KR20190027735A

KR20190027735A - 전극 취성 평가 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190027735A
Application number: KR1020180105616A
Authority: KR
Inventors: 정안수; 김남원; 김영태; 박필규; 송한갑; 김민규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2019-03-15
Also published as: CN110023735A; US11060961B2; KR102275867B1; CN110023735B; US20200225134A1

Abstract

시편에 권취 상태와 유사한 상황을 모사하면서 시편에 가해지는 힘을 측정하여 취성을 평가하는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 취성 평가 장치는, 지그부; 구동부; 및 측정 분석부를 포함하는 것이다. 상기 지그부는 2개의 지그; 누름판; 및 가이드를 포함한다. 상기 지그는 수평 평면으로 형성되어 있는 상면에는 시편이 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 상면에서부터 아래로 갈수록 폭이 점점 작아지는 홈이 형성되게 서로 마주하도록 놓인다. 상기 누름판은 상기 지그 상부에서 상기 시편의 길이 방향에 직교하게 구비되고 하강하면서 상기 시편을 눌러 상기 홈에 삽입되면서 상기 시편에 굽힘을 발생시킨다. 상기 가이드는 상기 지그 각각의 상면에 위치하면서 상기 누름판 하강시 상기 시편 뒤틀림을 방지해준다. 상기 구동부는 상기 누름판을 하강시킨다. 상기 측정 분석부는 상기 누름판이 하강하는 동안 상기 시편에 가해지는 힘을 측정하고 이로부터 취성 평가한다.

Description

전극 취성 평가 장치 및 방법 {Apparatus and method of evaluating brittleness of electrodes}

본 발명은 전극 물성 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극 취성 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래, 리튬이온 이차전지 등의 이차전지에는 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.

양극은 알루미늄박이나 스테인리스박 등의 금속박으로 구성된 양극 집전체 시트의 표면에 리튬 코발트 복합산화물이나 리튬 망간 복합산화물 등을 포함한 양극 활물질이 층상으로 코팅되고 압착된 것이다. 음극은 동박이나 스테인리스 박 등의 금속박으로 구성되는 음극 집전체 시트의 표면에 흑연이나 코크스 등을 포함한 음극 활물질이 층상으로 코팅되고 압착된 것이다.

시트형 전극의 제조 과정에 대해 상술하면, 우선 장척형 집전체 시트의 표면에 활물질 슬러리가 코팅되고 건조되어 활물질층이 형성된다. 이 때, 집전체 시트의 양 가장자리에는 활물질 페이스트가 코팅되지 않은 무지부가 형성된다. 이어서 활물질층이 형성된 집전체 시트가 가압 롤에 통과되고, 집전체 시트의 표면에 활물질이 압연된다. 이와 같이 형성된 장척형 시트형 전극은 소정 형상이 되도록 재단되어 시트형 양극이나 시트형 음극으로서 전극조립체 제조 공정에 투입된다. 이후, 시트형 양극과 시트형 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 뒤에, 권취기에 의해 회전하는 권심 상에 일정 속도로 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체가 준비된다.

그런데, 이와 같이 수득된 젤리롤 형태의 전극조립체는 특히 권심 주변에서 권취 반경이 작게 형성되기 때문에 양극이나 음극에 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 반경을 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.

전극의 크랙 발생 여부는 전극의 연성 혹은 취성과 같은 물성에도 영향을 받는다. 따라서, 전극조립체를 권취하기 전에 전극의 연성이나 취성을 평가할 필요가 있다. 그러나 종래에는 마땅한 평가 장치나 방법이 없었다.

본 발명에서 평가 대상인 전극은 집전체와 활물질층을 포함하는 것이다. 기존에 코팅막 분야에서는 코팅막의 상태를 평가하는 방법으로서 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA(Dynamic Mechanical Analysis)와 같은 장치를 이용한 방법이 제안되어 있어, 전극 평가에 이들 장치 및 방법의 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(specimen) 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 평가한다고 하더라도 활물질층뿐 아니라 집전체까지 포함한 전체로서의 전극 물성을 대변하는 결과를 얻기 어려우므로 한계가 있다.

한편, 굽힘 시험은 시편에 하중을 가하였을 때 파단 강도를 측정하여 시편의 연성(ductility) 또는 강도(strength)를 결정하기 위해 시행되는 것으로, 시편의 내측 반경에 규정된 각도 또는 파단이 발생할 때까지 하중을 가하고 만곡부의 외측에 균열 등 기타결함이 발생하는지를 검사하는 방식으로 이루어져 왔다. 이러한 굽힘 시험 방법으로는 3점 굽힘(three point bending)과 4점 굽힘(four point bending) 시험법이 알려져 있다.

3점 굽힘 시험은 시편을 두 개의 지점으로 지지하고 그 중간 지점에 하중을 가하여 구부리는 방법이며, 이 방법은 변형이 작은 재질이나 파단시까지의 응력-변형 관계가 후크의 법칙(Hooke's law)을 따르는 재료에 적용된다.

4점 굽힘 시험은 시편을 두 개의 지점으로 지지하고 두 지점으로부터 거리의 1/3에 해당하는 지점에 각각 하중을 가하는 방법으로, 3점 굽힘 방법에 의해서도 시편이 파단되지 않는 경우에 이 방법을 이용한다.

그러나, 이러한 굽힘 시험 대부분은 시편의 파단 강도를 측정하는 것이기에, 전극 물성 평가에 대해 적용한다고 해도 전극이 파단되기 전까지의 전극 물성, 예컨대 취성이 우세한지 연성이 우세한지 등을 확인하기에는 부적합하다.

본 발명에서는 전극, 특히 전극의 활물질층의 물성, 특히 취성을 평가하는 장치 및 방법을 제공한다.

특히, 본 발명자들은 취성을 평가함에 있어, 시편에 권취 상태와 유사한 상황을 모사하면서 시편에 가해지는 힘을 측정하여 취성을 평가하는 장치 및 방법을 제공한다.

또한, 시편에 가해지는 힘을 측정하는 측정 정확도에 영향을 주는 요인이 제거되도록 한 취성 평가 장치를 제공하고자 한다.

뿐만 아니라, 이러한 장치를 이용하여 전극의 취성을 정성 및 정량적으로 정확하게 평가할 수 있는 취성 평가 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 취성 평가 장치는, 지그부; 구동부; 및 측정 분석부를 포함하는 것이다. 상기 지그부는 2개의 지그; 누름판; 및 가이드를 포함한다. 상기 지그는 수평 평면으로 형성되어 있는 상면에는 시편이 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 상면에서부터 아래로 갈수록 폭이 점점 작아지는 홈이 형성되게 서로 마주하도록 놓인다. 상기 누름판은 상기 지그 상부에서 상기 시편의 길이 방향에 직교하게 구비되고 하강하면서 상기 시편을 눌러 상기 홈에 삽입되면서 상기 시편에 굽힘을 발생시킨다. 상기 가이드는 상기 지그 각각의 상면에 위치하면서 상기 누름판 하강시 상기 시편 뒤틀림을 방지해준다. 상기 구동부는 상기 누름판을 하강시킨다. 상기 측정 분석부는 상기 누름판이 하강하는 동안 상기 시편에 가해지는 힘을 측정하고 이로부터 취성 평가한다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 지그는 상기 시편의 길이 방향 양단부를 각각 지지하고 상기 지그끼리 서로 마주보는 면의 단면은 1/4 타원형 호(arc)를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 지그를 서로 가까워지는 방향 또는 멀어지는 방향으로 이동 가능하게 상기 지그 각각에 설치되는 수평 바(bar)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 가이드는 상기 시편에서 상기 지그 상면에 놓인 부분의 측면 움직임 및 상하 움직임을 제한하는 것임이 바람직하다.

이 때, 상기 가이드는 상기 시편의 상하 움직임을 제한하기 위한 상벽부, 상기 상벽부 하면에 직립하여 상기 지그 상면에 놓이며 상기 시편의 측면 움직임을 제한하는 양 측벽부 및 상기 양 측벽부 사이의 공간으로서 상기 시편의 길이 방향 움직임은 허용하는 관통부를 포함하여, 상기 관통부가 서로 마주보도록 상기 지그 상면 각각에 위치되어 있고, 상기 시편은 상기 관통부를 관통하여 상기 지그 상면에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 가이드는 알루미늄 또는 SUS로부터 제조된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 가이드는 상기 시편이 배치되는 부분을 제외한 영역에서 상기 지그 상면에 부착 혹은 고정되어 있고, 상기 가이드에서 상기 부착 혹은 고정된 부분을 제외한 부분은 상기 지그 상면으로부터 이격되어 있는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 누름판 두께는 상기 홈에서 가장 좁은 부분의 폭과 동일한 것일 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 장치에 있어서, 상기 누름판은 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있으며, 상기 밑면은 상기 시편에 굽힘을 일으키는 부분으로서 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태의 선단부를 가지는 것일 수 있다.

이 때, 상기 시편은 권취형 전극조립체 제조를 위한 전극 시편이며, 상기 선단부 단면의 반경 혹은 크기는 목적하는 피측정 전극조립체 제조를 위한 권심과 동일한 치수를 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 취성 평가 방법은, 본 발명에 의한 취성 평가 장치에 시편을 배치한 후에, 누름판을 하강시키고, 상기 누름판이 하강하는 동안 상기 시편에 가해지는 힘을 측정하는 단계; X 축을 시편 변위(displacement)로 하고 Y 축을 측정된 힘 값으로 하는 그래프로 표시하는 단계; 및 상기 그래프의 형태로부터 취성/연성 수준을 평가하거나, 상기 그래프에서 상기 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값(brittleness value)을 구하는 단계;를 포함한다.

상기에서 취성/연성 수준을 평가한다는 것은 취성, 취성 우세, 연성 우세, 연성 중 어느 양태에 해당하는 지를 판단하는 것이다.

본 발명에 따른 취성 평가 방법에 있어서, 상기 누름판은 0.5 ~ 2 mm/sec 속도로 수직 하강하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 방법에 있어서, 상기 시편은 측정 전까지 0 내지 10 %의 상대습도 및 상온(25 ℃)에서 보관한 것일 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 방법에 있어서, 상기 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이를 구하는 단계는, 상기 그래프에서 상기 시편이 받는 힘 값이 가장 클 때의 수치와, 이후 힘 값이 감소하여 상기 그래프에서 변곡되는 지점에서의 수치와의 차이를 구하는 단계일 수 있다.

