KR102471250B1 - Ipl을 이용하여 분말 재료를 균등 처리하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
IPL을 이용하여 분말 재료를 처리하는 장치 및 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 분말 처리 장치는 챔버; 고분자 코팅을 갖는 모분말이 상기 챔버의 내부로 투입되는 모분말 투입 라인; 상기 챔버의 바닥면에 배치되어 상부 방향으로 공기를 분사하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 기체 분사기; 상기 모분말의 고분자 코팅을 탄화시키는 IPL 조사기; 및 상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 처리 분말 배출 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 분말 처리 장치는 챔버; 고분자 코팅을 갖는 모분말이 상기 챔버의 내부로 투입되는 모분말 투입 라인; 상기 챔버의 바닥면에 배치되어 상부 방향으로 공기를 분사하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 기체 분사기; 상기 모분말의 고분자 코팅을 탄화시키는 IPL 조사기; 및 상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 처리 분말 배출 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 예를 들어, 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지 등과 같은 리튬 이차전지용 애노드/캐소드 분말과 같은 분말 제조 기술에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 IPL(Intense Pulsed Light)을 이용하여 분말 재료를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬 이온전지와 같은 리튬 이차전지는 소형 및 휴대용 전자 제품에서 대형 전기 자동차에 이르기까지 그 적용 범위가 넓기 때문에 그 수요가 증가하고 있다. 화석 연료 자동차로부터 전기 자동차로의 전환이 가시화되고 있으며, 이에 따라 고성능 리튬 이차전지에 대한 관심이 더욱 증가하고 있다. 리튬 이차전지의 더 높은 용량, 더 긴 수명, 더 빠른 충전 및 확실한 안전성을 달성하기 위해 많은 연구가 진행 중에 있으며, 그 중 하나는 기존보다 더 높은 에너지 밀도를 갖는 애노드와 캐소드를 개발하는 것이다.
3,600 mAh/g의 이론적 용량을 갖는 실리콘(Si)이 높은 에너지 밀도에 기인하여 리튬계 전지의 애노드용 활물질 후보로 주목받고 있고, 같은 이유로 1,675 mAh/g의 이론적 용량을 갖는 황(S)이 리튬계 전지의 캐소드용 활물질 후보로 주목받고 있다. 그러나, 실리콘과 황은 반복된 리튬화 공정 동안 높은 체적 팽창율로 알려져 있다. 이러한 급격한 체적 변화는 활물질의 분쇄 및 박리로 이어져, 전극 무결성 및 전기적 절연의 손실을 초래하여, 전지의 성능을 저하시킨다.
이러한 활물질의 체적 팽창율과 관련된 문제를 해결하기 위해 활물질의 표면을 처리하는 방안이 제안되었다.
특허문헌 1에서는 실리콘 입자들을 폴리알킬렌옥사이드와 같은 고분자로 표면처리하는 방법이 개시되어 있다. 실리콘 입자들을 고분자로 코팅함으로써 충방전 과정에서 실리콘 입자의 부피 변화로 인한 파손을 방지할 수 있다.
그러나, 실리콘 입자들을 고분자로 코팅하는 것만으로는 실리콘 입자들에 대한 구조적 단단함을 제공할 수 없고, 그 결과 실리콘 입자들의 체적 팽창을 억제하기 어렵다.
이를 위해 고분자의 두께 방향 내측 부분은 고분자 상태로 유지하고, 고분자의 두께 방향 외측 부분만 단단하게 할 필요성이 대두된다.
고분자의 두께 방향 외측 부분을 단단하게 하는 방법으로 고분자 코팅을 갖는 분말 재료를 탄소나 금속으로 추가로 코팅하는 방안이 고려될 수 있다. 그러나, 이 방법의 경우 별도의 코팅 공정이 추가되므로, 시간적으로 그리고 경제적으로 불리하다.
