KR102160961B1 - 복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법 - Google Patents

복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법 Download PDF

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이경한
유현우
박남수
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Abstract

본 발명은 복합 탈염 전극의 제조 과정에 있어서, 이온교환층이 형성되는 시트의 장력을 충분히 확보한 상태에서 균일한 두께의 이온교환층이 코팅될 수 있어, 높은 품질의 복합 탈염 전극을 양산할 수 있는 합 탈염 전극 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 다공성 폴리머 시트를 공급하는 폴리머 시트 공급부, 상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 다공성 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침시키는 폴리머 시트 함침부, 탄소 전극시트를 공급하는 전극시트 공급부, 상기 폴리머 시트 함침부에서 함침된 상기 다공성 폴리머 시트를 상기 전극시트 공급부에서 공급되는 상기 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조하는 언더 코팅부, 상기 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 탑 코팅부 및 상기 제2복합체를 건조하는 건조부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법{Manufacturing apparatus and method for thin film composite membrane embedded CDI electrode}
본 발명은 복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
이온교환층을 가지는 축전식 탈염(Capacitive deionization, CDI) 전극은 본 발명자들이 많은 연구를 진행하였다. 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1410642호(공고일 2014.06.17.) 등의 특허에서는 탄소전극층(활성층) 상에 이온교환수지 분말 등을 함유하는 슬러리를 코팅하여 이온교환층을 형성하는 기술이 공지되어 있다. 그러나 상기한 선행기술에서는 단순히 탈염 전극을 형성하는 개념적인 과정에 대해서만 설명되어 있고, 구체적인 양산과정에 대해서는 설명되지 않은 문제점이 있다. 또한 상술한 바와 같은 탈염 전극을 제조하기 위해 특정 필름의 상부에 이온교환층을 코팅하게 되더라도, 이온교환층이 불균일하게 형성될 수 있으며, 필름 자체의 폭 방향 장력이 충분하게 확보할 수 없는 상태에서 코팅이 진행되어, 상대적으로 낮은 코팅 품질을 가지는 탈염 전극이 형성되는 문제점이 있었다.
한국 등록특허공보 제10-1410642호(공고일 2014.06.17.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법의 목적은 복합 탈염 전극의 제조 과정에 있어서, 이온교환층이 형성되는 시트의 장력을 충분히 확보한 상태에서 균일한 두께의 이온교환층이 코팅될 수 있어, 높은 품질의 복합 탈염 전극을 양산할 수 있는 합 탈염 전극 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다. 또한, 물속의 용존이온을 제거하는 CDI 기술은 이온교환 작용기의 함량이 높을수록 우수한 탈염 성능을 보이지만 막의 함수율도 함께 증가하여 기계적 강도가 낮아지기 때문에 많은 이온교환 작용기를 도입하는 데 한계가 있다. 본 발명은 소수성의 다공성 폴리머 시트를 지지체로 활용함으로 기계적 강도와 이온교환 성능이 우수한 CDI 전극을 제공할 수 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치는, 폴리머 시트를 공급하는 폴리머 시트 공급부, 상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침시키는 폴리머 시트 함침부, 탄소 전극시트를 공급하는 전극시트 공급부, 상기 폴리머 시트 함침부에서 함침된 상기 폴리머 시트를 상기 전극시트 공급부에서 공급되는 상기 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조하는 언더 코팅부, 상기 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 탑 코팅부 및 상기 제2복합체를 건조하는 건조부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치는, 일면 또는 양면이 이온교환층으로 코팅된 폴리머 시트를 공급하는 폴리머 시트 공급부, 탄소 전극시트를 공급하는 전극시트 공급부 및 상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 폴리머 시트를 상기 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하는 언더 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 폴리머 시트를 코로나 방전 또는 플라즈마를 이용해 표면처리하는 표면처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또힌, 상기 폴리머 시트는 다공성 폴리머 시트인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 시트 공급부와 상기 언더 코팅부 사이에 배치되어 상기 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴는 익스펜딩 롤을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 시트 함침부는, 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부, 상기 이온교환용액 수용부의 상부에 배치되어 표면 중 일부가 상기 이온교환용액에 잠기고, 상측 표면이 상기 폴리머 시트와 맞닿아 상기 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 표면에 다수개의 홈이 형성되어 상기 폴리머 시트의 일면을 함침시키는 코팅 롤러 및 판 형상으로, 상기 코팅 롤러를 상단과 하단을 기준으로 절반으로 나눴을 때, 상기 폴리머 시트가 공급되는 측에 형성되어 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면과 맞닿아 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이온교환용액 수용부는 상하 이동이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코팅 롤러의 표면에 형성된 홈은 깊이가 0.01~1mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코팅 롤러의 표면에 형성된 홈의 크기는 