KR20110100473A - 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
종래의 폴리머 가스켓에 비해 열적 안정성이 향상되고 우수한 기밀성을 유지하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법을 제시한다. 제시된 본 발명은 글라스 소재의 글라스 가스켓을 제작하는 단계, 글라스 가스켓을 이용한 글라스 실링에 의해 도전성의 수직부와 도전성의 캡이 서로 접합된 글라스 실링 접합체를 제작하는 단계, 글라스 실링 접합체에 내부 전극을 결합시키는 단계, 평판의 베이스부에 다른 내부 전극을 결합시키는 단계, 및 글라스 실링 접합체와 베이스부를 결합시키되 내부 전극들 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 결합시키는 단계를 포함한다. 종래 물리적인 압박에 의존하여 셀을 완성하는 방법과는 구별하여, 글라스 실링 및 레이저 또는 전기 용접에 의하여 셀을 완성하기 때문에 축전기 내부의 액체 상태인 전해액의 누출이 방지된다.
Description
본 발명은 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면실장이 가능한 전기 에너지 저장 소자에 채용되는 글라스 가스켓, 그러한 글라스 가스켓을 제조하는 방법, 그러한 글라스 가스켓을 채용하여 완성된 전기 에너지 저장 소자, 및 그러한 전기 에너지 저장 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT우수기술지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: A1300-0901-0202, 과제명: 세계최초 Mobile용 Ultra-Slim-Chip type(가로 2.8*세로 2.5*두께 0.8㎜) Memory Back-up Capacitor개발].
최근에 전자기기, 가전제품 및 산업기기 등의 발전과 더불어 전자부품이 고급화, 소형화 및 경량화되고 있다. 이에 따라, 전자부품의 다양화에 따른 부품의 다기능화도 요구되고 있다.
한 가지의 예로써 2차 전지와 축전기의 기능을 합친 전기 에너지 저장 소자(Electric Double Layer Capacitor)가 있다. 전기 에너지 저장 소자는 서로 다른 계면에 형성된 전기이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용한 것으로서, 사용이 날로 증가하고 있다.
또한, 휴대용 기기, 통신기기 등의 발전으로 전자제품의 두께가 점점 얇아져서 제품 내에 탑재되는 전자 부품의 칩화(chip) 또는 코인 형태가 요구되는 실정이다.
소형화에 발맞추어 현재 출시되고 있는 종래의 코인(또는 버튼) 형태의 전기 에너지 저장 소자의 일 예를 설명하면 다음과 같다. 도 1은 일반적인 전기 에너지 저장 소자의 구성을 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 결합 단면도이다.
분극성의 내부 전극(12, 18)은 세퍼레이터(16)에 의해 상호 이격된다. 예를 들어, 내부 전극(12)은 양극이 되고, 내부 전극(18)은 음극이 된다. 내부 전극(12, 18) 및 세퍼레이터(16)는 금속의 케이스(10)와 캡(20)에 의해 유지된다. 케이스(10)는 내부 전극(12)과 전기적으로 통전되고, 캡(20)은 내부 전극(18)과 전기적으로 통전된다. 케이스(10)와 캡(20)은 가스켓(14)에 의해 코킹(caulking)되고 밀봉된다. 캡(20)의 하단부는 크림핑(crimping)되어 밀봉된다. 가스켓(14)은 케이스(10)와 캡(20)을 전기적으로 절연시킨다. 통상적으로, 내부 전극(12, 18)은 다양한 방식으로 제조된다. 예를 들어, 코코넛 쉘(shell)계 탄화 활성탄(비표면적 1500 ~ 1700㎡/g 정도), 페놀 레진계 탄화 활성탄(비표면적 2000 ~ 2500㎡/g 정도) 등의 원재료에 바인더(예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF; Poly-vinylidenefluoride) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; Poly-tetrafluoroethylene)) 및 카본 블랙(carbon black) 등의 전도성 첨가제를 원재료 대비 일정 중량 비율로 혼합 조성하여 전극 조성물을 만든다. 만들어진 전극 조성물을 분산매 순수, N-메틸-2-피롤리돈(NMP;N-methyl-2-pyrrolidone) 등을 이용하여 직접 시트화하거나 금속 집전체상에 코팅후 고착시켜 일정형태로 절단함으로써 내부 전극(12, 18)을 완성시킨다. 다른 방법으로는, 페놀계 섬유를 직조하여 만든 헝겊형태의 시트를 수산화칼륨, 순수 또는 염화칼륨 등의 분위기에서 대략 1000℃이상의 온도에서 탄화하고 탄화된 시트를 절단함으로써 내부 전극(12, 18)을 완성시킨다. 또 다른 방법으로는, 순수 알루미늄을 에칭 표면처리하여 비표면적을 증대한 금속 박막을 일정형태로 절단함으로써 내부 전극(12, 18)을 완성시킨다. 내부 전극(12, 18)의 표면에는 전해질(도시 생략)이 밀접하게 위치한다. 전해질은 외부의 전기 에너지를 물리적 또는 화학적인 에너지로 변환시킨다. 전해질은 액체상태, 고체상태 또는 겔 상태를 유지한다. 세퍼레이터(16)는 다공질 구조의 종이, 부직포 또는 폴리머 재질 등으로 이루어진다. 세퍼레이터(16)는 서로 다른 극성인 도전성의 내부 전극(12, 18)간의 접촉에 의한 전기적인 단락을 방지함과 더불어 전해질의 이동을 위한 통로 역할을 한다. 도 2와 같은 구성을 하나의 셀이라고 표현하기도 한다.
