KR101899991B1 - 2차전지 제조장치의 장력 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 2차전지의 소재가 이동시 회전하며 지지할 수 있도록 구성되는 복수의 아이들 롤러의 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계, 2차전지의 권취시 선속의 변화구간 정보를 로딩하는 단계 및 변화구간에서 아이들 롤러의 회전관성모멘트에 의해 발생하는 장력 변화량에 대응하여 장력조절장치의 장력 적용량을 조절하는 단계를 포함하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 2차전지 제조장치의 장력 제어방법은 아이들 롤러 및 회전구동하는 구성요소의 회전관성모멘트를 고려하여 장력을 제어할 수 있으므로 고속생산시에 균일한 품질로 2차전지를 생산할 수 있으므로 생산성이 향상될 수 있다.

Description

2차전지 제조장치의 장력 제어방법{THE TENSION CONTROL METHOD FOR MANUFACTURING APPARATUS OF RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 2차전지 제조장치의 장력제어 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전극조합체를 권취할 때 가속구간 및 감속구간에서 작용하는 아이들 롤러에 의한 장력변화를 보상하여 장력을 조절하기 위한 2차전지 제조장치의 장력 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 방전과 역방향인 충전과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이며, 그 종류로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬-금속 전지, 리튬-이온(Ni-Ion) 전지 및 리튬-이온 폴리머 전지(Li-Ion Polymer Battery, 이하 "LIPB"라 함) 등이 있다.

이차전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되며, 서로 다른양극 및 음극 소재의 전압차이를 이용하여 전기를 저장 및 발생시킨다. 여기서, 방전이란 전압이 높은 음극에서 낮은 양극으로 전자를 이동시키는 것이며(양극의 전압 차이만큼 전기를 발생), 충전이란 전자를 다시 양극에서 음극으로 이동시키는것으로 이때 양극물질은 전자와 리튬이온을 받아들여 원래의 금속산화물로 복귀하게 된다. 즉, 이차전지는 충전될 때 금속 원자가 분리막을 통하여 양극에서 음극으로 이동함에 따라 충전 전류가 흐르게 되고, 반대로 방전될 때 금속 원자는 음극에서 양극으로 이동하며 방전 전류가 흐르게 된다.

한편, 이러한 이차전지의 제조시 권취하여 제조하는 방식으로 대량생산이 이루어지고 있으며, 이때 권취시 각각의 소재에 작용하는 장력이 배터리 품질에 큰 영향을 미치게 되어 장력을 조절할 필요성이 발생되었다. 이러한 장력제어장치에 대하여 대한민국 등록특허 제1265196호에 나타나 있다. 그러나 이러한 장력제어장치는 반복되는 제조 사이클에서 가속구간 및 감속구간에서 발생되는 아이들 롤러의 회전관성모멘트를 고려하지 못해 정밀한 장력제어가 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제1265196호

본 발명은 종래의 2차전지 제조장치의 가속구간 및 감속구간에서 장력시 낮은 응답성 및 지지하는 아이들 롤러의 회전관성모멘트를 반영되지 않아 정밀하게 제어하지 못하는 문제점을 해결하기 위한 2차전지 제조장치의 장력 제어방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 2차전지의 소재가 이동시 회전하며 지지할 수 있도록 구성되는 복수의 아이들 롤러의 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계, 2차전지의 권취시 선속의 변화구간 정보를 로딩하는 단계, 변화구간에서 아이들 롤러의 회전관성모멘트에 의해 발생하는 장력 변화량에 대응하여 장력조절장치의 장력 적용량을 조절하는 단계를 포함하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법이 제공될 수 있다.

여기서 장력 적용량을 조절하는 단계는 권취 시작시 선속이 증가할 ?? 아이들 롤러의 회전관성모멘트에 의해 발생하는 텐션증가량을 보상할 수 있도록 장력조절장치의 장력 적용량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

나아가 장력 적용량을 조절하는 단계는 권취 중 권취선속이 유지되는 구간에서는 소재에 적용하는 장력을 측정하여 장력 적용량을 목표 장력으로 조절할 수 있다.

또한 장력 적용량을 조절하는 단계는 권취 종료시 선속이 감소할 때 아이들 롤러의 회전관성에 의해 발생하는 텐션감소량을 보상할 수 있도록 장력조절장치의 장력 적용량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

그리고 장력 적용량을 조절하는 단계는 권취 전 각각의 소재에 작용하는 장력을 일괄적으로 조절하도록 소재의 이동경로상에 각각 구비된 장력조절장치를 이용하여 수행될 수 있다.

나아가 장력조절장치는 피벗 움직임이 가능하게 구성되며, 피벗 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 전공 레귤레이터를 포함하여 구성되며, 장력 적용량을 조절하는 단계는 전공레귤레이터에 작용하는 압력을 조절하여 수행되도록 구성될 수 있다.

여기서 회전관성모멘트 정보는, 아이들 롤러에 의해 증가하는 장력 증가량 정보를 포함하며, 장력 증가량 정보는

로 계산될 수 있다.

