KR102640354B1 - 외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리에 사용되는 외장재는, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이다.

Description

외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법{EXTERIOR MATERIAL, METHOD FOR FORMING PATTERN ON EXTERIOR MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING BATTERY INCLUDING EXTERIOR MATERIAL}
본 발명은 외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 관한 것이다.
전기화학 셀(electrochemical cell)은 적어도 두 개의 전극, 그리고 전해질로 구성되어 전기 에너지를 제공할 수 있는 조립체를 의미하며, 특히, 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary cell)로 구성되는 리튬 이온 배터리는 스마트폰을 포함하는 각종 첨단 전자 기기에 널리 사용되고 있다.
최근에는 스마트폰을 포함하는 모바일 디바이스, 각종 웨어러블 디바이스의 디자인에 있어 종래 형상에서 탈피한 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 나아가, 기능을 유지하면서 휘어질 수 있는 플렉시블 기기에 대한 주목도가 높아지고 있다. 이에, 이러한 플렉시블 디바이스에 내장되어 전원으로 사용될 수 있는 플렉시블 전기화학 셀에 대하여 기능 및 안전성을 확보하는 것이 중요하다.
플렉시블 배터리를 반복적으로 굽혔다 펼 경우 외장재가 파손될 우려가 있다. 외장재가 심하게 파손되면 내부 전해액의 누액이 발생할 수 있다. 또한, 외장재에 경미한 파손이 발생한 경우에도 대기 중의 수분이 배터리의 내부로 침투하여 배터리의 스웰링(swelling) 현상이 유발되고, 전극이 손상되어 배터리의 용량 및 출력이 감소할 수 있다.
따라서, 배터리가 휘어지는 부위에서 발생하는 압축응력과 인장응력을 흡수함으로써 플렉시블 배터리의 외장재의 파손을 방지하기 위해, 외장재에 대하여 상하 금형 가압을 통한 패턴 가공을 실시한다. 패턴 가공된 외장재를 사용하는 배터리는 가공하지 않은 외장재를 사용하는 배터리보다 탄성률(탄성 계수)이 높아지므로, 배터리가 휘어질 때 외장재에 작용하는 힘이 어느 한 쪽에 힘이 집중되기 보다 분산된다. 이에 의하여, 외장재 및 내부에 수용된 전극 조립체가 어느 한 부분에서 심하게 꺾이지 않게 된다.
한편, 외장재의 패턴은 깊게 성형될 필요는 없으나, 반복적으로 발생하는 배터리의 굽힘, 휘어짐, 폴딩, 트위스트 등에 의한 외장재의 파손을 최소화하여 배터리의 내구성을 향상시킬 필요가 있다.
배터리에 외부 힘이 작용할 때, 예를 들어 배터리의 굽힘, 폴딩, 트위스트가 발생한 상태에서, 외장재의 길이 방향의 인장력보다 두께 방향으로 하중이 가해지는 압축력이 배터리의 내구성에 큰 영향을 미친다.
또한, 외장재의 내부에 수용된 전극 조립체가 변형되면서 외장재를 바깥 방향으로 밀어내는 힘이 작용한다. 외장재가 내부의 전극 조립체로부터 작용하는 힘을 견디지 못하면, 외장재의 취약한 부위를 중심으로 내부의 전극 조립체가 쉽게 꺾이게 되고, 해당 부위의 외장재가 손상되어 배터리의 성능 저하 및 스웰링, 누액 등의 안전성 이슈를 발생시키는 원인이 된다.
플렉시블 배터리의 내구성을 보다 향상시키기 위해, 배터리가 휘어지는 영역에서의 휨모멘트(bending moment)를 상승시킬 수 있는 패턴 가공 방법을 취할 필요가 있다. 구체적으로, 플렉시블 배터리의 굽힘 내구성을 높이기 위해 외장재의 피로 수명이 커지도록 패턴을 형성하는 방법이 필요하다.
