KR20190098581A - 파우치 성형 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 성형 장치는 상면으로부터 성형 공간이 내측으로 함몰 형성되고, 상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 제1 모서리가 제1 곡률 반지름으로 필렛팅되는 다이; 상기 다이의 상방에 배치되고, 파우치 필름이 상기 다이의 상면에 안착되면, 하강하여 상기 파우치 필름을 사이에 두고 상기 다이와 맞닿으며 상기 파우치 필름을 고정시키는 스트리퍼; 및 상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간을 향해 상기 전자기력을 인가하는 전자기력 생성부를 포함한다.

Description

파우치 성형 장치 및 방법{The Apparatus And The Method For Forming Pouch}
본 발명은 파우치 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성형 공간의 개방부를 형성하는 모서리 또는 펀치의 모서리에 접촉하는 파우치 필름의 일부분이 파단되는 것을 방지할 수 있는 파우치 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
일반적으로 파우치 형 이차 전지의 케이스인 파우치는, 연성의 재질을 가지는 파우치 필름에 컵부를 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 그리고 상기 컵부의 수용 공간에 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 실링부를 실링하여 이차 전지를 제조한다. 종래에 이러한 드로잉 성형은, 먼저 다이에 파우치 필름을 안착시키고 스트리퍼가 파우치 필름을 고정시킨 후, 펀치로 연신함으로써 수행되었다. 이 때, 다이에는 상면으로부터 내측으로 함몰된 성형 공간이 형성되며, 상기 컵부는 파우치 필름이 연신될 때 다이의 성형 공간을 따라 형성된다. 그런데, 종래에는 상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 모서리 또는 펀치의 모서리가 첨예하여, 파우치 필름이 연신되는 도중에 파단 또는 파손되는 문제가 있었다.
한국특허등록 제1720215호 한국공개공보 제2012-0063914호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 성형 공간의 개방부를 형성하는 모서리 또는 펀치의 모서리에 접촉하는 파우치 필름의 일부분이 파단되는 것을 방지할 수 있는 파우치 성형 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 성형 장치는 상면으로부터 성형 공간이 내측으로 함몰 형성되고, 상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 제1 모서리가 제1 곡률 반지름으로 필렛팅되는 다이; 상기 다이의 상방에 배치되고, 파우치 필름이 상기 다이의 상면에 안착되면, 하강하여 상기 파우치 필름을 사이에 두고 상기 다이와 맞닿으며 상기 파우치 필름을 고정시키는 스트리퍼; 및 상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간을 향해 상기 전자기력을 인가하는 전자기력 생성부를 포함한다.
또한, 상기 제1 곡률 반지름은, 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다.
또한, 상기 성형 공간은, 저면부를 형성하는 제2 모서리가 제2 곡률 반지름으로 필렛팅될 수 있다.
또한, 상기 제2 곡률 반지름은, 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 성형 방법은 파우치 필름을 다이의 상면에 안착하여, 상기 다이의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간의 개방부를 커버하는 안착 단계; 상기 다이의 상방에 배치된 스트리퍼가 하강하는 스트리퍼 하강 단계; 상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정시키는 고정 단계; 및 상기 성형 공간의 상방에 배치된 전자기력 생성부가, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간을 향해 상기 전자기력을 인가함으로써, 상기 파우치 필름에 컵부가 상기 성형 공간에 밀착되어 드로잉 성형되는 성형 단계를 포함하고, 상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 제1 모서리는, 제1 곡률 반지름으로 필렛팅될 수 있다.
또한, 상기 제1 곡률 반지름은, 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다.
또한, 상기 성형 공간은, 저면부를 형성하는 제2 모서리가 제2 곡률 반지름으로 필렛팅될 수 있다.
또한, 상기 제2 곡률 반지름은, 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
성형 공간의 개방부를 형성하는 모서리가 첨예하지 않게 필렛팅되어, 파우치 필름의 일부분이 파단되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 펀치를 사용하지 않아 상기 필렛팅하는 곡률 반지름의 길이를 2 mm 보다 작게 형성할 수 있어, 파우치 필름에 성형되는 컵부의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 파우치 필름의 컵부의 외측벽이 성형 공간의 내측벽과 밀착되어, 컵부의 측벽이 기울어져 형성되지 않음으로써, 불필요한 부피를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 펀치를 포함하는 파우치 성형 장치를 이용하여 파우치 필름을 드로잉 성형하기 전의 모습을 나타낸 개략도이다.
