KR20220156683A - 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치 - Google Patents

Abstract

수율을 높이고, 품질을 균일하게 하며, 불연속적인 공정으로 인한 시간 및 인력을 최대한으로 감소시키고 병목현상이 제거되는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치를 제시한다. 그 장치는 미연신시트 제작부, 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 어닐링부 및 어닐링된 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 연신부를 포함하고, 미연신시트 제작부는 융융된 고분자수지를 토출시트로 토출시키는 압출다이와, 압출다이로부터 제3 간격(D3)만큼 이격되어 배치된 장력조절롤러와, 압출다이 및 장력조절롤러 사이에 배치되며 토출시트에 냉각기체를 분사시키는 에어분사구를 이용하여 토출시트를 냉각시켜 미연신시트로 변환시키는 에어나이프를 포함하며, 장력조절롤러는 토출시트 및 미연신시트에 가해지는 장력을 조절한다.

Description

연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치{Apparatus of manufacturing drying type separator using inline process}

본 발명은 분리막 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미연신시트 형성, 어닐링, 연신 등과 같은 제조공정을 연속적으로 수행하여, 특히 전지에 사용되는 건식분리막을 효율적으로 제조하는 장치에 관한 것이다.

전지용 분리막은 전지의 양극과 음극을 분리하여 전기적 접촉을 방지하는 역할을 하는 것으로, 분리막에는 미세한 기공들이 뚫려 있다. 전지는 상기 기공을 통해 이온이 양극 및 음극을 이동하며 전기를 발생시킨다. 분리막은 크게 건식공정(dry process) 및 습식공정(wet process)으로 제조된다. 이중에서, 결정구조를 제어하는 건식공정은 용융된 고분자 수지를 압출하여 미연신시트로 제조한 후, 어닐링으로 결정구조를 조절하고, 연신으로 기공을 형성하여 분리막을 제조하는 방법이다. 건식공정에 의해 제조된 분리막은 추출용매를 사용하지 않아서 친환경적이고 생산공정이 단순하여 높은 가격경쟁력을 가지고 있다.

종래의 건식분리막은 국내등록특허 제10-0928898호 등에서와 같이 압출, 캐스팅, 열처리(어닐링), 연신 등의 공정을 불연속적으로 수행하여 제조된다. 불연속적인 공정은 압출 및 캐스팅으로 미연신시트를 제조한 후, 상기 미연신시트를 어닐링공정에 옮겨서 고온의 열처리를 수행한 다음, 상기 어닐링이 완료된 미연신시트를 연신공정으로 이동시켜서 연신공정을 수행한다. 불연속적인 공정은 각 공정별로 분리막의 손실이 일어나고, 전체 공정에서의 균일한 품질을 획득하기 어렵다. 또한, 각 공정으로 이동하므로, 이동에 필요한 시간과 인력이 소요된다.

