KR102638268B1 - 코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터 - Google Patents

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Abstract

코팅액 유동이 정체없이 균일한 슬롯 다이 코터를 제공한다. 본 발명의 슬롯 다이 코터는 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 연속적으로 주행하는 기재 표면에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 기재의 주행 방향을 따르는 단면에서 상기 매니폴드 길이(B, mm)와 상기 매니폴드 단면적(S, cm2)의 비(B/S)가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이다.

Description

코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터{Slot die coater with improved coating fluid flow}
본 발명은 슬롯 다이 코터에 관한 것으로서, 슬롯 다이 코터 내부에서의 코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지는 발전 요소인 전극조립체를 필수적으로 포함하고 있다. 전극조립체는, 양극, 분리막 및 음극이 적어도 1회 이상 적층된 형태를 가지며, 양극과 음극은 각각 알루미늄 호일과 구리 호일로 이루어진 집전체에 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 도포 및 건조되어 제조된다. 이차전지의 충방전 특성을 균일하게 하기 위해서는, 이러한 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 집전체에 고르게 코팅되어야 하며, 종래부터 슬롯 다이 코터를 이용하여 코팅하고 있다.
도 1은 종래 슬롯 다이 코터를 이용한 코팅 방법의 일 예를 도시한다. 도 2는 도 1의 II-II' 단면도로서, MD 방향(집전체의 주행 방향)을 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 슬롯 다이 코터(30)를 이용한 전극 제조 방법에서는, 코팅 롤(10)에 의해 이송되는 집전체(20) 위에 슬롯 다이 코터(30)로부터 토출된 코팅액인 전극 활물질 슬러리를 도포하게 된다. 슬롯 다이 코터(30)에서 토출된 전극 활물질 슬러리는 집전체(20)의 일 면에 넓게 도포되어 전극 활물질층을 형성한다. 슬롯 다이 코터(30)는 2개의 다이 블록(31, 32)를 포함하고 2개의 다이 블록(31, 32) 사이에 심(shim) 플레이트(34)를 개재하여 슬롯(35)을 형성한 것으로, 슬롯(35)과 연통된 토출구(37)를 통해 전극 활물질 슬러리를 토출하여 전극 활물질층을 형성할 수가 있다.
도 2를 참조하면, 슬롯 다이 코터(30)의 내부 형상을 볼 수 있다. 참조번호 26은 코팅액인 전극 활물질 슬러리가 담기는 매니폴드(manifold)이다. 매니폴드(26)는 외부에 설치된 전극 활물질 슬러리 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 전극 활물질 슬러리를 공급받는다. 매니폴드(26) 내에 전극 활물질 슬러리가 가득 차게 되면, 전극 활물질 슬러리가 슬롯(35)을 따라 흐름이 유도되고 토출구(37)를 통해 외부로 토출되는 원리이다.
다이 블록(31, 32)의 형상, 특히 매니폴드(26)를 포함하는 내부 설계는 폭방향 유량 균일도를 결정하는 주요 인자이다. 유량 균일도가 높은 것은 유량 편차가 작은 것이다. 전극 활물질 슬러리는 수천~수만 cps의 점도를 갖고 있는 비뉴토니안 유체로서, 코팅시 폭방향 유량 편차가 큰 편이다. 유량 편차는 곧 로딩 편차로 이어진다. 이차전지 산업 발전에 따라 요구되는 항목이 있는데, 그 중 높은 생산성을 위해서는 큰 코팅폭이 필요하고, 이것은 필연적으로 큰 로딩 편차를 동반하게 된다. 더불어, 고용량, 고출력, 저비용 등의 요구 특성을 만족시키기 위해 개발되는 소재들의 전극 활물질 슬러리의 유변 특성은 점점 폭방향 유량 편차를 증가시키는 방향이므로 이 부분에 대한 설계가 매우 중요하다.
현재 슬롯 다이 코터(30)는 유량 편차를 최소화하기 위한 컨셉으로 설계되고 있으나, 슬롯 다이 코터(30) 내부, 특히 매니폴드(26) 내의 전극 활물질 슬러리의 흐름에는 유속 분포가 발생하며, 상대적으로 긴 정체를 겪는 전극 활물질 슬러리는 수십~수백 kPA의 압력이 가해진 환경에서 변형되어 응집물을 쉽게 형성하고 만다. 이러한 응집물의 형성은 다이 블록(31, 32) 내부의 유로를 변형하여 유량 편차를 증가시킬 뿐만 아니라, 토출구(37)를 막거나 집전체(20) 상으로 토출되어 코팅면이 고르지 못하고 불균일해지는 코팅 불량을 야기할 수 있다.
따라서, 이러한 부분에 대한 개선이 다이 블록(31, 32) 내부에 반영이 되어야 한다. 하지만 현재 슬롯 다이 코터 분야에서는 이러한 설계가 높은 수준으로 검토되어 반영되어 있지 않아, 상기 응집물 형성과 같은 문제에는 세정 횟수를 늘리는 것으로 대처하고 있는 실정이다. 세정 횟수는 생산 가동률 저하를 유발하며, 특히 최근 이차전지 수요가 자동차용 이차전지로 확대됨에 따라 안정적인 장시간 생산이 중요해지고 있기 때문에, 슬롯 다이 코터 내부에서 전극 활물질 슬러리의 상대적 정체를 최소화할 수 있도록 하는 근본적인 해결책이 매우 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 코팅액 유동이 정체없이 균일한 슬롯 다이 코터를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 슬롯 다이 코터는 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 연속적으로 주행하는 기재 표면에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 기재의 주행 방향을 따르는 단면에서 상기 매니폴드 길이(B, mm)와 상기 매니폴드 단면적(S, cm2)의 비(B/S)가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이다.
