KR20220124343A - 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치 및 그 진공건조방법 - Google Patents

롤투롤 상태 전극의 진공건조장치 및 그 진공건조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치는, 전극이 롤투롤 상태로 배치되어 건조되는 진공 챔버; 상기 진공 챔버와 저진공배관에 의하여 연결되어 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 저진공 배기기구; 상기 저진공배관과 별도의 중고진공배관에 의하여 상기 진공 챔버와 연결되어 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하는 중고진공 배기기구; 및 상기 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구와 연결되어 진공 챔버 내의 진공도를 단계적으로 조절하여 전극을 건조시키는 제어부를 포함한다.
본 발명의 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법은, 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하거나 또는 저진공도로부터 중진공도/고진공도까지 단계적으로 진공 배기하는 단계; 및 상기 저진공도, 중진공도 또는 고진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함하고, 소정 개수의 전극 롤을 상기 진공 챔버 내에서 롤투롤 상태로 건조한 후, 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함한다.

Description

롤투롤 상태 전극의 진공건조장치 및 그 진공건조방법{VACUUM DRYING APPARATUS FOR ROLL-TO-ROLL ELECTRODE AND VACUUM DRYING METHOD THEREOF}
본 발명은 전극을 롤투롤 상태에서 진공 건조하기 위한 진공건조장치 및 진공건조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 설정된 공정 조건에 따라서 다양한 진공압으로 진공 배기함으로써, 수분 함량이 높은 전극의 건조는 물론 전극의 웨트 성능 개선이 가능한 진공 건조장치 및 진공건조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 집전체 시트인 양극 도전체 호일과 음극 도전체 호일에 양극 활물질과 음극 활물질을 각각 코팅하고 이 코팅된 전극을 프레스 및 슬리팅하는 전극 공정과, 상기 전극의 활물질이 도포되지 않는 무지부에 전극 탭을 형성하는 노칭, 전극과 분리막을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 라미네이션, 전극 조립체를 스태킹 또는 폴딩하여 파우치나 캔 등으로 포장하고 전해액을 주액하는 패키징 등의 공정으로 이루어지는 조립공정 및 조립된 전지를 충방전하여 전지 특성을 부여하는 활성화공정을 거쳐 제조된다.
또한, 상기 전극은 전극 제조공정이나 조립공정 등에서 언와인더(unwinder)와 리와인더(rewinder) 사이에 걸쳐져 이른바 롤투롤(roll-to-roll) 상태로 이송 및 처리된다. 이러한 롤형 전극 시트는 기재가 되는 금속 호일에 활물질, 도전재, 바인더 등으로 구성된 페이스트상의 합제가 도포되기 때문에 흡습성이 높다. 따라서, 전극의 제조과정에서 수분을 제거할 필요가 있다.
그러나, 전극 롤 상태로 전극을 건조하면 롤의 내외측에 온도차가 발생하여 균일하게 전극을 건조하기 어렵기 때문에, 전극을 롤투롤 상태에서 진공 건조하는 방법이 도입되었다.
한편, 최근에는 활물질의 조성에 따라 혹은 활물질을 구성하는 입자의 입경 등에 따라 전극의 수분이 높게 형성되어 원하는 전지 특성을 발현하기 힘든 전극들이 등장하고 있다. 예컨대, 배터리 용량을 늘이고 제조비용 저감을 위해 도입된 하이니켈 양극재가 도포된 양극이나 소입경구조 활물질의 전극들은 외기 환경에 취약하여 대기 중에서의 수분 흡수율이 높기 때문에, 원하는 수분 스펙(spec)으로부터 벗어나게 된다.
그러나, 종래의 전극의 진공건조장치는 진공 챔버를 1 Torr 이상의 저진공도로 진공 배기하여 전극을 건조하였기 때문에, 전극의 수분 제거 능력에 한계가 있었다. 특히, 상기와 같이 수분 함량이 높은 전극들의 경우 이러한 저진공도로 진공 건조하는 진공건조장치로서는 수분을 충분하게 제거하기 힘들었다.
또한, 수분을 어느 정도 제거하였다 하더라도, 종래의 저진공건조장치로 전극의 웨트 성능을 향상시키는데 부족함이 있었다. 전극의 웨트 성능이란, 전극 조립체를 용기에 패키징하고 전해액을 주액할 때, 전해액이 전극의 활물질에 용이하게 스며들어 함침될 수 있는 성능을 말한다. 이러한 전극의 웨트 성능은 전극 내부의 기포에 전해액이 용이하게 함침될수록 좋아지므로, 전극 내에 전해액 함침을 위한 기포가 적절하게 형성될 필요가 있다. 그러나, 종래의 저진공건조장치로는 전극의 웨트 성능, 특히 고수분 함량의 전극의 웨트 성능을 향상시키기에 한계가 있었다.
전극의 수분 제거 및 웨트 성능 향상을 위하여 중진공 또는 고진공 장치로 진공 챔버를 배기하여 전극을 건조하는 것을 상정할 수 있다. 하지만, 단일 배관으로 저진공도로부터 중고진공도까지 진공 챔버를 진공 배기하는 것은, 진공 장비나 배관의 구조상 용이하지 않으며, 그 제어도 매우 복잡하게 될 것이다. 혹은, 고진공도로 곧바로 진공 챔버를 진공 배기할 경우, 진공에 의하여 전극이 손상되는 이른바 진공 데미지(damage)가 발생할 수 있다.
한편, 진공 챔버 내에서 전극을 지속적으로 진공건조할 경우, 진공 챔버 내에 전극으로부터 발생된 이물 등이 부유하거나 챔버 내에 남아있을 수 있다. 이러한 진공 챔버로 계속 진공 건조하면 진공 챔버에 후속으로 도입되는 전극 롤의 전극에 이물이 부착하여 진공 챔버 내에서 오히려 전극이 오염되는 경우도 있다.
이상으로부터, 전극에 진공 데미지를 발생함이 없이 전극의 수분 제거 및 웨트 성능을 향상시킬 수 있는 진공건조 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
또한, 진공 챔버 내의 이물을 효과적으로 제거함으로써, 전극 오염을 방지할 수 있는 진공건조 기술의 개발이 요망된다 할 것이다.
일본 특허공보 제5984643호(2016.9.6)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 고수분 함량의 전극이라도 진공 데미지를 방지하면서 효율적으로 수분을 제거하고 전극의 웨트 성능을 개선할 수 있는 롤투롤 상태의 전극의 진공건조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 진공 챔버 내의 이물로 인한 오염을 방지할 수 있는 롤투롤 상태의 전극의 진공건조장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 전극의 수분을 효과적으로 제거하고, 웨트 성능을 향상시킬 수 있는 롤투롤 상태의 전극의 진공건조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치는, 전극이 롤투롤 상태로 배치되어 건조되는 진공 챔버; 상기 진공 챔버와 저진공배관에 의하여 연결되어 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 저진공 배기기구; 상기 저진공배관과 별도의 중고진공배관에 의하여 상기 진공 챔버와 연결되어 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하는 중고진공 배기기구; 및 상기 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구와 연결되어 진공 챔버 내의 진공도를 단계적으로 조절하여 전극을 건조시키는 제어부를 포함한다.
