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WO2025013987A1 - 음극재용 동박 소재 제조 장치 - Google Patents

음극재용 동박 소재 제조 장치 Download PDF

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Publication number
WO2025013987A1
WO2025013987A1 PCT/KR2023/011381 KR2023011381W WO2025013987A1 WO 2025013987 A1 WO2025013987 A1 WO 2025013987A1 KR 2023011381 W KR2023011381 W KR 2023011381W WO 2025013987 A1 WO2025013987 A1 WO 2025013987A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling water
cooling
tank
copper foil
tundish
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2023/011381
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박주형
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dnc Metal Co Ltd
Original Assignee
Dnc Metal Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dnc Metal Co Ltd filed Critical Dnc Metal Co Ltd
Publication of WO2025013987A1 publication Critical patent/WO2025013987A1/ko
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing a copper foil for an anode material of a secondary battery, which manufactures copper foil using low-purity general copper rather than high-purity wheatberry, and which improves productivity by minimizing the amount of cooling water required while allowing smooth cooling by applying the flow of cooling water in an upward overflow manner within a cooling tank, and enables the manufacture of a copper foil material of uniform quality.
  • Copper foil also known as battery foil, is considered a key material for secondary batteries used in electric vehicles. Copper foil for secondary batteries is considered a key component of electric vehicle batteries because it serves as a support that releases heat generated from the battery to the outside and maintains the shape of the electrode. In particular, copper foil is used as a thin film for cathode materials, one of the four key materials (positive electrode material, negative electrode material, separator, and electrolyte) of electric batteries.
  • the energy density per unit area must be increased, and to achieve this, the copper foil thickness must be made thinner to increase the area per unit volume and reduce the weight.
  • the roll rolling method has the disadvantage of increasing production costs as the thickness decreases, so the electrolytic method, which is a method of plating copper through electrolysis, is generally used as the main material to manufacture copper foil for secondary batteries.
  • copper foil for secondary batteries using an electrolytic method can be manufactured by generally procuring high-grade copper scrap of electrolytic copper or Millberry grade, manufacturing it into a wire rod through a casting method, a method combining casting and rolling, or a method combining casting, rolling, and drawing, and then washing and cutting the manufactured wire rod and dissolving it in a sulfuric acid solution, which is an electrolyte.
  • the cut wire rod is manufactured through a rolling, drawing, and cutting process, and is exposed to oil components such as rolling oil and drawing oil during rolling and drawing, so a washing process for degreasing is essential, and since the process is complicated, the cost of the copper foil increases, and there is a problem that the supply of raw materials such as electrolytic copper or millberry-grade high-grade copper scrap is not smooth.
  • Patent Document 1 discloses a technology for manufacturing an amorphous copper material for electrolytic copper foil having an average crystal grain size of 50 to 300 ⁇ m and a bulk density of 1.0 to 3.0 g/cm3 by melting copper raw material and then dropping it onto a collision plate provided on a water tank to disperse it into fine particles and precipitating it into water.
  • control of the bulk density appears to have been achieved through the collision plate, and the average grain size appears to have been controlled by the water temperature within the tank, which is not low.
  • Patent Document 1 KR 10-2521234 (2023.04.10)
  • the present invention relates to a device for manufacturing a copper foil material for a cathode material, which is intended to resolve the problems occurring in the above-mentioned conventional technology, and to enable the manufacture of a copper foil material using low-purity general copper instead of high-purity millberry, and to enable a molten body to be radially discharged from a discharge port by the rotation of a tundish, and to manufacture a copper foil material by cooling the discharged molten body through contact with continuously supplied cooling water, thereby enabling the manufacture of a copper foil material with uniform quality due to a smaller variation in bulk density and crystal grain size compared to the collision plate collision method.
  • the aim is to control the crystal grain size and bulk density by setting the temperature of the cooling water supplied in this manner to a specific temperature.
  • the purpose is to supply liquid oxygen by vaporizing it using a vaporizer for combustion of fuel to prevent the molten substance in the tundish from solidifying, and to achieve cooling of the cooling water without requiring separate fuel or electricity by heat-exchanging the cooling water overflowing the cooling tank with the vaporizer, thereby making it easy to reduce the production cost.
  • the device for manufacturing a copper foil material for a cathode material of the present invention comprises: a tundish (10) having a cavity (11) formed inside with an open top so that a molten body of refined copper can be temporarily accommodated therein, and a discharge port (12) formed on a side wall surface so that the molten body temporarily accommodated in the cavity (11) can be discharged; a rotary driving device (20) connected to the lower portion of the tundish (10) and causing the tundish (10) to rotate horizontally so that the molten body discharged through the discharge port (12) is discharged radially around the tundish (10); A cylindrical upper case (31) located at the bottom of the tundish (10), having an open upper portion and an inner diameter larger than the outer diameter of the tundish (10), and having an upper cooling space (31a) formed inside to receive the molten body radially discharged from the discharge port (12), a lower case (32) having a conical shape with a lower diameter gradually
  • the coolant spray nozzle (33) is configured to face the opposite wall surface of the upper case (31) on a plane, but to form a direction that deviates from the center of the upper case (31), and the coolant spray nozzles (33) adjacent to each other are configured to deviate in the same direction, so that the coolant sprayed from the coolant spray nozzle (33) induces a spiral fluid flow based on the center of the upper case (31).
  • the height of the upper wall surface of the external cooling tank (40) is configured to be the same as the height of the upper wall surface of the upper case (31) of the internal cooling tank (30), so that the cooling water that has cooled the molten body by the spray of the cooling water injection nozzle (33) passes over the upper wall surface of the upper case (31) and is then discharged continuously over the upper wall surface of the external cooling tank (40), thereby suppressing overheating of the cooling water inside the external cooling space (41).
  • a heating device (60) that applies a flame to the cavity (11) by supplying fuel and oxygen is further provided, and a liquid oxygen tank (70) in which the oxygen supplied to the heating device (60) is stored in a liquid state; a vaporizer (80) that is connected to the oxygen liquefied oxygen tank (70) and the heating device (60) through a pipe and vaporizes the liquid oxygen; and a heat exchange tank (90) in which the vaporizer (80) is installed inside and the cooling water discharged from the external cooling tank (40) is stored inside so that the liquid oxygen passing through the vaporizer (80) and the cooling water are heat-exchanged, and the cooling water injection nozzle (33) and the cooling water supply pipe (42) are connected thereto.
  • a copper foil material can be manufactured using low-purity general copper instead of high-purity wheat flour, and a molten body is discharged radially from a discharge port by rotation of a tundish, and the discharged molten body is cooled through contact with continuously supplied cooling water to manufacture a copper foil material, so that a copper foil material having uniform quality can be manufactured with a smaller range of changes in bulk density and grain size compared to a collision plate collision method.
  • the size of the crystal grains can be controlled and the bulk density can be controlled.
  • liquid oxygen is supplied by vaporizing it using a vaporizer to combust fuel to prevent the molten substance in the tundish from solidifying, and by heat-exchanging the cooling water overflowing the cooling tank with the vaporizer, cooling of the cooling water is achieved without requiring separate fuel or electricity, thereby easily reducing the production cost.
  • Figure 1 is a partially cut perspective view showing an example of a device for manufacturing a copper foil material for a cathode material of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of Figure 1.
  • Figure 3 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of supplying cooling water using a heat exchange tank in the present invention.
  • Fig. 4 is a partial cut perspective view of the configuration of Fig. 3.
  • Figure 5 is a plan view showing the arrangement of the coolant injection nozzle and the spray direction of the coolant in the present invention.