일반적으로, 종래의 분리막은 캐스팅롤을 활용하여 미연신시트를 제조한다. 도 1은 캐스팅롤을 활용한 종래의 미연신시트를 제조하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 1에 의하면, 압출기(100)에서 공급되는 용융수지를 압출다이(101)로 토출된 토출시트(Fo)를 상대적으로 저온의 캐스팅롤(102)에 접촉시키면서, 냉각 및 고화시켜 라멜라 결정이 형성된 미연신시트(Fs)를 제작한다. 필요한 경우, 캐스팅롤(102)에 기체공급부(103)를 통하여 냉각기체를 공급하여 상기 라멜라 결정구조를 조절할 수 있다. 라멜라 결정구조를 고려하면서 종래의 캐스팅롤(102)을 연속공정에 적용하려면, 캐스팅롤(102)에 토출시트(Fo)을 통과하는 캐스팅 속도를 어닐링 속도와 조율하기 어렵다. 미연신시트(Fs)의 제작과 어닐링을 불연속적으로 진행하는 이유는 캐스팅롤(102) 및 어닐링 공정구간에서의 병목현상이 불가피하게 발생하기 때문이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수율을 높이고, 품질을 균일하게 하며, 불연속적인 공정으로 인한 시간 및 인력을 최대한으로 감소시키고 병목현상이 제거되는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치는 미연신시트 제작부, 상기 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 어닐링부 및 상기 어닐링된 상기 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 연신부를 포함한다. 이때, 상기 미연신시트 제작부는 융융된 고분자수지를 토출시트로 토출시키는 압출다이와, 상기 압출다이로부터 제3 간격(D3)만큼 이격되어 배치된 장력조절롤러와, 상기 압출다이 및 상기 장력조절롤러 사이에 배치되며 상기 토출시트에 냉각기체를 분사시키는 에어분사구를 이용하여 상기 토출시트를 냉각시켜 상기 미연신시트로 변환시키는 에어나이프를 포함한다. 여기서, 상기 장력조절롤러는 상기 토출시트 및 상기 미연신시트에 가해지는 장력을 조절한다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 에어나이프는 상기 토출시트의 한면 또는 양면에 배치된다. 상기 제3 간격(D3)은 50㎜ 내지 150㎜가 바람직하다. 상기 에어나이프는 상기 에어분사구로 갈수록 폭이 좁아진다. 상기 에어분사구는 상기 압출다이로부터 제1 간격(D1) 및 상기 토출시트로부터 제2 간격(D2)을 이루고, 상기 제1 간격(D1)은 5㎜ 내지 70㎜이고, 상기 제2 간격(D2)은 10㎜ 내지 50㎜가 바람직하다. 상기 에어분사구에서 분사되는 상기 냉각기체의 풍속은 10m/s 내지 100m/s이 좋다. 상기 에어나이프가 상기 양면에 배치되는 경우, 상기 에어분사구는 상기 토출시트에 대하여 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)를 이루고, 상기 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 40도 내지 90도일 수 있다. 상기 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 서로 다를 수 있다. 상기 압출다이의 노즐에는 발열부가 설치될 수 있다. 상기 미연신시트의 성형속도는 1m/m 내지 40m/m이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 어닐링부는 열에너지를 공급하는 오븐, 복수의 이송롤러 및 텐터클립 체인을 포함하고, 상기 텐터클립 체인은 상기 복수의 이송롤러에 결속되어 상기 이송롤러의 회전에 따라 움직이고 상기 미연신시트가 고정된다. 상기 복수의 이송롤러는 상기 미연신시트가 단위길이를 이루는 한쌍의 이송롤러 세트가 복수개가 존재한다. 상기 어닐링부에 의한 공정길이는 상기 세트의 개수, 상기 단위길이 및 상기 세트 사이의 이격간격에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치에 의하면, 캐스팅롤을 배제하고 에어나이프(air knife)로 미연신시트를 냉각시킴으로써, 수율을 높이고, 품질을 균일하게 하며, 불연속적인 공정으로 인한 시간 및 인력을 최대한으로 감소시키고 병목현상이 제거된다.

도 1은 종래의 미연신시트를 제조하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 전지용 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 의한 제조장치에 적용되는 압출 및 성형장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 제조장치에 적용되는 어닐링 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실험예에 의한 분리막을 확대한 사진들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 제조장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 제조장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.

본 발명의 실시예는 캐스팅롤을 배제하고 에어나이프(air knife)로 미연신시트를 냉각시킴으로써, 수율을 높이고, 품질을 균일하게 하며, 불연속적인 공정으로 인한 시간 및 인력을 최대한으로 감소시키고 병목현상이 제거되는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치를 제시한다. 이를 위해, 에어나이프가 장착된 건식분리막 제조장치에 대하여 자세하게 알아보고, 상기 제조장치를 이용하여 분리막을 제조하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 분리막은 건식공정으로 제조된다. 즉, 추출용매를 사용하지 않지만, 경우에 따라 기공을 형성하는 입자를 첨가하는 입자연신 공정에도 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전지용 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.

