KR20220031440A - 전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법 - Google Patents

전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 복수의 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀의 전극 정렬도 검사 장치는, 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저로 스캔하여 거리에 따른 프로파일을 측정하는 레이저 센서부; 상기 배터리 셀의 측면부에 흡입력을 발생하여 상기 분리막의 처짐을 방지하는 진공 흡입부; 상기 레이저 센서부 및 진공 흡입부와 연결되어 데이터를 송수신하는 외부인터페이스부; 상기 레이저 센서부에서 측정된 프로파일을 토대로 상기 배터리 셀의 측면부에 적층된 양극 전극, 음극 전극 및 분리막과의 거리를 각각 파악하고 이를 분석하여 상호 정렬도 검사에 따른 양불 여부를 판정하는 제어부; 및 상기 레이저 센서부에서 스캔된 측면부 영상과 그 양불 판정결과를 표시하는 표시부;를 포함한다.

Description

전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법{ELECTRODE ALIGNMENT INSPECTION DEVICE AND METHOD}
본 발명은 전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지에 적용되는 배터리 셀은 정해진 용량에 따른 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 젤리롤(Jelly Roll) 형태로 제작하고, 상기 젤리롤 형태의 배터리 셀이 기준에 맞게 조립되었는지 전극 정렬도 검사를 수행한 후 단자 용접 공정으로 이송된다.
종래 전극 정렬도 검사는 엑스레이 장비를 활용하여 측정된 이미지를 분석하고 있으나 이는 복잡한 설비가 요구되고 배터리 셀의 조립 불량을 판정하기에 어려운 문제들이 존재한다.
예를 들어, 종래 엑스레이 측정방식은 전극 두께가 수백 마이크로미터이고 분리막의 경우 수십 마이크로미터이기 때문에 높은 전극 분석을 위해 높은 분해능/해상도(Resolution) 성능확보를 위한 고가의 엑스레이 장비를 사용해야 한다.
또한, 종래 엑스레이 측정방식은 젤리롤을 별도로 핸들링 하기 위한 별도의 젤리롤 이송 설비가 필요하고 이송과정 중 내부 유동이 발생될 수 있으며, 엑스레이를 사용하기 때문에 방사선 차폐벽체 등 별도 설비 구성이 필요한 문제가 있다.
또한, 엑스레이 장비로 촬영된 이미지 분석 프로그램 개발이 필요하며 엑스레이가 젤리롤 내부를 스캔하듯이 보여주는 것이 아니라 모서리 일부만 분석한 후 별도로 이미지 프로세싱 작업을 처리하기 때문에 분석 정확도가 낮은 문제가 있다.
특히, 젤리롤을 구성하는 양극 전극과 음극 전극은 이미지상으로 확인할 수 있지만 카본성분의 분리막은 엑스레이가 투과해버리기 때문에 확인할 수 없는 치명적인 문제가 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 본 발명의 실시 예는 배터리 셀의 측면부를 레이저 센서로 스캔하여 측정된 프로파일 분석을 통해 전극과 분리막의 적층 상태를 검사하는 전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법을 제공 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀의 전극 정렬도 검사 장치는, 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저로 스캔하여 거리에 따른 프로파일을 측정하는 레이저 센서부; 상기 배터리 셀의 측면부에 흡입력을 발생하여 상기 분리막의 처짐을 방지하는 진공 흡입부; 상기 레이저 센서부 및 진공 흡입부와 연결되어 데이터를 송수신하는 외부인터페이스부; 상기 레이저 센서부에서 측정된 프로파일을 토대로 상기 배터리 셀의 측면부에 적층된 양극 전극, 음극 전극 및 분리막과의 거리를 각각 파악하고, 이를 분석하여 상호 정렬도 검사에 따른 양불 여부를 판정하는 제어부; 및 상기 레이저 센서부에서 스캔된 측면부 영상과 그 양불 판정결과를 표시하는 표시부;를 포함한다.
또한, 상기 배터리 셀은 젤리롤, 스택셀, 바이셀 및 단위 셀 중 어느 하나의 형태로 조립될 수 있다.
또한, 상기 레이저 센서부는 레이저 프로파일러, 변위센서, 공초점, CCD 센서 중 적어도 하나를 포함하여 상기 측면부의 표면 센싱으로 상기 프로파일을 측정할 수 있다.
