KR20230044370A - 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법 - Google Patents

진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체 배터리의 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치는, 진동파 발생장치(100)와, 상기 진동파 발생장치 상에 배치되는 매질 유닛(200)과, 상기 매질 유닛(200)에 연결되는 듀얼 칠러(300)와, 상기 매질 유닛(200) 상에 배치되는 기판(400) 및 상기 기판(400) 상에 배치되는 정전척(500)을 포함할 수 있다.
상기 정전척(500) 상에 레벨링 대상재(600A)가 배치되어 레벨링이 진행될 수 있다.

Description

진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법{Powder Leveling Apparatus using vibration and static electricity and Manufacturing Method for all-solid-state battery using the same}
실시예는 파우더 레벨링 장치에 관한 것으로, 구체적으로 모터, 에어, 초음파, 메가소닉 등을 포괄하는 진동파와 정전기를 이용한 초정밀 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법에 관한 것이다.
배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 충전이 가능한 2차 전지가 널리 사용되고 있다. 한편, 2차 전지 중에 액체전해질을 사용하는 리튬이온 배터리가 널리 사용되고 있으나, 최근 고체전해질을 사용한 전고체 배터리(all-solid state battery)가 관심을 받고 있다.
도 1a은 액체전해질과 분리막(separator)을 사용하는 리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery)의 개념도이며, 도 1b는 고체전해질(Solid electrolyte)을 전고체 배터리(all-solid-state battery)의 개념도이다.
전고체 배터리는 전기를 흐르게 하는 애노드(Anode layer)과 캐소트(Cathode layer) 사이의 전해질이 액체가 아닌 고체로 된 차세대 2차전지이다.
한편, 현재 휴대폰, 차량 또는 드론 등에 사용되는 2차전지인 리튬이온 배터리의 경우 액체 전해질을 이용하여 에너지 효율이 좋지만, 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 고열에 폭발할 위험이 높다.
반면, 전고체 배터리는 전해질이 고체이기 때문에 충격에 의한 누액 위험이 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮아 상대적으로 안전하다.
또한 전고체 배터리는 집전체의 양면에 애노드와 캐소드가 결합된 바이폴라(bipolar) 전극구조가 가능하여 분리막, 셀 외장제(파우치) 등이 감소해 셀 부피가 줄고, BMS(battery Management system)를 최소화하기 때문에 단위 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하므로 액체 전해질과 달리 리튬이온이 용매와 분리되는 탈용매 반응이 불필요하므로 충반전 반응이 곧 고체 내 리튬이온의 확산반응으로 반영되어 고 출력이 가능하며, 충전 시간을 리튬이온 배터리보다 현저히 단축시킬 수 있다.
또한 전고체 배터리는 기존 유기 전해액에 비해 넓은 온도 영역에서 안정성을 확보할 수 있으며, 특히 저온에서 높은 이온전도성이 유지된다. 이에 따라 추운 겨울철에 전기자동차의 배터리 성능의 저하의 문제를 해결하여 전고체 배터리 장착 시 날씨에 구애됨이 없어 날씨 변화에 따른 주행거리 단축의 문제가 해결될 수 있다.
또한 특히 전고체 배터리는 확장성이 높아 플렉서블(flexible) 배터리로 활용할 수 있어 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있다.
이에 따라 최근 전고체 배터리가 전기차용 또는 드론용 차세대 배터리로 급부상하면서 자동차 업체 등과 배터리 개발 업체 간의 협업이 국내외적으로 활발해 진행되고 있다.
한편, 전고체 배터리에서 애노드 소재로 리튬금속(Li-metal)이 사용되고 있다. 그런데 전고체 배터리를 충전할 때 캐소드에서 애노드로 이동하는 리튬이온이 애노드 표면에 적체되며 나타나는 나뭇가지 모양 결정체인 덴드라이트(Dendrite)가 생성되는 기술적 문제가 이슈화되고 있다.
도 1c는 종래 전고체 배터리에서 덴트라이트(Dendrite) 현상에 대한 개념도이다.
나뭇가지 모양의 결정인 금속 덴드라이트는 금속 핵이 생긴 다음 사방으로 가지를 뻗으며 자라며, 너무 크게 자라면 애노드와 캐소드를 분리하는 전극 사이의 분리막을 뚫고 단락을 유발시키며, 내부 단락이 일어난 배터리는 기전력을 잃게 된다.
이러한 덴드라이트(Dendrite) 결정체는 배터리의 부피팽창을 유발하고 전고체 배터리의 분리막 기능을 겸비하는 고체전해질을 훼손하거나, 캐소드와 고체전해질 사이의 부반응을 발생시켜 전고체 배터리의 수명과 안전성을 낮추는 문제가 발생되고 있다.
