KR20220041647A

KR20220041647A - 매니폴드가 개선된 듀얼 슬롯 다이 코터

Info

Publication number: KR20220041647A
Application number: KR1020200125181A
Authority: KR
Inventors: 이택수; 전신욱; 최상훈
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-04-01
Also published as: CN115427158A; US11772119B2; CN115427158B; EP4154991A1; WO2022065710A1; US20230136243A1; EP4154991A4

Abstract

전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일한 매니폴드를 포함하는 듀얼 슬롯 다이 코터를 제공한다. 본 발명의 듀얼 슬롯 다이 코터는 제1 코팅액을 수용하는 제1 매니폴드 및 제2 코팅액을 수용하는 제2 매니폴드를 포함한다. 제1 매니폴드는 만입 형상의 챔버로서, 하부 슬롯 쪽에 하부 슬롯에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제1 면과 제2 면을 포함하며, 하부 슬롯에 가장 가까운 제1 면은 그 뒤에서 이어진 제2 면 대비하여 각도가 30~70% 수준으로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

매니폴드가 개선된 듀얼 슬롯 다이 코터{Dual slot die coater with improved manifold}

본 발명은 2층 이상의 층을 습식으로 동시에 형성할 수 있는 듀얼 슬롯 다이 코터에 관한 것으로서, 생산성을 개선한 듀얼 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 이용하고 있다.

슬롯 다이 코터를 이용한 전극 제조 방법에서는, 코팅 롤에 의해 이송되는 집전체 위에 슬롯 다이 코터로부터 토출된 전극 활물질 슬러리를 도포하게 된다. 종래 슬롯 다이 코터는 2개의 다이를 포함하고 2개의 다이 사이에 슬롯을 형성한 것으로, 1개의 슬롯을 통해 1종의 전극 활물질 슬러리를 토출하여 1층의 전극 활물질층을 형성할 수가 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 본 출원의 발명자들은, 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포할 수 있는 듀얼 슬롯 다이 코터를 제안한 바 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1의 듀얼 슬롯 다이 코터에서 하부 다이 블록의 사시도이다. 도 3은 도 1의 A 영역 확대도이다.

도 1을 참조하면, 코팅 롤(10)을 회전시켜 집전체(15)를 주행시키면서 듀얼 슬롯 다이 코터(20)로부터 2종의 전극 활물질 슬러리를 토출시켜 집전체(15) 상에 2층의 전극 활물질층을 동시에 형성할 수가 있다. 듀얼 슬롯 다이 코터(20)에서 토출된 전극 활물질 슬러리는 집전체(15)의 일 면에 넓게 도포되어 전극 활물질층을 형성한다.

듀얼 슬롯 다이 코터(20)는 3개의 판 부재, 즉 3개의 다이 블록들(21, 22, 23)을 조립하여 구성한다. 서로 이웃하는 다이 블록들 사이에 슬롯을 형성하기 때문에 슬롯이 2개 형성되고, 각 슬롯에 연통되어 있는 토출구(24, 25)를 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출함으로써 먼저 도포된 전극 활물질 슬러리에 의해 형성된 전극 활물질층 상에 추가적인 전극 활물질 슬러리를 연속적으로 도포해 2층의 전극 활물질층을 동시에 형성할 수 있는 것이다. 참조번호 26, 27은 코팅액이 담기는 매니폴드(manifold)이다.

이와 같이 듀얼 슬롯 다이 코터(20)를 이용한 코팅 방법에서는 다이 블록들(21, 22, 23) 내부에서 전극 활물질 슬러리가 매니폴드(26, 27)에 충진되고 이를 거쳐 토출구(24, 25)를 통해 코팅된다. 매니폴드(26, 27)에서 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해야 장시간 코팅에 용이하며 우수한 생산성을 가질 수 있다.

