WO2022092826A1 - 슬롯 다이 코터 - Google Patents

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WO2022092826A1
WO2022092826A1 PCT/KR2021/015260 KR2021015260W WO2022092826A1 WO 2022092826 A1 WO2022092826 A1 WO 2022092826A1 KR 2021015260 W KR2021015260 W KR 2021015260W WO 2022092826 A1 WO2022092826 A1 WO 2022092826A1
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slot
die
shim plate
active material
electrode active
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PCT/KR2021/015260
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이택수
전신욱
조진호
최상훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • B05C5/0254—Coating heads with slot-shaped outlet
    • B05C5/0262—Coating heads with slot-shaped outlet adjustable in width, i.e. having lips movable relative to each other in order to modify the slot width, e.g. to close it
    • 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
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    • 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
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a slot die coater, and more particularly, to a slot die coater capable of uniform coating interfaces formed in the MD direction.
  • This application is a priority claim application for Korean Patent Application No. 10-2020-0141477 filed on October 28, 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.
  • FIG. 1 shows an example of a coating method using a conventional slot die coater.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along II-II′ of FIG. 1 , and is a cross-sectional view of the slot die coater taken along the MD direction (the traveling direction of the current collector).
  • the electrode active material slurry discharged from the slot die coater 30 on the current collector 20 transferred by the coating roll 10 is applied.
  • the electrode active material slurry discharged from the slot die coater 30 is widely applied to one surface of the current collector 20 to form an electrode active material layer.
  • the slot die coater 30 includes two die blocks 32 and 34 and forms a slot 36 between the two die blocks 32 and 34, and the manifold 38 has a feed part (not shown). ), the electrode active material slurry is accommodated, and the electrode active material slurry is discharged through the outlet 40 communicating with the slot 36 to form the electrode active material layer.
  • Reference numerals 42 and 44 denote die ribs, which are front ends of the die blocks 32 and 34, respectively.
  • the coating width of the electrode active material layer coated on the current collector 20 is determined by the width of the slot 36 .
  • various coating widths can be implemented by changing the shim plate 50 that determines the width of the inner space of the manifold 38 and the slot 36 .
  • FIGS. 3A to 3C schematically show an example of adjusting the coating width by varying the size and shape of the shim plate 50 inserted between the die blocks 32 and 34 .
  • one area of the shim plate 50 is cut and provided with an open portion 50a, and the die blocks 32 and 34 are interposed in the remaining portions except for one side of the edge area of the opposing surface.
  • Open portions 50a of the shim plate 50 such that the electrode active material layers 60 having a coating width of a are formed on the current collector 20 and uncoated areas 62 are formed on both sides of the electrode active material layer 60 .
  • the width of the opening 50a of the shim plate 50 is designed to be b.
  • the electrode active material layer 60 having a stripe pattern shape may be formed on the current collector 20 .
  • the shim plate 50 as shown in FIG. 3C is used. Referring to FIG. 3C , one region of the shim plate 50 is intermittently cut to include a plurality of openings 50a, and the width of the openings 50a becomes c smaller than a or b.
  • electrode active material layers 60 having a coating width c are formed in a plurality of stripe pattern shapes as many as the number of open portions 50a, and electrode active material layers 60 Uncoated regions 62 are formed on both sides of the .
  • the ends of the die lip 42 and the shim plate 50 are aligned.
  • the coating gap that is, the distance between the outlet 40 of the slot die coater 30 and the current collector 20 (or the distance between the die lips 42 and 44 and the current collector 20 ) is made small.
  • a large pressure is applied to the discharged electrode active material slurry due to the small coating gap.
  • the following problems frequently occur when forming the electrode active material layer 60 having a stripe pattern shape as shown in FIG. 3C .
  • FIG. 4 is a view showing a problem when using a conventional shim plate.
  • the electrode active material does not stably form an interface between the electrode active material layer 60 and the uncoated region 62 , but intermittently moves the electrode active material into an area outside the interface. Defects caused by scattering of the slurry are shown. As the electrode active material slurry scatters and is coated on the uncoated area 62 , boundary surface contamination occurs, or boundary surface irregularities such as wavy patterns are caused on the boundary surface.
  • the coating interface formed in the MD direction must be uniformly formed to avoid slitting defects when later slitting along the uncoated region 62 to form the electrodes with each electrode active material layer 60, The electrode disconnection does not occur after the secondary battery is manufactured due to the contamination remaining in the uncoated region 62 .
  • the present invention is to provide a slot die coater capable of uniformly forming a coating interface formed in the MD direction.
  • Slot die coater of the present invention for solving the above problems, at least two die blocks; a shim plate provided between two die blocks to form a slot; A slot die coater provided in the die block and including a manifold for accommodating the coating solution, and discharging and applying the coating solution on a substrate through a discharge port communicating with the slot, wherein the shim compared to the die lip, which is the tip of the die block It is characterized in that the end of the shim plate is moved backward relative to the die lip so that the end of the plate is offset.
  • the size of the offset may be 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • One area of the shim plate may be cut to determine a coating width of the coating layer applied on the substrate to have an open portion.
  • One region of the shim plate may be intermittently cut to determine the coating width of the coating layer applied on the substrate to have a plurality of openings, and a stripe pattern-shaped coating layer may be formed on the substrate.
  • the present invention for solving the above problems also provides a slot die coater having two slots, a so-called dual slot die coater.
  • Dual slot die coater according to the present invention, a lower die block; an intermediate die block disposed on the lower die block to form a lower slot therebetween; an upper die block disposed on the middle die block to form an upper slot therebetween; a lower shim plate for defining the lower slot; and an upper shim plate for defining the upper slot.
  • the lower die block, the middle die block and the upper die block each have a lower die lip, a middle die lip and an upper die lip forming a tip portion thereof, and the lower die lip and the middle die lip communicate with the lower slot between the lower die lip and the middle die lip.
  • a lower discharge port is formed, and an upper discharge port communicating with the upper slot is formed between the middle die lip and the upper die lip, and the dual slot die coater is disposed on the surface of the continuously running substrate among the lower slot and the upper slot.
  • the electrode active material layer is formed by extruding and applying the electrode active material slurry through at least one.
  • the lower shim plate and the upper shim plate are characterized in that the ends are moved backward relative to the lower die lip, the middle die lip and the upper die lip so that the ends are offset from the lower die lip, the middle die lip and the upper die lip.
  • One region of the lower shim plate and the upper shim plate may be cut to determine a coating width of the electrode active material layer formed on the substrate to have an open portion.
  • One region of the lower shim plate and the upper shim plate is intermittently cut to determine the coating width of the electrode active material layer formed on the substrate to have a plurality of openings, and the electrode active material layer having a stripe pattern is formed on the substrate it may be
  • the lower shim plate and the upper shim plate are aligned with each other in the vertical direction.
  • the lower die block includes a first manifold receiving a first electrode active material slurry and communicating with the lower slot, and the middle die block receiving a second electrode active material slurry and a second manifold communicating with the upper slot can be provided.
  • the lower shim plate is interposed between the lower die block and the intermediate die block to adjust the width of the lower slot.
  • the upper shim plate is interposed between the middle die block and the upper die block to adjust the width of the upper slot.
  • the offset size (A) of the upper shim plate and the offset size (B) of the lower shim plate may be the same or different.
  • the dual slot die coater is configured to simultaneously discharge two types of electrode active material slurries through the upper slot and the lower slot to form a double-layered electrode active material layer on the substrate, and the electrode active material slurry formed on the substrate
  • the coating gap (G) compared to the thickness (D) of the coating solution is 1.06 or more
  • A:B is 7:1 to 1:7 in the offset size (A) of the upper shim plate and the offset size (B) of the lower shim plate it is preferable
  • the end of the shim plate is moved backward relative to the die lip so that the end of the shim plate is offset from the die lip. According to this configuration, even if a large pressure is applied to the coating liquid discharged from the discharge port when the coating gap is made small, the die lip is formed after the coating liquid is sufficiently expanded from the end of the shim plate in the offset section, that is, after the discharge pressure is partially relieved. It can leave and reach the substrate so that the coating liquid does not scatter. Accordingly, an interface may be stably formed between the coated portion and the uncoated portion.
  • a dual slot die coater optimized for application of an electrode active material slurry is provided.
  • the end of the shim plate is moved backward relative to the die lip so that the end of the shim plate is offset from the die lip.
  • the electrode active material slurry does not scatter. Accordingly, an interface may be stably formed between the electrode active material layer and the uncoated region.
  • a dual slot die coater capable of simultaneously discharging two kinds of electrode active material slurries through an upper slot and a lower slot to form a double-layered electrode active material layer on a substrate. It is possible to stably form an interface between the double-layered electrode active material layer and the uncoated region. Accordingly, it is possible to obtain a coating product of uniform quality, particularly an electrode for a secondary battery.
