KR101730469B1 - 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치 - Google Patents

이차전지의 고속 셀 스택 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 스테이지를 일정 각도로 왕복 회전 운동시키면서 스테이지 상에 연속적으로 공급되는 세퍼레이터에 음극판과 양극판을 교대로 적층하면서 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있도록 하여 제조 시간을 단축할 수 있는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치는, 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전하는 틸팅스테이지와; 상기 틸팅스테이지의 양측 가장자리 부분에 설치되어 틸팅스테이지 상에 안착된 음극판과 양극판 및 세퍼레이터의 가장자리 부분을 파지하는 복수의 클램핑유닛과; 상기 틸팅스테이지로 세퍼레이터를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급유닛과; 상기 틸팅스테이지의 양측에 배치되어, 상기 틸팅스테이지가 지면(地面)에 대해 연직한 축에 대해 일정 각도로 기울었을 때 틸팅스테이지의 상부면에 음극판 및 양극판을 교대로 전달하는 2개의 극판 전달유닛과; 상기 틸팅스테이지를 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전시키는 스테이지 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지의 고속 셀 스택 제조장치{Apparatus for Manufacturing Cell Stack for Secondary Battery}
본 발명은 이차전지의 셀(cell)을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 스테이지를 일정 각도로 왕복 회전 운동시키면서 스테이지 상에 연속적으로 공급되는 세퍼레이터(분리막)에 음극판과 양극판을 교대로 적층하여 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서 상기 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 1차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 2차전지로 구분되며, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 2차전지의 사용이 늘고 있는 추세에 있다.
즉, 상기 2차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 일예로 와이어리스 모바일 기기와 같은 첨단전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 주목받고 있다.
이러한 2차 전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해질 용액에 담가진 형태로 이루어지는데, 이와 같은 2차 전지의 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.
소형 2차 전지의 경우 음극판 및 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되며, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 2차 전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.
적층식으로 2차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-스택킹(Z-stacking) 방식에서는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 세퍼레이터(분리막)(3)가 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판(1) 및 양극판(2)이 교번되어 삽입된 형태로 적층되도록 한다.
이와 같은 Z-스택킹 형태로 이루어지는 2차 전지 내부 셀 스택은 등록특허 제10-0313119호, 등록특허 제10-1140447호 등과 같은 여러 선행기술들에 개시되어 있다.
Z-스택킹 형태를 실제로 구현하기 위해서, 한국등록특허 제10-0309604호와 같은 선행기술에서는 펼쳐진 상태의 분리막의 일측 면에 다수의 음극판을, 타측 면에 다수의 음극판을 배치한 후 접는 방식을 개시하고 있다. 이러한 방식은 젤리-롤 형태의 2차 전지 내부 셀 스택을 제작할 때도 널리 사용되고 있는 방식이다. 그러나 이러한 방식을 사용할 경우 음극판 및 양극판을 정렬(alignment)시키기에 난해함이 있다.
이에 최근에는 Z-폴딩 적층 형태의 2차 전지 내부 셀 스택을 제작함에 있어서 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 좌우로 이격된 개별 테이블(T)에 음극판(1) 및 양극판(2)을 각각 쌓아 두고, 상기 개별 테이블(T) 사이에 음극판(1)과 양극판(2)이 놓여지는 스테이지(4)를 좌우로 수평 왕복 이동하게 설치하고, 로봇(5)이 상기 테이블(T) 상의 음극판(1) 및 양극판(2)을 교대로 픽업 및 이송하여 스테이지(4) 상에 클램핑된 세퍼레이터(3) 위에 적층시킬 수 있도록 하고 있다.
그런데, 이와 같은 종래의 Z-스택킹 방식은 스테이지(4)의 좌우 이동 거리가 길기 때문에 작업 시간이 많이 소요되고, 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다.
등록특허 제10-1140447호(2012.04.19. 등록) 등록특허 제10-1380133호(2014.03.26. 등록) 등록특허 제10-1220981호(2013.01.04. 등록) 등록특허 제10-0309604호(2001.09.10. 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 스테이지를 일정 각도로 왕복 회전 운동시키면서 스테이지 상에 연속적으로 공급되는 세퍼레이터에 음극판과 양극판을 교대로 적층하면서 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있도록 하여 제조 시간을 단축할 수 있는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치는, 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전하는 틸팅스테이지와; 상기 틸팅스테이지의 양측 가장자리 부분에 설치되어 틸팅스테이지 상에 안착된 음극판과 양극판 및 세퍼레이터의 가장자리 부분을 파지하는 복수의 클램핑유닛과; 상기 틸팅스테이지로 세퍼레이터를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급유닛과; 상기 틸팅스테이지의 양측에 배치되어, 상기 틸팅스테이지가 지면(地面)에 대해 연직한 축에 대해 일정 각도로 기울었을 때 틸팅스테이지의 상부면에 음극판 및 양극판을 교대로 전달하는 2개의 극판 전달유닛과; 상기 틸팅스테이지를 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전시키는 스테이지 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 틸팅스테이지가 양방향으로 일정 각도 범위로 왕복 회전 운동하면서 극판 전달유닛으로부터 음극판 및 양극판을 전달받아 세퍼레이터 상에 연속적으로 적층하게 된다.
