KR102676913B1 - 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 절연성이 우수하면서 높은 방열성을 가져 이를 적용하는 배터리팩의 내구성 및 안전성을 향상시키며, 배터리팩의 설계 구조 향상과 경량화 및 조립 공정의 단순화를 도모할 수 있는, 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기절연성 방열층; 파이버를 매개로 결속되는 전기전도성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기도전성 방열층; 및 파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자와 전기전도성의 물질 입자를 함유하고, 상기 전기절연성 방열층과 전기도전성 방열층의 계면에 일체화되는 계면결합 방열층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트가 제공된다.
Description
본 발명은 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 절연성이 우수하면서 높은 방열성을 가져 이를 적용하는 배터리팩의 내구성 및 안전성을 향상시키며, 배터리팩의 설계 구조 향상과 경량화 및 조립 공정의 단순화를 도모할 수 있는, 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 자동차 중 배기가스 배출이 없는 전기자동차에는 주행을 위한 모터 구동을 위하여 배터리가 탑재되며, 이러한 배터리는 전도성 발열체 중 하나이다.
전기자동차용 배터리에서는 고출력, 그리고 고속충전과 반복충전 등에 의해 발생하는 열로 인하여 국부적인 온도 차이나 고열이 발생하게 된다.
이에 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하며, 이는 배터리 내부에서 발생하는 열보다 주로 외부로의 열 방출 및 확산 능력이 부족하여 초래된다.
리튬이온 배터리는 셀의 작동전압이 3.6V 이상으로, 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개의 셀을 직렬로 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차(HEV)나 순수 전기자동차(EV) 등과 같은 친환경 자동차의 동력원으로 사용되는데, 니켈-카드뮴 배터리나 니켈-메탈 하이드라이드 배터리에 비해 작동전압이 3배 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성이 우수한 이점이 있다.
이러한 리튬이온 배터리는 다양한 형태로 제조하는 것이 가능하며, 최근 널리 사용되고 있는 파우치형(pouched type) 배터리 셀의 경우 케이스 자체가 유연성을 가지므로 그 형상이 비교적 자유로운 특징을 가진다.
파우치형 배터리 셀은 배터리부와, 상기 배터리부가 수용되는 공간을 갖는 파우치형 케이스를 포함하고 있으며, 이 중에서 배터리부는 보통 양극판, 세퍼레이터(separator), 음극판의 순으로 배치되어 일 방향으로 와인딩되거나, 또는 여러 장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 복층 구조로 적층되어 구성된다.
또한, 파우치형 케이스는 유연성을 가지는 소재로 제조되므로 자유자재로 구부림이 가능한 형태를 가진다.
도 1은 일반적으로 복수개의 파우치형 셀(11)을 적층 배치하여 구성한 셀 모듈(10)을 개략적으로 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 이웃한 셀(11)들이 전극부(12)를 통해 상호 접속되며, 셀(11) 간에는 소정 간격, 예컨대 3mm 이상의 간격을 두어야 한다.
이 간격이 냉각 공기가 유입 및 통과하여 배출되는 셀(11) 간의 유로 공간(13)이 되며, 냉각 공기가 셀(11) 간의 유로 공간(13)을 통과함으로써 셀의 열이 냉각 공기에 의해 외부로 방출될 수 있게 되어 있다(도 1의 화살표 는 냉각 공기의 통과 방향을 나타냄).
이와 같은 파우치형 배터리 셀에서는 충전 및 방전시에 리튬이온의 전극물질로의 인터칼레이션(Intercalation)과 디-인터칼레이션(Deintercalation)에 의해 부피 변화가 발생하게 된다(J.H. Lee et al., Journal of Power Sources 119-121 (2003) 833-837 참조).
또한, 배터리 셀 내 전극판의 팽창으로 인한 세퍼레이터의 손상이 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가 및 최종 배터리 용량의 감소 등을 초래하므로 배터리의 부피 팽창에 대응하기 위한 방열용 계면 부재(배터리의 셀과 셀 사이에 위치되는 부재)가 필요하다.