본 발명의 취성 측정 장치 및 방법에 따르면, 전극에 실제 권취가 적용되기 이전에 전극을 굽혀 권취 공정과 유사한 상황을 모사해 전극 취성을 정확하고 간편하며 쉽게 평가할 수 있다.

본 발명의 취성 평가 장치는 지그 상에서 시편 뒤틀림을 방지하는 가이드가 마련되어 있어, 시편에 가해지는 힘(또는 시편이 받는 힘)을 측정함에 있어 측정 오차를 최대한 줄일 수 있고 이에 따라 측정 정확도가 향상되므로 정확한 측정이 가능해지고 이로부터 정확한 평가가 가능해진다.

본 발명의 취성 평가 장치를 이용하여, X축을 시편 변위로 하고 Y축을 시편에 가해지는 힘 값으로 하는 그래프(변위-힘 그래프)에 표시하면, 그 그래프의 형태로부터 전극의 활물질층에 균열이 발생하는 양태가 어떠한지 정성적으로 평가할 수 있다.

본 발명자들은 전극의 활물질층(혹은 활물질 슬러리) 구성성분, 활물질층 조성비(함량) 및/또는 전극 압연도와 같은 요인에 따라(그러나, 이에 한정되는 것은 아니다) 전극의 활물질층이 파단되거나 전극의 활물질층에 균열이 발생하는 양태가 상이하며, 본 발명의 취성 평가 장치를 이용해 얻은 변위-힘 그래프로부터 그 양상을 서로 구분할 수 있음을 알게 되었다.

예컨대, 권취와 같은 힘이 전극에 가해질 때 일부 전극의 활물질층은 연신 과정없이 갑자기 파단되는 반면, 다른 전극의 활물질층은 연신되다가 파단되고, 또 다른 전극의 활물질층은 일부 파단된 후에 연신되며, 또 다른 전극의 활물질층은 파단없이 연신만 되는 것을 알아내었고, 각 경우에 대해 변위-힘 그래프의 형태가 상이함을 알게 되었다. 따라서, 각 경우를 취성, 취성 우세, 연성 우세, 연성이라는 총 4가지 취성/연성 수준으로 분류하였다.

따라서, 본 발명의 취성 평가 장치로부터 변위-힘 그래프를 얻어 전극이 4가지 취성/연성 수준 중에서 어느 것에 해당하는지 정성적으로 그리고 직관적으로 평가할 수 있다.

또한, 변위-힘 그래프로부터, 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이를 구하면 그 값은 “취성값(brittleness value)”이라고 불러 새로운 파라미터로서 수치화할 수 있고, 이에 따라 취성을 정량적으로도 평가할 수 있음을 제안한다.

이처럼 본 발명에 따르면 전극 물성, 특히 취성에 대한 정성 및 정량 평가가 가능해진다.

본 발명의 취성 평가 장치는 종래의 연필 경도계, 나노 인덴터, DMA 등의 장치보다 정확하고 측정 시간이 짧고 스펙화가 용이하며 저비용으로 실행할 수 있는 것이면서도 종래 장치가 측정할 수 없는 전극 취성의 정성, 정량 측정을 가능하게 하므로 이차전지 제조 분야에서 유용하다.

또한, 본 발명에 따르면, 누름판이 시편을 누르는 양태가 마치 전극이 권심에 권취되는 상황과 유사해지므로, 권취 이전의 전극 상태에서 권취와 유사한 상황을 만들어 크랙이 발생할 가능성을 미리 확인할 수 있으며, 이에 따른 전극 물성을 스펙화할 수 있는 이점이 있다.

비교적 간단한 원리를 이용해 스펙화하는 것이지만 이후 공정 적용이 매우 용이하기 때문에 이차전지 양산 관점에서 매우 바람직하다. 예를 들어, 본 발명의 취성 평가 방법에 따르면, 평가된 취성에 기반하여 전극의 취성을 조절하는 등 전극을 개선할 수 있으며(예컨대 연성이 증가하도록 함), 개선된 전극의 취성을 다시 평가하여 실제 개선이 되었는지 여부를 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 취성 평가 방법을 공정에 적용하면, 크랙 발생을 저감시키는 동시에, 불필요한 부피 증가를 발생시키지 않으면서 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 하는 전극을 제조하는 데에 도움이 될 수 있으며, 궁극적으로는, 우수한 성능을 갖는 권취형 리튬 이차전지도 제공될 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 평가 장치를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 평가 장치에서 바람직한 가이드의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 평가 장치에서 바람직한 누름판의 사시도이다.
도 5는 도 4와 같은 누름판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 평가 장치에서 구동부와 측정 분석부를 하나의 장치로 구현하는 경우에 이용될 수 있는 장치의 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치에, 시편을 배치한 후의 모습 일부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 타원형 지그 사이의 홈에 시편이 삽입되는 모습 일부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 정면도이다.
도 11은 취성/연성 수준을 달리하는 4종 전극 시편에서 나타나는 그래프 특징을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 취성 평가 장치를 이용하여 얻은 변위-힘 그래프이다.
도 13은 본 발명의 취성 평가 방법으로 전극 시편 소성 변형을 확인한 후, 전극을 개선시켜 전극 소성 변형이 발생하지 않은 것까지 확인한 예를 나타낸 것이다.
도 14는 실시예 1에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치를 이용해 얻은 변위-힘 그래프이다.
도 15는 실시예 2에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치를 이용해 얻은 변위-힘 그래프이다.
도 16은 비교예로서 실시예 2에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치에서 가이드 없이 이용해 얻은 변위-힘 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 명세서에서 '전극'이라 함은 이차전지의 양극 또는 음극을 의미하는 것으로, 본 발명에 따르는 전극의 일 양태로는 집전체의 적어도 일면에 활물질층이 형성되어 있는 것을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 집전체의 양면에 활물질층이 형성되어 있는 것이거나, 활물질층을 별개로 구비하지 않고 금속층이 집전체와 활물질층을 겸하는 경우도 포함한다. 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, 활물질 슬러리를 집전체에 코팅, 건조시키고 압연한지 1일(24시간) 이내에 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 취성 평가 장치를 이용하여 측정하고자 하는 피측정물을 의미하는 것으로, 예컨대, 전극으로부터 소정 너비와 소정 길이를 갖도록 타발한 시편을 의미할 수 있다. 너비보다는 길이를 더 길게 함으로써 직사각형 띠 모양으로 된 시편을 타발할 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 평가 장치를 개략적으로 나타낸 도면들이다.

도 1을 참조하면, 취성 평가 장치(10)는, 지그부(A), 구동부(B), 및 측정 분석부(C)를 포함한다. 도 2는 그 중에서도 지그부(A) 위주로 도시한 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 지그부(A)는 2개의 지그(20, 20'), 누름판(30) 및 가이드(40, 40')를 포함한다.

우선, 지그(20, 20')는 상면이 수평 평면으로 형성되어 있고, 그 상면에는 도 1에서와 같이 시편(50)이 길이 방향을 따라 배치된다. 시편(50)은 너비(W)보다 길이(L)가 긴 직사각형 띠 모양인 경우를 예로 들었다. 지그(20, 20')는 상면에서부터 아래로 갈수록 시편(50)의 길이 방향을 따른 폭(rg)이 점점 작아지는 홈(25)이 형성되게 서로 마주하도록 놓인다.

지그(20, 20')는 시편(50)의 길이 방향 양단부를 각각 지지하고 지그(20, 20')끼리 서로 마주보는 면의 단면은 1/4 타원형 호(arc)를 포함하는 것일 수 있다. 반드시 타원형 호이어야 하는 것은 아니고 폭(rg)이 점점 작아지는 홈(25)이 형성될 수 있게끔 연속적인 곡면을 형성하는 것이면 된다.

지그(20, 20') 각각에는 수평 바(bar, 22, 22')가 설치될 수 있다. 이 수평 바(22, 22')는 지그(20, 20')를 서로 가까워지는 방향 또는 멀어지는 방향으로 이동 가능하게 한다.

지그(20, 20')끼리 서로 마주보는 면을 '전면부(front)'라고 지칭하고, 이와 반대부분을 '후면부(back)'라고 지칭할 때, 수평 바(22, 22')는 지그(20, 20')의 후면부에 설치될 수 있다. 수평 바(22, 22')를 조정하여 지그(20, 20')를 수평 방향으로 움직임으로써 양 옆으로 더 멀어지게 이동시키거나 더 가까워지게 이동시켜 홈(25)의 폭(rg) 크기를 더 조절할 수 있다.

누름판(30)은 지그(20, 20') 상부에서 시편(50)의 길이 방향에 직교하게, 즉 시편(50)의 너비 방향에 나란하게 구비되고, 하강하면서 시편(50)을 눌러 홈(25)에 삽입되면서 시편(50)에 굽힘을 발생시킨다. 이러한 누름판(30)은 마치 시편(50)이 권심에 권취되는 상황과 유사한 굽힘을 발생시키도록 마련될 수 있다.

가이드(40, 40')는 지그(20, 20') 각각의 상면에 위치하면서 누름판(30) 하강시 시편(50) 뒤틀림을 방지해준다. 지그(20, 20')의 전면부와 후면부를 가로지르는 방향이 곧 시편(50)의 길이 방향이다. 시편(50)의 길이 방향에 대해 수평 평면 상에서 직교하는 방향, 즉 시편(50)의 너비 방향으로 시편(50)이 움직이는 것을 측면 움직임이라고 정의하고, 시편(50)의 길이 방향에 대해 수직 평면 상에서 직교하는 방향, 즉 누름판(30)의 승하강 방향으로 시편(50)이 움직이는 것을 상하 움직임이라고 정의하면, 시편(50) 뒤틀림은 시편(50)의 측면 움직임이나 상하 움직임에 의해 일어난다고 할 수 있다. 바람직한 가이드(40, 40')는 시편(50)에서 지그(20, 20') 상면에 놓인 부분의 측면 움직임 및 상하 움직임을 제한한다.

