WO2021080186A1 - 레이저 식각을 이용한 전극 제조방법 및 이를 수행하는 전극 제조설비 - Google Patents

레이저 식각을 이용한 전극 제조방법 및 이를 수행하는 전극 제조설비 Download PDF

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WO2021080186A1
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고명진
박동혁
전수호
이효진
조성준
김길우
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an electrode using laser etching, and more particularly, to an electrode manufacturing method for increasing a laser etching speed by reducing the thickness of an electrode through laser ablation, and an electrode manufacturing facility for performing the same.
  • a secondary battery is generally composed of a positive electrode and a negative electrode composed of a current collector coated with an active material on one or both surfaces, and a separator. At this time, the positive and negative electrodes are formed by cutting an electrode sheet coated with an electrode mixture on one or both sides to a required size.
  • both the electrode mixture layer 11 and the electrode current collector 12 can be cut at once using a laser irradiated on one surface of the electrode 10 by the electrode processing unit 20.
  • the electrode manufacturing method using a laser is a method suitable for cutting a thin electrode, and when cutting an electrode by irradiating a laser as in Patent Document 1, there is a limit to the range and time in which the laser is irradiated. Likewise, when the thickness of the electrode becomes thick, the cutting speed decreases.
  • Thickness Notching speed of Laser (mm/s) Notching speed of Die (mm/s) 90 ⁇ m 1000 1000 120 ⁇ m 600 1000 200 ⁇ m 300 1000
  • the active material film of the electrode is etched using a hot air machine together with a laser, but this is a process for removing the active material film of the electrode and does not increase the execution speed of the electrode cutting process.
  • the present invention is to solve the above problems, and when cutting the electrode sheet, a part of the electrode sheet on which the electrode mixture layer is formed is etched through laser ablation, adjusted to a specific thickness, and then cut. It is an object of the present invention to provide an electrode forming apparatus.
  • the present invention includes (1) preparing an electrode sheet in which an electrode mixture layer is formed on one or both surfaces of an electrode current collector; (2) partially etching the electrode mixture layer in a range in which the electrode current collector is not exposed through laser ablation; (3) A process of manufacturing an electrode by cutting a portion of the electrode mixture layer partially etched of the electrode sheet to provide an electrode manufacturing method including.
  • a suction and/or blowing process may be further included at the same time as or after each process (2) and/or process (3).
  • step (3) may be performed using a laser.
  • the laser used in the step (3) may be the same as the light source used in the laser ablation of the step (2).
  • the thickness of the electrode sheet used in the process (1) may be 100 ⁇ m or more.
  • the thickness of the electrode mixture layer etched in the process (2) may be 0.1 to 0.3 times the total thickness of the electrode sheet based on the mixture layer on one surface of the electrode current collector.
  • the cutting speed may be 600 mm/S or more.
  • the cutting of step (3) may be any one of notching and punching slitting.
  • the laser beam may have a pulse width of 1 ns to 300 ns.
  • the laser ablation of step (2) may be performed on one surface of the electrode.
  • the process (3) may be performed between 1 second and 10 seconds after the process (2) is performed.
  • the present invention is an electrode manufacturing facility for performing an electrode manufacturing method according to the above, comprising: a sheet transfer unit for moving an electrode sheet at a constant speed; A laser irradiation unit performing laser ablation for partially etching the electrode mixture layer in a range in which the electrode current collector is not exposed; And an electrode processing unit for cutting the area irradiated with the laser.
  • the electrode processing unit may perform notching, punching, and slitting.
  • the electrode processing unit may irradiate a laser.
  • the electrode forming apparatus may be arranged to perform laser ablation first and then cut in the driving direction.
  • the distance between the laser irradiation unit and the electrode processing unit may be 20 mm to 300 mm or less.
  • the present invention may be combined by selecting one or two or more configurations that do not conflict among the above configurations.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention since the electrode mixture layer is partially etched through laser ablation and then cut, it is possible to cut the electrode sheet at a high speed like the cutting method using a mold. Electrodes can also be cut.
  • the etched part is cut through laser ablation, it is possible to increase the accuracy of cutting by allowing the cutting width to be narrower and the depth to be cut deeper compared to conventional laser ablation.
  • the active material layer is partially etched through laser ablation, foreign matter generated during cutting is reduced, thereby improving battery performance.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention overcomes the disadvantages of mold cutting by using a laser, and is economical and efficient because it can cut electrodes of various thicknesses at a faster speed compared to conventional laser cutting.
  • 1 is a schematic diagram of a conventional electrode manufacturing method.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode manufacturing method according to the present invention.
  • FIG 3 is an electrode cross-sectional photograph showing an etching depth of an electrode according to an etching width of the laser when an electrode is etched using a laser in the electrode manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an electrode manufacturing facility according to the present invention.
  • the electrode sheet in the specification generally means that an electrode mixture layer is formed on one or both surfaces of an electrode current collector, but may include only an electrode current collector.
