KR102691409B1 - 흡열 패드 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 흡열 패드에 관한 것이다. 본 출원의 흡열 패드는 우수한 흡열 성능 및 우수한 열 전이 지연 특성을 나타낼 수 있다. 상기 흡열 패드는 배터리 셀의 열 폭주 시에 인접하는 배터리 셀로 열 전이를 지연시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 출원은 흡열 패드에 관한 것이다.
배터리의 열 폭주는 셀 내부의 화학 물질의 열 안정성이 한계를 초과하여 셀이 내부 에너지를 외부로 빠르게 방출할 때 발생된다. 셀의 측정 전압이 떨어지고, 측정 온도가 dT/dt ≥[4°C/s], 최대 작동 온도(약 120℃)를 초과할 때 열 폭주로 정의하며, 열 폭주를 유발하는 원인으로 과충전, 충돌/낙하, 열 노출, 고전압/전류 노출, 외부/내부 단락 등이 있다. 열 폭주가 시작되면 배터리의 내부 압력이 증가하고, 가연성 물질이 분출되어 발화가 발생한다. 이후 인접 셀을 가열하며 급격한 화재로 확산된다. 배터리 화재는 전기 화재로 분류되어 가스계 소화 설비를 적용 중이지만 배터리 모듈이 금속 재질 보호 덮개가 있어 소화 약제의 침투가 어렵고, 열 폭주 발생 시 짧은 시간에 1000℃까지 상승하여 약제 방출이 화재 초기에 이루어져야 한다. 따라서, 열 폭주를 중단하기 위해서는 화재 초기에 충분한 냉각 또는 전소만이 궁극적인 소화이다.
상 변화 물질(PCM; Phase Change Material)은 상 전이로 에너지를 방출 및 흡수하여 열 및 냉각을 제공하는 물질이다. 상 전이에 의한 잠열은 일반적인 현열보다 높으며, 고체 혹은 액체에서 다른 상태로 전환되고 상 변화 온도(PCT; Phase Change Temperature)에서 많은 양의 에너지를 저장하고 방출한다. 상 변화 물질은 가열 패드, 냉각 장치, 의류 등 에너지 저장 및 안정적인 온도가 필요한 분야에 사용된다.
본 출원은 흡열 패드에 관한 것이다. 본 출원의 흡열 패드는 우수한 흡열 성능 및 우수한 열 전이 지연 특성을 나타낼 수 있다. 상기 흡열 패드는 배터리 셀의 열 폭주 시에 인접하는 배터리 셀로 열 전이를 지연시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
본 출원은 흡열 패드에 관한 것이다. 흡열 패드는 주변에서 발생하는 열을 흡수하는 특성을 가질 수 있다. 상기 흡열 패드는 흡열 물질 및 바인더 수지를 포함할 수 있다. 흡열 패드는 흡열 물질 및 바인더 수지를 포함하는 수지 조성물을 경화된 상태로 포함할 수 있다. 즉, 상기 흡열 패드는 상기 수지 조성물의 경화물을 포함할 수 있다. 상기 흡열 패드는 상기 수지 조성물의 경화물 자체일 수 있다. 상기 수지 조성물의 경화물 이외의 다른 층이 더 포함되는 경우 다층 흡열 패드로 호칭할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중 측정 온도 및/또는 측정 압력이 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 상온 및/또는 상압에서 측정한 결과이다. 본 명세서에서 용어 상온은 가온 및 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 통상 약 10°C 내지 30°C의 범위 내의 온도, 20°C 내지 30°C 범위 내의 온도 또는 약 23°C 또는 약 25°C 정도이다. 본 명세서에서 온도의 단위는 특별히 달리 규정하지 않는 한 ℃이다. 본 명세서에서 용어 상압은 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 대기압 수준의 약 1기압 정도를 의미한다. 본 명세서에서 측정 습도가 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상기 상온 및 상압 상태에서 별도로 조절되지 않은 자연 그대로의 습도에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 흡열 물질은 주변에서 발생하는 열을 흡수하거나 소비하는 물질을 의미할 수 있다. 흡열 물질은 흡수된 열 에너지를 이용하여 자발적으로 열분해되거나 또는 새로운 물질을 생성할 수도 있다.
상기 수지 조성물은 비가역적으로 흡열 반응을 하는 흡열 물질을 포함할 수 있다. 상기 흡열 물질은 가열과 냉각될 때 비가역적으로 반응하는 물질일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 흡열 물질은 주변 온도가 높아질 때 흡열을 통해 열 분해를 하며, 주변 온도가 낮아진다고 해서 열 분해 이전의 흡열 물질의 상태로 돌아가지 않는다. 이러한 비가역성은 우수한 열 전이 지연의 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 반면에, 대표적인 상 변화 물질(PCM; Phase Change Material)인 파라핀은 주변 온도가 높아지면 열을 흡수하여 액체 상태가 되고 주변 온도가 낮아지면 열을 방출하여 다시 고체 상태로 돌아간다. 상기 상 변화 물질은 흡열과 방열을 통해 가역적으로 반응하는 물질이다. 상기 수지 조성물은 상기와 같은 가역적으로 반응하는 상 변화 물질을 포함하지 않을 수 있다.
상기 흡열 물질의 열 분해 온도(thermal deposition temperature)는 50℃ 이상일 수 있다. 상기 흡열 물질의 열 분해 온도는 300℃ 이하일 수 있다. 상기 열 분해 온도는 흡열 물질이 흡열 반응하는 온도(흡열 반응 온도)로 호칭할 수도 있다. 상기 열 분해는 물질에 열이 가해졌을 때 화학적으로 분해되어 더 단순한 물질이 되는 것을 의미할 수 있다. 상기 열분해 온도는 상기 열분해가 일어나는 온도를 의미할 수 있다. 상기 흡열 물질의 열 분해 온도는 300℃이하, 280℃이하, 260℃이하, 240℃이하, 220℃이하, 200℃이하, 180℃이하, 160℃이하, 140℃이하, 120℃이하 또는 100℃이하일 수 있다. 상기 흡열 물질의 열 분해 온도는 구체적으로 50℃이상, 60 ℃이상, 70 ℃이상, 80℃이상, 90℃이상, 100℃이상, 120℃이상, 140℃이상, 160℃이상 또는 180℃이상일 수 있다. 흡열 물질은, 상기 열 분해 온도로 가열될 때, 흡열을 통해, 상기 흡열 물질을 구성하는 성분으로 분해될 수 있다. 흡열 물질의 열 분해 온도가 상기 범위 내인 경우, 배터리의 정상적인 작동 온도에서는 흡열 반응이 없거나 적고, 배터리의 열 폭주가 발생하면 흡열 물질의 흡열 반응(예를 들어, 열 분해)를 통해 발화된 배터리 셀에 냉각 효과를 부여할 수 있고, 인접하는 배터리 셀로 열 전이를 지연시킨다는 측면에서 유리할 수 있다. 상기 열분해 온도는 시차주사열량계(DSC Q2000, TA社)를 이용하여 10℃/min의 속도로 승온하면서 측정된 값일 수 있다. 시차주사열량계로부터 x축이 온도(℃)이고 y축이 Heat Flow(W/g)인 그래프를 얻을 수 있고, 상기 그래프에서 Heat Flow(W/g)값이 최대인 지점의 온도를 열분해 온도로 할 수 있다.