도 2에 의하면, 본 발명의 제조방법은 먼저 고분자수지를 압출하고 성형하여 미연신시트를 제작한다(S10). 이때, 상기 고분자수지는 반결정성(semi-crystalline)인 것이 바람직하고, 예로서 폴리올레핀, 폴리플루오로카본, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리설파이드, 폴리비닐알콜, 이들의 공중합체 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 고분자 화합물일 수 있다. 상기 고분자수지는 폴리올레핀 수지가 바람직하며, 폴리올레핀 수지는 예를 들면 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 폴리부텐, 폴리스틸렌 등 올레핀류의 단독중합체, 또는 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부틸렌 공중합체, 프로필렌-부텐 공중합체 등 올레핀류의 공중합체 및 이들의 혼합물일 수 있다.

또한, 상기 고분자수지를 압출할 때, 전지의 구동에 지장을 주지 않는 범위 내에서 보강재, 충전재, 산화방지제, 계면활성제, 중화제, 내열안정제, 내후안정제, 대전방지제, 활제, 슬립제, 안료, 핵제 등과 같은 각종 첨가제를 첨가할 수 있다. 상기 첨가제는 당 업계에서 공지된 물질이면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 첨가제 중에 장기간의 내열성 및 산화안정성 확보를 위하여 산화방지제를 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 분리막 제조에 있어서, 미연신시트를 압출하고 성형하는 방법은 연속공정을 구현한다. 즉, 압출하고 성형된 미연신시트는 지체없이 어닐링 공정에 투입된다. 연속공정을 위한 압출 및 성형장치는 추후에 상세하게 설명하기로 한다.

다음에, 상기 미연신시트에 대하여 어닐링을 실시한다(S11). 상기 어닐링은 시트 전체에 걸쳐 결정화를 촉진시키고, 결정질의 크기를 증가시키며 결함을 제거시킨다. 상기 어닐링은 수초 내지 수십분, 예컨대 30초-30분, 더 바람직하게는 약 60초-5분동안 고분자수지의 융점보다 약 2℃ 내지 20℃ 낮은 온도에서 수행된다. 예를 들면, 폴리프로필렌으로 이루어진 미연신 시트는 약 140℃~170℃의 범위에서 어닐링을 한다. 어닐링을 거친 상기 미연신시트는 지체없이 저온연신 공정에 투입된다. 연속공정을 위한 어닐링 장치는 추후에 상세하게 설명하기로 한다.

이어서, 어닐링을 마친 상기 미연신시트에 대하여, 저온연신을 수행하여 시트 표면에 크랙을 형성한다(S12). 저온연신공정은 연신 롤(roll)을 이용하여 종방향으로 연신할 수 있다. 저온연신공정의 온도는 반결정성 고분자 화합물의 종류에 따라 무정형 영역에 크랙(crack)을 형성할 수 있는 온도로 설정할 수 있다. 예를 들면, 사용되는 고분자 화합물의 용융온도(Tm)를 기준으로 (Tm-150℃)에서 (Tm-60℃) 사이가 적절하다. (Tm-150℃) 미만의 온도에서는 저온연신중에 파단 가능성이 크고, 균일한 크랙 형성이 어렵다. (Tm-60℃) 초과의 온도에서는 형성된 크랙이 다시 고분자의 열운동에 의하여 회복되는 현상이 발생한다. 저온연신공정에서 바람직한 연신율은 10~100%이다. 연신율이 10% 이하이면, 무정형 영역에 크랙이 충분히 형성되지 않아 고온연신 후 통기도가 저하된다. 100% 이상이면, 저온연신공정 중에 파단을 초래하여 생산 효율이 떨어진다.

그후, 저온연신을 마친 연신필름에 대하여, 1차 고온연신과(S13) 2차 고온연신(S14)을 실시한다. 고온연신의 온도는 용융온도(Tm)를 기준으로 (Tm-40℃)에서 (Tm-10℃) 사이가 적절하다. (Tm-40℃) 미만의 온도에서는 저온연신된 필름의 크랙 부위에서 기공이 확장되는 과정에서 파단될 가능성이 높다. 저온연신을 거쳐 형성된 크랙은 고분자 내의 일부 결함과 유사한 것으로, 충분한 열을 가하지 않은 상태에서 힘을 가하게 되면 크랙을 중심으로 파단이 발생하게 된다. (Tm-10℃) 초과의 온도에서는 고분자의 유동성이 크기 때문에 기공이 닫히게 된다.

