KR102497816B1 - 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄 - Google Patents

플렉서블 배터리가 내장된 시계줄 Download PDF

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Abstract

플렉서블 배터리가 내장된 시계줄이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄은 플렉서블 배터리; 및 상기 플렉서블 배터리가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 플렉서블 배터리를 덮는 연질의 하우징;을 포함하고, 상기 플렉서블 배터리는 상기 하우징의 내부에 인서트 몰딩되며, 상기 하우징은 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역의 임의의 위치에서의 두께가 상기 중앙부 영역을 제외한 나머지 영역의 임의의 위치에서의 두께보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성되며, 상기 플렉서블 배터리는, 전극조립체; 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재; 상기 외장재의 길이방향을 따라 산부와 골부가 반복되도록 상기 외장재에 형성되는 제1패턴; 및 상기 전극조립체의 길이방향을 따라 상기 제1패턴과 서로 일치하도록 상기 전극조립체에 형성되는 제2패턴;을 포함하되, 상기 전극조립체는 상기 제2패턴이 상기 제1패턴과 서로 일치하게 배치되도록 상기 외장재에 수용될 수 있다.

Description

플렉서블 배터리가 내장된 시계줄{Watch strap having flexible battery}
본 발명은 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 관한 것이다.
전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장 요구도 박형 및 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전원 공급 장치의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다.
최근, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 전자기기의 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 특히 두루마리형 디스플레이, 플렉서블 전자종이(flexible e-paper), 플렉서블 액정표시장치(flexible liquid crystal display, flexible-LCD), 플렉서블 유기발광다이오드(flexible organic light-emitting diode, flexible-OLED) 등이 적용된 플렉서블 모바일 전자기기에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라, 플렉서블 모바일 전자기기를 위한 전원 공급 장치 역시 플렉서블한 특성이 요구되고 있다..
이와 같은 특성을 반영할 수 있는 전원 공급 장치 중 하나로 플랙서블 배터리가 개발되고 있다.
이와 같은 플렉서블 배터리로서 두 전극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체를 전해액과 함께 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 배터리가 개발되고 있다.
이러한 파우치형 배터리는 가요성(flexible)을 갖는 소재로 제작되어 다양한 형태로 제조가 가능하며, 높은 질량당 에너지밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 종래의 파우치형 배터리는 단순한 플렉서블 형태로 구현되기 때문에 사용과정 중에서 반복적인 밴딩이 일어나면 외장재 및 전극조립체가 반복적인 수축 및 이완에 의한 파손이 발생되거나 성능이 최초 설계치에 비하여 상당한 수준으로 감소되어 배터리로서의 기능을 발휘하는데 한계가 있다.
일례로, 상술한 플렉서블 배터리가 스마트워치와 같은 웨어러블 디바이스에 체결되는 시계줄에 적용되는 경우, 시계줄은 플렉서블 배터리를 내장시킨 후 사출성형을 통해 제작된다.
이때, 사용자의 착용감을 높이기 위하여 상기 시계줄의 소재가 실리콘이나 가죽과 같은 연질의 재질로 이루어지면 사용과정 중에 상기 시계줄은 반복적인 밴딩이 일어남으로써 외장재 및 전극조립체가 반복적인 수축 및 이완에 의한 파손이 발생되거나 성능이 최초 설계치에 비하여 상당한 수준으로 감소되어 배터리로서의 기능을 발휘하는데 한계가 있다.
한편, 상기 플렉서블 배터리가 연질의 하우징에 내장되어 시계줄을 구성하는 경우 길이방향에 대한 반복적인 밴딩이 일어나더라도 배터리 자체가 플렉서블한 재질로 이루어지기 때문에 이에 대한 대처가 어느 정도는 가능하다. 그러나 시계줄이 비틀리거나 강한 외력이 작용하게 되면, 플렉서블 배터리 역시 비틀림에 의한 크랙 및 파손이 발생하여 배터리로서의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
더불어, 상기 하우징 역시 연질의 재질로 이루어지기 때문에 비틀림 등의 외력이 작용하면 찢겨짐 등과 같은 파손이 발생할 수 있고, 이로 인해 내장된 플렉서블 배터리에도 크랙을 유발할 수 있다.
이에 따라, 시계줄에 플렉서블 배터리가 내장되더라도 상기 플렉서블 배터리의 파손 및 손상에 의해 웨어러블 디바이스 측으로 전원공급이 이루어지지 못하기 때문에 제 기능을 수행할 수 없는 문제가 있다.
KR 10-2012-0023491 A
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 플렉서블 배터리를 보호하는 하우징이 연질의 재질로 이루어지는 경우 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역이 나머지 영역보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성함으로써 비틀림이나 외력에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 플렉서블 배터리를 구성하는 외장재 및 전극조립체에 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위하여 각각 형성되는 패턴이 서로 일치하도록 형성됨으로써 반복적인 밴딩이 발생하더라도 배터리로서 요구되는 물성의 저하를 방지하거나 최소화할 수 있는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉서블 배터리; 및 상기 플렉서블 배터리가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 플렉서블 배터리를 덮는 연질의 하우징;을 포함하고, 상기 플렉서블 배터리는 상기 하우징의 내부에 인서트 몰딩되며, 상기 하우징은 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역의 임의의 위치에서의 두께가 상기 중앙부 영역을 제외한 나머지 영역의 임의의 위치에서의 두께보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성되며, 상기 플렉서블 배터리는, 전극조립체; 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재; 상기 외장재의 길이방향을 따라 산부와 골부가 반복되도록 상기 외장재에 형성되는 제1패턴; 및 상기 전극조립체의 길이방향을 따라 상기 제1패턴과 서로 일치하도록 상기 전극조립체에 형성되는 제2패턴;을 포함하되, 상기 전극조립체는 상기 제2패턴이 상기 제1패턴과 서로 일치하게 배치되도록 상기 외장재에 수용되는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄을 제공한다.
또한, 상기 플렉서블 배터리는, 전극조립체; 및 상기 전극조립체 및 전해액이 수용되는 수용부와, 상기 수용부의 테두리를 따라 배치되어 상기 수용부의 테두리를 밀봉하는 실링부를 포함하는 외장재;를 포함하고, 상기 중앙부 영역은 상기 외장재의 전체면적 중 상기 수용부에 해당하는 면적을 포함할 수 있다.
또한, 상기 중앙부 영역은 폭의 중앙부에서 폭 방향을 따라 양단부측으로 갈수록 두께가 얇아지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 상기 플렉서블 배터리의 상면을 덮는 제1부분과 상기 플렉서블 배터리의 하면을 덮는 제2부분을 포함하고, 상기 제1부분 및 제2부분은 서로 대칭적으로 형성되거나 비대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 두께방향과 평행한 중심선을 기준으로 좌,우가 대칭적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 전기절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 일례로, 상기 하우징은 폴리아미드 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌 수지 및 에폭시 수지 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 플렉서블 배터리는 외부면 중 적어도 일부 면적에 외부로부터 내부로 열이 이동하는 것을 차단하기 위한 단열층이 구비될 수 있으며, 상기 단열층은 공기를 수용할 수 있는 다수의 미세기공이 형성된 다공성 기재 및 단열필름 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다공성 기재는 섬유웹, 부직포, 직물 및 편물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 기재를 포함하고, 상기 기재를 형성하는 섬유는 유기섬유 및 무기섬유 중 어느 하나 이상의 섬유를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유웹은 전기방사를 통해 형성된 나노섬유웹이며, 상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 폴리아크릴로니트릴 나노섬유, 폴리비닐리덴플루오라이드 나노섬유 및 폴리아크릴로니트릴과 폴리비닐리덴플루오라이드의 복합나노섬유 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
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또한, 상기 패턴은 길이방향을 따라 산부와 골부가 교대로 형성되고, 상기 산부 및 골부는 호형단면, 다각단면 및 이들이 상호 조합된 단면 중 어느 하나의 단면을 갖도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 패턴은 상기 전극조립체 및 외장재의 길이방향을 따라 전체적으로 형성되거나 부분적으로 형성될 수 있으며, 각각의 산부 및 골부는 상기 전극조립체 및 외장재의 폭방향과 평행한 방향으로 연속적 또는 비연속적으로 형성될 수 있다.
