KR101709538B1 - 비정질 탄소가 코팅된 압연 롤러를 포함하고 있는 전극시트 압연장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질 탄소가 코팅된 압연 롤러 및 이를 포함하는 압연장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 전극시트를 압연하는 장치로서, 전극시트가 통과하면서 압연될 수 있도록 전극시트의 두께보다 좁은 폭으로 상호 이격된 위치에서 회전하는 한 쌍의 압연 롤러들 및 상기 압연 롤러들의 표면에 코팅되어 있는 비정질 탄소 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치에 관한 것이다.

Description

비정질 탄소가 코팅된 압연 롤러를 포함하고 있는 전극시트 압연장치 {Rolling Machine Comprising Amorphous Carbon-Coated Press Rollers for Preparation of Electrode Sheet}

본 발명은 비정질 탄소가 코팅된 압연 롤러를 포함하고 있는 전극시트 압연장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 전극시트를 압연하는 장치로서, 전극시트가 통과하면서 압연될 수 있도록 전극시트의 두께보다 좁은 폭으로 상호 이격된 위치에서 회전하는 한 쌍의 압연 롤러들 및 상기 압연 롤러들의 표면에 코팅되어 있는 비정질 탄소 코팅층을 포함하는 전극시트 압연장치에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 모바일 기기의 에너지원으로서 뿐만 아니라, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.

이러한 리튬 이차전지의 제조 공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정의 3단계로 구분된다. 상기 전극 공정은 다시 활물질 혼합 공정, 전극코팅 공정, 압연 공정, 슬리팅 공정, 권취 공정 등으로 구분된다.

이 중, 압연 공정은 코팅 공정이 끝난 전극의 용량 밀도를 높이고 전극 집전체와 전극 활물질 간의 접착성을 증가시키기 위해, 고온 가열된 2개의 압연 롤러 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축하는 공정이다.

이러한 압연 롤러는 일정 시간 동안 압연 공정을 실시하게 되면, 전극 시트와 압연 롤러의 마모로 인해, 전극 시트의 활물질이 도포되지 않은 가장자리 또는 무지부 경계와 맞닿은 압연 롤러의 표면에서 두께 단차가 발생되게 된다. 또한, 생산되는 전지의 종류를 변경할 경우, 각 종류별(예를 들어, 원통형 전지, 각형 전지, 폴리머 전지 등)로 전극시트의 압연되는 폭은 모두 상이하므로, 이전에 마모된 압연 롤러의 표면 단차로 인해 제조되는 전극시트들의 두께 편차가 심해지는 문제가 있었다.

이러한 마모된 압연 롤러를 이용하여 전극시트를 제조할 경우, 연속적으로 발생되는 전극시트의 두께 편차로 인해 전지셀의 전기화학적 성능 및 안전성이 저하된다.

뿐만 아니라, 종래에는 두께 편차가 발생하는 경우, 작업자가 수작업으로 압연 롤러 사이의 틈새를 조절하거나 새로운 압연 롤러를 교체하는 등에 생산성 저하 및 제조 비용을 상승시키는 문제가 있었다.

따라서, 압연 롤러의 마모를 방지하기 위해, 압연 롤러의 표면을 코팅처리를 통해 경도를 높일 수 있는 기술이 적용되어 왔고, 특히, 경질 크롬 도금(Hard Cr Plating)은 비용이 저렴하고, 도금 기술이 널리 상용화되어 있어 쉽게 서비스를 제공받을 수 있는 장점이 있어, 많이 이용되고 있다.

그러나, 경질 크롬 도금된 압연 롤러는 표면 경도가 비교적 낮아, 압연 롤러의 짧은 교체 주기에 따른 생산성 저하 및 제조 비용을 상승시키는 문제를 아직 해결하지 못하고 있다.

또한, 이차전지를 사용하는 디바이스에 관한 기술 개발이 가속화되고, 새로운 구조의 다양한 디바이스가 출시되고 있는 근래에 있어서, 상기와 문제점은 더욱 크게 대두되고 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 압연 롤러의 표면 경도를 향상시킴으로써, 제조 비용을 절감하고, 신뢰성이 우수한 전극시트를 생산할 수 있는 압연장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압연장치는,

집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 전극시트를 압연하는 장치로서, 전극시트가 통과하면서 압연될 수 있도록 전극시트의 두께보다 좁은 폭으로 상호 이격된 위치에서 회전하는 한 쌍의 압연 롤러들 및 상기 압연 롤러들의 표면에 코팅되어 있는 비정질 탄소 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 압연 롤러들의 표면에 코팅되어 있는 비정질 탄소 코팅층을 포함함으로써, 기존의 압연 롤러보다 우수한 표면 경도를 가질 수 있으므로, 압연 롤러의 교체 주기가 길어지고, 압연 공정의 경과에 따른 전극시트의 두께 편차의 발생량을 줄일 수 있다.

