KR20220122214A - 전고체 이차전지 제조 장치 - Google Patents

Abstract

개시된 전고체 이차전지 제조 장치는, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 각각 파우더 형태로 포함된 제1 전극 파우더를 시트 형상으로 성형하고 가열하여 고체상의 제1 전극층을 형성하는 제1 전극층 성형 유닛, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 포함된 액상의 제2 전극액을 제1 전극층의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층을 형성하는 제2 전극층 성형 유닛, 및 제1 전극층 및 제2 전극층을 하나씩 구비한 전지 셀을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착하는 셀 압착 유닛을 구비한다.

Description

전고체 이차전지 제조 장치{Apparatus for fabricating all solid state secondary battery}

본 발명은 전고체 이차전지 제조 장치에 관한 것이다.

현재 상용화된 대표적인 이차전지는 리튬 이온 이차전지로서, 가연성 액체 전해질을 포함하여 과열 또는 과충전될 경우에 팽창하여 폭발을 일으킬 위험성이 있다. 전고체 이차전지는 액체 전해질 대신에 고체 전해질 소재를 사용하여 폭발 및 화재 위험이 적고 안전하며, 다수의 단위 전지 셀(cell)이 직렬로 연결되는 바이폴라(bipolar) 구조로 설계될 수 있어 고전압 구현에 유리하다.

전고체 이차전지의 단위 전지 셀은 양극 활물질층, 고체 전해질층, 및 음극 활물질층을 구비한 3층 구조이거나, 고체 전해질이 첨가된 양극 활물질층 및 고체 전해질이 첨가된 음극 활물질층을 구비한 2층 구조로 구성될 수 있다. 그러나, 전고체 이차전지는 아직 상용화되어 양산되고 있지 않은 실정으로, 양산에 적합한 전고체 이차전지 제조 장치를 구현하는 연구와 노력도 요구된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2020-0069215호

본 발명은 전고체 이차전지를 양산에 적합하게 자동화된 공정 구현을 통해 생산하는 전고체 이차전지 제조 장치를 제공한다.

본 발명은, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 각각 파우더(powder) 형태로 포함된 제1 전극 파우더를 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 고체상의 제1 전극층을 형성하는 제1 전극층 성형 유닛, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 포함된 액상의 제2 전극액을 상기 제1 전극층의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층을 형성하는 제2 전극층 성형 유닛, 및 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착하는 셀 압착 유닛을 구비하는 전고체 이차전지 제조 장치를 제공한다.

본 발명의 전고체 이차전지 제조 장치는 전고체 이차전지를 자동화된 공정을 통하여 양산할 수 있다. 따라서, 전고체 이차전지의 생산성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이다.
도 2는 도 1의 전해질층 형성 유닛의 구성도이다.
도 3은 도 1의 제1 전극층 형성 유닛의 구성도이다.
도 4는 도 1의 제2 전극층 형성 유닛의 구성도이다.
도 5는 도 1의 셀 압착 유닛의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이다.
도 7은 도 6의 제1 전극층 형성 유닛의 구성도이다.
도 8는 도 6의 제2 전극층 형성 유닛의 구성도이다.
도 9는 도 6의 셀 압착 유닛의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이다.
도 11는 도 10의 제1 전극층 성형 유닛의 일 실시예의 구성도이고, 도 12은 도 10의 제2 전극층 성형 유닛의 일 실시예의 구성도이다.
도 13는 도 10의 전극층 결합기 및 프레스 유닛의 일 실시예의 구성도이다.
도 14는 도 10의 프레스 유닛의 다른 일 실시예의 구성도이다.
도 15은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 구성도이다.
도 16는 도 15의 제1 전극층 성형 유닛의 구성도이고, 도 17은 도 15의 제2 전극층 성형 유닛의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치 및 전고체 이차전지 제조 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이고, 도 2는 도 1의 전해질층 형성 유닛의 구성도이고, 도 3은 도 1의 제1 전극층 형성 유닛의 구성도이고, 도 4는 도 1의 제2 전극층 형성 유닛의 구성도이며, 도 5는 도 1의 셀 압착 유닛의 구성도이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(20)는, 휠 수 있는 고체상의 전해질층(2)과, 상기 전해질층(2)의 상측면 및 하측면 중 일 측면에 적층된, 휠 수 있는 고체상의 제1 전극층(4)과, 상기 전해질층(2)의 상측면 및 하측면 중 다른 측면에 적층된, 휠 수 있는 고체상의 제2 전극층(6)을 구비하여 이루어진 3층 단위 전지 셀(7)을 구비하는 전고체 이차전지를 자동화된 생산 공정으로 제조하는 장치이다. 상기 제1 전극층(4)이 양극 활물질을 포함하고 상기 제2 전극층(6)이 음극 활물질을 포함하거나, 그 반대일 수 있다.

상기 전고체 이차전지 제조 장치(20)는 전해질층 성형 유닛(21), 제1 전극층 성형 유닛(55), 제2 전극층 성형 유닛(70), 및 셀 압착 유닛(83)을 구비한다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전해질층 성형 유닛(21)은 전해질 물질이 포함된 전해질 파우더(powder)(1), 즉 전해질 분말을 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 휠 수 있는 고체상의 전해질층을 형성하는 유닛으로, 이형 필름(22), 파우더 배출기(25), 닥터 블레이드(doctor blade)(26), 파우더 성형틀(30), 근적외선 히터(NIR heater)(40), 한 쌍의 압연기(43, 46), 및 전해질층 트레이(tray)(51)를 구비한다.

이형 필름(22)은 전해질 파우더(1) 및 전해질층(2)을 분리 가능하게 지지하고 일 방향, 즉 도 2에서 Y축과 평행한 방향으로 진행한다. 이형 필름(22)이 Y축과 평행하게 진행할 수 있도록 전해질층 성형 유닛(21)은 이형 필름(22)을 풀어 공급하는 이형 필름 공급 롤러(23)와, 상기 이형 필름 공급 롤러(23)에 의해 공급된 이형 필름(22)을 감아 회수하는 이형 필름 회수 롤러(24)와, 이형 필름(22)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 전해질층(2)을 이형 필름(22)에서 분리시키는 웨지(50)를 더 구비한다.

파우더 배출기(25)는 이형 필름 공급 롤러(23)에서 공급된 이형 필름(22) 위에 전해질 파우더(1)를 정량 배출한다. 상기 파우더 배출기(25)는 호퍼(hopper)를 구비할 수 있다. 상기 닥터 블레이드(26)는 파우더 배출기(25)에서 배출되어 이형 필름(22) 위에 쌓여 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 전해질 파우더(1)를 일정한 높이가 되도록 분산하여 편다. 상기 닥터 블레이드를 대신하여 단면이 콤마(comma) 형상인 소위 콤마 나이프(comma knife)가 채용될 수도 있다. 파우더 성형틀(30)은 닥터 블레이드(26)를 통과하여 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 전해질 파우더(1)를 가압하여 시트(sheet) 형상의 덩어리로 성형하고, 상기 시트 형상의 덩어리에 속하지 않는 전해질 파우더(1)는 이형 필름(22)으로부터 제거한다.

구체적으로, 파우더 성형틀(30)은 이형 필름(22)의 위에서 배치되고, 이형 필름(22)을 향해 하강하여 상기 이형 필름(22) 위에 쌓인 전해질 파우더(1)를 가압하는 하강 위치와, 상기 이형 필름(22)에서 이격되는 방향으로 상승하는 상승 위치 사이에서 승강한다. 파우더 성형틀(30)은 상기 시트 형상 덩어리의 두께, 즉 Z축과 평행한 방향의 높이를 한정하는 내부 천장(38)과, 상기 시트 형상 덩어리의 평면 형상, 즉 X축과 평행한 방향의 길이 및 Y축과 평행한 방향의 길이를 한정하는 내측벽(39)을 구비한 내부틀(37)과, 상기 내부틀(37)을 에워싸며 상기 내부틀(37)을 고정 지지하는 외부틀(33)과, 상기 외부틀(33)에 하단부가 고정되어 상기 외부틀(33) 및 내부틀(37)을 승강되도록 지지하는 지지 샤프트(31)를 구비한다. 상기 시트 형상의 덩어리는 평면 형상이 사각형이고, 이에 따라 상기 내부틀(37)의 평면 형상도 대응되는 사각형일 수 있다.

외부틀(33)은 상기 내부 천장(38)의 평면 넓이보다 큰 평면 넓이를 가지며 상기 내부 천장(38)과 겹쳐지게 상기 내부 천장(38)에 접합 고정되는 외부 천장(34)과, 상기 외부 천장(34)의 외주 모서리에서 절곡되어 아래로 연장되는 외측벽(36)을 구비한다. 상기 외부틀(33)의 내부 및 상기 내부틀(37)의 외부로 한정되는 공간에 부압(負壓)이 형성된다. 이를 위해 전해질층 성형 유닛(21)은 파우더 배출기(30)의 외부에 진공 펌프(28)와, 상기 외부틀(33)과 진공 펌프(28)를 공기 유동 가능하게 연결하는 흡기 호스(hose)(32)를 구비한다. 상기 흡기 호스(32)의 일 측 단부는 상기 외부틀(33)에 형성된 통공(35)에 연결되고, 상기 흡기 호스(32)의 타 측 단부는 상기 진공 펌프(28)에 연결된다.

파우더 성형틀(30)이 상승 위치인 때 이형 필름(22) 위에 쌓인 전해질 파우더(1)가 파우더 성형틀(30)의 아래로 이동하고, 상기 파우더 성형틀(30)의 내측벽(39)과 외측벽(36)의 하단이 이형 필름(22)에 닿도록 상기 파우더 성형틀(30)이 하강 위치까지 하강하면, 전해질 파우더(1)가 상기 이형 필름(22), 내부 천장(28), 및 내측벽(39)에 의해 한정되는 시트 형상의 공간에 갇혀지면서 가압되어 시트 형상의 덩어리로 뭉쳐진다. 상기 이형 필름(22), 내부 천장(28), 및 내측벽(39)에 의해 한정되는 공간 밖에 잔존하는 전해질 파우더(1), 다시 말해 상기 이형 필름(22), 상기 외부틀(33)의 내부, 및 상기 내부틀(37)의 외부로 한정되는 공간에 잔존하는 전해질 파우더(1)는 진공 펌프(28)의 작동으로 상기 외부틀(33)의 내부에 형성된 부압에 의해 흡기 호스(32)를 통해 상기 외부틀(33)의 외부로 배출되어 상기 파우더 성형틀(30)에서 제거된다.

상기 내부틀(37)의 외부에 잔존하는 전해질 파우더(1)가 상기 파우더 성형틀(30)에서 제거된 후에 상기 파우더 성형틀(30)은 다시 상승 위치로 복귀한다. 상기 파우더 성형틀(30)이 하강 및 상승하며 전해질 파우더(1)를 시트 형상의 덩어리로 뭉치는 동안 상기 이형 필름(22)은 Y축과 평행한 방향으로의 진행을 잠시 멈출 수 있다. 도 2에 도시되진 않았으나, 전해질층 성형 유닛(21)은, 상기 파우더 성형틀(30)이 하강할 때 이형 필름(22)이 상기 파우더 성형틀(30)에 의해 Z축 음(-)의 방향과 평행한 방향으로 밀리지 않도록 상기 이형 필름(22)을 지지하는 지지 테이블(table)을 더 구비할 수 있다.

근적외선 히터(40)는 파우더 성형틀(30)에 의해 시트 형상의 덩어리로 뭉쳐져 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 전해질 파우더(1)에 근적외선(NIR: near-infrared ray)을 조사하여 상기 시트 형상으로 뭉쳐진 전해질 파우더(1)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 시트 형상으로 뭉쳐진 전해질 파우더(1)는 입자가 서로 결합되어 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 전해질층(2)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(40)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(lamp)(41)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 시트 형상의 전해질 파우더(1)는 상기 근적외선 램프(41)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 전해질층(2)의 표면만 결합되고 내부는 파우더 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(43, 46)는 상기 근적외선 히터(40)를 통과하여 성형된 전해질층(2)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 전해질층(2)을 단계적으로 압연하며, 상기 전해질층(2)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(43, 46)는 위아래로 배치된 상부 롤러(44, 47)와 하부 롤러(45, 48)을 구비한다. 상기 전해질층(2)이 상부 롤러(44, 47)와 하부 롤러(45, 48) 사이를 통과하면서 압연된다. 이형 필름(22)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(43)의 상부 롤러(44)와 하부 롤러(45) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(46)의 상부 롤러(47)와 하부 롤러(48) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 전해질층(2)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(43, 46)의 각 롤러(44, 45, 47, 48)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 전해질층 성형 유닛(21)에 구비된 압연기(43, 46)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

상기 한 쌍의 압연기(43, 46)를 통과하여 압연된 전해질층(2)이 지지된 이형 필름(22)이 웨지(50)에 의해 방향 전환되면서 상기 전해질층(2)이 상기 이형 필름(22)에서 분리되어 전해질층 트레이(51)에 적층될 수 있다. 상기 전해질층(2)과 분리된 이형 필름(22)은 상술한 바와 같이 이형 필름 회수 롤러(24)에 감겨 회수된다. 한편, 도 2에 예시된 것과 달리, 압연기(43, 46)를 통과한 전해질층(2)이 이형 필름(22)에 지지된 상태로 제1 전극층 성형 유닛(55)으로 진행할 수도 있다. 또는, 도 2에 예시된 것과 달리 근적외선 히터(40)를 통과한 전해질층(2)이 이형 필름(22)에서 분리된 상태로 한 쌍의 압연기(43, 46)를 통과하여 압연되고, 전해질층 트레이(51)에 적층될 수도 있다.

