KR20140038339A - 인-라인 프로세싱 시스템을 위한 분사 증착 모듈 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에서, 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 동시에 증착하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들을 규정하는 챔버 본체로서, 상기 프로세싱 영역 내에서 상기 가요성 전도성 기판이 양면 분사 증착 프로세스에 노출되고, 상기 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들은 상기 가요성 전도성 기판의 일부의 반대되는 측면들 상에 상기 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 동시에 분사하기 위한 제 1 분사 증착 영역과 제 2 분사 증착 영역으로 각각 더 분할되는, 챔버 본체; 및 가동식 수집 셔터를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 분사 증착 영역들은 각각 상기 가요성 전도성 기판을 향해 활성화된 물질을 전달하기 위한 분사 디스펜서 카트리지를 포함한다.
Description
본 발명의 실시예들은 일반적으로 리튬 이온 배터리들과 배터리 셀 부품들에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 분사 증착 기술들을 이용하여 이중층(bi-layer) 배터리 셀들과 이중층 배터리 셀 부품들을 포함할 수 있는 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다.
휴대용 전자기기들, 의료, 운송, 계통 연계형(grid-connected) 대형 에너지 스토리지, 재생 에너지 스토리지 및 무정전 전력 공급 장치(UPS)를 포함하는 점점 더 많은 응용 분야들에서 리튬 이온 배터리(Li-ion)들과 같은 고용량 에너지 저장 장치들이 사용되고 있다.
에너지 저장 장치들의 대부분의 응용 분야들에 있어서, 에너지 저장 장치들의 충전 시간과 에너지 용량은 중요한 변수들이다. 또한, 그러한 에너지 저장 장치들의 크기, 중량 및/또는 제조 비용은 중요한 요인들이다.
에너지 저장 장치들을 제조하기 위한 하나의 방법은 전도성 전류 수집기에 양극성 또는 음극성의 활성 물질로 된 점성 분말 슬러리 혼합물들을 슬릿 코팅한 다음, 건조된 캐스트 시트(cast sheet)를 형성하고 균열을 방지하는 공정에 주로 기초를 두고 있다. 용제들을 증발시키는 건조 이후의 전극 두께는 최종 층의 밀도와 공극률을 조절하는 압축 또는 캘린더링(Calendaring)에 의해 최종적으로 결정된다. 점성 슬러리들의 슬릿 코팅은 슬러리의 제형, 조성 및 규질성에 따라 크게 좌우되는 고도로 발전된 제조 기술이다. 형성된 활성 층은 건조 프로세스의 속도와 열적 세부사항들에 대해 극히 민감하다.
이 기술의 다른 문제점들과 한계들 중에서, 저속이면서 고가인 건조 부품이 대형의 긴 설치공간과 증발된 휘발성 성분들을 위한 정교한 수집 및 재활용 시스템을 모두 필요로 한다는 것이 문제가 된다. 이 성분들의 대다수가 정교한 저감(abatement) 시스템을 추가적으로 필요로 하는 휘발성 유기 화합물들이다. 또한, 그 결과로 얻어진 이러한 유형들의 전극들의 전기 전도성도 전극의 두께와 그에 따른 전극의 체적을 제한한다.
따라서, 더 작고 더 경량이면서 높은 생산율로 제조될 수 있는 고속 충전식 고용량 에너지 저장 장치들을 보다 비용 효율적으로 제조하기 위한 시스템 및 장치가 당업계에서 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 리튬 이온 배터리들과 배터리 셀 부품들에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 분사 증착 기술들을 이용하여 이중층 배터리 셀들과 이중층 배터리 셀 부품들을 포함할 수 있는 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 동시에 증착하기 위한 장치가 제공된다. 상기 가요성 전도성 기판은 수평으로 또는 수직으로 배향될 수 있다. 상기 장치는, 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들을 규정하는 모듈형 챔버 본체로서, 상기 프로세싱 영역 내에서 상기 가요성 전도성 기판이 양면 증착 프로세스에 노출되고, 상기 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들은 상기 가요성 전도성 기판의 일부의 반대되는 측면들 상에 상기 활성 물질을 동시에 분사하기 위한 제 1 분사 증착 영역과 제 2 분사 증착 영역으로 각각 분할되는, 모듈형 챔버 본체; 상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 분사하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 분사 디스펜서 카트리지; 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 1 분사 디스펜서 카트리지로부터의 상기 활성 물질의 유동 경로를 차단하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 가동식(movable) 수집 셔터; 상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 분사하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 분사 디스펜서 카트리지; 및 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 2 분사 디스펜서 카트리지로부터의 상기 활성 물질의 유동 경로를 차단하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 가동식 수집 셔터를 포함한다.
다른 실시예에서, 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 동시에 증착하기 위한 모듈형 기판 프로세싱 시스템이 제공된다. 상기 모듈형 기판 프로세싱 시스템은 가요성 전도성 기판 위에 복수의 전도성 포켓들을 형성하도록 구성된 모듈형 미세구조 형성 챔버, 상기 복수의 전도성 포켓들 위에 상기 활성 물질을 증착하기 위한 양면 활성 물질 분사 증착 챔버, 및 상기 챔버들 간에 상기 가요성 전도성 기판을 전달하도록 구성된 기판 전달 기구를 포함하고, 상기 분사 증착 챔버는, 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들로서, 상기 프로세싱 영역 내에서 상기 가요성 전도성 기판이 양면 증착 프로세스에 노출되며, 상기 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들은 상기 가요성 전도성 기판의 일부의 반대되는 측면들 상에 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 각각 동시에 분사하기 위한 제 1 분사 증착 영역과 제 2 분사 증착 영역으로 각각 더 분할되는, 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들; 상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 전달하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 분사 디스펜서 카트리지; 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 1 분사 디스펜서 카트리지로부터의 활성 물질의 유동 경로를 차단하여 상기 활성 물질을 수집하고, 개방 위치에 있을 때, 상기 가요성 전도성 기판을 향한 상기 활성 물질의 유동을 허용하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 가동식 수집 셔터; 상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 전달하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 분사 디스펜서 카트리지; 및 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 2 분사 디스펜서 카트리지로부터의 활성 물질의 유동 경로를 차단하여 상기 활성 물질을 수집하고, 개방 위치에 있을 때, 상기 가요성 전도성 기판을 향한 상기 활성 물질의 유동을 허용하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 가동식 수집 셔터를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 전기-활성 물질을 동시에 증착하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 3차원 다공성 구조가 위에 증착된 가요성 전도성 기판의 일부를 양면 활성 물질 분사 챔버의 제 1 프로세싱 영역을 통해 제 1 분사 디스펜서 카트리지와 제 2 분사 디스펜서 카트리지 사이로 이동시키는 단계; 제 1 층을 형성하기 위해 상기 제 1 분사 디스펜서 카트리지와 상기 제 2 분사 디스펜서 카트리지를 이용하여 상기 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 상기 3차원 다공성 구조를 가진 기판 부분 위에 제 1 전기-활성 물질을 분사하는 단계; 상기 제 1 전기-활성 물질이 위에 증착된 상기 가요성 전도성 기판 부분을 상기 분사 증착 챔버의 제 2 프로세싱 영역을 통해 제 3 분사 디스펜서 카트리지와 제 4 분사 디스펜서 카트리지 사이로 이동시키는 단계; 및 상기 제 3 분사 디스펜서 카트리지와 상기 제 4 분사 디스펜서 카트리지를 이용하여 상기 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상의 상기 제 1 전기-활성 물질 위에 제 2 전기-활성 물질을 분사하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 프로세싱 챔버와 상기 제 2 프로세싱 챔버는 교차 오염을 방지하기 위해 서로로부터 격리된다.
