KR20060118957A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 상부의 절연 케이스를 캡 조립체와 일체화하여, 절연 케이스의 유동으로 인한 전극 조립체의 쇼트를 방지하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며, 적어도 하나의 요홈이 형성된 캡 플레이트 및 적어도 하나의 돌기부가 형성된 절연 케이스를 구비하는 캡 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
리튬 이차 전지, 캡 조립체, 절연 케이스, 요홈, 돌기부

Description

리튬 이차 전지{Li Secondary Battery}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 캡 조립체 및 절연 케이스를 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 리튬 이차 전지 110; 케이스
200; 전극 조립체 210; 제 1 전극판
215; 제 1 전극 탭 220; 제 2 전극판
225; 제 2 전극 탭 230; 세퍼레이터
240; 절연 테이프 300; 캡 조립체
310; 캡 플레이트 311; 단자 통공
312; 전해액 주입구 317; 요홈
320; 단자 전극 330; 가스켓
340; 절연 플레이트 350; 단자 플레이트
360; 절연 케이스 367; 돌기부
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 조립체 상부의 절연 케이스를 캡 조립체와 일체화하여, 절연 케이스의 유동으로 인한 전극 조립체의 쇼트를 방지하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 상기 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로 는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 수용하고, 절연 케이스를 안착한 후, 캡 조립체를 상기 리튬 이차 전지용 케이스와 결합하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
그러나, 상기한 바와 같은 리튬 이차 전지는 상기 캡 조립체와 절연 케이스가 분리되어 있어, 낙하 등의 외부 충격으로 인하여 상기 절연 케이스의 유동이 발 생할 수 있다. 이러한 상기 절연 케이스의 유동은 상기 전극 조립체에 압력을 가하게 되고, 이로 인하여 상기 전극 조립체의 양극 전극판 및 음극 전극판 사이의 쇼트가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전극 조립체 상부의 절연 케이스를 캡 조립체와 일체화하여, 절연 케이스의 유동으로 인한 전극 조립체의 쇼트를 방지하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며, 적어도 하나의 요홈이 형성된 캡 플레이트 및 적어도 하나의 돌기부가 형성된 절연 케이스를 구비하는 캡 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 캡 플레이트와 상기 절연 케이스는 상기 요홈 및 돌기부를 통하여 결합되며, 상기 캡 플레이트의 요홈의 깊이는 0.1mm 내지 0.4mm이며, 상기 절연 케이스의 돌기부의 높이는 0.8mm 내지 1.7mm이다.
상기 케이스는 상기 캡 조립체를 안착하기 위한 캡 조립체 안착부를 더 구비할 수 있으며, 상기 캡 조립체 안착부의 높이는 2.2㎜ 내지 2.5㎜이다.
또한, 본 발명은 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며, 적어도 하나의 요홈을 구비하는 캡 조립체와; 상기 전극 조립체의 상부에 위치하여 상기 캡 조립체와 상기 전극 조립체를 절연시켜주며, 돌기부를 구비하는 절연 케이스를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 캡 조립체와 상기 절연 케이스는 상기 요홈 및 돌기부를 통하여 결합된다.
상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 절연 플레이트 및 단자 플레이트를 구비하며, 상기 요홈은 상기 캡 플레이트, 절연 플레이트 및 단자 플레이트 중 적어도 어느 하나에 형성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 리튬 이차 전지용 케이스(110)와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극 조립체(200)와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)의 상부에 결합되며, 절연 케이스(360)와 일체화된 캡 조립체(300)와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)에 주입되어 상기 전극 조립체(200) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 전해액(400)으로 이루어져 있다.
상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)는 상부가 개구된 대략 박스(box)의 형상을 가진 금속재 캔으로 이루어져 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 또한, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)의 상부는 상기 캡 조립체(300)를 안착시키기 위한 캡 조립체 안착부(115)를 구비하며, 상기 캡 조립체 안착부(115)의 높이(h)는 2.2㎜ 내지 2.5㎜인 것이 바람직하다.
