KR102049516B1 - 각형 이차전지의 극판 적층 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼가 제공된다. 각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼가 바디 블록과, 스택 베이스 상에 적층되는 극판을 그립하기 위한 파지부와, 상기 바디 블록에 배치된 압박 해제 수단을 포함하고, 상기 파지부가 상기 바디 블록에 회전식으로 연결되어 회전 축을 중심으로 스윙-다운 또는 스윙-업 될 수 있고, 그립된 극판에 대한 그립 해제시, 상기 압박 해제 수단이 우선적으로 작동하여 상기 극판과 상기 파지부의 접촉을 분리시키도록 이루어진다.

Description

각형 이차전지의 극판 적층 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR STACKING ELECTRODE PLATE OF PRISMATIC SECONDARY BATTERY}

본 발명은 각형 이차전지의 극판 적층 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한 쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서, 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전 반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 일차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분되는데, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 이차전지의 사용이 늘고 있다.

이차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있는데, 스마트폰과 같은 이동 통신 장치의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐아니라, 전기자동차의 에너지원으로도 주목받고 있다.

이러한 이차전지는 양극판, 분리막(separator), 음극판이 순차적으로 적층되어 전해액에 담가진 형태로 이루어지는데, 이와 같은 이차전지의 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

소형 이차전지의 경우 음극판과 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되는 반면, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 이차전지의 경우에는 음극판과 양극판을 분리막과 적절한 순서로 적층(stacking)하여 제작하는 방식이 많이 사용된다. 적층 방식의 경우 주로 타발된 극판이 사용되므로, 극판의 엣지(edge)와 분리막 사이에 전해액이 스며들 수 있는 공간이 상대적으로 넓어서 전지의 성능이 우수하다.

적층 방식으로 이차전지 셀 스택을 제작하는 방법 중 널리 사용되는 지그재그(zigzag) 타입('z-폴딩' 타입이라고도 함)의 적층 방식에서는, 분리막이 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판과 양극판이 교번되어 삽입된 형태로 적층된다.

지그재그 타입 적층 방식에서 셀 스택의 제조 속도는 매거진으로부터 극판을 가져오는데 걸리는 시간, 극판을 정렬하는데 걸리는 시간, 정렬된 극판을 스택 베이스에 적층하는데 걸리는 시간, 음극판 및 양극판을 번갈아 적층하는데 걸리는 시간 등 다양한 스테이지에서 소요되는 시간들의 합에 의해 결정된다. 따라서, 각 스테이지별로 작업 시간을 단축하기 위해 부단한 노력이 경주되어 왔다.

지그재그 타입의 적층 방식에서는 셀 스택이 적층되는 동안 스택 베이스 위에 공급되는 극판들을 정위치에 유지시키는 한편, 분리막이 지그재그로 접힐 수 있도록 잡아주어야 하므로, 극판 및 셀 스택을 고정시킬 필요가 있다.

등록특허 제10-1140447호(2012.04.19 등록)는 두 적층 위치 사이를 왕복하는 적층 트레이 상에서 양전극, 음전극 및 분리막을 일체로 가압하는 구성으로 가동 포크를 구비한 이차전지용 스택 제조 장치를 개시하고 있다. 가동 포크는 수직 및 수평 변위를 가지는데 승강 실린더와 수평 실린더에 의해 승강되거나 수평 방향으로 이동된다.

등록특허 제10-1439387호(2014.09.02 등록)는 적층블록 상에서 양전극 또는 음전극을 고정하거나 해제하는 복수의 파지블록을 구비한 이차전지용 스택 제조 장치를 개시하고 있다. 상기 파지블록은 이를 승강시키는 승강용 링크부와 수평 왕복시키는 왕복용 링크부를 포함하는데, 이 링크부들은 캠디스크의 회전에 의해 작동한다.

이와 같은 종래 기술들에 따르면, 스택 베이스 상에서 극판을 고정 또는 해제하기 위해서는 가동 포크나 파지블록과 같은 파지수단의 후퇴, 상승, 전진, 하강의 순서로 작동하는 것이 필수적이다. 이러한 파지수단이 스택 베이스 상에 극판이 공급되기 전에 스택 베이스 쪽으로 미리 전진하면 공급되는 극판이 파지수단 위에 얹혀져 버리기 때문에 극판의 고정이 불가능하다. 따라서, 파지수단이 후퇴 및 상승 작동 후, 스택 베이스 상에 극판이 공급될 때까지 일정시간 동안 대기했다가 전진 및 하강 작동하여 극판을 고정하게 된다.

이러한 파지수단의 대기 시간만큼 셀 스택의 제조 속도가 느려진다.

