KR101649979B1 - 전극 드럼 및 이를 구비한 금속박 형성 장치 - Google Patents

Abstract

전극 드럼의 외주면에만 금속박이 전착되고, 다른 부분에는 금속박이 전착되지 않도록 개선된 전극 드럼과, 이를 구비한 금속박 형성 장치가 개시된다. 개시된 전극 드럼은, 자신의 외주면의 양 측 모서리에 고정 부착된 한 쌍의 씰링 링(ring)을 구비하고, 한 쌍의 씰링 링은, 수조의 내측면에 부착된 한 쌍의 씰링 부재에 밀착되며, 씰링 링 중에서 적어도 씰링 부재에 밀착되는 부분은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 소재로 형성된다.

Description

전극 드럼 및 이를 구비한 금속박 형성 장치{Cathode drum and apparatus for fabricating metal foil}

본 발명은, 전기분해 방법에 의해 금속박(金屬箔)을 형성하는데 사용되는 전극 드럼과, 이를 구비한 금속박 형성 장치에 관한 것이다.

예컨대, 2차 전지 등 많은 전기 및 화학 제품에 수십 ㎛ 두께의 금속박이 사용된다. 통상적으로, 금속박은 전기 분해 방법에 의해 제조되며, 제조 장치는 전해액이 수용된 수조와, 전해액에 일부분이 침잠된, 음극 전극(cathode)인 전극 드럼과, 전해액에 전부 침잠되고 상기 전극 드럼의 주변에 배치되는 양극 전극(anode electrode)을 구비한다. 양극 전극과 전극 드럼에 전압을 인가하면 전해액에서 전기 분해가 일어나 전극 드럼의 외주면에 금속박이 형성되며, 상기 전극 드럼을 적절하게 회전시키면서 상기 외주면에서 금속박을 박리하여 추출하게 된다.

상기 전극 드럼은 원통 형상인데, 수조 내의 전해액이 전기 분해되면서 형성되는 금속이 전극 드럼의 외주면에 전착(電着)되면 전극 드럼을 회전시켜 금속박을 추출할 수 있지만, 금속이 전극 드럼의 원형(圓形) 측면에 전착되면 전해액 내의 금속 성분이 쓸모 없이 소모되고, 전력 낭비도 발생하며, 전극 드럼의 원활한 회전도 방해된다. 이로 인해, 금속박 형성 작업의 생산성과 효율이 저하될 수 있다.

전극 드럼의 원형 측면에 금속이 전착되지 않도록 상기 원형 측면에 절연 테이프를 붙여 노출되지 않게 감싸는 방법이 적용되기도 한다. 그러나, 이 방법은 절연 테이프가 반복적으로 전해액에 침잠되고 전해액 밖으로 꺼내지는 환경 하에서 절연 테이프의 점착력이 약화되어 절연 테이프가 전극 드럼 원형 측면에서 쉽게 벗겨지는 문제점이 있고, 수시로 상태를 확인하여 절연 테이프를 재부착해주어야 하는 번거로움이 있다. 또한, 원형 측면에 부착된 절연 테이프가 고도로 균일하게 분포되지 않으면 전극 드럼의 편심을 유발할 수도 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0762050호

본 발명은, 전기 분해 방식에 의한 금속박 형성 작업에서 전극 드럼의 외주면에만 금속박이 전착되고, 다른 부분에는 금속박이 전착되지 않도록 개선된 전극 드럼과, 이를 구비한 금속박 형성 장치를 제공한다.

본 발명은, 전해액이 채워진 수조에 하부가 침잠되어 회전하며 전기 분해 반응에 의해 외주면에 금속박이 전착(電着)되는 원통형의 전극 드럼으로서, 상기 전극 드럼은 자신의 외주면의 양 측 모서리에 고정 부착된 한 쌍의 씰링 링(ring)을 구비하고, 상기 한 쌍의 씰링 링은, 상기 수조의 내측면에 부착된 한 쌍의 씰링 부재에 밀착되며, 상기 씰링 링 중에서 적어도 상기 씰링 부재에 밀착되는 부분은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 소재로 형성된다.

상기 전극 드럼의 외주면 모서리와 상기 씰링 링은 양 자 사이로 상기 전해액이 침투하지 않게 서로 밀착될 수 있다.