  • FIG. 6 is a partially cut perspective view showing an example of a method for controlling the temperature of cooling water using a heat exchange tank and a temporary storage tank in the present invention.
  • Figure 7 is a photograph showing an example of a copper foil material for a cathode material manufactured by the manufacturing device of the present invention.
  • Figures 8 and 9 are test results and some excerpts thereof received from the Korea Testing & Research Institute for Chemical Industry for analysis of the crystal grain size of the copper foil material for cathode material manufactured according to the present invention.
  • 31 upper case, 31a: upper cooling space
  • 33a 1st cooling water supply pipe
  • 33b 1st supply pump
  • Coolant recovery pipe 92a: First cooling water recovery pipe
  • the device for manufacturing a copper foil material for a cathode material of the present invention comprises a tundish (10), a rotary driving device (20), an internal cooling tank (30), an external cooling tank (40), and a transfer conveyor (50) as shown in FIGS. 1 and 2, and may further include a heating device (60), a liquid oxygen tank (70), a vaporizer (80), and a heat exchange tank (90) as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the tundish (10) which is a component of the present invention, has a cavity (11) formed inside with an open top so that a molten body of refined copper can be temporarily accommodated inside, and a discharge port (12) formed on the side wall so that the molten body temporarily accommodated in the cavity (11) can be discharged.
  • the discharge ports (12) are formed at regular intervals radially, two or more times, based on the center of the tundish (10).
  • a spout in the shape of a tube can be fitted into the outlet (12) and installed in a replaceable manner.
  • the rotary driving device (20) which is a component of the present invention, is connected to the lower portion of the tundish (10) and rotates the tundish (10) horizontally so that the molten material discharged through the discharge port (12) is discharged radially around the tundish (10).
  • the rotary drive device (20) illustrated in FIG. 1 is composed of a mounting member (21) installed below the tundish (10) and on which the tundish (10) is mounted, a first rotational shaft (22) extending vertically below the mounting member (21) and configured to rotate vertically, a power transmission device (23) positioned below the first rotational shaft (22) and converting horizontal rotational force into vertical rotational force, a second rotational shaft (24) extending horizontally and connected at one end to the power transmission device (23) and configured to rotate horizontally, and a drive motor (25) connected to the second rotational shaft (24) and configured to rotate the second rotational shaft (24).
  • the power transmission device (23) may be composed of a pair of bevel gears that rotate in mesh with each other.
  • This rotary drive device (20) is not limited by the drawing and various known rotary drive devices can be applied as long as it is for horizontally rotating the tundish (10).
  • the internal cooling tank (30) which is a component of the present invention, is manufactured from a copper foil material by allowing the molten material discharged from the tundish (10) to fall and cool by contact with cooling water.
  • the internal cooling tank (30) is characterized by inducing an upward flow of cooling water inside the upper cooling space (31a) so that the cooling water heated by contact with the molten body is discharged over the upper wall surface of the upper case (31).
  • the internal cooling tank (30) for this purpose consists of an upper case (31), a lower case (32), and a cooling water injection nozzle (33).
  • the upper case (31) has a cylindrical shape, and its outer surface is connected to an external cooling tank (40) through a connecting member.
  • This internal cooling tank (30) has an open top so that the molten substance can flow into the top, and as shown in the drawing, it has an inner diameter larger than the outer diameter of the tundish (10) and an upper cooling space (31a) is formed inside to receive the molten substance discharged radially from the discharge port (12).
  • the lower case (32) is integrally connected to the lower part of the upper case (31) and has a conical shape with an inner diameter that gradually decreases as it goes downward, forming a lower cooling space (32a) that guides the fall of the molten body falling from the receiving space (21).
  • a discharge port (32b) is formed through which the molten body (copper foil material) that has solidified upon contact with the cooling water is discharged.
  • a number of cooling water injection nozzles (33) are installed at regular intervals along the lower circumference of the upper case (31) and are configured to receive cooling water from the outside and spray cooling water into the upper cooling space (31a).
  • These coolant injection nozzles (33) can be connected to a single circular pipe (33c) that is disposed around the upper case (31), and a first coolant supply pipe (33a) that supplies coolant to this circular pipe (33c) can be provided.
  • the circular pipe (33c) is formed in the form of a square cross-section, and a cooling water injection nozzle (33) is depicted as having a part accommodated inside the square cross-section, but it should be noted that this is not limited to the drawing.
  • a first regulating valve (33d) that can control whether or not to supply cooling water and a first supply pump (33b) for supplying cooling water can be installed in a first cooling water supply pipe (33a) for supplying cooling water through a circular pipe (33c).
  • These cooling water injection nozzles (33) are each installed with an upward slope toward the upper wall of the upper case (31) opposite the installation location, so that the molten body discharged from the discharge port (12) and falling contact with the cooling water to rapidly cool the molten body.
  • the cooling water inside the internal cooling tank (30) is filled by allowing it to rise from the inside through the discharge port (32b), and the temperature of the upper part of the lower cooling space (32a) becomes higher than that of the lower part due to heat exchange with the molten body.
  • the cooling water temperature in the upper part of the upper cooling space (31a) becomes considerably higher than that on the discharge port (32b) side, so the cooling efficiency may be relatively reduced, and it becomes difficult to maintain the properties of the copper foil material manufactured at a constant level due to the temperature difference between the upper and lower parts.
  • the coolant injection nozzle (33) is installed at an upward angle while positioned at the bottom of the upper case (31), it is possible to supply coolant at a temperature much lower than that of the coolant flowing up from the discharge port (32b), thereby lowering the coolant temperature in the upper cooling space (31a) and increasing the instantaneous cooling efficiency, and the crystal grain size can be reduced through contact with coolant at a low temperature.
  • the crystal grain size can be controlled by adjusting the temperature of the cooling water sprayed from the cooling water injection nozzle (33) according to the request of the company that supplies the copper foil material, and the degree of pore development and the degree of development of sharp protrusions in the copper foil material can be controlled by controlling the rapid activity and degree of steam generated when the cooling water and the molten body come into instantaneous contact.
  • the coolant spray nozzle (33) is configured to face the opposite wall surface of the upper case (31) on a plane, but to form a direction that deviates from the center of the upper case (31), and the coolant spray nozzles (33) adjacent to each other are configured to deviate in the same clockwise or counterclockwise direction, so that the coolant sprayed from the coolant spray nozzle (33) induces a spiral fluid flow based on the center of the upper case (31).
  • the spiral fluid flow be in the same direction as the rotational direction of the tundish (10) so that the cooling efficiency can be more constant.
  • the external cooling tank (40) which is a component of the present invention, has an inner surface spaced apart from the internal cooling tank (30) to form an external cooling space (41) between it and the internal cooling tank (30), and a second cooling water supply pipe (42) for supplying cooling water is connected to one side.
  • a second control valve (42a) for controlling whether to supply cooling water and a second supply pump (42b) for supplying cooling water may be installed in the second cooling water supply pipe (42).
  • the second cooling water supply pipe (42) may be configured to supply cooling water at the same temperature as the cooling water inside the cooling water injection nozzle (33), or may be configured to supply cooling water at different temperatures.
  • the external cooling tank (40) may have an inclined protrusion (44) formed on the other side so that the upper part of a transport conveyor (50) inclined upward on one side can be accommodated.
  • a cooling water discharge pipe (43) can be connected to the lower part of the external cooling tank (40) to forcibly discharge the cooling water.
  • a third control valve (43a) can be installed in this coolant discharge pipe (43) to control whether or not to discharge the coolant.
