KR100768976B1 - 박막 전기화학 유닛 셀의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

웨브에 의하여 지지된 시트 재료 또는 적층 구조물을 회전가능하게 절단 및/또는 적층하기 위한 장치와 방법이 제공된다. 본 발명의 회전 변환 장치 및 방법은, 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브와 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브를, 박리식 라이너에 의하여 지지된 일련의 적층 전기화학 셀 구조물로 변환시킨다. 본 발명의 회전 변환 공정을 이용하면, 특히 하류 또는 후속의 절단이 필요 없이 최종 크기를 가지는 제품을 형성할 수 있는 이점이 있다.

전기화학 유닛, 애노드, 캐소드, 적층 구조물

Description

박막 전기화학 유닛 셀의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF THIN-FILM ELECTROCHEMICAL UNIT CELL}

본 발명은 일반적으로 적층 장치 및 방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 회전 변환 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.

여러 적층 장치와 방법이 시트 재료로 구성된 제품을 제조하기 위하여 개발되어 왔다. 많은 종래의 적층 방법은 시트 재료를 작은 세그먼트로 절단하는 절단 메커니즘을 이용한다. 개별 세그먼트들은 그후 독립적인 적층 공정의 일부분에서 수동으로 또는 기계작용에 의해 정렬되고 적층된다. 적층 구조물은 그후 적절한 힘을 만드는 메커니즘에 의하여 적층력을 받는다.

다양한 종래의 적층 및 적재 방법들이 널리 이용되고 있음에도 불구하고, 많은 그러한 방법들은 비교적 높은 레벨의 생산성, 자동화 그리고 유연성을 요구하는 분야에는 그리 적합하지 않다. 예를 들면, 많은 종래의 적층 방법들은 다양한 종류의 재료, 시트 크기 그리고 시트 형상을 수용할 수 없다. 그러한 많은 종래의 적층 방법들은, 예를 들면 박막 전기화학 적층 구조물의 구성에서 일반적으로 필요로 하는 다양한 재료의 적층 웨브를 자동적이고 연속적으로 적층하는데 그리 적합하지 않다.

다양한 종류, 색깔, 형상 그리고 크기의 필름과 시트 재료를 적층하기 위한 개선된 장치와 방법이 필요하다. 특히, 고체 상태의 박막 배터리의 구성에 사용하기 위한 전기화학 유닛 셀을 제조하고 그리고 전기화학 셀 재료의 층을 적층하기 위한 개선된 장치와 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 필요성 등을 충족시킨다.

본 발명은 일반적으로, 웨브에 의하여 지지된 시트 재료 또는 적층 구조물을 회전가능하게 절단 및/또는 적층하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 웨브에 의하여 지지된 적층 구조물 또는 시트 재료를 회전가능하게 절단하고, 인접한 절단된 적층 구조물/시트 사이에 공간이 제공되도록 다른 웨브 재료에 절단된 적층 구조물/시트를 적층하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 구조물과 공정의 특징은, 절단된 인접 적층 구조물/시트 사이의 공간 내에서 한 웨브 재료는 완전히 관통하여 절단되지만 다른 웨브의 라이너는 일부분만이 절단된다는 것이다.

전기화학 셀 구성과 관련하여, 본 발명의 회전 변환 장치와 방법은, 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브와 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브를, 박리식 라이너에 의하여 지지되는 일련의 적층 전기화학 셀 구조물로 변환한다. 본 발명의 회전 변환 공정을 이용하면, 하류의(또는 후속의) 절단 단계가 필요 없이 최종 크기를 가지는 제품을 형성할 수 있다는 이점을 얻는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일련의 박막 전기화학 유닛 셀의 제조를 위 한 장치와 방법이 제공된다. 제1 속도로 이동하는 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브(캐소드 웨브)는 일련의 캐소드 시트로 절단된다. 각각의 캐소드 시트는 제1 속도와 같거나 더 빠른 제2 속도로 이동된다. 제2 속도로 이동하는 각각의 캐소드 시트는, 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 가지는 적층된 유닛 셀을 제조하기 위하여 제2 속도로 이동하는 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브(애노드 웨브)에 적층된다. 적층된 애노드 웨브는, 일련의 유닛 셀 시트를 제조하기 위하여 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간 내에서 절단된다.

일 특별한 실시예에 있어서, 캐소드 웨브를 절단하는 단계는 캐소드 웨브의 일부분을 절단하고 잉여의 캐소드 웨브를 제거하는 단계를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 인접한 캐소드 시트 사이의 공간은 제거된 잉여의 캐소드 웨브의 크기 및/또는 형상의 함수이다.

또 다른 실시예에 따르면, 캐소드 웨브를 절단하는 단계는 캐소드 웨브를 회전가능하게 절단하는 단계를 포함하고, 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는 제2 속도로 각각의 캐소드 시트를 회전가능하게 이동시키는 단계를 포함한다. 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는 제2 속도로 애노드 웨브를 회전가능하게 이동시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 애노드 웨브는 박리식 라이너를 포함할 수도 있고, 적층된 애노드 웨브의 절단하는 단계는 애노드 적층 구조물을 관통하여 박리식 라이너까지(또는 박리식 라이너의 일부분만까지만) 절단하는 단계를 포함할 수도 있다.

각각의 애노드 시트는 길이(L)로 한정될 수도 있다. 캐소드 웨브를 절단하 는 단계는 회전 다이를 사용하여 달성될 수도 있다. 이 경우에, 각각의 캐소드 시트의 길이(L)는 회전 다이의 제2 속도(W2)에 대한 캐소드 웨브 이동의 제1 속도(W1)의 함수이다.

캐소드 웨브는, 원주방향의 블레이드 간격(D)으로 이격된 하나 이상의 회전 다이 블레이드를 이용하여 절단될 수도 있다. 이 경우에, 각각의 캐소드 시트의 길이(L)는 원주방향의 다이 블레이드 간격(D)에 대한 캐소드 웨브 이동의 제1 속도(W1)와 회전 다이의 제2 속도(W2)의 함수이다. 예를 들면, 각 캐소드 시트들의 길이(L)는 식 L=D(W1/W2)에 의해 결정될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간(S)은 애노드 웨브 이동의 제2 속도(W2)에 대한 캐소드 웨브 이동의 제1 속도(W1)의 함수이다. 캐소드 웨브를 절단하는 단계는, 원주방향의 블레이드 간격(D)으로 이격된 하나 이상의 회전 다이 블레이드를 이용하여 캐소드 웨브를 절단하는 단계를 포함할 수도 있고, 이에 따라 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간(S)은 원주방향의 다이 블레이드 간격(D)에 대한 캐소드 웨브 이동의 제1 속도(W1)와 회전 다이의 제2 속도(W2)의 함수이다. 예를 들면, 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간(S)은 식 S=D((W2/W1)-1)에 의하여 결정될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 캐소드 시트는 약 0.25인치(약 0.635cm) 내지 약 24인치(약 60.96cm) 사이의 길이(L)로 한정될 수도 있다. 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간(S)은 약 0.015인치(약 0.038cm) 내지 약 0.4인치(약 1.016cm) 사이일 수 있다. 제1 속도에 대한 제2 속도의 비는 약 1.005 내지 약 1.05 사이일 수 있다. 제1 속도는 분당 약 5피트(약 1.524m) 내지 분당 약 500피트(약 152.4m) 사이일 수 있고, 제2 속도는 분당 약 5.025피트(약 1.532m) 내지 분당 약 525피트(약 160.02m) 사이일 수 있다.

캐소드 시트를 애노드 웨브에 적층하는 단계는, 각각의 캐소드 시트의 일부분이 애노드 웨브의 애노드 적층 구조물의 적어도 일 가장자리를 지나서 연장함으로써 이들 사이에 적층 오프셋을 제공하도록 각각의 캐소드 시트를 애노드 웨브에 적층하는 단계를 더 포함할 수도 있고, 적층 오프셋은 예를 들면 약 0.04인치(약 0.102cm) 내지 약 0.31인치(약 0.787cm) 사이일 수 있다.

각각의 캐소드 시트를 애노드 웨브에 적층하는 단계는 애노드 웨브 또는 캐소드 시트 중의 어느 하나 또는 둘 다를 가열하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 적층된 애노드 웨브를 절단하는 단계는, 예를 들면 광 또는 기계 기술에 의하여 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간을 탐지하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예를 따르면, 일련의 박막 전기화학 유닛 셀들을 제조하는 장치와 방법은 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브(캐소드 웨브)를 제1 속도로 이동시키는 단계를 포함한다. 캐소드 웨브는, 일련의 캐소드 시트들을 제조하기 위하여 제2 속도로 회전가능하게 절단된다. 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 가지는 적층된 유닛 셀을 제조하기 위하여, 제2 속도로 이동하는 각각의 캐소드 시트를 제3 속도로 이동하는 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브(애노드 웨브)에 회전가능하게 적층한다.

일 구성에서, 제1 속도와, 제2 속도와, 제3 속도는 실질적으로 동일하다. 또 다른 구성에서, 제2 속도와 제3 속도는 실질적으로 동일하고, 제2 속도와 제3 속도는 제1 속도보다 빠르다. 또 다른 구성에서, 제1 속도와 제2 속도는 실질적으로 동일하고, 제3 속도는 제1 속도 및 제2 속도보다 빠르다. 또 다른 구성에서, 제1 속도와, 제2 속도와, 제3 속도는 동일하지 않으며, 제3 속도는 제2 속도보다 빠르고, 제3 속도와 제2 속도는 제1 속도보다 빠르다.

또 다른 구성에 따르면, 제1 속도와 제2 속도는 실질적으로 동일하고, 캐소드 웨브를 절단하는 단계는 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 만들기 위하여 캐소드 웨브의 일부분을 절단하고 잉여의 캐소드 웨브를 제거하는 단계를 포함한다. 이 경우에, 인접한 시트들 사이의 공간은 제거된 잉여 캐소드 웨브의 형상 및/또는 크기의 함수이다.

또 다른 방법에서, 제3 속도는 제1 속도 및 제2 속도보다 빠르고, 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 만들기 위하여 제3 속도로 애노드 웨브를 이동시키는 단계를 더 포함한다. 또 다른 방법에 따르면, 제3 속도는 제1 속도 및 제2 속도보다 빠르고, 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 만들기 위하여 제2 속도로 각각의 캐소드 시트를 회전가능하게 이동시키면서 제3 속도로 애노드 웨브를 회전가능하게 이동시키는 단계를 더 포함한다. 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는, 각각의 캐소드 시트의 일부분이 애노드 웨브의 애노드 적층 구조물의 적어도 하나의 가장자리를 지나서 연장함으로써 이들 사이에 적층 오프셋을 제공하도록 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 일련의 박막 전기화학 유닛 셀들을 제조하는 장치와 방법은, 패턴을 갖는 회전 다이를 사용하여 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브를 제1 속도로 일련의 캐소드 적층 구조물로 절단하는 것을 포함한다. 인접한 캐소드 적층 구조물 사이에 공간을 가지는 적층된 유닛 셀을 제조하기 위하여, 제1 속도와 동일하거나 더 빠른 제2 속도로 이동하는 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브에 각각의 캐소드 적층 구조물이 적층된다. 패턴을 갖는 회전 다이에 의한 절단으로부터 발생된 폐기물 캐소드 웨브 재료는 폐기되거나 또는 수집된다.

