KR20230061040A

KR20230061040A - 이차전지용 전극 제조를 위한 롤러형 노칭 장치

Info

Publication number: KR20230061040A
Application number: KR1020210145880A
Authority: KR
Inventors: 이정화
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-05-08

Abstract

개시되는 발명은 언와인더와 리와인더 사이에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트의 노칭 장치에 관한 것으로서, 상기 전극시트의 이송 속도에 대응하는 선속도로 회전하고, 상기 전극시트의 상부에 배치된 노치롤러; 및 상기 전극시트의 하부에 배치되고, 상기 노치롤러에 대해 상하방향을 따라 마주보는 제1 히팅롤러;를 포함하고, 상기 노치롤러는 상기 전극시트의 폭 방향으로 연장되는 롤러 축에 결합하여 회전하고, 아울러 원형의 둘레부를 따라 적어도 하나 이상의 노치칼날을 구비한다.

Description

이차전지용 전극 제조를 위한 롤러형 노칭 장치{ROLLER TYPE NOTCHING MACHINE FOR MANUFACTURING SECONDARY CELL ELECTRODE}

본 발명은 이차전지용 전극 제조에 사용되는 노칭 장치에 관한 것으로서, 특히 전극시트를 노칭하여 전극 탭을 형성하는 과정에서 전극에 단선이 발생하는 문제를 해결할 수 있는 롤러형 노칭 장치에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 화석연료를 대체할 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

이차전지를 전지케이스의 형상면에서 보면, 대표적으로 전극조립체가 각각 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그리고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 측면에서 우수한 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 다수를 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 또한, 이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 보다 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체도 개발되었다.

여기서, 단위 전극의 적층 구조를 포함하는 전극조립체의 제조 공정은, 양극 시트와 음극 시트의 각각에 합제를 도포하여 양극 및 음극으로 이루어진 시트 형태의 전극들을 각각 제조하는 공정, 전극들을 프레싱(pressing)하는 공정, 전극들을 설계사양에 맞춰 적정 크기로 소폭 절단(slitting)하여 전극을 제조하는 공정, 전극 상에 전극 탭을 형성하는 공정, 진공 건조 공정, 제조된 양극, 음극 및 분리막으로 전극조립체를 형성하는 공정 등을 포함한다.

이 중, 노칭(notching) 공정은, 활물질이 도포되지 않은 무지부를 절단 가공하여 유지부(활물질이 도포된 부분)의 전극 일단부로부터 돌출된 전극 탭을 형성하는 공정이며, 노칭 공정에 사용되는 장치가 노칭 장치다.

노칭 장치는, 일반적으로 상하로 운동하는 금형이 전극 탭의 형태대로 전극시트를 절단하도록 구성되어 있다. 금형에는 무지부에서 전극 탭을 제외한 부위만을 선택적으로 가압 및 절삭하는 특정 형태의 노칭 패턴(notching pattern)이 형성되어 있으며, 금형의 하강 시에 이 노칭 패턴이 전극시트의 무지부 중 전극 탭 이외의 부분을 절단함으로써 전극 단부에 외향 돌출된 전극 탭이 잔존하도록 가공한다.

노칭 공정은 전극 제조시에 필수적인 공정이지만, 많은 불량을 야기하는 공정이기도 하다. 노칭 공정 중에는 상하로 운동하는 금형에 의해 전극시트에 장력이 작용하는, 구리 재질의 음극보다 알루미늄 재질의 양극이 연신율이 상대적으로 작기 때문에 양극 제조 중에 단선 불량이 자주 발생한다. 또한, 생산 데이터를 분석하면, 대략 65㎜ 미만의 길이를 가진 전극은 장력을 견딜만한 연신량이 부족하기에 노칭 가공을 할 때 단선 불량이 자주 발생한다.

또한, 전극시트에 작용하는 장력을 조정하기 위해 노칭 장치에 구비되는 지지롤러(tension roller)는 금형의 상하운동에 영향을 받아 전후로 요동을 일으키는데, 이러한 지지롤러의 요동은 전극시트에 작용하는 장력을 강화하는 요인이 된다.

전극에 단선 불량이 발생하면 별도의 후공정으로 열처리를 하여 탄성 복원을 도모하지만, 단선 전극은 열처리를 하더라도 사용할 수 없어 폐기해야만 하는 상황이 빈번하고, 설사 열처리로서 전극을 복원하더라도 이에 수반되는 별도의 공정은 시간, 비용적으로 손실을 발생시킨다.