상기 다이 블록의 선단부인 다이 립에서부터 상기 다이 블록 후면까지의 길이인 다이 블록 크기가 350mm 이하일 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 상기 매니폴드 길이(B)와 상기 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 정할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 슬롯 다이 코터는 하부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록; 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록에 구비되며 제1 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및 상기 중간 다이 블록에 구비되며 제2 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 연속적으로 주행하는 기재 표면에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터이고, 상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향에 수직인 단면에서 상기 제1 매니폴드 길이(B', mm)와 상기 제1 매니폴드 단면적(S', cm2)의 비(B'/S')가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이거나, 상기 제2 매니폴드 길이(B", mm)와 상기 제2 매니폴드 단면적(S", cm2)의 비(B"/S")가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이다.
상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 상기 제1 매니폴드 길이(B', mm)와 상기 제1 매니폴드 단면적(S', cm2)의 비(B'/S') 또는 상기 제2 매니폴드 길이(B", mm)와 상기 제2 매니폴드 단면적(S", cm2)의 비(B"/S")를 정할 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 거의 수평으로 해 상기 슬롯 다이 코터를 설치하고, 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면은 거의 수직으로 놓이는 것일 수 있다.
상기 중간 다이 블록과 상부 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 평행한 것일 수 있다.
상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30도 내지 60도의 각도를 이루는 것일 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및 상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 더 포함하고, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하며, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 슬롯 다이 코터 내부에서 코팅액인 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다. 매니폴드 및 슬롯 내 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간을 작게 할 수 있기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구를 막는 문제가 없다.
따라서, 본 발명의 슬롯 다이 코터를 전극 활물질 슬러리 코팅에 이용하면, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해 장시간 코팅에 용이하고 우수한 생산성을 가질 수 있다. 전극 활물질 슬러리 응집이 없으므로 코팅 표면 불량 발생도 방지할 수 있다. 그러므로 제품의 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 매니폴드 길이와 매니폴드 단면적의 비가 소정 범위 값을 갖도록 함으로써 유량 편차를 줄인 다이 블록이 제공된다. 종래처럼 세정 횟수 증가를 통해 응집물을 제거하는 것이 아니라, 응집물 발생을 원천 차단할 수 있는 것이기에 장시간 코팅에 용이하며 우수한 생산성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 슬롯 다이 코터는 유량 편차가 감소하는 결과, 균일한 로딩양을 가지고 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능한 듀얼 슬롯 다이 코터로도 제조할 수 있기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 본 발명의 슬롯 다이 코터를 이용하면 집전체를 주행시키면서 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 주행 또는 장폭 도포 조건 하에서도 균일한 도포가 가능한 이점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 슬롯 다이 코터의 이용 예를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 슬롯 다이 코터는 슬롯을 1개 이상 구비할 수 있다. 슬롯이 2개인 경우 하부 슬롯과 상부 슬롯으로 구성하여 기재 상에 코팅액을 이중층으로 코팅할 수 있다. 이하의 설명하는 '기재'는 집전체이고 코팅액은 '전극 활물질 슬러리'이다. 슬롯을 통해 토출되는 코팅액은 모두 전극 활물질 슬러리로서, 조성(활물질, 도전재, 바인더의 종류)이나 함량(활물질, 도전재, 바인더의 양)이나 물성이 서로 동일하거나 다른 전극 활물질 슬러리를 각각의 슬롯을 통해 토출할 수도 있다. 특히 슬롯이 2개인 본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터는 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포하거나 2종의 전극 활물질 슬러리를 교번적으로 도포하면서 패턴 코팅하는 전극 제조에 최적화되어 있다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 예컨대 상기 기재는 분리막을 구성하는 다공성 지지체이고 코팅액은 유기물일 수도 있다. 즉, 박막 코팅이 요구되는 경우라면 상기 기재와 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 슬롯 다이 코터(100)는 2개의 다이 블록(110, 130)을 포함한다. 다이 블록(110, 130) 사이에는 슬롯(101)을 형성하기 위한 심 플레이트(113)가 구비되어 있다. 다이 블록(110, 130)은 볼트와 같은 체결 부재(미도시)를 통해 서로 조립된다. 도시한 예에서 다이 블록은 2개이다. 다이 블록은 2개 이상일 수 있다.
도 3에서, 슬롯 다이 코터(100)는 코팅액인 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향(X 방향)을 거의 수평으로 해 설치되어 있다(거의 : ± 5도). 하지만 여기서 예로 든 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대, 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 위(Y 방향)로 해 중력 반대 방향으로 토출하는 수직 다이로 구성할 수도 있다.