  • the electrode manufacturing method according to the present invention includes (1) preparing an electrode sheet 100 having an electrode mixture layer 110 formed on one or both surfaces of the electrode current collector 120, and (2) A method of manufacturing an electrode by etching a part of the electrode mixture layer in the electrode sheet in a range in which the electrode current collector is not exposed (Fig. 2, a), (3) cutting the etched part (Fig. 2, b) Has been provided.
  • a suction and/or blowing process may be further included at the same time as or after each process (2) and/or process (3).
  • residues generated during a partial etching and cutting process of the electrode mixture layer may be removed, and the efficiency of each process may be increased.
  • the electrode current collector is not particularly limited as long as it is a metal having high conductivity without causing chemical change of the battery.
  • As the positive electrode current collector stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or a surface-treated aluminum or stainless steel surface with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used, and in detail, aluminum may be used. have.
  • As the negative electrode current collector copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, a surface-treated copper or stainless steel surface with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, and the like may be used.
  • the current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
  • the current collector of the electrode is generally manufactured to have a thickness of 3 to 500 ⁇ m, and it is preferable to have a thickness of 3 to 100 ⁇ m for the capacity and efficiency of the electrode.
  • the electrode sheet may have a form in which an electrode mixture layer is formed on one or both surfaces of an electrode current collector.
  • An electrode sheet without an electrode mixture layer may also be included on one or both sides of the electrode sheet, but it is preferable to have an electrode mixture layer because it is thermally deformed when a laser is used when cutting an electrode current collector without an electrode mixture layer.
  • the electrode mixture layer may be formed by mixing an electrode active material, a conductive material, and a binder.
  • the negative electrode active material examples include carbon such as non-graphitized carbon and graphite-based carbon; LixFe2O3 (0 ⁇ x ⁇ 1), LixWO2 (0 ⁇ x ⁇ 1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, Group 1 of the periodic table, Metal complex oxides such as Group 2 and Group 3 elements, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; Metal oxides such as SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.
  • the conductive material is typically added in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the binder is a component that aids in bonding of an electrode active material and a conductive material and bonding to a current collector, and is typically added in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the electrode active material.
  • a binder include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
  • the thickness of the electrode mixture layer may be 0.3 to 100 ⁇ m. Specifically, it may be 0.5 to 40 ⁇ m. The thickness of the electrode mixture layer may be 10% to 70% of the total electrode thickness.
  • the electrode mixture layer is partially etched in a range in which the electrode current collector of the electrode sheet is not exposed through laser ablation.
  • the process of etching a part of the electrode mixture layer is to reduce the thickness of the electrode sheet in a specific region by removing a part of the electrode mixture layer present on the electrode current collector as shown in FIG. 2.
  • the present invention removes a part of the electrode mixture layer through laser ablation before cutting the electrode sheet.
  • laser ablation when using laser ablation as described above, light foreign substances that are easy to remove in the form of fume instead of foreign substances that are difficult to remove such as spatter can be removed.
  • the amount of foreign matter such as spatter is also reduced because a thin electrode sheet is cut compared to the conventional method.
  • step (2) the electrode mixture layer is etched in a range in which the electrode current collector is not exposed. If the entire electrode mixture layer is etched in step (2), the current collector of the electrode may be damaged when laser cutting in step (3), resulting in deterioration of quality, and the periphery of the electrode mixture layer may be heated by the laser. This is because deformation or decomposition of the mixture layer may lead to deterioration of the quality and performance of the electrode.
  • Partial etching of the electrode mixture layer may be performed on only one surface of the electrode sheet. This is because, when the process (2) is performed on both sides of the electrode sheet, there may be a disadvantage that it may be difficult to form a uniform cut surface because both sides are partially etched into different areas. In addition, due to a mechanical error, some etched areas on both sides may be formed differently, resulting in product defects.
  • the laser used for the laser ablation of the above step (2) may use various light sources such as ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and microwaves, but preferably ultraviolet rays having excellent cost performance or infrared rays capable of precise operation are preferable.
  • the output wavelength of the laser light during the laser ablation may be 500 nm to 1080 nm in order to prevent degradation of the electrode quality and function as described above.
  • the focal diameter of the laser beam may be 15 ⁇ m to 300 ⁇ m. When the focal diameter of the laser beam is less than 15 ⁇ m, the laser light intensity is too strong to expose the electrode current collector. When it exceeds 300 ⁇ m, the laser light intensity is too weak to etch the electrode mixture layer.
  • the output capacity of the laser light may be 50 kW to 300 kW based on the average laser power. In this case, if the output capacity of the laser light is too large, the electrode current collector may be exposed, and if the capacity is too small, it is difficult to remove the mixture layer, so it is not preferable to exceed the capacity.
  • the pulse width of the laser light is 1 ns to 300 ns. If the size of the laser pulse width is larger than the numerical range, the heat transfer time of the laser to the electrode is long, and the peripheral electrode mixture layer and the current collector may be damaged, and if it is smaller than this, the etching efficiency may be deteriorated.
