WO2022065711A1 - 다중 슬롯 다이 코터 - Google Patents

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WO2022065711A1
WO2022065711A1 PCT/KR2021/011400 KR2021011400W WO2022065711A1 WO 2022065711 A1 WO2022065711 A1 WO 2022065711A1 KR 2021011400 W KR2021011400 W KR 2021011400W WO 2022065711 A1 WO2022065711 A1 WO 2022065711A1
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WO
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slot
die
die block
bolt
manifold
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/011400
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English (en)
French (fr)
Inventor
이택수
강민규
전신욱
최상훈
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Filing date
Publication date
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Priority to CN202180018265.2A priority patent/CN115210004B/zh
Priority to EP21872741.0A priority patent/EP4104938A4/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B05C5/02—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work
    • B05C5/0254—Coating heads with slot-shaped outlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C9/00—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important
    • B05C9/06—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying two different liquids or other fluent materials, or the same liquid or other fluent material twice, to the same side of the work
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a multi-slot die coater capable of simultaneously forming two or more layers by wet, and more specifically, to a multi-slot die coater with improved deformation and torsion that are inevitable due to structural features including a thin die. It is about the die coater.
  • This application is an application claiming priority to Korean Patent Application No. 10-2020-0125182, filed on September 25, 2020, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated herein by reference.
  • Such secondary batteries essentially include an electrode assembly, which is a power generation element.
  • the electrode assembly has a form in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode are laminated at least once, and the positive electrode and the negative electrode are prepared by coating and drying a positive electrode active material slurry and a negative electrode active material slurry on a current collector made of aluminum foil and copper foil, respectively.
  • the positive electrode active material slurry and the negative electrode active material slurry should be uniformly coated on the current collector, and a slot die coater is conventionally used.
  • the electrode active material slurry discharged from the slot die coater is applied on the current collector transferred by the coating roll.
  • a conventional slot die coater includes two dies and forms a slot between the two dies, and one type of electrode active material slurry can be discharged through one slot to form one electrode active material layer.
  • the thickness of the electrode active material layer which was about 130 ⁇ m, gradually increased to reach 300 ⁇ m.
  • the thick electrode active material layer is formed with a conventional slot die coater, migration of the binder and the conductive material in the active material slurry intensifies during drying, so that the final electrode is non-uniformly manufactured.
  • the electrode active material layer is applied thinly and then dried, then coated over it again and then coated twice, it takes a long time.
  • the inventors of the present application have proposed a dual slot die coater capable of simultaneously coating two types of electrode active material slurries.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a dual slot die coater according to the prior art.
  • two types of electrode active material slurries are discharged from the dual slot die coater 20 while the current collector 15 is driven by rotating the coating roll 10 , and the two-layer electrode is placed on the current collector 15 .
  • the active material layer can be formed at the same time.
  • the electrode active material slurry discharged from the dual slot die coater 20 is widely applied to one surface of the current collector 15 to form an electrode active material layer.
  • the dual slot die coater 20 is configured by assembling three plate members, that is, three die blocks 21 , 22 , and 23 . Since slots are formed between adjacent die blocks, two slots are formed, and the electrode active material slurry applied first by simultaneously discharging two types of electrode active material slurries through the outlets 24 and 25 connected to each slot. By continuously applying an additional electrode active material slurry on the electrode active material layer formed by the two-layer electrode active material layer can be formed at the same time.
  • Reference numerals 26 and 27 denote manifolds in which the coating solution is contained.
  • each electrode active material layer it is very difficult to form each electrode active material layer to a desired thickness because it is necessary to use electrode active material slurries that are simultaneously discharged from different discharge ports 24 and 25. there is a side
  • each electrode active material layer is affected by the discharge amount of the electrode active material slurry through the discharge ports 24 and 25, and the discharge amount of the electrode active material slurry depends on the size (slot gap) of each discharge port 24 and 25 Since it is greatly affected by repetitive work is required.
  • this slot gap is not only a variable that can be adjusted sensitively enough to vary greatly depending on the fastening strength of the bolts used for assembling between the die blocks 21, 22, and 23, but also depends on the force through which the electrode active material slurry is discharged. It is subject to change.
  • uniform dimensional accuracy in the width direction is required to stably perform uniform coating in the width direction (TD direction) with respect to the running direction (MD direction) of the current collector. As the width of the dual slot die coater 20 increases, it becomes more difficult to uniformly control the slot gap in the width direction.
  • the dual slot die coater 20 is basically provided with three die blocks 21, 22, and 23, a footprint and volume similar to that of a conventional slot die coater having one slot are achieved.
  • each of the die blocks 21 , 22 , and 23 must have a thin thickness, and for this reason, there is a problem inevitably structurally vulnerable to deformation and torsion.
  • deformation or torsion occurs, the painstakingly adjusted slot gap is misaligned, which is a serious problem causing defects in the electrode process.
  • this problem will become more serious in a multi-slot die coater in which the number of die blocks is further increased by including two or more slots.
  • the assembly between the respective die blocks 21 , 22 , and 23 may be performed by bolting to the contact surface.
  • each of the die blocks 21 , 22 , and 23 is thin and easy to deform, attention is required because bolt fastening is easy to generate deformation due to the action of a large force. If movement occurs between the die blocks 21, 22, and 23 due to the force applied during fastening, this movement affects the coating gap direction, which is the distance between the outlets 24 and 25 and the current collector 15, resulting in a loading deviation , resulting in coating unevenness.
  • the present invention was devised in consideration of the above problems, and it is intended to provide a multi-slot die coater that can improve the structurally vulnerable problem to deformation and torsion in a multi-slot die coater including three die blocks.
  • the multi-slot die coater of the present invention for solving the above technical problem is provided with a lower slot and an upper slot, and a multi-slot for applying a coating solution by extruding and applying a coating solution through at least one of the lower slot and the upper slot on the surface of the substrate continuously traveling
  • a die coater comprising: a lower die block; an intermediate die block disposed on the lower die block to form the lower slot therebetween; an upper die block forming the upper slot in between; a first manifold provided in the lower die block to receive a first coating solution and communicate with the lower slot, and a second manifold provided in the middle die block to receive a second coating solution and communicate with the upper slot; and a first bolt fastened to the interface between the upper die block and the intermediate die block, wherein the lower die block, the intermediate die block and the upper die block respectively form a leading end thereof.
  • a lip is provided, and in the order away from the intermediate die lip, A is the distance from the intermediate die lip to one end of the second manifold, B is the distance between one end and the other end of the second manifold;
  • C/(A+B+C) is 28% or less.
  • the first bolt may be vertically fastened to a contact surface between the upper die block and the middle die block.
  • the vertical range may be an angular range of 90 ⁇ 10° from the tangent plane.
  • a contact surface of the intermediate die block and the upper die block may be parallel to a horizontal plane.
  • the lower slot and the upper slot may form an angle of 30 to 60 degrees.