슬롯(101)은 다이 블록(110, 130)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성된다. 다이 블록(110, 130) 사이에 심 플레이트(113)가 구비되어 다이 블록(110, 130)간 간극이 마련됨으로써 코팅액(150)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 슬롯(101)이 형성되는 것이다. 심 플레이트(113)의 두께는 슬롯(101)의 상하 폭(Y 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.
심 플레이트(113)는 일 영역이 절개되어 개방부(113a)를 구비할 수 있으며, 다이 블록(110, 130) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 코팅액(150)이 외부로 토출될 수 있는 토출구(101a)는 다이 블록(110, 130)의 각 선단부인 다이 립(111, 131) 사이에 형성된다. 토출구(101a)는 다이 립(111, 131) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
심 플레이트(113)는 토출구(101a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 다이 블록(110, 130) 사이의 틈새로 코팅액(150)이 누출되지 않도록 하는 가스켓(gasket)으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
다이 블록(110, 130) 중 어느 하나에는 소정의 깊이를 가지며 슬롯(101)과 연통하는 매니폴드(112)를 구비한다. 본 실시예에서는 아래 쪽에 있는 다이 블록(110)의 상면으로부터 안쪽으로 만입하여 매니폴드(112)가 구비되는 예를 도시하였다. 매니폴드(112)는 코팅액(150)을 수용하는 만입 형상의 챔버이다. 매니폴드(112) 앞단에서부터 다이 립(111)까지의 다이 블록(110)의 영역은 랜드(114)이다. 매니폴드(112)는 외부에 설치된 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 코팅액(150)을 공급받는다. 매니폴드(112) 내에 코팅액(150)이 가득 차게 되면, 상기 코팅액(150)이 슬롯(101)을 따라 흐름이 유도되고 토출구(101a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
이러한 구성을 갖는 슬롯 다이 코터(100)에 의하면, 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(180)을 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(180)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(190)를 주행시키면서, 코팅액(150)을 토출해 연속적으로 상기 기재(190)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(190)에 도포할 수가 있다. 또는 코팅액(150)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(190) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.
코팅액(150)은 매니폴드(112) 내에서 유동이 균일해야 코팅 품질이 우수하다. 매니폴드(112) 안에서 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리가 정체되거나 느린 속도로 움직이는 영역이 있을 경우, 장시간 사용시 매니폴드(112) 내부에서 전극 활물질 슬러리가 응집되어 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차가 발생되거나, 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구(101a)를 막는 등의 현상으로 코팅 표면이 불균일해질 수 있어 표면 불량이 발생하게 된다. 응집된 덩어리가 토출되어 기재(190) 상에 도포되어도 코팅 불량이 된다. 유량 편차는 슬롯 다이 코터(100)의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이이다.
슬롯 다이 코터(100) 내부, 즉 매니폴드(112)를 포함한 유로 내에서 유동을 균일하게 하기 위하여, 기재(190)의 주행 방향을 따르는 단면에서 매니폴드 길이(B, mm)와 매니폴드 단면적(S, cm2)의 비(B/S)가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 매니폴드(112)는 슬롯 다이 코터(100) 폭 방향으로 길게 구성이 되어 있고, 그 폭 방향을 따라 길이나 단면적이 일정하거나 일정하지 않을 수도 있다. 어느 경우이든 기재(190)의 주행 방향을 따르는 임의의 한 단면, 즉 어느 한 위치의 지점에서만이라도 상기 소정의 범위 값을 만족하도록 하는 것이면 된다. 다이 립(111, 131)에서부터 다이 블록(110, 130)의 후면(110c, 130c)까지의 길이인 다이 블록 크기는 350mm 이하일 수 있다.
매니폴드 길이(B)는 다이 블록(110) 상면에서 본 매니폴드(112) 앞에서부터 뒷단까지의 거리, 즉 매니폴드(112) 최상단면에서 오픈된 길이에 해당한다. 매니폴드(112)의 깊이는 다이 블록(110)의 두께를 고려하여 정해지며 하한이 존재하므로, 매니폴드 길이(B)는 매니폴드 체적에 크게 영향을 주는 인자이다.
본 발명자들은 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)라는 새로운 파라미터를 제안하고, 이를 조절하여 슬롯 다이 코터(100) 내부 코팅액 유동을 개선할 수 있음을 발견하였다. 본 발명 이전에 매니폴드 길이와 매니폴드 단면적이 평균 체류 시간과 유량 편차에 영향을 미친다는 것을 착안한 기술도, 그리고 이를 통해 유량 편차를 개선한 기술도 없다. 따라서, 본 발명은 단순 치수 변경이나 최적화를 한 것이 아니다. 또한, 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)의 범위를 기준으로 유량 편차 개선 효과가 현저하므로 발명의 곤란성이 있다.
본 발명자들은 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)가 커질수록 평균 체류 시간(정체 시간)이 점진적으로 늘어나는 것을 확인하였다. 유동 균일성의 측면에서 평균 체류 시간은 작을수록 좋다. 평균 체류 시간의 관점에서 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 작게 하려면 매니폴드 단면적(S)의 값을 고정하고 매니폴드 길이(B)를 작게 하는 것이 가능하다. 그리고 매니폴드 길이(B)는 고정하고 매니폴드 단면적(S)을 크게 하는 것도 가능하다. 매니폴드 길이(B)를 크게 하면서 매니폴드 단면적(S)을 그보다 더 크게 증가시키는 것도 가능하다.