도 2는 펀치를 포함하는 파우치 성형 장치를 이용하여 파우치 필름을 드로잉 성형하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1의 파우치 성형 장치를 이용하여 성형한 파우치 필름을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치로 성형한 파우치를 포함하는 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치로 성형되는 이차 전지용 파우치 필름의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치의 다이의 상면에 파우치 필름이 안착된 모습을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치의 전자기력 생성부가 컵부를 성형하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치를 이용하여 성형한 파우치 필름을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치의 다이의 상면에 파우치 필름이 안착된 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치의 전자기력 생성부가 컵부를 성형하는 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 펀치(33)를 포함하는 파우치 성형 장치(3)를 이용하여 파우치 필름(435)을 드로잉 성형하기 전의 모습을 나타낸 개략도이다.
상기 기술한 바와 같이, 종래에는 성형 공간(311)의 개방부(3114)를 형성하는 모서리(3111) 또는 펀치(33)의 모서리(331)가 상당히 첨예하여, 파우치 필름(435)이 연신되는 도중에 파단 또는 파손되는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 성형 공간(311)의 개방부(3114)를 형성하는 모서리(3111) 및 펀치(33)의 모서리(331)가 각각 특정 곡률 반지름(R3, R4)으로 필렛팅(Filleting)될 수 있다. 그럼으로써, 파우치 필름(435)이 연신되는 도중에 파단 또는 파손되는 문제를 방지할 수 있다.
도 2는 펀치(33)를 포함하는 파우치 성형 장치(3)를 이용하여 파우치 필름(435)을 드로잉 성형하는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 3은 도 1의 파우치 성형 장치(3)를 이용하여 성형한 파우치 필름(435)을 나타낸 개략도이다.
다만, 도 2에 도시된 바와 같이 펀치(33)를 이용하는 경우에는 물리적으로 파우치 필름(435)을 성형하므로, 파우치 필름(435)의 파단 또는 파손을 확실히 방지하기 위해서는, 다이(31)의 성형 공간(311)의 개방부(3114)를 형성하는 모서리(3111) 및 펀치(33)의 모서리(331)에 필렛팅하는 특정 곡률 반지름(R3, R4)이 적어도 2 mm 이상 형성되어야 한다. 만약 상기 특정 곡률 반지름(R3, R4)이 2 mm 보다 작다면, 여전히 파우치 필름(435)이 연신되는 도중에 파단 또는 파손되는 문제가 발생하였기 때문이다. 그런데, 성형 공간(311)의 개방부(3114)를 형성하는 모서리(3111) 및 펀치(33)의 모서리(331)가 2 mm 이상의 곡률 반지름(R3, R4)으로 필렛팅되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 컵부(433)의 개방부(4334)를 형성하는 모서리(4331) 및 컵부(433)의 저면부(4335)를 형성하는 모서리(4332)도, 성형 공간(311)의 개방부(3114)를 형성하는 모서리(3111) 및 펀치(33)의 모서리(331)에 각각 대응되므로, 곡률 반지름(R3, R4)이 2 mm 이상이 된다. 따라서, 전극 조립체(20)가 수용되는 수용 공간(2333)이 축소되고 이차 전지(2)의 불필요한 부피가 증가하여, 에너지 효율이 감소하고, 컵부(433)의 품질도 저하되는 문제가 있다.
또한, 펀치(33)와 성형 공간(311)의 크기가 정확히 일치한다면, 파우치 필름(435)이 성형 공간(311)으로 삽입될 수 없다. 그리고, 펀치(33)가 성형 공간(311)보다 정확히 파우치 필름(435)의 두께만큼만 크기가 작다면, 펀치(33)와 파우치 필름(435) 사이에 마찰력이 크게 발생하므로, 펀치(33)가 성형 공간(311)에 용이하게 삽입되지 않거나, 파우치 필름(435)이 파손되는 문제가 있다. 이와 반대로, 펀치(33)의 크기가 과도하게 작다면, 파우치 필름(435)에 컵부(433)도 과도하게 작게 성형된다. 따라서, 펀치(33)는 성형 공간(311)보다 오프셋의 크기만큼 크기가 더 작아야 한다. 여기서 오프셋의 크기만큼 더 작다는 것은, 성형 공간(311)에 파우치 필름(435)이 함께 삽입되더라도, 펀치(33)가 성형 공간(311)에 용이하게 삽입될 수 있고, 컵부(433)의 크기도 충분히 크게 형성될 수 있을 정도로 작다는 것을 의미한다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 펀치(33)가 성형 공간(311)보다 오프셋의 크기만큼 작으므로, 컵부(433)를 성형하면 컵부(433)의 외측벽이 성형 공간(311)의 내측벽과 밀착되지 않고 특정 간격(t)만큼 이격된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 컵부(433)의 측벽이, 상부와 하부가 상기 특정 간격(t)을 가지도록 어느 정도 기울어져 형성된다. 따라서, 이차 전지(2)의 불필요한 부피가 여전히 남아 에너지 효율이 감소하는 문제가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)로 성형한 전지 케이스(23)를 포함하는 파우치 형 이차 전지(2)의 조립도이다.
