WO2022231143A1 - 금속박막 제조장치 - Google Patents

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WO2022231143A1
WO2022231143A1 PCT/KR2022/004560 KR2022004560W WO2022231143A1 WO 2022231143 A1 WO2022231143 A1 WO 2022231143A1 KR 2022004560 W KR2022004560 W KR 2022004560W WO 2022231143 A1 WO2022231143 A1 WO 2022231143A1
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titanium
metal thin
electrolyte
electrolytic
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PCT/KR2022/004560
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이대인
이종인
이이근
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주식회사 다이브
이대인
이종인
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing a metal thin film having a vertical structure including a titanium negative plate having an endless plate ring structure and a plurality of electrolytic cells.
  • copper foil has an advantage in that it has excellent electrical characteristics compared to its price, so it is in the spotlight as a main material for a current collector of a secondary battery or a printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the copper foil is immersed in an electrolyte with a drum coated with titanium on its surface and an insoluble anode material acting as an anode, and the drum and the cathode material are energized in one direction by rotating the drum in one direction to deposit the electrodeposited copper foil. It can be manufactured by an electroforming method.
  • Korean Patent Laid-Open No. 10-2019-0052895 discloses an electrodeposited copper foil manufacturing apparatus in which a post-treatment process is removed
  • Korean Patent Laid-Open No. 10-2015-0031388 discloses an electrodeposited copper foil apparatus including an insoluble electrode.
  • One embodiment of the present invention for achieving the above object is a titanium rotating plate to which a plurality of titanium plates are connected in one direction, a plurality of electrolytic cells corresponding to the plurality of titanium plates, and the plurality of titanium plates and the plurality of electrolytic cells. It includes an electrode part electrically connected, the plurality of electrolytic cells, a cathode material positioned to face the titanium plate, and
  • An electrolytic solution supply nozzle for supplying an electrolyte to each of the electrolytic cells is included, wherein the plurality of electrolytic cells are subjected to electroforming with the plurality of titanium plates to manufacture a metal thin film.
  • the electrolyte supply nozzle may spray the electrolyte on one surface of the titanium plate.
  • the cathode material may have solubility and may be provided in the form of a metal ball.
  • the titanium rotating plate may be formed in a ring shape.
  • an electrolyte storage unit for storing one or more electrolytes
  • the plurality of electrolyte cells may be supplied with any one selected from among the previously stored electrolytes.
  • the first electrolyte may be supplied to at least one electrolytic cell selected from among the plurality of electrolytic cells, and a second electrolytic solution different from the first electrolytic solution may be supplied to at least one other electrolytic cell.
  • a plurality of conducting rolls are formed on the inner and outer surfaces of the titanium rotating plate and rotating the titanium rotating plate in one direction may be included.
  • a reinforcing layer formed with an insulating coating layer may be inserted between the titanium rotating plate and the plurality of conductive rolls.
  • the plurality of titanium plates are connected to each other by welding, and after welding, heat treatment may be performed at 500 to 700° C. for 10 to 100 minutes.
  • the metal thin film manufacturing apparatus connects a plurality of titanium plates in an endless plate ring structure, and includes an electrolytic cell, and independently sets process conditions such as type, concentration, current density, etc. of an electrolyte for each electrolytic cell. can be adjusted with Through this, a single-layer or multi-layered metal thin film can be easily manufactured.
  • the cathode material as a soluble metal ball or a soluble metal plate, it is possible to prevent the deterioration of the quality of the metal thin film due to the generation of oxygen gas during the manufacturing process, and at the same time, the electrolytic voltage can reduce
  • FIG. 1 is a plan view of an apparatus for manufacturing a metal thin film according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a titanium rotating plate according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3a is a plan view for explaining the electrolytic cell according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 3b is a front view for explaining the electrolytic cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of an apparatus for manufacturing a metal thin film according to a second embodiment of the present invention.
  • One feature of the present invention relates to a metal thin film manufacturing apparatus in which one titanium plate is connected in one direction to constitute one negative electrode rotating plate, and a plurality of electrolytic cells are electroformed on the negative electrode rotating plate to manufacture a metal thin film.
  • the titanium rotating plate refers to a rotating plate in which a plurality of titanium plates are welded in one direction, and both ends of the connected titanium plates are welded in a ring shape. That is, the titanium rotating plate may be provided in the form of an endless plate ring by welding a plurality of titanium plates.
  • the electrolytic cell is located in the arc portion of the titanium rotating plate, and the titanium rotating plate provided in the shape of a continuous plate ring and electroforming (electroforming) to manufacture a metal thin film.
  • the electrolytic cell includes a cathode material positioned to face the titanium plate, an electrolyte charged between the cathode material and the titanium plate, and an electrolyte supply nozzle for supplying the electrolyte, so that the titanium plate is a negative electrode, the positive electrode material is A metal thin film may be manufactured by electrodepositing a metal that is positively charged and dissolved in the electrolyte on the titanium plate.
  • the metal thin film may mean a thin film manufactured by an electroplating method, more preferably a metal thin film manufactured by an electroforming method, and even more preferably an electrolytic copper foil manufactured by an electroforming method.
  • the metal thin film in the present specification is described as an electrodeposited copper foil as an example, but is not limited thereto, and may mean a thin film provided with nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), and an alloy including the same.
  • the apparatus for manufacturing a metal thin film according to an embodiment of the present invention diversifies the cross-sectional structure of a metal thin film, including a titanium rotating plate in which a plurality of titanium plates are welded in a ring shape, and a plurality of electrolytic cells for electroforming with the titanium rotating plate It is possible to provide a multi-layered metal thin film, including an electrolytic precipitation layer in the metal thin film.
  • an electrodeposited copper foil was manufactured by immersing a negatively charged drum in an electrolyte and then rotating the drum in one direction.
  • the outer shell of the drum is provided with titanium (Ti), the titanium (Ti) drum and the positive plate are immersed in an electrolyte, and then the drum is rotated with electricity applied to the negative electrode and the positive plate,
  • An electrodeposited copper foil was prepared by precipitating copper from the surface.
  • the above-described method has the advantage that a uniform and stable metal foil can be manufactured in large quantities only by maintaining a constant rotation speed of the drum, but has a disadvantage in that it is difficult to manufacture a metal thin film having various electrical characteristics.
  • another drum is required in order to add an electrolytic precipitation layer to the prepared electrodeposited copper foil.
  • the metal thin film manufacturing apparatus may include a Ti rotating plate in which a plurality of titanium plates are connected in an endless plate ring form, and a plurality of electrolytic cells corresponding to the Ti rotating plate.
  • a metal thin film can be manufactured by energizing the Ti rotating plate as a cathode and the plurality of electrolytic cells as an anode.
  • a multi-layered metal thin film including two or more metals may be manufactured by injecting different electrolytes into each electrolytic cell.