하지만 요구되는 생산량과 코팅 품질을 충족하려면 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 마냥 작게만 할 수는 없다. 본 발명자들은 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 적절한 범위로 할 때에, 평균 체류 시간을 작게 할 수 있으면서 폭 방향 유량 편차를 원하는 수준으로 적게 해 코팅액의 유동을 균일화시키면서도, 요구되는 생산량과 코팅 품질을 충족시킬 수 있다는 것을 알게 되었다.
랜드 길이(A)는 다이 립(111)에서부터 매니폴드(112) 앞단까지의 거리를 가리킨다. 본 발명자들은 매니폴드 길이(B)는 고정하고 랜드 길이(A)를 변화시키면, 랜드 길이(A)가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있음을 확인하였다. 이 때, 매니폴드 길이(B)가 더 길어지면 같은 랜드 길이(A)를 갖더라도 유량 편차가 작아짐을 확인하였다. 매니폴드 길이(B)는 고정하고 랜드 길이(A)를 증가시키면 평균 체류 시간이 짧아짐을 확인하였다.
본 발명자들은 랜드 길이(A)는 고정하고 매니폴드 길이(B)를 변화시키면, 매니폴드 길이(B)가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있음을 확인하였다. 이 때, 랜드 길이(A)가 더 길어지면 같은 매니폴드 길이(B)를 갖더라도 유량 편차가 작아짐을 확인하였다. 랜드 길이(A)는 고정하고 매니폴드 길이(B)를 증가시키면 평균 체류 시간이 길어짐을 확인하였다.
이상의 결과를 고려하면, 유량 편차 측면에서는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)는 길수록 유리하다. 하지만 제한된 공간 내에서 슬롯 다이 코터(100)를 구현하여야 하기 때문에 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)를 무한정 길게 할 수 없다. 본 발명자들은 동일한 랜드 길이(A)를 가지는 다양한 다이 블록들에서, 코팅액 유동이 균일하다고 할 수 있는 평균 체류 시간과 유량 편차를 나타내도록 하기 위해서는, 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 파라미터로 하여 이를 제어, 소정의 값을 만족하도록 하면 되는 것을 알게 되었다. 평균 체류 시간이 작을수록 이상적이겠지만 현재 이차전지 전극 공정에서의 코팅액 점도, 코팅 속도 등을 고려해 평균 체류 시간이 200초 이하인 경우가 바람직하다. 유량 편차도 작을수록 이상적이겠지만 유량 편차가 20% 미만이기만 하면 허용되는 수준으로 보아 바람직한 유량 편차로서 관리하고자 한다. 본 발명자들은 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)의 범위가 1.9 내지 9.8이면 평균 체류 시간이 200초 이하이고 유량 편차가 20% 미만이 되도록 할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이, 본 발명에서는 평균 체류 시간이 200초 이하이고 유량 편차가 20% 미만이 되도록 하는 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 가지는 다이 블록을 포함하는 슬롯 다이 코터도 제안한다.
이러한 본 발명에 따르면, 슬롯 다이 코터(100) 내부에서 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다. 매니폴드(112) 및 슬롯(101) 내 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간이 짧아지기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차 및 그에 따른 로딩 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구(101a)를 막거나 기재(190) 상에 토출되어 코팅 불량을 일으키는 문제가 없다.
따라서, 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)를 전극 활물질 슬러리 코팅에 이용하면, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해 장시간 코팅에 용이하고 우수한 생산성을 가질 수 있다. 전극 활물질 슬러리 응집이 없으므로 코팅 표면 불량 발생도 방지할 수 있다. 그러므로 제품의 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)가 소정 범위 값을 갖도록 함으로써 코팅액 유동을 개선한 다이 블록(110, 130)이 제공된다. 종래처럼 세정 횟수 증가를 통해 응집물을 제거하는 것이 아니라, 응집물 발생을 원천 차단할 수 있는 것이기에 장시간 코팅에 용이하며 우수한 생산성을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터는 슬롯이 2개인 듀얼 슬롯 다이 코터이다.
본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 구비하고, 연속적으로 주행하는 기재(290) 표면에 하부 슬롯(201) 및 상부 슬롯(202) 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액, 바람직하게는 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포할 수가 있다. 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 모두 사용하면서, 서로 같거나 다른 2종의 전극 활물질 슬러리를 기재(290) 상에 동시에 혹은 번갈아 코팅할 수도 있다.
고에너지 밀도의 이차전지를 제조하기 위하여, 130㎛ 정도이던 전극 활물질층의 두께는 점점 증가하여 300㎛에 달하고 있다. 두꺼운 전극 활물질층을 종래 슬롯 다이 코터를 가지고 형성하고 나면 건조시 활물질 슬러리 안의 바인더와 도전재 마이그레이션(migration)이 심화되어 최종 전극이 불균일하게 제조된다. 이러한 문제를 해결한다고 전극 활물질층을 얇게 도포 후 건조하고 그 위에 다시 도포 후 건조하는 것과 같이 두 번에 걸쳐 코팅한다면 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 전극 성능과 생산성을 동시에 향상시키기 위하여, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포할 수 있다. 이처럼 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 이차전지 제조를 위한 전극 활물질 슬러리 도포에 최적화되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 하부 다이 블록(210), 상기 하부 다이 블록(210)의 상부에 배치되는 중간 다이 블록(220), 상기 중간 다이 블록(220)의 상부에 배치되는 상부 다이 블록(230)을 포함한다.
