KR102538758B1 - 이차전지용 복합 음극재 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 소재가 첨가된 형태의 복합 음극재를 제조할 수 있는 이차전지용 복합 음극재 제조장치를 개시한다. 본 발명의 이차전지용 복합 음극재 제조장치는, 메인 챔버와, 제1 물질과 제2 물질이 혼합된 분말상태의 원료를 메인 챔버 내부에서 순환 이송되는 용기 내부로 공급하는 원료공급유닛과, 메인 챔버 내부에 설치되며 원료공급유닛으로부터 이송된 용기를 가열 챔버 내부로 투입한 후 용기 내부의 원료에 열충격을 인가하여 제1 물질의 표면에 제2 물질을 나노 입자 형태로 분산 결합시키는 열충격유닛과, 원료공급유닛 및 열충격유닛의 작동을 제어하는 제어유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지용 복합 음극재 제조장치{Composite anode materials manufacturing device for secondary battery}

본 발명은 나노 입자 크기의 소재가 첨가된 형태의 복합 음극재를 제조할 수 있는 이차전지용 복합 음극재 제조장치에 관한 것이다.

최근 들어 리튬이온 이차전지에 대한 관심이 급증하고 있다. 리튬이온 이차전지는 리튬이온의 저장에 해당하는 충전과 리튬이온의 방출에 해당하는 방전이 핵심기술이며, 이를 위한 주요 구성은 전극이라 할 수 있다. 이러한 전극 중에 음극재가 있으며, 수명과 안정성면에서 우수한 흑연계 재료가 리튬 이차전지의 음극 재 재료로서 주로 사용되어 왔다.

하지만 리튬이온 전지는 낮은 이론 충전용량을 가지고 있는 단점이 있으며, 이를 해결하기 위한 방안으로 충전용량이 높은 다양한 실리콘 합금 재료가 주목받고 있다. 이러한 실리콘-흑연 복합 음극재료의 경우 에너지 밀도 및 충방전 수명이 우수하여 관련업계에서 상용화를 위한 경쟁적인 개발이 진행되고 있다.

그러나, 이와 같은 실리콘-흑연 복합 음극재를 리튬이온 전지에 적용하기 위해서는 실리콘 입자를 나노(nano) 크기로 제조해야 하지만 그에 따른 제조 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 이 때문에 실리콘 나노 입자 제조에 따른 제조비용을 낮추기 위한 기술들이 많이 개발되고는 있지만 실리콘 나노 입자를 제조한 이후에 이를 복합하는 두 가지 공정이 수반되어야 하기 때문에 실리콘계 복합 음극재를 저가로 제조하는 데에는 여전히 한계가 있는 상황이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 공개된　종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

대한민국 등록특허 제10-1875950(2018.07.02)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이차전지의 성능 및 수명을 향상시키기 위한 나노 재료가 혼합된 형태의 복합 음극재를 저렴한 비용으로 대량으로 양산할 수 있는 이차전지용 복합 음극재 제조장치를 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 이차전지용 복합 음극재 제조장치는, 메인 챔버와; 제1 물질과 제2 물질이 혼합된 분말상태의 원료를 메인 챔버 내부에서 순환 이송되는 용기 내부로 공급하는 원료공급유닛과; 메인 챔버 내부에 설치되며, 원료공급유닛으로부터 이송된 용기를 가열 챔버 내부로 투입한 후 용기 내부의 원료에 열충격을 인가하여 제1 물질의 표면에 제2 물질을 나노 입자 형태로 분산 결합시키는 열충격유닛과; 원료공급유닛 및 열충격유닛의 작동을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복합 음극재 제조장치는, 원료공급유닛과 열충격유닛 사이에 배치되며, 원료공급유닛으로부터 이송된 용기 내부의 원료를 평탄화하는 평탄화유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 복합 음극재 제조장치는, 열충격유닛으로부터 이송된 용기 내부의 원료를 분쇄하는 분쇄유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 복합 음극재 제조장치는, 분쇄유닛을 통해 분쇄된 원료를 배출하는 배출유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 복합 음극재 제조장치는, 배출유닛으로부터 이송된 용기 내부에 잔존하는 원료를 제거하는 클리닝유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 평탄화유닛은, 용기를 수평방향으로 복수 회 왕복 이동시켜 용기 내의 원료를 1차 평탄화하는 제1평탄화유닛과, 제1평탄화유닛에서 이송된 용기 내의 원료를 상부에서 하강하는 평탄화 플레이트를 통해 2차 평탄화하는 제2평탄화유닛을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1평탄화유닛은 용기 내에 투입된 원료의 종류에 따라 용기의 왕복 이동 거리, 속도 및 가속도가 조절될 수 있다.

또한, 상기 제1평탄화유닛은 용기에 진동을 인가하는 진동유닛을 포함하며, 용기의 왕복 이동시 진동유닛을 통해 용기에 진동을 동시에 인가할 수 있다.

그리고, 상기 분쇄유닛은, 분쇄 칼날을 하강시켜 용기 내에 고화된 상태의 원료를 분쇄한 후, 분쇄 칼날을 수평 회전시켜 용기 내면에 부착된 원료를 분리시킬 수 있다.

아울러, 상기 배출유닛은, 분쇄유닛을 통해 분쇄된 상태의 원료가 들어 있는 용기를 뒤집어서 하부에 설치된 수거통에 원료를 배출시킬 수 있다.

또한, 상기 클리닝유닛은, 배출유닛에서 이송된 용기가 투입되는 클리닝 챔버와, 클리닝 챔버 내에 투입된 용기 내부로 고압 공기를 분사하여 용기 내에 잔존하는 원료를 탈리시키는 공기분사유닛과, 용기로부터 탈리된 원료를 진공 흡입력을 이용하여 상기 클리닝 챔버 외부로 배출시키는 진공흡입유닛을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 공기분사유닛은 용기 내에 고압 공기를 분사하는 분사노즐을 포함하되, 분사노즐은 용기의 내벽면 모서리를 향해 고압 공기를 분사하도록 하향 경사지게 배치될 수 있다.

본 발명의 이차전지용 복합 음극재 제조장치에 따르면, 하나의 메인 챔버 내부에서 재료의 정량 공급, 평탄화, 열충격/냉각, 분쇄/배출, 클리닝 공정이 순차적으로 반복적으로 진행되면서 나노 재료가 혼합된 복합 음극재를 저렴한 비용으로 대량으로 양산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 원료의 1차 평탄화 공정에서 분말상태의 원료가 담긴 용기를 제1평탄화유닛을 통해 수평방향으로 복수 회 반복하며 흔들어 줌으로써 용기에 담긴 원료를 고르게 1차 평탄화시킬 수 있고, 2차 평탄화 공정에서는 제2평탄화유닛의 평탄화 플레이트를 하강시켜 용기 내의 원료를 일정 압력으로 눌러 주어 용기 내의 원료를 보다 정밀하고 고르게 2차 평탄화시킬 수 있기 때문에 용기 내의 원료 밀도가 증가하고 원료의 밀도가 균일하게 분포되어 이후에 진행되는 열충격 공정에서 마그네트론을 통해 원료에 열충격이 고르게 인가됨으로써 우수한 성능을 갖는 복합 음극재의 제조가 가능하다는 장점이 있다.

