KR20160129440A - 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법 - Google Patents

플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 은(Ag)나노 성분을 함유함으로서, 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단, 및 전자파 차단 효과가 우수하며, 적외선 및 은이온을 방출함으로서 인체의 세포활성화를 도와주며 혈액순환을 원할하게 해줄 수 있으며, 플렉서블 배터리가 내장되어 제조된 팔찌, 시계줄 등 다양한 제품을 제조시, 플렉서블 배터리와 이를 봉지하는 포장부재 간에 접착성이 우수한 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법{Molding imbedded flexible battery and manufacturing method thereof}
본 발명은 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 은(Ag)나노 성분을 함유함으로서, 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단, 및 전자파 차단 효과가 우수하며, 적외선 및 은이온을 방출함으로서 인체의 세포활성화를 도와주며 혈액순환을 원할하게 해줄 수 있으며, 플렉서블 배터리가 내장되어 제조된 팔찌, 시계줄 등 다양한 제품을 제조시, 플렉서블 배터리와 이를 봉지하는 포장부재 간에 접착성이 우수한 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장 요구도 박형 및 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전원 공급 장치의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다.
이와 같은, 소비자의 요구를 충족시키기 위해 고에너지 밀도 및 대용량의 리튬이온 이차전지, 리튬이온 고분자전지, 슈퍼커패시터(전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor) 및 수도 커패시터(Pseudo capacitor)) 등과 같은 전원 공급 장치가 개발되고 있다.
최근, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 전자기기의 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 특히 두루마리형 디스플레이, 플렉서블 전자종이(flexible e-paper), 플렉서블 액정표시장치(flexible liquid crystal display, flexible-LCD), 플렉서블 유기발광다이오드(flexible organic light-emitting diode, flexible-OLED) 등이 적용된 플렉서블 모바일 전자기기에 대한 관심이 최근 증가하고 있다. 이에 따라, 플렉서블 모바일 전자기기를 위한 전원 공급 장치 역시 플렉서블한 특성을 갖는 것이 요구되고 있다.
이와 같은 특성을 반영할 수 있는 전원 공급 장치 중 하나로 플랙서블 배터리가 개발되고 있다.
플랙서블 배터리는 플랙서블한 성질을 지닌 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-메탈 하이드라이드 배터리, 니켈-수소 배터리, 리튬이온 배터리 등을 들 수 있다. 특히, 리튬이온 배터리는 납 축전지와, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리, 니켈-아연 배터리 등 다른 배터리와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 높은 활용도를 갖는다.
상기 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하는데, 주로 금속캔을 용기로 하여 용접 실링시킨 형태로 사용되고 있다. 하지만, 금속캔을 용기로 사용하는 원통형 리튬이온 배터리는 형태가 고정되므로 전기 제품의 디자인을 제한하는 단점이 있고 부피를 줄이는데 어려움이 있다.
특히, 앞서 언급했듯이 모바일 전자기기는 발전되어 박막화되고 소형화될 뿐만 아니라 플렉서블하여 기존의 금속캔을 사용한 리튬이온 배터리나, 각형 구조의 배터리는 상기와 같은 모바일 전자기기에 적용하기 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 구조적인 문제를 해결하기 위해 최근, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 배터리가 개발되고, 파우치형 배터리는 가요성(flexible)을 갖는 소재로 제작되어 다양한 형태로 제조가 가능하며, 높은 질량당 에너지밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
종래 기술 중 한국공개특허 제2014-0059737호에는 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지를 개시하고 있으며, 한국공개특허 제2012-0023491호에는 파우치형 플렉서블 필름 전지 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
일반적으로, 파우치형 배터리에 사용되는 파우치는 내부 수지층, 금속층 및 외부 수지층이 적층된 구조를 갖는다. 이 중 금속층은 파우치 구조를 이루는 필수 구성 요소로서, 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액이 통과할 수 없어 파우치의 외부에서 파우치 내부로 습기가 침투되는 것을 방지함과 동시에, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수되는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 하지만, 이와 같은 금속층은 탄성 복원력이 부족하여 일정 수준 이상의 유연성을 확보하기 어려워, 상기 파우치가 사용된 플렉서블 배터리에 크랙(crack)을 유발하는 문제점이 있었다.
또한, 국민 생활수준 향상과 웰빙(well-being)바람에 의해 건강한 삶을 영위하려는 기본적 욕구가 산업전반에 걸쳐 다양한 형태의 제품으로 출시되는 상황이다. 따라서, 앞서 언급한 플렉서블 배터리가 내장되어 제조된 팔찌, 시계줄 등 다양한 제품들 사용에 있어서도 이러한 기본적 욕구를 만족할 수 있는 제품 개발이 시급한 상황이다.
이 뿐만 아니라, 플렉서블 배터리가 내장되어 제조된 팔찌, 시계줄 등 다양한 제품을 제조시, 플렉서블 배터리와 이를 봉지하는 포장부재 간에 접착력을 증가시킬 수 있는 제품개발이 시급한 상황이다.
한국공개특허 제2014-0059737호(명칭 : 플렉서블 젤리롤 타입 2차전지) 한국공개특허 제2012-0023491호(명칭 : 파우치형 플렉서블 필름전지 및 그 제조방법)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 강성 및 탄성복원력이 우수할 뿐만 아니라, 은(Ag)나노 성분을 함유함으로서, 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단, 및 전자파 차단 효과가 우수하며, 원적외선 및 은이온을 방출함으로서 인체의 세포활성화를 도와주며 혈액순환을 원할하게 해주는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 인체의 건강에 유익한 성분을 방출함으로서 사용자의 건강한 생활 수준을 향상시켜주는 은(Ag) 나노 성분을 포함하는 플렉서블 배터리가 적용된 시계줄, 팔찌 등의 웨어러블 디바이스를 제공하고자 한다.