대한민국 공개특허 제10-2020-0125025호 (2020.11.04 공개)

본 발명은 전극시트를 노칭하여 전극 탭을 형성하는 과정에서 전극에 단선이 발생하는 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 롤러형 노칭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술된 문제를 해결하기 위하여, 전극시트를 노칭하여 전극 탭을 형성하는 과정에서 전극에 단선이 발생하는 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 롤러형 노칭 장치를 제공한다. 하나의 예에서, 언와인더와 리와인더 사이에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트의 노칭 장치는, 상기 전극시트의 이송 속도에 대응하는 선속도로 회전하고, 상기 전극시트의 상부에 배치된 노치롤러; 및 상기 전극시트의 하부에 배치되고, 상기 노치롤러에 대해 상하방향을 따라 마주보는 제1 히팅롤러;를 포함하고, 상기 노치롤러는 상기 전극시트의 폭 방향으로 연장되는 롤러 축에 결합하여 회전하고, 아울러 원형의 둘레부를 따라 적어도 하나 이상의 노치칼날을 구비한다.

구체적인 예에서, 상기 언와인더와 노치롤러 사이에는, 상기 전극시트에 작용하는 장력을 조정하는 적어도 하나 이상의 제2 히팅롤러를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 노치롤러와 리와인더 사이에는, 상기 전극시트에 작용하는 장력을 조정하는 적어도 하나 이상의 제3 히팅롤러를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제1 히팅롤러, 제2 히팅롤러 및 제3 히팅롤러는 요동하지 않는 고정롤러인 것이 바람직할 수 있다.

한편, 본 발명의 노칭 장치에 구비되는 상기 노치롤러는, 구체적인 예에서, 전극 탭을 형성하는 탭 칼날과 상부단차를 형성하는 상부단차 칼날을 구비하는 제1 노치롤러; 및 상기 제1 노치롤러에 대해 전극의 전장에 대응하는 거리만큼 이격되고, 하부단차를 형성하는 하부단차 칼날을 구비하는 제2 노치롤러;를 포함한다.

여기서, 상기 제1 노치롤러에 구비된 상부단차 칼날의 첨부와, 상기 제2 노치롤러에 구비된 하부단차 칼날의 첨부는 서로 마주볼 수 있다.

나아가, 상기 제1 노치롤러에 구비된 상부단차 칼날과, 상기 제2 노치롤러에 구비된 하부단차 칼날은 상기 롤러 축의 연장방향을 따라 동일 위치에 배치된다.

그리고, 상기 제1 노치롤러에 구비된 탭 칼날은 상기 상부단차 칼날의 첨부와는 반대방향으로 돌출된다.

하나의 예에서, 상기 상부단차 칼날과 상기 하부단차 칼날은 서로 동일한 개수로 구비되고, 상기 탭 칼날은 두 개의 상부단차 칼날 사이마다 하나씩 구비된다.

그리고, 상기 제1 노치롤러와 제2 노치롤러 사이의 거리는, 상기 전극시트 상에 형성된 유지부의 폭 보다 좁고, 또한 상기 제1 노치롤러의 탭 칼날은 상기 유지부 바깥으로 돌출될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 노치롤러는 상기 롤러 축 상에 복수 개가 구비될 수 있다.

구체적인 예에서, 상기 복수의 노치롤러는 거울대칭을 이루도록 상기 롤러 축 상에 배치될 수 있다.

하나의 예에서, 상기 노치롤러는 2개가 거울대칭을 이루되 각각의 제1 노치롤러가 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시형태에서, 상기 제1 노치롤러의 직하방을 향하도록 상기 롤러 축 상에 설치되고, 반사광량을 측정하는 제1 광센서;와, 상기 제2 노치롤러의 직하방을 향하도록 상기 롤러 축 상에 설치되고, 반사광량을 측정하는 제2 광센서;와, 상기 롤러 축을 상기 전극시트의 폭 방향을 따라 선형 이동시키는 선형 구동기; 및 상기 제1 광센서 또는 제2 광센서에서 측정한 반사광량이 비선형적으로 증가한 것으로 판단되면, 상기 선형 구동기를 제어하여 비선형적으로 증가한 반사광이 이전 수준으로 회복되는 방향으로 상기 롤러 축을 선형 이동하는 제어부;를 더 포함한다.

구체적인 예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 광센서가 직하방을 향하는 시점에만 발광하여 반사광량을 측정하도록 제어할 수 있다.

상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 노칭 장치는, 종래와 같이 상하로 노칭 금형이 움직이면서 일시에 노칭을 진행하는 것이 아니라, 회전하는 롤러형의 노칭 금형이 원주면을 따라 순차적으로 노칭을 진행하기 때문에 전극시트에 과도한 장력이 일시에 작용하는 일이 없다. 따라서, 본 발명의 노칭 장치는 종래의 상하이동형 노칭 금형을 사용하는 경우에 비해 전극 단선이 발생하는 일이 현저히 감소한다.

또한, 전극시트에 작용하는 장력을 조정하기 위해 구비되는 지지롤러는 금형의 상하운동에 영향을 받아 전후로 요동을 일으켜 오히려 전극시트에 작용하는 장력을 강화하는 요인이 되었지만, 본 발명의 노칭 장치는 히팅롤러가 전극시트에 열을 가하여 노칭 가공시에 작용하는 장력을 흡수하기에 적절한 상태를 유지하기에 단선 불량의 발생을 감소시킬 수 있다.

