KR20060051075A - 과충전 방지용 안전 소자 및 그 안전 소자가 결합된이차전지 - Google Patents

과충전 방지용 안전 소자 및 그 안전 소자가 결합된이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자와, 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자를 구비하고, 상기 온도감응 소자가 전압감응 발열 소자에서 발생하는 열을 감지할 수 있도록 결합되어 있는 것이 특징인 접합 안전 소자; 및 상기 접합 안전 소자를 구비한 이차 전지를 제공한다.

Description

과충전 방지용 안전 소자 및 그 안전 소자가 결합된 이차전지{SAFETY DEVICE FOR PREVENTING OVERCHARGE AND SECONDARY BATTERY THEREWITH}
도 1A는 전압감응 발열 소자의 일종인 제너 다이오드에 1A의 정전류를 가해주면서 전압이 상승됨에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 1B는 제너 다이오드의 전압에 따른 누설전류 구간과 파괴전압 구간을 도시한 그래프이다.
도 2는 전압감응 발열 소자의 일종인 바리스터에 1A의 정전류를 가해주면서 전압이 상승됨에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3는 온도감응 소자의 일종인 PTC 소자의 온도에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 안전 소자와 전지와의 결합 관계 및 그 작동원리를 도시한 모식도이다.
도 5A 및 B는 도 4에 제시된 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포한 구성을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접합 안전 소자와 전지의 결합 관계를 도시한다.
도 7A 및 B는 도 6에 도시된 접합 안전 소자의 정면도 및 평면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 접합 안전 소자를 폴리머 전지에 결합시킨 형태를 나 타낸 모식도이다.
도 9A 및 B는 도 6에 도시된 접합 안전 소자를 각형 전지에 결합시킨 정면도 및 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
1: 전압감응 발열 소자 2: PTC 소자
3: 금속 리드 4: 방식 및 방습 외장재
11: 양극 단자 12: 음극 단자
본 발명은 간단한 안전 소자를 사용하여 과충전, 과전압, 과전류 및 과열로부터 이차 전지를 안전하게 보호하는 것에 관한 것이다.
이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 최근 들어 리튬 이온 전지에 관한 관심이 집중되고 있고, 그에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이는 리튬 이온 전지가 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있기 때문이다. 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작될 수 있어서, 휴대폰, 캠코더, 노트북을 포함하는 이동 기기의 전원으로 유용할 뿐만 아니라 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되는 등 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
위와 같은 장점에도 불구하고, 리튬 이온 전지는 과충전에 약하다는 단점을 가지고 있다. 이차 전지가 과충전에 대한 아무런 보호 장치 없이 방치되었을 때 폭발 또는 발화하여 인명사고 또는 재산상의 손실을 초래할 수도 있기 때문에 과충전 방지나 억제 또는 과충전에 의하여 발생되는 문제의 해결은 이차전지에 있어서 매우 중요하다.
예를들어, 과충전시 전지의 각 구성 물질간 반응을 살펴보면, 과충전으로 인하여 리튬 이온 전지의 양극 활물질(예, LiCoO2)과 전해액의 부반응이 많아지게 되고, 양극 활물질의 구조 붕괴와 전해액의 산화 반응 등을 수반하게 된다. 한편, 흑연 등으로 구성되는 음극 활물질에서 리튬이 석출될 수 있다. 전지가 상기와 같은 과충전 상태가 되었음에도 불구하고 계속해서 전압이 올라가면 결국 전지가 폭발 또는 발화되는 사고로 이어지고 된다.
특히, 이차 전지에 사용된 전원의 규격이 고전압일 경우에는 문제가 크다. 예컨대, 리튬 이온 이차 전지에 자동차용 전원을 연결하여 사용할 경우, 승용차의 경우 12V의 전압이 인가될 것이고, 화물차의 경우에는 12V 전원을 2개 직렬 연결하므로 24V의 전압이 인가될 것이다. 이와 같이, 이차 전지의 규격에서 정하는 전압 이상의 과전압이 순간적으로 인가되는 경우에는 순간 과전압으로부터 이차 전지를 보호할 수 있는 안전 장치가 시급하게 요망된다.