도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 제1 전극층 성형 유닛(55)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질이 포함된 액상의 제1 전극액(3)을 상기 전해질층(2)의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제1 전극층(4)을 형성한다. 상기 제1 전극층 성형 유닛(55)은 컨베이어(conveyor)(56)와, 제1 전극액 분사 노즐(nozzle)(61)과, 확산 방지틀(63)과, 전극 경화 히터(65)를 구비한다. 상기 컨베이어(56)는 X축과 평행한 축선(미도시)을 중심으로 회전하며 Y축과 평행한 방향으로 서로 이격되게 배치된 상류 지지 롤러(58) 및 하류 지지 롤러(59)와, 상기 상류 지지 롤러(58) 및 하류 지지 롤러(59)에 지지되도록 상기 상류 지지 롤러(58) 및 하류 지지 롤러(59)에 함께 감긴 컨베이어 벨트(belt)(57)를 구비한다.

상기 상류 지지 롤러(58) 및 하류 지지 롤러(59) 중 적어도 하나가 모터(미도시) 동력에 의해 회전하면 상기 컨베이어 벨트(57)가 순환 주행하고, 컨베이어 벨트(57)에 지지되는 전해질층(2)이 상기 상류 지지 롤러(58)에서 하류 지지 롤러(59)를 향해 이동한다. 상기 전해질층 트레이(51)(도 2 참조)에 적재된 전해질층(2)은 작업자에 의해 하나씩 이격되게 상기 컨베이어 벨트(57) 위에 올려질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 작업자를 대신하여 자동화된 로봇(robot)에 의해 이 작업이 수행될 수도 있다.

제1 전극액 분사 노즐(61)은 제1 전극액(3)을 컨베이어 벨트(57)에 지지되어 이동하는 전해질층(2)의 노출된 표면에 분사한다. 확산 방지틀(63)은 제1 전극액 분사 노즐(61)에 의해 분사된 제1 전극액(3)이 전해질층(2)의 평면 형상의 범위를 넘어 확산되지 않도록 한정한다. 상기 확산 방지틀(63)은 중앙에 통공이 형성된 창틀(window frame) 형태의 기구일 수 있다. 상기 확산 방지틀(63)은, 제1 전극액 분사 노즐(61)에서 제1 전극액(3)이 분사되기 전에 하단이 상기 컨베이어 벨트(57)에 닿도록 하강하고, 상기 제1 전극액 분사 노즐(61)에서 제1 전극액(3)이 분사된 후에는 전해질층(2)의 이동이 방해받지 않도록 상승할 수 있다.

전극 경화 히터(65)는 전해질층(2)의 표면에 분사된 제1 전극액(3)을 고온의 공기 흐름, 즉 열풍(熱風)으로 40 내지 130℃의 온도로 가열한다. 상기 전극 경화 히터(65)는 상기 열풍을 상기 전해질층(2)에 도포된 제1 전극액(3)을 향해 불어내는 열풍기(66)를 구비한다. 전극 경화 히터(65)에 의한 가열을 통해 분사된 액상의 제1 전극액(3)이 경화되어 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제1 전극층(4)으로 성형된다. 전극 경화 히터(65)를 통과한 전해질층(2)과 제1 전극층(4)을 구비한 전지 셀 반제품은 작업자에 의해 또는 자동화된 로봇에 의해 제2 전극층 성형 유닛(70)으로 전달된다.

도 1 및 도 4를 함께 참조하면, 제2 전극층 성형 유닛(70)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질이 포함된 액상의 제2 전극액(5)을 상기 전해질층(2)의 다른 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층(6)을 형성한다. 예를 들면, 상기 제1 전극액(3)이 양극 활물질이 포함된 전극액이면, 상기 제2 전극액(5)은 음극 활물질이 포함된 전극액이다. 상기 제2 전극층 성형 유닛(70)은 제1 전극층 성형 유닛(55)과 유사하게 컨베이어(71)와, 제2 전극액 분사 노즐(76)과, 확산 방지틀(78)과, 전극 경화 히터(80)를 구비한다.

상기 컨베이어(71)는 X축과 평행한 축선(미도시)을 중심으로 회전하며 Y축과 평행한 방향으로 서로 이격되게 배치된 상류 지지 롤러(73) 및 하류 지지 롤러(74)와, 상기 상류 지지 롤러(73) 및 하류 지지 롤러(74)에 지지되도록 상기 상류 지지 롤러(73) 및 하류 지지 롤러(74)에 함께 감긴 컨베이어 벨트(72)를 구비한다. 상기 상류 지지 롤러(73) 및 하류 지지 롤러(74) 중 적어도 하나가 모터(미도시) 동력에 의해 회전하면 상기 컨베이어 벨트(72)가 순환 주행하고, 컨베이어 벨트(72)에 지지되는, 전해질층(2) 및 제1 전극층(4)을 구비한 전지 셀 반제품이 상기 상류 지지 롤러(73)에서 하류 지지 롤러(74)를 향해 이동한다.

작업자 또는 자동화된 로봇에 의해 상기 전지 셀 반제품을 제1 전극층 성형 유닛(55)(도 4 참조)에서 픽업(pick-up)하여 상기 컨베이어 벨트(72) 위에 하나씩 이격되게 올려질 수 있다. 상기 제1 전극층 성형 유닛(55)의 전극 경화 히터(65)를 통과한 전지 셀 반제품은 전해질층(2)이 아래층에 제1 전극층(4)이 위층에 배치되지만, 상기 제2 전극층 성형 유닛(70)의 컨베이어 벨트(72) 위에 올려질 때에는 위아래가 뒤집혀서 제1 전극층(4)이 아래층에 전해질층(2)이 위층에 배치된다.

제2 전극액 분사 노즐(76)은 제2 전극액(5)을 컨베이어 벨트(72)에 지지되어 이동하는 전지 셀 반제품의 전해질층(2)의 노출된 표면에 분사한다. 확산 방지틀(78)은 제2 전극액 분사 노즐(76)에 의해 분사된 제2 전극액(5)이 전해질층(2)의 평면 형상의 범위를 넘어 확산되지 않도록 한정한다. 상기 확산 방지틀(78)은 중앙에 통공이 형성된 창틀(window frame) 형태의 기구일 수 있다. 상기 확산 방지틀(78)은, 제2 전극액 분사 노즐(76)에서 제2 전극액(5)이 분사되기 전에 하단이 상기 컨베이어 벨트(72)에 닿도록 하강하고, 상기 제2 전극액 분사 노즐(76)에서 제2 전극액(5)이 분사된 후에는 상기 전지 셀 반제품의 이동이 방해받지 않도록 상승할 수 있다.

전극 경화 히터(80)는 전해질층(2)의 표면에 분사된 제2 전극액(5)을 고온의 공기 흐름, 즉 열풍(熱風)으로 40 내지 130℃의 온도로 가열한다. 상기 전극 경화 히터(80)는 상기 열풍을 상기 전해질층(2)에 도포된 제2 전극액(5)을 향해 불어내는 열풍기(81)를 구비한다. 전극 경화 히터(80)에 의한 가열을 통해 분사된 액상의 제2 전극액(5)이 경화되어 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제2 전극층(6)으로 성형된다. 이로써 전해질층(2) 제1 전극층(4), 및 제2 전극층(6)을 하나씩 구비한 3층 구조의 전지 셀(cell)(7)(도 5 참조)이 형성된다.

도 1, 도 4, 및 도 5를 함께 참조하면, 셀 압착 유닛(83)은 전해질층(2), 제1 전극층(4), 및 제2 전극층(6)을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)(7)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착한다. 셀 압착 유닛(83)은 이형 필름(84), 예열기(87), 하부 프레스(press)(91), 상부 프레스(95), 및 전지 셀 트레이(99)를 구비한다. 이형 필름(84)은 상기 전지 셀(7)을 분리 가능하게 지지하고 일 방향, 즉 도 5에서 Y축과 평행한 방향으로 진행한다.

복수의 전지 셀(7)이 이격되게 부착 지지된 이형 필름(84)이 Y축과 평행하게 진행할 수 있도록 셀 압착 유닛(83)은, 상기 복수의 전지 셀(7)이 부착 지지된 이형 필름(84)이 권취된 롤(roll)을 풀어 상기 이형 필름(84)을 공급하는 전지 셀 공급 롤러(85)와, 상기 전지 셀 공급 롤러(85)에 의해 공급된 이형 필름(85)을 감아 회수하는 이형 필름 회수 롤러(86)와, 이형 필름(84)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 전지 셀(7)을 이형 필름(84)에서 분리시키는 웨지(98)를 더 구비한다.

상기 제2 전극층 성형 유닛(70)의 전극 경화 히터(80)에서 배출된 전지 셀(7)을 일정한 속도로 일 방향으로 진행하는 이형 필름(84)에 시간 간격을 두고 하나씩 올려 놓고, 상기 전지 셀(7)이 올려진 이형 필름(84)을 지관(紙管)에 권취함으로써 상기 이형 필름(84)이 권취된 롤을 준비할 수 있다. 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)는 상기 전지 셀(7)을 사이에 두고 서로 가까워지는 방향으로 이동하여 상기 전지 셀(7)을 가압한다.

구체적으로, 하부 프레스(91)는 상향 돌출된 하부 코어(core)(92)를 구비하고, 상부 프레스(95)는 하향 돌출된 상부 코어(96)를 구비한다. 하부 코어(92)의 상측면(92u)은 전지 셀(7)이 부착된 이형 필름(84)이 아래로 밀리지 않도록 상기 이형 필름(84)을 접촉 지지한다. 상부 프레스(95)가 하부 프레스(91)를 향해 아래로 하강하면 상부 코어(96)의 하측면(96b)이 전지 셀(7)의 상측면을 밀착 가압하고, 하부 코어(92)의 상측면(92u)이 이형 필름(84)을 매개로 전지 셀(7)을 밀착 가압한다. 상기 전지 셀(7)이 상기 하부 코어(92) 및 상부 코어(96)와 정렬된 상태에서 상기 상부 프레스(95)가 하강하여 전지 셀(7)을 밀착 가압하고 다시 상승하도록 이형 필름(84)은 Y축과 평행한 방향으로 단속적으로 진행할 수 있다. 상기 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)의 압착력은 최대 2500kg 일 수 있다.

하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)는 각각, 전지 셀(7)을 밀착 가압하는 하부 코어 상측면(92u)과 상부 코어 하측면(96b)의 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 가열 수단을 구비할 수 있다. 한편, 전해질층(2), 제1 전극층(4), 및 제2 전극층(6)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 가열 수단은 작동 중단될 수 있다.

상기 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하는 속도는, 전지 셀(7)이 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)에 의해 가압되기 시작하는 시점 이전의 속도가 이후의 속도보다 빠르다. 다시 말해, 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)에 의해 가압되는 동안 전지 셀(7)은 느린 속도로 가압된다.

예열기(87)는 전지 셀(7)을 지지하는 이형 필름(84)이 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95) 사이로 진입하여 통과하기 전에 상기 전지 셀(7)을 가열한다. 상기 예열기(87)는 복사열을 발산하는 복사 열원(88)을 구비할 수 있다. 상기 복사 열원(88)의 발열 온도는 40 내지 150℃일 수 있다. 예열기(87)의 예열을 통해 압착 품질이 개선될 수 있다. 한편, 전해질층(2), 제1 전극층(4), 및 제2 전극층(6)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 예열기(87)는 작동 중단될 수 있다. 또는, 상기 예열기(87)을 작동시키되, 상기 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95)가 각각, 예열된 전지 셀(7)을 밀착하여 상온으로 냉각시키는 냉각 수단을 더 구비할 수 있다.