따라서 틸팅스테이지의 이동 거리를 최소화할 수 있으므로 적층 작업의 속도를 증대시키고, 작업 시간을 대폭 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 Z-스택킹 방식으로 제조된 2차 전지 내부 셀 스택을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 종래기술로서 이차전지의 Z-스택킹 방식 셀 스택 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 Z-스택킹 방식 셀 스택 제조장치의 작동례를 설명하는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치의 전체 구성을 나타낸 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 셀 스택 제조장치의 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 정면도이다.
도 7은 도 5의 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 측면도이다.
도 8은 도 5의 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 작동 상태를 나타낸 측면도 들이다.
도 9는 도 4에 도시된 셀 스택 제조장치의 극판 전달유닛을 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 9의 극판 전달유닛의 측면도이다.
도 11은 도 4에 도시된 셀 스택 제조장치의 극판 로딩유닛을 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 11의 극판 로딩유닛을 다른 위치에서 바라본 사시도이다.
도 13은 도 11의 극판 로딩유닛을 또 다른 위치에서 바라본 사시도이다.
도 14는 도 11의 극판 로딩유닛의 작동 상태를 나타낸 측면도이다.
도 15는 도 4에 도시된 셀 스택 제조장치의 세퍼레이터 공급유닛을 나타낸 사시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 셀 스택 제조장치의 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 17은 도 16에 도시된 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 측면도이다.
도 18은 도 16에 도시된 틸팅스테이지 및 스테이지 구동유닛의 작동 상태를 나타낸 측면도 들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치는, 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전하는 틸팅스테이지(10)와, 상기 틸팅스테이지의 양측 가장자리 부분에 설치되어 틸팅스테이지(10) 상에 안착된 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 가장자리 부분을 파지하는 복수의 클램핑유닛(20)과, 상기 틸팅스테이지(10)로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급유닛(60)과, 상기 틸팅스테이지(10)의 양측에 배치되어 상기 틸팅스테이지(10)가 지면(地面)에 대해 연직한 축에 대해 일정 각도로 기울었을 때 틸팅스테이지(10)의 상부면에 음극판(1) 및 양극판(2)을 교대로 전달하는 2개의 극판 전달유닛(40)과, 상기 틸팅스테이지(10)를 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전시키는 스테이지 구동유닛(30)과, 상기 극판 전달유닛(40)에 음극판(1) 또는 양극판(2)을 공급하는 극판 로딩유닛(50)을 포함한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 틸팅스테이지(10)는 직육면체의 블록 형태를 가지며, 상부면에 세퍼레이터(3)의 선단 면을 진공 흡착하여 고정할 수 있도록 복수개의 진공홀(11)이 형성되어 있다.
상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에는 틸팅스테이지(10) 상에 안착된 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 가장자리 부분을 하측으로 가압하면서 고정하는 복수의 클램핑유닛(20)이 구성된다.
이 실시예에서 상기 클램핑유닛(20)은 상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에 서로 마주보게 배치되는 2개 1조씩의 제1클램핑블록(21)과 제1클램퍼(22), 그리고 제2클램핑블록(25)과 제2클램퍼(26)로 구성된다.
상기 제1클램퍼(22)는 상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에 서로 마주보게 배치되어 제1블록이동수단에 의해 틸팅스테이지(10)에 대해 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동하는 2개의 제1클램핑블록(21)에 상하로 이동 가능하게 설치된다. 상기 제1클램퍼(22)는 상기 각각의 제1클램핑블록(21)에 설치되는 제1클램퍼 액추에이터(23)에 의해 동시에 상하로 이동하면서 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 두 가장자리 부분을 하측으로 가압하여 파지한다.
상기 제2클램퍼(26)는 상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에 서로 마주보게 배치되어 제2블록이동수단에 의해 틸팅스테이지(10)에 대해 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동하는 2개의 제2클램핑블록(25)에 설치된다. 상기 제2클램퍼(26) 역시 상기 각각의 제2클램핑블록(25)에 설치되는 제2클램퍼 액추에이터(27)에 의해 동시에 상하로 이동하면서 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 다른 두 가장자리 부분을 하측으로 가압하여 파지한다.
상기 제1클램퍼(22) 및 제2클램퍼(26)는 서로 독립적으로 상하로 이동할 수 있게 되어, 교대로 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 네 가장자리 부분을 틸팅스테이지(10)에 대해 가압하여 고정한다.