이 실시예에 따르면, 인접한 캐소드 적층 구조물 사이의 공간은 패턴을 갖는 회전 다이의 크기 및/또는 형상의 함수이다. 패턴을 갖는 회전 다이는, 예를 들면 장방형 형상을 가질 수도 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 회전 변환 장치의 출구는 본 발명의 적재 장치의 입구에 결합될 수도 있다. 본 발명에 따라서 결합된 회전 변환/적재 장치와 방법은, 가상의 임의의 형상을 갖는 다양한 재료들의 유사하거나 또는 유사하지 않은 층들의 적층된 스택을 제조한다.

전술한 본 발명의 개요가 본 발명의 모든 실시예를 설명하는 것은 아니다. 본 발명의 더 완전한 이해와 함께, 본 발명의 이점과 작용효과는 첨부 도면과 관련하여 취해지는 이하의 상세한 설명과 청구범위를 참조함으로써 명백하게 될 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 변환 및 적재 장치를 예시한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 변환 장치를 도시하는 도1의 서브 어셈블리이다.

도3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 변환 장치의 제1 회전 절단/적층 접촉영역의 상세한 도면인 도2의 서브 어셈블리이다.

도3b는 도3a에 도시된 제1 회전 절단/적층 접촉영역에서 앤빌 상에서 이동하는 절단 캐소드 시트를 도시한다.

도3c 내지 도3f는 각각이 동일하거나 또는 상이한 처리 속도로 작동할 수 있는 공급부, 절단부 및 적층부를 포함하는 회전 변환 장치의 4 실시예들을 도시한다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 변환 장치의 제2 회전 절단 접촉영역의 상세한 예시인 도2의 서브 어셈블리이다.

도5는 도4에 도시된 제2 회전 절단 접촉영역의 상세한 도면이다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적재 장치를 예시하는 도1의 서브 어셈블리이다.

도7a 및 도7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적재 장치의 부분을 예시한다.

도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적재 장치를 예시한다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 스테이션, 단일 제품 웨브 적재 장치를 예시한다.

도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 스테이션, 단일 제품 웨브 적재 장치를 예시한다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 스테이션, 다중 제품 웨브 적재 장치를 예시한다.

도12a 및 도12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전 변환/적층 장치를 예시한다.

도13은 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치에 의하여 제조된 다색 시트 재료의 적층 스택을 예시한다.

도14는 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치를 사용하여 함께 적층되고 소정의 형상으로 절단되는 접착제를 가지는 배면의 일부분을 갖는 다층의 단일 색깔의 종이 또는 필름 시트를 도시한다.

도15는 도14에 도시된 것과는 다른 형상을 가지나 도14에 도시된 것과 유사한 다층의 단일 색깔의 종이 또는 필름 시트를 도시한다.

도16은 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치에 의하여 제조된 변하는 형상과 크기의 여러 시트 또는 필름 층을 포함하는 제품 스택 또는 패드를 예시한다.

도17은 각 시트가 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치에 의하여 제조된 다른 형상을 가지는 여러 시트 또는 필름 층을 포함하는 제품 스택을 도시한다.

도18은 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치에 의하여 제조 된 의료 드레싱의 팩을 도시한다.

본 발명은 다양하게 변형되고 다른 형태로 수정가능하지만, 이들 중 특정의 것이 도면에 예시되었으며 이하에서 상술될 것이다. 그러나, 본 발명은 기술된 특정 실시예로 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의하여 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 속하는 모든 변형물, 동등물과 대체물을 포함한다.

실시예에 대한 이하의 설명에 있어서, 본 발명이 실시될 수도 있는 다양한 실시예를 예시하고 있는 첨부 도면을 참조로 한다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 구조적 변화가 이루어질 수도 있고, 실시예들이 이용될 수도 있다.

바람직하게는, 본 발명의 회전 변환 적층 및 적재 장치는 임의의 형상인 다양한 재료로 된 유사하거나 또는 유사하지 않은 층들의 적층된 스택의 제조를 위하여 제공된다. 본 발명의 원리들은 단일 제품 웨브 또는 다중 제품 웨브(예를 들면, 5개의 다른 제품 웨브)로부터 적층 스택들의 제품을 제조하기 위하여 적용될 수도 있다. 본 발명에 따라서 제조된 제품의 적층 스택은, 예를 들면 박막 배터리와 의료 드레싱의 팩인 단일 또는 다색 시트 또는 필름의 패드를 포함할 수도 있다.

하나의 특별한 용도는 캐소드, 세퍼레이터 및 애노드 재료의 복합 교호 층들이 스택 또는 유닛 셀로 절단되고 적층되는 전기화학 배터리 셀의 제조와 관련된 것이다. 이러한 본 발명의 분야에서는, 제조가능한 박막 전기화학 유닛 셀은 전류 콜렉터(current collector), 캐소드, 세퍼레이터 및 애노드의 전형적인 이 순서의 최소 시트들을 포함하는 스택 서브 어셈블리로서 규정될 수도 있다. 예를 들면, 적재 장치의 상류에 2 이상의 회전 변환 스테이션을 제공함으로써 캐소드 층과 애노드 층은 독립적으로 절단될 수도 있는데, 이는 유닛 셀 애노드와 캐소드 구조물 사이의 단락을 방지하는 데 있어서 중요하다.

세퍼레이터의 상대적인 위치와, 가공 및 타이밍의 선택에 따라, 캐소드, 애노드, 세퍼레이터의 각각의 구역들은 독립적으로 결정될 수 있다. 이는 전기화학 셀 수명에 중요한 일정한 전류 분배를 유지하는 데 중요하다. 예를 들면, 절단 캐소드보다 더 빠르게 세퍼레이터의 크기를 정함으로써, 가장자리 버르(burr)에 의하여 발생되는 거시적인 단락이 방지된다. 이에 따르면, 일부 셀의 설계에서 전극들 사이에 요구될 수도 있는 보조 절연체를 없앨 수 있다.

이 원리들은 또한 셀 구조물에 연료를 공급하는데 적용될 수도 있다. 또한, 이 원리들은 단지 하나의 포장 층이 제품 층마다 사용되고, 최종 제품이 변환되고, 적재되고, 포장된 형태로 고객에게 전달되는 새로운 포장 의료 제품을 제조하는데 사용될 수도 있다. 예를 들면, 스택 상에 배치된 제1 층과 마지막 층이 외부 포장물일 수도 있다.

이제 도면을 참조로 하면, 전기화학 셀 층들의 스택을 제조하기 위하여 캐소드 재료와 애노드 재료의 웨브를 사용하여 일련의 전기화학 셀 시트를 제조하는 장치(10)가 도1에 도시된다. 장치(10)는 2개의 처리 장치(20 및 120)를 나타내며, 각각 회전 변환 장치(20) 및 적재 장치(120)로 칭해진다. 일 실시예에 있어서, 장 치(10)는 박리식 라이너에 의하여 지지된 상대적으로 가요성인 재료로부터, 낮은 연성의 층들을 포함하거나 포함하지 않을 수도 있는 전기화학 셀 재료 층들의 편평하고 상대적으로 비가요성인 다층 스택을 제조하는 연속 동작 어셈블리 공정을 제공한다. 본 발명의 이점은, 낮은 연성 재료의 층이 없거나 또는 많은 층들을 포함하는 다층 어셈블리들을 적재할 수 있다는 것이다. 이와 관련하여, 본 발명의 적재 공정은 제품들간에 매우 다양할 수 있는 제품 내의 층들의 신장 특성들을 수용한다.

회전 변환 장치와 적재 장치(20,120)는 다수의 독창적이고 유용한 특징들을 개별적으로 결합함으로써, 이들 장치 및 관련 처리 방법들이 개별적으로 이용될 수도 있으며, 도1에 도시된 바와 같이 포괄적인 2부분 장치의 부분으로서 반드시 결합될 필요는 없다. 후술하는 바와 같이, 다양한 방법으로 이용될 수 있는 회전 변환 장치(20)는, 박리식 라이너에 의하여 통상 지지되는 일련의 적층된 유닛 셀 구조물들을 제조하는데 독립적으로 이용될 수도 있다. 다양한 방법으로 실시될 수 있는 적재 장치(120)는, 연속 동작 적재 작업을 이용하여 전기화학 셀 층의 스택을 제조하는데 독립적으로 이용될 수도 있다. 적재 장치와 방법들의 예가, "적층된 제품과 패키지를 위한 적재 장치 및 방법"의 명칭으로 대리인 서류번호 제810.509US01(55530USA6A)이며 통상 양도된 공동 계류 미국 특허 출원번호 제09/718,549호에 기술되어 있고, 그 전체가 본 명세서에 참조된다.

상용어인 회전 변환 장치(20)는 캐소드 웨브(23)와 애노드 웨브(123)를 박리식 라이너에 의해 지지되는 일련의 층 전기화학 셀 구조물로 변환한다. 적재 장치(120)는 박리식 라이너로부터 다수의 재순환, 순환 또는 왕복 플랫폼(이하, 퍽(puck), 팔레트(pallet) 또는 캐리지(carriage)로도 칭함)으로 이송된 전기화학 셀 구조물의 연속적인 적재를 제공한다. 본 발명의 회전 변환 공정을 이용함으로써 얻어지는 하나의 이점은, 하류 또는 후속 절단이 필요 없이 최종 크기를 가지는 제품을 형성한다는 것이다.

일 실시예에 있어서, 층을 이룬 전기화학 셀 구조물들은 일반적으로 하나 이상의 고체 전해질 층이 결합된 애노드 적층 구조물과 캐소드 적층 구조물을 포함한다. 그러한 구조물을 이하에서 유닛 셀로서 부르며, 그 구성은 전술된 바와 같다.

캐소드 적층 구조물은 캐소드, 전류 콜렉터, 캐소드를 포함하는 서브 어셈블리로 규정될 수도 있다. 캐소드 적층 구조물 서브어셈블리의 또 다른 구성은 세퍼레이터, 캐소드, 전류 콜렉터 및 캐소드를 포함한다. 또 다른 캐소드 적층 구조물 서브 어셈블리 구성은 세퍼레이터, 캐소드, 전류 콜렉터, 캐소드, 세퍼레이터를 포함한다.

애노드 적층 구조물은 개별 애노드 시트로서 규정될 수도 있다. 애노드 적층 구조물은 또한 애노드 및 세퍼레이터를 포함하는 서브 어셈블리로서 규정될 수도 있다. 애노드 적층 구조물 서브 어셈블리의 또 다른 구성은 세퍼레이터, 애노드, 세퍼레이터를 포함한다.

예를 들면, 캐소드 웨브(23)는 복합 캐소드 재료(캐소드/전류 콜렉터/캐소드 구조물)로 양면에 코팅된 알루미늄 포일 전류 콜렉터를 포함하도록 제조될 수도 있다. 애노드 웨브(123)는, 예를 들면 4층의 구조물로서 제조될 수도 있고, 이는 박 리식 라이너, 고체 전해질 필름, 리튬 포일, 그리고 제2 고체 전해질 필름층(세퍼레이터/애노드/세퍼레이터 구조물)을 포함한다. 하나의 특별한 실시예에 있어서, 고체의 중합체 전해질 필름은 애노드 웨브(123)에서 이용된다.

