KR20220139188A - 분리막 커팅 장치 및 이를 포함하는 전극셀 제조 시스템 - Google Patents

분리막 커팅 장치 및 이를 포함하는 전극셀 제조 시스템 Download PDF

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KR20220139188A
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이범석
김태수
이혁수
박정현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 분리막 커팅 장치는, 적어도 하나의 전극이 라미네이션 된 시트 형태의 분리막을 커팅할 수 있다. 상기 분리막 커팅 장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너; 및 상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 상기 분리막을 향해 반사시키고 상기 스캐너의 측방에 위치한 엔드 미러를 포함할 수 있다.

Description

분리막 커팅 장치 및 이를 포함하는 전극셀 제조 시스템{SEPARATOR CUTTING APPARATUS AND ELECTRODE ASSEMBLY MANUFACTURING SYSTEM INCLUDING OF THE SAME}
본 발명은, 전극 적층체에 포함된 시트 형상의 분리막을 커팅하는 분리막 커팅 장치 및 이를 포함하는 전극셀 제조 시스템에 관한 것이다.
근래에는 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 전기 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전지 등의 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 전지를 사용하는 전자 모바일 기기와 전기 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극셀이 어떠한 구조로 이루어지는지에 따라 분류될 수 있다. 스택형은 일정 크기로 절단된 전극들 사이에 분리막을 개재하는 상태로 순차적으로 적층한 구조이고, 권취형은 절단되지 않은 전극들 사이에 분리막을 개재한 상태로 동시에 감아서 적층한 구조이다.
특히, 스택형의 이차전지를 제조하는 방법은, 시트 형상을 갖는 상하 분리막 사이에 전극을 일정 간격으로 제공하여 전극 적층체를 형성하는 단계와, 상기 전극 적층체의 상하 분리막 중에서 전극이 미 적층된 부분을 폭 방향으로 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 종래에는 나이프 등을 사용하여 상하 분리막을 기계적으로 절단하였다. 그러나, 이러한 방식으로는 폭이 넓거나 이동 속도가 빠른 분리막을 신속하고 정밀하게 절단하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 전극 적층체의 분리막을 신속하고 정밀하게 절단할 수 있는 분리막 커팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 분리막 상측의 상대적으로 좁은 공간에 설치가 가능한 분리막 커팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또다른 과제는, 상기 분리막 커팅 장치를 포함하는 전극셀 제조 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 분리막 커팅 장치는, 적어도 하나의 전극이 라미네이션 된 시트 형태의 분리막을 커팅할 수 있다. 상기 분리막 커팅 장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너; 및 상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 상기 분리막을 향해 반사시키고 상기 스캐너의 측방에 위치한 엔드 미러를 포함할 수 있다.
상기 분리막 상에 집속되는 레이저빔의 초점 스폿은, 상기 스캐너에 의해 상기 분리막 상의 가공 영역 내에서 가변되고, 상기 엔드 미러의 면적은, 상기 가공 영역의 면적의 절반 이하일 수 있다.
상기 분리막을 기준으로, 상기 엔드 미러의 높이는 상기 스캐너의 높이보다 높을 수 있다.
상기 스캐너는, 제1회전축을 중심으로 회전하는 제1스캐닝 미러; 상기 제1회전축과 직교하는 제2회전축을 중심으로 회전하고, 상기 제1스캐닝 미러에서 반사된 레이저 빔을 반사하며, 상기 분리막을 기준으로 상기 제1스캐닝 미러보다 높은 위치에 배치된 제2스캐닝 미러; 및 상기 제2스캐닝 미러에서 반사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 분리막을 기준으로, 상기 집광 렌즈 및 엔드 미러의 높이는 상기 제1스캐닝 미러의 높이보다 높을 수 있다.
상기 집광 렌즈는, 수평 방향에 대해 상기 엔드 미러와 상기 제2스캐닝 미러의 사이에 위치할 수 있다.
