KR102407661B1 - 전극제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캔버가 발생된 전극필름을 노칭공정에 투입한 후 카메라에 의해 캔버의 수준을 확인하고, 캔버 값에 따라 레이저를 이동시켜 동일한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써 캔버가 발생된 전극필름의 정확한 절단이 가능하도록 한 전극제조장치에 관한 것이다.

Description

전극제조장치{ELECTRODE FABRICATING DEVICE}

본 발명은 전극제조장치에 관한 것으로 특히, 캔버가 발생된 전극필름을 노칭공정에 투입한 후 카메라에 의해 캔버의 수준을 확인하고, 캔버 값에 따라 레이저를 이동시켜 동일한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써 캔버가 발생된 전극필름의 정확한 절단이 가능하도록 한 전극제조장치에 관한 것이다.

이차전지는 분리막에 의해 절연된 양극과 음극 사이에 투입되는 전해질의 이온이 양극과 음극 사이를 이동하도록 함으로써 충전과 방전이 이루어진다. 이러한 이차전지의 양극 및 음극에 사용되는 전극은 전극을 구성하는 전극체와 전극체 상에 도포된 전극 활물질을 포함하여 구성된다. 전극체는 일반적으로 알루미늄(Al), 구리(Cu)와 같은 전도성이 우수한 금속을 시트(Sheet), 박판(Thin plate), 포일(Foil) 형태로 가공한 것일 수 있다.

전극조립체를 형성하기 위한 전극필름은 일부분에 활물질이 도포되고, 나머지 부분에서는 전극체를 노출시킨 형태로 제조된다. 이 전극체가 노출된 노출부는 전극조립체(양극, 음극 및 세퍼레이트)의 구성시 양극과 음극을 외부와 연결하기 위한 전극단자의 역할을 하도록 가공된다. 이러한 전극필름은 절삭 과정을 거쳐 양극 및 음극의 단자부가 형성됨과 아울러, 전극조립체의 크기에 적합한 길이로 절단되어 분할된다.

이를 위해 노칭장치가 이용된다. 노칭장치는 전극필름을 절삭하여 단자부를 형성하는 장치이며, 전극필름의 노출부와 활물질이 도포된 부분 일부를 프레스나 레이저를 이용하여 절삭하는 장치이다.

이러한 노칭작업에 있어서, 전극필름의 두께와 재질로 인해 노칭 실패가 빈번하게 발생되고 있다. 특히 레이저를 이용한 노칭에서 복수의 레이저가 정확한 위치에 조사되어야 하지만, 전극필름의 캔버(또는 휨)으로 인해 복수의 레이저가 서로 다른 위치에 조사되는 문제점이 발생한다. 때문에, 캔버가 발생된 전극필름을 노칭하는 경우 정확한 위치를 절삭할 수 있도록 하는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 10-1958881호(등록일 2019.03.11.) 이차전지 전극 노칭 시스템

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 캔버가 발생된 전극필름을 노칭공정에 투입한 후 카메라에 의해 캔버의 수준을 확인하고, 캔버 값에 따라 레이저를 이동시켜 동일한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써 캔버가 발생된 전극필름의 정확한 절단이 가능하도록 한 전극제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전극제조장치는 박판으로 형성되는 전극체, 상기 전극체의 면에 상기 전극체의 일부가 일측으로 노출되는 노출부를 형성하도록 도포되는 활물질을 포함하는 전극필름; 상기 전극필름이 공급되는 공급부, 상기 전극필름이 회수되는 회수부 및 상기 공급부와 상기 회수부 사이에서 상기 전극필름을 지지하는 가공부; 상기 가공부에 의해 상기 전극필름이 이송되는 경로 상에 배치되고, 상기 전극필름을 절삭하여 전극단자를 형성하는 레이저; 상기 경로에 설치되어 상기 활물질과 상기 노출부의 경계인 어깨선을 촬영하는 카메라; 촬영된 상기 어깨선의 위치를 분석하여 레이저의 위치 또는 초점의 이동값을 결정하는 제어부; 및 상기 이동값에 의해 상기 레이저를 이동시키는 레이저구동부;를 포함한다.

