WO2023033612A1 - 이물 제거 장치 - Google Patents

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WO2023033612A1
WO2023033612A1 PCT/KR2022/013234 KR2022013234W WO2023033612A1 WO 2023033612 A1 WO2023033612 A1 WO 2023033612A1 KR 2022013234 W KR2022013234 W KR 2022013234W WO 2023033612 A1 WO2023033612 A1 WO 2023033612A1
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WO
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electrode
removal device
angle
foreign matter
suction
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PCT/KR2022/013234
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English (en)
French (fr)
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홍상진
정유상
김국태
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B5/00—Cleaning by methods involving the use of air flow or gas flow
    • B08B5/02—Cleaning by the force of jets, e.g. blowing-out cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B5/00—Cleaning by methods involving the use of air flow or gas flow
    • B08B5/04—Cleaning by suction, with or without auxiliary action
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a foreign material removal device, and more particularly, to a foreign material removal device for removing foreign materials on the surface of an electrode in a battery manufacturing process.
  • secondary batteries are attracting much attention as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, laptops, and wearable devices.
  • the secondary battery includes a cylindrical battery and a prismatic battery in which an electrode assembly having a laminated structure of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and an electrode It is classified as a pouch-type battery in which the assembly is built in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet.
  • secondary batteries are also classified according to the structure of the electrode assembly having a laminated structure of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • a jelly-roll type (wound type) electrode assembly having a structure in which long sheet-type positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size with a separator interposed therebetween and stacked (stacked) electrode assemblies sequentially stacked.
  • a stack/folding type electrode assembly which is a mixture of the jelly-roll type and stack type, has been developed.
  • Such electrode assemblies can generally be combined or manufactured through a semi-automated or automated manufacturing line.
  • the electrodes or separators constituting the electrode assembly are transported along a guide member such as a rail or a rotating roll to devices performing processing such as a cutting process, an adhesion process, a lamination process, and a winding process, and the devices It can be combined or manufactured in the form of an electrode assembly through operation.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional foreign material removal device.
  • the foreign matter removal device 10 includes a spraying part 12 for spraying air toward the surface of an electrode E moving along a transport direction p1 and a suction part for sucking foreign matter separated from the electrode surface. (14), through which foreign substances on the surface of the electrode (E) are removed.
  • the air injected from the ejection part 12 extends between the ejection part 12 and the suction part 14 rather than the electrode E due to the Coanda effect.
  • the flow rate/flow rate was increased to solve this problem, air consumption increased and noise was increased.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a foreign matter removal device capable of improving foreign matter removal efficiency and minimizing a product defect rate by concentrating the injected air on the surface of an electrode.
  • An apparatus for removing foreign matter from a surface of an electrode that is continuously transported in one direction includes a spraying unit for blowing air toward the surface of an electrode, and a suction unit for sucking in foreign matter separated from the surface of the electrode. and an extension part extending between the injection part and the suction part, and an adjustment part recessed in a direction away from the surface of the electrode is formed in the extension part.
  • the injection part and the suction part are formed as slits forming an angle with the conveying direction of the electrode, the air injected from the ejection part moves in a direction opposite to the conveying direction of the electrode, and the air sucked by the suction part may move in the same direction as the direction of movement of the injected air.
  • An acute angle formed by the spraying part with the conveying direction of the electrode may have substantially the same value as an acute angle formed by the suction part with the conveying direction of the electrode.
  • An angle at which air is blown to the jetting unit may form an angle of 35 degrees to 55 degrees with respect to the transport direction of the electrode.
  • the spraying part is formed of a slit forming an angle with the transfer direction of the electrode, and the width of the slit may be 0.03 mm to 0.07 mm.
  • the injection part may be formed of a slit forming an angle with the transport direction of the electrode, and a protrusion protruding toward an air flow space may be positioned at an end of the injection part, and the flow space may refer to a space formed on an upper surface of an electrode. there is.
  • the protruding portion may form an angle with a conveying direction of the electrode, and an angle formed between the protruding portion and a conveying direction of the electrode may correspond to an angle formed by the spraying part and a conveying direction of the electrode.
  • the protrusion length of the protrusion may be 2 mm to 3 mm.
  • An angle at which the suction unit sucks foreign substances may be 33 degrees to 55 degrees.
  • the suction part is formed of a slit forming an angle with the transfer direction of the electrode
  • the width of the slit may be 1.0 mm to 3.0 mm.
  • the extension part may have a length of 20 mm to 35 mm.
  • the depth of the adjusting part is 3 mm to 5 mm, and the depth of the adjusting part may be calculated based on one side of the extension part on which the adjusting part is not formed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional foreign material removal device.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a foreign material removal device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an experimental result for optimizing the protrusion of the foreign matter removal device according to FIG. 2 .
  • 4 and 5 are designs and results of optimization experiments of the foreign matter removal device according to FIG. 2 .
  • FIGS. 6 to 9 are graphs analyzing the experimental results of FIGS. 4 and 5 .
  • 11 is a comparison of foreign material removal rates of a conventional foreign material removal device and a foreign material removal device according to an embodiment of the present invention.
  • planar it means when the corresponding part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross section of the corresponding part cut vertically is viewed from the side.
  • the foreign material removal device 100 described below will mainly be used to remove foreign materials on the surface of the electrode E in the secondary battery manufacturing process. However, this is not necessarily the case, and it is obvious that it can be used in various processes requiring the removal of foreign substances on the surface in addition to the secondary battery manufacturing process.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a foreign material removal device according to an embodiment of the present invention.
  • the foreign material removal device 100 has two body parts 110 that are symmetrical about the electrode E crossing the center of the foreign material removal device 100. can
  • the main body portion 110 located on the upper side of the electrode E is mainly described, but these descriptions also apply to the body portion 110 located on the lower side of the electrode E. Make it clear in advance that it can be applied.
  • the foreign matter removal device 100 includes a spraying unit 120 for spraying air toward the surface of the electrode E moving along the transport direction p1 between the two body parts 110, and sucking foreign matter separated from the electrode surface. It includes an extension part 160 extending between the suction part 140, the injection part 120, and the suction part 140, and the extension part 160 may be formed with a control part 180 having a recessed shape. there is.
  • the electrode E may be an object of the foreign material removal device 100 .
  • the electrode E may be provided in the form of a long rectangular sheet in which an electrode slurry is applied to a current collector.
  • the current collector may be made of stainless steel, aluminum, copper, nickel, titanium, calcined carbon, or the like, and may be provided in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, or nonwoven fabric.
