WO2022114511A1 - 코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터 - Google Patents

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WO2022114511A1
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die block
die
manifold
length
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이택수
김영곤
전신욱
조영준
최상훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • 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
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    • 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 slot die coater, and to a slot die coater with improved coating liquid flow inside the slot die coater.
  • This application is an application for priority claiming Korean Patent Application No. 10-2020-0159174 filed on November 24, 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 conventionally, they are coated using a slot die coater.
  • 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 is the coating solution discharged from the slot die coater 30 on the current collector 20 transferred by the coating roll 10 .
  • the slurry 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 31 and 32, and a slot 35 is formed by interposing a shim plate 34 between the two die blocks 31 and 32,
  • the electrode active material layer may be formed by discharging the electrode active material slurry through the discharge port 37 communicating with the slot 35 .
  • Reference numeral 26 denotes a manifold in which the electrode active material slurry, which is a coating solution, is contained.
  • the manifold 26 is connected to an electrode active material slurry supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the electrode active material slurry.
  • the shape of the die blocks 31 , 32 is a major factor in determining the widthwise flow uniformity.
  • a high flow rate uniformity means a small flow rate deviation.
  • the electrode active material slurry is a non-Newtonian fluid having a viscosity of several thousand to tens of thousands of cps, and the flow rate deviation in the width direction during coating is large. Flow rate deviations lead to loading deviations.
  • design for this part is very important.
  • the slot die coater 30 is designed with a concept to minimize the flow rate deviation, but a flow rate distribution occurs in the flow of the electrode active material slurry inside the slot die coater 30, in particular, in the manifold 26, and a relatively long
  • the electrode active material slurry which undergoes stagnation, is deformed in an environment where a pressure of tens to hundreds of kPA is applied to easily form agglomerates.
  • the formation of such agglomerates not only increases the flow rate deviation by deforming the flow path inside the die blocks 31 and 32, but also blocks the discharge port 37 or is discharged onto the current collector 20 so that the coating surface becomes uneven and non-uniform. may cause defects.
  • the present invention is to provide a slot die coater in which the flow of the coating liquid is uniform without stagnation.
  • the slot die coater of the present invention for solving the above technical problem is 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 comprising a manifold communicating with the slot as a recessed chamber for accommodating the coating solution, and discharging and applying the coating solution on the substrate through the outlet communicating with the slot, the slot die coater comprising: The area of the die block from the front end of the manifold to the die lip, which is the front end of the die block, is a land, and the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) is in the range of 0.5 to 3.55 will be.
  • a die block size that is a length from the die lip to the back surface of the die block may be 350 mm or less.
  • Another slot die coater includes 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 first manifold provided in the lower die block and communicating with the lower slot as a recessed chamber for accommodating a first coating solution; and a second manifold provided in the intermediate die block and communicating with the upper slot as a recessed chamber for accommodating a second coating liquid, the front end of the lower die block from the front end of the first manifold
  • the area of the lower die block up to the lower die lip is the first land, and the ratio (A'/B') of the first land length (A') to the first manifold length (B') is 0.5 to 3.55.
  • the ratio (A"/B") of the length (B") is in the range of 0.5 to 3.55.
  • the slot die coater extrudes and applies the electrode active material slurry through at least one of the lower slot and the upper slot on the surface of the continuously running substrate, and the slot die by discharging the electrode active material slurry in a substantially horizontal direction
  • a surface opposite to a direction in which the electrode active material slurry is discharged from the lower die block, the middle die block, and the upper die block may be placed almost vertically.
  • 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 slot die coater is to extrude and apply the electrode active material slurry through at least one of the lower slot and the upper slot to the surface of the continuously running substrate, and a lower shim plate for defining the lower slot; and an upper shim plate for defining the upper slot, wherein the lower shim plate and the upper shim plate have an open portion in which a region is cut to determine a coating width of the electrode active material layer formed on the substrate,
  • the lower shim plate and the upper shim plate may be aligned with each other in a vertical direction.
  • the intermediate die block includes a first intermediate die block and a second intermediate die block, and the first intermediate die block and the second intermediate die block are in face-to-face contact with each other up and down, but slide along the contact surface. It may be provided so that relative movement is possible.
  • the first intermediate die block is fixedly coupled to each other by bolting the lower die block
  • the second intermediate die block is fixedly coupled to each other by bolting the upper die block to the first intermediate die.
  • the block and the lower die block may move integrally
  • the second intermediate die block and the upper die block may move integrally.
  • a step may be formed between the lower outlet and the upper outlet.
  • the slot die coater extrudes and applies the electrode active material slurry through at least one of the lower slot and the upper slot to the surface of the continuously running substrate, and the direction of discharging the electrode active material slurry is opposite to gravity to do in the direction
  • the flow of the electrode active material slurry which is a coating liquid, is uniform inside the slot die coater. Since the time for which the electrode active material slurry stagnates in any part of the manifold and the slot is minimized, agglomeration of the electrode active material slurry is prevented. As a result, there is no problem in that a flow rate deviation in the width direction occurs due to deformation of the flow, or agglomerated electrode active material slurry lumps block the discharge port.
  • the slot die coater of the present invention when used for coating the electrode active material slurry, the electrode active material slurry flow is uniform without stagnation, so that it is easy to coat for a long time and can have excellent productivity. Since there is no agglomeration of the electrode active material slurry, it is possible to prevent the occurrence of defects on the coating surface. Therefore, it is possible to improve the coating quality of the product.
  • a die block for minimizing the flow rate deviation by allowing the ratio of the land length to the manifold length to have a value within a predetermined range. Rather than removing aggregates by increasing the number of washings as in the prior art, it is possible to block the occurrence of aggregates at the source, so it is easy to coat for a long time and can have excellent productivity.
  • the slot die coater according to the present invention can form a coating layer, particularly an electrode active material layer, uniformly to a desired thickness with a uniform loading amount as a result of a decrease in flow rate deviation, and preferably, simultaneously coating two kinds of electrode active material slurries Because it can be manufactured with a dual slot die coater that can do this, both performance and productivity are excellent.
  • the 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 the current collector while driving the current collector, uniform coating is possible even under high-speed running or long-width application conditions. .
  • 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 .
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic exploded perspective view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic exploded perspective view of a slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • the slot die coater of the present invention may include one or more slots.
  • the coating solution can be coated in a double layer on the substrate by configuring the lower slot and the upper slot.
  • the 'substrate' described below is the current collector and the coating solution is the 'electrode active material slurry'. All of the coating solutions discharged through the slots are electrode active material slurries, and electrode active material slurries with the same or different composition (active material, conductive material, binder type), content (active material, conductive material, binder amount) or physical properties are applied to each slot.
  • the dual slot die coater according to the present invention having two slots is optimized for electrode manufacturing in which two kinds of electrode active material slurries are applied simultaneously or two kinds of electrode active material slurries are applied alternately while pattern coating.