또한, 상기 레이저 센서부는 센서 사양, 요구 정확도, 제품 스펙에 따라 원 포인트(1 point) 스캔, 다중 스캔 혹은 전면적 스캔의 분석 시퀀스 구성이 적용될 수 있다.
또한, 상기 전극 정렬도 검사 장치는 상기 배터리 셀의 유동 방지를 위해 삽입 고정하고 수평 이송장치를 통해 이송되는 팔레트를 더 포함하고, 상기 레이저 센서부는 상기 이송장치의 양측에 설치되어 상기 팔레트의 개방부를 통해 노출된 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저로 스캔 할 수 있다.
또한, 상기 레이저 센서부는 상기 배터리 셀이 정지된 상태에서 이송수단을 통해 수평으로 이동하면서 상기 배터리셀의 측면부를 스캔 할 수 있다.
또한, 상기 진공 흡입부는 진공압 발생에 따른 흡입력이 상기 측면부의 특정부위에 집중되지 않도록 나팔관 형태의 원형, 타원형 및 다각형으로 구성되는 공기 흡입구; 및 인가되는 제어신호에 따라 모터를 제어하여 흡입 유속 및 유량을 조절하는 유량 조절부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 셀의 측면부 전체를 스캔 후 모델링하여 X축 방향과 Y축 방향에 대한 치수를 분석하여, 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 각 분리막 별 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리 측정 방식, 양극 전극과 음극 전극 간 거리 측정 방식 및 복수의 분리막 간 거리 측정 방식 중 하나 이상을 조합하여 설정된 치수 사양 기준에 따른 양불 여부를 판정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 각 분리막 별로 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리를 측정 후 배터리 셀 설계기준을 반영하여 설정된 상/하한 허용범위 이내인지 여부에 따른 양불 여부를 판정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 양극 전극과 음극 전극 간 거리를 측정하여 해당 설계기준의 상/하한 허용범위 이내인지 여부에 따른 양불 여부를 판정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 분리막 간의 거리 측정하여 허용범위 내에 정렬된 것으로 정렬도에 대한 양부 여부를 판정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 전극 정렬도 검사 장치가 복수의 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀의 전극 정렬도 검사 방법은, a) 이송장치를 통해 배터리 셀이 탑재된 팔레트의 진입이 인식되면 분리막 처짐 방지를 위한 진공 흡입부를 작동하는 단계; b) 상기 팔레트의 개방부를 통해 노출된 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저 센서부를 통해 스캔 하는 단계; c) 상기 스캔에 따른 스캔라인을 생성하고 그 프로파일을 분석하여 상기 배터리 셀에 적층된 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 각각 측정하는 단계; 및 d) 각 분리막 별 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리 측정 방식, 양극 전극과 음극 전극 간 거리 측정 방식 및 복수의 분리막 간 거리 측정 방식 중 하나 이상을 조합한 상호 정렬도 검사에 따른 양불 여부를 판정하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 팔레트로 이송되는 상기 배터리 셀의 X축과 Y축의 측면부를 순차적으로 스캔 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 레이저 센서부의 위치로부터 상기 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 각각 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 각 분리막 별로 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리를 각각 측정 후 상기 배터리 셀의 설계기준을 반영하여 설정된 상/하한 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 양극 전극과 음극 전극 간 거리를 측정하여 해당 설계기준의 상/하한 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 분리막 간의 거리 측정하여 공차 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 불량으로 판정 시 해당 불량이 발생된 검사 단계의 원인을 진단하여 표시부를 통해 표시하고, 해당 불량품을 공정라인으로부터 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리 셀의 전극 정렬도 검사에 레이저 센서를 활용하여 종래 고가의 엑스레이 장비 대비 저비용 및 간단한 구성으로 높은 분석 정확도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 엑스레이 측정 방식에서는 전극간 정렬로 측정만 가능하고 분리막은 투과하는 특성상 측정이 불가능한 문제가 있는 반면, 레이저 센서부를 활용하여 양극, 음극 전극뿐만 아니라 분리막도 측정 가능하므로 보다 분석 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 엑스레이 장비와 주변설비의 복잡한 구성 없이 이차전지의 배터리 셀 생산 공정의 전체 흐름에서 전극 정렬도 검사 장치의 위치만 간단히 변경하여 라인환경에 따라 다양한 공정으로의 변경 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차전지의 배터리 셀 생산 공정의 전체 흐름을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 진공 흡입부를 통한 분리막 처짐 방지 방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 젤리롤 측면부 스캔 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전극과 분리막 간 거리 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전극과 분리막 간 거리 측정 후의 양불 판정 방식을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 젤리롤 검사 공정의 변경 예를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차전지의 배터리 셀 생산 공정의 전체 흐름을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀 생산 공정은 배터리 셀 조립 단계(S1), 팔레트 탑재 단계(S2), 팔레트 이송 단계(S3), 젤리롤 검사 단계(S4) 및 후공정 배출단계(S5)의 공정을 포함한다.
