KR20230018574A

KR20230018574A - 전극 두께 측정 장치 및 이를 이용한 전극 두께 측정 방법

Info

Publication number: KR20230018574A
Application number: KR1020210100303A
Authority: KR
Inventors: 최현
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-07

Abstract

본 발명은 전극 시료와 접촉하여 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 프로브, 상기 프로브가 내부에 위치하는 중공 형태의 전극 가압 팁을 포함하여, 전극 시료에 굴곡이 있더라도 정확한 두께를 측정할 수 있는 전극 두께 측정 장치에 관한 것이다.

Description

전극 두께 측정 장치 및 이를 이용한 전극 두께 측정 방법{Electrode thickness measuring device and electrode thickness measuring method using same}

본 발명은 이차전지에 사용되는 전극의 두께를 전극의 굴곡 등의 상태에 상관없이 보다 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

이와 같은 이차전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 박막과 같은 집전체의 표면에 양극 또는 음극 활물질과 바인더 등을 포함한 페이스트를 도포한 후 건조 등의 방법을 통해 제조된다.

이러한 전극은 균일한 두께로 형성되지 않으면 충방전 시에 두꺼운 부분에 전류가 집중되기 쉽고, 상대적으로 얇은 부분은 단락이 일어나는 등의 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 전극이 균일한 두께로 형성되었는지에 대한 품질관리는 전지의 안정적인 수명을 결정하는 중요한 요소이다.

이러한 전극 두께를 측정하는 장치는 접촉식 또는 비접촉의 다양한 장치가 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 접촉식 전극 두께 측정 장치의 한 예를 나타내고 있다.

도 1에 도시한 바와 같이 종래의 전극 두께 측정 장치는 하부 플레이트(2)에 전극 시료(3)를 위치시킨 후 프로브(1)를 전극 시료(3)에 접촉시켜 하부 플레이트(2)와 전극 시료 간의 높이 차를 계산하여 전극 시료의 두께를 측정하게 된다.

그러나, 이러한 전극 두께 측정 장치는 프로브(1)가 전극 시료의 표면에 접촉하는 순간의 높이와 기준이 되는 하부 플레이트(2)의 위치를 계산하여 전극 두께를 계산하므로, 하부 플레이트(2)에 위치한 전극 시료의 상태에 따라 측정값이 크게 영향을 받는 문제가 있다.

예를 들어, 하부 플레이트(2)에 놓인 전극 시료가 평평한 형태인 경우에는 정확한 두께를 측정할 수 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이 전극 시료에 굴곡이 있는 경우에는 전극 두께에 더하여 전극 시료와 하부 플레이트(2) 사이의 공간의 높이까지 전극 두께로 계산하게 되므로, 실제 전극 두께와는 오차가 큰 측정값을 나타내게 된다.

또한, 이러한 측정 오차를 줄이기 위하여 작업자가 도구 등을 이용하여 전극 시료를 가압하면서 측정할 수도 있으나, 이는 측정 시간의 지연이나 작업자나 도구에 의한 또다른 오차를 발생시키는 등의 문제를 야기할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극 두께 측정 장치에 전극 가압 팁을 장착하여, 전극 가압 팁이 먼저 전극 시료를 가압함으로써, 전극 두께 측정의 오차를 감소시킬 수 있는 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치는 두께 측정을 위한 전극 시료가 안착되는 하부 플레이트, 상기 하부 플레이트에 안착된 상기 전극 시료와 접촉하여 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 프로브, 수직 및 수평 이동 가능하며 상기 프로브가 부착되는 상부 플레이트 및 일측이 상기 상부 플레이트에 부착되며, 상기 프로브가 내부에 위치하는 중공 형태의 전극 가압 팁을 포함하여, 상기 프로브가 하강하여 상기 전극 시료의 표면에 접촉하는 순간 상기 하부 플레이트와의 높이 차이로 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치는 상기 전극 가압 팁의 단면이 원형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치는 상기 전극 가압 팁의 단면이 다각형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치는 상기 전극 가압 팁이 두께 측정 시 상기 프로브보다 먼저 상기 전극 시료에 접촉하여 상기 전극 시료를 가압하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치는 상기 전극 가압 팁과 상기 프로브가 개별적으로 수직 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치를 이용하여 전극 두께 측정 방법은

