KR101847818B1 - 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러 - Google Patents

금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러 Download PDF

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Abstract

본 발명의 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러는 금속 전극에 다양한 패턴을 형성할 수 있으면서도 이에 소요되는 비용과 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러{Method for forming pattern of metal electrode and roller therefor}
본 발명은 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러에 관한 것이다.
이차전지 시장은 모바일 IT용 소형 전지에서 전기자동차와 에너지저장 시스템과 같은 중대형 전지로 그 응용분야가 확장되고 있으며, 중대형 전지의 경우, 소형 전지와는 달리 고출력 및 고에너지 밀도 특성이 보장되어야 한다. 그러나 기존 상용화된 이차전지의 성능으로는 이러한 요구를 대응하기에 한계가 있는 상황이다.
이에 따라 기존 이차전지의 출력 및 에너지 밀도를 뛰어 넘을 수 있는 차세대 이차전지의 기술적 대안이 필요하여 많은 대안이 제시되었으며, 그 중 가장 많이 사용되고 있는 기술은 리튬 이차전지에 관한 것이다.
그러나 이러한 리튬 이차전지는 그 이론 용량이 다른 이차전지와 비교하여 상대적으로 매우 높은 장점을 갖고 있음에도 충/방전 사이클이 거듭될수록 덴드라이트 형성에 의해 전지의 수명이 저하되는 치명적 문제가 존재한다. 구체적으로, 충/방전 시 금속 전극 표면에 금속이온의 산화환원에 의해 축적되어 금속 덴드라이트(Dendrite)가 성장하고, 이러한 덴드라이트 또는 탈리된 덴드라이트 입자에 의해 전해질 분해 및 내부 단락의 발생으로 전지의 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 폭발의 주원인이 되어 이를 억제할 수 있는 기술이 필요하다. 또한 덴드라이트 형성 현상은 충전 속도가 빠를수록, 용량이 클수록 더욱 빈번히 발생하므로, 자동차 등에 사용될 수 있는 대용량 전지에서는 특히 보다 치명적인 단점으로 작용한다.
따라서 본 발명자는 이러한 충/방전 시 덴드라이트 형성 문제를 방지하기 위해 금속 전극 표면에 패턴을 형성하는 과정에서, 특히 다양한 패턴을 형성하고자 할 때, 비용 및 시간이 매우 많이 소요되는 문제를 인식하였다. 구체적으로, 패턴 형성을 위한 방법으로는 롤러를 이용한 방법이 연속적인 공정이 가능하여 효과적이나, 금속으로 이루어진 롤러의 외주면에 음각 및/또는 양각의 패턴을 각인하는 것은 비용 및 시간이 많이 소요된다.
일본등록특허공보 JP5803797B2 (2013.10.31)
본 발명의 목적은 금속 전극의 표면 구조를 공정상 쉽게 제어할 수 있는 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 금속 전극에 다양한 패턴을 형성할 수 있으면서도 이에 소요되는 비용과 시간을 최소화할 수 있는 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러를 제공하는 것이다.