본 발명의 전술한 특징들이 구체적으로 이해될 수 있도록, 첨부도면들에 그 일부가 도시된 실시예들을 참조하여 위에서 약술한 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 첨부도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들을 도시하고 있을 뿐이며, 본 발명은 다른 동등한 효과를 가진 실시예들을 포함할 수 있으므로, 그 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 아니됨을 유의하여야 한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 양면 분사 챔버를 가진 도 1의 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일부의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 양면 분사 챔버를 가진 도 1의 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 평단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 양면 분사 챔버의 일 실시예의 단면을 도시한 측면 사시도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지의 보조 노즐의 배향의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 7은 인라인 프로세싱 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다.
도 8은 양면 분사 챔버의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에서 공통되는 동일한 요소들은 가능한 한 동일한 참조번호들을 사용하여 표시하였다. 일 실시예의 요소들과 프로세스 단계들이 추가적인 언급 없이 다른 실시예들에서도 유리하게 통합될 수 있음을 고려하였다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 양면 분사 챔버를 가진 도 1의 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일부의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 양면 분사 챔버를 가진 도 1의 인라인 수직 프로세싱 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 평단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 양면 분사 챔버의 일 실시예의 단면을 도시한 측면 사시도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지의 보조 노즐의 배향의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 7은 인라인 프로세싱 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다.
도 8은 양면 분사 챔버의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에서 공통되는 동일한 요소들은 가능한 한 동일한 참조번호들을 사용하여 표시하였다. 일 실시예의 요소들과 프로세스 단계들이 추가적인 언급 없이 다른 실시예들에서도 유리하게 통합될 수 있음을 고려하였다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 리튬 이온 배터리들과 배터리 셀 부품들에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 분사 증착 기술들을 이용하여 이중층 배터리 셀들과 이중층 배터리 셀 부품들을 포함할 수 있는 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다. 분사 증착 기술들, 이에 한정되는 것은 아니지만, 정전식 분사 기술들, 플라즈마 분사 기술들, 및 열 또는 화염 분사 기술들을 포함한다. 본 명세서에 개시된 어떤 실시예들은 전류 수집기로서의 기능을 하는 기판들 상에, 예컨대, 양극들을 위한 구리 기판들과 음극들을 위한 알루미늄 기판들 상에, 양극성 또는 음극성의 활성 층들을 형성하기 위해 분사 증착 기술들을 이용하여 전기-활성 분말들(예컨대, 양극성 또는 음극성의 활성 물질들)을 3차원 전도성 다공 구조들로 합체함으로써 배터리 셀 전극들을 제조하는 공정을 포함한다. 이중층 배터리 셀들과 배터리 셀 부품들에 있어서, 프로세싱된 기판의 반대되는 측면들이 이중층 구조를 형성하기 위해 동시에 프로세싱될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예들을 이용하여 형성될 수 있는 양극 구조들과 음극 구조들의 예시적 실시예들이 "압축 분말 3차원 배터리 전극 제조"라는 명칭으로 2010년 7월 19일자에 출원되어 Bachrach 등에 공동 양도된 미국 특허출원번호 제12/839,051호(대리인 관리번호 제APPM/014080/EES/AEP/ESONG)의 도 1, 도 2a 내지 도 2d, 도 3, 도 5a 및 도 5b와, 이에 대응하는 문단 [0041] 내지 [0066] 및 [0094] 내지 [0100]에 개시되어 있으며, 전술한 도면들과 문단들은 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다.
어떤 실시예들에서, 증착되는 전기-활성 분말들은 나노-스케일 크기의 미립자들 및/또는 마이크로-스케일 크기의 미립자들을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 3차원 전도성 다공 구조는 다공성 전기도금 프로세스, 엠보싱 프로세스 또는 나노-임프린팅(nano-imprinting) 프로세스 중 적어도 하나에 의해 형성된다. 어떤 실시예들에서, 3차원 전도성 다공 구조는 와이어 매시 구조를 포함한다. 3차원 전도성 다공 구조의 형성은 전극의 두께를 결정하며, 본 명세서에 개시된 시스템들과 장치를 이용하여 양극성 또는 음극성의 활성 분말들이 그 속에 증착될 수 있는 포켓들 또는 웰(well)들을 제공한다.
본 명세서에 개시된 실시예들을 이용하여 증착될 수 있는 음극성의 활성 분말들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 리튬 코발트 이산화물(LiCo02), 리튬 망간 이산화물(LiMn02), 티타늄 이황화물(TiS2), LiNixCo1 -2 xMn02, LiMn204, 철 감람석(LiFeP04) 및 (LiFe1 - xMgP04와 같은) 그 유도체들, LiMoP04, LiCoP04, Li3V2(P04)3, LiV0P04, LiMP207, LiFe1 .5P207, LiVP04F, LiAlP04F, Li5V(P04)2F2, Li5Cr(P04)2F2, Li2CoP04F, Li2NiP04F, Na5V2(P04)2F3, Li2FeSi04, Li2MnSi04, Li2VOSi04, 다른 적격의 분말들, 그 합성물들 및 그 조합물들로 이루어진 군으로부터 선택된 음극성의 활성 미립자들을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시예들을 이용하여 증착될 수 있는 양극성의 활성 분말들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 흑연, 그래핀 난흑연화 탄소(graphene hard carbon), 카본 블랙, 탄소로 코팅된 실리콘, 주석 미립자들, 구리-주석 미립자들, 구리 산화물, 실리콘 탄화물, 실리콘(비결정질 또는 결정질), 실리콘 합금들, 도핑된 실리콘, 리튬 티탄산염, 임의의 다른 적절한 전기-활성 분말, 그 합성물들 및 그 조합물들로 이루어진 군으로부터 선택된 양극성의 활성 미립자들을 포함한다.
