WO2019143067A1 - 열전쌍, 열전쌍의 본딩 툴, 전지 모듈, 열전쌍의 제조 방법, 및 열전쌍의 접합 방법 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a thermocouple, a thermocouple bonding tool, a battery module, a method of manufacturing a thermocouple, and a method of bonding a thermocouple.
  • a rechargeable or secondary battery differs from a primary battery in that it can only recharge and discharge repeatedly, from a chemical energy to an electrical energy only irreversibly.
  • a secondary battery of low capacity is used as a power source for small electronic devices such as a cellular phone, a notebook computer and a camcorder, while a secondary battery of a high capacity is used as a power source for a hybrid vehicle and the like.
  • the secondary batteries include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a case for accommodating the electrode assembly, and electrode terminals electrically connected to the electrode assembly.
  • the electrolyte solution is injected into the case of the secondary battery so that the secondary battery can be charged and discharged through the chemical reaction of the anode, the cathode and the electrolyte solution.
  • the shape of the case may be, for example, a cylindrical shape, a rectangular shape, or the like, depending on the use of the battery.
  • the secondary batteries may be used as a battery module formed of a plurality of unit battery cells coupled in series and / or in parallel, for example, to provide a high energy density as in the case of motor drive of a hybrid vehicle. That is, the battery module is formed to interconnect the electrode terminals of a plurality of unit battery cells according to an amount of power required to realize a high-power secondary battery (for example, for an electric vehicle).
  • the battery module may be configured in a block design or a module design manner.
  • each cell is coupled to a common current collector structure, and the cell management system and the unit are disposed within the housing.
  • a module design a plurality of battery cells are connected to form a submodule, and some submodules are connected to form a battery module.
  • Some or all of the battery management functions may be implemented at the battery module or submodule level, which may improve compatibility.
  • the one or more battery modules are mechanically and electrically integrated, have a thermal management system, and are configured to communicate with one or more electrical consumers to configure the battery system.
  • Static control of the power output and charge of the battery alone is not sufficient to meet the dynamic power demand of the various electrical consumers connected to the battery system.
  • continuous or intermittent information exchange is required between the battery system and the controller of the consumer.
  • the information exchanged between the battery system and the controller of the electrical consumer includes not only the actual / predicted power demand or surplus power of the electrical consumer, but also the state of charge (SoC), potential electrical performance, And an internal resistance.
  • SoC state of charge
  • the battery system includes a Battery Management System (BMS) for processing such information.
  • BMS Battery Management System
  • the temperature of the battery cell (or module) is one of the important parameters related to the state of the battery cell or module. Accordingly, a temperature sensitive device (sensor) is mounted in the battery module, and a signal output from the temperature sensitive device (sensor) is used to control the battery module or the thermal management system.
  • a variety of temperature sensors such as thermistor-based or thermocouple-based temperature sensors, that output a temperature-dependent electrical signal can be used in the battery module.
  • Such temperature sensors typically include a measurement probe in thermal contact with the target surface of the battery cell and / or module.
  • a measurement probe a spring-operated measurement probe for a PTC-based sensor, or a thermowell for a thermocouple-based sensor is used. Thermowell-based solutions for these thermocouples can delay temperature sensing due to delayed heat transfer.
  • thermocouple depends on the temperature range that is generally sensed and the environmental conditions in which the thermocouple is exposed. Industrial applications often use a coated thermocouple in which wires are embedded in a ceramic insulating material having a stainless steel or nickel alloy sheath surrounding the ceramic matrix. The coated thermocouple can be contacted with the target surface by using a thermowell or by bonding the coating to the target surface if the measurement contact is not grounded. There is also a junctionable connector for thermally contacting the thermocouple to the target surface.
  • Prior art related to thermally coupling a thermocouple measurement contact to a target surface is disclosed in U.S. Patent No. 4,659,898, U.S. Patent No. 3,939,554, U.S. Patent No. 5,141,335, and U.S. Patent No. 5,141,335.
  • thermocouples commonly applied in industrial applications do not bend well, so that the connections to the target surface, particularly the junction connections, are susceptible to damage or separation from the target surface. This can have an adverse effect on the thermal measurements obtained by the thermocouple and is closely correlated with the quality of the joining of the target to the target.
  • thermocouple In the field of automobiles where strong vibrations and shocks may occur during operation of the thermocouple, it is desirable to use a thermocouple with good elasticity. For example, as in Fig. 1, the use of a base thermocouple composed of pairs of exposed elastic wires is appropriate. However, these basic thermocouples have yet to be manually soldered onto the target surface, and the application is mainly limited to science or prototyping.
  • An object of the present invention is to provide an improved thermocouple capable of being mass-produced and stably connected to a target surface even under long-term vibration and impact, and a method for bonding the same.
  • thermocouple for temperature measurement comprising a first wire of a first metallic material and a second wire of a second metallic material different from the first metallic material.
  • the thermocouple includes a first section and a second section in the longitudinal direction of the thermocouple.
  • the first section of the thermocouple may be formed to flex elastically over the entire length of the first section.
  • the first and second wires are electrically insulated from each other.
  • the first wire and the second wire are connected to each other to form a measuring junction.
  • the joining of the first and second wires may be a weld connection or other type of connection, and the first and second wires may be in a twisted state.
  • a first layer of a thermally-conductive, electrically insulated first material may surround at least a portion of the second section.
  • the first layer of the first material is formed to at least surround the measurement contact, and the first material may surround the entire second section of the thermocouple.
  • a second layer of a second material that can be ultrasonically welded may surround at least a portion of the first layer.
  • the second material may be formed to surround at least the entire measurement contact, and may be a material different from the first material.
  • thermocouple can be easily used in the wire bonding apparatus according to the embodiment.
  • the welding connection between the thermocouple and the target surface may be accomplished by ultrasonically welding the second material to the target surface using the wire bonding apparatus.
  • the first layer of the first material may electrically isolate the measurement contact from the second material and the target surface.
  • the wire bonding apparatus is configured to bond the thermocouple to the target surface by replacing the wire coil with a magazine that accommodates at least one thermocouple, even with minor modifications to the capillary tool of existing wire- Can be used.
  • thermocouple by bonding the thermocouple to the target surface using the wire bonding device, good thermal contact can be made between the measurement contact and the target surface. Since the quality of the thermal contact greatly affects the measurement of the thermocouple, the use of the thermocouple providing good thermal contact can yield reliable measurement results.
  • thermocouple due to the elasticity of the first section, the thermocouple can be loaded and supplied to the wire bonding device without risk of breaking the wire or damaging the weld connection, and can be guided and arranged by the wire bonding device. Also, after welding connection is made through the second material, the free ends of the first and second wires (hereinafter referred to as " second ends ") are welded to the respective contact pads through the wire bonding device .
  • &quot second ends &quot
  • the thermocouple can be implemented from a basic elastic thermocouple (hereinafter, referred to as a 'basic thermocouple').
  • the first section of the base thermocouple comprises a pair of different wires insulated by an insulating material (e.g., a standard plastic cable insulation material), the second section comprising a plurality of wires And the pair of wires are connected to each other by welding, for example, to form the measuring contact.
  • the thermocouple is obtained by coating the second section of the base thermocouple with the first material, followed by coating with the second material.
  • the manufacturing cost of the basic thermocouple is low, the thermocouple can be manufactured at an efficient cost, and the thermocouple can be mass-produced.
  • the first and second wires of the thermocouple may be selected from the group consisting of a nickel-alloy thermocouple (E, J, K, M, N, or T type), a platinum / rhodium alloy thermocouple (B, R, or S type), a tungsten / (P-type), a platinum / molybdenum-alloy thermocouple, an iridium / rhodium-alloy thermocouple, a pure inactive metal (Au-Pt, Pt- Pd) thermocouple, or a scutellated thermocouple.
  • the materials that make up the thermocouple may be selected with respect to the temperature range of interest, the material parameters of the first and second materials, and the coating of the first and second materials.
  • the length of the first section may exceed the length of the second section in the longitudinal direction of the thermocouple.
  • the length of the first section may be at least five times (e.g., five times, ten times, fifteen times, twenty times, twenty-five times, etc.) of the length of the second section.
  • the layer thickness of the first layer may be from 0.5 mm to 5 mm, from 0.1 mm to 3 mm, or from 0.1 mm to 1 mm. Such a layer thickness of the first layer may be formed within a range that allows electrical insulation of the measurement contact without significantly reducing the thermal conductivity between the measurement contact and the target surface.
  • the layer thickness of the second layer may be between 50 ⁇ m and 1 mm, between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m, or between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the layer thickness of the second layer may be measured using a reliable and repeatable weld connection, e. G., A wedge bond or a ball bond, between the measurement contact and the target surface using the wire bonding device. As shown in FIG.
  • the low layer thickness of the second layer further contributes to a cost effective manufacturing process.
  • the first wire and the second wire may all have an overall diameter of 150 mu m to 3.5 mm, 300 mu m to 2 mm, or 500 mu m to 1 mm.
  • the thermocouple may have an overall diameter of 300 [mu] m to 14 mm, 400 [mu] m to 10 mm, or 500 [mu] m to 3 mm. Since the first and second wires and the thermocouple do not necessarily have to have a circular cross section, the total diameter of the first and second wires or thermocouples represents the maximum straight length across the cross-section deviating from the circle. Since the total diameter of the first and second wires and the thermocouple is small, the wire bonding apparatus can be used with minimal deformation, and can be widely used in commercial applications.
  • the first material is a plastic material and may be selected from the group consisting of polyethylene, polyimide, polyamide, polybutylene terephthalate, polypropylene, polyether ether ketone ), An epoxy resin, or a polyphenylene sulfide. These materials provide sufficient electrical insulation as well as satisfactory thermal conductivity. In addition, these materials can be provided in a variety of solid states, permitting uncomplicated application processes. In particular, polyimides provide thermal stability and good thermal conductivity over a wide temperature range.
  • the first material may comprise a thermally conductive filler, for example, graphite, carbon, sapphire, metal or ceramic particles.
  • the first material may be a ceramic compound having high thermal stability.
  • the first material may be magnesium oxide.
  • the second material may include at least one of gold, copper, and aluminum. Since these materials are standard materials used in wire bonding applications, high reliability can be provided in providing a weld connection by ultrasonic welding using the wire bonding device. As the second material, other materials capable of ultrasonic welding such as plastic materials and providing sufficient thermal conductivity may be used. The second material may be the same material as the material of the target surface to provide improved performance for adhesion via welding.
  • the first wire and the second wire of the thermocouple may have different lengths.