흡열 물질은 수용성 물질일 수 있다. 상기 수용성 물질은 20℃의 물에 대한 용해도가 0 g/100 ml 초과인 물질을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 흡열 물질의 20℃의 물에 대한 용해도는 5 g/100ml 이상일 수 있다. 흡열 물질의 물에 대한 용해도는 구체적으로 10 g/100ml 이상, 15 g/100ml 이상, 20 g/100ml 이상, 25 g/100ml 이상, 30 g/100ml 이상, 35 g/100ml 이상 또는 40 g/100ml 이상일 수 있다. 상기 흡열 물질의 물에 대한 용해도의 상한은 예를 들어 50g/100ml 이하일 수 있다. 상기 용해도는 20℃온도의 물 100ml에 흡열 물질을 1g씩 넣으면서, 침전물이 생기기 전까지의 흡열 물질의 무게를 측정함으로써 도출할 수 있다.
흡열 물질은 열 전도성을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 흡열 물질의 열 전도도(λ, thermal conductivity)는 20W/mK 이하일 수 있다. 흡열 물질의 열 전도도가 상기 범위 내인 경우 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 흡열 물질의 열 전도도는 구체적으로 15 W/mK 이하, 10 W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4 W/mK 이하, 3 W/mK 이하, 2 W/mK 이하, 1 W/mK 이하 또는 0.5 W/mK 이하일 수 있다. 상기 흡열 물질의 열 전도도의 하한은 예를 들어 0.001 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도(λ)는 열확산도(α)×비열(Cp)×밀도(ρ)로 규정되는 값이다. 상기 열전도도(λ)는 25 ℃의 온도에서 측정된 값일 수 있다. 흡열 물질의 열 전도도는 공지의 열전도도 측정 장비를 이용해서 측정할 수 있다. 또는, 흡열 물질의 열전도도는 거의 알려져 있으며, 상기 열전도도를 만족하는 흡열 물질을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 물질은 시차 주사 열량계로 0℃부터 350℃까지 10℃/min의 속도로 승온하면서 흡열량을 측정 시 200℃미만의 온도에서 흡열 피크를 가질 수 있다. 상기 흡열 피크는 온도(x축)에 대한 흡열량(y축)의 그래프에서 흡열량이 가장 높게 나오는 온도를 의미할 수 있다. 상기 흡열 피크 온도는 예를 들어 50℃이상일 수 있다. 흡열 피크 온도가 상기 범위 내인 경우 우수한 열 전이 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 상기 흡열 피크 온도는 구체적으로, 190℃이하, 180℃이하, 170℃이하, 160℃이하, 150℃이하, 140℃이하, 130℃이하, 120℃이하, 110℃이하 또는 100℃이하일 수 있고, 60℃이상, 70℃이상, 80℃이상, 90℃이상, 100℃이상, 110℃이상, 120℃이상, 130℃이상, 140℃이상, 150℃이상, 160℃이상, 170℃이상, 180℃이상 또는 190℃이상일 수 있다.
하나의 예시에서, 흡열 물질은 200℃미만의 온도에서 단일 흡열 피크(1개의 흡열 피크)를 가질 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 흡열 물질은 200℃미만의 온도에서 분산 흡열 피크(2개 또는 3개 이상의 흡열 피크)를 가질 수 있다. 흡열 피크가 2개 또는 3개 이상인 것은, 흡열량이 가장 높은 흡열 피크 1개와 흡열량이 그 다음으로 높은 흡열 피크를 1개 또는 2개 이상 더 갖는 것을 의미할 수 있다. 흡열량이 동일하다는 전제 하에, 단일 피크를 갖는 흡열 물질이 열전이 지연 특성이 더 우수할 수 있다. 단일 피크를 갖는 흡열 물질로는, 예를 들어, AlCl3.6H2O, MgSO4.7H2O, NiSO4.6H2O, Na4P2O7.10H2O, Sr(OH)2.8H2O, CaSO4.2H2O 등을 예시할 수 있다.
하나의 예시에서, 흡열 물질은 흡열 피크에서의 흡열량이 500 J/g 이상일 수 있다. 흡열 물질이 단일 흡열 피크를 갖는 경우, 상기 흡열량은 단일 흡열 피크에서의 흡열량을 의미할 수 있다. 흡열 물질이 분산 흡열 피크를 갖는 경우, 상기 흡열량은 모든 피크에 대한 흡열량의 합을 의미할 수 있다. 흡열 피크에서의 흡열량이 상기 범위 내인 경우 우수한 열 전이 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 상기 흡열량은 구체적으로 600 J/g 이상, 700 J/g 이상, 800 J/g 이상, 900 J/g 이상, 1,000 J/g 이상, 1,100 J/g 이상, 1,200 J/g 이상, 1,300 J/g 이상, 1,400 J/g 이상, 1,500 J/g 이상, 1,600J/g 이상 또는 1,700 J/g 이상일 수 있고, 2,000 J/g 이하일 수 있다. 상기 흡열량은 시차주사열량계(DSC Q2000, TA社)를 이용하여 10℃/min의 속도로 승온하면서 측정된 값일 수 있다.