한국공개특허 제 2005-0052069호 (2005.06.02. 공개) 일본공개특허 제 2013-218991호 (2013.10.24 공개)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인, 배터리에 사용되는 외장재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 목적은 외장재의 파손을 방지하고 배터리의 내구성이 향상되도록 외장재의 피로 수명이 긴 방향으로 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 상기 외장재의 TD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고, 상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 상기 외장재의 MD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고, 상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 더 포함하고, 상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 중심 부분으로부터 상기 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 곡률 반경이 작아지는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부는 상기 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 상기 외장재의 MD로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은 상기 외장재의 MD로 형성된 상기 패턴부에 기초하여 설정되는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 상기 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 외장재에 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 외장재를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시키는 단계 및 상기 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 상기 외장재를 압인함으로써 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 있어서, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 상기 외장재에 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계, 상기 외장재를 폴딩하는 단계, 상기 폴딩된 외장재에 전극 조립체를 삽입하는 단계 및 상기 전극 조립체가 삽입된 상기 외장재를 밀봉하는 단계를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명은 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인, 배터리에 사용되는 외장재를 제공할 수 있다.
또한, 외장재의 피로 수명이 긴 방향으로 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 제공할 수 있다. 이에 의하여, 곡률 반경 값이 작은 패턴 엣지 부분의 손상을 줄여 배터리의 굽힘 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 외장재의 패턴 엣지 부분의 파손 및 전해액의 누액을 방지함으로써 배터리의 사용 상의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 외장재를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 및 패턴부를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴부와 다른 방향으로 패턴부가 형성된 외장재를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재를 포함하는 배터리를 도시한 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 배터리의 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부의 단면 형상과 패턴부의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부를 상방에서 보았을 때의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 응력-변형률 그래프를 도시한다.
도 7a는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가 시 외장재에 작용하는 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재에 패턴을 형성하는 방법의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 중간에 다른 부재를 개재하여 연결되어 있는 경우와, 중간에 다른 소자를 사이에 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 예를 들어, 전기화학 셀로, 리튬 이온 배터리일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 전극 조립체가 외장재 내부에 전해액과 함께 수용되어 밀봉되고, 리튬 이온의 이동에 의해 충전 및 방전되도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 그 기능을 발휘하는 상태를 유지하면서 유연성을 가지고 휘어지도록 구성되는 플렉시블(flexible) 배터리일 수 있다. 이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 외장재를 예시적으로 도시한 도면이다. 외장재(100)는 예를 들어, 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 소재는 각각 연성을 가질 수 있다.
예를 들어, 외장재(100)의 다층 구조는 각 층의 기능에 따라 구분되는 밀봉층(Sealing layer), 물질 차단층(Barrier layer) 및 보호층(Protection layer)을 포함할 수 있다. 밀봉층은 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 필름으로 구성될 수 있다. 물질 차단층은 알루미늄포일(aluminum foil)으로 구성될 수 있다. 보호층은 나일론(nylon) 필름 또는 나일론 및 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate; PET) 복합층으로 구성될 수 있다.
외장재(100)는 롤투롤(Roll to Roll) 공정에 의해 제조된 것으로, 롤의 축 방향 또는 길이 방향에 따라 외장재(100)의 기계적 물성이 달라질 수 있다. 여기서, MD(Machine Direction)는 롤의 길이 방향을 의미하고, TD(Transverse Direction)는 롤의 축 방향을 의미할 수 있다.
플렉시블 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 패턴이 형성되는 방향에 따라 배터리의 기계적 특성이 달라질 수 있다. 즉, 패턴이 외장재의 MD로 형성된 외장재를 포함하는 배터리 및 패턴이 외장재의 TD로 형성된 외장재를 포함하는 배터리는 서로 다른 기계적 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 패턴이 형성되는 방향은 플렉시블 배터리의 패턴 엣지 부분의 내구성에 영향을 끼칠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 및 패턴부를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 외장재(100)는 외장재(100)의 MD로 형성된 적어도 하나의 패턴부(111md)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 패턴부(111md)가 형성되어 있는 외장재(100)를 포함하도록 배터리를 생성하는 경우, 외장재의 MD는 배터리의 폭 방향(10A)이고, 외장재의 TD는 배터리의 길이 방향(10B)일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴부(111md)와 다른 방향으로 패턴부(111td)가 형성된 외장재를 도시한다. 도 3에 도시된 외장재에는 패턴부(111td)가 외장재의 TD(Transverse Direction)로 형성되어 있다.