  • the thermocouple may have a Y-shape with two top leg lengths different.
  • the measurement contact may be provided, for example, by connecting a first end of the first wire and a first end of the second wire through a weld connection.
  • the wire bonding device for example, , Ball bonding or wedge joining.
  • thermocouple for temperature measurement.
  • the method of manufacturing a thermocouple is characterized in that the first wire made of a first metal material and the second wire made of a second metal material different from the first metal material are elastically broken, The first wire and the second wire are exposed and the first wire and the second wire are electrically connected to each other to form the measurement contact, Providing a base thermocouple comprising a second section; Embedding the second section in the first layer of the first material that is thermally-conductive and electrically insulated; And embedding at least a portion of the first layer in the second layer of ultrasonic weldable second material; Or the like.
  • thermocouple further comprises providing the base thermocouple, wherein providing the base thermocouple comprises: generating the base thermocouple, or providing the base thermocouple, including the features described above, And the like.
  • the base thermocouple comprises or consists of an insulated pair of wires forming the thermocouple, wherein in the second section of the base thermocouple the insulation of the pair of wires is removed and connected to each other to form the measurement contact .
  • the base thermocouple may be elastically bent at least a portion of the first section, for example, the entire first section.
  • the method of manufacturing the thermocouple may include a two-step coating process for the measurement contact, using a first insulating, but thermally conductive, material, and a second, ultrasonic bondable material. The thermocouple manufactured by the method of manufacturing the thermocouple can be easily bonded using the wire bonding apparatus.
  • the first material and the second material are coated only on the second section, in particular the measuring contacts, so that material cost and processing time can be reduced.
  • At least one of the first wire and the second wire in the first section may be surrounded by a plastic cable insulation material.
  • all of the first and second wires insulated by the plastic cable insulation material may be further surrounded by another plastic cable insulation material.
  • the first material is a plastic material, and may be made of a material selected from the group consisting of polyethylene, polyimide, polyamide, polybutylene terephthalate, polypropylene, poly A polyether ether ketone, an epoxy resin, or a polyphenylene sulphide.
  • the step of embedding the second section in the first layer comprises the step of immersing the second section in a melt or solution of the first material, And embedding the first layer in the first layer.
  • the step of embedding the second section in the first layer comprises the steps of: immersing the second section of the base thermocouple, or the measuring contact, in a melt or solution of the first material, And immersing the second section or the measurement contact, followed by evaporation of the solvent or solidification of the adhered melt to form the first layer of the first material.
  • the plastic material constituting the first material is polyimide, and the melt or solution of the first material may comprise a thermally conductive filler.
  • the step of embedding at least a portion of the first layer in the second layer of the second material comprises forming the first layer of the first material, And wrapping a thin foil made around the tip of the second section to fill at least a portion of the first material into the second material.
  • the thin foil made of the second material may have a thickness of 50 ⁇ ⁇ to 1 mm, 50 ⁇ ⁇ to 500 ⁇ ⁇ , or 100 ⁇ ⁇ to 500 ⁇ ⁇ .
  • the thin foil has a surface area roughly corresponding to the surface area of the second section embedded in the first material.
  • the surface area of the thin foil indicates the surface area of one side of the foil.
  • Winding the foil around the buried second section or measurement contact maintains the edge portion of the foil foil movably and moving the buried second section or measurement contact inside the foil
  • the second section may be wrapped around the second section. Wrapping the second section with the thin foil may be performed by a microscopic version of a deep drawing process. Also, wrapping around the second section with the thin foil may be performed by a wrapping tool as used in a packaging machine in the food industry.
  • the first material may be a ceramic compound having high thermal stability.
  • the first material may be magnesium oxide.
  • the step of embedding the second section in the first layer includes inserting the ceramic compound powder, for example magnesium oxide powder, and the second section into the mold.
  • the step of grinding the ceramic compound powder into a particle size and a particle shape suitable for solidifying may be further performed before embedding the second section in the first layer.
  • the step of embedding the second section in the first layer further comprises pressing the mold to apply pressure to the ceramic compound powder so that the ceramic compound powder is compressed around the second section of the thermocouple, Compression molding the periphery of the section.
  • the ceramic compound powder compressed through the compression molding step should be in a stable form for a predetermined time after compression molding for application of the second layer.
  • thermocouple In the method of manufacturing a thermocouple, at least part of the second section coated by the first layer (e.g., coated by the first layer) has a high temperature stability of the ceramic compound, particularly magnesium oxide
  • the buried measurement contact may be dipped into a melt of the second material (e.g., a melt of at least one of gold, copper, and aluminum) to be embedded in the second material.
  • the second material solidifies, the compressed ceramic compound powder safely surrounds the first material.
  • thermocouple to the target surface.
  • the target surface is part of at least one battery cell or a battery cell case of the battery module, and the method of bonding may be incorporated into the method of manufacturing the battery module.
  • the method of bonding the thermocouple to the target surface includes: inserting at least one thermocouple into the magazine of the wire bonding apparatus; Loading one thermocouple in the magazine into the capillary tool of the wire bonding apparatus; Applying downward pressure and applying ultrasonic energy to the buried second section of the thermocouple via the capillary tool; And welding the second material of the buried second section to the target surface.
  • the wire bonding apparatus used in the method of bonding the thermocouples to the target surface may be used in microelectronic applications such as microelectronic devices for providing wire connections between a chip pad and a lead frame, Commercialized wire bonding devices in electronic applications may be used.
  • the commercialized wire bonding device is configured to generate ball bonding and / or wedge bonding between the wire segment and the target surface.
  • the wire bonding device is configured to create ball bonding and / or wedge bonding between the thermocouple and the target surface.
  • the minor deformation represents at least one of replacing the wire coil with a magazine configured to accommodate at least one of the thermocouples and adapting the capillary tool of the wire bonding device to the entire diameter of the thermocouple.
  • the wire bonding device provides the magazine to receive the thermocouple. And one thermocouple in the magazine is loaded into the capillary tool of the wire bonding apparatus.
  • the capillary tool is disposed on the target surface and the thermocouple is guided through the capillary tool such that the tip of the second section, i.e. the buried measurement contact, is aligned with the opening of the capillary tool.
  • downward pressure is applied to the thermocouple fixed through the capillary tool, and ultrasound energy is applied to the thermocouple through an ultrasonic transducer.
  • the second material coated with the second section is ultrasonically welded to the target surface.
  • the method of bonding the thermocouple to the target surface comprises applying a thermal or electric arc to the aligned, buried second material prior to applying the downward pressure and ultrasonic energy to the thermocouple, And at least partially melting the material.
  • the second material is at least partially melted before the buried measuring contact is placed on the target surface, so that a molten ball of the second material is formed on the tip of the second section.
  • a ball of molten second material is then placed on the target surface to form a ball joint.
  • the capillary tool can move freely in any direction after forming the ball joint, thereby simplifying alignment of the capillary tool.
  • the method of bonding the thermocouple to the target surface includes the steps of welding the second end of the first wire and the second end of the second wire to respective contact pads on a circuit carrier, .
  • the step of welding the second ends of the first and second wires to the respective contact pads comprises: after creating a bond between the buried second section (the buried measurement contact) and the target surface, Releasing the thermocouple in the capillary tool; moving the capillary tool to a position of the respective contact pad; And guiding the thermocouple through the capillary tool.
  • the first and second wires of the thermocouple may have different lengths from each other.
  • thermocouple when the capillary tool reaches the position of the first contact pad in welding the second ends of the first and second wires to the respective contact pads, An end portion is located within the opening of the capillary tool, and when the capillary tool reaches a second contact pad position, a second end of the other of the first and second wires is positioned within the opening.
  • the wire bonding apparatus for bonding the thermocouple to the target surface.
  • the wire bonding apparatus is configured to load the thermocouple from the magazine and apply downward pressure and ultrasound energy to the buried second section of the loaded thermocouple, wherein the magazine is configured to receive at least one thermocouple, And the capillary tool whose inner diameter corresponds to the outer diameter of the thermocouple.
  • the capillary tool may include a capillary configured to guide a thermocouple and at least one component configured to secure a thermocouple in the capillary to apply a downward pressure to the thermocouple.
  • the wire bonding device further comprises at least one component configured to guide the thermocouple from and to the capillary through the capillary, and at least one component to move and position the capillary tool and the at least one ultrasonic transducer can do.
  • the capillary tool may further comprise at least one component for applying a thermal or electric arc to the capillary tool's opening region and the thermocouple located therein.
  • a battery module including a plurality of stacked battery cells electrically connected in series and / or in parallel between a negative electrode module terminal and a positive electrode module terminal through a plurality of bus bars.
  • the battery module further includes a cell supervisory circuit (CSC) carrier disposed on the plurality of stacked battery cells and including at least one first contact pad and at least one second contact pad.
  • the battery module includes at least one thermocouple, the second material of the buried second section of the at least one thermocouple is welded to an upper surface of the battery cell, Pad, and the free end of the second wire is welded to the second contact pad.
  • the CSC carrier includes at least one cell monitoring circuit electrically connected to the first and second contact pads and configured to receive and process the temperature related signal detected through the voltage of the thermocouple and the battery cell.
  • thermocouple capable of being mass-produced and stably connected to a target surface even in a long period of vibration and shock, and a bonding method thereof.
  • FIGS 1 (A) - (C) schematically illustrate a basic thermocouple according to the prior art.
  • FIGS 2 (A) - (C) schematically illustrate variations of a base thermocouple according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows a cross section of a second section of a thermocouple according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 4 (A) and 4 (B) schematically illustrate an example of a method of manufacturing a thermocouple according to one embodiment of the present invention from a base thermocouple.
  • FIGS 5 (A) and 5 (B) schematically illustrate another example of a method of manufacturing a thermocouple according to one embodiment of the present invention from a base thermocouple.
  • FIGS 6 (A) - (C) schematically illustrate the use of a capillary tool to bond a thermocouple to a target surface according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 schematically shows a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • first and second components can be used to describe various components, but the components are not limited thereto. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component.
  • / or < / RTI &gt includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • spatial relationship such as “below”, “below”, “above”, “above / above”, and the like refer to the convenience of explanation Lt; / RTI > It should be understood that the terms indicating such spatial relationships are intended to include not only the directions shown in the figures, but also the directions in which the apparatus is used or operated.
  • an element or layer is referred to as being "on,” “connected to,” or “coupled to” another element or layer, Quot; includes all that is formed directly or through one or more other elements or layers. Also, where an element or layer is described as being “between” two elements or layers, there may be a single element or layer between two elements or layers, or one or more other intervening elements or layers .