또한, 종래의 배터리 시스템에서 셀의 부피가 증가할 경우 배터리 팩 단위에서 셀과 셀 사이에 형성된 유로 공간이 축소되어 냉각 효과가 감소하게 되고, 결국 주변 셀의 온도 상승에 의해 인접한 셀의 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능의 급격한 저하를 초래하게 된다.
또한, 배터리 셀의 부피 팽창이 심할 경우 폴리머 재질의 파우치형 케이스가 손상되어 내부의 전해액이 누수되거나 가스가 분출하는 등의 위험이 있다.
또한, 파우치형 셀들을 적층하여 배터리 셀 모듈 및 팩을 구성하므로 셀의 부피 팽창이나 가스 분출, 폭발이 발생한 경우 인접한 셀에도 직접적인 손상이 가해지는 문제가 있다.
따라서, 부피 대비 에너지 밀도의 향상을 위한 콤팩트한 배터리 방열 시스템에 도달하기 위해서는 배터리 셀의 부피 변화에 대응할 수 있는 소재의 탄성과 방열 성능 모두가 우수해야 한다.
종래의 배터리 케이스 및 하우징 소재는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 기질에 난연 필러인 미네랄 필러가 20 ~ 30 중량% 충전(充塡)된 소재로, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능을 보유하고 있지만 방열의 특성은 전혀 없는 것이 사실이다.
또한, 개발되고 있는 방열 소재의 경우 단순히 고충전에 의한 필러(filler) 간의 접촉면 증대를 통해 계면 저항의 감소와 그에 따른 열전달 특성의 향상에 초점을 맞추고 있는 실정이며, 플라스틱 베이스의 방열 복합 소재의 경우에도 열전도 이방성과 낮은 열전도로 인해 파우치 타입의 배터리에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는데에는 한계를 보이고 있다.
종래 셀 모듈(10)의 공냉 방식에서는 도 1에 나타낸 바와 같이 셀들(11)에 일정 수준의 간격, 예를 들어 3mm 이상의 공기 통로(유로 공간)(13)를 유지해야 하므로 단위 부피당 에너지 밀도의 향상이 어렵다는 단점을 가진다.
즉, 특정의 부피를 갖는 배터리 셀 모듈(10)을 구성할 때 셀(11) 간의 간격을 두어야 하므로 셀 수를 늘리는데 제한이 있고, 셀 수를 늘릴 경우 셀의 두께와 더불어 셀 간의 간격이 존재하므로 모듈(10)의 부피가 급증하는 문제를 가진다.
이에 배터리 셀 모듈의 방열을 위한 컨셉 디자인의 변경과 변경된 디자인에 최적화된 소재의 개발이 필요한 실정이다.
한편, 최근 배터리 크기 축소와 냉각 효과 증대를 위해 셀과 셀 사이에 방열 플레이트를 사용하는 방식이 제시되었는데, 이 방열 플레이트는 알루미늄 플레이트에 열전도 효율이 높은 플렉시블(flexible)한 엘라스토머 고분자 소재를 코팅한 구성을 가지며, 이는 소재의 탄성력을 이용하여 셀과의 접촉면을 극대화할 수 있는 이점을 제공한다.
또한, 방열 플레이트를 사용하는 경우 셀과 셀 간의 공기 통로가 삭제됨에 따라 하나의 배터리 팩에 보다 많은 셀을 넣을 수 있으며, 동일 출력 대비 배터리의 크기를 줄일 수 있고, 기존의 방식보다 높은 방열 성능을 나타낸다.
그러나, 종래의 방열 플레이트는 단순 방열 기능만을 제공하며, 배터리의 안정성과 NVH 성능 및 기타 성능을 부여하기 위해서는 여러 장치를 부수적으로 장착해야 한다.
이는 배터리의 제조 원가와 중량을 크게 증가시키며, 공간 및 배터리 환경에 따라서는 기능 부여 자체가 불가능한 상황이 발생할 수 있다.
오늘날 환경적인 문제로 인해 고출력이 요구되는 장치에 고전압 배터리가 많이 사용되고 있으며, 배터리에 방열 기능 및 안정성, 내구성뿐만 아니라 진동 제어 및 배터리 안정성 제어 기능, 센서 기능, 에너지 하비스트(harvest) 기능(에너지 변환 기능) 등과 같은 부수적인 기능의 추가가 불가피해지고 있는 것이 현실이다.
