KR20190002317A

KR20190002317A - 굴곡 지그를 포함하는 지그 조립체, 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치 및 이를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법

Info

Publication number: KR20190002317A
Application number: KR1020180070300A
Authority: KR
Inventors: 정안수; 김영태; 김남원; 김민규; 박필규; 송한갑
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-01-08
Also published as: US10996150B2; US20190265135A1; KR102197351B1; EP3531107A4; EP3531107B1; EP3531107A1

Abstract

권심과 유사한 반경을 갖는 굴곡에서의 전극 인장강도를 측정할 수 있도록 하는 지그 조립체, 이러한 지그 조립체를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치, 그리고 이러한 굴곡 인장강도 측정 장치를 이용하여 권심과 유사한 반경을 갖는 굴곡에서의 전극 인장강도를 측정하는 굴곡 인장강도 측정 방법을 제공한다. 본 발명의 지그 조립체는, 시편의 일단부를 고정하는 고정부; 및 일단부가 고정된 상기 시편의 길이 방향 단면에 대해 일점 굴곡을 일으키고 상기 시편의 타단부를 인장시험 하중부 쪽으로 가이드하는 판 형태의 굴곡 지그를 포함한다. 본 발명에 따르면, 전극에 실제 권취가 적용되기 이전에 권취 공정과 유사한 조건하에서 전극의 인장강도를 측정할 수 있다.

Description

굴곡 지그를 포함하는 지그 조립체, 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치 및 이를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법 {A jig assembly comprising bending jig, an apparatus for measuring bending tensile strength and a method for measuring bending tensile strength using the same}

본 발명은 인장강도 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이차전지용 전극 평가를 위한 새로운 파라미터로서의 굴곡 인장강도를 측정하는 데에 필요한 지그 조립체, 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치 및 이를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 캔 타입과, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치 타입으로 분류될 수 있고, 종래 이러한 이차전지에서는 시트형 전극이 이용되고 있다. 이 중, 권취형 전극조립체를 포함하는 이차전지에서는, 예를 들어, 시트형 양극과 시트형 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 권취된 전극조립체가 전지 케이스 내에 수납되며 전해액이 주액된다.

도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 종단면도로서, 도 1에는 일반적인 원통형 이차전지의 주요 구성이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(1)는 원통형의 전지 케이스(10)와, 전지 케이스의 상부에 밀봉 결합된 캡 조립체(20)와, 전해액과 함께 전지 케이스(10) 내에 수용된 권취형 전극조립체(30)를 포함한다. 전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(33) 및 이들 사이에 세퍼레이터(32)를 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조이다.

양극(31)은 알루미늄박이나 스테인리스박 등의 금속박으로 구성된 양극 집전체 시트의 표면에 리튬 코발트 복합산화물이나 리튬 망간 복합산화물 등을 포함한 양극 활물질이 층상으로 코팅되고 압착된 것이다. 음극(33)은 동박이나 스테인리스박 등의 금속박으로 구성되는 음극 집전체 시트의 표면에 흑연이나 코크스 등을 포함한 음극 활물질이 층상으로 코팅되고 압착된 것이다. 양극(31) 일부에는 양극 활물질이 형성되지 않은 무지부가 있고 여기에 양극탭(40)이 연결된다. 음극(33) 일부에도 음극 활물질이 형성되지 않은 무지부가 있고 여기에 음극탭(50)이 연결된다. 양극탭(40)과 음극탭(50)은 각각 캡 조립체(20)와 전지 케이스(10)에 용접된다.

도 2는 권취형 전극조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 전극조립체(30)는 도 2에서와 같이, 시트형 양극과 시트형 음극 및 이들 사이에 세퍼레이터를 개재한 적층 시트(35)를, 권취기에 의해 회전하는 권심(60) 상에 권취하여 제조된다.

그런데, 이와 같이 제조한 전극조립체(30)는 특히 권심(60) 주변에서 권취 반경이 작게 형성되기 때문에 양극(31), 음극(33)에 크랙(crack)이 발생될 우려가 있다. 여기서 크랙은 활물질층의 균열, 집전체 시트의 균열 및 이로 인한 전극의 단선(부분적인 단선도 포함)까지 포함하는 의미이다. 이 중에서 단선은 전지 성능에 치명적이어서 중요하게 관리되어야 한다. 따라서, 크랙을 발생시키지 않으면서 전지 부피가 불필요하게 증가하지도 않도록 권취 반경, 특히, 권심(60) 반경 R을 결정할 필요가 있으며, 이에 따라, 권취 장력도 결정할 필요가 있다.

따라서, 정확한 권취 반경 및 권취 장력을 결정하는 것이 중요함에도 불구하고 권취가 이루어진 후의 전극조립체로부터는 권취 반경 및 권취 장력이 적절하였는지 확인할 방법이 없다. 이는, 일단 권취된 전극조립체를 분해하면, 분해 과정에서 크랙이 발생하여, 권취시에 발생한 크랙과 구분하기 곤란하기 때문이다.

따라서, 전극조립체를 권취하기 전에, 전극 각각의 인장강도, 특히, 권심과 유사한 반경을 갖는 굴곡에서의 인장강도를 확인하고, 적절한 권취 반경 및 권취 장력을 결정할 필요가 있다. 그러나 종래에는 전극을 굴곡시켜 인장강도를 측정할 시도를 하지 못하였고, 마땅한 측정 장치나 측정 방법이 없었다.

본 발명에서 평가하려는 전극은 집전체 위에 활물질층이 코팅된 것이다. 기존에 코팅막의 상태를 평가하는 방법으로 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA(Dynamic Mechanical Analysis) 등이 있어 전극 평가에 이들의 적용도 고려해 볼 수 있다.

그러나, 연필 경도계는 동일 코팅막에 대해 실험하여도 연필 각도 및 연필 표면 세팅이 측정자에 의해서 결정되기 때문에 오차가 심하다. 나노 팁을 이용해 코팅막을 압입하여 경도나 탄성계수를 측정하는 나노 인덴터는 나노 팁이 코팅막 표면의 요부에 위치할 때와 철부에 위치할 때에 정반대의 결과가 발생하므로 오차가 크다. 코팅막 양끝을 잡고 상하로 움직여 탄성계수를 측정하는 DMA의 경우, 탄성계수가 코팅막과 하지막까지 포함한 전체 구조의 물성을 대변하기 어려우며 두께에 따른 결과값 차이가 심하고 측정 시간이 오래 걸리며 동일 시편 내에서도 오차가 심하여 스펙(specification)화하기 어려우며 장치 자체의 높은 가격으로 인해 실제 공정에 적용하기 어려운 문제가 있다.

무엇보다 종래의 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA 등을 이용해 활물질층을 검사한다고 하더라도 활물질층뿐 아니라 집전체까지 포함한 전체로서의 전극 물성을 대변하는 결과를 얻기 어려우므로 한계가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 권심과 유사한 반경을 갖는 굴곡에서의 전극 인장강도를 측정할 수 있도록 하는 지그 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 지그 조립체를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 이러한 굴곡 인장강도 측정 장치를 이용하여 권심과 유사한 반경을 갖는 굴곡에서의 전극 인장강도를 측정하는 굴곡 인장강도 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지그 조립체는, 시편의 일단부를 고정하는 고정부; 및 일단부가 고정된 상기 시편의 길이 방향 단면에 대해 일점(one point) 굴곡을 일으키고 상기 시편의 타단부를 인장시험 하중부 쪽으로 가이드하는 판 형태의 굴곡 지그를 포함한다.