도 5에서, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 코팅액인 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향(X 방향)을 거의 수평으로 해 설치되어 있다(거의 : ± 5도).
중간 다이 블록(220)은 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 구성하는 블록들 중 중간에 위치하는 블록으로서, 하부 다이 블록(210)과 상부 다이 블록(230) 사이에 배치되어 이중 슬롯을 형성하기 위한 블록이다. 본 실시예의 중간 다이 블록(220)은 단면이 직각 삼각형이지만 이러한 형태로 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니며 예컨대, 단면이 이등변 삼각형으로 마련될 수도 있다.
중간 다이 블록(220)이 상부 다이 블록(230)과 대면하고 있는 제1 면(220a)은 거의 수평으로 놓이고 상부 다이 블록(230)에서 제1 면(220a)과 마주보는 면(230b)의 반대면(230d, 즉, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면 상면을 형성하는 면)도 거의 수평으로 놓인다. 이와 같이 제1 면(220a)과 반대면(230d)이 거의 평행하게 되어 있다. 그리고 하부 다이 블록(210)이 중간 다이 블록(220)과 대면하고 있는 면(210b)의 반대면(210d, 즉 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면 하면을 형성하는 면)도 거의 수평으로 놓이며, 이 면은 바닥면(210d, X-Z 평면)이 된다.
상기 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면, 즉 후면(210c, 220c, 230c)은 거의 수직(Y 방향)으로 놓여 있다.
가장 외측 다이 블록인 하부 다이 블록(210)과 상부 다이 블록(230)에서 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면을 형성하는 면 중 하부 다이 블록(210)의 바닥면(210d)과 상부 다이 블록(230)의 상면(230d)은 후면(210c, 230c)에 대해서 거의 수직이 되도록 제작된 것을 사용할 수 있다. 그리고 중간 다이 블록(220)의 제1 면(220a)은 후면(220c)에 대해서 거의 수직이 되도록 제작된 것을 사용할 수 있다. 이러한 다이 블록들(210, 220, 230)에서는 면과 면이 이루는 모서리가 직각으로 구성되기 때문에 단면상 직각부가 존재하고 수직 또는 수평면을 기준이 되는 면으로 할 수 있기 때문에 그 제작이나 취급이 쉽고 정밀도가 보장된다. 또한, 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 조합된 상태는 전체적으로 대략 직육면체 형태를 가지며, 코팅액이 토출되는 전방부만 기재(290)를 향하여 비스듬한 형태를 가지게 된다. 이것은 조립한 후의 형상이 단일 슬롯을 구비하는 슬롯 다이 코터(예를 들어 도 3의 100)와 대략 유사하게 되어 슬롯 다이 코터 받침대 등을 공용할 수 있는 등의 이점이 있다.
듀얼 슬롯 다이 코터(200)는, 그 후면(210c, 220c, 230c)에 구비되는 둘 이상의 고정부(240)를 더 포함할 수 있다. 고정부(240)는 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이를 체결하는 것과, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 사이를 체결하는 것이 구비된다. 고정부(240)는 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 폭 방향을 따라 여러 개가 구비될 수 있다. 고정부(240)에는 볼트가 체결되고, 이를 통해 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 서로 조립된다.
하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 반드시 위에서 예로 든 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대, 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 위로 하고 후면(210c, 220c, 230c)을 바닥면으로 하는 수직 다이로 구성할 수도 있다.
하부 다이 블록(210)은 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 구성하는 블록들 중 가장 하부에 위치하는 블록으로서, 중간 다이 블록(220)과 마주보는 면(210b)이 바닥면에 대해 대략 30도 내지 60도의 각도를 이루도록 경사진 형태를 갖는다.
하부 슬롯(201)은 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성될 수 있다. 이를테면, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이에 하부 심 플레이트(213)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 제1 코팅액(250)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 하부 슬롯(201)이 형성될 수 있다. 즉, 하부 심 플레이트(213)는 하부 슬롯(201)을 정의하며, 이 경우, 하부 심 플레이트(213)의 두께는 상기 하부 슬롯(201)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.
상기 하부 심 플레이트(213)는 상기 기재(290) 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 제1 개방부(213a)를 구비하며, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 제1 코팅액(250)이 외부로 토출될 수 있는 하부 토출구(201a)는 하부 다이 블록(210)의 선단부인 하부 다이 립(211)과 중간 다이 블록(220)의 선단부인 중간 다이 립(221) 사이에만 형성된다. 하부 토출구(201a)는 하부 다이 립(211)과 중간 다이 립(221) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
참고로, 하부 심 플레이트(213)는 하부 토출구(201a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이의 틈새로 제1 코팅액(250)이 누출되지 않도록 하는 가스켓으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하부 다이 블록(210)은 중간 다이 블록(220)과 마주보는 면(210b)에 소정의 깊이를 가지며 하부 슬롯(201)과 연통하는 제1 매니폴드(212)를 구비한다. 제1 매니폴드(212)는 만입 형상의 챔버이다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제1 매니폴드(212)는 외부에 설치된 제1 코팅액(250) 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 제1 코팅액(250)을 공급받는다. 상기 제1 매니폴드(212) 내에 제1 코팅액(250)이 가득 차게 되면, 상기 제1 코팅액(250)이 하부 슬롯(201)을 따라 흐름이 유도되고 하부 토출구(201a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
여기에서, 제1 매니폴드 길이(B', mm)와 제1 매니폴드 단면적(S', cm2)의 비(B'/S')가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 값이 바람직한 이유는 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
상부 다이 블록(230)은 바닥면에 대해 수평한 중간 다이 블록(220)의 상면인 제1 면(220a)에 대면하게 배치된다. 상부 슬롯(202)은 이같이 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230)이 대면하는 곳 사이에 형성된다.