아울러, 제1평탄화유닛을 이용한 원료의 1차 평탄화 공정에서 용기 내부에 투입되는 원료의 종류에 따라 용기의 왕복이동 거리, 속도, 가속도 등을 달리 설정하게 되면, 분말상태의 원료 특성이 잘 뭉쳐지거나 그렇지 않은 경우에 관계 없이 항상 원료의 평탄도를 고르게 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 제1평탄화유닛을 이용한 원료의 1차 평탄화 공정에서 진동유닛을 통해 용기에 진동을 인가함에 따라 용기 내의 원료를 보다 빠른 시간 안에 고르게 분포하도록 유도할 수 있는 장점이 있다.

또한, 열충격유닛을 이용하는 원료의 열충격 공정에서 용기가 안착된 하부 플레이트를 상승시켜 가열 챔버 내부로 용기를 투입한 후 마그네트론을 작동시켜 용기 내의 원료를 마이크로파를 이용하여 고온으로 일정시간 동안 가열함으로써, 마이크로 입자 크기의 실리콘이 마그네트론을 통해 인가되는 열충격에 의해 인조 흑연의 표면에 나노 입자 크기로 분산 결합하여 성능이 우수한 복합 음극재의 재료로 제조될 수 있는 장점이 있다.

또한, 분쇄유닛을 이용한 원료의 분쇄 공정에서는 분쇄 칼날을 하강시켜 용기 내에 고착된 원료를 분쇄한 후, 분쇄 칼날을 다시 일정각도로 수평 회전시켜 용기 내면에 고착된 원료를 용이하게 분리시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 배출유닛을 이용한 원료의 배출 공정에서는 분쇄된 상태의 원료가 담겨 있는 용기를 그 분쇄된 자리에서 180°회전하여 거꾸로 뒤집어서 용기 내의 분쇄된 원료를 하부의 수거통에 용이하게 배출시킬 수 있으며, 수거통에 배출 후 수거된 원료를 외부의 후가공 공정에 투입하여 복합 음극재 전극에 적합한 형태로 용이하게 후가공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 하나의 분쇄/배출 챔버 내부에 분쇄유닛과 배출유닛이 일체화된 형태로 장치 구성됨으로써, 하나의 분쇄/배출 챔버 내에서 용기 내 원료의 분쇄 및 배출 작업을 통합하여 연속적으로 수행할 수 있기 때문에 각 공정 수행에 필요한 장치 구성을 보다 간단히 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 용기의 클리닝 공정에서는 이전의 분쇄/배출 공정에서 외부로 배출되지 못하고 용기 내에 엉겨 붙어 남아 있는 원료를 분사노즐에서 분사되는 고압 공기를 통해 완전하게 제거함으로써 용기 내부를 깨끗한 상태로 유지시킬 수 있고, 원료가 완전히 제거된 깨끗한 상태의 용기를 다시 원료공급유닛 측으로 제공하여 다음 사이클의 복합 음극재 제조 공정을 연속적으로 수행하게 할 수 있는 장점이 있다.

특히, 용기의 모양이 사각형인 경우 사각형 용기의 모서리 부분에 고착되어 있는 잔존 원료를 고압 공기를 이용하여 말끔하게 제거할 수 있으며, 용기 내부를 세척수로 세척하지 않고 고압 공기를 이용하여 세척하기 때문에 용기를 세척수로 세척 후 건조하는 별도 공정이 수반되지 않는 장점이 있다.

또한, 분사노즐에서 분사된 고압 공기를 통해 용기로부터 분리되어 비산되는 원료 입자를 진공흡입유닛을 통해 진공 흡입하여 외부의 수거통으로 수거할 수 있기 때문에 용기 내에 잔존하는 원료까지 최대한 수거하여 복합 음극재로 활용함으로써 제조효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 클리닝 챔버의 외벽이 투명창 구조로 형성되기 때문에 외부에서 작업 과정을 작업자가 눈으로 용이하게 확인할 수 있으며, 용기의 클리닝 과정에서 비산되는 원료 입자가 클리닝 챔버 외부로 배출되지 않고 진공흡입관을 통해 외부의 수거통으로 배출되기 때문에 원료의 회수율을 높일 수 있으며, 클리닝 챔버 내에서 비산되는 원료가 인접한 다른 장치 내부로 유입됨으로써 정상적인 작동에 악영향을 끼치게 되는 상황을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 복합 음극재 제조장치의 외관 구조를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 복합 음극재 제조장치의 내부 구조를 보여주는 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 복합 음극재 제조장치를 상부에서 바라본 평면도.
도 4는 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 원료공급유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 5는 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 제1평탄화유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 6은 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 제2평탄화유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 7은 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 열충격유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 8은 도 7에 도시된 열충격유닛에서 용기가 상승된 후 용기 내의 원료가 마이크로파를 통해 열충격이 인가되는 모습을 보여주는 측면도.
도 9는 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 분쇄/배출유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 10은 분쇄/배출 챔버의 도어가 오픈된 이후 하강하는 분쇄 칼날을 통해 용기 내의 원료가 분쇄되는 모습을 보여주는 측면도.
도 11은 배출유닛을 통해 용기가 회전하여 원료가 수거통으로 배출되는 모습을 보여주는 작동도.
도 12는 본 발명의 복합 음극재 제조장치에서 클리닝유닛의 상세 구조를 보여주는 상세도.
도 13은 도 12에 도시된 클리닝 챔버의 내부구조를 보여주는 측면도.
도 14는 클리닝유닛에 구비된 분사노즐을 통해 용기 내부로 고압 공기를 분사하여 용기 내부를 클리닝 하는 모습을 설명하는 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.

도면은 본 발명의 사상을 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 도면에 의해서 본 발명의 범위가 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한 도면에서 상대적인 두께, 길이나 상대적인 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위해 다소 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 이차전지용 복합 음극재 제조장치의 외관 모습을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 복합 음극재 제조장치의 내부 구조를 보여주는 사시도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 복합 음극재 제조장치를 상부에서 바라본 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 복합 음극재 제조장치(800)는, 메인 챔버(100)와, 메인 챔버(100) 내부에 설치되는 원료공급유닛(200), 평탄화유닛(300), 열충격유닛(400), 분쇄/배출유닛(500), 클리닝유닛(600)과, 상기 각 유닛의 작동을 개별적으로 제어하는 제어유닛(700)을 포함하여 구성된다.

