KR102533240B1 - 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치 - Google Patents

롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 인피드를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 단계, 히팅 영역을 경유하여 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계, 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계, 및 상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING ELECTROLYTE LAYER OF SOLID OXIDE FUEL CELL BASED ON ROLL-TO-ROLL CONTINUOUS PROCESS}
본 발명은 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
대량, 고속 생산을 위한 롤-투-롤(Roll-to-roll) 연속공정은 최근 주목받고 있는 공정 중 하나이다. 롤-투-롤 연속공정은 유연한 필름(film)을 기반으로 장력을 견인력으로 하여 기능성 필름을 제작하는 공정이다.
기능성 필름의 균일한 박막 형성을 위한 코팅 방법에는 그라비어(Gravure), 블레이드(Blade), 스프레이(Spray), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating) 등을 통해 수행된다. 여기에서, 슬롯-다이 코팅 방법의 경우 높은 균일도와 박막 형성을 하는데 적합함과 더불어 여러 공정 조건을 적절하게 설정함으로써 예측 가능한 박막 두께를 형성할 수 있다는 장점으로 널리 사용되고 있다.
한편, 고체산화물 연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 현존하는 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700~1000℃)에서 작동한다. 고체산화물 연료전지는 각 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다.
기존에 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제작은 전해질 층 형성 이후 캘린더링(calendaring) 공정을 추가로 진행하여 전해질 층의 충진밀도를 향상시킨다. 따라서, 전해질 층 제작 시 2가지의 단계를 거쳐야 하므로 생산 단가의 상승이 불가피한 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2014-0070761(2014.06.11)호는 불용성 세라믹 물질과 용해성 세라믹 물질을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계, 성형체를 1차 소결하여 제1 소결체를 형성하는 단계, 제1 소결체 상에 불용성 세라믹 분말을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계, 코팅층이 형성된 제1 소결체를 2차 소결하여 제2 소결체를 형성하는 단계, 및 제2 소결체로부터 용해성 세라믹 물질을 침출하여 제거하여 다공성 층을 형성하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지 제조 방법을 제공한다.
한국등록특허 제10-0194615(1999.02.10)호는 리튬 고분자 2차전지용 고분자 전해막의 제조방법 및 전극과의 캘린더링에 의한 리튬 고분자 2차 전지의 제조방법에 관한 것으로, 고분자 지지체 필름에 고분자 전해질 슬러리(slurry)를 테이프 롤 캐스팅에 의해 캐스팅하는 단계, 및 고분자 전해질이 캐스팅된 고분자 지지체 필름을 건조기에 통과시켜 고분자 전해질을 고체화하여 고분자 전해막을 형성하는 단계를 포함하고, 고분자 전해막 필름으로부터 고분자 전해질과 고분자 지지체를 분리하는 단계, 상기한 단계에서 분리된 고분자 전해질과 양전극 필름을 캘린더링하여 고분자 전해질과 양전극 필름을 접합하는 단계 및 상기 단계로부터 얻어진 고분자 전해질과 양전극 필름의 접합체에 음전극 필름을 캘린더링에 의해 접합시켜 3층의 단위 셀을 형성하는 단계를 포함한다.
한국공개특허 제10-2014-0070761(2014.06.11)호 한국등록특허 제10-0194615(1999.02.10)호
본 발명의 일 실시예는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층을 생성하는 과정과 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킴으로써 고체산화물 연료전지의 생산 단가를 절감시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 소결 수행 전해질층의 품질(내부 충진율)을 감지하여 소결 수행 전해질층에 관한 캘린더링 공정을 수행함으로써 전해질층의 품질 지수를 높일 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법은 인피드를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 단계, 히팅 영역을 경유하여 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계, 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계, 및 상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 상기 전해질층을 생성하는 과정과 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 상기 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 특정 압력은 상기 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 상기 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용될 수 있다.
상기 박막을 형성하는 단계는 상기 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 박막을 형성하는 단계는 상기 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계는 상기 박막의 두께를 기초로 상기 히팅 영역의 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 품질 지수를 산출하는 단계는 상기 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 상기 품질 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전해질층 품질감지센서는 광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현될 수 있다.