도 3에 도시된 패턴부(111td)가 형성되어 있는 외장재를 포함하도록 배터리를 생성하는 경우, 외장재의 TD는 배터리의 폭 방향(10A)이고, 외장재의 MD는 배터리의 길이 방향(10B)일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재(100)를 포함하는 배터리를 도시한 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 배터리의 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 배터리(10)는 외장재(100), 외장재(100)의 내부에 수용된 전극 조립체(200) 및 전극 조립체(200)와 연결된 전극 리드(300)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(200)는 복수 개의 전극을 구비하며, 분리막을 더 포함할 수 있고, 이들이 두께 방향으로 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
전극 조립체(200)는 서로 다른 극성의 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 전극 각각의 양면 또는 단면에 활물질이 포함된 합제가 도포될 수 있다. 제1 및 제2 전극 사이에는 분리막이 개재될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극은 음극으로서 사용되는 집전체는 구리, 알루미늄 등으로 흑연, 카본, 리튬, 실리콘, SiOx 등의 실리콘 유도체, 실리콘-흑연 복합체, 주석, 실리콘-주석 복합체 중 하나 또는 그 이상의 조합인 음극 활물질로 구성될 수 있다. 또한 제 2 전극은 양극으로서 사용되는 집전체는 알루미늄, 스테인리스 스틸 재질 등으로 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈-알루미늄 산화물, 리튬 인산철 중 하나 또는 그 이상의 조합인 양극 활물질로 이루어질 수 있다.
전극 조립체(200)는, 제1 및 제2 전극이 면을 형성하도록 연장되는 두 방향 중 길이 방향으로 폭 방향보다 길게 연장되고, 면을 형성하는 방향과 교차(예를 들면, 직교)하는, 활물질 및 분리막이 적층되는 두께 방향으로 두께가 얇은 형상을 가질 수 있다.
또한, 전극 조립체(200)는 전극 연결탭 및 리드 연결탭을 포함할 수 있다. 전극 연결탭은 제1 및 제2 전극의 길이 방향 일 단부에서 돌출되도록 형성될 수 있고, 서로 동일한 극성의 전극에서 돌출되는 전극 연결탭이 서로 결합될 수 있다. 전극 연결탭에 의해, 전극은 전기적으로 병렬 연결되어 있을 수 있다. 리드 연결탭은 전극 리드(300)와 연결되며, 양극 및 음극의 전극에서 돌출되어 전극 리드(300)와 결합될 수 있다.
구체적으로, 외장재(100)는 수용부(110) 및 실링부(120)를 포함할 수 있다. 수용부(110)는 전극 조립체(200)를 수용하는 공간을 형성하고, 실링부(120)는 수용되는 전극 조립체(200)를 외부와 밀폐시키도록 접합될 수 있다. 도 4b에 도시된 것과 같이, 수용부(110)는 두 외장재(100)의 서로 이격하여 대면하는 영역에 해당될 수 있다. 수용부(110)를 형성하기 위해, 외장재(100)의 기설정된 영역이 대략 사각형의 그릇(또는 컵)의 형상이 되도록, 외장재(100)는 두께 방향으로 가압되어 돌출되도록 가공될 수 있다.
더 구체적으로, 본 실시예의 수용부(110)의 표면에는 적어도 하나의 패턴부(111md)가 외장재(100)의 MD로 연장되어 형성될 수 있다. 패턴부(111md)는 일 방향으로 연장되고 일 방향과 교차하는 방향으로 반복적으로 배치되는 패턴으로, 구체적으로, 두께 방향으로 번갈아가며 돌출 또는 리세스(즉, 서로 반대 방향으로 번갈아가며 돌출)되어, 일 방향을 따라 요철 형상을 가질 수 있다. 여기서, 일 방향은 외장재(100)의 MD인 배터리의 폭 방향(10A)이고, 패턴부(111md)가 반복되는 방향은 외장재(100)의 TD인 배터리의 길이 방향(10B)이 될 수 있다. 돌출 및 리세스되는 패턴부(111md)에 의해, 도 4b에 보인 것과 같이, 수용부(110)를 형성하는 외장재(100)는 길이 방향으로 물결 또는 주름 패턴을 형성할 수 있다.