이차전지의 안전장치로서, 예를 들면, 일본특허공개 2003-284237호에는 제너 다이오드와 이와 열적으로 접합된 온도 퓨즈를 사용하는 것이 개시되어 있다. 이러 한 안전장치가 구비된 전지의 경우, 과충전 전압에서 제너 다이오드 쪽으로 흐르는 전류가 급증하고 제너 다이오드의 소비 전력이 급증하여 발열이 커지고, 상기 발열에 의하여 제너 다이오드에 연결된 온도 퓨즈가 비가역적으로 끊어지도록 함으로써 전지로 인가되는 전류를 막을 수 있도록 되어 있다. 상기 일본특허공개 2003-284237호에서는, 전지의 과충전 전압에서 온도 퓨즈를 끊어주기 위해 제너다이오드의 파괴전압을 사용한다. 그러나, 제너 다이오드의 파괴 전압이 전지의 사용 충전전압의 최고값 보다 약간 큰 경우에는 전지의 과충전은 방지될 수 있을지 모르지만, 전지의 정상 작동시 제너 다이오드의 누설 전류를 막을 수는 없다.
제너다이오드는 파괴전압보다 최소 1V 이하만큼 낮은 전압에서부터 어느 정도 실질적인 양만큼의 누설전류가 생긴다는 것은 제너다이오드의 고유 특성이다. 이와 같이, 전지의 양극과 음극에 연결된 소자에 의하여 누설 전류가 발생하면 전지는 자가 방전을 일으키게 되고, 충전 후 전지의 사용시간 및 전지의 수명이 단축될 것이다.
만약 전지의 충전 전압에서 누설 전류가 없는 제너 다이오드를 사용한다면, 과충전시 충분한 전류를 방전시키는 것이 불가능하고, 인가 전류가 너무 클 경우에는 다이오드가 붕괴되어 본래의 역할을 하지 못하고, 전압이 높아져도 저항이 매우 커서 전류를 흐르게 할 수 없다.
PTC 소자와 같이 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자는 일정한 온도 이상으로 온도가 올라갈 때만 작동되므로, 과충전시 전지가 어느 정도 과열된 상태가 되어야만 작동할 수 있다. 따라서, 이미 전지가 열적 충격에 의해 손상 받은 상태가 된 다음에야 온도감응 소자가 동작될 수 있다.
본 발명은 전지가 손상 받기 전에 양단의 전압차가 소정의 전압 예컨대 과충전 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자의 발열로 온도감응 소자를 작동시켜, 전지 자체의 과열이 일어나지 전에 인가전류를 끊어줌으로써, 전지의 손상을 방지하면서 과충전을 막고자 한다.
또한, 전지의 양극과 음극에 병렬로 연결된 소자에 의하여 누설 전류가 발생하여 전지의 자가 방전이 일어나는 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 파괴전압이 전지의 규격 충전 전압 근처인 정전압 소자를 사용하는 종래기술과 달리, 과충전시 PTC 소자와 같은 온도감응 소자를 작동시키기 위해 파괴전압 이전에 발생되는 열을 이용할 수 있는 전압감응 발열 소자를 사용하고자 한다. 이 경우, 병렬로 연결되는 전압감응 발열 소자는 파괴전압이 이차전지의 규격 충전전압 범위 보다 상당히 높고, 정상 충방전시 누설전류의 문제점이 해소될 수 있다.