즉, 복합 음극재 제조장치(800)는 하나의 메인 챔버(100) 내부 공간에 원료공급유닛(200), 평탄화유닛(300), 열충격유닛(400), 분쇄/배출유닛(500), 클리닝유닛(600)이 일방향을 따라 순차적으로 배치된 배치구조를 형성하며, 이들 각각의 유닛들(200,300,400,500,600)은 메인 챔버(100)의 외부에 배치된 제어유닛(700)을 통해 개별적으로 동작이 제어된다.

메인 챔버(100) 내부에는 이차전지의 음극재 재료로 사용되는 복합 음극재의 제조를 위한 원료(M) 물질이 담긴 복수(예를 들어, 6~7개)의 용기(102)가 투입된다. 메인 챔버(100) 내부에 투입된 복수의 용기(102)는 제어유닛(700)을 통해 작동이 제어되는 적어도 하나 이상의 이송수단을 통해 원료공급유닛(200), 평탄화유닛(300), 열충격유닛(400), 분쇄/배출유닛(500), 클리닝유닛(600)으로 일정한 시간차를 두고 순차적으로 순환 이송하면서 각각의 유닛에서 복합 음극재 제조를 위한 개별 공정을 단계별로 수행할 수 있다.

메인 챔버(100)는 직육면체의 외형을 가지며, 메인 챔버(100)의 외벽은 외부에서 내부의 공정 진행 상황을 작업자의 눈으로 용이하게 확인할 수 있도록 투명 창 구조로 형성된다. 이때, 투명 창 구조로 형성되는 메인 챔버(100)의 외벽은 일부가 미닫이 또는 여닫이 방식으로 개폐될 수 있는 구조로 형성될 수 있다.

메인 챔버(100) 내부에 투입되는 용기(102)는 이송수단에 장착된 그리퍼(Gripper)를 통해 용기(102)의 측면을 잡고 들어올리거나 내려놓는 작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 사각형 용기 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이러한 형상 구조에 한정되는 것은 아니다.

메인 챔버(100)에 설치되는 원료공급유닛(200)은 메인 챔버(100) 내부에서 순환 이동하는 복수의 용기(102) 내부로 복합 음극재의 제조를 위한 원료(M)를 정량적으로 공급할 수 있다.

평탄화유닛(300)은 원료공급유닛(200)에서 이송된 용기(102) 내부의 원료(M)를 균일한 밀도를 갖도록 고르게 평탄화시킬 수 있다.

열충격유닛(400)은 평탄화유닛(300)에서 이송된 용기(102) 내의 원료(M)에 일정시간 동안 열충격을 인가하여 열충격에 의한 원료 물질의 용융 및 재배치를 통해 이차전지의 음극 재료로 사용 가능한 형태의 복합 음극재를 제조할 수 있다.

분쇄유닛(510)은 열충격유닛(400)에서 이송된 용기(102) 내부의 고화된 상태의 원료(M)를 배출이 용이하도록 잘게 분쇄할 수 있다.

배출유닛(520)은 분쇄유닛(510)을 통해 잘게 분쇄된 원료(M)를 하부에 위치된 수거통(530)으로 배출시킬 수 있다.

클리닝유닛(600)은 배출유닛(520)의 작동에도 불구하고 외부로 배출되지 못하고 용기(102) 내에 남아 있는 잔여 원료 입자를 완전히 제거하여 잔존 원료가 제거된 깨끗한 상태의 용기(102)를 다음 공정인 원료공급 공정으로 제공할 수 있다.

제어유닛(700)은 메인 챔버(100) 외부에 배치되어 내부에 설치된 원료공급유닛(200), 평탄화유닛(300), 열충격유닛(400), 분쇄/배출유닛(500), 클리닝유닛(600)과, 이들 각각의 유닛(200,300,400,500,600)으로 용기(102)를 순차적으로 이송하는 복수의 이송수단들의 작동을 개별적으로 제어할 수 있다.

본 발명의 복합 음극재 제조장치(800)는 내부에 설치된 원료공급유닛(200), 평탄화유닛(300), 열충격유닛(400), 분쇄/배출유닛(500), 클리닝유닛(600)을 통해 원료의 정량공급 -> 평탄화 -> 열충격/냉각 -> 분쇄/배출 -> 클리닝(Cleaning) 공정이 일정 시간차를 두고 순차적으로 이루어지게 되는 하나의 제조공정 사이클(cycle)을 구성할 수 있다. 그리고, 이와 같은 일련의 제조공정 사이클이 연속적으로 반복하여 진행됨으로써 한정된 메인 챔버(100) 내부공간에서 최적의 장치 구성을 통해 이차전지에 사용 가능한 형태의 복합 음극재를 저비용으로 단시간 내에 대량으로 생산할 수 있다. 즉, 메인 챔버(100) 내부에 투입된 복수 개의 용기(102)가 각 공정별 택트 타임(Tact Time)에 맞추어 메인 챔버(100) 내부를 지속적으로 순환하면서 이차전지에 사용 가능한 형태의 복합 음극재를 저렴한 비용으로 빠른 시간 내에 대량으로 양산할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 복합 음극재 제조장치 내부에 설치되는 원료공급유닛의 구조를 상세하게 보여주는 것이다.

도 4를 참조하면, 원료공급유닛(200)은 메인 챔버(100) 내부를 일정 시간차를 두고 순환 이동하는 복수의 용기(102)에 복합 음극재 제조를 위한 원료(M)를 정량적으로 공급할 수 있다.

원료공급유닛(200)을 통해 공급되는 원료(M)는 서로 다른 제1 물질과 제2 물질이 혼합된 분말상태의 원료일 수 있다. 제1 물질은 탄소계의 물질로, 예를 들어, 이차전지의 음극재 재료로 사용되는 인조 흑연일 수 있다. 그리고, 제1 물질과 혼합되는 제2 물질은 실리콘일 수 있다. 이때, 인조 흑연과 혼합되는 실리콘은 마이크로 입자 단위를 가질 수 있다.

즉, 원료공급유닛(200)을 통해 용기(102)에 공급되는 원료(M)는, 이차전지의 음극재로 사용되는 인조 흑연에 마이크로 입자 단위의 실리콘이 일정 비율로 혼합된 분말상태의 원료일 수 있다.

