KR20230149983A - 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법 - Google Patents

라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 라미네이션 장치는, 최종 커터부의 하류 측에 배치되고, 단위 셀의 이미지를 촬영하는 비전부; 및 상기 비전부에서 수신된 상기 촬영 이미지의 명도값(brightness value)을 산출하고, 상기 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법{LAMINATION DEVICE, UNIT CELL MANUFACTURING METHOD AND UNIT CELL}
본 발명은 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법에 관한 것으로서, 분리막의 손상을 방지하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 이차전지는 충방전이 가능한 장점에 의해 사용이 점차적으로 늘고 있는 추세이다. 이와 같은 이차전지 중에서도 리튬 이차 전지는 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에, 전자 통신 기기의 전원으로 사용되거나 고출력의 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 구동원 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지의 형상 측면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 증가되고 있다. 이차전지의 재료 측면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 증가되고 있다.
전극시트가 노칭모듈에 공급되고, 노칭모듈이 전극시트의 폭방향 일측에 전극탭을 동일 간극으로 형성한다. 전극탭이 형성된 전극시트는 리와인더에 다시 권취된다.
대한민국 등록특허공보 제2328527호에는 라미네이션 장치가 개시되어 있다. 상기 라미네이션 장치에서는 2개의 전극롤에 권취된 전극시트와, 2개의 분리막롤에 권취된 분리막 시트가 공급된다. 이때, 제1커터부가 제1전극시트를 절단하여 제1전극을 형성한 후 한 쌍의 분리막 시트 사이에 적층하고, 제2커터부가 제2전극시트를 절단하여 제2전극을 형성한 후 상층의 분리막 시트에 적층한다. 이때, 제2전극은 상층의 분리막 시트에서 제1전극에 일대일 대응되게 적층된다.
절단된 제1전극과 제2전극이 분리막 시트에 적층된 상태의 전극 적층체가 라미네이터의 히터부와 라미 롤러에 공급된다. 히터부는 전극 적층체를 가열하고, 라미 롤러는 전극 적층체를 가압하여 합치시킨다. 이어, 라미 롤러의 하류측에 설치된 제3커터부가 이웃한 한 쌍의 전극 사이의 분리막 시트 부분을 절단하여 모노셀을 형성한다. 라미네이터의 하류측에는 모노셀을 검사하기 위해 비전장치가 설치된다. 비전장치는 분리막에 접착된 전극의 위치 변경이나 전극 틀어짐 등을 검사한다.
그러나, 상기한 라미네이션 장치는 라미 롤러가 항상 동일한 압력으로 전극 적층체를 가압하고, 상기 전극 적층체의 맨 상층의 전극들이 분리막 시트와 단차지게 적층된다. 이에 따라, 상기 전극의 에지부가 라미 롤러에 접촉될 때마다 전극의 에지부에 충격이 가해지게 된다. 더욱이, 이차전지의 생산성을 높이기 위해 상기 전극 적층체의 이송 속도로 증가될수록 상기 전극의 에지부에 가해지는 충격이 더욱 커질 수 있다. 전극의 에지부에 대응되는 분리막 시트 부분이나 그 근처가 과도한 충격에 의해 손상된 부분이 발생될 수 있다. 이에 따라, 모노셀의 불량률이 증가될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체에서 전극의 두께가 증가되는 경우, 전극과 분리막 시트의 단차가 증가되어 라미 롤러와 전극의 충격량이 더욱 커질 수 있다. 또한, 상기 전극 적층체에서 분리막 시트의 두께가 얇아지는 경우에도, 동일한 충격력이 전극에 가해지더라도 분리막 시트의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다. 이러한 경우에도 모노셀의 불량률이 증가될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체에 적층되는 전극들은 집전체의 가공 오차, 활물질의 코팅 오차, 전극과 분리막 시트의 적층 오차 등에 의해 두께가 달라질 수 있다. 그러나, 기존의 라미네이션 장치에서는 라미 롤러가 일정한 압력으로 전극 적층체를 가압하므로, 두께가 다른 전극들이 라미 롤러에 가압될 때에 분리막 시트의 손상 가능성이 증가될 수 있다.
