KR101145205B1

KR101145205B1 - 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치

Info

Publication number: KR101145205B1
Application number: KR1020100038101A
Authority: KR
Inventors: 지현진; 강승호; 최종화; 최유송
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: KR20110118474A

Abstract

본 발명은, 홀로그래픽 간섭법을 이용하여 열전지용 펠렛의 품질을 검사하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치는, 검사대상 펠렛을 외부와 차단한 상태로 내장하는 펠렛 고정유닛과, 펠렛 고정유닛에 내장된 펠렛에 적외선을 조사하여 펠렛을 가열하는 펠렛 가열유닛을 포함하여 구성되며, 그 중, 펠렛 고정유닛은, 중앙에 관통구멍이 형성된 상부 케이스와, 상부 케이스의 하방에 배치되며 상부 케이스의 관통구멍에 대응되는 투사창이 천공된 하부 케이스와, 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 끼워지는 밀봉 링과, 상부 케이스의 관통구멍 내에 끼워지는 유리판과, 하부 케이스의 투사창에 끼워지는 유리판과, 상부 케이스와 하부 케이스와 밀봉 링을 일체로 고정하는 체결볼트로 이루어지고; 펠렛 가열유닛은, 상면 중앙에 투광창이 뚫려 있는 컨테이너와, 컨테이너의 투광창을 향해 적외선이 방출될 수 있도록 컨테이너의 내부에 설치되는 적외선 램프와, 적외선 램프에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해 컨테이너의 내부에 설치되는 냉각팬과, 컨테이너의 투광창에 대응되는 입사창이 뚫려 있는 상태로 컨테이너의 상면과의 사이에 복수의 충격 흡수 부재를 개재하여 설치되는 무진동 테이블로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

열전지용 펠렛의 비파괴검사장치 {Non-destructive testing apparatus to inspect the quality of pellet for thermal battery}

본 발명은, 홀로그래픽 간섭법(holographic interferometry)을 이용하여, 열전지용 펠렛의 품질을 검사하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치에 관한 것이다.

열전지(Thermal Battery, 熱電池)란, 상온에서는 이온전도성이 없는 고체상태를 이루고 있는 무기염 전해질(Inorganic Salt Eletrolyte)을 화학발열재로 1초 이하의 짧은 시간에 액화시켜 높은 이온전도성을 가지게 함으로써 전지가 작동되도록 하여 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 1차 비축전지(Reserve Battery)를 의미한다. 이러한 열전지는 상온에서 전지의 활성이 없는 상태로 저장되어 있다가 400℃～500℃의 열을 받으면 활성화되면서 전원을 공급하는 기능을 수행한다.

열전지가 보관되는 동안, 전해질은 이온전도성이 없는 고체상태이므로 장기보관 특성(10년 이상)이 매우 우수하고, 전지 작동 후에도 가속도나 진동 및 충격에 의한 영향을 거의 받지 않아 전지의 신뢰성이 탁월하다.

또한, 안전성이 높고, 유지 및 보수활동이 불필요하므로 주로 미사일, 어뢰, 로켓, 소노부이(sonobuoy), 디코이(decoy), 포탄, 지뢰, 신관 등과 같은 다양한 군사용 무기와 같은 응용분야에 널리 이용되고 있다.

본 출원인의 선출원 특허출원번호 10-2010-0036519(열전지의 단열구조)에 더 구체적으로 개시되어 있지만, 일반적으로, 열전지는, 도 1a에 도시된 것처럼, 열에 의해 활성화되는 복수의 단위전지(41)가 직렬 또는 병렬로 적층되어 있는 전지적층부(40)와; 전지적층부(40)의 상부와 하부에 각각 위치되어 외부로의 열 방출을 차단하는 상부단열부(50) 및 하부단열부(50')와; 상부단열부(50)의 상측에 위치되고 양극단자(61)와 음극단자(62)가 구비된 전극부(60)와; 전지적층부(40)와 상부단열부(50) 및 하부단열부(50')와 전극부(60)가 내장되어 이들 구성요소가 외부로부터 밀폐되는 케이스(70)를 포함하고 있다. 여기서, 본 출원인의 상기 선출원에 기재된 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

