KR101711855B1 - 대기 비개방 분석을 위한 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법 - Google Patents

대기 비개방 분석을 위한 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법 Download PDF

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Abstract

대기 비개방 분석을 위한 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법이 개시된다. 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기는, ⅰ) 시편 고정을 위한 시편 홀더와, ⅱ) 일측에 시편 홀더가 출입하는 시편 출입구를 가지는 본체와, ⅲ) 본체 내부에 위치하며 열린 상태에서 시편 출입구와 이어져 시편 홀더를 수용하는 개구부를 가지는 볼과, 볼을 회전시켜 시편 출입구를 열거나 닫는 회전 조작부를 포함하는 밸브 부재와, ⅳ) 본체에 슬라이드 가능하게 설치되고, 밸브 부재의 열린 상태에서 시편 홀더와 접하여 시편 홀더를 밀기 위한 이동 막대를 포함한다.

Description

대기 비개방 분석을 위한 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법 {SPECIMEN TRANSFER VESSEL AND SPECIMEN TRANSFERRING METHOD FOR AIR NON-CONTACT ANALYSIS}
본 발명은 시편 이송 용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기 비개방 분석을 위한 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법에 관한 것이다.
최근 소재 연구의 중요한 부분을 차지하고 있는 것이 재료의 표면 측정 및 분석이다. 표면은 다른 상(phase)과 계면을 이루는 한 상의 경계면을 의미하는데, 표면의 성질은 물질 자체의 성질과 크게 다를 수 있다. 소재의 표면 측정 및 분석은 학문적인 연구뿐만 아니라 산업체, 생의학, 및 여러 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 차지하고 있다.
예를 들어, 리튬 이온 전지의 경우 양/음극 활물질층의 표면에 피막층(SEI; solid electrolyte interphase)이 형성되는데, 피막층은 전지 성능과 밀접한 관련이 있으므로 피막층에 관한 물리화학적인 본질 이해를 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 피막층은 주로 음극 활물질 소재에 생성되며, 활물질 표면에 무기물층과 유기물층이 차례로 형성되고, 유/무기물층 곳곳에 LiF 석출물이 섞여 있는 구조를 가진다.
그런데 피막층은 공기 중에서 매우 불안정한 물질이므로 쉽게 변질된다. 따라서 피막층을 분석하는데 있어서 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 시편이 공기와 접촉하지 않도록 유의해야 한다. 즉, 시편을 대기에 노출시키지 않은 상태에서 분석을 진행하는 대기 비개방 분석을 진행해야 하는데, 통상의 분석 장비(예를 들어 분광기, 광학 현미경, 전자 현미경 등)에서는 대기 비개방 분석이 불가능하다.
본 발명은 분석 시편이 대기에 노출되지 않은 상태로 분석 장비에 투입되도록 함으로써 대기 비개방 분석을 가능하게 하는 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기는, ⅰ) 시편 고정을 위한 시편 홀더와, ⅱ) 일측에 시편 홀더가 출입하는 시편 출입구를 가지는 본체와, ⅲ) 본체 내부에 위치하며 열린 상태에서 시편 출입구와 이어져 시편 홀더를 수용하는 개구부를 가지는 볼과, 볼을 회전시켜 시편 출입구를 열거나 닫는 회전 조작부를 포함하는 밸브 부재와, ⅳ) 본체에 슬라이드 가능하게 설치되고, 밸브 부재의 열린 상태에서 시편 홀더와 접하여 시편 홀더를 밀기 위한 이동 막대를 포함한다.
시편 홀더는 시편 안착을 위한 홈이 형성된 시편 받침대를 포함할 수 있고, 고정대의 양측에 두 개의 원판이 고정된 형태로 이루어질 수 있다.
본체의 내부에는 제1 방향을 따라 본체를 관통하는 관통구가 형성될 수 있고, 관통구는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 본체 내부에 형성된 연결구와 이어질 수 있다. 관통구의 일측에 시편 출입구를 가지는 접속 부재가 고정될 수 있다.
접속 부재는 분석 장비의 시편 투입구와 결합될 수 있으며, 오-링 정렬을 위한 홈부를 형성할 수 있다. 접속 부재와 반대되는 관통구의 타측에 밀봉 부재가 고정될 수 있고, 이동 막대는 밀봉 부재에 슬라이드 가능하게 장착될 수 있다.