  • the external discharge of the cooling water inside the external cooling tank (40) may also be discharged beyond the upper wall surface of the external cooling tank (40), similar to the internal cooling tank (30).
  • the height of the upper wall surface of the external cooling tank (40) is made the same as the height of the upper wall surface of the upper case (31) of the internal cooling tank (30), so that the cooling water that has cooled the molten body by the spray of the cooling water injection nozzle (33) passes over the upper wall surface of the upper case (31) and is then discharged continuously over the upper wall surface of the external cooling tank (40), thereby further suppressing overheating of the cooling water inside the external cooling space (41).
  • the transport conveyor (50) which is a component of the present invention, is configured such that one side is positioned below the discharge port (32b), and the other side extends upwardly from one side and protrudes outside the external cooling tank (40) to transport the copper foil material manufactured by cooling in the internal cooling tank (30).
  • a heating device (60) that applies a flame to the cavity (11) is provided.
  • the heating device uses raw materials such as LPG, LNG, and petroleum as fuel and generates a flame under the supply of oxygen.
  • a liquid oxygen tank (70) in which oxygen supplied to the heating device (60) is stored in a liquid state, and a vaporizer (80) connected to the acid liquid oxygen tank (70) and the heating device (60) through pipes and vaporizing the liquid oxygen may be provided.
  • liquid oxygen tank (70) can be used not only for the heating device (60), but also for supplying oxygen within the furnace for producing a molten body.
  • a heat exchange tank (90) may be provided in which cooling water overflowing from the upper wall of the external cooling tank (40) flows into the outside of the external cooling tank (40), and a cooling water discharge pipe (43) is connected to the temporary storage tank (91) in which the cooling water discharged from the external cooling tank (40) is temporarily stored, and the vaporizer (80) is installed inside the temporary storage tank (91) and connected to the temporary storage tank (91) through a pipe so that the cooling water inside the temporary storage tank (91) is stored inside, thereby allowing heat exchange between liquid oxygen passing through the vaporizer (80) and the cooling water.
  • This heat exchange tank (90) is connected to the cooling water injection nozzle (33) and the second cooling water supply pipe (42), so that cooling water that has exchanged heat with the carburetor (90) is supplied to the cooling water injection nozzle (33) and the second cooling water supply pipe (42), thereby supplying low-temperature cooling water that has been quickly cooled into the internal cooling tank (30) and the external cooling tank (40).
  • the pipe for supplying the cooled cooling water in the heat exchange tank (90) to the first cooling water supply pipe (33a) and the second cooling water supply pipe (42) may be composed of one cooling water recovery pipe (92) as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the cooling water recovery pipe (92) is composed of two cooling water recovery pipes, a first cooling water recovery pipe (92a) and a second cooling water recovery pipe (92b), and the first cooling water recovery pipe (92a) is connected to the first cooling water supply pipe (33a), and the second cooling water recovery pipe (92b) is connected to the second cooling water supply pipe (42).
  • the temporary storage tank (91) is provided with a first supplementary pipe (93) and a second supplementary pipe (94) connected to the first cooling water recovery pipe (92a) and the second cooling water recovery pipe (92b), respectively, and each of the points before the point where the first cooling water recovery pipe (92a) and the first supplementary pipe (93) are connected and the point where the second cooling water recovery pipe (92b) and the second supplementary pipe (94) are connected.
  • a control valve (95) can be installed in the pipe.
  • a temperature sensor (96) for measuring the temperature of the internal cooling water can be installed in the first cooling water supply pipe (33a) and the second cooling water supply pipe (42).
  • the temperature of each of the cooling water supplied to the internal cooling tank (30) and the external cooling tank (40) can be controlled by mixing the cooling water in which heat exchange has occurred in the heat exchange tank (90) and the cooling water temporarily stored in the temporary storage tank.
  • This configuration not only enables continuous production while minimizing power consumption for cooling, but also controls the temperature of cooling water supplied to the internal cooling tank (30) and external cooling tank (40), thereby controlling key properties of the copper foil material for cathode material, such as bulk density and grain size, and providing it to customers.
  • the molten copper is supplied into the cavity (11) of the above tundish (10), and the rotary drive device (20) is operated to rotate the tundish (10).
  • the tundish (10) rotates, the molten material is discharged radially through the discharge port (12) on the side wall.
  • the internal cooling tank (30) and external cooling tank (40) are prepared with cooling water filled to the top of both tanks, and the discharged molten body is brought into contact with the cooling water to cool and solidify the molten body.
  • Cooling water supply from the bottom of the internal cooling tank (30) is achieved by supplying cooling water to the inside of the external cooling tank (40) through the second cooling water supply pipe (42) described above.
  • the transfer conveyor (50) is operated to transport the copper foil material that solidifies along the inside of the internal cooling tank (30) and falls through the discharge port (32b) through the transfer conveyor (50) to the subsequent process.
  • the heating device (60) is operated to prevent the melt from solidifying.
  • the vaporizer (80) is installed inside the heat exchange tank (90) where the discharged cooling water is stored, and the cooling water is heat-exchanged with the liquid oxygen in the vaporizer (80) and then supplied to the first cooling water supply pipe (33a) and the second cooling water supply pipe (42).
  • each control valve (95) by controlling the opening and closing of each control valve (95) through a control device according to the temperature value detected by the temperature sensor (96) as described above, the cooling water temperature inside the first cooling water supply pipe (33a) and the second cooling water supply pipe (42) can be individually controlled, thereby enabling the manufacture of a copper foil material having desired properties.
  • FIG. 7 illustrates a copper foil material for a cathode material manufactured by the above manufacturing method
  • FIGS. 8 and 9 are test results regarding the crystal grain size of the copper foil material manufactured by the present invention.
  • the product is manufactured by transforming into a shape like popcorn with sharp protrusions without a collision plate through instantaneous contact with low-temperature coolant.
  • the weight was measured by filling the manufactured copper material inside a cubic body measuring 10 cm in width, length, and height, and it was found that it was possible to manufacture it by inducing a specific weight within the range of 0.5 to 7 kg depending on the temperature control of the cooling water supplied in two parts.

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Abstract

본 발명은 2차전지의 음극재용 동박을 제조함에 있어서, 고순도의 밀베리가 아닌 저순도의 일반 동을 사용하여 제조하되, 냉각탱크 내에서 냉각수의 흐름을 상향 월류 방식으로 적용함으로써 냉각수 소요량을 최소화하면서 냉각이 원할히 이루어지도록 하여 생산성을 향상시키고, 균일한 품질의 동박소재를 제조할 수 있도록 한, 음극재용 동박 소재 제조 장치에 관한 것이다.

Description

음극재용 동박 소재 제조 장치
본 발명은 2차전지의 음극재용 동박을 제조함에 있어서, 고순도의 밀베리가 아닌 저순도의 일반 동을 사용하여 제조하되, 냉각탱크 내에서 냉각수의 흐름을 상향 월류 방식으로 적용함으로써 냉각수 소요량을 최소화하면서 냉각이 원할히 이루어지도록 하여 생산성을 향상시키고, 균일한 품질의 동박소재를 제조할 수 있도록 한, 음극재용 동박 소재 제조 장치에 관한 것이다.
최근 환경 규제가 강화되고, 전기차에 대한 수요 증가에 따라 동박의 중요성이 커지고 있는 실정이다.
