KR20170036011A - 전하 저장 디바이스들을 테스트하기 위한 기구화된 패킷들 - Google Patents
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Abstract
가요성 (flexible) 재료로 만들어지고, 제 1 중심 영역을 둘러싸는 제 1 둘레 영역을 가지는, 제 1 날개; 가요성 재료로 만들어진 제 2 날개; 공통 경계를 따라 제 1 및 제 2 날개를 연결하는 힌지; 제 1 날개 상의 둘레 영역에 도포되는 접착 재료; 둘레 영역의 중심 영역 내의 제 1 날개 상에 형성되는 제 1 전기 전도성 전극; 제 1 날개 상의 제 1 접촉 영역에 대향하고 일직선을 이루는 영역 내의 제 2 날개 상에 형성되는 제 2 전기 전도성 전극; 제 1 및 제 2 날개 중 적어도 하나 상에 형성되는 접촉 패드들의 어레이; 제 1 전극 및 제 2 전극에 접촉 패드들의 어레이 중 하나 이상의 접촉 패드들의 제 1 그룹 및 제 2 그룹을 전기적으로 각각 연결하는 제 1 및 제 2 전도성 트레이스를 포함하는, 사쉐 (sachet)가 제공된다.
Description
본 출원은 2014년 7월 24일에 출원된, "전하 저장 디바이스들을 테스트하기 위한 기구화된 패킷들(Instrumented Packets for Testing Charge Storage Devices)"이라는 명칭의 미국 가출원 62/028,421 의 35 U.S.C §119(e) 하의 이익을 주장하고, 상기 가출원의 전체 내용은 참조로서 여기에 병합된다.
본 발명은 테스트 기구들에 일반적으로 관련되고, 구동기, 배터리, 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 하이브리드 커패시터, 수도 (pseudo) 커패시터, 생물학적 샘플, 유전체, 겔 (gel), 액체, 고체, 등과 같은 테스트 디바이스들을 전기적 및 기계적으로 특징짓거나 측정하기 위한 장비들에 관련된다.
고 에너지 밀도 저장 디바이스들의 발전은 힘들고 많은 시간이 소요되는 과정이다. 전형적인 에너지 저장 디바이스는 제 1 폴리머 전극, 제 1 전극과 전기화학적으로 통신하는 제 2 전극, 두 전극들 사이의 분리 재료, 및 음이온들과 양이온들로 분리할 수 있는, 양 쪽 전극들과 접촉하고 있는 전해질 또는 다른 이동상 (mobile phase) 을 포함할 수도 있다. 이러한 엘리먼트들을 위해 사용될 수 있는 많은 상이한 화학적 재료들이 존재한다. 따라서, 테스트가 필요할 수도 있는 가능한 조합들의 수는 매우 크다. 이러한 조합들을 테스트하기 위해, 본질적으로, 재료들의 각 조합을 위한 대표 디바이스를 형성하고, 그 재료들의 조합을 특징짓기 위한 테스트들의 바람직한 세트를 통해 그 디바이스를 실행해야만 한다. 그리하여, 재료들의 최선의 조합을 찾는 것은 재료들 및 전해질들의 많은 상이한 가능한 조합들을 대표하는 수백만의 디바이스들을 구성하는 것 및 전기적으로 테스트하는 것을 포함할 수 있다.
디바이스의 전기적 특성들을 만족스럽게 측정하기 위해 요구되는 테스트들의 관리 (regimen) 는 또한 상당히 클 수 있다. 예를 들어, 테스트들은 커패시턴스, 저항, 에너지 출력에 대한 에너지 입력, 쿨롱 효율 (Coulombic efficiency), 에너지 밀도, 전력 밀도, 고유 에너지 (specific energy), IR 강하, IR 게인, 전류 밀도 등을 측정하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 개시되는 실시예들은, 특히 서로 조합으로서 사용되었을 때, 빠르고, 효율적이고, 지속적이고, 그리고 신뢰할 수 있는 테스트 디바이스들을 테스트하는 방법을 제공한다.
일반적으로, 일 측면에 따르면, 본 발명은 가요성 (flexible) 재료로 만들어지고, 제 1 중심 영역을 둘러싸는 제 1 둘레 영역을 가지는, 제 1 날개; 가요성 재료로 만들어진 제 2 날개; 공통 경계를 따라 제 1 및 제 2 날개를 연결하는 힌지; 제 1 날개 상의 둘레 영역에 도포되는 접착 재료; 둘레 영역의 중심 영역 내의 제 1 날개 상에 형성되는 제 1 전기 전도성 전극; 제 1 날개 상의 제 1 접촉 영역에 대향하고 일직선을 이루는 영역 내의 제 2 날개 상에 형성되는 제 2 전기 전도성 전극; 제 1 및 제 2 날개 중 적어도 하나 상에 형성되는 접촉 패드들의 어레이; 제 1 전극에 접촉 패드들의 어레이 중 하나 이상의 접촉 패드들의 제 1 그룹을 전기적으로 연결하는 제 1 전도성 트레이스; 및 제 2 전극에 접촉 패드들의 어레이 중 하나 이상의 접촉 패드들의 제 2 그룹을 전기적으로 연결하는 제 2 전도성 트레이스를 포함하는, 사쉐 (sachet) 를 특징으로서 포함한다.
바람직한 실시예들은 하기의 특징들 또는 측면들을 하나 이상 포함한다. 힌지는 천공들의 열이 형성되어 있는 가요성 재료로 만들어진다. 제 2 날개는 제 2 중심 영역을 둘러싸는 제 2 둘레 영역을 가지고, 제 2 날개 상의 제 2 둘레 영역에 도포되는 접착 재료를 더 포함한다. 사쉐는, 제 1 전극에 접촉 패드들의 어레이 내의 접촉 패드들 중 하나를 연결하는 제 3 전도성 트레이스를 더 포함하고, 제 3 전도성 트레이스는 제 1 전도성 트레이스로부터 분리되어 있다. 사쉐는, 제 2 전극에 접촉 패드들의 어레이 내의 접촉 패드들 중 하나를 연결하는 제 4 전도성 트레이스를 더 포함하고, 제 4 전도성 트레이스는 제 2 전도성 트레이스로부터 분리되어 있다. 제 1 둘레 영역은 중심 영역으로부터 분리되어 제 1 중심 영역을 둘러싸는 제 1 중간 영역을 형성하고, 사쉐는, 제 1 중간 영역 내에 위치한 제 1 사전 배선 (prewired) 된 접촉 패드; 및 제 1 사전 배선된 접촉 패드로 접촉 패드들의 어레이의 접촉 패드들 중 하나를 전기적으로 연결하는 전도성 트레이스를 더 포함한다.