상기 하부 프레스(91) 및 상부 프레스(95) 사이를 통과하여 압착된 전지 셀(7)이 지지된 이형 필름(84)이 웨지(98)에 의해 방향 전환되면서 상기 전지 셀(7)이 상기 이형 필름(84)에서 분리되어 전지 셀 트레이(99)에 적층될 수 있다. 상기 전지 셀(7)과 분리된 이형 필름(84)은 상술한 바와 같이 이형 필름 회수 롤러(86)에 감겨 회수된다. 한편, 본 발명의 셀 압착 유닛은 이형 필름(84)에 부착되지 않은 상태의 전지 셀(7)을 상기 하부 프레스(91)의 하부 코어(92)의 상측면(92u) 위에 올려놓고 상부 프레스(95)를 하부 프레스(95)를 향해 하강시켜 전지 셀(7)을 압착할 수도 있다. 이 경우에 상기 셀 압착 유닛은 이형 필름 및 이형 필름을 공급 및 회수하는 수단과, 예열기를 구비하지 않을 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 방법은, 전해질 물질이 포함된 전해질 파우더(powder)를 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 고체상의 전해질층을 형성하는 전해질층 성형 단계, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질이 포함된 액상의 제1 전극액을 상기 전해질층의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제1 전극층을 형성하는 제1 전극층 성형 단계, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질이 포함된 액상의 제2 전극액을 상기 전해질층의 다른 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층을 형성하는 제2 전극층 성형 단계, 및 상기 전해질층, 제1 전극층, 및 제2 전극층을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착하는 셀 압착 단계를 구비한다. 상기 셀 압착 단계는, 상기 전지 셀을 압착하기에 앞서서 가열하는 예열 단계를 구비한다.

상기 전해질층 성형 단계는 상기 전해질층 성형 유닛(21)에 의해 수행되고, 상기 제1 전극층 성형 단계는 상기 제1 전극층 성형 유닛(55)에 의해 수행되고, 상기 제2 전극층 성형 단계는 상기 제2 전극층 성형 유닛(70)에 의해 수행되고, 상기 셀 압착 단계는 상기 셀 압착 유닛(83)에 의해 수행될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이고, 도 7은 도 6의 제1 전극층 형성 유닛의 구성도이고, 도 8는 도 6의 제2 전극층 형성 유닛의 구성도이며, 도 9는 도 6의 셀 압착 유닛의 구성도이다. 도 6 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(100)는, 휠 수 있는 고체상의 제1 전극층(14)과, 상기 제1 전극층(14)의 상측면 및 하측면 중 일 측면에 적층된, 휠 수 있는 고체상의 제2 전극층(16)을 구비하여 이루어진 2층 단위 전지 셀(17)을 구비하는 전고체 이차전지를 자동화된 생산 공정으로 제조하는 장치이다. 상기 제1 전극층(14)이 양극 활물질과 전해질 물질을 포함하고 상기 제2 전극층(16)이 음극 활물질과 전해질 물질을 포함하거나, 그 반대일 수 있다.

상기 전고체 이차전지 제조 장치(100)는 제1 전극층 성형 유닛(101), 제2 전극층 성형 유닛(135), 및 셀 압착 유닛(150)을 구비한다. 도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 제1 전극층 성형 유닛(101)은 제1 전극 활물질과 전해질 물질이 각각 파우더(powder) 형태로 포함된 제1 전극 파우더(13)를 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 휠 수 있는 고체상의 제1 전극층(14)을 형성하는 유닛으로, 이형 필름(102), 파우더 배출기(105), 닥터 블레이드(106), 파우더 성형틀(110), 근적외선 히터(120), 한 쌍의 압연기(123, 126), 및 제1 전극층 트레이(131)를 구비한다. 상기 제1 전극 활물질은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나이다.

이형 필름(102)은 제1 전극 파우더(13) 및 제1 전극층(14)을 분리 가능하게 지지하고 일 방향, 즉 도 7에서 Y축과 평행한 방향으로 진행한다. 이형 필름(102)이 Y축과 평행하게 진행할 수 있도록 제1 전극층 성형 유닛(101)은 이형 필름(102)을 풀어 공급하는 이형 필름 공급 롤러(103)와, 상기 이형 필름 공급 롤러(103)에 의해 공급된 이형 필름(102)을 감아 회수하는 이형 필름 회수 롤러(104)와, 이형 필름(102)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 제1 전극층(14)을 이형 필름(102)에서 분리시키는 웨지(130)를 더 구비한다.

파우더 배출기(105)는 이형 필름 공급 롤러(103)에서 공급된 이형 필름(102) 위에 제1 전극 파우더(13)를 정량 배출한다. 상술한 바와 같이 상기 제1 전극 파우더(13)는 제1 전극 활물질 파우더(11)와 전해질 물질 파우더(12)가 포함된 혼합 분말일 수 있다. 상기 파우더 배출기(105)는 호퍼(hopper)를 구비할 수 있다. 상기 닥터 블레이드(106)는 파우더 배출기(105)에서 배출되어 이형 필름(102) 위에 쌓여 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 제1 전극 파우더(13)를 일정한 높이가 되도록 분산하여 편다. 상기 닥터 블레이드를 대신하여 단면이 콤마(comma) 형상인 소위 콤마 나이프(comma knife)가 채용될 수도 있다. 파우더 성형틀(110)은 닥터 블레이드(106)를 통과하여 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 제1 전극 파우더(13)를 가압하여 시트(sheet) 형상의 덩어리로 성형하고, 상기 시트 형상의 덩어리에 속하지 않는 제1 전극 파우더(13)는 이형 필름(102)으로부터 제거한다.

구체적으로, 파우더 성형틀(110)은 이형 필름(102)의 위에서 배치되고, 이형 필름(102)을 향해 하강하여 상기 이형 필름(102) 위에 쌓인 제1 전극 파우더(13)를 가압하는 하강 위치와, 상기 이형 필름(102)에서 이격되는 방향으로 상승하는 상승 위치 사이에서 승강한다. 파우더 성형틀(110)은 상기 시트 형상 덩어리의 두께, 즉 Z축과 평행한 방향의 높이를 한정하는 내부 천장(118)과, 상기 시트 형상 덩어리의 평면 형상, 즉 X축과 평행한 방향의 길이 및 Y축과 평행한 방향의 길이를 한정하는 내측벽(119)을 구비한 내부틀(117)과, 상기 내부틀(117)을 에워싸며 상기 내부틀(117)을 고정 지지하는 외부틀(113)과, 상기 외부틀(113)에 하단부가 고정되어 상기 외부틀(113) 및 내부틀(117)을 승강되도록 지지하는 지지 샤프트(111)를 구비한다. 상기 시트 형상의 덩어리는 평면 형상이 사각형이고, 이에 따라 상기 내부틀(117)의 평면 형상도 대응되는 사각형일 수 있다.

외부틀(113)은 상기 내부 천장(118)의 평면 넓이보다 큰 평면 넓이를 가지며 상기 내부 천장(118)과 겹쳐지게 상기 내부 천장(118)에 접합 고정되는 외부 천장(114)과, 상기 외부 천장(114)의 외주 모서리에서 절곡되어 아래로 연장되는 외측벽(116)을 구비한다. 상기 외부틀(113)의 내부 및 상기 내부틀(117)의 외부로 한정되는 공간에 부압(負壓)이 형성된다. 이를 위해 제1 전극층 성형 유닛(101)은 파우더 배출기(110)의 외부에 진공 펌프(108)와, 상기 외부틀(113)과 진공 펌프(108)를 공기 유동 가능하게 연결하는 흡기 호스(hose)(112)를 구비한다. 상기 흡기 호스(112)의 일 측 단부는 상기 외부틀(113)에 형성된 통공(115)에 연결되고, 상기 흡기 호스(112)의 타 측 단부는 상기 진공 펌프(108)에 연결된다.

파우더 성형틀(110)이 상승 위치인 때 이형 필름(102) 위에 쌓인 제1 전극 파우더(13)가 파우더 성형틀(110)의 아래로 이동하고, 상기 파우더 성형틀(110)의 내측벽(119)과 외측벽(116)의 하단이 이형 필름(102)에 닿도록 상기 파우더 성형틀(110)이 하강 위치까지 하강하면, 제1 전극 파우더(13)가 상기 이형 필름(102), 내부 천장(108), 및 내측벽(119)에 의해 한정되는 시트 형상의 공간에 갇혀지면서 가압되어 시트 형상의 덩어리로 뭉쳐진다. 상기 이형 필름(102), 내부 천장(108), 및 내측벽(119)에 의해 한정되는 공간 밖에 잔존하는 제1 전극 파우더(13), 다시 말해 상기 이형 필름(102), 상기 외부틀(113)의 내부, 및 상기 내부틀(117)의 외부로 한정되는 공간에 잔존하는 제1 전극 파우더(13)는 진공 펌프(108)의 작동으로 상기 외부틀(113)의 내부에 형성된 부압에 의해 흡기 호스(112)를 통해 상기 외부틀(113)의 외부로 배출되어 상기 파우더 성형틀(110)에서 제거된다.

상기 내부틀(117)의 외부에 잔존하는 제1 전극 파우더(13)가 상기 파우더 성형틀(110)에서 제거된 후에 상기 파우더 성형틀(110)은 다시 상승 위치로 복귀한다. 상기 파우더 성형틀(110)이 하강 및 상승하며 제1 전극 파우더(13)를 시트 형상의 덩어리로 뭉치는 동안 상기 이형 필름(102)은 Y축과 평행한 방향으로의 진행을 잠시 멈출 수 있다. 도 7에 도시되진 않았으나, 제1 전극층 성형 유닛(101)은, 상기 파우더 성형틀(110)이 하강할 때 이형 필름(102)이 상기 파우더 성형틀(110)에 의해 Z축 음(-)의 방향과 평행한 방향으로 밀리지 않도록 상기 이형 필름(102)을 지지하는 지지 테이블을 더 구비할 수 있다.

근적외선 히터(120)는 파우더 성형틀(110)에 의해 시트 형상의 덩어리로 뭉쳐져 Y축과 평행한 방향으로 이동하는 제1 전극 파우더(13)에 근적외선(NIR: near-infrared ray)을 조사하여 상기 시트 형상으로 뭉쳐진 제1 전극 파우더(13)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 시트 형상으로 뭉쳐진 제1 전극 파우더(13)는 입자가 서로 결합되어 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제1 전극층(14)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(120)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(lamp)(121)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 시트 형상의 제1 전극 파우더(13)는 상기 근적외선 램프(121)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 제1 전극층(14)의 표면만 결합되고 내부는 파우더 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(123, 126)는 상기 근적외선 히터(120)를 통과하여 성형된 제1 전극층(14)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 제1 전극층(14)을 단계적으로 압연하며, 상기 제1 전극층(14)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(123, 126)는 위아래로 배치된 상부 롤러(124, 127)와 하부 롤러(125, 128)을 구비한다. 상기 제1 전극층(14)이 상부 롤러(124, 127)와 하부 롤러(125, 128) 사이를 통과하면서 압연된다. 이형 필름(102)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(123)의 상부 롤러(124)와 하부 롤러(125) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(126)의 상부 롤러(127)와 하부 롤러(128) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 제1 전극층(14)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(123, 126)의 각 롤러(124, 125, 127, 128)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 제1 전극층 성형 유닛(101)에 구비된 압연기(123, 126)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

상기 한 쌍의 압연기(123, 126)를 통과하여 압연된 제1 전극층(14)이 지지된 이형 필름(102)이 웨지(130)에 의해 방향 전환되면서 상기 제1 전극층(14)이 상기 이형 필름(102)에서 분리되어 제1 전극층 트레이(131)에 적층될 수 있다. 상기 제1 전극층(14)과 분리된 이형 필름(102)은 상술한 바와 같이 이형 필름 회수 롤러(104)에 감겨 회수된다. 한편, 도 7에 예시된 것과 달리, 압연기(123, 126)를 통과한 제1 전극층(14)이 이형 필름(102)에 지지된 상태로 제2 전극층 성형 유닛(135)으로 진행할 수도 있다. 또는, 도 7에 예시된 것과 달리 근적외선 히터(120)를 통과한 제1 전극층(14)이 이형 필름(102)에서 분리된 상태로 한 쌍의 압연기(123, 126)를 통과하여 압연되고, 제1 전극층 트레이(131)에 적층될 수도 있다.

도 6 및 도 8을 함께 참조하면, 제2 전극층 성형 유닛(135)은 제1 전극층(14)에 포함된 전극 활물질과 다른 전극 활물질과 전해질 물질이 포함된 액상의 제2 전극액(15)을 상기 제1 전극층(14)의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층(16)을 형성한다. 상기 제2 전극층 성형 유닛(135)은 컨베이어(136)와, 제2 전극액 분사 노즐(141)과, 확산 방지틀(143)과, 전극 경화 히터(145)를 구비한다.