실리콘은 가격이 저렴할 뿐 아니라 이차전지의 음극재인 흑연과 혼합하여 사용할 경우 이차전지의 성능을 높이고 리사이클(Recycle) 시간을 증가시켜 이차전지의 사용효율을 향상시킬 수 있다. 실시 예에서는 제1 물질과 제2 물질이 혼합된 분말상태의 원료를 인조 흑연에 마이크로 입자 단위의 실리콘이 혼합된 분말상태의 원료로 적용하였으나, 제1 물질과 제2 물질이 반드시 이와 같은 특정한 물질에 한정되는 것은 아니다.

원료공급유닛(200)은 이차전지의 복합 음극재 재료로 사용되는 분말상태의 원료(M)가 투입되는 호퍼(210)와, 호퍼(210)를 통해 투입된 원료(M)를 용기(102)에 정량 투입할 수 있는 정량 투입기(220)를 포함한다. 호퍼(210) 및 정량 투입기(220)는 하우징(230)을 통해 부분적으로 감싸지는 구조로 설치된다.

호퍼(210)는 메인 챔버(100) 외부에서 원료의 투입이 가능하도록 메인 챔버(100)의 외부에 배치되고, 정량 투입기(220)는 메인 챔버(100)의 내부에 배치되어 메인 챔버(100) 내부를 순환하는 용기(102)에 원료를 정량 투입할 수 있다.

이 경우, 정량 투입기(220)는 호퍼(210)를 통해 투입된 인조 흑연 분말과 마이크론 입자 단위의 실리콘 분말이 혼합된 원료(M)를 정량 투입기(220)의 하부 측에 위치된 용기(102) 내부로 정량적으로 투입할 수 있다.

원료공급유닛(200)을 통해 분말상태의 원료(M)가 투입된 용기(102)는 이송수단을 통해 다음 공정인 평탄화유닛(300)으로 이송되어 원료(M)의 평탄화 작업이 이루어진다.

원료 평탄화 공정에서는 용기(102)에 담긴 분말상태의 원료(M)가 균일한 밀도로 분포될 수 있도록 평탄화유닛(300)을 통해 원료(M)를 평탄화하는 작업이 수행된다.

도 5 및 도 6은 용기(102)에 담긴 분말상태의 원료(M)를 고르게 평탄화시킬 수 있는 평탄화유닛의 상세 구조를 보여주고 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 원료공급유닛(200)과 열충격유닛(400) 사이에 배치되는 평탄화유닛(300)은, 용기(102)를 수평방향으로 복수 회 왕복 이동시켜 용기(102) 내의 원료(M)를 1차 평탄화하는 제1평탄화유닛(320)과, 제1평탄화유닛(320)에서 1차 평탄화된 용기(102) 내의 원료(M)를 상부에서 하강하는 평탄화 플레이트(342)를 통해 2차 평탄화하는 제2평탄화유닛(340)을 포함한다.

제1평탄화유닛(320)은 도 5에서 보는 바와 같이 지지프레임(321)에 고정된 가이드레일(322)과, 가이드레일(321)을 따라 수평방향으로 왕복이동 가능하게 설치된 홀더(323)를 포함한다.

홀더(323)는 이송수단(도면부호 없음)과 결합되어 이송수단의 구동을 통해 가이드레일(322)을 따라 수평방향(좌우방향)으로 왕복이동 가능하게 설치된다. 홀더(323)의 하부에는 용기(102)의 측면을 쥐거나 놓을 수 있는 그리퍼(324)가 홀더(323)에 대해 수직방향(상하방향)으로 승강 이동 가능하게 설치된다.

원료공급유닛(200)으로부터 원료가 담긴 용기(102)가 제1평탄화유닛(320)으로 이송되면 홀더(323)에 장착된 그리퍼(324)가 하강하여 용기(102)를 잡고 일정 높이로 상승하고, 이 상태에서 홀더(323)가 가이드레일(322)을 따라 수평방향으로 복수 회(예를 들어, 4~5회) 왕복 이동하여 용기(102)를 좌우로 흔들어 줌으로써 용기(102)에 담긴 원료(M)를 고르게 평탄화시키게 된다.

원료공급유닛(200)을 통해 용기(102) 내부에 초기 투입된 원료(M)는 산처럼 쌓인 볼록한 구조를 형성하기 때문에 이후 진행되는 원료의 열충격 공정에서 원료 내에 열충격을 고르게 인가할 수 없다. 따라서, 용기(102) 내의 원료(M)를 평평한 상태로 만드는 평탄화 작업이 요구된다. 특히, 원료 중 다수의 비율을 차지하는 흑연 소재의 경우 잘 뭉치는 특성이 있기 때문에 용기(102) 내부에서 분말상태의 원료(M)가 고르게 분포될 수 있도록 평탄화 작업을 실시하게 된다.

이때, 제1평탄화유닛(320)을 이용한 원료(M)의 평탄화 과정에서는 용기(102) 내부에 투입되는 원료의 종류에 따라 용기(102)의 왕복이동 거리, 속도, 가속도 등이 조절될 수 있다. 즉, 용기(102) 내부에 투입되는 원료가 잘 뭉치는 특성이 있는 소재이거나 그렇지 않은 소재의 여부에 따라 제어유닛(700)을 통해 용기(102)의 왕복이동 거리, 속도, 가속도 등이 적절하게 조절될 수 있다.

이와 함께, 제1평탄화유닛(320)에는 수평으로 왕복 이동하는 용기(102)에 진동을 인가할 수 있는 진동유닛(미도시)이 추가적으로 설치될 수 있다. 이와 같은 진동유닛은 제1평탄화유닛(320)을 이용한 용기(102)의 왕복이동 과정에서 용기(102)에 진동을 인가하여 용기(102)에 담긴 분말상태의 원료가 보다 빠른 시간 내에 고르게 분포하도록 유도함으로써 평탄화 효율을 높일 수 있다. 이러한 진동유닛은 제1평탄화유닛(320)에 선택적으로 구비될 수 있다.

제1평탄화유닛(320)을 통한 원료의 1차 평탄화 작업이 완료되면 용기(102)는 이송수단을 통해 제2평탄화유닛(340)으로 이송되어 원료(M)의 2차 평탄화 작업이 수행된다.

제2평탄화유닛(340)은 도 6에서 보는 것과 같이 지지프레임(341)의 중앙에 상하방향으로 승강 가능하게 설치되는 평탄화 플레이트(342)를 포함한다.

제2평탄화유닛(340)에서는 제1평탄화유닛(320)에서 원료(M)의 1차 평탄화 작업이 완료된 용기(102)가 이송되면 평탄화 플레이트(342)가 하강하여 용기(102) 내의 원료(M)를 일정 압력으로 평평하게 눌러 줌으로써 용기(102) 내의 원료(M)를 보다 정밀하고 고르게 다져주는 2차 평탄화 작업을 수행한다.

