과 연장되지 않는 영역에 인접하여 배치될 수 있다.
제2 강성 기판(130)에는 집적 회로(131)가 실장된다. 집적 회로(131)는 온도 센서(121)를 통해 감지된 온도를 기초로 온도 데이터를 생성한다. 온도 데이터는 온도 센서(121)를 통해 실시간으로 전달 받은 온도를 포함하며, 전달 받은 온도에 기초하여 연산한 평균값, 변화량 등과 같은 데이터를 더 포함할 수 있다.
집적 회로(131)는 상술한 바와 같은 연산을 수행하도록 하는 명령어들을 저장하는 메모리(memory), 메모리에 저장된 명령어들을 처리하는 프로세서(processor), 후술되는 안테나(140)를 통해 송신되는 통신 신호를 생성하는 통신 칩을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 집적 회로(131)는 메모리, 프로세서, 통신 칩 등과 같은 칩이 하나의 칩으로 구성된 SoC(System on Chip) 일 수 있다.
집적 회로(131)는 온도 데이터를 안테나(140)를 통해 송신할 때 고유 식별 코드를 함께 송신하도록 할 수 있다. 즉, 집적 회로(131)는 안테나(140)를 통해 송신되는 통신 신호를 생성할 때, 온도 데이터와 함께 고유 식별 코드를 포함하여 생성할 수 있다. 이와 같이 온도 데이터와 함께 고유 식별 코드를 송신하도록 함으로써, 온도 측정 장치(100)로부터 신호를 수신하는 장치가 어느 온도 측정 장치(100)로부터 신호가 수신되었는지 판단할 수 있게 된다. 따라서 복수의 온도 측정 장치(100)를 동시에 이용하더라도, 어느 측정 대상의 온도를 측정한 것인지 구별 가능하게 된다.
집적 회로(131)는 BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 LoRa(Long Range) 통신 프로토콜을 이용한다. 즉, 집적 회로(131)는 통신 신호를 생성할 때, BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 LoRa(Long Range) 통신 프로토콜을 이용하여 생성할 수 있다.
연성 기판(110), 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130) 중 적어도 하나에는 맥박 센서(미도시), 심전도 센서(미도시) 및 습도 센서(미도시) 중 적어도 하나가 실장될 수 있다. 즉, 맥박 센서, 심전도 센서 및 습도 센서를 더 이용하여, 맥박, 심전도 및 습도와 같은 추가 데이터를 획득하여 송신함으로써, 측정 대상의 상태를 보다 구체적으로 파악할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 외력에 의해 휘어지는 연성 기판(110)을 이용하여 온도 측정 장치(100)를 측정 대상에 밀착시킬 수 있도록 함과 동시에, 외력에 의해 휘어지지 않는 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130) 상에 온도 센서(121) 및 집적 회로(131)를 각각 배치하여 온도 센서(121) 및 집적 회로(131)가 외력에 의해 분리되는 것을 방지할 수 있다.
안테나(140)는 집적 회로(131)에 의해 생성된 통신 신호를 송신하거나, 외부 장치로부터 통신 신호를 수신하는 장치로, 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)의 제1 표면 상에서 제2 강성 기판(130)의 일측에 배치된다. 안테나(140)는 연성 기판(110) 상에 인쇄된 패턴 형태로 구비될 수 있다.
배터리(150)는 연성 기판(110) 상에 배치되는 부품들에 전력을 공급하는 장치로, 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)의 제1 표면 상에서 제2 강성 기판(130)의 타측에 배치된다.
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에서 배터리(150)는 제1 실장 영역(111)과 연결되는 제2 실장 영역(112)의 일측에 배치될 수 있다. 그리고 안테나(140)는 제2 실장 영역(112)의 타측에 배치될 수 있다. 그리고 제2 강성 기판(130)은 제2 실장 영역(112) 중 배터리(150)와 안테나(140) 사이의 영역에 배치될 수 있다.
이때 배터리(150)의 일면은 연성 기판(110)의 제1 표면과 접촉한다. 즉, 배터리(150)의 일면은 연성 기판(110)의 제1 표면에 접착 또는 점착될 수 있다.
배터리(150)는 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130)과 전기적으로 연결된다. 이때 배터리(150)는 연성 기판(110) 상의 도선을 통해 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 배터리(150)는 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130)에 전력을 공급한다.
이때 배터리(150)는 연성 기판(110) 상에서 제2 강성 기판(130)과 배터리(150) 사이에 배치된 접점(미도시)을 통해 제1 강성 기판(120) 및 제2 강성 기판(130)과 전기적으로 연결된다.
배터리(150)는 연성 기판(110) 상의 접점과 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film; ACF)을 통해 연결될 수 있다. 만일 배터리(150)를 연성 기판(110) 상의 접점과 납땜을 통해 연결하면, 온도 측정 장치(100)가 굴곡될 때 접점 상에 인가되는 스트레스로 인해 배터리(150)와 연성 기판(110) 간의 연결이 끊어지기 쉽다. 반면 배터리(150)를 연성 기판(110) 상의 접점과 이방성 전도 필름을 통해 연결하면, 이방성 전도 필름의 연성으로 인하여 온도 측정 장치(100)가 굴곡될 때 접점 상에 인가되는 스트레스가 감소하므로, 배터리(150)와 연성 기판(110) 간의 연결이 끊어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리(150)는 외력이 가해지면 휘어지는 연성을 가진다. 배터리(150)는 연성 기판(110)이 굴곡될 때, 배터리(150)의 일면이 연성 기판(110)의 제1 표면과 떨어지지 않도록 연성 기판(110)과 동일한 굴곡을 가지도록 휘어진다. 그리고 배터리(150)는 연성 기판(110)과 동일한 굴곡을 가지도록 휘어진 상태에서 외력이 인가되지 않으면, 휘어진 상태를 유지한다. 이와 같이 배터리(150)가 연성 기판(110)과 떨어지지 않고 휘어짐으로써, 온도 측정 장치(100)가 측정 대상에 밀착 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서 배터리(150)는 3V 이상의 작동 전압을 가지는 단일 셀의 리튬 일차 전지일 수 있다. 배터리(150)의 상세 구조는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
제1 커버 시트(160)는 연성 기판(110)의 제1 표면을 커버한다. 즉, 제1 커버 시트(160)는 연성 기판(110)의 제1 표면 상에 위치할 수 있다.