또한, 상기 비전장치가 단순히 모노셀의 불량 여부만을 검사하므로, 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트의 손상 여부를 확인하기 어렵다. 또한, 분리막 시트의 손상이 일정 시간 동안 진행된 이후에, 라미네이션 장치에서 불량 원인을 조사하므로, 모노셀의 불량률이 증가될 수밖에 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 분리막의 손상을 방지하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정할 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 적층체에서 두께가 다른 전극들과 라미 롤러부의 현저히 충격을 완화시킬 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단위 셀에서 분리막의 두께를 감소시키더라도 분리막에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있는 라미네이션 장치 및 단위 셀 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 라미네이션 장치는, 최종 커터부의 하류 측에 배치되고, 단위 셀의 이미지를 촬영하는 비전부; 및 상기 비전부에서 수신된 상기 촬영 이미지의 명도값(brightness value)을 산출하고, 상기 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 비전부는 상기 단위 셀을 촬영하도록 상기 단위 셀의 하측에 배치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비전부에서 촬영된 이미지를 수신받는 비전 제어부; 및 상기 비전 제어부에서 수신된 상기 이미지를 연산하여 상기 산출 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어하는 자동 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 라미네이션 장치는, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고음을 발생시키는 알람부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 단위 셀 제조 방법은 라미네이션 단계, 절단 단계 및 압력 보정 단계를 포함한다.
라미네이션 단계에서는 라미 롤러부가 전극 적층체를 압착하여 분리막 시트와 전극을 적층한다.
절단 단계에서는 최종 커터부가 상기 전극 적층체를 절단하여 단위 셀을 형성한다.
촬영 단계에서는 비전부가 상기 단위 셀의 이미지를 촬영한다.
압력 보정 단계에서는 제어부가 상기 비전부에서 수신된 촬영 이미지를 연산하여 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값에 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 압력 조절부를 제어한다.
상기 비전부는 상기 단위 셀의 하부에서 상기 단위 셀의 이미지를 촬영할 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 이미지 중에서 상기 단위 셀의 전극의 에지부와 접촉되는 분리막 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출할 수 있다.
상기 제어부에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부를 제어할 수 있다.
상기 단위 셀 제조방법은, 상기 라미 롤러부의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부가 경고음을 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 단위 셀의 촬영 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체에서 두께가 다른 전극들과 라미 롤러부의 현저히 충격을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막 시트의 손상을 최소화하고, 단위 셀의 불량률을 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 비전부에서 촬영된 이미지의 명도값에 따라 라미 롤러부의 압력을 실시간으로 보정하므로, 상기 단위 셀에서 분리막의 두께를 감소시키더라도 분리막에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 동일한 두께의 단위 셀에서 분리막이 얇아지는 만큼 전극의 두께를 두껍게 할 수 있다. 나아가, 단위 셀이 적층된 배터리 패키지에서 배터리의 용량을 현저히 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 라미 롤러부의 압력을 자동 보정한 후에도 일정 횟수 이상(일정 시간 동안) 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부가 경고 신호를 발생시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 라미네이션 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 비전부 및 제어부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 전극 적층체가 라미 롤러부에 의해 가압되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 적층체에서 절단된 단위 셀에서 분리막 시트의 두께가 기존의 분리막 보다 얇게 형성되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 비전부가 단위 셀의 이미지를 촬영하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어부를 구성하는 자동 제어부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 비전부가 촬영한 단위 셀의 이미지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 단위 셀에서 제2분리막에 손상 부분이 발생된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 단위 셀의 촬영 이미지에서 분리막의 에지부에 눌린 자국이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 단위 셀의 제조방법을 개략적으로 도시한 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 라미네이션 장치에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 라미네이션 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 비전부 및 제어부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 라미네이션 장치에서 전극 적층체가 라미 롤러부에 의해 가압되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 전극 적층체에서 절단된 단위 셀에서 분리막 시트의 두께가 기존의 분리막 보다 얇게 형성되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 비전부가 단위 셀의 이미지(IM)를 촬영하는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 제어부를 구성하는 자동 제어부(PLC)를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 7은 본 발명에 따른 비전부가 촬영한 단위 셀의 이미지(IM)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 단위 셀에서 제2분리막에 손상 부분이 발생된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 단위 셀의 촬영 이미지(IM)에서 분리막의 에지부에 눌린 자국이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라미네이션 장치(100)는 비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하고, 제어부(180)가 촬영 이미지(IM)의 명도값(brightness value)을 산출하여 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한다. 라미 롤러부(153)의 압력이 보정됨에 따라 전극 적층체(102)에 부착된 전극(11,12)과 라미 롤러부(153)의 충격을 완화시킴으로써, 분리막 시트(131) 또는 전극(11,12)이 라미 롤러부(153)의 충격에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제어부(180)가 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하고, 비전부(170)가 단위 셀(10)의 불량 여부를 실시간으로 확인하므로, 라미네이션 장치(100)에서 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
단위 셀(10)은 모노셀(mono-cell), 바이셀(bi-cell), 풀셀(full cell) 중 어느 하나 일 수 있다.
