KR102045494B1 - 제조 공정성이 향상된 전지케이스의 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법 - Google Patents

제조 공정성이 향상된 전지케이스의 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수납부에 대응되는 형상의 제 1 공간부가 형성되어 있는 제 1 몰드; 수납부에 대응되는 형상의 제 2 공간부와 상기 제 2 공간부와 연통되는 관통구가 형성되어 있으며, 라미네이트 시트를 사이에 두고 제 1 몰드와 결합되도록 구성되어 있는 제 2 몰드;상기 제 1 공간부와 제 2 공간부가 외부로부터 격리된 상태로 관통구에 장착되어 있고, 상기 관통구를 통해 제 2 공간부의 공기압을 증감시켜 라미네이트 시트를 제 1 공간부 또는 제 2 공간부에 대응하는 형상으로 연신 변형시키는 공기압 조정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스용 제조 장치를 제공한다.

Description

제조 공정성이 향상된 전지케이스의 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법 {Manufacturing Apparatus for Battery Case with Improved Productivity and Method Using the Same}
본 출원은 2016.03.17자 한국 특허 출원 제10- 2016-0032092호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 제조 공정성이 향상된 전지케이스의 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 특히, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구 및 상용화가 이루어 지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
상기 파우치형 이차전지는, 연성의 라미네이트 시트를 전지케이스로 이용하여, 라미네이트 시트 상에서 전극조립체 형상으로 성형되어 있는 수납 공간 상에 전극조립체와 전해액이 내장된 구조로 이루어져 있다.
한편, 소형 모바일 기기 또는 가전 제품 등에서 점차적으로 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장장치 등과 같이 대용량의 전력을 요구하는 분야에서도 이차전지가 에너지원으로 사용되고 있다. 따라서 종래 소용량의 이차전지보다 대용량의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차전지의 충방전 용량은 전극 판의 넓이 및 전극 판의 개수에 비례하며, 전극 판의 넓이 및 개수가 증가될 수록 전극조립체의 두께가 증가하게 된다.
이에 대응하여, 전지케이스의 형상 역시, 상대적으로 두께가 두꺼운 전극조립체의 수납이 가능하도록 깊이가 깊은 수납부의 형태가 요구된다.
일반적으로 수납부는 라미네이트 시트를 고정시킨 상태로, 시트를 하향으로 가압하는 펀치를 이용하여 라미네이트 시트를 소망하는 깊이 까지 연신시키는 방법을 사용한다.
그러나, 라미네이트 시트가 가지는 연성의 한계와 펀치의 가압 시 인가되는 마찰력으로 인하여 일정 깊이 이상에서는 연신된 라미네이트 시트의 외면 상에 핀홀(pin-hole) 또는 크랙(crack) 등의 외형 상 결함이 발생되며, 이러한 이유로 대용량의 전극조립체의 수용이 가능하도록 수납부의 깊이를 깊게 형성하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 상술한 기술적 문제점, 즉, 수납부의 깊이를 깊게 형성할 수 있으면서도 외형상 결함을 유발하지 않는 전지케이스 제조 장치의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 라미네이트 시트의 강제적 연신 시, 마찰력이 최소화될 수 있는 제조 장치를 제공하는 것이며, 상세하게는 라미네이트 시트에 접촉된 상태로 강제적 연신을 유도하는 펀치와 같은 가압 수단 대신, 공기압으로 라미네이트 시트의 연신을 유도하여 소망하는 형태와 품질의 전지케이스를 제조할 수 있는 제조 장치와 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조 장치는,
이차전지용 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 라미네이트 시트 상에 형성시키는 전지케이스의 제조를 위한 장치로서,
수납부에 대응되는 형상의 제 1 공간부가 형성되어 있는 제 1 몰드;
수납부에 대응되는 형상의 제 2 공간부와 상기 제 2 공간부와 연통되는 관통구가 형성되어 있으며, 라미네이트 시트를 사이에 두고 제 1 몰드와 결합되도록 구성되어 있는 제 2 몰드;
상기 제 1 공간부와 제 2 공간부가 외부로부터 격리된 상태로 관통구에 장착되어 있고, 상기 관통구를 통해 제 2 공간부의 공기압을 증감시켜 라미네이트 시트를 제 1 공간부 또는 제 2 공간부에 대응하는 형상으로 연신 변형시키는 공기압 조정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 제조 장치는 공기압의 증감에 따라 라미네이트 시트의 연신을 유도하기 때문에, 라미네이트 시트에 직접 접촉된 상태로 가압하는 구조, 예를 들어, 펀치를 이용한 딥 드로잉 방식과 비교하여 연신 과정에서 라미네이트 시트에 인가되는 마찰력이 현저히 낮은 바, 크랙과 핀홀과 같은 결함이 방지될 수 있을 뿐만 아니라, 보다 깊은 깊이로 이루어진 수납부의 형태로 라미네이트 시트를 연신시킬 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 이러한 구조에서는 펀치 및 이를 승강운동 시키는 유압 실린더와 같은 복잡한 가압 수단들이 생략될 수 있으므로, 상대적으로 콤팩트한 구조로 제조 장치가 구성될 수 있으며, 이에 기반하여 설비 설계와 유지 보수 측면에서 경제적 이점을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 제조 장치에서 상기 제 1 공간부와 제 2 공간부의 내면에는 라미네이트 시트와의 마찰력 감소를 위한 코팅층이 부가될 수 있으며, 이러한 코팅층은 예를 들어, 마찰계수가 0.03 내지 0.04인 테프론(teflon) 수지일 수 있다.
