KR101528000B1 - 2차전지 전극코팅량 자동제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극의 코팅량을 실시간으로 측정하여 코팅 오차를 보정하여 신뢰성있는 코팅을 구현할 수 있는 제어시스템에 관한 것으로, 한 쌍의 다이의 간격을 통해 코팅액 토출 유로가 형성되는 코팅모듈과 상기 다이의 간격을 조절하는 서보모터구동부 및 상기 코팅모듈에서 토출되는 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하고, 측정된 값을 기준으로 상기 서보모터 구동부를 제어하여 코팅량을 자동으로 조절하는 코팅량제어부를 포함하는 2차전지 전극코팅량 자동제어시스템을 제공할 수 있도록 한다.

Description

2차전지 전극코팅량 자동제어시스템{Control system for adjusting coating amount in secondary battery electrode}

본 발명은 전극의 코팅량을 실시간으로 측정하여 코팅 오차를 보정하여 신뢰성있는 코팅을 구현할 수 있는 제어시스템에 관한 것이다.

일반적으로 두께가 얇은 필름(이하에서는 코팅하고자 하는 기재라는 의미로 '필름'이라는 용어를 사용하며, 기재는 알루미늄 박판(薄板), 동(銅) 박판, 폴리에스테르 등으로 된 필름, 글라스 등이다)의 일측면 또는 양측면에 용액이나 슬러리 형태의 코팅액(이하에서는 용액과 슬러리를 모두 포함하는 의미로 '코팅액'이라는 용어를 사용한다)을 일정한 두께로 코팅하는 경우, 코팅 방식은 크게 다이 코팅(die coating) 방식과 롤 코팅(roll coating) 방식으로 구분되는데, 롤 코팅 방식은 코팅액과 접하도록 롤을 설치하고, 코팅하고자 하는 필름이 롤과 접촉하면서 통과하게 하여 롤과의 접촉면에 코팅액을 일정 두께로 도포시키는 방식이다.

또 다이 코팅 방식은, 코팅액을 넓은 면적에 비교적 얇게 도포하는 장치로 다이 코터(Die coater)를 사용하는데, 다이 코터는 일방으로 길게 형성되는 슬롯 다이가 형성되어 있다. 슬롯 다이는 만년필에서 잉크가 펜촉 끝으로 나오듯이 슬롯 다이의 두 쪽으로 나뉜 단부(端部)의 틈(슬롯)으로 코팅액이 배출되도록 하여 슬롯 다이 자체가 움직이거나, 필름이 움직이도록 하면서 필름에 코팅액을 도포하게 된다. 이러한 슬롯 다이를 사용 한 코팅방법은 유지 보수 및 생산성 측면에서 여타의 코팅방법에 비해 우수하기 때문에 현재까지 평판 디스플레이장치의 패널 제조나 이차전지 전극의 집전체에 활물질을 도포하기 위해 사용되고 있다.

리튬 이차전지에서 전극 조립체가 최대의 충전용량을 갖기 위해서는 활물질이 좁은 공간에 많이 포함되도록 해야 하고, 동일한 양의 활물질로 충·방전 효율을 높이기 위해서는 활물질이 두 전극의 대향 면에 고른 두께로 형성되어야 한다. 하지만, 고품질·고효율의 제품을 구현하고, 생산 효율을 높이기 위해 슬롯 다이의 대형화 및 도포 공정의 고속화가 이루어짐에 따라 슬롯 다이에서 토출되는 코팅액의 양이 다이의 폭방향 전체에 걸쳐 항상 일정해야 한다는 문제가 더욱 중요한 기술문제로 대두하게 되었다. 즉, 도포 공정의 생산성 증대를 위하여 슬롯 다이의 길이가 길수록 길게 형성된 슬롯 다이의 중앙부와 양단부(兩端部)에서 토출되는 코팅액의 양이 다르게

되어 ―부연하여 설명하면, 슬롯 다이의 측면으로 갈수록 압력이 약해져서 랜드부에서 코팅액의 유속의 차이를 가져오게 되어, 결국 분출되는 코팅액의 양이 달라지게 됨―코팅 두께의 불균일이 심해지고, 필름에 코팅액이

도포되는 부위를 단속적(斷續的)으로 형성하는 경우 코팅액 공급도 단속적으로 이루어져야 하는데 생산성 향상 을 위해 필름의 이송속도를 증가시킴에 따라 정확한 패턴의 형성이 더욱 어렵게 된다는 문제가 있다.

