KR20220127835A - 페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20220127835A
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막스 코리
데니스 보즈이기트
마르틴 에브너
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바트리온 아게
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Abstract

본 발명은 페이스트(13a, 23a) 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 이러한 방법은: 페이스트 내에서 배향될 수 있는 입자를 포함하는 페이스트(13a, 23a)를 제공하는 단계로서, 페이스트는 특히 탄소-계 입자, 바람직하게 그라파이트, 및/또는 휘발성 물질을 포함하는, 단계, 및 입자가 역장과의 상호 작용에 기인한 힘을 받도록, 그에 의해서 상기 입자가 역장의 필드 라인에 대해서 배향되도록, 페이스트(13a, 23a)를 역장의 영향에 노출시키는 단계를 포함한다. 비용 절감 및 생산성 개선을 위해서, 페이스트(13a, 23a)를 가열하여 페이스트(13a, 23a)의 점도를 적어도 일시적으로 감소시키고 역장 내에서 상기 입자를 배향시키는데 필요한 배향 시간을 감소시키며, 페이스트(13a, 23a)는, 페이스트를 역장의 영향에 노출시키기 이전에 및/또는 노출시키는 동안에, 가열된다.

Description

페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법 및 장치
본 발명은 페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법 및 장치, 그리고 또한, 특히 리튬 이온 배터리용 그라파이트-코팅된 전극을 제조할 때, 기판의 코팅을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
현재의 기술 수준에서, 예를 들어 급속-충전 리튬 이온 배터리용 음극을 생산할 때, 입자를 페이스트 내에서 배향시키는 방법이 사용된다. 그러한 배향은, 예를 들어 WO 2018/047054 A1에서 설명된 바와 같이, 예를 들어 기판에 도포된 상응 페이스트로부터 제조된 층에 자기장을 인가하는 것에 의해서 유발될 수 있다.
본 발명의 목적은 비용 및 생산성과 관련하여 방법을, 특히 방법 단계로서 페이스트 내의 입자의 배향을 제공하는 생산 방법 및 코팅 방법을 개선할 수 있게 하는 것이다.
이러한 목적은, 도입부에서 언급된 유형의 방법으로부터 시작하여, 청구범위 제1항의 특징에 의해서, 제8항의 특성화하는 특징에 의해서, 그리고 도 9의 특징에 의해서 달성된다.
본 발명의 유리한 설계 및 개발이 종속 청구항에서 언급된 수단에 의해서 이루어질 수 있다.
본 발명은, 예를 들어 릴-대-릴 방법(reel-to-reel method)과 같은, 연속적인 방법에 통합될 수 있도록 페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법을 개발하는 것에 의해서, 비용 및 생산성과 관련하여 지속적으로 증가되는 요구 사항을 만족시킬 수 있는 이러한 목적을 달성한다. 원칙적으로, 본 발명의 방법은 페이스트 내에서 상이한 유형들의 입자들을 배향시키기 위해서 사용될 수 있다. 방법은 예를 들어 리튬 이온 배터리를 생산하기 위한, 더 정확하게 전극(여기에서 사용되는 전기화학적 셀의 경우에: 음극)을 생산하기 위한 프로세스의 일부로서 적용될 수 있다. 리튬 이온 배터리(또는 이차 저장 배터리)에서, 애노드는, 내부에 리튬 이온이 삽입되는, 그라파이트 층을 포함한다. 방출 프로세스 중에, 이러한 배열체(arrangement)는 전자를 방출하고, 이러한 전자는 셀이 공급하고자 하는 외부 회로를 통해서 캐소드로 유동한다. 동시에, 리튬 양이온이 셀의 전해질을 통해서 삽입 층으로부터 캐소드로 이동한다. 이차 저장 배터리를 추후에 재충전할 수 있게 하기 위해서, 프로세스가 반전되고, 리튬 양이온은 캐소드로부터 애노드의 방향으로 역으로 이동하여야 한다.
사용되는 그라파이트의 층상형 구조는, 라멜라 형태(lamellae form)로 종종 존재하는 그라파이트 입자로 구성된다. 그라파이트 층을 도포한 후에, 대부분의 경우에, 도포되는 표면에 대한 그라파이트 입자의 평행 배향이 발생된다. 이러한 층을 통한 리튬 양이온의 이동 중에, 리튬 이온은 이러한 라멜라를 돌아서 이동하여야 하고, 이는 얽힌 포어 이동(entangled pore movement)을 초래하고 리튬 이온이 확산될 때 비교적 긴 경로 길이를 초래한다. 이러한 이유로, 그라파이트 입자를 이하와 같이 배향시키는 것이 유리한 것으로 입증되었다:
- 첫 번째로, 라멜라 입자의 더 긴 측면을 따라서 존재하는 그 길이방향 축이 가능한 한 기판의 표면에 수직으로 배향되게, 라멜라 입자가 배향되도록 그라파이트 입자를 배향시키는 것.
- 두 번째로, 라멜라가, 가능한 경우에 서로 앞뒤로, 애노드의 표면에 수직인 방향으로 배열 또는 정렬되도록, 배향이 유리하게 발생될 수 있다.
따라서, 리튬 이온의 이동 중의 경로 길이가 상당히 단축될 수 있다. 이는, 이온이 확산하는 데 더 짧은 시간을 필요로 하고 그에 따라 셀이 또한 충전에 더 짧은 시간을 필요로 하기 때문에, 이러한 수단에 의해서 충전 프로세스가 시간적으로(chronologically) 매우 상당히 단축될 수 있다는 점에서 특히 유리하게 효과를 갖는다.