상기 씰링 링은, PTFE 이외의 소재로 이루어지고, 상기 전극 드럼의 외주면 모서리에 밀착 고정되는 전극 드럼 고정부, 및 PTFE 소재로 이루어지고, 상기 전극 드럼 고정부에 형성된 안착 홈에 안착 고정되며, 상기 씰링 부재에 밀착되는 씰링 부재 밀착부를 구비할 수 있다.

상기 전극 드럼의 외주면이 상기 전극 드럼의 회전축이 연장되는 방향과 평행한 방향으로 확장되어, 상기 전극 드럼 외주면의 양 측 모서리 간의 간격이 상기 전극 드럼의 한 쌍의 원형 측면 간의 간격보다 클 수 있다.

또한 본 발명은, 전해액이 채워진 수조, 상기 수조에 회전 가능하게 지지되는, 상기 전극 드럼, 상기 전해액에 침잠되어 상기 전극 드럼의 외주면에 마주보게 배치된 양극 전극, 및 상기 한 쌍의 씰링 링에 밀착되도록 상기 한 쌍의 씰링 링을 마주보는 내측면에 부착된 한 쌍의 씰링 부재를 구비하고, 상기 전극 드럼이 회전하더라도 상기 씰링 링의 PTFE 소재로 된 부분과 상기 씰링 부재가 밀착되어 상기 전극 드럼의 한 쌍의 원형 측면 측으로 상기 전해액이 유입되지 않는 금속박 형성 장치를 제공한다.

상기 씰링 부재는 상기 씰링 링의 직경과 같은 직경을 갖는 원의 원호(圓弧)를 따라 연장되고, 상기 씰링 부재의 일 측 말단과 타 측 말단 중 더 낮게 위치한 것의 높이(level)는 상기 수조에 채워진 전해액의 수위(level)보다 높다.

상기 씰링 부재는, 상기 수조 내측면에 고정 부착되는 수조 고정부와, 상기 수조 고정부에서 돌출되어 상기 씰링 링을 향해 연장되어 상기 씰링 링의 표면에 경사지게 접촉되는 전극 드럼 접촉부를 구비할 수 있다.

본 발명은, 전극 드럼의 원형 측면에 금속이 전착되지 않도록 방지하여 전해액의 낭비 및 전력 낭비를 막는다. 따라서, 금속박 형성 작업의 생산성과 효율이 향상된다.

또한, 본 발명에 의하면 전극 드럼의 원형 측면에 절연 테이프를 부착하는 방법을 채택할 경우의 번거로움을 없앨 수 있고, 불균일한 절연 테이프 부착으로 인한 전극 드럼의 편심을 억제할 수 있다.

또한, PTFE 소재로 형성된 씰링 링이 고무 소재의 씰링 부재와 밀착되도록 구성되어, 전극 드럼이 회전하더라도 씰링 링과 씰링 부재 사이의 밀봉이 그대로 유지되며, 씰링 링과 씰링 부재의 마찰로 인한 백래쉬(backlash)에 의해 야기되는 전해액 유입의 염려가 없다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 씰링 부재와 밀착되는 씰링 링의 일 부분만 PTFE 소재로 형성하므로, 씰링 링 전체를 PTFE 소재로 형성하는 경우보다 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속박 형성 장치를 정면 방향에서 본 종단면도이다.
도 2는 도 1를 II-II에 따라 절단 도시한 종단면도이다.
도 3은 도 2의 전극 드럼과 반원형 씰링 부재를 분리 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 2의 A를 확대 도시한 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전극 드럼 및 이를 구비한 금속박 형성 장치를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속박 형성 장치를 정면 방향에서 본 종단면도이고, 도 2는 도 1를 II-II에 따라 절단 도시한 종단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속박 형성 장치(10)는 전기분해 반응에 의해 전극 드럼(20)의 외주면(21)에 전착(電着) 형성된 금속박(1)을 전극 드럼(20)에서 분리하여 수거하는 장치로서, 수조(11), 양극 전극(17), 전극 드럼(20), 박리 롤러(50), 권취 보빈(55)을 포함한다.

