KR20220095294A - 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법에 관한 것으로, 전극, 전극 탭 또는 용접부 상에 발생한 균열의 유무와 위치 등을 용이하게 검출할 수 있다.

Description

전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법{EDDY CURRENT SENSOR FOR DETECTING CRACK OF BATTERY CELL AND METHOD FOR DETECTING CRACK OF BATTERY CELL USING THE SAME}

본 발명은 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품 등에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는데, 대표적으로는 긴 시트형의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막에 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 단위셀들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체 등을 들 수 있다.

또한, 이차전지는 전극조립체가 전지 용기에 수납된 상태에서 액체 전해질인 전해액을 주입하고, 전지 용기를 실링함으로써 제조된다.

위와 같은 전극의 제조공정이나 전극조립체의 조립 공정 중에는, 유지부와 무지부의 연신율 차이, 용접에 의한 물리적 외력 등의 이유로 전극, 탭, 용접부 상에 균열이 발생할 수 있고, 나아가 이 같은 균열은 저전압 불량을 야기한다.

그러나, 전지 셀은 내부에 균열이 발생하는 경우 비전 검사를 통해 불량 선별이 어렵고, 실링이 완료되면 밀봉된 전지 셀 내부의 크랙을 비파괴적으로 검출하기 어려운 문제가 있다.

이에, 전지 셀 내부의 크랙 등의 결함을 비파괴적으로 검출할 수 있는 장치 및 방법에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.

한국 등록특허 제10-2023739호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 전지 셀의 균열을 비파괴적으로 검출할 수 있는 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서는 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일이 권취된 구조의 송신부를 포함하는 제1 프로브; 및 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일이 권취된 구조의 수신부를 포함하는 제2 프로브를 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2 프로브는 서로 결합되되, 제1 및 제2 프로브의 일측 단부로부터 일부 또는 전체 영역이 맞물려 간격이 조절되는 구조를 갖는다.

구체적인 예에서, 상기 제1 프로브는, 일측 단부로부터 제1 프로브의 길이를 따라 홈이 형성된 구조이다. 아울러, 상기 제2 프로브는 제1 프로브의 홈에 일부 또는 전체 영역 삽입되는 구조일 수 있다.

하나의 예에서, 상기 송신부와 수신부 사이 간격은 2 내지 15 mm 범위 내에서 조절 가능한 구조를 갖는다.

하나의 예에서, 상기 송신부 및 수신부는, 각각 송신 코일과 수신 코일이 권취되는 영역에 권취홈이 형성된 구조를 갖는다.

다른 하나의 예에서, 상기 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수(N1)는 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수(N2)의 비율(N1/N2)은 2 내지 5 범위이다. 구체적인 예에서, 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수는 30 내지 200 회 범위이며, 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수는 60 내지 400 회 범위이다.

나아가, 상기 송신 코일이 권취된 송신부의 단면적(S1)과 수신 코일이 권취된 수신부의 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위일 수 있으며, 송신 코일이 권취된 송신부의 폭(S2)과 수신 코일이 권취된 수신부의 폭(R2)의 비율(S2/R2)은 1.5 내지 10 범위일 수 있다.

또 다른 하나의 예에서, 상기 송신 코일과 수신 코일의 직경은 0.01 내지 2 mm 범위이다. 구체적인 예에서, 상기 송신 코일의 직경(D1)과 수신 코일의 직경(D2)의 비율(D1/D2)은 1.5 내지 3.0 범위이다.

아울러, 본 발명은 앞서 설명한 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 제공한다.

본 발명의 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법에 따르면, 전극, 전극 탭 또는 용접부 상에 발생한 균열의 유무와 위치 등을 용이하게 검출할 수 있다.

특히, 상기 와전류 센서는 송신부와 수신부 사이 간격을 용이하게 조절할 수 있어 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 와전류를 이용한 균열 검출 원리를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다.
도 3는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 하는 실시 양태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 여부를 검사한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 종래의 와전류 센서의 모식도이다.
도 8은 종래의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 여부를 검사한 결과를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 제공한다.

