KR101680416B1

KR101680416B1 - 레이저를 이용한 양극 커팅 장치

Info

Publication number: KR101680416B1
Application number: KR1020130132063A
Authority: KR
Inventors: 김태수; 성기은; 이상익; 이진수; 반진호; 서대한; 신부건; 민기홍; 육영민; 안창범
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2016-12-12
Also published as: US20160263705A1; EP2889103A4; US10005157B2; EP2889103B1; JP2016505384A; EP2889103A1; KR20150050868A; JP6059819B2; CN104755219A; WO2015065105A1

Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 양극 시트를 연속적으로 커팅할 수 있는 양극 커팅 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 및 양극 시트를 커팅하기 위하여 상기 레이저 발진기로부터 방출된 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 양극 시트에 조사하는 집속 렌즈;를 구비하며, 상기 양극 시트의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈는 10~50μm이고, 상기 초점 스폿에서의 에너지 밀도는 25J/cm² 이상일 수 있다.

Description

레이저를 이용한 양극 커팅 장치{Apparatus of cutting positive electrode using laser}

본 발명은 레이저를 이용한 양극 커팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저를 이용하여 양극 시트를 연속적으로 커팅할 수 있는 양극 커팅 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로 이차 전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬(이온/폴리머) 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

상기 리튬(이온/폴리머) 이차전지는, 양극과 음극이 교대로 적층되되 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조를 갖는 전극조립체가 외장재 케이스에 수납되어 있는 구조로 되어 있다.

한편, 전극조립체를 이루는 전극은 평평한 전극판의 일단에 전극탭이 인출되어 있는 구조로 되어 있는데, 전극탭이 인출된 전극판을 제조하기 위하여 종래에는 금형 커터를 사용하였다. 구체적으로는 전극판 재료에서 전극탭의 형상은 남겨두고 나머지 부분을 잘라낼 수 있는 형상을 갖는 금형 커터를 사용하여, 전극탭이 인출된 전극판을 제조하게 된다.

이와 같이 금형 커터를 사용하여 전극 재료를 커팅할 경우에는 커팅 품질이 높다는 장점은 있으나, 정밀한 형상의 금형 커터를 제조하는 데에 매우 많은 시간이 소요되고, 금형 커터 자체의 가격이 고가라는 문제가 있으며, 이미 정해져 있는 금형 커터의 형상으로만 전극 재료를 커팅할 수밖에 없다는 한계가 있다. 따라서, 전극 재료를 커팅하는 공장의 라인 상에서 다양한 형상 및 사이즈를 갖는 전극판을 제조하려면, 생산 라인을 정지하고 금형 커터를 교환한 후에 재가동하는 과정을 여러 번 반복해야 한다.

다양한 종류의 금형 커터를 마련해 두고 이를 교체해야 한다는 것은 단순히 금형 커터의 생산 단가를 높인다는 문제를 넘어, 단위시간 동안 생산할 수 있는 전극판의 수율을 현격하게 떨어뜨린다는 문제까지 야기한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 전극들 중에서 특히 양극에 관한 내용을 다루고 있으며, 하나의 제조 라인에서 다양한 형상의 양극을 제조하더라도 제조 라인을 정지시킬 필요가 없어서 수율 및 가동률이 높은 양극 커팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 양극 커팅 공정의 비용을 낮출 수 있는 양극 커팅 장치를 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 및 양극 시트를 커팅하기 위하여 상기 레이저 발진기로부터 방출된 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 양극 시트에 조사하는 집속 렌즈;를 구비하며, 상기 양극 시트의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈는 10~50μm이고, 상기 초점 스폿에서의 에너지 밀도는 25J/cm² 이상일 수 있다.

또한, 상기 레이저 빔의 주파수는 35~300kHz일 수 있다.

또한, 상기 레이저 발진기의 출력은 20W~500W일 수 있다.

또한, 상기 레이저는 그 품질을 나타내는 변수인 빔 모드 파라미터의 값(M²)이 1~2.0일 수 있다.

또한, 상기 집속 렌즈의 초점 거리는 100mm ~ 300mm일 수 있다.