수조(11)에는 금속 성분이 포함된 전해액(16)이 채워지고, 전극 드럼(20)은 상기 전해액(16)에 하부가 잠기고 상부는 잠기지 않은 상태로 회전 가능하게 수조(11)에 지지된다. 양극 전극(17)은 전해액(16)에 침잠되어 전극 드럼(20)의 외주면(21)에 마주보게 배치된다.

양극 전극(17)과 전극 드럼(20)에 전압을 인가하면 전해액(16)에서 전기 분해가 일어나 전해액(16)에 침잠된 전극 드럼(20) 하부의 외주면(21)에 예컨대, 동박(銅薄)과 같은 금속박(1)이 형성된다. 전극 드럼(20)이 회전하면 금속박(1)이 전해액(16) 밖으로 노출되고 박리 롤러(50)에 의해 전극 드럼(20)에서 분리된다. 박리 롤러(50)에 의해 전극 드럼 외주면(21)에서 분리된 금속박(1)은 가이드 롤러(52)를 거쳐 안내되어 보빈(55)에 권취 수거된다. 한편, 금속박(1)이 벗겨진 전극 드럼(20)의 외주면(21)에는 다시 새로운 금속박(1)이 형성될 수 있다.

전극 드럼(20)은 원통형 부재로서, 한 쌍의 원형 측면(32)과, 상기 한 쌍의 원형 측면(32)을 연결하는 외주면(21)를 구비하며, 예컨대, 텅스텐(W)과 같은 금속으로 형성된다. 전극 드럼(20)의 회전축이 되는 샤프트(35)는 한 쌍의 원형 측면(32)을 가로질러 양 단부가 수조(11)에 회전 가능하게 지지된다.

전극 드럼(20)의 외주면(21)은 전극 드럼(20)의 회전축이 되는 샤프트(35)가 연장되는 방향, 즉 Y축과 평행한 방향으로 확장되어, 전극 드럼 외주면(21)의 양 측 모서리 간의 간격(WD1)이 전극 드럼(20)의 한 쌍의 원형 측면(32) 간의 간격(WD2)보다 크다. 이러한 구성으로 인해 전극 드럼 외주면(21)의 폭(WD1)이 확장되므로 생성되는 금속박(1)의 폭을 확장시킬 수 있다.

도 3은 도 2의 전극 드럼과 반원형 씰링 부재를 분리 도시한 사시도이고, 도 4 및 도 5는 도 2의 A를 확대 도시한 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 전극 드럼 외주면(21)의 폭(WD1)이 한 상의 전극 드럼 원형 측면(32) 사이 간격(WD2)보다 확장되어 전극 드럼(20)에는 외주면이 Y축과 평행한 양(+)의 방향과 음(-)의 방향으로 돌출된 외주 돌출부(22)가 구비된다.

상기 한 쌍의 외주 돌출부(22)의 말단, 즉 전극 드럼 외주면(21)의 양 측 모서리에는 씰링 링(sealing ring)(23)이 각각 고정 부착된다. 한 쌍의 씰링 링(23)은 전극 드럼(20)의 직경과 동일한 직경을 갖는 링(ring) 형상이며, 외주 돌출부(22) 말단과 씰링 링(23) 사이로 전해액(16)이 침투하지 않도록 복수의 볼트(bolt)(미도시) 또는 접착제에 의해 상기 외주 돌출부(22) 말단에 부착된다. 씰링 링(23)은 듀퐁사의 상품명 테플론(Teflon)으로 잘 알려진, PTFE(polytetrafluoroethylene) 소재로 형성된다.

상기 한 쌍의 씰링 링(23)을 마주보는 수조(11)의 내측면(13)에 상기 한 쌍의 씰링 링(23)에 밀착되도록 한 쌍의 씰링 부재(40)가 고정 부착된다. 씰링 부재(40)는 씰링 링(23)의 직경과 같은 직경을 갖는 원의 원호(圓弧)를 따라 연장되어 대략 반원 링(ring)의 형태이며, 중앙부가 아래로 볼록한 곡선으로 연장된다. 씰링 부재(40)의 일 측 말단(40a)과 타 측 말단(40b)의 높이(level)는 수조(11)에 채워진 전해액(16)의 수위(level)보다 높다. 씰링 부재(40)는 예컨대, 불소 고무와 같은 고무 소재로 형성된다.

