KR20130053560A - 수평 전주장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해반응에 의하여 금속박을 제조하는 수평 셀(cell) 전주장치에 관한 것으로서,
고속으로 균일한 전해액을 공급하기 위한 수평 셀 전주장치에 관한 것으로서, 애노드 전극 및 상기 애노드 전극과 일정한 간격으로 이격되어 일 방향으로 수평 공급되는 전도성 모판 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급장치를 포함하며, 상기 전해액 공급장치는 상기 전도성 모판상에 전해액을 공급하는 전해액 공급관을 포함하되, 상기 전해액 공급관은 전도성 모판의 이동방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급하도록 분리되어 있는 것인 수평 셀 전주장치를 제공한다.

Description

수평 전주장치{Metal Foil Manufacturing Apparatus Comprising Perpendicular Type Cell}

본 발명은 전해반응에 의하여 금속박을 제조하는 수평 셀(cell) 전주장치에 관한 것으로서, 고속으로 균일한 전해액을 공급하기 위한 수평 셀 전주장치에 관한 것이다.

전주 방법에 의해 금속박을 생산하는 가장 보편화된 방법은 드럼 셀을 이용하는 것이다. 상기 드럼 셀 전주장치는 회전하는 드럼 상의 캐소드 전극과 상기 캐소드 전극의 원주 형상에 대향하여 굴곡지게 배치된 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 하방향에서 전해액을 공급하는 전해액 공급 수단을 구비하고, 전해액 중의 금속이온의 전해 석출에 의해 드럼 표면에 전착된 금속박을 회전 캐소드 전극으로부터 연속적으로 박리함으로써 금속박을 얻도록 구성되어 있다.

전주방법에 의해 금속박의 생산하는 프로세스의 효율성을 확보하기 위해서는 높은 전류 밀도를 갖는 것이 필요하다. 한편, 전류 밀도가 임계치에 도달하면 얻어지는 금속박은 검은 색을 갖게 되어 불량이 발생하게 된다. 따라서, 고품질의 금속박을 얻으면서 생산성을 향상시키기 위해서는 전류 밀도를 높이면서 금속 이온을 모판 표면에 고속으로 충분히 공급하는 것이 필요하다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 일본공개특허 제2001-095612호 공보에는 전해액 공급구의 상방에 회전 캐소드 드럼의 폭 방향에 걸치는 판상 댐퍼체를 구비하여 강제 대류를 이용하여 용액의 공급 속도를 높이고자 하는 기술이 개시되어 있다.

한국특허공개 제2001-0069820호 공보에는 상기 특허문헌에 기재된 방법은 얻어지는 금속박의 폭 방향으로의 두께 편차를 저감시키기 위해, 전해드럼 폭 방향으로 균일한 속도로 유동장을 형성하기 위해, 전해액을 공급하는 급액 수단을 축을 중심으로 회전하도록 형성한 드럼수단의 축 방향을 따라 소정의 길이로 형성하면서, 다수의 배출부가 구비된 분배파이프를 내측으로 설치하여 이중 파이프형태가 되는 급액 파이프로 형성하는 것을 제시하는 전해 동박 제조장치가 개시되어 있다.

그러나 상기 특허문헌들은 드럼 셀 전주장치를 사용하는 것으로서, 드럼 셀 전주장치는 캐소드 드럼의 원주상으로 전해액이 공급되기 때문에 전해액을 고속으로 공급하여 고속 유동을 갖도록 유지하는 것이 힘들며, 공급된 전해액은 원주면을 따라 이동하므로, 전해액은 연속적으로 방향이 변화하기 때문에 유동 손실을 일으키고, 초기 공급 유속을 유지하기가 힘들다. 결국, 드럼 셀 전주장치는 고속 유동으로 전해액을 공급하는 것에 근본적인 한계를 가지며, 따라서 고속의 금속박 생산에 부적합한 특성을 가진다.