본 명세서에 개시된 물질들이 위에 형성될 수 있는 다양한 유형들의 기판들의 이용이 또한 고려된다. 본 명세서에 개시된 어떤 실시예들이 실시될 수 있는 기판이 특정 기판으로 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 웨브-기반(web-based) 기판들, 패널들 및 불연속 시트들을 포함한 가요성 전도성 기판들에 대해 실시예들을 실시하는 것이 특히 유리하다. 기판은 호일, 필름 또는 얇은 판 형태일 수도 있다. 기판이 수직으로 배향된 기판인 어떤 실시예들에서, 수직으로 배향된 기판은 수직면에 대해 각도를 이룰 수 있다. 예컨대, 어떤 실시예들에서, 기판은 수직면으로부터 약 1°내지 약 20°로 기울어질 수 있다. 기판이 수평으로 배향된 기판인 어떤 실시예들에서, 수평으로 배향된 기판은 수평면에 대해 각도를 이룰 수 있다. 예컨대, 어떤 실시예들에서, 기판은 수평면으로부터 약 1°내지 약 20°로 기울어질 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "수직"은 수평선에 대해 수직한 가요성 전도성 기판의 주면 또는 증착면으로서 규정된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "수평"은 수평선에 대해 평행한 가요성 전도성 기판의 주면 또는 증착면으로서 규정된다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 양면 활성 물질 분사 챔버(124)를 포함하는 인라인 수직 프로세싱 시스템(100)의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 어떤 실시예들에서, 프로세싱 시스템(100)은 일렬로 배치되어 각각 가요성 전도성 기판(108)에 대해 하나의 프로세싱 단계를 실시하도록 구성된 복수의 프로세싱 챔버(110 내지 134)들을 포함한다. 일 실시예에서, 프로세싱 챔버(110 내지 134)들은 자립식 모듈형 프로세싱 챔버들이며, 각각의 모듈형 프로세싱 챔버는 다른 모듈형 프로세싱 챔버들로부터 구조적으로 분리되어 있다. 따라서, 각각의 자립식 모듈형 프로세싱 챔버들은 서로에게 영향을 주지 않고 독립적으로 배열, 재배열, 교환 또는 유지 보수될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 프로세싱 챔버(110 내지 134)들은 가요성 전도성 기판(108)의 양 측면들을 프로세싱하도록 구성된다. 어떤 실시예들에서, 프로세싱 챔버(110 내지 134)들은 공용 이송 구조를 공유한다. 어떤 실시예들에서, 공용 이송 구조는 시스템을 위한 공용 권취 롤과 공급 롤을 구비한 롤-투-롤(roll-to-roll) 시스템을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 공용 이송 구조는 권취 롤과 공급 롤 사이에 배치된 하나 또는 그 초과의 중간 이송 롤러들을 더 포함한다. 어떤 실시예들에서, 공용 이송 구조는 각각의 챔버가 개별적인 권취 롤과 공급 롤, 그리고 권취 롤과 공급 롤 사이에 배치된 하나 또는 그 초과의 선택적인 중간 이송 롤러들을 가진 롤-투-롤 시스템이다. 어떤 실시예들에서, 공용 이송 구조는 프로세싱 챔버들을 통해 연장하며 웨브 기판 또는 불연속 기판들 중 어느 하나를 이송하도록 구성된 트랙 시스템을 포함한다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 제 1 컨디셔닝 모듈(110)을 포함하며, 상기 제 1 컨디셔닝 모듈은 가요성 전도성 기판(108) 위에 다공성 구조를 형성하기 위한 미세구조 형성 챔버(112)로 가요성 전도성 기판(108)이 진입하기 전에 가요성 전도성 기판(108)의 적어도 일부 상에 제 1 컨디셔닝 프로세스를 실시하도록 구성된다. 어떤 실시예들에서, 제 1 컨디셔닝 모듈(110)은 다음 중 적어도 하나를 실시하도록 구성된다. 즉, 가요성 전도성 기판(108)의 소성 유동을 증대시키기 위한 가요성 전도성 기판(108)의 가열, 가요성 전도성 기판(108)의 세척, 및 가요성 전도성 기판(108)의 예비-습윤 또는 린싱(rinsing).
어떤 실시예들에서, 미세구조 형성 챔버(112)가 엠보싱 챔버인 경우, 상기 챔버는 가요성 전도성 기판(108)의 양 측면들을 엠보싱하도록 구성될 수 있다. 본 명세에 개시된 실시예들과 함께 사용될 수 있는 엠보싱 챔버의 하나의 예시적 실시예가 "압축 분말 3차원 배터리 전극 제조"라는 명칭으로 2010년 7월 19일자에 출원되어 Bachrach 등에 공동 양도된 미국 특허출원번호 제12/839,051호(대리인 관리번호 제APPM/014080/EES/AEP/ESONG)의 도 4b와 이에 대응하는 문단 [0087] 내지 [0090]에 개시되어 있으며, 도 4b와 이에 대응하는 문단 [0087] 내지 [0090]은 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다. 어떤 실시예들에서, 미세구조 형성 챔버(112)는 가요성 전도성 기판(108)에 포켓들 또는 웰들을 형성하기 위해 가요성 전도성 기판(108)의 적어도 일부 상에 제 1 도금 프로세스, 예컨대, 구리 도금 프로세스를 실시하도록 구성된 도금 챔버이다.
