KR20120005349U - 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 엑스선(X-ray) 회절 측정용 인시추 셀(in-situ cell)에 관한 것으로, 전지의 분해 없이 충방전을 행하면서 전극에 엑스선을 조사하여 얻어지는 회절 상을 이용하여 전극의 구조 변화를 측정하기 위한 것이다. 본 고안에 따르면, 전기 전도성을 갖는 설치판은 중심 부분에 판 상의 베릴리움 윈도우가 삽입되어 탑재되고, 베릴리움 윈도우 위에 전지가 삽입되어 탑재되는 삽입홈이 형성되어 있고, 삽입홈의 중심 부분에 엑스선이 입사될 수 있는 개방부가 형성되어 있다. 전기 전도성을 갖는 셀 몸체는 설치판의 상부에 결합되어 전지 외곽의 베릴리움 윈도우를 밀폐하며, 중심 부분에 전지가 노출되는 관통 구멍이 형성되어 있다. 링 형상의 절연성 고정 부재는 셀 몸체 상부의 관통 구멍에 일부가 삽입되어 탑재된다. 전기 전도성을 갖는 전지 고정 로드는 일부가 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되어 전지를 탄성적으로 눌러 고정하며, 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되는 부분은 절연성 고정 부재에 의해 셀 몸체의 관통 구멍 내주면에서 이격되게 설치된다. 그리고 고정 캡은 전지 고정 로드를 통하여 셀 몸체의 외측면에 체결되면서 절연성 고정 부재를 전지 고정 로드와 셀 몸체의 관통 구멍 사이로 밀어넣어 전지 고정 로드와 셀 몸체를 서로 밀폐되게 고정한다.
Description
본 고안은 엑스선(X-ray) 회절 측정용 인시추 셀(in-situ cell)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지를 충방전 하면서 분해 없이 전극에 엑스선을 조사하여 얻어지는 회절 상을 이용하여 충방전 중 발생하는 전극의 구조 변화를 측정하는 데 사용되는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 관한 것이다.
최근 리튬 전지 포함, 다양한 최첨단 기술을 이용하여 개발되는 이차 전지 및 일차 전지 제품에 있어서, 해당 제품의 작동 상태에서 해당 제품을 구성하는 재료의 상태나 기능 변화 등을 측정, 관찰 또는 분석하는 것은 매우 중요한 요소 중의 하나이다. 특히 사용 중 또는 사용이 완료된 이후에 해당 시료(제품)의 손상 없이 시료의 상태, 기능 등을 분석할 수 있는 인시추(in-situ; in-situation) 상태에서의 측정, 관찰 또는 분석하는 기법에 대한 관심이 고조되고 있다.
현재 광원분석기기의 시료 측정 부분은 대기에 노출되어 있는 것이 일반적이고, 산화·환원 반응을 동반하는 이차 전지, 연료 전지 및 태양 전지와 같은 전지분야에서는 특별한 부착물을 설치하지 않는 한 상태 변화를 직접 분석하는 것은 불가능하다. 또한 전지는 양극, 전해질, 음극을 조립하여 구동하므로 일정 전압, 전류, 및 저항 하에서 동작하고 있는 전극의 상태를 직접 관찰하기는 매우 어렵다.
따라서 전지를 분해하여 전극을 조사한다 하더라도 동작 상태를 반영한다고 볼 수 없다.
특히 리튬 전지의 경우, 충방전 상태에 따른 전극의 상태를 관찰하기 위해서는 셀을 분해하여 전극을 회수하여 엑스-시추로 측정하고 있지만, 전극의 공기 중 노출에 의한 오염의 우려와 및 글로브박스 내 작업을 해야하는 등의 어려움이 있다. 또한 전극을 세척하는 과정에서 리튬의 탈리 등으로 특정 조성에서 벗어날 가능성이 있으므로 데이터의 정확도가 떨어진다고 할 수 있다.
이로 인해 리튬 전지의 경우 실제 전압, 전류 및 저항이 걸려있는 조건, 즉 동작 중의 조건(in-situ ; insituation)에서 전극의 상태를 직접 관찰해야 하며, 실제 충방전 작동 중 리튬 전지의 추가 변화가 없는 상태에서 전극 재료를 관찰하는 것은 전지 특성의 파악에 핵심이라 할 수 있다.
따라서 본 고안의 목적은 전지의 분해 없이 충방전을 행하면서 전극에 엑스선을 조사하여 얻어지는 회절 상을 이용하여 전극의 구조 변화를 측정하는 데 사용되는 이차 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 제공하는 데 있다.