본 발명은 각형 이차전지의 셀 스택 제조 속도를 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 각형 이차전지의 셀 스택 제조시 극판의 파지 속도를 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 스택 베이스 상에서 극판을 파지하거나 파지를 해제할 때 극판의 손상을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 한 양태는, 양극판 및 음극판을 스택 베이스 상에 교대로 공급받되 상기 양극판과 음극판 사이에 분리막이 공급되는 각형 이차전지의 극판 적층 방법에 있어서, 상기 스택 베이스가 양극판 공급 위치와 음극판 공급 위치 사이를 왕복하고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판의 가장자리에 인접하도록 배열되며 상기 스택 베이스와 함께 왕복하는 네 개의 스택 그리퍼 ― 각 스택 그리퍼가 스윙 동작 가능한 파지부를 구비함 ― 가 제공되고, 상기 네 개의 스택 그리퍼는 둘씩 쌍으로 동기화되어 작동되고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판이 상기 네 개의 스택 그리퍼 중 상기 스택 베이스의 후속 이동 방향으로 선단에 위치한 한 쌍의 스택 그리퍼에 구비된 한 쌍의 파지부에 의해 파지되며, 순차적으로, 스택 베이스 상에 공급된 제1 극판이 제1 파지부 쌍에 의해 파지된 상태에서, 제2 극판이 상기 제1 파지부 쌍 위로 공급되면 상기 제2 극판을 제2 파지부 쌍으로 파지하고, 상기 제1 파지부 쌍을 상기 스택 베이스로부터 멀어지도록 후퇴시키는 제1 단계; 상기 제1 파지부 쌍을 스윙-업시키는 제2 단계; 상기 제1 파지부 쌍을 상기 스택 베이스 쪽으로 전진시키는 제3 단계; 및 상기 스택 베이스 상에 공급된 제3 극판을 파지하도록 상기 제1 파지부 쌍을 스윙-다운시키는 제4 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제3 단계가 상기 스택 베이스 상에 상기 제3 극판이 공급되기 이전에 완료할 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제2 내지 4 단계 중 적어도 일부가 직전 단계의 완료 전에 시작될 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제2 단계와 제3 단계가 동시에 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제1 내지 제3 단계 중 적어도 일부가 상기 스택 베이스의 왕복 운동과 동시에 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 4개의 스택 그리퍼 각각이 쇼크 업소버(shock absorber)를 구비하고, 상기 쇼크 업소버는 상기 파지부의 스윙-다운 동작시 파지부와 맞닿는 위치에 배열되어 파지부가 스윙-다운될 때 수축되며, 상기 파지부를 상기 스택 베이스로부터 멀어지도록 후퇴시키기 직전에, 상기 쇼크 업소버가 이완됨으로써 상기 파지부가 리프팅된다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제4 단계에 후속하여, 순차적으로, 상기 제2 파지부 쌍을 상기 스택 베이스로부터 멀어지도록 후퇴시키는 제5 단계; 상기 제2 파지부 쌍을 스윙-업시키는 제6 단계; 상기 제2 파지부 쌍을 상기 스택 베이스 쪽으로 전진시키는 제7 단계; 및 상기 스택 베이스 상에 공급된 제4 극판을 파지하도록 상기 제2 파지부 쌍을 스윙-다운시키는 제8 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 제1 내지 제8 단계가 상기 스택 베이스의 1회 왕복 동안 수행된다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 스택 베이스를 이동시키는 이동 수단을 더 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스를 U자형 궤적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 상기 스택 베이스를 이동시키는 이동 수단을 더 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스를 하반원(lower half circle)형 궤적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 다른 양태에 의하면, 양극판 및 음극판을 스택 베이스 상에 교대로 공급받되 상기 양극판과 음극판 사이에 분리막이 공급되는 각형 이차전지의 극판 적층 방법에 있어서, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판의 가장자리에 인접하도록 배열되는 네 개의 스택 그리퍼 ― 각 스택 그리퍼가 스윙 동작 가능한 파지부를 구비함 ― 가 제공되고, 상기 네 개의 스택 그리퍼는 둘씩 쌍으로 동기화되어 작동되고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판이 한 쌍의 파지부에 의해 파지되며, 순차적으로, 스택 베이스 상에 공급된 제1 극판이 제1 파지부 쌍에 의해 파지된 상태에서, 제2 극판이 상기 제1 파지부 쌍 위로 공급되면 상기 제2 극판을 제2 파지부 쌍으로 파지하고, 상기 제1 파지부 쌍을 상기 스택 베이스로부터 멀어지도록 후퇴시키는 제1 단계; 상기 제1 파지부 쌍을 스윙-업시키는 제2 단계; 상기 제1 파지부 쌍을 상기 스택 베이스 쪽으로 전진시키는 제3 단계; 및 상기 스택 베이스 상에 공급된 제3 극판을 파지하도록 상기 제1 파지부 쌍을 스윙-다운시키는 제4 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 한 양태에 의하면, 양극판 및 음극판을 스택 베이스 상에 교대로 공급받되 상기 양극판과 음극판 사이에 분리막이 공급되는 각형 이차전지의 극판 적층 장치에 있어서, 상기 스택 베이스가 양극판 공급 위치와 음극판 공급 위치 사이를 왕복하고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판의 가장자리에 인접하도록 배열되며 상기 스택 베이스와 함께 왕복하는 네 개의 스택 그리퍼 ― 각 스택 그리퍼가 스윙 동작 가능한 파지부를 구비함 ― 가 제공되고, 상기 네 개의 스택 그리퍼는 둘씩 쌍으로 동기화되어 작동되고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판이 상기 네 개의 스택 그리퍼 중 상기 스택 베이스의 후속 이동 방향으로 선단에 위치한 한 쌍의 스택 그리퍼에 구비된 한 쌍의 파지부에 의해 파지되며, 상기 스택 그리퍼를 전진 또는 후진시키는 전후진 액추에이터, 및 상기 파지부를 스윙-업 또는 스윙-다운시키는 스윙 액추에이터를 포함한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 다른 양태에 의하면, 상기 4개의 스택 그리퍼 각각이 쇼크 업소버를 구비하고, 상기 쇼크 업소버는 상기 스윙 액추에이터가 상기 파지부를 스윙-다운시키면 파지부에 눌려 수축되고, 상기 스윙 액추에이터가 해제(deactivated)되면 이완되어 상기 파지부를 들어올린다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 다른 양태에 의하면, 상기 스택 베이스를 이동시키는 이동 수단을 더 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스를 U자형 궤적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 다른 양태에 의하면, 상기 스택 베이스를 이동시키는 이동 수단을 더 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스를 하반원형 궤적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 다른 양태에 의하면, 양극판 및 음극판을 스택 베이스 상에 교대로 공급받되 상기 양극판과 음극판 사이에 분리막이 공급되는 각형 이차전지의 극판 적층 장치에 있어서, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판의 가장자리에 인접하도록 배열되는 네 개의 스택 그리퍼 ― 각 스택 그리퍼가 스윙 동작 가능한 파지부를 구비함 ― 가 제공되고, 상기 네 개의 스택 그리퍼는 둘씩 쌍으로 동기화되어 작동되고, 상기 스택 베이스 상에 공급되는 극판이 한 쌍의 파지부에 의해 파지되며, 상기 스택 그리퍼를 전진 또는 후진시키는 전후진 액추에이터, 및 상기 파지부를 스윙-업 또는 스윙-다운시키는 스윙 액추에이터를 포함한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 장치의 다른 양태에 의하면, 상기 4개의 스택 그리퍼 각각이 쇼크 업소버를 구비하고, 상기 쇼크 업소버는 상기 스윙 액추에이터가 상기 파지부를 스윙-다운시키면 파지부에 눌려 수축되고, 상기 스윙 액추에이터가 해제(deactivated)되면 이완되어 상기 파지부를 들어올린다.