또한, 플렉서블 배터리와 상기 플렉서블 배터리를 봉지하는 포장부재 간에 접착성이 우수한 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법에 관한 것으로서, 배터리의 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층을 형성하는 단계, 상기 패브릭층이 형성된 배터리를 포장부재로 봉지하는 단계 및 상기 포장부재로 봉지된 배터리 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 배터리는 제1외장재, 제2외장재 및 전극조립체를 각각 준비하는 단계, 상기 전극조립체의 일면에 제1외장재를 배치시키고, 상기 전극조립체의 타면에 제2외장재를 배치시키는 단계, 제1외장재 및 제2외장재에서 전극조립체가 배치되는 제1영역과 상기 제1영역을 둘러싸는 제2영역 중 제2영역을 접합시키되, 상기 제2영역 중 일부분을 개방시키고, 나머지 부분을 접합시키는 단계 및 상기 개방된 일부분을 통해 전해액을 주입시키고, 개방 부분을 접합시켜 배터리를 제조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법을 통해 상기 배터리 및 포장부재는 일체화될 수 있고, 상기 배터리 및 포장부재의 적어도 일면에는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고, 상기 배터리 및 포장부재의 패턴은 일치하는 부분을 포함할 수 있다.
상기 패브릭층은 직물, 편물 및 부직포 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 부직포는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함할 수 있다.
또한, 상기 은나노 성분은 상기 패브릭층 전체 중량에 대하여 1 ~ 20 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 은나노 성분은 은염류(silver salts), 은나노체(nano silver), 은이온 담지체(silver ion exchangers) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 은염류는 질산은(AgNO3), 황산은(Ag2NO4) 및 염화은(AgCl) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 은나노체는 은나노와이어(silver nanowire), 은나노입자(silver nanoparticle), 은나노튜브(silver nanotube) 및 은나노클러스터(silver nanocluster) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법은 상기 배터리와 패브릭층 사이에 본딩층을 더 포함할 수 있다.
상기 본딩층은 양면테이프를 포함할 수 있으며, 상기 패브릭층의 두께는 5 ~ 50㎛이고, 상기 본딩층의 두께는 5 ~ 50㎛일 수 있다.
상기 포장부재는 가죽(leather), 패브릭(fabric), 플라스틱(plastic) 및 메탈(metal) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 패턴은 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있으며, 상기 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 파형 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴, 엠보싱 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 배터리는 전극조립체 및 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재를 포함할 수 있다.
상기 전극조립체는 양극집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 배치되는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 배치되는 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 상기 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 포함할 수 있다.
상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함할 수 있다.
상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지되어 분리막과 일체화되며, 상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하며, 상기 다공성 나노섬유웹층은 양극의 양극활물질 또는 음극의 음극활물질과 접촉하고 있을 수 있다.
상기 외장재는 전극조립체 방향로부터 외부 방향으로 제1수지층, 금속박막층 및 제2수지층이 적층된 구조이며, 제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함하고, 제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며, 상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층이 구비된 배터리 및 상기 배터리를 봉지하는 포장부재를 포함하고, 상기 배터리 및 포장부재의 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품을 제공한다.
이 때, 상기 배터리 및 포장부재는 일체화될 수 있으며, 배터리와 포장부재 사이에 본딩층을 더 할 수 있다.
또한, 상기 배터리는 이차전지일 수 있다.
나아가, 본 발명은 앞서 언급한 성형품을 포함하는 시계줄, 팔찌 또는 웨어러블 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 의하면, 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단, 및 전자파 차단 효과가 우수하며, 적외선 및 은이온을 방출함으로서 인체의 세포활성화를 도와주며 혈액순환을 원할하게 해준다,
또한, 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 및 이의 제조방법에 의하면, 본 발명은 플렉서블 배터리와 상기 플렉서블 배터리를 봉지하는 포장부재 간에 접착성이 우수하다.
도 1a 및 도 1b 각각은 종래 배터리의 외부 형태 및 단면의 개략도이다.
도 2는 일면에 패브릭층이 구비된 본 발명의 배터리의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 일면에 패브릭층이 구비된 본 발명의 배터리의 바람직한 다른 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다
도 4는 패턴이 형성되지 않은 배터리의 사진이다.
도 5는 도 2의 배터리의 단면부를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 플렉서블 배터리의 전극조립체를 구성하는 분리막의 바람직한 일실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 배터리의 전극조립체의 바람직한 일실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품을 포함하는 팔찌를 도시화한 모식도이다.
도 10 내지 도 21 각각은 본 발명의 배터리 및 형성품에 형성된 패턴의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 22는 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 시계줄을 도시화한 모식도이다.
도 23은 본 발명의 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴이 형성된 배터리의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다
도 24는 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 단면부를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
기존의 파우치형 배터리는 도 1a 및 도 1b와 같이 외장재의 표면이 평평한 구조를 갖고, 탄성력이 떨어져서 구부리면 외장재의 표면에 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
이러한 기존 파우치형 배터리의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 배터리의 외장재뿐만 아니라, 외장재 내부의 전극조립체에도 밴딩시 수축 및 이완을 가능케 하는 패턴을 형성시킴으로서, 표면에 크랙이 발생하는 문제를 해결할 뿐만 아니라, 유연성을 확보하였다.
또한, 국민 생활수준 향상과 웰빙(well-being)바람에 의해 건강한 삶을 영위하려는 기본적 욕구가 산업전반에 걸쳐 다양한 형태의 제품으로 출시되는 상황에서, 앞서 언급한 파우치형 배터리가 내장되어 제조된 팔찌, 시계줄 등 다양한 제품들 사용에 있어서도 이러한 기본적 욕구를 만족할 수 있는 제품 개발이 시급한 상황이다.
이러한 욕구를 만족시키기 위해, 본 발명은 배터리의 외장재의 적어도 일면에는 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층이 구비하여 항균성, 살균성, 탈취 및 전자파 차단에 우수한 효과를 보일 수 있다. 또한, 본 발명의 배터리를 포함하는 성형품을 제조할 배터리와 상기 배터리를 봉지하는 포장부재 간에 접착강도가 개선될 수 있다.
이 뿐만 아니라, 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법에 있어서도 플렉서블 배터리뿐만 아니라 성형품에도 밴딩시 수축 및 이완을 가능케 하는 패턴을 형성시킴으로서, 플렉서블 배터리와 이를 봉지하는 포장부재 간에 접착성을 개선하였다.