상기 전극 조립체(200)는 일반적으로 양극 탭으로 사용되는 제 1 전극 탭(215) 및 음극 탭으로 사용되는 제 2 전극 탭(225) 중 어느 하나, 예를 들면 제 1 전극 탭(215)이 부착된 제 1 전극판(210)과, 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225) 중 다른 하나, 예를 들면 제 2 전극 탭(225)이 부착된 제 2 전극판(220)과, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)가 권취된 형태로 이루어져, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)에 수용된다. 있다. 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)이 상기 전극 조립체(200)로부터 인출되는 경계부에는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(240)로 각각 절연되어 있다.
또한, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)은 서로 극성을 달리하며, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 각각의 적어도 일면에는 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되어 있다. 이때, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 양극 전극판으로 사용되는 전극판, 예를 들면 제 1 전극판(210)은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판으로 사용되는 전극판, 예를 들면, 제 2 전극판(220)은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(230)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡 조립체(300)에는 상기 이차 전지용 케이스(110)의 개구부와 대응하는 크기와 형상을 구비하는 평판형 캡 플레이트(310)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 중앙부에는 단자 통공(311)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(310)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(312)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(312)은 보올(315)과 결합되어 밀폐된다. 또한, 상기 캡 플레이트(310)의 하면의 일부분에는 요홈(317)을 구비한다.
상기 단자 통공(311)에는 전극 단자(320), 예를 들면, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 상기 전극 단자(320)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(330)이 설치되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 절연 플레이트(340)가 배치되어 있다. 상기 절연 플레이트(340) 아래면에는 단자 플레이트(350)가 설치되어 있다.
상기 전극 단자(320)는 상기 가스켓(330)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(311)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(320)의 저면부는 상기 절연 플레이트(340)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(350)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 전극판(210)으로부터 인출된 제 1 전극 탭(215)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(320)의 하단부에는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 다른 하나, 예를 들면, 제 2 전극판(220)으로부터 인출된 제 2 전극 탭(225)이 용접된다.
또한, 상기 캡 조립체(300)의 일부분에는 요홈(317)을 구비한다. 예를 들면, 상기 캡 조립체(300)의 캡 플레이트(310) 하면의 일부분에는 요홈(317)을 구비한다.
한편, 상기 전극 조립체(200)의 상면에는 상기 전극 조립체(200)와 캡 조립체(300)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(200)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(360)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(360)는 상기 캡 플레이트(310)의 전해액 주입구(312)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(362)을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(360)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 절연 케이스(360)는 일부분에 상기 캡 조립체(300)의 일부분, 예를 들면, 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)과 대응하는 돌기부(367)를 구비하여 상기 캡 플레이트(310)와 결합된다. 즉, 상기 절연 케이스(360)는 상기 돌기부(367)를 통하여 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)과 결합되어, 상기 캡 플레이트(310)와 일체화되어, 상기 절연 케이스(360)가 유동하는 것을 방지한다. 다시 말해, 상기 캡 조립체(300)의 요홈(317)과 상기 절연 케이스(360)의 돌기부(367)가 결합하여, 상기 리튬 이차 전지(100)의 낙하 등의 외부 충격으로 인하여 상기 절연 케이스(360)의 유동을 방지하여, 상기 절연 케이스(360)의 유동으로 인한 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이의 쇼트가 발생하는 것을 방지하는 것이다.