현재, 전세계적인 환경유해 물질의 사용규제의 활성화로 인해 제품의 납의 사용이 금지되고 있다. 현재에는 납 대신에 고열성의 주석(Sn)을 사용하게 됨으로써 표면 실장(SMD)시 히팅 리플로우(Heating re-flow) 온도가 상대적으로 상승하게 된다. 그로 인해, 부품의 열(heat)적 안정성이 필요하다. 표면실장의 경우 부품(전기 에너지 저장 소자)을 제품의 기판(PCB board)에 삽입 후 고온으로 열처리(230 ~ 300℃ 정도)를 하여 완성하기 때문에 전자 부품의 열적 안정성이 필요하다. 고온에서의 열처리시 폴리머 재질의 가스켓에 변형이 발생하게 된다. 그에 따라, 종래의 전기 에너지 저장 소자, 1차 전지 및 2차 전지의 내부 액체상 전해액(리튬전지의 경우 화재의 원인이 되는 경우도 있음) 누액의 위험이 없는 기밀성 보장 제품이 필요한 것이다. 이와 같이 가스켓의 변형에 의해, 셀 내부의 액체 또는 겔 상태의 전해질이 외부로 노출되거나 셀 내부의 전해질의 상태 변화 또는 그 양이 감소하게 되어 부품의 전기적 특성 열화를 야기시킨다.
특히, 전기 에너지 저장 소자의 내부 소재 중 열적 안정성이 상대적으로 낮은 폴리머 가스켓의 내열 특성이 가장 중요하다. 종래 폴리머 가스켓은 재질의 경도가 너무 높아서 쉽게 부러지고 탄력성이 저하되어 기밀성이 낮다. 그에 따라, 기밀제를 사용해야 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래의 폴리머 가스켓에 비해 열적 안정성이 향상되고 우수한 기밀성을 유지하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 폴리머 가스켓에 비해 열적 안정성이 향상되고 우수한 기밀성을 유지하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓을 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 폴리머 가스켓에 비해 열적 안정성이 향상되고 우수한 기밀성을 유지하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 폴리머 가스켓에 비해 열적 안정성이 향상되고 우수한 기밀성을 유지하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓은, Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재로 고리 형상으로 형성된다.
글라스 가스켓은 400℃ ~ 750℃의 내열온도를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법은, 글라스 소재를 이용하여 설정된 형상의 글라스 콤파운드를 제작하는 단계; 글라스 콤파운드를 설정된 가열 조건으로 소성하는 단계; 및 소성 완료된 글라스 콤파운드를 냉각하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 글라스 소재는 Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재이다.
설정된 가열 조건은 복수의 목표온도를 갖는 다단계의 열처리를 행하도록 하는 조건이다.
설정된 가열 조건은, 제 1 목표온도까지는 제 1 설정속도로 가열하고, 제 2 목표온도까지는 제 2 설정속도로 가열하고, 제 3 목표온도까지는 제 3 설정속도로 가열한 후, 제 3 목표온도를 설정된 시간동안 유지한다. 바람직하게, 제 1 목표온도는 150℃이고, 제 1 설정속도는 50℃/min이고, 제 2 목표온도는 150℃ ~ 530℃이고, 제 2 설정속도는 15℃/min이고, 제 3 목표온도는 650℃ ~ 800℃이고, 제 3 설정속도는 40℃/min이고, 설정된 시간은 5 ~ 15분이다.
냉각 단계는 20℃/min ~ 40℃/min의 속도로 냉각시킨다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장 소자는, 수직부를 포함하는 도전성의 케이스; 세퍼레이터에 의해 상호 이격되어 케이스에 수용되되, 하나의 내부 전극이 케이스에 접촉된 분극성의 제 1 및 제 2 내부 전극; 제 1 및 제 2 내부 전극중에서 다른 하나의 내부 전극에 접촉되고, 측면부가 수직부에 대향되어 이격된 도전성의 캡; 및 캡과 수직부 사이의 이격 공간에 배치된 글라스 소재의 글라스 가스켓;을 포함한다.
