KR20090071034A - 공기-금속전지 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
휴대가 용이하고, 선택적으로 활성화시킬 수 있는 공기-금속전지 어셈블리가 개시된다. 본 발명의 공기-금속전지 어셈블리는 개폐 가능한 케이스, 케이스의 내측에 위치하되 일측은 흡입된 공기와 반응하여 수산화 이온을 발생시키고 타측은 수산화 이온을 전달받아 아연과 반응하여 전자를 발생시키는 전지셀 및 전지셀을 케이스에 결합시키는 연결부를 포함한다. 따라서, 전기를 얻고자 하는 경우에만 활성화시킬 수 있어 장시간 사용이 가능하고 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
공기, 아연, 신축, 선택, 개방, 폐쇄, 활성
Description
본 발명은 공기 금속전지에 관한 것으로서, 구조를 개선하여 자체 방전을 줄임으로서 장기간 보관하여 사용할 수 있으며 휴대가 간편한 공기-금속전지 어셈블리에 관한 것이다.
휴대가 용이하도록 최근의 전자기기들은 점점 더 소형화되고 있는 추세이다. 더불어 사용자들은 더 많은 기능을 요구하고 있으며, 이러한 요구들의 만족을 위해 다양한 기능을 수행하도록 점점 더 개발되고 있다. 그런데, 장시간 휴대하면서 다양한 컨테츠를 제공받기 위해서는 전자기기의 전원을 제공하는 전지의 성능이 매우 우수해애 한다. 이러한 요구에 부응하여 개발된 전지 중 하나가 공기-금속 전지이다. 공기- 금속 전지는 일반적인 망간 건전지, 알칼리 망간 건전지들과 비교해 볼 때, 보다 높은 전압을 제공할 수 있으며, 또한 에너지 밀도가 높고 방전 용량이 크다는 장점을 가지고 있다.
그런데, 이러한 공기-금속전지의 양극은 산소의 산화반응을 통해 구현되기 때문에 장기간 전자기기를 구동하지 않을 경우에는 공기-금속전지가 공기와 접촉하지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 전자기기를 장기간 사용하지 않을 경우에 는 공기를 차단하여 공기-금속전지가 활성화되는 것을 막고, 대신에 필요시 사용할 경우에만 양극에 산소의 접촉이 원활히 이루어지도록 하여 안정적인 전기 에너지의 방전을 구현할 수 있는 공기-금속전지의 개발이 필요하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 구조를 개선하여 크기가소형화되어도 높은 전압을 방전할 수 있는 공기-금속전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자기기를 사용하지 않을 경우에는 산소와의 접촉을 차단하여 사용 수명을 연장시킬 수 있는 공기-금속전지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 휴대가 간편하고, 외부 충격에 대한 내구성을 확보할 수 있는 공기-금속전지를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 공기-금속전지 어셈블리는 케이스, 전지셀 및 연결부를 포함한다.
상기 케이스는 개폐 가능하도록 구성되며, 구체적으로 제1 케이스부 및 제2 케이스부를 포함한다. 상기 제1 케이스부 및 제2 케이스부는 상기 연결부에 의해 서로 연결된다. 그리고 상기 제1 케이스부 및 제2 케이스부는 폐쇄 상태를 유지시키기 위해 상기 제1 케이스부 및 제2 케이스부 중 어느 하나에는 결합돌기가 형성되고, 다른 하나에는 상기 결합돌기와 결합하는 결합홈 또는 결합홀이 형성될 수 있다.
상기 전지셀은 상기 케이스의 내측에 위치하되 일측은 흡입된 공기와 반응하여 수산화 이온을 발생시키고, 타측은 상기 수산화 이온을 전달받아 아연과 반응하여 전자를 발생시키는 전지셀을 포함한다. 구체적으로, 상기 전지셀은 물을 함유 하되 상기 공기와 반응하는 양극부, 상기 아연을 함유하되, 상기 아연과 상기 수산화 이온과 반응하는 음극부 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하되, 상기 수산화 이온만을 선택적으로 통과시키는 분리부를 포함한다.
그리고, 상기 전지셀은 외곽 프레임을 더 포함하고, 상기 외곽 프레임의 측면과 상기 연결부는 결합될 수 있다.
한편, 상기 전지셀은 복수 개로 구성될 수 있다. 여기서 상기 복수개의 전지셀은 상호 연결이 가능하며, 출력 전압에 따라서 직렬 연결, 병렬 연결 또는 상기 직렬 연결 및 병렬 연결이 혼합된 형태인 혼합 연결될 수 있다.
