KR101924938B1 - 다공성 집전체 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 다수개의 관통구를 미세한 직경의 크기를 갖도록 형성할 수 있는 다공성 집전체 제조방법에 관한 것으로, 금속박의 일측의 표면에 완충필름을 접착시키는 단계; 완충필름이 접착되면 금속박에 다수개의 홈이 형성되도록 금형을 이용해 금속박의 타측의 표면을 압인하는 단계; 압인이 완료되면 다수개의 홈의 각각의 끝단이 개방되어 관통구가 되도록 금속박을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)하는 단계; 및 에칭이 완료되면 금속박으로부터 완충필름을 제거하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다공성 집전체 제조방법에 관한 것으로, 특히 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 다수개의 관통구를 미세한 직경의 크기를 갖도록 형성할 수 있는 다공성 집전체 제조방법에 관한 것이다.
전기 이중층 커패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor)와 같은 슈퍼 커패시터나 2차 전지는 집전체가 사용된다. 슈퍼 커패시터나 2차 전지는 집전체와 전극물질 사이의 결착력이 시간에 따라 감소하여 용량이나 출력이 감소하는 것을 방지하기 위해 다수개의 관통홀이 형성된 집전체가 사용된다. 다수개의 관통홀이 형성된 집전체는 집전체와 전극물질 사이의 결착력을 증가시킴과 아울러 전해액 흡수성 증가시켜 경시변화에 따른 슈퍼 커패시터나 2차 전지의 용량이나 출력이 감소하는 것을 방지하며, 다수개의 관통홀이 형성된 집전체가 적용된 기술이 한국공개특허공보 제10-2015-0140903호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2015-0140903호는 전기 이중층 커패시터의 고밀도 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 전기 이중층 커패시터의 고밀도 전극은 관통형 알루미늄 시트, 다수개의 제1중공형 돌출부재, 다수개의 제2중공형 돌출부재, 제1활물질 시트 및 제2활물질 시트로 구성된다. 다수개의 제1중공형 돌출부재는 관통형 알루미늄 시트의 일측으로 돌출되도록 형성되며, 다수개의 제2중공형 돌출부재는 관통형 알루미늄 시트의 타측으로 돌출되도록 형성된다. 제1활물질 시트는 관통형 알루미늄 시트의 일측면에 접착되며, 제2활물질 시트는 관통형 알루미늄 시트의 타측면에 접착된다.
한국공개특허공보 제10-2015-0140903호와 같은 관통형 알루미늄 시트는 다수개의 제1중공형 돌출부재나 다수개의 제2중공형 돌출부재에 의해 관통형 알루미늄 시트와 제1활물질 시트 사이의 접촉면적이나 관통형 알루미늄 시트와 제2활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시켜 고밀도 전극을 구현할 수 있다. 이와 같이 한국공개특허공보 제10-2015-0140903호와 같은 종래의 관통형 알루미늄 시트 즉, 다공성 집전체는 다수개의 돌출부재로 인해 접촉면적을 증가시켜 고밀도의 전극을 구현할 수 있으나 물리적인 힘(press) 즉, 금형만을 이용하여 제조됨으로써 관통구멍의 직경을 작게 형성할 수 없는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2015-0140903호는 전기 이중층 커패시터의 고밀도 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 전기 이중층 커패시터의 고밀도 전극은 관통형 알루미늄 시트, 다수개의 제1중공형 돌출부재, 다수개의 제2중공형 돌출부재, 제1활물질 시트 및 제2활물질 시트로 구성된다. 다수개의 제1중공형 돌출부재는 관통형 알루미늄 시트의 일측으로 돌출되도록 형성되며, 다수개의 제2중공형 돌출부재는 관통형 알루미늄 시트의 타측으로 돌출되도록 형성된다. 제1활물질 시트는 관통형 알루미늄 시트의 일측면에 접착되며, 제2활물질 시트는 관통형 알루미늄 시트의 타측면에 접착된다.