예를 들어, 구동기, 배터리, 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 수도 (pseudo) 커패시터, 하이브리드 커패시터, 생물학적 샘플, 유전체, 겔 (gel), 액체, 고체, 등을 포함하여, 본원에서 개시되는 사쉐와 함께 구성되고 테스트될 수 있는 매우 다양한 예시적인 셀 타입들이 존재한다. 더 나아가, 사쉐의 사용은 능동 소자 (active element) (예를 들어, 배터리 또는 커패시터) 들을 테스트하는 것에 엄격하게 제한되지 않고, 수동 소자 (passive elements) (예를 들어, 저항성 필름) 들을 테스트하기 위해 사쉐를 사용하는 것도 가능하다. 실제로, 압력이 가해지는 중에 전압/전류가 측정될 수도 있는 임의의 디바이스를 정확히 테스트하기 위해 이를 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 사쉐는 압력, 온도, 시간, 전압, 전류의 함수로서 크립 (creep) 또는 팽창 (expansion) 을 정확히 모니터링하기 위해, 그리고 압력, 온도, 시간, 전압, 전류의 함수로서 샘플들의 강도 (stiffness) 를 평가하기 위해 사용될 수 있다.
본원에 개시된 사쉐의 다른 장점들은 샘플들이 완전히 환경적으로 밀봉된 사쉐 내에서 구성되어, 오염 없는 전기화학적 테스트를 가능하게 하는 것; 환경적으로 민감한 샘플들이 산소 없는 환경 (예를 들어, 글로브 박스) 내에 구성될 수 있고 글로브 박스 외부로 테스트를 위해 제거될 수 있는 것; 사쉐의 낮은 제조 비용은 개별적인 "쓰고 버릴 수 있는" 샘플들의 생성 및/또는 기록적 목적, 향후 테스트 등을 위한 장기간 저장이 가능하도록 하는 것; 그리고 샘플들이 기록을 위하거나 카탈로그를 위한 목적으로 마크되고 저장될 수 있는 것이다.
도 1 은 테스트 기구의 좌측면을 도시한다.
도 2 는 도 1 의 테스트 기구의 우측면으로부터의 부분 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b 는 도 1의 테스트 기구의 정면으로서, 부분 단면도로부터 보다 정확하게 연관된 내부 특징들을 드러낸다.
도 4 는 도 1 에 도시된 테스트 기구의 일부인 플랫폼을 도시한다.
도 5 는 대안적인 프로브 헤드 디자인을 도시한다.
도 6 은 완전히 개방된 위치에서의 사쉐를 도시한다.
도 7 은 도 6 의 사쉐의 닫힌 구성을 도시한다.
도 8 은 상기 개시된 테스트 기구들을 포함하는 테스트 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 테스트 기구의 우측면으로부터의 부분 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b 는 도 1의 테스트 기구의 정면으로서, 부분 단면도로부터 보다 정확하게 연관된 내부 특징들을 드러낸다.
도 4 는 도 1 에 도시된 테스트 기구의 일부인 플랫폼을 도시한다.
도 5 는 대안적인 프로브 헤드 디자인을 도시한다.
도 6 은 완전히 개방된 위치에서의 사쉐를 도시한다.
도 7 은 도 6 의 사쉐의 닫힌 구성을 도시한다.
도 8 은 상기 개시된 테스트 기구들을 포함하는 테스트 시스템의 블록도를 도시한다.
본원에 개시된 테스트 시스템은 테스트 기구 (100, 도 1 에 도시), 및 테스트 기구 (100) 에 잘 들어맞고 전기적 속성들이 테스트되는 상이한 전기화학적 재료들을 홀딩하는, 특별히 디자인된 샘플 홀더 또는 사쉐 (500, 도 6 에 도시) 를 포함한다.
테스트 기구
도 1 을 참조하면, 테스트 기구 (100) 는 그 전기적 특성들의 측정 동안의 샘플에 적용되는 압력 및 샘플의 온도를 제어할 수 있다. 테스트 샘플의 전기적 특성들이 측정되는 동안 그것은 일정한 압력 하에서 유지됨에 따라 테스트 샘플의 물리적 팽창을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 측정들 동안의 테스트 샘플의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 그리고, 전기적 테스트 동안 그 두께는 일정한 값으로 제한됨에 따라 테스트 샘플에 의해 생성되는 압력이 측정 가능하다.
테스트 기구 (100) 는 절삭 알루미늄 서포트 플랫폼 (104) 상에 장착된 절삭 알루미늄 바디 (102) 를 포함한다. 바디 (102) 는 구동기 (106) 의 작업단에 부착된 프로브 헤드 (108) 의 상하 이동을 제어하는 선형 구동기 (106) 에 대한 서포트를 제공한다. 구동기 (106) 는 서포트 플랫폼 (104) 을 향해 아래로 연장되는 그것의 구동기 축 (112) 과 함께 바디 (102) 의 상면을 향해 돌려서 조여진다. 프로브 헤드 (108) 는 구동기 축 (112) 상으로 돌려서 조여지고, 동작 동안 테스트 샘플 (미도시) 에 접촉하는 그 최저단 상의 편평한 작업면 (114) 을 가진다. 구동기 (106) 는 테스트 동안 서포트 플랫폼 (104) 상의 편평한 우묵 들어간 (recessed) 영역 (110) 에 위치한 샘플 (미도시) 에 제어된 힘/압력을 가하기 위해 사용된다. 구동기 (106) 의 세로 축이 우묵 들어간 영역 (110) 의 평면에 수직이고, 구동기 (106) 의 작업단 상에 조립되었을 때 프로브 헤드 (108) 의 작업 표면 (114) 이 우묵 들어간 영역 (110) 의 편평한 표면에 평행한 것이 확실하도록 주의된다. 이는 테스트 샘플에 적용되는 힘/압력이 샘플의 접촉 영역에 걸쳐 균일함을 보장하기 위한 것이다.
