KR101865944B1 - Smart composite for controlling heat conductivity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전도도 제어용 스마트 복합재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상전이 구형입자의 부피변화를 이용하여 열전도도를 제어할 수 있는 열전도도 제어용 스마트 복합재에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 용융점을 기점으로 하여 액상/고상으로 상전이 현상이 일어나는 상전이 소재를 이용하되, 상전이 소재의 상전이시 약 10 vol% 이하 부피변화를 이용하여 열전도 경로가 용이하게 변경되도록 함으로써, 열전도도를 능동적으로 제어할 수 있고, 배터리를 비롯한 전기 전자부품의 사용온도에 따른 안정성 및 성능저하를 방지하는 동시에 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공하고자 한 것이다.The present invention relates to a smart composite material for controlling thermal conductivity, and more particularly, to a smart composite material for controlling thermal conductivity using volume change of phase transition spherical particles.
That is, the present invention uses a phase transition material in which a phase transition occurs in a liquid phase / a solid phase starting from a melting point as a starting point, and a thermal conduction path is easily changed using a volume change of about 10 vol% or less in phase transition of the phase transition material, The present invention also provides a smart composite material for controlling thermal conductivity, which can improve the reliability while preventing stability and performance deterioration of the electrical and electronic parts including the battery, depending on the use temperature.
Description
본 발명은 열전도도 제어용 스마트 복합재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상전이 구형입자의 부피변화를 이용하여 열전도도를 제어할 수 있는 열전도도 제어용 스마트 복합재에 관한 것이다.
The present invention relates to a smart composite material for controlling thermal conductivity, and more particularly, to a smart composite material for controlling thermal conductivity using volume change of phase transition spherical particles.
일반적으로 리튬이온 배터리의 에너지와 출력은 통상적으로 온도가 -10℃ 이하로 떨어질 때 급격하게 저하되는 것으로 알려져 있고, 실제로 -40℃의 환경에서 20℃의 환경과 비교할 때 에너지 밀도의 5%, 출력 밀도의 1.25% 밖에 전달하지 못한다고 보고되고 있다(Ref, G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99).Generally, the energy and output of a lithium ion battery are generally known to drop drastically when the temperature falls below -10 ° C. In practice, it is 5% of the energy density and the output (Ref., G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99).
또한, 리튬이온 배터리는 낮은 온도의 환경에서 방전은 정상적으로 될 수 있으나, 충전이 잘 되지 않는 것으로 보고되고 있다(Ref, C. K. Huang, J. S. Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. Soc. 147 (2000) 2893; S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241).In addition, lithium-ion batteries have been reported to fail to charge in a low temperature environment, although discharging can be normal (Ref, CK Huang, JS Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. 147 (2000) 2893; SS Zhang, K Xu, TR Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241).
또한, 저온 환경에서 리튬이온 배터리의 성능저하는 전해질의 저하된 이온전도도와, 리튬이온의 그라파이트로의 낮은 확산성과, 전해질과 전극부 계면에서의 전하 전달의 저항 증가 등에 그 원인이 있다고 보고되고 있다(Ref, S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137).It has also been reported that the performance deterioration of a lithium ion battery in a low temperature environment is caused by a decrease in the ion conductivity of the electrolyte, a low diffusion of lithium ions into the graphite, and an increase in the resistance of charge transfer at the interface between the electrolyte and the electrode (Ref, SS Zhang, K Xu, TR Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137).
이렇게 저온의 환경에서는 배터리의 출력저하 및 성능저하가 가장 심각한 문제로 대두되고 있고, 따라서 배터리의 저온 환경에서의 성능 저하를 방지하기 위하여 배터리 셀을 적정 온도(35~45℃)로 유지하기 위한 별도의 단열이 필요하다.In such a low temperature environment, the output of the battery is degraded and the performance deterioration becomes the most serious problem. Therefore, in order to prevent deterioration of the performance of the battery in a low temperature environment, the battery cell is maintained separately at an appropriate temperature (35 to 45 ° C) Insulation is required.
반면, 실사용 환경(온도)이 고온인 경우에도 전장부품 및 배터리에 문제가 발생하는데, 고온에서는 배터리의 열폭주 현상(thermal runaway) 등의 안정성이 문제가 되고 있다.On the other hand, even when the operating environment (temperature) is high, problems occur in electric components and batteries, and stability at the high temperature, such as thermal runaway of the battery, becomes a problem.
이렇게 단열이 우수한 경우 방열의 문제점이 생기게 되고, 방열이 우수한 경우 높은 열전도도로 인하여 단열의 문제가 생기게 됨에 따라, 하이브리드 및 전기자동차의 리튬 이온 배터리를 포함한 전장부품을 단열과 방열이 필요한 환경에 능동적으로 대응시킬 수 없는 문제점이 있다. When the heat insulation is excellent, there is a problem of heat dissipation. When the heat dissipation is excellent, there is a problem of heat insulation due to the high heat conduction. Therefore, electric parts including the lithium ion battery of the hybrid electric vehicle are actively There is a problem that it can not be coped with.