  • the electrode slurry may typically include an electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent, but is not limited thereto.
  • the electrode E may be moved in one direction by the rotational force of the roller that winds or unwinds the electrode.
  • the electrode E may be continuously moved by the rotational force of the roller that winds or unwinds the electrode.
  • the electrode E may be moved between the two body parts 110 inside the foreign material removal device 100 by the roller.
  • the spraying unit 120 may be configured to spray air to remove foreign matter attached to the surface of the electrode E.
  • the injection unit 120 is configured so that the electrode E faces the electrode E later than the suction unit 140 based on the transfer direction p1 of the electrode E in the foreign material removal device 100. ) may be located far from the inlet to pass through.
  • the injection unit 120 may be formed in a slit shape in the body unit 110 .
  • the flow rate and velocity of the air injected from the jetting unit 120 may be determined according to the width of the slit of the jetting unit 120 .
  • the width of the slit of the injection unit 120 according to the present embodiment may be smaller than the width of the slit of the general injection unit 120 .
  • the width of the slit of the injection unit 120 may be less than 0.5 mm.
  • the width of the slit of the injection unit 120 may be 0.1 mm or less, 0.07 mm or less, 0.01 mm or more, or 0.03 mm or more, and in detail, the error range may be 0.005 mm or less, 0.05 mm. This may be to maximize the flow rate at the same flow rate by making the width of the slit smaller than in the prior art.
  • the spraying angle a1 of the air discharged by the spraying unit 120 may form an angle with the transfer direction p1 of the electrode E.
  • the spraying angle a1 may be determined according to the shape of the slit of the spraying unit 120 .
  • the blowing angle a1 may refer to an acute angle among angles formed between the transport direction p1 of the electrode E and the air blowing path.
  • the injection unit 120 may be formed in an oblique line toward the surface of the electrode E from the inside of the body unit 110 .
  • the jetting unit 120 may be formed in an oblique shape so that the air discharged from the jetting unit 120 moves in a direction opposite to the transfer direction p1 of the electrode. Since the pressure applied to the surface of the electrode E by the air ejected from the jetting unit 120 may vary depending on the jetting angle a1 of the jetting unit 120, the jetting angle a1 of the jetting unit 120 is appropriately designed It can be. A detailed description of the spray angle a1 will be described later through experimental data.
  • a protrusion 122 may be formed at an end of the injection unit 120 .
  • the protruding portion 122 may refer to a portion extending from the spraying portion 120 and protruding into an air flow space.
  • the 'flow space' refers to a space formed above the surface of the electrode E, and may mean a space formed between the foreign material removal device 100 and the surface of the electrode E.
  • the 'flow space' may be formed larger by the control unit 180, and at this time, the 'flow space' refers to the space between the recessed surface of the control unit 180 and the surface of the electrode E. it could be
  • the protruding part 122 is located at the end of the direction in which the air discharged from the spraying part 120 travels, so that the flow direction of the sprayed air can be adjusted.
  • the flow direction of air may vary according to the angle of the protrusion 122 .
  • the angle of the protruding part 122 may correspond to the spraying angle a1 of the spraying part 120 .
  • the flow direction of air may vary depending on the size of the protruding portion 122 .
  • the effect of the protruding portion 122 on the air may vary.
  • the suction unit 140 may be configured to remove foreign substances separated from the surface of the electrode E by the injection unit 120 by suctioning them.
  • the suction part 140 passes through the part of the foreign matter removal device 100 so that the electrode E meets the electrode E before the injection part 120 based on the transfer direction p1 in the foreign matter removal device 100. It can be located close to the inflow point.
  • the suction part 140 may be formed in a slit shape in the body part 110 .
  • the flow rate and velocity of air sucked by the suction unit 140 may be determined according to the width of the slit of the suction unit 140 . It may be preferable that the suction part 140 has a larger slit width than the injection part 120 in terms of its function.
  • the width of the slit of the suction part 140 may be 1.0 to 3.0 mm, and in detail, may be 2.0 mm within an error range of 0.2 mm or less.
  • An angle at which the suction unit 140 sucks in air may form an angle with the transfer direction p1 of the electrode E.
  • the suction part 140 may be formed in an oblique direction from the surface of the electrode E toward the inside of the body part 110 .
  • the suction part 140 may be formed in an oblique direction so that the sucked air is directed from the front to the rear based on the transfer direction p1 of the electrode.
  • the spray angle of the suction unit 140 may need to be properly designed.
  • the spray angle of the suction unit 140 may be 35 to 55 degrees, which may mean an acute angle formed with the transfer direction p1 of the electrode E.
  • the end of the injection unit 120 and the end of the suction unit 160 may be positioned toward each other. This may be for the suction part 160 to effectively collect the air ejected from the ejection part 120 .
  • the end may refer to a part located closest to the electrode E in the injection part 120 and the suction part 160 .
  • the extension part 160 may refer to a part extending from the injection part 120 to the suction part 140 .
  • the air injected from the jetting unit 120 may flow in a space between the extension unit 160 and the electrode E, and then may be sucked in by the suction unit 140.
  • the length w1 of the extension part 160 may affect the foreign matter removal efficiency.
  • the length w1 of the extension part 160 may be set differently according to the flow rate and velocity of the air discharged from the injection part 120 and the suction power of the suction part 140 .
  • the length w1 of the extension part 160 means the length between the end of the spray part 120 and the suction part 140, and when the protrusion 122 is formed at the end of the spray part 120, the extension part (
  • the length w1 of 160 may mean a length extending from the end of the protruding part 122 to the suction part 140 .
  • the length w1 of the extension 160 may be calculated based on a straight line parallel to the transport direction p1. A detailed description of the length w1 of the extension part 160 that improves the foreign matter removal effect will be described later through experimental data.
  • the control unit 180 may be a part for adjusting the flow of air injected from the spray unit 120 .
  • the adjusting part 180 may be formed on the extension part 160 .
  • the control unit 180 may be referred to as an 'air flow control unit' or the like.
  • the control part 180 may be for concentrating the air injected from the injection part 120 on the surface of the electrode E.
  • the control unit 180 may be for minimizing the Coanda effect.
  • the control unit 180 may have a recessed shape in a direction away from the surface of the electrode E.
  • the control unit 180 may have a recessed shape in a direction away from the surface of the electrode E.
  • the control unit 180 may be a part removed from the extension unit 160 to expand an air flow space.
