KR20160083687A - 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 절곡 구조를 이용하여 분리막의 밀착 - 확장을 하나의 리폼 핀을 이용하여 순차 진행함으로써 분리막의 손상과 불량을 최소화함은 물론 리폼 공정에 의해 형성되는 분리막의 형상이 젤리-롤의 내주연을 따라 밀착되게 권취되도록 하여 전극 조립체의 풀림이나 스프링 백 현상을 최소화하는 리폼 핀의 새로운 구조를 제안한다.

Description

이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀{Double bent type Reform pin}

본 발명은 리폼 공정 시, 분리막의 길이를 고려하여 단일 리폼 핀을 이용하되, 순차로 분리막을 밀착 - 확장하여 리폼(Reform) 함으로써 분리막의 풀림 현상 및 스프링백 현상을 최소화하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀에 관한 것이다.

충전 및 방전이 가능하면서 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 리튬 배터리는 휴대 단말기의 배터리에서 전기 자동차의 배터리까지 다양한 장치에서 동력원으로 이용되고 있다. 리튬 배터리는 수용하는 전해질의 종류에 따라 액상 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리로 분류되며, 전극 조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다. 통상적으로, 각형 또는 원통형에 채용되는 전극 조립체는 양극판, 분리막, 음극판을 적층하고, 이를 권취한 젤리-롤 형태를 갖는다.

전극 조립체를 젤리-롤 형태로 권취할 때, 분리막을 잡아주는 핀에 의해 젤리-롤 형태의 전극 조립체 중심부에는 분리막이 태극 무늬 형상을 이룬다.

이러한 태극 무늬 형상을 제거하고 전극 조립체의 중심부를 원형으로 복원하기 위해서는 젤리-롤 형태로 전극 조립체를 형성 후, 후공정을 통해 중심부를 정리하여야 한다. 이러한 후 공정은 도 1과 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.

도 1과 도 2를 참조하면, 종래의 후 공정은 종단이 예리한 리폼 핀(10)을 젤리-롤 형태의 전극 조립체(20) 중심부(21)로 진입시켜 전극 조립체(20)의 중심부(21)에 위치하는 태극 무늬 형상의 분리막을 중심부(21) 테두리로 밀어내고 있다. 리폼 핀(10)은 중심부(21)를 향해 전진 또는 후진하면서 중심부(21)에 위치하는 분리막을 테두리로 밀어내는데, 이때, 전극 조립체(20)의 중심부(21)에 위치하는 분리막은 리폼 핀(10)의 종단이 삽입된 후, 리폼 핀(10)의 몸체가 삽입되면서 젤리-롤 구조의 테두리를 향해 밀착된다. 리폼 핀(10)은 분리막을 밀착할 때, 폭이 좁은 첨두가 젤리-롤 구조의 중심부로 진입 후, 폭이 넓은 몸체가 진입하는데, 이때, 태극 무늬 형상의 분리막은 몸체 진입에 의해 강제로 젤리-롤 구조의 테두리를 향해 강제로 밀착되어 접힐 수 있다. 리폼 핀 몸체의 반경이 태극 무늬를 이루는 영역에 대응하는 분리막의 길이 보다 크기 때문에 태극 무늬를 이루는 영역의 분리막은 젤리-롤 테두리를 따라 원형을 이루며 밀착하다가 종단이 내측으로 접히면서 원형을 이룬다. 도 2의 (a)는 태극 무늬를 갖는 분리막의 형태를 도시하고, 도 2의 (b)는 리폼 공정에 의해 젤리-롤 구조의 테두리를 향해 분리막이 반대로 접히는 구조를 도시하고 있다. 분리막의 종단이 반대 방향으로 강제로 접힘에 따라 분리막의 내구성을 악화시키며, 분리막을 포함하는 전극 조립체의 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 이처럼 분리막이 리폼 핀(10)에 의해 젤리-롤 구조의 테두리를 향해 강제 밀착되고 길이가 짧은 분리막이 젤리-롤 구조의 테두리를 향해 강제로 접힘에 따라 해당 분리막을 구비하는 전극 조립체가 불량을 유발하는 것은 물론, 전극 조립체가 올바로 권취되지 않아 풀려버리거나, 감겨있던 전극 조립체가 스프링백(Spring back) 현상을 일으킬 우려가 있다.