본 고안의 다른 목적은 조립 및 분해가 용이한 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 제공하는 데 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 전지에 작용하는 가압력을 쉽게 조절할 수 있는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 판 상의 베릴리움 윈도우, 설치판, 셀 몸체, 절연성 고정 부재, 전지 고정 로드 및 고정 캡을 포함하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 제공한다. 전기 전도성을 갖는 상기 설치판은 중심 부분에 상기 베릴리움 윈도우가 삽입되어 탑재되고, 상기 베릴리움 윈도우 위에 전지가 삽입되어 탑재되는 삽입홈이 형성되어 있고, 상기 삽입홈의 중심 부분에 엑스선이 입사될 수 있는 개방부가 형성된다. 전기 전도성을 갖는 상기 셀 몸체는 상기 설치판의 상부에 결합되어 상기 전지 외곽의 베릴리움 윈도우를 밀폐하며, 중심 부분에 상기 전지가 노출되는 관통 구멍이 형성되어 있다. 링 형상의 상기 절연성 고정 부재는 상기 셀 몸체 상부의 관통 구멍에 일부가 삽입되어 탑재된다. 전기 전도성을 갖는 전지 고정 로드는 일부가 상기 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되어 상기 전지를 탄성적으로 눌러 고정하며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되는 부분은 상기 절연성 고정 부재에 의해 상기 셀 몸체의 관통 구멍 내주면에서 이격된다. 그리고 상기 고정 캡은 상기 리튬 전지 고정 로드를 통하여 상기 셀 몸체의 외곽에 체결되면서 상기 절연성 고정 부재를 상기 리튬 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체의 관통 구멍 사이로 밀어넣어 상기 리튬 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체를 서로 밀폐되게 고정한다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 셀 몸체는 고정부, 체결부 및 결합부를 포함할 수 있다. 상기 고정부는 상기 설치판의 삽입홈에 삽입되어 상기 삽입홈에 탑재된 상기 베릴리움 윈도우를 밀폐되게 고정한다. 상기 체결부는 상기 고정부의 상부에 상기 고정부와 일체로 형성되며, 상기 삽입홈 외곽의 상기 설치판의 상부에 탑재되어 체결된다. 그리고 상기 결합부는 상기 체결부의 상부에 상기 체결부와 일체로 형성되며, 외주면에 상기 고정 캡이 결합된다. 이때 상기 고정부, 체결부 및 결합부를 수직으로 관통하게 상기 관통 구멍이 형성되며, 상기 고정부와 베릴리움 윈도우 사이에 오링이 개재된다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 셀 몸체의 관통 구멍은, 상기 셀 몸체의 상단에서 일정 깊이까지는 내경이 점차적으로 좁아지며, 상기 절연성 고정 부재의 일부가 삽입되어 탑재되는 제1 관통 구멍과, 상기 제1 관통 구멍과 연결되어 상기 셀 몸체의 하단을 향하여 일정한 내경으로 형성된 제2 관통 구멍을 포함할 수 있다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 전지 고정 로드는 로드, 보호층 및 포고 핀을 포함할 수 있다. 전기 전도성 소재의 상기 로드는 일정 길이를 가지며, 상기 설치판에 인가되는 전위와 반대되는 전위가 인가된다. 상기 절연성 보호층은 상기 로드의 외주면에 형성되며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍으로의 삽입 시 상기 절연성 고정 부재와 접촉하며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍의 내주면에서 상기 로드를 이격시킨다. 그리고 상기 포고 핀은 상기 로드의 하부로 돌출되어 상기 전지를 탄성적으로 눌러 고정한다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 절연성 보호층과 상기 절연성 고정 부재의 소재는 테프론일 수 있다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 고정 캡은 상기 셀 몸체의 결합부에 결합되는 결합관과, 상기 결합관의 상부에서 안쪽으로 형성되며, 상기 셀 몸체의 결합부에 결합될 때 상기 절연성 고정 부재를 눌러 상기 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체의 관통 구멍 사이로 밀어넣는 가압턱을 포함할 수 있다. 이때 상기 셀 몸체의 결합부의 외주면에는 숫나사산이 형성되어 있고, 상기 결합관의 내주면에는 암나사산이 형성되어 있다.
본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 설치판은 하부면이 상기 개방부의 중심 부분을 향하여 경사면으로 형성될 수 있다. 또한 상기 설치판의 상부에 상기 셀 몸체의 체결부는 복수의 체결 볼트로 체결될 수 있다.
그리고 본 고안에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀에 있어서, 상기 설치판, 셀 몸체 및 고정 캡 중에 적어도 하나와, 상기 전지 고정 로드에는 각각 리드선이 연결될 리드선 연결홈이 형성되어 있다.
본 고안에 따른 인시추 셀은 전지를 공기와 반응하지 않도록 완벽히 밀폐한 상태에서 전지에 대한 충전방전이 가능하고, 베릴리움 윈도우를 통하여 전지의 전극에 엑스선을 조사할 수 있는 구조를 갖기 때문에, 전지의 분해 없이 충방전에 따른 전극의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정하는 것이 가능하다.
또한 전지 고정 로드는 베릴리움 윈도우에 탑재된 전지를 탄성적으로 고정하는 포고 핀을 포함하고, 고정 캡을 나사 결합 방식으로 체결하거나 분리하는 방식으로 전지 고정 로드를 셀 몸체에 밀폐되게 고정하거나 고정된 상태를 해제할 수 있기 때문에, 인시추 셀의 조립 및 분리가 용이하다.
또한 전지 고정 로드에 일체로 설치된 포고 핀의 탄성력을 위하여 베릴리움 윈도우에 탑재된 전지를 안정적으로 고정할 수 있고, 또한 셀 몸체에 대한 전지 고정 로드의 상하 위치 조절을 통하여 전지에 작용하는 가압력을 쉽게 조절할 수 있다.
