KR20000051284A - Microporous membrane and method of preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 미세 기공막의 제조 방법 및 이 제조 방법으로 제조된 전지의 격리막용 미세 기공막에 관한 것으로서, 상세하게는 우수한 기계적 강도를 갖는 미세 기공막을 간단한 공정으로 제조할 수 있는 미세 기공막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a microporous membrane and a microporous membrane for a separator membrane of a battery produced by the method, in detail, to a method for producing a microporous membrane capable of producing a microporous membrane having excellent mechanical strength in a simple process. It is about.
[종래 기술][Prior art]
미세 기공막은 다양한 분야에 널리 이용되고 있으며, 특히 최근에는 리튬 이차 전지의 격리막으로 이용되고 있다. 리튬 이차 전지 중 특히 리튬 이온 전지에는 전해액으로 활성이 높은 유기 용매를 사용하기 때문에 유기 용매와의 반응성이 낮고, 또한 저렴한 폴리올레핀계 수지로 제조된 미세 기공막이 격리막으로 주로 사용되고 있다.Microporous membranes are widely used in various fields, and in particular, they have recently been used as separators for lithium secondary batteries. Among lithium secondary batteries, particularly, lithium ion batteries use highly active organic solvents as electrolytes, and thus, microporous membranes having low reactivity with organic solvents and made of inexpensive polyolefin resins are mainly used as separators.
폴리올레핀계 수지를 이용하여 전지의 격리막으로 이용되는 미세기공막을 제조하는 방법은 원판 필름(precursor film)을 제조하고, 이 원판 필름을 어닐링 한 후, 연신하여 미세 기공을 형성하고 이어서 열 고정(hot setting)하는 단계로 구성된다. 원판 필름을 제조하는 방법으로 주로 사용되고 있는 방법은 필러(filler) 또는 왁스(wax)와 용매를 사용하는 습식법과 용매를 사용하지 않는 건식법이 있다. 이중 건식법이 넓은 폭의 원판 필름 제조가 가능하고 생산공정이 비교적 용이하며, 용매를 사용하지 않으므로 우수한 제조 환경을 가질 수 있고, 대량 생산이 용이하다는 점에서 주로 사용되고 있다. 이와 같은 건식법을 이용하여 미세 기공막을 제조하는 종래 방법은 다음과 같다.The method for producing a microporous membrane used as a separator of a battery using a polyolefin resin is to prepare a precursor film, annealing the original film, and then stretching to form micropores, followed by hot setting. )). The method mainly used as a method of manufacturing the original film includes a wet method using a filler or a wax and a solvent and a dry method using no solvent. The double dry method is mainly used in that the production of a wide disc film is relatively easy, the production process is relatively easy, and because it does not use a solvent, it can have an excellent manufacturing environment, and mass production is easy. The conventional method of manufacturing a microporous membrane using such a dry method is as follows.
미국 특허 제 3,679,538 호와 제 3,801,692 호에는 높은 결정화도 및 탄성(elasticity)을 지닌 원판 필름을 연속적인 냉연신 공정(cold stretching)을 거쳐 연속적으로 고온 연신(hot stretching)하여 미세 기공을 형성한 후, 열 고정(heat setting)하여 미세 기공막을 형성하는 방법이 기술되어 있다. 미국 특허 제 3,843,761 호 및 제 4,238,459 호에는, 어닐링(annealing)된 원판 필름을 초기에 연속적으로 냉연신시키고 이어서 다단계 고온 연신시키는 방법이 기술되어 있다. 또한, 미국 특허 제 5,013,439 호에, 연속적인 냉연신 및 고온 연신 공정에서 다단계 냉연신 공정을 이용함으로써 기공 크기(pore size)를 감소시키고, 기공 밀도(pore density)가 증가된 막을 제조하는 방법에 기술되어 있다.U.S. Patent Nos. 3,679,538 and 3,801,692 describe the formation of micropores by continuously hot stretching a film of high crystallinity and elasticity through a continuous cold stretching process, followed by thermal A method of forming a microporous membrane by heat setting is described. U.S. Patent Nos. 3,843,761 and 4,238,459 describe a method of initially cold drawing annealing annealed films continuously and then multistage hot drawing. In addition, US Pat. No. 5,013,439 discloses a method for producing membranes having reduced pore size and increased pore density by using a multi-step cold draw process in continuous cold draw and hot draw processes. It is.
