KR20130128163A - 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 for thermal conductivity control, and more particularly, to a smart composite for thermal conductivity control that can control thermal conductivity by using a volume change of phase-transfer spherical particles.
That is, the present invention uses a phase transition material in which a phase transition phenomenon occurs in a liquid / solid phase starting from the melting point, but the thermal conductivity path is easily changed by using a volume change of about 10 vol% or less at the phase transition of the phase transition material. It is to provide a smart composite material for thermal conductivity control that can actively control and improve the reliability while preventing stability and performance deterioration according to the operating temperature of batteries and electrical and electronic components.
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 for thermal conductivity control, and more particularly, to a smart composite for thermal conductivity control that can control thermal conductivity by using a volume change of phase-transfer 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).In general, the energy and output of Li-ion batteries are generally known to drop rapidly when the temperature drops below -10 ° C. In fact, at -40 ° C, the energy density is 5% of the energy compared with the environment at 20 ° C. It is reported that it delivers only 1.25% of the density (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 can be discharged normally in a low temperature environment, but have been reported to be poorly charged (Ref, CK Huang, JS Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. Soc. 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).In addition, it has been reported that the deterioration of a lithium ion battery in a low temperature environment is caused by reduced ion conductivity of the electrolyte, low diffusion of lithium ions into graphite, and increased 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, a decrease in output and performance of the battery is the most serious problem. Therefore, in order to prevent the battery from degrading in a low temperature environment, a separate battery cell is maintained 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 actual use environment (temperature) is a high temperature, the problem occurs in the electrical components and the battery, the stability of the thermal runaway (thermal runaway) of the battery (hot run) is a problem at high temperatures.
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. As the heat insulation is excellent, there is a problem of heat dissipation, and when the heat dissipation is excellent, the problem of heat insulation is caused by high thermal conductivity, so that electrical components including lithium ion batteries of hybrid and electric vehicles are actively in an environment requiring heat insulation and heat radiation. There is a problem that cannot be coped.
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, when foam foam is applied as a heat insulating means to the battery, it can be expected to improve the low temperature performance. Accelerating congestion can be a factor, causing catastrophic damage to electrical components and batteries.
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 addition, the method of increasing the capacity of the blower, which is an air cooling means to enhance the heat dissipation performance of the battery, or adopting a water cooling means, and constituting the battery housing with a heat insulating material for enhancing the thermal insulation performance, but this increases the weight 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.Therefore, in order to solve heat dissipation and heat insulation problems in automotive electronic and electronic parts, especially battery systems, development of smart housing materials that can actively control heat conduction according to the surrounding environment and achieve a light weight effect It 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 high heat dissipation material, the battery housing is composed of a composite material containing a filler having excellent thermal conductivity, but in order to reach a desired thermal conductivity target, the filler must be filled with a high content of 70 wt% or more, which is a composite material. It leads to a decrease in 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 manufacturing a battery housing or the like using a composite material containing a filler having excellent thermal conductivity, anisotropy of thermal conductivity is generated by the filler 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 the high thermal conductivity fillers developed for improving heat dissipation performance includes most of the plate- or fiber-type fillers, when injected into a battery case or the like, The filler is uniaxially oriented in the injection direction by the shearing force in the injection direction, which causes the anisotropy problem of the thermal conductivity. Therefore, the thermal conductivity in the injection direction is generally 1/3 to 1/4 level as compared to the thermal conductivity in the thickness direction. 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, for effective heat dissipation, a heat transfer path should be formed according to the shape and characteristics of the parts, and most of the housings for electrical appliances and batteries should be manufactured to have heat transfer path characteristics in the thickness direction to improve heat dissipation 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 is used that absorbs heat when the temperature rises and releases heat when the temperature falls, so that the internal temperature of the battery can be properly maintained. The disadvantage is that no effective heat exchange rate between the materials is 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.
The present invention has been made in order to solve the conventional problems as described above, using a phase transition material in which the phase transition phenomenon occurs in the liquid / solid phase from the melting point, the volume change of about 10 vol% or less during the phase transition of the phase transition material By making it easy to change the heat conduction path, it is possible to actively control the heat conduction, and to control the heat conduction to improve the reliability while preventing stability and performance deterioration according to the operating temperature of the battery and electrical and electronic parts. The purpose is to provide smart composites.