이때, 용기(102) 내의 원료(M)를 평탄화 플레이트(342)를 통해 일정 압력으로 눌러주게 되면 원료(M)의 상부면이 더욱 정밀하고 고르게 평탄화됨과 동시에 원료(M)의 밀도가 증가하면서 원료(M)의 밀도가 균일하게 분포될 수 있다. 이렇게 되면 다음 공정인 원료의 열충격 공정에서 마그네트론을 통해 원료에 고르게 열충격을 인가할 수 있기 때문에 인조 흑연 표면에 나노 입자 크기의 실리콘이 균일하게 분산 결합된 형태의 우수한 성능을 갖는 복합 음극재를 제조할 수 있다.

제2평탄화유닛(340)을 통해 원료(M)의 2차 평탄화 작업이 모두 완료되면, 용기(102)는 이송수단을 통해 열충격유닛(400)으로 이송된다.

열충격유닛(400)에서는 제2평탄화유닛(340)으로부터 이송된 용기(102)를 가열 챔버(402) 내부로 투입한 후 용기(102)에 담긴 원료(M)에 열충격을 가하여 인조 흑연의 표면에 실리콘을 나노 입자 형태로 분산 결합시킴으로써 이차전지의 음극재로 사용 가능한 복합 음극재를 제조할 수 있다.

도 7은 복합 음극재 제조장치(800)에 설치되는 열충격유닛(400)의 구조를 상세하게 보여주는 사시도이고, 도 8은 도 7의 열충격유닛(400)에서 용기(102)가 상승되어 가열 챔버(402) 내부에서 마그네트론을 통해 열충격이 인가되는 모습을 보여주는 측면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 열충격유닛(400)은 마이크로파(Micro wave)를 발생시키는 마그네트론(Magnetron) 및 마그네트론(401)과 연통된 가열 챔버(402)가 설치된 상부 플레이트(403)와, 상부 플레이트(403)의 하부에 승강 가능하게 설치된 하부 플레이트(404)와, 하부 플레이트(404)를 승강시키는 실린더(405)를 포함한다.

마그네트론(401) 및 가열 챔버(402)가 설치된 상부 플레이트(403)는 4개의 지지기둥(406)에 의해 지지되며, 하부 플레이트(404)는 지지기둥(406)을 따라 상하방향으로 승강 이동 가능하게 결합된다.

제2평탄화유닛(340)에서 원료의 2차 평탄화 작업이 완료된 용기(102)가 열충격유닛(400)으로 이송되어 하부 플레이트(404)의 상면 중앙에 안착되면, 용기(102)가 안착된 하부 플레이트(404)는 실린더(405)의 구동을 통해 상승되어 가열 챔버(402) 내부로 용기(102)가 인입된다. 이러한 상태에서 마그네트론(401)을 작동시켜 마이크로파를 통해 용기(102) 내의 원료를 고온으로 일정시간 동안 가열하게 되면, 이때 발생한 열에 의해 인조 흑연과 함께 혼합된 실리콘이 용융되면서 구형화되어 인조 흑연의 표면에 나노 입자 크기로 분산되면서 결합된다.

즉, 탄소계 물질인 인조 흑연과 함께 혼합된 마이크로 입자 크기의 실리콘이 마그네트론(401)에서 발생된 마이크로파에 의해 가해지는 열충격에 의해 용융되었다가 인조 흑연의 표면에 나노 입자 크기로 점차 성장하여 수십 내지 수백 나노미터 사이즈의 입자크기로 인조 흑연의 표면에 분산되어 첨착됨으로써 이차전지에 사용 가능한 우수한 성능을 갖는 복합 음극재 재료로서 제조될 수 있다.

이때, 마그네트론(401)에 인가되는 전류를 조절하여 탄소 열충격을 제어할 수 있으며, 원료 물질인 실리콘이 용융되는 1400℃ 이상의 온도로 약 40초 동안 탄소 열충격 상태를 유지하도록 제어할 수 있다.

이 경우, 원료 물질 중에서 탄소계 물질인 인조 흑연은 전류에 의해서 가열되어 실리콘에 열에너지를 공급하여 용융시키는 기능을 하는 동시에 인조 흑연의 표면에 실리콘이 우선적으로 분산 결합되도록 하는 실리콘의 결합을 위한 틀로서 기능을 하게 되며, 특히 인조 흑연 물질의 표면에 위치하는 기공에 주로 실리콘이 분산 결합된다.

이때, 인가되는 전기 조건과 시간에 따라 열충격이 제어되기 때문에 인조 흑연의 표면에 결합되는 실리콘 입자의 양과 크기가 결정되며, 급속 충방전이 가능한 100nm 이하의 직경으로 실리콘 입자가 결합되도록 조절하는 것이 바람직하다. 실리콘 입자의 크기에 대한 하한 값이 특별히 제한되지는 않지만, 실리콘의 결정성을 유지할 수 있는 50nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 잔류하는 열에 의해서 실리콘 입자의 크기가 커지는 것을 방지하기 위하여 전류를 인가한 뒤에 냉각하는 과정이 추가적으로 수행될 수 있다.

한편, 열충격유닛(400)에서 사용 가능한 복합 음극재 형태로 재생성된 원료는 고온으로 용융되었다가 냉각되어 딱딱하게 고화된 상태로 용기(102) 내부에 고착된다. 이 때문에, 사용 가능한 복합 음극재 형태로 제조된 원료를 용기(102)로부터 분리하는 작업이 필요하다. 즉, 용기(102) 내부에 딱딱하게 굳은 상태로 달라붙어 있는 복합 음극재 원료를 이차전지용 전극 제조에 접합한 복합 음극재 형태로 가공하기 위하여 용기(102)로부터 분리시킨 후 배출하는 작업이 요구된다.

따라서, 열충격유닛(400)에서 사용 가능한 복합 음극재 형태로 제조된 원료는 용기(102) 내에 담긴 상태로 이송수단을 통해 분쇄/배출유닛(500)으로 이송되어 원료를 분쇄 및 배출시키는 공정이 수행된다.

도 9는 열충격 공정 후 이송된 용기 내의 원료를 분쇄 및 배출시킬 수 있는 분쇄/배출유닛 구조를 상세하게 보여주는 것이고, 도 10은 분쇄/배출 유닛의 분쇄 칼날을 통해 용기 내의 원료가 분쇄되는 모습을 보여주고 있다. 그리고, 도 11은 배출유닛을 통해 용기가 회전되어 분쇄된 원료가 수거통으로 배출되는 모습을 보여주고 있다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 분쇄유닛(510) 및 배출유닛(520)은 분쇄/배출 챔버(501) 내부에 하나의 연결된 구조물 형태로 장치 구성된다. 즉, 분쇄/배출 챔버(501) 내부에서 분쇄유닛(510)을 통한 원료의 분쇄 작업과 배출유닛(520)을 통한 원료의 배출 작업이 순차적으로 이루어질 수 있다.