특히, 방전 프로세스 중에 상응 전하 캐리어가 더 짧은 경로를 추적하고 더 빠르게 이동할 수 있기 때문에, 입자 배향에 의해서 확산 경로 길이를 단축함으로써 배터리의 성능이 또한 상당히 개선될 수 있다. 또한, 배터리의 서비스 수명이 또한 이러한 수단에 의해서 실제로 개선된다는 것이 입증되었다.
애노드의 산업적 제조에서, 부분적으로 이러한 이유로, 라멜라 그라파이트 입자가 또한 둥글게 처리된다(rounded off). 그러나, 이러한 수단은, 첫 번째로, 부가적인 생산 단계가 필요하다는 점, 두 번째로, 다량의 그라파이트 재료가 또한 이러한 프로세스에서 손실된다는 점에서 단점을 갖는다.
입자가 내부에 위치된 페이스트를 역장(force field)에 노출시키는, 입자의 배향이 실행될 수 있다. 그 이방성으로 인해서, 반자성 그라파이트 입자는 자기장 내에서 배향될 수 있고, 여기에서 시간적으로 또는 국소적으로 변화될 수 있는 자기장이 사용된다.
그러나, 원칙적으로, 본 발명은 페이스트 내의 다른 입자가 배향되는 추가적인 적용예를 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 또한 예를 들어 자기 나노입자 또는 입자와 같은, 또는 자기적으로 영향을 받을 수 있는 입자와 커플링된 예를 들어 알루미나 또는 붕소 질화물과 같은, 자기적으로 영향을 받을 수 있는 다른 입자일 수 있다.
따라서, 상응 페이스트 내의 입자를 배향시키기 위한 본 발명의 방법은, 먼저, 배향될 수 있는 입자가 내부에 위치된 페이스트를 제공하는 단계를 포함한다. 이미 예시한 바와 같이, 이들은, 예를 들어 그라파이트로 제조된, 예를 들어 탄소-계 입자일 수 있다. 또한, 페이스트는 휘발성 물질을 포함할 수 있다. 리튬 이온 배터리용 애노드의 제조와 관련하여 이러한 방법을 적용할 때, 그라파이트 입자의 수성 현탁액이 CMC(카르복시메틸셀룰로오스)와 혼합되고, 이어서 SBR 결합제(스티렌-부타디엔 고무 라텍스 결합제)가 첨가된다. 한편으로 표면 개질제로서의 CMC는 그라파이트 입자가 물에서 잘 분산되도록 보장하고, 두 번째로 CMC 사슬은 결과적인 현탁액이, 침전이 적고 동시에 (예를 들어, 슬롯 노즐을 이용하여) 표면에 기포가 없이 도포될 수 있을 정도로 고전단율에서 충분히 묽은(thin) 안정적인 비스코스 페이스트의 기초를 형성하도록 보장한다. SBR 결합제는, 도포된 코팅이 기판 필름에 접착되도록 그리고 코팅이 충분한 탄성을 갖도록 보장한다. 이러한 적용예에서, 그에 따라 물이 휘발성 물질로서 사용된다. 특히 페이스트의 주변 온도가 높아질 때, 물의 일부가 원칙적으로 페이스트로부터 증발될 수 있다.
페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위해서, 입자가 역장과의 상호 작용에 기인한 힘을 받도록, 페이스트를 역장의 영향 하에 배치하며, 이러한 힘은 역장의 필드 라인(field line)에 대한 입자의 배향을 초래할 수 있다.
이제, 본 발명의 방법은 페이스트의 점도를 적어도 일시적으로 감소시키기 위해서 그리고 역장 내에서 입자를 배향시키는데 필요한 배향 시간을 감소시키기 위해서 페이스트를 가열하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 페이스트의 가열은 페이스트가 역장의 영향 하에 배치되기 전에 또는 배치되는 동안 발생된다. 역장에 노출되기 전에 페이스트가 이미 가열된 경우에, 이러한 수단은, 입자가 배향되기 시작할 때, 예열된 페이스트의 점도가 이미 감소된 장점을 가질 수 있다. 점도가 높을수록, 입자 주위가 더 점성이고, 입자가 역장에 따라 배향되는데 더 많은 시간이 필요하다. 온도에 더하여, 점도는 또한 페이스트의 고체 함량에 따라 달라진다. 이러한 배향 시간 단축은 유리하게, 페이스트 내의 입자를 배향하는 이러한 방법 단계를 생산 프로세스에 보다 양호하게 통합할 수 있게 돕는다. 이는, 이러한 작업 단계의 길이로 인해서 별도로 입자의 배향을 실행하기 위해서 페이스트로 코팅된 기판 재료를 더 이상 프로세스로부터 분리할 필요가 없기 때문이다. 그 대신, 배향 단계가 또한 컨베이어-벨트 방법에 또는 릴-대-릴 방법에 통합될 수 있다. 시간이 절감될 수 있고, 생산성이 증가될 수 있고, 그에 따라 특히 비용이 또한 감소될 수 있다. 또한, 페이스트 내의 입자의 더 높은 정도의 배향이 또한 달성될 수 있는데, 이는 저-점도 주변부 내의 입자가 역장에 의해서 보다 용이하게 회전될 수 있기 때문이다.