일반적으로 리튬 이차 전지(2)를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 전극 조립체(20)를 형성한다. 그리고 전지 케이스(23)에 전극 조립체(20)를 수납하고 전해액을 주입한 후 실링한다.
전극 조립체(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 21)을 포함한다. 전극 탭(21)은 전극 조립체(20)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(20)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(20)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(20)의 전극 집전체는 슬러리가 도포된 부분과 슬러리가 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(21)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(21)은 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(20)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(20)의 전극 탭(21)에는 전극 리드(Electrode Lead, 22)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(22)의 일부는 절연부(24)로 주위가 포위된다. 절연부(24)는 전지 케이스(23)의 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)가 열 융착되는 실링부에 한정되어 위치하여, 전극 리드(22)를 전지 케이스(23)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(20)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(22)를 통해 전지 케이스(23)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(23)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(24)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(24)로는, 전극 리드(22)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(22)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(22)는 양극 탭(211) 및 음극 탭(212)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(221) 및 음극 리드(222)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(221)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(222)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(23)의 외부로 돌출된 전극 리드(22)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(2)에서 전지 케이스(23)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(23)는 파우치인 것으로 설명한다. 그리고 전지 케이스(23)는 전극 리드(22)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(20)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(23)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)를 포함한다. 상부 파우치(231) 및 하부 파우치(232)에는 컵부(233)가 형성되어 전극 조립체(20)를 수용할 수 있는 수용 공간(2333)이 마련되고, 상기 전극 조립체(20)가 전지 케이스(23)의 외부로 이탈되지 않도록 상부 파우치(231) 및 하부 파우치(232)가 서로를 커버한다. 이 때, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 파우치(231) 및 하부 파우치(232)는 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(20)의 전극 탭(21)에 전극 리드(22)가 연결되고, 전극 리드(22)의 일부분에 절연부(24)가 형성되면, 수용 공간(2333)에 전극 조립체(20)가 수용되고, 상부 파우치(231) 및 하부 파우치(232)가 서로를 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)의 테두리에 형성된 실링부가 실링되면, 이차 전지(2)가 제조된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)로 성형되는 이차 전지용 파우치 필름(235)의 단면도이다.
일반적으로 전지 케이스(23)는 파우치 필름(235)에 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 즉, 파우치 필름(235)을 연신시켜 컵부(233)를 형성함으로써 제조된다. 이러한 파우치 필름(235)은 가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 2351), 표면 보호층(Surface Protection Layer, 2352) 및 실란트층(Sealant Layer, 2353)을 포함한다.
가스 배리어층(2351)은 전지 케이스(23)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해액의 누수를 방지한다. 일반적으로 가스 배리어층(2351)은 금속을 포함하며 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(20)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다.