케이스는 평판 형상의 베이스부 및, 베이스부의 가장자리를 따라 설치되되 베이스부의 가장자리에 대해 수직하게 결합되는 수직부를 포함한다.
캡과 수직부는 상호 동질의 도전성 재질로 구성되거나, 상호 이질의 도전성 재질로 구성된다.
글라스 가스켓은 Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기 에너지 저장 소자의 제조방법은, 글라스 소재의 글라스 가스켓을 제작하는 단계; 글라스 가스켓을 이용한 글라스 실링에 의해, 도전성의 수직부와 도전성의 캡이 서로 접합된 글라스 실링 접합체를 제작하는 단계; 글라스 실링 접합체에 내부 전극을 결합시키는 단계; 베이스부에 다른 내부 전극을 결합시키는 단계; 및 글라스 실링 접합체와 베이스부를 결합시키되, 내부 전극들 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 결합시키는 단계;를 포함한다.
글라스 가스켓 제작 단계는, 글라스 소재를 이용하여 설정된 형상의 글라스 콤파운드를 제작하는 단계, 글라스 콤파운드를 설정된 가열 조건으로 소성하는 단계, 및 소성 완료된 글라스 콤파운드를 냉각하는 단계를 포함한다.
설정된 가열 조건은, 150℃까지는 50℃/min 의 속도로 가열하고, 150℃ ~ 530℃까지는 15℃/min의 속도로 가열하고, 650℃ ~ 800℃의 온도까지는 40℃/min의 속도로 가열한 후, 650℃ ~ 800℃의 온도를 설정된 시간동안 유지한다.
글라스 실링 접합체 제작 단계는, 수직부의 내부에 캡을 배치하되, 캡의 외측면이 수직부의 대향하는 내측면에 이격되게 하고, 글라스 가스켓을 매개로 수직부와 캡간의 서로 대향되는 측면부가 서로 밀착되게 배치하는 단계; 및 설정된 가열 조건으로 글라스 실링을 실시하여 수직부와 캡을 접합시키는 단계;를 포함한다.
설정된 가열 조건은, 목표온도까지는 설정속도로 가열하고 목표온도에 도달하면 설정된 시간동안 목표온도를 유지한다. 바람직하게, 목표온도는 900℃ ~ 1,050℃이고, 설정속도는 50℃/min ~ 100℃/min이고, 설정된 시간은 5분 ~ 20분이다.
바람직하게, 글라스 실링 접합체의 노출된 저면에 도금을 실시하는 단계를 추가로 포함한다.
바람직하게, 글라스 실링 접합체에 결합된 베이스부의 외측 측면부위를 레이저 용접 또는 전기 용접하는 단계를 추가로 포함한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 종래 물리적인 압박에 의존하여 셀을 완성하는 방법과는 구별하여, 글라스 실링 및 레이저 또는 전기 용접에 의하여 셀을 완성하기 때문에 축전기 내부의 액체 상태인 전해액의 누출이 방지된다. 즉, 칩형 또는 코인(또는 버튼형태) 형태의 전기 에너지 저장 소자의 내부소재중 폴리머 가스켓 대신에 내열성이 우수하여 히팅 리플로우(Heating re-flow)열에 의한 변형을 방지하는 글라스 소재의 글라스 가스켓을 사용하므로 종래에 비해 전해액의 누출을 방지할 수 있게 된다.
열적 안정성이 요구되는 표면 실장형 부품에서는 실장시 열적 처리 온도 범위인 260℃ 보다 높은 400℃～750℃의 내열온도를 발생하기 때문에, 본 발명에 의한 글라스 실링 접합체를 사용한 전기 에너지 저장 소자가 적용된 전자 제품의 성능 보전을 제공한다.
도 1은 일반적인 전기 에너지 저장 소자의 구성을 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 개략적인 결합 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 개략적인 결합 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 단면도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 분해사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자는, 케이스(30, 42), 제 1 내부 전극(32), 세퍼레이터(34), 제 2 내부 전극(36), 캡(38), 및 글라스 가스켓(40)을 포함한다.