도 1은 본 고안의 실시예에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 인시추 셀을 보여주는 저면 사시도이다.
도 4는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 1의 “A" 부분의 확대도이다.
도 6은 도 1의 인시추 셀의 설치판를 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 1의 인시추 셀의 셀 몸체를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 1의 인시추 셀의 전지 고정 로드를 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 1의 인시추 셀의 고정 캡을 보여주는 사시도이다.
도 10 내지 도 14는 본 고안의 실시예에 따른 인시추 셀을 이용하여 전지의 엑스선 회절을 측정하는 사용 예를 보여주는 도면들이다.
도 2는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 1의 인시추 셀을 보여주는 저면 사시도이다.
도 4는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 1의 “A" 부분의 확대도이다.
도 6은 도 1의 인시추 셀의 설치판를 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 1의 인시추 셀의 셀 몸체를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 1의 인시추 셀의 전지 고정 로드를 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 1의 인시추 셀의 고정 캡을 보여주는 사시도이다.
도 10 내지 도 14는 본 고안의 실시예에 따른 인시추 셀을 이용하여 전지의 엑스선 회절을 측정하는 사용 예를 보여주는 도면들이다.
하기의 설명에서는 본 고안의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 고안의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 고안자는 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 고안의 실시예에 따른 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀을 보여주는 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 1의 인시추 셀을 보여주는 저면 사시도이다. 도 4는 도 1의 인시추 셀을 보여주는 단면도이다. 그리고 도 5는 도 4의 “A" 부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시에에 따른 인시추 셀(100)은 판 상의 베릴리움 윈도우(10), 설치판(20), 셀 몸체(30), 절연성 고정 부재(40), 전지 고정 로드(50) 및 고정 캡(60)을 포함하며, 설치판(20)과 셀 몸체(30)가 형성하는 밀폐된 공간(80) 안에 리튬 전지(70)가 충방전이 가능한 형태로 설치될 수 있다. 이때 전지(70)를 충방전시키기 위한 양전위와 음전위를 인가할 수 있도록, 설치판(20), 셀 몸체(30), 전지 고정 로드(50) 및 고정 캡(60)은 전기 전도성을 갖는 소재로 제작될 수 있다. 전기 전도성을 갖는 설치판(20)은 중심 부분에 판 상의 베릴리움 윈도우(10)가 삽입되어 탑재되고, 베릴리움 윈도우(10) 위에 전지(70)가 삽입되어 탑재되는 삽입홈(21)이 형성되어 있고, 삽입홈(21)의 중심 부분에 엑스선이 입사될 수 있는 개방부(23)가 형성되어 있다. 전기 전도성을 갖는 셀 몸체(30)는 설치판(20)의 상부에 결합되어 전지(70) 외곽의 베릴리움 윈도우(10)를 밀폐하며, 중심 부분에 전지(70)가 노출되는 관통 구멍(37)이 형성되어 있다. 링 형상의 절연성 고정 부재(40)는 셀 몸체(30) 상부의 관통 구멍(37)에 일부가 삽입되어 탑재된다. 전기 전도성을 갖는 전지 고정 로드(50)는 일부가 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 삽입되어 전지(70)를 탄성적으로 눌러 고정하며, 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 삽입되는 부분은 절연성 고정 부재(40)에 의해 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37) 내주면에서 이격되게 설치된다. 그리고 고정 캡(60)은 전지 고정 로드(50)를 통하여 셀 몸체(30)의 외측면에 체결되면서 절연성 고정 부재(40)를 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37) 사이로 밀어 넣어 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)를 서로 밀폐되게 고정한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 인시추 셀(100)은 전지(70)를 공기와 반응하지 않도록 완벽히 밀폐시킨 상태에서 전지(70)에 대한 충전방전이 가능하고, 베릴리움 윈도우(10)를 통하여 전지(70)의 전극에 엑스선을 조사할 수 있는 구조를 갖기 때문에, 전지(70)의 분해 없이 충방전에 따른 전극의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정하는 것이 가능하다.
이와 같은 본 실시예에 따른 인시추 셀(100)에 대해서 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 도 1의 인시추 셀의 설치판(20)를 보여주는 사시도이다. 도 7은 도 1의 인시추 셀의 셀 몸체(30)를 보여주는 사시도이다. 도 8은 도 1의 인시추 셀의 리튬 전지 고정 로드(50)를 보여주는 사시도이다. 도 9는 도 1의 인시추 셀의 고정 캡(60)을 보여주는 사시도이다.
베릴리움 윈도우(10)는 얇은 판 형태로 엑스선을 투과시키는 투과 윈도우로 사용된다. 베릴리움 윈도우(10)로 조사된 엑스선은 베릴리움 윈도우(10)를 투과하여 베릴리움 윈도우(10) 위에 설치되는 전지(70)의 전극으로 입사되고, 전지(70)의 전극으로 입사된 엑스선에 따른 엑스선 회절(회절파)은 베릴리움 윈도우(10)를 투과하여 베릴리움 윈도우(10) 밖으로 빠져나간다. 이와 같은 엑스선 회절을 검출하여 전지(70)의 전극의 구조 변화를 측정한다.
