KR20160048692A - 배터리용 분리막 커팅 방법 및 이에 의하여 제조된 배터리용 분리막 - Google Patents

배터리용 분리막 커팅 방법 및 이에 의하여 제조된 배터리용 분리막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막 상에 레이저를 조사하여 분리막을 커팅하는 배터리용 분리막의 커팅 방법으로서, 상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 500kHz인 분리막의 커팅 방법, 이에 의하여 제조된 분리막 및 이를 포함하는 배터리에 관한 것이다.
본 발명은 종래의 물리적 커팅 방법으로는 불가능하였던, 배터리용 분리막을 물리적 커팅에 대비하여 안정적인 절단면을 갖도록 커팅할 수 있다는 장점이 있다.

Description

배터리용 분리막 커팅 방법 및 이에 의하여 제조된 배터리용 분리막{A Cutting Method of Separator for battery and the Separator for Battery Manufactured by The Same}
본 발명은 자유로운 형상 가공이 가능한 레이저 커팅 기술을 이용하여 배터리용 분리막을 커팅 하는 방법이다.
리튬 이온 배터리는 모바일 및 전기 자동차 시대의 중요한 요소 부품이며, 지속적으로 용량증대에 대한 필요성이 제기 되고 있다. 모바일 및 자동차의 내부 공간 활용을 최대화 하기 위해 기존의 사각형 형상이 아닌 원형, 3차원구조 및 다양한 형상의 배터리 제조기술이 필요하게 됐다.
하지만, 기존의 사각형 형상이 아닌 원형, 3차원구조 및 다양한 형상 등의 비정형 형상의 배터리를 제조하기 위해서는 전지 제조를 위한 전극뿐만 아니라 분리막 역시 다양한 형상으로 커팅을 할 수 있어야 한다. 이를 위해, 종래 기술로는 단순 1자 커팅 칼로 분리막 절단을 수행하거나, 배터리의 형상에 맞는 금형을 제작하여 분리막 절단을 수행하는 공정을 통하여 분리막 커팅 공정을 수행 해야만 한다. 그러나, 이 경우 분리막 금형을 제조하는 시간과 금형 비용을 추가로 지불 해야 하는 문제점이 있어 전지 가격경쟁력의 저하를 가져올 수 있다.
또한, 종래기술에 의한 경우, 물리적인 힘이 가해질 때 유발되는 인장과 전단 응력에 매우 취약하여 커팅시에 절단면에 크랙 등이 쉽게 생기게 되며, 이에 따라서 품질이 저하되고, 절단 후에 적층 필름의 단면 연마가 필요 하여 제조 비용이 증가한다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 예를 들어, 한국 공개 특허 10-2012-0043941호에서는 적층 필름을 절단하는데 사용되는 필름 절단을 위한 레이저 절단 장치 및 이를 이용한 필름 절단 방법을 제시하고 있으나, 비정형 배터리용 분리막의 절단에 적용하기에는 적합하지 않고 최적의 커팅 성능을 나타내지 못한다는 문제점이 있다.
한국 공개특허 10-2012-0043941호
따라서, 종래의 비정형(irregular) 배터리 및 분리막의 제조에 사용하는 금형 커팅의 경우, 그 커팅 대상의 모델이 바뀔 때마다 금형도 함께 바꿔야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
종래의 물리적 방법으로 커팅할 때, 크랙 등이 발생하였던 분리막의 커팅 공정에 레이저를 적용하여 커팅함으로써 커팅된 단면이 물리적 커팅에 대비하여 안정적인 절단면을 갖도록 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
분리막 상에 레이저를 조사하여 분리막을 커팅하는 배터리용 분리막의 커팅 방법으로서, 상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 500kHz인 분리막의 커팅 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 커팅 방법을 이용하는 분리막 커팅 장치로서, 광 이송을 위한 2차원 광전송이 가능한 2축 Beam Scanner및 F-theta Lens를 사용하는 것을 특징으로 하는 분리막 커팅 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 커팅 방법에 의하여 제조된 배터리용 분리막을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리를 제공한다.