상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 상기 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치는 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 인피드, 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 슬롯-다이 코터(slot-die coater), 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 히팅 영역, 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 전해질층 품질감지센서, 및 상기 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 아웃피드를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층을 생성하는 과정과 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킴으로써 고체산화물 연료전지의 생산 단가를 절감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 소결 수행 전해질층의 품질(내부 충진율)을 감지하여 소결 수행 전해질층에 관한 캘린더링 공정을 수행함으로써 전해질층의 품질 지수를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에 의해 제조된 전해질층의 캘린더링 공정 수행 전과 후의 충진 밀도를 나타내는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치(100)는 언와인더(Unwinder)(110), 제1 및 제2 댄서(Dancer)(120a,120b), 인피드(Infeed)(130), 가이드 롤(Guide roll)(140), 슬롯-다이 코터(Slot-die coater)(150), 히팅 영역(Heating area)(160), 전해질층 품질감지센서(170), 아웃피드(Outfeed)(180) 및 리와인더(Rewinder)(190) 등의 롤-투-롤 장비를 포함하고, 이들은 컨트롤러(미도시)를 통해 연속공정 수행이 이루어진다.
소재필름은 언와인더(110)를 통하여 인피드(130)로 공급된다. 이때, 제1 댄서(120a)에 의해 공급되는 소재필름의 장력이 일정하게 유지될 수 있다.
인피드(130)는 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 인피드(130)는 소재필름에 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 전해질층을 생성하는 과정과 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행할 수 있다. 여기에서, 하층에 적층되는 제1 전해질 물질은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당할 수 있고 상층에 적층되는 제2 전해질 물질은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당할 수 있다.
인피드(130)는 경유하는 소재필름에 전해질층을 생성함과 동시에 상하 롤의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층에 특정 압력을 제공하여 제1 캘린더링 공정을 구현할 수 있다. 일 실시예에서, 인피드(130)는 제1 및 제2 전해질 물질들을 순차적으로 적층하여 전해질층을 생성하는 과정에서 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께에 따라 맞물리기 압력을 결정하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 전해질 물질들 중 더 두꺼운 물질이 적층되는 전해질층에는 높은 압력을 제공하고, 제1 및 제2 전해질 물질들 중 더 얇은 물질이 적층되는 전해질층에는 낮은 압력을 제공한다.
슬롯-다이 코터(150)는 가이드 롤(140)을 통해 이송되는 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성할 수 있다. 슬롯-다이 코터(150)는 슬롯-다이(slot-die)라고 불리는 노즐 형상의 미세 금속판 사이로 잉크를 공급하여 전해질층 위에 슬롯-다이의 이동방향의 직각방향(폭방향)으로 잉크를 일정한 두께로 도포하여 박막을 형성한다. 슬롯-다이 코팅의 성능은 잉크(코팅액)가 분사되는 노즐부의 형상과 치수에 의해 결정된다. 일 실시예에서, 슬롯-다이 코터(150)는 전해질층 중 상부에 있는 전해질 물질의 종류를 기초로 노즐 갭을 동적으로 조절하여 슬롯-다이 코팅 성능을 향상시킬 수 있다.
히팅 영역(160)은 슬롯-다이 코터(150)의 후단에 위치하여 박막이 형성된 전해질층을 소결한다. 히팅 영역(160)의 온도는 박막의 두께에 따라 결정될 수 있다. 소결(Sintering)이란 분말과 같은 비표면적이 넓은 입자들을 더욱 치밀한 덩어리로 만들기 위해 충분한 온도와 압력을 가하는 공정을 의미한다. 히팅 영역(160)은 박막이 형성된 전해질층의 건조 및 소결을 수행한다.
전해질층 품질감지센서(170)는 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출한다. 전해질층 품질감지센서(170)는 광학 카메라 모듈을 포함하여 전해질층의 측면을 확대 촬영하여 전해질층 내부의 충진율 검출을 통해 품질 지수를 산출할 수 있다.
아웃피드(180)는 전해질층 품질감지센서(170)에 의해 산출한 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행할 수 있다.