상기 연결부는 신축성 재질로 형성되어 상기 케이스가 개방되는 경우에는 상기 전지셀들을 서로 이격시키고, 상기 케이스가 폐쇄되는 경우에는 상기 전지셀들이 서로 근접되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 전지셀은 상기 연결부에 착탈 가능하도록 결합될 수 있다. 상기 전지셀이 손상되거나 성능이 줄어드는 경우에는 새로운 전지셀로 용이하게 교체할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 본 발명의 케이스를 개폐 가능하도록 구성하여 전기를 사용하고자 하는 경우에는 케이스를 개방하여 활성시키고, 사용하지 않을 경우에는 케이스를 폐쇄하여 활성화되지 않도록 함으로써 필요시에만 전기를 발생하도록 할 수 있고, 불필요한 에너지 소모를 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 전지셀을 복수개로 구성하여 각각의 전지셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 다양한 전압을 구형하는 효과가 있다.
또한, 연결부를 신축성 재질로 형성하여 케이스가 개방되거나 폐쇄되는 경우에 케이스 내부로 폴딩/언폴딩이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명에서는, 사용되는 금속으로서 아연을 예로 들어 설명하였으나, 상기 아연 이외에도 수산화 이온과 반응하여 전자를 생성하는 다른 원소들을 사용할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 공기-금속전지 어셈블리를 설명하기 위해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 공기-금속전지 어셈블리를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에서 전지셀을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 공기-금속전지 어셈블리(100)는 케이스(110), 전지셀(120) 및 연결부(130)를 포함한다.
상기 케이스(110)는 외관을 구성하며 개폐가 가능하도록 구성된다. 상세하 게는, 상기 케이스(110)는 제1 케이스부(112) 및 제2 케이스부(114)를 포함하여 구성되며, 내측에 수용공간을 형성한다. 상기 제1 케이스부(112) 및 제2 케이스부(114)는 상호 결합이 가능하며, 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 케이스부(112)에는 결합돌기(116)가 형성되고, 상기 제2 케이스부(114)에는 상기 결합돌기(116)가 결합되는 결합홀(118)이 형성된다.
여기서, 상기 결합홀(118)을 대신하여 결합홈이 형성될 수 있다. 또한 상기 제1 케이스부(112) 및 제2 케이스부(114)는 분리 및 결합이 용이한 마그네틱 구조 또는 슬라이딩 구조로 형성될 수 있다.
상기 케이스(110)는 휴대가 간편하도록 소형 크기로 형성될 수 있으며, 이외에도 크기 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 전지셀(120)은 상기 케이스(110)의 내측에 위치한다. 상세하게는, 상기 전지셀(120)은 양극부(122),분리부(124),음극부(126),외곽 프레임(128)을 포함한다. 그리고, 상기 양극부(122) 및 분리부(124)와, 상기 분리부(124) 및 음극부(126) 사이에는 전해질 물질이 충진될 수 있다.
상기 양극부(122)는 물을 포함하는 막(membrane)으로 형성되며, 공기가 직접 접촉하기 위해 노출된 상태를 유지한다. 상기 양극부(122)는 제1 단자(122a)를 구비하여 상기 음극부(126)로부터 전자를 제공받고, 공기 중의 산소와 접촉하여 수산화 이온(OH-)을 발생시킨다. 상기 양극부(122)에서 일어나는 화학 반응을 식으로 표현하면 다음과 같다.
상기 양극부(122)에서 막을 형성하는 재질로써, 통상적으로 탄소를 많이 사용하나, 그 재질이 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 요망되는 전압 또는 응용 분야에 따라 적절한 재료를 사용할 수 있다.
상기 분리부(124)는 상기 양극부(122)에서의 화학 반응 결과 생성된 수산화 이온이 전달되는 통로를 제공한다.