본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법은 배터리의 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층을 형성하는 단계, 상기 패브릭층이 형성된 배터리를 포장부재로 봉지하는 단계 및 상기 포장부재로 봉지된 배터리 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 제조방법을 구체적으로 설명하면, 먼저 배터리의 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층을 형성한다.
상기 패브릭층(3000)은 도 2에 개시된 바와 같이 배터리의 외장재(1, 2)의 적어도 일면에 구비될 수 있으며, 적어도 일면에 전부 또는 일부에 구비될 수 있다.
달리 말하면, 도 2에 개시된 바와 같이 패브릭층(3000)은 배터리의 외장재(1, 2)의 적어도 일면 전부에 구비될 수도 있으며, 도 3에 개시된 바와 같이 배터리의 외장재(1,2)가 전극조립체 및 전해액을 수용하는 수용부(20) 및 상기 수용부(20) 전체를 봉지시키는 실링부(10)를 포함할 때, 패브릭층(3000)은 상기 실링부(10)의 적어도 일면에만 구비될 수 있다.
상기 패브리층(3000)은 직물, 편물 또는 부직포 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 직물은 두 개 이상의 얀(yarn)을 전형적으로 직각으로 인터레이싱(interlacing) 또는 인터위빙(interweaving)하여 제조할 수 있는 임의의 패브릭(fabric)을 의미하며, 예를 들어, 평직, 크로우풋 직, 바스켓직, 새틴직, 능직, 언밸런스직 등 본 발명의 기술적 분야에 있어서 통상적으로 사용 가능한 모든 직물을 포함할 수 있다.
상기 편물은 바늘 또는 와이어로 하나 이상의 얀의 일련의 루프를 인터로킹(interlocking)하여 제조된 구조체를 의미하며, 예를 들어 경사 니트 (트리코트, 밀라니스, 또는 라셀 등) 및 위사 니트 (써큘러 또는 플랫 등) 등 본 발명의 기술적 분야에 있어서 통상적으로 사용 가능한 모든 편물을 포함할 수 있다.
상기 부직포는 제직 또는 편성하지 않고 제조가능한 가요성 시트 물질을 형성하며, (i) 섬유의 적어도 일부의 기계적 인터로킹, (ii) 일부 섬유의 적어도 일부분을 용융, 또는 (iii) 결합제를 사용하여 섬유의 적어도 일부를 결합시켜 고정되는 섬유 네트워크를 의미한다.
예를 들어, 상기 부직포는 단방향 패브릭, 펠트, 스펀레이스드 패브릭, 히드로레이스드 패브릭, 스펀본디드 패브릭 등 본 발명의 기술적 분야에 있어서 통상적으로 사용 가능한 모든 부직포를 포함할 수 있다.
또한, 상기 부직포는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함할 수 있다. 상기 부직포가 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함하면, 배터리 자체에서 발생하는 열이 전기, 전자기기로 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 은나노 성분은 패브릭층(300)에 포함되어 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단 및 전자파 차단에 우수한 효과를 배터리에 부여할 수 있다.
구체적으로, 은나노 성분은 인체에 무해하면서 650여 종의 박테리아나 바이러스, 곰팡이를 제어할 수 있다. 즉, 은나노 성분은 박테리아나 바이러스 등이 구성하는 단백질 시스테인의 -SH기에 부착하여 황화합물로 전환되어 번식을 억제하거나 산소와 작용하는 효소에 부착하여 산화반응을 촉진시키는 촉매제의 역할을 하여 균을 살균하는 즉, 신진대사(소화, 호흡)에 관여하는 부분에 특수한 형태로 작용하여 항균력을 발휘하는 반영구적인 항균제일 수 있다.
한편, 원적외선은 태양으로부터 방사되는 여러 가지 광선 중의 한가지로 동물이나 식물에게 없어서는 안될 중요한 가시광선이며, 이는 인체의 세포 활성화를 도와주며 혈액순환을 원활하게 해준다.
또한, 원적외선은 주로 태양에 의해 공급을 받지만 여러가지 광물질을 조합하여 생체리듬에 알맞은 원적외선 세라믹을 만들 수도 있는데, 은(Ag)에는 인체에 해로운 물질이 없고 원적외선 방사율도 높게 나오며, 은이온(델타이온)이 많이 함유되어 있다.
따라서, 본 발명의 배터리는 상기 은나노 성분은 패브릭층(300)에 포함함으로서 원적외선 및 은이온을 방출함으로서 인체의 세포활성화를 도와주며 혈액순환을 원할하게 할 수 있다.
한편, 상기와 같이 본 발명의 배터리는 시계줄, 팔찌 등의 웨어러블 디바이스에 적용시킬 수 있는데, 이를 통해 항균, 살균, 항곰팡이, 탈취, 수맥파 차단 및 전자파 차단에 우수한 효과뿐만 아니라, 인체의 건강에 유익한 성분을 방출하는 효과를 통해 사용자의 건강한 생활 수준을 향상시켜줄 수 있다.
이와 같은 은나노 성분은 상기 패브릭층(3000) 전체 중량에 대하여 1 ~ 20 중량%로 포함될 수 있다.
상기 은나노 성분은 은염류(silver salts), 은나노체(nano silver), 은이온 담지체(silver ion exchangers) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 은염류는 질산은(AgNO3), 황산은(Ag2NO4) 및 염화은(AgCl) 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 본 발명의 기술적 분야에 있어서 통상적으로 사용 가능한 방법을 통해 은염류가 패브릭층(3000)에 포함될 수 있다.
또한, 상기 은염류는 다음과 같은 방법을 통해 패브릭층(3000)에 포함될 수 있는데, 이와 같은 방법을 통해 패브릭층(3000)은 보다 효과적인 항균성, 살균성, 탈취 및 전자파 차단 효과를 가질 수 있다.
우선, 패프릭층(3000)을 형성하는 고분자를 준비한다. 상기 고분자는 전기방사에 의하여 섬유를 형성할 수 있는 모든 고분자가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 폴리아크릴로 나이트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 셀룰로오스아세테이트, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 고분자로는, 생분해성 고분자도 사용할 수 있다.
