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KR101820461B1 - 에너지 저장 기능을 가진 구조체 - Google Patents

에너지 저장 기능을 가진 구조체 Download PDF

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KR101820461B1
KR101820461B1 KR1020160065507A KR20160065507A KR101820461B1 KR 101820461 B1 KR101820461 B1 KR 101820461B1 KR 1020160065507 A KR1020160065507 A KR 1020160065507A KR 20160065507 A KR20160065507 A KR 20160065507A KR 101820461 B1 KR101820461 B1 KR 101820461B1
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structural
supercapacitor
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structural cell
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김천곤
박미영
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 에너지 저장 기능을 가진 구조체에 관한 것으로, 두 개 이상의 구조 전지층(Structural Batteries)과, 한 개 이상의 에너지 저장 구조장치로서 슈퍼커패시터(Supercapacitor)가 절연층을 개재한 상태로 적층된 것을 특징으로 하며, 구조 전지층의 음극재는 탄소 섬유 음극재이거나 하중지지가 가능한 음극재이고, 슈퍼커패시터의 전극은 탄소 직물형 전극일 수 있다. 본 발명은 하중 지지 기능을 하는 구조체 자체가 에너지 저장 기능도 구비하도록 함으로써, 배터리 등 에너지 저장 장치가 별도의 공간을 차지하거나 수송수단의 연비를 감소시키는 문제를 최소화 할 수 있는 효과가 있으며, 특히 에너지 밀도가 높은 구조 전지층과 고출력, 고속 반응에 유리한 슈퍼커패시터를 적층함으로써, 경량화에 유리하면서도 고출력, 고속 반응이 가능한 효과가 있다.

Description

에너지 저장 기능을 가진 구조체{STRUCTURE HAVING ENERGY STORING CAPACITY}
본 발명은 에너지 저장 기능을 가진 구조체에 관한 것으로서, 상세히는 슈퍼커패시터(supercapacitor)와 같은 에너지 저장 구조장치와 구조 전지층이 동일 층상의 샌드위치 구조로 통합된 구조체에서, 상기 구조 전지층의 분리막 또는 양극재를 유리 직조형 섬유(GWF) 등과 같은 유전재료로 감싸 적층함으로써, 슈퍼커패시터의 탄소 직물형 전극과 하중지지 기능의 역할을 하도록 한 에너지 저장 기능을 가진 구조체에 관한 것이다.
자동차, 항공기 등 에너지원에 의해 움직이는 수송수단에서의 에너지 절감은 연비 향상에 의해 달성되므로, 연비 향상을 위한 경량화 기술은 에너지 절감 측면에서 매우 중요하다. 이러한 측면에서, 자동차의 차체, 항공기의 날개 등 주로 수송수단의 하중 지지 기능을 하는 구조체를 하중 지지 능력을 희생하지 않으면서 경량화 하는 연구가 진행되어 왔다.
한편, 수송수단의 경량화를 위해서는 하중 지지 기능을 하는 구조체 외의 다른 구성들의 무게를 줄이는 것도 주요할 수 있다. 가령, 수송수단에는 통상 동력원으로서의 에너지원 외에 전기공급원으로서 배터리 등의 전기에너지 저장장치도 설치되는데, 이러한 저장장치에 의해서도 수송 공간이 좁아지고 무게가 증가하는 문제가 있으므로, 에너지 절감 측면에서 개선의 여지가 많다. 특히 전기자동차 등 전기를 동력원으로 사용하는 수송수단이 증가함에 따라, 전기에너지 저장장치의 경량화는 중요한 문제로 대두되고 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 구조체 자체를 전지화하면서 하중지지 기능의 역할도 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 경량화에 유리하면서도 고출력, 고속반응이 가능한 에너지 저장 기능을 가진 구조체를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하중에 강한 에너지 저장 기능을 가진 구조체를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체는, 하중을 받는 구조체에 있어서, 에너지 저장 구조장치와 구조 전지층이 동일 층상의 샌드위치 구조로 상기 구조체를 이루되, 전해질을 포함하는 상기 구조 전지층의 분리막 또는 양극재의 외부면을 절연이 가능한 유전재료로 감싸 적층하여 상기 분리막 또는 전극이 하중지지 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 구조 전지층의 분리막을 감싸 적층되는 유전재료는 중복 층으로 적층하는 것이 바람직하다.