이때, 서로 이웃하는 복수 개의 산부 또는 골부간의 간격은 등간격 또는 부등간격을 갖도록 형성되거나 등간격과 부등간격이 상호 조합된 형태로 구비될 수 있으며, 상기 패턴은 길이방향을 따라 연속적으로 형성되거나 비연속적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 외장재는 상기 전극조립체 및 전해액을 수용하는 수용부를 형성하기 위한 제1영역과, 상기 제1영역을 둘러싸도록 배치되어 밀봉부를 형성하기 위한 제2영역을 포함하고, 상기 패턴 중 외장재에 형성되는 패턴은 상기 제1영역에만 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는, 집전체의 일부 또는 전부에 활물질이 코팅되어 구성되는 양극 및 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하고, 상기 분리막은 미세 기공을 갖는 다공성 부직포층과, 상기 부직포층의 일면 또는 양면에 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노 섬유를 함유한 나노섬유웹층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 활물질은 크랙을 방지하고 집전체로부터의 박리를 방지할 수 있도록 PTFE를 포함할 수 있다.
또한, 상기 외장재는 제1수지층, 금속층 및 단열층이 순차적으로 적층될 수 있다. 상기 제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 선택된 1종의 단일층으로 형성되거나 2종 이상이 적층되어 구성될 수 있다. 또한, 상기 금속층은 알루미늄, 구리, 인청동(phosphorbronze, PB), 알루미늄청동(aluminium bronze), 백동, 베릴륨-구리(Berylium-copper), 크롬-구리, 티탄-구리, 철-구리, 코르손 합금 및 크롬-지르코늄 구리 합금 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외장재는 금속층과 단열층 사이에 개재된 제2 수지층을 더 포함하고, 상기 제2 수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속층 및 제1수지층 사이 개재되는 제1 접착층을 더 포함하고, 상기 제1 접착층은 실리콘, 폴리프탈레이트, PPa(acid modified polypropylene) 또는 PEa(acid modified polyethylene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속층 및 제2 수지층 사이에 개재되는 드라이 라미네이트층(dry lamination layer) 및 상기 제2 수지층과 단열층 사이에 개재되는 제2 접착층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해액은 겔 폴리머 전해액을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역이 나머지 영역, 일례로 측부영역에 비하여 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 구성함으로써 유연성을 확보하면서도 비틀림이나 강한 외력에 의해 플렉서블 배터리의 파손을 방지하여 제품에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 플렉서블 배터리를 구성하는 외장재 및 전극조립체에 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위하여 각각 형성되는 패턴이 서로 일치하도록 형성됨으로써 길이방향에 대한 반복적인 밴딩이 일어나더라도 배터리로서 요구되는 물성의 저하를 방지하거나 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에서 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역과 나머지 영역을 설명하기 위한 도면으로서, a)는 중앙부 영역이 플렉서블 배터리의 수용부 폭과 일치하는 경우이고, b)는 중앙부 영역이 플렉서블 배터리의 수용부를 포함하고 실링부의 중간 지점까지인 경우이며, c)는 중앙부 영역이 배터리 수용부의 폭과 일치하는 경우를 나타낸 도면,
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 하우징을 폭방향으로 절개한 다양한 단면형상을 나타낸 도면,
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄을 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리를 나타낸 개략도,
도 9은 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리의 세부구성을 나타낸 확대도,
도 10은 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 다른 형태의 플렉서블 배터리를 나타낸 개략도,
도 11는 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리에서 전극조립체와 외장재에 적용되는 다양한 패턴을 나타낸 예시도로서, 서로 이웃하는 골부 또는 산부들간의 다양한 간격을 나타낸 도면,
도 12은 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리에서 전극조립체와 외장재에 적용되는 다양한 패턴을 나타낸 예시도로서, 패턴이 전체길이에 대하여 연속적으로 형성되거나 비연속적으로 형성되는 경우를 나타낸 예시도,
도 13 내지 도 16는 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리에 적용되는 패턴의 다양한 단면형상을 나타낸 개략도, 그리고,
도 17a 및 도 17b는 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄에 적용되는 플렉서블 배터리의 성능을 나타낸 그래프로서, a)는 밴딩 전후 배터리 용량의 변화를 나타낸 그래프이고, b)는 접힌 부분에 순간적인 외력을 가했을 경우 시간에 따른 배터리의 전압변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄(100,100')은 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이 하우징(110) 및 플렉서블 배터리(120,120')를 포함한다.
상기 하우징(110)은 내장되는 플렉서블 배터리(120,120')를 외부환경으로부터 보호하기 위한 것으로, 소정의 길이를 갖도록 구비되며 사용자의 신체에 감겨질 수 있도록 연질의 재질로 이루어진다.
여기서, 상기 플렉서블 배터리(120,120') 역시 가요성을 갖도록 구비됨으로써 상기 하우징(110)이 사용자의 신체에 감겨지더라도 배터리로서의 성능이 발휘될 수 있도록 한다.
이때, 상기 하우징(110)은 내장되는 플렉서블 배터리(120,120')의 작동시 상기 플렉서블 배터리(120,120')로부터 사용자 측으로 전기가 흐르는 것을 방지할 수 있도록 전기절연성을 갖는 재질로 이루어진다.
일례로, 상기 하우징(110)은 폴리아미드 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌 수지 및 에폭시 수지 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 시계줄(100,100')이 스마트워치와 같은 웨어러블 디바이스에 적용되는 경우, 사용자의 신체에 감겨 상기 웨어러블 디바이스의 본체를 사용자의 신체에 착용할 수 있게 된다.
더불어, 상기 웨어러블 디바이스를 착용한 상태에서 상기 플렉서블 배터리(120,120')가 웨어러블 디바이스의 본체 측으로 전원을 공급하더라도 사용자 측으로 전기가 흐르는 것을 차단할 수 있게 된다.
이와 같은 하우징(110)은 상기 플렉서블 배터리(120,120')의 상면을 덮는 제1부분(111)과 상기 플렉서블 배터리의 하면을 덮는 제2부분(112)을 포함하며, 서로 마주하는 상기 제1부분(111) 및 제2부분(112) 사이에 플렉서블 배터리를 수용할 수 있도록 소정의 크기를 갖는 배터리 수용부(113)를 포함한다.
이때, 본 발명에 따른 하우징(110)은 폭의 중심선(O)을 포함하는 중앙부 영역(A1)내의 임의의 위치에서의 두께(t)가 상기 중앙부 영역(A1)을 제외한 나머지 영역(A2)내의 임의의 위치에서의 두께(t')보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성된다.
여기서, 상기 중앙부 영역(A1)은 상기 하우징(110)의 길이 전체에 대하여 상기 배터리 수용부(113)에 내장되는 플렉서블 배터리(120,120')의 폭과 동일한 폭을 갖는 영역일 수도 있고(도 2의 (c) 참조), 상기 플렉서블 배터리(120,120')를 구성하는 외장재 중 수용부 영역(S1)의 폭과 동일한 폭을 갖는 영역일 수도 있으며(도 2의 (a) 참조), 상기 수용부 영역(S1)을 전부 포함하되 실링부 영역(S1)의 일부 영역을 포함하는 폭과 동일한 폭을 갖는 영역일 수도 있다(도 2의 (b) 참조). 또한, 상기 수용부 영역(S1)은 상기 플렉서블 배터리(120,120')를 구성하는 외장재(121,122)의 전체면적 중 전극조립체(130) 및 전해액이 수용되는 영역(S1)을 의미하며, 상기 실링부 영역(S2)은 상기 수용부의 테두리를 따라 배치되어 상기 수용부의 테두리를 밀봉하는 영역(S2)을 의미한다(도 10 참조).
다시 말하면, 상기 중앙부 영역(A1)은 상기 하우징(110)의 길이방향을 따라 상기 배터리 수용부(113)를 포함하는 하우징의 중앙 부분을 의미하며, 상기 나머지 영역(A2)은 상기 하우징의 양 측단부를 의미한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄(100,100')은 사용과정에서 가요성을 갖는 하우징(110)에 길이방향에 대하여 소정의 각도로 비틀어지는 외력이 작용하는 경우 상기 하우징(110)의 양 측단부에 해당하는 영역(A2)에서 비틀림이 발생한다 하더라도 하우징(110)의 중앙부에 해당하는 영역(A1)에서는 비틀림이 최소화되거나 방지된다.