본 발명에 따른 분리막의 커팅 방법에 의하면, 종래의 물리적 커팅 공정에 의하여 절단면의 거칠기가 거칠어지는 등의 문제가 발생하였던 분리막의 커팅 공정에 레이저 커팅을 적용함에 따라서, 사용자가 원하는 임의의 형상을 가공 할 수 있고, 최적의 분리막 커팅 품질을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 금형 설계 및 제조가 필요하지 않아, 다양한 형상의 분리막을 금형 교체 없이 할 수 있기 때문에 금형의 교환이 쉬워지고, 금형비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 커팅방법을 이용한, 펄스반복율에 따른 커팅된 분리막의 단면을 나타낸 사진이다.
도 2는 20층으로 적층된 분리막을, 본 발명의 커팅방법을 이용하여 커팅한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3는 본 발명의 커팅방법을 이용한, 커팅 속도에 따른 커팅된 분리막의 단면을 나타낸 사진이다.
도 4는 종래 기술의 커팅 방법에 의하여 제조된 절단면의 단면을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 CO2 레이저에 의하여 제조된 분리막의 절단면의 단면을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 분리막의 커팅 방법은, 분리막 상에 레이저를 조사하여 분리막을 커팅하는데 있어서, 상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 500kHz인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 분리막의 커팅 방법은 배터리, 보다 구체적으로는 이차전지용 배터리, 더욱 구체적으로는 이차전지용 폴리머 배터리에 포함되는 분리막을 절단하는 커팅 공정에 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 커팅의 대상인 배터리용 분리막을 커팅하기 위하여, 우선 커팅의 대상인 배터리용 분리막을 준비한다.
상기 분리막은 기재층 및 기재층의 한면 또는 양면에 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 기재층은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 폴리올레핀 계열의 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 커팅의 대상인 배터리용 분리막은 2장 이상의 분리막이 적층된 구조일 수 있다. 종래의 발명의 경우 복수의 분리막을 적층한 후 커팅함에 따라서, 커팅 단면에 문제가 발생할 수 있었으나, 본 발명은 후술하는 기술적 특징으로 인하여 복수의 분리막을 동시에 커팅할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 코팅층으로는 알루미나를 포함하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 알루미나를 포함하는 SRS(Self reinforcement structure) 코팅층을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막의 두께는 5 내지 50um 인 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 10~25um 사이의 두께를 사용할 수 있다.
상기 커팅의 대상인 배터리용 분리막을 커팅하기 위하여, 본 발명은 레이저를 이용한다.
상기 커팅에는 레이저를 이용하며, 본 발명에서 이용하는 레이저로는 바람직하게는 펄스(Pulse) 레이저 또는 CO2 레이저를 사용할 수 있으며, 이에만 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 배터리용 분리막의 커팅 시에, 상기 펄스 레이저를 사용하는 경우, 물리적인 커팅 공정에 대비하여 월등하게 안정적인 절단면을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저가 펄스 레이저인 경우, 펄스반복율이 10 내지 500kHz인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 펄스반복율이 10 내지 100kHz인 것을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 펄스반복율이 10 내지 40kHz인 것을 사용할 수 있다. 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 분리막의 커팅 시에 물리적인 커팅 공정에 대비하여 월등하게 안정적인 분리막의 절단면을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 레이저는 커팅속도가 700 내지 2000mm/s인 것을 사용할 수 있다. 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 분리막의 커팅시에 물리적인 커팅 공정에 대비하여 월등하게 안정적인 분리막의 절단면을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 레이저는 파장이 300 내지 1200nm인 것을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 레이저는 Pulse 폭이 5 내지 500nm 인 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 레이저가 펄스 레이저인 경우, 레이저의 출력은 바람직하게는 20~500W, 보다 바람직하게는 50~200W, 가장 바람직하게는 50~100W일 경우 가장 경제적으로 효과적인 결과를 나타낸다.
