KR20090035475A - 플라스틱 적층 막 - Google Patents

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Abstract

리튬-이온-폴리머 배터리와 리튬-폴리머 배터리의 클래딩을 위한 플라스틱 적층 막은 a) 플라스틱의 베이스 막(base film), b) 금속 포일(metal foil), c) 기능성 플라스틱 층(functional plastic layer)을, 하나가 다른 하나 위에 위치하게 배열되도록 포함하며, 진공 증기 증착, 또는 스퍼터링(sputtering)의 물리적 증착 공정에 의한 0.1 내지 1000㎚(나노미터)의 두께를 갖는 하나 이상의 보호 금속 층이, 금속 포일 층 b) 상, 기능성 플라스틱 층 c)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 c) 상, 금속 포일 b)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 내부 중 하나 이상의 곳에 증착된다.

Description

플라스틱 적층 막{PLASTIC COMPOSITE FOIL}
본 발명은 플라스틱 적층 막에 관한 것이며, 상기 플라스틱 적층 막은
a) 플라스틱의 베이스 막,
b) 금속 포일,
c) 기능성 플라스틱 층
을, 하나가 다른 하나 위에 위치하게 배열하도록 포함한다.
본 발명은 또한 플라스틱 적층 막의 제조와, 배터리 모듈을 위한 클래딩(cladding)으로서의 용도에 관한 것이다.
통상적으로, 배터리 모듈, 즉, 전기 에너지를 발생시키는 배터리 부분과 축전기(1차 소자와 2차 소자)는 하우징, 또는 클래딩을 특징으로 한다. 예를 들어, 리튬-이온-폴리머 배터리, 또는 리튬-폴리머 배터리의 배터리 모듈은 본질적으로 양극과 음극 연결과, 이들 사이에 위치하는 전해질 겔의 층으로 이루어져 있다. 설계 목적을 위해, 배터리 모듈은 클래딩 틀에 내장된다. 상기 클래딩은 백(bag)이나, 플라스틱으로 구성된 다층 적층의 미리 형성된 패키징의 형태를 가질 수 있다. 겔-타입의 전해질은 공격적인 염과 용매를 포함하며, 잔여 수분과 함께 반응 기체를 형성할 수 있기 때문에, 공격 물질이 클래딩, 따라서 배터리가 포함되는 기구를 손상시키거나 파괴하는 위험이 존재한다. 배터리의 수명을 증가시키기 위해, 적층은 배리어 층(barrier layer), 가령 알루미늄 포일로 이뤄진 배리어 층을 포함할 수 있다. 상기 공격 물질이 부식이나 점식(點蝕)에 의해 알루미늄 포일을 약화하거나 파괴할 수 있으며, 또는 상기 적층이나 클래딩을 이루는 개별적 층들이 이층(delaminate)될 수 있다, 즉, 서로에 대한 결합성이 느슨해질 수 있다. 마찬가지로, 또한 클래딩 상의 앞서 설명된 화학적 공격이 화학 반응에 의해 영향을 받는 그 밖의 다른 1차 소자와 2차 소자에게 적용된다.
US 제6,761,994호에서, 리튬-이온-폴리머 배터리, 또는 리튬-폴리머 배터리의 배터리 모듈의, 플라스틱 적층 막을 갖는 클래딩이 알려져 있으며, 상기 플라스틱 적층 막은 플라스틱의 베이스 층과, 접착제와, 알루미늄 포일과, 밀봉 층으로 구성된다. 부식에 대한 알루미늄 포일의 내성을 개선시키기 위해, 인산염 및 크롬산염 처리에 의해, 변이 층(conversion layer)이 알루미늄 포일의 표면 상에 화학적으로 형성된다.
EP 1 160 892호에서, 베이스 층과, 알루미늄 층과, 페놀 수지, 3가 크롬 인산염 및 인산을 이용하여 형성된 화학적 변이 층과, 폴리프로필렌 수지의 최중심 층(innermost layer)을 포함하는 배터리 모듈 패키징이 알려져 있다.
일본 특허 출원 2002-075298호는 크롬-염, 무기산(가령 인산이나 플루오르화수소산) 및 유기 성분을 이용하는 습식 화학적 수단에 의해, 크롬-층이 제공되는 알루미늄 포일을 포함하는 폴리머 배터리를 위한 패키징 물질을 언급한다.
습식 화학적 수단에 의해 변이 층을 생성하는 것은, 일부 경우에서 용매 용 액에서 용해되는 부식성이면서 높은 독성의 물질을 포함한다. 습식 화학적 방법을 통해 증착된 크롬-층을 생성하는 것은, 특히, 얇은 알루미늄 포일이 사용되는 경우에, 극도로 복잡할 뿐 아니라, 제거하기에 비용이 많이 드는 독성 혼합물을 초래할 것이다.
본 발명의 목적은 앞서 설명된 단점을 피하고, 배터리 모듈을 클래딩하기에 특히 적합한 플라스틱 적층 막과 상기 플라스틱 적층 막의 제조 및 용도를 제안하고자 함이다.