통상적으로, 이차전지는 전극조립체가 전지 용기에 수납된 상태에서 액체 전해질인 전해액을 주입하고, 전지 용기를 실링함으로써 제조된다. 위와 같은 전극의 제조공정이나 전극조립체의 조립 공정 중에는, 유지부와 무지부의 연신율 차이, 용접에 의한 물리적 외력 등의 이유로 전극, 탭, 용접부 상에 균열이 발생할 수 있고, 나아가 이 같은 균열은 저전압 불량을 야기한다. 그러나, 전지 셀은 내부에 균열이 발생하는 경우 비전 검사를 통해 불량 선별이 어렵고, 실링이 완료되면 밀봉된 전지 셀 내부의 크랙을 비파괴적으로 검출하기 어려운 문제가 있다. 이에, 본 발명은 전지 셀의 균열을 비파괴적으로 검출할 수 있는 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신부와 수신부 사이 간격을 용이하게 조절할 수 있어 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 전지 셀의 균열 검사를 위한 와전류 센서 및 이를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명은 와전류를 이용한 균열 검에서 출 원리를 이용한 것이다. 도 1은 와전류를 이용한 균열 검출 원리를 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 코일에 교류 전류를 흘려 보내면 코일 주위에 1차 자기장(primary magnetic field)이 발생한다. 상기 1차 자기장을 형성하는 송신 코일을 전도체(conductor)에 가져가면 전자기유도(electromagnetic induction) 현상에 의해 전도체 내에 유도기전력(induced electromotive force)이 발생하고, 이 유도기전력은 렌츠의 법칙(Lenz's law)에 따라 1차 자기장을 방해하는 전류를 흐르게 하는데, 이 전류를 와전류(eddy current) 라고 한다. 상기 와전류에 의해 1차 자기장을 방해하는 2차 자기장(secondary magnetic field)이 발생한다. 이때, 전도체의 상태, 위치, 결함, 재질 등의 변화에 따라 상기 와전류가 변화하며, 이는 2차 자기장의 변화를 가져오며, 2차 자기장의 변화는 수신 코일 측에서 유도기 전력 및 임피던스(impedance)의 변화를 가져온다. 이 변화를 측정하여 기 설정된 유도기전력 또는 임피던스 변화값과 대조하거나 통계적으로 구해진 소정의 판별함수에 상기 변화값을 대입하여 판별값을 구하면 전도체, 예컨대 전지 셀 내부의 결함 여부를 판단할 수 있다.

본 발명에서, 전지 셀 내부의 균열이란, 전극, 전극 탭, 용접부 상에 발생한 균열(Crack)을 의미한다. 구체적인 예에서, 상기 전극의 균열이란, 집전체 상에 전극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 전극 합제가 도포된 후, 건조 및 압연 등의 전극 공정을 거쳐 제조된 전극이, 상기 전극 공정 중, 집전체와 전극 합제의 연신율 차이 등의 원인으로 발생한 집전체 상의 균열을 의미한다. 아울러, 전극 탭의 균열이란 유지부와 무지부 사이의 연신율 차이로 발생한 전극 너울, 경계부의 주름에 응력이 쌓여 용접 시 진동이나 외력으로 인해 발생한 균열일 수 있다. 나아가, 용접부 상의 균열이란, 용접 시 용접이 충분치 못해 생긴 미용접부나, 용접 공정 중 발생한 균열일 수 있다.

상기 열거한 전극, 전극 탭, 용접부 상에 발생한 균열들은, 전극조립체를 라미네이트 시트와 같은 전지케이스로 밀봉하는 실링 공정을 거치면, 전지케이스에 의해 전지 셀 내부가 가려져 있으므로, 전지 셀의 외부에서 관찰할 수 없는 균열들이다. 그러나, 본 발명의 와전류를 이용한 균열 검출 장치를 이용하면, 상기 균열들을 검출할 수 있는 효과가 있다. 한편, 본 발명에 따른 와전류 센서로 전지 셀의 임피던스 값을 측정하고, 와전류 센서에서 측정된 임피던스 값을 판별 함수에 입력하여 신속하고 정확하게 전지 금속부의 상태를 검사할 수 있다.

하나의 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서는 전지 셀의 균열 검사를 위한 것으로, 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일이 권취된 구조의 송신부를 포함하는 제1 프로브; 및 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일이 권취된 구조의 수신부를 포함하는 제2 프로브를 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2 프로브는 서로 결합되되, 제1 및 제2 프로브의 일측 단부로부터 일부 또는 전체 영역이 맞물려 간격이 조절되는 구조를 갖는다.

하나의 예에서, 상기 제2 프로브는 제1 프로브의 하단에 상하 슬라이딩 가능하게 설치될 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 제1 프로브는 일측 단부로부터 제1 프로브의 길이를 따라 홈이 형성된 구조일 수 있다. 그리고, 상기 제2 프로브는 제1 프로브에 형성된 홈에 일부 또는 전체 영역이 삽입되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 제2 프로브의 둘레는 제1 프로브에 형성된 홈의 내부 둘레와 대응하도록 형성될 수 있다. 다만, 제1 프로브의 홈은 제2 프로브의 둘레보다는 크게 형성된 구조인 것이 바람직하다. 즉, 제2 프로브는 제1 프로브의 홈에 슬라이딩 가능하도록 설치된 구조를 갖는다.