상기 고분자, 은염류 및 용매를 혼합하여 방사 가능한 농도, 점도, 표면장력, 용액의 전기전도도 등을 고려하여 방사용액을 제조한다. 상기 용매는 디메칠포름아마이드(dimethylformamide, DMF)나 디메칠아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc), 알콜류(alcohol) 등의 유기용매를 단독 혹은 복합화하여 사용할 수 있으며, 물 등의 수용성 용매를 단독 혹은 유기용매와 혼합하여 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 방사용액을 용액공급 장치를 이용하여 전기방사 노즐에 연결하고, 노즐과 집전체 사이에 고전압 발생장치를 이용하여 고전계(高電界, ~100kV)를 형성시켜 전기방사를 실시한다. 이 때, 사용되는 전기방사장치로는 일반적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있으며, 일렉트로-브로운법이나 원심전기방사 방법 등을 사용할 수도 있다. 상기 방사용액에는 광촉매로서 이산화 티타늄을 첨가하거나 첨가하지 않고 방사할 수도 있다. 상기와 같은 방법에 의해 제조된 패브릭층을 구성하는 섬유는 캘린더 등의 방법에 의해 바로 압착한 후 사용하거나, 자외선(UV)을 조사하여 은나노 입자가 표면에 환원되도록 하는 방법을 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 전기방사된 섬유를 이송밸트(conveyer belt)를 이용하여 열풍순환로로 이동시켜 공기분위기하에서 분당 1 - 5℃의 승온 속도로 350℃ 미만까지 열처리하여 항균 열처리, 불융화(안정화)섬유를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 열처리, 불융화 섬유는 전기방사시 내부에 존재하는 잔류 용매가 완전히 제거되고, 열가소성 고분자 구조를 열경화성 고분자 구조로 변화시켜 내열성 및 취급성을 향상시킬 수 있다. 상기 열처리 온도는 이러한 관점에서 적절히 선택되며, 일반적으로 200-400℃, 바람직하게는 250-350℃, 보다 바람직하게는 300-350℃ 정도의 범위에서 정해진다.
상기 은나노체는 은나노와이어(silver nanowire), 은나노입자(silver nanoparticle), 은나노튜브(silver nanotube) 및 은나노클러스터(silver nanocluster) 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 은나노와이어를 포함할 수 있다.
상기 은이온 담지체는 다공성 담지체인 제올라이트(zeolite) 등에 은이온 교환 방식을 통해 은이온을 담지시킨 파우더이며, 상기 은이온 담지체로서 은지르코늄포스페이트(silver zirconium phosphate), 은제올라이트(silver zeolite), 은글라스(silver glass) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 배터리와 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)을 더 포함할 수 있고, 구체적으로 배터리의 외장재(1, 2)와 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)을 더 포함할 수 있다.
상기 본딩층(3001)은 점착부재 또는 접착부재일 수 있으며, 점착부재 또는 접착부재로서 양면테이프를 포함할 수 있다.
상기 양면테이프는 아크릴폼(acrylic foam) 양면테이프가 사용될 수 있으며, 예를 들어 상품명「467MP Transfer Tape」(3M 제조)가 포함될 수 있다.
상기 패브릭층(3000)의 두께는 5 ~ 50㎛일 수 있으며, 상기 본딩층(3001)의 두께는 5 ~ 50㎛일 수 있다.
한편, 상기 배터리를 다음과 같은 과정을 통해 제조될 수 있다.
먼저, 제1외장재, 제2외장재 및 전극조립체를 각각 준비하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 제1 외장재 및 제2 외장재는 일측이 서로 일체로 연결되어 있는 일체형 외장재일 수 있고, 서로 다른 물성의 발현을 위해 서로 상이한 외장재를 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 전극조립체의 일면에 제1외장재를 배치시키고, 상기 전극조립체의 타면에 제2외장재를 배치시키는 단계를 수행할 수 있다.만일 외장재가 일체형일 경우 외장재를 접어서 접혀진 외장재 사이에 전극조립체를 배치시킬 수 있다. 또한, 별도로 분리된 제1 외장재, 제2 외장재를 사용하는 경우 어느 일 외장재 상에 전극조립체를 배치시키고, 다른 외장재를 배치된 전극조립체 상부에 덮어 두 외장재 사이에 전극조립체를 배치시킬 수 있다.
다음으로, 제1외장재 및 제2외장재에서 전극조립체가 배치되는 제1영역과 상기 제1영역을 둘러싸는 제2영역 중 제2영역을 접합시키되, 상기 제2영역 중 일부분을 개방시키고, 나머지 부분을 접합시키는 단계를 수행할 수 있다.
상기 배터리에서 제2 영역의 모든 부분을 접합시키지 않고, 일부를 개방하는 것은 전해액 및/또는 전극단자를 배터리의 제1 영역에 투입될 수 있도록 하기 위함이다.
상기 접합은 통상의 배터리 밀봉과정에서 수행되는 방법을 사용할수 있고, 사용되는 제1 수지층의 종류에 따라 접합방법이 달라질 수 있어 본 발명에서 이를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 바람직하게는 140 ~ 180℃, 보다 바람직하게는 160 ~ 180℃로 0.1 ~ 30초간 열압착 시켜 밀봉시킬 수 있다.
마지막으로, 상기 개방된 일부분을 통해 전해액을 주입시키고, 개방 부분을 접합시켜 배터리를 제조하는 단계를 수행하여 배터리를 제조할 수 있다. 전해액은 전극조립체의 분리막 기공에 함습시킬 수 있으며, 제조된 배터리를 열처리하여 전해액을 겔화시킬 수 있다. 이러한 제조공정을 거치면 도 4와 같은 배터리를 구현시킬 수 있다.
한편, 앞서 언급한 제조방법으로 제조된 배터리에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 전극조립체(1000) 및 외장재(1, 2)를 포함한다.
상기 외장재(1, 2)는 상기 전극 조립체(1000)를 전해액과 함께 봉지할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이 외장재는 수용부(20) 및 실링부(10)를 포함하며, 수용부(20) 및 실링부(10)를 형성케 하는 외장재의 외부로 음극단자(5a) 및/또는 양극단자(5b)의 전극단자가 형성된 형태일 수 있다.