상기 레이저 발진기는 파장 대역 9 내지 10.6마이크로 미터의 레이저 빔을 방출할 수 있다.
상기 엔드 미러는, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
상기 엔드 미러에는, 공냉 또는 수냉 방식으로 냉각되는 히트 싱크가 구비될 수 있다.
상기 엔드 미러는, 미러 바디; 및 상기 미러 바디에 코팅되고 레이저 빔을 반사하며 상기 미러 바디보다 높은 반사도를 갖는 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 미러 바디는, 구리, 몰리브덴 또는 규소 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 코팅층은 유전체 또는 은 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극셀 제조 시스템은, 시트 형태인 한 쌍의 분리막 및 상기 한 쌍의 분리막의 사이에 일정 간격마다 배치된 복수개의 전극을 포함하는 전극 적층체를 압연하는 라미네이터; 및 상기 전극 적층체의 이동 방향으로 상기 라미네이터의 이후에 위치하며, 상기 한 쌍의 분리막 중에서 상기 복수개의 전극의 사이에 대응되는 부분을 절단하는 분리막 커팅장치를 포함할 수 있다. 상기 분리막 커팅장치는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너; 및 상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 상기 분리막을 향해 반사시키고 상기 스캐너의 측방에 위치한 엔드 미러를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기계적 절단 방식과 비교하여 전극 적층체의 분리막을 신속하고 정밀하게 절단할 수 있다.
또한, 스캐너에 의해 레이저의 초점 스폿을 빠르게 이동시킬 수 있으므로 폭이 넓거나 이동 속도가 빠른 분리막도 신속하고 정밀하게 절단할 수 있다.
또한, 집광 렌즈를 통과한 레이저 빔의 수직 방향에 대한 광로 길이를 엔드 미러에 의해 줄일 수 있으므로, 분리막 커팅장치의 설치를 위해 분리막의 상측에 필요한 공간을 줄일 수 있다.
또한, 엔드 미러는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다. 이로써 엔드 미러는 레이저 빔에 대한 내열성이 높아지고 높은 반사도를 가질 수 있다.
또한, 엔드 미러는 코팅층을 포함할 수 있다. 이로써 엔드 미러의 반사도가 더욱 높아질 수 있다.
또한, 엔드 미러에는 히트 싱크가 구비될 수 있다. 이로써 엔드 미러의 반사도 감소와 열팽창에 의한 형상 변형을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극셀 제조 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 커팅장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 미러의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 히트 싱크의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 미러의 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극셀 제조 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 커팅장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극셀 제조 시스템은, 분리막 언와인더(11)(12)와, 전극 언와인더(21)(22)(23)와, 전극 커터(31)(32)(33)와, 라미네이터(40)와, 분리막 커팅 장치(100)를 포함할 수 있다.
분리막 언와인더(11)(12)에는 시트 형상의 분리막(1)이 권취된 분리막 롤이 장착될 수 있다.
분리막 언와인더(11)(12)는 상기 분리막 롤을 언와인딩하여 분리막(1)을 권출할 수 있다. 예를 들어, 분리막 언와인더(11)(12)는 상기 분리막 롤이 장착되는 롤러와, 상기 롤러를 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
분리막 언와인더(11)(12)는 서로 나란한 한 쌍의 분리막(1)을 권출하는 한 쌍이 구비될 수 있다. 좀 더 상세히, 분리막 언와인더(11)(12)는, 어퍼 분리막(1a)을 권출하는 제1분리막 언와인더(11)와, 로어 분리막(1b)을 권출하는 제2분리막 언와인더(12)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 분리막(1)은 가이드 롤러에 의해 서로 나란하게 이동할 수 있다.