본 발명은 a) 패턴면을 포함하는 유연소재시트를 롤러의 외주면에 부착하는 단계 및 b) 상기 롤러의 패턴면을 금속 전극의 표면에 압착 및 회전시켜 금속 전극 면에 패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 롤러의 외주면에 부착된 유연소재시트는 탈부착 가능하도록 형성되는 금속 전극의 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 a) 단계의 부착은 유연소재시트의 부착면 또는 롤러의 외주면에 점착제를 도포하여 부착되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트의 부착면은 복수의 끼움돌기홈이 형성될 수 있고, 상기 롤러의 외주면은 복수의 끼움돌기가 돌출 형성될 수 있으며, 상기 a) 단계의 부착은 상기 끼움돌기가 상기 끼움돌기홈에 삽입 고정되어 부착되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트는 유연소재시트 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트의 일면에 상기 패턴면이 형성될 수 있고, 상기 유연소재시트와 대향하는 상기 유연소재자력시트의 면의 타면에 상기 부착면이 형성될 수 있으며, 상기 롤러의 외주면은 상기 유연소재자력시트와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 롤러; 및 상기 롤러의 외주면에 부착되는 유연소재시트;를 포함하며, 상기 유연소재시트는 패턴이 형성된 패턴면 및 상기 패턴면의 타면인 부착면을 포함하고, 상기 부착면이 상기 롤러의 외주면에 부착되며, 상기 롤러의 외주면에 부착된 유연소재시트는 탈부착 가능하도록 형성되는 금속 전극 패턴 형성용 롤러를 제공한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트의 부착면과 상기 롤러의 외주면 사이에 형성되는 점착층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트의 부착면은 복수의 끼움돌기홈이 형성될 수 있고, 상기 롤러의 외주면은 복수의 끼움돌기가 돌출 형성될 수 있으며, 상기 끼움돌기가 상기 끼움돌기홈에 삽입 고정되어 부착될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트는 상기 부착면이 내면이고 상기 패턴면이 외면인 관형으로 형성될 수 있고, 상기 끼움돌기홈은 상기 관형의 유연소재시트의 길이방향으로 연장 형성될 수 있으며, 상기 유연소재시트의 측단에 형성되어 상기 끼움돌기홈과 연통하는 개구부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 끼움돌기는 롤러의 외주면을 기준으로 기울어져 돌출 형성될 수 있으며, 상기 끼움돌기홈은 상기 끼움돌기의 기울기에 상응하도록 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유연소재시트는 유연소재시트 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트를 더 포함할 수 있으며, 상기 유연소재시트의 일면에 상기 패턴면이 형성될 수 있고, 상기 유연소재시트와 대향하는 상기 유연소재자력시트의 면의 타면에 상기 부착면이 형성될 수 있으며, 상기 롤러의 외주면은 상기 유연소재자력시트와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러는 금속 전극에 다양한 패턴을 형성할 수 있으면서도 이에 소요되는 비용과 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 예에 따른 롤러의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 롤러의 유연소재시트를 절단하여 펼친 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 롤러의 단면도이며, 도 7은 도 6의 일부를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 유연소재시트의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 패턴 배열을 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 리튬 금속 전극의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 11은 실시예 1에 따라 제조된 리튬 금속 전극을 사용한 충/방전 사이클에 따른 전지의 비용량의 변화, 즉, 전지의 수명을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 금속 전극의 패턴 형성 방법 및 이를 위한 금속 전극 패턴 형성용 롤러를 상세히 설명한다.
본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 발명에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것을 의미한다.
또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.
본 발명은 금속 전극에 물리적 패턴을 형성할 시, 다양한 형태의 패턴을 효과적이고 효율적으로 금속 전극 표면에 형성할 수 있는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 금속 전극에 패턴을 형성하는 과정은 강한 압력과 높은 마찰 저항이 발생한다. 금속에 물리적 패턴을 형성할 경우, 높은 강도를 가지는 금속에 기인하여 강한 압력과 높은 마찰 저항이 발생하므로, 금속에 패턴 형성을 위한 반대 패턴이 각인된 롤러, 즉, 패턴과 일체화된 롤러를 사용하는 것이 일반적이다. 따라서 금속에 다양한 형태의 패턴을 형성하기 위해서는 다양한 패턴을 가지는 일체화된 롤러를 사용하여야 함에 따라, 롤러 제작에 비용 및 시간이 많이 소요되는 문제가 있다.
하지만 본 발명에서는 패턴이 형성된 유연소재시트(100)와 롤러(200)를 분리하고, 사용 시에 이들을 결합하며, 패턴 형성이 용이한 유연소재시트(100)를 별도로 다양하게 구성하는 기술을 고안하여 상기 문제를 해결하였다. 특히 유연소재시트(100)와 롤러(200)를 탈착 및 부착하는 기술적 구성에 의해 발생하는 문제인, 금속 전극(300)에 패턴 형성 시 롤러에 부착된 유연소재시트(100)가 밀려지거나 뜨는 현상을 최소화할 수 있는 방법 및 이를 위한 롤러를 본 발명에서 제공한다.
