ET 융합분과 파우치형이차전지리드탭및이를포함하는파우치형이차전지 Ⅰ. 제안기술개요 기술의내용기술의동향기술의제품화및시장전망 - 리튬이차전지용 파우치리드탭에 관한것으로금속단자와고분자 실런트간의결착력을향상시켜밀 봉성을향상시킨기술 - 특히, 결착력향상을위해친수성 고분자인 Polydopamine을이용해 표면처리를실시한기술임. [ 국내동향 ] - 국내업체인솔브레인을중심으로 기술개발이이어지고있으며, 약 50 0 억의시장규모를이루고있음. [ 해외동향 ] - 2013 년기준, 리튬이차전지세계 시장은 14억달러규모이며, 이중 외장재관련규모는 10% 내외로판단 됨. 일본의스미토모사가가장우수한 리드탭기술을가지고있음. - 전기자동차수요의증가로 인해 리튬이차전지시장규모는 2019 년약 319 억달러로전망됨. - 이와관련된핵심소재( 양극, 음 극, 전해질, 외장재등) 들의개발 을위해산학연등에서다양한특 허들이출원되고기술이개발이 진행되고있음. 상용화단계 핵심키워드 일반 1아이디어 2연구단계 3개발단계 4개발완료( 시제품) ➎제품화단계 의약바이오 1 라이센싱 2 개발단계 3 제품화단계 한글리튬이차전지, 리튬폴리머전지, 파우치, 리드탭 영문 Lithium secondary battery, Lithium polymer battery, Pouch, Lead tab Ⅱ. 기술개발자정보 Ⅲ. 기관명한밭대학교산학협력단부서화학생명공학과 성명이용민외 3명직급교수 전화/ 핸드폰 042-821-1549 / 010-3269-9317 이메일 yongmin.lee@hanbat.ac.kr 수행과제정보 지원지관명교육과학기술부연구사업명 연구과제명 리튬이차전지용전극설계및제조조건에따른전기화학특성평가 첨단화학소재산업단지캠퍼스조성사업 수행기간 2012. 8 2013. 4 주관기관한밭대학교공동연구기관 - Ⅳ. 특허정보 특허현황 상세현황 사업화대상기술관련특허총 1 건 구분상태출원 ( 등록 ) 일자특허번호특허명 대상기술 출원 등록 2013.06.26 10-1417995 파우치형이차전지리드탭및이를포함하는파우치형이차전지 관련기술 출원 등록
1. 기술성분석 1. 기술의내용및특징 파우치형이차전지에사용되는리드탭의실런트자리에친수성고분자인 Polydopamine을코팅시켜고분자실런트와금속단자간에결착력을향상시키는기술임. 특히, 수nm수준의표면처리를통해리드탭의두께변화를최소화시켰으며, 표 면처리과정또한증류수를이용한친환경적인방법으로코팅이가능함. 이를통 해고분자와금속사이결착력의원천적인문제해결을할수있으며, 파우치형이 차전지의장기신뢰성을높일수있음. 그림1. 개발기술의개요및특징 2. 기술의수준 금속단자와고분자실런트사이의결착력향상기술 금속단자의표면개질을통한고분자실런트사이의결착특성향상 : >4kN/m 전해액에젖은상태에서의결착특성평가 : >3kN/m 시간에따른친수성 Polydopamine 코팅두께 : 3~5 nm/h 리드탭의물리적/ 화학적안정성 인가전압 50V 에서의단자부절연특성 : >200 MΩ 3000ppm HF 함유전해액내에서의리드탭내불산성특성( 수소발생시간) : > 60 sec
1. 기술성분석 ( 계속) 3. 기술의필요성 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 및 EV(Electric Vehicle) 의보급은에너지저장부품인배터리의안전성향상과같은기술적배경이매우중요함. 특히, Curved 배터리와같이 Flexible한형태는안전성에대한이슈가더욱증가 되고있으며, 충분한안전성확보없이는개발된기술의상품화를이룰수없게 됨. 사업화추진필요성 그림2. 삼성SDI 및 LG화학의 Flexible Battery 사진 세계이차전지시장규모는 2019년약 319억달러의시장을형성할것으로전 망됨 (CAGR 13.6%). 특히, 애플과같은대규모배터리구매고객들은태블릿PC나스마트폰과같은 IT 기기에폴리머형전지선호도가높아지고(34.6% 성장), 중대형이차전지에서도 폴리머형전지가각광받고있음. 그림3. 국내외리튬이차전지시장규모변화