분쇄유닛(510)은 상하방향으로 승강 가능하게 설치되는 분쇄 칼날(512)을 포함한다. 분쇄 칼날(512)은 상부에서 바라본 형상이 십자형의 단면 구조를 갖는다. 다만, 분쇄 칼날(512)의 형상이 이와 같은 형상에 반드시 한정되는 것은 아니다.

열충격유닛(400)으로부터 이송된 용기(102)가 분쇄/배출 챔버(501) 내부로 투입되면 승강용 액추에이터의 구동에 의해 상부에서 분쇄 칼날(512)이 하강하여 용기(102) 내에서 고화된 원료를 분쇄시킨다. 즉, 분쇄 칼날(512)이 하강하여 용기(102) 내에 푸석한 덩어리 형태로 엉겨 붙은 원료를 잘게 분쇄한다.

이때, 용기(102)의 내부면에 달라붙어 있는 원료는 분쇄 칼날(512)의 하강 운동만으로 용기(102)의 내부면으로부터 쉽게 분리되지 않기 때문에, 분쇄 칼날(512)이 하강한 후 회전용 액추에이터의 구동에 의해 일측 방향으로 일정 각도(예를 들어, 45°) 수평 회전하여 분쇄된 원료를 용기(102)의 내부면으로부터 쉽게 분리시킬 수 있다.

분쇄유닛(510)에 의한 용기(102) 내 원료의 분쇄 및 분리 작업이 완료된 직후에는 도 11에서 보는 것과 같이 배출유닛(520)이 작동하여 용기(102) 내의 원료를 하부에 위치한 수거통(530)으로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 배출유닛(520)은 용기(102)를 회전시킬 수 있는 회전용 액추에이터와, 용기(102)에서 배출된 원료를 수거하는 수거통(530)을 포함한다.

분쇄유닛(510)에 의해 분쇄된 원료가 담겨 있는 용기(102)는 그 분쇄된 자리에서 배출유닛(520)의 회전용 액추에이터를 통해 180°회전되어 거꾸로 뒤집혀 짐에 따라 용기(102) 내부의 분쇄된 원료가 하부에 위치한 수거통(530)으로 낙하하여 배출되며, 원료를 배출시킨 용기(102)는 다시 180°회전되어 원래의 상태로 복귀된다. 그리고, 수거통(530)에 수거된 원료는 이후 복합 음극재 제조장치(800) 외부로 인출하여 외부의 후가공 공정에서 복합 음극재 전극에 적합한 형태로 후가공될 수 있다.

이와 같은 분쇄유닛(510) 및 배출유닛(520)은 분쇄/배출 챔버(501) 내부에 하나의 연결된 장치 형태로 구성되어 용기(102) 내에서 고화된 상태로 달라붙어 있는 원료를 분쇄시키고 배출하는 작업을 연속적으로 수행할 수 있다.

분쇄/배출 챔버(501)는 외부에서 원료의 분쇄 및 배출 작업을 작업자가 직접 눈으로 확인할 수 있도록 투명창 구조로 형성될 수 있다. 또한, 분쇄/배출 챔버(501)의 일측에는 실린더(502)에 의해 여닫이 방식으로 개폐될 수 있는 도어(503)가 장착되어, 열충격유닛(400)에서 이송된 용기(102)가 분쇄/배출 챔버(501) 내부로 투입되기 직전에 도어(503)의 개방이 이루어지고, 용기(102)가 분쇄/배출 챔버(501)에 투입된 후 도어(503)는 폐쇄된다.

이와 같이 원료의 분쇄 및 배출 작업을 분쇄/배출 챔버(501) 내부 공간에서 수행하는 이유는 원료의 분쇄 및 배출과정에서 분쇄된 원료 입자가 비산되어 다른 장치의 작동에 영향을 미치는 것을 방지하면서 원료의 회수율을 높이기 위함이다.

한편, 분쇄/배출유닛(500)을 통해 용기(102) 내의 복합 음극재 원료를 분쇄한 후 배출시키더라도 용기(102)의 내부면에 여전히 분리되지 않고 남아 있는 원료가 있을 수 있다. 특히 사각형 용기(102)의 내부 모서리 부분에는 분쇄 칼날(512)을 통해서도 완전히 분쇄 및 분리되지 않은 원료가 달라붙은 상태로 남아있을 수 있기 때문에 이러한 용기(102) 내에 잔존하는 원료 입자를 깨끗하게 제거하는 클리닝 공정이 필요하다.

따라서, 본 발명의 복합 음극재 제조장치(800)에는 분쇄/배출유닛(500)으로부터 이송된 용기(102) 내부에 잔존하는 원료 입자를 고압 공기를 이용하여 깨끗하게 제거할 수 있는 클리닝유닛(600)이 설치된다.

도 12는 본 발명의 복합 음극재 제조장치 내에 설치되는 클리닝유닛의 구조를 상세하게 보여주는 것이고, 도 13은 도 12에 도시된 클리닝 챔버의 내부구조를 측면에서 바라본 것이다. 또한, 도 14는 클리닝유닛에 구비된 분사노즐을 통해 용기 내부로 고압 공기를 분사하여 용기 내부를 클리닝 하는 모습을 보여주는 것이다.

도 12 내지 도 14를 참조하면, 클리닝유닛(600)은 배출유닛(520)으로부터 이송되는 용기(102)가 투입되는 클리닝 챔버(601)와, 클리닝 챔버(601) 내에 투입된 용기(102) 내부로 고압 공기를 분사하여 용기(102) 내에 잔존하는 원료를 탈리시키는 공기분사유닛(610)과, 용기(102)로부터 탈리된 원료를 진공 흡입력을 이용하여 클리닝 챔버(601) 외부로 배출시키는 진공흡입유닛(620)을 포함한다.

클리닝 챔버(601)는 앞서 언급된 분쇄/배출 챔버(501)와 마찬가지로 외부에서 용기(102)의 클리닝 작업 과정을 작업자가 직접 눈으로 용이하게 확인할 수 있도록 투명창 구조의 외벽을 형성한다.

그리고, 클리닝 챔버(601)의 일측에는 상부에 위치한 실린더(602)에 의해 상하방향으로 여닫이 방식으로 개폐되는 도어(603)가 장착되어, 분쇄/배출유닛(500)으로부터 이송된 용기(102)가 클리닝 챔버(601) 내부로 투입되기 직전에 도어(603)가 개방되고, 투입된 직후에 도어(603)가 폐쇄된다.