구동부(B)는 누름판(30)을 하강시킨다. 측정 분석부(C)는 누름판(30)이 하강하는 동안 시편(50)에 가해지는 힘을 측정하고 이로부터 취성 평가하기 위해 구비된다. 구동부(B)는 누름판(30)이 일정한 속도로 하강하게 할 수 있고, 측정 분석부(C)는 누름판(30)이 그 일정한 속도로 하강하는 데에 필요한 힘을 측정함으로써 시편(50)에 가해지는 힘을 측정하도록 할 수 있다. 본 발명 취성 평가 방법을 수행하기 위해 측정하는 힘, 그리고 시편(50)의 변형을 기점으로 하는 힘의 변화 등은 누름판(30)에 연결되어 누름판(30)이 하강하는 동안 시편(50)에 가해지는 힘을 측정하는 측정 분석부(C)로부터 확인할 수 있게 된다.

구동부(B)와 측정 분석부(C)는 별개로 분리된 장치를 각각 이용해 조합하여 구현할 수도 있고, 하나의 장치로 구현할 수도 있다. 예를 들어, 구동부(B)와 측정 분석부(C)는 TA(Tension Annealing) 장치 또는 UTM(Universal Testing Machine)이라고도 하는 만능 재료 시험기로 구현할 수 있고, 이에 대해서는 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.

도 2는 도 1과 같은 시편(50) 준비 상태에서, 누름판(30)이 하강되어 홈(25)에 삽입되는 상황을 도시하고 있다. 바람직하게, 가이드(40, 40')는 도 2에서와 같이 누름판(30)이 하강하면서 시편(50)을 눌러 홈(25)에 삽입되면서 시편(50)에 굽힘을 발생시킬 때에, 시편(50)에서 지그(20, 20') 상면에 놓인 부분의 측면 움직임 및 상하 움직임을 제한하도록 한다.

가이드(40, 40')의 구조는 서로 동일하므로, 가이드(40)에 대해서 도 3을 참조하여 더 상세히 설명한다.

도 3은 취성 평가 장치(10)에서 바람직한 가이드(40)의 도면으로서, (a)는 가이드(40)의 평면도, (b)는 (a)의 I-I' 단면도, 그리고 (c)는 (b)의 II-II' 단면도이다.

도 3을 참조하면, 가이드(40)는 시편(50)의 상하 움직임을 제한하기 위한 상벽부(42), 상벽부(42) 하면에 직립하여 지그(20) 상면에 놓이며 시편(50)의 측면 움직임을 제한하는 양 측벽부(44) 및 양 측벽부(44) 사이의 공간으로서 시편(50)의 길이 방향 움직임은 허용하는 관통부(46)를 포함하고 있다.

상벽부(42)는 장변과 단변을 갖는 직사각 판재일 수 있으며, 장변이 시편(50)의 너비 방향을 따라 놓일 수 있다. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니지만, 상벽부(42)의 장변은 44 mm, 단변은 10 mm일 수 있다. 상벽부(42)의 두께는 2 mm일 수 있다.

양 측벽부(44)는 상벽부(42)의 단변 쪽 하면에 형성될 수 있다. 그러면 관통부(46)는 시편(50)의 길이 방향으로 형성된다.

이러한 가이드(40, 40')는 관통부(46)가 서로 마주보도록 도 1 및 도 2에서와 같이 지그(20, 20') 상면 각각에 위치되어 있고, 시편(50)은 도 1 및 도 2에서와 같이 관통부(46)를 관통하여 지그(20, 20') 상면에 배치된다.

한편, 가이드(40, 40')는 지그(20, 20') 상면에 부착 혹은 고정될 수 있다. 여기에 이용되는 방법은 특별히 제한되지는 않으며, 예컨대, 테이핑(taping), 접착제, 나사, 용접 또는 납땜(솔더링) 방법을 적용할 수 있다.

가이드(40)에서 상벽부(42)와 양 측벽부(44)는 일체형으로 구비될 수도 있으며, 조립식으로 구비될 수도 있다. 예를 들어 상벽부(42)에 양 측벽부(44)를 조립하는 데에 도 3에 도시한 바와 같이 나사(49) 결합 구조를 이용할 수 있다.

가이드(40)에서 양 측벽부(44) 사이의 간격은 곧 관통부(26)의 시편 너비 방향 크기가 된다. 이 크기는 가이드(40, 40') 안쪽에서 시편(50)이 측면으로도 움직일 수 있는 공간, 즉 시편 너비 방향으로의 가이드(40, 40') 안쪽 폭을 가리킨다.

가이드(40)에서 양 측벽부(44) 사이의 간격은 양 측벽부(44)의 높이(h) 방향을 따라 일정하게 하거나, 상벽부(42) 쪽에서의 간격이 더 좁게 형성할 수 있다. 가장 단순한 형태는 가이드(40, 40')에서 양 측벽부(44) 사이의 간격이 양 측벽부(44)의 높이(h) 방향을 따라 일정한 경우일 것이다. 도 3에서는 양 측벽부(44)에서 상벽부(42)에 가까운 쪽의 폭을 더 두껍게 한 받침단(45) 부분을 구비함으로써 상벽부(42) 쪽에서의 간격이 더 좁은 예를 들었다. 예를 들어, 양 측벽부(44) 사이의 간격은 상벽부(42) 쪽에서 받침단(45) 사이의 간격에 해당하는 좁은 간격인 최소 간격(d1)과 그 아래에서 양 측벽부(44) 사이의 간격에 해당하는 넓은 간격인 최대 간격(d2) 두 가지의 계단식 구성인 경우를 도시하였다.

도시한 예에서, 양 측벽부(44) 사이의 최소 간격(d1)은 시편(50)의 너비와 같게 하거나 그보다 약간 크게 한다. 시편(50)의 측면 움직임을 완전히 제한하려면 같게 해야 하지만 가이드(40)에 의한 마찰을 고려하여 약간의 움직일 공간을 두는 의미에서 약간 크게 하는 것이다.

시편(50)의 측면 움직임을 어느 정도는 허용하여 가이드(40)에 의한 마찰을 최소화하고자 하는 경우에는 그 측면 움직임을 허용하는 측면 마진을 갖게 한다. 그러한 경우, 양 측벽부(44) 사이의 최대 간격(d2)은 최소 간격(d1)에 그러한 측면 마진을 더 더하여 결정할 수 있다. 이렇게 하는 경우 도 2에서와 같이 누름판(30)이 시편(50)에 닿기 시작하는 시점 근처에서는 시편(50)의 측면 움직임을 측면 마진만큼은 허용하지만, 누름판(30)이 시편(50)을 누르는 힘에 의해 시편(50)의 길이 방향 양단부가 상벽부(42)에 닿을 정도로 들어올려지더라도 최소 간격(d1) 내에 시편(50)이 위치하게 됨에 따라 측면 움직임은 좀 더 타이트하게 제한되도록 할 수 있고, 이에 따라 정확한 힘 측정이 가능해진다. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 시편(50)의 너비(W)가 20 mm 정도라면, 최소 간격(d1)은 24 mm, 최대 간격(d2)은 30 mm가 되게 할 수 있다.

한편, 측벽부(44)의 높이(h)만큼 상벽부(42)가 지그(20) 상면으로부터 이격되는 점에 주목해야 한다. 즉, 가이드(40)에서 상기 부착 혹은 고정된 부분을 제외한 부분은 지그(20) 상면으로부터 이격되는 것이다. 측벽부(44)의 높이(h)는 시편(50) 두께 이상이다. 특히 도시한 실시예에서 받침단(45) 부분의 두께가 시편(50) 두께 이상이다. 측벽부(44)의 높이(h)는 가이드(40) 내에서 시편(50) 상하 움직임의 마진을 제공한다. 측벽부(44)의 높이(h)는 그러한 마진을 고려하여 결정한다. 누름판(30)이 시편(50)을 누르는 힘에 의해 시편(50)의 길이 방향 양단부가 들어올려지더라도 상벽부(42)에 가로막혀 더 이상은 올라가지 못하므로, 시편(50) 상하 움직임이 제한된 상태에서 안정되게 힘 측정이 가능해진다.

가이드(40)는 지그(20) 상면으로부터 1 내지 15 mm 범위 높이로 이격되어 있을 수 있다. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 측벽부(44)의 높이(h)는 11 mm가 되게 할 수 있다. 그 중에서 받침단(45) 부분의 두께는 3 mm가 되게 할 수 있다. 그러면 측면 마진을 더 많이 갖는 부분의 높이는 8 mm가 된다.

가이드(40, 40')는 누름판(30) 하강에 의해 시편(50)이 받는 힘에 영향을 주지 않아야 한다. 이러한 점에서, 가이드(40, 40')는 마찰계수 0인 것이 바람직하며, 마찰계수 0의 가이드(40, 40')를 제조하는 것이 용이하지 않더라도 0에 가까운 마찰계수를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다. 그리고, 가이드(40, 40')의 마찰계수에 따라 측정하는 힘 값이 변할 수 있으므로 이를 고려하도록 한다.

예컨대, 가이드(40, 40')가 비교적 높은 마찰계수를 갖는 재료로부터 형성되는 경우에는 지그(20, 20') 상면으로부터 이격되는 높이를 높게 설계하여 가능한 한 시편(50)이 지그(20, 20')에 닿지 않으면서도 가이드되도록 할 수 있고, 가이드(40, 40')가 비교적 낮은 마찰계수를 갖는 재료로부터 형성되는 경우에는 지그(20, 20') 상면으로부터 이격되는 높이를 그보다는 낮게 설계할 수 있다. 바람직하게, 가이드(40, 40')는 알루미늄 또는 SUS로부터 제조될 수 있다. SUS는 JIS 표현이며 "steel use statinless"를 가리킨다. KS 기호로는 STS(stainless steel)을 가리키며 SUS와 STS는 같은 것이다.

도 4는 취성 평가 장치(10)에서 바람직한 누름판(30)의 사시도이다.

누름판(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 두께를 갖는 판(plate) 형태를 가질 수 있다. 누름판(30)은 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있는 경우를 예로 든다. 밑면이란 시편(50)에 굽힘을 일으키는 직접적인 부분을 말한다. 예컨대, 누름판(30)은 너비(31)와 길이(32)에 비해서 두께(33)가 작은 판 형태를 가질 수 있다.

