KR101499493B1 - 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 일반 프레스 장비를 사용하면서도 고정밀의 캐버티 구현이 가능하고, 언더필 공정을 배제하고 상 펀치를 전극 형상보다 크게 하여 택 타임을 감축하면서도 내부 분체의 유출과 불균일을 방지하여 안정적인 제작이 가능한 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 다이(110)와 하 펀치(120) 사이에 설치되어, 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 소정 간격을 유지하도록 지지하는 다이 지지 탄성체;를 포함하며, 상 펀치(130)는 상기 상하 관통 홀(111)보다 크게 형성시키고, 상기 상 펀치(130)가 하강하여 전극 제조를 위한 분말이 충전된 상기 상하 관통 홀(111)을 커버하는 상기 다이(110)에, 상기 다이 지지 탄성체의 탄성 지지력을 상회하는 가압력을 인가하여 분말의 압축 성형을 수행하며, 다이 상하 위치 조정부는, 상기 상 펀치(130)의 하강에 의한 가압력으로 압축 성형된 전극이 다시 상기 상 펀치(130)가 상승하면서 상기 하 펀치(120)로부터 취출되도록 상기 다이(110)를 하강시키게 조정하고, 압축 성형된 전극을 취출 후 상기 다이 지지 탄성체에 의해 상기 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 상기 다이(110)에 가해지는 가압력을 제거하도록 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하는 것을 특징으로 하는 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치를 제공한다.

Description

열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치 {Apparatus for compression molding powder that manufactures electrode of thermal battery}

이 발명은 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전지의 주요 부품인 양극, 음극과 같은 전극의 제작을 위해 투입된 분말을 압축 성형하는 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열전지(Thermal Battery)는, 상온에서는 이온 전도성이 없는 고체 상태의 무기염 전해질을 화학 발열재로 1초 이하의 짧은 시간에 액화시켜 높은 이온 전도성을 가지게 함으로써 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 1차 비축전지(Reserve Battery)를 말하며, 요구되는 출력 전압을 구현하기 위해 각각의 음극, 전해질, 양극, 열원, 집전체로 구성된 팰릿 형태의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 제조하게 된다.

이러한 열전지는, 상온에서 전지의 활성이 없는 상태로 저장되어 있다 300~500℃의 열을 받으면 음극과 양극 사이에 삽입되는 이온 전도성이 없는 고체 상태의 전해질을 활성화시키면서 이 활성화 신호에 의해 내부의 점화 장치를 작동시켜 단위 셀 내부의 열원(Heat source)을 점화시키는데, 이때 생성되는 열로부터 고체 상태의 전해질을 녹여 기전력을 발생시키면서 전원을 공급하는 전지의 기능을 수행하는데, 보관되는 동안 전해질은 이온 전도성이 없는 고체상태이므로 10년 이상의 장기 보관 특성이 우수하여 안전성이 높고 유지 및 보수 활동이 거의 불필요하며, 작동 후에도 가속도나 진동 및 충격에 의한 영향을 거의 받지 않아 신뢰성이 높아 주로 미사일, 어뢰, 로켓, 포탄, 지뢰 등과 같은 군사용 무기나 큰 건물의 비상용, 발전소 등 여러 분야에 널리 이용되고 있다.

여기서 열전지의 구성 요소인 전극의 원료는, 리튬 합금, 이황화철과 같이 높은 활성을 가진 분말과 공융염의 혼합 분말로, 약 500℃ 이상의 온도에서 안정 상태로 전기화학반응을 일으킬 수 있도록 선정된다.

이와 같이 열전지의 전기화학반응은 높은 온도에서 일어나기 때문에 분말의 압축성형 공정에서 성형성을 높이는 용도로 원료에 투입되는 유기바인더는 사용할 수 없다.

따라서 유기바인더 없이 얇은 디스크 형상의 전극을 제조하기 위해서는 높은 성형 하중이 필요하며, 결과적으로 성형된 전극은 높은 스프링 백으로 인해 작은 구조적 결함에 의해서도 쉽게 파손되는 특성을 가지므로 분말 원료의 균일한 충전 및 취급이 요구된다.