또한 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계는 소재의 이동에 따른 관성모멘트 정보를 포함한 정보를 로딩할 수 있다.

그리고 회전관성모멘트 정보는 복수의 아이들 롤러의 회전관성모멘트의 총 합과, 소재의 이동시 접촉하여 회전하는 비 구동요소의 회전관성모멘트 값을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 2차전지 제조장치의 장력 제어방법은 아이들 롤러 및 회전구동하는 구성요소의 회전관성모멘트를 고려하여 장력을 제어할 수 있으므로 고속생산시에 균일한 품질로 2차전지를 생산할 수 있으므로 생산성이 향상될 수 있다.

도 1은 종래 2차전지 권취시의 장력제어에 관한 개념도이다.
도 2는 아이들 롤러의 관성모멘트 및 장력영향을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 장력제어방법의 흐름도이다.
도 4는 소재의 권취속도 및 아이들 롤러에 의한 장력변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예의 장력제어방법의 흐름도이다.
도 6는 본 발명에 따른 제2 실시예의 장력제어방법의 흐름도이다.
도 7은 스풀 제어 시스템의 스풀 및 댄서가 도시된 도면이다.
도 8은 스풀모듈의 사시도이다.
도 9는 스풀의 회전속도 제어의 블록선도이다.
도 10은 소재의 장력을 조절하기 위한 댄서형 장력제어장치의 사시도이다.
도 11은 스풀모듈의 목표권출속도와 스풀 회전속도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 권취부 제어시스템의 정면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 권심의 평면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 제어 시스템의 블록도이다.
도 15는 본 발명에 따른 제어시 권취속도와 권심의 회전속도 및 장력이 도시된 그래프이다.
도 16은 권심의 형상이 오발 형상인 경우의 권심의 평면도 및 권심회전속도를 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 2차전지 제조장치의 장력제어 방법에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 종래 2차전지 권취시의 장력제어에 관한 개념도이다.

도시된 바와 같이, 2차전지의 제조시에는 양극판과 음극판 및 두 개의 분리막이 순서대로 포개어져 권취가 이루어진다. 이때 권심(510)부를 회전함에 따라 복수의 소재를 권취하게 되며, 이때 권취부(500)의 회전에 따른 소재의 선속도가 달라질 수 있게 된다. 이는 권심(510)의 형상이 원형이 아닌 타원형 또는 다각형인 경우에 편차가 더욱 크게 발생하게 된다.

한편 각각의 소재는 스풀(100)로부터 권취부(500) 까지 서로 다른 경로를 통하여 이송되며, 최종적으로 적절한 텐션을 유지하며 권취될 수 있도록 선속이 제어된다. 소재의 텐션은 연속적으로 공급되는 공정에서 각 부분별 상대적인 선속 차이에 따라 발생할 수 있으며, 따라서 적절한 텐션을 유지시킬 수 있도록 경로상에 드라이빙 롤러(2) 등이 구비되어 선속을 증가시키거나, 직접 텐션을 조절할 수 있도록 텐션 바 등이 구비될 수 있다.

소재의 이동시 경로를 변경하거나 이동하는 소재를 적절하게 지지할 수 있도록 소재에 접촉하여 소재의 이동에 따라 회전가능하도록 구성되는 복수의 롤러가 구비될 수 있다. 복수의 아이들 롤러(1)는 소재가 지지된 상태에서 마찰에의한 동력손실을 최소화 하며, 또한 마찰에 의한 장력의 변화를 최소화할 수 있도록 아이들 롤러(1) 자체의 회전마찰력을 최소화 하여 구성될 수 있다.

도 2는 아이들 롤러(1)의 관성모멘트 및 장력영향을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 소재의 이동시에 가속구간에서는 아이들 롤러(1)의 회전력으로 장력의 일부가 작용하며, 이에 대한 보상을 위하여 더 큰 장력을 발생시켜 소재를 이동시키게 된다.

여기서 하나의 아이들 롤러(1)의 회전관성모멘트에 의해 가속구간에서 회전속도가 증가할 때 소재에 작용하는 장력의 증가량은 다음과 같이 구해질 수 있다.

아이들 롤러(1)의 무게(M), 아이들 롤러(1)의 반경(R), 아이들 롤러(1)의 두께(t)를 고려한 아이들 롤러(1)의 회전관성모멘트는 다음과 같다.

이때 소재의 가속도(α) 및 아이들 롤러(1)의 각 가속도(a)의 관계는 다음과 같다.

따라서 하나의 아이들 롤러(1)에 의한 장력변화(Fi)는 다음과 같다.

이때 하나의 소재에 작용하는 아이들 롤러(1)의 개수가 Ni 라고 하면, Ni 개의 아이들 롤러(1)의 가속에 의한 텐션 증가량(Fsi)는 다음과 같다.

