KR102359521B1 - 건식 코팅장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 집전체 상에 건식 코팅재료로 전극활물질층을 형성하는 건식 코팅장치에 있어서, 서로 다른 방향으로 회전하고 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제1 롤러 및 제2 롤러; 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제1 재료 공급부; 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러와 평행하게 설치되되, 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제3 롤러 및 제4 롤러; 상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제2 재료 공급부; 상기 제2 롤러를 기준으로 상기 제1 롤러를 밀거나 당겨서 제1 롤러와 제2 롤러 사이의 간격을 조절하는 제1 간격 조절부; 및 상기 제4 롤러를 기준으로 상기 제3 롤러를 밀거나 당겨서 제3 롤러와 제4 롤러 사이의 간격을 조절하는 제2 간격 조절부를 포함하고, 상기 제2 롤러의 회전속도가 상기 제1 롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제4 롤러의 회전속도가 상기 제3 롤러의 회전속도보다 빠른 건식 코팅장치에 관한 것이다.

Description

건식 코팅장치{Dry material coating apparatus}
본 발명은 건식 코팅장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 전지 등의 에너지 저장장치에 포함되는 전극의 집전체 표면에 건식 코팅재료를 코팅하여 전극활물질층을 형성하는 건식 코팅장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 2차 전지 등과 같은 에너지 저장장치의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도 리튬 2차 전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고, 보존 및 수명 특성이 우수하다는 점에서 각종 모바일 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 2차 전지는 화석 연료를 사용하는 가솔린 또는 디젤 자동차로 인해 유발되던 대기오염을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 친환경 자동차(전기자동차, 하이브리드 자동차 등)의 에너지원으로 주목을 받고 있다. 상기 친환경 자동차에 리튬 2차 전지를 적용하기 위해서는 리튬 2차 전지가 고출력 특성을 갖는 것이 요구된다.
상기 리튬 2차 전지의 출력 특성을 높이기 위해 집전체 상에 이층 구조의 전극활물질층이 형성된 전극 구조의 개발이 주목을 받고 있다. 상기 집전체 상에 이층 구조의 전극활물질층을 형성하는 방법으로는, 집전체 상하부 각각에 전극활물질 슬러리를 코팅하는 방법이 적용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 전극활물질 슬러리를 이용함에 따라 균일한 이층 구조의 전극활물질층이 형성되지 않거나 공정효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 전극활물질 슬러리가 노즐을 통해 집전체 상에 분사되는 과정에서 노즐 간의 이격 거리로 인해 고르게 분사되지 않기 때문에 전극활물질 슬러리가 균일한 두께를 갖도록 분사되지 않는 것이다. 또한 집전체 상에 분사된 전극활물질 슬러리를 건조시켜야 하는 과정을 거쳐야 함에 따라 전극활물질층의 공정효율이 떨어지는 것이다.
따라서 두께가 균일하면서도 효율적으로 전극활물질층을 형성할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
대한민국공개특허공보 제2017-0048363호
본 발명은 균일한 두께 및 고밀도를 가지면서도 효율적으로 전극활물질층을 형성할 수 있는 건식 코팅장치를 제공하고자 한다. 구체적으로 본 발명은, 건식 코팅재료를 섬유화하여 막을 형성하는 한 쌍의 롤러 사이의 간격과, 상기 한 쌍의 롤러 중 어느 하나의 표면에 형성된 섬유화 막을 집전체에 라미네이팅하기 위해 구동되는 다른 한 쌍의 롤러 사이의 간격을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 건식 코팅장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 집전체 상에 건식 코팅재료로 전극활물질층을 형성하는 건식 코팅장치에 있어서, 서로 다른 방향으로 회전하고 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제1 롤러 및 제2 롤러; 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제1 재료 공급부; 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러와 평행하게 설치되되, 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제3 롤러 및 제4 롤러; 상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제2 재료 공급부; 상기 제2 롤러를 기준으로 상기 제1 롤러를 밀거나 당겨서 제1 롤러와 제2 롤러 사이의 간격을 조절하는 제1 간격 조절부; 및 상기 제4 롤러를 기준으로 상기 제3 롤러를 밀거나 당겨서 제3 롤러와 제4 롤러 사이의 간격을 조절하는 제2 간격 조절부를 포함하고, 상기 제2 롤러의 회전속도가 상기 제1 롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제4 롤러의 회전속도가 상기 제3 롤러의 회전속도보다 빠른 건식 코팅장치를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 건식 코팅장치는, 상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러를, 제3 롤러 및 제4 롤러의 회전축과 수직한 방향으로 동시에 이동시켜 제2 롤러와 제4 롤러 사이의 간격을 조절하는 제3 간격 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 롤러와 상기 제4 롤러 사이에 설치되는 에어 실린더를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 건식 코팅재료는 탄소 소재 및 바인더 수지를 포함하는 것일 수 있다.