이로 인해, 상기 하우징의 중앙부 영역(A1)에 형성되는 배터리 수용부(113)에 내장된 플렉서블 배터리(120,120')는 상기 중앙부 영역(A1)을 통해 외력에 의해 비틀어지는 것이 방지되거나 비틀림에 의한 변형량이 최소화됨으로써 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
더불어, 하우징(110)에 외력이 발생하더라도 상기 중앙부 영역(A1)의 두꺼운 두께를 통해 외력이 흡수될 수 있음으로써 외력으로부터 상기 배터리 수용부(113)에 수용된 플렉서블 배터리(120,120')를 보호할 수 있게 된다.
이때, 상기 하우징(110)은 두께방향과 평행한 중심선(Y)을 기준으로 좌우가 대칭적으로 구비되며 서로 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 하우징에 비틀림이 발생하는 경우 비틀림에 의한 변형이 발생하더라도 균일한 변형이 일어나도록 함으로써 상기 배터리 수용부(113)에 내장된 플렉서블 배터리(120,120')가 국부적으로 심하게 변형되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 하우징(110)은 중앙부 영역(A1)이 폭방향을 따라 동일한 두께를 갖도록 형성될 수도 있지만, 중앙부에서 양 측단 측으로 갈수록 두께가 얇아지도록 형성됨으로써 상기 하우징(110)의 중앙부가 볼록하도록 형성되어 중앙부가 상대적으로 가장 두꺼운 두께를 갖도록 형성되고 양 측단으로 갈수록 두께가 얇아지도록 형성될 수도 있다.
더불어, 상기 중앙부 영역(A1)은 중앙부에서 양 측단 측으로 갈수록 동일한 두께를 갖는 부분과 두께가 얇아지는 부분이 상호 조합된 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제1부분(111) 및 제2부분(112)은 상기 배터리 수용부(113)를 기준으로 서로 대칭적으로 형성될 수도 있고(도 5 및 도 6 참조), 비대칭적으로 형성될 수도 있다(도 3 및 도 4 참조).
여기서, 상기 배터리 수용부(113)를 기준으로 제1부분(111) 및 제2부분(112)이 비대칭적으로 형성되는 경우, 상기 제1부분(111) 및 제2부분(112)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 일례로, 상기 제1부분(111)의 두께(t1)는 상기 제2부분(112)의 두께(t2)보다 상대적으로 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 이는, 착용과정에서 상대적으로 두꺼운 두께(t1)를 갖는 제1부분(111)의 외부면이 외부로 노출되도록 함으로써 외부로부터 가해지는 하중을 충분히 흡수할 수 있도록 하기 위함이다.
다만, 폭의 중심선(Y)을 포함하는 중앙부 영역(A1)의 임의의 위치에서의 두께가 상기 중앙부 영역을 제외한 나머지 영역(A2)의 임의의 위치에서의 두께보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성되는 것이면 무방함을 밝혀둔다.
상기 플렉서블 배터리(120,120')는 하우징(110)에 내장되어 본 발명에 따른 시계줄(100,100')이 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스에 체결되는 경우 상기 웨어러블 디바이스 본체 측으로 전원을 공급하기 위한 것이다.
이를 통해, 상기 웨어러블 디바이스의 사용시간을 늘릴 수 있게 된다.
여기서, 상기 플렉서블 배터리(120,120')는 상기 웨어러블 디바이스를 구동하기 위한 구동전원으로 사용될 수도 있고, 상기 웨어러블 디바이스에 구비되는 메인 배터리를 보조하는 보조배터리로 사용될 수도 있음을 밝혀둔다.
이때, 상기 플렉서블 배터리(120,120')는 연질의 재질로 이루어지는 하우징(110)과 함께 밴딩이 가능하도록 플렉서블한 형태로 구비된다.
이와 같은 플렉서블 배터리(120,120')는 도 9에 도시된 바와 같이 전극조립체(130) 및 외장재(121,122)를 포함하며, 상기 전극조립체(130)가 전해액과 함께 외장재(121,122)의 내부에 봉지된다.
이때, 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 밴딩시 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위한 패턴(124,137)이 각각 구비되며, 상기 외장재(121,122)에 형성되는 제1패턴(124)과 상기 전극조립체(130)에 형성되는 제2패턴(139)이 서로 동일한 방향성을 갖도록 구비된다.
이와 같은 패턴(124,137)은 상기 플렉서블 배터리(120,120')의 밴딩시 휘어지는 부분에서 곡률의 변화에 의해 발생되는 길이변화량을 상쇄하여 줌으로써 기재 자체가 수축되거나 이완되는 것을 방지하거나 최소화하게 된다.
이를 통해, 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)를 구성하는 기재 자체의 변형량이 방지되거나 최소화되므로 사용과정에서 반복적인 밴딩이나 휘어짐이 발생하더라도 휘어지는 부분에서 국부적으로 일어날 수 있는 기재 자체의 변형량이 최소화됨으로써 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)가 밴딩시 국부적으로 파손되거나 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이때, 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)은 서로 동일한 방향성뿐만 아니라 제1패턴(124)과 제2패턴(139)이 서로 일치하도록 배치된다. 이는, 상기 제1패턴(124)과 제2패턴(139)이 항상 동일한 거동이 일어날 수 있도록 함으로써 롤링 상태에서 펼쳐진 평판 상태로 변경되거나 평판 상태에서 롤링 상태로 변경된다 하더라도 항상 제1패턴(124)과 제2패턴(139)이 최초의 상태를 유지할 수 있도록 하기 위함이다.
이는, 도 17a 및 도 17b의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
즉, 온도 25℃, 습도 125%의 환경에서 플렉서블 배터리의 양 단부측에 힘을 가하여 굽혀진 부분에서의 곡률이 25mm가 되도록 밴딩시키고 120회의 충방전을 수행하게 되면, 도 17a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')의 경우 밴딩하지 않았을 때의 용량(130mAh)에 비하여 대략 15% 감소된 용량(110mAh)을 나타내었고 120회가 수행되더라도 성능이 유지되었으나(실시예), 외장재 측에만 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성한 플렉서블 배터리의 경우 최초대비 대략 60% 감소된 용량(52mAh)에서 서서히 떨어지는 성능을 나타내었고 50회가 넘어갈 경우 충방전이 불가능 하였으며(비교예 1), 외장재 및 전극조립체 모두 패턴이 형성되지 않은 단순 판상의 형태로 구비되는 플렉서블 배터리의 경우 최초대비 대략 80% 감소된 용량(26mAh)의 저하가 발생하였고 30회가 넘어갈 경우 충방전이 불가능함을 확인할 수 있었다(비교예 2).
한편, 온도 25℃, 습도 125%의 환경에서 플렉서블 배터리의 길이 중간을 완전히 접은 상태에서 원상태로 복귀시킨 후 시간에 따른 배터리에서의 전압을 측정한 결과, 도 17b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')의 경우에는 전압값의 변화가 발생하지 않았으나(실시예), 외장재 측에만 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성한 플렉서블 배터리와(비교예 1), 외장재 및 전극조립체 모두 패턴이 형성되지 않은 단순 판상의 형태로 구비되는 플렉서블 배터리(비교예 2)는 전압값의 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
달리 말하면, 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)에 수축 및 이완을 위한 패턴(124,137)이 서로 일치하도록 형성되는 경우 밴딩이 발생하더라도 성능의 저하가 크게 발생하지 않는 반면에 외장재 측에만 패턴을 형성하거나 외장재 및 전극조립체에 모두 패턴을 형성하지 않는 경우 밴딩에 의해 크랙이 발생하거나 전해액의 누액이 발생하여 배터리로서의 성능 저하가 발생한다는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 적용되는 플렉서블 배터리(120,120')는 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)에 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위한 패턴(124,137)이 서로 일치하도록 형성됨으로써 롤링에 의한 밴딩이 발생하더라도 상기 전극조립체(130)와 외장재(121,122)가 전체 길이에 대하여 항상 균일한 간격 또는 접촉상태를 유지할 수 있게 되므로 상기 전극조립체(130)와 함께 봉지되는 전해액이 전체 길이에 대하여 균일하게 분포됨으로써 배터리로서의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이를 위해, 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)은 각각의 산부 및 골부가 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)의 폭방향과 평행한 방향으로 형성되며, 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)의 길이방향을 따라 산부 및 골부가 교대로 배치된다. 더불어, 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)을 구성하는 산부 및 골부는 산부는 산부끼리, 골부는 골부끼리 서로 동일한 위치에 형성됨으로써 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)이 서로 합치되도록 한다.