  • the thickness of the electrode sheet may be 100 ⁇ m or more.
  • the thickness of the electrode sheet may be less than 100 ⁇ m, but if the thickness is less than 100 ⁇ m, since the electrode manufacturing speed is high even if the electrode mixture layer is not partially etched on the electrode sheet, it is preferably 100 ⁇ m or more.
  • the thickness of the electrode mixture layer etched in step (2) may be 0.1 to 0.3 times the total thickness of the electrode sheet based on the mixture layer on one side of the electrode current collector.
  • 3 is an electrode cross-sectional photograph showing an etching depth of an electrode according to an etching width of the laser when an electrode is etched using a laser in the electrode manufacturing method according to the present invention.
  • the electrode used in FIG. 3 is an anode having a thickness of 120 ⁇ m.
  • the etching width of the laser may vary depending on the thickness of the electrode, but it is preferable to set the focal diameter of the laser beam to be 15 to 300 ⁇ m based on an anode having a thickness of 120 ⁇ m.
  • the laser used in FIG. 3 was an IR pulse laser, and the laser output was 50 to 300W based on the average power, and the pulse width was 1 to 300ns.
  • Fig. 3(A) shows an electrode cross section when the laser is irradiated 4 mm above the reference point.
  • 3B shows a cross section of an electrode when the laser is irradiated 2 mm above the reference point.
  • 3C shows an electrode cross section when a laser is irradiated at a reference point.
  • 3D shows a cross section of an electrode when the laser is irradiated 2 mm below the reference point.
  • the reference points in (A) to (D) refer to the point at which the focal diameter of the laser beam becomes 80 ⁇ m.
  • the etching depth and the etching width of the electrode cross-sections etched in FIGS. 3A to 3D are shown in Table 2 below.
  • the etching depth is the deepest.
  • the point having the deepest etch depth is the same point as the point having the narrowest etch width.
  • the etching focus may vary depending on the subsequent cutting process and the material and thickness of the electrode, but for the most accurate etching of the electrode, the thickness of the electrode mixture layer to be etched is 0.1 times the total thickness of the electrode sheet. It can be seen that it is preferable to be between 0.3 times.
  • the method of cutting the electrode sheet in step (3) may use a mold, but since there is a concern that the performance or safety of the battery may be deteriorated, it is preferably performed with a laser.
  • the degree of etching of the electrode mixture layer in step (2) is determined by the laser output capacity, pulse width, frequency, desired etching rate, pulse repetition rate, and hatching gap in step (3). It can be determined on the basis of.
  • the laser output capacity, pulse width, frequency, desired etching rate, pulse repetition rate, and hatching gap may vary depending on the thickness of the electrode sheet.
  • the present invention includes a process of cutting a part of the electrode mixture layer etched after the process (2).
  • the cutting may be performed at a speed of 600 mm/S or more, and the cutting method may include notching, punching, and slitting.
  • the light source of the laser used in the step (3) may be the same as the light source used in the laser ablation of the step (2). At this time, it is preferable that the light source of the laser used in step (3) is ultraviolet rays having a large specific heat processing factor.
  • the spot size is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m in the electrode cutting. If it is larger than the above range, it affects the quality of the battery, and if it is smaller than the above range, it is not preferable because cutting is not easy.
  • the speed of the laser during cutting is preferably 600 mm/S or more, and the upper limit is not limited, and the faster the better, but may be 1500 mm/S or less in consideration of the traveling speed of the electrode sheet.
  • the pulse width of the step (3) is 1 to 300 ns, the pulse repetition rate is preferably made of 10 to 300 Khz.
  • the output wavelength of the laser light may be 500nm to 1080nm.
  • the process (3) may be performed between 1 second and 10 seconds after the process (2) is performed. This is because a part of the electrode active material is removed during laser ablation to make electrode processing easier, and the electrode is heated by laser ablation to make processing easier.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an electrode manufacturing facility according to the present invention.
  • An electrode manufacturing facility for performing the electrode manufacturing method according to the present invention includes a sheet conveying unit 200 for moving the electrode sheet 100 at a constant speed; A laser irradiation unit 300 for performing laser ablation; It may be an electrode forming apparatus including; an electrode processing unit 400 for cutting a portion to which the laser beam is irradiated.
  • the distance between the laser irradiation unit and the electrode processing unit is preferably 300 mm or less, and the shorter the distance is, the better, but may be 20 mm or more in consideration of the size of the laser device. If it exceeds 300mm, the alignment tolerance between the laser ablation position and the laser notching position increases, which may cause a quality problem.
  • the electrode processing unit may perform notching, punching, and slitting, and in this case, the electrode processing unit may perform the cutting by irradiating a laser.
  • the laser of the electrode processing unit and the laser of the laser irradiation unit may have different intensity, and the type of light source may be the same.