상기 컨베이어(136)는 X축과 평행한 축선(미도시)을 중심으로 회전하며 Y축과 평행한 방향으로 서로 이격되게 배치된 상류 지지 롤러(138) 및 하류 지지 롤러(139)와, 상기 상류 지지 롤러(138) 및 하류 지지 롤러(139)에 지지되도록 상기 상류 지지 롤러(138) 및 하류 지지 롤러(139)에 함께 감긴 컨베이어 벨트(137)를 구비한다. 상기 상류 지지 롤러(138) 및 하류 지지 롤러(139) 중 적어도 하나가 모터(미도시) 동력에 의해 회전하면 상기 컨베이어 벨트(137)가 순환 주행하고, 컨베이어 벨트(137)에 지지되는, 제1 전극층(14) 및 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)을 구비한 전지 셀(17)이 상기 상류 지지 롤러(138)에서 하류 지지 롤러(139)를 향해 이동한다. 작업자 또는 자동화된 로봇에 의해 상기 전지 셀 반제품을 제1 전극층 성형 유닛(101)(도 7 참조)에서 픽업(pick-up)하여 상기 컨베이어 벨트(137) 위에 하나씩 이격되게 올려질 수 있다.

제2 전극액 분사 노즐(141)은 제2 전극액(15)을 컨베이어 벨트(137)에 지지되어 이동하는 제1 전극층(14)의 노출된 표면에 분사한다. 확산 방지틀(143)은 제2 전극액 분사 노즐(141)에 의해 분사된 제2 전극액(15)이 제1 전극층(14)의 평면 형상의 범위를 넘어 확산되지 않도록 한정한다. 상기 확산 방지틀(143)은 중앙에 통공이 형성된 창틀(window frame) 형태의 기구일 수 있다. 상기 확산 방지틀(143)은, 제2 전극액 분사 노즐(141)에서 제2 전극액(15)이 분사되기 전에 하단이 상기 컨베이어 벨트(137)에 닿도록 하강하고, 상기 제2 전극액 분사 노즐(141)에서 제2 전극액(15)이 분사된 후에는 상기 제2 전극액(15)이 도포된 제1 전극층(14)의 이동이 방해받지 않도록 상승할 수 있다.

전극 경화 히터(145)는 제1 전극층(14)의 표면에 분사된 제2 전극액(15)을 고온의 공기 흐름, 즉 열풍(熱風)으로 40 내지 130℃의 온도로 가열한다. 상기 전극 경화 히터(145)는 상기 열풍을 상기 제1 전극층(14)에 도포된 제2 전극액(15)을 향해 불어내는 열풍기(146)를 구비한다. 전극 경화 히터(145)에 의한 가열을 통해 분사된 액상의 제2 전극액(15)이 경화되어 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제2 전극층(16)으로 성형된다. 이로써 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 하나씩 구비한 2층 구조의 전지 셀(17)이 형성된다.

도 6, 도 8, 및 도 9를 함께 참조하면, 셀 압착 유닛(150)은 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)(17)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착한다. 셀 압착 유닛(150)은 이형 필름(151), 예열기(154), 하부 프레스(press)(161), 상부 프레스(165), 및 전지 셀 트레이(169)를 구비한다. 이형 필름(151)은 상기 전지 셀(17)을 분리 가능하게 지지하고 일 방향, 즉 도 5에서 Y축과 평행한 방향으로 진행한다.

복수의 전지 셀(17)이 이격되게 부착 지지된 이형 필름(151)이 Y축과 평행하게 진행할 수 있도록 셀 압착 유닛(150)은, 상기 복수의 전지 셀(17)이 부착 지지된 이형 필름(151)이 권취된 롤(roll)을 풀어 상기 이형 필름(151)을 공급하는 전지 셀 공급 롤러(152)와, 상기 전지 셀 공급 롤러(152)에 의해 공급된 이형 필름(152)을 감아 회수하는 이형 필름 회수 롤러(153)와, 이형 필름(151)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 전지 셀(17)을 이형 필름(151)에서 분리시키는 웨지(168)를 더 구비한다.

상기 제2 전극층 성형 유닛(135)의 전극 경화 히터(145)에서 배출된 전지 셀(17)을 일정한 속도로 일 방향으로 진행하는 이형 필름(151)에 시간 간격을 두고 하나씩 올려 놓고, 상기 전지 셀(17)이 올려진 이형 필름(151)을 지관(紙管)에 권취함으로써 상기 이형 필름(151)이 권취된 롤을 준비할 수 있다. 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)는 상기 전지 셀(17)을 사이에 두고 서로 가까워지는 방향으로 이동하여 상기 전지 셀(17)을 가압한다.

구체적으로, 하부 프레스(161)는 상향 돌출된 하부 코어(162)를 구비하고, 상부 프레스(165)는 하향 돌출된 상부 코어(166)를 구비한다. 하부 코어(162)의 상측면(162u)은 전지 셀(17)이 부착된 이형 필름(151)이 아래로 밀리지 않도록 상기 이형 필름(151)을 접촉 지지한다. 상부 프레스(165)가 하부 프레스(161)를 향해 아래로 하강하면 상부 코어(166)의 하측면(166b)이 전지 셀(17)의 상측면을 밀착 가압하고, 하부 코어(162)의 상측면(162u)이 이형 필름(151)을 매개로 전지 셀(17)을 밀착 가압한다. 상기 전지 셀(17)이 상기 하부 코어(162) 및 상부 코어(166)와 정렬된 상태에서 상기 상부 프레스(165)가 하강하여 전지 셀(17)을 밀착 가압하고 다시 상승하도록 이형 필름(151)은 Y축과 평행한 방향으로 단속적으로 진행할 수 있다. 상기 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)의 압착력은 최대 2500kg 일 수 있다.

하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)는 각각, 전지 셀(17)을 밀착 가압하는 하부 코어 상측면(162u)과 상부 코어 하측면(166b)의 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 가열 수단을 구비할 수 있다. 한편, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 가열 수단은 작동 중단될 수 있다.

상기 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하는 속도는, 전지 셀(17)이 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)에 의해 가압되기 시작하는 시점 이전의 속도가 이후의 속도보다 빠르다. 다시 말해, 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)에 의해 가압되는 동안 전지 셀(17)은 느린 속도로 가압된다.

예열기(154)는 전지 셀(17)을 지지하는 이형 필름(151)이 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165) 사이로 진입하여 통과하기 전에 상기 전지 셀(17)을 가열한다. 상기 예열기(154)는 복사열을 발산하는 복사 열원(155)을 구비할 수 있다. 상기 복사 열원(155)의 발열 온도는 40 내지 150℃일 수 있다. 예열기(154)의 예열을 통해 압착 품질이 개선될 수 있다. 한편, 제1 전극층(14), 및 제2 전극층(16)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 예열기(154)는 작동 중단될 수 있다. 또는, 상기 예열기(154)을 작동시키되, 상기 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165)가 각각, 예열된 전지 셀(17)을 밀착하여 상온으로 냉각시키는 냉각 수단을 더 구비할 수 있다.

상기 하부 프레스(161) 및 상부 프레스(165) 사이를 통과하여 압착된 전지 셀(17)이 지지된 이형 필름(151)이 웨지(168)에 의해 방향 전환되면서 상기 전지 셀(17)이 상기 이형 필름(151)에서 분리되어 전지 셀 트레이(169)에 적층될 수 있다. 상기 전지 셀(17)과 분리된 이형 필름(151)은 상술한 바와 같이 이형 필름 회수 롤러(153)에 감겨 회수된다. 한편, 본 발명의 셀 압착 유닛은 이형 필름(151)에 부착되지 않은 상태의 전지 셀(17)을 상기 하부 프레스(161)의 하부 코어(162)의 상측면(162u) 위에 올려놓고 상부 프레스(165)를 하부 프레스(165)를 향해 하강시켜 전지 셀(17)을 압착할 수도 있다. 이 경우에 상기 셀 압착 유닛은 이형 필름 및 이형 필름을 공급 및 회수하는 수단과, 예열기를 구비하지 않을 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 방법은, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 각각 파우더(powder) 형태로 포함된 제1 전극 파우더를 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 고체상의 제1 전극층을 형성하는 제1 전극층 성형 단계, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 포함된 액상의 제2 전극액을 상기 제1 전극층의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층을 형성하는 제2 전극층 성형 단계, 및 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착하는 셀 압착 단계를 구비한다. 상기 셀 압착 단계는, 상기 전지 셀을 압착하기에 앞서서 가열하는 예열 단계를 구비한다.

상기 제1 전극층 성형 단계는 상기 제1 전극층 성형 유닛(101)에 의해 수행되고, 상기 제2 전극층 성형 단계는 상기 제2 전극층 성형 유닛(135)에 의해 수행되고, 상기 셀 압착 단계는 상기 셀 압착 유닛(150)에 의해 수행될 수 있다.

이상에서 설명한 전고체 이차전지 제조 장치(20, 100) 및 전고체 이차전지 제조 방법에 의하면 전극층이나 전해질층을 구성하는 파우더 형태의 재료로부터 시작하여 자동화된 공정을 거쳐 전고체 이차전지를 제조할 수 있다. 여기서 상기 전고체 이차전지 제조 장치(20, 100) 및 전고체 이차전지 제조 방법에 의해 생산되는 전고체 이차전지에는 양극층, 음극층, 및 상기 양극층과 음극층 사이에 배치된 전해질층을 구비한 3층 단위 전지 셀(7)을 구비한 전고체 이차전지와, 양극층 및 음극층을 구비한 2층 단위 전지 셀(17)을 구비한 전고체 이차전지가 포함된다. 결과적으로, 상기 전고체 이차전지 제조 장치(20, 100) 및 전고체 이차전지 제조 방법을 이용하면 전고체 이차전지의 생산성이 향상된다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 블록 다이아그램이고, 도 11는 도 10의 제1 전극층 성형 유닛의 일 실시예의 구성도이고, 도 12은 도 10의 제2 전극층 성형 유닛의 일 실시예의 구성도이며, 도 13는 도 10의 전극층 결합기 및 프레스 유닛의 일 실시예의 구성도이다. 도 10 내지 도 13를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(200)는, 휠 수 있는 고체상의 제1 전극층(192)과, 상기 제1 전극층(192)의 상측면 및 하측면 중 일 측면에 적층된, 휠 수 있는 고체상의 제2 전극층(196)을 구비하여 이루어진 2층 단위 전지 셀(197)을 구비하는 전고체 이차전지를 자동화된 생산 공정으로 제조하는 장치이다. 상기 제1 전극층(192)이 양극 활물질과 전해질 물질을 포함하고 상기 제2 전극층(196)이 음극 활물질과 전해질 물질을 포함하거나, 그 반대일 수 있다.

상기 전고체 이차전지 제조 장치(200)는 제1 전극층 성형 유닛(201), 제2 전극층 성형 유닛(221), 전극층 결합 유닛(240), 및 프레스 유닛(250)을 구비한다. 제1 전극층 성형 유닛(201)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질(191)에 전해질 물질(193)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제1 전극 재료(190)를 제1 이형 필름(216) 상에 도포하여 가열하여 제1 이형 필름(216)에 적층된 고체상의 제1 전극층(192)을 형성하는 유닛으로, 제1 이형 필름 공급 롤러(202), 제1 슬롯 다이 코터(203), 제1 근적외선 히터(205), 한 쌍의 압연기(207, 210), 및 제1 전극층 회수 롤러(214)를 구비한다.

도시된 실시예에서 상기 전극 활물질(191)은 젤(gel) 형태의 양극 활물질일 수 있다. 상기 전해질 물질(193)은 파우더(powder) 형태일 수 있다. 파우더 형태의 전해질 물질(193)이 젤 형태의 양극 활물질(191)에 첨가 혼합되어서 전체적으로 젤 형태인 제1 전극 재료(190)가 형성될 수 있다. 제1 이형 필름 공급 롤러(202)는 권취된 제1 이형 필름(216)을 풀어 Y축과 평행하게 진행하도록 공급한다.

제1 슬롯 다이 코터(203)는 제1 전극 재료(190)를 제1 이형 필름 공급 롤러(202)에서 공급된 제1 이형 필름(216) 상에 균일한 두께로 도포한다. 제1 이형 필름(216) 상에 균일한 두께로 도포되는 제1 전극 재료(190)가 일정한 간격으로 이격되어 시트(sheet) 형상이 되도록 제1 슬롯 다이 코터(203)는 정기적으로 일정한 시간 동안 제1 전극 재료(190)의 누출을 중단할 수 있다.