500메시 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 시트 공급부는 두 개이며, 상기 언더 코팅부는, 상하 방향으로 배치되는 제1합지롤러 및 제2합지롤러를 포함하고, 두 개의 상기 폴리머 시트 공급부 각각에서 공급되는 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트와, 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트 사이로 공급되는 상기 탄소 전극시트는 상기 제1합지롤러 및 상기 제2합지롤러를 통과해 라미네이팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1합지롤러 및 상기 제2합지롤러 중 적어도 어느 하나의 롤러는 다른 롤러측으로 이동 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탑 코팅부는, 제1코팅부; 제2코팅부; 및 방향전환롤러;를 포함하며, 상기 제1코팅부 및 상기 제2코팅부 각각은, 이온교환수용액이 수용되는 이온교환용액 수용부, 상기 이온교환용액 수용부의 상부에 배치되어 표면 중 일부가 상기 이온교환용액에 잠기고, 상측 표면이 상기 제1복합체의 일면과 맞닿아 상기 제1복합체의 이동방향을 조절하며, 표면에 다수개의 홈이 형성되어 상기 제1복합체의 일면을 코팅시키는 코팅 롤러 및 판 형상으로, 상기 코팅 롤러를 상단과 하단을 기준으로 절반으로 나눴을 때, 상기 제1복합체가 공급되는 측에 형성되어 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면과 맞닿아 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화 하는 블레이드;를 포함하고, 상기 제1코팅부를 거쳐 일면이 이온교환용액으로 코팅된 상기 제1복합체는 상기 방향전환롤러를 통해 공급방향이 전환되어, 상기 제2코팅부에 포함된 코팅 롤러의 상측 표면이 상기 제1복합체의 양면 중 상기 이온교환용액으로 코팅되지 않은 일면이 맞닿는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법은, a) 다공성 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침하는 단계, b) 상기 a) 단계에서 이온교환용액에 함침된 상기 다공성 폴리머 시트를 탄소전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조하는 단계, c) 상기 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 단계 및 d) 상기 c) 단계에서 제조된 상기 제2복합체를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법은, a) 일면 또는 양면이 이온교환층으로 코팅된 폴리머 시트를 공급하는 단계 및 b) 상기 a) 단계에서 일면 또는 양면이 이온교환층으로 코팅된 상기 폴리머 시트를 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 상기 다공성 폴리머 시트를 코로나 방전 또는 플라즈마를 이용해 표면처리한 후, 이온교환용액에 함침하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 이온교환용액에 함침하기 전 또는 함침한 후의 상기 다공성 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴면서 다음 단계로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 다공성 폴리머 시트가 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 다공성 폴리머 시트의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는, 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트를 개별적으로 상기 이온교환용액에 함침시키고, 상기 b) 단계는 상기 a) 단계에서 이온교환용액에 각각 상기 이온교환용액에 함침된 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트를 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 상기 제1복합체를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 c) 단계는, c-1) 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 제1복합체가 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 제1복합체의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 단계, c-2) 상기 c-1) 단계에서 방향전환롤러를 이용해, 일면이 이온교환용액으로 코팅된 상기 제1복합체의 공급방향을 전환하는 단계 및 c-3) 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 제1복합체의 양면 중 이온교환용액으로 코팅되지 않은 일면이 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 제1복합체의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 a) 단계는 상기 다공성 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴면서 다음 단계로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법에 의하면, 이온교환층이 형성되는 다공성 폴리머 시트를 이온교환층이 형성되기 전 또는 후에 익스펜딩 롤을 이용해 폭 방향으로 펴기 때문에, 최종적으로 제조되는 복합 탈염 전극의 품질이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 다공성 폴리머 시트에 이온교환층을 코팅하기 이전에 코로나 방전 또는 플라즈마 처리를 이용하여 다공성 폴리머 시트의 표면에 친수성을 부여하기 때문에, 이온 선택성 고분자가 보다 용이하게 기공에 채워지는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 다공성 폴리머 시트에 이온교환층을 코팅하는 과정에서, 코팅 롤러의 표면을 블레이드가 긁어, 코팅 롤러의 표면에 묻은 이온교환용액을 고르게 하여 코팅 품질이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치의 익스텐드 롤의 단면 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치의 폴리머 시트 함침부의 확대도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치의 부분 확대도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치는, 폴리머 시트 공급부, 표면처리부, 폴리머 시트 함침부, 전극시트 공급부(300), 언더 코팅부(400), 탑 코팅부 및 건조부(600)를 포함할 수 있다.
