KR102581999B1 - 온도 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 온도 모니터링 시스템 - Google Patents

온도 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 온도 모니터링 시스템 Download PDF

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KR102581999B1
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신종환
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Abstract

본원은 유연 기판, 및 상기 유연 기판 상에 형성된 온도 센서층을 포함하고, 상기 온도 센서층은 신축 가능한 형상의 패턴을 가지는 다수의 온도 센서 픽셀을 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치에 관한 것이다.

Description

온도 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 온도 모니터링 시스템 {TEMPERATURE MONITORING DEVICE AND BATTERY TEMPERATURE MONITORING SYSTEM INCLUDING THE SAME }
본원은 온도 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 온도 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등과 같은 중대형 장치의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 전자 제품이 소형화될수록 전원 시스템의 복잡도나 과열 및 제반 위험 부담은 증가하여 배터리 사고의 위험 확률은 증가하는 문제점이 존재한다.
이러한 배터리의 온도를 측정하기 위해서는 배터리의 한 측면 또는 배터리와 이격된 공간에 배터리의 온도를 측정할 수 있는 센서를 설치할 필요가 있다. 그러나 배터리가 과열되는 과정에서 부풀어 오를 경우, 상기 배터리에 부착된 센서가 휘는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 배터리와 떨어진 위치에 온도 센서를 부착할 경우, 배터리 내의 배터리 셀 각각의 온도를 측정할 수 없어 특정 배터리 셀의 과열을 인지하기 어려운 단점이 존재한다.
한국등록특허공보 제10-1988097호는 박막형 온도 측정 어레이에 관한 것으로, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array에 관한 것이다. 그러나 상기 온도 측정 어레이는 복수의 박막형 RTD 를 포함할 뿐, 상기 박막형 RTD 의 신축성에 대해서는 개시하지 않고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신축 가능한 온도 모니터링 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 상기 온도 모니터링 장치를 포함하는, 배터리 온도 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 유연 기판, 및 상기 유연 기판 상에 형성된 온도 센서층을 포함하고, 상기 온도 센서층은 신축 가능한 형상의 패턴을 가지는 다수의 온도 센서 픽셀을 포함하는 온도 모니터링 장치에 대한 것이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상의 패턴은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서층은 상기 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀의 기계적 변형률(strain)은 20% 내지 90% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 RTD(resistance temperature detector), 서미스터(thermistor), 열전대(thermocoupling), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방식에 의해 온도를 측정하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 상기 온도 센서 픽셀의 저항 변화량을 측정하여 상기 온도 센서 픽셀 부위의 온도를 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀은 Pt, Ti, Au, Ag, Al, Cu, Ni, Fe, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판은 PI(polyimide), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PES(polyestersulfone), PAI(Polyamide-imide), PEI(Polyetherimide), PET(polyethylene terephthalate), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판은 상기 신축 가능한 형상의 패턴과 동일한 형상으로 패터닝된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀은 어레이 구조로 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 유연 기판 상에 전극층을 형성하는 단계, 및 상기 전극층을 신축 가능한 형상의 픽셀 단위로 패터닝하여 온도 센서층을 형성하는 단계를 포함하는, 온도 모니터링 장치의 제조 방법에 대한 것이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판을 상기 신축 가능한 형상으로 식각하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서층 상에 보호층을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝하는 단계는 UV 레이저, CO2 레이저, 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, Ar 레이저, He-Ne 레이저, Ti:사파이어 레이저, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 레이저에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은 배터리의 일면에 배치되어 온도 정보를 센싱하는 온도 모니터링 장치, 및 상기 온도 정보를 기반으로 상기 배터리의 온도 분포를 분석하는 분석 서버를 포함하되, 상기 온도 모니터링 장치는 상기 제 1 측면에 따른 모니터링 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
최근 많이 사용되고 있는 스마트 헬스 기기 중 시계 형태의 기기는 사용 시간 동안 사람의 손목에 지니고 있으며, 스마트폰 또한 인체와 가까운 곳에 항상 존재한다. 또한, 전기차의 경우 내부 부품에 문제가 생기면 큰 사고로 이어질 수 있어 주기적인 관리가 필수적이다. 이러한 전자 기기에는 배터리가 필수적으로 사용되어 있지만 배터리의 과열 및 폭발 사고는 예측 불가능하고, 폭발이 발생한다면 경제적 손실에서 인명 피해까지 큰 피해를 초래할 수 있기 때문에, 배터리 등의 온도를 실시간으로 파악하여 제어할 필요가 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 온도 모니터링 장치는 유연 기판 상에 형성되고, 신축 가능한 형상의 패턴을 갖는 온도 측정 장치이기 때문에, 스마트 헬스 기기 등과 같이 곡면의 부착면 또는 변형될 수 있는 부착면에 부착되어 배터리의 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 본원에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 센서층은 어레이 구조를 갖는 온도 센서 픽셀을 포함한다. 이를 통해, 배터리 셀을 다수 포함하는 배터리 팩에 본원에 따른 온도 모니터링 장치를 부착할 경우, 과열 또는 이상 현상이 발생하는 배터리셀의 확인이 용이할 수 있다.