전술한 하부 슬롯(201)과 마찬가지로, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 사이에 상부 심 플레이트(233)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련될 수 있다. 이로써 제2 코팅액(260)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 상부 슬롯(202)이 형성된다. 이 경우, 상기 상부 슬롯(202)의 상하 폭(Y 방향, 슬롯 갭)은 상부 심 플레이트(233)에 의해 결정된다.
또한, 상부 심 플레이트(233)도 전술한 하부 심 플레이트(213)와 유사한 구조로서 일 영역이 절개되어 제2 개방부(233a)를 구비하며, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에만 개재된다. 마찬가지로 상부 슬롯(202)의 전방을 제외한 둘레 방향은 막히게 되고 중간 다이 블록(220)의 선단부와 상부 다이 블록(230)의 선단부 사이에만 상부 토출구(202a)가 형성된다. 상기 상부 다이 블록(230)의 선단부를 상부 다이 립(231)이라 정의하고 다시 말하면, 상부 토출구(202a)는 중간 다이 립(221)과 상부 다이 립(231) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다. 이와 같이 상부 심 플레이트(233)는 상부 슬롯(202)을 정의한다. 하부 심 플레이트(213)와 상부 심 플레이트(233)는 기재(290) 상에 도포되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하고, 상하 방향으로 서로 정렬되어 있다.
또한, 중간 다이 블록(220)은 상부 다이 블록(230)과 마주보는 면인 제1 면(220a)에 소정의 깊이를 가지며 상부 슬롯(202)과 연통하는 제2 매니폴드(232)를 구비한다. 제2 매니폴드(232)는 만입 형상의 챔버이다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제2 매니폴드(232)는 외부에 설치된 제2 코팅액(260) 공급 챔버와 공급관으로 연결되어 제2 코팅액(260)을 공급받는다. 파이프 형태의 공급관을 따라 외부에서 제2 코팅액(260)이 공급되어 제2 매니폴드(232) 내에 가득 차게 되면, 상기 제2 코팅액(260)이 제2 매니폴드(232)와 연통되어 있는 상부 슬롯(202)을 따라 흐름이 유도되고 상부 토출구(202a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
여기에서, 제2 매니폴드 길이(B", mm)와 제2 매니폴드 단면적(S", cm2)의 비(B"/S")가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 값이 바람직한 이유는 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)은 일정한 각도를 이루는데, 상기 각도는 대략 30도 내지 60도의 각도일 수 있다. 이러한 상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)은 서로 한 곳에 교차하게 되고 상기 교차 지점 부근에 상기 상부 토출구(202a)와 하부 토출구(201a)가 마련될 수 있다. 이에 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)의 토출 지점이 대략 한 곳에 집중될 수 있다. 상기 각도를 대략 30도 내지 60도의 각도로 하면, 상기 상부 토출구(202a)에서 토출되는 전극 활물질 슬러리와 상기 하부 토출구(201a)에서 토출되는 전극 활물질 슬러리가 동시 토출 직후 와류를 형성하지 않는다. 와류가 형성되면 인터믹싱(inter mixing)이 발생하기 때문에 이중층을 형성하기 어려운 문제가 있다.
이러한 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용한 코팅 방법에서는 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(280)을 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(280)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(290)를 주행시키면서, 상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201) 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리와 같은 코팅액을 압출해 기재(290) 상에 전극 활물질층을 형성하도록 한다. 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)을 연속적으로 상기 기재(290)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(290)를 이중층으로 코팅시킬 수도 있다. 또는 제1 코팅액(250)의 공급 및 중단, 그리고 제2 코팅액(260)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(290) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.
이러한 본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능한 듀얼 슬롯 다이 코터로도 제조할 수 있기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 본 발명의 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 기재(290)인 집전체를 주행시키면서 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 주행 또는 장폭 도포 조건 하에서도 균일한 도포가 가능한 이점이 있다.
한편, 본 실시예에서는 코팅액을 2층으로 도포하는 경우, 또는 코팅액을 번갈아 공급하여 패턴 코팅을 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 슬롯을 3개 이상으로 구비하여 3층 이상을 동시 도포하는 경우에도 적용 가능한 것은 따로 설명하지 않아도 알 수 있을 것이다.
또한, 중간 다이 블록(220)이 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록을 포함하며, 상기 제1 중간 다이 블록과 상기 제2 중간 다이 블록은 상하로 서로 대면 접촉하되 접촉면을 따라 슬라이딩 되어 상대 이동 가능하게 마련된 변형예도 가능하다. 이러한 변형예에서 다이 블록은 총 4개가 포함되게 된다.