전극 언와인더(21)(22)(23)에는 시트 형상의 전극(2)이 권취된 전극 롤이 장착될 수 있다. 전극 언와인더(21)(22)(23)는 상기 전극 롤을 언와인딩하여 전극(2)을 권출할 수 있다. 예를 들어, 전극 언와인더(21)(22)(23)는 상기 전극 롤이 장착되는 롤러와, 상기 롤러를 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
전극 언와인더(21)(22)(23)는 복수개가 구비될 수 있다. 좀 더 상세히, 전극 언와인더(21)(22)(23)는 한 쌍의 분리막(1) 사이로 전극(2)을 권출하는 제1전극 언와인더(21)와, 어퍼 분리막(1a)의 상면을 향해 전극(2)을 권출하는 제2전극 언와인더(22)를 포함할 수 있다. 전극 언와인더(21)(22)(23)는, 로어 분리막(1b)의 저면을 향해 전극(2)을 권출하는 제3전극 언와인더(23)를 더 포함할 수 있다.
제1전극 언와인더(21)에서 권출되는 전극(2)은 분리막(1)과 나란한 방향으로 연장될 수 있다. 반면, 제2전극 언와인더(22) 및 제3전극 언와인더(23)에서 권출되는 전극(2)은 분리막(1)에 대해 비스듬한 방향으로 연장될 수 있다.
전극 커터(31)(32)(33)는 전극(2)을 기설정된 간격으로 절단할 수 있다. 전극 커터(31)(32)(33)는 블레이드날을 포함하며, 전극(2)에 직접 접촉하여 전극(2)을 기계적으로 절단할 수 있다.
전극 커터(31)(32)(33)는, 복수개의 전극 언와인더(21)(22)(23)에서 권출된 시트 형상의 전극(2)을 커팅하는 복수개가 구비될 수 있다. 좀 더 상세히, 전극 커터(31)(32)(33)는 제1전극 언와인더(21)에서 권출된 전극(2)을 커팅하는 제1전극 커터(31)와, 제2전극 언와인더(22)에서 권출된 전극(2)을 커팅하는 제2전극 커터(32)와, 제3전극 언와인더(23)에서 권출된 전극(2)을 커팅하는 제3전극 커터(33)를 포함할 수 있다.
각 전극 커터(31)(32)(33)에 의해 절단된 복수개의 전극(2)은, 분리막(1)의 길이 방향에 대해 일정 간격마다 배치될 수 있다.
제1전극 커터(31)에 의해 절단된 복수개의 전극(2)은 한 쌍의 분리막(1)의 사이에 위치하고, 제2전극 커터(32)에 의해 절단된 복수개의 전극(2)은 어퍼 분리막(1a)의 상면에 위치하고, 제3전극 커터(33)에 의해 절단된 복수개의 전극(2)은 로어 분리막(1b)의 저면에 위치할 수 있다.
이로써, 시트 형상인 한 쌍의 분리막(1)과, 절단된 복수개의 전극(2)이 번갈아 적층된 전극 적층체(3)가 형성될 수 있다.
라미네이터(40)는, 전극 적층체(3)를 압연(라미네이션)시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 라미네이터(40)는 시트 형태인 한 쌍의 분리막(1) 및 한 쌍의 분리막(1)의 사이에 일정 간격마다 배치된 복수개의 전극(2)을 서로 압연시킬 수 있다.
예를 들어, 라미네이터(40)는 전극 적층체(3)를 사이에 두고 이격된 한 쌍의 히터를 포함할 수 있다. 또한, 라미네이터(40)는 전극 적층체(3)의 이동 방향에 대해 상기 한 쌍의 히터의 이후에 위치한 한 쌍의 롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다. 다만 라미네이터(40)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 달라질 수 있다.
한편, 분리막 커팅장치(100)는 전극 적층체(3)의 이동 방향에 대해 라미네이터(40)의 이후에 위치할 수 있다.
분리막 커팅장치(100)는 라미네이터(40)에 의해 라미네이션 된 전극 적층체(3)의 한 쌍의 분리막(1) 중에서 전극(2)이 미적층된 부분을 절단할 수 있다. 즉, 분리막 커팅장치(100)는 한 쌍의 분리막(1) 중에서 복수개의 전극(2)의 사이에 대응되는 부분을 절단할 수 있다. 이로써 절단된 분리막(1) 및 전극(2)이 번갈아 적층된 전극셀(4)이 제조될 수 있다.
