KR20220072630A - 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착된 다층 구조의 연신 보조층을 포함하여, 파우치 성형 시 각 층의 계면에서 응력을 완화하고 파우치의 성형성을 향상시키며, 파우치 제조 공정에서 파우치의 파단 위험을 현저히 감소시키고 불량률을 줄여 제조비용을 절감할 수 있는 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치 필름은, 파우치 형 전지 케이스를 제조하는 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 최내층에 형성되는 실란트층, 최외층에 형성되는 표면 보호층, 상기 실란트층과 상기 표면 보호층의 사이에 적층되는 가스 배리어층 및 상기 가스 배리어층과 상기 표면 보호층의 사이에 적층되며, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성된 연신 보조층을 포함한다.

Description

이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법 {POUCH FILM FOR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착된 다층 구조의 연신 보조층을 포함하여, 파우치 성형 시 각 층의 계면에서 응력을 완화하고 파우치의 성형성을 향상시키며, 파우치 제조 공정에서 파우치의 파단 위험을 현저히 감소시키고 불량률을 줄여 제조비용을 절감할 수 있는 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반복적인 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary battery)는 그 구조 또는 제조방법에 따라 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지 등으로 구분될 수 있다. 기존의 이차전지용 외장재로는 금속 캔을 사용한 원통형 전지나 각형 전지가 주를 이루었지만, 이러한 구조의 전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전자 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있었다. 이에 파우치형 이차전지에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
파우치형 이차전지는 시트 형태의 파우치 외장재 내에 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체가 수용된 구조를 갖는 것이 일반적인 형태이며, 상세하게는 수용부가 형성된 하부와 이를 덮는 상부로 크게 구분되고, 수용부에 내장되는 전극조립체는 양극 및 음극과 세퍼레이터가 적층되어 이루어진다. 또한 각 전극에서는 전극 탭이 인출되고, 전극 탭에는 실링부와 겹치는 부분에 테이프가 부착된다.
이러한 구조의 파우치형 이차전지는 원통형 전지와는 달리, 형태의 변형이 상대적으로 용이하며, 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하다는 문제점이 있다.
파우치는 파우치 필름을 펀치 등으로 드로잉(Drawing) 성형하여 수용부를 구비하도록 제작되는데, 이 과정에서 필연적으로 연신이 발생하며, 과도한 연신이 발생하는 경우 미세한 크랙 또는 파단의 위험에 노출되게 된다. 이처럼 외장재의 역할을 하는 파우치에 크랙 또는 파단이 발생하는 경우, 전해액이 누출되거나 산소와 반응하게 되므로 전지의 성능이 저하되고 안전성을 보장할 수 없게 된다는 문제점이 있다.
알루미늄(AL) 파우치를 예를 들어 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 알루미늄 포일의 양면에 폴리머가 라미네이트된 것으로, 최내층에는 폴리프로필렌(PP)이, 최외층에는 나일론(Nylon), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이 순서대로 라미네이트 되는 것이 일반적이다. 여기서 나일론 층은 파우치의 성형성을 향상시키기 위한 것으로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 알루미늄의 중간 정도 연성을 가지기 때문에 그 사이에 적층되어 상 하부층이 쉽게 파단되지 않도록 응력을 완화시켜주는 역할을 한다.
그러나 나일론의 경우 단가가 높고, 패키징 단계에서 Heat Sealing 공정 수행 시 나일론 층의 박리가 쉽게 발생한다는 문제점이 있다. 따라서, 나일론 층과 같이 파우치의 성형성을 보완할 수 있는 층을 마련하되, 원가를 보다 절감할 수 있는 대체 소재 혹은 구조가 필요한 실정이다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연신율이 상이한 복수의 층이 접착된 다층 구조의 연신 보조층을 포함하여, 파우치 성형 시 각 층의 계면에서 응력을 완화하고 파우치의 성형성을 향상시키며, 파우치 제조 공정에서 파우치의 파단 위험을 현저히 감소시키고 불량률을 줄여 제조비용을 절감할 수 있는 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법은, 파우치 형 전지 케이스를 제조하는 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 최내층에 형성되는 실란트층, 최외층에 형성되는 표면 보호층, 실란트층과 표면 보호층의 사이에 적층되는 가스 배리어층 및 가스 배리어층과 표면 보호층의 사이에 적층되며, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성된 연신 보조층을 포함한다.
연신 보조층은, 표면 보호층에 인접할수록 연신율이 클 수 있다.
연신 보조층은, 복수의 층의 연신율이 각각 20% 내지 130% 일 수 있다.