볼은 관통구에 위치할 수 있고, 개구부는 열린 상태에서 제1 방향을 따라 볼을 관통할 수 있다. 볼과 회전 조작부는 연결구에 수용된 회전축에 의해 연결될 수 있고, 회전 조작부는 연결구의 외측에서 본체에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
연결구를 둘러싸는 본체의 외면에 원주 방향을 따라 적어도 두 개의 제1 스토퍼가 고정될 수 있고, 회전 조작부에 고정된 제2 스토퍼는 두 개의 제1 스토퍼 사이를 이동하여 회전 조작부의 회전량을 제한할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대기 비개방 분석용 시편 이송 방법은, 대기와 차단된 글로브 박스 내부에서 시편이 제작되고, 시편 홀더에 시편이 고정되는 제1 단계와, 글로브 박스 내부에서 본체의 시편 출입구가 개방되고, 본체 내부로 시편 홀더가 수용되며, 시편 출입구가 닫히는 제2 단계와, 시편 이송 용기가 글로브 박스에서 인출된 후 분석 장비의 시편 투입구에 결합되는 제3 단계와, 시편 투입구와 시편 출입구가 개방되고, 시편 홀더가 분석 장비의 시편 분석 위치로 이동하는 제4 단계를 포함한다.
제1 단계에서, 시편은 리튬 이온 전지의 양극판 또는 음극판으로부터 절개 후 전처리된 것일 수 있고, 피막층을 포함할 수 있다.
본체에 볼과 회전 조작부가 설치될 수 있으며, 볼은 일 방향을 따라 내부를 관통하면서 열린 상태에서 시편 출입구와 이어지는 개구부를 형성할 수 있다. 제2 단계와 제4 단계에서, 볼은 회전 조작부에 의해 회전하여 시편 출입구를 열거나 닫을 수 있다.
제3 단계에서, 시편 투입구에 오-링이 설치될 수 있다. 시편 이송 용기는 오-링 정렬을 위한 홈부를 형성하며 시편 투입구에 결합되는 접속 부재를 포함할 수 있다.
시편 투입구와 반대되는 본체의 타측에 이동 막대가 슬라이드 가능하게 설치될 수 있고, 제4 단계에서 시편 홀더는 이동 막대에 의해 밀려 시편 분석 위치로 이동할 수 있다.
본 실시예의 시편 이송 용기 및 시편 이송 방법에 따르면, 시편이 제작되고 분석 장비에 투입되는 전 과정에서 시편이 대기에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 대기 중 노출에 의한 시편의 변질을 원천적으로 차단하여 정확한 표면 분석을 수행할 수 있고, 분석 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기의 열린 상태 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기의 닫힌 상태 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기의 분해 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기 중 시편 홀더의 사시도이다.
도 5는 글로우 방전 분광기에 장착되는 글로우 방전 램프의 한가지 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 이송 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 리튬 이온 전지의 피막층을 나타낸 개략도이다.
도 8은 천연 흑연에 형성된 피막층의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이다.
도 9는 리튬 이온 전지로부터 분리된 음극 활물질의 표면 변화를 나타낸 사진이다.
도 10은 도 6에 도시한 제1 단계에서 진행되는 시편 제작 과정을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기의 열린 상태 단면도 및 닫힌 상태 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기의 분해 단면도이며, 도 4는 도 1에 도시한 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기 중 시편 홀더의 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예의 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기(100)(이하, '시편 이송 용기'라 한다)는 시편 홀더(10)와, 시편 홀더(10)가 출입하는 시편 출입구(21)를 형성하는 본체(20)와, 내부에 시편 홀더(10)를 수용하며 시편 출입구(21)를 개폐시키는 밸브 부재(30)와, 밸브 부재(30)가 열린 상태에서 시편 홀더(10)를 분석 장비 내부로 투입하기 위한 이동 막대(40)를 포함한다.
시편 홀더(10)는 시편 받침대(11)를 포함하며, 시편 받침대(11)의 중앙에 시편 안착을 위한 홈(12)이 형성될 수 있다. 시편 홀더(10)는 예를 들어 고정대의 양측에 두 개의 원판이 고정된 아령 모양일 수 있다. 두 개의 원판 중 어느 하나가 시편 받침대(11)로 기능하고, 다른 하나는 이동 막대(40)와 접할 수 있다. 시편 홀더(10)는 금속으로 제작될 수 있다.