또한, 본원에 따른 온도 모니터링 장치는 RTD(resistance thermometer detector) 또는 서미스터를 포함하기 때문에, 스마트 기기 또는 배터리 팩의 온도를 정확하고 민감하게 측정할 수 있다.
또한, 본원에 따른 온도 모니터링 장치는 어레이형으로 온도 센서가 구성되어 있어 대면적 센서 시스템의 제작이 가능하기 때문에, 아기 요람 또는 담요 등에 사용하여 아기의 위치 별 체온, 낙상, 행동 패턴 등을 모니터링할 수 있다.
또한, 본원에 따른 온도 모니터링 장치는 배터리 뿐만 아니라 피부에 부착함으로써 피부의 대면적 부위 온도를 위치 별로 모니터링 가능하기 때문에, 화상환자에게 적용하여 환부의 온도 변화 모니터링에도 활용 가능하다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 온도 모니터링 장치를 나타낸 모식도다.
도 2 는 도 1 의 A 부분에서 측정된 온도를 나타낸 색상으로 표현한 것이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 센서층을 나타낸 모식도이다.
도 4 의 (a) 는 본원의 일 구현예에 따른 온도 센서층의 패턴의 모식도이고, 도 4 의 (b) 는 도 4 의 (a) 를 이용해 패터닝한 Ti/Pt 전극의 사진이다.
도 5 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 및 저항 변화 사이의 관계를 나타낸 그래프이고, (b) 는 본원의 일 실시예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 및 저항에 관련한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 온도 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 온도 모니터링 시스템에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 유연 기판(미도시), 및 상기 유연 기판 상에 형성된 온도 센서층(100)을 포함하고, 상기 온도 센서층(100)은 신축 가능한 형상의 패턴을 가지는 다수의 온도 센서 픽셀을 포함하는 온도 모니터링 장치에 대한 것이다.
일반적으로, 어레이형 온도센서는 센서 하나에서 +극과 -극이 제거된 형태로서, 형태는 어레이로 구성되어 있지만 단일 온도센서 값을 측정하는 것과 같은 방식이다. 일반적으로, 온도 센서층는 전극(예를 들어 Ti/Pt) 또는 서미스터 등의 온도가 변화하면 변화된 온도에 따른 저항 변화가 발생하고 상기 변화된 저항 값을 통해 상기 변화된 온도를 측정할 수 있다.
본원에 따른 온도 모니터링 장치는 어레이형 온도 센서이기 때문에, 신호 처리를 위해 외부의 회로모듈과 연결될 수 있다. 이 때 상기 온도 센서층의 온도 센서 픽셀로부터 측정된 저항값은 연결된 회로 모듈 등을 통해 온도값으로 변환이 되고, 이 값은 PC에서 구성한 알고리즘(S/W)을 통해 각 픽셀로 전달되어 각 픽셀에 측정된 온도값과 온도 범위에 대응되는 색을 도출할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 온도 모니터링 장치를 나타낸 모식도고, 도 2 는 도 1 의 A 부분에서 측정된 온도를 나타낸 색상으로 표현한 것이다. 구체적으로, 도 1 은 배터리의 측면에 부착된 온도 모니터링 장치를 나타낸 모식도이고, 도 2 는 도 1 의 A 부분에 해당하는 상기 온도 센서층(100)의 온도 센서 픽셀이 나타낸 온도를 색상으로 표현한 것으로서, 빨간색 영역은 고온(약 60℃ 내지 약 70℃)을 의미하고, 파란색 영역은 저온(약 20℃ 내지 약 30℃)을 의미한다.
후술하겠지만, 상기 온도 모니터링 장치의 유연 기판은 상기 온도 센서층(100)의 신축 가능한 형상의 패턴과 동일하게 패터닝되어 있을 수 있기 때문에 도 1 에서 표현되지 않을 수 있다.
