KR20200055404A

KR20200055404A - 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200055404A
Application number: KR1020180139022A
Authority: KR
Inventors: 김대훈; 정고연
Original assignee: 주식회사 디에이테크놀로지
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2020-05-21
Also published as: KR102134721B1

Abstract

본 발명은 와인딩유닛을 일방향으로 일정 각도로 회전 운동시키면서 와인딩유닛의 외면에 감겨지는 세퍼레이터(분리막)에 음극판과 양극판을 정해진 순서로 적층하여 음극판과 세퍼레이터와 양극판이 정해진 순서대로 적층된 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템은, 음극판과 세퍼레이터와 양극판을 정해진 순서대로 적층한 셀 스택(cell stack)을 제조하는 이차전지의 셀 스택 제조 장치로서, 양극판을 공급하는 양극공급부; 음극판을 공급하는 음극공급부; 세퍼레이터를 공급하는 세퍼레이터 공급부; 회전축을 중심으로 일 방향으로 회전하도록 설치되며 세퍼레이터와 양극판 및 음극판의 양단을 파지하는 한 쌍의 척을 구비하여 세퍼레이터와 양극판 및 음극판을 일정 각도로 회전시키면서 적층하는 와인딩유닛; 상기 와인딩유닛의 일측에서 제1회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 양극공급부에서 양극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 양극판 픽앤플레이스유닛; 상기 와인딩유닛의 다른 일측에서 제2회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 음극공급부에서 음극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 음극판 픽앤플레이스유닛;를 포함한다.

Description

이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법{Apparatus And Method for Manufacturing Cell Stack of Secondary Battery}

본 발명은 이차전지의 셀(cell)을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 와인딩유닛을 일방향으로 일정 각도로 회전 운동시키면서 와인딩유닛의 외면에 감겨지는 세퍼레이터(분리막)에 음극판과 양극판을 정해진 순서로 적층하여 음극판과 세퍼레이터와 양극판이 정해진 순서대로 적층된 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서 상기 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 1차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 2차전지로 구분되며, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 2차전지의 사용이 늘고 있는 추세에 있다.

즉, 상기 2차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 일예로 와이어리스 모바일 기기와 같은 첨단전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 주목받고 있다.

이러한 2차 전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해질 용액에 담가진 형태로 이루어지는데, 이와 같은 2차 전지의 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

소형 2차 전지의 경우 음극판 및 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되며, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 2차 전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.

적층식으로 2차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-스택킹(Z-stacking) 방식에서는 세퍼레이터(분리막)가 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판 및 양극판이 교번으로 삽입된 형태로 적층되도록 한다.

이와 같은 Z-스택킹 형태로 이루어지는 2차 전지 내부 셀 스택은 등록특허 제10-0313119호, 등록특허 제10-1140447호 등과 같은 여러 선행기술들에 개시되어 있다.

Z-스택킹 형태를 실제로 구현하기 위해서, 한국 등록특허 제10-0309604호와 같은 선행기술에서는 펼쳐진 상태의 분리막의 일측 면에 다수의 음극판을, 타측 면에 다수의 음극판을 배치한 후 접는 방식을 개시하고 있다. 이러한 방식은 젤리-롤 형태의 2차 전지 내부 셀 스택을 제작할 때도 널리 사용되고 있는 방식이다. 그러나 이러한 방식을 사용할 경우 음극판 및 양극판을 정렬(alignment)시키기에 난해함이 있다.

이에 최근에는 Z-폴딩 적층 형태의 2차 전지 셀 스택을 제작함에 있어서 좌우로 이격된 적재테이블에 음극판 및 양극판을 각각 쌓아 두고, 적재테이블 사이에 음극판과 양극판이 적층되는 스테이지를 좌우로 수평 왕복 이동하게 설치하고, 로봇(매니퓰레이터)이 상기 적재테이블 상의 음극판 및 양극판을 교대로 픽업 및 이송하여 스테이지 상에 클램핑된 세퍼레이터 위에 교대로 적층시키는 방식을 사용하고 있다.

그런데, 이와 같은 종래의 Z-스택킹 방식은 스테이지를 좌우로 직선 왕복 운동하면서 적층하기 때문에 스테이지의 이동 거리가 길어 작업 시간이 많이 소요되고, 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다.

등록특허 제10-1140447호(2012.04.19. 등록) 등록특허 제10-1380133호(2014.03.26. 등록) 등록특허 제10-1220981호(2013.01.04. 등록) 등록특허 제10-0309604호(2001.09.10. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 와인딩 유닛을 일방향으로 일정 각도씩 회전 운동시키면서 와인딩 유닛의 외면에 감겨지는 세퍼레이터(분리막)에 음극판과 양극판을 정해진 순서로 적층하여 기존보다 빠른 속도로 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템은, 음극판과 세퍼레이터와 양극판을 정해진 순서대로 적층한 셀 스택(cell stack)을 제조하는 이차전지의 셀 스택 제조 장치로서, 양극판을 공급하는 양극공급부; 음극판을 공급하는 음극공급부; 세퍼레이터를 공급하는 세퍼레이터 공급부; 회전축을 중심으로 일 방향으로 회전하도록 설치되며 세퍼레이터와 양극판 및 음극판의 양단을 파지하는 한 쌍의 척을 구비하여 세퍼레이터와 양극판 및 음극판을 일정 각도로 회전시키면서 적층하는 와인딩유닛; 상기 와인딩유닛의 일측에서 제1회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 양극공급부에서 양극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 양극판 픽앤플레이스유닛; 상기 와인딩유닛의 다른 일측에서 제2회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 음극공급부에서 음극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 음극판 픽앤플레이스유닛;을 포함한다.