상기 제1클램퍼(22) 및 제2클램퍼(26)를 각각 상하로 이동시키는 제1클램퍼 액추에이터(23) 및 제2클램퍼 액추에이터(27)는 틸팅스테이지(10)의 상부면에 적층되는 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 적층 높이에 대응하여 상하 방향으로의 이동 거리가 가변된다. 상기 제1클램퍼 액추에이터(23) 및 제2클램퍼 액추에이터(27)는 공지의 선형운동장치, 예를 들어 모터와, 이 모터에 의해 회전하는 볼스크류와, 볼스크류에 나선 결합되어 볼스크류를 따라 이동하는 너트 등으로 구성되거나, 풀리와 벨트를 이용한 선형운동장치 등을 이용할 수 있다.
상기 틸팅스테이지(10)에 대해 상기 제1클램핑블록(21) 및 제2클램핑블록(25)을 수평 이동시키는 제1블록이동수단 및 제2블록이동수단은, 틸팅스테이지(10)의 2개의 측면에 수평하게 설치되어 각각 제1클램핑블록(21) 및 제2클램핑블록(25)의 이동을 안내하는 가이드레일(28a)과, 상기 각각의 가이드레일(28a)과 나란하게 설치되며 양측이 서로 반대방향으로 나사선이 형성되어 있는 볼스크류(28b)와, 상기 볼스크류(28b)의 양측에 각각 나선 결합되어 볼스크류(28b)의 회전에 의해 볼스크류(28b)를 따라 서로 반대 방향으로 이동하며 상기 제1클램핑블록(21) 및 제2클램핑블록(25)에 각각 결합되는 2개씩의 너트부와, 상기 볼스크류(28b)를 회전시키는 모터(28c)를 포함한다. 따라서 모터(28c)의 회전력이 볼스크류(28b)로 전달되어 볼스크류(28b)가 회전하게 되면, 상기 2개의 너트부가 볼스크류(28b)를 따라 서로 반대 방향으로 이동하게 되고 이에 따라 상기 2개씩의 제1클램핑블록(21)과 제2클램핑블록(25)이 서로 반대 방향으로 동시에 이동하면서 제1클램퍼(22)와 제2클램퍼(26)를 틸팅스테이지(10)의 내외측으로 이동시키게 된다.
상기 틸팅스테이지(10)는 스테이지 구동유닛(30)에 의해 일정한 각도로 좌우로 왕복 회전하게 된다. 이 실시예에서 상기 스테이지 구동유닛(30)은, 베이스(31)와, 상기 베이스(31)에 상하방향으로 연장되게 형성된 고정프레임(32a, 32b)과, 상기 고정프레임(32a, 32b)의 상부에 수평하게 설치되며 상기 틸팅스테이지(10)의 양측에 결합된 회전축(34)과, 상기 고정프레임(32a, 32b)의 상부에 설치되어 상기 회전축(34)을 정해진 각도 범위로 회전시키는 구동모터(35)를 포함한다.
여기서 상기 회전축(34)은 틸팅스테이지(10)의 양측면에 2개가 설치되며, 각각의 회전축(34)은 마운팅프레임(33)의 양측에 설치되는 2개의 구동모터(35)에 직결되어, 상기 2개의 구동모터(35)가 서로 동기화되어 동작함으로써 일정 각도 범위로 회전하게 된다.물론 이와 다르게 1개의 구동모터(35)를 사용하여 틸팅스테이지(10)가 회전 운동하게 구성할 수도 있을 것이다.
상기 고정프레임(32a, 32b)은 상기 고정프레임(32a, 32b)은, 상기 베이스(31)에 상하방향으로 연장되면서 서로 일정 거리 이격되어 나란하게 설치되는 제1고정프레임(32a) 및 제2고정프레임(32b)과, 상기 제1고정프레임(32a) 및 제2고정프레임(32b) 사이에 상하로 이동 가능하게 설치되며 상단부에 상기 틸팅스테이지(10)와 회전축(34)과 구동모터(35)가 설치되는 마운팅프레임(33)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 제1고정프레임(32a) 또는 제2고정프레임(32b)에는 상기 마운팅프레임(33)을 상하로 일정 거리만큼 이동시키기 위한 승강수단이 설치된다.
상기 승강수단은 상기 제1고정프레임(32a)에 설치되는 승강모터(38)와, 상기 승강모터(38)에 연결되어 회전하는 볼스크류(36)와, 상기 볼스크류(36)에 나선 결합되어 볼스크류(36)의 회전에 의해 볼스크류(36)를 따라 이동하며 상기 마운팅프레임(33)과 결합되는 너트부(37)를 포함한다.
한편, 도 9 및 도 10은 상기 틸팅스테이지(10)가 지면(地面)에 대해 연직한 축에 대해 일정 각도로 기울었을 때 틸팅스테이지(10)의 양측에서 틸팅스테이지(10)의 상부면에 음극판(1) 및 양극판(2)을 교대로 전달하는 기능을 수행한다.