모노셀은 최외곽 일면에 분리막(13)이 배치되고, 최외곽 타면에 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 예들 들면, 모노셀은 제1분리막(13a), 제1전극(11), 제2분리막(13b) 및 제2전극(12)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 3개 이상의 전극과, 각 전극 사이에 개재되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
바이셀은 최외곽 양면에 동일 극성의 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 바이셀은 제1전극(11), 제1분리막(13a), 제2전극(12), 제2분리막(13b) 및 제1전극(11)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 5개 이상의 홀수 전극과, 각 전극 사이에 적층되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
풀셀은 최외곽 양면에 반대 극성의 전극이 배치되는 구조의 셀을 의미한다. 풀셀은 제1전극(11), 제1분리막(13a), 제2전극(12)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 모노셀은 4개 이상의 짝수 전극과, 각 전극 사이에 적층되는 3개 이상의 분리막(13)으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 라미네이션 장치(100)는 모노셀, 바이셀 및 풀셀 중 어느 하나를 제조할 수 있고, 상기 단위 셀(10)의 종류에 따라 전극롤(110,120)과 분리막롤(130)의 설치 개수를 변경할 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 모노셀을 제조하는 라미네이션 장치(100)의 일 예들 도시하였다.
상기 라미네이션 장치(100)는 제1전극시트(111)을 권취한 제1전극롤(110)을 포함한다. 제1전극시트(111)는 제1전극롤(110)에서 풀려 핀치 롤러(133) 측으로 공급된다. 제1전극시트(111)의 일면 또는 양면에는 활물질이 코팅된다.
라미네이션 장치(100)는 제2전극시트(121)를 권취한 제2전극롤(120)을 포함한다. 제2전극시트(121)는 제2전극롤(120)에서 풀려 라미네이션부(150) 측으로 공급된다. 제2전극시트(121)의 일면 또는 양면에는 활물질이 코팅된다.
제1전극시트(111)는 음극 활물질이 코팅된 음극 전극시트이고, 제2전극시트(121)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극시트일 수 있다. 또한, 제1전극시트(111)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극시트이고, 제2전극시트(121)는 음극 활물질이 코팅된 음극 전극시트일 수 있다.
라미네이션 장치(100)는 분리막 시트(131)가 귄취된 복수의 분리막롤(130)을 포함한다. 복수의 분리막롤(130)은 제1분리막 시트(131a)가 권취된 제1분리막롤(130a)과, 제2분리막 시트(131b)가 권취된 제2분리막롤(130b)을 포함할 수 있다.
제1분리막롤(130a)과 제2분리막롤(130b) 사이에는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)가 겹쳐지도록 핀치 롤러(133)가 설치된다. 제1전극롤(110)과 핀치 롤러(133) 사이에는 제1커터부(141)가 설치된다. 제1커터부(141)는 제1전극롤(110)에서 풀리는 제1전극시트(111)를 절단하여 제1전극(11)을 형성한다. 제1전극(11)은 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b) 사이에 일정 간격마다 적층된다. 핀치 롤러(133)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)가 적층되도록 제1전극(11) 측으로 가압한다. 핀치 롤러(133)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)을 적층시키도록 가압하는 한 적어도 2개 이상이 설치될 수 있다. 또한, 핀치 롤러(133)는 분리막 시트(131)의 이송 방향을 바꿔주는 구성으로서, 핀치 롤러(133)의 개수는 분리막롤(130)의 설치 개수에 따라 변경될 수 있다.
분리막 시트(131)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 양면에 적층된다. 예들 들면, 제1분리막 시트(131a)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 일면에 적층되고, 제2분리막 시트(131b)는 일렬로 배열된 제1전극(11)의 타면에 적층된다.
라미네이션부(150)의 제2전극(12)의 입구측에는 제2커터부(143)가 배치된다. 제2커터부(143)는 제2전극롤(120)에서 풀리는 제2전극시트(121)를 절단하여 제2분리막 시트(131b)의 상면에 안착시킨다. 이에 따라, 전극 적층체(102)는 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b) 사이에 복수의 제1전극(11)이 배열되고, 제2분리막 시트(131b)의 상면에 복수의 제2전극(12)이 배열되는 구조를 갖는다.
상기한 전극 적층체(102)에는 도 1과 같이 1개의 제1전극시트(111), 1개의 제2전극시트(121) 및 2개의 분리막 시트(131)가 적층될 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에는 2개 이상의 제1전극시트(111), 2개 이상의 제2전극시트(121) 및 4개 이상의 분리막 시트(131)가 적층될 수도 있다. 전극시트(111,121)와 분리막 시트(131)의 적층 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1전극시트(111)에 코팅되는 양극 활물질과 제2전극시트(121)에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 할 수 있다. 양극 활물질로는 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 이러한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극시트는 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극시트(11,12)에 사용 가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
분리막(13)은 다공성 고분자 기재와, 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 가진다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 다공성 구조는 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지 되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막(13)과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막 수준의 두께를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 분리막(13)의 안정 성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 180
Figure pat00001
기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막(13)을 채용한 이차전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차부에서 분리막(13)의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
상기 라미네이션부(150)는 히터부(151), 라미 롤러부(153) 및 압력 조절부(155)를 포함한다.
