KR101774261B1 - 단위셀 검사 장치 - Google Patents

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KR101774261B1
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이원석
홍석용
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Abstract

본 발명은, 연속적으로 이송되는 단위셀들의 단위셀 별 외관 및 단락 여부를 측정하는 검사 장치로서, 이송되는 단위셀의 외곽 치수를 검사하는 비전(vision) 검사부, 상기 단위셀의 전극 탭이 편평하게 펼쳐질 수 있도록 단위셀의 전극 탭을 잡아 상기 비전 검사부로 이송하는 그립퍼(gripper), 및 상기 그립퍼에 고정된 단위셀의 단락 여부를 측정하는 프로브(Probe)를 포함하는 그립핑(gripping)부, 및 단위셀의 이송을 위한 구동력을 상기 그립핑부에 제공하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치를 제공한다.

Description

단위셀 검사 장치 {Inspection Device for Secondary Battery Unit Cell}
본 발명은 이차 전지 제조 공정에서 사용되는 단위셀 검사 장치에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되는 형태로 제조된다. 상기 전극조립체는 제조 방법에 따라 스택형, 폴딩형 및 스택-폴딩형 등으로 구분된다. 스택형 또는 스택-폴딩형 전극조립체의 경우, 단위 조립체가 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층되는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체를 만들기 위해서는, 양극과 분리막 및 음극이 지정된 치수 범위 내에서 변형이나 일측 치우침 없이 순차적으로 적층되어야 한다.
양극과 분리막 및 음극으로 구성된 단위셀의 양산을 위해서는, 순차적으로 적층된 적층체의 외곽 치수를 비전 검사부로 검사해야 한다. 이러한 비전 검사 공정의 선행 공정에는 전극 탭을 절단하는 공정이 위치하며, 절단 된 전극 탭은 그 두께가 얇고 절단 프레스에 의해 절단되므로 구부러짐과 같은 변형이 일어나는 경향이 있다.
이러한 변형된 전극 탭은, 일반적으로 비전 검사 공정에서, 탭 접힘 방지용 와이어를 사용하여 변형을 바로잡아주는 방식이 사용되고 있다.
또한, 비전 검사 후 단위셀의 단락을 검사하는 공정이 수행되며, 이러한 단락 검사 공정은 단락 검사용 프로브를 단위셀의 전극 탭에 접속하여 단위셀의 단락 여부를 검사하는 방식이 사용되고 있다.
상기와 같은 공정들은 각각 검사 설비를 갖춘 비전 검사부 및 단락 검사부에서 수행되며, 상기 2 개의 검사부는 별도의 독립 유닛으로 구성되어 단위셀들은 상기 비전 검사부 및 단락 검사부를 순차적으로 통과하면서 검사가 진행되는 구조를 이루고 있다.
본 발명의 목적은 단위셀의 제조 공정 설비 중, 비전 검사부와 단락 검사부의 기능을 하나의 유닛에서 구현할 수 있도록 하여, 설비 비용를 절감하고, 단위셀의 제조과정을 단순화하여 생산성을 높이며, 장비가 차지하는 공간을 감소시키는 단위셀 검사 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단위셀 검사 장치는, 연속적으로 이송되는 단위셀들의 단위셀 별 외관 및 단락 여부를 측정하는 검사 장치로서,
이송되는 단위셀의 외곽 치수를 검사하는 비전(vision) 검사부;
상기 단위셀의 전극 탭이 편평하게 펼쳐질 수 있도록 단위셀의 전극 탭을 잡아 상기 비전 검사부로 이송하는 그립퍼(gripper), 및 상기 그립퍼에 고정된 단위셀의 단락 여부를 측정하는 프로브(Probe)를 포함하는 그립핑(gripping)부; 및
단위셀의 이송을 위한 구동력을 상기 그립핑부에 제공하는 구동부;
를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 단위셀 검사 장치는, 비전 검사부로 단위셀을 이동시키는 그리핑부에 단락 여부를 측정하는 프로브를 포함시켜 비전 검사 및 단락 여부의 검사를 수행하는 구조로 형성되어 있으므로, 비전 검사부 및 단락 검사부가 하나의 유닛으로 통합됨으로써 제작 비용이 낮아지고, 설비가 차지하는 공간이 줄어들며, 제어가 용이한 효과가 있다.
상기 단위셀은 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)일 수 있다.
상기 그립퍼는 다양한 구조 및 형태가 가능하며, 예를 들어, 집게 또는 조우(jaw) 구조의 그립퍼일 수 있다. 또한, 상기 그립퍼는 단위셀의 전극 탭의 상면에 접촉하는 상부 그립과 전극 탭의 하면에 접촉하는 하부 그립을 포함할 수 있다.