  • thermocouple 1 shows a basic thermocouple 1 according to the prior art, which can be used commercially for scientific purposes or for prototype construction.
  • This basic thermocouple 1 comprises a first wire 11 and a second wire 12 which are bead welded to each other to form a measurement contact 13.
  • the base thermocouple 1 may not be rigid over its entire length so as to be elastically bent.
  • the basic thermocouple 1 also includes a first section 21 in which the first wire 11 and the second wire 12 are surrounded by at least one plastic cable insulation material 14 and electrically isolated from each other.
  • the basic thermocouple 1 further comprises a second section 22 in which the measuring contacts 13 are formed and in which the first and second wires 11 and 12 are exposed (i.e., not insulated).
  • FIG. 2 (A) to 2 (C) show steps in which the thermocouple 10 according to an embodiment of the present invention is deformed from the basic thermocouple 1.
  • FIG. 2 (A) shows the basic thermocouple of FIG. 1 (B)
  • FIG. 2 (C) shows the thermocouple 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the second section 22 of the base thermocouple 1 of FIG. 2 (A) is initially coated with a first layer 31 of a first material 41.
  • the first material 41 is thermally conductive and has electrical insulation.
  • the first layer 31 of the first material 41 is partially coated with a second layer 32 of a second material 42 that is ultrasonically weldable to the target surface.
  • Fig. 3 shows a cross section of the second section 22 of the thermocouple 10 shown in Fig. 2 (C).
  • the first material 41 may be polyimide and the first layer may have a thickness of 1 mm around the bead-shaped measuring contact 13.
  • the first layer 31 is at least partially embedded (coated) by the second layer 32 of the second material 42.
  • At least a portion of the tip, i.e. the measurement contact 13 buried by the first layer, is coated by the second layer 32 of the second material 42.
  • the second material 42 may be aluminum and the second layer 32 may have a thickness of 100 m.
  • the thermocouple 10 as shown in Fig. 3 can be easily bonded to the target surface using a wire bonding device.
  • thermocouple 10 schematically illustrates an example of a method of manufacturing a thermocouple 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a basic thermocouple 1 as described above is provided.
  • the second section 22 of the base thermocouple 1 is filled with a solution 51 of the first material, especially dimethylformamide (DMF), N-methylpiperazine (NMP), or N-ethylpyrrolidone (NEP) is used as a solvent.
  • the first layer 31 of polyimide as the first material 41 is dip-coated on the second section 22 of the base thermocouple 1.
  • the solvent is evaporated and after the polyimide coating is cured, proceed to the second step (B).
  • the thin aluminum foil 52 used here has a thickness of 100 microns and a surface area of one sided surface that is substantially equal to 50% of the surface area of the second section 22 coated on the first material 41 .
  • the thermocouple 10 is moved so that the second section 22 is moved about the tip of the second section 22 in a similar manner to deep drawing And reaches the wrapping thin foil 52.
  • a thermocouple 10 as shown in Fig. 3 is produced as a result of step (B) of Fig.
  • heat curing may be applied to enhance bonding of the second material 42 to the first layer 31 of the first material 41.
  • step (A) of Fig. 5 schematically shows another example of a method of manufacturing the thermocouple 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a basic thermocouple 1 as described above is provided.
  • the crushed magnesium oxide powder 53 is provided in the compression mold 61.
  • the magnesium oxide powder 53 can be applied mainly to the wall of the mold 61.
  • the second section 22 of the basic thermocouple 1 is uniformly surrounded by the powder 53 attached to the wall of the mold 61, as indicated by the downward arrows in step (A) 61).
  • the mold 61 is closed and pressure is applied to the magnesium oxide powder 53, as shown by the pair of transverse arrows drawn in step (A) of Fig.
  • the powder 53 is compressed around the second section 22 of the basic thermocouple 1 and solidified.
  • a first layer 31 of magnesium oxide which is the first material 41, is formed to surround the second section 22.
  • thermocouple 10 as shown in Fig. 3 is produced in step (B) of Fig.
  • thermocouple 10 comprises a magazine (not shown) of a wire bonding device which accommodates a plurality of thermocouples by at least one element for guiding and transporting the thermocouple 10 0.0 > capillary < / RTI > tool 62.
  • the capillary tool 62 includes a capillary that positions and aligns the thermocouple 10 such that the second section 22 of the thermocouple 10 protrudes from the opening of the capillary tool 62.
  • the capillary tool 62 is disposed at a predetermined location on the target surface (not shown) to form a weld connection between the thermocouple 10 and the target surface.
  • thermocouple 10 In the second step (B) of the method shown in Figure 6, heat is applied to the second section 22 of the thermocouple 10 by applying an electric arc (not shown) to the second section 22. This melts at least a portion of the second material 42 forming the second layer 32 of the thermocouple 10 so that the ball of molten second material 42 forms the tip of the second section 22 .
  • thermocouple 10 is secured to the capillary tool 62 by tightening at least a portion of the capillary tool 62.
  • the capillary tool 62 with the fixed thermocouple 10 is lowered to the target surface 15, as indicated by the downward arrow in step C of Fig.
  • Downward pressure on the second material 42 is applied by movement of the capillary tool 62 towards the target surface 15.
  • ultrasound energy is applied to the capillary tool 62 and the thermocouple 10 by an ultrasonic transducer (not shown), as indicated by the pair of transverse arrows facing each other in step C of Fig.
  • the second material 42 at least partially melted by the combination of the downward pressure and the ultrasonic energy, forms a weld connection with the target surface 15.
  • thermocouple 10 according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 3 can be manufactured from the basic thermocouple 1 in a manner schematically shown in Figs. 4 and 5, It can be bonded to the target surface by the bonding method used. Thus, the bonded mechanical connection between the second material 42 and the target surface 15 is repeatable. Thus, the temperature measurement by the thermocouple 10 can obtain the temperature at the thermal interface of the junction region between the second material 42 and the target surface 15 in a reproducible and reliable manner.
  • a battery module 70 includes a plurality of battery cells 71 aligned in one direction.
  • Each of the battery cells 71 is a prismatic (or rectangular) battery in which flat surfaces are stacked on each other to form a battery module 70.
  • Each battery cell 10 includes an electrode assembly and a battery case configured to receive the electrolyte.
  • the battery cell 71 is provided with positive and negative terminals having different polarities.
  • the positive and negative terminals of the adjacent battery cells 71 are electrically connected through the bus bars 74 such that a series connection of the battery cells 71 is formed between the negative electrode module terminals 72 and the positive electrode module terminals 73. Therefore, the battery module 70 can be used as a power source by connecting a plurality of battery cells 71 in one bundle.
  • CSC carrier 75 disposed on the upper portion of the battery cell 71 are shown in a plan view.
  • the CSC carrier 75 is disposed apart from the battery cell 71 and the bus bar 74 and disposed apart from the battery cell 71 by a spacer (not shown).
  • CSC carrier 75 of Figure 7 includes three cell monitoring circuits 78 that may be a microprocessor or ASIC configured to receive and process signals associated with the temperature and voltage of one or more battery cells 71.
  • the CSC carrier 75 further includes three pairs of contact pads, each pair of contact pads including a first contact pad 76 and a second contact pad 77 made of ENIG (Electronic Nickel Immersion Gold) . Contact pads 76 and 77 are connected to CSC 78, respectively.
  • Bus bars 74 are connected to the CSCs 78 via respective voltage sensing elements 79 to provide voltage related signals of the battery cells 71 to the CSCs 78.
  • the battery module 70 of FIG. 7 further includes three thermocouples 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the second section (not shown) of each thermocouple 10 is welded to the upper surface of the battery cell 71 through the second material 42 as described in detail above.
  • the first ends of the first and second wires (not shown) of the thermocouple 10 are connected to a measurement contact (not shown) embedded in the second material 42.
  • the second free ends of the first and second wires are connected to a first contact pad 76 and a second contact pad 77, respectively.
  • the junction between each second end of the wires of the thermocouple 10 and the contact pads 76, 77 was formed by the wire bonding apparatus described above.
  • the bonding between each second end of the wires of the thermocouple 10 and the contact pads 76, 77 can be either ball bonding or wedge bonding.
  • the wire bonding apparatus may be used to connect the capillary tool 62 to each second end of the wires of the thermocouple 10 to form a bond between the contact pads 76,
  • the thermocouple 10 is released in the capillary.
  • the capillary tool 62 then moves toward the first contact pad 76 while the thermocouple 10 is guided through the capillary.
  • the second free end of the first wire is located at the opening of the capillary tool 62 by compression, and thereafter the first wire is fixed within the capillary tool 62 by compression
  • a ball bond or a wedge bond is formed between the second end of the first wire and the first contact pad 76 by applying the downward pressure and the ultrasonic energy to the first wire fixed in the state.
  • the capillary tool 62 decompresses the capillary tool 62 and moves to the second contact pad 77 while the second wire of the thermocouple 10 is guided through the capillary .
  • the second free end of the second wire is located at the opening of the capillary tool 62 by compression and then the second wire is secured in the capillary tool 62 by compression
  • a ball bond or a wedge bond is formed between the second end of the second wire and the second contact pad 77 by applying downward pressure and ultrasonic energy to the fixed second wire.
  • the second wire of the thermocouple 10 may be formed longer than the first wire.
  • the thermocouple 10 provides temperature related voltage signals to the first and second contact pads 76 and 77, respectively.
  • the signals provided therefrom are derived from the currents associated with the voltage difference between the second ends of the first and second wires of the thermocouple 10 and the second material 42 of each thermocouple 10 and each of the battery cells 71 To the respective CSCs 78 that determine the temperature in the contact area between them.
  • thermocouple second section 23 thermocouple tip
  • bus bar 75 cell surveillance circuit carrier

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Abstract

실시 예에 따른 온도 측정을 위한 열전쌍은, 제1금속물질의 제1와이어, 및 상기 제1금속물질과 상이한 제2금속물질의 제2와이어; 상기 제1와이어와 상기 제2와이어가 서로 전기적으로 절연되어있는 제1섹션; 상기 제1와이어와 상기 제2와이어가 서로 연결되어 측정 접점을 형성하는 제2섹션; 상기 제2섹션을 둘러싸는 열전도성 및 절연성인 제1물질의 제1층; 및 상기 제1층의 적어도 일부를 둘러싸는 초음파 용접 가능한 제2물질의 제2층을 포함할 수 있다.