히터부(151)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 가열한다. 히터부(151)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 양측에서 가열하도록 분리막 시트(131)의 양측에 배치된다. 히터부(151)는 제1전극시트(111)의 양측에 분리막 시트(131)와 이격되도록 설치된다. 히터부(151)는 전극(11,12)과 분리막 시트(131)를 전체적으로 고르게 가열하도록 분리막 시트(131)의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
라미 롤러부(153)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 가압한다. 라미 롤러부(153)는 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 양측에서 가압하도록 분리막 시트(131)의 양측에 배치되는 상부 라미 롤러(153a)와 하부 라미 롤러(153b)를 포함한다.
압력 조절부(155)는 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)에 가해지는 압력을 조절할 수 있도록 라미 롤러부(153)에 연결된다. 라미 롤러부(153)는 제1전극시트(111)와 분리막 시트(131)를 전체적으로 고르게 가압하도록 분리막 시트(131)의 폭보다 길게 형성될 수 있다.
압력 조절부(155)는 실린더부(미도시)와 레귤레이터(미도시)를 포함한다.
실린더부는 라미 롤러부(153)에 연결된다. 실린더부에 유체가 공급되면 실린더부는 라미 롤러부(153)의 압력이 증가되고, 실린더부에서 유체가 배출됨에 따라 라미 롤러부(153)의 압력이 감소된다.
레귤레이터는 제어부(180)의 제어 신호를 전달받아 실린더부의 압력을 조절한다. 레귤레이터는 실린더에 공급되거나 배출되는 유체의 양을 조절하여 실린더부의 압력을 조절한다. 레귤레이터가 실린더부의 압력을 조절함에 따라 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)에 가해지는 압력이 보정될 수 있다.
제어부(180)에는 압력 조절부(155)에 관한 초기 압력값이 미리 설정된다. 초기 압력값은 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들면, 전극 적층체(102)의 두께와 넓이가 증가할수록 초기 압력값을 증가시킬 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 두꺼울수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)간의 단차가 커지므로, 라미 롤러부(153)와 제2전극(12)의 에지부(E)의 충격을 완화시키기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록 상대적으로 약한 충격에도 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가되므로, 분리막 시트(131)의 손상을 최소화하기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 라미 롤러부(153)의 압력이 동일한 경우에도 전극 적층체(102)의 이송 속도가 빨라질수록 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가되므로, 분리막 시트(131)의 손상을 최소화하기 위해 압력 조절부(155)의 초기 압력값을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 제어부(180)에는 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정된다. 제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다. 상기한 명도값은 아래에서 설명할 비전부(170)에서 촬영된 분리막 시트의 명암이 어둡거나 밝은 정도를 수치화한 것이다. 이러한 명도값이 높을수록 촬영 이미지(IM)의 명암이 밝아지고, 명도값이 낮을수록 촬영 이미지(IM)의 명암이 어두워진다.
이때, 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위는 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급되는 초기에는, 압력 조절부(155)는 제어부(180)에 미리 설정된 초기 압력값으로 전극 적층체(102)를 가압한다. 그리고, 비전부(170)에서 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 판독하여 단위 셀(10)의 명도값(brightness value)이 제어부(180)에 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어나면, 압력 조절부(155)의 압력값을 실시간으로 보정한다.
최종 커터부(160)는 라미 롤러부(153)의 하류 측에 배치된다. 최종 커터부(160)는 분리막 시트(131)와 전극를 절단하여 단위 셀(10)을 형성한다. 이때, 최종 커터부(160)는 이웃한 2개의 전극 사이의 분리막 시트(131) 부분을 절단한다.
비전부(170)는 최종 커터부(160)의 하류 측에 배치되고, 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다. 이러한 비전부(170)는 최종 커터부(160)에서 절단된 단위 셀(10)에 광을 조사하고, 단위 셀(10)에서 반사된 광을 측정하여 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다.
제어부(180)는 비전부(170)에서 수신된 촬영 이미지(IM)의 명도값(brightness value)을 산출한다. 예들 들면, 제어부(180)는 산출 이미지(IM) 중에서 전극(111,12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 부분(P: 도 3 및 도 5 참조)에 대응되는 산출 명도값을 산출한다. 그리고, 제어부(180)는 산출 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다.
상기와 같이 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하는 것에 관해 상세히 설명하면 다음과 같다.