상기 시편의 길이 방향 단면에 대해 일점이라 함은, 길이 방향에 직교하는 폭 방향을 쭉 따라서는 선 모양이 되므로, 본 발명에 따른 굴곡 지그는 상기 시편의 폭 방향을 쭉 따라서는 하나의 선을 따라 그 선을 기준으로 굴곡을 일으킬 수 있는 것을 가리킨다.

상기 굴곡 지그는 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있으며, 상기 밑면은 상기 시편에 굴곡을 일으키는 부분으로서 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태의 선단부를 가질 수 있다.

바람직하기로, 상기 시편은 권취형 전극조립체 제조를 위한 전극 시편이며, 상기 선단부 단면의 반경 혹은 크기는 목적하는 피측정 전극조립체 제조를 위한 권심과 동일한 치수를 가지는 것이다.

이 때, 상기 선단부 단면은 0.25 내지 0.5 ㎜ 반경의 반원형일 수 있다.

본 발명에 따른 지그 조립체는 상기 굴곡 지그의 양단에서 상기 굴곡 지그를 고정시키는 지지대를 더 포함하고, 상기 고정부는 상기 굴곡 지그 밑면보다 상기 시편의 일단부가 위에 위치하도록 상기 시편의 일단부가 놓이는 받침대; 및 상기 시편의 일단부를 상기 받침대에 고정시키는 고정판을 포함할 수도 있다.

여기서, 상기 받침대에서 내려오는 시편과 상기 굴곡 지그 사이의 각도가 0 내지 10 °일 수 있다.

상기 지그 조립체는, 상기 고정판에 위치하면서 시편 중심 위치를 잡아주는 시편 위치 중심 세팅 지그를 더 포함할 수 있다.

상기 지그 조립체는, 상기 지지대와 받침대가 구비되는 토대인 하단판을 더 포함할 수 있다.

상기 지지대는 상기 하단판에 설치되는 블록; 상기 블록 위에 설치되며 상기 굴곡 지그를 끼울 수 있는 슬롯이 상면에 형성된 지그 고정 블록; 및 상기 지그 고정 블록에 장착되는 상기 굴곡 지그를 고정시키기 위한 나비볼트를 포함할 수 있다.

상기 받침대는 상기 지지대 반대편측으로 구비되어 있으며, 상기 하단판에서부터 직립하는 수직 고정용 블록; 및 상기 수직 고정용 블록에 상기 굴곡 지그 측을 향하여 직각으로 연결되어 고정되는 수평 고정용 블록을 포함하고, 상기 굴곡 지그 밑면보다 상기 시편의 일단부가 위에 위치하도록 상기 시편의 일단부가 상기 수평 고정용 블록 위에 놓일 수 있다.

상기 고정판은 시편의 일단부를 상기 받침대에 대하여 직접 누르기 위한 클램프 블록; 및 상기 클램프 블록에 힘을 가하는 토글 클램프를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 지그 조립체는, 상기 클램프 블록을 아래로 이동시켜 시편의 일단부를 가압함으로써 상기 시편의 일단부가 상기 받침대와 클램프 블록 사이에 고정되어 움직이지 않도록 하는 나사를 더 포함할 수 있다.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 굴곡 인장강도 측정 장치는, 본 발명에 따른 지그 조립체; 및 상기 지그 조립체의 굴곡 지그 밑면을 통과해 나오도록 세팅되는 시편의 타단부에 연결되어 수직 방향으로 인장시험 하중부를 제공하는 인장강도 측정 기기를 포함하여, 상기 시편을 굴곡시켜 인장강도를 측정하도록 하는 것이다.

상기 인장강도 측정 기기의 하중부는 베드 상에 테이블, 하부 크로스헤드 및 상부 크로스헤드가 배치되고 상기 테이블은 유압실린더에 의해 상방향으로 작동되고, 상기 하부 크로스헤드는 모터에 의해 작동되는 수직 스크류바를 따라 상하로 이동되며, 상기 상부 크로스헤드는 상기 테이블의 상방향 이동에 따라 상방향으로 들어올려지는 것으로서, 상기 지그 조립체는 상기 하부 크로스헤드와 상부 크로스헤드 사이에 설치되거나 상기 테이블과 하부 크로스헤드 사이에 설치될 수 있다.

그리고 상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 굴곡 인장강도 측정 방법은 이러한 굴곡 인장강도 측정 장치를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법으로서, 상기 지그 조립체의 고정부를 이용해 시편의 일단부를 고정시키는 단계; 상기 시편을 상기 굴곡 지그 아래로 빼서 상기 시편이 상기 굴곡 지그를 감듯이 위로 올려 굴곡시키는 단계; 상기 시편의 타단부를 상기 인장강도 측정 기기에 연결하는 단계; 및 상기 시편의 타단부에 힘을 가해 상기 시편이 끊어지는 시점에서의 힘으로부터 인장강도를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전극에 실제 권취가 적용되기 이전에 권취 공정과 유사한 조건하에서 전극의 인장강도를 측정할 수 있다.

또한, 굴곡 수준에 따라 크랙이 발생하는 시점을 확인할 수 있으며, 이에 따른 전극 물성을 스펙화할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 크랙 발생을 저감시키는 동시에, 불필요한 부피 증가를 발생시키지 않으면서 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 하는 권취 반경 및 권취 장력을 결정하는 데 도움이 될 수 있으며, 궁극적으로는, 우수한 성능을 갖는 권취형 리튬 이차전지가 제공될 수 있다.

본 발명의 지그 조립체 및 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치는 종래의 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA 등보다 정확하고 측정 시간이 짧고 스펙화가 용이하며 저비용으로 실행할 수 있는 것이면서도 전극의 물성을 대변할 수 있는 굴곡 인장강도 측정이 가능해지도록 한다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 종단면도이다.
도 2는 권취형 전극조립체 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그 조립체와 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3의 지그 조립체에 포함될 수 있는 굴곡 지그의 사시도이다.
도 5는 도 3의 측정 장치에 포함될 수 있는 인장강도 측정 기기의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지그 조립체의 사시도이다.
도 7은 도 6의 지그 조립체의 상면도이다.
도 8은 도 6의 지그 조립체의 측면도이다.
도 9는 도 6의 지그 조립체를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법의 단계별 모식도이다.
도 10과 도 11은 도 6의 지그 조립체에 전극 시편을 세팅한 후의 사시도이다.
도 12는 도 11 상태의 측면도로서 도 6의 지그 조립체와 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치까지 도시한 개략적인 도면이다.
도 13은 실험예에 따른 굴곡 인장강도 측정 결과 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 지그 조립체, 이를 포함하는 측정 장치 및 이를 이용한 측정 방법에 적용 가능한 전극은 음극 또는 양극일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 다만, 전극은 보관 조건에 따라 활물질층 상태가 크게 달라져서 크랙이 발생하는 양상도 달라지게 된다. 따라서, 정확한 측정을 위해서는 일정한 상태에서 보관한 전극을 사용하여 측정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 전극 활물질 페이스트를 집전체에 코팅, 건조시키고 압연한지 1일(24시간) 이내에 인장강도를 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 측정 전까지 0 내지 10 %의 상대습도 및 상온(25 ℃)에서 전극을 보관하는 것이 바람직하다.