본 발명은 세퍼레이터에 양극판 및 음극판을 적층하는 와인딩유닛과, 상기 와인딩유닛에 양극판과 음극판을 전달하는 양극판 픽앤플레이스유닛과 음극판 픽앤플레이스유닛이 정해진 각도로 주기적으로 회전 운동하면서 양극판을 공급 및 적층할 수 있도록 구성되어 있으므로, 와인딩유닛의 양측에서 양극판과 음극판을 동시에 공급하여 적층할 수 있어 적층 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치를 나타낸 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 스택 제조 장치의 양극판 픽앤플레이스유닛 및 음극판 픽앤플레이스유닛의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 양극판 픽앤플레이스유닛의 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 양극판 픽앤플레이스유닛의 일부 구성을 나타낸 정면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 양극판 픽앤플레이스유닛의 픽업구동유닛을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 양극판 픽앤플레이스유닛의 플레이스구동유닛을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 셀 스택 제조 장치의 와인딩유닛의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 도 7에 도시된 와인딩유닛의 척의 구동을 위한 구성을 나타낸 평면도 및 측면도이다.
도 9는 도 7에 도시된 와인딩유닛의 척의 구동을 위한 운동변환장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 셀 스택 방법을 수행하기 위한 적층 패턴의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치 및 방법을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치를 나타낸 도면이다.

먼저 도 1을 참조하면, 셀 스택 제조 장치는 양극판(P)을 공급하는 양극공급부(100)와, 음극판(N)을 공급하는 음극공급부(200), 세퍼레이터(S)를 공급하는 세퍼레이터 공급부(300), 세퍼레이터(S)와 양극판(P) 및 음극판(N)을 일정 각도로 주기적으로 회전시키면서 적층하는 와인딩유닛(600), 양극공급부에서 양극판(P)을 픽업하여 와인딩유닛(600)에 파지된 세퍼레이터(S)로 전달하는 양극판 픽앤플레이스유닛(400), 음극공급부에서 음극판(N)을 픽업하여 와인딩유닛(600)에 파지된 세퍼레이터(S)로 전달하는 음극판 픽앤플레이스유닛(500)을 포함한다.

상기 양극공급부(100)와 음극공급부(200)는 대체로 동일한 구성으로 이루어지며, 상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 음극판 픽앤플레이스유닛(500)의 외측에 서로 대칭되게 구성된다. 이와 같이 양극공급부(100)와 음극공급부(200)는 서로 동일한 구성으로 대칭되게 구성되므로, 이하에서는 양극공급부(100)의 구성 및 작용을 위주로 설명하며 음극공급부(200)의 구성 및 작용은 생략하지만, 음극공급부(200)의 구성 및 작용은 양극공급부(100)의 구성 및 작용을 참조하면 쉽고 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

양극공급부(100)는 양극판(P)을 적층하는 양극판 매거진유닛(110)과, 상기 양극판 매거진유닛(110)에 적층되어 있는 양극판(P) 중 최상측의 양극판(P)을 픽업하여 이송하는 양극판 픽업유닛(120), 상기 양극판 픽업유닛(120)에 의해 이송된 양극판(P)이 안착되어 위치가 정렬되는 양극판 얼라인유닛(130)을 포함한다.

상기 양극판 픽업유닛(120)은 양극판 매거진유닛(110)에 적층된 양극판(P)을 1개씩 진공 흡착하여 상기 양극판 얼라인유닛(130)으로 이송한다. 상기 양극판 픽업유닛(120)은 일반적인 셀 스택 장치에서 양극판이나 음극판을 진공 흡착하여 이송하는 공지의 극판 픽업/이송로봇을 적용하여 구성할 수 있다.

상기 양극판 얼라인유닛(130)은 양극판(P)이 놓여지는 얼라인테이블(131)과, 상기 얼라인테이블(131)에 놓여진 양극판(P)의 위치를 촬영하여 정렬 상태를 검출하는 비전카메라(미도시)와, 상기 비전카메라(미도시)에 의해 촬영되어 검출된 양극판(P)의 위치 정보에 따라 얼라인테이블(131)을 전후 좌우 방향(X-Y 방향)으로 직선 이동시키거나 지면(地面)에 대해 연직한 축을 중심으로 회전시켜 양극판(P)의 위치를 정렬하는 X-Y-θ 스테이지(132)를 포함한다.