나아가, 본 발명에 구비된 히팅롤러는 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트가 출렁거리는 웨이브 발생을 억제하는데에도 기여하고, 이에 따라 전극 제조의 효율이 향상된다.

그리고, 본 발명의 노칭 장치는 롤러 축을 선형 이동하여 전극시트에 대한 노치롤러의 정렬상태를 실시간으로 조정함으로써, 전극 불량에 의한 전극 시트 및 전극 활물질 등의 소재가 폐기되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 노칭 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 노치롤러의 구성을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 노치롤러가 전극시트에 노칭 가공을 수행하는 과정을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 노칭 장치의 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 5는 도 4의 노칭 장치에 구비되는 노치롤러의 구성을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 노치롤러가 전극시트에 노칭 가공을 수행하는 과정을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시형태에 따른 노칭 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 도 7의 노칭 장치가 작동하는 과정을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 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 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 전극시트를 노칭하여 전극 탭을 형성하는 과정에서 전극에 단선이 발생하는 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 롤러형 노칭 장치를 제공한다.

하나의 예에서, 본 발명에 따른 노칭 장치는, 언와인더와 리와인더 사이에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트의 노칭 장치는, 상기 전극시트의 이송 속도에 대응하는 선속도로 회전하고, 상기 전극시트의 상부에 배치된 노치롤러; 및 상기 전극시트의 하부에 배치되고, 상기 노치롤러에 대해 상하방향을 따라 마주보는 제1 히팅롤러;를 포함하고, 상기 노치롤러는 상기 전극시트의 폭 방향으로 연장되는 롤러 축에 결합하여 회전하고, 아울러 원형의 둘레부를 따라 적어도 하나 이상의 노치칼날을 구비한다.

특히, 본 발명의 노칭 장치는 상하로 노칭 금형이 움직이면서 일시에 노칭을 진행하는 것이 아니라, 회전하는 롤러형의 노칭 금형이 원주면을 따라 순차적으로 노칭을 진행하기 때문에 전극시트에 과도한 장력이 일시에 작용하는 일이 없다. 따라서, 본 발명의 노칭 장치는 종래의 상하이동형 노칭 금형을 사용하는 경우에 비해 전극 단선이 발생하는 일이 현저히 감소한다.

또한, 전극시트에 작용하는 장력을 조정하기 위해 구비되는 지지롤러는 금형의 상하운동에 영향을 받아 전후로 요동을 일으켜 오히려 전극시트에 작용하는 장력을 강화하는 요인이 되었지만, 본 발명은 히팅롤러가 전극시트에 열을 가하여 노칭 가공시에 작용하는 장력을 흡수하기에 적절한 상태를 유지하기에 단선 불량의 발생을 감소시킬 수 있다. 아울러 히팅롤러는 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트가 출렁거리는 웨이브 발생을 억제하는데에도 기여한다.

이하, 도면을 통해 본 발명에 따른 히티롤러를 구비한 롤러형 노칭 장치에 대해 상세하게 설명한다.

[제1 실시형태]

도 1은 본 발명에 따른 노칭 장치(10)의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 노칭 장치(10)는 언와인더(20)와 리와인더(30) 사이에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트(A)의 노칭 장치(10)로서, 이송되는 전극시트(A)의 상부에 배치된 노치롤러(100)와, 전극시트(A)의 하부에 배치된 제1 히팅롤러(210)를 포함한다. 노치롤러(100) 및 제1 히팅롤러(210)는 언와인더(20)와 리와인더(30) 사이에 배치되며, 전극시트(A)는 노치롤러(100)와 제1 히팅롤러(210)에 대해 수평상태를 이루고 있다.

노치롤러(100)는 전극시트(A)의 이송 속도에 대응하는 선속도로 회전하는 원통형의 롤러이다. 전극시트(A)에 압력을 가하여 노칭을 수행하는 노치롤러(100)의 회전속도(외주면의 선속도)와 전극시트(A)의 이송 속도가 동등하므로, 전극시트(A)와 노치롤러(100) 사이에 미끄러짐이 발생하지 않는다.

제1 히팅롤러(210)는 전극시트(A)의 하부에 배치되어 노치롤러(100)에 대해 상하방향을 따라 마주보고 있다. 히팅롤러는 노치롤러(100)가 전극시트(A)에 가하는 힘을 지지하는 역할을 함과 동시에 전극시트(A)에 열을 가하는 역할을 한다. 제1 히팅롤러(210)가 전극시트(A)에 열을 가하면, 금속재질의 전극시트(A)는 상온에서보다 좀더 연신되기에 좋은 상태가 되므로, 노치롤러(100)가 전극시트(A)를 가압함으로써 증가하는 장력을 더 많이 흡수할 수 있게 된다. 즉, 제1 히팅롤러(210)의 가열에 의해 전극시트(A)가 견딜 수 있는 장력 수준이 향상되므로, 노칭 가공을 수행할 때 단선 불량이 발생할 위험은 현저히 감소한다.

