KR101767707B1 - 전해액 함침성 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전해액 함침성 측정방법은, 전극 조립체를 구성하는 전극의 일면에 대한 촬영으로 그 일면에 대한 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계, 이미지로부터 색상 정보를 추출한 다음에 그 색상 정보를 기초로 이미지의 전체 영역 중에서 전해액 함침이 이루어진 반응 영역과 전해액 함침이 이루어지지 않은 미반응 영역을 분별하는 영역 분별 단계, 및 이미지의 전체 영역과 대비하여 반응 영역 또는 미반응 영역이 차지하는 비율을 계산하는 비율 계산 단계를 포함한다.

Description

전해액 함침성 측정방법 {METHOD FOR MEASURING ELECTROLYTE WETTING PROPERTY}

본 발명은 전해액 함침성 측정방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 보다 간단하고 정확하게 전해액의 함침성을 평가하는 전해액 함침성 측정방법에 관한 것이다.

전지는 양극과 음극이 서로 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 디바이스를 말한다. 이와 같은 전지(예를 들어, 리튬이온 이차전지)는 전극 조립체의 구조에 따라 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조 등으로 분류될 수 있다.

스택형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다. 권취형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 스택/폴딩형 구조의 경우 우선 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀을 형성할 수 있다. (풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.)

그런데 이와 같이 전극 조립체를 형성한 다음에, 전극 조립체를 구성하는 전극 등에 전해액을 함침시키더라도 전해액이 충분히 함침되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 전해액이 충분히 함침되지 않으면 전지의 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 따라서 전해액의 함침성을 평가하여 이의 결과에 따라 전지를 제작하는 공정을 적절히 개선할 필요가 있으며, 이를 위해 간단하고 정확하게 전해액의 함침성을 평가하는 방법을 강구할 필요가 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 보다 간단하고 정확하게 전해액의 함침성을 평가하는 전해액 함침성 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전해액 함침성 측정방법은, 전극 조립체를 구성하는 전극의 일면에 대한 촬영으로 그 일면에 대한 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계, 이미지로부터 색상 정보를 추출한 다음에 그 색상 정보를 기초로 이미지의 전체 영역 중에서 전해액 함침이 이루어진 반응 영역과 전해액 함침이 이루어지지 않은 미반응 영역을 분별하는 영역 분별 단계, 및 이미지의 전체 영역과 대비하여 반응 영역 또는 미반응 영역이 차지하는 비율을 계산하는 비율 계산 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 전해액 함침성 측정방법은, 전극의 일면에 대한 이미지를 기초로 반응 영역과 미반응 영역을 구별하기 때문에 전해액의 함침성을 매우 간단하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지로부터 추출한 색상 정보를 기초로 반응 영역과 미반응 영역을 구별하고 다양한 보정을 통해 여러 가지 왜곡을 바로잡기 때문에 전해액의 함침성을 매우 정확하게 측정할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 전극의 일면 이외의 주변 이미지도 포함한 이미지의 예시도
도 2은 도 1의 이미지 중에서 주변 이미지를 제외한 이미지의 예시도
도 3은 도 2의 이미지 중에서 반응 영역과 미반응 영역을 구별하여 표시한 이미지의 예시도
도 4은 형상의 왜곡을 바로잡는 경우를 예시하고 있는 예시도

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

본 발명은 리튬이온 전지와 같은 전지에 활용되어 전해액의 함침성을 보조적으로 측정할 수 있는 전해액 함침성 측정방법에 관한 것이다. 리튬이온 전지와 같은 전지는 일반적으로 다음과 같은 공정에 따라 제조된다. 참고로, 후술하는 내용은 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다.

우선, 전극 조립체를 제조하는 공정이 수행된다. 전극 조립체는 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 서로 마주보는 구조를 가진다. 이와 같은 전극 조립체는 구조에 따라 스택형, 권취형(젤리롤형), 스택/폴딩형 등으로 분류될 수 있다. 전극 조립체를 제조하는 방법은 이와 같은 구조에 따라 조금씩 달라진다.

다음으로, 전극 조립체를 케이스에 수납하는 공정이 수행된다. 전극 조립체를 수납하는 케이스는 형태에 따라 각형, 코인형, 원통형, 파우치형 등으로 분류될 수 있다. 전극 조립체를 케이스에 수납하는 방법은 이와 같은 형태에 따라 조금씩 달라진다. 다음으로 케이스에 전해액을 주액하는 공정이 수행된다. 이어서 에이징(aging) 공정, 포메이션(formation) 공정, 디개싱(degassing) 공정, 실링 (sealing) 공정 등이 수행된다.

