KR20000007593A - Method of making membrane having microscopic holes differs in size to direction of thickness - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 두께 방향으로 기공 크기 차이를 갖는 미세 기공막의 제조에 관한 것이다.The present invention relates to the production of microporous membranes having a pore size difference in the thickness direction.
전지용 격리막(separator)은 기본적으로 양극과 음극을 격리시키고, 그 두 극 사이에 용융 접합에 의한 단락을 방지하는 동시에 전해질 또는 이온을 통과시키는 역할을 한다. 재질 그 자체로는 전기 에너지에 기여하지 않는 불활성이지만, 그 물리적 성질에 의해 전지 성능 및 안전성에 큰 영향을 끼친다. 전지의 화학계 종류에 따라 여러 가지 다양한 격리막이 사용되고 있지만, 리튬 전지에서는 지금까지 다른 전지에서 사용되어 왔던 격리막과는 다른 특성이 요구되기 때문에 최근 다양한 연구가 진행되고 있다.The battery separator basically separates the positive electrode from the negative electrode and prevents a short circuit due to fusion bonding between the two electrodes, and serves to pass electrolyte or ions. Although the material itself is inert which does not contribute to electrical energy, its physical properties greatly affect battery performance and safety. Various kinds of separators are used depending on the type of battery chemistry, but various studies have recently been conducted in lithium batteries because they require different characteristics from those used in other batteries.
격리막으로서 요구되는 기본 특성은 양극과 음극의 격리, 전해질 또는 이온의 통과를 용이하게 하여 전기 저항을 낮추는 것, 전해액에 대한 젖음성, 전지 조립 및 사용 시에 요구되는 기계적 강도, 고밀도 충전을 위한 막 두께의 감소 등을 들 수 있겠다. 반응성이 높은 리튬 이온 전지에서는 특히 격리막의 안전성이 크게 요구되어지는데, 이는 앞서 언급한 격리막의 기본 기능 외에, 외부 단락과 같은 이유로 큰 전류가 갑자기 유입될 경우 미세 기공을 폐쇄시켜 전지 회로를 끊어버리는 기능을 말한다. 이러한 미세 기공 폐쇄에 의한 전지 회로의 절단 기능을 격리막의 셧 다운(shut-down) 특성이라 칭한다. 외부 단락에 대한 안전성에 관해서는 격리막의 셧 다운(shut-down) 특성과 함께, 셧 다운(shut-down) 후에 온도 상승 시 격리막의 형상 보지력(形狀 保持力 : melt-integrity)이 매우 중요한 인자로 작용하게 된다. 셧 다운(shut-down)이 완벽하게 일어나면, 그 후 잔류 전류는 영이 되지만, 그것은 대단히 어렵고 또한 온도는 일반적으로 급격히 증가해 조절이 힘들어지게 된다. 그러므로, 용융 온도 이상에서 막 형상을 유지하는 것은 상당한 중요성을 가지며, 너무 일찍 형상을 잃어버리게 되면 전극의 직접 접융을 일으키기 때문에 위험한 상태가 된다.The basic properties required as separators are to isolate the positive and negative electrodes, to facilitate the passage of electrolytes or ions to lower the electrical resistance, the wettability of the electrolyte, the mechanical strength required for battery assembly and use, and the film thickness for high density charging. May be reduced. In the case of highly reactive lithium ion batteries, the safety of the separator is particularly demanded. In addition to the basic function of the aforementioned separator, a function of closing the battery circuit by closing micro pores when a large current is suddenly introduced for reasons such as an external short circuit is caused. Say The cutting function of the battery circuit due to such fine pore closure is referred to as shut-down characteristic of the separator. In terms of safety against external short-circuits, the membrane's shut-down characteristics, as well as the melt-integrity of the membrane when temperature rises after shutdown is a very important factor. Will act as. If the shut-down occurs completely, then the residual current becomes zero, but it is very difficult and the temperature generally increases rapidly, making it difficult to control. Therefore, maintaining the film shape above the melting temperature is of great importance, and losing the shape too early is a dangerous condition because it causes direct welding of the electrode.
이러한 셧 다운(shut-down) 특성 및 melt-integrity와 같은 격리막의 안전성에 영향을 끼치는 인자로서 우선 격리막의 재질을 들 수 있겠다. 셧 다운(shut-down)이 빨리 일어나는 편이 미세 기공 폐쇄에 의한 온도 상승 억제가 용이하기 때문에 현재 리튬 이온 전지에서는 용융점이 낮은 폴리에틸렌을 사용하는 경우가 많고, 때로는 격리막의 셧 다운(shut-down) 특성 외에 melt-integrity 및 기계적 물성을 고려하여 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 함께 사용하는 경우도 있다.As a factor influencing the safety of the separator such as shut-down characteristics and melt-integrity, the material of the separator may be mentioned first. The faster the shutdown, the easier it is to suppress the temperature rise due to the closing of micropores. Currently, lithium ion batteries often use polyethylene with a low melting point, and sometimes the shutdown characteristics of the separator. In addition, polyethylene and polypropylene may be used together in consideration of melt-integrity and mechanical properties.
폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 적층(lamination)시켜 리튬 이온 전지 격리막을 제조하는 방법으로는 유럽 특허 제715,364호, 제718,901호 및 미국 특허 제5,240,655호, 제5,342,695호, 제5,472,792호, 그리고 일본 공개 특허 공보 평4-181651호 등을 들 수 있다. 그러나, 막 두께를 얇게 하는데 어려움이 따르고, 가공 기술 역시 까다로우며, 폴리에틸렌 층과 폴리프로필렌 층 사이의 접착력이 약하여 쉽게 층간 분리되는 단점을 지니고 있다.As a method of manufacturing a lithium ion battery separator by laminating polyethylene and polypropylene, European Patent Nos. 715,364, 718,901 and U.S. Patents 5,240,655, 5,342,695, 5,472,792, and Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-181651 etc. are mentioned. However, there is a difficulty in thinning the film thickness, processing technology is also difficult, and the adhesive strength between the polyethylene layer and the polypropylene layer is weak, so that it is easily separated between layers.
또한 폴리에틸렌/폴리프로필렌 블렌드 계를 이용하여 미세 기공 막을 제조하는 방법이 미국 특허 제5,385,777호 및 제5,480,745호에 소개되어 있다. 그러나, 이 방법 역시 상업화되어 널리 사용되고 있지는 못한 실정이다.Also described in US Pat. Nos. 5,385,777 and 5,480,745 are methods for making microporous membranes using polyethylene / polypropylene blend systems. However, this method is also not commercialized and widely used.
이 이외에 일반 다공성 막 모재(matrix) 위에 용융점이 낮은 열 용융 물질(thermal fuse material)을 분산시켜 존재하게 하는 방법이 미국 특허 제4,650,730호, 제4,731,304호, 제4,973,532호, 제5,2440,655호 및 제5,453,333호에 소개되어 있다. 여기서 열 용융 물질이란 용융 온도가 다공성 막 모재에 비해 현저히 낮은 물질로서, 그 예로서 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체, 왁스류 등을 들 수 있겠다. 그러나, 제조 공정상의 어려움, 셧 다운(shut-down) 특성의 미약, 기계적 물성의 감소 등 여러 다른 문제점 등이 발생하여 실제 사용에 어려움을 겪고 있다.In addition, methods for dispersing and presenting a low melting point thermal fuse material on a general porous membrane matrix are disclosed in US Pat. Nos. 4,650,730, 4,731,304, 4,973,532, and 5,2440,655. And 5,453,333. Here, the thermal melting material is a material having a significantly lower melting temperature than the porous membrane base material, and examples thereof include low density polyethylene, ethylene-vinylacetate copolymer, waxes, and the like. However, there are various problems such as difficulty in the manufacturing process, weak shutdown characteristics, reduction of mechanical properties, and the like, and thus have difficulties in actual use.
본 발명에서는 이러한 재료의 특성을 이용하는 기존의 방법과는 달리 진공 상태 하에서 에너지를 가진 이온 입자를 고분자 표면에 조사시켜 재료의 두께 방향으로 서로 기공 크기가 다른 막을 제조함으로써 전지 격리막으로서의 안전성, 특히 셧 다운(shut-down) 기능을 향상 시키고자 한다. 본 발명을 이용하여 격리막을 제조할 경우 셧 다운(shut-down) 특성이 재료 자체 외에 폭이 넓어지게 된다. 따라서, 기계적 물성 및 melt-integrity 특성은 우수하나, 셧 다운(shut-down) 특성 때문에 사용에 제한을 받아오던 폴리프로필렌과 같은 재료들이 격리막으로서 이용 가능해 진다.In the present invention, unlike the conventional method using the characteristics of such a material, by irradiating the surface of the polymer with ionic particles with energy under a vacuum state to produce a membrane having a different pore size in the thickness direction of the material, safety as a battery separator, in particular shutdown We want to improve the (shut-down) function. When the separator is manufactured using the present invention, the shut-down characteristic becomes wider in addition to the material itself. Therefore, the mechanical properties and melt-integrity properties are excellent, but materials such as polypropylene, which have been limited in use due to shut-down properties, can be used as separators.
도 1은 미세 기공 막의 이온 빔 조사 면에 대한 전자 현미경 사진이다.1 is an electron micrograph of the ion beam irradiation surface of the microporous membrane.
도 2는 도 1과 동일한 미세 기공 막에서 이온 빔이 조사되지 않은 반대 면의 전자 현미경 사진이다.FIG. 2 is an electron micrograph of an opposite side not irradiated with an ion beam in the same microporous membrane as in FIG. 1.