한편, 수평 셀을 이용하는 경우 수평상의 양극과 음극에 접촉된 모판 사이로 전해액이 모판의 상하에서 수직으로 공급되는데, 일본특허공개 제1995-278878호에는 슬릿(slit) 노즐을 이용하여 모판의 상하에서 수직으로 전해액을 공급하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 위 특허문헌에서와 같이 전해액이 모판에 대하여 수직으로 충돌하는 경우, 유동장은 와류가 발생하여 유동장이 안정화되는 영역까지 전류를 인가하지 못하여 전착면적이 감소하고, 상하 수직으로 공급된 전해액의 압력이 불균일한 경우 모판에 진동을 발생시켜 불균일 전착층을 형성하는 것에 한계점을 가지고 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 전해액을 고속으로 공급하면서 모판의 폭 방향으로 균일한 유동 속도 및 전류밀도를 제공함으로써 전착속도를 향상시켜 금속박의 생산성을 향상시키고자 한다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 전해액을 고속으로 공급하면서 유동장을 안정화시킴과 동시에 와류 형성을 방지하고자 한다.

또, 본 발명의 일 구현예에 다르면, 모판의 폭 방향으로 전해액의 균일한 유동 속도를 제공하여 생산성 향상을 도모하면서 안정적인 전해 석출반응을 유도하여 폭 방향으로 균일한 조성, 균일한 표면 및 균일한 두께를 가지는 금속박을 얻고자 한다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 전해액 공급에 따라 모판에 발생하는 진동을 억제하여 불균일 전착이 발생하는 것을 방지하고자 한다.

나아가, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 전해액의 수직 공급시 발생하는 유동장의 와류 구간에서의 전착불량 방지 및 폭 방향 가장자리의 과전착 방지를 위한 마스크(mask)의 사용 필요성을 제거하여 장치의 단순화를 도모하고자 한다.

그리고, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 폭 방향으로 공급되는 전해액의 유량을 조절함으로써 폭 방향의 두께가 균일한 금속박 제조를 가능하게 하고자 한다.

본 발명은 수평 셀 전주장치에 관한 것으로서, 일 구현예에 따르면, 상기 수평 셀 전주장치는 애노드 전극 및 상기 애노드 전극과 일정한 간격으로 이격되어 일 방향으로 수평 공급되는 전도성 모판 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급장치를 포함하며, 상기 전해액 공급장치는 상기 전도성 모판상에 전해액을 공급하는 전해액 공급관을 포함하되, 상기 전해액 공급관은 모판의 폭 방향으로 복수개 병렬로 배치되어 있다.

다른 구현예로서, 상기 전해액 공급관은 상기 전도성 모판의 이동방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급하도록 분리되어 있을 수 있다.

또 다른 구현예로서, 상기 전해액 공급관은 관 내부에 허니콤을 구비할 수 있다.

그리고, 또 다른 구현예로서, 상기 전해액 공급관은 말단에 상기 모판과 애노드 전극 사이에 전해액을 공급하는 굴곡진 노즐을 포함할 수 있다.

나아가, 상기 전해액 공급관은 각 배관의 유량을 조절하는 유량 제어부를 더욱 구비할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 의해 전해액을 고속으로 공급하면서 모판의 폭 방향으로 균일한 유동 속도 및 전류밀도를 제공할 수 있어 전착속도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 금속박의 생산성 향상을 도모할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 의해 모판의 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급함으로써 전착속도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 전해액 유동장의 와류 구간에서의 전착불량을 억제할 수 있어 마스크의 사용 없이도 균일한 박막을 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 의해, 전해액을 고속으로 공급하면서도 유동장을 안정화시킬 수 있어 와류 형성을 방지할 수 있고, 나아가 균일한 전착을 도모할 수 있다.

또, 본 발명의 일 구현예에 의해, 모판의 폭 방향으로 전해액의 균일한 유동 속도를 제공할 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 나아가, 안정적인 전해 석출반응을 유도하여 폭 방향으로 균일한 조성, 균일한 표면 및 균일한 두께를 가지는 금속박을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 의해, 전해액 공급에 따라 모판에 발생하는 진동을 억제하여 불균일 전착을 억제할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 구현예에 의해, 폭 방향으로 공급되는 전해액의 유량을 조절할 수 있어 폭 방향으로 균일한 두께를 갖는 금속박 제조할 수 있다.

도 1 및 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 모판 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급할 수 있는 전해액 공급관을 갖는 수평 셀 전주장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 수평 셀 전주장치의 일 구현예에 따른 수평 셀의 구조를 개략적으로 나타내는 것으로서, 모판의 폭 방향으로 전해액 공급관이 복수개 병렬로 배치되어 있는 구조를 갖는 전주 셀을 개략적으로 나타내는 장치의 단면도이다.
도 4는 도 2에 따른 굴곡된 노즐의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 전주방법에 의해 금속박을 제조하기 위한 수평 셀 전주장치에 관한 것이다. 특히, 전주 장치의 수평 셀 중 전해액을 공급하는 수단을 개선하고자 하는 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 수평 셀 전주장치는 애노드 전극과 수평방향으로 공급되는 전도성 모판 사이에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급장치를 포함한다.

