신규한 구조의 보호회로 모듈 및 이를 포함하고 있는 전지 팩 document_id A220623112864

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 대표적으로 전지의 재료면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높고, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있고 높은 집적도로 적층되어 제조되는 전지모듈의 전지로도 사용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높다. 그러나, 리튬 이차전지는 상기와 같은 장점을 가지는 반면에, 안전성이 낮다는 근본적인 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 과충전되는 경우에는 전극에서의 전해액 분해반응이 촉진되어 가연성 가스가 발생하고, 내부 단락 등과 같은 다양한 의해 야기된 과전류는 전지의 온도를 상승시켜 전지 구성요소의 분해반응을 유발한다. 이러한 과충전, 과전류 등으로 인해 전지는 발화하기 쉽고 경우에 따라서는 폭발할 가능성도 있다. 또한, 과전류가 아니더라도 기타의 원인에 의한 온도 상승은 상기와 같은 문제점을 유발한다. 따라서, 리튬 이차전지에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 안전소자들이 내장되어 있다. 이러한 안전소자의 대표적인 예로는, PTC, 퓨즈, 바이메탈 등을 들 수 있다. 그 중, PTC는 과전류 등에 의한 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 안전소자이고, 퓨즈는 역시 과전류 등에 의한 온도 상승시 절단되어 전류를 차단하는 안전소자이다. 또한, 바이메탈은 온도 상승시 열팽창률의 차이에 의해 전기적 연결을 차단하는 안전소자이다. 이러한 안전소자들은 모두 과전류에 의한 문제점을 해결하는 효과는 있지만, 과충전, 과방전 등과 같은 과전압에 의한 문제점을 해결하지는 못한다. 전지의 과방전은 안전성 문제를 초래하지는 않지만, 음극 재료의 붕괴를 유발하여 전지의 성능을 크게 저하시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 전지의 과전압을 해소하기 위하여 일반적으로는 보호회로 모듈(PCM)이 이차전지에 추가로 장착된다. 도 1에는 종래기술에 따라 이차전지에 PCM이 장착되는 구조의 하나의 예시적인 전지 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 전지 팩(100)은 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체(도시하지 않음)가 전해질과 함께 내장되어 있는 이차전지(전지셀: 110)의 상단에, PTC 블록(201)과 PCM 기판(202)이 니켈 플레이트(120, 122, 124, 126)에 의해 전기적으로 연결되어 탑재되며, 그 상부에 전지절연성 소재의 탑 캡(300)이 장착되는 구조로 이루어져 있다. 전지 팩(100)의 조립이 완료된 상태에서, PCM 기판(202)의 상단에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들(204, 206)은 탑 캡(300)의 개구들(304, 306)을 통해 외부로 노출된다. 따라서, 이차전지(110)는 PTC 블록(201)과 PCM 기판(202)을 경유하여 그것의 전류가 통전되게 되므로, 이들 안전소자들(201, 202)에 의해 과전류 및 과전압이 제어된다. 도 2에는 전지 팩에서의 PCM의 구조를 보여주는 회로도가 예시적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, PCM(200)은 보호 집적회로(210)와 FET 소자들(220, 230)과 같은 능동소자들로 이루어져 있고, NTC 써미스터(240)를 포함하고 있다. 이차전지(110)의 음극 쪽에는 PTC 소자(260)가 연결되어 있고, 양 단부에 외부 입출력 전극 단자들(V+, V-)이 연결되어 있다. 이들의 작동을 설명하면, 이차전지(110)의 전압이 과충전 방지 전압에 도달하면, 보호 집적회로(210)는 충전 제어용 FET 소자(230)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 반대로, 이차전지(110)의 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, 보호 집적회로(210)는 방전 제어용 FET 소자(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 상기 검출전압이 과충전 방지 전압 이하로 떨어지거나 과방전 방지 전압 이상으로 올라가면, 보호 집적회로(210)는 충전 제어용 FET 소자(230) 또는 방전 제어용 FET 소자(220)를 온 상태로의 재전환에 의해 통전시킨다. 과전류의 경우에, 보호 집적회로(210)는 방전 제어용 FET 소자(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 또한, 전류가 소정값 이상으로 증가하여 온도가 상승하는 경우에는 PTC 소자(260)에 의해 차단됨으로써 안전성을 보장하게 된다. 그러나, 이러한 PCM의 구성은 하기와 같은 문제점이 있다. 첫째, 보호 집적회로(210)에서 전류를 검출하는 방식은 충전 제어용 FET 소자(230)와 방전 제어용 FET 소자(220) 양 단의 온 저항(Rdson) 값에 걸리는 전압의 차이 값으로 센싱하는 방식이다. 그러나, 이러한 전류 센싱 방식은 전류 센싱 기술인 감도저항 소자(sense resistor)를 사용하여 전압에 의한 전류 값을 검출하는 방식과 비교하여 검출력이 많이 저하되는 문제점이 있다. 둘째, 고온에 대해 전지 팩을 보호하기 위해 PTC 소자(260) 또는 NTC 써미스터(240)를 사용하여 열에 대한 정보를 휴대폰 장치에서 인식하여 충전을 막는 방식이 사용된다. 그러나, 이러한 고온 검출 방식은 온도를 정밀하게 감지 하지 못하는 문제점이 있다. 셋째, 현재의 전지 팩에 사용되는 보호 집적회로의 경우, 보호 집적회로에 전원을 공급하기 위한 입력 저항 및 보호 집적회로의 내부 로직을 보호하기 위한 전류 제한 저항을 사용한다. 그러나, 이러한 저항들은 PCM의 부품 수를 증가시키므로 전체적으로 PCM의 부피가 커지는 문제점이 있다. 따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 감도 저항소자, 열감지 센싱 소자, 또는 입력 저항 및 전류 제한 저항을 보호 집적회로에 하나의 패키지로 구성함으로써 전류 값과 고온에 대한 검출을 보다 정밀하게 하고 부품 수를 최소화시키는 보호회로 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 기술이 매우 필요한 실정이다.