또한, 상기 레이저가 CO2 레이저인 경우, 레이저의 출력은 10~200W인 것을 사용할 수 있고, Spot size가 50~200um인 것을 사용할 수 있다.
상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 분리막의 커팅시에 물리적인 커팅 공정에 대비하여 월등하게 안정적인 분리막의 절단면을 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 300~2000mm/s의 생산 속도로 분리막을 커팅할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 2차원 스캐너의 스캔 정밀도 및 분리막을 고정하는 기구부의 공차에 의하여, 100um 이하의 분리막 커팅 공차를 조절할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 조건을 만족하는 경우, 종래 발명으로는 커팅이 곤란하였던 10 장 이상의 분리막을 커팅할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 분리막의 커팅 방법에 의하여 제조된 배터리용 분리막을 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 배터리용 분리막은 Pulse 레이저에 의하여 커팅되기 때문에, 절단면의 표면 및 단면이 훨씬 매끄럽고 크랙 등의 발생이 현저하게 줄어들게 된다. 이는 종래의 방법에 의하여 제조된 배터리용 분리막에 비하여 월등하게 향상된 표면 성질을 갖는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 커팅 방법을 이용하는 분리막 커팅 장치로서,
광 이송을 위한 2차원 광전송이 가능한 2축 Beam Scanner및 F-theta Lens를 사용하는 것을 특징으로 하는 분리막 커팅 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 배터리용 분리막을 포함하는 배터리를 제공한다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.
실시예
펄스반복률에 따른 커팅 특성의 변화
[실시예 1]
배터리용 분리막(엘지화학 제)를 준비한 후, Fiber Pulse /CW 가변 레이저 장치 (SPI, G4)를 이용하여 상기 분리막을 커팅하였다. 상기 커팅 공정시의 50W의 펄스 레이저를, 1070nm의 파장, 100nm의 Pulse 폭, 75kHz의 펄스반복률 및 1000mm/s의 커팅 속도의 조건에서 커팅하였다.
[실시예 2]
레이저 장치의 펄스반복율이 120kHz인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 3]
레이저 장치의 펄스반복율이 180kHz인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 4]
레이저 장치의 펄스반복율이 400kHz인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 5]
레이저 장치의 펄스반복율이 20kHz 이고, 20 장의 분리막을 적층한 후, 커팅을 위한 레이저 조사횟수를 10 회로 늘린 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[비교예 1]
레이저 장치의 펄스반복율이 1MHz인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[비교예 2]
레이저 장치의 펄스반복율이 1MHz인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 조건으로 커팅하였다.
커팅 속도에 따른 커팅 특성의 변화
[실시예 6]
상기 커팅 공정시의 50W의 펄스 레이저를 400kHz의 펄스반복율 및 800mm/s의 커팅 속도의 조건에서 커팅한 것을 인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 7]
레이저 장치의 커팅속도가 1000mm/s인 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[비교예 3]
레이저 장치의 커팅속도가 600mm/s인 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[비교예 4]
상기 실시예 1과 동일한 배터리용 분리막을 준비한 후, 종래의 물리적 커팅 방법인 가위를 이용하여 상기 분리막을 커팅하였다.
CO 2 레이저의 spot size 변화에 따른 커팅 특성의 변화
[실시예 8]
12W의 CO2 레이저를 사용하고, 100kHz의 펄스반복율 및 500mm/s의 커팅 속도의 조건에서, 50um의 spot size로 커팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 9]
40W의 CO2 레이저를 사용하고, 20kHz의 펄스반복율 및 2400mm/s의 커팅 속도의 조건에서, 150um의 spot size로 커팅한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 조건으로 커팅하였다.
[실시예 10]
80W의 CO2 레이저를 사용하고, 660um의 spot size로 커팅한 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 조건으로 커팅하였다.