본 발명은 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자와, 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자를 구비하고, 상기 온도감응 소자가 전압감응 발열 소자에서 발생하는 열을 감지할 수 있도록 결합되어 있는 것이 특징인 접합 안전 소자; 및 상기 접합 안전 소자를 구비한 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 접합 안전 소자에서, 상기 전압감응 발열 소자는 파괴(break down) 전압 이전에 열발생 구간이 존재하며, 상기 온도감응 소자는 상기 파괴 전압 이전의 전압에서 발생하는 열에 의해 작동하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전압감응 발열 소자의 파괴 전압은 전압감응 발열 소자가 열 발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압 보다 15%이상 높은 것이 바람직하다. 또한, 이때 전압감응 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압은 상기 접합 안전 소자가 사용될 이차전지와 같은 전기 또는 전자 기구의 최대 규격 전압을 초과하고 전기 또는 전자 기구가 파괴되는 전압 이하인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 접합 안전 소자에서, 1시간동안 흐르는 전압감응 발열 소자의 누설전류(leak-current) 값이 사용하려는 전지용량값(mAh)의 0.05% 미만인 것이 바람직하다. 상기와 같이 전지의 만충전 전압에서 전지 용량값(mAh)의 0.05% 미만에 해당하는 값만큼의 누설전류가 흐르는 경우, 전지의 사용 전압 범위내에서의 누설전류는 무시할 수 있다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자와, 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자를 열전도성 있게 결합, 즉 온도감응 소자가 전압감응 발열 소자에서 발생하는 열을 감지할 수 있도록 결합, 바람직하게는 물리적으로 접촉시킴으로써, 전압감응 발열 소자의 통전시 발생한 열이 바로 온도감응 소자에 영향을 미쳐 온도감응 소자에 전류 흐름을 끊어주는 작동으로 이어질 수 있게 하는 것이 특징이다.
따라서, 본 발명에 따른 접합 안전 소자에 저용량의 정전압 소자와 같은 전압감응 발열 소자를 사용하더라도 양호한 안전성 향상 특성을 나타낼 수 있다.
이차 전지와 같은 전기 또는 전자 기구에 본 발명에 따라 전압감응 발열 소자와 온도감응 소자가 접합된 안전 소자를 사용하면, 과충전 또는 과전압 인가시 전기 또는 전자 기구를 보호할 수 있다.
본 발명의 접합 안전 소자에서 상기 전압감응 발열 소자는 병렬로 연결되고 온도감응 소자는 직렬 또는 병렬, 바람직하게는 직렬로 연결된다. 예컨대, 본 발명의 접합 안전 소자가 이차 전지에 연결시, 상기 전압감응 소자는 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결되고, 상기 온도감응 소자는 전지의 양극 단자 또는 음극 단자에 직렬로 연결된다.
상기 온도감응 소자는 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 한 그 종류는 한정되지 아니하며, 온도감응 소자는 소정의 온도 이상에서 전류를 차단하는 것이 바람직하다.
온도감응 소자의 비제한적인 예로는 PTC(positive temperature coefficient) 소자 또는 바이메탈 등이 있다.
PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자는 정온도 계수 특성을 지닌 보호 소자로, 전기적으로 직렬 연결된 상태에서 온도 상승시 (예컨대 과전류 또는 외부적 회로 단락시, 특히 과충전시) 저항이 급격히 상승하여 전류의 흐름을 끊어 주는 소자이다. 일반적으로 PTC는 온도 퓨즈와 달리 반복 사용 가능한 소자이다.
PTC의 종류로는 BaTiO3 계의 세라믹을 이용한 세라믹 PTC와 폴리머를 이용한 폴리머 PTC가 있다. 폴리머 PTC는 전도성 물질인 카본과 폴리올레핀과 같은 절연체 수지를 혼합하여 성형한 것으로, 온도 상승과 함께 저항값이 상승하는 정온도 계수 특성을 나타낸다. 폴리머 PTC 소자의 저항 변화의 기본 원리는 평상시 상태에서는 폴리머 중에 분산된 카본이 전도성 경로를 형성하고 고유 저항값이 낮기 때문에 전류 흐름이 원활하지만, 과전류 등에 의해 소자의 온도가 상승되면 폴리머의 융점을 넘게 되어 수십 퍼센트에 달하는 폴리머의 체적 변화가 카본의 전도성 경로를 차단하는 현상, 즉 트립(Trip) 현상을 일으키고, 그에 따라 저항이 급격하게 증가하여 전류의 흐름을 끊는 것이다. 세라믹 PTC는 큐리 온도에 근거하여 트립 현상이 일어난다.
도 3은 일반적인 PTC 소자의 온도에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3에 따르면 임계 온도 120도 부근에서 103 배 가까운 급격한 저항 변화가 있음을 알 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 전압감응 발열 소자의 비제한적인 예로는 제너 다이오드 또는 바리스터와 같은 정전압 소자 등이 있다. 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하고 병렬 연결시 누설전류가 크지 않는 한 발열 소자의 종류 또는 규격은 제한되지 아니한다.