표면 보호층(2352)은 폴리머로 제조되고, 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(2)를 보호하면서, 전극 조립체(20)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 가스 배리어층(2351)을 기준으로 전극 조립체(20)가 위치하는 방향의 반대 방향으로, 외부를 향하는 방향을 말한다. 이러한 표면 보호층(2352)은 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용된다. 그리고 표면 보호층(2352)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
실란트층(2353)은 폴리머로 제조되고, 최내층에 위치하여 전극 조립체(20)와 직접적으로 접촉한다. 파우치 형 전지 케이스(23)는 상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(235)을, 펀치 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(2333)을 포함하는 컵부(233)를 형성하면서 제조된다. 그리고, 이러한 수용 공간(2333)에 전극 조립체(20)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(231)와 하부 파우치(232)를 서로 접촉시키고, 실링부에 열 압착을 하면 실란트층(2353)끼리 접착됨으로써 전지 케이스(23)가 실링된다. 이 때, 실란트층(2353)은 전극 조립체(20)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(2353)끼리 접착된 실링부는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(2353)에는 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(2353)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 또한, 실란트층(2353)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 파우치 성형 방법은, 파우치 필름(235)을 다이(11)의 상면에 안착하여, 상기 다이(11)의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(111)의 개방부(1114)를 커버하는 안착 단계(S601), 상기 다이(11)의 상방에 배치된 스트리퍼(12)가 하강하는 스트리퍼(12) 하강 단계(S602), 상기 스트리퍼(12)가 상기 파우치 필름(235)을 고정시키는 고정 단계(S603); 및 상기 성형 공간(111)의 상방에 배치된 전자기력 생성부(13)가, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간(111)을 향해 상기 전자기력을 인가함으로써, 상기 파우치 필름(235)에 컵부(233)가 상기 성형 공간(111)에 밀착되어 드로잉 성형되는 성형 단계(S604 내지 S606)를 포함하고, 상기 성형 공간(111)의 개방부(1114)를 형성하는 모서리(1111, 이하, 제1 모서리라 한다.)는, 제1 곡률 반지름(R1)으로 필렛팅된다. 여기서 제1 곡률 반지름(R1)은 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 펀치를 이용하여 물리적으로 파우치 필름(235)을 성형하는 대신, 전자기력을 인가하여 파우치 필름(235)을 성형하고, 제1 모서리(1111)가 필렛팅된다. 그럼으로써, 파우치 필름(235)의 일부분이 파단되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 컵부(233)의 개방부를 형성하는 모서리(2331)의 곡률 반지름(R1)의 길이를 2 mm 보다 작게 형성하여, 컵부(233)의 품질을 향상시킬 수 있고, 컵부(233)의 외측벽이 성형 공간(111)의 내측벽과 밀착됨으로써, 불필요한 부피를 감소시킬 수 있다.
이하, 도 6의 흐름도에 도시된 각 단계를 도 7 내지 도 11을 참고하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)의 다이(11)의 상면에 파우치 필름(235)이 안착된 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)는, 상면으로부터 성형 공간(111)이 내측으로 함몰 형성되고, 상기 성형 공간(111)의 개방부(1114)를 형성하는 제1 모서리(1111)가 제1 곡률 반지름(R1)으로 필렛팅되는 다이(11), 상기 다이(11)의 상방에 배치되고, 파우치 필름(235)이 상기 다이(11)의 상면에 안착되면, 하강하여 상기 파우치 필름(235)을 사이에 두고 상기 다이(11)와 맞닿으며 상기 파우치 필름(235)을 고정시키는 스트리퍼(12) 및 상기 성형 공간(111)의 상방에 배치되고, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간(111)을 향해 상기 전자기력을 인가하는 전자기력 생성부(13)를 포함한다.
다이(11)는 성형 대상이 되는 파우치 필름(235)이 안착되는 장소를 제공한다. 추후에 파우치 필름(235)이 드로잉 성형되기 위해, 다이(11)는 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간(111)을 포함한다. 파우치 필름(235)은 다이(11)의 상면에 안정적으로 안착되어야 하므로, 상기 성형 공간(111)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역은 평평하고, 지면과 수평을 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고, 추후에 파우치 필름(235)을 용이하게 고정하기 위해, 다이(11)의 상면에는 격자 무늬 또는 미세한 요철이 형성되는 등 다양하게 형성될 수 있다. 파우치 필름(235)에 컵부(233)를 형성하기 위해, 먼저 도 7에 도시된 바와 같이, 다이(11)의 상면에 파우치 필름(235)을 안착시킨다(S601).
성형 공간(111)은 파우치 필름(235)을 성형하여 형성될 컵부(233)의 외면에 모양과 크기가 대응된다. 여기서 모양이 대응된다는 것은 동일하거나 유사하다는 것을 의미한다. 따라서, 컵부(233)가 사각형의 형상을 가진다면, 성형 공간(111)도 사각형의 형상을 가지고, 컵부(233)가 원형의 형상을 가진다면, 성형 공간(111)도 원형의 형상을 가질 수 있다. 그리고 크기가 대응된다는 것은, 상기 기술한 바와 같이, 펀치가 성형 공간(111)보다 오프셋의 크기만큼 크기가 더 작다는 것을 의미한다. 여기서 오프셋의 크기만큼 더 작다는 것은, 성형 공간(111)에 파우치 필름(235)이 함께 삽입되더라도, 펀치가 성형 공간(111)에 용이하게 삽입될 수 있고, 컵부(233)의 크기도 충분히 크게 형성될 수 있을 정도로 작다는 것을 의미한다. 다이(11)의 상면에 파우치 필름(235)을 안착시킬 때, 추후에 컵부(233)가 형성될 영역에 상기 성형 공간(111)이 위치하도록, 상기 성형 공간(111)의 개방부(1114)를 커버하면서 파우치 필름(235)을 안착시킨다.
