KR102496237B1 - 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치 - Google Patents

전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 활물질을 포함하는 코팅층이 형성된 전극 기판에 열에너지를 가한 후, 열에너지가 가해진 코팅층의 적외선 열화상을 분석하여 코팅층의 표면 결함과 내부 결함 및 두께를 한꺼번에 검사한다. 이로 인해, 코팅층에 발생한 스크래치나 크랙, 용매 기화로 인한 기공 등으로 인한 결함을 검출하고, 코팅층의 두께를 측정하여 코팅층의 두께에 오차가 발생하거나 표면에 두께 변화를 검출할 수 있다. 따라서, 코팅층의 표면 결함과 내부 결함 및 두께 결함을 신속하게 검출할 수 있어, 이러한 결함으로부터 초래될 수 있는 이차전지의 품질 저하 및 불량을 사전에 예방할 수 있다.

Description

전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치{Device for inspecting defect of surface and thickness in electrode}
본 발명은 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전기자동차의 수요가 급증하면서, 전기자동차의 에너지원인 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 전기자동차에 사용되는 이차전지는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성이 요구된다.
이러한 이차전지는 집전체인 전극 기판의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극 조립체를 만든 다음, 전극 조립체를 전해액과 함께 전지 케이스에 밀봉수납하는 과정을 거쳐 제조된다.
한편, 대량 생산 체계에 의한 이차전지의 제조과정에서는, 각 공정 상의 작은 하자에 의해서도 심각한 불량이 초래될 수 있다.
특히, 이차전지의 전극을 제조하는 과정에서, 전극 기판에 형성된 코팅층에 스크래치(scratch)나 크랙(crack), 용매 기화로 인한 기공 등이 발생하고, 두께에 오차가 발생하거나 불균일한 표면이 형성되면, 이차전지의 성능에 심각한 저하를 가져올 수 있다.
그럼에도 불구하고, 전극 기판의 코팅층에 발생할 수 있는 결함을 제조과정에서 검사할 수 있는 장치나 방법이 전혀 없는 상태다.
한국공개특허(10-2021-0008724)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치는,
전극 기판의 코팅층에 열에너지를 가하는 가열부;
상기 가열부에 후속하여 위치되며, 열에너지가 가해진 상기 코팅층의 표면을 촬상하여 적외선 열화상을 획득하는 열화상 카메라; 및
상기 열화상 카메라가 획득한 적외선 열화상을 분석하여 상기 코팅층의 표면 결함과 내부 결함과 두께 결함을 동시에 검출하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
전극 기판에 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 도포하여 코팅층을 형성하는 제1단계;
상기 코팅층이 형성된 전극 기판의 표면에 열에너지를 가하는 제2단계;
열에너지가 가해진 상기 코팅층의 표면을 촬상하여 적외선 열화상을 획득하는 제3단계; 및
획득된 상기 적외선 열화상을 분석하여 상기 코팅층의 표면 결함과 내부 결함과 두께 결함을 동시에 검출하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 표면 및 두께 결함 검사 방법에 의해 달성된다.
본 발명은 전극 활물질을 포함하는 코팅층이 형성된 전극 기판에 열에너지를 가한 후, 열에너지가 가해진 코팅층의 적외선 열화상을 분석하여 코팅층의 표면 결함과 내부 결함 및 두께를 한꺼번에 검사한다. 이로 인해, 코팅층에 발생한 스크래치나 크랙, 용매 기화로 인한 기공 등으로 인한 결함을 검출하고, 코팅층의 두께를 측정하여 코팅층의 두께에 오차가 발생하거나 표면에 두께 변화를 검출할 수 있다. 따라서, 코팅층의 표면 결함과 내부 결함 및 두께 결함을 신속하게 검출할 수 있어, 이러한 결함으로부터 초래될 수 있는 이차전지의 품질 저하 및 불량을 사전에 예방할 수 있다.