또 다른 실시예에 따르면, 캐소드 웨브(23)는 복합 캐소드 재료의 양면에 고체 중합체 전해질 필름과 같은 세퍼레이터를 포함할 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 세퍼레이터는 캐소드 웨브 및 애노드 웨브(23,123)의 각각에 포함될 수도 있다. 다른 다층 캐소드, 애노드, 고체 전해질 웨브 구조물도 고려될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 웨브(23,123)는 0 내지 10m/분 사이의 속도로 이동될 수 있다. 제품 웨브의 폭은 약 8인치(약 20.32cm)일 수 있다. 유닛 셀 시트는 약 17인치(약 43.18cm)까지의 길이를 가질 수 있다. 제품 웨브 공급 롤들은 각각 약 18인치(약 45.72cm)까지의 직경을 가질 수 있다.

이제 도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 변환 장치(20)가 더 상세하게 도시된다. 도2에 도시된 회전 변환 장치(20)는 캐소드 공급 롤(22) 위에 초기에 감겨진 캐소드 재료의 웨브(23)를 포함한다. 감김시, 캐소드 웨브는 캐소드 공급 롤(22)이 풀리는 동안에 라이너 권취 롤(24) 위로 감겨지는 박리식 라이너(21)를 포함할 수도 있다. 박리식 라이너(21)가 없는 캐소드 웨브(23)는 제1 절단 스테이션(28)으로 공급된다. 캐소드 웨브(23)는 일반적으로 인장 롤 장치(26)를 통과하는데, 이 인장 롤 장치(26)는 캐소드 웨브(23)를 원하는 인장 상태로 만들며, 웨브 안내 메커니즘을 포함할 수도 있다.

도2에 도시된 실시예에 있어서, 제1 절단 스테이션(28)은 회전 다이 스테이 션을 나타낸다. 제1 절단 스테이션(28)은 피동 견인 롤 장치(31)를 포함하고, 이 경우에 이 피동 견인 롤 장치(31)는 닙 롤(32)과 고무로 피복된 구동 롤(33)을 포함한다. 달리, 진공 견인 롤 장치가 사용될 수도 있다. 견인 롤 장치(31)의 속도 및/또는 가속도와 같은 운동은 공지되어 있는 바와 같이 서보 제어 시스템(도시 안됨)에 의하여 일반적으로 조절된다. 견인 롤 장치(31)는 캐소드 웨브(23)를 절단 롤 장치(30)로 공급하며, 이 절단 롤 장치(30)는 회전 다이(34)와 앤빌(anvil; 35)을 포함한다. 절단 롤 장치(30)는 캐소드 웨브(23)를 낱개의 캐소드 시트들로 절단한다. 회전 다이(34)와 앤빌(35)의 속도 및/또는 가속도와 같은 운동은 일반적으로 서보 제어 시스템(도시 안됨)에 의하여 조절된다.

또한 도2에 도시된 바와 같이, 애노드 재료의 웨브(123)는 적층 장치(29)로 공급된다. 애노드 웨브(123)는 또한 제1 절단 스테이션(28) 내에서 또는 제1 전달 스테이션(28)에 들어가기 전에 적외선 히터(38)(점선으로 도시됨)에 의하여 가열될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 애노드 웨브(123)는 일반적으로 박리식 라이너를 포함하며, 애노드(예를 들면, 리튬 포일)의 양측에 제공되는 2개의 고체 전해질 층(세퍼레이터 층으로도 칭함)을 포함할 수도 있다. 애노드 웨브(123)는 일반적으로, 인장 롤 장치(39)에 의해 원하는 정도로 인장되어 안내된다.

캐소드 시트들은 적층 장치(29) 내에서 애노드 웨브(123)와 근접하게 앤빌(35)에 의하여 회전된다. 캐소드 시트들은 적층 롤(36)과 앤빌(35) 사이에 형성된 닙(nip)에서 애노드 웨브(123)에 적층됨으로써, 유닛 셀 재료의 적층 웨브(50)를 형성한다. 적층 롤(36)은 일반적으로 고무 재료로 피복되고, 앤빌(35) 은 일반적으로 금속 재료로 제조된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드 웨브(123)는 캐소드 웨브(23)보다 빠른 속도로 적층 장치(29)를 통과한다. 애노드 웨브(123)와 캐소드 웨브(23)의 상대 속도의 차이에 의해, 각 캐소드 시트가 애노드 웨브(123)에 적층될 때 캐소드 시트들 사이에 공간이 형성된다. 유닛 셀 재료의 적층 웨브(50)는 제1 절단 스테이션(28)으로부터 제2 절단 스테이션(40)으로 공급되고, 제2 절단 스테이션(40)에서 애노드 웨브 재료는 관통하여 절단되지만 박리식 라이너는 관통하여 절단되지 않는다.

제2 절단 스테이션(40)에서, 피동 닙 롤(42)과 고무로 피복된 구동 롤(43)은 적층 웨브(50)를 회전 다이(44)와 앤빌(45)을 포함하는 절단 롤 장치(41)로 이송한다. 앤빌(45)과 협동하는 회전 다이(44)는, 인접한 캐소드 시트들 사이에 형성된 공간 내에서 적층 웨브(50)의 애노드 재료를 관통하여 절단하지만 박리식 라이너는 관통하여 절단하지 않는다. 닙 롤(42)은 가열될 수도 있다. 적층 웨브(50)에서의 절단이 상기한 공간 내에서만 이루어지는 것을 보장하도록, 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간을 탐지하기 위하여 광 센서(37)가 이용된다. 제2 절단 스테이션(40) 내의 적절한 절단 위치에 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간 또는 간극을 정렬시키는 것은, 광 또는 다른 간극 감지 또는 탐지에 의하지 않고 적절한 타이밍, 기어 및/또는 벨트를 사용하여 이루어질 수도 있음에 유의해야 한다.

따라서, 박리식 라이너 상에 지지된 일련의 적층된 유닛 셀 시트들은 제2 절단 스테이션(40)의 출구에서 제조된다. 적층된 유닛 셀 시트들은, 예를 들면 도1 에 도시된 바와 같이 연속 회전 변환/적재 작업의 일부분인 적재 장치로 직접 이송되거나, 또는 적재 장치에 의한 후속 처리를 위하여 권취 롤 상에 감겨질 수도 있다.

본 발명의 회전 변환 장치를 사용함으로써 얻어지는 이점은, 애노드 시트와 캐소드 시트가 서로 독립적으로 절단되어 있는 애노드 웨브와 캐소드 웨브 재료의 개개의 시트로부터 전기화학적 발생기(electrochemical generator)를 조립할 수 있어서, 절단 공정 동안에 잠재적인 단락이 발생하는 것을 바람직하게 방지한다는 것이다. 인접한 캐소드 시트들 사이에 형성된 공간으로 인해, 애노드 웨브(123)의 절단과는 상관 없이 캐소드 웨브(23)를 캐소드 시트들로 절단할 수 있다. 더 상세하게는, 캐소드 웨브(23)는 더 빠른 애노드 웨브(123)에 적층되기 전에 제1 절단 스테이션(28)에서 캐소드 시트들로 절단된다. 적층 장치(29) 이전에 형성된 공간들은, 제2 절단 스테이션(40)에서 애노드 웨브 재료만을 관통하여 절단하기 위함이다.

또 다른 이점은, 전술한 바와 같이 캐소드 시트와 애노드 시트를 독립적으로 절단할 수 있으며, 또한 캐소드 시트들을 애노드 시트에 대해 크로스 웨브 오프셋(crossweb offset)으로 적층할 수 있어, 이에 의하여 이들 사이에 적층 오프셋을 형성한다는 것이다. 이 방법으로 구성된 유닛 셀 시트는, 예를 들면 캐소드 코팅의 모든 4가장자리를 지나서 연장하는 세퍼레이터/애노드/세퍼레이터의 적층 구조물을 포함한다. 세퍼레이터/애노드/세퍼레이터의 적층 구조물의 일 가장자리를 지나서 연장하는 전류 콜렉터는 캐소드 코팅을 지지한다. 이 실시예에 따르면, 두 웨브는 다층이고, 모든 층들은 동일한 폭을 가질 필요가 없다는 것에 유의하여야 한다. 이러한 유닛 셀 시트 구조는 후속의 적재 및 관련 절단 작업과 셀 조립 또는 마무리 작업 중의 단락을 방지하는 등의 여러 이점을 제공하고, 제조능력을 향상시킨다.

다른 유닛 셀 시트 구성은, 각각의 캐소드 웨브 및 애노드 웨브(23,123) 내에 포함된 여러 재료 층들의 크기를 적절하게 함으로써 얻을 수 있다. 적층 장치(29)로 이송되는 애노드 웨브(123)는, 세퍼레이터 층의 가장자리들이 리튬 포일의 가장자리까지 연장하는 제1 가장자리와, 리튬 포일이 세퍼레이터 층들의 가장자리를 지나서 연장하는 제2 가장자리를 가지는 라이너/세퍼레이터/리튬 포일/세퍼레이터 구조물로서 구성될 수도 있다. 그러므로, 유닛 셀 시트 구조물은 캐소드와 전류 콜렉터 층의 길이가 애노드 층보다 더 짧게 되도록 형성될 수도 있다.

도3a 및 도3b는, 도1 및 도2에 도시된 제1 절단 스테이션(28)의 다양한 태양을 더 상세하게 예시한다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 웨브(23)는 견인 롤 장치(31)에 의하여 속도(W1)로 절단 롤 장치(30)로 이동된다. 회전 다이(34)와 앤빌(35)을 포함하는 것으로서 도시된 절단 롤 장치(30)는, 캐소드 웨브(23)의 속도(W1)보다 빠른 속도(W2)로 이동하도록 제어된다.

앤빌(35)과 협동하는 회전 다이(34) 상에 제공된 다이 블레이드(die blade; 47)는 캐소드 웨브(23)를 관통하여 절단함으로써, 낱개의 캐소드 시트(52)(도3b에 더 상세하게 도시함)들을 제작한다. 회전 다이(34)는 단일 다이 블레이드(47), 도3a에 도시된 바와 같은 이중 다이 블레이드(47), 또는 둘 이상의 다이 블레이드(47)를 포함할 수도 있다. 또한, 다이 블레이드(47)는 단일 블레이드이거나 더 복잡한 블레이드 구성을 가질 수도 있다. 예를 들면, 장방형 다이 블레이드 구성 또는 패턴이 회전 다이(34) 위에 제공될 수도 있다. 캐소드 웨브(23)를 절단하거나 스탬핑하기 위한 다른 방법과 장치가, 실시되는 시스템에 따라서 이용될 수도 있으며, 예를 들면 전단 장치, 레이저, 또는 물 제트를 사용할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 앤빌(35)은 시트 다이 블레이드 공간에 부합되는 구멍 간격 패턴을 가지는 진공 앤빌 롤이다. 캐소드 웨브(23)의 속도(W1)로부터 속도(W2)로 이동 속도가 변하는 낱개의 캐소드 시트(52)는 그후 적층 장치(29)로 이송된다.

적층 장치(29)의 앤빌(35)과 적층 롤(36) 및 애노드 웨브(123)는 속도(W2)로 움직인다. 또한, 속도(W2)로 이동하는 낱개의 캐소드 시트(52)는 고무로 피복된 적층 롤(36)과 앤빌(35) 사이에 형성된 닙에서 애노드 웨브(123)에 적층된다. 속도(W1)보다 빠른 속도(W2)와 속도(W1) 사이의 차이는 적층 공정 동안에 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간(53)을 형성한다. 애노드 웨브(123)의 박리식 라이너에 의하여 지지된 적층 웨브(50)는 그후 제2 절단 스테이션(40)으로 이송된다.