한편 본 발명에 따른 건식 코팅장치에서, 상기 건식 코팅재료는 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러 사이를 통과하여 섬유화 막으로 전환되고, 본 발명에 따른 건식 코팅장치는 상기 제2 롤러와 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고 상기 섬유화 막을 가압하여 평탄화시키는 제1 평탄화 롤러를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 건식 코팅장치에서, 상기 건식 코팅재료는 상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러 사이를 통과하여 섬유화 막으로 전환되고, 본 발명에 따른 건식 코팅장치는 상기 제4 롤러와 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고 상기 섬유화 막을 가압하여 평탄화시키는 제2 평탄화 롤러를 더 포함할 수 있다.
또 본 발명에 따른 건식 코팅장치는 상기 집전체 상에 형성된 전극활물질층을 가압하는 한 쌍의 가압롤러를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 건식 코팅장치는 용매를 포함하지 않는 건식 코팅재료를 이용하여 전극활물질층을 형성하기 때문에 코팅과정에서 용매에 의한 오염이 유발되지 않고, 용매를 제거하기 위한 과정이 수반되지 않아도 된다(용매 제거 수단 불필요). 즉, 본 발명은 컴팩트한 구조의 건조 코팅장치를 제공함에 따라 물성이 우수한 전극활물질층을 고효율로 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 건조 코팅장치는 각 롤러 쌍의 간격을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 전극활물질층의 두께 제어를 효율적으로 수행할 수 있다. 또한 전극활물질층의 평탄도를 높일 수 있는 롤러를 포함하기 때문에 평탄하면서 균일한 두께를 갖는 전극활물질층, 또는 전극활물질층과 집전체의 결합체를 형성할 수 있으며, 이로 인해 최종 제품인 전극의 성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에 포함되는 각 롤러 간의 설치 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에 포함되는 각 롤러 간의 회전속도를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에 포함되는 각 롤러 간의 간격 조절을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에 포함되는 제1 및 제2 평탄화 롤러를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에 포함되는 가압롤러를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치에서 각 롤러 간에 수평이동 구동하는 것을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치를 통해 형성되는 섬유화 막을 설명하기 위한 참고도이다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한 본 명세서에서, '제1' 또는 '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
한편, 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 각 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명 시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 구성요소가 다른 구성요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 구성요소들 사이에 추가적인 구성요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 집전체와 전극활물질이 결합된 전극을 제조하는 과정에서 사용되는 장치에 관한 것으로, 일 실시예로 도 1 및 도 2를 참조하면, 집전체(400) 상에 전극활물질 소재인 건식 코팅재료(200)를 코팅하여 전극활물질층(300a)을 형성하는 건식 코팅장치(100)에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112); 제1 재료 공급부(120); 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132); 제2 재료 공급부(140); 제1 간격 조절부(150); 및 제2 간격 조절부(160)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112)는 소정의 간격을 두고 이격되어 있으면서 인접하여 설치된다. 이러한 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112)는 서로 다른 방향으로 회전하여 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112) 사이를 통과한 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 전환되도록 하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
상기 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112)의 각 회전속도는 공정 조건에 따라 유동적으로 결정되는 것으로, 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 전환되면서 한쪽 방향(구체적으로 제2 롤러(112)의 회전방향)으로 원활히 이동할 수 있도록 제2 롤러(112)의 회전속도(V2)가 제1 롤러(111)의 회전속도(V1)보다 빠른 것(V2>V1)이 바람직하다(도 3 참조). 즉, 제2 롤러(112)의 회전속도(V2)가 제1 롤러(111)의 회전속도(V1) 보다 빠를 경우, 전단력에 의해 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 원활히 전환될 수 있다.