본 발명에 따른 전극제조장치는 캔버가 발생된 전극필름을 노칭공정에 투입한 후 카메라에 의해 캔버의 수준을 확인하고, 캔버 값에 따라 레이저를 이동시켜 동일한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써 캔버가 발생된 전극필름을 정확히 절단하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 따른 전극제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 예시도.
도 2는 정상상태의 전극필름과 캔버가 발생된 전극필름을 도시한 예시도.
도 3은 캔버가 발생된 전극필름의 절삭실패를 설명하기 위한 예시도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전극제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 가공부(20), 카메라(40: 41, 43), 레이저(30: 31, 32, 33), 레이저 구동부(37: 37a, 37b) 및 제어부(50)를 포함하여 구성된다.

가공부(20)는 전극필름(1)의 이송 및 가공이 이루어어지도록 지지하는 역할을 한다. 이를 위해 가공부(20)는 구체적으로 도시되지 않은 공급부(R1)와 회수부(R2), 공급부(R1)와 회수부(R2) 사이에서 전극필름(1)을 안내 및 지지하는 다수의 롤러(또는 휠, 21, 22)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 가공부(20)는 공급부(R1)와 회수부(R2)에 의해 연속적으로 공급되는 필름이 가공위치를 정확하게 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다. 여기서, 가공부(20)는 전극필름(1)이 가공위치에 일시적으로 멈추도록 단속적인 형태로 공급/회수 될 수도 있으나, 본 발명에서는 레이저의 출력에 따라 미리 정해진 속도로 연속적으로 이동하는 경우를 예로 들어 설명을 진행하기로 한다.

가공부(20)에 마련되는 공급부(R1)와 회수부(R2)는 롤(또는 휠) 형태로 구성되어, 전극필름이 권취되도록 구성되고, 이 롤을 회전시키기 위한 구동부가 마련될 수 있다. 이 공급부(R1)와 회수부(R2) 사이에 노칭을 위한 레이저 장치가 위치하여 전극필름(20)의 절삭 가공이 이루어지게 된다. 참조도면 및 상세한 설명에서는 본 발명의 기술사상을 설명함에 있어서 반드시 필요한 구성만을 설명하고, 실제 공정장치의 구성에서 추가적으로 구성되는 구성에 대해서는 설명 및 도면에의 표시를 생략하기로 한다.

레이저(30)는 전극필름(20)의 절삭을 위한 레이저를 전극필름(20)의 표면에 조사한다. 이 레이저(30)는 도시된 바와 같이 복수의 레이저(30: 31, 33, 35)로 구성될 수 있다. 구체적으로 복수의 레이저(30)는 상대적으로 낮은 에너지 밀도의 레이저와 높은 에너지 밀도의 레이저를 혼합하여 구성될 수도 있고, 동일한 에너지 밀도의 레이저가 복수로 구성될 수도 있다. 이러한 레이저(30)는 복수로 구성되어 전극필름(1)의 전후면에 도포되는 활물질을 절삭하고, 활물질이 절삭된 부분의 금속포일을 절삭하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 레이저(30)는 하나의 고출력 레이저를 이용하는 경우에 발생될 수 있는 절삭품질 저하, 절삭시 발생되는 과도한 파티클의 생성을 억제하는 것이 가능해진다.

이를 위해 본 발명에서는 전극필름(1)의 절삭위치에 존재하는 전면의 활물질(3)과 후면의 활물질(3)을 제거하기 위한 IR(적외선) 레이저(31, 33)과, 활물질이 제거된 전극체를 절삭하기 위한 그린레이저를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, IR레이저인 제1 및 제2레이저(31,33)에 의해 활물질 층을 제거하고, 활물질층이 제거된 전극면에 그린레이저인 제3레이저(35)를 조사하여 전극을 형성할 수 있다. 이러한 레이저의 구성은 일레로 제시된 것으로 이로써만 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 레이저의 수, 위치, 파장과 같은 사항들은 사용자 임의로 변경이 가능하다.

이러한 레이저들(31 내지 35)는 도시된 바와 같이 전극 필름의 진행방향(D) 상에 순차적으로 일정간격 이격되어 배치된다. 특히, 전극필름(1)의 이송방향을 수평방향에서 수직방향으로 변경하는 제1롤러(21)와 수직방향에서 수평방향으로 변경하는 제2롤러(22) 사이에 레이저(30)가 배치될 수 있다. 이를 통해, 레이저에 의해 용융된 활물질 또는 전극체에 의해 생성되는 파티클이 전극필름(1)에 부착되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 레이저(30)에는 레이저 구동부(37)을 포함한 다수의 장치가 마련될 수 있다. 구체적으로 레이저(30)는 레이저발생부, 광학거울, 빔덤프, 빔 익스팬더 및 스캐너를 포함하여 구성될 수 있다.