또한 리튬 덴드라이트가 생성되면 내부 전기저항이 급격히 올라가 열이 발생하여 화재의 원인이 되기도 한다.
한편, 전고체 배터리에서 발생된 덴드라이트의 추가 성장을 차단하기 위한 방안이 제시되고 있으나, 덴드라이트 발생을 방지하기 위한 기술에 대한 연구가 필요한 상황이다.
또한 종래 전고체 배터리에서 애노드 소재에는 애노드 활성물질 외에 고체전해질 물질 등 절연물질 등이 혼합된 상태라서 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전고체 배터리에서 덴트라이트 현상을 방지할 수 있는 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법을 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적 특성이 향상시킬 수 있는 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법을 제공하고자 함이다.
실시예의 기술적 과제는 본 항목에 기재된 것에 한정된 것이 아니며, 발명의 설명을 통해 파악될 수 있는 것으로 포함한다.
실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치는, 진동파 발생장치(100)와, 상기 진동파 발생장치 상에 배치되는 매질 유닛(200)과, 상기 매질 유닛(200)에 연결되는 듀얼 칠러(300)와, 상기 매질 유닛(200) 상에 배치되는 기판(400) 및 상기 기판(400) 상에 배치되는 정전척(500)을 포함할 수 있다.
상기 정전척(500) 상에 레벨링 대상재(600A)가 배치되어 레벨링이 진행될 수 있다.
실시예에 의하면, 상기 진동파 발생장치(100)를 통해 진동파를 상하로 진동시켜 상기 기판(400)을 통해 진동파를 상기 레벨링 대상재의 파우더에 전달하여 파우더를 레벨링하며, 상기 정전척(500)은 상기 진동파로 레벨링되는 파우더를 흡착할 수 있다.
상기 진동파 발생장치(100)와 상기 정전척(500)은 동시 또는 시간 구역을 나누어 개별적으로 작동될 수 있다(도 4 참조).
예를 들어, 제1 시각(t1)까지는 상기 진동파 발생장치(100)를 100%로 가동하며, 상기 제1 시각(t1)에서 제2 시각(t2)까지는 상기 정전척(500)을 100% 출력으로 가동하며, 상기 제2 시각(t2)부터 제3 시각(t3)까지는 상기 진동파 발생장치(100)를 100% 출력으로 가동할 수 있다.
또한 상기 제3 시각(t3)부터 제4 시각(t4)까지는 상기 진동파 발생장치(100)를 100% 가동한 상태에서 상기 정전척(500)을 부분적 출력으로 가동할 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 시각(t3)부터 제4 시각(t4)까지는 상기 진동파 발생장치(100)를 100% 가동한 상태에서 상기 정전척(500)을 50% 가동할 수 있다.
또한 실시예는 상기 제4 시각(t4)에서 제5 시각(t5)까지는 휴지 시각을 가지며, 상기 제5 시각(t5)부터 제6 시각(t6)까지는 상기 진동파 발생장치(100)를 70% 가동하며, 상기 제6 시각(t6)에서 제7 시각(t7)까지는 상기 정전척(500)을 100% 가동할 수 있다.
실시에 의하면, 상기 진동파 발생장치(100)에 의해 레벨링이 진행될 때 상기 매질 유닛(200)의 온도를 상기 듀얼 칠러(300)에 의해 상온을 유지시킬 수 있다.
또한 상기 제6 시각(t6) 내지 상기 제7 시각(t7)에서는 상기 정전척(500)으로 파우더를 흡착한 상태에서 상기 매질 유닛(200)를 히팅하여 상기 레벨링 대상재 내의 솔벤트를 휘발시켜 레벨링된 파우더층이 굳어지게 큐어링할 수 있다.
또한 제2 실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치는, 진동파 발생장치(100)와, 상기 진동파 발생장치(100) 상에 배치되는 온도 제어 가능한 정전척(700)을 포함할 수 있다(도 6 참조).
상기 온도 제어 가능한 정전척(700)은, 열전도성의 플레이트(720)와 열전 모듈(710)을 포함하며, 상기 온도 제어 가능한 정전척(700) 상에 레벨링 대상재(600A)가 배치되어 레벨링이 진행될 수 있다.
상기 진동파 발생장치(100)를 통해 진동파를 상하로 진동시켜 진동파를 상기 레벨링 대상재의 파우더에 전달하여 파우더를 레벨링하며, 상기 온도 제어 가능한 정전척(700)은 상기 진동파로 레벨링되는 파우더를 흡착할 수 있다.
상기 진동파 발생장치(100)와 상기 온도 제어 가능한 정전척(700)은 동시 또는 시간 구역을 나누어 개별적으로 작동될 수 있다.