실링부(120)는 두 실링면의 접합에 의해 형성될 수 있다. 실링면은 외장재(100)의 접합면을 의미하며, 수용부(110)의 모서리를 따라 겹쳐진 두 실링면이 서로 접합됨으로써, 내부 공간(수용부(110))을 외부와 격리시킬 수 있다. 내부 공간에는 앞서 설명한 전극 조립체(200) 및 전해액이 수용될 수 있고, 전극 조립체(200) 및 전해액은 밀봉 상태가 유지될 수 있다.
즉, 실링부(120)는 패턴부(111md)를 둘러싸고, 외장재(100)의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성할 수 있다.
또한, 실링부(120)는 배터리의 폭 방향(10A) 또는 배터리의 길이 방향(10B)으로 연장되는 평판 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 실링부(120)의 평판 형상은 표면이 서로 마주보도록 휘어져 있지 않은 형상일 수 있다. 또는, 실링부(120)는 패턴부(111md)와 상이한 패턴을 가질 수 있고, 예를 들면, 패턴부(111md)보다 두께 방향으로 높이가 낮은 패턴을 가질 수 있다.
패턴부의 엣지 부분(110e)은 실링부(120)와 인접한 부분일 수 있다. 예를 들어, 패턴부의 엣지 부분(110e)은 실링부(120) 배터리의 길이 방향(10B)으로 연장되는 부분에 인접한 영역을 포함할 수 있다.
한편, 전극 리드(300)는 외장재(100) 내부의 전극 조립체(200)와 연결되고 외장재(100)의 외부로 노출되도록 연장된다. 전극 리드(300)는 외장재(100) 내부에 수용되는 전극 조립체(200)와의 전기적 연결을 위한 단자로 기능하며, 실링부(120) 형성 시 실링면 사이에 개재되는 상태로 실링부(120)를 관통하도록 접합될 수 있다. 양극 및 음극의 한 쌍의 전극 리드(300)는 전극 조립체(200)에 구비되는 리드 연결탭과 동일한 극끼리 결합될 수 있다.
본 발명의 외장재(100)는 외장재(100)의 TD 또는 MD로 폴딩되어 배터리(10)의 제조 시에 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리(10)의 제조 시에 사용된 외장재(100)는 외장재(100)의 TD로 벤딩됨으로써, 외장재(100)의 TD로 배터리가 벤딩될 수 있도록 한다. 즉, 외장재(100)의 MD로 물결 또는 주름 패턴을 가지는 패턴부에 의해 외장재(100)가 외장재(100)의 TD로 가동성을 가질 수 있기 때문에, 해당 외장재(100)를 이용하는 배터리 또한 외장재(100)의 TD로 가동성을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재(100) 및 패턴부(111md)에 대해 설명한다. 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부(111md)의 단면 형상과 곡률 반경을 도시한 도면이다. 도 5a를 참조하면, 패턴부(111md)는 일정한 패턴 높이(h1) 및 패턴 피치(P)를 갖는 요철 형상이 반복되도록 형성될 수 있다. 도 5a와 같이 그 형상이 물결 무늬일 때 곡률은 곡선 또는 곡면의 휨 정도를 나타내는 정도로, 곡률 반경(R)은 원호의 반지름을 의미한다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부(111md)의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다. 패턴부(111md)의 곡률 반경은, 패턴부의 중심 부분으로부터 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 그 값이 작아질 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부를 상방에서 보았을 때의 형상을 도시한다. 패턴부(111md)를 상방에서 보았을 때, 패턴부의 중심 부분으로부터 패턴부의 엣지 부분(110e)으로 향할수록 TD로의 패턴 폭이 작아질 수 있다. 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 패턴부의 엣지 부분(110e)에 대한 곡률 반경(R2)은 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경(R1)보다 작을 수 있다.
플렉시블 배터리를 반복적으로 변형하는 경우에, 곡률 반경이 큰 패턴부의 중심 부분보다, 상대적으로 곡률 반경이 작은 패턴부의 엣지 부분에서 핀홀, 크랙 등의 파손이 발생할 확률이 높다.
