KR101753981B1 - 전해액 함침성이 우수한 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 - Google Patents

Abstract

서로 다른 종류의 수지가 아닌 폴리프로필렌 수지를 이용하여 내열성이 매우 우수하고, 층간 구성을 달리하여 전해액과의 친화력이 우수하며, 필름의 인장강도가 높고 공극의 연결이 매우 우수한 분리막이 개시된다. 본 발명은 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막이고, 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성되고, 상기 제2 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

Description

전해액 함침성이 우수한 이차전지용 폴리프로필렌 분리막{POLYPROPYLENE LITHIUM ION BATTERY SEPARATOR FOR HIGH WETTABILITY OF ELECTROLYTE}

본 발명은 이차전지용 폴리프로필렌 분리막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지 분리막으로 사용되는 폴리올레핀 소재 중에서 내열성이 우수한 폴리프로필렌 수지 조성물을 이용한 이차전지용 폴리프로필렌 분리막에 관한 것이다.

이차전지용 분리막으로 폴리올레핀 다공성 필름이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 폴리올레핀 소재 중에서 특히 내열성이 우수한 폴리프로필렌 수지 조성물을 이용하여 친수성 고분자와 함께 가공되어 전해액과의 친화력 및 세라믹 또는 금속 물질과의 결합력이 향상된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막이 요구되고 있다.

종래 개시되고 있는 소재의 경우, 폴리에틸렌 소재에 다일루언트와 함께 혼련 압출 및 연신하는 공정을 통해 기공 형성을 하게 되어 기공 내부와 외부의 크기의 균일성이 낮은 문제점이 있고, 베타결정을 갖는 폴리프로필렌 수지를 활용하여 분리막을 형성할 경우에는 결정온도가 낮아져 내열성이 기존 폴리프로필렌보다 낮아지는 문제를 개선할 필요가 있다.

한국공개특허 제2010-0073894호는 폴리프로필렌 고분자와 다일루언트를 혼련 압출, 연신하는 방법으로 다일루언트에 수용성 성분을 갖는 제품 구성을 갖는 물질을 개시하고 있으나, 다일루언트를 추출하는 공정 및 이를 정제하는 공정을 필수요소로 하여 공정비용 및 절차가 길어지게 되어 비용이 증가하게 되고, 다일루언트의 빠져나가는 속도의 조절이 어려워 필름의 표면은 큰 기공을 갖게 되며, 내부에는 작은 기공구조가 있어 균일성이 다소 부족하다.

한국공개특허 제2013-0111067호는 내열성이 우수한 이차전지용 분리막 소재로서 베타 결정핵제를 사용하여 분리막을 생성한 기술을 개시하고 있으나, 전해액과의 친화력 및 바인더와의 강도가 기존과 동일한 수준으로 개선 효과가 부족하다.

한국공개특허 제2014-0083664호는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌으로 3층 또는 해당 구성의 여러 적층을 통해 전지용 분리막을 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 열안정성 및 불량률 개선에 초점을 맞추고 있어 전해액 함침성 및 분리막의 내열성 측면에서는 추가적인 개선이 필요하다.

한국공개특허 제2013-0120190호는 베타결정을 갖는 폴리프로필렌 수지와 폴리에틸렌 수지를 2층 이상 구성한 분리막을 개시하고 있으나, 역시 전해액과 친화성은 기존과 동등 수준으로 개선이 필요하다.

종래 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 다층으로 구성된 분리막이 개시되었으나, 결정구조의 상이한 전이온도로 인해 결정구조 간의 계면분리의 온도에 차이가 발생하여 연결된 구조의 공극 형성이 어려운 문제가 있었다. 본 발명은 서로 다른 종류의 수지가 아닌 폴리프로필렌 수지를 이용하여 내열성이 매우 우수하고, 층간 구성을 달리하여 전해액과의 친화력이 우수하며, 필름의 인장강도가 높고 공극의 연결이 매우 우수한 분리막 및 이를 이용한 분리막 필름 제조방법을 제공하고자 한다.

상기 과제 해결을 위하여 본 발명은, 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막이고, 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성되고, 상기 제2 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 상기 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 90~99.5중량% 및 상기 극성 구조의 폴리프로필렌 0.5~10중량%가 블렌드된 수지로 구성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌은 용융지수가 1~10g/10min(230℃, 2.16㎏)이고, 중량평균분자량(g/mol)이 150,000~350,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 무수말레인산, 아크릴레이트, 카르복실산 및 에스터로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 공중합 및 치환되어 형성된 것을 특징으로 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 중량평균분자량(g/mol)이 30,000~70,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 전체 분리막 두께 대비 각각 20% 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

또한 상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 신율(ASTM D638)이 50% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공한다.