폴리머 시트 공급부는 다공성 폴리머 시트를 공급하는 장치이다. 본 실시예에서 폴리머 시트 공급부는 두 개 일 수 있으며, 도 1을 참조하면 두 개의 폴리머 시트 공급부 각각을 제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(121)라 한다.
제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(121)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 공공이 형성된 얇은 필름으로, 다공성 폴리머 시트의 양면에는 후술할 본 실시예의 다른 구성을 통해 이온교환수지층이 형성됨으로써, 본 실시예를 통해 제조되는 복합 탈염 전극의 휨 강도, 뒤틀림 내성, 내충격성, 탄성 등의 기계적 물성 및 화학적 내성이 개선될 수 있다. 다공성 폴리머 시트는 폴리올레핀계로 대표되는고분자 필름일 수 있으며, 다 상세히 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이거나, 이들의 유도체 중에서 선택되는 둘 이상을 포함하는 다공성 폴리머 시트일 수 있다. 단, 본 발명은 다공성 폴리머 시트의 재질을 상술한 바와 같이 한정하는 것은 아니며, 다공성 폴리머 시트는 셀룰로스계가 사용될 수 있고, 다공성 폴리머 시트의 내구성 보강 또는 기타 목적을 위하여 고분자에 무기재질의 원료가 혼합되는 유무기 하이브리드계일 수 있다.
제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(121)의 두께는 1 내지 500um일 수 있으며, 바람직한 일예로써 다공성 폴리머 시트의 두께는 휨 특성, 충격강도 등의 기계적 물성을 충분히 가지기 위하여 5 내지 30um일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1폴리머 시트 공급부(111)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제1폴리머 시트 공급부(111)에 포함되는 롤러에 말려있었기 때문에, 폭 방향으로 확실하게 펴지지 않은 상태일 수 있으며, 이 경우 최종적으로 생산되는 복합 탈염 전극의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하기 위해, 본 실시예에서는 제1폴리머 시트 공급부(111)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트를 익스펜딩 롤을 이용해 폭 방향으로 편다. 본 발명에서 익스펜딩 롤은 다수개가 사용될 수 있으며, 도 1을 참조하면 본 실시예에서는 제1익스펜딩 롤(131), 제2익스펜딩 롤(132), 제3익스펜딩 롤(133) 및 제4익스펜딩 롤(134)이 사용될 수 있다.
도 2는 단일의 익스펜딩 롤의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 단일의 익스펜딩 롤은 샤프트(10), 제1바디부(21), 제2바디부(22), 고정 회전부재(31) 및 익스펜딩 회전부재(32)를 포함할 수 있다. 샤프트(10)는 제1바디부(21) 및 제2바디부(22)에 결합되어 회전하는 부분이며, 제1바디부(21) 및 제2바디부(22)는 샤프트(10)보다 덜 회전하거나, 고정되는 부분이다. 고정 회전부재(31) 및 익스펜딩 회전부재(32)는 각각 제1바디부(21) 및 제2바디부(22)의 외측에 결합되어, 샤프트(10)와 함께 회전한다. 제2바디부(22)의 외주면에는 캠(23) 구조가 형성되어 있다. 캠(23)은 제2바디부(22)의 외주면에 사선으로 형성된 홈 형상이며, 사선으로 형성된 홈 중, 180도 구간은 도 2를 기준으로 외측으로 향하는 구간, 나머지 180도 구간은 도 2를 기준으로 내측으로 향하는 구간이 된다. 익스펜딩 회전부재(32)의 내측에는 샤프트(10) 방향으로 연장된 부재가 형성될 수 있으며, 연장 부재의 끝단에는 베어링(33)이 형성되어, 제2바디부(22)의 외주면에 형성된 캠(23)에 삽입될 수 있으며, 베어링(33)은 캠(23)에 삽입된다. 샤프트(10)는 베어링(33)과 물리적으로 연결되어 있으며, 샤프트(10)가 회전할 때, 익스펜딩 회전부재(32)는 내측 또는 외측으로 움직인다. 도 2에서 캠(23)은 상단에서 내측을 향하도록 형성되어 있고, 하단에서 외측을 향하도록 형성되어 있으므로, 익스펜딩 회전부재(32)는 캠(23)의 상단에 해당하는 부분에 위치할 때에는 내측으로, 캠(23)의 하단에 해당하는 부분에 위치할 때에는 외측으로 이동한다. 