KR-20260060865-A - APPARATUS FOR MANUFACTURING THIN LITHIUM FILMS USING MOLTEN METAL DROPLET SPRAY AND ARGON GAS FLOW

Abstract

일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치는, 용융 금속을 수용하는 하우징; 상기 하우징에 연결되고, 상기 용융 금속을 제 1 방향으로 분사하는 노즐; 상기 노즐의 하측에 위치하고, 상기 노즐로부터 분사되는 상기 용융 금속을 둘러싸는 대전홀을 구비하고, 상기 용융 금속을 대전시켜 액적 스프레이 형태로 퍼지게 하는 대전링; 상기 대전링의 하측에 위치하고, 상기 용융 금속을 지지하는 플레이트; 상기 플레이트를 지지하고, 상기 플레이트를 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향과 상기 제 1 방향 및 제 2 방향 각각에 수직한 제 3 방향으로 이동시키는 2축 리니어 스테이지; 및 상기 대전링의 하측에 위치하고, 상기 플레이트의 상측에 위치하고, 액적 스프레이 형태의 상기 용융 금속을 하방으로 가속시키기 위해 아르곤 가스 유동을 생성하는 아르곤 가스 토출부를 포함할 수 있다.

Inventors

• 김호영
• 이윤석
• 김준성
• 이호성

Assignees

• 서울대학교산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (8)

1. 용융 금속을 수용하는 하우징; 상기 하우징에 연결되고, 상기 용융 금속을 제 1 방향으로 분사하는 노즐; 상기 노즐의 하측에 위치하고, 상기 노즐로부터 분사되는 상기 용융 금속을 둘러싸는 대전홀을 구비하고, 상기 용융 금속을 대전시켜 액적 스프레이 형태로 퍼지게 하는 대전링; 상기 대전링의 하측에 위치하고, 상기 용융 금속을 지지하는 플레이트; 상기 플레이트를 지지하고, 상기 플레이트를 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향과 상기 제 1 방향 및 제 2 방향 각각에 수직한 제 3 방향으로 이동시키는 2축 리니어 스테이지; 및 상기 대전링의 하측에 위치하고, 상기 플레이트의 상측에 위치하고, 액적 스프레이 형태의 상기 용융 금속을 하방으로 가속시키기 위해 아르곤 가스 유동을 생성하는 아르곤 가스 토출부를 포함하는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 아르곤 가스 토출부는, 복수 개로 구비되고, 복수 개의 아르곤 가스 토출부 중 일부는, 상기 용융 금속의 진행 경로를 기준으로 서로 반대편에 위치하는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 아르곤 가스 토출부의 상면은, 상기 제 1 방향을 기준으로 상기 대전링의 상기 대전홀에 오버랩되지 않는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 아르곤 가스 토출부로부터 토출되는 상기 아르곤 가스의 진행 방향은, 상기 제 1 방향과 경사를 이루는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 경사는, 30도 이하인, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 아르곤 가스 토출부는, 상기 아르곤 가스를 수용하기 위한 푸시 바디; 및 상기 푸시 바디에 연결되고, 상기 아르곤 가스를 외부로 토출하는 푸시 노즐을 포함하는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 푸시 바디 및 푸시 노즐 각각은, 액적 스프레이 형태의 상기 용융 금속의 진행 경로를 둘러싸도록 복수 개가 구비되는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 아르곤 가스 토출부는, 상기 복수 개의 푸시 바디를 서로 연결하는 푸시 연결 로드를 더 포함하는, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치.