도 1은 종래의 슬롯 다이의 구조를 나타내는 도면인데, 간략하게 설명하면, 슬롯 다이는 상판다이(1)와 하판다이(2)로 구분되고, 하판다이에는 상판다이와 대향되는 면 가운데에 슬롯 다이의 길이방향을 따라 캐비티(3)가 형성되어 있으며, 캐비티로부터 슬롯 다이에서 코팅액의 출구가 되는 헤드부의 슬롯(4)까지는 좁은 갭(5)이 있는 랜드부(6)가 위치하며, 코팅액 저장탱크로부터 캐비티에 코팅액을 공급하는 코팅액 공급라인(7)이 형성되어 있다.

하지만 상기 슬롯 다이는, 코팅액이 분출되는 속도와 압력이 슬롯의 길이 방향 전체에 걸쳐 동일하지 않기 때문에 부분적으로 코팅액의 분출량이 다르게 되어 결국 필름에 형성되는 코팅층의 두께가 일정하지 않다는 문제가 발생하여 고품질의 제품을 구현할 수 없다는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 히터방식과 핫오일(hot oil) 방식 및 에어실린더 방식의 기술이 출현하였는 데, 히터방식은 반응시간이 너무 많이 걸린다는 문제가 있고, 핫오일 방식은 다이를 통하여 열전도로 열을 전달하는데 시간이 필요하기 때문에 반응시간이 많이 걸린다는 문제가 있으며, 에어실린더 방식은 공기압을 가하여 코팅액이 분출되는 슬롯의 크기 즉 갭(gap)의 크기를 조정하는 방식인데 반응속도는 빠르지만 공기압이 보통 2∼3㎏/㎠ 정도로 약하기 때문에 실린더의 크기가 커져야 할 뿐만 아니라 고압 제어가 어려워 슬롯의 미세조정이 어렵다는 문제가 있어서 고품질의 제품을 구현하기가 힘들다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해, 다이 코터의 슬롯 다이 사이의 간격을 유압을 이용하여 유압펌프등의 구동을 통해 간격을 조절하여 코팅의 두께를 조율하는 기술이 제안되었으나, 유압방식의 구동 자체만으로는 균일한 코팅두께를 구현하는 것이 용이하지 않으며, 실시간으로 변경되는 장치의 오차로 인해 코팅 두께의 오류를 바로잡는 것은 연속공정에서는 불가능하여 제품의 불량율이 높아지는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차전지의 전극물질을 코팅하는 코팅장치에서 코팅 장치인 슬롯 다이(slot die)의 상하 립(lip) 틈새를 서보 모터 구동에 의해 자동으로 조정하며, 코팅 직수 코팅량의 측정값을 실시간으로 센싱하여 센싱값을 기준으로 코팅량을 자동 조절할 수 있도록 하는 제어시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 코팅 공정에서 코팅량 조정작업을 자동화하여 작업자의 숙련도와 관계 없이 균일한 코팅을 실현할 수 있으며, 코팅 직후 코팅량의 측정을 통해, 코팅량의 적정성을 실시간으로 산출 제어하여 코팅량 불량 손실을 절감할 수 있도록 할 수 있게 된다.

이를 위해, 본 발명은 한 쌍의 다이의 간격을 통해 코팅액 토출 유로가 형성되는 코팅모듈과 상기 다이의 간격을 조절하는 서보모터구동부 및 상기 코팅모듈에서 토출되는 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하고, 측정된 값을 기준으로 상기 서보모터 구동부를 제어하여 코팅량을 자동으로 조절하는 코팅량제어부를 포함하는 2차전지 전극코팅량 자동제어시스템을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 2차전지의 전극물질을 코팅하는 코팅장치에서 코팅 장치인 슬롯 다이(slot die)의 상하 립(lip) 틈새를 서보 모터 구동에 의해 자동으로 조정하며, 코팅 직수 코팅량의 측정값을 실시간으로 센싱하여 센싱값을 기준으로 코팅량을 자동 조절할 수 있도록 하는 효과가 있다.