또한, 외장재의 적어도 일면에는 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층(3000)이 구비된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 외장재(1,2)의 외부 표면에 패브릭층(3000)층을 도입하여, 항균성, 살균성, 탈취 및 전자파 차단에 우수한 효과를 보일 수 있다.
또한, 외장재(1, 2)와 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)이 형성된 형태일 수 있으며, 상기 수용부(20) 내부에는 전극조립체(1000) 및 전해액을 포함할 수 있다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 외장재(1,2) 의 표면과 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)을 도입하여 외장재(1,2)와 패브릭층(3000)이 일체화될 수 있다.
그리고, 수용부 내부에 있는 상기 전극조립체는 양극집전체(501)의 일면 또는 양면에 형성된 양극 활물질층(502)을 구비하는 양극; 음극집전체(401)의 일면 또는 양면에 형성된 음극 활물질층(402)을 구비하는 음극; 및 분리막(600); 을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리의 수용부 내부에 수용된 전극조립체는 앞서 설명한 바와 같이 양극, 음극 및 분리막을 포함하는데, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 분리막(600)은 부직포층(31)의 일면 또는 양면에 다공성 나노섬유웹층(32)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 다공성 나노섬유웹층(32)은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 나노섬유를, 바람직하게는 다공성 나노섬유웹층 형성시 방사성 및 균일한 기공형성을 확보를 위해 폴리아크릴니트릴 나노섬유만으로 구성될 수 있다. 그리고, 다공성 나노섬유웹층의 상기 폴리아크릴로니트릴 나노섬유는 평균직경 0.1㎛ ~ 2㎛인 것을, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 1.0㎛일 수 있으며, 이때, 나노섬유의 평균직경이 0.1㎛ 미만이면 분리막이 충분한 내열성을 확보하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 2㎛를 초과하면 분리막의 기계적 강도는 우수하나, 분리막의 탄성력이 오히려 감소하여 배터리에 사용하기에 부적합해질 수 있다.
그리고, 본 발명에서 상기 전극조립체(1000)는 도 5와 같이 양극과 음극 사이에 분리막이 형성된 형태일 수도 있으며, 또한, 도 7 에 개략도로 나타낸 바와 같이, 양극(200), 음극(100) 및 상기 양극(200)과 음극(100)을 분리시키는 분리막(600a, 600b)을 포함하고, 상기 양극(200)은 양극집전체(501) 및 양극활물질(502a, 502b)을 포함하고, 상기 음극(100)은 음극집전체(401) 및 음극활물질(402a, 402b)을 포함하며, 상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지(또는 실링 또는 코팅)되어 분리막과 일체화되어 있을 수 있다. 음극집전체 및 양극집전체가 연장되어 음극단자(5a) 및 양극단자(5b)를 형성할 수 있다.
이와 같이 음극 또는 양극과 분리막이 일체화된 전극조립체를 제조하는 방법에 대하여 바람직한 일례를 들면, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 양극활물질층을 구비한 양극 및 음극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 음극활물질층을 구비한 음극을 각각 준비하는 단계; 상기 양극 또는 음극 중 어느 하나를 봉지하도록 다공성 나노섬유웹층과 부직포층을 포함하는 분리막을 형성시켜서, 양극 또는 음극과 분리막을 일체화시키는 단계; 및 분리막과 일체화된 양극 또는 음극과 분리막이 형성되지 않은 양극 또는 음극을 대향시켜 압착 조립하는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
또한, 다공성 나노섬유웹층을 부직포의 일면 또는 양면에 형성시켜서 분리막을 제조한 후, 음극 또는 양극의 일표면 또는 양표면에 다공성 나노섬유웹층이 접촉하도록 음극 또는 양극 표면을 상기 분리막으로 봉지시켜서 본 발명의 전극조립체를 제조할 수도 있다.
그리고, 상기 분리막의 부직포층(31a, 31b)을 구성하는 상기 부직포는 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리설폰(polysulfone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, polyethylene oxide), 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, poly methyl methacrylate) 및 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 부직포층은 무기첨가제를 더 포함할 수 있으며, 상기 무기첨가제는 SiO, SnO, SnO2, PbO2, ZnO, P2O5, CuO, MoO, V2O5, B2O3, Si3N4, CeO2, Mn3O4, Sn2P2O7, Sn2B2O5, Sn2BPO6, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, Al2O3 및 PTFE 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 할 수 있다. 그리고, 상기 무기첨가제인 무기물 입자는 평균입경 10 ~ 50 nm인 것을, 바람직하게는 10 ~ 30 nm인 것을, 더욱 바람직하게는 10 ~ 20 nm인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 전극조립체에 있어서, 상기 분리막의 평균두께는 10 ~ 100㎛, 바람직하게는 10 ~ 50㎛일 수 있으며, 분리막의 평균두께가 10㎛ 미만이면 분리막이 너무 얇아서 배터리의 반복적인 구부러짐 및/또는 펴짐에 의한 분리막의 장기내구성을 확보할 수 없을 수 있고, 100㎛를 초과하면 배터리의 박육화에 불리하므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖도록 제조하는 것이 좋다.
그리고, 상기 부직포층은 평균두께 10 ~ 30㎛로, 바람직하게는 15 ~ 30㎛로 형성시키고, 상기 나노섬유웹층은 평균두께 1 ~ 5㎛를 갖는 것이 좋다.
본 발명의 전극조립체(1000)는 양극활물질 및 양극집전체를 포함하는 양극과 음극활물질 및 음극집전체를 포함하는 음극을 포함하는데, 상기 양극집전체 및/또는 음극집전체는 박형의 금속 호일로 이루어질 수 있고, 일방향으로 길게 이어진 띠 형상으로 형성되며 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 티타늄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 아연, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금 및 이들의 조합에 의하여 제조되는 금속 호일로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 양극집전체 및/또는 음극집전체는 특별하게 한정하지는 않으나, 0.5 ~ 2㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 양극 구성 중 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1 -x-yCoxMyO2(0 ≤ x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 양극 활물질 이외에도 다른 종류의 양극 활물질을 사용하는 것도 물론 가능하다.
그리고, 상기 음극 활물질은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소 섬유, 또는 탄소 복합체의 탄소계 음극 활물질, 주석 산화물, 이들을 리튬화한 것, 리튬, 리튬합금 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 음극 활물질로 종류가 한정되는 것은 아니다.