표면 분석을 위한 시편은 글로브 박스(glove box) 내부에서 제품으로부터 해체되고, 전처리 과정을 거쳐 시편 받침대(11)의 홈(12)에 안착 및 고정된다. 글로브 박스 내부는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 분위기이거나 고진공 상태일 수 있다. 시편은 리튬 이온 전지에서 분리된 양극판 또는 음극판의 일부일 수 있다.
본체(20)의 내부에는 제1 방향을 따라 본체(20)를 관통하는 관통구(22)가 형성되며, 관통구(22)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 본체(20) 내부에 형성된 연결구(23)와 이어진다. 제1 방향과 제2 방향은 각각 도면을 기준으로 가로 방향과 세로 방향일 수 있다.
예를 들어, 도면을 기준으로 본체(20)의 좌, 우측과 상측에 3개의 개구가 형성된다. 설명의 편의상 본체(20)의 우측, 좌측, 상측에 형성된 개구를 각각 제1 개구(OP1), 제2 개구(OP2), 제3 개구(OP3)라 한다(도 3 참조).
본체(20)의 일측(우측)에는 시편 출입구(21)를 갖는 접속 부재(24)가 고정된다. 접속 부재(24)는 제1 개구(OP1)에 끼워져 본체(20)에 고정되며, 시편 출입구(21)는 본체(20)의 관통구(22)와 이어진다. 접속 부재(24)는 분석 장비(도시하지 않음)의 시편 투입구와 결합되는 부분으로서, 시편 투입 과정에서 분석 장비의 시편 투입구에 기밀 상태로 결합된다.
이를 위해 분석 장비의 시편 투입구 주위로 오-링(51)이 고정된 오-링 지지대(52)와, 볼트 체결 등으로 오-링 지지대(52)를 분석 장비에 고정시키는 고정 시트(53)가 구비될 수 있다(도 3 참조). 오-링 지지대(52)를 향한 접속 부재(24)의 일면에는 오-링(51) 정렬을 위한 홈부(25)가 형성될 수 있다.
밸브 부재(30)는 본체(20) 내부에 수용되는 볼(31)과, 볼(31)에 고정된 회전축(32)과, 회전축(32)에 결합된 회전 조작부(33)를 포함한다. 볼(31)은 본체(20)의 관통구(22) 중앙에 위치하고, 열린 상태에서 시편 출입구(21)와 이어진 개구부(34)를 형성하여 개구부(34)에 시편 홀더(10)를 수용한다.
즉, 개구부(34)는 열린 상태에서 제1 방향을 따라 볼(31)을 관통하는 관통구이며, 시편 홀더(10)는 시편 출입구(21)를 거쳐 볼(31)의 개구부(34)에 수용된다.
볼(31)의 상단에 고정된 회전축(32)의 일부는 본체(20)의 연결구(23)에 수용되고, 나머지는 본체(20)의 제3 개구(OP3) 외측으로 돌출된다. 회전 조작부(33)는 회전축(32)에 고정되며, 본체(20)에 회전 가능한 상태로 조립된다. 회전축(32)과 회전 조작부(33)의 회전 중심은 제2 방향과 나란하다. 회전 조작부(33)가 회전하면 볼(31)과 개구부(34)가 같이 회전하면서 시편 출입구(21)의 개폐가 이루어진다.
구체적으로, 밸브 부재(30)가 열린 상태(볼(31)의 개구부(34)가 시편 출입구(21)와 이어진 상태)로부터 볼(31)이 90˚ 회전하면 볼(31)의 개구부(34)는 본체(20)의 내면과 마주하며, 시편 출입구(21)는 볼(31)에 의해 닫힌다. 밸브 부재(30)는 볼(31)의 회전에 의해 시편 출입구(21)를 열거나 닫을 수 있다.
밸브 부재(30)가 닫힌 상태에서 외부 공기는 시편 홀더(10)가 위치하는 개구부(34)로 유입되지 않는다.
한편, 본체(20)와 회전 조작부(33)에는 회전 조작부(33)의 회전량을 제한하는 제1 및 제2 스토퍼(61, 62)가 구비될 수 있다. 제1 스토퍼(61)는 연결구(23)를 둘러싸는 본체(20)의 외면에서 원주 방향을 따라 복수개로 구비되며, 90˚ 간격을 두고 배치될 수 있다. 제2 스토퍼(62)는 회전 조작부(33)로부터 제1 스토퍼(61)를 향해 돌출 형성되고, 두 개의 제1 스토퍼(61) 사이를 이동한다.