본 발명의 금속 전극의 패턴 형성 방법은 a) 패턴면(100a)을 포함하는 유연소재시트(100)를 롤러의 외주면에 부착하는 단계 및 b) 상기 롤러의 패턴면(100a)을 금속 전극(300)의 표면에 압착 및 회전시켜 금속 전극(300) 면에 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 방법 및 이를 위한 롤러는 금속 전극의 충/방전 운전 시 덴드라이트 형성 방지를 위해, 금속 전극(300) 상에 물리적 패턴을 정밀하게 형성할 수 있으면서, 롤러의 외주면(200b)에 부착된 유연소재시트(100)가 탈부착 가능하도록 형성됨에 따라, 금속 전극(300)에 다양한 형태의 패턴을 형성할 수 있는 것에 특징이 있다.
롤러와 유연소재시트(100)의 탈착 및 부착이 반복 가능하도록 하기 위한 방법 중 하나로, 상기 a) 단계는 유연소재시트(100)를 롤러의 외주면(200b)을 따라 감는 단계를 포함할 수 있다. 이때 롤러의 외주면과 유연소재시트(100)가 이후 금속 전극(300) 상에 패턴을 형성할 시 움직이지 않도록 고정될 수 있을 정도 이상의 장력이 가해져 감겨지는 것이 바람직하다.
롤러(200)와 유연소재시트(100)의 탈부착을 위한 방법 중 다른 하나로, 상기 a) 단계는 유연소재시트(100)의 부착면(100b) 또는 롤러의 외주면(200b)에 점착제를 도포하여 유연소재시트(100)를 롤러의 외주면(200b)에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 점착제는 유연소재시트(100)와 롤러가 부착되고 이후 점착제의 제거가 용이한 것이라면 공지된 다양한 점착제가 사용될 수 있다. 이러한 점착제를 이용한 탈부착 방법은 상술한 유연소재시트(100)를 롤러(200)에 감아서 사용하는 방법 또는 후술하는 다른 탈부착 방법, 그리고 이를 위한 롤러에 함께 적용될 수 있는 점에서 효과적이다.
바람직한 일 예로, 롤러(200)와 유연소재시트(100)의 반복적인 탈부착을 가능하도록 하는 방법 중 다른 하나로, 일 예로 도시된 도 2 내지 도 7에서와 같이, 상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)은 복수의 끼움돌기홈(110)이 형성될 수 있고, 상기 롤러의 외주면(200b)은 복수의 끼움돌기(210)가 돌출 형성될 수 있으며, 상기 a) 단계의 부착은 상기 끼움돌기(210)가 상기 끼움돌기홈(110)에 삽입 및 고정되어 부착되도록 할 수 있다. 이렇게 끼움돌기홈(110)의 내면과 접하여 삽입 및 고정되는 끼움돌기(210)와 끼움돌기홈(110)이 형성됨에 따라, 롤러의 외주면(200b)과 유연소재시트(100)가 서로 견고히 밀착됨과 동시에, 특히 금속 전극(300)에 패턴 형성 시 강한 압력 및 높은 마찰 저항이 가해져도 유연소재시트(100)가 밀려지거나 뜨는 현상을 최소화하여 금속 전극(300)에 정밀한 패턴을 형성할 수 있다. 금속 전극의 충/방전 시 덴드라이트 형성 억제를 위한 패턴 형성은 수 nm에 이를 정도로 그 패턴 구조의 정밀성이 요구되므로, 유연소재시트(100)가 밀려지거나 뜨는 현상에 의한 상술한 효과 저하에 미치는 영향은 매우 크다 할 수 있다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)에 형성된 끼움돌기(210)와 끼움돌기홈(110)의 각각의 배열 간격은 패턴면(100a)의 패턴(요철)간 간격, 패턴(요철) 크기, 유연소재시트(100) 및 롤러(200)의 사이즈, 