KR101050007B1 - 셀 포장재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

셀의 포장재로서, 상기 셀 포장재는 1층 이상의 층 구조로 이루어져 있으며, 상기 1층 이상에 난연제가 포함되거나, 난연성이 부여된 코팅층이 형성되거나, 또는 이들이 병용된 셀 포장재 및 그 제조 방법이 개시된다. 이러한 셀 포장재는 셀 자체에 난연 필름이나 난연제를 포함시키는 것이 아니므로 셀의 부피를 증가시키거나 셀의 작동에 영향을 미치지 않으면서도 셀에 난연성을 부여할 수 있다.
셀 포장재, 리튬 2차 전지, 축전지, 난연성, 실란트층, 난연제 코팅층

Description

셀 포장재 및 그 제조방법{CELL PACKING MATERIALS AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 셀 포장재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 리튬 2차 전지나 휴대용 축전지 등의 셀의 외부 포장재에 난연성을 부여한 셀 포장재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 2차 전지나 휴대용 축전지 등과 같은 각종 전지(이하, "셀"이라고 한다)는 내부 단락이나 외부 단락 또는 과충방전 등에 의하여 전압이 급상승할 수 있으며, 이에 따라 전지가 과열될 수 있다.
이러한 위험을 방지하기 위하여 셀을 PTC(positive Temperature coefficient) 소자, 써멀 퓨즈(thermal fuse), 보호 회로(protecting circuit) 등과 같은 안전 장치와 전기적으로 연결하여 사용할 수 있다. 이와 같은 안전 장치는 셀의 전압이나 온도가 급상승할 때 전류를 차단함으로써 전지의 과열을 방지할 수 있는 것이다.
한편, 외부의 충격으로부터 셀을 보호하기 위하여 셀을 알루미늄 재료 또는 니켈도금된 철 등으로 감싸는 이른바 이너팩 배터리 형태로 제조할 수 있다.
또한, 셀과 보호 회로를 조립하고 최종적으로 셀과 보호 회로를 함께 금형에 넣어 몰딩 처리함으로써 보호회로도 충격에 견디도록 설계할 수 있다.
셀의 위험을 방지하는 안전 장치나 보호 포장을 갖춘 경우라도 단락이나 전압의 급상승에 기인한 전지의 과열 등의 내적 요인이나 외적 요인으로 인하여 폭발 또는 화재 등이 유발될 가능성이 존재한다. 자기 소화 기능을 통하여 셀의 연소에 따른 화재 등을 최소화하거나 방지하고자, 셀에 난연성을 부여하도록 할 필요가 있다. 본 발명자들은 셀 자체의 부피를 증가시키거나 셀의 작동에 영향을 미치지 않도록 하면서도 셀에 난연성을 부여할 수 있는 방법을 제안한다.
본 발명의 구현예에서는, 셀의 포장재로서, 상기 셀 포장재는 1층 이상의 층 구조로 이루어져 있으며, 상기 1층 이상에 난연제가 포함되거나, 난연제의 코팅층이 형성되거나, 또는 이들이 병용된 것을 특징으로 하는 셀 포장재 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 셀 자체에 난연 필름이나 난연제를 포함시키는 것이 아니므로 셀의 부피를 증가시키거나 셀의 작동에 영향을 미치지 않으면서도 셀에 난연성을 부여할 수 있다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 설명한다.
셀은 일반적으로 양극, 음극, 분리판, 전해질 등을 포함하는 전지부로 이루 어지며, 이러한 전지부의 외부를 포장재에 의하여 포장할 수 있는데, 이를 셀 포장재라고 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 상기 셀의 전지부 자체 내에 난연 필름을 별도로 설치하거나 전해질 중에 난연제를 첨가하는 등의 방법 대신에 상기 셀을 외부 포장하는 포장재를 구성하는 하나의 층 이상에 난연제를 함유시키거나 상기 하나의 층 이상에 난연제의 코팅층을 형성하도록 함으로써, 셀의 부피나 작동에 영향을 주지 않고 셀에 난연성을 부여할 수 있도록 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 셀 포장재는 예를 들어, 합성 수지로 이루어지는 최외층과, 상기 최외층의 하부에 형성되는 배리어층, 상기 배리어층의 하부에 형성되는 최내층인 실란트층을 포함할 수 있다.
상기 최외층과 상기 배리어층 사이에는 접착제층이 형성될 수 있고, 상기 배리어층과 상기 실란트층 사이에는 용융압출수지층이 추가로 형성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 상기 최외층, 상기 배리어층, 상기 용융압출수지층, 상기 실란트층 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 층에 난연제가 함유되도록 할 수 있다. 또는, 상기 어느 하나 이상의 층상에 난연제의 코팅층이 형성되도록 할 수 있다. 또는, 상기 층 내에 함유하는 방법과 난연제의 코팅층을 형성하는 방법을 병용할 수 있다.
상기 난연제를 함유하도록 하는 방법은 해당 층 중에 난연제를 첨가제로서 첨가하는 방법뿐만 아니라, 해당 층이 플라스틱 수지를 포함하는 경우라면 난연 성분을 플라스틱 수지 구조 내에 화학적으로 결합시키는 것도 포함할 수 있다.