개시된 실시예에서, 선형 구동기는 에어팟 코포레이션 (Airpot Corporation) 의 공기 베어링 실린더인 에어펠 안티-스틱션 (Airpel Anti-Stiction®) 이다. 이는 그 낮은 마찰력에 기인하여 매우 높은 정확도의 힘 제어가 가능한 공압식 구동기이다. 이는 피스톤과 유리 실린더 사이의 공기 베어링을 가지는, 그라파이트 (graphite) 피스톤 및 붕규산 (borosilicate) 유리 실린더를 포함한다. 단지 몇 그램 정도로 낮은 힘과 0.2 psi 보다 낮은 압력에 응답할 수 있다. 공기 실린더에 의해 적용되는 힘은 실린더로 공급되는 공기의 압력의 알려진 함수이다. 따라서, 인라인 압력 (inline pressure), 아날로그 출력 센서와 함께 공기 압력을 모니터링하는 것에 의해, 테스트 샘플에 프로브 헤드가 적용하는 힘/압력을 쉽게 결정할 수 있다.
예를 들어, "제어된 바늘 없는 전송 (Controlled Needle-Free Transport)" 이라는 명칭의 본원에 참조로서 병합된 U.S. 7,833,189 에 개시된 유형의 전자기 로렌츠-힘 구동기들과 같은, 구동기들의 다른 유형들이 또한 사용될 수 있다. 그러나, 수행되어야 할 수도 있는 테스트들의 민감성을 고려하면, 일반적으로 낮은 마찰력을 가지는 이러한 유형의 구동기들을 사용하는 것이 바람직하다. 정밀 공기 베어링 실린더의 사용은 많은 대안들에 대해 장점들을 가진다. 이는 전통적인 선형 엘리먼트들과 전형적으로 연관된 마찰력을 최소화한다. 결국, 감소된 마찰력은 두께 측정의 정확성을 최대화하고 디바이스의 민감도 및 동적 범위를 최적화한다. 또한, 장기간의 테스트들은 일반적으로 일정하고 균일한 힘 적용을 달성하기 위해 일정한 에너지 입력 (즉, 전력) 을 요구하지 않으므로, 공압 구동기들의 사용으로부터 이득을 얻는다. 고 대역폭 또는 큰 동적 범위를 가지는 단기간의 테스트들은 로렌츠 힘 구동기들로부터 이득을 얻을 수 있다.
만약 여기서 개시되지 않은 구동기가 사용되면, 테스트 기구는 또한 프로브 헤드 및 구동기 축 사이에 선택적으로 위치하는 분리된 힘 센싱 디바이스를 포함할 필요가 있을 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 부차적인 공기 베어링 서포트 엘리먼트 (116) 는 구동기 (106) 의 출력단에 위치한다. 이것은 우묵 들어간 영역 (110) 의 평면에 수직으로 정확히 정렬되도록 축 (112) 을 유지하기 위하 적거나 없는 마찰력을 가지는 축 (112) 을 위한 오프-액시스 (off-axis) 강도를 제공한다. 구동기 (106) 의 맨 위는 이를 통해 구동기 (106) 로 가압된 공기가 공급되는 입력 포트이다. 이 입력 포트는 그 위로 공급 라인 (미도시) 의 부품이 관통되는 관통 부분을 가진다.
프로브 헤드 (108) 는 구동기 축 (112) 을 둘러싸는 그것의 상면 상의 마그네틱 링 (120) 을 포함하고, 여기서 프로브 헤드 (108) 의 맨 위로 돌려서 조여진다. 또한, 프로브 헤드 (108) 는 그것의 맨 위의 앞 쪽 영역으로부터 멀어지게 확장하고 위치하는 리프트 암 (122) 을 포함한다. 리프트 암 (122) 은 우묵 들어간 영역 (110) 으로 새로운 테스트 샘플을 삽입하거나 우묵 들어간 영역 (110) 으로부터 테스트 샘플을 제거할 필요가 있을 경우 수동으로 프로브 헤드 (108) 를 들어올리기 위한, 또는 테스트 샘플이 삽입된 이후 프로브 헤드 (108) 을 수동으로 내리기 위한 쉬운 방법을 테스트 기구 (100) 의 작동자에게 제공한다. 링 마그넷 (120) 은 이러한 동작들이 수행되는 동안 프로브 헤드 (108) 를 그 상방 위치에서 유지한다.
테스트 기구 (100) 는 또한 프로브 헤드 (108) 의 뒤 쪽 가까이에 바디 (102) 상에 장착된 광학 센서 어셈블리 (124) 를 포함한다. 광학 센서 어셈블리 (124) 는 프로브 헤드 (108) 의 후면 상에 장착된 스케일 (128) 상의 마킹들을 검출하는 판독 헤드 센서 (126) 를 포함한다. 개시된 실시예에서, 광학 센서 어셈블리 (124) 는 레니쇼우 (Renishaw) 에 의해 만들어진 토닉 (TONiC™) 이다. 이것은 최대 10 m/s 의 속도 및 최저 1 nm 의 해상도를 제공하는 매우 캠팩트하고 비접촉식인 광학 인코더이다.