케이스(30, 42)는 도전성의 평판 형상의 베이스부(30) 및, 베이스부(30)의 가장자리를 따라 설치되되 베이스부(30)의 가장자리에 대해 수직하게 결합되는 도전성의 수직부(42)를 포함한다. 수직부(42)는 고리 형상으로 형성된 것으로 볼 수 있다. 수직부(42)는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄, 구리, 주석, 니켈-알루미늄 합금, 알루미늄-티타늄 합금, 구리-주석 합금, 두랄미늄, 탄탈, 코바(kovar), Fe, Fe-Ni 합금, Fe-Cr 합금, Fe-Cr-Ni 합금, Mo, 50계 alloy, 40계 alloy, 30계 alloy, 및 SUS 등으로 구성됨이 바람직하다. 베이스부(30)는 Fe 또는 Fe-Ni합금 또는 Fe-Cr합금 또는 Fe-Cr-Ni합금 또는 Mo 또는 Kovar 또는 50계 Alloy 또는 40계 Alloy 또는 30계 Alloy 또는 SUS 등으로 구성됨이 바람직하다. 베이스부(30)는 추후의 레이저 용접 등을 용이하게 하기 위해 전면에 대략 0.1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께로 Ni 또는 Ag 또는 Au 도금된다.
제 1 내부 전극(32)은 종래의 전기 에너지 저장 소자의 내부 전극(도 1의 12)에 대응된다. 세퍼레이터(34)는 종래의 전기 에너지 저장 소자의 세퍼레이터(도 1의 16)에 대응된다. 제 2 내부 전극(36)은 종래의 전기 에너지 저장 소자의 내부 전극(도 1의 18)에 대응된다. 제 1 내부 전극(32)의 일면은 베이스부(30)에 접촉되고, 제 2 내부 전극(36)의 일면은 캡(38)에 접촉한다. 도 3에서는 제 1 내부 전극(32)과 제 2 내부 전극(36) 및 세퍼레이터(34)의 평면이 사각 형태인 것으로 도시하였으나, 필요에 따라서는 평면이 원형 또는 다른 형상이어도 무방하다.
캡(38)의 측면부(즉, 도 4에서 캡(38)의 중앙 평탄부를 제외한 수직 하향 형성된 측면부)는 수직부(42)의 내측면에 대향되어 이격된다. 캡(38)은 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄, 구리, 주석, 니켈-알루미늄 합금, 알루미늄-티타늄 합금, 구리-주석 합금, 두랄미늄, 탄탈, 코바(kovar), Fe, Fe-Ni 합금, Fe-Cr 합금, Fe-Cr-Ni 합금, Mo, 50계 alloy, 40계 alloy, 30계 alloy, SUS 등으로 구성된다.
캡(38)과 수직부(42)는 상호 동질의 도전성 재질로 구성되어도 되고, 상호 이질의 도전성 재질로 구성되어도 된다.
글라스 가스켓(40)은 캡(38)의 측면부와 수직부(42) 사이의 이격 공간에 배치된다. 글라스 가스켓(40)은 Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 등의 글라스 소재를 사용하여 형성된다. 글라스 가스켓(40)은 고리 형상으로 형성된 것으로 볼 수 있다. 글라스 가스켓(40)은 대략 400℃ ~ 750℃ 정도의 내열온도를 갖는다. 글라스 가스켓(40)은 내열성이 우수하여 히팅 리플로우열에 의한 변형을 막을 수 있다. 글라스 가스켓(40)은 질소분위기의 고온상태에서 글라스 실링이 진행되어 캡(38)과 수직부(42)를 접합시킨다.
캡(38)과 글라스 가스켓(40) 및 수직부(42)는 질소분위기의 고온로내에서 가열된다. 그에 따라, 글라스 실링을 진행하여 캡(38)과 수직부(42)가 글라스 가스켓(40)에 의해 긴밀하게 접합된 글라스 실링 접합체로 된다.
글라스 실링 접합체의 제작을 용이하기 위해, 도 4에서와 같이 캡(38)의 최말단부는 외향되게 휘어져서 걸림부를 형성하고, 글라스 가스켓(40)에는 턱부가 존재하고, 수직부(42)에도 턱부가 존재한다. 그 걸림부와 턱부들에 대한 참조부호를 도 3 및 도 4에서는 표시하지 않았으나, 동종업계에 종사하는 자라면 도 3 및 도 4를 통해 충분히 쉽게 파악할 수 있다. 설명을 쉽게 하기 위해, 그 걸림부와 턱부들에 대한 참조부호를 도 5에 표시하였다.