한국공개특허 1998-0068890호

본 발명의 목적은 리폼 공정 시, 전극 조립체의 중심부에 마련되는 태극 무늬 형상의 분리막을 젤리-롤 테두리로 순차 밀착시킴으로써 분리막의 형상을 젤리-롤의 형상에 가깝게 리폼하여 분리막의 풀림 현상 및 스프링백 현상을 최소화하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀을 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 젤리-롤 중심부에 위치하는 분리막을 상기 젤리-롤 테두리로 밀어 봉합하는 리폼 핀에 있어서, 핀 몸체의 종단에는 경사진 절단면을 구비하는 종단부를 형성하고, 핀 몸체와 상기 종단부 사이에는, 제1방향으로 절곡하고, 핀 몸체의 길이방향을 따라 미리 설정된 길이만큼 연장되어 평탄부를 형성 후, 제2방향으로 이중 절곡하여 일 측은 종단부로 이어지고 타 측은 핀 몸체로 이어지는 이중 절곡부가 형성되는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀에 의해 달성된다.

여기서, 이중 절곡부는, 종단부와 제1경사면을 이루며 연결되고, 핀 몸체와 제2경사면을 이루며 연결될 수 있다.

이때, 제1경사면과 상기 제2경사면은, 평탄부와 동일 각도를 이루되 경사면의 방향이 역상일 수 있다.

또한, 종단부는, 이중 절곡부와 연결되는 영역에서 제1길이만큼 평탄부를 이루어 제1경사면과 이루는 각도를 순차 감소시켜 절곡할 수 있다.

이에 더하여, 종단부는, 제1경사면에서 종단을 향하는 방향으로 지름이 감소하는 테이퍼 구조를 이룰 수 있다.

여기서, 이중 절곡부의 지름은, 핀 몸체 지름 대비 80% 내지 90%로 형성될 수 있다.

여기서, 이중 절곡부는, 지름의 길이가 핀 몸체의 지름보다 작고 종단부의 첨두보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀은 분리막의 길이를 고려하여 리폼 공정을 요하는 분리막의 시작 영역을 젤리-롤 구조의 원형 테두리를 향해 밀착시키고, 이후, 이중 절곡 구조에 의해 단면의 중심이 상이한 위치에서 분리막을 젤리-롤의 테두리를 향해 확장시킴으로써 리폼 공정을 마친 분리막의 형상이 젤리--롤의 형태를 따라 깨끗하게 형성되도록 한다. 이를 통해 본 발명에 따른 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀은 분리막의 손상과 불량을 최소화함은 물론 리폼 공정에 의해 형성되는 분리막의 형상이 젤리-롤의 내주연을 따라 밀착되게 권취되도록 하므로 젤리-롤 구조를 형성하는 전극 조립체의 풀림이나 스프링 백 현상을 최소화할 수 있다.

도 1과 도 2는 종래의 리폼 공정에 대한 참조도면을 도시한다.
도 3은 실시예에 따른 리폼 공정을 수행하는 리폼 공정장비의 일 예를 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 리폼 핀의 일 예에 대한 단면도를 도시한다.
도 5는 실시예에 따른 리폼 핀을 이용하여 리폼 공정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.
도 6은 이중 중심선 구조를 이용하여 분리막을 리폼하는 과정에 대한 참조도를 도시한다.
도 7은 실시예에 따른 리폼 핀이 적용되는 리폼 공정을 설명하기 위한 공정 참조도를 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 "분리막"은 양극 및 음극 사이에 배치되는 이차전지의 분리막에 대한 것이나, 이 분리막 중 권심에 의해 권취되는 영역을 특정하여 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 참조부호 "52"가 부여되는 분리막은 권심에 의해 전극 조립체가 권취된 후, 권심이 제거될 때, 권심에 의해 지지되지 않아 젤리-롤 구조체를 이루는 전극 조립체 중심부에서 태극 무늬를 형성하는 영역의 분리막을 특정하여 지칭할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 실시예에 따른 리폼 공정을 수행하는 리폼 공정장비의 일 예를 도시하고, 도 4는 도 3의 리폼 공정 장비에 적용되는 신규 리폼 핀의 일 예에 대한 단면도를 도시하고, 도 5는 도 4에 도시된 리폼 핀을 이용하여 리폼 공정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 도 3에서, 리폼 공정을 진행하기 위해서는, 지그(11)에서 전극 조립체(50)를 고정하고, 지그(11)에 의해 고정된 전극 조립체(50)의 중심부(51)를 향해 리폼 핀(100)이 전진(D0 방향) 또는 후퇴하여 중심부(51) 내측에 위치하는 분리막(52)을 중심부(51) 내측 면으로 밀쳐내어 중심부(51) 내측에 형성되는 태극 무늬의 분리막(52)을 제거할 수 있다.