프로브 헤드 (108) 상에 장착된 스케일 (128) 의 움직임을 검출하는 것에 의해, 광학 센서 어셈블리 (124) 는 테스트 샘플에 대한 측정들을 수행할 때의 프로브 헤드 (108) 의 절대 위치를 정확하게 측정하기 위한 방법을 제공한다. 그리하여, 테스트 샘플로 전력이 전달되고 있을 때 또는 그것이 방전되고 있을 때 만약 샘플이 팽창 (swell) 하면, 광학 센서 어셈블리 (124) 를 이용하여 정확한 팽창량이 측정될 수 있다. 추가적으로, 제어기의 도움으로, 프로브 헤드에 의해 샘플로 적용되고 있는 압력은 변화하여 테스트 샘플의 두께를 일정한 최대값으로 제한할 수 있다.
예를 들어, 용량성 프로브 센서들 및 마그네틱 위치 센서들을 포함하는 광학 센서들 이외의 대안적인 센서들이 또한 사용될 수 있다.
바디 (102) 의 후면 상에 장착된 것은, 외부 제어 하에서, 구동기 (106) 로의 공기 압력의 공급을 켜고 끄는 솔레노이드 (130) 이다. 이것은 공기 공급 라인 (미도시) 이 연결되는 입력 포트 (132), 구동기 (106) 의 입력 포트 (118) 에 연결된 라인 (미도시) 이 부착된 출력 포트 (134), 및 솔레노이드를 작동하기 위한 전력 입력 (135) 을 가진다.
도 1 및 도 4 를 참조하면, 온도 제어의 목적으로, 플랫폼 (104) 은 테스트 샘플들이 테스트를 위해 삽입되는 우묵 들어간 영역 (110) 의 바로 아래에 한쪽 면으로부터 다른 쪽으로 확장하는 3 개의 플로우 채널들 (132) 을 가진다. 각 플로우 채널 (132) 의 각각의 끝단은 관통된 부품 (미도시) 이 플랫폼으로 돌려서 조여지도록 하는 관통 부분 (134) 이다. 플랫폼 (104) 의 한쪽 면 상에, 각 채널 (132) 로의 개구부를 둘러싸는 우묵 들어간 영역 (136) 이 존재한다. 이러한 우묵 들어간 영역 (134) 은 오-링 (O'ring) 실들 (미도시) 을 수신하기 위한 것이다. 테스트 기구의 동작 동안, 플랫폼 (104) 의 온도를 제어하고 그에 따라 플랫폼 상에 놓여 있는 디바이스의 온도를 제어하기 위해 가열되거나 냉각된 물이 이러한 채널들 (132) 을 통해 흐른다.
도 3b 및 도 4 를 참조하면, 플랫폼 (104) 은 뒤를 통하여 뚫리고 중간 플로우 채널 (132) 및 우묵 들어간 영역 (110) 의 중간 사이의 위치로 확장하는 채널 (160) 을 포함한다. 온도 센싱 디바이스 (161) (예를 들어, 서미스터 (thermistor), 저항성 온도 검출기들, 온도제어형 구조체(thermo pile) / IR - 비접촉) 는 우묵 들어간 영역 (110) 아래의 위치에서 채널 (160) 내에 위치한다. 이러한 디바이스는 온도 센싱 및 제어를 위해 사용된다.
가열 또는 냉각 매니폴드 어셈블리에 특히 관련된 테스트 기구의 디자인은 단지 그것이 단독으로 동작되거나 다른 테스트 기구들의 임의의 개수와 함께 무리를 이루어 동작되는 것이 가능하도록 개시된다. 테스트 기구가 어떻게 설정 (즉, 단독으로, 또는 다른 테스트 기구들과 함께 무리를 이루어) 되는지 여부에 따라, 적절한 부품들이 플로우 채널 (132) 의 끝단의 관통 영역들로 돌려서 조여진다. 만약 테스트 기구가 단독 유닛으로서 설정되면, 온도 제어 시스템의 물 라인으로의 연결을 형성하기 위한 부품들이 관통 부분 (134) 으로 돌려서 조여진다.
만약 테스트 기구가 어레이의 일부로서 설정되면, 그들은 서로 정렬하여 그들의 측면이 인접하고 플로우 채널들이 서로 정렬되도록 한다. 이러한 구성에서, O-링들은 플로우 채널 (132) 주위의 우묵 들어간 영역 (136) 에 삽입된다. 하나의 유닛이 이웃 유닛에 대하여 인접하면, O-링은 이웃 유닛의 플랫폼의 측벽에 접촉하고 매니폴드 밖으로 새어나가는 유체를 방지하는 실 (seal) 을 형성한다. 복수의 유닛들은 정렬되어 있는 복수의 테스트 기구들의 정렬 홀 (146, 도 1 참조) 에 삽입되는 관통 단을 가지는 로드 (미도시) 에 의해 서로 유지된다. 이러한 관통 로드들의 끝단의 너트들은 유닛들을 단단히 함께 하도록 힘을 가하도록 조여지고 따라서 O-링들은 이웃 유닛들 간의 접촉면에서 플로우 채널들 내의 양호한 실을 형성한다. 이러한 방법으로, 큰 덩어리를 이루는 병렬의 디바이스들의 테스트를 위한 테스트 기구들의 큰 클러스터들의 설정이 가능하고, 따라서 복잡한 합성 시스템들의 보다 신속한 표준화 및 실험이 가능하다. 또한, 개별적인 테스트 디바이스들은 쉽게 추가되거나 제거될 수 있다.
위에서 개시된 가열/냉각 매니폴드에 대한 대안으로서, 플랫폼 (104) 상의 우묵 들어간 영역 (110) 내에 장착되는 개별적인 가열 엘리먼트 (예를 들어, 펠티에 디바이스들 또는 저항성 히터들) 을 대신 사용할 수 있다. 만약 이러한 접근이 사용되면, 보다 열적으로 전도성인 플랫폼으로의 열 손실을 감소시키기 위해 가열 엘리먼트들과 플랫폼 사이에 절연체들을 배치하는 것이 적절할 수 있다. 추가적으로, 온도 센서들은 테스트 디바이스의 온도를 정확히 모니터링하기 위해 가열 엘리먼트들 위에 또한 배치될 수 있다. 개별적인 히터들을 사용함으로써, 디바이스의 온도가 변화할 수 있는 속도는, 물 및 플랫폼들 (훨씬 높은 열용량 (thermal mass) 을 나타냄) 의 온도가 변화될 필요가 있는 매니폴드 접근과 비교할 때 훨씬 높다.