본원발명에 의해 이러한 목적은 성취된다. 본원발명에서, 진공 증기 증착, 또는 스퍼터링(sputtering)의 물리적 증착 공정에 의한 0.1 내지 1000㎚(나노미터)의 두께를 갖는 하나 이상의 보호 금속 층이, 금속 포일 층 b) 상, 기능성 플라스틱 층 c)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 c) 상, 금속 포일 b)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 내부 중 하나 이상의 곳에 증착된다.
사용될 수 있는 금속 포일은 철, 강, 니켈, 구리 등의 철금속, 또는 비-철금속 포일이다. 상기 금속 포일은 12 내지 200㎛의 두께를 가지며, 유용하게는 20 내지 200㎛의 두께를, 바람직하게는 25 내지 75㎛의 두께를 갖고, 특히 40 내지 50㎛의 두께를 갖는다. 알루미늄과 알루미늄 합금 포일이 바람직하며, 연성 알루미늄(soft aluminium)이 바람직하다. 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 포일의 예로는99.0, 또는 AI 99.5 등의 알루미늄, 또는 AA 8006, AA 8014 및 AA 8021 등의 합금이 특히 적합하다. 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 포일은 앞서 언급된 두께를 가질 수 있다. 알루미늄 포일을 위한 통상의 두께 값은 40, 45, 50, 60 및 100㎛이다.
플라스틱의 베이스 막은 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 층은 폴리에스테르 막(가령, 폴리에틸렌-테레프탈레이트(PET) 막), 폴리아미드 막(가령, 배향된 폴리아미드 막(oPA)), 폴리올레핀 막(가령, 배향된 폴리프로필렌 막(oP)), 또는 산 변성된(acidic denaturized) 폴리올레핀을 함유하는 막이나 층일 수 있다. 베이스 막이 다수의 층을 포함하는 경우, 이들은 둘 이상의 상호 접착 결합된, 또는 압출 적층된(extrusion laminated), 또는 열간 캘린더 가공된 층이나 막일 수 있다. 접착 결합된 층, 또는 막은 수용성의 용매-함유, 또는 용매-미함유 접착제를 이용하여, 처리될 수 있다. 베이스 막의 두께는 12 내지 50㎛일 수 있고, 유용하게는 15 내지 25㎛일 수 있다. 이러한 막에 대한 통상적인 두께 값은 12, 15, 20, 23 및 25㎛이다. 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막을 배터리 모듈용의 클래딩으로서 이용할 때, 상기 베이스 막은 클래딩의 외부 측일 수 있다. 즉, 바깥쪽을 향할 수 있다.
베이스 막은 금속 포일에 대하여 놓인다. 금속 포일로의 베이스 막의 요망 결합을 성취하기 위해, 접착 층이 베이스 막과 금속 포일 사이에 제공될 수 있다. 상기 접착제는 용매-미함유, 또는 용매-기반, 또는 수용성 기반의 접착제일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접합되는 층들, 또는 막들 사이의 적정한 접착을 성취하기 위해, 베이스 막이 산 변성된 폴리올레핀을 함유하거나, 산 변성된 폴리올레핀의 층이 베이스 막과 금속 포일 사이에 제공될 수 있다. 또한 베이스 막이 커튼 코팅(curtain coating), 또는 압출 적층, 또는 열간 캘린더 가공을 이용하여, 금속 포일에 접합될 수 있다. 필요한 경우, 앞서 언급된 공정에서 프라이머(primer)가 사용될 수 있다. 결합을 개선시키기 위해, 플라스마, 또는 코로나 사전-처리, 또는 화학적 사전-처리가 서로 접합되어 있는 표면들 중 하나, 또는 양쪽 모두에 적용될 수 있다.
기능성 플라스틱 층은 단일 층, 또는 몇 개의 층들로 구성될 수 있다. 상기 기능성 플라스틱 층이 복수 개의 층을 포함하는 경우, 이는 접착성 적층, 또는 압출 적층, 또는 열간 캘린더 가공, 또는 커튼 코팅에 의해 서로 접합되는, 둘 이상의 상호 결합되는 층, 또는 막일 수 있다. 둘 이상의 공유 압출 성형된(coextruded) 층이 선호된다. 기능성 층은, 가령, 폴리아미드(배향된 폴리아미드(oPA)), 폴리올레핀(가령, 폴리프로필렌, 배향된 폴리프로필렌(oPP), 또는 폴리에틸렌), 폴리에스테르(가령, 폴리에틸렌-테레프탈레이트(PET)), 산 변성된 폴리올레핀(가령, 산 변성된 폴리프로필렌-에틸렌), 메탈로센 함유 폴리올레핀(가령, 메탈로센 함유 폴리프로필렌, 또는 에틸렌), 또는 메틸-아크릴산 함유 올레핀(메틸-아크릴산 함유 폴리프로필렌, 또는 에틸렌)을 함유한다. 폴리프로필렌의 경우, 이는 또한 프로필렌과 폴리에틸렌(또는 그 밖의 다른 폴리올레핀)의 혼합물일 수 있다. 또한 프로필렌과 에틸렌의 코폴리머, 또는 그 밖의 다른 올레핀, 또는 환상올레핀 코폴리머(CoC), 환상-올레핀 폴리머(COP), 또는 아크릴니트릴의 폴리머 및 코폴리머(아크릴니트릴/메타크릴레이트-코폴리머(BAREX))를 이용할 수 있다. 둘 이상의 층, 즉, 폴리프로필렌 층 및/또는 메탈로센 함유 프로필렌 층 및 메타크릴산을 함유하는 폴리프로필렌 층을 포함하는 기능성 층이 선호된다. 기능성 층의 전체 두께는 예를 들어, 12 내지 100㎛일 수 있으며, 개별 층은 15 내지 60㎛의 두께를 가지며, 둘 이상의 층이 함께 40 내지 100㎛ 두께일 수 있다.