이 실시예에서 상기 극판 전달유닛(40)은, 상부면에 음극판(1) 또는 양극판(2)이 안착되는 얼라인테이블(41)과, 상기 얼라인테이블(41)의 하측에 구성되어 상기 얼라인테이블(41)을 전후 좌우 이동 및 회전 이동하여 정렬하는 공지의 X-Y-θ 구동기(46)와, 상기 얼라인테이블(41) 상부 양측에 배치되어 상기 얼라인테이블(41) 상에 놓여진 음극판(1) 또는 양극판(2)을 촬영하여 위치를 검출하는 비전카메라(44)와, 상기 얼라인테이블(41)의 상측에서 상하방향으로 직선 운동 및 일정 각도로 회전 운동 가능하게 설치되어 얼라인테이블(41) 상의 음극판(1) 또는 양극판(2)을 진공 흡착하는 전달픽커(45)와, 상기 전달픽커(45)를 일정 각도씩 회전시키는 픽커 회동유닛을 포함한다.
상기 얼라인테이블(41)의 상측에는 픽커프레임(42)이 수평한 픽커축(42a)을 중심으로 회전 운동하도록 설치되며, 상기 픽커프레임(42)에는 모터(47a)와 볼스크류(미도시) 및 너트부(미도시)에 의해 픽커프레임(42)에 대해 상하로 이동하는 전달픽커(45)가 구성된다. 상기 전달픽커(45)는 공기 흡입력에 의해 얼라인테이블(41) 상에 정렬된 음극판(1) 또는 양극판(2)을 흡착하여 상기 틸팅스테이지(10)로 전달한다. 상기 픽커축(42a)은 픽커 회동유닛인 픽커회동모터(43)와 결합되어 픽커회동모터(43)로부터 회전력을 전달받는다.
상기 극판 전달유닛(40)은, 상기 극판 로딩유닛(50)으로부터 음극판(1) 또는 양극판(2)을 공급받아 정렬한 다음 틸팅스테이지(10)로 공급한다.
도 11 내지 도 14는 상기 극판 전달유닛(40)에 음극판(1) 또는 양극판(2)을 공급하는 기능을 수행하는 상기 극판 로딩유닛(50)의 구성을 나타낸다.
이 실시예에서, 상기 극판 로딩유닛(50)은, 복수의 음극판(1) 또는 양극판(2)이 상하방향으로 적층되어 있는 카세트(51)와, 상기 카세트(51)의 일측에 설치된 로더베이스(52)와, 상기 로더베이스(52)에 로더회전축(53a)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 회전프레임(53)과, 상기 회전프레임(53)의 후방부 양측에서 상기 로더베이스(52)에 회전 가능하게 설치된 제1링크부재(54a) 및 제2링크부재(54b)와, 일단이 상기 회전프레임(53)의 상단부 및 제1링크부재(54a)의 상단부에 회전 가능하게 연결되는 제3링크부재(54c)와, 상기 제3링크부재(54c)의 다른 일단부에 회전 가능하게 연결되어 상기 카세트(51) 상에서 음극판(1) 또는 양극판(2)을 진공 흡착하여 고정하는 로딩픽커(55)와, 상기 제3링크부재(54c)의 일측 상부에서 일단부가 상기 제2링크부재(54b)의 일단부에 회전이 가능하게 연결되며 다른 일단부가 'L'자형 연결링크(54e)를 매개로 상기 회전프레임(53)의 상단부 및 제2링크부재(54b)의 상단부에 동시에 연결되는 제4링크부재(54d)와, 상기 회전프레임(53)을 로더회전축(53a)을 중심으로 회전시키는 로더구동모터(35), 일단이 상기 베이스(31)에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 회전프레임(53) 및 제1링크부재(54a)의 하부에 연결되면서 회전프레임(53)의 회전 방향에 저항하는 방향으로 힘을 가하는 로더댐핑부재(57)를 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 카세트(51)는 복수의 음극판(1) 또는 양극판(2)을 적층하기 위하여 적재판(51a)과 상기 적재판(51a)의 네 모서리 부분에서 음극판(1) 또는 양극판(2)의 네 모서리 부분을 지지하는 'L'자형의 서포트바아(51b)를 구비한다. 상기 적재판(51a)에 적재된 음극판(1) 또는 양극판(2)은 리프팅유닛(51c)에 의해 점차적으로 상승하여 적재된 음극판(1) 또는 양극판(2) 중 최상단에 위치한 것이 상기 로딩픽커(55)에 의해 픽업될 수 있는 위치로 공급되어 대기할 수 있게 되어 있다.
상기 리프팅유닛(51c)은 적재판(51a)의 하부면을 통해 승강 운동하는 리프트바아(51d)와, 상기 리프트바아(51d)를 정해진 높이씩 승강시키는 공지의 선형운동장치(51e)로 구성될 수 있다.