  • FIG. 1 is a plan view of an apparatus for manufacturing a metal thin film according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining a titanium rotating plate according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3A is a first embodiment of the present invention It is a plan view for explaining the electrolytic cell according to the example
  • Figure 3b is a front view for explaining the electrolytic cell according to the first embodiment of the present invention.
  • an apparatus 1000 for manufacturing a metal thin film according to a first embodiment of the present invention includes a titanium rotating plate 100 , a plurality of electrolytic cells 300 , a winding roll 500 , and an electrode part (not shown). ) may be included.
  • the titanium rotating plate 100 may be provided in the form of a plurality of titanium (Ti) plates 110 in a ring shape, more preferably in the form of an endless plate ring.
  • the titanium rotating plate 100 may be energized to the cathode through the electrode part, and more preferably, a metal thin film (Foil, FIG. 1 in T) can be prepared.
  • a plurality of titanium plates 110 may be connected to each other through welding, and more preferably, may be connected to each other through Tig welding.
  • the titanium plate 110 may be provided in the form of a plate having a width of 0.1 to 2 m, a length of 5 to 50 m, and a thickness of 1 to 30 mm, but is not limited thereto. Of course, it can be changed at any time.
  • a metal thin film T may be formed on the outer surface of the titanium rotary plate 100
  • a plurality of conductive rolls 130 may be formed on one or more of the inner and outer surfaces of the titanium rotary plate 100 .
  • the conducting roll 130 may serve to charge the titanium rotating plate 100 , and may also serve as a driving roll for rotating the titanium rotating plate 100 in one direction.
  • the conductive roll 130 may be formed on at least one of an inner surface and an outer surface of the titanium rotating plate 100 .
  • the conductive roll 130 may be formed on both sides of the titanium rotating plate 100 as shown in FIG. 1 . Alternatively, it may be formed on only one surface selected from the inner surface and the outer surface of the titanium rotating plate 100 .
  • the conductive roll 130 is described as an example in a state in which both the inner and outer surfaces of the titanium rotating plate 100 are formed, but the present invention is not limited thereto, and is formed on any one of the inner and outer surfaces. It is obvious that it can be (In order to broaden the scope of the invention, it has been modified that the conduction roll can be formed on both sides and can be formed on either side.)
  • the titanium plate 110 may be heat-treated after assembly by welding. Through this, the titanium plates 110 can be strongly coupled to each other, and stress formed in the bonding process can be removed to prevent the thin film from being deformed or peeled during the manufacturing process.
  • the heat treatment is preferably performed at 500 to 700 ° C. for 10 to 100 minutes.
  • the heat treatment is performed at less than 500 ° C. or less than 10 minutes, the stress between the titanium plate 110 and the fixture 130 . As this remains, deformation and peeling may occur in the process of manufacturing the metal thin film.
  • productivity may decrease and thermal deformation may occur.
  • the heat treatment may be performed at 500 to 700° C. for 10 to 100 minutes, and more preferably at 600 to 650° C. for 30 to 50 minutes.
  • the reinforcing layer 150 may be inserted between the titanium plate 110 connected by welding and the plurality of conductive rolls 130 .
  • the reinforcing layer 150 may reinforce the strength of the titanium plate 110 , and may be formed on the inner surface of the titanium plate 110 . Through this, the reinforcing layer 150 may prevent the metal thin film T from being formed on the inner surface of the titanium plate 110 .
  • the reinforcing layer 150 may be made of a non-metal having insulating properties, such as a polymer, or a metal having an insulating coating formed thereon.
  • the plurality of electrolytic cells 300 may be located at the outer shell of the titanium rotating plate 100, and may supply an electrolyte to the plurality of titanium plates.
  • the electrolytic cell 300 may include a cathode material 310 and an electrolyte supply nozzle 330 , and more preferably a cathode material 310 inside a predetermined case 370 . ) and an electrolyte supply nozzle 330 . Through this, the electrolytic cell 300 may supply the electrolytic solution into the electrolytic cell 300 through the electrolytic solution supply nozzle.
  • the cathode material 310 may be positioned to face the titanium plate 110 , and more preferably in a direction facing the titanium plate 110 , which is spaced apart from the outer surface of the titanium rotating plate 110 by a predetermined distance and connected by welding. can be formed in
  • the cathode material 310 may be provided as an insoluble electrode coated with ruthenium (Ru), iridium (Ir), tantalum (Ta), or the like, or partially or entirely dissolved in an electrolyte. It may be provided as a metal ball having a solubility or a metal plate having a trace size.
  • Ru ruthenium
  • Ir iridium
  • Ta tantalum
  • the metal ball or the metal piece is a copper ball.
  • it may be provided as a copper plate.
  • the conventional metal thin film manufacturing apparatus uses an insoluble anode material that does not dissolve in an electrolyte, and the cathode material is immersed in an electrolyte together with a large drum serving as a cathode to produce a thin film by applying an electric current.
  • an excess of oxygen (O 2 ) may be generated at the anode during the electrolysis process, and a small amount of hydrogen (H 2 ) may be generated at the cathode.
  • Excess oxygen (O 2 ) generated in the anode may be attached to the electrodeposited metal surface to cause surface defects, and may oxidize a portion of the metal thin film to weaken electrical properties.
  • a small amount of hydrogen (H 2 ) generated from the negative electrode may be partially absorbed and diffused in titanium acting as the negative electrode. This is because, in the conventional drum-type method, hydrogen (H 2 ) generated from the cathode is difficult to be discharged because the path through which it exits is long and narrow.
  • titanium hydride (TiH 2 ) may be formed.
  • the titanium hydride (TiH 2 ) has a lower hardness than pure titanium metal and can be easily desorbed. This reduces the lifespan of the negative drum and may cause defects on the surface of the metal thin film.
  • the cathode material 310 may be provided as copper (Cu) soluble in the electrolyte, and more preferably in the form of a metal ball or a soluble metal plate. It is possible to increase the surface area in contact with the electrolyte to the maximum. That is, in the present invention, oxygen (O 2 ) can be prevented from adhering to the surface of the cathode material by dissolving the cathode material 310 in the electrolyte.
  • Cu copper
  • O 2 oxygen
  • the user can visually check the remaining amount of the cathode material 310 to remove the cathode material 310 . It can be replaced, and the flow rate and flow direction can be appropriately controlled according to the residual amount of the cathode material 310 . Through this, there is an advantage in that it is easy to check the replacement cycle of the cathode material 310 and to optimize the process conditions.
  • the cathode material 310 can reduce the power cost compared to a conventional insoluble cathode material.
  • the electrolyte supply nozzle 330 serves to supply the electrolyte into the electrolyte cell, and more preferably penetrates one surface of the positive electrode material 310 and is between the positive electrode material 310 and the titanium plate 110 . can be supplied with electrolyte.
  • the electrolyte may be a general electrolyte commonly used in an electroforming method, more preferably copper sulfate (CuSO 4 ), but is not limited thereto.