상기 난연제를 함유하도록 하는 방법에 있어서, 상기 용융압출수지층 및/또는 실란트층에 난연제를 함유시키는 것이 난연성의 측면에서 유리하다.
실란트 층이나 용융압출수지층은 일반적으로 합성 수지로 이루어지고 내측에 존재하므로 이들 층에 난연제를 함유시키는 것은 난연성의 측면에서 유리할 수 있다. 또한, 해당 층에 난연제를 함유시키면 전지부 측으로부터의 연소를 차단할 수 있다. 더욱이, 별도의 코팅 및 라미네이션 공정의 추가가 없으므로 원가 상승을 줄일 수 있다.
상기 난연제의 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 최외층 상에 난연제의 코팅층을 형성하는 것이 난연성의 측면에서 유리할 수 있다. 최외층은 일반적으로 합성 수지로 이루어지며 가장 외측에 존재한다. 최외층에 난연제의 코팅층을 형성 시 외부로부터의 연소가 있는 경우 이를 차단할 수 있다.
상기 난연제 코팅층을 형성하는 하나의 예로서, 난연제 코팅용 조성물을 형성하고 이를 도포하도록 할 수 있다.
상기 난연제 코팅용 조성물의 비제한적인 예시로서, 상기 난연제 코팅용 조성물은 바인더, 난연제, 슬립제, 용매를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 최외층에 난연제의 코팅층의 밀착성을 높이고자 사용할 수 있다. 상기 바인더의 비제한적인 예시로서 아크릴산 알킬 에스테르 모노머와 아크릴산 등의 관능기 함유 모노머와의 공중합체 또는 우레탄계 폴리머 등의 바인더를 사용할 수 있다.
상기 용매의 비제한적인 예시로서 에틸렌알코올(EA), 톨루엔, 메틸에틸케 톤(MEK) 등과 같은 유기용매를 사용할 수 있다.
상기 난연제로서는 특정 난연제에 제한되지 않고 일반적인 난연제를 사용할 수 있다. 최외층, 실란트층, 용융압출수지층 등의 각 수지층에 사용되는 수지와 상용성이 있고 해당 층의 접합성 등을 저하시키지 않도록 하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 최종 제품의 기계적인 성질에 영향을 주지 않아야 하며, 연소시 발연 및 독성 가스의 발생도 적은 것이 유리할 수 있다.
상기 난연제의 비제한적인 예시로서 예컨대, 인계, 할로겐계, 멜라민계 등의 유기 난연제나, 수산화알루미늄, 안티몬계 제품, 수산화 마그네슘 등의 무기 난연제를 사용할 수 있다.
상기 할로겐계 난연제는 일반적으로 기체 상에서 발생하는 라디칼을 안정화시킴으로써 난연 효과를 발휘할 수 있는 것이다.
상기 할로겐계 난연제의 비제한적인 예시로서, 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A(TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르(OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리카보네이트 올리고머, 브롬화 벤질 알킬 에테르, 브롬화 벤조산 에스테르, 브롬화 프탈레이트산 에스테르, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌, 지환족 염소계 난연제 등을 들 수 있다.
환경적인 측면을 고려하여, 비할로겐계 난연제를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 난연제로서, 인계, 멜라민계 등의 유기 난연제나 무기 난연제를 사용할 수 있다.
상기 인계 난연제는 일반적으로 열분해에 의해 폴리메타인산을 생성하고 이 것이 보호층을 형성하거나 폴리메타인산이 생성될 때의 탈수작용에 의해서 생성되는 탄소 피막이 산소를 차단함으로써 난연 효과를 발휘할 수 있는 것이다.
상기 인계 난연제의 비제한적인 예시로서, 적인, 인산 암모늄 등의 포스페이트(phosphates), 암모늄 폴리포스페이트, 트리옥틸 포스페이트(trioctyl phosphate), 디메틸메틸포스페이트(dimethyl methylphosphate), 트리메틸프로판 메틸포스포닉 올리고머(trimethylolpropane methylphosphonic oligome), 펜타에리톨 포스페이트(penthaerythritol phosphate), 사이클릭 네오펜틸 티오 포스포릭 앤하이드라이드(cyclic neopentyl thio phosphoric anhydride), 트리페닐 포스페이트(triphenyl phosphate), 트리크레실 포스페이트(tricresyl phosphate), 터트-부틸페닐 디페닐 포스페이트(tert-butylphenyl diphenyl phosphate), 테트라페닐 m-p-페닐렌 디포스페이트(tetraphenyl m-p-phenylene diphosphate), 트리스(2,4-디브로모페닐)포스페이트(tris(2,4-dibromophenyl) phosphate), N,N'-비스(2-하이드록시에틸)아미노메틸 포스포네이트(N, N'-bis(2-hydoxyethyl)aminomethyl phosphonate), 포스파인 옥사이드(phosphine oxide), 포스파인 옥사이드 디올(phosphine oxide diols), 포스파이트(phosphites), 포스포네이트(phosphonates), 트리아릴 포스페이트(triaryl phosphate), 알킬디아릴 포스페이트(alkyldiaryl phosphate), 트리알킬 포스페이트(trialkyl phosphate), 레소시놀 바이디페닐 포스페이트(resorcinaol bisdiphenyl phosphate; RDP) 등을 들 수 있다.