연신 보조층은 제1 변형 PET층 및 제1 변형 PET층의 상부에 접착되는 제2 변형 PET층으로 구성되고, 제2 변형 PET층은 제1 변형 PET층보다 연신율이 클 수 있다.
연신 보조층은 제2 변형 PET층의 상부에 접착되는 제3 변형 PET층을 더 포함하고, 제3 변형 PET층은 제2 변형 PET층보다 연신율이 클 수 있다.
제1 변형 PET층의 연신율은 45% 내지 55% 이고, 제2 변형 PET층의 연신율은 65% 내지 75% 이고, 제3 변형 PET층의 연신율은 85% 내지 95% 일 수 있다.
실란트층의 상부에 가스 배리어층을 적층하는 단계, 상기 가스 배리어층의 상부에 연신율이 상이한 복수의 층을 접착하여 형성한 연신 보조층을 적층하는 단계 및 연신 보조층의 상부에 표면 보호층을 적층하는 단계를 포함한다.
연신 보조층을 적층하는 단계는, 표면 보호층에 인접할수록 연신율이 크도록 형성된 연신 보조층을 적층할 수 있다.
연신 보조층을 적층하는 단계는, 복수의 층의 연신율이 각각 20% 내지 130%인 연신 보조층을 적층할 수 있다.
연신 보조층을 적층하는 단계는, 제1 변형 PET층의 상부에 제2 변형 PET층을 접착하고, 제2 변형 PET층의 상부에 제3 변형 PET층을 접착하며, 제3 변형 PET층은, 상기 제2 변형 PET층보다 연신율이 크고, 제2 변형 PET층은 제1 변형 PET층보다 연신율이 크도록 형성된 연신 보조층을 적층할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치 필름 및 이의 제조방법은, 파우치 형 전지 케이스를 제조하는 이차전지용 파우치 필름에 있어서, 최내층에 형성되는 실란트층, 최외층에 형성되는 표면 보호층, 실란트층과 표면 보호층의 사이에 적층되는 가스 배리어층 및 가스 배리어층과 표면 보호층의 사이에 적층되며, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성된 연신 보조층을 포함하며, 그에 따라 파우치 성형 시 각 층의 계면에서 응력을 완화하고 파우치의 성형성을 향상시키며, 파우치 제조 공정에서 파우치의 파단 위험을 현저히 감소시키고 불량률을 줄여 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 이차전지용 파우치 필름을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 이차전지용 파우치 필름을 도시하는 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
실시예 1
도 1은 종래의 이차전지용 파우치 필름을 도시하는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 이차전지용 파우치 필름을 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 이차전지용 파우치 필름(100)은 실란트층(110), 표면 보호층(130), 가스 배리어층(120) 및 연신 보조층(140)을 포함한다.
실란트층(Sealant Layer, 110)은 파우치 필름(100)의 최내층에 형성되어 전극 조립체와 직접적으로 접촉하고, 전해액에 대한 내화학성과 열접착성을 가지고 실링재 역할을 하는 층이며, 주로 폴리올레핀(Polyolefine) 계열의 수지로 형성되는데, 바람직하게는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)으로 형성될 수 있다.
표면 보호층(Surface Protection Layer, 130)은 파우치 필름(100)의 최외층에 형성되는 층으로, 외부 충격으로부터 전지를 보호하는 역할을 하며 하드웨어와 직접적으로 접촉하기 때문에 절연성, 내열성이 요구된다. 표면 보호층(130)의 재질은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중에서 선택된 1종의 단일층 또는 2종 이상의 복합층을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 형성될 수 있다.
가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 120)은 실란트층(110)과 표면 보호층(130)의 사이에 적층되는 층으로, 파우치 필름(100)의 기계적 강도를 유지하고, 수분과 산소의 배리어 역할을 하는 층에 해당한다. 가스 배리어층(120)은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금 등으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 알루미늄의 경우 일정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체 및 전해액에 대한 내화학성 및 방열성을 확보할 수 있다.
연신 보조층(140)은 가스 배리어층(120)과 표면 보호층(130)의 사이에 적층되며, 가스 배리어층(120)과 표면 보호층(130)의 중간 정도의 연성을 가지는 것으로, 이 같은 연신 보조층(140)을 구비함으로써 파우치 필름(100)의 성형과정에서 파우치 필름(100)의 연신이 일어나는 경우 쉽게 파단되지 않도록 파우치 필름(100)의 연신을 보조하게 된다.
본 발명의 실시예 1에 따른 연신 보조층(140)은 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성된다. 즉, 단일 층이 아닌 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성됨으로써, 파우치 필름(100)의 적층 위치에 따라 연신율을 다양하게 구성할 수 있고, 가스 배리어층(120)과 표면 보호층(130)의 층간 계면에서 응력을 완화시켜 파우치 필름(100)의 성형성을 향상시킬 수 있다.