상기 구성요소 중, 단위전지(41)는, 리튬(Li)이나 칼슘(Ca)과 같이 산화반응을 일으키는 음극 활물질로 구성되어 전자와 이온을 생성하는 음극(41a)과, 황화철(FeS₂)이나 황화코발트(CoS₂)와 같이 환원반응을 일으키는 양극 활물질로 구성되어 음극(41a)으로부터 이동된 이온과 전자가 반응하는 양극(41b)과, 음극(41a)과 양극(41b) 사이에 위치되며 열에 의해 활성화되는 고체 전해질(41c)과, 음극(41a)과 양극(41b) 중 어느 일측의 바깥쪽에 배치되며 열을 발생시켜 고체 전해질(41c)을 활성화시키는 발열재(Heat Pellet, 41d)로 이루어져 있다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 양극(41b)과 음극(41a), 고체 전해질(41c), 발열재(41d) 등의 각 구성요소는, 프레스가공에 의해 디스크 형태로 성형된 후, 정해진 규격에 맞춰 직렬 또는 병렬로 적층되며, 각(各) 단위전지(41)는 전지적층부(40)의 상단과 하단에 각각 위치하는 음극집전체(42)와 양극집전체(43)를 통해 전극부(60)에 연결된다.

발열재(41d)가 활성화되면(즉, 연소시키면) 열이 발생하게 되고, 이 열에 의해 고체 전해질(41c)이 액화됨과 아울러, 음극(41a)에서 산화반응이 일어나 전자와 이온이 생성된다. 이온은 액화된 전해질을 통해 양극(41b)으로 이동하고, 전자는 외부회로를 통해 양극(41b)으로 이동하며, 음극(41a)으로부터 이동된 이온과 전자가 양극(41b)에서 만나 환원반응이 일어나게 된다.

이와 같이, 외부회로를 통해 전자가 이동하면, 외부회로에는 전기가 흐르게 되어 필요한 위치로 전기를 공급할 수 있게 된다.

또한, 상부 및 하부단열부(50)(50')는, 상부 및 하부단열부(50)(50')의 외부로 열이 방출되어 전지적층부(40)의 온도가 감소하는 것을 보상하기 위해 전지적층부(40)보다 더 높은 온도를 형성하도록 배치되는 복수의 발열재와, 발열재에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 차단하는 BF페이퍼(Binder Free Paper)와 같은 단열재와, 발열재와 발열재 사이 및 발열재와 단열재 사이에 각각 배치되어 열용량을 증가시키는 스테인리스스틸 또는 니켈 소재의 금속차단재로 이루어진 세트가 1~3개 적층되어 형성된다.

상부단열부(50)의 최상단과 하부단열부(50')의 최하단에 위치한 세트의 단열재는, 2중 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 단열재의 두께를 균일하게 유지하면서도 최외각에서의 단열효과를 향상시키기 위한 것이다.

위와 같은 구조의 열전지는, 외부로부터의 신호에 의해, 열전지 내부에 존재하는 발열재가 불이 붙게 된다. 이후, 온도상승에 의해 고체 전해질이 녹아 액체로 변하면서 이온전도도 생기고 기전력이 발생하여 전지로서 동작하게 된다.

열전지를 제작하는데 있어서 가장 중요한 공정 중의 하나가 단위전지를 구성하는 발열재(41d), 양극(41b), 고체 전해질(41c), 음극(41a)의 성형공정이다.

앞서 설명한 바와 같이, 열전지는 복수의 단위전지가 밀폐된 공간 안에 층층이 쌓인 구조로서, 외부로부터 진동이나 충격이 있더라도, 10년 이상 아무 이상 없이, 그 형태를 유지해야 한다.

따라서 기본 분말을 사용하여 전극, 고체 전해질, 발열재를 펠렛 형태로 성형할 때는 가급적 많은 바인더(binder)를 사용하여 성형성을 향상시키면 되지만, 너무 많은 바인더를 사용하게 되면, 발열재 연소 시, 탄소계열 기체가 발생하여 열전지 내부의 압력을 상승시킬 우려가 있다. 따라서 원칙적으로 열전지 내부에 사용되는 단위전지용 펠렛들은 바인더를 사용하지 않고 성형한다. 그러나 바인더를 사용하지 않으면, 펠렛 성형 후 강도가 낮아질 수 있으며, 성형할 때 분말을 누르는 프레스의 가압력이 아주 커져야 하는 단점이 있다.