특히, 종래의 코팅시스템에서 코팅 대상 위치가 오븐을 통과한 후, 설치된 코팅량 자동측정기에 의해 확인하는 구조를 가지게 되며, 이는 코팅위치와 측정 위치 사이에 오븐 길이 통과 시간만큼의 시차가 존재하게 되는데, 본 발명에 따른 실시간 제어 시스템의 경우에는 코팅직후 전극두께를 자동으로 측정하고, 이를 기준으로 코팅량을 실시간으로 제어하여 코팅량 불량 발생율을 획기적으로 절감할 수 있으며, 코팅에 대한 공정능력이 대폭향상될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 코팅 장치의 문제를 설명하기 위한 요부 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 시스템에 따른 코팅모듈 및 서보모터구동부의 구성을 도시한 사시도이며, 도 4는 도 3의 A~A' 요부 개념 단면도이다.
도 5는 도 4의 작용상태를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 시스템의 상부 다이와 서보모터의 구동예를 설명하기 위한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2는 본 발명에 따른 전체 시스템(이하, '본 시스템'이라 한다.) 구성을 도시한 블록구성도이다. 도 3은 본 시스템에 따른 코팅모듈 및 서보모터구동부의 구성을 도시한 사시도이며, 도 4는 도 3의 A~A' 요부 개념 단면도이다.

도시된 도면을 참조하면, 본 시스템은 한 쌍의 다이의 간격을 통해 코팅액 토출 유로가 형성되는 코팅모듈(100)과 상기 다이의 간격을 조절하는 서보모터구동부(300) 및 상기 코팅모듈에서 토출되는 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하고, 측정된 값을 기준으로 상기 서보모터 구동부를 제어하여 코팅량을 자동으로 조절하는 코팅량제어부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 코팅모듈(100)은 상호 대향하여 배치되는 상판 다이(110)과 하판 다이(120)을 포함하여 구성되며, 상기 상판 다이(110) 및 하판 다이(120)은 상호 이격되여 코팅재가 토출되는 유로를 형성할 수 있게 된다.

특히, 도 3에 도시된 것은 본 발명에 따른 코팅모듈(100)의 전체 구성도이며, 도시된 것과 같이 다수의 서보모토구동부(300)이 배치될 수 있음은 물론, 이를 통해 코팅모듈(100)의 유로(Y)의 간격을 조절하게 되며, 이러한 간격조절은 코팅량제어부(미도시)를 통해 구현될 수 있게 된다.

도 4는 도 3의 A~A' 단면을 도시한 단면도 이며, 도 5는 도 4의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 코팅모듈(100)은 상판 다이(110)과 하판다이(120)의 대향되게 배치되며, 코팅재의 토출유로(Y)를 형성할 수 있게 된다.

특히, 상기 하판 다이(120)은 고정식으로 이루어짐이 바람직하며, 상기 상판다이(110)의 상면 말단부에는 탄성변형부(111~113)를 배치하여 상판 다이(110)의 말단부에 일정한 압력을 서보모터(310)을 통해 인가하여 하판 다이(120)과의 간격을 미세하게 조정할 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 탄성변형부(111~113)는 도시된 것과 같이 상판 다이(110)의 말단부(114) 부분이 상하로 구동(X)할 수 있도록 다른 부분 보다 상대적으로 얇은 영역을 구현하는 구조로 형성되며, 이는 도시된 것과 같이 제1단차(111)과 제2단차(113)을 통해 단차홈(112)을 구현하는 구조로 구현되며, 상기 제1 및 제2 단차(111, 113)을 서보모터(310)을 통해 좌우로 움직이는 경우, 상기 말단부(114)가 상하로 미세하게 움직이며 유로(Y)의 폭을 조절할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 시스템에서의 코팅모듈의 기능을 제어하는 본 발명의 전체적인 작용을 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따른 코팅량제어부(200)은 상술한 코팅모듈(100)에서 코팅되는 코팅재(C)의 두께를 실시간으로 측정하여, 기준이 되는 적정 코팅 두께를 만족하는 지를 실시간으로 평가하고, 이에 따른 코팅 량을 제어할 수 있도록 하는 기능을 구현한다.