본 발명에 따르면 셀 스택의 제조 속도가 단축된다. 셀 스택의 단위 시간당 생산량이 증가하고, 이용되는 장비의 수를 줄일 수 있다.

일반적으로 셀 스택의 생산 공간은 미세먼지, 온도, 습도 등을 유지관리하는데 상당한 비용이 요구되므로, 장비가 차지하는 공간의 감소로 인해 비용이 절감된다.

또한, 본 발명에 따르면 극판 파지수단의 대기시간이 최소화된다.

또한, 본 발명에 따르면 극판 파지 또는 파지 해제시 극판의 손상이 방지된다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양극판과 음극판의 적층 위치 사이를 왕복하는 스택 베이스의 개략도이다.
도 2는 도 1을 위쪽에서, 즉 A 방향에서 바라본 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1을 좌측에서, 즉 B 방향에서 바라본 모습을 나타낸 개략도로, 작동 순서에 따라 (a) 내지 (d)로 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 (c)단계와의 비교도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 그리퍼 및 스택 베이스의 사시도인데, 스택 그리퍼가 열린 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 그리퍼의 사시도인데, 스택 그리퍼가 닫힌 상태를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에 따른 스택 그리퍼의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 쇼크 업쇼버에 의해 스택 그리퍼의 파지부가 리프팅되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 스택 베이스가 이동하는 궤적을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 스택 베이스가 두 개의 극판 공급 위치 사이에서 왕복하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 나타낸 개념도이다.

첨부된 도면에 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

본 발명에서 '연결'되어 있다는 표현은 두 요소가 물리적으로 연결된 것은 물론 작동상 연결된 것도 포함하며, 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결도 포함하는 개념을 의미한다.

각형 이차전지의 지그재그 타입 적층 방식에서, 극판이 적층되는 스택 베이스가 음극판이 적층되는 위치와 양극판이 적층되는 위치 사이에서 왕복하거나, 또는 정지형(stationary) 스택 베이스의 위쪽에서 분리막 공급부가 좌우로 왕복할 수 있다.

이 경우, 스택 베이스 또는 분리막 공급부가 양 위치 사이에서 한 번 이동할 때마다, 스택 베이스에 적층된 극판 위로 분리막이 덮이도록 구성된다. 따라서, 새로 적층되는 극판들은 항상 분리막 위에 놓이게 되며, 후속적으로 스택 베이스가 이동할 때 방금 적층된 극판 위로 분리막이 덮이게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 각형 이차전지의 극판 적층 방법의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 양극판과 음극판의 적층 위치 사이를 왕복하는 스택 베이스(10)를 개략적으로 나타낸 것이다.

스택 베이스(10)는 음극판의 적층 위치와 양극판의 적층 위치 사이를, 도 1에서 좌우로 왕복하면서 각 위치에서 음극판 또는 양극판을 공급받게 된다. 도 1에서는 스택 베이스(10)가 좌측에 위치한 상태이고, 우측으로 이동한 상태는 점선으로 나타내었다.