Description

열전쌍, 열전쌍의 본딩 툴, 전지 모듈, 열전쌍의 제조 방법, 및 열전쌍의 접합 방법
본 발명의 실시 예는 열전쌍, 열전쌍의 본딩 툴, 전지 모듈, 열전쌍의 제조 방법, 및 열전쌍의 접합 방법에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable or secondary battery)는 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 전지(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 전지는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 자동차 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지들은 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 전지의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 전지의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 전지의 용도에 따라서 달라진다.
이차 전지들은 예를 들어, 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위한 경우와 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지 셀로 형성되는 전지 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자들을 상호 연결하여 고전력 이차 전지(예를 들어, 전기 자동차용)를 구현하도록 형성된다.
전지 모듈은 블록 설계 또는 모듈 설계 방식으로 구성될 수 있다. 블록 설계 방식에서, 각 전지는 공통 전류 콜렉터 구조(common current collector structure)로 결합되고, 전지 관리 시스템 및 그 유닛은 하우징 내에 배치된다. 모듈 설계 방식에서, 복수의 전지 셀은 서브 모듈을 형성하도록 연결되고, 몇몇의 서브 모듈들이 전지 모듈을 형성하도록 연결된다. 전지 관리 기능들은 일부 또는 전체가 전지 모듈 또는 서브 모듈 레벨에서 구현될 수 있으며, 이로 인해 호환성이 개선될 수 있다. 하나 이상의 전지 모듈은 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템을 구비하며, 전지 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 전기 소비자(electrical consumer)와 통신하도록 설정된다.
전지의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력뿐만 아니라, 전지 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다. 통상적으로 전지 시스템은 이러한 정보들을 처리하기 위한 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함한다.
전지 셀(또는 모듈) 온도는 전지 셀 또는 모듈의 상태와 관련된 중요한 파라미터 중 하나이다. 따라서, 전지 모듈 내에는 온도 감응 소자(센서)가 탑재되며, 이러한 온도 감응 소자(센서)로부터 출력된 신호는 전지 모듈을 제어하거나, 열 관리 시스템을 제어하는데 사용된다. 온도에 의존적인 전기 신호를 출력하는 다양한 온도 센서들, 예를 들어, 서미스터(thermistor) 기반 또는 열전쌍(thermocouple) 기반의 온도 센서가 전지 모듈에 사용될 수 있다. 이러한 온도 센서는 통상적으로 전지 셀 및/또는 모듈의 타겟 표면과 열적으로 접촉하는 측정 프로브(probe)를 포함한다. 측정 프로브로는, PTC기반 센서를 위한 스프링 작동 측정 프로브, 또는 열전쌍 기반 센서를 위한 서모웰(Thermowell) 등이 사용된다. 이들 중 열전쌍에 대한 서모웰 기반 솔루션은 열 전달이 지연되어 온도 감지가 느려질 수 있다.
열전쌍의 구조는 일반적으로 감지해야 하는 온도 범위와 열전쌍이 노출되는 환경 조건에 따라서 달라진다. 산업 분야에서는 종종 세라믹 매트릭스를 둘러싸는 스테인레스 스틸 또는 니켈 합금 외장을 가지는 세라믹 절연물질 내에 와이어들이 내장되는 피복형 열전쌍이 사용된다. 피복형 열전쌍은 서모웰을 사용하거나, 측정 접점이 접지되지 않은 경우, 피복물을 타겟 표면에 접합하여 타겟 표면에 접촉될 수 있다. 또한, 열전쌍을 타겟 표면에 열 접촉시키기 위한 접합 가능한 커넥터가 존재한다. 열전쌍의 측정 접점을 타겟 표면에 열적으로 결합하는 것과 관련된 종래기술들이 미국 특허 제4,659,898호, 미국 특허 제3,939,554호, 미국 특허 제5,141,335호 및 미국 특허 제5,141,335호에 개시되어 있다.
한편, 산업 응용 분야에 일반적으로 적용되는 피복형 열전쌍은 잘 구부러지지 않아 타겟 표면에 대한 연결부, 특히 접합 연결부가 손상되거나 타겟 표면과 분리되기 쉽다. 이는 열전쌍에 의해 얻어지는 열측정에 대해 안 좋은 영향을 미칠 수 있으며, 타겟에 대한 접합부의 접합 품질과 밀접한 상관 관계가 있다.
열전쌍의 작동 중 강한 진동 및 충격이 발생할 수 있는 차량 분야에서는, 탄성이 좋은 열전쌍을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 1에서와 같이, 접합부가 노출된 탄성 와이어 쌍으로 구성된 기본 열전쌍의 사용이 적절하다. 그러나, 이러한 기본 열전쌍은 아직까지는 타겟 표면에 수작업으로 납땜되어 사용되고 있어, 응용 분야가 주로 과학 또는 프로토 타입 제작에 국한되었다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하고자 하는 과제는 대규모 생산이 가능하고 장기간의 진동과 충격에도 타겟 표면에 안정적으로 연결될 수 있는 개선된 열전쌍 및 이의 결합 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1양태에 따르면, 제1금속물질의 제1와이어 및 제1금속물질과 상이한 제2금속물질의 제2와이어를 포함하는 온도 측정용 열전쌍이 제공된다. 상기 열전쌍은 상기 열전쌍의 길이 방향으로 제1섹션 및 제2섹션을 포함한다. 상기 열전쌍의 상기 제1섹션은 상기 제1섹션의 전체 길이에 걸쳐 탄성적으로 구부러지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1섹션에서, 상기 제1 및 제2와이어는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 상기 열전쌍의 상기 제2 섹션에서는 상기 제1와이어와 상기 제2와이어가 서로 연결되어 측정 접점(measuring junction)을 형성한다. 상기 제1 및 제2와이어의 접합은 용접 연결일 수도 있고, 다른 유형의 연결일 수도 있으며, 상기 제1 및 제2와이어는 꼬임 상태일 수 있다.
열전도성이고 전기적으로 절연된 제1물질로 이루어진 제1층이, 상기 제2섹션의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 상기 제1물질의 상기 제1층은 적어도 상기 측정 접점을 둘러싸도록(코팅하도록) 형성되며, 상기 제1물질은 상기 열전쌍의 상기 제2섹션 전체를 둘러쌀 수도 있다. 또한, 초음파 용접 가능한 제2물질로 이루어진 제2층이, 상기 제1층의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 상기 제2물질은 적어도 상기 측정 접점 전체를 둘러싸도록(코팅하도록) 형성되며, 상기 제1물질과 상이한 물질일 수 있다.
상기 열전쌍은 실시 예에 따른 와이어 본딩 장치에서 용이하게 사용될 수 있다. 여기서, 상기 열전쌍과 타겟 표면 사이의 용접 연결은 상기 와이어 본딩 장치를 사용하여 상기 제2물질을 상기 타겟 표면에 초음파 용접함으로써 이루어질 수 있다. 용접 과정에서 상기 제1물질의 상기 제1층은 상기 측정 접점을 상기 제2물질 및 상기 타겟 표면으로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다. 상기 와이어 본딩 장치는, 기존의 와이어 본딩 장치의 모세관 툴(capillary tool)에 대한 사소한 개조만으로도, 적어도 하나의 열전쌍을 수용하는 매거진(magazine)으로 와이어 코일이 교체됨으로써 상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 본딩하도록 사용될 수 있다.
실시 예에 따르면 상기 와이어 본딩 장치를 이용하여 상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시킴으로써, 상기 측정 접점과 상기 타겟 표면 사이에서 양호한 열 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 열 접촉의 품질은 상기 열전쌍의 측정에 크게 영향을 미치므로, 양호한 열 접촉을 제공하는 상기 열전쌍의 사용은 신뢰성 있는 측정 결과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제1섹션의 탄성으로 인해, 상기 열전쌍은 와이어를 단선 시키거나 용접 연결을 손상시킬 위험 없이 상기 와이어 본딩 장치에 로딩되어 공급되며, 상기 와이어 본딩 장치에 의해 가이드 및 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2물질을 통해 용접 연결이 이루어진 후에, 상기 제1 및 제2와이어의 자유 단부(이하, '제2단부'라 명명하여 사용함)들은 상기 와이어 본딩 장치를 통해 각각의 접촉 패드에 용접될 수 있다. 따라서, 상기 열전쌍을 사용하여 열전쌍 온도 센서의 완전 자동화된 셋업이 달성될 수 있다.
상기 열전쌍은 기본 탄성 열전쌍(이하, '기본 열전쌍'이라 명명하여 사용함)으로부터 구현될 수 있다. 여기서, 상기 기본 열전쌍의 상기 제1섹션은 절연물질(예를 들어, 표준 플라스틱 케이블 절연물질)들에 의해 절연된 한 쌍의 상이한 와이어들을 포함하고, 상기 제2섹션은 상기 한 쌍의 와이어들의 노출 부분을 포함하며, 상기 한 쌍의 와이어들은 예를 들어, 용접에 의해 서로 연결되어 상기 측정 접점을 형성한다. 상기 열전쌍은 상기 기본 열전쌍의 상기 제2섹션이 상기 제1물질로 코팅되고, 이어서 상기 제2물질로 코팅되어 얻어진다. 상기 기본 열전쌍의 제조 비용이 저렴하여, 상기 열전쌍은 효율적인 비용으로 제조될 수 있으며, 상기 열전쌍의 대량 생산이 가능한 이점이 있다.
상기 열전쌍의 상기 제1및 제2와이어는 니켈-합금 열전쌍(E, J, K, M, N, 또는 T 타입), 백금/로듐-합금 열전쌍(B, R, 또는 S 타입), 텅스텐/레늄-합금 열전쌍(C, D, 또는 G 타입), 크롬-금/철-합금 열전쌍(P 타입), 백금/몰리브덴-합금 열전쌍, 이리듐/로듐-합금 열전쌍, 순수 불활성 금속(Au-Pt, Pt-Pd) 열전쌍, 또는 스쿠테루다이트 열전쌍 중 하나로 형성될 수 있다. 상기 열전쌍을 구성하는 물질들은 관심 온도 범위, 상기 제1및 제2물질의 물질 파라미터, 그리고 상기 제1및 제2물질의 코팅과 관련하여 선택될 수 있다.
상기 제1섹션의 길이는 상기 열전쌍의 길이 방향으로 상기 제2섹션의 길이를 초과할 수 있다. 상기 제1섹션의 길이는 상기 제2섹션의 길이의 적어도 5 배 이상(예를 들어, 5배, 10 배, 15 배, 20 배, 25 배 등)일 수도 있다. 이로 인해, 상기 열전쌍 전체에 충분한 탄성이 제공되며, 상기 와이어 본딩 장치에 대해 상기 열전쌍의 적용이 가능하다.