멜라민은 대부분의 유기산이나 무기 산과 안정한 염의 형태를 이루어 난연제 로 사용될 수 있다. 이러한 멜라민계 난연제는 연기가 적고 생분해가 가능하다. 상기 멜라민계 화합물의 비제한적인 예시로서, 멜라민 시아누레이트 등을 들 수 있다.
상기 무기화합물 난연제는 열에 의해 분해되어, 물, 이산화탄소, 이산화황, 염화수소 등의 불연성 가스를 방출하고 흡열 반응을 유발함으로써, 가연성 가스를 희석시켜 산소의 접근을 방지하고, 흡열 반응에 의해 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시켜 난연 효과를 발휘할 수 있다.
상기 무기화합물 난연제의 비제한적인 예시로서, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 주석산아연, 구아니딘계 화합물, 붕산염, 칼슘염 등을 들 수 있다.
이상과 같은 난연제를 사용하여 코팅하는 경우 최외층의 마찰계수가 높아져 최종 제품에서의 성형특성이 나빠질 수 있다. 따라서, 난연제와 혼입이 가능하고, 난연성에 영향이 없는 슬립제를 첨가하는 것이 유리할 수 있다.
상기 슬립제는 가공 도중이나 직후에 표면으로 스며나와 도포되면서, 필름끼리의 접착을 방지하며 필름이나 시트가 잘 미끄러지도록 할 수 있는 것이다.
상기 슬립제로서는 일반적인 것을 사용할 수 있으며, 실리콘, 실록산, 실란, 왁스계 등과 같이 슬립성을 부여하는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 또한, 슬립제의 비제한적인 예시로는, 올레인산 아미드, 메루카산 아미드 등의 지방산 아미드를 들 수 있다. 이러한 슬립제를 함유하는 코팅층은 마찰계수를 줄이고 윤활 작용을 하게 된다.
상기 슬립제를 대체하거나 함께 블로킹방지제를 사용하는 것도 가능하다. 참고로, 블로킹 방지제로 슬립제를 대체하는 경우 상기 블로킹 방지제의 함량은 슬립제의 함량과 동일한 함량으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 블로킹 방지제와 상기 슬립제를 함께 사용하는 경우 블로킹 방지제와 슬립제의 총 함량은 상기 슬립제를 단독으로 사용하는 경우의 함량과 동일한 함량으로 사용할 수 있다.
상기 블로킹 방지제로서 실리카, 규조토, 카올린 및 탈크 등과 같은 무기 물질 입자를 사용할 수 있다. 이러한 입자들은 해당 코팅층에 함유됨으로써 인접한 필름들 사이에 얇은 공간을 형성함으로써 필름들 간의 접착을 방지할 수 있다.
바인더, 난연제, 슬립제를 포함하는 난연제 코팅용 조성물에 있어서, 상기 바인더 100 중량부에 대하여, 난연제 20~80 중량부 및 슬립제 3~20 중량부를 사용하는 것이 난연성, 슬립성, 투명성, 코팅성의 측면에서 유리할 수 있다.
또한, 바인더 100 중량부에 대하여, 난연제 30~60 중량부 및 슬립제 7~12 중량부를 사용하는 것이 더 유리할 수 있으며, 바인더 100 중량부에 대하여, 난연제 50~60 중량부 및 슬립제 10~12 중량부를 사용하는 것이 가장 유리할 수 있다.
상기 난연제 코팅용 조성물에서 용매는 상기 바인더 100 중량부, 난연제 20~80 중량부 및 슬립제 3~20 중량부의 난연제 코팅용 조성물에 대하여 300~2500 중량부를 포함하도록 할 수 있으며, 이에 따라 제조된 코팅용 조성물의 고형분이 5~40중량%가 되도록 하는 것이 일정한 코팅 두께, 코팅 온도 및 코팅 속도를 유지할 수 있게 하므로 유리할 수 있다.
이하, 셀 포장재의 각 층에 대하여 상술한다.
상기 최외층 필름으로서는 내전해액성이 우수한 폴리에스테르 필름을 단독으로 사용하거나, 특히 성형성 보강이 가능한 폴리아미드 필름을 단독으로 사용하거나, 상기 폴리에스테르 필름을 폴리아미드 필름과 적층하여(적층의 상하 순서는 변경할 수 있다) 사용할 수 있으며, 또한, 후술하는 바와 같이 내전해액성과 성형성을 모두 가지는 폴리에스테르 필름을 사용할 수 있다.
