KR20190140271A - 우수한 밀착력을 갖는 동박, 그것을 포함하는 전극, 그것을 포함하는 이차전지, 및 그것의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 구리층을 포함하며, 6.1 내지 58.8 ㎛2의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), 0.49 내지 1.28의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)] 및 3% 미만의 폭방향 중량 편차를 갖는 동박을 제공한다.
Description
본 발명은 우수한 밀착력을 갖는 동박, 그것을 포함하는 전극, 그것을 포함하는 이차전지, 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
동박은 이차전지의 음극, 연성인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board: FPCB) 등 다양한 제품들의 제조에 이용되고 있다.
동박들 중 전기 도금에 의하여 제조된 동박을 전해 동박이라고 하며, 전해 동박은 일반적으로 롤투롤(Roll To Roll: RTR) 공정을 통해 제조된다. 롤투롤(RTR) 공정에 의해 제조된 전해 동박은 롤투롤(RTR) 공정을 통한 이차전지의 음극, 연성인쇄회로기판(FPCB) 등의 제조에 이용된다. 연속적 생산이 가능하기 때문에, 롤투롤 공정은 제품의 대량 생산에 적합한 공정으로 알려져 있다.
이차전지용 음극 또는 연성인쇄회로기판에 적용하기 위해 전해 동박이 우수한 밀착력을 가지는 것이 필요하다. 예를 들어, 동박과 전극 활물질 사이의 밀착력이 우수한 경우 이차전지용 음극의 신뢰성, 내구성 및 품질이 향상될 수 있다. 또한, 동박과 고분자 물질 사이의 밀착력이 우수한 경우 연성인쇄회로기판의 신뢰성, 내구성 및 품질이 향상될 수 있다.
동박과 다른 물질과의 접착력을 향상시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 예를 들어, 동박과 다른 물질과의 접착력을 향상시키기 위해 동박의 표면 조도(Rz)를 높이는 방법이 있다. 그러나, 동박의 밀착력은 표면 조도(Rz)만으로 결정되는 것은 아니며, 표면 조도(Rz)가 과도하게 높은 경우, 오히려 동박의 밀착력이 저하될 수 있고, 부착 불균일이 발생될 수 있다. 따라서, 동박이 전체 표면에 걸쳐 균일하게 우수한 밀착력을 가지는 것이 필요하다.
본 발명은, 위와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 동박, 그것을 포함하는 전극, 그것을 포함하는 이차전지, 및 그것의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 밀착력이 우수한 동박을 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 동박의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)를 조정하여, 동박의 밀착력을 향상시키고자 한다.
본 발명의 다른 일 실시예는 이러한 동박을 포함하는 이차전지용 전극 및 이러한 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 이러한 동박을 포함하는 연성동박적층필름을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 밀착력이 향상된 동박의 제조 방법을 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점들 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 구리층을 포함하며, 6.1 내지 58.5 ㎛2의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), 0.49 내지 1.28의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)] 및 3% 이하의 폭방향 중량 편차를 갖는 동박을 제공한다. 여기서, 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)는, 아래 식 1에 따라, 프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)의 곱으로 구해진다.
[식 1]
Paa = Rsm x Ra
상기 동박은 29 내지 63 kgf/mm2 의 상온(25±15℃) 인장강도를 갖는다.
상기 동박은 3% 이상의 상온(25±15℃) 연신율을 갖는다.
상기 동박은 4㎛ 내지 30㎛의 두께를 갖는다.
상기 동박은 상기 구리층 상에 배치된 방청막을 더 포함한다.
상기 방청막은 크롬(Cr), 실란 화합물 및 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 상기의 동박 및 상기 동박 상에 배치된 활물질층을 포함하는 이차전지용 전극을 제공한다.
상기 동박과 상기 활물질층의 접착력은 25 N/m 이상이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 양극(cathode), 상기 양극과 대향 배치된 음극(anode), 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어 이온이 이동할 수 있는 환경을 제공하는 전해질(electrolyte) 및 상기 양극과 상기 음극을 전기적으로 절연시켜 주는 분리막(separator)을 포함하고, 상기 음극은 상기의 동박 및 상기 동박 상에 배치된 활물질층을 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 동박과 상기 활물질층의 접착력은 25 N/m 이상이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 고분자막 및 상기 고분자막 상에 배치된 상기의 동박을 포함하는 연성동박적층필름을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 구리 이온을 포함하는 전해액 내에 서로 이격되어 배치된 전극판(anode) 및 회전 전극드럼(cathode)을 40 내지 80 A/dm2의 전류밀도로 통전시켜 구리층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 전해액은 70 내지 90 g/L의 구리 이온, 50 내지 150 g/L의 황산, 0.12 g/L 이하의 전체 무기 탄소(Total Inorganic Carbon, TIC), 0.33 g/L 이하의 코발트 이온 및 3 내지 12 ppm의 디에틸렌트리아민(DETA)을 포함하는 동박의 제조 방법을 제공한다.
상기 전해액의 단위시간(초, second) 당 유량 편차가 10% 이하이다.
상기 동박의 제조 방법은 상기 구리층을 방청액에 침지하는 단계를 더 포함한다.
상기 방청액은 0.5 내지 6.1 g/L의 크롬을 포함한다.
위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동박은 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa) 조정에 의해 우수한 밀착력을 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 동박이 사용되는 경우, 이차전지용 전극과 활물질 사이의 탈리가 방지되어, 이차전지의 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 동박이 사용되는 경우, 연성인쇄회로기판에서 동박의 탈리가 방지되어, 연성인쇄회로기판의 신뢰성이 향상된다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동박의 개략적인 단면도이다.
도 2a는 조도 프로파일(roughness profile)의 그래프이고, 도 2b는 동박의 XRD 그래프에 대한 예시이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 동박의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성동박적층필름의 단면도이다.
도 8는 도 3에 도시된 동박의 제조 공정에 대한 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동박의 개략적인 단면도이다.
도 2a는 조도 프로파일(roughness profile)의 그래프이고, 도 2b는 동박의 XRD 그래프에 대한 예시이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 동박의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성동박적층필름의 단면도이다.
도 8는 도 3에 도시된 동박의 제조 공정에 대한 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내의 변경과 변형을 모두 포함한다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로, 본 발명이 도면에 도시된 사항에 의해 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 구성 요소는 동일 참조 부호로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소가 단수로 표현된 경우, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함한다. 또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석된다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
다양한 구성요소들을 서술하기 위해, '제1', '제2' 등과 같은 표현이 사용되지만, 이들 구성요소들은 이러한 용어에 의해 제한되지 않는다. 이러한 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 여러 실시예들 각각의 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동박(100)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 동박(100)은 구리층(110)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 구리층(110) 상에 배치된 방청막(210)을 더 포함한다. 방청막(210)은 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구리층(110)은 매트면(matte surface) (MS) 및 그 반대편의 샤이니면(shiny surface)(SS)을 갖는다.
