KR101933550B1 - 이차전지의 셀 스택 제조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극필름과 양극필름을 연속적으로 이송하면서 일정 크기로 절단하여 음극판 및 양극판을 가공하고, 가공된 음극판과 양극판을 양방향으로 일정 각도로 회전하는 틸팅테이블로 이송하여 순차적으로 적층할 수 있는 이차전지 셀 스택 제조 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템은 양극필름이 권선되어 있는 양극릴이 장착되는 양극공급부; 양극필름을 일정 크기의 양극판으로 절단하는 양극절단부; 음극필름이 권선되어 있는 음극릴이 장착되는 음극공급부와; 음극필름을 일정 크기의 음극판으로 절단하는 음극절단부와; 상기 양극절단부와 음극절단부 사이에서 지면(地面)에 대해 수평한 힌지축을 중심으로 양방향으로 일정한 각도로 왕복 회전하는 틸팅테이블과, 상기 틸팅테이블을 힌지축을 중심으로 왕복 회전시키는 테이블 구동유닛을 포함하는 전극스택부; 상기 틸팅테이블의 상측에서 틸팅테이블로 세퍼레이터를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급부와; 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전 운동하면서 양극절단부에서 절단된 양극판과 음극절단부에서 절단된 음극판을 상기 틸팅테이블로 교대로 전달하는 양극전달유닛 및 음극전달유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지의 셀 스택 제조 시스템{System for Manufacturing Cell Stack of Secondary Battery}

본 발명은 이차전지의 셀(cell)을 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 스테이지를 일정 각도로 왕복 회전 운동시키면서 스테이지 상에 연속적으로 공급되는 세퍼레이터(분리막)에 음극판과 양극판을 교대로 적층하여 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있는 이차전지 셀 스택 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서 상기 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 1차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 2차전지로 구분되며, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 2차전지의 사용이 늘고 있는 추세에 있다.

즉, 상기 2차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 일예로 와이어리스 모바일 기기와 같은 첨단전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 주목받고 있다.

이러한 2차 전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해질 용액에 담가진 형태로 이루어지는데, 이와 같은 2차 전지의 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

소형 2차 전지의 경우 음극판 및 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되며, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 2차 전지의 경우에는 음극판, 양극판 및 분리막을 적절한 순서로 적층하여(stacking) 제작하는 방식이 많이 사용된다.

적층식으로 2차 전지 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 Z-스택킹(Z-stacking) 방식에서는 세퍼레이터(분리막)가 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판 및 양극판이 교번으로 삽입된 형태로 적층되도록 한다.

이와 같은 Z-스택킹 형태로 이루어지는 2차 전지 내부 셀 스택은 등록특허 제10-0313119호, 등록특허 제10-1140447호 등과 같은 여러 선행기술들에 개시되어 있다.

Z-스택킹 형태를 실제로 구현하기 위해서, 한국 등록특허 제10-0309604호와 같은 선행기술에서는 펼쳐진 상태의 분리막의 일측 면에 다수의 음극판을, 타측 면에 다수의 음극판을 배치한 후 접는 방식을 개시하고 있다. 이러한 방식은 젤리-롤 형태의 2차 전지 내부 셀 스택을 제작할 때도 널리 사용되고 있는 방식이다. 그러나 이러한 방식을 사용할 경우 음극판 및 양극판을 정렬(alignment)시키기에 난해함이 있다.

이에 최근에는 Z-폴딩 적층 형태의 2차 전지 셀 스택을 제작함에 있어서 좌우로 이격된 적재테이블에 음극판 및 양극판을 각각 쌓아 두고, 적재테이블 사이에 음극판과 양극판이 적층되는 스테이지를 좌우로 수평 왕복 이동하게 설치하고, 로봇(매니퓰레이터)이 상기 적재테이블 상의 음극판 및 양극판을 교대로 픽업 및 이송하여 스테이지 상에 클램핑된 세퍼레이터 위에 교대로 적층시키는 방식을 사용하고 있다.

그런데, 이와 같은 종래의 Z-스택킹 방식은 스테이지를 좌우로 직선 왕복 운동하면서 적층하기 때문에 스테이지의 이동 거리가 길어 작업 시간이 많이 소요되고, 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다.