따라서 이러한 장력 손실을 고려하여 드라이빙 롤러(2) 등을 통하여 장력을 증가시켜 소재에 균일한 장력을 적용할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 장력제어방법의 흐름도이며, 도 4는 소재의 권취속도 및 아이들 롤러(1)에 의한 장력변화를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장력 제어방법은 아이들 롤러(1)의 회전관성 모멘트 정보를 로딩하는 단계(S100), 극판 선속의 가속구간 정보로딩 단계(S200), 장력보상단계(S300), 극판 선속의 감속구간 정보로딩단계(S400) 및 장력보상단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.

아이들 롤러(1)의 회전관성 모멘트 정보를 로딩하는 단계(S100)는 도 2를 통하여 전술한 바와 같이, 계산된 아이들 롤러(1)의 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계이다. 회전관성모멘트 정보는 아이들 롤러(1)의 구성 자체로부터 기인하게 되므로 이에 대한 값은 일정하게 유지될 수 있다. 따라서 이러한 정보가 저장된 데이터를 로딩하여 제어에 적용할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 극판 선속의 가속구간 정보로딩 단계(S200)는 생산속도에 따라 가속구간, 등속구간, 감속구간으로 이루어질 수 있는데, 이때 권취 사이클의 초기단계인 가속구간에 대한 정보를 로딩하는 단계이다. 2차전지 제조시 기준이 되는 권출속도에 따라 가속구간(P1), 등속구간(P2) 및 감속구간(P3)의 구간이 결정될 수 있다. 이에 대하여는 도 4(a)에 나타나 있으며, 이는 일 예일 뿐 등속구간이 나타나지 않는 속도 프로파일이 될 수 있으며, 가속 및 감속 구간의 속도변화량은 다양하게 적용될 수 있다. 또한 권취되는 소재의 종류, 두께에 따라 다양하게 적용될 수 있으므로 구체적인 수치는 나타내지 않기로 한다.

이때, 아이들 롤러(1)의 위치에 따라 장력이 다르게 발생될 수 있으며, 도 4 (b)는 도 1 의 권취부에서 다소 이격된 지점의 소재에 작용하는 장력, 도 4(c)는 권취부에 인접한 소재에 작용하는 장력을 나타낸 도면이다.

권취부에서 다소 이격된 지점에서는 가속구간에서 권심의 회전에 의해 소재에 전달되는 장력 중 일부가 아이들 롤러(1)의 회전으로 손실되므로 장력이 다소 낮아지게 된다. 반대로 감속구간에서는 권심측의 아이들 롤러(1)의 회전에 의해 지속적으로 당겨지게 되므로 장력이 증가하게 된다.

권취부와 인접한 지점에서는 권취부로부터 전달되는 (b)의 경우보다 작은 장력의 일부가 아이들 롤러(1)의 회전에 의해 손실되므로 가속구간에서 장력이 낮아지게 되며, 감속구간에서는 반대로 권취부에서 작용하는 장력이 감소되며 아이들 롤러(1)의 회전에 의해 권취부측으로 힘이 작용하므로 장력이 더욱 감소하게 된다.

장력보상단계(S300)는 가속구간에서 아이들 롤러(1)에 의한 장력변화를 보상하기 위하여 드라이빙 롤러(2) 등을 이용하여 소재에 장력을 전달하는 단계이다. 소재에는 복수의 아이들 롤러(1)가 접촉될 수 있으며, 소재의 이동경로 중간 즉 복수의 아이들 롤러(1) 사이에 배치되는 드라이빙 롤러(2)가 구동력을 전달하여 장력을 보상할 수 있다. 또한 피벗 움직임이 가능하게 구성된 텐션 암으로 구성될 수 있으며, 피벗 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 전공 레귤레이터를 포함하여 텐션 바의 각도를 조절하여 텐션을 조절하도록 구성될 수 있다. 한편 소재의 위치에 따라 장력이 증가 또는 감소될 수 있으며 구간별로 장력제어가 이루어질 수 있다.

극판 선속의 감속구간 정보로딩단계(S400)는 전술한 감속구간과 달리, 각 제조 사이클의 종료단계에서 감속할 때의 시간정보를 로딩하는 단계이다.

장력보상단계(S300)는 가속구간에서의 장력보상단계와 유사하게 장력보상이 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예의 장력제어방법의 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 실시예에서는 아이들 롤러, 비구동요소 및 소재의 관성모멘트를 정보를 로딩하는 단계(S110), 가속구간 정보 로딩단계(S200), 등속구간 정보 로딩 단계(S500), 감속구간 정보 로딩단계(S400), 장력보상단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.

한편 본 실시예에서도 전술한 실시예와 동일한 단계가 적용될 수 있으며, 중복기재를 피하기 위하여 설명을 생략한다.

아이들 롤러, 비구동요소 및 소재의 관성모멘트를 정보를 로딩하는 단계(S110)는 아이들 롤러를 포함하며, 구동력이 없이 회전하며 지지하는 다양한 구성요소의 관성모멘트 정보를 포함하며, 소재 자체의 관성모멘트를 포함한 정보를 로딩하는 단계에 해당한다.