구리층(110)은, 예를 들어, 전기 도금을 통해 회전 전극드럼 상에 형성될 수 있다(도 8 참조). 이 때, 샤이니면(SS)은 전기 도금 과정에서 회전 전극드럼과 접촉하였던 면이고, 매트면(MS)은 샤이니면(SS)의 반대편 면이다.
샤이니면(SS)이 매트면(MS)에 비해 더 낮은 표면조도(Rz)를 갖는 것이 일반적이기는 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 샤이니면(SS)의 표면조도(Rz)가 매트면(MS)의 표면조도(Rz)와 동일하거나 더 높을 수도 있다.
방청막(210)은 구리층(110)의 매트면(MS) 및 샤이니면(SS) 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 도 1을 참조하면, 방청막(210)이 매트면(MS)에 배치된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 방청막(210)은 샤이니면(SS)에만 배치될 수도 있고, 매트면(MS)과 샤이니면(SS) 모두에 배치될 수도 있다.
방청막(210)은 구리층(110)을 보호한다. 방청막(210)은 보존 과정에서 구리층(110)이 산화되거나 변질되는 것을 방지할 수 있다. 구리층(110) 상에 방청막(210)이 배치되지 않은 경우, 시간의 경과에 따라 구리층(110)에 표면 산화가 발생되어, 동박(100)을 포함하는 장치, 예를 들어, 이차전지의 수명이 저하될 수 있다. 이러한 방청막(210)을 보호층이라고도 한다. 방청막(210)에 특별한 제한이 있는 것은 아니며, 구리층(110)을 보호할 수 있는 막이나 층은 모두 방청막(210)이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방청막(210)은 크롬(Cr), 실란 화합물 및 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 크롬(Cr)을 포함하는 방청액, 즉, 크롬산 화합물을 포함하는 방청액에 의하여 방청막(210)이 만들어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 구리층(110)을 기준으로 매트면(MS) 방향의 표면인 제1 면(S1) 및 샤이니면(SS) 방향의 표면인 제2 면(S2)을 갖는다. 도 1에서, 동박(100)의 제1 면(S1)은 방청막(210)의 표면이고, 제2 면(S2)은 샤이니면(SS)이다. 구리층(110)에 방청막(210)이 배치되지 않는 경우, 구리층(110)의 매트면(MS)이 동박(100)의 제1 면(S1)이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 6.1 내지 58.5 ㎛2의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Average of Profile Area)(Paa)를 갖는다. 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)는, 다음 식 1과 같이, 프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)의 곱으로 구해진다.
[식 1]
Paa = Rsm x Ra
프로파일 평균 간격(mean width of profile)(Rsm)은 JIS B 0601-2001 규격에 따라 조도계로 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Mitutoyo社의 SJ-310 모델에 의해 프로파일 평균 간격(Rsm)이 측정될 수 있다. 이 때, 컷 오프(cut off) 길이를 제외한 측정 길이는 4mm이며, 컷 오프(cut off) 길이는 초기와 말기 각각 0.8mm이다. 스타일러스 팁(stylus tip)의 반지름(radius)는 2㎛이다.
도 2a는 조도 프로파일(roughness profile)의 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 프로파일 평균 간격(Rsm)은, 하나의 산(골)이 평균선(ML)과 교차하는 점에서 이웃하는 산(골)의 대응점까지의 거리(XSi, 여기서, i = 1, 2, 3, … m)의 산술 평균 값이다. 구체적으로 프로파일 평균 간격(Rsm)은 다음 식 2로 구해질 수 있다.
[식 2]
도 2a에서 "sampling length"는 샘플의 길이를 의미한다
프로파일 평균 고도(Ra)는 산술 평균 조도(arithmetical mean roughness)라고도 한다. 프로파일 평균 고도(Ra)는 JIS B 0601-2001 규격에 따라 조도계로 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Mitutoyo사(社)의 SJ-310 모델에 의해 프로파일 평균 고도(Ra)가 측정될 수 있다. Mitutoyo사(社)의 SJ-310 모델을 이용한 프로파일 평균 고도(Ra) 측정에 있어서, 컷 오프(cut off) 길이를 제외한 측정 길이는 4mm이며, 컷 오프(cut off) 길이는 초기와 말기 각각 0.8mm로 한다. 스타일러스 팁(stylus tip)의 반지름(radius)은 2㎛이다. 측정 압력은 0.75mN으로 설정될 수 있다.
프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)의 곱으로 정의되는 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)는, 도 2a의 조도 프로파일 그래프를 참조할 때, 프로파일의 평균 면적이라고도 할 수 있다.
프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 6.1 ㎛2 미만이면, 동박(100)의 프로파일 면적이 너무 좁아, 동박(100)에 동박에 부착된 물질, 예를 들어, 전극 활물질과 동박(100)의 밀착력이 저하될 수 있다. 반면, 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 58.5 ㎛2를 초과하면, 동박(100)의 프로파일 면적이 너무 넓고 표면 요철이 너무 많아, 동박(100)에 다른 물질, 예를 들어, 전극 활물질이 균일하게 코팅되지 못하여, 동박(100)과 전극 활물질의 밀착력이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 0.49 내지 1.28의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]를 갖는다.
이하, 도 2b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]를 측정 및 산출하는 방법을 설명한다. 도 2b는 동박의 XRD 그래프에 대한 예시이다.
(220)면의 집합조직계수[TC(220)] 측정에 있어서, 먼저, 30° 내지 95°의 회절각(2θ) 범위에서 X선 회절법(XRD)에 의해, n개의 결정면들에 대응하는 피크들을 갖는 XRD 그래프가 얻어진다[Target: Copper K alpha 1, 2θ interval: 0.01°, 2θ scan speed: 3°/min]. 예를 들어, 도 2b에 예시된 바와 같이 (111)면, (200)면, (220)면, 및 (311)면에 해당하는 4개의 피크들이 나타난 XRD 그래프가 얻어질 수 있다. 도 2를 참조하면, n은 4이다.
다음, 이 그래프로부터 각 결정면(hkl)의 XRD 회절강도[I(hkl)]가 구해진다. 또한, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)에 의해 규정된 표준 구리 분말의 n개의 결정면들 각각에 대한 XRD 회절강도[I0(hkl)]가 구해진다. 이어서, n개의 결정면들의 "I(hkl)/I0(hkl)"에 대한 산술평균값이 산출되고, 그 산술평균값으로 (220)면의 I(220)/I0(220)가 나누어짐으로써 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]가 산출된다. (220)면의 집합조직계수[TC(220)]는 다음의 식 3에 기초하여 산출될 수 있다.