이에 상기한 문제를 해결하기 위하여 여러 기능들을 복합적으로 수행할 수 있는 배터리용 방열 소재의 개발이 필요하게 되었다.
이와 같이 친환경 자동차에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있으며, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하도록 되어 있다.
상기와 같이 이루어진 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출되도록 하는 것이 매우 중요하다.
특히, 전기자동차의 경우, 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 전기자동차의 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소이므로, 다양한 외부 온도의 변화에 따른 배터리 성능 저하 방지를 위하여 배터리 시스템의 적정온도범위가 유지되어야 한다.
종래에 사용되어지고 있는 전기자동차용 배터리 팩은 충전 및 방전시 발생되는 열을 방열시키기 위하여, 메탈플레이트에 쿨링플레이트가 접촉되고, 메탈플레이트와 쿨링플레이트의 접촉성을 향상시키기 위하여, 메탈플레이트와 쿨링플레이트 사이에 실리콘 패드가 설치되며, 복수의 배터리 셀에 대한 접촉지지력이 유지되도록 금속재질로 이루어진 메탈플레이트과 배터리 셀 사이에 레진 타입의 필러가 충전되어 전체적인 방열기능이 유지되도록 되어 있었다.
그러나 상기와 같은 종래의 배터리 팩의 방열시스템은 배터리 셀과 메탈플레이트 사이에 레진타입의 필러가 충전되고, 메탈플레이트와 쿨링플레이트 사이에 실리콘 패드가 설치되도록 되어 있어, 방열을 위한 필러충전 및 실리콘패드의 설치로 인해 전체 부피가 증가되며, 높은 방열 성능(예를 들면, 10W/mk 이상)을 확보하는데 한계가 있는 문제점이 있었다.
또한, 배터리팩의 제조시, 배터리 셀과 메탈플레이트 사이에 레진타입의 필러를 충전하는 작업이 추가되므로, 제조공정이 복잡해지고 제조원가가 증가되는 등 여러가지 문제점이 있었다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1590233호는 실리콘 고무, 질화붕소, 질화알루미늄, 탄소 및 전이금속 화합물을 포함하는 고열전도도 및 고절연성 방열시트를 개시하고 있다.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 전기 절연성이 우수하면서 높은 방열성을 가져 이를 적용하는 배터리팩의 내구성 및 안전성을 향상시키며, 배터리팩의 설계 구조 향상과 경량화 및 조립 공정의 단순화를 도모할 수 있는, 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기절연성 방열층; 파이버를 매개로 결속되는 전기전도성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기도전성 방열층; 및 파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자와 전기전도성의 물질 입자를 함유하고, 상기 전기절연성 방열층과 전기도전성 방열층의 계면에 일체화되는 계면결합 방열층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트가 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 파이버는 셀룰로오스 나노 파이버(Cellulose Nano Fibrillate)이고, 상기 전기절연성의 물질 입자는 보론나이트라이드 (boron nitride) 입자이며, 상기 전기전도성의 물질 입자는 그래핀(graphene)계 입자일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 계면결합 방열층에서 상기 전기절연성의 물질 입자와 전기전도성의 물질 입자는 점진적 구배(gradient)를 갖고 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 전기절연성 방열층과 계면결합 방열층 및 전기전도성 방열층은 셀룰로오즈 나노 파이버와 각 물질 입자가 혼합된 서스펜션(suspension)을 진공여과법vacuum assisted filtration)으로 순차 적층하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 전기절연성 방열층을 시트 형태로 형성하는 전기절연성 방열층 형성 단계; 셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자 및 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 전기절연성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층을 형성하는 계면결합 방열층 형성 단계; 셀룰로오스 나노 파이버와 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 전기전도성 방열층을 형성하는 전기전도성 방열층 형성 단계; 상기 전기절연성 방열층 형성 단계와 상기 계면결합 방열층 형성 단계 및 상기 전기전도성 방열층 형성 단계를 통해 형성된 적층 시트를 탈수하고 건조시키는 건조 단계; 및 상기 건조 단계에서 건조된 적층 시트를 압축 성형하는 압축 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 셀룰로오스 나노 파이버와 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 전기전도성 방열층을 형성하는 전기전도성 방열층 형성 단계; 셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자 및 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 전기전도성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층을 형성하는 계면결합 방열층 형성 단계; 셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 전기절연성 방열층을 시트 형태로 형성하는 전기절연성 방열층 형성 단계; 상기 전기절연성 방열층 형성 단계와 상기 계면결합 방열층 형성 단계 및 상기 전기전도성 방열층 형성 단계를 통해 형성된 적층 시트를 탈수하고 건조시키는 건조 단계; 및 상기 건조 단계에서 건조된 적층 시트를 압축 성형하는 압축 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 관점들에 있어서, 상기 전기절연성의 물질 입자는 보론나이트라이드 (boron nitride) 입자이며, 상기 전기전도성의 물질 입자는 그래핀(graphene)계 입자일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 상기한 다른 관점들에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트가 제공된다.