레이저 구동부(37)는 제어부(50)로부터 전달되는 위치제어신호에 따라 레이저(30)의 조사위치를 조정한다. 구체적으로 레이저 구동부(37)는 스캐너의 위치를 조절하여 스캐너를 통해 방출되는 레이저광이 전극필름(1)에 조사되는 초점의 위치를 변경할 수 있다. 이를 위해 레이저구동부(37)는 액츄에이터 또는 모터를 이용하여 구성될 수 있다. 특히, 레이저 구동부(37)는 제2레이저(33)와 제3레이저(35)에 결합되어 제2 및 제3레이저(33)의 스캐너의 위치를 조절할 수 있다. 여기서, 스캐너를 회전시켜 초점위치를 조절할 수도 있으나, 이 경우 레이저의 초점 영역이 넓어져 전극필름(1)에 전달되는 에너지 밀도가 작아질 수 있다. 때문에 스캐너의 위치를 옮기는 것이 절삭 효율을 저하시키지 않을 수 있어 더 유리하다. 다만, 이로써만 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 레이저 구동부(37)는 하기에서 설명될 광학거울의 각도, 빔덤프의 위치 및 빔 익스팬더의 위치도 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 조절여부는 스캐너의 이동 범위를 고려하여 정해질 수 있는 것으로 본 발명에서는 이를 구체적으로 한정하지 않는다. 다만, 스캐너의 위치를 이동하는 경우 레이버 빔의 경로를 조절할 필요가 발생할 수 있으며, 이에 따라 레이저를 발생 및 전달하는 각부의 조절은 당업자에 의해 용이하게 조정될 수 있는 사항으로, 본 발명의 기술사상에 포함된다.

이외에 레이저발생부는 절삭을 위한 레이저를 생성하여 방출한다. 이러한 레이저발생부는 각각의 레이저(30) 별로 마련된다.

광학거울은 레이저발생부로부터 방출되는 레이저 빔이 스캐너에 전달되도록 레이저의 방향을 조절하기 위해 마련된다.

빔덤프는 스캐너와 레이저발생부 사이에 배치되어 스캐너에 전달되는 레이저의 상태를 조절하는 역할을 한다. 즉, 빔덤프는 레이저 전달과정에서 확산되는 레이저를 제거하며, 레이저의 웜업을 위해, 구동 초기의 저출력 레이저를 한시적으로 받아들이고, 충분한 출력이 되었을 때 빔 익스팬더에 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 빔덤프는 레이저 수용부와 빔덤프를 냉각하기 위한 냉각장치를 포함하여 구성될 수 있다.

빔 익스팬더는 빔덤프와 스캐너 사이에 배치되어 스캐너로 전달되는 레이저의 직경을 조절한다.

스캐너는 빔 익스팬더를 통해 전달되는 레이저를 전극필름(1)의 지정된 위치에 조사하여 전극필름을 절삭한다. 이 스캐너는 3축(가로축, 세로축 및 이 두 축에 직각인 축)으로 이동 또는 회전 가능하게 구성된다. 아울러, 스캐너는 전술한 바와 같이 레이저 구동부에 의해 위치 이동이 이루어질 수 있다. 이 스캐너는 전극필름(1)이 수직방향으로 이송되는 수직구간에 배치되어 지면에 수평인 방향으로 레이저를 조사하도록 배치될 수 있다.

카메라(40)는 전극필름을 촬영하여 촬영영상을 제어부(50)에 전달한다. 이를 위해 카메라(40)는 에어리어 스캔 카메라(Area Scan Camera)와 같은 장치일 수 있으나, 라인 카메라와 같은 장치를 이용하는 것도 가능하다. 여기서 에어리어 스캔 카메라를 이용하는 것은 빠른 이송이 이루어지는 전극필름을 촬영할 수 있도록 하며, 공정 환경과 같은 열악한 조도에서도 선명한 영상을 얻을 수 있으며, 영상처리가 용이하기 때문이다. 때문에, 이러한 장점을 가지는 다른 장치로 대체가 가능하다. 이러한 카메라(40)는 절삭공정이 이루어지는 수직구간의 초입(I)과 절삭공정이 종료되는 수직구간의 말미(E) 또는 절삭공정 후 수평구간의 초입(E)에 설치되어 전극필름(1)을 촬영하도록 배치될 수 있다. 즉, 수직구간의 초입(I)에 제1카메라(41)가 설치되어 절삭공정에 투입되는 전극필름을 촬영하고, 절상공적의 말미(E)에 제2카메라(43)가 설치되어 절삭공정이 이루어진 전극필름을 촬영하게 된다.