[식 3]
동박(100)의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]가 0.49 미만이면, 동박(100)의 결정 조직에 활성 자리가 부족하여 동박(100)에 다른 물질, 예를 들어, 음극 활물질이 균일하게 코팅되지 않는다. 동박(100)의 (220)면의 집합조직의 계수가 1.28을 초과이면, 동박(100)의 조직이 너무 치밀하여 다른 물질, 예를 들어, 음극 활물질이 동박(100)의 표면에 물리적으로 결합하기가 어려워 음극 활물질과 동박(100) 사이의 밀착력이 저하된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 3% 이하의 폭방향 중량 편차를 갖는다. 보다 구체적으로 동박(100)은 0 내지 3%의 폭방향 중량 편차를 가질 수 있다. 여기서, 폭방향 중량 편차가 0 이라는 것은 폭방향으로 중량 편차가 없다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폭방향 중량 편차는 동박(100)의 폭 방향을 따라 임의의 3지점에서 측정된 중량의 평균(평균 중량) 및 중량의 표준 편차로부터 구해질 수 있다. 구체적으로, 동박(100)의 폭 방향 즉, 권취 방향에 수직한 방향(Transverse Direction, TD)을 따라 배열된 3개 지점들에서 5cmㅧ5cm의 샘플들을 취한 후 각 샘플의 중량을 측정하여 단위면적당 중량을 산출하고, 3개 샘플의 단위면적당 중량으로부터 3 지점의 "평균 중량"과 "중량의 표준편차"를 산출한 다음, 식 4에 따라 중량 편차를 구할 수 있다.
[식 4]
동박(100)의 폭방향 중량 편차가 3%를 초과하면, 동박(100)에 다른 물질, 예를 들어, 음극 활물질을 코팅할 때 코팅 불균일이 발생되며, 단위 면적당 중량이 낮은 영역에서는 음극 활물질 얇게 코팅되어 쉽게 탈리되는 현상이 발생될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 1 내지 3%의 폭방향 중량 편차를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 29 내지 63 kgf/mm2 의 상온(25±15℃) 인장강도를 갖는다. 인장강도는 IPC-TM-650 Test Method Manual의 규정에 따라 만능시험기(UTM)에 의해 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Instron사(社)의 만능시험기에 의해 인장강도가 측정된다. 이 때, 인장강도 측정용 샘플의 폭은 12.7 mm이고, 그립(grip)간 거리는 50 mm이고, 측정 속도는 50 mm/min이다. 평가를 위해 샘플의 인장강도가 3회에 걸쳐 반복 측정되어, 그 평균값이 동박(100)의 인장강도로 사용될 수 있다.
상온(25±15℃)에서 동박(100)의 인장 강도가 29kgf/mm2 미만이면, 제조 공정에서 동박(100)에 가해지는 힘을 동박(100)이 견디지 못하여, 동박(100)에 주름이 발생될 수 있다.
반면, 상온(25±15℃)에서 동박(100)의 인장 강도가 63kgf/mm2를 초과하면, 동박(100)의 인장 강도가 우수하여 제조 공정에서 동박(100)에 가해지는 장력(tension) 등의 힘을 동박(100)이 충분히 견디지만, 동박(100) 자체의 취성이 증가되어, 롤투롤 공정 중 동박(100)에 국부적으로 가해지는 힘에 대응하여 동박(100)이 늘어나지 못하기 때문에 동박(100)에 찢김이 발생될 수 있다. 그에 따라, 동박(100)의 사용성이 저하된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 25±15℃의 상온에서 3% 이상의 연신율을 가진다. 연신율은 IPC-TM-650 Test Method Manual에 규정된 방법에 따라 만능시험기(UTM)에 의해 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 Instron社의 설비가 사용될 수 있다. 이때, 연신율 측정용 샘플의 폭은 12.7 mm이고, 그립(grip)간 거리는 50 mm이며, 측정 속도는 50 mm/min이다. 3회에 걸쳐 연신율이 측정된 후 그 평균값이 연신율 값으로 사용될 수 있다.
동박(100)의 상온(25±15℃) 연신율이 3% 미만이면, 동박(100)의 제조 과정에서 가해지는 힘에 대응하여 동박(100)이 늘어나지 못하고 찢어질 위험이 생길 수 있다. 예를 들어, 동박(100)은 3 내지 30%의 연신율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동박(100)은 4㎛ 내지 30㎛의 두께를 가질 수 있다. 동박(100)의 두께가 4㎛ 미만인 경우, 동박(100)의 제조 공정 또는 동박(100)을 이용한 제품, 예를 들어, 이차전지용 전극 또는 이차전지의 제조 공정에서 작업성이 저하된다. 동박(100)의 두께가 30㎛를 초과하는 경우, 동박(100)을 이용한 이차전지용 전극의 두께가 커지고, 이러한 큰 두께로 인하여 이차전지의 고용량 구현에 어려움이 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 동박(200)의 개략적인 단면도이다. 이하, 중복을 피하기 위하여 이미 설명된 구성요소에 대한 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 동박(200)은 구리층(110) 및 구리층(110)의 매트면(MS)과 샤이니면(SS)에 각각 배치된 두 개의 방청막(210, 220)을 포함한다. 도 1에 도시된 동박(100)과 비교하여, 도 3에 도시된 동박(200)은 구리층(110)의 샤이니면(SS)에 배치된 방청막(220)을 더 포함한다.
설명의 편의를 위해, 두 개의 방청막(210, 220) 중 구리층(110)의 매트면(MS)에 배치된 방청막(210)을 제1 보호층이라고 하고, 샤이니면(SS)에 배치된 방청막(220)을 제2 보호층이라 할 수 있다.
도 3에 도시된 동박(200)의 제1 면(S1)은 매트면(MS)에 배치된 방청막(210)의 표면과 동일하고, 제2 면(S2)은 샤이니면(SS)에 배치된 방청막(220)의 표면과 동일하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 두 개의 방청막(210, 220)은 각각 크롬(Cr), 실란 화합물 및 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 동박(200)은 6.1 내지 58.5 ㎛2의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), 0.49 내지 1.28의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)] 및 3% 이하의 폭방향 중량 편차를 갖는다. 또한, 도 3에 도시된 동박(200)은 29 내지 63 kgf/mm2 의 상온(25±15℃) 인장강도, 3% 이상의 상온(25±15℃) 연신율 및 4㎛ 내지 30㎛의 두께를 갖는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(300)의 개략적인 단면도이다.
도 4에 도시된 이차전지용 전극(300)은, 예를 들어, 도 6에 도시된 이차전지(500)에 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(300)은 동박(100) 및 동박(100) 상에 배치된 활물질층(310)을 포함한다. 여기서, 동박(100)은 전류 집전체로 사용된다.
구체적으로, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(300)은 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 갖는 동박(100) 및 동박(100)의 제1 면(S1)과 제2 면(S2) 중 적어도 하나에 배치된 활물질층(310)을 포함한다. 또한, 동박(100)은 구리층(110) 및 구리층(110) 상에 배치된 방청막(210)을 포함한다.