음극공급부(200) 또한 양극공급부(100)와 거의 동일한 구성으로 이루어진 음극판 매거진유닛(210)과 음극판 픽업유닛(220), 음극판 얼라인유닛(230)을 구비한다.

상기 세퍼레이터 공급부(300)는 절연체인 세퍼레이터(S) 필름을 연속적으로 공급하는 구성부로, 세퍼레이터 롤(SR)이 회전 가능하게 설치되는 언와인딩샤프트(310)와, 세퍼레이터 롤(SR)에서 풀려져 나온 세퍼레이터(S)에 장력을 인가하면서 안내하는 복수의 가이드샤프트(320)를 구비한 댄서유닛(Dancer Unit)을 포함한다.

상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400) 및 음극판 픽앤플레이스유닛(500)는 각각 양극판 얼라인유닛(130)과 음극판 얼라인유닛(230)의 바로 상측에 제1회전축(401) 및 제2회전축(501)을 중심으로 일정 각도씩(이 실시예에서 90°씩) 서로 반대방향으로 회전 운동하면서 양극판 얼라인유닛(130) 상에 정렬된 양극판(P)과 음극판 얼라인유닛(230) 상에 정렬된 음극판(N)을 진공 흡착 방식으로 픽업하여 와인딩유닛(600)의 좌우측으로 전달한다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400)는 상기 와인딩유닛(600)의 일측에 설치되는 마운트프레임(410)과, 상기 마운트프레임(410)에 지면(地面)에 대해 수평한 제1회전축(401)을 중심으로 회전 운동하도록 설치된 회전프레임(420), 상기 회전프레임(420)을 일정한 각도로 주기적으로 회전시키는 회전력을 제공하는 회전구동유닛, 상기 회전프레임(420)에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 양극판(P)을 진공 흡착하여 고정하는 복수의(이 실시예에서 4개) 전극고정부재(430), 상기 양극판 얼라인유닛(130)과 마주보는 픽업(pick up) 위치에서 상기 전극고정부재(430)를 양극판 얼라인유닛(130) 쪽으로 왕복 이동시키는 픽업구동유닛, 및 상기 와인딩유닛(600)과 마주보는 플레이스(place) 위치에서 상기 전극고정부재(430)를 와인딩유닛(600) 쪽으로 왕복 이동시키는 플레이스구동유닛을 포함한다.

도 2 및 도 3에 도시한 것과 같이, 상기 마운트프레임(410)에는 상기 제1회전축(401)의 일단부와 연결되어 제1회전축(401)에 회전력을 전달하는 회전구동유닛이 설치된다. 여기서 상기 회전구동유닛은 상기 마운트프레임(410)의 일측면에 고정되는 서보모터(441)와, 상기 서보모터(441)의 회전력을 제1회전축(401)에 전달하는 동력전달장치로서 구동기어(442) 및 종동기어(443)를 포함한다. 물론 동력전달장치로서 벨트와 풀리 등 공지의 다른 동력전달장치를 적용할 수도 있으며, 동력전달장치를 사용하지 않고 바로 서보모터(441)를 제1회전축(401)에 직결하여 회전시킬 수도 있을 것이다.

상기 회전프레임(420)은 원반형으로 되어 서로 마주보게 설치되는 2개의 측판(421)과, 상기 측판(421)을 서로 연결하는 복수의 연결바아(422)를 포함하여 전체적으로 원통형태를 가지며, 상기 측판(421)의 중심부가 제1회전축(401)과 결합되어 제1회전축(401)을 중심으로 회전운동한다.

상기 전극고정부재(430)는 양단부가 상기 각각의 측판(421)에 LM가이드(435)를 매개로 반경방향으로 직선 이동 가능하게 설치되는 2개의 가동판(432)과, 양단이 각각의 가동판(432)에 결합되며 양극판(P)을 진공 흡착하기 위한 복수의 진공홀(433)이 형성되어 있는 고정판(431)을 포함한다. 도면에 도시하지는 않았으나 상기 고정판(431)은 외부의 진공발생장치와 연결되어 상기 진공홀(433)을 통해 흡입력을 발생시켜 양극판(P)을 진공 흡착하여 고정한다.

상기 전극고정부재(430)의 2개의 가동판(432) 중 어느 하나에는 상기 픽업구동유닛 및 플레이스구동유닛의 작동을 위한 작동돌기(436)가 측방으로 돌출되게 형성되어 있다.

그리고 상기 마운트프레임(410)의 일측면에는 상기 회전프레임(420)의 측판(421)과 마주보도록 가이드부재(450)가 설치된다. 상기 가이드부재(450)는 상기 작동돌기(436)의 회전 궤적을 따라 형성되어 작동돌기(436)의 이동을 안내하는 원형의 가이드홈(451)을 구비한다. 그리고 상기 가이드홈(451)에는 상기 픽업 위치 및 플레이스 위치 각각에서 상기 작동돌기(436)가 상기 가이드홈(451)의 내외측으로 이동할 수 있도록 2개의 돌기출입구(452)가 절개되게 형성되어 있다.