일반적으로 라미네이트 시트는 연 포장재의 특성을 가지는 바, 외력에 대한 연신성이 우수한 장점이 있으나 기계적 강성은 낮은 편이며, 이러한 이유로 제 1 몰드와 제 2 몰드의 내면인 각 공간부들에 밀착된 상태로 연신되는 라미네이트 시트에는 마찰력이 형성된다.
이러한 마찰력은 연신되는 라미네이트 시트에 부하로 작용하기 때문에, 라미네이트 시트와 공간부들 내면이 밀착된 부위에서 라미네이트 시트가 포함하는 고유의 연성 보다는 낮은 연성이 형성된다.
따라서, 마찰력에 의해 형성된 연성보다 강한 가압력이 인가되는 경우에는 시트가 강제적으로 연신되기는 하되 외면 상에 크랙이 발생될 수 있다.
이러한 이유로, 라미네이트 시트의 연신을 유도하는 공기압을 크게 설정하기 어려운 점이 있고, 실질적으로, 수납부의 깊이가 공기압에 의한 가압력으로 결정되는 점으로 고려할 때, 공기압의 범위는 크랙이 발생되지 않는 범위 내에서 설정되어야 한다.
이에 본 발명에 따른 제조 장치는, 가압 시, 라미네이트 시트에 밀착되는 제 1 공간부와 제 2 공간부의 내면에 마찰계수가 상대적으로 낮은 코팅층이 형성되어 있는 바, 라미네이트 시트와 펀치가 밀착된 부위에서 시트 고유의 연성 저하를 최소화하여 크랙의 발생은 억제하면서도 상대적으로 수납부의 깊이를 깊게 형성시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 제 1 몰드와 제 2 몰드와 수납부 형성 구조를 하기 비제한적인 예들을 통해 더욱 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 몰드는, 라미네이트 시트에서, 수납부 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트의 하면에 밀착되는 제 1 고정부들을 포함하며;
상기 제 2 몰드는, 라미네이트 시트에서, 수납부 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트의 상면에 밀착되는 제 2 고정부들을 포함하고;
상기 제 1 고정부들과 제 2 고정부들 사이에 라미네이트 시트가 고정된 상태에서, 제 1 공간부와 제 2 공간부는 외부로부터 격리될 수 있다.
또한, 상기와 같이, 제 1 고정부들과 제 2 고정부들 사이에 라미네이트 시트가 고정된 상태에서는, 제 1 공간부와 제 2 공간부가 라미네이트 시트를 기준으로 서로에 대해 격리될 수 있다.
따라서, 제 1 공간부과 제 2 공간부에 위치한 라미네이트 시트는 외부로부터 격리되며 특히, 제 2 공간부 내의 공기압이 변화하면 이에 대응하여 변형될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 공기압 조정기는 관통구를 통해 제 2 공간부의 공기압을 감압시키며, 상기 라미네이트 시트는 제 2 공간부의 감압에 대응하여 제 2 공간부 방향으로 연신되면서 제 2 공간부에 대응하는 형상으로 변형될 수 있다.
이러한 구조는, 제 2 공간부의 공기압이 제 1 공간부의 기압보다 낮아지면서 라미네이트 시트가 제 1 공간부을 기준으로 제 2 공간부의 방향으로 거동하며, 이때, 라미네이트 시트는 서서히 연신되면서 제 2 공간부의 내면에 밀착되는 형태로 성형된다.