  • the slot die coater of the present invention it is possible to uniformly form a coating layer, particularly an electrode active material layer, with a desired thickness and shape, and preferably, it is possible to simultaneously coat two types of electrode active material slurries, so both performance and productivity are excellent. It works.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of using a slot die coater according to the prior art.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view II-II′ of FIG. 1 .
  • 3A to 3C show examples of use of various conventional shim plates.
  • FIG. 4 is a view showing a problem when using a conventional shim plate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic exploded perspective view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows an example of use of a shim plate in a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic exploded perspective view of a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows an example of use of a lower shim plate in a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a side view of the dual slot die coater shown in FIG. 8 .
  • the slot die coater or dual slot die coater of the present invention is an apparatus having a slot and coating a coating solution on a substrate through the slot. Since the dual slot die coater has a lower slot and an upper slot, it is a device capable of coating a coating solution in a double layer.
  • 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 dual slot die coater of the present invention is optimized for electrode manufacturing in which two types of electrode active material slurries are applied simultaneously or two types of electrode active material slurries are applied alternately while pattern coating.
  • 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 and the coating liquid, or the first coating liquid and the second coating liquid may be any.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a schematic exploded perspective view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • 7 shows an example of use of a shim plate in a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • the slot die coater 100 includes two die blocks 110 and 130 .
  • a shim plate 113 for forming a slot 101 is provided between the die blocks 110 and 130 .
  • the slot die coater 100 is installed in a substantially horizontal direction (X direction) in which the electrode active material slurry, which is a coating liquid, is discharged (approximately: ⁇ 5 degrees).
  • X direction substantially horizontal direction
  • the electrode active material slurry which is a coating liquid
  • Z direction is the width direction of the slot die coater 100 .
  • a slot 101 is formed between where the die blocks 110 and 130 face each other.
  • the shim plate 113 is interposed here to provide a gap therebetween, thereby forming a slot 101 corresponding to a passage through which the coating solution 150 can flow.
  • the thickness of the shim plate 113 determines the vertical width (Y direction, slot gap) of the slot 101 .
  • one area of the shim plate 113 is intermittently cut to include a plurality of openings 113a, and one side of the edge area of the opposing surfaces of the die blocks 110 and 130 is formed. It may be interposed in the remaining part except for it. Accordingly, the discharge port 101a through which the coating solution 150 can be discharged to the outside is formed between the die ribs 111 and 131 which are the front ends of the die blocks 110 and 130 .
  • the discharge port 101a may be said to be formed by being spaced apart between the die ribs 111 and 131 .
  • the shim plate 113 serves as a gasket to prevent the coating liquid 150 from leaking into the gap between the die blocks 110 and 130, except for the area where the discharge port 101a is formed. It is preferably made of a material having sealing properties.
  • any one of the die blocks 110 and 130 has a manifold 112 having a predetermined depth and communicating with the slot 101 .
  • the manifold 112 is connected to a coating solution supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the coating solution 150 .
  • the coating solution 150 flows along the slot 101 and is discharged to the outside through the outlet 101a.
  • a rotatably provided coating roll 180 is disposed in front of the slot die coater 100, and the substrate to be coated 190 by rotating the coating roll 180 . ), by discharging the coating solution 150 and continuously contacting the surface of the substrate 190 to apply it to the substrate 190 .
  • a pattern coating may be intermittently formed on the substrate 190 by alternately supplying and stopping the coating solution 150 .
  • the shim plate 113 determines the coating width of the coating layer applied on the substrate 190 , and has the same state of use as in FIG. 7 .
  • the die block 130 located above in the slot die coater 100 of FIG. 5 is viewed downwardly after removal.
  • the end 113b of the shim plate 113 is moved backward relative to the die lip 111 so that the end 113b of the shim plate 113 is offset from the die lip 111 .
  • the end 113b of the shim plate 113 is moved backward compared to the die lip 131 which is not shown here.
  • the shim plate 113 shown in FIG. 7 includes a plurality of openings 113a in which one region is intermittently cut, and the coating layer 170 having a stripe pattern shape can be formed on the substrate 190 .
  • Reference number 172 denotes an uncoated region on which a coating layer is not formed. If there is one opening 113a, one coating layer 170 may be formed on the substrate 190 .
  • the size of the shim plate offset O may be 50um to 2000um. If the size of the offset O is smaller than 50 ⁇ m, the effect of having the offset is insignificant. If the size of the offset (O) is larger than 2000 ⁇ m, it may cause non-uniformity of the interface, so it should not exceed 2000 ⁇ m.
  • the size of the offset (O) may be determined in consideration of the coating speed, the viscosity of the coating solution, the thickness of the coating solution, the coating gap, and the like. If the other conditions are the same and the coating speed is fast, the size of the offset (O) should be increased. Other conditions are the same and if the viscosity of the coating solution increases, the size of the offset (O) should be increased. If the other conditions are the same and the thickness of the coating solution is large, the size of the offset (O) should be increased. Other conditions are the same, and if the coating gap becomes smaller, the size of the offset (O) should be increased.
  • the end 113b of the shim plate 113 is moved backward relative to the die ribs 111 and 131, so that the end ( 113b) is offset. According to this configuration, even if a large pressure is applied to the coating liquid 150 when the coating gap is made small, in the offset (O) section, the die lip 111, 131) and can be discharged on the substrate 190, so that the coating solution 150 does not scatter to other parts. Accordingly, an interface may be stably formed between the coated portion and the uncoated portion.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • 9 is a schematic exploded perspective view of a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • 10 shows an example of use of a lower shim plate in a dual slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • 11 is a side view of the dual slot die coater shown in FIG. 8 .
  • the dual slot die coater 200 has a lower slot 201 and an upper slot 202, and through the lower slot 201 and the upper slot 202, the same or different two kinds of coating solutions are coated on the substrate ( 290) simultaneously or alternately.
  • the dual slot die coater 200 includes a lower die block 210 , an intermediate die block 220 disposed on the lower die block 210 , and the intermediate die block 220 . and an upper die block 230 disposed on top of the
  • the dual slot die coater 200 is installed in a substantially horizontal direction (X direction) in which the electrode active material slurry, which is the coating liquid, is discharged (approximately: ⁇ 5 degrees).
  • the middle die block 220 is a block located in the middle among the blocks constituting the dual slot die coater 200, and is disposed between the lower die block 210 and the upper die block 230 to form a double slot.
  • the intermediate die block 220 of the present embodiment has a cross section of a right triangle, but this shape is not necessarily limited thereto.
  • the cross section may be provided as an isosceles triangle.
  • the first side 220a on which the middle die block 220 faces the upper die block 230 lies substantially horizontally, and the first side 220a of the upper die block 230 has a surface 230b opposite the first side 220a.
  • the opposite surface 230d that is, the surface forming the upper surface of the outer peripheral surface of the dual slot die coater 200, is also placed almost horizontally. In this way, the first surface 220a and the opposite surface 230d are substantially parallel to each other.
  • the bottom surface 210d of the lower die block 210 and the upper die block ( The upper surface 230d of the 230 may be manufactured to be substantially perpendicular to the rear surfaces 210c and 230c.
  • the first surface 220a of the intermediate die block 220 may be manufactured to be substantially perpendicular to the rear surface 220c.
  • the state in which the lower die block 210, the middle die block 220, and the upper die block 230 are combined has an approximately rectangular parallelepiped shape as a whole, and only the front portion from which the coating liquid is discharged is inclined toward the substrate 290.
  • This is advantageous in that the shape after assembly is substantially similar to that of a slot die coater having a single slot (eg, 100 in FIG. 5 ), so that a slot die coater pedestal and the like can be shared.
  • the dual slot die coater 200 may further include two or more fixing units 240 provided on the rear surfaces 210c, 220c, and 230c thereof.
  • the fixing part 240 is provided for fastening between the lower die block 210 and the middle die block 220 and for fastening between the middle die block 220 and the upper die block 230 .
  • a plurality of fixing units 240 may be provided along the width direction of the dual slot die coater 200 . Bolts are fastened to the fixing part 240 , through which the lower die block 210 , the middle die block 220 , and the upper die block 230 are assembled with each other.
  • the lower die block 210 , the middle die block 220 , and the upper die block 230 are not necessarily limited to the above examples, for example, with the direction in which the coating liquid is discharged faces up and the rear surfaces 210c, 220c, 230c ) can also be configured as a vertical die with the bottom surface.
  • the lower die block 210 is a block located at the bottom of the blocks constituting the dual slot die coater 200 , and the surface 210b facing the middle die block 220 is approximately with respect to the bottom surface 210d. It has an inclined shape to form an angle of 20 to 60 degrees.
  • the lower slot 201 may be formed between the lower die block 210 and the middle die block 220 where they face each other.
  • the lower shim plate 213 is interposed between the lower die block 210 and the intermediate die block 220 to provide a gap therebetween, so that the lower slot corresponding to the passage through which the first coating solution 250 can flow.