제1 근적외선 히터(205)는 제1 이형 필름(216)에 도포된 젤 형태의 제1 전극 재료(190)에 근적외선(NIR: near-infrared ray)을 조사하여 상기 제1 전극 재료(190)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 시트 형상의 제1 전극 재료(190)는 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제1 전극층(192)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(205)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(lamp)(206)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 시트 형상의 제1 전극 재료(190)는 상기 근적외선 램프(206)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 제1 전극층(192)의 표면만 고체상으로 경화되고 내부는 젤 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(207, 210)는 상기 근적외선 히터(205)를 통과하여 성형된 제1 전극층(192)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 제1 전극층(192)을 단계적으로 압연하며, 상기 제1 전극층(192)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(207, 210)는 위아래로 배치된 상부 롤러(208, 211)와 하부 롤러(209, 212)을 구비한다. 상기 제1 전극층(192)이 상부 롤러(208, 211)와 하부 롤러(209, 212) 사이를 통과하면서 압연된다. 제1 이형 필름(216)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(207)의 상부 롤러(208)와 하부 롤러(209) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(210)의 상부 롤러(211)와 하부 롤러(212) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 제1 전극층(192)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(207, 210)의 각 롤러(208, 209, 211, 212)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 제1 전극층 성형 유닛(201)에 구비된 압연기(207, 210)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

제1 전극층 회수 롤러(214)는 한 쌍의 압연기(207, 210)를 통과한 제1 전극층(192)과 이를 부착 지지하는 제1 이형 필름(216)을 롤(roll) 형태로 권취하여 회수한다. 상기 제1 전극층 회수 롤러(214)에 롤 형태로 권취된 제1 전극층 롤(R1)은 제1 전극층(192)과, 상기 제1 전극층(192)보다 외측에 배치되어 상기 제1 전극층(192)을 부착 지지하는 제1 이형 필름(216)을 구비한다. 가이드 롤러(213)는 상기 제1 전극층(192)과 이를 부착 지지하는 제1 이형 필름(216)이 상기 제1 전극층 회수 롤러(214)를 향하도록 안내한다.

제2 전극층 성형 유닛(221)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질(195)에 전해질 물질(193)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제2 전극 재료(194)를 제2 이형 필름(236) 상에 도포하여 가열하여 제2 이형 필름(236)에 적층된 고체상의 제2 전극층(196)을 형성하는 유닛으로, 상술한 제1 전극층 성형 유닛(201)과 구성이 유사하며, 제2 이형 필름 공급 롤러(222), 제2 슬롯 다이 코터(223), 제2 근적외선 히터(225), 한 쌍의 압연기(227, 230), 및 제2 전극층 회수 롤러(234)를 구비한다.

도시된 실시예에서 상기 전극 활물질(195)은 젤 형태의 음극 활물질일 수 있다. 상기 전해질 물질(193)은 파우더 형태일 수 있다. 파우더 형태의 전해질 물질(193)이 젤 형태의 음극 활물질(195)에 첨가 혼합되어서 전체적으로 젤 형태인 제2 전극 재료(194)가 형성될 수 있다. 제2 이형 필름 공급 롤러(222)는 권취된 제2 이형 필름(236)을 풀어 Y축과 평행하게 진행하도록 공급한다.

제2 슬롯 다이 코터(223)는 제2 전극 재료(194)를 제2 이형 필름 공급 롤러(222)에서 공급된 제2 이형 필름(236) 상에 균일한 두께로 도포한다. 제2 이형 필름(236) 상에 균일한 두께로 도포되는 제2 전극 재료(194)가 일정한 간격으로 이격되어 시트(sheet) 형상이 되도록 제2 슬롯 다이 코터(223)는 정기적으로 일정한 시간 동안 제2 전극 재료(194)의 누출을 중단할 수 있다.

제2 근적외선 히터(225)는 제2 이형 필름(236)에 도포된 젤 형태의 제2 전극 재료(194)에 근적외선을 조사하여 상기 제2 전극 재료(194)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 시트 형상의 제2 전극 재료(194)는 휠 수 있는 검(gum) 형태의 고체상 제2 전극층(196)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(225)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(226)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 시트 형상의 제2 전극 재료(194)는 상기 근적외선 램프(226)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 제2 전극층(196)의 표면만 고체상으로 경화되고 내부는 젤 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(227, 230)는 상기 근적외선 히터(225)를 통과하여 성형된 제2 전극층(196)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 제2 전극층(196)을 단계적으로 압연하며, 상기 제2 전극층(196)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(227, 230)는 위아래로 배치된 상부 롤러(228, 231)와 하부 롤러(229, 232)을 구비한다. 상기 제2 전극층(196)이 상부 롤러(228, 231)와 하부 롤러(229, 232) 사이를 통과하면서 압연된다. 제2 이형 필름(236)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(227)의 상부 롤러(228)와 하부 롤러(229) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(230)의 상부 롤러(231)와 하부 롤러(232) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 제2 전극층(196)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(227, 230)의 각 롤러(228, 229, 231, 232)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 제2 전극층 성형 유닛(221)에 구비된 압연기(227, 230)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

제2 전극층 회수 롤러(234)는 한 쌍의 압연기(227, 230)를 통과한 제2 전극층(196)과 이를 부착 지지하는 제2 이형 필름(236)을 롤(roll) 형태로 권취하여 회수한다. 상기 제2 전극층 회수 롤러(234)에 롤 형태로 권취된 제2 전극층 롤(R2)은 제2 전극층(196)과, 상기 제2 전극층(196)보다 외측에 배치되어 상기 제2 전극층(196)을 부착 지지하는 제2 이형 필름(236)을 구비한다. 가이드 롤러(233)는 상기 제2 전극층(196)과 이를 부착 지지하는 제2 이형 필름(236)이 상기 제2 전극층 회수 롤러(234)를 향하도록 안내한다.

전극층 결합 유닛(240)은 제1 이형 필름(216)에 적층된 제1 전극층(192)과 제2 이형 필름(236)에 적층된 제2 전극층(196)을 서로 마주보게 하고 밀착 결합하여 제1 전극층(192) 및 제2 전극층(196)을 하나씩 구비한 전지 셀(197)을 형성하는 유닛이다. 상기 전극층 결합 유닛(240)은 제1 전극층(192)을 부착 지지한 제1 이형 필름(216)을 공급하는 제1 전극층 공급 롤러(238)와, 제2 전극층(196)을 부착 지지한 제2 이형 필름(236)을 공급하는 제2 전극층 공급 롤러(239)와, 상기 제1 전극층(192) 및 제2 전극층(196)이 결합된 전지 셀(197)의 아래위 표면을 덮은 제1 이형 필름(216) 및 제2 이형 필름(236)을 회수하는 전지 셀 회수 롤러(268)를 구비한 롤투롤(roll-to-roll) 설비에 구비될 수 있다.

상기 제1 전극층 회수 롤러(214)(도 11 참조)에서 제1 전극층 롤(R1)(도 11 참조)을 분리하여 상기 제1 전극층 공급 롤러(238)에 장착하고, 상기 제2 전극층 회수 롤러(234)(도 12 참조)에서 제2 전극층 롤(R2)(도 12 참조)를 분리하여 상기 제2 전극층 공급 롤러(239)에 장착한 다음, 상기 제1 전극층 공급 롤러(238)와 제2 전극층 공급 롤러(239)를 동시에 회전시켜 상기 제1 전극층(192)을 부착 지지한 제1 이형 필름(216)과 상기 제2 전극층(196)을 부착 지지한 제2 이형 필름(236)을 상기 전극층 결합 유닛(240)을 향하여 같은 속도로 공급할 수 있다.

전극층 결합 유닛(240)은 롤러 결합기(245)와, 제1 전극층 예열기(241)와, 제2 전극층 예열기(243)을 구비한다. 상기 롤러 결합기(245)는 위아래로 배치된 상부 롤러(246)와 하부 롤러(247)을 구비한다. 상기 제1 이형 필름(216)에 적층된 제1 전극층(192)과 상기 제2 이형 필름(236)에 적층된 제2 전극층(196)이 상기 한 쌍의 롤러(246, 247) 사이를 통과하면서 가압되어서 제1 전극층(192)의 상측면과 제2 전극층(196)의 하측면이 밀착 결합되어 전지 셀(197)이 형성된다. 상기 한 쌍의 롤러(246, 247) 사이를 통과하며 형성되는 전지 셀(197)은 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)에 덮여 있게 된다. 부연하면, 전지 셀 회수 롤러(268)로 진행하는 전지 셀(197)은, 제1 전극층(192)의 하측면이 제1 이형 필름(216)에 부착되고 제2 전극층(196)의 상측면이 제2 이형 필름(236)에 부착되어 노출되지 않는 상태로 진행하므로, 전지 셀(197)의 오염이 예방된다. 상기 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)도 상기 한 쌍의 롤러(246, 247) 사이를 통과하며 제1 전극층(192) 및 제2 전극층(196)과 함께 가압된다.

상기 한 쌍의 롤러(246, 247)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극층(192, 196)이 보다 쉽게 결합되고 압축 변형될 수 있도록 상기 한 쌍의 롤러(246, 247)의 표면 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 히터(미도시)가 상기 한 쌍의 롤러(246, 247)에 내재될 수 있다.

제1 전극층 예열기(241)는 제1 이형 필름(216)에 적층된 제1 전극층(192)이 상기 롤러 결합기(245)를 통과하기 전에 상기 제1 전극층(192)을 가열하는 것으로, 상기 제1 전극층 공급 롤러(238)와 롤러 결합기(245) 사이에 배치되고, 제2 전극층 예열기(243)는 제2 이형 필름(236)에 적층된 제1 전극층(196)이 상기 롤러 결합기(245)를 통과하기 전에 상기 제2 전극층(196)을 가열하는 것으로, 상기 제2 전극층 공급 롤러(239)와 롤러 결합기(245) 사이에 배치된다. 제1 전극층 예열기(241) 및 제2 전극층 예열기(243)은 각각, 복사열을 발산하는 복사 열원(242. 244)을 구비할 수 있다. 상기 복사 열원(242, 244)의 발열 온도는 40 내지 150℃일 수 있다. 제1 전극층 예열기(241) 및 제2 전극층 예열기(243)의 예열을 통해 제1 및 제2 전극층(192, 196) 간 결합력과 결합 품질이 향상될 수 있다.

프레스 유닛(250)은 전극층 결합 유닛(240)을 통과한 전지 셀(197)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 가압하는 유닛으로, 상기 전극층 결합 유닛(240)을 구비한 롤투롤 설비에서 상기 전극층 결합 유닛(240)의 하류에 구비될 수 있다. 프레스 유닛(250)은 위아래로 배치된 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265)를 구비하는 제1 내지 제5 롤러 프레스(roller press)(251, 254, 257, 260, 263)을 구비한다.

제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)에 덮인 전지 셀(197)이 제1 내지 제5 롤러 프레스)(251, 254, 257, 260, 263)의 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265) 사이를 순차적으로 통과하면서 단계적으로 가압된다. 롤러 결합기(245)의 경우와 마찬가지로, 상기 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)도 제1 내지 제5 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263)의 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265) 사이를 통과하며 전지 셀(197)과 함께 가압된다.

제1 및 제2 이형 필름(216, 236)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263)의 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263)의 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 전지 셀(197)이 단계적으로 압연된다.

상기 롤러 결합기(245)의 경우와 마찬가지로, 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263)의 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265)의 직경은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 또한, 상기 전지 셀(197)이 보다 쉽게 압축 변형되고 제1 전극층(192)과 제2 전극층(196) 간 결합력이 더욱 강해지도록 상기 상부 롤러(252, 255, 258, 261, 264)와 하부 롤러(253, 256, 259, 262, 265)의 표면 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 히터(미도시)가 상기 한 쌍의 롤러(246, 247)에 내재될 수 있다.

바람직한 실시예에서 롤러 결합기(245)와 제1 내지 제5 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263) 각각에 의해 압축되는 전지 셀(197)의 압축률은, 롤러 결합기(245)와 제1 내지 제5 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263) 중에 상대적으로 상류에 배치된 것의 압축률이 상대적으로 하류에 배치된 것의 압축률보다 크거나 같다. 예를 들어, 롤러 결합기(245)로 진입하기 전의 제1 전극층(192)과 제2 전극층(196)의 두께의 합(合)이 압축률 0% 일 때의 전지 셀(197)이고, 제5 롤러 프레스(263)를 통과한 전지 셀(197)의 두께가 압축률 100% 일 때의 전지 셀(197)이라고 하면, 상기 롤러 결합기(245)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 40%, 상기 제1 롤러 프레스(251)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 30%, 상기 제2 롤러 프레스(254)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 10%, 상기 제3 롤러 프레스(257)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 10%, 상기 제4 롤러 프레스(260)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 5%, 상기 제5 롤러 프레스(263)에 의한 전지 셀(197)의 압축률은 5%일 수 있다.

프레스 유닛(250)을 통과한 전지 셀(197)은 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)에 덮인 상태로 롤(roll) 형태로 전지 셀 회수 롤러(268)에 권취 회수된다. 상기 전지 셀 회수 롤러(268)에 롤 형태로 권취된 전지 셀 롤(R3)은 제1 전극층(192)과 제2 전극층(196)을 구비한 전지 셀(197)과, 상기 전지 셀(197)보다 상대적으로 내측에 배치되고 상기 제1 전극층(192)을 부착 지지하는 제1 이형 필름(216)과, 상기 전지 셀(197)보다 상대적으로 외측에 배치되고 상기 제2 전극층(196)을 부착 지지하는 제2 이형 필름(236)을 구비한다.