어떤 실시예들에서, 프로세싱 시스템(100)은 미세구조 형성 챔버(112)에 인접하여 배치될 수 있는 제 2 컨디셔닝 챔버(114)를 더 포함한다. 어떤 실시예들에서, 제 2 컨디셔닝 챔버(114)는 산화물 제거 프로세스를 실시하도록 구성되며, 예컨대, 가요성 전도성 기판(108)이 알루미늄을 포함하는 실시예들에서, 제 2 컨디셔닝 챔버는 알루미늄 산화물 제거 프로세스를 실시하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 미세구조 형성 챔버(112)가 도금 프로세스를 실시하도록 구성된 경우, 제 2 컨디셔닝 챔버(114)는 제 1 도금 프로세스 후 린싱 유체, 예컨대, 탈이온수를 이용하여 가요성 전도성 기판(108) 부분으로부터 잔류 도금 용액을 린싱하여 제거하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 제 2 컨디셔닝 챔버(114) 다음에 배치될 수 있는 제 2 미세구조 형성 챔버(116)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 제 2 미세구조 형성 챔버(116)는 가요성 전도성 기판(108) 위에 제 2 전도성 물질을 증착하기 위해 도금 프로세스, 예컨대, 주석 도금을 실시하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제 2 미세구조 형성 챔버(116)는 가요성 전도성 기판(108) 위에 나노-구조를 증착하도록 구성된다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 린스 챔버(118)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 린스 챔버(118)는 도금 프로세스 후 린싱 유체, 예컨대, 탈이온수를 이용하여 가요성 전도성 기판(108) 부분으로부터 잔류 도금 용액을 린싱하여 제거하도록 구성된다. 일 실시예에서, 에어-나이프(air-knife)를 포함하는 챔버(120)가 린스 챔버(118)에 인접하여 배치된다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 예열 챔버(122)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 예열 챔버(122)는 증착된 다공성 구조로부터 과다한 습기를 제거하기 위해 건조 프로세스에 가요성 전도성 기판(108)을 노출시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 예열 챔버(122)는 공기 건조 프로세스, 적외선 건조 프로세스, 전자기 건조 프로세스 또는 마란고니(marangoni) 건조 프로세스와 같은 건조 프로세스를 실시하도록 구성된 소스를 포함한다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 가요성 전도성 기판(108)의 반대되는 측면들 상에 형성된 전도성 미세구조 위로 및/또는 속으로 양극성 또는 음극성의 활성 분말을 동시에 증착하도록 구성된 제 1 양면 분사 코팅 챔버를 더 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)는 가요성 전도성 기판(108) 위에 형성된 전도성 미세구조들 위에 분말을 증착하도록 구성된 분사 코팅 챔버이다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)에 인접하여 배치될 수 있으며 건조 프로세스에 가요성 전도성 기판(108)을 노출시키도록 구성된 후속-건조(post-drying) 챔버(126)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 후속-건조 챔버(126)는 공기 건조 프로세스, 적외선 건조 프로세스, 전자기 건조 프로세스 또는 마란고니 건조 프로세스와 같은 건조 프로세스를 실시하도록 구성된다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 후속-건조 챔버(126)에 인접하여 배치될 수 있는 제 2 양면 활성 물질 분사 챔버(128)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 제 2 양면 활성 물질 분사 챔버(128)는 양면 분사 코팅 챔버이다. 일 실시예에서, 제 2 양면 활성 물질 분사 챔버(128)는 가요성 전도성 기판(108) 위에 바인더와 같은 첨가 물질을 증착하도록 구성된다. 어떤 실시예들에서, 2회 통과(two pass) 분사 코팅 프로세스가 이용되는 경우, 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)는, 예컨대, 정전식 분사 프로세스를 이용하여, 제 1 통과시 가요성 전도성 기판(108) 위에 분말을 증착하도록 구성될 수 있고, 제 2 양면 활성 물질 분사 챔버(128)는 제 2 통과시 상기 전도성 기판(108) 위에 분말을 증착하기 위해 정전식 분사 프로세스용으로 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 후속-건조 챔버(126)에 인접하여 배치될 수 있으며 압축 프로세스에 가요성 전도성 기판(108)을 노출시키도록 구성된 압축 챔버(130)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 압축 챔버(130)는 전도성 미세구조 속으로 증착된 그대로의(as-deposited) 분말을 압축하도록 구성된다. 일 실시예에서, 압축 챔버(130)는 캘린더링 프로세스를 통해 분말을 압축하도록 구성된다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 압축 챔버(130)에 인접하여 배치될 수 있으며 건조 프로세스에 가요성 전도성 기판(108)을 노출시키도록 구성된 추가적인 건조 챔버(132)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 추가적인 건조 챔버(132)는 공기 건조 프로세스, 적외선 건조 프로세스, 전자기 건조 프로세스 또는 마란고니 건조 프로세스와 같은 건조 프로세스를 실시하도록 구성된다.
일 실시예에서, 프로세싱 시스템(100)은 추가적인 건조 챔버(132)에 인접하여 배치될 수 있는 제 3 활성 물질 증착 챔버(134)를 더 포함한다. 분사 코팅 챔버로서 설명되었으나, 제 3 활성 물질 증착 챔버(134)는 전술한 임의의 분말 증착 프로세스들을 실시하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 제 3 활성 물질 증착 챔버는 전자방사(electrospinning) 프로세스를 실시하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 3 활성 물질 증착 챔버(134)는 가요성 전도성 기판 위에 분리층을 증착하도록 구성된다.
일반적으로, 프로세싱 챔버(110 내지 134)들은, 가요성 전도성 기판(108)의 부분들이 공급 롤(140)과 권취 롤(142)을 포함한 공용 이송 구조에 의해 각각의 챔버를 통과하여 흐를 수 있도록, 라인을 따라 배열된다. 일 실시예에서, 각각의 프로세싱 챔버(110 내지 134)들은 하나 또는 그 초과의 중간 이송 롤러들과 함께 별도의 공급 롤들과 권취 롤들을 갖는다. 어떤 실시예들에서, 공용 이송 구조는 수직 프로세싱 시스템을 통해 불연속 기판들을 이송하기 위한 선형 트랙 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 공급 롤들과 권취 롤들은 가요성 전도성 기판(108)의 각 부분을 한 챔버 앞으로 이동시키기 위해 상기 하나 또는 그 초과의 선택적인 중간 이송 롤러들과 함께 기판 이송중 동시에 활성화될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 수직 프로세싱 시스템(100)은 추가적인 프로세싱 챔버들을 더 포함한다. 추가적인 프로세싱 챔버들은 전자화학 도금 챔버, 무전해 증착 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 챔버, 원자층 증착 챔버, 린싱 챔버, 어닐링 챔버, 건조 챔버, 분사 코팅 챔버 및 그 조합들을 포함하는 프로세싱 챔버들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 초과의 프로세싱 챔버들을 포함할 수 있다. 인라인 프로세싱 시스템에 추가적인 챔버들 또는 더 적은 수의 챔버들이 포함될 수 있음을 또한 이해하여야 한다. 또한, 도 1에 도시된 프로세스 흐름은 단지 예시적이며, 프로세싱 챔버들이 다른 순서로 이루어지는 다른 프로세스 흐름들을 실시하기 위해 재배열될 수 있음을 또한 이해하여야 한다.