여기서, 탄소는 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노섬유, 흑연, 활성탄, 그래핀 및 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서는 양극 활물질 및 음극 활물질은 양극집전체 또는 음극집전체로부터 박리를 방지하고, 양극 활물질층 및 음극 활물질충의 크랙을 방지하기 위하여 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 성분을 함유할 수 있다. PTFE 성분은 양극 활물질층 및 음극 활물질층 각각의 총 중량에서 0.5 ~ 20 중량%를 함유할 수 있고, 바람직하게는 최대 5 중량% 이하로 함유할 수 있다.
본 발명의 배터리는 앞서 설명한 바와 같이, 수용부 내에 전해액을 포함하며, 상기 전해액은 비수성 유기용매를 포함하며, 상기 비수성 유기용매로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르로는 부티로락톤(BL), 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤(valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트 등이 사용될 수 있으며, 상기 에테르로는 디부틸 에테르 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐케톤이 있으나, 본 발명은 비수성 유기용매의 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전해액은 리튬염을 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 전지의 작동을 가능하게 하며, 그 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2x +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임) 및 LiSO3CF3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 구성 중 하나인 상기 외장재는 제1수지층(109), 금속박막층(209) 및 제2수지층(309)이 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있고, 바람직하게는 PPa(acid modified polypropylene), CPP (casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene) 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1수지층은 평균두께 20 ㎛ ~ 80㎛로, 바람직하게는 20 ㎛ ~ 60㎛로 형성시키는 것이 좋은데, 이때, 평균두께 20 ㎛ 미만이면 제1외장재 및 제2외장재간 접합력 및 기밀성 확보에 불리할 수 있으며, 80 ㎛를 초과하는 것은 비경제적이며, 박편화에 불리하므로 상기 범위 내의 두께로 형성시키는 것이 좋다.
상기 금속박막층은 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액이 통과할 수 없는 층으로 본 발명의 플렉서블 배터리용 파우치 내부로 습기가 침투되는 것을 방지함과 동시에, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수되는 것을 차단하는 기능을 수행한다.
상기 금속박막층의 평균두께는 5㎛ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5㎛ ~ 100㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 50㎛일 수 있다. 만일, 금속박막층의 두께가 5㎛ 미만이면 금속박막층 의 역할을 수행할 수 없게 될 수 있다. 달리 말하면, 앞서 언급했듯이 금속박막층은 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액을 통과할 수 없는데, 금속박막층의 두께가 5㎛ 미만이면, 파우치 내부로 습기가 침투될 수 있을 뿐만 아니라, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수될 수 있다.
그리고, 상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인청동 박막은 청동에 인을 첨가한 합금이고, 베릴륨동은 베릴륨을 0.2 ~ 2.5% 함유시킨 동합금으로 동합금 중에서 최고의 강도를 가지며, 내식성, 내마모성, 피로한도, 스프링 특성 및 전기전도성이 모두 우수할 수 있다.
상기 인청동 박막은 선팽창 계수가 1.0 ~ 1.7×10-7/℃일 수 있으며, 바람직하게는 1.2 ~ 1.5×10-7/℃일 수 있다. 만일, 선팽창 계수가 1.0 ×10-7/℃미만이면, 유연성을 충분히 확보할 수 없어, 외력에 의해 크랙(crack)이 발생할 수 있으며, 선팽창 계수가 1.7 ×10-7/℃을 초과하면 강성을 확보할 수 없어, 본 발명의 배터리용 외장재의 변형이 심해진다.
상기 인청동 박막은 주석(Sn) 3.5 ~ 10 중량%, 바람직하게는 4 ~ 8 중량%, 인(P) 0.03 ~ 0.35 중량%, 구리 89.3 ~ 96.2 중량%을 포함할 수 있다. 이때, 인청동 박막은 인청동 박막에 포함된 주석의 함량에 따라 특성이 변화할 수 있는데, 주석의 함량이 3.5 중량% 미만으로 포함되면, 인청동 박막의 강성이 저하되어, 본 발명의 배터리용 외장재의 변형이 심해지고, 주석의 함량이 10 중량%를 초과하면, 유연성을 충분히 확보할 수 없어, 외력에 의해 크랙(crack)이 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 수지층은 적층 구조의 외장재를 구현하기 위한 가요성이 있는 기재로써, 본 발명의 배터리의 외장재의 최외각층을 이루는 부분으로서, 와장재의 강도를 보강하고, 외부에서 인가되는 물리적인 접촉에 의하여 외장재에 스크래치가 발생하는 것을 방지하는 등 외장재를 외력으로부터 보호하기 위한 것이다. 상기 제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 나일론 또는 불소계 화합물을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 불소계 화합물은 PTFE(polytetra fluoroethylene), PFA(perfluorinated acid), FEP(fluorinated ethelene propylene copolymer), ETFE(polyethylene tetrafluoro ethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), ECTFE(Ethylene Chlorotrifluoroethylene) 및 PCTFE(polychlorotrifluoro ethylene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 제2수지층은 평균두께 10 ㎛ ~ 50 ㎛으로, 바람직하게는 평균두께 15 ㎛ ~ 40 ㎛로, 더욱 바람직하게는 15 ㎛ ~ 35 ㎛로 형성시키는 것이 좋다. 이때, 제2수지층은 평균두께 10 ㎛ 미만이면 충분한 외장재의 기계적 물성을 확보하지 못할 수 있으며, 50㎛를 초과하는 것은 비경제적이다.
한편, 본 발명의 배터리는 상기 금속박막층 및 제2수지층 사이에 접착제층을 더 포함할 수 있다.
상기 접착제층은 외장재 안에 수용되어 배터리에 이상 과열 등의 문제점이 발생할 때, 안전성 및 내부 단락 등에 대한 신뢰성을 부여할 수 있다. 또한 접착제층은 금속박막층과 제2수지층 사이의 접착이 용이하도록 하는 역할을 할 수 있다.