상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름 제조방법으로서, 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성하고, 상기 제2 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성하여 공압출하여 미연신 시트를 제조하는 단계; 및 상기 미연신 시트를 연신 온도 100~130℃ 범위에서 종방향 및 횡방향으로 3~8배로 축차 연신하는 단계;를 포함하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 동일 고분자계의 폴리프로필렌 수지를 이용한 3층의 적층 구조로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막으로서 내층을 고입체규칙성 폴리프로필렌으로 구성하고, 외층을 고입체규칙성 폴리프로필렌과 소정 함량의 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성함으로써 전해액과의 친화력이 우수하며, 필름의 인장강도가 높고 공극의 연결이 우수한 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 제공할 수 있다.

또한 상기 분리막을 이용하여 리튬 이차전지용으로의 적용을 위한 다공성 필름 제조 시 전해액과의 친화력, 공극의 연결 특성, 연신 가공성 등을 고려한 최적의 분리막 필름 제조방법을 제공할 수 있다.

이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막이고, 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성되고, 상기 제2 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막을 개시한다. 먼저, 본 발명을 구성하는 각 성분에 대해 상세히 설명한다.

고입체규칙성 폴리프로필렌

본 발명에서 사용되는 고입체규칙성 폴리프로필렌은 3층 분리막 구조에 있어 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층 모두에서 사용되며, 바람직하게는 호모 폴리프로필렌일 수 있다.

상기 고입체규칙성 폴리프로필렌은 지글러-나타 촉매를 활용하여 중합된 것이 사용될 수 있다. 이때, 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌은 촉매를 이용한 생산 과정에서 낮은 활성점을 제거하여 97% 이상, 바람직하게는 98% 이상으로 높은 입체규칙성만을 갖는 수지를 사용할 수 있다.

이러한 높은 입체규칙성을 갖는 폴리프로필렌 수지는 내열성이 높아 용융온도가 167℃ 이상을 나타내며, 높은 강도 및 내열 특성으로 인해 최종 제조되는 분리막을 높은 온도에서 사용하여도 안정적인 치수를 부여하게 된다. 즉, 폴리프로필렌 수지의 입체규칙성이 97% 미만일 경우에는 분자 구조의 입체규칙성이 좋지 않아 기계적 강도가 저하되고, 결정성과 용융점이 낮아져 고온에서의 열수축률이 높아질 수 있다.

또한, 상기 폴리프로필렌은 높은 입체규칙성으로 인해 결정화도가 55% 이상을 가질 수 있다. 여기서, 상기 결정화도는 폴리프로필렌이 100% 결정이 되었을 때, 용융열량이 209J/g으로 기준한 것이다. 이러한 높은 결정화도는 상기 폴리프로필렌 수지만을 가지고도 많은 결정간의 계면분리를 통해 기공 형성에 많은 도움을 줄 수 있다.

한편, 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌은 촉매를 생성하고 헥산으로만 촉매를 세척하는 공정에서 클로로 벤젠, di-클로로벤젠, di-브로모벤젠 등 다른 특수한 극성 용매를 이용하여 마그네슘 담지체에 약하게 결합되어 있는 촉매 활성점을 용출하여 촉매의 활성을 높여 입체규칙성이 조절될 수 있다.

본 발명에서 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌은 용융지수가 1~10g/10min(230℃, 2.16㎏)인 것이 바람직하고, 2~8g/10min인 것이 더욱 바람직하며, 중량평균분자량(g/mol)이 150,000~350,000인 것이 바람직하고, 200,000~300,000인 것이 더욱 바람직하다. 상기 용융지수가 1g/10min 미만일 경우 공압출 시 충분한 수지의 용융 흐름성을 얻기 어려울 수 있고, 10g/10min을 초과할 경우 최종 제품에서 충분한 기계적 강도를 얻기 어려울 수 있다. 또한, 상기 중량평균분자량이 150,000 미만일 경우 최종 제품에서 충분한 기계적 강도를 얻기 어려울 수 있고, 350,000을 초과할 경우 충분한 성형성을 확보하기 어려울 수 있다.

또한, 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌은 신율(ASTM D638)이 100% 이상인 것이 바람직하다. 이는 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌을 제1 수지층 및 제3 수지층으로 사용할 경우 극성 구조의 폴리프로필렌의 신율보다 상대적으로 크기 때문에 연신율 차이에 의한 찢어짐 현상을 통하여 최종 제조되는 분리막에서 표면과 내부의 균일한 기공을 갖도록 하기 위함이다.