흡열 물질은 물을 함유하는 입자일 수 있다. 상기 흡열 물질은 수화물 입자 및/또는 워터 마이크로 캡슐을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 흡열 물질은 수화물(hydrate) 입자일 수 있다. 상기 수화물 입자는 물 분자(H2O)를 함유하는 입자를 의미할 수 있다. 흡열 물질로 수화물 입자를 적용하는 경우 상기 열 분해에서 의해 흡열 물질로부터 물 분자가 해리될 수 있다. 이를 통해 우수한 열 전이 지연의 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 상기 수화물 입자는 구체적으로 금속 화합물의 결정에 결합된 물 분자를 포함하고 있는 무기염일 수 있다. 상기 수화물 입자에 포함된 물은 결정수(結晶水)로 호칭할 수 있다. 상기 수화물(hydrate) 입자는 수산화물(Hydroxide) 입자와는 상이하며, 상기 수지 조성물은 수산화물 입자는 포함하지 않을 수 있다. 본 명세서에서 상기 수산화물 입자는 H2O는 포함하지 않으면서, -OH(-수산화기)를 포함하는 물질을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 물질은 MgCl2.6H2O, AlCl3.6H2O, Na4P2O7.10H2O, KAl(SO4)2.12H2O, NiSO4.6H2O, Mg(NO3)2.6H2O, CoSO4.7H2O, (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, CuSO4.5H2O, ZnSO4.7H2O, CoCl2.6H2O, CrCl3.6H2O, NiCl2.6H2O, MgSO4.7H2O, Al2(SO4)3.18H2O, Na2B4O7.10H2O, Sr(OH)2.8H2O, CaC2O4.H2O, Ba(OH)2.8H2O, Ba(OH)2.H2O, Mg3(PO4)2·5H2O, Mg3(PO4)2.8H2O 및 FeSO4.7H2O로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 물질은 워터 마이크로 캡슐일 수 있다. 상기 마이크로 캡슐은 캡슐부 및 상기 캡슐부 내에 함유된 물을 포함할 수 있다. 상기 캡슐부는 poly(vinyl alcohol), poly(ethylene oxide), polyethylene glycol, poly(methyl methacrylate), butyl acrylate 및 silicate로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 마이크로 캡슐의 크기는 예를 들어 50㎛ 내지 500㎛ 범위 내일 수 있다.
흡열 물질의 함량은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 흡열 물질은 바인더 수지 100 중량부 대비 50 중량부 내지 500 중량부 범위 내로 포함될 수 있다. 흡열 물질은 구체적으로 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 50 중량부 이상, 100 중량부 이상, 150 중량부 이상, 200 중량부 이상, 250 중량부 이상, 300 중량부 이상, 350 중량부 이상 또는 400 중량부 이상으로 포함될 수 있고, 500 중량부 이하, 450 중량부 이하, 400 중량부 이하, 350 중량부 이하, 300 중량부 이하, 250 중량부 이하 또는 250 중량부 이하로 포함될 수 있다. 흡열 입자의 함량이 상기 범위 내인 흡열 패드의 제작에 적합하며 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 유리할 수 있다.
바인더 수지는 주제 수지를 포함할 수 있다. 상기 주제 수지는 실리콘 수지일 수 있다. 주제 수지로 실리콘 수지를 사용하는 경우, 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 특히, 흡열 물질로 물을 함유하는 흡열 물질을 사용하는 경우에도, 주제 수지와 흡열 물질을 배합한 후에 경시 변화나 물을 발생시키지 않으므로, 우수한 열 전이 지연 특성을 나타낼 수 있다. 한편, 우레탄 수지 또는 에폭시 수지와 같은 유기물의 경우 화염에 타버리지만, 실리콘 수지의 경우 Si-O-Si siloxane 사슬이 열에 의해 SiO2로 변하면서 화염에 대한 내구성이 더 우수할 수 있다.
상기 실리콘 수지는 양 말단에 비닐기를 갖는 폴리디메틸실록산일 수 있다. 상기 실리콘 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다. 하기 화학식 1에서 n은 1 이상의 정수일 수 있고, 하기 실리콘 수지의 분자량을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
[화학식 1]
실리콘 수지의 분자량은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 선택될 수 있다. 실리콘 수지의 분자량은 실리콘 수지를 구성하는 실리콘 중합체의 분자량을 의미한다. 하나의 예시에서, 실리콘 수지의 분자량은 100,000 g/mol 이하일 수 있다. 실리콘 수지의 분자량이 상기 범위 내인 경우, 내열성능이 향상되어, 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 더욱 유리할 수 있다. 상기 실리콘 수지의 분자량은 구체적으로 90,000 g/mol 이하, 80,000 g/mol 이하, 70,000 g/mol 이하, 60,000 g/mol 이하, 50,000 g/mol 이하, 40,000 g/mol 이하, 30,000 g/mol 이하, 25,000 g/mol 이하, 20,000 g/mol 이하, 15,000 g/mol 이하 또는 10,000 g/mol 이하일 수 있다. 상기 실리콘 수지의 분자량의 하한은 제작된 패드를 다루는 관점에서 500g/mol 이상 또는 1,000 g/mol일 수 있다.
실리콘 수지의 점도는 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 실리콘 수지의 점도는 5,000 cSt 이하일 수 있다. 실리콘 수지의 분자량이 상기 범위 내인 경우, 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 더욱 유리할 수 있다. 상기 실리콘 수지의 점도는 구체적으로, 4.500 cSt 이하, 4,000 cSt 이하, 3.500 cSt 이하, 3,000 cSt 이하, 2.500 cSt 이하, 2,000 cSt 이하, 1.500 cSt 이하 또는 1,000 cSt 이하일 수 있다. 상기 실리콘 수지의 점도의 하한은 패드 제작 공정의 관점에서 5 cSt 이상, 10, cSt 이상, 20 cSt 이상, 40 cSt 이상, 60 cSt 이상, 80 cSt 이상 또는 100 cSt 이상일 수 있다. 실리콘 수지의 점도와 관련하여, 시판되는 제품의 경우 판매처에서 점도에 대한 정보를 제공하고 있다. 따라서, 상기 점도를 만족한 실리콘 수지 제품을 선택하여 사용할 수 있고, 점도의 측정 조건도 실리콘 수지의 판매처에서 제공하는 바를 따를 수 있다. 하나의 예시에서, 실리콘 수지의 점도는 BROOKFIELD DV-II+ 점도계를 이용하여, 온도 25℃, 회전 속도 10 rpm, spindle 6의 조건으로 측정된 값일 수 있다.
상기 바인더 수지는 경화제를 더 포함할 수 있다. 상기 경화제로는 주제 수지를 경화하기에 적합한 것을 사용할 수 있다. 하나의 예시에서, 주제 수지가 실리콘 수지인 경우에 상기 경화제로 실란 화합물을 사용할 수 있다. 상기 실란 화합물은 -SiH(Silicon-hydride) 갖는 화합물을 의미할 수 있다. 상기 -SiH는 실리콘 수지의 비닐기와 반응할 수 있다. 상기 실란 화합물은 말단 및/또는 측쇄의 적어도 하나의 -CH3가 -H로 치환된 폴리디메틸실록산일 수 있다. 하나의 예시에서, 경화제는 측쇄형(pendent type) 경화제일 수 있다. 상기 측쇄형 경화제는 측쇄의 적어도 하나의 -CH3가 -H로 치환되며, 양 말단은 -CH3인 폴리디메틸실록산일 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 경화제는 하이브리드형(hybrid type) 경화제일 수 있다. 상기 하이브리드형 경화제는 양 말단의 -CH3가 -H로 치환되며, 측쇄의 적어도 하나의 -CH3도 -H로 치환된 폴리디메틸실록산일 수 있다.