분리막 커팅장치(100)는, 레이저를 이용한 비접촉 방식으로 시트 형상의 분리막(1)을 절단할 수 있다. 즉, 분리막 커팅장치(100)는 3D 레이저 스캐너일 수 있다.
좀 더 상세히, 분리막 커팅장치(100)는, 레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기(110)와, 레이저 발진기(110)에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너(130)와, 스캐너(130)를 통과한 레이저 빔을 분리막(1)을 향해 반사시키는 엔드 미러(135)를 포함할 수 있다.
레이저 발진기(110)는 레이저 빔을 발생시키는 매질이 이산화탄소인 CO2 레이저일 수 있다. 즉, 레이저 발진기(110)는 파장 대역 9 내지 10.6마이크로 미터의 레이저 빔을 방출할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발진기(110)는 파장이 9.3마이크로 미터인 레이저 빔을 방출할 수 있다.
상기 파장 대역을 갖는 레이저 빔은 고열을 발생시킬 수 있으므로 분리막(1)을 가열하여 용융시키거나 증발시킬 수 있다. 따라서, 기계적 절단과 비교하여 정밀하고 깔끔한 절단이 가능하며, 기계적 마모도 발생하지 않는 이점이 있다.
레이저 발진기(110)에서 방출된 레이저 빔은, 적어도 하나의 경로변환 미러(120)를 통해 스캐너(130)로 입사될 수 있다.
예를 들어, 경로변환 미러(120)는 레이저 빔의 광로에 대해 순차적으로 배치된 제1미러(120a)와, 제2미러(120b)와, 제3미러(120c)를 포함할 수 있다.
레이저 발진기(110)는 수평 방향으로 레이저 빔을 방출할 수 있고, 제1미러(120a)는 레이저 발진기(110)의 측방에 위치하고, 제2미러(120b)는 제1미러(120a)의 상측에 위치하고, 제3미러(120c)는 제2미러(120b)의 측방에 위치하며 스캐너(130)의 상측에 위치할 수 있다. 이 경우, 제1미러(120a)는 레이저 발진기(110)에서 방출된 레이저 빔을 제2미러(120b)를 향해 상방으로 반사하고, 제2미러(120b)는 제1미러(120a)에서 반사된 레이저 빔을 제3미러(120c)를 향해 수평 방향으로 반사하고, 제3미러(120c)는 제2미러(120b)에서 반사된 레이저 빔을 스캐너(130)를 향해 하방으로 반사할 수 있다.
다만, 레이저 발진기(110)가 레이저 빔을 방출하는 방향과, 경로변환 미러(120)의 개수 및 배치는 필요에 따라 달라질 수 있다.
스캐너(130)는 갈바노미터(galvanometer)일 수 있다.
스캐너(130)는, 레이저 빔의 광로를 따라 순차적으로 배치된 광폭 조절기(131)와, 한 쌍의 스캐닝 미러(132)(133)와, 집광 렌즈(134)를 포함할 수 있다.
광폭 조절기(131)는 레이저빔의 초점 스폿(P)과 분리막(1) 사이의 거리를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저빔의 초점 스폿(P)은 어퍼 분리막(1a)의 표면에 위치하거나 그와 인접하도록 조절될 수 있고, 이 경우 어퍼 분리막(1a)을 용이하게 절단할 수 있다. 또한, 레이저빔의 초점 스폿(P)은 로어 분리막(1b)의 표면에 위치하거나 그와 인접하게 위치하도록 조절될 수 있고, 이 경우 로어 분리막(1b)을 용이하게 절단할 수 있다.