따라서 본 실시예에서는 익스펜딩 회전부재(32)가 외측으로 가장 많이 이동하는 부분이 다공성 폴리머 시트와 맞닿으며, 도 1에 도시된 제1익스펜딩 롤(131)의 상단은 도 2에 도시된 제1익스펜딩 롤(131)의 하단일 수 있으며, 다공성 폴리머 시트가 공급되는 방향에 따라 제1익스펜딩 롤(131)의 방향은 변경될 수 있다. 도 2에서 고정 회전부재(31)는 샤프트(10)가 회전하더라도 내측 또는 외측으로 이동하지 않고, 샤프트(10)의 폭 방향을 기준으로 제자리에서 회전한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1폴리머 시트 공급부(111)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제1익스펜딩 롤(131)을 통해 폭 방향으로 펴진 후, 제1표면처리부(121)를 통과한다. 제1표면처리부(121)는 다공성 폴리머 시트의 표면을 처리하여 친수성을 부여하는 과정으로, 코로나 방전을 이용하거나 플라즈마 처리 방식을 이용할 수 있다. 본 실시예에서 제1폴리머 시트 공급부(111)를 통해 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제1익스펜딩 롤(131)을 통해 펴진 후, 제1표면처리부(121)에서 표면처리되지만, 제2포릴머 시트 공급부(112)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제2표면처리부(122)를 통해 표면처리된 후, 제3익스펜딩 롤(133)을 통해 펴진다. 즉, 본 실시예에서 다공성 폴리머 시트가 폴리머 시트 함침부로 공급되기 이전의 작업은 순서가 다르며, 이는 상황에 따라 변경될 수 있다. 상술한 제2익스펜딩 롤(132), 제3익스펜딩 롤(133) 및 제4익스펜딩 롤(134) 각각은 제1익스펜딩 롤(131)과 동일한 구성을 가질 수 있으며, 각각의 익스펜딩 롤은 각각의 롤로 공급되는 다공성 폴리머 시트와 맞닿는 부분이 익스펜딩 회전부재가 최대로 확장되는 부분과 맞닿도록 위치가 결정될 수 있다.
제1표면처리부(121)에서 친수성이 부여된 다공성 폴리머 시트는 제1폴리머 시트 함침부(210)에서 이온교환용액에 함침될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 실시예에의 제1폴리머 시트 함침부(210)는 다공성 폴리머 시트의 일면만을 이온교환용액으로 코팅시킬 수 있다.
도 3은 제1폴리머 시트 함침부(210)만을 확대 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제1폴리머 시트 함침부(210)는 이온교환용액 수용부(211), 코팅 롤러(212) 및 블레이드(213)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이온교환용액 수용부(211)는 이온교환용액(40)이 수용되는 일종의 수조로, 슬라이딩 구조(214)를 통해 상측 또는 하측으로 이동가능하게 설치될 수 있다. 이온교환용액(40)은 다공성 폴리머 시트의 하면에 이온교환층을 코팅하기 위한 것이다. 이온교환용액 수용부(211)가 슬라이딩 구조(214)를 통해 상측 또는 하측으로 이동 가능하게 구성되는 이유는, 이온교환용액의 충전을 보다 용이하게 하기 위함이며, 사용자는 이온교환용액(40)의 충전이 필요할 경우, 이온교환용액 수용부(211)를 하측으로 이동시켜, 코팅 롤러(212)가 이온교환용액(40)에 잠기지 않도록 할 수 있으며, 이온교환용액(40)의 충전이 완료된 이후에는 이온교환용액 수용부(211)를 상측으로 이동시켜, 코팅 롤러(212)의 일부분이 이온교환용액(40)에 잠기도록 할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 코팅 롤러(212)는 다공성 폴리머 시트의 하면을 코팅시킬 때, 하단은 이온교환용액(40)에 잠기도록 배치되며, 도 2에 도시된 바와 같이 상단은 다공성 폴리머 시트의 하면과 면접하도록 배치된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 코팅 롤러(212)의 표면에는 다수개의 홈이 형성되어 있으며, 도 3을 기준으로 코팅 롤러(212)는 시계방향으로 회전하여 다공성 폴리머 시트의 하면을 코팅한다. 보다 구체적으로, 코팅 롤러(212)는 시계방향으로 회전하면 표면에 형성된 다수개의 홈에 이온교환용액(40)이 표면에 묻게 되며, 코팅 롤러(212)의 표면에 묻은 이온교환용액(40)이 다공성 폴리머 시트의 하면과 맞닿으면서 코팅층을 형성하게 된다. 코팅 롤러(212)의 표면에 형성된 홈의 크기는 500메시 이하일 수 있으며, 홈의 깊이는 0.01~1mm일 수 있다.