본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막을 배터리 모듈용 클래딩(cladding)으로서 사용할 때, 상기 기능성 플라스틱 층이 클래딩의 내부 측을 형성한다. 즉, 내부에서 배터리 모듈쪽을 향한다.
통상의 예시적 기능성 층은 30 내지 50㎛ 두께 층의 공유 압출된 폴리프로필렌이거나, 30㎛의 두께의 공유 압출된 폴리에틸렌의 층이다.
기능성 플라스마 적층 막이, 예를 들어, 2개의 층으로 구성되는 경우, 하나의 층은 금속 포일을 향하고, 다른 하나의 층은 내부 측, 즉 배터리 모듈을 향한다.
이러한 층의 통상의 예시는 15㎛ 두께의 배향된 폴리아미드의 층인 금속 포일을 향하고 내부 측에서 30 내지 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌을 향하거나, 또는 12㎛ 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 층의 금속 포일을 향하고 내부 측에서 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌을 향하거나, 또는 15㎛ 두께의 배향된 폴리아미드의 층의 금속 포일을 향하고, 내부 측에서는 30㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리에틸렌을 향하거나, 또는 20㎛ 두께의 배향된 폴리프로필렌의 층인 금속 포일을 향하고 내부 측에서 30 내지 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌을 향한다.
마찬가지로, 3개 이상의 개별 층을 갖는 기능성 층이 또한 사용될 수 있다.
상기 기능성 층은 밀봉 특성을 나타낸다. 즉, 상기 기능성 층은 열간, 또는 냉간 밀봉에 의해 밀봉될 수 있다. 상기 기능성 층은 패키징의 다른 부분과 자체 상에서 밀봉될 수 있다. 기능성 층이 몇 개의 개별적 층들의 조합으로 이뤄진 경우, 특히 가장 바깥쪽의 자유 층은 밀봉 특성을 나타내고, 밀봉될 수 있거나, 또는 상기 가장 바깥쪽 자유 층은 용접되거나, 접착제를 이용하여 결합될 수 있는 것이 바람직하다.
베이스 막은 금속 포일의 하나의 측부에 기대여 위치한다. 금속 포일의 다른 하나의 측부는 기능성 층에 기대여 위치한다. 접착 층이 기능성 층과 금속 포일 사이에 제공되어, 이들 층들 간의 필수적인 결합을 이룰 수 있다. 접착제는 용매-미함유, 또는 용매-기반, 또는 물-기반일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 함께 접합되어 있는 층들 간의 수용성 결합을 성취하기 위해, 기능성 층이 산 변성된 폴리올레핀을 함유할 수 있고, 또는 산 변성된 폴리올레핀의 층이 상기 기능성 층과 금속 포일 사이에 제공될 수 있다. 또한 상기 기능성 층은, 압출 적층, 또는 압출 코팅, 또는 열간 캘린더 가공에 의해 금속 포일에 접합될 수 있다. 요망되는 경우, 앞서 언급된 공정에서 프라이머(primer)가 사용될 수 있다. 함께 접합되는 표면의 하나, 또는 양쪽 모두 상에서 플라스마, 또는 코로나 처리가 수행되어, 결합을 개선시킬 수 있다.
본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막은 보호 금속 층을 포함한다. 보호 금속 층의 목적은 공격 물질로부터 금속 포일을 보호하기 위함이다. 본 발명에 따르는 하나의 실시예에서, 예를 들어, 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 구성된 금속 포일 상에, 0.1 내지 1000㎚(나노미터) 두께의 보호 금속 층이 존재한다. 하나의 대안적 실시예에서, 금속 보호 층은 금속 포일에 기대여 놓이지 않고, 대신, 기능성 층에 기대여 놓인다. 금속 포일과 기능성 층을 함께 접합시킬 때, 보호 금속 층이 요구될 때 접착제, 또는 결합제를 통해, 금속 포일 표면 중 하나에 기대여 놓이게 된다. 또한 보호 금속 층이 앞서 언급된 플라스틱의 하나의 층이나 막 상에 증착될 수 있으며, 상기 앞서 언급된 플라스틱의 하나의 층이나 막은 플라스틱의 다른 층이나 막과 함께 처리되어, 다중 층, 또는 다중 막 기능성 층이 제작될 수 있다. 그 후, 보호 금속 층이 기능성 층의 2개의 플라스틱 층 사이에 위치된다.
몇 개의 보호 금속 층이 제공될 수 있다. 제 1 보호 금속 층이 금속 포일 상에 위치될 수 있고, 제 2 보호 금속 층이 기능성 층 상에 제공될 수 있으며, 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막에서, 보호 금속 층은, 필요한 경우, 접착제, 또는 결합제를 통해, 서로 기대여 놓인다.