도 4 및 도 5에 도시한 것과 같이, 상기 픽업 위치에서 전극고정부재(430)를 이동시키기 위한 픽업구동유닛은 상기 픽업 위치에서 상기 작동돌기(436)를 파지하여 가이드홈(451)의 내외측으로 이동시키는 제1홀더(461)와, 상기 제1홀더(461)를 양극판 얼라인유닛(130) 쪽으로 직선 왕복 이동시키는 제1홀더이동부를 포함한다.

상기 제1홀더(461)는 대략 'ㄷ'자형으로 형성되어 작동돌기(436)가 제1홀더(461)의 개방된 부분을 통해 내측으로 인입된 후 폐쇄된 부분에 의해 이끌려 이동하게 된다.

상기 제1홀더이동부는 제1홀더(461)가 고정되게 설치되며 마운트프레임(410)에 상하방향으로 연장된 승강가이드레일(463)을 따라 직선 왕복 이동 가능하게 설치된 캠플레이트(462)와, 중심에서부터 일정거리 편심된 위치에 상기 캠플레이트(462)에 측방향으로 연장된 장공 형태의 캠홈(462a)에 삽입되는 캠샤프트(465)를 구비한 회전캠(464)과, 상기 회전캠(464)을 회전시키는 캠구동모터(466)를 포함한다. 따라서 캠구동모터(466)에 의해 회전캠(464)이 회전하면 캠샤프트(465)가 캠홈(462a) 내측에서 이동하면서 회전캠(464)의 회전 운동을 캠플레이트(462)의 직선 운동으로 변환시켜 캠플레이트(462)를 상하로 직선 왕복 운동시키게 된다.

물론 이외에도 공압실린더, 또는 리니어모터 선형운동장치, 볼스크류와 서보모터를 이용한 선형운동장치 등 공지의 선형운동장치를 적용하여 제1홀더이동부를 구성할 수도 있을 것이다.

또한 도 4 및 도 6에 도시한 것과 같이, 상기 플레이스구동유닛은 와인딩유닛(600)과 마주보는 플레이스(place) 위치에서 상기 전극고정부재(430)를 와인딩유닛(600) 쪽으로, 즉 측방향으로 왕복 이동시키도록 구성된다. 이 실시예에서 플레이스구동유닛은, 상기 플레이스 위치에서 상기 작동돌기를 파지하여 가이드홈의 내외측으로 이동시키는 제2홀더(471)와, 상기 제2홀더(471)를 와인딩유닛(600) 쪽으로 직선 왕복 이동시키는 제2홀더이동부를 포함한다.

상기 제2홀더(471)는 제1홀더(461)와 동일하게 대략 'ㄷ'자형으로 형성되어 작동돌기(436)가 제2홀더(471)의 개방된 부분을 통해 내측으로 인입된 후 폐쇄된 부분에 의해 이끌려 이동하게 된다.

상기 제2홀더이동부는, 상기 마운트프레임(410)의 일측면에 측방향으로 수평하게 연장되게 설치되는 볼스크류(472)와, 상기 볼스크류(472)를 회동시키는 볼스크류 구동모터(476)와, 상기 볼스크류(472)의 외면에 결합되어 볼스크류(472)의 회전에 의해 볼스크류(472)의 길이방향을 따라 이동하는 너트부(473)와, 상기 너트부(473)와 제2홀더(471)를 연결하는 연결부재(474)를 포함하여 구성될 수 있다.

음극판 픽앤플레이스유닛(500)는 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 동일한 구성으로 이루어져 와인딩유닛(600)을 사이에 두고 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 동일하게 구성되므로, 음극판 픽앤플레이스유닛(500)의 세부 구성 및 작동은 상술한 양극판 픽앤플레이스유닛(400)의 세부 구성 및 작동을 참조한다. 도 1 및 도 2에 도시한 음극판 픽앤플레이스유닛(500)의 구성 중 참조부호 501은 제2회전축이고, 510은 마운트프레임(410)이며, 520은 회전프레임, 530은 전극고정부재를 나타낸다.

도 7 내지 도 9는 상기 와인딩유닛(600)을 나타낸 것으로, 와인딩유닛(600)은 상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 음극판 픽앤플레이스유닛(500) 사이에 서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 와인더설치부(610), 상기 각각의 와인더설치부(610)에 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 와인딩 회전축(630), 상기 각각의 와인딩 회전축(630)의 끝단에 벌어졌다가 오므려지는 운동을 하도록 설치되어 세퍼레이터(S)와 양극판(P) 및 음극판(N)의 양단을 파지하거나 해제하는 한 쌍의 척(chuck)(620), 상기 척(620)을 벌리거나 오므려지게 하는 척 구동부, 각각의 와인더설치부(610)를 서로의 방향으로 수평 이동시켜 상대 위치를 가변시키는 이동수단을 포함한다. 상기 이동수단은 공압실린더, 또는 리니어모터 선형운동장치, 볼스크류와 서보모터를 이용한 선형운동장치 등 공지의 선형운동장치를 적용하여 구성할 수 있다.