고분자의 두께 방향 외측 부분을 단단하게 하는 다른 방법으로 고분자 코팅의 두께 방향 외측 부분만을 탄화시키는 방법이 고려될 수 있다. 이 방법의 경우, 별도의 코팅 공정을 요하지 않을 수 있다. 그러나, 전통적인 가열 방법에 의해서는 고분자 코팅의 두께 방향 외측 부분만을 탄화시키기 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고분자 코팅을 갖는 분말 재료에 있어서, 고분자 코팅의 두께 방향 외측 부분만을 균등하게 탄화시킬 수 있는 분말 재료 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 분말 재료 처리 장치는 챔버; 고분자 코팅을 갖는 모분말이 상기 챔버의 내부로 투입되는 모분말 투입 라인; 상기 챔버의 바닥면에 배치되어 상부 방향으로 공기를 분사하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 기체 분사기; 상기 모분말의 고분자 코팅을 탄화시키는 IPL 조사기; 및 상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 처리 분말 배출 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체 분사기는, 상기 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루어 상기 모분말을 챔버 내 특정 높이로 부유시키도록, 상기 모분말이 받는 중력에 대응하는 공기압으로 공기를 상부 방향으로 분사하고, 상기 처리 분말 배출 라인은, 상기 탄화를 통해 모분말보다 가벼워진 상기 처리 분말이 상기 기체 분사기에 의해 배출되도록, 상기 특정 높이보다 높은 위치에 형성될 수 있다.
상기 분말 재료 처리 장치는 압축 공기 공급기를 추가로 포함하고, 상기 압축 공기 공급기는 상기 모분말 투입 라인 및 상기 기체 분사기와 유체 연통할 수 있다.
상기 분말 재료 처리 장치는 상기 모분말 투입 라인 및 상기 처리 분말 배출 라인에 각각 배치된 분말 수 카운터를 추가로 포함할 수 있다.
상기 모분말 투입 라인에는 피드스탁 호퍼가 배치되거나, 상기 모분말 투입 라인은 모분말 저장 장치 또는 분말 건조 장치의 배출 라인과 연결될 수 있다.
상기 IPL 조사기는 상기 챔버의 측면 또는 상부면에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 분말 재료 처리 장치는 상기 IPL 조사기의 조사면을 제외한 모든 면을 덮는 반사판을 추가로 포함할 수 있다.
상기 IPL 조사기에는 공기가 통과하는 공기 유로가 배치될 수 있다.
상기 처리 분말 배출 라인은 공기와 처리 분말이 분리되도록 사이클론 세퍼레이터와 연결되거나 사이클론 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 분말 재료 처리 방법은 고분자 코팅을 갖는 모분말을 상부 방향으로 공기가 분사되는 챔버 내부에 투입하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 단계; 상기 모분말에 IPL을 인가하여 상기 고분자 코팅을 그 표면으로부터 탄화시키는 단계; 및 상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루어 상기 모분말을 챔버 내 특정 높이로 부유시키도록, 상기 모분말이 받는 중력에 대응하는 공기압으로 공기를 상부 방향으로 분사하고, 상기 탄화를 통해 모분말보다 가벼워진 상기 처리 분말이 상기 공기압에 의해 배출될 수 있다.
상기 모분말을 상기 챔버 내부로 이송하기 위해, 그리고 상부 방향으로 공기를 분사하기 위해 압축 공기 공급기에서 압축 공기를 상기 챔버 내부로 공급할 수 있다.
상기 챔버 내부로 공급되는 모분말의 수와 상기 챔버 외부로 배출되는 처리 분말의 수를 모니터링할 수 있다.
배출된 기체에서 미세 분말을 전기 집진기로 분리한 후, 배출 기체를 상기 압축 공기 공급기에 재공급하여 폐루프 시스템을 형성할 수 있다.