또한, 페이스트의 가열은 또한 추가적인 기술적 목적을 위해서 사용될 수 있다. 본 발명의 유리한 예에서, 페이스트의 가열은 또한 페이스트의 건조를 위해서 사용될 수 있고, 이는 특히 페이스트 내의 입자가 그 배향 후에 이러한 위치에서 유지되는 것을 또한 초래할 수 있다. 따라서, 페이스트의 가열은 부가적으로 또한, 페이스트를 역장의 영향에 노출시킨 후에, 이루어질 수 있다. 페이스트가 건조되는 경우에, 원칙적으로, 그 점도가 또한 다시 증가되고, 즉, 입자가 점점 더 부동화되며 최종적으로, 배향 중에 회전된 위치에서 유지된다. 가열 또는 건조 중에, 휘발성 물질이 일반적으로 빠져 나간다. 이러한 맥락에서, 페이스트의 가열과 관련하여 어떤 효과가 발생하는지, 그리고 어떠한 조건 하에서 이러한 효과가 달성될 수 있는 지에 관해 주의를 기울여야 한다. 가열 자체는 원칙적으로 점도의 감소를 초래한다. 그러나, 이러한 가열이 페이스트 내의 휘발성 물질의 증가된 손실을 수반하는 경우에, 이는 다시 반대 효과를 초래하고, 즉 점도의 증가를 초래하고, 그에 따라 또한 페이스트 내에 위치된 입자를 더욱 더 부동화한다.
이와 관련하여, 본 발명의 일 예에서, 페이스트의 가열은 또한 페이스트 내의 휘발성 부분을 줄이기 위해서 및/또는 페이스트 내의 입자의 특정 이동성을 줄이기 위해서 점도를 일시적으로 감소시킨 후에 페이스트의 점도를 다시 높이기 위해서 사용될 수 있다. 그러나, 입자의 배향에 이어지는 급속 건조 프로세스는, 또한 연속하여 재개될 수 있는 생산 프로세스의 후속 부분에 또한 기여할 수 있다.
또한, 예를 들어 샘플 또는 코팅된 기판을 여전히 프레스하여야 하는 경우에, 본 발명에 따른 배향 프로세스 및 설명된 후속 부동화가 일반적으로 또한 추가적인 프로세싱과 관련된 안정적인 결과를 제공한다는 것; 그럼에도 불구하고 페이스트 내에서 입자의 배향이 대체적으로 유지될 수 있다는 것이 입증되었다.
본 발명의 일 실시형태에서, 페이스트의 건조 속도가 일정하거나 조정될 수 있다. 예를 들어, 0 내지 50 mg/(cm2 x 분), 특히 0 내지 30 mg/(cm2 x 분), 바람직하게 0 내지 16 mg/(cm2 x 분)의 건조 속도의 범위가 실용적인 값을 제공한다. 기판 상에서 확전된(spread) 페이스트는 큰 표면을 가지며, 이는 원칙적으로 페이스트로부터의 휘발성 물질의 방출에 유리하다. 그에 따라, 이는 일반적으로 점도의 증가를 초래한다. 그러나, 페이스트의 건조는 원칙적으로, 페이스트 내의 입자가 이미 배향된 경우에만 필요하다. 이전에, 페이스트의 점도 증가로 인해서, 그러한 건조는, (가능하더라도) 더 많은 어려움을 가지고 그리고 더 많은 시간에, 입자가 배향될 수 있게만 하였을 것이다. 이러한 이유로, 건조 속도를 그에 따라 조정하는 것이 유리할 수 있다. 건조 속도는 그에 따라 배향 전에 또는 중에 감소될 수 있다.
건조 속도를 증가된 주변 온도에 적용하기 위한 하나의 가능성은 페이스트를 예를 들어 증가된 주변 공기 수분에 노출시키는 것으로 구성된다. 주변의 증기압이 높은 경우에, 더 적은 휘발성 물질(예를 들어, 물)이 페이스트로부터 주변 공기 내로 방출된다. 일반적으로, 더 높은 온도로 인해서 휘발성 물질이 페이스트로부터 점점 더 많이 방출되는 것을 방지하기 위해서, 휘발성 물질은 증가된 농도로 페이스트의 주변부 내로 도입될 수 있다. 휘발성 물질은, 예를 들어, 증발되고 페이스트의 주변부 내로 도입될 수 있고, 주변 공기 수분은 휘발성 물질 자체를 갖는 페이스트로부터 올 수 있다.
그에 따라, 건조 속도의 조정이, 예를 들어, 증기로 인해서, 노즐을 통해서, 다른 유형의 원자화(atomization) 등을 통해서 이루어질 수 있다. 원칙적으로, 주변 압력에서 또한 동작될 수 있는데, 이는 페이스트가 노출되는 압력을 증가시키는 것에 의해서 건조 속도가 일반적으로 또한 느려지기 때문이다.
본 발명의 실시형태에 따라, 그에 따라 조정된 특정 건조 속도로 가열하기 이전에, 도중에 또는 이후에, 페이스트가 노출될 수 있다. 페이스트를 역장의 영향에 노출시키는 경우에도 마찬가지이고: 여기에서 또한, 건조 속도는 페이스트를 역장의 영향에 노출시키기 이전에, 동안에 또는 이후에 조정될 수 있다. 수단의 선택은 실질적으로, 시간적 시퀀스에서, 한편으로, 입자의 배향이 어떻게 촉발되는지, 그리고 다른 한편으로, 페이스트의 건조 프로세스가 시간적으로 어떻게 통합되어야 하는지에 따라 달라진다. 건조는 유리하게 또한 생산 방법에서 너무 늦게 시작되지 않는데, 이는, 그렇지 않은 경우에 지연으로 인해서 연속적인 프로세스에 통합하는 것이 어려울 수 있기 때문이고, 특히 생산 방법의 재개의 과정에서, 배향된 입자의 너무 늦은 부동화로 인해서 입자의 일부가 그 배향을 다시 잃을 수 있기 때문이다.