  • CuSO 4 copper sulfate
  • the electrolyte supply nozzle 330 is located on the rear surface of the positive electrode material 310 , and a through hole 335 penetrating the positive electrode material 310 may be formed.
  • the electrolyte may be continuously supplied between the cathode material 310 and the titanium plate 110 through the through hole 335 . Through this, the cathode material 310 and the titanium plate 110 can always maintain a state filled with the electrolyte.
  • the case 370 may cover the cathode material 310 and the electrolyte supply nozzle 330 to protect them from being exposed to the outside, and may seal the electrolyte so that the electrolyte is filled inside the electrolyte cell.
  • the electrolyte cell 300 may further include an electrolyte recovery device for recovering the electrolyte supplied from the electrolyte supply nozzle 330 .
  • the electrolyte recovery device may recover the electrolyte supplied to each of the electrolyte cells 300 and the electrolyte exposed through the gap between the titanium plate 110 and the case 370 .
  • the electrolyte cell 300 may further include an electrolyte circulation device (not shown) for re-supplying the electrolyte recovered from the electrolyte recovery device to the electrolyte supply nozzle 330 again.
  • an electrolyte circulation device (not shown) for re-supplying the electrolyte recovered from the electrolyte recovery device to the electrolyte supply nozzle 330 again.
  • the electrolytic cell 330 continuously circulates the electrolyte supplied to the inside of the case 370 so that the cathode material 310 and the titanium plate 110 are always filled with the electrolyte.
  • the metal thin film manufacturing apparatus 1000 may further include an electrolyte storage unit for separately storing one or more types of electrolytes, and transfer any one selected from the electrolytes pre-stored in the electrolyte storage unit to the electrolyte ( 330) may be supplied into one or more of the electrolytic cells through the supply nozzle.
  • an electrolyte storage unit for separately storing one or more types of electrolytes, and transfer any one selected from the electrolytes pre-stored in the electrolyte storage unit to the electrolyte ( 330) may be supplied into one or more of the electrolytic cells through the supply nozzle.
  • the metal thin film manufacturing apparatus 1000 may supply a first electrolytic solution to the first electrolytic cell, 2
  • the second electrolyte may be supplied to the electrolytic cell.
  • the first electrolyte and the second electrolyte may be the same type of electrolyte, but may be different types of electrolyte.
  • the first electrolyte and the second electrolyte may be the same type of electrolyte or electrolytes having different concentrations, and may be electrolytes having the same type and concentration but different additives added thereto.
  • the metal thin film manufacturing apparatus 1000 can provide the cross-sectional configuration of the metal thin film as a single layer or multi-layer with one device, and when the metal thin film has a multi-layer structure, each layer is provided with the same or different metals can do.
  • the winding roll 500 may be wound with a metal thin film T continuously discharged from the titanium rotating plate 100 .
  • the apparatus 1000 for manufacturing a metal thin film according to an embodiment of the present invention may peel off the metal thin film T from the titanium rotating plate 100 and wind it around the winding roll 500 for storage.
  • a plurality of rotating rolls are included between the titanium rotating plate 100 and the winding roll 500 to adjust the tension of the metal thin film T.
  • a cleaning unit (not shown) for removing foreign substances from the metal thin film may be included between the titanium rotating plate 100 and the winding roll 500 .
  • a cleaning unit for removing foreign substances from the metal thin film may be included between the titanium rotating plate 100 and the winding roll 500 .
  • the electrode unit (not shown) may supply a current to the titanium rotating plate 100 so that the titanium rotating plate 100 is negatively charged.
  • a separate bus bar may be connected to the positive electrode material 310 to charge the positive electrode material 310 as a positive electrode.
  • the metal in the electrolyte may be electrodeposited to manufacture a continuous metal thin film T.
  • the electrode part may be charged negatively by directly supplying current to the welding-connected titanium plate 110 of the titanium rotating plate 100 , or a plurality of conductive rolls formed on the rear surface of the titanium plate 110 ( 130) by supplying a current to the titanium rotating plate 100 can be negatively charged.
  • the electrode unit may independently control the current density of the plurality of electrolytic cells 300 by adjusting the amount of anode current in the cathode material.
  • the plurality of electrolysis cells 300 include a first electrolysis cell 300a and a second electrolysis cell 300b
  • the anode material 310a included in the first electrolysis cell 300a and the second electrolysis cell 300b can be adjusted to have the same current density.
  • a first current is injected into the anode material 310a included in the first electrolysis cell 300a, and a second current different from the first current is injected into the cathode material 310b included in the second electrolysis cell 300b.
  • a second current different from the first current is injected into the cathode material 310b included in the second electrolysis cell 300b.
  • the metal thin film manufacturing apparatus 1000 may provide the same or different current density according to the electrolytic cell 300 to diversify electrical and physical properties and mechanical properties such as thickness and electrical conductivity of the metal thin film.
  • the metal thin film manufacturing apparatus has been described above.
  • an apparatus for manufacturing a metal thin film according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 .
  • FIG. 4 is a plan view of an apparatus for manufacturing a metal thin film according to a second embodiment of the present invention.
  • the titanium rotating plate 100 may further include a reinforcing layer 150 , unlike the first embodiment.
  • the reinforcing layer 150 may be formed on the inner surfaces of the plurality of titanium plates 110 , and as described above, may reinforce the strength of the titanium plates 110 . A detailed description of the reinforcing layer 150 will be omitted since it has been described at the outset.
  • the apparatus for manufacturing a metal thin film according to the second embodiment of the present invention may include a motor for rotating the reinforcing layer 150 in one direction.
  • the electrode unit (not shown) according to the second embodiment may directly supply current to the welding-connected titanium plate 110 to charge the titanium rotating plate 100 negatively.
  • the metal thin film manufacturing apparatus 1000 corresponds to the titanium rotating plate 100 to which the titanium plate 110 is connected in one direction, the titanium plate, and the titanium plate and the electrolytic casting ( A plurality of electrolytic cells 300 for manufacturing a metal thin film by electroforming may be included.
  • Table 1 summarizes the differences between the apparatus for manufacturing a metal thin film (Example) according to the embodiment of the present invention described above and a typical titanium anode drum (Drum) type metal thin film manufacturing apparatus (Comparative Example).
  • a typical titanium cathode drum type metal thin film manufacturing apparatus uses coin wire scrap as a raw material. Specifically, the waste coated copper wire is cut to an appropriate size using a machine, and then compressed air is blown in to prepare a scrap of a coin wire whose surface is oxidized.
  • an electrolyte solution After infiltrating the copper wire scrap whose surface is oxidized in a large dissolution tank tank, it is dissolved with a sulfuric acid solution to prepare an electrolyte solution. Specifically, an electrolyte in which 100 to 200 g/L of sulfuric acid and 50 to 100 glL of copper ions are mixed is prepared by dissolving in 1 L of sulfuric acid solution per 100 g of copper wire scrap. At this time, since organic and inorganic impurities are present in the electrolyte, a process of removing impurities using an active carbon filter is required.