제2 스토퍼(62)가 두 개의 제1 스토퍼(61) 중 어느 하나와 접할 때 밸브 부재(30)는 열린 상태가 될 수 있고, 밸브 부재(30)가 회전하여 제2 스토퍼(62)가 두 개의 제1 스토퍼(61) 중 다른 하나와 접할 때 밸브 부재(30)는 닫힌 상태가 될 수 있다. 제1 및 제2 스토퍼(61, 62)에 의해 밸브 부재(30)는 닫힌 상태에서 회전량이 제한되어 의도하지 않은 공기 유입을 차단할 수 있다.
이동 막대(40)는 본체(20)의 제2 개구(OP2)에서 제1 방향을 따라 슬라이드 가능하게 장착된다. 이때 이동 막대(40)와 본체(20) 사이에는 본체(20)의 제2 개구(OP2)를 밀폐시키면서 이동 막대(40)의 슬라이드를 가능하게 하는 밀봉 부재(41)가 제공된다. 밸브 부재(30)가 열린 상태에서 이동 막대(40)의 단부는 볼(31)의 개구부(34)로 진입하여 시편 홀더(10)와 접하며, 시편 홀더(10)를 밀어 분석 장비 내부로 이동시킬 수 있다.
본 실시예의 시편 이송 용기(100)는 분광기, 전자 현미경, 광학 현미경 등 다양한 분석 장비에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 시편 이송 용기(100)는 글로우 방전 분광법을 이용하는 글로우 방전 분광기(Glow Discharge Spectroscope, GDS)에 사용될 수 있다. 본 실시예의 시편 이송 용기(100)가 적용되는 분석 장비는 전술한 예들로 한정되지 않으며, 시편의 종류와 특성에 따라 다양한 분석 장비들에 본 실시예의 시편 이송 용기(100)가 사용될 수 있다.
예를 들어, 시편이 리튬 이차 전지에서 분리된 피막층인 경우, 본 실시예의 시편 이송 용기(100)는 글로우 방전 분광기에 사용될 수 있다.
기체 압력이 대략 4 내지 10Torr 정도의 아르곤(Ar) 분위기에서 양극과 음극 사이에 직류 또는 고주파 전압을 인가하면 글로우 방전이 일어나 아르곤 이온이 생성된다. 아르곤 이온은 시편의 표면과 충돌하여 시편을 일정 두께로 스퍼터링하며, 스퍼터링에 의해 시편으로부터 떨어져 나온 원소는 플라즈마 중에 여기된 후 기저 상태로 떨어질 때 원소 고유 파장의 빛을 방출한다. 이러한 발광을 분광기로 분석하는 방법이 글로우 방전 분광법이다.
도 5는 글로우 방전 분광기에 장착되는 글로우 방전 램프의 한가지 예시를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 글로우 방전 램프(70)는 시편(200)과 접하는 음극 블록(71)과, 절연체(72)를 사이에 두고 음극 블록(71)과 이격된 양극 블록(73)을 포함한다. 음극 블록(71)은 시편(200)의 표면을 노출시키는 개구부(71a)를 형성하며, 절연체(72)는 개구부(71a)의 측벽 대부분과 접한다. 음극 블록(71)과 시편(200) 사이에는 오-링 등의 실링 부재(74)가 위치할 수 있다.
양극 블록(73)은 절연체(72) 내부에서 시편(200)을 향해 돌출된 중공 양극관(75)을 일체로 형성한다. 중공 양극관(75)의 단부는 시편(200) 표면에 근접한다. 양극 블록(73)에는 아르곤 가스 주입구(76)가 형성되어 양극 블록(73) 내부로 아르곤 가스를 주입한다. 양극 블록(73)의 외측에는 접속 블록(77)과 윈도우(78)가 위치한다.
양극 블록(73)과 음극 블록(71) 사이에 고전압을 인가하면 글로우 방전이 일어나며, 글로우 방전에 의해 생성된 아르곤 이온이 시편(200) 표면에 충돌하여 시편(200) 표면을 스퍼터링한다. 스퍼터링에 의해 시편(200)으로부터 떨어져 나온 원소는 플라즈마 중에 여기된 후 기저 상태로 떨어질 때 빛을 방출하고, 윈도우(78) 외측에 구비된 분광기가 이 빛을 분석한다.