구체적으로 설명하면, 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)의 산부 및 골부는 상기 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)의 폭방향과 평행한 직선에 대하여 평행한 방향으로 형성되며, 길이방향을 따라 상기 산부 및 골부가 반복적으로 배치된다(도 11의 (a) 내지 (d) 참조).
이때, 상기 패턴(124,137)은 상기 전극조립체(130) 및 외장재(121,122)의 폭방향과 평행한 방향으로 연속적으로 형성될 수 있고 비연속적으로 형성될 수도 있으며(도 11의 (a) 내지 (d) 참조), 상기 전극조립체(130) 및 외장재(121,122)의 전체 길이에 대하여 형성될 수도 있고 일부 길이에 대하여 부분적으로 형성될 수도 있다(도 12의 (a) 내지 (c) 참조).
여기서, 상기 산부 및 골부는 반원을 포함하는 호형단면, 삼각이나 사각을 포함하는 다각단면 및 호형단면과 다각단면이 상호 조합된 다양한 형상의 단면 중어느 하나의 단면을 갖도록 구비될 수 있으며, 각각의 산부 및 골부는 동일한 피치 및 폭을 갖도록 구비될 수도 있지만 서로 다른 피치 및 폭을 갖도록 구비될 수도 있다(도 13 내지 도 16 참조).
이를 통해, 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)가 반복적인 밴딩에 의해 길이방향에 대한 수축 및 이완이 반복적으로 일어나더라도 상기 패턴(124,137)을 통해 수축 및 이완의 변화량이 상쇄됨으로써 기재 자체에 가해지는 피로도를 줄일 수 있게 된다.
한편, 상기 제1패턴(124) 및 제2패턴(139)은 도 11의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 서로 이웃하는 산부간의 간격 또는 골부간의 간격이 동일한 간격으로 형성될 수도 있고 서로 다른 간격을 갖도록 구비될 수도 있으며, 동일한 간격과 서로 다른 간격이 조합된 형태로 구비될 수도 있다.
더불어, 상기 외장재(121,122)에 형성되는 제1패턴(124)은 상기 외장재(121,122) 표면 전체에 형성될 수도 있지만 부분적으로 형성될 수도 있다.
일례로, 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120')는 상기 제1패턴(124)이 상기 전극조립체(130) 및 전해액을 수용하기 위한 수용부를 형성하는 제1영역(S1)에만 형성될 수도 있다.
이는, 전해액이 외부로 누수되는 것을 방지하기 위하여 실링부를 구성하는 제2영역(S2) 측에는 상기 제1패턴(124)을 형성하지 않음으로써 상기 제1패턴(124)을 따라 전해액이 이동할 수 있는 가능성을 차단하고 제1외장재(121)와 제2외장재(122) 간의 접합력을 향상시켜 기밀성을 높일 수 있도록 하기 위함이다.
여기서, 상기 제1패턴(124)이 제1영역(S1)에만 형성되는 경우 상기 제1패턴(124)은 제1영역(S1)의 전체면적에 대하여 형성될 수도 있고 국부적인 면적에 형성될 수도 있으며 상기 전극조립체(130)의 면적과 일치하는 면적에 해당하는 영역에만 형성될 수도 있음을 밝혀둔다.
상기 외장재(121,122)는 일정면적을 갖는 판상의 부재로 이루어지며, 내부에 상기 전극조립체(130) 및 전해액을 수용함으로써 외력으로부터 상기 전극조립체(130)를 보호하기 위한 것이다.
이를 위해, 상기 외장재(121,122)는 한 쌍의 제1외장재(121) 및 제2외장재(122)로 구비되고, 테두리를 따라 접착제를 통해 밀봉됨으로써 내부에 수용된 상기 전해액 및 전극조립체(130)가 외부로 노출되는 것을 방지하고 외부로 누설되는 것을 방지하게 된다.
즉, 상기 제1외장재(121) 및 제2외장재(122)는 전극조립체 및 전해액을 수용하기 위한 수용부를 형성하는 제1영역(S1)과, 상기 제1영역(S1)을 둘러싸도록 배치되어 전해액이 외부로 누설되는 것을 차단하기 위한 실링부를 형성하는 제2영역(S2)을 포함한다.
이러한 외장재(121,122)는 상기 제1외장재(121) 및 제2외장재(122)가 두 개의 부재로 이루어진 후 상기 밀봉부를 구성하는 테두리측이 모두 접착제를 통해 밀봉될 수도 있고, 하나의 부재로 이루어지고 폭방향 또는 길이방향을 따라 반으로 접혀진 후 맞접하는 나머지 부분이 접착제를 통해 밀봉될 수도 있다.
이와 같은 상기 외장재(121,122)는 제1수지층(121a,122a)과 제2수지층(121c,122c)의 사이에 금속층(121b,122b)이 개재되는 형태로 구비될 수 있다. 즉, 상기 외장재(121,122)는 제1수지층(121a,122a), 금속층(121b,122b) 및 제2수지층(121c,122c)이 순차적으로 적층된 형태로 구성되고, 상기 제1수지층(121a,122a)은 내측에 배치되어 전해액과 접하고 상기 제2수지층(121c,122c)은 외부로 노출된다(도 9 참조).
이때, 상기 제1수지층(121a,122a)은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있고, 바람직하게는 PPa(acid modified polypropylene), CPP (casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene) 중 선택된 하나의 단일층으로 구성될 수 있고, 이들 중 2종 이상이 적층되어 구성될 수도 있다.
그리고, 상기 제1수지층(121a,122a)은 평균두께가 20㎛ ~ 100㎛일 수 있다.
이는, 상기 제1수지층(121a,122a)의 평균두께가 20㎛미만이면 제1외장재(121) 및 제2외장재(122)의 테두리 측을 밀봉하는 과정에서 서로 맞접하는 제1수지층(121a,122a)간의 접합력이 떨어지거나 전해액의 누설을 방지하기 위한 기밀성을 확보하는데 불리할 수 있고, 평균두께가 100㎛를 초과하게 되면 비경제적이며 박형화에 불리하기 때문이다. 그러나, 상기 제1수지층의 두께를 이에 한정하는 것은 아니며 설계조건에 따라 다양하게 변경될 수 있음을 밝혀둔다.
상기 금속층(121b,122b)은 제1수지층(121a,122a)과 제2수지층(121c,122c) 사이에 개재되어 외부로부터 수용부 측으로 습기가 침투되는 것을 방지하고 전해액이 수용부에서 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 것이다.
이를 위해, 상기 금속층(121b,122b)은 습기 및 전해액이 통과할 수 없도록 밀도가 조밀한 금속층으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 금속층(121b,122b)은 포일(foil)류의 금속박판이나 후술할 제2수지층(121c,122c) 상에 통상의 공지된 방법, 예를 들어 스퍼터링, 화학기상증착 등의 방법을 통해 형성되는 금속증착막으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 금속박판으로 형성될 수 있으며, 이를 통해 패턴 형성시 금속층의 크랙이 방지되어 전해액이 외부로 누출되거나 외부로부터의 투습을 방지할 수 있다.