상기 배터리 셀 조립 단계(S1)는 복수로 구성된 양극 전극(1), 음극 전극(2) 및 분리막(3)을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀(4)을 제작한다. 이때, 상기 배터리 셀(4)은 젤리롤, 스택셀, 바이셀, 단위 셀 등의 시트형태로 조립될 수 있으며, 이하 편의상 젤리롤(4)을 가정하여 설명하도록 한다. 또한, 이하 설명의 편의상 양극 전극은 '양극', 음극 전극은 '음극'으로 약칭할 수 있으며 두 전극을 통칭할 때에는 양/음을 특정하지 않고 '전극'이라 명명할 수 있다. 또한, 젤리롤(4)을 이루는 각 단위 구성은 일반적으로 이차전지를 구성하는 모든 부품 시트를 포함할 수 있으며, 적층 수량은 배터리 셀 용량 및 출력 등의 구성조건에 따라 변동될 수 있다.
상기 팔레트 도킹 단계(S2)는 젤리롤(4)의 유동 방지 및 외부 보호를 위해 팔레트(10)에 삽입고정 한다. 이때, 팔레트(10)는 사각형의 상판과 하판 사이에 젤리롤(4)을 탑재하고 모서리부에 형성된 지지기둥을 통해 고정되고 측면의 개방부를 통해 젤리롤(4)의 4개 측면부가 외부로 노출된다.
상기 팔레트 이송 단계(S3)는 컨베이어 형식의 이송장치(20)를 통해 젤리롤(4)이 탑재된 팔레트(10)를 후 공정으로 이송한다. 이때, 상기 이송장치(20)는 컨베이어에 한정되지 않고 LMS(Linear Motion System) 등 다양한 형식의 제품 이송장비를 적용할 수 있다.
상기 젤리롤 검사 단계(S4)는 젤리롤(4)이 탑재된 팔레트(10)를 후 공정으로 이송 중 레이저 센서부(31)를 활용한 전극 정렬도 검사 장치(30)를 통해 젤리롤(4)에 조립된 복수의 양극(1), 음극(2) 및 분리막(3)의 정렬도 검사를 수행한다.
후공정 배출단계(S5)는 상기 정렬도 검사 후 단자 용접 공정으로 팔레트를 이송한다. 여기서 후공정은 상기 정렬도 검사 이후의 공정을 의미하는 것이므로 후술되는 다양한 실시 예의 전극 정렬도 검사 장치(30)의 변경 위치에 따라 후공정의 의미가 변경될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치(30)는 젤리롤(4)이 탑재된 팔레트(10)가 이송되는 이송장치(20)의 주변에 설치되며, 레이저 센서부(31), 진공 흡입부(Suction Unit)(32), 외부인터페이스부(33), 표시부(34) 및 제어부(35)를 포함한다.
레이저 센서부(31)는 이송장치(20)의 양측에 설치되어 팔레트(10)의 개방부를 통해 노출된 젤리롤(4)의 측면부(적층면)를 레이저로 스캔하여 측정된 정보를 제어부(35)로 전달한다. 후술되는 제어부(35)에서는 레이저 센서부(31)에서 측정된 프로파일을 토대로 젤리롤(4)의 측면부에 적층된 양극(1), 음극(2) 및 분리막(3)과의 거리를 각각 파악하고 이를 토대로 상호 정렬상태(정렬도)를 검사할 수 있다.
이러한 레이저 센서부(31)는 레이저 프로파일러, 변위센서, 공초점, CCD 센서 등 상기 측면부의 표면 센싱으로 프로파일 측정이 가능한 모든 종류의 레이저 센서를 포함 할 수 있다. 레이저 센서부(31)는 센서 사양, 요구 정확도, 제품 스펙에 따라 원 포인트(1 point) 스캔, 다중 스캔 혹은 전면적 스캔 등 분석 시퀀스 구성이 가능하다. 또한, 양방향 스캔 및 복수 센서 적용 등 센서부 조합 구성 가능하다.