또한, 상기 그립퍼는 평면상으로 상기 전극 탭의 둘 이상의 부위를 고정하는 단위셀 고정 그립들(grips)을 포함하는 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 그립퍼는 단위셀 고정 그립들 2 개를 포함하고 있고, 이러한 단위셀 고정 그립들은 전극 탭의 두 부위를 고정하는 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 프로브는 상기 단위셀 고정 그립들 사이에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 그립퍼에는 프로브 고정 암(arm)이 결합될 수 있으며, 상기 프로그 고정 암은 프로브의 단부를 고정하는 구조일 수 있으며, 상기 그립퍼가 전극 탭을 고정하였을 때, 프로브가 전극 탭에 접속되어 단락을 측정할 수 있도록 하는 구조일 수 있다.
상기 그립퍼는 단위셀을 잡아 비전 검사부로 이동시키는 역할을 하며, 그와 동시에, 전극 탭을 잡을 때 전극 탭이 편평하게 펼치질 수 있는 압력을 인가하여 변형된 전극 탭을 편평하게 펼치는 역할을 수행한다. 상기 인가 압력은 변형된 전극 탭을 편평하게 펼치면서 전극 탭에 손상을 유발하지 않는 범위에서 적절히 결정될 수 있다.
한편, 상기 그립핑부는 단위셀의 전극 탭을 인취함에 있어 그립퍼 위치를 조절할 수 있는 그립퍼 위치 조절기를 추가로 포함할 수 있다. 연속 공정에서 그립퍼는 반복적인 동작을 계속적으로 수행하게 되고, 그러한 과정에서 전극 탭의 변형 정도에 따라 반작용으로 그립퍼에 가해지는 압력에 차이가 유발될 수 있으므로, 처음의 위치와 비교하여 그립퍼의 위치 변화가 초래될 수 있다. 따라서, 일정 시점에서 그립퍼의 위치를 측정하여 그립퍼 위치 조절기에 의해 정위치로 조절하는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 비전 검사부는 단위셀의 외곽 치수를 검사하는 역할을 하는 바, 하나의 구체적인 예에서, 이송된 단위셀을 상부 및 하부에서 각각 촬영하는 상부 카메라 및 하부 카메라, 상기 단위셀과 상부 또는 하부 카메라 사이에서 상기 상부 또는 하부 카메라를 가리지 않는 위치에 장착되어 있고, 상기 단위셀에 촬영을 위한 광을 조사하는 하나 이상의 조명을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 조명은, 바람직하게는, 이송된 단위셀 외주면 일측으로부터 이격된 위치에서 단위셀에 광을 조사하는 제 1 조명과, 타측으로부터 이격된 위치에서 단위셀에 광을 조사하는 제 2 조명을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 제 1 조명과 제 2 조명은 각각 1 단위의 조명일 수도 있고 2 단위 이상의 조명일 수도 있다. 또한, 제 1 조명과 제 2 조명은 단위셀을 기준으로 그것의 상부 또는 하부에만 위치할 수도 있지만, 카메라가 전지셀의 상면과 하면을 각각 촬영하는 구조에서는 제 1 조명과 제 2 조명은 전지셀을 기준으로 상부 및 하부에 각각 위치할 수도 있다.
따라서, 비전 검사부로 단위셀이 이송되면, 예를 들어, 전지셀을 기준으로 상부와 하부에 1 쌍씩 위치한 조명들이 발광하면서 상하에 위치한 CCD 카메라가 단위셀을 촬영하여 단위셀의 외곽 치수를 측정한다.
상기 조명은 상기 카메라가 단위셀의 외곽 치수를 정확하게 측정할 수 있도록 조력하는 광원을 가진 것이라면 그것을 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, LED 조명일 수 있다.
상기 단위셀은 다양한 방식에 의해 그립핑부로 이송될 수 있으며, 예를 들어, 컨베이어 벨트에 의해 그립핑부로 이송되는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 단위셀 검사 장치를 사용하여 제조된 전지셀을 제공한다. 상기 전지셀은 상기 단위셀 검사 장치를 사용하여 전극조립체를 제조하고, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉된 구조로 제조될 수 있다.
이러한 전지셀은, 예를 들어, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위셀 검사 장치는, 비전 검사부로 단위셀을 이동시키는 그리핑부에 단락 여부를 측정하는 프로브를 포함시켜 비전 검사 및 단락 여부의 검사를 수행하는 구조로 형성되어 있으므로, 비전 검사부 및 단락 검사부가 하나의 유닛으로 통합됨으로써 제작 비용이 낮아지고, 설비가 차지하는 공간이 줄어들며, 제어가 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 검사 장치의 사시도이다;
도 2는 도 1의 정면 모식도이다;
도 3은 도 1의 평면 모식도이다;
도 4는 도 3의 A 부위에 관한 확대도이다;
도 5는 도 2의 B 부위에 관한 확대도이다;
도 6은 도 1의 측면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀 검사 장치(800)의 사시도가 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 각각 도 1의 정면 및 평면 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 단위셀 검사 장치(100)는 단위셀(110)의 전극 탭(112)이 편평하게 펼쳐질 수 있도록 단위셀(110)의 전극 탭(112)을 고정하여 비전 검사부(120)로 이송하는 그립핑부(130), 단위셀(110)의 이송을 위한 구동력을 그립핑부(130)에 제공하는 구동부(140), 및 이송된 단위셀(110)의 외곽 치수를 검사하는 비전 검사부(120)로 구성되어 있다.