한국공개특허공보 제10-2015-0140903호와 같은 관통형 알루미늄 시트는 다수개의 제1중공형 돌출부재나 다수개의 제2중공형 돌출부재에 의해 관통형 알루미늄 시트와 제1활물질 시트 사이의 접촉면적이나 관통형 알루미늄 시트와 제2활물질 시트 사이의 접촉면적을 증가시켜 고밀도 전극을 구현할 수 있다. 이와 같이 한국공개특허공보 제10-2015-0140903호와 같은 종래의 관통형 알루미늄 시트 즉, 다공성 집전체는 다수개의 돌출부재로 인해 접촉면적을 증가시켜 고밀도의 전극을 구현할 수 있으나 물리적인 힘(press) 즉, 금형만을 이용하여 제조됨으로써 관통구멍의 직경을 작게 형성할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 다수개의 관통구를 미세한 직경의 크기를 갖도록 형성할 수 있는 다공성 집전체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다공성 집전체를 제조 시 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭함으로써 금형의 수명을 연장시킬 수 있는 다공성 집전체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다공성 집전체를 제조 시 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭함으로써 다수개의 관통구를 매끄럽게 형성할 수 있는 다공성 집전체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다공성 집전체를 제조 시 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭함으로써 금형의 수명을 연장시킬 수 있는 다공성 집전체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다공성 집전체를 제조 시 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭함으로써 다수개의 관통구를 매끄럽게 형성할 수 있는 다공성 집전체 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금속박의 일측의 표면에 완충필름을 접착시키는 단계; 상기 완충필름이 접착되면 금속박에 다수개의 홈이 형성되도록 금형을 이용해 금속박의 타측의 표면을 압인하는 단계; 상기 압인이 완료되면 다수개의 홈의 각각의 끝단이 개방되어 관통구가 되도록 금속박을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)하는 단계; 및 상기 에칭이 완료되면 상기 금속박으로부터 상기 완충필름을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 다수개의 관통구를 미세한 직경의 크기를 갖도록 형성할 수 있는 이점이 있고, 다공성 집전체를 제조 시 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭함으로써 금형의 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있으며, 다수개의 관통구를 매끄럽게 형성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 다공성 집전체 제조방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 2는 도 1에 도시된 완충필름 접착 단계에서 금속박에 완충필름을 접착시킨 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 압인 단계에서 금속박 압인을 위해 금속박과 금형을 정열시킨 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 압인 단계에서 금형을 이용해 금속박을 압인한 상태를 나타낸 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 압인 단계에서 금형을 이용해 금속박을 압인한 후 금형을 제거한 상태를 나타낸 단면도,
도 6은 도 1에 도시된 에칭 단계에서 금속박을 에칭한 상태를 나타낸 단면도,
도 7은 도 1에 도시된 완충필름 제거 단계에서 금속박에 접착된 완충필름을 제거한 상태를 나타낸 단면도,
도 8은 도 1에 도시된 본 발명의 다공성 집전체 제조방법을 수행하기 위한 제조 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도,
도 9는 도 8에 도시된 금형의 사시도,
도 10은 도 9에 도시된 압인핀의 확대 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 완충필름 접착 단계에서 금속박에 완충필름을 접착시킨 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 압인 단계에서 금속박 압인을 위해 금속박과 금형을 정열시킨 상태를 나타낸 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 압인 단계에서 금형을 이용해 금속박을 압인한 상태를 나타낸 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 압인 단계에서 금형을 이용해 금속박을 압인한 후 금형을 제거한 상태를 나타낸 단면도,
도 6은 도 1에 도시된 에칭 단계에서 금속박을 에칭한 상태를 나타낸 단면도,
도 7은 도 1에 도시된 완충필름 제거 단계에서 금속박에 접착된 완충필름을 제거한 상태를 나타낸 단면도,
도 8은 도 1에 도시된 본 발명의 다공성 집전체 제조방법을 수행하기 위한 제조 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도,
도 9는 도 8에 도시된 금형의 사시도,
도 10은 도 9에 도시된 압인핀의 확대 사시도.
이하, 본 발명의 다공성 집전체 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)을 접착시킨다(S10). 완충필름(20)이 접착되면 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되도록 금형(110)을 이용해 금속박(10)의 타측의 표면을 압인한다(S20). 압인이 완료되면 다수개의 홈(11)의 각각의 끝단이 개방되어 관통구(12)가 되도록 금속박(10)을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)한다(S30). 에칭이 완료되면 완충필름(20)을 제거한다(S40).
본 발명의 다공성 집전체 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 먼저 도 1 및 도 2에서와 같이 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)을 접착시킨다(S10).
금속박(10)은 금형(100: 도 3에 도시됨)과 에칭을 이용해 관통구(12: 도 7에 도시됨)가 용이하게 형성되도록 두께(Th1)가 10 내지 50㎛가 되도록 압연가공되어 일측과 타측의 표면에 각각 압연유가 부착된 상태로 준비되며, 재질은 순도가 98.0 내지 99.7％인 알루미늄이 사용된다. 이러한 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)의 접착 방법은 필름 상태의 완충필름(20)을 열압착을 이용해 금속박(10)의 일측의 표면에 접착되며, 완충필름(20)의 재질은 EVA(ethylene vinyl acetate), PC(poly carbonate), PVC(polyvinyl chloride), PS(polystyrene) 및 PE(polyethylene) 중 하나가 사용된다.