전지(70)는 양극(71), 분리막(73) 및 음극(75)이 순차적으로 적층된 판 상의 구조를 가질 수 있다. 양극(71)은 양극 활물질로 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등과 같은 리튬 금속산화물외 양극용 소재를 포함하는 조성물로 구성될 수 있다. 음극(75)은 음극 활물질로 탄소 또는 리튬을 포함하는 음극용 소재로 구성될 수 있다. 그리고 분리막(73)은 유연성을 갖는 폴리머를 포함하는 조성물로 구성될 수 있다. 분리막(73)은 양극(71)과 음극(75) 사이에 개재되고, 양극(71)과 음극(75)의 크기보다는 적어도 크게 형성된다. 측정하고자 하는 전극이 음극(75)일 경우 음극(75)과 양극(71)의 위치를 바꾸어 구성할 수 있다. 이때 분리막(73)과 접촉된 전극(71 또는 75)의 면과 반대되는 면에는 금속 스페이서(77)가 형성될 수 있다.
설치판(20)은 원판 형태로 상부면과, 상부면에 반대되는 하부면을 갖는다. 상부면의 가장자리 둘레에는 복수의 체결 볼트(39)가 체결될 수 있는 복수의 체결홈(27)이 형성되어 있다. 복수의 체결홈(27)이 형성된 영역의 안쪽에 상부면에서 하부면쪽으로 베릴리움 윈도우(10)와 전지(70)가 순차적으로 삽입되어 적층될 수 있는 삽입홈(21)이 형성되어 있다. 삽입홈(21)은 설치판(10) 상부면의 중심 부분에 형성된다. 삽입홈(21)의 중심 부분에는 엑스선이 입사될 수 있는 원형의 개방부(23)가 형성되어 있다. 설치판(20)의 하부면은 개방부(23)의 중심 부분을 향하여 안쪽으로 경사진 경사면(25)으로 형성된다. 여기서 설치판(20)의 하부면을 경사면(25)으로 형성한 이유는, 설치판(20)의 외곽에서 비스듬하게 개방부(25)를 통하여 베릴리움 윈도우(10)로 엑스선이 입사된 후 회절될 때, 입사되는 엑스선이 설치판(20)에 조사되어 설치판(20)의 엑스선 회절이 검출되는 것을 억제하기 위해서이다. 그리고 설치판(20)의 외주면에는 리드선이 연결될 수 있는 제1 리드선 연결홈(29)이 형성되어 있다. 이때 설치판(20)으로는 전기 전도성이 우수하고, 베릴리움 윈도우(10)와 화학적인 반응을 일으키지 않는 금속 소재가 사용될 수 있다. 예컨대 설치판(20)의 소재로는 스테인리스 스틸 또는 황동이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 설치판(20)의 소재로 황동이 사용된 예를 개시하였다.
셀 몸체(30)는 고정부(31), 체결부(33) 및 결합부(35)를 포함하며, 스테인리스 스틸 또는 황동 소재로 제조될 수 있다. 여기서 고정부(31)는 설치판(20)의 삽입홈(21)에 삽입되어 삽입홈(21)에 탑재된 베릴리움 윈도우(10)를 밀폐되게 고정한다. 체결부(33)는 고정부(31)의 상부에 고정부(31)와 일체로 형성되며, 삽입홈(21) 외곽의 설치판(20)의 상부에 탑재되어 체결된다. 그리고 결합부(35)는 체결부(33)의 상부에 체결부(33)와 일체로 형성되며, 외주면에 고정 캡(60)이 결합된다. 이때 고정부(31), 체결부(33) 및 결합부(35)를 수직으로 관통하게 관통 구멍(37)이 형성된다. 고정부(31)가 베릴리움 윈도우(10)를 안정적으로 밀폐할 수 있도록, 고정부(31)와 베릴리움 윈도우(10) 사이에 오링(32)이 개재되어 있다.
이때 고정부(31)는 중심 부분에 관통 구멍(37)이 형성된 링 형태를 가지며, 베릴리움 윈도우(10)와 마주보는 바닥면에 오링(32)이 설치되어 있다. 고정부(31)는 삽입홈(21)에 삽입될 수 있도록 외경은 삽입홈(21)의 내경보다는 작게 형성된다.
체결부(33)는 중심 부분에 관통 구멍(37)이 형성되어 있으며, 고정부(31)를 덮을 수 있는 원판 형태를 갖는다. 체결부(33)에는 설치판(20)의 체결홈들(27)에 대응되게 복수의 체결구멍(33a)이 형성되어 있다. 그리고 체결부(33)에는 리드선이 연결될 수 있는 제2 리드선 연결홈(33b)이 형성되어 있다. 제2 리드선 연결홈(33b)은 복수의 체결구멍(33a) 사이에 적어도 하나가 형성될 수 있다.
결합부(35)는 중심 부분에 관통 구멍(37)이 형성된 원기둥 형태를 가지며, 외주면에 고정 캡(60)이 나사 결합될 수 있는 숫나사산(35a)이 형성되어 있다.