여기서, 공기압 조정기를 통한 제 2 공간부의 감압 정도는 라미네이트 시트의 두께와 수납부의 소망하는 깊이를 고려하여 설정될 수 있으나, 단순이 수납부의 체적과 깊이를 크게 하기 위하여 감압 정도를 과도하게 높게 설정하는 경우에는 라미네이트 시트에 대한 과도한 연신과 마찰력에 의해 시트 표면에 크랙이나 핀홀과 같은 결함이 발생될 수 있을 뿐만 아니라, 소망하는 수납부 형태로 성형되기 이전에 관통구가 라미네이트 시트의 일부에 의해 밀폐될 수 있다.
또한, 라미네이트 시트는 소재의 특성 상, 수지층과 금속층을 포함하는데, 시트가 너무 얇은 경우에는 수지층을 통해 미량의 수분 입자가 투과될 수 있고, 특히 연신되어 두께가 상대적으로 얇아진 부위에서 투과 현상이 촉진될 수 있다.
이에, 라미네이트 시트가 연신된 상태에서도 수분에 대한 신뢰성을 담보할 수 있는 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이에 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 공기압 조정기가 10×105dyn/cm2 내지 99×105dyn/cm2의 압력으로 공기를 흡입하여 감압시킬 경우에 앞선 두 가지 조건들, 즉, 라미네이트 시트의 과도한 연신으로 인한 결함과 관통구 폐색이 유발되지 않으면서도 수납부를 통한 수분 투과에 대한 신뢰성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
경우에 따라서는, 제 2 공간부의 감압은, 상기한 압력 범위를 만족하는 상대적으로 높은 압력에서 낮은 압력으로 점진적으로 수행될 수도 있다.
한편, 공기가 유통되는 관통구의 수직 단면적은, 감압 이전에 제 2 공간부에 위치하는 라미네이트 시트의 총 면적 대비 0.01% 내지 5% 크기일 수 있다.
상기 범위 미만에서는 관통구 부위에 과도한 흡입압이 형성되어 관통구에 인접한 라미네이트 시트가 찢어질 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 라미네이트 시트에서 관통구를 통해 추가로 연신되는 부위가 상대적으로 넓게 형성될 수 있고, 관통구의 형상이 라미네이트 시트에 형성되어 소망하는 형태로 수납부가 성형되지 않을 수 있다.
상기와 같이, 관통구로 인한 소망하지 않는 형태로의 라미네이트 시트 성형과 시트의 파손이 방지되도록, 상기 크기 범위를 만족하는 복수의 관통구들이 제 2 몰드에 형성될 수도 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 공기압 조정기는 제 2 공간부의 공기압을 증압시키며, 상기 시트는 제 2 공간부에 형성된 공기압에 대응하여 제 1 공간부 방향으로 연신되면서 제 1 공간부에 대응하는 형상으로 변형될 수 있다.
이러한 구조는, 제 2 공간부의 공기압이 제 1 공간부의 기압보다 높아지면서 라미네이트 시트가 제 2 공간부을 기준으로 제 1 공간부의 방향으로 거동하며, 이때, 라미네이트 시트는 서서히 연신되면서 제 1 공간부의 내면에 밀착되는 형태로 성형된다.
여기서, 상기 공기압 조정기는 앞선 감압과 마찬가지로, 라미네이트 시트의 과도한 연신과 관통구 폐색이 유발되지 않으면서도 수납부를 통한 수분 투과에 대한 신뢰성을 확보될 수 있는 압력 범위에서 증압을 수행할 수 있으며, 상세하게는 10×105dyn/cm2 내지 99×105dyn/cm2의 압력으로 공기를 투입하여 증압시킬 수 있다.
경우에 따라서 제 2 공간부의 감압은, 상기한 압력 범위를 만족하는 상대적으로 낮은 압력에서 높은 압력으로 점진적으로 수행될 수 있다.
본 발명에서 상기 라미네이트 시트란, 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 고분자 수지의 하층으로 이루어진 시트를 의미한다.
상기 고분자 수지의 상층은 전지케이스의 외 표면을 형성하는 수지층으로서, 외부 환경에 우수한 내성을 가지도록 소정 이상의 인장강도와 내후성이 요구된다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 사용될 수 있다.
상기 고분자 수지의 하층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 차단성 금속의 중간층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 셀 케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄이 사용될 수 있다.
일반적으로 차단성 금속은 라미네이트 시트의 연신에 지배적인 역할을 한다.
구체적으로, 상기 차단성 금속의 두께가 두꺼울수록 라미네이트 시트가 연신될 수 있는 범위가 상대적으로 넓을 수 있으나, 과도하게 두꺼울 경우에는 오히려 두꺼운 차단성 금속의 강성에 의해 연성이 저하될 수 있다.