또한, 상기 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 상기 양극 시트를 풀어주는 언와인더; 및 상기 언와인더로부터 이격된 채로 배치되며 상기 언와인더로부터 풀리는 상기 양극 시트를 되감아 주는 와인더; 를 더 구비하며, 상기 집속 렌즈는, 상기 양극 시트 중 상기 언와인더와 상기 와인더 사이에 걸쳐 있는 구간인 현수구간에 상기 레이저 빔을 조사할 수 있다.

또한, 상기 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 상기 양극 시트의 현수구간 중 집속된 레이저가 조사되는 영역의 쳐짐을 억제하기 위하여 상기 현수구간의 적어도 일부 구간을 지지하는 시트 가이드를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 시트 가이드는, 상기 양극 시트의 현수구간의 양면 중 쳐지는 방향 쪽 면인 제1 면을 받쳐주는 제1 가이드와, 상기 양극 시트의 현수구간의 양면 중 쳐지는 방향의 반대방향으로 상기 양극 시트의 현수구간이 요동하는 것을 억제하기 위하여 상기 현수구간의 제2 면과 이격된 채로 상기 제2 면 쪽에 배치되는 제2 가이드를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 가이드와 상기 제2 가이드 사이의 간격은 0.5mm ~ 2mm일 수 있다.

또한, 상기 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 상기 레이저 발진기와 상기 집속 렌즈까지 이어지는 광로 상에 배치되며 상기 집속 렌즈에 의하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿을 상기 양극 시트의 표면 상의 원하는 위치로 움직일 수 있도록 직교좌표계를 이루는 제1 축과 제2 축을 기준으로 각각 회동 가능한 제1 미러와, 제2 미러를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 레이저를 이용한 양극 커팅 장치는, 상기 광로 상에 배치되되 상기 제1 미러와 상기 제2 미러보다 상기 레이저 발진기에 가까이 위치하여 상기 레이저 발진기로부터 방출된 레이저 빔의 광폭을 조절하는 광폭 조절기를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 광폭 조절기는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈보다 상기 레이저 발진기로부터 더 먼 곳에 위치하는 제2 렌즈를 구비하며, 상기 집속 렌즈를 통과하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿과 상기 양극 시트 상호 간의 거리 조절을 위하여 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이의 거리 조절 구조가 형성될 수 있다.

또한, 상기 레이저는 펄스 변조가 가능한 다이오드 펌핑 고체 레이저일 수 있다.

또한, 상기 레이저는 파이버 레이저일 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 제조 라인에서 다양한 형상의 양극을 제조하더라도 제조 라인을 정지시킬 필요가 없어서 수율 및 가동률이 높은 양극 커팅 장치를 제공할 수 있다.

또한, 양극 커팅 공정의 비용을 낮출 수 있는 양극 커팅 장치를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치의 일부에 대한 사시도이다.
도 2는 집속 렌즈를 통과한 레이저 빔의 광경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치를 모식적으로 나타낸 정면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이다.
도 5는 광폭의 변화에 따른 집속된 레이저 빔의 초점 스폿의 위치 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 레이저 빔의 주파수 변화에 따른 양극 시트의 단면 상태를 나타낸 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치의 일부에 대한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치(이하, '양극 커팅 장치'라 한다)는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기(11)와, 양극 시트(3)를 커팅하기 위하여 레이저 발진기(11)로부터 방출된 레이저 빔을 집속하여 양극 시트(3)에 조사하는 집속 렌즈(15)를 구비한다. 집속 렌즈(15)를 통과한 레이저 빔은 그 초점 스폿이 양극 시트(3)의 표면에 닿는 것이 바람직하다. 여기서 초점 스폿이란 후술할 초점심도 내의 레이저 빔을 지칭한다.

본 발명에서 사용되는 레이저는 레이저의 발진 형태상 1μs 이하의 Pulse 폭을 갖는 Pulse 변조 방식의 레이저를 사용할 수 있으며 Pulse 변조 방식으로 사용되는 방법은 Q-switching 혹은 MOPA(Master oscillator pulse Amplification)방식을 사용할 수 있으나, 반드시 이러한 방식만을 제한 하는 것은 아니며 10ps 이상 ~ 1μs 이하의 Pulse 폭을 갖는 Pulse Modulation 방식이면 변조 방식에 제한을 두지는 않는다.

