KR20070092384A - 슬롯 다이 및 슬롯 다이를 가지는 슬러리 도포 장치 - Google Patents
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Abstract
외부 탱크에서 도포액을 공급받기 위한 공급라인, 공급라인을 통해 받을 도포액을 분배되는 공간인 캐비티, 캐비티에 갭을 연결되어 상기 도포액을 배출하는 슬롯을 구비하는 슬롯 다이에 있어서, 캐비티 내에 설치되어 공급라인과 연결된 상기 공간의 형태를 조절하는 보조 격벽이나 보조 블럭 등의 유로 조절 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 및 이를 채택한 슬러리 도포 장치가 개시된다.
본 발명에 따르면, 슬롯 다이에서 슬롯 길이 방향으로의 도포 균일성을 확보할 수 있고, 또한, 기존의 일반적인 균일성 확보 방법에서의 구조 변화에 따른 불이익이 없이 기존 다이의 구성과 운용 방식을 이용하면서도, 간단하 보조 블럭 교체나 보조 격벽 조절을 통해 도포 균일성을 확보할 수 있다.
Description
도1은 종래의 슬롯 다이의 구조를 나타내는 사시 단면도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 전극 형성용 슬러리 도포 장치의 개략적 구성도이며,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 구성을 나타내는 분해 사시도,
도4는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 슬롯 다이의 분해된 상태의 하부를 나타내는 사시도,
도5는 보조 격벽이 조절 로드에 의해 움직이면서 캐비티 내에서 각도가 변화하는 움직임 형태를 나타내기 위한 다이 하부에 대한 부분 평면도이며,
도6은 조절 로드 주변 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
도7은 이러한 문제점을 나타내는 것으로 중앙부로부터의 거리와 슬러리 유량의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 슬러리 코팅에 사용되는 슬롯 다이 및 슬롯 다이를 가지는 도포장 치에 관한 것이다.
하나의 물질층(기재) 위에 다른 물질층을 적층하기 위해 도포 방법을 사용하는 경우가 많다. 도포를 위해서는 적층되는 물질이 용액이나, 슬러리 형태로 용매나 분산매에 의해 액상을 이루게 된다. 용액이나 슬러리를 넓은 면적에 비교적 얇게 도포하는 장비로 다이 코터(DIE COATER) 등이 사용될 수 있고, 다이 코터에는 일방으로 길게 형성되는 슬롯 다이가 사용될 수 있다. 이런 슬롯 다이는 일정 폭으로 기재에 물질층을 형성할 수 있도록 한다.
통상, 슬롯 다이는 만년필에서 잉크가 펜촉 끝단으로 나오듯이 슬롯 다이의 두 쪽으로 나뉜 끝단의 틈으로 슬러리가 배출되도록 하여 슬롯 다이 자체가 움직이거나, 기재를 움직이도록 하면서 기재 상당 면에 슬러리를 도포하게 된다.
슬롯 다이를 사용한 도포 방법은 유지보수 및 생산성 측면에서 여타의 코팅방법에 비하여 우수하여 현재까지 평판 디스플레이 장치의 패널 제조나 이차 전지의 전극에서 집전체에 활물질 코팅을 하기 위해 사용될 수 있다.
가령, 리튬 이차 전지는 높은 출력을 내기 위해 전류를 많이 흘릴 수 있어야 하지만 높은 내압을 견딜 수 있는 비수계 전해질은 수용액에 비해 이온 전도성이 떨어진다. 따라서, 리튬 이차 전지에서는 높은 출력이 요구되는 기기에 전원으로 사용되기 위해 전극 사이의 간격이 좁고, 전극 사이의 대향 면적이 넓어야 한다.
배터리의 좁은 공간 내에 넓은 면적의 대향 전극을 형성하기 위해 집전체에 활물질 슬러리를 얇게 코팅하여 활물질층을 형성하고, 이렇게 형성된 전극은 사이에 세퍼레이터를 개재한 상태로 두 극성의 전극을 교대로 여려 겹으로 겹치거나, 두 전극을 서로 대향되도록 겹친 후 다수회 권취하여 전극 조립체를 이루게 된다.
리튬 이차 전지에서 전극은 금속박이나 금속 메시(mesh)로 이루어진 집전체 표면에 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포함으로써 이루어지는 경우가 많다. 슬러리는 통상 용매와 가소제, 전극 활물질, 바인더 등을 섞는 방법으로 형성된다. 전극 집전체로는 음극의 경우 구리가 양극의 경우 알미늄이 주로 사용되며, 바인더로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메칠프롤리돈) 등이 사용될 수 있고, 물이 사용될 수도 있다.