미국 특허 제 5,385,777 호 및 제 5,480,745 호에는, 리튬 이온 전지의 안전성을 향상시키기 위하여 폴리에틸렌/폴리프로필렌 블렌드계를 이용하여 앞서 소개한 연속적인 다단계 냉연신 및 고온 연신 공정을 거쳐 미세 기공막을 제조하는 것을 제시하고 있다. 또한, 건식법을 이용하여 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 적층(lamination)시켜 리튬 이온 전지 격리막을 제조한 방법을 소개한 특허들로는 유럽 특허 제 715,364 호 제 718,901 호, 제 723,304 호 및 미국 특허 제 5,240,655 호, 제 5,342,695 호, 제 5,472,792 호 그리고 일본 특허 공개 평 4-181651 호 등을 들 수 있다.U.S. Pat.Nos. 5,385,777 and 5,480,745 present the preparation of microporous membranes through the continuous multi-step cold and hot stretching processes described above using polyethylene / polypropylene blends to improve the safety of lithium ion batteries. Doing. In addition, patents introducing a method of manufacturing a lithium ion battery separator by lamination of polyethylene and polypropylene using a dry method include European Patent Nos. 715,364, 718,901, 723,304, and US Pat. Nos. 5,240,655, 5,342,695. No. 5,472,792 and Japanese Patent Laid-Open No. 4-181651.
상술한 바와 같이, 결정성 고분자를 소재로 하여 분리막을 제조하는 건식법은, 냉연신을 통해, 막의 상대적으로 약한 무정형(amorphous regoin) 부분이 파열되어 기공이 형성된다. 이 제조 공정은 순수 고분자만을 사용하므로 용매 오염 등의 문제가 전혀 없는 청정 공정(clean process)이라는 장점을 가지고 있다. 그러나 이 공정으로 제조된 분리막은 막의 다공성 및 기공의 크기가 다소 떨어져서, 이 막을 전지의 격리막으로 사용할 때 전해질 및 이온의 통과가 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한, 상기 공정으로 제조된 분리막은 기공 크기 및 모양의 균일한 조절이 어려우며 분리막의 형태를 유지시키기 위하여 연신율의 증가에도 한계가 있으므로 다공성 향상에 문제가 되고 있다. 아울러, 상기한 방법들은 저온 연신 및 고온 연신의 이단계 연신을 실시하여야 하므로 공정이 복잡하다. 또한, 저온 연신을 행하지 않고 고온에서 연신 공정을 실시하여 미세 기공막을 형성하는 내용이 미국 특허 제 4,994,335 호에 보고되어 있다. 이 방법은 분리막에 크기 및 모양이 균일한 기공을 형성할 수 있으나, 연신 속도가 매우 느린 경우에만 기공이 형성될 수 있다는 제약이 존재한다.As described above, in the dry method for preparing a separation membrane using a crystalline polymer as a material, the relatively weak amorphous portion of the membrane is ruptured through cold drawing, thereby forming pores. Since this manufacturing process uses only pure polymers, it has the advantage of being a clean process without any problems such as solvent contamination. However, the separation membrane prepared by this process has a problem that the porosity and pore size of the membrane are somewhat reduced, so that the electrolyte and ions cannot easily pass when the membrane is used as a separator of the battery. In addition, the membrane prepared by the process is difficult to uniformly control the pore size and shape, and there is a problem in improving the porosity because there is a limit to increase the elongation to maintain the shape of the separator. In addition, the above-described methods are complicated because the low-temperature stretching and the two-step stretching of high temperature stretching must be carried out. In addition, US Pat. No. 4,994,335 has been reported to form a microporous membrane by performing a drawing process at a high temperature without performing a low temperature drawing. This method can form pores of uniform size and shape in the separator, but there is a restriction that pores can be formed only when the drawing speed is very slow.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 분리막에 크기 및 모양이 균일한 기공을 형성할 수 있는 미세기공막의 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for producing a microporous membrane that can form pores of uniform size and shape in the separation membrane.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 균일한 크기 및 모양의 기공을 분리막에 간단하게 형성할 수 있는 미세 기공막의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a microporous membrane which can easily form the pores of the uniform size and shape as described above in the separation membrane.