레이저 발진기(11)에서 레이저를 생성하기 위하여 사용되는 공진기로 광학 섬유가 채용될 수 있는데, 공진기로 광학 섬유가 사용되어 방출된 레이저를 파이버 레이저라고 하며, 본 발명에서는 파이버 레이저가 사용될 수 있다. 또한, 다이오드 펌핑 고체(Diode Pumped Solid State Laser) 레이저가 사용될 수 있다.

도 2는 집속 렌즈를 통과한 레이저 빔의 광경로를 나타낸 도면이다.

광폭은 BW, 집속된 레이저 스폿의 최소 반지름은 W₀, 집속 렌즈(15)의 초점거리는 f라고 하였을 때, 집속된 레이저 스폿의 반지름이

W₀인 두 지점 사이의 거리를 초점심도(Depth of Focus)라 한다. 초점심도 내의 레이저 빔인 초점 스폿 내에 커팅 대상물이 위치해야만 충분한 에너지로 커팅을 할 수 있으며, 초점 스폿을 벗어나게 되면 레이저 빔의 에너지량이 현저하게 하락하기 때문에 커팅 대상물이 불완전하게 커팅되거나 커팅 품질이 불량하게 된다.

초점 스폿의 사이즈(W₀)는 아래의 수학식①로 나타낼 수 있다.

위 수학식①에서, λ는 레이저의 파장이고, M²은 빔 모드 파라미터(Beam Mode Parameter)라는 변수로서 레이저의 품질을 나타내는데, 이론값은 1이며 실제로는 약1.3의 값을 갖는다. 본 발명에서 사용하는 레이저의 M²값은 1에 가까울수록 좋으나 레이저의 출력 및 발진 방식에 따라 달라질 수 있다. 그러나 수학식①을 참조하면, M² 값이 2이상이 될 경우에 초점 스폿의 사이즈를 작게 만들기 위해서는 초점심도가 커지기 때문에 1~2.0의 값을 갖는 것이 바람직하다. f는 집속 렌즈(15)의 초점거리이고, D는 집속 렌즈(15)에 유입되는 레이저 빔의 광폭이다.

초점심도는 아래의 수학식②로 나타낼 수 있으며, 수학식②에서 L은 초점심도를 나타내는데, 초점심도를 Rayleigh length라고 지칭하기도 한다.

위 수학식① 및 ②의 관계로부터, 아래의 수학식③이 도출된다.

초점 스폿의 사이즈(W₀)가 작으면 레이저 빔의 에너지가 좁은 구역에 집중되어 커팅 대상물의 커팅이 용이하며, 초점심도가 길면 커팅 대상물의 레이저 빔에 대한 위치가 변하거나 커팅 대상물의 표면이 고르지 않더라도 항상 원활하게 커팅이 가능하기 때문에, 이상적으로는 초점 스폿의 사이즈(W₀)가 작고 동시에 초점심도는 긴 것이 좋다.

그러나, 상기 수학식③을 참조하면, 초점심도는 레이저 스폿의 사이즈와 비례한다.

따라서, 만약 초점 스폿의 사이즈가 작다면 레이저 빔의 단위 면적당 에너지 밀도는 높일 수 있으나, 초점심도도 이와 함께 짧아지기 때문에 커팅 대상물의 레이저 빔에 대한 위치가 변하거나 커팅 대상물의 표면이 고르지 않은 경우에는 커팅 대상물이 원활하게 커팅되지 않게 된다.

반대로, 초점심도가 길다면 커팅 대상물의 레이저 빔에 대한 위치가 변하거나 커팅 대상물의 표면이 고르지 않은 경우에 덜 민감하게 되므로, 커팅 대상물이나 초점의 위치 등을 설정하는 작업은 용이하게 되나, 초점 스폿의 사이즈도 초점심도와 함께 커지기 때문에 레이저 빔의 단위 면적당 에너지 밀도가 커팅 대상물을 커팅할 수 있는 수준보다 낮아지게 되는 문제가 있다.