상기 폴리에스테르 필름은 전해액 내성이 우수한 것으로, 사용 가능한 폴리에스테르 필름 수지로는 예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly ethylene terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Poly butylene terephthalate; PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(Poly ethylene naphthalate; PEN), 폴리부틸렌나프탈레이트(Poly butylene naphthalate; PBN), 공중합폴리에스테르 및 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 등으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 것을 사용한다.
상기 폴리에스테르 필름이 포장재 표면을 효과적으로 보호하기 위하여는 필름의 두께를 일반적으로 1.2 내지 25㎛로, 바람직하게는 1.2 내지 9.0㎛로 되도록 한다.
상기 폴리아미드 필름은 성형성을 보강하기 위한 것인데, 성형성은 특히 성형 타입의 파우치에 요구된다. 성형 타입의 경우 전지의 용량과 크기 등을 감안하여 성형 가능한 이축 연신 폴리아미드(Polyamides) 필름을 사용한다.
상기 이축 연신 폴리아미드(Polyamides) 필름 수지로서는 나일론(nylon) 6, 나일론 6.6, 나일론 6과 나일론 6.6과의 공중합체, 나일론 6.10 및 폴리메타키실릴 렌 아미파미드(MXD 6)등으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 것을 사용한다. 상기 폴리아미드 필름의 두께는 15 내지 50㎛, 바람직하게는 15 내지 25㎛가 되도록 한다.
상기 폴리에스테르 필름 및 폴리아미드 필름 상호 간과 나아가 폴리아미드 필름과 그 하부 층의 접착제를 통하여 합지시킨다. 이때 사용되는 접착제는 내열성이 우수한 폴리우레탄 접착제를 사용하고, 특히 우레탄 베이스(Base) 2액형 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. 내부 포장된 셀에서 전지의 이동 시 발열에 의한 고온이 발생하게 되므로, 이때 내열성이 약한 접착제의 경우 폴리에스테르 필름 및 폴리아미드 필름 상호 간 및 폴리아미드 필름과 그 하층 간 분리 현상이 발생하기 때문에 내열성이 우수한 접착제를 사용하는 것이 필요하다.
상기 접착제의 내열성은 합지된 상태 또는 제품화된 상태에서 일정 온도로 맞추어진 드라이 오븐 속에 넣은 후 일정시간 경과 후 꺼내어 분리가 발생하는지의 여부를 확인하는 것으로 측정한다. 일반적으로 상기 접착제의 내열성은 150℃에서 5분 이상 또는 260℃에서 10초 경과 후에도 층 분리가 발생 되지 않는 것을 사용한다.
상기 최외층에 난연제 코팅층이 형성되는 경우 외면 코로나 층을 더 포함하도록 할 수 있다. 이러한 외면 코로나 층은 코팅층의 형성 및 유지를 용이하게 할 수 있다.
상기 배리어층은 습기나 가스 등을 차단하는 층으로서, 예컨대 알루미늄 박을 사용한다.
나아가, 상기 알루미늄 박은 철을 함유할 수 있는데, 이와 같이 철을 함유하는 경우 알루미늄이 절연성이 좋고, 적층제로서 굽힘에 의한 핀홀의 발생이 적게 되며, 특히 엠보싱 타입의 외장체를 성형하는 경우 측벽의 형성도 용이하게 할 수 있다. 이때 상기 철 함유량이 0.6중량% 미만의 경우는 핀홀의 발생 방지, 엠보스 성형성의 개선 등의 효과가 없으며 철 함유량이 2.0 중량%를 초과하는 경우는 알루미늄으로서의 유연성이 저해되고, 적층제로서 봉지재를 성형함에 있어서 가공성이 나빠지게 된다. 또한, 상기 알루미늄 박에는 규소가 함유되는 것이 바람직한데, 이때 규소 함량이 0.9 중량%를 초과하여 지나치게 증가하면 자기적 성질은 향상되지만 봉지형태로 성형할 수 있는 가공성이 나빠지게 되고, 0.05 중량% 미만으로 함량이 감소 되면 제품의 강도가 약해지고 신장율이 낮아져 봉지형태로 성형할 수 있는 가공성이 나빠지게 된다.
따라서, 상기 알루미늄 박은 규소(Si) 및 철(Fe)을 함유하되 특히 성형성과 가공성 등의 관점에서 규소 함유량이 0.05 내지 0.9 중량%인 것이 유리할 수 있고, 철 함유량이 0.6 내지 2.0 중량%인 것이 유리할 수 있다.
한편, 상기 알루미늄은 박은 부식 방지 및 접착 강도 향상을 위한 넌크로메이트 처리를 알루미늄 박의 일면 또는 양면에 할 수 있다. 상기 넌크로메이트 처리로서, 티탄계수지, 지르코늄, 인산염 등의 유기계 및 무기계와 유기계의 복합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물로 내산성 피막을 형성하는 것이다. 이때, 상기 넌크로메이트 처리는 상기 알루미늄 박의 양면에 처리하는 것이 염분 저항성을 더욱 높일 수 있다. 상기와 같은 처리 방식 외에 알루미늄 박을 아크 릴계, 페놀계, 에폭시계, 불소계 수지 등의 고분자 수지로 코팅 처리하는 것도 가능하다.