다만 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 빔의 출력이 충분히 강하다면 레이저빔의 초점 스폿(P)이 한 쌍의 분리막(1) 사이에 위치하거나, 어퍼 분리막(1a)의 상측에 위치하거나, 로어 분리막(1b)의 하측에 위치하더라도, 한 쌍의 분리막(1)을 동시에 절단하는 것이 가능할 것이다.
좀 더 상세히, 광폭 조절기(131)는 레이저 빔이 순차적으로 통과하며 상호간 거리가 조절되는 제1렌즈(131a) 및 제2렌즈(131b)를 포함할 수 있다. 즉, 광폭 조절기(131)는 제1렌즈(131a)와 제2렌즈(131b) 사이의 거리를 가변시키는 거리 조절 메커니즘(미도시)을 포함할 수 있다.
제1렌즈(131a) 및 제2렌즈(131b)는 일직선상에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 제1렌즈(131a) 및 제2렌즈(131b)는 수직 방향을 향해 배치되며, 제2렌즈(131b)는 제1렌즈(131a)의 하측에 배치될 수 있다. 즉, 제1렌즈(131a)는 수직 방향으로 제2렌즈(131b)와 일 경로변환 미러(120c)의 사이에 위치할 수 있다.
광폭 조절기(131)를 통과한 레이저 빔의 광폭은 제1렌즈(131a)와 제2렌즈(131b) 사이의 거리에 따라 가변될 수 있다. 따라서, 레이저 빔은 후술할 집광 렌즈(134)에 평행하게 입사되거나, 발산 상태로 입사되거나, 수렴 상태로 입사될 수 있다. 집광 렌즈(134)의 초점거리는 고정되어 있으므로, 집광 렌즈(134)에 입사하는 레이저 빔의 상태에 따라 레이저빔의 초점 스폿(P)과 분리막(1) 사이의 거리가 가변될 수 있다.
한 쌍의 스캐닝 미러(132)(133)는, 분리막(1) 상에 집속되는 레이저빔의 초점 스폿(P)을 소정의 가공 영역(A1) 내에서 가변시킬 수 있다. 상기 가공 영역(A1)은 시트 형상의 분리막(1)상에 위치하며, 각 분리막(1) 중에서 절단되는 영역을 의미할 수 있다.
한 쌍의 스캐닝 미러(132)(133)는 서로 직교하는 회전축(132a)(133a)을 중심으로 회전할 수 있다. 한 쌍의 스캐닝 미러(132)(133)는 레이저 빔을 순차적으로 반사하는 제1스캐닝 미러(132) 및 제2스캐닝 미러(133)를 포함할 수 있다.
제1스캐닝 미러(132)는 제1회전축(132a)을 중심으로 회전하며, 광폭 조절기(131)를 통과한 레이저 빔을 제2스캐닝 미러(133)로 반사할 수 있다. 제1스캐닝 미러(132)의 회전에 따라, 레이저빔의 초점 스폿(P)이 가공 영역(A1) 내에서 제1방향(예를 들어, 가로 방향)에 대해 가변될 수 있다.
제2스캐닝 미러(133)는 제1회전축(132a)과 직교하는 제2회전축(133a)을 중심으로 회전하며, 제1스캐닝 미러(132)에서 반사된 레이저 빔을 집광 렌즈(134)로 반사할 수 있다. 제2스캐닝 미러(133)의 회전에 따라, 레이저빔의 초점 스폿(P)이 가공 영역(A1) 내에서 상기 제1방향과 직교하는 제2방향(예를 들어, 세로 방향)에 대해 가변될 수 있다.
분리막(1)을 기준으로, 제1스캐닝 미러(132)의 높이(h1)는 제2스캐닝 미러(133)의 높이보다 낮을 수 있다. 즉, 제2스캐닝 미러(133)는 분리막(1)을 기준으로 제1스캐닝 미러(132) 보다 높은 위치에 배치될 수 있다.
제1스캐닝 미러(132)는 광폭 조절기(131)의 하측에 위치할 수 있고, 광폭 조절기(131)를 수직하게 통과한 레이저 빔을 제2스캐닝 미러(133)를 향해 상측 경사 방향으로 반사할 수 있다.