여기서, 소재의 가속에 의한 텐션 증가량(Fm)은 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기서 dm 은 소재의 길이당 질량이며, Im 은 소재의 총 길이가 된다. 따라서 아이들 롤러(1)와 소재의 관성모멘트에 의한 텐션 증가 총량은 다음과 같다.

이후 가속구간 정보 로딩단계(S200), 등속구간 정보 로딩 단계(S500), 감속구간 정보 로딩단계(S400)가 수행될 수 있으며, 등속구간의 정보는 가속구간과 감속구간의 중간구간이 될 수 있다.

또한, 각 단계의 로딩 이후 전술한 장력보상단계(S300)가 수행될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 제3 실시예의 순서도이다. 전 실시예에서는 각 정보를 로딩하는 단계가 순차적으로 이루어지는 것을 예를 들어 나타내었으나, 본 실시예에서는 각각의 정보가 제어 초기시 함께 로딩될 수 있도록 회전관성모멘트 및 속도프로파일 로딩단계(S120)가 수행되며, 제조 사이클의 진행동안 장력제어단계(S300)가 수행되도록 구성될 수 있다.

도 7은 스풀(100)제어시스템의 스풀(100) 및 댄서가 도시된 도면이다.

2차전지 제조장치의 스풀(100)모듈은 스풀(100), 스풀모터(200), 스풀 제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 스풀(100)은 양극판, 음극판 및 분리막을 각각 롤의 형태로 거치할 수 있도록 구성될 수 있다. 2차전지를 제조할 때 연속적이고 효율적으로 제조할 수 있도록 소재를 롤의 형태로 공급하여 제조에 이용하게 된다.

2차전지의 생산이 시작되면 권취부(500)에서 권취되는 양에 비례하여 스풀(100)에서는 각각의 소재를 풀어주게 된다. 이때 권취부(500)에서 잡아당기는 인장력만이 작용되는 경우에는 소재의 경로가 길어짐에 따라 스풀(100)이 풀리기 전 과도한 장력이 작용하여 소재가 파손될 수 있는 우려가 있게 된다. 따라서 적절한 장력이 제공되면서 소재가 권출될 수 있도록 스풀(100)이 회전된다. 한편, 이때의 소재는 2차전지 조립체를 구성하는 양극판, 음극판 및 분리막을 포함할 수 있다.

도 8은 스풀(100)모듈의 사시도이다. 도시된 바와 같이 스풀(100)모듈은 스풀(100), 스풀모터(200), 선속센서, 각도센서, 복수의 아이들 롤러 및 스풀 제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

스풀(100)은 롤 형식으로 권취되어 있는 소재가 거치될 수 있도록 구성되며, 프레임의 면에 수직한 방향으로 돌출되어 형성될 수 있다. 이때, 롤을 거치하여 회전시 고정시킬 수 있도록 중심부분에 척이 구비된다. 한편, 롤이 거치된 경우 소재가 권출됨에 따라 달라지는 외경을 측정할 수 있도록 센서가 구비될 수 있다.

스풀모터(200)는 스풀(100)과 연결되어 스풀(100)에 적절한 회전력을 전달할 수 있도록 구성된다. 스풀모터(200)는 후술할 스풀 제어부(300)의 입력에 따라 스풀(100)을 적절한 속도로 회전시키도록 구성된다.

선속센서는 스풀(100)로부터 권취된 소재가 이동시 선속을 측정할 수 있도록 구성된다. 선속센서는 엔코더(400) 또는 드라이밍 롤러로 구성되어 소재의 이동거리를 측정할 수있도록 구성된다. 소재 롤은 연속적인 생산을 위하여 많은 양이 권취되어 있으며, 2차전지를 생산함에 따라 외경의 감소가 크게 일어나게 된다. 따라서 스풀(100)의 회전속도와 권출되는 소재의 선속은 외경의 변화가 커짐에 따라 그 차이가 발생하게 되며, 이때 소재의 속도를 정확하게 측정할 수 있도록 구성된다. 한편 이로부터 특정 시간간격으로부터 이동한 소재의 거리가 도출될 수 있다.

각도센서는 스풀(100)의 회전에 따른 각속도 또는 회전각도를 측정할 수 있도록 구성되며, 예를들면 앱솔루트 엔코더(400)로 구성되어 절대각을 측정할 수 도록 구성될 수 있다. 한편, 이와같은 각도센서는 일 예이며, 일정시간동안 상대적인 각도를 측정할 수 있는 다양한 구성으로 적용될 수 있다.

아이들 롤러는 스풀(100)에서 권출된 소재가 기 설정된 경로를 따라 이동할 수 있도록 소재를 지지한다. 아이들 롤러는 별도의 구동부 없이 소재의 이동시 함께 회전하여 소재에 손상을 최소화 하면서 이동시킬 수 있게 된다.