도 3은 폴리프로필렌 원판 필름의 한쪽 면(도 3a) 또는 양면 모두(도 3b)에 아르곤 이온 빔을 조사하여 제조한 미세 기공막의 막 두께 방향으로의 기공 크기 분포를 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing pore size distribution in the film thickness direction of a microporous membrane prepared by irradiating an argon ion beam on one side (FIG. 3A) or both sides (FIG. 3B) of a polypropylene disc film.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 전지용 격리막 및 기존의 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 제조된 일반 격리막의 셧 다운(shut-down) 특성을 비교한 그래프이다.Figure 4 is a graph comparing the shutdown (shut-down) characteristics of the battery separator prepared by the present invention and the conventional separator made of conventional polyethylene and polypropylene.
고 에너지 이온 입자를 조사하여 전지 격리막용 미세 기공 막을 제조할 경우, 고분자 표면에 조사된 이온 입자의 개수 및 에너지 등에 의해 미세 균열의 숫자 및 정도가 조절될 수 있으며, 또한 연신 공정을 이용하여 기공을 제조하는 건식법과 함께 사용하게 되면 기공 크기 및 모양의 다양한 조절이 가능하며, 이를 통해 최종적으로 높은 기공 밀도 및 기공도를 갖는 막을 얻을 수 있게 된다. 또한 막에 물리적 손상이 거의 없어 우수한 기계적 물성을 지니며, 용제를 사용하는 기타 다른 방법들에 비해 환경 친화 공정이라는 장점을 갖게 된다.When the microporous membrane for battery separator is manufactured by irradiating high energy ion particles, the number and degree of microcracks may be controlled by the number and energy of ion particles irradiated on the surface of the polymer, and the pores may be formed using an stretching process. When used in conjunction with the dry method for manufacturing, it is possible to control a variety of pore size and shape, thereby obtaining a membrane having a high pore density and porosity. In addition, there is little physical damage to the membrane has excellent mechanical properties, and has the advantage of being an environmentally friendly process compared to other methods using a solvent.
진공 상태 하에서 반응성 가스를 불어 넣어주면서 이온 입자를 고분자 표면에 조사하여 고분자 표면의 물에 대한 접촉각을 감소시키거나, 접착력을 증대시키는 것으로 이루어진 이온 빔 도움 반응에 의한 고분자 표면의 개질 방법 및 이에 의해 표면 개질된 고분자에 관한 내용은 한국 특허 출원 번호 제96-2356호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 발명은 고분자 표면의 친수성 또는 소수성 등을 부여하기 위하여 반응성 가스와 더불어 이온 빔을 사용하는 것으로, 미세 기공 막 형성과는 관련이 없다. 본 발명에서는 이러한 고분자 표면 개질에 사용된 이온 빔을 미세 기공 막 제조에 이용하여 막 두께 방향으로의 기공 크기 분포 조절을 통해 전지용 격리막의 안전성 기능을 향상시키고자 한다.Method of modifying polymer surface by ion beam assist reaction consisting of reducing the contact angle to water on the surface of polymer or increasing adhesion by irradiating ionic particles to polymer surface while blowing reactive gas under vacuum The modified polymer is disclosed in Korean Patent Application No. 96-2356. However, the present invention uses an ion beam together with a reactive gas to impart hydrophilicity or hydrophobicity of the surface of the polymer, and is not related to the formation of microporous membranes. In the present invention, by using the ion beam used to modify the surface of the polymer for the production of microporous membranes to improve the safety function of the battery separator by controlling the pore size distribution in the membrane thickness direction.
본 발명의 방법에 따라 이온 빔 조사 및 건식법 공정을 이용하여 미세 기공 막을 제조할 경우, 고분자 표면에 조사된 이온 입자의 숫자 및 에너지 등에 의해 미세 균열의 숫자 및 균열 정도를 조절할 수 있으며, 이를 통해 기공의 크기가 매우 작고, 그 개수가 많으며 또한 높은 기공도를 갖는 막을 제조할 수 있게 된다. 특히, 이온 빔이 조사된 표면으로부터 이온 빔 에너지 도달 정도에 따라 두께 방향으로 기공 크기가 감소하는 경향을 보이며, 이렇게 작아진 기공은 막 재료의 용융 온도보다 낮은 온도에서도 기공 막힘이 가능하게 된다. 이 경우 막의 melt-integrity 특성을 유지하면서 셧 다운(shut-down) 온도만 낮추게 되어 전지의 안전성에 크게 기여하게 된다.According to the method of the present invention, when the microporous membrane is manufactured by using an ion beam irradiation and a dry method process, the number of microcracks and the degree of cracking can be controlled by the number and energy of ion particles irradiated on the surface of the polymer, and thus the pores. It is possible to produce a membrane having a very small size, a large number thereof, and a high porosity. In particular, the pore size tends to decrease in the thickness direction according to the degree of ion beam energy reaching from the surface to which the ion beam is irradiated, and such a small pore enables pore clogging even at a temperature lower than the melting temperature of the membrane material. In this case, only the shutdown temperature is lowered while maintaining the melt-integrity characteristic of the membrane, which greatly contributes to battery safety.