파우치 필름(100)은 파우치의 수용부 성형 과정과 완제품인 파우치형 이차전지의 사용 과정에서 필연적으로 연신이 발생하는데, 이 경우 파우치 필름(100)의 내부에서 외부를 향해 압력이 가해지는 형태로 연신이 발생하게 된다. 따라서 파우치 필름(100)은 최내층에서 최외층으로 갈수록 연신율이 큰 층이 적층되는 것이 일반적인 구조이다.
본 발명의 실시예 1에 따른 이차전지용 파우치 필름(100)은 이에 대응되도록, 연신 보조층(140)을 구성하는 복수의 층이 표면 보호층(130)에 인접할수록 연신율이 크게 형성될 수 있으며, 이를 통해 파우치 필름(100) 전체의 연신율이 파우치 필름(100)의 최내층에서 최외층으로 갈수록 커지도록 하여 높은 성형성을 가질 수 있도록 한다. 이처럼 높은 성형성을 가지는 파우치 필름(100)은 성형 과정 뿐 아니라 성형 이후에도 크랙 또는 파단 발생의 위험이 낮으며, 이는 곧 파우치 불량률의 감소로 이어져 제조 비용의 절감 효과를 가져오게 된다.
복수의 층은 각각 연신율이 20% 내지 130%인 변형 PET층으로 형성될 수 있다. 여기서 변형 PET 층이란, PET에 물리 화학적 변화를 주어 연신율이 변형된 PET를 의미한다. PET는 종래 연신 보조층(140)으로 주로 활용되는 나일론에 비해 원가가 저렴하므로, PET의 연신율을 변형하여 나일론의 대체재로 사용 시 파우치 필름(100)의 비용을 절감할 수 있다.
변형 PET층으로 구성된 연신 보조층(140)에 대해 상세히 설명하면, 연신 보조층(140)은 제1 변형 PET층(141) 및 상기 제1 변형 PET층(141)의 상부에 접착되는 제2 변형 PET층(142)으로 구성될 수 있다. 이때, 제2 변형 PET층(142)은 제1 변형 PET층(141)보다 연신율이 크도록 형성될 수 있다.
또한 연신 보조층(140)은 제2 변형 PET층(142)의 상부에 접착되는 제3 변형 PET층(143)을 더 포함할 수 있으며, 제3 변형 PET층(143)은 제2 변형 PET층(142)보다 연신율이 크도록 형성될 수 있다. 각 변형 PET층 사이에는 접착층(Adhesive layer, A)이 형성되어 각 변형 PET층 사이를 접착할 수 있으며, 접착층(A)은 연신 보조층(140)과 가스 배리어층(120) 및 연신 보조층(140)과 표면 보호층(130)의 사이에도 형성되어 각 층을 접착시킬 수 있다.
이처럼 연신 보조층(140)이 변형 PET층으로 형성되는 경우, 파우치의 용도에 따라 PET의 변형 정도를 달리하여 다양하게 적용할 수 있으며, 변형 PET층이 적층되는 층수를 다양하게 하여 파단 위험이 낮은 양품의 파우치를 제작할 수 있다. 이 외에도 종래 연신 보조층(140)으로 사용되는 나일론과 비교 시, 고온에서 상대적으로 박리가 잘 일어나지 않아 높은 온도에서 Heat sealing을 진행할 수 있으며, 그 결과 공정 효율이 향상되는 효과가 있다.
연신 보조층(140)을 형성하는 복수의 층은 앞서 설명한 바와 같이 각각 연신율이 20% 내지 130%일 수 있으며, 예를 들어 제1 변형 PET층(141)의 연신율은 45% 내지 55% 이고, 제2 변형 PET층(142)의 연신율은 65% 내지 75% 이며, 제3 변형 PET층(143)의 연신율은 85% 내지 95% 일 수 있다. 이처럼 각 변형 PET층이 20% 내지 130%의 연신율로 형성되되, 변형 PET층 간 일정 크기 이상의 연신율 차이를 가지고, 가스 배리어층(120)에 인접하는 제1 변형 PET층(141)에서 표면 보호층(130)에 인접한 제3 변형 PET층(143)으로 갈수록 연신율이 증가하도록 구성됨으로써, 파우치 필름(100) 전체의 성형성이 균일하게 확보할 수 있다.
실시예 2
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 이차전지용 파우치 필름을 도시하는 단면도이다. 본 발명의 실시예 2에서는, 실시예 1의 파우치 필름을 제조하는 방법에 관한 발명인 점에서 실시예 1과 차이가 있다.