상기 최외층과 배리어층은 접착제층을 사이에 두고 접착될 수 있다.
상기 접착제로는 에폭시계, 페놀계, 멜라민계, 폴리 이미드계, 폴리에스테르계, 우레탄계(Polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylrene Terephthalate)공중합체, 폴리에테르우레탄계 등의 수지를 포함하는 일액형 또는 주제와 경화제로 구성되는 이액형 접착제를 사용할 수 있고, 특히, 내열성이 우수한 우레탄계 접착제를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
셀 포장재의 난연성을 높이기 위하여 난연제를 포함하는 접착제를 이용하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 접착제 층에 난연제를 첨가하는 경우 일정량을 넘게 되면 접착성이 약해져 성형시 층간 박리 현상이나 백화 현상 등이 발생할 수 있으므로, 난연제를 첨가하는 경우에 그 양은 접착제 대비 0중량% 초과 30중량% 이하로 사용하는 것이 유리하다.
상기 실란트층은 5 내지 120㎛로 형성할 수 있으며, 상기 배리어층과 실란트층 사이에는 용융압출수지층을 더 형성할 수 있다. 예컨대, 배리어층 / 용융압출수지층 / 실란트층의 순서로 적층되도록 할 수 있다.
상기 용융압출수지층은 용융압출코팅으로 피막을 입혀 부착력을 제공하여 상하의 두 층을 합지시키는 역할을 하는 것이다. 상기 용융압출수지층은 예컨대 폴리프로필렌 수지 또는 폴리에틸렌 수지를 용융압출하여 상기 배리어층에 폴리프로필렌 수지 또는 폴리에틸렌 수지 피막을 입힘으로써 형성하고 실란트층과 합지할 수 있다.
상기 용융 압출 수지층의 코팅 두께는 10~80㎛, 바람직하게는 10~40㎛일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 용용 압출 수지층에 있어서 난연제를 첨가하여 난연성을 부여할 수 있다. 난연제의 함량은 용융압출수지에 대하여 0.1~30 중량%로 사용 가능하다. 난연제를 적용함에 있어서 용융압출수지층에서 요구되는 접착력이 떨어지지 않는 수준으로 난연제의 함량을 제한하는 것이 유리할 수 있다.
상기 실란트층은 포장재를 열로 봉합하기 위하여 열에 의해 봉합이 가능한 수지층을 사용한다.
이때 사용하는 수지는 성형 타입의 경우 성형시 성형기계에서 금형표면과의 미끄러짐성 및 열 봉합 강도 특성, 성형시 성형조건에 의한 열봉합층의 크랙, 백화, 핀 홀 등을 방지하는 것이 유리할 수 있다.
이를 위하여 실란트층으로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌코폴리머 및 프로필렌코폴리머 등으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상에 에틸렌, 부타디엔, 에틸렌프로필렌 고무 등으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상을 첨가하여 제막시킨 플라스틱 필름을 사용하거나, 변성 폴리프로필렌 필름을 사용한다.
또한, 실란트층으로서 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔의 3성분 공중합체인 터폴리머를 사용하거나, 호모 프로필렌, 에틸렌 코폴리머, 프로필렌 코폴리머 등을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 터폴리머를 사용하는 경우 용융 온도가 낮아서 140℃ 이하의 열을 가할 때에도 실링이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 점을 고려하면, 실란트 층에 있어서 최내층의 실링면은 낮은 용융 온도를 고려하여 터폴리머를 사용하지만, 실란트 층이 2층 이상의 다층 적층 구조 예컨대 3층으로 이루어지는 경우 실링면을 제외한 나머지 층 부분은 상기 터폴리머뿐만 아니라 다른 폴리머 예컨대 호모 프로필렌, 프로필렌과 에틸렌이 불규칙적으로 배열된 프로필렌 블록 공중합체 및 폴리프로필렌 랜덤 코폴리머 등을 사용할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 실란트 층에 있어서 난연제를 첨가하여 난연성을 부여할 수 있다. 난연제의 첨가량은 실란트층 수지에 대하여 0.1~20 중량%로 할 수 있다. 난연제를 적용함에 있어서 실란트층의 실링 강도가 떨어지지 않는 수준으로 난연제의 함량을 제한하는 것이 유리할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있다.
[실험 1]
하기 실시예들에서, 난연성이 부여된 코팅층은 아크릴산 알킬 에스테르 모노머와 아크릴산 관능기 함유 모노머의 공중합체인 바인더 90 중량부, 인계 난연제(디메틸메틸포스페이트) 10중량부, 슬립제(지방산 아미드) 1중량부, 톨루엔 용매 800중량부로 이루어지는 난연제 코팅용 조성물을 최외층에 코팅하여 형성하였다.
하기 실시예들에서, 용융압출수지층의 용융압출수지는 폴리프로필렌으로 구성하였고, 난연제가 첨가된 용융압출수지층은 용융압출수지인 폴리프로필렌에 대비하여 10 중량%의 인계 난연제(디메틸메틸포스페이트)를 첨가하여 구성하였다.