더욱이 열전지의 구성 요소인 전극의 원료는, 상대적으로 가벼워 캐버티에 상 펀치의 삽입 과정에서 생성되는 압력에 의해 다이 외부로 유출되어 정상적인 성형이 불가능해지는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 언더필 공정(Underfill process)을 적용하는 종래 열전지 전극의 성형 공정이 제안되었다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 열전지 전극의 성형공정을 나타낸 것이다.

종래 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치는, 전극 형상의 상하 관통 홀을 갖는 다이(10)와, 상기 상하 관통 홀에 상하로 이동 가능하게 삽입되는 하 펀치(20)와, 상기 상하 관통 홀에 삽입 가능하게 형성되는 상 펀치(30) 그리고 상기 상하 관통 홀이 상기 하 펀치(20)와의 사이에서 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 할 때와 캐버티 내에 분말 충전 후 압축 성형을 할 때 상기 다이(10)를 상승시키게 조정하며, 상기 상 펀치(30)의 하강에 의해 캐버티에 가해지는 가압력으로 압축 성형된 전극이 취출되도록 상기 다이(10)를 하강시키게 조정하는 다이 상하 위치 조정부를 포함한다.

도 1a 내지 도 1c에서는, 프레스(도면에 도시하지 않음)에 의해 상 펀치(30)와 다이(10)에 가해지는 힘을 상하 화살표로 나타내고 있으며, 다이 상하 위치 조정부에서 다이의 위치를 상하로 조정되는 부분에 대해서는 별도로 도시하지 않고 다이(10)에 가해지는 프레스의 힘을 화살표와 그 방향으로 대체한다.

먼저, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 다이 상하 위치 조정부에서 다이(10)의 위치를 상측으로 이동시켜 전극 형상의 상하 관통 홀과 하 펀치(120)와의 사이에서 전극 제조를 위한 분말이 충전되는 캐버티를 형성하고, 여기에 분말을 충전한다.

다음으로, 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 언더필 공정의 수행을 위해 다이 상하 위치 조정부에서 다이(10)의 위치를 상측으로 이동시켜 충전된 분말보다 높이가 높아지게 캐버티를 확장한다.

캐버티를 상측으로 확장시킨 상태에서, 상 펀치(30)가 하강하여 다이(10)의 상하 관통 홀 안으로 삽입되면서 캐버티 내에 충전된 분말을 압축 성형한다.

그리고, 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 성형된 전극을 취출하기 위해, 다이 상하 위치 조정부에서 다이(10)의 위치를 하측으로 이동시켜 압축 성형된 전극의 높이보다 낮아지면서 전극이 하 펀치(20) 상에 놓인 상태로 노출되게 한다. 상기 하 펀치(20) 상에 노출된 전극은 상 펀치(30)가 상승한 후 외부로 취출된다.

이후, 다이(10)는 다이 상하 위치 조정부에 의해 상측으로 이동되어, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 전극 제조용 분말이 충전되는 캐버티를 형성시킨다.

그러나 종래 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에서는, 언더필 공정을 수행함으로 인해, 프레스의 운용 구성이 복잡하여지고, 캐버티의 깊이를 정확히 통제하기 위해 추가적인 계측 등이 수반되어야 하며 이로 인한 작업성의 저하와 비용의 상승을 유발하게 된다.

또한 언더필 공정을 통해 상 펀치(30)가 하강하면서 압축 성형하는 과정에서 다이(10) 내부의 분체가 외부로 유출되지 않도록 할 수는 있지만, 상 펀치(130)의 하강 시 다이(10) 내부의 공기 유동으로 인해 분체의 충전 상태가 균일화되지 못하는 문제는 피할 수 없게 된다.

이로 인해 압축 성형된 전극의 전체 또는 일부의 파손이 발생할 수 있으며, 이는 열전지 전극 제작 공정의 높은 불량률의 원인이 되고 있었다.