그런데, 리튬 이차 전지에서 전극 조립체가 최대의 충전 용량을 가지기 위해서는 활물질이 좁은 공간에 많이 포함되도록 하여야 하고, 동일한 활물질 양이 내장되어도 충방전 효율을 높이기 위해 활물질이 두 전극의 대향 면에 고른 두께로 형성되어야 한다.
그러나, 한편으로 고품위, 고효율의 제품이 요구되고 있으며, 생산 효율을 높이기 위해 슬롯 다이의 대형화 및 도포 공정의 고속화가 이루어짐에 따라 슬롯 다이의 중요한 문제점의 하나인 토출 균일도 문제가 더욱 드러나게 되었다. 즉, 도포 공정의 생산성 증대를 위하여 슬롯 다이 길이가 길어질수록 길게 형성된 슬롯 다이의 중앙부와 끝단에서 토출되는 슬러리의 유량이 다르게 되어 코팅 두께의 불균일이 심화된다. 또한 기재의 이송 속도 증가에 따라 정확한 패턴의 형성이 더욱 어렵게 된다.
도7은 이러한 문제점을 나타내는 것으로 중앙부로부터의 거리와 슬러리 유량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도1은 종래의 슬롯 다이의 구조를 나타내는 측단면도이다.
슬롯 다이는 상부 다이(10)와 하부 다이(20)로 구분되고, 하부 다이(20)에는 상부 다이(10)와 대향되는 면 가운데 일부에 홈처럼 캐비티(23)가 형성된다. 캐비티(23)는 슬롯 다이의 길이 방향과 같이 길게 형성된다. 캐비티로부터 슬롯 다이에서 슬러리의 출구가 되는 말단 슬롯(27)까지는 좁은 틈이 있는 랜드부(25)가 위치한다. 슬롯 다이의 상부 혹은 일 측부로부터는 슬러리 탱크로부터 슬롯 다이의 캐비티(23)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 라인(21)이 형성된다.
슬롯의 길이 방향으로의 슬러리 도포 균일도를 향상시키기 위해서는 랜드부(25)의 길이를 증가시키고, 랜드부에 형성되는 갭(29)을 감소시키고, 캐비티(23)의 체적을 증가시키는 것이 일반적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 이러한 일반적인 방법은 도포 균일도의 향상과 더불어 슬롯 다이 체적이 증가하거나 내부압력의 증가로 인해 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급라인의 펌프 성능도 아울러 향상될 필요가 있다.또한, 슬러리가 거치는 슬롯 다이 내부 캐비티 용적의 증가로 슬러리의 다이 내 체류 시간이 늘어나 슬러리 일부가 응결되는 등의 원하지 않는 공정 결함이 발생될 수 있다.
따라서, 일반적인 방법의 한계로 인하여 슬롯 다이에서 슬롯 길이 방향으로의 도포 균일성을 확보하는 것이 계속적으로 중요한 문제가 된다.
본 발명은 상술하는 종래 슬롯 다이에서의 길이 방향으로의 도포 균일성의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 길이 방향 도포 균일성을 확보할 수 있는 구성의 슬롯 다이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 기존의 일반적인 균일성 확보 방법에서의 구조 변화에 따른 불이익이 없도록 하면서도 길이 방향의 도포 균일성을 확보할 수 있는 구조를 가지는 슬롯 다이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슬롯 다이는,
외부 탱크에서 도포액을 공급받기 위한 공급라인, 공급라인을 통해 받을 도포액을 분배되는 공간인 캐비티, 캐비티에 갭을 연결되어 상기 도포액을 배출하는 슬롯을 구비하는 슬롯 다이에 있어서, 캐비티 내에 설치되어 공급라인과 연결된 상기 공간의 형태를 조절하는 보조 격벽이나 보조 블럭 등의 유로 조절 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 유로 조절 수단은 보조 블럭을 이용하여 설치될 수 있다. 이런 경우, 캐비티 내의 보조 블럭에서 유로 조절 면의 형태, 경사도는 보조 블럭의 교체에 의해 조절될 수 있다. 이런 경우, 슬롯 다이는 조립과 해체가 가능하게 형성되고, 해체시 캐비티가 드러나게 된다. 유로 조절 면은 보조 블럭의 두께나 폭 방향으로 가운데가 좁고, 양측이 넓게 형성된 블럭의 일면 혹은 복수의 면에 의해 이루는 것일 수 있다.
