[논문]이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 제조 공정 변수에 따른 접착력에 대한 연구

유민숙; 김도현; 조정민; 배성우; 김동수

doi:10.7736/kspe.2016.33.2.149

[국내논문] 이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 제조 공정 변수에 따른 접착력에 대한 연구
Study on the Adhesive Strength by the Manufacturing Process Parameter of the Aluminum Pouch for Secondary Battery 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.2, 2016년, pp.149 - 155

유민숙 ((주)탑앤씨 기술부설연구소) , 김도현 ((주)탑앤씨 기술부설연구소) , 조정민 ((주)탑앤씨 기술부설연구소) , 배성우 ((주)탑앤씨 기술부설연구소) , 김동수 ((주)탑앤씨 기술부설연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the adhesive strength by molecular weight, mixture ratio, coating thickness, lamination temperature and aging condition of adhesive in manufacture process of Nylon-Aluminum for secondary aluminum pouch. It found that as the molecular weight of adhesive gets lower, the adhesive strength increases. In the mixture ratio, as the content of hardener get higher and as the content of solvent get lower, the adhesive strength increases. Also, as the coating thickness of adhesive get thicker, the adhesive strength increase. In addition, the adhesive strength is higher at 90 degrees of lamination temperature. So, it found that 90 degrees of lamination temperature is appropriate. In the aging condition when aged for 5 days, it found that the reaction and curing of adhesive is sufficient by measuring the adhesive strength.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 최외층인 Nylon 필름과 표면처리된 Al 필름의 접착력 개선에 주안점을 두고 폴리우레탄계 접착제를 사용하여 접착제 종류 별 배합비율, 코팅 두께 및 숙성시간, 라미네이션 온도에 따른 접착 물성을 알아보고자 하였다.
이차전지용 알루미늄 파우치의 Nylon-Aluminum 계면을 제조하는 과정에서 각각 접착제의 코팅 두께, 라미네이션 온도, 숙성조건을 다르게 하여 이들에 따른 접착력의 차이를 알아보고자 하였다. 실험에 적용된 조건들은 Tables 3-5에 나타내었다.
본 논문에서 사용한 업체 두 곳의 접착제에 대하여 각각 주제와 경화제 별 분자량의 차이를 알아보기 위해 분자량을 측정하였다. 겔투과크로마토그래피(Waters 410)를 이용하여 40 ℃의 온도 조건 하에 주입양 20µL로 하여 0.
4 본 논문에서는 업체 두 곳의 접착제에 대하여 각각 주제와 경화제 별 분자량의 차이를 알아보고자 하였다. 겔투과크로마토그래피(GPC)를 이용하여 분자량을 측정한 결과는 Table 6과 같이 업체 B의 주제와 경화제가 업체 A 보다 분자량이 큰 것을 알 수 있었다 (Fig.
4 따라서 본 실험에서는 업체에서 제공한 기본 배합비율을 기준으로 경화제와 용제의 함량을 다르게 하여 접착물성을 알아보았다. 접착제 종류에 따른 접착력의 경우, 업체 A가 업체 B 보다 높은 접착력을 나타내었다.
접착제의 배합비율에 따른 인장강도의 변화를 알아보았다. 인장강도를 측정한 결과, 두 업체의 접착제 모두 경화제의 함량이 높은 것에서 인장강도도 높게 측정되는 것을 알 수 있었다 (Fig.
본 논문에서는 이차전지용 알루미늄 파우치의 Nyon-Aluminum 계면의 제조 과정에서 접착제 종류 별 분자량, 배합비율, 코팅 두께, 라미네이션 온도 및 숙성조건에 따른 접착물성을 알아보았다.

제안 방법

5 %)를 정제과정 없이 그대로 사용하였다. 또한, 금속과 고분자 간의 안정적인 접착력 형성을 위해 Al 필름에 표면처리를 진행하였으며, 3가 크롬계의 표면처리제를 사용하였다.
2 따라서 Aluminum과 Nylon의 안정적인 접착력 형성을 위해 Aluminum의 무광면에 3가 크롬계의 표면처리제를 코팅하였다. 3가 크롬계 표면처리제는 추가적인 배합과정 없이 그대로 사용하였으며, Mayer bar를 이용하여 Aluminum 무광면에 코팅하였다.
접착제의 기본 배합비는 업체에서 제공한 기술정보에 따라 제조하였으며, 접착제의 배합비에 따른 접착력을 알아보기 위해 각각 경화제와 용제(EA)의 배합비를 다르게 하여 총 5가지의 조건으로 나누어 접착제를 제조하였다. 제조사 별 접착제의 배합비는 Table 1과 같다.
측정 시료는 접착력 측정 시 적용된 규격에 따랐으며 하중 50kgf, 300mm/min의 시험속도로 180 ° 인장강도를 측정하였다.
이차전지용 알루미늄 파우치의 Nylon-Aluminum 계면의 접착력을 알아보기 위하여 universal testing machine(AGS-X)을 이용하여 측정하였다. 측정 시료는 ASTM D903 규격에 따라 길이 100mm, 폭 15mm로 제작하였으며 하중 50kgf, 300mm/min의 시험속도로 T형 박리강도를 측정하였다.
Nylon-Aluminum이 서로 라미네이션 된 필름의 인장강도에 대하여 접착제의 배합비율에 따른 차이를 알아보기 위하여 unicersal testing machine (AGS-X)을 이용하여 측정하였다. 측정 시료는 접착력 측정 시 적용된 규격에 따랐으며 하중 50kgf, 300mm/min의 시험속도로 180 ° 인장강도를 측정하였다.
코팅 두께에 따른 접착력의 변화를 알아보기 위해 총 세 가지의 May Bar를 이용하여 접착물성을 알아보았다.
숙성조건 중 기간(시간)을 변수로 하여 접착물성을 알아보았다. 숙성기간에 따른 접착력 측정결과는 Fig.