상기 와인더설치부(610)는 고정프레임(611)과, 상기 고정프레임(611)의 상단부에 전후방으로 수평 이동 가능하게 설치되어 이동수단에 의해 전후진 이동하는 가동프레임(612), 상기 가동프레임(612)에 고정되게 설치되며 상기 와인딩 회전축(630)과 와인딩 회전축(630)을 회전시키는 회동모터(631) 및 상기 척 구동부가 설치되는 설치프레임(613)을 포함한다.

상기 와인딩 회전축(630)은 상기 설치프레임(613)에 설치되는 회동모터(631)에 의해 지면에 대해 수평한 축을 중심으로 180° 또는 360°씩 회전한다.

상기 척(620)은 'ㄷ'자 형태로 된 2개의 척 아암(620a, 620b)이 척 구동부에 의해 측방향으로 일정 간격만큼 서로 벌어지거나 오므려지면서 세퍼레이터(S)와 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 놓거나 파지한다.

상기 척 구동부는 상기 와인딩 회전축(630)을 동축상으로 관통하여 와인딩 회전축(630)에 대해 축방향으로 전후진 선형 운동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치되어 와인딩 회전축(630)과 함께 회전 운동하도록 된 작동로드(641)와, 상기 작동로드(641)의 전단부에 설치되는 구동 래크기어(642), 상기 와인딩 회전축(630)의 전단부에 구동 래크기어(642)와 치합하도록 설치되어 구동 래크기어의 전후진 운동에 의해 서로 반대방향으로 동시에 회전 운동하는 한 쌍의 피니언기어(643), 상기 각각의 척 아암(620a, 620b)의 후단부에 설치되어 각각의 피니언기어(643)와 치합하면서 동시에 서로 반대방향으로 선형 운동하는 한 쌍의 종동 래크기어(644), 상기 와인더설치부(610)에 상기 작동로드(641)의 축에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전하도록 설치되며 외주면이 상기 작동로드(641)의 후단부와 접촉되게 설치되어 회전 운동에 의해 상기 작동로드(641)를 축방향으로 전후진시키는 로드 작동캠(646), 상기 로드 작동캠(646)을 회전시키는 캠 구동모터(647)를 포함한다.

여기서 상기 로드 작동캠(646)은 캠 구동모터(647)의 축에 편심되게 결합되어 편심회전하는 편심 캠을 적용한 것이다.

상기 로드 작동캠(646)과 접촉하는 작동로드(641)의 후단부와 와인딩 회전축(630)의 후단부 사이에는 작동로드(641)에 후방으로 탄성력을 가하는 압축코일스프링(648)이 설치되어 작동로드(641)의 후단부와 로드 작동캠(646)이 항상 밀착된 상태를 유지한다.

따라서 캠 구동모터(647)에 의해 로드 작동캠(646)이 편심 회전하게 되면, 로드 작동캠(646)의 회전 궤적에 따라 작동로드(641)가 전후방향으로 직선 왕복 이동하게 되며, 작동로드(641)의 전단부에 설치된 구동 래크기어(642)가 전후진하여 피니언기어(643)를 회전시키게 된다. 상기 피니언기어(643)의 회전 운동은 상기 종동 래크기어(644)를 측방향으로 직선 운동시키게 되므로 종동 래크기어(644)가 설치되어 있는 척 아암(620a, 620b)이 서로 근접하는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 이동하여 오므려졌다 벌어지는 운동을 하게 되는 것이다.

이러한 와인딩유닛(600)에 구성되는 척 구동부는 척(620)이 와인딩 회전축(630)과 함께 원활하게 회전 운동함과 더불어 정해진 위치에서 벌어지거나 오므려지면서 세퍼레이터(S)와 양극판(P)과 음극판(N)을 용이하게 파지하거나 놓을 수 있도록 하기 위한 최소한의 구성요소로 이루어지므로, 와인딩 유닛의 전체 구성 및 동작을 간소화할 수 있는 이점을 제공한다.

이하 상술한 것과 같은 구성을 갖는 셀 스택 제조 장치를 이용하여 셀 스택을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.

세퍼레이터 공급부(300)의 세퍼레이터 롤(SR)에서 풀려져 나온 세퍼레이터(S)의 양단을 와인딩유닛(600)의 척(620)이 파지한다. 그리고 양극공급부(100)의 양극판 매거진유닛(110)에 적재된 양극판(P)을 양극판 픽업유닛(120)이 진공 흡착하여 양극판 얼라인유닛(130)의 얼라인테이블(131) 상으로 이송하여 안착시키면, 비전카메라(미도시)가 양극판(P)을 촬영하여 양극판(P)의 위치 정보에 따라 얼라인테이블(131)을 전후 좌우 방향(X-Y 방향)으로 직선 이동시키거나 지면(地面)에 대해 연직한 축을 중심으로 회전시켜 양극판(P)의 위치를 정렬한다. 이와 동시에 음극공급부(200)에서도 동일한 과정으로 음극판 얼라인유닛(230)에 음극판(N)을 이송하여 정렬한다.