본 명세서에서 '시편'이라 함은 본 발명의 지그 조립체를 이용하여 굴곡시킨 후 인장강도를 측정하고자 하는 피측정물을 의미하는 것으로, 예컨대, 전극 시편을 의미할 수 있다.

일반적으로 재료의 기계적 강도를 측정하는 데에 있어서 인장강도, 굽힘강도(굴곡강도, flexural strength, bending strength), 압축강도 등이 알려져 있다.

재료의 인장 시험에 있어서 시편이 파단할 때까지의 최대 인장 하중을, 시험 전 시편의 단면적(또는 길이)로 나눈 값이 인장강도이다.

재료를 하중에 의해 구부리는 경우, 하중에 따라 휨이 증대되며, 결국 파단됐을 때의 응력을 단면적으로 나눈 것이 굽힘강도이다. 세라믹과 같은 취성 재료에서는 이 값을 구할 수 있다. 그러나 전극 집전체와 같이 연성 및 전성이 풍부한 금속 재료에서 아무리 구부려도 파괴가 일어나지 않을 때는 굽힘강도의 값을 결정하는 것은 불가능하다.

취성 재료에 압축 시험을 하면, 세로로 갈라지는 균열 파괴, 알알이 흩어져 부서지는 입상(粒狀) 파괴, 또는 경사지게 빗금으로 갈라지는 전단 파괴 등이 생긴다. 이와 같은 압축 파괴시의 단면에 있어서의 수직 응력, 즉 그때의 압축 하중을 시편의 단면적으로 나눈 값을 압축강도라고 한다. 역시 전극 집전체와 같이 연성 및 전성이 풍부한 금속 재료에서는 구할 수 없다.

본 발명에서는 전극 집전체를 포함하는 전극의 기계적 강도를 측정하는 데 있어서 이러한 사항을 고려하여 인장강도를 측정 대상으로 선정하였다. 그리고, 권취 상황을 모사하기 위하여 권심 반경과 유사한 반경으로 전극을 굴곡시킨 상태에서의 인장강도를 측정하기로 하였다. 전극 집전체에 코팅되는 활물질층과 전극 집전체는 권취시 무리한 힘이 가해지면 크랙이 생길 수 있고, 이것은 전극의 인장강도에도 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려하였다. 따라서, 본 발명에서는 전극을 굴곡시켜 크랙이 발생할 수도 있는 상황을 만든 후 인장강도를 측정하게 되는데, 전극을 굴곡시킨 상태에서 인장강도를 측정하기 때문에 '굴곡 인장강도'라는 새로운 파라미터를 전극 특성 평가에 도입한다는 점에서 의의가 있다.

따라서, 본 발명은 종래에 단순히 인장강도를 측정하는 장치 및 방법, 그리고 단순히 굽힘강도를 측정하는 장치 및 방법과는 전혀 다르고 이들의 조합도 아닌 새로운 장치 및 방법을 제안하는 것이다. 재료의 특성상 앞에서 언급한 바와 같은 이유로 전극 집전체를 포함하는 전극에 대해 굽힘강도를 측정하는 것은 무의미하므로 굽힘강도 측정과 인장강도 측정의 결합도 가능하지 않다. 본 발명은 그 결합에 의한 것도 아니라는 점을 주의해야 한다.

한편, 유기물 등의 코팅막의 평가에 있어, 시편을 원통형의 맨드렐에 끼워 구부린 후 코팅막이 어느 정도 파괴되었는지를 육안으로 관찰하는 데에 이용하는 맨드렐 굴곡 시험기가 알려져 있다. 맨드렐 굴곡 시험기가 본 발명 측정 대상인 전극의 활물질층 평가에 이용되고 있지는 않다. 또한, 본 발명은 단순히 코팅막의 파괴 정도를 관찰하는 것이 아니라 활물질층이 코팅된 전극을 실제 권취 상황처럼 굴곡시켜 인장강도를 측정할 수 있도록 하기 때문에 맨드렐 굴곡 시험기와도 전혀 다른 것이다.

종래기술에서 살펴 본 바와 같이, 기존에 코팅막의 상태를 평가하는 방법으로는 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA 등도 있다. 그러나 본 발명에서 평가하려는 전극은 집전체 위에 활물질층까지 포함한 것이라서, 종래의 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA를 이용해 활물질층을 검사하더라도 그 결과가 전극 물성을 대변하기는 어렵다. 본 발명의 지그 조립체 및 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치는, 이들보다 정확하고 측정 시간이 짧고 스펙화가 용이하며 저비용으로 실행할 수 있는 것이면서도 전극의 물성을 대변할 수 있는 굴곡 인장강도 측정이 가능해지도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그 조립체와 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치의 개략적인 도면이다. 도 4는 도 3의 지그 조립체에 포함될 수 있는 굴곡 지그의 사시도이다. 도 5는 도 3의 측정 장치에 포함될 수 있는 인장강도 측정 기기의 개략도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지그 조립체와 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치, 그리고 이를 이용한 전극 굴곡 인장강도 측정 방법을 설명한다.

도 3을 먼저 참조하면, 굴곡 인장강도 측정 장치(100)는 굴곡 지그(120)와 고정부(150)를 기본적으로 포함하는 지그 조립체(185)를 포함한다. 그리고 굴곡 인장강도 측정 장치(100)는 이러한 지그 조립체(185)뿐 아니라 인장강도 측정 기기(190)까지 더 포함한다.

시편(110)의 일단부(110a)는 고정부(150)에 의해 고정된다. 고정되는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 테이핑(taping), 접착제, 용접, 나사 등의 방법을 적용할 수 있다. 굴곡 지그(120)는 시편(110)의 일단부(110a)와 타단부(110b) 사이에서, 시편(110)에 굴곡을 일으킨다. 그리고 굴곡 지그(120)는 시편(110)의 타단부(110b)를 인장시험 하중부 쪽으로 가이드한다. 시편(110)의 타단부(110b)는 인장시험 하중부를 제공하기에 적합한 인장강도 측정 기기(190)에 연결되어 도 3에 도시한 화살표 방향으로 당겨지는 힘을 받는다.

굴곡 지그(120)는 일단부(110a)가 고정된 시편(110)의 길이 방향 단면에 대해 일점 굴곡을 발생시키기 위한 부재이고, 예를 들어 시트형 전극이 권취형 전극조립체로 제조되기 위해 권심(도 2의 60 참조)에 감겨지기 시작하는 권취 상황을 모사한다.

본 실시예에서 굴곡 지그(120)는 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있는 경우를 예로 든다. 밑면이란 인장강도 측정 기기(190)가 시편(110)을 잡아당기는 방향과 반대 방향으로 놓이는 면이고, 시편(110)에 굴곡을 일으키는 직접적인 부분을 말한다. 굴곡 지그(120) 형태는 특별히 제한되지 않으나, 원통형 멘드렐처럼 봉(rod) 형태로 제조되는 경우에는 낮은 강도로 인해 인장강도 측정시 휘어질 우려가 있으므로, 일정한 강도를 확보하기 위해 도 4에 도시한 바와 같이 일정한 두께(T)를 갖는 판 형태로 제조되는 것이 바람직하다. 판 형태로 하는 경우, 시편(110)을 판에 붙여 시편(110)의 타단부(110b)를 인장시험 하중부 쪽으로 보내기에 적합하므로, 봉 형태에 비해 시편(110)의 타단부(110b)를 가이드하기에 적합하다.