본 발명의 또 다른 목적은 연신 속도의 저하없이 균일한 크기 및 모양을 갖는 기공을 분리막에 형성할 수 있는 미세 기공막의 제조 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for producing a microporous membrane capable of forming pores having a uniform size and shape in a separation membrane without deterioration in stretching speed.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 물성을 갖으며, 전지 격리막으로 유용한 전지의 격리막용 미세 기공막을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a microporous membrane for a separator of a battery having the above-described physical properties and useful as a battery separator.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 미세 기공막의 전자 현미경 사진.1 is an electron micrograph of a microporous membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
[과제를 해결하기 위한 수단][Means for solving the problem]
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자로 형성된 필름을 어닐링하는 단계; 상기 어닐링한 필름의 표면에 0.01∼10 keV의 에너지를 가진 입자를 조사하는 단계; 상기 입자가 조사된 필름을 연신하는 단계; 상기 연신된 필름을 열 고정하는 단계를 포함하는 미세기공막의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of annealing a film formed of a polymer; Irradiating particles having an energy of 0.01 to 10 keV on the surface of the annealed film; Stretching the film irradiated with the particles; It provides a method for producing a microporous membrane comprising the step of heat fixing the stretched film.
본 발명은 또한, 상기한 방법으로 제조된 전지의 격리막용 미세 기공막을 제공한다.The present invention also provides a fine pore membrane for the separator of the battery produced by the above method.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
진공 상태하에서 에너지를 가진 이온 입자를 고분자 표면에 조사하면 고분자 표면의 접촉각을 감소시키거나 접착력을 증대시킬 수 있다(한국 특허 제 2456 호). 본 발명은 이러한 원리를 이용한 것으로, 연신 공정에 앞서 에너지를 가진 입자를 고분자 필름의 표면에 조사하여 미세 균열을 형성시켜 기공을 형성하는 미세 기공막의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 미세 기공막의 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Irradiating ionic particles with energy to the surface of the polymer under vacuum can reduce the contact angle or increase the adhesion of the surface of the polymer (Korean Patent No. 2456). The present invention uses this principle, and relates to a method for producing a microporous membrane which forms pores by forming fine cracks by irradiating particles with energy on the surface of the polymer film prior to the stretching process. Hereinafter, the method for producing the microporous membrane of the present invention will be described in more detail.
1. 원판 필름(precursor film)의 제조1. Preparation of Precursor Film
고밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀을 T-다이(die)가 부착된 압출기(extruder)를 이용하여 필름으로 제조한다.Polyolefins, such as high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, and polypropylene, are made into films using an extruder with a T-die.
2. 어닐링2. Annealing
제조된 필름을 건조 오븐에서 폴리올레핀의 용융점 아래의 온도에서 열처리하는 어닐링 공정을 실시한다. 어닐링 공정을 실시하면 제조된 원판 필름의 결정화도 및 탄성 복원율을 높일 수 있다.An annealing process is performed in which the prepared film is heat treated at a temperature below the melting point of the polyolefin in a drying oven. By performing the annealing process, it is possible to increase the crystallinity and elastic recovery rate of the manufactured original film.
3. 전리 방사선 조사3. ionizing irradiation
이어서, 고진공으로 유지된 진공조내에 상기 필름을 투입한다. 이온 총(gun)에 이온 생성 가스를 주입하여 에너지를 가진 입자를 생성시킨 후 이온 빔 전류를 변화시키면서 에너지를 가진 입자를 생성시킨 후 이온 빔 전류를 변화시키면서 에너지를 가진 입자인 전리 방사선을 고분자인 폴리올레핀으로 형성된 상기 필름의 한쪽 면 또는 양면 모두에 조사한다. 이때, 이온총에 연결된 전원 장치를 조절하여 에너지를 가진 입자의 에너지가 0.01∼10 keV가 되게 한다. 상기 이온 생성 가스는 이온을 생성할 수 있는 어떠한 가스도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 수소, 질소, 아르곤, 산소, 공기, 크립톤, N2O 등을 사용할 수 있다.Next, the film is introduced into a vacuum chamber maintained at high vacuum. The ion generating gas is injected into the ion gun to generate particles with energy, and the ion beam current is changed to generate particles with energy. Irradiate one or both sides of the film formed of polyolefin. At this time, by controlling the power supply connected to the ion gun so that the energy of the particles with energy is 0.01 to 10 keV. The ion generating gas may be any gas capable of generating ions, and representative examples thereof may include hydrogen, nitrogen, argon, oxygen, air, krypton, N 2 O, and the like.
이온 빔 조사와 함께 반응성 가스 주입기에 의해 반응성 가스의 양을 0.5∼20 ㎖/분으로 변화시키면서 주입하여 필름 표면을 친수성 또는 소수성 처리를 한다. 친수성 또는 소수성 처리와 같은 표면 개질 단계는 미세 기공막 제조후에 별도로 시행할 수 도 있다.The film surface is subjected to hydrophilic or hydrophobic treatment by injecting the reactive gas injector with the ion beam irradiation while changing the amount of the reactive gas to 0.5 to 20 ml / min. Surface modification steps, such as hydrophilic or hydrophobic treatment, may be performed separately after the preparation of the microporous membrane.