또 상기 구조 전지층의 양극재인 양극 집전체의 외부면을 감싸 적층되는 유전재료는 띠 형태로 실링하여 적층하는 것이 바람직하다.
또 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체는, 하중을 받는 구조체에 있어서, 에너지 저장 구조장치와 구조 전지층이 동일 층상의 샌드위치 구조로 상기 구조체를 이루되, 절연이 가능한 유전재료의 표면에 나노물질을 성장시켜 한쪽 면은 구조 전지층의 양극재인 양극 집전체로 활용하고 다른 쪽 면은 구조 전지층의 분리막으로 활용하여, 상기 전극과 전해질을 포함하는 분리막이 동시에 하중지지 기능을 하도록 한 것을 다른 특징으로 하고 있다.
또 상기 에너지 저장 구조장치는 고출력, 고속 반응에 유리한 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)인 것이 바람직하다.
또 상기 나노물질이 성장된 구조 전지층의 양극재의 가장자리에 띠 형상으로 둘러싼 유전재료가 구조체의 하중지지 기능을 하도록 하는 것이 바람직하다.
또 상기 나노물질은 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 나노구조가 코팅된 물질인 것이 바람직하다.
또 상기 구조체는 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)의 양쪽 면에 구조 전지층이 배치되거나, 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)의 어느 한쪽 면에 다수의 구조 전지층이 배치되어 적층된 샌드위치 구조로 되는 것이 바람직하다.
또 상기 유전재료는 다양한 함량의 일반 유리 직조형 섬유(GWF)과 고함량 유리 직조형 섬유(GWF) 및 아라미드 직조형 섬유(AWF)와 같이 절연이 가능한 섬유 형태 중에서 적어도 하나는 포함하는 것이 바람직하다.
또 상기 구조 전지층의 음극재는 탄소 섬유 및 이와 동등 또는 유사하게 하중지지가 가능한 직조형 섬유 음극재인 것이 바람직하다.
또 상기 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)와 구조 전지층 사이 또는 각 구조 전지층 사이 및 상기 슈퍼커패시터(supercapacitor), 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor) 또는 구조 전지층의 바깥 면에 적층된 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또 상기 분리막은 기능성 유리 섬유(GF) 및 직조형 유리섬유를 포함하는 절연이 가능한 모든 직조형 섬유 중에서 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또 상기 슈퍼커패시터의 전해질을 포함하는 분리막 양쪽 면에 적층된 전극은 각각 탄소 직물형 전극 또는 탄소 섬유 음극재 및 이와 동등 또는 유사하게 하중지지가 가능한 직조형 섬유 음극재인 것이 바람직하다.
또 항공기의 날개 패널 자체를 상기 에너지 저장 기능을 가진 구조체로 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에 의하면, 하중 지지 기능을 하는 구조체 자체가 에너지 저장 기능도 구비하도록 함으로써, 배터리 등 에너지 저장장치가 별도의 공간을 차지하거나 수송수단의 연비를 감소시키는 문제를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 구조체는, 구조 전지층의 분리막 및/또는 전극에 적용되는 유전재료가 상기 구조체에서 주요 하중지지 기능의 역할을 하게 되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 구조체는, 에너지 밀도가 높은 배터리와 고출력, 고속 반응에 유리한 슈퍼 커패시터를 적층함으로써, 경량화에 유리하면서도 고출력, 고속반응이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 구조체는, 하중에 강한 탄소 섬유 음극재 또는 탄소 직물형 전극을 최외곽에 배치함으로써, 자동차 차체, 항공기 날개 등 하중 저항성이 요구되는 구조체로 사용하기에 적합한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체의 개략적인 단면도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체의 개략적인 단면도
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 분리막을 하중지지로 사용하는 경우의 평면도(a) 및 단면도(b)
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 전극을 하중지지로 사용하는 경우의 평면도
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 분리막과 전극을 동시에 하중지지로 사용하는 경우의 평면도(a) 및 단면도(b)
도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체를 항공기 날개에 적용한 개념도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체는, 2개의 구조 전지층과 그 사이의 1개의 에너지 저장 구조장치가 동일 층상형으로 통합되어 적층된 샌드위치 구조로 되어, 배터리 반응시의 하중 유지, 하중 연결을 위해 슈퍼커패시터와 구조 전지층의 절연층 지지체가 실질적인 하중 지지(load-bearing)를 할 수 있는 복합체를 이루게 된다. 고출력, 고속 반응에 유리한 상기 에너지 저장 구조장치는 탄소 섬유 직물이 전극 지지체로 사용된 상기 구조전지층과 부분적으로 유사한 형상의 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)나 모든 슈퍼커패시터(supercapacitor)가 될 수 있다. 또한 상기 구조체는 한쪽 면이 인장 하중, 다른 쪽의 면이 압축 하중을 지지하는 굽힘을 받게 된다.