  • the second bolt may be vertically fastened to a contact surface between the intermediate die block and the lower die block.
  • a contact surface of the lower die block and the intermediate die block may be inclined with respect to a horizontal plane.
  • a lower discharge port communicating with the lower slot is formed between the lower die lip and the middle die lip, and an upper discharge port communicating with the upper slot is formed between the middle die lip and the upper die lip, and the first bolt
  • the bolt head of the second bolt may be located farther from the lower outlet and the upper outlet than the bolt head of the second bolt.
  • the present invention it is possible to improve the deformation or distortion of the die block, which is structurally weak, so that a coating layer, particularly an electrode active material layer, can be formed uniformly to a desired thickness, and simultaneous coating of two or more kinds of electrode active material slurries is possible Therefore, both performance and productivity have excellent effects. Since deformation is prevented when the die blocks are fastened, there is an effect of ensuring coating processability and reproducibility.
  • the multi-slot die coater of the present invention is used to manufacture an electrode of a secondary battery by coating an electrode active material slurry on a current collector, there is an advantage that uniform coating is possible even under high-speed or long-width application conditions.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a dual slot die coater according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating bolting between die blocks in a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-slot die coater of the present invention may have two or more slots. Basically, it is an apparatus having a lower slot and an upper slot and coating a coating solution in a double layer on a substrate.
  • the 'substrate' described below is the current collector and the coating solution is the 'electrode active material slurry'.
  • Both the first coating solution and the second coating solution are electrode active material slurries, and the composition (type of active material, conductive material, binder), content (amount of active material, conductive material, binder), or physical properties are the same or different electrode active material slurries.
  • the multi-slot die coater of the present invention is optimized for electrode manufacturing in which two or more kinds of electrode active material slurries are applied simultaneously or pattern-coated while alternately applying two or more kinds of electrode active material slurries.
  • the substrate may be a porous support constituting the separation membrane
  • the first coating solution and the second coating solution may be organic materials having different compositions or physical properties. That is, if thin film coating is required, the base material, the first coating liquid, and the second coating liquid may be any.
  • the present inventors have led to the present invention by discovering that the die blocks are deformed by the position of the bolt used for fastening between the die blocks. Since the die blocks are deformed by the position of the bolt, the present invention is proposed based on the fact that the position of the bolt is important to prevent the slot gap change. The present invention proposes a bolt position for fastening between die blocks in order to minimize the loading deviation.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a schematic exploded perspective view of a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-slot die coater 100 is a dual-slot die coater having a lower slot 101 and an upper slot 102 , and two types of the same or different from each other through the lower slot 101 and the upper slot 102 . It is a device that can coat the coating solution of the substrate 300 simultaneously or alternately. 2 and 3 , the multi-slot die coater 100 includes a lower die block 110 , an intermediate die block 120 disposed on the lower die block 110 , and the intermediate die block 120 . and an upper die block 130 disposed on top of the . The die blocks 110 , 120 , and 130 are assembled to each other through the first bolt 140 and the second bolt 150 .
  • the lower die block 110 is a block located at the bottom of the blocks constituting the multi-slot die coater 100, and the side facing the middle die block 120 is approximately 30 degrees with respect to the bottom surface (XZ plane) It has an inclined shape to form an angle of 60 degrees.
  • the intermediate die block 120 is disposed to face the upper surface of the lower die block 110 inclined with respect to the horizontal plane.
  • the lower slot 101 is thus formed between the intermediate die block 120 and the lower die block 110 where they face each other.
  • the first spacer 113 is interposed between the lower die block 110 and the intermediate die block 120 to provide a gap therebetween, so that the lower slot corresponding to the passage through which the first coating solution 50 can flow. (101) may be formed.
  • the thickness of the first spacer 113 determines the vertical width (Y-axis direction, slot gap) of the lower slot 101 .
  • the first spacer 113 is provided with a first opening 113a by having one region cut out, and is disposed on opposite surfaces of the lower die block 110 and the intermediate die block 120 , respectively. It may be interposed in the remaining portion except for one side of the border area. Accordingly, the lower discharge port 101a through which the first coating liquid 50 can be discharged to the outside is formed only between the front end of the lower die block 110 and the front end of the intermediate die block 120 .
  • the front end of the lower die block 110 and the front end of the intermediate die block 120 are defined as a lower die lip 111 and an intermediate die lip, respectively.
  • the lower discharge port 101a is the lower die lip 111 . It can be said that it is formed by being spaced between the and the intermediate die lip 121 .
  • the first coating solution 50 does not leak through the gap between the lower die block 110 and the middle die block 120 except for the area where the lower discharge port 101a is formed. It is preferable to be made of a material having sealing properties as it functions as a gasket to prevent it from happening.
  • the lower die block 110 has a predetermined depth on a surface facing the intermediate die block 120 and includes a first manifold 112 communicating with the lower slot 101 .
  • the first manifold 112 is connected to a first coating solution supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the first coating solution 50 .
  • the flow of the first coating solution 50 is induced along the lower slot 101 and discharged to the outside through the lower outlet 101a. do.
  • the middle die block 120 is a block located in the middle among blocks constituting the multi-slot die coater 100, and is disposed between the lower die block 110 and the upper die block 130 to form a double slot.
  • the intermediate die block 120 of this embodiment is a right triangle in cross section. According to another embodiment, for example, the cross-section may be provided as an isosceles triangle.
  • the upper die block 130 is disposed to face the upper surface of the intermediate die block 120 that is horizontal with respect to the bottom surface.
  • the upper slot 102 is thus formed between the middle die block 120 and the upper die block 130 where they face.
  • the second spacer 133 may be interposed between the middle die block 120 and the upper die block 130 to provide a gap therebetween. Accordingly, an upper slot 102 corresponding to a passage through which the second coating liquid 60 can flow is formed. In this case, the vertical width (Y-axis direction, slot gap) of the upper slot 102 is determined by the second spacer 133 .
  • the second spacer 133 has a structure similar to that of the above-described first spacer 113 , and has a second opening 133a in which one region is cut, and the middle die block 120 and the upper die block 130 . It is interposed only in the remaining portion except for one side of the edge area of each of the opposing surfaces.
  • the circumferential direction except for the front of the upper slot 102 is blocked, and the upper discharge port 102a is formed only between the front end of the intermediate die block 120 and the front end of the upper die block 130 .
  • the front end of the upper die block 130 is defined as an upper die lip 131 , and in other words, the upper discharge port 102a is a place formed by spaced apart between the middle die lip 121 and the upper die lip 131 .
  • the upper die block 130 has a predetermined depth on a surface facing the middle die block 120 and includes a second manifold 132 communicating with the upper slot 102 .
  • the second manifold 132 is connected to a second coating solution supply chamber and a supply pipe installed outside to receive the second coating solution 60 .