실험예 1. 커팅된 분리막의 단면 커팅 특성의 비교
상기 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 4에서 커팅된 플라스틱 필름에 대하여, 광학현미경 (Olympus BX51, 올림푸스 사)을 이용하여 커팅된 단면을 촬영하여 실시예 1 내지 4와 비교예 1은 도 1에, 실시예 5와 비교예 2는 도 2에, 실시예 6 내지 7과 비교예 2는 도 3에 각각 나타내었다. 펄스반복율에 따른 커팅된 분리막의 단면들을 나타낸 도 1을 살펴보면, 도 1의 (e)에 나타낸 비교예 1의 경우, 분리막의 코팅층과 기재층의 구분이 매우 힘들고, 단면이 거칠 뿐만 아니라, 다량의 크랙이 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 도 1의 (a) 내지 (d)에 나타낸 실시예 1 내지 4의 경우, 기재층과 코팅층의 구분이 뚜렷하며, 단면 상에 크랙 역시 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다.
또한, 분리막을 20장 적층한 후, 펄스 반복율에 따른 커팅된 단면들을 나타낸 도 2를 살펴보면, 도 2의 (a)에 나타낸 실시예 5의 경우, 최상단의 분리막 (도 2의 (c))와, 최하단의 분리막 (도 2의 (d))의 단면이 동일하게 커팅되었으며, 기재층과 코팅층의 구분이 뚜렷하며, 단면 상에 크랙 역시 거의 나타나지 않았다. 그러나, 도 2의 (b)에 나타낸 비교예 2의 경우, 분리막의 코팅층과 기재층의 구분이 매우 힘들고, 단면이 거칠 뿐만 아니라, 다량의 크랙이 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 커팅속도에 따른 커팅된 단면들을 나타낸 도 3을 살펴보면, 도 3의 (a)에 나타낸 비교예 3의 경우, 분리막의 코팅층과 기재층의 구분이 매우 힘들고, 단면이 거칠 뿐만 아니라, 다량의 크랙이 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 도 3의 (b) 내지 (c)에 나타낸 실시예 6 내지 7의 경우, 기재층과 코팅층의 구분이 뚜렷하며, 단면 상에 크랙 역시 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다.
또한, 종래의 물리적 커팅 방법을 사용한 비교예 4 에서 커팅된 플라스틱 필름에 대하여 같은 방법으로 단면을 촬영하여 도 4에 나타내었다. 본 발명의 실시예에 따라 커팅된 필름의 단면과 종래의 물리적 커팅 방법에 의하여 커팅된 필름의 단면에 큰 차이가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, CO2 레이져의 Spot size에 따른 커팅된 단면들을 나타낸 도 4를 살펴보면, 도 5의 (a) 내지 (b)에 나타낸 실시예 8 내지 9의 경우, 기재층과 코팅층의 구분이 뚜렷하며, 단면 상에 크랙 역시 거의 나타나지 않았으나, 도 5의 (c)에 나타낸 실시예 10의 경우에는 그 단면이 거친 것을 알 수 있었다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 분리막 상에 레이저를 조사하여 분리막을 커팅하는 배터리용 분리막의 커팅 방법으로서,
    상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 500kHz 인 분리막의 커팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 커팅속도가 700 내지 1000 mm/s 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저의 커팅속도가 800 내지 1000 mm/s 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 100kHz 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 레이저의 펄스반복율이 10 내지 40kHz 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저는 펄스 레이저 또는 CO2 레이저인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 출력 용량이 20~500W 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 레이저의 출력 용량이 50~200W 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 레이저의 출력 용량이 50~100W 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 파장이 300 내지 1200nm 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저의 Pulse 폭이 5 내지 500nm 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 CO2레이저의 spot size는 50~200um 인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막은 2장 이상의 분리막이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막은 비정형(irregular) 분리막인 것을 특징으로 하는 분리막의 커팅 방법.
  15. 청구항 1의 커팅 방법을 이용하는 분리막 커팅 장치로서,
    광 이송을 위한 2차원 광전송이 가능한 2축 Beam Scanner및 F-theta Lens를 사용하는 것을 특징으로 하는 분리막 커팅 장치.
  16. 청구항 1의 커팅 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 배터리용 분리막.
  17. 청구항 16의 배터리용 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리는 이차전지용 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 배터리는 이차전지용 폴리머 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리.
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