  • a laser irradiation unit and an electrode processing unit may be disposed to perform laser ablation first and then cutting in the driving direction.
  • the electrode forming apparatus of the present invention may further include a suction unit or a blowing unit 500.
  • the suction unit or the blowing unit may help to increase the efficiency of the laser by sucking or removing the residue generated from the laser irradiation unit and/or the electrode processing unit.
  • the suction unit may include a vacuum pump or a suction device to suck the electrode powders.
  • the suction unit or the blowing unit may be present at the rear side of the laser irradiation unit and/or the electrode processing unit or between the laser irradiation unit and the electrode processing unit or when viewed in a driving direction.

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Abstract

본원발명은 레이저를 사용한 전극 시트 재단시의 공정 속도를 증가시키기 위해 재단 전 레이저 어블레이션을 수행하는 전극 제조 방법 및 이를 수행하기 위한 전극 성형장치에 관한 것이다.

Description

레이저 식각을 이용한 전극 제조방법 및 이를 수행하는 전극 제조설비
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2019년 10월 24일자 한국특허출원 제10-2019-0132663호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본원발명은 레이저 식각을 이용한 전극 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 레이저 어블레이션을 통해 전극의 두께를 감소시켜 레이저 식각 속도를 향상시키기 위한 전극 제조방법 및 이를 수행하는 전극 제조설비에 관한 것이다.
이차전지는 일반적으로 일면 또는 양면에 활물질이 도포된 집전체로 구성된 양극 및 음극, 분리막으로 구성된다. 이때, 상기 양극 및 음극은 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포되어 있는 전극 시트를 필요한 크기로 재단하여 형성한다.
전극 시트를 재단하는 경우 절단공정으로 다이와 펀치를 이용한 전단금형 기술이 많이 사용되고 있다. 하지만 금형을 사용하는 경우, 전극의 전단면을 매끄럽게 하기 위하여 금형을 주기적으로 유지, 보수하여야 하는 단점이 있다. 게다가 금형을 사용하는 경우 전극의 단부면에 버(Burr)가 발생될 수 있고, 사용시 다수의 분진이 발생하므로, 전지 성능의 저하 및 안전성의 저하를 유발할 수 있다.
또한 금형을 사용하는 재단방법은 정밀 재단이 어렵고 그 형태가 고정되어 있기 때문에, 원하는 모양과 크기를 가진 전극을 얻기 위해 다수의 금형을 사용하여 절단공정을 여러 번 수행하여야 한다는 단점이 있다.
최근에는 금형의 단점을 극복하기 위해, 특허문헌 1과 같이 레이저를 사용하여 전극을 제조하는 방법이 수행되고 있다. 도 1에서 볼 수 있듯, 전극(10)의 일면을 전극 가공부(20)에서 조사한 레이저를 사용해 전극 합제층(11)과 전극 집전체(12) 모두를 한번에 절단할 수 있다. 이와 같은 방법을 사용하는 경우, 정밀한 재단이 가능하며, 분진 발생률이 적다. 하지만 레이저를 사용한 전극 제조방법은 얇은 전극의 절단에 적합한 방식으로, 특허문헌 1과 같이 레이저를 조사하여 전극을 절단하는 경우, 레이저가 조사되는 범위 및 시간에 한계가 있기 때문에, 표1에서 나타난 바와 같이 전극의 두께가 두꺼워지면 절단 속도가 감소하는 단점이 있다.
Thickness Notching speed of Laser (㎜/s) Notching speed of Die (㎜/s)
90㎛ 1000 1000
120㎛ 600 1000
200㎛ 300 1000
특허문헌 2에서는 레이저와 함께 열풍기를 사용하여 전극의 활물질 막을 식각하고 있으나, 이는 전극의 활물질 막 제거를 위한 공정으로 전극 절단공정의 수행속도를 증가시키지 않고 있다.
이에, 전극 시트를 재단할 때 금형의 단점을 보완하면서 공정의 속도가 향상된 재단방법이 필요하다.
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전극 시트를 재단시 전극 합제층이 형성되어 있는 전극 시트의 일부를 레이저 어블레이션을 통해 식각하여 특정 두께로 조절 후 재단하는 전극 제조방법 및 이를 수행하는 전극 성형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본원발명은 (1) 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제층이 형성되어 있는 전극 시트를 준비하는 과정; (2) 레이저 어블레이션을 통해 상기 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 상기 전극 합제층을 일부 식각하는 과정; (3) 상기 전극 시트의 전극 합제층이 일부 식각된 부분을 재단하여 전극을 제조하는 과정;을 포함하는 전극 제조방법을 제공할 수 있다.
이 때, 상기 과정 (2) 및/또는 과정 (3)과 동시에 또는 각 과정 이후에 석션 및/또는 블로잉 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 과정 (3)의 재단은 레이저를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 과정 (3)에서 사용되는 레이저는 상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션에서 사용하는 광원과 동일할 수 있다.
이 때, 상기 과정 (1)에서 사용된 전극 시트의 두께는 100㎛ 이상일 수 있다.