누름판(30)은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 지그(20, 20') 상부에서 시편(50)의 길이 방향에 직교하게, 즉 시편(50)의 너비 방향에 나란하게 구비되고, 하강하면서 시편(50)을 눌러 홈(25)에 삽입되면서 시편(50)에 굽힘을 발생시킨다. 이를 위해, 누름판(30)의 너비(31)는 시편(50)의 너비와 동일하거나 이보다 크게 준비하는 것이 바람직하다. 그래야 시편(50) 너비 전체를 지지하며 시편(50) 너비를 따라 고른 굽힘을 일으키고 힘을 받게 할 수 있다.

또한, 누름판(30)에 의해, 지그(20, 20') 사이의 홈(25)에 시편(50)이 충분히 삽입되도록 하여야 하므로, 누름판(30)의 길이(32)는 지그(20, 20') 사이에 형성되는 홈(25) 깊이와 동일하거나 이보다 길게 형성되어야 한다.

누름판(30)의 두께(33)는 지그(20, 20') 사이의 홈(25)에서 가장 좁은 부분의 폭과 동일하도록, 즉, 누름판(30)이 지그(20, 20') 사이의 홈(25)에서 가장 좁은 부분에 삽입될 때 타이트하게 되도록 준비하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 누름판(30)이 시편(50)을 눌러 홈(25)에 삽입되면서 소성 변형이 일어나기 직전 누름판(30)과 홈(25) 사이의 거리는 0에 수렴한다. 누름판(30)의 두께(33)는 0.96 ~ 2.96 mm 범위를 가질 수 있다.

본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 누름판의 너비(31)는 50 mm, 길이(32)는 50 mm, 그리고 두께(33)는 1 mm일 수 있다.

누름판(30)은 좁고 긴 변이 아래로 향하도록 배치되되, 누름판(30)의 좁고 긴 변, 즉, 시편(50)에 굽힘을 발생시키는 밑면의 선단부(F)는 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 누름판(30)의 길이(32) 방향 단면에서 선단부(F)는 반원형 또는 반-다각형일 수 있다. 선단부(F)가 평면으로 형성되면 누름판(30) 옆면들과 만나는 누름판(30) 밑면이 사각형의 모서리와 같은 형태로 형성되므로, 이 경우에는 사각형의 모서리로 인해 시편(50)에 불필요한 힘이 가해져서 정확한 측정이 곤란하게 된다. 따라서, 누름판(30) 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.

누름판(30) 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 누름판(30) 밑면의 선단부(F) 단면이 권심 반경과 동일한 반경(R)을 갖는 반원형인 경우를 도시하였다.

선단부(F) 단면의 반경 혹은 크기는 측정하고자 하는 시편(50)의 두께, 활물질 종류 등에 따라 상이하게 조정될 수 있으나, 일반적으로, 선단부(F) 단면의 반경 혹은 크기는 누름판(30) 두께(33)의 반에 해당하는 0.48 ~ 1.48 mm 범위일 수 있다. 이러한 선단부(F)의 밑면을 갖는 누름판(30)을 이용하여 힘 측정시, 측정값의 노이즈(noise)가 최소화되면서 측정이 적절하게 이루어질 수 있고, 권취 상황과 유사하게 시편(50)에 굴곡을 일으킬 수 있다. 누름판(30) 밑면 선단부(F) 단면의 반경 혹은 크기가 0.48 mm보다 작은 경우에는 시편(50)에 가해지는 손상이 커지고 측정값의 정확도가 떨어지는 문제점이 있으며, 1.48 mm보다 큰 경우에는 시편(50)이 소성 변형되기 힘들어 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이를 검출하기가 어려워지는 곤란함이 발생할 수 있다.

도 5는 도 4와 같은 누름판(30)을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 누름판용 부재(30')의 평면도이고, (b)는 측면도이다. 예를 들어 도 4의 누름판(30)에서 너비(31) 50 mm, 길이(32) 50 mm, 그리고 두께(33) 1 mm이며, 밑면의 선단부(F) 단면이 권심 반경과 동일한 반경 0.5 mm을 갖는 반원형인 경우에 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.

먼저 도 5의 (a)와 같이 가로(31'), 세로(32')가 각각 50 mm, 55 mm이고, (b)와 같이 두께(33')가 1 mm인 누름판용 부재(30')를 준비한다. 세로(32') 방향으로 50 mm 되는 지점, 즉 누름판(30)의 높이(h)에 해당하는 지점에 가공선(34)을 형성한다. 다음으로 가공선(34)을 따라 누름판용 부재(30')를 절단한다. 이 때, 가공면에 굴곡을 줄 수 있는 라운딩 가공, 일명 R 가공을 실시하여, 반경 0.5 mm를 갖는 반원형 선단부(F)를 형성하면 된다.

누름판(30)의 이동 속도에 따라 시편(50)에 불필요한 마찰계수가 발생하거나 혹은 누름판(30) 가압에 의해 시편(50)이 파단될 수 있으므로, 적절한 누름판(30) 이동 속도를 확보하는 것이 필요하다. 예컨대, 누름판(30)은 0.5 ~ 2 mm/sec 속도로 수직으로 하강 이동할 수 있으며, 약 1 mm/sec 속도로 하강 이동할 수 있다. 구동부(B)는 이러한 속도로 누름판(30)을 하강시킬 수 있고, 힘 측정 종료 후에는 누름판(30)을 원 위치로 승강시킬 수 있다.

누름판(30)의 선단부(F)는 권심 굴곡과 유사한 상황을 모사하게 하는 것이며, 취성 측정에 있어서의 제어 인자가 될 수 있는 테스트 속도는 이 누름판(30)의 하강 속도를 가지고 정의하면 된다. 누름판(30)의 하강 속도를 권취 속도와 유사하게 한다면 권취 상황에 더욱 근접할 것임을 예상할 수 있으나, 너무 빨리 힘 값의 변화가 일어나기 때문에 다음에 설명하는 변위-힘 그래프의 디테일한 분류가 가능하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 누름판(30)의 하강 속도를 0.5 ~ 2 mm/sec, 더 바람직하게는 약 1 mm/sec 수준으로 하여 디테일한 측정값을 얻을 수 있도록 한다.

누름판(30)의 소재는 시편(50)을 굽혀서 홈(25)에 삽입할 수 있는 강도를 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 알루미늄 혹은 애노다이징 알루미늄(anodizing aluminum) 혹은 SUS로 제조될 수 있다. 본 발명의 취지에 부합하는 물질이라면 특별한 제한이 없으나, 측정 대상인 전극 자체의 경도 등을 고려할 때 애노다이징 알루미늄인 것이 바람직하다. 또한 애노다이징 알루미늄은 인성이 강하고, 내마모성이 클 뿐 아니라 가볍고 산화 작용에도 잘 견디므로 누름판(30)의 내구성 있는 이용을 위해 바람직하다. 가공 용이성과 비용 등을 따지면 SUS가 바람직하다.

한편, 도 6은 취성 평가 장치(10)에서 구동부(B)와 측정 분석부(C)를 하나의 장치로 구현하는 경우에 이용될 수 있는 힘 측정 장치(90)의 도면이다. 도 6에 도시한 힘 측정 장치(90)는 UTM의 일종이다.

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 6의 힘 측정 장치(90)는 누름판(30)을 하강시키면서 이를 통해 시편(50)에 가해지는 힘, 즉 시험 하중도 측정할 수 있도록 하는 유압식 UTM이다. 이러한 유압식 UTM은 시편(50)에 가해지는 하중의 계측치를 지침으로 나타내는 아날로그 지침식 또는 전자식 감응장치인 로드셀 및 전위차계를 이용하여 디지트 표시부로 표시하는 디지트 표시방식일 수 있다.

힘 측정 장치(90)는 하중부(91)와 제어 분석부(99)를 포함할 수 있다.

하중부(91)는 베드(92) 상에 테이블(93), 하부 크로스헤드(94) 및 상부 크로스헤드(95)가 배치된다. 테이블(93)은 유압실린더에 의해 상하 방향으로 작동되고, 하부 크로스헤드(94)는 모터에 의해 작동되는 수직 스크류바(96)를 따라 상하 방향으로 이동될 수 있으며, 상부 크로스헤드(95)는 테이블(93)의 상방향 이동에 따라 상방향으로 들어올려질 수 있다. 상·하부 크로스헤드들(94, 95)에는 지그부(A)를 고정하기 위한 그립이 장착될 수 있다. 예를 들어, 하부 크로스헤드(94)에 누름판(30)을 잡아 고정하기 위한 그립(94')이 장착되고, 테이블(93) 위에 지그(20, 20') 부분이 놓임으로써 도 1 취성 평가 장치(10)에서의 지그부(A)가 하부 크로스헤드(94)와 테이블(93) 사이에 장착이 되면, 지그부(A)에 구동부(B)와 측정 분석부(C)가 모두 연결된 상태가 되므로 본 발명에 따른 취성 평가 장치(10)가 구현되고, 이를 이용해 취성 평가할 수 있는 것이다.

제어 분석부(99)에는 유압실린더 및 모터의 작동을 제어하기 위한 각종 장치, 하중부(91)에 의한 하중과 시편(50) 변위 등을 측정하고 그 측정 데이터를 입력받아 기록하고 시험 분석프로그램에 따라 분석하며 분석된 데이터를 모니터 상에 표시하기 위한 컴퓨터 장치 등을 포함할 수 있다.

이와 같이 힘 측정 장치(90)에서 하부 크로스헤드(94)와 테이블(93) 사이에 지그부(A)를 놓고, 그립(94')으로 누름판(30)을 잡아 고정한 후, 제어 분석부(99)를 통해 하부 크로스헤드(94)를 하강시키면, 그립(94')에 고정된 누름판(30)이 수직 하강하게 되고, 이 때 제어 분석부(99)를 통해 시편(50)에 가해지는 힘을 측정하고 기록하여 분석 및 표시하게 할 수 있다.