테스트 기구 내의 테스트 샘플들로의 전기적 접촉을 형성하기 위해, 바디 (102) 의 한쪽 면에 장착된 접촉기 어셈블리 (138) 가 존재한다. 접촉기 어셈블리 (138) 는 그 바닥 쪽에 부착된 POGO LC 접촉기들 (144) 의 2x8 어레이를 포함한다. 접촉기들의 패턴 및 공간은 테스트 샘플 상의 접촉 패드들의 패턴 및 공간과 동일하고, 하기에서 더욱 구체적으로 개시된다. 위치 (144, 도 3 참조) 에서 바디 (102) 로 돌려서 조여지는 볼트 (142) 는 접촉기 어셈블리 (138) 가 접촉기들을 위로 또는 아래로 피벗 (pivot) 할 수 있는 축을 제공한다. 접촉기 어셈블리로부터 위로 확장되는 것은 작동자가 볼트 (142) 에 의해 확립되는 피벗에 대해 유닛을 수동으로 회전시키고 그럼으로써 접촉기들을 위로 올리거나 아래로 내리기 위해 사용하는 레버 암 (140) 이다. 포고 (pogo) 핀들은 접촉기 어셈블리가 제 위치를 향해 하향되었을 때 접촉 패드들과 양호한 접촉을 확립할 수 있도록 토션 스프링들에 의해 사전 하중이 적절히 가해진다.
대안적인 디자인의 프로브 헤드 (108') 가 도 5 에 도시된다. 이는 임의의 방향으로 적은 양 만큼 쉽게 기울어질 수 있어서 평행한 상단 표면을 가지지 않을 수도 있는 샘플들을 수용할 수 있는 접촉 표면 (114')을 가지는 이점이 있다. 이러한 기울임 능력은 테스트 샘플의 표면에 대해 적용된 압력의 보다 균일한 분포를 보장한다.
대안적인 프로브 헤드 (108') 는 테스트 하에서 샘플에 접촉하는 하부 표면 (114') 을 가지는 접촉 프로브 (162) 를 둘러싸는 하우징 (160) 을 포함한다. 하우징 (160) 은 하우징의 외부로 확장 (이는 테스트 샘플이 접촉하는 부분) 하는 접촉기 프로브 (162) 의 아래 부분의 작은 부분을 제외하고, 접촉기 프로브 (162) 가 대부분 수용되는 빈 (hollow) 영역을 가진다. 그 위쪽 단에는, 접촉기 프로브 (162) 의 최상단을 수용하는 구멍이 존재한다. 접촉기 프로브 (162) 의 하부 표면 (114') 은 편평하고 원형이다. 접촉기 프로브 (162) 의 상부 단은 원통 형상이고 하우징 (160) 내의 구멍에 들어맞는다. 편평한 바닥 표면과 원통 형상의 상부 단 사이에서, 접촉기 프로브는 콘 형상이고 좁은 직경의 목으로 가늘어지고 (taper down) 다시 원통 형상의 상부 단의 직경으로 굵어져서 (taper back out) 단단한 원뿔 형상의 만곡 영역 (conical flexure region)을 형성한다. 접촉기 프로브가 원통형에 맞는 하우징 (160) 내의 개구부는 프로브 헤드 (108') 의 편평한 원형 표면의 직경보다 약간 작은 내부 직경을 가지고, 그 부근의 프로브 헤드의 테이퍼진 부분의 각도와 동일한 각도를 가지는 사선의 (beveled) 모서리를 가진다. 좁은 원뿔 형상의 만곡 영역 (166) 은 헤드가 쉽게 굽혀지고 프로브 헤드가 테스트 하의 샘플의 맨 위의 임의의 약간의 기울어짐을 수용하기 위해 충분한 양만큼 축에서 벗어나는 방향으로 기울어지는 것을 허용할 수 있도록 충분히 얇다. 그러나 가장 좁은 부분의 직경은 프로브 헤드가 버클링 (buckling) 또는 변형 (deforming) 없이 샘플을 테스트하기에 바람직한 최대한의 힘을 전달하는 것을 가능하게 함에 충분히 크다.
사쉐
도 6 을 참조하면, 사쉐 또는 샘플 홀더 (200) 는 특정 디바이스 화학의 성능을 테스트하기 위해 용이하게 셀들을 집합시킬 수 있도록 한다. 테스트되는 재료들은 샘플 홀더 (500) 에 놓여지고, 도 7 에 도시된 밀봉된 패킷 또는 셀을 형성하기 위해 맞물려 접히며, 그 밀봉된 패킷은 전기적 테스트들의 어레이를 수행하기 위해 테스트 기구 상에 놓여진다.
샘플 홀더 (200) 는, 외부 환경 엘리먼트들에 의한 오염을 방지하는 반면에 테스트 하의 재료들의 동적 움직임들을 허용하는 가요성 (flexible), 높은 불침투성 (impermeable), 소수성 (hydrophobic) 의 사쉐 재료 (202) (폴리이미드, 또는 PET/마일러로 알려진 캡톤 (Kapton)) 로부터 구성된다. 그것은 힌지 (206) 에 의해 분리되는 두 대칭적인 부분들 또는 날개들 (204a 및 204b) 를 가진다. 개시된 실시예에서, 힌지 (206) 는 천공들에 의해 정의된 선을 따라 필름이 더욱 쉽게 접힐 수 있도록 하는 필름 (202) 을 통하는 작은 구멍들 또는 천공들의 선형 시퀀스들에 의해 형성된다. 날개들 중 하나 상의 접촉 패드 탭 (208) 을 제외하고, 샘플 홀더 (200) 의 날개들 (204a 및 204b) 은 동일한 형상과 크기를 가짐으로써 그들이 서로를 향해 접혔을 때, 그들은 서로 정렬하고 대응한다.