상기 구조 전지층은 전해질을 포함하는 분리막의 양측면에 음극재 및 양극재가 배치되어 적층된 구조로 되어 있으며, 상기 전해질은 고체전해질이거나 또는 액체전해질을 지지하기 위한 고상의 담체(Supporting Material)를 포함하는 것일 수 있다.
또한 구조 전지층의 음극재는 음극 집전체로 구성되어 경량이면서 하중 지지 기능이 우수한 탄소 섬유 음극재 및 이와 동등 또는 유사하게 하중지지가 가능한 직조형 섬유 음극재일 수 있고, 상기 분리막 또는 양극재의 외부면은 절연이 가능한 다양한 함량의 일반 유리 직조형 섬유(GWF:Glass Woven Fabric)나 고함량 유리 직조형 섬유 또는 아라미드 직조형 섬유(AWF:Aramid Woven Fabric) 등과 같은 유전재료(dielectric)로 감싸 적층한다. 이에 따라 유전재료가 적층된 상기 분리막은 분리막 기능을 수행하면서 구조적 역할을 할 수 있어 구조체의 주요 하중을 지지하는 것으로 활용하게 되고, 유전재료가 적층된 양극재가 전극의 기능을 수행하면서 구조체의 추가적인 하중지지 기능을 담당하게 된다. 또한 2개의 구조 전지층의 외곽에 대칭적인 구조로 각각 배치되어 적층되는 탄소 섬유 음극재도 구조체의 하중을 지지하는 역할을 하게 된다. 따라서 상기 슈퍼커패시터 양쪽에 적층된 구조 전지층은 각각 바깥쪽에서부터 탄소 섬유 음극재/전해질을 포함한 분리막/양극재로 구성되어 적층된 것이다.
한편 상기 유전재료는 분리막에 적층할 때 중복된 층으로 계속해서 적층하는 것이 바람직하며, 양극재인 양극 집전체에 적층할 때 띠 형태로 둘러싸면서 실링하여 적층하는 것이 바람직하다.
상기 슈퍼커패시터는 전해질을 포함하는 분리막의 양측면에 전극이 각각 배치되어 적층된 구조로 되어 있으며, 이때 상기 전극은 경량이면서 하중 지지 기능이 우수한 탄소 직물형 전극 또는 탄소 섬유 음극재 및 이와 동등 또는 유사하게 하중지지가 가능한 직조형 섬유 음극재일 수 있다. 상기 슈퍼커패시터에 사용되는 탄소 직물형 전극은 구조 전지층의 탄소 섬유 음극재와 동일한 것일 수 있으며, 표면 개질 정도 등에서 차이가 있을 수 있다.
상기 구조 전지층과 슈퍼커패시터 등 각 에너지 저장단위(Energy Storing Unit) 사이 및 상기 구조 전지층의 바깥 면에 배치되어 적층되는 절연층에 의해 절연된다. 상기 절연층의 재질은 특별히 한정하는 것은 아니며, 가급적 하중 지지 능력이 우수한 것이 바람직하다.