이러한 압연장치가 생산하는 전지셀의 종류 또는 용량에 따라 전극시트의 두께가 변경될 수 있으므로, 상기 압연 롤러들의 상호 이격된 위치는 상기 전극시트의 두께에 따라 조절될 수 있는 바, 압연 롤러들은, 예를 들어, 전극시트 두께의 60% 내지 99%의 거리로 상호 이격될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 DLC 코팅은, 예를 들어, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), 이온 플레이팅(ion plating), 레이저 어블레이션(laser ablation), 및 여과 진공 아크 플라즈마(filtered vacuum arc plasma) 코팅으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 이상의 방법으로 코팅될 수 있다.

상기 비정질 탄소 코팅은 더욱 상세하게는 DLC(Diamond-like-Carbon) 코팅일 수 있지만, 예를 들어, 산질화 코팅, TiAlN 코팅, TiN 코팅 및 TiCN 코팅으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 이상의 방법으로 코팅층을 형성할 수도 있다.

기존의 경질 크롬(Hard Cr) 도금의 경우, 코팅 두께를 50 마이크로미터 이상으로 두껍게 코팅함에도 불구하고, 코팅 처리된 표면의 경도가 700 Hv 이상 내지 1,000 Hv 미만으로 비교적 낮은 문제점이 있었다. 반면에, 본 발명에 따른 코팅층은 경질 크롬 도금 처리한 경우 보다 그 두께가 상대적으로 얇으나 우수한 경도를 나타낸다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 비정질 탄소 코팅층의 두께는 1 나노미터 내지 3 마이크로미터일 수 있다. 구체적으로, 상기 두께가 1 나노미터 미만인 경우에는 본 발명에서 요구되는 적절한 경도를 나타낼 수 없고, 반면에 3 마이크로미터 이상인 경우, 원료비가 증가하고 코팅 시간이 길어져 제조 비용이 증가될 수 있다.

본 발명의 압연 롤러는 가장 경도가 높은 다이아몬드와 유사한 수준의 표면 경도를 가지고 있는 바, 우수한 내구성으로 인해 압연 장치의 수명을 늘리고, 제조 비용을 절감할 수 있으며, 생산되는 전극 시트의 두께 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 압연 롤러의 표면 경도는 1000 Hv 내지 6000 Hv일 수 있고, 상세하게는, 2500 Hv 내지 5500 Hv일 수 있으며, 더욱 상세하게는 3000 Hv 내지 5000 Hv일 수 있다.

상기 압연 롤러의 마찰계수가 낮은 경우, 압연 공정에 따른 마찰력이 감소하여, 압연 롤러 표면의 마모량이 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 압연 롤러의 마찰계수는 0.1 내지 0.2일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 압연장치는 두께 제어부, 이격공간 조절부, 자동 실행부, 고유문자 인식부, 이송 롤러 및 권취 롤을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 실시예에 따른 예시적인 압연장치의 측면 모식도가 도 1에 도시되어 있다.

도 1를 참조하면, 본 발명에 따른 압연장치는, 압연 롤러부(100), 두께 제어부(200), 이격공간 조절부(300), 자동 실행부(400), 고유문자 인식부(500), 이송 롤러들(21, 22, 23, 24), 및 권취 롤(30)을 포함하고 있다.

이러한 압연 롤러부(100)는 상부 압연 롤러(110)와 하부 압연 롤러(120)를 포함하고 있고, 상부 압연 롤러(110)와 하부 압연 롤러(120) 사이의 이격공간으로 전극시트(10)를 통과시켜 압연한다.