하나의 예로서, 상기 저진공도는 600~1 Torr 범위의 진공도이고, 상기 중진공도는 1 미만 ~10-2 Torr 범위의 진공도이며, 상기 고진공도는 10-2 미만 ~10-8 Torr 범위의 진공도일 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 저진공배관과 중고진공배관은 진공 챔버의 하부로부터 각각 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 저진공배관 및 중고진공배관 중 적어도 하나는, 상기 진공 챔버를 위에서 보았을 때 좌우, 상하 또는 좌우 및 상하로 쌍을 이루어 대칭으로 상기 진공 챔버의 코너부에 인접하여 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 진공 챔버 내에 저진공도를 측정하기 위한 저진공 게이지와, 중진공도 또는 고진공도를 측정하기 위한 중고진공 게이지가 설치될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 저진공 배기기기구는 상기 진공 챔버와 저진공배관을 통하여 연결되는 저진공 배기펌프 및 상기 저진공배관을 개폐하는 저진공 개폐밸브를 포함한다.
보다 구체적인 예로서, 상기 저진공 배기펌프는 로타리펌프 또는 로터리펌프에 루츠펌프가 연결되어 구성되는 것일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 저진공 개폐밸브는, 상기 저진공 배기펌프 측의 저진공배관에 설치되는 온오프밸브와, 상기 진공 챔버 측의 저진공배관에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 다단개폐밸브를 포함할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 다단개폐밸브는, 서보밸브, SMC 2단 밸브, 스로틀밸브 중 하나일 수 있다.
구체적으로, 상기 중고진공 배기기기구는 상기 진공 챔버와 상기 중고진공배관을 통하여 연결되는 중고진공 배기펌프 및 상기 중고진공배관을 개폐하는 중고진공 개폐밸브를 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 중고진공 배기펌프는, 드라이펌프와, 상기 드라이펌프와 중고진공배관에 의하여 연결되며 상기 진공 챔버와 인접한 중고진공배관에 설치되는 TMP를 포함할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 중고진공 개폐밸브는, 상기 드라이 펌프 측의 중고진공배관에 설치되는 온오프밸브와, 상기 TMP와 상기 진공챔버 사이의 중고진공배관에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 APC 밸브를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 드라이 펌프 측의 중고진공배관은 바이패스관을 구비하고, 상기 바이패스관과 드라이 펌프측의 중고진공배관에 제1 및 제2 온오프밸브가 각각 설치되며, 상기 제1 온오프밸브 및 제2 온오프밸브는 순차적으로 개방될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제어부는, 설정된 공정 조건에 따라 진공 챔버 내를 저진공도, 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하며, 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기할 경우 저진공도로부터 단계적으로 진공배기하도록 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구를 제어할 수 있다.
다른 예로서, 상기 제어부는 진공 챔버 내에서 소정 개수의 전극 롤을 롤투롤 상태로 건조한 후 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서, 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 배기하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하도록 진공도를 단계적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서의 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법은, 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 단계; 및 상기 저진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함하고, 소정 개수의 전극 롤을 상기 진공 챔버 내에서 롤투롤 상태로 건조한 후, 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
구체적으로, 상기 소정의 중진공도 또는 고진공도는, 상기 진공 챔버를 저진공도로 진공 배기하고 이 저진공도로부터 소정의 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하여 얻어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예의 전극의 진공건조방법은, 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로부터 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하는 단계; 및 상기 중진공도 또는 고진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함한다.
하나의 예로서 상기 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법은, 상기 진공 챔버 내에서 소정 개수의 전극 롤을 롤투롤 상태로 건조한 후 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서, 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하여, 고수분 함량의 전극에 대하여 진공 데미지를 방지하면서 다양한 진공압을 적용하여 효율적으로 수분을 제거할 수 있다.
또한, 전극의 웨트 성능을 한층 더 개선할 수 있다.
본 발명에 의하여, 진공 챔버 내의 이물로 인한 오염을 방지하면서 전극을 지속적으로 진공 건조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 진공건조장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 진공건조장치의 진공 배관의 연결구조를 나타내는 사시도 및 평면도이다.
도 3은 전극 노칭 후에 본 발명의 진공건조장치가 적용되어 진공 건조가 행해지는 진공가열장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공건조방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 진공배기기구에 의하여 진공 펌핑하는 경우의 여러 전지 셀들에 대한 시간에 따른 진공도의 변화를 나타내는 진공도 프로파일링 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공건조방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치는, 전극이 롤투롤 상태로 배치되어 건조되는 진공 챔버; 상기 진공 챔버와 저진공배관에 의하여 연결되어 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 저진공 배기기구; 상기 저진공배관과 별도의 중고진공배관에 의하여 상기 진공 챔버와 연결되어 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하는 중고진공 배기기구; 및 상기 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구와 연결되어 진공 챔버 내의 진공도를 단계적으로 조절하여 전극을 건조시키는 제어부를 포함한다.
종래의 전극을 롤투롤 상태로 진공 건조하는 진공건조장치는, 1 Torr 이상의 저진공도 하에서 전극을 가열 건조하였기 때문에, 최근 각광받고 있는 하이니켈 양극재가 도포된 전극이나 소입경 구조의 활물질이 도포된 전극과 같은 고수분 전극의 수분 제거에는 한계가 있었다. 또한, 상기와 같은 저진공도 하의 진공 건조로서는 웨트 성능 개선을 위한 기포 형성 능력에도 한계가 있었다.
본 발명은, 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위하여, 진공 챔버를 저진공도로 진공 배기하는 저진공 배기기구에 더하여, 상기 저진공 배기기구와 별도의 배관에 의하여 진공 챔버와 연결되는 중고진공 배기기구를 구비함으로써, 고수분 전극의 수분 제거 및 웨트 성능 향상을 기한 점에 특징이 있다. 또한, 상기 저진공 배기기구와 중고진공 배기기구와 연결되어 진공 챔버 내의 진공도를 단계적으로 조절하여 전극을 건조시키는 제어부를 구비함으로써, 진공 챔버가 중진공도 또는 고진공도로 급속히 진공 배기됨에 의하여 챔버 내의 전극이 진공 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 서술된 진공도는 진공압(력)으로도 지칭할 수 있으며, 토르(Torr) 단위로 나타내기로 한다. 전극의 진공 건조 시에 사용되는 진공도의 크기는, 일반적인 진공 펌핑분야에서 분류하는 진공도의 크기와 상이할 수 있다. 하나의 실시예에서, 저진공도는 600~1 Torr 범위의 진공도, 즉 1 Torr 이상의 진공도를 의미한다. 이러한 저진공도는 하이니켈 양극이나 소입경 구조의 전극이 아닌 통상의 리튬 이차전지의 전극에 적용될 수 있는 진공압이다. 상기와 같은 고수분 전극이 아닌 통상의 전극들은 상기 저진공도 하에서 진공 건조하더라도 수분을 충분히 제거할 수 있다. 그러나, 예컨대 양극의 니켈 함량이 증가하거나 전극을 구성하는 활물질의 입경을 미세하게 한 소입경 구조의 전극은 외기 환경에 취약하므로, 통상의 전극보다 수분 함량이 높다. 이러한 고수분 함량의 전극을 건조하고 나아가서 웨트 성능을 개선하기 위하여, 보다 높은 진공도로 진공 챔버를 진공 배기하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명에서는 1 Torr 미만의 중진공도, 필요에 따라서 10-2 미만의 고진공도가 적용된다. 본 발명에 적용되는 바람직한 중진공도의 범위는 1 미만 ~10-2 Torr 범위이고, 고진공도의 범위는 예컨대 10-2 미만 ~10-8 Torr 범위일 수 있다. 필요에 따라서는 10-8 Torr 미만의 초고진공도를 적용할 수 있으나, 이는 전극 제조비용을 상승시키는 요인이 될 수 있으므로, 진공도의 선택은 가용한 진공장비와 제조비용을 감안하여 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따라서, 진공 건조 외에 진공 챔버의 클리닝을 위하여 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기할 수 있는 바, 이러한 클리닝을 위한 중고진공도의 범위도 상기 수치 범위의 진공도 내에서 효율성을 위하여 적절하게 선택할 수 있다. 다만, 전극의 진공 건조를 위한 중진공도 또는 고진공도의 크기와 챔버 클리닝을 위한 중고진공도의 크기가 반드시 일치하는 것은 아니며, 진공 건조와 클리닝의 각각의 목적을 가장 잘 달성할 수 있는 범위 내에서 각각 진공도를 결정할 수 있다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면과 구체적인 실시형태에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 진공건조장치(100)를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 진공건조장치(100)의 진공 배관의 연결구조를 나타내는 사시도 및 평면도이다.