현재까지의 연구들은 대부분 재질 변화를 통한 셧 다운(shut-down) 특성 향상에 그 초점을 두고 왔지만, 본 발명에서는 막의 형태학적 요인, 즉 기공 크기의 감소에 의해 보다 낮은 온도에서도 기공이 막힐 수 있다는 점에 착안을 하여 셧 다운(shut-down) 특성을 향상시키고자 하였다. 기공 크기가 작아지게 되면 기계적 물성 역시 향상하게 되지만, 한편 전해질 및 이온의 통과가 용이하지 못하게 되는 단점을 예상할 수 있다. 본 발명에서는 기공 개수의 증가 및 기공도 향상 그리고 막 두께 방향으로의 기공 크기 조절을 통하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 본 발명을 위해 제조된 막은, 막 표면에는 비교적 크기가 큰 기공이 많이 존재하게 되고, 내부로 들어갈수록 작은 크기의 기공이 많아져서 마치 서로 다른 기공 크기를 갖는 막들을 적층 시켜 놓은 듯한 형상적 특성(morphology)을 갖게 된다. 따라서, 막 표면의 크기가 큰 기공에 의해 전해액 및 이온의 투과도의 향상이, 그리고 막 내부의 크기가 작은 기공에 의해 셧 다운(shut-down) 특성 및 기계적 물성의 향상이 가능하게 된다.Most studies to date have focused on improving shut-down characteristics through material changes, but in the present invention, the morphological factors of the membrane, that is, the decrease in pore size, may cause pores to be blocked at lower temperatures. With this in mind, we tried to improve the shut-down characteristics. When the pore size is reduced, the mechanical properties are also improved, but it can be expected that the electrolyte and ions can not pass easily. In the present invention, this problem can be solved by increasing the number of pores, improving porosity, and adjusting pore size in the film thickness direction. Membrane prepared for the present invention, there are a lot of pores of a relatively large size on the surface of the membrane, the more pores of a smaller size as the inside enters, the shape characteristics as if laminated with a film having a different pore size ( morphology). Therefore, the pores with a large size of the membrane surface improve the permeability of the electrolyte solution and ions, and the shut-down characteristics and the mechanical properties can be improved by the small pores inside the membrane.
본 발명에서 사용되는 방법은 구체적으로 다음과 같은 방법으로 이루어진다.The method used in the present invention specifically consists of the following method.
1. 원판 필름의 제조 : 합성 수지를 T-다이(T-die)가 부착된 압출기(extruder)를 이용하여 원판 필름을 제조한다.1. Preparation of disc film: A disc film is prepared by using an extruder having a T-die attached to a synthetic resin.
2. 어닐링 : 제조된 원판 필름의 결정화도 및 탄성 복윈율을 높이기 위해 건조 오븐에서 폴리올레핀의 용융점 아래의 온도에서 어닐링 시킨다.2. Annealing: In order to increase the crystallinity and elastic recovery rate of the prepared original film, it is annealed at a temperature below the melting point of the polyolefin in a drying oven.
3. 표면 조사(照射) : 고진공으로 유지된 진공조 내에 원판 필름을 투입한 후, 이온 총(ion gun)에 이온 생성 가스를 주입하여 에너지를 가진 입자를 생성시킨 후 이온 빔 전류를 변화시키면서 에너지를 가진 입자를 고분자 표면의 한쪽면, 또는 양면 모두에 조사한다. 이 때, 이온 총에 연결된 전원 장치를 조절하여 에너지를 가진 입자의 에너지가 0.01 - 10 keV가 되게 한다. 이온 빔이 조사된 고분자에 미세 균열이 형성된다. 한편, 미세 균열 형성과 동시에 고분자 표면의 개질을 위해서는 이온 빔 조사와 함께 필름 주위에 반응성 가스 주입량을 0.5 - 20 ml/분으로 변화시키면서 반응성 가스 주입기에 의해 반응성 가스를 주입하여 친수성 또는 소수성 처리를 한다. 이러한 표면 개질 단계는 미세 기공 막 제조 후에 별도로 시행될 수도 있다.3. Surface irradiation: After the original film is put into a vacuum chamber maintained at high vacuum, ion generating gas is injected into the ion gun to produce particles with energy, and then energy is changed while changing the ion beam current. Particles with are irradiated on one or both surfaces of the polymer surface. At this time, the power supply connected to the ion gun is adjusted so that the energy of the energetic particles is 0.01-10 keV. Fine cracks are formed in the polymer irradiated with the ion beam. On the other hand, in order to modify the surface of the polymer simultaneously with the formation of microcracks, hydrophilic or hydrophobic treatment is performed by injecting a reactive gas with a reactive gas injector while changing the amount of reactive gas injected into the film around 0.5-20 ml / min with ion beam irradiation. . This surface modification step may be carried out separately after the preparation of the microporous membrane.
4. 저온 연신 : 이온 빔이 조사된 필름을 롤(roll) 또는 이축 연신기를 이용하여 상온 이하의 온도에서 1 축으로 연신시켜 앞서 제조된 미세 균열을 성장시킨다.4. Low temperature stretching: The film irradiated with an ion beam is stretched uniaxially at a temperature below room temperature using a roll or a biaxial stretching machine to grow the micro cracks prepared above.