음극 블록(71)에는 냉각액이 순환하는 냉각 재킷(79)이 구비될 수 있으며, 냉각액이 시편(200)과 음극 블록(71) 및 중공 양극관(75)을 냉각시킨다.
다음으로, 본 실시예의 시편 이송 용기(100)를 이용한 시편 이송 방법에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 이송 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참고하면, 본 실시예에 의한 시편 이송 방법은 글로브 박스 내부에서 시편 홀더에 시편이 고정되는 제1 단계(S10)와, 글로브 박스 내부에서 본체 내부로 시편 홀더가 수용되고 시편 출입구가 닫히는 제2 단계(S20)와, 시편 이송 용기가 글로브 박스에서 인출되어 분석 장비의 시편 투입구에 조립되는 제3 단계(S30)와, 분석 장비의 시편 분석 위치로 시편 홀더가 이동하는 제4 단계(S40)와, 분석 장비로부터 시편 이송 용기가 분리되는 제5 단계(S50)를 포함한다.
제1 단계(S10)에서, 시편은 피막층 연구를 위해 리튬 이온 전지의 양극판 또는 음극판으로부터 절개된 것일 수 있으며, 불활성 가스 또는 고진공 상태인 글로브 박스 내부에서 시편 제작이 이루어진다.
최근 에너지 저장 장치인 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 에너지 밀도와 출력이 높고 저온 특성이 우수한 리튬 이온 전지가 주목받고 있으나, 다른 전지에 비해 위험성이 크기 때문에 전지 내부의 열화 과정을 이해함으로써 수명과 교체 시기를 알고 안전하게 사용해야 한다.
리튬 이온 전지의 열화는 주변 온도와 충/방전 전류의 영향을 받으며, 그에 따라 전지의 열화 과정이 촉진될 수 있고, 이러한 현상은 전지 내부의 양/음극 활물질(active material)의 표면에 형성되는 피막층(SEI; solid electrolyte interphase)에 의해 설명될 수 있다.
도 7은 리튬 이온 전지의 피막층을 나타낸 개략도이다.
도 7을 참고하면, 피막층은 주로 음극 활물질 소재(흑연)에 생성되며, 활물질 표면에 무기물층과 유기물층이 차례로 형성되고, 유/무기물층 곳곳에 LiF 석출물이 섞여 있는 구조를 가진다.
피막층은 전지의 충/방전 시 전해질의 분해에 의해 생성되는 층으로서, 전지의 활물질을 보호하는 기능이 있지만, 충/방전 사이클이 진행될수록 생성량이 증가하여, 전지의 저항을 증가시킴으로써 전지의 용량과 수명을 감소시킨다. 또한, 전기화학적 반응인 피막층의 생성은 온도와 충/방전 사이클에 의해 생성이 촉진되어 전지의 열화를 가속시킨다.
이와 같이 피막층은 전지 성능과 밀접한 관련이 있으므로, 피막층에 관한 물리화학적인 본질 이해를 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그런데 피막층은 공기 중에서 매우 불안정한 물질이므로 쉽게 변질된다.
도 8은 천연 흑연에 형성된 피막층의 투과 전자 현미경(TEM) 사진으로서, (a)는 대기에 노출되지 않은 경우이고, (b)는 대기에 10초간 노출된 경우이다. 도 8을 참고하면, 흑연 전극('graphite'로 표시)의 표면에 대략 40nm 두께의 피막층('surface film'으로 표시)이 형성된 것을 확인할 수 있는데, (a)와 (b)를 비교하면 10초 간의 짧은 공기 접촉에 의해 피막층의 형상이 크게 변한 것을 알 수 있다.
도 9는 리튬 이온 전지로부터 분리된 음극 활물질의 표면 변화를 나타낸 사진으로서, 왼쪽이 대기 노출 전이고, 오른쪽이 대기에 5분간 노출된 이후를 나타낸다. 이와 같이 피막층 연구를 위한 시편은 대기 노출에 의해 변질되고, 금속 리튬 발화에 의해 화재 위험성이 높아지며, 대기 노출에 따른 데이터 신뢰성이 저하된다.