리와인더(190)는 아웃피드(180)를 경유하여 제2 캘린더링 수행 전해질층이 형성된 필름을 일정 장력으로 감는다. 이때, 제2 댄서(120b)에 의해 장력이 일정하게 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법은 인피드(130)를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행한다(단계 S210). 일 실시예에서, 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 전해질층을 생성하는 과정과 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 인피드(130)의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함할 수 있다. 여기에서, 특정 압력은 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용될 수 있다.
그런 다음, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)(150)를 경유하여 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성한다(단계 S230). 일 실시예에서, 박막을 형성하는 단계는 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 슬롯-다이 코터(150)의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 박막을 형성하는 단계는 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 슬롯-다이 코터(150)의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그런 다음, 히팅 영역(160)을 경유하여 박막 형성 전해질층을 소결한다(단계 S250). 일 실시예에서, 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계는 박막의 두께를 기초로 히팅 영역(160)의 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
그런 다음, 전해질층 품질감지센서(170)를 통해 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출한다(단계 S270). 일 실시예에서, 품질 지수를 산출하는 단계는 전해질층 품질감지센서(170)를 통해 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 품질 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 전해질층 품질감지센서(170)는 광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현될 수 있다. 품질 지수를 산출하는 단계는 광학 카메라 모듈을 통해 소결 수행 전해질층의 측면을 확대 촬영한 이미지 분석을 통해 전해질층의 내부 충진율을 검출하고 이를 품질 지수로 산출할 수 있다. 여기에서, 품질 지수는 내부 충진율에 비례할 수 있다.
그런 다음, 품질 지수를 기초로 아웃피드(180)의 압력을 제어하여 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행한다(단계 S290). 일 실시예에서, 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 맞물리기 압력을 증가시켜 전해질층의 충진 밀도를 높일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에 의해 제조된 전해질층의 캘린더링 공정 수행 전과 후의 충진 밀도를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, (가)는 캘린더링 공정을 수행하기 전의 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 나타내고, (나)는 캘린더링 공정을 수행한 후의 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 나타낸다. 도 3의 (가)와 (나)를 비교해보면, 캘린더링 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도가 향상됨을 알 수 있다.
일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에서는 롤-투-롤 연속공정 상에서 인피드(130)를 경유하여 전해질층을 생성하는 과정에서 맞물리기 압력을 통해 캘린더링 과정을 동시에 수행할 수 있고 소결 후 아웃피드(180)를 경유하는 과정에서 전해질층의 내부 충진율에 기초한 품질 지수에 따라 추가로 캘린더링 과정을 수행함으로써 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관한 충진 밀도 향상 및 균일성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 고체산화물 연료전지의 전해질 층 생성과 충진 밀도 향상을 한번의 공정을 통해서 진행하므로 고체산화물 연료전지의 제조 단가를 절감시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치
110: 언와인더 120a,120b: 댄서
130: 인피드 140: 가이드 롤
150: 슬롯-다이 코터 160: 히팅 영역
170: 전해질층 품질감지센서 180: 아웃피드
190: 리와인더

Claims (12)

  1. 인피드를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계;
    슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 전해질 코팅액을 제공하여 박막 전해질층을 형성하는 단계;
    히팅 영역을 경유하여 상기 박막 전해질층을 소결하는 단계;
    전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계; 및
    상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는
    제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 상기 전해질층을 생성하는 과정과 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는
    상기 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 상기 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 특정 압력은
    상기 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 상기 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용되는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 단계는
    상기 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 단계는
    상기 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계는
    상기 박막의 두께를 기초로 상기 히팅 영역의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 품질 지수를 산출하는 단계는
    상기 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 상기 품질 지수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전해질층 품질감지센서는
    광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는
    상기 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는
    상기 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
  12. 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 인피드;
    상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 전해질 코팅액을 제공하여 박막 전해질층을 형성하는 슬롯-다이 코터(slot-die coater);
    상기 박막 전해질층을 소결하는 히팅 영역;
    상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 전해질층 품질감지센서; 및
    상기 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 아웃피드를 포함하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치.
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