이에 따라, 용기(102)의 클리닝 작업이 진행되면 클리닝 챔버(601)는 폐쇄된 구조를 유지하게 되어, 용기(102) 내부의 클리닝 과정에서 용기(102)로부터 분리되어 비산되는 원료 입자가 인접하는 다른 장치로 유입되어 작동에 영향을 미치는 것을 방지하면서 원료의 회수율도 높일 수 있다.

공기분사유닛(610)은 메인 챔버(100) 외부에 배치되며, 도 14에 보인 바와 같이 클리닝 챔버(601)에 투입된 용기(102) 내부로 고압의 공기를 분사할 수 있는 분사노즐(612)을 구비한다.

분사노즐(612)은 진공흡입관(622)이 연결된 상부 플레이트(604) 주변에 복수 개로 구비된다. 이 경우 분사노즐(612)은 사각형 용기(102)의 모서리 부분을 포함하는 내부 벽면 부분을 향해 공압 공기를 분사시킬 수 있도록 하향 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 분사노즐(612)은 노즐 출구가 사각형 용기(102)의 내부 벽면 및 모서리 부분을 향하도록 하향 경사진 구조로 배치됨으로써, 용기(102)의 내벽면 및 모서리 부분에 고착된 잔존 원료를 탈리시켜 용기(102)로부터 깨끗하게 제거할 수 있으며, 분사노즐(612)에서 분사된 고압 공기가 용기(102) 내에서 소용돌이 형태의 강한 와류를 발생시켜 용기(102) 내의 원료 제거효율을 높일 수 있다.

분사노즐(612)은 용기(102)의 내부 벽면 및 모서리와 인접하는 상부 위치에서 내부 벽면과 평행한 구조로 배치될 수도 있다. 이와 같은 구조로 분사노즐(612)를 배치하게 되면, 복수의 분사노즐(612)을 통해 분사된 고압 공기가 직하방으로 이동하여 용기(102)의 내부 벽면 및 모서리 부분에 고착되어 있는 원료를 용기(102)로부터 완전히 분리시켜 잔존 원료를 용기(102)로부터 말끔히 제거할 수 있다.

진공흡입유닛(620)은 공기분사유닛(610)과 함께 메인 챔버(100) 외부에 배치된다. 진공흡입유닛(620)은 메인 챔버(100) 외부에 배치되는 진공펌프(621)와, 진공펌프(621)와 클리닝 챔버(601) 사이를 연결하는 진공흡입관(622)을 포함한다.

진공펌프(621)는 메인 챔버(100) 내부에 배치될 수도 있으나, 메인 챔버(100) 내부의 공간 활용성을 최적화하기 위해, 바람직하게는 공기분사유닛(610)과 함께 메인 챔버(100) 외부에 배치된다.

진공흡입관(622)은 메인 챔버(100)를 관통하여 클리닝 챔버(601)에 연결된다. 진공흡입관(622)은 클리닝 챔버(601)의 상부에서 클리닝 챔버(601)의 상부면을 관통하여 클리닝 챔버(601) 내부의 상부 플레이트(604)의 중앙 부분에 연결된다.

클리닝 챔버(601) 내부로 투입된 용기(102)는 상하 이동이 가능한 하부 플레이트(605)에 안착된 상태에서 실린더의 구동을 통해 상승되어 분사노즐(612) 및 진공흡입관(622)이 위치한 상부 플레이트(604)의 하부면에 밀착된다.

이 상태에서 공기분사유닛(610) 및 진공흡입유닛(620)이 동시에 가동되어 도 14에서 보는 것과 같이 복수의 분사노즐(612)을 통해 용기(102)의 내부 벽면을 향해 고압의 공기를 분사하여 용기(102) 내에 달라붙어 있는 잔여 원료를 완전히 제거할 수 있고, 용기(102)로부터 제거된 후 비산되는 원료는 중앙에 위치한 진공흡입관(622) 내부로 흡입되어 외부의 진공펌프(621)와 연결된 수거통(630)으로 수거될 수 있다.

그리고, 클리닝유닛(600)을 통해 용기(102) 내에 잔존하는 원료가 말끔하게 제거된 상태의 용기(102)는 다시 원료공급유닛(200)으로 이송되어 원료공급유닛(200)에서 원료를 공급받은 다음 전술한 과정의 일련의 공정 사이클을 반복적으로 연속하여 수행하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 이차전지용 복합 음극재 제조장치(800)는, 하나의 메인 챔버(100) 내부에서 재료의 정량 공급, 평탄화, 열충격/냉각, 분쇄/배출, 클리닝 공정이 순차적으로 반복적으로 진행되면서 나노 재료가 혼합된 복합 음극재를 연속하여 제조하기 때문에 이차전지에 사용 가능한 복합 음극재를 저렴한 비용으로 대량으로 양산할 수 있다.

또한, 원료의 1차 평탄화 공정에서 분말상태의 원료가 담긴 용기(102)를 제1평탄화유닛(320)을 통해 수평방향으로 복수 회 반복하며 흔들어 주어 용기(102)에 담긴 원료를 1차 평탄화시키고, 2차 평탄화 공정에서 제2평탄화유닛(340)의 평탄화 플레이트(342)를 통해 용기(102) 내의 원료를 일정 압력으로 눌러 주어 용기(102) 내의 원료를 보다 정밀하고 고르게 2차 평탄화시키기 때문에, 용기(102) 내의 원료 밀도가 증가하고 밀도가 균일하게 분포되어 다음의 열충격 공정에서 마그네트론(401)을 통해 원료에 열충격이 고르게 인가될 수 있기 때문에, 보다 우수한 성능을 갖는 복합 음극재의 제조가 가능하다는 장점이 있다.

아울러, 제1평탄화유닛(320)을 이용한 원료의 1차 평탄화 공정에서 용기(102) 내부에 투입되는 원료의 종류에 따라 용기(102)의 왕복이동 거리, 속도, 가속도 등을 달리 설정함으로써, 분말상태의 원료 특성이 잘 뭉쳐지거나 그렇지 않은 경우에 관계없이 항상 원료의 평탄도를 고르게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