고온연신 방식은 다양하게 알려져 있으나, 종방향 연신으로 80~300% 로 연신하는 것이 바람직하다. 경우에 따라, 종방향 연신 후 횡방향 연신도 실시할 수 있다. 그런데, 본 발명의 실시예는 1차 고온연신 후에 2차 고온연신을 실시하므로, 1차 및 2차 고온연신에서 연신정도를 조절한다. 예컨대, 종방향 연신을 140%를 하는 경우, 1차 고온연신에는 70% 정도를 연신한다면, 2차 고연연신에는 70%를 연신한다. 이에 따라, 1차 고온연신은 연신하는 정도를 조절하는 의미가 있다. 이와 같이, 2차 고온연신을 거치면, 본 발명의 실시예에 의한 분리막은 어닐링을 거친 연신 시트에 비해 수배 정도로 신장된다. 1차 및 2차 고온연신이라는 고온연신을 거친 분리막은 열고정을 통하여 분리막에 가해진 열을 완화시키고, 미세조직을 안정시킨다(S15). 열고정을 거친 분리막은 냉각(S16) 시킨 후 권취롤에 의해 권취된다(S17).

본 발명의 실시예는 미연신시트를 제작한 이후에, 후속공정으로 어닐링, 저온연신, 제1차 및 제2차 고온연신, 열고정 등의 순서로 분리막을 제작하는 과정을 제시하였다. 다만, 여기서는 바람직한 실시예의 하나를 제시한 것에 불과하며, 본 발명의 범주 내에서 상기 후속공정은 다양하게 변형될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 의한 분리막을 제조하는 공정은 미연신시트 제작부, 어닐링부 및 연신부를 필수적으로 포함한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 제조장치에 적용되는 압출 및 성형장치를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 건식분리막 제조장치는 도 2를 참조하기로 한다.

도 3에 의하면, 압출 및 성형장치는 압출기(10), 압출다이(11) 및 장력조절롤러(12)를 포함한다. 이때, 압출다이(11)에는 용융된 고분자수지가 토출시트(Fo) 형태로 토출되며, 특별히 한정되지는 않으나, 싱글 스크류 또는 트윈 스크류의 압출기 및 T자 또는 환형의 다이를 이용할 수 있다. 도면에서는 T자 형태의 다이를 예로 들었다. 압출다이(11) 및 장력조절롤러(12) 사이에는 토출시트(Fo)를 냉각시키는 기체를 분사하는 에어나이프(20)를 배치한다. 에어나이프(20)은 토출시트(Fo)의 한면 또는 양면에 배치할 수 있다. 도면에서는 양면에 배치한 것을 예로 들었다. 두께가 얇은 토출시트(Fo)의 경우 한면에 에어나이프(20)을 배치하여도 토출시트(Fo)를 냉각시킬 수 있다. 여기서는 양면에 배치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

에어나이프(20)는 에어블로워(21), 공조기(22) 및 주입관(23)이 부착되어 있다. 에어블로워(21)는 에어나이프(20)에 공급되는 기체의 흐름을 생성시키고, 공조기(22)는 에어나이프(20)에 공급되는 기체의 유량, 온도 등을 조절한다. 공조기(22)를 거친 기체를 주입관(23)을 통하여 에어나이프(20)에 공급된다.

에어나이프(20)는 에어분사구(20a)로 갈수록 폭이 좁아져서, 분사되는 기체의 압력을 높인다. 에어나이프(20)는 압출다이(11)로부터 토출된 토출시트(Fo)를 냉각시켜 라멜라 결정이 포함된 미연신시트(Fs)가 제조된다. 상기 라멜라 결정은 이후의 연신공정에서 상대적으로 약한 무정형부분(amorphous region)이 파열되면서 기공이 형성되게 되고, 상기 기공은 고온연신공정에서 확장되어, 미세다공성 구조의 분리막이 만들어진다. 라멜라 결정의 양상은 토출시트(Fo)의 냉각속도에 좌우된다. 구체적으로, 냉각속도가 빠를수록 라멜라 결정의 형성이 촉진되지만, 냉각속도가 지나치게 급속되면 라멜라 성장단계인 2차 결정화에 악영향을 미치게 된다. 이에 따라, 분리막의 용도에 따라 적합한 기공도를 가지기 위하여, 에어나이프(20)를 활용하여 상기 냉각속도를 적절히 조절한다. 통상적으로, 상기 기체의 온도는 10도 내지 30도가 바람직하며, 30도를 초과하면 냉각의 효과가 저하된다.