등록특허 제10-1140447호(2012.04.19. 등록) 등록특허 제10-1380133호(2014.03.26. 등록) 등록특허 제10-1220981호(2013.01.04. 등록) 등록특허 제10-0309604호(2001.09.10. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 틸팅테이블을 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 양방향으로 일정 각도씩 왕복 회전 운동시키면서 틸팅테이블 상에 연속적으로 공급되는 세퍼레이터에 음극판과 양극판을 교대로 적층하여 셀 스택(cell stack)을 제조할 수 있도록 함으로써 제조 시간을 단축할 수 있는 이차전지 셀 스택 제조 시스템을 제공함에 있다.

특히 본 발명은 음극판과 양극판을 낱개로 절단한 후 적재하지 않고, 음극필름과 양극필름을 연속적으로 이송하면서 일정 크기로 절단하여 음극판 및 양극판을 가공하고, 가공된 음극판과 양극판을 틸팅테이블로 이송하여 적층함으로써 음극판과 양극판 제조를 위한 별도의 장비를 사용하지 않고 하나의 장비로 음극판과 양극판의 제조 및 적층 공정을 연속적으로 수행할 수 있는 이차전지 셀 스택 제조 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템은, 양극필름이 권선되어 있는 양극릴이 장착되는 양극공급부와; 상기 양극릴에서 풀려져서 이송되는 양극필름을 일정 크기의 양극판으로 절단하는 양극절단부와; 음극필름이 권선되어 있는 음극릴이 장착되는 음극공급부와; 상기 음극릴에서 풀려져서 이송되는 음극필름을 일정 크기의 음극판으로 절단하는 음극절단부와; 상기 양극절단부와 음극절단부 사이에 설치되어 지면(地面)에 대해 수평한 힌지축을 중심으로 하여 지면에 대해 연직한 축에 대해 양방향으로 일정한 각도로 왕복 회전하는 틸팅테이블과, 상기 틸팅테이블을 힌지축을 중심으로 왕복 회전시키는 테이블 구동유닛을 포함하는 전극스택부와; 상기 틸팅테이블의 상측에서 틸팅테이블로 세퍼레이터를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급부와; 상기 양극절단부와 전극스택부 및 음극절단부와 전극스택부 사이에 각각 배치되어 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전 운동하면서 양극절단부에서 절단된 양극판과 음극절단부에서 절단된 음극판을 상기 틸팅테이블로 교대로 전달하는 양극전달유닛 및 음극전달유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 틸팅테이블이 양방향으로 일정 각도 범위로 왕복 회전 운동하면서 양극전달유닛 및 음극전달유닛으로부터 양극판 및 음극판을 교대로 전달받아 틸팅테이블 상으로 연속적으로 공급되는 세퍼레이터에 순차적으로 적층하게 된다.