한편, 프레스 유닛(250)은 제1 내지 제5 롤러 프레스(251, 254, 257, 260, 263)를 순차적으로 통과한 전지 셀(197)이 전지 셀 회수 롤러(268)에 권취되기에 앞서서 상기 전지 셀(197)을 40 내지 130℃의 온도로 가열하는 전지 셀 열처리기(266)를 더 구비할 수 있다. 상기 전지 셀 열처리기(266)는 복사열을 발산하는 복사 열원(267)을 구비할 수 있다. 전지 셀 열처리기(266)를 통한 가열로 인해 상기 전극 셀(197) 및 이를 덮고 있는 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)이 작은 힘으로도 잘 휘어지게 되어 전지 셀 회수 롤러(268)에 의한 전지 셀(197)의 회수 작업의 불량이 예방되고, 결과적으로 전지 셀(197)의 품질이 향상될 수 있다.

도 14는 도 10의 프레스 유닛의 다른 일 실시예의 구성도이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 도 14에 도시된 프레스 유닛(270)은 전지 셀 롤(R3)을 상기 전지 셀 회수 롤러(268)에서 분리하여 추가로 가압하고, 전지 셀(197)을 상기 제1 및 제2 이형 필름(216, 236)에서 분리 적층하기 위해 사용될 수 있다. 또는, 도 13의 롤투롤 설비에 프레스 유닛(250)이 없는 경우, 충분히 압착되지 않은 전지 셀 롤(R3)을 전지 셀 회수 롤러(268)에서 분리하여 가압하고, 전지 셀(197)을 상기 제1 및 제2 이형 필름(216, 236)에서 분리 적층하기 위해 사용될 수 있다.

프레스 유닛(270)은 전지 셀(197)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 가압한다. 프레스 유닛(270)은 전지 셀 공급 롤러(271), 제1 이형 필름 회수 롤러(280), 제1 웨지(wedge)(281), 제2 이형 필름 회수 롤러(282), 제2 웨지(283), 하부 프레스(275), 상부 프레스(277), 전지 셀 예열기(272), 전지 셀 트레이(285)를 구비한다. 전지 셀 공급 롤러(271)는 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)에 의해 아래위가 덮인 전지 셀(197)을 공급한다. 상기 전지 셀 회수 롤러(268)(도 13 참조)에서 전지 셀 롤(R3)을 분리하여 상기 전지 셀 공급 롤러(271)에 장착하고, 상기 전지 셀 롤(R3)이 풀어지는 방향으로 전지 셀 공급 롤러(271)를 회전시켜 상기 제1 이형 필름(216) 및 제2 이형 필름(236)에 덮인 전지 셀(197)을 공급할 수 있다.

제1 이형 필름 회수 롤러(280)는 상기 전지 셀(197)을 부착 지지하는 제1 이형 필름(216)을 감아 회수한다. 제1 웨지(281)는 제1 이형 필름(216)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 제1 이형 필름(216)을 전지 셀(197)에서 분리시킨다. 제2 이형 필름 회수 롤러(282)는 상기 전지 셀(197)을 부착 지지하는 제2 이형 필름(236)을 감아 회수한다. 제2 웨지(283)는 제2 이형 필름(236)의 진행 방향을 예각으로 절곡하여 제2 이형 필름(236)을 전지 셀(197)에서 분리시킨다. 전지 셀(197)의 진행 방향을 따라 제2 웨지(283)가 제1 웨지(281)보다 상류에 배치되어서 제2 이형 필름(236)이 제1 이형 필름(216)보다 먼저 전지 셀(197)에서 분리된다.

하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)는 상기 전지 셀(197)을 사이에 두고 서로 가까워지는 방향으로 이동하여 상기 전지 셀(197)을 가압한다. 구체적으로, 하부 프레스(275)는 상향 돌출된 하부 코어(276)를 구비하고, 상부 프레스(277)는 하향 돌출된 상부 코어(278)를 구비한다. 하부 코어(276)의 상측면(276u)은 전지 셀(197)이 부착된 제1 이형 필름(216)이 아래로 밀리지 않도록 상기 제1 이형 필름(216)을 접촉 지지한다.

상부 프레스(277)가 하부 프레스(275)를 향해 아래로 하강하면 상부 코어(278)의 하측면(278b)이 전지 셀(197)을 덮고 있는 제2 이형 필름(236)을 밀착 가압하고, 하부 코어(276)의 상측면(276u)이 제1 이형 필름(216)을 밀착 가압한다. 이로 인해 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236) 사이에 높인 전지 셀(197)이 가압된다. 상기 전지 셀(197)이 상기 하부 코어(276) 및 상부 코어(278)와 정확히 정렬된 상태에서 상기 상부 프레스(277)가 하강하여 전지 셀(197)을 밀착 가압하고 다시 상승하도록 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)은 Y축과 평행한 방향으로 단속적으로 진행할 수 있다. 상기 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)의 압착력은 최대 2500kg 일 수 있다.

하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)는 각각, 전지 셀(197)을 밀착 가압하는 하부 코어 상측면(276u)과 상부 코어 하측면(278b)의 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 가열 수단을 구비할 수 있다. 한편, 제1 전극층(192) 및 제2 전극층(196)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 가열 수단은 작동 중단될 수 있다.

상기 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하는 속도는, 전지 셀(197)이 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)에 의해 가압되기 시작하는 시점 이전의 속도가 이후의 속도보다 빠르다. 다시 말해, 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)에 의해 가압되는 동안 전지 셀(197)은 느린 속도로 가압된다.

전지 셀 예열기(272)는 전지 셀(197)을 부착 지지하고 진행하는 제1 및 제2 이형 필름(216, 236)이 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277) 사이로 진입하여 통과하기 전에 상기 전지 셀(197)을 가열한다. 상기 전지 셀 예열기(272)는 복사열을 발산하는 복사 열원(273)을 구비할 수 있다. 상기 복사 열원(273)의 발열 온도는 40 내지 150℃일 수 있다. 전지 셀 예열기(272)의 예열을 통해 전지 셀(197) 압착 작업의 품질이 개선될 수 있다. 한편, 제1 전극층(192), 및 제2 전극층(196)을 구성하는 성분에 따라 가열된 온도에서 압착되는 것이 나쁜 영향을 미치는 경우도 있으므로, 이러한 경우에 상기 전지 셀 예열기(272)는 작동 중단될 수 있다. 또는, 상기 전지 셀 예열기(272)을 작동시키되, 상기 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277)가 각각, 예열된 전지 셀(197)을 밀착하여 상온으로 냉각시키는 냉각 수단을 더 구비할 수 있다.

전지 셀(197)의 상측면이 노출되지 않게 가리는 제2 이형 필름(236)이 제2 웨지(283)에 의해 진행 방향이 전환되면서 하부 프레스(275) 및 상부 프레스(277) 사이를 통과한 전지 셀(197)로부터 먼저 분리된다. 연속하여 전지 셀(197)의 하측면이 노출되지 않게 가리는 제1 이형 필름(216)이 제1 웨지(281)에 의해 진행 방향이 전환되면서 상기 전지 셀(197)로부터 분리된다. 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)이 모두 분리된 전지 셀(197)은 전지 셀 트레이(285)에 적층될 수 있다. 상기 전지 셀(197)과 분리된 제1 이형 필름(216)과 제2 이형 필름(236)은 상술한 바와 같이 제1 이형 필름 회수 롤러(280) 및 제2 이형 필름 회수 롤러(282)에 감겨 회수된다.

한편, 본 발명의 프레스 유닛은 제1 및 제2 이형 필름(216, 236)에 부착 지지되지 않은 상태의 전지 셀(197)을 상기 하부 프레스(275)의 하부 코어(276)의 상측면(276u) 위에 올려놓고 상부 프레스(277)를 하부 프레스(277)를 향해 하강시켜 전지 셀(197)을 압착할 수도 있다. 이 경우에 상기 프레스 유닛은 전지 셀 공급 롤러(271), 제1 이형 필름 회수 롤러(280), 제1 웨지(281), 제2 이형 필름 회수 롤러(282), 제2 웨지(283)을 구비하지 않을 수 있다.

이상에서 도 14를 참조하여 설명한 프레스 유닛(270)은 도 13의 롤투롤 설비에 구비된 프레스 유닛(250)을 대체하여 도 13의 롤투롤 설비에 구비될 수도 있다. 이 경우에 상기 전지 셀 공급 롤러(271)와, 도 13에 도시된 전지 셀 회수 롤러(268)는 구비되지 않을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전고체 이차전지 제조 방법은, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질(191)에 전해질 물질(193)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제1 전극 재료(190)를 제1 이형 필름(216) 상에 도포하고 가열하여 상기 제1 이형 필름(216)에 적층된 고체상의 제1 전극층(192)을 형성하는 제1 전극층 성형 단계, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질(195)에 전해질 물질(193)이 첨가되어 형성된 젤 형태의 제2 전극 재료(194)를 제2 이형 필름(236) 상에 도포하고 가열하여 상기 제2 이형 필름(236)에 적층된 고체상의 제2 전극층(196)을 형성하는 제2 전극층 성형 단계, 상기 제1 이형 필름(216)에 적층된 제1 전극층(192)과 상기 제2 이형 필름(236)에 적층된 제2 전극층(196)을 서로 마주보게 하고 밀착 결합하여 제1 전극층(192) 및 제2 전극층(196)을 하나씩 구비한 전지 셀(197)을 형성하는 전극층 결합 단계, 및 상기 전지 셀(197)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 가압하는 프레스 단계를 구비한다. 상기 프레스 단계는 상기 전지 셀(197)을 가압하기에 앞서서 가열하는 전지 셀 예열 단계를 구비할 수 있다.

상기 제1 전극층 성형 단계는 상기 제1 전극층 성형 유닛(201)에 의해 수행되고, 상기 제2 전극층 성형 단계는 상기 제2 전극층 성형 유닛(221)에 의해 수행되고, 상기 전극층 결합 단계는 상기 전극층 결합 유닛(240)에 의해 수행되며, 상기 프레스 단계는 상기 프레스 유닛(250, 270)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(200) 및 전고체 이차전지 제조 방법에 의하면 젤 형태(gel type)의 전극 재료(190, 194)로부터 시작하여 자동화된 공정을 거쳐 전고체 이차전지, 더욱 구체적으로는 전지 셀(197)을 제조할 수 있다. 따라서, 전고체 이차전지의 생산성이 향상된다.

도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치의 구성도이고, 도 16는 도 15의 제1 전극층 성형 유닛의 구성도이고, 도 17은 도 15의 제2 전극층 성형 유닛의 구성도이다. 도 15 내지 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(300)는, 한 쌍의 이형 필름(297, 298)과, 상기 한 쌍의 이형 필름(297, 298) 사이에 적층된 고체상의 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296)을 구비한 전지 웹(web)(299)을 자동화된 생산 공정으로 제조하는 장치이다. 부연하면, 상기 전고체 이차전지 제조 장치(300)는 상기 제1 이형 필름(297) 및 제2 이형 필름(298)을 공급하는 작업부터 상기 전지 웹(299)을 권취 회수하는 작업까지 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 진행된다. 상기 제1 전극층(292)이 양극 활물질과 전해질 물질을 포함하고 상기 제2 전극층(296)이 음극 활물질과 전해질 물질을 포함하거나, 그 반대일 수 있다.

상기 전고체 이차전지 제조 장치(300)는 제1 이형 필름 공급 롤러(301), 제2 이형 필름 공급 롤러(302), 제1 전극층 성형 유닛(304), 제2 전극층 성형 유닛(324), 전극층 결합 유닛(360), 프레스 유닛(372), 및 콘트롤러(controller)(385)를 구비한다. 제1 이형 필름 공급 롤러(301)는 롤(roll) 형태로 권취된 제1 이형 필름(297)을 풀어 공급하고, 제2 이형 필름 공급 롤러(302)는 롤 형태로 권취된 제2 이형 필름(298)을 풀어 공급한다.

제1 전극층 성형 유닛(304)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질(291)에 전해질 물질(293)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제1 전극 재료(290)를 상기 제1 이형 필름 공급 롤러(301)로부터 공급된 제1 이형 필름(297) 상에 도포하여 가열하여 제1 이형 필름(297)에 적층된 고체상의 제1 전극층(292)을 형성하는 유닛으로, 제1 코팅기(coater)(305), 제1 근적외선 히터(315), 및 한 쌍의 압연기(317, 320)를 구비한다. 도시된 실시예에서 상기 전극 활물질(291)은 젤(gel) 형태의 양극 활물질일 수 있다. 상기 전해질 물질(293)은 파우더(powder) 형태일 수 있다. 파우더 형태의 전해질 물질(293)이 젤 형태의 양극 활물질(291)에 첨가 혼합되어서 전체적으로 젤 형태인 제1 전극 재료(290)가 형성될 수 있다.