실시예에 따른 전고체 배터리의 제조방법은 상기 어느 하나의 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치를 이용하여 애노드 또는 캐소드를 제조할 수 있다.
실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법에 의하면, 전고체 배터리에서 덴트라이트 현상을 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 전고체 배터리의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 전극과 고체전체해질 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 종래기술에서는 전극의 활물질과 고체 전해질의 계면 저항이 높아 전기적 특성이 저하되는 문제가 있는데, 실시예에 의하면 전극의 구성 물질을 매우 균일하게 레벨링 함으로써 애노드 또는 캐소드 전극과 고체전해질의 계면 특성이 향상됨에 따라 전기적 특성이 향상되는 특별한 기술적 효과가 있다.
실시예의 기술적 효과는 본 항목에 기재된 것에 한정된 것이 아니며, 발명의 설명을 통해 파악될 수 있는 것으로 포함한다.
도 1a은 액체전해질과 분리막(separator)을 사용하는 리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery)의 개념도.
도 1b는 고체전해질(Solid electrolyte)을 전고체 배터리(all-solid-state battery)의 개념도.
도 1c는 종래 전고체 배터리에서 덴트라이트(Dendrite) 현상에 대한 개념도.
도 2는 실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치(1000)의 개념도.
도 3a 내지 도 3e는 실시예에 따른 파우더 레벨링 장치(1000)를 이용한 레벨링 공정 개념도.
도 4는 실시예에 따른 레벨링 장치(1000)를 이용하여 레벨링(Levelling) 공정을 진행하는 예시도.
도 5a는 실시예 적용시의 파우더 레벨링층(635)의 예시 사진이며, 도 5b는 비교예(R1) 사진.
도 6은 추가 실시예(제2 실시예) 따른 파우더 레벨링 장치(1002).
도 7a는 온도 제어 가능한 정전척(700)의 구성도.
도 7b는 열전 모듈(710)의 상세 예시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다. 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시각 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시각적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다. 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치(1000)의 개념도이다(이하 '실시에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치'는 '실시예에 따른 파우더 레벨링 장치'로 칭하기로 한다).
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 파우더 레벨링 장치(1000)는 진동파 발생장치(100), 매질 유닛(200), 듀얼 칠러(300), 기판(400) 및 정전척(500)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 파우더 레벨링 장치(1000)는 진동파 발생장치(100)와, 상기 진동파 발생장치 상에 배치되는 매질 유닛(200)과, 상기 매질 유닛(200) 상에 배치되는 기판(400)과, 상기 기판(400) 상에 배치되는 정전척(500)을 포함할 수 있다.
또한 실시예는 상기 매질 유닛(200)에 연결되는 듀얼 칠러(300)를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 파우더 레벨링 장치(1000)의 정전척(500) 상에 레벨링 대상재(600A)가 배치될 수 있다.
상기 진동파 발생장치(100)는 울트라소닉(ultrasonic) 장치 또는 메가소닉(megasonic) 장치를 포함할 수 있으며, 모터나 에어를 이용한 진동장치도 가능하다. 이하에서는 상기 진동파 발생장치(100)가 울트라소닉(ultrasonic) 초음파 장치 또는 메가소닉(megasonic) 초음파 장치인 것으로 설명하나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 울트라소닉(ultrasonic) 초음파 장치는 주파수가 20khz 내지 400khz일 수 있으며, 상기 메가소닉(megasonic) 초음파 장치는 주파수가 700kz 내지 1.2MHz일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 매질 유닛(200)은 액상물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액상물질은 초순수 또는 오일 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 듀얼 칠러(300)는 상기 매질 유닛(200)의 액상물질을 가열하거나 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 듀얼 칠러(300)는 듀얼채널을 적용한 칠러 장치로서 상기 매질 유닛(200)의 액상물질이 제1 유로(310)를 통해 듀얼 칠러(300)로 이동 후 냉각 또는 가열된 후 제2 유로(320)를 통해 매질 유닛(200)으로 공급될 수 있다.
예를 들어 상기 듀얼 칠러(300)가 냉각 작용을 하는 경우 냉매를 이용할 수 있다. 상기 냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 물질을 가리키며, 주로 냉동장치, 열펌프, 공기조화장치 및 소온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체를 포함한다. 예를 들어, 실시예에서 채용가능한 냉매로는 암모니아, 수소플루오린화탄소(HFC, hydro-fluoro-carbon), 프레온(염화플루오린화탄소(ClFC,chloro-fluoro-carbon)), 수소염화플루오린화탄소(HCFC,hydro-chloro-fluoro-carbon), 수소플루오린화올레핀(HFO, hydro-fluoro-olefin), 메틸클로라이드 등이 있으며 초저온으로 내리기 위해서는 액체헬륨, 액체 수소 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(400)은 진동파가 통과할 수 있는 재질로서, 예를 들어 글라스(Glass), 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex) 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 정전척(500)은 콘덴서와 원리가 유사하게 전하를 축적하는 장치로서, 평행한 두 금속판을 마주보게 한 상태에서 전압을 가하게 되면 +전극이 걸린 전극 판은 +전하를 띠게 되고, -전극이 걸린 전극 판은 -전하를 띠게 된다. 이때 대전된 두 평행판 사이에는 전하에 의한 힘이 발생하는데 이를 정전력(Electrostatic Force)이라 하며, 정전척(500) 상에 레벨링 대상재(600A)가 배치되며, 레벨링 대상재(600A)의 파우더들이 정전기의 힘에 의해 흡착되어 정전척의 하부전극에 고정될 수 있다.