그립핑부(130)는 그립퍼(132)에 고정된 단위셀의 단락 여부를 측정하는 프로브(135)를 포함하고 있다.
이러한 구조에 의하여, 단위셀 검사 장치(100)는 전지 생산 공정에서 각각 절단된 양극 전극과 분리막 및 음극 전극의 적층 공정이 완료된 단위셀(110)의 외곽 치수를 검사하는 비전 검사 공정을 수행하면서 프로브(135)에 의한 단락 검사 공정을 수행한다.
그립핑부(130)는, 베이스 플레이트(134), 엔드 플레이트(136), 그립퍼 위치 조절기(138), 및 그립퍼(132)로 구성되어 있다. 베이스 플레이트(134) 상단에는 양단에 수직 결합된 한 쌍의 엔드 플레이트(136)가 위치하며, 엔드 플레이트(136)의 일면에는 그립퍼(132)가 2개씩 장착되어 있다. 그립퍼들(132)은 서로 마주보며 위치하며, 그 사이로 단위셀(110)이 인취되게 된다.
엔드 플레이트(136)의 타측면에는 그립퍼(132)의 위치를 조정할 수 있는 그립퍼 위치 조절기(138)이 장착되어 있다. 그립퍼 위치 조절기(138)를 조이게 되면, 베이스 플레이트(136) 상단의 양단에 위치한 그립퍼(132)의 간격이 좁아지게 된다. 이 경우, 그립퍼(132)의 좁은 간격 때문에 그립퍼(132)는 단위셀(110)의 전극 탭(112)을 더 넓은 범위로 인취할 수 있게 된다.
반대로, 그립퍼 위치 조절기(138)를 풀게 되면, 베이스 플레이트(136) 상단의 양단에 위치한 그립퍼(132)의 간격이 넓어지게 된다. 이 경우, 그립퍼(132)의 넓은 간격 때문에 그리퍼(132)는 단위셀(110)의 전극 탭(112)을 더 좁은 범위로 인취할 수 있게 된다.
단위셀(110)이 이송장치(도시하지 않음)와 그립핑부(130)에 의해 비전 검사부(120)에 위치하면, 상부 조명(162)과 하부 조명(164)이 발광하게 되어, 상부 카메라(152)와 하부 카메라(154)에 의해 단위셀(110)의 외곽 치수가 측정된다.
구체적으로, 비전 검사부(120)는 이송된 단위셀(110)을 상부에서 촬영하는 상부 카메라(152), 단위셀(110)과 상부 카메라(152) 사이에서 상부 카메라(152)를 가리지 않는 위치에 장착되어 있는 두 개의 상부 조명(162), 및 단위셀(110)과 하부 카메라(154) 사이에서 하부 카메라(154)를 가리지 않는 위치에 장착되어 있는 두 개의 하부 조명(164)으로 구성되어 있다.
단위셀(110)이 비전 검사부(120)에 위치하면, 상부 조명(162)이 발광하게 된다. 이와 동시에 하부 조명(164)도 함께 발광하여 비전 검사부(120)에 위치한 단위셀(110)을 소정의 광도로 비추게 된다. 상부 조명(162)과 하부 조명(164)에 의해 비춰진 단위셀(110)의 외곽 치수는 상부 카메라(152)와 하부 카메라(154)에 의해 측정된다.
이와 같이, 상부 카메라(152)와 하부 카메라(154)에 의해 얻어진 데이터에는 전극 탭(112)의 치수까지 포함되어 있으며, 이러한 데이터는 이미 저장되어 있는 표준 데이터와 비교하여, 임계치 이상의 편차값을 가지는지의 여부를 확인한다.
도 4에는 도 3의 A 부위에 관한 확대도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 2의 B 부위에 관한 확대도가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 그립퍼(132)는 평면상으로 전극 탭(112)의 두 부위를 부위를 고정하는 단위셀 고정 그립들(133a, 133b)을 포함하고 있다. 즉, 그립퍼(132)는 2 개의 단위셀 고정 그립들(133a, 133b)을 포함하고 있으며, 단위셀 고정 그립들(133a, 133b) 사이에 프로브 고정 암(137)이 위치하고 있다. 이러한 프로브 고정 암(137)의 일측은 그립퍼(132)에 고정되어 있고, 타측에는 프로브(135)가 고정되어 있다. 따라서, 그립퍼(132)가 전극 탭(112)을 고정하였을 때, 프로브(135)가 전극 탭(112)에 접속되어 단락을 측정하는 구조로 이루어져 있다.
