KR20110136448A - 다공성 지지체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 섬유로 이루어진 나노웹 구조를 가짐에 따라 박막화 제조 및 다공도 조절이 용이하고, 상기 나노웹 내부에 내열성이 우수한 무기입자가 분포됨에 따라 내열성이 향상될 뿐만 아니라 다공도가 저하되지 않고 탄성률이 증가함으로써 후공정이 용이하여 이차전지의 분리막 또는 연료전지의 전해질막 등에 이용할 수 있는 다공성 지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 다공성 지지체는, 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유; 및 무기입자를 포함하되, 상기 나노 섬유로 이루어진 나노웹 형태를 갖고 상기 나노웹 내부의 나노 섬유들 사이에 상기 무기입자가 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

다공성 지지체 및 그 제조방법{Porous support and method for manufacturing the same}
본 발명은 다공성 지지체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이차전지의 분리막 또는 연료전지의 전해질막 등에 사용할 수 있는 다공성 지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다공성 지지체는 표면적이 넓고 다공성이 우수하기 때문에 다양한 용도로 이용할 수 있는데, 예를 들면, 정수용 필터, 공기 정화용 필터, 복합재료, 연료전지용 전해질막 또는 이차전지용 분리막 등에 이용할 수 있다.
이차전지는 크게 애노드(anode), 분리막(separator), 캐소드(cathode) 및 전해질 등으로 구성되어 있다. 여기서 분리막은 이차전지의 음극과 양극을 분리하고 전해질을 통과시키는 역할을 한다. 현재 이차전지용 분리막으로는 통상 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 분리막이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 폴리올레핀계 분리막은 내열성이 떨어지기 때문에 전지의 온도가 급격하게 상승할 경우 분리막이 파열되어 단락됨으로써 전지가 폭발하는 문제가 있다.
연료전지는 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높으며, 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮은 장점이 있다. 이러한 연료전지는 전극의 활성을 향상시키기 위해 고온에서 운전하기 때문에 연료전지용 전해질막은 높은 내열성이 요구되고 있다. 그러나, 상술한 바와 같은 폴리올레핀계 다공성 지지체를 연료전지용 전해질막에 이용할 경우 내열성이 떨어짐으로써 전지가 폭발하는 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 필름 형태의 폴리올레핀계 다공성막에 무기입자를 코팅하는 기술이 제안되었다. 그러나, 이 경우는 무기입자가 필름상에 형성된 기공을 막음으로써 전기전도도 등이 저하될 수 있고 무기입자가 표면에 코팅됨에 따라 러프니스(roughness)가 증가되어 후처리가 원활하지 수행되지 않는 문제가 있다. 또한, 필름 형태의 분리막은 기공이 적게 형성되기 때문에 다공도가 떨어지고 박막으로 제조가 용이하지 않으며 기공의 직경인 공경을 용이하게 조절하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 박막화 및 다공도 조절이 용이하고 내열성이 우수하며 높은 탄성률을 가짐에 따라 후공정이 용이하여 이차전지의 분리막 또는 연료전지의 전해질막 등에 이용할 수 있는 다공성 지지체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명의 다공성 지지체는, 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유; 및 무기입자를 포함하되, 상기 나노 섬유로 이루어진 나노웹 형태를 갖고 상기 나노웹 내부의 나노 섬유들 사이에 상기 무기입자가 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명의 다공성 지지체의 제조방법은, 유기 고분자를 포함하는 방사용액을 제조한 후 상기 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유를 포함하여 이루어진 나노웹을 제조하는 단계; 및 상기 나노웹에 무기입자를 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 구성에 따른 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 나노 섬유의 집합체인 나노웹으로 이루어져 있기 때문에 박막화 및 다공도의 조절이 용이한 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 내열성이 우수하기 때문에 고온에서 장시간 폭발하지 않고 안전하게 운전할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 무기입자가 나노웹 내부의 나노 섬유들 사이에 분포되어 있기 때문에 나노웹의 다공도가 저하되지 않고 탄성률이 증가함에 따라 후공정이 용이한 효과가 있다.
이와 같은 다공성 지지체는 이차전지용 분리막 또는 연료전지용 전해질막 등에 이용할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다공성 지지체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체의 개략도이다.