건조 속도를 조정하기 위해서, 상이한 가능성들이 생각될 수 있다. 적어도 때때로, 페이스트가 챔버 내로 도입될 수 있고, 이는 주변 체적이 제한되는 것을 보장하고 그에 따라 건조 속도가 보다 단순하게 조정될 수 있게 한다. 예를 들어, 건조 속도의 조정이 주변 공기 수분의 조정을 통해 이루어지는 경우에, 후자는 챔버 내에서만 그에 따라 설정되어야 한다. 이는 또한, 건조 속도가 주변 체적에서 비교적 균질하게, 그리고 그에 따라 또한 페이스트가 챔버를 통해 운반되는 경로와 관련하여 조정될 수 있다는 장점을 갖는다. 이미 예시된 바와 같이, 실시형태에 따라, 예를 들어 가열에 의해 생성되거나 노즐을 통한 원자화에 의해서 주변에 도입되는 증기가 사용될 수 있다. 원칙적으로, 주변 공기 수분이 또한 조정되고, 특정 포화 염 용액이 챔버 내로 도입되며, 이는 특정 시간 후에 주변 공기 수분이 특정의 일정한 값을 갖도록 보장한다. 공기 수분의 레벨은 특히 염 용액의 선택에 따라 달라진다. 압력 증가를 통해서 건조 속도를 조정하는 것을 또한 생각할 수 있다. 이러한 것도 챔버 내에서 유리하게 이루어질 수 있다.
현탁액, 특히 수성 현탁액, 즉 소정 양의 액체 및 고체 성분이 페이스트로서, 특히 시작 재료로서 사용될 수 있다. 그 액체 성분 또는 일부, 예를 들어 물이 이어서 휘발성 성분이 될 수 있다.
바람직하게, 코팅된 기판에 페이스트가 도포된 후에, 리튬 이온 배터리를 위한 그라파이트-코팅 애노드를 제조할 때, 본 발명의 방법 또는 예의 하나가 특히 기판의 코팅을 생성하기 위해서 사용될 수 있다. 배향을 위한 상응 방법 단계가, 본 발명에 의해서, 예를 들어 릴-대-릴 방법과 같은 연속적인 방법 내로 통합될 수 있을 때, 생산성이 그에 따라 유리하게 개선될 수 있고 비용이 낮아질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 페이스트 내에서 입자를 배향시키기 위한 상응 장치는, 역장과의 상호 작용으로 인해서 입자가 힘을 받도록, 그에 의해서 이들이 필드 라인에 대해서 배향될 수 있도록, 페이스트를 역장에 노출시키기 위한 적어도 하나의 힘 공급원, 그리고 또한 가열 장치를 포함한다. 이는, 예를 들어, 적외선 램프, 가열기 팬, 기판을 운반하는 역할을 하는 가열된 릴, 유도 열 공급원, 마이크로파, 또는 심지어 고온 증기일 수 있다. 동시에 고온 증기는 유리하게, 또한 공급되는, 즉 가열에 더하여, 아마도 활성 매체일지라도, 그것이 물이라면, 건조 속도가 비교적 느리게 유지되도록 보장한다. 따라서, 페이스트가 역장의 영향에 노출되기 전에 또는 도중에 페이스트가 가열되도록, 가열 장치가 힘 공급원과 관련하여 배열되거나 모니터링될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시형태에서, 역장은 자기장일 수 있고, 그에 따라, 예를 들어, 자기적으로 이방성인 그라파이트 입자들이 이어서 배향될 수 있다. 생성되는 자기장은 국소적으로 또는 시간적으로 변화될 수 있다. 반자성 그라파이트 입자의 경우에, 이는 운반 경로를 가로지르는 배향에서 바람직하다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리용 애노드의 생산에서, 시간적 또는 국소적 변화 가능 필드가 생성될 수 있고, 필드 강도가 개별적인 영구 자석에 대해서 증가되도록 그리고 필드 라인이 필요 필드 패턴에 상응하게 배열되도록, 영구 자석들이 소위 보드 내에서 정렬된다. 영구 자석은 일반적으로 비교적 저렴하게 획득될 수 있다. 이들은 막대와 같은 단순한 안내부 내에서 함께 놓일 수 있고, 그 막대의 배향 또는 배열에 의해서, 다시 국소적으로 변화되는 필드가 그에 따라 생성될 수 있다. 보드는 일반적으로 적어도 운반 경로의 폭만큼 넓고, 그에 따라 균질한 필드가 기판에 걸쳐 운반 방향에 대해서 횡방향으로 존재한다. 샘플이 그러한 국소적으로 변화될 수 있는 교번적인 필드에 걸쳐 안내되는 경우에, 국소적으로 변화되는 자기장에 걸친 샘플의 운반 중에 샘플/기판 상의 특정 지점에서, 시간적으로 변화되는 자기장이 생성된다. 영구 자석을 이용함으로써, 비용, 특히 또한 (예를 들어 코일 배열에 의한, 예를 들어 자기장의 전기적 생성과 달리) 전력 비용이 절감될 수 있다.