그리고 셀 몸체(30)에 형성된 관통 구멍(37)은 제1 관통 구멍(37a)과 제2 관통 구멍(37b)을 포함한다. 제1 관통 구멍(37a)은 셀 몸체(30)의 상단에서 일정 깊이까지는 내경이 점차적으로 좁아지게 형성되며, 절연성 고정 부재(40)의 일부가 삽입되어 탑재되는 부분이다. 그리고 제2 관통 구멍(37b)은 제1 관통 구멍(37a)과 연결되어 셀 몸체(30)의 하단을 향하여 일정한 내경으로 형성되며, 전지 고정 로드(50)의 셀 몸체(30) 내부로의 삽입을 안내한다. 이때 제1 관통 구멍(37a)은 셀 몸체(30)의 결합부(35)에 형성되고, 제2 관통 구멍(37b)은 고정부(31), 체결부(33) 및 결합부(35)에 걸쳐서 형성된다.
절연성 고정 부재(40)는 셀 몸체(30) 상단의 관통 구멍(37)에 일부가 삽입되어 탑재된다. 절연성 고정 부재(40)는 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)과 전지 고정 로드(50) 사이에 개재되어 전지 고정 로드(50)를 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)에 고정한다. 그리고 절연성 고정 부재(40)는 셀 몸체(30)와 전지 고정 로드(50) 사이를 밀폐시킨다. 이러한 절연성 고정 부재(40)는 셀 몸체(30)의 제1 관통 구멍(37a)에 대응되게 외주면은 경사면으로 형성되고, 내주면 또한 경사면으로 형성될 수 있다. 절연성 고정 부재(30)는 전지 고정 로드(50)를 고정하면서 안정적으로 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)으로 삽입을 안내할 수 있도록, 내주면은 상단에서 일정 깊이까지는 내경이 좁아지는 경사면으로 형성되고, 경사면의 아래쪽은 일정한 내경을 갖고도록 형성할 수 있다. 절연성 고정 부재(40)의 소재로는 테프론이 사용될 수 있다.
전지 고정 로드(50)는 로드(51), 절연성 보호층(53) 및 포고 핀(55)을 포함할 수 있다. 전기 전도성 소재의 로드(51)는 일정 길이를 가지며, 설치판(20)에 인가되는 전위와 반대되는 전위가 인가된다. 절연성 보호층(53)은 로드(51)의 외주면에 형성되며, 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)으로의 삽입 시 절연성 고정 부재(40)와 접촉하며, 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)의 내주면에서 로드(51)를 이격시킨다. 그리고 포고 핀(55)은 로드(51)의 하부로 돌출되어 전지(70)를 탄성적으로 눌러 베릴리움 윈도우(10)에 고정한다. 이때 로드(51)로 인가된 전위는 포고 핀(55)을 통하여 전지(70)의 상부면으로 인가될 수 있다.
여기서 전지 고정 로드(50)의 로드(51)는 로드 몸체(52) 및 로드 심(58)을 포함할 수 있다. 로드 몸체(52)는 일정 길이를 갖는 관 형태로 길이 방향으로 중심에 결합 구멍(54)이 형성되어 있다. 로드 몸체(52)의 상단에는 밖으로 결합턱(52a)이 형성되어 있으며, 결합 구멍(54)의 바닥면에는 결합 구멍(54)의 내경 보다는 좁은 고정턱(52b)이 형성되어 있다. 결합턱(52a) 위의 로드 몸체(52)의 외주면 일부에는 테프론 소재의 절연성 보호층(53)이 형성된다.
그리고 로드 심(58)은 결합 구멍(54)에 삽입되어 고정 설치되며, 로드 심(58)의 하단은 고정턱(52b)에 밀착된다. 고정턱(52b) 사이의 결합 구멍(54)으로 노출된 로드 심(58)의 하단부에는 포고 핀(55)이 삽입되어 설치된다. 로드 심(58)의 하단부에는 포고 핀(55)이 삽입 설치될 수 있는 포고 핀 설치홈(58a)이 형성되어 있다.
이때 로드 몸체(52)의 상단과 로드 심(58)의 상단에는 각각 리드선이 연결될 수 있는 제3 리드선 연결홈(57a,57b)이 형성되어 있다. 로드 몸체(52) 및 로드 심(58)의 소재로는 황동 또는 스테인리스 스틸이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 포고 핀(55)을 통하여 전지(70)로 전위를 인가하는 로드 심(58)의 소재로 황동이 사용되고, 로드 몸체(52)로 스테인리스 스틸이 사용된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 전지 고정 로드(50)는 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)의 내주면과 접촉할 수 있는 부분에 절연성 보호층(53)을 형성함으로써, 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30) 간의 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한 고정 캡(60)을 이용하여 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)를 서로 밀폐되게 고정 설치할 때, 전지 고정 로드(50)의 절연성 보호층(53)은 같은 소재의 절연성 고정 부재(40)에 접촉하여 전지(70)가 설치되는 공간을 안정적으로 밀폐된 공간(80)으로 형성할 수 있다.