  • the second coating solution 60 is supplied from the outside along the pipe-shaped supply pipe and is filled in the second manifold 132 , the second coating solution 60 is in communication with the second manifold 132 , the upper slot The flow is guided along (102) and discharged to the outside through the upper discharge port (102a).
  • the upper slot 102 and the lower slot 101 form a constant angle, and the angle may be approximately 30 degrees to 60 degrees.
  • the upper slot 102 and the lower slot 101 intersect each other in one place, and the upper discharge port 102a and the lower discharge port 101a may be provided near the intersection point. Accordingly, the discharge points of the first coating liquid 50 and the second coating liquid 60 may be concentrated in approximately one place.
  • the first manifold 112 is formed in the lower die block 110
  • the second manifold 132 is formed in the middle die block 120
  • the first manifold 112 may be formed in the middle die block 120
  • the second manifold 132 may be formed in the upper die block 130 .
  • a rotatably provided coating roll 200 is disposed in front of the multi-slot die coater 100, and the substrate to be coated by rotating the coating roll 200 While driving 300, the first coating liquid 50 and the second coating liquid 60 may be continuously contacted with the surface of the substrate 300 to coat the substrate 300 in a double layer. Alternatively, supply and interruption of the first coating liquid 50 and supply and interruption of the second coating liquid 60 may be alternately performed to form a pattern coating intermittently on the substrate 300 .
  • the multi-slot die coater 100 is to extrude and apply a coating solution through at least one of the lower slot 101 and the upper slot 102 on the surface of the continuously running substrate 300 .
  • the interface between the intermediate die block 120 and the upper die block 130 is parallel to the horizontal plane.
  • the first bolt 140 is fastened to this contact surface.
  • a contact surface between the intermediate die block 120 and the lower die block 110 is inclined with respect to the horizontal plane.
  • the second bolt 150 is fastened to this contact surface.
  • Each of the first bolt 140 and the second bolt 150 may be one or more.
  • the first bolt 140 is inserted downwardly from the upper side of the rear side of the upper die block 130 , and a plurality of first bolts 140 are fastened along the width direction of the upper die block 130 . shown.
  • the first bolt 140 and the second bolt 150 are characterized in that they have the following positions. It will be described in detail below.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating bolting between die blocks in a multi-slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • A is the distance from the intermediate die lip 121 to one end of the second manifold 132
  • B is the distance between one end and the other end of the second manifold 132 .
  • C/(A+B+C) is 28% or less.
  • the middle die lip 121 to one end of the second manifold 132 is an area commonly referred to as a land.
  • a space between one end and the other end of the second manifold 132 corresponds to a size when the second manifold 132 is viewed from above.
  • the second coating solution 60 filling the second manifold 132 is applied from the second manifold 132 through the upper slot 102 and through the upper outlet 102a on the substrate 300 . Therefore, the second coating liquid 60 exists from the other end of the second manifold 132 to the intermediate die lip 121 . And the length of the section in which the second coating liquid 60 is present becomes A+B.
  • a distance C from the other end of the second manifold 132 to the axis of the first bolt 140 defines a fastening position of the first bolt 140 .
  • the slurry coating portion (a section in which the second coating liquid 60 is present, from the second manifold 132 to the upper discharge port 102a)
  • the area, the length of which is A+B) becomes smaller and the loading deviation becomes larger.
  • the first bolt 140 should be fastened to an appropriate position from the intermediate die lip 121 .
  • the present invention proposes a new parameter that C/(A+B+C) should be 28% or less in selecting an appropriate fastening position.
  • C/(A+B+C) must be less than or equal to 28%.
  • the upper limit is important and the lower limit is not particularly problematic. If C/(A+B+C) exceeds 28%, as a side effect of tightening the first bolt 140, deformation occurs in the opposite slot gap and the loading deviation increases. do it with As the first bolt 140 approaches the other end of the second manifold 132, the magnitude of C approaches zero. However, since the first bolt 140 does not penetrate the second manifold 132 and is not fastened to the inside (a leak occurs), C is greater than 0.
  • a and B are determined by the design of the intermediate die block 120 and the second manifold 132 .
  • the first bolt 140 may be vertically fastened to a contact surface between the upper die block 130 and the middle die block 120 .
  • the vertical range may be an angular range of 90 ⁇ 10° from the tangent plane.
  • the fastening position of the second bolt 150 may be the same as that of selecting the fastening position of the first bolt 140 described above. That is, in the order away from the lower die lip 111, the distance from the lower die lip 111 to one end of the first manifold 112 is A', the distance between one end of the first manifold 112 and the other end. If the distance is B' and the distance from the other end of the first manifold 112 to the axis of the second bolt 150 is C', C'/(A'+B'+C') is 28% or less. will make it When there is such a relationship between A', B', and C', the loading deviation can be minimized, and the reason is as described above.
  • the bolt head of the second bolt 150 may be located farther from the lower outlet 101a and the upper outlet 102a than the bolt head of the first bolt 140 . Due to this configuration, the first bolt 140 and the second bolt 150 do not interfere with each other, do not affect the first manifold 112 and the second manifold 132, and through distribution of the fastening force evenly Deformation of the die blocks 110 , 120 , 130 may be prevented.
  • the second bolt 150 may be vertically fastened to a contact surface between the intermediate die block 120 and the lower die block 110 .
  • the vertical range may be an angular range of 90 ⁇ 10° from the tangent plane.
  • the second bolt 150 perpendicular to the inclined contact surface.
  • the force direction when the second bolt 150 is fastened is perpendicular to the inclined contact surface, and there is no slip. Therefore, the intermediate die block 120 does not slip on the upper die block 110 due to the force caused by the tightening of the second bolt 150 in the second bolt 150 to which a tightening torque is applied rather than simply fixed. , it is possible to reduce the coating gap change when the multi-slot die coater 100 is mounted by assembling between the die blocks 110 , 120 , and 130 .
  • Loading deviation refers to the flow velocity deviation at the die lip end (maximum value of flow rate (MAX) - minimum value of flow rate (MIN)). For uniform coating quality, the loading deviation should be controlled to be less than 10%. Loading deviations were simulated by various combinations of A, B, and C. With the current simulation technology, the external flow is excluded because it is difficult to accurately analyze it. Since the flow effect outside the die blocks can be further reflected, the loading deviation in the actual multi-slot die coater may be slightly different.
  • Table 1 summarizes the conditions A, B, and C of Examples and Comparative Examples and loading deviations accordingly.
  • Example 1 is 14.53%
  • Example 2 is 16.67%
  • Example 3 is 23.08%
  • Comparative Example 1 is 28.57%
  • Comparative Example 2 is 33.33%
  • Comparative Example 3 is 37.50%. Since A and B are fixed and C increases, C/(A+B+C) increases.
  • the loading deviation was calculated to be 11 to 21%, and was evaluated at a level exceeding the currently managed 10%.
