리튬 일차전지용 실링 유리 기술

[사무국]

재료·소재 분과 · 김용환

  유리는 가열하면 연화하여 유동하고, 금속이나 세라믹스와 융착하여 냉각 후에는 접착성, 기밀성과 절연성 등을 나타낸다. 이러한 용도로 분말 유리가 사용되며 전자부품, 디바이스, 디스플레이 등의 실링, 피복 및 결합을 목적으로 널리 사용하게 되었다. 유리 분말은 실링 유리(sealing glass)나 솔더 유리(solder glass), 봉착 유리라고도 한다. 근래 금속과 유리의 실링에서는 포괄적으로 GTMS(Glass-to-Metal Seals)라고 한다.

 기밀 실링 유리(Hermetic glass-to-metal sealing)의 우수한 특성을 이용하여 전기 커넥터, 연료 전지, 방위 산업, 항공 우주기술, 방사선 노출, 온도 및 습도에 대한 풍화, 전기 펄스 등에 사용이 되고 있다. 특히 가혹한 실링 조건에서 기밀 실링 유리(Hermetic glass sealing)가 많이 요구되는 분야이다.

 리튬 일차전지(lithium primary battery)는 리튬이나 리튬 혼합물을 음극으로 사용하는 전지를 말한다. 전지에 사용되는 화학물질에 따라서 1.5V~3.7V의 전압을 내는데, 이 전압은 망간 전지나 알칼리 전지 출력전압의 2배에 달하는 수치이다. 전지의 외관에는 여러 종류의 금속이 사용되었으나, 최근에는 SUS 재질이 주로 사용된다. 전해질 용액에 따라서 여러 종류의 리튬 일차전지가 개발되어 있다. 여기에 기밀 실링이 필요하고 전해액의 침식에 견디는 유리 재료가 요구되고 있다.

 리튬 일차전지에 사용되는 주요 재료는 금속과 전해질이다. 외관과 핀 재료는 금속이며, 전해질은 여러 종류를 사용하고 있다. 금속은 대부분 비철금속으로 동체(can)는 SUS 304L, 핀(Pin) 부분은 SUS 446 재질을 많이 사용하고 있다. 전해액은 일반적으로 많이 사용하는 것이 Lithium Sulfuryl Chroride(LiSO2Cl2) 이다.

 그림과 같이 유리-금속 실링은 상부에서 핀(pin)과 셀 커버(cell cover/shell)를 실링하여 전해액이 누출되는 방지하는 역할을 한다. 금속이나 전해질은 종류가 한정되어 있어 대부분 실링에서 유리를 조정하여 사용하고 있다. 따라서 사용하는 유리는 금속에 적합하게 조정하고, 전해질 침식 등을 고려하여 설계한다.

 사용하는 유리는 다양한 조성의 유리가 개발되어 있다. 실링용 유리는 팽창계수에 따라 연질유리(soft glass), 경질유리(hard glass)와 특수유리(specialty glass)로 구분한다. 특수유리는 결정화유리(glass ceramic), 티타늄, 알루미늄 실링용 유리 등이 있다.

 대표적인 실링 유리는 알칼리 바륨 유리(Alkali barium glass), 알칼리 붕규산 유리(Alkali borosilicate glass), 붕규산 유리(Borosilicate glass), 결정화 유리(Glass ceramic) 등이 있으며, 제조사들이 고유 상품명으로 판매하고 있다.

 최근에 특수 용도용 제품은 제품수명을 10년 이상이 되도록 요구하고 있다. 이에 따라서 실링 유리가 전해질에 오래 견디는 조성이 개발되었다. CaO, Al2O3, B2O3, SrO 및 BaO를 포함하는 다양한 유리 조성이 사용되고 있다. 내 침식 특수유리에는 TA-23, CABAL-12, BABAL 유리가 상품화되어 있다. 이들은 내침성이 강해 수명 10년 이상 요구되는 리튬 배터리에 사용된다.

 유리 분말을 이용한 실링은 화학적으로 유리 조성을 금속과 잘 결합하는 것이 성분을 추가하는 것이 중요하다. 그리고 물리적으로 금속과 팽창계수를 조정하는 방법으로 matched sealing과 compressed sealing이 사용되고 있다.

 이 분야의 실링 유리는 아직 완전한 국산화를 이루지 못하고 있다, 시장의 규모가 적은 문제도 있으나 참여하는 업체가 개발 능력이 없고, 유리 관련 전문 인력이 부족한 것이 원인이라고 사료된다