1) 전극 시료를 하부 플레이트에 위치시키는 단계,

2) 전극 가압 팁을 하강하여 상기 하부 플레이트에 위치한 상기 전극 시료의 표면을 가압하는 단계,

3) 프로브를 하강하여 상기 전극 시료의 표면에 접촉시켜 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 단계, 및

4) 상기 프로브와 상기 전극 가압 팁을 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 방법은 상기 전극 가압 팁이 상기 프로브가 내부에 위치하는 중공 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 방법은 상기 전극 가압 팁의 단면이 원형인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 방법은 상기 2) 단계와 상기 3) 단계가 연속적으로 진행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는 본 발명의 전극 두께 측정 방법 중 어느 하나를 사용하여 두께를 측정한 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전극 두께 측정 장치는 측정하고자 하는 전극 시료에 굴곡이 있더라도 이에 상관없이 보다 정확한 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 전극 두께 측정 장치는 별도의 작업자나 공정의 추가없이 간편하게 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 전극 두께 측정 장치로 보다 정확한 두께 측정이 가능함으로써, 후 공정에서 전극 두께의 편차로 인한 불량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술의 전극 두께 측정 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 두께 측정 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 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, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 전극 두께 측정 장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 두께 측정 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 2를 참조하여 본 발명의 전극 두께 측정 장치(100)를 살펴보면, 전극 두께 측정 장치(100)는 상부 플레이트(110), 프로브(120), 전극 가압 팁(130) 및 하부 플레이트(140)를 포함한다.

먼저, 하부 플레이트(140)는 전극 시료(S)를 위치시키는 역할을 하는 곳으로, 전극 시료(S)가 놓이는 상면의 평탄도가 높은 것이 바람직하다.

상부 플레이트(110)는 상기 하부 플레이트(140)의 상부에 위치하고, 하부 플레이트(140)와 마주보는 하면에 프로브(120)와 전극 가압 팁(130)이 부착되며, 수평 및 수직 이동이 가능하다.

프로브(120)는 전극 시료(S)와 접촉하여 전극 시료(S)의 두께를 측정하는 기능을 하는 것으로, 전극 시료(S)와 이격된 상태에서 하강하면서 전극 시료(S)와 접촉되는 순간에 베이스가 되는 상기 하부 플레이트(140)와의 높이차를 계산하여 전극 시료(S)의 두께를 측정하게 된다.

한편, 전극 가압 팁(130)은 프로브(120)와 같이 상부 플레이트(110)의 하면에 부착되고, 프로브(120)를 감싸는 형태로 구비된다.

즉, 중공 형태의 전극 가압 팁(130)의 내부에 프로브(120)가 위치하는 형태이며, 전극 가압 팁(130)의 단면 형상은 원형 또는 다각형이 모두 가능하며, 프로브(120)의 형태나 제작의 편의성 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.

이러한 전극 가압 팁(130)과 프로브(120)는 개별적으로 수직 이동이 가능하도록 상부 플레이트(110)에 부착되어 있다.

그 결과, 전극 시료(S)의 두께 측정을 위하여 프로브(120)가 하강하기 전에 먼저 전극 가압 팁(130)이 조금 더 빨리 하강하여 전극 시료(S)를 가압함으로써, 프로브(120)가 전극 시료(S)에 접촉하기 전에 전극 시료(S)에 굴곡이 있는 경우 전극 가압 팁(130)에 의하여 굴곡이 제거되고, 보다 정확하게 전극 시료(S)의 두께를 측정할 수 있게 된다.

위에서 살펴본 전극 두께 측정 장치(100)를 이용하여 전극 집전체 자체, 활물질을 포함하는 슬러리가 도포된 상태의 전극 또는 활물질을 포함하는 슬러리를 도포하고 건조 등의 후공정을 거친 상태의 전극 등 다양한 상태의 전극 두께를 측정할 수 있다.