하나의 구체적인 실시예에서, 상기 두께 제어부는, 압연된 둘 이상의 전극시트들 중 최외각에 위치하는 각각의 전극시트의 전체 폭 대비 80 내지 90%에 해당하는 중심부의 두께를 측정하고, 측정된 평균 두께 값을 기설정된 기준 전극시트 두께 값과 비교한 후 보정값을 이격공간 조절부로 송신하여 상부 압연 롤러와 하부 압연 롤러를 각각 상하 이동시킴으로써 전극시트의 두께를 실시간으로 조절한다.

본 발명은 또한 이차전지용 전극의 제조 방법을 제공하는 바, 이러한 제조 방법은,

(a) 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질, 바인더, 도전재, 및 충진제를 포함하는 전극 합제를 코팅하고 건조하여 전극 합제 코팅층을 형성하는 단계;

(b) 본 발명에 따른 전극시트 압연장치를 사용하여 상기 전극 합제 코팅층을 압연하는 단계;

(c) 상기 과정(a) 및 과정(b)를 1회 또는 2회 이상 적용하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전극시트 압연장치를 이용하여 제조된 전극시트로서, 상기 전극시트는 집전체의 일면 또는 양면 상에 전극 활물질, 바인더, 도전재, 및 충진제를 포함하는 전극 합제 코팅층이 형성되어 있을 수 있다.

상기 전극 활물질은 양극 활물질, 또는 음극 활물질일 수 있으며, 구체적인 구성은 이하 설명한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 합제 코팅층의 두께는 5 마이크로미터 내지 400 마이크로미터일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 너무 작을 경우에는 전지 용량이 감소하고, 반대로 너무 클 경우에는 전극 합제의 탈리 가능성과 내부 저항이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.

상기 전극 활물질의 밀도는 1.5 g/cc 내지 5 g/cc일 수 있다. 이러한 전극 활물질의 밀도를 갖는 경우 집전체와 접촉면적을 크게 유지할 수가 있어서 뛰어난 도전 네트워크를 형성하는 것이 가능하므로 전기 전도도가 우수하다.

하나의 구체적인 예에서, 본 발명은 상기 전극시트를 포함하고 있는 이차전지일 수 있고, 상기 이차전지는 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.

이러한 리튬 이차전지의 구성을 이하에 설명한다.

리튬 이차전지는 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물(양극 합제)를 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되는 양극과, 실질적으로 유사한 방법을 사용하여 제조되는 음극을 포함하며, 이 경우, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 내지 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂, LiNi_0.5Mn_0.3Ni_0.2 등의 리튬 니켈 망간 코발트 복합 산화물; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃, LiNi_xMn_2-xO₄(0.01 ≤ x ≤ 0.6) 등을 사용할 수 있다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 천연 흑연과 같이 층상 결정구조가 완전히 이루어진 그라파이트, 저결정성 층상 결정 구조(graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 소프트 카본 및 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 하드 카본, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe’_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등; 상기 화합물들의 복합물이 사용될 수 있다.

이러한 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.

하나의 예에서, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂ 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 전원 또는 동력원으로 사용하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극시트 압연장치는 압연 롤러의 표면에 비정질 탄소 코팅층을 포함하고 있어, 압연 공정 시 발생되는 압연 롤러의 마모량을 줄일 수 있고, 이로 인해 두께 편차가 적은 전극시트의 제조가 가능할 뿐만 아니라, 압연 롤러의 교체 주기가 늘어나 전지의 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 예시적인 압연장치의 측면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 시편의 표면 경도를 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 실험예의 테이버 마모 시험(taber abrasion test) 결과를 나타낸 그래프이다;
도 4는 테이버 마모 시험(taber abrasion test) 방법의 개념 모식도이다;
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예의 마모 시험전의 시편 사진이다;
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 마모 시험후의 시편 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 일부 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

하기 도 4와 같이, 3 mm 두께의 베어링강(SUJ2) 재질로 이루어진 판넬(panel) 형태의 시편 표면에 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정을 통해 DLC(Diamond-like-Carbon) 코팅층을 형성한 시편을 준비하였고, 시편의 표면 경도, 코팅 두께, 및 마찰 계수를 하기 표 1에 나타내었다.