본 발명에서는, 펄스 지속 시간이 수 밀리초로서 고분자의 표면으로부터 제한적인 깊이까지만 에너지가 인가될 수 있는 IPL 인가를 통해 고분자 코팅 분말 재료에서 고분자 코팅의 두께 방향 외측 부분만을 탄화시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 공기압과 중력을 이용하여, 고분자의 탄화 비율이 목표값에 도달하였을 때 고분자가 더 이상 탄화되지 않고 외부로 빠져나가도록 함으로써 균등한 탄화를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 과정들은 연속공정으로 수행될 수 있다.
도면을 참조하면, 본 발명의 여러 양태들이 제한이 아닌 예시의 방식으로 상세하게 도시되어 있다:
도 1은 탄화 전후의 분말 재료의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 분말 재료 처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 탄화 전후의 모분말이 받는 공기압과 중력의 크기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1은 탄화 전후의 분말 재료의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 분말 재료 처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 탄화 전후의 모분말이 받는 공기압과 중력의 크기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하의 설명 및 여기에 설명된 실시예가 본 발명의 다양한 형태의 원리를 가지는 예시로서 제공된다. 이들 실시예는 이러한 원리 및 다양한 형태에서 본 발명의 제한이 아닌 예시적인 설명의 목적으로 제공된다. 명세서 및 도면 전체에 걸쳐 설명에 있어서 유사한 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하였다. 도면은 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 경우에 따라 특정한 특징을 보다 명확하게 묘사하기 위해 비율이 과장되었을 수 있다.
도 1은 탄화 전후의 분말 재료의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에서는 리튬 이온 전지, 리튬 금속 전지, 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지 등과 같은 리튬 이차전지용 애노드로 이용할 수 있는 실리콘 분말을 예시하고 있으며, 탄화 전의 모분말(100)과 탄화 후의 처리 분말(200)이 나타나 있다.
도 1을 참조하면, 모분말(100)은 코어 활물질(110)과, 코어 활물질(110) 표면의 고분자 코팅(120)을 포함한다. 필요에 따라, 고분자 코팅(120)에는 탄소계 첨가제(130)가 분산되어 있을 수 있다.
고분자 코팅을 갖는 모분말(100)은 IPL 인가에 의해 고분자 코팅(120)의 표면으로부터 일부 또는 전부가 탄화되어, 처리 분말(200)이 생성된다. 도 1에서는 IPL 인가에 의해 고분자 코팅의 표면으로부터 일부가 탄화되어, 생성된 처리 분말(200)은 외측 쉘(121) 및 내측 쉘(122)을 포함하고, 나노 기공(125)이 형성되어 있다. 외측 쉘(121)은 경질이며 탄화되어 있으며, 내측 쉘(122)은 연질이며 탄화되어 있지 않을 수 있다.
도 1의 처리 분말(200)에서, 외측 쉘(121)은 구조적 지지를 제공하는 동시에 전기 전도성을 제공하여 얇고 안정적인 고체 전해질 계면을 형성시킨다. 내측 쉘(122)은 탄화되지 않은 상대적으로 연질의 고분자로 채워져 리튬화 및 탈리튬화 과정에서 활물질의 체적 변화에 대한 기계적 응력을 줄인다. 복수의 나노 기공(125)은 리튬 이온이 쉽게 확산되도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 분말 재료 처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 분말 재료 처리 방법은 모분말 투입 단계(S210), IPL을 이용한 고분자 코팅 탄화 단계(S220) 및 처리 분말 배출 단계(S230)를 포함한다.
모분말 투입 단계(S210)에서는 고분자 코팅을 갖는 모분말(100)을 챔버 내부에 투입한다. 챔버 내부에는 상부 방향으로 공기가 분사되며, 이에 따라 고분자 코팅을 갖는 모분말은 챔버 내에서 부유된다. 고분자 코팅을 갖는 모분말은 분말 건조된 것이 될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로 모분말은 용매를 포함하는 액체 방울의 형태가 될 수 있으며, 이 경우 IPL이 인가되는 챔버에는 히터 등의 히팅 수단이 추가로 구비되어, 모분말의 건조와 고분자 코팅 탄화가 모두 수행될 수있다. 다른 예로, 액체 방울의 형태의 모분말을 건조 챔버에서 건조한 후, 건조된 모분말이 IPL이 인가되는 챔버로 투입될 수 있다.