5. 고온 연신 : 이축 연신기를 이용하여 고분자의 용융점 아래에서 앞서 이온 빔 조사 및 저온 연신 등에 의해 제조된 미세 균열을 1 축 또는 2 축 연신시켜 원하는 크기를 지닌 미세 기공을 형성하며, 또한 이러한 고온 연신을 통해 막에 기계적 물성을 부여한다.5. High temperature stretching: By using a biaxial stretching machine, the microcracks prepared by ion beam irradiation and low temperature stretching are uniaxially or biaxially stretched below the melting point of the polymer to form micropores having a desired size. Imparts mechanical properties to the membrane.
6. 열 고정 : 고온 연신이 끝난 후 고분자의 용융점 아래에서 장력을 받은 상태 그대로 일정 시간 열 고정시킨다.6. Heat fixation: After high temperature stretching, heat fix for a certain time under tension under the melting point of polymer.
위의 단계들은 최적의 물성을 갖는 막의 제조에 대한 전체 공정을 설명한 것이며, 원하는 최종 물성에 따라 일부 단계를 생략하거나 추가공정을 부가할 수 있다.The above steps describe the overall process for the preparation of the membrane with optimal properties, and some steps may be omitted or additional steps may be added depending on the final properties desired.
이와 같은 방법을 이용하여 제조한 미세 기공 막을 다음과 같은 항목에 기준 하여 분석하였다.The microporous membranes prepared using this method were analyzed based on the following items.
1) 두께1) thickness
2) 통기도 (air permeability) : JIS P81172) air permeability: JIS P8117
3) 기공도 (porosity) : ASTM D28733) Porosity: ASTM D2873
4) 기공 크기 (pore size) : SEM, TEM4) Pore size: SEM, TEM
5) 기공 밀도 (pore density) : SEM, TEM5) Pore density: SEM, TEM
6) 인장 강도 (tensile strength) 및 인장 탄성율 (tensile modulus) : ASTM D8826) Tensile strength and tensile modulus: ASTM D882
7) 돌자 강도 (puncture resistance)7) puncture resistance
8) 무공화(無孔化) 온도 (shut-down (SD) temperature)8) shut-down (SD) temperature
9) 막파단 온도 (melt-integrity temperature)9) melt-integrity temperature
10) 흡수 속도 (water absorption speed) : JIS L-109610) Water absorption speed: JIS L-1096
실시예 1Example 1
이온 빔을 이용한 폴리에틸렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polyethylene Microporous Membranes Using Ion Beams
고밀도 폴리프로필렌은 이소탁틱(isotactic) 호모폴리머(homopolymer)를 사용하였으며, 용융 지수(melt index)는 2.0 g/10분, 밀도는 0.90 g/cc이었다. 폴리프로필렌 원판 필름(precursor film)은 T-다이가 부착된 일축 압출기(single screw extruder) 및 권취 장치(take-up device)를 이용하여 제조하였다. 압출 온도는 230 ℃이었으며, 권취 장치의 냉각 롤(roll) 온도는 70 ℃, 그리고 권취 속도는 60 m/분이었으며, 이 때 권취비는 120이었다. 제조된 원판 필름을 건조 오븐에서 140 ℃에서 1 시간 동안 어닐링 시켰다. 어닐링 후, 원판 필름을 10-5- 10-6torr로 유지시킨 진공조에 투입한 다음, 아르곤 입자(Ar+)를 이온 총을 이용하여 원판 필름의 양면에 조사하여 기공을 형성하였다. 이 때, 이온 빔의 에너지는 2.5 keV, 이온 조사량은 5×1018ions/cm2이었다. 얻어진 미세 기공 막의 물성을 표 1에 나타내었다.High density polypropylene used isotactic homopolymer, melt index was 2.0 g / 10 min, density was 0.90 g / cc. Polypropylene precursor films were prepared using a single screw extruder and a take-up device with a T-die attached. The extrusion temperature was 230 ° C., the cold roll temperature of the winding device was 70 ° C., and the winding speed was 60 m / min, at which time the winding ratio was 120. The prepared original film was annealed at 140 ° C. for 1 hour in a drying oven. After the annealing, the original film was placed in a vacuum chamber maintained at 10 −5 −10 −6 torr, and then argon particles (Ar + ) were irradiated on both sides of the original film using an ion gun to form pores. At this time, the energy of the ion beam was 2.5 keV, and the ion irradiation amount was 5 × 10 18 ions / cm 2 . The physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 2Example 2
이온 빔 조사 및 저온 연신을 이용한 폴리프로필렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polypropylene Microporous Membrane Using Ion Beam Irradiation and Low Temperature Stretching