이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체의 개략도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 지지체는 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 상기 나노 섬유(10)로 이루어진 나노웹, 및 상기 나노웹 내부의 나노 섬유(10)들 사이에 분포된 무기입자(30)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 다공성 지지체는 3차원적으로 불규칙하고 불연속적으로 연결된 나노 섬유(10)의 집합체로 이루어짐에 따라 균일하게 분포된 다수의 기공(20)을 포함한다. 이렇게 균일하게 분포된 다수의 기공(20)으로 이루어진 상기 다공성 지지체는 우수한 기체 또는 이온 전도도를 가지게 된다. 상기 다공성 지지체에 형성되는 기공(20)의 직경인 공경은 0.05 ~ 30 ㎛의 범위 내로 형성될 수 있는데, 상기 공경이 0.05 ㎛ 미만으로 형성될 경우 분리막의 전도도가 급격히 떨어질 수 있고, 상기 공경이 30 ㎛를 초과할 경우 분리막의 기계적 강도가 떨어질 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체의 기공(20)의 형성 정도를 나타내는 다공성 지지체의 다공도는 50 ~ 80 %의 범위 내로 형성될 수 있다. 상기 다공성 지지체의 다공도가 50 % 미만일 경우는 분리막의 전도도가 떨어질 수 있고 상기 다공성 지지체의 다공도가 80 %를 초과할 경우에는 분리막의 기계적 강도 및 형태안정성이 떨어질 수 있다.
상기 나노 섬유(10)는 나일론, 폴리이미드, 폴리벤즈옥사졸, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 그들의 공중합체 또는 그들의 혼합물을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같은 높은 다공도와 박막을 제공하기 위해서는, 나노 섬유(10)의 평균 직경은 0.005 ~ 5 ㎛ 범위 내인 것이 바람직할 수 있다. 상기 나노웹을 구성하는 나노 섬유(10)의 평균 직경이 0.005 ㎛ 미만일 경우는 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노웹을 구성하는 나노 섬유(10)의 평균 직경이 5 ㎛를 초과할 경우에는 다공성 지지체의 다공도 및 두께 조절이 용이하지 않을 수 있다.
상기 다공성 지지체는 나노 섬유(10)로 이루어진 나노웹 구조를 갖고, 상기 나노웹 내부의 나노 섬유(10)들 사이에 무기입자(30)가 고르게 분포되어 있다. 이러한 무기입자(30)는 다공성 지지체의 내열성을 크게 향상시킴에 따라 이차전지용 분리막 또는 연료전지용 전해질막에 사용할 경우 고온에서 막이 파열되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 무기입자(30)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 나노 섬유(10)들 사이에 분포되어 있기 때문에 다공성 지지체의 전도도를 크게 떨어뜨리지 않는다. 반면, 종래 분리막은 도 1에 나타낸 바와 같이, 다공성 막(100)에 무기입자(30)를 코팅함에 따라 상기 무기입자(30)가 다공성 막의 기공(200)을 막음으로써 다공도가 저하되어 전도도가 크게 떨어지게 된다. 또한, 종래 분리막은 무기입자(30)가 다공성 막(100)의 표면에 코팅되기 때문에 러프니스가 증가하여 후공정이 용이하지 않는데, 즉 다른 소재와의 접착력이 저하되어 내구성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 무기입자(30)는 나노 섬유(10) 사이에 분포되어 있기 때문에, 다공성 지지체의 탄성률을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 높은 다공도를 갖는 다공성 지지체는 탄성률이 낮아 외력에 쉽게 변형됨에 따라 후공정을 진행할 때 공정성이 떨어질 수 있다. 그러나, 본 발명의 다공성 지지체는 나노 섬유(10)들 사이에 무기입자(30)가 분포되어 있기 때문에 상기 무기입자(30)가 보강제 역할을 함으로써 높은 탄성률을 가지게 된다.