도 10은 도 6에 도시한 제1 단계에서 진행되는 시편 제작 과정을 나타낸 사진이다. 도 10을 참고하면, 글로브 박스 내부에서 작업자는 파우치 셀을 해체하여 양극판과 음극판을 분리시키고, 분리된 양/음극판을 전처리하여 시편을 준비한다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 제2 단계(S20)에서 시편은 펀치에 의해 특정 모양으로 절단되고, 시편 받침대(11)에 형성된 홈(12)에 부착된다. 이후 작업자는 시편 출입구(21)를 열고, 시편 홀더(10)를 볼(31)의 개구부(34)에 안착시킨 후 회전 조작부(33)를 돌려 시편 출입구(21)를 닫는다. 제2 단계(S20)의 모든 과정은 제1 단계(S10)와 마찬가지로 글로브 박스 내부에서 이루어지며, 밸브 부재(30)가 닫힌 상태에서 시편은 외기와 차단된다.
제3 단계(S30)에서, 시편 이송 용기(100)는 글로브 박스에서 인출되고, 분석 장비의 시편 투입구에 조립된다. 분석 장비의 시편 투입구 주위로 오-링(51)과, 오-링 지지대(52), 및 고정 시트(53)가 장착될 수 있다. 시편 이송 용기(100)는 글로브 박스에서 인출되어 대기 중에 위치하여도 볼(31)이 시편 출입구(21)를 닫고 있으므로, 외부 공기는 본체(20) 내부의 시편으로 유입되지 않는다.
제4 단계(S40)에서, 작업자는 분석 장비의 시편 투입구를 열고, 밸브 부재(30)를 열린 상태로 전환시켜 분석 장비의 시편 투입구와 볼(31)의 개구부(34)를 연통시킨 후 이동 막대(40)로 시편 홀더(10)를 밀어 분석 장비의 시편 분석 위치로 이동시킨다.
제5 단계(S50)에서, 분석 장비의 시편 투입구가 닫히고, 분석 장비용 시편 이송 용기(100)는 분석 장비로부터 분리되며, 분석 장비에서 피막층 해석 및 리튬 정량 분석과 같은 시편 분석이 이루어진다.
이와 같이 본 실시예의 시편 이송 용기(100) 및 시편 이송 방법에 따르면, 시편이 제작되고 분석 장비에 투입되는 전 과정에서 시편이 대기에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 대기 중 노출에 의한 시편의 변질을 원천적으로 차단하여 정확한 표면 분석을 수행하도록 하며, 분석 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 피막층은 리튬 이온 전지의 충방전 과정에서 전해질과 활물질 사이에서 활물질 표면에 형성된 리튬의 이동을 방해하는 주 요인이다. 피막층의 주요 구성 성분은 유기물과 무기물 및 석출물인데, 이 세가지 물질의 주요 구성 원소는 리튬이다. 리튬은 주로 X선 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)와 같은 표면 분석 장비를 이용하여 분석하지만, 장비 특성에 따른 분석 원리 차이로 인해 정확한 분석이 어려울 수 있다.
예를 들어, XPS에서 깊이 방향 분석을 진행할 경우, 피막층을 아르곤을 이용하여 식각하면서 분석하면 피막층의 손상(결합 상태 변화)으로 인해 정확한 해석이 불가능해진다.
전술한 글로우 방전 분광기는 플라즈마를 이용하여 시편 표면의 일정 두께를 스퍼터링하여 떨어져 나온 성분들에 대한 평균값으로서 정량 분석을 하고, 측정 시편에 대한 참조 시편의 검량선(calibration curve)을 확보하여 해석을 진행하기 때문에 상당히 정확한 정량값을 얻을 수 있다. 이 정량값은 유도성 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 분광기와 같은 화학 분석을 통해 얻은 결과와도 거의 동일한 수치를 얻을 수 있다고 발표되었다. (H. Takahara et. al., Journal of Power Sources 244(2013)252-258)
또한, 글로우 방전 분광기는 시편 표면에서 측정하고 싶은 두께까지의 깊이 방향 분석 및 정량 분석에 대한 데이터를 짧은 시간 안에 얻을 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 리튬에 대한 정량 분석을 위하여 ICP 분광기와 측정 시간을 비교하면, ICP 분광기가 시편 전처리를 포함하여 대략 24시간 정도가 소요된다고 가정할 때, 글로우 방전 분광기는 1시간 안에 데이터를 얻을 수 있다.