상기 음극부(126)는 주로 분말 형태의 아연을 구비하며, 상기 양극부(122)로부터 수산화 이온(OH-)을 제공받는다. 상기 음극부(126)로부터 수산화 이온이 전달되면, 아연 분말이 상기 수산화 이온과 반응하는 산화 반응이 일어난다. 이 반응은 다음과 같이 화학식 2 및 화학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
상기 화학식 2 및 화학식 3에 나타난 화학 반응에 의하여 음극에서는 전자가 발생되며, 발생된 전자는 제2 단자(126a)를 통해 구동하고자 하는 전자기기로 전달된다. 이와 같은 화학 반응에 의해 이론적으로는 최대 1.65V의 전압이 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 아연 분말은 평균 약 200㎛의 크기로서, 철(Fe), 납(Pb), 창연(Bi), 인듐(In), 알루미늄(Al)으로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 음극부(126)에서 상기 아연 분말은 겔 형태로 존재할 수 있으며, 이때 사용되는 겔화제(유기물 첨가제)로는 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드로시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethyl cellulose), 젤라틴(gelatine), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리부틸비닐 알코올(polybutylvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리아크릴 아미드(polyacrylic amide) 등이나 가교화된 폴리아크릴산(polyacrylic acid)을 사용한다. 그리고, 상기 유기물 첨가제의 농도는 2 ~ 3% 정도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 외곽 프레임(128)은 상기 음극부(126), 분리부(124) 및 양극부(122)를 내측에 고정하고, 상기 연결부(130)에 결합된다. 상기 외곽 프레임(128)은 상기 연결부(130)에 접착 방식으로 결합될 수 있으며, 또는 분리 가능하도록 점착제를 이용하여 결합할 수 있다. 또는 외곽 프레임(128)와 상기 연결부(130)는 슬라이딩 구조, 후킹 구조, 돌기-홈 구조, 돌기-홀 구조 등으로 구성될 수 있다.
이렇게 상기 외곽 프레임(128)이 상기 연결부(130)에 분리 가능하도록 결합되어 상기 전지셀(120)이 손상되거나, 기능이 떨어진 경우에는 용이하게 교체할 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 전지셀(120)은 복수 개로 구성된다. 도 1에서는 상기 전지셀(120)이 5개로 구성되나, 이에 그 개수가 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 설계 요구조건에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
상기 연결부(130)는 상기 제1 케이스부(112) 및 제2 케이스부(114)를 연결한다. 그리고, 상기 연결부(130)는 상기 복수 개의 상기 전지셀(120)와 결합하고, 하나의 전지셀은 다른 전지셀과 일정 거리를 두고 배치된다. 도1에서 상기 연결부(130)는 상기 전지셀(120)의 양측에 각각 형성된다.
상기 연결부(130)의 길이는 상기 전지셀(120)의 개수, 요망하는 전압 값 등의 설계 요구 조건에 따라 다양하게 변화시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 연결부(130)는 신축성 재질로 형성되어 상기 케이스(110)를 개방하거나 또는 폐쇄하는 경우 자연스럽게 폴딩/언폴딩될 수 있다. 또한 상기 연결부(130)는 일정한 강성을 갖도록 형성될 수 있다.
도 4는 도 1에서 케이스가 폐쇄시 전지셀의 상태를 설명하기 위해 도시한 작동도이고, 도 5는 도 1에서 케이스가 개방시 전지셀의 상태를 설명하기 위해 도시한 작동도이다.
이에 도시한 바와 같이, 케이스(110)가 폐쇄된 경우에는 복수개로 구성된 전지셀(120)들은 서로 좁은 간격을 유지한다. 상기 복수개의 전지셀(120)을 결합하는 연결부(130)는 신축성 재질로 형성되며, 상기 복수개의 전지셀(120)들이 서로 근접할 때에는 서로 이웃하는 전지셀과의 사이 공간으로 접혀 들어가도록 구성되는 것이 좋다.
상기 케이스(110)가 개방된 경우에는 폴딩되었던 상기 연결부(130)가 언폴딩되고, 상기 복수 개의 전지셀(120)들은 서로 이격된다. 여기서, 하나의 전지셀과 이웃하는 다른 하나의 전지셀 사이의 거리 및 전지셀의 개수에 따라 상기 연결부(130)의 길이는 달라질 수 있다.
한편, 상기 케이스(110)가 폐쇄된 경우에는, 상기 전지셀(120)로 공기가 제공되지 않아 전지셀에서는 화학 반응이 진행되지 않는다. 반면, 상기 케이스(110)를 개방하는 경우에는 상기 전지셀(120)에서 상기 양극부(122)로 공기가 접촉되며, 공기중에 존재하는 산소가 반응에 참여하게 된다. 이로써 상기 전지셀(120)은 요망하는 전압을 생성하게 된다.