이하, 본 발명의 각 구현예를 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 수평 전주장치에 사용되는 전주 셀은 전해 석출에 의해 전착층이 형성되는 모판(1)이 일정한 방향으로 수평 공급되는 수평 셀(20)이다.

상기와 같은 모판(1)은 상기 전주 셀 내로 연속적으로 공급하며, 일정한 방향으로 공급한다. 여기서 상기 '전주 셀'이라 함은 모판(1) 상에 전해액이 공급되어 금속 이온이 전해 석출반응에 의해 모판(1) 표면에 전착되어 금속층을 형성하는 반응이 일어나는 단위 전지라 정의할 수 있다. 그리고 '일정한 방향'이란 모판(1)이 전주 셀 내로 공급된 후, 적어도 상기 전주 셀을 빠져나올 때까지 모판(1)의 진행방향이 변화됨이 없이 일 방향성으로 진행하는 것을 의미하는 것이다. 이와 같은 모판(1)의 진행 방향을 본 명세서에서는 경우에 따라서는 '수평 방향' 또는 단순히 '수평'이라고 표현되기도 하며, 나아가, 모판(1)이 전주 셀을 수평방향으로 진행하여 전해액 내의 금속 이온이 모판(1)에 전해 석출되는 것을 나타내기 위해 상기 전주 셀을 '수평 셀'이라고도 표현된다.

이때 상기 수평 셀(20)로 공급되는 상기 모판(1)은 수평 셀(20) 내로 이송시키는 컨덕트 롤(3)을 통해 전류 공급장치(2)로부터 전류를 공급받아 수평 셀(20) 내에서 캐소드 전극으로 기능하는 것으로서, 가요성이고 전도성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스, 타이타늄 등을 적용할 수 있다. 본 발명은 금속박을 얻고자 하는 것으로서, 모판(1) 상에 전착에 의해 형성되는 전착층이 모판(1)과 견고한 결합을 갖는 경우, 그 전착층을 모판(1)으로부터 분리하여 금속박을 얻는 것이 용이하지 않으므로, 모판(1) 상에는 산화피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 모판(1) 상의 산화피막에 의해, 모판(1) 상에 전착층이 형성되더라도 모판(1) 표면에 대한 부착력이 약하기 때문에 모판(1)으로부터 전착층을 분리하여 금속박을 용이하게 박리시킬 수 있다.

상기 수평 셀(20)은 수평 셀(20) 내부로 공급되는 모판(1)의 표면에 대하여 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 애노드 전극(4) 및 상기 모판(1)과 상기 애노드 전극(4) 사이에 전해액을 공급하는 전해액 공급장치를 포함한다.

상기 모판(1)은 모판(1)의 폭 방향 에지부와 접촉하여 모판(1)을 수평 셀(20) 내로 이송시키는 한 쌍의 컨덕트 롤(3)에 의해 수평 셀(20) 내로 수평방향으로 공급된다. 이때, 상기 수평 셀(20) 내로 공급된 모판(1)의 어느 한 면에 전해액을 공급하여 일면 전주를 행할 수 있음은 물론, 양면 모두에 전해액을 공급함으로써 모판(1)의 양면에 대해 금속을 전해 석출시킴으로써 금속박의 생산속도를 증대시킬 수 있다.