본 발명의 진공건조장치(100)는 전극을 롤투롤 상태로 건조하기 위한 진공 챔버(10)를 구비한다. 도 1 및 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 전극의 도시는 생략하고 진공건조장치(100)만 도시하였으나, 전극은 상기 진공 챔버(10) 내에서 롤투롤 상태로 배치될 수 있다.
상기 진공 챔버(10) 내에 롤투롤 상태로 배치된 전극을 진공 건조하기 위하여, 본 발명의 진공건조장치(100)는, 진공챔버(10)와 저진공배관(21)에 의하여 연결되는 저진공 배기기구(20)를 구비한다.
또한, 본 발명은 상기 저진공배관(21)과 별도의 중고진공배관(31)에 의하여 진공 챔버(10)와 연결되는 중고진공 배기기구(30)를 구비한다.
본 발명은 2종류의 진공 배기기구(저진공 배기기구, 중고진공 배기기구)를 별도의 진공 배관에 의하여 진공 챔버(10)와 연결한다. 장치의 간소화를 고려하면 단일 진공배기펌프로 저진공도로부터 고진공도까지 배기할 수 있으면 좋겠지만, 예컨대, 고진공도로 진공 배기하기 위한 터보 분자 펌프(TMP:Turbomolecular Pump)의 경우 펌프 장치의 구조상 고속회전에 적합한 구조이어서 저진공도로 하기 위하여 저속 회전할 경우 회전축이나 펌프 부품들이 손상될 우려가 있다. 따라서, 하나의 진공 펌프로 저진공도로부터 중진공도, 나아가서 고진공도까지 배기하도록 설계하는 것은 기술적으로 곤란하다. 또한, 단일 배관에 저진공 배기기구(20)와 중고진공 배기기구(30)를 함께 연결할 경우, 진공도 조절이 곤란하고 진공 제어도 매우 복잡하게 된다. 또한, 이 과정에서 진공도 조절이 실패할 경우, 진공 챔버(10) 내의 전극이 중진공도 또는 고진공도에 의한 진공 배기에 의하여 진공 데미지(damage)를 입을 수 있다.
따라서, 본 발명은 저진공 배기기구(20)와 중고진공 배기기구(30)를 별도의 전용 배관에 의하여 진공 챔버(10)와 연결하고 있다. 다만, 중고진공 배기기구(30)의 경우, 본 발명에서 규정하는 중진공도에서 고진공도의 범위에 걸쳐 배기할 수 있는 기구를 채용할 수 있다. 물론, 중진공도 배기기구와 고진공도 배기기구를 분리하고 이를 각각 별도의 배관에 의하여 진공 챔버와 연결하는 것도 상정할 수 있다. 하지만, 이 경우에는 진공건조장치(100)의 구성이 너무 복잡해져 제조비용의 상승을 초래하고, 진공 제어 플로우도 복잡하게 된다. 또한, 중고진공 배기기구(30)에 의하여 중진공도로부터 고진공도로 단계적으로 진공도를 상승시킬 경우, 전극의 진공 데미지도 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 저진공배관(21)과 중고진공배관(31)은 진공 챔버(10)의 하부로부터 각각 연결되고 있다. 진공배관을 진공 챔버(10)의 측부로부터 연결할 경우, 진공 챔버(10) 내의 기류가 양측으로 쏠려 내부 기류가 불안정하게 되어 제조되는 전지에 외관 불량이 발생할 수 있다. 또한, 진공배관들을 진공 챔버(10)의 상부에 연결할 경우, 진공 배관을 진공 챔버(10) 상부로 연장하기 위하여 부득이하게 진공 배관이 길어질 수 밖에 없고, 이때 압력 조절을 위하여 길어진 배관에 레귤레이터 등의 부가 장비도 설치하여야 한다. 따라서, 진공 챔버(10) 내의 기류 안정화와 배관 관로 손실을 방지하기 위하여, 진공배관을 도 2(a)의 사시도와 같이 진공 챔버(10)의 하부로부터 연결하고 있다.
도 2(b)의 평면도는 진공 챔버(10)를 위로부터 바라본 평면도이다. 본 실시예에서 상기 저진공배관(21) 및 중고진공배관(31) 중 적어도 하나를, 상기 진공 챔버(10)를 위에서 보았을 때 좌우, 상하 또는 좌우 및 상하로 쌍을 이루어 대칭으로 상기 진공 챔버(10)의 코너부에 인접하여 배치하고 있다. 진공 챔버(10) 내에서 균일하게 진공도를 유지하기 위하여, 상기 저진공배관(21) 또는 중고진공배관(31) 또는 상기 배관 모두를 진공 챔버(10) 내에서 대칭으로 설치하고 있다. 바람직하게는 도 2(b)와 같이, 진공 챔버(10)의 상하 좌우에 대칭 및 쌍을 이루도록 진공 챔버(10) 코너부에 인접하게 설치하면, 진공 챔버(10) 내의 진공도를 보다 균일하게 할 수 있다. 도시된 실시예에서는 중고진공배관(31)이 저진공배관(21)의 외측에 설치되어 있으나, 중고진공배관(31)이 저진공배관(21)의 내측에 설치되는 형태도 가능하다.
도 1 및 도 2에서, 진공 챔버(10) 내에는 저진공도를 측정하기 위한 저진공 게이지(A)와 중진공도 또는 고진공도를 측정하기 위한 중고진공 게이지(B)가 각각 설치된다. 진공 게이지를 저진공도 전용의 저진공 게이지(A)와 중고진공도를 측정할 수 있는 중고진공 게이지(B)로 각각 설치하면, 이 각각의 게이지로 저진공 배기기구(20) 및 중고진공 배기기구(30)에 의하여 달성되는 진공도를 각각 측정할 수 있으므로, 진공도 제어를 한층 편리하게 행할 수 있다. 또한, 진공 게이지는 종류에 따라 특정 진공도를 적합하게 측정할 수 있는 것이 있으므로, 진공 챔버 내의 대응되는 진공도에 따라 가장 적합한 진공 게이지를 선택할 수 있다.