1. 기술성분석 ( 계속) 4. 기술의차별성 기술측면의촉진요인 중대형이차전지시장형성이본격적으로형성되고시장이급속도로성장함에따라 이차전지부품의국산화도활발히진행되고있으나, 캔외장재와집전체이외의파우 치필름과양 음극리드탭은아직까지주로수입에의존하고있는실정임. 특히, 중대형이차전지의사용또는보증기간(10 년) 동안온습도변화, 진동, 전기 화학적스트레스등의지속적인노출에도불구하고, 견고하고또완벽한밀폐가가능 한중 대형리튬이차전지에적합한고신뢰성국내산외장재소재가필요함. 하지만, 파우치필름과전극리드탭의핵심소재인고순도알루미늄박, c-pp, Nylon 필름뿐만아니라접착제소재, 그리고제조기술은아직대부분의핵심소재가일본 에크게의존하고있을뿐만아니라, 국내관련기업과의기술력차이가존재하고있 는상황임. 따라서, 기존의기술의한계점을돌파하기위해금속과고분자간의원천적인결 착문제를해결함으로써제품의경쟁력을높이고이를바탕으로시장확대와산업 을촉진할수있음. 기술측면의저해요인 국가적으로이차전지분야의연구개발지원이축소되고있음. 특히자금력이낮 고, 원천기술확보가어려운학교나중소기업의연구환경상, 차별화된글로벌 경쟁력을갖기에는한계가있음. 또한, 있음. 리드탭과관련된주요원료소재의품질이선진국대비떨어지는경향이 중대형전지업체의경우도이차전지부품은전지의신뢰성에긴밀히연관되어 있다고판단, 국산제품적용에적극적이지않은현상이여전히우려되는실정임 금속단자의표면처리시간이짧게는 1시간에서길게는 10 시간이상걸림. 이 에따라연속공정에대한해결방안이필요함. Polydopamine 의코팅특성향상을위한온도최적화, O 2 bubbling, 농도최적화 등의추가적인연구등이진행되야함.
1. 기술성분석 ( 계속) [ 이차전지용리드탭분야의 PEST 분석] 구분촉진요인저해요인 고신뢰성국산화저가화산업촉진
2. 특허성분석 1. 국내외특허동향 1) 국내외기술동향 리튬이온이차전지는패키징소재에따라캔타입과파우치타입으로나뉘며, 리튬이온이차전지는산업초반에는원형의캔타입이많았지만휴대폰수요 의증가와더불어각형캔타입이증가하였고, 파우치타입은 20% 를넘지못 했었다. 그러나, 2012년에는파우치타입이전체의 25% 를점하였고, 2016년 까지를전망해봤을때, 원형과각형캔타입은각각 2.6%, 2.4% 씩수량이감 소하는데반하여파우치타입은무려 예상되어 2016년에는약절반을차지할것으로보임 34.6% 의연평균성장률을보일것으로 리튬이온전지는 1991년 SONY에의해 IT기기용원통형전지가최초로상업화 된이후, 96 년각형, 99 년파우치형, 03년전동공구용원통형전지가개발되고 09 년전기차용중대형제품이출시됨 특히, 테블릿 PC 등의 IT기기및전기차분야의급성장으로인해얇은파우치 타입의배터리사용이증가하고있음
2. 특허성분석 한국전지산업의제조기술은일본대비 95% 에육박하나부품소재기술은일 본의 50%, 원천기술은 30% 정도도열악함 (IIT 2008 년자료) * 출처 : 한국과학기술한림원 리튬이온 2 차전지(Lithium ion secondary battery LIB) 제조분야는대기업 이완제품을조립제조하고있으며, 중소기업에서부품소재를납품하는체제 를이루고있음. 따라서, 기존의많은소형모바일분야에서는부품중일부 국산화가이루어졌으나, 전극단자제조에사용하는금속과고분자수지결합기 술부분은거의국산화가이루어져있지않은실정임 특히전기자동차용등 ling) LIB 가대형화함에따라전해액의누액방지및차단(sea 기능은물론전지의출력및내구성을결정하는전극단자개발의핵심기 술중하나로알루미늄및구리금속의표면처리기술개발, 고분자수지선정 및금형기술개발이이루어져야할것으로판단됨 양극과음극의전기통로이자전해액이새는것을보완하기위해사용되는주 요소재임에도불구하고, 국내 Lead TAB에대한관심이여타소재에비해현 저히떨어지고있고국내사용하는제품의대부분이수입에의존하고있는상 황임 국내기업으로는 LTK를시작으로엘콤두개회사가 Lead TAB을생산하고 있으며, 소형전지에사용되는전지탭이스미토모제품으로대부분사용되기때 문에국내기업에서는소형보다는고용량, 고출력을요하는 HEV용전지탭시 장을타켓으로공급하고있음 주로양극탭은알루미늄으로, 음극탭은니켈이나구리에니켈도금을하여사용 하고있으며양극탭과음극탭의양면에는실링필름이부착되어있음