이렇게 단위전지용 펠렛 성형은 여러 제한요소가 존재하기 때문에, 높은 성형기술을 요구하고 있다.

만약 성형이 잘못되면 성형 후 펠렛의 깨짐이나 갈라짐 등의 현상이 일어날 수 있으며, 대체로 이러한 프레스 성형의 성공과 실패 여부는, 기본 분말의 상태와 프레스 기술에 의해 좌우된다.

현재, 기본 분말을 프레스 성형하여 만들어지는 열전지용 펠렛의 성형 실패를 검사하는 데에는 육안 검사가 이용되고 있다.

이러한 육안 검사로는, 프레스 성형시에 자주 발생하는 펠렛의 원주방향으로의 비교적 큰 갈라짐이나 깨짐은 확인이 가능하지만, 스프링백(springback)에 의한 극히 작은 갈라짐이나 머리카락과 같은 외부 물질의 이입에 의한 오염 등은 확인이 불가능하다.

이처럼, 육안 검사 방법에 의해서는 미세결함이 존재하는 펠렛을 신속, 정확하게 분간할 수 없으므로, 이러한 미세결함을 가진 펠렛이 열전지의 생산에 사용될 소지가 있다.

이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 능히 짐작할 수 있듯이, 미세결함을 가진 펠렛은, 열전지의 작동 안정성과 장기 저장성에 나쁜 영향을 끼쳐 열전지의 신뢰성을 떨어뜨리므로 반드시 해결해야 할 과제이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 열전지는 군사적인 목적에서 각종 유도무기에 사용되므로 높은 신뢰도를 필요로 한다. 따라서, 열전지를 제조함에 있어서 신속정확하게 펠렛의 미세결함을 검사하는 것은 열전지의 신뢰성과 생산성을 동시에 향상시킬 수 있는 중요한 공정 변수가 된다.

이러한 관점에서 제안되는 본 발명은, 육안으로 관찰할 수 없는 미세결함을 홀로그래픽 간섭법에 의해 수 초 이내에 정확하게 검사해 냄으로써, 열전지의 신뢰성과 생산성을 동시에 향상시킬 수 있는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치를 제공하는데 목적이 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 홀로그래픽 간섭법을 이용하여 열전지용 펠렛의 품질을 검사하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치로서, 검사대상 펠렛을 외부와 차단한 상태로 내장하는 펠렛 고정유닛과, 상기 펠렛 고정유닛에 내장된 펠렛에 적외선을 조사함으로써 펠렛을 가열하는 펠렛 가열유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 펠렛 고정유닛은, 중앙에 관통구멍이 형성된 상부 케이스와, 상기 상부 케이스의 하방에 배치되며 상기 상부 케이스의 관통구멍에 대응되는 투사창이 천공된 하부 케이스와, 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 끼워지는 밀봉 링과, 상기 상부 케이스의 관통구멍 내에 끼워지는 유리판과, 상기 하부 케이스의 투사창에 끼워지는 유리판과, 상기 상부 케이스와 하부 케이스와 밀봉 링을 일체로 고정하는 체결볼트를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 펠렛 가열유닛은, 상면 중앙에 투광창이 뚫려 있는 컨테이너와, 상기 컨테이너의 투광창을 향해 적외선이 방출될 수 있도록 상기 컨테이너의 내부에 설치되는 적외선 램프와, 상기 적외선 램프에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해 상기 컨테이너의 내부에 설치되는 냉각팬과, 상기 컨테이너의 투광창에 대응되는 입사창이 뚫려 있는 상태로 상기 컨테이너의 상면과의 사이에 복수의 충격 흡수 부재를 개재하여 설치되는 무진동 테이블을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치에 의하면, 홀로그래픽 간섭법을 이용한 비파괴검사에 의해, 육안으로는 검사할 수 없는 미세결함과, 머리카락과 같은 미세한 이물질의 개입 등을 신속하게 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명을 열전지 개발 및 양산 공정에 적용할 경우, 열전지의 작동 신뢰성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1a은 본 출원인의 선출원 특허출원번호 10-2010-0036519에 개시된 일반적인 열전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 1b은 열전지를 구성하는 단위전지의 개략적인 형상을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치를 구성하는 펠렛 가열유닛의 개략적인 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치를 구성하는 펠렛 고정유닛의 개략적인 구조를 나타낸 도면.
도 4는 홀로그래픽 간섭법에 의해 카메라로 촬영한 열전지용 펠렛의 사진.