도시된 실시예에서, 각각의 날개들 (204a 및 204b) 의 외부 둘레는 "U" 형상의 바닥을 나타내는 휘어진 부분을 잇는 평행한 반대쪽들을 가지는 "U" 형상을 가진다. 휘어진 부분의 외부 둘레는 원의 부분 (segment) 이다. 테스트 기구 (도 4 를 참조) 의 플랫폼 (104) 의 우묵 들어간 영역 (110) 의 형상 및 크기는 접촉기 어셈블리와 함께 적절히 정렬된 탭을 가지는 테스트를 위한 정확하고 반복 가능한 위치 내에 사쉐를 유지할 수 있도록 조립된 사쉐의 그것과 동일함에 주목한다. 물론, 동일한 목적을 달성하는 사쉐에 대한 다른 형상들도 역시 가능하다.
각각의 날개 (204a 및 204b) 상에 날개의 휘어진 외부 둘레와 일치하는 외부 둘레와 중심 영역을 완전히 둘러싸는 환형 (annular) 영역 (210a 및 210b) 이 존재한다. 환형 영역 (201a 및 210b) 은 필름 (202) 이 힌지 (206) 에 대하여 서로 접힐 경우에 서로 완전히 정렬하고 대응하도록 배열되고 크기를 가진다. 각 날개 상의 전체 환형 영역에 적용된 것은 릴리즈 재료 (212) 의 링에 의해 커버된 압력 민감성 접착제 (pressure sensitive adhesive, PSA) 이다. 개시된 실시예에서, 접촉 접착제는 아크릴 기반의 3M 467MP 압력 민감성 접착제이다. 릴리즈 재료 페이퍼의 링은 테스트 샘플이 조립동안 보다 쉽게 핸들링될 수 있도록 하고 임의의 외부 객체들이 접착제에 부주의에 의해 접착되는 것을 방지한다.
대안적인 밀봉 방법이 역시 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 용접 (ultrasonic welding) 을 통한 가열 밀봉이 하나의 가능성이다. 또는 다른 유형의 접착제가 사용될 수 있다. 선택은 사쉐 내에서 테스트될 재료들 및 급속하게 조립되어야 할 필요성 및 사쉐가 환경적으로 반드시 밀봉되어야만 하는 정도에 다소 의존할 수 있다.
각 환형 영역 (201a 및 210b) 의 중심 내부는 환형 영역을 가지는 공통 축으로 정렬된 큰 원형의 접촉 전극들 (214a 및 214b) 이다. 접촉 전극들 (214a 및 214b) 은 접촉 패드를 둘러싸고 이를 환형 영역으로부터 분리하는 링 영역 (216a 및 216b) 을 제외하고 환형 영역의 내부 중심 영역의 대부분을 커버한다.
날개들 (204a) 의 하나의 측면으로부터 멀어지도록 확장하는 탭 (208) 은 각각의 열 (row) 내에 8 개의 접촉 패드들을 가지는 두 개의 평행한 열을 포함한다. 넓은 전도성 트레이스 (220) 는 접촉 패드들 (218) 중 네 개를 중심 접촉 전극 (214a) 에 연결하고 또 다른 넓은 전도성 트레이스 (222) 는 접촉 패드들 (218) 중 다른 네 개를 중심 접촉 전극 (214b) 에 연결한다. 넓은 접촉성 트레이스 (220 및 222) 에 추가하여, 하나는 접촉 패드 (208) 을 전극 (214a) 에 연결하고, 다른 것은 다른 접촉 패드 (218) 를 전극 (214b) 에 연결하는, 두 개의 좁은 전도성 트레이스들 (224 및 226) 이 존재한다. 넓은 전도성 트레이스 (220 및 222) 는 전극 (214a 및 214b) 에 전력을 공급하기 위한 것이고, 이것이 이러한 전도성 트레이스들이 넓은 이유이다. 그들은 큰 전류를 운반할 것이므로, 그들의 저항은 접촉 패드들 (218) 및 전극들 (214a 및 214b) 사이의 과도한 전압 강하 및 가열을 야기하는 것을 방지할 수 있도록 낮을 필요가 있다. 좁은 전도성 트레이스 (224 및 226) 는 대응하는 전극들의 전압을 측정하기 위한 센싱 트레이스로서 동작한다. 그들은 매우 작은 전류를 운반할 것이므로, 쉽게 알아볼 수 있는 전압 강하는 존재하지 않을 것이고, 그들은 따라서 더 좁아질 수 있다.
도시된 실시예 내에서 6 개의 개수와 동일한, 사용되지 않은 접촉 패드들은 포함하기를 원할 수도 있는 디바이스 구조 내의 다른 내장된 센서들을 연결하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 목적으로, 개시된 예시 내에서, 두 개의 접촉 영역 (230 및 232) 이 링 (216a) 에 포함되고 하나의 접촉 영역 (234) 이 링 (216b) 에 포함된다. 이러한 접촉 영역들은 결국 전기 전도성 트레이스들을 통해 탭 (208) 상의 대응하는 패드들로 연결된다. 두 개의 링 (216a 및 216b) 의 개방 영역 내의 접촉 영역들은 다른 내장된 센서들이 연결될 수 있는 지점을 제공한다. 이러한 사전 배선 (pre-wired) 된 참조 전극 트레이스들을 사용함으로써, 다양한 참조 엘리먼트들 (예를 들어, 은, 백금, 금, 구리, 등) 의 부착; 많은 다양한 샘플 유형들의 구성; 및 동일한 테스트 장치들, 전자 기기들 및 사쉐를 이용한 다양한 전기 화학적 테스트 프로토콜들/절차들 (예를 들어, 사이클릭 볼타메트리 (cyclic voltammetry), 정전류식 (galvanostatic) 측정, 정전위 (potentiostatic) 측정, 임피던스 분광 (impedance spectroscopy) 등) 의 구현이 가능하다. 예를 들어, 눈금을 매긴 (calibrated) 트레이스의 저항 측정을 통해 사쉐 온도의 측정이 가능하고, 이 경우 탭 (208) 상의 접촉 패드들 (218) 중 두 개는 눈금을 매긴 트레이스의 양 끝단을 연결하기 위해 사용될 수 있다.