이제 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치를 설명한다. 아래에서 특별히 언급하지 않은 부분은 앞에서 설명한 취성 평가 장치(10)에서의 설명과 동일하다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 사시도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치에, 시편을 배치한 후의 모습 일부를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 타원형 지그 사이의 홈에 시편이 삽입되는 모습 일부를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 취성 평가 장치(100)에는, 시편(150)이 놓이는 상면은 수평 평면으로 형성되어 있는 2개의 타원형 지그(120, 120'), 시편(150)에 굽힘을 발생시키기 위한 누름판(130), 타원형 지그(120, 120’) 각각의 상부에 위치하면서 시편(150) 뒤틀림을 방지해주는 가이드(140, 140’), 상기 2개의 타원형 지그(120, 120’) 사이에 형성되어 있으며 누름판(130)에 의해 시편(150)이 삽입되어지는 영역인 홈(125)이 구비되어 있다.

타원형 지그(120, 120')는 1/4 타원형과 유사하며, 실질적으로 동일한 형상으로 제작되어 홈(125)을 중심으로 호 부분이 마주하도록 대칭되게 배치되어 있다. 이해의 편의를 위해, 앞선 실시예에서와 마찬가지로 타원형 지그(120, 120')끼리 서로 마주보는 면을 '전면부'라고 지칭하고, 이와 반대부분을 '후면부'라고 지칭할 때, 타원형 지그(120, 120')는 서로 전면부가 마주보도록 배치되어 있다.

타원형 지그(120, 120')는 시편(150)이 놓여지는 상면에서는 수평 평면을 형성하다가, 타원형 지그(120, 120')의 전면부 홈(125) 입구에서는 큰 경사 변화량을 가지면서 곡면(S1)을 형성하고 타원형 지그(120, 120') 하부에 이르러서는 경사 변화량이 없거나 작은 면(S2)으로 형성되어, 타원형 지그(120, 120') 하부에서는 수직에 가까운 형태의 홈(125)이 형성되게 한다.

따라서, 타원형 지그(120, 120')에 형성된 홈(125) 입구의 크기(rg_max), 즉 타원형 지그(120, 120') 사이의 최대 간격 내지 홈(125)의 폭 중에서 최대값은 홈(125) 하부의 폭(rg_min)에 비해 현저하게 크다. 예컨대, 홈(125) 입구의 크기(rg_max)는 50 mm 정도 되는 반면, 홈(125) 하부의 폭(rg_min)은 1 mm 정도 되도록 설계될 수 있다. 한편, 전면부가 큰 경사 변화량을 가지면서 곡면(S1)을 형성하는 타원형 지그(120, 120')의 상부(120a)는 하부(120b)에 비해 상대적으로 짧은 부분에 걸쳐 존재하는 반면, 전면부가 경사 변화량이 없거나 작은 면(S2)으로 형성된 타원형 지그(120, 120')의 하부(120b)는 상부(120a)에 비해 비교적 긴 부분에 걸쳐 존재한다. 따라서, 시편(150)은 측정 초기에는 홈(125) 곡선을 따라 완만하게 굽혀지면서 시편(150)이 받는 힘의 크기가 보다 세분화되면서 정확하게 힘이 측정될 수 있으며, 측정이 본격적으로 이루어지는 동안에는 누름판(130)이 천천히 하강 이동하면서 시편(150)이 받는 힘의 변화가 지속적으로 충분한 시간동안 측정될 수 있다.

타원형 지그(120, 120')는 누름판(130)에 의해 시편(150)에 힘이 가해지는 동안 시편(150)을 지지할 수 있고, 또한, 시편(150) 이동에 특별한 저항을 부여하지 않는다면, 소재 측면에서 특별히 제한되지 않는다. 또한, 타원형 지그(120, 120')의 두께 또는 너비(121)도 측정에 부합한다면 특별히 제한되지 않는다.

타원형 지그(120, 120')의 상면에 놓인 시편(150)은 누름판(130)에 의해 눌려지면서 홈(125) 곡선을 따라 이동하기 때문에, 타원형 지그(120, 120')로부터 시편(150)에 마찰력이 발생하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서 타원형 지그(120, 120')는 마찰계수 0을 갖는 것이 바람직하나, 현실적으로 마찰계수가 0인 타원형 지그(120, 120')를 제조하는 것이 용이하지 않거나 불가능하므로, 0에 가까운 마찰계수를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다.

타원형 지그(120, 120')는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 받침대(126, 126')와 일체형으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 받침대(126, 126')는 타원형 지그(120, 120')가 흔들리거나 넘어지는 것을 방지하기 위해 타원형 지그(120, 120') 하부보다 넓은 면적을 갖도록 제작될 수 있다. 타원형 지그(120, 120')가 일정 거리만큼 이격되도록 세팅한 경우, 도 7 내지 도 9로부터 확인되는 바와 같이 타원형 지그(120, 120')뿐만 아니라 받침대(126, 126')도 상호 이격되도록 세팅될 수 있다.

타원형 지그(120, 120')간의 이격 거리가 조절되도록 하기 위해 타원형 지그(120, 120') 각각의 후면부에 수평 바(122, 122')가 연결되어 있어, 누름판(130) 혹은 홈(125)을 중심으로, 타원형 지그(120, 120')가 양 옆으로 더 멀어지게 이동시키거나 더 좁혀지게 수평 방향으로 이동될 수 있다. 이격 거리는 마이크로미터 단위로 조절될 수 있다.

타원형 지그(120, 120') 각각의 상면에는 시편(150)이 뒤틀리지 않도록 하기 위한 가이드(140, 140’)가 구비되어 있다. 시편(150)의 두께가 마이크로미터 단위로 얇아지면 자체 하중에 의한 처짐이 발생할 정도로 굽힘이 잘 발생한다. 예컨대, 하중 인가 부재가 수직 하강하여 시료를 순간적으로 파단시켜 시료의 굽힘강도를 측정하는 방법에 있어서는 시료의 뒤틀림 영향이 비교적 크지 않으나, 본 발명은 누름판(130)을 천천히 하강 이동시켜 시편(150)이 받는 힘의 변화를 지속적으로 측정하고자 하는 것이므로 시편(150)의 뒤틀림을 방지할 구성 부재가 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40'), 그리고 본 실시예에서와 같은 가이드(140, 140’)를 제안하는 것이다.

가이드(140, 140’)는 타원형 지그(120, 120')의 상부, 보다 구체적으로는 타원형 지그(120, 120')의 수평 평면을 형성하는 상면 상에 구비될 수 있다.

도 7 내지 도 9에서 가이드(140, 140’)는 도시한 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 가이드(140, 140’)는 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40')와 유사한 형태를 가질 수 있다. 특히 그 중에서도 간단한 형태인, 가이드(40)에서 양 측벽부(44) 사이의 간격이 양 측벽부(44)의 높이(h) 방향을 따라 일정한 경우를 예로 들어 도시하였다.

가이드(140, 140’)와 타원형 지그(120, 120') 상면 사이에 시편(150)이 놓이게 되는데, 가이드(140, 140’)는 시편(150)이 놓이는 부분을 제외한 영역에서 타원형 지그(120, 120')에 부착 혹은 고정될 수 있다. 가이드(140, 140')가 타원형 지그(120, 120')에 부착 혹은 고정되는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 앞의 실시예에서 언급한 바와 같이 테이핑, 접착제, 나사, 용접 또는 납땜(솔더링) 방법을 적용할 수 있다.

가이드(140, 140’)는, 타원형 지그(120, 120')에 고정되는 부분을 제외하고는, 타원형 지그(120, 120') 상면으로부터 이격되게, 즉, 일정한 높이를 갖도록 설계될 수 있다. 이와 같이 이격되게 설계됨으로써 타원형 지그(120, 120') 상면에 놓인 시편(150)이 누름판(130)에 의해 홈(125)에 삽입될 때 가이드(140, 140')와의 마찰로 인한 간섭이나 영향이 없거나 최소화될 수 있다. 상기 이격 높이는 타원형 지그(120, 120') 상면에 놓인 가이드(140, 140') 둘 다에서 동일하도록 설계될 수 있다. 가이드(140, 140')는 타원형 지그(120, 120') 상부로부터 1 내지 10 mm 범위, 예컨대, 약 3 mm 높이로 이격될 수 있다. 예를 들어 가이드(140, 140’)가 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40')와 같은 형태를 가진 것이라면 양 측벽부(44)의 높이(h)가 약 3 mm가 되게 하는 것이다.

가이드(140, 140’)는, 시편(150)이 누름판(130)으로부터 받는 힘을 측정하는 데 영향을 주지 않도록 시편(150)의 측면으로부터는 이격되게 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어 가이드(140, 140’)가 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40')와 같은 형태를 가진 것이라면 양 측벽부(44) 사이의 간격을 시편(150) 너비보다는 크게 한다는 것이다. 만약, 가이드(140, 140')가 시편(150) 측면으로부터 지나치게 좁게 이격되어 있는 경우에는 타원형 지그(120, 120')의 곡선을 따라 시편(150)이 굽혀지도록 한 목적이 달성되기 어렵게 된다. 예를 들어 가이드(140, 140’)가 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40')와 같은 형태를 가진 것이면서 양 측벽부(44) 사이의 간격이 양 측벽부(44)의 높이(h) 방향을 따라 일정한 경우라면, 시편(150)의 너비가 20 mm 정도일 때를 예로 들어 양 측벽부(44) 사이의 간격은 22 mm 정도로 할 수 있다.

또한, 가이드(140, 140’)는 누름판(130) 하강에 의해 시편(150)이 받는 힘에 영향을 주지 않아야 한다. 이러한 점에서, 가이드(140, 140’)는 마찰계수 0인 것이 바람직하며, 마찰계수 0의 가이드(140, 140’)를 제조하는 것이 용이하지 않더라도 0에 가까운 마찰계수를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다.

예컨대, 가이드(140, 140’)가 비교적 높은 마찰계수를 갖는 재료로부터 형성되는 경우에는 타원형 지그(120, 120’)로부터 이격되는 높이를 높게 설계할 수 있고, 가이드(140, 140’)가 비교적 낮은 마찰계수를 갖는 재료로부터 형성되는 경우에는 타원형 지그(120, 120’)로부터 이격되는 높이를 낮게 설계할 수 있다. 바람직하게, 가이드(140, 140’)는 알루미늄으로부터 제조될 수 있다.