  • 201 may be formed. That is, the lower shim plate 213 defines the lower slot 201 , and in this case, the thickness of the lower shim plate 213 determines the upper and lower width (Y-axis direction, slot gap) of the lower slot 201 . .
  • one region of the lower shim plate 213 is intermittently cut to include a plurality of first openings 213a, and the lower die block 210 and the intermediate die block ( 220) may be interposed in the remaining portions except for one side of the edge region of each of the opposing surfaces.
  • the lower discharge port 201a through which the first coating liquid 250 can be discharged to the outside is the lower die lip 211 which is the front end of the lower die block 210 and the middle die lip 221 which is the front end of the intermediate die block 220 .
  • the lower discharge port 201a may be formed as a space between the lower die lip 211 and the middle die lip 221 .
  • the first coating liquid 250 does not leak through the gap between the lower die block 210 and the intermediate die block 220, except for the area where the lower discharge port 201a is formed. It is preferable that it is made of a material having sealing properties while also serving as a gasket to prevent it from happening.
  • the lower die block 210 has a predetermined depth on a surface 210b facing the middle die block 220 and includes a first manifold 212 communicating with the lower slot 201 .
  • the first manifold 212 is connected to a first coating solution supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the first coating solution 250 .
  • a first coating solution supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the first coating solution 250 .
  • the first manifold 212 may be provided on a surface 220b of the intermediate die block 220 facing the lower die block 210 .
  • the upper die block 230 is disposed to face the first surface 220a that is the upper surface of the intermediate die block 220 that is horizontal to the bottom surface.
  • the upper slot 202 is thus formed between the middle die block 220 and the upper die block 230 where they face.
  • the upper shim plate 233 may be interposed between the intermediate die block 220 and the upper die block 230 to provide a gap therebetween. Accordingly, an upper slot 202 corresponding to a passage through which the second coating solution 260 can flow is formed. In this case, the vertical width (Y direction, slot gap) of the upper slot 202 is determined by the upper shim plate 233 .
  • the upper shim plate 233 has a structure similar to the above-described lower shim plate 213 , and has a plurality of second openings 233a by intermittently cutting one region, and includes the intermediate die block 220 and the upper die.
  • the block 230 is interposed only in the remaining portion except for one side of the edge area of the opposing surface of each block 230 .
  • the circumferential direction except for the front of the upper slot 202 is blocked, and the upper discharge port 202a is formed only between the front end of the intermediate die block 220 and the front end of the upper die block 230 .
  • the front end of the upper die block 230 is defined as an upper die lip 231 , in other words, the upper discharge port 202a is formed by being spaced apart between the intermediate die lip 221 and the upper die lip 231 . there is.
  • the upper shim plate 233 thus defines an upper slot 202 .
  • the intermediate die block 220 includes a second manifold 232 communicating with the upper slot 202 having a predetermined depth on a first surface 220a that is a surface facing the upper die block 230 .
  • the second manifold 232 is connected to the second coating solution 260 supply chamber and the supply pipe installed outside to receive the second coating solution 260 .
  • the second coating solution 260 is supplied from the outside along the pipe-shaped supply pipe and fills the second manifold 232 , the second coating solution 260 is in the upper slot communicating with the second manifold 232 .
  • the flow is guided along the 202 and discharged to the outside through the upper discharge port 202a.
  • the second manifold 232 may be provided on the surface 230b facing the middle die block 220 in the upper die block 230 .
  • the upper slot 202 and the lower slot 201 form a constant angle, and the angle may be approximately 20 degrees to 70 degrees.
  • the upper slot 202 and the lower slot 201 may cross each other at one place, and the upper outlet 202a and the lower outlet 201a may be provided near the crossing point. Accordingly, the discharge points of the first coating liquid 250 and the second coating liquid 260 may be concentrated in approximately one place.
  • the dual slot die coater 200 drives the substrate 290 to be coated by disposing a rotatably provided coating roll 280 in front of the dual slot die coater 200 and rotating the coating roll 280 . while extruding a coating solution such as an electrode active material slurry through at least one of the upper slot 202 and the lower slot 201 to form an electrode active material layer on the substrate 290 .
  • a coating solution such as an electrode active material slurry
  • the lower shim plate 213 and the upper shim plate 233 determine the coating width of the electrode active material layer applied on the substrate 290 , and have the same state of use as in FIG. 10 .
  • FIG. 10 after removing the upper die block 230 and the middle die block 220 on the dual slot die coater 200 of FIG. 8 , a view looking down is shown.
  • the end 213b of the lower shim plate 213 is moved backward relative to the lower die lip 211 so that the end 213b of the lower shim plate 213 is offset from the lower die lip 211 .
  • the first coating solution 250 from the first manifold 212 may be discharged toward the substrate 290 through the opening 213a of the lower shim plate 213 .
  • the lower die lip 211 and the middle die lip 221 are aligned so that they are in a straight line, so the end 213b of the lower shim plate 213 is even smaller than the intermediate die lip 221 which is not shown here. it is backwards
  • the size of the offset O may be 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • An example of use of the upper shim plate 233 is the same as that of the lower shim plate 213 , and the end 233b of the upper shim plate 233 is also offset with respect to the upper die lip 221 and the middle die lip 221 .
  • the size of the offset O of the upper shim plate 233 may also be 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the lower shim plate 213 and the upper shim plate 233 are aligned with each other in the up-down direction (X direction) and left-right direction (Z direction), so that they can be used as shown in FIG. 11 .
  • a rotatably provided coating roll 280 is disposed in front of the dual slot die coater 200 , and the coating While the substrate 290 to be coated is driven by rotating the roll 280, the first coating liquid 250 and the second coating liquid 260 are continuously brought into contact with the surface of the substrate 290 to show the substrate 290 It can be coated with a double layer as described above.
  • supply and interruption of the first coating liquid 250 and supply and interruption of the second coating liquid 260 may be alternately performed to form a pattern coating intermittently on the substrate 290 .
  • the offset size A of the upper shim plate 233 and the offset size B of the lower shim plate 213 may be the same or different.
  • A>B, A ⁇ B, or A B.
  • the coating gap G is adjusted between a value 20% larger and 20% smaller than the thickness D of the coating solution.
  • the coating gap (G) relative to the thickness (D) of the coating solution is preferably set to have a value between 0.8 and 1.2.
  • the coating gap (G) is too large than the thickness (D) of the coating solution, fat-egde occurs in which the edge of the coating layer is thickly formed.
  • the coating gap (G) is too small than the thickness (D) of the coating solution, a large pressure is applied, so that pattern defects due to scattering of the coating solution or the like occur.
  • the standard of 20% is set in consideration of this point.
  • the coating width is out of the range adjustable by the coating gap (G).
  • A:B is 7 in the offset size (A) of the upper shim plate 233 and the offset size (B) of the lower shim plate 213 when the coating gap (G) relative to the coating solution thickness (D) is 1.06 or more It has been found that :1 to 1:7 are preferred.
  • the coating gap (G) compared to the thickness of the coating solution (D) is 1.06 or more, if A:B is out of the above range, a pattern defect occurs.
  • pattern defects are prevented by basically setting the offset size A of the upper shim plate 233 and the offset size B of the lower shim plate 213 within the range of 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m, respectively.
  • the ratio of the offset size (A) of the upper shim plate 233 to the offset size (B) of the lower shim plate 213 should also be considered when the coating gap (G) compared to the thickness (D) of the coating solution is greater than 1.06. do.
  • the offset size (A) of the upper shim plate 233 and the offset size of the lower shim plate (213) as a solution to relieve the pressure applied to the coating solution It is sufficient if (B) is set within the range of 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m, respectively, but when the coating gap (G) compared to the thickness of the coating solution (D) is greater than a predetermined value, the offset size (A) of the upper shim plate 233 and the lower shim plate (213) ), it should be noted that pattern defects can be completely prevented by adjusting up to A:B in the offset size (B).
  • the dual slot die coater 200 is optimized for application of an electrode active material slurry for manufacturing a secondary battery.
  • the thickness of the electrode active material layer which was about 130 ⁇ m, gradually increased to reach 300 ⁇ m.
  • 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.
  • two types of electrode active material slurries can be simultaneously applied by using the dual slot die coater 200 .
  • the electrode active material slurry scatters. I never do that. Accordingly, an interface may be stably formed between the electrode active material layer and the uncoated region.
  • the electrode active material layer having a stripe pattern it is possible to stably form the electrode active material layer without contamination at the boundary or non-uniformity at the boundary such as a wave pattern on the boundary. This ensures that there is no defect in the slitting along the uncoated area. It is possible to reduce the discarded electrode plate, so the cost reduction effect is excellent.
  • the offset size (A) of the upper shim plate 233 and the offset size (B) of the lower shim plate 213 are A:B.