현재 이용 중인 듀얼 슬롯 다이 코터(20)에서 다이 블록(21)에 형성된 매니폴드(26)의 형상은 도 2의 사시도와 같다. 집전체(15)의 폭방향으로 균일한 코팅량을 도포하기 위하여 매니폴드(26)는 큰 챔버(chamber) 형상을 가지고 있다. 도 2와 도 3을 함께 참조하면 매니폴드(26)에서 집전체(15)가 주행하는 방향을 따르는 단면에서 토출구(24)와 가까운 면(26a)은 직선 형태이며 다이 블록(21)의 선단부까지의 영역인 랜드부(21a)와 이루는 각도가 θ로 일정하다.

전극 활물질 슬러리는 매니폴드(26) 내에서 유동이 균일해야 코팅 품질이 우수하다. 매니폴드(26) 안에서 전극 활물질 슬러리가 정체되거나 느린 속도로 움직이는 영역이 있을 경우, 장시간 사용시 매니폴드(26) 내부에서 전극 활물질 슬러리가 응집되어 유동에 변형을 일으켜 폭방향 로딩 편차가 발생되거나, 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구를 막는 등의 현상으로 코팅 표면이 불균일해질 수 있어 표면 불량이 발생하게 된다. 그런데 종래 듀얼 슬롯 다이 코터(20)에 구비되는 매니폴드(26)에서는 종종 이러한 문제가 발생되기 때문에 이에 대한 개선이 필요하다.

본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일한 매니폴드를 포함하는 듀얼 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 듀얼 슬롯 다이 코터는 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 듀얼 슬롯 다이 코터로서, 하부 다이 블록, 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 상기 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록 및 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상기 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록 또는 중간 다이 블록에 구비되어 제1 코팅액을 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및 상기 상부 다이 블록 또는 중간 다이 블록에 구비되어 제2 코팅액을 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하고, 상기 제1 매니폴드는 만입 형상의 챔버로서, 상기 하부 슬롯 쪽에 상기 하부 슬롯에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제1 면과 제2 면을 포함하며, 상기 두 면 중 상기 하부 슬롯에 가장 가까운 제1 면은 그 뒤에서 이어진 제2 면 대비하여 상기 각도가 30~70% 수준으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 면의 길이는 15mm 이하일 수 있다.

상기 제1 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 20° 내지 60° 사이일 수 있다.

바람직한 예에서, 상기 제1 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 30°이고, 상기 제2 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 60°이다.

본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터에서, 상기 제2 매니폴드는 만입 형상의 챔버로서, 상기 상부 슬롯 쪽에 상기 상부 슬롯에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제3 면과 제4 면을 포함하며, 상기 두 면 중 상기 상부 슬롯에 가장 가까운 제3 면은 그 뒤에서 이어진 제4 면 대비하여 상기 각도가 30~70% 수준으로 형성된 것일 수도 있다.

상기 제3 면의 길이가 15mm 이하일 수 있다.

상기 제3 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 20° 내지 60° 사이일 수 있다.

상기 제3 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 30°이고, 상기 제4 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 60°일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30° 내지 60°의 각도를 이루는 것일 수 있다.

상기 중간 다이 블록은 상기 기재가 주행하는 방향을 따르는 단면에서 직각 삼각형 형상을 가지며, 상기 제1 매니폴드는 상기 하부 다이 블록에 구비되고 상기 제2 매니폴드는 상기 상부 다이 블록에 구비될 수 있다.

상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록은 각각 그 선단부를 형성하는 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립을 구비한다. 상기 하부 다이립과 상기 중간 다이립 사이에는 상기 하부 슬롯과 연통하는 하부 토출구가 형성되고, 상기 중간 다이립과 상기 상부 다이립 사이에는 상기 상부 슬롯과 연통하는 상부 토출구가 형성된다. 상기 하부 다이 블록과 상기 중간 다이 블록 사이에 개재되어 상기 하부 슬롯의 폭을 조절하는 제1 스페이서와, 상기 중간 다이 블록과 상기 상부 다이 블록 사이에 개재되어 상기 상부 슬롯의 폭을 조절하는 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 매니폴드 내에서 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다. 매니폴드 내에서 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간이 최소화되기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 로딩 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구를 막는 문제가 없다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해 장시간 코팅에 용이해 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 끝단부의 경사각을 보다 완만하게 함으로써 전극 활물질 슬러리 토출이 원활해진다. 이러한 매니폴드를 구비하는 듀얼 슬롯 다이 코터는 소망하는 두께로 균일하게 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다.