프로세싱 챔버(110 내지 134)들, 공급 롤(140) 및 권취 롤(142)의 작동을 제어하기 위해 수직 프로세싱 시스템(100)과 컨트롤러(190)가 커플링될 수 있다. 컨트롤러(190)는 하나 또는 그 초과의 마이크로프로세서들, 마이크로컴퓨터들, 마이크로컨트롤러들, 전용 하드웨어 또는 로직, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 제 1 양면 활성 물질 분사 증착 챔버(124)를 가진 도 1의 인라인 수직 프로세싱 시스템(100)의 일부(200)를 개략적으로 도시한 평단면도이다. 수직 프로세싱 시스템(100)의 일부(200)는 예열 챔버(122), 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124) 및 후속-건조 챔버(126)를 포함한다. 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)는 수직 프로세싱 시스템(100)의 다른 프로세싱 챔버들에 장착되거나 그렇지 않으면 연결될 수 있는 모듈형 챔버 본체(202)를 포함한다. 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)는 수직 프로세싱 시스템(100)의 다른 챔버들과 공용 이송 구조를 공유할 수 있다. 모듈형 챔버 본체(202)는 가요성 전도성 기판(108)과 같은 가요성 전도성 기판이 양면 분사 증착 프로세스에 노출될 수 있는 하나 또는 그 초과의 격리된 프로세싱 영역들을 규정한다. 모듈형 챔버 본체(202)는 덮개(204)를 지지할 수 있으며, 상기 덮개는 챔버 본체(202)에 힌지식으로 결합될 수 있다. 챔버 본체(202)는 측벽(210), 상기 프로세싱 영역을 2개의 분리된 프로세싱 영역들로 분할하는 내부 벽체(212), 및 바닥 벽체(214)를 포함한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)를 가진 도 1의 수직 프로세싱 시스템(100)의 일부(200)의 일 실시예의 일부를 개략적으로 도시한 평단면도이다. 측벽(210), 내부 벽체(212) 및 바닥 벽체(214)(도 3 참조)는 2개의 분리된 프로세싱 영역(216, 218)들을 규정한다. 측벽(210)과 내부 벽체(212)는 2개의 직사각형 프로세싱 영역(216, 218)들을 규정한다. 교차 오염을 방지하기 위하여 상기 2개의 프로세싱 영역(216, 218)들을 서로로부터 격리시키기 위해 상기 2개의 프로세싱 영역(216, 218)들 사이에 내부 벽체(212)가 배치된다.
각각의 프로세싱 영역(216, 218)들은 기판의 반대되는 측면들을 동시에 프로세싱하기 위해 2개의 대향하는 분사 증착 영역들로 더 분할된다. 제 1 프로세싱 영역(216)은 제 1 분사 증착 영역(220a)과 제 2 분사 증착 영역(220b)으로 분할되고, 제 2 프로세싱 영역(218)은 제 1 분사 증착 영역(220c)과 제 2 분사 증착 영역(220d)으로 또한 분할된다. 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d)은 제 1 반원형 펌핑 채널(224a 내지 224d)과 이에 대향하는 제 2 반원형 펌핑 채널(226a 내지 226d)에 의해 규정되며, 각각의 반원형 펌핑 채널은 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d)으로부터의 가스들을 배출하고 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d) 내부의 압력을 제어하기 위해 측벽(210)의 높이를 연장시킬 수 있다. 각각의 반원형 펌핑 채널(224a 내지 224d, 226a 내지 226d)은 내부 벽체(228a 내지 228h)와 외부 벽체(229a 내지 229h)에 의해 규정된다.
각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d)은 가요성 전도성 기판(108)을 향해 활성화된 전구체를 전달하기 위한 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)와, 폐쇄 위치에 있을 때, 활성화된 전구체의 경로를 차단하여 상기 활성화된 전구체를 수집하고, 개방 위치에 있을 때, 상기 가요성 전도성 기판(108)을 향한 상기 활성화된 전구체의 유동을 허용하는 가동식 수집 셔터(240a 내지 240d)를 포함한다.
가동식 수집 셔터(240a 내지 240d)는 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)의 길이를 연장시키는 치수일 수 있으며, 이에 따라, 가동식 수집 셔터(240a 내지 240d)는 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)의 임의의 토출 노즐들로부터의 활성화된 전구체 또는 다른 분사물의 유동을 차단할 것이다.
분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 프로세스 흐름을 최소로 방해하면서 소모되거나 손상된 카트리지들을 용이하게 제거 및 교환할 수 있도록 챔버 본체(202)의 측벽(210) 속에 제거가능하게 삽입될 수 있다.
분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 증착 전구체를 전기장에 노출시켜 증착 전구체를 통전(energize)시키기 위한 전력 소스(310)와 커플링될 수 있다. 전력 소스(310)는 RF 또는 DC 전원일 수 있다. 전기장을 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)로 제한하기 위해 챔버 측벽(210)들 및/또는 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)에 전기 절연체들이 배치될 수 있다.
분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 음극성의 활성 미립자들, 양극성의 활성 미립자들, 추진제들 및 세척 유체들과 같은 전구체들, 프로세싱 가스들, 프로세싱 물질들을 공급하기 위한 유체 공급부(340)와 커플링될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 양면 활성 물질 분사 챔버(124)의 일 실시예의 단면을 도시한 측면 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 양면 활성 물질 분사 챔버(124)의 바닥 벽체(214)는 범람하는 전구체들 또는 범람하는 다른 유체들을 포획하기 위한 배수조(410a, 410b)들을 형성하도록 개방될 수 있다. 각각의 배수조(410a, 410b)는 대응하는 배수구(420a, 420b)를 가질 수 있다. 어떤 실시예들에서, 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d)은 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d) 아래에 배치된 별도의 배수조를 갖는다. 어떤 실시예들에서, 가동식 수집 셔터(240a 내지 240d)들은 폐쇄 위치에 있을 때 범람하는 전구체를 각각의 배수조(410a, 410b) 속으로 향하게 한다.
일 실시예에서, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)들은, 가요성 전도성 기판(408)이 분사 디스펜서 카트리지(230a, 230b 및 230c, 230d)들 사이로 이동할 때, 상기 기판을 균일하게 덮도록 상기 기판의 경로를 가로질러 배치되고 지향된 다수의 토출 노즐들을 각각 포함한다. 어떤 실시예들에서, 각각의 분말 디스펜서 카트리지는 카트리지(230a 내지 230d)들과 마찬가지로 다수의 노즐들을 가지며, 모든 노즐들이 선형 구조 또는 임의의 다른 편리한 구조로 구성될 수 있다. 가요성 전도성 기판을 완전히 덮기 위해, 각각의 디스펜서가 활성화된 전구체를 분사하면서 가요성 전도성 기판(408)을 가로질러 이동하거나, 가요성 전도성 기판(408)이 분사 디스펜서 카트리지(230a, 230b 및 230c, 230d 또는 이들 모두)들 사이로 이동할 수 있다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지(230)의 하나의 예시적 실시예를 도시한 사시도이다. 분사 디스펜서 카트리지(230)는 챔버 본체(202)로부터 분사 디스펜서 카트리지(230)의 장착과 제거를 용이하게 하는 핸들(506)과 커플링된 디스펜서 본체(502)와 상기 디스펜서 본체(502)에 하나 또는 그 초과의 분사 노즐(510a 내지 510e)들을 위치결정하여 고정시키기 위한 면판(508)을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 분사 노즐(510a 내지 510e)들이 면판(508)과 커플링되며, 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)은 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)을 빠져나가는 전구체 스트림을 향해 공기를 전달하기 위해 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)의 반대되는 측면들 상에 배치된 대응하는 보조 노즐(512a 내지 512e, 514a 내지 514e)들 쌍을 갖는다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 분사 디스펜서 카트리지의 보조 노즐의 배향의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 각각의 보조 노즐(512a 내지 512e, 514a 내지 514e)들의 중심축(604a, 604b)은 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)의 중심을 길이방향으로 횡단하는 중심축(610)에 대해 각도(α)로 각을 이룰 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 보조 노즐(512a 내지 512e, 514a 내지 514e)들은 상기 중심축에 대해 5°내지 50°사이의 각도로 독립적으로 각을 이룰 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 보조 노즐(512a 내지 512e, 514a 내지 514e)들은 상기 중심축에 대해 20°내지 30°사이의 각도로 독립적으로 각을 이룰 수 있다. 어떤 실시예들에서, 전구체 스트림이 분사 노즐(510a 내지 510e)을 액체로서 빠져나가는 경우, 보조 노즐(512a 내지 512e, 514a 내지 514e)들은 가열된 공기를 액체 전구체 스트림에 전달함으로써, 액체 전구체 스트림의 비산중(in-flight) 증발을 허용하여 가요성 전도성 기판(108)의 표면에 도달하기 전에 활성화된 물질로부터 액체의 일부를 분리시킬 수 있도록 한다.