도 4에 전류 집전체로 도 1의 동박(100)이 이용된 것이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 또 다른 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3에 도시된 동박(200)이 이차전지용 전극(300)의 집전체로 사용될 수도 있다.
또한, 동박(100)의 표면들(S1, S2) 중 제1 면(S1)에만 활물질층(310)이 배치된 구조가 도 4에 도시되어 있으나, 본 발명의 또 다른 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 동박(100)의 제1 면(S1)과 제 2면(S2) 모두에 활물질층(310)이 배치될 수도 있고, 동박(100)의 제 2면(S2)에만 활물질층(310)이 배치될 수도 있다.
도 4에 도시된 활물질층(310)은 전극 활물질로 이루어지며, 특히 음극 활물질로 이루어질 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 이차전지용 전극(300)은 음극으로 사용될 수 있다.
활물질층(310)은, 탄소, 금속, 금속의 산화물 및 금속과 탄소의 복합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속으로, Ge, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 및 Fe 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 또한, 이차전지의 충방전 용량을 증가시키기 위하여, 활물질층(310)은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 동박(100)과 활물질층(310)의 접착력은 25 N/m 이상이다. 동박(100)과 활물질층(310)의 접착력이 25 N/m 미만인 경우, 이차전지의 제조 후 충방전 과정에서 활물질층(310)이 부피 팽창 및 수축 과정에서 발생되는 힘을 견디지 못하고 활물질층(310)이 동박(100)으로부터 탈리될 수 있다. 활물질층(310)이 동박(100)으로부터 탈리되면 이차전지의 용량이 현저하게 저하된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 동박(100)과 활물질층(310)의 접착력이 25 N/m 이상이 되도록 하여, 동박(100)과 활물질층(310)의 탈리를 방지한다. 그에 따라, 이차전지용 전극(300)의 제조 효율이 향상되며, 이러한 이차전지용 전극(300)을 포함하는 이차전지의 충방전 효율 및 용량 유지율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(400)의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지용 전극(400)은 동박(200) 및 동박(200) 상에 배치된 활물질층(310, 320)을 포함한다.
도 5를 참조하면, 동박(200)은 구리층(110) 및 구리층(110)의 양면(MS, SS)에 배치된 두 개의 방청막(210, 220)을 포함한다. 또한, 도 5에 도시된 이차전지용 전극(400)은 동박(200)의 양면에 배치된 두 개의 활물질층(310, 320)을 포함한다. 여기서, 동박(200)의 제1 면(S1) 상에 배치된 활물질층(310)을 제1 활물질층이라 하고, 동박(200)의 제2 면(S2)에 배치된 활물질층(320)을 제2 활물질층이라 할 수 있다.
두 개의 활물질층(310, 320)은 서로 동일한 재료에 의해 동일한 방법으로 만들어질 수도 있고, 다른 재료 또는 다른 방법으로 만들어질 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 동박(200)과 활물질층(310, 320)의 접착력은 25 N/m 이상이다. 구체적으로, 동박(200)과 제1 활물질층(310) 사이의 접착력 및 동박(200)과 제2 활물질층(320) 사이의 접착력은 모두 25 N/m 이상이다. 동박(200)과 활물질층(310, 320)의 접착력이 25 N/m 미만인 경우, 이차전지의 제조 후 충방전 과정에서 활물질층(310, 320)이 부피 팽창 및 수축 과정에서 발생되는 힘을 견디지 못하고 활물질층(310, 320)이 동박(200)으로부터 탈리될 수 있다. 활물질층(310)이 동박(200)으로부터 탈리되면 이차전지의 용량이 현저하게 저하된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 동박(200)과 활물질층(310, 320)의 접착력이 25 N/m 이상이 되도록 하여, 동박(200)과 활물질층(310, 320)의 탈리를 방지한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지(500)의 개략적인 단면도이다. 도 6에 도시된 이차전지(500)는, 예를 들어, 리튬 이차전지이다.
도 6을 참조하면, 이차전지(500)는, 양극(cathode)(370), 양극(370)과 대향 배치된 음극(anode)(340), 양극(370)과 음극(340) 사이에 배치되어 이온이 이동할 수 있는 환경을 제공하는 전해질(electrolyte)(350), 및 양극(370)과 음극(340)을 전기적으로 절연시켜 주는 분리막(separator)(360)을 포함한다. 여기서, 양극(370)과 음극(340) 사이에서 이동하는 이온은 리튬 이온이다. 분리막(360)은 하나의 전극에서 발생된 전하가 이차전지(500)의 내부를 통해 다른 전극으로 이동하여 무익하게 소모되는 것을 방지하기 위해 양극(370)과 음극(340)을 분리한다. 도 6을 참조하면, 분리막(360)은 전해질(350) 내에 배치된다.
양극(370)은 양극 집전체(371) 및 양극 활물질층(372)을 포함한다. 양극 집전체(371)로, 예를 들어, 알루미늄 호일(foil)이 사용될 수 있다.
음극(340)은 음극 집전체(341) 및 활물질층(342)을 포함한다. 음극(340)의 활물질층(342)은 음극 활물질을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 음극 집전체(341)와 활물질층(342)의 접착력은 25 N/m 이상이다. 음극 집전체(341)와 활물질층(342) 사이의 접착력이 25 N/m 미만인 경우, 이차전지(500)의 충방전 과정에서 활물질층(342)이 부피 팽창 및 수축 과정에서 발생되는 힘을 견디지 못하고 활물질층(342)이 음극 집전체(341)로부터 탈리될 수 있다. 활물질층(342)이 음극 집전체(341)로부터 탈리되면 이차전지(500)의 용량이 현저하게 저하된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 음극 집전체(341)와 활물질층(342)의 접착력이 25 N/m 이상이 되도록 하여, 음극 집전체(341)와 활물질층(342)의 탈리를 방지한다.
음극 집전체(341)로, 도 1 및 3에 개시된 동박(100, 200)이 사용될 수 있다. 또한, 도 4 및 5에 도시된 이차전지용 전극(300, 400)이 도 6에 도시된 이차전지(500)의 음극(340)으로 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성동박적층필름(600)의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성동박적층필름(600)은 고분자막(410) 및 고분자막(410) 상에 배치된 동박(100)을 포함한다. 도 1에 도시된 동박(100)을 포함하는 연성동박적층필름(600)이 도 7에 도시되어 있지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3에 도시된 동박(200)이 연성동박적층필름(600)에 사용될 수 있다.
고분자막(410)은 연성(flexibility)을 가지며 비전도성을 갖는다. 고분자막(410)의 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 고분자막(410)은, 예를 들어, 폴리이미드를 포함할 수 있다. 롤 프레스(Roll Press)를 통해 폴리이미드 필름과 동박(100)이 라미네이팅되어 연성동박적층필름(600)이 만들어질 수 있다. 또는, 동박(100) 상에 폴리이미드 전구체 용액이 코팅된 후 열처리되어 연성동박적층필름(600)이 만들어질 수도 있다.