제1 코팅기(305)는 제1 탱크(tank)(306), 제1 코팅 롤러(308), 제1 콤마 롤러(comma roller)(310), 및 제1 교반 롤러(312)를 구비한다. 제1 탱크(306)에는 상기 제1 전극 재료(290)가 수용된다. 제1 교반 롤러(312)는 제1 전극 재료(290)에 포함된 젤 형태의 전극 활물질(291)과 파우더 형태의 전해질 물질(293)이 제1 탱크(306) 내에서 고르게 분산 혼합되도록 제1 탱크(306) 내에서 회전한다. 상기 전극 활물질(291)과 전해질 물질(293)이 혼합 교반된 제1 전극 재료(290)를 제1 탱크(306) 내부에 투입할 수도 있으나, 전극 활물질(291)과 전해질 물질(293)을 분리하여 보관하는 것이 원재료 관리 측면에서 편리하다. 따라서, 상기 전극 활물질(291)과 전해질 물질(293)을 각각 제1 탱크(306)에 투입하고 제1 교반 롤러(312)를 회전시켜 상기 제1 탱크(306) 내에서 제1 전극 재료(290)를 혼합 형성한다.

제1 교반 롤러(312)의 외주면에는 상기 제1 교반 롤러(312)가 회전함에 따라 제1 전극 재료(290)가 혼합되도록 자극하는 복수의 제1 외주면 홈(groove)(313)이 형성된다. 각각의 제1 외주면 홈(313)은 제1 교반 롤러(312)의 외주면의 접선과 상대적으로 큰 각도를 형성하도록 절곡된 급경사면과, 상기 제1 교반 롤러(312)의 외주면의 접선과 상대적으로 작은 각도를 형성하도록 절곡되고 상기 급경사면보다 긴 완경사면에 의해서 한정된다. 상기 급경사면과 완경사면은 제1 외주면 홈(313)의 가장 깊은 지점에서 이어진다. 도 16에서 상기 제1 교반 롤러(312)가 반시계 방향으로 회전함으로써 각각의 제1 외주면 홈(313)의 급경사면이 제1 교반 롤러(312) 주변의 제1 전극 재료(290)를 강하게 밀어내고 이에 따라 제1 전극 재료(290)의 전극 활물질(291)과 전해질 물질(293)이 고르게 혼합된다.

제1 코팅 롤러(308)는 제1 이형 필름 공급 롤러(301)에서 공급된 제1 이형 필름(297)이 제1 탱크(306)를 경유하도록 제1 이형 필름(297)을 지지하여 상기 제1 이형 필름(297)에 제1 전극 재료(290)를 도포시킨다. 제1 콤마 롤러(310)는 제1 이형 필름(297)에 도포된 제1 전극 재료(290)의 두께를 규제한다. 도 16에서 상기 제1 교반 롤러(312)가 제1 콤마 롤러(310)의 좌측 아래에 위치하므로, 상기 제1 교반 롤러(312)가 반시계 방향으로 회전함에 따라 상기 제1 탱크(306) 내에서 제1 교반 롤러(312)의 우측 외주면 주변의 전극 재료(290)가 제1 콤마 롤러(310)를 향해 올려져 공급되도록 유도 가압된다. 제1 코팅기(305)에 의해 제1 이형 필름(297)의 길이 방향으로 갭(gap)이나 끊김 없이 제1 전극 재료(290)가 제1 이형 필름(297)에 도포된다.

제1 근적외선 히터(315)는 제1 이형 필름(297)에 도포된 젤 형태의 제1 전극 재료(290)에 근적외선(NIR: near-infrared ray)을 조사하여 상기 제1 전극 재료(290)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 제1 전극 재료(290)는 휠 수 있는 고체상 제1 전극층(292)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(315)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(lamp)(316)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 도포된 젤 형태의 제1 전극 재료(290)는 상기 근적외선 램프(316)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 제1 전극층(292)의 표면만 고체상으로 경화되고 내부는 젤 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(317, 320)는 상기 근적외선 히터(315)를 통과하여 성형된 제1 전극층(292)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 제1 전극층(292)을 단계적으로 압연하며, 상기 제1 전극층(292)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(317, 320)는 위아래로 배치된 상부 롤러(318, 321)와 하부 롤러(319, 322)을 구비한다. 상기 제1 전극층(292)이 상부 롤러(318, 321)와 하부 롤러(319, 322) 사이를 통과하면서 압연된다. 제1 이형 필름(297)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(317)의 상부 롤러(318)와 하부 롤러(319) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(320)의 상부 롤러(321)와 하부 롤러(322) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 제1 전극층(292)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(317, 320)의 각 롤러(318, 319, 321, 322)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 제1 전극층 성형 유닛(304)에 구비된 압연기(317, 320)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

제2 전극층 성형 유닛(324)은 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질(295)에 전해질 물질(293)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제2 전극 재료(294)를 상기 제2 이형 필름 공급 롤러(302)로부터 공급된 제2 이형 필름(298) 상에 도포하여 가열하여 제2 이형 필름(298)에 적층된 고체상의 제2 전극층(296)을 형성하는 유닛으로, 제2 코팅기(325), 제2 근적외선 히터(335), 및 한 쌍의 압연기(337, 340)를 구비한다. 도시된 실시예에서 상기 전극 활물질(295)은 젤(gel) 형태의 음극 활물질일 수 있다. 상기 전해질 물질(293)은 파우더(powder) 형태일 수 있다. 파우더 형태의 전해질 물질(293)이 젤 형태의 음극 활물질(295)에 첨가 혼합되어서 전체적으로 젤 형태인 제2 전극 재료(294)가 형성될 수 있다.

제2 코팅기(325)는 제2 탱크(326), 제2 코팅 롤러(328), 제2 콤마 롤러(330), 및 제2 교반 롤러(332)를 구비한다. 제2 탱크(326)에는 상기 제2 전극 재료(294)가 수용된다. 제2 교반 롤러(332)는 제2 전극 재료(294)에 포함된 젤 형태의 전극 활물질(295)과 파우더 형태의 전해질 물질(293)이 제2 탱크(326) 내에서 고르게 분산 혼합되도록 제2 탱크(326) 내에서 회전한다. 상기 전극 활물질(295)과 전해질 물질(293)이 혼합 교반된 제2 전극 재료(294)를 제2 탱크(326) 내부에 투입할 수도 있으나, 전극 활물질(295)과 전해질 물질(293)을 분리하여 보관하는 것이 원재료 관리 측면에서 편리하다. 따라서, 상기 전극 활물질(295)과 전해질 물질(293)을 각각 제2 탱크(326)에 투입하고 제2 교반 롤러(332)를 회전시켜 상기 제2 탱크(326) 내에서 제2 전극 재료(294)를 혼합 형성한다.

제2 교반 롤러(332)의 외주면에는 상기 제2 교반 롤러(332)가 회전함에 따라 제2 전극 재료(294)가 혼합되도록 자극하는 복수의 제2 외주면 홈(333)이 형성된다. 각각의 제2 외주면 홈(333)은 제2 교반 롤러(332)의 외주면의 접선과 상대적으로 큰 각도를 형성하도록 절곡된 급경사면과, 상기 제2 교반 롤러(332)의 외주면의 접선과 상대적으로 작은 각도를 형성하도록 절곡되고 상기 급경사면보다 긴 완경사면에 의해서 한정된다. 상기 급경사면과 완경사면은 제2 외주면 홈(333)의 가장 깊은 지점에서 이어진다. 도 17에서 상기 제2 교반 롤러(332)가 시계 방향으로 회전함으로써 각각의 제2 외주면 홈(333)의 급경사면이 제2 교반 롤러(332) 주변의 제2 전극 재료(294)를 강하게 밀어내고 이에 따라 제2 전극 재료(294)의 전극 활물질(295)과 전해질 물질(293)이 고르게 혼합된다.

제2 코팅 롤러(328)는 제2 이형 필름 공급 롤러(302)에서 공급된 제2 이형 필름(298)이 제2 탱크(326)를 경유하도록 제2 이형 필름(298)을 지지하여 상기 제2 이형 필름(298)에 제2 전극 재료(294)를 도포시킨다. 제2 콤마 롤러(330)는 제2 이형 필름(298)에 도포된 제2 전극 재료(294)의 두께를 규제한다. 도 17에서 상기 제2 교반 롤러(332)가 제2 콤마 롤러(330)의 우측 아래에 위치하므로, 상기 제2 교반 롤러(332)가 시계 방향으로 회전함에 따라 상기 제2 탱크(326) 내에서 제2 교반 롤러(332)의 좌측 외주면 주변의 전극 재료(294)가 제2 콤마 롤러(330)를 향해 올려져 공급되도록 유도 가압된다. 제2 코팅기(325)에 의해 제2 이형 필름(298)의 길이 방향으로 갭(gap)이나 끊김 없이 제2 전극 재료(294)가 제2 이형 필름(298)에 도포된다.

제2 근적외선 히터(335)는 제2 이형 필름(298)에 도포된 젤 형태의 제2 전극 재료(294)에 근적외선(NIR)을 조사하여 상기 제2 전극 재료(294)를 40 내지 120℃의 온도로 가열한다. 이를 통해 상기 제2 전극 재료(294)는 휠 수 있는 고체상 제2 전극층(296)으로 성형된다. 상기 근적외선 히터(335)는 전기 에너지를 근적외선으로 변환하여 투사하는 근적외선 램프(336)를 구비한다. 근적외선 조사에 의해 도포된 젤 형태의 제2 전극 재료(294)는 상기 근적외선 램프(336)와 마주보는 표면보다 내부가 먼저 가열 경화된다. 따라서, 제2 전극층(296)의 표면만 고체상으로 경화되고 내부는 젤 형태로 잔존하는 성형 불량이 억제된다.

한 쌍의 압연기(337, 340)는 상기 근적외선 히터(335)를 통과하여 성형된 제2 전극층(296)의 두께를 얇게 하고 밀도를 높이기 위하여 상기 제2 전극층(296)을 단계적으로 압연하며, 상기 제2 전극층(296)의 진행 경로를 따라 일렬로 배열된다. 각각의 압연기(337, 340)는 위아래로 배치된 상부 롤러(338, 341)와 하부 롤러(339, 342)을 구비한다. 상기 제2 전극층(296)이 상부 롤러(338, 341)와 하부 롤러(339, 342) 사이를 통과하면서 압연된다. 제2 이형 필름(298)의 진행 방향을 따라 상대적으로 상류에 배치된 제1 압연기(337)의 상부 롤러(338)와 하부 롤러(339) 사이의 간격이, 상대적으로 하류에 배치된 제2 압연기(340)의 상부 롤러(341)와 하부 롤러(342) 사이의 간격보다 약간 커서 상기 제2 전극층(296)이 단계적으로 압연된다. 상기 압연기(337, 340)의 각 롤러(338, 339, 341, 342)의 직경은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 다만, 제2 전극층 성형 유닛(324)에 구비된 압연기(337, 340)의 개수는 한 쌍에 한정되지 않으며 3개 이상 또는 1개만 구비될 수도 있다.

제1 전극층 성형 유닛(304)을 통과하여 진행하는 제1 이형 필름(297)과 이에 적층된 제1 전극층(292)은 가이드 롤러(guide roller)(344)를 거쳐 전극층 결합 유닛(360)으로 진입하고, 제2 전극층 성형 유닛(324)을 통과하여 진행하는 제2 이형 필름(298)과 이에 적층된 제2 전극층(296)은 가이드 롤러(345)를 거쳐 전극층 결합 유닛(360)으로 진입한다.

전극층 결합 유닛(360)은 제1 이형 필름(297)에 적층된 제1 전극층(292)과 제2 이형 필름(298)에 적층된 제2 전극층(296)을 서로 마주보게 하고 밀착 결합하여 상기 제1 이형 필름(297), 제1 전극층(292), 제2 전극층(296), 및 제2 이형 필름(298)이 적층된 전지 웹(web)(299)을 형성한다. 상기 전극층 결합 유닛(360)은 롤러 결합기(365)와, 제1 전극층 예열기(361)와, 제2 전극층 예열기(363)을 구비한다.

상기 롤러 결합기(365)는 대등한 높이에 배치된 한 쌍의 롤러, 즉 제1 결합 롤러(366)와 제2 결합 롤러(367)를 구비한다. 상기 제1 이형 필름(297)에 적층된 제1 전극층(292)과 상기 제2 이형 필름(298)에 적층된 제2 전극층(296)이 상기 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이를 통과하면서 가압되어서 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296)의 마주 보는 측면이 밀착 결합되어 전지 웹(299)이 형성된다. 상기 전지 웹(299)의 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296)은 제1 이형 필름(297)과 제2 이형 필름(298)에 덮여서 외부에 노출되지 않는 상태로 진행하므로 오염이 방지된다. 상기 제1 이형 필름(297)과 제2 이형 필름(298)도 상기 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이를 통과하며 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)과 함께 가압된다.