  • the electrolyte prepared by the above method is supplied between a drum coated with titanium serving as a cathode and an insoluble cathode material serving as an anode, and the drum is rotated in one direction while an electric current is applied to the drum and the cathode material to form a metal thin film. can precipitate.
  • oxygen ions (O-) generated in the insoluble cathode material change into oxygen (O2) gas, and the generated electrons are transferred to the titanium anode drum, and copper (Cu2+) ions react in the electrolyte to form an electrodeposited copper foil.
  • the titanium anode drum (Drum)-type metal thin film manufacturing apparatus is a method of controlling the thickness of the metal thin film must be adjusted through only one variable, the rotational speed of the anode drum. This is the reason why it is difficult to diversify the hardness, tensile strength, and electrical and physical properties and mechanical properties of the metal thin film.
  • the apparatus for manufacturing a metal thin film according to an embodiment of the present invention can supply an electrolyte through a plurality of electrolytic cells, and independently control process conditions such as the type, concentration, and current density of the electrolyte for each electrolytic cell to electrically, Physical and mechanical properties can be diversified.
  • it has an advantage in that it is easy to manufacture a single-layer or multi-layer metal thin film due to a plurality of electrolytic cells.
  • an electrolyte containing copper may be injected into the first electrolyte cell.
  • an electrodeposited copper foil may be deposited by injecting a current between the cathode and the anode to form a current density of 10 to 90 A/dm2.
  • the same electrolyte as that of the first electrolytic cell is injected, but the thickness of the electrolytic copper foil can be adjusted by forming different current densities.
  • a heterogeneous electrolytic precipitation layer may be formed by injecting an electrolyte containing a metal other than copper into the second electrolytic cell.
  • the precipitation conditions in the first electrolytic cell and the second electrolytic cell have been described, but the present disclosure is not limited thereto, and it is obvious that the precipitation layer can be independently formed in the third or fourth electrolytic cells.

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Abstract

본 명세서는 티타늄 판이 일 방향으로 연결되는 티타늄 회전판, 상기 티타늄 판과 대응되는 복수의 전해셀 및 상기 티타늄 판과 상기 복수의 전해셀을 전기적으로 연결하는 전극부를 포함하며, 상기 복수의 전해셀은, 상기 티타늄 판과 대면하여 위치한 양극재, 상기 양극재와 상기 티타늄 회전판 사이에 충진되는 전해액, 상기 전해액을 공급하는 전해액 공급노즐이 포함되어, 상기 복수의 전해셀은 상기 티타늄 판과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막을 제조하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치에 관한 것이다.

Description

금속박막 제조장치
본 발명은 끊김없는 판 링(Endless plate ring) 구조의 티타늄 음극 판과 복수의 전해셀을 포함하는 수직구조 형태의 금속박막 제조장치에 관한 것이다.
전자기기산업이 발전함에 따라, 각종 회로도체 및 이차전지에서 음극 집전체 등으로 사용하는 금속 박막의 수요가 증가하고 있다. 그 중 동박은 가격에 비해 전기적 특성이 우수하다는 장점이 있어서 이차 전지의 집전체 또는 인쇄 회로 기판(PCB)의 주요 소재로 각광받고 있다.
통상적으로 상기 동박은 표면에 티타늄이 코팅된 드럼(Drum)과 양극으로 작용하는 불용성 양극재를 전해액에 담구고, 상기 드럼과 양극재에 전류를 통전한 상태에서 드럼을 일 방향으로 회전하여 전해동박을 석출하는 전해주조(electroforming) 방식으로 제조할 수 있다.
실제로, 대한민국 공개특허 제10-2019-0052895호에서는 후처리 공정이 제거된 전해동박 제조 장치를 개시하고 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2015-0031388호에서는 불용성 전극을 포함하는 전해동박 장치를 개시하고 있다.
하지만 상술된 문헌들에 제시된 방법은 하나의 드럼에 하나의 전해액만을 제공하여 전해석출층을 다양화 하기에는 어려움이 있었다. 또한, 전해석출층을 다층으로 제작하기 위해서는 둘 이상의 드럼이 요구되어 생산 구조 특성상 실용화가 어려울 뿐 아니라 생산비가 증가하는 단점이 있다.
이러한 이유로, 단층 또는 다층의 금속 박막을 손쉽게 제작 가능하며, 둘 이상의 전해석출층이 포함된 박막을 제조할 수 있는 금속 박막 제조장치가 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 티타늄 판과 복수의 전해셀을 포함하여, 단층 또는 다층의 금속박막을 용이하게 제조하는 끊김없는 판 링(Endless plate ring)구조의 금속박막 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 복수의 티타늄 판이 일 방향으로 연결되는 티타늄 회전판, 상기 복수의 티타늄 판과 대응되는 복수의 전해셀 및 상기 복수의 티타늄 판과 상기 복수의 전해셀을 전기적으로 연결하는 전극부를 포함하며, 상기 복수의 전해셀은, 상기 티타늄 판과 대면하여 위치한 양극재 및
상기 각각의 전해셀에 전해액을 공급하는 전해액 공급노즐이 포함되어, 상기 복수의 전해셀은 상기 복수의 티타늄 판과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막을 제조하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 전해액 공급노즐은 상기 티타늄 판 일 면에 전해액을 분사할 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 양극재는 용해성을 가지며, 금속 볼(Soluble metal ball) 형태로 제공될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 회전판은 고리 형상으로 형성될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 전해액을 저장하는 전해액 저장부를 더 포함하며 상기 복수의 전해셀은 기 저장된 전해액 중 선택된 어느 하나의 전해액이 공급될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 전해셀 중 선택되는 어느 하나 이상의 전해셀에 제1 전해액이 공급되며, 다른 하나 이상의 전해셀에 제1 전해액과 다른 제2 전해액이 공급될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 회전판의 내측면 및 외측면에 형성되며, 상기 티타늄 회전판을 일 방향으로 회전시키는 복수의 전도롤이 포함될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 티타늄 회전판과 상기 복수의 전도롤 사이에 절연 코팅층이 형성된 보강층이 삽입될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 티타늄 판은 서로 용접 연결되며, 상기 용접 후 500 내지 700℃에서 10 내지 100분 동안 열처리될 수 있다.
본 발명에 따른 금속박막 제조장치는 복수의 티타늄 판을 끊김없는 판 링(Endless plate ring)구조로 연결하고 전해셀을 포함하여, 각 전해셀 당 전해액의 종류, 농도, 전류밀도 등 공정 조건을 독립적으로 조절할 수 있다. 이를 통해, 단층 또는 다층의 금속박막을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 양극재를 용해성 금속 볼(Soluble metal ball)또는 용해성 금속 조각(Soluble metal plate)으로 제공함으로써, 제조 과정에서 산소가스가 발생하여 금속 박막의 품질이 감소하는 것을 방지할 수 있으며, 동시에 전해전압을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 금속박막 제조장치의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 티타늄 회전판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전해셀을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전해셀을 설명하기 위한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속박막 제조장치의 평면도이다.