저진공 게이지(A)로서는, 예컨대 얇은 다이어프램의 압력 변화 움직임을 압력에 비례하는 전기신호로 변환하여 나타내는 CA게이지(Capacitance manometer)를 채용할 수 있다. CA 게이지는 1,000~1 Torr에 이르는 광범위한 영역을 측정할 수 있으며, 챔버 내의 기체 특성 변화가 아니라 게이지 내의 물리적 변화에 의해 신호를 발생시키기 때문에, 측정 챔버 내의 기체 조성과는 무관한 값을 측정할 수 있어 비교적 높은 정확도를 가지고 있다는 장점이 있다.
중고진공 게이지(B)로서는, 기체를 이온화시켜 그 이온 전류를 증폭하여 측정하는 이온게이지를 들 수 있다. 그 중에서도 이온게이지에서 발생하는 X선을 줄여 보다 낮은 진공도를 측정하는데 적합한 BA이온게이지(Bayard-Alpert ion gage)가 바람직하다.
설명의 편의를 위하여, 도 1 및 도 2에서는 저진공 게이지(A)와 중고진공 게이지(B)를 진공 챔버 내의 가운데에 놓여진 상태로 도시하였다. 그러나, 진공 챔버(10) 내에서 설치되는 각종 장비(언와인더, 리와인더, 가열 장비, 진공 부품 등)에 방해되지 않도록, 상기 게이지들을 도시하지 않은 브라켓이나 볼트-너트 등의 결합부재에 의하여 진공 챔버(10) 내에 설치할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 진공건조장치(100)의 진공 챔버(10)와 저진공배관(21)에 의하여 연결되는 저진공 배기기구(20)는 진공 챔버(10)와 저진공배관(21)을 통하여 연결되는 저진공 배기펌프 및 상기 저진공배관(21)을 개폐하는 저진공 개폐밸브를 포함한다.
저진공 배기펌프(22)의 예로서, 베인의 회전에 의하여 기체를 흡입-압축-배기하는 로터리펌프를 사용할 수 있다. 혹은 상기 로터리펌프에 루츠펌프를 보조펌프로서 직렬로 연결한 것을 사용할 수 있다. 루츠펌프(rootes pump)는 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 로터를 사용하여 흡기구로 들어온 기체를 배기하는 펌프이다. 루츠펌프를 로터리펌프에 연결하면 배기속도를 증가시키고 로터리펌프 내의 윤활제 오일의 역류로 인한 오염을 방지할 수 있다. 이상의 로터리펌프나 루츠펌프는 760~1 Torr 범위의 저진공(rough vacuum) 영역에서 사용된다. 로터리펌프, 루츠펌프는 진공 기술분야에서 통상 사용되는 펌프이므로, 그에 관한 구체적인 설명은 생략한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 저진공 개폐밸브는, 상기 저진공 배기펌프(22) 측의 저진공배관(21)에 설치되는 온오프밸브(23)와, 상기 진공 챔버(10) 측의 저진공배관(21)에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 다단개폐밸브(24)를 포함한다. 진공 챔버(10) 내를 저진공도로 진공 배기하기 위하여, 상기 온오프밸브(23)를 개방하고 진공 챔버 측의 저진공배관(21)에 설치되는 다단개폐밸브(24)를 개방하면 소정의 저진공도로 진공 배기할 수 있다. 본 실시예에서는 원하는 저진공도를 달성하기 위하여, 개구도를 조절함으로써, 진공 챔버(10) 내의 진공도를 변경 및 조절할 수 있도록 다단개폐밸브(24)를 진공 챔버 측의 저진공배관(21)에 설치하고 있다. 예컨대, 상기 다단개폐밸브(24)로서, 서보밸브, SMC 2단 밸브, 스로틀밸브 중 하나를 채용할 수 있다. 서보밸브는 서보모터로 밸브의 개구 위치를 제어하여 진공압을 조절할 수 있는 밸브이고, SMC 2단 밸브는 스몰(small)과 라지(large)의 2가지 밸브를 사용하는 2단 밸브로서, 작은 폭으로 진공압을 조절하는 경우는 스몰밸브를 개폐하여 조절하고, 큰 폭으로 진공압을 조절하는 경우는 라지밸브를 개폐하여 조절할 수 있다. 스로틀밸브는 스로틀바디 내에서 밸브체의 개구도 각을 조정하여 압력 변경을 행할 수 있는 밸브이다.
이상과 같이, 본 실시예는 다단개폐밸브(24)를 진공 챔버(10) 측의 저진공배관(21)에 설치함으로써, 원하는 저진공도에 도달할 때까지 진공 챔버(10) 내를 단계적으로 배기할 수 있을 뿐 아니라, 예컨대 서보밸브의 개구도를 조절함으로써 특정의 저진공도로 유지하거나 해당 진공도를 다른 진공도로 변경할 수 있다.
소정의 저진공도로 진공 챔버(10)를 배기하여 전극을 건조한 후에 진공 챔버(10)를 대기압으로 복귀시키기 위하여, 상기 저진공배관(21)에 벤트 배관(25)과 벤트 밸브(26)가 설치되어 있다. 상기 벤트 밸브(26)는 상기 온오프밸브(23)가 개방된 경우에는 폐쇄되고, 상기 온오프밸브(23)가 폐쇄된 경우 개방되어 진공 챔버(10) 내의 압력을 복원시킬 수 있다.
본 발명의 진공건조장치(100)는 또한 저진공배관(21)과 별도의 중고진공배관(31)에 의하여 진공 챔버(10)와 연결되는 중고진공 배기기구(30)를 포함한다. 구체적으로, 상기 중고진공 배기기기구(30)는 상기 진공 챔버(10)와 상기 중고진공배관(31)을 통하여 연결되는 중고진공 배기펌프 및 상기 중고진공배관을 개폐하는 중고진공 개폐밸브를 구비한다.
도 1의 실시예에서는, 드라이펌프(32)와, 상기 드라이펌프(32)와 중고진공배관(31)에 의하여 연결되며 상기 진공 챔버(10)와 인접한 중고진공배관(31)에 설치되는 TMP(37)로 중고진공 배기펌프를 구성하고 있다.
드라이펌프(32)는 펌프 내 로터 회전에 오일을 사용하지 않는 펌프이다. 본 실시예에서는, 진공 챔버(10) 내를 갑자기 고진공도로 진공 배기할 경우의 진공 데미지 발생을 방지하고 TMP 부품의 손상을 방지하기 위하여, 드라이펌프(32)를 중고진공 배기펌프의 일부로서 구비하도록 하였다.
TMP(37)는 터보 분자 펌프를 말하며, 고속회전하는 회전축과 상기 회전축의 역방향으로 기울인 고정축을 교차로 배치하여 중진공도인 10-3 Torr로부터 초고진공도인 10-10 Torr까지의 진공도를 달성할 수 있는 펌프이다.