  • the substrate may be a porous support constituting the separation membrane
  • the coating solution may be an organic material. That is, if thin film coating is required, the substrate and the coating solution may be any.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a slot die coater according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a schematic exploded perspective view of 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 die blocks 110 and 130 are assembled to each other through fastening members (not shown) such as bolts. In the illustrated example, there are two die blocks. There may be two or more die blocks.
  • 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
  • it is not limited to the form given here, for example, it may be configured as a vertical die that discharges the electrode active material slurry in a direction opposite to gravity with the direction of discharging the electrode active material slurry upward (Y direction).
  • a slot 101 is formed between where the die blocks 110 and 130 face each other.
  • a shim plate 113 is provided between the die blocks 110 and 130 to provide a gap between the die blocks 110 and 130 to form a slot 101 corresponding to a passage through which the coating liquid 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 may be cut to have an open portion 113a, and may be interposed in the remaining portions except for one side of the edge area of the opposing surfaces of the die blocks 110 and 130, respectively. Accordingly, the discharge port 101a through which the coating liquid 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, respectively.
  • the discharge port 101a may be referred to as a place formed by being spaced apart between the die ribs 111 and 131 .
  • the shim plate 113 functions as a gasket to prevent the coating solution 150 from leaking into the gap between the die blocks 110 and 130, except for the area where the discharge port 101a is formed, thereby sealing properties. It is preferably made of a material having a
  • 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 a chamber in the shape of a recess for accommodating the coating solution 150 .
  • the area of the die block 110 from the front end of the manifold 112 to the die lip 111 is a land 114 .
  • the manifold 112 is connected to a coating solution supply chamber (not shown) installed outside and a supply pipe to receive the coating solution 150 . When the coating solution 150 is filled in the manifold 112 , 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 coating liquid 150 must have a uniform flow in the manifold 112 to have excellent coating quality. If there is a region in which the electrode active material slurry, which is the coating liquid 150, is stagnant or moves at a slow speed in the manifold 112, when used for a long time, the electrode active material slurry is aggregated inside the manifold 112 to cause deformation in the flow, resulting in a flow rate deviation in the width direction. , or the agglomerated electrode active material slurry mass blocks the discharge port 101a, and the coating surface may become non-uniform, resulting in surface defects. Even if the agglomerated mass is discharged and applied on the substrate 190, the coating is defective.
  • the flow rate deviation is the difference between the maximum value and the minimum value of the flow rate measured along the width direction of the slot die coater 100 .
  • the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) is 0.5 to 3.55 It is desirable to have a range.
  • the manifold 112 is configured to be elongated in the width direction of the slot die coater 100, and may or may not have a constant length along the width direction. In any case, it is sufficient that the predetermined range value is satisfied only at any one cross-section along the traveling direction of the substrate 190 , that is, at any one position.
  • the die block size which is the length from the die ribs 111 and 131 to the rear surfaces 110c and 130c of the die blocks 110 and 130, may be 350 mm or less.
  • the land length A indicates the distance from the die lip 111 to the front end of the manifold 112 .
  • the manifold length B corresponds to the distance from the front to the rear end of the manifold 112 as seen from the top surface of the die block 110 , that is, the length opened from the top end of the manifold 112 . Since the depth of the manifold 112 is determined in consideration of the thickness of the die block 110 and there is a lower limit, the manifold length B is a factor that greatly affects the volume of the manifold.
  • the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B) exceeds a predetermined range, it does not help to solve the stagnation of the coating liquid 150 .
  • the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) satisfies a predetermined range, the flow of the coating liquid is uniformed and the stagnation time is minimized.
  • the present inventors propose a new parameter of the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B), and have found that the flow of the coating solution inside the slot die coater 100 can be improved by adjusting it.
  • the present invention Prior to the present invention, there is no technology that considers that the land length and the manifold length affect the flow rate deviation, and there is no technology for improving the flow rate deviation through this. Therefore, the present invention is not a simple dimensional change or optimization. In addition, since the flow rate deviation improvement effect is remarkable based on the range of the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B), there is a difficulty in the invention.
  • the present inventors confirmed that when the manifold length (B) is fixed and the land length (A) is changed, the flow rate deviation tends to decrease as the land length (A) increases. At this time, it was confirmed that when the manifold length (B) becomes longer, the flow rate deviation becomes smaller even with the same land length (A).
  • the present inventors confirmed that, when the land length (A) is fixed and the manifold length (B) is changed, the flow rate deviation tends to decrease as the manifold length (B) increases. At this time, it was confirmed that if the land length (A) was longer, the flow rate deviation became smaller even with the same manifold length (B).
  • the land length (A) and the manifold length (B) cannot be lengthened indefinitely.
  • the present inventors have to adjust it as the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B) to obtain the minimum value of the flow rate deviation. I found out that I can.
  • the present inventors fixed the sum of the land length (A) and the manifold length (B) and changed the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B). It was confirmed that there is a trend.
  • the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) has a predetermined value
  • the flow rate deviation shows the minimum value.
  • the minimum flow rate deviation is ideal, but it is desired to manage as a desirable flow rate deviation from the permissible level up to 2% greater than the minimum value case.
  • a slot die coater including a die block having a ratio (A/B) of a land length (A) and a manifold length (B) such that the flow rate deviation is a value from the minimum value to the minimum value +2%.
  • the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) is in the range of 1.2 to 1.5, the flow rate deviation approaches the minimum value, and the overall size of the die blocks 110 and 130 and the land length (A) ) and manifold length (B), since it is very suitable in terms of workability and maintenance, it is preferable to set the above range as an optimal region.
  • the flow of the electrode active material slurry that is the coating solution 150 inside the slot die coater 100 is uniform. Since the time for which the electrode active material slurry is stagnant in any part of the manifold 112 and the slot 101 is minimized, agglomeration of the electrode active material slurry is prevented. As a result, there is no problem of causing a deformation in the flow to cause a deviation in the width direction flow rate and thus a loading deviation, or an aggregated electrode active material slurry lump blocking the discharge port 101a or discharged on the substrate 190 to cause a coating defect.
  • the slot die coater 100 of the present invention when used for coating the electrode active material slurry, the electrode active material slurry flow is uniform without stagnation, so that it is easy to coat for a long time and can have excellent productivity. Since there is no agglomeration of the electrode active material slurry, it is possible to prevent the occurrence of defects on the coating surface. Therefore, it is possible to improve the coating quality of the product.
  • the die blocks 110 and 130 in which the flow rate deviation is minimized by making the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B) have a value within a predetermined range are provided. Rather than removing aggregates by increasing the number of washings as in the prior art, it is possible to block the occurrence of aggregates at the source, so it is easy to coat for a long time and can have excellent productivity.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • 6 is a schematic exploded perspective view of a slot die coater according to another embodiment of the present invention.
  • a slot die coater according to another embodiment of the present invention is a dual slot die coater having two slots.