  • the two types of electrode active material slurries are simultaneously discharged through the upper slot 202 and the lower slot 201 to form a double-layered electrode active material layer on the substrate 290, different types of electrodes
  • an interface may be stably formed between the double-layered electrode active material layer and the uncoated region. Accordingly, it is possible to obtain a coating product of uniform quality, particularly an electrode for a secondary battery.
  • a coating layer particularly an electrode active material layer
  • a coating layer can be uniformly formed to a desired thickness and shape, and preferably, two types of electrode active material slurries can be coated simultaneously. and productivity both have excellent effects.
  • the effect of preventing the electrode active material slurry from scattering by relieving the pressure of the electrode active material slurry by the simple offset is excellent. This has the effect of forming a stable interface, securing coating processability, and securing reproducibility.
  • the offset is 0 when the end of the shim plate is aligned with the die lip.
  • Examples 1 to 5 are cases in which the end of the shim plate is retreated from the die lip to have an offset of 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the offset is 2500 ⁇ m, which is a case in which the preferred offset range proposed in the present invention is exceeded.
  • the coating speed was all set to 50 m/min.
  • the viscosity of the electrode active material slurry, which is the coating solution, was 4000 cps.
  • the thickness of the coating solution was 100 ⁇ m as a target. Coating gaps of 90um, 105um, 115um, and 125um were tested, respectively.
  • the coating gap is 90 ⁇ m, which is smaller than 100 ⁇ m, which is the thickness of the coating solution.
  • the total thickness of the coating solution obtained by adding the thickness of the upper coating solution by the second coating solution 260 and the thickness of the lower coating solution by the first coating solution 250 to 160 ⁇ m was targeted.
  • the coating gaps were tested for 150um, 170um, 180um, and 190um, respectively.
  • Comparative Examples 10 and 11 are particularly noteworthy in which the upper shim plate offset size (A) and the lower shim plate offset size (B) are within the range suggested in the present invention, but A: B is This is a case outside the scope of the invention. At this time, border non-uniformity was observed.
  • an electrode active material layer having no boundary contamination, a uniform interface, and no other defects is obtained by adjusting the upper shim plate offset size (A) and the lower shim plate offset size (B) from 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • A upper shim plate offset size
  • B lower shim plate offset size
  • the interface is uniform and other An electrode active material layer without defects can be formed.
  • coating solution 170 coating layer
  • first manifold 213 lower shim plate
  • middle die block 221 intermediate die lip

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Abstract

MD 방향으로 형성되는 코팅 경계면을 균일하게 형성할 수 있는 슬롯 다이 코터를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 슬롯 다이 코터는, 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 다이 블록의 선단부인 다이립 대비 상기 심 플레이트의 끝단이 오프셋되도록 상기 심 플레이트의 끝단이 상기 다이립에 비해 후진되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

슬롯 다이 코터
본 발명은 슬롯 다이 코터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, MD 방향으로 형성되는 코팅 경계면을 균일하게 할 수 있는 슬롯 다이 코터에 관한 것이다. 본 출원은 2020년 10월 28일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2020-0141477호에 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.
도 1은 종래 슬롯 다이 코터를 이용한 코팅 방법의 일 예를 도시한다. 도 2는 도 1의 II-II' 단면도로서, MD 방향(집전체의 주행 방향)을 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 슬롯 다이 코터(30)를 이용한 전극 제조 방법에서는, 코팅 롤(10)에 의해 이송되는 집전체(20) 위에 슬롯 다이 코터(30)로부터 토출된 전극 활물질 슬러리를 도포하게 된다. 슬롯 다이 코터(30)에서 토출된 전극 활물질 슬러리는 집전체(20)의 일 면에 넓게 도포되어 전극 활물질층을 형성한다. 슬롯 다이 코터(30)는 2개의 다이 블록(32, 34)를 포함하고 2개의 다이 블록(32, 34) 사이에 슬롯(36)을 형성한 것으로, 매니폴드(38)에는 피드부(미도시)로부터 공급되는 전극 활물질 슬러리가 수용되어 있다가 슬롯(36)과 연통된 토출구(40)를 통해 전극 활물질 슬러리가 토출되어 전극 활물질층을 형성할 수가 있는 것이다. 참조번호 42와 44는 다이 블록(32, 34)의 선단부인 다이립을 각각 가리킨다.
집전체(20) 위에 코팅되는 전극 활물질층의 코팅 폭은 슬롯(36)의 폭에 의해 결정된다. 코팅폭의 변경이 필요할 경우, 매니폴드(38)의 내부 공간 및 슬롯(36)의 폭을 결정하는 심 플레이트(Shim plate, 50)를 변경하여 다양한 코팅폭을 구현할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3a 내지 도 3c에는 다이 블록(32, 34)의 사이에 삽입되는 심 플레이트(50)의 사이즈 및 모양을 달리하여 코팅폭을 조절하는 예가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3a를 참조하면, 심 플레이트(50)는 일 영역이 절개되어 개방부(50a)를 구비하며, 다이 블록(32, 34) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재된다. 집전체(20) 위에 코팅폭이 a인 전극 활물질층(60)이 형성되고 전극 활물질층(60)의 양 옆으로는 무지부(62)가 형성되도록, 심 플레이트(50)의 개방부(50a)의 폭을 a로 설계한다.
도 3b를 참조해, 집전체(20) 위에 코팅폭이 a보다 작은 b인 전극 활물질층(60)을 형성하려면, 심 플레이트(50)의 개방부(50a)의 폭을 b로 설계한다.
필요에 따라서는 집전체(20) 위에 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층(60)을 형성하는 경우가 있다. 그러한 경우에는 도 3c와 같은 심 플레이트(50)를 사용한다. 도 3c를 참조하면, 심 플레이트(50)는 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부(50a)를 구비하며, 개방부(50a)의 폭이 a나 b보다 작은 c가 된다. 이러한 심 플레이트(50)를 사용하면 집전체(20) 위에는 코팅폭이 c인 전극 활물질층(60)이 개방부(50a)의 개수만큼 다수 개 스트라이프 패턴 모양으로 형성되고, 전극 활물질층(60)의 양 옆으로는 무지부(62)가 형성된다.
도 3a 내지 도 3c에서, 다이립(42)과 심 플레이트(50)의 끝단이 맞추어져 있음을 주목해야 한다. 여러 가지 이유에서 코팅 갭, 즉 슬롯 다이 코터(30)의 토출구(40)와 집전체(20) 사이의 거리 (또는 다이 립(42, 44)과 집전체(20) 사이의 거리)를 작게 하는 경우, 특히 코팅 두께보다 코팅 갭을 작게 하는 경우에는, 작은 코팅 갭 때문에 토출되는 전극 활물질 슬러리에 큰 압력이 인가된다. 이로 인해, 도 3c와 같은 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층(60) 형성시 다음과 같은 문제가 자주 발생하고 있다.
도 4는 종래 심 플레이트 사용시 문제점을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 토출되는 전극 활물질 슬러리에 큰 압력이 인가된 결과, 전극 활물질층(60)과 무지부(62) 사이에 안정적으로 경계면을 형성하는 것이 아닌, 간헐적으로 경계면 외의 영역으로 전극 활물질 슬러리가 비산하여 발생하는 불량이 도시되어 있다. 전극 활물질 슬러리가 비산하여 무지부(62)에 코팅이 되면서 경계부 오염을 발생시키거나, 경계면에 물결 무늬와 같은 경계면 불균일을 유발한다. MD 방향으로 형성되는 코팅 경계면은 균일하게 형성되어야 나중에 무지부(62)를 따라 슬리팅(slitting)하여 각각의 전극 활물질층(60)으로 전극을 형성할 때에 슬리팅 불량을 발생시키지 않으며, 혹시라도 무지부(62)에 남아 있는 오염에 의해 이차전지 제조 후 전극 단선이 되는 일이 발생하지 않는다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, MD 방향으로 형성되는 코팅 경계면을 균일하게 형성할 수 있는 슬롯 다이 코터를 제공하고자 하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 슬롯 다이 코터는, 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 다이 블록의 선단부인 다이립 대비 상기 심 플레이트의 끝단이 오프셋(offset)되도록 상기 심 플레이트의 끝단이 상기 다이립에 비해 후진되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 오프셋의 크기는 50um 내지 2000um일 수 있다.
상기 심 플레이트는 상기 기재 상에 도포되는 코팅층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비할 수 있다.
상기 심 플레이트는 상기 기재 상에 도포되는 코팅층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부를 구비하며, 상기 기재 상에 스트라이프 패턴 모양의 코팅층이 형성되는 것일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에서는 슬롯이 2개인 슬롯 다이 코터, 이른바 듀얼 슬롯 다이 코터도 제공한다. 본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터는, 하부 다이 블록; 상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록; 상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록; 상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및 상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 포함한다. 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록은 각각 그 선단부를 형성하는 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립을 구비하고, 상기 하부 다이립과 상기 중간 다이립 사이에는 상기 하부 슬롯과 연통하는 하부 토출구가 형성되고, 상기 중간 다이립과 상기 상부 다이립 사이에는 상기 상부 슬롯과 연통하는 상부 토출구가 형성되며, 상기 듀얼 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포해 전극 활물질층을 형성하는 것이다. 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립 대비 끝단이 오프셋되도록 상기 끝단이 상기 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립에 비해 후진되어 있는 것이 특징이다.