상기 기술한 바와 같이, 성형 공간(111)은 다이(11)의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성되며, 상방을 향해 개방부가 형성된다. 그리고 제1 모서리(1111)가 이러한 개방부의 주변을 포위함으로써 개방부를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 이러한 제1 모서리(1111)가 제1 곡률 반지름(R1)으로 필렛팅된다. 여기서 제1 곡률 반지름(R1)은 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있으며, 바람직하게는, 0.5 mm 이상 1 mm 이하일 수 있다.
스트리퍼(12)는 다이(11)의 상방에 배치되어 파우치 필름(235)을 고정시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 다이(11)의 상면에 파우치 필름(235)이 안착되면, 스트리퍼(12)가 하강한다(S602). 그리고 상기 파우치 필름(235)을 사이에 두고, 다이(11)와 맞닿으며, 파우치 필름(235)을 상방으로부터 압박하여 고정한다(S603). 여기서 파우치 필름(235)을 사이에 두고 맞닿는다는 것은, 직접적으로 접촉하는 것은 아니지만 파우치 필름(235)을 통해서 간접적으로 접촉한다는 것을 의미한다. 추후에 컵부(233)가 형성되면, 스트리퍼(12)는 파우치 필름(235)을 균일하게 압박하여 파우치 필름(235)에 인가되는 연신력을 균일하게 분산시킨다. 이러한 스트리퍼(12)의 하면은 파우치 필름(235)을 고정할 때 파우치 필름(235)의 상면과 접촉한다. 따라서, 스트리퍼(12)의 하면은 대략 평평할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 파우치 필름(235)을 더욱 용이하게 고정하기 위해, 스트리퍼(12)의 하면에 격자 무늬 또는 미세한 요철이 형성되는 등 다양하게 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)의 전자기력 생성부(13)가 컵부(233)를 성형하는 모습을 나타낸 개략도이다.
전자기력 생성부(13)는 성형 공간(111)의 상방에 배치되고, 성형 공간(111)을 향해 전자기력을 인가하여, 파우치 필름(235)을 연신시킨다. 그럼으로써, 파우치 필름(235)에 컵부(233)가 성형되어 파우치가 제조될 수 있다. 스트리퍼(12)의 하면의 대략 중심에는 관통부가 형성된다. 그리고, 전자기력 생성부(13)는 이러한 관통부를 통해 스트리퍼(12)를 관통하며 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 스트리퍼(12)를 내측에서 지지하는 지지부의 하면에 배치되는 등, 성형 공간(111)의 상방에 배치될 수 있다면 다양한 위치에 배치될 수 있다.
전자기력 생성부(13)는 외부로부터 전류를 공급받아 전자기력을 생성한다. 이를 위해, 전자기력 생성부(13)는 적어도 하나의 코일을 포함한다. 외부의 전원 공급 장치에서 고용량 캐패시터로 전력을 공급하고, 제어회로에 의해 충방전 스위치가 동작하며 캐패시터를 통해 상기 코일에 100 내지 900 μs의 매우 짧은 시간 이내에 감쇠하는 전류가 방전된다. 그러면, 코일에 자속(Majgnetic Flux)의 변화가 발생하고, 인접한 위치에 안착된 파우치 필름(235)에 유도기전력이 발생한다. 특히, 파우치 필름(235)은 금속으로 제조된 가스 배리어층(2351)을 포함하므로, 상기 유도기전력은 파우치 필름(235)의 가스 배리어층(2351)에 발생한다. 유도기전력은 자속의 변화에 따라 발생하며, 다음과 같은 식으로 유도된다.
[식 1]
Figure pat00001
이를 패러데이의 법칙(Faraday's Law)이라 하며, 상기 식 1에서, ε은 유도 기전력, Φ는 자속, t는 시간을 나타낸다.