대상 데이터

이차전지용 알루미늄 파우치의 Nylon-Aluminum 계면을 제조하기 위하여 Nylon(Nylon 6, 양면 코로나) 25µm 두께의 제품을 사용하였으며, Aluminum (Grade : A8021)은 두께 40µm의 제품을 사용하였다.
이차전지용 알루미늄 파우치의 Nylon-Aluminum 계면을 제조하기 위하여 Nylon(Nylon 6, 양면 코로나) 25µm 두께의 제품을 사용하였으며, Aluminum (Grade : A8021)은 두께 40µm의 제품을 사용하였다. 각 필름을 접착시키기 위한 접착제는 2액형 폴리우레탄계 접착제로 업체 A와 B의 접착제를 사용하였으며 각각의 주제와 경화제를 용해시킬 용제로 EA(Ethyl Acetate, 99.5 %)를 정제과정 없이 그대로 사용하였다. 또한, 금속과 고분자 간의 안정적인 접착력 형성을 위해 Al 필름에 표면처리를 진행하였으며, 3가 크롬계의 표면처리제를 사용하였다.
본 논문에서는 업체 두 곳의 접착제를 사용하였으며, 접착제는 폴리우레탄계 2액형 접착제이다. 폴리우레탄계 2액형 접착제는 주제와 경화제로 구성되며 사용 전에 유기용제를 넣고 주제와 경화제를 혼합하여 사용한다.
이차전지용 알루미늄 파우치의 Nylon-Aluminum 계면의 접착력을 알아보기 위하여 universal testing machine(AGS-X)을 이용하여 측정하였다. 측정 시료는 ASTM D903 규격에 따라 길이 100mm, 폭 15mm로 제작하였으며 하중 50kgf, 300mm/min의 시험속도로 T형 박리강도를 측정하였다.