2. 특허성분석 2) 국내외특허동향 국가 주요출원인 대표기술 삼성SDI(KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질함유전극 엘지화학 (KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질함유전극 하이닉스반도체 (KR) 유기재료와 다른재료와의조합을이용하는반도체구성부품 한국과학기술연구원 (KR) 활물질 함유이차전지의전극 삼성전자 (KR) 반도체 구성부품중다이내믹랜덤액세스메모리(DRAM) 구조 제일모직 (KR) 2차전지의 제조및무기산화물을포함전극 한국전기연구원 (KR) 무기산화물 또는무기수산화물을포함전극의제조 한국 파츠닉 (KR) 콘덴서 제조용장치 한양대학교 (KR) 무기산화물 또는무기수산화물을포함전극 한국전자통신연구원 (KR) 무기산화물 또는무기수산화물을포함전극및전지의제조 삼화전기 (KR) 전해용 콘덴서단자의격막, 격리체(separators) 에너그린 (KR) 전극 제조방법 에너세라믹 (KR) 산화물, 수산화물이외의무기화합물포함전극 브이케이 (KR) 산화물, 수산화물이외의무기화합물포함전극 비츠로셀 (KR) 전지의 단자및전해액 Sanyo Electric(JP) 유기전해질 포함 2차전지 삼성SDI(KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질함유전극 Matsushita Electric Industrial(JPL) 유기전해질 2차전지및전극 Micron Technology(US) 반도체 DRAM(Dynamic Random Access Memory 구조체 미국 SONY(JP) 유기전해질 2차전지및전극삼성전자 (KR) 반도체구성부품중다이내믹랜덤액세스메모리(DRAM) 구조 Showa Denko(JP) 콘덴서의 단자및전극 NEC Tokin(JP) 콘덴서의 단자및전극 PANASONIC(JP) 활물질 포함전극및전극제조방법 Toshiba(JP) 유기전해질 포함 2차전지및전극 Matsushita Electric Industrial(JP) 유기전해질 2차전지및전극 SANYO ELECTRIC(JP) 유기전해질 포함 2차전지 NIPPON CHEMICON(JP) 액체전해질 포함전해콘덴서 NICHICON(JP) 액체전해질 포함전해콘덴서 일본 Mitsubishi Chemicals(JP) 유기전해질 2차전지및전극 SONY(JP) 유기전해질이있는2차전지및전극 삼성SDI(KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질을함유한전극 JAPAN STORAGE BATTERY(JP) 유기전해질 2차전지및전극 TOSHIBA(JP) 유기전해질 포함 2차전지및전극 PANASONIC(JP) 활물질 포함전극및전극제조방법 Matsushita Electric Industrial(JP) 유기전해질 2차전지및전극 삼성SDI(KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질함유전극 엘지화학 (KR) 유기전해질 2차전지의제조및활물질함유전극 SANYO ELECTRIC(JP) 유기전해질 포함 2차전지 유럽 Mitsubishi Chemicals(JP) 유기전해질 2차전지및전극 Sony(JP) 유기전해질 2차전지및전극 Showa Denko(JP) 콘덴서의 단자및전극 Nisshinbo Industries(JP) 유기전해질는 2차전지 Panasonic(JP) 활물질 포함전극및전극제조방법 EPCOS(DE) 액체전해질 포함전해콘덴서 고효율이차전지의연도별출원동향을보면, 일본이전체의 51% 로서가장활 발한출원활동이이루어지고있으며, 한국은 2000년이후꾸준히증가하는경 향을보임 국내주요출원인현황을보면, 삼성SDI, 중소기업은파츠닉, 에너그린, 삼화전 기, 한국과학기술연구원이출원건수가많음 국내주요출원인은대부분한국업체로나타났으며, 대표기술은대기업의경우 2 차전지의제조및전극에관한기술이며, 중소기업은콘덴서제조및콘덴서 단자등에관한기술을보유, 일본과미국주요출원인은일본업체이며, 대표기 술도이차전지및전극에관한기술임