Description

용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING THIN LITHIUM FILMS USING MOLTEN METAL DROPLET SPRAY AND ARGON GAS FLOW} 본 발명은 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 및 커패시터를 포함하는 다양한 에너지 장치에 사용하기에 적합한 전극 형성을 위한 리튬 액적의 도포 장치에 관한 것이다. 리튬 및 리튬-이온 2차 또는 재충전가능한 배터리는 특정 응용분야, 예컨대 휴대폰, 캠코더 및 노트북 컴퓨터, 및 보다 최근에는, 보다 큰 전력 응용분야, 예컨대 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에서의 용도를 가졌다. 이들 응용분야에서, 2차 배터리가 가능한 가장 높은 비(比)용량을 갖지만 안전한 작동 조건 및 우수한 주기성(cyclability)을 여전히 제공하여 높은 비용량이 후속 재충전 및 방전 사이클에서 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 2차 배터리에 대한 다양한 구성(construction)이 있지만, 각각의 구성은 양극 (또는 캐소드), 음극 (또는 애노드), 캐소드 및 애노드를 분리하는 세퍼레이터, 캐소드 및 애노드와 전기화학적으로 연통하는 전해질을 포함한다. 2차 리튬 배터리에 대해, 리튬 이온은, 2차 배터리가 방전될 때, 즉 이의 특정 응용을 위해 사용될 때, 전해질을 통해 애노드로부터 캐소드로 이동한다. 방전 과정 동안, 전자는 애노드로부터 수집되어, 외부 회로를 통해 캐소드로 통과한다. 2차 배터리가 충전되거나 또는 재충전될 때, 리튬 이온은 전해질을 통해 캐소드로부터 애노드로 이동한다. 역사적으로, 2차 리튬 배터리는 높은 비용량을 갖는 비리튬화된 화합물, 예컨대 TiS2, MoS2, MnO2 및 V2O5를 캐소드 활성 재료로서 사용하여 제조되었다. 이들 캐소드 활성 재료는 리튬 금속 애노드와 연결되었다. 2차 배터리가 방전되었을 때, 리튬 이온은 전해질을 통해 리튬 금속 애노드로부터 캐소드로 이동되었다. 불행히도, 사이클링 시, 리튬 금속은 덴드라이트를 발생시켰으며, 이는 궁극적으로 배터리에서 안전하지 않은 조건을 유발하였다. 결과적으로, 이들 유형의 2차 배터리의 제조는, 리튬-이온 배터리를 선호하며 1990년대 초기에 중단되었다. 리튬-이온 배터리는 전형적으로 리튬 금속 산화물, 예컨대 LiCoO2 및 LiNiO2를 캐소드 활성 재료 (이는 탄소계 재료와 같은 활성 애노드 재료와 연결됨)로서 사용한다. 산화규소, 규소 입자 등을 기반으로 하는 다른 애노드 유형이 있다는 것이 인식된다. 탄소계 애노드 시스템을 이용하는 배터리에서, 애노드 상에서의 리튬 덴드라이트 형성은 실질적으로 방지되며, 이에 의해 배터리를 더 안전하게 한다. 그러나, 리튬 (이의 양은 배터리 용량을 결정함)은 전적으로 캐소드로부터 공급된다. 이는 캐소드 활성 재료의 선택을 제한하는데, 상기 활성 재료는 제거가능한 리튬을 함유해야 하기 때문이다. 또한, 충전 및 과충전 동안 형성된 LixCoO2, LixNiO2에 상응하는 탈리튬화된 생성물은 안정하지 않다. 특히, 이들 탈리튬화된 생성물은 전해질과 반응하여 열을 발생시키는 경향이 있으며, 이는 안전성 우려를 일으킨다. 또한, 리튬이 고성능 배터리 소재로 활용되기 위해서는 얇은 두께를 확보해야 하나 기존의 냉간압연방식으로는 리튬의 기계적 물성 때문에 20 (㎛) 이하로 제작하기 어렵다는 문제가 있다. 이에 용융 리튬을 3차원 구조의 집전체에 자발적으로 투습시키는 방식도 연구되고 있으나, 이와 같은 방식으로는 두께 조절이 어렵고 대면적 연속 공정에 적합하지 않다는 문제가 있다. 연료전지 등 에너지 저장 장치의 고성능화를 위해서는 리튬 음극의 두께 한계점을 극복하고 다양한 차세대 배터리에 적용 가능한 제조 플랫폼이 필요하다. 리튬 이온 전지의 성능 한계를 극복하기 위해 기존의 흑연 음극을 대체하여 리튬 금속 음극을 활용한 차세대 배터리의 개발이 활발히 이루어지고 있으나 이론 용량에 근접하는 배터리를 위해서 수십 마이크로미터 이하의 매우 얇은 리튬 음극의 제조 방법이 필요한 상황이다. 도 1은 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 개념도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 정면도이다. 도 4는 일 실시예에 따른 아르곤 가스 토출부를 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 5는 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 정면도이다. 이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다. 다만, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서, 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지는 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 도 1은 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 개념도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치를 개략적으로 도시하는 정면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 용융 금속 액적 스프레이 및 아르곤 가스 유동을 이용한 리튬 극박 제조 장치(이하, 리튬 극박 제조 장치라고 함)는, 매우 얇은 두께의 리튬 극박을 제조할 수 있다. 리튬 극박 제조 장치는, 노즐(10), 하우징(11), 챔버(12), 대전링(13), 플레이트(14), 2축 리니어 스테이지(15), 아르곤 가스 토출부(17), 에어 탱크(92), 압력 컨트롤러(93), 온도 컨트롤러(94), 진공 펌프(95), 전원(96), 광원(97) 및 카메라(98)를 포함할 수 있다. 노즐(10)은 하우징(11)에 수용된 액체 상태의 용융 금속을 제 1 방향으로 토출할 수 있다. 본 명세서에서 제 1 방향은 하방, 즉 -z 방향을 지칭한다. 노즐(10)은 용융 금속을 마이크로 미터 수준의 두께로 하방으로 토출할 수 있다. 하방으로 토출된 용융 금속은 하나의 라인을 이루며 하강할 수 있다. 예를 들어, 노즐(10)은, 10 내지 100 마이크로 미터의 직경을 갖는 기둥 형태로 용융 금속을 하방으로 토출할 수 있다. 예를 들어, 금속은 리튬일 수 있다. 하우징(11)은 용융 금속을 수용할 수 있다. 하우징(11)은, 압력 컨트롤러(93) 및 진공 펌프(95)에 의해 내부 압력이 조절될 수 있다. 하우징(11)은, 온도 컨트롤러(94)에 의해 내부 온도가 조절될 수 있다. 하우징(11)은 노즐(10