성능/효과

본 논문에서의 각 조건 별 접착력을 측정한 결과, 모든 조건에서 업체 B의 접착제가 업체 A의 접착제에 비해 낮은 접착력을 나타내는 것을 알 수 있으며 이는 분자량의 차이에 의한 것으로 생각된다.
접착제 종류에 따른 접착력의 경우, 업체 A가 업체 B 보다 높은 접착력을 나타내었다. 각 접착제에 대하여 배합비율 별 접착력을 측정한 결과 업체 A의경우, 용제의 함량이 낮은 것이 가장 높은 접착력을 나타내었으며 업체 B의 경우에는 경화제의 함량이 높은것이 가장 높은 접착력을 나타내었다(Table 7). 각 업체별 배합비율에 따른 접착력 (Figs.
접착제의 배합비율에 따른 인장강도의 변화를 알아보았다. 인장강도를 측정한 결과, 두 업체의 접착제 모두 경화제의 함량이 높은 것에서 인장강도도 높게 측정되는 것을 알 수 있었다 (Fig. 3). 기존 배합비율과 비교하여 경화제의 함량이 높을수록 주제와의 반응 정도와 결합력의 증가에 따른 것으로 생각된다.
접착력의 경우, 분자량이 낮은 업체 A의 접착제가 업체 B의 접착제 보다 높게 나타남을 알 수 있다. 인장강도의 경우 분자량에 비례하여 업체 B의 접착제가 높은 인장강도를 나타냄을 알 수 있었으며, 접착제의 분자량 및 배합비율이 접착력에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
접착력 측정 결과, Mayer Bar No.#10을 이용하여 코팅했을 때 가장 높은 접착력을 나타내었으며 두께가 증가할수록 접착력도 증가하는 것을 알 수 있었다 (Fig. 5). 접착력에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 화학적 결합력으로써 접착제와 피착제 간의 화학적 상호작용이 높을수록 강한 응집력을 나타내며 접착력도 증가하게 된다.
또한, 90 ℃ 이상의 온도인 110 ℃에서 접착력이 다시 감소하는 것을 알 수 있었으며, 이는 지나친 라미네이션 온도에 따라 접착제에 함유된 용제의 휘발 및 감소에 의한 것으로 생각된다.⁷ 따라서 이후 숙성과정에서 일어나는 접착제와 피착제 간의 경화가 제대로 이루어지지 않은 것에 의한 접착력의 감소인 것으로 생각되며, 라미네이션 공정에서의 최대 적정온도는 90℃임을 알 수 있었다.
숙성조건 중 기간(시간)을 변수로 하여 접착물성을 알아보았다. 숙성기간에 따른 접착력 측정결과는 Fig. 7과 같이 기간이 길어질수록 접착력이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 숙성을 5일 동안 진행한 것이 가장 높은 접착력을 나타냈으며, 가장 짧은 기간인 0.
7과 같이 기간이 길어질수록 접착력이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 숙성을 5일 동안 진행한 것이 가장 높은 접착력을 나타냈으며, 가장 짧은 기간인 0.5일이 가장 낮은 접착력을 나타내었다. 숙성(Aging)공정은 접착계면의 성질을 향상시키기 위하여 일정한 온도와 시간 조건 하에서 방치하는 과정이며 이를 통해 접착제와 피착제 간의 접착을 견고하게 한다.
⁸따라서 접착제가 반응을 일으킬 수 있는 충분한 시간이 주워질 때, 비로소 원하는 접착력을 얻을 수 있다. 측정 결과를 바탕으로 숙성 기간이 짧은 경우(0.5일), 접착제의 경화가 충분히 이루어지지 않아 접착력이 낮은 것으로 생각되며, 5일 동안 숙성을 진행하였을 때 접착제의 반응이 충분히 이루어짐을 알 수 있었다.
(1) 분자량에 따라 분자량이 낮을수록 접착력은 증가하며 인장강도는 낮게 나타남을 알 수 있었다.
(2) 배합비율에서는 기존의 조건과 비교하여 경화제의 함량이 높을수록, 용제의 함량이 낮을수록 접착력은 높게 나타났다.
(3) 접착제의 코팅 두께 및 라미네이션 온도에 대해서는 접착력과 비례적인 관계를 나타내었다.
(4) 숙성조건에서는 숙성 기간이 길어질수록 접착력이 증가하였으며 숙성 5일을 진행했을 때, 가장 높은 접착력이 나타난 것을 알 수 있었다.
7 본 실험에서는 라미네이션 온도에 따른 접착물성을 알아보았으며 접착력 측정결과는 Fig. 6과 같이 온도가 증가함에 따라 접착력도 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 90 ℃ 이상의 온도인 110 ℃에서 접착력이 다시 감소하는 것을 알 수 있었으며, 이는 지나친 라미네이션 온도에 따라 접착제에 함유된 용제의 휘발 및 감소에 의한 것으로 생각된다.

후속연구

각 공정변수에 따라 접착력이 영향을 받음을 알 수 있었으며 추가적인 변수 도입을 통해 전지의 신뢰성을 유지하는데 충분한 접착력을 나타내는 조건을 확립할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Nylon 필름의 역할은 무엇인가?	알루미늄 파우치는 Nylon-Aluminum-Polyolefin의 3층 구조로 Nylon-Aluminum 계면과 Aluminum-Polyolefin 계면으로 구분된다. Nylon 필름은 최외층으로써 외부 충격으로부터 전지를 보호하는 역할을 하며 하드웨어와 직접적으로 접촉하기 때문에 절연성 및 내열성, 기계적 강도 등이 요구된다. Aluminum 필름은 산소와 수분을 차단하는 배리어층으로써 Nylon과 함께 성형성을 유지시켜주는 역할을 하며 내열성과 인장강도 등이 요구된다.
	리튬이온폴리머전지는 어떤 구조를 가지는가?	리튬이온폴리머전지는 이종(異種)의 필름이 여러 겹으로 라미네이트된 알루미늄 파우치 안에 양극-음극-분리막이 포함된 전지 셀이 내장된 구조를 가진다. 알루미늄 파우치는 Nylon-Aluminum-Polyolefin의 3층 구조로 Nylon-Aluminum 계면과 Aluminum-Polyolefin 계면으로 구분된다.
	리튬이차전지가 IT기기의 중요한 부품으로 자리 잡은 이유는?	최근 휴대전화, 노트북, 태블릿 PC 등의 휴대용 전자기기는 급격한 기술발전에 힘입어 그 사용량이 증가하고 있다. 이에 따라 반복적인 충/방전이 가능하고 친환경적인 리튬이차전지는 IT기기의중요한 부품으로 자리 잡았다.

참고문헌 (8)

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Jeong, Y. H., "Autoadhesion Strength of Symmertric Amorphous Interface in Polymer Welding Process," The Polymer, Vol. 21, No. 5, pp. 755-763, 1997.
Hwa Sung Co., Ltd., "Glossary, COMMON SENSE of Adhesive," http://www.hsadhesive.co.kr/data/main_data.php (Accessed January 22 2016)
Youm, J. S. and Kang, H. J., "Adhesion Mechanism of Polyurethane Adhesive for Laminated Steel Plate," The Polymer, Vol. 36, No. 2, pp. 119-123, 2012.
Youngjin Industrial Co., Ltd., "Glossary, Adhesive," http://www.yj-chem.com/html/technique/industrial.htm (Accessed January 22 2016)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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