열압착을 이용해 형성되는 완충필름(20)의 두께(Th2)는 50 내지 500㎛가 되도록 성형하여 금형(110)으로 금속박(10)을 압인 시 충격을 흡수할 수 있도록 한다. 이와 같이 완충필름(20)은 금속박(10)에 다수개의 홈(11: 도 5에 도시됨)을 형성하기 위해 금형(110)으로 금속박(10)을 압인 시 충격을 흡수해 압인핀(111: 도 3에 도시됨)의 마모를 줄일 수 있게 되어 금형(110)의 수명을 연장시킴에 의해 본 발명의 다공성 집전체 제조방법의 제조원가를 절감시킬 수 있다.
완충필름(20)이 접착되면 도 1 및 도 3 내지 도 5에서와 같이 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되도록 금형(110)을 이용해 금속박(10)의 타측의 표면을 압인한다(S20).
다수개의 홈(11)을 형성하기 위한 압인은 금형(110)의 하부에 배열되어 형성된 다수개의 압인핀(111a)을 금속박(10)의 타측의 표면에 가압하여 홈(11)이 형성되도록 압인한다. 여기서, 압인하는 압력은 20 내지 500㎏f/㎠이고, 도 8에서와 같이 다수개의 압인핀(111a)의 배열 간격(Sp: 도 9에 도시됨)은 가로방향(X)과 세로방향(Y)으로 각각 50㎛ 내지 1㎜가 되도록 이격되어 배열된다. 다수개의 압인핀(111a)은 각각의 끝단이 사각뿔 형상으로 형성되고, 사각뿔의 끝단은 평평한 면으로 형성된다. 이러한 다수개의 압인핀(111a)은 도 10에서와 같이 각각의 높이(H)는 100㎛ 내지 1㎜이며, 각각의 최대 폭(W2)은 110 내지 250㎛이며 각각의 최소 폭(W1)은 10 내지 100㎛가 되도록 형성된다. 여기서, 다수개의 홈(11)은 금속박(10)에 일정한 간격으로 이격되어 배열되어 형성된다.
금형(110)의 구체적인 구성은 도 3 및 도 9에서와 같이 금형 몸체(111)와 금형 몸체(111)의 하부에 배치되는 금형 지지부재(112)를 포함하여 구성된다. 금형 몸체(111)는 하부에 다수개의 압인핀(111a)이 배열되도록 형성된다. 금형 지지부재(112)는 완충필름(20)을 지지한다. 금형 지지부재(112)에 완충필름(20)이 지지되면 금형 몸체(111)는 다수개의 압인핀(111a)이 금속박(10)을 압인하여 다수개의 홈(11)이 형성되도록 이동된다. 금형 몸체(111)의 이동 방법은 공지된 금형 기술이 적용됨으로 설명을 생략한다.
금속박(10)에 형성된 다수개의 홈(11)은 도 3 및 도 10에서와 같이 압인핀(111a)에 의해 끝단이 평평한 면인 사다리꼴 형상으로 형성되며, 금속박(10)의 두께(Th1)보다 다수개의 홈(11)이 형성된 영역의 두께(Th3)보다 작도록 형성된다. 즉, 다수개의 홈이 형성되지 않은 영역의 금속박(10)의 두께(Th1)는 10 내지 50㎛이며, 다수개의 홈(11)이 형성되지 않은 영역의 금속박(10)의 두께(Th3)는 0.1 내지 5㎛가 되도록 금형(110)을 압인하여 홈(11)을 형성한다.
이와 같이 금속박(10)에 형성된 다수개의 홈(11)은 금형(110)의 압인 작업 이전의 금속박(10)의 두께(Th1)보다 다수개의 홈(11)이 형성된 영역의 두께(Th3)보다 작도록 압인하여 형성함으로써 다수개의 홈(11)의 끝단을 에칭하여 관통구(12)를 형성 시 에칭 공정 시간을 줄여 에칭에 의해 금속박(10)의 표면적이 손실되는 것을 방지한다.
압인이 완료되어 완충필름(20)이 제거되면 도 1 및 도 6에서와 같이 다수개의 홈(11)의 각각의 끝단이 개방되어 관통구(12)가 되도록 금속박(10)을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)한다(S30).