여기서, 이송장치(20)는 레이저 센서부(31)의 사양에 따라 인라인, 변속 및 정지 후 이동 등의 시퀸스 구성이 가능하며, 레이저 센서부(31)의 전단에 구성된 부코드 리더와 같은 팔레트 인식장치를 더 포함할 수 있다.
진공 흡입부(32)는 레이저 센서부(31)와 동일한 방향에 위치하며 젤리롤(4)의 측면부에 흡입력을 발생하여 분리막(3)의 처짐을 방지한다.
예컨대, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 진공 흡입부를 통한 분리막 처짐 방지 방법을 나타낸다.
먼저, 도 3(A)을 참조하면, 분리막(3)은 재질, 두께, 코팅 여부, 전극과 분리막 간 갭(Gap) 설계에 따라 젤리롤 측면부에 처짐이 발생될 수 있다.
이러한 분리막(3)의 처짐 발생 시 레이저 센서부(31)의 측정 정밀도가 저하되고 분리막 길이의 인식 오류 및 전극 미인식 등의 측정 오류를 유발하는 문제가 있다.
이에, 도 3(B)를 참조하면, 진공 흡입부(32)는 젤리롤(4)의 측면부에 모터의 회전에 따른 흡입력을 발생하여 분리막(3)을 레이저 센서부(31)의 측정방향으로 수평 하게 펴줌으로써 분리막(3)의 처짐에 의한 측정오류를 방지한다. 이때, 도 3(B)에서는 가려져 있으나 레이저 센서부(31)는 진공 흡입부(32)와 나란하게 위치할 수 있다.
진공 흡입부(32)는 국부적인 흡입력을 발생하여 분리막(3)을 펴는 비접촉 방식으로 제품 손상이나 변형 없으며, 가동 직후 레이저 센서부(31)에서 젤리롤(4)을 스캔 하도록 셋팅되어 생산 속도 저하가 없는 이점이 있다.
진공 흡입부(32)는 배터리 셀의 설계 및 레이저 센서부(31)의 주변 환경에 따라 설치되며, 공기 흡입구(32a) 및 유량 조절부(32b)를 포함한다.
공기 흡입구(32a)는 흡입력 발생에 따른 흡입력이 측면부의 특정부위에 집중되지 않도록 나팔관 형태로 구성될 수 있으며, 그 형태는 젤리롤(4)의 측면부와 분리막(3)의 길이에 따라 원형, 타원형, 다각형 및 8자형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
유량 조절부(32b)는 인가되는 제어신호에 따라 흡입 유속 및 유량을 조절할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 외부인터페이스부(33), 표시부(34) 및 제어부(35)는 하나의 컴퓨팅 시스템으로 구성될 수 있다.
외부인터페이스부(33)는 외부의 레이저 센서부(31) 및 진공 흡입부(32)와 연결되어 데이터를 송수신한다. 이밖에 외부인터페이스부(33)는 레이저 센서부(31)의 전단에 구성된 팔레트 인식장치와 통신하여 팔레트(10)가 레이저 센서부(31) 측으로 진입되는 것을 인식할 수 있다.
표시부(34)는 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치(30)의 운용에 따른 각종정보를 운영자에게 표출한다. 예컨대, 표시부(34)는 레이저 센서부(31)에서 스캔된 젤리롤(4)의 측면부 영상과 그 분석결과를 표시할 수 있다.
제어부(35)는 본 발명의 실시 예에 다른 전극 정렬도 검사 장치(30)의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 적어도 하나의 프로그램과 데이터를 메모리에 저장한다.
제어부(35)는 이송장치(20)를 통해 이송되는 팔레트(10)의 진입이 인식되면 진공 흡입부(32)를 작동하고 레이저 센서부(31)를 통해 팔레트(10)에 탑재된 젤리롤(4)의 측면부를 레어저 스캔하여 측정된 영상과 프로파일을 수집한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 젤리롤 측면부 스캔 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전극과 분리막 간 거리 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 기본적으로 레이저 센서부(31)는 고정상태에서 이송되는 팔레트(10)에 노출된 젤리롤(4)의 측면부를 스캔 한다. 다만, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며 팔레트(10)의 이동 속도 조절이 어려운 경우 팔레트(10)의 이송을 일시 정지시키고 레이저 센서부(31)를 수평으로 이동시키면서 상기 젤리롤(4)의 측면부를 스캔 할 수도 있다. 이 때, 레이저 센서부(31)의 이동은 LM 가이드 설비 혹은 레일 이송수단을 통해 구현할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부(35)는 레이저 센서부(31)에 프로파일링 기능이 있는 경우 젤리롤(4)의 측면부 전체를 스캔 후 모델링하여 X축(폭) 방향과 Y축(길이) 방향에 대한 치수를 분석할 수 있다. 또한, 제어부(35)는 레이저 센서부(31)에 프로파일링 기능이 없더라도 원 포인트 이상 스캔 하여 X/Y축 중 하나 이상의 치수 분석을 통한 측정도 가능하다.