하기 실시예들에서, 실란트층은 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔의 터폴리머로 구성하였고, 난연제가 첨가된 실란트층은 인계 난연제(디메틸메틸포스페이트)를 상기 터폴리머 대비 8중량%로 첨가하여 구성하였다.
실시예 및 비교예들의 2차 전지 포장재 층 구성은 다음과 같이 하였다.
실시예 1
난연성이 부여된 코팅층 / 최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 융융압출수지층 / 실란트층
실시예 2
난연성이 부여된 코팅층 / 최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 난연제가 첨가된 융융압출수지층 / 실란트층
실시예 3
난연성이 부여된 코팅층 / 최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 융융압출수지층 / 난연제가 첨가된 실란트층
실시예 4
난연성이 부여된 코팅층 / 최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 난연제가 첨가된 융융압출수지층 / 난연제가 첨가된 실란트층
실시예 5
최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 융융압출수지층 / 난연제가 첨가된 실란트층
실시예 6
최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 난연제가 첨가된 융융압출수지층 / 난연제가 첨가된 실란트층
비교예 1
최외층(나일론 층 및 PET 층) / 접착층 / 배리어층(알루미늄층) / 융융압출수지층 / 실란트층
난연성 테스트
난연성 테스트를 다음과 같이 수행하였다.
(1) 시편크기 : 길이 5 in.(127mm), 폭 0.5 in.(12.7mm)로 샘플을 잘랐다.
(2) 사전처리 : 23±2℃, 상대습도 50±5 RH 상태에서 제조 후 48시간 방치 다음 시험을 실시하였다.
(3) 시험에 필요한 샘플 수를 5개로 하였다.
(4) 시편을 장치하고 10초간 버너로 불을 붙인 후 버너를 제거하고 시편에 불이 붙은 후 불이 꺼지기까지의 시간, 즉 시편이 타는 시간을 측정하였다. 시편 5개로 동일 시험을 하였다. 이때 연소시 녹아 떨어지는 불똥에 의해 약 30 아래에 놓여 있는 탈지면에 불이 발화되어서는 안 된다.
(5) 측정 결과를 다음과 같이 평가하였다.
O(10초 이하에서 꺼짐), △(20초 미만에서 꺼짐), X(20초 이상에서 꺼짐)
상기 실시예 및 비교예에 대하여 난연성을 테스트한 결과는 다음과 같다.
난연성 test 시간(s)
실시예 1 △ 18
실시예 2 O 7
실시예 3 O 8
실시예 4 O 4
실시예 5 △ 18
실시예 6 △ 16
비교예 1 X 25
이상으로부터 알 수 있듯이, 난연제의 코팅층을 형성하는 실시예 1의 경우 또는 실란트 층이나 용융압출수지층에 난연제를 첨가한 실시예 5, 6의 경우 비교예와 대비하여 난연성이 향상되었다. 한편, 난연제의 코팅층과 함께 실란트층이나 융용압출수지층에 난연제를 첨가한 경우(실시예 2, 3, 4) 난연성이 더욱 향상되었다.
실 강도 테스트
실시예 6의 파우치(실란트층의 경우, 터폴리머 대비 8중량%의 인계 난연제 첨가)의 실란트층에 난연제의 첨가량을 아래 표 2와 같이 달리하여 실 강도를 측정하여 보았다.
구체적으로 실 강도 테스트는 다음과 같이 수행하였다.
(1) 실란트층이 맞닿게 접은 적당한 크기(가로 약 150mm, 세로 약 100mm)의 샘플을 준비하였다.
(2) 열접착기에서 측정하고자 하는 온도(180), 압력(30kgf), 시간(3.0Sec)을 설정하고 실바의 온도가 안정될 때까지의 약 15분 정도 안정시켰다.
(3) 온도가 안정된 열접착기의 실바 사이에 시료를 올려놓고 실링하였다.
(4) 실링이 완료된 시료를 원하는 크기(15mm)로 컷터 바(CUTTER BAR)를 이용하여 절단하였다.
(5) 인장 강도기의 전체 스케일(Full Scale)을 시료의 히트 실(Heat Seal) 예상 강도 보다 20~50% 높게 정한 다음 컷팅한 샘플의 열 접착 강도를 측정하였다.
(6) 3kgf/15mm 이상 강도를 보이는 경우가 양호 수준에 있는 것이다.
난연제
첨가량		 0.1 중량% 1 중량% 5 중량% 10 중량% 20 중량% 21 중량%
실강도(*) 5.5 5.5 5.0 5.0 3.2 2.4
* 실 강도 단위: kgf/15mm
상기 표로부터 알 수 있듯이, 10 중량% 이하에서는 5.0kgf/15mm 이상의 높은 실 강도를 보여주었다. 20중량%를 넘는 경우에는 제품에 요구되는 실 강도의 저하가 발생하였다.
층 박리(디라미네이션) 테스트
실시예 6의 파우치(용융압출수지층의 경우, 폴리프로필렌 대비 10중량%의 인계 난연제 첨가)의 용융압출수지층에 난연제의 첨가량을 아래 표 3과 같이 달리 제조하여 배리어층과 용융압출수지층 간의 층 박리 테스트를 실시하였다.