각 스캐닝 미러(132)(133)의 미세한 회전만으로도 레이저빔의 초점 스폿(P)이 가공 영역(A1) 내에서 빠르게 이동할 수 있으므로, 분리막 커팅장치(100)는 대면적의 분리막(1)도 신속하게 절단할 수 있다.
집광 렌즈(134)는 레이저 빔의 광로에 대해 제2스캐닝 미러(133)와 엔드 미러(135)의 사이에 위치할 수 있다.
집광 렌즈(134)는 F-theta 렌즈일 수 있다. 집광 렌즈(134)는 수평 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
집광 렌즈(134)는 한 쌍의 스캐닝 미러(132)(133)에서 반사된 레이저 빔을 집광하여 레이저빔의 초점 스폿(P)을 형성할 수 있다.
집광 렌즈(134)는 고유의 초점 거리(focal length)를 가지므로, 분리막(1) 상의 가공 영역(A1) 내에 초점 스폿(P)이 맺히기 위해서는, 집광 렌즈(134)부터 가공 영역(A1)이 위치한 분리막(1)까지의 광로 길이가 확보되어야 한다.
분리막 커팅 장치(100)가 엔드 미러(135)를 포함하지 않는다고 가정하면, 집광 렌즈(134)는 분리막(1)의 상측에서 수직 방향으로 분리막(1)을 향하도록 배치될 것이며, 이 경우 집광 렌즈(134)와 분리막(1) 사이의 수직 거리가 상기 광로 길이만큼 확보되어야 한다. 즉, 분리막 커팅 장치(100)의 설치를 위한 분리막(1) 상측의 공간이 충분히 크게 확보되어야 하므로, 기계적 방식으로 분리막을 절단하는 종래의 전극셀 제조시스템에 분리막 커팅 장치(100)를 적용하기 어려운 문제점이 있다.
엔드 미러(135)는 스캐너(130)의 측방에 위치하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
엔드 미러(135)는 집광 렌즈(134)를 통과한 레이저 빔을 분리막(1)을 향해 반사할 수 있다.
엔드 미러(135)는 레이저 발진기(110)에서 방출된 레이저 빔에 대하여 높은 반사도 및 높은 내열성을 갖는 재질을 가짐이 바람직하다. 좀 더 상세히, 엔드 미러(135)는, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
엔드 미러(135)는 수평 방향으로 집광 렌즈(134)를 마주보고, 수직 방향으로 분리막(1)을 마주볼 수 있다. 즉, 집광 렌즈(134)는 수평 방향으로 엔드 미러(135)와 제2스캐닝 미러(133)의 사이에 위치할 수 있다.
또한, 분리막(1)을 기준으로 엔드 미러(135)의 높이(h2)는 스캐너(130)의 높이보다 높을 수 있다. 스캐너(130)의 높이는, 스캐너(130)에서 가장 낮은 높이에 위치한 광학 부품인 제1스캐닝 미러(132)의 높이(h1)를 의미할 수 있다.
집광 렌즈(134)부터 엔드 미러(135)까지 대략 수평하게 형성되는 제1광로 길이(L1)와, 엔드 미러(135)부터 분리막(1)까지 대략 수직하게 형성되는 제2광로 길이(L2)의 합은, 집광 렌즈(134)의 초점 거리에 따라 확보되어야 하는 광로 길이(L1+L2)를 의미할 수 있다.
따라서, 분리막(1)과 엔드 미러(135) 사이의 수직 거리(h2)는 상기 광로 길이(L1+L2)보다 짧을 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이, 분리막(1)과 스캐너(130) 사이의 수직 거리(h1)는, 분리막(1)과 엔드 미러(135) 사이의 수직 거리(h2)보다도 짧을 수 있다.
즉, 엔드 미러(135)가 존재하지 않는 경우와 비교하여, 분리막 커팅 장치(100)의 설치를 위해 분리막(1)의 상측에 필요한 공간이 작아지는 이점이 있다.