일반적으로 정전압 소자란 양단에 특정 전압(breakdown voltage; 파괴전압) 이상의 전압이 인가될 때 전류를 급격하게 흐르게 해주는 특성을 지닌 소자로, 일 반적으로 제너 다이오드 또는 바리스터 같은 정전압 소자는 특정 전압 이상에서 전류를 바이패스(bypass)해 주는 소자로 사용된다.
제너다이오드는 반도체 p-n 접합체로서, 비교적 큰 역방향의 전압을 가했을 때 소정 전압에서 급격하게 큰 전류가 흐르기 시작하고 그 전압이 일정하게 유지되는 특성을 갖는데, 이러한 현상을 파괴(breakdown)라고 하며, 그 때의 전압을 파괴전압(breakdown voltage)이라고 한다.
제너전압은 제너다이오드에서 역방향으로 전류가 흐르기 시작하는 전압으로서 제너다이오드가 작동하기 시작하는 전압이다. 일반적으로 파괴전압은 제너전압보다 높다.
한편, 바리스터(varistor)는, 바리스터의 양 단에 가해지는 전압에 따라 저항값이 변하는 비선형(非線形) 반도체 저항소자로서, "가변 저항(variable resistor)"의 약칭이다.
도 1은 제너 다이오드에 1A의 정전류를 가해주면서 전압이 상승함에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2는 바리스터에 1A의 정전류를 가해주면서 전압이 상승함에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2로부터, 제너 다이오드 또는 바리스터에서 파괴전압에서 급격한 온도 상승이 있음을 확인할 수 있으며, 상기 파괴전압 이전에 열이 발생하는 전압구간(박스형 실선으로 표시하였음)이 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 발열 소자가 파괴전압 이상에서 급격하게 전류가 흘러 급증된 소 비 전력(W=I2R, 여기서 W=소비전력, I=전류, R=저항)에 의해 형성된 발열에 의해 온도감응 소자를 작동시키기 보다는, 상기 파괴(break down) 전압 이전의 낮은 전압에서 발생하는 열(박스형 실선으로 표시된 부분)에 의해 PCT 소자와 같은 온도감응 소자를 작동시키는 것을 또다른 특징으로 한다. 이 경우, 병렬로 연결되는 전압감응 발열 소자는 파괴전압이 이차전지의 만충전 전압 보다 상당히 높고, 정상 충방전시 누설전류의 문제점이 해소될 수 있다. 상기 만충전 전압은 전지제조자가 표시하는 전지의 사용전압 범위 중 최대값(최대 사용전압)이라고 할 수 있다.
특히, 전압감응 발열 소자는 저용량인 것이 바람직하다. 저용량의 정전압 소자와 같은 발열 소자에서는 누설 전류가 시작되는 전압과 급격하게 통전되는 파괴전압 사이의 간격이 짧기 때문이다. 따라서, 과충전시 급격하게 통전되는 파괴전압 직전에 전압감응 발열 소자에서 누설 전류가 시작되므로, 파괴전압 이전의 낮은 전압 범위에서 온도감응 소자를 작동시키는 전압감응 발열 소자를 구비한 본 발명의 안전소자는 정상적인 충방전시에는 누설전류의 문제점이 최소화될 수 있다.
다양한 파괴전압을 갖는 정전압 소자들이 시판되고 있기 때문에 당업자라면 필요에 따라 전압감응 발열 소자로 적절한 정전압 소자를 구입하여 사용할 수 있다.
이때, 전압감응 발열 소자는 파괴(breakdown) 전압이 이차전지의 폭발 및 발화전압보다 낮은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 접합 안전 소자는 상기와 같이 전압감응 발열 소자와 온도 감응 소자가 서로 유기적으로 작동하여 과충전 또는 과전압인가시 전류의 흐름을 끓어 과충전 또는 과전압인가를 방지할 수 있고, 또한 전압감응 발열 소자, 온도 감응 소자 각각의 본래의 특성으로 인해 전압감응 발열 소자와 온도감응 소자가 구비된 전기 또는 전자 기구의 안전성을 확보할 수 있다. 예컨대, 정전압 소자(예, 제너 다이오드 또는 바리스터)와 같은 전압감응 발열 소자는 이차 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결되어 파괴전압 이상으로 과충전되면 방전 전류가 급격하게 흘러 전류를 바이패스(bypass)해 주면서 전압을 낮추어 줌으로써 폭발이나 발화로부터 전지를 보호할 수 있고, PTC 소자와 같은 온도감응 소자는 이차 전지의 양극 단자 및/또는 음극 단자에 직렬로 연결되어 과전류 및 과열시 전류 흐름을 끊어줌으로써 전지를 보호할 수 있다. 따라서, 본 발명은 간단하고 새로운 구조의 접합 안전 소자를 사용하여 과충전, 과전압, 과전류 및 과열로부터 이차 전지를 안전하게 보호할 수 있다.