대부분의 용도에 있어서, 더 느리게 이동하는 캐소드 웨브(23)에 대한 더 빠르게 이동하는 애노드 웨브(123)의 적절한 속도비(즉, W2/W1)는 약 1.005 내지 약 1.05 사이에서 변할 수 있다. 예를 들면, 캐소드 웨브(23)의 속도(W1)는 분당 약 5피트(fpm)(약 1.524m/분) 내지 약 500fpm(약 152.4m/분) 사이일 수 있고, 애노드 웨브(123)의 속도(W2)는, W2/W1>1인 한에는 약 5.025fpm(약 1.532m/분) 내지 약 525fpm(약 160.02m/분) 사이에서 변할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 캐소드 웨브(23)의 폭은 약 0.75인치(약 1.905cm) 내지 약 24인치(약 60.96cm) 사이에서 변한다. 애노드 웨브(123)의 폭도 약 0.75인치(약 1.905cm) 내지 약 24인치(약 60.96cm) 사이에서 변할 수 있다. 각각의 캐소드 시트(52)의 길이는 약 0.25인치(약 0.635cm) 내지 약 24인치(약 60.96cm) 사이에서 변할 수 있다. 인접한 캐소드 시트들 사이에 형성된 공간(53)은 약 0.015인치(약 0.038cm) 내지 약 0.4인치(약 1.016cm) 사이일 수 있다. 적층 공정 중에 캐소드 웨브(23)와 애노드 웨브(123) 사이에 적층 오프셋이 형성되는 실시예에 있어서, 그러한 적층 오프셋은 약 0.04인치(약 0.102cm) 내지 약 0.31인치(약 0.787cm) 사이에서 변할 수 있다.

한정이 아닌 예시를 목적으로, 회전 변환 공정의 파라미터에 대한 예를 제공한다. 이 실시예에 있어서, 캐소드 웨브(23)는 50fpm(약 15.24m/분)의 속도(W1)로 이동하는 것으로 간주된다. 애노드 웨브(123)의 속도(W2)는 51fpm(약 15.545m/분)이고, 이에 의하여 약 1.02의 W1대 W2의 속도비가 제공된다. 각각의 절단 캐소드 시트의 길이는 3.92인치(약 9.957cm)이다. 인접한 캐소드 시트(52) 사이의 공간(53)은 0.08인치(약 0.203cm)이다. 웨브의 애노드의 부분(54)만을 관통하여 절단된(애노드 캐리지(51)는 관통되지 않음) 절취부 사이의 간격은 4.0인치(약 10.16cm)이다. 애노드 웨브와 캐소드 웨브의 폭은 각각 5.63인치(약 14.30cm)이다. 이 실시예에 따르면, 적층 오프셋은 0.24인치(약 0.61cm)이다.

도3c 내지 도3f는, 도3a 및 도3b와 관련하여 전술한 바와 달리 실시될 수도 있는 몇몇 회전 변환 장치 구성을 예시한다. 도3c 내지 도3f는 회전 변환 장치의 3부분에서 상이한 공정 속도 관계를 가지는 4개의 유용한 구성을 도시한다. 특히, 공급부(32'), 절단부(34') 및 적층부(36')와 관련된 속도는 속도(WX)로 표시된다(여기서, X는 1, 2 또는 3). 일반적으로, 속도(W1), 속도(W2)와 속도(W3) 사이의 관계는 W1≤W2≤W3의 특징을 갖지만, 반드시 그런 것은 아니다.

도3c에서, 예를 들면 이 회전 변환 장치 구성에 따른 각각의 공급부(32'), 절단부(34') 및 적층부(36')와 관련된 속도는 각각 W1, W2, W2로 주어진다. 도3a 및 도3b와 관련하여 전술한 구성과 실질적으로 동일한 구성을 갖는 이 경우에, W1은 W2 보다 작다.

도3d는 또 다른 회전 변환 장치 구성을 나타내며, 공급부(32'), 절단부(34') 및 적층부(36') 각각과 관련된 속도들은 모두 실질적으로 동일하다(이 실시예에 있어서는 속도(W1)와 동일함). 도3d는 속도(W1)로 라이너를 감기 위한 권취 롤(27)을 더 포함한다. 이 구성은 장방형의 다이 블레이드를 포함하는 회전 다이와 같은 패턴을 갖는 회전 다이의 이용에 아주 적합하다. 이 구성에 따르면, 장방형 다이 블레이드는 제거시 인접한 웨브 구조물 사이에 간극이 형성되는 웨브 구조물(예를 들면, 캐소드 적층 구조물)로 장방형의 절단부를 절단한다. 잉여 또는 폐기 웨브 매트릭스 재료는 권취 롤(27)에 의하여 속도(W1)로 움직이는 라이너 상에 다시 감겨질 수도 있다.

속도(W1)로 절단부(34')를 통과하는 웨브 구조물 시트를 애노드 적층 구조물의 웨브와 같은 또 다른 웨브(123)에 적층하는 것은, 적층부(36')에서 속도(W1)로 또한 이루어질 수도 있다. 바람직하게는, 도3d에 도시된 회전 변환 장치 구성은, 각각의 공급부, 절단부, 적층부(32',34',36')에서 거의 일정한 공정 속도를 유지하면서 인접한 캐소드 적층 구조물 사이에 원하는 간극을 형성한다.

도3e는 또 다른 회전 변환 장치 구성을 예시하는데, 여기서 공급부(32') 및 절단부(34')와 관련된 속도는 실질적으로 동일하고, 적층부 속도는 W2이다. 이 구성에서, 컨베이어(25)가 절단부(34')와 적층부(36') 사이에 배치된다. 컨베이어(25)의 속도는 적층부(36')의 속도(즉, W2)와 실질적으로 동일하다.

도3f는 또 다른 회전 변환 장치 구성을 도시하는데, 여기서 공급부(32'), 절단부(34'), 적층부(36')와 관련된 속도들은 서로 상이하다. 이 특별한 실시예에 있어서, 공급부(32'), 절단부(34'), 적층부(36')와 관련된 속도는 각각 W1, W2, W3 으로 표시된다. 절단부(34')와 적층부(36') 사이에 배치된 컨베이어(25)는 적층부(36')와 동일한 속도(즉, W3)로 실질적으로 이동한다.

도3a 내지 도3f에 도시된 각각의 회전 변환 장치의 구성은 인접한 웨브 구조물 또는 시트 사이에 소정의 간극을 제공하는 것을 볼 수 있다. 인접한 웨브 구조물/시트 사이의 간극 크기 또는 간격은 다이 블레이드 크기, 구성과 간격 및/또는 공정 속도[예를 들면, 속도(W1, W2, W3)]의 적절한 선택에 의하여 변할 수도 있다. 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 인접한 웨브 구조물/시트 사이에 형성된 간극은 제2 절단 스테이션에서 적층 제품(예를 들면, 적층 유닛 셀)의 처리를 용이하게 한다.

"선택하여 배치하는(pick and place)" 다른 적층 장치가 제2 웨브(123)에의 적층을 위하여 절단부(34')에서 웨브로부터 절단된 각각의 웨브 구조물을 제2 웨브(123)까지 이송하는데 이용될 수도 있음을 당업자라면 이해할 것이다. 이 또 다른 방법에 따르면, 적층부(36')는 선택하여 배치하는 적층 장치로 대체되거나 또는 이 장치로서 재구성될 것이다.

도4는 도1 및 도2에 도시된 제2 절단 스테이션(40)을 더 상세하게 도시한다. 도4에 도시된 바와 같이, 적층 웨브(50)는 박리식 라이너(51)를 가지는 애노드 웨브(123)에 적층된 일련의 이격된 캐소드 시트(52)들로서 도시된다. 적층 웨브(50)는 속도(W2)로 제2 절단 스테이션으로 이동한다. 절단 롤 장치(41)의 회전 다이(44)와 앤빌(45)은 통상 W2와 동일한 속도(W3)(그러나, 일관되게 공간(53)을 타격하기 위하여 변할 수 있음)로 이동된다. 예를 들면, 속도(W3)는 약 50fpm(약 15.24m/분)와 약 55fpm(약 16.764m/분) 사이에서 변할 수도 있다. 회전 다이(44)의 직경, 다이 블레이드(48)들 사이의 간격, 속도(W2 및 W3)는, 각 다이 블레이드(48)가 인접한 낱개의 캐소드 시트(52) 사이의 공간(53) 내에서만 적층 웨브(50)와 절단 맞물림 회전하도록 적절하게 선택된다. 도4의 구역"A" 내의 절단 롤 장치(41)의 상세한 도시는 도5에 제공된다.

도5는 회전 다이(44)와 앤빌(45) 사이에 한정된 회전 절단 접촉영역 내의 적층 웨브(50)의 일부분을 도시한다. 회전 다이(44)의 다이 블레이드(48)가 인접한 낱개의 캐소드 시트(52) 사이에 형성된 공간(53) 내에서 애노드 웨브 재료(54)를 관통하여 절단하는 것이 도시된다. 다이 블레이드(48)는 애노드 재료 층(54)을 완전히 관통하여 절단되지만, 박리식 라이너(51)는 단지 일부분만이 관통된다. 정밀 제어된 절단에 의해 박리식 라이너(51)는 거의 절단되지 않을 수도 있음에 주의해야 한다.

전술한 바와 같이, 도4에 도시된 제2 절단 스테이션(40)의 출구에서 박리식 라이너 상에 지지된 일련의 적층 유닛 셀 시트가 제조된다. 적층된 유닛 셀 시트들은 적재 장치에 의한 이후의 처리를 위하여 권취 롤 상에 감겨지거나, 연속적인 회전 변환/적재 작업의 일부분인 적재 장치로 직접 이송될 질 수도 있다.

전술한 바와 같은 애노드 웨브(123)와 캐소드 웨브(23)의 구성은 재료, 재료 층의 수, 및 그러한 재료 층의 정렬, 크기와 형상에 따라 변할 수도 있다. 예를 들면, 캐소드 웨브(23)는 양측에 캐소드 코팅을 가지는 알루미늄 포일로 구성될 수도 있다. 이 예에서, 애노드 웨브(123)는 폴리에틸렌/SPE/리튬 포일/SPE로 구성될 수도 있으며, 여기서 SPE는 고체 중합체 전해질(Solid Polymer Electrolyte)이다.

또 다른 예를 들면, 캐소드 웨브(23)는 캐소드/카본 코팅 알루미늄 포일/캐소드로 구성될 수도 있다. 이 예에서, 애노드 웨브(123)는 폴리에틸렌/SPE/리튬 포일/SPE로 구성될 수도 있다.

본 발명의 회전 변환 장치와 방법은 다양한 시트 재료를 적층하는데 이용될 수 있으며, 박막 전기화학 셀만으로 제한되지 않는다. 게다가, 회전 적층 공정은 제1 절단 스테이션(28)에 의하여 처리되는 웨브 재료 시트 사이에 반드시 공간을 형성할 필요는 없지만, 그러한 공간은 특정 용도(예를 들면, 박막 전기화학 셀의 제조)에 바람직하기는 하다.