제1 커버 시트(160)는 연성 기판(110)의 형태와 대응되는 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 커버 시트(160)는 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111)에 대응되는 제1 커버 영역(161) 및 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)에 대응되는 제2 커버 영역(162)을 포함할 수 있다. 이때 제1 커버 시트(160)의 제1 커버 영역(161)의 단부는 다른 형태(예를 들어, 원형)로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제1 커버 영역(161)의 단부를 다른 형태로 구성함으로써, 사용자에게 온도 센서(121)가 배치된 위치를 알려줄 수 있다.
제1 커버 시트(160)는 외력이 가해지면 휘어지는 연성을 가진다. 따라서 제1 커버 시트(160)는 외력이 가해지면 연성 기판(110)과 함께 굴곡되어, 연성 기판(110)의 제1 표면을 지속하여 커버할 수 있다. 이와 같은 제1 커버 시트(160)는 고분자 수지 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 즉, 제1 커버 시트(160)는 폴리올레핀(polyolefin), EVA(ethylene vinyl-acetate), 또는 폴리우레탄(polyurethane) 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
제2 커버 시트(170)는 연성 기판(110)의 제2 표면을 커버한다. 즉, 제2 커버 시트(170)는 연성 기판(110)의 제2 표면 상에 위치할 수 있다.
제2 커버 시트(170)는 연성 기판(110)의 형태와 대응되는 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 제2 커버 시트(170)는 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111)에 대응되는 제1 커버 영역(171) 및 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)에 대응되는 제2 커버 영역(172)을 포함할 수 있다. 이때 제2 커버 시트(170)의 제1 커버 영역(171)의 단부는 다른 형태(예를 들어, 원형)로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제2 커버 영역(171)의 단부를 다른 형태로 구성함으로써, 사용자에게 온도 센서(121)가 배치된 위치를 알려줄 수 있다. 이와 같은 제2 커버 시트(170)는 제1 커버 시트(160)와 동일한 크기 및 형태를 가지는 것이 바람직하다.
제2 커버 시트(170)는 외력이 가해지면 휘어지는 연성을 가진다. 따라서 제2 커버 시트(170)는 외력이 가해지면 연성 기판(110)과 함께 굴곡되어, 연성 기판(110)의 제2 표면을 지속하여 커버할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 일 실시예에서 제2 커버 시트(170)는 고분자 수지 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 즉, 제2 커버 시트(170)는 폴리올레핀(polyolefin), EVA(ethylene vinyl-acetate), 또는 폴리우레탄(polyurethane) 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
제2 커버 시트(170)는 금속 도금 층(113)과 접촉하는 위치에 형성된 홀(173)을 포함할 수 있다. 이는 도 4를 통해 확인할 수 있다.
홀(173)은 금속 도금 층(113)이 제2 커버 시트(170)에 의해 실링되지 않고, 외부와 연결되도록 한다. 이와 같이 금속 도금 층(113)이 외부와 연결되면, 온도 측정 장치(100)를 이용하여 측정 대상의 온도를 측정할 때 금속 도금 층(113)이 측정 대상과 직접 접촉할 수 있다. 이와 같이 홀(173)을 통해 금속 도금 층(113)이 측정 대상과 직접 접촉할 수 있도록 함으로써, 온도 센서(121)가 측정 대상의 온도를 보다 정확하게 감지하도록 할 수 있다.
제3 커버 시트(180)는 제1 커버 시트(160)와 제2 커버 시트(170) 사이에 배치되며, 연성 기판(110)의 제1 표면을 커버한다.
제3 커버 시트(180)는 연성 기판(110)의 형태와 대응되는 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 제3 커버 시트(180)는 연성 기판(110)의 제1 실장 영역(111)에 대응되는 제1 커버 영역(181) 및 연성 기판(110)의 제2 실장 영역(112)에 대응되는 제2 커버 영역(182)을 포함할 수 있다. 이때 제3 커버 시트(180)의 제1 커버 영역(181)의 단부는 다른 형태(예를 들어, 원형)로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제1 커버 영역(181)의 단부를 다른 형태로 구성함으로써, 사용자에게 온도 센서(121)가 배치된 위치를 알려줄 수 있다. 이와 같은 제3 커버 시트(180)는 제1 커버 시트(160) 및 제2 커버 시트(170)와 동일한 형태를 가지되, 제1 커버 시트(160) 및 제2 커버 시트(170)보다 다소 작은 크기를 가질 수 있다.
제3 커버 시트(180)는 외력이 가해지면 휘어지는 연성을 가진다. 따라서 제3 커버 시트(180)는 외력이 가해지면 연성 기판(110)과 함께 굴곡되어, 연성 기판(110)의 제1 표면을 지속하여 커버할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 일 실시예에서 제3 커버 시트(180)는 고분자 수지 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 즉, 제3 커버 시트(180)는 폴리올레핀(polyolefin), EVA(ethylene vinyl-acetate), 또는 폴리우레탄(polyurethane) 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
이와 같은 제3 커버 시트(180)는 제1 커버 시트(160)와 제2 커버 시트(170) 사이에서, 연성 기판(110)의 제1 표면을 커버함으로써, 연성 기판(110)의 제1 표면에 배치된 제1 강성 기판(120), 제2 강성 기판(130), 안테나(140) 및 배터리(150)를 추가적으로 커버한다. 이를 통해, 온도 측정 장치(100)에 포함된 부품들간의 접점 안정성을 강화함과 동시에, 온도 측정 장치(100)가 방수 및 방진되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 연성 기판(110), 제1 강성 기판(120), 제2 강성 기판(130), 안테나(140), 배터리(150), 제1 커버 시트(160) 및 제2 커버 시트(170)를 온도 측정 장치(100)는 전체 두께가 2mm 미만이 되도록 제작 가능하다. 따라서 측정 대상자가 온도 측정 장치(100)를 장시간 겨드랑이와 같은 부위에 끼우고 있더라도 불편함을 적게 느끼게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 이용되는 배터리의 구조를 도시한 도면이다.
이하에서 결합체는 화학적 및 물리적으로 결합 및 일체화된 것을 의미한다. 전해질 결합체는 양극 또는 분리막 상에 겔 고분자 전해질이 도포 또는 주입된 다음 경화 또는 겔화되어 일체화된 것을 의미한다. 적층체는 각각의 층이 그대로 유지되면서 화학적 및 물리적으로 결합되어 적층된 것을 의미한다. 겔화(gelation)는 고분자 사슬간 엉킴(entanglement)이나 고분자 사슬의 부분적인 분자배향에 의해 형성되는 물리적인 가교, 화학결합으로 얽힌 망상구조에 따른 화학적 가교, 혹은 물리적인 가교와 화학적인 가교가 혼합된 복합가교를 의미한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)는 양극(151), 음극(152) 및 겔 고분자 전해질을 포함한다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)는 음극(152)에 형성된 다공성 리튬층(153)을 더 포함한다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)는 상부 시트(154), 하부 시트(155), 격벽(156) 및 분리막(157)을 더 포함할 수 있다.