이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일반 프레스 장비를 사용하면서도 고정밀의 캐버티 구현이 가능하고, 언더필 공정을 배제하고 상 펀치를 전극 형상보다 크게 하여 택 타임을 감축하면서도 내부 분체의 유출과 불균일을 방지하여 안정적인 제작이 가능한 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 전극 형상의 상하 관통 홀(111)을 갖는 다이(110)와; 상기 상하 관통 홀(111)에 상하로 이동 가능하게 삽입되는 하 펀치(120); 상기 상하 관통 홀(111)보다 크게 형성시키는 상 펀치(130); 상기 상하 관통 홀(111)이 상기 하 펀치(120)와의 사이에서 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 할 때와 캐버티 내에 분말 충전 후 압축성형을 할 때 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하며, 상기 상 펀치(130)의 하강에 의해 캐버티에 가해지는 가압력으로 압축 성형된 전극이 취출되도록 상기 다이(110)를 하강시키게 조정하는 다이 상하 위치 조정부; 및, 상기 다이(110)와 하 펀치(120) 사이에 설치되어, 상기 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 소정 간격을 유지하도록 지지하는 다이 지지 탄성체;를 포함하고, 상기 상 펀치(130)가 하강하여 전극 제조를 위한 분말이 충전된 상기 상하 관통 홀(111)을 커버하는 상기 다이(110)에, 상기 다이 지지 탄성체의 탄성 지지력을 상회하는 가압력을 인가하여 분말의 압축 성형을 수행하며, 상기 다이 상하 위치 조정부는, 상기 상 펀치(130)의 하강에 의한 가압력으로 압축 성형된 전극이 다시 상기 상 펀치(130)가 상승하면서 상기 하 펀치(120)로부터 취출되도록 상기 다이(110)를 하강시키게 조정하고, 압축 성형된 전극을 취출 후 상기 다이 지지 탄성체에 의해 상기 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 상기 다이(110)에 가해지는 가압력을 제거하도록 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하는 것을 특징으로 하는 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치(100)를 제공한다.

바람직하게는, 상기 다이 지지 탄성체 내부에, 상기 하 펀치(120)와 다이(110) 사이에서 소정 간격으로 수평을 유지 및 캐버티의 공간을 조정하는 수평 유지 및 캐버티 공간 조정부를 더 포함할 수 있다.

상기의 구성을 갖는 이 발명의 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에 의하면, 언더필 공정의 수행 없이도 다이 내부의 전극분말 원료의 유출을 막을 수 있고, 상 펀치가 캐버티 내로 삽입되지 않으므로 가압 과정에서 내부 압력의 발생이 최소화되면서 캐버티 내의 전극분말 원료를 충전 상태로 유지시켜 균일한 가압성형이 가능하게 되는 효과가 있게 된다.

또한 상기의 구성을 갖는 이 발명의 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에 의하면, 언더필 공정이 필요하지 않으므로, 이를 구현하기 위한 프레스의 추가적인 실린더 소요를 제거할 수 있으며, 다이 위치 조정을 통해 언더필 공정을 구현하는 프레스의 경우 언더필 공정의 제어 없이 상사점과 하사점만을 관리하면 되므로 특별한 위치제어 없이 스토퍼 제어 방식만으로도 성형 공정을 진행하는 것이 가능하게 되는 효과가 있게 된다.

또한 상기의 구성을 갖는 이 발명의 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에 의하면, 내부공기 유출에 의한 분말의 유동을 최소화하기 위하여 시행하는 상 펀치의 하강속도 및 원료분말 충전의 정밀한 관리가 불필요하므로, 상 펀치 이동속도 상승, 원료분말 충전 공정의 간소화를 통해 비약적인 공정시간 단축을 유도할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 상기의 구성을 갖는 이 발명의 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에 의하면, 열전지 전극 성형품을 제작할 때 균일한 가압력이 인가되어 전극의 구조적 안정성이 향상되므로 공정의 효율 및 열전지 성능개선의 효과가 있게 된다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 열전지 전극의 성형공정을 나타낸 것이고,
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치를 나타낸 것이고,
도 3a 및 도 3b는 도 2의 장치에서 A-A, B-B 단면을 나타낸 것이고,
도 4a 내지 도 4c는 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 공정을 나타낸 것이다.