본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 뛰어난 전기절연성과 높은 방열성을 동시에 만족할 수 있는 방열 시트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 셀룰로오스 나노파이버(CNF)를 통하여 3차원적 연결 구조를 가져 인장 강도가 증대되어 높은 강도를 확보할 수 있어 배터리팩의 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 배터리팩의 설계 구조 향상과 경량화 및 조립 공정의 단순화를 도모할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 일반적으로 복수개의 파우치형 셀을 적층 배치하여 구성한 셀 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성부들의 배향 관계를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 진공여과법을 통해 제조하는 방법으로 제조하는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 6은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 제조하기 위한 설비 예시를 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성부들의 배향 관계를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 진공여과법을 통해 제조하는 방법으로 제조하는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 6은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 제조하기 위한 설비 예시를 도식화하여 나타내는 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 대하여 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 구성부들 간의 배향 관계를 나타내는 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 진공여과법을 통해 제조하는 방법으로 제조하는 개념도이다.
본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트는, 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 크게 전기절연성 방열층(100); 전기도전성 방열층(200); 및 계면결합 방열층(300);을 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트는, 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 전기절연성을 갖는 원료를 함유하며, 시트 형태 또는 필름 형태로 형성되는 전기절연성 방열층(100); 전기전도성을 갖는 원료를 함유하며, 시트 형태 또는 필름 형태로 형성되는 전기도전성 방열층(200); 상기 전기절연성 방열층(100)과 전기도전성 방열층(100)의 계면에 형성되고, 그 전기절연성 방열층(100)과 전기전도성 방열층(200) 간을 결합시켜 일체화시키는 계면결합 방열층(300);을 포함한다.
상기 전기절연성 방열층(100)은 바인더로서 파이어(fiber)를 매개로 전기절연성을 갖는 원료 입자가 결속되고, 시트 형태 또는 필름 형태의 층을 형성하는 구성부이다.
구체적으로, 상기 전기절연성 방열층(100)은 셀룰로오스 나노 파이버(Cellulose Nano Fibrillate·CNF)와 전기절연성 원료로서 보론나이트라이드 (boron nitride, BN) 입자를 포함한다.
이러한 전기절연성 방열층(100)은 진공여과법(vacuum assisted filtration, VAF)을 이용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 전기전도성 방열층(200)은 바인더로서 파이버를 매개로 전기전도성을 갖는 원료 입자가 결속되고, 시트 형태 또는 필름 형태의 층을 형성하는 구성부이다.
구체적으로, 상기 전기전도성 방열층(200)은 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기전도성 원료로서 금속 입자 또는 그래핀, 결정성 카본 등 그래핀(graphene, GR)계 입자를 포함한다.
이러한 전기전도성 방열층(200)은 진공여과법(vacuum assisted filtration, VAF)을 이용하여 형성될 수 있다.
그리고 상기 계면결합 방열층(300)은 상기 전기절연성 방열층(100)과 전기도전성 방열층(100)의 계면에 형성되고, 그 전기절연성 방열층(100)과 전기전도성 방열층(200) 간을 결합시켜 일체화시키는 구성부이다.
구체적으로, 상기 계면결합 방열층(300)은 바인더로서 파이버를 매개로 하여 전기절연성 원료인 보론나이트라이드(BN) 입자와 전기전도성 원료인 그래핀계(GR) 입자를 포함하여 형성된다.