본 발명의 적재 장치와 방법은, 예컨대 회전 적층 접촉영역을 사용함으로써 다양한 종류, 크기 및 형상을 갖는 적층된 제품들의 연속적인 적재를 제공한다. 일반적으로, 일련의 편평한 퍽, 팔레트 또는 캐리지가 닙을 통하여 연속적으로 운반되어 이 퍽의 상면에 시트 형상인 제품의 정확한 적층 스택이 쌓아진다. 제품 시트들은 계속적으로 연속적인 또는 교호적인 방법으로 박리식 웨브 라이너로부터 퍽으로 이동되어, 소정의 높이로 제품 시트들의 스택이 형성된다. 이하에서 적재 장치와 방법에 대한 여러 실시예가 설명되며, 이들 실시예는 일반적으로 "DL"[직접 적층(Direct Lamination)] 또는 "VL"[진공 적층(Vacuum Lamination)] 장치와 방법으로 분류된다.

DL 방법에 따르면, 제품 시트들은 직접 적층 방법으로 박리식 웨브 라이너에서 퍽으로 직접 이송된다. VL 방법에 따르면, 제품 시트들은 먼저 박리식 라이너에서 진공 롤로 이송되고, 그후 간접 적층 방법으로 퍽에 적층된다. 제품 시트들의 어느 한 측면은 점착성을 가질 수도 있다. 또한, 예를 들어 후크-루프(hook-loop), 정전기, 자기 또는 기계적 그리퍼 메커니즘을 사용함으로써, 비 점착 형태의 적재가 이루어질 수도 있다. 재료 층들을 조립하기 위한 본 발명의 회전 적층 공정(그 두 실시예가 DL 및 VL 방법임)에 의하면, 바람직하게도 적층 구조물 내에 공기가 제거된다.

적층 공정에 공급되는 제품은 박리식 라이너 상의 테이프의 형태일 수도 있다. 라이너에까지 형성된 제품 상의 소정 깊이의 절취부는 이 제품을 낱개의 제품 시트들로 분리시킨다. 일 방법에 있어서, 인접한 제품 시트 사이에는 공간이 없는 것으로 간주된다. 이는, 위드(weed)가 제거되는 전통적인 라벨링 방법에 비해 쓰 레기를 감소시킨다. 적재 공정은 제품 시트 길이의 미소 편차의 누적과 인접한 제품 시트들 사이의 공간의 부족을 수용하도록 설계될 수도 있다. 다른 방법에 있어서, 전술한 바와 같이, 인접한 다층 제품 시트의 적어도 몇개의 층 사이에 공간이 형성될 수도 있다.

이제 도6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서 연속적으로 제품 시트의 스택을 제조하기 위한 VL 적재 장치(120)가 도시된다. 이 실시예에 따르면, VL 적재 장치(120)로 공급되는 제품 웨브(135)는 전술한 바와 같은 상류의 회전 변환 장치(20)에 의하여 제조될 수 있다. 달리, 제품 웨브(135)는 독점적인 공급 롤에 의하여 제공될 수도 있다. 제품 웨브(135)는, 전술한 제2 절단 스테이션(40)에 의하여 제조된 바와 같은 제품 웨브(135)의 박리식 라이너에 박리가능하게 부착된 낱개의 제품 시트 또는 패키지(예를 들면, 전기화학 유닛 셀)를 포함하는 것으로 간주된다.

도6에 도시된 VL 적재 공정에 따르면, 일련의 이동 퍽(142)의 각각과 진공 롤(130) 사이에 적층 닙(147)이 형성된다. 바람직하게는 일측에 점착성 재료를 포함하는 낱개의 제품 시트 또는 패키지는 진공 롤(130)을 거쳐 접착면을 바깥으로 하여 닙(147)으로 운반된다.

제품 시트들은 기계가공 타이밍을 용이하게 하도록 진공 롤(130) 상에서 일정 간격을 유지한다. 제품 시트들은, 진공 롤(130)과 스트리퍼 롤(stripper roll; 134) 사이의 접촉영역에 형성된 소반경의 박리점에서 제품 웨브(135)의 박리식 라이너가 벗겨지면서 진공 롤(130) 상에 수용된다. 스트리퍼 롤(134)에서, 제품 시트들은 박리식 라이너로부터 떨어져나와 이격되면서 진공 롤(130) 위로 이송된다. 박리식 라이너는 권취 롤(124)로 이송된다.

진공 롤(130) 상의 6시 위치에서 제품 시트들은 진공 롤(130)로부터 떨어져나와 도6에 장방형으로서 일반적으로 도시된 퍽(142) 위에 스택으로 쌓인다. 도6은 진공 견인롤(130) 쪽으로 풀려지는 것으로 도시된 웨브 경로(웨브 경로1)를 도시한다. 이 웨브 경로는 회전 변환 장치(20)로부터 적재 장치(120)를 분리하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 회전 변환 장치(20)의 출구에서 제조된 적층 웨브는 하루에 감겨지고, 다음날 적재 장치(120)에 의해 풀려서 처리될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 퍽(142)은 연속적인 순환 방법으로 타이밍 벨트 또는 체인구동식 컨베이어(202)에 의해해 닙(147)으로 보내진다. 이 특별한 실시예에 있어서(도8을 참조할 수도 있음), 이격된 퍽(142)들은 소정의 방향으로 컨베이어(202)의 상부를 가로지르고, 컨베이어(202)의 일측부를 따른 원호 경로를 따라서, 컨베이어(202)의 바닥부를 지난 후, 컨베이어(202)의 다른 측부를 따른 원호 경로를 따라서 컨베이어(202)의 상부로 복귀한다. 퍽(142)은 컨베이어(202) 상의 연속 경로를 따라서 이동할 수도 있고, 또는 다른 방법에 따라서 왕복형 컨베이어를 사용함으로써 연속 경로를 따라서 이동할 수도 있다.

하나 이상의 VL 적재 장치(120)가 연속적으로 제품 시트의 스택을 제조하기 위하여 이용될 수도 있다. 예컨대 2개의 VL 적재 장치(120)를 사용하는 경우에, 각 적재 장치(120)는 동일하거나 상이한 크기/형상을 갖는 동일하거나 상이한 재료 층을 퍽(142)에 적층할 수도 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 도7a 및 도7b에 상세하게 도시된 바와 같이, 퍽(142)은 연속적인 순환 방식으로 왕복 컨베이어(146a)를 통해 도6에 도시된 닙(147)으로 보내진다. 이 실시예에 있어서는, 한 쌍의 왕복 리니어 모터(150a, 150b)가 퍽(142)의 평면 아래에서 작동한다. 제1 모터(150a)가 닙(147)을 향해 퍽(142)을 구동하는 동안에, 제2 모터(150b)는 대기한다.

제1 모터(150a)는 선두의 퍽(142)이 닙(147)에 진입하기 전에 이 선두의 퍽(142)의 속도와 위치를 조절한다. 선두 퍽(142)이 닙(147)에 진입하면, 제1 모터(150a)는 박리되고 대열에 있는 후속의 제2 퍽(142)을 맞물기 위하여 신속하고 빈 복귀 트립을 만든다. 제2 퍽(142)을 맞물기 위하여, 제1 모터(150a)는 이동 퍽(142)[즉, 대열에서 제1 퍽으로부터 퍽 하나 길이만큼 뒤에 있는 퍽(142)]과 속도와 위치를 일치시키고, 퍽(142)의 바닥으로부터 돌출한 그리퍼 홀드(gripper hold)를 쥐는 그리퍼(156)를 작동시킨다.

닙(147)을 빠져나가는 퍽(142)은 대열의 마지막으로 돌아가도록 컨베이어 루프에서 밀어진다. 이 퍽(142)은 왕복 컨베이어(146a)의 바닥 편평 측면에 놓인다. 예컨대, 리니어 베어링 가이드(154)에 의한 최종 컨베이어로부터 레일 또는 베어링부로의 이행시, 리니어 베어링 가이드(154)와 맞물릴 수 있도록 위치 공차가 필요하다. 일단 리니어 베어링 가이드(154) 위에 올려지면 퍽(142)은 자동으로 정렬된다.

직렬식 리니어 모터(150a, 150b)와 그리퍼(156)는 왕복적으로 이동하지만, 퍽(142)은 연속적으로 이동한다. 분당 약 300적층의 속도는 약 40m/s²의 모터 가속도에 의해 실현될 수 있다. 이러한 수준의 생산성은 상용되는 부품들을 이용하여 달성할 수 있다. 이 평가는 약 100mm의 길이를 가지는 퍽(142)을 기초로 한 것이며, 이는 분당 약 30미터의 공칭 선 속도를 제공한다.

도6에 또한 도시된 바와 같이, 필요시 광 센서(138,133)는 퍽(142)과 진공 롤(130) 상의 제품 시트를 감지한다. 일반적으로, 리니어 모터(150a, 150b)로는 위치 피드백을 위하여 선형 엔코더를 이용한다.

더 넓은 공정의 배경 내에서, 채워진 퍽(142)은 마무리 스테이션으로 보내지고, 반면에 빈 퍽(142)은 적재 루프에 삽입된다. 예를 들면, 배터리 또는 연료 전지와 같은 특정 종류의 제품을 정확하게 형성하기 위하여 상대적으로 높은 닙 압력이 요구될 수도 있다. 의료 제품과 패키지 용도에서는 그러한 높은 힘을 요구하지 않을 수도 있다. 도7a 및 도7b에 도시된 실시예는 총 힘이 600파운드(약 272.155kg) 이상이 될 수도 있는 닙(147)의 압력하에서 양호한 기계적 지지를 제공하도록 설계된다.

도7a 및 도7b에 도시된 바와 같이, 퍽(142)은 연속적으로 우로부터 좌로 이동한다. 닙(147)에서 퍽(142)은 라운드웨이(roundway) 베어링과 레일 상에 지지되거나, 기계가공된 홈 내를 활주하는 캠 종동체 상에 지지된다. 이들 중의 어느 것도 컨베이어(146a)와 리니어 베어링 가이드(154) 사이에서 퍽(142)이 이송되도록 한다. 이들 베어링 또는 캠 종동체는 리니어 모터 베어링과는 독립적으로 실시될 수도 있으며, 따라서 적층 부하를 견디는 데에 필요한 크기를 가질 수도 있다. 베어링 또는 캠 종동체는 퍽(142)과 함께 이동할 수도 있고, 또는 퍽(142)에 대한 "능동적인(active)" 트랙을 형성하도록 정지 배열될 수도 있다.

레일/가이드부 또는 적층 테이블(145) 앞에서 컨베이어(146a)는 공칭 선 속도로 퍽(142)의 전체 대열을 진행 방향으로 이동시킨다. 닙(147)의 수직 제어는 진공 롤부를 통해 이루어질 수도 있다. 퍽(142) 상에서 패키지 또는 제품의 높이가 증가하는 것을 수용하기 위해 수직 제어가 필요하다. 퍽(142)의 상부 또는 진공 롤(130) 자체는 연성 재료로 피복될 수도 있다.

리니어 모터(150a, 150b)를 이용하는 구성에 있어서, 리니어 베어링 가이드(154)는 코일과 그리퍼(156) 둘 다를 지지하는 독립적인 베어링을 지지한다. 리니어 베어링 가이드(154)가 적층력을 지지하기에 충분히 강하다면, 캠 종동체와 기계가공된 홈은 필요하지 않을 수도 있다. 이 경우에, 그리퍼(156)는 닙(147)을 완전히 통과하도록 퍽(142)을 운반할 것이고, 이는 궤도를 다소 더 길게 만든다.