일례로, 상기 금속층(121b,122b)은 알루미늄, 구리, 인청동(phosphorbronze, PB), 알루미늄청동(aluminium bronze), 백동, 베릴륨-구리(Berylium-copper), 크롬-구리, 티탄-구리, 철-구리, 코르손 합금 및 크롬-지르코늄 구리 합금 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속층(121b,122b)은 선팽창 계수가 1.0 ~ 1.7×10-7/℃일 수 있으며, 바람직하게는 1.2 ~ 1.5×10-7/℃일 수 있다. 이는, 선팽창 계수가 1.0 ×10-7/℃ 미만이면 충분한 유연성을 확보할 수 없어 밴딩시 발생되는 외력에 의해 크랙(crack)이 발생할 수 있고, 선팽창 계수가 1.7 ×10-7/℃을 초과하게 되면 강성이 저하되어 형태의 변형이 심하게 일어날 수 있기 때문이다.
이와 같은 금속층(121b,122b)은 평균두께는 5㎛ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5㎛ ~ 120㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30㎛ ~ 50㎛일 수 있다.
이는, 금속층의 평균두께가 5㎛ 미만이면 수용부 내부로 습기가 침투되거나 수용부 내부의 전해액이 외부로 누수될 수 있기 때문이다. 그러나, 상기 금속층의 두께를 이에 한정하는 것은 아니며 설계조건에 따라 다양하게 변경될 수 있음을 밝혀둔다.
상기 제2수지층(121c,122c)은 외장재(121,122)의 노출면 측에 위치하여 외장재의 강도를 보강하고 외부에서 인가되는 물리적인 접촉에 의하여 외장재에 스크래치와 같은 손상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.
이와 같은 제2수지층(121c,122c)은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 나일론 또는 불소계 화합물을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 불소계 화합물은 PTFE(polytetra fluoroethylene), PFA(perfluorinated acid), FEP(fluorinated ethelene propylene copolymer), ETFE(polyethylene tetrafluoro ethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), ECTFE(Ethylene Chlorotrifluoroethylene) 및 PCTFE(polychlorotrifluoroethylene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2수지층(121c,122c)은 평균두께가 8㎛ ~ 50㎛일 수 있고, 바람직하게는 평균두께가 15㎛ ~ 40㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 15㎛ ~ 35㎛일 수 있다.
이는, 상기 제2수지층(121c,122c)의 평균두께가 8㎛ 미만이면 기계적 물성을 확보할 수 없으며, 50㎛를 초과하는 것은 기계적 물성의 확보에는 유리하나 비경제적이고 박형화에 불리하기 때문이다. 그러나, 상기 제2수지층의 두께를 이에 한정하는 것은 아니며 설계조건에 따라 다양하게 변경될 수 있음을 밝혀둔다.
한편, 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')는 상기 금속층(121b,122b)과 제1수지층(121a,122a) 사이에 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 금속층(121b,122b)과 제1수지층(121a,122a) 간의 접착력을 높여주는 역할과 함께, 외장재의 내부에 수용되는 전해액이 외장재의 금속층(121b,122b)에 도달하는 것을 방지하여 산성의 전해액으로 금속층(121b,122b)이 부식되거나 제1수지층(121a,122a)과 금속층(121b,122b)이 박리되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 플렉서블 배터리(120,120')의 사용과정 중에 이상 과열 등과 같은 문제가 발생하여 플렉서블 배터리가 팽창하는 경우에도 전해액이 누출되는 것을 방지하여 안전성에 대한 신뢰성을 부여할 수 있다.
이와 같은 상기 접착층은 상기 제1수지층(121a,122a)과 유사한 물질로 이루어질 수 있다. 일례로, 상기 접착층은 실리콘, 폴리프탈레이트, 산 변성 폴리프로필렌(PPa, acid modified polypropylene) 및 산 변성 폴리에틸렌(Pea, acid modified polyethylene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이와 같은 접착층은 금속층(121b,122b)과 제2수지층(121c,122c) 간의 접착력을 높여주는 역할과 함께, 플렉서블 배터리(120,120')의 사용과정 중에 이상 과열 등과 같은 문제가 발생하더라도 는 경우 안전성 및 내부 단락 등에 대한 신뢰성을 부여할 수 있다.
이때, 상기 접착층은 평균두께가 5㎛ ~ 30㎛일 수 있고, 바람직하게는 10㎛ ~ 20㎛일 수 있다. 이는, 상기 접착층의 평균두께가 5㎛를 초과하면 안정적인 접착력 확보가 어려울 수 있고, 30㎛를 초과하면 박형화에 불리하다.
한편, 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')는 상기 금속층(121b,122b)과 제2수지층(121c,122c) 사이에 드라이 라미네이트층(dry lamination layer)이 더 포함할 수 있다.
상기 드라이 라미네이트층은 상기 금속층(121b,122b)과 제2수지층(121c,122c)을 접착시키는 역할을 담당하며, 공지의 수성 및/또는 유성의 유기용제형 접착제를 건조시켜 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 드라이 라미네이트층은 평균두께 1㎛ ~ 7㎛일 수 있으며, 바람직하게는 2㎛ ~ 5㎛로, 더욱 바람직하게는 2.5㎛ ~ 3.5㎛일 수 있다.
이는, 상기 드라이 라미네이트층의 평균두께가 1㎛ 미만이면 접착력이 너무 약해서 금속층(121b,122b)과 제2수지층(121c,122c)간의 박리가 발생할 수 있고, 7㎛를 초과하면 불필요하게 드라이 라미네이트층의 두께가 두꺼워져 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성하는데 불리한 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
한편, 상기 전극조립체(130)는 상기 외장재(121,122)의 내부에 전해액과 함께 봉지되는 것으로, 도 9에 도시된 바와 같이 양극(132), 음극(136) 및 분리막(134)을 포함한다.
상기 양극(132)은 양극집전체(132a) 및 양극 활물질(132b)을 포함하고, 상기 음극(136)은 음극집전체(136a) 및 음극 활물질(136b)을 포함하며, 상기 양극집전체(132a) 및 음극집전체(136a)는 소정의 면적을 갖는 판상의 시트형태로 구현될 수 있다.
즉, 상기 양극(132) 및 음극(136)은 각각의 집전체(132a,136a)의 일면 또는 양면에 활물질(132b,136b)이 압착 또는 증착되거나 도포될 수 있다. 이때, 상기 활물질(132b,136b)은 집전체(132a,136a)의 전체면적에 대하여 구비될 수도 있고 일부 면적에 대하여 부분적으로 구비될 수도 있다.
여기서, 상기 음극집전체(136a) 및 양극집전체(132a)는 박형의 금속호일로 이루어질 수 있고 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 티타늄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 아연, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금 및 이들이 혼합된 형태로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 양극집전체(132a) 및 음극집전체(136a)는 외부기기와의 전기적인 연결을 위한 음극단자(138) 및 양극단자(139)가 각각의 몸체로부터 형성된다. 여기서, 상기 양극단자(139) 및 음극단자(138)는 상기 양극집전체(132a) 및 음극집전체(136a)로부터 연장되어 외장재(121,122)의 일측에 돌출되는 형태로 구비된다.
여기서, 상기 양극단자(139) 및 음극단자(138)는 상기 플렉서블 배터리(120,120')를 외부기기, 일례로 웨어러블 디바이스의 본체와 플렉서블 배터리(120,120')를 서로 전기적으로 연결하는 통로역할을 수행한다. 이를 통해, 상기 플렉서블 배터리(120,120')에 저장된 전원을 상기 웨어러블 디바이스 본체측으로 공급할 수 있게 된다.
이때, 상기 양극단자(139) 및 음극단자(138)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 하우징(110)의 단부측에 직접 노출될 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극단자(138,139)가 별도의 접속단자(126)와 전기적으로 연결되고 상기 접속단자(126)의 적어도 일부가 상기 하우징(110)의 단부측에서 외부로 노출되는 형태로 구비될 수도 있다.
여기서, 상기 접속단자(126)는 공지의 핀단자가 사용될 수 있다. 이러한 접속단자(126)는 상기 하우징(110)에 내장되되 일부가 하우징의 단부로부터 돌출되는 형태로 구비될 수 있다.
그러나, 이에 한정하는 것은 아니며 상기 접속단자(126) 전체가 하우징에 내장되고, 상기 하우징(110)의 단부측에 별도의 수용홈이 형성되며 상기 수용홈의 내부에 상기 접속단자(126)의 일부가 노출되는 형태로 구비될 수도 있다.