하나의 예시에서, 경화제는 H/V 비율이 1 내지 10 범위 내가 되도록 수지 조성물 내에 포함될 수 있다. 상기 H는 H mmol/g × H wt%로 정의되는 값이고, V는 V mmol/g × V wt%로 정의되는 값이다. 상기에서 H mmol/g은 수지 조성물에 포함되는 경화제의 g당 Si-H(실리콘-수소)의 mmol을 의미하고, V mmol/g은 수지 조성물에 포함되는 실리콘 수지의 g당 Si-Vi(실리콘-비닐)의 mmol을 의미한다. 상기에서 H wt%는 전체 수지 조성물의 중량에 대한 경화제의 중량 분율을 의미하며, V wt%는 전체 수지 조성물의 중량에 대한 실리콘 수지의 중량 분율을 의미한다. 상기에서, 전체 수지 조성물의 중량 분율은 100 wt%이다.
상기 수지 조성물은 아민 화합물 및 이소시아네이트 화합물은 포함하지 않을 수 있다. 상기 아민 화합물 및 이소시아네이트 화합물은 물을 함유하는 흡열 물질과의 배합에는 적절하지 않을 수 있다. 아민 화합물은 주제 수지로서 에폭시 수지를 사용할 때의 경화제일 수 있고, 이소시아네이트 화합물은 주제 수지로서 폴리올 수지를 사용할 때의 경화제일 수 있다. 본 출원에 따르면 주제 수지로서 에폭시 수지 및 폴리올 수지는 포함하지 않을 수 있다.
상기 수지 조성물은 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매는 주제 수지와 경화제의 반응을 촉진시킬 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 촉매는 실리콘 수지 중의 탄소-탄소 이중결합과 경화제 중의 SiH기와의 히드로실릴화 부가반응을 촉진시킬 수 있다. 상기 촉매는 예를 들어 백금계 금속 촉매, 팔라듐계 금속 촉매 및 로듐계 금속 촉매로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 백금족 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 바인더 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 0.1 내지 5 중량부, 0.1 내지 3 중량부,0.1 내지 1 중량부, 또는 0.1 내지 0.5 중량부 범위 내로 포함될 수 있다.
상기 수지 조성물은 주제 수지, 경화제, 촉매 이외에 첨가제를 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 수지 조성물은 분산제를 더 포함할 수 있다. 분산제로는 예를 들어 아미노-실리콘계 분산제(amino-silicone dispersant)를 사용할 수 있다. 분산제는 바인더 수지 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 10 중량부, 0.1 내지 5 중량부 또는 0.5 내지 5 중량부 범위 내로 포함될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수지 조성물의 점도는 500,000 cps 이하일 수 있다. 수지 조성물의 점도가 상기 범위 내인 경우, 경화를 통해 흡열 패드를 제조하는데 유리할 수 있고, 이로부터 제조된 흡열 패드는 우수한 열 전이 지연 특성을 나타낼 수 있다. 상기 수지 조성물의 점도는 구체적으로, 450,000 cps 이하, 400,000 cps 이하, 350,000 cps 이하, 300,000 cps 이하, 250,000 cps 이하, 200,000 cps 이하, 150,000 cps 이하 또는 100,000 cps 이하일 수 있다. 상기 수지 조성물의 점도의 하한은 패드 제작 공정의 관점에서 1,000 cps 이상, 5,000 cps 이상, 10,000 cps 이상, 30,000 cps 이상 또는 50,000 cps 이상일 수 있다. 상기 점도는 Brookfield DV2T HB 점도계를 이용하여, 온도 25℃회전 속도 1.2 rpm, Shear rate(sec-1) 2.4, spindle CPA 52Z의 조건으로 측정된 값일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수지 조성물은 상온 경화형 수지 조성물일 수 있다. 따라서, 상기 조성물은 상온(예를 들어, 약 20℃ 내지 30℃)에서의 유지에 의해 경화될 수 있으며, 경화를 위한 별도의 공정, 예를 들어, 습기의 인가, 열의 인가, 활성 에너지선(예를 들어, 자외선)의 조사 등이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 상기 수지 조성물은, 흡열 물질을 포함하여 흡열 패드로 사용될 수 있다는 점을 고려하면, 흡열 물질의 상변화를 수반할 수 있는 열에 민감할 수 있기 때문에, 상온 경화 타입인 것이 더욱 유리할 수 있다. 또한, 상기 상온 경화형 수지 조성물인 경우 배터리 내부에서 경화를 수행해야 할 때도 유리할 수 있다. 배터리 내부에서 경화를 위해 배터리에 열이 인가되는 경우 위험할 수 있기 때문이다. 또한, 상온 경화형 수지 조성물의 경우 필요한 경우 열을 가하여 경화할 수도 있으므로 경화 속도를 쉽게 조절할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
상기 흡열 패드는 열 전이 지연 효과를 가질 수 있다. 본 명세서에서 열 전이 지연 효과는 흡열 패드 단품(흡열 패드의 열 특성에 영향을 미치는 다른 층이 적층되지 않은 상태)에 화염을 방사하였을 때 흡열 패드가 열을 흡수하여 흡열 패드의 온도가 상승하지 않고 일정 시간 유지하는 것을 의미할 수 있다. 열 전이 지연 효과를 갖는 흡열 패드를 배터리 셀에 적용하는 경우, 상기 흡열 패드가 적용된 배터리 셀이 발화되더라도 인접하는 배터리 셀로 열이 전달되는 것을 효과적으로 지연시킬 수 있다. 본 명세서에서 화염에 대한 흡열 패드의 특성을 설명할 때, 상기 화염은 부탄 가스의 연소에 의한 화염을 의미할 수 있다. 상기 화염의 온도는 부탄 가스의 연소에 의한 화염의 온도일 수 있고, 예를 들어, 약 1000℃이상일 수 있다. 상기 화염 온도의 상한은 예를 들어, 2000℃이하 또는 1500℃이하일 수 있다.