이를 해결하고자, 배터리에 단열수단으로서 발포 폼을 적용할 경우 저온성능의 개선을 기대할 수 있으나, 고온 환경에서 전장 부품의 구동을 비롯한 배터리의 충전 및 방전 작동에 의하여 발열이 발생할 경우 오히려 단열수단이 열폭주를 가속화시켜 요인이 되어, 전장 부품 및 배터리 등에 치명적인 손상을 초래할 수 있다.In order to solve this problem, improvement of the low temperature performance can be expected when the foaming foam is applied to the battery as a heat insulating means. However, when the heat is generated by charging and discharging operations of the battery including the driving of the electric component in a high temperature environment, It accelerates the runaway, which may cause fatal damage to electric parts, batteries, and the like.
또한, 배터리의 방열 성능 강화를 위해 공냉수단인 블로어의 용량을 증대시키거나, 수냉수단을 채택하고, 단열 성능 강화를 위하여 단열재로 배터리 하우징을 구성하는 방식이 동시에 적용되고 있지만, 이는 중량을 증가시키는 문제점이 있다.In order to enhance the heat dissipation performance of the battery, the capacity of the blower, which is an air cooling means, is increased, a water cooling means is adopted, and a battery housing is constructed of a heat insulating material for enhancing the heat insulating performance. There is a problem.
따라서, 자동차용 전자전기 부품, 특히 배터리 시스템 등에서의 방열 및 단열 문제를 해결하기 위해서 주변 환경에 따라 능동적으로 열전도를 제어할 수 있고, 경량화 효과까지 얻을 수 있는 스마트 하우징(smart housing) 소재의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, development of a smart housing material capable of controlling heat conduction actively according to the surrounding environment and achieving a light weight effect in order to solve heat and insulation problems in automotive electronic and electric parts, especially battery systems, Is required.
고방열 소재의 일례로서, 열전도도가 우수한 필러가 함유된 복합소재를 이용하여 배터리 하우징을 구성하고 있지만, 원하는 열전도도 목표치에 도달하기 위해서는 70wt%이상으로 필러가 고함량 충진되어야 하며, 이는 복합소재의 물성 저하를 초래한다.As an example of a highly heat-dissipating material, a battery housing is constructed using a composite material containing a filler having a high thermal conductivity. However, in order to achieve a desired thermal conductivity, a filler must be filled in a high amount of 70 wt% Resulting in deterioration of physical properties.
또한, 열전도도가 우수한 필러가 함유된 복합소재를 이용하여 배터리 하우징 등을 제조하는 경우, 사출방향으로의 필러 배향에 의해 열전도의 이방성이 발생하게 된다.In addition, when a battery housing or the like is manufactured using a composite material containing a filler having an excellent thermal conductivity, anisotropy of heat conduction occurs due to the pillar orientation in the injection direction.
좀 더 상세하게는, 방열성능 향상을 위해 개발된 고열전도도의 필러를 함유한 고분자 복합재 수지의 경우, 대부분 판상이나 파이버(fiber)타입의 필러를 포함하고 있기 때문에 배터리 케이스 등으로 사출 제작될 때, 필러가 사출방향으로의 전단력에 의해 사출방향으로의 일축배향이 되어 열전도성의 이방성 문제를 초래하고, 이로 인하여 통상적으로 두께 방향의 열전도도에 비하여 사출방향 열전도도는 1/3~1/4 수준으로 매우 낮은 단점이 있다.More specifically, since the polymer composite resin containing a filler of a high thermal conductivity developed for improving the heat radiation performance includes a filler of a plate or fiber type in most cases, when it is injection molded into a battery case or the like, The filler is uniaxially oriented in the direction of injection by the shear force in the direction of injection so that the problem of anisotropy of thermal conductivity is brought about and thereby the thermal conductivity in the direction of injection is usually about 1/3 to 1/4 There is a very low disadvantage.
따라서, 효과적인 방열을 위해서는 부품의 형상과 특성에 맞게 열전달 경로가 형성되어야 하며, 바람직하게는 대부분의 전장품 및 배터리용 하우징은 방열 효율성을 향상시킬 수 있도록 두께방향으로의 열전달 경로 특성을 갖도록 제작되어야 한다.Therefore, in order to effectively dissipate heat, a heat transfer path must be formed in accordance with the shape and characteristics of the parts. Preferably, most of the electrical parts and the housing for the battery should be formed to have heat transfer path characteristics in the thickness direction so as to improve heat radiation efficiency .
한편, 배터리 적정온도 유지를 위한 소재로서, 온도 상승시 열을 흡수하고 하강시 열을 방출하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지시킬 수 있는 상전이 소재가 사용되고 있으나, 낮은 열 전도도로 인해 열전달 유체와 상전이 물질 간의 효과적인 열교환 속도가 이루어지지 않는 단점이 있다.