상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비할 수 있다.
상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부를 구비하며, 상기 기재 상에 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층이 형성되는 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있다.
상기 하부 다이 블록은 제1 전극 활물질 슬러리를 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드를 구비하고, 상기 중간 다이 블록은 제2 전극 활물질 슬러리를 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 구비할 수 있다.
상기 하부 심 플레이트는 상기 하부 다이 블록과 상기 중간 다이 블록 사이에 개재되어 상기 하부 슬롯의 폭을 조절하게 된다. 상기 상부 심 플레이트는 상기 중간 다이 블록과 상기 상부 다이 블록 사이에 개재되어 상기 상부 슬롯의 폭을 조절하게 된다.
상기 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 상기 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)는 동일하거나 다를 수 있다.
상기 듀얼 슬롯 다이 코터는 상기 상부 슬롯과 하부 슬롯을 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출하여 상기 기재 상에 2중층의 전극 활물질층을 형성하도록 구성되며, 상기 기재 상에 형성되는 상기 전극 활물질 슬러리의 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 1.06 이상일 때에 상기 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B가 7:1 내지 1:7인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 심 플레이트의 끝단이 다이립에 비해 후진되도록 하여 다이립 대비 심 플레이트의 끝단이 오프셋되도록 한다. 이러한 구성에 의하면, 코팅 갭을 작게 하는 경우에 토출구에서 토출되는 코팅액에 큰 압력이 인가되더라도, 오프셋 구간에서 코팅액이 심 플레이트 끝단에서부터 충분히 확장된 후에, 즉 토출 압력이 일정 부분 해소된 후에 다이립을 떠나 기재 상에 도달할 수 있어 코팅액이 비산하지 않는다. 따라서, 코팅부와 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 전극 활물질 슬러리 도포에 최적화된 듀얼 슬롯 다이 코터가 제공된다. 여기에서도 심 플레이트의 끝단이 다이립에 비해 후진되도록 하여 다이립 대비 심 플레이트의 끝단이 오프셋되도록 한다. 이러한 구성에 의하면, 코팅 갭을 작게 하는 경우에 전극 활물질 슬러리에 큰 압력이 인가되더라도, 전극 활물질 슬러리가 비산하지 않는다. 따라서, 전극 활물질층과 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다. 특히 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층을 형성할 때에 경계부 오염을 발생시키거나 경계면에 물결 무늬와 같은 경계면 불균일 없이 안정적으로 전극 활물질층을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상부 슬롯과 하부 슬롯을 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출하여 기재 상에 2중층의 전극 활물질층을 형성할 수 있는 듀얼 슬롯 다이 코터가 제공된다. 2중층의 전극 활물질층과 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다. 따라서, 균일한 품질의 코팅품, 특히 이차전지용 전극을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 코팅액 두께 대비 코팅 갭이 소정 값 이상일 때에는 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B까지 조절함으로써 패턴 불량을 완전히 방지할 수 있다.
이러한 본 발명의 슬롯 다이 코터를 이용하면 소망하는 두께 및 모양으로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 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 슬롯 다이 코터의 이용 예를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c에는 다양한 종래 심 플레이트의 사용예가 도시되어 있다.
도 4는 종래 심 플레이트 사용시 문제점을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터에서 심 플레이트의 사용예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터에서 하부 심 플레이트의 사용예를 도시한다.
도 11은 도 8에 도시한 듀얼 슬롯 다이 코터의 측면도이다.
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 슬롯 다이 코터나 듀얼 슬롯 다이 코터는 슬롯을 구비하고 슬롯을 통해 기재 상에 코팅액을 코팅하는 장치이다. 듀얼 슬롯 다이 코터는 하부 슬롯과 상부 슬롯을 구비하므로 코팅액을 이중층으로 코팅할 수 있는 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. 특히 본 발명의 듀얼 슬롯 다이 코터는 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포하거나 2종의 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 코팅액, 또는 제1 코팅액과 제2 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터에서 심 플레이트의 사용예를 도시한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 슬롯 다이 코터(100)는 2개의 다이 블록(110, 130)을 포함한다. 다이 블록(110, 130) 사이에는 슬롯(101)을 형성하기 위한 심 플레이트(113)가 구비되어 있다. 다이 블록은 2개 이상일 수 있다.
도 5에서, 슬롯 다이 코터(100)는 코팅액인 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향(X 방향)을 거의 수평으로 해 설치되어 있다(거의 : ± 5도). 하지만 여기서 예로 든 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대, 코팅액이 토출되는 방향을 위(Y 방향)로 하는 수직 다이로 구성할 수도 있다. Z 방향은 슬롯 다이 코터(100)의 폭 방향이다.
슬롯(101)은 다이 블록(110, 130)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성된다. 여기에 심 플레이트(113)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 코팅액(150)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 슬롯(101)이 형성되는 것이다. 심 플레이트(113)의 두께는 슬롯(101)의 상하 폭(Y 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.
심 플레이트(113)는 도 6에 도시한 바와 같이, 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부(113a)를 구비하며, 다이 블록(110, 130) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 코팅액(150)이 외부로 토출될 수 있는 토출구(101a)는 다이 블록(110, 130)의 각 선단부인 다이립(111, 131) 사이에 형성된다. 토출구(101a)는 다이립(111, 131) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
참고로, 심 플레이트(113)는 토출구(101a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 다이 블록(110, 130) 사이의 틈새로 코팅액(150)이 누출되지 않도록 하는 가스켓(gasket)으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
다이 블록(110, 130) 중 어느 하나에는 소정의 깊이를 가지며 슬롯(101)과 연통하는 매니폴드(112)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 매니폴드(112)는 외부에 설치된 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 코팅액(150)을 공급받는다. 매니폴드(112) 내에 코팅액(150)이 가득 차게 되면, 상기 코팅액(150)이 슬롯(101)을 따라 흐름이 유도되고 토출구(101a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
이러한 구성을 갖는 슬롯 다이 코터(100)에 의하면, 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(180)을 슬롯 다이 코터(100)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(180)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(190)를 주행시키면서, 코팅액(150)을 토출해 연속적으로 상기 기재(190)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(190)에 도포할 수가 있다. 또는 코팅액(150)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(190) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수도 있다.
여기에서, 심 플레이트(113)는 기재(190) 상에 도포되는 코팅층의 코팅폭을 결정하는 것으로, 도 7에서와 같은 사용 상태를 가진다.
도 7을 참조하면, 도 5의 슬롯 다이 코터(100)에서 위에 있는 다이 블록(130)은 제거 후 아래 방향으로 내려다 본 모습을 도시하였다. 다이립(111) 대비 심 플레이트(113)의 끝단(113b)이 오프셋되도록, 심 플레이트(113)의 끝단(113b)이 다이립(111)에 비해 후진되어 있다. 보통 다이립(111, 131)이 일직선 상에 있도록 정렬하여 사용하게 되므로, 심 플레이트(113)의 끝단(113b)은 여기에 도시하지 않은 다이립(131)에 비해서도 후진된 것이다.
특히 도 7에 나타낸 심 플레이트(113)는 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부(113a)를 구비하는 것으로, 기재(190) 상에 스트라이프 패턴 모양의 코팅층(170)을 형성할 수가 있다. 참조 번호 172는 코팅층이 형성되지 않은 무지부이다. 만약 개방부(113a)가 1개이면 기재(190) 상에 하나의 코팅층(170)을 형성할 수 있다.
바람직하게, 심 플레이트 오프셋(O)의 크기는 50um 내지 2000um일 수 있다. 오프셋(O)의 크기가 50um보다 작으면 오프셋을 가지도록 한 효과가 미미하다. 오프셋(O)의 크기가 2000um보다 크면 오히려 경계면 불균일을 일으킬 수 있으므로 2000um을 넘지 않도록 한다. 오프셋(O)의 크기는 코팅 속도, 코팅액의 점도, 코팅액 두께, 코팅 갭 등을 고려하여 결정할 수 있다. 다른 조건은 동일하고 코팅 속도가 빠르다면 오프셋(O)의 크기를 크게 해야 한다. 다른 조건은 동일하고 코팅액의 점도가 커진다면 오프셋(O)의 크기를 크게 해야 한다. 다른 조건은 동일하고 코팅액 두께가 크다면 오프셋(O)의 크기를 크게 해야 한다. 다른 조건은 동일하고 코팅 갭이 작아진다면 오프셋(O)의 크기를 크게 해야 한다.