  • the dual slot die coater 200 has a lower slot 201 and an upper slot 202, and has at least one of the lower slot 201 and the upper slot 202 on the surface of the substrate 290 running continuously.
  • the coating solution preferably the electrode active material slurry, can be extruded and applied through any one. While using both the lower slot 201 and the upper slot 202 , the same or different two kinds of electrode active material slurries may be coated simultaneously or alternately on the substrate 290 .
  • 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.
  • two types of electrode active material slurries can be simultaneously applied by using the dual slot die coater 200 .
  • the dual slot die coater 200 is optimized for application of the electrode active material slurry for manufacturing a secondary battery.
  • 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 a 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 lower die block 210 opposite the surface 210b facing the middle die block 220 that is, the surface forming the outer peripheral surface of the dual slot die coater 200
  • this plane becomes the bottom plane 210d (X-Z plane).
  • 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 has the advantage that the shape after assembly is substantially similar to that of a slot die coater having a single slot (for example, 100 in FIG. 3 ), 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 electrode active material slurry discharging direction facing up and the rear surfaces 210c and 220c , 230c) may be configured as a vertical die having a 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 30 degrees to the bottom surface. It has an inclined shape to form an angle of 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 cut to determine a coating width of the electrode active material layer formed on the substrate 290 to have a first opening 213a, and is interposed between the lower die block 210 and the lower die block 210 .
  • the die block 220 may be interposed in the remaining portions except for one side of the edge area of the opposing surface of each die block 220 .
  • 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 . ) is formed only between
  • the lower discharge port 201a may be referred to as a space formed by being spaced apart 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 a recessed chamber.
  • the area of the lower die block 210 from the front end of the first manifold 212 to the lower die lip 211 is the first land 214 .
  • the first manifold 212 is connected to the first coating solution 250 supply chamber (not shown) installed outside through a supply pipe to receive the first coating solution 250 .
  • the first coating liquid 250 is filled in the first manifold 212, the flow of the first coating liquid 250 is induced along the lower slot 201 and discharged to the outside through the lower outlet 201a. do.
  • the ratio (A'/B') of the first land length (A') to the first manifold length (B') has a range of 0.5 to 3.55.
  • the reason why such a value is preferable is the same as described in the previous embodiment.
  • 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 also has a structure similar to the above-described lower shim plate 213 , and has a second opening 233a in which one region is cut, and the middle die block 220 and the upper die block 230 . It is interposed only in the remaining portion except for one side of the edge area of each of the opposing surfaces. Similarly, 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 the upper die lip 231, in other words, the upper discharge port 202a is formed by the space between the middle die lip 221 and the upper die lip 231. have.
  • the upper shim plate 233 thus defines an upper slot 202 .
  • 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 are aligned with each other in the vertical direction.
  • 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 a recessed chamber.
  • the area of the intermediate die block 220 from the front end of the second manifold 232 to the intermediate die lip 221 is the second land 234 .
  • 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 When 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 ratio (A′′/B′′) of the second land length (A′′) to the second manifold length (B′′) has a range of 0.5 to 3.55.
  • the reason why such a value is preferable is the same as described in the previous embodiment.
  • the upper slot 202 and the lower slot 201 form a constant angle, and the angle may be approximately 30 degrees to 60 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 angle is approximately 30 to 60 degrees, the electrode active material slurry discharged from the upper discharge port 202a and the electrode active material slurry discharged from the lower discharge port 201a do not form a vortex immediately after simultaneous discharge. When a vortex is formed, there is a problem in that it is difficult to form a double layer because intermixing occurs.
  • a rotatably provided coating roll 280 is disposed in front of the dual slot die coater 200, and the substrate to be coated by rotating the coating roll 280 ( 290), a coating solution such as an electrode active material slurry is extruded 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.
  • the first coating liquid 250 and the second coating liquid 260 may be continuously brought into contact with the surface of the substrate 290 to coat the substrate 290 as a double layer. Alternatively, 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 dual slot die coater 200 according to the present invention can uniformly form a coating layer, in particular, an electrode active material layer to a desired thickness, and is preferably also a dual slot die coater capable of simultaneously coating two types of electrode active material slurries. Because it can be manufactured, both performance and productivity have excellent effects.
  • the dual slot die coater 200 of the present invention is used to manufacture an electrode of a secondary battery by coating an electrode active material slurry on the current collector while driving the current collector as the base material 290, under high-speed running or long-width application conditions There is also an advantage that uniform application is possible.
  • the intermediate die block 220 includes a first intermediate die block and a second intermediate die block, and the first intermediate die block and the second intermediate die block are in face-to-face contact with each other up and down, but slide along the contact surface to form a relative Modifications provided to be movable are also possible. In this modified example, a total of four die blocks are included.
  • the first intermediate die block may be fixedly coupled to the lower die block 210 by bolting or the like, and the second intermediate die block may be fixedly coupled to the upper die block 230 by bolting or the like. Then, the first intermediate die block and the lower die block 210 may move integrally, and the second intermediate die block and the upper die block 230 may move integrally.
  • the upper and lower outlets 101a and 102a may be spaced apart from each other in the horizontal direction to be disposed in front and rear.
  • the relative movement of the lower die block 110 and the upper die block 130 can be made by using a separate device or by an operator manually.
  • the upper die block 130 is moved along the sliding surface to the rear opposite to the discharge direction of the coating liquid, or to the front which is the discharge direction by a certain distance If it is, a step may be formed between the lower outlet 101a and the upper outlet 102a.
  • the sliding surface means opposite surfaces of the first intermediate die block and the second intermediate die block.
  • the width of the step formed in this way may be determined within the range of approximately several hundreds of micrometers to several millimeters, which is the physical property, viscosity, or substrate of the first coating solution 250 and the second coating solution 260 formed on the substrate 290 . It can be determined according to the desired layer-by-layer thickness on 290 . For example, as the thickness of the coating layer to be formed on the substrate 290 increases, the width of the step may increase.
  • the second coating solution 260 discharged from the upper outlet 102a is transferred to the lower outlet 101a.
  • the first coating liquid 250 discharged from the lower discharge port 101a is not likely to flow into the upper discharge port 102a.
  • the coating liquid discharged through the lower discharge port 101a or the upper discharge port 102a is blocked by the surface forming the step formed between the lower discharge port 101a and the upper discharge port 102a, so that there is no fear of flowing into the other discharge port. , whereby a more smooth multi-layer active material coating process can proceed.
  • the dual slot die coater according to the modified example of the present invention in a case in which a change in the relative position between the lower discharge port 101a and the upper discharge port 102a is required, the lower die block 110 and/or the upper die block ( 130) can be easily adjusted by sliding movement, and since there is no need to disassemble and reassemble each die block 110, 120, 130, fairness can be greatly improved.
  • the horizontal axis represents the ratio of the land length to the manifold length
  • the vertical axis represents the flow rate deviation
  • Sample 1 is a case where the sum of the land length and the manifold length (A+B) is 97.2 mm.