이하 본 발명에 따른 금속박막 제조장치에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 특징은 하나의 티타늄 판이 일 방향으로 연결되어 하나의 음극 회전판을 구성하며, 상기 음극 회전판에 복수의 전해셀이 전해주조하여 금속박막을 제조하는 금속박막 제조장치에 관한 것이다.
본 발명에서 티타늄 회전판은 복수의 티타늄 판을 일 방향으로 용접 연결하고, 상기 연결된 티타늄 판의 양 끝을 고리(Ring) 형상으로 용접한 회전판을 의미한다. 즉, 상기 티타늄 회전판은 복수의 티타늄 판을 용접하여 끊김없는 판 링(Endless plate ring)형태로 제공될 수 있다.
본 발명에서 전해셀은 상기 티타늄 회전판의 원호부에 위치하며, 끊임없는 판 링 형상으로 제공되는 상기 티타늄 회전판과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막을 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 전해셀은 상기 티타늄 판과 대면하여 위치한 양극재, 상기 양극재와 상기 티타늄 판 사이에 충전되는 전해액 및 상기 전해액을 공급하는 전해액 공급노즐이 포함되어, 상기 티타늄 판이 음극, 상기 양극재가 양극으로 대전되어 상기 전해액에 용해된 금속을 상기 티타늄 판에 전착시켜 금속박막을 제조할 수 있다.
본 발명에서 금속박막은 전기 도금 방식 제조되는 박막, 더 바람직하게는 전해주조(electroforming) 방식으로 제조되는 금속 박막을 의미할 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 전해주조 방식으로 제조되는 전해 동박일 수 있다. 이하, 본 명세서에서 금속박막은 전해동박인 것을 예시로 설명하나 이에 한정되는 것이 아니며, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 및 이를 포함하는 합금으로 제공되는 박막을 의미할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 금속박막 제조장치는 복수의 티타늄 판을 고리 형상으로 용접한 티타늄 회전판과, 상기 티타늄 회전판과 전해주조 하는 복수의 전해셀을 포함하여 금속박막의 단면 구조를 다양화 할 수 있으며, 금속박막에 전해석출층을 포함하여, 다층의 금속박막을 제공할 수 있다.
기존의 금속박막 제조장치는 음극으로 대전된 드럼(drum)을 전해액에 담근 후 상기 드럼을 일 방향으로 회전하여 전해동박을 제조하였다. 구체적으로 상기 드럼의 외피를 티타늄(Ti)으로 제공하고, 상기 티타늄(Ti) 드럼과 양극 판을 전해액에 담군 후 음극 전극과 양극 판에 전기를 인가한 상태로 드럼을 회전시켜, 음극 회전 드럼의 표면에서 구리를 석출하는 방식으로 전해동박을 제조하였다.
상술한 방법은 드럼의 회전 속도를 일정하게 유지하는 것 만으로 균일하고 안정적인 금속박을 대량으로 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 다양한 전기적 특성을 가진 금속 박막을 제조하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 제조된 전해동박에 전해석출층을 추가하기 위해서는 또 다른 드럼이 요구된다는 단점이 있다. 이는 금속박막의 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 하는데 많은 어려움이 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 금속박막 제조장치는 복수의 티타늄 판을 끊김없는 판 링(Endless plate ring)형태로 연결한 Ti 회전판 및, 상기 Ti 회전판에 대응하는 복수의 전해셀을 포함할 수 있으며, 상기 Ti 회전판을 음극, 상기 복수의 전해셀을 양극으로 통전하여 금속박막을 제조할 수 있다.
또한, 상기 복수의 전해셀에서 전해액의 농도, 전류밀도 등 공정 조건을 독립적으로 제공하여 금속박막의 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 할 수 있다.
예를 들어, 각각의 전해셀에 서로 다른 전해액을 투입하여 둘 이상의 금속을 포함하는 다층의 금속박막을 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 금속박막 제조장치에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 금속박막 제조장치의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 티타늄 회전판을 설명하기 위한 도면이고, 도 3a는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전해셀을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전해셀을 설명하기 위한 정면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 금속박막 제조장치(1000)는 티타늄 회전판(100), 복수의 전해셀(300), 권취 롤(500) 및 전극부(미도시)가 포함될 수 있다.
상기 티타늄 회전판(100)은 복수의 티타늄(Ti) 판(110)이 고리 형상, 더 바람직하게는 끊김없는 판 링(Endless plate ring)형태로 제공될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 티타늄 회전판(100)은 전극부를 통해 음극으로 통전될 수 있으며, 더 바람직하게는 양극으로 통전되는 양극재(310) 및 전해액과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막(Foil, 도 1에서 T)을 제조할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 티타늄 회전판(100)은 복수의 티타늄 판(110)이 용접을 통해 서로 연결될 수 있으며, 더 바람직하게는 티그(Tig) 용접을 통해 연결될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 티타늄 판(110)은 0.1 내지 2m의 폭과 5 내지 50m 길이 및 1 내지 30㎜의 두께를 갖는 플레이트(Plate) 형태로 제공될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 제조환경에 따라 얼마든지 변경 가능할 수 있음은 물론이다.
또한, 티타늄 회전판(100)의 외측면은 금속박막(T)이 형성될 수 있으며, 상기 티타늄 회전판(100)의 내측면 및 외측면 중 어느 하나 이상의 면에 복수의 전도롤(130)이 형성될 수 있다.
상기 전도롤(130)은 상기 티타늄 회전판(100)을 대전시키는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 티타늄 회전판(100)을 일 방향으로 회전시키는 구동롤의 역할 또한 수행할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 전도롤(130)은 상기 티타늄 회전판(100)의 내측면 및 외측면 중 어느 하나 이상의 면에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전도롤(130)은 도 1과 같이 상기 티타늄 회전판(100)의 양측면에 형성될 수 있다. 또는 상기 티타늄 회전판(100)의 내측면과 외측면 중 선택되는 어느 하나의 면에만 형성될 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 전도롤(130)이 상기 티타늄 회전판(100)의 내측면 및 외측면 모두 형성된 상태인 것을 예를 들어 설명하나 이에 한정되지 않으며, 내측면과 외측면 중 어느 하나의 면에 형성될 수 있음은 자명하다. (발명의 권리범위를 넓히기 위해 전도롤이 양쪽에 형성될 수 있고, 어느 한쪽에도 형성될 수 있다고 수정하였습니다.)