양극(151)은 양극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층(151a) 및 양극 집전체(151b)를 포함한다. 이때 양극(151)은 양극 집전체(151b) 상에 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층(151a)이 형성된 양극-전해질 결합체일 수 있다. 양극-전해질 결합체는 겔 고분자 전해질 조성물을 양극 활물질층 상에 도포하고, 겔화 시킨 것일 수 있다. 이때 겔화에 의해 양극-전해질 결합체의 기계적 강도 및 구조적 안정성이 향상되고, 양극 계면의 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
복합 활물질층(151a)은 양극 활물질층 및 겔 고분자 전해질이 일체화된 것일 수 있다. 여기서 일체화는 양극 활물질층 상에 겔 고분자 전해질을 도포하여 양극 활물질층의 내부로 일부 또는 전부 함침시키거나, 양극 활물질층의 표면에 겔 고분자 전해질층을 형성한 것을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서 복합 활물질층(151a)은 양극 집전체(151b) 상에 양극 활물질층을 형성한 후, 양극 활물질층 상에 겔 고분자 전해질 조성물을 도포하여 일체화한 형태일 수 있다.
양극 활물질층은 양극 집전체(151b) 상에 양극 활물질 조성물을 도포하여 형성하거나, 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅한 후, 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체(151b) 상에 라미네이션 하여 양극 활물질층이 형성된 양극을 제조하는 것일 수 있다. 양극 활물질층의 두께는 0.01㎛ 내지 500㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 1㎛ 내지 200 ㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
양극 활물질 조성물은 양극 활물질, 바인더 및 용매를 포함할 수 있으며, 도전재를 더 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
양극 활물질은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 리튬 일차전지 또는 이차전지를 예로 들면, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)이 양극 활물질로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 양극 활물질은 분말 형태일 수 있다.
구체적으로 양극 활물질로 코발트, 망간, 니켈 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 하기 화학식 1 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1]
LiaA1-bRbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaE1-bRbO2-cDc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiE2-bRbO4-cDc(0 ≤ b ≤0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1-b-cCobRcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1-b-cCobRcO2-αZα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cCobRcO2-αZ2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbRcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbRcO2-αZ2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNibEcGdO2 (0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaCoGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMnGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); QO2 ; QS2 ; LiQS2 ; V2O5 ; LiV2O5 ; LiTO2 ; LiNiVO4 ; Li(3-f)J2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2); 또는 LiFePO4
(상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; Z는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; T는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합이다.)
물론 양극 활물질로 상기 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 여기서 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 코팅층에 포함되는 코팅 원소로 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 코팅 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)인 코팅 방법일 수 있으며, 이는 당업자에게 용이한 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
양극 활물질은 조성물 총 중량 중 20중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 95중량%일 수 있다. 또한 양극 활물질의 평균입경이 0.001㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 20 ㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 부착시키고, 또한 양극 활물질을 양극 집전체(151b)에 고정시키는 역할을 한다. 바인더로 해당 분야에서 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어 바인더로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바인더의 함량은 총 중량 중 0.1중량% 내지 20중량%, 더욱 좋게는 1중량% 내지 10중량% 일 수 있고, 상기 범위에서 바인더 역할을 하기에 충분한 함량이면 충분하고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용매는 N-메틸 피롤리돈, 아세톤 및 물 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 용매일 수 있다. 용매의 함량은 슬러리 상태로 양극 집전체(151b) 상에 도포가 가능할 정도의 함량이면 충분하고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 충분하고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료가 도전재로 사용될 수 있으며, 단독 또는 2종 이상이 혼합되어 도전재로 사용될 수 있다.
도전재의 함량은 양극활물질 조성물 중 0.1중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 0.5중량% 내지 10중량%, 더욱 바람직하게는 1중량% 내지 5중량% 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도전재의 평균입경은 0.001㎛ 내지 1000㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 100㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
겔 고분자 전해질은 고분자 매트릭스, 용매 및 해리 가능한 염을 포함한다. 여기서 고분자 매트릭스는 선형 고분자 및 가교 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
고분자 매트릭스가 선형 고분자를 포함하는 경우, 겔 고분자 전해질은 도포 후 겔화 과정에 의해 겔화되어 일체화 될 수 있다. 고분자 매트릭스가 가교 고분자를 포함하는 경우, 겔 고분자 전해질은 도포 후 가교 과정에 의해 경화되어 일체화 될 수 있다. 고분자 매트릭스가 선형 고분자와 가교 고분자를 모두 포함하는 경우, 겔 고분자 전해질은 도포 후 겔화 과정 및 가교 과정에 의해 겔화 및 경화되어 반 상호 침투 망상(semi-IPN) 구조의 고분자 매트릭스를 이루어 일체화되는 것일 수 있다. 이에 대해 각각의 일 실시예를 들어 아래와 같이 설명한다.
겔 고분자 전해질의 일 실시예로 고분자 매트릭스가 가교 고분자를 포함하는 경우, 가교 가능한 단량체 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 단량체, 개시제 및 액체전해질을 포함하는 겔 고분자 전해질 조성물을 양극 상에 도포하고, 자외선 조사 또는 열을 가하여 가교시킴으로써 그물 형태의 고분자 매트릭스 내에 액체 전해질 등이 균일하게 분포될 수 있으므로 용매의 증발 공정이 불필요할 수 있다.
가교 고분자를 포함하는 고분자 매트릭스로 이루어진 겔 고분자 전해질은 액체전해질, 가교 가능한 단량체 및 이의 유도체가 개시제에 의해 광가교 또는 열가교 결합되어 고분자 매트릭스를 이루는 것일 수 있다. 이때 가교에 의해 겔 고분자 전해질층의 기계적 강도 및 구조적 안정성이 향상되며, 앞서 설명된 실시예의 양극과 결합되었을 때, 겔 고분자 전해질층과 양극 계면의 구조적 안정성이 더욱 향상될 수 있다.