On the other hand, as a material for maintaining the proper temperature of the battery, a phase change material capable of absorbing heat at the time of temperature rise and releasing heat at the time of falling to properly maintain the internal temperature of the battery is used. However, due to low thermal conductivity, There is a disadvantage in that an effective heat exchange rate between the materials is not achieved.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 용융점을 기점으로 하여 액상/고상으로 상전이 현상이 일어나는 상전이 소재를 이용하되, 상전이 소재의 상전이시 약 10 vol% 이하 부피변화를 이용하여 열전도 경로가 용이하게 변경되도록 함으로써, 열전도도를 능동적으로 제어할 수 있고, 배터리를 비롯한 전기 전자부품의 사용온도에 따른 안정성 및 성능저하를 방지하는 동시에 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공하는데 그 목적이 있다.
Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a phase change material in which phase transition occurs in a liquid / solid phase starting from a melting point, So that the thermal conductivity can be actively controlled and the reliability and performance of the electrical and electronic parts including the battery can be prevented from being lowered depending on the use temperature and the reliability of the thermal conductivity control can be improved And to provide a smart composite material.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축의 부피변화를 하는 상전이물질이 이루어진 코어와, 상전이물질을 감싸주는 탄성물질로 된 쉘과, 쉘의 표면에 코팅되는 고열전도성 필러로 구성하여, 열전도도를 스스로 조절하는 기능을 하도록 한 코어쉘 구조의 하이브리드 상전이 입자와; 상기 하이브리드 상전이 입자들을 열전도 매개소재와 함께 봉지시키는 열전도성 파우치 부재; 로 구성된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a phase change material, including: forming a core having a phase change material that expands or contracts in volume with a change in temperature; a shell made of an elastic material covering the phase change material; A core shell structure of hybrid phase transition particles comprising a high thermal conductive filler coated thereon and functioning to control thermal conductivity by itself; A thermally conductive pouch member for sealing the hybrid phase transition particles together with the thermally conductive material; The present invention also provides a smart composite material for controlling the thermal conductivity.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 하이브리드 상전이 입자의 코어는 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 상전이물질로서, 라우릭 산(lauric acid) 또는 노나데칸(nonadecane)으로 채택된 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the core of the hybrid phase transition particles is a phase transition material having a volume change based on a melting point, and is characterized by being adopted as lauric acid or nonadecane.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 하이브리브 상전이 입자의 쉘은 코어 표면을 감싸는 탄성력을 갖는 엘라스토머 소재로 채택된 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the shell of the hybrid phase change particles is adopted as an elastomer material having an elastic force to cover the core surface.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 고열전도성 필러는 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 고전도성 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the high thermal conductive filler is any one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotube, carbon fiber, highly conductive carbon black, boron nitride, and aluminum nitride.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 열전도성 파우치 부재는: 상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판 및 하판; 상판과 하판의 사이에 수직 배치되어 여러개의 충진공간을 형성하는 에폭시 재질의 격판; 상판과 하판의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버; 로 구성된 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the thermally conductive pouch member comprises: an upper plate and a lower plate of aluminum material disposed up and down; An epoxy-based diaphragm vertically disposed between the upper plate and the lower plate to form a plurality of filling spaces; An epoxy cover covering the side of the space between the upper plate and the lower plate; .
또한, 상기 열전도 매개소재는 주변 온도 변화에 따라 다이나믹 점도가 변하게 되는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜로 채택된 것을 특징으로 한다.Further, the thermally conductive material is characterized by adopting ethylene glycol or propylene glycol in which the dynamic viscosity changes according to the ambient temperature change.
특히, 상기 코어가 고상에서 액상으로 변화하여 부피가 증가하면, 쉘이 외부방향으로 팽창하여 쉘과 쉘 간의 접촉 면적이 증가하는 동시에 쉘 간의 면접촉(side contact)이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.Particularly, when the core is changed from a solid phase to a liquid phase and the volume increases, the shell expands outwardly so that the contact area between the shell and the shell increases, and side shell contact between the shells occurs.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축의 부피변화를 하는 상전이물질에 고열전도성 필러를 분산시킨 상전이소재를 열전도성 파우치 소재의 충진공간내에 직접 충진시킨 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a thermally conductive pouch, comprising: filling a phase transition material in which a high thermal conductive filler is dispersed in a phase transition material having a volume change of expansion or contraction according to a temperature change, The present invention also provides a smart composite material for controlling thermal conductivity.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 상전이물질은 라우릭 산(lauric acid) 또는 노나데칸(nonadecane)으로 채택된 것을 특징으로 하고, 상기 고열전도성 필러는 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 고전도성 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the phase transfer material is selected from lauric acid or nonadecane, wherein the high thermal conductive filler is selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, Black, boron nitride, and aluminum nitride.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 열전도성 파우치 부재는: 상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판 및 하판과, 상판과 하판의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버로 구성되어, 하나의 충진 공간을 갖는 구조로 채택되거나, 또는 상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판 및 하판과, 상판과 하판의 사이에 수직 배치되어 여러개의 충진공간을 형성하는 에폭시 재질의 격판과, 상판과 하판의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버로 구성된 것임을 특징으로 한다.