상기 무기입자(30)는, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, Al2O3, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiC, 및 이들의 혼합물일 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 무기입자(30)는 입자의 크기를 한정하지는 않으나, 0.01 ~ 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다. 만일, 상기 평균 직경이 0.01 ㎛ 미만일 경우 분산성이 저하되어 물성이 균일하지 않을 수 있다. 반면 상기 평균 직경이 10 ㎛를 초과할 경우 무기입자(30)가 나노웹 내부에 균일하게 분포되기 어렵고 두께가 증가함에 따라 이로부터 제조된 분리막은 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 다공성 지지체는 고분자 바인더(binder)를 포함할 수 있다. 이러한 고분자 바인더는 나노 입자와 무기입자(30)를 상호 연결 및 고착시키는 역할을 함으로써, 무기입자(30)가 나노웹으로부터 쉽게 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이러한, 고분자 바인더는 그 종류를 특별히 한정하지 않고 통상의 고분자 바인더일 수 있다.
이와 같은 구성으로 이루어진 다공성 지지체는 80 ~ 150 ㎫의 탄성률을 가짐에 따라 형태안정성이 우수하여 후공정이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 상기 다공성 지지체는 내열성이 우수한 무기입자를 포함하고 있기 때문에 580 ~ 600 ℃의 열분해온도를 가지고, 이에 따라 고온에서 우수한 열안정성이 요구되는 이차전지용 분리막 또는 연료전지의 전해질막 등에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 다공성 지지체의 제조방법은, 유기 고분자를 포함하는 방사용액을 제조한 후 상기 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유(10)를 포함하여 이루어진 나노웹을 제조하는 단계, 및 상기 나노웹에 무기입자(30)를 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 나노웹을 제조하는 단계는, 유기 고분자를 용매에 녹여 방사용액을 제조한 후, 상기 방사용액을 전압이 인가된 방사 노즐(spinneret nozzle)에 공급하고 상기 방사 노즐에 의해 토출시켜 나노 섬유(10)들을 형성하고 상기 나노 섬유(10)들을 집전체에 집전시키는 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 전기방사는 나노 단위의 직경을 갖는 섬유들을 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있고, 이러한 나노 섬유(10)들은 거미줄처럼 서로 엉켜 나노웹을 형성한다. 이러한 전기방사는 박막화 및 다공도를 용이하게 조절할 수 있는 나노웹을 제조할 수 있다. 따라서, 이러한 나노웹을 이차전지의 분리막에 적용될 경우 이차전지는 전기전도도가 우수하고 전기저항이 낮음에 따라 우수한 성능을 가질 수 있다.
상기 코팅하는 단계는, 바인더를 용매에 녹여 바인더 용액을 제조하는 단계, 상기 바인더 용액에 무기입자(30)를 혼합하여 코팅용액을 제조하는 단계, 및 상기 코팅용액을 나노웹에 도포한 후 건조하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 용매는 나노 섬유(10)가 통상의 유기용매에 상온에서 녹지 않는 경우 유기계 용매일 수 있고, 나노 섬유(10)가 통상의 유기용매에 잘 녹는 경우 수계 용매인 것이 바람직하다.
상기 코팅하는 방법은 통상의 방법을 이용할 수 있는데, 딥(dip) 코팅, 다이(die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅, 스프레이 코팅 등을 이용하여 수행할 수 있다.
이하에서는 구체적 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
실시예 1
12중량%의 농도를 갖는 폴리아믹애시드/THF 방사용액을 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사한 후 폴리아믹애시드 나노웹의 전구체를 형성한 후 150 ℃의 핫프레스를 통해 이미드화 반응을 시켜 두께가 20 ㎛인 폴리이미드 다공성 지지체를 제조하였다.
N-메틸-2-피롤리돈에 설폰화 폴리이미드를 용융시켜 10 중량%의 바인더 용액을 제조하였다. 상기 바인더 용액에 이산화티탄늄 무기입자(30)를 혼합하여 10 중량%의 코팅용액을 제조하였다.
딥 공정을 이용하여 상기 다공성 지지체를 상기 코팅용액에 침지한 후 패딩롤을 이용하여 무기입자(30)의 함유량을 조절한 후 유기용매를 건조시켜 다공성 지지체를 제조하였다.