스풀 제어부(300)는 선속센서 및 각도센서로부터 측정된 값을 피드백하고, 소재의 이동시 기준이 되는 목표권출속도로 소재가 이동할 수 있도록 스풀모터(200)의 구동력을 제어한다. 한편 스풀 제어부(300)를 도시하지는 않았으나, 2차전지 제조장치의 전체 스풀 제어부(300) 중 이러한 기능을 수행하는 마스터 스풀 제어부(300)로 구성되거나, 스풀 모듈(10)만을 제어하는 슬레이브 스풀 제어부(300)가 본 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.

이하에서는 2차전지 제조장치의 스풀(100) 제어 시스템의 스풀 제어부(300)의 기능에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 9는 스풀의 회전속도 제어의 블록선도이다.

도시된 바와 같이 스풀 제어부(300)는 목표권출선속을 입력받으며, 선속센서 및 각도센서로부터 측정된 현재 소재의 이동속도와의 차이를 계산하고, 변화되어야 하는 스풀(100)의 회전속도를 산출하게 된다.

한편, 현재 스풀(100)의 회전속도를 센싱하고 회전 각속도의 변화량을 계산하여 이를 반영하게 된다.

여기서 목표권출선속은 Vline 이라하고, 스풀(100)의 각속도는 ωspl, 스풀(100)의 지름은 Dspl 이라고 하면, 목표권출선속으로 소재를 권출하기 위해 스풀(100)이 가져야할 각속도 Vspl 은 다음과 같다.

이때 롤에서 소재가 권출됨에 따라 지름이 점점 줄어들게 되며, 이에따른 지름의 값은 레이저 센서, 또는 선속, 스풀(100)의 각도변화로부터 계산될수 있다. 한편 여기서 지름은 스풀(100)의 회전중심으로부터 소재 롤의 최외각면까지의 거리가 될 수 있다.

변화된 롤의 지름을 레이저 센서로 측정하는 경우 간단하게 현재 롤의 반경이 측정될 수 있으므로 이하에서는 소재의 선속 및 스풀(100)의 각도를 측정하여 현재 소재의 반경을 산출하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

소재가 권출됨에 따라 선속센서에서는 이전 스텝과 현재 스탭에서의 누적 이동량의 차이를 구할 수 있게 된다.

또한 이전스텝과 현재 스탭에서의 회전각도의 차이는 다음과 같다.

이로부터, 롤의 변화각과 선속의 관계에 따라 롤의 현재 지름은 다음의 식으로 구해질 수 있다.

따라서 롤의 지름이 변화됨에 따라 목표선속을 만족하기 위한 스풀(100)의 회전속도는 다음과 같다.

이는 소재의 장력에 작용하는 장력에 따라 회선전속을 제어하기 전, 1차적으로 소재의 권출에 따른 직경의 변화에 대응하여 스풀(100)의 회전속도를 제어하는 것이다.

결과적으로 스풀(100)에 거치되어 있는 소재의 종류 및 두께가 다양하게 적용되는 경우에도 회전각과 소재이동량에 따라 감소되는 직경이 산출되어 이를 제어에 반영하게 되므로 사용에 따라 점차적으로 스풀(100)의 회전속도를 증가시키게 되어 동일한 권출선속을 유지할 수 있게 된다. 이는 결국 장력이 일정하게 유지시킬 수 있는 속도제어가 된다.

도 10은 소재의 장력을 조절하기 위한 댄서형 장력제어장치의 사시도이다. 이때 스풀(100)로부터 권출된 소재는 소정의 경로를 거치게 되며, 이때 장력측정센서가 구비되어 소재에 작용하는 장력을 측정하게 된다.

한편 장력이 측정되어 기준장력보다 높은 장력이 측정되는 경우 즉시 스풀모터(200)의 회전속도를 증가시켜 소재를 느슨하게 만들게 되며, 반대로 기준장력보다 낮은 장력이 측정되는 경우 즉시 스풀모터(200)의 회전속도를 감소시켜 소재를 팽팽하게 하여 장력을 증가시키는 보상제어가 이루어지게 된다. 이러한 장력측정센서가 도 10와 같이 댄서형으로 구성되어 일측이 고정되고 피벗움직임으로 각도를 제어하는 경우, 댄서가 스풀(100)측으로 기울어지는 경우 장력이 낮아진 경우이므로, 회전속도를 낮추게 되며, 댄서가 스풀(100)측으로 멀어지는 각도로 기울어지면 장력이 증가된 경우 이므로, 스풀(100)의 회전속도를 증가시키게 된다.

이 경우에도 소재가 사용됨에 따라 회전속도 변화에 따른 선속의 변화가 극적으로 달라질 수 있다. 즉, 롤 소재의 초기와 말기에 동일한 회전량에 따른 권출되는 길이가 크게 달라지므로 롤 소재의 사용에 따라 스풀(100)의 회전각을 점차 크게 제어되어야 한다. 따라서 지름의 변화를 산출하여 장력제어와 동시에 활용되면 보다 정확한 장력제어 또한 이루어질 수 있게 된다. 이때 장력의 측정에 따른 회전속도 제어는 일반적인 PID 제어를 통하여 수행될 수 있다.