상기 접착제층은 제2수지층과 유사한 물질로 만들어질 수 있고, 실리콘, 폴리프탈레이트, 산 변성 폴리프로필렌(PPa, acid modified polypropylene) 및 산 변성 폴리에틸렌(Pea, acid modified polyethylene) 중에서 선택된 1종 이상의 접착제를 포함할 수 있다. 그리고, 이때 상기 접착제층은 평균두께 5 ㎛ ~ 30 ㎛인 것을, 바람직하게는 10 ㎛ ~ 20 ㎛일 수 있으며, 상기 접착제층의 평균두께가 5 ㎛를 초과하면 안정적인 접착력 확보가 어려울 수 있고, 30 ㎛를 초과하면 박리화에 불리할 수 있다.
또한, 상기 금속박막층 및 제2수지층 사이에 드라이 라미네이트층(dry lamination layer)을 포함할 수도 있으며, 이때, 상기 드라이 라미네이트층은 평균두께 1 ㎛ ~ 7 ㎛인 것을, 바람직하게는 2 ㎛ ~ 5 ㎛로, 더욱 바람직하게는 2.5 ㎛ ~ 3.5 ㎛로 형성시키는 것이 좋다. 이때, 드라이 라미네이트층의 평균두께가 1 ㎛ 미만이면 접착력이 너무 약해서 금속박막층과 제2수지층간 박리가 발생할 수 있고, 7 ㎛를 초과하면 불필요하게 드라이 라미네이트층이 두꺼워지고, 패턴형성이 불리한 영향을 미칠 수 있으므로 상기 두께로 형성시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법은 패브릭층을 형성한 후, 다음 단계로 도 8에 개시된 바와 같이 상기 패브릭층이 형성된 배터리(60)를 포장부재(4000)로 봉지하는 단계를 수행한다.
상기 포장부재(4000)는 가죽(leather), 패브릭(fabric), 플라스틱(plastic) 및 메탈(metal) 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명의 기술적 분야에 있어서 내부에 배터리를 내장하고 포장할 수 있는 통상적인 다양한 소재들이 포함될 수 있다.
앞서 언급했듯이, 배터리(60)의 최외각 표면에는 패브릭층이 구비되어 있는데, 상기 패브리층은 플렉서블 배터리(60)와 보장부재(4000) 간에 접착강도를 개선할 수 있다.
상기 배터리(60) 및 포장부재(4000)는 일체화될 수 있으며, 예를 들어, 니들펀칭, 박음질, 봉제, 몰딩, 사출 등의 본 발명의 기술적 분야에 있어서 통상적으로 이용될 수 있는 다양한 방법 등을 통해 상기 배터리(60) 및 포장부재(4000)는 일체화될 수 있다.
또한, 배터리(60)와 포장부재(4000) 사이에는 본딩층이 더 포함될 수 있으며, 상기 본딩층을 통해 배터리(60) 및 포장부재(4000)는 일체화될 수 있다. 이 때, 상기 본딩층은 점착부재 또는 접착부재일 수 있으며, 점착부재 또는 접착부재로서 양면테이프를 포함할 수 있다.
상기 양면테이프는 아크릴폼(acrylic foam) 양면테이프가 사용될 수 있으며, 예를 들어 상품명「467MP Transfer Tape」(3M 제조)가 포함될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법은 상기 패브릭층이 형성된 배터리를 포장부재로 봉지하는 단계를 수행한 후, 다음 단계로 상기 포장부재로 봉지된 배터리 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성시키는 단계를 수행하고, 최종적으로 플렉서블 배터리가 내장된 성형품을 제조할 수 있다.
구체적으로, 도 9에 개시된 바와 같이 본 발명의 플렉서블 배터리가 내장된 성형품(5000)에 있어서, 상기 배터리(60) 및 포장부재(3000)은 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 배터리(60) 및 포장부재(3000)의 패턴은 일치하는 부분을 가질 수 있다.
또한, 상기 배터리(60) 및 포장부재(3000)는 일체화될 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리(60) 및 포장부재(3000)에 형성된 패턴은 도 10 ~ 도 13 및 도 19 ~ 도 21처럼 연속적인 패턴일 수 있으며, 도 14 ~ 도 18처럼 패턴이 비연속적으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 배터리(60) 및 포장부재(3000)에 형성된 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 파형 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상의 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 패턴은 도 19 내지 도 21에 나타낸 바와 같이, 이웃 패턴간에 서로 같거나 다른 패턴 크기를 또는 패턴 형태를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 패턴은 상하 및/또는 좌우 방향으로의 유연성을 확보하기 위해 엠보싱 패턴을 가질 수 있고, 상기 엠보싱 패턴은 사면체형, 오면체형, 육면체형 및 이들의 혼합 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명은 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층이 구비된 배터리 및 상기 배터리를 봉지하는 포장부재를 포함하고, 상기 배터리 및 포장부재의 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품을 제공한다.
구체적으로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 성형품(5000)은 배터리(60) 및 포장부재(4000)의 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 상기 배터리(60) 및 포장부재(4000)는 일체화될 수 있다.
이와 같은, 상기 성형품은 도 9에 나타낸 바와 같이 앞서 언급한 배터리를 포함하는 팔찌형태를 가질 수 있고, 도 22에 도시된 바와 같이 시계줄, 바람직하게는 스마트와치(smart watch)용 시계줄 일 수 있으며, 웨어러블 디바이스일 수도 있다.
한편, 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지는 배터리에 대해 도 23 및 도 24를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 배터리는 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지는 전극조립체(1000) 및 외장재(1, 2)를 포함할 수 있으며, 상기 외장재(1, 2)는 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고 상기 전극 조립체(1000)를 전해액과 함께 봉지할 수 있다.
또한, 외장재의 적어도 일면에는 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층(3000)이 구비된다.
또한, 외장재(1, 2)와 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)이 형성된 형태일 수 있으며, 상기 수용부(20) 내부에는 전극조립체(1000) 및 전해액을 포함하게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 24에 나타낸 바와 같이, 외장재(1,2) 의 표면과 패브릭층(3000) 사이에 본딩층(3001)을 도입하여 외장재(1,2)와 패브릭층(3000)이 일체화될 수 있다
본 발명의 배터리에 있어서, 상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 가질 수 있다.