이러한 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112)는 내구성, 이형성 및 섬유화 막의 표면 균일성 등을 높이기 위해 각 표면이 크롬(Cr)을 포함하는 코팅재로 코팅되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제1 재료 공급부(120)는 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이에 건식 코팅재료(200)를 공급한다. 상기 제1 재료 공급부(120)의 구조는 건식 코팅재료(200)가 원활히 공급될 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)는 소정의 간격을 두고 이격되어 있으면서 인접하여 설치된다. 이러한 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)는 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112)와 평행하게 설치되면서 제4 롤러(132)가 제2 롤러(112)와 소정의 간격을 두고 마주 보도록 설치될 수 있다. 일례로, 각 롤러의 회전축들이 동일 선상에 있도록 제1 내지 제4 롤러(111, 112, 131, 132)가 소정의 간격으로 이격되어 설치되되, 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132)가 서로 인접하도록 설치될 수 있다. 상기 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)는 서로 다른 방향으로 회전하여 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132) 사이를 통과한 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 전환되도록 하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
상기 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)의 각 회전속도는 공정 조건에 따라 유동적으로 결정되는 것으로, 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 전환되면서 한쪽 방향(구체적으로 제4 롤러(132)의 회전방향)으로 원활히 이동할 수 있도록 제4 롤러(132)의 회전속도(V4)가 제3 롤러(131)의 회전속도(V3)보다 빠른 것(V4>V3)이 바람직하다(도 3 참조). 즉, 제4 롤러(132)의 회전속도(V4)가 제3 롤러(131)의 회전속도(V3) 보다 빠를 경우, 전단력에 의해 건식 코팅재료(200)가 섬유화 막(300)으로 원활히 전환될 수 있다.
이러한 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)는 내구성, 이형성 및 섬유화 막의 표면 균일성 등을 높이기 위해 각 표면이 크롬(Cr)을 포함하는 코팅재로 코팅되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제2 재료 공급부(140)는 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132) 사이에 건식 코팅재료(200)를 공급한다. 상기 제2 재료 공급부(140)의 구조는 건식 코팅재료(200)가 원활히 공급될 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제1 간격 조절부(150)는 제2 롤러(112)를 기준으로(제2 롤러(112)의 위치를 기준으로), 제1 롤러(111)를 밀거나 당겨서 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이의 간격을 조절한다. 구체적으로 제1 롤러(111)에 결합된 제1 간격 조절부(150)의 구동에 의해 제1 롤러(111)를 제2 롤러(112) 측으로 밀거나, 반대로 제1 롤러(111)가 제2 롤러(112)에서 멀어지도록 제1 롤러(111)를 당겨서 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이의 간격(d1)을 조절할 수 있다(도 4 참조). 이러한 제1 간격 조절부(150)의 구동은 기계적 실린더가 모터에 의해 구동되는 방식으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 제1 간격 조절부(150)는 통상적으로 공지된 유압 실린더가 아닌 기계적 실린더가 서보모터(servomotor)와 제어부에 의해 구동되는 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 기계적 실린더가 서보모터와 제어부에 의해 구동되는 제1 간격 조절부(150)로 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이의 간격(d1)을 조절할 경우, 간격 조절 정밀도를 높이면서 빠르게 제어할 수 있고, 이로 인해 건식 코팅재료(200)에서 전환된 섬유화 막(300)의 두께 제어를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제2 간격 조절부(160)는 제4 롤러(132)를 기준으로(제4 롤러(132)의 위치를 기준으로), 제3 롤러(131)를 밀거나 당겨서 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132) 사이의 간격을 조절한다. 구체적으로 제3 롤러(131)에 결합된 제2 간격 조절부(160)의 구동에 의해 제3 롤러(131)를 제4 롤러(132) 측으로 밀거나, 반대로 제3 롤러(131)가 제4 롤러(132)에서 멀어지도록 제3 롤러(131)를 당겨서 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d2)을 조절할 수 있다(도 4 참조). 이러한 제2 간격 조절부(160)의 구동은 기계적 실린더가 모터에 의해 구동되는 방식으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 제2 간격 조절부(160)는 통상적으로 공지된 유압 실린더가 아닌 기계적 실린더가 서보모터(servomotor)와 제어부에 의해 구동되는 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 기계적 실린더가 서보모터와 제어부에 의해 구동되는 제2 간격 조절부(160)로 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d2)을 조절할 경우, 간격 조절 정밀도를 높이면서 빠르게 제어할 수 있고, 이로 인해 건식 코팅재료(200)에서 전환된 섬유화 막(300)의 두께 제어를 용이하게 할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격을 조절하는 제3 간격 조절부(170)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제3 간격 조절부(170)는 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)의 각 회전축과 수직한 방향(X)으로, 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)(제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)의 위치)를 동시에(또는 함께) 이동시켜 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d3)을 조절할 수 있다(도 4 참조). 