도 1에는 도시하지 않았으나, 각 에너지 저장단위의 양측 전극에는 각각 리드선이 연결되어 외부 기기로 전기 에너지를 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 에너지 저장기능을 가진 구조체는 도 1의 구조로 한정되는 것은 아니며, 다양한 실시형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에는 2개의 구조 전지층과 1개의 슈퍼커패시터로 구성되는 것으로 설명하였으나, 구조 전치층은 2개 이상, 슈퍼커패시터는 1개 이상일 수 있다. 또한, 도 1에는 구조 전지층 사이에 슈퍼커패시터가 개재되는 것으로 설명하였으나 상기 슈퍼커패시터가 최외곽에 배치되는 구조일 수도 있다. 슈퍼 캐패서터가 최외곽에 배치되더라도 상기 슈퍼커패시터의 전극은 탄소 직물형 전극이므로 하중에 대한 저항성을 확보할 수 있다.
다만 하중 지지를 위한 탄소 섬유 음극재 또는 탄소 직물형 전극이 구조체의 두께 방향으로 가급적 균일하게 분포하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 슈퍼커패시터가 최외곽에 배치되는 경우 도 3과 같은 층상형 샌드위치 구조가 바람직하다.
도 2는 도 1과 마찬가지로 2개의 구조 전지층과 1개의 슈퍼커패시터로 이루어지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조체의 단면도를 도시한 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조체를 도 1과 비교하면 슈퍼커패시터가 최상부에 배치되며, 2개의 구조 전지층이 두께 방향으로 대칭되는 형태가 아니라는 차이가 있다. 즉, 2개의 구조 전지층은 모두 상기 슈퍼커패시터의 한쪽 면에 차례로 배치되어 적층되고, 바깥쪽에서부터 각각 탄소 섬유 음극재/전해질을 포함한 분리막/양극재 형태로 구성되어 적층되며, 이로 인해 구조체의 두께 방향으로 하중 지지 기능을 하는 탄소 섬유 음극재 또는 탄소 직물형 전극이 균일하게 분포될 수 있다. 즉 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조체에서는 슈퍼커패시터의 최외곽의 탄소 직물형 전극과 구조 전지층의 최외곽의 탄소 섬유 음극재가 구조체의 하중을 지지하는 기능을 담당하게 된다.
한편 상기 도 1 및 도 2의 구조체에서 슈퍼커패시터(supercapacitor)와 구조 전지층 사이에 절연층을 배치하여 적층하고, 각각의 구조 전지층 사이에도 절연층을 배치하여 적층한다. 또한 도 1의 경우 양쪽의 구조 전지층의 바깥 면에 절연층을 배치하여 적층하고, 도 2의 경우 한쪽의 구조 전지층의 바깥 면은 물론 다른 쪽의 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 바깥 면에도 절연층을 배치하여 적층하게 된다. 또한 상기 분리막은 기본적으로 기능성 유리 섬유(GF:Glass Fabric)) 또는 직조형 유리 섬유를 포함하는 절연이 가능한 모든 직조형 섬유로 구성하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 분리막을 하중지지로 사용하는 경우의 평면도(a) 및 단면도(b)를 도시한 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체는 음극재(Anode)과 양극재(Cathod)로 구성된 전지 셀(Battery Cell)이 서로 다른 극을 마주보게 한 상태에서 각 전지 셀을 분리막(Separator)으로 감싸고, 상기 분리막 사이에 하중지지 섬유(Load Path Fabric)를 배치하여 적층한다. 즉 전해질(Electrolyte)을 포함한 분리막의 외부면에 하중 경로로 이용 가능한 섬유 또는 직물로써 하중지지 섬유(Load Path Fabric)를 감싸 중복 적층하고, 각각의 하중지지 섬유에 음극재(Anode)로 탄소 섬유 음극재와 양극재(Cathod)인 양극 집전체를 적층한다.