여기에서, 상기 전기절연성 원료인 보론나이트라이드(BN) 입자와 전기전도성 원료인 그래핀계(GR) 입자는 그 함량이 계면에서 점진적 구배(gradient)를 갖도록 형성된다. 구체적으로, 상기 계면결합 방열층(300)에서 보론나이트라이드 입자는 전기전도성 방열층(100) 측으로 갈수록 그 함량이 감소하는 구배를 갖고 이루어지며, 상기 그래핀계 입자는 전기절연성 방열층(300) 측으로 갈수록 그 함량이 감소하는 구배를 갖고 이루어질 수 있다.
이러한 계면결합 방열층(300)은 종래 다층 라미네이션에 의한 박리 가능성을 없애고, 이종 다층 구조의 열저항 계면층을 형성시키지 않으며, 이종 방열 소재 간 열전도 경로를 확실하게 형성하게 된다.
다시 말해서, 종래 이종 재질의 다중 구조를 위하여 이용되는 라미네이트 방법에서는 계면 열저항이 발생하는 문제점이 있었으나, 본 발명은 계면결합 방열층(300)을 통해 전기절연성 방열층(100)과 전기전도성 방열층(200)의 계면에서 우수한 기계적 접합력과 낮은 열접촉 저항을 확보할 수 있다.
상기 계면결합 방열층(300)은 진공여과법(vacuum assisted filtration, VAF)을 이용하여 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트는, 셀룰로오스 나노 파이버와 보론나이트라이드(BN) 입자 및 그래핀(GR)계 입자가 복합화되고 진공여과법을 형성되며, 특히 전기절연성 방열층(100)에서는 보론나이트라이드 입자의 배향도가 증진되어 BN-BN 간 접촉 면적을 극대화하여 고방열 성능을 확보할 수 있음과 동시에, BN 입자가 수직으로 배향성을 갖게 하여 두께방향으로도 열전도율이 높은 고방열 시트로 구성될 수 있고, 전기전도성 방열층(200)에서는 그래핀계 입자가 셀룰로오스 나노 파이버와 함께 분산되어 형성됨으로써 높은 전기전도성을 확보하며, 또한 계면결합 방열층(300)에서는 두 방열층(100, 200)에 대하여 각 입자들이 경사구배를 가짐으로써 절연기능을 유지하면서도 면방향과 두께 방향의 열전도율을 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법에 대하여 도 5 및 도 6을 참고하여 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 과정을 개략적으로 나타내는 플로차트이고, 도 6은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트를 제조하기 위한 설비 예시를 도식화하여 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법은, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 크게 전기전도성 방열층 형성 단계(S100); 계면결합 방열층 형성 단계(S200); 전기절연성 방열층 형성 단계(S300); 건조 단계(S400); 및 압축 성형 단계(S500);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법은, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 셀룰로오스 나노 파이버(Cellulose Nano Fibrillate·CNF)와 전기절연성 원료 입자를 혼합한 서스펜션(suspension)을 진공여과법(vacuum assisted filtration, VAF)을 이용하여 시트 형태로 하여 전기절연성 방열층을 형성하는 전기절연성 방열층 형성 단계(S100); 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기절연성 원료 입자 및 전기도전성 원료 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법(VAF)을 이용하여 상기 전기절연성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층을 형성하는 계면결합 방열층 형성 단계(S200); 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기도전성 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법(VAF)을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면(즉, 전기절연성 방열층이 형성된 측의 반대측 면)에 시트 형태로 적층하여 전기전도성 방열층을 형성하는 전기전도성 방열층 형성 단계(S300); 상기 각 단계(S100 내지 S300)을 통해 형성된 적층 시트를 건조시키는 건조 단계(S400); 및 상기 건조 단계(S400)에서 건조된 적층 시트를 소정 두께의 시트로 압축 성형하는 압축 성형 단계(S500);를 포함한다.
상기 전기절연성 방열층 형성 단계(S100)는 방열 시트의 하부층(즉, 배터리팩을 면하는 측을 향하는 층)을 구성하는 전기절연성 방열층을 형성하는 단계로서, 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기절연성 원료 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법(VAF)을 이용하여 시트 형태로 형성하는 과정이다.