제어부(50)는 카메라(40)를 통해 전달된 영상을 분석하고, 분석된 영상에 따라 레이저(30)의 위치 조정을 위한 위치제어신호를 생성한다. 그리고, 제어부(50)는 생성된 위치제어신호를 레이저 구동부에 전달하여 레이저의 위치를 조절하게 된다. 구체적으로 카메라(40)는 제1카메라(41)의 영상과, 제2카메라(43)의 영상을 수신하고, 각각의 영상으로부터 어깨선을 검출한다. 그리고, 제1카메라(41)의 제1영상으로부터 추출된 영상과 제2카메라(43)에 의해 촬영된 제2영상의 어깨선을 비교하여 레이저의 위치조절을 위한 값을 산출하게 된다.

이에 대해서는 하기에서 다른 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 정상상태의 전극필름과 캔버가 발생된 전극필름을 도시한 예시도이다. 그리고, 도 3은 캔버가 발생된 전극필름의 절삭실패를 설명하기 위한 예시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, (a)와 같이 전극필름(1)은 전극체(5)에 활물질(3)이 도포되어 형성된다. 활물질(3)은 전극체(5)의 전후면에 도포되며, 이때 전극체(5)의 일부가 노출되어 노출부(6: 6a, 6b)가 마련된다. 절삭공정은 이 노출부(6)와 노출부(6)에 인접한 활물질(3) 도포부위까지 절삭하여 전극단자가 형성된다. 여기서, 노출부(6)의 경계 즉, 활물질(3) 도포부위와 비도포부위의 경계를 "어깨선"이라 칭하기로 한다.

이러한 전극필름(1)은 음극용인 경우 전극체가 구리(Cu)와 같은 금속으로 형성되고, 양극용인 경우 알루미늄(Al)과 같은 금속을 이용하여 제조된다. 이러한 금속을 박판으로 가공하고, 양면에 활물질을 도포하여 전극필름이 제조된다. 이때, 활물질이 도포되는 부위의 전극체가 신장 또는 이완되고, 노출부(6) 측의 신장 또는 이완이 이루어지지 않음으로써 (b)와 같이 전극필름(1b)이 노출부(6) 방향으로 휘는 현상 즉, 캔버가 발생된다.

이로 인해, 캔버가 발생된 전극필름(1b)이 절삭공정에 투입되면, 순차적으로 배치되는 레이저가 하나의 선(IL)에 중첩되어야 함에도 불구하고, 조사위치가 어긋나서 L1 내지 L3와 같이 각각 다른 곳에 레이저를 조사하게 된다.

레이저(30)의 경우 캔버가 발생되지 않은 전극필름(1a)을 기준으로 일렬로 배치되기 때문에 전극필름(1a)의 전면에 조사되는지 또는 후면에 조사되는지의 차이만 있을뿐, 같은 선상에 레이저가 조사되어야 한다.

그러나, 캔버가 발생된 전극필름(1b)의 경우 레이저(30)가 설치된 각각의 위치를 지나가면서 캔버로 인해 조사위치가 L1 내지 L3와 같이 어긋나게 된다. 즉, 전면의 활물질층을 제거하기 위한 제1레이저(31)에 의한 절삭위치 L1, 후면의 활물질층을 제거하기 위한 제2레이저(33)에 의한 절삭위치 L2 및 제3레이저(35)에 의한 절삭위치 L3가 모두 어긋나게 되고 이로 인해 절삭이 이루어지지 않게 된다. 이러한 전극필름은 특히 절삭공정이 이루어지는 수직구간(도 1에서 제1롤러(21)와 제2롤러(22)의 사이구간)의 초입에서는 정상적인 전극필름(1b)과 같은 상태로 투입되며, 수직구간의 말단으로 진행 될수록 캔버에 의해 전극필름(1b)의 치우침이 심화된다.

때문에, 이러한 L1 내지 L3가 IL과 같인 한점에 집중되도록 레이저(30)의 위치를 조절해야 한다. 이 때문에, 본 발명에서는 제1레이저(31)의 위치는 고정하고, 제2 및 제3레이저(33, 35)의 위치만 조절하여 초점을 일치시키게 된다.

이를 위해 제어부(50)는 제2레이저(33)와 제3레이저(35)의 위치조절 값을 각각 산출하게 된다.