모분말(100)을 챔버 내부로 이송하기 위해, 그리고 상부 방향으로 공기를 분사하기 위해, 압축 공기 공급기에서 압축 공기를 챔버 내부로 공급할 수 있다.
챔버 내부로 공급되는 모분말(100)의 수는 분말 수 카운터를 이용하여 모니터링될 수 있다.
IPL을 이용한 고분자 코팅 탄화 단계(S220)에서는 고분자 코팅을 갖는 모분말(100)에 IPL을 인가하여, 고분자 코팅을 그 표면으로부터 탄화시킨 처리 분말(200)을 생성한다. IPL의 인가 조건에 따라 고분자 코팅의 탄화 정도가 결정될 수 있다. IPL의 경우, 펄스 지속 시간이 수 밀리초로서 고분자 코팅의 표면으로부터 제한적인 깊이까지만 에너지가 인가되어 고분자 코팅이 부분적으로 탄화될 수 있다. 물론, 고분자 코팅의 전부가 탄화되도록 IPL의 펄스 지속 시간, 펄스 형태, 인가 횟수 등이 제어될 수 있다.
IPL은 제논 램프에서 발생하는 빠른 조사 광전자파를 사용한다. 제논 가스 충전 램프를 통해 전기의 고강도 펄스를 인가하면 제논 가스가 더 높은 에너지 상태로 여기된 다음 더 낮은 상태로 떨어질 때 광자 조사가 발생한다. 강렬한 펄스 빛의 형태로 조사된 에너지는 플래시라고도 한다. IPL 기술은 짧은 시간에 넓은 표면적을 커버하기 때문에 레이저, 마이크로파와 같은 다른 전자기 에너지 응용 프로세스에 비해 장점이 있다. 또한 IPL은 일반적으로 200-1100nm 범위의 광범위한 펄스 광 스펙트럼을 갖는다. 최신 IPL 장치는 컴퓨터 제어 커패시터 뱅크를 사용하여 펄스 지속 시간, 펄스 간격, 펄스 수 및 강도가 조작되는 IPL을 생성한다. 플루언스(단위 면적당 표면이 받는 복사 에너지)는 에너지 소스에서 타겟표면까지의 거리, 반사판의 각도 및 타겟표면의 흡광도와 관련이 있다.
IPL 인가는 IPL이 한 번에 넓은 표면적에 조사될 수 있기 때문에, 분말 처리에 보다 적합하다.
처리 분말 배출 단계(S230)에서는 고분자 코팅의 일부 또는 전부가 탄화된 처리 분말(200)을 챔버 외부로 배출한다. 챔버 내부로 공급되는 모분말의 수와 마찬가지로 챔버 외부로 배출되는 처리 분말(200)의 수는 분말 수 카운터를 이용하여 모니터링될 수 있다.
도 3은 탄화 전후의 모분말이 받는 공기압과 중력의 크기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3의 (a)에 도시된 예와 같이, 모분말이 받는 중력과 공기압에 의한 부유력이 평형을 이루는 경우, 모분말은 회전하면서 챔버 내 특정 높이에 부유 상태가 유지된다. 즉, 고분자 코팅을 갖는 모분말은 챔버 내부에서 공기압으로 인해 공중에서 자전적으로 회전하면서 약간의 상승과 하강을 반복하여 특정 높이에 유지된다.