일반적인 온도 모니터링 장치는 배터리 등에 부착된 것일 수 있다. 이 때, 상기 배터리는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 상기 배터리에서 발생하는 열은 상기 복수의 배터리 셀에서 발생하는 열의 합이나, 상기 복수의 배터리 셀에서 고르게 열이 발생하지 않을 수 있다. 상기 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에서 고열이 발생할 경우 상기 배터리가 폭발할 위험이 있기 때문에, 배터리 내에 위치한 배터리 셀의 온도를 개별적으로 확인할 필요가 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀은 어레이 구조로 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서층(100)은 상기 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로 배터리 내의 배터리 셀들은 규칙적언 어레이 구조를 가지며 배열된다. 따라서, 상기 온도 센서 픽셀이 상기 배터리 셀과 동일한 구조를 갖도록 규칙적인 어레이 구조로 배치될 경우, 상기 온도 센서층(100)은 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정함으로써, 배터리 특정 부분의 이상을 사전에 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 어레이 구조는 m×n 의 구조(단, m 및 n 은 각각 독립적으로 2 내지 20)를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 어레이 구조는 2×2 내지 20×20 일 수 있다.
후술하겠지만, 상기 온도 모니터링 장치의 어레이 구조는 상기 온도 모니터링 장치가 부착될 배터리 내의 배터리 셀의 배열과 연관될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 RTD(resistance temperature detector), 서미스터(thermistor), 열전대(thermocoupling), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방식에 의해 온도를 측정하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 상기 RTD, 서미스터, 열전대 등의 방식으로 온도를 측정하는 물질을 "온도 센서 물질"이라 칭할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 물질은 상기 온도 센서 픽셀의 저항 변화량을 측정하여 상기 온도 센서 픽셀 부위의 온도를 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 RTD 및 서미스터는, 특정 물질의 온도에 따라 저항이 변화하는 현상을 통해 온도를 측정하는 방식을 의미하는 것으로서, 온도를 측정하는 센서 자체를 의미하기도 한다. 상기 온도 센서 픽셀의 특정 부분에 배치된 RTD 또는 서미스터에 흐르는 전류 또는 인가되는 전압의 크기의 변화를 통해 RTD 또는 서미스터의 온도를 판단할 수 있고, 이를 통해 상기 온도 센서 픽셀의 온도를 측정하여 상기 온도 센서층(100)은 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 RTD 는 Pt 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 상기 온도 센서층(100)의 온도 센서 픽셀은 전극층을 패터닝함으로써 형성된 것으로서, 온도 센서 물질 및 전극을 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상의 패턴은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 서펜타인 패턴은 구불구불한 S 자 형상의 패턴을 의미하고, 상기 키리가미 패턴은 종이 접기 패턴이라고도 하며, 서펜타인 패턴과 키리가미 패턴은 굽힘 변형, 길이 방향 변형, 및/또는 폭 방향 변형에 대한 자유도를 가질 수 있어 신축 가능한 패턴으로 알려져 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판은 상기 신축 가능한 형상의 패턴과 동일한 형상으로 패터닝된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 센서층을 나타낸 모식도이다. 도 3 을 참조하면, 서펜타인 패턴의 하얀 부분은 유연 기판이고, 회색 부분은 전극으로서, 상기 전극이 서팬타인 패턴을 가짐으로써 상기 온도 센서층은 온도를 측정할 수 있다.
후술하겠으나, 상기 온도 센서층(100)의 온도 센서 픽셀은 상기 유연 기판 상에 전극층을 형성한 후, 상기 전극층을 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝함으로써 형성된 것으로서, 상기 전극층을 패터닝하는 과정에서 상기 유연 기판도 함께 패터닝되어 상기 유연 기판도 상기 신축 가능한 형상의 패턴을 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서층(100)의 단면은, 상기 유연 기판 및 상기 유연 기판 상에 형성되고, 서로 이격된 두 전극층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극층은 상기 온도 센서 픽셀에 전압을 인가하거나 전류를 흐르게 하기 위한 것으로서, 상기 전극층의 일부는 상기 RTD 센서 또는 서미스터 센서와 전기적으로 결합될 수 있다.