실시예 1과 공통된 내용은 가급적 생략하고 차이점 중심으로 실시예 2에 대해서 설명하기로 한다. 즉, 실시예 2에서 설명하지 않은 내용이 필요한 경우 실시예 1의 내용으로 간주될 수 있음은 자명하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 이차전지용 파우치 필름의 제조방법은 가스 배리어층(120)을 적층하는 단계, 연신 보조층(140)을 적층하는 단계 및 표면 보호층(130)을 적층하는 단계를 포함한다.
먼저 실란트 층의 상부에 가스 배리어층(120)을 적층하고, 가스 배리어층(120)의 상부에는 연신율이 상이한 복수의 층을 접착하여 형성한 연신 보조층(140)을 적층한다. 이때 연신 보조층(140)은 복수의 층의 연신율이 각각 20% 내지 130%일 수 있으며, 표면 보호층(130)에 인접할수록 연신율이 크도록 형성하여, 가스 배리어층(120)의 상부에 접착할 수 있다.
연신 보조층(140)의 적층 단계를 상세히 설명하면, 제1 변형 PET층(141)의 상부에 제2 변형 PET층(142)을 접착하고, 제2 변형 PET층(142)의 상부에 제3 변형 PET층(143)을 접착할 수 있다. 이때 제3 변형 PET층(143)은 제2 변형 PET층(142)보다 연신율이 크고, 제2 변형 PET층(142)은 제1 변형 PET층(141)보다 연신율이 크도록 형성된 연신 보조층(140)을 적층할 수 있다.
이처럼 연신율이 상이한 복수의 층이 접착된 다층 구조의 연신 보조층(140)을 포함하여 파우치 필름(100)을 제조하는 경우, 파우치 성형 시 각 층의 계면에서 응력을 완화하고 파우치의 성형성을 향상시키며, 파우치 제조 공정에서 파우치의 파단 위험을 현저히 감소시키고 불량률을 줄여 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
100: 파우치 필름
110: 실란트층
120: 가스 배리어층
130: 표면 보호층
140: 연신 보조층
141: 제1 변형 PET층
142: 제2 변형 PET층
143: 제3 변형 PET층
A: 접착층

Claims (10)

  1. 파우치 형 전지 케이스를 제조하는 이차전지용 파우치 필름에 있어서,
    최내층에 형성되는 실란트층;
    최외층에 형성되는 표면 보호층;
    상기 실란트층과 상기 표면 보호층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및
    상기 가스 배리어층과 상기 표면 보호층의 사이에 적층되며, 연신율이 상이한 복수의 층이 접착되어 형성된 연신 보조층을 포함하는 이차전지용 파우치 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연신 보조층은,
    상기 표면 보호층에 인접할수록 연신율이 큰 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연신 보조층은,
    복수의 층의 연신율이 각각 20% 내지 130% 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연신 보조층은,
    제1 변형 PET층 및
    상기 제1 변형 PET층의 상부에 접착되는 제2 변형 PET층으로 구성되고,
    상기 제2 변형 PET층은, 상기 제1 변형 PET층보다 연신율이 큰 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연신 보조층은,
    상기 제2 변형 PET층의 상부에 접착되는 제3 변형 PET층을 더 포함하고,
    상기 제3 변형 PET층은, 상기 제2 변형 PET층보다 연신율이 큰 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 변형 PET층의 연신율은 45% 내지 55% 이고,
    상기 제2 변형 PET층의 연신율은 65% 내지 75% 이고,
    상기 제3 변형 PET층의 연신율은 85% 내지 95% 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름.
  7. 실란트층의 상부에 가스 배리어층을 적층하는 단계;
    상기 가스 배리어층의 상부에 연신율이 상이한 복수의 층을 접착하여 형성한 연신 보조층을 적층하는 단계; 및
    상기 연신 보조층의 상부에 표면 보호층을 적층하는 단계를 포함하는 이차전지용 파우치 필름의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연신 보조층을 적층하는 단계는,
    상기 표면 보호층에 인접할수록 연신율이 크도록 형성된 연신 보조층을 적층하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연신 보조층을 적층하는 단계는,
    복수의 층의 연신율이 각각 20% 내지 130%인 연신 보조층을 적층하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 연신 보조층을 적층하는 단계는,
    제1 변형 PET층의 상부에 제2 변형 PET층을 접착하고, 상기 제2 변형 PET층의 상부에 제3 변형 PET층을 접착하며,
    상기 제3 변형 PET층은, 상기 제2 변형 PET층보다 연신율이 크고, 상기 제2 변형 PET층은 상기 제1 변형 PET층보다 연신율이 크도록 형성된 연신 보조층을 적층하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 필름의 제조방법.
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