에어나이프(20)는 냉각과정에서 토출시트(Fo)의 떨림을 방지와 토출시트(Fo)의 냉각효과를 높이기 위하여, 토출시트(Fo)의 양측에 배치되는 것이 좋다. 토출시트(Fo)의 떨림은 에어나이프(20)에서의 위치,각도, 풍량 및 풍속을 조절하여 해소될 수 있다. 에어분사구(20a)의 위치는 압출다이(11)로부터의 제1 간격(D1) 및 토출시트(Fo)로부터의 제2 간격(D2)을 가진다. 제1 간격(D1)은 5㎜ 내지 70㎜가 바람직하다. 5㎜보다 작으면, 시트(Fs)의 냉각이 너무 빨리 이루어져 미연신시트(Fs)가 제대로 형성되지 않는다. 50㎜보다 크면, 토출시트(Fo)의 냉각이 잘 이루어지지 않아서, 미연신시트(Fs)의 결정화도가 떨어져서 후속공정에서 기공이 잘생기지 않는다. 제2 간격(D2)은 10㎜ 내지 50㎜가 바람직하다. 10㎜보다 작으면 토출시트(Fo)의 떨림이 발생하며, 50㎜보다 크면 토출시트(Fo)의 냉각이 제대로 이루어지지 않는다.

에어나이프(20)가 양면에 배치되는 경우, 에어분사구(20a)는 토출시트(Fo)에 대하여 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)를 이룬다. 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)를 이루면, 에어분사구(20a)로부터 분사되는 기체는 토출시트(Fo)를 향하여 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)로 분사된다. 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 40도 내지 90도가 바람직하다. 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)가 40도보다 작으면, 에어분사구(20a)는 압출다이(11)에 설치가 어렵고 에어분사구(20a)에서 나오는 기체가 토출시트(Fo) 아래 부분에 접촉되어 냉각이 제대로 이루어지지 않는다. 90도보다 크면, 분사되는 기체가 압출다이(11)로 역류하여 압출다이(11)를 냉각시킨다. 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 냉각의 효율을 고려하여, 서로 다르게 설정될 수 있다. 또한, 에어나이프(20)가 한면에 배치되는 경우에도, 토출시트(Fo)에 대하여 소정의 분사각도를 이루며, 상기 분사각도는 40도 내지 90도가 바람직하다.

제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 에어분사구(20a)로부터 분사된 기체가 압출다이(11)의 반대편으로 흐르게 한다. 하지만, 분사된 기체의 일부는 압출다이(11) 방향으로 흘러간다. 상기 기체에 의한 압출다이(11)의 냉각을 방지하기 위하여, 압출다이(11)의 노즐 부분에 발열부(30)가 설치된다. 만일, 발열부(30)가 없으면, 상기 기체에 의해 압출다이(11)의 노즐이 냉각되어 토출시트(Fo)가 잘 형성되지 않는다.

에어분사구(20a)의 풍속은 10m/s 내지 100m/s가 바람직하다. 10m/s는 토출시트(Fo)를 효과적으로 냉각시키기 위한 최소한의 풍속이고, 100m/s을 초과하면 토출시트(Fo)의 떨림이 발생한다. 한편, 압출다이(11)와 장력조절롤러(12)는 50㎜ 내지 150㎜의 제3 간격(D3)을 가진다. 50㎜보다 작으면 토출시트(Fo)의 냉각이 제대로 이루어지지 않고, 150㎜을 초과하면 토출시트(Fo)에 주름이 발생한다. 장력조절롤러(12)의 회전속도는 토출시트(Fo) 및 미연신시트(Fs)에 가해지는 장력을 조절한다.