디스펜서 본체(502)는 분사 디스펜서가 챔버 본체(202)에 이동가능하게 고정될 수 있도록 하는 치수로 되어 있다. 분사 디스펜서 본체(502)는 가요성 전도성 기판(108)의 표면 커버리지를 변화시킬 수 있도록 x-방향과 y-방향 중 적어도 한 방향으로 이동가능할 수 있다. 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 가요성 전도성 기판(108)에 대한 각각의 노즐(510a 내지 510e) 사이의 거리를 증대 또는 감소시키기 위해 조절될 수 있다. 가요성 전도성 기판(108)에 대해 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)를 조절하는 능력은 분사 패턴의 크기에 대한 조절을 제공한다. 예컨대, 가요성 전도성 기판(108)과 분사 노즐(510a 내지 510e)들 사이의 거리가 증가하면, 분사 패턴은 가요성 전도성 기판(108)의 더 큰 표면적을 덮기 위해 더 개방되지만, 거리가 감소하면, 분사 속도가 감소한다. 일 실시예에서, 분사 노즐(510a 내지 510e)의 선단과 가요성 전도성 기판(108) 사이의 거리는 5 내지 20㎝이다. 도 5는 하나의 예시적인 실시예를 도시하고 있으며, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 가요성 전도성 기판(108)의 원하는 영역을 균일하게 덮기에 충분한 임의의 개수의 분사 노즐(510)들 및/또는 보조 노즐(512, 514)들을 포함할 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 어떤 실시예들에서, 분사 노즐(510a 내지 510e)은 분사 디스펜서에 대한 분사 노즐들의 운동을 허용하는 액추에이터와 커플링될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)은 자체의 유동 및 압력 컨트롤러를 갖는다. 어떤 실시예들에서, 각각의 보조 노즐(512, 514)은 자체의 유동 및 압력 컨트롤러를 갖는다.
일 실시예에서, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 가요성 전도성 기판(108)의 전부 또는 상당한 부분 위에 활성화된 미립자들을 증착하기 위해 가요성 전도성 기판(108)에 대해 이동한다. 이는 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d), 각각의 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)의 하나 또는 그 초과의 분사 노즐들 및 가요성 전도성 기판(108) 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)는 액추에이터를 이용하여 분사 증착 영역을 가로질러 이동하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 공급 롤(140)과 권취 롤(142)과 임의의 선택적인 중간 이송 롤러들이 가요성 전도성 기판(108)의 균일한 커버리지가 가능하도록 기판을 z-방향으로 이동시킬 수 있는 위치결정 기구를 가질 수 있다.
상기 하나 또는 그 초과의 노즐들은 각각 혼합 챔버(미도시)와 커플링될 수 있으며, 상기 혼합 챔버는 액체, 슬러리 또는 현탁액 전구체를 위한 분무기를 특징으로 할 수 있으며, 상기 혼합 챔버에서 증착 전구체는 분사 증착 영역으로 전달되기 전에 가스 혼합물과 혼합된다.
어떤 실시예들에서, 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)은, 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)의 막힘을 세척하고 제거하여 각각의 분사 노즐(510a 내지 510e)이 건조되는 것을 방지하기 위해, 세척액 소스, 예컨대, 탈이온수 소스와, 비반응성 가스 소스, 예컨대, 질소 가스 소스와 커플링될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)를 빠져나가는 가스 혼합물은 캐리어 가스 혼합물 내에 포함되어 기판 상에 증착될 활성화된 미립자들을 포함하며, 연소 생성물들을 선택적으로 포함할 수 있다. 가스 혼합물은 수증기, 탄소 일산화물 및 이산화물, 금속들과 같은 소량의 증발된 전기화학 물질들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가스 혼합물은 기판으로 활성화된 물질을 전달하는 것을 돕기 위해 사용되는 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)와 같은 비반응성 캐리어 가스 성분을 포함한다.
활성화된 미립자들을 포함하는 가스 혼합물은, 열 에너지를 방출하고 활성화된 물질이 가요성 전도성 기판(108)을 향해 분사 패턴들로 전파하도록 하는 연소 반응을 격발시키기 위한 연소가능한 혼합물을 더 포함할 수 있다. 분사 패턴들은 가요성 전도성 기판(108)의 상당한 부분들을 균일하게 덮도록 하기 위해 노즐의 기하학적 구조, 가스 유동 속도 및 연소 반응 속도 중 적어도 하나에 의해 성형될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 분사 디스펜서 카트리지(230a 내지 230d)가 다수의 분사 노즐들을 포함하는 경우, 노즐들은 선형 구조로 배치되거나, 대향하는 다중 헤드 분사 카트리지들 사이로 이동할 때 가요성 전도성 기판(108)의 표면의 균일한 커버리지를 가능하게 하는 임의의 다른 편리한 구조로 배치될 수 있다.