즉 1차적으로 지름의 변화를 측정하여 선 보상하며, 이에 장력의 변화가 필요한 경우 회전속도를 2차적으로 변화시켜 제어하여 목표권출선속의 추종성능이 향상된다.

도 11은 종래기술과 목표권출속도와 스풀(100) 회전속도를 나타낸 그래프이다.

종래 댄서의 각도변화 만을 센싱하여 스풀(100)의 속도를 제어할 때(a)와 장력과 롤의 지름변화를 동시에 측정하여 스풀(100)의 속도를 제어할 때(b)의 소재의 권출속도와 스풀(100)의 회전속도가 나타나 있다.

도 11(a)에 도시된 바와 같이, 생산이 시작되면 소재의 이동속도인 목표권출속도를 추종할 수 있도록 스풀(100)의 회전속도가 증가하게 된다. 이때 시간이 지남에 따라 스풀(100)의 회전속도도 증가하게 되는데, 이는 장력의 변화만을 측정하고 장력의 증감에 따라 회전속도를 제어하게 되어 그 변동폭이 매우 크고, 권출속도의 변화의 진동주기도 매우 짧게 나타난다. 여기서 소재는 연속적으로 공급되므로 권출속도의 변화량은 곧 장력의 변화량의 경향과 동일하거나 유사해 질 수 있다. 따라서 지속적으로 장력의 변화가 크고 빈번하게 이루어져 2차전지의 생산품질에 악영향을 미치게 된다. 또한 소재가 권취부(500)까지 연결되어 있어 지속적인 장력변화가 일어나게 되면 스풀 모듈(10) 이외의 다양한 작업이 이루어지는 모듈에도 영향를 미치게 되므로 전체적인 제어에 불필요한 리소스가 낭비될 수 있다.

반면 도 11 (b)를 살며보면, 스풀(100)의 회전속도가 소재를 사용함에 따라 감소된 지름(반지름)을 반영하여 선 보상하고 회전속도를 증가실수 있게된다. 이 경우, 일정하게 선속을 유지할 수 있게 된다. 이와 동시에 장력의 변화에 대응하여 회전속도를 제어하게 되는 경우 이미 선 반영된 회전속도의 변화가 있어 장력변화 주기도 길어지게 되며, 장력의 변화폭도 줄어들게 된다.

도 12는 따른 권취부(500) 제어시스템의 정면도이다.

권취부(500)는 각각의 소재가 정해진 순서에 따라 포개어져 권취될 수 있도록 구성된다. 권취부(500)는 최종적으로 생산하고자 하는 2차전지의 스펙에 따라서 다양한 두께로 제조될 수 있으며, 권취되는 형상 또한 원형, 타원형 또는 다각형의 형태로 권취될 수 있다. 한편 이때 권취될 때 도 1을 참조하여 설명한 불균일한 텐션이 적용되는 문제가 발생될 수 있으며, 이를 해결하기 위한 장력제어가 이루어지게 된다.

권취부(500)는 연속적인 생산을 위하여 터렛의 형태로 구성될 수 있다. 권취부(500)는 권취부(500)는 권심(510), 권심모터(520), 선속센서, 각도센서 및 권심(510) 제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 선속센서는 스풀(100)제어시 사용된 엔코더(400)의 측정값을 이용할 수 있으며, 소재 이동경로상에 구비된 드라이빙 롤러 또는 엔코더(400)로 구성될 수 있다. 한편, 전술한 구성요소는 스풀(100)모듈에 적용된 구성요소와 유사한 기능을 수행할 수 있어 각 구성요소의 구성에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 12에는 3개의 권취롤이 구비되어 있으며, 공정에 따라 각 포지션 별로 독립적인 공정을 수행하게 된다. 하나의 포지션에서는 권취가 이루어지며, 다른 포지션에서는 권취된 형태를 유지하기 위한 테이핑 등이 이루어지도록 구성될 수 있다. 한편 이러한 권취부(500)의 구성은 일 예일 뿐 다양한 기능을 갖는 다양한 구성으로 변형되어 적용될 수 있다.

권취부(500)는 회전속도를 제어하여 권취선속을 조절하며, 그에 따라 텐션에 영향을 미치게 된다. 또한 복잡한 경로를 따라 소재가 이동하며 장력이 수시로 바뀌게 되므로 그 장력유지를 위해 Driving roller 가 다수 구비되어 선속을 유지시키도록 구성될 수 있다. 각 소재의 경로상에는 아이들 롤러(Idle roller)가 다수 구비되어 있으며, 소재를 지지하거나 방향전환을 위해 구비되며, 별도의 구동원 없이 자유롭게 회전하는 롤러로 구성된다. 아이들 롤러의 개수 및 구비되는 위치는 다양하게 적용될 수 있어 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이하에서는 도 13 내지 도 15를 참조하여 권취부(500)가 원형 권취부(500)인 경우 권취부(500) 제어 시스템에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 13은 권심(510)의 평면도이며, 도 14는 권심 제어 시스템의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 권취부(500)가 원형인 경우(a) 권취 초기(b)보다 권취됨에 따라(c) 반경이 증가하게 되며, 동일한 회전각도에 따라 권취선속이 비례하여 증가하게 된다.