구체적으로 층 박리 테스트는 다음과 같이 수행하였다.
(1) 제조된 셀 파우치를 컷터 바를 이용하여 가로(15mm)×세로(150mm)로 커팅하여 샘플을 준비하였다.
(2) 일정한 규격으로 커팅된 파우치의 배리어층과 용융압출수지층을 면도칼을 이용하여 일정한 길이만 층간 박리를 하였다.
(3) 일정 부분 층간 박리된 샘플을 표준 전해액이 있는 용기에 함침한 후 밀폐하였다. 참고로, 전해액 조건은 다음과 같다; EC:DEC:DMC=1:1:1, LiPF6 1M
(4) 샘플이 들어있는 전해액 용기를 85℃ 건조 오븐에서, 1일간 보관하였다.
(5) 1일 후 시료를 꺼내어 층간 박리 강도를 측정하였다.
(6) 인장 강도기의 전체 스케일(Full Scale)을 시료의 히트 실(Heat Seal) 예상 강도보다 20~50% 높게 정한 다음 컷팅한 샘플의 박리 강도를 측정하였다.
(7) 0.5kgf/15mm 이상의 강도는 양호한 수준이다.
난연제
첨가량		 0.1 중량% 1 중량% 5 중량% 10 중량% 15 중량% 30 중량% 31 중량%
최초
층박리 강도		 1.2kgf 1.2kgf 1.2kgf 1.2kgf 1.2kgf 1.2kgf 1.2kgf
1일 후 강도 1.2kgf 1.0kgf 1.0kgf 1.0kgf 0.83kgf 0.56kgf 0.4kgf
상기 표로부터 알 수 있듯이, 15 중량% 이하인 경우에는 1일 후에 있어서도 0.83kgf/15mm 이상으로 1kgf/15mm에 가까운 강도를 나타내었으나, 15 중량%를 넘는 경우에는 강도의 지속적인 저하가 발생하였다.
[실험 2]
본 실험에서는 난연제 코팅용 조성물의 배합비에 따른 난연성, 슬립성, 투명성 및 코팅성을 테스트하였다.
필름 구성은 위 실험 1과 같이 하되, 최외층 상에 형성되는 코팅층에 사용되는 코팅용 조성물 중 용매를 제외한 세가지 성분 즉 바인더, 난연제 및 슬립제 성분들의 배합비를 다음 표와 같이 조절하였다.
배합 비율 (중량비)
바인더 : 난연제 : 슬립제
실시예 1 9 : 0.9 : 0.1
실시예 2 8 : 1.7 : 0.3
실시예 3 7 : 2.5 : 0.5
실시예 4 6 : 3.3 : 0.7
실시예 5 5 : 4 : 1
실시예 6 3 : 5 : 2
슬립성 측정
슬립성 측정을 다음과 같이 하였다.
(1) 샘플을 오염이 없고, 주름이 없는 상태에서 MD 방향으로 커팅하였다.
(2) 커팅시 규격을 120mm×250mm로 하여, 15매 준비하였다.
(3) 커팅시 규격을 75mm×100mm로 하여, 15매 준비하였다.
(4) 수평으로 이동이 되는 평면 위에 120mm×250mm 시료를 일정한 면(코팅면)이 위로 되도록 고정시켰다.
(5) 그 위로 75mm×100mm 시료를 규정된 위치(측정 줄이 당겨지지 않는 지점까지, 라인으로 표시하였다)까지 올려 놓은 후 그 위로 200g의 SLED를 충분히 가볍게(충격을 주지 않게) 올려 놓았다.
(6) 마찰계수를 측정하였고, 측정 결과를 다음과 같이 평가하였다.
X(동마찰 계수 0.3 이상), △(동마찰계수 0.2 ~ 0.3 이하), O(동마찰계수 0.2 이하)
난연성 측정 : 실험 1의 난연성 측정 방법과 동일하게 수행하였다.
투명성 측정
투명성 측정을 다음과 같이 하였다.
(1) 25mm × 25mm 크기로 샘플을 잘랐다.
(2) 기준면이 일정한 방향을 향하도록 하고 유지시켰다.
(3) 하기 식에 의하여 나타나는 값을 5회 반복하여 평균값을 취하였다.
전광선 투과율(Tt, %) = 전투과광량(T2)/전입사광량(T1)x100
확산투과율(Td,%) = T2 = {(장치 및 시료에 의한 확산광량, T4)-[(장치에의한 확산광량, T3) x (전입사광량, T1)]}/(전입사광량, T1)x100
(4) 투명성 결과를 다음과 같이 평가하였다.
X(20 이상), △(10 이상), O(10 이하)
코팅성 측정
코팅성 측정을 다음과 같이 하였다.
(1) 면봉은 직경 약 1mm, 길이 약 10cm 정도의 막대 끝에 탈지면을 말아서 사용하였다.