유연소재시트(100)와 롤러(200) 간의 마찰계수, 유연소재시트(100)의 재질 등에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 바람직하게는 0.1~10 cm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 또한 본 발명의 도면에서, 유연소재시트와 롤러의 크기 비, 유연소재시트와 패턴(요철)의 크기 비, 유연소재시트와 패턴(요철) 간격의 비 등은 본 발명을 설명하기 위해 과장되거나 과소되어 도시된 것이므로, 이를 확대 또는 제한 해석해서는 안 된다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)의 외곽부는 고정쇠(120)가 돌출 형성될 수 있고, 상기 고정쇠(120)가 삽입 고정되는 고정홈이 형성될 수 있다. 또한 상기 고정홈은 끼움돌기(210)가 기울어진 방향의 반대 방향에 위치한 유연소재시트(100)의 외곽부에 형성될 수 있다. 아울러 상기 고정쇠(120)는 상기 끼움돌기(210)와 같은 방향으로 기울어져 돌출 형성될 수 있다. 이러한 고정쇠(120) 및 고정홈을 포함하는 구조를 가질 경우, 롤러에 부착된 유연소재시트(100)의 끝단에서부터 벗겨지는 문제를 방지할 수 있다.
바람직한 일 예로, 롤러(200)와 유연소재시트(100)의 반복적인 탈부착을 가능하도록 하는 방법 중 다른 하나로, 일 예로 도시된 도 4 및 도 5에서와 같이, 유연소재시트(100)가 관형으로 일체화되어 이의 내면에 롤러가 길이방향으로 삽입되어 고정될 수 있다. 이때 상기 관형의 유연소재시트(100)는 길이방향으로 측단과 이의 타단이 존재하며, 너비방향으로는 끝단 자체가 존재하지 않는 경계가 없는 일체형 관형으로, 내부에 롤러가 슬라이드 방식으로 삽입될 수 있는 원통형의 유연소재를 의미한다.
도 5는 관형의 유연소재시트(100)와 롤러(200)와의 결합 관계를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 관형의 유연소재시트(100)를 길이방향으로(절단면을 기준으로) 절단하여 펼친 도면이다. 구체적으로, 상기 유연소재시트(100)는 상기 부착면(100b)이 내면이고 상기 패턴면(100a)이 외면인 관형으로 형성될 수 있고, 상기 끼움돌기홈(110)은 상기 관형의 유연소재시트(100)의 길이방향으로 연장 형성될 수 있으며, 상기 유연소재시트(100)의 측단에 형성되어 상기 끼움돌기홈(110)과 연통하는 개구부(111)를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 개구부(111)는 상기 관형의 유연소재시트(100)의 측단 또는 양측단에 형성될 수 있으며, 보다 우수한 고정을 위한 측면에서 일측단에만 형성될 수 있다. 이러한 구조를 가질 경우, 관형의 유연소재시트(100)의 너비방향으로의 끝단이 존재 하지 않아, 즉, 접합되는 양단의 경계 없이 일체의 관형으로 형성됨에도 도 4에 도시된 화살표 방향과 같이 끼움돌기홈(110)에 끼움돌기(210)가 삽입 및 고정될 수 있다. 따라서 유연소재시트(100)의 길이방향과 수직한 끝단과 끝단의 경계가 없어짐에 따라, 상기 끝단과 끝단의 경계의 형상이 금속 전극(300)에 각인되는 문제를 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 금속 전극(300)에 패턴 형성 시 강한 압력 및 회전에 의해 상기 끝단과 끝단의 경계에 의한 유연소재시트(100)가 밀려나거나 뜨는 현상을 방지할 수 있다.