금속박(10)의 에칭은 전해 에칭이나 화학적 에칭이 사용된다. 전해 에칭은 전해 에칭 장비(도시 않음)를 이용해 수행되며, 전해 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈(11)이 형성된 금속박(10)을 침지한 상태에서 전류가 1 내지 30초(second) 동안 흐르도록 처리한다. 여기서, 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하며, 전류의 전류밀도는 0.1 내지 10A/㎠으로 설정하여 전해 에칭을 실시하여 다수개의 홈(11)을 각각의 끝단이 개방된 관통구(12)가 되도록 형성하여 본 발명의 다공성 집전체를 제조하게 된다.
화학적 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈(11)이 형성된 금속박(10)을 침지한 상태에서 1 내지 30초(second) 동안 처리하여 에칭한다. 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하여 다수개의 홈(11)을 각각의 끝단이 개방된 관통구(12)가 되도록 형성하여 본 발명의 다공성 집전체을 제조하게 된다. 여기서, 관통구(12)의 평균 폭(W3: 도 7에 도시됨)은 12 내지 270㎛가 되도록 형성하며, 관통구(12)의 평균 폭은 관통구(12)의 내측의 가로나 세로 길이 중 하나를 나타낸다.
에칭이 완료되면 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되면 도 1 및 도 7에서와 같이 완충필름(20)을 제거한다(S40).
완충필름(20)의 제거방법은 먼저, 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된 완충필름(20)을 금속박(10)의 표면 즉, 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용해 제거한다. 예를 들어 완충필름(20)은 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용하여 물리적인 힘으로 금속박(10)으로부터 벗겨서 제거한다. 이러한 실시예가 도 8에 도시되어 있으며, 도 8에서와 같이 완충필름(20)이 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123)를 이용해 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된 경우에 완충필름(20)을 제거하는 방법은 완충 필름 회수롤러(140)에 완충필름(20)을 권취하여 완충 필름 회수롤러(140)의 회전력 즉, 물리적인 힘과 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용하여 벗겨서 제거한다.
이러한 본 발명의 다공성 집전체를 제조하는 보다 상세한 방법을 첨부된 도 1 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다공성 집전체의 제조방법은 먼저, 금속박(10)을 권취롤러(121)에 권취하며 완충필름(20)을 권취롤러(120)에 권취한 상태로 준비한다. 여기서, 금속박(10)은 압연가공되어 일측의 표면이나 타측의 표면 즉, 표면에 압연유가 부착된 상태로 권취되어 준비되며, 금속박(10)과 완충필름(20)의 권취롤러(120,121)가 준비되면 각각 금속박(10)과 완충필름(20)은 권취롤러(120,121)와 대향되도록 배치된 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)에 연결된다. 금속박(10)과 완충필름(20)이 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)에 연결되면 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)는 회전되며, 이 회전에 의해 금속박(10)과 완충필름(20)이 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123)로 이송되어 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)이 접착된다(S10). 즉, 완충필름(20)은 히팅 롤러(122)에 의해 가열된 상태에서 가압롤러(123)에 가압되어 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된다. 여기서, 금속박(10)의 가이드 롤러(124)에 의해 지지된 상태로 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123) 사이로 이송된다.
금속박(10)에 완충필름(20)이 접착되면 이 상태로 금형(110)으로 이송되어 완충필름(20)이 접착된 금속박(10)은 금형 지지부재(112)에 의해 지지된다. 금속박(10)이 금형 지지부재(112)에 의해 지지되면 금형(111)은 금속박(10)으로 이동되어 다수개의 압인핀(111a)이 금속박(10)을 압인하여 다수개의 홈(11)이 형성되도록 한다(S20). 이와 같이 금형(110)에 의해 금속박(10)에 다수개의 홈(11)을 형성하기 위해 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)는 각각 완충필름(20)이 접착된 금속박(10)을 일정한 길이만큼 스텝(step) 이송시킨다.