이와 같이, 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)에서는 심 플레이트(113)의 끝단(113b)이 다이립(111, 131)에 비해 후진되도록 하여 다이립(111) 대비 심 플레이트(113)의 끝단(113b)이 오프셋되도록 한다. 이러한 구성에 의하면, 코팅 갭을 작게 하는 경우에 코팅액(150)에 큰 압력이 인가되더라도, 오프셋(O) 구간에서 코팅액(150)이 심 플레이트 끝단(113b)에서부터 충분히 확장된 후에 다이립(111, 131)을 떠나 기재(190) 상에 토출될 수 있어 코팅액(150)이 다른 부위로 비산하지 않는다. 따라서, 코팅부와 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터에서 하부 심 플레이트의 사용예를 도시한다. 도 11은 도 8에 도시한 듀얼 슬롯 다이 코터의 측면도이다.
본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 구비하고 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 통하여 서로 같거나 다른 2종의 코팅액을 기재(290) 상에 동시에 혹은 번갈아 코팅할 수 있는 장치이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 하부 다이 블록(210), 상기 하부 다이 블록(210)의 상부에 배치되는 중간 다이 블록(220), 상기 중간 다이 블록(220)의 상부에 배치되는 상부 다이 블록(230)을 포함한다.
도 8에서, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 코팅액인 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향(X 방향)을 거의 수평으로 해 설치되어 있다(거의 : ± 5도).
중간 다이 블록(220)은 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 구성하는 블록들 중 중간에 위치하는 블록으로서, 하부 다이 블록(210)과 상부 다이 블록(230) 사이에 배치되어 이중 슬롯을 형성하기 위한 블록이다. 본 실시예의 중간 다이 블록(220)은 단면이 직각 삼각형이지만 이러한 형태로 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니며 예컨대, 단면이 이등변 삼각형으로 마련될 수도 있다.
중간 다이 블록(220)이 상부 다이 블록(230)과 대면하고 있는 제1 면(220a)은 거의 수평으로 놓이고 상부 다이 블록(230)에서 제1 면(220a)과 마주보는 면(230b)의 반대면(230d, 즉, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면 상면을 형성하는 면)도 거의 수평으로 놓인다. 이와 같이 제1 면(220a)과 반대면(230d)이 거의 평행하게 되어 있다. 그리고 하부 다이 블록(210)이 중간 다이 블록(220)과 대면하고 있는 면(210b)의 반대면(110d, 즉 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면 하면을 형성하는 면)도 거의 수평으로 놓이며, 이 면은 바닥면(210d, X-Z 평면)이 된다.
상기 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면, 즉 후면(210c, 220c, 230c)은 거의 수직(Y 방향)으로 놓여 있다.
가장 외측 다이 블록인 하부 다이 블록(210)과 상부 다이 블록(230)에서 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 외주면을 형성하는 면 중 하부 다이 블록(210)의 바닥면(210d)과 상부 다이 블록(230)의 상면(230d)은 후면(210c, 230c)에 대해서 거의 수직이 되도록 제작된 것을 사용할 수 있다. 그리고 중간 다이 블록(220)의 제1 면(220a)은 후면(220c)에 대해서 거의 수직이 되도록 제작된 것을 사용할 수 있다. 이러한 다이 블록들(210, 220, 230)에서는 면과 면이 이루는 모서리가 직각으로 구성되기 때문에 단면상 직각부가 존재하고 수직 또는 수평면을 기준이 되는 면으로 할 수 있기 때문에 그 제작이나 취급이 쉽고 정밀도가 보장된다. 또한, 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 조합된 상태는 전체적으로 대략 직육면체 형태를 가지며, 코팅액이 토출되는 전방부만 기재(290)를 향하여 비스듬한 형태를 가지게 된다. 이것은 조립한 후의 형상이 단일 슬롯을 구비하는 슬롯 다이 코터(예를 들어 도 5의 100)와 대략 유사하게 되어 슬롯 다이 코터 받침대 등을 공용할 수 있는 등의 이점이 있다.
듀얼 슬롯 다이 코터(200)는, 그 후면(210c, 220c, 230c)에 구비되는 둘 이상의 고정부(240)를 더 포함할 수 있다. 고정부(240)는 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이를 체결하는 것과, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 사이를 체결하는 것이 구비된다. 고정부(240)는 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 폭 방향을 따라 여러 개가 구비될 수 있다. 고정부(240)에는 볼트가 체결되고, 이를 통해 하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 서로 조립된다.
하부 다이 블록(210), 중간 다이 블록(220) 및 상부 다이 블록(230)이 반드시 위에서 예로 든 형태로 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대, 코팅액이 토출되는 방향을 위로 하고 후면(210c, 220c, 230c)을 바닥면으로 하는 수직 다이로 구성할 수도 있다.
하부 다이 블록(210)은 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 구성하는 블록들 중 가장 하부에 위치하는 블록으로서, 중간 다이 블록(220)과 마주보는 면(210b)이 바닥면(210d)에 대해 대략 20도 내지 60도의 각도를 이루도록 경사진 형태를 갖는다.
하부 슬롯(201)은 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성될 수 있다. 이를테면, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이에 하부 심 플레이트(213)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련됨으로써 제1 코팅액(250)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 하부 슬롯(201)이 형성될 수 있다. 즉, 하부 심 플레이트(213)는 하부 슬롯(201)을 정의하며, 이 경우, 하부 심 플레이트(213)의 두께는 상기 하부 슬롯(201)의 상하 폭(Y축 방향, 슬롯 갭)을 결정한다.
상기 하부 심 플레이트(213)는 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수개의 제1 개방부(213a)를 구비하며, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에 개재될 수 있다. 이에 제1 코팅액(250)이 외부로 토출될 수 있는 하부 토출구(201a)는 하부 다이 블록(210)의 선단부인 하부 다이립(211)과 중간 다이 블록(220)의 선단부인 중간 다이립(221) 사이에만 형성된다. 하부 토출구(201a)는 하부 다이립(211)과 중간 다이립(221) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
참고로, 하부 심 플레이트(213)는 하부 토출구(201a)가 형성되는 영역을 제외하고는, 하부 다이 블록(210)과 중간 다이 블록(220) 사이의 틈새로 제1 코팅액(250)이 누출되지 않도록 하는 가스켓으로서의 기능을 겸함으로 밀봉성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하부 다이 블록(210)은 중간 다이 블록(220)과 마주보는 면(210b)에 소정의 깊이를 가지며 하부 슬롯(201)과 연통하는 제1 매니폴드(212)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제1 매니폴드(212)는 외부에 설치된 제1 코팅액 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 제1 코팅액(250)을 공급받는다. 상기 제1 매니폴드(212) 내에 제1 코팅액(250)이 가득 차게 되면, 상기 제1 코팅액(250)이 하부 슬롯(201)을 따라 흐름이 유도되고 하부 토출구(201a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
다른 예로, 제1 매니폴드(212)는 상기 중간 다이 블록(220)에 하부 다이 블록(210)과 마주보는 면(220b)에 구비될 수도 있다.
상부 다이 블록(230)은 바닥면에 대해 수평한 중간 다이 블록(220)의 상면인 제1 면(220a)에 대면하게 배치된다. 상부 슬롯(202)은 이같이 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230)이 대면하는 곳 사이에 형성된다.
전술한 하부 슬롯(201)과 마찬가지로, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 사이에 상부 심 플레이트(233)가 개재되어 이들 사이에 간극이 마련될 수 있다. 이로써 제2 코팅액(260)이 유동할 수 있는 통로에 해당하는 상부 슬롯(202)이 형성된다. 이 경우, 상기 상부 슬롯(202)의 상하 폭(Y 방향, 슬롯 갭)은 상부 심 플레이트(233)에 의해 결정된다.
또한, 상부 심 플레이트(233)도 전술한 하부 심 플레이트(213)와 유사한 구조로서 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 제2 개방부(233a)를 구비하며, 중간 다이 블록(220)과 상부 다이 블록(230) 각각의 대향면의 테두리 영역 중 일 측을 제외한 나머지 부분에만 개재된다. 마찬가지로 상부 슬롯(202)의 전방을 제외한 둘레 방향은 막히게 되고 중간 다이 블록(220)의 선단부와 상부 다이 블록(230)의 선단부 사이에만 상부 토출구(202a)가 형성된다. 상기 상부 다이 블록(230)의 선단부를 상부 다이립(231)이라 정의하고 다시 말하면, 상부 토출구(202a)는 중간 다이립(221)과 상부 다이립(231) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다. 이와 같이 상부 심 플레이트(233)는 상부 슬롯(202)을 정의한다.