본 발명은 코팅층이 형성된 전극 기판을 슬리팅하고 가압한 후, 전극 표면 결함 및 두께 검사한다. 이로 인해, 전극 기판이 슬리팅되어 작아져 열에너지를 여러 차례 줄 필요 없이 단 한 차례만 주어도 열에너지가 충분히 전극 기판 전체에 전달될 수 있다. 따라서, 열에너지를 한 차례 가한 상태에서 바로 열화상 촬영이 가능해, 열이 퍼져나가기 전에 코팅층을 촬영하여 코팅층의 결함 여부를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 전극 기판의 크기가 클 경우, 여러 번의 촬영으로 획득된 적외선 열화상을 붙여 합성해야 하는데, 전극 기판이 슬리팅되어 작아질 경우, 열화상 카메라가 쵤영할 영역이 줄어들어, 전극 기판 전체를 하나의 적외선 열화상에 담을 수 있다. 이로 인해, 적외선 열화상을 신속하게 얻을 수 있고, 합성된 이미지가 아닌 하나의 적외선 열화상으로부터 결함 여부를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 열화상 카메라에서 획득되는 적외선 열화상의 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 가열부가 레이저를 가하는 경우 열에너지가 코팅층으로 확산되었다가 표면을 방출되어 열화상 카메라에 감지되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 방법을 나타낸 순서도다.
도 5는 도 4에 도시된 제1단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 전극탭이 형성된 전극의 정면 및 측면을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치를 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치는, 이차전지의 전극 제조 과정 중에, 전극 기판(11)의 상면에 형성된 코팅층(12)의 결함을 검사하기 위한 장치다.
[전극 기판(11)]
전극 기판(11)은 이차전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 금속으로 이루어진다. 본 실시예에서는 양극인 경우 알루미늄 포일(aluminum foil)이 사용되고, 음극인 경우 구리 포일(copper foil)이 사용된다.
전극 기판(11)의 상면에는 코팅층(12)이 형성된다. 이를 위해, 전극 활물질을 포함한 코팅재료가 전극 기판(11)의 상면에 도포된 후, 핫 롤러에 의해 전극 기판(11)이 가압된다. 그러면, 전극 기판(11)의 상면에 코팅층(12)이 형성된다. 전극 기판(11)을 가압할 때, 전극 기판(11)의 원판 상태로 가압하거나, 전극 기판(11)을 슬리팅하여 작게 자른 상태로 가압할 수 있다. 다만, 전극 기판(11)이 슬리팅된 상태가 결함 검사에 더 유리한데, 그 이유는 발명의 효과에서 언급하였다.
다만, 후술할 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치 및 방법에서는, 슬리팅된 전극 기판(11)의 코팅층(12) 뿐만 아니라, 슬리팅되지 않는 전극 기판(11)의 코팅층(12) 모두가 그 검사 대상이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가열부(110), 열화상 카메라(120), 분석부(130)로 구성된다.
[가열부(110)]
가열부(110)는 전극 기판(11)의 코팅층(12)에 열에너지를 가한다.
가열부(110)는 밀폐된 내부공간(111)을 가진다. 코팅층(12)이 상면에 형성된 전극 기판(11)이 내부공간(111)을 통과할 때, 가열부(110)는 코팅층(12)을 향해 열에너지를 가한다. 내부공간(111)에서 코팅층(12)에 열에너지를 가하므로, 코팅층(12)에 열에너지가 집중적으로 전달될 수 있다.
가열부(110)는 전극 기판(11)의 코팅층(12)에 비접촉 방식으로 열에너지를 전달한다. 가열부(110)는 UV 램프(UV lamp), 레이저 소스(laser source), 열풍(hot air), 와전류(eddy current) 중 어느 하나를 이용하여 열에너지를 코팅층(12)에 가한다. 가열부(110)로 레이저 소스를 이용하는 경우, 대면적 레이저를 사용하여, 전극 기판(11)의 폭에 상응하는 전체 길이에 레이저를 한 번에 조사할 수 있다. 이 밖에도, 가열부(110)가 코팅층(12)에 열에너지를 가하는 방식은 다양할 수 있다.
[열화상 카메라(120)]
열화상 카메라(120)는 가열부(110)에 후속하여 위치된다.
열화상 카메라(120)는 가열부(110)에 의해 열에너지가 가해진 코팅층(12)의 표면을 촬상하여 적외선 열화상(infrared thermal image)을 획득한다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 적외선 열화상은 물체 표면에서 방사되는 적외선의 측정에 의해 얻어진 표면의 온도 분포에 따라 흑백의 농담 또는 색깔로 표시된다.