그리고 고정 캡(60)은 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)에 대응되게 구멍(69)이 형성된 결합관(61)과, 결합관(61)의 일단에 일체로 형성된 가압턱(63)을 포함한다. 결합관(61)은 셀 몸체(30)의 결합부(35)에 결합된다. 가압턱(63)은 결합관(61)의 상부에서 안쪽으로 형성되며, 셀 몸체(30)의 결합부(35)에 결합될 때 절연성 고정 부재(40)를 눌러 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37) 사이로 밀어 넣어 전지(70)가 설치되는 공간을 안정적으로 밀폐된 공간(80)으로 형성한다. 고정 캡(60)에는 리드선이 연결될 수 있는 제4 리드선 연결홈(67)이 형성되어 있다.
이때 전술된 바와 같이 셀 몸체(30)의 결합부(35)의 외주면에는 숫나사산(35a)이 형성되어 있다. 결합관(61)의 내주면에는 셀 몸체(35)의 숫나사산(35a)에 대응되게 암나사산(65)이 형성되어 있다. 따라서 고정 캡(60)의 결합관(61)은 셀 몸체(30)의 결합부(35)에 나사 결합 방식으로 결합되고, 고정 캡(60)의 결합관(61)이 셀 몸체(30)의 외주면을 따라 내려하면서 고정 캡(60)의 가압턱(63)이 절연성 고정 부재(40)의 상단을 눌러 제1 관통 구멍(37a) 안으로 밀어 넣게 된다. 이때 제1 관통 구멍(37a)의 내주면으로 경사면으로 형성되기 때문에, 고정 캡(60)의 가압턱(63)에 의해 눌린 절연성 고정 부재(40)는 제1 관통 구멍(37a)의 내경을 좁히게 된다. 이로 인해 절연성 고정 부재(40)를 매개로 셀 몸체(30)와 전지 고정 로드(50) 사이가 밀폐된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 인시추 셀(100)은 베릴리움 윈도우(10)가 탑재된 설치판(20)과 셀 몸체(30)가 오링(32)을 매개로 한 체결에 의해 셀 몸체(30) 하부의 관통 구멍(37)은 밀폐된다. 아울러 셀 몸체(30) 상부의 관통 구멍(37)은 절연성 고정 부재(40)를 매개로 한 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)의 결합에 의해 밀폐되어 베릴리움 윈도우(10)의 상부에 탑재된 전지(70)를 밀폐된 공간(80)에 위치시킬 수 있다. 또한 설치판(20), 셀 몸체(30) 및 고정 캡(60)은 기계적인 접촉에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 설치판(20), 셀 몸체(30) 및 고정 캡(60)은 각각 절연성 고정 부재(40)와 전지 고정 로드(50)에 형성된 절연성 보호층(53)에 의해 전지 고정 로드(50)와 전기적으로 절연되어 있다. 따라서 전지(70)의 양면에 위치하는 양극(71)과 음극(75)에 각각 전지(70)의 충방전에 필요한 전기적 단자를 연결할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 인시추 셀(100)을 이용하여 전지(70)의 엑스선 회절을 측정하는 사용 예를 도 4, 도 5, 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 10 내지 도 14는 본 고안의 실시예에 따른 인시추 셀(100)을 이용하여 전지(70)의 엑스선 회절을 측정하는 사용 예를 보여주는 도면들이다.
먼저 도 10에 도시된 바와 같이, 설치판(20)에 베릴리움 윈도우(10)를 탑재한 상태에서 설치판(20) 위에 셀 몸체(30)를 복수의 체결 볼트(39)를 이용하여 밀폐되게 고정 결합한다. 이어서 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)의 상부에 절연성 고정 부재(40)를 개재한 상태에서 느슨하게 셀 몸체(30)의 외주면에 고정 캡(60)을 결합한다. 고정 캡(60)을 셀 몸체(30)에 느슨하게 결합함으로써, 고정 캡(60)의 구멍(69)과 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)으로 리튬 전지 고정 로드(도 12의 50)를 삽입할 수 있다.
다음으로 도 5 및 도 11에 도시된 바와 같이, 고정 캡(60)의 구멍(69) 및 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 전지(70)를 관통 구멍(37)에 노출된 베릴리움 윈도우(10) 위에 탑재한다. 이때 양극(71)의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정하고자 하는 경우, 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 베릴리움 윈도우(10) 위에 양극(71)과 분리막(73)을 순차적으로 적층한다. 이어서 분리막(73)에 액상의 전해질을 주입한다. 다음으로 분리막(73) 위에 음극(75)을 적층한다. 그리고 음극(75) 위에 금속 스페이서(77)를 적층한다.
반대로 음극(75)의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정하고자 하는 경우, 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 베릴리움 윈도우(10) 위에 음극(75), 분리막(73) 및 양극(71) 순으로 순차적으로 적층할 수 있다.
다음으로 도 4, 도 5 및 도 12에 도시된 바와 같이, 고정 캡(60)의 구멍(69) 및 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)을 통하여 전지 고정 로드(50)를 삽입하여 전지 고정 로드(50)의 포고 핀(55)으로 금속 스페이서(77)를 통하여 전지(70)를 일정 압력으로 눌러준다. 이때 포고 핀(55)을 누르는 힘의 조절을 통하여 전지(70)에 작용하는 압력을 조절할 수 있다.