실시 예에 따르면, 상기 티타늄 판(110)은 용접 조립 후 열처리를 수행할 수 있다. 이를 통해, 상기 티타늄 판(110)이 서로 강하게 결합할 수 있으며, 결합하는 과정에서 형성된 응력을 제거 하여 박막이 제조 과정에서 변형되거나 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 열처리는 500 내지 700℃에서 10 내지 100분 동안 수행되는 것이 바람직한데, 상기 열처리가 500℃ 미만 또는 10분 미만으로 수행되면, 상기 티타늄 판(110)과 상기 고정대(130) 사이 응력이 남아있어서 상기 금속박막이 제조되는 과정에서 변형, 박리가 발생될 수 있다.
반대로 상기 열처리가 700℃ 또는 100분을 초과하여 수행되면, 생산성이 감소할 수 있으며, 열변형이 발생될 수 있다.
이러한 이유로 상기 열처리는 500 내지 700℃에서 10 내지 100분 동안 수행될 수 있으며, 더 바람직하게는 600 내지 650℃에서 30 내지 50분 동안 수행될 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 용접으로 연결된 상기 티타늄 판(110)과 상기 복수의 전도롤(130) 사이에 보강층(150)이 삽입될 수 있다.
상기 보강층(150)은 상기 티타늄 판(110)의 강도를 보강할 수 있으며, 상기 티타늄 판(110)의 내측면에 형성될 수 있다. 이를 통해 상기 보강층(150)은 상기 금속박막(T)이 상기 티타늄 판(110)의 내측면에 형성되는 것을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 보강층(150)은 폴리머 등 절연성이 있는 비금속으로 제공될 수 있으며, 또는 외부에 절연 코팅이 형성된 금속으로 제공될 수 있다.
상기 복수의 전해셀(300)은 상기 티타늄 회전판(100)의 외각에 위치할 수 있으며, 상기 복수의 티타늄 판에 전해액을 공급할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 상기 전해셀(300)은 양극재(310) 및 전해액 공급노즐(330)을 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는 소정의 케이스(370) 내부에 양극재(310) 및 전해액 공급노즐(330)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 전해셀(300)은 상기 전해액 공급노즐을 통해 상기 전해셀(300) 내부로 전해액을 공급할 수 있다.
상기 양극재(310)는 상기 티타늄 판(110) 대면하여 위치할 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 티타늄 회전판(110)의 외측면과 소정 거리 이격되어 용접 연결된 상기 티타늄 판(110)과 마주보는 방향에 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 양극재(310)는 루테늄(Ru), 이리늄(Ir), 탄탈륨(Ta)등을 코팅한 불용성 전극으로 제공될 수 있으며, 또는 전해액에 일부 또는 전부가 용해될 수 있는 용해성을 가진 금속 볼(Metal ball) 또는 미량의 크기를 가진 금속 조각(Metal plate)로 제공될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 양극재(310)가 상기 용해성 금속 볼(Soluble metal ball)또는 용해성 금속 조각(Soluble metal plate)의 형태로 제공되는 경우, 상기 금속 볼 또는 금속 조각이 구리 볼(Copper ball) 또는 구리 조각(Copper plate)로 제공할 수 있다.
일반적으로 기존의 금속박막 제조장치는 전해액에 용해되지 않는 불용성 양극재를 사용하며, 상기 양극재를 음극의 역할을 수행하는 대형 드럼과 함께 전해액에 침지한 상태에서 전류를 가해 박막을 제조하게 된다.
하지만 상술한 방법은 전해과정 중 양극에서 과량의 산소(O2)가, 음극에서 소량의 수소(H2)가 발생할 수 있다.
상기 양극에서 발생한 과량의 산소(O2)는 전착되는 금속표면에 부착되어 표면결함을 유발할 수 있으며, 금속박막의 일부를 산화시켜 전기적 특성을 약화할 수 있다.
또한, 상기 음극에서 발생한 소량의 수소(H2) 중 일부는 음극으로 작용하는 티타늄에 일부가 흡수확산될 수 있다. 이는 기존의 드럼(Drum)형 방식에서는 음극에서 발생한 수소(H2)가 외부로 빠져나가는 경로가 길고 좁기 때문에 모두 방출되기는 어렵기 때문이다. 상기 수소가 티타늄에 흡수확산되면, 티타늄 하이드라이드(TiH2)가 형성될 수 있다. 상기 티타늄 하이드라이드(TiH2)는 순수한 티타늄 금속에 비해 경도가 낮아 쉽게 탈착될 수 있다. 이는 음극 드럼(Drum)의 수명을 감소시키며, 금속박막의 표면에 불량을 야기할 수 있다.
이를 방지하기 위해 본 발명은 상기 양극재(310)를 상기 전해액에 용해 가능한 구리(Cu)로 제공할 수 있으며, 더 바람직하게 금속 볼(Soluble metal ball)또는 용해성 금속 조각(Soluble metal plate) 형태로 제공하여 상기 전해액과 접하는 표면적을 최대로 증가시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 양극재(310)를 상기 전해액에 용해시켜 산소(O2)가 양극재 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 양극재(310)는 상기 전해주조가 진행될수록 상기 전해액에 용해됨에 따라, 사용자는 상기 양극재(310)의 잔류량을 육안으로 확인하여 상기 양극재(310)를 교체할 수 있으며, 상기 양극재(310)의 잔류량에 따라 유속량 및 유속방향을 적절하게 제어할 수 있다. 이를 통해, 상기 양극재(310)의 교체주기를 확인하고, 공정조건을 최적화 하기 용이하는 장점이 있다.
또한, 상기 양극재(310)는 통상적인 불용성 양극재에 비해 동일한 이온화 과정에서 요구되는 전압이 상대적으로 작기 때문에, 적은 전압으로도 동일한 효과를 수행할 수 있다. 이러한 특징으로 본 발명의 실시 예에 따른 양극재(310)는 통상적인 불용성 양극재에 비해 전력비를 감소시킬 수 있다.
이에 한정되지 않으며, 동일한 효과를 구현할 수 있는 다른 형태로 변환할 수 있음은 자명하다.
상기 전해액 공급노즐(330)은 전해액을 전해셀 내부로 공급하는 역할을 수행하며, 더욱 바람직하게는 상기 양극재(310) 일 면을 관통하여 상기 양극재(310)와 상기 티타늄 판(110) 사이에 전해액을 공급할 수 있다.
이 때, 상기 전해액은 전해주조(electroforming)법에서 통용되는 일반적인 전해액일 수 있으며, 더 바람직하게는 황산구리(CuSO4)로 제공될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 3b를 참조하면, 상기 전해액 공급노즐(330)은 상기 양극재(310)의 후면부에 위치하며, 상기 양극재(310)를 관통하는 관통구멍(335)이 형성될 수 있다. 상기 관통구멍(335)을 통해 상기 전해액을 상기 양극재(310)와 상기 티타늄 판(110) 사이에 전해액을 지속적으로 공급할 수 있다. 이를 통해 상기 양극재(310)와 상기 티타늄 판(110)은 항상 상기 전해액에 충진된 상태를 유지할 수 있다.