열에너지가 없는 물체의 경우, 적외선 열화상은 도 2(b)의 왼쪽 그림처럼 검게 나타난다. 그러나, 물체에 열에너지가 가해지면, 도 2(b)의 오른쪽 그림처럼 표면 온도에 따라 색이 다르게 나타난다.
열화상 카메라(120)는 분석부(130)에 전기적으로 연결되어 촬상한 적외선 열화상을 분석부(130)로 전송한다.
[분석부(130)]
코팅층의 표면 결함과 내부 결함 분석
분석부(130)는 열화상 카메라(120)가 획득한 적외선 열화상을 미리 설정된 알고리즘을 통해 분석하여 코팅층(12)의 표면 결함 및 내부 결함을 검출한다.
물체에 스크래치나 크랙(C), 기공 등이 있는 경우 표면 온도가 주변부와 달라 도 2(a)와 도 2(b)의 오른쪽 그림처럼 스크래치나 크랙(C) 부분, 기공이 다른 색으로 표시된다.
알고리즘은 코팅층(12)에 나타나는 스크래치 또는 크랙(C), 기공 등과 같은 표면 결함과 내부 결함의 적외선 열화상 패턴을 데이터화하여 획득된 적외선 열화상 패턴과 비교, 분석하여 결함을 검출한다.
코팅층의 두께 결함 분석
분석부(130)는 열화상 카메라(120)가 획득한 적외선 열화상을 미리 설정된 알고리즘을 통해 분석하여 코팅층(12)의 두께 결함을 검출한다.
가열부(110)가 레이저빔을 조사하여 코팅층(12)을 가열하는 경우를 예로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저빔이 조사되면 코팅층(12)의 표면에 열이 발생하고, 열은 코팅층(12) 내부로 확산된다. 확산된 열은 코팅층(12)과 전극 기판(11)의 계면에서 반대 방향으로 역확산되어 코팅층(12)의 표면 쪽으로 확산되고, 표면을 통해 열이 방출된다. 이때, 적외선 플럭스(infrared flux)가 열화상 카메라(120)에 감지된다.
이와 같이, 코팅층(12) 표면에 열에너지가 가해지면 재료 특성 및 두께에 따라 열 유속(heat flux)에 차이가 발생하게 된다. 알고리즘은 이러한 열유속 차이에 따른 두께를 데이터화하여 획득된 적외선 열화상 패턴으로부터 열 유속 차이를 분석하여 두께로 환산한다.
분석부(130)는 이와 같이 환산된 두께로부터, 두께가 설정된 범위를 벗어났는지, 두께가 불균일한 지 등의 두께 결함여부를 판단한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 방법을 자세히 설명한다. 도 1 내지 도 3을 기본적으로 참조한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 방법은, 이차전지의 전극 제조 과정 중에, 전극 기판(11)의 상면에 형성된 코팅층(12)의 결함을 검사하기 위한 방법이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 표면 및 두께 결함 검사 방법은,
전극 기판에 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 도포하여 코팅층을 형성하는 제1단계(S10);
상기 코팅층이 형성된 전극 기판의 표면에 열에너지를 가하는 제2단계(S20);
열에너지가 가해진 상기 코팅층의 표면을 촬상하여 적외선 열화상을 획득하는 제3단계(S30); 및
획득된 상기 적외선 열화상을 분석하여 상기 코팅층의 표면 결함과 내부 결함과 두께 결함을 동시에 검출하는 제4단계(S40)로 구성된다.
이하, 제1단계(S10)를 설명한다.
전극 기판(11)에 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 도포하여 코팅층(12)을 형성한다. 코팅재료는 전이금속 산화물을 포함하는 전극 활물질, 바인더, 도전재 등이다. 전극 활물질은 양극을 형성하기 위한 양극 활물질이거나, 음극을 형성하기 위한 음극 활물질이다.
제1단계(S10)는 다음과 같이 세분된다.
상기 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 혼합하여 습식 코팅제를 제조하는 코팅재료 혼합단계;
상기 습식 코팅제를 일방향으로 이송되는 상기 전극 기판에 도포하여 코팅층을 형성하는 코팅단계;
상기 코팅층이 형성된 전극 기판을 일방향으로 이송시키며 건조시키는 건조단계;
상기 코팅층이 형성된 전극 기판을 이송 방향을 따라 절단하는 슬리팅단계; 및
절단된 각 전극 기판을 일방향으로 이송시키며 가압하는 가압단계.