하지만 롤러는 금속 전극에 압착과 동시에 회전하여, 회전 방향과 동일한 방향으로 힘이 가해지므로, 유연소재시트(100)는 그 반대 방향으로 밀려나거나 뜨는 현상이 발생할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 상기 끼움돌기(210)가 회전 방향으로 기울어져 돌출 형성될 경우, 상기 현상을 보다 최소화할 수 있다. 구체적으로, 도 6 및 도 7에서와 같이, 상기 끼움돌기(210)는 상기 b) 단계의 회전 방향으로 기울어져 돌출 형성될 수 있으며, 상기 끼움돌기홈(110)은 상기 끼움돌기(210)의 기울기에 상응하도록 기울어져 형성될 수 있다. 이러한 구조를 가질 경우, 회전 방향의 반대 방향으로 유연소재시트(100)가 밀려나거나 뜨는 현상이 회전 방향으로 기울어진 끼움돌기(210)에 의해 더욱 최소화되어, 실질적으로 상기 현상을 방지할 수 있다. 따라서 금속 전극(300)에 보다 정밀한 패턴을 형성할 수 있다.
상기 끼움돌기(210)가 회전 방향으로 기울어져 돌출 형성될 시, 그 기울기 정도는 도 7에 도시된 롤러 측단의 단면도를 바라보는 방향으로 설명하면, 롤러의 중심축에 해당하는 중심점(270)과 롤러와 끼움돌기(210)가 접하는 접점의 제1연장선(L1);과 상기 접점과 끼움돌기의 끝단의 점의 제2연장선(L2)이 이루는 각인 θ가 100~170도인 것일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
롤러와 유연소재시트(100)의 반복적인 탈부착을 가능하도록 하는 방법 중 다른 하나로, 유연소재자력시트(150)를 이용한 방법이 있다. 구체적으로, 유연소재시트(100)는 유연소재시트(100) 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트(150)를 더 포함할 수 있고, 유연소재시트(100)의 일면에 패턴면(100a)이 형성될 수 있으며, 유연소재시트(100)와 대향하는 유연소재자력시트(150)의 면의 타면에 부착면(100b)이 형성될 수 있다. 또한 롤러의 외주면(200b)은 상기 유연소재자력시트(150)와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 유연소재자력시트(150)를 포함하는 구조를 가질 경우, 고정쇠(120) 및 고정홈을 포함하는 구조, 점착제를 이용한 방법 등을 적용하지 않아도, 유연소재시트(100)가 밀려나거나 뜨는 현상을 최소화할 수 있다. 특히 유연소재자력시트(150)를 포함하는 구조와 끼움돌기(210) 및 끼움돌기홈(110)을 포함하는 구조를 함께 가질 경우, 유연소재시트(100)가 밀려나거나 뜨는 현상을 보다 최소화하여 실질적으로 상기 현상을 방지할 수 있고, 롤러(200)에 부착된 유연소재시트(100)의 끝단(롤러의 길이방향으로 형성된 끝단)에서부터 벗겨지는 문제도 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 금속 전극 패턴 형성용 롤러의 구성을 중심으로 설명하며, 이는 상술한 금속 전극의 패턴 형성 방법에서 언급한 롤러와 동일하게 해석된다. 또한 하기 설명은 바람직한 일 예로서 설명한 것이므로, 본 발명의 롤러가 하기 설명에 국한되어 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 금속 전극 패턴 형성용 롤러는 롤러(200) 및 상기 롤러(200)의 외주면에 부착되는 유연소재시트(100)를 포함하고, 상기 유연소재시트(100)는 패턴이 형성된 패턴면(100a) 및 상기 패턴면(100a)의 타면인 부착면(100b)을 포함하며, 상기 부착면(100b)이 상기 롤러의 외주면(200b)에 부착된다. 이때 유연소재시트(100)는 롤러의 외주면(200b)과 탈착 및 부착이 반복 가능하도록 설계된다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)과 상기 롤러의 외주면(200b) 사이에는 점착층이 더 형성될 수 있다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)은 복수의 끼움돌기홈(110)이 형성될 수 있고, 상기 롤러의 외주면(200b)은 복수의 끼움돌기(210)가 돌출 형성될 수 있으며, 상기 끼움돌기(210)가 상기 끼움돌기홈(110)에 삽입 및 고정되어 부착될 수 있다.