그런데 에이징 공정이 수행되더라도 전해액이 충분히 함침되지 않을 수 있으며, 이와 같이 전해액이 충분히 함침되지 않으면 전지의 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 따라서 전해액의 함침성을 평가하여 이의 결과에 따라 전지를 제작하는 공정을 적절히 개선할 필요가 있으며, 이를 위해 간단하고 정확하게 전해액의 함침성을 평가하는 방법을 강구할 필요가 있다. 본 발명에 따른 측정방법은 이와 같은 요구를 충족시키기에 충분한 측정방법이다.

이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 대해 보다 상술한다.

우선, 전극 조립체를 구성하는 전극의 일면을 촬영하여, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 그 일면에 대한 이미지를 획득한다(이미지 획득 단계). 이때 이미지는 바로 전자적 이미지로 획득될 수도 있고, 비전자적 이미지가 전자적 이미지로 변환되어 획득될 수도 있다.

전극 조립체에는 다수의 전극이 적층되어 있다. 따라서 어느 하나의 전극의 일면을 촬영하기 위해서는 그 전극을 외부로 노출시킬 필요가 있다. 이와 같이 촬영에 필요한 전극이 외부로 노출되도록 그 전극을 기준으로 전극 조립체를 두 부분으로 분리할 수 있다.

그런데 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 최초로 획득된 이미지에는 전극의 일면 이외의 주변 이미지(P)도 포함될 수 있다. 그러나 이와 같은 주변 이미지(P)는 전해액 함침성 측정과 무관하므로 제거될 필요가 있다. 즉, 최초로 획득된 이미지 중에서 전극의 일면 이외의 주변 이미지(P)는 제거될 필요가 있다. 이와 같이 주변 이미지(P)를 제거하면, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 전극의 일면에 대한 이미지만 획득될 수 있다.

참고로, 이미지가 획득되는 전극은 음극인 것이 바람직하다. 만충전 시 양극은 색깔에 변화가 없지만, 음극은 색깔에 변화(황색으로 변함)가 있기 때문이다.

다음으로, 최종적으로 획득된 이미지로부터 색상 정보를 추출한 다음에 그 색상 정보를 기초로 이미지의 전체 영역 중에서 전해액 함침이 이루어진 반응 영역과 전해액 함침이 이루어지지 않은 미반응 영역을 분별한다(영역 분별 단계). 이때 색상 정보는 이미지를 구성하는 픽셀들로부터 추출한 RGB 정보에 기초한다. 이에 대해 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.

이미지를 구성하는 각각의 픽셀들은 색상에 따라 개개의 R 값, G 값, B 값을 가진다. RGB 색상표에 따를 때 R 값은 0에서 255까지의 값을 가지며, 이는 G 값과 B 값도 동일하다. 따라서 각각의 픽셀이 가지는 RGB 값을 추출하면 각각의 픽셀이 가지는 색상을 판단할 수 있다. 이와 같이 영역 분별 단계는 이미지를 구성하는 픽셀들로부터 각각 RGB 값을 추출하는 것으로부터 시작된다(제1 추출 단계).

이와 같이 RGB 값을 추출한 다음에는 추출한 RGB 값의 평균값을 계산한다(제1 계산 단계). 예를 들어, 이미지가 3개의 픽셀로 이루어지고, 제1 픽셀은 R 1, G 5, B 7이고, 제2 픽셀은 R 2, G 6, B 8이고, 제3 픽셀은 R 3, G 7, B 9이면, RGB 값의 평균값은 R (1+2+3)/3, G (5+6+7)/3, B (7+8+9)/3으로 계산할 수 있다.

이와 같이 RGB 값의 평균값을 계산한 다음에는 이 평균값을 기초로 개개의 픽셀을 반응 영역 또는 미반응 영역으로 구별한다(제1 구별 단계). 이에 대해 보다 상술하면, 후술할 바와 같이 반응 영역은 황색을 띠고, 미반응 영역은 흑색을 띠기 때문에, 황색 영역(반응 영역)은 흑색 영역(미반응 영역)에 비해 R, G, B 성분 중에 G, B 성분이 비슷한 수준으로 높게 나타난다. 예를 들어, 흑색 영역에서 R, G, B 성분이 0, 0, 0 혹은 10, 10, 10으로 나타난다면, 황색 영역에서 R, G, B 성분은 0, 10, 10 혹은 10, 30, 30으로 나타납니다. (이때 R, G, B 성분 중에 G, B 성분이 높다, 또는 낮다에 대한 기준은 RGB 값의 평균값이다.) 이와 같은 차이를 통해 황색 영역(반응 영역)과 흑색 영역(미반응 영역)을 구별할 수 있다. 즉, 황색 영역인지 흑색 영역인지에 대한 상대 판정으로 반응 영역과 미반응 영역을 구별할 수 있다.