  • the present invention it is possible to improve the deformation or distortion of the die block, which is structurally weak, so that a coating layer, particularly an electrode active material layer, can be uniformly formed to a desired thickness, and simultaneous coating of two types of electrode active material slurries is possible Therefore, both performance and productivity have excellent effects. Since slipping is prevented when the die blocks are fastened, there is an effect of securing the coating processability and reproducibility.
  • the multi-slot die coater of the present invention is used to manufacture an electrode of a secondary battery by coating an electrode active material slurry on a current collector, there is an advantage that uniform coating is possible even under high-speed or long-width application conditions.

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Abstract

본 발명의 다중 슬롯 다이 코터는 로딩 편차를 최소화할 수 있게끔 위치 선정된 볼트를 가지고 다이 블록들간 접면을 체결한 것이다. 본 발명에 따르면, 구조적으로 취약할 수 밖에 없는 다이 블록의 변형이나 뒤틀림을 개선할 수 있으므로 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 2종 이상의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다.

Description

다중 슬롯 다이 코터
본 발명은 2층 이상의 층을 습식으로 동시에 형성할 수 있는 다중 슬롯 다이 코터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 얇은 다이를 포함하는 구조적인 특징으로 인해 발생할 수 밖에 없는 변형과 비틀림을 개선한 다중 슬롯 다이 코터에 관한 것이다. 본 출원은 2020년 9월 25일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2020-0125182호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지는 발전 요소인 전극조립체를 필수적으로 포함하고 있다. 전극조립체는, 양극, 분리막 및 음극이 적어도 1회 이상 적층된 형태를 가지며, 양극과 음극은 각각 알루미늄 호일과 구리 호일로 이루어진 집전체에 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 도포 및 건조되어 제조된다. 이차전지의 충방전 특성을 균일하게 하기 위해서는, 이러한 양극 활물질 슬러리 및 음극 활물질 슬러리가 집전체에 고르게 코팅되어야 하며, 종래부터 슬롯 다이 코터를 이용하고 있다.
슬롯 다이 코터를 이용한 전극 제조 방법에서는, 코팅 롤에 의해 이송되는 집전체 위에 슬롯 다이 코터로부터 토출된 전극 활물질 슬러리를 도포하게 된다. 종래 슬롯 다이 코터는 2개의 다이를 포함하고 2개의 다이 사이에 슬롯을 형성한 것으로, 1개의 슬롯을 통해 1종의 전극 활물질 슬러리를 토출하여 1층의 전극 활물질층을 형성할 수가 있다.
고에너지 밀도의 이차전지를 제조하기 위하여, 130㎛ 정도이던 전극 활물질층의 두께는 점점 증가하여 300㎛에 달하고 있다. 두꺼운 전극 활물질층을 종래 슬롯 다이 코터를 가지고 형성하고 나면 건조시 활물질 슬러리 안의 바인더와 도전재 마이그레이션(migration)이 심화되어 최종 전극이 불균일하게 제조된다. 이러한 문제를 해결한다고 전극 활물질층을 얇게 도포 후 건조하고 그 위에 다시 도포 후 건조하는 것과 같이 두 번에 걸쳐 코팅한다면 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 전극 성능과 생산성을 동시에 향상시키기 위하여 본 출원의 발명자들은, 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포할 수 있는 듀얼 슬롯 다이 코터를 제안한 바 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 코팅 롤(10)을 회전시켜 집전체(15)를 주행시키면서 듀얼 슬롯 다이 코터(20)로부터 2종의 전극 활물질 슬러리를 토출시켜 집전체(15) 상에 2층의 전극 활물질층을 동시에 형성할 수가 있다. 듀얼 슬롯 다이 코터(20)에서 토출된 전극 활물질 슬러리는 집전체(15)의 일 면에 넓게 도포되어 전극 활물질층을 형성한다.
듀얼 슬롯 다이 코터(20)는 3개의 판 부재, 즉 3개의 다이 블록들(21, 22, 23)을 조립하여 구성한다. 서로 이웃하는 다이 블록들 사이에 슬롯을 형성하기 때문에 슬롯이 2개 형성되고, 각 슬롯에 연통되어 있는 토출구(24, 25)를 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출함으로써 먼저 도포된 전극 활물질 슬러리에 의해 형성된 전극 활물질층 상에 추가적인 전극 활물질 슬러리를 연속적으로 도포해 2층의 전극 활물질층을 동시에 형성할 수 있는 것이다. 참조번호 26, 27은 코팅액이 담기는 매니폴드(manifold)이다.
다만, 이러한 듀얼 슬롯 다이 코터(20)를 이용하는 공정은, 서로 다른 토출구(24, 25)로부터 동시에 토출되는 전극 활물질 슬러리를 이용하여야 하기 때문에, 소망하는 두께로 각 전극 활물질층을 형성하는 것이 상당히 까다로운 면이 있다.
일반적으로, 각 전극 활물질 층의 두께는 토출구(24, 25)를 통한 전극 활물질 슬러리의 토출량에 의해 영향을 받으며, 이러한 전극 활물질 슬러리의 토출량은 각 토출구(24, 25)의 크기(슬롯 갭)에 의해 크게 영향을 받기 때문에, 소망하는 두께를 만들어내기 위해서는 시험적으로 수 차례 코팅 공정을 수행하면서 다이 블록들(21, 22, 23)를 분해 후 재조립하여 슬롯 갭을 조정하고, 토출량을 다시 확인하는 작업을 반복할 것이 요구된다. 그런데 이 슬롯 갭은 다이 블록들(21, 22, 23)간 조립에 사용하는 볼트의 체결강도에 따라서도 크게 변화될 만큼 민감하게 조정이 되는 변수일 뿐 아니라, 전극 활물질 슬러리가 토출되는 힘에 의해서도 변화될 수 있는 소지가 있다. 특히 집전체의 주행 방향(MD 방향)에 대해서 폭 방향(TD 방향)으로 균일한 도포를 안정적으로 수행하기 위해서는 폭 방향으로 균일한 치수 정밀도가 필요한데, 생산량 증가를 위해 장폭의 집전체를 사용하기 위해 듀얼 슬롯 다이 코터(20)의 폭도 커지면서 폭 방향으로 균일한 슬롯 갭 제어를 하는 것이 더욱 어려워지고 있다.
그런데, 듀얼 슬롯 다이 코터(20)가 기본적으로 3개의 다이 블록들(21, 22, 23)을 구비하게 되므로, 1개의 슬롯을 구비하는 기존 슬롯 다이 코터와 유사한 풋 프린트(foot print)와 볼륨을 가지는 장치로 구성하려면 각 다이 블록들(21, 22, 23)의 두께가 얇아야 하고, 이 때문에 필연적으로 구조적으로 변형과 비틀림에 취약한 문제가 있다. 변형이나 비틀림이 발생하면 애써 조정한 슬롯 갭이 틀어지게 되어 전극 공정의 불량을 야기하는 심각한 문제가 된다. 뿐만 아니라 두 개 이상의 슬롯들을 포함하게 되어 다이 블록들의 개수가 더 늘어나게 되는 다중 슬롯 다이 코터에서는 이러한 문제가 더욱 심각해질 것이다.