누름판(130)은 도 4에 도시한 누름판(30)과 동일할 수 있다.

한편, 도 7 내지 도 9에 도시한 취성 평가 장치(100)의 타원형 지그(120, 120'), 누름판(130) 및 가이드(140, 140')는 도 1 취성 평가 장치(10)에서의 지그부(A)를 대신하여 이용될 수 있다. 따라서, 취성 평가 장치(100)의 누름판(130)은 예컨대 도 6에서 설명한 바와 같은 힘 측정 장치(90)의 그립(94')에 장착되어 취성 평가에 이용될 수 있다.

그리고, 본 발명의 취성 평가 장치의 다양성 측면에서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 취성 평가 장치(10)와 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 취성 평가 장치(100)의 각 구성 부재의 취사 선택 조합이나 변형 조합 등의 형태도 물론 가능하다. 예컨대 취성 평가 장치(10)의 가이드(40, 40')와 취성 평가 장치(100)의 타원형 지그(120, 120')를 조합한 구성도 가능하다.

한편, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 취성 평가 장치의 정면도이다.

도 10에 도면화된 취성 평가 장치(200)는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 취성 평가 장치(100)를 실제 실험실 차원에서 구현하여 제조한 실물이다. 도 10을 참조하면, 취성 평가 장치(100)의 각 구성 부재가 거의 그대로 구현이 되어 있다. 가이드(140, 140’)는 앞의 실시예에서 설명한 바와 같은 가이드(40, 40')와 유사한 형태를 가진 것으로 마련하였고, 도 10에서 타원형 지그(120, 120') 위에 가이드(140, 140')를 테이핑 방법으로 고정하였다.

한편, 취성 평가 장치(100)에서의 수평 바(122, 122')는 취성 평가 장치(200)에서는 수평 바(222, 222')로 구현하였는데, 각 수평 바(222, 222')에는 마이크로미터 방식의 조절기(223, 223')를 장착하여 정밀한 간격 조정이 될 수 있도록 하였다. 조절기(223, 223')는 preset, zero/ABS, hold 등의 기능을 가지는 상용 제품을 이용할 수 있다. 한편, 수평 바(222, 222')는 타원형 지그(120, 120') 후면부 쪽에 각각 설치한 지지대(224, 224')에 의해 지지되도록 하였으며, 받침대(126, 126')와 지지대(224, 224')는 최하단의 넓은 베이스 부재(260)에 설치되도록 하여, 타원형 지그(120, 120'), 누름판(130) 및 가이드(140, 140')를 기본적으로 포함하는 지그부로서의 전체적인 구조의 안전성을 도모하였다. 베이스 부재(260)에는 타원형 지그(120, 120') 사이의 간격을 상면에 눈금으로 표시하여 한 눈에 알아볼 수 있도록 하는 게이지 부재(260')도 측정 편의를 위하여 마련하였다. 게이지 부재(260')를 통해 0점 조정이 용이해진다.

이러한 취성 평가 장치(200)는 누름판(130)을 도 6에서 설명한 힘 측정 장치(90)의 그립(94')에 장착하고 베이스 부재(260)에 설치된 부분을 도 6에서 설명한 힘 측정 장치(90)의 테이블(93) 위에 놓아 취성 평가하는 데에 이용할 수 있다. 이하의 실험예에서는 INSTRON사 UTM 설비에 이러한 취성 평가 장치(200)의 지그부를 장착하고 그 설비의 시험 분석프로그램을 본 발명의 취성 평가 방법에 맞게 수정하여 힘 측정 및 취성 평가 진행하였다.

이하에서는 본 발명에 따른 취성 평가 장치를 이용하여 취성 평가하는 방법을 설명한다. 본 발명의 취성 평가 장치를 이용하여 힘을 측정하는 방법은 주위 분위기(ambient atmosphere) 및 실온(25℃) 조건에서 수행될 수 있으며, 측정한 힘의 단위는 측정 분석부(C)의 사양에 따라 g, gf, N 등으로 달리 표현될 수 있는 것으로, 이하 설명에서는 "g" 단위로 표현하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예들에서 설명한 취성 평가 장치(10, 100, 200)를 이용하고 전극으로부터 시편(50이나 150)을 마련하여 본 발명에 따른 취성 평가 방법을 수행할 수 있다.

본 발명에서는 시편에 대하여 측정된 변위-힘 그래프의 전체적인 형태로부터 시편의 취성/연성 수준을 확인하는 방법, 그리고 취성값의 크기를 판단하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 시편 소성 변형 전/후의 힘 값 변화를 확인하여 취성값이라는 새로운 파라미터를 구할 수 있다.

본 발명에 따른 취성 평가 방법에서는, 취성 평가 장치(10, 100, 200) 등 본 발명에 따른 취성 평가 장치에 시편(50이나 150)을 배치한 후에, 구동부(B)를 통해 누름판(30이나 130)을 하강시키고, 누름판(30이나 130)이 하강하는 동안 시편(50이나 150)에 가해지는 힘을 측정 분석부(C)를 통해 측정한다.

시편(50)이나 150)의 배치는 가이드(40, 40') 중 어느 하나의 일측으로부터 각 가이드(40, 40')의 관통부(46)를 차례로 지나는 방식으로 시편(50이나 150)을 한쪽에서부터 밀어 넣는 방식에 의할 수 있다. 구동부(B)와 측정 분석부(C)로는 앞에서도 설명한 바와 같이 UTM 타입의 힘 측정 장치(90)를 이용하거나 실제 UTM으로 많이 이용되는 INSTRON사 UTM을 이용하면서 시험 분석프로그램을 본 발명의 취성 평가 방법에 맞게 수정하여 이용할 수 있다. 누름판(30이나 130)은 시편(50이나 150)에서 소성 변형이 일어나기까지 혹은 누름판(30이나 130)이 지그(20, 20') 사이의 홈(25)이나 타원형 지그(120, 120') 사이의 홈(125)에 닿을 때까지 하강시킨다. 그런 다음, X축을 시편 변위로 하고 Y축을 측정된 힘 값으로 하는 그래프로 표시해 "변위-힘 그래프"를 얻는다. 이렇게 얻은 변위-힘 그래프의 형태로부터 취성/연성 수준을 평가하거나, 변위-힘 그래프에서 시편(50이나 150)의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값을 구한다.

도 11에는 취성/연성 수준 측면에서 각각 상이한 특징을 갖는 4개 변위-힘 그래프가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, X축은 변위( mm 단위)를 나타내는 것으로, 시간 경과를 나타내는 것으로 이해할 수도 있으며, Y축은 시편에 가해진 힘을 나타내는 것으로 이해하면 된다. 일반적으로 시편의 소성 변형은 매우 짧은 시간에 발생한다. 따라서, X축 값은 고정으로 하여 X값은 고려하지 않고, 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이, 즉, Y값의 차이만을 고려한다. 즉, 본 명세서에서는 취성 평가 장치를 이용하여 시편에 힘이 가해질 때 시편이 받는 힘 값이 가장 클 때의 수치와, 이후 힘 값이 감소하여 변곡되는 곳에서의 수치를 확인하고, 상기 2개 수치의 차이를 구하여 취성값이라는 새로운 파라미터로 정의한다. 시편의 소성 변형 전/후의 힘의 변화를 확인하여 취성값을 구하는 것이며, 힘을 나타내는 Y축 계수를 통해 취성값을 수치화할 수 있다. 취성값의 단위는 힘의 단위인 Kgf로 나타낼 수 있으며, 변위나 시간을 고려한 환산 단위 kgf/mm 또는 Kgf/sec로 나타낼 수도 있다.

도 11의 변위-힘 그래프 중 가장 위인 1번째에 그려진 그래프는 시편에 힘이 가해진 순간부터 힘 값이 일차 함수적으로 증가하지만, 이후 시편이 파단됨에 따라 힘이 갑자기 감소되는 양상을 나타낸다. 즉 시편에 힘이 가해질 때 연신 과정없이 갑자기 파단되는 경우에 해당하며, 본 발명에서는 이러한 변위-힘 그래프를 갖는 시편을 취성(Brittle)이라고 정의한다.

도 11의 변위-힘 그래프 중 위에서 2번째에 그려진 그래프는 시편에 힘이 가해진 순간부터 힘 값이 일차 함수적으로 증가하지만, 이후 안정기(plateau) 상태를 잠시 유지한 후에 시편이 파단됨에 따라 힘 값이 갑자기 감소되는 양상을 나타낸다. 즉 시편이 힘이 가해질 때 잠시 연신되다가 파단되는 경우에 해당하며, 본 발명에서는 이러한 변위-힘 그래프를 갖는 시편을 취성 우세(Brittle/Ductile)라고 정의한다.

또한, 도 11의 변위-힘 그래프 중 위에서 3번째에 그려진 그래프는 시편에 힘이 가해진 순간부터 힘 값이 증가하고, 이후 안정기 상태를 비교적 오래 유지한 후에 시편이 파단됨에 따라 힘이 감소되는 양상을 나타낸다. 즉 시편에 힘이 가해질 때 일부 파단된 후에 연신되는 경우에 해당하며, 본 발명에서는 이러한 변위-힘 그래프를 갖는 시편을 연성 우세(Ductile/ Brittle)라고 정의한다.

마지막으로, 도 11의 변위-힘 그래프 중 가장 아래인 4번째에 그려진 그래프는 변곡점이 명확하게 나타나지 않으며, 시편 파단을 나타내는 부분을 명확하게 찾기 곤란하다. 이 경우는 연성을 특징으로 하는 시편에서 일어남을 확인해, 본 발명에서는 이러한 변위-힘 그래프를 갖는 시편을 연성(Ductile)이라고 정의한다.