도 14를 살펴보면, 권심 제어부(530)에서는 목표권출속도를 입력받고, 엔코더(400)로부터 현재 소재의 이동선속이 측정되어 그 오차를 줄일 수 있도록 PID 제어가 이루어 질 수 있다. 이후 현재 지름에 따른 권심(510)의 필요 회전속도가 결정되면, 현재의 권심(510)의 회전속도와 비교하여 최종적으로 권심모터(520)의 회전량을 결정하게 되는 제어입력을 발생시킨다.

이하에서는 제어단계에서 이루어지는 각각의 단계에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

여기서 목표권출선속은 Vline 이라하고, 권심(510)의 각속도는 ωospl, 권심(510)의 지름은 Dospl 이라고 하면, 목표권출선속으로 소재를 권취하기 위해 권심(510)이 가져야할 각속도 ωospl 은 다음과 같다. 여기서 스풀(100)에서 권출되는 권출선속과 권심(510)에서 권취되는 권취선속은 동일한 값을 가질 수 있다.

초기 1회전시에는 소재가 권취되기 전 권심(510)의 외경에 따른 회전속도가 결정된다. 이후 소재의 권심(510)에서 권취되는 소재를 포함한 지름과 목표권취선속을 반영한 권심(510)의 회전 각속도는 다음과 같다.

이때 롤에서 소재가 권출됨에 따라 지름이 점점 줄어들게 되며, 이에따른 지름의 값은 레이저 센서, 또는 선속, 권심(510)의 각도변화로부터 계산될수 있다. 한편 여기서 지름은 스풀(100)의 회전중심으로부터 소재 롤의 최외각면까지의 거리가 될 수 있다.

변화된 롤의 지름을 레이저 센서로 측정하는 경우 간단하게 현재 롤의 반경이 측정될 수 있으므로 이하에서는 소재의 선속 및 권심(510)의 각도를 측정하여 현재 소재의 반경을 산출하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

소재가 권취됨에 따라 선속센서에서는 이전 스텝과 현재 스탭에서의 누적 이동량의 차이를 구할 수 있게 된다.

또한 이전스텝과 현재 스탭에서의 회전각도의 차이는 다음과 같다.

이로부터, 롤의 변화각과 선속의 관계에 따라 권취된 전극조합체의 현재 지름은 다음의 식으로 구해질 수 있다.

따라서 전극조합체의 지름이 변화됨에 따라 목표선속을 만족하기 위한 권심(510)의 회전속도는 다음과 같다.

도 15는 권심 제어시 권취속도와 권심(510)의 회전속도 및 장력이 도시된 그래프이다. 나타낸 그래프는 설명을 위하여 다소 과장되어 표현되어 있을 수 있다.

도 15 (a)에 도시된 바와 같이, 다량의 소재가 권취되어 있는 스풀(100)과 달리 권취부(500)에서는 권취 및 테이핑, 이동 등의 공정이 수행되므로 반복적인 사이클로 제조된다.

스풀(100)에서와 달리, 권취부(500)에서는 양극판, 음극판 및 2개의 분리막이 함께 권취될 수 있으며, 회전에 따른 지름증가가 스풀(100)의 지름감소 경향보다 훨씬 뚜렷하게 나타날 수 있다.

이때 목표 권취 속도는 초기 가속구간, 중간단계인 등속구간, 종료시 감속구간으로 구성될 수 있다. 이때 권심(510)의 회전속도는 권취됨에 따라 지름이 증가하게 되므로 도 15 (b)와 같이 초기보다 등속구간 및 종료감속구간에서 큰영향을 미치게 되고 회전속도가 감소하게 된다.

이와같이 권심(510)의 회전속도가 제어되는 경우 도 15(c)와 같이 한번의 제조 사이클 내에서 장력의 변화를 최소화 하여 권취할 수 있게 된다.

도 16은 권심(510)의 형상이 오발 형상인 경우의 권심(510)의 평면도 및 권심(510)회전속도를 그래프이다. 나타낸 그래프는 설명을 위하여 다소 과장되어 표현되어 있을 수 있다.

도시된 바와 같이, 권심(510)이 오발 타입인 경우 또는 이와 유사한 다각형인 경우에는 회전각에 따라 선속이 크게 달라질 수 있으며, 따라서 장력도 크게 달라질 수 있어 장력조절이 더욱 정밀하게 이루어져야한다.

이때, 전자캠 프로파일을 이용하여 권심(510)의 회전속도를 적용시키게 된다.(i) 이 경우, 권취되는 양에 따라 회전속도를 변화시키지 않으면 모서리 또는 회전속도가 증가하는 특정각도에서 장력의 급격한 변화가 이루어진다. 따라서 전자캠 프로파일에 따라 1차적으로 회전속도를 제어하며, 이후 권심(510)에서 권취되는 전극조합체에 의한 외경의 증가를 반영하여 2차적으로 회전속도를 늦추게 되므로 일정한 장력으로 권취가 이루어 질 수 있다.