본 발명의 방법 또는 본 발명의 장치는 특히, 샘플 또는 기판이 하나의 생산 단계로부터 다음 단계로 직접적으로 운반된다는 점에서, 즉 연속 제조 프로세스에의 통합이 가능하다는 점에서 유리하다. 특히, 페이스트가 도포된 기판은 릴을 통해서 역장 공급원에 걸쳐, 국소적으로 변화될 수 있는 필드에 걸쳐 안내될 수 있고, 그에 따라 페이스트의 관점으로부터, 시간적으로 변화될 수 있는 필드가 존재한다. 이는, 단계를 생산 프로세스에 통합하는 것을 촉진하고 시간의 절감을 촉진한다.
더 단순한 입자의 배향을 위해서 페이스트의 점도를 먼저 감소시키는 가열 프로세스가 가열 장치를 통해서 이루어질 수 있다. 이는 다시, 페이스트를 건조시키기 위해서 역장 내의 입자의 배향 이후에도 페이스트가 또한 연속적으로 가열되도록, 또한 배열 또는 모니터링될 수 있다. 그에 따라, 입자의 부동화가 촉진되고, 다시 말해서 배향된 입자가 그 배향을 상실하는 것이 방지된다.
또한, 본 발명의 일 개선예에서, 챔버는, 특정 건조 속도를 생성하기 위해서 그리고 페이스트로부터의 휘발성 물질의 증발을 감소시키기 위해서 공기 수분 공급원을 갖는 수분 챔버로서 구성되고, 수분 챔버는, 페이스트가 운반 장치에 의해서 그러한 챔버를 통해서 적어도 때대로 운반되도록, 배열된다.
건조 속도의 조정은 원칙적으로 페이스트가 가열로 인해서 성분으로서의 휘발성 물질을 잃는 효과를 상쇄시킬 수 있다. 페이스트의 건조가 상쇄되는 경우에, 이는 입자가 배향될 수 있도록 하는 입자의 이동성에 바람직하다. 건조가 증가되는 경우에, 이는 원칙적으로 입자의 부동화에 바람직하다. 어떠한 효과가 요구되는지에 따라, 건조 속도의 조정은 그에 따라, 페이스트를 역장의 영향에 노출시키기 이전에, 도중에 및/또는 이후에, 또는 페이스트를 가열하기 이전에, 도중에 및/또는 이후에 이루어질 수 있다. 이러한 수단은 또한 제조 프로세스 내의 통합을 촉진하고 생산성을 증가시키는데; 이는 입자들이 더 빨리 배향되고 그 후에 부동화될수록, 연속적인 제조로 구현하기가 더 용이하기 때문이다.
건조 속도 또는 건조 속도에 영향을 미치는 매개변수, 예를 들어 페이스트가 노출되는 온도, 공기 수분 또는 주변 압력이 모니터링 장치에 의해서 영향을 받을 수 있다. 모니터링은 원칙적으로 제어 및/또는 조절을 의미한다. 이를 위해서, 모니터링 장치는, 페이스트 주위의 또는 심지어 페이스트 내의 주변 특성을 측정할 수 있도록, 상이한 센서들, 예를 들어 상응 온도 센서, 습도계, 압력-측정 장치(압력계) 또는 기타를 사용할 수 있다. 따라서, 샘플이 일관된 품질로 제조될 수 있도록, 특히 일정한 조절이 이루어질 수 있다. 모니터링 장치는 또한, 공기 수분 공급원, 가열 장치, 또는 역장 공급원의 일부와 같은, 개별적인 장치를 완전히 오프로 스위칭하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 수분 챔버가 또한 상이한 구역들로 분할될 수 있다. 하위-챔버들로 분할하는 것 자체가 이에 적합할 수 있고, 특히 운반 장치는 페이스트 또는 페이스트로 코팅된 기판을 상응 하위-챔버들을 통해서 차례로 안내한다. 따라서, 페이스트의 배향 및 건조를 보다 구체적으로 조정할 수 있는 것도 생각할 수 있다.
예를 들어, 압력 증가 또는 공기 수분의 증가에 의해서 건조 속도를 동시에 감소시키면서 가열하는 것이 제1 하위-챔버 내에서 이루어질 수 있다. 이러한 조건은 입자가 배향될 때까지 유지된다. 이어서, 입자가 배향된 경우에, 코팅 또는 페이스트를 갖춘 기판이 즉각적으로 더 프로세스될 수 있도록, 예를 들어 프레스될 수 있도록, 입자의 배향을 고정하기 위해서 또는 입자를 부동화하기 위해서, 가능한 한 신속하게 건조하여야 한다.
본 발명의 하나의 설계 변형예에서, 챔버 또는 적어도 하나의 하위-챔버가 또한 가스, 특히 공기 이외의 가스로 충진되거나 범람될(flooded) 수 있다. 따라서, 페이스트로부터의 휘발성 물질의 방출이 선택적으로 영향을 받을 수 있고, 특히 감소될 수 있다. 또한, 휘발성 성분의 건조 속도가 챔버에서 또는 하위-챔버의 적어도 하나에서 감소될 수 있고, 여기에서 페이스트 위에 위치되는 가스의 온도가 감소되는데, 이는 원칙적으로 가스의 온도가 낮을수록, 휘발성 물질이 페이스트로부터 그 위에 위치된 가스로 이동하는 것이 적어 지기 때문이다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있고, 추가적인 상세 내용 및 장점과 함께 이하에서 더 구체적으로 설명된다. 구체적으로 이하가 도시되어 있다:
도 1은 본 발명에 따른 입자 배향을 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 조절을 이용한 공기 수분의 조정을 제공하는 본 발명에 따른 추가적인 입자 배향 장치이다.