겔 고분자 전해질 조성물은 코팅 공정에 적합한 점도를 갖는 것이 바람직하며, 예를 들어 25℃에서 브룩필드 점도계를 이용하여 측정된 점도가 0.1cps 내지 10,000,000cps, 바람직하게는 1.0cps 내지 1,000,000cps, 더욱 바람직하게는 1.0cps 내지 100,000cps 일 수 있으며, 상기 범위에서 코팅 공정에 적용하기에 적절한 점도이면 충분하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
겔 고분자 전해질 조성물은 전체 조성물 100중량% 중, 가교 가능한 단량체를 1중량% 내지 50중량%, 구체적으로 2중량% 내지 40중량% 만큼 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 겔 고분자 전해질 조성물은 개시제를 0.01중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 0.01중량% 내지 20중량%, 더욱 바람직하게는 0.1중량% 내지 10중량%를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 겔 고분자 전해질 조성물은 액체전해질을 1중량% 내지 95중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 90중량%, 더욱 바람직하게는 2중량% 내지 80중량%로 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가교 가능한 단량체는 2개 이상의 관능기를 갖는 단량체 또는 2개 이상의 관능기를 갖는 단량체와 1개의 관능기를 갖는 단량체를 혼합하여 사용하는 것일 수 있으며, 광가교 또는 열가교 가능한 단량체라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
2개 이상의 관능기를 갖는 단량체는 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 에톡시레이트 트리아크릴레이트, 트리메틸올프로판 에톡시레이트 트리메타크릴레이트, 비스페놀에이에톡시레이트 디아크릴레이트, 비스페놀에이에톡시레이트 디메타크릴레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 일 수 있다.
또한, 1개의 관능기를 갖는 단량체는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸렌글리콜 메틸에테르아크릴레이트, 에틸렌글리콜 메틸에테르메타크레이트, 아크릴로니트릴, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드 및 비닐플로라이드 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 일 수 있다.
또한, 단량체의 광가교 또는 열가교를 위해 개시제를 사용할 수 있다. 개시제로 당업계에서 통상적으로 사용되는 광개시제 또는 열 개시제가 제한되지 않고 사용될 수 있다.
액체전해질은 해리 가능한 염 및 용매를 포함할 수 있다.
해리 가능한 염은 리튬헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬헥사플루오르안티모네이트(LiSbF6), 리튬헥사플루오르아세네이트(LiAsF6), 리튬디플루오르메탄설포네이트(LiC4F9SO3), 과염소산리튬(LiClO4), 리튬알루미네이트(LiAlO2), 리튬테트라클로로알루미네이트(LiAlCl4), 염화리튬(LiCl), 요오드화리튬(LiI), 리튬비스옥살레이토보레이트(LiB(C2O4)2), 리튬디플루오로옥살레이토보레이트 (LiB(C2O4)F2), 리튬비스플루오로설포닐이미드(LiFSI), 리튬트리플루오로메탄설포닐이미드 (LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2) (여기서, x, y는 자연수) 및 이들의 유도체에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 해리 가능한 염의 농도는 0.1M 내지 10.0M, 바람직하게는 1M 내지 5M 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용매는 카보네이트계 용매, 니트릴계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 글림계 용매, 알코올계 용매, 프로피오네이트계 용매 및 비양자성 용매 등과 같은 유기용매 및 물에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합 용매 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 겔 고분자 전해질은 가교 고분자 매트릭스 내에 선형 고분자를 더 포함하여 반 상호 침투 망상(semi-IPN) 구조일 수 있다. 이 경우 양극-전해질 결합체는 기계적 강도 및 구조적 안정성이 더욱 향상되며, 양극 계면의 구조적 안정성도 더욱 향상될 수 있다.
선형 고분자는 용매를 함침시킬 수 있는 고분자라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Poly(vinylidene fluoride), PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(Poy(vinylidene fluoride)-co-hexafluoropropylene, PVdF-co-HFP), 폴리메틸메타아크릴레이트 (Polymethylmethacryalte, PMMA), 폴리스티렌 (Polystyrene, PS), 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 및 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide, PEO) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
선형 고분자는 가교 고분자 매트릭스 중량에 대하여 1중량% 내지 90중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로 1중량% 내지 80중량%, 1중량% 내지 70중량%, 1중량% 내지 60중량%, 1중량% 내지 50중량%, 1중량% 내지 40중량% 또는 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있다. 즉, 고분자 매트릭스가 반 상호 침투 망상(semi-IPN) 구조인 경우, 가교 가능한 고분자와 상기 선형 고분자는 99 : 1 내지 10 : 90 중량비의 비율로 포함될 수 있다. 선형 고분자가 상기 범위로 포함될 경우, 가교 고분자 매트릭스는 적절한 기계적 강도를 유지하면서 유연성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 연성 배터리에 적용하였을 때 다양한 외력에 의한 형태 변형에도 안정적인 배터리 성능을 구현할 수 있고 배터리의 형태 변형으로부터 유발될 수 있는 전지 발화, 폭발 등의 위험을 억제시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 겔 고분자 전해질은 선형 고분자 및 액체 전해질을 포함하는 겔 고분자 전해질 조성물을 도포 및 겔화 과정에 의해 겔화된 선형고분자 매트릭스로 이루어질 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 겔 고분자 전해질은 선형 고분자, 용매 및 해리 가능한 염을 포함하는 겔 고분자 전해질 조성물을 양극 활물질층 상에 도포하고, 물리적으로 가교하여 겔화 시킨 것일 수 있다. 이때 겔화에 의해, 양극-전해질 결합체의 기계적 강도 및 구조적 안정성이 향상되며, 양극 계면의 구조적 안정성이 향상될 수 있다. 이때 선형 고분자 및 액체전해질은 앞서 설명한바와 동일하므로 중복 설명을 생략한다. 본 발명의 일 실시예에서, 선형고분자, 염 및 용매 등을 포함하는 조성물 총 100중량% 중, 선형고분자는 1중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1중량% 내지 30중량%로 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 용매는 1중량% 내지 99중량%, 바람직하게는 8중량% 내지 60중량%, 보다 바람직하게는 10중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 해리 가능한 염의 농도는 0.1M 내지 10.0M, 바람직하게는 1M 내지 5M 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 겔 고분자 전해질 조성물은 필요에 따라 무기입자를 더 포함할 수 있다. 무기 입자는 겔 고분자 전해질 조성물의 점도 등 유변학적 특성을 제어함으로써 코팅이 가능하도록 할 수 있다. 무기 입자는 전해질의 이온 전도도를 향상시키고 기계적인 강도를 향상시키기 위하여 사용될 수 있으며, 다공성 입자일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속산화물, 탄소산화물, 탄소계 재료 및 유무기복합체 등이 무기 입자로 사용될 수 있으며, 단독 또는 둘 이상이 혼합하여 사용될 수 있다. 더욱 구체적으로 예를 들면, SiO2, Al2O3, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, 및 SiC 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 무기입자를 사용함으로써, 유기 용매와 친화성이 높을 뿐 아니라 열적으로도 매우 안정하여 전기화학 소자의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
무기 입자의 평균 직경은 0.001㎛ 내지 10㎛일 수 있고, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛, 더욱 바람직하게는 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 무기입자의 평균 직경이 상기 범위를 만족할 경우 전기화학소자의 우수한 기계적 강도 및 안정성을 구현할 수 있다.