도 6은 도 1의 변형예를 도시한 분해사시도이다. 이에 도시한 바와 같이, 공기-금속전지 어셈블리(200)는 케이스(210), 전지셀(220) 및 접철 가능한 연결부(230)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 케이스(210)는 제1 케이스부(212)와 제2 케이스부(214)를 포함하고, 상기 연결부(230)는 접철이 가능한 얇은 판 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성되어 상기 케이스(210)를 폐쇄하는 경우에는 즉, 하나의 전지셀(220)와 인접한 다른 전지셀이 근접하는 경우에는 상기 연결부(230) 는 접철선(232)을 중심으로 폴딩될 수 있다. 또한 상기 케이스(210)를 개방하는 경우에는 상기 연결부(230)가 상기 접철선(232)을 중심으로 언폴딩된다.
도 7은 도 1의 다른 변형예를 도시한 분해 사시도이다. 이에 도시한 바와 같이, 공기-금속전지 어셈블리(300)는 케이스(310), 전지셀(320) 및 강성 재질의 연결부(330)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 연결부(330)는 얇은 판 형태로 형성될 수 있으며, 한쌍으로 구성되어 그 사이에 복수개의 전지셀(320)이 일정 간격을 두고 위치한다.
한편, 상기 전지셀(320)이 상기 케이스(310) 내부공간으로 들어가거나, 상기 케이스(310)로부터 나오도록 하기 위해 상기 연결부(330) 및 상기 케이스(310)에는 슬라이딩 부재가 구비된다. 즉, 상기 슬라이딩 부재로써, 상기 연결부(330)의 측면에는 돌출된 제1 슬라이드 부재(322)가 형성되고, 상기 케이스(310)의 내측면에는 상기 제1 슬라이드 부재(322)를 삽입하여 안내하는 제2 슬라이드 부재(312)가 형성된다.
상기 케이스(310)는 상기 전지셀(320)을 내부 공간에 수용한 상태에서 외부와 격리시키기 위해 케이스 커버(312)를 구비할 수 있다. 따라서 공기-금속전지 어셈블리(300)를 사용하지 않을 경우에는 상기 케이스 커버(312)를 덮음으로써, 공기가 상기 케이스(310) 내부 공간으로 들어가는 것을 막음으로써 상기 전지셀(320)이 구동되는 것을 차단할 수 있다. 반대로 공기-금속전지 어셈블리(300)를 사용하고자 하는 경우에는 상기 케이스 커버(312)를 개방하여 상기 전지셀(320)로부터 전기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 공기-금속전지 어셈블리를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 공기-금속전지 어셈블리를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에서 전지셀을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에서 케이스가 폐쇄시 전지셀의 상태를 설명하기 위해 도시한 작동도이다.
도 5는 도 1에서 케이스가 개방시 전지셀의 상태를 설명하기 위해 도시한 작동도이다.
도 6은 도 1의 변형예를 도시한 분해사시도이다.
도 7은 도 1의 다른 변형예를 도시한 분해 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 전지 어셈블리 110: 케이스
112: 제1 케이스부 114: 제2 케이스부
120: 전지셀 122: 양극부
124: 분리부 126: 음극부
128: 외곽프레임 130: 연결부
Claims (9)
- 개폐 가능한 케이스;상기 케이스의 내측에 위치하되 일측은 흡입된 공기와 반응하여 수산화 이온을 발생시키고, 타측은 상기 수산화 이온을 전달받아 금속과 반응하여 전자를 발생시키는 전지셀; 및상기 전지셀을 상기 케이스에 결합시키는 연결부;를 포함하여, 상기 케이스의 개방시에 상기 케이스의 내측으로 공기가 공급되어 발전하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 케이스는제1 케이스부; 및상기 제1 케이스부와 결합되는 제2 케이스부;를 포함하고, 상기 제1 케이스부와 상기 제2 케이스부는 상기 연결부에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제2항에 있어서,상기 제1 케이스부 및 제2 케이스부 중에서 어느 하나에는 결합돌기가 형성되고, 다른 하나에는 상기 결합돌기가 수용되는 결합홈 또는 결합홀이 형성된 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 전지셀은물을 함유하되, 상기 공기와 반응하는 양극부;상기 금속을 함유하되, 상기 금속과 상기 수산화 이온과 반응하는 음극부; 및상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하되, 상기 수산화 이온만을 선택적으로 통과시키는 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제4항에 있어서,상기 전지셀은 외곽 프레임을 더 포함하고, 상기 외곽 프레임의 측면과 상기 연결부는 결합되는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 전지셀은 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 연결부는 신축성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 전지셀은 상기 연결부에 착탈 가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 금속은 아연인 것을 특징으로 하는 공기-금속전지 어셈블리.
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