한편 상기 틸팅스테이지(10) 상으로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급유닛(60)은 공지의 세퍼레이터 공급기와 동일 또는 유사한 구성을 채택하여 구성할 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 세퍼레이터 공급유닛(60)은, 얇은 필름 형태로 된 세퍼레이터(3)가 권취되어 있는 롤(roll)이 회전이 자유롭게 장착되는 로딩샤프트(61)와, 상기 로딩샤프트(61)의 하측에서 세퍼레이터(3)를 안내하면서 장력을 유지하는 복수의 가이드롤러(62), 상기 세퍼레이터(3)를 일정 길이씩 절단하는 커터(미도시) 등으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 셀 스택 제조장치는 다음과 같이 작동한다.
먼저 양쪽의 극판 로딩유닛(50)의 카세트(51)에 음극판(1) 및 양극판(2)이 적층되어 적재된 상태에서 장치의 가동이 개시되면, 극판 로딩유닛(50)의 로딩픽커(55)가 카세트(51)에 적재된 음극판(1) 또는 양극판(2)의 최상층에 위치된 것을 진공 흡착한다.
이어서 로더구동모터(35)에 전원이 인가되어 로더회전축(53a)이 회전하게 되고, 회전프레임(53)이 로더회전축(53a)과 함께 회전하게 된다. 도 14에 도시한 것과 같이, 상기 회전프레임(53)이 로더회전축(53a)을 중심으로 회전함에 따라 제1링크부재(54a)및 제2링크부재(54b)가 함께 회전하게 되고, 회전프레임(53)과 제1링크부재(54a)와 제2링크부재(54b)와 연결되어 있는 제3링크부재(54c) 및 제4링크부재(54d)의 작용에 의해 로딩픽커(55)가 상승했다가 전진하는 운동 궤적을 형성하면서 극판 전달유닛(40) 쪽으로 이동하여 극판 전달유닛(40)의 얼라인테이블(41)에 음극판(1) 또는 양극판(2)을 내려 놓는다.
그리고 상기 로더구동모터(35)는 이전과는 반대 방향으로 작동하여 로더회전축(53a) 및 회전프레임(53)을 이전과 반대 방향으로 회전시킴으로써 로딩픽커(55)를 초기 위치, 즉 카세트(51) 상의 음극판(1) 또는 양극판(2)의 최상층 위치로 복귀시켜 다음 음극판(1) 또는 양극판(2)을 공급할 준비를 한다.
한편 상기 얼라인테이블(41) 상에 음극판(1) 또는 양극판(2)이 놓여지면, 비전카메라(44)가 음극판(1) 또는 양극판(2)을 촬영하여 정렬 상태를 검사하고, 정렬 상태에 에러가 발생하면 X-Y-θ 구동기(46)를 동작시켜 얼라인테이블(41)을 전후 좌우 이동시커나 회전 이동하여 음극판(1) 또는 양극판(2)을 정확한 위치에 정렬한다.
상기 음극판(1) 또는 양극판(2)의 정렬이 완료되면, 전달픽커(45)가 하강하여 얼라인테이블(41) 상의 음극판(1) 또는 양극판(2)을 진공 흡착한 다음 다시 상승하고, 픽커회동모터(43)의 작동에 의해 픽커축(42a)과 함께 정해진 각도만큼 회전하여 일정 각도로 기울어진 틸팅스테이지(10)에 음극판(1) 또는 양극판(2)을 전달한다(도 8 및 도 9 참조).
도 8에 도시된 것과 같이 상기 틸팅스테이지(10)는 마운팅프레임(33)의 상단에 설치된 2개의 구동모터(35)에 의해 양방향으로 일정 각도 범위로 회전 운동하게 된다. 상기 틸팅스테이지(10)가 회전하여 회전 범위의 종료 지점에 위치되면, 상기 전달픽커(45)와 틸팅스테이지(10)와 서로 마주보는 상태가 되고, 이 상태에서 전달픽커(45)가 하강하여 음극판(1) 또는 양극판(2)을 틸팅스테이지(10) 상의 세퍼레이터(3) 위에 안착시키고 상승한다. 이와 동시에 틸팅스테이지(10)의 제1클램퍼(22) 또는 제2클램퍼(26)가 틸팅스테이지(10)의 외측으로 물러나 있다가 틸팅스테이지(10)의 내측으로 이동한 후 하강하여 음극판(1) 또는 양극판(2)을 하측으로 가압하여 고정한다. 이러한 극판 및 세퍼레이터(3)의 적층 공정을 수행하는 동안 상기 제1클램퍼(22) 또는 제2클램퍼(26)는 틸팅스테이지(10)가 기울어진 방향에 따라 교대로 동작하면서 음극판(1) 또는 양극판(2), 세퍼레이터(3)를 가압하여 파지한다.