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.One embodiment of the present invention for achieving the above object is: a core made of a phase change material that changes the volume of expansion or contraction according to temperature changes, a shell made of an elastic material surrounding the phase change material, and the surface of the shell A hybrid phase-transition particle having a core shell structure composed of a high thermal conductivity filler to be coated so as to control the thermal conductivity by itself; A thermally conductive pouch member for encapsulating the hybrid phase transition particles together with a thermally conductive medium; It provides a smart composite material for thermal conductivity control, characterized in that consisting of.
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 one embodiment of the present invention, the core of the hybrid phase change particle is a phase change material that changes in volume based on the melting point, characterized in that it is adopted as lauric acid (lauric acid) or nonadecane (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 hybrid phase change particle shell is characterized in that it is adopted as an elastomeric material having an elastic force surrounding 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 conductivity filler is characterized in that any one selected from graphite, carbon nanotubes, carbon fiber, high conductivity carbon black, boron nitride, 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 includes: an upper plate and a lower plate of aluminum material spaced up and down; An epoxy plate disposed vertically between the upper plate and the lower plate to form a plurality of filling spaces; Epoxy cover that is covered on 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.In addition, the heat conduction medium is characterized in that the dynamic viscosity is changed to ethylene glycol or propylene glycol is changed in accordance with the ambient temperature changes.
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.In particular, when the core is changed from a solid phase to a liquid phase and the volume increases, the shell expands outward to increase the contact area between the shell and at the same time to make side contact between the shells.
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.Another embodiment of the present invention for achieving the above object is: a phase transition material in which a high thermal conductivity filler is dispersed in a phase transition material that undergoes a volume change of expansion or contraction according to temperature change, and is directly filled in a filling space of a thermally conductive pouch material. It provides a smart composite material for thermal conductivity control.
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 change material is characterized in that it is adopted as lauric acid (lauric acid) or nonadecane (nonadecane), the high thermal conductivity filler is graphite, carbon nanotubes, carbon fiber, high conductivity carbon It is characterized in that any one selected from black, boron nitride, 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: a top plate and a bottom plate of aluminum material spaced up and down, and an epoxy cover that is covered on the side of the space between the top plate and the bottom plate, one filling An upper plate and a lower plate made of aluminum or spaced up and down spaced apart from each other, and an epoxy plate formed vertically 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. It is characterized by consisting of a cover made of epoxy to be covered on the side of the.
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 provides a hybrid phase change particle composed of a core made of a phase change material that undergoes a volume change of expansion or contraction according to temperature change, a shell made of an elastic material surrounding the phase change material, and a high thermal conductivity filler coated on the surface of the shell. It is intended to provide a smart composite material for thermal conductivity control filled in a thermally conductive pouch member together with a thermally conductive medium material, and by applying it as a case material of a housing or a battery module of an electrical and electronic component, thermal insulation and heat dissipation effect can be simultaneously obtained.
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 transition material is phase-transformed into the liquid or solid phase based on the melting point, the thermal conductivity can be actively controlled using the volume change, and accordingly, the stability and performance according to the operating temperature of the battery such as electric and electronic parts The problem of degradation 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 heat generation occurs due to the operation of a battery including an electrical and electronic component or an increase in the ambient temperature, the thermal conductivity of the composite material of the present invention is increased, thereby showing an efficient heat dissipation effect. The thermal insulator function essentially prevents the low temperature performance of the component.
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.1 and 2 is a schematic diagram showing a hybrid phase transition particle of the smart composite for thermal conductivity control according to an embodiment of the present invention,
Figure 3 is a schematic diagram showing a thermal conductive pouch member of the smart composite for thermal conductivity control according to an embodiment of the present invention,
Figure 4 is a schematic diagram illustrating a thermal control mechanism of the smart composite for thermal conductivity control according to an embodiment of the present invention,
5 and 6 is a schematic diagram showing a smart composite for thermal conductivity control 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 that can be actively controlled the thermal conductivity of the material according to the ambient temperature, it is applied to the housing of the electrical and electronic components, in particular the housing or case material of the battery module, showing excellent heat dissipation performance under heat conditions The company aims to provide smart composites for thermal conductivity control to maintain the proper temperature through thermal insulation in low temperature environments.
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.To this end, the smart composite for thermal conductivity control according to an embodiment of the present invention, as shown in Figures 1 to 3 attached, the core shell to adjust the thermal conductivity by itself while changing the volume of expansion or contraction according to the temperature change And a thermally conductive pouch member which encapsulates the particles of the structure (hereinafter referred to as hybrid phase transition particles) and the coreshell structure together with a thermally conductive medium material.