더불어, 상기 접속단자는 소정의 길이를 갖추고 강성을 갖는 도전성재질로 이루어져 상기 전극단자(138,139)와 연결되는 형태로 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
한편, 상기 양극 활물질(132b)은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는LiCoO2, LiNiO2, LiNiCoO2, LiMnO2, LiMn2O4, V2O5, V6O13, LiNi1 -x- yCoxMyO2(0 ≤ x≤ 1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이 금속 산화물, NCM(Lithium Nickel Cobalt Manganese)계 활물질 중 하나를 사용할 수 있고, 이들이 1종 이상 혼합된 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질(136b)은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소 섬유, 또는 탄소 복합체의 탄소계 음극 활물질, 주석 산화물, 이들을 리튬화한 것, 리튬, 리튬합금 및 이들이 1종 이상 혼합된 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 여기서, 탄소는 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노섬유, 흑연, 활성탄, 그래핀 및 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
그러나 본 발명에 사용되는 양극 활물질 및 상기 음극 활물질을 이에 한정하는 것은 아니며, 통상적으로 사용되는 양극 활물질 및 음극 활물질이 모두 사용될 수 있음을 밝혀둔다.
이때, 본 발명에서는 양극 활물질(132b) 및 음극 활물질(136b)에 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 성분을 함유할 수 있다. 이는, 밴딩시 상기 양극 활물질(132b) 및 음극 활물질(136b)이 각각의 집전체(132a,136a)로부터 박리되거나 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
이와 같은 PTFE 성분은 양극 활물질(132b) 및 음극 활물질(136b) 각각의 총중량에서 0.5 ~ 20 wt%일 수 있고, 바람직하게는 5wt% 이하일 수 있다.
한편, 상기 양극(132)과 음극(136) 사이에 배치되는 분리막(134)은 부직포층(134a)의 일면 또는 양면에 나노섬유웹층(134b)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나노섬유웹층(134b)은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 나노섬유일 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노섬유웹층(134b)은 방사성 및 균일한 기공형성을 확보하기 위해 폴리아크릴니트릴 나노섬유만으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 폴리아크릴로니트릴 나노섬유는 평균직경 0.1 ~ 2㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.1 ~ 1.0㎛일 수 있다.
이는, 상기 폴리아크릴로니트릴 나노섬유의 평균직경이 0.1㎛ 미만이면 분리막이 충분한 내열성을 확보하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 2㎛를 초과하면 분리막의 기계적 강도는 우수하나 분리막의 탄성력이 오히려 감소할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 분리막(134)은 전해액으로 겔 폴리머 전해액이 사용되는 경우 상기 겔 폴리머 전해액의 함침성을 최적화시킬 수 있도록 복합 다공성 분리막이 사용될 수 있다.
즉, 상기 복합 다공성 분리막은 지지체(matrix)로서 사용되며 미세 기공을 갖는 다공성 부직포와, 방사 가능한 고분자 물질로 형성되어 전해액을 함침하고 있는 다공성 나노섬유 웹을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다공성 부직포는 PP 부직포, PE 부직포, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, PP/PE/PP의 3층 구조로 이루어지며, 상대적으로 융점이 낮은 PE에 의해 셧다운 기능을 갖는 부직포, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyleneterephthalate) 섬유로 이루어진 PET 부직포, 또는 셀룰로즈 섬유로 이루어진 부직포 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 그리고, 상기 PE 부직포는 융점이 120 ~ 120℃ 일 수 있고, PP 부직포는 융점이 130 ~ 150℃ 일 수 있으며, PET 부직포는 융점이 230 ~ 250℃일 수 있다.
이때, 상기 다공성 부직포는 두께가 10 내지 40㎛ 범위로 설정되고, 기공도가 5 내지 55%, 걸리값(Gurley value)은 1 내지 1200 sec/120c로 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다공성 나노섬유 웹은 각각 전해액에 팽윤이 이루어지는 팽윤성 고분자를 단독으로 사용하거나 팽윤성 고분자에 내열성을 강화할 수 있는 내열성 고분자가 혼합된 혼합 고분자를 사용할 수 있다.
이와 같은 상기 다공성 나노섬유 웹은 단일 또는 혼합 폴리머를 용매에 용해시켜 방사용액을 형성한 후, 방사용액을 전기방사장치를 사용하여 방사하면 방사된 나노섬유가 콜렉터에 축적되어 3차원 기공 구조를 갖는 다공성 나노섬유 웹을 형성하게 된다.
여기서, 상기 다공성 나노섬유 웹은 용매에 용해되어 방사용액을 형성한 후 전기방사방법으로 방사되어 나노섬유를 형성할 수 있는 폴리머라면 모두 사용이 가능하다. 일례로, 상기 폴리머는 단일 폴리머 또는 혼합 폴리머일 수 있으며, 팽윤성 폴리머, 비팽윤성 폴리머, 내열성 폴리머, 팽윤성 폴리머와 비팽윤성 폴리머가 혼합된 혼합 폴리머, 팽윤성 폴리머와 내열성 폴리머가 혼합된 혼합 폴리머 등이 사용될 수 있다.
이때, 상기 다공성 나노섬유 웹이 팽윤성 폴리머와 비팽윤성 폴리머(또는 내열성 폴리머)의 혼합 폴리머를 사용하는 경우, 팽윤성 폴리머와 비팽윤성 폴리머는 9:1 내지 1:9 범위의 중량비, 바람직하게는 8:2 내지 5:5 범위의 중량비로 혼합될 수 있다.
통상적으로, 비팽윤성 폴리머의 경우 일반적으로 내열성 폴리머인 것이 많으며 팽윤성 폴리머와 비교할 때 분자량이 크기 때문에 융점도 상대적으로 높다. 이에 따라, 비팽윤성 폴리머는 융점이 180℃ 이상인 내열성 폴리머인 것이 바람직하고, 팽윤성 폴리머는 융점이 150℃이하, 바람직하게는 120~150℃ 범위 내의 융점을 가지는 수지인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 사용 가능한 팽윤성 폴리머는 전해액에 팽윤이 일어나는 수지로서 전기 방사법에 의하여 초극세 나노섬유로 형성 가능한 것이 사용될 수 있다.
일례로, 상기 팽윤성 폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드 또는 폴리비닐리덴 클로라이드 및 이들의 공중합체 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 및 이들 중 1종 이상이 혼합된 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 내열성 폴리머 또는 비팽윤성 폴리머는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 유기 전해액에 포함되는 유기 용매에 의해 팽윤성 폴리머보다 팽윤이 더디게 일어나거나 팽윤이 일어나지 않으며, 융점이 180℃ 이상인 수지가 사용될 수 있다.
일례로, 상기 내열성 폴리머 또는 비팽윤성 폴리머는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 부직포층(134a)을 구성하는 부직포는 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리설폰(polysulfone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, polyethylene oxide), 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP,polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, poly methylmethacrylate) 및 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 부직포층은 무기첨가제를 더 포함할 수 있으며, 상기 무기첨가제는 SiO, SnO, SnO2, PbO2, ZnO, P2O5, CuO, MoO, V2O5, B2O3, Si3N4, CeO2, Mn3O4, Sn2P2O7, Sn2B2O5, Sn2BPO6, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, Al2O3 및 PTFE 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고 상기 무기첨가제인 무기물 입자는 평균입경이 10 ~ 50 nm일 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 30 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ~ 20 nm일 수 있다.
더불어, 상기 분리막의 평균두께는 10 ~ 120㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 50㎛일 수 있다. 이는, 분리막의 평균두께가 10㎛ 미만이면 분리막이 너무 얇아서 배터리의 반복적인 구부러짐 및/또는 펴짐에 의한 분리막의 장기적인 내구성을 확보할 수 없을 수 있고, 120㎛를 초과하면 플렉서블 배터리의 박육화에 불리하므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
그리고 상기 부직포층은 평균두께 10 ~ 30㎛으로, 바람직하게는 15~ 30㎛로 형성시키고, 상기 나노섬유웹층은 평균두께 1 ~ 5㎛를 갖는 것이 좋다.
한편, 상기 전극조립체(130)와 함께 수용부에 봉지되는 전해액은 통상적으로 사용되는 액상의 전해액이 사용될 수 있다.