이처럼, 누름판(30이나 130)의 하강 속도를 1 mm/sec 수준으로 천천히 할 때에 시편의 연신이나 파단 등 상황에 따라 형태가 디테일하게 상이한 변위-힘 그래프를 얻을 수 있다는 것을 알아내었으며, 본 발명에서는 위 4가지 경우를 취성, 취성 우세, 연성 우세, 연성 양태로 각각 분류하여, 측정 후 얻은 변위-힘 그래프의 형태로부터 시편이 4가지 취성/연성 수준 중 어느 것에 해당하는지 정성적으로 평가할 수 있다. 변위-힘 그래프의 전체적인 형태를 가지고 물성의 수준, 이른바 취성/연성 수준을 판단할 수 있다. 4번째 그래프처럼 대체적으로 둥글고 기울기 완만하면 연성이라고, 3번째에서 1번째 순으로 가는 것처럼 점점 기울기가 가팔라지거나 뾰족해지면 취성이 점점 증가하는 것이라고 판단할 수도 있다(도 11에서 화살표로 Brittleness 증가라고 표시하였음).

누름판(30이나 130)의 하강 속도를 매우 빠르게 하면 테스트 속도는 빨라질 것이나, 힘 값의 변화가 매우 빨리 생겨서 디테일한 측정값을 얻기 곤란하고, 도 11에 도시한 바와 같은 4가지 종류의 변위-힘 그래프를 얻을 수 없다. 따라서, 일반적으로 하중에 의한 충격을 가해 시편의 변화 양상을 따지는 방법과는 누름판(30이나 130)의 하강 속도면에서 큰 차이가 있다. 너무 빨리 변형이 일어나기 때문에 대부분의 변위-힘 그래프가 도 11의 1번째 그래프처럼 취성이 우세한 양태로만 나타나게 된다. 이와 같이, 본 발명에서는 누름판(30이나 130)의 선단부(F)를 통해 이미 권취 굴곡과 유사한 상황을 모사한 상태에서 이 때 취성이나 연성 등 물성에 따른 차이가 변위-힘 그래프를 통해 드러날 수 있도록 하는 최적의 테스트 속도로서 누름판(30이나 130)의 하강 속도를 조절하여 측정한다는 것에 기술의 고도성이 있다.

이처럼, 본 발명의 취성 평가 방법을 이용하여, X축을 시편 변위로 하고 Y축을 시편에 가해지는 힘 값으로 하는 변위-힘 그래프를 나타내면, 그 그래프의 형태로부터 전극의 활물질층에 균열이 발생하는 양태가 취성/연성 수준 중 어느 것인지 정성적으로 평가할 수 있다.

또한, 도 11과 같은 변위-힘 그래프들로부터, 시편 소성 변형이 일어나는 시점이 그래프 상에서는 변곡점으로 나타남을 알 수 있었다. 따라서, 변위-힘 그래프 상의 변곡점을 확인함으로써 시편 소성 변형 시점을 추정할 수 있다는 점도 제안한다.

뿐만 아니라, 변위-힘 그래프에서 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값을 구할 것을 제안한다. 변위-힘 그래프 상에서 시편이 받는 힘 값이 가장 클 때의 수치와, 이후 힘 값이 감소하여 변위-힘 그래프에서 변곡되는 지점에서의 힘 값의 수치와의 차이를 구하면 그 값을 취성값이라고 부를 수 있다. 예를 들어 도 11의 변위-힘 그래프 중 1번째 그래프에 취성값(BV)이 어떤 값을 가리키는지 표시하였다.

이와 같은 취성값은 수치로 스펙화할 수 있는 파라미터이다. 예컨대, 본 발명에 따라 측정한 취성값이 30 g/mm보다 큰 경우에는 전극 활물질층에 크랙이 발생한 것으로 판단하고, 취성값이 20 g/mm보다 작은 경우에는 전극 활물질층에 크랙이 발생하지 않은 것으로 판단한다고 하면 취성값 20 g/mm과 30 g/mm을 각기 스펙으로 설정할 수 있다. 더욱 바람직하게 전극은 약 15 g/mm 이하의 취성값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 10 g/mm 이하의 취성값을 가질 수 있다고 스펙을 정할 수도 있다.

도 12는 본 발명의 취성 평가 장치를 이용하여 얻은 변위-힘 그래프로서, 위, 아래 그래프 각각은 X축 스케일을 달리하여 표시한 것이다(위 그래프의 X축 구간 일부를 늘려 아래 그래프에 상세히 나타낸 것임). 도 12에 도시한 그래프로부터 이 전극은 15.5 g/mm의 취성값을 갖는 것으로 확인이 된다. 이 경우 앞에서 예를 들어 정한 스펙인 취성값 20 g/mm 이하를 만족하게 되므로, 이 전극은 바람직한 전극 물성(취성)을 갖는 것이라고 판단할 수 있다는 것이다. 또한, 변위-힘 그래프의 전체적인 형태를 볼 때에 변곡점이 명확하게 나타나지는 않으므로 이 전극은 연성이 우세한 양태라고 판단할 수도 있다는 것이다.

도 11에 나타낸 변위-힘 그래프의 종류와 취성값을 종합하여 크랙 위험성을 판단해 볼 수도 있다. 변위-힘 그래프 형태가 연성이면서 취성값이 작을수록 취성이 작은 것이라고 할 수 있으므로 크랙 위험성이 감소하는 것이라고 판단할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 기존 3점 굽힘과는 측정하는 값 및 이를 이용한 평가 방법에 있어서 매우 다르다는 점에 주목할 필요가 있다.

기존 3점 굽힘은 시편을 받치는 지그 사이에 홈이 없거나 홈이 있더라도 그 폭이 일정하며, 3접 굽힘을 진행해 측정하는 것은 굽힘 반력이다. 본 발명에서는 폭이 점점 좁아지는 홈에 누름판을 삽입해 시편 굽힘 발생시의 힘의 변화 위주로 측정하게 된다.

그리고, 기존 3점 굽힘에서 수치화하는 값은 굽힘 각도 정도이다. 이에 비해 본 발명에서는 4가지 종류의 변위-힘 그래프 형상을 얻을 수 있고 굽힘 발생시 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이를 수치화한 취성값을 얻을 수 있다. 그리고 변위-힘 그래프의 전체적인 형태를 가지고 물성의 수준, 이른바 취성/연성 수준을 판단할 수 있다.

이처럼, 본 발명에 따르면, 압연 후 권취 이전의 전극에 대하여 연성/취성 수준이 어느 정도인지 평가가 가능하고, 그 수준에 따라 전극으로 사용할 때의 크랙 위험성, 즉 크랙 발생 가능성을 예측할 수 있다.

따라서, 본 발명은 권취 이전 전극의 사용 적합성 사전 검증에 이용될 수 있다. 예를 들어 이미 확립된 전극을 시편으로 만든 후, 이에 대해 시험한 결과 취성값이 크게 나온 경우에는 크랙 발생 가능성이 높을 것으로 판단해 권취용 전극조립체 이용에는 적합하지 않은 전극이라고 판단한다. 이 경우 전극 제조 레시피를 변경하거나 새로운 사양의 전극 도입을 검토한다.

그리고, 이에 따른 전극 물성을 스펙화하는 용도로 본 발명을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 이차전지 제조에 적합한 전극은 어느 정도의 취성값을 가져야 하는지를 미리 스펙화할 수 있다. 확립된 정규의 전극 제조 공정을 통해 전극을 생산하고, 생산된 전극의 품질 검사를 위하여 본 발명에 따른 취성 평가 방법을 수행하면 그 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.

특히, 현재 생산되고 있는 전극의 물성을 모니터링, 관리하는 데에 본 발명에 따른 취성 평가 방법을 이용할 수 있다. 변위-힘 그래프 형태를 통해 전극에서 연성이 우세한지 취성이 우세한지 등을 예측할 수 있다. 그리고, 수치화된 취성값을 수집하여 적절한 스펙을 선정한 후 이 후 이러한 스펙 기준을 생산 전극 모니터링 및 관리에 활용할 수 있다. 전극 물성을 개선한 후에는 어느 정도의 효과가 있는지 수치화할 수도 있다.

예를 들어, 도 13은 본 발명의 취성 평가 방법으로 전극 시편 소성 변형을 확인한 후, 전극을 개선시켜 전극 소성 변형이 발생하지 않은 것까지 확인한 예를 나타낸 것이다.

도 13을 참조하면 X축은 날짜(시간)이고 Y축은 취성값(평균)이다.

날짜 3/6부터 거의 매일 취성값을 측정하여 기록하였다. 시험 분석프로그램을 통해 전극 시편의 취성값을 얻되, 시편 소성 변형 부위 또는 크랙 발생 부위 전/후로 5 군데의 평균을 계산하여 기록하였다. 3/6부터 3/14까지의 기간 동안에 보통 32 g/mm 전후의 취성값을 나타낸 것으로 모니터링되는데 3/9에 53 g/mm라는 높은 취성값이 기록되었다. 이 때를 크랙 발생 시점이라고 판단하였다. 이렇게 크랙 발생을 확인한 후에 전극 압연도를 달리하여 전극을 제조하고, 이러한 전극에 대하여 3/14 이후에 취성값을 기록하였다. 도 13의 그래프 우측 박스에서 보는 바와 같이 취성값은 그 전보다 낮은 수치인 25 g/mm 전후로 측정이 되었다. 따라서, 전극 압연도 조절에 의해 전극 물성이 개선되었음을 확인할 수 있다.

도 13의 결과로부터, 전극 압연도 조절 후 평균 32 g/mm에서 25 g/mm까지 취성값이 감소되는 효과를 확인하였으며, 이것은 기존 대비 22% 물성이 개선된 효과라고 결론지을 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 전극 물성 개선(예컨대, 압연도 조절) 후에 어느 정도의 효과가 있는지 수치화(예컨대 취성값 25 g/mm)할 수 있으며, 전극 물성을 개선 후 이전 대비 어느 정도의 효과가 있는지 수치상으로(예컨대 22% 개선) 비교 가능해진다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 상세하게 설명한다. 도 14는 실시예 1에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치를 이용해 얻은 그래프이다. 도 15는 실시예 2에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치를 이용해 얻은 그래프이다. 도 16은 비교예로서 실시예 2에서 제조한 전극에 대해 본 발명의 취성 평가 장치에서 가이드 없이 이용해 얻은 그래프이다.

<실시예 1>

양극활물질로 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 압연한 후 인장타발 시편기를 이용하여 일정 크기로 펀칭하여 양극 시편을 제조하였다. 상기에서 압연도는 39%이었다.