4. 연신4. Stretch
상기 전리 방사선을 조사한 필름을 롤(roll) 또는 이축 연신기를 이용하여 상온-(고분자의 용융점-10 ℃)의 온도에서 1축 또는 2축으로 연신시켜 원하는 크기를 지닌 미세 기공을 형성하며 또한 이러한 연신을 통해 막에 기계적 물성을 부여한다.The ion-irradiated film is stretched uniaxially or biaxially at a temperature of room temperature (melting point-10 ° C.) using a roll or a biaxial stretching machine to form micropores having a desired size. Imparts mechanical properties to the membrane.
5. 열고정5. heat setting
연신이 끝난 후 고분자의 용융점 아래에서 장력을 받은 상태 그대로 일정시간 열고정한다.After stretching, heat fixation for a certain period of time under tension under the melting point of the polymer.
위의 단계들은 최적의 물성을 갖는 막의 제조에 대한 전체 공정을 설명한 것이며, 원하는 최종 물성에 따라 일부 단계를 생략할 수 있다.The above steps describe the overall process for the preparation of the membrane with optimal properties, and some steps may be omitted depending on the final properties desired.
이러한 공정으로 제조된 미세 기공막은 전지의 격리막으로 유용하게 사용할 수 있다.The microporous membrane prepared by this process can be usefully used as a separator of the battery.
[실시예]EXAMPLE
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene)을 사용하였으며, 용융 지수(melt index)는 0.3 g/10분, 밀도는 0.964 g/cc이었다. 고밀도 폴리에틸렌 원판 필름을 T-다이가 부착된 일축 압출기(single screw extruder) 및 권취 장치(take-up device)를 이용하여 제조하였다. 압출온도는 180 ℃이었으며, 권취 장치의 냉각 롤(roll) 온도는 50 ℃ 그리고 권취 속도는 35 m/분이었으며, 이때 권취비는 70이었다. 제조된 원판 필름을 건조 오븐에서 110 ℃에서 1시간 동안 어닐링시켰다. 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 형성시켰다. 이때, 이온빔의 에너지는 1keV, 이온 조사량은 107이온/㎠이었다. 이온 빔 조사가 끝난 후 롤 연신 방식을 이용하여 100 ℃에서 초기 길이에 대해 150 %의 연신 배율로 1축 연신시켰다. 연신이 끝난 후, 115 ℃로 고정된 어닐링 롤을 이용하여 장력을 받은 상태로 2분간 열 고정 시킨 후 냉각하여 미세 기공막을 제조하였다. 얻어진 미세 기공막의 전자 현미경 사진을 도 1에 나타내었다.High density polyethylene was used, with a melt index of 0.3 g / 10 min and a density of 0.964 g / cc. A high density polyethylene disc film was prepared using a single screw extruder and a take-up device attached with a T-die. 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, with the winding ratio 70. The prepared original film was annealed at 110 ° C. for 1 hour in a drying oven. After the annealing, the original film was placed in a vacuum chamber maintained at 10 −5 to 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 7 ions / cm 2. After the ion beam irradiation was finished, uniaxial stretching was performed at a stretching ratio of 150% with respect to the initial length at 100 ° C. using a roll stretching method. After stretching, the microporous membrane was prepared by heat-fixing for 2 minutes under tension using an annealing roll fixed at 115 ° C. The electron micrograph of the obtained microporous membrane is shown in FIG.
(실시예 2)(Example 2)
이온 총을 이용하여 1keV의 이온 빔 에너지 및 5 × 1016이온/㎠의 이온 조사량의 조건으로 아르곤 입자를 원판 필름의 양면에 조사하면서 반응성 가스 주입기를 이용하여 필름 주위로 반응성 가스인 산소 4 ㎖를 주입하여 표면처리를 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 미세 기공막을 제조하였다.Using an ion gun, 4 ml of oxygen, a reactive gas, was injected around the film using a reactive gas injector while irradiating argon particles to both sides of the original film under conditions of ion beam energy of 1 keV and ion dosage of 5 x 10 16 ions / cm 2. A microporous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface treatment was performed by injection.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
어닐링한 필름을 상온 연신을 이용하여 미세 균열을 형성시킨 후, 고온 연신 공정을 실시하고 열고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 미세 기공막을 형성하였다. 제조된 막의 여러 물성을 표 1에 나타내었다.After the annealed film was used to form fine cracks using normal temperature stretching, the microporous membrane was formed in the same manner as in Example 1 except that the high temperature stretching process was performed and heat-set. Various physical properties of the prepared membrane are shown in Table 1.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
어닐링한 필름을 고온 연신을 이용하여 미세 균열을 형성시킨 후, 열고정한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 미세 기공막을 제조하였다.The microporous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the annealed film was formed by cracking using high temperature stretching and then heat-set.