전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급되면, 라미 롤러부(153)가 회전되면서 전극 적층체(102)를 압착한다. 이 때, 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치되면, 전극 적층체(102)가 상대적으로 강하게 압착되고(도 3(a) 참조)된다. 라미 롤러부(153)가 이웃한 2개의 제2전극(12) 사이에 위치되면 전극 적층체(102)가 상대적으로 약하게 압착된다(도 3(b) 참조).
그런데, 상기 제2전극(12)들이 제2분리막 시트(131b)와 단차지게 적층되므로, 제2전극(12)의 에지부(E)가 상부 라미 롤러(153a)에 접촉될 때마다 제2전극(12)의 에지부(E)에 충격이 가해지게 된다. 더욱이, 이차전지의 생산성을 높이기 위해 상기 전극 적층체(102)가 라미 롤러부(153)에 빠른 속도로 공급될수록 상기 제2전극(12)의 에지부(E)에 가해지는 충격이 더욱 커질 수 있다. 이때, 제1분리막 시트(131a)와 제2분리막 시트(131b)는 이온이 통과할 수 있는 다공성 재질로 형성되므로, 제2전극(12)의 에지부(E)가 충격에 의해 하측으로 압박됨에 따라 2분리막 시트(131)와 및 제1분리막 시트(131a)가 두께방향으로 눌리게 된다. 그리고, 제1분리막 시트(131a)와 제2 분리막 시트(131)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분(P)이나 그 근처가 과도한 충격에 의해 눌린 자국이나 손상된 부분이 발생될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)의 단차가 증가되므로, 라미 롤러부(153)와 제2전극(12)의 충격량이 커지게 된다. 또한, 상기 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록, 동일한 충격력이 분리막 시트(131)에 가해지더라도 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다.
상기한 전극 적층체(102)가 최종 커터부(160)에 의해 절단됨에 따라 단위 셀(10)이 생성된다. 비전부(170)가 단위 셀(10)의 하부에서 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다.
이때, 상기 단위 셀(10)의 분리막(13)에 눌림 자국이나 손상된 부분이 없는 경우, 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)가 전체적으로 하얀 색상이나 그에 가까운 색상(낮은 명도)으로 나타난다. 이에 비해, 상기 분리막(13)에 눌림 자국이나 손상된 부분이 있는 경우, 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분(P)이나 그 근처 부분이 어두운 색상(높은 명도)으로 나타난다. 분리막(13)이 제2전극(13)에 의해 눌리는 힘이 강하면 강할수록 제2전극(13)의 에지부(E)에 대응되는 부분이 더욱 어두운 색상으로 나타난다. 도 9(a)에는 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 일부분의 명도가 낮은 부분(P1)이 생성되고, 도 9(b)에는 분리막(13)의 촬영 이미지(IM)에서 일부분의 명도가 높은 부분(P2)이 생성되는 예들 도시하였다.
한편, 상기 단위 셀(10)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록, 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 분리막 부분(P)이 더욱 어두운 색상으로 나타나게 된다. 또한, 분리막(13)의 두께가 얇아질수록, 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 분리막 부분(P)이 더욱 어두운 색상으로 나타나게 된다. 또한, 손상된 부분의 손상 정도가 심할수록 명암이 더욱 어두워진다.
상기한 명도값이 높을수록 명암이 밝아지고, 명도값이 낮을수록 명암이 어두워지므로, 명도값이 낮을수록 분리막 시트(131)의 눌림 정도나 손상 정도가 심하다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 비전부(170)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값을 이용하여 분리막(13)의 손상 정도를 측정할 수 있는 것이다. 도 7은 미세한 손상 부분(P)이 생성된 촬영 이미지(IM)의 일 예를 도시한 것이고, 도 8은 미세한 손상 부분(P)이 생성된 분리막을 도시한 것이다.
라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력을 기준으로 라미 롤러부(153)의 압력을 보정할 수 있다. 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력은 라미 롤러부(153)가 2개 제2전극(12) 사이에 위치될 때의 압력보다 압력 편차가 가장 작다. 이에 따라, 상기 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 보정함으로써, 라미 롤러부(153)의 압력을 정확하게 보정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어부(180)는 비전 제어부(181) 및 자동 제어부(183)(PLC: Programmable Logic Controller)를 포함한다.
비전 제어부(181)는 비전부(170)에서 촬영된 이미지(IM)를 수신 받는다. 비전 제어부(181)는 비전부(170)에서 광을 조사하도록 비전부(170)를 제어하고, 비전부(170)에서 촬영된 촬영 이미지(IM)를 수신한다. 비전 제어부(181)로는 비전 컴퓨터를 제시한다.
자동 제어부(183)는 비전 제어부(181)에서 수신된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 산출 명도값을 산출하고, 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다.