또 다른 실시예에서, 보호 금속 층이 금속 포일 상에 제공되고, 보호 금속 층이 기능성 층 내의 플라스틱의 층들 사이에 제공된다.
또 다른 실시예에서, 제 1 보호 금속 층이 기능성 층의 외부 측 상에 제공되고, 제 2 보호 금속 층이 상기 기능성 층 내의 2개의 플라스틱 층들 사이에 제공된다. 상기 기능성 층은 상기 외부에 위치하는 제 1 보호 층을 통해(일부 경우에서는 접착제, 또는 결합제를 통해), 금속 포일에 접합된다.
또 다른 실시예에서, 제 1 보호 금속 층이 금속 포일 상에 제공되고, 제 2 보호 금속 층이 기능성 층 상에 제공될 수 있으며, 이로써, 플라스틱 적층 막에서, 보호 금속 층이 서로에 대하여 놓이며, 일부 경우에서는 접착제, 또는 결합제를 통해 놓이며, 제 3 보호 금속 층이 상기 기능성 층 내의 2개의 플라스틱 층(또는 코팅) 사이에 제공된다.
각각의 앞서 언급된 보호 금속 층들은 물리적 증착 공정을 이용하여 증착된다. 물리적 증착 공정의 예로는 진공 증기 증착 및 스퍼터링이 있다.
보호성 금속 층을 갖는 코팅의 목적으로, 진공 챔버의 진공 상태에서 금속 포일, 또는 플라스틱 막, 또는 금속-플라스틱 막 적층이 특히 코일이나 롤(roll)로부터 개별적인 시트(sheet)로서 풀리며, 본질적으로 기화되거나 스퍼터링된 금속의 분위기에 노출된다. 이러한 금속 함유 증기가 금속 포일의 하나 이상의 측 상에 0.1 내지 1000㎚ 두께의 층으로서 증착된다. 증기-증착된 보호 금속 층을 갖는 금속 포일이 다시, 카운터 코일, 또는 롤을 중심으로 끊임없이 말아질 수 있다. 보호 금속 층은 예를 들어, Cu, Au, Ag, Ni, Pd, Pt, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Zn, Cd, Hg, Si, Ge, Sn, Pb, Fe, Ru, Os, Mn, Tc, Re, Ga, In, Tl, Bi, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. Cr, Ti 및 Zr 홀로, 또는 이들 중 2, 또는 3가지 금속의 혼합물이 선호되며, 특히 Cr이 선호된다. 요구되는 보호 금속 층에 따라서, 시작 물질이 앞서 언급된 원소 중 하나 이상을 함유하는 물질로 선택된다. 예를 들어, 금속이 진공 챔버에 위치되고, 표적 물질로 향하는 전자 빔 건(electron beam gun)을 통해, 기화되거나, 스퍼터링법을 이용하여 스퍼터링된다. 상기 표적 물질은 예를 들어, 기화될 금속판이다. 금속의 혼합물이 증착될 경우, 상기 서로 다른 금속의 혼합물, 또는 몇 개의 금속판이 기화되거나 스퍼터링될 수 있다. 기화되거나 스퍼터링된 금속이 금속 포일의 표면 상에 주어진 두께를 갖고 증착된다. 증착되는 금속의 두께는, 예를 들어, 금속 포일의 산출 속도를 통해 제어될 수 있고, 전자 빔의 세기, 또는 스퍼터링 캐소드의 파워에 의해 제어될 수 있다.
진공 유닛에서, 가령, 아르곤(Ar), 질소(N2), NH3, NOx(아산화질소), 바람직하게는 산소 플라스마를 이용한 플라스마 사전-처리를 통해, 금속 포일, 또는 플라스틱 막(또는 층)을 제공하는 것이 특히 유용하다고 발견되었다. 사전-처리가 상기 진공 유닛에서 직접 발생할 수 있고, 코팅 전에 발생할 수 있다. 플라스타 사전-처리는 금속 포일의 층과, 보호 금속 층과 플라스틱 막(또는 층)의 서로 간의 특히 바람직한 결합을 획득하기 위함이다. 보호 금속 층은 크롬을 표적 물질로서 이용하는 전자 빔 기화를 통해 생성되는 것이 바람직하다. 산소 플라스마를 이용하는 플라스마 사전-처리와, 크롬을 표적 물질로서 사용하는 전자 빔 기화를 통한 증기 증착이 특히 바람직하다.
본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막의 생산 동안 보호 금속 층을 증착시키는 공정의 하나의 예로, 크롬 증착 공정을 이용하여 보호 금속 층의 증착이 수행되는 것이 있다. 진공 챔버에서 알루미늄 포일, 또는 기능성 층에 접합된 베이스 막이 산소 플라스마에서의 플라스마 처리에 노출될 수 있고, 그 후, 전자 빔 기화에 의해 생성된 크롬 함유 증기 구름에 노출될 수 있으며, 이로 인해서, 크롬이 포일, 또는 층의 자유 표면 상에 증착된다. 크롬 증착 공정은 예를 들어, 배향된 폴리에틸렌, 또는 폴리에스테르의 플라스틱 알루미늄 막과 알루미늄 포일이 산소 플라스마를 이용하는 플라스마 처리에 노출되고, 그 후, 크롬 함유 증기 구름에 노출되는 방식으로 이뤄질 수 있다. 상기 증기 구름은, 예를 들어, 1.1 내지 1.5A의 빔 전류의 30 내지 40㎸의 전자 빔에 의해 가열되고 기화되는 크롬 알갱이로 형성된다. 예를 들어, 120m/min의 알루미늄 포일, 또는 기능성 층의 산출 속도에서, 약 80㎚의 두께를 갖는 크롬 층을 생성하는 것이 가능하다.