극성 구조의 폴리프로필렌

본 발명에서 사용되는 극성 구조의 폴리프로필렌은 3층 분리막 구조에 있어 제1 수지층 및 제3 수지층에서 사용되며, 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌과 동일 고분자계의 수지로서 이와 블렌드되어 결정 간의 계면분리를 통한 균일한 기공을 갖도록 하기 위해 극성 구조를 갖는 폴리프로필렌 수지가 사용된다.

상기 극성 구조 형성을 위해 사용될 수 있는 화합물로서, 무수말레인산, 아크릴레이트, 카르복실산, 에스터 등의 화합물이 선택될 수 있고, 폴리프로필렌에 공중합 및 치환시켜 제조된 극성 구조의 폴리프로필렌 수지가 사용될 수 있다. 예컨대, 폴리프로필렌을 벤젠, 톨루엔, 자일렌, Tri-클로로벤젠 등과 같은 용매에 녹인 후, 해당 극성 수지를 반응 및 치환시켜 반영구적으로 고분자 사슬에 결합되어 있는 구조의 폴리프로필렌 수지가 사용될 수 있다. 이때, 바람직하게는 무수말레인산을 이용하여 제조된 극성 구조의 폴리프로필렌 수지가 사용될 수 있으며, 극성기가 0.1~5중량% 함량으로 함유된 것이 바람직하다.

또한, 상기 극성 구조의 폴리프로필렌 역시 입체규칙성이 높은 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 극성기 부여를 위한 반응 및 치환 과정에서 중량평균분자량이 30,000~70,000 정도로 낮게 되어 수지의 전체적인 신율(ASTM D638)이 50% 이하인 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

이를 통해 상대적으로 신율이 큰 상기 고입체규칙성 폴리프로필렌과의 블렌드 시 100~130℃의 고온에서 연신으로 결정 간의 계면분리를 통한 공극 형성 및 분자량 차이에 따라 연신율 차이에 의한 계면분리를 동시에 발생시켜, 기존의 결정 간의 계면분리만을 활용하는 건식 분리막 소재보다 현저히 높은 공극률을 갖는 분리막을 제조할 수 있도록 하게 된다. 또한, 이러한 블렌드 수지로 제조한 분리막 소재는 다일루언트를 첨가 및 용매를 활용하여 기공을 형성하는 분리막 소재보다 균일하고 연신으로 인한 강도가 매우 우수한 분리막 소재를 얻을 수 있게 된다.

한편, 상기 극성 구조의 폴리프로필렌으로 자일렌 용해도(xylene solubility)가 1% 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 자일렌 용해도가 1%를 초과할 경우 분자 구조의 입체규칙성이 좋지 않아 기계적 강도가 저하되고, 결정성과 용융점이 낮아져 고온에서의 열수축률이 높아질 수 있다.

본 발명에서 상기 (b) 폴리프로필렌 수지는 전체 수지 조성물에 대하여 0.5~10중량% 함량으로 포함되고, 바람직하게는 1~8중량%, 더욱 바람직하게는 2~6중량% 함량으로 포함될 수 있다. 상기 함량이 0.5중량% 미만일 경우 기공 특성, 전해액과의 친화력 등의 향상 정도가 만족스럽지 않을 수 있고, 10중량%를 초과할 경우 성형이 어려울 수 있다.

이상의 고입체규칙성 폴리프로필렌과 극성 구조의 폴리프로필렌을 이용하여 분리막 필름이 제조된다. 즉, 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름의 제조로서, 상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성하고, 상기 제2 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성하여 공압출하여 미연신 시트를 제조하는 단계; 및 상기 미연신 시트를 연신 온도 100~130℃ 범위에서 종방향 및 횡방향으로 3~8배로 축차 연신하는 단계;를 포함하여 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름이 제조될 수 있다.

먼저, 각 수지층에 해당되는 원료를 압출기로부터 200~230℃에서 T-다이 방식으로 공압출하여 시트 형태로 3층 분리막을 제조할 수 있으며, 압출기의 속도를 통해 해당층의 구성비율을 조절할 수 있다. 이때, 제1 수지층 및 제3 수지층의 경우에는 극성 구조를 갖는 폴리프로필렌 수지의 연신율이 낮은 특징으로 인해 해당층의 구성비율이 높아지게 되면 높은 연신비를 유지하기 어려울 수 있다. 따라서 제1 수지층 및 제3 수지층의 비율은 전체 분리막 필름 두께 기준으로 각각 20% 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 각각 10% 이하로 구성할 수 있다. 또한 중간층인 제2 수지층을 구성하는 극성 구조의 폴리프로필렌의 경우, 필름의 연신성을 개선하기 위해 베타결정을 발생시키는 물질을 첨가하여 용융 가공에 사용될 수 있다.