이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치를 나타낸 것이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 장치에서 A-A, B-B 단면을 나타낸 것이다.

이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치는, 도 2 내지 도 3b에 도시되어 잇는 바와 같이, 다이(110)와, 하 펀치(120)와, 상 펀치(130)와, 다이 지지 탄성체로서 다이 지지 스프링(140)과, 수평 유지 및 캐버티 조정부로서 수평 유지 및 캐버티 조정용 볼트(150) 그리고 다이 상하 위치 조정부를 포함한다.

상기 다이(110)는, 중앙에 전극 형상의 상하 관통 홀(111)을 다수 구비하며, 좌우에 수평 유지 및 캐버티 조정용 볼트(150)가 삽입 결합되는 구멍이 다수 형성된다.

상기 하 펀치(120)는, 상기 상하 관통 홀(111)에 상하로 이동 가능하게 삽입되며, 그 하부의 하 펀치 고정 받침부(121)에 의해 바닥으로부터 받쳐진다.

상기 상 펀치(130)는, 종래 상하 관통 홀에 삽입 가능하게 형성되던 것과는 달리, 상기 상하 관통 홀(111)보다 크게 형성시키고, 하강하여 전극 제조를 위한 분말이 충전된 상기 상하 관통 홀(111)을 커버하는 다이(110)에, 다이 지지 스프링(140)의 탄성 지지력을 상회하는 가압력을 인가하여 분말의 압축 성형을 수행한다.

상기 다이 지지 스프링(140)은, 하 펀치(120)와 다이(110) 사이에 설치되어, 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 소정 간격을 유지하도록 다이(110)를 지지한다.

상기 수평 유지 및 캐버티 조정용 볼트(150)는, 다이 지지 스프링(140) 내부를 통과하게 위치하면서 설치되며, 하 펀치(120)와 다이(110) 사이에서 소정 간격으로 수평을 유지하면서 캐버티의 공간을 높게 또는 낮게 조정한다.

상기 다이 상하 위치 조정부는, 종래 상하 관통 홀(111)이 하 펀치(120)와의 사이에서 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 할 때와 캐버티 내에 분말 충전 후 압축 성형을 할 때 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하던 것과 달리, 상기 상 펀치(130)가 상승하면서 다이 지지 스프링(140)의 탄성력에 의해 다이가 다이 지지 스프링(140)이 지지하는 위치까지 상승하며 여기에 압축 성형된 전극의 취출을 위해 다이(110)의 하강을 조정한다.

상기와 같은 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치의 작동 과정을 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4a 내지 도 4c는 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 공정을 나타낸 것이다.

도 4a 내지 도 4c에서는, 프레스(도면에 도시하지 않음)에 의해 다이(110)와 상 펀치(130)에 가해지는 힘을 상하 화살표로 나타내고 있으며, 다이 상하 위치 조정부에서 다이(110)의 위치를 상하로 조정되는 부분에 대해서는 별도로 도시하지 않고 다이(10)에 가해지는 프레스의 힘을 화살표와 그 방향으로 대체한다.

먼저, 다이 지지 스프링(140) 내부에 위치하는 수평 유지 및 캐버티 공간 조정용 볼트(150)를 상하로 조정하여, 다이 지지 스프링(140)에 탄성 지지되고 있는 다이(110)를 수평 상태로 유지하면서 캐버티의 높이를 전극 제작에 적합하게 형성한 후, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 형성된 캐버티 내에 전극 원료분말을 충전하고, 언더필 공정 없이 바로 상기 상 펀치(30)가 하강하여, 종래 상기 다이(10)의 전극 형상의 상하 관통 홀 안으로 삽입되던 것과 달리, 다이(110)의 외곽 부분을 가압한다.

이어서, 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 다이(110)의 외곽 부분을 가압하던 상기 상 펀치(30)는 다시 하강하여 다이(110)와 캐버티 내에 충전된 분말을 동시에 가압하면서 분말의 압축 성형을 수행한다.