상기 유연소재시트(100)는 상기 부착면(100b)이 내면이고 상기 패턴면(100a)이 외면인 관형으로 형성될 수 있고, 상기 끼움돌기홈(110)은 상기 관형의 유연소재시트(100)의 길이방향으로 연장 형성될 수 있으며, 상기 유연소재시트(100)의 측단에 형성되어 상기 끼움돌기홈(110)과 연통하는 개구부(111)를 더 포함할 수 있다. 상기 끼움돌기(210)는 롤러의 외주면(200b)을 기준으로 기울어져 돌출 형성될 수 있으며, 상기 끼움돌기홈(110)은 상기 끼움돌기(210)의 기울기에 상응하도록 기울어져 형성될 수 있다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)의 외곽부는 고정쇠(120)가 돌출 형성될 수 있고, 상기 고정쇠(120)가 삽입 고정되는 고정홈이 형성될 수 있다. 또한 상기 고정홈은 끼움돌기(210)가 기울어진 방향의 반대 방향에 위치한 유연소재시트(100)의 외곽부에 형성될 수 있다. 아울러 상기 고정쇠(120)는 상기 끼움돌기(210)와 같은 방향으로 기울어져 돌출 형성될 수 있다.
상기 유연소재시트(100)의 부착면(100b)의 외곽부는 고정쇠(120)가 돌출 형성될 수 있고, 상기 고정쇠(120)가 삽입 및 고정되는 고정홈이 형성될 수 있다. 또한 상기 고정홈은 끼움돌기(210)가 기울어진 방향의 반대 방향에 위치한 유연소재시트(100)의 외곽부에 형성될 수 있다. 아울러 상기 고정쇠(120)는 상기 끼움돌기(210)와 같은 방향으로 기울어져 돌출 형성될 수 있다.
상기 유연소재시트(100)는 유연소재시트(100) 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트(150)를 더 포함할 수 있고, 상기 유연소재시트(100)의 일면에 상기 패턴면(100a)이 형성될 수 있으며, 상기 유연소재시트(100)와 대향하는 상기 유연소재자력시트(150)의 면의 타면에 상기 부착면(100b)이 형성될 수 있다. 또한 상기 롤러의 외주면(200b)은 상기 유연소재자력시트(150)와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서 언급되는 롤러는 금속 전극 상에 롤러의 회전에 의한 패턴을 형성하기 위한 원통형의 장치로서, 이의 재질 및 표면은 목재, 세라믹, 고분자, 금속, 합금 등의 다양한 물질로 이루어질 수 있으므로 제한되지 않는다. 다만, 상기 유연소재자력시트(150)가 적용될 경우에는 상기 롤러의 외주면(200b)이 유연소재자력시트(150)와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하여 형성된다.
상기 유연소재시트(100)는 패턴이 형성될 수 있고 롤러(200)에 감길 정도의 유연소재라면 무방하며, 예컨대 금속, 금속 합금, 천연 고분자 및 합성 고분자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 유연소재시트(100)는 관통된 홀을 포함하는 것, 선(線)으로 이루어지거나 이를 포함하여 형성된 것 등도 포함될 수 있다. 예컨대 일 예로 도시된 도 1에서와 같이, 관통된 홀을 포함하는 네트워크 구조의 패턴을 포함하여 형성된 것도 포함될 수 있으며, 구체적인 예로, 다수의 와이어가 교차 결합된 그물상 시트 등이 있다.