도 3은 조절을 이용한 공기 수분의 조정을 제공하는 본 발명에 따른 입자 배향 장치이나, 제조 경로의 상응 섹션이 개별적인 조절을 갖춘 개별적인 구역들 또는 하위-챔버들로 분할된다.
도 1은 기본 구조에 따른 페이스트 내의 입자를 배향하기 위한 장치(1)의 개략도를 도시한다. 이러한 장치(1)는 릴-대-릴 운반을 위한 운반 장치(2)를 포함한다. 페이스트로 코팅된 기판(3)이 이러한 릴(2)을 통해서 운반된다. 운반 장치(2)는, 여기에서 도시된 방법 단계가 부분적으로 연속적인 생산 프로세스에 포함될 수 있다는 것 그리고 프로세스되는 기판이 프로세싱 스테이션으로부터 프로세싱 스테이션으로 안내되는 것을 이미 보여 주었다.
도 1에서, 코팅된 기판이 운반 장치(2)를 통해서 챔버(4) 내로 때때로 도입되고, 그에 따라 이러한 챔버(4) 내의 기판(3)이 특정 주변 특성(예를 들어, 특정 공기 수분, 특정 압력 또는 기타)에 노출된다. 챔버(4)의 영역 내에서, 기판(3)은, 기판(3)에 근접한 챔버(4) 내의 역장 공급원(5)에 의해서 생성된 역장에 노출된다. 이러한 역장 공급원(5)은 페이스트 내의 입자의 배향을 유발할 수 있다. 또한, 코팅된 기판(3)이 가열되게 하고 페이스트가 점도를 잃게 하며 그에 따라 내부에 위치된 입자가 더 용이하게 그리고 더 신속하게 배향될 수 있게 하는, 가열 장치(6)가 제공된다. 배향은 유리하게, 운반 장치(2)를 통해서 연속적으로 이동하는 기판(3)의 상응 섹션이 역장 공급원(5)의 영역 내에서 챔버(4) 내에 위치되는 시간과 관련하여 이루어질 수 있다. 챔버(4) 및 역장 공급원(5) 또는 가열 장치(6)가 적절한 치수를 가질 수 있다.
도 1에 따른 본 실시예에서, 시간적으로 볼 때, 정확하게 입자의 배향 중에 가열이 또한 발생되도록, 역장 공급원(5) 및 가열 장치(6)가 배열된다. 기판(3)의 운반 중에, 그에 따라 페이스트가 가열 장치(6)에 그리고 또한 공급원(5)에 의해서 생성된 역장에 동시에 노출된다.
유사한 실시예를 도 2에서 확인할 수 있다. 페이스트 내의 입자를 배향시키기 위한 상응 장치(11)는 또한 여기에서 릴의 형태의 운반 장치(12)를 포함하고, 페이스트(13a)로 코팅된 기판 필름(13)이 운반된다. 코팅(13a)을 갖는 기판(13)이 수분 챔버(14)를 통해서 운반된다. 기판(13)의 운반 경로와 관련하여 수분 챔버(14)의 전체 영역에 걸쳐 연장되는, 소위 자석 보드의 배열체인, 역장 공급원(15)이 챔버(14) 아래에 제공된다. 이러한 자석 보드(15)는, 예를 들어, 영구 자석의 막대-유사 배열체로 구성될 수 있고, 이러한 막대들은, 필드 라인의 배향이 라인마다 변화되도록 그리고 챔버(14)를 통한 운반 중에 코팅(13a)이 교번적인 자기장을 체험하도록, 운반 방향에 대해서 (90° 배향으로부터 벗어난, 미리 결정된 각도 오프셋에서) 횡방향으로 또는 실질적으로 횡방향으로 라인으로 배열된다. 챔버(14) 내에서, IR 램프 형태의 가열 장치(16)가 먼저 그 시작 영역 내에 제공된다(도 2에서: 우측으로부터 좌측으로). 챔버(14) 내의 공기 수분은 증기 공급원 또는 증발기(17)에 의해서 생성된다. 주변의 온도 및 공기 수분 모두가 상응 센서(18a, 18b)를 통해서 결정된다. 또한, 코팅 또는 페이스트(13a)의 온도만을 측정하도록 구성되고 배열된 온도 센서(18c)가 제공된다. 센서(18a, 18b, 18c)의 데이터가 모니터링 장치(미도시)로 전달되고, 이러한 모니터링 장치는 다시 특히 가열 장치(16) 및 증기 공급원(17)을 조절한다.
도 2와 기본 구조가 유사한 장치가 도 3에 도시되어 있으나, 챔버(24)는 개별적인 하위-챔버들(24.1, 24.2, 24.3, …, 24.n)로 분할된다. 도 3은, 먼저 임의의 경우에 릴 형태의 운반 장치(22)를 가지는, 입자를 배향시키기 위한 장치(21)를 도시하고, 이러한 운반 장치를 통해서 코팅(23a)을 갖는 기판 필름(23)이 안내되고 운반된다. 도 2와 유사하게, 역장 공급원으로서의 역할을 하는 소위 자석 보드(25)가 기판 테이프(23) 아래에 배열된다. 각각의 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, …, 24.n)는 가열 장치(26.1, 26.2, 26.3, … 26.n), 그리고 또한 각각의 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, …, 24.n) 내의 공기 수분을 설정하기 위한 상응 증기 발생기(27.1, 27.2, 27.3, …, 27.n)를 갖는다. 각각의 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, …, 24.n)에는 개별적인 센서(28.1, 28.2, 28.3, …, 28.n)가 장착되고, 그에 따라 각각의 하위-챔버에 대한 공기 수분 및 온도가 하나 이상의 모니터링 장치를 통해서 개별적으로 조절될 수 있다.