이 때 다이 지지 스프링(140)의 탄성 지지력을 상회하는 가압력이 전극 원료인 분말에 인가되므로, 다이 지지 스프링(140)의 지지를 받고 있던 다이(110)는 상 펀치(130)의 가압과 함께 하강하며, 다이 지지 스프링(140)은 성형에 필요한 높이만큼 아래로 눌려진 상태를 유지한다.

그리고, 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 성형된 전극을 취출하기 위해 다이 상하 위치 조정부에서 다이(10)의 위치를 하측으로 이동시켜 압축 성형된 전극의 높이보다 낮아지면서 전극이 상기 하 펀치(20) 상에 놓인 상태로 노출되게 한다. 상기 하 펀치(20) 상에 노출된 전극은, 상 펀치(30)가 상승한 후 외부로 취출된다.

성형품의 취출 후 다이(110) 위치 조정부의 작동에 의해 다이(110)에 가해지던 힘이 제거되면, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 다이(110)는 다이 지지 스프링(1400의 탄성 복원력으로 하 펀치(120)와의 사이에서 최초의 충전이 가능하게 캐버티를 형성하는 위치로 복귀한다.

이로부터 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치에서는, 언더필 공정을 적용하지 않아 장치 구성 및 공정의 간소화를 구현하고 상 펀치가 캐버티 내로 삽입되지 않아 가압 과정에서 내부 압력의 발생이 최소화되어 캐버티 내의 전극분말 원료를 충전 상태로 유지시켜 균일한 가압성형으로 전극의 구조적 안정성이 향상되어 공정의 효율 및 열전지 성능이 개선된다.

이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다.

100 : 이 발명의 실시 예에 따른 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치
110 : 다이
111 : 상하 관통 홀
120 : 하 펀치
121 : 하 펀치 고정 받침부
130 : 상 펀치
140 : 다이 지지 스프링
150 : 수평 유지 및 캐버티 조정용 볼트

Claims (2)

1. 전극 형상의 상하 관통 홀(111)을 갖는 다이(110)와;
   상기 상하 관통 홀(111)에 상하로 이동 가능하게 삽입되는 하 펀치(120);
   상기 상하 관통 홀(111)보다 크게 형성시키는 상 펀치(130);
   상기 상하 관통 홀(111)이 상기 하 펀치(120)와의 사이에서 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 할 때와 캐버티 내에 분말 충전 후 압축성형을 할 때 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하며, 상기 상 펀치(130)의 하강에 의해 캐버티에 가해지는 가압력으로 압축 성형된 전극이 취출되도록 상기 다이(110)를 하강시키게 조정하는 다이 상하 위치 조정부; 및,
   상기 다이(110)와 하 펀치(120) 사이에 설치되어, 상기 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 소정 간격을 유지하도록 지지하는 다이 지지 탄성체;를 포함하고,
   상기 상 펀치(130)가 하강하여 전극 제조를 위한 분말이 충전된 상기 상하 관통 홀(111)을 커버하는 상기 다이(110)에, 상기 다이 지지 탄성체의 탄성 지지력을 상회하는 가압력을 인가하여 분말의 압축 성형을 수행하며,
   상기 다이 상하 위치 조정부는, 상기 상 펀치(130)의 하강에 의한 가압력으로 압축 성형된 전극이 다시 상기 상 펀치(130)가 상승하면서 상기 하 펀치(120)로부터 취출되도록 상기 다이(110)를 하강시키게 조정하고, 압축 성형된 전극을 취출 후 상기 다이 지지 탄성체에 의해 상기 상하 관통 홀(111)이 전극 제조를 위한 분말을 충전하는 캐버티를 형성하게 상기 다이(110)에 가해지는 가압력을 제거하도록 상기 다이(110)를 상승시키게 조정하는 것을 특징으로 하는 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치(100).
2. 제 1항에 있어서,
   상기 다이 지지 탄성체 내부에, 상기 하 펀치(120)와 다이(110) 사이에서 소정 간격으로 수평을 유지 및 캐버티의 공간을 조정하는 수평 유지 및 캐버티 공간 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지 전극 제작용 분말의 압축성형 장치(100).

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