도 1의 실시예는 또한 상기 중고진공 개폐밸브로서, 상기 드라이 펌프(32) 측의 중고진공배관(10)에 설치되는 온오프밸브(33)와, 상기 TMP(37)와 상기 진공 챔버(10) 사이의 중고진공배관(31)에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 APC 밸브(Adaptive Pressure Control valve) (34)를 구비하고 있다. APC 밸브(34)는 1 내지 1000포인트의 범위에서 밸브의 각도와 개구도 위치를 제어하여 미세 진공 제어를 행할 수 있는 밸브이므로, 중진공도 및 고진공도의 진공 제어를 위해 적합한 밸브이다.
따라서, 본 실시예의 중고진공 배기기구(30)는, APC 밸브(34)를 진공 챔버 측의 중고진공배관(31)에 설치함으로써, 원하는 진공도에 도달할 때까지 진공 챔버(10) 내를 단계적으로 배기할 수 있을 뿐 아니라, 예컨대 APC 밸브(34)의 개구도를 조절함으로써 특정의 중진공도 또는 고진공도로 유지하거나 해당 진공도를 다른 진공도로 변경할 수 있다.
상기 중고진공 배기기구(30) 역시 소정의 중진공도 또는 고진공도로 진공 챔버(10)를 배기하여 전극을 건조한 후에 진공 챔버(10) 내의 압력을 상승시키기 위하여, 상기 중고진공배관에 벤트 배관(35)과 벤트 밸브(36)가 설치되어 있다. 상기 벤트 밸브(36)는 상기 온오프밸브(33)가 개방된 경우에는 폐쇄되고, 상기 온오프밸브(33)가 폐쇄된 경우 개방되어 진공 챔버(10) 내의 압력을 복원할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 전극의 진공 데미지를 방지하고 TMP 부품이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 드라이 펌프(32) 측의 중고진공배관(31)은 바이패스관(31-1)을 구비하고 있다. 즉, 중고진공배관을 드라이 펌프 측의 중고진공배관(31)과 바이패스관(31-1)의 2개의 관으로 분기함으로써, 저진공압이 한꺼번에 TMP(37))에 가해지는 것을 방지하고 있다. 또한, 상기 바이패스관(31-1)과 드라이 펌프 측의 중고진공배관(31)에 제1 및 제2 온오프밸브(33S,33F)를 각각 설치하고, 상기 제1 온오프밸브(33S) 및 제2 온오프밸브(33F)를 순차적으로 개방함으로써, TMP(37)에 미치는 영향을 최소화하고 있다. 여기서 상기 제1 온오프밸브(33S)는 슬로우 스타트 밸브, 제2 온오프밸브(33F)는 패스트 스타트 밸브에 해당한다.
이상과 같이, 본 발명은 별도의 진공배관에 의하여 진공 챔버(10)와 연결되는 저진공 배기기구(20) 및 중고진공 배기기구(30)를 구비하고 있으며, 상기 각 배기기구는 제어부(40)와 연결되어 있다. 이 제어부(40)는 진공 챔버(10) 내의 진공도가 단계적으로 조절되도록 상기 저진공 및 중고진공 배기기구를 제어하여 전극을 건조시키도록 함으로써, 전극에 진공 데미지를 가하지 않으면서 설정된 공정 조건에 따라 진공 챔버(10) 내를 저진공도, 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하도록 제어한다. 특히, 본 발명의 제어부(40)는, 진공 챔버(10) 내를 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기할 경우 곧바로 중진공도 또는 고진공도로 배기하는 것이 아니라, 저진공도로부터 중진공도 혹은 고진공도까지 단계적으로 배기하도록 상기 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구를 제어한다.
또한, 본 발명은 저진공 배기기구(20) 외에 중고진공 배기기구(30)를 구비하고 있으므로, 상기 중고진공 배기기구(30)를 이용하여 진공 챔버(10) 내의 이물을 제거할 수 있다. 진공 챔버(10) 내에 전극 롤을 도입하고 롤투롤 상태로 전극의 진공 건조를 수차례 반복하는 과정에서 상기 진공 챔버(10) 내에는 전극으로부터 파생된 이물이 발생한다. 이러한 이물은 전극의 진공 건조에 사용되는 통상의 저진공도로서는 제거하는데 한계가 있었다. 본 발명의 제어부(40)는 진공 챔버(10) 내에서 소정 개수의 전극 롤을 롤투롤 상태로 건조한 후 전극이 진공 챔버(10)로부터 제거된 상태에서, 상기 진공 챔버(10)를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 배기하여 진공 챔버(10) 내의 이물을 제거하도록 진공도를 단계적으로 제어할 수 있다.
도 3은 전극 노칭 후에 본 발명의 진공건조장치(100)가 적용되어 진공 건조가 행해지는 진공가열장치의 일례를 나타내는 개략도이다. 하이니켈 양극소재나 소입경 전극 구조의 전극은 이른바 전극 공정에서 진공 건조되어 수분이 제거되더라도, 여전히 수분을 설정된 스펙 이상으로 함유하고 있기 때문에, 조립공정인 노칭 공정 이후에 다시 수분을 제거할 필요가 있다. 도 3은 이러한 노칭 공정 이후에 전극을 진공 챔버(10)에 도입하여 진공 건조하는 일례를 나타내고 있다. 도 3에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 진공건조장치(100)를 도시하지 않고(진공배관(21,31)만 도시함), 노칭 공정 이후에 전극이 진공 건조되는 구체적 과정을 나타낸 것이다.
노칭 공정 이후 전극(1)은 코어에 권취되며, 이 전극이 코어에 권취된 전극 롤(1a)은 진공 챔버(10) 외부의 로더(Loader)(2a)에 설치된다. 상기 전극 롤(1a)은 도시하지 않은 로봇 등에 의하여 챔버 내의 언와인더(2b)에 설치된다. 이후, 언와인더(2b)로부터 전극 롤(1b)을 풀어내어 진공 챔버(10) 내에 설치된 리와인더(2c)에 전극(1)을 연결한다. 이렇게 전극이 언와인더(2b)와 리와인더(2c) 사이에서 롤투롤 상태로 배치되면 진공 챔버(10)를 진공 배기하여 전극을 건조하게 된다. 언와인더(2b)와 리와인더(2c)를 구동하면 진공 챔버(10) 내에서 전극(1)은 롤투롤 상태로 진행하게 되고, 롤투롤 상태의 전극(1)은 진공 챔버(10) 내에 설치된 사행 조정 유닛(3) 및 장력 조정 유닛(4)에 의하여 장력이 조절되고 또한 사행을 방지하면서 리와인더(2c)로 진행한다. 롤투롤 상태에서 상기 진공 챔버(10)가 도 1 및 도 2에 도시된 진공건조장치(100)에 의하여 진공배기된 상태에서 상기 전극은 소정의 진공도 하에서 가열 유닛(5)에 의하여 가열 건조되거나, 질소가스 분사 유닛(6)으로 열풍을 분사하고 고속 팬(7)으로 이 열풍을 순환시키는 등에 의하여 진공 건조된다. 건조가 완료된 전극(1)은 리와인더(2c)에 의하여 권취되며, 이후 진공 챔버의 진공 배기를 멈추고 권취된 전극 롤(1c)을 로봇 등에 의하여 챔버(10) 외부의 언로더(2d)로 이동시킴으로써, 진공 건조가 완료된다. 이상의 과정에서 노칭 공정 후에 진공 챔버(10) 내에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극(1)에 대하여, 본 발명의 제어부(40)는 진공 챔버(10)에 별도의 배관에 의하여 연결된 저진공 배기기구(20) 및 중고진공 배기기구(30)를 이용하여 진공 챔버(10) 내의 진공도를 단계적으로 조절, 즉 저진공도, 중진공도 또는 고진공도로 조절하면서 전극이 가열 건조되도록 함으로써, 전극의 수분을 제거하고 웨트 성능을 개선시킨다. 본 발명의 제어부(40)는, 상기 진공배기기구 뿐만 아니라, 도 3의 언와인더(2b) 및 리와인더(2c), 가열 유닛(5), 장력 조정 유닛(4)이나 사행 조정 유닛(3) 등과 연결되어 진공배기와 가열 건조를 유기적으로 컨트롤할 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 진공건조장치(100)의 동작 내지 진공건조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공건조방법을 나타내는 플로우차트이다.