본 발명의 듀얼 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 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 듀얼 슬롯 다이 코터에서 하부 다이 블록의 사시도이다.
도 3은 도 1의 A 영역 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 B 영역 확대도이다.
도 7은 도 4의 C 영역 확대도이다.
도 8은 실험예에서 평균 체류 시간 대비 체류 시간 1000초 이상 영역 비율 그래프이다.

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 듀얼 슬롯 다이 코터는 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 기재 상에 코팅액을 이중층으로 코팅하는 장치이다. 이하의 설명하는 '기재'는 집전체이고 코팅액은 '전극 활물질 슬러리'이다. 제1 코팅액과 제2 코팅액은 모두 전극 활물질 슬러리로서, 조성(활물질, 도전재, 바인더의 종류)이나 함량(활물질, 도전재, 바인더의 양)이나 물성이 서로 동일하거나 다른 전극 활물질 슬러리를 의미할 수 있다. 본 발명의 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 제1 코팅액과 제2 코팅액은 조성이나 물성이 서로 다른 유기물일 수 있다. 즉, 박막 코팅이 요구되는 경우라면 상기 기재와 제1 코팅액과 제2 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다. 도 6은 도 4의 B 영역 확대도이다.

본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(100)는 하부 슬롯(101)과 상부 슬롯(102)을 구비하고 하부 슬롯(101)과 상부 슬롯(102)을 통하여 서로 같거나 다른 2종의 코팅액을 기재(300) 상에 동시에 혹은 번갈아 코팅할 수 있는 장치이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 듀얼 슬롯 다이 코터(100)는 하부 다이 블록(110), 상기 하부 다이 블록(110)의 상부에 배치되는 중간 다이 블록(120), 상기 중간 다이 블록(120)의 상부에 배치되는 상부 다이 블록(130)을 포함한다. 다이 블록들(110, 120, 130)은 볼트와 같은 체결 부재(미도시)를 통해 서로 조립된다.

하부 다이 블록(110)은 듀얼 슬롯 다이 코터(100)를 구성하는 블록들 중 가장 하부에 위치하는 블록으로서, 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면이 바닥면(X-Z 평면)에 대해 대략 30° 내지 60°의 각도를 이루도록 경사진 형태를 갖는다.

하부 슬롯(101)은 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성될 수 있다. 이를테면, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 사이에 제1 스페이서(113)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 제1 코팅액(50)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 하부 슬롯(101)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 스페이서(113)의 두께는 상기 하부 슬롯(101)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.

상기 제1 스페이서(113)는 도 5에 도시한 바와 같이, 일 영역이 절개되어 제1 개방부(113a)를 구비하며, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 제1 코팅액(50)이 외부로 토출될 수 있는 하부 토출구(101a)는 하부 다이 블록(110)의 선단부와 중간 다이 블록(120)의 선단부 사이에만 형성된다. 상기 하부 다이 블록(110)의 선단부와 상기 중간 다이 블록(120)의 선단부를 각각 하부 다이립(111), 중간 다이립이라 정의하고 다시 말하면, 상기 하부 토출구(101a)는 하부 다이립(111)과 중간 다이립(121) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.

참고로, 제1 스페이서(113)는 하부 토출구(101a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 사이의 틈새로 제1 코팅액(50)이 누출되지 않도록 하는 가스켓(gasket)으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 하부 다이 블록(110)은 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면에 소정의 깊이를 가지며 하부 슬롯(101)과 연통하는 제1 매니폴드(112)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제1 매니폴드(112)는 외부에 설치된 제1 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 제1 코팅액(50)을 공급받는다. 상기 제1 매니폴드(112) 내에 제1 코팅액(50)이 가득 차게 되면, 상기 제1 코팅액(50)이 하부 슬롯(101)을 따라 흐름이 유도되고 하부 토출구(101a)를 통해 외부로 토출되게 된다.