In another embodiment of the present invention, the thermally conductive pouch member comprises: an upper plate and a lower plate made of aluminum, which are vertically spaced apart; and a cover made of an epoxy material covered on the side of the space between the upper plate and the lower plate, An upper plate and a lower plate made of aluminum and vertically spaced from each other, a partition plate made of epoxy material vertically arranged between the upper plate and the lower plate to form a plurality of filling spaces, and a space between the upper plate and the lower plate And a cover made of an epoxy material covering the side of the cover.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.
본 발명은, 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축의 부피변화를 하는 상전이물질이 이루어진 코어와, 상전이물질을 감싸주는 탄성물질로 된 쉘과, 쉘의 표면에 코팅되는 고열전도성 필러로 구성된 하이브리드 상전이 입자를 열전도 매개소재와 함께 열전도성 파우치 부재내에 충진시킨 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공하고자 한 것이며, 이를 전기전자부품의 하우징 또는 배터리 모듈의 케이스 소재로 적용하여 단열 및 방열 효과를 동시에 얻을 수 있다.The present invention relates to a hybrid phase transition particle composed of a core made of a phase change material which undergoes a change in volume of expansion or contraction according to a temperature change, a shell made of an elastic material covering the phase change material, and a high thermal conductivity filler coated on the surface of the shell The present invention provides a smart composite material for controlling thermal conductivity filled in a thermally conductive pouch member together with a thermally conductive material and can be used as a housing material of an electric or electronic device or as a case material of a battery module.
즉, 용융점을 기점으로 하여 상전이물질이 액상 또는 고상으로 상전이될 때, 그 부피변화를 이용해 열전도도를 능동적으로 제어할 수 있고, 그에 따라 전기전자부품을 비롯한 배터리 등의 사용온도에 따른 안정성 및 성능저하의 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.That is, when the phase change material is phase-changed from a melting point to a liquid phase or a solid phase, the thermal conductivity can be actively controlled using the change in volume, and accordingly, the stability and performance The problem of deterioration can be fundamentally solved.
다시 말해서, 전기전자부품을 비롯한 배터리의 작동 혹은 주변온도의 상승 등으로 인해 발열이 발생할 경우, 본 발명의 복합재의 열전도도가 높아져 효율적인 방열효과를 나타내고, 반대로 주변 온도가 낮아지게 되면 열전도도가 낮아져 열적 절연체 기능을 하게 되어 부품의 저온 성능저하를 근본적으로 방지할 수 있다.
In other words, when a heat generation occurs due to the operation of a battery including an electric / electronic part or an increase in ambient temperature or the like, the thermal conductivity of the composite material of the present invention is increased and an efficient heat radiation effect is exhibited. Conversely, when the ambient temperature is lowered, It can function as a thermal insulator and can basically prevent deterioration in low-temperature performance of parts.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재의 하이브리드 상전이 입자를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재의 열전도성 파우치 부재를 나타내는 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재의 열 제어 메카니즘을 설명하는 모식도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재를 나타내는 모식도.FIG. 1 and FIG. 2 are schematic views showing hybrid phase transition particles of a smart composite for controlling thermal conductivity according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a schematic view showing a thermally conductive pouch member of a smart composite material for controlling thermal conductivity according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a thermal control mechanism of a smart composite material for controlling thermal conductivity according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are schematic views showing a smart composite material for controlling thermal conductivity according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 주변 온도에 따라 소재의 열전도 특성이 능동적으로 제어될 수 있는 일종의 스마트 소재로서, 전기 전자부품의 하우징 특히, 배터리 모듈의 하우징 또는 케이스 소재로 적용하여, 발열 조건에서 우수한 방열 성능을 나타내는 동시에 낮은 온도 환경에서 단열 기능을 통해 적정 온도를 유지시킬 수 있도록 한 열전도도 제어용 스마트 복합재를 제공하고자 한 것이다.The present invention is a kind of smart material which can actively control the thermal conductivity of a material according to the ambient temperature, and is applied to a housing of an electric / electronic part, in particular, a housing or a case material of a battery module, And to provide a smart composite material for controlling the thermal conductivity so as to maintain an appropriate temperature through an insulation function in a low temperature environment.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재는 첨부한 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축의 부피변화를 하면서 열전도도를 스스로 조절하는 코어쉘 구조의 입자(이하, 하이브리드 상전이 입자라고 칭함)와, 코어쉘 구조의 입자들을 열전도 매개소재(와 함께 봉지시키는 열전도성 파우치 부재로 구성된다.For this purpose, as shown in FIGS. 1 to 3, the smart composite for controlling the thermal conductivity according to an embodiment of the present invention includes a core shell for controlling the thermal conductivity by itself while changing the volume of the expansion or contraction according to the temperature change, (Hereinafter, referred to as a hybrid phase transition particle) and a core-shell structure composed of a thermally conductive pouch member for sealing the particles with the heat conduction medium.