자동 제어부(183)(PLC)는 입력 제어부(184), 데이터 메모리부(185), 프로세싱부(186), 프로그램 메모리부(187) 및 출력 제어부(188)를 포함한다. 입력 제어부(184)에는 입력부를 통해 촬영 이미지(IM)가 입력되고, 입력 제어부(184)는 촬영 이미지(IM)를 프로세싱부(186)에 전송한다. 프로세싱부(186)는 촬영 이미지(IM)를 연산하여 산출 명도값을 도출하고, 프로그램에 의해 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어났다고 판단되면 압력 보정값을 연산한다. 이어, 출력 제어부(188)는 압력 보정값을 압력 조절부(155)에 출력하고, 압력 조절부(155)는 압력 보정값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한다.
도 4를 참조하면, 최근에는 동일한 크기의 이차전지에서 충전 용량을 증대시키기 위해, 단위 셀(10)의 분리막(13)의 두께(t3,t4)를 얇게 형성하면서 전극(11,12)의 두께를 두껍게 형성한다. 예를 들면, 기존의 단위 셀(10)에서는 두께(t1,t2)가 대략 19-20um 정도의 분리막(13)이 사용되었으나, 최근에는 두께(t3,t4)가 16-14um 정도의 분리막(13)이 사용되고 있고 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 동일한 크기의 단위 셀(10)에서 분리막(13)의 두께(t3,t4)가 대략 25% 정도 감소되는 만큼, 전극(11,12)의 두께를 대략 25% 정도 증가시킬 수 있다.
상기한 분리막(13)의 두께(t3,t4)가 얇아지는 만큼, 두꺼운 전극(11,12)이 사용될 수 있다. 상기 전극(11,12)에는 집전체에 활물질이 도포되고, 집전체의 표면에는 활물질의 접착력을 높일 수 있도록 미세한 요철이 형성된다. 이에 따라, 전극(11,12)은 집전체 표면의 요철과 활물질층의 도포 편차에 의해 길이방향이나 폭방향으로 미세한 높이 편차가 발생될 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)가 라미네이션 장치(100)의 라미 롤러부(153)에서 압착되는 동안에 라미 롤러부(153)가 전극(11,12)의 높이 편차에 의해 미세하게 편심될 수 있다. 라미 롤러부(153)가 선행 전극(11,12)에 의해 편심된 상태에서 후행하는 전극(11,12)이 라미 롤러부(153)에 접근하면, 라미 롤러부(153)가 전극(11,12)의 에지부(E)에 충격을 가하게 되고, 전극(11,12)의 에지부(E)에 접촉하는 분리막 시트 부분(P)이 손상을 입게 된다. 이때, 라미 롤러부(153)가 계속적으로 동일한 압력으로 전극 적층체(102)를 가압하면, 분리막 시트(131)에서 손상된 부분이 빈번하게 발생됨에 따라 단위 셀(10)의 불량률이 증가될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 단위 셀(10)의 촬영 이미지(IM)를 실시간으로 촬영하고, 촬영 이미지(IM)의 명도값이 허용 명도 범위에 속하는지를 판단하여 단위 셀(10)의 불량 여부를 판별한다. 또한, 특정의 단위 셀(10)이 불량으로 판별되면, 제어부(180)가 압력 조절부(155)를 제어하여 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
상기 라미네이션 장치(100)는 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한 후에도 일정 횟수 이상(일정 시간 동안) 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고 신호를 발생시키는 알람부(190)를 더 포함한다. 이때, 라미 롤러부(153)의 압력 보정 후 산출 명도값이 일정 시간 동안 허용 명도 범위를 벗어나면, 알람부(190)가 경고음을 발생할 수 있다. 알람부(190)가 경고음을 알리면, 라미네이션 장치(100)의 제조 공정이 수동이나 자동으로 중단될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 비전부(180)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체(102)가 라미네이션되는 동안에 분리막 시트(131)가 손상되거나 과도하게 눌리는 것을 실시간으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀(10)의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에 적층되는 전극(11,12)들이 집전체의 가공 오차, 활물질의 코팅 오차, 전극(11,12)과 분리막 시트(131)의 적층 오차 등에 의해 두께가 달라질 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 단위 셀(10)의 촬영 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 전극 적층체(10)에서 두께가 다른 전극(11,12)들과 라미 롤러부(153)의 충격을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막 시트(131)의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 비전부(180)에서 촬영된 이미지(IM)의 명도값에 따라 라미 롤러부(153)의 압력을 실시간으로 보정하므로, 상기 단위 셀(10)에서 분리막(13)의 두께(t3,t4)를 감소시키더라도 분리막(13)에 가해지는 충격을 완화시켜 분리막(13)의 손상 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 이에 따라, 동일한 두께의 단위 셀(10)에서 분리막(13)이 얇아지는 만큼 전극(11,12)의 두께를 두껍게 할 수 있다. 나아가, 단위 셀(10)이 적층된 배터리 패키지에서 배터리의 용량을 현저히 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 라미네이션 장치를 이용한 단위 셀 제조방법에 관해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 단위 셀의 제조방법을 개략적으로 도시한 플로우차트이다.