상기 제1층의 층 두께는, 0.5mm 내지 5mm, 0.1mm 내지 3mm, 또는 0.1mm 내지 1mm일 수 있다. 이러한 상기 제1층의 층 두께는 상기 측정 접점과 상기 타겟 표면 사이의 열전도를 크게 감소시키지 않으면서 상기 측정 접점의 전기 절연을 가능하게 하는 범위 내로 형성될 수 있다.
상기 제2층의 층 두께는 50 ㎛ 내지 1 ㎜, 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 이러한 상기 제2층의 층 두께는, 상기 와이어 본딩 장치를 사용하여 상기 측정 접점과 상기 타겟 표면 사이의 신뢰성 있고 반복 가능한 용접 연결, 예를 들어, 웨지 접합(wedge bond) 또는 볼 접합(ball bond)을 형성하는데 용이하도록 형성될 수 있다. 상기 제2층의 낮은 층 두께는 비용 효율적인 제조 공정에 추가로 기여한다.
상기 제1와이어 및 상기 제2와이어는 모두 150㎛ 내지 3.5mm, 300㎛ 내지 2mm, 또는 500㎛ 내지 1mm의 전체 직경을 가질 수 있다. 상기 열전쌍은 300 ㎛ 내지 14 ㎜, 400 ㎛ 내지 10 ㎜, 또는 500 ㎛ 내지 3 ㎜의 전체 직경을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2와이어와 상기 열전쌍이 반드시 원형 단면을 가질 필요는 없으므로, 상기 제1 및 제2와이어 또는 상기 열전쌍의 전체 직경은, 원에서 벗어나는 단면을 가로지르는 최대 직선 길이를 나타낸다. 상기 제1 및 제2와이어와 상기 열전쌍의 상기 전체 직경이 작기 때문에 최소한의 변형만으로 상기 와이어 본딩 장치를 사용할 수 있으며, 상업적 용도로도 널리 사용될 수 있다.
상기 제1물질은 플라스틱 물질이며, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리브틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone), 에폭시 수지(epoxy resin), 또는 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulphide) 중 적어도 하나일 수 있다. 이 물질들은 충분한 전기 절연성과 동시에 만족스러운 열전도도를 제공한다. 또한, 이 물질들은 다양한 고체 상태로 제공될 수 있어, 복잡하지 않은 도포 공정을 허용한다. 특히, 폴리이미드는 넓은 온도 범위에서 열 안정성 및 우수한 열 전도성을 제공한다. 상기 제1물질은 열전도성 충전제, 예를 들면, 흑연, 탄소, 사파이어, 금속 또는 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 상기 제1물질은 높은 열 안정성을 갖는 세라믹 화합물일 수도 있다. 상기 제1물질은 산화 마그네슘일 수도 있다. 상기 제1물질로 온도 안정 세라믹 화합물을 사용할 경우, 용융물로부터 상기 제2물질을 도포하는 것이 가능하다.
상기 제2물질은 금, 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나의 합금을 포함할 수 있다. 이 물질들은 와이어 본딩 응용 분야에서 사용되는 표준 물질이므로, 상기 와이어 본딩 장치를 사용한 초음파 용접으로 용접 연결을 제공 시 높은 신뢰성을 제공할 수 있다. 상기 제2물질로는, 플라스틱 물질들과 같이 초음파 용접이 가능하고 충분한 열 전도성을 제공하는 다른 물질이 사용될 수도 있다. 상기 제2물질은, 용접을 통한 접착에 대해 개선된 성능을 제공하기 위해, 상기 타겟 표면의 물질과 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 열전쌍의 상기 제1와이어 및 제2와이어는 상이한 길이를 가질 수 있다. 따라서 상기 열전쌍은 두 개의 상단 다리 길이가 다른 Y-형상을 가질 수 있다. 상기 측정 접점은 예를 들어, 용접 연결을 통해, 상기 제1와이어의 제1단부와 상기 제2와이어의 제1단부를 연결함으로써 제공될 수 있다. 상이한 길이를 갖는 상기 제1 및 제2와이어를 제공함으로써, 상기 제1와이어 및 제2와이어의 남아있는 제2단부는 상기 와이어 본딩 장치를 이용해 회로 캐리어의 각각의 접촉 패드에 연속적으로, 예를 들어, 볼 접착 또는 웨지 접찹을 통해 연속적으로 접착될 수 있다.
본 발명의 제2양태에 따르면, 온도 측정을 위해 상기 열전쌍을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 열전쌍의 제조 방법은, 제1금속물질로 이루어진 상기 제1와이어와, 및 상기 제1금속물질과 상이한 제2금속물질로 이루어진 상기 제2와이어와, 탄성적으로 부러지며 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 전기적으로 서로 절연되어 있도록 형성된 상기 제1섹션과, 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 노출되며 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 전기적으로 서로 연결되어 상기 측정 접점을 형성하는 제2섹션을 포함하는 상기 기본 열전쌍을 제공하는 단계; 열전도성이고 전기적으로 절연되는 상기 제1물질의 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계; 및 상기 제1층의 적어도 일부를 초음파 용접 가능한 상기 제2물질의 상기 제2층에 매립하는 단계; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 열전쌍의 제조 방법은, 상기 기본 열전쌍을 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 기본 열전쌍을 제공하는 단계는, 상기 기본 열전쌍을 생성하는 단계, 또는 전술한 특징들을 포함하며 자유롭게 이용 가능한 상기 기본 열전쌍을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기본 열전쌍은 상기 열전쌍을 형성하는 절연된 한 쌍의 와이어들을 포함하거나, 이들로 구성되며, 상기 기본 열전쌍의 상기 제2섹션에서는 상기 한 쌍의 와이어들의 절연이 제거되고 서로 연결되어 상기 측정 접점을 형성한다. 상기 기본 열전쌍은 상기 제1섹션의 적어도 일부, 예를 들어, 상기 제1섹션 전체에서 탄성적으로 구부러질 수 있다. 상기 열전쌍의 제조 방법은, 상기 측정 접점에 대해, 첫 번째로 절연성이지만 열전도성인 물질을 사용하고, 두 번째로 초음파 접합 가능한 물질을 사용하는, 2단계 코팅 프로세스를 포함할 수 있다. 상기 열전쌍의 제조 방법으로 제조된 상기 열전쌍은 상기 와이어 본딩 장치를 사용하여 용이하게 접합될 수 있다.
상기 제1물질 및 상기 제2물질은 상기 제2섹션, 특히, 상기 측정 접점에만 코팅되어, 재료비 및 처리 시간이 감소될 수 있다. 상기 제1섹션에서 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어 중 적어도 하나는 플라스틱 케이블 절연물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한, 플라스틱 케이블 절연물질에 의해 절연된 상기 제1 및 제2와이어 모두를 다른 플라스틱 케이블 절연물질이 추가로 둘러쌀 수도 있다.
상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 제1물질은 플라스틱 물질이며, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리브틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone), 에폭시 수지(epoxy resin), 또는 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulphide) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 상기 제2섹션은 상기 제1물질의 용융물 또는 용액에 상기 제2섹션을 침지시킴으로써, 상기 제1물질로 이루어진 상기 제1층에 매립하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 상기 기본 열전쌍의 상기 제2섹션, 또는 상기 측정 접점을 상기 제1물질의 용융물 또는 용액에 침지시키는 단계, 및 상기 용융물 또는 용액에 상기 제2섹션 또는 상기 측정 접점을 침지시킨 후, 용매의 증발 또는 접착된 용융물의 응고를 통해 상기 제1물질로 이루어진 상기 제1층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계에서, 상기 제1물질을 구성하는 플라스틱 물질은 폴리이미드이고, 상기 제1물질의 용융물 또는 용액은 열전도성 충전제를 포함할 수도 있다.
상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 제1층의 적어도 일부를 상기 제2물질의 상기 제2층에 매립하는 단계는, 상기 제1물질로 구성된 상기 제1층을 형성한 후에, 상기 제2물질로 이루어진 박형 호일(thin foil)을 상기 제2섹션의 팁 둘레에 감싸서 상기 제1물질의 적어도 일부분을 상기 제2물질에 매립하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2물질로 이루어진 상기 박형 호일은 50 ㎛ 내지 1 ㎜, 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 박형 호일은 상기 제1물질에 매립된 상기 제2섹션의 표면적에 대략 대응하는 표면적을 갖는다. 여기서, 상기 박형 호일의 표면적은 상기 호일의 한 면의 표면적을 나타낸다. 매립된 상기 제2섹션 또는 상기 측정 접점 둘레에 호일을 감는 것은, 상기 박형 호일의 에지 부분을 움직일 수 있게 유지하고, 상기 매립된 제2섹션 또는 상기 측정 접점을 상기 호일 내측으로 이동시킴으로써 상기 호일이 상기 제2섹션을 감쌀 수 있도록 수행될 수 있다. 상기 박형 호일로 상기 제2섹션을 감싸는 것은, 마이크로스코픽(microscopic) 버전의 딥 드로잉 프로세스(deep drawing process)에 의해 수행될 수 있다. 또한, 상기 박형 호일로 상기 제2섹션 주위를 감싸는 것은, 식품 산업의 포장 기계에 이용되는 바와 같은 랩핑 도구에 의해 수행될 수도 있다.
상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 제1물질은 높은 열 안정성을 갖는 세라믹 화합물일 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1물질은 산화 마그네슘일 수 있다. 상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 세라믹 화합물 분말, 예를 들어 산화 마그네슘 분말과 상기 제2섹션을 몰드 내로 삽입하는 단계를 포함한다. 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계 이전에, 상기 세라믹 화합물 분말을 응고시키기에 적합한 입자 크기 및 입자 형태로 분쇄하는 단계가 추가로 수행될 수도 있다. 또한, 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 상기 몰드를 압축하여 상기 세라믹 화합물 분말에 압력을 가함으로써 상기 세라믹 화합물 분말이 상기 열전쌍의 상기 제2섹션 둘레로 압축되도록 상기 제2섹션 주변을 압축 성형하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 압축 성형하는 단계를 통해 압축된 상기 세라믹 화합물 분말은, 상기 제2층의 도포를 위해 압축 성형 후 소정 시간 동안 안정된 형태이어야 한다.
상기 열전쌍의 제조 방법에서, 상기 세라믹 화합물, 특히, 산화 마그네슘의 고온 안정성을 가지므로, 상기 제1층에 의해 코팅된 상기 제2섹션의 적어도 일부(예를 들어, 상기 제1층에 의해 코팅되어 매립된 상기 측정 접점)를 상기 제2물질의 용융물(예를 들어, 금, 구리, 및 알루미늄 중 적어도 하나의 합금의 용융물) 내로 침지시켜, 상기 제2물질 내에 매립시킬 수 있다. 상기 제2물질이 응고되면, 압축된 상기 세라믹 화합물 분말이 상기 제1물질을 안전하게 둘러싸게 된다.