진공 챔버에서 금속 포일이 코팅 롤(coating roll)을 지나가는 경우, 금속 증기는 상기 금속 포일의 자유 측부 상에만 증착된다. 즉, 상기 코팅 롤과 접촉하는 포일의 측부 상에는 증착되지 않는다. 금속 포일이 이른바 수평 지속(free span) 방식으로 진공 챔버를 통과하면, 금속 포일의 양 측부가 코팅된다. 높은 코팅 속도를 유지하고, 사용되는 에너지의 양 및 표적 물질을 감소시키기 위해, 보통 금속 포일의 하나의 측부만이 코팅된다.
진공 챔버에서 베이스 막으로 이미 코팅된 금속 포일을 금속 증기로 노출시키고, 따라서 보호 금속 층으로 금속 포일의 자유 측부를 코팅하는 것이 또한 가능하다.
따라서 본 발명은 배터리 클래딩용으로 사용되기 위한 플라스틱 적층 막을 제조하기 위한 공정에 관련된다. 본 발명의 공정에 따라, 보호 금속 층이 금속 포일의 2개의 표면 중 하나 이상 상에 증착될 수 있다. 또한 상기 보호 금속 층은 기능성 층의 표면 상에 제공될 수 있으며, 상기 기능성 층의 표면 상에서, 플라스틱 적층 막이 금속 포일을 향한다. 또한 보호 금속 층이 기능성 층의 2개의 층(또는 막) 사이에 제공될 수 있다. 또한 제 1 보호 금속 층이 (표면이 금속 포일을 향하는) 기능성 층 상에서 제공될 수 있고, 제 2 보호 금속 층이 기능성 층의 2개의 층(막) 사이에 제공될 수 있다. 보호 금속 층의 증착은 물리 증착 공정을 이용하여 발생하고, 이로써, 0.1 내지 1000㎚(나노미터) 두께의 층이 증착된다.
진공 기화 공정, 또는 스퍼터링을 이용하여, 보호 금속 층이 금속 포일의 하나 이상의 표면 상에 증착되는 것이 바람직하다.
상기 보호 금속 층은 2 내지 100㎚의 두께로, 바람직하게는 5 내지 50㎚의 두께로, 특히 40㎚의 두께로 증착될 수 있다.
유용하게는 지르코늄, 또는 티타늄이, 바람직하게는 크롬이 본 발명에 따르는 공정에서 보호 금속 층으로서 증착된다.
접착 층(가령, 접착제, 적층 접착제, 밀봉 도료(또는 막)와 프라이머 중 하나 이상을 이용하여, 보호 금속 층으로 코팅되는 금속 포일, 바람직하게는 크롬 층으로 코팅되는 알루미늄 포일이 베이스 막의 하나의 측부 상에 결합된다. 금속 포일의 다른 하나의 측부 상에, 보호 금속 층이 증기 증착되고, 보호 금속 층에 기능성 플라스틱 층이 결합되는데, 일부 경우에서, 접착제, 적층 접착제, 밀봉 도료(또는 막) 등의 접착 층과 프라이머 중 하나 이상을 통해 결합이 이뤄진다. 따라서 본 발명에 따르는 선호되는 플라스틱 적층 막은 플라스틱 베이스 막이 15 내지 25 ㎛ 두께의 폴리아미드의 층, 12 내지 23㎛의 두께의 폴리에틸렌-테레프탈레이트의 층, 또는 각각 15 내지 25㎛ 두께의 배향된 폴리아미드의 2개의 층으로 구성되는 층이며, 상기 보호 금속 층은 약 40㎚의 두께를 갖는 크롬의 층이고, 기능성 플라스틱 층은 15㎛의 두께의 배향된 폴리아미드 층 및 30 내지 50㎛의 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌 층, 또는 12㎛ 두께의 폴리에틸렌-테레프탈레이트 층 및 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌 층, 또는 15㎛ 두께의 배향된 폴리아미드 층 및 30㎛의 공유 압출 성형된 폴리에틸렌 층, 또는 20㎛ 두께의 배향된 폴리프로필렌 층 및 30 내지 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌을 포함한다.
본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막이 배터리의 배터리 모듈과 배터리 축전기(가령, 1차 배터리와 2차 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리와 리튬-폴리머 배터리)를 위한 배터리 클래딩으로서 사용된다.
예를 들어, 플라스틱 적층 막은 백(bag) 형태로 형성될 수 있으며, 배터리 모듈이 상기 백 내부에 위치하고, 상기 백의 개방된 단부가 밀봉되거나, 용접되거나, 접착성으로 결합될 수 있다. 또한 상기 배터리 모듈은 플라스틱 적층 막의 대응하는 잘린 조각에 내장되거나, 포장되거나, 감싸질 수 있고, 플라스틱 적층 막의 에지들은 서로 밀봉되거나, 용접되거나, 접착성으로 결합될 수 있다.