상술한 본 발명의 실시예의 전기 에너지 저장 소자의 기술적인 특징은 폴리머 가스켓을 사용함에 따른 문제점을 글라스 가스켓(40)을 채용하여 해결하였다는 점이다. 본 발명의 실시예에서는, 열 수축 및 열 팽창이 폴리머 가스켓에 비해 상대적으로 매우 작아서 형상 변형에 의한 누액을 방지함과 더불어 내열온도가 대략 400℃ ~ 750℃로서 내열성이 우수하여 히팅 리플로우(Heating re-flow)열에 의한 변형을 방지하는 특성의 글라스 소재를 사용하여 도전성의 캡(38)과 도전성의 수직부(42)를 접합시킨 글라스 실링 접합체를 이용하였다는 것이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기 에너지 저장 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도전성의 캡(38)과 도전성의 수직부(42)가 글라스 가스켓(40)에 의해 접합된 글라스 실링 접합체(60)를 제작한다. 이를 위해 글라스 실링을 위한 글라스 가스켓(40; 도 3 참조)을 제작하는 과정에 대해 먼저 설명한다. 우선, 분말상태의 글라스 소재에 유기성 바인더인 PVA 바인더를 대략 10 ~ 30 중량% 정도를 혼합한다. 혼합물이 금속소재의 캡(38)의 측면부와 금속소재의 수직부(42)의 내부 사이에 삽입되는 형태로 구성된 금형(도시 생략)에 혼합물을 투입한다. 이어, 대략 80 ~ 100kg/㎠의 압력으로 가압하여 고리 형태의 글라스 콤파운드를 제작한다.
제작된 글라스 콤파운드를 산소 또는 공기분위기의 고온 로에 투입한 후 가열하여 유기바인더를 제거한다. 이와 함께 전치 소성(Pri-Firing)을 하여 글라스 가스켓(40)으로 열소성하여 준다. 여기서, 가열의 조건은 최초 150℃ 정도까지는 50℃/min 정도의 속도로 가열한다. 그리고, 150℃ ~ 530℃ 정도까지는 15℃/min 정도의 속도로 가열한 후 대략 10분 ~ 15분간 40℃/min 정도의 속도로 650℃ ~ 800℃ 정도의 온도까지 도달시킨다. 이후, 650℃ ~ 800℃ 정도의 온도를 대략 5분 ~ 15분간 유지하여 열처리를 완료한다. 즉, 글라스 콤파운드를 글라스 가스켓(40)으로 성형화하기 위해 단계적인 열처리를 행한다. 그리고, 순간적으로 냉각할 경우에 발생하는 크랙 또는 이형불량 등을 방지하기 위하여 대략 50℃/min ~ 40℃/min 정도의 속도로 냉각하여 글라스 실링을 위한 글라스 가스켓(40)을 완성한다. 상술한 수치는 하나의 예일 뿐, 이에 국한되는 것은 아니다.
이와 같이 하여 글라스 가스켓(40)이 제작되면, 도 5에서와 같은 캐비티가 형성된 카본 소재의 하부 치구대(50)의 턱부(50a)에 수직부(42)의 바닥면(42a)이 닿도록 삽입시킨다. 이때, 수직부(42)의 외측면은 하부 치구대(50)의 캐비티 내측면(50c)에 밀착된다. 여기서, 밀착이라 함은 수치적으로 상호간의 이격이 없는 "0(zero)"을 포함할 뿐만 아니라 그에 준하는 정도의 이격(예컨대, 0.01 ~ 0.03㎜ 정도)을 가져도 무방하다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 하부 치구대(50)의 캐비티의 지름(또는 직경)은 수직부(42)의 최외곽 지름(또는 외경, 가로, 세로)에 비해 0.01 ~ 0.03㎜ 정도 큰 형상을 갖는 것으로 한다.
도 5를 이해함에 있어서 도 4의 구성을 뒤집어서 보면 쉽게 이해할 수 있게 된다.
수직부(42)의 삽입이 완료되면, 글라스 가스켓(40)을 하부 치구대(50)의 캐비티내로 삽입시킨다. 이때, 글라스 가스켓(40)의 하부 턱부(40a)는 수직부(42)의 턱부(42b)에 안착되고, 글라스 가스켓(40)의 외측면은 수직부(42)의 내측면(42c)에 밀착된다. 여기서, 밀착이라 함은 수치적으로 상호간의 이격이 없는 "0(zero)"을 포함할 뿐만 아니라 그에 준하는 정도의 이격을 가져도 무방하다. 글라스 가스켓(40)의 최저 말단면은 하부 치구대(50)의 턱부(50a)에 접촉된다. 즉, 글라스 가스켓(40)의 최저 말단면과 수직부(42)의 바닥면(42a)의 길이를 합산하게 되면 하부 치구대(50)의 턱부(50a)의 길이와 동일 내지는 거의 동일하게 된다.