전지박으로도 불리우는 동박은전기차에 사용되는 2차전지의 핵심 소재로 꼽히고 있다. 2차전지용 동박은 배터리에서 발생한 열을 외부로 방출하고 전극의 형상을 유지하는 지지체 역할을 하기 때문에 전기차 배터리의 핵심 부품으로 꼽힌다. 특히 동박은 전기배터리의 4대 핵심소재(양극재, 음극재, 분리막, 전해액)인 음극재에 들어가는 얇은 막으로 활용된다.
여기서, 2차전지의 용량 증가를 위해서는 단위면적당 에너지 밀도가 높아져야 하고, 이를 위해 동박의 두께를 얇게 만들어 단위 부피당 면적은 더 넓게, 무게는 더 작게 만들어야 효율적이다.
이러한 동박은 크게 롤 압연 방식과 전해 방식을 사용하여 제조되는데, 롤 압연 방식은 두께가 얇아질수록 생산비가 증가하는 단점이 있어 일반적으로 전기 분해를 통해 구리를 도금시키는 방식인 전해 방식을 주료 사용하여 2차전지용 동박을 제조하고 있다.
이때, 전해 방식을 사용한 2차전지용 동박은 일반적으로 전기동이나 밀베리급 고급 동스크랩 등을 수급하고, 이를 주조 방식이나, 주조와 압연을 결합한 방식이나, 주조와 압연 및 신선을 결합한 방식 등을 통해 선재로 제조하고, 제조된 선재를 세척 및 절단한 후 이를 전해액인 황산 용액에 용해시킴으로써 제조될 수 있다.
그러나, 절단된 선재는 압연, 신선, 절단 공정에 의해 제조되고, 압연 및 신선시 압연유 및 신선유 등의 기름 성분에 노출되어 탈지를 위한 세척 공정이 필수적으로 필요하며, 공정이 복잡하여 동박의 비용이 증가하게 되고, 원재료인 전기동 또는 밀베리급 고급 동스크랩의 공급이 원할하지 않은 문제가 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 기술로, "전해동박용 부정형 구리 소재 및 이의 제조 방법"(한국 등록특허공보 제10-2521234호, 특허문헌 1)에는 구리 원재료를 용융시킨 후 물이 담기 수조 위에 구비된 충돌판 위로 낙하시켜 미립자 형태로 분산시켜 물속으로 침전시켜 평균 결정립 크기 50 ~ 300㎛, 벌크밀도 1.0 ~ 3.0g/㎤인 전해동박용 부정형 구리 소재를 제조하는 기술이 공개되어 있다.
특허문헌 1에서는 50㎛ 미만의 결정립 크기를 가질 경우 높은 결정립계 밀도로 표면의 부동태화가 가속될 수 있다고 판단하였으며, 이로 인해 수조 내의 물은 이미 충돌판에 의해 미립자 형태로 분산된 용융 구리를 굳히는 용도로 사용하였다.
이는 용융 구리로 하여금 낮은 온도의 물과 접촉시키게 되면 결정립 크기를 작아지게 하는 것과 연관된 것으로 판단된다.
즉, 벌크 밀도의 컨트롤은 충돌판을 통해서 달성하고, 평균 결정립 크기는 낮지 않은 수조 내의 물 온도로 컨트롤한 것으로 보인다.
하지만, 대규모 연속 생산의 경우 충돌판에 기 충돌된 용융 구리의 잔여물이 남아 있어 충돌판의 형상, 배치 등에 변화가 발생하게 되어 벌크 밀도의 변화가 발생할 수 밖에 없다.
또, 제조가 완료된 동박소재를 기준으로 할 때 수조 내 물의 온도가 계속 변하기 때문에 결정립 크기가 계속 변하게 되어 품질의 균일성이 떨어지는 문제점도 있다.
뿐만 아니라 용융 동박이 물과 접촉하게 되면 다량의 수증기가 발생하여 수증기 폭발 현상이 발생하게 되며 이때 기공이 발생하고 다수의 뿔을 갖는 형상으로 굳어지게 되어 표면적이 증가한 채 굳어지게 되는데, 물의 온도가 높을수록 이러한 현상이 적게 발생하게 되어 벌크 밀도가 가변되는 것은 물론, 벌크 밀도가 커지는 문제점도 있다.
*선행기술문헌*
(특허문헌 1) KR 10-2521234 (2023.04.10)
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 장치는 상기한 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고순도의 밀베리 대신 저순도의 일반 동을 사용하여 동박용 소재를 제조할 수 있도록 하되, 턴디시의 회전에 의해 토출구로부터 용융체가 방사상으로 토출되도록 하고 토출된 용융체는 연속으로 공급되는 냉각수와의 접촉을 통해 냉각되어 동박 소재로 제조되도록 하여 충돌판 충돌 방식에 비해 벌크 밀도 및 결정립 크기 변화 폭이 적어 품질이 균일한 동박 소재를 제조할 수 있게 하려는 것이다.
이는 턴디시 하부의 냉각탱크 내부에 저부로부터 냉각수가 채워져 수위가 냉각탱크 상단까지 채워져 있도록 함과 더불어 냉각냉크의 내부 둘레에 반대편 벽면 상부를 향해 경사지게 고압의 냉각수가 분사되도록 하여 용융체와 접촉하여 가열된 냉각수가 냉각탱크 벽면 상부로 월류케 함으로써 냉각 성능을 일정하게 유지할 수 있게 함으로써 가능케 된다.
이러한 방식에 따라 공급되는 냉각수의 온도를 특정 온도로 설정함으로써 결정립의 크기를 조절하고, 벌크 밀도를 조절할 수 있게 하려는 것이다.
아울러, 턴디시 내의 용융체가 굳는 것을 방지하기 위한 연료의 연소를 위해 기화기를 이용하여 액체산소를 기화시켜 공급하되, 냉각탱크를 월류한 냉각수를 기화기와 열교환시킴으로써 별도의 연료나 전력 소요 없이 냉각수의 냉각을 달성함으로써 생산 원가의 절감이 용이하게 이루어질 수 있게 하려는 것이다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 장치는 상기한 과제를 해결하기 위하여, 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되도록 상부가 개방된 캐비티(11)가 내부에 형성되어 있으며, 측벽면에는 캐비티(11)에 임시 수용된 용융체가 토출되기 위한 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와; 상기 턴디시(10) 하부에 연결된 채 상기 턴디시(10)를 수평 회전시켜 상기 토출구(12)를 통해 토출되는 용융체로 하여금 턴디시(10) 주변에 방사상으로 토출시키는 회전구동장치(20)와; 기 턴디시(10)의 하부에 위치하고, 상부가 개방되어 있으며, 상기 턴디시(10)의 외경보다 큰 내경을 가져 상기 토출구(12)에서 방사상으로 토출되는 용융체가 내부로 수용되는 상부냉각공간(31a)이 내부에 형성되어 있는 원통형의 상부케이스(31)와, 상기 상부케이스(31)의 하부에 연결된 채 하방으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원추형의 형상을 취해 수용공간(21)에서 낙하되는 융용체의 낙하를 가이드하는 하부냉각공간(32a)이 형성되어 있고, 하부 중앙에는 용융체가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있는 하부케이스(32)와, 상기 상부케이스(31)의 하부 둘레를 따라 일정 간격을 두고 설치되어 있으며 제1냉각수공급관(33a)을 통해 외부로부터 냉각수를 공급받아 상부냉각공간(31a)에 냉각수를 분사하도록 이루어져 있되, 설치 위치의 반대편 상부케이스(31) 상측 벽면을 향해 상향 경사지게 설치되어 있어 토출구(12)에서 토출되어 낙하하는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 급속 냉각시키고, 상부냉각공간(31a) 내부에 냉각수의 상향 흐름을 유도하여 용융체와 접촉하여 가열된 냉각수로 하여금 상부케이스(31)의 상단 벽면을 넘어 배출되도록 하는 다수 개의 냉각수분사노즐(33)로 구성되어 있는 내부냉각탱크(30)와; 내주면이 상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 냉각수가 공급되는 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 상기 분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수와 함께 상하부 온도 차이에 의해 외부냉각공간(41) 내부에는 하향의 냉각수 흐름을 유도하고, 하부냉각공간(32a) 내부에는 상향의 냉각수 흐름을 유도하는 외부냉각탱크(40)와; 일측은 상기 배출구(32b)의 하부에 위치하고, 타측은 일측으로부터 상향 경사지게 연장되어 외부냉각탱크(40) 외측으로 돌출되어 내부냉각탱크(30)에서 냉각되어 제조된 동박소재를 이송시키는 이송컨베이어(50);를 포함하여 구성된다.