캐리어 가스 혼합물과 활성화된 미립자들을 포함하는 가스 혼합물이 가요성 전도성 기판(108)에 접촉할 때, 활성화된 미립자들은 가요성 전도성 기판(108) 상에 잔류하는 반면, 가스는 가요성 전도성 기판(108)으로부터 반사되도록, 활성 물질 분사 챔버(124) 내부의 압력과 가스 유동들이 조절된다. 반사된 가스가 분사 노즐(510a 내지 510e)을 빠져나가는 가스 혼합물의 경로 속으로 역류하는 것을 방지하기 위해, 반원형 펌핑 채널(224a 내지 224d, 226a 내지 226d)들을 이용하여 배기로가 형성된다. 배기로는 반원형 펌핑 채널(224a 내지 224d, 226a 내지 226d)들을 통해 분사 증착 영역(220a 내지 220d)으로부터 반사된 가스를 배기함으로써 각각의 분사 증착 영역(220a 내지 220d)으로부터 반사된 가스를 제거한다. 반원형 펌핑 채널(224a 내지 224d, 226a 내지 226d)들은 임의의 편리한 구조를 가질 수 있는 배기구(미도시)와 커플링될 수 있다. 배기구는 챔버 본체(202)의 벽체 내의 단일의 개구이거나, 그러한 다수의 개구들이거나, 챔버 본체(202)의 주연부 주변에 배치된 반원형 배기 채널일 수 있다.
하나의 예시적 실시예에서, 3차원 다공성 구조가 위에 배치된 기판(108)과 같은 가요성 전도성 기판의 일부는 측벽(210) 내의 제 1 개구(320)를 통해 활성 물질 분사 챔버(124)로 진입하여 분사 디스펜서 카트리지(230a 및 230b)들 사이의 제 1 프로세싱 영역(216)을 통해 이동하며, 상기 분사 디스펜서 카트리지들은 가요성 전도성 기판(108)의 반대되는 측면들 상의 3차원 다공성 구조 위에 제 1 분말을 증착하여 제 1 층을 형성한다. 그 다음, 상기 기판 부분은 공급 롤(140)과 권취 롤(142)과 임의의 선택적인 중간 이송 롤러들을 이용하여 분사 디스펜서 카트리지(230c 및 230d)들 사이의 제 2 프로세싱 영역(218)을 통해 이동하며, 상기 제 2 프로세싱 영역에서 상기 제 1 분말 위에 제 2 분말이 증착된다. 그 다음, 상기 제 1 및 제 2 분말들이 덮인 기판 부분은 추가의 프로세싱을 위하여 제 2 개구(330)를 통해 활성 물질 분사 챔버(124)를 빠져나가게 된다. 본 명세에 개시된 장치를 이용하여 형성될 수 있는 구조들과 실시될 수 있는 프로세스들의 예시적 실시예들이 "고에너지 리튬 이온 배터리들을 위한 등급화된(graded) 전극 기술들"이라는 명칭으로 2010년 1월 13일자에 출원되어 Wang 등에 공동 양도된 미국 가특허 출원번호 제61/294,628호에 개시되어 있으며, 상기 가특허 출원의 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다.
도 7은 인라인 프로세싱 시스템(700)의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다. 인라인 프로세싱 시스템(700)의 부분 섹션은 양면 활성 물질 분사 챔버(124)와 유사한 양면 활성 물질 분사 챔버(724)와, 가요성 기판 베이스를 이동시키고 양면 활성 물질 분사 챔버(724)의 분사 증착 영역(220a, 220b) 내에 가요성 기판의 일부를 위치시키도록 구성된 가요성 기판 이송 조립체(730)를 포함한다. 양면 활성 물질 분사 챔버(724)는 가요성 전도성 기판(710)이 양면 활성 물질 분사 챔버(724)에서의 프로세싱을 위해 수평 위치로부터 수직 위치로 재배향된 다음 양면 활성 물질 분사 챔버(724)에서의 프로세싱 후 수평 위치로 다시 재배향될 수 있다는 것을 제외하고 양면 활성 물질 분사 챔버(124)와 유사하다.
기판 이송 조립체(730)는 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 아래에 배치된 공급 롤러(732)와 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 위에 배치된 권취 롤러(734)를 포함한다. 공급 롤러(732)와 권취 롤러(734)는 각각 가요성 전도성 기판(710)의 일부를 유지하도록 구성된다. 가요성 기판 이송 조립체(730)는 프로세싱중 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 내에서 가요성 전도성 기판(710)의 부분들을 공급하고 위치결정 하도록 구성된다.
일 실시예에서, 공급 롤러(732)와 권취 롤러(734) 중 적어도 하나는 액추에이터들에 커플링된다. 분사 프로세스들이 가요성 전도성 기판 위에 실시될 수 있도록 가요성 전도성 기판을 위치결정하고 원하는 장력을 인가하기 위해 공급 액추에이터와 권취 액추에이터가 이용된다. 공급 액추에이터와 권취 액추에이터는 DC 서보 모터, 스테퍼 모터, 기계식 스프링 및 브레이크, 또는 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 내부의 원하는 위치에 가요성 전도성 기판(710)을 위치시켜 유지하기 위해 이용될 수 있는 다른 장치들일 수 있다. 일 실시예에서, 공급 롤러(732)와 권취 롤러(734) 중 적어도 하나는 가열된다.
양면 활성 물질 분사 챔버(724)는, 당해 양면 활성 물질 분사 챔버(724)가 제 1 분사 증착 영역(220a)과 제 2 분사 증착 영역(220b)을 가진 단일의 프로세싱 영역을 포함하는 반면 양면 활성 물질 분사 챔버(124)는 4개의 분사 증착 영역(220a, 220b, 220c, 220d)들을 갖는다는 점을 제외하고, 양면 활성 물질 분사 챔버(124)와 유사하다. 상기 시스템(700)이 다수의 분사 증착 영역들을 구비한 추가적인 프로세싱 영역들을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 8은 인라인 프로세싱 시스템(800)의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 부분 측면도이다. 인라인 프로세싱 시스템(800)의 부분 섹션은 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 및 양면 활성 물질 분사 챔버(124)와 유사한 양면 분사 챔버(824)와, 가요성 전도성 기판(810)을 이동시키고 양면 분사 챔버(824)의 분사 증착 영역(220a, 220b) 내에 가요성 기판의 일부를 위치시키도록 구성된 가요성 기판 이송 조립체(830)를 포함한다. 양면 활성 물질 분사 챔버(824)는 가요성 전도성 기판(810)이 양면 분사 챔버(824)에서의 프로세싱을 위해 수평 위치에 있다는 것을 제외하고 양면 활성 물질 분사 챔버(724) 및 양면 분사 챔버(124)와 유사하다.
가요성 기판 이송 조립체(830)는 이송 롤러(832a, 832b)들을 포함한다. 각각의 이송 롤러(832a, 832b)들은 가요성 전도성 기판(810)의 일부를 유지하도록 구성된다. 가요성 기판 이송 조립체(830)는 프로세싱중 양면 분사 챔버(824) 내에서 가요성 전도성 기판(810)의 부분들을 공급하고 위치결정 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 이송 롤러(832a, 832b)들 중 적어도 하나는 가열된다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예들에 관한 것이나, 본 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않고 다른 추가적인 실시예들이 안출될 수 있으며, 본 발명의 범위는 하기된 특허청구범위에 의해 결정된다.