이어, 캡(38)을 하부 치구대(50)의 캐비티내로 삽입시킨다. 이 경우, 캡(38)의 바닥면(38a; 뒤집어서 보면 상부 표면이 됨)은 하부 치구대(50)의 캐비티 바닥면(50b)에 맞닿게 되고, 캡(38)의 걸림부(38b)는 글라스 가스켓(40)의 상부 턱부(40b)에 안착된다.
그리고 나서, 3개의 형상물 즉, 캡(38)과 글라스 가스켓(40) 및 수직부(42)가 진동에 의하여 움직이지 않도록 카본 소재의 상부 치구대(52)를 이용하여 고정시킨다. 고정된 형태는 도 6을 참조하면 된다.
이후, 치구대(50, 52)와 결합된 캡(38)과 글라스 가스켓(40) 및 수직부(42)를 고온 로에 투입한다. 질소분위기의 고온상태에서 글라스 실링을 진행하여 금속소재의 캡(38)과 수직부(42)를 접합시킨다. 글라스 실링시 가열 조건은 최초 900℃ ~ 1,050℃ 정도의 온도까지는 대략 50℃/min ~ 100℃/min 정도의 속도로 가열한 후 900℃ ~ 1,050℃ 정도까지 온도에 도달하면 대략 5분 ~ 20분간 온도를 유지한다. 순간적으로 냉각할 경우 발생하는 크랙 또는 이형불량 등을 방지하기 위하여 대략 20℃/min ~ 40℃/min 정도의 속도로 냉각하여 글라스 실링을 완료한다.
글라스 실링 후에 치구대(50, 52) 내부의 구성을 취출하면 도 7에서와 같은 글라스 실링 접합체(60)가 된다.
그리고, 최종적인 셀을 제작할 때 레이저 용접을 원활하게 할 수 있도록, 글라스 실링 접합체(60)의 노출된 금속 전면에는 대략 0.1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께로 Ni 또는 Ag 또는 Au 도금을 실시한다. 도금이 완료된 글라스 실링 접합체(60)에서, 캡(38)과 수직부(42)는 금속 소재이기 때문에 도전성이지만 글라스 가스켓(글라스 실링 소재; 40)은 절연성이다. 그에 따라, 캡(38)과 수직부(42)는 서로 통전되지 아니한다. 이때 캡(38)은 양극으로 분리되고, 수직부(42)는 음극으로 분리된다. 물론, 캡(38)과 수직부(42)의 극성은 바뀌어도 무방하다.
이어, 도 8의 (a)에서와 같이 글라스 실링 접합체(60)와 제 2 내부 전극(36)을 접착시키고, 도 8의 (b)에서와 같이 베이스부(30)와 제 1 내부 전극(32)을 접착시킨다. 도 8의 (a)의 경우, 예를 들어 제 2 내부 전극(36)은 캡(38)의 내측 지름(또는 가로, 세로)의 50% ~ 100% 정도, 캡(38)의 내측 높이의 80% ~ 120% 정도의 크기를 갖는다. 제 2 내부 전극(36)은 도전성 접착제 또는 용접의 방법으로 접착된다. 예를 들어, 제 2 내부 전극(36)은 다음과 같이 제조된다. 우선, 코코넛 쉘(shell)계 탄화 활성탄(비표면적 1,500 ~ 1,700㎡/g 정도)과 페놀 레진계 탄화 활성탄(비표면적 2000 ~ 2,500㎡/g 정도)을 각각 30 ~ 40중량% 정도, 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF; poly-vinylidene-fluoride) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; poly-tetrafluoroethylene) 5 ~ 10중량% 정도, 및 전도성 첨가제(개량재)로서 카본 블랙(carbon black) 10 ~ 30중량% 정도를 혼합 조성한다. 이러한 전극 조성물을 분산매 N-메틸-2-피롤리돈(NMP; N-methyl-2-pyrrolidone) 등으로 슬러리화하여 이를 직접 시트화하거나, 금속 집전체 상에 코팅, 고착시켜 제조한다. 또는 섬유상 활성탄 시트를 일정 크기와 형상으로 재단하여 내부 전극(32, 36)을 제조한다. 도 8의 (b)의 경우, 베이스부(30)의 일면의 중심부가 제 2 내부 전극(36)의 일면에 대향되도록 위치시킨 후에 도전성 접착제 또는 용접의 방법으로 접착시킨다. 여기서, 베이스부(30)는 추후의 레이저 용접을 원활하게 할 수 있도록 미리 전면에 대략 0.1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께로 Ni 또는 Ag 또는 Au 도금되어진다. 물론, 베이스부(30)의 접착후에 해당 베이스부(30)의 노출 부위에 대한 도금을 행하여도 무방하다. 제 1 내부 전극(32)은 제 2 내부 전극(36)의 체적 대비 80% ~ 120% 정도의 크기를 갖는다. 제 1 내부 전극(32)은 상술한 제 2 내부 전극(36)의 제조공정과 동일한 제조공정으로 제조된다.