코팅재료 혼합단계
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 혼합하여 습식 코팅제를 제조한다.
습식 코팅제는 전극 기판(11)에 전극 활물질을 코팅하기 위한 것으로, 코팅재료를 휘발성 용매에 혼합하여 슬러리 형태로 만든 것이다.
코팅재료로는 양극 또는 음극을 형성하는 전극 활물질, 전극 활물질 간 전도성을 높이기 위한 도전재, 전극 활물질과 도전재 및 전극 기판(11) 간의 결합력을 높이기 위한 바인더 등이 있다.
코팅단계 및 건조단계
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 습식 코팅제를 일방향으로 이송되는 전극 기판(11)에 도포하여 코팅층(12)을 형성한다. 습식 코팅제는 전극 기판(11)의 테두리로부터 일정 간격을 두고 도포되며, 일정 간격을 띄워서 복수 열로 도포될 수 있다. 본 실시예에서는 습식 코팅제가 2열로 도포된다. 습식 코팅제가 도포된 부분은 코팅층(12)을 형성하고, 습식 코팅제가 도포되지 않은 부분은 절단되거나 무지부를 형성하게 된다.
습식 코팅제가 도포된 전극 기판(11)을 일방향으로 이송시키며 건조시켜, 습식 코팅제에 함유된 휘발성 용매를 휘발시킨다.
슬리팅단계
도 5(c)에 도시된 바와 같이, 코팅층(12)이 형성된 전극 기판(11)을 이송 방향에 따라 절단한다. 코팅층(12)이 2열로 형성된 전극 기판(11)을 절단하여 두 개의 전극 기판(11)으로 분리하고, 습식 코팅제가 도포되지 않은 테두리의 무지부를 설정된 길이로 절단한다. 무지부에는 추후 노칭(notching) 과정을 거쳐 전극탭(13)이 형성된다.
이러한 슬리팅단계를 거쳐 전극 기판(11)의 크기가 작게 만들면(1/2 배 또는 1/4배), 가압단계에서 더 균일하고 큰 힘으로 전극 기판(11)을 가압할 수 있다. 이로 인해, 전극 기판(11)의 표면에 코팅층(12)이 더 얇고 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 코팅층의 표면 결함과 내부 결함과 두께 결함이 대부분 가압단계에서 사라질 수 있어, 가압단계 전에 슬리팅단계를 거치는 것이 바람직하다.
가압단계
도 5(d)에 도시된 바와 같이, 절단되어 분리된 각 전극 기판(11)을 핫롤러 사이로 통과시켜 가압한다.
가압을 통해, 전극 기판(11)에 점착된 습식 코팅제의 두께를 축소시켜 밀도를 높이고, 전극 기판(11)과 습식 코팅제에 포함된 전극 활물질 간의 접착성 및 밀착성을 증가시킨다.
[변형예]
변형예는 습식 코팅제 대신, 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 휘발성 용매에 혼합하지 않고 제조한 건식 코팅제가 전극 기판(11)에 도포된다. 건식 코팅제를 사용하기 때문에 건조단계가 생략된다.
이로 인해, 공정이 단순화되고, 용매의 기화로 인한 기공이 방지되고, 제거되지 못한 용매로 인한 폭발 위험이 없으며, 용매의 기화로 인한 밀도 저하 등이 발생하지 않게 된다.
변형예에 따르면, 제1단계는 다음과 같이 구성된다.
상기 전극 활물질을 포함한 코팅재료를 혼합하여 건식 코팅제를 제조하는 코팅재료 혼합단계;
상기 건식 코팅제를 일방향으로 이송되는 상기 전극 기판에 도포하여 코팅층을 형성하는 코팅단계;
상기 코팅층이 형성된 전극 기판을 이송 방향을 따라 절단하는 슬리팅단계; 및
절단된 각 전극 기판을 일방향으로 이송시키며 가압하는 가압단계
이하, 제2단계(S20)를 설명한다.
가압되어 밀도화된 코팅층(12)에 열에너지를 가한다.
열에너지는 코팅층(12)에 비접촉 방식으로 전달되어 코팅층(12)의 표면의 손상을 최대한 방지한다. 이를 위해, 열에너지는 UV 램프, 레이저, 열풍, 와전류 중 어느 하나를 이용하여 발생시킨다.