상기 애노드 전극(4)과 모판(1)은 일정한 간격으로 이격되어 있는데, 그 사이로 전해액이 공급되어 유통되는 유로로 제공된다. 상기한 바와 같이 캐소드 전극인 모판(11)과 애노드 전극의 작용에 의해 전해액 내의 금속이온을 모판(1) 표면에 전해 석출시키는 전해반응이 일어나게 된다. 전해액이 고속으로 공급되는 경우, 모판(1) 표면으로의 금속 이온의 전착속도를 증가시킬 수 있는데, 종래의 드럼 셀을 이용한 전주 방법의 경우에는 유로가 곡률을 형성하여 전해액의 유속을 점차 느리게 하여 전착 속도 저하를 초래하는 문제가 있었다. 그러나, 상기와 같이 본 발명에서는 전해액의 유로가 평면으로 형성됨으로써 전해액의 공급에 대한 유동장의 속도 저하를 최소화할 수 있어 전착 속도를 증가시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전해액 공급장치는 전해액 저장조(5)로부터 전해액 공급관(8)을 통해 전해액을 상기 모판(1)과 애노드 전극(4) 사이로 공급하게 된다. 이때, 상기 전해액 공급관(8)은 도 3에 나타낸 바와 같이 모판(1)의 폭 방향으로 복수개 병렬로 배치되어 있을 수 있다. 이와 같이 모판 폭 방향으로 복수개의 전해액 공급관(8)이 병렬로 배치됨으로써 모판의 폭 방향에 대하여 전해액이 일정하게 공급될 수 있어 균일한 전류밀도를 제공할 수 있으며, 이로 인해 폭 방향으로 균일한 두께를 갖는 금속박을 얻을 수 있다. 나아가, 전해액을 고속으로 공급하면서 폭 방향으로의 전해액 공급량을 균일하게 할 수 있어 전착 속도 향상을 도모할 수 있다.

이때, 상기 전해액 공급관(8)의 수는 특별히 한정하지 않으며, 모판(1)의 폭 및 전해액 공급관(8)의 전해액 공급유량, 모판(1) 이동 속도 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.

상기 복수의 전해액 공급관(8)은 관을 통해 공급되는 전해액 유량을 개별적으로 제어할 수 있는 유량 제어부(12)를 포함할 수 있다. 모판(1) 표면에 전착되는 전착량에 따라 전해액의 공급량을 개별적으로 제어함으로써 모판(1)의 폭 방향에 대하여 전착속도를 균일하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 모판(1) 가장자리 또는 중심부에 전해액이 집중되는 경우에는 전류밀도가 집중되어 전착량이 상대적으로 많아질 수 있는바, 복수의 전해액 공급관(8) 중 가장자리 또는 중심부에 배치된 전해액 공급관(8)에서 공급되는 전해액을 공급량을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전해액 공급관(8)은 모판(1)의 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 공급할 수 있도록 전해액 공급관(8)이 순방향 전해액 공급관(9) 및 역방향 전해액 공급관(10)으로 구분되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 모판(1) 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급함으로써 실질적으로 2회 전착시키는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 역방향으로 공급된 전해액은 모판(1)과의 상대속도 차에 의해 전해액이 모판(1)과 접촉하는 시간이 짧은 상대적으로 적은 량이 전착되는 1차 전착의 효과를 얻을 수 있고, 순방향으로의 공급에 의해 전해액이 보다 긴 시간 동안 모판(1)과 접촉하여 1차 전착에 비하여 상대적으로 많은 량이 전착되는 2차 전착의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전해액 공급관(8)이 모판(1) 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 공급하도록 구분됨으로써 전해액이 모판(1)에 공급될 때 전해액의 불균일한 유동장에 의해 불균일하게 전해 석출되는 현상을 감소시킬 수 있어, 보다 균일한 두께를 갖는 금속박을 형성할 수 있다. 이를 위해 상기 전해액 공급관(8)은 모판(1)의 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 경사져 있을 수 있다. 이에 따른 본 발명의 수평 전주장치에서 수평 셀의 일 예를 도 1에 나타내었다.

이와 같은 전해액 공급관(8)은 그 내부에 허니콤(13)을 포함할 수 있다. 이와 같은 허니콤(13)을 포함함으로써, 전해액 공급관(8)을 통해 모판(1) 표면에 공급되는 전해액이 층류를 형성하도록 유도할 수 있다. 이와 같이 전해액이 층류로 공급되는 경우, 모판(1) 표면에서 전해액의 와류가 형성되어 유동장을 불안정하게 하는 현상을 최소화할 수 있다. 나아가 전해액이 고속으로 공급되더라도 전해액이 모판(1) 표면과 부딪힐 때 발생하는 모판(1)의 진동을 억제시킬 수 있어, 불균일한 전착을 억제할 수 있는 효과도 제공한다.