또 다른 실시예에 있어서는, 진공 롤(130)이 사용되지 않을 수 있다. 퍽(142)은 박리 스테이션 아래로 바로 보내지거나, 또 다른 시트 공급 메커니즘으로 바로 보내져, 여기서 제품 시트의 선단부가 스택의 선단부와 결합된다. 이 방법은 라벨링 기계에서 이용되는 방법과 유사하다. 퍽은 그후 적층을 완료하도록 닙을 통해 이동될 수 있다.

도8은 제품 시트를 직접 적층 방법으로 박리식 웨브 라이너로부터 퍽(142)으로 이송하는 직접 적층 장치(190)의 실시예를 예시한다. 도8에 도시된 직접 적층 장치(190)는 컨베이어(202)를 포함하며, 이 컨베이어(202)의 주위에는 다수의 퍽 또는 캐리지(142)가 순환식으로 이동한다.

이 특별한 실시예에 있어서, 이격된 퍽(142)들은 소정의 방향으로 컨베이어(202)의 상부를 가로지르고, 컨베이어(202)의 일 측부를 따른 원호 경로를 따라서, 컨베이어(202)의 바닥부를 지난 후, 컨베이어(202)의 다른 측부를 따른 원호 경로를 따라서 컨베이어(202)의 상부로 복귀한다. 퍽(142)은 VL 방법과 관련하여 전술한 방법으로 컨베이어(202) 상의 연속적인 경로를 따라서 이동할 수도 있다. 또한, DL 방법은 전술한 종류의 왕복 컨베이어를 선택적으로 이용할 수도 있다.

도8에 도시된 바와 같이, 닙(214)은 퍽(142)이 적층 롤(212)에 근접하게 이동할 때에 각각의 퍽(142)과 적층 롤(212) 사이에 형성된다. 이 실시예에 있어서, 제품 웨브(213)는 공급 롤(210)로부터 풀려지고, 퍽(142)이 적층 롤(212)에 근접하게 이동할 때에 각 퍽(142)과 적층 롤(212) 사이에 형성된 닙(214)으로 보내진다. 하나 이상의 지지 롤러(201)는 적층 롤(212)과 퍽(142) 사이에 형성된 상대적으로 높은 적층력을 제공하기 위하여 컨베이어(202) 상에 배치될 수도 있다.

각각의 퍽(142)이 적층 롤(212)에 근접하게 통과하여 닙(214)을 형성함에 따라, 전기화학 유닛 셀 시트와 같은 제품 시트(216)는 웨브에서 퍽(142)으로 이송된다. 이 퍽(142)은 적층 롤(212)로부터 멀리 컨베이어를 따라서 이동하고, 다음의 퍽(142)은 적층 롤(212)에 근접하게 이동하여 닙(214)을 형성한다. 제품 시트(216)는 웨브로부터 상기 퍽(142)으로 이송된다. 이 공정은 적층 롤(212) 아 래에서 왕복운동하는 각각의 퍽(142) 위에 제품 시트의 스택을 구축하기 위하여 다수 반복된다. 퍽(142) 상에서 패키지 또는 제품의 높이가 증가하는 것을 수용하기 위해 닙(214)이 수직으로 제어된다.

컨베이어(202)에 고정되어 있는(또는 컨베이어(202) 위에서 이동하는) 퍽(142)이 하나의 제품 시트/스택의 길이보다 큰 길이를 가지는 것이 바람직하나 필수적인 것은 아니다. 일 실시예에 있어서, 퍽(142)의 길이는 약 4인치(약 10.16cm)[예를 들면, 4.09인치(약 10.389cm)]이고, 퍽(142)의 폭은 약 6인치(약 15.24cm)[예를 들면, 5.91인치(약 15.011cm)]이다. 낱개의 퍽(142)들 사이의 간격은 하나의 제품 시트/스택 길이와 대략 동일하다.

일 실시예에 따르면, 제품 웨브(213)는 0 내지 10미터/분 사이의 속도로 이동할 수 있다. 제품 웨브 폭은 약 8인치(약 20.32cm)일 수 있다. 제품 시트들은 약 17인치(약 43.18cm)까지의 길이를 가지는 전기화학 유닛 셀 시트일 수 있다.

도8에 도시된 실시예에 있어서는, 단지 하나의 적층 스테이션만이 이용된다. 따라서, 웨브에 박리가능하게 부착된 제품 시트들은 하나씩 걸러서 퍽(142)으로 이송되고, 나머지 제품 시트들은 웨브에 부착된채로 남는다. 이러한 사용되지 않은 제품 시트들은 DL 장치(190)를 통한 첫번째 통과 동안에 라이너로 감겨지고, 각각의 퍽(142)으로 나머지 제품 시트를 이송하도록 두번째 통과됨으로써 100% 이용될 수 있다.

퍽(142)에 적층된 제1 제품 시트층의 상부와 제품 시트의 비점착부의 부착력은 웨브의 박리식 라이너로부터 제품 시트를 용이하게 잡아뗄 수 있도록 충분히 높 아야 한다. 퍽(142)의 상부에 대한 제1 층의 바닥부의 부착력은 공정의 나머지 동안 스택을 고정시킬 수 있도록 충분히 높지만 필요시에는 쉽게 박리될 수 있어야 한다. 전기화학 셀 구조물의 경우에, 예를 들면, 상기 제1 층은 점착성 전해질/리튬 포일/점착성 전해질 구조물일 수도 있고, 퍽(142)의 상부는 비활성의 박리가능한 유전 재료의 박층을 포함할 수 있다. 이 경우에, 각각의 후속 층은 일반적으로, 캐소드/전류 콜렉터/캐소드/전해질/리튬 포일/전해질 구조물을 가진다.

일 실시예에 있어서, 웨브의 박리식 라이너에 대한 제품 시트의 부착력은 일반적으로 약 2그램/인치 내지 약 100그램/인치 사이의 범위를 갖는다. 제품 시트 대 제품 시트의 부착력은 일반적으로 약 300그램/인치 내지 약 1200그램/인치 사이의 범위를 갖는다.

DL 적층 공정에서 제1 층과 후속 층 사이의 차이로 인해, 모든 퍽(142)이 1차로 닙(214)을 통고한 후에 롤의 변경 또는 스플라이스(splice)가 필요할 수도 있다. 제품 스택이 완료된 후 퍽(142)은 비워진다. 이는 자동 언로딩 방법을 사용하거나 또는 수동으로 용이하게 이루어질 수 있다. 퍽(142)으로부터 제품 스택을 분리하는 것은, 예를 들면 퍽 표면과 인접한 제품 스택층 사이에 전술한 비활성의 박리가능한 유전 재료의 박층과 같은 박리식 접착제를 사용함으로써 실현될 수도 있다. 또 다른 실시예에 의하면, 적재 공정 동안에 퍽 표면에 제품 스택을 고정시키기 위하여 사용될 수 있는 진공 메커니즘은, 퍽으로부터의 제품 스택의 언로딩이 용이하도록 제품 스택 상에 배압을 만들기 위하여 작동될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 적층 롤(212)은 고무로 피복된다. 퍽(142)은 기본적으 로 편평하고 단단하다. 고무로 피복된 적층 롤(212)은 닙(214)에서 변형되므로, 제품 스택은 실질적으로 편평하고 비교적 응력을 받지 않은 채로 유지되는데, 이는 일반적으로 바람직하다. 퍽(142)의 상부에 제공된 코팅은 단락된 셀로부터 퍽(142)으로의 열전달을 허용하도록 충분히 얇을 수 있고, 이는 그러한 단락의 발생시에도 안전하다는 이점을 갖는다. 또한 이 실시예에서는, 박리식 라이너가 박리점 주위에서 구부러지지 않기 때문에, 라이너를 재사용될 수 있어 비용이 절감된다. 또한, 제품 시트들은 퍽(142) 또는 웨브 라이너 중의 하나 또는 둘 다와 항상 확실하게 접촉하기 때문에, 정렬(또는 정합)된 상태로부터 잘 벗어나지 않는다. 게다가, 이 실시예에 따르면 진공 롤러가 필요하지 않으므로, 추가로 비용이 절감된다.

바람직하게는, 퍽 센서와 제품 센서들이 스택의 증가하는 높이를 수용하기 위해 DL 적층 롤(212)의 위치를 조절하고, 퍽(142) 상의 제품 시트의 정합을 유지하는데 사용된다. 이들 센서는 체인 드라이브의 위치와 속도의 미세한 조절을 용이하게 하므로, 웨브에 부착된 제품 시트에 대한 퍽(142)의 위치와 속도의 미세한 조절을 용이하게 한다. 타이밍 벨트 또는 기타 서보 시스템이 체인구동식 컨베이어(202) 대신에 사용될 수도 있고, 퍽(142)이 컨베이어(202)에 반드시 고정될 필요는 없다.

도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2개의 적층 스테이션(202 및 204)을 포함하는 DL 장치(200)를 예시한다(예를 들면, 단일 제품 웨브, 이중 적층 스테이션). 도9는 왼쪽으로부터 오른쪽으로 진행하는 DL 공정을 도시한다. 2개의 적층 스테이션(202 및 204) 각각은, 캐리지 웨브(213)에서 한 세트의 왕복 퍽(142)으로 이송되는 제품 시트(216)를 번갈아 적층한다. 더 상세하게는, 제1 적층 스테이션(202)은 제품 시트를 하나 걸러서 자체의 각 퍽(142)으로 이송하는 한편, 제2 적층 스테이션(204)은 나머지 제품 시트를 자체의 각 퍽(142)으로 이송한다. 도9에 도시된 실시예에 있어서, 적층 스테이션(202, 204)의 각각은 체인구동식 컨베이어(146b, 146c)를 포함한다.

제품 시트(216)의 캐리지 웨브(213)는 공급 롤(210)로부터 풀려진다. 절단된 제품 시트(216)의 캐리지 웨브(213)는 전술한 바와 같이 회전 변환 장치와 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 캐리지 웨브(213)는 제1 적층 스테이션(202)에서 각각의 퍽(142)과 제1 적층 롤(212) 사이에 형성된 닙(214)을 연속적으로 통과한다. 제1 적층 스테이션(202)의 컨베이어(146b) 위로 이동하는 퍽(142)들 사이에 제공된 간격 때문에, DL 공정 중에 캐리지 웨브(213)가 공급 롤(210)로부터 풀려지고 권취 롤(222) 상에 감겨짐에 따라 제품 시트(216)는 캐리지 웨브(213)에서 퍽(142)으로 하나 걸러 이송된다.

제2 적층 스테이션(204)에서 제2 닙(215)은 컨베이어(146c) 주위를 왕복운동하는 각각의 퍽(142)과 제2 적층 롤(220) 사이에 형성된다. 제1 적층 스테이션(202)을 통과한 후에 캐리지 웨브(213) 위에 나머지 제품 시트(216)는 제품 웨브(213)로부터 제2 적층 스테이션(204)의 퍽(142)으로 이송된다. 이에 따라, 제품 시트의 스택이 연속적인 DL 공정 동안에 2개의 적층 스테이션 각각에서 퍽 위에 형성된다. 캐리지 웨브(213)에 박리가능하게 부착된 제품 시트(216)는 인접한 제품 시트(216)들 사이에 간격이 있거나 없는 상태로 캐리지 웨브(213) 위에 배치될 수 있음에 주의해야 한다.