본 발명에서 유로 조절 수단은 슬롯 다이 외측에서 조절할 수 있는 형태로 이루어질 수 있다. 가령, 보조 격벽의 일부에 조절 로드와 연결되는 연결부를 형성하고, 나사산이 형성된 조절 로드가 캐비티와 슬롯 다이 외측 사이의 벽체를 통과하도록 형성하면, 슬롯 다이 외측에서 조절 로드의 외측 단부를 회전하는 방법으로 보조 격벽의 캐비티 내 설치 형태를 조절할 수 있다.
본 발명에서 보조 격벽에 의해 조절되는 캐비티의 형태는 공급라인이 연결된 부분이 폭이 넓고, 공급라인에서 멀어질수록 폭이 좁아지는 형태일 수 있다. 가령, 공급라인이 길이 방향의 캐비티 중앙부에 연결되는 경우, 중앙부의 캐비티 폭이 크고, 양측단으로 갈수록 캐비티 폭이 전체적으로 줄어들도록 보조 격벽이 설치될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 전극 형성용 슬러리 도포 장치의 개략적 구성도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
도2를 참조하면, 이차 전지 음극을 구성할 전극 집전체인 구리 박판이 일정 너비의 롤 상태로 권출기(101)에 비치된다. 권출기(101)에서 롤러를 통해 구리 박판은 롤(roll) 권취 상태에서 평면 상태로 바뀌면서 도포부(190)로 이동한다. 도포부(190)에도 구리 박판을 편 상태로 이동시키기 위한 롤러가 구비되고 도포부(190) 말단에는 슬롯 다이의 해드부가 위치한다. 이동하는 구리 박판 상면에 슬롯 다이의 해드부 슬롯을 통해 슬러리가 공급된다. 슬롯 다이의 해드는 슬러리가 공급되는 슬 롯의 틈 간격을 조절하도록 이루어질 수도 있다.
구리 박판의 폭 방향 도포 균일도, 즉, 슬롯의 길이 방향 도포 균일도는 도3과 같이 슬롯 다이의 캐비티(123)에 장착되는 보조 블럭(130)에 의해 조절된다. 보조 블럭(130)은 나사구멍(131)을 가져 캐비티(123) 내에서 벽체에 나사 등의 체결 수단에 의해 장착될 수 있다. 형태상으로 도시된 것과 같이 폭을 이루는 면의 가운데가 좁아지도록 오목하게 형성되어, 이를 장착한 캐비티는 가운데가 넓고 양측단이 좁은 공간을 이루게 된다. 슬러기 공급 라인(121)은 하부 슬롯 다이의 하측 벽체에, 캐비티의 길이 방향의 중간 부분에 3개가 집중 형성되어 있다. 보조 블럭(130)은 캐비티에 장착될 때 슬러리 공급 라인(121)의 구멍을 막지 않도록 장착되어야 한다.
이런 형태는 슬롯 다이 코팅의 불균일 현상의 원인 가운데 중요한 하나인 다이 내부에서의 슬러리 압력 강하를 극복하기 위한 것이다. 종래의 일정 폭의 캐비티의 경우, 슬러리 공급 라인(121)으로 인입된 슬러리가 캐비티(123)를 지나면서 압력강하가 발생한다. 이에 따라 캐비티와 연결된 랜드부(125)의 시작점의 경우 길이 방향의 중앙보다 길이 방향의 양단, 즉, 슬롯 다이 측면으로 갈수록 압력이 약해져 랜드부(125) 내의 유속 차이를 가져오게 된다.
본 실시예와 같이 캐비티의 공간 모양을 변형시킬 경우는 양측의 압력을 높여 종래의 압력 감소, 유속 감소를 보상하는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 본 실시예와 보조 블럭을 이용하여 캐비티 형태를 변형시키는 경우는 슬롯 다이의 캐비티 자체의 모양을 가운데가 넓고 양측이 좁게 고정 형성하는 경우에 비해 압력이 조절 가능하다는 이점이 있다. 가령, 도포액이 일정한 점도이고, 일정 환경에서 동일 압력으로 공급된다면 문제가 없으나, 도포액의 점도가 바뀌거나, 주변 환경의 온도가 바뀔 경우에는 기존의 캐비티 형태 설계가 적합하지 않게 될 수 있다. 본 발명의 슬롯 다이에서는 보조 블럭의 형태를 다양하게 제작하여 현재의 도포액에 적합한 보조 블럭을 선택하여 슬롯 다이 내에서 도포액이 유동하는 캐비티 공간 형태를 쉽게 바꾸어 공정 환경에 융통성 있게 적응하도록 할 수 있다.