밀봉된 패킷 내부의 테스트 재료를 가지는, 조립된 사쉐가 테스트 기구로 삽입되었을 때, 탭 (208) 및 접촉 패드들 (218) 은 테스트 기구의 접촉기 암 어셈블리 (138) 상의 접촉기 (144) 와 정렬하여, 외부 테스트 회로로 하여금 테스트 디바이스 및 테스트 디바이스에 병합되는 임의의 센서들과 통신할 수 있도록 한다.
개시된 실시예에서, 전극들 및 리드 (lead) 들은 전해질 구리로 만들어지고, 무전해 (electroless) 니켈 도금되며 이어서 낮은 저항, 낮은 부식, 낮은 오염, 높은 순도의 연질 금으로 전기 도금된다. 금속 영역들은 임의의 개수의 상이하고 잘 알려진 기법들을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 그들은 ENIG (the Electroless Nickel Immersion Gold process) 를 사용하여 제조될 수 있다. 또는 연질 금 전기 도금을 사용할 수도 있다. 이러한 기법들의 양쪽 모두는 니켈 층 상에 형성된 금 층을 포함한다.
대안적으로, 접촉들은 알루미늄과 같은 다른 금속들로부터 제조될 수 있다. 재료의 선택은 테스트를 위해 사쉐 상에 놓여지는 재료의 화학적 성질, 특정 화학적 성질에 노출되었을 경우 다른 것들에 비해 파손 (degradation) 및/또는 부식에 더 저항력이 있는 어떤 재료들에 의존할 수 있다.
테스트 샘플의 결합체는 직접적 (straightforward) 이고 단순하다. 그들의 접히지 않거나 개방된 위치 내의 날개 (204) 로, 릴리즈 필름은 접착 영역들로부터 제거된다. 이어서, 테스트될 재료들은 전극들 중 하나에 적용된다. 디바이스 구조가 완전히 조립되었을 때, 내부에 포함된 디바이스를 가지는 밀봉된 패킷을 형성하기 위해 하나의 날개는 접는 선을 따라 다른 날개 위로 접힌다. 천공된 접는 선의 사용은 특별한 지그 (jig) 또는 전극 패드들의 정렬을 위한 절차 없이도 반복 가능하고, 빠른 샘플들의 조립을 가능하도록 한다.
사쉐는 테스트 샘플 재료 상의 밀봉 링에 의해 발휘되는 압축하는 힘을 최소화하기 위한 목적을 가지고 디자인될 수 있다. 예를 들어, 필름의 순응도 (compliance), 전극 (또는 샘플 영역) 에 대한 접착 영역의 엣지 (edge) 로부터의 거리, 및 접착 영역와 전극 사이에 심 와셔 (shim washer) 엘리먼트가 포함될 가능성은 전부 샘플의 바람직하지 않은 비-평면 비틀림 (distortion) 을 예방하거나 감소시키기 위해 사용될 수 있는 디자인 파라미터들 또는 특징들이다.
사쉐들을 제조하기 위한 절차는 전통적이고, 상업적으로 이용 가능한 기법들을 이용한다. 일반적으로, 상이한 층들의 스택 (stack) 은 함께 조립되고 접착된다. 제 1 유전체 층 (예를 들어, 폴리이미드 층), 이어서 접착층, 전도성 트레이스들의 층, 이어서 또 다른 접착층, 및 최상단에 최종 유전체 층을 가지는 엔딩 (ending) 이 존재한다.
개시된 실시예에서, 사쉐는 접촉 접착 (contact adhesive) 의 하나의 링을 양쪽 날개들에 도입하여 밀봉을 형성하고 두 개의 날개들을 함께 고정한다. 그러나 특정 환경 아래에서, 특히 테스트 하의 샘플 내에서 사용될 수도 있는 어떤 전해질에 노출되었을 때 이것은 충분한 밀봉을 제공하지 않을 수도 있다. 두 날개를 함께 밀봉하는 더욱 견고하고 더욱 항구적인 방법은 중심을 공유하는 (concentric) 접착제의 2 개의 링들을 사용하는 것이다. 내부 링은 아마도 열 또는 UV 를 사용하여 경화하는데 시간을 소요하는 에폭시를 사용하는 반면, 외부 링은 상기 개시한 접착 재료를 사용한다. 외부 링은 에폭시가 경화하는 동안 어셈블리를 함께 유지한다. 에폭시 링은 접착제를 전해질에 노출되는 것으로부터 보호하고 그것이 경화된 이후에는 두 날개를 함께 유지하는 강력한 접착과, 전해질 그리고 또한 증발 (evaporation) 및/또는 산소 또는 다른 기체의 침투에 의한 파손 (degradation) 에 더욱 저항력이 큰 것 양쪽 모두를 제공한다.
선택적으로, 사쉐는 또한 후면에 적용된 마킹 코팅을 포함하여 테스트 운영자가 그 특정한 테스트 디바이스에 연관된 다른 관련 정보 및 식별 정보를 기록할 수 있는 영역을 제공할 수 있다.
도 8 을 참조하면, 본원에 표시된 아이디어들에 따라서 구성된 테스트 기구 (800) 를 포함하는 완전한 시스템은, 테스트 기구 내의 공기 실린더를 작동시키기 위한 공기 공급부 (802) (또는 압축된 기체의 소스), 공기 실린더에 의해 테스트 샘플에 적용되는 힘을 차례로 제어하는 공기 실린더로의 공기의 흐름을 조절하는 흐름 제어기 (804), 테스트 기구 (800) 에 의해 테스트 샘플에 적용되는 힘을 측정하기 위한 압력 센서 (806), 및 테스트 기구 (800) 로의 기체의 흐름을 켜고 끄기 위한 솔레노이드 (808) 를 포함한다.