예컨대, 굴곡 지그(120)는 폭(W)과 길이(H)에 비해서 두께(T)가 작은 판 형태를 가질 수 있다. 폭(W)은 시편(110) 폭보다 넓은 폭을 갖도록 준비하는 것이 바람직하다. 그래야 시편(110) 폭 전체를 지지하며 시편(110) 폭을 따라 고른 굴곡을 일으키고 힘을 받게 할 수 있다. 굴곡 지그(120)는 예를 들어 0.5 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위의 두께(T)를 가질 수 있다.

굴곡 지그(120)는 좁고 긴 변이 아래로 향하도록 배치되되, 굴곡 지그(120)의 좁고 긴 변, 즉, 시편(110)에 굴곡을 발생시키는 밑면의 선단부(F)는 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 굴곡 지그(120)의 길이(H) 방향 단면에서 선단부(F)는 반원형 또는 반-다각형일 수 있다. 선단부(F)가 평면으로 형성되면 굴곡 지그(120) 옆면들과 만나는 굴곡 지그(120) 밑면이 사각형의 모서리와 같은 형태로 형성되므로, 이 경우에는 사각형의 모서리로 인해 시편(110)에 불필요한 힘이 가해져서 정확한 인장강도 측정이 곤란하게 된다. 따라서, 굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F)는 각진 부분을 가지지 않고 또한 권심에 가장 가까운 형태를 구현할 수 있는 반구형이 가장 바람직하다고 할 것이며, 측정 정확성에 부정적인 영향을 주지 않는 한, 반구를 여러 각도로 모따기한 반-다각기둥 형태로도 형성될 수 있는 것이다.

굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F) 단면이 반원형 또는 반-다각형인 경우 그 반경 혹은 크기(반원 또는 반-다각형 중심에서 반원형 또는 반-다각형 외주부까지의 최장 길이)는 목적하는 피측정 전극조립체 제조를 위한 권심과 유사한 치수로 제조되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 동일한 치수로 제조한다. 본 실시예에서는 예를 들어 굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F) 단면이 권심 반경 R과 동일한 반경을 갖는 반원형인 경우를 도시하였다.

선단부(F) 단면의 반경 혹은 크기는 측정하고자 하는 시편의 두께, 활물질 종류 등에 따라 상이하게 조정될 수 있으나, 일반적으로, 0.25 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 범위일 수 있다. 직경으로 나타내면 0.5 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 범위일 수 있다. 이러한 굴곡 지그(120)를 이용하여 시편(110)에 굴곡을 발생시키고 인장강도를 측정하면, 측정값의 노이즈(noise)가 최소화되면서 인장강도 측정이 적절하게 이루어질 수 있다. 선단부(F) 단면의 반경 혹은 크기가 0.25 ㎜보다 작은 경우에는 전극에 가해지는 손상이 커지고 측정값의 정확도가 떨어지는 문제점이 있으며, 0.5 ㎜보다 큰 경우에는 전극이 잘 끊어지지 않아 인장강도 측정이 곤란하게 되는 문제점이 발생할 수 있다.

굴곡 지그(120)는 본 발명의 취지에 부합하는 물질이라면 특별한 제한이 없으나, 측정 대상인 전극 자체의 경도 등을 고려할 때 애노다이징 알루미늄(anodizing aluminum)인 것이 바람직하다. 또한 애노다이징 알루미늄은 인성이 강하고, 내마모성이 클 뿐 아니라 가볍고 산화 작용에도 잘 견디므로 지그 조립체(185)의 내구성 있는 사용을 위해 바람직하다.

본 발명에서 제안하는 바와 같이, 시편(110)을 굴곡시킨 상태에서 인장강도를 측정하기 위해서는, 지그 조립체(185)의 고정부(150)를 이용해 시편(110) 일단부(110a)를 고정시키고, 시편(110)이 지그 조립체(185)의 굴곡 지그(120)의 선단부(F) 아래를 지나가도록 한 후 시편(110)의 타단부(110b)에 인장강도 측정 기기(190)를 연결해, 시편(110)을 서서히 잡아당길 수 있다. 시편(110)에 장력이 가해지면서 시편(110)은 먼저 선단부(F)에 의해 굴곡이 되고 굴곡 지그(120) 일면과 접촉된 상태로 계속 잡아 당겨진다. 시편(110)이 끊어질 때의 힘으로부터 인장강도를 계산한다.

대신에, 고정부(150)를 통해 시편(110) 일단부(110a)를 고정시키고, 시편(110)의 나머지 부분은 굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F)와 접촉됨으로써 굴곡되도록 한 후 굴곡 지그(120)의 일 면에 접하도록 배치하고 나서, 시편(110) 타단부(110b)를 인장강도 측정 기기(190)에 연결할 수도 있다. 이후 시편(110)이 끊어지는 시점까지 인장강도 측정 기기(190)를 사용하여 시편(110)에 힘을 가하고, 시편(110)이 끊어지는 시점에서의 힘으로부터 인장강도를 계산한다. 일종의 감기 굽힘을 시행한 후 인장시험을 하는 것이다.

인장강도 측정 기기(190)는 지그 조립체(185)의 굴곡 지그(120) 밑면을 통과해 나오도록 세팅되는 시편(110)의 타단부(110b)에 연결되어 수직 방향으로 인장시험 하중부를 제공한다. 이를 위한 인장강도 측정 기기(190)는 예컨대, TA(Tension Annealing) 장치 또는 UTM(Universal Testing Machine)이라고도 하는 만능 재료 시험기일 수 있다.

이 중에서 UTM은 기계적 물성을 측정하는 데에 널리 이용되는 범용 장치로서 INSTRON사 UTM이 대표적이다. UTM은 시험에 따라 시편 고정용 그립(grip)만 교환해가며 수행하는 규격별 시험을 실시할 수 있다. UTM은 시편의 다양한 물성 시험을 실시할 수 있는데, 각종 물성, 이를 테면 인장강도, 굴곡강도, 압축강도를 비롯하여 박리강도, COF(정마찰, 동마찰계수측정), IFD, ILD(경도시험), W 굴곡 등 다양한 데이터를 측정할 수 있다.

도 5에 도시한 인장강도 측정 기기(190)는 UTM 장치의 일종이다. 인장강도 측정 기기(190)는 시편에 시험 하중을 가할 수 있는 유압식 UTM이다. 이러한 유압식 UTM은 시편에 가해지는 하중의 계측치를 지침으로 나타내는 아날로그 지침식 또는 전자식 감응장치인 로드셀 및 전위차계를 이용하여 디지트 표시부로 표시하는 디지트 표시방식일 수 있다.

인장강도 측정 기기(190)는 하중부(191)와 제어 및 분석부(199)를 포함할 수 있다.

하중부(191)는 베드(192) 상에 테이블(193), 하부 크로스헤드(194) 및 상부 크로스헤드(195)가 배치된다. 테이블(193)은 유압실린더에 의해 상방향으로 작동되고, 하부 크로스헤드(194)는 모터에 의해 작동되는 수직 스크류바(196)를 따라 상하로 이동되며, 상부 크로스헤드(195)는 테이블(193)의 상방향 이동에 따라 상방향으로 들어올려지게 된다. 상·하부 크로스헤드들(194, 195)에는 시편을 고정하기 위한 그립이 장착될 수 있으며, 대개 상·하부 크로스헤드들(194, 195)의 사이에는 인장강도 시험용 시편이 고정되고, 테이블(193)과 하부 크로스헤드(194)의 사이에는 압축강도나 굴곡강도 시험용 시편이 고정되어 각 시험에 이용된다.