여기에서, 상기 전기전도성 방열층 형성 단계(S100)에서 전기절연성 원료 입자는 보론나이트라이드 (boron nitride, BN) 입자인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 계면결합 방열층 형성 단계(S200)는 전기절연성 방열층과 전기도전성 방열층의 계면에 구비되고, 그 전기절연성 방열층과 전기전도성 방열층 간을 결합시켜 일체화시키면서 전도와 방열 모두를 갖는 계면결합 방열층을 형성하는 단계로서, 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기절연성 원료 입자 및 전기도전성 원료 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법(VAF)을 이용하여 상기 전기절연성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층이 형성되는 과정이다.
상기 계면결합 방열층 형성 단계(S200)에서 전기절연성 원료 입자는 보론나이트라이드(BN) 입자이고, 전기전도성 원료 입자는 그래핀계(GR) 입자인 것이 바람직하다.
상기 계면결합 방열층 형성 단계(S200)에서 계면결합 방열층은 상기 전기절연성 원료 입자인 보론나이트라이드(BN) 입자와 전기전도성 원료 입자인 그래핀계(GR) 입자의 함량이 계면에서 점진적 구배(gradient)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 따른 계면결합 방열층은 종래 다층 라미네이션에 의한 박리 가능성을 없애고, 이종 다층 구조의 열저항 계면층을 형성시키지 않으며, 이종 방열 소재 간 열전도 경로를 확실하게 형성하게 된다. 다시 말해서, 종래 이종 재질의 다중 구조를 위하여 이용되는 라미네이트 방법에서는 계면 열저항이 발생하는 문제점이 있었으나, 본 발명은 계면결합 방열층을 통해 전기절연성 방열층과 전기전도성 방열층의 계면에서 우수한 기계적 접합력과 낮은 열접촉 저항을 확보할 수 있다.
다음으로, 상기 전기전도성 방열층 형성 단계(S300)는 셀룰로오스 나노 파이버를 매개로 전기전도성을 갖는 원료 입자가 결속되고, 계면결합 방열층의 일면에 시트 형태로 적층되어 전기전도성 방열층을 형성하는 단계로서, 셀룰로오스 나노 파이버(CNF)와 전기도전성 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법(VAF)을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면(즉, 전기절연성 방열층이 형성된 측의 반대측 면)에 시트 형태로 적층하여 전기전도성 방열층이 형성되는 과정이다.
상기 전기전도성 방열층 형성 단계(S300)에서 상기 전기전도성 원료 입자는 금속 입자 또는 그래핀, 결정성 카본 등 그래핀(graphene, GR)계 입자일 수 있다.
계속해서, 상기 건조 단계(S400)는 적층 시트를 탈수하고 일정 정도의 수분 컨트롤 한 상태에서 상온건조, 열건조, 감압건조 등으로 적층 시트를 건조하는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 압축 성형 단계(S500)는 상기 건조 단계(S400)에서 건조된 적층 시트를 요구되는 물성을 만족하는 범위에서 수십~ 수백 마이크론의 두께의 시트로 압축 성형하여 강성을 갖는 시트를 완성하게 된다.
이러한 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 컨베이어 벨트 시스템과 진공여과 시스템 및 롤링 압축 및 건조 시스템을 통해 연속적인 공정을 통해 제조할 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법에서 전기전도성 방열층 형성 단계(S100), 계면결합 방열층 형성 단계(S200), 및 전기절연성 방열층 형성 단계(S300)는 기수적 의미이며, 이들 제조 과정은 역으로 즉 전기절연성 방열층 형성, 계면결합 방열층 형성 그리고 전기전도성 방열층 형성의 순서로도 이루어진 다음, 건조 단계와 압축 성형 단계로 진행될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트에 의하면, 뛰어난 전기절연성과 높은 방열성을 동시에 만족할 수 있는 방열 시트를 제공할 수 있고, 셀룰로오스 나노파이버(CNF)를 통하여 3차원적 연결 구조를 가져 인장 강도가 증대되어 높은 강도를 확보할 수 있어 배터리팩의 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있으며, 배터리팩의 설계 구조 향상과 경량화 및 조립 공정의 단순화를 도모할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기절연성 방열층
200: 전기도전성 방열층
300: 계면결합 방열층
S100: 전기전도성 방열층 형성 단계
S200: 계면결합 방열층 형성 단계
S300: 전기절연성 방열층 형성 단계
S400: 건조 단계
S500: 압축 성형 단계
200: 전기도전성 방열층
300: 계면결합 방열층
S100: 전기전도성 방열층 형성 단계
S200: 계면결합 방열층 형성 단계
S300: 전기절연성 방열층 형성 단계
S400: 건조 단계
S500: 압축 성형 단계
Claims (8)
- 파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기절연성 방열층;
파이버를 매개로 결속되는 전기전도성의 물질 입자를 함유하며, 시트 형태로 형성되는 전기도전성 방열층; 및
파이버를 매개로 결속되는 전기절연성의 물질 입자와 전기전도성의 물질 입자를 함유하고, 상기 전기절연성 방열층과 전기도전성 방열층의 계면에 일체화되는 계면결합 방열층;을 포함하는 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트.