겔 고분자 전해질 조성물 중 무기 입자의 함량은 0.1중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 0.5중량% 내지 40중량%, 더욱 바람직하게는 1중량% ~ 30중량%일 수 있고, 점도 범위는 0.1cps 내지 10,000,000cps, 바람직하게는 1.0cps 내지 1,000,000cps, 더욱 바람직하게는 1.0cps 내지 100,000cps 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
양극 집전체(151b)는 해당 기술 분야에서 사용되는 전도성이 우수한 기판이라면 제한되지 않으며, 전도성 금속, 전도성 금속산화물 등 중에서 어느 하나를 포함하여 이루어 질 수 있다. 또한, 양극 집전체(151b)는 기판 전체가 전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 절연성 기판의 일면 또는 양면에 전도성 금속, 전도성 금속 산화물, 전도성 고분자 등이 코팅된 형태일 수 있다. 또한, 양극 집전체(151b)는 연성을 가지는 기판으로 이루어 질 수 있으며, 양극 집전체(151b)가 쉽게 굽혀질 수 있음으로써, 배터리(150)가 연성을 가지게 되고, 온도 측정 장치(100)가 연성을 가질 수 있다. 또한, 양극 집전체(151b)는 굽혔다가 다시 원래 형태로 되돌아가는 복원력을 갖는 소재로 이루어질 수 있다. 또한 양극 집전체(151b)는 박막형태, 메쉬형태, 전도성기판의 일면 또는 양면에 박막 또는 메쉬 형태의 집전체가 적층되어 일체화된 형태 및 금속-메쉬 복합체로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다. 여기서 금속-메쉬 복합체는 박막형태의 금속과 메쉬형태의 금속 또는 고분자 소재를 가열 압착하여 일체화함으로써 메쉬의 구멍 사이에 금속 박막이 끼어들어가 일체화되어 구부려도 금속 박막이 깨지거나 크랙이 발생하지 않는 것을 의미한다. 이와 같이 금속-메쉬 복합체를 사용하는 경우는 전지의 굽힘 시, 또는 충방전 시 집전체에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어 더욱 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 양극 집전체(151b)는 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 철, 리튬, 코발트, 티타늄, 니켈 발포체, 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재 및 이들의 복합체 등으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
음극(152)은 음극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층(152a) 및 음극 집전체(152b)를 포함하거나, 겔 고분자 전해질(152a) 및 음극 집전체(152b)를 포함한다.
음극 활물질층은 음극 집전체(152b) 상에 음극 활물질 및 바인더를 포함하는 음극 활물질 조성물을 도포하여 활물질층이 코팅된 것일 수 있으며, 음극 활물질층 상에 겔 고분자 전해질 조성물이 도포되어 활물질층에 일부 또는 전부 함침되어 내부 및 표면에서 선택되는 어느 하나 이상에 겔 고분자 전해질이 형성된 복합활물질층인 것일 수 있다.
복합 활물질층(152a)은 음극 활물질층 및 겔 고분자 전해질이 일체화된 것일 수 있으며, 여기서 일체화는 음극 활물질층 상에 겔 고분자 전해질을 도포하여 활물질층의 내부로 일부 또는 전부 함침시키거나, 활물질층의 표면에 겔 고분자 전해질층을 형성한 것을 의미한다. 구체적인 일 양태로, 음극 집전체(152b) 상에 음극 활물질층을 형성한 후, 음극 활물질층 상에 겔 고분자 전해질 조성물을 도포하여 일체화 한 것일 수 있다.
음극 활물질 조성물은 금속 박막 등의 집전체 상에 직접 코팅 및 건조하여 음극 활물질층이 형성된 음극 극판을 형성하는 것일 수 있다. 이때 코팅은 바코팅, 스핀코팅, 슬롯다이코팅, 딥코팅 등의 코팅방법 뿐만 아니라, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 그라비아 오프셋, 에어로졸 프린팅, 스텐실 프린팅 및 스크린 프린팅 등의 프린팅 방법으로 코팅되는 것일 수 있다.
또는 음극 활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체(152b)상에 라미네이션 하여 음극 활물질층이 형성된 음극을 제조하는 것일 수 있다. 음극 활물질층의 두께는 0.01㎛ 내지 500㎛, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 200㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질 조성물은 음극 활물질, 바인더 및 용매를 포함하는 것일 수 있으며, 도전재를 더 포함하는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 리튬 일차 전지 또는 이차 전지를 예로 들면, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)이 음극 활물질로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 음극 활물질은 분말 형태 일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 음극 활물질은 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소계 재료 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있다.
이때 리튬과 합금 가능한 금속은 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn 등이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물 및 리튬 바나듐 산화물 등 일 수 있으며, 단독 또는 2 이상의 혼합물 일 수 있다.
상기 비전이 금속 산화물은 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Sn은 아님) 등 일 수 있다. 상기 Q 및 R의 구체적인 원소로는, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te 및 Po 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것일 수 있다.
탄소계 재료로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 및 이들의 조합에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정질 탄소로 무정형, 판상, 플레이크, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연이 사용될 수 있고, 비정질 탄소로 소프트 카본, 하드카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등이 사용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은 조성물 총 중량 중 1중량% 내지 90중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 80중량%를 포함할 수 있다. 또한 음극 활물질의 평균입경이 0.001㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 15㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 음극 활물질을 음극 집전체(152b)에 고정시키는 역할을 한다. 바인더로 해당 분야에서 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어 바인더로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용매는 N-메틸 피롤리돈, 아세톤 및 물 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 용매일 수 있다.
또한, 음극 활물질 조성물은 도전재를 더 포함할 수 있다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 충분하고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료가 도전재로 사용될 수 있다.