실시예 1과 동일한 고밀도 폴리프로필렌을 사용하였다. 고밀도 폴리프로필렌 원판 필름은 실시예 1과 동일한 압출기 및 권취 장치를 이용하여 제조하였으며, 권취 장치의 냉각 롤 온도는 60 ℃, 권취 속도는 30 m/분, 권취비는 70이었다. 얻어진 원판 필름은 실시예 1과 동일한 건조 오븐에서 140 ℃에서 1시간 동안 어닐링 시켰다. 어닐링 후, 실시예 1과 동일한 진공 상태 및 이온을 사용하여 미세 균열을 만들었다. 이 때 이온 빔의 에너지는 1 keV, 이온 조사량은 5×1017ions/cm2이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후, 롤 연신 방식을 이용하여 상온에서 초기 길이에 대해 100 %의 연신 배율로 1 축 연신 시켰다. 연신이 끝난 후, 140 ℃로 고정된 어닐링 롤을 이용하여 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정을 시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.The same high density polypropylene as in Example 1 was used. The high density polypropylene original film was manufactured using the same extruder and winding apparatus as Example 1, the cooling roll temperature of the winding apparatus was 60 degreeC, the winding speed was 30 m / min, and the winding ratio was 70. The obtained original film was annealed at 140 ° C. for 1 hour in the same drying oven as in Example 1. After annealing, fine cracks were made using the same vacuum and ions as in Example 1. At this time, the energy of the ion beam was 1 keV, and the ion irradiation amount was 5 × 10 17 ions / cm 2 . After the ion beam irradiation was completed, uniaxial stretching was performed at a draw ratio of 100% with respect to the initial length at room temperature using a roll stretching method. After the stretching was completed, by using an annealing roll fixed at 140 ℃ heat fixed for 2 minutes in the state under tension to cool to prepare a fine pore membrane. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 3Example 3
이온 빔 조사 및 고온 연신을 이용한 폴리프로필렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polypropylene Microporous Membrane Using Ion Beam Irradiation and High Temperature Stretching
실시예 2와 동일한 방법으로 고밀도 폴리프로필렌 원판 필름을 제조하였다. 얻어진 원판 필름은 실시예 2와 동일하게 140 ℃에서 1 시간 동안 어닐링 시켰다. 어닐링 후, 실시예 2와 동일한 진공 상태 및 이온을 사용하여 미세 균열을 만들었다. 이 때 이온 빔의 에너지는 1.5 keV, 이온 조사량은 5×1017ions/cm2이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후, 도요세이키(Toyoseiki Co.)사의 2 축 연신기를 이용하여 140 ℃에서 100%의 연신 배율로 고온 1 축 연신 시켰다. 연신이 끝난 후, 140 ℃에서 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정을 시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.A high density polypropylene disc film was prepared in the same manner as in Example 2. The obtained original film was annealed at 140 ° C. for 1 hour in the same manner as in Example 2. After annealing, fine cracks were made using the same vacuum and ions as in Example 2. At this time, the energy of the ion beam was 1.5 keV and the ion irradiation amount was 5 × 10 17 ions / cm 2 . After the ion beam irradiation was completed, high temperature uniaxial stretching was carried out at 140 ° C. at a stretching ratio of 100% using a biaxial stretching machine manufactured by Toyoseiki Co., Ltd. After stretching, the microporous membrane was prepared by heat-fixing for 2 minutes while being tensioned at 140 ° C. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 4Example 4
이온 빔 조사 및 저온, 고온 연신을 이용한 폴리프로필렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polypropylene Microporous Membrane Using Ion Beam Irradiation and Low Temperature and High Temperature Stretching
실시예 2와 동일한 방법으로 고밀도 폴리프로필렌의 원판 필름을 제조한 후 어닐링 시켰다. 어닐링 후, 실시예 2와 동일한 진공 상태 및 이온을 사용하여 미세 균열을 만들었다. 이온 빔 조사가 끝난 후, 롤 연신 방식을 이용하여 상온에서 초기 길이에 대해 30 %의 연신 배율로 1 축 연신 시켰다. 상온 연신이 끝난 후, 도요세이키(Toyoseiki Co.)사의 2축 연신기를 이용하여 140 ℃에서 70 %의 연신 배율로 고온 1 축 연신 시켰다. 계속해서 140 ℃에서 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정을 시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1 에 나타내었다.An original film of high density polypropylene was prepared in the same manner as in Example 2 and then annealed. After annealing, fine cracks were made using the same vacuum and ions as in Example 2. After the ion beam irradiation was completed, uniaxial stretching was performed at a draw ratio of 30% of the initial length at room temperature using a roll stretching method. After the stretching at room temperature, a high temperature uniaxial stretching was carried out at 140 ° C. at a stretching ratio of 70% using a biaxial stretching machine manufactured by Toyoseiki Co., Ltd. Subsequently, heat fixation was performed for 2 minutes while the tension was applied at 140 ° C., followed by cooling to prepare a microporous membrane. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 5Example 5
이온 빔 조사 및 저온, 고온 연신을 이용한 폴리에틸렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polyethylene Microporous Membrane Using Ion Beam Irradiation and Low Temperature and High Temperature Stretching