본 발명의 일 실시예의 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법은, 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 단계(도 4의 (a)단계) 및 상기 저진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계(도 4의 (b)단계); 를 포함하고, 소정 개수의 전극 롤을 상기 진공 챔버 내에서 롤투롤 상태로 건조한 후, 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계(도 4의 (d)단계)를 더 포함한다.
(a)단계에서, 도 3과 같이 진공 챔버(10) 내에서 전극 롤(1b,1c)을 언와인더(2b)와 리와인더(2c) 사이에 배치하여 롤투롤 상태로 한 상태에서 도 1의 진공건조장치(100)의 저진공 배기기구(20)에 의하여, 진공 챔버(10) 내를 소정의 저진공도로 진공 배기할 수 있다. 이 경우, 진공건조되는 대상 전극(1)은 수분 함량이 높지 않은 통상의 모델의 전극이며, 제어부(40)에는 이러한 통상의 전극을 진공 건조하기 위한 공정 조건(recipe)이 기 설정되어 입력되어 있다. 상기 설정된 공정 조건에 따라, 예컨대 도 1의 진공건조장치(10)의 저진공 배기기구(20)의 저진공 배기펌프(22)(로터리 펌프 또는 로터리펌프 및 루츠펌프)가 가동된 상태에서 저진공배관(21)에 설치된 온오프밸브(23)를 개방한다. 이때, 벤트 배관(25)의 벤트 밸브(26)는 닫혀있다. 온오프밸브(23) 개방 후 진공 챔버 측의 진공배관(21)에 설치된 다단개폐밸브(24)를 개방한다. 그리고, 예컨대 서보밸브인 다단개폐밸브(24)의 개구도를 조정하여 진공도를 조정하고 안정된 진공도가 유지될 수 있도록 한다.
(b)단계에서, 공정 조건에 따른 저진공도가 안정화되어 진공 챔버(10) 내에 유지되면, 상기 제어부(40)는 도 3의 가열 유닛(5) 등을 작동시켜 롤투롤 상태의 전극을 건조시킨다. 설정된 공정 조건에 따라, 소정 시간 동안 진공도가 유지된 상태에서 소정 시간 동안 가열하여 전극을 건조한다. 진공 건조시에 전극(1)은 언와인더(2b)로부터 리와인더(2c)로 소정 속도로 이동하면서 가열 건조된다.
(c)단계에서, 건조가 완료된 전극은 리와인더(2c)로 권취하여 권취된 전극 롤(1c)을 진공 챔버(10) 외부로 배출한다. 전극을 챔버 외부로 배출하기 전에 상기 저진공 배기기구(20)의 저진공 개폐밸브(온오프밸브 및 서보 밸브)를 폐쇄하고, 벤트 밸브(26)를 개방하여 진공 챔버(10) 내를 대기압으로 복귀시킨다. 챔버 외부로 배출된 전극 롤(1d)은 언로더(2d)에 거치된다. 이후, 상기 (a)~(c) 단계를 반복하여 전극을 진공 챔버(10) 내에서 롤투롤 상태로 진공건조한다.
(d)단계에서, 본 발명의 일 실시예의 진공건조방법은 진공 챔버(10) 내의 이물을 제거하는 클리닝공정을 더 포함한다. 상기 (a), (b) 단계 또는 상기 (a)~(c) 단계를 반복하여, 소정 개수의 전극 롤를 진공 챔버(10) 내에서 롤투롤 상태로 진공 건조하는 경우, 전극으로부터 유래하거나 혹은 외부로부터 유입된 이물이 진공 챔버 내에 쌓일 수 있다. 이러한 이물이 있는 상태에서 후속의 전극 롤을 진공 챔버(10) 내에서 진공 건조할 경우, 전극이 이물에 오염되어 전극 특성이나 웨트 성능을 악화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 진공건조방법은, 소정 개수, 예컨대 50개의 전극 롤을 진공 챔버(10)에서 진공건조한 후, 상기 전극이 챔버에서 제거된 상태에서 상기 진공 챔버(10)를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버(10) 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
이 때, 상기 소정의 중진공도 또는 고진공도는, 상기 진공 챔버(10)를 저진공도로 진공 배기하고 이 저진공도로부터 소정의 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하여 얻어진다. 상술한 바와 같이, 진공 챔버(10) 내를 곧바로 중진공도나 고진공도로 할 경우 중고진공 배기기구(30)의 TMP(37)의 회전축이나 부품이 손상될 우려가 있다. 따라서, 소정의 중고진공도로 하기 전에 먼저 진공 챔버(10) 내를 저진공도 분위기로 만들어둘 필요가 있다. 구체적으로, 진공 챔버(10)에 전극이 없는 상태에서, 진공 챔버(10)가 대기압으로 복귀된 경우에, 도 1의 저진공 배기펌프(22)(예컨대, 로터리펌프)가 가동된 상태에서 온오프밸브(23) 및 서보밸브(24)를 개방하여 진공 챔버(10)를 저진공도로 진공배기한다. 서보밸브의 개구도를 조절하는 등에 의하여 저진공도가 안정화된 상태에서, 중고진공 배기기구(30)를 가동한다. 기본적으로 중고진공 배기기구(30)의 중고진공 배기펌프는 가동된 상태에 있으므로, 바이패스관(31-1)의 제1 온오프밸브(33S)를 먼저 개방하고 APC 밸브(34)를 개방한다. 제1 온오프밸브(33S) 개방 후에 제2 온오프밸브(33F)를 순차 개방하여 TMP(37)에 부하가 가해지지 않도록 한다. APC 밸브(34) 개방에 의하여 TMP(37)가 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 진공 배기한다. APC 밸브(34) 개방 이후, 저진공 배기기구(20)의 저진공 개폐밸브(23,24)는 폐쇄한다. 중고진공 배기기구(30)의 TMP(37)는 저진공 배기기구(20)에 의하여 형성된 저진공 분위기에서 단계적으로 진공 배기하므로 그 내부 부품의 손상을 방지할 수 있다. APC 밸브(34)의 개구도를 조정하는 등에 의하여, 진공 챔버(10) 내의 중진공도 또는 고진공도가 안정화되면, 진공 챔버 내를 진공 배기하여 챔버 내의 이물을 제거한다.