그리고, 이러한 유도기전력에 의해, 상기 공급된 전류와 반대 방향으로 파우치 필름(235)에 유도전류(Induced Current)가 흐른다. 전류가 흐르는 도체가 자기장 내에서 받는 힘을 로렌츠의 힘(Lorentz's Force)라 하며, 파우치 필름(235)을 성형하는 전자기력이 된다. 즉, 상기 유도전류가 파우치 필름(235)에 흘러, 파우치 필름(235)이 로렌츠의 힘을 인가받아 성형된다. 로렌츠의 힘은 유도전류의 크기에 비례하며, 다음과 같은 식으로 유도된다.
[식 2]
Figure pat00002
상기 식 2에서, I는 도체에 흐르는 전류, dl은 도체의 길이, B는 자속밀도, F는 로렌츠의 힘이다. 그리고 도체의 길이 dl과 자속밀도 B에 의해 정의되는 면에 수직한 방향으로 로렌츠의 힘이 발생한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 전자기력 생성부(13)는 우선, 성형 공간(111)의 상방에 배치되고(S604), 전자기력을 생성하여 성형 공간(111)을 향해 전자기력을 인가한다(S605). 그러면, 상기 전자기력에 의해 파우치 필름(235)에, 성형 공간(111)을 따라 컵부(233)가 밀착되어 드로잉 성형된다(S606).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)를 이용하여 성형한 파우치 필름(235)을 나타낸 개략도이다.
상기와 같은 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)를 이용하여 파우치를 성형한다. 그러면 도 9에 도시된 바와 같이, 컵부(233)의 개방부를 형성하는 모서리(2331) 또한, 곡률 반지름(R1)이 2 mm보다 작게 형성되어 컵부(233)의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 컵부(233)의 외측벽이 성형 공간(111)의 내측벽과 특정 간격(t)만큼 이격되지 않고, 밀착되어 성형된다. 따라서, 컵부(233)의 측벽이 기울어지지 않고, 저면부(2335)와 대략 수직으로 형성된다. 그럼으로써, 불필요한 부피를 경감시키고 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1a)의 다이(11a)의 상면에 파우치 필름(235)이 안착된 모습을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1)는, 다이(11)의 성형 공간(111)의 개방부(1114)를 형성하는 제1 모서리(1111)가 제1 곡률 반지름(R1)으로 필렛팅된다. 여기서 제1 곡률 반지름(R1)은 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있다. 그럼으로써, 컵부(233)의 개방부를 형성하는 모서리(2331) 또한, 곡률 반지름이 2 mm보다 작게 형성될 수 있다.
그러나, 성형 공간(111)의 저면부(1115)를 형성하는 모서리(1112, 이하 제2 모서리라 한다.)에도 특정 곡률 반지름으로 필렛팅될 필요가 있다. 만약 제2 모서리(1112)가 필렛팅되지 않는다면, 파우치 필름(235) 자체의 두께 때문에 컵부(233)가 성형되면서 상기 제2 모서리(1112)에는 컵부(233)가 밀착되지 않는다. 즉, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332)가 성형 공간(111)으로부터 지지받지 못한 채로 컵부(233)가 성형된다. 따라서, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332) 부분에서 주름이 발생하거나, 제품마다 성형되는 정도가 상이하여 제품의 품질이 균일하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1a)는, 성형 공간(111a)의 개방부(1114)를 형성하는 제1 모서리(1111)뿐만 아니라, 성형 공간(111a)의 저면부(1115a)를 형성하는 제2 모서리(1112)도, 특정 제2 곡률 반지름(R2)으로 필렛팅된다. 여기서 제2 곡률 반지름(R2)은 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있으며, 바람직하게는, 0.5 mm 이상 1 mm 이하일 수 있다. 따라서, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332)에서도 주름이 발생하지 않고, 제품의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332)도 곡률 반지름이 2 mm보다 작게 형성될 수 있다. 이하, 본 발명의 다른 실시예에 대한 내용을 설명하되, 상기 기술한 본 발명의 일 실시예에 대한 내용과 중복되는 내용은 설명을 생략한다. 이는 설명의 편의를 위함이며, 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1a)는 다이(11a), 스트리퍼(12) 및 전자기력 생성부(13)를 포함한다. 그리고 상기 다이(11a)에 포함된 성형 공간(111a)의 개방부를 형성하는 모서리(1111) 및 성형 공간(111)의 저면부(1115)를 형성하는 모서리(1112)가 특정 곡률 반지름으로 필렛팅된다. 여기서 제1 및 제2 곡률 반지름(R1, R2)은 각각 0.1mm 이상 2 mm 미만일 수 있고, 바람직하게는, 0.5 mm 이상 1 mm 이하일 수 있다.