상술한 내용을 종합하면, 규칙적으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 상에, 상기 온도 모니터링 장치를 부착함으로써 상기 배터리 셀 각각의 온도를 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리에 전압을 인가하면, 상기 배터리 셀에서는 전압에 의한 열이 발생하며 상기 배터리의 온도를 높일 수 있다. 이 때, 상기 온도 모니터링 장치는 규칙적인 어레이 구조를 갖도록 배열된 온도 센서 픽셀을 포함하는 온도 센서층(100)을 통해 상기 배터리 셀 각각의 온도를 측정할 수 있다. 후술하겠으나, 상기 단계에 의해 측정된 온도는 상기 온도 센서 픽셀에 포함되거나 또는 외부의 온도 정보 송신 장치를 통해 외부의 단말로 전송될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀의 기계적 변형률(strain)은 20% 내지 90% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기계적 변형률은 상기 온도 센서 픽셀이 신축 가능한 정도를 표현한 것으로서, 상기 신축 가능한 형상의 패턴은 길이 방향으로 최대 90% 인장되어도 저항 변화가 없다. 따라서, 상기 온도 모니터링 장치는 강성의 배터리뿐만 아니라, 유연성을 갖는 배터리에도 부착될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 배터리에 부착되기 위한 접착층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 상기 온도 센서층(100)을 보호하기 위한 보호층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치는 열 전달 유닛을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열 전달 유닛은, 상기 온도 모니터링 장치와 발열체 사이의 간격이 클 경우, 상기 발열체에서 발생하는 열을 상기 온도 모니터링 장치로 전달하기 위한 유닛을 의미한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서 픽셀은 Pt, Ti, Au, Ag, Al, Cu, Ni, Fe, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 후술하겠지만, 상기 온도 센서 픽셀은 온도 모니터링 장치의 유연 기판 상에 형성된 전극층을 패터닝함으로써 형성된 것이나, 상기 온도 센서 픽셀은 온도를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있기 때문에, 상기 온도 센서 픽셀은 후술할 전극층에 온도 측정용 물질(예를 들어 RTD 또는 서미스터)를 추가 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
다만, 상기 온도 센서 픽셀 자체 또는 일부가 온도 측정용 물질로서 기능할 수 있으며, 이 경우 상기 온도 모니터링 장치는 온도 센서 픽셀 외의 온도 측정용 물질을 추가로 요구하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 온도 모니터링 장치의 전극층이 Pt/Ti 를 포함할 경우, 상기 전극층을 신축 가능한 형상으로 패터닝하여 형성된 온도 센서 픽셀은 Pt/Ti 를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 Pt/Ti 의 Pt RTD 센서로서 사용될 수 있기 때문에, 상기 온도 센서 픽셀은 별도의 온도 측정용 물질을 요하지 않을 수 있다.
다만, 상기 전극층이 Ti 이고, 상기 전극층을 신축 가능한 형상으로 패터닝함으로써 형성된 픽셀은 온도를 측정하기 어려울 수 있다. 따라서 상기 신축가능한 형상으로 패터닝된 Ti 픽셀 상에 RTD 온도 측정용 물질인 Pt 를 증착함으로써 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝된 온도 센서 픽셀을 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판은 PI(polyimide), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PES(polyestersulfone), PAI(Polyamide-imide), PEI(Polyetherimide), PET(polyethylene terephthalate), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 유연 기판 상에 전극층을 형성하는 단계, 및 상기 전극층을 신축 가능한 형상의 픽셀 단위로 패터닝하여 온도 센서층을 형성하는 단계를 포함하는, 온도 모니터링 장치의 제조 방법에 대한 것이다.
본원의 제 2 측면에 따른 온도 모니터링 장치의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 유연 기판 상에 전극층을 형성한다.
이와 관련하여, 상기 전극층은 전극이 되는 부분과 온도 측정용 물질이 되는 부분을 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판은 강성 기판 상에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 강성 기판은 상기 유연 기판 상에 전극층을 형성하고, 상기 전극층 및 상기 유연 기판을 패터닝할 때 형태가 변화되지 않도록 하기 위한 것으로서, 패터닝 공정이 끝난 후 유연 기판 및 온도 센서층을 포함하는 온도 모니터링 장치와 강성 기판은 분리될 수 있다.
이어서, 상기 전극층을 신축 가능한 형상의 픽셀 단위로 패터닝하여 온도 센서층(100)을 형성한다.