반대로 차단성 금속의 두께가 얇을수록 라미네이트 시트가 연신될 수 있는 범위는 상대적으로 좁을 수 있으나, 얇은 차단성 금속의 기계적 강성이 낮아 연성은 증가될 수 있다.
특히, 펀치를 이용한 딥 드로잉 방식에서는 펀치의 순간적인 가압에 의해 라미네이트 시트의 성형이 수행되므로, 기계적 강성을 위해 차단성 금속의 두께가 두꺼운 것이 유리하며, 그 두께는 대략 50 마이크로미터 내지 150 마이크로미터일 수 있다. 다만, 차단성 금속의 두께가 증가될수록 제조 비용이 크게 증가되므로, 상기 딥 드로잉 방식은 경제적 측면에서 불리한 점이 있다.
반면에, 본 발명에서는 공기압을 이용하여 라미네이트 시트의 연신을 서서히 유도하므로 차단성 금속의 두께가 상대적으로 얇은 것이 유리하며, 이러한 이유로 딥 드로잉 방식과 비교하여 경제적 측면에서 유리한 점이 있다. 이에 본 발명에서는 상기 차단성 금속의 두께가 15 마이크로미터 내지 50 마이크로미터일 수 있으며, 상세하게는 25마이크로미터 내지 50 마이크로미터일 수 있다.
상기 차단성 금속의 두께가 15 마이크로미터 미만인 경우에는 연신 범위가 좁아, 연성 과정에서 금속이 파단될 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 공기압으로의 연신이 용이하지 않은 바 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 이차전지용 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 라미네이트 시트 상에 형성시키는 방법을 제공한다.
상기 제조 방법은 구체적으로,
제 1 몰드와 제 2 몰드 사이에 라미네이트 시트를 거치시키고, 제 1 몰드에 형성된 제 1 공간부와 제 2 몰드에 형성된 제 2 공간부가 서로에 대해 격리되는 형태로 제 1 몰드와 제 2 몰드를 결합시키는 과정;
상기 제 2 몰드의 제 2 공간부와 연통되는 관통구와 상기 관통구에 결합되어 있는 공기압 조정기로 제 2 공간부의 압력을 변화시키는 과정; 및
상기 시트가 제 2 공간부의 압력 변화에 대응하여 제 1 공간부 또는 제 2 공간부에 대응하는 형태로 연신되는 과정;을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 방법은 격리된 공간에서의 공기압을 변화시켜 라미네이트 시트의 연신을 유도하는 바, 일반적인 딥 드로잉 방법과 비교하여 연신 과정에서 라미네이트 시트에 인가되는 마찰력이 현저히 낮아 깊은 깊이로 라미네이트 시트를 연신시킬 수 있는 바, 제조 공정성 측면에서 우수한 장점을 제공한다.
이러한 방법에서 상기 압력 변화는 공기압 조정기가 제 2 공간부 내의 공기를 흡입하여 감압하는 과정 또는 제 2 공간부로 공기를 투입하여 증압하는 과정을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 갑압의 경우에는 대기압에서 10×105dyn/cm2 내지 60×105dyn/cm2의 압력으로 감압하는 제 1 차 감압과, 제 1 차 감압의 압력 대비 110% 내지 400%의 압력으로 감압하는 제 2 차 감압이 단계적으로 수행될 수 있다.
마찬가지로, 상기 증압은 대기압에서 10×105dyn/cm2 내지 60×105dyn/cm2의 압력으로 증압하는 제 1 차 증압과, 제 1 차 증압의 압력 대비 110% 내지 400%의 압력으로 증압하는 제 2 차 증압이 단계적으로 수행될 수 있다.
이는 라미네이트 시트의 연신을 점진적으로 유도하여 수납부의 치수 정밀도를 높이는 동시에, 단시간에 라미네이트 시트가 연신 시, 발생될 수 있는 크랙이나 핀홀 등의 결함을 방지하기 위한 것이다.
또한, 이와 같은 단계적 증압과 갑압은 라미네이트 시트의 각 부위들, 예를 들어 제 1 공간과 제 2 공간에 위치하여 공기압에 직접적으로 가압되는 부위 및 제 1 몰드와 제 2 몰드 사이에 맞물려 있는 부위에서 상대적으로 균일하게 연신되는 것을 유도하여, 수납부 두께를 균일하게 형성시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법으로 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 제공한다.