이하, 첨부된 도면과 아래의 실시형태에 의거하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

또한, 본 발명의 기술사상과 범위로부터 벗어남이 없이, 많은 변형과 수정이 아래의 실시형태에 따라 만들어질 수 있다는 것을 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이해할 것이다. 따라서, 아래의 실시형태는, 모든 점에서 예시일 뿐, 본 발명이 이러한 실시형태에 한정되는 것은 아닌 것으로 고려되어야 한다.

실시형태

도 2와 도 3에 나타낸 것처럼, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치는, 검사하려는 펠렛(14)이 외부 공기와 차단한 상태로 내장되는 펠렛 고정유닛과, 이 펠렛 고정유닛에 내장된 펠렛(14)에 적외선을 조사하여 가열하는 펠렛 가열유닛으로 구성된다.

열전지용 펠렛의 미세한 변형을 일으키기 위해 상기 펠렛(14)에 열을 공급하는 펠렛 가열유닛은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상면의 중앙에 투광창(17)이 뚫려 있는 컨테이너(12)와, 컨테이너(12)의 투광창(17)을 향해 적외선이 방출될 수 있도록 컨테이너(12)의 내부에 설치한 적외선 램프(11)와, 적외선 램프(11)에서 발생한 열을 냉각시키기 위해 컨테이너(12)의 내부에 설치한 냉각팬(13)과, 컨테이너(12)의 투광창(17)에 대응되는 입사창(18)이 뚫려 있는 형태로서 컨테이너(12)의 상면과의 사이에 복수의 충격 흡수 부재(16)가 끼워져 있는 모습으로 설치한 무진동 테이블(15)로 이루어져 있다. 검사대상 펠렛(14)이 균일하게 가열될 수 있도록, 상기 적외선 램프(11)는 펠렛(14)보다 지름이 약간 더 큰 12㎝로 제작되었다. 또한, 충격 흡수 부재(16)로는, 레이저의 정밀도를 고려하여, 높이가 약 5㎝인 스프링이 사용되었다.

또한, 열전지용 펠렛을 고정/밀봉할 수 있는 펠렛 고정유닛은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중앙에 관통구멍이 형성된 상부 케이스(21)와, 상부 케이스(21)의 하방에 배치되며 상부 케이스(21)의 관통구멍에 대응되는 투사창이 천공된 하부 케이스(26)와, 상부 케이스(21)와 하부 케이스(26) 사이에 끼워져 있는 밀봉 링(24)과, 상부 케이스(21)의 관통구멍 내에 끼워진 유리판(22)과, 하부 케이스(26)의 투사창에 끼워진 유리판(23)과, 상부 케이스(21)와 하부 케이스(26)와 밀봉 링(24)을 일체로 고정하는 체결볼트(25)로 이루어져 있다. 열전지용 펠렛에 사용되는 리튬은 공기 중의 수분과 반응하기 때문에, 본 실시형태에서는 상부 케이스(21)와 하부 케이스(26) 사이에 밀봉 링(24)을 끼워 넣어 검사하려는 펠렛(14)이 외부 공기와 차단되도록 하였다. 검사하려는 펠렛(14)은 하부 케이스(26)의 유리판(23) 위에 얹혀진다. 또한, 상부 케이스(21)의 관통구멍에 끼워지는 유리판(22)은, 홀로그래픽 간섭법이 이용될 수 있도록, 수평으로 놓인 하부 케이스(26)의 유리판(23)에 대해 소정 각도(예컨대, 0°초과～90°미만)로 경사지게 배치된다.