실시예에서는 정전척(500) 대신에 마그네틱척(미도시)이 사용될 수 있다.
이하 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 실시예에 따른 파우더 레벨링 장치(1000)를 이용한 레벨링 방법을 설명하기로 한다. 실시예의 파우더 레벨링 장치(1000)는 전고체 배터리를 제조하는데 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예의 파우더 레벨링 장치(1000)는 전고체 배터리의 전극재 제조 외에 금속박막 코팅에 적용될 수 있으며, 또한 나노, 마이크로 렌즈(Nano, Micro lens), 도광판, 프리즘시트 등 균일한 표면조도가 필요한 미세패턴 코팅에 적용될 수 있다.
우선 도 3a 와 같이, 코팅 다이(10) 상에 코팅 모재(620)를 배치한다. 상기 코팅 다이(10)는 소정의 파우더가 코팅되는 지지층 기능을 할 수 있으며, 상기 코팅 모재(620)는 파우더가 코팅될 대상재일 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 모재(620)는 전고체 배터리의 집전체층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코팅 모재(620)는 알루미늄 필름 또는 구리 필름일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이후 도 3b와 같이 소정의 원재료가 배합되어 교반기(20)에서 교반될 수 있다. 상기 교반된 원재료(30)는 각종 파우더와 바인더를 포함할 수 있다. 상기 파우더는 나노급 사이즈일 수 있다.
상기 파우더의 원재료(300)는 금속, 플라스틱 또는 세라믹 등 다양한 재질일 수 있다. 또한 상기 파우더의 형상은 구형일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 플레이트 형태일 수도 있다.
상기 파우더 원재료(30)는 바인더나 도전제 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않으며 고체 파우더만 포함할 수도 있다.
예를 들어, 전고체 배터리의 애노드 또는 캐소드 전극 제조시 상기 파우더 원재료(30)는 활물질, 도전제 및 바인더를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 전고체 배터리의 애노드 제조시 Li 금속 또는 Li 합금, Sn-Si 베이스 합금, SiOx, 흑연 또는 그래핀 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 전고체 배터리의 캐소드 제조시 VxOy, MnxOy, VS2, Ti2, LiCoNiO 계열합금, MgCoNiO 계열합금, LiMnCoO 계열합금, MgMnCrO 계열합금 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이후 코팅 다이(10) 상의 코팅 모재(620) 상에 교반된 원재료(30)를 코팅하여 파우더 코팅층(630)을 형성한다. 상기 원재료(30)의 코팅방법은 프린팅, 스프레이, 슬릿(slit), 디핑(dipping), 스핀 코팅 등의 방법이 사용될 수 있다.
상기 코팅 모재(620)와 상기 파우더 코팅층(630)을 레벨링 대상재(600A)로 칭할 수 있다.
다음으로 도 3c와 같이, 실시예에 따른 레벨링 장치(1000) 상에 레벨링 대상재(600A)를 배치하고, 도 3d와 같이 레벨링(Levelling)을 진행하여 레벨링된 파우더 부재(600B)를 제조할 수 있다.
상기 레벨링된 파우더 부재(600B)는 코팅 모재(620) 상에 파우더 레벨링층(635)을 포함할 수 있다.
다음으로 도 3e와 같이 레벨링된 파우더 부재(600B)를 큐어링 다이(40) 상에 배치하여 큐어링을 진행할 수 있다. 이후 각 제품의 목적에 따른 추가공정을 진행할 수 있다. 상기 큐어링은 재료에 따라 50~300도 내에서 접착력 강화과정일 수 있다.
예를 들어, 전고체 배터리의 경우, 상기 큐어링된 파우더 레벨링층(635) 상에 결정형 또는 글래스 세라믹 등의 황화물계 소재, LLTO, LLZO 등의 산화물계 소재, 또는 폴리머 소재의 고체전해질을 형성할 수 있다.
한편, 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전고체 배터리에서 덴트라이트 현상을 방지할 수 있는 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법을 제공하고자 함이다.