상기 전지케이스의 수납부에는 전극조립체와 전해액이 내장될 수 있으며, 이 상태에서 전지케이스의 외주 부위가 열융착 밀봉되어 이차전지를 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 장치와 방법은 공기압의 증감에 따라 라미네이트 시트의 연신을 유도하기 때문에, 라미네이트 시트에 직접 접촉된 상태로 가압하는 구조, 예를 들어, 펀치를 이용한 딥 드로잉 방식과 비교하여 연신 과정에서 라미네이트 시트에 인가되는 마찰력이 현저히 낮은 바, 크랙과 핀홀과 같은 결함이 방지될 수 있을 뿐만 아니라, 보다 깊은 깊이로 이루어진 수납부의 형태로 라미네이트 시트를 연신시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 장치의 모식도이다;
도 2 및 도 3은 제조 장치의 수직 단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 방법의 흐름도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제조 장치의 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 제조 장치가 모시적으로 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 제조 장치의 수직 단면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 제조 장치는 제 1 몰드(110), 제 2 몰드(120) 및 제 2 몰드(120)에 연결되는 공기압 조정기(도시하지 않음)를 포함한다.
제 1 몰드(110)는 전지케이스에서 수납부(12)의 형태와 대응되는 형상으로 이루어진 제 1 공간을 포함한다. 제 1 몰드(110)는 또한, 라미네이트 시트(10)에서, 수납부(12) 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트(10)의 하면에 밀착되는 제 1 고정부들(114)을 포함한다.
제 2 몰드(120)는 전지케이스에서 수납부(12)의 형태와 대응되는 형상으로 이루어진 제 2 공간을 포함한다.
제 2 몰드(120)는, 라미네이트 시트(10)에서, 수납부(12) 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트(10)의 상면에 밀착되는 제 2 고정부들(124)을 포함한다.
제 2 몰드(120)는 또한, 제 2 공간부(122)와 연통되는 관통구(126)를 더 포함하며, 이 관통구(126)에 공기압 조정기가 연결되는 구조로 이루어져 있다.
도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 본 발명에서 제 1 공간과 제 2 공간에는 라미네이트 시트(10)에 대한 마찰력 감소가 가능하도록, 마찰계수가 낮은 코팅층이 제 1 공간과 제 2 공간의 내면에 코팅 처리되어 있다.
라미네이트 시트(10)는 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120) 사이에 배치되며, 제 1 고정부들(114)과 제 2 고정부들(124)이 상호 대면하도록 결합될 때, 제 1 고정부들(114)과 제 2 고정부들(124)에 밀착된 상태로 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120) 사이에서 고정된다.
도면에 도시하지는 않았지만, 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120)의 결합은 기계적 체결 수단들, 예를 들어 암수 체결구조 또는 나사 결합 구조에 의해 달성될 수 있다.
이와 같이 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120)가 결합되면 제 1 공간부(112)와 제 2 공간부(122)는 외부로부터 격리되며, 오직 제 2 공간이 관통구(126)를 경유하여 공기압 조정기와 연통된다.
또한, 제 1 고정부들(114)과 제 2 고정부들(124) 사이에 라미네이트 시트(10)가 고정된 상태에서는, 제 1 공간부(112)와 제 2 공간부(122)가 라미네이트 시트(10)를 기준으로 서로에 대해 격리된다.
이 상태에서는 제 2 공간부(122)에서의 공기압 변화에 따라 라미네이트 시트(10)가 제 1 공간부(112)나 제 2 공간부(122) 방향으로 연신되면서 변형될 수 있다.
이와 관련하여 도 2 및 도 3에는 제 2 공간부(122)에서의 공기압 변화를 이용하여 라미네이트 시트(10)에 수납부(12)를 형성시키는 일련의 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 2의 (a)를 참조하면, 공기압 조정기는 관통구(126)를 통해 제 2 공간부(122)의 공기를 흡입하여, 제 2 공간부(122)의 공기압을 감압시킨다.
이 상태에서는 제 2 공간부(122)의 공기압이 제 1 공간부(112)의 기압보다 낮아지면서 라미네이트 시트(10)가 제 1 공간부(112)을 기준으로 제 2 공간부(122)의 방향으로 거동하면서 서서히 연신된다.
소정의 시간 동안 감압이 수행되면, 도 2의 (b)에서와 같이, 라미네이트 시트(10)가 제 2 공간부(122)의 내면에 밀착되는 형태로 성형되어 제 2 공간부(122)의 형태를 가지는 수납부(12)가 형성된다.
도 2에는 제 2 공간부(122)의 형태가 수직 단면으로 장방형 구조로 이루어져 있으나 다양한 형태로 수납부(12)가 성형되도록 라운드 형상 또는 요철 형상을 포함하는 비정형 구조로 이루어질 수도 있다.