스택 베이스(10)의 왕복 방식으로는 두 극판의 각 적층 위치 사이를 수평으로 이동하는 방식, 스택 베이스(10)가 마치 메트로놈처럼 틸팅하는 방식 등 다양한방식이 알려져 있다. 본 발명은 위 방식들 이외에도 스택 베이스(10)가 U자로 이동하는 방식에도 적용 가능한데, 이에 대해서는 후술한다.

스택 베이스(10) 위에 놓이는 극판을 고정시키기 위한 네 개의 스택 그리퍼(stack gripper)(20a, 20b, 30a, 30b)와, 이 스택 그리퍼에 스윙 동작 가능하게 연결된 파지부(21a, 21b, 31a, 31b)가 제공된다(도 2 참조). 네 개의 스택 그리퍼는 극판의 각 모서리에 인접하도록 배열되어, 파지부가 극판의 모서리 근방을 파지(grip)할 수 있도록 한다. 스택 베이스(10) 또는 분리막(S) 공급부가 왕복할 때 극판을 파지하고 있는 한 쌍의 파지부(21a 및 21b; 또는, 31a 및 31b)에 의해, 지그재그로 접히는 분리막의 경계가 일정하게 형성된다.

스택 그리퍼들(20a, 20b, 30a, 30b)은 스택 베이스(10)의 이동 중에도 스택 베이스 위에 공급된 극판을 고정할 수 있어야 하므로, 스택 베이스(10)와 함께 왕복할 수 있다. 예를 들어, 스택 베이스(10)를 홀딩하고 있는 프레임(도 9, 도면부호 40 참고) 상에 스택 그리퍼들이 장착될 수 있는 있는데, 이동하는 스택 베이스 위에 적층된 극판을 고정, 즉 파지할 수 있다면 그 장착 위치는 어디든 상관없다.

파지부들(21a, 21b, 31a, 31b)은 스택 그리퍼들(20a, 20b, 30a, 30b)에 스윙 가능한 방식으로 연결되고, 네 개의 파지부(21a, 21b, 31a, 31b)가 둘씩 쌍을 이루어 동시 작동하도록 제어될 수 있다.

도 1은 스택 베이스(10)를 정면에서 바라본 것이어서, 두 개의 스택 그리퍼(20a, 30a) 및 이들에 각각 연결된 파지부(21a, 31a)가 도시되어 있다. 분리막(S)이 가이드 롤러(12)를 거쳐서 스택 베이스(10) 위로 공급된다. 설명의 편의상 도 1에서는 실제 극판 적층 공정과 무관하게 스택 그리퍼(20a, 30a) 및 파지부(21a, 31a)의 위치와 자세를 일정하게 도시하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 베이스(10)의 평면도이다.

전술한 바와 같이, 스택 그리퍼(20a, 20b, 30a, 30b) 및 이것에 구비된 파지부(21a, 21b, 31a, 31b)는 둘씩 쌍으로 작동할 수 있는데, 스택 베이스(10)의 왕복 방향을 기준으로 쌍이 이뤄진다. 다시 말해, 스택 베이스(10)의 이동 방향으로 선단에 위치한 두 개의 스택 그리퍼(및 파지부)가 쌍을 이뤄 동기화되고, 후단에 위치한 다른 두 개의 스택 그리퍼(및 파지부)가 쌍을 이뤄 동기화된다.

도 2는 스택 베이스(10)가 좌측으로 이동된 상태로, 방금 이동해 온 방향(도 2 하단의 화살표 방향)으로 선단에 위치한 한 쌍의 스택 그리퍼(20a, 20b)에 연결된 한 쌍의 파지부(21a, 21b)가 극판(미도시)을 파지하고 있고 그 위로 분리막(S)이 덮여 있다. 분리막(S) 위에는 아직 극판이 공급되지 않은 상태이다. 나머지 한 쌍의 파지부(31a, 31b)는 극판을 파지하지 않은 상태이다. 구체적으로, 상기 나머지 한 쌍의 파지부(31a, 31b)가 스윙-업 되어 있고, 각각 연결된 스택 그리퍼(30a, 30b)가 스택 베이스(10)쪽으로 전진함에 따라 함께 전진되어 있다. 각 스택 그리퍼(30a, 30b)가 전진하기 전의 위치(즉, 후퇴 위치)가 점선으로 표시되어 있다.

이상과 같은 구성에서 파지부들(21a, 21b, 31a, 31b)은 분리막(S) 위에 놓인 극판을 정위치에 고정시키는 한편, 극판 위로 분리막이 덮일 때 극판의 가장자리에 맞춰 접혀지고, 팽팽하게 덮일 수 있도록 해준다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 스택 그리퍼 및 파지부의 작동을 단계(a) 내지 (d)로 순차적으로 나타낸 것이다. 설명의 편의상, 도 3은 도 1의 B방향에서 본 것이므로, 도 2의 스택 그리퍼들 및 파지부들 중에서 한 쌍의 스택 그리퍼(20a, 20b) 및 파지부(21a, 21a)만을 나타낸다.