또한 실시예의 기술적 과제 중의 하나는 전기적 특성이 향상시킬 수 있는 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법을 제공하고자 함이다.
종래 전고체 배터리 제조에 있어서 파우더의 레벨링 방법으로는 프레스를 통한 압착의 방법이 사용되고 있다.
그런데 파우더의 사이즈가 10nm ~1 ㎛ 수준의 경우에는 레벨링이 제대로 되지 않는 문제가 있다.
또한 파우더의 사이즈가 1 ㎛ 이내 수준의 경우에는 레벨링이 되지 않을 뿐만 아니라 파우더 층이 불균일하게 쌓이게 되는 문제가 있고, 이러한 불 균일한 쌓임 현상은 핵 생성과 성장을 유발하여 덴드라이트(Dendrite)를 발생시키는 원인 중의 하나로 내부적인 연구가 되었다.
한편 비공개 내부 기술에서 파우더의 레벨링의 어려움으로 인해 상대적으로 큰 사이즈의 활물질 파티클과 상대적으로 작은 사이즈의 활물질 파티클을 혼합하는 방식으로 레벨링을 개선하고자 연구를 진행하였다.
그런데 내전압 볼트는 파티클 사이즈에 의존하게 되며, 사이즈가 큰 경우 내전압이 약 200V 수준인 반면, 사이즈가 작은 경우 내전압 볼트가 10V수준으로　낮아 파티클이 타버리거나 파손됨에 따라 배터리의 전극재의 불량이 발생하는 내부 연구가 있다.
도 5a는 실시예 적용시의 파우더 레벨링층(635)의 예시 사진이며, 도 5b는 비교예(R1)이며, 덴드라이트(Dendrite) 불량이 발생한다.
도 5a에서 실시예에 적용된 파우더 사이즈는 약 200 nm 수준이다. 비교예(R1)는 사이즈가 서로 다른 파티클을 이용하면서 실시예에 따른 레벨링 장치가 아닌 종래 압착 기술을 적용한 예이다.
실시예에 의하면 도 5a와 같이 균일하게 레벨링된 파티클을 형성할 수 있으며, 이에 따라 배터리 전극재를 구성하는 파티클 입자 자체의 균일성에 의해 덴드라이트(Dendrite) 문제가 없을 뿐만 아니라 내전압이 향상되며 강인성이 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면, 진동파 발생장치와 정전척을 유기적으로 작동시킴으로써 정밀하게 레벨링된 파우더 레벨링층을 제조할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 레벨링 장치(1000)를 이용하여 레벨링(Levelling) 공정을 진행하는 예시도로서, 전체 택 타임(tact time)에서 세부 공정별 진동파 발생장치와 정전척의 가동 정도의 예시도이다.
도 3d와 도 4를 참조하면, 실시예는 진동파 발생장치(100)와 정전척(500)의 유기적 스케듈링(Scheduling)에 의해 각각의 진동파 발생장치(100)와 정전척(500)의 작동 시각, 가동 정도를 제어하면서 레벨링이 정밀하게 진행될 수 있다.
실시예에 의하면 진동파 발생장치(100)를 통해 진동파를 상하로 진동시켜 기판(400)을 통해 진동파를 파우더에 전달하여 파우더를 레벨링 할 수 있다.
이때 실시예에서 정전척(500)은 진동파로 분해, 분산된 파우더 입자를 흡착하는 특별한 역할을 함으로써 나노급 파우더가 균일하게 정렬될 수 있는 기술적 효과가 있다. 이때 상기 정전척(500)이 분산된 파우더 입자를 흡착하는 것은 클램핑이라 칭할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 진동파와 ESC를 교차로 on/off하고, 또한 동시에 다른 세기로 조정하는 정밀 제어과정을 통해 초정밀 레벨링을 구현할 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하면, 제1 시각(t1)까지는 진동파 발생장치(100)를 100%로 가동할 수 있으며(정전척은 off), 제1 시각(t1)에서 제2 시각(t2)까지는 정전척(500)을 100% 출력으로 가동할 수 있고(진동파 발생장치는 off), 제2 시각(t2)부터 제3 시각(t3)까지는 진동파 발생장치(100)를 100% 출력으로 가동할 수 있다(정전척은 off).
또한 제3 시각(t3)부터 제4 시각(t4)까지는 진동파 발생장치(100)를 100% 가동한 상태에서 정전척(500)을 50% 가동할 수 있고, 제4 시각(t4)에서 제5 시각(t5)까지는 휴지 시각을 가지며, 제5 시각(t5)부터 제6 시각(t6)까지는 진동파 발생장치(100)를 70% 가동할 수 있으며(정전척은 off), 제6 시각(t6)에서 제7 시각(t7)까지는 정전척(500)을 100% 가동할 수 있다(진동파 발생장치는 off).