  • Sample 2 is a case where the sum of the land length and the manifold length is 117.2 mm.
  • Sample 3 is a case where the sum of the land length and the manifold length is 137.2 mm.
  • Sample 4 is a case where the sum of the land length and the manifold length is 157.2 mm.
  • Table 1 summarizes the difference between the ratio (A/B) of the land length and the manifold length, the flow rate deviation, and the lowest value of the flow rate deviation for Samples 1 to 4.
  • sample 1 shows a flow rate deviation of +2% from the minimum value of the flow deviation when A/B is 0.5 to 3.55.
  • sample 2 when the A/B ratio is 0.43 to 4.3, the flow rate deviation is from the minimum value of the flow rate deviation to the minimum value +2%.
  • Sample 3 when A/B is 0.37 to 5.1, it represents a flow rate deviation from the minimum value of the flow deviation to the minimum value +2%.
  • Sample 4 when A/B is 0.31 to 6.1, it indicates a flow rate deviation from the minimum value of the flow rate deviation to the minimum value +2%.
  • the range of the ratio of the land length and the manifold length to indicate the flow rate deviation from the minimum value of the flow rate deviation to the minimum value +2% becomes wider than 0.5 to 3.55. Therefore, in all cases where the sum of the land length and the manifold length is 97.2 mm or more, if the range of the ratio of the land length and the manifold length is 0.5 to 3.55, the flow rate deviation close to the minimum value of the flow rate deviation can be exhibited. .
  • the ratio (A/B) of the land length (A) and the manifold length (B) is changed while the sum of the land length (A) and the manifold length (B) is fixed, the flow rate deviation decreases and then increases
  • the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) is determined such that the flow rate variation exhibits a minimum value.
  • Ratio of land length (A) and manifold length (B), which indicates this flow rate deviation as the land length (A) and manifold length (B), or the sum of land length (A) and manifold length (B) changes (A/B) will vary, but within the size range of the slot die coater considering the current collector size available for secondary battery manufacturing, the ratio (A/B) of the land length (A) to the manifold length (B) ) satisfies the range of 0.5 to 3.55, it is possible to design a die block that can generally have a flow rate deviation from the minimum value to the minimum value +2%. As described above, in the present invention, it is possible to provide a slot die coater in which the flow rate deviation becomes a value from the minimum value to the minimum value +2% to exhibit an almost uniform coating liquid flow.
  • the flow rate deviation can be significantly reduced compared to the prior art by making the flow rate deviation close to the minimum value.

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Abstract

코팅액 유동이 정체없이 균일한 슬롯 다이 코터를 제공한다. 본 발명의 슬롯 다이 코터는 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 매니폴드 앞단에서부터 상기 다이 블록의 선단부인 다이 립까지의 다이 블록의 영역이 랜드이고, 상기 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이다.

Description

코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터
본 발명은 슬롯 다이 코터에 관한 것으로서, 슬롯 다이 코터 내부에서의 코팅액 유동을 개선한 슬롯 다이 코터에 관한 것이다. 본 출원은 2020년 11월 24일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2020-0159174호에 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 이용하여 코팅하고 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 1 및 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 코팅액인 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(31, 32)를 포함하고 2개의 다이 블록(31, 32) 사이에 심(shim) 플레이트(34)를 개재하여 슬롯(35)을 형성한 것으로, 슬롯(35)과 연통된 토출구(37)를 통해 전극 활물질 슬러리를 토출하여 전극 활물질층을 형성할 수가 있다.
도 2를 참조하면, 슬롯 다이 코터(30)의 내부 형상을 볼 수 있다. 참조번호 26은 코팅액인 전극 활물질 슬러리가 담기는 매니폴드(manifold)이다. 매니폴드(26)는 외부에 설치된 전극 활물질 슬러리 공급 챔버(미도시)와 공급관으로 연결되어 전극 활물질 슬러리를 공급받는다. 매니폴드(26) 내에 전극 활물질 슬러리가 가득 차게 되면, 전극 활물질 슬러리가 슬롯(35)을 따라 흐름이 유도되고 토출구(37)를 통해 외부로 토출되는 원리이다.
다이 블록(31, 32)의 형상, 특히 매니폴드(26)를 포함하는 내부 설계는 폭방향 유량 균일도를 결정하는 주요 인자이다. 유량 균일도가 높은 것은 유량 편차가 작은 것이다. 전극 활물질 슬러리는 수천~수만 cps의 점도를 갖고 있는 비뉴토니안 유체로서, 코팅시 폭방향 유량 편차가 큰 편이다. 유량 편차는 곧 로딩 편차로 이어진다. 이차전지 산업 발전에 따라 요구되는 항목이 있는데, 그 중 높은 생산성을 위해서는 큰 코팅폭이 필요하고, 이것은 필연적으로 큰 로딩 편차를 동반하게 된다. 더불어, 고용량, 고출력, 저비용 등의 요구 특성을 만족시키기 위해 개발되는 소재들의 전극 활물질 슬러리의 유변 특성은 점점 폭방향 유량 편차를 증가시키는 방향이므로 이 부분에 대한 설계가 매우 중요하다.
현재 슬롯 다이 코터(30)는 유량 편차를 최소화하기 위한 컨셉으로 설계되고 있으나, 슬롯 다이 코터(30) 내부, 특히 매니폴드(26) 내의 전극 활물질 슬러리의 흐름에는 유속 분포가 발생하며, 상대적으로 긴 정체를 겪는 전극 활물질 슬러리는 수십~수백 kPA의 압력이 가해진 환경에서 변형되어 응집물을 쉽게 형성하고 만다. 이러한 응집물의 형성은 다이 블록(31, 32) 내부의 유로를 변형하여 유량 편차를 증가시킬 뿐만 아니라, 토출구(37)를 막거나 집전체(20) 상으로 토출되어 코팅면이 고르지 못하고 불균일해지는 코팅 불량을 야기할 수 있다.
따라서, 이러한 부분에 대한 개선이 다이 블록(31, 32) 내부에 반영이 되어야 한다. 하지만 현재 슬롯 다이 코터 분야에서는 이러한 설계가 높은 수준으로 검토되어 반영되어 있지 않아, 상기 응집물 형성과 같은 문제에는 세정 횟수를 늘리는 것으로 대처하고 있는 실정이다. 세정 횟수는 생산 가동률 저하를 유발하며, 특히 최근 이차전지 수요가 자동차용 이차전지로 확대됨에 따라 안정적인 장시간 생산이 중요해지고 있기 때문에, 슬롯 다이 코터 내부에서 전극 활물질 슬러리의 상대적 정체를 최소화할 수 있도록 하는 근본적인 해결책이 매우 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 코팅액 유동이 정체없이 균일한 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 슬롯 다이 코터는 적어도 2개의 다이 블록; 2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트; 상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여, 상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 매니폴드 앞단에서부터 상기 다이 블록의 선단부인 다이 립까지의 다이 블록의 영역이 랜드이고, 상기 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이다.