코팅 롤러(212)의 표면에 묻은 이온교환용액은 그 묻은 정도가 불규칙할 수 있으며, 이는 다공성 폴리머 시트의 코팅 품질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 블레이드(213)는 이를 해결하기 위해 부가되는 장치이며, 코팅 롤러(212)를 상단(다공성 폴리머 시트와 맞닿는 부분)과 하단(이온교환용액에 잠기는 부분)을 기준으로 좌측 및 우측으로 나눴을 때, 다공성 폴리머 시트가 공급되는 방향에 위치하여, 끝단이 코팅 롤러(212)의 표면과 맞닿도록 할 수 있다. 블레이드(213)의 끝단은 코팅 롤러(212)의 표면에 불규칙하게 묻은 이온교환용액을 긁어내 균일하게 하는 역할을 해, 다공성 폴리머 시트의 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2폴리머 시트 공급부(112)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제2폴리머 시트 함침부(220)에서 이온교환용액으로 함침된다. 제2폴리머 시트 공급부(112)에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제3익스펜딩 롤(133)과 일반적인 롤을 이용해 공급 방향이 변경되므로, 블레이드의 방향 또한 제1폴리머 시트 함침부(210)와 다를 수 있으며, 제2폴리머 시트 함침부(220)에서 하면이 이온교환용액으로 코팅된 다공성 폴리머 시트는 롤을 통해 방향이 전환되어, 코팅된 일면이 상측으로 향한 상태로 공급된다.
제1폴리머 시트 함침부(210)와 제2폴리머 시트 함침부(220) 각각에서 일면이 코팅된 다공성 폴리머 시트는 제2익스펜딩 롤(132)과 제4익스펜딩 롤(134)을 통해 폭 방향으로 펴지면서 언더 코팅부(400)로 공급될 수 있다. 언더 코팅부(400)로는 두 개의 다공성 폴리머 시트 뿐 아니라, 전극시트 공급부(300)에서 공급되는 탄소 전극시트 또한 공급될 수 있다.
전극시트 공급부(300)에서 공그되는 탄소 전극시트는 이온의 흡착/탈착 효율을 향상시키기 위한 것으로, 탄소계 전극이라면 어떠한 재질이든 무방하다. 탄소 전극시트는 활성탄소 입자, 탄소섬유, 카본나노튜브 및 그라파이트 입자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 소재를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 탄소 전극시트는 탄소전극으로서 탈염 효율을 향상시킬 수 있는 물질인 내구성/내후성 향상 물질 등을 더 포함할 수 있다. 구체적인 일예로, 탄소 전극시트는 탄소계 소재, 바인더 및 유기용매를 포함하는 슬러리를 막형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 또한 경우에 따라 비표면적과 축전용량 증대를 위해 상기 슬러리에 전극활물질 등이 더 첨가될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이외에도 다양한 물질이 더 첨가될 수 있다.
도 4는 언더 코팅부(400)로 공급되는 각각의 시트를 확대하여 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 언더 코팅부(400)는 상하 방향으로 연달아 배치된 제1합지롤러(410) 및 제2합지롤러(420)를 포함할 수 있다. 제1합지롤러(410) 및 제2합지롤러(420) 중 적어도 하나는 상측 또는 하측으로 이동 가능하도록 구성되어, 언더 코팅부(400)를 통해 하나로 합지(라미네이팅)되는 압력을 조절할 수 있다. 제1합지롤러(410)와 제2합지롤러(420) 사이로 공급되는 두 개의 다공성 폴리머 시트(51)와 탄소 전극시트(60) 사이에는 이온교환층(52)이 형성되며, 제1합지롤러(410) 및 제2합지롤러(420)를 통과하여 제1복합체(71)를 제조한다.
언더 코팅부(400)를 통해 제조된 제1복합체(71)의 표면에는 이온교환층이 코팅되지 않은 상태이며, 탑 코팅부를 통해 제1복합체(71)의 표면을 이온교환용액으로 코팅하며, 도 1에 도시된 바와 같이 탑 코팅부는 상술한 바와 같은 동작을 위해 제1코팅부(510), 제2코팅부(520) 및 방향전환롤러(530)를 포함할 수 있다.