중간 다이 블록(120)은 듀얼 슬롯 다이 코터(100)를 구성하는 블록들 중 중간에 위치하는 블록으로서, 하부 다이 블록(110)과 상부 다이 블록(130) 사이에 배치되어 이중 슬롯을 형성하기 위한 블록이다. 본 실시예의 중간 다이 블록(120)은 단면이 직각 삼각형이다. 다른 실시예에 따르면, 예컨대 단면이 이등변 삼각형으로 마련될 수도 있다.

상부 다이 블록(130)은 바닥면에 대해 수평한 중간 다이 블록(120)의 상면에 대면하게 배치된다. 상부 슬롯(102)은 이같이 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130)이 대면하는 곳 사이에 형성된다.

전술한 하부 슬롯(101)과 마찬가지로, 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130) 사이에 제2 스페이서(133)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련될 수 있다. 이로써 제2 코팅액(60)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 상부 슬롯(102)이 형성된다. 이 경우, 상기 상부 슬롯(102)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)은 제2 스페이서(133)에 의해 결정된다.

또한, 제2 스페이서(133)도 전술한 제1 스페이서(113)와 유사한 구조로서 일 영역이 절개되어 제2 개방부(133a)를 구비하며, 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에만 개재된다. 마찬가지로 상부 슬롯(102)의 전방을 제외한 둘레 방향은 막히게 되고 중간 다이 블록(120)의 선단부와 상부 다이 블록(130)의 선단부 사이에만 상부 토출구(102a)가 형성된다. 상기 상부 다이 블록(130)의 선단부를 상부 다이립(131)이라 정의하고 다시 말하면, 상기 상부 토출구(102a)는 중간 다이립(121)과 상부 다이립(131) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.

또한, 상부 다이 블록(130)은 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면에 소정의 깊이를 가지며 상부 슬롯(102)과 연통하는 제2 매니폴드(132)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제2 매니폴드(132)는 외부에 설치된 제2 코팅액 공급 챔버와 공급관으로 연결되어 제2 코팅액(60)을 공급받는다. 파이프 형태의 공급관을 따라 외부에서 제2 코팅액(60)이 공급되어 제2 매니폴드(132) 내에 가득 차게 되면, 상기 제2 코팅액(60)이 제2 매니폴드(132)와 연통되어 있는 상부 슬롯(102)을 따라 흐름이 유도되고 상부 토출구(102a)를 통해 외부로 토출되게 된다.

상부 슬롯(102)과 하부 슬롯(101)은 일정한 각도를 이루는데, 상기 각도는 대략 30° 내지 60°의 각도일 수 있다. 이러한 상부 슬롯(102)과 하부 슬롯(101)은 서로 한 곳에 교차하게 되고 상기 교차 지점 부근에 상기 상부 토출구(102a)와 하부 토출구(101a)가 마련될 수 있다. 이에 제1 코팅액(50)과 제2 코팅액(60)의 토출 지점이 대략 한 곳에 집중될 수 있다.

본 실시예에서 제1 및 제2 매니폴드(112, 132)는 하부 다이 블록(110)과 상부 다이 블록(130)에 각각 형성한다. 이와 같이 함으로써 구조적으로 제일 취약한 중간 다이 블록(120)의 변형에 영향을 덜 줄 수 있다. 다른 예로 제1 매니폴드(112)는 하부 다이 블록(110)에 형성되고 제2 매니폴드(132)는 중간 다이 블록(120)에 형성될 수가 있다. 또 다른 예로 제1 매니폴드(112)와 제2 매니폴드(132) 모두 중간 다이 블록(120)에 형성될 수도 있다.

이러한 구성을 갖는 듀얼 슬롯 다이 코터(100)에 의하면, 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(200)을 듀얼 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(200)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(300)를 주행시키면서, 제1 코팅액(50)과 제2 코팅액(60)을 연속적으로 상기 기재(300)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(300)를 이중층으로 코팅시킬 수 있다. 또는 제1 코팅액(50)의 공급 및 중단, 그리고 제2 코팅액(60)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(300) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.