상기 제3 간격 조절부(170)는 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)가 동시에 움직일 수 있도록 결합된 상태에서 구동부(171)에 의해 구동될 수 있다. 상기 구동부(171)는 특별히 한정되지 않으나, 리니어 모터와 제어부를 포함함에 따라 구동 제어가 용이한 리니어 스테이지(linear stage) 구조가 적용될 수 있다. 이러한 제3 간격 조절부(170)에 의해 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d3)이 조절됨에 따라 집전체(400) 상에 형성되는 전극활물질층(300a)의 두께 제어를 용이하게 할 수 있다. 여기서 제3 간격 조절부(170)는 도 2에 도시된 바와 반대로, 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 측에 설치되어 있어, 이들 회전축과 수직한 방향으로 동시에 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)를 이동시켜 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d3)을 조절할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이에 설치되는 에어 실린더(180)를 더 포함할 수 있다. 이러한 에어 실린더(180)는 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d3)이 설정된 값으로 일정하게 유지(즉, 설정된 값보다 작아지지 않도록 제2 롤러(112)와 제4 롤러(132) 사이의 간격(d3)을 유지시킴)되도록 하는 것으로, 이로 인해 집전체(400) 상에 형성되는 전극활물질층(300a)이 균일한 두께 및 밀도를 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 섬유화 막(300)을 평탄화시키는 제1 평탄화 롤러(191)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 건식 코팅장치(100)는 건식 코팅재료(200)가 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이를 통과함으로써 형성되는 섬유화 막(300)이 평탄해질 수 있도록 제2 롤러(112)와 소정의 간격을 두고 이격되면서 제2 롤러(112)에 인접하여 설치되는 제1 평탄화 롤러(191)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제1 평탄화 롤러(191)는 제2 롤러(112)와 서로 다른 방향으로 회전하면서 섬유화 막(300)을 가압하는 것으로, 이로 인해 섬유화 막(300)의 두께 균일성, 평탄성, 밀도 등을 높일 수 있다. 여기서 제1 평탄화 롤러(191)의 회전속도는 제2 롤러(112)의 회전속도를 고려하여 설정될 수 있다. 또한 제1 평탄화 롤러(191)는 내구성, 이형성 및 섬유화 막의 표면 균일성 등을 높이기 위해 그 표면이 크롬(Cr)을 포함하는 코팅재로 코팅되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 섬유화 막(300)을 평탄화시키는 제2 평탄화 롤러(192)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 건식 코팅장치(100)는 건식 코팅재료(200)가 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132) 사이를 통과함으로써 형성되는 섬유화 막(300)이 평탄해질 수 있도록 제4 롤러(132)와 소정의 간격을 두고 이격되면서 제4 롤러(132)에 인접하여 설치되는 제2 평탄화 롤러(192)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제2 평탄화 롤러(192)는 제4 롤러(132)와 서로 다른 방향으로 회전하면서 섬유화 막(300)을 가압하는 것으로, 이로 인해 섬유화 막(300)의 두께 균일성, 평탄도, 밀도 등을 높일 수 있다. 여기서 제2 평탄화 롤러(192)의 회전속도는 제4 롤러(132)의 회전속도를 고려하여 설정될 수 있다. 또한 제2 평탄화 롤러(192)는 내구성, 이형성 및 섬유화 막의 표면 균일성 등을 높이기 위해 그 표면이 크롬(Cr)을 포함하는 코팅재로 코팅되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 전극활물질층(300a)을 가압하는 한 쌍의 가압롤러(193)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 건식 코팅장치(100)는 집전체(400)의 일 측과 타 측 상에 각각 형성(결합)된 전극활물질층(300a)을 각각 가압하는 한 쌍의 가압롤러(193)를 더 포함할 수 있다. 상기 가압롤러(193)가 전극활물질층(300a)을 가압함에 따라 전극활물질층(300a)의 두께 균일성 및 밀도를 높이면서 집전체와 전극활물질층(300a) 간의 결합력을 높일 수 있다. 이러한 가압롤러(193)는 내구성, 이형성 및 전극활물질층의 표면 균일성 등을 높이기 위해 그 표면이 크롬(Cr)을 포함하는 코팅재로 코팅되어 있을 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에서 전극활물질층(300a)을 형성하기 위해 사용되는 건식 코팅재료(200)는 탄소 소재와 바인더 수지를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에서의 건식 코팅재료(200)는 바인더 수지와 탄소 소재가 혼합된 혼합물(구체적으로 바인더 수지 분말과 탄소 소재 분말의 혼합물)일 수 있다. 이러한 건식 코팅재료(200)는 가열된 상태의 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112) 사이 및/또는 가열된 상태의 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132) 사이를 통과할 때, 열과 압력(전단력)을 받게 되는데, 이때, 건식 코팅재료(200)에 포함된 바인더 수지의 섬유화가 일어나 각 롤러 사이를 통과한 건식 코팅재료(200)는 섬유화 막(300)으로 전환된다. 여기서 건식 코팅재료(200)에는 탄소 소재도 포함되어 있기 때문에 건식 코팅재료(200)가 각 롤러 사이를 통과함으로써 형성되는 섬유화 막(300)에는 탄소 소재가 분산된 상태로 결합되어 있다. 즉, 섬유화 막(300)은 탄소 소재가 분산된 상태로 결합되어 있을 수 있도록 하는 매트릭스 역할을 하는 것으로, 이방성으로 형성된 섬유 구조(예를 들어, 피브릴(fibril))로 이루어질 수 있다. 여기서 섬유 구조가 이방성을 갖는다는 것은 각 섬유(섬유 가닥)가 각 롤러의 회전축과 수직한 방향으로 배열되면서 직조가 이루어지는 것으로 정의될 수 있다. 이러한 탄소 소재가 분산 결합된 섬유화 막(300)은 0.45 gm/㎤ 이상의 압축 밀도를 가질 수 있다.