흡열 패드가 열 전이 지연 효과를 갖는다는 것은 흡열 패드가 열 전이 지연 구간을 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 열 전이 지연 구간은 흡열 패드에 화염을 가하면서 측정된 시간(초)에 대한 온도(℃)의 그래프에서 온도 변화가 5℃미만인 연속적인 구간으로 정의할 수 있다. 상기 열 전이 지연 구간은 흡열 물질의 흡열 반응에 의한 것일 수 있다. 하나의 예시에서, 흡열 패드에 대하여 화염을 가하면서 측정된 시간(초)에 대한 온도(℃)의 그래프에서, 온도 상승 구간 후에 열 전이 지연 구간이 나타날 수 있다. 온도 상승 구간에서는 시작 온도(0초에서의 온도)가 약 25℃이며, 열 전이 지연 구간의 시작 시간까지 온도가 거의 선형으로 증가할 수 있다. 이후 열 전이 지연 구간에서는 온도가 거의 일정할 수 있다. 상기 열 전이 지연 구간 이후에는 다시 온도 상승 구간이 나타날 수 있다. 구분이 필요하다면, 열 전이 지연 구간 이전의 온도 상승 구간을 제 1 온도 상승 구간으로 호칭할 수 있고, 열 전이 지연 구간 이후의 온도 상승 구간을 제 2 온도 상승 구간으로 호칭할 수 있다. 제 2 온도 상승 구간 이후에는 다시 일정한 온도로 수렴할 수 있는데 이때의 온도를 최종 단열 온도로 호칭할 수도 있다. 상기 최종 단열 온도는 예를 들어 흡열 패드에 화염을 방사한 후 약 3분, 약 5분 또는 약 10분이 지난 시점에서 나타날 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 패드의 열 전이 지연의 온도는 50℃이상일 수 있다. 상기 열 전이 지연의 온도는 예를 들어 60℃이상, 70℃이상, 80℃이상, 90℃이상, 100℃이상, 110℃이상, 120℃이상, 130℃이상, 140℃이상, 150℃이상, 160℃이상, 170℃이상, 180℃이상 또는 190℃이상일 수 있다. 상기 열 전이 지연 온도의 하한은 예를 들어 300℃이하, 290℃이하, 280℃이하, 270℃이하, 260℃이하, 250℃이하, 240℃이하, 230℃이하, 220℃이하, 210℃이하, 200℃이하, 190℃이하, 180℃이하, 170℃이하, 160℃이하, 150℃이하, 140℃이하, 130℃이하, 120℃이하, 110℃이하 또는 100℃이하일 수 있다. 상기 열 전이 지연 온도는 상기 열 전이 지연 구간에서의 일부(예를 들어, 열 전이 지연 구간의 시작 시간 및/또는 종료 시간)의 온도를 의미할 수도 있고, 상기 열 전이 지연 구간의 전체 시간에서의 온도를 의미할 수도 있다. 열 전이 지연 온도가 상기 범위 내인 경우, 베터리 셀이 폭발하는 초기의 발열량을 흡열함으로써, 초기에 화염에 의한 급격한 발화를 지연시키는데 적절할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 패드의 열 전이 지연 시간은 예를 들어 5초 이상일 수 있다. 상기 열 전이 지연 시간은 10초 이상, 20초 이상, 30초 이상, 40초 이상, 60초 이상, 80초 이상, 100초 이상, 120초 이상, 140초 이상, 160초 이상, 180초 이상 또는 200 초이상일 수 있다. 상기 열 전이 지연 시간은 길수록 유리하며 그 상한은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 60분 이하일 수 있다.
흡열 패드는 가열 및 냉각 후에 형상이 원복되지 않는 비가역성을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 흡열 패드를 200℃로 가열하고 상온으로 냉각한 후에 측정된 흡열 패드의 XRD(X-ray diffraction) 패턴은 상기 가열 전의 흡열 패드의 XRD(X-ray diffraction) 패턴과 상이할 수 있다. 상기 흡열 패드를 200℃로 가열하는 것은 약 60분 동안 유지될 수 있다. 상기 가열 전의 흡열 패드는 가열하지 않은 상온에서의 흡열 패드를 의미한다. 상기 상온은 예를 들어 20℃도 내지 30℃범위 또는 약 25℃일 수 있다. 만약 흡열 패드가 상기 비가역성을 갖지 않는다면, 상기 가열 전과 후의 XRD 패턴은 서로 동일할 수 있다. 구체적으로, 흡열 패드에 대하여 XRD 분석을 하면, x축이 2θ(2 Theta)이고 y축이 intensity(a.u.)인 그래프를 얻을 수 있다(θ는 회절 x선의 입사각, intensity는 회절 x선의 강도). 상기 그래프에는 복수의 회절 피크가 나타나고 이로부터 패턴을 얻을 수 있다. XRD 패턴이 상이하다는 것은 상기 복수의 회절 피크 중 적어도 하나의 회절 피크가 나타나지 않는 것을 의미할 수 있다. XRD 패턴이 동일하다는 것은 상기 복수의 회절 피크가 동일하게 나타나는 것을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 패드는 제 1 온도 지연 구간 및 제 1 온도 지연 구간 후에 제 2 온도 지연 구간을 가질 수 있다. 제 1 온도 지연 구간은 흡열 패드의 흡열에 의한 것일 수 있고, 제 2 온도 지연 구간은 흡열 패드의 단열에 의한 것일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 온도 지연 구간의 정의는 각각 상기 열 전이 지연 구간의 정의가 적용될 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 온도 지연 구간은 각각 흡열 패드에 부탄 가스의 연소에 의한 화염을 가하면서 측정된 시간(초)에 대한 온도(℃)의 그래프에서 온도 변화가 5℃미만인 연속적인 구간(적어도 5초 이상 유지되는 구간)을 의미할 수 있다. 도 1은 제 1 및 제 2 온도 지연 구간을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 제 1 및 제 2 온도 지연 구간의 이해를 돕기 위한 것이며, 흡열 패드의 실제 온도 지연 구간의 시간 및 온도의 수치가 도 1에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 흡열 패드에 화염을 가하기 전의(0sec)의 온도는 약 25℃일 수 있다. 흡열 패드에 화염을 계속 가하는 경우 시간에 따라 온도가 상승하는 1차 상승 구간(A)를 나타낼 수 있다. 이후, 시간에 따라 온도가 유지되는 제 1 온도 지연 구간(B)을 나타낼 수 있다. 이후, 시간에 따라 온도가 상승하는 2차 상승 구간(C)을 나타낼 수 있다. 이후, 시간에 따라 온도가 유지되는 제 2 온도 지연 구간(D)을 나타낼 수 있다. 이후, 시간에 따라 온도가 상승하는 3차 상승 구간(E)을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 흡열 패드는 제 1 온도 지연 구간의 온도(T1) 및 제 2 온도 지연 구간의 온도(T2)는 하기 식 1 및 2를 만족할 수 있다. 즉, 제 1 온도 지연 구간의 온도는 흡열 물질의 열 분해 온도와 같거나 또는 그 보다 더 클 수 있다. 또한, 제 2 온도 지연 구간의 온도는 제1 온도 지연 구간의 온도보다 더 높을 수 있다.