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.In particular, 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 elastomer material as a high thermal conductivity 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
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, the thermally
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 above-mentioned hybrid phase transition particles are filled together with the thermally conductive medium 26 in each filling
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 conductive medium 26 has a function of increasing the thermal insulation properties at low temperature, and the thermal conductivity is very low at 0.3 W / mK or less, which is advantageous for the expression of thermal insulation properties and dynamic viscosity due to heat transferred when the ambient temperature rises. It is preferable to use a material having a low viscosity, and as an example, an extremely low ethylene glycol (EG) or propylene glycol (PG) may be used as the thermal conductivity is 0.258 W / mK.
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 fluidity even at a low temperature of 0 ° C. or less, the thermally conductive medium may be mixed with propylene glycol (PG) or ethylene glycol (EG) as water or another 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 the ethylene glycol is mixed with water, and generally mixed at 60:40 (ethylene glycol: water), the freezing point becomes -50 to -55 ° C and the boiling point at the same time. ) Becomes 120 ℃ and it is placed in general electrical components and use temperature environment, and dynamic viscosity is 35.0 ~ 40.0 [cP] around -17 ~ -20 ℃, Fluidity is adjustable.
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 heat conduction medium material is increased to 90 ~ 95 ℃ the dynamic viscosity is lowered to 0.8 ~ 1.0 [cP], it is possible to control the fluidity according to the temperature of the heat conduction medium 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.When the viscosity of the thermally conductive medium 26 is lowered by the heat transferred from the surroundings, its fluidity is increased, so that the degree of freedom of the volume change of the hybrid phase-
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.In addition, when the core 12 changes from the solid phase to the liquid phase and the volume thereof is increased 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 core 12 changes from a solid phase to a liquid phase and its volume 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 connectivity between the micro particles of the high
따라서, 한쪽 주변에서 발생한 열이 위와 같이 형성된 열전달 경로를 따라 반대쪽으로 이동하게 됨으로써, 2차 방열 효과를 얻을 수 있다.Therefore, the heat generated around one side is moved to the other side along the heat transfer path formed as described above, thereby obtaining a secondary heat dissipation effect.
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 thermally conductive medium material is increased, and thus, 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 falls below the core melting point of the hybrid phase transition particle, that is, the melting point of the phase transition material, the core solidifies and releases the heat absorbed from the surroundings, and the released heat is transferred to the system (eg, the electronics). It is delivered to the battery (including, etc.) to obtain a primary thermal insulation effect that the heating action.
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. In addition, 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 has an insulating function to insulate the thermal energy of the system from the external environment, thereby preventing performance and stability deterioration due to the temperature drop of the system. Can contribute.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재를 첨부한 도 4 및 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.Here, referring to Figures 4 and 5 attached to the smart composite for thermal conductivity control according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도 제어용 스마트 복합재는 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 충진공간을 이루는 열전도성 파우치 부재를 포함한다.Smart composite for thermal conductivity control according to another embodiment of the present invention, as shown in Figure 4, includes a thermal conductive pouch member forming a 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 composed of a top plate and a bottom plate made of aluminum having high thermal conductivity spaced up and down, and an epoxy cover forming a side plate between the top plate and the bottom plate, and filling one inside thereof. Space is formed.
특히, 상기 열전도성 파우치 부재의 충진공간에는 상술한 바와 같이 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 액상의 상전이물질에 고열전도성 필러를 분산시킨 상전이소재가 충진된다.In particular, the filling phase of the thermally conductive pouch member is filled with a phase change material in which a high thermal conductivity 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 solidifies below the melting point, the volume is reduced to form a gap at the interface between the top plate and the phase change material, so that an air layer is formed, thereby obtaining an insulation effect from the outside due to the air layer, whereas the melting point is higher than the melting point. When liquefied in the volume is increased to be in contact with the upper plate and the lower plate to function to heat the heat inside.
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.At this time, if too many high thermal conductive fillers are dispersed in the phase transition material, there is no volume difference due to the phase transition effect, and thus, an air layer is not formed. If too little is added, the effective phase transition phenomenon is not effective because the thermal conductivity is low. To distribute.
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.Meanwhile, as shown in FIG. 5 to which the thermally conductive pouch member is attached, the upper and lower plates made of aluminum having high thermal conductivity are spaced up and down, and the space between the upper and lower plates is low thermal conductivity (about 0.2 to 0.3 W). / mK) is formed of a plurality of filling spaces partitioned by an epoxy plate of the epoxy material, it is also possible to use a structure in which the cover of the epoxy material is integrally attached to the side of the space between the upper plate and the lower plate.