상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400)의 회전프레임(420)은 제1회전축(401)을 중심으로 90°씩 주기적으로 회전한다. 즉 90°씩 회전과 정지를 반복한다. 상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400)의 전극고정부재(430) 중 어느 하나가 양극판 얼라인유닛(130)의 얼라인테이블(131)과 마주는 픽업 위치 상에 정지하면, 픽업구동유닛의 캠구동모터(466)가 동작하여 회전캠(464)이 일방향으로 회전하게 되고, 회전캠(464)의 회전 운동이 캠플레이트(462)에 의해 직선 운동으로 변환되어 캠플레이트(462) 및 이에 결합된 제1홀더(461)가 하측으로 이동한다. 이에 따라 전극고정부재(430)의 작동돌기(436)가 가이드홈(451)의 돌기출입구(452)를 통해 하강하여 전극고정부재(430)가 LM가이드(435)의 안내를 받아 하측으로 이동한다. 전극고정부재(430)가 하사점에 도달하면 진공홀(433)을 통해 음압이 발생하여 얼라인테이블(131) 상의 양극판(P)이 전극고정부재(430)에 진공 흡착된 후 다시 전극고정부재(430)가 상승함에 따라 함께 상승하게 된다.

이와 동시에 음극판 픽앤플레이스유닛(500) 역시 동일한 작동 순서로 음극판 얼라인유닛(230) 상의 음극판(N)을 픽업한 후 상승한다.

이어서 상기 양극판 픽앤플레이스유닛(400) 및 음극판 픽앤플레이스유닛(500)이 일방향으로 90°씩 회전하여 전극고정부재(430)가 와인딩유닛(600)과 마주보는 플레이스 위치에 도달하면, 플레이스구동유닛의 제2홀더(471)가 제2홀더이동부의 작동에 의해 측방향으로 이동하면서 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에, 또는 양극판(P)과 음극판(N) 중 어느 하나를 와인딩유닛(600)의 척(620)에 파지된 세퍼레이터(S)에 밀착시켜 적층한다. 이 때 세퍼레이터(S)에 양극판(P) 및/또는 음극판(N)이 원활하게 적층될 수 있도록 하기 위하여 상기 척(620)은 척 구동부에 의해 벌어지면서 와인더설치부(610)가 이동수단에 의해 후진하고, 이와 동시에 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 음극판 픽앤플레이스유닛(500)이 세퍼레이터(S)에 양극판(P) 및/또는 음극판(N)을 전달하면서 가압 밀착된다. 와인딩유닛(600)의 세퍼레이터(S)에 양극판(P) 및/또는 음극판(N)이 전달되면 다시 와인더설치부(610)가 이동수단에 의해 다시 전진하고, 척(620)이 척 구동부에 의해 오므려지면서 세퍼레이터(S)와 양극판(P) 및/또는 음극판(N)을 파지한다.

이어서 와인딩유닛(600)의 와인딩 회전축(630)이 회동모터(631)에 의해 180°또는 360°로 회전하여 세퍼레이터에 양극판(P) 및 음극판(N)을 감아서 적층한다.

이와 같은 과정을 반복하면서 양극판 픽앤플레이스유닛(400)과 음극판 픽앤플레이스유닛(500), 와인딩유닛(600)은 셀 스택 장치의 제어부(미도시)에 미리 입력되어 있는 적층 패턴으로 와인딩유닛(600)에 파지된 세퍼레이터(S)로 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 또는 교대로 전달하고 감아서 적층한다.

이 때 와인딩유닛(600)에 양극판(P)과 음극판(N)을 전달하고 와인딩유닛(600)을 회전시켜 적층하는 적층 패턴은 도 10에 도시한 적층 패턴을 따를 수 있다. 도 10에 도시한 양극판(P)과 음극판(N)의 적층 패턴은, 세퍼레이터(S)의 양측면에 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 공급하여 적층하는 제1적층단계(S1)와, 와인딩유닛(600)을 일방향으로 180도 회전시킨 후 세퍼레이터(S)의 일측면에 음극판(N)을 적층하는 제2적층단계(S2)와, 와인딩유닛(600)을 일방향으로 360도 회전시킨 후 세퍼레이터(S)의 일측면에 양극판(P)을 적층하는 제3적층단계(S3)와, 와인딩유닛(600)을 180도 회전시킨 후 세퍼레이터의 양측면에 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 공급하여 적층하는 제4적층단계(S4)를 순차적으로 수행한 후, 다시 상기 제1적층단계(S1)에서부터 제4적층단계(S4)를 정해진 회수로 반복 시행하는 패턴으로 이루어진다. 물론 셀 스택의 극판 적층 형태에 따라 상기 적층 패턴은 달라질 수 있다.