금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되면 금속박(10)은 에칭장비(130)로 이송되어 금속박(10)의 스텝 이송시간 동안 전해나 화학적 에칭된다(S30). 에칭 장비(130)는 금속박(10)의 에칭 방법에 따라 공지된 전해나 화학적 에칭 장비가 사용되며, 다수개의 가이드 롤러(131,132,133)는 각각 금속박(10)이 에칭장비(130)로 이송되도록 가이드한다. 전해 에칭 시 금속박(10)은 외부로 노출되는 타측의 표면에 전해 에칭시 사용되는 전극(도시 않음)이 연결되며, 전극 연결방법은 공지된 기술이 적용되어 설명을 생략한다. 에칭이 완료되면 완충필름(20)은 한 쌍의 가이드 롤러(141,142)에 의해 가이드되어 완충 필름 회수롤러(140)의 회전에 의해 완충 필름 회수롤러(140)에 권취되고, 이 권취되는 물리적인 힘과 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용에 의해 금속박(10)으로부터 벗겨져 제거된다(S40).
금속박(10)으로부터 완충필름(20)이 제거되고 에칭에 의해 다수개의 홈(11)이 다수개의 관통구(12)로 형성되면 금속박(10)은 다수개의 가이드 롤러(151,152,153)에 의해 가이드 되어 세정장비(150)로 이송되어 세정된다. 금속박(10)의 세정방법은 금속박(10)의 에칭 후 공지된 유기나 순수를 이용한 세정방법을 이용해 세정된다. 금속박(10)의 세정이 완료되면 금속박(10)은 건조기(160)에 의해 건조된 후 금속박 회수롤러(170)에 의해 권취되어 회수된다.
이상과 같이 본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 버(bur)의 발생 없이 미세한 크기를 갖는 관통구를 용이하게 형성할 수 있고, 금형을 이용해 금속박을 직접적으로 관통시켜 형성하지 않음으로써 금형의 수명을 연장시킬 수 있으며, 홈을 에칭하여 관통구가 형성되도록 함으로써 다수개의 관통구에 버(bur)와 같은 돌출되는 부분이 없도록 매끄럽게 형성하여 본 발명의 다공성 집전체에 전극물질의 도포 시 용이하게 도포할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)을 접착시킨다(S10). 완충필름(20)이 접착되면 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되도록 금형(110)을 이용해 금속박(10)의 타측의 표면을 압인한다(S20). 압인이 완료되면 다수개의 홈(11)의 각각의 끝단이 개방되어 관통구(12)가 되도록 금속박(10)을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)한다(S30). 에칭이 완료되면 완충필름(20)을 제거한다(S40).
본 발명의 다공성 집전체 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 먼저 도 1 및 도 2에서와 같이 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)을 접착시킨다(S10).
금속박(10)은 금형(100: 도 3에 도시됨)과 에칭을 이용해 관통구(12: 도 7에 도시됨)가 용이하게 형성되도록 두께(Th1)가 10 내지 50㎛가 되도록 압연가공되어 일측과 타측의 표면에 각각 압연유가 부착된 상태로 준비되며, 재질은 순도가 98.0 내지 99.7％인 알루미늄이 사용된다. 이러한 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)의 접착 방법은 필름 상태의 완충필름(20)을 열압착을 이용해 금속박(10)의 일측의 표면에 접착되며, 완충필름(20)의 재질은 EVA(ethylene vinyl acetate), PC(poly carbonate), PVC(polyvinyl chloride), PS(polystyrene) 및 PE(polyethylene) 중 하나가 사용된다.
열압착을 이용해 형성되는 완충필름(20)의 두께(Th2)는 50 내지 500㎛가 되도록 성형하여 금형(110)으로 금속박(10)을 압인 시 충격을 흡수할 수 있도록 한다. 이와 같이 완충필름(20)은 금속박(10)에 다수개의 홈(11: 도 5에 도시됨)을 형성하기 위해 금형(110)으로 금속박(10)을 압인 시 충격을 흡수해 압인핀(111: 도 3에 도시됨)의 마모를 줄일 수 있게 되어 금형(110)의 수명을 연장시킴에 의해 본 발명의 다공성 집전체 제조방법의 제조원가를 절감시킬 수 있다.
완충필름(20)이 접착되면 도 1 및 도 3 내지 도 5에서와 같이 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되도록 금형(110)을 이용해 금속박(10)의 타측의 표면을 압인한다(S20).