이와 같이, 초점심도가 매우 길고, 이와 동시에 초점 스폿의 사이즈를 매우 작게 하는 것이 불가능하기 때문에, 양극 시트(3)의 커팅에 있어서도 초점심도와 초점 스폿의 사이즈 간의 균형을 맞추는 것이 매우 중요하다. 또한, 레이저를 이용하여 양극을 커팅하는 데에 있어서, 어떤 변수가 중요 변수인지를 파악하는 것이 필요하다.

이하에서는, 이를 위한 실험에 사용되며 실제로 양극을 커팅하는 공정에 사용될 수 있는 양극 커팅 장치에 대하여 먼저 설명하고, 다음으로, 초점심도와 레이저 스폿의 사이즈 간의 균형을 맞추는 것과, 어떤 변수가 중요 변수인지를 파악하기 위한 실험 및 그 결과에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 양극 커팅 장치를 모식적으로 나타낸 정면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이다.

도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 양극 커팅 장치는, 앞서 설명한 레이저 발진기(11)와 집속 렌즈(15) 이외에도, 양극 시트(3)를 풀어주는 언와인더(5)와, 언와인더(5)로부터 이격된 채로 배치되며 언와인더(5)로부터 풀리는 양극 시트(3)를 되감아 주는 와인더(7)를 더 구비한다.

집속 렌즈(15)는 양극 시트(3) 중 언와인더(5)와 와인더(7) 사이에 걸쳐 있는 구간인 현수구간(S)에 레이저 빔을 조사하는 역할을 한다.

언와인더(5)에는 양극 시트(3)가 감겨 있으며, 도 3을 기준으로 시계 방향으로 회전하며 양극 시트(3)를 풀어준다. 그리고, 와인더(7)는 도 3을 기준으로 시계 방향으로 회전하며 언와인더(5)에 의하여 풀린 양극 시트(3)를 되감아 준다.

언와인더(5)와 와인더(7) 사이에 소정 구간만큼 풀린 채로 언와인더(5)와 와인더(7) 사이에 걸쳐 있는 구간을 현수구간(S)이라 지칭하기로 하며, 이 현수구간(S)에 해당하는 양극 시트(3)가 언와인딩 및 와인딩되는 도중에 울거나 접히거나 주름지는 현상이 발생하지 않도록 양극 시트(3)는 일정한 장력이 유지된 상태에서 언와인딩 및 와인딩되는 것이 바람직하다.

한편, 레이저 발진기(11)와 집속 렌즈(15)까지 이어지는 광로 상에는 제1 미러(13)와 제2 미러(14)가 배치될 수 있다.

제1 미러(13)와 제2 미러(14)는, 집속 렌즈(15)에 의하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿을 양극 시트(3)의 표면 상의 원하는 위치로 움직일 수 있도록 해주는 역할을 수행한다. 제1 미러(13)는 제1 축을 기준으로 회동 가능하고, 제2 미러(14)는 제2 축을 기준으로 회동 가능한데, 여기서, 제1 축과 제2 축은 직교좌표계를 이루고 있으며, 제1 미러(13)의 제1 축에 대한 회동 각도와 제2 미러(14)의 제2 축에 대한 회동 각도를 조절하는 것에 의하여 양극 시트(3)의 표면 상의 무수히 많은 포인트로 집속 가능한 레이저 빔의 초점 스폿을 움직일 수 있다.

또한, 광로 상에는 광폭 조절기(12)가 배치될 수 있는데, 이 광폭 조절기(12)는 제1 미러(13)와 제2 미러(14)보다도 레이저 발진기(11)에 가까이 위치하며, 레이저 발진기(11)로부터 방출된 레이저 빔의 광폭을 조절하는 역할을 수행한다.

광폭 조절기(12)는 제1 렌즈(12A)와, 이 제1 렌즈(12A)보다 레이저 발진기(11)로부터 더 먼 곳에 위치하는 제2 렌즈(12B)를 구비하며, 제1 렌즈(12A)와 제2 렌즈(12B) 사이의 거리를 조절하는 구조(미도시)가 형성되는 것이 바람직하다.