[식 1]
A ≤ T1
[식 2]
T1 < T2
식 1에서 A는 흡열 물질의 열 분해 온도(℃)이고, T1은 제 1 온도 지연 구간의 온도(℃)이며, T2는 제 2 온도 지연 구간의 온도(℃)다.
하나의 예시에서, 흡열 패드의 제 1 온도 지연 구간의 온도는 50℃ 내지 200℃ 범위 내일 수 있다. 제 1 온도 지연 구간의 온도는 제 1 온도 지연 구간 전체에서의 온도를 의미할 수도 있고, 또는 제 1 온도 지연 구간이 시작되는 지점의 온도 또는 제 1 온도 지연 구간이 종료되는 지점의 온도를 의미할 수 있다. 제 1 온도 지연 구간의 온도가 상기 범위 내인 경우 베터리 셀의 열 폭주를 효과적으로 지연시키기에 적절할 수 있다. 상기 온도는 구체적으로, 80℃이상, 100℃이상, 120℃이상 또는 140℃이상일 수 있고, 200℃이하, 180℃이하, 160℃이하, 140℃이하 또는 120℃이하일 수 있다.
흡열 패드의 제 2 온도 지연 구간의 온도는 200℃초과 내지 400℃미만일 수 있다. 제 2 온도 지연 구간의 온도는 제 2 온도 지연 구간 전체에서의 온도를 의미할 수도 있고, 또는 제 2 온도 지연 구간이 시작되는 지점의 온도 또는 제 2 온도 지연 구간이 종료되는 지점의 온도를 의미할 수 있다. 제 2 온도 지연 구간의 온도가 상기 범위 내인 경우 베터리 셀의 열 폭주를 효과적으로 지연시키기에 적절할 수 있다. 상기 온도는 구체적으로, 210℃이상, 220℃이상, 230℃이상, 240℃이상 또는 250℃이상일 수 있고, 400℃미만, 390℃이하, 380℃이하, 370℃이하, 360℃이하 또는 350℃이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 온도(T2)와 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 온도(T1)의 차이(T2-T1)은 100℃ 이상일 수 있다. 상기 T2-T1는 예를 들어 150 ℃이상, 200 ℃이상일 수 있고, 350 ℃이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S2)은 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S1)보다 더 길 수 있다(즉, S2-S1>0). 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S1)은 예를 들어 30초 이상일 수 있다. 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S1)은 예를 들어 60초 미만 또는 50초 이하일 수 있다. 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S2)은 예를 들어 60초 이상일 수 있다. 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 시간은 길면 길수록 유리한 것으로서 그 상한은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 60분 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 흡열 패드의 두께는, 예를 들어, 0.5 mm 이상일 수 있다. 흡열 패드의 두께는 구체적으로, 1 mm 이상, 1.5 mm 이상, 2 mm 이상, 2.5 mm 이상 또는 3 mm 이상일 수 있다. 흡열 패드의 두께가 상기 범위 내인 경우 흡열 성능을 향상시키고 우수한 열 전이 지연 특성을 나타내는데 유리할 수 있다. 상기 흡열 패드의 두께의 상한은 패드를 적용하고자 하는 배터리 모듈을 고려하여 적절히 조절될 수 있고, 예를 들어 10 mm 이하, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하 또는 3 mm 이하일 수 있다. 하나의 예시에서 패드의 두께는 4 mm 미만, 3.5 mm 이하, 3.0 mm 이하, 2.5 mm 이하 또는 2.0 mm 이하일 수 있다. 패드의 두께가 상기 범위 내인 경우 2차 온도 지연 구간을 나타낼 수 있다는 점에서 더욱 유리할 수 있다.
본 출원은 상기 수지 조성물 및/또는 패드의 용도에 관한 것이다. 하나의 예시에서, 본 출원은 상기 수지 조성물 및/또는 상기 패드를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다. 상기 배터리 모듈은 상기 수지 조성물을 경화된 상태로(즉, 상기 수지 조성물의 경화물을) 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은 모듈 케이스 및 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 상기 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 배터리 셀은 모듈 케이스 내에 하나 이상 존재할 수 있고, 그리고 복수의 배터리 셀이 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 모듈 케이스 내에 수납되는 배터리 셀의 수는 용도 등에 따라 조절되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 모듈 케이스에 수납되어 있는 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 모듈 케이스 내에 수납되는 배터리 셀의 종류 역시 특별히 제한되지 않으며, 공지의 다양한 배터리 셀이 모두 적용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 배터리 셀은 파우치형일 수 있다. 파우치형 배터리 셀은 통상적으로 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다.
모듈 케이스는, 배터리 셀이 수납될 수 있는 내부 공간을 형성하는 측벽과 하부판을 적어도 포함할 수 있다. 또한, 모듈 케이스는, 상기 내부 공간을 밀폐하는 상부판을 추가로 포함할 수 있다. 상기 측벽, 하부판 및 상부판은 서로 일체형으로 형성되어 있을 수 있고, 또는 각각 분리된 측벽, 하부판 및/또는 상부판이 조립되어 상기 모듈 케이스가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 모듈 케이스의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도나 상기 내부 공간에 수납되는 배터리 셀의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기에서 용어 상부판과 하부판은, 모듈 케이스를 구성하고 있는 판이 적어도 2개 존재하므로, 이를 구별하기 위해 사용되는 상대적 개념의 용어이다. 즉, 실제 사용 상태에서 상부판이 반드시 상부에 존재하고, 하부판이 반드시 하부에 존재하여야 한다는 것을 의미하는 것은 아니다.
상기 수지 조성물 및/또는 패드는 배터리 셀의 일 측면에 존재할 수 있다. 배터리 모듈이 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우, 배터리 셀의 사이에 상기 수지 조성물 및/또는 패드가 배치되어 있을 수 있다. 상기 수지 조성물 및/또는 패드는 배터리가 작동하는 온도에서는 상태 변화 없이 원래의 형태를 유지되다가 열 폭주가 발생하면 상태 변화를 통해 발화 셀에 냉각 효과를 부여하고 인접 셀로 열이 전이하는 것을 지연시킬 수 있다.