제1 중간 다이 블록은 하부 다이 블록(210)과 볼트 결합 등에 의해 상호 간 고정 결합되고 제2 중간 다이 블록은 상부 다이 블록(230)과 볼트 결합 등에 의해 상호 간 고정 결합될 수 있다. 그러면 제1 중간 다이 블록과 하부 다이 블록 블록(210)이 일체형으로 움직이고, 제2 중간 다이 블록과 상부 다이 블록(230)이 일체형으로 움직일 수 있다.
이러한 변형예에 따르면, 상부 및 하부 토출구(101a, 102a)를 수평 방향을 따라 서로 이격되어 전후로 배치시킬 수 있다. 별도의 장치를 이용하거나, 작업자가 수작업을 통해 하부 다이 블록(110) 및 상부 다이 블록(130)의 상대적인 이동을 만들어낼 수 있는 것이다. 예를 들어, 하부 다이 블록(110)은 움직이지 않고 그대로 둔 상태로, 상부 다이 블록(130)을 슬라이딩 면을 따라 코팅액의 토출 방향과 반대인 후방으로, 또는 토출 방향인 전방으로 일정 거리만큼 이동시키면 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 사이에 단차를 형성할 수 있다. 여기서, 슬라이딩 면이라 함은, 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록의 대향면을 의미한다.
이와 같이 형성된 단차의 폭은 대략 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 범위 내에서 결정될 수 있으며, 이는 기재(290) 상에 형성되는 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)의 물성, 점성 또는 기재(290) 상에 소망하는 층별 두께에 따라 결정될 수 있다. 예컨대 기재(290) 상에 형성될 코팅층의 두께가 두꺼울수록 단차의 폭은 그 수치가 커질 수 있다.
또한, 이와 같이, 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a)가 서로 수평 방향을 따라 상호 이격된 위치에 배치됨에 따라, 상부 토출구(102a)에서 토출된 제2 코팅액(260)이 하부 토출구(101a)로 유입되거나, 또는 하부 토출구(101a)에서 토출된 제1 코팅액(250)이 상부 토출구(102a)로 유입될 우려가 없게 된다.
즉, 하부 토출구(101a) 또는 상부 토출구(102a)를 통해 토출된 코팅액은 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 사이에 형성된 단차를 이루는 면에 가로막혀 다른 토출구쪽으로 유입될 우려가 없게 되는 것이며, 이로써 더욱 원활한 다층 활물질 코팅 공정이 진행될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 변형예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터는, 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 간의 상대적인 위치에 변경이 필요한 경우에 있어서, 하부 다이 블록(110) 및/또는 상부 다이 블록(130)의 슬라이딩 이동에 의해 간단하게 조정이 가능하며, 각각의 다이 블록(110, 120, 130)를 분해 및 재조립할 필요가 없게 되어 공정성이 크게 향상될 수 있다.
이하, 도 2에 도시한 바와 같은 슬롯 다이 코터(100)에서 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B), 그리고 매니폴드 단면적(S)을 변화시키며 정체 속도와 유량 편차를 시뮬레이션(simulation) 통해 확인한 결과를 상세히 설명한다.
해석은 인조 흑연 : 천연 흑연 : 도전재 : 점증제(CMC) : 바인더(SBR)가 85.1 : 9.5 : 1 : 1.5 : 3인 음극 활물질 슬러리인 경우를 상정하였다. 이러한 음극 활물질 슬러리의 밀도는 1.35 kg/m3, 고형분량은 48%이다. 코팅 조건으로, 건조 후 로딩은 10.6 mg/cm2, 코팅 속도는 80 m/min, 심 플레이트 두께는 1mm, 코팅폭은 1040mm이었다.
랜드 길이는 38, 45, 50~88mm(1mm씩 증가)인 경우를 시뮬레이션하였다. 매니폴드 길이는 49, 49.6, 50.3, 50.9, 51, 51.5, 52, 52.1, 52.8, 53.1, 53.4, 54, 54.8, 54.9, 56.8, 57.4, 57.7, 58.6mm인 경우를 시뮬레이션하였다. 매니폴드 폭은 1080 mm로 고정하였다. 매니폴드 단면적은 4 내지 54cm2의 범위 안에서 정하였다.
시뮬레이션 결과, 매니폴드 길이를 고정하고 랜드 길이를 변화시키면, 랜드 길이가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있었다. 매니폴드 길이를 고정하고 랜드 길이를 증가시키면 평균 체류 시간이 짧아지는 경향이 있었다. 랜드 길이는 고정하고 매니폴드 길이를 변화시키면, 매니폴드 길이가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있었다. 랜드 길이를 고정하고 매니폴드 길이를 증가시키면 평균 체류 시간이 길어짐을 확인하였다. 원하는 정도의 평균 체류 시간과 유량 편차를 얻기 위해 매니폴드 길이와 매니폴드 단면적의 비를 파라미터로서 관리하면 된다는 것을 알게 되었다.
모든 시뮬레이션 조건 조합에 대하여 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 점검한 결과, 이 비가 커질수록 평균 체류 시간이 점진적으로 늘어나는 것을 확인하였다. 평균 체류 시간은 작을수록 좋지만 평균 체류 시간을 최소로 하는 임계점은 존재하지 않으므로 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 하는 경우이면서 그 때의 유량 편차를 더 고려하였다.