여기서, 전극 집전체로는 양극 집전체와 음극 집전체가 있으며, 양극 집전체로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다.

한편, 음극 집전체로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.

이러한 집전체 상에 도포되는 슬러리는 활물질 뿐 아니라 도전재, 바인더, 용매 등을 혼합하여 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 전극 두께 측정 장치(100)를 이용하여 전극의 두께를 측정하는 방법은 먼저, 측정하고자 하는 전극의 시료를 준비하고, 준비된 전극 시료(S)를 측정 장치(100)의 하부 플레이트(140)에 위치시킨다.

이어서, 전극 가압 팁(130)을 하강하여 전극 시료(S)의 표면을 가압하고, 프로브(120)를 하강하여 전극 시료(S)의 표면에 접촉시킴으로써, 전극 시료(S)의 두께를 측정한다.

여기서, 전극 가압 팁(130)과 프로브(120)가 하강하는 단계는 연속적으로 진행되며, 두 부품이 하강하여 전극 시료(S)와 접촉하는 시간의 차는 대략 1초 이내, 바람직하게는 0.1초 정도로 매우 짧게 설정할 수 있다.

위와 같이 매우 짧은 시간 차로 설정 가능한 이유는 전극 가압 팁(130)이 프로브(120)를 감싸는 형태로 구비되어 있기 때문이다.

이와 같은 구성으로 인하여, 별도의 장비나 작업자의 투입 시에 비하여 훨씬 빠르고 정확한 두께의 측정이 가능하게 된다.

두께 측정이 끝난 후 전극 가압 팁(130)과 프로브(120)를 상승시키고, 전극 시료(S)를 제거하는 단계로 전극 시료(S)의 두께 측정을 완료하게 된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

100 : 전극 두께 측정 장치
110 : 상부 플레이트
120 : 프로브
130 : 전극 가압 팁
140 : 하부 플레이트
S : 전극 시료

Claims

두께 측정을 위한 전극 시료가 안착되는 하부 플레이트;
상기 하부 플레이트에 안착된 상기 전극 시료와 접촉하여 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 프로브;
수직 및 수평 이동 가능하며 상기 프로브가 부착되는 상부 플레이트; 및
일측이 상기 상부 플레이트에 부착되며, 상기 프로브가 내부에 위치하는 중공 형태의 전극 가압 팁;
을 포함하여,
상기 프로브가 하강하여 상기 전극 시료의 표면에 접촉하는 순간 상기 하부 플레이트와의 높이 차이로 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 전극 두께 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 전극 가압 팁은 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 전극 가압 팁은 단면이 다각형인 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 전극 가압 팁은 두께 측정 시 상기 프로브보다 먼저 상기 전극 시료에 접촉하여 상기 전극 시료를 가압하는 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 장치.
제4항에 있어서, 상기 전극 가압 팁과 상기 프로브는 개별적으로 수직 이동 가능한 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 장치.
전극 두께 측정 장치를 이용하여 전극 두께를 측정하는 방법으로서,
1) 전극 시료를 하부 플레이트에 위치시키는 단계;
2) 전극 가압 팁을 하강하여 상기 하부 플레이트에 위치한 상기 전극 시료의 표면을 가압하는 단계;
3) 프로브를 하강하여 상기 전극 시료의 표면에 접촉시켜 상기 전극 시료의 두께를 측정하는 단계; 및
4) 상기 프로브와 상기 전극 가압 팁을 상승시키는 단계;
를 포함하는 전극 두께 측정 방법.
제6항에 있어서, 상기 전극 가압 팁은 상기 프로브가 내부에 위치하는 중공 형태인 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 방법.
제7항에 있어서, 상기 전극 가압 팁은 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 방법.
제6항에 있어서, 상기 2) 단계와 상기 3) 단계는 연속적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 전극 두께 측정 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법으로 두께를 측정한 전극을 포함하는 이차전지.