상기 하이브리드 상전이 입자(10)의 코어(12)는 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 상전이물질(Phase Change Material, PCM)로 채택된 것으로서, 적용 열제어 시스템에서 요구하는 온도에 맞게 여러가지 소재를 선택할 수 있고, 예를 들어 라우릭 산(lauric acid), 노나데칸(nonadecane)을 사용할 수 있다.The
상기 하이브리브 상전이 입자(10)의 코어(12) 표면에 감싸여지는 쉘(14)은 코어소재를 마치 캡슐과 같이 감싸주는 동시에 코어소재의 부피비 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 탄성력을 갖는 엘라스토머 소재로 채택된다.The
특히, 상기 쉘(14)의 표면에는 고열전도성 필러(16)가 코팅된다.Particularly, the surface of the
즉, 엘라스토머 소재로 된 쉘의 표면에 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 고전도성 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 어느 하나가 고열전도성 필러로서 코팅된다.That is, any one selected from graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, highly conductive carbon black, boron nitride, and aluminum nitride is coated on the surface of the shell made of an elastomer material as a high thermal conductive filler.
이때, 상기 고열전도성 필러(16)의 크기는 마이크로 캡슐과 같은 쉘의 표면에 용이하게 코팅될 수 있도록 최적의 크기로 선정되어야 하며, 예를 들어 쉘이 50~100 마이크로미터 크기의 입자인 경우 고열전도성 필러는 5~20 마이크로미터의 판상입자를 사용하도록 한다.At this time, the size of the high thermal
상기 열전도성 파우치 부재(20)는 하이브리드 상전이 입자(10)를 완전하게 밀봉(fully packed)하는 알루미늄 기반의 복합소재로 제작된다.The thermally
보다 상세하게는, 상기 열전도성 파우치 부재(20)는 열전도도가 높은 알루미늄 재질의 상판(21) 및 하판(22)이 상하로 이격 배치되고, 상판(21)과 하판(22)의 사이공간은 저열전도도(약 0.2~0.3 W/mK)의 에폭시 재질로 된 격판(23)에 의하여 구획되는 여러개의 충진공간(24)으로 형성되며, 상판(21)과 하판(22)의 사이공간의 사이드쪽에도 에폭시 재질로 된 커버(25)가 일체로 부착된 구조로 제작된 것이다.More specifically, the thermally
따라서, 상기 열전도성 파우치 부재(20)는 두께방향을 따라 열전도도가 높은 알루미늄 재질의 상판(21) 및 하판(22)이 존재함에 따라, 두께방향으로 열전도가 용이하게 이루어질 수 있고, 반면 길이방향을 따라 열전도도가 낮은 에폭시 재질의 격판 및 커버가 존재하므로 길이방향으로는 열전도가 용이하게 이루어지지 않게 된다.Accordingly, since the upper and
이때, 상기 열전도성 파우치 부재(20)의 각 충진공간(24)내에 상기한 하이브리드 상전이 입자가 열전도 매개소재(26)와 함께 채워지게 된다.At this time, the hybrid phase transition particles are filled in the
상기 열전도 매개소재(26)는 저온에서의 단열특성을 높이는 기능을 하는 것으로서, 열전도도가 0.3 W/mK 이하로 아주 낮아 단열 특성 발현에 유리한 소재이면서 주변 온도 상승시 전달된 열에 의해 다이나믹 점도(dynamic viscosity)가 낮아지는 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 그 일례로서 열전도도는 0.258 W/mK로 매우 낮은 에틸렌 글리콜(EG: Ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(PG: propylene glycol)이 사용될 수 있다.The thermally
상기 열전도 매개소재를 0℃ 이하의 저온에서도 유동성을 제공하기 위하여 프로필렌 글리콜(PG: propylene glycol)이나 에틸렌 글리콜( ethylene glycol (EG)에 물이나 다른 솔벤트가 혼합된 것으로 사용할 수 있다.In order to provide the fluidity of the thermally conductive material at a low temperature of 0 ° C or lower, propylene glycol (PG) or ethylene glycol (EG) may be mixed with water or other solvent.
보다 상세하게는, 상기 에틸렌 글리콜을 물과 혼합하여 사용할 때, 일반적으로 60:40(에틸렌 글리콜:물)로 혼합하면, 빙점(Freezing point)이 -50 ~ -55 ℃가 되는 동시에 끓는점(boiling point)이 120 ℃가 되어 일반적인 전장 부품 및 사용 온도 환경에 놓이게 되고, 그리고 다이나믹 점도(Dynamic viscosity)는 -17~-20 ℃ 근처에서 35.0~40.0 [cP]가 되므로, 온도 변화에 따른 열전도 매개소재의 유동성 조절이 가능하다.More specifically, when ethylene glycol is mixed with water, it is generally mixed with 60:40 (ethylene glycol: water) to give a freezing point of -50 to -55 ° C and a boiling point ) Is 120 ° C., and the dynamic viscosity is in the range of 35.0 to 40.0 [cP] in the vicinity of -17 to -20 ° C. Therefore, the dynamic viscosity of the thermally conductive material Fluidity control is possible.