<비교예 1>

하기 도 4와 같이, 3 mm 두께의 베어링강(SUJ2) 재질로 이루어진 판넬 형태의 시편 표면을 경질 크롬(Hard Cr)으로 도금하여 시편을 준비하였고, 시편의 표면 경도, 코팅 두께, 및 마찰 계수를 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1
외 관	무광택 검정(도 4 참조)	광택금속(도 4 참조)
Vickers 경도 (Hv)	3,000 내지 5,000	700 내지 1,000
코팅 두께 (마이크로미터)	0.1 내지 0.2	50 이상
마찰 계수 (μ)	0.1 내지 0.2	0.41

<실험예>

하기 마모 측정 방법에 따라, 실시예 1 및 비교예 1에 따른 각각의 시편 3개를 준비하여 마모 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 3의 그래프에 나타내었다.

(마모 측정)

도금재의 내마모성을 측정하기 위해, 테이버 마모 시험(taber abrasion test)을 실시하였다. 구체적으로 하기 도 4에서 볼 수 있듯이, 테이버 마모 시험은 회전이 가능한 디스크 위에 시편을 끼우고, 2개의 일정한 거칠기의 마모 휠(abrasion wheel)을 1 kgf의 하중으로 누른 다음, 시편을 70 rpm으로 회전시켜, 각각 1,000, 3,000, 및 5,000번의 시험 횟수 마다 마모 전 후의 변화된 시편 중량을 측정하였다.

상기 표 1 및 하기 도 2의 그래프와 같이, 실시예 1은 비교예보다 두께가 더 얇은 코팅층을 형성함에도 불구하고, 비교예의 경도가 700 Hv 내지 1,000 Hv인 것에 비해 실시예 1의 경도는 3,000 Hv 내지 5,000 Hv으로 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 반면에, 마찰 계수는 DLC코팅한 경우가 더 낮은 것을 확인할 수 있다.

한편, 하기 도 3에서 마모 시험 결과를 살펴보면, 실시예 1의 마모량이 비교예보다 마모 시험 횟수가 1,000회일 때 5.7 mg 적고, 3,000회일 때 8.6 mg 적으며, 5,000회일 때 19.8 mg 적다. 즉, 마모 시험 횟수가 늘어날수록 마모량 차이는 더욱 커지고 있는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예 1은 비교예와 비교하여 각 시험 횟수의 마모양이 작을 뿐만 아니라 압연 롤러의 수명을 결정지을 수 있는 마모 시간에 따른 증가되는 마모량의 크기 또한 더 작다고 할 수 있다.

이상을 종합할 때, 본 발명에 따른 비정질 탄소 코팅층이 형성된 압연 롤러는 기계적 특성이 우수하여 압연 공정 시 표면적의 마모량이 상대적으로 적은 바, 보다 우수한 품질의 전극시트를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 압연 롤러의 수명을 향상시켜 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석된다.

Claims (15)

1. 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질, 바인더, 도전재, 및 충진제를 포함하는 전극 합제가 도포되어 있는 전극시트를 압연하는 장치로서,
   전극시트가 통과하면서 압연될 수 있도록 전극시트의 두께보다 좁은 폭으로 상호 이격된 위치에서 회전하는 한 쌍의 압연 롤러들; 및
   상기 압연 롤러들의 표면에 코팅되어 있는 비정질 탄소 코팅층;
   을 포함하고,
   상기 비정질 탄소 코팅은 DLC(Diamond-like-Carbon) 코팅인 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압연 롤러들은 전극시트 두께의 60% 내지 99%의 거리로 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 DLC 코팅은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), 이온 플레이팅(ion plating), 레이저 어블레이션(laser ablation), 및 여과 진공 아크 플라즈마(filtered vacuum arc plasma) 코팅으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 이상의 방법으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 탄소 코팅층의 두께는 1 나노미터 내지 3 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 압연 롤러의 표면 경도는 1000 Hv 내지 6000 Hv인 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 압연 롤러의 마찰계수는 0.1 내지 0.2인 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 압연장치는 두께 제어부, 이격공간 조절부, 자동 실행부, 고유문자 인식부, 이송 롤러 및 권취 롤을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극시트 압연장치.
9. 이차전지용 전극시트를 제조하는 방법으로서,
   (a) 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질, 바인더, 도전재, 및 충진제를 포함하는 전극 합제를 코팅하고 건조하여 전극 합제 코팅층을 형성하는 단계;
   (b) 제 1 항, 제 2 항, 및 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 전극시트 압연장치를 사용하여 상기 전극 합제 코팅층을 압연하는 단계;
   (c) 상기 과정(a) 및 과정(b)를 1회 또는 2회 이상 적용하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
10. 삭제
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