상기 다이 립에서부터 상기 다이 블록 후면까지의 길이인 다이 블록 크기가 350mm 이하인 것일 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 상기 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다른 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 다이 블록에 구비되며 제1 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및 상기 중간 다이 블록에 구비되며 제2 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하는 슬롯 다이 코터로서, 상기 제1 매니폴드 앞단에서부터 상기 하부 다이 블록의 선단부인 하부 다이 립까지의 하부 다이 블록의 영역이 제1 랜드이고, 상기 제1 랜드 길이(A')와 제1 매니폴드 길이(B')의 비(A'/B')가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이거나, 상기 제2 매니폴드 앞단에서부터 상기 중간 다이 블록의 선단부인 중간 다이 립까지의 중간 다이 블록의 영역이 제2 랜드이고, 상기 제2 랜드 길이(A")와 제2 매니폴드 길이(B")의 비(A"/B")가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이다.
상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 상기 제1 랜드 길이(A')와 제1 매니폴드 길이(B')의 비(A'/B') 또는 상기 제2 랜드 길이(A")와 제2 매니폴드 길이(B")의 비(A"/B")를 정하는 것이 바람직하다.
상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 거의 수평으로 해 상기 슬롯 다이 코터를 설치하고, 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면은 거의 수직으로 놓이는 것일 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 이루는 것일 수 있다.
상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및 상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 더 포함하고, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하며, 상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중간 다이 블록은 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록을 포함하며, 상기 제1 중간 다이 블록과 상기 제2 중간 다이 블록은 상하로 서로 대면 접촉하되 접촉면을 따라 슬라이딩되어 상대 이동 가능하게 마련되는 것일 수도 있다.
이 때, 상기 제1 중간 다이 블록은 하부 다이 블록과 볼트 결합 에 의해 상호 간 고정 결합되고, 상기 제2 중간 다이 블록은 상부 다이 블록과 볼트 결합에 의해 상호 간 고정 결합되어, 상기 제1 중간 다이 블록과 하부 다이 블록이 일체형으로 움직이고, 상기 제2 중간 다이 블록과 상부 다이 블록이 일체형으로 움직이는 것일 수 있다.
그리고, 상기 하부 토출구와 상부 토출구 사이에 단차를 형성한 것일 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 중력 반대 방향으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 슬롯 다이 코터 내부에서 코팅액인 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다. 매니폴드 및 슬롯 내 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간이 최소화되기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구를 막는 문제가 없다.
따라서, 본 발명의 슬롯 다이 코터를 전극 활물질 슬러리 코팅에 이용하면, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해 장시간 코팅에 용이하고 우수한 생산성을 가질 수 있다. 전극 활물질 슬러리 응집이 없으므로 코팅 표면 불량 발생도 방지할 수 있다. 그러므로 제품의 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비가 소정 범위 값을 갖도록 함으로써 유량 편차 최소화를 위한 다이 블록이 제공된다. 종래처럼 세정 횟수 증가를 통해 응집물을 제거하는 것이 아니라, 응집물 발생을 원천 차단할 수 있는 것이기에 장시간 코팅에 용이하며 우수한 생산성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 슬롯 다이 코터는 유량 편차가 감소하는 결과, 균일한 로딩양을 가지고 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능한 듀얼 슬롯 다이 코터로도 제조할 수 있기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 본 발명의 슬롯 다이 코터를 이용하면 집전체를 주행시키면서 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 주행 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 슬롯 다이 코터의 이용 예를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 랜드 길이와 매니폴드 길이를 변화시키며 유량 편차를 확인한 그래프이다.
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 코터는 슬롯을 1개 이상 구비할 수 있다. 슬롯이 2개인 경우 하부 슬롯과 상부 슬롯으로 구성하여 기재 상에 코팅액을 이중층으로 코팅할 수 있다. 이하의 설명하는 '기재'는 집전체이고 코팅액은 '전극 활물질 슬러리'이다. 슬롯을 통해 토출되는 코팅액은 모두 전극 활물질 슬러리로서, 조성(활물질, 도전재, 바인더의 종류)이나 함량(활물질, 도전재, 바인더의 양)이나 물성이 서로 동일하거나 다른 전극 활물질 슬러리를 각각의 슬롯을 통해 토출할 수도 있다. 특히 슬롯이 2개인 본 발명에 따른 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 코팅액은 유기물일 수도 있다. 즉, 박막 코팅이 요구되는 경우라면 상기 기재와 코팅액은 어떠한 것이어도 좋다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 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 블록(110, 130)은 볼트와 같은 체결 부재(미도시)를 통해 서로 조립된다. 도시한 예에서 다이 블록은 2개이다. 다이 블록은 2개 이상일 수 있다.
도 3에서, 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, 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 위(Y 방향)로 해 중력 반대 방향으로 토출하는 수직 다이로 구성할 수도 있다.
슬롯(101)은 다이 블록(110, 130)이 서로 대면하는 곳 사이에 형성된다. 다이 블록(110, 130) 사이에 심 플레이트(113)가 구비되어 다이 블록(110, 130)간 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 일 영역이 절개되어 개방부(113a)를 구비할 수 있으며, 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 다이 립(111, 131) 사이에 형성된다. 토출구(101a)는 다이 립(111, 131) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다.
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. 본 실시예에서는 아래 쪽에 있는 다이 블록(110)의 상면으로부터 안쪽으로 만입하여 매니폴드(112)가 구비되는 예를 도시하였다. 매니폴드(112)는 코팅액(150)을 수용하는 만입 형상의 챔버이다. 매니폴드(112) 앞단에서부터 다이 립(111)까지의 다이 블록(110)의 영역은 랜드(114)이다. 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.
코팅액(150)은 매니폴드(112) 내에서 유동이 균일해야 코팅 품질이 우수하다. 매니폴드(112) 안에서 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리가 정체되거나 느린 속도로 움직이는 영역이 있을 경우, 장시간 사용시 매니폴드(112) 내부에서 전극 활물질 슬러리가 응집되어 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차가 발생되거나, 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구(101a)를 막는 등의 현상으로 코팅 표면이 불균일해질 수 있어 표면 불량이 발생하게 된다. 응집된 덩어리가 토출되어 기재(190) 상에 도포되어도 코팅 불량이 된다. 유량 편차는 슬롯 다이 코터(100)의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이이다.
슬롯 다이 코터(100) 내부, 즉 매니폴드(112)를 포함한 유로 내에서 유동을 균일하게 하기 위하여, 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 매니폴드(112)는 슬롯 다이 코터(100) 폭 방향으로 길게 구성이 되어 있고, 그 폭 방향을 따라 길이가 일정하거나 일정하지 않을 수도 있다. 어느 경우이든 기재(190)의 주행 방향을 따르는 임의의 한 단면, 즉 어느 한 위치의 지점에서만이라도 상기 소정의 범위 값을 만족하도록 하는 것이면 된다. 다이 립(111, 131)에서부터 다이 블록(110, 130)의 후면(110c, 130c)까지의 길이인 다이 블록 크기는 350mm 이하일 수 있다.