실시형태에 따라, 자석 보드(25)가 운반 경로를 따라서 모든 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, …, 24.n)에 걸쳐 또는 심지어 미리 종료되게 연장될 수 있고; 이는 쇄선으로 도시된 자석 보드 섹션(25.n)의 표시에 의해서 도시되어 있다. 예를 들어, 여기에서 건조 속도를 의도적으로 높여 입자를 신속하게 부동화하기 위해서, 위에 놓인 하위-챔버(24.n) 내의 공기 수분을 (실리카 겔을 이용하여) 통상적인 주변 값 미만으로 낮추는 것, 또는 압력을 낮추는 것을 생각할 수 있다.
1 페이스트 내의 입자를 배향시키기 위한 장치
2 운반 장치
3 기판
4 챔버
5 역장 공급원
6 가열 장치
11 페이스트 내의 입자를 배향시키기 위한 장치
12 운반 장치
13 기판
13a 페이스트/코팅
14 수분 챔버
15 자석 보드
16 IR 램프
17 증기 공급원
18a 온도 센서
18b 수분 센서
18c 코팅에 대한 온도 센서
21 페이스트 내의 입자를 배향시키기 위한 장치
22 운반 장치
23 기판
23a 페이스트/코팅
24 챔버
24.1 하위-챔버
24.2 하위-챔버
24.3 하위-챔버
24.n 하위-챔버
25 자석 보드
25.n 자석 보드
26.1 IR 램프
26.2 IR 램프
26.3 IR 램프
26.n IR 램프
27.1 증기 공급원
27.2 증기 공급원
27.3 증기 공급원
27.n 증기 공급원
28.1 센서
28.2 센서
28.3 센서
28.n 센서

Claims (16)

  1. 페이스트(13a, 23a) 내에서 입자를 배향시키기 위한 방법으로서:
    · 페이스트(13a, 23a) 내에서 배향될 수 있는 입자를 포함하는 페이스트(13a, 23a)를 제공하는 단계로서, 상기 페이스트(13a, 23a)는 특히 탄소-계 입자, 바람직하게 그라파이트, 및/또는 휘발성 물질을 포함하는, 단계,
    · 상기 입자가 역장과의 상호 작용에 기인한 힘을 받도록, 그에 의해서 상기 입자가 역장의 필드 라인에 대해서 배향되도록, 상기 페이스트(13a, 23a)를 역장의 영향에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법에 있어서,
    · 상기 페이스트(13a, 23a)의 점도를 적어도 일시적으로 감소시키기 위해서 그리고 상기 역장 내에서 상기 입자를 배향시키는데 필요한 배향 시간을 감소시키기 위해서 상기 페이스트(13a, 23a)를 가열하는 단계,
    · 상기 페이스트(13a, 23a)를 가열하는 단계가 상기 페이스트를 상기 역장의 영향에 노출시키기 이전에 및/또는 노출시키는 동안에 실행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 페이스트(13a, 23a)를 가열하는 단계가 상기 페이스트(13a, 23a)를 상기 역장의 영향에 노출시킨 후에 부가적으로 또한 실행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    · 상기 페이스트(13a, 23a) 내의 휘발성 물질의 비율을 감소시키기 위해서, 및/또는
    · 상기 점도의 일시적 감소 후에 상기 페이스트(13a, 23a)의 점도를 다시 증가시키기 위해서, 및/또는
    · 상기 입자를 부동화하기 위해서,
    상기 페이스트(13a, 23a)를 가열하는 단계를 부가적으로 이용하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트(13a, 23a)가, 0 내지 50 mg/(cm2 x 분), 특히 0 내지 30 mg/(cm2 x 분), 바람직하게 0 내지 16 mg/(cm2 x 분) 범위의 특정 건조 속도로 설정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트(13a, 23a)가
    · 가열 단계, 및/또는
    · 상기 페이스트(13a, 23a)를 상기 역장의 영향에 노출시키는 단계
    이전 및/또는 도중 및/또는 이후에, 상기 특정 건조 속도에 노출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조 속도를 조정하기 위해서:
    · 상기 페이스트(13a, 23a)의 건조 속도를 국소적으로 조정할 수 있도록 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) 내의 상기 페이스트(13a, 23a)가 적어도 때때로 제한된 주변 체적 내로 도입되고, 및/또는
    · 증기가 이용되고, 및/또는
    · 포화 염 용액이 상기 챔버 내로 도입되고, 및/또는
    · 상기 주변 압력이 조정되고, 특히 증가되고, 및/또는
    · 상기 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) 내의 상기 페이스트(13a, 23a)가 적어도 때때로 제한된 주변 체적 내로 도입되고, 상기 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) 내의 상기 페이스트(13a, 23a)와 접촉되는 가스의 온도가 변화되고, 특히 건조 속도를 줄이기 위해서 감소되고, 및/또는
    · 상기 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) 내의 상기 페이스트(13a, 23a)가 적어도 때때로 제한된 주변 체적 내로 도입되고, 상기 챔버가 가스로 범람되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 수성 현탁액이 상기 페이스트(13a, 23a)로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 특히 리튬 이온 배터리용 그라파이트-코팅 애노드를 제조할 때, 기판(3, 13, 23)의 코팅을 생성하기 위한 방법으로서, 코팅하고자 하는 기판(3, 13, 23)에 상기 페이스트(13a, 23a)가 도포된 후에, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법이 이용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 페이스트(13a, 23a) 내의 입자를 배향시키기 위한 장치(1, 11, 21)이며, 페이스트(13a, 23a)가 내부에서 배향될 수 있는 입자를 포함하고, 상기 페이스트는 특히 탄소-계 입자, 바람직하게 그라파이트, 및/또는 휘발성 물질을 포함하고, 상기 장치는:
    · 상기 입자가 역장과의 상호 작용으로 인한 힘을 받도록, 그에 의해서 상기 입자가 상기 역장의 필드 라인에 대해서 배향되도록, 상기 페이스트(13a, 23a)를 역장에 노출시키기 위한 역장 공급원(5, 15, 25, 25.n),
    · 상기 페이스트를 가열하기 위한, 상기 페이스트(13a, 23a)의 점도를 적어도 일시적으로 감소시키기 위한, 그리고 상기 역장 내에서 상기 입자를 배향시키는데 필요한 배향 시간을 줄이기 위한, 가열 장치(6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n), 특히 적외선 램프 및/또는 가열기 팬 및/또는 마이크로파 생성기를 포함하고,
    · 상기 페이스트(13a, 23a)가 상기 역장의 영향에 노출되기 전에 및/또는 노출되는 동안 상기 페이스트(13a, 23a)가 가열되도록, 상기 가열 장치(6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n)가 상기 역장 공급원과 관련하여 배열되고/되거나 모니터링될 수 있는, 장치(1, 11, 21).