상기 전해액(400)은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액(400)은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액(400) 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 캡 조립체 및 절연 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 캡 조립체(300) 일부분의 하면, 예를 들면, 캡 플레이트(310)의 하면의 일부분에 적어도 하나의 요홈(317)을 구비한다. 이때, 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)은 그 횡단면이 다양한 형상, 예를 들면, 삼각형, 사각형 등의 다각형 및 원형, 타원형 등의 폐곡선 또는 이들의 등가 형상으로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 그 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 캡 플레이트(310) 요홈(317)의 깊이는 0.1mm 내지 0.4mm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 절연 케이스(360)는 상면에 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)에 대응하는 돌기부(367)를 구비하며, 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)과 결합하여, 상기 캡 조립체(300)와 일체화된다. 이때, 상기 절연 케이스(360)의 돌기부(367)는 상기 캡 플레이트(310)의 요홈(317)과 대응하는 형상으로 이루어지며, 상기 절연 케이스(360) 돌기부(367)의 높이는 0.8mm 내지 1.7mm인 것이 바람직하다.
다시 말해, 상기 리튬 이차 전지(100)의 캡 플레이트(310)의 요홈(317)을 통하여 상기 돌기부(367)를 구비하는 상기 절연 케이스(360)가 결합되어, 상기 캡 조립체(300) 및 절연 케이스(360)가 일체화되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 절연 케이스(360)의 돌기부(367)가 상기 요홈(317)을 구비하는 상기 캡 플레이트(310)와 일체화되는 구조를 이용하여 설명하였으나, 상기 캡 플레이트(310) 이외의 캡 조립체(300)의 일부분, 예를 들면, 상기 절연 플레이트(340) 또는 단자 플레이트(350)에 요홈을 형성하여 상기 절연 케이스(360)의 돌기부(367)와 결합하도록 하여 상기 절연 케이스(360)의 유동을 방지하여, 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이의 쇼트를 방지할 수도 있다.
즉, 상기 캡 조립체(300)의 일부분에 요홈(317)을 형성하며, 상기 캡 조립체(300)의 요홈(317)과 대응하는 돌기부(367)를 구비하는 절연 플레이트(360) 를 상기 캡 조립체(300)와 일체화함으로써, 상기 절연 케이스(360)의 유동을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이의 쇼트를 방지한다.
한편, 이상의 실시예에서는 캡 조립체에 요홈이 형성되고, 절연 케이스에 돌기부가 형성되는 구조를 이용하여 설명하였으나, 반대의 경우, 즉, 캡 조립체에 돌기부가 형성되고, 절연 케이스에 요홈이 형성되는 경우도 본 발명과 동일한 범주로 생각할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 전극 조립체 상부의 절연 케이스를 캡 조립체와 일체화하여, 절연 케이스의 유동으로 인한 전극 조립체의 쇼트를 방지하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며, 적어도 하나의 요홈이 형성된 캡 플레이트 및 적어도 하나의 돌기부가 형성된 절연 케이스를 구비하는 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트와 상기 절연 케이스는 상기 요홈 및 돌기부를 통하여 결합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 요홈의 깊이는 0.1mm 내지 0.4mm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 케이스의 돌기부의 높이는 0.8mm 내지 1.7mm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 캡 조립체를 안착하기 위한 캡 조립체 안착부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 캡 조립체 안착부의 높이는 2.2㎜ 내지 2.5㎜인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  7. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며, 적어도 하나의 요홈을 구비하는 캡 조립체와;
    상기 전극 조립체의 상부에 위치하여 상기 캡 조립체와 상기 전극 조립체를 절연시켜주며, 돌기부를 구비하는 절연 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 캡 조립체와 상기 절연 케이스는 상기 요홈 및 돌기부를 통하여 결합되 는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 절연 플레이트 및 단자 플레이트를 구비하며,
    상기 요홈은 상기 캡 플레이트에 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 절연 플레이트 및 단자 플레이트를 구비하며,
    상기 요홈은 절연 플레이트에 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 절연 플레이트 및 단자 플레이트를 구비하며,
    상기 요홈은 단자 플레이트에 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 플레이트를 구비하는 리튬 이차 전지에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 하면에는 적어도 하나의 돌기부가 형성되고, 상기 케이스 내에서 상기 전극 조립체 위에 구비되는 절연 케이스에는 상기 돌기부에 대응되는 홈이 형성되어 상기 돌기부 단부와 결합되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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