랜드 길이(A)는 다이 립(111)에서부터 매니폴드(112) 앞단까지의 거리를 가리킨다. 매니폴드 길이(B)는 다이 블록(110) 상면에서 본 매니폴드(112) 앞에서부터 뒷단까지의 거리, 즉 매니폴드(112) 최상단면에서 오픈된 길이에 해당한다. 매니폴드(112)의 깊이는 다이 블록(110)의 두께를 고려하여 정해지며 하한이 존재하므로, 매니폴드 길이(B)는 매니폴드 체적에 크게 영향을 주는 인자이다.
랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 소정 범위를 넘어가면 코팅액(150)의 정체 해결에 도움이 되지 못한다. 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 소정 범위를 만족할 때에, 코팅액의 유동이 균일화되고 정체 시간이 최소화된다. 본 발명자들은 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)라는 새로운 파라미터를 제안하고, 이를 조절하여 슬롯 다이 코터(100) 내부 코팅액 유동을 개선할 수 있음을 발견하였다. 본 발명 이전에 랜드 길이와 매니폴드 길이가 유량 편차에 영향을 미친다는 것을 착안한 기술도, 그리고 이를 통해 유량 편차를 개선한 기술도 없다. 따라서, 본 발명은 단순 치수 변경이나 최적화를 한 것이 아니다. 또한, 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)의 범위를 기준으로 유량 편차 개선 효과가 현저하므로 발명의 곤란성이 있다.
본 발명자들은 매니폴드 길이(B)는 고정하고 랜드 길이(A)를 변화시키면, 랜드 길이(A)가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있음을 확인하였다. 이 때, 매니폴드 길이(B)가 더 길어지면 같은 랜드 길이(A)를 갖더라도 유량 편차가 작아짐을 확인하였다.
본 발명자들은 랜드 길이(A)는 고정하고 매니폴드 길이(B)를 변화시키면, 매니폴드 길이(B)가 증가할수록 유량 편차가 감소하는 경향이 있음을 확인하였다. 이 때, 랜드 길이(A)가 더 길어지면 같은 매니폴드 길이(B)를 갖더라도 유량 편차가 작아짐을 확인하였다.
이상의 결과를 고려하면 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)는 길수록 유리하다. 하지만 제한된 공간 내에서 슬롯 다이 코터(100)를 구현하여야 하기 때문에 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)를 무한정 길게 할 수 없다. 본 발명자들은 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)를 별개로 조절하기보다, 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)로서 조절해야 유량 편차의 최소값을 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다.
본 발명자들은 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 합은 고정하고 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 변화시키면, 유량 편차가 감소하다가 증가하는 경향이 있음을 확인하였다. 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 소정의 값을 가질 때에 유량 편차가 최소값을 나타내는 것이다. 유량 편차가 최소인 경우가 가장 이상적이지만 최소값 경우보다 2% 더 큰 경우까지 허용 수준으로 보아 바람직한 유량 편차로서 관리하고자 한다. 본 발명자들은 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타내는 때의 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)의 범위가 0.5 내지 3.55인 것을 확인하였다. 이와 같이, 본 발명에서는 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 하는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 가지는 다이 블록을 포함하는 슬롯 다이 코터를 제안한다.
특히 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)의 범위가 1.2 내지 1.5일 때에 유량 편차가 최소값에 근접하고, 다이 블록(110, 130) 전체 크기와 랜드 길이(A), 매니폴드 길이(B) 등의 치수를 고려하였을 때 가공성 및 유지 보수 측면에서 매우 적합하기 때문에, 상기 범위를 최적 영역으로 하면 바람직하다.
이러한 본 발명에 따르면, 슬롯 다이 코터(100) 내부에서 코팅액(150)인 전극 활물질 슬러리의 유동이 균일화된다. 매니폴드(112) 및 슬롯(101) 내 어느 일부에라도 전극 활물질 슬러리가 정체되는 시간이 최소화되기 때문에, 전극 활물질 슬러리가 응집되는 것이 방지된다. 그 결과, 유동에 변형을 일으켜 폭방향 유량 편차 및 그에 따른 로딩 편차가 발생하거나 응집된 전극 활물질 슬러리 덩어리가 토출구(101a)를 막거나 기재(190) 상에 토출되어 코팅 불량을 일으키는 문제가 없다.
따라서, 본 발명의 슬롯 다이 코터(100)를 전극 활물질 슬러리 코팅에 이용하면, 전극 활물질 슬러리 유동이 정체없이 균일해 장시간 코팅에 용이하고 우수한 생산성을 가질 수 있다. 전극 활물질 슬러리 응집이 없으므로 코팅 표면 불량 발생도 방지할 수 있다. 그러므로 제품의 코팅 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 소정 범위 값을 갖도록 함으로써 유량 편차를 최소화한 다이 블록(110, 130)이 제공된다. 종래처럼 세정 횟수 증가를 통해 응집물을 제거하는 것이 아니라, 응집물 발생을 원천 차단할 수 있는 것이기에 장시간 코팅에 용이하며 우수한 생산성을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 단면도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터의 개략적인 분해 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 다이 코터는 슬롯이 2개인 듀얼 슬롯 다이 코터이다.
본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 구비하고, 연속적으로 주행하는 기재(290) 표면에 하부 슬롯(201) 및 상부 슬롯(202) 중 적어도 어느 하나를 통해 코팅액, 바람직하게는 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포할 수가 있다. 하부 슬롯(201)과 상부 슬롯(202)을 모두 사용하면서, 서로 같거나 다른 2종의 전극 활물질 슬러리를 기재(290) 상에 동시에 혹은 번갈아 코팅할 수도 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, 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 2종의 전극 활물질 슬러리를 동시에 도포할 수 있다. 이처럼 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 이차전지 제조를 위한 전극 활물질 슬러리 도포에 최적화되어 있다.
도 5 및 도 6을 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 5에서, 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(210d, 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 3의 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, 전극 활물질 슬러리를 토출하는 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 바닥면에 대해 대략 30도 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 상기 기재(290) 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 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 다이 립(211)과 중간 다이 블록(220)의 선단부인 중간 다이 립(221) 사이에만 형성된다. 하부 토출구(201a)는 하부 다이 립(211)과 중간 다이 립(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. 제1 매니폴드(212)는 만입 형상의 챔버이다. 제1 매니폴드(212) 앞단에서부터 하부 다이 립(211)까지의 하부 다이 블록(210)의 영역은 제1 랜드(214)이다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 이러한 제1 매니폴드(212)는 외부에 설치된 제1 코팅액(250) 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.