한편, 제 2 내부 전극(36)과 캡(38)과의 접착, 및 제 1 내부 전극(32)과 베이스부(30)와의 접착은 상술한 설명과 다른 방법으로 할 수도 있다. 예를 들어, 제 2 내부 전극(36)의 일면과 대향된 캡(38)의 표면 및 제 1 내부 전극(32)의 일면과 대향된 베이스부(30)의 일면에 각각 카본 페이스트, 도전성 폴리머 등의 액상 도전성 접착제를 도포하고 가압 접착하여 고정하는 방식이 있을 수 있다. 다르게, 내부 전극(32, 36)을 금속 집전체 위에 코팅, 고착시켜 제조할 경우에는 저항 용접 방식 또는 레이저 용접 방식으로 접착한다. 다르게는, 섬유상 활성탄 시트의 표면에 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 티탄(Ti) 등의 금속을 플라즈마 용사한 후 일정한 크기와 형상으로 재단한 섬유상 활성탄 고형 판상의 내부 전극(32, 36)을 (+)용접 단자와 (-)용접 단자를 이용하여 금속 케이스에 용접하여 부착하여도 된다.
이와 같은 접착 후에, 접착제 및 내부 전극(32, 36)을 충분히 건조시킨다.
그리고 나서, 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate) 또는 r-부틸로락톤(r-Buthylo Lactone) 등의 비 프로톤(Proton)성 유기 용매에 테트라에틸암모늄테트라플로오로보레이트(4-Ethyl-ammoniumtetrafluoro-borate), 또는 과염소산테트라알킬암모늄 등을 용해시킨 비수계유기용액 또는 황산 수용액, 염산 수용액, 염기성 수용액등의 이온성 수용액을 전해액으로 사용하여 설정된 량을 각각의 내부 전극(32, 36)에 함침한다.
그 후, 도 8의 (a)의 제 2 내부 전극(36)과 도 8의 (b)의 제 1 내부 전극(32)이 서로 대향되도록 결합시키되, 세퍼레이터(34)를 제 1 내부 전극(32) 및 제 2 내부 전극(36)의 사이(정중앙)에 위치하도록 개재한다. 세퍼레이터(34)는 예를 들어 부직포 또는 다공성 필름 또는 글라스페이퍼로 구성된다. 이에 의해, 도 9와 같은 상태가 된다. 물론, 도 4와 같은 상태로 할 수도 있으나 이후의 용접 공정을 수월하게 하기 위해 도 9와 같은 상태(도 4의 구성을 뒤집은 상태)로 한다.
마지막으로, 도 9와 같은 상태에서 베이스부(30)의 외측 측면 부위를 레이저 또는 전기 용접(Seam Sealing)을 통하여 접합하여 셀을 완성한다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
30 : 베이스부 32 : 제 1 내부 전극
34 : 세퍼레이터 36 : 제 2 내부 전극
38 : 캡 40 : 글라스 가스켓
42 : 수직부
34 : 세퍼레이터 36 : 제 2 내부 전극
38 : 캡 40 : 글라스 가스켓
42 : 수직부
Claims (29)
- 전기 에너지 저장 소자용 가스켓으로서,
Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재로 고리 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓. - 청구항 1에 있어서,
상기 글라스 가스켓은 400℃ ~ 750℃의 내열온도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓. - 전기 에너지 저장 소자용 가스켓의 제조방법으로서,
글라스 소재를 이용하여 설정된 형상의 글라스 콤파운드를 제작하는 단계;
상기 글라스 콤파운드를 설정된 가열 조건으로 소성하는 단계; 및
상기 소성 완료된 글라스 콤파운드를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 글라스 소재는 Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 설정된 가열 조건은 복수의 목표온도를 갖는 다단계의 열처리를 행하도록 하는 조건인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 설정된 가열 조건은, 제 1 목표온도까지는 제 1 설정속도로 가열하고, 제 2 목표온도까지는 제 2 설정속도로 가열하고, 제 3 목표온도까지는 제 3 설정속도로 가열한 후, 상기 제 3 목표온도를 설정된 시간동안 유지하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 1 목표온도는 150℃인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 1 설정속도는 50℃/min인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 2 목표온도는 150℃ ~ 530℃인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 2 설정속도는 15℃/min인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 3 목표온도는 650℃ ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제 3 설정속도는 40℃/min인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 설정된 시간은 5 ~ 15분인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 냉각 단계는 20℃/min ~ 40℃/min의 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓의 제조방법. - 수직부를 포함하는 도전성의 케이스;
세퍼레이터에 의해 상호 이격되어 상기 케이스에 수용되되, 하나의 내부 전극이 상기 케이스에 접촉된 분극성의 제 1 및 제 2 내부 전극;
상기 제 1 및 제 2 내부 전극중에서 다른 하나의 내부 전극에 접촉되고, 측면부가 상기 수직부에 대향되어 이격된 도전성의 캡; 및
상기 캡과 상기 수직부 사이의 이격 공간에 배치된 글라스 소재의 글라스 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자. - 청구항 15에 있어서,
상기 케이스는 평판 형상의 베이스부 및, 상기 베이스부의 가장자리를 따라 설치되되 상기 베이스부의 가장자리에 대해 수직하게 결합되는 상기 수직부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자. - 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 캡과 상기 수직부는 상호 동질의 도전성 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자. - 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 캡과 상기 수직부는 상호 이질의 도전성 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자. - 청구항 15에 있어서,