단계(a)는 도 2의 후속 단계인데, 스택 그리퍼(20a, 20b)가 (도 2에 도시된 극판 파지 상태로부터) 스택 베이스(10)에서 후퇴되어 있고, 이에 구비된 파지부(21a, 21b)는 닫힌 상태, 즉 스윙-다운된 상태이다. 이때, 분리막(S) 상에 공급된 극판(E1)은 반대편에 있는 한 쌍의 파지부(31a, 31b)에 의해 파지되어 있을 것이다.

단계(b)에서, 파지부(21a, 21b)가 스윙-업한다. 즉 스택 그리퍼(20a, 20b)가 열린 상태가 된다.

단계(c)에서, 스택 그리퍼(20a, 20b) 및 이에 구비된 파지부(21a, 21b)가 스택 베이스(10)쪽으로 전진한다. 이와 동시에 또는 전후하여, 스택 베이스(10)가 반대편 극판 공급 위치로 이동함과 아울러 분리막(S)이 극판(E1) 위로 덮힌다. 도 3에서 스택 베이스(10)의 이동 방향은 앞뒤, 즉 도면을 뚫고 나오는 방향이거나 그 반대 방향이다. 이와 같이, 다음 극판(E2)이 스택 베이스(10) 상으로 공급되기 전에 스택 그리퍼(20a, 20b) 및 이에 구비된 파지부(21a, 21b)가 스택 베이스(10)쪽으로 미리 전진해 있을 수 있다.

한편, 스택 베이스(10) 상에 극판이 공급됨에 따라 셀 스택의 두께가 두꺼워지므로, 그만큼씩 스택 베이스(10)의 높이를 낮추어 줌으로써 스택 그리퍼(20a, 20b, 30a, 30b)와의 상대적 높이가 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.

단계(d)에서, 극판(E2)이 공급되고 파지부(21a, 21b)가 스윙-다운되어 극판(E2)을 파지한다. 따라서, 극판(E2)이 공급된 후 단 한 번의 동작, 즉 스윙-다운 동작에 의해 극판을 파지할 수 있다. 이때, 극판(E2) 아래에 있는 극판(E1) 및 분리막(S)도 함께 고정된다.

이에 반해, 다른 프로세스들에서는 극판을 이처럼 신속하게 파지할 수 없다. 도 4를 참조하여 이를 설명한다.

도 4에 도시된 단계(c1 및 c2)는 도 3의 단계(c)에 상응한다. 단계(c1)에서, 다음 극판(E2)이 공급되기 전에 스택 그리퍼(20a1, 20b1) 및 이에 구비된 파지부(21a1, 21b1)가 스택 베이스(10)쪽으로 미리 전진해 있으면, 극판(E2)이 적층될 때 파지부(21a1, 21b1)에 부딪히게 된다(단계(c2)에서 점선 원으로 표시된 부분 참고). 따라서, 극판(E2)이 공급된 후에야 그리퍼(20a1, 20b1) 및 파지부(21a1, 21b1)가 전진 가능하고, 후속적으로 하강하여 극판을 파지할 수 있어서, 적어도 두 번의 동작이 필요하다.

이하, 도 5 내지 8을 참조하여 본 발명의 스택 그리퍼(20)의 구성에 관해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 그리퍼(20)가 열린 상태, 즉 파지부(21)가 스윙-업 된 상태로 스택 베이스(10)에 대해 배열된 것을 나타낸 것이다. 이 도면은 개념적으로 도 3의 단계(b)에 상응한다.

스택 그리퍼(20)가 스윙 축(24)을 중심으로 스윙하는 파지부(21), 링크부(25; 도 6 및 7 참조), 및 바디 블록(28)을 포함한다. 파지부(21)는 극판을 파지하여 고정시키기 위한 고정 판(22) 및 고정 블록(23)을 포함한다. 고정 판(22)은 납작한 판상으로 도시되어 있으나, 극판에 손상을 주지않으면서 파지하기에 적절한 다른 형상일 수 있다.

전후진 액추에이터(29)에 의해 스택 그리퍼(20)가 전후로 이동할 수 있고, 스윙 액추에이터(미도시)에 의해 파지부(21)가 스윙 동작할 수 있다.

전후진 액추에이터(29)는 극판이 스택 베이스(10) 상에 공급, 즉 적층되기 직전 단계에서 실행되는 작업에 소요되는 평균 시간을 고려하여 스택 그리퍼의 전진 타이밍을 설정할 수 있다. 다시 말해, 스택 베이스(10) 상에 극판이 공급될 때 스택 그리퍼가 미리 전진해 있도록 설정 가능하다. 예를 들어, 전단계 작업이 극판의 정렬인 경우, 극판의 정렬에 소요되는 평균 시간이 고려된다.

매 극판마다 정렬 시간이 다를 수 있다. 따라서, 극판의 정렬 시간이 평균값이거나 그 보다 더 긴 경우라면, 극판이 스택 베이스 상에 적층될 때 스택 그리퍼가 미리 전진해 있을 것이나, 그 반대의 경우라면 극판이 스택 베이스(10) 상에 적층될 때 스택 그리퍼가 아직 전진을 완료하지 않은 상태일 수도 있다.