도 5는 진공배기기구에 의하여 진공 펌핑하는 경우의 여러 전지 셀들에 대한 시간에 따른 진공도의 변화를 나타내는 진공도 프로파일링 그래프이다. 도 5는 전극에 대한 진공도의 변화는 아니지만, 진공배기기구로 진공 배기할 경우의 진공도의 추이를 확인할 수 있다는 점에서 제시된 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 진공배기기구가 진공 챔버 내를 진공배기할 경우, 진공펌프로 진공 펌핑(진공 배기)할 동안에는 시간에 따라 진공도가 급속히 상승하며, 일정 시간 후에는 진공도가 안정화구간에 진입한 후, 일정 진공도로 유지되는 것을 알 수 있다. 이후, 진공밸브를 차단하고 벤트 벨브를 개방하면 진공도가 감소하여 대기압으로 복귀하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 진공 건조방법에서는 저진공 개폐밸브의 다단개폐밸브를 조정하여 진공도를 보다 신속하게 안정화시켜 일정 진공도가 유지되도록 할 수 있다. 마찬가지로, 중고진공 개폐밸브의 경우 APC 밸브에 의하여 개구도를 조정하여 중진공도 또는 고진공도를 안정화시켜 유지되도록 할 수 있다.
또한, 진공 챔버 내에 목표로 하는 진공도(저진공도, 중고진공도)가 달성되었는지는 도 1 및 도 2에 도시된 저진공 게이지(A)로 진공압을 측정하여 저진공도를, 중고진공 게이지(B)로 중고진공도를 측정하여 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공건조방법을 나타내는 플로우차트이다.
본 실시예의 진공건조방법은, 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로부터 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하는 단계; 및 상기 중진공도 또는 고진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함한다.
본 실시예는, 수분 함량이 높거나 웨트 성능의 개선이 필요한 전극에 적용하기 적합한 것으로서, 진공 챔버를 중진공도 또는 고진공도로 단계적으로 진공 배기하여 건조하는 방법에 관한 것이다.
(a)단계에서, 도 3과 같이 진공 챔버(10) 내에서 전극 롤을 언와인더(2b)와 리와인더(2c) 사이에 배치하여 롤투롤 상태로 한 상태에서 도 1의 진공건조장치(100)의 저진공 배기기구(20)에 의하여, 진공 챔버(10) 내를 소정의 저진공도로 진공 배기할 수 있다. 이 경우, 진공건조되는 대상 전극은 수분 함량이 높은 모델의 전극이며, 제어부(40)에는 이러한 고수분 함량의 전극을 진공 건조하기 위한 공정 조건(recipe)이 기 설정되어 입력되어 있다. 상기 설정된 공정 조건에 따라, 예컨대 도 1의 진공건조장치(100)의 저진공 배기기구(20)의 저진공 배기펌프(22)가 가동된 상태에서 저진공배관(21))에 설치된 온오프밸브(23)를 개방한다. 이때, 벤트 배관의 벤트 밸브는 닫혀있다. 온오프밸브 개방 후 진공 챔버 측의 진공배관에 설치된 다단개폐밸브를 개방한다. 그리고, 예컨대 서보밸브인 다단개폐밸브의 개구도를 조정하여 진공도를 조정하고 안정된 진공도가 유지될 수 있도록 한다.
(a-1)단계에서, 본 실시예에서는, 진공 챔버(10)가 저진공도로 유지된 상태에서, 도 1의 중고진공 배기기구(30)를 가동하여 공정 조건에 입력된 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 진공 챔버(10)를 단계적으로 진공 배기한다. 즉, 저진공도가 안정화된 상태에서, 바이패스관(31-1)의 제1 온오프밸브(33S)를 먼저 개방하고 APC 밸브(34)를 개방한다. 제1 온오프밸브(33S) 개방 후에 제2 온오프밸브(33F)를 순차 개방하여 TMP(37)에 부하가 가해지지 않도록 한다. APC 밸브 개방에 의하여 TMP가 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 진공 배기한다. APC 밸브(34) 개방 이후, 저진공 배기기구의 저진공 개폐밸브(23,24)는 폐쇄한다. 중고진공 배기기구(30)의 TMP(37)는 저진공 배기기구에 의하여 형성된 저진공 분위기에서 단계적으로 진공 배기하므로 그 내부 부품의 손상을 방지할 수 있다. APC 밸브(34)의 개구도를 조정하는 등에 의하여, 진공 챔버(10) 내의 중진공도 또는 고진공도가 안정화되면, 제어부(40)가 가열 유닛(5) 등을 작동시켜 전극을 진공 건조한다.
(b)'단계에서, 공정 조건에 따른 중진공도 또는 고진공도 하에서, 상기 제어부(40)는 도 3의 가열 유닛(5) 등을 작동시켜 롤투롤 상태의 전극을 건조시킨다. 설정된 공정 조건에 따라, 소정 시간 동안 진공도가 유지된 상태에서 소정 시간 동안 가열하여 전극을 건조한다. 진공 건조시에 전극은 언와인더(2b)로부터 리와인더(2c)로 소정 속도로 이동하면서 가열 건조된다.
(c)단계에서, 건조가 완료된 전극은 리와인더(2c)로 권취하여 진공 챔버(10) 외부로 배출한다. 전극을 챔버(10) 외부로 배출하기 전에 상기 중고진공 배기기구(30)의 중고진공 개폐밸브(온오프밸브 및 APC 밸브)를 폐쇄하고, 벤트 밸브(36)를 개방한다(1차 벤트). 또한, 이 상태에서 저진공 배기기구의 벤트 벨브(26)를 개방하여 진공 챔버(10)가 대기압으로 신속하게 복귀할 수 있도록 한다(2차 벤트). 이후, 상기 (a)~(c) 단계를 반복하여 전극을 진공 챔버(10) 내에서 롤투롤 상태로 진공건조한다.
(d)단계에서, 본 발명의 일 실시예의 진공건조방법은 진공 챔버(10) 내의 이물을 제거하는 클리닝공정을 더 포함할 수 있다. 상기 (a)~(b)' 단계 또는 상기 (a)~(c) 단계를 반복하여, 소정 개수의 전극 롤를 진공 챔버 내에서 롤투롤 상태로 진공 건조하는 경우, 전극으로부터 유래하거나 혹은 외부로부터 유입된 이물이 진공 챔버 내에 쌓일 수 있다. 소정 개수, 예컨대 50개의 전극 롤을 진공 챔버(10)에서 진공건조한 후, 상기 전극이 챔버에서 제거된 상태에서 상기 진공 챔버(10)를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
상기 챔버 내의 이물을 제거하기 위한 소정의 중진공도 또는 고진공도는, 고수분 함량의 전극을 건조하기 위한 중진공도 또는 고진공도와 반드시 일치하는 것은 아니다. 전극 건조와 이물 제거의 목적이 상이하므로, 각각의 목적에 부합하는 최적의 범위에서 중진공도 또는 고진공도를 선택할 수 있다. 본 발명의 진공건조장치(100)는 개구도를 조절할 수 있는 APC 밸브(34)를 채용하고 있으므로, 상기 개구도의 조절에 의하여 원하는 중진공도 또는 고진공도를 달성할 수 있다. 이물을 제거하기 위한 소정의 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 저진공도로부터 단계적으로 진공 배기하는 과정은 도 4의 실시예와 동일하므로, 그에 관한 추가적인 설명은 생략한다.