예를 들어, 열전도 매개소재의 온도가 상승하여 90~95 ℃가 되면 다이나믹 점도는 0.8 ~ 1.0 [cP]로 낮아지게 되므로, 열전도 매개소재의 온도에 따른 유동성 조절이 가능하다.For example, when the temperature of the thermally conductive material increases to 90 ~ 95 ° C, the dynamic viscosity decreases to 0.8 ~ 1.0 [cP], so that the fluidity can be controlled according to the temperature of the thermally conductive material.
상기 열전도 매개소재(26)가 주변으로부터 전달된 열에 의하여 점도이 낮아지면, 그 유동성이 증가하게 되어, 열전도 매개소재(26)와 함께 채워진(embedded) 하이브리드 상전이 입자(10)의 부피 변화에 대한 자유도가 증가하게 된다.If the viscosity of the thermally
따라서, 주변온도가 하이브리드 상전이 입자(10)의 코어(12) 용융점 즉, 상전이물질의 용융점(melting point) 이상으로 올라가면, 코어(12)가 액화되면서 주변으로부터 열을 흡수하게 됨으로써, 외부 환경으로부터 열을 빼앗는 1차 방열 효과를 얻을 수 있다.Therefore, when the ambient temperature rises above the melting point of the
또한, 상기 코어(12)가 고상에서 액상으로 변화하면서 그 부피가 약 10vol% 이하수준으로 증가하게 되면, 다음과 같이 2차 방열 효과를 얻을 수 있다.If the volume of the core 12 changes from a solid phase to a liquid phase and the volume thereof increases to about 10 vol% or less, a secondary heat dissipation effect can be obtained as follows.
먼저, 상기 코어(12)가 고상에서 액상으로 변화하면서 그 부피가 약 10vol% 이하로 증가하면, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 팽창 및 수축 가능한 엘라스토머 소재로 된 쉘(14)을 외부방향(팽창방향)으로 밀어내게 되고, 이에 쉘(14)과 쉘(14) 간의 접촉 면적이 증가하게 된다.First, when the volume of the core 12 changes from a solid phase to a liquid phase and the volume thereof increases to about 10 vol% or less, the
좀 더 상세하게는, 상기 쉘(14)이 팽창하면 쉘의 표면에 코팅된 고열전도성 필러(16)간의 접촉(contact)이 점접촉(point contact)에서 면접촉(side contact)이 되면서, 쉘(14)과 쉘(14)간의 접촉면적이 증대된다.More specifically, when the
이때, 각 쉘(14)의 표면에 코팅된 고열전도성 필러(16)의 마이크로 입자들 간의 연결정도(connectivity)가 높아지게 되어, 각 쉘(14)에 코팅된 고열전도성 필러(16)들이 3차원 네트워크(network) 형태의 열전도 경로를 형성하게 되므로, 열전도도 향상 효과를 얻을 수 있다.At this time, the degree of connectivity between the microparticles of the high thermal
따라서, 한쪽 주변에서 발생한 열이 위와 같이 형성된 열전달 경로를 따라 반대쪽으로 이동하게 됨으로써, 2차 방열 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, the heat generated in the vicinity of one side moves in the opposite direction along the heat transfer path formed as described above, whereby a secondary heat radiation effect can be obtained.
반면에, 주변온도가 낮아지게 되면 열전도 매개소재의 다이나믹 점도가 높아지고, 그에 따라 열전도 매개소재(26)와 함께 열전도성 파우치 부재(20)의 각 충진공간(24)내에 채워진 하이브리드 상전이 입자(10)의 고정(fixation)이 이루어지고, 이와 함께 하이브리드 상전이 입자의 코어가 용융점 이하로 떨어지게 되어 고화가 이루어지 된다.On the other hand, when the ambient temperature is lowered, the dynamic viscosity of the heat conduction medium becomes higher, and the hybrid
이렇게 주변온도가 하이브리드 상전이 입자의 코어 용융점 즉, 상전이물질의 용융점(melting point) 이하으로 내려가면, 코어가 고화되면서 주변으로부터 흡수하였던 열을 방출하게 되고, 방출된 열이 시스템(예를 들어, 전장품을 비롯한 배터리) 쪽으로 전달되어 히팅 작용을 하게 되는 1차 단열 효과를 얻을 수 있다.When the ambient temperature is lowered below the melting point of the phase transition particles of the hybrid phase transition particles, that is, the melting point of the phase transition material, the core solidifies and releases heat absorbed from the periphery, And the heat is transferred to the battery (including the battery).