이러한 하중지지 섬유(Load Path Fabric)는 상기한 바와 같이 절연특성을 갖는 섬유로써, 다양한 함량의 일반 유리 직조형 섬유(GWF:Glass Woven Fabric)나 고함량 유리 직조형 섬유 또는 아라미드 직조형 섬유(AWF:Aramid Woven Fabric) 등과 같은 유전재료(dielectric)를 사용하게 된다. 따라서 상기 분리막은 전극 대신에 구조체의 주요 하중을 지지하는 역할을 담당하게 된다. 즉 유리 섬유 등 절연이 가능한 직조된 연속섬유가 부하 경로의 역할을 하여, 절연층으로 되는 하중지지 섬유와 전지 셀의 조합으로 연속적으로 된 상기 하중지지 섬유가 구조체에 부가되는 하중을 지지하고, 전지는 별개의 구성으로 된다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 전극을 하중지지로 사용하는 경우의 평면도를 도시한 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 전극을 하중지지로 사용하는 경우, 상기 구조체의 구조체 전지 구성 중에서 양극재(Cathod)는 음극재(Anode)보다 전극 면적이 작고, 상기 양극재(Cathod)는 전극반응에 참여하지 않는 비활성 면적(Non-active Area)으로써, 이러한 양극재(Cathod)의 외부면을 띠 형태로 된 상기한 바와 같은 하중지지 섬유(Load Path Fabric)로 둘러싸 실링하는 방식으로 적층한다. 즉 이차전지의 실제 전극에서는 음극재(Anode)와 양극재(Cathod)의 크기 차이로 비대칭을 이루고 있으므로, 본 발명의 구조체의 구조 전지층에서는 음극재(Anode)와 양극재(Cathod)를 상기한 하중지지 섬유(Load Path Fabric)에 의해 동일한 크기로 제작함으로써, 양극재(Cathod)의 비활성 면적이 구조체의 하중을 지지하는 기능으로 추가적인 활용을 하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 분리막과 전극을 동시에 하중지지로 사용하는 경우의 평면도(a) 및 단면도(b)를 도시한 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체에서 분리막과 전극을 동시에 하중지지로 사용하는 경우, 상기한 실시예의 구조체에서 분리막 또는 양극재에 유전재료인 하중지지 섬유가 적용되는 것과는 다른 형태로 하중지지 구조를 구성하게 된다. 즉 구조체 자체는 상기한 실시예에서와 같이 2개의 구조 전지층과 1개의 슈퍼커패시터(supercapacitor)가 동일 층상형으로 통합되어 적층된 샌드위치 구조로 하되, 상기 하중지지 섬유에 의해 전지 단위 셀을 구성하는 전면의 음극재(Anode)와 후면의 양극재(Cathod)에 각각 분리막(Separator)을 적용하고, 상기 양극재(Cathod)의 가장자리에 형성되는 띠 부분을 전극에서 하중지지 기능을 담당하는 영역이 되도록 한다.
이러한 유전재료로써 하중지지 섬유인 절연이 가능한 표면 비개질 섬유(Pristine Insulating Fabric)의 표면을 이용하여 만들어지는 양극재와 분리막으로 구조 전지층을 구성하여 구조체의 하중지지 기능을 하도록 하되, 여기서 구조 전지층의 양극재와 분리막을 상기 표면 비개질 섬유를 이용하여 조성하는 것은 다음과 같이 이루어진다. 즉 상기 표면 비개질 섬유의 표면에 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 나노구조가 코팅된 표면(Nanostructure-coated surface)과 같은 나노물질을 성장시켜, 한쪽 면은 띠 형상의 표면 비개질 섬유로 가장자리를 둘러싼 상기 양극재를 양극 집전체로 활용하고 다른 쪽 면은 분리막으로 활용하여 구조 전지층을 구성함으로써, 상기 구조 전지층의 양극 집전체(양극재)의 가장자리의 띠 형상의 표면 비개질 섬유와 분리막이 구조체의 하중지지 기능을 담당하게 된다. 이렇게 구성한 구조 전지층의 분리막에 전해질을 포함하여 적층하고 음극재(Anode)를 적층하여 전지를 구성하고, 이를 본 발명과 같은 구조체에 적용하게 된다.
이상과 같은 구성의 본 발명의 일 실시예에 따른 구조체는, 자동차 차체, 항공기 날개 등 하중 지지 기능이 요구되는 모든 분야에 응용될 수 있다. 본 발명은 하중 지지 기능을 하는 구조체 자체가 에너지 저장 기능도 구비함으로써, 배터리 등 에너지 저장장치를 위한 별도의 공간을 최소화할 수 있고, 에너지 저장장치의 무게로 인해 수송수단의 연비가 감소되는 문제를 최소화할 수 있다.