제1 렌즈(12A) 및 제2 렌즈(12B) 중 적어도 어느 하나가 이동하는 방식에 의하여 제1 렌즈(12A)와 제2 렌즈(12B) 사이의 거리 조절이 가능한데, 이를 통해 제1 미러(13)에 입사되는 광폭을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 집속 렌즈(15)를 통과하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿과 양극 시트(3) 상호 간의 거리 조절을 할 수 있으며, 이에 대해서는 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

도 5는 광폭의 변화에 따른 집속된 레이저 빔의 초점 스폿의 위치 변화를 나타낸 도면인데, 제1 렌즈(12A)와 제2 렌즈(12B) 사이의 간격에 따라 광폭 조절기(12)를 통과한 레이저 빔은 집속 렌즈(15)에 평행하게 입사(실선으로 표시됨)되거나, 발산 상태로 입사(일점쇄선으로 표시됨)되거나, 수렴 상태로 입사(점선으로 표시됨)될 수 있으며, 각각의 레이저 빔은 순서대로 Z2, Z1, Z3의 위치에 집속 된다. 대표적으로 세 가지 예시에 대해서만 설명하였으나, 레이저 빔의 발산의 정도나 수렴의 정도를 미세하게 조정하는 것에 의하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿과 양극 시트(3) 상호 간의 거리를 매우 미세하게 조절할 수 있다.

양극 시트(3)를 원하는 대로 커팅하기 위해서는 초점 스폿이 양극 시트(3)의 표면에 위치해야만 하므로, 양극 시트(3)의 표면에 초점 스폿을 정확히 맞추는 것은 필수적으로 요구되며, 본 발명에서는 이를 위해 제1 렌즈(12A)와 제2 렌즈(12B) 사이의 간격을 조절하는 방식을 사용하게 이르렀다.

통상적으로 레이저 빔의 초점 스폿의 높낮이를 맞추기 위해서는 상하조절이 가능한 액츄에이터를 사용하게 되는데, 만약 액츄에이터 기구를 사용하면 외부 충격에 의하여 설치 위치가 미세하게 변경되거나 뒤틀리는 경우가 발생하기 쉽다. 따라서, 본 발명은 초점 스폿의 높낮이를 광학 렌즈 자체의 상호 거리를 조절하는 방식을 사용하였으며, 이 방식은 액츄에이터 기구보다 외부충격으로부터의 영향을 덜 받을 뿐만 아니라, 액츄에이터 기구의 조정시에 발생하는 유격으로 인한 미세 오차의 영향으로부터 자유로운 장점이 있다.

한편, 초점 스폿을 광폭 조절기(12)를 통하여 미세하게 조정하였다고 하더라도, 현수구간(S)에 해당하는 양극 시트(3)의 높낮이가 일정하게 유지되지 않으면 양극 시트(3)의 커팅이 원활하게 이루어지지 않을 가능성이 존재한다.

이와 같이 양극 시트(3)의 커팅이 불완전하게 이루어질 수 있는 가능성을 최소화할 수 있도록 본 발명에 따른 양극 커팅 장치는 시트 가이드(20)를 더 구비할 수 있다.

도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 시트 가이드(20)에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.

시트 가이드(20)는 양극 시트(3)의 현수구간(S) 중 집속된 레이저가 조사되는 영역의 쳐짐을 억제하기 위하여 현수구간(S)의 적어도 일부 구간을 지지하는 구성으로서, 시트 가이드(20)는 현수구간(S)에 해당하는 양극 시트(3)의 양면 중 쳐지는 방향 쪽 면인 제1 면(1)을 받쳐주는 제1 가이드(21)를 구비하며, 추가적으로, 제1 면(1)의 반대방향으로 양극 시트(3)의 현수구간(S)이 요동하는 것을 억제하기 위하여 현수구간(S)의 제2 면(2)과 이격된 채로 제2 면 쪽에 배치되는 제2 가이드(22)를 더 구비할 수 있다.

제1 가이드(21)와 제2 가이드(22)를 포함하는 시트 가이드(20)는, 도 1 및 도 4에 도시된 것과 같이 U자 형상으로 형성될 수 있으며, 도면 상으로는 양극 시트(3)의 폭의 대략 절반 이하만을 가이드하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 이와는 달리 양극 시트(3)의 폭 전체를 가이드 할 수 있도록 설치할 수도 있다.