본 출원의 흡열 패드는 우수한 흡열 성능 및 우수한 열 전이 지연 특성을 나타낼 수 있다. 상기 흡열 패드는 배터리 셀의 열 폭주 시에 인접하는 배터리 셀로 열 전이를 지연시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 제 1 및 제 2 온도 지연 구간을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 출원에 따른 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
페이스트 믹서(대화테크社, PDM-1K 장비)의 용기에, 분자량이 18.000 g/mol인 실리콘 수지(Andisil VS1000, AB Specialty Silicones社) 88.5 중량부 및 Random pendant 타입의 Silicon-hydride 경화제(Andisil XL12, AB Specialty Silicones社) 11.5 중량부를 넣고, 바인더 수지 100 중량부로 하였다. 바인더 수지 100 중량부에 대하여, AlCl3.6H2O(대정화금社) 250 중량부 및 분산제(LP X 21879, BYK社) 3 중량부를 넣고 공전 600 rpm, 자전 500 rpm으로 2분 동안 섞어주었다. 균일한 혼합이 되었는지 확인한 후 입자를 1차 탈포하여 공전 600 rpm, 자전 200 rpm으로 2분 동안 섞어주었다. 이후 백금계 촉매(SRX-212, Dow Chemical社) 0.3 중량부를 넣고 2차 탈포를 진행하여 공전 600 rpm, 자전 200 rpm으로 2분 혼합물을 배합하여 수지 조성물을 제조하였다.
불소 이형 코팅지 상에 액자 형태의 실리콘 댐(댐의 전체 크기는 가로×세로=12cm×12cm이고 댐 내부의 크기는 가로×세로=10cm×10cm이며, 댐의 높이는 2.5 mm이다.)을 준비하였다. 상기 실리콘 댐 안에 상기 수지 조성물을 도포한 후 불소 이형 코팅지로 덮었다. 유리판으로 불소 이형 코팅지를 누른 후 상온(25℃)에서 24시간 방치하여 경화시킴으로써 균일한 두께(2.5 mm)의 패드를 제조하였다.
실시예 2
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, KAl(SO4)2.12H2O(대정화금社) 400 중량부를 배합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물 및 패드를 제조하였다.
실시예 3
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, 워터 마이크로 캡슐(Thermotek, J&C microchem社) 200 중량부를 배합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물 및 패드를 제조하였다
비교예 1
실리콘 수지 대신에 분자량이 400 g/mol인 폴리올(Capa2043, Perstorp社) 100 중량부를 사용하고, Silicon-hydride 경화제 대신에 HDI trimer(Tolonate HDT LV2, Vencorex社)를 110 중량부 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 방법으로 패드를 제조하였다.
비교예 2
실리콘 수지 대신에 분자량이 640 g/mol인 에폭시 수지(PG-207P, 국도화학社) 100 중량부를 사용하고, Silicon-hydride 경화제 대신에 아민계 화합물(Jeffamine D-400, Huntsman社) 100 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 방법으로 패드를 제조하였다.
비교예 3
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, Paraffin PCM (Thermotek, J&C microchem) 200 중량부를 배합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1와 동일한 방법을 적용하여 패드를 제조하였다.
비교예 4
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, Al2O3(BAK-70, Shanghai Bestry Performance Materials社) 500 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1와 동일한 방법을 적용하여 패드를 제조하였다.
비교예 5
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, Mg(OH)2 (Zerogen 100SP, Huber materials社) 200 중량부를 배합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1와 동일한 방법을 적용하여 패드를 제조하였다.
비교예 6
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에 Al2O3(BAK-70, Shanghai Bestry Performance Materials社) 500 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1와 동일한 방법을 적용하여 패드를 제조하였다.
비교예 7
AlCl3.6H2O(대정화금社) 대신에, MgO (Sigma Aldrich社) 200 중량부를 배합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 실시예 1와 동일한 방법을 적용하여 패드를 제조하였다.
비교예 8
AlCl3.6H2O(대정화금社)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 높이가 4 mm인 실리콘 댐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 균일한 4 mm의 두께를 갖는 패드를 제조하였다.
비교예 9
실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. 이후, 높이가 4 mm인 실리콘 댐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 균일한 4 mm의 두께를 갖는 패드를 제조하였다.
평가예 1. 1차 및 2차 온도 지연 구간의 평가
실시예 및 비교예에서 최종적으로 제조된 패드를 가로×세로=6cm×6cm로 잘라 샘플로 준비하였다. SUS 프레임을 샘플의 앞면과 뒷면에 부착하였다. SUS 프레임은 화염에 의해 샘플이 휘는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 SUS 프레임이 부착된 패드를 지그에 수직으로 클램프로 고정하였다(패드의 주 표면이 지면과 수직하고, 패드의 두께 방향이 지면과 수평함). 패드의 제1 주표면 측에 부탄 가스 토치(부탄 가스: 썬 라이터 가스 295ML, 태양산업社, 가스 토치: 500JET, 호네스트社)를 배치하고 패드의 상기 제1 주표면과 반대 방향의 제2 표면 측에 열 화상 카메라(A655SC, FLIR社)를 배치하였다. 상기 열화상 카메라의 픽셀 해상도는 640×480이고, 측정 온도의 상한은 660℃이다.. 가스 토치의 화염이 방사되는 부분이 패드의 제1 주표면의 중앙에 오도록 배치하고, 열 화상 카메라의 렌즈가 패드의 제2 주표면의 중앙에 오도록 배치하였다. 또한, 패드의 제1 주표면과 가스 토치의 화염이 방사되는 부분 간의 거리는 약 3 cm 였고, 패드의 제2 주표면과 열 화상 카메라의 렌즈 간의 거리는 40 cm였다. 가스 토치로부터 화염이 방사되기 전의 주변 온도는 약 25℃였다. 토치로부터 화염을 방사하여 패드를 가열하면서 열 화상 카메라로 시간에 따른 패드의 제2 주표면의 온도를 측정하였다. 열 화상 카메라는 패드가 방출하는 적외선 복사열을 측정하여 측정된 적외선 복사열 값을 기반으로 온도를 계산해 내준다. 가스 토치에 의해 화염을 방사하는 시간은 3분으로 하였다. 열 화상 카메라로부터 측정되는 온도는 패드의 가열 부분에서 최고 온도 지점의 온도이다.