따라서 틸팅테이블의 이동 거리를 최소화할 수 있으므로 적층 작업의 속도를 향상시키고, 작업 시간을 대폭 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명은 틸팅테이블에 적층될 양극판과 음극판을 별도의 장비에서 절단한 후 매거진에 수납하지 않고, 양극필름과 음극필름이 권선된 릴에서 양극필름과 음극필름을 연속적으로 이송하면서 일정 크기의 양극판과 음극판으로 절단하고, 절단된 양극판과 음극판을 바로 틸팅테이블로 공급하므로 제조 시간과 비용을 대폭 축소할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 전체 구성을 나타낸 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 양극공급부의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 양극공급부의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 양극공급부의 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 도시된 양극공급부에서 수행되는 사행 교정 작동례를 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 양극절단부의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 양극절단부의 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 도 6에 도시된 양극절단부의 작동례를 나타낸 평면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 제1전극트랜스퍼의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 1에 도시된 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 제1비전검사부의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 11은 도 1에 도시된 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 전극스택부의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 전극스택부의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 13a 및 도 13b는 도 11에 도시된 전극스택부의 작동례를 나타낸 정면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀 스택 제조 시스템은 양극판(양극 전극)과 세퍼레이터(분리막)와 음극판(음극 전극)을 순차적으로 적층하여 이차전지 셀을 제조하는 장비로서, 본체(10)와, 양극필름(1b)이 권선되어 있는 양극릴(1a)이 장착되는 양극공급부(110)와, 상기 양극릴(1a)에서 풀려져서 이송되는 양극필름(1b)을 일정 크기의 양극판(1)으로 절단하는 양극절단부(120), 양극절단부(120)에서 절단된 양극판(1)의 위치를 조정하는 제1얼라인테이블(140), 제1얼라인테이블(140)에 놓여진 양극판(1)을 각각 촬영하여 위치를 검출하는 제1비전검사부(150), 음극필름(2b)이 권선되어 있는 음극릴(2a)이 장착되는 음극공급부(210), 상기 음극릴(2a)에서 풀려져서 이송되는 음극필름(2b)을 일정 크기의 음극판(2)으로 절단하는 음극절단부(220), 음극절단부(220)에서 절단된 음극판(2)의 위치를 조정하는 제2얼라인테이블(240), 제2얼라인테이블(240)에 놓여진 음극판(2)을 각각 촬영하여 위치를 검출하는 제2비전검사부(250), 지면(地面)에 대해 수평한 회전축(331)을 중심으로 양방향으로 일정한 각도로 왕복 회전하면서 세퍼레이터(3)에 양극판(1)과 음극판(2)을 순차적으로 적층하는 전극스택부(300), 상기 제1얼라인테이블(140) 및 제2얼라인테이블(240)에서 양극판(1)과 음극판(2)을 픽업하여 상기 전극스택부(300)로 공급하는 양극전달유닛(400) 및 음극전달유닛(500), 전극스택부(300)로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급부(600), 전극스택부(300)에서 적층된 양극판(1)과 음극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 적층체를 전극스택부(300)의 외부로 이송하는 언로딩부 등을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 음극공급부(210)와 음극절단부(220), 제2얼라인테이블(240), 제2비전검사부(250), 음극전달유닛(500)은 상기 전극스택부(300)를 사이에 두고 상기 양극공급부(110)와 양극절단부(120), 제1얼라인테이블(140), 제1비전검사부(150), 양극전달유닛(400)과 대칭되게 구성되며, 서로 동일한 방식으로 동작한다. 즉, 상기 전극스택부(300)를 중심에 두고 상기 양극공급부(110)와 양극절단부(120), 제1얼라인테이블(140), 제1비전검사부(150), 양극전달유닛(400)은 상기 음극공급부(210)와 음극절단부(220), 제2얼라인테이블(240), 제2비전검사부(250), 음극전달유닛(500)과 각각 대칭되게 배치되고, 각각 동일한 구성으로 이루어진다. 따라서 이하의 설명에서 양극공급부(110)와 양극절단부(120), 제1얼라인테이블(140), 제1비전검사부(150)를 중심으로 그 세부 구성 및 동작에 대해 설명하지만, 음극공급부(210)와 음극절단부(220), 제2얼라인테이블(240), 제2비전검사부(250)의 세부 구성 및 동작 또한 동일하므로 이에 대해 상세하게 설명하지 않더라도 쉽고 명확하게 이해될 것이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 양극공급부(110)는 이차전지 셀의 양극판(1)의 원재료가 되는 양극필름(1b)을 적재하여 공급하는 부분으로, 본체(10)에 지면(地面)에 대해 수직하게 설치되는 설치판(111)과, 상기 설치판(111)의 하부에 설치되어 상기 양극필름(1b)이 감겨진 양극릴(1a)이 회전 가능하게 장착되는 언와인딩샤프트(112)와, 상기 설치판(111)의 상부에 수평한 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 양극필름(1b)이 감기면서 안내되는 복수의 가이드롤(113)과, 상기 가이드롤(113)을 통과한 양극필름(1b)을 양극절단부(120) 쪽으로 일정 거리씩 연속적으로 수평 이송하는 필름이송유닛을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 설치판(111)은 사각형의 평판 형태로 이루어지며, 양극필름(1b)의 사행, 즉 진행방향에 대해 측방향으로 일정 각도로 틀어져서 이동하는 현상을 바로 잡기 위해 상기 양극필름(1b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동 가능하게 설치된다. 통상의 전극필름을 이송하는 장치에서는 전극필름의 사행을 바로 잡기 위하여 측방향으로 회동하는 EPC 롤(Edge Position Control Roll)을 구비한 별도의 사행제어장치를 사용하고 있으나, 이 경우 전극필름이 장력을 유지하면서 EPC 롤을 통과하도록 해야 하므로 전극필름의 이동 거리가 길어지게 되어 생산성 및 작업 효율이 저하되는 결점이 있다. 이에 본 발명은 기존의 EPC 사행제어장치를 사용하지 않고 상기 양극릴(1a)과 양극필름(1b)을 안내하는 가이드롤(113)이 설치되어 있는 설치판(111) 자체를 측방향으로 이동시킴으로써 사행을 조절함으로써 양극필름(1b)의 이동거리를 최소화하는 방안을 제시한다.