상기 케이스(370)는 상기 양극재(310) 및 상기 전해액 공급노즐(330)을 덮어 외부로 노출되지 않도록 보호할 수 있으며, 상기 전해액이 상기 전해셀 내부에 충진되도록 밀봉할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 전해셀(300)은 상기 전해액 공급노즐(330)에서 공급된 전해액을 회수하는 전해액 회수장치를 더 포함할 수 있다. 상기 전해액 회수장치는 각각의 전해셀(300)로 공급되는 전해액 및 상기 상기 티타늄 판(110)과 상기 케이스(370) 사이의 틈으로 노출되는 전해액을 회수할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 전해셀(300)은 상기 전해액 회수장치에서 회수된 전해액을 다시 전해액 공급노즐(330)로 재공급하는 전해액 순환장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 전해셀(330)은 상기 케이스(370) 내부로 공급되는 전해액을 지속적으로 순환시켜 상기 양극재(310)와 상기 티타늄 판(110)이 항상 상기 전해액으로 충진된 상태를 유지시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속박막 제조장치(1000)는 하나 이상의 종류의 전해액을 분리 저장하는 전해액 저장부를 더 포함할 수 있으며, 상기 전해액 저장부에 기 저장된 전해액 중 선택된 어느 하나의 전해액을 상기 전해액(330) 공급노즐을 통해 어느 하나 이상의 전해셀 내부로 공급할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 전해셀(300)이 제1 전해셀 및 제2 전해셀을 포함하는 경우, 상기 금속박막 제조장치(1000)는 제1 전해셀에 제1 전해액을 공급할 수 있으며, 제2 전해셀에 제2 전해액을 공급할 수 있다. 이 때, 상기 제1 전해액과 제2 전해액은 동일한 종류의 전해액일 수 있으나, 다른 종류의 전해액일 수 있다. 또는 상기 제1 전해액과 제2 전해액은 동일한 종류의 전해액이나, 농도가 다른 전해액일 수 있으며, 종류 및 농도가 동일하나 다른 첨가물질이 첨가된 전해액일 수 있다.
이를 통해, 상기 금속박막 제조장치(1000)는 하나의 장치로 금속박막의 단면구성을 단층 또는 다층으로 제공할 수 있으며, 상기 금속 박막이 다층 구조를 가질 때 각 층을 동일한 또는 서로 다른 금속으로 제공할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 권취 롤(500)은 상기 티타늄 회전판(100)으로부터 연속적으로 배출되는 금속박막(T)이 감겨질 수 있다. 구체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 금속박막 제조장치(1000)는 상기 티타늄 회전판(100)에서 금속박막(T)을 박리(peeling off)하여 상기 권취 롤(500)에 감아 보관할 수 있다.
도면에는 개시되지 않았으나, 상기 티타늄 회전판(100)과 상기 권취 롤(500) 사이에는 복수의 회전 롤(미도시)이 포함되어 상기 금속박막(T)의 장력을 조절할 수 있다.
또한, 실시 예에 따르면, 상기 티타늄 회전판(100)과 상기 권취 롤(500) 사이에는 상기 금속박막의 이물질을 제거하는 세척부(미도시)가 포함될 수 있다. 이를 통해, 상기 금속박막의 석출면에 이물질을 제거하고, 표면을 고르게 관리할 수 있다.
마지막으로, 상기 전극부(미도시)는 상기 티타늄 회전판(100)에 전류를 공급하여, 상기 티타늄 회전판(100)을 음극으로 대전시킬 수 있다. 아울러, 상기 양극재(310)에는 별도의 부스 바(bus bar)를 연결하여 상기 양극재(310)을 양극으로 대전시킬 수 있다. 이를 통해, 전해액 내 금속을 전착(electrodeposited)되어 연속적인 금속박막(T)을 제조할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 전극부는 상기 티타늄 회전판(100) 중 용접 연결된 티타늄 판(110)에 직접 전류를 공급하여 음극으로 대전시킬 수 있으며, 또는 상기 티타늄 판(110) 후면에 형성된 복수의 전도롤(130)에 전류를 공급하여 상기 티타늄 회전판(100)을 음극으로 대전시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 전극부는 상기 양극재에 양극 전류량을 조절함으로써, 복수의 전해셀(300)의 전류밀도를 독립적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 전해셀(300)이 제1 전해셀(300a) 및 제2 전해셀(300b)을 포함하는 경우, 상기 제1 전해셀(300a)에 포함된 양극재(310a) 및 상기 제2 전해셀(300b)에 포함된 양극제(310b)에 동일한 전류를 주입하여 제1 전해셀(300a)와 제2 전해셀(300b)이 동일한 전류밀도를 갖도록 조절할 수 있다.
또는, 상기 제1 전해셀(300a)에 포함된 양극재(310a)에는 제1 전류를 주입하고, 제2 전해셀(300b)에 포함된 양극제(310b)에는 제1 전류와 다른 제2 전류를 주입하여 제1 전해셀(300a)와 제2 전해셀(300b)가 서로 다른 전류밀도를 갖도록 조절할 수 있다.
즉, 상기 금속박막 제조장치(1000)는 상기 전해셀(300)에 따라 동등 또는 다른 전류밀도를 제공하여 상기 금속박막의 두께, 전기전도성 등 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 할 수 있다.
이상 본 발명의 제1 실시 예에 따른 금속박막 제조장치를 설명하였다. 이하 도 4를 통해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속박막 제조장치를 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속박막 제조장치의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속박막 제조장치는 제1 실시 예와는 다르게 상기 티타늄 회전판(100)은 보강층(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 보강층(150)은 상기 복수의 티타늄 판(110)의 내측면에 형성될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 티타늄 판(110)의 강도를 보강할 수 있다. 상기 보강층(150)에 대한 구체적인 설명은 서두에 기재하였기에 생략하도록 한다.
도면에는 개시되지 않았으나, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속박막 제조장치는 상기 보강층(150)을 일 방향으로 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 실시 예에 따른 전극부(미도시)는 용접 연결된 상기 티타늄 판(110)에 직접 전류를 공급하여 상기 티타늄 회전판(100)을 음극으로 대전시킬 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속박막 제조장치(1000)는 티타늄 판(110)이 일 방향으로 연결되는 티타늄 회전판(100), 상기 티타늄 판과 대응되며, 상기 티타늄 판과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막을 제조하는 복수의 전해셀(300)이 포함될 수 있다.
아울러, 각각의 전해셀(300)의 전해액의 종류, 농도, 전류밀도 등 공정 조건을 독립조절하여 제공하여 금속박막의 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 할 수 있다. 이를 통해 단층 또는 다층의 금속박막을 제조할 수 있으며, 금속박막의 각 부위에 따른 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 금속박막 제조장치(실시예)와 통상적인 티타늄 음극 드럼(Drum)형 금속박막 제조장치(비교예)의 차이점을 하기 표 1에 정리하였다.