다시 도2를 참조하면, 구리 박판의 이동 속도도 박판의 한 끝을 당기는 권취기(150)의 모터나 중간 롤러의 모터에 의해 일정하게 조절된다. 따라서, 구리 박판 상면에는 집전체인 구리 박판의 주행 방향(집전체 길이 방향) 도포 균일도도 유지되어 일정 두께 혹은 일정 분량의 슬러리막이 형성된다.
도포를 마친 구리 박판은 제1 내지 제3 건조실(141,142,143)이 연결되어 이루어지는 건조기(140)에 투입된다. 건조기(140)의 상부 혹은 상하부에서 열풍이 공급되어 슬러리의 용매를 증발시킨다. 용매의 증발과 함께 바인더는 고화되고, 열에 의한 경화도 함께 이루어질 수 있다. 바인더의 작용으로 활물질은 전극 집전체(104)인 구리 박막에 견고하게 부착된다.
슬롯 다이의 본체에는 가급적 결합을 위한 별도의 탭이나 홀을 두지 않음으로서 슬러리에 의한 오염을 방지할 수 있다. 보조 블럭의 재질은 알루미늄 계열의 재질은 사용하며, 이는 다이와의 접촉에 의한 다이의 파손방지를 위한 것이며, 실험을 통하여 최적의 보조 블럭 경사면 사이의 각도를 신속히 찾기 위함이다. 알루미늄 계열의 재질을 사용할 시에는 유사한 조도를 형성하기 위하여 블럭에 테프론 코팅을 할 수 있다. 또한 더욱 신속한 측정과 테스트를 위해서 테프론 자체로 가공을 할 수 있다.
보조 블럭은 다이 내 캐비티의 길이 및 크기에 따라서 2개의 대칭된 형상으로 제작할 수 있으며 다이의 체적이 작은 경우에는 1개의 일체로 제작할 수 있다.
보조 블럭 자체의 경사면 사이 각도는 슬러리의 공급되는 입구부를 고려하여 결정한다. 특히 캐비티 내부의 체적이 클수록 변화에 민감도가 감소하게 되므로 슬러리 공급부의 문제가 없다면 내부 체적을 크게 하는 방향으로 각도를 선정하는 것이 좋다. 또한 압력의 변화 및 균일성을 직접 확인하기 위하여 캐비티나 보조 블럭 내부에 압력센서를 설치할 수 있다. 이때 센서의 측정면이 상부 다이 면과 일치하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 압력센서로 인한 기포 발생을 억제하고 정확한 압력의 측정을 하기 위함이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 슬롯 다이의 분해된 상태의 하부(220)를 나타낸다. 캐비티(223)에는 보조 격벽(230)이 설치된다. 보조 격벽(230)은 일종의 슬러리 유로를 변경하기 위한 변경판으로 입체적으로 형성되는 보조 블럭과 달리 하나의 평면적으로 형성되는 플레이트를 이룬다. 보조 격벽(230)의 가운데 부분은 나사 수단 등에 의해 캐비티(223)의 한 내벽면의 길이 방향 중간에 고정될 수 있다. 보조 격벽(223)의 양 측에는 조절 로드(240)가 접속된다. 조절 로드(240)는 보조 격벽(223)을 움직이기 위한 부속물이다.
도5는 보조 격벽(223)이 조절 로드(240)에 의해 움직이면서 캐비티 내에서 각도가 변화하는 움직임 형태를 나타내기 위한 다이 하부(220)에 대한 부분 평면도 이며, 도6은 조절 로드(240) 주변 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
보조 격벽은 보조 블럭을 사용하지 않기 위해 사용될 수 있다. 이를 사용함으로서 다이를 분해하지 않고 보조 블럭의 슬러리 유로 변경 효과를 이룰 수 있다. 보조 격벽은 다이 하부(220) 뒤쪽의 조절 로드(240)가 전진 함에 따라 각도를 형성하고 조정 로드가 후진하게 되면 보조 격벽 자체의 복원력에 의해 각도가 줄어들게 된다. 따라서 보조 격벽은 복원력을 갖을 수 있는 스테인레스 등의 탄성 금속재로 형성하는 것이 적절하다. 또한, 보조 블럭의 복원력을 유지하기 위해서는 적정한 두께의 선정이 중요하다. 일반적으로 1mm~2mm의 SUS판의 경우 적정한 복원 및 탄성을 유지 할 수 있다.