제1 히팅롤러(210)는 내부에 전열선을 구비한 전기 가열방식이 바람직할 수 있으며, 제1 히팅롤러(210)의 가열온도는 전극시트(A)의 재질에 따라 80∼130℃ 범위에서 조정될 수 있다. 그리고, 제1 히팅롤러(210)의 구성은 이하에서 설명할 제2 및 제3 히팅롤러(220, 230)에도 동일하게 적용될 수 있다.

그리고, 전극시트(A)를 적절히 가열하면 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트(A)가 출렁거리는 웨이브 발생을 억제할 수 있다. 이는 전극시트(A)의 가열이 롤투롤 상태로 이송될 때 작용하는 장력을 완화하는데 도움이 되기 때문이다.

이를 위해, 언와인더(20)와 노치롤러(100) 사이에는, 전극시트(A)에 작용하는 장력을 조정하는 적어도 하나 이상의 제2 히팅롤러(220)를 구비할 수 있다. 제2 히팅롤러(220)의 개수는 언와인더(20)와 노치롤러(100) 사이의 거리, 전극시트(A)의 폭, 이송 속도 등을 고려하여 적절한 개수가 구비될 수 있다. 도 1의 일 실시형태는 제2 히팅롤러(220)가 3개 구비된 일례를 도시하고 있다.

또한, 노치롤러(100)와 리와인더(30) 사이에도 적어도 하나 이상의 제3 히팅롤러(230)를 구비할 수 있다. 제3 히팅롤러(230)도 웨이브 발생을 억제함으로써 노칭 가공을 거친 전극시트(A)가 리와인더(30)에 가지런하게 권취되는데 도움을 준다.

제2 및 제3 히팅롤러(220, 230)는 어느 하나만 노칭 장치(10)에 구비될 수도 있고, 또는 둘 모두 구비될 수도 있다. 제2 및 제3 히팅롤러(220, 230)의 설치 개수와 마찬가지로, 제2 히팅롤러(220)와 제3 히팅롤러(230)의 설치 여부는 언와인더(20) 및 리와인더(30)와 노치롤러(100) 사이의 거리, 전극시트(A)의 폭 등의 장력에 영향을 미치는 인자를 고려하여 적절히 선택된다.

여기서, 본 발명의 노칭 장치(10)에서, 제1 히팅롤러(210), 제2 히팅롤러(220) 및 제3 히팅롤러(230)는 요동하지 않는 고정롤러인 것이 바람직하다. 종래기술에 적용된 지지롤러는 노칭 가공의 영향을 받아 전후로 요동을 일으키고, 이러한 지지롤러의 요동은 전극시트(A)에 작용하는 장력을 강화하는 요인이 되는데, 본 발명에서는 제1 내지 제3 히팅롤러(210∼230) 자체가 열을 가하여 장력을 조절하고 히팅롤러의 요동은 장력 조절에 불리하므로 제1 내지 제3 히팅롤러(210∼230)를 고정롤러로 구성하였다.

그리고, 노치롤러(100)는 전극시트(A)의 폭 방향을 가로질러 연장되는 롤러 축(130)에 결합하여 회전하며, 아울러 노치롤러(100)의 원형 둘레부를 따라서는 적어도 하나 이상의 노치칼날(140)이 구비된다. 도 2를 참조하여 노치롤러(100)의 구체적인 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 노치롤러(100)는 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120)의 한 쌍으로 구성되어 있다. 제1 노치롤러(110)는 전극 탭(T)을 형성하는 탭 칼날(142)과 상부단차(U)를 형성하는 상부단차 칼날(144)을 구비한다. 그리고, 롤러 축(130)을 따라 제1 노치롤러(110)에 대해 소정 거리만큼 이격된 제2 노치롤러(120)는 하부단차(D)를 형성하는 하부단차 칼날(146)을 구비한다. 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120) 사이의 간격은 노칭 가공을 하는 전극의 전장(L)에 대응하며, 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120)의 지름은 동일하다.

제1 노치롤러(110)에서, 탭 칼날(142)은 전극 탭(T)을 노칭하기 위한 절단부재를 말한다. 그리고, 제1 노치롤러(110)의 상부단차 칼날(144)과 제2 노치롤러(120)의 하부단차 칼날(146)은 전극의 폭 방향 모서리 영역에 단차를 형성하기 위한 절단부재이다. 여기서, 상부와 하부는 각각 전극 탭(T)이 구비되는 쪽을 상부로, 그 반대편을 하부로 지칭하는 것이며, 단차는 전극시트(A)를 폭 방향으로 절단하여 하나의 전극을 만들 때의 절단 기준점으로 삼기 위함과 함께 절단 초기에 작용하는 응력을 감소시키기 위한 것이다.