Claims (14)
- 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 양극성 또는 음극성의 활성 물질을 동시에 증착하기 위한 장치로서,
하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들을 규정하는 모듈형 챔버 본체로서, 상기 프로세싱 영역 내에서 상기 가요성 전도성 기판이 양면 증착 프로세스에 노출되고, 상기 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들의 각각은 상기 가요성 전도성 기판의 일부의 반대되는 측면들 상에 상기 활성 물질을 동시에 분사하기 위한 제 1 분사 증착 영역과 제 2 분사 증착 영역으로 더 분할되는, 모듈형 챔버 본체;
상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 분사하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 분사 디스펜서 카트리지;
폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 1 분사 디스펜서 카트리지로부터의 상기 활성 물질의 유동 경로를 차단하기 위하여 상기 제 1 분사 증착 영역 내에 배치된 제 1 가동식 수집 셔터;
상기 가요성 전도성 기판을 향해 상기 활성 물질을 분사하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 분사 디스펜서 카트리지; 및
폐쇄 위치에 있을 때, 상기 제 2 분사 디스펜서 카트리지로부터의 상기 활성 물질의 유동 경로를 차단하기 위하여 상기 제 2 분사 증착 영역 내에 배치된 제 2 가동식 수집 셔터를 포함하는,
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 분사 증착 영역들의 각각은 각각의 분사 증착 영역으로부터 가스를 배기하고 각각의 분사 증착 영역 내부의 압력을 제어하기 위해 제 1 반원형 펌핑 채널과 제 2 반원형 펌핑 채널에 의해 규정된,
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 분사 디스펜서 카트리지의 각각은 상기 챔버 본체의 측벽 속으로 제거가능하게 삽입되는,
장치. - 제 1 항에 있어서,
각각의 분사 디스펜서 카트리지는 활성 물질을 형성하기 위해 증착 전구체를 통전(energize)시키도록 증착 전구체를 전기장에 노출시키기 위한 전기 소스와 커플링된,
장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 전기 소스는 RF 소스 또는 DC 소스인,
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 모듈형 챔버 본체는 교차 오염을 방지하기 위하여 상기 하나 또는 그 초과의 프로세싱 영역들을 2개의 격리된 프로세싱 영역들로 분할하는 내부 벽체를 더 포함하며, 각각의 격리된 프로세싱 영역은 상기 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들을 동시에 프로세싱하기 위해 제 1 분사 증착 영역과 상기 제 1 분사 증착 영역에 대향하는 제 2 분사 증착 영역을 포함하는,
장치. - 제 1 항에 있어서,
각각의 분사 디스펜서 카트리지는,
디스펜서 본체;
상기 디스펜서 본체에 대해 하나 또는 그 초과의 분사 노즐들을 위치결정 하기 위해 상기 디스펜서 본체와 커플링된 면판; 및
상기 가요성 전도성 기판을 향해 활성화된 물질을 전달하기 위한 하나 또는 그 초과의 분사 노즐들을 포함하는,
장치. - 제 7 항에 있어서,
각각의 분사 디스펜서 카트리지는 상기 활성화된 물질을 향해 가열된 공기를 전달하여 상기 활성화된 물질로부터 액체의 비산중 증발(in-flight evaporation)을 허용하기 위해 상기 하나 또는 그 초과의 분사 노즐들의 각각의 반대되는 측면들에 위치된 한 쌍의 보조 분사 노즐들을 더 포함하는,
장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 보조 분사 노즐들의 각각은 각각의 분사 노즐의 중심을 길이방향으로 횡단하는 중심축에 대해 20°내지 50°사이의 각도로 독립적으로 각을 이루는,
장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 분사 디스펜서는 상기 가요성 전도성 기판에 대한 각각의 분사 노즐 사이의 거리를 증대 또는 감소시키기 위해 이동가능한,
장치. - 제 1 항에 있어서,
각각의 분사 디스펜서 카트리지와 커플링된 활성 물질 소스를 더 포함하며, 상기 활성 물질 소스는 리튬 코발트 이산화물(LiCo02), 리튬 망간 이산화물(LiMn02), 티타늄 이황화물(TiS2), LiNixCo1 -2 xMn02, LiMn204, 철 감람석(LiFeP04), LiFe1-xMgP04, LiMoP04, LiCoP04, Li3V2(P04)3, LiV0P04, LiMP207, LiFe1 .5P207, LiVP04F, LiAlP04F, Li5V(P04)2F2, Li5Cr(P04)2F2, Li2CoP04F, Li2NiP04F, Na5V2(P04)2F3, Li2FeSi04, Li2MnSi04, Li2VOSi04, 및 이들의 조합물들 중 적어도 하나로부터 선택된 음극성의 활성 물질 소스인,
장치. - 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 전기-활성 물질을 동시에 증착하기 위한 방법으로서,
3차원 다공성 구조가 위에 증착된 상기 가요성 전도성 기판의 일부를 양면 활성 물질 분사 챔버의 제 1 프로세싱 영역을 통해 제 1 분사 디스펜서 카트리지와 제 2 분사 디스펜서 카트리지 사이로 이동시키는 단계;
제 1 층을 형성하기 위해 상기 제 1 분사 디스펜서 카트리지와 상기 제 2 분사 디스펜서 카트리지를 이용하여 상기 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상에 상기 3차원 다공성 구조를 가진 상기 가요성 전도성 기판의 일부 위에 제 1 전기-활성 물질을 분사하는 단계;
상기 제 1 전기-활성 물질이 위에 증착된 상기 가요성 전도성 기판의 일부를 상기 분사 증착 챔버의 제 2 프로세싱 영역을 통해 제 3 분사 디스펜서 카트리지와 제 4 분사 디스펜서 카트리지 사이로 이동시키는 단계; 및
상기 제 3 분사 디스펜서 카트리지와 상기 제 4 분사 디스펜서 카트리지를 이용하여 상기 가요성 전도성 기판의 반대되는 측면들 상의 상기 제 1 전기-활성 물질 위에 제 2 전기-활성 물질을 분사하는 단계를 포함하며,
상기 제 1 프로세싱 챔버와 상기 제 2 프로세싱 챔버는 교차 오염을 방지하기 위해 서로로부터 격리된,
방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전기-활성 물질은 제 1 직경을 가진 음극성의 활성 미립자들을 포함하고, 상기 제 2 전기-활성 물질은 제 2 직경을 가진 양극성의 활성 미립자들을 포함하며, 상기 제 2 직경은 상기 제 1 직경보다 더 큰,
방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 가요성 전도성 기판은 공급 롤과 이송 롤에 의해 이동되는 웨브 기반 기판인,
방법.
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