이를 해결하고자 각 다이 블록들(21, 22, 23)의 크기를 키우거나(각도 변경)하면, 토출 방향이 바뀌어 코팅 공정성의 저하를 야기하게 된다. 그리고, 3개의 다이 블록들(21, 22, 23) 중 외곽에 위치한 다이 블록(21, 23)의 두께를 증가시켜 변형과 비틀림을 개선한다 하더라도 구조적으로 제일 취약한 중간에 위치한 다이 블록(22)의 변형에 대한 보완은 여전히 어려운 문제가 있다.
한편, 각 다이 블록들(21, 22, 23)간의 조립은 접면에 대한 볼트 체결로 진행할 수가 있다. 그런데 각 다이 블록들(21, 22, 23)은 얇아서 변형이 쉽고, 볼트 체결은 큰 힘이 작용하여 변형을 발생시키기 쉬운 것이기 때문에 주의가 필요하다. 체결시 가해지는 힘에 의해 다이 블록들(21, 22, 23)간 움직임이 발생한다면, 이러한 움직임은 토출구(24, 25)와 집전체(15)간 거리인 코팅 갭 방향으로 영향을 미쳐 로딩 편차가 발생해 코팅 불균일을 초래한다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 기본적으로 3개의 다이 블록을 포함하게 되는 다중 슬롯 다이 코터에서 구조적으로 변형과 비틀림에 취약한 문제를 개선할 수 있도록 한 다중 슬롯 다이 코터를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다중 슬롯 다이 코터는 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 다중 슬롯 다이 코터로서, 하부 다이 블록, 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 상기 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록, 및 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상기 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록에 구비되어 제1 코팅액을 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드 및 상기 중간 다이 블록에 구비되어 제2 코팅액을 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드; 및 상기 상부 다이 블록 및 중간 다이 블록간 접면에 체결되는 제1 볼트를 포함하고, 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록은 각각 그 선단부를 형성하는 하부 다이 립, 중간 다이 립 및 상부 다이 립을 구비하며, 상기 중간 다이 립에서부터 멀어지는 순으로, 상기 중간 다이 립에서부터 상기 제2 매니폴드의 일단부까지의 거리를 A, 상기 제2 매니폴드의 일단부와 타단부 사이의 거리를 B, 상기 제2 매니폴드의 타단부로부터 상기 제1 볼트의 축까지의 거리를 C라고 하는 경우, C/(A+B+C)가 28% 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 볼트는 상기 상부 다이 블록 및 중간 다이 블록간 접면에 수직으로 체결된 것일 수 있다.
상기 수직의 범위는 상기 접면으로부터 90 ± 10˚ 의 각도 범위일 수 있다.
상기 중간 다이 블록과 상부 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 평행한 것일 수 있다.
상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30도 내지 60도의 각도를 이룰 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중간 다이 블록 및 하부 다이 블록간 접면에 체결되는 제2 볼트를 더 포함하고, 상기 하부 다이 립에서부터 멀어지는 순으로, 상기 하부 다이 립에서부터 상기 제1 매니폴드의 일단부까지의 거리를 A', 상기 제1 매니폴드의 일단부와 타단부 사이의 거리를 B', 상기 제1 매니폴드의 타단부로부터 상기 제2 볼트의 축까지의 거리를 C'라고 하는 경우, C'/(A'+B'+C')가 28% 이하일 수도 있다.
상기 제2 볼트는 상기 중간 다이 블록 및 하부 다이 블록간 접면에 수직으로 체결된 것일 수 있다.
상기 하부 다이 블록과 중간 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 경사져 있을 수 있다.
상기 하부 다이 립과 상기 중간 다이 립 사이에는 상기 하부 슬롯과 연통하는 하부 토출구가 형성되고, 상기 중간 다이 립과 상기 상부 다이 립 사이에는 상기 상부 슬롯과 연통하는 상부 토출구가 형성되며, 상기 제1 볼트의 볼트 머리보다 상기 제2 볼트의 볼트 머리가 상기 하부 토출구 및 상부 토출구로부터 더 멀게 위치할 수 있다.
본 발명에서와 같이 볼트 위치를 선정하면 다이 블록들 변형을 최소화할 수 있다. 그러므로 다이 블록들간 조립으로 다중 슬롯 다이 코터 장착시 코팅 갭 변화를 줄일 수가 있다. 슬롯 갭의 편차 발생도 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 폭방향 로딩 균일성을 확보할 수 있으므로 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 구조적으로 취약할 수 밖에 없는 다이 블록의 변형이나 뒤틀림을 개선할 수 있으므로 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 2종 이상의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 다이 블록들간 체결시 변형이 방지되므로 코팅 공정성을 확보하고 재현성 확보하는 효과가 있다. 본 발명의 다중 슬롯 다이 코터를 이용하면 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 또는 장폭 도포 조건 하에서도 균일한 도포가 가능한 이점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터에서 다이 블록들간 볼트 체결을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 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.
본 발명의 다중 슬롯 다이 코터는 슬롯이 두 개 이상일 수 있다. 기본적으로는 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 기재 상에 코팅액을 이중층으로 코팅하는 장치이다. 이하의 설명하는 '기재'는 집전체이고 코팅액은 '전극 활물질 슬러리'이다. 제1 코팅액과 제2 코팅액은 모두 전극 활물질 슬러리로서, 조성(활물질, 도전재, 바인더의 종류)이나 함량(활물질, 도전재, 바인더의 양)이나 물성이 서로 동일하거나 다른 전극 활물질 슬러리를 의미할 수 있다. 본 발명의 다중 슬롯 다이 코터는 2종 이상의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포하거나 2종 이상의 전극 활물질 슬러리를 교번적으로 도포하면서 패턴 코팅하는 전극 제조에 최적화되어 있다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 예컨대 상기 기재는 분리막을 구성하는 다공성 지지체이고 제1 코팅액과 제2 코팅액은 조성이나 물성이 서로 다른 유기물일 수 있다. 즉, 박막 코팅이 요구되는 경우라면 상기 기재와 제1 코팅액과 제2 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다.