도전재의 함량은 음극 활물질 조성물 중 1중량% 내지 90중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 80중량%를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도전재의 평균입경은 0.001㎛ 내지 1000㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 80㎛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
겔고분자 전해질은 양극(151)에 포함된 겔 고분자 전해질과 동일하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
음극 집전체(152b)는 해당 기술 분야에서 사용되는 전도성이 우수한 기판이라면 제한되지 않으며, 전도성 금속, 전도성 금속산화물 등 중에서 어느 하나를 포함하여 이루어 질 수 있다. 또한, 음극 집전체(152b)는 기판 전체가 전도성 재료로 이루어질 수 있으며, 절연성 기판의 일면 또는 양면에 전도성 금속, 전도성 금속 산화물, 전도성 고분자 등이 코팅된 형태일 수 있다. 또한, 음극 집전체(152b)는 연성을 가지는 기판으로 이루어 질 수 있으며, 음극 집전체(152b)가 쉽게 굽혀질 수 있음으로써, 배터리(150)가 연성을 가지게 되고, 온도 측정 장치(100)가 연성을 가질 수 있다. 또한, 음극 집전체(152b)는 굽혔다가 다시 원래 형태로 되돌아가는 복원력을 갖는 소재로 이루어질 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 음극 집전체(152b)는 알루미늄, 아연, 은, 주석, 산화주석, 스테인레스 스틸, 구리, 니켈, 철, 리튬, 코발트, 티타늄, 니켈 발포체, 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재 및 이들의 복합체 등으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 음극 집전체(152b)는 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 니켈 및 티타늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘이상의 조합일 수 있다.
음극 집전체(152b)의 두께는 1㎛ 내지 500㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 200㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 배터리(150)는 양극 집전체(151b) 및 음극 집전체(152b) 중 적어도 하나가 직접 접점과 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 배터리(150)는 양극 집전체(151b) 및 음극 집전체(152b) 중 적어도 하나가 돌출된 형태로 구성되어, 별도의 단자부 없이 직접 연성 기판(110) 상의 접점과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 양극 집전체(151b) 및 음극 집전체(152b) 중 적어도 하나를 연성 기판(110) 상의 접점과 직접 연결시킴으로써, 배터리(150)와 연성 기판(110) 상의 저항을 감소시킬 수 있다.
이때 도 5에는 배터리(150)의 양극 집전체(151b)가 돌출된 형태로 구성된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 5에 도시된 실시예와 달리 배터리(150)의 음극 집전체(152b)가 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 실시예와 달리 배터리(150)의 양극 집전체(151b) 및 음극 집전체(152b)가 서로 다른 방향으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다.
다공성 리튬층(153)은 음극(152)에 형성된다. 보다 상세히, 다공성 리튬층(153)은 배터리(150) 제조 후 최초의 충전에 의해 형성될 수 있으며, 음극(152) 상에 양극 활물질층의 면적과 동일한 면적으로 형성될 수 있다. 다공성 리튬층(153)은 음극(152)에 일체화되어 형성된 리튬층 일 수 있으며, 리튬 호일과는 구별되는 다공성을 가진다.
리튬 금속은 물만 닿아도 금방 반응해 발화할 수 있는 위험한 물질이다. 그러나 다공성 리튬층은 배터리(150)의 용량에 필요한 만큼의 리튬으로만 이루어져 있어, 기존의 리튬 호일 음극을 사용하는 리튬 일차 전지와 비교하여 리튬의 함량이 적고, 다공성 구조를 가지며, 난연성 겔 고분자 전해질과 복합 구조를 형성하므로, 배터리(150)가 찢어지거나 관통되는 등의 원인으로 배터리(150) 내부가 외부로 노출되더라도 외부의 수분과의 반응성이 떨어지므로 더 안전하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 리튬층(153)을 포함하는 배터리(150)는 배터리(150)의 용량에 필요한 만큼의 리튬으로만 이루어져 있기 때문에, 배터리(150)가 사용된 후에 리튬층이 전부 사라지므로, 폐기 후에도 더 안전하다. 종래의 리튬 일차 전지의 경우, 리튬 호일 음극을 사용하여 실제 전지의 사용 용량보다 과량의 리튬메탈이 사용되기 때문에 리튬 일차 전지가 방전된 후에도 과량의 리튬메탈층이 존재한다. 이와 같은 상황에서 리튬 일차 전지를 폐기하면, 외부의 수분과의 반응이 일어나서 매우 위험하다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(150)는 다공성 리튬층(153)을 포함함으로써, 기존의 리튬메탈을 사용하는 리튬 일차 전지에 대비하여 배터리(150)의 사용 중 또는 사용 후 폐기시에도 안전성이 매우 향상된다.
본 발명의 일 실시예에서, 다공성 리튬층(153)의 두께는 1㎛ 내지 100 ㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상부 시트(154) 및 하부 시트(155)는 배터리(150)의 상부 및 하부를 커버한다.
본 발명의 일 실시예에서 상부 시트(154) 및 하부 시트(155)는 배리어층 및 실링층을 포함하는 적층체 일 수 있으며, 기재층을 더 포함할 수 있다
배리어층은 외부로부터 수증기, 가스 등이 침투하는 것을 방지하기 위한 층이다. 본 발명의 일 실시예에서 배리어층은 금속 호일로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 배리어층은 금속 호일 이외의 배리어성을 갖는 고분자 수지로 이루어진 시트 또는 필름으로 이루어 질 수 있다. 금속 호일은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 배리어층의 두께는 0.1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 1㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실링층은 상부 시트(154) 및 하부 시트(155)의 최내층으로, 양극 집전체(151b)와 접하는 층이다. 또한, 배터리(150)의 제조 시 열융착하여 밀봉하는 역할을 하는 것이다. 실링층은 절연성 재료로 이루어지며, 열융착이 가능하여 양극 집전체(151b)와 접착 가능한 재료로 이루어질 수 있다. 구체적으로 실링층은 가열 압착에 의해 양극 집전체(151b)와 밀착되어 접착될 수 있다. 따라서 실링층으로 가열 압착에 의해 실링이 가능하며, 전기적 절연성을 갖는 재질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 실링층으로 폴리올레핀, 환형 폴리올레핀, 카르복실산 변성 폴리올레핀 및 카르복실산 변성 환형 폴리올레핀 등이 이용될 수 있다.
폴리올레핀은 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 선상 저밀도 폴리에틸렌 등의 폴리에틸렌; 호모 폴리프로필렌, 폴리프로필렌의 블록 공중합체(예를 들어, 프로필렌과 에틸렌의 블록 공중합체), 폴리프로필렌의 랜덤 공중합체(예를 들어, 프로필렌과 에틸렌의 랜덤 공중합체) 등의 폴리프로필렌; 에틸렌-부텐-프로필렌의 삼원 공중합체; 등 일 수 있다.