상기 글라스 가스켓은 Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Na2O·BaO·SiO2계 글라스 소재, ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, PbO·ZnO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, CaO·BaO·SiO2계 글라스 소재, MgO·B2O3·SiO2계 글라스 소재, Nd2O5·TiO2·SiO2계 글라스 소재, 및 PbO·Al2O3·SiO2계 글라스 소재 중의 어느 한 글라스 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자. - 글라스 소재의 글라스 가스켓을 제작하는 단계;
상기 글라스 가스켓을 이용한 글라스 실링에 의해, 도전성의 수직부와 도전성의 캡이 서로 접합된 글라스 실링 접합체를 제작하는 단계;
상기 글라스 실링 접합체에 내부 전극을 결합시키는 단계;
평판의 베이스부에 다른 내부 전극을 결합시키는 단계; 및
상기 글라스 실링 접합체와 상기 베이스부를 결합시키되, 상기 내부 전극들 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 결합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 글라스 가스켓 제작 단계는,
상기 글라스 소재를 이용하여 설정된 형상의 글라스 콤파운드를 제작하는 단계, 상기 글라스 콤파운드를 설정된 가열 조건으로 소성하는 단계, 및 상기 소성 완료된 글라스 콤파운드를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 21에 있어서,
상기 설정된 가열 조건은, 150℃까지는 50℃/min 의 속도로 가열하고, 150℃ ~ 530℃까지는 15℃/min의 속도로 가열하고, 650℃ ~ 800℃의 온도까지는 40℃/min의 속도로 가열한 후, 상기 650℃ ~ 800℃의 온도를 설정된 시간동안 유지하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 글라스 실링 접합체 제작 단계는,
상기 수직부의 내부에 상기 캡을 배치하되, 상기 캡의 외측면이 상기 수직부의 대향하는 내측면에 이격되게 하고, 상기 글라스 가스켓을 매개로 상기 수직부와 상기 캡간의 서로 대향되는 측면부가 서로 밀착되게 배치하는 단계; 및
설정된 가열 조건으로 글라스 실링을 실시하여 상기 수직부와 상기 캡을 접합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 23에 있어서,
상기 설정된 가열 조건은, 목표온도까지는 설정속도로 가열하고 상기 목표온도에 도달하면 설정된 시간동안 상기 목표온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 목표온도는 900℃ ~ 1,050℃인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 설정속도는 50℃/min ~ 100℃/min인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 설정된 시간은 5분 ~ 20분인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 글라스 실링 접합체의 노출된 저면에 도금을 실시하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 글라스 실링 접합체에 결합된 베이스부의 외측 측면부위를 레이저 용접 또는 전기 용접하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 소자의 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100019492A KR20110100473A (ko) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100019492A KR20110100473A (ko) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | 전기 에너지 저장 소자용 글라스 가스켓, 그 글라스 가스켓의 제조방법, 그 글라스 가스켓을 이용한 전기 에너지 저장 소자, 및 그 전기 에너지 저장 소자의 제조방법 |
Publications (1)
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| KR20110100473A true KR20110100473A (ko) | 2011-09-14 |
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ID=44952886
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Country Status (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140104741A (ko) * | 2013-02-21 | 2014-08-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | 배터리 모듈 |
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-
2010
- 2010-03-04 KR KR1020100019492A patent/KR20110100473A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20140104741A (ko) * | 2013-02-21 | 2014-08-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | 배터리 모듈 |
| US9537130B2 (en) | 2013-02-21 | 2017-01-03 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Battery module |
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| WO2020159313A1 (ko) * | 2019-02-01 | 2020-08-06 | 주식회사 엘지화학 | 이차전지 |
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