KR20230084777A - 전극의 레이저 노칭에 사용되는 전극 제조 장치 - Google Patents

전극의 레이저 노칭에 사용되는 전극 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 노칭 공정의 수행을 위해 전극 시트를 연속적으로 이송하는 이송부; 상기 전극 시트에 레이저 빔을 조사하여 노칭 공정을 수행하는 레이저 조사부; 및 상기 전극 시트를 사이에 두고, 레이저 조사부에 대향하는 부위에 위치하여 전극 시트를 지지하는 패턴 지그;를 포함하며, 상기 패턴 지그는 상기 전극 시트를 노칭한 레이저가 통과하는 패턴홀이 구비된 패널을 포함하며, 상기 패턴홀은 레이저 빔 진행방향을 기준으로 전방에서 후방으로 갈수록 넓어지는 구조를 갖는 전극 제조 장치를 제공한다.

Description

전극의 레이저 노칭에 사용되는 전극 제조 장치{Electrode manufacturing device used for laser notching of electrodes}
본 발명은 전극의 레이저 노칭에 사용되는 전극 제조 장치에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기 자동차 등에 대한 수요가 증가함에 따라 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지는 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 이러한 분류에 따르는 전극조립체로는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있다. 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형을 혼합한 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체도 사용되고 있다.
일반적으로, 이러한 이차전지는 전극 집전체 상에 전극 활물질, 도전제, 바인더 등이 혼합된 전극 합제를 도포한 후 건조하여, 전극을 제조하고, 상기 제조된 전극을 분리막과 함께 적층한 후, 전해액과 함께 전지케이스에 내장 및 밀봉함으로써 완성된다.
이때, 상기 전극은 긴 시트 형상으로 이루어진 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포되어 제조된 전극 시트를 노칭(notching)한 후, 소정의 길이로 커팅함으로써 제조된다.
일반적으로, 상기 노칭 과정은 전극에 대응하는 형상의 커팅부를 포함하고 있는 지그 또는 롤러를 사용하여 수행되며, 최근에는 보다 정밀한 치수로 전극을 형성할 수 있도록, 전극 시트에 소정의 레이저를 조사하는 방법으로 노칭 과정을 수행하기도 한다.
도 1에는 레이저를 이용하는 종래의 전극 제조 장치가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전극 제조 장치는 노칭시 발생하는 이물(spatter 등)이 패턴 지그(40)의 패턴홀(42) 주변에 적체되거나 고착되어 쌓이면서, 이들에 의해 전극 시트가 손상되는 문제가 야기되는 단점을 갖는다.
그러므로, 이러한 문제에 대한 개선이 요구되고 있다.
대한민국 특허등록 제10-2158708호
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서,
전극의 레이저 노칭시 발생하는 이물(spatter 등)이 패턴 지그의 패턴홀 주변에 적체되거나 고착됨으로써, 전극 시트를 손상시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 전극 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
전극 노칭 공정의 수행을 위해 전극 시트를 연속적으로 이송하는 이송부;
상기 전극 시트에 레이저 빔을 조사하여 노칭 공정을 수행하는 레이저 조사부; 및
상기 전극 시트를 사이에 두고, 레이저 조사부에 대향하는 부위에 위치하여 전극 시트를 지지하는 패턴 지그;를 포함하며,
상기 패턴 지그는 상기 전극 시트를 노칭한 레이저가 통과하는 패턴홀이 구비된 패널을 포함하며, 상기 패턴홀은 레이저 빔 진행방향을 기준으로 전방에서 후방으로 갈수록 넓어지는 구조를 갖는 전극 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀은 상기 패널에 대한 관통홀로 형성되며, 상기 관통홀을 형성하는 벽체는 패널의 레이저 조사부 방향 상부면과 15도 내지 80도의 내각을 형성하는 경사부를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 상기 관통홀을 형성하는 벽체는 패널의 레이저 조사부 방향 상부면과 15도 내지 70도의 내각을 형성하는 경사부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패널은 두께가 1.0 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀이 구비된 패널은 평면형 패널이거나, 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴 지그는 석션 장치의 상부에 고정되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀이 구비된 패널은 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널이고, 상기 곡면형 패널을 포함하는 패턴 지그는 원통형 드럼석션에 고정된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 볼록한 곡면형 패널을 포함하는 패턴 지그는 원통형 드럼석션에 3개 내지 10개가 고정되고, 전극 노칭시 상기 패턴 지그는 원통형 드럼 석션의 회전에 의해 다른 패턴 지그로 교체되면서 노칭이 진행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀이 구비된 패널의 표면에는 이물 부착 방지 코팅층이 더 구비될 수 있다.
상기 코팅층은 마찰계수가 0.3 이하이고, 표면조도가 0.15㎛ 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 이물 부착 방지 코팅층은 DLC(Diamond-like carbon) 코팅, AlCrN(알크로나) 코팅 등에서 선택되는 1종 이상의 코팅으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전극 시트는 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질이 도포된 유지부와 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전극 제조 장치는 전극 탭을 형성하기 위한 노칭 공정에 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 전극 제조 장치는 개선된 구조의 패턴 지그를 구비함으로써, 전극의 레이저 노칭시 발생하는 이물(예: spatter)이 패턴 지그의 패턴홀 주변에 적체되거나 고착됨으로써, 전극 시트를 손상시키는 것을 효과적으로 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 전극 제조 장치 및 이의 사용상태를 모식적으로 도시한 단면도이며,
도 2는 본 발명의 전극 제조 장치에 사용되는 패턴 지그의 일 실시형태를 도시한 평면도이며,
도 3은 상기 도 2 패턴 지그의 A-A 단면(a) 및 B-B 단면(b)을 도시한 단면도이며,
도 4는 본 발명의 전극 제조 장치의 일 실시형태를 모식적으로 도시한 단면도이며,
도 5는 본 발명의 전극 제조 장치에 사용되는 패턴 지그의 다른 실시형태를 도시한 사시도이며,
도 6은 상기 도 5 패턴 지그의 A-A 단면을 도시한 단면도이며,
도 7은 본 발명의 전극 제조 장치의 다른 실시형태를 모식적으로 도시한 단면도이며,
도 8은 본 발명의 전극 제조 장치에 사용되는 패턴 지그의 다른 실시형태를 촬영하여 나타낸 사진이며,