다음 표 1과 표 2는, 상기 시뮬레이션 결과 중 특히 랜드 길이를 50mm, 매니폴드 길이를 54mm로 고정한 상태에서 매니폴드 길이와 매니폴드 단면적의 변화에 따른 평균 체류 시간, 유량 편차까지 정리한 것이다. S/B의 내림차순으로 정리하였다.
[표 1]
Figure 112020126565775-pat00001
[표 2]
Figure 112020126565775-pat00002
표 1과 표 2 참조시, 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)가 증가할수록 평균 체류 시간은 늘어나지만, 매니폴드 길이(B)와 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)가 소정 범위 내에 있을 때에 유량 편차가 20% 미만이 되는 조건을 만족한다. 표 1과 표 2는 랜드 길이+매니폴드 길이가 104mm인 경우로서, B/S가 1.9 내지 9.8이면 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 된다.
이러한 시뮬레이션으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 대로 B/S가 1.9 내지 9.8이면 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 할 수 있다. 현재 이차전지 제조를 위하여 이용할 수 있는 집전체 크기를 고려한 슬롯 다이 코터의 크기 범위 내에서는 B/S가 1.9 내지 9.8인 범위를 만족한다면 대체로 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되는 다이 블록을 설계할 수 있다. 여기에서 제시하는 유량 편차와 평균 체류 시간은 현재 이차전지 제조를 위하여 이용하는 전극 활물질 슬러리의 특성이나 코팅 속도 등의 공정 조건, 그리고 슬롯 다이 코터의 크기 범위 내 등에서 거의 균일한 코팅액 유동을 나타내도록 하는 적절한 조건이다. 만약 상기 시뮬레이션 조건에서 랜드 길이가 달라지거나 하는 등 다른 조건이 변화한다면 유량 편차와 평균 체류 시간은 달라질 수 있겠지만 B/S가 1.9 내지 9.8인 범위 내에 있기만 하면, 현재 이차전지 제조를 위한 코팅 공정에서의 유동성 개선이라는 과제를 충분히 해결할 수 있다.
이상, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 매니폴드 길이와 매니폴드 단면적의 비가 소정의 범위를 만족하도록 하면 평균 체류 시간과 유량 편차를 적절한 값으로 관리할 수 있음으로써 종래보다 유동성을 크게 개선할 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 슬롯 다이 코터 101 : 슬롯
110, 130 : 다이 블록 111, 131 : 다이 립
112 : 매니폴드 113 : 심 플레이트
114 : 랜드 150 : 코팅액
180, 280 : 코팅 롤 190, 290 : 기재
200 : 듀얼 슬롯 다이 코터 201 : 하부 슬롯
201a:하부 토출구 202: 상부 슬롯
202a: 상부 토출구 210 : 하부 다이 블록
211 : 하부 다이 립 212 : 제1 매니폴드
213 : 하부 심 플레이트 220 : 중간 다이 블록
221 : 중간 다이 립 230 : 상부 다이 블록
232 : 제2 매니폴드 233 : 상부 심 플레이트
240 : 고정부 250 : 제1 코팅액
260 : 제2 코팅액

Claims (9)

  1. 적어도 2개의 다이 블록;
    2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트;
    상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여,
    상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 연속적으로 주행하는 기재 표면에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 기재의 주행 방향을 따르는 단면에서 상기 매니폴드 길이(B, mm)와 상기 매니폴드 단면적(S, cm2)의 비(B/S)가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이고,
    상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 상기 매니폴드 길이(B)와 상기 매니폴드 단면적(S)의 비(B/S)를 정하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이 블록의 선단부인 다이 립에서부터 상기 다이 블록 후면까지의 길이인 다이 블록 크기가 350mm 이하인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  3. 삭제
  4. 하부 다이 블록;
    상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록;
    상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록;
    상기 하부 다이 블록에 구비되며 제1 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및
    상기 중간 다이 블록에 구비되며 제2 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 연속적으로 주행하는 기재 표면에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향에 수직인 단면에서
    상기 제1 매니폴드 길이(B', mm)와 상기 제1 매니폴드 단면적(S', cm2)의 비(B'/S')가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이거나 상기 제2 매니폴드 길이(B", mm)와 상기 제2 매니폴드 단면적(S", cm2)의 비(B"/S")가 1.9 내지 9.8인 범위를 갖는 것이고,
    상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 20% 미만이고 평균 체류 시간이 200초 이하가 되도록 상기 제1 매니폴드 길이(B', mm)와 상기 제1 매니폴드 단면적(S', cm2)의 비(B'/S') 또는 상기 제2 매니폴드 길이(B", mm)와 상기 제2 매니폴드 단면적(S", cm2)의 비(B"/S")를 정하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 거의 수평으로 해 상기 슬롯 다이 코터를 설치하고, 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면은 거의 수직으로 놓이는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  7. 제4항에 있어서, 상기 중간 다이 블록과 상부 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 평행한 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  8. 제4항에 있어서, 상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30도 내지 60도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  9. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며,
    상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및
    상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 더 포함하고,
    상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하며,
    상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
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