제어 및 분석부(199)에는 유압실린더 및 모터의 작동을 제어하기 위한 각종 장치, 하중부(10)에 의한 하중과 시편 변위 등의 데이터를 입력받아 시험 분석프로그램에 따라 분석하고 분석된 데이터를 모니터 상에 표시하기 위한 컴퓨터 장치 등을 포함할 수 있다.

이와 같이 인장강도 측정 기기(190)는 상·하부 크로스헤드들(194, 195)이 상승 또는 하강하면서 시편에 수직 하중을 가해, 인장, 압축, 굴곡 등을 시험할 수 있게 한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 지그 조립체(185)는 이와 같이 도 5에 도시한 인장강도 측정 기기(190)의 하부 크로스헤드(194)와 상부 크로스헤드(195) 사이에 설치되거나 테이블(193)과 하부 크로스헤드(194) 사이에 설치되어 굴곡 인장강도 측정이 시행될 수 있다.

예를 들어, 본 발명에서는 이러한 인장강도 측정 기기(190)의 하부 크로스헤드(194) 위에 도 3과 같이 지그 조립체(185)를 고정시키고 시편(110)의 타단부(110b)를 상부 크로스헤드(195)에 연결해 테이블(193)의 상방향 이동에 따라 상부 크로스헤드(195)를 상방향으로 들어올려 시편(110)의 타단부(110b)를 잡아 당김으로써 파단시의 힘을 측정한 후 계산을 통해 인장강도를 구할 수 있다. 아니면 테이블(193) 위에 지그 조립체(185)를 고정시키고 시편(110)의 타단부(110b)를 하부 크로스헤드(194)에 연결해 수직 스크류바(196)를 따라 하부 크로스헤드(194)를 상방향으로 이동시키면서 하부 크로스헤드(194)가 시편(110)의 타단부(110b)를 잡아 당김으로써 파단시의 힘을 측정한 후 계산을 통해 인장강도를 구할 수도 있다.

인장강도 측정 기기(190)의 제어 및 분석부(199)에서는 시편(110)의 타단부(110b)를 위로 잡아당기면서 시편(110)이 끊어지는 시점에서의 인장강도를 산출한다. 이 때, 시편(110)의 타단부(110b)와 인장강도 측정 기기(190)가 고무 재질의 그립으로 연결되도록 함으로써 힘 손실에 의한 측정값 편차를 최소화할 수 있다.

이러한 굴곡 인장강도 측정 장치(100)를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법을 순서대로 설명하면 다음과 같다. 지그 조립체(185)의 고정부(150)를 통해 시편(110)의 일단부(110a)를 고정시키고, 시편(110)의 나머지 부분은 권심과 유사한 선단부(F)를 가진 굴곡 지그(120) 아래로 빼서 굴곡 지그(120)에 걸어 올린다. 시편(110)이 굴곡 지그(120)를 감듯이 위로 올리면 시편(110)이 굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F)를 거쳐 굴곡 지그(120)의 일 면에 접하도록 배치되면서 굴곡된다. 이후에, 시편(110)의 타단부(110b)를 인장강도 측정 기기(190)에 연결한다. 시편(110)이 끊어지는 시점까지 시편(110)에 수직 방향 힘을 가해 잡아당기고, 시편(110)이 끊어지는 시점에서의 힘으로부터 인장강도를 계산한다. 이로써 권취 상황과 유사한 조건에서의 전극 인장강도 측정이 가능하다. 이와 같이 측정된 인장강도, 즉 새로운 파라미터인 굴곡 인장강도를 이용해 시편(110)의 물성 확인에 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 굴곡 인장강도 측정 방법은, 우선 권취 상황을 모사해서 전극의 사용 적합성이나 전극조립체 권취 조건을 사전 검증하는 용도로 이용될 수 있다.

예를 들어, 이미 확립된 권취 조건의 상황을 모사하여, 굴곡 지그(120) 밑면의 선단부(F) 단면이 권심 반경 R과 동일한 반경을 갖는 반원형인 경우로 한다. 그리고 인장강도 측정 기기(190)가 시편(110)에 가하는 하중이나 시편을 잡아당기는 속도 등은 권취 장력을 고려하여 설정한다. 이와 같은 조건 하에서 굴곡 인장강도를 측정했을 때 권취가 가능할 정도로 충분한 인장강도가 확보되지 않는다는 것으로 판정이 된다면 권취용 전극조립체 이용에는 적합하지 않은 전극이라고 판단한다. 이 경우 전극 제조 레시피를 변경하거나 새로운 사양의 전극 도입을 검토한다.

권취가 가능할 정도로 충분한 인장강도가 확보되지 않는다는 것으로 판정이 되었지만 전극 제조 레시피 변경없이, 즉 그 전극을 그대로 사용하면서 권취를 진행해야 하는 경우라면 권취 조건 변경이 필요하게 된다. 권심 반경 및/또는 권취 장력을 조절하는 데에 본 발명을 이용한다. 변경된 권심 반경에 대응되는 치수를 갖는 선단부를 가진 다른 굴곡 지그를 이용하고, 변경된 권취 장력에 대응되는 다른 하중 및/또는 다른 속도로 시편(110)을 잡아당겨 굴곡 인장강도 측정을 한다. 원하는 수준의 결과가 나올 때까지 측정 조건을 변경하고 시험을 반복하여, 최종적으로 적절한 권심 반경 및/또는 권취 장력을 결정할 수 있다.

한편, 이와 같은 사전 검증의 용도 이외에 굴곡 수준에 따라 크랙이 발생하는 시점을 확인하는 데에도 본 발명을 적용할 수 있다. 굴곡 지그 선단부의 치수 조절을 통해 다양한 조건의 굴곡 수준을 마련할 수 있고 이에 따른 크랙 발생 시점을 확인할 수 있다.

그리고, 이에 따른 전극 물성을 스펙화하는 용도로 본 발명을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 이차전지 제조에 적합한 전극은 특정 권심 반경에서의 굴곡 인장강도 측정시 어느 정도의 인장강도를 가져야 하는지를 스펙화할 수 있다. 확립된 정규의 전극 제조 공정을 통해 전극을 생산하고, 생산된 전극의 품질 검사를 위하여 본 발명에 따른 측정 방법을 실행하면서 전극이 스펙을 만족하는지 벗어나는지 판별할 수 있다. 스펙을 벗어나는 전극은 이후 조립 공정에서 제외를 시키며, 스펙에서 벗어나게 된 원인 조사에 착수한다. 예를 들어 확립된 제조 공정 중에 어느 라인에서 변수가 발생하였는지 조사하여 원인을 찾아내고 시정할 수 있다. 이처럼 스펙화 및 추후 검사시 스펙을 벗어나는 전극을 제외시키는 용도로 본 발명을 활용할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 전극의 인장강도 및 물성에 대한 수치화가 가능하다. 권취 전 전극 상태에서의 크랙 발생 위험을 확인하는 데에 이용될 수 있다. 전극 물성을 수치화하여 스펙화 가능하도록 한다.

굴곡 인장강도 측정 장치(100)의 구조는 간단하지만 그 쓰임새는 이와 같이 당업자의 예상을 뛰어넘는다. 따라서, 전극 평가의 새로운 파라미터로서 굴곡 인장강도의 의미가 남다르다.