  • a space in which the air sprayed on the surface of the electrode E flows may be formed between the injection unit 120 and the suction unit 140 through the control unit 180 . By forming the control unit 180, the air flow space can be expanded.
  • the degree of indentation of the adjusting unit 180 may be expressed as a maximum depth or height of the adjusting unit 180 calculated based on one surface of the extension 160 before the adjusting unit 180 is formed.
  • the depth d1 of the control unit 180 may be set differently depending on the length w1 of the extension unit 160, the flow rate and flow rate of air discharged from the jetting unit 120, and the suction power of the suction unit 140. there is. A detailed description of the depth d1 of the control unit 180 that improves the foreign matter removal effect will be described later through experimental data.
  • FIG. 3 is an experimental result for optimizing the protrusion of the foreign matter removal device according to FIG. 2 .
  • the injection unit 120 is provided in the form of a slit formed in the body portion 110, and at this time, according to the shape of the corner 162 of the extension portion 160, the protrusion of the injection unit 120 ( 122) may have different effects.
  • Case 1 may be a case in which the controller 180 is not formed in the foreign material removal device 100.
  • the air discharged from the injection unit 120 exhibits the fastest flow rate around the extension 160 and shows a low flow rate around the electrode E.
  • the controller 180 when the controller 180 is not formed in the foreign material removal device 100, it may be difficult to form a large flow rate/flow rate of the gas passing around the electrode E, and accordingly, the foreign material removal efficiency may decrease. .
  • Case 2 may be a case in which the control unit 180 is formed in the foreign matter removal device 100 and the corner 162 has a symmetrical shape with the protrusion 122. That is, the protrusion 122 may not protrude into the air flow space. This may be referred to as a case in which the protrusion 122 is not formed.
  • the flow rate of the air discharged from the injection unit 120 around the extension 160 is somewhat lower than that of FIG. 3(a), the flow rate around the electrode E It was confirmed that it did not improve the flow rate.
  • Case 3 is a case where the control unit 180 is formed in the foreign matter removal device 100 and a part of the protruding part 122 protrudes into the air flow space by removing a part of the end of the edge 162.
  • the air discharged from the injection unit 120 rather flows out to the left side, so the effect of improving the flow rate around the electrode E is not shown.
  • Case 4 shows that the control unit 180 is formed in the foreign matter removal device 100, and the protruding part 122 is formed by removing the end of the corner 162 according to the indented shape of the control unit 180. It may be a case where it protrudes into the flow space. Referring to FIG. 3(d) , the air discharged from the injection unit 120 is concentrated in the downward direction, so that the flow rate around the electrode E is higher than the flow rate around the extension part 160 or the control part 180. You can check. That is, since the size of the protruding portion 122 is formed sufficiently large, it seems that the effect of concentrating the air discharged from the spraying portion 120 around the electrode E appears.
  • the protrusion part 122 can be positioned in a protruding state toward the flow space, and through this, the protrusion part 122 can be involved in the flow direction of air.
  • the size of the protruding portion 122 is sufficiently large.
  • WSS is an abbreviation of wall shear stress, and means stress generated on a corresponding surface, and leftward flow refers to a phenomenon in which air does not flow in the designed direction but flows in the opposite direction.
  • Test factor/level a1(deg) d1(mm) w1(mm) One 45 3 50 2 35 5 35 3 55 10 20
  • FIGS. 6 to 9 are graphs analyzing the experimental results of FIGS. 4 and 5 .
  • Tables 3 to 6 are tables in which Taguchi analysis was performed with respect to four variables: electrode surface flow rate, WSS, left outflow, and suction flow rate.
  • Table 7 is a table in which the main factors are selected based on the results analyzed through the above tables and drawings, mainly the occupancy values described in Tables 3 to 6.
  • the injection angle (a1) of the injection part 120 has a great influence on the electrode surface flow rate and WSS, and the length (w1) of the extension part 160 is WSS, left outflow, suction It was found to have a significant effect on both flow rates. In addition, it was found that the depth d1 of the control unit 180 was not significantly involved in left air leakage.
  • the injection angle a1 of the injection unit 120 is 45 degrees within the error range of 0.5 degrees
  • the depth d1 value of the control unit 180 is 3 to 5 mm, in more detail. is 5 mm within the error range of 0.2 mm
  • the value of the length (w1) of the extension part 160 is 20 to 35 mm, more specifically, when it is 20 mm within the error range of 0.2 mm, it is found to be advantageous in terms of suction consumption.
  • Table 8 described below is an optimal condition derived by synthesizing the above results. Specifically, the spray angle (a1) of the spraying part 120, the length (w1) of the extension part 160, and the depth (d1) of the adjusting part 180 according to each characteristic are the values shown in FIGS. 6 to 9 was based on In addition, optimal condition values were selected based on the results of the main factors in each Table 7.
  • the CFD simulation results of the foreign material removal device 100 of this embodiment are compared with the results of the conventional foreign material removal device 10 in which the adjusting unit 180 is not formed.
  • the foreign matter removal device 100 of this embodiment reflects the optimal conditions of Table 8 derived through the above-described experiments.
  • the slit widths of the spraying part 12 and the spraying part 120 were different, but the flow rate of the air injected from them was the same (the flow rate of the injected air was different), the slit angle of the suction part 160 was 45 degrees, and the flow rate of the suction was the minimum flow rate value at which air did not flow out.
  • the moving speed of the electrode was 110 m/min, and the distance h1 between the body part 110 and the electrode E was 5 mm. For other conditions of this experiment, see Table 9 below.
  • the foreign matter removal device 100 of this embodiment to which the optimal condition of FIG. 10(b) is applied is compared to the conventional foreign matter removal device 100 of FIG. It can be seen that the flow rate of was improved by 800%. Through these results, it can be confirmed that the foreign material removal device 100 of the present embodiment can more efficiently remove the foreign matter attached to the surface of the electrode E than the conventional device.
  • 11 is a comparison of foreign material removal rates of a conventional foreign material removal device and a foreign material removal device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows the results of the foreign matter removal device 100 of this embodiment and the conventional foreign matter removal device 10 together for clearer comparison.
  • the optimum conditions of Table 8 derived through the above-described experiments were reflected in the foreign matter removal device 100 of this embodiment.
  • the flow rate of the suction was the minimum flow rate value at which no air flow occurred, and the flow rate of the injection unit 120 was 77 LPM.
  • the separation distance h1 between the body part 110 and the electrode E was 5 mm. See Table 10 below for the evaluation conditions and procedures of this experiment.