이 때, 제어부(35)는 레이저 센서부(31)에서 측정된 프로파일을 토대로 젤리롤(4)의 전극과 분리막 간의 거리를 측정할 수 있다.
가령, 도 5에 표시된 양극(1), 음극(2) 및 분리막(3)간 거리를 나타낸 X축과 Y축 부호를 설명할 때, X1/Y1는 각 축의 양극-음극의 전극 간 거리, X2/Y2는 각 축의 양극-분리막 간 거리, 그리고 X3/Y3는 각 축의 음극-분리막 간 거리를 각각 의미한다.
또한, 표에 구분된 a 내지 f와 같이, 젤리롤(4)의 측면부 두께 방향으로 적층된 전극과 분리막간의 치수를 같이 각각 분석할 수 있다.
제어부(35)는 젤리롤(4)이 진행하는 X축 선단에 위치한 분리막이 레이저 측정 범위에 들어오면 프로파일링 분석을 시작하고, 상기 선단부터 순차적으로 음극, 양극이 레이저로 측정되면 각 부품의 X축 치수를 분석하여 설정된 치수 사양 기준에 따른 양/불 판정을 한다.
또한, 젤리롤(4)이 진행하여 Y축의 양극, 음극 및 분리막이 모두 센싱 범위에 들어오면 Y축 치수 분석하여 설정된 치수 사양 기준에 따른 양/불 판정을 한다.
이러한 분석의 경우 편측 및 양측 측정정보로 모두 사용 할 수 있으며, 양불(양품/불량) 판정 시 제품 사양에 맞춰 기준선, 인접 전극, 분리막 치수 등의 다양한 판정 기준을 설정하여 양불 판정을 수행할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전극과 분리막 간 거리 측정 후의 양불 판정 방식을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제어부(35)는 레이저 센서부(31)에서 측정된 프로파일을 토대로 젤리롤(4)의 전극과 분리막 간의 거리 측정(a ~ f)을 완료하면, 설정된 기준에 따라 다양한 방식으로 양불 판정을 할 수 있다.
첫 번째 방식으로, 제어부(35)는 각 분리막 별로 대면하는 양극과 음극간의 거리를 측정 후 배터리 셀 설계기준을 반영하여 설정된 상/하한 허용범위(±β, γ) 이내인지 여부에 따른 양불 판정을 할 수 있다.
예컨대, 제어부(35)는 젤리롤(4)의 Y축 방향의 측면부를 레이저 센서부(31)로 측정하여 각 시트와의 거리에 따른 프로파일을 스캔라인으로 표시하고, 프로파일 분석을 통해 각 분리막 별로 대면하는 양극과 음극간의 거리(예; a ~ f)를 도출한다(표 참조).
이 때, 제어부(35)는 양극-분리막 간 거리(Y2)를 해당 설계기준 허용범위(±β) 이내 여부에 따른 c, d 값의 양불 판정을 할 수 있다. 또한, 음극-분리막 간 거리(Y3)를 해당 설계기준으로 허용범위(±γ) 이내 여부에 따른 a, b, e, f 값의 양불 판정을 할 수 있다.
두 번째 방식으로, 제어부(35)는 가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 레이저 센서부(31)의 위치를 기준으로 양극-음극 간 거리(Y3)를 측정하여 해당 설계기준의 상/하한 허용범위(±α) 이내인지 여부에 따른 양불 판정을 할 수 있다.
예컨대, 제어부(35)는 가장 긴 분리막의 가상 기준선을 바탕으로 측정된 양극-음극 간 거리(Y3)의 설계기준 허용범위(±α) 이내 여부에 따른 a'(1번 음극- 1번 양극간 거리), b'(1번 양극-2번 음극간 거리)의 양불 판정을 할 수 있다.