도 9는 본 발명의 전극 제조 장치의 다른 실시형태를 모식적으로 도시한 단면도이며,
도 10은 본 발명의 전극 제조 장치의 다른 실시형태를 모식적으로 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 전극 제조 장치에 사용되는 패턴 지그의 일 실시형태를 도시한 평면도이며, 도 3은 상기 도 2 패턴 지그의 A-A 단면(a) 및 B-B 단면(b)을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 전극 제조 장치의 일 실시형태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 전극 제조 장치(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 노칭 공정의 수행을 위해 전극 시트(10)를 연속적으로 이송하는 이송부(20); 상기 전극 시트(10)에 레이저 빔을 조사하여 노칭 공정을 수행하는 레이저 조사부(30); 및 상기 전극 시트(10)를 사이에 두고, 레이저 조사부에 대향하는 부위에 위치하여 전극 시트를 지지하는 패턴 지그(40);를 포함하며,
상기 패턴 지그(40)는 상기 전극 시트(10)를 노칭한 레이저가 통과하는 패턴홀(42)이 구비된 패널(44)을 포함하며, 상기 패턴홀(42)은 레이저 빔 진행방향을 기준으로 전방에서 후방으로 갈수록 넓어지는 구조를 갖는다.
상기 패턴 지그(40)는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 패턴홀(42)이 구비된 패널(44) 자체일 수 있으며, 상기 패널(44)과 상기 패널을 석션 장치 등에 고정시키기 위한 고정부 등을 더 포함한 형태일 수 있다. 상기 고정부는 상기 패널(44)을 석션 장치 등에 적합하게 고정하기 위한 지지부재, 고정수단 등을 포함할 수 있다. 상기 고정수단은 예를 들어, 나사결합을 위한 결합공 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀(42)은 상기 패널에 대한 관통홀로 형성되며, 상기 관통홀을 형성하는 벽체(48)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 패널의 레이저 조사부 방향 상부면과 15도 내지 80도, 바람직하게는 15도 내지 70도, 더욱 바람직하게는 15도 내지 45도의 내각을 형성하는 경사부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 경사부는, 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 중심축과 평행한 축을 기준으로 하는 경우, 상기 레이저 빔의 중심축과 평행한 축을 기준으로 10도 내지 75도, 바람직하게는 20도 내지 75도, 더욱 바람직하게는 45도 내지 75도의 내각을 형성하는 경사부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패널은 두께가 1.0 mm 이하, 바람직하게는 0.7 mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 mm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴 지그(40)는, 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, 석션 장치(50)의 상부에 고정될 수 있다. 즉, 본 발명의 전극 제조 장치(100)에 있어서, 레이저 빔에 의한 전극 시트(10)의 노칭시 이물(예: spatter)이 발생하며, 이러한 이물을 흡입하여 제거하는 것이 요구된다. 따라서, 상기 패턴 지그(40)는 상기 석션 장치와 함께 설치될 수 있다. 상기 석션 장치는 패턴 지그(40)에 형성된 패턴홀(42)과 연통되게 설치되며, 공기의 흡입에 의해 상기 패턴홀(42) 및 패턴홀 주변에 발생된 이물(예: spatter)을 흡착하는 기능을 수행한다. 상기에서 “상부”란 레이저 빔 진행방향을 기준으로 정해지는 위치를 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀(42)이 구비된 패널(44)은 도 2 및 3에 도시된 바와 같은 평면형 패널이거나, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널(44)일 수 있다. 상기 도 5는 본 발명의 전극 제조 장치에 사용되는 패턴 지그의 다른 실시형태를 도시한 사시도이며, 도 6은 상기 도 5 패턴 지그의 A-A 단면을 도시한 단면도를 나타낸다.
패턴 지그(40)가 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널(44)을 포함하는 경우, 이러한 패턴 지그(40)는, 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같은 전극 제조 장치에 적용될 수 있다. 즉, 상기와 같은 패턴 지그(40)는, 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같은 원통형 드럼석션(50)에 고정된 형태로 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 전극 제조 장치는 전극 시트(10)의 이송부(20)에서 전극 시트(10)가 원통형의 원통형 드럼석션(50)의 일부를 감싸면서 통과될 수 있게 공급한다. 이 때, 전극 시트(10)와 접촉되는 드럼석션(50)의 표면에 상기 패턴 지그(40)가 고정되어, 레이저 조사부(30)에서 조사되는 레이저 빔(32)에 의해 전극 노칭이 이루어진다.
상기 곡면형 패널을 포함하는 패턴 지그(40)는 원통형 드럼 석션에 3개 내지 10개가 고정될 수 있으며, 전극 노칭시 상기 패턴 지그(40)는 원통형 드럼 석션(50)의 회전에 의해 다른 패턴 지그(40)로 교체되면서 노칭이 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 패턴홀이 구비된 패널의 표면에는 이물 부착 방지 코팅층이 더 구비될 수 있다.
상기 코팅층은 마찰계수가 0.3 이하, 바람직하게는 0.15 이하이고, 표면조도가 0.15㎛ 이하, 바람직하게는 0.1㎛ 이하인 것일 수 있다.
상기에서 마찰계수가 0.3을 초과할 경우, 이물이 적체되거나 고착될 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 표면조도가 0.15㎛를 초과할 경우, 이물이 적체되거나 고착될 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 코팅층은 경도가 1,800 내지 2,000인 것일 수 있다.
상기 이물 부착 방지 코팅층은 DLC(Diamond-like carbon) 코팅, AlCrN(알크로나) 코팅 등에서 선택되는 1종 이상의 코팅으로 형성될 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니며, 상기 코팅층의 재원을 충족하는 코팅이라면 공지된 코팅 소재가 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전극 시트(10)는 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질이 도포된 유지부와 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 노칭은 전극탭에 대한 노칭 또는 전극을 개별 단위로 절단하는 공정일 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련되어 설명되었지만,
발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 전극 시트 20: 이송부
30: 레이저 조사부 32: 레이저 빔
34: 레이저 발진부 36: 석션부
40: 패턴 지그 42: 패턴홀
44: 패널 46: 패턴 지그 고정홈
48: 패턴홀 벽체 49: 코팅층
50: 석션 장치 52: 석션홀
54: 석션 배관 56: 흡입장치
100: 전극 제조 장치