한편 앞서 설명하였듯이, 초점심도가 매우 길고, 이와 동시에 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈를 매우 작게 하는 것은 불가능하기 때문에, 양극 시트(3)의 커팅에 있어서 초점심도와 초점 스폿의 사이즈 간의 균형을 맞추는 것이 매우 중요하며, 어떤 변수가 중요 변수인지를 파악하는 것이 필요하다. 이를 알아내기 위한 실험에 대하여 이하에서 설명하기로 한다.

실험에서는 앞서 설명한 레이저 발진기(11), 제1 미러(13), 제2 미러(14), 집속 렌즈(15)를 사용하였다. 양극 시트(3)의 두께는 140μm이며, 20W의 출력의 레이저 발진기(11)를 이용하여 레이저를 발생시켰고, 발생된 레이저는 M²값이 대략 1.3인 싱글 모드 파이버 레이저(Single Mode Fiber Laser)이며, 파장은 1070nm이다. 또한, 집속 렌즈(15)에 입사되는 레이저 빔의 직경은 10mm이다.

<실험 1>

먼저 이하의 <표 1>은 집속 렌즈(15)의 초점 거리가 254mm로서, 레이저 빔의 스폿 사이즈가 45μm일 때, 각 실험 조건을 변화시키면서 양극을 커팅한 결과를 나타낸다.

<표 1>

위 <표 1>을 참조하면, 레이저 빔의 주파수가 35kHz이고 초점 스폿의 에너지 밀도가 35.9J/cm²일 때와, 레이저 빔의 주파수가 50kHz이고 초점 스폿의 에너지 밀도가 25.2J/cm²일 때 모두 양극의 활물질 미코팅부를 커팅할 수 있었으며, 양극의 커팅 속도가 100mm/s일 때는 물론이고, 150mm/s가 될 때까지도 활물질 미코팅부를 커팅할 수 있었다.

그러나, 레이저 빔의 주파수를 75kHz로 증가시키면 초점 스폿의 에너지 밀도는 16.8J/cm²가 되었는데, 이 때는 양극의 코팅 속도가 비교적 늦은 100mm/s일 때도 활물질 미코팅부를 전혀 커팅할 수 없었다. 이를 주파수의 문제이거나 초점 스폿의 에너지 밀도의 문제인 것으로 가정하였는데 초점 스폿의 에너지 밀도를 16.8J/cm²로 유지한 상태에서는 주파수를 아무리 증감하더라도 활물질 미코팅부가 커팅되지 않았다. 반대로, 주파수를 75kHz로 유지한 상태에서 초점 스폿의 에너지 밀도를 점점 상승시켜 25J/cm²가 되자 활물질 미코팅부가 커팅되었다.

결국, 양극 시트(3)의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿에서의 에너지 밀도가 25J/cm²가 되면, 이차전지에 통상적으로 사용되는 전극조립체를 구성하는 양극판을 제조하기 위한 양극 시트(3)를 원하는 형상대로 자르는 데에 아무런 문제가 없는 것을 확인하였으며, 이에 비해 레이저 빔의 주파수는 양극 시트(3)의 커팅에 별다른 영향을 주지 않았다.

<실험 2>

다음으로 이하의 <표 2>는 집속 렌즈(15)의 초점 거리가 163mm로서, 레이저 빔의 스폿 사이즈가 29μm일 때, 각 실험 조건을 변화시키면서 양극을 커팅한 결과를 나타낸다.

<표 2>

위 <표 2>을 참조하면, 레이저 빔의 주파수가 35kHz, 50kHz, 75kHz일 때, 그리고, 초점 스폿의 에너지 밀도가, 86.5J/cm², 60.6J/cm², 40.4J/cm²일 때는 양극의 커팅 속도가 100mm/s일 때는 물론이고, 220mm/s가 될 때까지도 양극 시트(3)의 활물질 코팅부와 활물질 미코팅부를 모두 커팅할 수 있었다. 다만, 양극의 커팅 속도가 260mm/s일 때는 활물질 미코팅부는 절단되지 않았으나, 양극의 커팅 속도가 굳이 260mm/s에 다다르지 않더라도 시판에 위해 충분한 양극판의 수율을 달성할 수 있다.