본 발명의 접합 안전 소자에서 전압감응 발열 소자 및 온도감응 소자는 가역적으로 작동한다. 따라서, 본 발명의 접합 안전 소자는 1회성으로 작동한 후 폐기되는 것이 아니라, 계속 사용할 수 있다.
본 발명의 접합 안전 소자에서 전압감응 발열 소자는 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압이 상기 접합 안전 소자가 사용될 전기 또는 전자 기구의 최대 규격 전압을 초과하고 전기 또는 전자 기구가 파괴되는 전압 이하인 것을 적절히 선택할 수 있다.
본 발명의 접합 안전 소자를 이차전지에 사용하는 경우, 상기 온도감응 소 자의 임계 온도(critical temperature)는 50 ℃ 이상 150 ℃ 미만인 것이 바람직하고, 상기 전압감응 발열 소자는 상기 온도감응 소자를 작동시키기 위해 4V 내지 5V에서 발열하는 것이 바람직하다. 50℃ 이하에서 저항이 급격하게 증가하여 전류 흐름을 끊어주면 일반적인 전지 사용 온도인 -20℃에서 60℃ 사이에서 충전이 되지 않을 가능성이 있고, 150℃ 이상에서 저항이 급격하게 증가한다면 전지가 그 전에 이미 변형되거나 손상받은 상태가 되므로 전류를 끊어준다고 해도 소용없게 될 것이기 때문이다.
본 발명에 따른 접합 안전 소자에서 전압감응 발열 소자와 온도감응 소자의 작동 관계를 살펴보면, 전압감응 발열 소자는 전지의 만충전 전압 이상으로 전압이 상승될 때 방전되어 그 때 발생하는 열이 온도감응 소자를 동작시킨다. 따라서, 전압감응 발열 소자에서 방전이 일어나고 발열되는 전압, 즉 전지의 만충전 전압(예컨대, 4-5V)에서 전압감응 발열 소자는 온도감응 소자의 작동 온도, 즉 온도감응 소자의 임계 온도(예컨대, 50-150℃) 이상으로 상승시킬 수 있도록 발열되어야 한다(도 4 참조).
따라서, 상기 전압감응 발열 소자는 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압에서 상기 온도감응 소자의 동작 온도까지 발열하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 안전 소자와 이차 전지와의 결합 관계를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 접합 안전 소자의 각 소자간 결합 관계 및 이차 전지의 각 단자와의 결합 관계를 살펴보면, 우선 발열 소자(1)와 PTC 소자(2) 가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합되고, 발열 소자(1)는 양단에서 전지의 전압을 인식하고 필요한 경우 방전을 시켜야 하기 때문에 금속 리드(3)를 통하여 전지의 양극 단자(11)와 음극 단자(12) 사이에 병렬로 연결되고, PTC 소자(2)는 온도 상승시 전류 흐름이 끊어지기 때문에 금속 리드(3)를 통하여 양극 단자(11) 또는 음극 단자(12)의 중간에 직렬로 연결된다.
도 5A는 도 4의 결합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재(4)로 도포한 변형예를 나타낸다. 이 경우에도 발열 소자와 PTC 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 열전도성 있게 연결, 바람직하게는 물리적으로 접촉되어 있다. 그리고, 도 5B는 발열 소자와 PTC 소자 각각의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포하고, 이 2개의 소자가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합된 변형예를 도시한 것이다. 이 경우에도 발열 소자와 PTC 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 열전도성 있게 연결, 바람직하게는 물리적으로 접촉되어 있다. 도 5A 및 B에서 전지의 각 전극 단자와 각 접합 소자의 결합 방식은 도 4와 동일하다.