둘 이상의 적층 스테이션이 이용될 수도 있고, 웨브 속도, 제품 시트 크기와 퍽 간격과 같은 공정 파라미터들이 적층 스테이션의 추가가 용이하도록 적절하게 조절될 수 있음이 이해될 것이다. 바람직하게는, 퍽 센서와 제품 센서가 퍽(142) 상의 제품 시트의 정합을 유지하기 위하여 사용된다. 이들 센서들은 독립적으로 컨베이어(146b, 146c)(예를 들면, 체인 드라이브)의 속도와 위치의 미세한 조절을 용이하게 한다. 타이밍 벨트 또는 기타 서보 시스템이 체인구동식 컨베이어(146b, 146c) 대신에 선택적으로 사용될 수도 있다.

도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DL 장치(201)를 예시한다. 이 실시예는 이중 적층 스테이션-단일 컨베이어 DL 장치의 예이다. 도시된 바와 같이, DL 장치(201)는 컨베이어(221)를 포함하는 단일 적층 스테이션(203)을 포함한다. 제품 시트(216)의 웨브(213)는 공급 롤(210)로부터 풀려지고, 제1 적층 롤(212)과 일련의 왕복 퍽(142) 사이를 통과한다. 교호 제품 시트(216)는 제1 닙(214)에서 웨브(213)로부터 이동 퍽(142)으로 하나 걸러 이송된다. 나머지 제품 시트(216)는 제2 적층 롤(220)과 각각의 퍽(142) 사이에 형성된 제2 닙(215)에서 이동 퍽(142)으로 이송된다. 박리식 라이너는 그후 권취 롤(222) 상에 감겨진다.

도10에 도시된 장치(201)를 이용하는 DL 방법에 따르면, 캐리지 웨브(213)는, 하나의 스택에서 캐소드/전류 콜렉터/캐소드 구조물과 세퍼레이터/애노드/세퍼레이터 구조물의 시트가 교대로 결합된 미리 절단된 전기화학 유닛 셀 시트(216)가 박리가능하게 지지된 박리식 라이너이다. 선택적으로, 캐리지 웨브(213)는, 하나의 스택에서 세퍼레이터/애노드/세퍼레이터 구조물과 캐소드/전류 콜렉터/캐소드 구조물이 시트가 교대로 결합하는 미리 절단된 전기화학 유닛 셀 시트(216)를 지지할 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 제품 웨브(213)는 0 내지 10미터/분 사이의 속도로 이동할 수 있다. 제품 웨브의 폭은 약 8인치(약 20.32cm)일 수 있다. 유닛 셀 시트는 약 17인치(약 43.18cm)까지의 길이를 가질 수 있다.

도10은 또한 전술한 도8 및 도9에 도시된 바와 같은 다른 실시예에도 사용될 수 있는 몇 개의 추가 구성요소들을 도시한다. DL 장치(201)는 웨브가 인장롤(219) 위를 통과할 때 웨브 정렬을 돕도록 웨브 가이드(223)를 포함할 수도 있다. 소정의 온도로 제품 시트(216)를 가열하기 위하여 적외선 히터(232)가 사용될 수도 있다. 체인 드라이브/컨베이어(221) 및/또는 퍽(142)의 위치와 속도 및 캐리지 웨브(213) 상의 제품 시트(216)의 위치를 탐지하기 위하여 광 센서와 같은 정렬 센서(234)가 이용될 수도 있다. 컨베이어(221)는 DL 공정 중 컨베이어 속도의 조절을 용이하게 하는 하나 이상의 서보 제어식 구동 롤러(211)를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서와 같이, 퍽(142) 상의 패키지 또는 제품의 높이가 증가하는 것을 수용하기 위하여 적층 롤(214, 215)이 수직 제어된다. 달리, 셀 높이는 퍽의 높이를 조절함에 의하여 조절될 수 있다.

도11은 본 발명의 원리에 따른 DL 장치(300)의 또 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에 따르면, 다수의 제품 웨브(306, 322)가 다수의 적층 닙(214, 215)을 각각 통과함으로써, 일련의 연속적으로 이동하는 왕복 퍽(142) 상에 패키지 또는 시트 제품의 스택을 구성한다. 도시된 바와 같이, 제품 웨브(306)는 제품 웨브(326)에 제거가능하게 부착된 제품 시트와는 다른 제품 시트를 포함하지만, 두 제품 웨브(306, 326)는 동일한 종류의 제품 시트를 지지할 수도 있다. 또한 도시된 바와 같이, 각 제품 웨브(306, 326)는 단지 하나의 관련된 적층 닙(214, 215)을 구비하고, 이에 따라 제품 시트는 하나씩 걸러서 각각의 닙(214, 215)에서 각각의 퍽(142)으로 이송된다. 2개의 적층 닙이 각각의 제품 웨브(306, 326)를 위하여 제공되어, 주어진 웨브의 모든 제품 시트가 단일의 통과 동안에 각각의 퍽으로 이송될 수도 있다. 또한, 2 이상의 적층 닙이 각각의 제품 웨브(306, 326)를 위하여 제공되어, 주어진 웨브의 모든 제품 시트가 단일의 통과 동안에 각각의 퍽으로 이송될 수도 있다.

이 실시예에 따른 DL 방법을 실행함으로써 얻을 수 있는 이점은, 제품 시트가 퍽(142)으로 먼저 이송되는 것과는 상관 없이 웨브(306, 326) 상에 지지된 각각의 제품 시트를 교대로 적층할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 제품 웨브(306)는 세퍼레이터/리튬 포일/세퍼레이터 구조물을 포함하는 전기화학 애노드 제품 시트를 박리가능하게 지지할 수도 있다. 제품 웨브(326)는 캐소드/전류 콜렉터/캐소드 구조물을 포함하는 전기화학 캐소드 제품 시트를 박리가능하게 지지할 수도 있다. 예를 들면, 애노드 제품 시트가 퍽(142)에 먼저 적층된 후에 캐소드 제품 시트가 적층됨으로써 교호적인 애노드/캐소드 제품 시트의 스택을 구성할 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 제품 웨브(306)는 0 내지 10미터/분 사이의 속도로 이 동할 수 있다. 제품 웨브의 폭은 약 8인치(약 20.32cm)일 수 있다. 유닛 셀 시트는 약 17인치(약 43.18cm)까지의 길이를 가질 수 있다. 제품 웨브 공급 롤(302 및 322)은 각각 약 18인치(약 45.72cm)까지의 직경을 가질 수 있다.

이제 도12a 및 도12b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적재/적층 장치(500)를 예시한다. 이 실시예에 따르면, 적재/적층 장치(500)는 고 정밀도로 재료의 적층 스택을 만드는데 이용될 수도 있다. 적재/적층 장치(500)에 의하여 처리되는 재료는 다른 크기와 연성을 가지는 재료 층들을 포함할 수도 있다.

도12a 및 도12b에 도시된 실시예에 따르면, 적층 롤로부터 퍽까지 제품 시트가 이송되는 동안에 퍽이 이동할 필요는 없다. 퍽은 컨베이어에 부착될 수도 또는 부착되지 않을 수도 있으나, 이 실시예에 있어서 컨베이어는 적층 또는 스택 형성 공정 동안에 이작할 필요는 없다. 롤러는 퍽을 가로질러 이동되며 위치(A)와 위치(B) 사이에서 동시에 회전되고, 이에 따라 롤러의 표면 상의 한 지점이 각 패스의 동일한 위치에서 퍽과 접촉한다. 롤은 이 롤의 표면 상의 고정 위치에서 분할된 제품 시트를 유지할 수 있다. 이는 진공, 정전기 또는 접착제에 의하여 실현될 수도 있다.

적재/적층 장치(500)는 퍽의 표면으로부터 적층 롤의 표면까지의 거리를 제어하는 조절가능한 메커니즘을 가진다. 스택 높이가 증가함에 따라 거리는 증가된다. 롤은 분할된 제품 시트 또는 라이너 시트에 의하여 지지된 분할된 제품 시트를 퍽까지 이송할 수도 있다. 적재/적층 장치(500)는 두 개의 상이한 적층물 또는 적층 복합물을 하나의 스택으로 정밀하게 정렬하여 적층하도록 설계된다. 각 적층 물의 팔레트는 적층 전에 적층물의 픽업을 위하여 기계의 한쪽 단부에 부착될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 적재/적층 장치(500)는 재료를 위치시키고 고정시키기 위하여 진공 롤(502)을 이용한다. 재료의 위치 선정은 진공 롤(502) 상의 참조용 마크를 사용하여 이루어진다. 재료의 조각이 정확한 배치를 위한 롤 참조용 마크를 사용하여 진공 롤(502) 상에 배치된 후, 진공 롤(502)은 핸들(504)로 이를 회전시킴으로써 구동된다. 진공 롤(502)은 회전시 위치 일치를 위한 장치(506) 위로 전진한다.

이러한 상호작용으로 인해, 진공 롤(502)에 의하여 운반된 재료의 조각은 적층퍽(508) 상의 동일한 위치에 항상 제공되고, 이 위치에서 적층이 일어난다. 조각 재료가 진공 롤(502)의 유지력보다 큰 힘으로 적층퍽(508) 또는 재료의 후속 층에 부착되기 때문에, 재료의 조각은 진공 롤(502)로부터 분리되어 적층퍽(508)으로 이송된다. 그 후 재료의 제2 층이 진공 롤(502) 상의 다른 세트의 참조용 마크(이러한 참조용 마크는 주어진 공정을 위한 적절한 적층 요건에 따라 좌우됨)에 따라서 진공 롤(502) 상에 배치되고, 재료의 증가하는 스택에 역방향으로 적층된다. 스택이 증가하면, 나사 잭(510)이 핸들(513)을 통해 작동되어, 공차를 위하여 적층 스택의 높이를 낮추고 일정한 적층 압력을 유지한다.

추가로, 적재/적층 장치(500)는 조절가능한 테이블(505)과 스테이션 적층 개구(503)를 가지는 스테이션(501)을 포함한다. 상면(507)을 가지는 조절가능한 테이블(505)은 수직방향(예를 들면, 높이), 횡방향, 축방향의 축(예를 들면, x, y, z 축)에 대하여 조절될 수도 있고, 추가로 요(yaw)에 대하여 조절될 수도 있다. 조절가능한 테이블(505)은 스테이션(501)과 일체로 이 스테이션(501) 내에 배치될 수도 있고, 스테이션(501)의 스테이션 적층 개구(503) 아래에 배치될 수도 있다. 장치는 조절가능한 테이블의 상면(507)에 부착된 퍽(508)을 더 포함한다. 퍽(508)은 조절가능한 테이블 상면 이동과 상관하여 이동가능하다. 위치(A)와 위치(B) 사이에서의 이동을 위하여 회전가능한 적층면(502)이 제공되고, 회전가능한 적층면(502)에 퍽(508)의 위치를 일치시키기 위한 장치(506)를 포함한다.

이 실시예에 따르면, 제1 제품 이송 장치는 캐소드 적층 구조물과 같은 제1 제품 시트를 회전가능한 적층면(502)에 공급한다. 제2 제품 이송 장치는 애노드 적층 구조물과 같은 제2 제품 시트를 회전가능한 적층면(502)에 공급한다. 제1 및 제2 제품 이송 장치는 회전가능한 적층면(502)과 협동하여, 스테이션(501)의 양 단부로부터 퍽(508)으로 각각의 제1 시트와 제2 시트 각각을 반복적이고 교호적으로 이송함으로써, 퍽(508) 상에 교호적인 제1 및 제2 제품 시트가 교대로 적층된 스택을 제조한다.