또 다른 방식으로, 가령 열간 형성, 바람직하게는 냉간 형성을 통해, 플라스틱 적층 막을 형태를 갖춘 본체로 성형하는 것이 가능하다. 상기 형성은 딥 드로잉(deep drawing), 또는 인장 드로잉(stretch drawing)에 의해, 또는 이 두 방법의 조합에 의해 수행될 수 있다. 이러한 본체는 접시, 또는 조개껍질, 또는 상자 형태일 수 있다. 배터리 모듈은 접시에 놓이고, 상기 접시는 덮개(lid)를 제공하는 막에 의해 폐쇄될 수 있다. 특히, 상기 덮개 막은 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막의 적합한 조각이다. 접시의 모서리를 따라 뻗어 있는 밀봉 솔기(sealing seam)를 이용하여 폐쇄가 수행될 수 있다. 또한 상기 배터리 모듈은 하부 조개껍질에 위치되고, 상기 하부 조개껍질이 위에 상부 조개껍질이 덮인다. 상기 2개의 조개껍질들은 에지를 따라 밀봉되어 서로 접촉하고, 따라서 서로 굳건하게 결합된다. 모듈이 박스 형태의 용기 내에 위치되고, 상기 용기를 변형하거나 입구 오프닝에 덮개나 플라스틱 적층 막을 덮음으로써, 입구 오프닝이 폐쇄되는 것이 또한 가능하다. 각각의 경우, 배터리 모듈로부터의 전극 리딩(leading)은 클래딩을 통과해야할 필요가 있다. 유용하게는, 전극 리딩이 배터리 모듈을 위한 입구 오프닝을 통과한다. 상기 전극 리딩은 접시와 덮개 사이에서 백의 입구 오프닝을 통과하거나, 또는 두 조개껍질 사이의 심(seam)을 통과하거나, 또는 용기와 덮개 사이의 심을 통과할 수 있다. 백, 접시, 조개껍질 및 용기 상의 밀봉 심은 적어도 유체 불침투성인 것이 이로우며, 에어-타이트(air-tight), 또는 개스-타이트(gas-tight)한 것이 바람직하며, 분리되지 않게 고정되는 것이 바람직하다. 용기 외부로의 전극의 통과가 또한 단단하게 밀봉되어서, 어떠한 물질도 전극을 따라서 상기 용기 내부로, 또는 용기 외부로 통과할 수 없어야 한다. 필요에 따라서, 밀봉 대신, 용접이나 접착성 결합이 사용되는 것이 가능하다.
냉간 형성된 플라스틱 적층 막을 이용하는 배터리 클래딩이 선호된다. 플라스틱 적층 막은 접시 형태의 용기를 제공하기 위해 냉간 형성되는 것이 바람직하다. 본원에서의 “냉간 형성된(cold formed)”은 약 20 내지 30℃의 실온(일부 경우에서는 약 50 내지 70℃)에서의 성형 작업, 가령 딥 드로잉(deep drawing), 또는 인장 드로잉(stretch drawing) 등의 디프닝(deepening) 가공을 의미한다. 배터리 모듈이 접시에 위치될 수 있고, 전극이 접시의 모서리 위에 놓이고, 접시가 덮개 막(바람직하게는 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막)에 고정되도록 단단하게 밀봉되거나, 접시의, 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막으로 구성된, 덮개 형태의 밀봉되는 부분이 단단하게 밀봉될 수 있다.
도 1 내지 5는 본 발명의 실시예를 상세히 도시한다.
도 1 내지 4는 본 발명에 따르는 플라스틱 적층 막에서의 일련의 층을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따르는 배터리 클래딩과 그 내부의 배터리의 단면도이다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 플라스틱 적층 층(plastic laminate layer, 17)의 하나의 예가 베이스 막(base film, 10)과, 접착 층(adhesive layer, 11)과, 금속 포일(metal foil, 12)과, 금속 보호 층(metallic protective layer, 13)과, 기능성 층(functional layer, 14)을 포함하는 층 구조를 도시한다. 상기 기능성 층(14)은 예를 들어, 변성된(denaturized) 폴리올레핀(15)과 폴리올레핀 층(16)을 갖는다. 상세히는, 베이스 막(10)은 바깥쪽을 향하며, 배향된 폴리아미드일 수 있는 배터리 클래딩(cladding)의 층을 나타낸다. 상기 금속 포일(12)은 알루미늄 포일일 수 있으며, 내부에서 배터리 모듈을 향해 바라보고, 0.1 내지 1000㎚ 두께의 보호 금속 층(13)으로 코팅된다. 상기 보호 금속 층(13)은 물리적 증착 수단에 의해 증착된다. 가령, 층이 크롬 이온을 함유한다. 상기 보호 금속 층(13)은 아래 위치하는 금속 포일(12)을 위해, 특히 부식에 대항하는 훌륭한 보호를 제공한다. 금속 포일(12)에 손상을 입히는, 가령 부식을 유발하는 배터리 모듈에서의 물질의 누 출이 일부 경우에서는 상기 기능성 층(14)을 관통할 수 있지만, 신뢰할만하게도, 증기 증착된 보호 금속 층(13)에 의해 억제되며, 따라서 금속 포일(12)에 도달하지 않게 된다. 따라서 공격 물질이 금속 포일(12)에 손상을 입히는, 특히 부식을 일으키는 영향을 미치지 않을 수 있다. 금속 포일(12)은 습기와 기체의 침투에 대항하는 배리어(barrier)를 제공한다. 부식 및 점식에 의해 이러한 배리어의 동작이 약화되거나 파괴될 수 있다. 이러한 배리어의 동작이 존재하지 않다면, 물질은 배터리 모듈의 외부로 누출될 수 있거나, 습기 같은 물질이 외부에서 배터리 모듈로 들어갈 수 있다. 또한 금속 포일(12)의 약화, 또는 손상에 의해, 플라스틱 적층 막의 이층(delamination)이 초래된다. 앞서 언급된 배터리 클래딩 상의 공격이 더 이상 발생할 수 없을 때 이층은 피해진다.