접합 안전 소자의 각 소자는 도 5A에 도시된 바와 같이 접합 후 방식 및 방습 외장재로 도포할 수도 있고, 도 5B에 도시된 바와 같이 각 소자를 방식 및 방습 외장재로 도포한 후 접합할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 변형예에 따른 접합 안전 소자와 이차 전지와의 결합 관계를 도시한 것이다. 도 6A에 도시된 바에 따르면, 금속 리드(3)를 통하여 발열 소자(1)와 PTC 소자(2)가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합되고, 각 소자의 횡방향 타측면(대향면)에 다른 금속 리드(3)가 연결된다. 그리고, 발열 소자(1)와 PTC 소자(2)간 접합면에 하나의 금속 리드(3)가 이차 전지의 양극 단자(11)의 일단에 연결된다. 그리고, 발열 소자(1)의 횡방향 타측면(대향면)에 연결된 금속 리드(3)가 이차 전지의 음극 단자(12)에 연결됨으로써, 압력감응 발열소자(1)는 이차 전지의 양극 단자(11)와 음극 단자(12) 사이에 병렬로 연결된다. 그리고, PTC 소자(2)의 횡방향 타측면(대향면)에 연결된 금속 리드(3)가 이차 전지의 양극 단자(11)의 타단에 연결됨으로써, PTC 소자는 이차 전지의 양극 단자 중간에 직렬로 연결된다.
그리고, 도 6B는 도 6A의 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재(4)로 도포한 구성을 나타낸다. 이 경우에도 압력감응 발열소자와 PTC 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 물리적으로 접촉되어 있다.
도 7A는 도 6에 도시된 접합 안전 소자를 정면에서 바라본 정면도이다. 도 7A에 따르면, 발열 소자(1)와 PTC 소자(2)가 접합면에서 금속 리드(3)를 통하여 접합되어 있고, 그 접합면에 대향하는 각 소자의 타단 대향면에 금속 리드(3)가 연결되어 있다. 그리고, 도 7B는 도 7A의 접합 안전 소자를 위에서 바라본 평면도이다. 도 7B에 따르면, 발열 소자(1)를 전지의 2개 단자 사이에 병렬로 연결시키기 위하여, 그 좌측면에 연결된 금속 리드(3)를 통하여 양극 단자(11)와 연결되고, 그 상부 표면에서 아래쪽 방향으로 연결된 금속 리드(3)를 통하여 음극 단자(12)와 연결된다. 도 7B에 도시되지 않은 PTC 소자(2)는 그 좌우측면의 연결된 2개의 금속 리드를 통하여 양극 단자 중간에 직렬로 결합된다.
도 8은 본 발명에 따른 접합 안전 소자를 폴리머 전지(파우치 외관을 사용하는 전지)에 결합시킨 형태를 나타낸다. 따라서, 본 발명에 따른 접합 안전 소자는 양극 단자(11) 중간에 PTC 소자(2)가 연결되고, 그와 접합면에서 접합된 발열 소자(1)의 타단 대향면에 금속 리드(3)를 통하여 음극 단자(12)와 연결되게 한다. 이렇게 함으로써, 발열 소자(1)는 이차 전지의 양극 단자(11)와 음극 단자(12) 사이에 병렬로 연결되고, PTC 소자(2)는 이차 전지의 양극 단자(11) 중간에 직렬로 연결된다.
도 9A는 본 발명에 따른 접합 안전 소자를 각형 전지에 결합시킨 정면도를 나타내고 도 9B는 평면도를 나타낸다. 각형 전지는 전지캔의 외관을 도전성 재료, 예컨대 알루미늄을 포함하는 합금 등으로 둘러싼 형태를 지니기 때문에, 전지의 본체가 양극 단자의 역할을 수행한다. 그리고, 음극 단자는 전지상단에 돌출된 구성을 취한다. 이 경우에도 마찬가지로 발열 소자(1)는 접합면의 금속 리드(3)를 통하여 PTC 소자(2) 및 전지의 양극 단자(11)와 연결되고 접합면의 대향면인 타단은 다른 금속 리드(3)를 통하여 음극 단자(12)에 연결된다. 그리고, PTC 소자(2)의 일단은 금속 리드(3)를 통하여 전지 본체에 연결되고 발열 소자(1)와 접합면을 형성하는 PTC 소자의 타단이 다시 양극 단자인 전지 본체에 연결된다.