한편 본 실시예에 관한 도 3에서는 일단부(110a)가 고정된 시편(110)이 굴곡 지그(120) 밑면을 통과하여 굴곡 지그(120) 일면과 접하는 방식으로 인장강도 측정 기기(190)에 연결될 때, 권취형 전극조립체에서 시트형 전극이 권취되는 상황과 최대한 비슷해지도록 시편(110)과 굴곡 지그(120)가 완전히 밀착되어 서로간 각도가 0 °인 것으로 도시하였지만, 이 각도는 고정부(150)와 굴곡 지그(120)의 구현 방식, 배치 등에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 다음 실시예에서 이에 대해 더 설명하기로 한다.

본 발명의 지그 조립체, 그리고 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치는 시편을 굴곡시킨 상태에서 인장강도를 측정할 수 있도록 구현한다는 점을 기본으로 하여 다양한 실시예가 가능하며, 예컨대 도 6 내지 도 8에 도시한 형태의 지그 조립체도 가능하다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지그 조립체의 사시도이고, 도 7은 상면도이며, 도 8은 측면도이다.

지그 조립체(285)는 앞의 실시예에서 설명한 굴곡 인장강도 측정 장치(100) 중의 지그 조립체(185)의 굴곡 지그(120)와 거의 비슷한 굴곡 지그(120')를 포함한다. 굴곡 지그(120')의 고정을 위한 다른 부재와의 구조적 관계를 고려하여 굴곡 지그(120')의 윗면만 구조적으로 변경이 되었다. 지그 조립체(185)의 고정부(150)는 고정부(250)로 변형 실시되었다. 지그 조립체(285)와 더불어 굴곡 인장강도 측정 장치(100)의 인장강도 측정 기기(190)를 그대로 이용하거나 이와 유사한 인장강도 측정 기기를 더 포함하여 새로운 굴곡 인장강도 측정 장치(후술하는 도 11의 200)를 구현할 수 있다.

지그 조립체(285)는 하부 고정용 다이(202)를 포함한다. 하부 고정용 다이(202)는 대략 직사각형 플레이트 형태이며 하단판(204)이 들어갈 수 있는 홈(206)이 형성되어 있고, 홈(206) 바닥에는 고정용 홀(208)이 보유되어 있다. 하부 고정용 다이(202)와 하단판(204)의 고정에는 육각 구멍 붙이 볼트(209)가 이용될 수 있다. 이러한 하부 고정용 다이(202) 등을 포함함으로써 도 5에 도시한 바와 같은 인장강도 측정 기기(190)의 테이블(193) 또는 하부 크로스헤드(194)와 같은 작업대에 지그 조립체(285)를 견고하게 고정하여 여러 번 반복에도 흔들림 없는 지그 조립체(285) 위치 결정이 가능하게 된다.

하단판(204)은 본격적으로 지그의 기계 구조가 구현되는 토대이다. 하단판(204)에는 지지대(230)가 구비되어 있다. 지지대(230)는 굴곡 지그(120') 의 양단에서 굴곡 지그(120')를 고정시킨다. 굴곡 지그(120')는 양 옆에 위치한 지지대(230)에 의해 고정되어 있되, 굴곡 지그(120') 밑면이 하단판(204)에 닿지 않도록 설계된다. 즉, 시편이 굴곡 지그(120') 밑면을 통과하고 불필요한 마찰을 발생시키지 않도록 하는 위치에 설치된다.

지지대(230)가 굴곡 지그(120')를 고정하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 실시예의 일환으로, 지지대(230)는 하단판(204)에 설치되는 블록(232)과, 블록(232) 위에 설치되는 지그 고정 블록(234)과, 굴곡 지그(120')가 지그 고정 블록(234)에 장착된 후 고정을 시키도록 하는 나비볼트(236)를 포함할 수 있다. 블록(232)과 지그 고정 블록(234)의 고정에는 육각 구멍 붙이 볼트(238)가 이용될 수 있다. 블록(232)과 지그 고정 블록(234)과 나비볼트(236)는 한 쌍으로 구비되어 굴곡 지그(120')를 양 옆에서 지지한다. 지그 고정 블록(234) 상면에는 굴곡 지그(120')를 끼울 수 있는 슬롯(235)이 형성되어 있다. 슬롯(235)에 굴곡 지그(120')를 끼운 후 나비볼트(236)를 조여 굴곡 지그(120')를 슬롯(235)의 내측면에 견고하게 고정시킬 수 있다.

받침대(251)는 시편의 일단부를 고정시키기 위한 것으로, 하단판(204) 위에 지지대(230)와 반대편측으로 구비되어 있으며 재질 측면에서 특별히 제한되지 않는다. 다만, 받침대(251) 모서리로 인해 시편에 불필요한 힘이 가해지지 않도록 시편과 접촉되는 받침대(251) 모서리는 라운딩 처리되는 것이 바람직하다. 받침대(251)는 굴곡 지그(120') 밑면보다 시편의 일단부가 위에 위치하도록 시편의 일단부가 놓이는 부재이다.

받침대(251)는 하단판(204)에서부터 직립하는 수직 고정용 블록(252) 및 여기에 굴곡 지그(120') 측을 향하여 직각으로 연결되어 고정되는 수평 고정용 블록(254)을 포함할 수 있다. 수직 고정용 블록(252) 및 수평 고정용 블록(254)의 고정에는 육각 구멍 붙이 볼트(256)가 이용될 수 있다. 수평 고정용 블록(254) 위에는 시편의 일단부가 놓일 수 있도록 하면서 굴곡 지그(120') 밑면보다 시편의 일단부가 위에 위치하도록 높이 조정되어 있다.

고정판(240)은 시편의 일단부를 받침대(251)에 고정시킨다. 고정판(240)은 시편의 일단부를 직접 누르기 위한 클램프 블록(241)을 기본적으로 포함하며, 여기에 힘을 가하는 토글 클램프(245)를 포함할 수 있다. 토글 클램프(245)는 작은 힘을 적용시켜 큰 힘으로 작용시키는 기구로써 클램프 블록(241)을 고정시키는 기구이다. 그리고, 클램프 블록(241)과 토글 클램프(245) 사이의 연결부(242)가 형성되어 있다. 연결부(242)에는 클램프핀, 스프링, E형 스냅링 등이 포함될 수 있다. E형 스냅링은 사용할 때는 힘을 주어 열리게 하고, 꼭끼워 맞춤(snug fit)으로써 고정하는 고리쇠이다.

고정판(240)의 클램프 블록(241) 양 옆에는 나사(260, 260')가 마련되어 있고, 시편의 일단부가 받침대(251)에 놓이기 전에 토글 클램프(245) 레버를 올려 고정판(240)의 클램프 블록(241)이 받침대(251)로부터 이격되게 위치하고 있다. 이후, 시편의 일단부가 받침대(251)에 놓인 후에는 토글 클램프(245) 레버를 내려 고정판(240)의 클램프 블록(241)을 시편의 일단부 위로 놓이게 한 후 고정판(240) 양 옆에 있는 나사(260, 260')를 조정하여 고정판(240)의 클램프 블록(241)을 더 아래로 이동시켜 시편의 일단부를 가압함으로써 시편의 일단부가 받침대(251)와 고정판(240)의 클램프 블록(241) 사이에 고정되어 움직이지 않도록 한다. 이러한 받침대(251), 고정판(240), 나사(260, 260') 등이 앞의 실시예에서 설명한 고정부(150)에 대응되는 본 실시예의 고정부(250)이다.