실험 1과 비교하였을 때 실험 2에서 초점 스폿의 에너지 밀도는 모두 25.2J/cm²보다 높으며, 이와 같은 에너지 밀도 상태에서는 양극 시트(3)의 커팅이 원활하게 일어난다는 결론을 내릴 수 있다.

또한, 주파수는 실험 1과 실험 2 모두에서 주파수는 35kHz, 50kHz, 75kHz으로 변화시켰는데, 초점 스폿의 에너지 밀도가 25.2J/cm²보다 높으면 레이저 빔의 주파수는 양극 시트(3)의 커팅 여부에 대해서 부정적인 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.

한편, 위 실험 1과 실험 2에서 레이저 빔의 스폿 사이즈는 각각 순서대로 45μm와 29μm인데, 활물질 코팅부와 활물질 미코팅부가 모두 원활하게 커팅되는 주파수와, 커팅 속도 및 에너지 밀도에서 초점 스폿의 사이즈를 변화시켰을 때, 양극 시트(3)의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈가 10μm이하가 되거나, 50μm이상이 되는 경우에는 양극의 커팅 속도가 현저하게 느려지거나, 커팅이 불완전해지는 현상이 발생하였다.

결국, 위 실험 1 및 2와 추가적인 실험을 통하여, 양극 시트(3)의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈는 10~50μm이고, 초점 스폿에서의 에너지 밀도는 25J/cm² 이상일 때 시판에 적합한 수율로 양극 시트(3)를 커팅할 수 있다는 결론이 도출되었다.

한편, 양극 시트(3)를 이루고 있는 포일(foil)과 이 포일 상에 도포된 활물질은 양극 시트(3)의 커팅 이후에도 서로 독립된 층으로 유지되는 것이 바람직한데, 이는 레이저 빔이 포일과 활물질을 지나치게 강한 에너지로 녹여서 포일과 활물질의 경계면이 불분명하게 서로 섞여 버린다면 양극의 품질이 떨어지게 되기 때문이다.

도 6은 레이저 빔의 주파수 변화에 따른 양극 시트의 단면 상태를 나타낸 사진인데, 레이저 빔의 주파수가 70kHz일 때는 중앙의 포일과, 그 양면에 도포된 활물질의 경계가 매우 뚜렷하며, 주파수가 150kHz, 300kHz일 때도 70kHz일 때만큼은 아니라도 포일과 활물질의 경계를 인식할 수는 있다. 또한, 주파수가 35kHz, 50kHz, 75kHz(실험 1 및 실험 2에서 사용한 주파수)일 때는, 주파수가 70kHz일 때와 마찬가지로 포일과 활물질의 경계가 매우 뚜렷했다.

그러나, 주파수가 500kHz가 되면, 포일과 활물질의 경계를 전혀 구분할 수 없었으며, 결국 주파수가 35~300kHz 범위 내로 조정해야만, 양극 시트(3)를 시판에 적합한 양극판으로 제조할 수 있었다.

실험 1 및 2에서는 집속 렌즈(15)의 초점 거리가 254mm와 163mm인 경우를 예로 들었으며, 집속 렌즈(15)의 초점 거리가 이 수치를 포함하는 구간인 100mm~300mm 범위 내에 있을 때는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈를 10~50μm 범위 내에서 조절할 수 있었다. 또한, 레이저 발진기(11)의 출력은 20W인 경우를 실험하였는데, 출력이 500W를 넘어가면, 양극 시트(3)를 이루고 있는 포일과 활물질이 경계를 구분할 수 없을 정도로 양극 시트(3)의 커팅 품질이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 레이저 발진기(11)의 출력은 20W~500W를 만족하는 것이 바람직하다.

한편, 위와 같은 조건을 모두 만족한 상황에서도 양극 시트(3)가 언와인더(5)와 와인더(7)에 의하여 언와인딩 및 와인딩되는 과정 중에 도 1을 기준으로 상하로 요동하게 되면, 양극 시트(3)의 커팅 품질이 저하될 수 있다.

이와 같은 현상을 방지하기 위하여, 제1 가이드(21)와 제2 가이드(22)가 존재하는 것으로서, 제1 가이드(21)와 제2 가이드(22) 사이의 간격이 0.5mm ~ 2mm인 경우에는 안정적으로 양극이 커팅되는 것을 확인할 수 있었다.