상기 양극을 도 10에 도시한 취성 평가 장치(200)를 이용해 변위-힘 그래프를 얻었다.

측정시, 타원형 지그(120, 120')에 형성된 홈(125) 입구의 크기(rg_max)는 50 mm 이었으나, 홈(125) 하부의 폭(rg_min)은 1 mm가 되도록 준비하였다. 또한, 누름판(130)의 두께(이를 테면 도 4에서 누름판(30)의 두께(33)에 해당함)는 1 mm로 하였고, 가이드(140, 140')는 알루미늄 재질로 마련하였으며, 타원형 지그(120, 120') 상면으로부터 높이 3 mm로 이격되게 하고, 가이드(140, 140') 안쪽에서 시편이 측면으로도 움직일 수 있는 공간, 즉 시편 너비 방향으로의 가이드(140, 140') 안쪽 폭은 22 mm가 되도록 준비하였다.

타원형 지그(120, 120')와 가이드(140, 140') 사이에 양극 시편의 양단부를 배치하고, INSTRON사 UTM을 이용하여 누름판(130)을 1 mm/sec 속도로 하강시켜 양극 시편이 굽혀지도록 하였다.

누름판(130) 하강시 양극 시편 초기 각도는 20°이었다. 본 명세서에서 각도란 누름판(130)에 닿아있는 시편이 수평면과 이루는 각의 크기를 말한다. 초기 각도는 테스트 시작 후 처음 힘 값이 측정되어 기록될 때의 각도를 가리킨다. INSTRON사 UTM 사양상 테스트 시작시에 바로 기록되는 것이 아니라 0.1 g 이상일 때부터 기록이 되기 때문에 초기 각도를 정의하였다.

누름판(130)이 계속 하강하는 동안 양극 시편에 가해지는 힘의 변화를 측정하고 기록하여 변위-힘 그래프를 얻도록 하였다. 도 14는 그 결과 그래프이다.

도 14의 그래프 상에서의 변곡점은 시편 각도가 60°일 때에 발생하였으며, 도 14의 그래프 형태가 도 11에서 설명한 취성 우세 양태의 변위-힘 그래프와 유사하므로, 실시예 1의 양극 시편 역시 취성이 우세한 것이라고 판단할 수 있다. 그리고 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값(BV1)도 계산해 다른 전극 시편의 취성값과 비교해 볼 수 있다.

<실시예 2>

압연도를 32%로 하는 것만을 제외하고 실시예 1과 동일하게 하여 양극을 제조하고, 변위-힘 그래프를 얻었다. 그 결과가 도 15 그래프이다.

실시예 2의 취성 측정에 있어서도 누름판(130) 하강시 양극 시편 초기 각도는 20°이었고, 도 15의 그래프 상에서의 변곡점은 시편 각도가 60°일 때에 발생하였음을 확인하였다. 취성 평가 장치(200)에 가이드(140, 140')가 구비되어 있기 때문에 실시예 1이나 실시예 2 모두에서 초기 각도와 변곡점 발생시 시편 각도가 일관성있게 측정되었음을 확인할 수 있다.

그리고, 도 15의 그래프 형태는 도 11에서 설명한 연성 우세 양태의 변위-힘 그래프와 유사하므로, 실시예 2의 양극 시편 역시 연성이 우세한 것이라고 판단할 수 있다. 그리고 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값(BV2)을 계산해 실시예 1의 취성값(BV1)과 비교해 보니 실시예 2의 취성값(BV2)이 더 작았다.

따라서, 실시예 2의 양극 시편은 실시예 1의 양극 시편과 비교시, 변위-힘 그래프로부터도 연성이 우세함을 알 수 있고, 취성값으로부터도 연성이 우세함을 알 수 있다. 변위-힘 그래프 형태가 연성이면서 취성값이 작을수록 취성이 작은 것이라고 할 수 있으므로, 실시예 2가 실시예 1에 비해 크랙 위험성이 감소하는 것이라고 판단할 수 있다.

따라서, 압연도를 39%로 하기보다 32%로 하는 것이 전극 취성면에서는 더 바람직하다는 점을 본 실시예 1과 실시예 2를 통해서 알 수 있고, 이처럼 압연도와 같은 공정 변수 조절에 의한 효과 확인 용도로 본 발명의 취성 평가 방법을 활용할 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.

<비교예>

취성 평가 장치(200)의 타원형 지그(120, 120')로부터 가이드(140, 140')를 빼고 변위-힘 그래프를 얻어 보았다. 실시예 2와 동일한 방법으로 양극을 제조하여 양극 시편에 대해 복수회 측정하여 변위-힘 그래프를 얻은 결과가 도 16이다.

도 16에서 보는 바와 같이, 가이드(140, 140')가 없을 때에는 산포(dispersion)가 넓어, 결과 일관성이 없어서 수치화가 곤란하였으며, 힘의 변화 측정도 불가능하였다. 실시예 1 및 실시예 2에서와 같이 가이드(140, 140')가 있을 때에는 초기 각도 20°부터 시작해 각도가 점점 커지면서 60° 정도에서 굽힘이 발생해 변위-힘 그래프 상의 변곡점을 얻을 수 있다. 그러나, 비교예에서와 같이 가이드(140, 140')가 없을 때에는 초기 각도부터 60° 이상으로 진행되어 테스트 초기에 굽힘이 발생하거나 불규칙적으로 발생하였다. 또한 시편이 틀어지거나 한쪽 방향으로 진행되어 복수회 측정시 재현성있는 결과를 얻을 수 없었다. 따라서, 가이드(140, 140') 구성이 시편 뒤틀림을 방지하여 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 하는 데에 크게 기여를 하였다는 점을 확인할 수 있다.

이상에서 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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10, 100, 200 : 취성 평가 장치 A : 지그부
B : 구동부 C : 측정 분석부
20, 20': 지그
22, 22', 122, 122', 222, 222': 수평 바
25, 125 : 홈 30, 130 : 누름판
F : 선단부 30': 누름판용 부재
34 : 커팅선 40, 40', 140, 140’: 가이드
50, 150 : 시편 42 : 상벽부
44 : 측벽부 45 : 받침단
46 : 관통부 120, 120': 타원형 지그
126, 126': 받침대 224, 224': 지지대
223, 223': 조절기 260 : 베이스 부재
260': 게이지 부재

Claims

수평 평면으로 형성되어 있는 상면에는 시편이 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 상면에서부터 아래로 갈수록 폭이 점점 작아지는 홈이 형성되게 서로 마주하도록 놓이는 2개의 지그,
상기 지그 상부에서 상기 시편의 길이 방향에 직교하게 구비되고 하강하면서 상기 시편을 눌러 상기 홈에 삽입되면서 상기 시편에 굽힘을 발생시키는 누름판, 및
상기 지그 각각의 상면에 위치하면서 상기 누름판 하강시 상기 시편 뒤틀림을 방지해주는 가이드를 포함하는 지그부;
상기 누름판을 하강시키는 구동부; 및
상기 누름판이 하강하는 동안 상기 시편에 가해지는 힘을 측정하고 취성 평가하는 측정 분석부를 포함하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 지그는 상기 시편의 길이 방향 양단부를 각각 지지하고 상기 지그끼리 서로 마주보는 면의 단면은 1/4 타원형 호(arc)를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 지그를 서로 가까워지는 방향 또는 멀어지는 방향으로 이동 가능하게 상기 지그 각각에 설치되는 수평 바(bar)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 가이드는 상기 시편에서 상기 지그 상면에 놓인 부분의 측면 움직임 및 상하 움직임을 제한하는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제4항에 있어서,
상기 가이드는 상기 시편의 상하 움직임을 제한하기 위한 상벽부, 상기 상벽부 하면에 직립하여 상기 지그 상면에 놓이며 상기 시편의 측면 움직임을 제한하는 양 측벽부 및 상기 양 측벽부 사이의 공간으로서 상기 시편의 길이 방향 움직임은 허용하는 관통부를 포함하여, 상기 관통부가 서로 마주보도록 상기 지그 상면 각각에 위치되어 있고, 상기 시편은 상기 관통부를 관통하여 상기 지그 상면에 배치되는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 가이드는 알루미늄 또는 SUS로부터 제조된 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 가이드는 상기 시편이 배치되는 부분을 제외한 영역에서 상기 지그 상면에 부착 혹은 고정되어 있고, 상기 가이드에서 상기 부착 혹은 고정된 부분을 제외한 부분은 상기 지그 상면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 누름판 두께는 상기 홈에서 가장 좁은 부분의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제1항에 있어서,
상기 누름판은 납작한 직육면체 형태를 갖되, 좁고 긴 변이 밑면을 형성하도록 배치되어 있으며, 상기 밑면은 상기 시편에 굽힘을 일으키는 부분으로서 반구형(semi-sphere) 혹은 반-다각기둥의 형태의 선단부를 가지는 것을 특징으로 하는 취성 평가 장치.
제9항에 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 취성 평가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 취성 평가 장치에 시편을 배치한 후에, 누름판을 하강시키고, 상기 누름판이 하강하는 동안 상기 시편에 가해지는 힘을 측정하는 단계;
X 축을 시편 변위(displacement)로 하고 Y 축을 측정된 힘 값으로 하는 그래프로 표시하는 단계; 및
상기 그래프의 형태로부터 취성/연성 수준을 평가하거나, 상기 그래프에서 상기 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이인 취성값을 구하는 단계;를 포함하는 취성 평가 방법.
제11항에 있어서,
상기 누름판은 0.5 ~ 2 mm/sec 속도로 수직 하강하는 것을 특징으로 하는 취성 평가 방법.
제11항에 있어서,
상기 시편은 측정 전까지 0 내지 10 %의 상대습도 및 상온(25 ℃)에서 보관하는 것을 특징으로 하는 취성 평가 방법.
제11항에 있어서,
상기 시편의 소성 변형 전/후의 힘 값의 차이를 구하는 단계는,
상기 그래프에서 상기 시편이 받는 힘 값이 가장 클 때의 수치와, 이후 힘 값이 감소하여 상기 그래프에서 변곡되는 지점에서의 수치와의 차이를 구하는 단계인 것을 특징으로 하는 취성 평가 방법.