2. 특허성분석 2. 선행특허분석 한국등록특허 한국공개특허 한국공개특허 특허번호 1274519 2014-0056914 2013-0012492 (2013.06.07) (2014.05.12.) (2013.02.04.) 특허명 비수계전지용의전극리드선 부재 신규한 전극탭-리드결합부 구조를가진 이차전지 극성용매및폴리도파민-코팅 분리막을포함하는 리튬이차전지및분리막 코팅방법 출원인 FUJIMORI KOGYO(JP) LG 화학 (KR) 한국과학기술원 (KR) 본선행문헌은공중합수지가 본선행문헌은전극탭을 극성용매및폴리도파민-코팅 코팅된리드선이전지용수납 리드선에결합시켜외부로 분리막을포함하는 용기내부에서외부로돌출된 돌출되도록밀봉한구조의 리튬이차전지및분리막 전지용리드선 이차전지 코팅방법 공중합수지가코팅된리드선을 전극탭과리드선을결합시켜 전지용수납용기에장착하여 전지케이스외부로돌출되도록 기술요약 대기중의수분을차단할수있음 용접하여전극탭과리드선의결합력을개선할수있음 상기화학식이표면에서중합된 코팅층을포함하여막의 젖음성을개선하는기술 관련도 분석 A A A * 관련도 : X - 관련높음, Y - 관련있음, A - 관련은없으나참고할자료 * X, Y - 주요참증에해당, A - 참고참증에해당 본연구과제의제안기술은파우치형이차전지리드템및이를포함하는파우치형이차전지에관 조사결과 한것으로, 이와관련한선행특허문헌조사결과, [ 한국등록특허 1274519], [ 한국공개특허 2014-0056914와 2013-0012492] 가선행특허문헌으로조사됨
3. 사업성및시장성분석 1. 사업화제품화 이차전지용리드탭의금속단자와고분자실런트간의결착력을향상시키기위해 친수성고분자인 Polydopamine을이용하여금속단자의표면처리를통해실런트 와의결착력이향상되고, 이차전지의신뢰성을높일수있음. 기존의금속과고분자실런트의결착력을향상시키기위한다양한디자인및표면처리방법을탈피하여, 본질적인금속과고분자의결착력문제를해결함으로써신뢰성을향상시키는기술제시 2. 사업화방법및성공요인 세계이차전지시장규모가연평균 13.6% 로꾸준하게증가하고있으며, 전기자동 차시장및테블릿 단됨. PC등의상승세를통해꾸준한수익성을낼수있을것으로판 국내시장의경우이차전지시장규모는 2019년까지약 119,357억원의시장을 형성할것으로전망됨. 세계시장에서한국은글로벌 1 위(36.5%) 의점유율을나 타내고있어, 전지제조비중약 10% 내외의비중을가지고있는고신뢰성외장재 소재의개발은매우긍정적으로전망하고있음. 또한, 리튬이차전지의패키징소재는대부분일본에서수입하고있으므로, 기술력 강화와단가절감을통해소재부품의국산화를이룰수있음. 3. 1) 국내외시장전망 국내외시장규모및동향 충북충주의앨콤은 IT 기기용소형전지의리드탭을개발하여국내에공급하고있으며, 전기자동차, 스마트그리드 (ESS, Energy Storage System) 에사용되는중대형전지의 리드탭을국산화하여미국및중국전지업체에공급중임 경기성남의솔브레인은 LTK사를인수하여 IT 기기용소형전지의리드탭및전동공구, RC 등고율방전용특수전지의리드탭을국산화하여일부제품을중국전지업체에공급중 임
3. 사업성및시장성분석 2) 시장의경쟁강도및진입장벽 파우치필름, 캔외장재, 전극리드탭등대부분의패키징소재들이현재외국의일부독 점기업으로부터대부분수입하여사용함. 이로인해생산비용및배터리가격증가, 기 술문제해결지연등문제가존재함. 파우치필름과전극리드탭의핵심소재인고순도알루미늄박, c-pp, Nylon 필름뿐만 아니라접착제소재, 그리고제조기술에대한국산화요구는지속되고있음. 아직대부 분의핵심소재가일본에크게의존하고있을뿐만아니라, 국내관련기업과의기술력 차이가존재하고있는상황임. 중대형리튬이차전지의경우, 배터리가격이 2009년기준으로 kwh당 1백만원정도수 준이나향후 2015년까지 kwh당 50 만원수준으로가격이떨어질전망임. 따라서, 이차전 지부품의저가격화가반드시필요하며특히, 양/ 음극리드탭의경우 HEV용파우치전 지원가비중의 11% 차지할정도로높아, 국산화및저가격화진행이시급함. 4. 1) 2) 3) 4) 사업화성공가이드 사업화후보기업요건 이차전지용파우치또는리드탭제조기술보유업체 이차전지제조업체 자동화장비및금형제작업체 필름제조업체 사업화투자비용 연속공정을위한친수성코팅의최적화개발비용 법적검토사항 기술이전및실시권계약범위 / 수익성배분협의등 희망파트너쉽 라이센싱및공동연구범위협의 1 기술이전 ( ) 2 라이센싱 ( ) 3 공동연구 ( ) 4 기술출자 ( ) 5 기타 ( )