코팅층(12)이 형성된 전극 기판(11)은 일방향으로 이송되고, 이송되는 전극 기판(11)의 폭에 걸쳐 열에너지가 연속적으로 가해진다.
특히, 슬리팅단계를 거쳐 절단되어 전극 기판(11)의 폭이 작아졌으므로, 전극 기판(11) 전체에 열에너지를 한꺼번에 균일하게 가할 수 있다.
이하, 제3단계(S30)를 설명한다.
열에너지가 가해진 코팅층(12)의 표면을 열화상 카메라(120)로 촬상하여 적외선 열화상을 획득한다. 슬리팅단계를 거쳐 절단되어 전극 기판(11)의 크기가 작아지면, 열화상 카메라(120)가 쵤영할 영역이 줄어들어, 전극 기판(11) 전체를 열화상 카메라(120)로 한번에 촬영할 수 있다. 따라서, 신속하게 적외선 열화상을 얻을 수 있다.
이하, 제4단계(S40)를 설명한다.
코팅층(12)의 결함은 코팅층(12)의 표면 또는 내부에 발생하는 스크래치나 크랙(C), 기공일 수 있고, 두께 오차 또는 두께가 일정하지 않아 형성되는 불균일한 표면일 수 있다.
획득된 적외선 열화상을 분석하여 코팅층(12)의 결함을 검출한다.
이를 위해, 획득된 적외선 열화상을 미리 설정된 알고리즘을 통해 분석하여 코팅층(12)의 표면 결함 및 내부 결함을 검출한다. 알고리즘은 코팅층(12)에 나타나는 스크래치나 크랙(C), 기공 등과 같은 표면 결함과 내부 결함의 적외선 열화상 패턴을 데이터화하여 획득된 적외선 열화상 패턴과 비교, 분석하여 결함을 검출한다.
또한, 획득된 적외선 열화상을 미리 설정된 알고리즘을 통해 분석하여 코팅층(12)의 두께를 측정한다. 알고리즘은 코팅층(12)의 표면에 열에너지를 가했을 때 재료 특성 및 두께에 따라 발생하는 열 유속 차이에 따른 두께를 데이터화하여 획득된 적외선 열화상 패턴으로부터 열유속 차이를 분석하여 두께로 환산한다. 이와 같이 환산된 두께를 검토하여 결함여부를 판단한다.
한편, 슬리팅단계를 거쳐 절단되어 폭이 작아진 전극 기판(11)을 검사하면, 검사해야 할 영역이 줄어들어 더 신속하고 정밀하게 결함을 검출할 수 있다.
한편, 제4단계이후에 결함이 검출된 전극 기판(11)에 결함마크를 표시하는 제5단계가 더 포함될 수 있다. 결함마크는 잉크젯 방식으로 프린팅되어 형성된다.
검사가 완료되면, 전극 기판(11)은 노칭 과정을 통해 도 6에 도시된 바와 같이 전극탭(13)과 코팅층(12)이 형성된 전극으로 만들어진다. 결함마크가 형성된 전극 기판(11)은 폐기 또는 재활용된다.
11: 전극 기판 12: 코팅층
13: 전극탭 110: 가열부
111: 내부공간 120: 열화상 카메라
130: 분석부 C: 스크래치 또는 크랙

Claims (5)

  1. 밀폐된 내부공간을 구비하며, 상기 밀폐된 내부공간내에 열풍을 불어 넣어, 상기 밀폐된 내부공간을 통과하는 전극기판을 가열하는 가열부;
    상기 밀폐된 내부공간의 후단에 위치되며, 가열된 상기 전극기판이, 상기 밀폐된 내부공간으로부터 빠져나오자마자, 상기 전극기판의 코팅층을 촬상하여 적외선 열화상을 획득하는 열화상 카메라; 및
    상기 열화상 카메라가 획득한 적외선 열화상을 분석하여 상기 코팅층의 표면 결함과 내부 결함과 두께 결함을 동시에 검출하는 분석부를 포함하며,
    상기 전극기판은 상기 밀폐된 내부공간으로 들어가기 전에, 작게 슬리팅되는 것을 특징으로 하는 전극의 표면 및 두께 결함 검사 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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