이와 같이 본 발명의 셀 스택장치는 틸팅스테이지(10)가 양방향으로 일정 각도 범위로 왕복 회전 운동하면서 극판 전달유닛(40)의 전달픽커(45)로부터 음극판(1) 및 양극판(2)을 전달받아 세퍼레이터(3) 상에 연속적으로 적층하게 된다.
따라서 틸팅스테이지(10)의 이동 거리를 최소화할 수 있으므로 적층 작업의 속도를 증대시키고, 작업 시간을 대폭 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 틸팅스테이지(10) 상에서 음극판(1)과 양극판(2)과 세퍼레이터(3)의 적층이 완료되어 하나의 셀 스택이 완성되면, 세퍼레이터 공급유닛(60)의 커터(미도시)가 세퍼레이터를 절단한다. 그리고, 상기 틸팅스테이지(10)와 스테이지 구동유닛(30)이 설치되어 있는 베이스(31)가 셀 스택장치 본체의 바닥면을 따라 수평 이동하여 와인딩(winding) 공정 위치로 이동하고, 기존과 동일한 방식으로 와인딩 공정이 진행되어 셀 스택이 완성된다.
한편 전술한 실시예에서는 틸팅스테이지(10)가 마운팅프레임(33)의 상단부 양측에 설치되는 구동모터(35)에 의해 설정된 각도 범위로 회전 운동하게 구성되었지만, 도 16 내지 도 18에 다른 실시예로 도시된 것과 같이 스테이지 구동유닛(30)이 구성될 수도 있다.
이 두번째 실시예에서 상기 스테이지 구동유닛은, 베이스(131)와, 상기 베이스(131)에 상하방향으로 연장되면서 서로 나란하게 설치되는 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)와, 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b) 각각에 상하로 이동 가능하게 설치되며 상단부가 각각 제1힌지축(134a) 및 제2힌지축(134b)을 매개로 틸팅스테이지(10)의 양측면에 상대 회전 가능하게 연결되는 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)와, 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)에 대해 상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)를 독립적으로 승강 운동시키는 제1메인액추에이터 및 제2메인액추에이터를 포함한다.
상기 베이스(131)는 평판 형태로 되어 본 발명의 셀 스택 제조장치의 본체 바닥면에 설치되는 레일(R)(도 15 참조)을 따라서 수평 이동하게 설치된다.
상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)는 평판 형태로 되어 상기 베이스(131)에 수평하게 설치되는 베이스 힌지(132c)를 중심으로 회전가능하게 설치된다. 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 베이스(131)에 대해 회전 가능하게 설치됨으로써 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)가 승강 운동을 할 때 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)에도 회전력이 가해져 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 회전함으로써 틸팅스테이지(10)의 회전 각도를 더욱 크게 할 수 있다. 이에 대해서는 이후에 더욱 상세히 설명할 것이다.
상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 양측부에 상하방향으로 연장되게 설치된 선형가이드레일(133c)을 따라 이동하도록 구성된다.
상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 일측단부에는 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)의 승강 위치를 감지하기 위한 복수개의 위치감지센서(138)가 소정의 간격을 두고 설치된다.
상기 제1메인액추에이터 및 제2메인액추에이터는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 중앙부에 각각 설치되는 구동모터(135a)와, 상기 구동모터(135a)로부터 회전력을 전달받아 회전하며 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 중앙부에 상하 방향으로 연장되게 설치된 볼스크류(135b)와, 상기 각각의 볼스크류(135b)에 나선 결합되어 볼스크류(135b)의 회전에 의해 볼스크류(135b)를 따라 상하방향으로 이동하며 상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)와 각각 결합된 너트부(135c)를 포함한다.
따라서 상기 구동모터(135a)에 의해 볼스크류(135b)가 회전하게 되면, 너트부(135c)가 볼스크류(135b)를 따라 상하로 이동하게 되고, 이에 따라 제1승강부재(133a) 또는 제2승강부재(133b)가 너트부(135c)와 함께 상하 방향으로 이동하게 된다.
상기 제1승강부재(133a)와 틸팅스테이지(10)를 연결하는 제1힌지축(134a) 및 제2힌지축(134b)은 서로 일정 거리 이격되어 나라한게 설치되어 있기 때문에, 제1승강부재(133a)와 제2승강부재(133b)가 서로 반대 방향으로 승강 운동하거나, 제1승강부재(133a) 또는 제2승강부재(133b) 중 어느 하나만 승강 운동하게 되면 틸팅스테이지(10)가 회전 운동하게 된다. 바람직하기로 상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)는 서로 반대 방향으로 승강 운동하면서 틸팅스테이지(10)에 회전력을 전달한다.
상기 베이스(131)에는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 회전할 때 회전 반대 방향으로 저항하는 힘을 제공하면서 회전이 완료되는 지점에서의 완충작용을 하는 댐핑부재(137)가 설치된다.