듀얼 슬롯 다이 코터(100)는 연속적으로 주행하는 기재(300) 표면에 하부 슬롯(101) 및 상부 슬롯(102) 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 것이다. 도 5 및 도 6에 상세히 나타낸 바와 같이, 제1 매니폴드(112)는 만입 형상의 챔버로서, 하부 슬롯(101)에 가까운 쪽에 하부 슬롯(101)에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제1 면(112a)과 제2 면(112b)을 포함한다.

상기 두 면 중 하부 슬롯(101)에 가장 가까운 제1 면(112a)은 그 뒤에서 이어진 제2 면(112b) 대비하여 상기 각도가 30~70% 수준으로 형성된다. 즉, 제1 면(112a)이 하부 슬롯(101)과 이루는 각도를 α, 제2 면(112b)이 하부 슬롯(101)과 이루는 각도를 β라고 하면, α 는 β 대비 30~70% 수준으로서, α 가 β보다 작다. 즉, 하부 토출구(101a)에 가까운 제1 면(112a)이 제2 면(112b)에 비하여 경사가 완만하다. α 가 β 대비 30% 이하 수준이거나 70% 이상 수준이면 제1 코팅액(50) 정체 해결에 큰 도움이 되지 못한다.

제1 면(112a)의 길이 d는 15mm 이하일 수 있다. 제1 면(112a)의 길이 d는 15mm를 넘지 않는 것이 좋다. 경사가 완만한 제1 면(112a)이 15mm보다 길어지면 오히려 전극 활물질 슬러리의 정체가 발생할 수 있다.

제1 면(112a)이 하부 슬롯(101)과 이루는 각도 α 는 20° 내지 60° 사이일 수 있다. α 가 20° 미만이거나 60°를 넘어가면 제1 코팅액(50) 정체 해결에 큰 도움이 되지 못한다.

바람직한 예에서, 제1 면(112a)이 하부 슬롯(101)과 이루는 각도 α 는 30°이고, 제2 면(112b)이 하부 슬롯(101)과 이루는 각도 β 는 60°일 수 있다. 이 경우, α 는 β 대비 50% 수준이다.

본 발명은 매니폴드 내에서 전극 활물질 슬러리 정체를 최소화하기 위한 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(100)에서 제1 매니폴드(112)는 하부 토출구(101a)로 제1 코팅액(50)을 공급하게 되는 영역에서의 내측면이 제1 면(112a)과 제2 면(112b)을 포함함으로써, 도 3에서 본 바와 같이 종래의 매니폴드(26)에서 집전체(15)가 주행하는 방향을 따르는 단면에서 토출구(24)와 가까운 면(26a)이 직선 형태인 것과 비교해 직선이 아닌 다각 형상임을 특징으로 한다. 즉, 제1 매니폴드(112)에서 하부 토출구(101a)로 공급되는 영역의 끝단부에 완만한 경사를 준 것에 해당한다. 로딩이 균일하게 되도록 하기 위해서 매니폴드 단부에 서로 다른 경사도를 가지게 한 것이다. 기존 매니폴드(26)에서 단부의 경사각이 θ이고 이것이 일정하게 유지되는 경우라고 본다면(도 3 참조) 본 발명에서 제1 매니폴드(112)는 그 단부의 일부는 경사각이 β 이고 끝단부는 경사각이 β 보다 작은 α이다. 즉, 끝단부의 경사각을 보다 완만하게 설계함으로써 전극 활물질 슬러리와 같은 제1 코팅액(50) 토출이 원활해지도록 한다. 이러한 본 발명에 따르면, 제1 매니폴드(112) 내 제1 코팅액(50) 유동이 균일화되고 정체 시간이 최소화된다.

도 7은 도 4의 C 영역 확대도이다. 제2 매니폴드(132)도 제1 매니폴드(112)처럼 각도가 서로 다른 두 면으로서 제3 면(132a)과 제4 면(132b)을 포함할 수 있다.