한편, 제1 프로브의 홈에는 제1 프로브의 길이를 따라 결합공이 형성된 구조일 수 있으며, 제2 프로브의 후단에는 상기 제1 프로브의 결합공에 체결되는 결합돌기가 형성된 구조일 수 있다. 이는, 상기 제2 프로브가 제1 프로브로부터 완전히 탈거되는 것을 방지하기 위함이다.

본 발명에 따른 와전류 센서에서 제2 프로브는 제1 프로브의 홈에 슬라이딩 가능하도록 설치된 구조에 의하여 송신부와 수신부 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 송신부와 수신부사이 간격은 2 내지 15 mm 범위 내에서 용이하게 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 송신부와 수신부 사이 간격은 2 내지 15 mm 범위, 5 내지 14 mm 범위, 8 내지 12 mm 범위, 또는 평균 10 mm 일 수 있다. 만일, 상기 송신부와 수신부 사이 간격이 2 mm 미만인 경우, 송신 코일 주변에서 발생하는 1차 자기장에 의한 영향이 평가 대상체에서 발생된 2차 자기장에 의한 영향 대비 커서 전지 셀의 균열에 의해 발생하는 신호의 차이를 구별하기 어려워 검사의 정확도가 낮아질 수 있다. 여기서, 1차 자기장에 의한 영향은 상호 유도 현상으로 인해 송신 코일이 수신 코일에 끼치는 영향을 의미하며, 평가 대상체에서 발생된 2차 자기장에 의한 영향은 송신 코일에서 발생한 1차 자기장으로 인해 평가 대상체에 와전류가 형성되고, 상기 와전류로 인해 발생한 2차 자기장이 수신 코일에 미치는 영향을 의미한다. 아울러, 송신부와 수신부 사이 간격이 15 mm 를 초과하는 경우, 송신부와 평가 대상체 사이의 거리가 너무 멀어져서 상시 송신부의 자기장이 평가 대상체에 도달하지 못해서, 상기 평가 대상체에서 발생하는 신호를 수신하기 어려울 수 있다. 따라서, 송신부와 수신부 사이 간격은 상술한 범위가 바람직하다.

한편, 상기 송신부와 수신부는 서로 동일 평면상에 배치될 수 있으나, 이러한 경우, 송신 코일에서 발생하는 자기장과 수신 코일에서 수신되는 자기장이 서로 간섭이 발생할 수 있어 송신부와 수신부는 상술한 범위로 이격되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신부와 수신부 간격을 상기 범위 내에서 조절하여, 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있다.

다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서에서 송신부와 수신부는, 각각 송신 코일과 수신 코일이 권취되는 영역에 권취홈이 형성된 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 권취홈은 각각 제1 및 제2 프로브의 송신부와 수신부의 외주면을 따라서 형성된 구조일 수 있다. 상기 권취홈에 의해서, 제1 및 제2 프로브에 송신 코일과 수신 코일이 보다 안정적으로 권취될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 와전류 센서에서, 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수(N1)는 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수(N2)의 비율(N1/N2)은 2 내지 5 범위를 갖을 수 있다. 또는 상기 비율(N1/N2)은 3 내지 4 범위, 3.5 내지 3.8 범위, 또는 약 3.75 일 수 있다.

구체적인 예에서, 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수(N2)는 30 내지 200 회 범위이며, 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수(N1)는 60 내지 400 회 범위일 수 있다. 상기 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수(N2)는 30 내지 180 회 범위, 40 내지 160 회 범위, 50 내지 140 회 범위, 60 내지 120 회 범위, 70 내지 100 회 범위, 또는 약 80 회일 수 있다. 아울러, 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수(N2)는 60 내지 400 회 범위, 120 내지 380 회 범위, 180 내지 360 회 범위, 240 내지 340 회 범위, 280 내지 320 회 범위, 또는 약 300 회일 수 있다. 예를 들어, 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수는 80회 이며, 수신부에 권취된 수신 코일의 권선수는 300회 일 수 있다.

본 발명에 따른 와전류 센서는 송신부와 수신부에 각각 송신 코일과 수신 코일이 상기와 같이 권취되어 있어, 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있다. 구체적으로, 상기 송신 코일 대비 수신 코일이 더 많이 권취되어 있어, 전지 셀 내에서 발생되는 와전류 신호를 효과적으로 수신할 수 있다. 한편, 수신 코일과 연결되는 교류 회로의 임피던스는 송신 코일에서 발생하는 1차 자기장과 평가 대상체에서 유도된 와전류에 의한 2차 자기장에 의해 좌우되는데, 와전류에 의한 2차 자기장의 세기는 송신 코일에서 발생하는 1차 자기장의 세기 대비 작을 수 있다. 따라서, 와전류 신호를 효과적으로 수신하기 위해서는 송신 코일의 자기장의 세기를 작게할 필요가 있다. 이에 따라 송신 코일의 권선수는 수신 코일 권선수 대비 작을 수 있다.