이어서 도 4 및 도 13에 도시된 바와 같이, 전지 고정 로드(50)로 전지(70)를 일정 압력으로 누른 상태에서, 고정 캡(60)을 셀 몸체(30)의 아랫 방향으로 체결하여 전지 고정 로드(50)를 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37)에 밀폐되게 고정한다. 이때 고정 캡(60)은 절연성 고정 부재(40)를 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)의 관통 구멍(37) 사이로 밀어 넣어 전지 고정 로드(50)와 셀 몸체(30)를 서로 밀폐되게 고정한다. 이로 인해 전지(70)는 인시추 셀(100)이 형성하는 내부의 밀폐된 공간(80)에 고정된다.
이때 설치판(20)의 제1 리드선 연결홈(29)에는 양극 리드선(91)이 삽입되어 연결되며, 설치판(20)의 소재로는 황동이 사용될 수 있다. 또한 전지 고정 로드(50)의 로드(52)에 형성된 제3 리드선 연결홈(57b)에는 음극 리드선(93)이 결합되며, 로드(52)의 소재로는 황동이 사용될 수 있다. 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)은 인시추 셀(100)의 조립을 완료한 이후에 연결할 수도 있고, 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)이 각각 설치된 상태에서 인시추 셀(100)을 조립할 수 있다. 또는 해당 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)이 설치될 설치판(20)과 전지 고정 로드(50)를 각각 설치한 이후에 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)을 연결할 수 있다.
그리고 도 4, 도 5 및 도 14에 도시된 바와 같이, 설치판(20)의 경사면(25)이 형성된 쪽의 개방부(23)에 노출된 베릴리움 윈도우(10)를 통하여 엑스선을 조사하여 베릴리움 윈도우(10)에 근접한 전지(70)의 전극, 즉 양극의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정할 수 있다. 이때 엑스선 회절 측정은 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)을 통하여 전지(70)에 대한 충전 또는 방전을 수행하는 과정에서 이루어질 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 인시추 셀(100)은 전지(70)에 대한 해체 없이 전지(70)를 공기와 반응하지 않도록 완벽히 밀폐한 공간(80)에 고정시킨 상태에서 양극 리드선(91) 및 음극 리드선(93)을 통하여 전지(70)에 대한 충전방전이 가능하다. 또한 베릴리움 윈도우(10)를 통하여 전지(70)의 양극(71)에 엑스선을 조사할 수 있는 구조를 갖기 때문에, 리튬 전지(70)의 분해 없이 충방전에 따른 전극의 구조 변화를 엑스선 회절로 측정하는 것이 가능하다.
한편 본 실시예에서는 리튬 전지(70)의 양극(71)이 베릴리움 윈도우(10)에 접촉하기 때문에, 설치판(20)에 양극 리드선(91)이 연결되고 전지 고정 로드(50)에 음극 리드선(93)이 연결된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 전지의 음극막이 베릴리움 윈도우에 접촉하는 경우, 설치판에 음극 리드선이 연결되고 전지 고정 로드에 양극 리드선이 연결된다.
또한 본 실시예에서는 전지(70)의 양극(71)이 베릴리움 윈도우(10)에 접촉하기 때문에, 설치판(20)에 양극 리드선(91)을 연결하는 에를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 설치판(20)과 기계적인 접촉에 의해 전기적으로 연결되는 셀 몸체(30) 또는 고정 캡(60) 중에 하나에 양극 리드선이 연결될 수 있다.
또한 본 실시예에서는 인시추 셀을 조립할 때, 베릴리움 윈도우, 설치판, 셀 몸체, 절연성 고정 부재 및 고정 캡을 조립한 상태에서, 전지 고정 로드를 고정 캡의 구멍 및 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입한 후 고정 캡을 조여 조립하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 고안의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 고안의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 고안의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 베릴리움 윈도우 20 : 설치판
21 : 삽입홈 23 : 개방부
25 : 경사면 27 : 체결홈
29 : 제1 리드선 연결홈 30 : 셀 몸체
31 : 고정부 32 :오링
33 : 체결부 33a : 체결 구멍
33b : 제2 리드선 연결홈 35 : 결합부
35a : 숫나사산 37 : 관통 구멍
37a : 제1 관통 구멍 37b : 제2 관통 구멍
39 : 체결 볼트 40 : 절연성 고정 부재
50 : 전지 고정 로드 51 : 로드
52 : 로드 몸체 52a : 결합턱
52b : 고정턱 53 : 절연성 보호층
54 : 결합 구멍 55 : 포고 핀
57 : 제3 리드선 연결홈 58 : 로드 심
58a : 포고 핀 설치홈 60 : 고정 캡
61 : 결합관 63 : 가압턱
65 : 암나사산 67 : 제4 리드선 연결홈
69 : 구멍 70 : 전지
71 : 양극 73 : 분리막
75 : 음극 77 : 금속 스페이서
80 : 밀폐된 공간 100 : 인시추 셀