열전지용 펠렛의 미세결함을 검사할 수 있는 홀로그래픽 간섭법에 의한 간섭무늬 패턴 분석은 다음과 같은 절차에 따라 진행된다.

먼저, 도 3에 도시된 것처럼, 펠렛 고정유닛의 유리판(23) 위에, 검사하려는 펠렛(14)을 장착한다.

다음으로, 펠렛 고정유닛을 펠렛 가열유닛 위에 얹어 적외선 램프(11)로 펠렛을 수 초간 가열하는데, 이 펠렛(14)은 그 종류에 따라 열용량이 다르므로, 적외선 램프(11)의 작동시간도 상이하게 설정한다. 일반적으로, 고체 전해질(6)의 경우는 약 1초, 양극(5)의 경우는 약 3초, 음극의 경우는 약 1초 정도 가열한다.

적외선 램프(11)가 꺼진 후, 펠렛(14)의 표면에 나타나는 간섭무늬의 변화를 카메라로 녹화한다.

만약, 펠렛 성형에 사용된 분말의 상태가 균일하고 프레스 성형 압력도 전체적으로 일정했다면, 인위적으로 가해진 열에 의한 펠렛의 변형은 전방향에서 균일할 것이기 때문에, 홀로그래피 간섭무늬도 대칭적으로 나타날 것이다.

이와 달리, 프레스 성형한 펠렛이 외부 물질에 의해 오염되거나, 국부적으로 밀도가 불균일하거나, 성형 실패에 따른 갈라짐이나 깨짐 등이 있는 경우에는, 인위적으로 가해진 열에 의한 펠렛의 변형은 방향에 따라 불균일할 것이므로, 간섭무늬 역시 비대칭적으로 나타날 것이다.

도 4는 정상적인 펠렛과 비정상적인 펠렛을 대비한 사진으로서, 육안으로 식별할 수 없는 미세한 결함도 홀로그래픽 간섭법에 의하면 빠르고 정확하게 찾아낼 수 있음을 알 수 있다.

11...적외선 램프 12...컨테이너
13...냉각팬 14...펠렛
15...무진동 테이블 16...충격 흡수 부재
17...투광창 18...입사창
21...상부 케이스 22...유리판
23...유리판 24...밀봉 링
25...체결볼트 26...하부 케이스
40...전지적층부 41...단위전지
41a...음극 41b...양극
41c...고체 전해질 41d...발열재
42...음극집전체 43...양극집전체
50...상부단열부 50'...하부단열부
60...전극부 61...양극단자
62...음극단자 70...케이스

Claims

홀로그래픽 간섭법(holographic interferometry)을 이용하여 열전지용 펠렛의 품질을 검사하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치로서,
검사대상 펠렛을 외부와 차단한 상태로 내장하는 펠렛 고정유닛; 및
상기 펠렛 고정유닛에 내장된 펠렛에 적외선을 조사하여 펠렛을 가열하는 펠렛 가열유닛;
을 포함하여 구성되며,
상기 펠렛 가열유닛은,
상면 중앙에 투광창이 뚫려 있는 컨테이너;
상기 컨테이너의 투광창을 향해 적외선이 방출될 수 있도록 상기 컨테이너의 내부에 설치되는 적외선 램프;
상기 적외선 램프에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해 상기 컨테이너의 내부에 설치되는 냉각팬; 및
상기 컨테이너의 투광창에 대응되는 입사창이 뚫려 있는 상태로 상기 컨테이너의 상면과의 사이에 복수의 충격 흡수 부재를 개재하여 설치되는 무진동 테이블;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치.
제1항에 있어서,
상기 펠렛 고정유닛은,
중앙에 관통구멍이 형성된 상부 케이스;
상기 상부 케이스의 하방에 배치되며 상기 상부 케이스의 관통구멍에 대응되는 투사창이 천공된 하부 케이스;
상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 끼워지는 밀봉 링;
상기 상부 케이스의 관통구멍 내에 끼워지는 유리판;
상기 하부 케이스의 투사창에 끼워지는 유리판; 및
상기 상부 케이스와 하부 케이스와 밀봉 링을 일체로 고정하는 체결볼트;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지용 펠렛의 비파괴검사장치.
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