이와 함께, 제1평탄화유닛을 이용한 원료의 1차 평탄화 공정에서 진동유닛을 통해 용기(102)에 진동을 인가하게 되면, 용기(102) 내의 원료를 보다 빠른 시간 안에 고르게 분포하도록 유도할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 분쇄유닛(510)을 이용한 원료의 분쇄 공정에서는 분쇄 칼날(512)을 하강시켜 용기(102) 내에 고착된 원료를 분쇄한 후, 분쇄 칼날(512)을 다시 일정각도로 수평 회전시켜 용기(102) 내면에 고착된 원료를 용이하게 분리시킬 수 있으며, 배출유닛(520)을 이용한 원료의 배출 공정에서는 분쇄된 상태의 원료가 담겨 있는 용기(102)를 그 분쇄된 자리에서 180°회전하여 거꾸로 뒤집어서 용기(102) 내의 분쇄된 원료를 수거통(530)에 용이하게 배출시킬 수 있다. 아울러, 수거통(530)에 배출 후 수거된 원료를 외부의 후가공 공정에 투입하여 복합 음극재 전극에 적합한 형태로 용이하게 후가공할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 분쇄유닛(510)과 배출유닛(520)이 서로 연결되어 일체화된 형태로 장치 구성됨으로써, 하나의 분쇄/배출 챔버(501) 내부에서 용기(102) 내 원료의 분쇄 및 배출 작업을 통합하여 연속적으로 진행할 수 있게 됨으로써 각 공정 수행에 필요한 장치 구성을 보다 간단히 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 용기(102)의 클리닝 공정에서는 이전의 분쇄/배출 공정에서 외부로 배출되지 못하고 용기(102) 내에 엉겨 붙어 남아 있는 원료를 분사노즐(612)에서 분사되는 고압 공기를 통해 완전하게 제거하여 용기(102) 내부를 깨끗한 상태로 유지시킬 수 있고, 원료가 완전히 제거된 깨끗한 상태의 용기(102)를 다시 원료공급유닛(200) 측으로 투입하여 용기(102)의 교체 없이도 다음 사이클의 복합 음극재 제조 공정을 연속적으로 수행하게 할 수 있게 하는 장점이 있다.

특히, 용기의 클리닝 공정에서는 사각형 용기(102)의 모서리 부분에 고착되어 있는 잔존 원료를 분사노즐(612)에서 분사되는 고압 공기를 이용하여 말끔하게 제거할 수 있기 때문에, 용기 내부를 별도의 세척수로 세척할 필요가 없으며, 용기를 세척수로 세척한 후 건조하는 등의 별도 공정이 필요치 않은 장점이 있다.

또한, 분사노즐(612)에서 고압 공기의 분사에 의해 용기(102)로부터 분리되어 비산되는 원료 입자를 진공흡입관(622)을 통해 진공 흡입하여 외부의 수거통(630)으로 수거할 수 있기 때문에 용기(102) 내에 잔존하는 원료까지 최대한 수거하여 복합 음극재로 활용함으로써 복합 음극재의 제조효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 클리닝 챔버(601)의 외벽이 투명창 구조로 형성되기 때문에 외부에서 작업 과정을 작업자가 눈으로 용이하게 확인할 수 있으며, 용기(102)의 클리닝 과정에서 비산되는 원료 입자가 인접한 다른 장치 내부로 유입됨으로써 장치의 정상적인 작동에 악영향을 끼치게 되는 상황을 미연에 방지할 수 있는 장점도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

100 : 메인 챔버 102 : 용기
200 : 원료공급유닛 210 : 호퍼
220 : 정량 투입기 300 : 평탄화유닛
320 : 제1평탄화유닛 340 : 제2평탄화유닛
342 : 평탄화 플레이트 400 : 열충격유닛
401 : 마그네트론 402 : 가열 챔버
500 : 분쇄/배출유닛 530,630 : 수거통
600 : 클리닝유닛 610 : 공기분사유닛
612 : 분사노즐 620 : 진공흡입유닛
622 : 진공흡입관 700 : 제어유닛
800 : 복합 음극재 제조장치

Claims (12)

1. 메인 챔버;
   제1 물질과 제2 물질이 혼합된 분말상태의 원료를 상기 메인 챔버 내부에서 순환 이송되는 용기 내부로 공급하는 원료공급유닛;
   상기 메인 챔버 내부에 설치되며, 상기 원료공급유닛으로부터 이송된 용기를 가열 챔버 내부로 투입한 후 용기 내부의 원료에 열충격을 인가하여 제1 물질의 표면에 제2 물질을 나노 입자 형태로 분산 결합시키는 열충격유닛;
   상기 원료공급유닛 및 상기 열충격유닛의 작동을 제어하는 제어유닛;
   을 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 원료공급유닛과 열충격유닛 사이에 배치되며, 상기 원료공급유닛으로부터 이송된 용기 내부의 원료를 평탄화하는 평탄화유닛을 더 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 열충격유닛으로부터 이송된 용기 내부의 원료를 분쇄하는 분쇄유닛을 더 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 분쇄유닛을 통해 분쇄된 원료를 배출하는 배출유닛을 더 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 배출유닛으로부터 이송된 용기 내부에 잔존하는 원료를 제거하는 클리닝유닛을 더 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 평탄화유닛은,
   상기 용기를 수평방향으로 복수 회 왕복 이동시켜 상기 용기 내의 원료를 1차 평탄화하는 제1평탄화유닛과,
   상기 제1평탄화유닛에서 이송된 용기 내의 원료를 상부에서 하강하는 평탄화 플레이트를 통해 2차 평탄화하는 제2평탄화유닛,
   을 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 제1평탄화유닛은 상기 용기 내에 투입된 원료의 종류에 따라 상기 용기의 왕복 이동 거리, 속도 및 가속도를 달리하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 제1평탄화유닛은 상기 용기에 진동을 인가하는 진동유닛을 포함하며,
   상기 용기의 왕복 이동시 상기 진동유닛을 통해 상기 용기에 진동을 동시에 인가하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
9. 제3항에 있어서, 상기 분쇄유닛은,
   분쇄 칼날을 하강시켜 상기 용기 내에 고화된 상태의 원료를 분쇄한 후, 상기 분쇄 칼날을 수평 회전시켜 상기 용기의 내면에 부착된 원료를 분리시키는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
   
10. 제4항에 있어서, 상기 배출유닛은,
    상기 분쇄유닛을 통해 분쇄된 상태의 원료가 들어 있는 용기를 뒤집어서 하부에 설치된 수거통에 원료를 배출시키는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
    
11. 제5항에 있어서, 상기 클리닝유닛은,
    상기 배출유닛에서 이송된 용기가 투입되는 클리닝 챔버와,
    상기 클리닝 챔버 내에 투입된 용기 내부로 고압 공기를 분사하여 용기 내에 잔존하는 원료를 탈리시키는 공기분사유닛과,
    상기 용기로부터 탈리된 원료를 진공 흡입력을 이용하여 상기 클리닝 챔버의 외부로 배출시키는 진공흡입유닛,
    을 포함하는, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 공기분사유닛은 용기 내에 고압 공기를 분사하는 분사노즐을 포함하며,
    상기 분사노즐은 상기 용기의 내벽면 모서리를 향해 고압 공기를 분사하도록 하향 경사지게 배치된, 이차전지용 복합 음극재 제조 장치.
    

Images