상기와 같이 패드에 화염을 가하였을 때 패드가 열을 흡수하여 온도가 상승하지 않고 일정 시간 유지되는 경우 열 전이 지연 효과가 있는 것으로 볼 수 있다. 구체적으로 패드에 화염을 가하였을 때 측정된 시간(초)에 대한 패드의 온도(℃) 그래프에서 온도 변화가 5℃이하인 연속적인 구간을 열 전이 지연 구간(온도 지연 구간)으로 정의하였다. 상기 연속적인 구간이 약 5초 이상일 때 온도 지연 구간이 있는 것으로 평가하였고, 그 결과를 표 1에 기재하였다. 구체적으로, 상기 온도 지연 구간이 나타나지 않는 경우 ×로 표시하였다. 상기 온도 지연 구간이 나타나는 경우 온도 지연 구간(1차 온도 지연 구간)에 대해서는 상기 구간에서의 온도를 기재하였고, 1차 온도 지연 구간 이후에 추가로 2차 온도 지연 구간이 나타나는 경우에 ○로 표시하였다.
평가예 2. 베터리 셀에 가해지는 온도 특성 평가
평가예 1과 같이 세팅한 후에, 패드에 60초 및 180초 동안 화염을 방사한 후, 패드의 온도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 상기 패드의 온도를 배터리 셀에 가해지는 온도로 볼 수 있다. 비교예 1 및 2에서 패드의 온도를 660℃로 기재한 것은 열 화상 카메라의 온도 센싱 한계가 660℃이기 때문이다. 실제로 비교예 1 및 2의 패드의 온도는 660℃를 초과할 것이다.
| 수지 | 입자 종류 | 두께 (mm) |
온도지연구간 | 베터리 셀에 가해지는 온도 | |||
| 1차 | 2차 | 60초 | 180초 | ||||
| 실시예 1 | 실리콘 | AlCl3.6H2O | 2.5 | 100℃ | ○ | 100℃ | 450℃ |
| 실시예 2 | 실리콘 | KAl(SO4)2.12H2O | 2.5 | 150℃ | ○ | 150℃ | 450℃ |
| 실시예 3 | 실리콘 | Water microcapsule | 2.5 | 100℃ | ○ | 100℃ | 450℃ |
| 비교예 1 | 우레탄 | KAl(SO4)2.12H2O | 2.5 | 100℃ | × | 100℃ | 660℃ |
| 비교예 2 | 에폭시 | KAl(SO4)2.12H2O | 2.5 | 100℃ | × | 100℃ | 660℃ |
| 비교예 3 | 실리콘 | Paraffin PCM | 2.5 | 50℃ | × | 450℃ | 450℃ |
| 비교예 4 | 실리콘 | Al(OH)3 | 2.5 | 300℃ | ○ | 310℃ | 450℃ |
| 비교예 5 | 실리콘 | Mg(OH)2 | 2.5 | 330℃ | ○ | 310℃ | 450℃ |
| 비교예 6 | 실리콘 | Al2O3 | 2.5 | × | × | 450℃ | 450℃ |
| 비교예 7 | 실리콘 | MgO | 2.5 | × | × | 450℃ | 450℃ |
| 비교예 8 | 실리콘 | 미적용 | 4 | 300℃ | × | 250℃ | 300℃ |
| 비교예 9 | 실리콘 | AlCl3.6H2O | 4 | 169℃ | × | 100℃ | 200℃ |
Claims (10)
- 흡열 물질 및 바인더 수지를 포함하는 수지 조성물의 경화물을 포함하는 흡열 패드로서, 상기 흡열 패드는 화염을 가할 때 80℃ 내지 200℃범위 내의 온도에서 제 1 온도 지연 구간을 갖고, 상기 제 1 온도 지연 구간 후에 제 2 온도 지연 구간을 가지며, 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 온도(T2)와 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 온도(T1)의 차이(T2-T1)은 100 ℃ 이상인 흡열 패드.
- 제 1 항에 있어서, 흡열 물질은 물 분자를 함유하는 입자인 흡열 패드.
- 제 1 항에 있어서, 흡열 물질은 수화물(Hydrate) 입자 또는 워터 마이크로 캡슐을 포함하는 흡열 패드.
- 제 3 항에 있어서, 수화물 입자는 MgCl2.6H2O, AlCl3.6H2O, Na4P2O7.10H2O, KAl(SO4)2.12H2O, NiSO4.6H2O, Mg(NO3)2.6H2O, CoSO4.7H2O, (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, CuSO4.5H2O, ZnSO4.7H2O, CoCl2.6H2O, CrCl3.6H2O, NiCl2.6H2O, MgSO4.7H2O, Al2(SO4)3.18H2O, Na2B4O7.10H2O, Sr(OH)2.8H2O, CaC2O4.H2O, Ba(OH)2.8H2O, Ba(OH)2.H2O, Mg3(PO4)2·5H2O, Mg3(PO4)2.8H2O 및 FeSO4.7H2O로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 흡열 패드.
- 제 3 항에 있어서, 워터 마이크로 캡슐은 캡슐부 및 상기 캡슐부 내에 함유된 물을 포함하고, 상기 캡슐부는 poly(vinyl alcohol), poly(ethylene oxide), polyethylene glycol, poly(methyl methacrylate), butyl acrylate 및 silicate로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 흡열 패드.
- 제1 항에 있어서, 바인더 수지는 주제 수지로서 실리콘 수지를 포함하는 흡열 패드.
- 제 6 항에 있어서, 바인더 수지는 경화제를 더 포함하는 흡열 패드.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S1)은 30초 이상이고, 제 2 온도 지연 구간이 유지되는 시간(S2)은 60초 이상인 흡열 패드.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 흡열 패드의 두께는 4 mm 미만인 흡열 패드.
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|---|---|---|---|
| KR1020230107272A KR102691409B1 (ko) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 흡열 패드 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020230107272A KR102691409B1 (ko) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 흡열 패드 |
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| KR102691409B1 true KR102691409B1 (ko) | 2024-08-05 |
Family
ID=92378198
Family Applications (1)
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| KR1020230107272A KR102691409B1 (ko) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 흡열 패드 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR102691409B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100942787B1 (ko) * | 2009-04-03 | 2010-02-18 | 두성산업 주식회사 | 열흡수 시트 조성물 및 열흡수 시트 제조방법 |
| JP5478263B2 (ja) * | 2008-01-24 | 2014-04-23 | エスケー化研株式会社 | 吸熱性組成物、それを用いた吸熱性成型体及びその製造方法 |
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| KR102445961B1 (ko) * | 2022-02-09 | 2022-09-22 | 주식회사 에프엔디컴퍼니 | 열흡수 패드를 구비하는 방열장치의 제조방법 |
| WO2023149009A1 (ja) * | 2022-02-04 | 2023-08-10 | Dic株式会社 | 二次電池モジュール |
-
2023
- 2023-08-16 KR KR1020230107272A patent/KR102691409B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
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