또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서는, 송신 코일이 권취된 송신부의 단면적(S1)이 수신 코일이 권취된 수신부의 단면적(R1) 보다 큰 구조를 갖는다. 여기서, 송신부의 단면적(S1)은 송신 코일이 권취된 영역의 제1 프로브의 단면적을 의미하며, 수신부의 단면적은 수신 코일이 권취된 영역의 제2 프로브의 단면적을 의미한다. 특히, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신 코일이 권취된 송신부의 단면적(S1)이 수신 코일이 권취된 수신부의 단면적(R1) 보다 큰 구조를 갖고 있어, 송신 코일에서 발생하는 자기장의 면적과 수신 코일에서 수신되는 자기장의 면적이 다르게 설정된다. 구체적인 예에서, 송신 코일에서는 1차 자기장을 강하고 균일하게 발생시킬 수 있으며, 수신 코일에서는 상기 송신 코일에서 발생하는 1차 자기장과는 다른 면적의 자기장을 수신할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 와전류 센서는 평가 대상이 되는 전지 셀 내부의 균열 검사의 정확도 등을 높일 수 있다.

구체적인 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신 코일이 권취된 송신부의 단면적(S1)과 수신 코일이 권취된 수신부의 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위이다. 구체적으로, 상기 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위, 2 내지 8 범위, 3 내지 6 범위, 3.5 내지 5 범위 일 수 있으며, 예를 들어, 상기 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 약 4 일 수 있다.

만일, 송신부의 단면적(S1)이 수신부의 단면적(R1) 대비 1.5배 미만인 경우에는 송신부와 수신부의 단면적의 크기가 서로 비슷하여 송신 코일에서 발생하는 자기장의 면적과 수신 코일에서 수신되는 자기장의 면적이 서로 유사하다. 이에 따라, 정상과 불량 신호의 구분이 용이하지 않을 수 있다. 즉, 전지 셀 내부의 균열을 검출하기 어려울 수 있다. 아울러, 송신부의 단면적(S1)이 수신부의 단면적(R1) 대비 10배를 초과하는 경우, 송신부의 단면적 대비 수신부의 단면적이 너무 작아서, 평가 대상이 되는 전지 셀에서 유도된 와전류에 의한 신호 변화 등을 검출하기 어려울 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신 코일이 권취된 송신부의 폭(S2)과 수신 코일이 권취된 수신부의 폭(R2)의 비율(S2/R2)은 1.5 내지 10 범위일 수 있다. 구체적으로, 상기 송신부의 폭(S2)과 수신부의 폭(R2)의 비율(S2/R2)의 1.6~8 범위, 1.7~6 범위, 1.8~4 범위, 1.9~3 범위일 수 있으며, 예를 들어, 상기 폭의 비율(S2/R2)은 2 일 수 있다. 이때, 상기 송신부의 폭(S2)은 10 내지 100 mm 범위를 갖는 구조이다. 구체적으로, 상기 송신부의 폭(S2)은 평가 대상이 되는 전지 셀의 평가 영역의 길이(L)와 대응되는 구조를 갖는다. 이는, 평가 영역에 와전류를 용이하게 유도 시키기 위함이다. 만일, 송신부의 폭(S2)이 수신부의 폭(R2) 대비 1.5배 미만인 경우에는 송신부와 수신부의 폭의 길이가 서로 비슷하여 송신 코일에서 발생하는 자기장의 면적과 수신 코일에서 수신되는 자기장의 면적이 서로 유사하다. 이에 따라, 정상과 불량 신호의 구분이 용이하지 않을 수 있다. 즉, 전지 셀 내부의 균열을 검출하기 어려울 수 있다. 아울러, 송신부의 폭(S2)이 수신부의 폭(R2) 대비 10배를 초과하는 경우, 송신부의 폭(S2) 대비 수신부의 폭(R2)이 너무 작아서, 평가 대상이 되는 전지 셀에서 유도된 와전류에 의한 신호 변화 등을 검출하기 어려울 수 있다.

또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 와전류 센서에서, 송신부의 폭(S2)은 20 내지 150 mm 범위를 갖는 구조이다. 예를 들면, 상기 송신부의 폭(S2)은 평가 대상이 되는 전지 셀의 평가 영역의 길이(L)와 대응되는 구조를 갖는다. 이는, 평가 영역에 와전류를 용이하게 유도 시키기 위함이다.