구체적으로는, 상기 코팅량제어부(200)는 상기 코팅모듈에서 토출된 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하는 코팅두께 산출부(210)와 상기 코팅두께 산출부에서 측정한 두께의 값과 코팅기준값을 비교하여 차이값을 산출하는 비교산출부(220), 상기 비교산출부에서 산출된 코팅기준값과의 차이에 의해, 추가될 코팅량과 상기 서보모터의 회전량의 상관관계를 분석하여 상기 서보모터구동부(300)를 구동하는 코팅량산출부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 코팅두께 산출부(210)는 본 시스템에서의 코팅모듈(100)을 통해 토출되어 코팅되는 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하는 구성요소로, 두께 측정에 이용되는 다양한 측정센서를 적용하는 것이 가능하다. 이를테면, 일반적으로 두께를 측정하는 장치로서 기계적 접촉에 의한 것, 전기적 방법에 의한 것, 공기 micrometer식인 것, 광선이나 굴절률에 의한 것, 나아가,α선, β선, γ선 및 X선 두께측정기 등 다양한 방식의 공지된 측정기를 적용할 수 있다. 본 발명에서의 일 구현예로는 습식 두께 측정기로 구성될 수 있다. 상기 습식(Wet) 두께 측정기는 와류식 센서 2개 사이에 레이저 변위센서 1개를 적용한 것으로, 측정부에 배치되는 하부 롤은 세라믹 코팅된 롤을 적용하여 와전류 센서가 기재(Al, Cu)만을 측정할 수 있도록 구현할 수 있다. 즉, 와전류센서에 의해 기재까지의 거리를 측정하고, 레이저 변위센서로 코팅면까지의 거리를 측정하여 둘의 차이로 코팅 두께를 산출할 수 있도록 할 수 있도록 한다.

이후, 상기 코팅두께 산출부(210)에서 측정한 코팅재의 두께의 값과 실제로 코티되어야할 코팅기준값을 비교하여 차이값을 산출하는 비교산출부(220)가 작동하게 되며, 코팅량산출부(230) 에서 코팅기준값과의 차이에 의해, 추가될 코팅량과 상기 서보모터의 회전량의 상관관계를 분석하여 상기 서보모터구동부(300)를 구동하도록 작동되게 된다. 상기 코팅두께 산출부 및 비교산출부, 그리고 코팅량 산출부는 프로그래밍된 구성으로 구현할 수 있다.

즉, 코팅량산출부(230)에서 공정에서 실시간으로 계측된 결과 코팅량이 부족하게 된다고 판단되면, 코팅량제어부(200)는 서보모터구동부(300)을 제어하여 서보모터의 회전수에 따른 코팅되는 양의 상관관계를 분석하고 실시가능로 모터의 구동속도를 조절할 수 있게 되며, 서보모터가 구동하면서 상기 코팅모듈의 상부 다이가 제어되면서 코팅량의 조절이 이루어지게 된다.

특히, 본 발명에서 서보모터의 구동을 보정하고, 서보모터의 이동 후 대기시간에 대한 손실을 최소화하고 반응성을 높이기 위해 본 발명에 따른 습식두께 측정기는 매우 중요한 기능을 수행할 수 있게 된다. 즉, 기존의 밀도계등의 측정 장비는 건조가 다된 후의 코팅재의 밀도를 측정하는 것이므로, 서보 모터의 보정에 따른 효과(코팅량이 보정되어 코팅되고 있는지를 실시간으로 측정)를 확인하는데 시간이 오래 걸리게 되나, 본 발명에서 적용하는 습식 두께 측정기는 코팅 직후에 건조로 유입전의 위치에서 측정을 수행할 수 있게 때문에 코팅량을 제어하여 서보모터를 조정한 후의 결과를 확인하는데 매우 효과적이게 된다.

또한, 상기 코팅량제어부(200)에서 서보모터구동부(300)를 제어하여 코팅량을 조절하기 위한 서보모터의 회전량을 제어하는 방법은 다음과 같은 방식을 적용할 수 있다.

도 6을 참조하면, 이는 도 5에서 상부 다이(110)의 위쪽 방향에서 코팅모듈을 바라본 평면개념도이다.

본 시스템에서의 상부다이(110)은 넓은 폭을 커버 할 수 있도록 구성되며(도 3참조), 상부 다이(110)의 상부에는 상술한 것과 같이 탄성변형부(111, 112, 113)를 가압하여 상부 다이(110)의 말단부를 미세하게 조정할 수 있게 된다.

특히, 본 시스템에서는 서보모터를 다수개 배치하여 하나의 상부다이(110)에 해당하는 영역을 다수의 존(A, B, C)으로 분할하여 담당하도록 구현할 수 있도록 함이 바람직하다. 즉, A, B, C의 3개의 존에 한정하지 않고 그 이상의 영역(Zone)으로 구현하는 것도 가능함은 물론이다.