이러한 적층 패턴은 제1적층단계(S1)와 제4적층단계(S4)에서 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 공급하여 적층할 수 있기 때문에 기존보다 적층 속도를 빠르게 할 수 있는 이점이 있다. 즉, 기존에는 양극판(P)과 음극판(N)을 한개씩만 적층할 수 있었으나, 본 발명은 와인딩유닛(600)의 양측에서 양극판(P)과 음극판(N)을 동시에 공급하여 적층하는 것이 가능하기 때문에 극판의 적층 속도를 빠르게 할 수 있는 것이다.

상기한 것과 같은 적층 패턴으로 세퍼레이터(S)에 양극판(P) 및 음극판(N)을 모두 적층하여 하나의 셀 스택이 완성되면 도면에 도시하지 않은 커팅유닛으로 세퍼레이터(S)를 절단하고, 와인딩유닛(600)에 파지된 셀 스택을 언로딩그립퍼(700)(도 1 참조)로 파지한 후 외부로 이송하여 적재한다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

N : 음극판 P : 양극판
S : 세퍼레이터 SR : 세퍼레이터 롤
100 : 양극공급부 110 : 양극판 매거진유닛
120 : 양극판 픽업유닛 130 : 양극판 얼라인유닛
131 : 얼라인테이블 200 : 음극공급부
210 : 음극판 매거진유닛 220 : 음극판 픽업유닛
230 : 음극판 얼라인유닛 300 : 세퍼레이터 공급부
400 : 양극판 픽앤플레이스유닛 401 : 제1회전축
410 : 마운트프레임 420 : 회전프레임
430 : 전극고정부재 435 : LM가이드
436 : 작동돌기 450 : 가이드부재
451 : 가이드홈 452 : 돌기출입구
461 : 제1홀더 462 : 캠플레이트
464 : 회전캠 471 : 제2홀더
500 : 음극판 픽앤플레이스유닛 510 : 마운트프레임
520 : 회전프레임 530 : 전극고정부재
600 : 와인딩유닛 610 : 와인더설치부
620 : 척 630 : 와인딩 회전축
641 : 작동로드 642 : 구동 래크기어
643 : 피니언기어 644 : 종동 래크기어
646 : 로드 작동캠 647 : 캠 구동모터
700 : 언로딩그립퍼