또한 상기 베이스(131)에는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)와 인접한 위치에 서로 높이가 다른 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b)을 구비한 스톱퍼유닛(136)이 상기 베이스(131)에 대해 일정 거리 수평 왕복 이동 가능하게 설치된다. 그리고 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b) 각각에는 상기 스톱퍼유닛(136)의 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 어느 하나의 상부면에 접촉하면서 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 회전 범위를 제한하는 걸림편(136c)이 외측으로 돌출되게 설치되어 있다.
상기 스톱퍼유닛(136)는 상기 베이스(131)의 상부면에 구성된 선형운동장치, 예를 들어 공압실린더(136c)에 의해 레일(136d)을 따라 일정 거리 수평 왕복 이동한다.
상기 스톱퍼유닛(136)에 각각 구성된 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 상대적으로 높이가 높은 스톱퍼블록(136a)은 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)의 승강 운동시 상기 걸림편(136c)과 접촉하면서 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 베이스(131)에 대해 회전하지 않도록 지지하는 작용을 한다.
그리고, 상대적으로 높이가 낮은 스톱퍼블록(136b)은 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 베이스(131)에 대해 일정 각도로 회전한 다음 걸림편(136c)에 접촉하여 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 회전 범위를 제한하게 된다. 이 때 상기 걸림편(136c)의 하부면이 상기 높이가 낮은 스톱퍼블록(136b)의 상부면에 면접촉하면서 충격을 최소화할 수 있도록 상대적으로 높이가 낮은 스톱퍼블록(136b)의 상부면은 제1마운트부재(132a) 또는 제2마운트부재(132b)의 회전 방향으로 경사지게 형성됨이 바람직하다.
상기 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 상대적으로 높이가 높은 스톱퍼블록(136a)이 걸림편(136c)과 접촉하도록 하면, 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)가 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)에 대해 승강 운동할 때 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 걸림편(136c)이 높이가 높은 스톱퍼블록(136a)의 상부면에 걸려서 회전하지 않게 되므로 틸팅스테이지(10)의 회전 각도가 작다.
반면에 상기 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 상대적으로 높이가 낮은 스톱퍼블록(136b)이 걸림편(136c)과 접촉하도록 하면, 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)가 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)에 대해 승강 운동할 때 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)도 베이스(131)에 대해 회전 운동하게 되므로 틸팅스테이지(10)의 회전 각도가 커지게 된다.
이와 같이 서로 높이가 다른 스톱퍼블록(136a, 136b)이 걸림편(136c)과 선택적으로 접촉하도록 하는 것은 상기 스톱퍼유닛(136)를 베이스(131)에 대해 일정 거리 왕복 이동시킴으로써 가능하게 되는 것이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 : 틸팅스테이지 20 : 클램핑유닛
21, 25 : 제1,2클램핑블록 22, 26 : 제1,2클램퍼
23, 27 : 제1,2클램퍼 액추에이터 30 : 스테이지 구동유닛
31 : 베이스 32a, 32b : 제1,2고정프레임
33 : 마운팅프레임 34 : 회전축
35 : 구동모터 36 : 볼스크류
37 : 너트부 38 : 승강모터
40 : 극판 전달유닛 41 : 얼라인테이블
42 : 픽커프레임 43 : 픽커회동모터
44 : 비전카메라 45 : 전달픽커
50 : 극판 로딩유닛 51 : 카세트
55 : 로딩픽커 60 : 세퍼레이터 공급유닛
61 : 로딩샤프트 62 : 가이드롤러

Claims (14)

  1. 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전하는 틸팅스테이지(10)와;
    상기 틸팅스테이지의 양측 가장자리 부분에 설치되어 틸팅스테이지(10) 상에 안착된 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 가장자리 부분을 파지하는 복수의 클램핑유닛(20)과;
    상기 틸팅스테이지(10)로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급유닛(60)과;
    상기 틸팅스테이지(10)의 양측에 배치되어, 상기 틸팅스테이지(10)가 지면(地面)에 대해 연직한 축에 대해 일정 각도로 기울었을 때 틸팅스테이지(10)의 상부면에 음극판(1) 및 양극판(2)을 교대로 전달하는 2개의 극판 전달유닛(40)과;
    상기 틸팅스테이지(10)를 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전시키는 스테이지 구동유닛(30);
    을 포함하며,
    상기 스테이지 구동유닛(30)은,
    베이스(131)와;
    상기 베이스(131)에 상하방향으로 연장되면서 서로 나란하게 설치되는 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)와;
    상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b) 각각에 상하로 이동 가능하게 설치되며, 상단부가 각각 제1힌지축(134a) 및 제2힌지축(134b)을 매개로 틸팅스테이지(10)에 상대 회전 가능하게 연결되는 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)와;