다음으로, T-다이 방식으로 공압출을 통해 시트 형성 후 이를 냉각하는 캐스팅 롤의 온도는 30~110℃인 것이 바람직하며, 결정을 극대화할 수 있는 것을 목표로 60~110℃인 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 형성된 시트에 대하여 2축 연신함으로써 필름화를 할 수 있다. 연신 공정은 100℃ 이상의 온도 범위에서 종방향 및 횡방향으로 각각 3~8배를 연신하게 된다. 이때 연신 온도가 100℃ 미만일 경우에는 폴리프로필렌의 입체규칙성이 높아 미연신되어 파단이 발생하고, 130℃를 초과할 경우에는 베타결정이 사라지고 결정이 풀어지며 연신이 되어 공극 발생이 되지 않게 된다.

따라서 상기 연신 가공에 있어 연신 온도는 100~130℃ 범위에서 이루어져야 한다. 연신이 완료된 필름에 대해서는 향후 내열성을 위해서 120~140℃ 온도에서 열처리 공정을 거쳐 치수 안정성을 구현할 수 있다.

이차전지용 분리막으로 사용하기 위해서는 필름의 공극률은 최소 30% 이상이 요구되며, 천공강도 및 인장강도가 사용 가능성 여부를 결정하는 중요한 인자이다. 본 발명에 따른 이차전지용 폴리프로필렌 분리막은 하기 실시예에서 후술하는 바와 같이, 전해액과의 친화력 및 강도를 현저히 개선할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 97%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상) 90중량부와 무수말레인산으로 치환된 폴리프로필렌 수지(중량평균분자량 30,000~70,000, 신율(ASTM D638) 50% 이하, 자일렌 용해도 1% 이하) 10중량부를 블렌딩하여 제1 수지층 및 제3 수지층으로 구성되도록 하고, 상기 호모 폴리프로필렌 수지만으로 제2 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 5%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 100℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

실시예 2

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 98%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상) 95중량부와 무수말레인산으로 치환된 폴리프로필렌 수지(중량평균분자량 30,000~70,000, 신율(ASTM D638) 50% 이하, 자일렌 용해도 1% 이하) 5중량부를 블렌딩하여 제1 수지층 및 제3 수지층으로 구성되도록 하고, 상기 호모 폴리프로필렌 수지만으로 제2 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 10%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 120℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

실시예 3

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 97%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상) 99.5중량부와 무수말레인산으로 치환된 폴리프로필렌 수지(중량평균분자량 30,000~70,000, 신율(ASTM D638) 50% 이하, 자일렌 용해도 1% 이하) 0.5중량부를 블렌딩하여 제1 수지층 및 제3 수지층으로 구성되도록 하고, 상기 호모 폴리프로필렌 수지만으로 제2 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 20%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 130℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

비교예 1

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 94%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상) 90중량부와 무수말레인산으로 치환된 폴리프로필렌 수지(중량평균분자량 30,000~70,000, 신율(ASTM D638) 50% 이하, 자일렌 용해도 1% 이하) 10중량부를 블렌딩하여 제1 수지층 및 제3 수지층으로 구성되도록 하고, 상기 호모 폴리프로필렌 수지만으로 제2 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 5%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 100℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

비교예 2

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 97%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상) 89중량부와 무수말레인산으로 치환된 폴리프로필렌 수지(중량평균분자량 30,000~70,000, 신율(ASTM D638) 50% 이하, 자일렌 용해도 1% 이하) 11중량부를 블렌딩하여 제1 수지층 및 제3 수지층으로 구성되도록 하고, 상기 호모 폴리프로필렌 수지만으로 제2 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 25%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 95℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

비교예 3

호모 폴리프로필렌 수지(입체규칙성 97%, 용융온도 167℃ 이상, 결정화도 55% 이상, 용융지수 2~3g/10min(230℃, 2.16㎏), 중량평균분자량 200,000~300,000, 신율(ASTM D638) 100% 이상)를 각각 제1 수지층 내지 제3 수지층으로 구성되도록 공압출을 수행하되, 압출기의 속도를 조절하여 제1 수지층 및 제3 수지층 각각의 두께 비율이 30%가 되도록 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 연신기 내에서 135℃ 조건으로 종방향 및 횡방향으로 5배 축차 연신을 진행하여 다공성 필름을 제조하였다.