이와 관련하여, 상기 신축 가능한 형상의 픽셀의 단위로 패터닝된 전극층은 온도 센서층의 온도 센서 픽셀을 의미하는 것으로서, 전극 및 온도 측정용 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극은 Pt 및 Ti 를 포함하고, 상기 온도 측정용 물질은 Pt 일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝하는 단계는 UV 레이저, CO2 레이저, 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, Ar 레이저, He-Ne 레이저, Ti:사파이어 레이저, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 레이저에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상의 픽셀 단위로 패터닝한 전극층은, 폭이 100 μm 내지 200 μm 인 센서 픽셀로서 패터닝될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극층은 서로 이격되고, 신축 가능한 형상을 갖는 적어도 둘 이상의 패턴을 갖도록 패터닝될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 때, 상기 패턴과 패턴 사이의 간격은 10 μm 내지 100 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 온도 모니터링 장치의 패턴 구조는 온도 민감성을 높이기 위해 전극의 선폭이 얇으면서 최대한 길게 고안되었기 때문에, 초기 저항이 안정적이면서 비교적 높게 구성될 수 있고, 얇은 선폭 및 긴 전극 길이를 온도 센서 픽셀에 적용하기 위해 적어도 둘 이상의 패턴이 패터닝되도록 설계하였다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유연 기판을 상기 신축 가능한 형상으로 식각하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 신축 가능한 형상으로 유연 기판을 식각하는 단계는, 상기 전극층을 신축 가능한 형상의 픽셀로 패터닝하는 단계와 동시에 수행될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝된 전극층의 너비와, 상기 신축 가능한 형상으로 패터닝된 유연 기판의 너비의 차이는 200 μm 내지 600 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4 의 (a) 는 본원의 일 구현예에 따른 온도 센서층의 패턴의 모식도이고, 도 4 의 (b) 는 도 4 의 (a) 를 이용해 패터닝한 Ti/Pt 전극의 사진이다. 예를 들어, 도 4 의 (a) 는 센서 패턴의 폭은 160 μm 이고, 패턴과 패턴 사이의 간격은 50 μm 이며, 센서 패턴과 유연 패턴을 커팅하는 라인 사이의 간격은 230 μm 인 온도 센서층 패턴의 모식도이다.
도 3 및 도 4 를 참조하면, 신축 가능한 형상으로 패터닝된 유연 기판 상에, 신축 가능한 형상으로 패터닝되고 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하고, 상기 유연 기판 및 상기 2 개의 전극층을 연속적으로 상기 전극층 및 유연 기판이 신축 가능한 형상을 유지하며 연속됨으로써 온도 센서 픽셀을 형성하고, 상기 온도 센서 픽셀이 어레이 구조를 형성함으로써 온도 센서층(100)이 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 센서층(100) 상에 보호층을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 모니터링 장치의 제조 방법은, 상기 온도 모니터랑 장치 상에 온도 정보 송신 장치를 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 온도 모니터링 장치에서 측정한 온도 정보를 사용자가 확인하기 위해서는, 외부의 전자 장치로 전송할 필요가 있다.
또한, 본원의 제 3 측면은 배터리의 일면에 배치되어 온도 정보를 센싱하는 온도 모니터링 장치, 및 상기 온도 정보를 기반으로 상기 배터리의 온도 분포를 분석하는 분석 서버를 포함하되, 상기 온도 모니터링 장치는 상기 제 1 측면에 따른 모니터링 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 배터리는 내부에 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 분석 서버는 상기 온도 모니터링 장치로부터 송신된 온도 정보를 분석하기 위한 것이다. 이 때, 상기 온도 모니터링 장치는 상기 배터리 셀 각각의 온도를 측정할 수 있기 때문에, 상기 분석 서버는 상기 배터리 셀 중 고열을 발생하는 셀을 효과적으로 검출할 수 있고, 이를 통해 배터리의 폭발과 같은 사고를 사전에 예방할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
13 cm x 13 cm 사이즈의 유리에 solution 타입의 polyimide(PI)를 spin coating하여 4 μm 두께의 필름형 유연 기판을 형성하였다. 이어서, 상기 PI기판에 Ti 20 nm/Pt 100 nm를 E-beam으로 증착하여 Ti/Pt 전극이 형성된 PI 기판을 형성하였다.
이어서, 4x4 형태의 신축 센서 패턴을 파일을 만들고, 레이저 장비에 상기 파일을 적용하여 상기 Ti/Pt 전극이 형성된 PI 기판을 UV 레이저로 서펜타인 형상으로 패터닝하고, 이어서 IR 레이저로서 식각하였다.