바람직하게, 고정판(240)에 위치하면서 시편 중심 위치를 잡아주는 시편 위치 중심 세팅 지그(270, 270')를 더 포함할 수 있다. 시편의 두께가 마이크로미터 단위로 얇아지면 자체 하중에 의한 처짐이 발생할 정도로 굽힘이 잘 발생하고 위치 결정이 어려워질 수 있다. 그리고 반복적으로 실험시 항상 동일한 실험 조건이 될 수 있으려면 시편 고정 위치가 일정해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 시편 위치 중심 세팅 지그(270, 270')가 구비되어 있다. 시편 위치 중심 세팅 지그(270, 270') 사이에 시편을 위치시키면 항상 시편 중심 위치를 일정하게 유지할 수 있다.

지그 조립체(285) 이동을 손쉽게 하기 위한 손잡이(280)가 더 구비될 수 있다. 손잡이(280)는 예컨대 받침대(251)에 마련될 수 있다. 본 실시예에서는 특히 수직 고정용 블록(252)에 손잡이(280)가 마련된 예를 도시하였다.

이러한 지그 조립체(285)를 인장강도 측정 기기(190)와 함께 이용하여 굴곡 인장강도를 측정하는 방법은 앞에서 설명한 굴곡 인장강도 측정 장치(100)를 이용한 방법과 크게 다르지 않으며, 도 9 내지 도 12를 참조하여 지그 조립체(285)의 사용 위주로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 9는 도 6의 지그 조립체를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법의 단계별 모식도이다. 도 10과 도 11은 도 6의 지그 조립체에 전극 시편을 세팅한 후의 사시도이다. 도 12는 도 11 상태의 측면도로서 도 6의 지그 조립체와 이를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 장치까지 도시한 개략적인 도면이다.

먼저 도 9의 (a)와 같이 일단부(110a)와 타단부(110b)를 가진 시편(110)을 준비한다. 다음 (b)에서와 같이 지그 조립체(285)의 받침대(251)와 고정판(240) 사이에 시편(110) 일단부(110a)를 고정시킨다. 토글 클램프(245) 레버를 올리면 클램프 블록(241)이 위로 올라간다. 시편(110)의 일단부(110a)를 받침대(251)에 올려 놓고 토글 클램프(245) 레버를 내리면 클램프 블록(241)이 아래로 내려가고 시편(110) 일단부(110a)를 고정할 수 있다. 다음, (c)에서와 같이 시편(110)을 굴곡 지그(120') 아래로 뺀다. 다음 (d)와 같이 시편(110)이 굴곡 지그(120') 밑면을 거쳐 굴곡 지그(120') 일 면에 접하도록 배치한 후에, 시편(110) 타단부(110b)를 인장강도 측정 기기(도 5 및 도 12 참조, 190)에 연결한다. 시편(110)이 굴곡 지그(120')를 감듯이 위로 올려서 인장강도 측정 기기(190)에 연결하면 된다.

도 10과 도 11은 시편(110) 세팅이 완료된 상태를 도시한다. 도 9의 (b) 내지 (d) 도면에서는 도시의 편의를 위해 각 부재를 대략적으로 도시할 뿐만 아니라 시편 위치 중심 세팅 지그(270, 270') 도시도 생략하였지만 도 10과 같이 시편 위치 중심 세팅 지그(270, 270')가 위치하는 상태에서 그 사이에 시편(110)이 세팅되도록 하는 것이다.

이후, 도 12에서와 같이 인장강도 측정 기기(190)를 이용하여 시편(110)의 타단부(110b)를 잡아 시편(110)이 끊어지는 시점까지 시편(110)에 힘을 가하고, 인장강도를 측정하여 전극 물성을 확인한다.

전술한 바와 같이, 받침대(251)의 수평 고정용 블록(254) 상면은 굴곡 지그(120') 밑면보다 높은 곳에 위치한다. 따라서, 도 12에 자세히 나타낸 바와 같이 받침대(251)와 고정판(240) 사이에 일단부(110a)가 고정된 시편(110)이 굴곡 지그(120') 밑면을 통과하여 굴곡 지그(120') 일 면과 접하는 방식으로 인장강도 측정 기기(190)에 연결될 때, 받침대(251)에서 내려오는 시편(110)과 굴곡 지그(120') 일면 사이에는 일정한 각도(α)가 형성된다. 상기 각도는 앞의 실시예에서도 예로 든 바와 같기도 하고 이론적으로는 0 °인 것이 가장 바람직하겠지만, 허용가능한 오차범위, 비용 등을 고려할 때 상기 각도는 0 내지 10 ° 범위인 것이 바람직하다. 상기 각도가 10 °보다 큰 경우에는 정확한 측정값을 수득하기 곤란하게 된다.

이하, 본 발명을 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.

<실험예>

양극 활물질로 LiCoO₂를 사용하였고, 도전재로 카본 블랙, 바인더로 PVdF, 및 첨가제로 Li₂Co₂을 97.2:0.9:1.5:0.4의 중량비로 혼합한 후 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 알루미늄 호일의 일면에 코팅하고, 건조 및 압연하여 제1 전극을 준비하였다. 제1 전극에 무리한 힘을 가하여 크랙을 인위적으로 발생시킨 제2 전극도 준비하였다.

예를 들어, 양극 활물질 슬러리의 코팅 두께가 200um라고 하면, 제1 전극은 그 두께가 150um가 되게 압연을 하고, 제2 전극은 그 두께가 140um가 되도록 더 큰 힘을 가해 만드는 방법으로 이들 전극을 준비할 수 있다.

인장타발 시편기를 이용하여 제1 전극과 제2 전극을 일정 크기로 펀칭하여 시편을 제조하였다. 센터 시편 1은 제1 전극의 가운데 부분에서 20mm x 100mm 크기로 8개 펀칭하였다. 사이드 시편 1은 제1 전극의 가장자리 부분에서 20mm x 100mm 크기로 8개 펀칭하였다. 센터 시편 2는 제2 전극의 가운데 부분에서 20mm x 100mm 크기로 8개 펀칭하였다. 사이드 시편 2는 제2 전극의 가장자리 부분에서 20mm x 100mm 크기로 8개 펀칭하였다.

본 발명의 굴곡 인장강도 측정 장치(200)를 이용하여 시편들의 굴곡 인장강도를 측정하였다. 굴곡 지그(120')의 선단부(F) 직경은 0.96 mm로 하였다. 반경으로 나타내면 0.48 mm이고 이것은 0.25 내지 0.5 mm 반경 범위 조건 내의 수치이다. 인장강도 측정 기기(190)로는 INSTRON사 UTM 설비를 이용하였고, 시편을 UTM 설비에 장착한 후 TA(Tension Annealing) : speed 50mm/min 조건으로 잡아 당기면서 걸리는 힘을 측정하여 파단시의 힘을 측정한 후 계산을 통해 구하였다. 받침대(251)에서 내려오는 시편과 굴곡 지그(120') 일면 사이의 각도(α)는 5 °로 하였다. 이것은 0 내지 10 ° 범위 조건 내의 수치이다.

이하, 본 발명을 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.

측정된 결과가 표 1 및 도 13 그래프로 수득되었다. 표 1의 수치는 인장강도(gf/mm)를 나타내고 8개 시편의 평균을 구해 도 13에 나타내었다.