고분자 코팅의 탄화가 진행되면, 고분자 코팅에서 탄소를 제외한 성분들이 고분자 코팅으로부터 제거되면서 분말의 무게가 감소하게 된다. 이에 따라, 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말은 중력보다 더 큰 공기압을 받게 되고, 그 결과 처리 분말이 공기압에 의해 챔버 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에서는, IPL 인가를 통해 고분자 코팅 분말 재료에서 고분자 코팅의 두께 방향 외측 부분만을 탄화시킬 수 있다. 특히, 본 발명에서는 공기압과 중력을 이용하여, 고분자의 탄화 비율이 목표값에 도달하였을 때 고분자가 더 이상 탄화되지 않고 외부로 빠져나가도록 함으로써 균등한 탄화를 제공할 수 있다.
공기압이 지나치게 높은 경우 분말들 간의 그림자와 IPL 인가 거리 등의 차이로 인해 분말들의 탄화의 정도가 약간씩 달라질 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우, 공기압과 중력의 균형을 이용하여, 고분자의 탄화 비율이 목표값에 도달하였을 때 고분자가 더 이상 탄화되지 않도록 함으로써 분말들의 고분자 코팅의 균등한 탄화를 이룰 수 있다. 이를 위해, 본 발명에서는 분말이 특정 높이에 겨우 떠 있을 정도로만 공기압이 가해진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 분말 재료 처리 장치는 모분말 공급 장치(410), 챔버(420), 기체 분사기(430), IPL 조사기(440) 및 처리 분말 분리 장치(450, 470)를 포함한다.
모분말 공급 장치(410)는 고분자 코팅을 갖는 모분말이 챔버의 내부로 공급되도록, 모분말 투입라인을 통해 챔버(420)의 입구(422)에 연결된다. 모분말 공급 장치(410)는 저장 탱크, 피드스탁 호퍼(feedstock hopper) 등의 형태일 수 있고, 분말 건조 장치가 될 수도 있다.
챔버(420)는 모분말이 에너지 인가로 처리되는 공간이며, 챔버 내부면은 입구(422), 출구(424), IPL 조사기(440) 부분들을 제외한 면이 빛을 반사하는 반사면으로 구성될 수 있다.
기체 분사기(430)는 챔버의 바닥면에 배치된다. 기체 공급 장치(406)에 연결된다. 기체 분사기(430)에 연결되는 기체 공급 장치(406)는 모분말 이송을 위해 모분말을 공급하는 모분말 공급 장치(410) 등에도 연결될 수 있다. 기체 분사기(430)는 압축된 기체를 챔버 내부에서 상부 방향으로 분사하여 모분말을 챔버 내에서 부유시킨다. 기체는 공기, 아르곤, 질소 등이 될 수 있다.
기체 분사기(430)는, 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루어 모분말을 챔버 내 특정 높이로 부유시킬 수 있다. 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루도록, 기체 분사기는 모분말이 받는 중력에 대응하는 공기압으로 기체를 상부 방향으로 분사할 수 있다.
IPL 조사기(440)는 모분말의 고분자 코팅을 탄화시킨다. IPL 조사기(440)로서 제논 램프가 이용될 수 있다. IPL 조사기(440)는 AC 파워공급기(442)와 전기적으로 연결되며, IPL 조사기(440)와 AC 파워공급기(442) 사이에는 IPL 파워 제어기(444)가 배치될 수 있다.
도 4에서는 IPL 조사기(440)가 챔버(420) 상부에 배치되어, 상부에서 하부로 IPL이 인가되는 예가 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, IPL 조사기는 챔버 측면이나 바닥부에 배치될 수도 있다. IPL 인가 효율을 높이기 위해, 챔버 내부면은 반사면으로 구성될 수 있다.
또한, IPL 인가에 따라 IPL 조사기(440)의 온도가 상승할 수 있으며, 냉각을 위해 IPL 조사기에는 공기가 통과하는 공기 유로가 배치될 수 있다. 공기 유로를 통해 챔버 내부로 투입된 압축 공기가 IPL 조사기 내부의 공기 유로를 통과하면서 IPL 조사기가 냉각될 수 있다.