  10. 제9항에 있어서,
    국소적으로 및/또는 시간적으로 변화될 수 있는 필드를 생성하도록 구성된 자기장을 생성하도록 특히 구성된 역장 공급원(5, 15, 25, 25.n)을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    시간적으로 변화 가능한 필드가 상기 페이스트(13a, 23a)에 가해지도록, 상기 페이스트(13a, 23a) 및/또는 기판(3, 13, 23)에 도포된 상기 페이스트(13a, 23a)를 상기 역장 공급원, 특히 국소적으로 변화 가능한 필드를 생성하는 상기 역장 공급원(5, 15, 25, 25.n)을 따라서 이동시키기 위해서, 운반 장치(2, 12, 22)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트(13a, 23a)가 상기 역장의 영향에 노출된 후에 상기 페이스트(13a, 23a)가 또한 부가적으로 가열되도록, 상기 가열 장치(6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n)가 상기 역장 공급원(5, 15, 25, 25.n)과 관련하여 배열되는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 상기 페이스트(13a, 23a)를 상기 역장의 영향에 노출시키는 단계 이전에 및/또는 도중에 및/또는 이후에, 및/또는
    · 가열 이전에 및/또는 도중에 및/또는 이후에,
    특정 건조 속도를 생성하기 위해서 그리고 상기 페이스트(13a, 23a)로부터의 상기 휘발성 물질의 증발을 감소시키기 위해서, 수분 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n)가 공기 수분 공급원(27.1, 27.2, 27.3, 27.n)을 구비하고, 상기 페이스트가 적어도 때때로 상기 특정 건조 속도에 노출되도록, 상기 수분 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n)가 배열되고,
    특히 상기 운반 장치(2, 12, 22)는 상기 페이스트를 상기 수분 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n)를 통해서 운반하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조 속도 및/또는 상기 온도를 모니터링하기 위해서 상기 공기 수분 공급원(27.1, 27.2, 27.3, 27.n) 및/또는 상기 가열 장치(6, 16, 26.1, 26.2, 26.3, 26.n)를 모니터링하기 위한 모니터링 장치가 제공되고, 상기 모니터링 장치는, 상기 수분 챔버(4, 14, 24, 24.1, 24.2, 24.3, 24.n) 및/또는 상기 페이스트(13a, 23a) 내의 온도 및/또는 공기 수분 및/또는 압력 및/또는 건조 속도를 결정하기 위해서, 특히 적어도 하나의 센서(18a, 18b, 18c, 28.1, 28.2, 28.3, 28.n), 온도 센서(18a, 18c) 및/또는 습도계(18b) 및/또는 압력-측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 상기 수분 챔버(24)가 적어도 2개의 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, 24.n)로 분할되고, 각각의 상이한 온도들 및/또는 주변 공기 수분 및/또는 상이한 압력 및/또는 상이한 건조 속도가 상기 모니터링 장치에 의해서 생성될 수 있고,
    · 특히 상기 운반 장치(22)는 상기 페이스트(23a)를 상기 하위-챔버(24.1, 24.2, 24.3, 24.n)를 통해서 차례로 운반하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 상기 페이스트(13a, 23a)를 상기 역장의 영향에 노출시키는 단계의 이전 및/또는 도중에 및/또는 이후에, 및/또는
    · 가열 이전에 및/또는 도중에 및/또는 이후에,
    특정 건조 속도를 생성하기 위해서 그리고 휘발성 물질이 상기 페이스트(13a, 23a)로부터 가스 내로 이동하는 것을 감소시키기 위해서, 챔버 내에 위치된 및/또는 도입되는 가스의 온도를 변화시키도록 구성되는, 특히 가스를 챔버 내에 도입하기 위한 장치를 가지는, 적어도 하나의 챔버가 제공되고, 상기 챔버는, 상기 페이스트가 적어도 때때로 상기 특정 건조 속도에 노출되도록, 배열되고,
    특히 상기 운반 장치(2, 12, 22)는 상기 페이스트를 상기 챔버를 통해서 운반하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(1, 11, 21).
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