파우치 필름(235)에 컵부(233)를 형성하기 위해, 먼저 도 10에 도시된 바와 같이, 다이(11a)의 상면에 파우치 필름(235)을 안착시킨다(S601). 스트리퍼(12)가 하강하여(S602), 상기 파우치 필름(235)을 사이에 두고, 다이(11a)와 맞닿으며, 파우치 필름(235)을 상방으로부터 압박하여 고정한다(S603).
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1a)의 전자기력 생성부(13a)가 컵부(233)를 성형하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 전자기력 생성부(13)는 우선, 성형 공간(111a)의 상방에 배치되고(S604), 전자기력을 생성하여 성형 공간(111a)을 향해 전자기력을 인가한다(S605). 그러면, 상기 전자기력에 의해 파우치 필름(235)에, 성형 공간(111a)을 따라 컵부(233)가 밀착되어 드로잉 성형된다(S606).
상기와 같은 방법으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 성형 장치(1a)를 이용하여 파우치를 성형한 후 이차 전지(2)를 제조한다. 그러면 컵부(233)의 개방부를 형성하는 모서리(2331)뿐만 아니라, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332) 또한, 곡률 반지름(R1, R2)을 2 mm보다 작게 형성하여 컵부(233)의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 컵부(233)의 저면부(2335)를 형성하는 모서리(2332) 부분에서 주름이 발생하지 않고, 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 파우치 성형 장치 2: 이차 전지
11: 다이 12: 스트리퍼
13: 전자기력 생성부 20: 전극 조립체
21: 전극 탭 22: 전극 리드
23: 전지 케이스 24: 절연부
111: 성형 공간 211: 양극 탭
212: 음극 탭 221: 양극 리드
222: 음극 리드 231: 상부 파우치
232: 하부 파우치 233: 컵부
235: 파우치 필름 2333: 수용 공간
2351: 가스 배리어층 2352: 표면 보호층
2353: 실란트층

Claims (8)

  1. 상면으로부터 성형 공간이 내측으로 함몰 형성되고, 상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 제1 모서리가 제1 곡률 반지름으로 필렛팅되는 다이;
    상기 다이의 상방에 배치되고, 파우치 필름이 상기 다이의 상면에 안착되면, 하강하여 상기 파우치 필름을 사이에 두고 상기 다이와 맞닿으며 상기 파우치 필름을 고정시키는 스트리퍼; 및
    상기 성형 공간의 상방에 배치되고, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간을 향해 상기 전자기력을 인가하는 전자기력 생성부를 포함하는 파우치 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 곡률 반지름은,
    0.1mm 이상 2 mm 미만인, 파우치 성형 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성형 공간은,
    저면부를 형성하는 제2 모서리가 제2 곡률 반지름으로 필렛팅되는, 파우치 성형 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 곡률 반지름은,
    0.1mm 이상 2 mm 미만인, 파우치 성형 장치.
  5. 파우치 필름을 다이의 상면에 안착하여, 상기 다이의 상면으로부터 내측으로 함몰 형성된 성형 공간의 개방부를 커버하는 안착 단계;
    상기 다이의 상방에 배치된 스트리퍼가 하강하는 스트리퍼 하강 단계;
    상기 스트리퍼가 상기 파우치 필름을 고정시키는 고정 단계; 및
    상기 성형 공간의 상방에 배치된 전자기력 생성부가, 전자기력을 생성하여 상기 성형 공간을 향해 상기 전자기력을 인가함으로써, 상기 파우치 필름에 컵부가 상기 성형 공간에 밀착되어 드로잉 성형되는 성형 단계를 포함하고,
    상기 성형 공간의 개방부를 형성하는 제1 모서리는,
    제1 곡률 반지름으로 필렛팅되는 파우치 성형 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 곡률 반지름은,
    0.1mm 이상 2 mm 미만인, 파우치 성형 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 성형 공간은,
    저면부를 형성하는 제2 모서리가 제2 곡률 반지름으로 필렛팅되는, 파우치 성형 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 곡률 반지름은,
    0.1mm 이상 2 mm 미만인, 파우치 성형 방법.
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