상기한 구성에 있어서, 상기 냉각수분사노즐(33)은 평면상에서 상부케이스(31)의 반대편 벽면을 향하되, 상부케이스(31)의 중앙을 빗겨나는 방향을 이루도록 이루어져 있고, 서로 인접한 냉각수분사노즐(33)들은 동일한 방향으로 빗겨나도록 이루어져 있어 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수로 하여금 상부케이스(31)을 중앙을 기준으로 나선형의 유체 흐름을 유도하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 나선형의 유체 흐름은 상기 턴디시(10)의 회전 방향과 동일한 방향을 이루도록 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면 높이는 상기 내부냉각탱크(30)의 상부케이스(31) 상측 벽면 높이와 동일하게 이루어져 있어, 냉각수분사노즐(33)의 분사에 의해 용융체를 냉각시킨 냉각수가 상부케이스(31) 상측 벽면을 넘은 후, 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면을 연속으로 넘어 배출되도록 함으로써 외부냉각공간(41) 내부의 냉각수 과열을 억제하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 턴디시(10)의 캐비티(11) 내부의 용융체가 굳는 것을 방지하기 위하여 연료와 산소의 공급에 의해 캐비티(11)에 화염을 가하는 가열장치(60)가 더 구비되어 있으며, 상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와; 산기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관을 통해 연결되어 있으며, 액체산소를 기화시키는 기화기(80)와; 상기 기화기(80)가 내부에 설치되어 있으며, 상기 외부냉각탱크(40)에서 배출되는 냉각수가 내부에 저장되도록 이루어져 있어 기화기(80)를 통과하는 액체산소와 상기 냉각수를 열교환시키도록 이루어져 있으며, 상기 냉각수분사노즐(33) 및 냉각수공급관(42)이 연결되어 있는 열교환탱크(90);가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 고순도의 밀베리 대신 저순도의 일반 동을 사용하여 동박용 소재를 제조할 수 있도록 하되, 턴디시의 회전에 의해 토출구로부터 용융체가 방사상으로 토출되도록 하고 토출된 용융체는 연속으로 공급되는 냉각수와의 접촉을 통해 냉각되어 동박 소재로 제조되도록 하여 충돌판 충돌 방식에 비해 벌크 밀도 및 결정립 크기 변화 폭이 적어 품질이 균일한 동박 소재를 제조할 수 있게 된다.
이는 턴디시 하부의 냉각탱크 내부에 저부로부터 냉각수가 채워져 수위가 냉각탱크 상단까지 채워져 있도록 함과 더불어 냉각냉크의 내부 둘레에 반대편 벽면 상부를 향해 경사지게 고압의 냉각수가 분사되도록 하여 용융체와 접촉하여 가열된 냉각수가 냉각탱크 벽면 상부로 월류케 함으로써 냉각 성능을 일정하게 유지할 수 있게 함으로써 가능케 된다.
이러한 방식에 따라 공급되는 냉각수의 온도를 특정 온도로 설정함으로써 결정립의 크기를 조절하고, 벌크 밀도를 조절할 수 있게 된다.
아울러, 턴디시 내의 용융체가 굳는 것을 방지하기 위한 연료의 연소를 위해 기화기를 이용하여 액체산소를 기화시켜 공급하되, 냉각탱크를 월류한 냉각수를 기화기와 열교환시킴으로써 별도의 연료나 전력 소요 없이 냉각수의 냉각을 달성함으로써 생산 원가의 절감이 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 장치의 일 예를 나타낸 부분 절단 사시도.
도 2는 도 1의 정단면 개략도.
도 3은 본 발명에서 열교환탱크를 이용하여 냉각수를 공급하도록 된 예를 나타낸 측단면 개략도.
도 4는 도 3 구성의 부분절단 사시도.
도 5는 본 발명에서 냉각수분사노즐의 배치 및 냉각수의 분사 방향을 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명에서 열교환탱크와 임시저장탱크를 이용하여 냉각수 온도 조절이 이루어지도록 한 예를 나타낸 부분절단 사시도.
도 7은 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 음극재용 동박 소재의 예를 나타낸 사진.
도 8 및 도 9는 본 발명에 의해 제조된 음극재용 동박 소재를 한국 화학융헙시험연구원에 결정립 크기에 대한 분석을 의뢰하여 받은 시험성적서 및 일부 발췌본.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
10 : 턴디시, 11 : 캐비티
12 : 토출구, 20 : 회전구동장치
21 : 안착부재, 22 : 제1회전축
23 : 동력전달장치, 24 : 제2회전축
25 : 구동모터, 30 : 내부냉각탱크
31 : 상부케이스, 31a : 상부냉각공간
32 : 하부케이스, 32a : 하부냉각공간
32b : 배출구, 33 : 냉각수분사노즐
33a : 제1냉각수공급관, 33b : 제1공급펌프
33c : 원형배관, 33d : 제1조절밸브
40 : 외부냉각탱크, 41 : 외부냉각공간
42 : 제2냉각수공급관, 42a : 제2조절밸브
42b : 제2공급펌프 , 43 : 냉각수배출관
43a : 제3조절밸브 , 44 : 돌출부
50 : 이송컨베이어 , 60 : 가열장치
70 : 액화산소탱크 , 80 : 기화기
90 : 열교환탱크, 91 : 임시저장탱크
92 : 냉각수회수관, 92a : 제1냉각수회수관
92b : 제2냉각수회수관, 93 : 제1보충관
94 : 제2보충관, 95 : 조절밸브
96 : 온도감지계
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 장치는 도 1, 2 등에 도시되어 있는 바와 같이 턴디시(10), 회전구동장치(20), 내부냉각탱크(30), 외부냉각탱크(40) 및 이송컨베이어(50)를 포함하여 구성되며, 도 3, 4에 도시된 것처럼 가열장치(60), 액화산소탱크(70), 기화기(80) 및 열교환탱크(90)가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 구성요소인 턴디시(10)는 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되도록 상부가 개방된 캐비티(11)가 내부에 형성되어 있으며, 측벽면에는 캐비티(11)에 임시 수용된 용융체가 토출되기 위한 토출구(12)가 형성되어 있다.
토출구(12)는 턴디시(10) 중앙을 기준으로 방사상으로 2개 이상 일정 간격으로 형성되어 있다.
토출구(12)에는 관 형상을 이루는 스파우트가 끼워져 교체 가능하게 설치될 수 있다.