상기 건식 코팅재료(200)에 포함되는 탄소 소재는 공지된 전극활물질 소재라면 특별히 한정되지 않을 수 있다. 구체적으로 탄소 소재는 활성탄, 흑연, 카본블랙, 전도성 폴리머, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 전도성 폴리머는 전도성을 나타내는 폴리머로 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않을 수 있다.
상기 건식 코팅재료(200)에 포함되는 바인더 수지는 공지된 열가소성 수지라면 특별히 한정되지 않을 수 있다. 구체적으로 바인더 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 불소계 수지(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 건식 코팅재료(200)에 포함되는 탄소 소재와 바인더 수지의 각 함량은 특별히 한정되지 않으나, 건식 코팅재료(200) 총 중량%를 기준으로, 탄소 소재의 함량은 50 내지 99 중량%일 수 있고, 바인더 수지의 함량은 1 내지 50 중량%일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 용매를 포함하지 않는 건조 코팅재료(200)를 이용하여 전극활물질층(300a)을 형성하기 때문에 공정 과정에서 용매에 의한 오염을 유발하지 않을 수 있고, 용매를 제거하기 위한 수단 또는 과정이 필요하지 않아 고효율을 나타낼 수 있다.
한편 본 발명에서의 집전체(400)로는 전지 분야에서 집전체 소재로 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로 집전체(400)는 구리 호일, 니켈 호일, 또는 알루미늄 호일일 수 있다.
본 발명은 다른 일 실시예로 도 7에 도시된 건식 코팅장치(100)를 제공한다. 구체적으로 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 도 1에 도시된 각 구성요소를 포함하되, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 및/또는 제2 수평이동 구동부를 포함하는 것으로, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112); 제1 재료 공급부(120); 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132); 제2 재료 공급부(140); 및 제1 수평이동 구동부(110')를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제1 롤러(111) 및 제2 롤러(112), 제1 재료 공급부(120), 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132) 및 제2 재료 공급부(140)에 대한 설명은, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)(도 1 및 도 2 참조)를 설명하기 위해 기재된 내용과 동일하므로 생략하도록 한다. 또한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)의 구동에 적용되는 건식 코팅소재(200), 섬유화 막(300), 전극활물질층(300a) 및 집전체(400)에 대한 설명도 상기에서 설명한 바와 동일하게 적용된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 포함되는 제1 수평이동 구동부(110')는 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)가 회전하는 동안 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)의 회전축에 평행한 방향으로, 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)의 상대적 위치를 변동시킨다. 일례로 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)가 회전하는 과정에서, 제2 롤러(112)는 제2 롤러(112)의 회전축을 중심으로 회전운동만하고, 제1 롤러(111)는 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 제1 롤러(111)의 회전축을 중심으로 회전운동을 하면서, 제1 롤러(111)의 회전축에 평행한 방향으로 이동(운동)하여 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)의 상대적 위치가 변동될 수 있다. 구체적으로 도 7에서 제2 롤러(112)는 회전운동만을, 제1 롤러(111)는 회전운동을 하면서 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 좌우왕복운동(도면 방향 변경 시 상하왕복운동)이 반복적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)의 상대적 위치를 변동시키는 제1 수평이동 구동부(110')는 특별히 한정되지 않으나, 리니어 모터와 제어부에 의해 요구되는 방향(X-Y축 방향)으로 연동하여 구동할 수 있는 리니어 스테이지(linear stage) 구조가 적용될 수 있다.