단차는 전극시트(A)를 개별 전극으로 절단한 후에 각 전극에 돌기를 남기지 않는 형태여야 한다. 따라서, 제1 노치롤러(110)에 구비된 상부단차 칼날(144)의 첨부(기준점으로 사용되는 단차의 뾰족한 부분에 대응)와, 제2 노치롤러(120)에 구비된 하부단차 칼날(146)의 첨부는 서로 마주보는 것이 바람직하다. 즉, 상부단차 칼날(144)과 하부단차 칼날(146)은, 전극시트(A)에서 전극 활물질이 도포된 유지부(B) 안쪽을 노칭한다.

나아가, 제1 노치롤러(110)에 구비된 상부단차 칼날(144)과, 제2 노치롤러(120)에 구비된 하부단차 칼날(146)은 롤러 축(130)의 연장방향을 따라 동일 위치에 배치된다. 즉, 상부단차 칼날(144)과 하부단차 칼날(146)은 전극시트(A)의 폭 방향을 따라 서로 대향하는 상부단차(U)와 하부단차(D)를 형성한다. 전극시트(A) 상에 상부단차(U)와 하부단차(D)가 폭 방향을 따라 서로 마주보도록 배치되며, 상부단차(U)와 하부단차(D)를 지나는 선을 따라 정확하게 절단하는 것이 용이해진다.

상부단차(U) 및 하부단차(D)와는 달리, 전극 탭(T)은 유지부(B) 바깥의 무지부(C)로 돌출되어야 한다. 따라서, 제1 노치롤러(110)에 구비된 탭 칼날(142)은 인접한 상부단차 칼날(144)의 첨부와는 반대방향으로 돌출된다.

도 3은 도 2의 노치롤러(100)가 전극시트(A)에 노칭 가공을 수행하는 과정을 도시한 도면이다.

도 3의 (a)는 노칭 가공을 하기 전의 전극시트(A)를 나타낸다. 전극시트(A)에는 전극 활물질이 도포된 유지부(B)와, 도포되지 않은 무지부(C)가 형성되어 있다. 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트(A)의 이송방향을 길이방향이라 할 때, 유지부(B)는 일정 폭으로서 길이방향을 따라 연속적으로 형성되어 있다.

도 2의 노치롤러(100)가 노칭 가공을 수행하면, 제1 노치롤러(110)는 무지부(C)에 전극 탭(T)을 형성하고, 이와 함께 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120)는 각각 상부단차(U)와 하부단차(D)를 형성한다. 도 3의 (b)는 노치롤러(100)를 통과한 후에 전극시트(A)에 만들어진 노칭선을 표시한 것이다. 평면에 표시된 노칭선은 노치롤러(100)의 테두리 패턴을 직선으로 펼친 것에 대응한다. 회전하는 노치롤러(100)에 의해 그 테두리 패턴은 전극시트(A) 상에 반복적으로 나타나고, 그 테두리 패턴대로 전극시트(A)는 노칭된다. 도 3의 (c)는 노칭이 완료된 후의 전극시트(A)를 도시한 것이다.

여기서, 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120) 사이의 거리는, 전극시트(A) 상에 형성된 유지부(B)의 폭 보다 좁고, 또한 제1 노치롤러(110)의 탭 칼날(142)은 유지부(B) 바깥으로 돌출될 수 있다. 도 3의 (b)에 나타난 부분 확대도는 이러한 노치롤러(100)에 의해 노칭 가공된 하나의 전극을 보여준다.

부분 확대도를 보면, 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120) 사이의 거리는 전극전장(L)에 대응하는데, 이 거리가 유지부(B)의 폭 보다 좁으므로, 노칭 공정을 거진 전극 전체에 활물질이 도포되어 있게 된다. 즉, 제1 노치롤러(110)와 제2 노치롤러(120) 양쪽이 유지부(B) 안에 들어가도록 정렬함으로써 전극 전체가 유지부(B)에 덮여있게 되고, 이로써 전극에 도포된 활물질의 양은 최대로 확보된다.

또한, 제1 노치롤러(110)에서 탭 칼날(142)은 유지부(B) 바깥으로 돌출되어 있으므로, 탭 칼날(142)은 유지부(B)와 무지부(C) 양쪽에 걸쳐있게 되고, 이에 따라 전극 탭(T)의 하부 일부분에는 유지부(B)가 존재하게 된다. 전극 탭(T)의 하단부에 전극 활물질이 더 도포되어 있음으로써, 그만큼의 전극 활물질을 추가로 확보할 수 있다.