구체적으로, 씰링 부재(40)는 수조 내측면(13)에 고정 부착되는 수조 고정부(41)와, 수조 고정부(41)에서 돌출되어 씰링 링(23)을 향해 연장되어 씰링 링(23)의 표면에 경사지게 접촉되는 전극 드럼 접촉부(43)를 구비한다. 상기 수조 고정부(41)는 수조 내측면(13)에 접착제에 의해 부착되거나 볼트(bolt)에 의해 고정될 수 있다. 도 4에 도시되진 않았으나 수조 내측면(13)에 상기 수조 고정부(41)가 안착되는 그루브(groove)가 형성될 수도 있다.

씰링 부재(40)는 수조 고정부(41)와 전극 드럼 접촉부(43)가 일체로 형성되어 단면이 알파벳 'V' 형상으로 형성된다. 이에 따라, 수조 내측면(13)과 씰링 링(23) 사이의 간격이 설정된 간격보다 약간 크면 전극 드럼 접촉부(43)와 수조 고정부(41) 사이의 각도가 탄성 팽창에 의해 약간 커지고, 반대로 수조 내측면(13)과 씰링 링(23) 사이의 간격이 설정된 간격보다 약간 작으면 전극 드럼 접촉부(43)와 수조 고정부(41) 사이의 각도가 탄성 수축에 의해 약간 작아진다. 이와 같은 방식으로 씰링 부재(41)와 씰링 링(23)은 씰링 부재(41)의 전 구간에 걸쳐 밀착 상태를 유지한다.

PTFE는 내유성 및 내산성이 강하여 전해액(16)에 침잠되어 있어도 변성되거나 부식되지 않으며, 내열성이 강하여 전극 드럼(20)의 회전으로 씰링 링(23)과 씰링 부재(40)가 마찰하여 열이 발생하여도 변성되지 않는다. 또한, PTFE는 표면이 매끄러워서 전극 드럼(20)의 회전으로 씰링 링(23)이 씰링 부재(40)와 밀착된 채 씰링 부재(40)에 대해 회전하더라도 전극 드럼 접촉부(43) 말단부의 백래쉬(backlash)가 발생하지 않고 씰링 링(23)과 씰링 부재(40) 간의 밀착 상태가 유지된다. 따라서, 전극 드럼(20)이 회전하는 동안 한 쌍의 원형 측면(32)과 수조 내측면(13) 사이의 공간(S)에 전해액(16)이 유입되지 않으며, 전극 드럼 외주면(21)에는 금속박(1)이 전착되지만 원형 측면(32)에는 금속박이 전착되지 않게 된다.

전극 드럼(20)의 외주 돌출부(22) 말단에는 도 4의 씰링 링(23)을 대체하여 도 5의 씰링 링(25)이 고정 부착될 수 있다. 도 5의 씰링 링(25)은 전극 드럼(20)의 직경과 동일한 직경을 갖는 링(ring) 형상이며, 전극 드럼 고정부(26) 및 씰링 부재 밀착부(28)를 구비한다. 상기 전극 드럼 고정부(26)는 예컨대, 내열성 폴리염화비닐 수지(HT-PVC: high temperature polyvinyl chloride)로 이루어지며, 외주 돌출부(22) 말단과 전극 드럼 고정부(26) 사이로 전해액(16)이 침투하지 않도록 볼트(bolt) 또는 접착제에 의해 외주 돌출부(22) 말단에 고정된다. 씰링 부재 밀착부(28)는 PTFE 소재로 이루어지고, 전극 드럼 고정부(26)에 형성된 안착 홈(27)에 볼트(bolt) 또는 접착제에 의해 안착 고정되며, 씰링 부재(40)의 전극 드럼 접촉부(43)에 밀착된다. 다만, 상기 전극 드럼 고정부(26)의 소재로서 내열성 폴리염화비닐 수지는 하나의 예시에 불과하며, 다른 종류의 수지로 대체될 수 있다.