상기 과정 (2)에서 식각되는 전극 합제층의 두께는 전극 집전체 일면의 합제층을 기준으로, 전극 시트 전체 두께의 0.1배 내지 0.3배일 수 있다.
상기 과정 (3)에서 재단 속도는 600㎜/S이상일 수 있다.
상기 과정 (3)의 재단은 노칭, 타발 슬리팅 중 어느 하나일 수 있다.
상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션에서 레이저 빔은 펄스 폭이 1㎱ 내지 300㎱일 수 있다.
상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션은 전극의 일면에 수행될 수 있다.
상기 과정 (3)은 과정 (2)가 수행된 후 1초 내지 10초 사이에 수행될 수 있다.
본원발명은 상기 기재에 따른 전극 제조방법을 수행하기 위한 전극 제조 설비로서, 전극 시트를 일정한 속도로 이동시키는 시트 이송부; 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 상기 전극 합제층을 일부 식각하는 레이저 어블레이션을 수행하는 레이저 조사부; 및 상기 레이저가 조사된 부위를 재단하기 위한 전극 가공부;를 포함하는 전극 성형장치 일 수 있다.
상기 전극 가공부는 노칭, 타발, 슬리팅을 수행하는 것일 수 있다.
또한 상기 전극 가공부는 레이저를 조사할 수 있다.
상기 전극 성형장치는 주행방향으로 레이저 어블레이션을 먼저 수행하고 재단을 할 수 있도록 배치되어 있을 수 있다.
상기 레이저 조사부와 전극 가공부의 거리는 20㎜ 내지 300㎜ 이하일 수 있다.
본원발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 전극 제조방법은 레이저 어블레이션을 통해 전극 합제층을 일부 식각 후 이를 재단하고 있기 때문에 금형을 사용한 재단방법과 같이 빠른 속도로 전극 시트를 재단할 수 있고, 두꺼운 전극도 재단할 수 있다.
레이저 어블레이션을 통해 식각된 부분을 재단하기 때문에 기존의 레이저 어블레이션과 비교하여 재단 넓이가 좁으면서 깊이가 더 깊게 재단할 수 있도록 하여 재단의 정확도를 높일 수 있다. 또한, 레이저 어블레이션을 통해 활물질 층을 일부 식각하기 때문에, 재단시 발생하는 이물질이 감소하여 전지의 성능이 향상된다.
또한 재단시 레이저를 사용하기 때문에, 금형과 달리 별도의 유지, 보수가 필요 없고, 금형 사용시 발생할 수 있는 버(Burr)가 발생할 가능성을 줄여준다.
상기와 같이 본원발명에 따른 전극 제조방법은 레이저를 사용함으로써 금형 재단의 단점을 극복하고, 기존 레이저 재단에 비해 빠른 속도로 다양한 두께의 전극을 재단할 수 있어 경제적이고 효율적이다.
도 1은 종래의 전극 제조방법에 대한 모식도이다.
도 2는 본원발명에 따른 전극 제조방법에 대한 모식도이다.
도 3은 본원발명에 따른 전극 제조방법에 있어서, 레이저를 사용하여 전극을 식각하는 경우, 그 레이저의 식각 너비에 따른 전극의 식각 깊이를 나타내고 있는 전극 단면 사진이다.
도 4는 본원발명에 따른 전극 제조설비에 관한 모식도이다.
이하 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 명세서 상의 전극 시트는 일반적으로 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제층이 형성되어 있는 것을 의미하나, 전극 집전체만을 가지고 있는 것도 포함될 수 있다.
이하 본원발명을 보다 자세히 설명한다.
본원발명은 도 2는 본원발명에 따른 전극 제조방법에 대한 모식도이다. 도 2에 나타난 바와 같이 본원발명에 따른 전극 제조방법은 (1) 전극 집전체(120)의 일면 또는 양면에 전극 합제층(110)이 형성되어 있는 전극 시트(100)를 준비하고, (2) 상기 전극 시트를 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 상기 전극 합제층의 일부를 식각한 후(도 2, a), (3) 식각된 부분을 재단하여(도 2, b) 전극을 제조하는 방법을 제공하고 있다.
상기 과정 (2) 및/또는 과정 (3)과 동시에 또는 각 과정 이후에 석션 및/또는 블로잉 과정을 더 포함할 수 있다. 석션 및/또는 블로잉 과정을 통해 전극 합제층의 일부 식각 및 재단과정에서 발생하는 잔여물을 제거하고, 각 과정의 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 전극 집전체는 전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 전도성을 가지는 금속이라면 특별히 제한되지 않는다. 양극 집전체로 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 음극 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 전극의 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 제조되는데, 전극의 용량 및 효율을 위해서 3 내지 100 ㎛의 두께인 것이 바람직하다.