제1코팅부(510)와 제2코팅부(520) 각각은 제1폴리머 시트 함침부와 동일한 구성을 가지며, 동일한 방식으로 제1복합체의 하면을 이온교환용액으로 코팅한다. 단, 제1코팅부(510)와 제2코팅부(520) 각각은 하면만을 이온교환용액으로 코팅할 수 있으므로, 제1코팅부(510)와 제2코팅부(520) 사이에는 방향전환롤러(530)가 배치되어, 제1코팅부(510)에서 하면이 코팅된 제1복합체의 공급 방향을 변경하여, 이온교환용액으로 코팅되지 않은 일면이 하측에 위치하도록 하며, 이후 제2코팅부(520)를 이용해 제1복합체의 양면 모두를 이온교환 용액으로 코팅해, 제1복합체(71)를 제2복합재(72)로 제조한다.
제2복합재(72)는 다수개의 롤러를 통해 건조부(600) 내부로 공급되며, 건조부(600)는 제2복합재(72)를 적외선과 열풍을 이용하여 건조시킨다. 건조부(600)를 통해 건조된 제2복합재(72)는 다시 권취되거나, 재단될 수 있다.
상술한 과정은, 이온교환층이 형성되지 않은 다공성 폴리머 시트의 일면에 이온교환층을 형성한 후, 탄소 전극시트(60)의 양면에 다공성 폴리머 시트(51)를 각각 라미네이팅하는 과정을 설명하였다. 본 발명은 이에 한정하지 않고, 폴리머 시트의 일면 또는 양면에 이온교환층이 형성된 폴리머 시트를 탄소 전극시트(60)의 양면에 각각 라미네이팅할 수 있다. 이를 위해서, 제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(112)에 이온교환층이 형성된 폴리머 시트가 권취되고, 각각의 폴리머 시트 공급부에서 언더 코팅부(400)로 이온교환층이 형성된 폴리머 시트를 공급해, 탄소 전극시트(60)의 양면에 이온교환층이 형성된 폴리머 시트를 라미네이팅 할 수 있다. 이때 폴리머 시트의 양면 모두에 이온교환층이 형성되거나, 폴리머 시트의 양면 중, 탄소 전극시트(60)측 일면에 이온교환층이 형성될 수 있다. 폴리머 시트의 양면 중, 탄소 전극시트(60)측 일면에 이온교환층이 형성되는 이유는 탑 코팅부에서 폴리머 시트의 양면 중 이온교환층이 형성되지 않은 일면에 이온교환층을 형성할 수 있게 하기 위함이다.
상술한 본 발명의 다른 실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치의 제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(112)에 권취되어 공급되는 폴리머 시트는 다공성 폴리머 시트가 아닐 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법은, 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 복합 탈염 전극 제조 장치를 이용해 수행될 수 있으며, 순차적으로 수행되는 a) 단계, b) 단계, c) 단계 및 d) 단계를 포함할 수 있다.
a) 단계는 일측에서 공급되는 다공성 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침한다. 본 발명의 a) 단계에서는 다양한 방법을 이용해 다공성 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침시킬 수 있지만, 본 실시예의 a) 단계에서는 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 다공성 폴리머 시트를 폴리머 시트 함침부에서 이온교환용액에 함침시킬 수 있다. a) 단계에서 다공성 폴리머 시트를 공급하는 주체는 두 개일 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 제1폴리머 시트 공급부(111) 및 제2폴리머 시트 공급부(112)일 수 있고, 각각의 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 다공성 폴리머 시트는 제1폴리머 시트 함침부(210) 및 제2폴리머 시트 함침부(220)에서 각각 이온교환용액에 함침될 수 있다.
a) 단계는 다공성 폴리머 시트가 이온교환용액에 함침되기 이전에 표면처리를 이용하여 다공성 폴리머 시트의 친수성을 높일 수 있으며, 이 방법으로는 코로나 방전 또는 플라즈마 처리 방식이 사용될 수 있다. a) 단계에서 다공성 폴리머 시트의 표면처리는 제1표면처리부(121) 또는 제2표면처리부(122)가 수행할 수 있다.