이러한 양극-음극간 거리(Y) 측정 방식은 상기 첫 번째 방식에서 전극-분리막 거리 기준(Y1, Y2)으로 검사를 했을 때 양품으로 판정되더라도 각 층별 공차가 누적되어 계단식(사선)으로 적층되는 경우의 전극간의 거리 불량검출이 불가능한 문제를 해소하고 전극간의 거리불량(즉, 전극 정렬도 불량)을 선별할 수 있는 이점이 있다.
세 번째 방식으로, 제어부(35)는 레이저 센서부(31)의 위치를 기준으로 분리막 간의 거리 측정하여 허용범위 내에 정렬된 것으로 젤리롤(4)의 전극 정렬도에 대한 양부 판정을 할 수 있다.
상기 첫 번째 방식의 전극-분리막 거리 기준(Y1, Y2), 상기 두 번째 방식의 양극-음극 간의 거리 기준(Y3)으로 검사 시 양품 수준으로 측정되더라도 전체 젤리롤(4) 유닛에 치우침이 발생될 가능성을 배제할 수 없다. 따라서, 제어부(35)는 분리막 기준으로 젤리롤(4) 유닛의 전체 정렬도를 검사 함으로써 정렬도 검사의 정확도를 향상시킬 수 있다.
마찬가지로, 제어부(35)는 젤리롤(4)의 X축 방향의 측면부에 대해서도 위와 동일한 방식으로 정렬도 검사를 수행할 수 있다.
제어부(35)는 상기 첫 번째 방식 내지 세 번째 방식 중 하나 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
이러한 젤리롤의 정렬도 검사를 위하여 제어부(35)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다. 이러한 전극 정렬도 검사 방법은 아래의 도면을 참조하여 설명하되, 상기 제어부(35)를 포함하는 전극 정렬도 검사 장치(30)를 주체로 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전극 정렬도 검사 장치(30)는 이송장치(20)를 통해 젤리롤(4)이 탑재된 팔레트(10)의 진입이 인식되면(S101), 진공 흡입부(32)를 작동한다(S102).
전극 정렬도 검사 장치(30)는 팔레트(10)의 개방부를 통해 노출된 젤리롤(4)의 측면부를 레이저 센서부(31)를 통해 스캔 한다(S103). 이 때, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 이송되는 젤리롤(4)의 X축과 Y축의 측면부를 순차적으로 스캔 할 수 있으며 후술되는 분석은 X축과 Y축의 측면부에 대하여 동일하게 수행된다.
전극 정렬도 검사 장치(30)는 레이저 센서부(31)의 스캔에 따른 스캔라인을 생성하고 그 프로파일을 분석하여(S104), 젤리롤(4)에 적층된 전극-분리막 간의 거리를 각각 측정한다(S105). 이 때, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 레이저 센서부(31)의 위치로부터 각 전극과 분리막간의 거리를 측정할 수 있다.
전극 정렬도 검사 장치(30)는 상기 전극-분리막 간의 거리 측정이 완료되면 설정된 기준에 따라 다양한 조건의 전극 정렬도 검사를 실시한다.
예컨대, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 각 분리막 별로 대면하는 양극과 음극간의 거리(Y1, Y2)를 각각 측정 후 배터리 셀 설계기준을 반영하여 설정된 공차 허용범위(±β, γ)를 벗어나면 불량으로 판정하고(106; 예), 상기 공차 허용범위 이내이면 양품으로 판정한다(S106; 아니오).
또한, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 상기 S106 단계에서 양품으로 판정 시 가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 레이저 센서부(31)의 위치를 기준으로 양극-음극 간 거리(Y3)를 측정하여 해당 설계기준의 공차 허용범위(±α)를 벗어나면 불량으로 판정하고(107; 예), 상기 공차 허용범위 이내이면 양품으로 판정할 수 있다(S107; 아니오).
또한, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 상기 S107 단계에서 양품으로 판정 시 레이저 센서부(31)의 위치를 기준으로 분리막 간의 거리 측정하여 공차 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하고(108; 예), 상기 공차 허용범위 이내이면 최종 양품으로 판정할 수 있다(S108; 아니오).
이 때, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 최종 양품판정 결과를 표시부(34)를 통해 표시하고(S111), 해당 팔레트(10)를 후 공정의 단자 용접 공정으로 배출한다(S112).