도 10을 참조하면, 전극 적층체(102)가 라미네이션부(150)에 공급된다. 이때, 히터부(151)가 전극 적층체(102)를 가열하고, 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 압착하여 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 적층한다(S11). 제어부(180)에는 압력 조절부(155)에 관한 초기 압력값이 미리 설정된다.
최종 커터부(160)가 전극 적층체(102)를 절단하여 단위 셀(10)을 형성한다(S12). 이때, 최종 커터부(160)는 이웃한 2개의 전극(11,12) 사이의 분리막 시트(131) 부분을 절단한다. 단위 셀(10)은 비전부(170)의 상측으로 이동된다.
비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다(S13). 이때, 비전부(170)는 최종 커터부(160)에서 절단된 단위 셀(10)의 하부에 광을 조사하고, 단위 셀(10)에서 반사된 광을 측정하여 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영한다. 비전부(170)는 제어부(180)에 촬영 이미지(IM)를 전송한다.
제어부(180)는 비전부(170)로부터 수신된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 명도값을 산출한다(S14). 이때, 제어부(180)는 산출 이미지(IM) 중에서 단위 셀(10)의 전극(11,12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 부분(P)에 대응되는 산출 명도값을 산출한다.
이때, 상기 단위 셀(10)의 분리막 시트(131)가 라미 롤러부(153)에 의해 허용 범위 내에서 눌리는 경우, 분리막 시트(131)의 촬영 이미지(IM)가 전체적으로 하얀 색상이나 그에 가까운 색상(낮은 명도)으로 나타난다. 이에 반해, 상기 단위 셀(10)의 분리막 시트(131)가 라미 롤러부(153)에 의해 허용 범위를 초과하여 과도하게 눌리거나 손상되는 경우, 분리막 시트(131)의 촬영 이미지(IM)에서 제2전극(12)의 에지부(E)에 대응되는 부분이나 그 근처 부분이 어두운 색상(높은 명도)으로 나타난다. 분리막 시트(131)에서 전극에 의해 눌리는 힘이 강하면 강할수록 상기 전극의 에지부(E)에 대응되는 부분이 더욱 어두운 색상으로 나타난다.
또한, 상기 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께가 증가될수록 제2전극(12)과 제2분리막 시트(131b)의 단차가 증가되므로, 제2전극(12)과 분리막 시트(131)의 충격량이 커지게 된다. 또한, 상기 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께가 얇아질수록 제2전극(12)의 충격력에 의해 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 더욱 증가될 수 있다. 상기 라미 롤러부(153)의 압력이 동일한 경우에도 전극 적층체(102)의 이송 속도가 빨라질수록 분리막 시트(131)의 손상 가능성이 증가될 수 있다.
제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어나는가를 판단한다(S15). 제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 속한다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 그대로 유지한다.
제어부(180)는 산출 명도값이 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어한다(S16). 이때, 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위는 전극 적층체(102)의 두께 및 넓이, 전극 적층체(102)에서 제2전극(12)의 두께, 전극 적층체(102)에서 분리막 시트(131)의 두께, 전극 적층체(102)의 이송 속도, 분리막 시트(131)의 물성 등을 종합적으로 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
라미 롤러부(153)의 압력 보정은 라미 롤러부(153)가 제2전극(12)의 상면에 위치될 때의 압력을 기준으로 보정할 수 있다. 이에 따라, 상기 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 가압하는 압력 중에서 가장 큰 압력을 기준으로 보정함으로써, 라미 롤러부(153)의 압력량을 정확하게 보정할 수 있다.
이와 같이, 제1전극(11)의 에지부(E)가 라미 롤러부(153)에 접촉되는 순간에 제2전극(12)의 에지부(E)에 충격이 가해지며, 제2전극(12)의 에지부(E)와 접촉되는 분리막 시트 부분(P)이 충격에 의해 눌리거나 손상될 수 있다. 그리고, 전극 적층체(102)가 최종 커터부(160)에 의해 절단되면, 단위 셀(10)의 분리막(13)의 에지부(E)에 손상이 남게 되는데, 상기 비전부(170)가 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하면 분리막(13)에서 눌린 부분이나 손상 부분의 명도값이 어둡게 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 명도값에 따라 단위 셀(10)의 불량 여부를 판별할 수 있다.
제어부(180)는 비전부(170)에서 실시간으로 촬영된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 명도값을 다시 산출한다(S17).
산출 명도값이 허용 명도 범위를 벗어나는가를 다시 판단한다(S18). 이때, 라미 롤러부(153)의 압력 보정 후 산출 명도값이 일정 시간 동안 허용 명도 범위를 벗어나는지를 다시 판단한다.