  • the removal rate of foreign matter in the foreign matter removal device 100 of this embodiment, to which the optimal conditions are applied, is improved by about 5000% compared to the conventional foreign matter removal device 100 .
  • this is because the control unit 180 is formed in the foreign matter removal device 100 and the numerical values of each component are appropriately adjusted so that the air injected from the injection unit 120 is directed to the surface of the electrode E. This may be because it collides sufficiently with the foreign body to separate the foreign matter.
  • the foreign matter removal device of the present invention can improve the foreign matter removal rate by concentrating the blown air on the electrode surface, thereby reducing the product defect rate due to foreign matter on the electrode surface, and improving product uniformity to Reliability can be improved.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치는 일 방향을 따라 연속적으로 이송되는 전극 표면의 이물을 제거하고, 전극 표면을 향해 에어를 분사하는 분사부, 상기 전극 표면으로부터 분리된 이물을 흡입하는 흡입부 및 상기 분사부 및 상기 흡입부 사이에서 연장되는 연장부를 포함하고, 상기 연장부에는 상기 전극 표면과 멀어지는 방향으로 만입된 조절부가 형성된다.

Description

이물 제거 장치
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 09월 03일자 한국 특허 출원 제10-2021-0117897호 및 2022년 09월 02일자 한국 특허 출원 제10-2022-0111454호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다. 본 발명은 이물 제거 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지의 제조 공정에서 전극 표면의 이물을 제거하는 이물 제거 장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 받고 있다.
이차 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가, 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극 들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되기도 하였다.
이러한 전극 조립체는 일반적으로 반자동 또는 자동화된 제조 라인을 통해 조합 또는 제조될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체를 구성하는 전극 또는 분리막 등은 레일 또는 회전 롤 등의 가이드 부재를 따라 커팅 공정, 접착 공정, 적층 공정 및 권취 공정등의 가공을 수행하는 장치들로 이송되고, 상기 장치들의 동작을 통해 전극 조립체 형태로 조합 또는 제조될 수 있다.
그러나, 상술한 제조 과정 전반에서, 전극 가루 또는 집전체로부터 유래되는 금속 가루 등의 이물들이 발생되는데, 이러한 이물들은 작업간의 레일 또는 회전 롤 등을 통해 이송하는 과정 또는 커팅 공정, 접착 공정, 적층 공정 및 권취 공정 등의 가공을 수행하는 과정에서 전극의 표면으로 낙하되어 완성된 전지의 전압 특성을 저하시키는 문제가 있다.
도 1은 종래의 이물 제거 장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이물 제거 장치(10)는 이송 방향(p1)을 따라 이동하는 전극(E) 표면을 향해 에어를 분사하는 분사부(12) 및 전극 표면으로부터 분리된 이물질을 흡입하는 흡입부(14)를 포함하고, 이를 통해 전극(E) 표면의 이물질을 제거한다.
그러나, 종래의 이물 제거 장치(10)에서 분사부(12)로부터 분사된 에어는 코안다 이펙트(Coanda effect)로 인해 전극(E) 보다는 분사부(12) 및 흡입부(14) 사이의 연장부(16)의 하면으로 집중되는 경향이 있었고, 이로 인해 이물 제거 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 또한 이러한 문제를 해결하기 위해 유속/유량을 높이는 경우에는 공기 소비량이 증가하고 소음이 크게 발생하기도 하였다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 분사된 에어가 전극 표면에 집중되도록 함으로써 이물 제거 효율을 향상시키고 제품 불량률을 최소화할 수 있는 이물 제거 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일 방향을 따라 연속적으로 이송되는 전극 표면의 이물을 제거하는 이물질 제거 장치는, 전극 표면을 향해 에어를 분사하는 분사부, 상기 전극 표면으로부터 분리된 이물을 흡입하는 흡입부 및 상기 분사부 및 상기 흡입부 사이에서 연장되는 연장부를 포함하고, 상기 연장부에는 상기 전극 표면과 멀어지는 방향으로 만입된 조절부가 형성된다.
상기 분사부와 상기 흡입부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고, 상기 분사부로부터 분사된 에어는 상기 전극의 이송 방향과 반대 방향으로 향해 이동하고, 상기 흡입부에 의해 흡입된 에어는 상기 분사된 에어의 이동 방향과 동일한 방향으로 이동할 수 있다.
상기 분사부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 예각은, 상기 흡입부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 예각과 실질적으로 동일한 값을 가질 수 있다. 상기 분사부에 에어를 분사하는 각도는 상기 전극의 이송 방향과 35도 내지 55도를 이룰 수 있다.
상기 분사부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고, 상기 슬릿의 폭은 0.03mm 내지 0.07mm일 수 있다.
상기 분사부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고, 상기 분사부의 말단에는 에어의 유동 공간을 향해 돌출된 돌출부가 위치하며, 상기 유동 공간은 전극 표면 상부에 형성된 공간을 지칭하는 것일 수 있다.
상기 돌출부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루고, 상기 돌출부와 상기 전극의 이송 방향과 이루는 각은 상기 분사부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 각과 대응될 수 있다.
상기 돌출부의 돌출 길이는 2mm 내지 3mm일 수 있다.
상기 흡입부가 이물을 흡입하는 각도는 33도 내지 55도일 수 있다.
또한, 상기 흡입부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고,
상기 슬릿의 폭은 1.0mm 내지 3.0mm일 수 있다.
상기 연장부의 길이는 20mm 내지 35mm일 수 있다.
상기 조절부의 깊이는 3mm 내지 5mm이고, 상기 조절부의 깊이는 상기 조절부가 형성되지 않은 연장부의 일면을 기준으로 산출될 수 있다.
도 1은 종래의 이물 제거 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 이물 제거 장치의 돌출부를 최적화하기 위한 실험 결과이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 따른 이물 제거 장치의 최적화 실험 설계 및 결과이다.
도 6 내지 도 9는 도 4 및 도 5의 실험 결과를 분석한 그래프이다.
도 10은 종래의 이물 제거 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 실험 결과를 비교한 것이다.
도 11은 종래의 이물 제거 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 이물 제거율을 비교한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 도시하였다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 도시하였다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치에 관하여 설명한다.
이하에서 설명되는 이물 제거 장치(100)는 이차 전지의 제조 공정에서 전극(E) 표면의 이물질을 제거하는데 사용되는 것을 중심으로 설명된다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니며, 이차 전지의 제조 공정 외에도 표면 상의 이물질 제거가 필요한 다양한 공정에 사용될 수 있음은 자명하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치(100)는 이물 제거 장치(100)의 중앙을 횡단하는 전극(E)을 중심으로 대칭되는 두 개의 본체부(110)를 가질 수 있다.