이러한 설치판(111)의 이동에 의한 양극필름(1b)의 사행 제어를 위하여, 상기 필름이송유닛과 가이드롤(113) 사이에 가이드롤(113)을 통과한 양극필름(1b)이 진행방향에 대해 틀어진 정도를 감지하는 사행감지센서(114)가 배치되고, 상기 사행감지센서(114)에 의해 감지되는 양극필름(1b)의 진행방향 오차에 따라 상기 설치판(111)을 양극필름(1b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동시켜 진행방향을 바로 잡는 설치판 구동유닛이 구성된다.

이 실시예에서 상기 설치판 구동유닛은 상기 사행감지센서(114)와 전기적으로 연결된 컨트롤러로부터 제어신호를 인가받아 작동하는 구동모터(118a)와, 상기 구동모터(118a)로부터 동력을 전달받아 회전하며 본체(10)의 하부에 측방향으로 연장되게 설치된 볼스크류(118b)와, 상기 볼스크류(118b)의 회전에 의해 볼스크류(118b)를 따라 이동하며 상기 설치판(111)의 하단부에 결합된 너트부(118c)와, 상기 본체(10)의 하부에 측방향으로 연장되게 설치되어 설치판(111)의 측방향 이동을 안내하는 가이드레일(118d)을 포함한 구성으로 이루어진다. 하지만 이외에도 상기 설치판 구동유닛은 공지의 선형운동장치, 예를 들어 리니어모터 시스템, 모터와 풀리 및 풀리에 감겨진 벨트를 포함하는 선형운동장치, 모터와 래크기어 및 피니언기어를 포함하는 선형운동장치 등을 적용하여 구성할 수 있다.

따라서, 도 5a 및 도 5b에 도시한 것과 같이 양극필름(1b)이 양극절단부(120) 쪽으로 이송되는 과정에서 양극필름(1b)이 진행 방향에 대해 측방향으로 일정 각도로 틀어져서 이동하게 되면, 사행감지센서(114)가 이를 감지하여 컨트롤러로 감지 신호를 전송하고, 컨트롤러는 상기 구동모터(118a)에 전원을 인가하여 설치판(111)을 측방향으로 소정의 거리만큼 이동시킴으로써 양극필름(1b)의 진행 방향을 교정하게 된다.

도 2를 참조하면, 상기 필름이송유닛은 양극필름(1b)을 절단될 길이만큼, 즉 양극판(1)의 길이만큼 양극필름(1b)을 연속 반복적으로 이송하는 기능을 수행하도록 구성된다. 상기 필름이송유닛은 양극필름(1b)의 상측 및 하측에 각각 배치되는 복수의 풀리(115a, 115b)와, 상기 풀리(115a, 115b)에 감겨져 회동하며 상기 양극필름(1b) 또는 음극필름(2b)의 상면과 하면에 각각 접촉하는 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b)와, 상기 상부 이송벨트(116a)에 감겨진 풀리(115a, 115b)와 하부 이송벨트(116b)가 감겨진 풀리(115a, 115b)를 회전시키는 모터(117a, 117b)와, 상기 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b)의 외측에 설치되어 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b) 사이로 이송되는 양극필름(1b) 또는 음극필름(2b)의 가장자리에 형성된 전극탭(T)의 수를 감지하여 상기 모터(117a, 117b)의 작동을 제어하는 이송량감지센서(119)를 포함한 구성으로 이루어진다.

따라서 모터(117a, 117b)에 의해 풀리(115a, 115b)가 회전하게 되면 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b)가 회전하여 양극필름(1b)을 양극절단부(120) 쪽으로 일정 피치로 이송하게 되는데, 이 때 이송량감지센서(119)는 양극필름(1b)의 가장자리에 일정 간격으로 형성되어 있는 전극탭(T)의 수를 통해 양극필름(1b)의 이동 거리를 검출하여 모터(117a, 117b)의 작동을 제어한다.

도 6 내지 도 8b를 참조하면, 상기 양극절단부(120)는 양극필름(1b)이 안착되어 고정되는 커팅스테이지(121)와, 상기 커팅스테이지(121)의 일측에 수평 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에서 절단된 양극판(1)을 고정하여 지정된 위치로 이송하는 이송스테이지(123)와, 상기 커팅스테이지(121)의 하측 또는 상측에 상하로 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에 고정된 양극필름(1b)을 절단하는 커터(125, 126)를 포함한다.

상기 커팅스테이지(121)의 일단부에 양극필름(1b)을 진공 흡착하는 진공홀(122a)이 형성되어 있는 복수의 제1흡착바아(122)가 일정 간격으로 배열되고, 상기 이송스테이지(123)의 일단부에 상기 복수의 제1흡착바아(122)의 사이사이로 삽입되면서 맞물리며 상기 양극필름(1b)을 진공 흡착하는 진공홀(124a)이 형성되어 있는 복수의 제2흡착바아(124)가 일정 간격으로 배열된다.