본 발명에서 언급되는 패턴은 덴드라이트 형성 억제를 위한 형태라면 무방하며, 예컨대 양각 및/또는 음각으로 형성된 것일 수 있다. 또한 본 발명에서 유연소재시트(100)에 형성하는 패턴의 경우, 화학적 식각, 물리적 식각, 리소그래피, 전기방사 등의 판을 깎거나 증착시키는 방법으로 형성될 수 있다. 또한 이 외에도 선(線)을 이용하여 시트 자체를 패턴과 함께 형성하는 방법도 포함한다.
구체적으로, 유연소재시트(100)에 형성되는 패턴은 요철(130)을 포함할 수 있으며, 이의 평균크기는 0.001~10,000 ㎛, 바람직하게는 0.1~1,000 ㎛, 보다 바람직하게는 1~500 ㎛일 수 있다.
상기 요철(130)의 형태는 구형, 원뿔형, 원추형, 원통형, 다각뿔형 또는 다면체형 중에서 선택될 수 있다. 요철(130)간 간격은 0.01~100 ㎛, 바람직하게는 0.1~10 ㎛일 경우, 전극 표면의 전류밀도가 보다 향상될 수 있어 좋다.
또한 상기 요철(130)을 포함하는 패턴은 직선 형태, 곡선 형태, 다각형 형태, 원형 형태 또는 이들이 혼합된 형태의 배열 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 도 9의 세로 직선 배열(상단 좌측), 가로 직선 배열(상단 중앙), 대각선 배열(상단 우측), 세로선 및 가로선 교차 배열(하단 좌측), 사각형 배열(하단 중앙), 원형 배열(하단 우측) 등이 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서 언급되는 금속 전극은 덴드라이트 형성 억제를 위한 금속 전극이라면 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로, 일차전지, 이차전지, 연료전지 등의 전지에 사용되는 전극이 예시될 수 있다.금속 전극의 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 납 및 이들의 합금 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 리튬 금속일 수 있다. 금속 전극의 형태는 단층의 포일 형태, 금속 입자, 바인더 및/또는 도전재를 포함하는 합제층이 집전체 상에 적층된 전극 형태일 수 있다. 상기 집전체는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 백금, 철, 탄소, 크롬, 망간 및 이들의 합금 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 9의 세로선 및 가로선 교차 배열(하단 좌측)의 패턴이 형성된 패턴면을 가지는 유연소재시트(스테인레스 금속 철망)를 원통형 롤러의 외주면에 감아 부착한 후, 이를 리튬 금속 전극의 표면에 압착 및 회전하여 패턴을 형성시켰다. 그 결과, 도 9와 같이 표면 구조가 제어된 리튬 금속 전극을 제조하였다.
전기화학적 특성을 평가하기 위해, 코인셀(2032 coin cell) 형태의 전지를 제작하였다. 이때 양극은 LiMn2O4 90 중량%, 카본블랙(Super-P, Timcal) 5 중량%, 폴리비닐리덴플로오르(KF-1300, Kureha) 5 중량%를 포함하는 슬러리를 도포하여 제조하였다.(면적당 중량 : 16 mg/cm2, 밀도 : 2.0 g/cm3) 또한 음극은 상기 표면 구조가 제어된 리튬 금속 전극을 이용하였다. 전해질로는 LiPF6가 1.15 mol/ℓ로 포함된 에틸렌카보네이트 30 부피% 및 에틸메틸카보네이트 70 부피%를 포함하는 유기용매 혼합액이 사용되었고, 분리막으로는 유리섬유 여과종이(Glass Fibre Filter Paper GF/D, Wahtman)가 사용되었다. 이의 수명 특성 결과는 도 10에 수록되었다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일하게 전기화학적 특성을 평가하되, 표면 구조가 제어된 리튬 금속 전극 대신 표면 구조가 제어되지 않은 리튬 금속 전극을 사용하였다. 이의 수명 특성 결과는 도 10에 수록되었다.