상기 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)의 상대적 위치가 변동됨에 따라 본 발명은 평탄도와 인장강도가 높은 섬유화 막(300)과 전기전도도가 높은 전극활물질층(300a)을 형성할 수 있다. 구체적으로 건식 코팅재료(200)는 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112) 사이를 통과하여 섬유 구조를 갖는 섬유화 막(300)으로 전환되는데, 이때, 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 제1 롤러(111)가 그 회전축에 평행한 방향으로 왕복운동을 할 경우, 섬유화 막(300)의 섬유 구조는 그 이방성이 제1 롤러(111) 및/또는 제2 롤러(112)의 회전축에 평행한 방향으로 분산 또는 완화될 수 있다. 즉, 도 8을 참조하면, 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)가 회전운동만을 할 경우에는 섬유화 막(300)의 섬유 구조가 이방성만을 나타내지만(도 8의 (가) 참조), 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 제1 롤러(111)가 회전운동하면서 왕복운동을 할 경우에는 섬유화 막(300)의 섬유 구조의 이방성이 무너지게 된다(도 8의 (나) 참조). 구체적으로 제1 롤러(111)와 제2 롤러(112)가 모두 회전운동만할 경우에는 각 섬유가 각 롤러의 회전축과 수직한 방향으로 배열되면서 섬유화 막(300)이 형성되는데(이방성 형성), 제1 수평이동 구동부(110')에 의해 제1 롤러(111)가 회전운동과 왕복운동을 동시에 할 경우에는 각 롤러의 회전축에 평행한 방향으로 각 섬유에 힘이 가해져 각 롤러의 회전축과 수직한 방향으로 각 섬유가 일률적으로 배열되면서 섬유화 막(300)이 형성되는 것이 아닌, 섬유 구조가 휘어지면서 배열되어 섬유화 막(300)이 형성되는 것이다. 여기서 섬유 구조의 이방성이 무너짐에 따라 섬유화 막(300)에는 도 9에 도시된 바와 같이 지그재그형((c), (d)), 파동형((b)) 또는 물결형((a)) 등을 갖는 섬유 구조가 형성될 수 있다. 상기 지그재그형, 파동형 또는 물결형 등의 섬유 구조는 정형(定形) 또는 비정형(非定型) 형태일 수 있다.
이와 같이 섬유화 막(300)의 섬유 구조의 이방성이 수평 방향으로 분산 또는 완화될 경우, 섬유 구조의 네트워크가 강화되어 섬유화 막(300)의 평탄도와 인장강도가 향상될 수 있다. 또한 건식 코팅재료(200)가 탄소 소재를 포함할 경우, 강화된 섬유 구조 네트워크에 의해 탄소 소재 간의 접촉 면적이 높아지고(도 10 참조), 이로 인해 섬유화 막(300)이 집전체(400) 상에 결합되어 형성되는 전극활물질층(300a)의 전기전도도가 높아질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)의 상대적 위치를 변동시키는 제2 수평이동 구동부(120')를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제2 수평이동 구동부(120')는 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)가 회전하는 동안 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)의 회전축에 평행한 방향으로 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)의 상대적 위치를 변동시킨다. 일례로 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)가 회전하는 과정에서, 제4 롤러(132)는 제4 롤러(132)의 회전축을 중심으로 회전운동만하고, 제3 롤러(131)는 제2 수평이동 구동부(120')에 의해 제3 롤러(131)의 회전축을 중심으로 회전운동을 하면서 제3 롤러(131)의 회전축에 평행한 방향으로 이동(운동)하여 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)의 상대적 위치가 변동될 수 있다. 구체적으로 도 7에서 제4 롤러(132)는 회전운동만을, 제3 롤러(131)는 회전운동을 하면서 제2 수평이동 구동부(120')에 의해 좌우왕복운동(도면 방향 변경 시 상하왕복운동)이 반복적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제3 롤러(131)와 제4 롤러(132)의 상대적 위치를 변동시키는 제2 수평이동 구동부(120')는 특별히 한정되지 않으나, 리니어 모터와 제어부에 의해 요구되는 방향(X-Y축 방향)으로 연동하여 구동할 수 있는 리니어 스테이지(linear stage) 구조가 적용될 수 있다.