다수개의 홈(11)을 형성하기 위한 압인은 금형(110)의 하부에 배열되어 형성된 다수개의 압인핀(111a)을 금속박(10)의 타측의 표면에 가압하여 홈(11)이 형성되도록 압인한다. 여기서, 압인하는 압력은 20 내지 500㎏f/㎠이고, 도 8에서와 같이 다수개의 압인핀(111a)의 배열 간격(Sp: 도 9에 도시됨)은 가로방향(X)과 세로방향(Y)으로 각각 50㎛ 내지 1㎜가 되도록 이격되어 배열된다. 다수개의 압인핀(111a)은 각각의 끝단이 사각뿔 형상으로 형성되고, 사각뿔의 끝단은 평평한 면으로 형성된다. 이러한 다수개의 압인핀(111a)은 도 10에서와 같이 각각의 높이(H)는 100㎛ 내지 1㎜이며, 각각의 최대 폭(W2)은 110 내지 250㎛이며 각각의 최소 폭(W1)은 10 내지 100㎛가 되도록 형성된다. 여기서, 다수개의 홈(11)은 금속박(10)에 일정한 간격으로 이격되어 배열되어 형성된다.
금형(110)의 구체적인 구성은 도 3 및 도 9에서와 같이 금형 몸체(111)와 금형 몸체(111)의 하부에 배치되는 금형 지지부재(112)를 포함하여 구성된다. 금형 몸체(111)는 하부에 다수개의 압인핀(111a)이 배열되도록 형성된다. 금형 지지부재(112)는 완충필름(20)을 지지한다. 금형 지지부재(112)에 완충필름(20)이 지지되면 금형 몸체(111)는 다수개의 압인핀(111a)이 금속박(10)을 압인하여 다수개의 홈(11)이 형성되도록 이동된다. 금형 몸체(111)의 이동 방법은 공지된 금형 기술이 적용됨으로 설명을 생략한다.
금속박(10)에 형성된 다수개의 홈(11)은 도 3 및 도 10에서와 같이 압인핀(111a)에 의해 끝단이 평평한 면인 사다리꼴 형상으로 형성되며, 금속박(10)의 두께(Th1)보다 다수개의 홈(11)이 형성된 영역의 두께(Th3)보다 작도록 형성된다. 즉, 다수개의 홈이 형성되지 않은 영역의 금속박(10)의 두께(Th1)는 10 내지 50㎛이며, 다수개의 홈(11)이 형성되지 않은 영역의 금속박(10)의 두께(Th3)는 0.1 내지 5㎛가 되도록 금형(110)을 압인하여 홈(11)을 형성한다.
이와 같이 금속박(10)에 형성된 다수개의 홈(11)은 금형(110)의 압인 작업 이전의 금속박(10)의 두께(Th1)보다 다수개의 홈(11)이 형성된 영역의 두께(Th3)보다 작도록 압인하여 형성함으로써 다수개의 홈(11)의 끝단을 에칭하여 관통구(12)를 형성 시 에칭 공정 시간을 줄여 에칭에 의해 금속박(10)의 표면적이 손실되는 것을 방지한다.
압인이 완료되어 완충필름(20)이 제거되면 도 1 및 도 6에서와 같이 다수개의 홈(11)의 각각의 끝단이 개방되어 관통구(12)가 되도록 금속박(10)을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)한다(S30).
금속박(10)의 에칭은 전해 에칭이나 화학적 에칭이 사용된다. 전해 에칭은 전해 에칭 장비(도시 않음)를 이용해 수행되며, 전해 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈(11)이 형성된 금속박(10)을 침지한 상태에서 전류가 1 내지 30초(second) 동안 흐르도록 처리한다. 여기서, 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하며, 전류의 전류밀도는 0.1 내지 10A/㎠으로 설정하여 전해 에칭을 실시하여 다수개의 홈(11)을 각각의 끝단이 개방된 관통구(12)가 되도록 형성하여 본 발명의 다공성 집전체를 제조하게 된다.
화학적 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈(11)이 형성된 금속박(10)을 침지한 상태에서 1 내지 30초(second) 동안 처리하여 에칭한다. 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하여 다수개의 홈(11)을 각각의 끝단이 개방된 관통구(12)가 되도록 형성하여 본 발명의 다공성 집전체을 제조하게 된다. 여기서, 관통구(12)의 평균 폭(W3: 도 7에 도시됨)은 12 내지 270㎛가 되도록 형성하며, 관통구(12)의 평균 폭은 관통구(12)의 내측의 가로나 세로 길이 중 하나를 나타낸다.
에칭이 완료되면 금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되면 도 1 및 도 7에서와 같이 완충필름(20)을 제거한다(S40).
완충필름(20)의 제거방법은 먼저, 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된 완충필름(20)을 금속박(10)의 표면 즉, 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용해 제거한다. 예를 들어 완충필름(20)은 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용하여 물리적인 힘으로 금속박(10)으로부터 벗겨서 제거한다. 이러한 실시예가 도 8에 도시되어 있으며, 도 8에서와 같이 완충필름(20)이 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123)를 이용해 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된 경우에 완충필름(20)을 제거하는 방법은 완충 필름 회수롤러(140)에 완충필름(20)을 권취하여 완충 필름 회수롤러(140)의 회전력 즉, 물리적인 힘과 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용하여 벗겨서 제거한다.