한편, 동일한 가공 영역(A1)의 면적을 확보하기 위해, 상기 제2광로 길이(L2)가 길어지면 엔드 미러(135)의 면적이 좁아지고, 상기 제2광로 길이(L2)가 짧아지면 엔드 미러(135)의 면적이 넓어진다.
따라서, 엔드 미러(135)의 면적이 지나치게 넓어지거나, 제2광로 길이(L2)가 지나치게 길어지는 것을 방지하기 위해, 적절한 엔드 미러(135)의 면적을 설계하는 것이 바람직하다.
좀 더 상세히, 엔드 미러(135)의 면적은 가공 영역(A1)의 면적의 절반 이하일 수 있다. 바람직하게는, 엔드 미러(135)의 면적은 가공 영역(A1)의 면적의 1/4 이하이고 1/16 이상일 수 있다.
또한, 제2광로 길이(L2)는 제1광로 길이(L1)보다 길 수 있다. 바람직하게는, 제2광로 길이(L2)는 제1광로 길이(L1)의 2배 이상이고 4배 이하일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 미러의 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 히트 싱크의 평면도이다.
엔드 미러(135)는, 미러 바디(136) 및 미러 바디(136)에 코팅된 코팅층(137)을 포함할 수 있다.
미러 바디(136)는 내구성 및 내열성이 높은 재질을 가지고, 코팅층(137)은 미러 바디보다 반사도가 높은 재질을 가짐이 바람직하다. 좀 더 상세히, 미러 바디(136)는 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나를 포함하고, 코팅층(137)은 유전체 또는 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다만, 엔드 미러(135)가 코팅층(137)을 포함하지 않고 미러 바디(136)가 레이저 빔을 직접 반사하는 구성도 가능함은 물론이다. 이 경우, 미러 바디(136)는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 열적 안정성이 상대적으로 높은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 엔드 미러(135)에는 히트 싱크(138)가 구비될 수 있다. 엔드 미러(135)에 히트 싱크(138)가 구비되지 않을 경우, 레이저 빔에 의해 엔드 미러(135)의 온도가 상승하면 레이저 빔의 반사도가 저하됨과 동시에 흡수도가 증가하여 엔드 미러(135)의 온도가 더욱 상승하게 되고, 열팽창에 의해 엔드 미러(135)의 형상이 변형될 수 있다. 히트 싱크(138)는 엔드 미러(135)를 신속하게 방열시켜 이러한 우려를 해소할 수 있다.
히트 싱크(138)는 미러 바디(136)에 대해 코팅층(137)의 반대편에 위치할 수 있다. 즉, 코팅층(137)은 미러 바디(136)의 일면에 코팅되고, 히트 싱크(138)은 미러 바디(136)의 타면에 구비될 수 있다.
히트 싱크(138)는 미러 바디(136)를 수냉 방식으로 냉각시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 히트 싱크(138)는 냉매가 통과하는 유로(139c)가 형성된 냉각 플레이트일 수 있다. 상기 유로(139c)에는 냉매를 유입시키는 인렛(139a)과, 냉매가 유출되는 아웃렛(139b)이 연결될 수 있다. 상기 냉매는 물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
냉매에 대한 접촉 면적을 늘리기 위해, 상기 유로(139c)는 히트 싱크(138) 내에서 적어도 1회 절곡될 수 있다. 예를 들어, 상기 유로(139c)는 서로 나란하게 연장된 복수개의 직선부와, 상기 복수개의 직선부의 양 단부를 교대로 연통시키는 복수개의 곡선부를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 미러의 단면도이다.