본 발명의 제3양태에 따르면, 상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시키는 방법을 제공한다. 상기 타겟 표면은 전지 모듈의 적어도 하나의 전지 셀 또는 전지 셀 케이스의 일부이고, 상기 접합 방법은 상기 전지 모듈의 제조 방법에 통합될 수 있다. 상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합하는 방법은, 상기 열전쌍을 상기 와이어 본딩 장치의 매거진에 적어도 하나 삽입하는 단계; 상기 매거진에서 하나의 상기 열전쌍을 상기 와이어 본딩 장치의 상기 모세관 툴에 로드하는 단계; 상기 모세관 툴을 통해 상기 열전쌍의 매립된 상기 제2섹션에 하향 압력을 가하고 초음파 에너지를 가하는 단계; 및 상기 매립된 제2섹션의 상기 제2물질을 상기 타겟 표면에 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시키는 방법에서 이용되는 상기 와이어 본딩 장치는, 마이크로 전자 응용 들, 예를 들어, 칩 패드(chip pad)와 리드 프레임(lead frame) 사이의 와이어 연결을 제공하기 위한 마이크로 전자 응용 분야에서 상용화된 와이어 본딩 장치가 사용될 수 있다. 상기 상용화된 와이어 본딩 장치는 와이어 세그먼트와 타겟 표면 사이의 볼 접합 및/또는 웨지 접합을 생성하도록 구성된다. 상기 상용화된 와이어 본딩 장치에 사소한 변형을 통해, 상기 와이어 본딩 장치는 상기 열전쌍과 상기 타겟 표면 사이에 볼 접합 및/또는 웨지 접합을 생성하도록 구성된다. 상기 사소한 변형은, 상기 열전쌍을 적어도 하나 수용하도록 구성된 매거진으로 와이어 코일을 교체하는 것과, 상기 열전쌍의 전체 직경에 상기 와이어 본딩 장치의 상기 모세관 툴을 적응시키는 것 중 적어도 하나를 나타낸다.
상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시키는 방법에서, 상기 와이어 본딩 장치는 상기 매거진을 제공하여 상기 열전쌍을 수용한다. 상기 매거진에서 하나의 상기 열전쌍이 상기 와이어 본딩 장치의 상기 모세관 툴로 로드된다. 상기 모세관 툴은 상기 타겟 표면 상에 배치되고, 상기 열전쌍은 상기 제2섹션의 팁, 즉 매립된 상기 측정 접점이 상기 모세관 툴의 개구부와 정렬되도록 상기 모세관 툴을 통해 안내된다. 상기 열전쌍을 상기 모세관 툴에 고정시키고, 정렬된 매립 상태의 상기 측정 접점을 상기 타겟 표면에 위치시킨다. 이어서, 상기 모세관 툴을 통해 고정된 상기 열전쌍에 하향 압력이 가해지고, 초음파 에너지가 초음파 변환기를 통해 상기 열전쌍에 인가된다. 이에 따라, 상기 제2섹션을 코팅한 상기 제2물질이 상기 타겟 표면에 초음파 용접된다. 따라서, 상기 열전쌍과 상기 타겟 표면 사이에 신뢰성 있고 장기간 안정적인 기계적 연결이 형성된다.
상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시키는 방법은 상기 열전쌍에 하향 압력 및 초음파 에너지를 가하는 단계 이전에, 정렬된 매립 상태의 상기 제2물질에 열 또는 전기 아크를 인가하여 상기 제2섹션의 상기 제2물질을 적어도 일부 용융시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 단계로 인해, 상기 매립된 측정 접점이 상기 타겟 표면에 놓이기 전에 상기 제2물질이 적어도 일부 용융되어, 상기 제2물질의 용융된 볼이 상기 제2섹션의 팁에 형성된다. 이어서, 용융된 상기 제2물질의 볼을 상기 타겟 표면 상에 위치시켜 볼 접합을 형성한다. 상기 모세관 툴은 볼 접합을 형성한 후에 임의의 방향으로 자유롭게 움직일 수 있으며, 이에 따라 상기 모세관 툴의 정렬이 간단해진다.
상기 열전쌍을 상기 타겟 표면에 접합시키는 방법은, 상기 제1와이어의 제2단부 및 상기 제2와이어의 제2단부를 회로 캐리어 예를 들어, 셀 감시 회로 캐리어 상의 각각의 접촉 패드에 용접하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2와이어의 상기 제2단부들을 상기 각각의 접촉 패드에 용접하는 단계는, 매립된 상기 제2섹션(매립된 상기 측정 접점)과 상기 타겟 표면 사이의 접합을 생성한 후에, 상기 모세관 툴 내에서의 상기 열전쌍의 고정을 해제하는 단계, 상기 모세관 툴이 상기 각각의 접촉 패드의 위치로 이동하는 단계; 및 상기 열전쌍이 상기 모세관 툴을 통해 안내되는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열전쌍의 상기 제1 및 제2와이어는 서로 길이가 다를 수 있다. 상기 제1 및 제2와이어의 상기 제2단부들을 상기 각각의 접촉 패드에 용접하는 단계에서, 상기 모세관 툴이 제1접촉 패드의 위치에 도달하면, 상기 제1및 제2와이어 중 하나의 제2단부가 상기 모세관 툴의 개구 내에 위치되고, 상기 모세관 툴이 제2접촉 패드 위치에 도달하면, 상기 제1및 제2와이어 중 다른 하나의 제2단부가 상기 개구 내에 위치된다. 따라서, 상기 열전쌍을 구성하는 제1 및 제2와이어들의 제2단부 모두, 와이어들을 전기적으로 단락시킬 위험 없이 상기 와이어 본딩 장치를 통해 각각의 접촉 패드에 접합될 수 있다.
본 발명의 제4양태에 따르면, 상기 타겟 표면에 상기 열전쌍을 본딩하기 위한 상기 와이어 본딩 장치를 제공한다. 상기 와이어 본딩 장치는 적어도 하나의 상기 열전쌍을 수용하도록 구성된 상기 매거진과, 상기 매거진으로부터 상기 열전쌍을 로딩하고, 로딩된 상기 열전쌍의 매립된 상기 제2섹션에 하향 압력 및 초음파 에너지를 인가하도록 구성되며, 내부 직경이 상기 열전쌍의 외부 직경에 대응하는 상기 모세관 툴을 포함할 수 있다.
상기 모세관 툴은 열전쌍을 안내하도록 구성된 모세관 및 상기 열전쌍에 하향 압력을 가하기 위해 상기 모세관 내의 열전쌍을 고정하도록 구성된 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다. 상기 와이어 본딩 장치는 상기 열전쌍을 상기 매거진으로부터 상기 모세관 내로 그리고 상기 모세관을 통해 안내하도록 구성된 적어도 하나의 구성요소, 상기 모세관 툴 및 적어도 하나의 초음파 변환기를 이동시키고 위치시키는 적어도 하나의 구성요소를 더 포함할 수 있다. 상기 모세관 툴은 열 또는 전기 아크를 상기 모세관 툴의 개구 영역 및 그 안에 위치한 상기 열전쌍에 가하기 위한 적어도 하나의 구성요소를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 제5양태에 따르면, 복수의 버스 바를 통해 음극 모듈 단자와 양극 모듈 단자 사이에 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 상호 연결된 복수의 적층된 전지 셀을 포함하는 전지 모듈을 제공한다. 상기 전지 모듈은 상기 복수의 적층된 전지 셀의 상부에 배치되고 적어도 하나의 제1접촉 패드 및 적어도 하나의 제2접촉 패드를 포함하는 셀 감시 회로(cell Supervision Circuit, CSC) 캐리어를 더 포함한다. 상기 전지 모듈은 상기 열전쌍을 적어도 하나 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 열전쌍의 상기 매립된 제2섹션의 상기 제2물질은 상기 전지 셀의 상부 표면에 용접되고, 상기 제1와이어는 상기 제1접촉 패드에 용접되며, 상기 제2와이어의 자유 단부는 상기 제2접촉 패드에 용접된다. 상기 CSC 캐리어는 상기 제1및 제2접촉 패드에 전기적으로 접속되고, 상기 열전쌍 및 상기 전지 셀의 전압을 통해 검출된 온도 관련 신호를 수신하고 처리하도록 구성된 적어도 하나의 셀 감시 회로를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 대규모 생산이 가능하고 장기간의 진동과 충격에도 타겟 표면에 안정적으로 연결될 수 있는 개선된 열전쌍 및 이의 결합 방법을 제공할 수 있다.
도 1의 (A) 내지(C)는 종래 기술에 따른 기본 열전쌍을 개략적으로 도시한다.
도 2의 (A) 내지 (C)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기본 열전쌍의 변형을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍의 제2섹션의 단면을 개략적으로 도시한다
도 4의 (A) 및 (B)는 기본 열전쌍으로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍을 제조하는 방법의 일 예를 개략적으로 도시한다.
도 5의 (A) 및 (B)는 기본 열전쌍으로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍을 제조하는 방법의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 6의 (A) 내지 (C)는 모세관 툴을 사용하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍을 타겟 표면에 접착하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈을 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
특별히 언급하지 않는 한, 첨부 도면 및 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 그에 대한 설명은 반복하지 않는다. 도면에서, 특징들의 상대적인 크기는 특징들을 명확히 하기 위해 과장될 수 있다.