본 발명의 구성요소인 회전구동장치(20)는 상기 턴디시(10) 하부에 연결된 채 상기 턴디시(10)를 수평 회전시켜 상기 토출구(12)를 통해 토출되는 용융체로 하여금 턴디시(10) 주변에 방사상으로 토출시키도록 이루어져 있다.
도 1에 도시된 회전구동장치(20)는 상기 턴디시(10) 하부에 설치되어 턴디시(10)가 안착되는 안착부재(21), 상기 안착부재(21)의 하부에 수직 방향으로 연장되어 있으며, 수직 회전하도록 이루어진 제1회전축(22), 상기 제1회전축(22)의 하부에 위치하여 수평 방향의 회전력을 수직 방향의 회전력으로 변환시키는 동력전달장치(23), 상기 동력전달장치(23)와 일측이 연결된 채 수평 방향으로 연장되어 있으며 수평 회전하도록 이루어진 제2회전축(24) 및 상기 제2회전축(24)과 연결되어 제2회전축(24)을 회전시키는 구동모터(25)로 이루어져 있다.
여기서 동력전달장치(23)는 서로 맞물려 회전하는 한 쌍의 베벨기어로 구성될 수 있다.
이러한 회전구동장치(20)는 턴디시(10)를 수평 회전시키기 위한 것이라면 도면에 의해 한정되지 않고 공지된 다양한 회전 구동 장치가 적용될 수 있다 할 것이다.
본 발명의 구성요소인 내부냉각탱크(30)는 상기 턴디시(10)에서 토출되는 용융체가 낙하하여 냉각수와 접촉하여 냉각되어 동박 소재로 제조되는 것이다.
본 발명에서 내부냉각탱크(30)는 상부냉각공간(31a) 내부에 냉각수의 상향 흐름을 유도하여 용융체와 접촉하여 가열된 냉각수로 하여금 상부케이스(31)의 상단 벽면을 넘어 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이를 위한 내부냉각탱크(30)는 상부케이스(31), 하부케이스(32) 및 냉각수분사노즐(33)로 구성되어 있다.
상부케이스(31)는 원통형의 형상을 취하며, 외주면이 연결부재를 통해 외부냉각탱크(40)와 연결되어 있다.
이러한 내부냉각탱크(30)는 상부로 용융체가 유입되기 위하여 상부가 개방되어 있으며, 도면에 도시된 것처럼 상기 턴디시(10)의 외경보다 큰 내경을 가져 상기 토출구(12)에서 방사상으로 토출되는 용융체가 내부로 수용되는 상부냉각공간(31a)이 내부에 형성되어 있다.
하부케이스(32)는 상기 상부케이스(31)의 하부에 일체로 연결된 채 하방으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원추형의 형상을 취해 수용공간(21)에서 낙하되는 융용체의 낙하를 가이드하는 하부냉각공간(32a)이 형성되어 있다.
이러한 하부케이스(32) 하부 중앙에는 냉각수와 접촉하여 굳어진 용융체(동박 소재)가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있다.
냉각수분사노즐(33)은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 상기 상부케이스(31)의 하부 둘레를 따라 일정 간격을 두고 다수 개가 설치되어 있으며 외부로부터 냉각수를 공급받아 상부냉각공간(31a)에 냉각수를 분사하도록 이루어져 있다.
이러한 냉각수분사노즐(33)들은 상부케이스(31) 둘레를 감싸 배설된 하나의 원형배관(33c)에 연결되도록 하고, 이 원형배관(33c)으로 냉각수를 공급하는 제1냉각수공급관(33a)이 구비되도록 할 수 있다.
도면에서 원형배관(33c)은 사각 단면 형상의 형태로 이루어지고, 냉각수분사노즐(33)이 사각 단면 내부에 일부가 수용된 형태가 도시되어 있는데, 도면에 의해 한정되는 것은 아니다 할 것이다.
원형배관(33c)으로 냉각수를 공급하기 위한 제1냉각수공급관(33a)에는 냉각수 공급의 여부를 제어할 수 있는 제1조절밸브(33d) 및 냉각수를 공급하기 위한 제1공급펌프(33b)가 설치될 수 있다.
이러한 냉각수분사노즐(33)은 각각 설치 위치의 반대편 상부케이스(31) 상측 벽면을 향해 상향 경사지게 설치되어 있어 토출구(12)에서 토출되어 낙하하는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 급속 냉각시키도록 이루어져 있다.
내부냉각탱크(30) 내부의 냉각수 충진은 배출구(32b)를 통해 내부에서 차오르도록 하여 충진하는데, 하부냉각공간(32a)의 상부는 용융체와의 열교환으로 인해 하부에 비해 온도가 높아지게 된다.
따라서, 상부냉각공간(31a) 상부의 냉각수 온도는 배출구(32b) 측과 비교하면 상당히 높은 온도를 이루게 되므로 냉각 효율이 상대적으로 떨어질 수 있으며, 상부와 하부의 온도 차이에 의해 제조되는 동박 소재의 물성을 일정하게 유지하기 힘들게 된다.
하지만 냉각수분사노즐(33)이 상부케이스(31) 하부에 위치한 채 상방으로 경사지게 설치됨으로 인해 배출구(32b) 측으로부터 차오르는 냉각수에 비해 훨씬 낮은 온도의 냉각수를 공급할 수 있게 되어 상부냉각공간(31a) 내의 냉각수 온도를 낮춰 순간적인 냉각 효율을 높혀줄 수 있게 되며, 낮은 온도의 냉각수 접촉을 통해 결정립 크기를 작게 할 수 있게 된다.
더 바람직하게는 동박 소재를 공급받는 회사의 요구에 따라 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수의 온도를 조정함에 따라 결정립 크기를 조절할 수 있으며, 냉각수와 용융체의 순간적인 접촉시 발생하는 수증기의 급속한 활동과 그 정도를 조절하여 동박 소재의 기공 발달 정도, 뾰족한 돌기들의 발달 정도를 조절할 수 있게 된다.
이때, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 상기 냉각수분사노즐(33)은 평면상에서 상부케이스(31)의 반대편 벽면을 향하되, 상부케이스(31)의 중앙을 빗겨나는 방향을 이루도록 이루어져 있고, 서로 인접한 냉각수분사노즐(33)들은 동일한 시계방향 혹은 반시계 방향으로 빗겨나도록 이루어져 있어 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수로 하여금 상부케이스(31)을 중앙을 기준으로 나선형의 유체 흐름을 유도하도록 이루어짐이 보다 바람직하다.
이는 각각의 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 고압의 냉각수들의 이동 경로가 충돌하여 상부케이스(31) 상면에 고압으로 도달하지 못하는 것을 방지하고 원할하게 상부 영역까지 도달할 수 있게 해주며, 상부케이스(31) 상면 부분에서 평면상에서 일정 방향으로 회전하여 냉각 효율이 고르게 유지될 수 있게 해준다.
더불어, 상기 나선형의 유체 흐름은 상기 턴디시(10)의 회전 방향과 동일한 방향을 이루도록 함으로써 냉각 효율이 보다 일정하게 될 수 있도록 함이 바람직하다.
본 발명의 구성요소인 외부냉각탱크(40)는 내주면이 상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 냉각수가 공급되는 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 있다.
상기 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수와 함께 상하부 냉각수의 온도 차이에 의해 외부냉각공간(41) 내부에는 하향의 냉각수 흐름을 유도하고, 하부냉각공간(32a) 내부에는 상향의 냉각수 흐름을 유도할 수 있게 된다.
아울러, 제2냉각수공급관(42)에는 냉각수의 공급 여부를 제어하기 위한 제2조절밸브(42a) 및 냉각수 공급을 위한 제2공급펌프(42b)가 설치될 수 있다.