스윙 액추에이터는 공압식, 유압식 또는 전기식일 수 있고, 또는 다른 적절한 방식일 수 있다. 예를들어 공압을 인가함으로써 스윙 액추에이터가 작동되면, 스윙 액추에이터에 연결된 링크부(25)가 움직이고, 링크부(25)에 연결된 파지부(21)가 스윙 축(24)을 중심으로 스윙할 수 있다. 스윙 액추에이터는 스윙-업 측과 스윙-다운 측에 선택적으로 공압을 인가함으로써 필요한 동작을 수행시킬 수 있다. 도 5 내지 7에는 링크 커버(26)와 스윙 액추에이터 커버(27)가 도시되어 있다.

바디 블록(28)에 쇼크 업소버(shock absorber; 30)가 매립되고, 그 단부에 완충 로드(31)가 구비되어 있다. 쇼크 업소버(30)는 가스식, 스프링식 또는 오일식일 수 있고, 또는 다른 적절한 방식일 수 있다. 쇼크 업소버(30)의 겉면에 나선 홈을 형성하고, 쇼크 업소버(30)가 매립되는 바디 블록(28)의 보어 안쪽면에 나선 홈을 형성함으로써, 서로 나선 결합시킬 수 있다.

완충 로드(31)는 평상시 최대 거리만큼 돌출, 즉 이완되어 있다. 스윙 액추에이터에 의해 공압이 인가되어 파지부(21)가 스윙-다운 되면(도 6 및 7 참조), 고정 블록(23)이 쇼크 업소버(30)의 완충 로드(31)를 눌러서 수축시킬 수 있다. 상황에 따라, 완충 로드(31)를 부분적으로만 수축시키는 것도 가능하다. 스윙 액추에이터에 의한 공압이 해제되면(deactivated) 완충 로드(31)가 이완되어 고정 블록(23)을 밀어 올리므로 파지부(21)가 살짝 들리게 된다(도 8의 (b) 참조). 파지부(21)가 들리는 간격은 공압 해제시 완충 로드(31)가 이완되는 거리를 조정함으로써 설정될 수 있다.

파지부(21)를 들어올리는 것은 파지부(21)의 후속 동작인 후퇴 동작시 극판에 손상을 입히지 않기 위한 것이다. 만약 상술한 쇼크 업소버(30) 또는 이와 유사한 기능을 수행하는 장치를 사용하지 않는다면, 극판을 파지하고 있던 파지부(21)가 후퇴할 때 극판이 긁힐 수 있다. 다시 말해, 스윙 액추에이터에 의해 인가되던 공압을 해제하면 파지부(21)가 극판을 꽉 누르지는 않더라도 극판에 접촉되어 있을 수 있으므로, 후퇴시 극판에 원하지 않는 손상을 입힐 수 있다.

도 8의 (a)는 스택 그리퍼(20)의 파지부(21), 상세하게는 고정 판(22)이 극판(E1)을 파지하고 있는 상태를 나타낸 것이고, 도 8의 (b)는 파지부(21)가 리프팅된 상태를 나타낸 것이다. 도 8(a)에 점선 원으로 표시한 부분을 보면, 파지부(21)가 극판(E1)과 접촉해 있다. 도 8(b)는 스윙 액추에이터에 의해 가해지던 공압이 해제되어 쇼크 업소버(30)의 완충 로드(31)가 이완되고, 이로 인해 파지부(21)가 리프팅된 상태이다. 이러한 상태를 스택 그리퍼(20)가 '프리(free)'되었다고 칭할 수 있다.

도 8(b)에서는 설명의 편의상 파지부(21)의 리프팅 간격이 다소 과장되게 표현되었을 수 있으나, 파지부(21)의 리프팅 간격은 파지부(21)가 후퇴할 때 극판에 닿지 않으면서도, 파지부(21) 위로 덮여있는 분리막(S)을 찢거나 분리막(S) 위에 놓인 다른 극판의 정렬을 흐트러뜨리지 않을 정도의 간격이 적당하다. 이러한 리프팅 간격은 쇼크 업소버(30)의 종류, 쇼크 업소버(30) 내부 압력의 세기, 고정 블록(23)을 포함한 파지부(21)의 무게에 따라 달라질 수 있다. 또한, 쇼크 업소버(30)가 바디 블록(28)에 매립된 깊이를 조절함으로써 리프팅 간격을 조절할 수도 있다. 쇼크 업소버(30)가 나선 결합에 의해 매립된 경우, 이를 회전시켜서 매립 깊이를 상하로 조절할 수 있을 것이다.

파지부(21)의 고정 블록(23) 중 쇼크 업소버(30)와 부딪히게 되는 부위에 접촉 헤드(33)가 부착될 수 있다. 접촉 헤드(33)는 쇼크 업소버(30)의 완충 로드(31)와 접촉하게 된다. 접촉 헤드(33)는 내마모성 재질로 이루어질 수 있고, 마모시 교체가 용이한 방식(예를들어, 나사 결합)으로 고정 블록(23)에 부착될 수 있다.