동박(100)은 매트면(MS)과 샤이니면(SS)을 갖는 구리층(110) 및 구리층(110)의 매트면(MS) 및 샤이니면(SS) 중 적어도 하나에 배치된 방청막(210)을 포함한다. 여기서, 방청막(210)은 생략될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 방청막(210) 상에 고분자막(410)이 배치된 것이 예시되어 있지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 고분자막(410)이 구리층(110)의 샤이니면(SS) 상에 배치될 수도 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동박(200)의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.
도 8은 도 3에 도시된 동박(200)의 제조 방법에 대한 개략도이다.
먼저, 구리 이온을 포함하는 전해액(11) 내에 서로 이격되어 배치된 전극판(anode)(13) 및 회전 전극드럼(cathode)(12)이 40 내지 80 ASD(A/dm2)의 전류밀도로 통전되어 구리층(110)이 형성된다.
구체적으로, 도 8을 참조하면, 전해조(10)에 담긴 전해액(11) 내에 배치된 전극판(13) 및 회전 전극드럼(12) 사이에 40 내지 80 ASD(A/dm2)의 전류밀도가 인가되어, 회전 전극드럼(12) 상에 구리가 전착(electrodeposit)됨으로써 도금에 의해 구리층(110)이 형성된다. 이 때, 전극판(13)과 회전 전극드럼(12) 사이의 간격은 8 내지 13 mm의 범위로 조정될 수 있다.
전극판(13)과 회전 전극드럼(12) 사이에 인가되는 전류밀도가 높을수록 균일한 전착이 이루어져 구리층(110)의 매트면(MS)의 표면조도가 감소하고, 전류밀도가 낮을수록 불균일한 도금이 이루어져 구리층(110)의 매트면(MS)의 표면조도가 커진다.
전해액(11)은 70 내지 90 g/L의 구리 이온 및 50 내지 150 g/L의 황산을 포함한다. 이러한 농도를 갖는 전해액(11)에서, 회전 전극드럼(12) 상에 구리의 전착이 용이하게 이루어질 수 있다. 전해액의 온도는 40 내지 70℃로 유지된다.
또한, 전해액(11)은 0.12 g/L 이하의 전체 무기 탄소(Total Inorganic Carbon, TIC)를 포함한다. 전체 무기 탄소(TIC)는 유기물의 구성원소가 아닌 무기물 상태인 탄소의 전체 양을 의미한다. 무기 탄소로, 예를 들어 탄산염의 탄소, 용존 이산화탄소의 탄소 등이 있다. 전해액(11)에 포함된 전체 무기 탄소(TIC)의 농도가 0.12 g/L를 초과하면, 불균일한 도금이 이루어져 구리층(110) 표면에서의 요철이 증가하고, 요철 사이의 간격도 좁아져 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 58.5 ㎛2를 초과하게 된다. 예를 들어, 전해액(11)은 0.01 내지 0.12 g/L의 전체 무기 탄소(TIC)를 포함할 수 있다.
전해액(11)은 0.33 g/L 이하의 코발트 이온을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코발트 이온은 2가 상태(Co2+)로 존재할 수 있다. 코발트 이온의 농도가 증가하면, 구리 도금시 구리 이온(Cu2+)의 환원 속도가 증가한다. 코발트 이온의 농도가 0.33 g/L를 초과하면, 필요이상으로 균일한 구리 도금이 형성되어, 구리층(110) 표면의 요철이 낮아지고 요철의 수도 감소하여, 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 58.5 ㎛2를 초과하게 된다. 예를 들어, 전해액(11)은 0.10 내지 0.33 g/L의 코발트 이온을 포함할 수 있다.
또한, 전해액(11)에서 전체 무기 탄소(TIC)의 농도가 0.12 g/L를 초과하고, 코발트 이온(Co2+)의 농도가 0.33 g/L를 초과하면, 과도한 불순물이 구리층(110)의 표면에 구리와 함께 석출되어 동박(200)의 상온(25±15℃) 인장강도가 63 kgf/mm2를 초과하게 되고, 동박(200)의 저항이 증가하여 동박(200)이 이차전지(500)의 전극 또는 연성동박적층필름(600)의 도전층으로 사용되기에 적합하지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해액(11)은 12 ppm 이하의 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA)을 포함한다.
전해액(11)내에 포함된 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 12 ppm을 초과하면 구리 도금의 결정립이 미세해지고, (220)면의 집합조직이 발달된다. 반면, 전해액(11) 내의 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 3ppm 미만이면 구리 도금의 결정립의 크기가 커지고 (111)면의 집합조직이 발달하여, 상대적으로 (220)면의 집합조직은 덜 발달하게 된다.
또한, 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도에 따라 동박(200)의 인장강도가 조정될 수 있다. 질화물계 화합물인 디에틸렌트리아민(DETA)은 동박(200)의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 3 ppm 미만인 경우 동박(200)의 인장강도가 저하되어, 동박(200)의 상온(25±15℃) 인장강도가 29 kgf/mm2 미만이 된다. 반면 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 12 ppm을 초과하면 동박(200)의 상온(25±15℃) 인장강도가 63 kgf/mm2를 초과하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해액(11)은 3 내지 12 ppm의 디에틸렌트리아민(DETA)을 포함한다. 보다 구체적으로, 전해액(11)은 3.2 내지 12 ppm의 디에틸렌트리아민(DETA)을 포함할 수 있다.
전해액(11) 내의 불순물의 함량을 줄이기 위해 구리 이온의 재료가 되는 구리 와이어가 열처리되어 구리 와이어에 부착된 이물질들이 제거되고, 열처리된 구리 와이어가 산세된 후, 산세된 구리 와이어가 전해액용 황산에 투입될 수 있다. 그에 따라 전해액(11)의 청정도가 유지될 수 있다.
전해액(11)은 30 내지 50 m3/hour의 유량을 가질 수 있다. 즉, 전착 및 도금에 의한 구리층(110) 형성 과정에서 전해액(11)에 존재하는 고형 불순물을 제거하기 위해, 전해액(11)은 30 내지 50 m3/hour의 유량으로 순환될 수 있다. 전해액(11)의 순환 과정에서 전해액(11)이 여과될 수 있다. 이러한 여과에 의하여 불순물들이 제거됨으로써, 전해액(11)의 청결도가 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단위시간(초)당 전해액(11)의 유량 변화량(이하 "유량 편차"라 한다.)이 10% 이하가 되도록 한다. 유량 편차가 10%를 초과하는 경우, 불균일 도금에 의해 불균일한 구리층(110)이 형성될 수 있다.