또한, 중간 다이 블록(220)은 상부 다이 블록(230)과 마주보는 면인 제1 면(220a)에 소정의 깊이를 가지며 상부 슬롯(202)과 연통하는 제2 매니폴드(232)를 구비한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제2 매니폴드(232)는 외부에 설치된 제2 코팅액(260) 공급 챔버와 공급관으로 연결되어 제2 코팅액(260)을 공급받는다. 파이프 형태의 공급관을 따라 외부에서 제2 코팅액(260)이 공급되어 제2 매니폴드(232) 내에 가득 차게 되면, 상기 제2 코팅액(260)이 제2 매니폴드(232)와 연통되어 있는 상부 슬롯(202)을 따라 흐름이 유도되고 상부 토출구(202a)를 통해 외부로 토출되게 된다.
다른 예로, 제2 매니폴드(232)는 상부 다이 블록(230)에서 중간 다이 블록(220)과 마주보는 면(230b)에 구비될 수도 있다.
상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)은 일정한 각도를 이루는데, 상기 각도는 대략 20도 내지 70도의 각도일 수 있다. 이러한 상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)은 서로 한 곳에 교차하게 되고 상기 교차 지점 부근에 상기 상부 토출구(202a)와 하부 토출구(201a)가 마련될 수 있다. 이에 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)의 토출 지점이 대략 한 곳에 집중될 수 있다.
이러한 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(280)을 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(280)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(290)를 주행시키면서, 상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201) 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리와 같은 코팅액을 압출해 기재(290) 상에 전극 활물질층을 형성할 수 있는 것이다.
여기에서, 하부 심 플레이트(213)와 상부 심 플레이트(233)는 기재(290) 상에 도포되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하는 것으로, 도 10에서와 같은 사용 상태를 가진다.
도 10을 참조하면, 도 8의 듀얼 슬롯 다이 코터(200)에서 위에 있는 상부 다이 블록(230)과 중간 다이 블록(220) 부분을 제거 후 아래 방향으로 내려다 본 모습을 도시하였다. 하부 다이립(211) 대비 하부 심 플레이트(213)의 끝단(213b)이 오프셋되도록, 하부 심 플레이트(213)의 끝단(213b)이 하부 다이립(211)에 비해 후진되어 있다. 제1 매니폴드(212)로부터 제1 코팅액(250)은 하부 심 플레이트(213)의 개방부(213a)를 통해 기재(290) 쪽으로 토출될 수 있다. 보통 하부 다이립(211)과 중간 다이립(221)이 일직선 상에 있도록 정렬하여 사용하게 되므로, 하부 심 플레이트(213)의 끝단(213b)은 여기에 도시하지 않은 중간 다이립(221)에 비해서도 후진된 것이다.
상기 오프셋(O)의 크기는 50um 내지 2000um일 수 있다.
상부 심 플레이트(233)의 사용예도 하부 심 플레이트(213)와 동일하며, 상부 심 플레이트(233)의 끝단(233b)도 상부 다이립(221)과 중간 다이립(221) 대비해 오프셋되어 있다. 상기 상부 심 플레이트(233)의 오프셋(O)의 크기도 50um 내지 2000um일 수 있다.
하부 심 플레이트(213)와 상부 심 플레이트(233)는 상하 방향(X 방향) 및 좌우 방향(Z 방향)으로 서로 정렬되어 있어 도 11과 같이 사용이 될 수가 있다. 도 11을 더 참조해, 이상 설명한 바와 같은 구성을 갖는 듀얼 슬롯 다이 코터(200)에 의하면, 회전 가능하게 마련되는 코팅 롤(280)을 듀얼 슬롯 다이 코터(200)의 전방에 배치하고, 상기 코팅 롤(280)을 회전시킴으로써 코팅될 기재(290)를 주행시키면서, 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)을 연속적으로 상기 기재(290)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(290)를 도시한 바와 같이 이중층으로 코팅시킬 수 있다. 또는 제1 코팅액(250)의 공급 및 중단, 그리고 제2 코팅액(260)의 공급 및 중단을 번갈아 수행하여 기재(290) 상에 간헐적으로 패턴 코팅을 형성할 수가 있다.
여기에서 상기 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 상기 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)는 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어 A>B이거나 A<B 이거나 A=B일 수 있다.
제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)을 연속적으로 상기 기재(290)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(290)를 도시한 바와 같이 이중층으로 코팅시키는 경우, 기재(290) 상에 형성되는 제1 코팅액 두께(d1)와 제2 코팅액 두께(d2)를 합한 전체 코팅액 두께(D)와 코팅 갭(G, 슬롯 다이 코터(200)의 토출구(201a, 202a)와 기재(290) 사이의 거리 또는 다이 립(211, 221, 231)과 기재(290) 사이의 거리)간의 관계에 있어서, 코팅 갭(G)은 코팅액 두께(D)보다 20% 큰 값과 20% 작은 값 사이에서 조절함이 바람직하다. 다시 말해, 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)은 0.8에서 1.2 사이의 값을 갖도록 함이 바람직하다. 코팅 갭(G)이 코팅액 두께(D)보다 너무 커지면 코팅층 가장자리단이 두껍게 형성되는 fat-egde가 발생한다. 코팅 갭(G)이 코팅액 두께(D)보다 너무 작아지면 큰 압력이 인가되므로 코팅액 비산 등에 의한 패턴 불량이 발생한다. 상기 20%라는 기준은 이러한 점을 고려하여 정한 것이다.
특히, 코팅액 두께(D)에 비하여 코팅 갭(G)이 소정 값 이상으로 커지는 경우, 코팅폭은 코팅 갭(G)에 의해 조절 가능한 범위를 벗어나게 된다. 본 발명자들은 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 1.06 이상일 때에 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B가 7:1 내지 1:7인 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 1.06 이상일 때에 A:B가 상기 범위를 벗어날 경우 패턴 불량이 발생한다.
본 발명에서는 기본적으로 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)를 각각 50um~2000um의 범위 내로 함으로써 패턴 불량을 방지한다. 뿐만 아니라, 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 1.06보다 클 때에는 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B) 비도 고려되어야 함을 제안한다.
코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 소정 값보다 작을 때에는 코팅액에 인가되는 압력의 해소라는 해결 수단으로서 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)를 각각 50um~2000um의 범위 내에서 정하면 충분하지만, 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 소정 값 이상일 때에는 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B까지 조절함으로써 패턴 불량을 완전히 방지할 수 있음에 주목해야 한다.
듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 이차전지 제조를 위한 전극 활물질 슬러리 도포에 최적화된 것이다. 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, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포할 수 있다.
그리고, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 하부 심 플레이트(213) 및 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 구성에 의하면, 코팅 갭을 작게 하는 경우에 전극 활물질 슬러리에 큰 압력이 인가되더라도, 전극 활물질 슬러리가 비산하지 않는다. 따라서, 전극 활물질층과 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다. 특히 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층을 형성할 때에 경계부 오염을 발생시키거나 경계면에 물결 무늬와 같은 경계면 불균일 없이 안정적으로 전극 활물질층을 형성할 수 있다. 이는 무지부를 따르는 슬리팅시 불량이 없게 한다. 폐기되는 전극판을 줄일 수 있어 비용 절감 효과가 탁월하다. 그리고, 코팅 갭을 상대적으로 크게 하는 경우여서 코팅폭 조절이 어려워지는 조건에서는 상부 심 플레이트(233)의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트(213)의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B까지 조절함으로써 전극 활물질 슬러리를 비산시키지 않고 2중층을 안정적으로 형성한다.
본 발명에 따르면, 상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)을 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출하여 기재(290) 상에 2중층의 전극 활물질층을 형성할 때에, 서로 다른 종류의 전극 활물질 슬러리를 사용하는 경우나 동일한 전극 활물질 슬러리를 사용해 두껍게 전극 활물질층이 코팅되는 경우 모두, 2중층의 전극 활물질층과 무지부 사이에 안정적으로 경계면을 형성할 수 있다. 따라서, 균일한 품질의 코팅품, 특히 이차전지용 전극을 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 소망하는 두께 및 모양으로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능하기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다.
한편, 본 실시예에서는 코팅액을 2층으로 도포하는 경우, 또는 코팅액을 번갈아 공급하여 패턴 코팅을 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 슬롯을 3개 이상으로 구비하여 3층 이상을 동시 도포하는 경우에도 적용 가능한 것은 따로 설명하지 않아도 알 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 전극 활물질 슬러리의 토출 압력이 커져도, 심플레이트 오프셋에 의해 전극 활물질 슬러리의 압력을 해소해 전극 활물질 슬러리의 비산을 방지하는 효과가 탁월하다. 이를 통해 안정적인 경계면을 형성하고 코팅 공정성을 확보하며 재현성 확보하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 심 플레이트 오프셋에 따른 효과를 설명하기 위해 비교예와 실시예를 설명한다. 우선 도 5 등을 참조하여 설명한 바와 같이 슬롯이 1개인 슬롯 다이 코터에서의 비교예 1 내지 5와 실시예 1 내지 5에 대하여, 표 1에 실험 조건과 결과를 정리하였다.