본 문서에서 "제1", "제2", "제3" 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1구성요소도 제2구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 문서에서, "아래에", "하부에", "위에", "상/상부에" 등과 같이 공간적인 관계를 나타내는 용어는 하나의 구성요소 또는 특징들 간의 관계를 설명함에 있어 설명의 편의를 위해 사용될 수 있다. 이러한 공간적인 관계를 나타내는 용어들은 도면에 도시된 방향뿐만 아니라, 장치의 사용 또는 작동 시 달라지는 방향들 또한 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 하나의 구성요소 또는 층이 다른 구성요소 또는 층에 대해 "상에", "연결된", 또는 "결합된" 것으로 기재되는 경우에 있어, "상에", "연결된" 및 "결합된" 것은 직접, 또는 하나 이상의 다른 구성요소 또는 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 하나의 구성요소 또는 층이 2개의 구성요소 또는 층 "사이"에 있는 것으로 기재되는 경우, 2개의 구성요소 또는 층 사이의 유일한 구성요소 또는 층이거나, 하나 이상의 개재된 다른 요소 또는 층이 존재함으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1의 (A) 내지 (C)는 종래 기술에 따른 기본 열전쌍(1)을 도시하며, 이는 과학적 목적 또는 프로토 타입 구성을 위해 상업적으로 이용될 수 있다. 이러한 기본 열전쌍(1)은 서로 비드(bead) 용접되어 측정 접점(13)를 형성하는 제1와이어(11) 및 제2와이어(12)를 포함한다. 기본 열전쌍(1)은 탄성적으로 구부러지도록, 전체 길이에 걸쳐 단단하지 않을 수 있다. 또한, 기본 열전쌍(1)은 제1와이어(11) 및 제2와이어(12)가 적어도 하나의 플라스틱 케이블 절연물질(14)에 의해 둘러싸여 서로 전기적으로 절연되는 제1섹션(21)을 포함한다. 기본 열전쌍(1)은 측정 접점(13)이 형성되고, 제1 및 제2와이어(11, 12)가 노출되는(즉, 절연되지 않는) 제2섹션(22)을 더 포함한다.
도 2의 (A) 내지 (C)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍(10)이 기본 열전쌍(1)으로부터 변형되는 단계들을 도시한 것이다. 도 2의 (A)는 도 1의 (B)의 기본 열전쌍을 나타내고, 도 2의 (C)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍(10)를 도시한다. 도 2의 (A)의 기본 열전쌍(1)의 제2섹션(22)은 제1물질(41)로 이루어진 제1층(31)으로 초기 코팅된다. 여기서, 제1물질(41)은 열전도성이며 전기 절연성을 가진다. 다음으로, 제1물질(41)의 제1층(31)은 타겟 표면에 초음파 용접 가능한 제2물질(42)로 이루어진 제2층(32)으로 부분적으로 코팅된다.
도 3은 도 2의 (C)에 도시된 열전쌍(10)의 제2섹션(22)을 절단한 단면을 도시한 것이다. 제2섹션(22)에서, 제1와이어(11) 및 제2와이어(12)의 측정 접점(13)은, 측정 접점(13)을 전기적으로 절연시키면서 측정 접점(13)에 대한 열 흐름을 방해하지 않는 제1물질(41)의 제1층(31)에 의해 매립(코팅)된다. 제1물질(41)은 폴리이미드 일 수 있고, 제1층은 비드-형상의 측정 접점(13) 둘레로 1mm의 두께를 가질 수 있다. 제1층(31)은 적어도 일부가 제2물질(42)의 제2층(32)에 의해 매립(코팅)된다. 팁의 적어도 일부, 즉 제1층에 의해 매립된 측정 접점(13)은 제2물질(42)의 제2층(32)에 의해 코팅된다. 제2물질(42)은 알루미늄이고, 제2층(32)은 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 열전쌍(10)은 와이어 본딩 장치를 사용하여 타겟 표면에 용이하게 접합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전쌍(10)을 제조하는 방법의 일 예를 개략적으로 도시한다. 도 4의 단계 (A)에서는, 전술한 바와 같은 기본 열전쌍(1)이 제공된다. 도 4를 통해 도시된 방법의 첫 번째 단계 (A)에서, 기본 열전쌍(1)의 제2섹션(22)은 제1물질의 용액(51), 특히 디메틸폼아미드(DMF), N-메틸 피롤리돈(NMP), 또는 N-에틸 피롤리돈(NEP)이 용매로서 사용되는 폴리이미드의 용액에 침지된다. 이에 따라, 제1물질(41)인 폴리이미드의 제1층(31)은 기본 열전쌍(1)의 제2섹션(22) 상에 딥 코팅된다. 예시된 방법에서는 용매가 증발되고, 폴리이미드 코팅이 경화된 후, 두 번째 단계 (B)로 진행한다. 여기서 사용되는, 박형의 알루미늄 호일(52)은 100㎛의 두께와, 제1물질(41)에 코팅된 제2섹션(22)의 표면적의 50 %와 실질적으로 동일한 편면(one sided surface) 표면적을 갖는다. 도 4의 단계 (B)에서 아래 방향 화살표로 가리키는 것과 같이, 열전쌍(10)이 이동되어 제2섹션(22)이 딥 드로잉(deep drawing)과 유사한 방식으로 제2섹션(22)의 팁 둘레를 감싸는 박형 호일(52)에 도달한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 열전쌍(10)이 도 4의 단계 (B)의 결과물로 만들어진다. 부가적으로 제1물질(41)의 제1층(31)에 대한 제2물질(42)의 결합을 강화하도록 열경화(heat curing)가 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍(10)을 제조하는 방법의 다른 예를 개략적으로 도시한다. 도 5의 단계 (A)에서는, 전술 한 바와 같은 기본 열전쌍(1)이 제공된다. 도 5를 통해 도시된 방법의 첫 번째 단계 (A)에서는, 분쇄된 산화 마그네슘 분말(53)이 압축 몰드(61)에 제공된다. 산화 마그네슘 분말(53)은 몰드(61)의 벽에 주로 도포될 수 있다. 도 5의 단계 (A)에서는 아래 방향 화살표가 가리키는 바와 같이, 기본 열전쌍(1)의 제2섹션(22)이 몰드(61)의 벽에 부착된 분말(53)에 의해 균일하게 둘러싸이도록 몰드(61) 내로 삽입된다. 이후, 도 5의 단계 (A)에서 한 쌍으로 그려진 가로 방향 화살표들이 가리키는 바와 같이, 몰드(61)가 닫히고 산화 마그네슘 분말(53)에 압력이 가해진다. 이에 따라, 분말(53)은 기본 열전쌍(1)의 제2섹션(22) 주위로 압축되어 응고된다. 따라서, 제1물질(41)인 산화 마그네슘으로 이루어진 제1층(31)이 제2섹션(22)을 둘러싸도록 형성된다.
이어서, 도 5에 도시된 방법의 단계 (B)에서는, 제1층(31)에 의해 코팅된 제2섹션(22)의 팁이, 제1층(31)의 적어도 일부에 대해 제2물질(42)인 알루미늄으로 이루어진 제2층(32)을 딥 코팅하기 위해, 알루미늄 용융물(54)로 침지된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 열전쌍(10)이 도 5의 단계 (B)에서 제조된다.
도 6은 개조된 모세관 툴(62)을 사용하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍(10)을 타겟 표면(15)에 접착하는 것을 개략적으로 도시한다. 도 6에 도시된 방법의 첫 번째 단계 (A)에서, 열전쌍(10)은, 열전쌍(10)을 가이드하고 운반시키기 위한 적어도 하나의 요소에 의해 복수의 열전쌍을 수용하는 와이어 본딩 장치의 매거진(미도시)으로부터 모세관 툴(62)로 로드된다. 모세관 툴(62)은 열전쌍(10)의 제2섹션(22)이 모세관 툴(62)의 개구로부터 돌출되도록 열전쌍(10)을 위치시키고 정렬시키는 모세관을 포함한다. 모세관 툴(62)은 열전쌍(10)과 타겟 표면 사이의 용접 연결을 형성하기 위해 타겟 표면(미도시) 상의 미리 정해진 위치로 배치된다.
도 6에 도시된 방법의 두 번째 단계 (B)에서, 제2섹션(22)에 전기 아크(미도시)를 인가함으로써 열전쌍(10)의 제2섹션(22)에 열이 인가된다. 이것은 열전쌍(10)의 제2층(32)을 형성하는 제2물질(42)의 적어도 일부를 용융시켜, 용융된 제2물질(42)의 볼이 제2섹션(22)의 팁을 형성한다.
도 6에 도시된 방법의 세 번째 단계 (C)에서, 모세관 툴(62)의 적어도 일부를 조임으로써 열전쌍(10)이 모세관 툴(62)에 고정된다. 고정된 열전쌍(10)을 갖는 모세관 툴(62)은, 도 6의 단계 (C)에서 아래 방향 화살표가 가리키는 바와 같이, 타겟 표면(15)으로 하향한다. 타겟 표면(15)를 향한 모세관 툴(62)의 이동에 의해 제2물질(42)에 대한 하향 압력이 가해진다. 동시에, 도 6의 단계 (C)에서 서로 마주보는 한 쌍의 가로방향 화살표들이 가리키는 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(미도시)에 의해 모세관 툴(62) 및 열전쌍(10)에 초음파 에너지가 인가된다. 하향 압력과 초음파 에너지의 조합에 의해 적어도 부분적으로 용융된 제2물질(42)은 타겟 표면(15)과 용접 연결부를 형성한다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 열전쌍(10)은, 도 4 및 도 5에 개략적으로 도시된 방법으로 기본 열전쌍(1)으로부터 제조될 수 있으며, 도 6에 도시된 와이어 본딩 장치를 사용하는 접합 방법으로 타겟 표면에 결합될 수 있다. 이에 따라, 제2물질(42)과 타겟 표면(15) 사이의 접합된 기계적 연결은 반복이 가능하다. 따라서, 열전쌍(10)에 의한 온도 측정은, 재현 가능하고 신뢰성 있는 방식으로 제2물질(42)과 타겟 표면(15) 사이 접합 영역의 열 계면에서의 온도를 획득할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈(70)은 일 방향으로 정렬된 복수의 전지 셀(71)을 포함한다. 각각의 전지 셀(71)은 편평한 면이 서로 적층되어 전지 모듈(70)을 형성하는 각기둥 모양(또는 직사각형) 전지다. 각각의 전지 셀(10)은 전극 조립체 및 전해질을 수용하도록 구성된 전지 케이스를 포함한다. 전지 셀(71)에는 극성이 다른 양극 및 음극 단자가 설치되어 있다. 인접한 전지 셀(71)들의 양극 및 음극 단자들은 음극 모듈 단자(72)와 양극 모듈 단자(73) 사이에 전지 셀(71)들의 직렬 연결이 형성되도록 버스 바(74)들을 통해 전기적으로 연결된다. 따라서, 전지 모듈(70)은 복수의 전지 셀(71)을 하나의 번들로 연결함으로써 전원으로 사용될 수 있다.