이러한 본 발명의 다공성 집전체를 제조하는 보다 상세한 방법을 첨부된 도 1 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다공성 집전체의 제조방법은 먼저, 금속박(10)을 권취롤러(121)에 권취하며 완충필름(20)을 권취롤러(120)에 권취한 상태로 준비한다. 여기서, 금속박(10)은 압연가공되어 일측의 표면이나 타측의 표면 즉, 표면에 압연유가 부착된 상태로 권취되어 준비되며, 금속박(10)과 완충필름(20)의 권취롤러(120,121)가 준비되면 각각 금속박(10)과 완충필름(20)은 권취롤러(120,121)와 대향되도록 배치된 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)에 연결된다. 금속박(10)과 완충필름(20)이 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)에 연결되면 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)는 회전되며, 이 회전에 의해 금속박(10)과 완충필름(20)이 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123)로 이송되어 금속박(10)의 일측의 표면에 완충필름(20)이 접착된다(S10). 즉, 완충필름(20)은 히팅 롤러(122)에 의해 가열된 상태에서 가압롤러(123)에 가압되어 금속박(10)의 일측의 표면에 접착된다. 여기서, 금속박(10)의 가이드 롤러(124)에 의해 지지된 상태로 히팅 롤러(122)와 가압롤러(123) 사이로 이송된다.
금속박(10)에 완충필름(20)이 접착되면 이 상태로 금형(110)으로 이송되어 완충필름(20)이 접착된 금속박(10)은 금형 지지부재(112)에 의해 지지된다. 금속박(10)이 금형 지지부재(112)에 의해 지지되면 금형(111)은 금속박(10)으로 이동되어 다수개의 압인핀(111a)이 금속박(10)을 압인하여 다수개의 홈(11)이 형성되도록 한다(S20). 이와 같이 금형(110)에 의해 금속박(10)에 다수개의 홈(11)을 형성하기 위해 완충 필름 회수롤러(140) 및 금속박 회수롤러(170)는 각각 완충필름(20)이 접착된 금속박(10)을 일정한 길이만큼 스텝(step) 이송시킨다.
금속박(10)에 다수개의 홈(11)이 형성되면 금속박(10)은 에칭장비(130)로 이송되어 금속박(10)의 스텝 이송시간 동안 전해나 화학적 에칭된다(S30). 에칭 장비(130)는 금속박(10)의 에칭 방법에 따라 공지된 전해나 화학적 에칭 장비가 사용되며, 다수개의 가이드 롤러(131,132,133)는 각각 금속박(10)이 에칭장비(130)로 이송되도록 가이드한다. 전해 에칭 시 금속박(10)은 외부로 노출되는 타측의 표면에 전해 에칭시 사용되는 전극(도시 않음)이 연결되며, 전극 연결방법은 공지된 기술이 적용되어 설명을 생략한다. 에칭이 완료되면 완충필름(20)은 한 쌍의 가이드 롤러(141,142)에 의해 가이드되어 완충 필름 회수롤러(140)의 회전에 의해 완충 필름 회수롤러(140)에 권취되고, 이 권취되는 물리적인 힘과 금속박(10)의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용에 의해 금속박(10)으로부터 벗겨져 제거된다(S40).
금속박(10)으로부터 완충필름(20)이 제거되고 에칭에 의해 다수개의 홈(11)이 다수개의 관통구(12)로 형성되면 금속박(10)은 다수개의 가이드 롤러(151,152,153)에 의해 가이드 되어 세정장비(150)로 이송되어 세정된다. 금속박(10)의 세정방법은 금속박(10)의 에칭 후 공지된 유기나 순수를 이용한 세정방법을 이용해 세정된다. 금속박(10)의 세정이 완료되면 금속박(10)은 건조기(160)에 의해 건조된 후 금속박 회수롤러(170)에 의해 권취되어 회수된다.