이를 통해, 본 시스템은 상기 상부 다이(110)에 접촉하는 다수의 서보모터를 포함하며, 상기 서보모터가 배치되는 구역별로 서보모터의 이동변위를 독립적으로 제어할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에는 단순한 PLC 제어가 아닌 C언어로 코딩한 프로그램을 적용하여, 상기 서보모터 구동부에 배치되는 다수의 서보모터가 배치되는 상부 다이의 단위영역에 걸리는 로딩량이 전체 서보모터의 로딩량의 평균값에 근접하도록 제어할 수도 있다.

또는, 이와는 달리, 상부다이의 전체의 폭을 임의의 등간격으로 나누어 다수의 단위영역(Zone)으로 구현하고, 각 단위영역을 제어하는 서보모터를 지정하게 할 수 있다. 이를테면 1개의 패턴에 대해서는 최소 서보모터를 2개 이상으로 지정할 수 있다. 1 패턴을 10개의 단위영역으로 나눌 경우에는 2~3번 단위영역은 1번모터가, 4~7번 단위영역은 2번모터가, 8~9 단위영역은 3번모터가 제어하도록 분할할 수 있다.

특히, 본 시스템에서의 제어는 코팅재, 이를테면 유체 상태의 슬러리의 제어이기 때문에 실시간으로 받는 데이터에 그대로 반응하는 것이 아니고, 임의의 회수 이상 로딩이 증가하거나 감소하는 방향으로 지속되는 경우에는 해당하는 방향으로 서보모터를 이동하여 코팅재의 토출 유로를 변형시킬 수 있도록 함이 바람직하다.

나아가, 로딩량의 평균값으로부터 벗어난 정도에 따러 서보모터의 이동량을 다르게 적용할 수 있으며, 서보모터 이동 후 대기 시간은 상부 다이와 코팅재 두께 산출부와의 거리 및 코팅 속도를 고려하여 설정할 수 있도록 한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 코팅모듈
110: 상부다이
120: 하부다이
200: 코팅량제어부
210: 코팅두께산출부
220: 비교산출부
230: 코팅량산출부
300: 서보모터구동부

Claims (7)

1. 상부 및 하부 다이의 간격을 통해 코팅액 토출 유로가 형성되는 코팅모듈;
   상기 다이의 간격을 조절하는 서보모터구동부; 및
   상기 코팅모듈에서 토출되어 필름에 코팅되는 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하고, 측정된 값을 기준으로 상기 서보모터 구동부를 제어하여 코팅량을 자동으로 조절하는 코팅량제어부;를 포함하며,
   상기 코팅량제어부는, 상기 코팅모듈에서 토출된 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하는 코팅두께 산출부; 상기 코팅두께 산출부에서 측정한 두께의 값과 코팅기준값을 비교하여 차이값을 산출하는 비교산출부; 상기 비교산출부에서 산출된 코팅기준값과의 차이에 의해, 추가될 코팅량과 상기 서보모터의 회전량의 상관관계를 분석하여 상기 서보모터구동부를 구동하는 코팅량산출부를 포함하는 2차전지 전극코팅량 자동제어 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 서보모터구동부는,
   상기 토출유로를 형성하는 상부 및 하부 다이 중 어느 하나에,
   서보모터에 의해 구동되는 구동유닛의 말단이 밀착하여 상기 상부 및 하부 다이의 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 2차전지 전극코팅량 자동제어 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 코팅모듈은,
   상기 서보모터구동부에 의해 제어되는 서보모터의 구동력에 의해 상부 다이의 탄성변형부를 가압하여 상기 토출유로의 폭을 조절하는 2차전지 전극코팅량 자동제어시스템.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 서보모터구동부는,
   적어도 2 이상의 상기 상부 다이에 접촉하는 서보모터를 포함하며,
   상기 서보모터가 배치되는 구역별로 서보모터의 이동변위를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 2차전지 전극코팅량 자동제어 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅량제어부는,
   상기 서보모터 구동부에 배치되는 다수의 서보모터가 배치되는 상부 다이의 단위영역에 걸리는 로딩량이 전체 서보모터의 로딩량의 평균값에 근접하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 전극코팅량 자동제어 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅두께산출부는,
   레이저 변위센서 및 와류식변위센서를 이용하여 상기 코팅재의 두께를 실시간으로 측정하는 2차전지 전극코팅량 자동제어 시스템.
   

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