본 실시예의 경우 히트 싱크(138')가 미러 바디(136)를 공냉 방식으로 냉 B키는 것을 제외하고는 앞서 설명한 일 실시예와 동일하므로 중복되는 내용은 원용하고 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예의 경우, 분리막 커팅 장치(100)는 엔드 미러(135)의 히트 싱크(138')를 향하는 방열팬(140)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 히트 싱크(138')는 방열팬(140)에 의해 송풍된 에어 플로우와의 접촉 면적을 최대화하는 방열핀일 수 있다. 좀 더 상세히, 히트 싱크(138')는 미러 바디(136)에 접촉한 플레이트와, 상기 플레이트에서 미러 바디(136)의 반대편으로 돌출된 복수개의 핀(fin)을 포함할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 분리막 2: 전극
3: 전극 적층체 100: 분리막 커팅장치
110: 레이저 발진기 120: 경로변환 미러
130: 스캐너 131: 광폭 조절기
132: 제1스캐닝 미러 133: 제2스캐닝 미러
134: 집광 렌즈 135; 엔드 미러
136: 미러 바디 137: 코팅층
138: 히트 싱크 A1: 가공 영역
P: 초점 스폿

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 전극이 라미네이션 된 시트 형태의 분리막을 커팅하는 분리막 커팅장치에 있어서,
    레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너; 및
    상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 상기 분리막을 향해 반사시키고 상기 스캐너의 측방에 위치한 엔드 미러를 포함하는 분리막 커팅장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막 상에 집속되는 레이저빔의 초점 스폿은, 상기 스캐너에 의해 상기 분리막 상의 가공 영역 내에서 가변되고,
    상기 엔드 미러의 면적은, 상기 가공 영역의 면적의 절반 이하인 분리막 커팅장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막을 기준으로, 상기 엔드 미러의 높이는 상기 스캐너의 높이보다 높은 분리막 커팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐너는,
    제1회전축을 중심으로 회전하는 제1스캐닝 미러;
    상기 제1회전축과 직교하는 제2회전축을 중심으로 회전하고, 상기 제1스캐닝 미러에서 반사된 레이저 빔을 반사하며, 상기 분리막을 기준으로 상기 제1스캐닝 미러보다 높은 위치에 배치된 제2스캐닝 미러; 및
    상기 제2스캐닝 미러에서 반사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈를 포함하는 분리막 커팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분리막을 기준으로, 상기 집광 렌즈 및 엔드 미러의 높이는 상기 제1스캐닝 미러의 높이보다 높은 분리막 커팅 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는, 수평 방향에 대해 상기 엔드 미러와 상기 제2스캐닝 미러의 사이에 위치한 분리막 커팅 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 파장 대역 9 내지 10.6마이크로 미터의 레이저 빔을 방출하는 분리막 커팅장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 미러는, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 규소(Si) 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 분리막 커팅장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 미러에는, 공냉 또는 수냉 방식으로 냉각되는 히트 싱크가 구비된 분리막 커팅장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 미러는,
    미러 바디; 및
    상기 미러 바디에 코팅되고 레이저 빔을 반사하며 상기 미러 바디보다 높은 반사도를 갖는 코팅층을 포함하는 분리막 커팅장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 미러 바디는, 구리, 몰리브덴 또는 규소 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 코팅층은 유전체 또는 은 중 적어도 하나를 포함하는 분리막 커팅장치.
  12. 시트 형태인 한 쌍의 분리막 및 상기 한 쌍의 분리막의 사이에 일정 간격마다 배치된 복수개의 전극을 포함하는 전극 적층체를 압연하는 라미네이터; 및
    상기 전극 적층체의 이동 방향으로 상기 라미네이터의 이후에 위치하며, 상기 한 쌍의 분리막 중에서 상기 복수개의 전극의 사이에 대응되는 부분을 절단하는 분리막 커팅장치를 포함하고,
    상기 분리막 커팅장치는,
    레이저 빔을 방출하는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에서 방출된 레이저 빔의 광로를 제어하는 스캐너; 및
    상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 상기 분리막을 향해 반사시키고 상기 스캐너의 측방에 위치한 엔드 미러를 포함하는 전극셀 제조 시스템.
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