표 1은 외장재 A, 외장재 B, 외장재 C 및 외장재 D의 각 구성의 두께 및 총 두께를 나타낸다. 예를 들어 외장재 A, 외장재 B 및 외장재 C는 A Lamination 공법으로 롤투롤 제조된 것이고, 외장재 D는 B Lamination 공법으로 롤투롤 제조된 것일 수 있다.
기존의 배터리는 구부리거나 변형될 필요가 없기 때문에 외장재를 반복적으로 폴딩한 경우에 나타나는 외장재의 기계적 물성을 중요하게 생각하지 않았다.
그러나, 플렉시블 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 외장재를 한 번도 폴딩하지 않았을 때 나타나는 외장재의 기계적 물성보다, 외장재를 반복적으로 폴딩한 경우에 나타나는 외장재의 기계적 물성의 차이가 유의미하다. 패턴부의 방향, 즉 외장재의 MD로 형성된 패턴부를 포함하는 외장재와 외장재의 TD로 형성된 패턴부를 포함하는 외장재를 각각 반복적으로 폴딩했을 때의 외장재의 기계적 물성에 기초하여 패턴부를 형성하는 방향이 결정될 수 있다.
플렉시블 배터리는 상대적으로 곡률 반경이 가장 작은 외장재의 패턴 엣지(edge)에서 파손이 자주 발생될 수 있다. 가장 곡률 반경이 작은 상태는 접힌(폴딩) 상태로 외장재의 반복적인 폴딩 평가를 통해 플렉시블 배터리의 굽힘 내구성을 간이로 알 수 있다(가속시험).
이하에서는 배터리가 포함하는 외장재의 내구성을 평가하는 일 방법으로서, 반복적인 폴딩 후 인장 시험에 대해 설명한다.
외장재의 구성 및 패턴부가 형성되는 서로 다른 방향성(MD, TD)을 갖는 외장재를 각각 일정한 폭과 길이로 시료를 타발한다. 예를 들어, 폭이 10 mm이고 길이가 100 mm인 덤벨 모양으로 외장재를 타발할 수 있다.
이어서 각 외장재의 길이 방향의 중심 부분을 동일한 압력 및 시간으로 눌러 접는다(폴딩). 예를 들어, 외장재를 0.2 Mpa의 압력으로 2 초동안 눌러 접을 수 있다. 각 외장재를 동일한 방식으로 복수 회 반복하여 접고 펼 수 있다.
인장 시험기를 이용하여 시편의 길이 방향으로 제한 변위를 고정하고 일정한 변형률로 당길 수 있다. 예를 들어, 인장 전의 외장재 시료의 길이는 100 mm이고, 인장 후의 외장재 시료의 길이는 105 mm일 수 있다. 제한 변위는 5 mm이고, 변형률은 5 %일 수 있다.
예를 들어, 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재(MD 패턴)는 MD로 폴딩하고, TD로 인장할 수 있다. 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재(TD 패턴)는 TD로 폴딩하고, MD로 인장할 수 있다.
각 외장재를 동일한 횟수로 반복하여 폴딩한 후에, 전자 현미경을 이용하여 외장재의 파손 여부를 확인한다. 표 2는 표 1에 나타난 외장재 A~D에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 시행한 결과를 도시한다.
표 2에 나타난 바와 같이, 5회 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B, C 및 D 모두에서 파손이 발견되지 않았다.
10회 반복 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B 및 C는 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 경우에는 파손이 발생하지 않았으나, 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 경우에는 파손이 발생하였다. 외장재 D도 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료보다 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 파손 정도가 크게 나타났다.
15회 반복 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B 및 C에서 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료보다 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 파손 정도가 크게 나타났다.
상술한 바와 같이 외장재 A, B, C 및 D에 대하여, 반복 폴딩 후 인장 시험을 시행한 경과, 외장재 A, B, C 및 D는 MD로 폴딩하고 TD로 인장한 경우의 내구성이 TD로 폴딩하고 MD로 인장한 경우보다 외장재의 내구성 즉, 외장재의 구부림성, 폴딩 내구성이 높은 것으로 나타났다.