일례로, 상기 전해액은 비수성 유기용매와 리튬염의 용질이 포함된 유기 전해액을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 비수성 유기용매로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르로는 부티로락톤(BL), 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤(valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트 등이 사용될 수 있으며, 상기 에테르로는 디부틸에테르 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐케톤이 있으나, 본 발명은 비수성 유기용매의 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 사용되는 전해액은 리튬염을 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 전지의 작동을 가능하게 하며, 그 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x + 1SO2)(CyF2x + 1SO2)(여기서, x 및 y는 유리수이다.) 및 LiSO3CF3로 이루어진 군에서 선택되는 것을 하나 이상 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')에 사용되는 전해액은 액상의 전해액이 사용될 수도 있지만, 바람직하게는 겔 폴리머 전해액이 사용될 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 플렉서블 배터리(120,120')는 전해액으로서 겔 상태의 폴리머 전해액을 사용함으로써 플렉서블 배터리의 전해액으로 액상을 사용하는 경우 밴딩시 발생할 수 있는 누액 및 누출의 발생을 방지할 수 있게 된다.
상기 겔 폴리머 전해질은 비수성 유기용매와 리튬염의 용질, 겔 폴리머 형성용 모노머와 중합 개시제를 포함하는 유기 전해액을 겔화 열처리시켜 겔 폴리머 전해질을 형성할 수 있다.
이와 같은 겔 폴리머 전해질은 상기 유기 전해액을 단독으로 열처리할 수도 있지만, 플렉서블 배터리의 내부에서 구비된 분리막에 상기 유기 전해액을 함침시킨 상태에서 열처리하여 모노머를 in-situ 중합하여 겔 상태의 겔 폴리머가 분리막(134)의 기공에 함습된 형태로 구현할 수 있다. 플렉서블 배터리내에서 in-situ 중합 반응은 열 중합을 통해 진행되며, 중합 시간은 대략 20분 내지 12시간 정도 소요되고, 열 중합은 40 내지 90℃에서 수행될 수 있다.
이때, 상기 겔 폴리머 형성용 모노머는 중합 개시제에 의해 중합 반응이 이루어지면서 중합체가 겔 폴리머를 형성하는 모노머라면 어떤 것도 사용 가능하다. 예를 들어, 메틸메타크릴레이트(MMA), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌 옥사이드(PPO), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리메타크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 그 중합체에 대한 모노머나, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜아크릴레이트와 같은 2개 이상의 관능기를 가지는 폴리아크릴레이트를 예시할 수 있다.
또한, 상기 중합 개시제의 예로는 벤조일퍼옥사이드(Benzoyl peroxide), 아세틸퍼옥사이드(Acetyl peroxide), 디라우릴퍼옥사이드(Dilauryl peroxide), 디-터트부틸퍼옥사이드(Di-tertbutylperoxide), 큐밀하이드로퍼옥사이드(Cumyl hydroperoxide), 하이드로겐퍼옥사이드(Hydrogen peroxide) 등의 유기과산화물류나 히드로과산화물류와, 2,2-아조비스(2-시아노부탄)(2,2-Azobis(2-cyanobutane)), 2,2-아조비스(메틸부티로나이트릴)(2,2-Azobis(Methylbutyronitrile)) 등의 아조화합물류 등이 있다. 상기 중합 개시제는 열에 의해 분해되어 라디칼을 형성하고, 자유라디칼 중합에 의해 모노머와 반응하여 겔 폴리머 전해질, 즉 겔 폴리머를 형성한다.
상기 겔 폴리머 형성용 모노머는 유기 전해액에 대하여 1 내지 10 중량% 로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 모노머의 함량이 1 미만이면 겔형의 전해질이 형성되기 어렵고 10 중량%를 초과하는 경우에는 수명 열화의 문제가 있다. 또한, 상기 중합 개시제는 상기 겔 폴리머 형성용 모노머에 대하여 0.01~5 중량%로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명에 적용되는 플렉서블 배터리(120,120')는 도 9에 도시된 바와 같이 상기 플렉서블 배터리(120,120')를 구성하는 외장재(121,122)의 표면에 단열층(121d,122d)이 구비될 수 있다. 이때, 상기 단열층(121d,122d)은 상기 외장재(121,122)의 표면 전체에 형성될 수도 있고, 부분적으로 형성될 수도 있다.
이와 같은 단열층(121d,122d)은 상기 플렉서블 배터리(120)를 인서트몰딩을 통하여 하우징(110)에 내장하는 경우 인서트 몰딩시 가해지는 고열이 플렉서블 배터리(120) 측으로 이동하는 것을 차단하여 배터리로서의 기능저하나 불량발생을 예방하는 기능을 수행한다.
한편, 본 발명에 따른 시계줄에 내장되는 플렉서블 배터리(120,120')는 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위한 패턴이 외장재(121,122) 및 전극조립체(130)에 각각 형성되므로, 상기 외장재(121,122)의 표면에는 상기 패턴에 의한 굴곡이 존재하게 된다.
이에 따라, 밴딩과정에서 상기 플렉서블 배터리의 길이 방향에 대한 수축 및 이완이 가장 효과적으로 이루어지기 위해서는 상기 플렉서블 배터리(120,120')를 덮는 하우징(110)의 내부면이 배터리의 외부면과 일체로 접착되는 것이 바람직하다.
즉, 패턴에 의해 굴곡이 형성된 외장재(121,122)의 표면과 서로 접촉하는 하우징(110)의 내부면이 일치하기 위해서는 인서트몰딩을 통하여 상기 하우징을 구성하는 것이 바람직하다.
만약, 금형을 통하여 하우징(110)의 상부 하우징과 하부 하우징을 각각 별도로 형성하고 상부 하우징과 하부 하우징 사이에 플렉서블 배터리를 배치한 후 접착제 등을 통하여 합형하는 방식을 이용하게 되면, 인서트몰딩시 필요한 고열공정이 생략되므로 열에 의한 플렉서블 배터리의 불량발생이나 기능저하의 문제점은 원천적으로 발생하지 않을 수 있다.
그러나 플렉서블 배터리, 자세하게는 외장재(121,122)의 표면과 접촉하는 상부 하우징 및 하부 하우징의 내부면에 상기 외장재(121,122)에 형성된 패턴과 동일한 패턴을 별도로 형성하는 과정을 거치지 않게 되면 플렉서블 배터리에 형성된 패턴에 의해 외장재(121,122)의 표면과 각각의 하우징의 내부면 사이에는 필연적으로 유격이 발생할 수밖에 없다.
이러한 유격은 하우징 내부에 수용된 플렉서블 배터리를 고정시키지 못하여 배터리가 하우징 내부에서 이동하는 문제가 있다. 또한, 밴딩시 유격이 발생하는 부분에서 울거나 주름이 생기는 문제가 발생하여 배터리로서의 성능을 저하시킬 수 있다.
더불어, 플렉서블 배터리의 외부면에 형성된 패턴과 동일한 패턴을 갖도록 금형에 패턴을 형성하더라도 합형과정에서 서로 일치하도록 배치하는 것은 공정 자체가 매우 어렵고 제조비용을 현저히 증가시킬 수 있는 문제가 있다.
그러나 본 발명에 적용되는 플렉서블 배터리는 외장재의 표면에 단열층을 배치함으로써 인서트 몰딩시 고온의 열을 가하는 공정을 수행하더라도 상기 단열층에 의해 열에 의한 플렉서블 배터리의 기능저하나 불량발생을 예방할 수 있음으로써 플렉서블 배터리가 외장재의 표면에 패턴에 의한 굴곡이 존재하더라도 하우징의 내부면과 완전한 접촉 및 부착이 이루어질 수 있게 된다.
더불어, 상기 단열층(121d,122d)은 플렉서블 배터리(120,120')의 작동시 플렉서블 배터리 자체에서 발생하는 열이 하우징을 통해 외부로 전달되는 것을 차단함으로써 사용자가 열에 의한 불쾌감이나 불안감을 느끼는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 단열층(121d,122d)은 박막으로 구현될 수 있고, 고열, 예를 들어 150℃ 이상, 바람직하게는 180℃ 이상에서 형상을 유지할 수 있는 내열성을 갖춘 공지된 단열부재인 경우 제한 없이 사용할 수 있다.