또한, 하이브리드 상전이 입자(10)의 코어(12)가 고상으로 상전이 되면서 그 부피가 줄어들게 되면, 엘라스토머 소재로 된 쉘(14)이 내부방향으로 수축하게 되므로, 쉘과 쉘 간의 접촉 면적이 감소하게 되고, 또한 쉘(14)의 표면에 코팅된 고열전도성 필러(16)간의 접촉(contact)이 면접촉(side contact)에서 점접촉(point contact)으로 전환되어, 결국 열전달 경로의 계면저항이 증가하게 되어 열전도도는 급격히 낮아지게 된다. When the
이렇게 열전도도가 낮아짐에 따라, 본 발명의 복합재는 시스템의 열적 에너지(themal energy)를 외부 환경과 단열시키는 인슐레이팅(insulating) 기능을 하게 되므로, 시스템의 온도 저하로 인한 성능 및 안정성 저하를 방지하는데 기여할 수 있다.As the thermal conductivity is lowered, the composite material of the present invention performs an insulating function to insulate the system's thermal energy with the external environment, thereby preventing performance degradation and stability degradation due to the temperature drop of the system You can contribute.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재를 첨부한 도 4 및 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, a smart composite material for controlling the thermal conductivity according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재는 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 충진공간을 이루는 열전도성 파우치 부재를 포함한다.As shown in FIG. 4, the smart composite material for controlling thermal conductivity according to another embodiment of the present invention includes a thermally conductive pouch member forming one filling space.
보다 상세하게는, 상기 열전도성 파우치 부재는 상하로 이격 배치되는 열전도도가 높은 알루미늄 재질의 상판 및 하판, 그리고 상판과 하판의 사이의 측판을 이루는 에폭시 재질의 커버로 구성되어, 내부에 하나의 충진공간이 형성된다.More specifically, the thermally conductive pouch member is constituted of an upper plate and a lower plate of aluminum having high thermal conductivity disposed up and down, and a cover of an epoxy material constituting a side plate between the upper plate and the lower plate, Space is formed.
특히, 상기 열전도성 파우치 부재의 충진공간에는 상술한 바와 같이 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 액상의 상전이물질에 고열전도성 필러를 분산시킨 상전이소재가 충진된다.Particularly, the filling space of the thermally conductive pouch member is filled with a phase transition material in which a high thermal conductive filler is dispersed in a liquid phase transition material having a volume change based on the melting point as described above.
따라서, 상기 상전이물질이 용융점 이하에서 고화되면, 부피가 줄어서 상판과 상전이소재 간의 계면에 틈이 발생되면서 에어층이 형성됨으로써, 이 에어층으로 인하여 외부로부터의 단열효과를 얻을 수 있고, 반면 용융점 이상에서 액화되면 부피가 늘어나서 상판과 하판에 접촉하는 상태가 되므로 내부의 열을 외부로 방열시키는 기능을 하게 된다.Therefore, when the phase change material is solidified at a melting point or lower, the volume is reduced to form a gap in the interface between the upper plate and the phase transition material, so that an air layer is formed, The volume is increased and the upper plate and the lower plate are in contact with each other, thereby functioning to dissipate the heat inside the outside.
이때, 상전이물질내에 고열전도 필러가 너무 많이 분산될 경우 상전이 효과에 의한 부피차가 나지 않아 에어층 형성이 되지 않고, 너무 적게 첨가될 경우에는 열전도도가 낮아 효과적인 상전이 현상이 일어나지 않으므로, 실험을 통하여 적정량을 분산시키도록 한다.In this case, when the high heat conductive filler is dispersed too much in the phase transition material, the air layer is not formed due to the phase transition effect, and when the amount is too small, the thermal conductivity is low so that an effective phase transition phenomenon does not occur. .
한편, 상기 열전도성 파우치 부재를 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 열전도도가 높은 알루미늄 재질의 상판 및 하판이 상하로 이격 배치되고, 상판과 하판의 사이공간은 저열전도도(약 0.2~0.3 W/mK)의 에폭시 재질로 된 격판에 의하여 구획되는 여러개의 충진공간으로 형성되며, 상판과 하판의 사이공간의 사이드쪽에도 에폭시 재질로 된 커버가 일체로 부착된 구조의 것을 사용할 수 있다.5, the upper and lower plates made of aluminum having high thermal conductivity are vertically spaced apart from each other. The space between the upper plate and the lower plate has a low thermal conductivity (about 0.2 to 0.3 W / mK), and a structure in which a cover made of an epoxy material is integrally attached to the side of the space between the upper plate and the lower plate may be used.
물론, 각 충진공간내에 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 액상의 상전이물질에 고열전도성 필러를 분산시킨 상전이소재가 충진된다.Of course, a phase transition material in which a high thermal conductive filler is dispersed is filled in a liquid phase transition material having a volume change based on the melting point in each filling space.
마찬가지로, 상기 상전이물질이 용융점 이하에서 고화되면, 부피가 줄어서 상판과 상전이소재 간의 계면에 틈이 발생되면서 에어층이 형성됨으로써, 이 에어층으로 인하여 외부로부터의 단열효과를 얻을 수 있고, 반면 용융점 이상에서 액화되면 부피가 늘어나서 상판과 하판에 접촉하는 상태가 되므로 내부의 열을 외부로 방열시키는 기능을 하게 된다.
Likewise, when the phase transition material is solidified at a melting point or lower, the volume is reduced to form a gap in the interface between the upper plate and the phase transition material, thereby forming an air layer. As a result, The volume is increased and the upper plate and the lower plate are in contact with each other, thereby functioning to dissipate the heat inside the outside.