상기 전극 시트는 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제층이 형성되어 있는 형태일 수 있다. 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 합제층이 없는 전극 시트도 포함할 수 있으나, 전극 합제층이 없는 전극 집전체를 재단시 레이저를 사용하면 열변형이 되므로 전극 합제층이 있는 것이 바람직하다. 상기 전극 합제층은 전극 활물질과 도전재 및 바인더가 혼합되어 형성될 수 있다.
이때 양극 활물질은, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 사용할 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 전극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 전극 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 전극 합제층의 두께는 0.3 내지 100㎛일 수 있다. 상세하게는 0.5 내지 40㎛일 수 있다. 상기 전극 합제층의 두께는 전체 전극 두께의 10% 내지 70%일 수 있다.
상기 과정 (2)에서는 레이저 어블레이션을 통해 전극 시트의 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 전극 합제층을 일부 식각하는 과정을 거친다. 상기 전극 합제층의 일부를 식각하는 과정은 도 2와 같이 전극 집전체 상에 존재하는 전극 합제층을 일부 제거해 특정 부위의 전극 시트의 두께를 감소시키는 것이다.
상기와 같이 전극 합제층을 일부 제거하는 경우, 기존 전극을 재단할 때 발생하는 스패터(Spatter)와 같은 이물질 발생량이 줄어든다. 스패터(Spatter)는 전극의 성능을 떨어뜨리기 때문에 이를 최소화하고 제거하는 것이 중요하다. 이를 위해 본원발명은 전극 시트를 제단하기 전에 전극 합제층의 일부를 레이저 어블레이션을 통해 제거하고 있다. 상기와 같이 레이저 어블레이션을 사용할 경우, 스패터(Spatter)와 같은 제거가 힘든 이물 대신 퓸(Fume) 형태의 제거가 쉬운 가벼운 이물들이 발생하기 때문에 이를 제거할 수 있고, 이후 레이저 어블레이션으로 식각된 부분을 재단하는 경우, 기존의 방법에 비해 얇은 전극 시트를 재단하기 때문에 스패터와 같은 이물질의 양 또한 감소하게 된다.
과정 (2)는 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 전극 합제층을 식각하고 있다. 이는 과정 (2)에서 전극 합제층을 전부 식각할 경우, 과정 (3)에서 레이저 재단을 할 때 전극 집전체가 손상되어 품질의 저하를 가져올 수 있고, 레이저로 인해 전극 합제층의 주변부위가 열변형되거나 합제층이 분해되어 전극의 품질 및 성능의 저하를 가져올 수 있기 때문이다.
상기 전극 합제층의 일부 식각은 전극 시트의 일면에만 이루어질 수 있다. 상기 과정 (2)가 전극 시트의 양면에서 이루어질 경우, 양면이 다른 부위로 일부 식각이 되어 균일한 절단면 형성이 어려울 수 있는 단점이 있을 수 있기 때문이다. 또한 기계상의 오류로 인해 양면의 일부 식각 부위가 다르게 형성되어 제품의 하자가 발생할 수도 있다.
상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션에 사용하는 레이저는 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 등 다양한 광원을 사용할 수 있으나 바람직하게는 가격 대비 성능이 우수한 자외선 내지 정밀 작업이 가능한 적외선이 바람직하다.
또한 과정 (2)에서 상기와 같이 전극의 품질 및 기능 저하를 방지하기 위해 상기 레이저 어블레이션시 레이저 광의 출력파장은 500㎚ 내지 1080㎚일 수 있다. 또한 레이저 빔의 초점 직경이 15㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 레이저 빔의 초점 직경이 15㎛미만일 경우, 레이저 광의 세기가 너무 강해 전극 집전체를 노출시킬 수 있고, 300㎛를 초과할 경우, 레이저 광의 세기가 너무 약해져 전극 합제층을 식각할 수 없게 된다.
상기 레이저 광의 출력 용량은 레이저 평균 출력을 기준으로 50㎾ 내지 300㎾일 수 있다. 이 때, 레이저 광의 출력 용량이 너무 크면 전극 집전체가 노출될 수 있고, 용량이 너무 작으면 합제층을 제거하기 힘들기 때문에 상기 용량을 초과하는 것은 바람직하지 않다.
상기 레이저 광의 펄스 폭은 1㎱ 내지 300㎱인 것이 바람직하다. 레이저 펄스 폭의 크기가 상기 수치범위보다 큰 경우 전극에 대한 레이저의 열 전달 시간이 길어 주변 전극 합제층 및 집전체가 손상될 수 있고, 이보다 작을 경우 식각 효율이 저하될 수 있다.
상기 과정 (1)에서 전극 시트의 두께는 100㎛ 이상일 수 있다. 상기 전극 시트의 두께는 100㎛ 미만일 수 있으나, 100㎛ 미만인 경우, 전극 시트에 전극 합제층을 일부 식각하지 않아도 전극 제조 속도가 빠르므로, 100㎛이상인 것이 바람직하다.