이상과 같이 본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 금형을 이용해 금속박의 표면에 홈을 형성한 후 홈의 끝단이 개방되도록 에칭(etching)함으로써 버(bur)의 발생 없이 미세한 크기를 갖는 관통구를 용이하게 형성할 수 있고, 금형을 이용해 금속박을 직접적으로 관통시켜 형성하지 않음으로써 금형의 수명을 연장시킬 수 있으며, 홈을 에칭하여 관통구가 형성되도록 함으로써 다수개의 관통구에 버(bur)와 같은 돌출되는 부분이 없도록 매끄럽게 형성하여 본 발명의 다공성 집전체에 전극물질의 도포 시 용이하게 도포할 수 있게 된다.
본 발명의 다공성 집전체 제조방법은 슈퍼 커패시터나 2차 전지의 제조 산업 분야에 적용할 수 있다.
10: 금속박
11: 홈
12: 관통구
20: 완충필름
11: 홈
12: 관통구
20: 완충필름
Claims (9)
- 금속박의 일측의 표면에 완충필름을 접착시키는 단계;
상기 완충필름이 접착되면 금속박에 다수개의 홈이 형성되도록 금형을 이용해 금속박의 타측의 표면을 압인하는 단계;
상기 압인이 완료되면 다수개의 홈의 각각의 끝단이 개방되어 관통구가 되도록 금속박을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)하는 단계; 및
상기 에칭이 완료되면 상기 금속박으로부터 상기 완충필름을 제거하는 단계를 포함하며,
상기 완충필름을 접착시키는 단계에서 상기 완충필름은 열압착을 이용해 금속박의 일측의 표면에 접착되고, 상기 완충필름을 제거하는 단계에서 상기 완충필름은 금속박의 일측의 표면에 부착된 압연유의 윤활작용을 이용해 금속박으로부터 벗겨서 제거하며, 상기 완충필름의 재질은 EVA(ethylene vinyl acetate), PC(poly carbonate), PVC(polyvinyl chloride), PS(polystyrene) 및 PE(polyethylene) 중 하나가 사용되는 다공성 집전체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속박의 일측의 표면에 완충필름을 접착시키는 단계에서 상기 금속박은 두께가 10 내지 50㎛가 되도록 압연가공되어 일측과 타측의 표면에 각각 압연유가 부착된 상태로 준비되며, 재질은 순도가 98.0 내지 99.7％인 알루미늄이 사용되는 다공성 집전체 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금형을 이용해 금속박을 압인하는 단계에서 상기 다수개의 홈이 형성된 영역의 금속박의 두께는 상기 다수개의 홈이 형성되지 않은 영역의 금속박의 두께보다 작은 다공성 집전체 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 다수개의 홈이 형성되지 않은 영역의 금속박의 두께는 10 내지 50㎛이며, 상기 다수개의 홈이 형성된 영역의 금속박의 두께는 0.1 내지 5㎛인 다공성 집전체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금형을 이용해 금속박을 압인하는 단계는 금형의 하부에 배열되어 형성된 다수개의 압인핀을 금속박의 타측의 표면에 가압하여 홈이 형성되도록 압인하고, 상기 압인하는 압력은 20 내지 500㎏f/㎠이고, 상기 다수개의 압인핀의 배열 간격은 가로방향과 세로방향으로 각각 50㎛ 내지 1㎜인 다공성 집전체 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 다수개의 압인핀은 각각의 끝단이 사각뿔 형상으로 형성되고, 상기 사각뿔의 끝단은 평평한 면으로 형성되며, 각각의 높이는 100㎛ 내지 1㎜이며, 각각의 최대 폭은 110 내지 250㎛이며 각각의 최소 폭은 10 내지 100㎛인 다공성 집전체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속박을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)하는 단계는 전해 에칭이 사용되며,
상기 전해 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈이 형성된 금속박을 침지한 상태에서 전류가 1 내지 30초(second) 동안 흐르도록 처리하고, 상기 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하며, 상기 전류의 전류밀도는 0.1 내지 10A/㎠인 다공성 집전체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속박을 에칭용액을 이용해 에칭(etching)하는 단계는 화학적 에칭이 사용되며,
상기 화학적 에칭은 온도가 20 내지 90℃인 에칭 용액에 다수개의 홈이 형성된 금속박을 침지한 상태에서 1 내지 30초(second) 동안 처리하여 에칭하며, 상기 에칭 용액은 황산 1 내지 30wt％, 염산 0.1 내지 30wt％ 및 순수 40 내지 98.9wt％를 혼합하여 형성하는 다공성 집전체 제조방법.
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-
2016
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Patent Citations (1)
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| JP2014072267A (ja) * | 2012-09-28 | 2014-04-21 | Hitachi Aic Inc | 貫通孔を有するアルミニウム集電箔およびその製造方法 |
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