본 발명의 실시예에 의한 미연신시트(Fs)를 제조하는 과정에서 압출 및 성형하는 성형속도는 병목현상이 배제된다. 상기 병목현상이 발생하면, 미연신시트(Fs)를 연속적으로 후속공정에 투입할 수 없다. 예컨대, 종래의 성형속도는 40m/m보다 크고 100m/m 이하이며, 상기 성형속도는 어닐링 공정에서 병목현상이 발생된다. 종래에는 캐스팅롤을 활용하므로, 토출시트(Fo)의 냉각을 원활하게 하기 위하여, 성형속도를 40m/m 내지 100m/m로 유지한다. 하지만, 상기 성형속도는 어닐링 공정에 지체없이 연속적으로 투입하지 못하는 병목현상이 발생한다. 즉, 상기 병목현상은 미연속 시트(Fs)를 어닐링 공정에 지체없이 연속적으로 투입하지 못하는 상태를 말한다. 이와 같이, 종래에는 연속공정으로 적용하기 어렵기 때문에, 불가피하게 불연속공정으로 분리막을 제조한다.

연속공정으로 분리막을 제조하기 위하여, 본 발명의 성형속도는 1m/m 내지 40m/m가 바람직하다. 상기 성형속도다 1m/m보다 작으면, 분리막의 생산량이 너무 적다. 상기 성형속도가 40m/m보다 크면, 어닐링 및 연신공정이 상대적으로 길어져야 하므로, 설비비용 및 설비면적이 증가된다. 또한, 상기 성형속도가 빠르면 토출시트(Fo)의 빠른 냉각을 위한 기체의 풍량이 증가된다. 풍량이 증가하면, 토출시트(Fo)의 떨림이 발생되어 균일한 두께의 미연신시트(Fs)를 제조하기 어렵다.

본 발명의 실시예에 의한 제1 내지 제3 간격(D1, D2, D3), 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2), 풍속, 기체온도, 성형속도는 연속공정을 위하여 적용된 에어나이프(20)를 활용하는 본 발명의 기술적 사상에 근거한다. 이에 따라, 상기 제1 내지 제3 간격(D1, D2, D3), 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2), 풍속, 기체온도, 성형속도는 상기 기술적 사상을 고려하지 않고, 반복실험을 통하여 획득될 수 없는 것이다. 왜냐하면, 제1 내지 제3 간격(D1, D2, D3), 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2), 풍속, 기체온도, 성형속도는 캐스팅롤을 활용하는 종래의 방식으로는 도출되지 않기 때문이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제조장치에 적용되는 어닐링부(40)를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 건식분리막 제조장치는 도 2를 참조하기로 한다.

도 4에 의하면, 어닐링부(40)는 오븐(41), 복수의 이송롤러(42, 43) 및 텐터클립 체인(50)을 포함한다. 오븐(41)에는 오븐(41) 내에 열에너지를 가하는 장치들을 포함한다. 텐터클립 체인(50)은 복수의 이송롤러(42, 43)에 결속되어 이송롤러(42, 43)의 회전에 따라 움직이고, 미연신시트(Fs)가 고정된다. 텐터클립 체인(50)에서, 복수의 이송롤러(42, 43)에 결속 및 회전과, 미연신시트(Fs)가 고정되는 방식은 공지된 방식을 모두 적용할 수 있다. 어닐링부(40)는 오븐롤 구동방식과 텐터클립 체인 방식이 복합되어 이루어진다. 실질적으로, 미연신시트(Fs)의 어닐링 속도는 효과적인 어닐링을 위하여, 예를 들어 1m/m 내지 40m/m의 어닐링 속도로 진행된다. 상기 어닐링 속도가 성형속도와 차이가 있으면, 병목현상이 발생할 수 있다. 이를 위해, 배치(batch) 방식으로 분리막을 제조할 때, 상기 성형속도를 조절하는 것과 함께 어닐링 공정의 길이를 크게 하여 상기 병목현상을 차단하는 것이 좋다.