외장재의 MD로 패턴부를 형성함으로써, 곡률 반경이 작은 패턴부의 엣지 부분의 파손을 최소화하고, 배터리의 굽힘 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 응력(Stress)-변형률(Strain) 그래프를 도시한다. 도 6에 도시된 그래프에서, 인성(Toughness)은 응력-변형률 곡선의 면적을 나타난다.
표 3은 외장재 B에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
표 4는 외장재 C에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
표 5는 외장재 D에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
일반적으로 A 공법 또는 B 공법으로 롤투롤 제조되는 외장재는, 외장재의 MD로 연성이 뛰어나고, 외장재의 TD로 강성이 뛰어난 성질을 가진다.
도 6 및 표 3 내지 5를 참조하면, 반복 폴딩 횟수가 많아질수록 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 경우의 인성(Toughness)이 TD로 패턴부가 형성되는 경우의 인성(Toughness)보다 높은 것으로 보아 외장재 B, C 및 D 모두에서 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 경우에 외장재의 피로 수명이 더 긴 것을 확인할 수 있다.
외장재 D의 0회 폴딩 시, 즉 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 인성(Toughness)이 외장재 B, C의 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 인성(Toughness)과 반대의 경향을 보이는데 이는 Lamination 공법과 내부 재료에 의한 차이로, 반복적으로 구부러지거나 변형되는 배터리에서는 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 기계적 물성보다 반복적인 변형에 의해 달라지는 기계적 물성이 유의미하다.
도 7a는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7a를 참조하면, 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)를 일 방향으로 복수 회 벤딩시킴으로써 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)를 벤딩하면, 굽힘 내경에서는 외장재(100)를 수축시키는 방향으로 힘(710)이 작용하고, 굽힘 외경에서는 외장재(100)를 이완시키는 방향으로 힘(720)이 작용한다. 패턴부(111md)를 포함하는 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)는, 외장재의 TD로 굽힘 평가가 수행될 수 있다. 달리 말하면, 배터리의 길이 방향(10B)으로 외장재(100)를 포함하는 배터리를 벤딩시킴으로써, 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
이와 달리, 패턴부(111td)를 포함하는 외장재를 포함하는 배터리는, 외장재의 MD로, 즉 배터리의 길이 방향(10B)으로 외장재를 포함하는 배터리를 벤딩시킴으로써, 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 굽힘 평가는 R15, 25rpm 조건 하에서 배터리를 벤딩시킴으로써 수행될 수 있다.
표 6은 표 1에 나타난 외장재 A, B, C 및 D 중 어느 하나에 대하여, 외장재의 MD로 패턴부를 형성한 경우(MD pattern)와 외장재의 TD로 패턴부를 형성한 경우(TD pattern)에 있어서, 굽힘 평가를 수행한 결과를 나타낸다. 예를 들어, 표 6의 배터리 1은 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재 A를 포함하는 배터리를 의미한다.
표 6에 나타난 배터리 1 내지 8에 대한 굽힘 평가 결과에 의하면, 외장재 A, B, C 및 D 모두에서, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 경우에 패턴부의 엣지 부분의 파손 정도가 외장재의 TD로 패턴부가 형성된 경우보다 확연히 감소됨을 확인하였다.
따라서, 외장재에 MD로 패턴부를 형성함으로써, 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 파손을 최소화하여 전해액의 누액 및 스웰링 현상을 줄이고, 배터리의 벤딩 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재에 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
단계 S810에서 외장재(100)를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시킬 수 있다.
단계 S820에서 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 외장재(100)를 압인함으로써 외장재(100)의 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부(111md)를 형성할 수 있다.
여기서, 외장재의 MD는 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향일 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S810 내지 S820은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 전환될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
단계 S910에서 외장재(100)의 MD(Machine Direction)로 외장재(100)에 적어도 하나의 패턴부(111md)를 형성할 수 있다.
단계 S920에서 패턴부(111md)가 형성된 외장재(100)를 폴딩할 수 있다.
단계 S930에서 폴딩된 외장재(100)에 전극 조립체(200)를 삽입할 수 있다.