지금까지 설명한 본 발명에 따른 양극 커팅 장치에 따르면, 양극 시트(3)를 커팅하는 데에 최적화된 공정 조건들을 결정하는 것에 의하여, 품질과 수율을 적절히 조화시킨 양극을 생산할 수 있으며, 금형 커터가 아닌 레이저를 이용하여 양극 시트(3)를 커팅하기 때문에, 하나의 제조 라인에서 다양한 형상의 양극을 제조하더라도 제조 라인을 정지시킬 필요가 없어 가동률을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 이를 통해, 양극 코팅 공정의 비용을 낮출 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1 : 제1 면 2 : 제2 면
3 : 양극 시트 5 : 언와인더
7 : 와인더 11 : 레이저 발진기
12 : 광폭 조절기 12A : 제1 렌즈
12B : 제2 렌즈 13 : 제1 미러
14 : 제2 미러 15 : 집속 렌즈
20 : 시트 가이드 21 : 제1 가이드
22 : 제2 가이드 S : 현수구간

Claims

레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 및
양극 시트를 커팅하기 위하여 상기 레이저 발진기로부터 방출된 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 양극 시트에 조사하는 집속 렌즈;를 구비하며,
상기 양극 시트의 표면에 조사되는 레이저 빔의 초점 스폿의 사이즈는 10~50μm이고, 상기 초점 스폿에서의 에너지 밀도는 25J/cm2 이상이며,
상기 집속 렌즈는, 상기 양극 시트 중 언와인더와 와인더 사이에 걸쳐 있는 구간인 현수구간에 상기 레이저 빔을 조사하고,
상기 레이저 발진기와 상기 집속 렌즈까지 이어지는 광로 상에 배치되며, 상기 집속 렌즈에 의하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿을 상기 양극 시트의 표면 상의 원하는 위치로 움직일 수 있도록 직교좌표계를 이루는 제1 축과 제2 축을 기준으로 각각 회동 가능한 제1 미러와, 제2 미러;
상기 양극 시트의 현수구간 중 집속된 레이저가 조사되는 영역의 쳐짐을 억제하기 위하여 상기 현수구간의 적어도 일부 구간을 지지하는 시트 가이드;
상기 양극 시트를 풀어주는 상기 언와인더; 및
상기 언와인더로부터 이격된 채로 배치되며 상기 언와인더로부터 풀리는 상기 양극 시트를 되감아주는 상기 와인더; 를 더 구비하며,
상기 시트 가이드는,
상기 양극 시트의 현수구간의 양면 중 쳐지는 방향 쪽 면인 제1 면을 받쳐주는 제1 가이드와, 상기 양극 시트의 현수구간의 양면 중 쳐지는 방향의 반대방향으로 상기 양극 시트의 현수구간이 요동하는 것을 억제하기 위하여 상기 현수구간의 제2 면과 이격된 채로 상기 제2 면 쪽에 배치되는 제2 가이드를 포함하고,
상기 제1 가이드와 상기 제2 가이드 사이의 간격은 0.5mm ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 빔의 주파수는 35~300kHz인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 발진기의 출력은 20W~500W인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서
상기 레이저는 그 품질을 나타내는 변수인 빔 모드 파라미터의 값(M²)이 1~2.0인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 집속 렌즈의 초점 거리는 100mm ~ 300mm인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
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제1항에 있어서,
상기 광로 상에 배치되되 상기 제1 미러와 상기 제2 미러보다 상기 레이저 발진기에 가까이 위치하여, 상기 레이저 발진기로부터 방출된 레이저 빔의 광폭을 조절하는 광폭 조절기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제11항에 있어서,
상기 광폭 조절기는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈보다 상기 레이저 발진기로부터 더 먼 곳에 위치하는 제2 렌즈를 구비하며,
상기 집속 렌즈를 통과하여 집속된 레이저 빔의 초점 스폿과 상기 양극 시트 상호 간의 거리 조절을 위하여 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이의 거리 조절 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저는 펄스 변조가 가능한 다이오드 펌핑 고체 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저는 파이버 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 양극 커팅 장치.