이때, 제2냉각수공급관(42)은 상기 냉각수분사노즐(33) 내부의 냉각수와 동일한 온도의 냉각수가 공급되도록 할 수도 있고, 서로 다른 온도의 냉각수가 공급되도록 할 수도 있다.
또, 동일한 수원에서 공급되더라도 온도조절장치의 부가나, 열교환기 등을 이용하여 서로 다른 온도로 공급되도록 할 수 있다.
아울러, 외부냉각탱크(40)는 일측으로 상향 경사진 이송컨베이어(50)의 상부가 수용될 수 있도록 타측에 경사진 돌출부(44)가 형성될 수 있다.
더불어, 외부냉각탱크(40)의 하부에는 강제로 냉각수를 배출할 수 있도록 냉각수배출관(43)이 연결될 수 있다.
이 냉각수배출관(43)에는 냉각수의 배출 여부를 조절할 수 있도록 제3조절밸브(43a)가 설치될 수 있다.
또는, 외부냉각탱크(40) 내부 냉각수의 외부 배출 역시 내부냉각탱크(30)와 마찬가지로 외부냉각탱크(40)의 상부 벽면을 넘어서 배출되도록 할 수 있다.
이 경우 상기 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면 높이는 상기 내부냉각탱크(30)의 상부케이스(31) 상측 벽면 높이와 동일하게 이루어져 있어, 냉각수분사노즐(33)의 분사에 의해 용융체를 냉각시킨 냉각수가 상부케이스(31) 상측 벽면을 넘은 후, 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면을 연속으로 넘어 배출되도록 함으로써 외부냉각공간(41) 내부의 냉각수 과열을 가일층 억제하도록 할 수 있다.
본 발명의 구성요소인 이송컨베이어(50)는 일측은 상기 배출구(32b)의 하부에 위치하고, 타측은 일측으로부터 상향 경사지게 연장되어 외부냉각탱크(40) 외측으로 돌출되어 내부냉각탱크(30)에서 냉각되어 제조된 동박소재를 이송시키도록 이루어져 있다.
한편, 상기 턴디시(10)의 캐비티(11) 내부의 용융체가 굳는 것을 방지하기 위하여 캐비티(11)에 화염을 가하는 가열장치(60)가 구비된다.
가열장치는 LPG, LNG, 석유 등의 원료를 연료로 하고, 산소 공급하에 화염을 발생시키게 된다.
이때, 산소 공급 효율을 극대화시키기 위해 상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와, 산기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관을 통해 연결되어 있으며, 액체산소를 기화시키는 기화기(80)가 구비될 수 있다.
여기서 상기 액화산소탱크(70)는 상기 가열장치(60) 외에도 용융체를 제조하기 위한 로 내의 산소 공급 등에도 사용될 수 있다.
한편, 상기 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40) 내의 냉각수는 1,000℃가 넘는 고온의 용융체를 냉각시키기 때문에 온도가 매우 쉽게 올라가게 되는 바, 계속 저온의 냉각수를 보충하고, 가열된 냉각수를 회수해줘야 하므로 냉각장치를 필요로 하며, 이 냉각장치의 작동에는 상당한 전력을 필요로 하게 된다.
이에 도 4, 5에 도시되어 있는 바와 같이 외부냉각탱크(40)의 외부에 외부냉각탱크(40)의 상부 벽면을 월류한 냉각수가 흘러 유입되도록 함과 더불어, 냉각수배출관(43)과 연결되어 외부냉각탱크(40)에서 배출되는 냉각수가 유입되는 임시 저장되는 임시저장탱크(91)를 구비하고, 상기 기화기(80)가 내부에 설치되는 한편, 상기 임시저장탱크(91)와 배관을 통해 연결되어 임시저장탱크(91) 내부의 냉각수가 내부에 저장되도록 이루어져 있어 기화기(80)를 통과하는 액체산소와 상기 냉각수를 열교환시키도록 이루어진 열교환탱크(90)가 구비될 수 있다.
이 열교환탱크(90)는 상기 냉각수분사노즐(33) 및 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 기화기(90)와 열교환된 냉각수가 냉각수분사노즐(33) 및 제2냉각수공급관(42)에 공급됨으로써 신속하게 냉각된 저온의 냉각수를 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40) 내부로 공급할 수 있다.
이는 냉각수의 냉각을 위한 별도의 전력 소모를 갖는 냉각장치 없이도 냉각수를 신속하게 냉각시켜 공급하므로 동박 소재 제조를 위한 생산 원가를 절감할 수 있게 해준다.
한편, 열교환탱크(90)에서 냉각된 냉각수를 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)로 공급하기 위한 배관은 도 3, 4에 도시되어 있는 하나의 냉각수회수관(92)으로 구성될 수 있다.
그러나, 이 경우 열교환탱크(90) 내부의 온도를 일정하게 유지하지 못할 수 있기 때문에 균일한 품질의 동박 소재 제조에 어려움을 겪게 된다.
또, 내부냉각탱크(30)와 외부냉각탱크(40) 내부에 동일한 온도의 냉각수를 공급할 수 밖에 없기 때문에 제조 조건의 변화를 주기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 냉각수회수관(92)은 제1냉각수회수관(92a)과 제2냉각수회수관(92b) 두 개로 구성되고, 상기 제1냉각수회수관(92a)은 제1냉각수공급관(33a)과 연결되도록 하고, 제2냉각수회수관(92b)는 제2냉각수공급관(42)에 연결되도록 하는 한편, 상기 임시저장탱크(91)에는 각각 제1냉각수회수관(92a) 및 제2냉각수회수관(92b)과 연결되는 제1보충관(93) 및 제2보충관(94)이 설치되고, 제1냉각수회수관(92a)과 제1보충관(93)이 연결되는 지점 및 제2냉각수회수관(92b)과 제2보충관(94)이 연결되는 지점 전의 각 배관에 조절밸브(95)가 설치되도록 할 수 있다.
뿐만 아니라 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)에는 내부 냉각수의 온도를 측정하는 온도감지계(96)가 설치되도록 구성할 수 있다.
아울러, 미도시된 컨트롤장치에 상기 온도감지계(96) 및 조절밸브(95)들을 전기적으로 연결하여 온도감지계(96)에서 측정된 온도 값에 따라 각 조절밸브(95)들의 개폐를 조절함으로써 열교환탱크(90) 내의 열교환이 이루어진 냉각수와 임시저장탱크 내부의 임시 저장된 냉각수를 배합함으로써 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)로 공급되는 냉각수 각각의 온도를 조절할 수 있다.
이러한 구성은 냉각을 위한 전력 소모를 최소화하면서 연속 생산이 이루어지도록 할 수 있을 뿐만 아니라 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)로 공급되는 냉각수 온도를 제어함으로써 벌크 밀도나 결정립 크기와 같은 음극재용 동박 소재의 주요 물성을 제어하여 고객에게 제공할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 음극재용 동박 소재 제조 공정에 대해 설명하기로 한다.
1. 토출단계
상기 턴디시(10)의 캐비티(11) 내부로 정련된 동이 용융된 용융체를 공급하고, 상기 회전구동장치(20)를 작동시켜 턴디시(10)를 회전시킨다.
턴디시(10)가 회전하게 되면 측벽면의 토출구(12)를 방사상으로 용융체가 토출된다.
2. 냉각단계
한편, 상기 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)에는 두 탱크 상단에 이르도록 냉각수가 채워져 있는 상태로 준비하여 토출되는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 냉각 및 고화시킨다.