10 : 하이브리드 상전이 입자
12 : 코어
14 : 쉘
16 : 고열전도성 필러
20 : 열전도성 파우치 부재
21 : 상판
22 : 하판
23 : 격판
24 : 충진공간
25 : 커버
26 : 열전도 매개소재10: Hybrid phase transition particles
12: Core
14: Shell
16: High thermal conductivity filler
20: thermally conductive pouch member
21: Top plate
22: Lower plate
23: diaphragm
24: filling space
25: cover
26: Heat conduction material
Claims (11)
상기 하이브리드 상전이 입자(10)들을 열전도 매개소재(26)와 함께 봉지시키는 열전도성 파우치 부재(20);
를 포함하여 구성되고,
상기 코어(12)가 고상에서 액상으로 변화하여 부피가 증가하면, 쉘(14)이 외부방향으로 팽창하여 쉘(14)과 쉘(14) 간의 접촉 면적이 증가하는 동시에 쉘(14) 간의 면접촉(side contact)이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
A core 14 made of an elastic material covering the phase change material, and a high thermal conductive filler coated on the surface of the shell 14. The core 12 is made of a phase change material that expands or shrinks in accordance with the temperature change, 16, and has a core shell structure of hybrid phase transition particles (10) functioning to control the thermal conductivity by itself;
A thermally conductive pouch member (20) sealing the hybrid phase transition particles (10) together with the heat conduction medium (26);
And,
When the volume of the core 12 changes from a solid phase to a liquid phase, the shell 14 expands outward to increase the contact area between the shell 14 and the shell 14, and a side contact is formed between the first and second substrates.
상기 하이브리드 상전이 입자(10)의 코어(12)는 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 상전이물질로서, 라우릭 산(lauric acid) 또는 노나데칸(nonadecane)으로 채택된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 1,
The core 12 of the hybrid phase transition particles 10 is a phase change material having a volume change based on the melting point and is adopted as lauric acid or nonadecane. .
상기 하이브리브 상전이 입자(10)의 쉘(14)은 코어(12) 표면을 감싸는 탄성력을 갖는 엘라스토머 소재로 채택된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 1,
Wherein the shell (14) of the hybrid phase change particles (10) is an elastomeric material having an elastic force covering the surface of the core (12).
상기 고열전도성 필러(16)는 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 고전도성 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 1,
Wherein the high thermal conductive filler is one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotube, carbon fiber, highly conductive carbon black, boron nitride, and aluminum nitride.
상기 열전도성 파우치 부재(20)는:
상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판(21) 및 하판(22);
상판(21)과 하판(22)의 사이에 수직 배치되어 여러개의 충진공간(24)을 형성하는 에폭시 재질의 격판(23);
상판(21)과 하판(22)의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버(25);
로 구성된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 1,
The thermally conductive pouch member (20) comprises:
An upper plate 21 and a lower plate 22 made of aluminum and disposed up and down;
A diaphragm 23 of an epoxy material disposed vertically between the upper plate 21 and the lower plate 22 to form a plurality of filling spaces 24;
An epoxy cover 25 which is covered on the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22;
And a thermosetting resin.
상기 열전도 매개소재(26)는 주변 온도 변화에 따라 다이나믹 점도가 변하게 되는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜로 채택된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 1,
Wherein the thermally conductive material (26) is selected from ethylene glycol or propylene glycol, the dynamic viscosity of which varies with ambient temperature.
상기 열전도성 파우치 부재(20)는:
상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판(21) 및 하판(22)과, 상판(21)과 하판(22)의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버(25)로 구성되어, 하나의 충진 공간(24)을 갖는 구조로 채택되거나,
상하로 이격 배치되는 알루미늄 재질의 상판(21) 및 하판(22)과, 상판(21)과 하판(22)의 사이에 수직 배치되어 여러개의 충진공간(24)을 형성하는 에폭시 재질의 격판(23)과, 상판(21)과 하판(22)의 사이공간의 사이드쪽에 커버되는 에폭시 재질의 커버(25)로 구성된 것임을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The phase change material in which the high thermal conductive filler 16 is dispersed in the phase change material which changes its volume by expansion or contraction according to the temperature change is directly filled in the filling space 24 of the thermally conductive pouch material 10,
The thermally conductive pouch member (20) comprises:
An upper plate 21 and a lower plate 22 made of aluminum and spaced apart from each other and an epoxy cover 25 covering the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22, It may be adopted as a structure having a space 24,
An upper plate 21 and a lower plate 22 made of aluminum and vertically spaced apart from each other and a partition plate 23 made of epoxy which is vertically disposed between the upper plate 21 and the lower plate 22 to form a plurality of filling spaces 24 And a cover 25 made of an epoxy material covering the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22.
상기 상전이물질은 라우릭 산(lauric acid) 또는 노나데칸(nonadecane)으로 채택된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method of claim 8,
Wherein the phase change material is selected from lauric acid or nonadecane.
상기 고열전도성 필러(16)는 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 고전도성 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method of claim 8,
Wherein the high thermal conductive filler is one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotube, carbon fiber, highly conductive carbon black, boron nitride, and aluminum nitride.
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