그리고, 노치롤러(110, 120)에 구비되는 탭 칼날(142), 상부단차 칼날(144) 및 하우단차 칼날의 개수는 전지전폭(W)에 따라 달라진다. 또한, 노치롤러(110, 120)의 1회전당 몇 개의 전극을 노칭 가공할지에 따라서도 달라진다. 기본적으로, 상부단차(U)와 하부단차(D)가 서로 대면하는 구조라면, 상부단차 칼날(144)과 하부단차 칼날(146)은 서로 동일한 개수로 구비되고, 탭 칼날(142)은 두 개의 상부단차 칼날(144) 사이마다 하나씩 구비될 것이다.

[제2 실시형태]

본 발명의 제2 실시형태는, 제1 실시형태에서 설명한 노치롤러(100)가 롤러 축(130) 상에 복수 개가 구비되는 실시형태에 관한 것이다.

제2 실시형태는 전극시트(A)에 복수 열의 유지부(B)가 형성되어 있을 때, 노치 롤러를 이용한 1회의 노칭 가공으로 모든 유지부(B)에 전극 탭(T)과 단차를 형성할 수 있도록 마련된 것이다.

이하에서는, 제2 실시형태 특유의 구성을 중심으로 설명하고, 제1 실시형태와 공통되는 내용은 반복되는 설명을 피하고자 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 노칭 장치(10)의 전체적인 구성을 도시한 도면이다. 도 4의 노칭 장치(10)에 구비되는 노치롤러(100)의 구성은 도 5에 도시되어 있는데, 노치롤러(100)를 제외한다면, 제2 실시형태는 복수의 리와인더(30)를 구비하고 있다는 점에서 차이가 있으며 이 개수는 열을 이루는 유지부(B)의 개수에 대응한다. 즉, 노치롤러(100)를 통과하여 유지부(B)마다 분리된 복수의 전극시트(A)가 할당된 리와인더(30)로 각기 개별적으로 권취된다.

도 5를 참조하면, 복수의 노치롤러(100)는 롤러 축(130) 상에 거울대칭을 이루도록 배치될 수 있으며, 도시된 일례와 같이 2개의 노치롤러(100)가 제1 노치롤러(110)끼리 서로 마주보는 방향으로 거울대칭을 이룰 수 있다.

도 6은 도 5의 노치롤러(100)가 전극시트(A)에 노칭 가공을 수행하는 과정을 도시한 도면이다. 도 6에는 노칭 가공 전후의 상태가 도시되어 있는데, 전극시트(A)의 가운데에 무지부(C)가 위치하고, 그 양옆으로 유지부(B)가 2열을 이루고 있으며, 전극시트(A)의 테두리 부분에는 무지부(C)가 거의 없다.

이와 같이, 전극시트(A)의 가운데에 무지부(C)를 배치하고, 이에 대응하여 롤러 축(130)의 중간에 2개의 제1 노치롤러(110)가 서로 마주보도록 거울대칭으로 배치하면, 전극시트(A)에서 무지부(C)가 차지하는 면적이 크게 감소함으로써 폐기되는 전극시트(A)를 줄일 수 있다. 여기서, 제1 노치롤러(110)의 탭 칼날(142)을 서로 엇갈리게 배치하면, 전극 탭(T)이 서로 마주보지 않게 되어 무지부(C)의 폭을 더 줄일 수 있다. 그리고, 제1 노치롤러(110)의 탭 칼날(142)이 서로 엇갈리게 배치됨에 따라, 이에 수반하여 인접한 상부단차 칼날(144)과 제2 노치롤러(120)의 하부단차 칼날(146)의 위치가 결정된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 2개의 노치롤러(100)가 제2 노치롤러(120)끼리 서로 마주보는 방향으로 거울대칭을 이루도록 구성할 수도 있다. 이런 경우에는 제1 노치롤러(110)의 탭 칼날(142)을 서로 엇갈리게 배치함으로써, 2개의 제2 노치롤러(120)를 하나의 제2 노치롤러(120)로 통합할 수도 있다. 다만, 이러한 실시형태는, 제2 노치롤러(120)를 하나로 줄일 수는 있지만, 전극시트(A)의 폭 방향 양쪽 테두리에 무지부(C)가 배치되어야 하기에 전극시트(A)의 폐기량을 줄인다는 측면에서는 불리한 점이 있다.

[제3 실시형태]

도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 노칭 장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7의 제3 실시형태는, 전술한 히팅롤러(210∼230)와 노치롤러(100)의 구성은 동일하지만, 다른 부가적인 구성을 추가함으로써 좀더 정밀하게 노칭을 수행할 수 있는 노칭 장치(10)를 제공하고, 이에 따라 폐기되는 전극 활물질을 줄일 수 있으면서 불량 전극의 발생도 억제할 수 있는 노칭 장치(10)에 관한 것이다.