여기에서, 제1 랜드 길이(A')와 제1 매니폴드 길이(B')의 비(A'/B')가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 값이 바람직한 이유는 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
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 절개되어 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 다이 립(231)이라 정의하고 다시 말하면, 상부 토출구(202a)는 중간 다이 립(221)과 상부 다이 립(231) 사이가 이격됨으로써 형성된 곳이라 할 수 있다. 이와 같이 상부 심 플레이트(233)는 상부 슬롯(202)을 정의한다. 하부 심 플레이트(213)와 상부 심 플레이트(233)는 기재(290) 상에 도포되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하고, 상하 방향으로 서로 정렬되어 있다.
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. 제2 매니폴드(232)는 만입 형상의 챔버이다. 제2 매니폴드(232) 앞단에서부터 중간 다이 립(221)까지의 중간 다이 블록(220)의 영역은 제2 랜드(234)이다. 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.
여기에서, 제2 랜드 길이(A")와 제2 매니폴드 길이(B")의 비(A"/B")가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 값이 바람직한 이유는 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
상부 슬롯(202)과 하부 슬롯(201)은 일정한 각도를 이루는데, 상기 각도는 대략 30도 내지 60도의 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. 상기 각도를 대략 30도 내지 60도의 각도로 하면, 상기 상부 토출구(202a)에서 토출되는 전극 활물질 슬러리와 상기 하부 토출구(201a)에서 토출되는 전극 활물질 슬러리가 동시 토출 직후 와류를 형성하지 않는다. 와류가 형성되면 인터믹싱(inter mixing)이 발생하기 때문에 이중층을 형성하기 어려운 문제가 있다.
이러한 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용한 코팅 방법에서는 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 형성하도록 한다. 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)을 연속적으로 상기 기재(290)의 표면에 접촉시켜 상기 기재(290)를 이중층으로 코팅시킬 수도 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 수도 있다.
이러한 본 발명에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터(200)는 소망하는 두께로 균일하게 코팅층, 특히 전극 활물질층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 2종의 전극 활물질 슬러리 동시 코팅이 가능한 듀얼 슬롯 다이 코터로도 제조할 수 있기 때문에 성능 및 생산성 모두 우수한 효과가 있다. 본 발명의 듀얼 슬롯 다이 코터(200)를 이용하면 기재(290)인 집전체를 주행시키면서 집전체 상에 전극 활물질 슬러리를 도포하여 이차전지의 전극 등을 제조할 때, 고속 주행 또는 장폭 도포 조건 하에서도 균일한 도포가 가능한 이점이 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.
또한, 중간 다이 블록(220)이 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록을 포함하며, 상기 제1 중간 다이 블록과 상기 제2 중간 다이 블록은 상하로 서로 대면 접촉하되 접촉면을 따라 슬라이딩 되어 상대 이동 가능하게 마련된 변형예도 가능하다. 이러한 변형예에서 다이 블록은 총 4개가 포함되게 된다.
제1 중간 다이 블록은 하부 다이 블록(210)과 볼트 결합 등에 의해 상호 간 고정 결합되고 제2 중간 다이 블록은 상부 다이 블록(230)과 볼트 결합 등에 의해 상호 간 고정 결합될 수 있다. 그러면 제1 중간 다이 블록과 하부 다이 블록(210)이 일체형으로 움직이고, 제2 중간 다이 블록과 상부 다이 블록(230)이 일체형으로 움직일 수 있다.
이러한 변형예에 따르면, 상부 및 하부 토출구(101a, 102a)를 수평 방향을 따라 서로 이격되어 전후로 배치시킬 수 있다. 별도의 장치를 이용하거나, 작업자가 수작업을 통해 하부 다이 블록(110) 및 상부 다이 블록(130)의 상대적인 이동을 만들어낼 수 있는 것이다. 예를 들어, 하부 다이 블록(110)은 움직이지 않고 그대로 둔 상태로, 상부 다이 블록(130)을 슬라이딩 면을 따라 코팅액의 토출 방향과 반대인 후방으로, 또는 토출 방향인 전방으로 일정 거리만큼 이동시키면 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 사이에 단차를 형성할 수 있다. 여기서, 슬라이딩 면이라 함은, 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록의 대향면을 의미한다.
이와 같이 형성된 단차의 폭은 대략 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 범위 내에서 결정될 수 있으며, 이는 기재(290) 상에 형성되는 제1 코팅액(250)과 제2 코팅액(260)의 물성, 점성 또는 기재(290) 상에 소망하는 층별 두께에 따라 결정될 수 있다. 예컨대 기재(290) 상에 형성될 코팅층의 두께가 두꺼울수록 단차의 폭은 그 수치가 커질 수 있다.
또한, 이와 같이, 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a)가 서로 수평 방향을 따라 상호 이격된 위치에 배치됨에 따라, 상부 토출구(102a)에서 토출된 제2 코팅액(260)이 하부 토출구(101a)로 유입되거나, 또는 하부 토출구(101a)에서 토출된 제1 코팅액(250)이 상부 토출구(102a)로 유입될 우려가 없게 된다.
즉, 하부 토출구(101a) 또는 상부 토출구(102a)를 통해 토출된 코팅액은 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 사이에 형성된 단차를 이루는 면에 가로막혀 다른 토출구쪽으로 유입될 우려가 없게 되는 것이며, 이로써 더욱 원활한 다층 활물질 코팅 공정이 진행될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 변형예에 따른 듀얼 슬롯 다이 코터는, 하부 토출구(101a)와 상부 토출구(102a) 간의 상대적인 위치에 변경이 필요한 경우에 있어서, 하부 다이 블록(110) 및/또는 상부 다이 블록(130)의 슬라이딩 이동에 의해 간단하게 조정이 가능하며, 각각의 다이 블록(110, 120, 130)를 분해 및 재조립할 필요가 없게 되어 공정성이 크게 향상될 수 있다.
이하, 도 2에 도시한 바와 같은 슬롯 다이 코터(100)에서 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)를 변화시키며 유량 편차를 시뮬레이션(simulation) 통해 확인한 결과를 상세히 설명한다.
해석은 인조 흑연 : 천연 흑연 : 도전재 : 점증제(CMC) : 바인더(SBR)가 85.1 : 9.5 : 1 : 1.5 : 3인 음극 활물질 슬러리인 경우를 상정하였다. 이러한 음극 활물질 슬러리의 밀도는 1.35 kg/m3, 고형분량은 48%이다. 코팅 조건으로, 건조 후 로딩은 10.6 mg/cm2, 코팅 속도는 80 m/min, 심 플레이트 두께는 1mm, 코팅폭은 1040mm이었다. 랜드 길이는 23.2, 43.2, 63.2, 83.2, 113.2mm인 경우를 시뮬레이션하였다. 매니폴드 길이는 34, 54, 64, 74, 114mm인 경우를 시뮬레이션하였다.
도 7은 랜드 길이와 매니폴드 길이를 변화시키며 유량 편차를 확인한 그래프이다. 그래프에서 가로축은 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비이고, 세로축은 유량 편차를 나타낸다.