스택 그리퍼(20)에 위치결정 블록(35, 36)이 장착될 수 있다. 위치결정 블록은 두 개의 피스가 맞물리는 구성, 예를들어 V-블록일 수 있는데, 위치결정 블록의 한쪽 피스(35)는 파지부(21)에, 나머지 피스(36)는 바디 블록(28)에 장착되어, 그리퍼(21)의 스윙-다운 동작시 두 개의 피스가 맞물릴 수 있다.

위치결정 블록(35, 36)은 파지부(21)가 극판을 파지할 때 수평을 이루지 못하고 좌우로 흔들리는 것을 방지해준다. 파지부(21)가 수평에서 벗어나면 극판 파지 부위가 손상될 수 있다. 위치결정 블록(35, 36)은 또한 파지부(21)의 스윙-다운 동작의 한계점을 형성할 수도 있다.

상술한 쇼크 업소버(30)와 위치결정 블록(35, 36)은 스택 그리퍼(20)가 극판을 파지하거나 파지를 해제하는 과정에서 극판의 손상을 방지할 수 있다.

이제, 본 발명에서 이용될 수 있는 스택 베이스(10)의 U자형 이동 방법에 관해 도 9 내지 11을 이용하여 설명한다.

도 9의 (a)에는 스택 베이스(10)가 도면의 우측 상단에 있는데, 이는 양극판과 음극판 중 어느 한 극판이 분리막 위에 적층되는 위치를 포착한 것으로, 극판이 막 적층된 상태이다. 극판이 스택 베이스(10) 상에 놓이면 스택 그리퍼(20a)의 파지부(21a)가 해당 극판과 그 아래에 있는 분리막을 한꺼번에 파지하게 되는데, 이는 파지부(21a)가 스윙-다운 하는 것에 의해 달성된다. 스택 베이스(10)의 수평 방향 이동을 위해서는 수평 이동 기구(50)가, 수직 방향 이동을 위해서는 액추에이터(46)가 작동할 수 있으므로, 이들의 조합된 작동에 의해 스택 베이스(10)가 U자형 또는 하반원(lower half circle)형으로 표시된 화살표 방향으로 이동한다. 이들의 조합된 작동은 PC 제어 또는 PLC 제어를 이용하여 구현할 수 있다. 도 9(b)는 스택 베이스(10)가 좌측으로 그리고 하강한 상태를 나타낸 것이고, 도 9(c)는 후속하여 스택 베이스(10)가 더 좌측으로 그리고 상승한 상태를 나타낸 것이다. 이와 같은 방식으로, 극판 적층 유닛에서 스택 베이스(10)가 U자형 또는 하반원형 궤적으로 이동하게 된다.

대안적으로, 스택 베이스(10)의 U자형 또는 하반원형 이동은 캠 유닛(미도시)을 이용하여 구현할 수도 있다. 예를 들어, 판상의 캠 원동체를 회전 또는 왕복시키고 캠 원동체에 연계되어 이것의 움직임에 따라 이동하는 종동체를 포함한 캠 유닛을 구비하고, 상기 스택 베이스(10)를 상기 종동체에 직접 또는 간접으로 커플링함으로써 U자형 또는 하반원형으로 이동하도록 할 수도 있을 것이다.

도 9(a)부터 (c)까지의 이동에 의해 분리막이 한겹 더 쌓이게 되며, 도 9(c)의 위치에 도달 후 두 종류의 극판 중 나머지 극판이 분리막 위에 적층되면 스택 그리퍼(30a)의 파지부(31a)가 해당 극판 및 그 아래의 분리막을 파지한 다음, 반대방향 즉, 도 9(c)에서 (b)를 거쳐 (a)의 상태로 U자형 또는 하반원형 궤적을 따라 이동한다.

도 10은 도 9에 도시된 스택 베이스(10)의 이동을 개념도로 나타낸 것이다. 도 10의 (a)를 보면, 스택 베이스(10)가 우측에서 좌측으로 U자형 또는 하반원형 궤적으로 이동하는 과정들이 한 도면에 표시되어 있다. 여기서 중요한 점은, 이러한 하반원형 궤적의 이동 동안 분리막(S)이 되먹임되지 않는다는 것이다. 다시 말해, 가이드 롤러(12)들 중 하단에 위치한 롤러(이하, '엔드 롤러'라 함)로부터 파지부(21a)가 파지한 부분까지의 길이에 해당하는 분리막(3) 부분이 L1-L2-L3-L4로 갈수록 점차 증가하게 된다. 이와 같이 분리막이 역방향으로 감기지 않고 계속 풀리기만 하므로, 분리막이 풀리는 경로 또는 분리막 롤이 흔들리지 않고 일정하게 유지되어, 분리막의 위치를 재정렬할 필요가 없다. 따라서, 재정렬을 기다릴 필요없이 스택 베이스(10)를 계속 이동시킬 수 있고, 그 이동 속도를 장비의 최대 성능까지 높일 수 있다.