제3 실시형태의 노칭 장치(10)는, 제1 및 제2 광센서(310, 320), 선형 구동기(330), 그리고 제어부(340)를 더 포함한다. 여기서, 도 7의 노칭 장치(10)는 제1 실시형태의 노치롤러(100)를 구비한 경우를 상정한 것이며, 통상의 기술자라면 제2 실시형태의 노치롤러(100)를 사용하는 경우에도 쉽게 변형할 수 있을 것이다.

제1 광센서(310)는 제1 노치롤러(110)의 직하방을 향하도록 롤러 축(130) 상에 설치된 반사광량을 측정하는 센서다. 그리고, 제2 광센서(320)는 제2 노치롤러(120)의 직하방을 향하도록 롤러 축(130) 상에 설치된 반사광량을 측정하는 센서다. 제1 및 제2 광센서(310, 320)는, 빛을 조사하고 그 반사광량을 측정하도록, 각각 발광부와 수광부를 구비할 수 있다. 빛으로는 직진성이 우수한 레이저 광이 적절할 수 있다.

그리고, 선형 구동기(330)는 롤러 축(130)을 전극시트(A)의 폭 방향을 따라 선형 이동시키는 리니어 액추에이터를 말한다. 선형 구동기(330)가 롤러 축(130)을 선형 이동시키는 양은 수 ㎜ 범위일 수 있으므로, 선형 구동기(330)는 스트로크 길이보다는 빠른 응답성과 롤러 축(130)을 움직일 정도의 출력을 갖추는 것이 더욱 적합하다.

제어부(340)는 제1 및 제2 광센서(310, 320)의 반사광량 측정결과를 입력받고, 이에 대응하여 선형 구동기(330)를 구동하는 컨트롤러를 의미한다. 제어부(340)의 동작에 대해서는 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 도 7의 노칭 장치(10)가 작동하는 과정을 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 전극시트(A)에는 유지부(B)와 무지부(C)가 존재한다. 여기서, 유지부(B)에는 전극 활물질이 도포되어 있는데, 전극 활물질은 일반적으로 매우 어두운 색채를 띈다. 이에 비해, 전극 활물질이 없는 무지부(C)는 전극시트(A)의 금속 표면이 그대로 드러난 부분이다. 따라서, 유지부(B)와 무지부(C)를 빛의 반사 측면에서 비교하자면, 유지부(B)에서의 반사광량은 무지부(C)에서보다 훨씬 낮다.

제1 및 제2 광센서(310, 320)는 제1 및 제2 노치롤러(110, 120) 직하방의 반사광량을 측정하는데, 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 노치롤러(110, 120) 양자는 유지부(B) 상방에 위치하는 것이 정상이다. 따라서, 이런 정상 상태라면, 제1 및 제2 광센서(310, 320)에서 각기 측정한 반사광량의 수준은 낮아야 한다.

그러나, 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트(A)가 폭 방향을 따라 미소하게 정위치에서 벗어나거나, 또는 액상의 전극 활물질을 도포하는 과정에서 발생하는 어쩔 수 없는 오차로 인해 유지부(B)가 어떤 부분에서는 똑바르지 못할 수 있다. 이런 경우를 비정상 상태라 한다면, 그 비정상적인 오차가 큰 경우에는 제1 광센서(310) 또는 제2 광센서(320) 중의 어느 하나에서는 무지부(C)에서 반사된 높은 반사광량이 측정될 것이다.

제어부(340)는 이러한 제1 및 제2 광센서(310, 320)의 출력신호를 바탕으로 하여, 노치롤러(100)가 정확이 유지부(B) 위에 있도록 정렬하는 제어를 한다. 즉, 제어부(340)는 제1 광센서(310) 또는 제2 광센서(320)에서 측정한 반사광량이 비선형적으로 급격하게 증가한 것으로 판단되면, 선형 구동기(330)를 제어하여 비선형적으로 증가한 반사광이 이전 수준으로 회복되는 방향으로 롤러 축(130)을 선형 이동하는 제어를 한다.

도 8을 예로 든다면, 도 8에서는 전극시트(A)의 유지부(B)가 제2 노치롤러(120) 쪽으로 편중됨에 따라 제1 노치롤러(110) 측의 제1 광센서(310)에서는 무지부(C)의 높은 반사광량이 측정되고 있다. 이에 대응하여, 제어부(340)는 제1 노치롤러(110) 측에서의 반사광량을 이전 수준(정상 상태)으로 되돌리기 위해 롤러 축(130)을 제2 노치롤러(120) 쪽으로 이동하는 제어를 수행한다. 이에 따라, 제1 노치롤러(110)는 유지부(B) 안쪽으로 되돌아오고, 다시 정상 상태로 되돌아옴에 따라 불량 전극이 발생할 위험이 줄어든다.