도 7에서는, 전지 모듈(70) 및 전지 셀(71)의 상부에 배치된 셀 감시 회로(CSC) 캐리어(75)가 평면도로 도시되어 있다. CSC 캐리어(75)는 전지 셀(71) 및 버스 바(74)와 이격 배치되고 스페이서(미도시)에 의해 전지 셀(71)로부터 이격되어 배치된다. 도 7의 CSC 캐리어(75)는 3개의 셀 감시 회로(78)들을 포함하며, 이들은 하나 이상의 전지 셀(71)의 온도 및 전압과 관련된 신호를 수신하고 처리하도록 구성된 마이크로 프로세서 또는 ASIC일 수 있다. CSC 캐리어(75)는 3 쌍의 접촉 패드들을 더 포함하며, 각각의 접촉 패드 쌍은 ENIG(Electronic Nickel Immersion gold)으로 제조된 제1접촉 패드(76) 및 제2접촉 패드(77)를 포함한다. 접촉 패드들(76, 77)은 CSC(78) 각각에 연결된다. 버스 바(74)들은 전지 셀들(71)의 전압 관련 신호들을 CSC(78)들에 제공하기 위해 각각의 전압 센싱 요소(79)를 통해 CSC(78)들에 연결된다.
도 7의 전지 모듈(70)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전쌍(10)을 3개의 더 포함한다. 여기서, 각각의 열전쌍(10)의 제2섹션(미도시)은 위에서 상세히 설명한 바와 같이 제2물질(42)를 통해 전지 셀(71)의 상부 표면에 용접된다. 이 실시 예에서, 열전쌍(10)의 제1 및 제2와이어(미도시)의 제1단부들은 제2물질(42)에 내장된 측정 접점(미도시)에 연결된다. 제1 및 제2와이어의 제2자유단부들은, 각각 제1접촉 패드(76) 및 제2접촉 패드(77)에 연결된다. 여기서, 열전쌍(10)의 와이어들의 각 제2단부와 접촉 패드들(76, 77) 사이의 접합은 전술한 와이어 본딩 장치에 의해 형성되었다. 열전쌍(10)의 와이어들의 각 제2단부와 접촉 패드(76, 77) 사이의 접합은 볼 접합 또는 웨지 접합 중 하나일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같은 용접부를 생성한 후에, 와이어 본딩 장치는 열전쌍(10)의 와이어들의 각 제2단부와 접촉 패드들(76, 77) 사이의 접합을 형성하기 위해, 모세관 툴(62)의 압축을 해제하여 열전쌍(10)이 모세관 내에서 해제 된다. 이후, 모세관 툴(62)은 열전쌍(10)이 모세관을 통해 가이드 되는 동안, 제1접촉 패드(76)를 향해 이동한다. 제1접촉 패드(76)의 위치에서, 제1와이어의 제2자유단부는 압축에 의해 모세관 툴(62)의 개구부에 위치하며, 이후 압축에 의해 모세관 툴(62) 내에 제1와이어가 고정된 상태에서 고정된 제1와이어에 하향 압력 및 초음파 에너지를 인가함으로써 제1와이어의 제2단부와 제1접촉 패드(76) 사이에 볼 접합 또는 웨지 접합이 형성된다. 제1접합이 형성된 후에, 모세관 툴(62)은 모세관 툴(62)의 압축을 해제하고, 열전쌍(10)의 제2와이어가 모세관을 통해 가이드되는 동안, 제2접촉 패드(77)로 이동한다. 제2접촉 패드(77)의 위치에서, 제2와이어의 제2자유단부는 압축에 의해 모세관 툴(62)의 개구부에 위치하며, 이후 압축에 의해 모세관 툴(62) 내에 제2와이어가 고정된 상태에서 고정된 제2와이어에 하향 압력 및 초음파 에너지를 인가함으로써 제2와이어의 제2단부와 제2접촉 패드(77) 사이에 볼 접합 또는 웨지 접합이 형성된다. 여기서, 열전쌍(10)의 제2와이어는 제1와이어보다 길이가 길게 형성될 수 있다.
열전쌍(10)은 제1 및 제2접촉 패드(76, 77)에 각각 온도 관련 전압 신호를 제공한다. 이로부터 제공되는 신호들은, 열전쌍(10)의 제1 및 제2와이어의 제2단부들 사이의 전압차와 관련된 전류로부터 각 열전쌍(10)의 제2물질(42)과 각각의 전지 셀(71) 사이의 접촉 영역에서의 온도를 결정하는 각각의 CSC(78)로 전달된다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
(부호의 설명)
1: 기본 열전쌍 10: 열전쌍
11: 제1와이어 12: 제2와이어
13: 측정 접점 14: 플라스틱 케이블 절연체
15: 타겟 표면 21: 열전쌍의 제1섹션
22: 열전쌍의 제2섹션 23: 열전쌍의 팁
31: 제1레이어 32: 제2레이어
41: 제1물질 42: 제2물질
51: 제1물질의 용융물(또는 용액) 52: 박형 호일
53: 산화 마그네슘 분말 54: 제2물질의 용융물
61: 몰드 62: 모세관 툴
70: 전지 모듈 71: 전지 셀
72: 음극 모듈 단자 73: 양극 모듈 단자
74: 버스 바 75: 셀 감시 회로 캐리어
76: 제1접촉 패드 77: 제2접촉 패드
78: 셀 감시 회로 79: 전압 센싱 소자

Claims (15)

  1. 온도 측정을 위한 열전쌍에 있어서,
    제1금속물질의 제1와이어, 및 상기 제1금속물질과 상이한 제2금속물질의 제2와이어;
    상기 제1와이어와 상기 제2와이어가 서로 전기적으로 절연되어있는 제1섹션;
    상기 제1와이어와 상기 제2와이어가 서로 연결되어 측정 접점을 형성하는 제2섹션;
    상기 제2섹션을 둘러싸는 열전도성 및 절연성인 제1물질의 제1층; 및
    상기 제1층의 적어도 일부를 둘러싸는 초음파 용접 가능한 제2물질의 제2층을 포함하는 열전쌍.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층 및 상기 제2층은 상기 제2섹션을 둘러싸도록 적용되고, 상기 제1섹션에서, 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어는 플라스틱 케이블 절연물질로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 열전쌍.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 층 두께는 500 ㎛ 내지 5 ㎜이고, 상기 제2층의 층 두께는 50 ㎛ 내지 1 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 열전쌍.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1물질은 폴리에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드 및 산화 마그네슘 중 적어도 하나이고, 상기 제1물질은 열전도성 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍. .
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2물질은 금, 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1와이어와 상기 제2와이어는 상이한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 열전쌍.
  7. 온도 측정을 위한 열전쌍을 제조하는 방법에 있어서,
    제1금속물질의 제1와이어, 상기 제1금속물질과 상이한 제2금속물질의 제2와이어, 탄성적으로 구부러지도록 구성되며 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 서로 전기적으로 절연되어 있는 제1섹션, 및 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 노출되며 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어가 서로 연결되어 측정 접점을 형성하는 제2섹션을 포함하는 기본 열전쌍을 준비하는 단계;
    열전도성 및 절연성인 제1물질의 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계; 및
    상기 제1층의 적어도 일부를 초음파 용접 가능한 제2물질의 제2층에 매립하는 단계를 포함하는 열전쌍 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1층 및 상기 제2층은 상기 제2섹션을 둘러싸도록 적용되고, 상기 제1섹션에서, 상기 제1와이어 및 상기 제2와이어는 플라스틱 케이블 절연물질로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 열전쌍 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1물질은 폴리에틸렌, 폴리이미드 및 폴리아미드 중 적어도 하나이며,
    상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 상기 제1물질의 용융물 또는 용액에 상기 제2섹션을 담금으로써 상기 제1물질의 상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계를 포함하고,
    상기 제1층의 적어도 일부를 상기 제2층에 매립하는 단계는, 박형 호일로 상기 제2섹션의 팁 둘레를 감싸서 상기 제2물질에 상기 제1층의 적어도 일부를 매립하는 단계를 포함하는 열전쌍 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2물질로 이루어진 상기 박형 호일은 50㎛ 내지 1mm 사이의 두께와, 상기 제2섹션의 표면적에 대응하는 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 열전쌍 제조 방법.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1물질은 산화 마그네슘이고,
    상기 제1층에 상기 제2섹션을 매립하는 단계는, 산화 마그네슘 분말 및 상기 제2섹션을 몰드에 삽입하는 단계, 및 상기 산화 마그네슘 분말을 상기 제2섹션을 둘러싸도록 압축 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 제1층의 적어도 일부를 상기 제2층에 매립하는 단계는, 상기 제1층에 의해 매립된 상기 제2섹션의 적어도 일부를, 상기 제2물질인 금, 구리, 및 알루미늄 중 적어도 하나의 합금의 용융물 내에 침지시켜 상기 제1층의 적어도 일부를 상기 제2층에 매립하는 단계를 포함하는 열전쌍 제조 방법.
  12. 열전쌍을 타겟 표면에 접합하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 상기 열전쌍을 와이어 본딩 장치의 매거진에 삽입하는 단계;
    상기 매거진으로부터 상기 와이어 본딩 장치의 모세관 툴로 하나의 상기 열전쌍을 로딩하는 단계;
    상기 모세관 툴을 통해 로딩된 상기 열전쌍의 매립된 상기 제2섹션에 하향 압력 및 초음파 에너지를 가하는 단계; 및
    매립된 상기 제2섹션의 상기 제2물질을 상기 타겟 표면에 용접하는 단계를 포함하는 접합 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하향 압력 및 초음파 에너지를 가하는 단계 이전에,
    열 또는 전기 아크를 가함으로써 상기 제2섹션의 상기 제2물질을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계를 더 포함하는 접합 방법.
  14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 열전쌍을 타겟 표면에 접합하기 위한 와이어 본딩 장치에 있어서,
    적어도 하나의 상기 열전쌍을 수용하도록 구성된 매거진; 및
    상기 매거진으로부터 상기 열전쌍을 로딩하고, 매립된 상기 제2섹션에 하향 압력 및 초음파 에너지를 인가하도록 구성된 모세관 툴을 포함하고,
    상기 모세관 툴의 내경은, 상기 열전쌍의 외경에 대응하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
  15. 전지 모듈에 있어서,
    복수의 버스 바를 통해 음극 모듈 단자와 양극 모듈 단자 사이에 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되는 복수의 적층된 전지 셀;
    적어도 하나의 제1접촉 패드 및 적어도 하나의 제2접촉 패드를 포함하며, 상기 복수의 적층된 전지 셀의 상부에 배치된 셀 감시 회로 캐리어; 및
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 상기 열전쌍을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 열전쌍 중 하나의 매립된 상기 제2섹션의 상기 제2물질은 상기 복수의 적층된 전지 셀 중 하나의 전지 셀의 상부면에 용접되며,
    상기 제1와이어의 자유 단부는 상기 제1접촉 패드에 용접되고, 상기 제2와이어의 자유 단부는 상기 제2접촉 패드에 용접되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
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