실시예에 의하면 코팅액에 솔벤트(Solvent)계의 바인더(binder)가 있을 경우, 듀얼 칠러(300)의 온도조절을 통해 휘발성 물질을 날리고, 표면의 파우더를 정렬시키고 약 40~150도 범위에서 소프트(Soft) 경화시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
실시에서 진동파 발생장치(100)와 정전척(500)의 진폭, 택트 타임(Tact time), 반복회수 등(scheduling)은 코팅 재료의 물성에 따라 조정할 수 있다.
내부 연구에 의하면, 진동파 발생장치와 정전척을 처음부터 동시에 작동시키는 경우에는 레벨링이 제대로 진행되지 않음을 확인하였다. 즉, 정전척으로 파티클을 흡착하는 경우 진동파에 의해 레벨링 효과가 제대로 구현되지 않음을 확인하였다. 이에 따라 실시예는 도 4와 같이 진동파 발생장치(100)와 정전척(500)을 유기적으로 가동시켜야 균일한 레벨링이 가능한 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 일반적인 단순 진동파 발생장치에 의한 레벨링과 달리 매질 유닛(200)의 온도 제어와의 유기적 결합에 통해 레벨링이 진행되는 특징이 있다.
구체적으로 진동파 발생장치(100)에 의해 레벨링이 진행될 때는 매질 유닛(200)의 온도를 듀얼 칠러(300)에 의해 냉각시켜 상온을 유지시킴으로써 코팅된 파우더층(630)이 큐어링되어 궂지 않도록 할 수 있다. 이를 통해 파우더의 유동이 가능한 상태에서 진동파에 의한 균일한 레벨링이 가능할 수 있다.
또한 도 4와 같이 제3 시각(t3)과 제4 시각(t4) 사이에는 정전척을 약 50% 가동시켜서 코팅된 파우더층(630)을 적절히 흡착한 상태에서 진동파 발생장치(100)를 100% 가동시킴으로써 파우더가 타겟 영역 외곽으로 이탈되지 않도록 하면서도 레벨링이 매우 균일하게 될 수 있는 특별한 기술적 효과가 있다.
실시예에 의하면, 이후 제6 시각(t6) 내지 제7 시각(t7)에서는 정전척(500)으로 파우더를 흡착한 상태에서 매질 유닛(200)를 히팅(어닐링)하여 솔벤트를 휘발시켜 레벨링된 파우더층이 굳어지게 큐어링 함에 특별한 기술적 효과가 있다.
종래 기술에서는 파우더를 균일하게 분산하기 위해 분산제를 사용하였으며, 이러한 분산제는 코팅층 내에 잔존함에 따라 전기적 특성을 저하시키는 문제가 있다.
실시예에 의하면 분산제 필요 없이 진동파를 통해 분산 가능하며, 분산제가 없으므로 전기적 특성이 탁월한 기술적 효과가 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 전고체 배터리의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 파우더 레벨링층(635)의 두께자체의 균일성이 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 전극과 고체전체해질 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 종래기술에서는 전극의 활물질과 고체 전해질의 계면 저항이 높아 전기적 특성이 저하되는 문제가 있는데, 실시예에 의하면 전극의 구성 물질을 매우 균일하게 레벨링 함으로써 애노드 또는 캐소드인 파우더 레벨링층(635)과 고체전해질의 계면 특성이 향상됨에 따라 전기적 특성이 향상되는 특별한 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 파우더층의 두께 제어할 수 있다. 예를 들어, 진동파 발생장치(100)와 정전척(500)의 유기적 결합과 함께 파우더 코팅층의 두께를 고려하여 코팅층을 단위 면적당 볼륨 계산하여 도포할 수 있다.
또한 실시예에 의하면 다층의 파우더층 제조시에서는 단층 파우더층 형성 후 큐어링까지 진행 후 다시 2차 파우더층을 제조할 수 있다.
실시예에 의하면 단층으로 레벨링된 파우더층을 제조할 수 있다.
종래 리튬이온 배터리에서 음극 소재로 그라파이트(Graphite)가 사용되고 있다. 그런데 그라파이트(Graphite)는 에너지 밀도가 낮아 전고체 배터리에 채용되기 어려운 점이 있다. 이에 전고체 배터리의 음극재로 그래핀(Graphene)이 관심을 받고 있으나, 그래핀을 단일 층으로 형성하기 어려운 문제가 있다.
예를 들어, 종래에서는 그래핀이 다층이 되는 경우 그라파이트인 카본시트로 변질되어 저항이 올라가서 크랙이 발생되는 문제가 있다.