비교예(Drum 형) 실시예(무한궤도 형)
음극의 형태 티타늄이 코팅된 드럼형 음극 복수의 티타늄 판이 용접 연결된 고리형 음극
양극의 종류 납(Pb) 등을 포함하는 불용성 산화 전극 및 루테늄(Ru), 이리늄(Ir), 탄탈륨(Ta) 등을 포함하는 불용성 전극 루테늄(Ru), 이리늄(Ir), 탄탈륨(Ta) 등을 포함하는 불용성 전극 또는 구리 등 용해성 금속 볼(Metal ball)
양극의 용해성 불용성만 가능 불용성 / 용해성 모두 가능
전해조 1개 복수의 전해셀 포함
전해액 단일 종류의 전해액만 가능 다양한 종류의 전해액 공급 가능
전압 평균 6 내지 10 V 평균 2 내지 3V
전해석출층 단일층 단일 / 다층 모두 가능
이종의 전해석출층 불가능 가능
전해셀 구조 수평방향 수직형 방향
설비 유지 보수 및 관리의 용이성 유지 보수 및 관리가 불편하고 많은 시간이 소요됨 유지 보수 및 관리가 용이하고 신속한 대응 가능
통상적인 티타늄 음극 드럼(Drum)형 금속박막 제조장치(비교예)는 원재료로 동전선 스크랩(Scrap)을 사용한다. 구체적으로 폐 피복동전선을 기계를 사용하여 적정 크기로 자르고, 이 후 압축공기를 불어넣어 표면이 산화된 동전선 스크랩을 준비한다.
상기 표면이 산화된 동전선 스크랩을 대형 용해조 탱크에 잠입한 후 황산용액으로 용해하여 전해액을 제조한다. 구체적으로 동전선 스크랩 약 100 g 당 lL의 황산용액으로 용해하여 결과적으로 황산 100 내지 200g/L, 동이온 50 내지 100glL가 혼합된 전해액을 준비한다. 이 때, 상기 전해액은 유기질 및 무기질 불순물이 존재하기 때문에 활성탄(Active carbon) 필터를 사용하여 불순물을 제거하는 과정이 요구된다.
상술한 방법으로 제조된 전해액은 음극으로 작용하는 티타늄이 코팅된 드럼과 양극으로 작용하는 불용성 양극재 사이로 공급되고, 상기 드럼과 양극재에 전류를 통전한 상태에서 드럼을 일 방향으로 회전하여 금속박막을 석출할 수 있다.
구체적으로 불용성 양극재에서 발생한 산소 이온(O-)이 산소(O2)가스로 변화하면서 생성된 전자를 티타늄 음극 드럼에 전달하여 전해액중에 구리(Cu2+) 이온이 반응하여 전해동박이 형성된다.
하지만 상술한 과정은 하나의 드럼에 단일 종류의 전해액만 공급 가능하기 때문에 단일 종류의 금속 박막만을 얻을 수 있으며, 하나의 장치로 둘 이상의 금속을 포함하는 이종의 전해석출층을 형성하는 것이 매우 어렵다.
아울러, 상기 티타늄 음극 드럼(Drum)형 금속박막 제조장치는 금속 박막의 두께를 제어하는 방법으로는 음극 드럼의 회전 속도라는 하나의 변수만을 통해 조절해야 한다. 이는 금속 박막의 경도, 인장강도 및 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 시키기 어려운 이유가 된다.
하지만 본 발명의 실시 예에 따른 금속박막 제조장치는 복수의 전해셀을 통해 전해액을 공급할 수 있으며, 각 전해셀 당 전해액의 종류, 농도, 전류밀도 등 공정 조건을 독립적으로 조절하여 금속박막의 전기적, 물리적 특성 및 기계적 특성을 다양화 할 수 있다. 아울러 복수의 전해셀로 인하여 단층 또는 다층의 금속박막을 제조하기 용이하다는 장점을 가진다.
예를 들어, 제1 전해셀에 구리가 포함된 전해액을 주입할 수 있다. 이 상태에서, 음극과 양극 사이에 10 내지 90 A/dm2 의 전류밀도를 형성하도록 전류를 주입하여 전해동박을 석출할 수 있다.
이후, 제2 전해셀에서는 제1 전해셀과 동일한 전해액을 주입하되, 전류밀도를 다르게 형성하여 전해동박의 두께를 조절할 수 있다. 또는 제2 전해셀에 구리가 아닌 다른 금속이 포함된 전해액을 주입하여 이종의 전해석출층을 형성할 수 있다.
이상 본 명세서에서는 제1 전해셀과 제2 전해셀에서의 석출 조건만을 설명하였으나, 이에 한정된 것이 아니며, 제3 제4 또는 그 이상의 전해셀에서 각각 독립적으로 석출층을 형성할 수 있음은 자명하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복수의 티타늄 판이 용접 연결되는 티타늄 회전판;상기 티타늄 회전판의 외각에 위치하며, 상기 티타늄 판에 전해액을 공급하는 복수의 전해셀; 및상기 각각의 티타늄 판과 상기 복수의 전해셀을 전기적으로 연결하는 전극부;를 포함하며, 상기 복수의 전해셀은, 상기 전해셀 내부에 위치하며, 상기 티타늄 판과 대면하여 위치한 양극재; 및상기 티타늄 판과 상기 양극재 사이에 전해액을 공급하는 전해액 공급노즐;이 포함되어, 상기 복수의 전해셀은 상기 티타늄 판과 전해주조(electroforming) 하여 금속박막을 제조하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,상기 전해액 공급노즐은 상기 티타늄 판 일 면에 전해액을 분사하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,상기 양극재는 용해성을 가지며, 금속 볼(Soluble metal ball) 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,하나 이상의 전해액을 저장하는 전해액 저장부를 더 포함하며상기 복수의 전해셀은 기 저장된 전해액 중 선택된 어느 하나의 전해액이 공급되는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,상기 복수의 전해셀 중 선택되는 어느 하나 이상의 전해셀에 제1 전해액이 공급되며, 다른 하나 이상의 전해셀에 제1 전해액과 다른 제2 전해액이 공급되는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,상기 전극부는 상기 티타늄 판 중 어느 하나 이상의 티타늄 판에 제1 전류를 공급하며, 다른 하나 이상의 티타늄 판에 제1 전류와 동일 또는 상이한 제2 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서,상기 복수의 전해셀 사이에 삽입되며, 상기 티타늄 회전판을 일 방향으로 회전시키는 복수의 전도롤이 포함되는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  8. 제 7 항에 있어서,상기 전도롤은 상기 금속박막의 표면을 세척하는 세척부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 티타늄 판 사이에 삽입되며, 상기 티타늄 판의 양 단을 고정하는 고정대가 포함되는 것을 특징으로 하는, 금속박막 제조장치.
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