도 3에는 도 2와 반대로, 제 2 공간부(122)의 공기압을 증압하여 수납부(12)를 형성하는 과정이 도시되어 있다.
도 3의 (a')를 참조하면, 공기압 조정기는 관통구(126)를 통해 제 2 공간부(122)로 공기를 투입하여, 제 2 공간부(122)의 공기압을 증압시킨다.
이 상태에서는 제 2 공간부(122)의 공기압이 제 1 공간부(112)의 기압보다 높아지면서 라미네이트 시트(10)가 제 2 공간부(122)을 기준으로 제 1 공간부(112)의 방향으로 거동하면서 서서히 연신된다.
소정의 시간 동안 감압이 수행되면, 도 2의 (b')에서와 같이, 라미네이트 시트(10)가 제 1 공간부(112)의 내면에 밀착되는 형태로 성형되어 제 1 공간부(112)의 형태를 가지는 수납부(12)가 형성된다.
도 3에는 제 1 공간부(112)의 형태가 수직 단면으로 장방형 구조로 이루어져 있으나 다양한 형태로 수납부(12)가 성형되도록 라운드 형상 또는 요철 형상을 포함하는 비정형 구조로 이루어질 수도 있다.
또한, 도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 라미네이트 시트(10)가 제 1 공간부(112)으로 연신될 때, 제 1 공간부(112)에 존재하는 공기가 외부로 배기될 수 있는 개구가 제 1 공간부(112) 상에 형성될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조 방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 먼저 과정(210)에서 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120) 사이에 라미네이트 시트(10)를 거치시키고, 제 1 몰드(110)에 형성된 제 1 공간부(112)와 제 2 몰드(120)에 형성된 제 2 공간부(122)가 서로에 대해 격리되는 형태로 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120)를 결합시킨다.
여기서, 제 2 공간부(122)와 연통되어 있는 관통구(126)가 공기압 조정기와 연결되어 있으며, 그에 따라 제 2 공간부(122)는 공기압 조정기에 의해 공기압이 변화될 수 있다. 본 발명에서 공기압 조정기는 공기압 변형이 가능한 기기라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 에어 콤프레셔와 진공 모터가 복합되어 있는 구조일 수 있다.
이후, 과정(220)에서 공기압 조정기로 제 2 공간부(122)의 압력을 변화시켜 라미네이트 시트(10)의 연신을 유도한다.
여기서, 압력 변화는 공기압 조정기가 제 2 공간부(122) 내의 공기를 흡입하여 감압하는 과정과 제 2 공간부(122)로 공기를 투입하여 증압하는 과정을 선택적으로 사용할 수 있다.
만약 과정(220)에서, 제 2 공간부(122) 내의 공기를 흡입하여 감압하는 방법을 선택한다면, 대기압에서 대략 60×105dyn/cm2의 압력으로 감압하는 제 1 차 감압 수행 후, 제 1 차 감압의 압력 대비 대략 150%인 90×105dyn/cm2의 압력으로 감압하는 제 2 차 감압을 단계적으로 수행할 수 있다.
이와는 달리, 과정(220)에서, 제 2 공간부(122)로 공기를 투입하여 증압하는 방법을 선택한 경우에는, 대기압에서 대략 60×105dyn/cm2의 압력으로 증압하는 제 1 차 증압 수행 후, 제 1 차 증압의 압력 대비 150%인 90×105dyn/cm2의 압력으로 감압하는 제 2 차 증압을 단계적으로 수행할 수 있다.
이러한 단계적 압력 변화는 라미네이트 시트(10)의 연신을 점진적으로 유도하여 수납부(12)의 치수 정밀도를 높이는 동시에, 단시간에 라미네이트 시트(10)가 연신 시, 발생될 수 있는 크랙이나 핀홀 등의 결함을 방지할 수 있다.
또한, 라미네이트 시트(10)의 각 부위들, 예를 들어 제 1 공간과 제 2 공간에 위치하여 공기압에 직접적으로 가압되는 부위 및 제 1 몰드(110)와 제 2 몰드(120) 사이에 맞물려 있는 부위에서 상대적으로 균일하게 연신되는 것을 유도하여, 수납부(12) 두께를 균일하게 형성시킬 수 있다.
과정(230)에서는 라미네이트 시트(10)가 제 2 공간부(122)의 압력 변화에 대응하여 제 1 공간부(112) 또는 제 2 공간부(122)에 대응하는 형태로 연신되어 수납부(12) 형태로 성형된다.