이상으로부터, 본 발명의 진공건조장치는, 저진공 및 중고진공의 배기기구를 구비함으로써, 수십 내지 수백 Torr로부터 10-8 Torr까지의 다양한 진공도의 사용이 가능하다. 따라서, 수분함량이 적은 모델의 전극은 물론, 수분함량이 높은 하이니켈 전극 등의 건조를 위해서 대응이 가능하다.
또한, 상기와 같이 다양한 진공압력(진공도)에의 적용을 통하여 전극의 수분제거능력 뿐만 아니라 웨트성능까지 개선할 수 있다.
뿐만 아니라, 저진공 또는 중고진공의 각 진공모드에서도 서보밸브나 APC 밸브를 채용함에 의하여 진공도를 세밀하게 단계적으로 조절할 수 있어, 매우 간편하게 진공도를 안정화시키거나 진공도를 조절할 수 있다.
또한, 저진공 배기기구와 중고진공 배기기구를 모두 구비하고 있으므로, 진공 챔버 내부의 이물을 중고진공 배기기구에 의하여 제거할 때, 진공 데미지 없이 제거할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 진공건조방법 역시 상술한 장점들을 가지고 효과적으로 진공 챔버 내의 전극을 롤투롤 상태로 진공건조할 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 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.
1: 전극
1a,1b,1c,1d: 전극 롤
2a: 로더(Loader)
2b: 언와인더
2c: 리와인더
2d: 언로더(Unloader)
3: 사행 조정 유닛
4: 장력 조정 유닛
5: 가열 유닛
6: 질소가스 분사유닛
7: 팬(fan)
10: 진공 챔버
A: 저진공 게이지
B: 중고진공 게이지
20: 저진공 배기기구
21: 저진공배관
22: 저진공 배기펌프
23: 온오프밸브
24: 다단개폐밸브
25: 벤트 배관
26: 벤트 벨브
30: 중고진공 배기기구
31: 중고진공배관
31-1: 바이패스관
32: 드라이펌프
33S: 제1 온오프밸브
33F: 제2 온오프밸브
34: APC밸브
35: 벤트 배관
36: 벤트 벨브
37: TMP
40: 제어부
100: 진공건조장치

Claims (20)

  1. 전극이 롤투롤 상태로 배치되어 건조되는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버와 저진공배관에 의하여 연결되어 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 저진공 배기기구;
    상기 저진공배관과 별도의 중고진공배관에 의하여 상기 진공 챔버와 연결되어 진공 챔버 내를 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하는 중고진공 배기기구; 및
    상기 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구와 연결되어 진공 챔버 내의 진공도를 단계적으로 조절하여 전극을 건조시키는 제어부를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저진공도는 600~1 Torr 범위의 진공도이고,
    상기 중진공도는 1 미만 ~10-2 Torr 범위의 진공도이며,
    상기 고진공도는 10-2 미만 ~10-8 Torr 범위의 진공도인 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저진공배관과 중고진공배관은 진공 챔버의 하부로부터 각각 연결되는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저진공배관 및 중고진공배관 중 적어도 하나는, 상기 진공 챔버를 위에서 보았을 때 좌우, 상하 또는 좌우 및 상하로 쌍을 이루어 대칭으로 상기 진공 챔버의 코너부에 인접하여 배치되는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에 저진공도를 측정하기 위한 저진공 게이지와, 중진공도 또는 고진공도를 측정하기 위한 중고진공 게이지가 설치되는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저진공 배기기기구는 상기 진공 챔버와 저진공배관을 통하여 연결되는 저진공 배기펌프 및 상기 저진공배관을 개폐하는 저진공 개폐밸브를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저진공 배기펌프는 로타리펌프 또는 로터리펌프에 루츠펌프가 연결되어 구성되는 것인 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 저진공 개폐밸브는, 상기 저진공 배기펌프 측의 저진공배관에 설치되는 온오프밸브와, 상기 진공챔버 측의 저진공배관에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 다단개폐밸브를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다단개폐밸브는, 서보밸브, SMC 2단 밸브, 스로틀밸브 중 하나인 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 중고진공 배기기기구는 상기 진공 챔버와 상기 중고진공배관을 통하여 연결되는 중고진공 배기펌프 및 상기 중고진공배관을 개폐하는 중고진공 개폐밸브를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중고진공 배기펌프는, 드라이펌프와, 상기 드라이펌프와 중고진공배관에 의하여 연결되며 상기 진공 챔버와 인접한 중고진공배관에 설치되는 TMP를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중고진공 개폐밸브는, 상기 드라이 펌프 측의 중고진공배관에 설치되는 온오프밸브와, 상기 TMP와 상기 진공챔버 사이의 중고진공배관에 설치되며 개구도를 조절할 수 있는 APC 밸브를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 드라이 펌프 측의 중고진공배관은 바이패스관을 구비하고,
    상기 바이패스관과 드라이 펌프측의 중고진공배관에 제1 및 제2 온오프밸브가 각각 설치되며,
    상기 제1 온오프밸브 및 제2 온오프밸브는 순차적으로 개방되는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 설정된 공정 조건에 따라 진공 챔버 내를 저진공도, 중진공도 또는 고진공도로 진공 배기하며,
    중진공도 또는 고진공도로 진공 배기할 경우 저진공도로부터 단계적으로 진공배기하도록 저진공 배기기구 및 중고진공 배기기구를 제어하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 진공 챔버 내에서 소정 개수의 전극 롤을 롤투롤 상태로 건조한 후 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서, 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 배기하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하도록 진공도를 단계적으로 제어하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조장치.
  16. 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로 진공 배기하는 단계; 및
    상기 저진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함하고,
    소정 개수의 전극 롤을 상기 진공 챔버 내에서 롤투롤 상태로 건조한 후, 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 소정의 중진공도 또는 고진공도는, 상기 진공 챔버를 저진공도로 진공 배기하고 이 저진공도로부터 소정의 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하여 얻어지는 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법.
  18. 진공 챔버 내에 롤투롤 상태로 배치되는 전극의 진공 건조를 위하여 설정된 공정 조건에 따라 상기 진공 챔버 내를 저진공도로부터 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하는 단계; 및
    상기 중진공도 또는 고진공도 하에서 진공 챔버 내의 전극을 건조하는 단계; 를 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에서 소정 개수의 전극 롤을 롤투롤 상태로 건조한 후 전극이 진공 챔버로부터 제거된 상태에서, 상기 진공 챔버를 소정의 중진공도 또는 고진공도로 하여 진공 챔버 내의 이물을 제거하는 단계를 더 포함하는 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 소정의 중진공도 또는 고진공도는, 상기 진공 챔버를 저진공도로 진공 배기하고 이 저진공도로부터 소정의 중진공도 또는 고진공도가 될 때까지 단계적으로 진공 배기하여 얻어지는 롤투롤 상태 전극의 진공건조방법.
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