Claims (13)

  1. 전극 노칭 공정의 수행을 위해 전극 시트를 연속적으로 이송하는 이송부;
    상기 전극 시트에 레이저 빔을 조사하여 노칭 공정을 수행하는 레이저 조사부; 및
    상기 전극 시트를 사이에 두고, 레이저 조사부에 대향하는 부위에 위치하여 전극 시트를 지지하는 패턴 지그;를 포함하며,
    상기 패턴 지그는 상기 전극 시트를 노칭한 레이저가 통과하는 패턴홀이 구비된 패널을 포함하며, 상기 패턴홀은 레이저 빔 진행방향을 기준으로 전방에서 후방으로 갈수록 넓어지는 구조를 갖는 전극 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴홀은 상기 패널에 대한 관통홀로 형성되며, 상기 관통홀을 형성하는 벽체는 패널의 레이저 조사부 방향 상부면과 15도 내지 80도의 내각을 형성하는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀을 형성하는 벽체는 패널의 레이저 조사부 방향 상부면과 15도 내지 70도의 내각을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패널은 두께가 1.0 mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패턴홀이 구비된 패널은 평면형 패널이거나, 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널인 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 지그는 석션 장치의 상부에 고정되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 패턴홀이 구비된 패널은 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널이고, 상기 곡면형 패널을 포함하는 패턴 지그는 원통형 드럼 석션롤에 고정되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극 시트 방향이 볼록한 곡면형 패널을 포함하는 패턴 지그는 원통형 드럼석션에 3개 내지 10개가 고정되고, 전극 노칭시 상기 패턴 지그는 원통형 드럼 석션의 회전에 의해 다른 패턴 지그로 교체되면서 노칭이 진행되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패턴홀이 구비된 패널의 표면에는 이물 부착 방지 코팅층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코팅층은 마찰계수가 0.3 이하이고, 표면조도가 0.15㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 이물 부착 방지 코팅층은 DLC(Diamond-like carbon) 코팅 및 AlCrN 코팅 중에서 선택되는 1종 이상의 코팅으로 형성된 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 시트는 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질이 도포된 유지부와 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전극 제조 장치는 전극 탭을 형성하기 위한 노칭 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 전극 제조 장치.
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