출구(424)는 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하도록, 챔버(420)를 관통하여 형성된다. 출구(424)는, 탄화를 통해 모분말보다 가벼워진 처리 분말이 기체 분사기(430)에 의해 제공되는 공기압에 의해 배출되도록, 특정 부유 높이보다 높은 위치에 형성될 수 있다.
처리 분말 분리 장치(450, 470)는 기체와 처리 분말을 분리시킨다. 처리 분말 분리 장치는 사이클론 세퍼레이터(450)와 연결되거나 사이클론 세퍼레이터(450)를 포함할 수 있다. 또한, 처리 분말 분리 장치는 사이클론 세퍼레이터(450)에서 미처 분리되지 않은 미세 분말을 분리하기 위해 전기 집진기(Electrostatic Precipitator)(470)를 포함할 수 있다. 처리 분말 분리 장치에서 분리된 처리 분말은 분말 저장 장치(460)에 저장될 수 있다. 분리된 기체는 기체 공급 장치(406)로부터의 기체 공급라인에 다시 공급될 수 있다.
한편, 분말 재료 처리 장치는 압축 기체 공급기, 즉, 컴프레서(407), 그리고 저압 레귤레이터(408-1)와 고압 레귤레이터(408-2)를 추가로 포함할 수 있다. 저압 레귤레이터(408-1)는 기체 분사기에 연결될 수 있다. 고압 레귤레이터(408-2)는 모분말 투입 라인을 통해 챔버의 입구(422)에 연결될 수 있다. 저압 레귤레이터(408-1)와 고압 레귤레이터(408-2)에 의해, 입구(422) 및 기체 분사기(430)를 통해 서로 다른 기체 압력으로 압축 기체들이 챔버(420) 내부로 제공될 수 있다.
도 4에서 부호 401은 볼 밸브, 부호 402는 주로 폐쇄 상태의 볼 밸브, 부호 403은 일방 체크 밸브, 부호 404는 나사형 유니언(threaded union), 부호 405는 퀵 디스커넥트 블리드 포트(quick disconnect bleed port), 부호 409는 유량 제어 밸브를 각각 의미한다. 이들 요소들은 기체나 분말의 흐름의 제어, 요소들의 연결을 위해 필요한 것들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치는 챔버(510), 챔버 내부로 모분말이 투입되는 모분말 투입 라인(520), 챔버 내부로 기체를 분사하기 위한 기체 분사기(530), 챔버 내부에 IPL(545)을 조사하는 IPL 조사기(540), 챔버로부터 처리 분말을 배출하기 위한 처리 분말 배출 라인(550), 그리고 모분말 투입 라인 및 기체 분사기에 압축 기체들을 공급하기 위한 기체 공급 장치(560)를 포함한다.
도 5에 도시된 분말 재료 처리 장치에서 챔버(510), 기체 분사기(530), IPL 조사기(540)는 도 4에 도시된 챔버(420), 기체 분사기(430), IPL 조사기(440)와 실질적으로 동일한 것이 적용될 수 있다.
모분말 투입 라인(520)은 고분자 코팅을 갖는 모분말이 챔버의 내부로 투입되도록, 챔버의 입구에 연결된다. 모분말 투입 라인(520)에는 모분말 공급 장치가 배치 또는 연결될 수 있으며, 도 5에 도시된 실시예에서는 피드스탁 호퍼(feedstock hopper)(525)가 모분말 투입 라인(520)에 배치되어 있다.
처리 분말 배출 라인(550)에는 사이클론 세퍼레이터, 전기 집진기와 같은 처리 분말 분리 장치(580)가 배치된다.
기체 공급 장치(560)는 모분말 투입 라인(520) 및 기체 분사기(530)에 압축 기체를 공급한다. 기체 공급 장치(560)는 서로 다른 기체 압력으로 압축 기체들을 모분말 투입 라인(520) 및 기체 분사기(530)에 공급할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 분말 재료 처리 장치에는 모분말 투입 라인 및 상기 처리 분말 배출 라인에 각각 배치된 분말 수 카운터(570)가 배치되어 있다.