    상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)에 대해 상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)를 독립적으로 승강 운동시키는 제1메인액추에이터 및 제2메인액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)는 상기 베이스(131)에 수평하게 설치되는 베이스 힌지(132c)를 중심으로 회전가능하게 설치되며, 상기 베이스(131)에는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)가 회전할 때 회전 반대 방향으로 저항하는 힘을 제공하면서 회전이 완료되는 지점에서의 완충작용을 하는 댐핑부재(137)가 설치된 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  6. 제5항에 있어서, 베이스(131)에는 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)와 인접한 위치에 서로 높이가 다른 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b)을 구비한 스톱퍼유닛(136)이 상기 베이스(131)에 대해 일정 거리 수평 왕복 이동 가능하게 설치되고, 상기 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b) 각각에는 상기 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 어느 하나의 상부면에 접촉하면서 제1마운트부재(132a) 및 제2마운트부재(132b)의 회전 범위를 제한하는 걸림편(136c)이 외측으로 돌출되게 설치된 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 스톱퍼블록(136a, 136b) 중 상대적으로 높이가 낮은 스톱퍼블록(136b)의 상부면은 제1마운트부재(132a) 또는 제2마운트부재(132b)의 회전 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1승강부재(133a) 및 제2승강부재(133b)는 서로 반대 방향으로 승강 운동하면서 틸팅스테이지(10)에 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 클램핑유닛(20)은,
    상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에 서로 마주보게 배치되며 제1블록이동수단에 의해 틸팅스테이지(10)에 대해 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동하는 2개의 제1클램핑블록(21)과, 상기 각각의 제1클램핑블록(21)에 설치되는 제1클램퍼 액추에이터(23)에 의해 동시에 상하로 이동하면서 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 두 가장자리 부분을 하측으로 가압하는 한 쌍의 제1클램퍼(22)와;
    상기 틸팅스테이지(10)의 양측부에 서로 마주보게 배치되며 제2블록이동수단에 의해 틸팅스테이지(10)에 대해 근접하거나 멀어지는 방향으로 이동하는 2개의 제2클램핑블록(25)과, 상기 각각의 제2클램핑블록(25)에 설치되는 제2클램퍼 액추에이터(27)에 의해 동시에 상하로 이동하면서 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 다른 두 가장자리 부분을 하측으로 가압하는 한 쌍의 제2클램퍼(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1클램퍼 액추에이터(23) 및 제2클램퍼 액추에이터(27)는 틸팅스테이지(10)의 상부면에 적층되는 음극판(1)과 양극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 적층 높이에 대응하여 상하 방향으로의 이동 거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 극판 전달유닛(40)은, 상부면에 음극판(1) 또는 양극판(2)이 안착되는 얼라인테이블(41)과, 상기 얼라인테이블(41)을 전후 좌우 및 회전로 회전하여 정렬하는 X-Y-θ 구동기(46)와, 상기 얼라인테이블(41) 상에 놓여진 음극판(1) 또는 양극판(2)을 촬영하여 위치를 검출하는 비전카메라(44)와, 상기 얼라인테이블(41)의 상측에 상하방향으로 직선 운동 및 일정 각도로 회전 운동 가능하게 설치되어 얼라인테이블(41) 상의 음극판(1) 또는 양극판(2)을 진공 흡착하는 전달픽커(45)와, 상기 전달픽커(45)를 일정 각도씩 회전시키는 픽커 회동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 극판 전달유닛(40)에 음극판(1) 또는 양극판(2)을 공급하는 극판 로딩유닛(50) 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 극판 로딩유닛(50)은, 복수의 음극판(1) 또는 양극판(2)이 상하방향으로 적층되어 있는 카세트(51)와, 상기 카세트(51)의 일측에 설치된 로더베이스(52)와, 상기 로더베이스(52)에 로더회전축(53a)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 회전프레임(53)과, 상기 회전프레임(53)의 후방부 양측에서 상기 로더베이스(52)에 회전 가능하게 설치된 제1링크부재(54a) 및 제2링크부재(54b)와, 일단이 상기 회전프레임(53)의 상단부 및 제1링크부재(54a)의 상단부에 회전 가능하게 연결되는 제3링크부재(54c)와, 상기 제3링크부재(54c)의 다른 일단부에 회전 가능하게 연결되어 상기 카세트(51) 상에서 음극판(1) 또는 양극판(2)을 진공 흡착하여 고정하는 로딩픽커(55)와, 상기 제3링크부재(54c)의 일측 상부에서 일단부가 상기 제2링크부재(54b)의 일단부에 회전이 가능하게 연결되며 다른 일단부가 'L'자형 연결링크(54e)를 매개로 상기 회전프레임(53)의 상단부 및 제2링크부재(54b)의 상단부에 동시에 연결되는 제4링크부재(54d)와, 상기 회전프레임(53)을 로더회전축(53a)을 중심으로 회전시키는 로더구동모터(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 고속 셀 스택 제조장치.
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