샘플 1은 랜드 길이와 매니폴드 길이 합(A+B)이 97.2mm인 경우이다. 샘플 2는 랜드 길이와 매니폴드 길이 합이 117.2mm인 경우이다. 샘플 3은 랜드 길이와 매니폴드 길이 합이 137.2mm인 경우이다. 샘플 4는 랜드 길이와 매니폴드 길이 합이 157.2mm인 경우이다.
표 1은 샘플 1 내지 4에 대하여 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비(A/B), 유량 편차, 유량 편차 최저값과의 차이를 정리한 것이다.
[표 1]
Figure PCTKR2021014050-appb-img-000001
A/B가 0에서부터 8로 증가하는 구간에서 샘플 1은 A/B가 0.5 내지 3.55이면 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타낸다. 샘플 2에서는 A/B비가 0.43 내지 4.3이면 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타낸다. 샘플 3에서는 A/B가 0.37 내지 5.1이면 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타낸다. 샘플 4에서는 A/B가 0.31 내지 6.1이면 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타낸다. 이렇게 랜드 길이와 매니폴드 길이 합이 샘플 1에 비해 증가할수록, 유량 편차의 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 나타내도록 하는 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비의 범위는 0.5 내지 3.55보다 넓어진다. 따라서, 랜드 길이와 매니폴드 길이 합이 97.2mm 이상인 모든 경우에 대하여, 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비의 범위는 0.5 내지 3.55가 되도록 하면, 유량 편차의 최소값에 근사한 유량 편차를 나타내도록 할 수 있다.
정리하면, 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 합을 고정한 상태에서 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 변화시키면, 유량 편차가 감소하다가 증가하는 경향이 있고, 유량 편차가 최소값을 나타내게 하는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 정해진다. 최소값보다 2% 더 큰 경우까지 허용 수준으로 보아 이러한 유량 편차를 나타내는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 만족하도록 다이 블록의 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)를 설계한다. 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B), 혹은 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B) 합이 달라짐에 따라 이러한 유량 편차를 나타내는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 달라지겠으나, 현재 이차전지 제조를 위하여 이용할 수 있는 집전체 크기를 고려한 슬롯 다이 코터의 크기 범위 내에서는 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 0.5 내지 3.55인 범위를 만족한다면 대체로 최소값에서부터 최소값 +2%인 유량 편차를 가질 수 있는 다이 블록을 설계할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 하여 거의 균일한 코팅액 유동을 나타내도록 하는 슬롯 다이 코터를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 랜드 길이와 매니폴드 길이의 비가 소정의 범위를 만족하도록 하면 유량 편차를 최소값에 가깝게 함으로써 종래보다 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
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 (13)

  1. 적어도 2개의 다이 블록;
    2개의 다이 블록 사이에 구비되어 슬롯을 형성하는 심 플레이트;
    상기 다이 블록에 구비되며 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 슬롯과 연통하는 매니폴드를 포함하여,
    상기 슬롯과 연통된 토출구를 통해 상기 코팅액을 기재 상에 토출하여 도포하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 매니폴드 앞단에서부터 상기 다이 블록의 선단부인 다이 립까지의 다이 블록의 영역이 랜드이고, 상기 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것인 슬롯 다이 코터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이 립에서부터 상기 다이 블록 후면까지의 길이인 다이 블록 크기가 350mm 이하인 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 상기 랜드 길이(A)와 매니폴드 길이(B)의 비(A/B)를 정하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  4. 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 다이 블록에 구비되며 제1 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 하부 슬롯과 연통하는 제1 매니폴드; 및
    상기 중간 다이 블록에 구비되며 제2 코팅액을 수용하는 만입 형상의 챔버로서 상기 상부 슬롯과 연통하는 제2 매니폴드를 포함하는 슬롯 다이 코터로서,
    상기 제1 매니폴드 앞단에서부터 상기 하부 다이 블록의 선단부인 하부 다이 립까지의 하부 다이 블록의 영역이 제1 랜드이고, 상기 제1 랜드 길이(A')와 제1 매니폴드 길이(B')의 비(A'/B')가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것이거나
    상기 제2 매니폴드 앞단에서부터 상기 중간 다이 블록의 선단부인 중간 다이 립까지의 중간 다이 블록의 영역이 제2 랜드이고, 상기 제2 랜드 길이(A")와 제2 매니폴드 길이(B")의 비(A"/B")가 0.5 내지 3.55인 범위를 갖는 것인 슬롯 다이 코터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터의 폭 방향을 따라 측정한 유량의 최대값과 최소값의 차이인 유량 편차가 최소값에서부터 최소값 +2%인 값이 되도록 상기 제1 랜드 길이(A')와 제1 매니폴드 길이(B')의 비(A'/B') 또는 상기 제2 랜드 길이(A")와 제2 매니폴드 길이(B")의 비(A"/B")를 정하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 거의 수평으로 해 상기 슬롯 다이 코터를 설치하고, 상기 하부 다이 블록, 중간 다이 블록 및 상부 다이 블록에서 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향에 반대되는 면은 거의 수직으로 놓이는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  7. 제4항에 있어서, 상기 중간 다이 블록과 상부 다이 블록의 접면이 수평면에 대하여 평행한 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  8. 제4항에 있어서, 상기 하부 슬롯과 상기 상부 슬롯은 30도 내지 60도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  9. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며,
    상기 하부 슬롯을 정의하기 위한 하부 심 플레이트; 및
    상기 상부 슬롯을 정의하기 위한 상부 심 플레이트를 더 포함하고,
    상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상기 기재 상에 형성되는 전극 활물질층의 코팅폭을 결정하도록 일 영역이 절개되어 개방부를 구비하며,
    상기 하부 심 플레이트와 상부 심 플레이트는 상하 방향으로 서로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  10. 제4항에 있어서, 상기 중간 다이 블록은 제1 중간 다이 블록과 제2 중간 다이 블록을 포함하며, 상기 제1 중간 다이 블록과 상기 제2 중간 다이 블록은 상하로 서로 대면 접촉하되 접촉면을 따라 슬라이딩되어 상대 이동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 중간 다이 블록은 하부 다이 블록과 볼트 결합 에 의해 상호 간 고정 결합되고, 상기 제2 중간 다이 블록은 상부 다이 블록과 볼트 결합에 의해 상호 간 고정 결합되어, 상기 제1 중간 다이 블록과 하부 다이 블록이 일체형으로 움직이고, 상기 제2 중간 다이 블록과 상부 다이 블록이 일체형으로 움직이는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하부 토출구와 상부 토출구 사이에 단차를 형성한 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
  13. 제4항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코터는 연속적으로 주행하는 기재 표면에 상기 하부 슬롯 및 상부 슬롯 중 적어도 어느 하나를 통해 전극 활물질 슬러리를 압출해 도포하는 것이며, 상기 전극 활물질 슬러리를 토출하는 방향을 중력 반대 방향으로 하는 것을 특징으로 하는 슬롯 다이 코터.
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