반면, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 상기 S106 내지 S108 단계 중 어느 하나에서 불량으로 판정 시 불량판정 결과와 해당 불량이 발생된 단계의 원인을 진단하여 표시부(34)를 통해 표시하고(S109), 해당 불량품을 라인으로부터 추출(제거) 할 수 있다(S110). 이때, 전극 정렬도 검사 장치(30)는 X축 측면부와 Y축의 측면부의 양부판정 결과를 표시하여 불량원인을 더 진단 할 수 있다.
이상의 전극 정렬도 검사 방법의 설명에서 상기 S106 내지 S108 단계의 검사 순서는 위에 한정되지 않고 변경될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시 예에서는 배터리 셀(4)을 젤리롤 형태로 가정하여 설명하였으나 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며 전극 정렬도 검사 장치(30)는 스택셀, 바이셀, 단위 셀 등의 시트형태로 조립된 배터리 셀의 측면부를 레이저 스캔을 통해 검사할 수 있다.
또한, 도 1에서는 젤리롤(4)을 팔레트에 탑재하여 이송 중 젤리롤 검사를 수행하는 것으로 설명하였으나 다양한 공정 순서로의 변경이 가능하다.
예컨대, 도 8 및 도 9는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 젤리롤 검사 공정의 변경 예를 나타낸다.
먼저, 도 8을 참조하면, 도 1에서 기존 젤리롤(4)을 팔레트(10)에 탑재 후 전극 정렬도를 검사하는 과정을 젤리롤(4)이 조립된 상태에서 선 젤리롤 검사 단계(S1)를 수행 한 이후에 젤리롤(4)을 팔레트(10)에 탑재하는 단계(S2)로 변경할 수 있다. 이 때, 젤리롤(4)은 스택 설비 내 공간 활용하여 세부 공정 전/후 검사 실시 가능한 위치에서 선 검사 후 양품만 이송단계로 배출할 수 있다.
다음, 도 9를 참조하면, 도 1에서는 젤리롤 검사 단계(S4) 이후에 단자용접을 수행하는 후 공정 배출단계(S5)로 설명하였으나 이에 한정되지 않고 젤리롤 팔레트 탑재 단계(S1), 팔레트 이송 단계(S2), 단자 용접 단계(S3)를 먼저 수행한 후 젤리롤 검사 단계(S4)를 실시하고 양품을 후 공정으로 배출하는 단계(S5)를 포함하도록 변경 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리 셀의 전극 정렬도 검사에 레이저 센서를 활용하여 종래 고가의 엑스레이 장비 대비 저비용 및 간단한 구성으로 높은 분석 정확도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 엑스레이 측정 방식에서는 전극간 정렬로 측정만 가능하고 분리막은 투과하는 특성상 측정이 불가능한 문제가 있는 반면, 레이저 센서부를 활용하여 양극, 음극 전극뿐만 아니라 분리막도 측정 가능하므로 보다 분석 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 엑스레이 장비와 주변설비의 복잡한 구성 없이 이차전지의 배터리 셀 생산 공정의 전체 흐름에서 전극 정렬도 검사 장치의 위치만 간단히 변경하여 라인환경에 따라 다양한 공정으로의 변경 적용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 양극 전극 2: 음극 전극
3: 분리막 4: 젤리롤(배터리 셀)
10: 팔레트 20: 이송장치
30: 전극 정렬도 검사 장치 31: 레이저 센서부
32: 진공 흡입부 33: 외부인터페이스부
34: 표시부 35: 제어부

Claims (19)

  1. 복수의 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀의 전극 정렬도 검사 장치에 있어서,
    상기 배터리 셀의 측면부를 레이저로 스캔하여 거리에 따른 프로파일을 측정하는 레이저 센서부;
    상기 배터리 셀의 측면부에 흡입력을 발생하여 상기 분리막의 처짐을 방지하는 진공 흡입부;
    상기 레이저 센서부 및 진공 흡입부와 연결되어 데이터를 송수신하는 외부인터페이스부;
    상기 레이저 센서부에서 측정된 프로파일을 토대로 상기 배터리 셀의 측면부에 적층된 양극 전극, 음극 전극 및 분리막과의 거리를 각각 파악하고, 이를 분석하여 상호 정렬도 검사에 따른 양불 여부를 판정하는 제어부; 및
    상기 레이저 센서부에서 스캔된 측면부 영상과 그 양불 판정결과를 표시하는 표시부;
    를 포함하는 전극 정렬도 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은
    젤리롤, 스택셀, 바이셀 및 단위 셀 중 어느 하나의 형태로 조립되는 전극 정렬도 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 센서부는
    레이저 프로파일러, 변위센서, 공초점, CCD 센서 중 적어도 하나를 포함하여 상기 측면부의 표면 센싱으로 상기 프로파일을 측정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 센서부는
    센서 사양, 요구 정확도, 제품 스펙에 따라 원 포인트(1 point) 스캔, 다중 스캔 혹은 전면적 스캔의 분석 시퀀스 구성이 적용되는 전극 정렬도 검사 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 유동 방지를 위해 삽입 고정하고 수평 이송장치를 통해 이송되는 팔레트를 더 포함하고,