- 제1항에 있어서,
상기 파이버는 셀룰로오스 나노 파이버(Cellulose Nano Fibrillate)이고,
상기 전기절연성의 물질 입자는 보론나이트라이드 (boron nitride) 입자이며,
상기 전기전도성의 물질 입자는 그래핀(graphene)계 입자인 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트.
- 제1항에 있어서,
상기 계면결합 방열층에서 상기 전기절연성의 물질 입자와 전기전도성의 물질 입자는 점진적 구배(gradient)를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기절연성 방열층과 계면결합 방열층 및 전기전도성 방열층은 셀룰로오즈 나노 파이버와 각 물질 입자가 혼합된 서스펜션(suspension)을 진공여과법vacuum assisted filtration)으로 순차 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트.
- 셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 전기절연성 방열층을 시트 형태로 형성하는 전기절연성 방열층 형성 단계;
셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자 및 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 전기절연성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층을 형성하는 계면결합 방열층 형성 단계;
셀룰로오스 나노 파이버와 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 전기전도성 방열층을 형성하는 전기전도성 방열층 형성 단계;
상기 전기절연성 방열층 형성 단계와 상기 계면결합 방열층 형성 단계 및 상기 전기전도성 방열층 형성 단계를 통해 형성된 적층 시트를 탈수하고 건조시키는 건조 단계; 및
상기 건조 단계에서 건조된 적층 시트를 압축 성형하는 압축 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법.
- 셀룰로오스 나노 파이버와 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 전기전도성 방열층을 형성하는 전기전도성 방열층 형성 단계;
셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자 및 전기도전성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 전기전도성 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 계면결합 방열층을 형성하는 계면결합 방열층 형성 단계;
셀룰로오스 나노 파이버와 전기절연성 물질 입자를 혼합한 서스펜션을 진공여과법을 이용하여 상기 계면결합 방열층의 일면에 시트 형태로 적층하여 전기절연성 방열층을 시트 형태로 형성하는 전기절연성 방열층 형성 단계;
상기 전기절연성 방열층 형성 단계와 상기 계면결합 방열층 형성 단계 및 상기 전기전도성 방열층 형성 단계를 통해 형성된 적층 시트를 탈수하고 건조시키는 건조 단계; 및
상기 건조 단계에서 건조된 적층 시트를 압축 성형하는 압축 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 전기절연성의 물질 입자는 보론나이트라이드 (boron nitride) 입자이며,
상기 전기전도성의 물질 입자는 그래핀(graphene)계 입자인 것을 특징으로 하는
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법.
- 청구항 제5항 또는 청구항 제6항에 따른 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트의 제조 방법에 의해 제조된
전도성 발열체용 다층구조 방열 시트.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210165197A KR102676913B1 (ko) | 2021-11-26 | 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210165197A KR102676913B1 (ko) | 2021-11-26 | 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전도성 발열체용 다층구조 방열 시트 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230077944A KR20230077944A (ko) | 2023-06-02 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016079202A (ja) | 2014-10-10 | 2016-05-16 | 株式会社Kri | 放熱材 |
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2016079202A (ja) | 2014-10-10 | 2016-05-16 | 株式会社Kri | 放熱材 |
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