일례로, 상기 단열층(121d,122d)은 공기를 수용할 수 있는 다수의 미세기공이 형성된 다공성 기재 및/또는 단열필름을 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재는 섬유웹, 부직포, 직물 및 편물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 기재를 포함할 수 있다. 상기 직물 및 편물은 섬유가 방향성 및/또는 규칙성을 가지고 배열된 통상의 원단을 의미한다.
또한, 상기 섬유웹 및 부직포는 섬유가 방향성을 가지지 않고 집합되어 형성된 기재를 의미하며, 상기 섬유웹은 방사와 동시에 별도의 접착공정이나 접착제의 투입 없이도 섬유간 융착에 의해 3차원 네트워크 구조를 형성하는 기재를 의미하며, 상기 부직포는 단섬유 간을 별도의 접착제나 열 등을 통해 부착시켜 제조하는 통상의 부직포를 의미한다. 상기와 같은 다공성 기재를 형성하는 섬유는 셀룰로오스계, 단백질, 폴리에스테르계(PET, PBT 등), 폴리아미드계(나일론6, 나일론66 등), 아크릴계(폴리아크릴로니트릴, 모다아크릴 등), 올레핀계(폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등), 비닐계(폴리비닐알코올, 폴리염화비닐 등) 및 불소계(PVDF, PCTFE, PTFE 등) 등을 포함하는 공지된 유기섬유 및/또는 유리섬유, 암면섬유 등의 무기섬유일 수 있다.
더불어, 상기 단열층(121d,122d)은 섬유웹일 수 있으며, 일예로 전기방사를 통해 형성된 나노섬유웹일 수 있다. 상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 고열을 견딜 수 있는 내열성을 갖추기 위해 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 포함할 수 있다.
또한, 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유 자체가 접착성을 발현하여 내구성, 기계적 강도를 향상시키기 위하여 폴리비닐리덴플루오라이드 나노섬유를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나노섬유는 폴리아크릴로니트릴과 폴리비닐리덴플루오라이드의 복합나노섬유일 수 있다. 이는, 내열성 및 접착성을 통한 내구성, 기계적강도를 동시에 발현시킬 수 있도록 하기 위함이다.
이때, 상기 복합나노섬유는 모노사 내에서 폴리아크릴로니트릴과 폴리비닐리덴플루오라이드가 6:4 ~ 8.5:1.5의 중량비로 혼합된 복합나노섬유일 수 있다. 이는, PAN과 PVDF가 6:4 비율 미만으로 포함되는 경우 내열성이 저하되어 단열효과를 발현하는 도중에 나노섬유웹의 용융이 발생함에 따라 나노섬유웹의 기공이 현저히 감소하여 단열효과가 제대로 발현되지 않는 문제점이 있을 수 있기 때문이다.
또한, PAN과 PVDF가 8.5:1.5 비율을 초과하여 포함되는 경우 기계적 강도, 내구성을 발현시키기 어려우며, PAN의 비율이 높아 전기방사시에 방사성이 현저히 떨어져 생산성이 좋지 않을 수 있고, 목적하는 수준의 기공도와 공경 등을 구현하기 어려워 충분한 단열효과를 발현하는 나노섬유웹을 제조하기 어렵다. 나아가 나노섬유웹과 인서트몰딩으로 제조되는 외부하우징과 플렉서블 배터리의 부착력이 감소할 수 있는 문제점이 있을 수 있기 때문이다.
또한, 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유의 평균직경은 0.1㎛ ~ 2㎛인 것을, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 1.0㎛일 수 있다. 이는, 나노섬유의 평균직경이 0.1㎛ 미만이면 충분한 다공성을 확보하지 못해서 단열성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 2㎛를 초과하는 경우, 나노섬유에 의해 형성된 공극이 너무 커서 오히려 단열성이 떨어지는 문제가 있을 수 있기 때문이다.
한편, 상기 나노섬유웹은 평량이 2 ~ 6 g/㎡이며, 기공도가 40% 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 40 ~ 80%일 수 있고, 또한, 평균공경은 300 ~ 400㎛일 수 있다. 이는, 상기 나노섬유웹의 기공도가 80% 초과 및/또는 평균공경 400㎛ 초과하는 경우 나노섬유웹의 기계적 강도가 약해 단열층으로써의 기능을 제대로 수행할 수 없을 수 있기 때문이다.
이와 같은 단열층(121d,122d)은 복수 개의 단열층이 적층된 구조로 구현될 수 있다. 일례로, 나노섬유웹층과 부직포층이 적층된 형태일 수 있으며, 상기 나노섬유웹의 두께는 3 ~ 10㎛일 수 있고, 부직포의 두께는 10 ~ 40㎛일 수 있다.
여기서, 상기 부직포는 그 자체가 단열층의 기능을 하는 동시에 적층되는 나노섬유웹의 기계적 강도를 보완시켜 단열층의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 역할을 수행하게 된다.
한편, 도면과 설명에는 상기 외장재(121,122)의 표면에 단열층(121d,122d)이 구비되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 전극조립체(130)로부터 외장재의 외측으로 돌출되는 양극단자(139) 및 음극단자(138)의 표면에도 상기 단열층(121d,122d)이 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
이와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄(100,100')은 플렉서블 배터리(120) 자체에 길이방향에 대한 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성하여 길이방향에 대한 반복적인 밴딩이 일어나더라도 상기 패턴을 통하여 배터리로서의 성능을 유지하고, 플렉서블 배터리가 내장되는 중앙부의 두께를 양 측단부보다 상대적으로 두껍게 하여 비틀림이나 외력에 의해 플렉서블 배터리가 파손되는 것을 방지함으로써 안정적인 작동을 가능하게 하고 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100,100' : 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄
110 : 하우징 111 : 제1부분
112 : 제2부분 120,120' : 플렉서블 배터리
121 : 제1외장재 122 : 제2외장재
121a,122a : 제1수지층 121b,122b : 금속층
121c,122c : 제2수지층 121d,121d : 단열층
124 : 패턴 126 : 접속단자
130 : 전극조립체 132 : 양극
132a : 양극집전체 132b : 양극 활물질
134 : 분리막 134a : 부직포층
134b : 나노섬유웹층 136 : 음극
136a : 음극집전체 136b : 음극 활물질
137 : 패턴 138 : 음극단자
139 : 양극단자

Claims (20)

  1. 플렉서블 배터리; 및
    상기 플렉서블 배터리가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 플렉서블 배터리를 덮는 연질의 하우징;을 포함하고,
    상기 플렉서블 배터리는 상기 하우징의 내부에 인서트 몰딩되며,
    상기 하우징은 폭의 중심선을 포함하는 중앙부 영역의 임의의 위치에서의 두께가 상기 중앙부 영역을 제외한 나머지 영역의 임의의 위치에서의 두께보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성되며,
    상기 플렉서블 배터리는,
    전극조립체;
    상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재;
    상기 외장재의 길이방향을 따라 산부와 골부가 반복되도록 상기 외장재에 형성되는 제1패턴; 및
    상기 전극조립체의 길이방향을 따라 상기 제1패턴과 서로 일치하도록 상기 전극조립체에 형성되는 제2패턴;을 포함하되,
    상기 전극조립체는 상기 제2패턴이 상기 제1패턴과 서로 일치하게 배치되도록 상기 외장재에 수용되는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플렉서블 배터리는,
    전극조립체; 및
    상기 전극조립체 및 전해액이 수용되는 수용부와, 상기 수용부의 테두리를 따라 배치되어 상기 수용부의 테두리를 밀봉하는 실링부를 포함하는 외장재;를 포함하고,
    상기 중앙부 영역은 상기 외장재의 전체면적 중 상기 수용부에 해당하는 면적을 포함하는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중앙부 영역은 폭의 중앙부에서 폭 방향을 따라 양단부측으로 갈수록 두께가 얇아지도록 형성되는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 플렉서블 배터리는 외부면 중 적어도 일부 면적에 외부로부터 내부로 열이 이동하는 것을 차단하기 위한 단열층이 구비되는 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄.
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