실시예 2
전술한 실시예 1에서, 폴리이미드 다공성 나노웹 대신 폴리비닐리덴 플루오라이드 다공성 나노웹을 사용하고 바인더를 포함하는 코팅용액 대신 이산화티탄늄을 물에 녹인 코팅용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 다공성 지지체를 제조하였다.
폴리비닐리덴 플루오라이드 다공성 나노웹은 다음과 같은 공정을 통해 제조하였다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 디메틸포름아마이드(dimethylformamide) 용매에 녹여 농도가 10 %인 방사용액을 제조하였다. 이러한 방사용액을 60 kV의 전압이 인가된 방사노즐에서 토출하여 나노웹을 제조하였다. 이때, 방사노즐과 집전체와의 거리는 60㎝이고 토출량은 홀당 0.5 cc/g이었다. 이렇게 제조된 나노웹을 120 ℃로 가열된 롤(roll)에 투입하여 캘린더링하는 공정을 통해 폴리비닐리덴 플루오라이드 다공성 나노웹을 완성하였다.
비교예 1
전술한 실시예 1에서, 폴리이미드 다공성 나노웹에 이산화티탄늄 무기입자(30)를 코팅하는 공정을 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 다공성 지지체를 제조하였다.
비교예 2
전술한 실시예 1에서, 폴리이미드 다공성 나노웹 대신 통상의 필름 형태의 폴리에틸렌 다공성 막(100)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 다공성 지지체를 제조하였다. 폴리에틸렌 다공성 막(100)은, 고상 가공 공정(Solid-state Processing)을 통하여 필름을 제조하고, 팽윤 및 세척에 의한 다공화 공정(Swelling & Rolling) 및 건조 공정을 통해 다공성 막(100)을 완성하였다.
실시예 및 비교예 들에 의해 제조된 다공성 지지체들의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
다공도 (%) 측정
다공성 지지체의 다공도는 다공성 지지체의 질량, 부피 및 밀도를 이용하여 아래의 식과 같이 다공성 지지체의 전체부피 대비 공기부피의 비율에 의하여 계산하였다.
다공도(%) = (공기부피/전체부피)×100
열분해 온도(℃) 측정
열중량분석기기(PERKIN ELMER, Thermogravimetric Analyzer TGA7)를 이용하여 초기 열분해 시작지점의 온도를 측정하였다. 구체적 측정 조건은, 온도 범위 30 ~ 900 ℃, 승온속도 20 ℃/분, 질소가스 사용, 상기 질소 가스 유량 60 ㎖/분이었다.
탄성률(㎫)
ASTM D882 규정에 의해 다공성 지지체의 탄성률(㎫)을 측정하였다.
구분 다공도(%) 열분해온도(℃) 탄성률(㎫)
실시예 1 70 594.25 116.15
실시예 2 55 595.01 120.22
비교예 1 95 579.58 36.15
비교예 2 90 200.26 55.16
10 : 나노 섬유 20 : 기공
30 : 무기입자

Claims (10)

  1. 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유; 및
    무기입자를 포함하되,
    상기 나노 섬유로 이루어진 나노웹 형태를 갖고 상기 나노웹 내부의 나노 섬유들 사이에 상기 무기입자가 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 고분자 바인더(binder)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기입자는 0.01 ~ 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기입자는 TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, Al2O3, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiC, 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 50 ~ 80 %의 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 80 ~ 150 ㎫의 탄성률을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 580 ~ 600 ℃의 열분해온도를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 지지체.
  8. 유기 고분자를 포함하는 방사용액을 제조한 후 상기 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 ~ 5 ㎛인 나노 섬유를 포함하여 이루어진 나노웹을 제조하는 단계; 및
    상기 나노웹에 무기입자를 코팅하는 단계를 포함하는 다공성 지지체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코팅하는 단계는,
    바인더를 용매에 녹여 바인더 용액을 제조하는 단계;
    상기 바인더 용액에 무기입자를 혼합하여 코팅용액을 제조하는 단계; 및
    상기 코팅용액을 나노웹에 도포한 후 건조하는 단계를 포함하는 다공성 지지체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바인더 용액을 제조하는데 사용되는 용매는 유기계 용매 또는 수계 용매인 것을 특징으로 하는 다공성 지지체의 제조방법.
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