[표 1]
Figure PCTKR2021015260-appb-img-000001
비교예 1 내지 4는 심 플레이트 끝단을 다이립에 맞추어 오프셋이 0인 경우이다. 실시예 1 내지 5는 심 플레이트 끝단을 다이립으로부터 후퇴시켜 50um~2000um의 오프셋을 갖도록 한 경우이다. 비교예 5는 오프셋이 2500um로, 본 발명에서 제안하는 바람직한 오프셋 범위를 초과하게 한 경우이다.
코팅 속도는 모두 50m/min으로 하였다. 코팅액인 전극 활물질 슬러리의 점도는 모두 4000cps이었다. 코팅액의 두께는 100um를 타겟으로 하였다. 코팅 갭은 90um, 105um, 115um, 125um인 경우를 각각 실험하였다.
실험 결과, 심 플레이트 오프셋을 가지도록 한 본 발명 실시예에서는 모두 경계부 오염이 발생하지 않았다. 심 플레이트 오프셋이 0인 비교예 2와 비교예 3처럼 코팅 갭이 115um, 125um인 경우에는 경계부 오염이 발생하지 않았지만, fat-edge와 같은 기타 불량이 발생하였다. 코팅 갭이 105um로 줄어든 비교예 1의 경우에는 기타 불량뿐 아니라 경계부 오염까지 발생하였다. 특히 코팅 갭이 90um로서 코팅액의 두께인 100um보다 작아 전극 활물질 슬러리에 더욱 많은 압력이 가해지는 비교예 4에서는 경계부 오염이 심각하였다. 따라서, 비교예 1 내지 3과 같이 심 플레이트 오프셋이 없다면 기타 불량이 발생하고, 비교예 1과 4처럼 코팅 갭이 작아지는 경우에는 경계부 오염이 발생하고 마는 것이다.
경계부 불균일 여부는 심 플레이트 오프셋이 2500um인 비교예 5에서 발생하였다. 따라서, 오프셋이 너무 커도 안된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 50um 내지 2000um의 심 플레이트 오프셋을 가지도록 함으로써 경계부 오염이 없고, 경계면이 균일하며 기타 불량도 없는 전극 활물질층을 형성할 수가 있다. 특히 실시예 1 및 2에서와 같이 코팅 갭이 90um로서 코팅액의 두께인 100um보다 작아 전극 활물질 슬러리에 더욱 많은 압력이 가해지는 경우에도 안정적인 경계면을 형성할 수 있는 현저한 효과에 주목해야 한다.
다음으로, 도 8 등을 참조하여 설명한 바와 같이 슬롯이 2개인 듀얼 슬롯 다이 코터에서의 비교예 6 내지 13과 실시예 6 내지 15에 대하여 설명한다.
표 2에 실험 조건과 결과를 정리하였다.
[표 2]
Figure PCTKR2021015260-appb-img-000002
제2 코팅액(260)에 의한 상층 코팅액 두께와 제1 코팅액(250)에 의한 하층 코팅액 두께를 합한 전체 코팅액 두께는 160um를 타겟으로 하였다. 코팅 갭은 150um, 170um, 180um, 190um인 경우를 각각 실험하였다.
비교예 6 내지 8, 12는 상부 심 플레이트 및 하부 심 플레이트 끝단을 다이립에 맞추어 오프셋이 모두 0인 경우이다. 비교예 9, 13은 오프셋이 2500um로, 본 발명에서 제안하는 바람직한 오프셋 범위를 초과하게 한 경우이다. 실시예 6 내지 15는 상부 심 플레이트 및 하부 심 플레이트 끝단을 다이립으로부터 후퇴시켜 50um~2000um의 오프셋을 갖도록 한 경우이다.
실험 결과, 심 플레이트 오프셋을 가지도록 한 본 발명 실시예에서는 모두 경계부 오염이 발생하지 않았다. 경계부 불균일도 없었다. 심 플레이트 오프셋이 0인 비교예 6 내지 8, 12에서는 경계부 오염이 발생하거나 fat-edge가 발생하였다. 심 플레이트 오프셋이 2500um인 비교예 9, 13에서는 경계부 불균일과 기타 불량이 발생하였다.
특히 주목할 것은 비교예 10, 11인데, 상부 심 플레이트 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트 오프셋 크기(B)가 본 발명에서 제안하는 범위 안의 것이지만, 코팅액 두께 대비 코팅 갭이 1.06이면서 A:B가 본 발명에서 제안하는 범위를 벗어나는 경우이다. 이 때에 경계부 불균일이 관찰되었다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 상부 심 플레이트 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트 오프셋 크기(B)를 50um 내지 2000um에서 조절하여 경계부 오염이 없고, 경계면이 균일하며 기타 불량도 없는 전극 활물질층을 형성할 수가 있다. 특히 실시예 6 내지 12에서와 같이 코팅 갭이 코팅액 두께보다 커서 코팅액 두께 대비 코팅 갭이 1.06 이상일 때에는, A:B를 7:1 내지 1:7로 함으로써, 경계부 오염이 없고, 경계면이 균일하며 기타 불량도 없는 전극 활물질층을 형성할 수가 있다.
이상과 같이, 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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
[부호의 설명]
100: 슬롯 다이 코터 101: 슬롯
101a: 토출구 110, 130: 다이 블록
111, 131: 다이립 112: 매니폴드
113: 심 플레이트 113a: 개방부
113b: 끝단 O : 오프셋
150: 코팅액 170: 코팅층
172: 무지부 180, 280: 코팅 롤
190, 290: 기재 200: 듀얼 슬롯 다이 코터
201: 하부 슬롯 201a: 하부 토출구
202: 상부 슬롯 202a: 상부 토출구
210: 하부 다이 블록 211: 하부 다이립
212: 제1 매니폴드 213: 하부 심 플레이트
220: 중간 다이 블록 221: 중간 다이립
230: 상부 다이 블록 231: 상부 다이립
232 : 제2 매니폴드 233: 상부 심 플레이트
240 : 고정부 250: 제1 코팅액
260: 제2 코팅액

Claims (13)

  1. 적어도 2개의 다이 블록;
    2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트;
    상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 매니폴드를 포함하여,
    상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 다이 블록의 선단부인 다이립 대비 상기 심 플레이트의 끝단이 오프셋되도록 상기 심 플레이트의 끝단이 상기 다이립에 비해 후진되어 있는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오프셋의 크기는 50um 내지 2000um인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 심 플레이트는 상기 기재 상에 도포되는 코팅층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 심 플레이트는 상기 기재 상에 도포되는 코팅층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부를 구비하며, 상기 기재 상에 스트라이프 패턴 모양의 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  5. 하부 다이 블록;
    상기 하부 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 하부 다이 블록과의 사이에 하부 슬롯을 형성하는 중간 다이 블록;
    상기 중간 다이 블록의 상부에 배치되어 상기 중간 다이 블록과의 사이에 상부 슬롯을 형성하는 상부 다이 블록;
    상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및
    상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 포함하는 듀얼 슬롯 다이 코터로서,
    상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록은 각각 그 선단부를 형성하는 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립을 구비하고, 상기 하부 다이립과 상기 중간 다이립 사이에는 상기 하부 슬롯과 연통하는 하부 토출구가 형성되고, 상기 중간 다이립과 상기 상부 다이립 사이에는 상기 상부 슬롯과 연통하는 상부 토출구가 형성되며,
    상기 듀얼 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포해 전극 활물질층을 형성하는 것이며,
    상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립 대비 끝단이 오프셋되도록 상기 끝단이 상기 하부 다이립, 중간 다이립 및 상부 다이립에 비해 후진되어 있는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 오프셋의 크기는 50um 내지 2000um인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 간헐적으로 절개되어 다수의 개방부를 구비하며, 상기 기재 상에 스트라이프 패턴 모양의 전극 활물질층이 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  10. 제5항에 있어서, 상기 하부 다이 블록은 제1 전극 활물질 슬러리를 수용하고 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드를 구비하고, 상기 중간 다이 블록은 제2 전극 활물질 슬러리를 수용하고 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  11. 제5항에 있어서, 상기 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)가 동일한 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  12. 제5항에 있어서, 상기 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)가 다른 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
  13. 제5항에 있어서, 상기 듀얼 슬롯 다이 코터는 상기 상부 슬롯과 하부 슬롯을 통해 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 토출하여 상기 기재 상에 2중층의 전극 활물질층을 형성하도록 구성되며,
    상기 기재 상에 형성되는 상기 전극 활물질 슬러리의 코팅액 두께(D) 대비 코팅 갭(G)이 1.06 이상일 때에 상기 상부 심 플레이트의 오프셋 크기(A)와 하부 심 플레이트의 오프셋 크기(B)에 있어서 A:B가 7:1 내지 1:7인 것을 특징으로 하는 듀얼 슬롯 다이 코터.
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