도 2는 층 구조를 갖는 플라스틱 적층 막(17)의 하나의 예를 도시하며, 상기 플라스틱 적층 막(17)의 층 구조는 베이스 막(10)과, 접착 층(11)과, 금속 포일(12)과, 기능성 층(14)을 포함한다. 상기 기능성 층(14)은 플라스틱의 층(15, 16)으로 구성된다. 층(15, 16) 사이에, 예를 들어 크롬을 함유하고 물리적 증착 방법을 이용하는 보호 금속 층(13a)이 40㎚의 두께 층으로서 제공된다. 상기 보호 금속 층(13a)은, 경우에 따라서, 플라스틱 층(15), 또는 플라스틱 층(16), 또는 플라스틱 층(15, 16) 모두 상에 증기 증착될 수 있다. 증기 증착 후에, 보호 금속 층(13a)이 상기 2개의 층(15, 16) 사이에 위치하는 이러한 방식으로, 상기 2개의 플라스틱 층(15, 16)은 서로 꼭 맞춰진다.
도 3은 층 구조를 갖는 플라스틱 적층 막(17)의 하나의 예를 도시하며, 상기 플라스틱 적층 막(17)의 층 구조는 베이스 막(10)과, 접착 층(11)과, 금속 포일(12)과, 보호 금속 층(13)과, 기능성 층(14)을 포함한다. 상기 기능성 층(14)은 플라스틱의 층(15, 16)으로 구성된다. 제 2 보호 금속 층(13a)이 상기 층ㅇ(15, 16) 사이에 제공된다. 상기 보호 금속 층(13a)은, 경우에 따라서, 플라스틱 막(15), 또는 플라스틱 막(16), 또는 플라스틱 막(15, 16) 모두 상에 증기 증착될 수 있다. 증기 증착 후, 보호 금속 층(13a)이 상기 2개의 층(15, 16) 사이에 위치하는 이러한 방식으로, 상기 2개의 플라스틱 층(15, 16)은 서로 꼭 맞춰진다.
도 4는 층 구조를 갖는 플라스틱 적층 막(17)의 하나의 예를 도시하며, 상기 플라스틱 적층 막(17)의 층 구조는 베이스 막(10)과, 접착 막(11)과, 금속 포일(12)과, 보호 금속 층(13)과, 기능성 층(14)을 포함한다. 상기 기능성 층(14)은 플라스틱 층(15, 16)으로 구성된다. 제 2 금속 층(13a)이 층(15) 상에 제공된다. 제 2 보호 금속 층(13a)이 플라스틱 층(15) 상에 증기 증착되었다. 일부 경우에서, 필요할 때, 접착 층, 또는 접착제(도면상 나타나지 않음)가 상기 2개의 보호 금속 층(15, 16) 사이에 제공될 수 있다. 완전성을 위해, 도 4에 관련해서, 층 구조의 또 다른 가능한 실시예에 관심이 가져진다. 제 3 보호 금속 층이 상기 플라스틱 층(15, 16) 사이에 제공될 수 있다.
도 5는 배터리 단면도를 도시한다. 배터리 모듈(19)이, 예를 들어 장방형의 바닥 형태를 갖는 접시(dish, 18)에 위치되며, 상기 접시는 본 발명에 따르는 냉간 형성된 플라스틱 적층 막(17)으로 구성된다. 전극(20)이 배터리 모듈의 외부로 돌출되고, 상기 접시(18)의 에지에 교차한다. 상기 접시(18)로부터 돌출된 전극의 부 분에서, 배터리가 사용 중일 때, 상기 배터리로부터 에너지가 끌어내어진다. 상기 접시(18) 위에 덮개-포일(lid-foil, 21)이 덮인다. 예를 들어, 상기 덮개-포일(21)은 상기 접시(18)를 구성하는 것과 동일한 플라스틱 적층 막(17)으로 구성될 수 있다. 이음새 없이 안전하게 접합된 밀봉 솔기(22)가, 상기 접시(18)의 쇼울더(22)를 따라 접시(18)와 덮개 막(21) 사이에 위치한다. 따라서 배터리 모듈은 기체, 습기 및 외부 영향에 대항하여 기밀하게 폐쇄된다.