한편, 본 실시예를 설명함에 있어, 이하에서는 전극(E)의 상측에 위치하는 본체부(110)를 중심으로 설명하나, 이러한 설명들은 전극(E)의 하측에 위치하는 본체부(110)에도 적용될 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
이물 제거 장치(100)는 두 본체부(110) 사이에서 이송 방향(p1)을 따라 이동하는 전극(E) 표면을 향해 에어를 분사하는 분사부(120), 전극 표면으로부터 분리된 이물질을 흡입하는 흡입부(140) 및 분사부(120) 및 흡입부(140) 사이에서 연장되는 연장부(160)를 포함하고, 연장부(160)에는 만입된 형상을 가지는 조절부(180)가 형성될 수 있다.
전극(E)은 이물 제거 장치(100)의 대상물일 수 있다. 전극(E)은 집전체에 전극 슬러리가 도포된 긴 장방형의 시트 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 집전체는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등이 사용될 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제공될 수 있다. 또 여기서, 전극 슬러리는 통상적으로 전극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
전극(E)은 전극을 와인딩 또는 언와인딩 하는 롤러의 회전력에 의해 일 방향으로 이동될 수 있다. 전극(E)은 전극을 와인딩 또는 언와인딩 하는 롤러의 회전력에 의해 연속적으로 이동될 수 있다. 롤러에 의해 전극(E)은 이물 제거 장치(100)의 내부에서 두 본체부(110) 사이를 이동할 수 있다.
분사부(120)는 전극(E) 표면에 부착된 이물을 제거하기 위해 에어를 분사하는 구성일 수 있다. 분사부(120)는 이물 제거 장치(100)에서 전극(E)의 이송 방향(p1)을 기준으로 흡입부(140)보다 늦게 전극(E)를 마주하도록 전극(E)이 이물 제거 장치(100)를 통과하기 위해 유입되는 곳과 먼 곳에 위치할 수 있다.
분사부(120)는 본체부(110)에 슬릿 형태로 형성될 수 있다. 분사부(120) 슬릿의 폭에 따라 분사부(120)로부터 분사되는 에어의 유량 및 유속이 결정될 수 있다. 본 실시예에 따른 분사부(120)의 슬릿의 폭은 통상적인 분사부(120) 슬릿의 폭보다 작을 수 있다. 분사부(120)의 슬릿의 폭은 0.5mm 미만일 수 있다. 또한, 분사부(120) 슬릿의 폭은 0.1mm 이하, 0.07mm 이하일 있고, 0.01mm 이상, 0.03mm 이상일 수 있으며, 상세하게는 오차범위가 0.005mm 이하의 0.05mm일 수 있다. 이는 종래보다 슬릿의 폭을 작게 함으로써, 동일 유량에서 유속을 극대화하기 위함일 수 있다.
분사부(120)에 의해 토출되는 에어의 분사 각도(a1)는 전극(E)의 이송 방향(p1)과 각을 이룰 수 있다. 분사 각도(a1)는 분사부(120)의 슬릿의 형태에 따라 결정될 수 있다. 여기서, 분사 각도(a1)는 전극(E)의 이송 방향(p1)과 에어의 분사 경로가 이루는 각 중 예각을 지칭하는 것일 수 있다.
구체적으로, 분사부(120)는 본체부(110)의 내부에서 전극(E) 표면을 향해 사선으로 형성될 수 있다. 분사부(120)는 분사부(120)로부터 유출된 에어가 전극의 이송 방향(p1)과 반대 방향으로 향해 이동하도록 사선으로 형성될 수 있다. 분사부(120)의 분사 각도(a1)에 따라 분사부(120)로부터 분출된 에어가 전극(E) 표면에 가하는 압력이 다를 수 있으므로, 분사부(120)의 분사 각도(a1)는 적절히 설계되어야 할 수 있다. 분사 각도(a1)에 관한 자세한 설명은 실험 데이터를 통해 후술하기로 한다.
분사부(120)의 말단에는 돌출부(122)가 형성될 수 있다. 돌출부(122)는 분사부(120)로부터 연장되어 에어의 유동 공간으로 돌출된 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 여기서, ‘유동 공간’이란 전극(E) 표면 상부에 형성된 공간을 의미하는 것으로써, 본 이물 제거 장치(100)와 전극(E) 표면 사이에 형성된 공간을 의미할 수 있다. 여기서, ‘유동 공간’은 조절부(180)에 의해 더 크게 형성될 수 있고, 이 때, ‘유동 공간’은 만입된 조절부(180)의 표면과 전극(E) 표면 사이의 공간을 지칭하는 것일 수 있다.
돌출부(122)는 분사부(120)로부터 배출되는 에어의 진행 방향상 말단에 위치함으로써 분사되는 에어의 유동 방향을 조절할 수 있다. 에어의 유동 방향은 돌출부(122)의 각도에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 돌출부(122)의 각도는 분사부(120)의 분사 각도(a1)와 대응될 수 있다. 그러나, 설계자의 의도에 따라 분사 각도(a1) 보다 작거나 크게 설계되는 것도 가능할 것이다. 또, 에어의 유동 방향은 돌출부(122)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 돌출부(122)가 에어의 유동 공간으로 돌출된 정도에 따라, 돌출부(122)가 에어에 미치는 영향이 달라질 수 있다.
흡입부(140)는 분사부(120)에 의해 전극(E) 표면으로부터 분리된 이물을 흡입함으로써 이들을 제거하는 구성일 수 있다. 흡입부(140)는 이물 제거 장치(100)에서 이송 방향(p1)을 기준으로 분사부(120)보다 전극(E)와 먼저 만나도록 전극(E)이 이물 제거 장치(100) 부분을 통과하도록 유입되는 곳과 가까운 곳에 위치할 수 있다.
흡입부(140)는 본체부(110)에 슬릿 형태로 형성될 수 있다. 흡입부(140) 슬릿의 폭에 따라 흡입부(140)에 의해 흡입되는 에어의 유량 및 유속이 결정될 수 있다. 흡입부(140)는 그 기능상 분사부(120) 보다 슬릿의 폭이 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 흡입부(140) 슬릿의 폭은 1.0 내지 3.0mm일 수 있으며, 상세하게는 오차범위 0.2mm 이하에서 2.0mm일 수 있다.