과정 (2)에서 식각되는 전극 합제층의 두께는 전극 집전체 일면의 합제층을 기준으로, 전극 시트 전체 두께의 0.1배 내지 0.3배일 수 있다. 도 3은 본원발명에 따른 전극 제조방법에 있어서, 레이저를 사용하여 전극을 식각하는 경우, 그 레이저의 식각 너비에 따른 전극의 식각 깊이를 나타내고 있는 전극 단면 사진이다. 도 3에서 사용된 전극은 120㎛ 두께의 양극이다. 이 때 레이저의 식각 너비는 전극의 두께에 따라 달라질 수 있으나, 120㎛ 두께의 양극을 기준으로, 레이저의 빔의 초점 직경이 15 내지 300㎛가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 도 3에서 사용된 레이저는 IR 펄스 레이저를 사용하였고, 레이저의 출력은 평균 출력 기준으로, 50~300W이며, 펄스 폭은 1~300ns이다.
도 3의 (A)는 기준점보다 4㎜ 위에서 레이저를 조사한 경우의 전극 단면을 보여주고 있다. 도 3의 (B)는 기준점보다 2㎜ 위에서 레이저를 조사한 경우의 전극 단면을 보여주고 있다. 도 3의 (C)는 기준점에서 레이저를 조사한 경우의 전극 단면을 보여주고 있다. 도 3의 (D)는 기준점보다 2㎜ 밑에서 레이저를 조사한 경우의 전극 단면을 보여주고 있다. 상기 (A) 내지 (D)에서의 기준점은 레이저의 빔의 초점 직경이 80㎛가 되는 지점을 의미한다. 상기 도 3의 (A) 내지 (D)에서 식각한 전극 단면의 식각 깊이와 식각 너비는 하기 표 2와 같다.
Etching Width (㎛) Etching Depth (㎛)
(A) 303 20
(B) 197 25
(C) 80 26
(D) 172 17
상기 표 2에서 볼 수 있듯, 기준점에서 레이저를 조사한 경우, 식각 깊이가 가장 깊은 것을 볼 수 있다. 또한 상기 가장 깊은 식각 깊이를 가지는 지점은 가장 좁은 식각 넓이를 가지는 지점과 동일한 지점인 것도 알 수 있다. 레이저를 사용하여 식각하는 경우, 이후 재단하는 과정 및 전극의 소재, 두께에 따라 식각 초점이 달라질 수 있으나, 가장 정확하게 전극을 식각하기 위해서는, 식각되는 전극 합제층의 두께가 전극 시트 전체 두께의 0.1배 내지 0.3배인 것이 바람직하다는 점을 알 수 있다.
과정 (3)의 전극 시트 재단 방법은 금형을 이용할 수도 있으나, 전지의 성능 저하나 안전성을 저하시킬 우려가 있으므로, 레이저로 수행되는 것이 바람직하다.
과정 (3)의 전극 시트 재단을 레이저로 수행할 경우, 과정(2)의 전극 합제층의 식각 정도는 과정 (3)의 레이저 출력 용량, 펄스 폭, 주파수, 원하는 식각 속도, 펄스 반복율, 해칭 갭을 기준으로 결정될 수 있다. 상기 레이저 출력 용량, 펄스 폭, 주파수, 원하는 식각 속도, 펄스 반복율, 해칭 갭은 전극 시트의 두께에 따라 달라질 수 있다.
본원발명은 상기 과정 (2) 이후에 전극 합제층이 일부 식각한 부분을 재단하는 과정이 포함된다.
상기 재단은 600㎜/S이상의 속도로 진행될 수 있고, 상기 재단 방법은 노칭, 타발, 슬리팅인 것을 포함할 수 있다. 이 때 상기 과정 (3)에서 사용하는 레이저의 광원은 과정 (2)의 레이저 어블레이션에서 사용하는 광원과 동일한 것일 수 있다. 이 때 과정 (3)에서 사용하는 레이저의 광원은 비열 가공요소가 큰 자외선인 것이 바람직하다.
과정 (3)에서 사용하는 레이저의 출력 용량은 크면 클수록 바람직하나, 50W 내지 300W일 수 있다. 성능 대비 가격을 고려할 때, 70W 내지 200W인 것이 더 바람직하다.
또한 전극 재단에서는 스폿 사이즈는 10㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 상기 범위보다 큰 경우, 전지의 품질에 영향을 미치고, 상기 범위보다 작은 경우 재단이 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않다.
또한 재단시 레이저의 속도는 600㎜/S이상인 것이 바람직하고, 그 상한은 제한이 없고, 빠를수록 좋으나, 상기 전극 시트의 주행속도를 고려해 볼 때, 1500㎜/S이하 일 수 있다. 또한 과정 (3)의 펄스 폭은 1 내지 300 ns이며, 펄스 반복율은 10 내지 300 Khz로 이루어지는 것이 바람직하다.
레이저 광의 출력파장은 500㎚ 내지 1080㎚일 수 있다.