여기서 제2 수평이동 구동부(120')에 의해 섬유화 막(300)의 평탄도와 인장강도가 높아지고 전극활물질층(300a)의 전기전도도가 높아진다는 것에 대한 설명은 상기 제1 수평이동 구동부(110')를 설명하기 위해 기재된 내용과 동일하므로 생략하도록 한다.
한편 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)가 포함하는 제1 간격 조절부(150), 제2 간격 조절부(160), 제3 간격 조절부(170), 에어 실린더(180), 제1 평탄화 롤러(191), 제2 평탄화 롤러(192) 및 가압롤러(193)를 경우에 따라 선택적으로 더 포함할 수 있다. 여기서 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 건식 코팅장치(100)에 제1 내지 제3 간격 조절부(150, 160, 170)가 선택적으로 더 포함될 경우, 이들의 구동은 다른 구성요소의 구동 방식에 따라 적절히 변동 적용될 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 간격 조절부(150, 160)은 리니어 모터와 제어부를 포함하는 리니어 스테이지(linear stage) 구조에 의해 구동될 수 있다. 또한 제3 간격 조절부(170)는 제3 롤러(131) 및 제4 롤러(132)가 결합(연결)되도록 하는 연결부(172)의 존재 하에 리니어 모터와 제어부를 포함하는 리니어 스테이지(linear stage) 구조, 또는 기계적 실린더와 모터(예를 들어, 서보모터(servomotor))가 결합된 구조에 의해 구동될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 건식 코팅장치는 각 롤러 간의 이격거리를 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 각 롤러를 통해 형성되는 섬유화 막이 요구되는 두께를 갖도록 용이하게 제어할 수 있다. 또한 장시간 코팅과정에서 공정 변화가 발생하여 섬유화 막의 두께 편차가 발생할 경우에도 신속하게 제어할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 건식 코팅장치는 섬유화 막을 이루는 섬유(예를 들어, 피브릴(fibril)) 구조의 이방성을 분산(수평 분산)시키기 때문에 섬유화 막의 평탄도와 인장강도가 높으면서 탄소 소재의 분산성이 우수할 수 있다. 이는 결과적으로 집전체 상에 형성된 전극활물질층의 전기전도도를 높이는 효과를 얻을 수 있게 된다. 구체적으로 본 발명에 따른 건식 코팅장치를 통해 얻어진 섬유화 막의 인장강도는 0.1 내지 0.2 N/㎟일 수 있고, 전극활물질층(300a)의 전기전도도는 0.5 내지 1 Ω을 나타낼 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 1 및 도 2에 도시된 건조 코팅장치를 이용하여 집전체 상에 전극활물질층을 형성하였다. 이때, 집전체로는 알루미늄 호일(두께: 30 ㎛)을 사용하였으며, 전극활물질을 형성하기 위한 건식 코팅재료로는 활성탄 50 중량%와 폴리테트라플루오로에틸렌 50 중량%가 혼합된 건식 혼합물을 사용하였다.
상기 건식 혼합물을 각 재료 공급부를 통해 약 100 ℃로 가열된 제1 롤러와 제2 롤러 사이, 제3 롤러와 제4 롤러 사이에 공급하여 건식 혼합물의 섬유화를 유도하여 섬유화 막을 형성하였으며, 형성된 섬유화 막이 제1 롤러 및 제3 롤러보다 각각 회전속도가 빠른 제2 롤러 및 제4 롤러를 따라 이동하면서 집전체인 알루미늄 호일의 양면에 결합되는 과정을 통해 알루미늄 호일 상에 전극활물질층(두께: 150 ㎛)을 형성하였다. 전극활물질층 형성 과정을 25시간 동안 연속적으로 진행한 후 종료하였으며, 형성 과정에서 각 롤러 간의 간격 조절은 실시하지 않았다.
[실시예 2]
5시간 마다 형성된 전극활물질층의 두께를 측정한 후 두께 편차가 있을 경우 각 롤러 간의 간격 조절을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 전극활물질층의 형성 과정을 진행하였다.
[실시예 3]
도 5에 도시된 평탄화 롤러를 제2 롤러와 제4 롤러에 각각 추가하여 건식 코팅장치를 구동한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 전극활물질층의 형성 과정을 진행하였다.