구체적으로 패터닝 과정은, PI/Pt/PET 형태의 필름을 UV 레이저를 통해 패턴을 따라 PI 기판 및 유리 기판까지 자른 것으로서, 상기 IR 레이저에 의해 식각된 부분은 상기 Ti/Pt 전극이 형성된 PI 기판에서 Pt 온도 센서 전극부 및 Ti/Pt 전극부를 제외한 부분을 포함한다. 이때, 상기 패턴에 따라 패터닝된 Pt 온도 센서의 패턴과 패터닝된 PI 기판 사이의 간격은 약 230 μm의 간격을 두고 UV 컷팅을 진행함으로써 형성된 Pt 센서 및 Ti/Pt 전극이 encapsulation 되도록 한다.
이어서, 상기 패터닝된 센서 및 전극부를 외부 영향으로부터 보호하기 위하여 접착성을 갖는 125 um 두께의 PET film을 상기 패터닝된 센서 상에 부착하여 보호층을 형성한 후, 90 ℃의 따뜻한 물에 30분정도 담가 PI 기판과 유리 기판을 분리함으로써, 온도 모니터링 장치를 제조하였다.
[실험예 1]
도 5 의 (a) 는 상기 실시예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 및 저항 변화 사이의 관계를 나타낸 그래프이고, (b) 는 상기 실시예에 따른 온도 모니터링 장치의 온도 및 저항에 관련한 그래프이다.
도 5 를 참조하면, 상기 온도 모니터링 장치는 -20℃ 내지 +80℃ 에서 센서의 저항 변화가 선형적으로 이루어지고, 특히 상기 온도 모니터링 장치의 센서를 30℃ 내지 46℃ 의 환경에서 30 초 간 배치하여도 저항값의 변화가 없기 때문에, 도 5 의 (b) 의 저항 정보 및 상기 센서에 인가되는 전압 및 전류를 통해 온도를 측정할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 온도 센서층

Claims (16)

  1. 유연 기판; 및
    상기 유연 기판 상에 형성된 온도 센서층;
    을 포함하고,
    상기 온도 센서층은 신축 가능한 형상의 패턴을 가지는 다수의 온도 센서 픽셀을 포함하는 것이고,
    상기 신축 가능한 형상의 패턴은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함하는 것이고,
    상기 온도 센서층은 상기 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정하되, 상기 온도 센서 픽셀의 저항 변화량을 측정하여 상기 온도 센서 픽셀 부위의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 온도 모니터링 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서 픽셀의 기계적 변형률(strain)은 20% 내지 90% 인, 온도 모니터링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 모니터링 장치는 RTD(resistance temperature detector), 서미스터(thermistor), 열전대(thermocoupling), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방식에 의해 온도를 측정하는 것을 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서 픽셀은 Pt, Ti, Au, Ag, Al, Cu, Ni, Fe, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연 기판은 PI(polyimide), PDMS(Polydimethylsiloxane), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PES(polyestersulfone), PAI(Polyamide-imide), PEI(Polyetherimide), PET(polyethylene terephthalate), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연 기판은 상기 신축 가능한 형상의 패턴과 동일한 형상으로 패터닝된 것인, 온도 모니터링 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서 픽셀은 어레이 구조로 배치되는 것인, 온도 모니터링 장치.
  11. 제 1 항에 따른 온도 모니터링 장치의 제조 방법에 있어서,
    유연 기판 상에 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극층을 신축 가능한 형상의 픽셀 단위로 패터닝하여 온도 센서층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 신축 가능한 형상은 서펜타인 패턴(serpentine pattern), 키리가미 패턴(kirigami pattern), 또는 상기 서펜타인 패턴 및 상기 키리가미 패턴이 혼합된 패턴을 포함하는 것이고,
    상기 온도 센서층은 상기 온도 센서 픽셀 각각의 온도를 선택적으로 측정하되, 상기 온도 센서 픽셀의 저항 변화량을 측정하여 상기 온도 센서 픽셀 부위의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 온도 모니터링 장치의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유연 기판을 상기 신축 가능한 형상으로 식각하는 단계를 추가 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 센서층 상에 보호층을 형성하는 단계를 추가 포함하는 것인, 온도 모니터링 장치의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 신축 가능한 형상으로 패터닝하는 단계는 UV 레이저, CO2 레이저, 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, Ar 레이저, He-Ne 레이저, Ti:사파이어 레이저, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 레이저에 의해 수행되는 것인, 온도 모니터링 장치의 제조 방법.
  16. 배터리의 일면에 배치되어 온도 정보를 센싱하는 온도 모니터링 장치; 및
    상기 온도 정보를 기반으로 상기 배터리의 온도 분포를 분석하는 분석 서버,
    를 포함하되,
    상기 온도 모니터링 장치는 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 모니터링 장치를 포함하는 것인,
    배터리 온도 모니터링 시스템.
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