또한, a) 단계는 이온교환용액에 함침하기 전 또는 함침한 후의 다공성 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴면서 다음 단계로 공급되도록 할 수 있으며, 이는 도 1 에 도시된 제1 내지 제4익스펜딩 롤을 통해 수행될 수 있다.
b) 단계는 상기 a) 단계에서 이온교환용액에 함침된 상기 다공성 폴리머 시트를 탄소전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조한다. 탄소 전극시트는 전극시트 공급부(300)에서 공급될 수 있으며, 다수개의 롤러를 통해 지지되어 라미이네이팅 되는 구성으로 공급될 수 있다. b) 단계에서 제1복합체의 제조는 언더코팅부(400)에서 이루어진다.
c) 단계는 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 단계이며, c) 단계는 제1코팅부(510)와 제2코팅부(520)에서 순차적으로 이루어질 수 있으며, 제1코팅부(510)와 제2코팅부(520)는 앞서 설명한 제1폴리머 시트 함침부(210)의 방식과 동일한 방식을 통해 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여, 제2복합체를 제조한다. 제1코팅부(510)를 통해 일면이 코팅된 제1복합체는 방향전환롤러(530)를 통해 하면과 상면이 변경되어, 제2코팅부(520)에서 하면의 코팅이 가능하도록 공급될 수 있다.
d) 단계는 c) 단계에서 제조된 상기 제2복합체를 건조하며, 건조부(600)에 의해 수행될 수 있다. 건조부(600)는 적외선램프 또는 열풍을 이용하여 건조부(600) 내부로 공급되는 제2복합체를 건조시킨다.
본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법은 이온교환층이 형성되지 않은 다공성 폴리머 시트의 일면에 이온교환층을 형성한 후, 탄소 전극시트(60)의 양면에 다공성 폴리머 시트(51)를 각각 라미네이팅하는 과정을 설명하였다. 본 발명에 의한 복합 탈염 전극 제조 방법은 이에 한정하지 않고, 폴리머 시트의 일면 또는 양면에 이온교환층이 형성된 다공성 폴리머 시트(51)를 탄소 전극시트(60)의 양면에 각각 라미네이팅할 수 있다. 이를 위해서, 일면 또는 양면이 이온교환층으로 코팅된 폴리머 시트를 공급하는 a) 단계와 상기 a) 단계에서 일면 또는 양면이 이온교환층으로 코팅된 상기 폴리머 시트를 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하는 b) 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 샤프트 21 : 제1바디부
22 : 제2바디부 23 : 캠
31 : 고정 회전부재 32 : 익스펜딩 회전부재
33 : 베어링 40 : 이온교환용액
51 : 다공성 폴리머 시트 52 : 이온교환층
60 : 탄소 전극시트 71 : 제1복합체
72 : 제2복합재 111 : 제1폴리머 시트 공급부
112 : 제2폴리머 시트 공급부 121 : 제1표면처리부
122 : 제2표면처리부 131 : 제1익스펜딩 롤
132 : 제2익스펜딩 롤 133 : 제3익스펜딩 롤
134 : 제4익스펜딩 롤 210 : 제1폴리머 시트 함침부
211 : 이온교환용액 수용부 212 : 코팅 롤러
213 : 블레이드 214 : 슬라이딩 구조
220 : 제2폴리머 시트 함침부 300 : 전극시트 공급부
400 : 언더코팅부 410 : 제1합지롤러
420 : 제2합지롤러 510 : 제1코팅부
520 : 제2코팅부 530 : 방향전환롤러
600 : 건조부

Claims (20)

  1. 폴리머 시트를 공급하는 폴리머 시트 공급부;
    상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침시키는 폴리머 시트 함침부;
    탄소 전극시트를 공급하는 전극시트 공급부;
    상기 폴리머 시트 함침부에서 함침된 상기 폴리머 시트를 상기 전극시트 공급부에서 공급되는 상기 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조하는 언더 코팅부;
    상기 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 탑 코팅부; 및
    상기 제2복합체를 건조하는 건조부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 시트 공급부에서 공급되는 상기 폴리머 시트를 코로나 방전 또는 플라즈마를 이용해 표면처리하는 표면처리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 시트는 다공성 폴리머 시트인 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 시트 공급부와 상기 언더 코팅부 사이에 배치되어 상기 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴는 익스펜딩 롤;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 시트 함침부는,
    이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부;
    상기 이온교환용액 수용부의 상부에 배치되어 표면 중 일부가 상기 이온교환용액에 잠기고, 상측 표면이 상기 폴리머 시트와 맞닿아 상기 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 표면에 다수개의 홈이 형성되어 상기 폴리머 시트의 일면을 함침시키는 코팅 롤러; 및