(2) 코로나액에 지정된 면 봉을 액방울이 떨어지지 않을 정도로 충분히 적시고 면봉을 시료에 수평이 되도록 하며 일직선 방향으로 이동시켜 도포하였다.
(3) 코로나액을 도포한 후 2초 이상 유지하고 있을 때 젖어 있다고 평가하였다. 2초 이상 유지될 때 그보다 표면장력이 한 단계 높은 시약을 사용하여 체크해 보았다. 표면장력이 낮은 표준액에서 높은 액으로 순차적으로 진행하였다.
(4) 샘플 전 부분, 횡 방향, 종 방향으로 각각 실시하고 그 값을 평균하여 젖음지수로 정하였다.
(5) 코로나액 구성은 포름아미드와 에틸렌글리콜모노에틸에테르로 하였다.
(6) 코팅 결과를 다음과 같이 평가하였다.
X(코팅불가능; 35 dyne 이하), △(코팅성 미흡; 36~37 dyne), O(코팅성 양호; 38 dyne 이상)
위 실험 데이터를 다음 표에 나타내었다.
슬립성 난연성 투명성 코팅성
실시예1 x X O O
실시예2 △ △ O O
실시예3 O △ O O
실시예4 O O O O
실시예5 O O △ △
실시예6 O O x x
위 결과로부터 알 수 있듯이, 실시예 1, 2는 슬립성 항목과 난연성 항목에서, 실시예 5, 6은 투명성 항목과 코팅성 항목에서 평가가 상대적으로 낮았다. 실시예 2, 3, 4 및 5는 슬립성, 난연성, 투명성, 코팅성 항목에서 양호하거나 적어도 중간 정도인 결과를 나타내었다.

Claims (14)

  1. 셀 포장재로서,
    상기 셀 포장재는 1층 이상의 층 구조로 이루어지되,
    상기 셀 포장재는 합성 수지로 이루어진 최외층; 최내층인 실란트층; 및 상기 실란트층 상에 형성된 용융압출수지층을 포함하고,
    상기 실란트층은 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔의 3성분 공중합체인 터폴리머를 포함하며,
    상기 실란트층에는 난연제가 함유되어 있되,
    상기 난연제는 실란트층 수지에 대하여 0.1 ~ 10중량%로 함유된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실란트층은, 상기 3성분 공중합체인 터폴리머에 의해 140℃ 이하의 열에서 실링되는 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최외층 및 용융압출수지층 중에서 선택된 어느 하나 이상의 층에 난연제가 함유되거나, 또는 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제 코팅층이 형성되거나, 또는 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제가 함유되고 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융압출수지층에는 난연제가 함유되고,
    상기 난연제는 용융압출수지층 수지에 대하여 0.1 ~ 30중량%로 함유된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융압출수지층에는 난연제가 함유되고,
    상기 난연제는 용융압출수지층 수지에 대하여 0.1 ~ 15중량%로 함유된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 셀 포장재는 합성수지로 이루어진 최외층; 상기 최외층의 하부에 형성된 배리어층; 상기 배리어층의 하부에 형성된 용융압출수지층; 및 상기 용융압출수지층의 하부에 형성된 실란트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 최외층 및 상기 배리어층 사이에는 접착제층이 더 형성되고,
    상기 접착제층에 난연제가 접착제층 수지에 대하여 0중량% 초과 30중량% 이하로 함유된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최외층 상에 난연제 코팅층이 형성되고,
    상기 최외층과 상기 난연제 코팅층 사이에는 표면 코로나 층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 난연제 코팅층은 난연제 코팅용 조성물로 이루어지고,
    상기 난연제 코팅용 조성물은 바인더 100 중량부에 대하여, 난연제 20 ~ 80 중량부 및 슬립제 3 ~ 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 난연제는 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 멜라민계 난연제 및 무기 난연제 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 셀 포장재.
  11. 셀 포장재의 제조방법으로서,
    상기 셀 포장재를 합성수지로 이루어진 최외층; 최내층인 실란트층; 및 상기 실란트층 상에 형성된 용융압출수지층을 포함하게 하고,
    상기 실란트층은 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔의 3성분 공중합체인 터폴리머가 포함되도록 하며,
    상기 실란트층에 난연제를 함유시키되,
    상기 난연제가 실란트층 수지에 대하여 0.1 ~ 10중량%로 함유되도록 제조하는 것을 특징으로 하는 셀 포장재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실란트층은, 상기 3성분 공중합체인 터폴리머에 의해 140℃ 이하의 열에서 실링되는 것을 특징으로 하는 셀 포장재의 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 최외층 및 용융압출수지층 중에서 선택된 어느 하나 이상의 층에 난연제를 함유시키거나, 또는 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제 코팅층을 형성하거나, 또는 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제를 함유시키고 상기 어느 하나 이상의 층에 난연제 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 셀 포장재의 제조방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 용융압출수지층에 난연제를 함유시키되,
    상기 난연제를 용융압출수지층 수지에 대하여 0.1 ~ 30중량%로 함유시키는 것을 특징으로 하는 셀 포장재의 제조방법.
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