구체적인 예에서, 송신 코일이 권취된 송신부의 폭(S2)은 20 내지 150 mm 범위, 35 내지 130 mm 범위, 50 내지 110 mm 범위, 65 내지 100 mm 범위, 75 내지 95 mm 범위 또는 80 mm 일 수 있다. 아울러, 수신 코일이 권취된 수신부의 폭(R2)은 5 내지 100 mm 범위, 10 내지 80 mm 범위, 15 내지 60 mm 범위, 20 내지 50 mm 범위, 30 내지 45 mm 범위 또는 40 mm 일 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신부의 폭(S2)은 80 mm 이며, 수신부의 폭(R2)은 40 mm 인 구조이다. 한편, 폭의 길이가 80 mm 인 전극의 균열 여부를 평가할 때, 송신부의 폭(S2)이 80 mm 인 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 수행할 수 있다. 한편, 상기 송신부의 폭(S2)이 20 mm 미만인 경우, 상기 송신부의 폭(S2)이 평가 대상체의 길이 보다 짧을 수 있어, 평가 대상 영역 전체에 자기장을 발생시킬 수 없으며, 송신부의 폭(S2)이 100 mm 를 초과하는 경우에는 상기 송신부의 폭(S2)이 평가 대상체의 길이 대비 너무 커서 검사의 정확도가 낮을 수 있다.

또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서는 송신 코일이 권취된 구조의 송신부와 수신 코일이 권취된 구조의 수신부를 포함한다. 이때, 송신 코일과 수신 코일의 직경은 0.01 내지 2 mm 범위를 갖는다. 구체적인 예에서, 상기 송신 코일의 직경(D1)과 수신 코일의 직경(D2)의 비율(D1/D2)은 1.5 내지 5.0 범위이다.

구체적인 예에서, 송신 코일의 직경은 수신 코일의 직경보다 큰 구조를 갖는다. 이는 평가 대상이 되는 전지 셀에 보다 강하고, 균일한 자기장을 발생시키기 위함이다. 구체적인 예에서, 상기 송신 코일의 직경은 0.05 내지 1.5 mm 범위, 0.08 내지 1.3 mm 범위, 0.1 내지 1.0 mm 범위, 0.12 내지 0.8 mm 범위, 0.15 내지 0.5 mm 범위, 0.18 내지 0.3 mm 범위이다. 예를 들어, 상기 송신 코일의 직경은 약 0.2 mm 이다. 아울러, 상기 수신 코일의 직경은 0.01 내지 1.5 mm 범위, 0.02 내지 1.0 mm 범위, 0.03 내지 0.5 mm 범위, 0.04 내지 0.2 mm 범위, 0.05 내지 0.1 mm 범위, 0.06 내지 0.08 mm 범위이다. 예를 들어, 상기 수신 코일의 직경은 약 0.07 mm 이다. 한편, 송신 코일과 수신 코일의 직경이 상기 범위를 벗어나는 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도 시킬 수 있는 충분한 자기장이 발생하지 않을 수 있다.

아울러, 본 발명은 앞서 설명한 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 방법은 와전류 센서를 이용하여 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시킨 후 유도된 와전류에 의한 신호변화를 감지하는 단계; 상기 감지된 신호를 진폭 및 위상차의 분포에 기반하여 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 신호변화를 감지하는 단계는 제1 및 제2 프로브의 간격을 조절하는 과정을 더 포함한다. 이는 평가 대상이 되는 전지 셀의 면적 또는 종류 등에 따라 최적의 신호를 찾기 위함이다.

나아가, 상기 전지 셀의 균열 여부를 판단하는 단계는 정상의 전지 셀의 기준 신호를 기반으로 평가 대상이 되는 전지 셀의 측정 신호가 상기 기준 신호의 범위를 벗어나는 경우에는 불량으로 판정할 수 있다.

한편, 상기 평가 대상이 되는 전지 셀은 파우치 타입의 단위 셀일 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 파우치 타입의 전지 셀은 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장된 구조를 갖는다. 이때, 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.

본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 방법은 전극, 전극탭 또는 용접부 상에 발생한 균열의 유무와 위치 등을 용이하게 검출할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 와전류를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법은 서로 나란하게 배열되는 두 개의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서의 다양한 형태에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

(제1 실시 형태)

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 와전류 센서(100)는 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 것으로, 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일(1111)이 권취된 구조의 송신부(111)를 포함하는 제1 프로브(110); 및 송신 코일(1111)에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일(1211)이 권취된 구조의 수신부(121)를 포함하는 제2 프로브(120)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 송신 코일(1111)에 교류 전류가 가해지면 송신 코일 주위에 1차 자기장이 형성된다. 도면에서, 코일은 스프링 형상이나 이에 한정되는 것은 아니다. 1차 자기장이 형성되는 코일을 검사대상 물체인 전지 셀에 가져가면, 전자기유도 현상에 의해 전지 셀에 유도기전력이 발생하여 1차 자기장을 방해하는 와전류가 흐르게 된다. 이 같이 송신 코일(1111)은 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도한다.