본 발명자들은 다이 블록들간 체결에 이용되는 볼트의 위치에 의해 다이 블록들이 변형되는 것을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다. 볼트의 위치에 의해 다이 블록들이 변형되기 때문에 슬롯 갭 변화를 방지하려면 볼트의 위치 선정이 중요하다는 것에 착안하여 본 발명을 제안한다. 본 발명에서는 로딩 편차 최소화를 위해 다이 블록들간의 체결하는 볼트 위치를 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 다중 슬롯 다이 코터(100)는 하부 슬롯(101)과 상부 슬롯(102)을 구비하는 듀얼 슬롯 다이 코터이고 하부 슬롯(101)과 상부 슬롯(102)을 통하여 서로 같거나 다른 2종의 코팅액을 기재(300) 상에 동시에 혹은 번갈아 코팅할 수 있는 장치이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 다중 슬롯 다이 코터(100)는 하부 다이 블록(110), 상기 하부 다이 블록(110)의 상부에 배치되는 중간 다이 블록(120), 상기 중간 다이 블록(120)의 상부에 배치되는 상부 다이 블록(130)을 포함한다. 다이 블록들(110, 120, 130)은 제1 볼트(140) 및 제2 볼트(150)를 통해 서로 조립된다.
하부 다이 블록(110)은 다중 슬롯 다이 코터(100)를 구성하는 블록들 중 가장 하부에 위치하는 블록으로서, 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면이 바닥면(X-Z 평면)에 대해 대략 30도 내지 60도의 각도를 이루도록 경사진 형태를 갖는다. 중간 다이 블록(120)은 수평면에 대하여 경사져 있는 하부 다이 블록(110)의 상면에 대면하게 배치된다. 하부 슬롯(101)은 이같이 중간 다이 블록(120)과 하부 다이 블록(110)이 대면하는 곳 사이에 형성된다.
이를테면, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 사이에 제1 스페이서(113)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 제1 코팅액(50)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 하부 슬롯(101)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 스페이서(113)의 두께는 상기 하부 슬롯(101)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.
상기 제1 스페이서(113)는 도 3에 도시한 바와 같이, 일 영역이 절개되어 제1 개방부(113a)를 구비하며, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 제1 코팅액(50)이 외부로 토출될 수 있는 하부 토출구(101a)는 하부 다이 블록(110)의 선단부와 중간 다이 블록(120)의 선단부 사이에만 형성된다. 상기 하부 다이 블록(110)의 선단부와 상기 중간 다이 블록(120)의 선단부를 각각 하부 다이 립(111), 중간 다이 립이라 정의하고 다시 말하면, 상기 하부 토출구(101a)는 하부 다이 립(111)과 중간 다이 립(121) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
참고로, 제1 스페이서(113)는 하부 토출구(101a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 하부 다이 블록(110)과 중간 다이 블록(120) 사이의 틈새로 제1 코팅액(50)이 누출되지 않도록 하는 가스켓(gasket)으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하부 다이 블록(110)은 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면에 소정의 깊이를 가지며 하부 슬롯(101)과 연통하는 제1 매니폴드(112)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제1 매니폴드(112)는 외부에 설치된 제1 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 제1 코팅액(50)을 공급받는다. 상기 제1 매니폴드(112) 내에 제1 코팅액(50)이 가득 차게 되면, 상기 제1 코팅액(50)이 하부 슬롯(101)을 따라 흐름이 유도되고 하부 토출구(101a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
중간 다이 블록(120)은 다중 슬롯 다이 코터(100)를 구성하는 블록들 중 중간에 위치하는 블록으로서, 하부 다이 블록(110)과 상부 다이 블록(130) 사이에 배치되어 이중 슬롯을 형성하기 위한 블록이다. 본 실시예의 중간 다이 블록(120)은 단면이 직각 삼각형이다. 다른 실시예에 따르면, 예컨대 단면이 이등변 삼각형으로 마련될 수도 있다.
상부 다이 블록(130)은 바닥면에 대해 수평한 중간 다이 블록(120)의 상면에 대면하게 배치된다. 상부 슬롯(102)은 이같이 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130)이 대면하는 곳 사이에 형성된다.
전술한 하부 슬롯(101)과 마찬가지로, 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130) 사이에 제2 스페이서(133)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련될 수 있다. 이로써 제2 코팅액(60)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 상부 슬롯(102)이 형성된다. 이 경우, 상기 상부 슬롯(102)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)은 제2 스페이서(133)에 의해 결정된다.
또한, 제2 스페이서(133)도 전술한 제1 스페이서(113)와 유사한 구조로서 일 영역이 절개되어 제2 개방부(133a)를 구비하며, 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에만 개재된다. 마찬가지로 상부 슬롯(102)의 전방을 제외한 둘레 방향은 막히게 되고 중간 다이 블록(120)의 선단부와 상부 다이 블록(130)의 선단부 사이에만 상부 토출구(102a)가 형성된다. 상기 상부 다이 블록(130)의 선단부를 상부 다이 립(131)이라 정의하고 다시 말하면, 상기 상부 토출구(102a)는 중간 다이 립(121)과 상부 다이 립(131) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
또한, 상부 다이 블록(130)은 중간 다이 블록(120)과 마주보는 면에 소정의 깊이를 가지며 상부 슬롯(102)과 연통하는 제2 매니폴드(132)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제2 매니폴드(132)는 외부에 설치된 제2 코팅액 공급 챔버와 공급관으로 연결되어 제2 코팅액(60)을 공급받는다. 파이프 형태의 공급관을 따라 외부에서 제2 코팅액(60)이 공급되어 제2 매니폴드(132) 내에 가득 차게 되면, 상기 제2 코팅액(60)이 제2 매니폴드(132)와 연통되어 있는 상부 슬롯(102)을 따라 흐름이 유도되고 상부 토출구(102a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
상부 슬롯(102)과 하부 슬롯(101)은 일정한 각도를 이루는데, 상기 각도는 대략 30도 내지 60도의 각도일 수 있다. 이러한 상부 슬롯(102)과 하부 슬롯(101)은 서로 한 곳에 교차하게 되고 상기 교차 지점 부근에 상기 상부 토출구(102a)와 하부 토출구(101a)가 마련될 수 있다. 이에 제1 코팅액(50)과 제2 코팅액(60)의 토출 지점이 대략 한 곳에 집중될 수 있다.
본 실시예에서 제1 매니폴드(112)는 하부 다이 블록(110)에 형성되고, 제2 매니폴드(132)는 중간 다이 블록(120)에 형성된다. 제1 매니폴드(112)가 중간 다이 블록(120)에 형성될 수도 있고, 제2 매니폴드(132)가 상부 다이 블록(130)에 형성될 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 다중 슬롯 다이 코터(100)에 의하면, 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(200)을 다중 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(200)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(300)를 주행시키면서, 제1 코팅액(50)과 제2 코팅액(60)을 연속적으로 상기 기재(300)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(300)를 이중층으로 코팅시킬 수 있다. 또는 제1 코팅액(50)의 공급 및 중단, 그리고 제2 코팅액(60)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(300) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.