반면, 실시예에 의하면 단층의 그래핀층을 균일하게 형성할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 마이크로(Micro), 나노(Nano) 수준의 파우더(Powder)를 액상물질과 바인더 등을 교반하여 기판에 코팅시, 코팅면적의 균일도(Uniformity)를 높일 수 있다.
또한 실시예에 의하면 파우더 입자간 불규칙한 적층으로 인한 불규칙한 표면조도와 입자간 불규칙한 이격을 최소한 줄여 종횡 입자간 최대한 일정한 규칙성을 갖고 밀도를 높여 코팅효과를 극대화시킬 수 있도록 할 수 있다.
또한 실시예에 의하면 균일한 레벨링에 의해 기포현상(pinhole)을 방지할 수 있고, 조직이 치밀하여 고밀도 코팅 구현이 가능하다.
다음으로 도 6은 추가 실시예(제2 실시예) 따른 파우더 레벨링 장치(1002)이다.
제2 실시예의 파우더 레벨링 장치(1002)는 앞서 기술된 파우더 레벨링 장치(1000)의 기술적 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제2 실시예의 주된 특징을 중심으로 기술하기로 한다.
제2 실시예는 제1 실시예에서 정전척(500), 매질 유닛(200) 및 듀얼 칠러(300)를 통합한 온도 제어 가능한 정전척(700)을 포함할 수 있다.
도 7a는 온도 제어 가능한 정전척(700)의 구성도이며, 상기 온도 제어 가능한 정전척(700)은 열전도성의 플레이트(720)와 열전 모듈(710)을 포함할 수 있다.
도 7b는 열전 모듈(710)의 상세 예시이다.
도 7b를 참조하면, 상기 열전모듈(710)는 복수의 반도체층(724), 제1 절연층(711), 제2 절연층(712) 및 전극층(713E)을 포함할 수 있다.
실시예에서 열전모듈(710)의 반도체층은 우수한 열전 특성을 보이는 물질로는 Bi2Te3 등과 같은 비스무스 텔루라이드계 합금일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열전모듈(710)의 반도체층은 Bi2Te3 합금에 안티몬(Sb)을 첨가하여 p-형 열전반도체층을 제조하고 셀레늄(Se)을 첨가하여 n-형 열전반도체층을 제조한 후 p-n 접합 어레이 형태로 만들어 제조할 수 있다.
또한 상기 열전모듈(710)의 반도체층은 Sb2Te3, Bi2Se3, CsBi4Te6, PbTe, PbS, PbSe, Zn4Sb3 등의 계통과, 스커터루다이트(skutterudite) 계통과, LaFeSb 계통과, LaCo206 계통과, 그리고 Bi, Sb, B, Si, Ge, Te, Se, Ga, In 등의 단독원소들과 같은 열전물질들 중 어느 하나 이상을 채용할 수 있다.
예를 들어, 실시예의 열전모듈(710)는 제1 n형 반도체층(724n1), 제1 p형 반도체층(724p1), 제2 n형 반도체층(724n2), 제2 p형 반도체층(724p2) 등의 복수의 반도체층(724)과 이러한 복수의 반도체층(724)의 하측과 상측에 각각 배치된 제1 절연층(711)과 제2 절연층(712)을 포함할 수 있다.
상기 각 반도체층(724)은 상기 제1 절연층(711)과 제2 절연층(712)에 배치된 소정의 전극층(713E)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극층(713E)은 Al, Cu, W, Ag, Pd 또는 이들의 합금으로 단일층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극층(713E)은 제1 전극층(713E1), 제2 전극층(713E2), 제3 전극층(713E3), 제4 전극층(713E4), 제5 전극층(713E5) 등을 포함할 수 있다.
이를 통해, 상기 제1 n형 반도체층(724n1)은 제1 전극층(713E1) 및 제2 전극층(713E2)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 p형 반도체층(724p1)은 제2 전극층(713E2) 및 제3 전극층(713E3)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 상기 제2 n형 반도체층(724n2)은 제3 전극층(713E3) 및 제4 전극층(713E4)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 p형 반도체층(724p2)은 제4 전극층(713E4) 및 제5 전극층(713E5)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 n형 반도체층(724n1), 제1 p형 반도체층(724p1), 제2 n형 반도체층(724n2), 제2 p형 반도체층(724p2)들은 직렬로 연결될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 6을 참조하면 제1 전극(701)에 의해 제1 전극층(713E1)에 음극 전원이 인가되고, 제2 전극(702)에 의해 제5 전극층(713E5)에 양극 전원이 인가될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제1 절연층(711)과 제2 절연층(712)은 알루미나, 무기재료 산화물, 질화물, 규화물 또는 다이아몬드 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예의 제1 절연층(711)과 제2 절연층(712)은 Al2O3, BeO, SiO2, Er2O3, Dy2O3, Ta2O5, ZrO2CaO, MgO, TiO2, BaTiO3 등의 무기재료, AlN, BN, Si3N4 등의 질화물, MoSi2 등의 규화물 또는 다이아몬드 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예에서 상기 n형 반도체층(724n1, 724n2)은 n형 도펀트를 포함하는 반도체물질로 이루어지고, p형 반도체층(724p1, 724p2)은 p형 도펀트를 포함하는 반도체물질로 이루어질 수 있다. 상기 n형 반도체층(724n1, 724n2)과 상기 p형 반도체층(724p1, 724p2)은 전극층(713E)과 전기적으로 연결됨으로써 펠티에 효과로 인해, 제1 절연층(711) 및 제2 절연층(712) 중 하나는 흡열되고 다른 하나는 발열될 수 있다.