도 7에 상세히 나타낸 바와 같이, 제2 매니폴드(132)도 만입 형상의 챔버로서, 상부 슬롯(102)에 가까운 쪽에 상부 슬롯(102)에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제3 면(132a)과 제4 면(132b)을 포함한다. 여기서 제3 면(132a)은 제1 매니폴드(112)의 제1 면(112a)에 대응된다고 볼 수 있고 제4 면(132b)은 제1 매니폴드(112)의 제2 면(112b)에 대응된다고 볼 수 있다. 그러므로 앞서 제1 면(112a)과 제2 면(112b)에 대하여 각도 α, β 와 길이 d에 관한 설명이 제3 면(132a)과 제4 면(132b)에 대하여 각도 α', β' 와 길이 d' 에 대해서도 마찬가지로 적용된다.

즉, 상기 두 면 중 상부 슬롯(102)에 가장 가까운 제3 면(132a)은 그 뒤에서 이어진 제4 면(132b) 대비하여 상부 슬롯(102)에 대한 각도가 30~70% 수준으로 형성된다. 즉, 제3 면(132a)이 상부 슬롯(102)과 이루는 각도를 α', 제4 면(132b)이 상부 슬롯(102)과 이루는 각도를 β'라고 하면, α' 는 β' 대비 30~70% 수준이다. 즉, 상부 토출구(102a)에 가까운 제3 면(132a)이 제4 면(132b)에 비하여 경사가 완만하다.

제3 면(132a)의 길이 d'는 15mm 이하일 수 있다. 제3 면(132a)이 상부 슬롯(102)과 이루는 각도 α' 는 20° 내지 60° 사이일 수 있다. 바람직한 예에서, 제3 면(132a)이 상부 슬롯(102)과 이루는 각도 α' 는 30°이고, 제4 면(132b)이 상부 슬롯(102)과 이루는 각도 β' 는 60°일 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 제2 매니폴드(132) 내 제2 코팅액(60) 유동도 균일화되고 정체 시간이 최소화된다.

한편, 본 실시예에서는 코팅액을 2층으로 도포하는 경우, 또는 코팅액을 번갈아 공급하여 패턴 코팅을 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 개별 슬롯을 통한 토출이 아닌 슬롯의 도중에 2종의 코팅액이 합류하는 경우나, 슬롯을 3개 이상으로 구비하여 3층 이상을 동시 도포하는 경우에도 적용 가능한 것은 따로 설명하지 않아도 알 수 있을 것이다.

이하, 종래 기술에 의한 매니폴드를 비교예로서 설명하여, 매니폴드 형상이 전극 활물질 슬러리 정체에 미치는 영향을 더욱 자세히 설명한다.

표 1은 매니폴드 형상에 따라 전극 활물질 체류시간이 어떻게 달라지는 지를 보여주는 자료이다. 다양한 매니폴드 형상에 따라 시뮬레이션(simulation)을 실시하였다.

[표 1]

표 1의 3행에 매니폴드의 단면을 나타내었다. 색깔은 매니폴드 내에서 전극 활물질 슬러리가 체류하는 시간을 나타낸다(log 스케일). 빨간색일수록 전극 활물질 슬러리가 흐르지 않고 정체시간이 긴 것을 의미하며, 단면 전체에 대한 평균 체류 시간으로 평가 가능하다.

표 1에서와 같이 매니폴드의 단면 형상이 바뀌면 평균 체류 시간 및 체류 시간이 1000초 이상인 영역의 비율이 달라진다. 매니폴드에서 바닥면 부분에 전극 활물질 슬러리 체류시간이 안쪽보다 보통 긴 것을 알 수 있다. 그리고 매니폴드 바닥면이 좁을수록 평균 체류 시간이 길어지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 매니폴드의 단면 형상이 전극 활물질 체류 시간을 결정하는 데에 있어서 매우 중요함을 알 수 있다.