본 실시예의 시편 이송 방법은 시편의 종류와 특성에 따라 전술한 글로우 방전 분광기 이외의 다른 분석 장비에 용이하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 시편 이송 용기 10: 시편 홀더
11: 시편 받침대 20; 본체
21: 시편 출입구 22: 관통구
23: 연결구 24: 접속 부재
30: 밸브 부재 31: 볼
32: 회전축 33: 회전 조작부
34: 개구부 40: 이동 막대
61: 제1 스토퍼 62: 제2 스토퍼

Claims (12)

  1. 시편 고정을 위한 시편 홀더;
    내부에 형성된 관통구와, 관통구의 일측에 고정되며 상기 시편 홀더가 출입하는 시편 출입구를 가지는 접속 부재와, 관통구의 타측에 고정된 밀봉 부재를 포함하는 본체;
    상기 관통구에 위치하며 열린 상태에서 상기 시편 출입구와 이어져 상기 시편 홀더를 수용하는 개구부를 가지는 볼과, 볼을 회전시켜 상기 시편 출입구를 열거나 닫는 회전 조작부를 포함하는 밸브 부재; 및
    상기 밀봉 부재에 슬라이드 가능하게 설치되고, 상기 밸브 부재의 열린 상태에서 상기 시편 홀더와 접하여 상기 시편 홀더를 밀기 위한 이동 막대
    를 포함하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시편 홀더는 시편 안착을 위한 홈이 형성된 시편 받침대를 포함하고, 고정대의 양측에 두 개의 원판이 고정된 형태로 이루어지는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접속 부재는 분석 장비의 시편 투입구와 결합되며, 오-링 정렬을 위한 홈부를 형성하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관통구는 상기 본체의 내부에서 제1 방향을 따라 형성되고, 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 본체 내부에 형성된 연결구와 이어지며,
    상기 개구부는 열린 상태에서 상기 제1 방향을 따라 상기 볼을 관통하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 볼과 상기 회전 조작부는 상기 연결구에 수용된 회전축에 의해 연결되고, 상기 회전 조작부는 상기 연결구의 외측에서 상기 본체에 회전 가능하게 결합되는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결구를 둘러싸는 상기 본체의 외면에 원주 방향을 따라 적어도 두 개의 제1 스토퍼가 고정되고, 상기 회전 조작부에 고정된 제2 스토퍼는 상기 두 개의 제1 스토퍼 사이를 이동하여 상기 회전 조작부의 회전량을 제한하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 용기.
  8. 대기와 차단된 글로브 박스 내부에서 시편이 제작되고, 시편 홀더에 시편이 고정되는 제1 단계;
    상기 글로브 박스 내부에서 본체의 시편 출입구가 개방되고, 본체 내부로 상기 시편 홀더가 수용되며, 시편 출입구가 닫히는 제2 단계;
    시편 이송 용기가 상기 글로브 박스에서 인출된 후 분석장비의 시편 투입구에 결합되는 제3 단계; 및
    상기 시편 투입구와 상기 시편 출입구가 개방되고, 상기 시편 홀더가 상기 분석 장비의 시편 분석 위치로 이동하는 제4 단계를 포함하며,
    상기 본체에 볼과 회전 조작부가 설치되고, 상기 볼은 일 방향을 따라 내부를 관통하면서 열린 상태에서 상기 시편 출입구와 이어지는 개구부를 형성하며,
    상기 제2 단계와 상기 제4 단계에서, 상기 볼은 상기 회전 조작부에 의해 회전하여 상기 시편 출입구를 열거나 닫는 대기 비개방 분석용 시편 이송 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 시편은 리튬 이온 전지의 양극판 또는 음극판으로부터 절개 후 전처리된 것이며, 피막층을 포함하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 시편 투입구에 오-링이 설치되고,
    상기 시편 이송 용기는 상기 오-링 정렬을 위한 홈부를 형성하며 상기 시편 투입구에 결합되는 접속 부재를 포함하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 시편 투입구와 반대되는 상기 본체의 타측에 이동 막대가 슬라이드 가능하게 설치되고,
    상기 제4 단계에서, 상기 시편 홀더는 상기 이동 막대에 의해 밀려 시편 분석 위치로 이동하는 대기 비개방 분석용 시편 이송 방법.
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