이와 같이 개개의 픽셀을 반응 영역 또는 미반응 영역으로 구별하고 나면, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 전지의 일면에 대한 이미지를 두 부분, 즉 반응 영역(상대적으로 더 밝은 부분, R)과 미반응 영역(상대적으로 더 어두운 부분, N)으로만 나타낼 수 있다.

참고로, 반응 영역은 전해액 함침이 이루어진 영역이고, 미반응 영역은 전해액 함침이 이루어지지 않은 영역이다. 전해액 함침이 더 이루어지면 충전 반응이 더 일어나고, 충전 반응이 더 일어나면 더 짙은 황색이 나타난다. 이와 반대로 전해액 함침이 덜 이루어지면 충전 반응이 덜 일어나고, 충전 반응이 덜 일어나면 더 짙은 흑색이 나타난다.

한편, 이미지 획득 단계에서 획득된 이미지는 밝기의 왜곡을 포함할 수도 있다. 전극의 일면을 촬영할 때, 빛(예를 들어, 외부 조명)의 위치에 따라 상대적으로 더 밝게, 또는 더 어둡게 촬영되는 부분이 있기 때문이다. 이와 같은 왜곡으로 인해 반응 영역이 미반응 영역으로 인식되거나, 또는 미반응 영역이 반응 영역으로 인식될 수 있다.

이와 같은 밝기의 왜곡은 추가 분별 단계를 통해 보정될 수 있다. 추가 분별 단계는 이미지의 전체 영역 중에서 별도로 선택된 영역(선택 영역)에 대해 선택 영역에서 추출한 색상 정보를 기초로 선택 영역 중에서 반응 영역과 미반응 영역을 분별하는 단계이다.

빛의 위치에 따른 왜곡이 발생했다 하더라도 특정 부분만 한정해서 살펴보면 그 부분은 그와 같은 왜곡이 발생했을 여지가 상대적으로 적다. 즉, 이미지의 전체 영역 중에서 어느 특정 영역은 나머지 영역과 대비할 때 거의 동일한 조명 상태에 놓이게 되므로, 그 특정 영역은 그 특정 영역 내에서 빛의 위치에 따른 왜곡이 발생했을 여지가 상대적으로 적다. 따라서 이미지의 전체 영역 중에서 왜곡이 심하게 일어난 부분을 따로 선별한 다음에, 그 부분에서 추출한 색상 정보를 기초로 그 부분에 대해서만 다시 반응 영역과 미반응 영역을 분별하면, 빛의 위치에 따른 왜곡을 줄일 수 있다.

결국, 추가 분별 단계는, 선택 영역을 구성하는 픽셀들로부터 각각 RGB 값을 추출하는 제2 추출 단계, 제2 추출 단계에서 추출한 RGB 값의 평균값을 계산하는 제2 계산 단계, 및 제2 계산 단계에서 계산한 평균값을 기초로 선택 영역에서 개개의 픽셀을 반응 영역 또는 미반응 영역으로 구별하는 제2 구별 단계를 포함하며, 이와 같은 추가 분별 단계를 통해 빛의 위치에 따른 왜곡을 줄일 수 있다. 이때 제2 계산 단계 및 제2 구별 단계는 실질적으로 제1 계산 단계 및 제1 구별 단계와 동일하다.

마지막으로, 이미지를 구성하는 전체 픽셀의 개수와 대비하여 반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수 또는 미반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수가 차지하는 비율을 계산한다(비율 계산 단계). 예를 들어, 이미지를 구성하는 전체 픽셀의 개수가 1000개, 영역 분별 단계 또는 추가 분별 단계에서 반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수가 800개, 그리고 영역 분별 단계 또는 추가 분별 단계에서 미반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수가 200개라면, 반응 영역의 비율은 80%, 그리고 미반응 영역의 비율은 20%로 계산될 수 있다.

이때 영역 분별 단계에서 분별한 결과보다 추가 분별 단계에서 분별한 결과가 우선되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 어떤 픽셀이 영역 분별 단계에서 미반응 영역으로 판단되었더라도, 추가 분별 단계에서 반응 영역으로 판단되었다면, 그 픽셀을 반응 영역으로 판단하여 비율을 계산하는 것이 바람직하다. 이와 같이 계산하여야 밝기의 왜곡에 따른 비율의 오류를 바로잡을 수 있기 때문이다.

참고로, 전술한 방법으로 반응 영역의 비율과 미반응 영역의 비율을 계산한 다음에, 엔지니어는 이를 보조적으로 참조하여 함침이 전체적으로 고르게 일어났는가, 고르게 일어나지 않았다면 어느 수준으로 함침이 일어났는가를 판단할 수 있다.