도 5에 도시된 씰링 링(25)의 경우도 도 4를 참조하여 설명한 씰링 링(23)의 경우와 마찬가지로, PTFE 소재로 형성된 씰링 링(25)의 씰링 부재 밀착부(28)가 고무 소재의 씰링 부재(40)와 밀착되도록 구성되어, 전극 드럼(20)이 회전하더라도 씰링 링(25)과 씰링 부재(40) 사이의 밀봉이 그대로 유지되며, 씰링 링(25)과 씰링 부재(40)의 마찰로 인한 백래쉬(backlash)에 의해 야기되는 전해액(16) 유입의 염려가 없다. 게다가, 도 5의 씰링 링(25)은 씰링 부재(40)와 밀착되는 씰링 부재 밀착부(28)만 PTFE 소재로 형성하므로, 전체를 PTFE 소재로 형성하는 도 4의 씰링 링(23)의 경우보다 비용을 절감할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 금속박 형성 장치 11: 수조
16: 전해액 17: 양극 전극
20: 전극 드럼 21: 전극 드럼 외주면
22: 외주 돌출부 23, 25: 씰링 링
32: 원형 측면 40: 씰링 부재

Claims (7)

1. 전해액이 채워진 수조에 하부가 침잠되어 회전하며 전기 분해 반응에 의해 외주면에 금속박이 전착(電着)되는 원통형의 전극 드럼에 있어서,
   상기 전극 드럼은 원통 형상으로, 상기 원통의 외주면의 양 측 모서리는 수조 방향으로 돌출된 외주 돌출부 및 상기 외주 돌출부에 부착된 한 쌍의 씰링 링(ring)을 구비하고,
   상기 씰링 링은, 상기 수조의 내측면에 부착된 고무소재의 씰링 부재에 밀착되며,
   상기 씰링 링 중에서 적어도 상기 씰링 부재에 밀착되는 부분은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 소재로 된 것을 특징으로 하는 전극 드럼.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 전극 드럼의 외주면 모서리와 상기 씰링 링은 양 자 사이로 상기 전해액이 침투하지 않게 서로 밀착된 것을 특징으로 하는 전극 드럼.
3. 제1 항에 있어서
   상기 씰링 링은, PTFE 이외의 소재로 이루어지고, 상기 전극 드럼의 외주면 모서리에 밀착 고정되는 전극 드럼 고정부, 및 PTFE 소재로 이루어지고, 상기 전극 드럼 고정부에 형성된 안착 홈에 안착 고정되며, 상기 씰링 부재에 밀착되는 씰링 부재 밀착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 드럼.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 전극 드럼의 외주면이 상기 전극 드럼의 회전축이 연장되는 방향과 평행한 방향으로 확장되어, 상기 전극 드럼 외주면의 양 측 모서리 간의 간격이 상기 전극 드럼의 한 쌍의 원형 측면 간의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 드럼.
5. 전해액이 채워진 수조; 상기 수조에 회전 가능하게 지지되는, 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항의 전극 드럼; 상기 전해액에 침잠되어 상기 전극 드럼의 외주면에 마주보게 배치된 양극 전극; 및, 상기 한 쌍의 씰링 링에 밀착되도록 상기 한 쌍의 씰링 링을 마주보는 내측면에 부착된 한 쌍의 씰링 부재;를 구비하고,
   상기 전극 드럼이 회전하더라도 상기 씰링 링의 PTFE 소재로 된 부분과 상기 씰링 부재가 밀착되어 상기 전극 드럼의 한 쌍의 원형 측면 측으로 상기 전해액이 유입되지 않는 것을 특징으로 하는 금속박 형성 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 씰링 부재는 상기 씰링 링의 직경과 같은 직경을 갖는 원의 원호(圓弧)를 따라 연장되고,
   상기 씰링 부재의 일 측 말단과 타 측 말단 중 더 낮게 위치한 것의 높이(level)는 상기 수조에 채워진 전해액의 수위(level)보다 높은 것을 특징으로 하는 금속박 형성 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 씰링 부재는, 상기 수조 내측면에 고정 부착되는 수조 고정부와, 상기 수조 고정부에서 돌출되어 상기 씰링 링을 향해 연장되어 상기 씰링 링의 표면에 경사지게 접촉되는 전극 드럼 접촉부를 구비한 것을 특징으로 하는 금속박 형성 장치.

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