이상에서 설명한 2차전지 제조장치의 권취부 제어시스템은 권취됨에 따라 증가하는 외경을 반영하여 회전속도를 제어하게 되므로 정밀하게 장력을 조절하여 적용할 수 있으므로, 2차전지의 품질을 크게 향상시킬 수 있으며, 고속으로 제어하는 경우에도 신속한 제어가 가능하므로 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 2차전지 제조장치의 장력 제어방법은 소재의 이동에 다른 가속구간 및 감속구간에서 아이들 롤러의 회전관성모멘트를 고려하여 장력을 제어할 수 있으므로 고속생산시에 균일한 품질을 유지할 수 있어 생산성이 크게 향상될 수 있다.

1: 아이들 롤러
2: 드라이빙 모터
m: 소재
S100: 아이들 롤러의 회전관성 모멘트 정보를 로딩하는 단계,
S110: 아이들 롤러, 비구동요소 및 소재의 관성모멘트를 정보를 로딩하는 단계
S120: 회전관성모멘트 및 속도프로파일 로딩단계
S200: 극판 선속의 가속구간 정보로딩 단계,
S300: 장력보상단계,
S400: 극판 선속의 감속구간 정보로딩 단계
S500: 극판 선속의 등속구간 정보로딩 단계
10: 스풀 모듈
100: 스풀
200: 스풀모터
300: 스풀 제어부
400: 엔코더
500: 권취부
510: 권심
520: 권심모터
530: 권심 제어부
Vline: 목표권출선속(mm/sec)
wspl: 스풀의 기본 각속도(deg/sec)
Dspl 스풀 지름
L': 이전 스풀 반경 계산시 소재의 진행길이
L": 현재 소재의 진행 길이
A': 이전 스풀 반경 계산시 권심의 각도(deg)
A": 현재 스풀의 각도(deg)
Vline: 목표권출선속(mm/sec)
ωang: 권심의 기본 각속도(deg/sec)
Do: 권심 지름
Lo': 이전 권심 반경 계산시 소재의 진행길이
Lo": 현재 권심의 진행 길이
Ao': 이전 권심 반경 계산시 권심의 각도(deg)
Ao": 현재 권심의 각도(deg)

Claims (9)

1. 2차전지의 소재가 이동시 회전하며 지지할 수 있도록 구성되는 복수의 아이들 롤러의 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계;
   상기 2차전지의 권취시 선속의 변화구간 정보를 로딩하는 단계; 및
   상기 변화구간에서 상기 아이들 롤러의 회전관성모멘트에 의해 발생하는 장력 변화량에 대응하여 장력조절장치의 장력 적용량을 조절하는 단계를 포함하며,
   상기 선속의 변화구간은,
   2차전지 제조 사이클에 따라 반복적으로 발생되며, 초기에 선속이 증가되는 구간 및 말기에 선속이 감소하는 구간을 포함하여 구성되는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 장력 적용량을 조절하는 단계는,
   상기 권취 시작시 상기 선속이 증가할 경우 상기 아이들 롤러의 회전관성모멘트에 의해 발생하는 텐션증가량을 보상할 수 있도록 상기 장력조절장치의 장력 적용량을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 장력 적용량을 조절하는 단계는,
   상기 권취 중 상기 권취선속이 유지되는 구간에서는 상기 소재에 적용하는 장력을 측정하여 상기 장력 적용량을 목표 장력으로 조절하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 장력 적용량을 조절하는 단계는,
   상기 권취 종료시 상기 선속이 감소할 때 상기 아이들 롤러의 회전관성에 의해 발생하는 장력감소량을 보상할 수 있도록 상기 장력조절장치의 장력 적용량을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 장력 적용량을 조절하는 단계는,
   상기 권취 전 각각의 소재에 작용하는 장력을 일괄적으로 조절하도록 상기 소재의 이동경로상에 각각 구비된 장력조절장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 장력조절장치는 피벗 움직임이 가능하게 구성되며, 상기 피벗 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 전공 레귤레이터를 포함하여 구성되며,
   상기 장력 적용량을 조절하는 단계는 상기 전공 레귤레이터에 작용하는 압력을 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 회전관성모멘트 정보는,
   상기 아이들 롤러에 의해 증가하는 장력 증가량 정보를 포함하며,
   상기 장력 증가량 정보는
   

   

   
   로 계산되는 것을 특징으로 하는 2자전지 제조장치의 장력 제어방법.
8. 제2 항에 있어서,
   상기 회전관성모멘트 정보를 로딩하는 단계는,
   상기 소재의 이동에 따른 관성모멘트 정보를 포함한 정보를 로딩하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
   
9. 제2 항에 있어서,
   상기 회전관성모멘트 정보는,
   상기 복수의 아이들 롤러의 회전관성모멘트의 총 합과, 상기 소재의 이동시 접촉하여 회전하는 비 구동요소의 회전관성모멘트 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차전지 제조장치의 장력 제어방법.
   
   

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