본 발명에 따른 분말 처리 장치는, 탄화가 완료된 분말과 그렇지 않은 분말이 쉽게 분리될 수 있기 때문에, 배치(Batch) 공정 뿐만 아니라 연속 (Continuous) 공정이 가능한 것이 큰 장점이다. 연속 공정시 IPL은 약 1초에서 2초 간격으로 5-10 밀리초의 IPL 펄스를 반복적으로 가하게 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분말 처리 장치는 폐쇄 루프 시스템을 형성해 기체 오염을 방지하며 기체를 지속적으로 재사용할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 예와 같이, 배출된 기체에서 미세 분말을 전기 집진기로 분리한 후, 배출 기체를 상기 압축 공기 공급기에 재공급함으로써 폐루프 시스템을 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분말 재료 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 도시된 분말 재료 처리 장치는 챔버(610), 기체 분사기(630), IPL 조사기(640), 반사판 등을 포함한다. 모분말 공급 장치, 처리분말 분리 장치 등은 도 4 또는 도 5에 예시된 것들이 그대로 이용될 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 실시예와 달리, 도 6에 도시된 실시예에서는 IPL 조사기(640)가 챔버 측면에 배치되어 있다. 챔버 측면이 투광성 물질(유리 또는 투명 폴리카보네이트 등)로 형성될 경우, 도 6에 도시된 예와 같이 IPL 조사기(640)가 챔버 외부에 배치되어, IPL(645)이 챔버 측면을 투과하여 챔버 내부의 모분말(601)에 인가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, IPL 인가를 통해 고분자 코팅 분말 재료에서 고분자 코팅의 원하는 정도의 탄화가 가능하다. 특히, 본 발명에서는 공기압과 중력을 이용하여, 고분자의 탄화 비율이 목표값에 도달하였을 때 고분자가 더 이상 탄화되지 않고 외부로 빠져나가도록 함으로써 분말들에 대한 균등한 탄화를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 통상의 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 이해할 수 있을 것이다.
100 : 모분말
110 : 코어 활물질
120 : 고분자 코팅
121 : 외측 쉘
122 : 내측 쉘
125 : 나노 기공
130 : 탄소계 첨가제
200 : 처리 분말
406 : 기체 공급 장치
407 : 컴프레서
408-1 : 저압 레귤레이터
408-2 : 고압 레귤레이터(408-2)
410 : 모분말 공급 장치
420: 챔버
422 : 입구
424 : 출구
430 : 기체 분사기
440 : IPL 조사기
442 : AC 파워 공급기
444 : IPL 파워 제어기
450 : 사이클론 세퍼레이터
460 : 분말 저장 장치
470 : 전기 집진기
510 : 챔버
520 : 모분말 투입 라인
525 : 피드스탁 호퍼
530 : 기체 분사기
540 : IPL 조사기
550 : 처리 분말 배출 라인
560 : 기체 공급 장치
570 : 분말 수 카운터
580 : 처리 분말 분리 장치
610 : 챔버
630 : 기체 분사기
640 : IPL 조사기
S210 : 모분말 투입 단계
S220 : IPL을 이용한 고분자 코팅 탄화 단계
S230 : 처리 분말 배출 단계
110 : 코어 활물질
120 : 고분자 코팅
121 : 외측 쉘
122 : 내측 쉘
125 : 나노 기공
130 : 탄소계 첨가제
200 : 처리 분말
406 : 기체 공급 장치
407 : 컴프레서
408-1 : 저압 레귤레이터
408-2 : 고압 레귤레이터(408-2)
410 : 모분말 공급 장치
420: 챔버
422 : 입구
424 : 출구
430 : 기체 분사기
440 : IPL 조사기
442 : AC 파워 공급기
444 : IPL 파워 제어기
450 : 사이클론 세퍼레이터
460 : 분말 저장 장치
470 : 전기 집진기
510 : 챔버
520 : 모분말 투입 라인
525 : 피드스탁 호퍼
530 : 기체 분사기
540 : IPL 조사기
550 : 처리 분말 배출 라인
560 : 기체 공급 장치
570 : 분말 수 카운터
580 : 처리 분말 분리 장치
610 : 챔버
630 : 기체 분사기
640 : IPL 조사기