이와 같은 스택 베이스의 반원형 또는 U자형 이동의 안정성을 더욱 높이기 위해 추가적인 구성을 부가할 수 있다. 예를 들어, 분리막의 장력을 일정하게 유지하기 위해 채용된 파우더 클러치(도시하지 않음)가 오작동할 경우, 분리막이 원하는 속도로 풀리지 않거나 심지어 역주행할 수 있다. 이를 포함하여 예기치 못한 오작동의 위험을 방지하기 위해, 또는 기타 요인에 의해 분리막의 진행이 원하는 바와 같이 이루어지지 않는 경우에 대비하여, 분리막의 진행 방향 및/또는 진행 속도를 감지하기 위한 센서(도시하지 않음)를 설치할 수 있다. 이와 같은 센서는 엔드 롤러 부근이나 기타 적절한 위치에 설치될 수 있을 것이다. 센서에 의한 감지 결과를 액추에이터(46) 및 수평 이동 기구(50)의 작동을 제어하는 제어부에 피드백함으로써, 원하는 진행 방향과 진행 속도로 분리막이 진행하도록 제어 가능할 것이다. 센서 이외의 다른 방식으로도 분리막의 진행 상황을 모니터링할 수 있을 것인데, 예를 들어, 엔드 롤러를 포함한 가이드 롤러(12)나 별도의 롤러의 회전 방향과 속도를 감지하는 것에 의해서도 모니터링이 가능할 것이다. 이러한 모니티링 정보를 바탕으로 스택 베이스의 이동 속도 조절이 가능할 것이고, 이로 인해 분리막의 되먹임을 확실히 방지하고 분리막이 원하는 속도로 풀리게 할 수 있다.

도 10의 (a)에서와 반대방향으로 스택 베이스(10)의 하반원형 궤적의 이동을 나타낸 (b)에서도, 마찬가지로, 스택 베이스(10)의 이동중에 분리막(S) 부분이 L1'-L2'-L3'-L4'로 점점 증가하게 된다.

도 11에서, (a)는 수평으로 이동하는 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 도시한 것이고, (b)는 본 발명에 따라 U자형 또는 하반원형으로 이동하는 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 대비하여 도시한 것이다. 본 발명에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 나타낸 (b)를 보면, 단계(1)에서 단계(2)로 가면서 극판(E1)이 적층되었고 파지부(21a)가 극판(E1)을 파지하였다. 이후, 단계(3)에서 단계(5)까지 스택 베이스(10)가 반원형 또는 U자형으로 이동하였고, 단계(6)에서 다른 극판(E2)이 적층되고 파지부(31a)가 극판(E2)을 파지하였다.

이동경로 (b)를 수평 이동 경로인 (a)와 비교해 보면, 단계(3) 내지 단계(5)에서 이동 경로 (b)가 (a)에 비해 파지부(21a)에 의해 분리막(S)에 적은 힘이 가해진다는 것을 알 수 있다. 단계(4)를 비교해보면, 이동 경로 (a)에서는 가속방향(즉, 좌측)으로 파지부(21a)에 의한 힘이 전체적으로 분리막(S)에 전달되고 있는데 반해, 이동 경로 (b)에서는 가속방향(즉, 좌측 위)으로 파지부(21a)에 의한 힘이 부분적으로만 분리막(3)에 전달되고 있으며, 나아가, 단계(5)를 비교해보면, 이동 경로 (a)에서는 가속방향이 좌측이므로 파지부(21a)의 날부분이 분리막(S)의 좁은 영역에 힘을 가하게 되는 반면, 이동 경로 (b)에서는 가속방향이 위쪽이므로 파지부(21a)의 면부분이 분리막(S)의 상대적으로 넓은 영역에 힘을 가하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 스택 베이스의 반원형 또는 U자형 이동을 채용함에 의해 분리막(S)의 손상 위험이 현저히 낮아지게 된다.

이상과 같이, 본 발명의 스택 제조 장치에 따르면, 보다 신속한 극판의 이동이 가능하고, 극판의 적층 속도가 극대화될 수 있다. 이는 이차전지의 제조분야에서 획기적인 생산성 향상을 가져올 수 있다.

이상에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 극판 적층 방법 및 장치에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.

10: 스택 베이스
20a, 20b, 30a, 30b: 스택 그리퍼
21a, 21b, 31a, 31b: 파지부
E1, E2: 극판
S: 분리막
30: 쇼크 업소버
35, 36: 위치결정 블록

Claims (4)

1. 각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼에 있어서,
   바디 블록과,
   스택 베이스 상에 적층되는 극판을 그립하기 위한 파지부와,
   상기 바디 블록에 배치된 압박 해제 수단
   을 포함하고,
   상기 파지부가 상기 바디 블록에 회전식으로 연결되어 회전 축을 중심으로 스윙-다운 또는 스윙-업 될 수 있고 － 상기 파지부의 스윙-다운 동작에 의해 극판이 그립됨 －,
   그립된 극판에 대한 그립 해제시, 상기 압박 해제 수단이 우선적으로 작동하여 상기 극판과 상기 파지부의 접촉을 분리시키도록 이루어진
   각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 파지부가 극판을 그립할 때 수평을 유지할 수 있도록 위치 결정 수단을 더 포함하는
   각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 압박 해제 수단은 완충 로드를 구비한 쇼크 업소버인
   각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 위치 결정 수단은 서로 맞물리는 한 쌍의 V-블록인
   각형 이차전지의 셀 스택을 그립하기 위한 스택 그리퍼.

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