상기 실시예 1-2 및 비교예 1-2의 방법으로 제조된 미세 기공막의 두께 및 돌자 강도(puncture resistance)를 측정하여 그 결과를 하기한 표 1에 나타내었다. 또한, 상기 기공막의 통기도(air permeability), 기공 크기(pore size), 인장 강도(tensile strength) 및 인장 탄성율(tensile modulus), 돌자 강도(puncture resistance) 및 흡수 속도(water absorption speed)를 다음과 같은 기준 및 방법으로 측정하여 그 결과를 하기한 표 1에 나타내었다.The thickness and puncture resistance of the microporous membranes prepared by the method of Example 1-2 and Comparative Example 1-2 were measured, and the results are shown in Table 1 below. In addition, the air permeability, pore size, tensile strength and tensile modulus, puncture resistance and water absorption speed of the pore membrane are as follows. Measured by the standard and method, the results are shown in Table 1 below.
1) 통기도: JIS P81171) Breathability: JIS P8117
2) 기공 크기: SEM, TEM2) Pore size: SEM, TEM
3) 인장 강도 및 인장 탄성율: ASTM D8823) Tensile Strength and Tensile Modulus: ASTM D882
4) 돌자 강도: 곡률반경 0.5 ㎜의 침을 이용하여 펀쳐(puncture) 속도 2 ㎜/초 조건에서 막이 파열에 저항하는 최대값을 측정하였다.4) Penetration strength: The maximum value at which the film resists rupture at a puncture rate of 2 mm / sec was measured using a needle having a radius of curvature of 0.5 mm.
5) 흡수 속도: JIS L-10965) Absorption rate: JIS L-1096
하기 표 1에서 MD는 기계적인 방향(machine direction)으로 연신 방향을 나타나며, TD는 수직 방향(transverse direction)으로 연신 방향의 직각 방향을 나타낸다.In Table 1 below, MD represents a stretching direction in a mechanical direction, and TD represents a perpendicular direction of the stretching direction in a transverse direction.
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예1-2의 방법으로 제조된 미세 기공막이 비교예 1-2의 방법으로 제조된 미세 기공막에 비해 통기도가 우수하고, 기공 크기가 균일함을 알 수 있다. 또한, 표 1에서, 실시예 2의 흡수 속도가 빠른 것으로 보아, 이온 빔 조사와 함께 친수성 반응성 가스를 동반하여 표면처리한 미세 기공막의 친수성이 증가되었음을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the microporous membrane prepared by the method of Example 1-2 has superior air permeability and uniform pore size than the microporous membrane prepared by the method of Comparative Example 1-2. . In addition, in Table 1, it can be seen that the absorption rate of Example 2 is high, indicating that the hydrophilicity of the microporous membrane surface-treated with the hydrophilic reactive gas together with the ion beam irradiation is increased.
본 발명은 연신 공정에 앞서 이온 빔을 원판 필름에 조사하여 미세 균열을 형성시켜 기공을 형성하므로, 고온 연신 단계에서 연신 속도가 비교적 빠른 경우에도 기공 형성이 가능하며, 형성된 막의 기공도 및 통기도가 좋은 물성을 보인다. 또한, 일정한 한 온도에서 연신 공정을 1회만 실시함으로 공정이 단순하고, 이에 따라 경제적으로 균일한 크기 및 모양을 갖는 기공을 형성할 수 있다. 또한, 기계 방향(MD) 및 수직 방향(TD)의 인장 강도 및 영율(Young's Modulus)의 증가를 관찰할 수 있었다.In the present invention, before the stretching process, the ion beam is irradiated onto the disc film to form fine cracks, thereby forming pores. Show physical properties In addition, since the stretching process is performed only once at a constant temperature, the process is simple, and thus it is possible to economically form pores having a uniform size and shape. In addition, an increase in tensile strength and Young's Modulus in the machine direction (MD) and in the vertical direction (TD) could be observed.
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