흡입부(140)가 에어를 흡입하는 각도는 전극(E)의 이송 방향(p1)과 각을 이룰 수 있다. 구체적으로, 흡입부(140)는 전극(E) 표면으로부터 본체부(110)의 내부를 향해 사선으로 형성될 수 있다. 흡입부(140)는 흡입된 에어가 전극의 이송 방향(p1)을 기준으로 전방에서 후방을 향하도록 사선으로 형성될 수 있다. 흡입부(140)의 분사 각도는 적절하게 설계되어야 할 수 있다. 예를 들어, 흡입부(140)의 분사 각도는 35 내지 55도일 수 있으며, 이는 전극(E)의 이송 방향(p1)과 이루는 예각을 의미할 수 있다.
한편, 분사부(120) 및 흡입부(160)에서, 분사부(120)의 말단과 흡입부(160)의 말단은 서로를 향해 위치할 수 있다. 이는 분사부(120)에서 분출된 에어를 흡입부(160)가 효과적으로 수집하기 위함일 수 있다. 여기서, 말단은 분사부(120)와 흡입부(160)에서 전극(E)과 가장 가까이 위치한 부분을 지칭하는 것일 수 있다.
연장부(160)는 분사부(120)로부터 흡입부(140)에 이르는 부분을 지칭하는 것일 수 있다. 분사부(120)로부터 분사된 에어는 연장부(160)와 전극(E) 사이의 공간에서 유동할 수 있고, 이후 흡입부(140)에 의해 흡입될 수 있다.
연장부(160)의 길이(w1)는 에어의 유동 공간을 결정하므로, 이물 제거 효율에 영향을 미칠 수 있다. 연장부(160)의 길이(w1)는 분사부(120)로부터 배출되는 에어의 유량 및 유속과 흡입부(140)의 흡입력 등에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 여기서, 연장부(160)의 길이(w1)는 분사부(120) 말단과 흡입부(140) 사이의 길이를 의미하며, 분사부(120) 말단에 돌출부(122)가 형성된 경우에는 연장부(160)의 길이(w1)는 돌출부(122)의 말단으로부터 흡입부(140)에 이르는 길이를 의미할 수 있다. 또, 연장부(160)의 길이(w1)는 이송 방향(p1)과 평행한 일직선을 기준으로 산출될 수 있다. 이물 제거 효과를 향상시키는 연장부(160)의 길이(w1)에 관한 자세한 설명은 실험 데이터를 통해 후술하기로 한다.
조절부(180)는 분사부(120)로부터 분사된 에어의 기류를 조절하기 위한 부분일 수 있다. 조절부(180)는 연장부(160)에 형성될 수 있다. 조절부(180)는 ‘기류 조절부’등으로 지칭될 수도 있다. 조절부(180)는 분사부(120)로부터 분사된 에어가 전극(E) 표면에 집중되도록 하기 위한 것일 수 있다. 조절부(180)는 코안다 이펙트를 최소화하기 위한 것일 수 있다.
조절부(180)는 전극(E) 표면과 멀어지는 방향으로 움푹 들어간 형상을 가질 수 있다. 조절부(180)는 전극(E) 표면과 멀어지는 방향으로 만입된 형상을 가질 수 있다. 조절부(180)는 연장부(160)에서, 에어의 유동 공간을 확장하기 위해 제거된 부분일 수 있다. 조절부(180)를 통해 분사부(120)와 흡입부(140) 사이에는 전극(E) 표면에 분사된 에어가 유동하는 공간이 넓게 형성될 수 있다. 조절부(180)가 형성됨으로써 에어의 유동 공간은 확장될 수 있다.
조절부(180)가 만입된 정도는 조절부(180)가 형성되기 전 연장부(160)의 일면을 기준으로 산출되는 조절부(180)의 깊이 또는 높이의 최대값으로 표현될 수 있다. 조절부(180)의 깊이(d1)는 연장부(160)의 길이(w1), 분사부(120)로부터 배출되는 에어의 유량 및 유속과 흡입부(140)의 흡입력 등에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 이물 제거 효과를 향상시키는 조절부(180)의 깊이(d1)에 관한 자세한 설명은 실험 데이터를 통해 후술하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치(100)를 최적화하기 위한 실험 설계 및 그 결과에 관하여 설명한다.
도 3은 도 2에 따른 이물 제거 장치의 돌출부를 최적화하기 위한 실험 결과이다.
도 3을 참조하면, 분사부(120)는 본체부(110)에 형성된 슬릿 형태로 제공되며, 이 때, 연장부(160)의 모서리(162)의 형태에 따라 분사부(120)의 돌출부(122) 효과가 달라질 수 있다.
도 3(a) Case 1은 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되지 않은 경우일 수 있다. 도 3(a)를 참조하면, 분사부(120)로부터 배출된 에어는 연장부(160) 주변에서 가장 빠른 유속을 나타내고, 전극(E) 주변에서는 낮은 유속을 나타낸다. 이처럼, 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되지 않은 경우, 전극(E) 주변을 통과하는 기체의 유속/유량이 크게 형성되기 어려울 수 있고 이에 따라 이물 제거 효율이 저하될 수 있다.
도 3(b) Case 2는 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되고, 모서리(162)가 돌출부(122)와 대칭형태를 가지는 경우일 수 있다. 즉, 에어의 유동 공간으로 돌출부(122)가 돌출되지 않은 상태일 수 있다. 이는, 돌출부(122)가 형성되지 않은 경우로 지칭될 수도 있다. 도 3(b)를 참조하면, 분사부(120)로부터 배출된 에어가 연장부(160) 주변에서 가지는 유속이 도 3(a)의 경우와 비교하여 다소 낮아지기는 하였으나, 전극(E) 주변의 유속을 향상시키지는 못하는 것이 확인되었다.
도 3(c) Case 3은 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되고, 모서리(162)의 말단 중 일부가 제거됨으로써 돌출부(122)의 일부가 에어의 유동 공간으로 돌출된 경우일 수 있다. 도 3(c)를 참조하면, 분사부(120)로부터 배출된 에어가 오히려 좌측으로 유출되는 현상을 보여, 전극(E) 주변의 유속을 향상시키는 효과는 나타나지 않았다.