    상기 레이저 센서부는 상기 이송장치의 양측에 설치되어 상기 팔레트의 개방부를 통해 노출된 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저로 스캔 하는 전극 정렬도 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 센서부는
    상기 배터리 셀이 정지된 상태에서 이송수단을 통해 수평으로 이동하면서 배터리셀의 측면부를 스캔 하는 전극 정렬도 검사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진공 흡입부는
    진공압 발생에 따른 흡입력이 상기 측면부의 특정부위에 집중되지 않도록 나팔관 형태의 원형, 타원형 및 다각형으로 구성되는 공기 흡입구; 및
    인가되는 제어신호에 따라 모터를 제어하여 흡입 유속 및 유량을 조절하는 유량 조절부;
    를 포함하는 전극 정렬도 검사 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 셀의 측면부 전체를 스캔 후 모델링하여 X축 방향과 Y축 방향에 대한 치수를 분석하여, 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 측정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    각 분리막 별 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리 측정 방식, 양극 전극과 음극 전극 간 거리 측정 방식 및 복수의 분리막 간 거리 측정 방식 중 하나 이상을 조합하여 설정된 치수 사양 기준에 따른 양불 여부를 판정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 각 분리막 별로 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리를 측정 후 배터리 셀 설계기준을 반영하여 설정된 상/하한 허용범위 이내인지 여부에 따른 양불 여부를 판정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 양극 전극과 음극 전극 간 거리를 측정하여 해당 설계기준의 상/하한 허용범위 이내인지 여부에 따른 양불 여부를 판정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 분리막 간의 거리 측정하여 허용범위 내에 정렬된 것으로 정렬도에 대한 양부 여부를 판정하는 전극 정렬도 검사 장치.
  13. 전극 정렬도 검사 장치가 복수의 양극 전극, 음극 전극 및 분리막을 교차 적층하여 조립된 배터리 셀의 전극 정렬도 검사 방법에 있어서,
    a) 이송장치를 통해 배터리 셀이 탑재된 팔레트의 진입이 인식되면 분리막 처짐 방지를 위한 진공 흡입부를 작동하는 단계;
    b) 상기 팔레트의 개방부를 통해 노출된 상기 배터리 셀의 측면부를 레이저 센서부를 통해 스캔 하는 단계;
    c) 상기 스캔에 따른 스캔라인을 생성하고 그 프로파일을 분석하여 상기 배터리 셀에 적층된 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 각각 측정하는 단계; 및
    d) 각 분리막 별 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리 측정 방식, 양극 전극과 음극 전극 간 거리 측정 방식 및 복수의 분리막 간 거리 측정 방식 중 하나 이상을 조합한 상호 정렬도 검사에 따른 양불 여부를 판정하는 단계;
    를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 팔레트로 이송되는 상기 배터리 셀의 X축과 Y축의 측면부를 순차적으로 스캔 하는 단계를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 레이저 센서부의 위치로부터 상기 양극 전극, 음극 전극 및 분리막 간의 거리를 각각 측정하는 단계를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    각 분리막 별로 대면하는 양극 전극과 음극 전극 간의 거리를 각각 측정 후 상기 배터리 셀의 설계기준을 반영하여 설정된 상/하한 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    가장 긴 분리막으로 생성된 가상 기준선 또는 상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 양극 전극과 음극 전극 간 거리를 측정하여 해당 설계기준의 상/하한 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 레이저 센서부의 위치를 기준으로 상기 분리막 간의 거리 측정하여 공차 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정하는 단계를 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    불량으로 판정 시 해당 불량이 발생된 검사 단계의 원인을 진단하여 표시부를 통해 표시하고, 해당 불량품을 공정라인으로부터 추출하는 단계를 더 포함하는 전극 정렬도 검사 방법.
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