그리고, 수신 코일(1211)은 송신 코일(1111)의 하부에 위치하되, 송신 코일(1111) 대비 검사대상 물체인 전지 셀과 더 가깝게 위치한다. 수신 코일(1211)은 송신 코일(1111)에 의해 유도된 와전류 신호를 감지하는 기능을 한다. 상기 수신 코일(1211)은 송신 코일(1111)에 의해 유도된 와전류가 검사 대상 물체인 전지 셀의 상태, 위치, 결함, 재질과 같은 요인들로 인하여 형성, 반사, 흡수 등의 감쇠된 와전류 신호를 감지한다. 따라서, 전지 셀의 내부에 균열이 있을 경우, 와전류 신호의 변화가 생기게 되고, 수신 코일(1211)은 와전류 신호를 감지하여 이를 전지 셀의 균열 검출 시스템의 신호 수신부와 데이터 처리부에 전송하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 와전류 센서(100)는 제1 및 제2 프로브(110, 120)의 일측 단부로부터 일부 또는 전체 영역이 맞물려 간격이 조절되어, 송신부(111)와 수신부(121) 사이 간격이 조절되는 구조를 갖는다.

상기 제2 프로브(120)는 제1 프로브(110)의 하단에 상하 슬라이딩 가능하게 설치된다. 구체적으로, 상기 제1 프로브(110)는 일측 단부로부터 제1 프로브(110)의 길이를 따라 홈(112)이 형성된 구조이다. 그리고, 상기 제2 프로브(120)는 제1 프로브(110)에 형성된 홈에 일부 또는 전체 영역이 삽입되는 구조를 갖는다. 상기 제2 프로브(120)의 둘레는 제1 프로브(110)에 형성된 홈(112)의 내부 둘레와 대응하도록 형성된다. 다만, 제1 프로브(110)의 홈(112)은 제2 프로브(120)의 둘레보다는 크게 형성된 구조이다.

즉, 제2 프로브(120)는 제1 프로브(110)의 홈(112)에 슬라이딩 가능하도록 설치된 구조를 갖는다. 이에, 본 발명에 따른 와전류 센서(100)는 송신부(111)와 수신부(121) 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 송신부(111)와 수신부(121) 사이 간격은 2 내지 15 mm 범위 내에서 용이하게 조절할 수 있다.

한편, 상기 송신부(111)와 수신부(121)는 서로 동일 평면상에 배치될 수 있으나, 이러한 경우, 송신 코일(1111)에서 발생하는 자기장과 수신 코일(1211)에서 수신되는 자기장이 서로 간섭이 발생할 수 있어 송신부(111)와 수신부(121)는 상술한 범위로 이격되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 와전류 센서(100)는 송신부(111)와 수신부(121) 간격을 상기 범위 내에서 조절하여, 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 3는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 와전류 센서(200)는 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 것으로, 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일(2111)이 권취된 구조의 송신부(211)를 포함하는 제1 프로브(210); 및 송신 코일(2111)에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일(2211)이 권취된 구조의 수신부(221)를 포함하는 제2 프로브(220)를 포함하여 구성된다.

상기 송신부(211)와 수신부(221)는, 각각 송신 코일(2111)과 수신 코일(2211)이 권취되는 영역에 권취홈(213, 223)이 형성된 구조이다. 구체적으로, 상기 권취홈(213, 223)은 각각 프로브(210, 220)의 송신부(211)와 수신부(221)의 외주면을 따라서 형성된 구조이다.

이때, 상기 송신부(211)와 수신부(221)는 사이 간격(D1)은 2 내지 12 mm 범위 내에서 용이하게 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 송신부(211)와 수신부(221)는 약 10 mm 간격으로 조절할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 와전류 센서(200)에서, 수신부(221)에 권취된 수신 코일(2211)의 권선수(N1)는 송신부(211)에 권취된 송신 코일(2111)의 권선수(N2)의 비율(N1/N2)은 2 내지 5 범위를 갖는다. 구체적으로, 송신부(211)에 권취된 송신 코일(2111)의 권선수(N2)는 30 내지 200 회 범위이며, 수신부(221)에 권취된 수신 코일(2211)의 권선수(N1)는 60 내지 400 회 범위이다. 예를 들어, 송신부(211)에 권취된 송신 코일(2111)의 권선수는 80회 이며, 수신부(221)에 권취된 수신 코일(2211)의 권선수는 300회 이다.