시험예

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 필름에 대하여 하기 방법에 따라 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[평가 방법]

1) 두께: 필름의 전체 두께를 의미하며, 인위적으로 힘을 가하지 않은 상태의 두께를 측정하였다.

2) 연신성 : 가공 시 파단 없이 연신되는 정도를 나타내며, 연신이 가능한 경우 '○', 파단이 발생한 경우 '×'로 나타내었다.

3) 공극률: 실제무게/예상무게(두께×가로×세로×밀도)로서 공극률을 계산하였다.

4) 공기투과도: 실제 연결된 공극을 확인할 목적으로, 25℃에서 ASTM D726에 따라 걸리(Gurley) 측정장비를 사용하여 100㎖의 공기가 필름 넓이 645㎟을 통과하는 시간을 측정하였다.

5) 수축율: 대용량 전지에 사용 가능성을 확인할 목적으로, 150℃ 오븐에서 30분간 분리막 샘플을 넣고 수축율을 비교하였다(10cm×10cm에서 줄어든 길이 측정).

6) 전해액 친화력: 필름을 전해액(1M LiPF₆)에 5분간 함침시킨 후 전해액이 분리막 상방으로 올라오는 정도를 측정하였다.

7) 세라믹 및 금속과의 결합력: 세라믹 및 금속과의 결합 후 탈착강도를 측정하였다.

8) 인장강도(MD/TD): 분리막 성형 후 끊어지는 지점의 힘을 측정하였다.

표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 특정 조성을 갖는 고입체규칙성 호모 폴리프로필렌과 극성 구조의 폴리프로필렌을 이용하여 공압출 및 최적의 연신 조건에서 3층 구조의 분리막 필름을 제조할 경우 성형성 내지 연신성에 문제 없이 공극률, 공기투과도, 친화력, 결합력 및 인장강도가 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.

이에 대하여, 입체규칙성이 낮은 호모 폴리프로필렌 수지를 사용할 경우(비교예 1) 수축율, 결합력 및 인장강도가 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다.

또한 극성 구조의 폴리프로필렌을 과도한 함량으로 사용하고 제1 수지층 및 제3 수지층의 두께를 상대적으로 두껍게 하고 연신을 너무 낮은 온도에서 수행할 경우(비교예 2)에는 연신 시 파단이 발생할 뿐 아니라 제조된 필름의 공극률, 공기투과도, 친화력, 결합력 및 인장강도가 현저히 저하되는 것을 알 수 있다.

또한 제1 수지층 및 제3 수지층에 극성 구조의 폴리프로필렌을 사용하지 않고 두께를 상대적으로 두껍게 하고 연신을 과도하게 높은 온도에서 수행할 경우(비교예 3) 제조된 필름의 공극률, 공기투과도, 친화력 및 인장강도가 현저히 저하되는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (8)

1. 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막이고,
   상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성되고, 상기 제2 수지층은 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 상기 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 90~99.5중량% 및 상기 극성 구조의 폴리프로필렌 0.5~10중량%가 블렌드된 수지로 구성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
3. 제1항에 있어서,
   상기 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌은 용융지수가 1~10g/10min(230℃, 2.16㎏)이고, 중량평균분자량(g/mol)이 150,000~350,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
4. 제1항에 있어서,
   상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 무수말레인산, 아크릴레이트, 카르복실산 및 에스터로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 공중합 및 치환되어 형성된 것을 특징으로 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
5. 제1항에 있어서,
   상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 중량평균분자량(g/mol)이 30,000~70,000인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층은 전체 분리막 두께 대비 각각 20% 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
7. 제1항에 있어서,
   상기 극성 구조의 폴리프로필렌은 신율(ASTM D638)이 50% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막.
8. 제1 수지층, 제2 수지층 및 제3 수지층이 순서대로 적층된 3층으로 구성된 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름 제조방법으로서,
   상기 제1 수지층 및 상기 제3 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌 및 극성 구조의 폴리프로필렌으로 구성하고, 상기 제2 수지층을 입체규칙성이 97% 이상인 폴리프로필렌으로 구성하여 공압출하여 미연신 시트를 제조하는 단계; 및
   상기 미연신 시트를 연신 온도 100~130℃ 범위에서 종방향 및 횡방향으로 3~8배로 축차 연신하는 단계;
   를 포함하는 이차전지용 폴리프로필렌 분리막 필름 제조방법.