S210 : 모분말 투입 단계
S220 : IPL을 이용한 고분자 코팅 탄화 단계
S230 : 처리 분말 배출 단계
Claims (14)
- 챔버;
고분자 코팅을 갖는 모분말이 상기 챔버의 내부로 투입되는 모분말 투입 라인;
상기 챔버의 바닥면에 배치되어 상부 방향으로 공기를 분사하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 기체 분사기;
상기 모분말의 고분자 코팅을 탄화시키는 IPL(Intense Pulsed Light) 조사기; 및
상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 처리 분말 배출 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기체 분사기는, 상기 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루어 상기 모분말을 챔버 내 특정 높이로 부유시키도록, 상기 모분말이 받는 중력에 대응하는 공기압으로 공기를 상부 방향으로 분사하고,
상기 처리 분말 배출 라인은, 상기 탄화를 통해 모분말보다 가벼워진 상기 처리 분말이 상기 기체 분사기에 의해 배출되도록, 상기 특정 높이보다 높은 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 분말 재료 처리 장치는 압축 공기 공급기를 추가로 포함하고,
상기 압축 공기 공급기는 상기 모분말 투입 라인 및 상기 기체 분사기와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 분말 재료 처리 장치는 상기 모분말 투입 라인 및 상기 처리 분말 배출 라인에 각각 배치된 분말 수 카운터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모분말 투입 라인에는 피드스탁 호퍼가 배치되거나, 상기 모분말 투입 라인은 모분말 저장 장치 또는 분말 건조 장치의 배출 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 IPL 조사기는 상기 챔버의 측면 또는 상부면에 배치된 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 분말 재료 처리 장치는 상기 IPL 조사기의 조사면을 제외한 모든 면을 덮는 반사판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 IPL 조사기에는 공기가 통과하는 공기 유로가 배치된 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 처리 분말 배출 라인은 공기와 처리 분말이 분리되도록 사이클론 세퍼레이터와 연결되거나 사이클론 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 장치.
- 고분자 코팅을 갖는 모분말을 상부 방향으로 공기가 분사되는 챔버 내부에 투입하여, 상기 모분말을 챔버 내에서 부유시키는 단계;
상기 모분말에 IPL(Intense Pulsed Light)을 인가하여 상기 고분자 코팅을 그 표면으로부터 탄화시키는 단계; 및
상기 고분자 코팅이 탄화된 처리 분말을 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 모분말이 받는 중력과 부유력이 평형을 이루어 상기 모분말을 챔버 내 특정 높이로 부유시키도록, 상기 모분말이 받는 중력에 대응하는 공기압으로 공기를 상부 방향으로 분사하고,
상기 탄화를 통해 모분말보다 가벼워진 상기 처리 분말이 상기 공기압에 의해 배출되는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 모분말을 상기 챔버 내부로 이송하기 위해, 그리고 상부 방향으로 공기를 분사하기 위해 압축 공기 공급기에서 압축 공기를 상기 챔버 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 챔버 내부로 공급되는 모분말의 수와 상기 챔버 외부로 배출되는 처리 분말의 수를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 방법.
- 제12항에 있어서,
배출된 기체에서 미세 분말을 전기 집진기로 분리한 후, 배출 기체를 상기 압축 공기 공급기에 재공급하여 폐루프 시스템을 이루는 것을 특징으로 하는 분말 재료 처리 방법.
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