예시:
본 발명에 따르는 플라스틱 막 필름의 예의 리스트가 다음의 표에서 제공된다.
Figure 112008078672776-PCT00001
Figure 112008078672776-PCT00002
Figure 112008078672776-PCT00003
Figure 112008078672776-PCT00004
필요에 따라서, PP Co-ex, 또는 PE-Co-ex 층 대신, 적층된, 또는 열간 캘린더 가공된 PP, 또는 PE 막이 표에서 나타난 예시에서 사용될 수 있다.
상기 표에서의 약어는 다음의 의미를 갖는다:
플라스틱 막, 또는 층의 두께의 값은 ㎛로 표현된다.
oPA: 배향된 폴리아미드
PET: 폴리에틸렌-테레프탈레이트
oPP: 배향된 폴리프로필렌
Al: 알루미늄
Cr: 크롬
㎚: 나노미터
PP: 폴리프로필렌
PE: 폴리에틸렌
PAN: 폴리아크릴니트릴
CoC: 환상올레핀 코폴리머
Co-ex: 공유 압출 성형된(coextruded)

Claims (12)

  1. 플라스틱 적층 막(plastic laminate film)에 있어서, 상기 플라스틱 적층 막은
    a) 플라스틱의 베이스 막(base film),
    b) 금속 포일(metal foil),
    c) 기능성 플라스틱 층(functional plastic layer)
    을, 하나가 다른 하나 위에 위치하게 배열하도록 포함하며, 진공 증기 증착, 또는 스퍼터링(sputtering)의 물리적 증착 공정에 의한 0.1 내지 1000㎚(나노미터)의 두께를 갖는 하나 이상의 보호 금속 층이, 금속 포일 층 b) 상, 기능성 플라스틱 층 c)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 c) 상, 금속 포일 b)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 내부 중 하나 이상의 곳에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 금속 층은 2 내지 100㎚의 두께를 나타내며, 바람직하게는 5 내지 50㎚의 두께를 나타내며, 특정하게는 40㎚의 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보호 금속 층은 진공 증기 증착 공정, 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 금속 층은 크롬, 또는 티타늄, 또는 아연 층이며, 바람직하게는 크롬 층인 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스틱의 베이스 막은 15 내지 25㎛ 두께의 배향된 폴리아미드 층, 또는 12 내지 23㎛ 두께의 폴리에틸렌-테레프탈레이트 층, 또는 각각 15 내지 25㎛의 두께를 갖는 2개의 배향된 폴리아미드 층을 포함하는 하나의 층이며, 상기 금속 포일은 45 내지 60㎛의 두께를 갖는 알루미늄의 층이며, 상기 보호 금속 층은 40㎚의 두께를 갖는 크롬의 층이며, 상기 기능성 플라스틱 층은 15㎛ 두께의 배향된 폴리아미드 및 30 내지 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된(co-extruded) 폴리프로필렌의 층, 또는 12㎛ 두께의 폴리에틸렌-테레프탈레이트 및 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌의 층, 또는 15㎛ 두께의 배향된 폴리아미드 및 30㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리에틸렌의 층, 또는 20㎛ 두께의 배향된 폴리프로필렌 및 20 내지 50㎛ 두께의 공유 압출 성형된 폴리프로필렌의 층인 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막.
  6. 배터리 모듈을 위한 배터리 클래딩(battery cladding)에 있어서, 상기 배터리 모듈은 청구범위 제 1 항에 따르는 플라스틱 적층 막을 이용하는 리튬-이온-폴 리머 배터리 및 리튬-폴리머 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리 클래딩.
  7. 제 6 항에 있어서, 냉간 형성된 플라스틱 적층 막을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 클래딩.
  8. 청구범위 제 1 항에 따르는 플라스틱 적층 막을 제조하기 위한 공정에 있어서, 진공 증기 증착, 또는 스퍼터링(sputtering)의 물리적 증착 공정에 의한 0.1 내지 1000㎚(나노미터)의 두께를 갖는 하나 이상의 보호 금속 층이, 금속 포일 층 b) 상, 기능성 플라스틱 층 c)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 c) 상, 금속 포일 b)을 바라보는 측부 상, 기능성 플라스틱 층 내부 중 하나 이상의 곳에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막 제조 공정.
  9. 제 8 항에 있어서, 진공 증착 공정, 또는 스터퍼링(sputtering)을 이용하여 상기 금속 보호 층은 금속 포일의 하나 이상의 표면 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막 제조 공정.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 보호 금속 층은 2 내지 100㎚의 두께를 나타내며, 바람직하게는 5 내지 50㎚의 두께를 나타내며, 특정하게는 40㎚의 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막 제조 공정.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 지르코늄, 또는 티타늄, 바람직하게는 크롬이, 상기 보호 금속 층으로서 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막 제조 공정.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 금속 층의 증착은 크롬 증착 공정을 이용하여 수행되며, 상기 증착에 의해, 진공 챔버에서, 산소 플라스마에서 상기 베이스 막 a)은 금속 포일 b), 또는 기능성 층 c)에 접합되며, 그 후, 전자 빔 기화(electron beam vaporization)에 의해 생성되는 크롬 함유 구름에 노출되며, 크롬 층이 포일/막, 또는 층 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 적층 막 제조 공정.
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