그 결과, 실시예 1의 경우, 비교예 1의 경우와 비교하여 수명 특성이 현저히 향상되었다. 이로부터 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우와 비교하여 덴드라이트 형성 억제 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.
100 : 유연소재시트, 100a : 패턴면
100b : 부착면, 110 : 끼움돌기홈
111 : 개구부, 120 : 고정쇠
130 : 요철, 150 : 유연소재자력시트
200 : 롤러, 210 : 끼움돌기
211 : 연장 형성된 끼움돌기
200b : 롤러의 외주면, 270 : 롤러의 중심점
300 : 금속 전극

Claims (10)

  1. a) 패턴면을 포함하는 유연소재시트를 롤러의 외주면에 부착하는 단계 및
    b) 상기 롤러의 패턴면을 금속 전극의 표면에 압착 및 회전시켜 금속 전극 면에 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 롤러의 외주면에 부착된 유연소재시트는 탈부착 가능하도록 형성되며,
    상기 유연소재시트의 부착면은 복수의 끼움돌기홈이 형성되고, 상기 롤러의 외주면은 복수의 끼움돌기가 돌출 형성되며, 상기 a) 단계의 부착은 상기 끼움돌기가 상기 끼움돌기홈에 삽입 고정되어 부착되는 금속 전극의 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 부착은 유연소재시트의 부착면 또는 롤러의 외주면에 점착제를 도포하여 부착되는 것인 금속 전극의 패턴 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유연소재시트는 유연소재시트 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트를 더 포함하며,
    상기 유연소재시트의 일면에 상기 패턴면이 형성되고, 상기 유연소재시트와 대향하는 상기 유연소재자력시트의 면의 타면에 상기 부착면이 형성되며,
    상기 롤러의 외주면은 상기 유연소재자력시트와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 전극의 패턴 형성 방법.
  5. 롤러; 및 상기 롤러의 외주면에 부착되는 유연소재시트;를 포함하며,
    상기 유연소재시트는 패턴이 형성된 패턴면 및 상기 패턴면의 타면인 부착면을 포함하고, 상기 부착면이 상기 롤러의 외주면에 부착되며,
    상기 부착된 유연소재시트는 탈부착 가능하도록 형성되며,
    상기 유연소재시트의 부착면은 복수의 끼움돌기홈이 형성되고, 상기 롤러의 외주면은 복수의 끼움돌기가 돌출 형성되며, 상기 끼움돌기가 상기 끼움돌기홈에 삽입 및 고정되어 부착되는 금속 전극 패턴 형성용 롤러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유연소재시트의 부착면과 상기 롤러의 외주면 사이에 점착층이 더 형성되는 금속 전극 패턴 형성용 롤러.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유연소재시트는 상기 부착면이 내면이고 상기 패턴면이 외면인 관형으로 형성되며,
    상기 끼움돌기홈은 상기 관형의 유연소재시트의 길이방향으로 연장 형성되고, 상기 유연소재시트의 측단에 형성되어 상기 끼움돌기홈과 연통하는 개구부를 더 포함하는 금속 전극 패턴 형성용 롤러.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 끼움돌기는 롤러의 외주면을 기준으로 기울어져 돌출 형성되며, 상기 끼움돌기홈은 상기 끼움돌기의 기울기에 상응하도록 기울어져 형성되는 금속 전극 패턴 형성용 롤러.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 유연소재시트는 유연소재시트 상에 적층 및 결합되는 유연소재자력시트를 더 포함하며,
    상기 유연소재시트의 일면에 상기 패턴면이 형성되고, 상기 유연소재시트와 대향하는 상기 유연소재자력시트의 면의 타면에 상기 부착면이 형성되며,
    상기 롤러의 외주면은 상기 유연소재자력시트와 인력이 작용하는 금속 및 자성체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 전극 패턴 형성용 롤러.
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WO2024070938A1 (ja) * 2022-09-26 2024-04-04 株式会社安永 電極板加工装置
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