고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene)을 사용하였으며, 용융 지수(melt index)는 0.05 g/10분, 밀도는 0.951 g/cc이었다. 고밀도 폴리에틸렌 원판 필름은 실시예 1과 동일한 압출기 및 권취 장치를 이용하여 제조하였다. 압출 온도는 180 ℃이었으며, 권취 장치의 냉각 롤(roll) 온도는 50 ℃, 그리고 권취 속도는 35 m/분이었으며, 이 때 권취비는 70 이었다. 제조된 원판 필름을 건조 오븐에서 110℃에서 1 시간 동안 어닐링 시켰다. 어닐링 후, 원판 필름을 10-5- 10-6torr로 유지시킨 진공조에 투입한 다음, 아르곤 입자(Ar+)를 이온 총을 이용하여 원판 필름의 양면에 조사하여 미세 균열을 만들었다. 이 때, 이온 빔의 에너지는 1 keV, 이온 조사량은 1017ions/cm2이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후 실시예 4와 동일한 방식으로 상온에서 30 %, 그리고 115 ℃에서 70 %의 연신 배율로 1축 연신 시켰다. 계속해서 실시예 4와 동일한 방법으로 115 ℃에서 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.High density polyethylene was used, with a melt index of 0.05 g / 10 min and a density of 0.951 g / cc. The high density polyethylene disc film was produced using the same extruder and winding device as in Example 1. The extrusion temperature was 180 ° C., the cold roll temperature of the winding device was 50 ° C., and the winding speed was 35 m / min, at which time the winding ratio was 70. The prepared original film was annealed at 110 ° C. for 1 hour in a drying oven. After annealing, the original film was placed in a vacuum chamber maintained at 10 −5 −10 −6 torr, and then argon particles (Ar + ) were irradiated on both sides of the original film using an ion gun to form fine cracks. At this time, the energy of the ion beam was 1 keV, and the ion irradiation amount was 10 17 ions / cm 2 . After the ion beam irradiation, it was uniaxially stretched at a draw ratio of 30% at room temperature and 70% at 115 ° C in the same manner as in Example 4. Subsequently, in the same manner as in Example 4, the microporous membrane was prepared by heat-fixing for 2 minutes under tension at 115 ° C. and cooling. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 6Example 6
폴리프로필렌/폴리에틸렌 블렌드로 구성된 미세 기공 막의 형성Formation of Microporous Membranes Composed of Polypropylene / Polyethylene Blends
실시예 4 및 5 에서 사용한 폴리프로필렌과 고밀도 폴리에틸렌을 사용하여 실시예 4 및 5와 동일한 압출기 및 T-다이, 그리고 권취 장치를 이용하여 원판 필름을 제조하였다. 이 때, 조성비는 폴리프로필렌/고밀도 폴리에틸렌 = 80/20 중량%이었다. 한편, 압출 온도는 230℃이었으며, 권취 장치의 냉각 롤 온도는 55 ℃, 그리고 권취 속도는 50 m/분 이었으며, 이 때 제조된 원판 필름의 권취비는 100이었다. 얻어진 원판 필름은 실시예 1과 동일한 건조 오븐에서 120 ℃에서 1 시간 동안 어닐링 시켰다. 어닐링 후 실시예 1 및 2와 동일한 진공 상태 및 이온을 사용하여 미세 균열을 만들었다. 이 때, 이온 빔의 에너지는 1.25 keV, 이온 조사량은 2.5×1017ions/cm2이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후, 실시예 4와 동일한 방법으로 상온에서 30 %, 그리고 125 ℃에서 70 %의 연신 배율로 1 축 연신 시켰다. 계속해서 동일 온도에서 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.The original film was manufactured using the same extruder, T-die, and winding apparatus as Example 4 and 5 using the polypropylene and high density polyethylene used in Examples 4 and 5. At this time, the composition ratio was polypropylene / high density polyethylene = 80/20% by weight. On the other hand, the extrusion temperature was 230 ℃, the cold roll temperature of the winding device was 55 ℃, and the winding speed was 50 m / min, the winding ratio of the original film produced at this time was 100. The obtained original film was annealed at 120 ° C. for 1 hour in the same drying oven as in Example 1. Fine annealing was made using the same vacuum and ions as in Examples 1 and 2 after annealing. At this time, the energy of the ion beam was 1.25 keV, and the ion irradiation amount was 2.5 × 10 17 ions / cm 2 . After the ion beam irradiation was finished, uniaxial stretching was performed in the same manner as in Example 4 at a draw ratio of 30% at room temperature and 70% at 125 ° C. Subsequently, the film was heat-fixed for 2 minutes while being tensioned at the same temperature and then cooled to prepare a microporous membrane. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 7Example 7
폴리프로필렌/폴리에틸렌 적층(lamination)으로 구성된 미세 기공 막의 형성Formation of microporous membrane consisting of polypropylene / polyethylene lamination