본 발명에 따른 와전류 센서(200)는 송신부(211)와 수신부(221)에 각각 송신 코일(2111)과 수신 코일(2211)이 상기와 같이 권취되어 있어, 평가 대상이 되는 전지 셀의 균열 검사에 대한 정확도 등을 높일 수 있다. 구체적으로, 상기 송신 코일(2111) 대비 수신 코일(2211)이 더 많이 권취되어 있어, 전지 셀 내에서 발생되는 와전류 신호를 효과적으로 수신할 수 있는 효과가 있다.

한편, 각 구성에 대한 설명은 전술 하였으며, 각 구성의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

(제3 실시 형태)

도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 와전류 센서의 모식도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 와전류 센서(300)는 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 것으로, 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일(3111)이 권취된 구조의 송신부(311)를 포함하는 제1 프로브(310); 및 송신 코일(3111)에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일(3211)이 권취된 구조의 수신부(321)를 포함하는 제2 프로브(320)를 포함하여 구성된다.

한편, 본 발명에 따른 와전류 센서(300)에서, 송신 코일(3111)이 권취된 송신부(311)의 단면적(S1)은, 수신 코일(3211)이 권취된 수신부(321)의 단면적(R1) 보다 큰 구조를 갖는다. 여기서, 송신부(311)의 단면적(S1)은 송신 코일(3111)이 권취된 영역의 제1 프로브(310)의 단면적을 의미하며, 수신부(321)의 단면적은 수신 코일(3211)이 권취된 영역의 제2 프로브(320)의 단면적을 의미한다.

특히, 본 발명에 따른 와전류 센서(300)는 송신 코일(3111)이 권취된 송신부(311)의 단면적(S1)이 수신 코일(3211)이 권취된 수신부(321)의 단면적(R1) 보다 큰 구조를 갖고 있어, 송신 코일(3111)에서 발생하는 자기장의 면적과 수신 코일(3211)에서 수신되는 자기장의 면적이 다르게 설정된다. 구체적으로, 송신 코일(3111)에서는 1차 자기장을 강하고 균일하게 발생시킬 수 있으며, 수신 코일(3211)에서는 상기 송신 코일(3111)에서 발생하는 1차 자기장과는 다른 면적의 자기장을 수신할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 와전류 센서(300)는 평가 대상이 되는 전지 셀 내부의 균열 검사의 정확도 등을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 와전류 센서(300)는 송신 코일(3111)이 권취된 송신부(311)의 단면적(S1)과 수신 코일(3211)이 권취된 수신부(321)의 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위이다. 예를 들어, 상기 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 약 4 이다.

아울러, 본 발명에 따른 와전류 센서(300)는 송신 코일(3111)이 권취된 송신부(311)의 폭(S2)과 수신 코일(3211)이 권취된 수신부(321)의 폭(R2)의 비율(S2/R2)은 1.5 내지 10 범위이다. 예를 들어, 폭(R2)의 비율(S2/R2)은 2 이다. 이때, 상기 송신부의 폭(S2)은 10 내지 100 mm 범위를 갖는 구조이다. 구체적으로, 상기 송신부의 폭(S2)은 평가 대상이 되는 전지 셀의 평가 영역의 길이(L)와 대응되는 구조를 갖는다. 이는, 평가 영역에 와전류를 용이하게 유도 시키기 위함이다. 보다 상세하게는, 본 발명에 따른 와전류 센서(300)는 송신부(311)의 폭(S2)은 80 mm 이며, 수신부(321)의 폭(R2)은 40 mm 인 구조이다.

한편, 각 구성에 대한 설명은 전술 하였으며, 각 구성의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 하는 실시 양태를 보여주는 도면이다. 상기 와전류 센서(300)를 이용하여 전지 셀(1) 내부의 균열 검사를 실시하였다. 구체적으로, 상기 전지 셀의 균열 검사에서 사용한 와전류 센서(300)의 송신부(311)는 0.2 mm 직경의 송신 코일(3111)이 80 회 권취되어 있는 구조이며, 수신부(321)는 0.07 mm 직경의 수신 코일(3211)이 300 회 권취되어 있는 구조이다. 아울러, 상기 송신부(311)의 폭(S2)은 80 mm 이며, 수신부(321)의 폭(R2)은 40 mm 였다.