시스템은 또한 테스트 동안 테스트 샘플이 놓여 있는 테스트 기구 플랫폼에 공급되는 유체 (예를 들어, 물) 의 온도를 제어하기 위한 가열/냉각 (heating/cooling) 시스템을 포함한다.
바람직한 전기적 측정들을 수행하기 위해, 전기적 테스트 장비 (812) 의 랙 (rack) 이 존재한다. 이것은 예를 들어, 디바이스 커패시턴스, 저항, 에너지 입력/출력, 쿨롱 효율 (Coulombic efficiency), 에너지 밀도, 전력 밀도, 고유 에너지 (specific energy), IR 강하, IR 게인, 전류 밀도 등과 같은 수행될 전기적 측정들의 유형에 대해 적절한 다른 측정 기구들 뿐만 아니라 테스트 하의 디바이스에 전력을 공급하기 위한 전력 공급부 (power supply) 를 적어도 포함한다. 전기적 테스트 장비는, 결국, 테스트 하의 디바이스에 전기적 연결을 제공하는 접촉기 어셈블리에 와이어들을 통해 전기적으로 연결된다.
시스템 제어기 (814) 는 흐름 제어기 (804), 솔레노이드 (808), 가열/냉각 시스템 (810) 및 전기적 테스트 장비 (812) 의 동작을 제어한다. 이것은 프로그래밍된 제어 하의 자동적인, 또는 운영자의 수동 제어 하의 다양한 테스트들을 실행하고, 관련 동작 조건들 (예를 들어, 온도, 압력) 과 함께 획득된 데이터를 로컬 메모리 (816) 에 저장한다.
공기 공급부 (802), 흐름 제어기 (804), 압력 센서 (806), 및 솔레노이드 (808) 는 힘 제어기 (force controller), 즉, 프로브 헤드에 의해 테스트 샘플에 적용되는 힘을 설정하고 제어하는 서브시스템을 이룬다. 만약 또 다른 유형의 구동기가 여기에 개시된 바와 같은 공기 실린더 대신에 사용되면, 이러한 컴포넌트들을 대체하기 위해 다른 컴포넌트들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 만약 로렌츠-힘 선형 구동기가 사용되면, 가변 전력 공급부 (variable power supply) (또는 전류 공급부) 가 공기 공급부 및 흐름 제어기를 대체할 수 있다. 그리고 힘 측정은 프로브 어셈블리에 병합되는 변형율 (strain) 게이지에 의해 달성될 수도 있다.
다른 실시예들은 하기의 특허청구범위 내에 포함된다. 예를 들어, 마이크로제어기 및 메모리 칩들이 사쉐에 포함됨으로써, 예를 들어, 그 테스트 이력, 그 재료 구성, 및 심지어 대량의 병렬적인 테스트 환경에서의 최적의 실험적 구현에 대한 피드백을 위한 데이터의 사용을 알 수도 있는 지능형 디바이스의 생성을 허용할 수 있다. 또한, 사쉐는 이미 조립된 테스트 샘플로 유체 (예를 들어, 전해질) 를 도입 및/또는 재도입하기 위한 격벽들 (septa) 을 포함할 수 있다.
Claims (6)
- 가요성 (flexible) 재료로 만들어지고, 제 1 중심 영역을 둘러싸는 제 1 둘레 영역을 가지는, 제 1 날개;
상기 가요성 재료로 만들어진 제 2 날개;
공통 경계를 따라 상기 제 1 및 제 2 날개를 연결하는 힌지;
상기 제 1 날개 상의 둘레 영역에 도포되는 접착 재료;
둘레 영역의 중심 영역 내의 제 1 날개 상에 형성되는 제 1 전기 전도성 전극;
상기 제 1 날개 상의 제 1 접촉 영역에 대향하고 일직선을 이루는 영역 내의 제 2 날개 상에 형성되는 제 2 전기 전도성 전극;
상기 제 1 및 제 2 날개 중 적어도 하나 상에 형성되는 접촉 패드들의 어레이;
제 1 전극에 상기 접촉 패드들의 어레이 중 하나 이상의 접촉 패드들의 제 1 그룹을 전기적으로 연결하는 제 1 전도성 트레이스; 및
제 2 전극에 상기 접촉 패드들의 어레이 중 하나 이상의 접촉 패드들의 제 2 그룹을 전기적으로 연결하는 제 2 전도성 트레이스를 포함하는, 사쉐 (sachet).
- 제 1 항에 있어서,
상기 힌지는 천공들의 열이 형성되어 있는 가요성 재료로 만들어진, 사쉐.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 날개는 제 2 중심 영역을 둘러싸는 제 2 둘레 영역을 가지고,
상기 제 2 날개 상의 상기 제 2 둘레 영역에 도포되는 접착 재료를 더 포함하는, 사쉐.
- 제 1 항에 있어서,
제 1 전극에 상기 접촉 패드들의 어레이 내의 접촉 패드들 중 하나를 연결하는 제 3 전도성 트레이스를 더 포함하고,
상기 제 3 전도성 트레이스는 상기 제 1 전도성 트레이스로부터 분리되어 있는, 사쉐.
- 제 4 항에 있어서,
제 2 전극에 상기 접촉 패드들의 어레이 내의 접촉 패드들 중 하나를 연결하는 제 4 전도성 트레이스를 더 포함하고,
상기 제 4 전도성 트레이스는 상기 제 2 전도성 트레이스로부터 분리되어 있는, 사쉐.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 둘레 영역은 중심 영역으로부터 분리되어 상기 제 1 중심 영역을 둘러싸는 제 1 중간 영역을 형성하고,
상기 사쉐는,
상기 제 1 중간 영역 내에 위치한 제 1 사전 배선 (prewired) 된 접촉 패드; 및
상기 제 1 사전 배선된 접촉 패드로 상기 접촉 패드들의 어레이의 접촉 패드들 중 하나를 전기적으로 연결하는 전도성 트레이스를 더 포함하는, 사쉐.
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