[실시예 4]
도 2에 도시된 건식 코팅장치 대신에 제1 롤러와 제2 롤러의 수평 이동(제1 롤러는 회전운동과 좌우왕복운동을 동시에 하고, 제2 롤러는 회전운동만 함)이 이루어지고, 제3 롤러와 제4 롤러의 수평이동(제3 롤러는 회전운동과 좌우왕복운동을 동시에 하고, 제4 롤러는 회전운동만 함)이 이루어지도록 하는 도 7에 도시된 건식 코팅장치을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 전극활물질층의 형성 과정을 진행하였다.
[실험예]
각 실시예에서 얻어진 섬유화 막과 전극활물질층의 물성을 다음과 같은 방법으로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1. 인장강도: 섬유화 막의 인장강도를 공지된 방법을 적용하여 측정하였다.
2. 전기전도도: 전극활물질층의 전기전도도를 공지된 방법을 적용하여 측정하였다.
3. 평탄도: 5시간 마다 형성된 전극활물질층의 두께를 측정 및 평균화한 후, 최초 형성된 전극활물질층의 두께와 비교하여 편차가 있는지를 평가하였다.
구분 인장강도(N/㎟) 전기전도도(Ω) 평탄도(%)
실시예 1 0.05 0.4 4-5%
실시예 2 0.08 0.7 2-3%
실시예 3 0.10 0.8 1-2%
실시예 4 0.15 1 2-3%
상기 표 1을 참조하면, 각 롤러 간의 간격을 제어하거나 평탄화 롤러를 추가함으로써 각 물성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 제1 롤러 및 제3 롤러를 수평이동시킴에 따라 인장강도와 전기전도도가 매우 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 건식 코팅장치
111: 제1 롤러 112: 제2 롤러
131: 제3 롤러 132: 제4 롤러
120: 제1 재료 공급부 140: 제2 재료 공급부
150: 제1 간격 조절부
160: 제2 간격 조절부
170: 제3 간격 조절부 171: 구동부 172: 연결부
180: 에어 실린더
191: 제1 평탄화 롤러 192: 제2 평탄화 롤러 193: 가압롤러
110': 제1 수평이동 구동부 120': 제2 수평이동 구동부
200: 건식 코팅재료
300: 섬유화 막 300a: 전극활물질층
400: 집전체

Claims (7)

  1. 집전체 상에 건식 코팅재료로 전극활물질층을 형성하는 건식 코팅장치에 있어서,
    서로 다른 방향으로 회전하고 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제1 롤러 및 제2 롤러;
    상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제1 재료 공급부;
    상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러와 평행하게 설치되되, 서로 다른 방향으로 회전하며 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되는 제3 롤러 및 제4 롤러;
    상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러 사이에 건식 코팅재료를 공급하는 제2 재료 공급부;
    상기 제2 롤러를 기준으로 상기 제1 롤러를 밀거나 당겨서 제1 롤러와 제2 롤러 사이의 간격을 조절하는 제1 간격 조절부; 및
    상기 제4 롤러를 기준으로 상기 제3 롤러를 밀거나 당겨서 제3 롤러와 제4 롤러 사이의 간격을 조절하는 제2 간격 조절부를 포함하고,
    상기 제2 롤러의 회전속도가 상기 제1 롤러의 회전속도보다 빠르고, 상기 제4 롤러의 회전속도가 상기 제3 롤러의 회전속도보다 빠르며,
    상기 제1 간격 조절부 및 상기 제2 간격 조절부 각각은 서보모터(servomotor)와 제어부에 의해 구동되는 기계적 실린더를 포함하는 것인 건식 코팅장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러를, 제3 롤러 및 제4 롤러의 회전축과 수직한 방향으로 동시에 이동시켜 제2 롤러와 제4 롤러 사이의 간격을 조절하는 제3 간격 조절부를 더 포함하는 건식 코팅장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 롤러와 상기 제4 롤러 사이에 설치되는 에어 실린더를 더 포함하는 건식 코팅장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 건식 코팅재료는 탄소 소재 및 바인더 수지를 포함하는 건식 코팅장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건식 코팅재료는 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러 사이를 통과하여 섬유화 막으로 전환되고,
    상기 제2 롤러와 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고 상기 섬유화 막을 가압하여 평탄화시키는 제1 평탄화 롤러를 더 포함하는 건식 코팅장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건식 코팅재료는 상기 제3 롤러와 상기 제4 롤러 사이를 통과하여 섬유화 막으로 전환되고,
    상기 제4 롤러와 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고 상기 섬유화 막을 가압하여 평탄화시키는 제2 평탄화 롤러를 더 포함하는 건식 코팅장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집전체 상에 형성된 전극활물질층을 가압하는 한 쌍의 가압롤러를 더 포함하는 건식 코팅장치.
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