이러한 리폼 공정에서 리폼 핀(100)은 중심부(51) 내측에 형성되는 분리막(52)과의 접촉 및 마찰을 최소화하면서 분리막(52)을 제거하는 것은 물론,

분리막(52)의 길이가 리폼 핀(100) 몸체의 테두리 대비 짧은 것을 감안하여 종단부(130)를 이용하여 분리막(52)을 젤리-롤 구조체의 테두리에 1차 밀착시켜 분리막(52)의 형태를 어느 정도 정리 후, 1차 밀착시킬 때와는 상이한 중심점을 갖는 이중 절곡부(120)가 분리막(52)을 2차 밀착시켜 분리막(52)이 몸체(110)의 접촉면에 의해 강제로 밀착되거나 급격히 접히지 않도록 배려한다.

이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 리폼 핀(100)은 종단부(130), 몸체(110) 및 몸체(110)와 종단부(130) 사이에 형성되는 이중 절곡부(120)를 포함하여 형성될 수 있다.

종단부(130)는 몸체(110)의 종단에 형성되며, 일 면은 경사진 절단면을 구비하고, 절단면이 형성되지 않은 몸체 방향을 향해 점차 폭이 넓어지는 테이퍼(Taper) 구조를 갖는다. 종단부(130)는 실시예에 따른 리폼 핀(100)이 젤리-롤 구조체의 내측에 형성되는 태극 무늬의 분리막(52)과의 충돌을 최소화하면서 분리막과 테두리 사이에 진입한다.

몸체(110)는 리폼 핀(100)이 젤리-롤 구조체를 이루는 전극 조립체의 내부로 종단부(130)가 진입한 이후, 최종 진입하여 태극 무늬 형상을 갖는 영역의 분리막(52)을 젤리-롤 구조체의 테두리로 밀착하여 분리막(52)이 젤리-롤 구조체의 내주연을 따라 밀착되도록 한다.

이중 절곡부(120)는 종단부(130) 및 몸체(110)와 경사면을 형성하면서 이중 절곡 구조를 이룬다. 이중 절곡부(120)가 종단부(130)와 이루는 경사면을 제1경사면이라 하고, 이중 절곡부(120)가 몸체(110)와 이루는 경사면을 제2경사면이라 할 때, 제1경사면과 제2경사면은 이중 절곡부(120)가 몸체(110)의 길이방향과 평행을 이루는 평탄부(123)를 기준으로 동일한 각도를 이룰 수 있다. 예컨대, 도 4에서 제1경사면(121)이 평탄부(123)와 135도의 각도를 이룰 경우, 제2경사면(122) 또한 평탄부(123)과 135도의 각도를 이룰 수 있다. 물론, 평탄부(123)가 제1경사면(121) 및 제2경사면(122)과 이루는 각도는 이보다 더 크거나 작을 수 있으며, 제시된 수치에 의해 한정되지 않고 다양한 각도를 이룰 수 있음을 밝혀둔다.

평탄부(123)가 제1경사면(121) 및 제2경사면(122)과 동일 각도로 단차를 이루고, 제1경사면(121)과 제2경사면(122) 사이에는 평탄부(123)를 형성함에 따라, 평탄부(123)는 단면의 형상이 몸체(110) 및 종단부(130)에서 돌출되는 사다리꼴 구조를 이룰 수 있다.

이러한 사다리꼴 구조에 의해 실시예에 따른 리폼 핀은 이중 중심선을 가지게 되며, 이중 중심선을 이용하여 분리막(52)을 1차 밀착하고, 2차 확장하여 리폼 공정을 수행할 수 있다. 이는 도 5를 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 5를 참조하면, 실시예에 따른 리폼 핀은 종단부(130)의 첨두를 따라 젤리-롤 구조체 중심에 위치하는 분리막(52)을 항해 전진 또는 후진하고 종단부(130)가 분리막(52)을 향해 전진할 때, 2차로 분리막(52)을 확장하는 중심선(F2)이 동일 선상에 배치되어 있지 않음을 볼 수 있다. 이후, 몸체(110)가 분리막(52)을 향해 진입하는데, 몸체(110)의 중심선(F1)과 종단부(110)는 동일한 지점을 향해 진입하나, 이중 절곡부(120)의 중심선(F1)은 그러하지 아니하다. 여기서, 두 중심선(F1, F2)을 살펴보면,

1) 중심선(F1)과 중심선(F2)은 동일 축상에 위치하지 않으며,

2) 중심선(F2)에 따라 전진 또는 후진하는 이중 절곡부(120)의 평탄부(123)의 지름은 종단부(130) 지름보다 더 크고 몸체(110)의 지름보다는 작게 형성된다.