환형 폴리올레핀은, 올레핀과 환형 모노머의 공중합체이며, 환형 폴리올레핀의 구성 모노머인 올레핀은, 예를 들어, 에틸렌, 프로필렌, 4-메틸-1-펜텐, 스티렌, 부타디엔, 이소프렌 등 일 수 있다.
또한, 환형 폴리올레핀의 구성 모노머인 환형 모노머는, 예를 들어, 노르보르넨 등의 환형 알켄; 구체적으로는, 시클로펜타디엔, 디시클로펜타디엔, 시클로헥사디엔, 노르보르나디엔 등의 환형 디엔 등 일 수 있다.
카르복실산 변성 폴리올레핀이란, 폴리올레핀을 카르복실산으로 블록 중합 또는 그래프트 중합함으로써 변성한 폴리머이다. 변성에 사용되는 카르복실산은, 예를 들어, 말레산, 아크릴산, 이타콘산, 크로톤산, 무수 말레산, 무수 이타콘산 등 일 있다.
카르복실산 변성 환형 폴리올레핀이란, 환형 폴리올레핀을 구성하는 모노머의 일부를, α, β-불포화 카르복실산 또는 그의 무수물 대신에 공중합함으로써, 또는 환형 폴리올레핀에 대하여 α, β-불포화 카르복실산 또는 그의 무수물을 블록 중합 또는 그래프트 중합함으로써 얻어지는 폴리머이다.
실링층은 1종의 수지 성분 단독으로 형성될 수 있으며, 또한 2종 이상의 수지 성분을 조합한 블렌드 폴리머에 의해 형성될 수도 있다. 또한 실링층은 1층만으로 형성될 수 있으며, 동일하거나 또는 상이한 수지 성분에 의해 2층 이상으로 형성될 수 있다.
실링층의 두께는 1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
기재층은 상부 시트(154) 및 하부 시트(155)의 최외층을 형성하는 층이다. 기재층의 최외층을 이루는 표면에는 필요에 따라 인쇄층 및 표면의 스크래치를 방지하기 위한 하드코팅층 등이 더 형성될 수 있다.
기재층을 형성하는 소재로 절연성을 구비하는 소재라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 기재층으로 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 불소 수지, 폴리우레탄 수지, 페놀 수지 및 이들의 혼합물이나 공중합물 등의 수지가 사용될 수 있다.
기재층은 앞서 설명된 수지를 필름 또는 시트 형태로 제조한 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로 일축 또는 이축연신된 필름 일 수 있다.
기재층의 두께는 1㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 5㎛ 내지 100㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
격벽(156)은 배터리(150)의 양극(151) 및 음극(152)을 외부와 차단하며, 열에 의해 융착 및 밀폐될 수 있는 고분자 소재로 이루어질 수 있다. 격벽(156)은 가열판 또는 가열 롤러 등을 이용하여 가열 압착함으로써 용융 밀폐될 수 있다. 격벽(156)의 소재는 상부 시트(154) 및 하부 시트(155)의 실링층과 동일할 수 있다.
또한 상기 격벽에 의해 상부시트와 하부시트가 실링되어 형성되는 공간에 상기 양극, 분리막 및음극이 수용되는 것일 수 있다.
격벽(156)의 10㎛ 내지 500㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 400㎛, 더욱 바람직하게는 40㎛ 내지 300㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
격벽(156) 이외에도 필요에 따라 상부 시트(154) 및 하부 시트(155)를 더욱 견고하게 접착시키기 위한 접착층을 더 포함할 수 있다. 접착층으로 통상적으로 해당분야에서 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 예를 들면 아크릴계 접착제, 에폭시계 접착제, 셀룰로오스계 접착제 등이 접착층으로 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 접착층의 두께는 0.1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 50㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
분리막(157)은 양극(151)과 음극(152)을 분리하는 막으로, 이온 전도도를 더욱 향상시키기 위하여 겔 고분자 전해질이 일체화된 것일 수 있다.
분리막(157)으로 통상적으로 전기 화학 소자에 사용되는 것이 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 분리막(157)은 직포, 부직포 및 다공성막 등 일 수 있다. 또한 분리막(157)은 이들이 한층 또는 둘 이상이 적층된 다층막 일 수 있다. 분리막(157)의 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리메틸펜텐, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌 및 이들의 공중합체 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물로 형성된 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 분리막(157)의 두께는 1㎛ 내지 1000㎛, 바람직하게는 10㎛ 내지 800㎛ 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 분리막(157)은 전해질이 함침된 것일 수 있다. 구체적으로 분리막(157)은 직포, 부직포 및 다공성막에 겔 고분자 전해질을 도포하여 전해질을 포함하도록 한 것 일 수 있다. 분리막(157)은 기계적 강도를 향상시키기 위한 분리막-전해질 결합체 일 수 있으며, 이온전도도를 더욱 향상시키기 위한 것 일 수 있다. 이때, 도포는 바코팅, 스핀코팅, 슬롯다이코팅, 딥코팅 등의 코팅 방법뿐만 아니라, 주액 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 배터리(150)는 3V 이상의 작동 전압을 가진다. 배터리(150)의 작동 전압이 중요한 이유는 도 6을 통해 설명할 수 있다.
도 6은 온도 측정 장치가 무선 통신을 수행할 때, 공급되는 전압에 따른 전류 소모량을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 온도 측정 장치(100)가 무선 통신을 수행할 때 서로 다른 온도에서 배터리를 통해 공급되는 전압에 따른 전류 소모량 변화를 측정한 그래프를 확인할 수 있다. 이때 그래프 610은 85℃, 그래프 620은 25℃, 그래프 630은 -40℃에서 측정한 결과이다.
도 6의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 온도 측정 장치는 공급되는 전압이 증가할수록, 소모되는 전류는 감소한다. 따라서 동일한 크기의 배터리더라도 높은 작동 전압을 가지면, 배터리의 사용 시간이 증가한다. 또한 같은 용량의 배터리더라도 높은 작동 전압을 가지면, 배터리의 전체 크기가 감소한다. 즉, 높은 작동 전압을 가지는 배터리를 사용하면, 사용 시간 및 크기 측면에서 장점이 있다.