도 6과 도 4를 참조하면, 제2 실시예서 진동파 발생장치(100)에 의해 레벨링이 진행될 때는 온도 제어 가능한 정전척(700)의 열전모듈(710)의 냉각작용에 의해 상온을 유지시킴으로써 코팅된 파우더층(630)이 큐어링되어 굳지 않도록 할 수 있다. 이를 통해 파우더의 유동이 가능한 상태에서 진동파에 의한 균일한 레벨링이 가능할 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 제6 시각(t6) 내지 제7 시각(t7)에서는 정전척(500)으로 파우더를 흡착한 상태에서 열전모듈(710)의 발열작동하여 어닐링이 진행됨으로써 솔벤트를 휘발시켜 레벨링된 파우더층이 굳어지게 큐어링 함에 특별한 기술적 효과가 있다.
실시예에 따른 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치 및 이를 이용한 전고체배터리 제조방법에 의하면, 전고체 배터리에서 덴트라이트 현상을 방지할 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 전고체 배터리의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 실시예에 의하면 전극과 고체전체해질 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다. 종래기술에서는 전극의 활물질과 고체 전해질의 계면 저항이 높아 전기적 특성이 저하되는 문제가 있는데, 실시예에 의하면 전극의 구성 물질을 매우 균일하게 레벨링 함으로써 애노드 또는 캐소드 전극과 고체전해질의 계면 특성이 향상됨에 따라 전기적 특성이 향상되는 특별한 기술적 효과가 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 진동파 발생장치;
    상기 진동파 발생장치 상에 배치되는 매질 유닛;
    상기 매질 유닛 상에 배치되는 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되는 정전척;을 포함하며,
    상기 진동파 발생장치를 통해 진동파를 상하로 진동시켜 상기 기판을 통해 진동파를 레벨링 대상재의 파우더에 전달하여 파우더를 레벨링하며,
    제1 시각까지는 상기 진동파 발생장치를 100% 출력으로 가동하며,
    상기 제1 시각에서 제2 시각까지는 상기 정전척을 100% 출력으로 가동하며,
    상기 제2 시각부터 제3 시각까지는 상기 진동파 발생장치를 100% 출력으로 가동하는 것을 특징으로 하는 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 진동파 발생장치는,
    울트라소닉(ultrasonic), 메가소닉(megasonic), 모터 또는 에어를 이용한 진동장치 중 어느 하나 이상을 포함하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 정전척은 상기 진동파로 레벨링되는 파우더를 흡착하는 것을 특징으로 하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 시각부터 제4 시각까지는 상기 진동파 발생장치를 100% 가동한 상태에서 상기 정전척을 부분적 출력으로 가동하는 것을 특징으로 하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 시각부터 제4 시각까지는 상기 진동파 발생장치를 100% 가동한 상태에서 상기 정전척을 50% 가동하는,진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제4 시각에서 제5 시각까지는 휴지 시각을 가지며,
    상기 제5 시각부터 제6 시각까지는 상기 진동파 발생장치를 70% 가동하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제6 시각에서 제7 시각까지는 상기 정전척을 100% 가동하는 것을 특징으로 하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제6 시각 내지 상기 제7 시각에서는 상기 정전척으로 파우더를 흡착한 상태에서 상기 매질 유닛을 히팅하여 상기 레벨링 대상재 내의 솔벤트를 휘발시켜 레벨링된 파우더층이 굳어지게 큐어링하는 것을 특징으로 하는 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 매질 유닛에 연결되는 듀얼 칠러를 더 포함하고,
    상기 진동파 발생장치에 의해 레벨링이 진행될 때 상기 매질 유닛의 온도를 상기 듀얼 칠러에 의해 상온을 유지시키는 것을 특징으로 하는, 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치.
  10. 제1 항 내지 제9항 중 어느 하나의 진동파와 정전기를 이용한 파우더 레벨링 장치를 이용하여 애노드 또는 캐소드를 제조하는 것을 특징으로 하는 전고체 배터리의 제조방법.
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