그리고, 수용부 내부에 있는 상기 전극조립체는 양극집전체(501)의 일면 또는 양면에 형성된 양극 활물질층(502)을 구비하는 양극; 음극집전체(401)의 일면 또는 양면에 형성된 음극 활물질층(402)을 구비하는 음극; 및 분리막(600); 을 포함하며, 상기 양극, 음극 및 분리막(600)은 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 외장재(1,2)의 패턴과 일치하는 부분을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리에 형성된 패턴은 도 10 ~ 도 13 및 도 19 ~ 도 21처럼 연속적인 패턴일 수 있으며, 도 14 ~ 도 18처럼 패턴이 비연속적으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 배터리에 형성된 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 파형 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상의 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 패턴은 도 19 내지 도 21에 나타낸 바와 같이, 이웃 패턴간에 서로 같거나 다른 패턴 크기를 또는 패턴 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 패턴은 상하 및/또는 좌우 방향으로의 유연성을 확보하기 위해 엠보싱 패턴을 가질 수 있고, 상기 엠보싱 패턴은 사면체형, 오면체형, 육면체형 및 이들의 혼합 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 배터리는 어느 일방향으로의 유연성 증대를 위해서, 상기 패턴은 하기 방정식 1 및/또는 방정식 2를 만족하도록 형성되어 있을 수도 있다.
[방정식 1]
제1외장재(1) 패턴의 높이 ≥ 전극조립체(1000) 패턴의 높이 ≥ 제2외장재(2) 패턴의 높이
[방정식 2]
제1외장재(1) 패턴의 피치 ≥ 전극조립체(1000) 패턴의 피치 ≥ 제2외장재(2) 패턴의 피치
또한, 본 발명의 배터리에서 패턴은 배터리의 중심으로부터 외부방향으로 갈수록 패턴의 높이가 작아지는 형태를 갖도록 형성시킬 수도 있다.
이와 같이 배터리의 외장재뿐만 아니라, 전극집합체(분리막 포함)에 패턴을 형성시킴으로써, 전극집합체의 전극간의 접착강도를 개선시킬 수 있으면서도, 패턴에 의해 전해액의 유동을 방지할 수도 있다.
1 : 제1외장재 2 : 제2외장재
5a : 음극단자 5b: 양극단자
10 : 실링부 20 : 수용부
31, 31a, 31b : 부직포층
32, 33a, 33b : 다공성 나노섬유웹층
60 : 배터리
100 : 음극 200 : 양극
109 : 제1수지층 209 : 금속 박막층
309 : 제2수지층
401 : 음극집전체 402 : 음극활물질
501 : 양극집전체 502 : 양극활물질
600, 600a, 600b : 분리막 1000 : 전극조립체
3000 : 패브릭층 3001 : 본딩층
4000 : 포장부재
5000 : 성형품

Claims (28)

  1. 배터리의 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층을 형성하는 단계;
    상기 패브릭층이 형성된 배터리를 포장부재로 봉지하는 단계; 및
    상기 포장부재로 봉지된 배터리 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 형성시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는
    제1외장재, 제2외장재 및 전극조립체를 각각 준비하는 단계;
    상기 전극조립체의 일면에 제1외장재를 배치시키고, 상기 전극조립체의 타면에 제2외장재를 배치시키는 단계;
    제1외장재 및 제2외장재에서 전극조립체가 배치되는 제1영역과 상기 제1영역을 둘러싸는 제2영역 중 제2영역을 접합시키되, 상기 제2영역 중 일부분을 개방시키고, 나머지 부분을 접합시키는 단계; 및
    상기 개방된 일부분을 통해 전해액을 주입시키고, 개방 부분을 접합시켜 배터리를 제조하는 단계;
    를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  3. 제1항이 있어서,
    상기 배터리 및 포장부재는 일체화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 및 포장부재의 적어도 일면에는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고,
    상기 배터리 및 포장부재의 패턴은 일치하는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패브릭층은 직물, 편물 및 부직포 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 부직포는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품 의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 은나노 성분은 상기 패브릭층 전체 중량에 대하여 1 ~ 20 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 은나노 성분은 은염류(silver salts), 은나노체(nano silver), 은이온 담지체(silver ion exchangers) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 은염류는 질산은(AgNO3), 황산은(Ag2NO4) 및 염화은(AgCl) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 은나노체는 은나노와이어(silver nanowire), 은나노입자(silver nanoparticle), 은나노튜브(silver nanotube) 및 은나노클러스터(silver nanocluster) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 패브릭층 사이에 본딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 본딩층은 양면테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 패브릭층의 두께는 5 ~ 50㎛이고, 상기 본딩층의 두께는 5 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 포장부재는 가죽(leather), 패브릭(fabric), 플라스틱(plastic) 및 메탈(metal) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있으며,
    상기 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 파형 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴, 엠보싱 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는
    전극조립체; 및 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전극조립체는 양극집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 배치되는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 배치되는 음극 및 분리막을 포함하며,
    상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며,
    상기 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지되어 분리막과 일체화되며,
    상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하며,
    상기 다공성 나노섬유웹층은 양극의 양극활물질 또는 음극의 음극활물질과 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리 내장된 성형품의 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 외장재는 전극조립체 방향로부터 외부 방향으로 제1수지층, 금속박막층 및 제2수지층이 적층된 구조이며,
    제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함하고,
    제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품의 제조방법.
  22. 적어도 일면에 은(Ag)나노 성분을 포함하는 패브릭(fabric)층이 구비된 배터리; 및
    상기 배터리를 봉지하는 포장부재; 를 포함하고,
    상기 배터리 및 포장부재의 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품.
  23. 제22항이 있어서,
    상기 배터리 및 포장부재는 일체화된 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 배터리와 포장부재 사이에 본딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리가 내장된 성형품.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 배터리는 이차전지인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리 가 내장된 성형품.
  26. 제22항 내지 제25항 중에서 선택된 어느 한 항의 성형품을 포함하는 것을 특징으로 하는 시계줄.
  27. 제22항 내지 제25항 중에서 선택된 어느 한 항의 성형품을 포함하는 것을 특징으로 하는 팔찌.
  28. 제22항 내지 제25항 중에서 선택된 어느 한 항의 성형품을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스.
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