    판 형상으로, 상기 코팅 롤러를 상단과 하단을 기준으로 절반으로 나눴을 때, 상기 폴리머 시트가 공급되는 측에 형성되어 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면과 맞닿아 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 블레이드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이온교환용액 수용부는 상하 이동이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 코팅 롤러의 표면에 형성된 홈은 깊이가 0.01~1mm인 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 코팅 롤러의 표면에 형성된 홈의 크기는 500메시 이하인 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 시트 공급부는 두 개이며,
    상기 언더 코팅부는,
    상하 방향으로 배치되는 제1합지롤러 및 제2합지롤러를 포함하고,
    두 개의 상기 폴리머 시트 공급부 각각에서 공급되는 두 개의 상기 폴리머 시트와, 두 개의 상기 폴리머 시트 사이로 공급되는 상기 탄소 전극시트는 상기 제1합지롤러 및 상기 제2합지롤러를 통과해 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1합지롤러 및 상기 제2합지롤러 중 적어도 어느 하나의 롤러는 다른 롤러측으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탑 코팅부는,
    제1코팅부; 제2코팅부; 및 방향전환롤러;를 포함하며,
    상기 제1코팅부 및 상기 제2코팅부 각각은,
    이온교환수용액이 수용되는 이온교환용액 수용부;
    상기 이온교환용액 수용부의 상부에 배치되어 표면 중 일부가 상기 이온교환용액에 잠기고, 상측 표면이 상기 제1복합체의 일면과 맞닿아 상기 제1복합체의 이동방향을 조절하며, 표면에 다수개의 홈이 형성되어 상기 제1복합체의 일면을 코팅시키는 코팅 롤러; 및
    판 형상으로, 상기 코팅 롤러를 상단과 하단을 기준으로 절반으로 나눴을 때, 상기 제1복합체가 공급되는 측에 형성되어 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면과 맞닿아 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화 하는 블레이드;를 포함하고,
    상기 제1코팅부를 거쳐 일면이 이온교환용액으로 코팅된 상기 제1복합체는 상기 방향전환롤러를 통해 공급방향이 전환되어, 상기 제2코팅부에 포함된 코팅 롤러의 상측 표면이 상기 제1복합체의 양면 중 상기 이온교환용액으로 코팅되지 않은 일면이 맞닿는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 장치.
  13. a) 다공성 폴리머 시트를 이온교환용액에 함침하는 단계;
    b) 상기 a) 단계에서 이온교환용액에 함침된 상기 다공성 폴리머 시트를 탄소전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 제1복합체를 제조하는 단계;
    c) 상기 제1복합체의 양면을 이온교환용액으로 코팅하여 제2복합체를 제조하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계에서 제조된 상기 제2복합체를 건조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 a) 단계는 상기 다공성 폴리머 시트를 코로나 방전 또는 플라즈마를 이용해 표면처리한 후, 이온교환용액에 함침하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 a) 단계는 이온교환용액에 함침하기 전 또는 함침한 후의 상기 다공성 폴리머 시트를 폭 방향으로 펴면서 다음 단계로 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 a) 단계는 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 다공성 폴리머 시트가 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 다공성 폴리머 시트의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 a) 단계는, 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트를 개별적으로 상기 이온교환용액에 함침시키고,
    상기 b) 단계는 상기 a) 단계에서 각각 상기 이온교환용액에 함침된 두 개의 상기 다공성 폴리머 시트를 탄소 전극시트의 양면에 각각 라미네이팅하여 상기 제1복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    c-1) 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 제1복합체가 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 제1복합체의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 단계;
    c-2) 상기 c-1) 단계에서 방향전환롤러를 이용해, 일면이 이온교환용액으로 코팅된 상기 제1복합체의 공급방향을 전환하는 단계; 및
    c-3) 이온교환용액이 수용되는 이온교환용액 수용부에 코팅 롤러의 표면 중 일부가 상기 이온교환용액 수용부에 잠겨 회전하도록 하고, 상기 제1복합체의 양면 중 이온교환용액으로 코팅되지 않은 일면이 상기 코팅 롤러의 상측 표면과 맞닿도록 하여, 상기 제1복합체의 일면을 코팅함과 동시에 상기 다공성 폴리머 시트의 이동방향을 조절하며, 상기 코팅 롤러를 하단과 상단을 절반으로 나눴을 때, 상기 다공성 폴리머 시트가 공급되는 측에 배치된 블레이드의 끝단이 상기 코팅 롤러의 표면에 맞닿게 하여 이온교환용액이 묻은 상기 코팅 롤러의 표면을 균일화하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 탈염 전극 제조 방법.
  20. 삭제
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