따라서, 종단부(130)는 분리막(52)을 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 1차 밀착하고, 평탄부(123)는 1차 밀착된 분리막(52)을 확장하여 젤리-롤 구조체의 테두리에 원형으로 2차 확장하는데 이용될 수 있다. 도 5에 도시된 이중 중심선 구조를 이용하여 분리막(52)을 리폼하는 과정은 도 6을 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 6의 (a)는 리폼 공정을 적용하기 전 젤리-롤 구조체의 내측에 태극 무늬로 형성하는 분리막(52)을 도시한다. 태극 무늬가 시작되는 시작점(PS)과 태극 문늬가 종료되는 종료점(PE) 사이의 분리막(52)은 종단부(130)의 삽입에 의해 D1, D2 및 D3 방향으로 밀착된다. 이때, 종단부(130)가 젤리-롤 구조체를 향해 전진하는 진입 포인트는 P0에 해당한다.

다음으로, 도 6의 (b)는 진입 포인트(P0)에서 우측으로 이격된 진입 포인트(P1)를 중심선으로 하는 이중 절곡부(120)가 진입하며,

이중 절곡부(120)는 진입 포인트(P1)를 중심으로 종단부(130)보다 더 긴 지름을 가진 상태로 분리막(52)을 향해 진입한다.

진입 포인트(P0)로 진입한 종단부(130)에 의해 분리막(52)이 D1, D2 및 D3 방향으로 밀착된 상태에서, 이중 절곡부(120)가 진입 포인트(P1)로 진입하여, D1, D2 및 D3 방향으로 밀착되지 않은 남은 영역(S1)을 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 밀어내면서 S1 영역에 대응하는 분리막(52)이 꺽이지 않고 자연스럽게 말아 감기도록 한다. 이때, 진입 포인트(P1)는 진입 포인트(P0) 대비 우측 하단에 위치하고 있는데, 이는 D3 방향을 향한 밀착성이 약해지는 것을 의미하고, 이에 따라 S1 영역에 대응하는 분리막(52)은 강제로 꺽여 접히지 않고 자연스러운 곡면을 이루면서 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 굴곡지게 말릴 수 있다.

이후, 몸체(110)의 중심선이 진입 포인트(P0)를 향해 진입하여 분리막(52)을 젤리-롤 구조체의 테두리면서 밀쳐내면서 리폼 공정이 마무리된다. 이때, 몸체(110)의 지름은 이중 절곡부(120)의 평탄부(123)의 지름 대비 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 이중 절곡부(120)에 의해 확장된 분리막(52)을 추가 확장하여 분리막(52)이 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 완전히 밀착되도록 하는데 따른다. 이러한 관점에서 몸체(110)에 의해 최종 확장은, 종단부(130)의 1차 밀착 - 이중 절곡부(120)의 2차 확장에 이어, 몸체(110)의 3차 확장이라고 볼 수도 있으며, 2차 확장을 위한 이중 80% ∼ 90% 선일 수 있다. 만일, 몸체(110)의 지름이 3.3mm인 경우, 평탄부(123)의 지름은 3mm 또는 그 이하일 수 있다.

도 7은 실시예에 따른 리폼 핀이 적용되는 리폼 공정을 설명하기 위한 공정 참조도를 도시한다.

도 7의 (a)는 지그에 장착된 젤리-롤 구조체의 상면도를 도시한다. 이때, 젤리-롤 구조체는 권심(60) 중심에 형성되는 홈에 의해 분리막(52)이 고정되어 있음을 볼 수 있다.

다음으로, 도 7의 (b)는 권심(60)이 제거된 젤리-롤 구조체의 형상을 나타낸다. 도 7의 (b)를 참조하면, 권심(60)이 제거된 후, 분리막(52)은 권심(60)에 의해 지지되지 않아 태극 무늬를 이루고 있다.

다음으로, 도 7의 (c) 및 도 7의 (d)를 참조하면, 진입 포인트(P0)를 향해 종단부(130)가 진입하여 분리막(52)을 D1, D2 및 D3 방향으로 밀착시키고, 종단부(130)와 이어지는 이중 절곡부(120)가 진입 포인트(P1)를 향해 진입하여 분리막을 D4 방향으로 확장한다. 이때, 진입 포인트(P1)는 진입 포인트(P0) 대비 우측 하단에 위치하므로 분리막(52)을 D4 방향으로 강하게 밀착시키지는 않으며, 이에 따라, 분리막(52)은 D4 방향으로 밀리면서 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 말아 감기게 된다. 즉, 분리막(52)은 급격하게 접히거나 꺽이는 대신 자연스러운 곡면을 이루면서 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 굴곡지게 말릴 수 있다.