상기 한 쌍의 롤러(366, 367)의 직경(diameter)은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극층(292, 296)이 보다 쉽게 접합되고 압축 변형될 수 있도록 상기 한 쌍의 롤러(366, 367)의 표면 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 히터(미도시)가 상기 한 쌍의 롤러(366, 367)에 내재될 수 있다.

제1 전극층 예열기(361)는 제1 이형 필름(297)에 적층된 제1 전극층(292)이 상기 롤러 결합기(365)를 통과하기 전에 상기 제1 전극층(292)을 가열하는 것으로, 제1 이형 필름(297)의 진행 경로를 따라 제1 전극층 성형 유닛(304)의 하류 및 롤러 결합기(365)의 상류에 배치된다. 제2 전극층 예열기(363)는 제2 이형 필름(298)에 적층된 제2 전극층(296)이 상기 롤러 결합기(365)를 통과하기 전에 상기 제2 전극층(296)을 가열하는 것으로, 제2 이형 필름(298)의 진행 경로를 따라 제2 전극층 성형 유닛(324)의 하류 및 롤러 결합기(365)의 상류에 배치된다.

제1 전극층 예열기(361) 및 제2 전극층 예열기(363)은 각각, 복사열을 발산하는 복사 열원(362. 364)을 구비할 수 있다. 상기 복사 열원(362, 364)의 발열 온도는 40 내지 150℃일 수 있다. 제1 전극층 예열기(361) 및 제2 전극층 예열기(363)의 예열을 통해 제1 및 제2 전극층(292, 296) 간 결합력과 결합 품질이 향상될 수 있다.

롤러 결합기(365)는 제1 및 제2 결합 롤러(366, 367) 사이의 간격이 미세하게 변경될 수 있게 구성된다. 구체적으로, 상기 제2 결합 롤러(367)의 롤러 샤프트가 유압 실린더(hydraulic cylinder)(368)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 상기 유압 실린더(368)의 로드(rod)가 상기 유압 실린더(368)의 케이스(case)에서 돌출되는 방향으로 이동하면 상기 제1 및 제2 결합 롤러(366, 367) 사이의 간격이 작아지고, 반대로 상기 유압 실린더(368)의 로드가 상기 유압 실린더(368)의 케이스(case)로 삽입되는 방향으로 이동하면 상기 제1 및 제2 결합 롤러(366, 367) 사이의 간격이 커진다.

프레스 유닛(372)은 전극층 결합 유닛(360)을 통과하여 적층된 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296)의 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 상기 전지 웹(299)을 가압하는 유닛으로, 전지 웹(299)의 진행 경로를 따라 상기 전극층 결합 유닛(360)의 하류에 구비된다. 프레스 유닛(372)은 대등한 높이에 배치된 제1 프레스 롤러(374)와 제2 프레스 롤러(375)를 구비한 롤러 프레스(roller press)(373)을 구비한다. 상기 전극층 결합 유닛(360)을 통과한 전지 웹(299)은 상기 제1 및 제2 프레스 롤러(374, 375) 사이를 통과하면서 가압된다. 상기 제1 및 제2 프레스 롤러(374, 375) 사이의 간격이 상기 전극층 결합 유닛(360)의 제1 및 제2 결합 롤러(366, 367) 사이의 간격보다 작다.

상기 롤러 결합기(365)의 경우와 마찬가지로, 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375)의 직경은 예컨대, 50 내지 60mm 일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)이 보다 쉽게 압축 변형되고 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296) 간 결합력이 더욱 강해지도록 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375)의 표면 온도를 40 내지 130℃의 온도가 되도록 가열하는 히터(미도시)가 상기 한 쌍의 롤러(374, 375)에 내재될 수 있다.

롤러 프레스(373)는 롤러 결합기(365)와 유사하게 제1 및 제2 프레스 롤러(374, 375) 사이의 간격이 미세하게 변경될 수 있게 구성된다. 구체적으로, 상기 제2 프레스 롤러(375)의 롤러 샤프트가 유압 실린더(376)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 상기 유압 실린더(376)의 로드(rod)가 상기 유압 실린더(376)의 케이스(case)에서 돌출되는 방향으로 이동하면 상기 제1 및 제2 프레스 롤러(374, 375) 사이의 간격이 작아지고, 반대로 상기 유압 실린더(376)의 로드가 상기 유압 실린더(376)의 케이스로 삽입되는 방향으로 이동하면 상기 제1 및 제2 프레스 롤러(374, 375) 사이의 간격이 커진다. 도 15에 도시되진 않았으나, 프레스 유닛(372)은 전지 웹(299)을 단계적으로 가압하도록 전지 웹(299)의 진행 경로를 따라 상기 롤러 프레스(373)의 하류에 적어도 하나의 롤러 프레스를 더 구비할 수 있다.

전지 웹 회수 롤러(382)는 상기 프레스 유닛(372)을 통과한 전지 웹(299)을 권취하여 회수한다. 두께 측정 센서(378)는 프레스 유닛(372)을 통과한 전지 웹(299)이 전지 웹 회수 롤러(382)에 회수되기 전에 제1 이형 필름(297)과 제2 이형 필름(298) 사이에서 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께를 측정한다. 상기 두께 측정 센서(378)는 예컨대, 초음파를 이용하는 것, 또는 자기장을 이용하는 것일 수 있다.

콘트롤러(385)는 제1 이형 필름 공급 롤러(301), 제2 이형 필름 공급 롤러(302), 제1 전극층 성형 유닛(304), 제2 전극층 성형 유닛(324), 전극층 결합 유닛(360), 프레스 유닛(372), 전지 웹 회수 롤러(382), 및 두께 측정 센서(378)의 동작을 제어한다. 특히, 콘트롤러(385)는 두께 측정 센서(378)에 의해 측정된 제1 전극층(292)과 제2 전극층(296)의 두께에 따라 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격, 및 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격을 조절한다.

예를 들면, 상기 두께 측정 센서(378)에 의해 측정된, 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께가 미리 설정된 기준값보다 크면, 상기 롤러 프레스(373)의 가압력이 증가되게 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격이 미세하게 작아지고, 상기 롤러 결합기(365)의 가압력이 증가되게 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격도 미세하게 작아질 수 있다. 반대로, 상기 두께 측정 센서(378)에 의해 측정된, 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께가 미리 설정된 기준값보다 작으면, 상기 롤러 프레스(373)의 가압력이 감소되게 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격이 미세하게 커지고, 상기 롤러 결합기(365)의 가압력이 감소되게 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격도 미세하게 커질 수 있다.

상기 기준값과 상기 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께의 차이가 클수록 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격의 조정량과, 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격의 조정량이 커질 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격은 롤러 프레스(373)의 유압 실린더(376)를 구동하여 조정하고, 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격은 롤러 결합기(365)의 유압 실린더(368)을 구동하여 조정할 수 있다. 상기 두께 측정 센서(378)의 측정, 및 이 측정 결과를 반영한 롤러 프레스(373)의 한 쌍의 롤러(374, 375) 사이의 간격의 조정, 및 상기 롤러 결합기(365)의 한 쌍의 롤러(366, 367) 사이의 간격의 조정은 예컨대, 1초 간격과 같이 정기적으로 반복될 수 있다.

도 15에 도시되진 않았으나, 본 발명의 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치는, 상기 전지 웹 회수 롤러(382)에 권취 회수된 롤(roll) 형태의 전지 웹(299)이 상기 전지 웹 회수 롤러(382)에서 분리되어 장착되면 상기 롤 형태의 전지 웹(299)을 풀어 공급하는 전지 웹 공급 롤러, 상기 전지 웹(299)에서 상기 제1 이형 필름(297) 및 제2 이형 필름(298)을 분리 제거하는 이형 필름 제거기, 및 상기 제1 이형 필름(297) 및 제2 이형 필름(298)이 제거되고 남은 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)을 미리 설정된 크기로 절단하여 전지 셀을 형성하는 전지 셀 절단기(cutter)를 더 구비할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전고체 이차전지 제조 방법은, 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질(291)에 전해질 물질(293)이 첨가되어 형성된 젤(gel) 형태의 제1 전극 재료(290)를 제1 이형 필름 상(297)에 도포하고 가열하여 상기 제1 이형 필름(297)에 적층된 고체상의 제1 전극층(292)을 형성하는 제1 전극층 성형 단계; 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질(295)에 전해질 물질(293)이 첨가되어 형성된 젤 형태의 제2 전극 재료(294)를 제2 이형 필름(298) 상에 도포하고 가열하여 상기 제2 이형 필름(298)에 적층된 고체상의 제2 전극층(296)을 형성하는 제2 전극층 성형 단계, 상기 제1 이형 필름(297)에 적층된 제1 전극층(292)과 상기 제2 이형 필름(298)에 적층된 제2 전극층(296)을 서로 마주보게 하고 밀착 결합하여 상기 제1 이형 필름(297), 제1 전극층(292), 제2 전극층(296), 및 제2 이형 필름(298)을 구비한 전지 웹(299)을 형성하는 전극층 결합 단계, 상기 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 상기 전지 웹(299)을 가압하는 프레스 단계, 상기 프레스 단계 이후에 상기 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께를 측정하는 두께 측정 단계, 및 상기 두께 측정 단계에서 측정된 두께에 따라 상기 프레스 단계에서 상기 전지 웹(299)을 가압하는 가압력을 조절하는 가압력 조절 단계를 구비한다.

상기 제1 전극층 성형 단계는 상기 제1 전극층 성형 유닛(304)에 의해 수행되고, 상기 제2 전극층 성형 단계는 상기 제2 전극층 성형 유닛(324)에 의해 수행되고, 상기 전극층 결합 단계는 상기 전극층 결합 유닛(360)에 의해 수행되고, 상기 프레스 단계는 상기 프레스 유닛(372)에 의해 수행되고, 상기 두께 측정 단계는 상기 두께 측정 센서(378)에 의해 수행되고, 상기 가압력 조절 단계는 상기 롤러 프레스(373)의 유압 실린더(376) 및 상기 롤러 결합기(365)의 유압 실린더(368)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 전고체 이차전지 제조 장치(300) 및 전고체 이차전지 제조 방법에 의하면 젤 형태(gel type)의 전극 재료(290, 294)로부터 시작하여 자동화된 공정을 거쳐 한 쌍의 이형 필름(297, 298)과 상기 한 쌍의 이형 필름(297, 298) 사이에 적층된 한 쌍의 전극층(292, 296)을 구비한 전지 웹(web)(299)을 제조할 수 있다. 또한, 한 쌍의 이형 필름(297, 298)을 풀어 공급하는 것으로부터 상기 한 쌍의 이형 필름(297, 298)에 덮인 한 쌍의 전극층(292, 296)을 구비한 전지 웹(web)(299)을 회수하기까지, 롤투롤 방식으로 공정이 수행된다. 상기 전지 웹(299)에서 한 쌍의 이형 필름(297, 298)을 분리하고 상기 한 쌍의 전극층(292, 296)을 일정한 크기로 절단하면 전고체 이차전지의 2층 단위 전지 셀을 제조할 수 있다. 따라서, 전고체 이차전지의 생산성이 향상된다.

상기 전고체 이차전지 제조 장치(300)는 두께 측정 센서(378)를 구비하여서, 측정된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께에 따라 전지 웹(299)을 가압하는 가압력을 조절함으로써 적층된 제1 전극층(292) 및 제2 전극층(296)의 두께를 정밀하게 조정할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

2: 전해질층 4: 제1 전극층
6: 제2 전극층 7: 전지 셀
20: 전고체 이차전지 제조 장치 21: 전해질층 형성 유닛
30: 파우더 성형틀 40: 근적외선 히터
55: 제1 전극층 형성 유닛 70: 제2 전극층 형성 유닛
83: 셀 압착 유닛 87: 예열기

Claims (1)

1. 양극 활물질 및 음극 활물질 중 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 각각 파우더(powder) 형태로 포함된 제1 전극 파우더를 시트(sheet) 형상으로 성형하고 가열하여 고체상의 제1 전극층을 형성하는 제1 전극층 성형 유닛; 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나의 전극 활물질과 전해질 물질이 포함된 액상의 제2 전극액을 상기 제1 전극층의 일 측면에 분사하고 가열하여 고체상의 제2 전극층을 형성하는 제2 전극층 성형 유닛; 및, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 하나씩 구비한 전지 셀(cell)을 두께를 줄이고 밀도를 높이도록 압착하는 셀 압착 유닛;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전고체 이차전지 제조 장치.

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