이때, 회전구동장치(20)의 작동과 동시에 냉각수분사노즐(33)을 통한 냉각수의 고압 공급을 개시하여 내부냉각탱크(30) 내부에 상향 경사진 냉각수 흐름을 유도하여 용융체와의 접촉에 의해 온도가 상승한 냉각수는 내부냉각탱크(30)의 상측 벽면을 넘어 배출 처리하고, 내부냉각탱크(30)의 하부로부터 냉각수를 연속으로 공급한다.
내부냉각탱크(30) 하부로부터의 냉각수 공급은 전술한 제2냉각수공급관(42)을 통해 냉각수를 공급함으로써 외부냉각탱크(40) 내부에 냉각수를 공급함으로써 이루어진다.
3. 이송단계
회전구동장치(20) 및 냉각수분사노즐(33)로의 냉각수 공급과 더불어 이송컨베이어(50)를 작동시켜 상기 내부냉각탱크(30) 내부를 따라 고체화되어 배출구(32b)를 통해 낙하하는 동박소재를 이송컨베이어(50)를 통해 이송시켜 후속 공정으로 이송시킨다.
한편, 상기 토출단계가 진행되는 동안 가열장치(60)를 작동시켜 용융체가 굳어지는 것을 방지하는데, 전술한 바와 같이 가열장치(60)에 액체산소를 기화시켜 공급하는 경우 기화기(80)를 배출된 냉각수가 저장되는 열교환탱크(90) 내부에 설치하여 냉각수를 기화기(80) 내의 액체산소와 열교환시킨 후 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)으로 공급한다.
더하여, 도 6과 같은 실시예의 경우 전술한 바와 같이 온도감지계(96)에서 감지된 온도 값에 따라 각 조절밸브(95)의 개폐를 컨트롤장치를 통해 제어함으로써 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42) 내부의 냉각수 온도를 개별적으로 제어하여 원하는 물성의 동박소재를 제조할 수 있게 된다.
도 7에는 이러한 제조 방법에 의해 제조된 음극재용 동박 소재가 도시되어 있으며, 도 8 및 9는 본 발명에 의해 제조된 동박 소재의 결정립 크기에 관한 시험성적서이다.
도 7을 보면 알 수 있듯이 순간적인 저온의 냉각수와의 접촉을 통해 충돌판 없이도 뾰족한 돌기가 돌출된 팝콘과 같은 형상으로 변형되어 제조된 것을 확인할 수 있다.
시험성적서에서 확인할 수 있듯이 결정립 크기가 매우 작은 동박 소재의 제조가 가능한 것을 알 수 있다.
더하여, 가로, 세로, 높이 10cm의 정육면체 내부에 제조된 동박 소재를 채워 무게를 측정한 결과 2개로 나뉘어 공급되는 냉각수의 온도 조절에 따라 0.5 ~ 7kg의 범위 내에서 특정 무게로 유도하여 제조가 가능함을 알 수 있었다.

Claims (5)

  1. 음극재용 동박 소재 제조 장치에 있어서,
    정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되도록 상부가 개방된 캐비티(11)가 내부에 형성되어 있으며, 측벽면에는 캐비티(11)에 임시 수용된 용융체가 토출되기 위한 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와;
    상기 턴디시(10) 하부에 연결된 채 상기 턴디시(10)를 수평 회전시켜 상기 토출구(12)를 통해 토출되는 용융체로 하여금 턴디시(10) 주변에 방사상으로 토출시키는 회전구동장치(20)와;
    상기 턴디시(10)의 하부에 위치하고, 상부가 개방되어 있으며, 상기 턴디시(10)의 외경보다 큰 내경을 가져 상기 토출구(12)에서 방사상으로 토출되는 용융체가 내부로 수용되는 상부냉각공간(31a)이 내부에 형성되어 있는 원통형의 상부케이스(31)와, 상기 상부케이스(31)의 하부에 연결된 채 하방으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원추형의 형상을 취해 수용공간(21)에서 낙하되는 융용체의 낙하를 가이드하는 하부냉각공간(32a)이 형성되어 있고, 하부 중앙에는 용융체가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있는 하부케이스(32)와, 상기 상부케이스(31)의 하부 둘레를 따라 일정 간격을 두고 설치되어 있으며 제1냉각수공급관(33a)을 통해 외부로부터 냉각수를 공급받아 상부냉각공간(31a)에 냉각수를 분사하도록 이루어져 있되, 설치 위치의 반대편 상부케이스(31) 상측 벽면을 향해 상향 경사지게 설치되어 있어 토출구(12)에서 토출되어 낙하하는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 급속 냉각시키고, 상부냉각공간(31a) 내부에 냉각수의 상향 흐름을 유도하여 용융체와 접촉하여 가열된 냉각수로 하여금 상부케이스(31)의 상단 벽면을 넘어 배출되도록 하는 다수 개의 냉각수분사노즐(33)로 구성되어 있는 내부냉각탱크(30)와;
    내주면이 상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 냉각수가 공급되는 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 상기 분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수와 함께 상하부 온도 차이에 의해 외부냉각공간(41) 내부에는 하향의 냉각수 흐름을 유도하고, 하부냉각공간(32a) 내부에는 상향의 냉각수 흐름을 유도하는 외부냉각탱크(40)와;
    일측은 상기 배출구(32b)의 하부에 위치하고, 타측은 일측으로부터 상향 경사지게 연장되어 외부냉각탱크(40) 외측으로 돌출되어 내부냉각탱크(30)에서 냉각되어 제조된 동박소재를 이송시키는 이송컨베이어(50);를 포함하여 구성된,
    음극재용 동박 소재 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각수분사노즐(33)은 평면상에서 상부케이스(31)의 반대편 벽면을 향하되, 상부케이스(31)의 중앙을 빗겨나는 방향을 이루도록 이루어져 있고,
    서로 인접한 냉각수분사노즐(33)들은 동일한 방향으로 빗겨나도록 이루어져 있어 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수로 하여금 상부케이스(31)을 중앙을 기준으로 나선형의 유체 흐름을 유도하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    음극재용 동박 소재 제조 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 나선형의 유체 흐름은 상기 턴디시(10)의 회전 방향과 동일한 방향을 이루도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    음극재용 동박 소재 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면 높이는 상기 내부냉각탱크(30)의 상부케이스(31) 상측 벽면 높이와 동일하게 이루어져 있어,
    냉각수분사노즐(33)의 분사에 의해 용융체를 냉각시킨 냉각수가 상부케이스(31) 상측 벽면을 넘은 후, 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면을 연속으로 넘어 배출되도록 함으로써 외부냉각공간(41) 내부의 냉각수 과열을 억제하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    음극재용 동박 소재 제조 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 턴디시(10)의 캐비티(11) 내부의 용융체가 굳는 것을 방지하기 위하여 연료와 산소의 공급에 의해 캐비티(11)에 화염을 가하는 가열장치(60)가 더 구비되어 있으며,
    상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와;
    산기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관을 통해 연결되어 있으며, 액체산소를 기화시키는 기화기(80)와;
    상기 기화기(80)가 내부에 설치되어 있으며, 상기 외부냉각탱크(40)에서 배출되는 냉각수가 내부에 저장되도록 이루어져 있어 기화기(80)를 통과하는 액체산소와 상기 냉각수를 열교환시키도록 이루어져 있으며, 상기 냉각수분사노즐(33) 및 냉각수공급관(42)이 연결되어 있는 열교환탱크(90);가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
    음극재용 동박 소재 제조 장치.
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