한편, 제1 매니폴드(112)에서 제1 면(112a)의 각도 α, 제2 면(112b)의 각도 β, 그리고 제1 면(112a)의 길이 d를 다양하게 한 샘플들에 대하여 제1 매니폴드(112)내 전극 활물질 슬러리 평균 체류 시간 및 체류시간 1000초 이상 영역 비율을 실험하였다. 여기에서도 표 1에 나타낸 바와 같은 시뮬레이션을 이용하였다.

표 2는 실험 조건 및 그 결과를 정리한 것이다(α, β의 단위는 °, d의 단위는 mm, 체류 시간 단위는 초(sec)). 도 8은 실험예에서 평균 체류 시간 대비 체류 시간 1000초 이상 영역 비율 그래프이다.

[표 2]

샘플 1 내지 3, 6은 실시예로서, 본 발명에서 제안하는 각도 관계 및 길이를 만족한다. 샘플 4와 5는 비교예로서, 본 발명에서 제안하는 각도 관계를 만족하지 않는다. 샘플 7과 8도 비교예로서, 본 발명에서 제안하는 제1 면(112a)의 길이 범위를 초과한다. 샘플 9도 비교예로서, 도 3을 참조하여 설명한 종래 매니폴드처럼 랜드부를 향하여 단면상 각도가 일정한 하나의 면만 가지는 경우이다.

표 2 및 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명 실시예의 경우 평균 체류시간이 비교예보다 짧고, 체류시간 1000초 이상인 영역 비율도 작다. 따라서, 본 발명에 의할 때에 매니폴드 내에서 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다는 것을 알 수 있다. 매니폴드 내에서 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간이 최소화되기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 로딩 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구를 막는 문제가 없다.

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 : 듀얼 슬롯 다이 코터 101 : 하부 슬롯
102 : 상부 슬롯 110 : 하부 다이 블록
111 : 하부 다이립 112 : 제1 매니폴드
112a : 제1 면 112b : 제2 면
113 : 제1 스페이서 120 : 중간 다이 블록
121 : 중간 다이립 130 : 상부 다이 블록
131 : 상부 다이립 132 : 제2 매니폴드
132a : 제3 면 132b : 제4 면
133 : 제2 스페이서 200 : 코팅 롤
300 : 기재

Claims

하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 듀얼 슬롯 다이 코터로서,
하부 다이 블록, 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 상기 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록 및 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상기 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록;
상기 하부 다이 블록 또는 중간 다이 블록에 구비되어 제1 코팅액을 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및
상기 상부 다이 블록 또는 중간 다이 블록에 구비되어 제2 코팅액을 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하고,
상기 제1 매니폴드는 만입 형상의 챔버로서, 상기 하부 슬롯 쪽에 상기 하부 슬롯에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제1 면과 제2 면을 포함하며,
상기 두 면 중 상기 하부 슬롯에 가장 가까운 제1 면은 그 뒤에서 이어진 제2 면 대비하여 상기 각도가 30~70% 수준으로 형성된 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 제1 면의 길이가 15mm 이하인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 제1 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 20° 내지 60° 사이인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 제1 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 30°이고, 상기 제2 면이 상기 하부 슬롯과 이루는 각도는 60°인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 제2 매니폴드는 만입 형상의 챔버로서, 상기 상부 슬롯 쪽에 상기 상부 슬롯에 대한 각도가 서로 다른 두 면으로서 제3 면과 제4 면을 포함하며,
상기 두 면 중 상기 상부 슬롯에 가장 가까운 제3 면은 그 뒤에서 이어진 제4 면 대비하여 상기 각도가 30~70% 수준으로 형성된 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제5항에 있어서, 상기 제3 면의 길이가 15mm 이하인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제5항에 있어서, 상기 제3 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 20° 내지 60° 사이인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제5항에 있어서, 상기 제3 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 30°이고, 상기 제4 면이 상기 상부 슬롯과 이루는 각도는 60°인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30° 내지 60°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
제1항에 있어서, 상기 중간 다이 블록은 상기 기재가 주행하는 방향을 따르는 단면에서 직각 삼각형 형상을 가지며, 상기 제1 매니폴드는 상기 하부 다이 블록에 구비되고 상기 제2 매니폴드는 상기 상부 다이 블록에 구비된 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.