상기 과정 (3)은 과정 (2)가 수행된 후 1초 내지 10초 사이에 수행될 수 있다. 이는 레이저 어블레이션 시 전극 활물질을 일부 제거하여 전극 가공을 쉽게 할 뿐 아니라 레이저 어블레이션으로 전극이 가열되어 가공이 더 쉬워질 수 있기 때문이다.
도 4는 본원발명에 따른 전극 제조 설비에 관한 모식도이다.
본원발명에 따른 전극 제조방법을 수행하기 위한 전극 제조설비는, 전극 시트(100)를 일정한 속도로 이동시키는 시트 이송부(200); 레이저 어블레이션을 수행하는 레이저 조사부(300); 상기 레이저 빔이 조사된 부위를 재단하기 위한 전극 가공부(400);를 포함하는 전극 성형장치 일 수 있다.
상기 레이저 조사부와 전극 가공부의 거리는 300㎜ 이하로 이루어지는 것이 바람직하고, 거리가 짧을수록 좋으나, 레이저장비의 크기를 고려하였을 때 20㎜ 이상일 수 있다. 300㎜를 초과하였을 경우, 레이저어블레이션 위치와 레이저 노칭의 위치의 정렬 공차(Alligment)가 커지기 때문에 품질문제가 야기될 수 있다.
상기 전극 가공부는 노칭, 타발, 슬리팅을 수행할 수 있고, 이 때, 전극 가공부는 레이저를 조사하여 상기 재단을 수행할 수 있다.
상기 전극 가공부의 레이저와 레이저 조사부의 레이저는 그 강도가 다를 수 있고, 광원의 종류는 동일한 것일 수도 있다.
본원발명의 전극 성형장치는 주행방향으로 레이저 어블레이션을 먼저 수행하고 재단을 수행할 수 있도록 레이저 조사부와 전극 가공부를 배치할 수 있다.
본원발명의 전극 성형장치는 흡입부 또는 블로잉부(500)를 더 포함할 수 있다. 흡입부 또는 블로잉부는 레이저 조사부 및/또는 전극 가공부에서 발생한 잔여물을 흡입 또는 제거함으로써 레이저의 효율 증가에 도움을 줄 수 있다. 상기 흡입부는 전극 가루들을 흡입할 수 있도록 진공 펌프 또는 석션 장치를 포함할 수 있다. 상기 흡입부 또는 블로잉부는 레이저 조사부 및/또는 전극 가공부와 같이 또는 레이저 조사부와 전극 가공부 사이나 주행방향으로 보았을 때 뒷편에 존재할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims (15)

  1. (1) 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 합제층이 형성되어 있는 전극 시트를 준비하는 과정;
    (2) 레이저 어블레이션을 통해 상기 전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 상기 전극 합제층을 일부 식각하는 과정;
    (3) 상기 전극 시트의 전극 합제층이 일부 식각된 부분을 재단하여 전극을 제조하는 과정;을 포함하는 전극 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (2) 및/또는 과정 (3)과 동시에 또는 각 과정 이후에 석션 및/또는 블로잉 과정을 더 포함하는 전극 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (3)의 재단은 레이저를 사용하여 수행되는 것을 포함하는 전극 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 과정 (3)에서 사용되는 레이저는 상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션에서 사용하는 광원과 동일한 것을 포함하는 전극 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (1)에서 전극 시트의 두께는 100㎛ 이상인 것을 포함하는 전극 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (2)에서 식각되는 전극 합제층의 두께는 전극 집전체 일면의 합제층을 기준으로, 전극 시트 전체 두께의 0.1배 내지 0.3배인 것을 포함하는 전극 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (3)에서 재단 속도는 600㎜/S이상인 것을 포함하는 전극 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (3)의 재단은 노칭, 타발, 슬리팅 중 어느 하나 인 것을 포함하는 전극 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션에서 레이저 빔은 펄스 폭이 1㎱ 내지 300㎱인 것을 포함하는 전극 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 과정 (2)의 레이저 어블레이션은 전극의 일면에 수행되는 것을 포함하는 전극 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전극 제조방법을 수행하기 위한 전극 제조설비로서,
    전극 시트를 일정한 속도로 이동시키는 시트 이송부;
    전극 집전체가 노출되지 않는 범위에서 상기 전극 합제층을 일부 식각하는 레이저 어블레이션을 수행하는 레이저 조사부; 및
    상기 레이저가 조사된 부위를 재단하기 위한 전극 가공부;를 포함하는 전극 성형장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 가공부는 노칭, 타발, 슬리팅 중 어느 하나 인 것을 포함하는 전극 성형장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 가공부는 레이저를 조사하는 것을 포함하는 전극 성형장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 전극 성형장치는 주행방향으로 레이저 어블레이션을 먼저 수행하고 재단을 할 수 있도록 배치되어 있는 것을 포함하는 전극 성형장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 레이저 조사부와 전극 가공부의 거리는 20㎜ 내지 300㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 식각을 이용한 전극 성형장치.
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