다중 슬롯 다이 코터(100)는 연속적으로 주행하는 기재(300) 표면에 하부 슬롯(101) 및 상부 슬롯(102) 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 것이다. 본 실시예에서는, 중간 다이 블록(120)과 상부 다이 블록(130)간 접면은 수평면에 대하여 평행이다. 이러한 접면에 제1 볼트(140)가 체결된다. 그리고 중간 다이 블록(120)과 하부 다이 블록(110)간 접면이 수평면에 대하여 경사져 있다. 이러한 접면에 제2 볼트(150)가 체결된다. 제1 볼트(140)와 제2 볼트(150)는 각각 하나 이상일 수 있다. 도 3에서는 제1 볼트(140)가 상부 다이 블록(130) 후면쪽 상부로부터 하방으로 삽입이 되며, 여러 개의 제1 볼트(140)가 상부 다이 블록(130)의 폭 방향을 따라 체결되는 예를 도시하였다. 제1 볼트(140)와 제2 볼트(150)는 다음과 같은 위치를 가지는 것이 특징이다. 아래에서 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 슬롯 다이 코터에서 다이 블록들간 볼트 체결을 도시한 단면도이다.
중간 다이 립(121)에서부터 멀어지는 순으로, 중간 다이 립(121)에서부터 제2 매니폴드(132) 일단부까지의 거리를 A, 제2 매니폴드(132) 일단부와 타단부 사이의 거리를 B, 제2 매니폴드(132) 타단부로부터 제1 볼트(140) 축까지의 거리를 C라고 하는 경우, C/(A+B+C)가 28% 이하이다.
여기서 중간 다이 립(121)에서부터 제2 매니폴드(132) 일단부까지는 보통 랜드라고 부르는 영역이다. 제2 매니폴드(132) 일단부와 타단부 사이는 제2 매니폴드(132)를 위에서 보았을 때 크기에 해당한다. 제2 매니폴드(132)를 가득 채우는 제2 코팅액(60)은 제2 매니폴드(132)로부터 상부 슬롯(102)을 거쳐 상부 토출구(102a)를 통해 기재(300) 상에 도포된다. 그러므로 제2 매니폴드(132) 타단부에서 중간 다이 립(121)까지는 제2 코팅액(60)이 존재한다. 그리고 제2 코팅액(60)이 존재하는 구간의 길이는 A+B가 된다. 제2 매니폴드(132) 타단부로부터 제1 볼트(140) 축까지의 거리 C는 제1 볼트(140)의 체결 위치를 정의한다.
제1 볼트(140)를 중간 다이 립(121)에 너무 가까운 쪽에 위치시키면 슬러리 코팅부(제2 코팅액(60)이 존재하는 구간으로서, 제2 매니폴드(132)로부터 상부 토출구(102a)까지의 영역, 그 길이가 바로 A+B)가 작아져서 로딩 편차가 커진다. 제1 볼트(140)를 중간 다이 립(121)에 너무 먼 쪽에 위치시키면 제1 볼트(140) 조임의 부작용으로 (지렛대처럼) 반대편 슬롯 갭에 변형이 발생하여 로딩 편차가 되려 커진다. 그러므로 제1 볼트(140)는 중간 다이 립(121)으로부터 적정한 위치에 체결이 되어야 한다. 본 발명에서는 적정한 체결 위치를 선정하는 데에 있어 C/(A+B+C)가 28% 이하이어야 한다는 새로운 파라미터를 제안한다. A, B, C 사이에 이러한 관계에 있을 때에 로딩 편차를 최소화할 수 있다. C/(A+B+C)는 28% 이하이어야 한다. 상한이 중요하고 하한은 특별히 문제되지 않는다. C/(A+B+C)가 28%를 넘으면 제1 볼트(140) 조임의 부작용으로 반대편 슬롯 갭에 변형이 발생하여 로딩 편차가 커지기 때문에 C/(A+B+C)를 28% 이하로 한다. 제1 볼트(140)가 제2 매니폴드(132) 타단부에 가까워질수록 C의 크기는 0에 가까워진다. 하지만 제1 볼트(140)가 제2 매니폴드(132)를 침범하여 그 안쪽으로 체결되는 일은 없으므로(누설 발생) C는 0보다 크다. A와 B는 중간 다이 블록(120) 및 제2 매니폴드(132)의 설계에 의해 결정된다.
제1 볼트(140)는 상부 다이 블록(130) 및 중간 다이 블록(120)간 접면에 수직으로 체결될 수 있다. 상기 수직의 범위는 상기 접면으로부터 90 ± 10˚ 의 각도 범위일 수 있다.
제2 볼트(150)의 체결 위치도 앞서 설명한 제1 볼트(140) 체결 위치 선정과 동일하게 할 수 있다. 즉, 하부 다이 립(111)에서부터 멀어지는 순으로, 하부 다이 립(111)에서부터 제1 매니폴드(112) 일단부까지의 거리를 A', 제1 매니폴드(112) 일단부와 타단부 사이의 거리를 B', 제1 매니폴드(112) 타단부로부터 제2 볼트(150) 축까지의 거리를 C'라고 하는 경우, C'/(A'+B'+C')가 28% 이하가 되게 하는 것이다. A', B', C' 사이에 이러한 관계에 있을 때에 로딩 편차를 최소화할 수 있고, 그 이유는 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 제1 볼트(140)의 볼트 머리보다 제2 볼트(150)의 볼트 머리가 상기 하부 토출구(101a) 및 상부 토출구(102a)로부터 더 멀게 위치할 수 있다. 이러한 구성에 의하여 제1 볼트(140)와 제2 볼트(150)는 서로간에 간섭이 없고 제1 매니폴드(112)와 제2 매니폴드(132)에도 영향을 미치지 않으며 고른 체결 힘의 분산을 통하여 다이 블록들(110, 120, 130) 변형을 방지할 수 있다.
제2 볼트(150)는 중간 다이 블록(120) 및 하부 다이 블록(110)간 접면에 수직으로 체결될 수 있다. 상기 수직의 범위는 상기 접면으로부터 90 ± 10˚ 의 각도 범위일 수 있다.
경사가 있는 중간 다이 블록(120)과 하부 다이 블록(110)간 접면에 대하여, 만약 접면에 수직이 아닌 기울어진 각도로 제2 볼트(150)를 체결한다면 제2 볼트(150) 조임에 의한 힘이 접면에 수직인 방향의 힘과 평행인 방향의 힘 두 개로 분리된다. 그러면 접면에 평행한 방향에 의한 힘에 의해 체결시 중간 다이 블록(120)의 슬립(미끄러짐) 현상이 발생하게 될 것이다. 체결시 가해지는 힘에 의해 다이 블록들(110, 120, 130)간 움직임이 발생한다면, 이러한 움직임은 하부 및 상부 토출구(101a, 102a)와 기재(300)간 거리인 코팅 갭 방향으로 영향을 미쳐 코팅 불균일을 초래하고 만다. 그러므로 경사진 접면에 수직으로 제2 볼트(150)를 체결함이 바람직하다. 경사진 접면에 수직으로 제2 볼트(150) 체결하면 제2 볼트(150) 체결시의 힘 방향이 경사진 접면에 수직하게 되어 슬립 발생이 없다. 그러므로 단순 고정이 아니라 체결 토크를 가해야 하는 제2 볼트(150)에 있어서 제2 볼트(150) 조임에 의한 힘 때문에 중간 다이 블록(120)이 상부 다이 블록(110 위에서 슬립되는 일이 없어진다. 따라서, 다이 블록들(110, 120, 130)간 조립으로 다중 슬롯 다이 코터(100) 장착시 코팅 갭 변화를 줄일 수가 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 다이 블록들(110, 120, 130) 변형을 최소화하여 폭방향 로딩 균일성을 확보할 수 있으므로 코팅 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 슬롯 갭 편차 발생도 억제할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 코팅액을 2층으로 도포하는 경우, 또는 코팅액을 번갈아 공급하여 패턴 코팅을 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 개별 슬롯을 통한 토출이 아닌 슬롯의 도중에 2종의 코팅액이 합류하는 경우나, 슬롯을 3개 이상으로 구비하여 3층 이상을 동시 도포하는 경우에도 적용 가능한 것은 따로 설명하지 않아도 알 수 있을 것이다. 슬롯을 3개 이상으로 구비하려면 다이 블록들이 4개 이상 필요하다는 것을 자세히 설명하지 않아도 알 수 있을 것이다.