또한, 전해액(11)이 오존 처리되거나, 전기 도금에 의해 구리층(110)이 형성되는 동안 전해액(11)에 과산화수소 및 공기가 투입됨으로써 전해액(11)의 청정도가 유지 또는 향상될 수 있다.
다음, 세정조(20)에서 구리층(110)이 세정된다.
구리층(110) 표면의 불순물을 제거하기 위해, 세정조(20)에서 수세가 이루어질 수 있다. 또는, 구리층(110) 표면의 불순물을 제거하기 위해 산세(acid cleaning)가 수행되고, 이어서 산세에 사용된 산성 용액 제거를 위한 수세(water cleaning)가 수행될 수도 있다. 세정 공정은 생략될 수도 있다.
다음, 구리층(110) 상에 방청막(210, 220)이 형성된다.
도 8를 참조하면, 방청조(30)에 담긴 방청액(31) 내에 구리층(110)이 침지되어, 구리층(110) 상에 방청막(210, 220)이 형성될 수 있다. 여기서, 방청액(31)은 크롬을 포함하며, 방청액(31) 내에서 크롬(Cr)은 이온 상태로 존재할 수 있다. 방청액(31)은 0.5 내지 6.1 g/L의 크롬을 포함할 수 있다. 구리층(110)은 1 내지 3초간 방청액(31)에 침지될 수 있다. 이와 같이 형성된 방청막(210, 220)을 보호층이라고도 한다.
한편, 방청막(210, 220)은 실란 처리에 의한 실란 화합물을 포함할 수도 있고, 질소 처리에 의한 질소 화합물을 포함할 수도 있다.
이러한 방청막(210, 220) 형성에 의해 동박(200)이 만들어진다.
다음, 동박(200)이 세정조(40)에서 세정된다. 이러한 세정 공정은 생략될 수 있다.
다음, 건조 공정이 수행된 후 동박(200)이 와인더(WR)에 권취된다.
이하, 실시예들 및 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예들로 제한되지 않는다.
실시예 1-5 및 비교예 1-5
전해조(10), 전해조(10)에 배치된 회전 전극드럼(12) 및 회전 전극드럼(12)과 이격되어 배치된 전극판(13)을 포함하는 제박기를 이용하여 동박을 제조하였다. 전해액(11)은 황산동 용액이며, 전해액(11)의 구리이온 농도는 75g/L, 황산 농도는 100g/L, 전해액(11)의 온도는 55℃로 유지되었다. 또한, 전해액(11)은 37m3/hour의 유량으로 순환되며, 구리층(110)의 폭방향에 따른 유량 편차는 표 1에 개시된 바와 같다.
전해액(11)은 표 1에 개시된 농도의 코발트 이온(Co2+), 전체 무기 탄소(TIC) 및 디에틸렌트리아민(DETA)을 포함한다.
회전 전극드럼(12)과 전극판(13) 사이에 45 ASD의 전류밀도로 전류를 인가하여 구리층(110)을 형성하였다. 다음, 방청조(30)에 담긴 방청액(31)에 구리층(110)을 침지시켜 구리층(110) 표면에 크롬을 포함하는 방청막(210, 220)을 형성하였다. 이때, 방청액(31)의 온도는 30℃로 유지되었으며, 방청액(31)은 2.2g/L의 크롬(Cr)을 포함한다. 그 결과, 실시예 1-5 및 비교예 1-5의 동박들이 제조되었다.
| 구분 | Co2+ (g/L) |
TIC (g/L) |
DETA (ppm) |
폭방향 유량편차 (%) |
| 실시예 1 | 0.32 | 0.05 | 7.5 | 5.2 |
| 실시예 2 | 0.16 | 0.11 | 7.5 | 5.3 |
| 실시예 3 | 0.15 | 0.04 | 3.2 | 4.8 |
| 실시예 4 | 0.15 | 0.05 | 12 | 5.5 |
| 실시예 5 | 0.16 | 0.04 | 7.3 | 9.8 |
| 비교예 1 | 0.34 | 0.06 | 7.4 | 4.8 |
| 비교예 2 | 0.17 | 0.13 | 7.3 | 5 |
| 비교예 3 | 0.15 | 0.04 | 2.9 | 5.2 |
| 비교예 4 | 0.16 | 0.06 | 12.1 | 5.3 |
| 비교예 5 | 0.15 | 0.05 | 7.5 | 10.2 |
이와 같이 제조된 실시예 1-5 및 비교예 1-5의 동박에 대해 (i) 프로파일 평균 고도(Ra), (ii) 프로파일 평균 간격(Rsm), (iii) 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), (iv) (220)면의 집합조직계수[TC(220)], (v) 중량 편차, (vi) 인장강도 및 (vii) 밀착력을 측정하고, (viii) 주름 발생을 관찰하였다. 그 결과는 표 2에 도시되었다.
(i) 프로파일 평균 고도(Ra)
프로파일 평균 고도(Ra)는 JIS B 0601-2001 규격에 따라 조도계로 측정되었다. 구체적으로, Mitutoyo社의 SJ-310 모델을 이용하여 프로파일 평균 고도(Ra)가 측정하였다. 이 때, 컷 오프(cut off) 길이를 제외한 측정 길이는 4mm이었으며, 컷 오프(cut off) 길이는 초기와 말기 각각 0.8mm이었다. 또한, 스타일러스 팁(stylus tip)의 반지름(radius)는 2㎛이었다.
(ii) 프로파일 평균 간격(Rsm) 측정
프로파일 평균 간격(Rsm)은 JIS B 0601-2001 규격에 따라 조도계로 측정되었다. 구체적으로, Mitutoyo社의 SJ-310 모델을 이용하여 프로파일 평균 간격(Rsm)이 측정하였다. 이 때, 컷 오프(cut off) 길이를 제외한 측정 길이는 4mm이었으며, 컷 오프(cut off) 길이는 초기와 말기 각각 0.8mm이었다. 또한, 스타일러스 팁(stylus tip)의 반지름(radius)는 2㎛이었다.
(iii) 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa) 계산
위에서 측정된 프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)를 이용하여 다음 식 1에 따라 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)를 계산하였다.
[식 1]
Paa = Rsm x Ra
프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), 식 1과 같이, 프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)의 곱으로 구해진다.
(iv) (220)면의 집합조직계수 [TC(220)] 측정
실시예 1-5 및 비교예 1-5에서 제조된 동박들에 대해 30° 내지 95°의 회절각(2θ) 범위에서 X선 회절법(XRD)[(i) Target: Copper K alpha 1, (ii) 2θ interval: 0.01°, (iii) 2θ scan speed: 3°/min]을 실시함으로써, n개의 결정면들에 대응하는 피크들을 갖는 XRD 그래프를 얻었고, 이 그래프로부터 각 결정면(hkl)의 XRD 회절강도[I(hkl)]를 구하였다. 또한, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)에 의해 규정된 표준 구리 분말의 n개의 결정면들 각각에 대한 XRD 회절강도[I0(hkl)]를 구하였다. 여기서, 결정면은 (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면이고, n은 4이다.