여기서, 롤러 축(130)과 함께 회전하는 제1 및 제2 광센서(310, 320)가 항시 발광을 하면, 빛이 전극시트(A)를 향하지 않는 불필요한 경우에도 사방으로 빛을 조사하여 문제가 될 수 있다. 이런 문제를 방지하기 위해, 제어부(340)는 제1 및 제2 광센서(310, 320)가 직하방을 향하는 시점에만 발광하여 반사광량을 측정하도록 제어할 수 있다. 제1 및 제2 광센서(310, 320)가 직하방을 향하는지는 엔코더와 같은 각 센서, 접촉 또는 비접촉 방식의 리미트 스위치 등의 공지의 수단을 이용하여 판별할 수 있다.

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.

10: 노칭 장치 20: 언와인더
30: 리와인더 100: 노치롤러
110: 제1 노치롤러 120: 제2 노치롤러
130: 롤러 축 140: 노치칼날
142: 탭 칼날 144: 상부단차 칼날
146: 하부단차 칼날 210: 제1 히팅롤러
220: 제2 히팅롤러 230: 제3 히팅롤러
310: 제1 광센서 320: 제2 광센서
330: 선형 구동기 340: 제어부
A: 전극시트 B: 유지부
C: 무지부 T: 전극 탭
U: 상부단차 D: 하부단차
L: 전극전장 W: 전극전폭

Claims

언와인더와 리와인더 사이에서 롤투롤 상태로 이송되는 전극시트의 노칭 장치에 있어서,
상기 전극시트의 이송 속도에 대응하는 선속도로 회전하고, 상기 전극시트의 상부에 배치된 노치롤러; 및
상기 전극시트의 하부에 배치되고, 상기 노치롤러에 대해 상하방향을 따라 마주보는 제1 히팅롤러;
를 포함하고,
상기 노치롤러는, 상기 전극시트의 폭 방향으로 연장되는 롤러 축에 결합하여 회전하고, 원형의 둘레부를 따라 적어도 하나 이상의 노치칼날을 구비하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제1항에 있어서,
상기 언와인더와 노치롤러 사이에는, 상기 전극시트에 작용하는 장력을 조정하는 적어도 하나 이상의 제2 히팅롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 노치롤러와 리와인더 사이에는, 상기 전극시트에 작용하는 장력을 조정하는 적어도 하나 이상의 제3 히팅롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 히팅롤러, 제2 히팅롤러 및 제3 히팅롤러는 요동하지 않는 고정롤러인 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제1항에 있어서,
상기 노치롤러는,
전극 탭을 형성하는 탭 칼날과 상부단차를 형성하는 상부단차 칼날을 구비하는 제1 노치롤러; 및
상기 제1 노치롤러에 대해 전극의 전장에 대응하는 거리만큼 이격되고, 하부단차를 형성하는 하부단차 칼날을 구비하는 제2 노치롤러;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 노치롤러에 구비된 상부단차 칼날의 첨부와, 상기 제2 노치롤러에 구비된 하부단차 칼날의 첨부는 서로 마주보는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 노치롤러에 구비된 상부단차 칼날과, 상기 제2 노치롤러에 구비된 하부단차 칼날은 상기 롤러 축의 연장방향을 따라 동일 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 노치롤러에 구비된 탭 칼날은 상기 상부단차 칼날의 첨부와는 반대방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제5항에 있어서,
상기 상부단차 칼날과 상기 하부단차 칼날은 서로 동일한 개수로 구비되고,
상기 탭 칼날은 두 개의 상부단차 칼날 사이마다 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 노치롤러와 제2 노치롤러 사이의 거리는, 상기 전극시트 상에 형성된 유지부의 폭 보다 좁고, 또한 상기 제1 노치롤러의 탭 칼날은 상기 유지부 바깥으로 돌출된 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제5항에 있어서,
상기 노치롤러는 상기 롤러 축 상에 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제11항에 있어서,
상기 복수의 노치롤러는 거울대칭을 이루도록 상기 롤러 축 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제12항에 있어서,
상기 노치롤러는 2개가 거울대칭을 이루되 각각의 제1 노치롤러가 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 노치롤러의 직하방을 향하도록 상기 롤러 축 상에 설치되고, 반사광량을 측정하는 제1 광센서;
상기 제2 노치롤러의 직하방을 향하도록 상기 롤러 축 상에 설치되고, 반사광량을 측정하는 제2 광센서;
상기 롤러 축을 상기 전극시트의 폭 방향을 따라 선형 이동시키는 선형 구동기; 및
상기 제1 광센서 또는 제2 광센서에서 측정한 반사광량이 비선형적으로 증가한 것으로 판단되면, 상기 선형 구동기를 제어하여 비선형적으로 증가한 반사광이 이전 수준으로 회복되는 방향으로 상기 롤러 축을 선형 이동하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.
제14항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 광센서가 직하방을 향하는 시점에만 발광하여 반사광량을 측정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 노칭 장치.