알람부(190)가 알람을 발생하고, 라미네이션 장치(100)의 구동을 중단한다(S19, S20). 이때, 알람부(190)가 경고음을 알리면, 라미네이션 장치(100)의 제조 공정이 수동이나 자동으로 중단될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 단위 셀
11: 제1전극
12: 제2전극
13: 분리막
13a: 제1분리막
13b: 제2분리막
E: 에지부
100: 라미네이션 장치
102: 전극 적층체
110: 제1전극롤
111: 제1전극시트
120: 제2전극롤
121: 제2전극시트
130: 분리막롤
130a: 제1분리막롤
131: 분리막 시트
131a: 제1분리막 시트
130b: 제2분리막롤
131b: 제2분리막 시트
133: 핀치 롤러
141: 제1커터부
143: 제2커터부
150: 라미네이션부
151: 히터부
153: 라미 롤러부
153a: 상부 라미 롤러
153b: 하부 라미 롤러
155: 압력 조절부
160: 최종 커터부
170: 비전부
180: 제어부
181: 비전 제어부
183: 자동 제어부
184: 입력 제어부
185: 데이터 메모리부
186: 연산 및 프로세싱부
187: 프로그램 메모리부
188: 출력 제어부
190: 알람부

Claims (11)

  1. 전극 적층체(102)의 상측과 하측을 가압하여 분리막 시트(131)와 전극(11,12)을 적층하는 라미 롤러부(153);
    상기 라미 롤러부(153)의 압력을 조절하도록 상기 라미 롤러부(153)에 연결되는 압력 조절부(155);
    상기 라미 롤러부(153)의 하류 측에 배치되고, 상기 전극 적층체(102)에서 상기 분리막 시트(131)와 상기 전극(11,12)를 절단하여 단위 셀(10)을 형성하는 최종 커터부(160);
    상기 최종 커터부(160)의 하류 측에 배치되고, 상기 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하는 비전부(170); 및
    상기 비전부(170)에서 수신된 상기 촬영 이미지(IM)의 명도값(brightness value)을 산출하고, 상기 산출 명도값에 따라 상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부(155)를 제어하는 제어부(180);를 포함하는, 라미네이션 장치(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비전부(170)는 상기 단위 셀(10)을 촬영하도록 상기 단위 셀(10)의 하측에 배치되는, 라미네이션 장치(100).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(180)는 상기 산출 이미지(IM) 중에서 상기 전극의 에지부(E)와 접촉되는 분리막(13) 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출하는, 라미네이션 장치(100).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부(180)에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정되고,
    상기 제어부(180)는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부(155)를 제어하는, 라미네이션 장치(100).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(180)는,
    상기 비전부(170)에서 촬영된 이미지(IM)를 수신받는 비전 제어부(181); 및
    상기 비전 제어부(181)에서 수신된 상기 이미지(IM)를 연산하여 상기 산출 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값이 미리 설정된 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면 상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부(155)를 제어하는 자동 제어부(183);를 포함하는, 라미네이션 장치(100).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 경고음을 발생시키는 알람부(190);를 더 포함하는, 라미네이션 장치(100).
  7. 라미 롤러부(153)가 전극 적층체(102)를 압착하여 분리막 시트(131)와 전극을 적층하는 라미네이션 단계;
    최종 커터부(160)가 상기 전극 적층체(102)를 절단하여 단위 셀(10)을 형성하는 절단 단계;
    비전부(170)가 상기 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하는 촬영 단계; 및
    제어부(180)가 상기 비전부(170)에서 수신된 촬영 이미지(IM)를 연산하여 명도값을 산출하고, 상기 산출 명도값에 상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 압력 조절부(155)를 제어하는 압력 보정 단계;를 포함하는, 단위 셀 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비전부(170)는 상기 단위 셀(10)의 하부에서 상기 단위 셀(10)의 이미지(IM)를 촬영하는, 단위 셀 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부(180)는 상기 산출 이미지(IM) 중에서 상기 단위 셀(10)의 전극의 에지부(E)와 접촉되는 분리막(13) 부분에 대응되는 산출 명도값을 산출하는, 단위 셀 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부(180)에는 상기 산출 명도값에 대한 허용 명도 범위가 미리 설정되고,
    상기 제어부(180)는 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위에 벗어난다고 판단되면, 상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정하도록 상기 압력 조절부(155)를 제어하는, 단위 셀 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 라미 롤러부(153)의 압력을 보정한 후에도 상기 산출 명도값이 상기 허용 명도 범위를 벗어난다고 판단되면, 알람부(190)가 경고음을 발생시키는 단계;를 더 포함하는, 단위 셀 제조방법.
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