물론, 각 충진공간내에 용융점을 기준으로 부피 변화를 하는 액상의 상전이물질에 고열전도성 필러를 분산시킨 상전이소재가 충진된다.Of course, the phase transition material in which the high thermal conductivity fillers are dispersed in a liquid phase transition material having a volume change based on the melting point in each filling space is filled.
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.
Similarly, when the phase change material is solidified below the melting point, the volume is reduced and a gap is generated at the interface between the top plate and the phase change material, thereby forming an air layer, thereby obtaining an insulation effect from the outside due to the air layer, whereas the melting point is higher than the melting point. When liquefied in the volume is increased to be in contact with the upper plate and the lower plate to function to heat the heat inside.
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 particle
12: Core
14: shell
16: high thermal conductivity filler
20: thermally conductive pouch member
21: top plate
22: Lower plate
23: plate
24: filling space
25: cover
26: heat conducting medium
Claims (11)
상기 하이브리드 상전이 입자(10)들을 열전도 매개소재(26)와 함께 봉지시키는 열전도성 파우치 부재(20);
로 구성된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
Core 12 made of a phase change material that changes the volume of expansion or contraction according to temperature change, a shell 14 made of an elastic material surrounding the phase change material, and a high thermal conductivity filler coated on the surface of the shell 14 ( 16 and a hybrid phase-transition particle 10 having a core-shell structure configured to self-regulate thermal conductivity;
A thermally conductive pouch member 20 for encapsulating the hybrid phase transition particles 10 together with a thermally conductive medium 26;
Smart composite material for thermal conductivity control, characterized in that consisting of.
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 particle 10 is a phase change material having a volume change based on a melting point, and is characterized in that it is selected 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,
The shell 14 of the hybrid phase transition particle 10 is a smart composite material for thermal conductivity control, characterized in that it is adopted as an elastomeric material having an elastic force surrounding 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,
The high thermal conductivity filler 16 is thermal conductivity control smart composite, characterized in that any one selected from graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, high conductivity carbon black, boron nitride, 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 is:
An upper plate 21 and a lower plate 22 made of aluminum spaced apart from each other up and down;
An epoxy plate (23) disposed vertically between the upper plate (21) and the lower plate (22) to form a plurality of filling spaces (24);
Epoxy cover 25 is covered on the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22;
Smart composite material for thermal conductivity control, characterized in that consisting of.
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,
The thermally conductive medium material 26 is a smart composite for thermal conductivity control, characterized in that the dynamic viscosity is changed to ethylene glycol or propylene glycol in accordance with the change in ambient temperature.
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.
The method according to claim 1,
When the core 12 changes from a solid phase to a liquid phase and increases in volume, the shell 14 expands outward to increase the contact area between the shell 14 and the shell 14 and at the same time the surface contact between the shells 14. Smart composite for thermal conductivity control, characterized in that the (side contact) is made.
Thermal conductivity, characterized in that the phase-transfer material in which the high thermal conductivity filler 16 is dispersed in the phase-transfer material that changes the volume of expansion or contraction in accordance with the temperature change in the filling space 24 of the thermally conductive pouch material 10 directly. Smart composite for control.
상기 상전이물질은 라우릭 산(lauric acid) 또는 노나데칸(nonadecane)으로 채택된 것을 특징으로 하는 열전도도 제어용 스마트 복합재.
The method according to claim 8,
The phase change material is a smart composite for thermal conductivity control, characterized in that it is adopted as 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 according to claim 8,
The high thermal conductivity filler 16 is thermal conductivity control smart composite, characterized in that any one selected from graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, high conductivity carbon black, boron nitride, aluminum nitride.
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 method according to claim 8,
The thermally conductive pouch member 20 is:
It is composed of an upper plate 21 and a lower plate 22 made of aluminum spaced apart up and down, and an epoxy cover 25 covered on the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22. Is adopted as a structure having a space 24, or
Epoxy plate 23 which is vertically disposed between the upper plate 21 and the lower plate 22 of the aluminum material and spaced up and down and the upper plate 21 and the lower plate 22 to form a plurality of filling space 24 And a cover 25 made of epoxy, which is covered on the side of the space between the upper plate 21 and the lower plate 22.
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