종래 기술에 따른 배터리의 작동 전압은 도 7 및 도 8을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 이용되는 배터리(150)의 작동 전압은 도 9를 통해 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 종래 기술에 따른 배터리의 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 종래 기술에 따른 배터리의 소모 용량에 따른 작동 전압을 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
우선 도 7을 참조하면, 리튬 배터리인 CR2032를 이용하여 측정한 결과를 확인할 수 있다. 이때 그래프 710은 0℃, 그래프 720은 21℃, 그래프 730은 40℃에서 측정한 결과이다. 이때 3개의 그래프 모두에서 알 수 있듯이, CR2032의 시작 작동 전압은 3V 이상이나, 대부분의 시간에서 작동 전압은 3V 미만의 값을 가진다. 즉, CR2032의 작동 전압은 3V 미만이다.
그리고 도 8을 참조하면, 박형 배터리인 CP042350를 이용하여 측정한 결과를 확인할 수 있다. 그래프를 참조하면, CP042350의 시작 작동 전압 또한 3V 이상이나, 대부분의 시간에서 작동 전압은 3V 미만의 값을 가진다. 즉, CP042350의 작동 전압은 3V 미만이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 이용되는 배터리의 방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)의 소모 용량에 따른 작동 전압을 나타낸 그래프를 확인할 수 있다. 도 9의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)의 시작 작동 전압은 3V 이상이고, 대부분의 시간에서 작동 전압은 3V 이상의 값을 가진다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)의 작동 전압은 3V 이상이다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)에 이용되는 배터리(150)는 작동 전압이 3V 이상 이므로, 온도 측정 장치(100)가 더 적은 전류를 소모하게 하므로, 작은 크기를 가지더라도 긴 사용 시간을 담보할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치(100)는 기판에 실장되는 부품들이 쉽게 분리되지 않는 장점이 있다. 또한 기판에 실장되는 배터리(150)의 안정성이 담보되는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 온도 측정 장치 110: 연성 기판
111: 제1 실장 영역 112: 제2 실장 영역
113: 금속 도금 층 120: 제1 강성 기판
121: 온도 센서 130: 제2 강성 기판
131: 집적 회로 140: 안테나
150: 배터리 151: 양극
152: 음극 153: 다공성 리튬층
154: 상부 시트 155: 하부 시트
156: 격벽 157: 분리막
160: 제1 커버 시트 170: 제2 커버 시트
173: 홀 180: 제3 커버 시트

Claims (14)

  1. 제1 실장 영역 및 상기 제1 실장 영역의 일측에서 연장되며 상기 제1 실장 영역보다 큰 넓이 및 큰 폭을 가지는 제2 실장 영역을 포함하는 연성 기판;
    상기 제1 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 측정 대상의 온도를 감지하는 온도 센서가 실장되는 제1 강성 기판;
    상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에 배치되며 상기 온도 센서를 통해 감지된 온도를 기초로 온도 데이터를 생성하는 집적 회로가 실장되는 제2 강성 기판;
    상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 상기 제2 강성 기판의 일측에 배치되는 안테나;
    상기 제2 실장 영역의 제1 표면 상에서 상기 제2 강성 기판의 타측에 배치되며 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되어 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 연성 기판의 제1 표면을 커버하는 제1 커버 시트; 및
    상기 연성 기판의 제2 표면을 커버하는 제2 커버 시트를 포함하고,
    상기 배터리는 양극, 음극 및 겔 고분자 전해질을 포함하고,
    상기 겔 고분자 전해질은 고분자 매트릭스, 용매 및 해리 가능한 염을 포함하며,
    상기 양극은 양극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층 및 양극 집전체를 포함하고,
    상기 음극은 음극 활물질층과 겔 고분자 전해질이 일체화된 복합 활물질층 및 음극 집전체, 또는 겔 고분자 전해질 및 음극 집전체를 포함하고,
    상기 음극에는 상기 음극과 일체화되며 상기 겔 고분자 전해질과 복합 구조를 형성하는 다공성 리튬층이 형성되고,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체 중 적어도 하나가 돌출된 형태로 구성되어 상기 연성 기판 상의 접점과 전기적으로 연결되는
    온도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 제1 실장 영역과 연결되는 상기 제2 실장 영역의 일측에 배치되고,
    상기 안테나는 상기 제2 실장 영역의 타측에 배치되고,
    상기 제2 강성 기판은 상기 배터리와 상기 안테나 사이의 영역에 배치되는
    온도 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 연성 기판 상에서 상기 제2 강성 기판과 상기 배터리 사이에 배치된 접점을 통해 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되는
    온도 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 일면은 상기 연성 기판의 제1 표면과 접촉하고,
    상기 배터리는 연성을 가지며, 상기 연성 기판이 굴곡될 때 상기 배터리의 일면이 상기 연성 기판의 제1 표면과 떨어지지 않도록 상기 연성 기판과 동일한 굴곡을 가지도록 휘어지며, 외력이 인가되지 않으면 휘어진 상태를 유지하는
    온도 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 연성 기판 상의 접점과 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film; ACF)을 통해 연결되는
    온도 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연성 기판, 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판 중 적어도 하나에는 맥박 센서, 심전도 센서 및 습도 센서 중 적어도 하나가 실장되는
    온도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집적 회로는 상기 온도 데이터를 상기 안테나를 통해 송신할 때 고유 식별 코드를 함께 송신하는
    온도 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집적 회로는 BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 LoRa(Long Range) 통신 프로토콜을 이용하는
    온도 측정 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 연성 기판 상에 배치된 접점을 통해 상기 제1 강성 기판 및 상기 제2 강성 기판과 전기적으로 연결되고,
    상기 배터리는 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체 중 적어도 하나가 직접 상기 접점과 전기적으로 연결되는
    온도 측정 장치.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연성 기판은 상기 온도 센서와 연결되며, 상기 제1 실장 영역의 제2 표면에 형성된 금속 도금 층을 포함하고,
    상기 제2 커버 시트는 상기 금속 도금 층과 접촉하는 위치에 형성된 홀을 포함하는
    온도 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커버 시트와 상기 제2 커버 시트 사이에 배치되며, 상기 연성 기판의 제1 표면을 커버하는 제3 커버 시트를 더 포함하고,
    상기 제1 커버 시트, 상기 제2 커버 시트 및 상기 제3 커버 시트는 고분자 수지 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성되는
    온도 측정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 커버 시트, 상기 제2 커버 시트 및 상기 제3 커버 시트는 폴리올레핀(polyolefin), EVA(ethylene vinyl-acetate), 또는 폴리우레탄(polyurethane) 폼(foam) 또는 필름 중 적어도 하나로 구성되는
    온도 측정 장치.
KR1020200097308A 2020-08-04 2020-08-04 온도 측정 장치 KR102505804B1 (ko)

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