도 3(d) Case 4는 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되고, 조절부(180)의 만입 형태에 따라 모서리(162)의 말단을 제거함으로써 돌출부(122)가 에어의 유동 공간으로 돌출된 경우일 수 있다. 도 3(d)를 참조하면, 분사부(120)로부터 배출된 에어가 하부 방향으로 집중됨으로써, 전극(E) 주변의 유속이 연장부(160) 또는 조절부(180) 주변의 유속보다 향상된 것을 확인할 수 있다. 즉, 돌출부(122)의 크기가 충분히 크게 형성됨으로써, 분사부(120)로부터 방출된 에어가 전극(E) 주변으로 집중되는 효과가 나타난 것으로 보인다.
이처럼 도 3의 결과를 참조할 때, 조절부(180)의 형상에 따라 연장부(160)의 최외각 측면 모서리(162)는 제거되는 것이 바람직할 수 있다. 연장부(160)의 모서리(162)가 제거됨으로써 돌출부(122)는 유동 공간을 향해 돌출된 상태로 위치할 수 있고, 이를 통해 돌출부(122)가 에어의 유동 방향에 관여할 수 있다. 또한, 돌출부(122)의 크기는 충분히 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2에 따른 이물 제거 장치의 최적화 실험 설계 및 결과이다. 도 4 및 도 5에서, WSS는 wall shear stress의 약자로, 해당 면에 발생하는 응력을 의미하며, 좌측 유출이란 에어가 설계된 방향을 향해 흐르지 않고 반대 방향으로 유출되는 현상을 지칭하는 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이물 제거 장치(100)의 최적 조건을 도출하기 위해 3인자 3수준의 DOE 실험 설계를 실시하고, 9가지 조건에 대한 실험을 CFD로 수행한 결과를 확인할 수 있다. 실험의 기본 조건과 실험인자 및 수준은 하기의 표를 참고한다. 상기 실험이 실시될 때, 전극의 이동 속도는 110m/min이었고, 돌출부(122)는 도 3(d)의 형태로 형성되었다. 한편, 이하의 표 및 설명에서 blowing(blow) 은 분사부(120), suction은 흡입부(140)와 관련된 내용임을 미리 밝혀 둔다.
Slit size(mm) slit 유속(m/s) Suction 각도(deg) h1(mm) Blow slit(mm)
Blowing suction blowing suction 돌출 길이 R값
0.05 2.0 100 15이하 45 5 3.0 0.2
실험인자/수준 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
1 45 3 50
2 35 5 35
3 55 10 20
도 6 내지 도 9는 도 4 및 도 5의 실험 결과를 분석한 그래프이다.
도 6 내지 도 9 및 아래의 표를 참조하면, 이물 제거 장치(100)의 최적 조건을 도출하기 위해 상기 실험 결과를 분석한 DOE 분석결과를 확인할 수 있다.
표 3내지 6은 전극면 유속, WSS, 좌측 유출, Suction 유속이라는 4가지 변수에 관하여 Taguchi 분석을 수행한 표이다. 표 7은 상술한 표 및 도면을 통해 분석된 결과, 주요하게는 표 3 내지 표 6에 기재된 점유율 값에 기초하여 주요 인자를 선정한 표이다.
또한, 도 6 내지 도 9는 각 변수에 대한 주효과도를 도시한 것이다.
특성 수준 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
전극면 유속 1 12.24 13.29 14.01
2 15.31 14.66 13.40
3 14.73 14.32 14.86
델타 3.07 1.37 1.46
점유율 52% 23% 25%
특성 수준 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
WSS 1 2.23 2.65 2.23
2 3.17 3.03 3.01
3 3.40 3.11 3.55
델타 1.17 0.47 1.32
점유율 39% 16% 45%
특성 수준 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
좌측 유출 1 1.35 1.04 2.94
2 0.98 0.89 -0.14
3 -0.34 0.06 -0.80
델타 1.69 0.97 3.74
점유율 26% 15% 58%
특성 수준 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
Suction 유속 1 -11.00 -10.33 -10.33
2 -10.00 -9.67 -8.33
3 -12.67 -13.67 -15.00
델타 2.67 4.00 6.67
점유율 20% 30% 50%
◎상 ○중 △하
특성 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
전극면 유속 ◎ ○ ○
WSS ◎ ○ ◎
좌측 유출 ○ △ ◎
Suction 유속 ○ ○ ◎
표 3 내지 표 7을 참조할 때, 분사부(120)의 분사 각도(a1)는 전극면 유속 및 WSS에 큰 영향을 미치며, 연장부(160)의 길이(w1)는 WSS, 좌측 유출, Suction 유속 모두에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또, 조절부(180)의 깊이(d1)는 좌측 에어 유출에는 크게 관여하지 않는 것으로 나타났다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 분사부(120)의 분사 각도(a1) 및 조절부(180)의 깊이(d1)가 일정 수준을 벗어날 때, 유출이 발생함으로써 전극면 유속 값이 감소하는 경향을 보였다. 좌측 유출 여부를 확인할 수 있는 도 8을 참고할 때, 유출이 일어난 데이터 값들은 최적 조건에서 우선 제외되는 것이 바람직할 수 있다. 또, 도 7을 참조하면, 조절부(180)의 깊이(d1) 값이 5mm 전후일 때 WSS 값이 크게 변동되는 것이 나타나는데, 이는 본체부(110)와 전극(E) 사이의 이격 거리(h1)가 5mm로 설계되었기 때문인 것으로 추측된다. 또, 도 9에서 나타난 것과 같이, 분사부(120)의 분사 각도(a1)가 오차범위 0.5도 이내에서 45도이고, 조절부(180)의 깊이(d1) 값이 3 내지 5mm, 더욱 상세하게는 오차범위 0.2mm 이내에서 5mm이며, 연장부(160)의 길이(w1) 값이 20 내지 35mm, 더욱 상세하게는 오차범위 0.2mm 이내에서 20mm 일 때, Suction 소모량 측면에서 유리한 것으로 나타났다.
이하에서 설명되는 표 8은 상술한 결과를 종합하여 도출된 최적 조건이다. 구체적으로, 각 특성에 따른 분사부(120)의 분사 각도(a1), 연장부(160)의 길이(w1), 조절부(180)의 깊이(d1) 값은 도 6 내지 도 9에 표시된 값에 기초하였다. 또한, 최적 조건 값은 각 표 7의 주요 인자 결과에 기초하여 선택되었다.
No. 특성 a1(deg) d1(mm) w1(mm)
1 전극면 유속 45/55 5/10 50
2 WSS 55/45 10/5 50
3 좌측 유출 35/45 3/5 20
4 Suction 유속 45 5/3 35/20
최적 조건 45 5 20
도 10은 종래의 이물 제거 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 실험 결과를 비교한 것이다.