이어서, n개의 결정면들의 I(hkl)/I0(hkl)의 산술평균값을 구한 후 구해진 산술평균값으로 (220)면의 I(220)/I0(220)을 나눔으로써 동박의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]를 산출하였다. (220)면의 집합조직계수[TC(220)]는 다음의 식 3에 따라 산출되었다.
[식 3]
(v) 중량 편차 측정
실시예 1-5 및 비교예 1-5에서 제조된 동박들의 폭 방향 즉, 권취 방향에 수직한 방향(Transverse Direction, TD)을 따라 배열된 3개 지점들에서 5cmㅧ5cm의 샘플들을 취한 후 각 샘플의 중량을 측정하여 단위면적당 중량을 산출하였다. 3개 샘플의 단위면적당 중량으로부터 3 지점의 "평균 중량"과 "중량의 표준편차"를 산출한 다음, 식 4에 따라 중량 편차를 계산하였다.
[식 4]
(vi) 인장강도 측정
IPC-TM-650 Test Method Manual의 규정에 따라 Instron사(社)의 만능시험기를 이용하여 실시예 1-5 및 비교예 1-5에서 제조된 동박들의 인장강도를 측정하였다. 인장강도 측정 샘플의 폭은 12.7 mm이었고, 그립(grip)간 거리는 50 mm이었고, 측정 속도는 50 mm/min 이었다. 샘플의 인장강도를 3회에 걸쳐 반복 측정하여, 그 평균을 측정 결과로 평가하였다.
(vii) 밀착력 측정
인조 흑연과 SiO2의 혼합물(95중량%:5중량%)로 이루어진 활성 성분, 바인더인 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 증점제인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 97:6.1:6.1의 중량비로 혼합한 후, 물에 분산시켜 음극 활물질용 슬러리를 제조하였다.
표면이 깨끗한 유리판 위에 실시예 1-5 및 비교예 1-5에서 제조된 동박들을 올려 놓은 후 주름, 구겨짐 등이 없도록 펼쳐 놓았다.
Bar coater를 사용하여 로딩(Loading) 양이 9.0±0.5mg/㎠가 되도록 동박 위에 음극 활물질용 슬러리를 코팅하였다. 코팅시 Bar coater의 속도는 10 내지 15mm/s의 범위로 조정되었다.
음극 활물질용 슬러리가 코팅된 동박을 100℃로 가열된 건조 Oven에 넣어 15분 동안 건조하였다. 그에 따라 음극 활물질층이 만들어졌다.
동박에 음극 활물질용 슬러리가 코팅되어 건조되어 만들어진 동박 시험편을, 롤 프레스(Roll press)로 전극 밀도 6.15±0.05g/㏄가 되도록 4단 가압(press). 이하 같이 제조된 완료된 동박 시험편은 "전극"이라 칭한다.
접착력을 측정을 위해 전극을 폭 10mm x 길이 100mm로 절단하였다.
양면 테이프를 이용하여, 전극의 음극 활물질층 부분을 보강판에 부착하였다. 제작된 모든 동박(동박 시험편)은 균일한 힘으로 부착 될 수 있도록 한다.
만능시험기(UTM)를 이용하여 동박의 접착력을 측정하였다.
만능시험기(UTM) 측정 조건 조건
- Crosshead speed: 50.0 mm/min.
- 측정 길이: 20~50mm
- 측정방법: 90° Peeling 테스트
그 결과는 표 2에 개시되었다.
(viii) 주름 발생 관찰
1) 음극 제조
상업적으로 이용 가능한 음극 활물질용 카본 100 중량부에 2 중량부의 스티렌부타디엔고무(SBR) 및 2 중량부의 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 혼합하고, 증류수를 용제로 이용하여 음극 활물질용 슬러리를 조제하였다. 닥터 블레이드를 이용하여 10㎝ 폭을 가진 실시예 1-5 및 비교예 1-5의 동박 상에 40㎛ 두께로 음극 활물질용 슬러리를 도포하고, 이를 120℃에서 건조하고, 1 ton/㎠의 압력에서 가압하여 이차전지용 음극을 제조하였다.
2) 전해액 제조
에틸렌카보네이트(EC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)를 1:2의 비율로 혼합한 비수성 유기용매에 용질인 LiPF6을 1M의 농도로 용해하여 기본 전해액을 제조하였다. 99.5중량%의 기본 전해액과 0.5중량%의 숙신산 무수물(Succinic anhydride)을 혼합하여 비수전해액을 제조하였다.
3) 양극 제조
Li1.1Mn1.85Al0.05O4인 리튬 망간 산화물과 o-LiMnO2인 orthorhombic 결정구조의 리튬 망간 산화물을 90:10(중량비)의 비로 혼합하여, 양극 활물질을 제조하였다. 양극 활물질, 카본 블랙, 및 결착제인 PVDF[Poly(vinylidenefluoride)]를 85:10:5(중량비)로 혼합하고, 이를 유기 용매인 NMP와 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리를 20㎛의 두께 Al박(foil) 양면에 도포한 후 건조하여 양극을 제조하였다.
4) 시험용 리튬 이차전지 제조
알루미늄 캔의 내부에, 알루미늄 캔과 절연되도록 양극과 음극을 배치하고, 그 사이에 비수전해액 및 분리막을 배치하여, 코인 형태의 리튬 이차전지를 제조하였다. 분리막으로 폴리프로필렌(Celgard 2325; 두께 25㎛, average pore size φ28 nm, porosity 40%)이 사용되었다.
5) 주름 발생 관찰
일련의 리튬 이차전지 제조 과정에서 동박의 주름을 관찰하였다. 동박 및 음극의 제조 과정에서 동박에 주름이 발생하지 않은 경우를 "양호"라 표시하였다.
이상의 측정, 계산 및 관찰 결과는 하기 표 2에 도시되었다.
| Ra (㎛) |
Rsm (㎛) |
Paa (㎛2) |
TC(220) | 폭방향 중량편차 (%) |
인장강도 (kgf/mm2) |
밀착력 (N/m) |
주름 | |
| 실시예 1 | 0.12 | 50.8 | 6.1 | 0.89 | 1.5 | 47 | 28.8 | 양호 |
| 실시예 2 | 0.43 | 136.0 | 58.5 | 0.89 | 1.5 | 47 | 29.5 | 양호 |
| 실시예 3 | 0.23 | 112.2 | 25.8 | 0.49 | 1.6 | 30 | 29.7 | 양호 |
| 실시예 4 | 0.22 | 115.0 | 25.3 | 1.28 | 1.8 | 63 | 31.2 | 양호 |
| 실시예 5 | 0.22 | 115.9 | 25.5 | 0.89 | 3 | 47 | 28.5 | 양호 |
| 비교예 1 | 0.11 | 53.6 | 5.9 | 0.89 | 1.4 | 47 | 18.5 | 양호 |
| 비교예 2 | 0.46 | 128.0 | 58.9 | 0.89 | 1.5 | 47 | 20.1 | 양호 |
| 비교예 3 | 0.23 | 110.9 | 25.5 | 0.48 | 1.5 | 28 | 18.8 | 주름발생 |
| 비교예 4 | 0.22 | 117.3 | 25.8 | 1.30 | 1.5 | 64 | 19.5 | 주름발생 |
| 비교예 5 | 0.22 | 116.8 | 25.7 | 0.89 | 3.2 | 47 | 19.8 | 양호 |
비교예 1-5에 따른 동박은 모두 25N/m 미만의 밀착력(음극 활물질과의 밀착력)을 가지며, 비교예 3 및 4의 동박에서 주름이 발생하였다.