한편, 이미지 획득 단계에서 획득된 이미지는 전극의 일면과 서로 다른 형상으로 나타날 수도 있다. 예를 들어, 전극의 일면을 사선에서 바라보고 촬영하면 전극의 일면이 원래 직사각형이라 하더라도, 획득된 이미지는 사다리꼴로 나타날 수 있다. 즉, 이미지 획득 단계에서 획득된 이미지는 경우에 따라 형상의 왜곡을 포함할 수도 있다. 이와 같은 왜곡으로 인해 반응 영역이나 미반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수에 있어 오류가 발생할 여지가 있다.

이와 같은 형상의 왜곡은 이미지 보정 단계를 통해 보정될 수 있다. 이미지 보정 단계는 전극의 원래 일면 형상에 대응되도록 이미지의 형상을 보정하는 단계이다. 이와 같은 보정은 이미지 획득 단계에서 획득된 이미지에 대해 적용될 수 있다. 즉, 이미지를 획득하고, 그 이미지를 보정한 다음에 보정된 이미지를 바탕으로 반응 영역과 미반응 영역을 분별할 수 있다. 또는 이미지를 획득하고, 그 이미지를 바탕으로 반응 영역과 미반응 영역을 분별한 다음에, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 이와 같이 분별된 이미지를 보정할 수도 있다. 즉, 전극의 원래 일면 형상에 대응되도록 이미지의 형상을 보정하여 반응 영역과 미반응 영역을 보정할 수도 있다.

참고로, 이미지의 보정은 이미지 보정 알고리즘(예를 들어, 허프 변환)을 통해 이루어질 수 있다. 이는 널리 알려진 것이므로 자세한 설명은 생략한다.

P: 주변 이미지 R: 반응 영역
N: 미반응 영역

Claims (11)

1. 전극 조립체를 구성하는 전극의 일면에 대한 촬영으로 상기 일면에 대한 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
   상기 이미지로부터 색상 정보를 추출한 다음에 상기 색상 정보를 기초로 상기 이미지의 전체 영역 중에서 전해액 함침이 이루어진 반응 영역과 전해액 함침이 이루어지지 않은 미반응 영역을 분별하는 영역 분별 단계; 및
   상기 이미지의 전체 영역과 대비하여 상기 반응 영역 또는 상기 미반응 영역이 차지하는 비율을 계산하는 비율 계산 단계를 포함하고,
   상기 영역 분별 단계는, 상기 이미지를 구성하는 픽셀들로부터 각각 RGB 값을 추출하는 제1 추출 단계, 상기 제1 추출 단계에서 추출한 RGB 값의 평균값을 계산하는 제1 계산 단계, 및 상기 제1 계산 단계에서 계산한 평균값을 기초로 개개의 픽셀을 반응 영역 또는 미반응 영역으로 구별하는 제1 구별 단계를 포함하는 전해액 함침성 측정방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 색상 정보는 상기 이미지를 구성하는 픽셀들로부터 추출한 RGB 정보에 기초하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 비율 계산 단계는, 상기 이미지를 구성하는 전체 픽셀의 개수와 대비하여 상기 반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수 또는 상기 미반응 영역으로 판단된 픽셀의 개수가 차지하는 비율을 계산하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 이미지의 전체 영역 중에서 별도로 선택된 선택 영역에 대해 상기 선택 영역에서 추출한 색상 정보를 기초로 상기 선택 영역 중에서 상기 반응 영역과 상기 미반응 영역을 분별하는 추가 분별 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 추가 분별 단계는, 상기 선택 영역을 구성하는 픽셀들로부터 각각 RGB 값을 추출하는 제2 추출 단계, 상기 제2 추출 단계에서 추출한 RGB 값의 평균값을 계산하는 제2 계산 단계, 및 상기 제2 계산 단계에서 계산한 평균값을 기초로 상기 선택 영역에서 개개의 픽셀을 반응 영역 또는 미반응 영역으로 구별하는 제2 구별 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 비율 계산 단계는 상기 영역 분별 단계에서 분별한 결과보다 상기 추가 분별 단계에서 분별한 결과를 우선하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극의 원래 일면 형상에 대응되도록 상기 이미지의 형상을 보정하는 이미지 보정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극의 원래 일면 형상에 대응되도록 상기 이미지의 형상을 보정하여 상기 반응 영역과 상기 미반응 영역을 보정하는 이미지 보정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 획득 단계는 상기 전극 조립체를 구성하는 전극들 중의 어느 하나의 음극을 상기 전극 조립체로부터 노출시킨 다음에 상기 음극의 일면을 촬영하여 상기 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 획득 단계는 상기 이미지가 상기 전극의 일면 이외의 주변 이미지를 포함하는 경우 상기 주변 이미지를 제거하여 상기 일면에 대한 이미지만 획득하는 것을 특징으로 하는 전해액 함침성 측정방법.

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