한편, 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제조 장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 제조 장치(200)는 도 1 내지 도 3에 도시된 제조 장치의 구조와 유사하고 라미네이트 시트(20)에 대한 연신 과정 또한 동일하나, 제 2 몰드(220)에 복수의 관통구들(226)이 천공되어 있는 점에서 차이가 있다.
구체적으로 제 2 몰드(220)에는 제 2 공간부(도시하지 않음)와 연통되는 복수의 관통구(226)를 포함하며, 이 관통구들(226)을 제외한 제 2 몰드(220) 외면이 격리되는 구조로 제 2 몰드와 공기압 조정기(도시하지 않음)가 결합될 수 있고, 경우에 따라서는 각각의 관통구들(226)이 공기압 조정기와 연결될 수도 있다.
관통구(226) 각각의 수직 단면적은, 감압 이전에 제 2 공간부에 위치하는 라미네이트 시트(20)의 총 면적 대비 대략 1% 이하의 크기를 가질 수 있다.
이러한 구조는 흡입압이 어느 하나의 관통구 상에 집중되지 않고 복수의 관통구들로 분산되면서, 라미네이트 시트가 관통구를 통해 연신되거나 관통구 각각에 대해 과도한 흡입압이 형성되는 것을 방지하여 소망하는 형태로의 성형을 가능하게 한다.
한편 이하에서는 실시예와 비교예를 통해, 본 발명에 따른 제조 장치를 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
면적이 400mm2 인 라미네이트 시트를 제 1 몰드와 제 2 몰드 사이에 배치한 상태에서, 제 2 몰드에 형성된 관통구에 연결된 공기압 조정기를 이용하여 제 2 몰드 내의 공기압을 감압하여 라미네이트 시트를 성형하였다.
이때, 공기압 조정기는 50×105dyn/cm2의 압력으로 감압하였고, 관통구의 수직 단면적은 19.5mm2 이고, 라미네이트 시트의 두께는 30마이크로미터이며, 라미네이트 시트의 차단성 금속은 15마이크로미터이다.
<실시예 2>
공기압 조정기가 99×105dyn/cm2의 압력으로 감압한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 라미네이트 시트를 성형하였다.
<실시예 3>
관통구의 수직 단면적이 3mm2 인 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 구조의 제조 장치와 방법으로 라미네이트 시트를 성형하였다.
<비교예 1>
9×105dyn/cm2의 압력으로 감압한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 라미네이트 시트를 성형하였다.
<비교예 2>
110×105dyn/cm2의 압력으로 감압한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 라미네이트 시트를 성형하였다.
<비교예 3>
관통구의 수직 단면적이 30mm2 인 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 구조의 제조 장치와 방법으로 라미네이트 시트를 성형하였다.
<실험예>
실시예 1 내지 실시예 3와 비교예 1 내지 비교예 3에서 성형된 라미네이트 시트의 수납부 깊이를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
수납부 깊이
실시예 1 9.5mm
실시예 2 10.2mm
실시예 3 10.7mm
비교예 1 2.7mm
비교예 2 측정 불가
비교예 3 측정 불가
표 1에서와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 조건 하에 제조 장치로 라미네이트 시트를 성형하는 경우, 전극조립체의 수납이 가능한 깊이로 수납부가 형성되었다.
반면에, 비교예 2의 경우, 라미네이트 시트의 일부가 찢어지면서 깊이 측정이 불가능하였다. 이는 상대적으로 높은 압력 하에 감압이 수행되어, 라미네이트 시트가 과도하게 연신되면서 발생된 것으로 예상된다.
또한, 비교예 3의 경우, 라미네이트 시트의 성형이 거의 이루어지지 않은 바, 깊이 측정이 불가능하였다. 아는 상대적으로 넓은 관통구로 인하여, 라미네이트 시트에 충분한 진공압이 인가되지 않은 것으로 예상된다.