이러한 조절을 위해 제1카메라(21)에 의해 검출된 제1지점(Y1)의 어깨선 위치와 제2지점(Y2)의 어깨선 위치간의 편차(C)를 산출한다. 이때, 제1 및 제2카메라(41, 43)가 라인 카메라인 경우 카메라의 영상을 그대로 이용하여 별도의 계산없이 편차(C)의 산출이 가능하다. 반면 에어리어 카메라인 경우 카메라의 위치를 계산하여 편차를 산출하게 된다. 일례로 카메라(41, 42) 간의 거리 X, 제1지점(Y1)과 제2지점(Y2)의 거리를 Y라 하면, C는 sin(Y/X)로 정의될 수 있다.

제어부(50)는 이 편차값을 제2레이저(33)의 위치에 대응시켜 제2레이저(33)의 위치 이동값(C') 제3레이저(35)의 위치이동값 (C'')을 산출하게 된다.

그리고, 제어부(50)는 제2레이저의 구동부(37a)와 제3레이저(35)의 구동부(37b)에 위치이동값(C', C'')을 각각 위치제어신호로 전달하여 위치 이동을 통해 초점을 정렬하게 된다.

이러한 과정은 전극필름(1)을 투입하는 초기에 이루어진다. 일반적으로 전극필름(1)은 롤 단위로 공정에 투입되며, 투입 초기의 일정량은 공정장치의 예비운영을 통해 파기하는 과정을 거치게 된다. 이때, 전극필름(1)의 캔버정도를 확인하여 레이저 초점을 조정함으로써 정상적인 공정이 이루어지는 남은 분량에 대해 적절한 절삭이 이루어지도록 할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1: 전극필름 3: 활물질
5: 전극체 6: 노출부
7: 어깨선 10: 전극제조장치
20: 가공부 21: 제1롤러
22: 제2롤러 30: 레이저
31: 제1레이저 33: 제2레이저
35: 제3레이저 37: 레이저구동부
40: 카메라 41: 제1카메라
43: 제2카메라 50: 제어부

Claims (6)

1. 박판으로 형성되는 전극체, 상기 전극체의 면에 상기 전극체의 일부가 일측으로 노출되는 노출부를 형성하도록 도포되는 활물질을 포함하는 전극필름;
   상기 전극필름이 공급되는 공급부, 상기 전극필름이 회수되는 회수부 및 상기 공급부와 상기 회수부 사이에서 상기 전극필름을 지지하는 가공부;
   상기 가공부에 의해 상기 전극필름이 이송되는 경로 상에 배치되고, 상기 전극필름을 절삭하여 전극단자를 형성하는 레이저;
   상기 경로에 설치되어 상기 활물질과 상기 노출부의 경계인 어깨선을 촬영하는 카메라;
   촬영된 상기 어깨선의 위치를 분석하여 레이저의 위치 또는 초점의 이동값을 결정하는 제어부; 및
   상기 이동값에 의해 상기 레이저를 이동시키는 레이저구동부;를 포함하고,
   상기 가공부는 상기 레이저에 의해 용융된 활물질 또는 전극체에 의해 생성되는 파티클이 상기 전극필름에 부착되는 것을 방지하도록, 수평으로 이동되는 상기 전극필름을 상기 레이저 배치위치에서는 수직으로 이동되도록 수직경로로 변경하며,
   상기 레이저는 상기 수직 경로상에 배치되고,
   상기 카메라는 상기 수직경로의 초입에 배치되는 제1카메라;와
   상기 전극필름의 이송방향으로 상기 제1카메라와 미리 지정된 거리만큼 이격되어 상기 수직경로의 말단에 설치되는 제2카메라;를 포함하는 전극제조장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 제1카메라의 제1영상에 촬영된 상기 어깨선의 위치와 상기 제2카메라의 제2영상에 촬영된 상기 어깨선의 위치를 비교하여 어깨선의 치우침을 검출하는 것을 특징으로 하는 전극제조장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저는
   상기 전극필름의 제1면의 절삭위치에 도포된 상기 활물질을 제거하는 제1레이저;
   상기 전극필름의 제2면의 절삭위치에 도포된 상기 활물질을 제거하는 제2레이저; 및
   상기 노출부와 상기 절삭위치에 레이저 빔을 조사하는 제3레이저;를 포함하며, 상기 제1레이저, 상기 제2레이저 및 상기 제3레이저는 상기 전극필름의 진행방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전극제조장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 레이저구동부는
   상기 제2레이저 또는 상기 제3레이저의 위치를 이동시키는 것을 특징으로 하는 전극제조장치.
6. 삭제

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