어닐링 공정의 길이를 늘이기 위하여, 복수의 이송롤러(42, 43)는 미연신시트(Fs)가 단위길이(L)를 이루는 한쌍의 이송롤러(42, 43) 세트(set)를 포함한다. 단위길이(L)를 이루는 한쌍의 이송롤러(42, 43) 세트는 복수개가 존재한다. 도면에서는 5개의 세트를 예로 들었다. 이송롤러(42, 43)의 세트의 개수가 많아지면, 어닐링 공정의 길이가 늘어난다. 어닐링 공정의 길이가 늘어나면, 미연신시트(Fs)의 성형속도와 어닐링 속도와의 차이로 인한 병목현상을 차단할 수 있다. 이때, 각각의 이송롤러(42, 43)의 세트는 이격간격(S)만큼 떨어져 있다. 어닐링 공정의 길이는 이송롤러(42, 43)의 세트의 개수, 단위길이(L) 및 이격간격(S)을 조절하여 설정한다.

이하, 본 발명의 분리막의 물성을 상세하게 설명하기 위해, 다음과 같은 실험예를 제시한다. 하지만, 본 발명은 이하의 실험예에 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 실험예에 의한 분리막의 물성은 이하의 방법에 의해 측정된 값을 나타낸다.

1) 통기도(초)

- 측정기명: 일본 Toyoseiki사의 Gurley Type Densometer 모델 G-B2C.

- 측정방법: JIS P8117에 준거하여, 온도 23ㅁ2℃, 습도 50ㅁ5%RH에서 100㎖가 통과하는 시간인 초(sec)/100㎖로 측정하였다.

2) 돌자강도(gf)

- 측정기명: 한국 비엠에스테크사의 돌자강도 측정기

- 측정방법: 1㎜ 탐침으로 돌자 시험을 실시하여, 최대 돌자하중을 돌자강도로 하였다. 여기서 샘플은 Φ11.3㎜의 구멍이 뚫린 금속프레임(시료 홀더)에 끼워 고정시키고 측정을 실시하였다.

3) 열수축율(%)

- 측정기명: 순환식 오븐기

- 측정방법: 길이 10cm의 사각 샘플을 오븐 105℃에 1시간 방치 후 종연신 방향의 수축율을 측정하였다.

4) 기공율(%)

- 측정기명: 정밀저울 & 두께측정기

- 측정방법: 분리막의 두께와 면적으로 부피를 구하고, 중량을 측정하며, 폴리프로필렌의 비중을 반영하여 계산한 값을 vol%로 표현하였다.

<실험예>

폴리프로필렌(Homo PP) 98중량% 및 기타 첨가제를 2중량%의 혼합물 수지로 이루어진 미연신시트(Fs)를 28.5㎛, 22.5㎛, 18㎛ 및 14㎛로 제작하였다. 그후, 각각의 미연신시트(Fs)를 160℃, 180초동안 어닐링하고, 45℃, 30초동안, 1.3배로 저온연신을 한 후, 150℃, 2분동안, 1.6배로 1차 고온연신을 하였다. 이어서 155℃, 2분동안, 2.3배로 2차 고온연신한 다음, 160℃, 1분 동안 열고정을 실시하였다. 열고정이 완료된 분리막의 물성을 측정하였다. 이때, 미연신시트의 제작, 어닐링, 저온연신, 제1차 및 제2차 고온연신, 열고정 및 권취는 모두 지체되지 않고 연속적으로 이루어진다. 제조된 분리막의 두께는 각각 26㎛, 20.1㎛, 16.1㎛ 및 12.2㎛이었다.

표 1은 본 발명의 실험예들에 의한 분리막의 물성을 나타내는 것이다. 도 5 내지 도 8은 각각 실험예의 분리막을 2만배로 확대한 사진들이다.

미연신시트 두께(㎛)	28.5	22.5	18	14
분리막 두께(㎛)	26	20.1	16.1	12.2
통기도(초)	280	234	195	160
돌자강도(gf)	320	300	220	193
105℃ MD 열수축율(%)	2.5	2.5	2.5	2.5
기공율(%)	40	40	40	40

표 1에 의하면, 미연신시트의 두께(㎛)가 작아지더라도, 열수축율(%) 및 기공율은 모두 동일하였다. 열수축율(%) 및 기공율(%)이 동일하면, 두께(㎛)에 무관하게 본 발명의 연속공정이 제대로 이루어지고 있다는 것을 의미한다. 열수축율(%) 및 기공율(%)은 어닐링 및 연신조건에 따라 달라진다. 표 1에서 제시된 2.5%의 열수축율(%) 및 40%의 기공율(%)은 본 발명의 실험예에 의하여 얻어진 것이다.