그립퍼(132)는, 전극 탭(110)의 상면에 접촉하는 상부 그립(132a)과 전극 탭(112)의 하면에 접촉하는 하부 그립(132b)으로 구성되어 있고, 전극 탭(112)을 인취할 때, 변형되어 있는 전극 탭(112)에 편평하게 펼쳐질 수 있는 소정의 압력을 인가한다. 이로 인해, 그립퍼(132)의 상부 그립(132a)과 하부 그립(132b)에 의해 가압된 전극 탭(112)은 가압력에 의해 편평하게 펼쳐지게 된다.
도 6에는 도 1의 측면 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 도 1과 함께 참조하면, 구동부(140)는 그립핑부(130)의 하면에 위치하여 그립핑부(130)에 구동력을 전달하는 너트(141), 타이밍 벨트(142)와 풀리(143)로부터 전달된 구동력을 너트(141)에 전달하는 볼 스크류(144), 서보 모터(145)의 구동력을 볼 스크류(144)에 전달하는 타이밍 벨트(142)와 풀리(143), 및 타이밍 벨트(142)와 풀리(143)에 구동력을 공급하는 서보 모터(145)로 구성되어 있다.
서보 모터(145)가 구동하게 되면 그 구동력에 의해 제 1의 풀리(143a)가 회전하게 된다. 제 1 풀리(143a)의 회전 구동력은 타이밍 벨트(142)에 의해 제 2의 풀리(143b)에 전달된다. 제 2의 풀리(143b)는 볼 스크류(144)를 구동하게 한다. 볼 스크류(144)의 구동력은 너트(141)에 전달되어 구동된다.
그립핑부(130)는 구동부(140)의 너트(141) 상단에 장착되어 있으며, 결과적으로 서보 모터(145)의 구동력은 구동부(140)의 너트(141)에 의해 그립핑부(130)로 전달되게 된다.
구동부(140)에 의해 구동되는 그립핑부(130)는 이송장치(도시하지 않음)에 의해 비전 검사부(120)로 이송되는 단위셀(110)과 같은 방향과 속도로 이동한다.
그립퍼(132)로부터 놓여진 단위셀(110)은 이송장치(도시하지 않음)에 의해 후공정으로 이송되며, 이와 동시에 구동부(140)에 의해 그립핑부(130)가 구동되어 처음의 위치로 되돌아가게 된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 연속적으로 이송되는 단위셀들의 단위셀 별 외관 및 단락 여부를 측정하는 검사 장치로서,
    이송되는 단위셀의 외곽 치수를 검사하는 비전(vision) 검사부;
    상기 단위셀의 전극 탭이 편평하게 펼쳐질 수 있도록 단위셀의 전극 탭을 잡아 상기 비전 검사부로 이송하는 그립퍼(gripper), 및 상기 그립퍼에 고정된 단위셀의 단락 여부를 측정하는 프로브(Probe)를 포함하는 그립핑(gripping)부; 및
    단위셀의 이송을 위한 구동력을 상기 그립핑부에 제공하는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 풀셀(full cell) 또는 바이셀(bicell)의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼는 집게 또는 조우(jaw) 구조인 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼는 평면상으로 상기 전극 탭의 둘 이상의 부위를 고정하는 단위셀 고정 그립들(grips)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위셀 고정 그립들 사이에 프로브가 위치하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼에는 프로브의 단부를 고정하는 프로브 고정 암(arm)이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼는 전극 탭의 상면에 접촉하는 상부 그립과 전극 탭의 하면에 접촉하는 하부 그립을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼가 전극 탭을 잡을 때 전극 탭이 편평하게 펼치질 수 있는 압력을 전극 탭에 가하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 그립퍼의 위치를 조절하는 그립퍼 위치 조절기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 비전 검사부는,
    이송된 단위셀을 상부 및 하부에서 각각 촬영하는 상부 카메라 및 하부 카메라; 및
    상기 단위셀에 촬영을 위한 광을 조사하는 하나 이상의 조명;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 조명은, 이송된 단위셀 외주면 일측으로부터 이격된 위치에서 단위셀에 광을 조사하는 제 1 조명과, 타측으로부터 이격된 위치에서 단위셀에 광을 조사하는 제 2 조명을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 조명은 LED 조명인 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 컨베이어 벨트에 의해 그립핑부로 이송되는 것을 특징으로 하는 단위셀 검사 장치.
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