예를 들어, 외장재에는 배터리의 상면에 해당하는 패턴부 및 배터리의 하면에 해당하는 패턴부가 각각 외장재의 MD로 형성되어 있으며, 외장재는 외장재의 TD로, 두 패턴부 사이의 중심선을 기준으로 접을 수 있다(Folding 작업). 두 패턴부 사이의 중심선을 기준으로 접어진 외장재는 배터리의 상면에 해당하는 패턴부 및 배터리의 하면에 해당하는 패턴부가 중첩되도록 위치하며, 이러한 패턴부의 위치에 포개어지도록 전극 조립체를 삽입할 수 있다.
다른 예를 들어, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 외장재의 MD로 폴딩할 수 있다. 접어진 외장재에 전극 조립체가 삽입될 수 있다.
단계 S940에서 전극 조립체(200)가 삽입된 외장재(100)를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 외장재(100)는 외장재를 둘러싸는 4면에서 밀봉 작업을 수행하여 4 개의 밀봉 영역을 생성할 수 있고, 그 중 두 개의 밀봉 영역은 외장재(100)의 MD로 형성되고, 나머지 두개의 밀봉 영역은 외장재(100)의 TD로 형성될 수 있다.
여기서, 외장재의 MD는 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향일 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S910 내지 S940은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 전환될 수도 있다. 특히, 외장재에 패턴부를 형성하는 공정은 본 발명에서 외장재를 실링(밀봉)하기 전에 수행되거나 외장재를 실링(밀봉)한 후에 수행될 수도 있다.
본 발명에 따른 외장재에서는 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명이 외장재의 MD로 형성된 패턴부에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 외장재의 MD로 형성된 적어도 하나의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것일 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 포함하도록 함으로써, 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 피로 수명을 개선할 수 있다. 여기서, 피로 수명은 폴딩(예를 들어, 배터리를 생성하기 위해 외장재를 접는 동작), 벤딩(예를 들어, 배터리 또는 와장재를 구부리는 동작), 반복 폴딩(예를 들어, 배터리 내구도에 대한 실험을 위해 외장재를 반복적으로 접는 동작)과 같이 외장재의 엣지 부분에 힘이 가해짐으로써 발생하는 변형에 대한 피로 수명을 의미할 수 있다.
즉, 패턴부는 외장재의 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 외장재의 MD로 형성될 수 있다. 외장재의 MD로 패턴부를 형성함으로써, 외장재의 패턴부에서 상대적으로 곡률 반경이 작은 패턴 엣지 부분의 파손 확률을 낮출 수 있다.
상술한 바와 같이, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 포함하는 배터리는, 작은 굽힘 반경을 가져 피로강도가 상대적으로 큰 디바이스에 적용할 수 있다.
예를 들어, 디바이스 내 배터리의 굽힘 반경은 5R(손가락둘레)~35R(발목둘레)에 해당하며, 손목 밴드, 손목 시계, 반지형 스마트 디바이스 등에 적용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리
100: 외장재
110: 패턴부
130: 실링부
200: 전극 조립체
300: 전극 리드

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  5. 배터리에 사용되는 외장재에 있어서,
    상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이고,
    상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 더 포함하고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것이고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것인, 외장재.
  6. 배터리에 사용되는 외장재에 있어서,
    상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이고,
    상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 더 포함하고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것이고,
    상기 패턴부의 중심 부분으로부터 상기 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 곡률 반경이 작아지는 것인, 외장재.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴부는 상기 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 상기 외장재의 MD로 형성된 것인, 외장재.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은 상기 외장재의 MD로 형성된 상기 패턴부에 기초하여 설정되는 것인, 외장재.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 상기 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것인, 외장재.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 외장재는 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성된 것인, 외장재.
  11. 외장재에 패턴을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 외장재를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시키는 단계; 및
    상기 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 상기 외장재를 압인함으로써 롤투롤(Roll to Roll) 공정에 의해 제조된 상기 외장재의 롤의 길이 방향인 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이고,
    상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것이고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것인, 방법.
  12. 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 있어서,
    롤투롤(Roll to Roll) 공정에 의해 제조된 상기 외장재의 롤의 길이 방향인 MD(Machine Direction)로 상기 외장재에 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계;
    상기 외장재를 폴딩하는 단계;
    상기 폴딩된 외장재에 전극 조립체를 삽입하는 단계; 및
    상기 전극 조립체가 삽입된 상기 외장재를 밀봉하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이고,
    상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것이고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것인, 방법.
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