21 : 삽입홈 23 : 개방부
25 : 경사면 27 : 체결홈
29 : 제1 리드선 연결홈 30 : 셀 몸체
31 : 고정부 32 :오링
33 : 체결부 33a : 체결 구멍
33b : 제2 리드선 연결홈 35 : 결합부
35a : 숫나사산 37 : 관통 구멍
37a : 제1 관통 구멍 37b : 제2 관통 구멍
39 : 체결 볼트 40 : 절연성 고정 부재
50 : 전지 고정 로드 51 : 로드
52 : 로드 몸체 52a : 결합턱
52b : 고정턱 53 : 절연성 보호층
54 : 결합 구멍 55 : 포고 핀
57 : 제3 리드선 연결홈 58 : 로드 심
58a : 포고 핀 설치홈 60 : 고정 캡
61 : 결합관 63 : 가압턱
65 : 암나사산 67 : 제4 리드선 연결홈
69 : 구멍 70 : 전지
71 : 양극 73 : 분리막
75 : 음극 77 : 금속 스페이서
80 : 밀폐된 공간 100 : 인시추 셀
Claims (8)
- 판 상의 베릴리움 윈도우;
중심 부분에 상기 베릴리움 윈도우가 삽입되어 탑재되고, 상기 베릴리움 윈도우 위에 전지가 삽입되어 탑재되는 삽입홈이 형성되어 있고, 상기 삽입홈의 중심 부분에 엑스선이 입사될 수 있는 개방부가 형성되는 전기 전도성을 갖는 설치판;
상기 설치판의 상부에 결합되어 상기 전지 외곽의 베릴리움 윈도우를 밀폐하며, 중심 부분에 상기 전지가 노출되는 관통 구멍이 형성된 전기 전도성을 갖는 셀 몸체;
상기 셀 몸체 상부의 관통 구멍에 일부가 삽입되어 탑재되는 링 형상의 절연성 고정 부재;
일부가 상기 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되어 상기 전지를 탄성적으로 눌러 고정하며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍을 통하여 삽입되는 부분은 상기 절연성 고정 부재에 의해 상기 셀 몸체의 관통 구멍 내주면에서 이격되며 전기 전도성을 갖는 전지 고정 로드;
상기 전지 고정 로드를 통하여 상기 셀 몸체의 외곽에 체결되면서 상기 절연성 고정 부재를 상기 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체의 관통 구멍 사이로 밀어 넣어 상기 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체를 서로 밀폐되게 고정하는 고정 캡;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제1항에 있어서, 상기 셀 몸체는,
상기 설치판의 삽입홈에 삽입되어 상기 삽입홈에 탑재된 상기 베릴리움 윈도우를 밀폐되게 고정하는 고정부;
상기 고정부의 상부에 상기 고정부와 일체로 형성되며, 상기 삽입홈 외곽의 상기 설치판의 상부에 탑재되어 체결되는 체결부;
상기 체결부의 상부에 상기 체결부와 일체로 형성되며, 외주면에 상기 고정 캡이 결합되는 결합부;
를 포함하며,
상기 고정부, 체결부 및 결합부를 수직으로 관통하게 상기 관통 구멍이 형성되며, 상기 고정부와 베릴리움 윈도우 사이에 오링이 개재되는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제2항에 있어서, 상기 셀 몸체의 관통 구멍은,
상기 셀 몸체의 상단에서 일정 깊이까지는 내경이 점차적으로 좁아지며, 상기 절연성 고정 부재의 일부가 삽입되어 탑재되는 제1 관통 구멍;
상기 제1 관통 구멍과 연결되어 상기 셀 몸체의 하단을 향하여 일정한 내경으로 형성된 제2 관통 구멍;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제3항에 있어서, 상기 전지 고정 로드는,
일정 길이를 가지며, 상기 설치판에 인가되는 전위와 반대되는 전위가 인가되는 전기 전도성 소재의 로드;
상기 로드의 외주면에 형성되며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍으로의 삽입 시 상기 절연성 고정 부재와 접촉하며, 상기 셀 몸체의 관통 구멍의 내주면에서 상기 로드를 이격시키는 절연성 보호층;
상기 로드의 하부로 돌출되어 상기 전지를 탄성적으로 눌러 고정하는 포고 핀;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제4항에 있어서,
상기 절연성 보호층과 상기 절연성 고정 부재의 소재는 테프론인 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제2항에 있어서, 상기 고정 캡은,
상기 셀 몸체의 결합부에 결합되는 결합관;
상기 결합관의 상부에서 안쪽으로 형성되며, 상기 셀 몸체의 결합부에 결합될 때 상기 절연성 고정 부재를 눌러 상기 전지 고정 로드와 상기 셀 몸체의 관통 구멍 사이로 밀어넣는 가압턱;
을 포함하며,
상기 셀 몸체의 결합부의 외주면에는 숫나사산이 형성되어 있고, 상기 결합관의 내주면에는 암나사산이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제2항에 있어서, 상기 설치판은,
하부면이 상기 개방부의 중심 부분을 향하여 경사면으로 형성되며,
상기 설치판의 상부에 상기 셀 몸체의 체결부는 복수의 체결 볼트로 체결되는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀. - 제1항에 있어서,
상기 설치판, 셀 몸체 및 고정 캡 중에 적어도 하나와, 상기 전지 고정 로드에는 각각 리드선이 연결될 리드선 연결홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지의 엑스선 회절 측정용 인시추 셀.
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