비교예 1의 경우, 실제 사용 가능한 수납부 깊이가 형성되지 않았다. 이로서, 비교예 1과 같은 낮은 압력 하에서는, 소망하는 형태로 라미네이트 시트가 수납되지 않는 것을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 이차전지용 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 라미네이트 시트 상에 형성시키는 전지케이스의 제조를 위한 장치로서,
    수납부에 대응되는 형상의 제 1 공간부가 형성되어 있는 제 1 몰드;
    수납부에 대응되는 형상의 제 2 공간부와 상기 제 2 공간부와 연통되는 관통구가 형성되어 있으며, 라미네이트 시트를 사이에 두고 제 1 몰드와 결합되도록 구성되어 있는 제 2 몰드; 및
    상기 제 1 공간부와 제 2 공간부가 외부로부터 격리된 상태로 관통구에 장착되어 있고, 상기 관통구를 통해 제 2 공간부의 공기압을 증감시켜 라미네이트 시트를 제 1 공간부 또는 제 2 공간부에 대응하는 형상으로 연신 변형시키는 공기압 조정기를 포함하고;
    상기 공기압 조정기는 관통구를 통해 제 2 공간부의 공기압을 감압 또는 증압시키며,
    상기 제 2 공간부의 공기압을 감압시키는 경우, 상기 라미네이트 시트는 제 2 공간부의 감압에 대응하여 제 2 공간부 방향으로 연신되면서 제 2 공간부에 대응하는 형상으로 변형되며,
    상기 제 2 공간부의 공기압을 증압시키는 경우, 상기 라미네이트 시트는 제 2 공간부에 형성된 공기압에 대응하여 제 1 공간부 방향으로 연신되면서 제 1 공간부에 대응하는 형상으로 변형되고,
    상기 제 1 공간부와 상기 제 2 공간부의 내면에는 라미네이트 시트와의 마찰력 감소를 위한 코팅층이 부가되어 있으며,
    상기 관통구는 복수로 상기 제2 몰드에 천공되어 있고,
    상기 관통구의 수직 단면적은, 감압 이전에 제 2 공간부에 위치하는 라미네이트 시트의 총 면적 대비 0.01% 내지 1% 크기인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몰드는, 라미네이트 시트에서, 수납부 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트의 하면에 밀착되는 제 1 고정부들을 포함하며;
    상기 제 2 몰드는, 라미네이트 시트에서, 수납부 형성을 위한 부위에 인접한 외주변을 따라 라미네이트 시트의 상면에 밀착되는 제 2 고정부들을 포함하고;
    상기 제 1 고정부들과 제 2 고정부들 사이에 라미네이트 시트가 고정된 상태에서, 제 1 공간부와 제 2 공간부는 외부로부터 격리되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 고정부들과 제 2 고정부들 사이에 라미네이트 시트가 고정된 상태에서, 제 1 공간부와 제 2 공간부는 라미네이트 시트에 의해 서로에 대해 격리되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
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  5. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압 조정기는 10×105dyn/cm2 내지 99×105dyn/cm2의 압력으로 공기를 흡입하여 감압시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압 조정기는 10×105dyn/cm2 내지 99×105dyn/cm2의 압력으로 공기를 투입하여 증압시키는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층은 테프론(teflon) 수지인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 고분자 수지의 하층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  12. 이차전지용 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 라미네이트 시트 상에 형성시키는 방법으로서,
    제 1 몰드와 제 2 몰드 사이에 라미네이트 시트를 거치시키고, 제 1 몰드에 형성된 제 1 공간부와 제 2 몰드에 형성된 제 2 공간부가 서로에 대해 격리되는 형태로 제 1 몰드와 제 2 몰드를 결합시키는 과정;
    상기 제 2 몰드의 제 2 공간부와 연통되는 관통구와 상기 관통구에 결합되어 있는 공기압 조정기로 제 2 공간부의 압력을 변화시키는 과정; 및
    상기 라미네이트 시트가 제 2 공간부의 압력 변화에 대응하여 제 1 공간부 또는 제 2 공간부에 대응하는 형태로 연신되는 과정을 포함하며,
    상기 압력 변화는 공기압 조정기가 제 2 공간부 내의 공기를 흡입하여 감압하는 과정 또는 제 2 공간부로 공기를 투입하여 증압하는 과정을 포함하고,
    상기 제 1 공간부와 상기 제 2 공간부의 내면에는 라미네이트 시트와의 마찰력 감소를 위한 코팅층이 부가되어 있으며,
    상기 관통구는 복수로 상기 제2 몰드에 천공되어 있고,
    상기 관통구의 수직 단면적은, 감압 이전에 제 2 공간부에 위치하는 라미네이트 시트의 총 면적 대비 0.01% 내지 1% 크기이며,
    상기 감압은 대기압에서 10×105dyn/cm2 내지 60×105dyn/cm2의 압력으로 감압하는 제 1 차 감압과, 제 1 차 감압의 압력 대비 110% 내지 400%의 압력으로 감압하는 제 2 차 감압이 단계적으로 수행되고,
    상기 증압은 대기압에서 10×105dyn/cm2 내지 60×105dyn/cm2의 압력으로 증압하는 제 1 차 증압과, 제 1 차 증압의 압력 대비 110% 내지 400%의 압력으로 증압하는 제 2 차 증압이 단계적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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