구체적으로,
(1) 코발트 이온(Co2+)의 농도가 0.33 g/L를 초과하는 비교예 1의 경우, 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 6.1 ㎛2의 미만이고, 밀착력이 25N/m 미만이며,
(2) 전체 무기 탄소(TIC)의 농도가 0.12 g/L를 초과하는 비교예 2의 경우, 평균 간격 고도 파라미터(Paa)가 58.5 ㎛2를 초과하고, 밀착력이 25N/m 미만이며,
(3) 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 3 ppm 미만인 비교예 3의 경우, (220)면의 집합조직계수[TC(220)]가 0.49 미만이고, 상온(25±15℃) 인장강도가 29 kgf/mm2 미만이고, 밀착력이 25N/m 미만이고, 주름이 발생하며,
(4) 디에틸렌트리아민(DETA)의 농도가 12 ppm을 초과하는 비교예 4의 경우, (220)면의 집합조직계수[TC(220)]가 1.28을 초과하고, 상온(25±15℃) 인장강도가 63 kgf/mm2를 초과하고, 밀착력이 25N/m 미만이고, 주름이 발생하며,
(5) 전해액 폭 방향의 유량 편차가 10%를 초과하는 비교예 5의 경우, 폭방향 중량 편차가 3%를 초과하고, 밀착력이 25N/m 미만이다.
이러한 비교예 1-5에 따른 동박은 리튬 이차전지용 전극 또는 음극 집전체로 사용되기에 충분한 물성을 가지지 못한다고 평가할 수 있다.
반면, 본 발명의 실시예들에 따른 조건 범위에서 제조된 실시예 1-5에 따른 동박은 양호한 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa), (220)면의 집합조직계수[TC(220)], 중량 편차, 인장강도 및 밀착력을 가지며, 실시예 1-5에 따른 동박에서는 주름이 발생되지 않았다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 동박은 리튬 이차전지용 음극 집전체로 유용하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 표현되며, 특허청구범위의 의미, 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200: 동박
210, 220: 방청막
310: 활물질층
300, 400: 이차전지용 전극
340: 이차전지용 음극
370: 이차전지용 양극
MS: 매트면
SS: 샤이니면
210, 220: 방청막
310: 활물질층
300, 400: 이차전지용 전극
340: 이차전지용 음극
370: 이차전지용 양극
MS: 매트면
SS: 샤이니면
Claims (15)
- 구리층을 포함하며,
6.1 내지 58.5 ㎛2의 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa);
0.49 내지 1.28의 (220)면의 집합조직계수[TC(220)]; 및
3% 이하의 폭방향 중량 편차;
를 갖는 동박:
여기서, 프로파일 평균 간격 고도 파라미터(Paa)는, 아래 식 1에 따라, 프로파일 평균 간격(Rsm)과 프로파일 평균 고도(Ra)의 곱으로 구해진다.
[식 1]
Paa = Rsm x Ra - 제1항에 있어서,
29 내지 63 kgf/mm2 의 상온(25±15℃) 인장강도를 갖는 동박. - 제1항에 있어서,
3% 이상의 상온(25±15℃) 연신율을 갖는 동박. - 제1항에 있어서,
4㎛ 내지 30㎛의 두께를 갖는 동박. - 제1항에 있어서,
상기 구리층 상에 배치된 방청막을 더 포함하는 동박. - 제5항에 있어서,
상기 방청막은 크롬(Cr), 실란 화합물 및 질소 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 동박. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 동박; 및
상기 동박 상에 배치된 활물질층;
을 포함하는 이차전지용 전극. - 제7항에 있어서,
상기 동박과 상기 활물질층의 접착력은 25 N/m 이상인 이차전지용 전극. - 양극(cathode);
상기 양극과 대향 배치된 음극(anode);
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어 이온이 이동할 수 있는 환경을 제공하는 전해질(electrolyte); 및
상기 양극과 상기 음극을 전기적으로 절연시켜 주는 분리막(separator);을 포함하고,
상기 음극은,
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 동박; 및
상기 동박 상에 배치된 활물질층;
을 포함하는 이차전지. - 제9항에 있어서,
상기 동박과 상기 활물질층의 접착력은 25 N/m 이상인 이차전지. - 고분자막; 및
상기 고분자막 상에 배치된, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 동박;
을 포함하는 연성동박적층필름. - 구리 이온을 포함하는 전해액 내에 서로 이격되어 배치된 전극판(anode) 및 회전 전극드럼(cathode)을 40 내지 80 A/dm2의 전류밀도로 통전시켜 구리층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 전해액은,
70 내지 90 g/L의 구리 이온;
50 내지 150 g/L의 황산;
0.12 g/L 이하의 전체 무기 탄소(Total Inorganic Carbon, TIC);
0.33 g/L 이하의 코발트 이온; 및
3 내지 12 ppm의 디에틸렌트리아민(DETA);
을 포함하는 동박의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 전해액의 단위시간(초, second) 당 유량 편차가 10% 이하인 동박의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 구리층을 방청액에 침지하는 단계를 더 포함하는 동박의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 방청액은 0.5 내지 6.1 g/L의 크롬을 포함하는 동박의 제조 방법.
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| KR1020180066848A KR20190140271A (ko) | 2018-06-11 | 2018-06-11 | 우수한 밀착력을 갖는 동박, 그것을 포함하는 전극, 그것을 포함하는 이차전지, 및 그것의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN115775866A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-03-10 | 瑞浦兰钧能源股份有限公司 | 一种硅基负极片及其制备方法与二次电池 |
| CN117457915A (zh) * | 2022-07-25 | 2024-01-26 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于增强粘附性的集流体图案化 |
-
2018
- 2018-06-11 KR KR1020180066848A patent/KR20190140271A/ko not_active Ceased
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20180611 |
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Patent event date: 20230424 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20220916 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |
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Patent event date: 20230823 Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal Patent event code: PJ02012R01D Patent event date: 20230424 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PJ02011S01I Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal Appeal identifier: 2023101001804 Request date: 20230823 |
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