통기도(초) 및 돌자강도(gf)는 두께에 따라 물성의 차이가 발생한다. 구체적으로, 건식분리막에서는 두께가 얇을수록 통기도(%)가 낮고, 돌자강도(gf)는 떨어진다. 통상적으로, 분리막의 통기도(초)는 200초 근처가 바람직하고, 돌자강도(gf)는 200gf 이상이 바람직하다. 이에 따라, 미연신시트의 두께(㎛)가 28.5㎛, 22.5㎛ 및 18㎛인 경우, 각각의 통기도(초)는 280, 234 및 195이고, 돌자강도(gf)는 320, 300 및 220이므로, 분리막으로 충분하게 적용할 수 있다. 다만, 미연신시트의 두께(㎛)가 14㎛인 경우, 통기도(초) 및 돌자강도(gf)가 미흡하다. 하지만, 통기도(초) 및 돌자강도(gf)가 미흡하더라도, 표면개질이나 코팅을 통하여 분리막에 적용할 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10; 압출기 11; 압출다이
12; 장력조절롤러 20; 에어나이프
21; 에어블로워 22; 공조기
23; 주입관 30; 발열부
40; 어닐링부 41; 오븐
42, 43; 이송롤러 50; 텐터클립 체인

Claims (13)

1. 미연신시트 제작부, 상기 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 어닐링부 및 상기 어닐링된 상기 미연신시트가 지체없이 연속적으로 투입되는 연신부를 포함하고,
   상기 미연신시트 제작부는,
   융융된 고분자수지를 토출시트로 토출시키는 압출다이;
   상기 압출다이로부터 제3 간격(D3)만큼 이격되어 배치된 장력조절롤러; 및
   상기 압출다이 및 상기 장력조절롤러 사이에 배치되며, 상기 토출시트에 냉각기체를 분사시키는 에어분사구를 이용하여 상기 토출시트를 냉각시켜 상기 미연신시트로 변환시키는 에어나이프를 포함하고,
   상기 장력조절롤러는 상기 토출시트 및 상기 미연신시트에 가해지는 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제3 간격(D3)은 50㎜ 내지 150㎜인 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 에어나이프는 상기 에어분사구로 갈수록 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 에어분사구는 상기 압출다이로부터 제1 간격(D1) 및 상기 토출시트로부터 제2 간격(D2)을 이루고, 상기 제1 간격(D1)은 5㎜ 내지 70㎜이고, 상기 제2 간격(D2)은 10㎜ 내지 50㎜인 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 에어분사구에서 분사되는 상기 냉각기체의 풍속은 10m/s 내지 100m/s인 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 에어나이프는 상기 토출시트의 한면 또는 양면에 배치되는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 에어나이프가 상기 양면에 배치되는 경우, 상기 에어분사구는 상기 토출시트에 대하여 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)를 이루고, 상기 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 40도 내지 90도인 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 분사각도(θ1, θ2)는 서로 다른 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 압출다이의 노즐에는 발열부가 설치된 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 미연신시트의 성형속도는 1m/m 내지 40m/m인 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 어닐링부는 열에너지를 공급하는 오븐, 복수의 이송롤러 및 텐터클립 체인을 포함하고, 상기 텐터클립 체인은 상기 복수의 이송롤러에 결속되어 상기 이송롤러의 회전에 따라 움직이고 상기 미연신시트가 고정되는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 이송롤러는 상기 미연신시트가 단위길이를 이루는 한쌍의 이송롤러 세트가 복수개가 존재하는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 어닐링부에 의한 공정길이는 상기 세트의 개수, 상기 단위길이 및 상기 세트 사이의 이격간격에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 연속공정을 이용한 건식분리막 제조장치.

Images