또한, 에너지 밀도가 높은 구조 전지층과 고출력, 고속 반응에 유리한 에너지 저장 구조장치로서 슈퍼커패시터를 함께 적층하여 사용함으로써, 경량화에 유리하면서도 고출력, 고속 반응이 가능한 효과가 있다. 즉, 경량화만을 위해서는 에너지 밀도가 높은 구조 전지층만을 사용하는 것이 유리할 수 있으나, 구조 전지층은 음극재 및 양극재에서의 전해 반응에 의해 반응속도가 느릴 수 있다. 반면 본 발명은 반응 속도가 높은 슈퍼커패시터를 함께 사용함으로써, 고출력 또는 고속 반응이 요구되는 경우에 적절히 대응할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조체는 도 1과 같이 구조 전지층의 탄소 섬유 음극재가 최외곽에 위치하므로, 하중 저항성이 요구되는 항공기 날개 등에 유용하게 응용될 수 있다. 도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 기능을 가진 구조체를 항공기 날개에 적용한 개념도를 도시한 것이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 항공기가 비행을 위해 공기력에 의한 양력을 받는 경우 각 부위에 작용하는 주요 하중의 성분은 날개의 상부 면은 압축 하중(Compression)을 받고 하부 면은 인장 하중(Tension)을 받게 되며, 양쪽은 비틀림(Torsion)을 받게 된다. 이때 하중에 의한 구조체의 파손 등의 문제를 방지하기 위해서는 항공기 날개 구조물에서 인장 응력이 주요 하중으로 작용되는 부위에 인장 응력 저항성이 우수한 탄소섬유가 사용된 구조 전지 층을 사용하는 것이 바람직하다.
즉 항공기의 운항 중 하중 모드는 복합적이고 탄소섬유는 인장 응력 저항성이 우수하므로, 상기 탄소섬유를 사용한 구조전지 및 슈퍼커패시터 층이 에너지 저장 장치 역할을 하는 동시에 하중 저항성을 갖는 취지에서, 탄소섬유 층이 높은 인장 응력이 걸리는 항공구의 구조 부위에 사용하는 것이 보다 효과적이고 바람직할 것이다. 따라서 상기한 바와 같이 탄소섬유는 전극 지지체로 사용되나, 절연이 가능한 섬유는 구조전지 및 구조 슈퍼커패시터에서 분리막과 외부 절연층으로 사용되어 하중 지지 기능을 하므로, 항공기에서 높은 인장 응력이 걸리는 날개 구조 부위에 (1)탄소섬유 전극만이 주요 하중지지 역할을 하는 것 외에도, (2)전극과 분리막이 함께 하중지지 역할을 하거나, (3)분리막이 주요 하중지지 역할을 하는 것으로 모두 하중지지의 역할이 가능하도록 할 수 있다.
이에 도 1 및 2에서와 같은 본 발명에 따른 구조체를 상기 항공기 날개에 적용하여 하중지지 기능을 담당하도록 한다. 즉 항공기 날개의 상부 패널(Upper Panel of Wing)은 최외곽 바깥층에 슈퍼커패시터가 배치되고, 내부 층 방향으로 갈수록 2개의 구조 전지층이 차례로 적층되는 도 2의 형태의 구조체로 적용하고, 항공기 날개의 하부 패널(Lower Panel of Wing)은 최외곽 바깥층에 2개의 구조 전지층 중 어느 하나의 구조 전지층이 배치되고, 내부 층 방향으로 갈수록 다른 하나의 구조 전지층과 슈퍼커패시터가 차례로 적층되는 도 2의 형태의 구조체로 적용한다.