본 발명에 따른 접합 안전 소자는 이차 전지 포장재 내부에도, 외부에도 설치가능하고, 별도의 보호회로에도 설치가능하며, 회로기판(PCB)에도 설치가능하다.
본 발명에 따른 접합 안전 소자를 사용하면, 과충전, 과전압, 과전류 및 과열로부터 이차 전지와 같은 전기 또는 전자 기구를 안전하게 보호할 수 있다.
또한, 본 발명은 전지가 손상 받기 전에 양단의 전압차가 소정의 전압 예컨 대 과충전 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자의 발열로 온도감응 소자를 작동시켜, 전지 자체의 과열이 일어나지 전에 인가전류를 끊어줌으로써, 전지의 손상을 방지하면서 과충전을 막을 수 있다.
게다가, 과충전시 온도감응 소자를 작동시키기 위해 파괴전압 이전에 발생되는 열을 이용할 수 있는 전압감응 발열 소자를 사용함으로써 병렬로 연결되는 전압감응 발열 소자에 의한 누설 전류 발생을 억제할 수 있다.

Claims (15)

  1. 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자와, 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자를 구비하고, 상기 온도감응 소자가 전압감응 발열 소자에서 발생하는 열을 감지할 수 있도록 결합되어 있는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자 및 온도감응 소자는 가역적으로 작동하는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도감응 소자는 소정의 온도 이상에서 전류를 차단하는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  4. 제1항에 있어서, 온도감응 소자는 PTC(positive temperature coefficient) 소자 또는 바이메탈인 것이 특징인 접합 안전 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자는 제너 다이오드 또는 바리스터인 것인 접합 안전 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자는 파괴(break down) 전압 이전에 열발생 구간이 존재하며, 상기 온도감응 소자는 상기 파괴 전압 이전의 전압에서 발생하는 열에 의해 작동하는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 발열 소자의 파괴(breakdown) 전압은 발열 소자가 열 발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압 보다 15%이상 높은 것이 특징인 접합 안전 소자.
  8. 제1항에 있어서, 전압감응 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압은 상기 접합 안전 소자가 사용될 전기 또는 전자 기구의 최대 규격 전압을 초과하고 전기 또는 전자 기구가 파괴되는 전압 이하인 것이 특징인 접합 안전 소자.
  9. 제3항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자는 병렬로 연결되고 온도감응 소자는 직렬로 연결되는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자와 온도감응 소자는 물리적으로 접촉된 것이 특징인 접합 안전 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전압감응 발열 소자는 전압감응 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압에서 상기 온도감응 소자의 동작 온도까지 발열하는 것이 특징인 접합 안전 소자.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 접합 안전 소자를 구비한 이차 전지로서,
    상기 접합 안전 소자는 양단의 전압차가 소정의 전압 이상이면 발열하는 전압감응 발열 소자와, 온도에 따라 가역적으로 전류를 온/오프(on/off)하는 기능을 가지는 온도감응 소자를 구비하고, 상기 온도감응 소자가 전압감응 발열 소자에서 발생하는 열을 감지할 수 있도록 결합되어 있으며,
    상기 전압감응 발열 소자는 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결되고, 상기 온도감응 소자는 전지의 양극 단자 또는 음극 단자에 직렬로 연결된 것이 특징인 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 온도감응 소자의 임계 온도(critical temperature)가 50 ℃ 이상 150 ℃ 미만인 것이 특징인 이차 전지.
  14. 제12항에 있어서, 전압감응 발열 소자가 열발생에 의해 온도감응 소자를 작동시키는 전압은 4V 내지 5V인 것이 특징인 이차 전지.
  15. 제12항에 있어서, 1시간동안 흐르는 전압감응 발열 소자의 누설전류(leak-current) 값이 사용하려는 전지용량값의 0.05% 미만인 것이 특징인 이차 전지.
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