이하에서는 시뮬레이션 결과를 통해 본 발명의 효과를 입증한 예를 설명한다. 다중 슬롯 다이 코너 내부 유동을 시뮬레이션(simulation)하였다.
로딩 편차는 다이 립 끝단부에서의 유속 편차를 의미한다(유속의 최대값(MAX)-유속의 최소값(MIN)). 균일한 코팅 품질을 위하여 로딩 편차는 10% 미만으로 관리되어야 한다. A, B, C를 다양하게 조합하여 로딩 편차를 시뮬레이션하였다. 현재 시뮬레이션 기술로 외부 유동은 정확한 해석이 어려워 제외하였다. 다이 블록들 외부 유동 영향이 더 반영될 수 있기 때문에, 실제 다중 슬롯 다이 코터에서의 로딩 편차와는 소폭 다를 수 있다.
표 1에 실시예와 비교예의 A, B, C 조건과 그에 따른 로딩 편차를 정리하였다.
[표 1]
Figure PCTKR2021011400-appb-img-000001
실시예 및 비교예 모두 A와 B는 50(단위는 a.u)으로 하고, 실시예의 C는 17, 20, 30으로 증가시켰다. 비교예의 C는 40, 50, 60으로 증가시켰다. 실시예 1에서부터 비교예 3으로 갈수록 C가 증가한다. C/(A+B+C)를 계산한 결과, 실시예 1은 14.53%, 실시예 2는 16.67%, 실시예 3은 23.08%이다. 비교예 1은 28.57%, 비교예 2는 33.33%, 비교예 3은 37.50%이다. A, B는 고정하고 C가 증가하기 때문에 C/(A+B+C)가 증가하는 것이다. 각 경우에 대하여 로딩 편차를 구한 결과, 실시예에서는 2.3 내지 4.8%이기 때문에 10% 미만의 관리 범위를 만족하였다. 반면, 비교예에서는 로딩 편차가 11 내지 21%로 계산이 되어, 현재 관리하고 있는 10%를 초과하는 수준으로 평가가 되었다.
특히 비교예 1의 C/(A+B+C)가 28.57%일 때에 로딩 편차가 11%가 되는 것으로부터, 로딩 편차 10% 미만을 만족하는 C/(A+B+C)는 28% 이하가 되어야 한다고 결론지었다. C/(A+B+C)는 기존에 고려되지 않았던 새로운 파라미터로서, 로딩 편차를 최소화하기 위한, 그리고 현재로서는 로딩 편차를 10% 미만으로 하기 위해 도입된 새로운 파라미터라는 점에 의의가 있다.
본 발명에 따르면 구조적으로 취약할 수 밖에 없는 다이 블록의 변형이나 뒤틀림을 개선할 수 있으므로 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 다이 블록들간 체결시 슬립이 방지되므로 코팅 공정성을 확보하고 재현성 확보하는 효과가 있다. 본 발명의 다중 슬롯 다이 코터를 이용하면 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 또는 장폭 도포 조건 하에서도 균일한 도포가 가능한 이점이 있다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하고 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액을 압출해 도포하는 다중 슬롯 다이 코터로서,
    하부 다이 블록, 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 상기 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록, 및 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상기 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록;
    상기 하부 다이 블록에 구비되어 제1 코팅액을 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드 및 상기 중간 다이 블록에 구비되어 제2 코팅액을 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드; 및
    상기 상부 다이 블록 및 중간 다이 블록간 접면에 체결되는 제1 볼트를 포함하고,
    상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록은 각각 그 선단부를 형성하는 하부 다이 립, 중간 다이 립 및 상부 다이 립을 구비하며,
    상기 중간 다이 립에서부터 멀어지는 순으로, 상기 중간 다이 립에서부터 상기 제2 매니폴드의 일단부까지의 거리를 A, 상기 제2 매니폴드의 일단부와 타단부 사이의 거리를 B, 상기 제2 매니폴드의 타단부로부터 상기 제1 볼트의 축까지의 거리를 C라고 하는 경우, C/(A+B+C)가 28% 이하인 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 볼트는 상기 상부 다이 블록 및 중간 다이 블록간 접면에 수직으로 체결된 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수직의 범위는 상기 접면으로부터 90 ± 10˚ 의 각도 범위인 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중간 다이 블록과 상부 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 평행한 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30도 내지 60도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중간 다이 블록 및 하부 다이 블록간 접면에 체결되는 제2 볼트를 더 포함하고,
    상기 하부 다이 립에서부터 멀어지는 순으로, 상기 하부 다이 립에서부터 상기 제1 매니폴드의 일단부까지의 거리를 A', 상기 제1 매니폴드의 일단부와 타단부 사이의 거리를 B', 상기 제2 매니폴드의 타단부로부터 상기 제2 볼트의 축까지의 거리를 C'라고 하는 경우, C'/(A'+B'+C')가 28% 이하인 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 볼트는 상기 중간 다이 블록 및 하부 다이 블록간 접면에 수직으로 체결된 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수직의 범위는 상기 접면으로부터 90 ± 10˚ 의 각도 범위인 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  9. 제7항에 있어서, 상기 하부 다이 블록과 중간 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
  10. 제7항에 있어서, 상기 하부 다이 립과 상기 중간 다이 립 사이에는 상기 하부 슬롯과 연통하는 하부 토출구가 형성되고, 상기 중간 다이 립과 상기 상부 다이 립 사이에는 상기 상부 슬롯과 연통하는 상부 토출구가 형성되며, 상기 제1 볼트의 볼트 머리보다 상기 제2 볼트의 볼트 머리가 상기 하부 토출구 및 상부 토출구로부터 더 멀게 위치하는 것을 특징으로 하는 다중 슬롯 다이 코터.
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