표 1 및 도 13을 참조하면, 인위적으로 크랙을 발생시킨 제2 전극에서 얻은 센터 시편 2 및 사이드 시편 2가, 그렇지 않은 정상의 제1 전극에서 얻은 센터 시편 1 및 사이드 시편 1에 비해 16 내지 24% 낮은 인장강도를 갖는 것으로 측정이 되었다. 정상의 제1 전극은 스펙을 만족하는 전극이고, 크랙이 발생된 제2 전극은 스펙을 벗어나는 전극이라고 할 수 있다. 본 발명에 따른 굴곡 인장강도 측정 장치는 이 두 전극을 유의미하게 분별할 수 있다는 점을 확인할 수 있는 결과이다.

한편, 센터 시편들 대비 사이드 시편들이 더 낮은 인장강도를 갖는 것으로 측정이 되었다. 전극의 가장자리는 압연시 압연롤에 의한 힘을 전극의 가운데보다 많이 받기 때문에 가장자리가 가운데보다 약하기 마련이다. 본 발명에 따른 굴곡 인장강도 측정 장치는 이러한 차이점도 유의미하게 분별할 수 있다는 점을 확인할 수 있는 결과이다.

스펙화 기준을 마련하여 크랙 발생 가능성이 있는 불량 전극을 사전 선별하는 데에 본 실험 결과를 이용할 수도 있다. 위 실험 결과를 참조해, 인위적으로 크랙을 발생시킨 제2 전극의 인장강도와 정상의 제1 전극의 인장강도 사이 값에 해당하는 임의의 인장강도를 스펙으로 정할 수 있다. 예를 들면 65gf/mm를 스펙으로 정할 수 있다. 향후 전극을 시험할 때에 그 전극의 인장강도가 65gf/mm 이상이라면 정상 전극으로 판정한다. 65gf/mm 미만이라면 실제 권취 공정에서 크랙이 발생할 가능성이 있다는 것이므로 불량 전극으로 판정한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100, 200 : 굴곡 인장강도 측정 장치 110 : 시편
120, 120' : 굴곡 지그 150, 250 : 고정부
185, 285 : 지그 조립체 190 : 인장강도 측정 기기
191 : 하중부 192 : 베드
193 : 테이블 194 : 하부 크로스헤드
195 : 상부 크로스헤드 196 : 수직 스크류바
199 : 제어 및 분석부 202 : 하부 고정용 다이
204 : 하단판 206 : 홈
208 : 고정용 홀 209, 238, 256: 육각 구멍 붙이 볼트
230 : 지지대 232 : 블록
234 : 지그 고정 블록 235 : 슬롯
236 : 나비볼트 240 : 고정판
241 : 클램프 블록 242 : 연결부
245 : 토글 클램프 251 : 받침대
252 : 수직 고정용 블록 254 : 수평 고정용 블록
260, 260': 나사 270, 270': 시편 위치 중심 세팅 지그
280 : 손잡이

Claims

시편의 일단부를 고정하는 고정부; 및
일단부가 고정된 상기 시편의 길이 방향 단면에 대해 일점(one point) 굴곡을 일으키고 상기 시편의 타단부를 인장시험 하중부 쪽으로 가이드하는 판 형태의 굴곡 지그를 포함하는 지그 조립체.
제1항에 있어서, 상기 굴곡 지그는 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있으며, 상기 밑면은 상기 시편에 굴곡을 일으키는 부분으로서 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태의 선단부를 가지는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제2항에 있어서, 상기 시편은 권취형 전극조립체 제조를 위한 전극 시편이며, 상기 선단부 단면의 반경 혹은 크기는 목적하는 피측정 전극조립체 제조를 위한 권심과 동일한 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제3항에 있어서, 상기 선단부 단면은 0.25 내지 0.5 ㎜ 반경의 반원형인 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제1항에 있어서, 상기 굴곡 지그의 양단에서 상기 굴곡 지그를 고정시키는 지지대를 더 포함하고,
상기 고정부는
상기 굴곡 지그 밑면보다 상기 시편의 일단부가 위에 위치하도록 상기 시편의 일단부가 놓이는 받침대; 및
상기 시편의 일단부를 상기 받침대에 고정시키는 고정판을 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제5항에 있어서, 상기 받침대에서 내려오는 시편과 상기 굴곡 지그 사이의 각도가 0 내지 10 °인 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제5항에 있어서, 상기 고정판에 위치하면서 시편 중심 위치를 잡아주는 시편 위치 중심 세팅 지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제5항에 있어서, 상기 지지대와 받침대가 구비되는 토대인 하단판을 더 포함하고, 상기 지지대는
상기 하단판에 설치되는 블록;
상기 블록 위에 설치되며 상기 굴곡 지그를 끼울 수 있는 슬롯이 상면에 형성된 지그 고정 블록; 및
상기 지그 고정 블록에 장착되는 상기 굴곡 지그를 고정시키기 위한 나비볼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제5항에 있어서, 상기 지지대와 받침대가 구비되는 토대인 하단판을 더 포함하고, 상기 받침대는 상기 지지대 반대편측으로 구비되어 있으며,
상기 하단판에서부터 직립하는 수직 고정용 블록; 및
상기 수직 고정용 블록에 상기 굴곡 지그 측을 향하여 직각으로 연결되어 고정되는 수평 고정용 블록을 포함하고,
상기 굴곡 지그 밑면보다 상기 시편의 일단부가 위에 위치하도록 상기 시편의 일단부가 상기 수평 고정용 블록 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제5항에 있어서, 상기 고정판은 시편의 일단부를 상기 받침대에 대하여 직접 누르기 위한 클램프 블록; 및
상기 클램프 블록에 힘을 가하는 토글 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제10항에 있어서, 상기 클램프 블록을 아래로 이동시켜 시편의 일단부를 가압함으로써 상기 시편의 일단부가 상기 받침대와 클램프 블록 사이에 고정되어 움직이지 않도록 하는 나사를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지그 조립체.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 지그 조립체; 및
상기 지그 조립체의 굴곡 지그 밑면을 통과해 나오도록 세팅되는 시편의 타단부에 연결되어 수직 방향으로 인장시험 하중부를 제공하는 인장강도 측정 기기를 포함하여,
상기 시편을 굴곡시켜 인장강도를 측정하는 굴곡 인장강도 측정 장치.
제12항에 있어서, 상기 인장강도 측정 기기의 하중부는 베드 상에 테이블, 하부 크로스헤드 및 상부 크로스헤드가 배치되고, 상기 테이블은 유압실린더에 의해 상방향으로 작동되고, 상기 하부 크로스헤드는 모터에 의해 작동되는 수직 스크류바를 따라 상하로 이동되며, 상기 상부 크로스헤드는 상기 테이블의 상방향 이동에 따라 상방향으로 들어올려지는 것으로서,
상기 지그 조립체는 상기 하부 크로스헤드와 상부 크로스헤드 사이에 설치되거나 상기 테이블과 하부 크로스헤드 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 굴곡 인장강도 측정 장치.
제12항 기재의 굴곡 인장강도 측정 장치를 이용한 굴곡 인장강도 측정 방법으로서,
상기 지그 조립체의 고정부를 이용해 시편의 일단부를 고정시키는 단계;
상기 시편을 상기 굴곡 지그 아래로 빼서 상기 시편이 상기 굴곡 지그를 감듯이 위로 올려 굴곡시키는 단계;
상기 시편의 타단부를 상기 인장강도 측정 기기에 연결하는 단계; 및
상기 시편의 타단부에 힘을 가해 상기 시편이 끊어지는 시점에서의 힘으로부터 인장강도를 계산하는 단계를 포함하는 굴곡 인장강도 측정 방법.