상기 와전류 센서(300)의 송신부(311)와 수신부(321) 사이 간격은 약 10 mm 로 조절하였다. 그리고, 상기 와전류 센서(300)를 측정 대상이 되는 전지 셀(1)과 약 1.5 cm 간격으로 이격시킨 후 상기 와전류 센서(300)에 교류전원을 인가하여 전지 셀(1) 내부의 균열 검사를 실시하였다. 그리고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 여부를 검사한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 x축은 정상의 전지 셀(1)과 비정상 전지 셀(2, 3)을 나타낸 것이며, y축은 와전류 센서의 저항(resistance) 값을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 정상의 전지 셀과 균열이 발생한 불량 전지 셀의 저항 값이 확연히 다름을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서는 전지 셀 내부의 균열 검사시 검사의 정확도가 증가한 것을 확인할 수 있다.

(제1 비교 형태)

도 7은 종래의 와전류 센서의 모식도이다.

도 7을 참조하면, 종류의 와전류 센서(10)는 프로브(11); 프로브(11)에 송신 코일(13)이 권취된 구조의 송신부(12)와 수신 코일(미도시)이 권취된 구조의 수신부(미도시)를 포함한다. 이때, 종래의 와전류 센서(10)는 송신부(12)와 수신부의 간격이 0이다. 구체적으로, 송신부(12)를 포함하는 프로브(11) 내부에 상기 수신부가 매입된 구조를 갖는다. 한편, 송신부(12)와 수신부의 구성은 제3 실시 형태와 동일하게 하였다.

그리고, 종래의 와전류 센서(10)를 이용하여 제3 실시 형태와 동일한 방법으로 전지 셀 내부의 균열 검사를 실시하였다. 그리고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8은 종래의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 여부를 검사한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 정상의 전지 셀과 균열이 발생한 불량 전지 셀의 저항 값이 거의 유사한 것을 볼 수 있다. 이는, 송신 코일에서 나오는 자기장의 크기가 커서 수신 코일은 평가 대상 전지 셀에서의 와전류 신호를 수신하기 어려운 것으로 보인다. 이에 따라, 종래의 와전류 센서는 정상과 불량 신호의 구분이 용이하지 않을 것으로 판단된다.

이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1: 전지 셀
10: 와전류 센서
11: 프로브
12: 송신부
13: 송신 코일
100, 200, 300: 와전류 센서
110, 210, 310: 제1 프로브
111, 211, 311: 송신부
1111, 2111, 3111: 송신 코일
112, 212: 홈
213: 권취홈
120, 220, 320: 제2 프로브
121, 221, 321: 수신부
1211, 2211, 3211: 수신 코일
223: 권취홈

Claims (11)

1. 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일이 권취된 구조의 송신부를 포함하는 제1 프로브; 및
   송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 신호 변화를 감지하는 수신 코일이 권취된 구조의 수신부를 포함하는 제2 프로브를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 프로브는 서로 결합되되, 제1 및 제2 프로브의 일측 단부로부터 일부 또는 전체 영역이 맞물려 간격이 조절되는 구조를 갖는 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   제1 프로브는, 일측 단부로부터 제1 프로브의 길이를 따라 홈이 형성된 구조이며,
   상기 제2 프로브는 제1 프로브의 홈에 일부 또는 전체 영역 삽입되는 구조를 갖는 와전류 센서.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   송신부와 수신부 사이 간격은 2 내지 15 mm 범위 내에서 조절 가능한 구조를 갖는 와전류 센서.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   송신부 및 수신부는, 각각 송신 코일과 수신 코일이 권취되는 영역에 권취홈이 형성된 구조를 갖는 와전류 센서.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   수신부에 권취된 수신 코일의 권선수(N1)는 송신부에 권취된 송신 코일의 권선수(N2)의 비율(N1/N2)은 2 내지 5 범위인 와전류 센서.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   송신부에 권취된 송신 코일의 권선수는 30 내지 200 회 범위이며,
   수신부에 권취된 수신 코일의 권선수는 60 내지 400 회 범위인 와전류 센서.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   송신 코일이 권취된 송신부의 단면적(S1)과 수신 코일이 권취된 수신부의 단면적(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위인 것을 특징으로 하는 와전류 센서.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   송신 코일이 권취된 송신부의 폭(S2)과 수신 코일이 권취된 수신부의 폭(R2)의 비율(S2/R2)은 1.5 내지 10 범위인 것을 특징으로 하는 와전류 센서.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   송신 코일이 권취된 송신부의 폭(S2)은 20 내지 150 mm 범위이며, 수신 코일이 권취된 수신부의 폭(R2)은 5 내지 100 mm 범위인 와전류 센서.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    송신 코일과 수신 코일의 직경은 0.01 내지 2 mm 범위인 와전류 센서.
    
11. 제 1 항에 따른 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 방법.

Images