본 실시예는 보조 블럭의 복원력을 이용하는 것으로 하나, 조절 로드의 끝부분이 보조 블럭의 일부와 고정되어 조절 로드의 전, 후진에 따라 보조 블럭이 움직이는 구성도 생각될 수 있다.
보조 격벽을 조절하기 위한 조정판 조정부의 경우 내부의 밀폐가 중요하며, 밀폐를 위한 실시예러서 본 발명에서는 2중의 오링을 사용하여 밀페를 하는 구성과 테프론의 탄성을 이용한 밀폐를 하는 구성을 선택적으로 사용할 수 있다.
테프론 부쉬(241)를 사용하는 경우 다이 하부(220)에 설치되는 고정 너트(243)가 테프론 부쉬(241)를 조임에 따라 부쉬가 횡방향으로 팽창하여 조절 로드(240)와 다이 하부(220) 사이의 실링(Sealing) 효과를 발생시킨다. 이러한 압착방식은 오링에 비하여 고압, 고유량의 환경에서 적합한 방식이다.
본 발명에 따르면, 슬롯 다이에서 슬롯 길이 방향으로의 도포 균일성을 확보할 수 있고, 또한, 기존의 일반적인 균일성 확보 방법에서의 구조 변화에 따른 불이익이 없이 기존 다이의 구성과 운용 방식을 이용하면서도, 간단한 보조 블럭 교체나 보조 격벽 조절을 통해 도포 균일성을 확보할 수 있다.
Claims (14)
- 외부 슬러리 공급원과 연결되는 슬러리 공급 라인, 상기 슬러리 공급라인과 연결되는 캐비티, 상기 캐비티에 갭을 통해 연결되어 슬러리를 기재에 도포하는 슬롯을 구비하여 이루어지는 슬롯 다이에 있어서,상기 캐비티 내에 설치되어 상기 슬러리 공급 라인과 연결된 상기 캐비티의 공간의 형태를 조절가능하도록 설치되는 슬러리 유로 조절 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 1 항에 있어서,상기 유로 조절 수단으로 상기 슬롯의 길이 방향으로 전체적으로 가운데가 오목하고 양측이 넓은 보조 블럭을 이용하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 2 항에 있어서,상기 보조 블럭은 대칭을 이루는 두 개의 블럭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 2 항에 있어서,상기 보조 블럭은 테프론, 알미늄 합금, 테프론 코팅된 알미늄 합금 가운데 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 2 항에 있어서,상기 보조 블럭은 나사 결합수단의 의해 탈착될 수 있도록 상기 캐비티 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 1 항에 있어서,상기 유로 조절 수단으로 일부가 상기 캐비티 내벽에 고정되고, 일부가 움직일 수 있는 보조 격벽을 이용하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 격벽은 상기 캐비티 내벽에 고정되는 중앙부와 상기 캐비티 내에서 이동이 가능한 양측 날개부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 격벽의 움직일 수 있는 일부는, 일측이 상기 보조 격벽에 접촉되고 타측이 상기 슬롯 다이의 외부에서 조작 가능하도록 상기 캐비티와 상기 외부 사이의 슬롯 다이 몸체를 통과하는 조절 로드에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 6 항에 있어서,상기 조절 로드에 의해 이동된 후 원래의 위치로 복원되는 복원력을 가지는 재질 및 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 격벽은 1mm 내지 2mm 두께의 스테인레스 스틸 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 6 항에 있어서,상기 조절 로드는 적어도 일부 구간에 나사산이 형성되어 상기 슬롯 다이의 몸체에 고정 너트에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 11 항에 있어서,상기 고정 너트와 상기 슬롯 다이 몸체 사이에는 탄성재가 개재되어 상기 고정너트를 조임에 따라 실링 정도가 강화되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 제 12 항에 있어서,사이 탄성재는 오링이나 테프론 부쉬인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이.
- 권취기, 이송 롤러, 슬러리 공급 장치, 건조기, 권출기를 구비하여 이루어지 며,상기 슬러리 공급장치의 슬롯 다이로 제 1 항 내지 제 13항 가운데 하나의 슬롯 다이를 구비하여 이루어지는 슬러리 도포 장치.
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