더욱 바람직하게는 상기 전해액 공급관은 모판(1)과 애노드 전극(4)과의 사이에 전해액을 공급할 수 있도록 모판(1)의 진행방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 굴곡된 노즐(11)을 형성할 수 있다. 이러한 굴곡된 노즐은, 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같으며, 이에 따른 수평 셀(20)의 일 예를 도 2에 나타내었다.

이와 같은 굴곡된 노즐(11)을 전해액 공급관(8)의 말단에 형성함으로써 모판(1)과 애노드 전극(4) 사이에 공급되는 전해액의 불균일한 유동장을 억제하여 유동장 안정화를 도모할 수 있다. 이러한 전해액의 유동장 안정화를 통해, 모판(1) 표면에 전해액을 공급할 때 전해액의 와류 형성을 방지할 수 있어 균일하게 접촉하는 면적을 확대할 수 있으며, 결과적으로 전해 석출에 의한 전착 속도의 증대를 얻을 수 있다. 또한, 이로 인해 균일한 조성, 균일한 표면 및 균일한 두께를 갖는 금속박을 얻을 수 있다. 그리고, 모판(1)의 상부와 하부 양면에 전해액이 수직으로 공급되는 경우, 상하부에서의 전해액이 공급되는 압력 차로 인해 모판(1)의 진동이 발생하여 불균일한 전착을 야기할 수 있는데, 굴곡된 노즐(11)을 형성하여 수평방향으로 전해액을 공급함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.

상기와 같이, 전해액 공급관(8)의 말단에 굴곡된 노즐(11)을 설치함으로써 앞에서 설명한 바와 같은 본 발명에서 얻고자 하는 효과의 전부 또는 일부를 달성할 수 있음은 물론, 전해액이 수직으로 공급될 때 전해액의 불안정한 유동장이 안정화되는 지점까지에 일어날 수 있는 불균일한 전착을 억제할 수 있어, 최종적으로 얻어지는 금속박의 두께를 균일화할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전해액은 금속이온을 포함하며, 상기 금속이온은 전주법에 의해 전해 석출반응이 일어날 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, Cu, Fe, Ni, Zn, Cr, Co, Ag, Pd, Al, Sn 또는 이들의 합금 등을 들 수 있다.

한편, 상기 전해액 저장조(5)는 전해액의 가열을 위한 전해액 가열기(미도시), 전해액에 포함된 슬러지 등의 불순물을 제거하기 위한 전해액 여과기(6), 전해액을 수평 셀(20)에 공급하기 위한 전해액 펌프(7) 등의 부속 설비를 더욱 포함할 수 있다.

상기와 같이 하여 전착층이 형성된 모판(15)을 출구측 컨덕트 롤(5)을 통해 배출한 후, 모판(1)과 전착층에 전단응력을 부여함으로써 분리하여 금속박을 얻을 수 있다.

1: 모판 2: 전류공급장치
3: 컨덕트 롤 4: 애노드
5: 전해액 저장조 6: 여과장치
7: 전해액 펌프 8: 전해액 공급관
9: 순방향 전해액 공급관 10: 역방향 전해액 공급관
11: 굴곡진 노즐 12: 유량 제어부
13: 허니콤 14: 전해액 회수관
15: 전착층이 형성된 모판 20: 수평 셀

Claims (6)

1. 애노드 전극 및 상기 애노드 전극과 일정한 간격으로 이격되어 일 방향으로 수평 공급되는 전도성 모판의 표면에 금속이온을 포함하는 전해액을 공급하는 전해액 공급장치를 포함하며,
   상기 전해액 공급장치는 상기 전도성 모판상에 전해액을 공급하는 전해액 공급관을 포함하되, 상기 전해액 공급관은 모판의 폭 방향으로 복수개 병렬로 배치되어 있는 것인 수평 셀 전주장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 전해액 공급관은 상기 전도성 모판의 이동방향에 대하여 순방향 및 역방향으로 전해액을 공급하도록 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 수평 셀 전주장치.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전해액 공급관은 관 내부에 허니콤을 구비하는 것을 특징으로 하는 수평 셀 전주장치.
   
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전해액 공급관은 말단에 상기 모판과 애노드 전극 사이에 전해액을 공급하는 굴곡진 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 셀 전주장치.
   
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전해액 공급관은 각 배관의 유량을 조절하는 유량 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수평 셀 전주장치.
   
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전해액 공급장치는 모판의 양면에 대하여 전해액을 공급하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수평 전주장치.

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