폴리프로필렌 원판 필름은 실시예 4와 동일한 방법으로, 그리고 고밀도 폴리에틸렌 원판 필름은 실시예 5와 동일한 방법으로 각각의 두께가 12 μm이 되도록 제조하였다. 이와 같이 제조된 두 원판 필름을 프레스(press)를 이용하여 고온에서 폴리프로필렌/고밀도 폴리에틸렌/폴리프로필렌의 순서로 적층시켰다. 프레스의 온도는 130 ℃, 압력은 50 kg/cm2이었다. 적층된 원판 필름은 실시예 6과 동일한 방법으로 진공에서 이온 빔을 조사하여 표면에 미세 균열을 만들었으며, 실시예 6과 동일한 방법으로 상온 및 고온 연신 시킨 후 열 고정하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 특성을 표 1에 나타내었다.The polypropylene disc film was prepared in the same manner as in Example 4, and the high density polyethylene disc film was made in the same manner as in Example 5 so that the thickness of each was 12 μm. The two original films thus prepared were laminated in the order of polypropylene / high density polyethylene / polypropylene at high temperature using a press. The temperature of the press was 130 degreeC, and the pressure was 50 kg / cm <2> . The laminated disc film was irradiated with an ion beam in a vacuum in the same manner as in Example 6 to form fine cracks on the surface. Various properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
실시예 8Example 8
친수성 반응성 가스를 동반한 이온 빔 조사 및 연신을 이용한 폴리에틸렌 미세 기공 막의 형성Formation of Polyethylene Microporous Membrane Using Ion Beam Irradiation and Stretching with Hydrophilic Reactive Gas
실시예 4와 동일한 폴리프로필렌 및 제조 방식으로 원판 필름을 제조한 후 어닐링을 시켰다. 어닐링 후, 실시예 4와 동일한 진공 상태 및 이온을 사용하여 표면에 미세 균열을 생성시키면서 동시에 필름 주위에 반응성 가스(산소) 주입량을 4 ml로 하여 반응성 가스 주입기에 의해 주입하여 표면 처리를 하였다. 이 때, 이온 빔의 에너지는 1.2 keV, 이온 조사량은 2×1016ions/cm2이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후, 실시예 4와 동일한 연신 방식으로 상온 및 고온에서 1 축 연신 시켰다. 계속해서 140 ℃에서 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정을 시킨 후 냉각하여 미세 기공 막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.An original film was prepared in the same polypropylene and production method as in Example 4, followed by annealing. After annealing, the same vacuum state and ions as in Example 4 were used to generate fine cracks on the surface, and at the same time, the amount of reactive gas (oxygen) injected around the film was injected by a reactive gas injector to perform surface treatment. At this time, the energy of the ion beam was 1.2 keV, and the ion irradiation amount was 2 × 10 16 ions / cm 2 . After the ion beam irradiation was finished, uniaxial stretching was performed at room temperature and high temperature in the same stretching manner as in Example 4. Subsequently, heat fixation was performed for 2 minutes while the tension was applied at 140 ° C., followed by cooling to prepare a microporous membrane. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
비교예 1Comparative Example 1
일반 건식법을 이용한 폴리프로필렌 미세 기공 막의 제조Preparation of Polypropylene Microporous Membrane Using General Dry Method
실시예 8과 동일한 방식으로 일반 건식법 공정에 의해 미세 기공 막을 제조하였으며, 앞서의 실시예와는 달리 이온 입자와 반응성 가스 처리는 시행하지 않았다. 얻어진 미세 기공 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.In the same manner as in Example 8, the microporous membrane was prepared by the general dry process, and unlike the previous example, the ion particles and the reactive gas treatment were not performed. Various physical properties of the obtained microporous membrane are shown in Table 1.
본 발명의 이온 빔을 이용하는 미세 기공 막 제조 방법을 사용하면, 막 두께 방향으로 기공 크기 조절이 가능하며, 이를 통해 전지 격리막으로서 사용할 때 안전성의 향상이 가능하다. 막의 melt-integrity 특성은 유지되면서 막 내부의 작은 크기의 기공에 의해 보다 낮은 온도에서 기공이 막히게 되므로 셧 다운(shut-down) 특성이향상된다. 또한, 이러한 막 두께 방향으로 기공 크기 분포를 갖게 되면, 각 기공 크기에서 예상될 수 있는 우수한 물성, 즉 높은 전해질 및 이온의 투과도, 기계적 물성의 향상 등을 동시에 구현할 수 있게 된다.By using the method for producing a microporous membrane using the ion beam of the present invention, the pore size can be adjusted in the film thickness direction, thereby improving safety when used as a battery separator. While the melt-integrity property of the membrane is maintained, the pores are blocked at a lower temperature by the smaller pores inside the membrane, thereby improving the shut-down characteristics. In addition, having a pore size distribution in the film thickness direction, it is possible to simultaneously realize excellent physical properties that can be expected at each pore size, that is, high electrolyte and ion permeability, improvement of mechanical properties and the like.
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