시트들은 진공, 접착제, 정전기 또는 이들 방법의 조합을 사용함으로써 회전가능한 적층면(502)에서 유지될 수 있다. 일 방법에 따르면, 회전가능한 적층면(502)에 적층퍽(508)의 위치를 일치시키는 것은 랙과 피니언 장치(506)를 사용하여 실현된다. 예를 들면, 가이드 롤러를 갖는 롤러 베어링, 선택하여 배치하는 장치 또는 다른 기어/벨트 어셈블리와 같은 다른 위치 일치 또는 조절 메커니즘이 이용될 수도 있다.

조절가능한 테이블의 상면(507)과 회전가능한 적층면(502)의 이동은 수동으로 이루어질 수도 있다. 선택적으로, 조절가능한 테이블의 상면(507)과 회전가능한 적층면(502)의 이동은 하나 이상의 제어가능한 전기 모터 등을 사용하여 전체적으로 또는 부분적으로 자동화된 방법으로 수행될 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 퍽(508)의 전체 또는 일부분은 단열 및 전기 절연 재료로부터 형성된다. 퍽(508)은, 예를 들면 x, y, z 위치 지시기(indicator)와 요(yaw) 지시기와 같은 위치 지시기를 구비할 수도 있다. 제품 이송 장치는 단일 또는 다층 시트들의 하나 이상의 웨브를 포함할 수도 있고, 시트들은 박리식 라이너를 포함할 수도 있다. 제품 이송 장치는 회전가능한 적층면(502)에 시트를 수동 공급하기 위한 하나 이상의 수동 시트 공급 장치를 포함할 수도 있다.

다양한 종류, 크기와 형상을 갖는 광범위한 재료가 본 발명의 원리에 따른 회전 변환 및/또는 적재 장치와 방법에 의하여 처리될 수도 있음이 이해될 것이다. 본 발명의 원리들은, 예를 들면 적층 연료 전지의 구성에 적용될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 양성자 교환 막 연료 전지, 센서, 전해조, 염화-알칼리 분리 막 등을 포함하는 전기화학 장치들은 막 전극 어셈블리(MEAs; Membrane Electrode Assemblies)로부터 구성될 수도 있다. 그러한 막 전극 어셈블리는, 이온 전도성 막과 접촉하는 플라티늄(Pt)과 같은 전해질 전극 재료를 포함하는 적어도 하나의 전극부와 결합한다. 이온 전도성 막(ICMs)은 고체 전해질과 같은 전기화학 전지에 자주 사용된다.

일반적인 연료 전지에서, 예를 들면 이온 전도성 막(ICM)은 캐소드와 애노드와 접촉하고, 애노드에서 형성된 이온을 캐소드로 수송하여, 전극들을 접속하는 외부 회로에서 전류가 흐르게 한다. 연료 전지, 센서, 전해조 또는 전기화학 리액터와 같은 전기화학 전지의 중심 구성요소는 3층 막 전극 어셈블리 또는 막 전극 어셈블리(MEA)이다. 막 전극 어셈블리(MEA)는 가장 일반적으로 2개의 촉매 전극을 포함하며, 이 두 촉매 전극 사이에는 이온 전도 전해질, 바람직하게는 고체 중합체 전해질이 삽입된다. 결국, 이러한 3층 MEA는 2개의 다공성 전기 도전 요소(전극 베이킹 층(EBLs)으로 불림)들 사이에 삽입되어 5층 MEA를 형성한다.

본 발명의 장치와 방법은, 예를 들면 서로 정합된 상태로 ICM에 캐소드와 애노를 결합하기 위하여, 그리고 후속 단계에서 5층 MEA를 형성하도록 각각의 캐소드측과 애노드측 EBLs에 3층 MEA를 결합하기 위하여 사용될 수 있다. 달리, 5층 MEA의 미리 형성된 서브어셈블리들이 완성된 MEA를 형성하기 위하여 서로 결합될 수 있다. 예를 들면, 전극 층이 결합되는 EBL을 포함하는 서브 어셈블리가, ICM을 지지하는 제2 전극이 결합되는 EBL을 포함하는 서브 어셈블리에 결합될 수 있다.

다른 종류의 적층 스택이 본 발명의 원리에 따라서 제조될 수도 있다. 도13 내지 도18은 본 발명의 회전 변환 및/또는 VL/DL 적재 방법을 사용하여 제조될 수 있는 다른 몇 종류의 적층 스택을 도시한다.

도13은 다색 시트 재료의 적층 스택을 예시한다. 다층의 채색 또는 인쇄된 시트는 함께 적층되고 소정의 형상으로 절단된 후 스택될 수 있다. 예를 들면, 배면측의 일부분에 접착제를 포함하며 각각 독특한 칼라를 가지는 5개의 다른 제품 웨브가 함께 적층되어 소정의 형상으로 절단될 수 있다. 이 스택은 다수의 적층물 이 쌓여질 때까지 재순환하는 퍽 상에 배치될 수도 있고, 이 적층물이 다 쌓여지면 각 퍽은 재순환 루프로부터 벗어나고 빈 퍽에 의하여 대체된다.

도14는 배면의 일부분이 접착제를 가지는 단색 시트의 종이 또는 필름의 다층을 도시하며, 이들 층은 함께 적층되고 제1 절단 스테이션(예를 들면, 회전 다이 스테이션)에서 소정의 형상으로 절단된다. 절단된 스택은 퍽 상에 배치된다. 제2 웨브 라인에서, 배면의 일부분이 접착제를 갖는 제2 칼라의 다층은 함께 적층되고 제2 절단 스테이션에서 소정의 형상으로 절단된다. 이 절단된 스택은 제1 절단 스테이션에서 절단된 스택을 갖고 있는 퍽 상에 배치된다.

이 공정은, 예를 들면 총 5개의 독립적인 웨브 라인에 대하여 계속될 수도 있다. 퍽은 스택이 만들어지는 순서에 따라 웨브 라인에서 웨브 라인으로 이동한다. 하나의 패드가 완성되면, 각각의 퍽은 적재 장치로부터 이동되고 빈 퍽으로 대체된다. 완성된 퍽은 포장부(packout section)로 이동된다.

도15는 도14에 도시된 것과 유사한 제품 스택 또는 패드를 예시한다. 도15에 도시된 제품 스택은 타원 형상이고, 반면에 도14에 도시된 제품 스택은 정방형 또는 장방형 형상을 갖는다. 도14 및 도15에 도시된 제품 스택의 형상은 필요에 따라 변할 수도 있다.

도16은 도14 및 도15에 도시된 것과 유사하지만 다양한 형상의 층을 갖는 또 다른 제품 스택 또는 패드를 예시하고, 시트(예를 들면, 종이 또는 필름)의 칼라는 변할 수도 또는 변하지 않을 수도 있다. 도17은 도14 및 도15에 도시된 것과 유사한 제품 스택을 도시하지만, 각 시트가 다른 형상을 가지고 한번에 하나의 시트만 이 퍽에 배치된다. 5개 이상의 독립적인 절단 스테이션이 필요할 수도 있는 다수의 형상을 가질 수도 있다.

도18은 본 발명의 원리에 따라서 적재된 의료 드레싱(medical dressing)의 팩을 도시한다. 바닥 웨브는 무균 패키지의 바닥 시트로서 작용하는 동시에, 제품을 위한 라이너로서도 작용한다. 패턴을 갖는 접착제는 비 라이너 측의 패키지 웨브 상에 코팅된다. 의료 드레싱은 이 공정으로부터 상류로 옮겨지고, 각 드레싱은 절단되어 라이너/패키지 웨브 위에 배치된다. 이 패키지 웨브는 절단되어, 재순환하는 퍽 위에 배치되고, 패키지 웨브 상의 또 다른 드레싱은 절단되고 스택의 상부에 배치된다. 이러한 공정이, 예를 들면 10과 50번 사이에서 반복될 수 있다.

일단 모든 드레싱이 퍽 상에 배치되면 상부 패키지 웨브가 스택의 상부에 부착되어, 스택의 상부 상의 드레싱의 상부 필름의 역할을 한다. 제품을 사용하기 위해서는, 상부 웨브가 제거되고, 이에 의하여 드레싱이 노출된다. 일단 드레싱이 제거되면 이전의 드레싱을 위한 바닥 패키지 웨브/제품 라이너는 이제 다음 제품을 위한 상부 패키지 웨브가 된다.

본 발명의 여러 실시예에 대한 전술한 기재는 예를 들어 설명하기 위한 것이다. 이러한 기재로 본 발명이 한정되거나, 이러한 기재가 본 발명을 모두 나타내는 것은 아니다. 많은 수정과 변형이 상기 기재로부터 이루어질 수 있다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 의하여 한정되지 않고 첨부된 청구범위에 의하여 한정된다.

Claims (37)

1. 일련의 박막 전기화학 유닛 셀을 제조하는 방법이며,

   제1 속도로 이동하는 캐소드 적층 구조물을 포함하는 웨브(캐소드 웨브)를 일련의 캐소드 시트로 절단하는 단계와,

   제1 속도와 동일하거나 더 빠른 제2 속도로 상기 각각의 캐소드 시트를 이동시키는 단계와,

   애노드 웨브 또는 캐소드 시트 중의 어느 하나 또는 둘 다를 가열하는 단계를 포함할 수 있으며, 인접한 캐소드 시트들 사이에 공간을 가지는 적층된 유닛 셀을 제조하기 위하여, 제2 속도로 이동하는 애노드 적층 구조물을 포함하는 웨브(애노드 웨브)에 제2 속도로 이동하는 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계와,

   일련의 유닛 셀 시트를 제조하기 위하여, 적층된 애노드 웨브를 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간 내에서 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전기화학 유닛 셀의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   i. 캐소드 웨브를 절단하는 단계는 캐소드 웨브의 일부분을 절단하고 잉여의 캐소드 웨브를 제거하는 단계를 포함하며, 캐소드 웨브를 절단하는 단계는 캐소드 웨브를 회전가능하게 절단하는 단계를 선택적으로 포함하는 것과,

   ii. 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는, 제2 속도로 애노드 웨브를 회전가능하게 이동시키는 단계를 더 포함하는 것과,

   iii. 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는, 제2 속도로 각각의 캐소드 시트를 회전가능하게 이동시키면서 제2 속도로 애노드 웨브를 회전가능하게 이동시키는 단계를 더 포함하는 것과,

   iv. 각각의 캐소드 시트는 0.25인치(0.635cm) 내지 24인치(60.96cm) 사이의 길이(L)로 한정되는 것과,

   v. 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간(S)은 0.015인치(0.038cm) 내지 0.4인치(1.016cm) 사이인 것과,

   vi. 제1 속도에 대한 제2 속도의 비는 1.005 내지 1.05 사이인 것과,

   vii. 제1 속도는 분당 5피트(1.524m) 내지 분당 500피트(152.4m) 사이이고, 제2 속도는 분당 5.025피트(1.532m) 내지 분당 525피트(160.02m) 사이인 것과,

   viii. 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계는, 각각의 캐소드 시트의 일부분이 애노드 웨브의 애노드 적층 구조물의 적어도 일 가장자리를 지나서 연장함으로써 이들 사이에 적층 오프셋을 제공하도록 애노드 웨브에 각각의 캐소드 시트를 적층하는 단계를 더 포함하는 것과,

   ix. 적층된 애노드 웨브를 절단하는 단계는, 인접한 캐소드 시트들 사이의 공간을 탐지하는 단계를 더 포함하는 것 중 적어도 하나를 포함하는 박막 전기화학 유닛 셀의 제조 방법.
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