이러한 이중 포인트를 이용한 분리막 리폼을 위해서는 리폼 핀(100) 자체가 이중 포인트를 구비하여야 하는데, 실시예에 따른 리폼 핀(100)은 이중 절곡 구조를 통해 이러한 이중 포인트를 형성하고 있다. 이중 절곡 구조에 의해 종단부(130)의 중심선과 이중 절곡부(120)의 중심선은 차별되고, 차별된 진입 포인트들은 각자의 역할이 분담된다. 종단부(130)는 분리막(52)이 태극 무늬를 형성하는 시작점(PS)을 중심으로 D1, D2 및 D3 방향에 대해 분리막(52)을 1차 밀착하고, 이중 절곡부(120)는 진입 포인트(P0)와는 사선 방향으로 이격되어 종단점(PE) 방향에서 분리막(52)의 남은 영역(S1)을 젤리-롤 구조체의 테두리로 확장하고 있다. 그러나, 이중 절곡부(120)는 몸체(110) 대비 지름이 작게 형성되도록 함으로써, 실시예에 따른 리폼 핀이 종단부 - 이중 절곡부 - 몸체의 순으로 젤리-롤 구조체의 중심부를 향해 진입할 때, 최종적으로는 지름이 가장 큰 몸체(110)가 다시 진입 포인트(P0)를 향해 진입하여 분리막(52)을 확장하는 것이다. 이처럼, 실시예에 따른 리폼 핀은 1차 밀착 - 2차 확장 - 3차 최종 확장의 과정을 하나의 리폼 핀을 이용하여 순차로 진행함으로써 리폼 공정의 완성도를 높이는 것은 물론, 3개의 공정을 하나의 리폼 핀을 이용하여 처리하므로 이차전지 제조 시, 공정 시간의 단축을 기대할 수 있다.

또한, 분리막(52)이 젤리-롤 구조체의 테두리를 향해 올바로 권취됨에 따라, 분리막(52)이 젤리-롤 구조체에서 쉽게 이탈되지 않는데, 이는 분리막(52)이 젤리-롤 구조체에서 쉽게 풀리거나 스프링 백하지 않도록 할 수 있다. 분리막(52)이 강제로 불완전하게 권취될 경우 강제로 권취된 분리막(52)이 풀리거나 스프링 백되어 느슨하게 감길 수 있으나, 실시예에 따른 리폼 핀(100)에 의한 리폼 공정은 그러하지 아니하다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : 몸체 120 : 이중 절곡부
121 : 제1경사면 122 : 제2경사면
130 : 종단부

Claims (7)

1. 젤리-롤 중심부에 위치하는 분리막을 상기 젤리-롤 테두리로 밀어 봉합하는 리폼 핀에 있어서,
   핀 몸체의 종단에는 경사진 절단면을 구비하는 종단부를 형성하고,
   상기 핀 몸체와 상기 종단부 사이에는, 제1방향으로 절곡하고, 상기 핀 몸체의 길이방향을 따라 미리 설정된 길이만큼 연장되어 평탄부를 형성 후, 제2방향으로 이중 절곡하여 일 측은 상기 종단부로 이어지고 타 측은 상기 핀 몸체로 이어지는 이중 절곡부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이중 절곡부는,
   상기 종단부와 제1경사면을 이루며 연결되고, 상기 핀 몸체와 제2경사면을 이루며 연결되는 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1경사면과 상기 제2경사면은,
   상기 평탄부와 동일 각도를 이루되 경사면의 방향이 역상인 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
4. 제2항에 있어서,
   상기 종단부는,
   상기 이중 절곡부와 연결되는 영역에서 제1길이만큼 평탄부를 이루어 상기 제1경사면과 이루는 각도를 순차 감소시켜 절곡하는 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
5. 제2항에 있어서,
   상기 종단부는,
   상기 제1경사면에서 종단을 향하는 방향으로 지름이 감소하는 테이퍼 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
6. 제1항에 있어서,
   상기 이중 절곡부의 지름은,
   상기 핀 몸체 지름 대비 80% 내지 90%로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.
7. 제1항에 있어서,
   상기 이중 절곡부는,
   지름의 길이가 상기 핀 몸체의 지름보다 작고 상기 종단부의 첨두보다 큰 것을 특징으로 하는 이중 절곡 구조를 갖는 리폼 핀.

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