Claims

음극판과 세퍼레이터와 양극판을 정해진 순서대로 적층한 셀 스택(cell stack)을 제조하는 이차전지의 셀 스택 제조 장치로서,
양극판을 공급하는 양극공급부;
음극판을 공급하는 음극공급부;
세퍼레이터를 공급하는 세퍼레이터 공급부;
회전축을 중심으로 일 방향으로 회전하도록 설치되며 세퍼레이터와 양극판 및 음극판의 양단을 파지하는 한 쌍의 척을 구비하여 세퍼레이터와 양극판 및 음극판을 일정 각도로 회전시키면서 적층하는 와인딩유닛;
상기 와인딩유닛의 일측에서 제1회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 양극공급부에서 양극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 양극판 픽앤플레이스유닛;
상기 와인딩유닛의 다른 일측에서 제2회전축을 중심으로 일정한 각도로 주기적으로 회전 운동하도록 설치되어, 상기 음극공급부에서 음극판을 픽업하여 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 전달하는 음극판 픽앤플레이스유닛;
를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 와인딩유닛은,
양극판 픽앤플레이스유닛과 음극판 픽앤플레이스유닛 사이에 서로 마주보게 설치되는 한 쌍의 와인더설치부;
상기 각각의 와인더설치부에 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 와인딩 회전축;
상기 각각의 와인딩 회전축의 끝단에 벌어졌다가 오므려지는 운동을 하도록 설치되어 세퍼레이터와 양극판 및 음극판의 양단을 파지하거나 해제하는 한 쌍의 척(chuck);
상기 척을 벌리거나 오므려지게 하는 척 구동부;
를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제2항에 있어서, 상기 척 구동부는 ,
상기 와인딩 회전축을 관통하여 와인딩 회전축에 대해 축방향으로 전후진 선형 운동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치되어 와인딩 회전축과 함께 회전 운동하도록 된 작동로드;
상기 작동로드의 전단부에 설치되는 구동 래크기어;
상기 와인딩 회전축의 전단부에 구동 래크기어와 치합하도록 설치되어 구동 래크기어의 전후진 운동에 의해 서로 반대방향으로 동시에 회전 운동하는 한 쌍의 피니언기어;
상기 각각의 척의 후단부에 설치되어 각각의 피니언기어와 치합하면서 동시에 서로 반대방향으로 선형 운동하는 한 쌍의 종동 래크기어;
상기 와인더설치부에 상기 작동로드의 축에 대해 직교하는 축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 외주면이 상기 작동로드의 후단부와 접촉되게 설치되어 회전 운동에 의해 상기 작동로드를 축방향으로 전후진시키는 로드 작동캠; 및,
상기 로드 작동캠을 회전시키는 캠 구동모터;
를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제2항에 있어서, 상기 와인딩유닛은, 각각의 와인더설치부를 서로의 방향으로 수평 이동시켜 상대 위치를 가변시키는 이동수단을 더 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 양극판 픽앤플레이스유닛은,
상기 와인딩유닛의 일측에 설치되는 마운트프레임;
상기 마운트프레임에 제1회전축을 중심으로 회전 운동하도록 설치된 회전프레임;
상기 회전프레임을 일정한 각도로 주기적으로 회전시키는 회전력을 제공하는 회전구동유닛;
상기 회전프레임에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되고, 상기 회전프레임에 대해 반경방향으로 직선 왕복 운동 가능하게 설치되며, 양극판을 진공 흡착하기 위한 복수의 진공홀이 형성되어 있는 복수의 전극고정부재;
상기 양극공급부와 마주보는 픽업(pick up) 위치에서 상기 전극고정부재를 양극공급판 쪽으로 왕복 이동시키는 픽업구동유닛; 및,
상기 와인딩유닛과 마주보는 플레이스(place) 위치에서 상기 전극고정부재를 와인딩유닛 쪽으로 왕복 이동시키는 플레이스구동유닛;
을 포함하며,
상기 음극판 픽앤플레이스유닛은 상기 양극판 픽앤플레이스유닛과 동일한 구성으로 대칭되게 설치되는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제5항에 있어서, 상기 전극고정부재의 일측 단부에 작동돌기가 돌출되게 형성되고, 상기 작동돌기의 회전 궤적을 따라 형성되어 작동돌기의 이동을 안내하는 원형의 가이드홈과 상기 픽업 위치 및 플레이스 위치 각각에서 상기 작동돌기가 상기 가이드홈의 내외측으로 이동할 수 있도록 상기 가이드홈에 절개되게 형성되어 있는 돌기출입구를 구비한 가이드부재가 상기 마운트프레임의 외부에 설치되며,
상기 픽업구동유닛은 상기 픽업 위치에서 상기 작동돌기를 파지하여 가이드홈의 내외측으로 이동시키는 제1홀더와, 상기 제1홀더를 양극공급부 쪽으로 직선 왕복 이동시키는 제1홀더이동부를 포함하고,
상기 플레이스구동유닛은 상기 플레이스 위치에서 상기 작동돌기를 파지하여 가이드홈의 내외측으로 이동시키는 제2홀더와, 상기 제2홀더를 와인딩유닛 쪽으로 직선 왕복 이동시키는 제2홀더이동부를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제6항에 있어서, 상기 제1홀더이동부는, 상기 제1홀더가 고정되게 설치되며 마운트프레임에 상하방향으로 연장된 승강가이드레일을 따라 직선 왕복 이동 가능하게 설치된 캠플레이트와, 중심에서부터 일정거리 편심된 위치에 상기 캠플레이트에 측방향으로 연장된 장공 형태의 캠홈에 삽입되는 캠샤프트를 구비한 회전캠과, 상기 회전캠을 회전시키는 캠구동모터를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 셀 스택 제조 장치를 이용하여 이차전지의 셀 스택을 제조하는 방법으로서,
(a) 와인딩유닛이 세퍼레이터를 파지하는 단계;
(b) 양극판 픽앤플레이스유닛이 양극공급부에서 공급되는 양극판을 파지하고, 음극판 픽앤플레이스유닛이 음극공급부에서 공급되는 음극판을 파지하는 단계;
(c) 와인딩유닛이 일정 각도로 주기적으로 회전하다가 일시적으로 정지된 상태에서 상기 양극판 픽앤플레이스유닛과 음극판 픽앤플레이스유닛이 제어부에 미리 입력되어 있는 적층 패턴으로 와인딩유닛에 파지된 세퍼레이터로 양극판과 음극판을 동시에 또는 교대로 전달하는 단계; 및,
(d) 와인딩유닛에 세퍼레이터와 양극판과 음극판이 정해진 순서로 모두 적층되어 셀 스택이 완성되면 세퍼레이터를 절단하고, 와인딩유닛에 파지된 셀 스택을 외부로 이송하는 단계;
를 포함하는 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 적층 패턴은, 세퍼레이터의 양측면에 양극판과 음극판을 동시에 공급하여 적층하는 제1적층단계와, 와인딩유닛을 일방향으로 180도 회전시킨 후 세퍼레이터의 일측면에 음극판을 적층하는 제2적층단계와, 와인딩유닛을 일방향으로 360도 회전시킨 후 세퍼레이터의 일측면에 양극판을 적층하는 제3적층단계와, 와인딩유닛을 180도 회전시킨 후 세퍼레이터의 양측면에 양극판과 음극판을 동시에 공급하여 적층하는 제4적층단계를 순차적으로 수행한 후, 다시 상기 제1적층단계에서부터 제4적층단계를 정해진 회수로 반복 시행하는 패턴으로 이루어진 이차전지의 와인딩 방식 셀 스택 제조 방법.