굴곡도

굴곡도(Tortuosity)는 다공성 물질(porous media) 내부에서 유동(uid ow)이나 확산(diusion) 등을 살펴볼 때, 다공성 물질이 얼마나 구부러진 유로를 가지고 있는지 나타낼 때 사용되는 인자이다. 굴곡률이라고도 한다.

개요

굴곡도

Ls는 다공성 물질(porous media)의 두께(bulk thickness)를 뜻하며, Le는 어떠한 물질이 다공성 물질을 투과할 때, 지나가는 평균 거리(average ow path length)를 뜻한다.

Le를 구할 때, 가래떡과 같이 단면적(cross-section area)이 일정한 원통이 다공성 물질을 통과하는 것이라고 가정 한다.

좀 더 살펴보면,

아래 그림의 B와 C는 동일하게 L를 가지지만, 다공성 물질의 두께가 C가 B보다 얇으므로 때문에

C의 굴곡도가 B의 굴곡도보다 크다.

다공성 물질 내부에서 유동을 방해하는 구조가 복잡(complexity)해질수록 유동이 직선으로 흐르지 못하고 구조물을 회피해 나가다보니, 굴곡률이 증가한다. 굴곡률이 1이면, 다공성 물질의 두께 방향으로 아무런 방해 없이 통과를 할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 굴곡률의 하한은 1이며, 단위는 비율이기 때문에 존재하지 않는다.

굴곡률은 실험에서 얻어진 값으로 아래 식을 통해 결정할 수 있다.

C_f,0, C_s,0는 각각 공급측 및 탈거측의 초기 농도

C_f, C_s는 공급측 및 탈거측의 농도

A는 접촉면적,

V는 공급측과 탈거측 부피가 동일한 경우의 부피

ε는 공극률(porosity),

τ는 굴곡률(tortuosity),

D_AB는 2종확산계수

t는 시간이다.

혹은 아래와 같이 계산하기도 한다.

골곡률 = (투과도*공극직경*공극률/두께)^0.5

분리막 굴곡도

분리막 기공 굴곡도

플렉서블 배터리셀 굴곡도 테스트

리튬 2차전지를 구성하기 위해서는 리튬이온을 저장 또는 공급할 수 있는 양극 및 음극, 양 전극으로 리튬 이온을 제공하거나 받을 수 있는 전해액, 그리고 전지의 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하기 위해 미세다공성막인 분리막(Separator)이 사용된다.

분리막의 역할은 크게 두 가지로 설명될 수 있다. 1) 두 전극간의 전기적 단락을 방지하고, 2) 전기화학 반응이 지속적으로 진행될 수 있도록 이온전달의 통로를 제공하는 것이다. 이러한 점에서 전지의 성능과 분리막의 물리적 인자는 매우 밀접한 상관관계를 가지고 있다. 분리막의 두께, 기공도, 기공 크기와 분포, 그리고 굴곡도에 의해 통기특성이 Gurley Number에 영향을 받는다.

배터리 셀 굴곡도

플렉서블 배터리는 최근 롤업(roll-up) 되는 디스플레이, 스마트 워치, 입을 수 있는 디바이스 등 사물인터넷 및 웨어러블 디바이스 시장이 확대됨에 따라 기계적 변형이 발생하는 조건에서도 안정적인 성능 구현이 가능한 배터리로 굴곡도 테스트가 필수다.

참고자료

• 행복지구, 〈굴곡률]〉, 《티스토리》, 2020-08-17

같이 보기

• 분리막
• 플렉서블 배터리

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