도 10에서는 보다 명확한 비교를 위해, 본 실시예의 이물 제거 장치(100)의 CFD 시뮬레이션 결과와 조절부(180)가 형성되지 않은 종래의 이물 제거 장치(10)의 결과를 비교하였다. 여기서, 본 실시예의 이물 제거 장치(100)는 상술한 실험을 통해 도출된 표 8의 최적 조건이 반영되었다.
도 10(a) 및 도 10(b)의 본 실험에서, 분사부(12) 및 분사부(120)의 슬릿 폭은 상이하나 이로부터 분사되는 에어의 유량은 동일하였으며(분사되는 에어의 유속을 달리함), 흡입부(160)의 슬릿 각도는 45도였고, Suction의 유속은 에어의 유출이 발생하지 않는 최소 유속 값이었다. 또한, 상기 실험이 실시될 때, 전극의 이동 속도는 110m/min이었으며, 본체부(110)와 전극(E) 사이의 이격 거리(h1)는 5mm이었다. 본 실험의 기타 조건은 하기의 표 9를 참고한다.
Case Slit size(mm) slit 유속
(m/s)		 a1
(deg)		 d1
(mm)		 w1
(mm)		 Blow slit(mm)
blowing suction blowing blowing 돌출 길이 R값
도 10 (a) 0.5 2.0 10 45 　 50 　 　
도 10 (b) 0.05 2.0 100 45 5 20 3.0 0.2
도 10을 참조하면, 도 10(b)의 최적 조건이 적용된 본 실시예의 이물 제거 장치(100)는 도 10(a)의 종래의 이물 제거 장치(100)와 비교할 때, 전극(E) 표면 주변의 유속이 800% 수준 향상된 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해, 본 실시예의 이물 제거 장치(100)가 종래의 장치보다 전극(E) 표면에 부착된 이물을 효율적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 종래의 이물 제거 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 이물 제거 장치의 이물 제거율을 비교한 것이다.
도 11에서는 보다 명확한 비교를 위해, 본 실시예의 이물 제거 장치(100)와 종래의 이물 제거 장치(10)의 결과를 함께 도시하였다. 여기서, 본 실시예의 이물 제거 장치(100)에는 상술한 실험을 통해 도출된 표 8의 최적 조건이 반영되었다.
본 실험에서, Suction의 유속은 에어의 유출이 발생하지 않는 최소 유속 값이었으며, 분사부(120)의 유량은 77LPM이었다. 또한, 본체부(110)와 전극(E) 사이의 이격 거리(h1)는 5mm이었다. 본 실험의 평가 조건 및 절차는 하기의 표 10을 참고한다.
No. 평가 절차 Tool 세부사항
1 이물 선정 - 종류 SUS304L, 사이즈 50㎛
2 이물 투입 Particle Trap, Tweezer 이물 약 10,000~17,000ea/Trap, 각 5회 진행
3 이물 제거 조건 설정 유량계 동일 유량 선정 (77LPM)
4 제거 전 검사 JOMESA 현미경 Auto 측정
5 이물 제거 이물 제거 강치 종래 및 최적 조건 반영된 장치 이용
6 제거 후 검사 JOMESA 현미경 Auto 측정
도 11을 참조하면, 최적 조건이 적용된 본 실시예의 이물 제거 장치(100)는 종래의 이물 제거 장치(100)와 비교할 때, 이물 제거율이 약 5000% 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 도 10의 결과에서 나타난 것과 같이, 이물 제거 장치(100)에 조절부(180)가 형성되고, 각 구성의 수치 값이 적절히 조절됨으로써 분사부(120)로부터 분사되는 에어가 전극(E) 표면과 충분히 충돌되어 이물을 분리하기 때문일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 명세서의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 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.
[부호의 설명]
100: 이물 제거 장치
110: 본체부
120: 분사부
122: 돌출부
140: 흡입부
160: 연장부
180: 조절부
실시예들에 따르면, 본 발명의 이물 제거 장치는 분사된 에어가 전극 표면에 집중되도록 함으로써 이물 제거율을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 전극 표면의 이물로 인한 제품 불량률을 저하시키고, 제품의 균일성 내지 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 일 방향을 따라 연속적으로 이송되는 전극 표면의 이물을 제거하는 이물질 제거 장치에 있어서,
    전극 표면을 향해 에어를 분사하는 분사부,
    상기 전극 표면으로부터 분리된 이물을 흡입하는 흡입부 및
    상기 분사부 및 상기 흡입부 사이에서 연장되는 연장부를 포함하고,
    상기 연장부에는 상기 전극 표면과 멀어지는 방향으로 만입된 조절부가 형성된 이물 제거 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 분사부와 상기 흡입부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고,
    상기 분사부로부터 분사된 에어는 상기 전극의 이송 방향과 반대 방향으로 향해 이동하고,
    상기 흡입부에 의해 흡입된 에어는 상기 분사된 에어의 이동 방향과 동일한 방향으로 이동하는 이물 제거 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 분사부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 예각은, 상기 흡입부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 예각과 실질적으로 동일한 값을 가지는 이물 제거 장치.
  4. 제1항에서,상기 분사부에 에어를 분사하는 각도는 상기 전극의 이송 방향과 35도 내지 55도를 이루는 이물 제거 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 분사부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고,
    상기 슬릿의 폭은 0.03mm 내지 0.07mm인이물 제거 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 분사부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고, 상기 분사부의 말단에는 에어의 유동 공간을 향해 돌출된 돌출부가 위치하며,
    상기 유동 공간은 전극 표면 상부에 형성된 공간을 지칭하는 것인 이물 제거 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 돌출부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루고,
    상기 돌출부와 상기 전극의 이송 방향과 이루는 각은 상기 분사부가 상기 전극의 이송 방향과 이루는 각과 대응되는 이물 제거 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 돌출부의 돌출 길이는 2mm 내지 3mm인 가지는 이물 제거 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 흡입부가 이물을 흡입하는 각도는 35도 내지 55도를 이루는 이물 제거 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 흡입부는 상기 전극의 이송 방향과 각을 이루는 슬릿으로 형성되고,
    상기 슬릿의 폭은 1.0mm 내지 3.0mm인 이물 제거 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 연장부의 길이는 20mm 내지 35mm인 가지는 이물 제거 장치.
  12. 제1항에서,
    상기 조절부의 깊이는 3mm 내지 5mm이고, 상기 조절부의 깊이는 상기 조절부가 형성되지 않은 연장부의 일면을 기준으로 산출되는 이물 제거 장치.
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