따라서 항공기 날개의 상부 패널(Upper Panel of Wing)의 최외곽 바깥층을 구성하는 슈퍼커패시터의 탄소 직물형 전극이 압축 하중의 주요 지지기능으로 담당하게 되고, 항공기 날개의 하부 패널(Lower Panel of Wing)의 내부의 구조 전지층들의 탄소 섬유 음극재는 인장 하중의 주요 지지기능을 담당하게 된다. 즉 항공기날개의 최외곽이 압축 및 인장 하중에 강한 탄소 직물형 전극 및 탄소 섬유 음극재로 이루어지므로, 이를 항공기 날개에 적용하더라도 인장 하중에 의한 파손 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 항공기 날개 구조는 상부 면과 하부 면의 패널(Upper Skin 및 Lower Skin Panels)과 이를 지지하는 프레임으로 날개 스파(Spar), 다시 스파를 보강하는 리브(Ribs)로 구성되는 세미 모노코크 구조로 되어 있다. 본 발명에서와 같은 전원 일체형 에너지 저장구조(Energy Storing Structure) 개념은 상기 항공기 날개 구조물이 공력 하중을 받는 상태에서 하중 지지(Load Bearing)와 에너지 저장(Energy Storing)을 동시에 할 수 있는 신개념의 다기능성 복합재 구조체이다.
상기한 다기능성 복합 구조체의 효율을 표현하는 방법으로 다기능 효율 지수를 정의할 수 있다. 다기능 효율 지수(Structural Efficiency+Energy Storage Efficiency)로써 구조적인 효율성(Structural Efficiency)만 가진 100% 효율의 시스템 효율 지수를 1로 하고, 에너지 저장 효율성(Energy Storage Efficiency)만 가진 100% 효율의 시스템 효율 지수를 1로 하였을 때, 구조적(1)+에너지 저장(1)의 효율성은은 최대 2가 되고, 각 효율의 50%만 사용하더라도 1이 되는 개념이 된다.
상기한 본 발명에 따른 구조체는 자동차, 항공기뿐만 아니라, 인공위성, 로봇 등의 내외부 구조체 등 하중 지지 기능 및 에너지 저장 기능이 모두 요구되는 다양한 분야에 사용될 수 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 하중을 받는 구조체에 있어서,
    에너지 저장 구조장치와 구조 전지층이 동일 층상의 샌드위치 구조로 상기 구조체를 이루되, 전해질을 포함하는 상기 구조 전지층의 분리막 또는 양극재의 외부면을 절연이 가능한 유전재료로 감싸 적층하여 상기 분리막 또는 전극이 하중지지 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조 전지층의 분리막을 감싸 적층되는 유전재료는 중복 층으로 적층하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조 전지층의 양극재인 양극 집전체의 외부면을 감싸 적층되는 유전재료는 띠 형태로 실링하여 적층하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  4. 하중을 받는 구조체에 있어서,
    에너지 저장 구조장치와 구조 전지층이 동일 층상의 샌드위치 구조로 상기 구조체를 이루되, 절연이 가능한 유전재료의 표면에 나노물질을 성장시켜 한쪽 면은 구조 전지층의 양극재인 양극 집전체로 활용하고 다른 쪽 면은 구조 전지층의 분리막으로 활용하여, 전극과 전해질을 포함하는 분리막이 동시에 하중지지 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 구조장치는 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 나노물질이 성장된 구조 전지층의 양극재의 가장자리에 띠 형상으로 둘러싼 유전재료가 구조체의 하중지지 기능을 하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 나노물질은 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 나노구조가 코팅된 물질인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 구조체는 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)의 양쪽 면에 구조 전지층이 배치되거나, 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)의 어느 한쪽 면에 다수의 구조 전지층이 배치되어 적층된 샌드위치 구조로 된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  9. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전재료는 절연이 가능한 유리 직조형 섬유(GWF) 및 아라미드 직조형 섬유(AWF) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  10. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 전지층의 음극재는 탄소 섬유 음극재이거나 하중지지가 가능한 음극재인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor)와 구조 전지층 사이 또는 각 구조 전지층 사이 및 상기 슈퍼커패시터(supercapacitor), 구조 슈퍼커패시터(structural supercapacitor) 또는 구조 전지층의 바깥 면에 적층된 절연층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  12. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리막은 절연이 가능한 기능성 유리 섬유(GF) 및 직조형 유리섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터의 전해질을 포함하는 분리막 양쪽 면에 적층된 전극은 각각 탄소 직물형 전극 또는 탄소 섬유 음극재 및 하중지지가 가능한 직조형 섬유 음극재인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
  14. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    항공기의 날개 패널 자체를 상기 에너지 저장 기능을 가진 구조체로 구성한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 기능을 가진 구조체.
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