이와 같이 커팅스테이지(121)와 이송스테이지(123)에 서로 맞물리는 형태로 복수의 제1흡착바아(122)와 제2흡착바아(124)가 각각 배열되면, 커팅스테이지(121)에서 제1흡착바아(122)에 양극필름(1b)이 흡착되어 절단될 때 제2흡착바아(124)가 제1흡착바아(122) 사이에서 절단되는 양극필름(1b)을 함께 흡착하다가 흡착하고 있던 절단된 양극필름(1b) 조각, 즉 양극판(1)을 바로 제1얼라인테이블(140) 쪽으로 이송할 수 있으므로 작업 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

상기 이송스테이지(123)는 볼스크류와 서보모터 등을 포함하는 공지의 선형운동장치에 의해 커팅스테이지(121)의 일단부와 제1얼라인테이블(140) 사이에서 수평 이동한다.

상기 커터(125, 126)는 상기 커팅스테이지(121)의 하측에 공압실린더(126)에 의해 상하로 이동 가능하게 설치되어 있는 하부커터(125)와 상기 커팅스테이지(121)의 상측에 설치되어 있는 상부커터(126)로 구성되며, 상기 하부커터(125)와 상부커터(126)는 상기 커팅스테이지(121)에 측방향으로 길게 연장되게 형성되어 있는 커팅슬롯(121a)을 통해 서로 교차하면서 양극필름(1b)을 순간적으로 절단한다.

상기 양극절단부(120)와 제1얼라인테이블(140) 사이에는 상기 이송스테이지(123)에 흡착된 양극판(1)을 픽업하여 상기 제1얼라인테이블(140) 상으로 이동하여 안착시키는 제1전극트랜스퍼(130)가 설치된다. 도 9에 도시된 것과 같이 상기 제1전극트랜스퍼(130)는 모터(133)에 의해 지면에 대해 연직한 축을 중심으로 회동하는 회동아암(131)과, 상기 회동아암(131)의 끝단부에 상대 이동 가능하게 설치되어 양극판(1)을 진공 흡착하는 픽업헤드(132)로 구성되며, 상기 픽업헤드(132)는 양극판(1)을 파지한 상태에서 회동아암(131)이 회전할 때 회동아암(131)에 대해 상대 회전하여 양극판(1)의 방향이 틀어지지 않고 그대로 제1얼라인테이블(140)에 전달될 수 있게 구성되어 있다.

도 10을 참조하면, 상기 제1얼라인테이블(140)은 상기 제1비전검사부(150)에 의해 촬영된 영상에 따라 양극판(1)을 정렬하는 기능을 수행한다. 즉, 양극판(1)을 전극스택부(300)에 적층하기 바로 전에 양극판(1)의 위치를 정확하게 정렬함으로써 전극스택부(300)에 양극판(1)이 정확하게 안착되어 적층될 수 있도록 한다. 상기 제1얼라인테이블(140)이 양극판(1)의 위치를 정렬할 수 있도록 하기 위하여 제1얼라인테이블(140)은 X-Y 방향으로 선형 운동 및 Z축을 중심으로 소정의 각도(θ)로 회전 운동할 수 있는 공지의 X-Y-θ 구동기(142) 상에 설치된다.

상기 제1비전검사부(150)는 상기 제1얼라인테이블(140) 상에 놓여진 양극판(1)을 촬영하는 복수의 비전카메라(151)와 조명유닛(152)을 구비하며, 상기 양극판(1)의 모서리 부분의 위치를 통해 양극판(1)의 정렬 상태를 판독한다.

도 11 내지 도 13b에 도시한 것과 같이, 상기 전극스택부(300)는 지면(地面)에 대해 수평한 회전축(331)을 중심으로 양방향으로 일정한 각도로 왕복 회전하는 틸팅테이블(310)과, 상기 틸팅테이블(310)을 회전축(331)을 중심으로 왕복 회전시키는 테이블 구동유닛을 포함한다.

상기 틸팅테이블(310)은 지면에 대해 연직한 축에 대해 양방향으로 일정한 각도로 연속 반복적으로 회전하면서 양쪽에서 양극판(1)과 음극판(2)을 교대로 전달받아 적층한다. 틸팅테이블(310)의 상부면에는 세퍼레이터(3)의 선단 면을 진공 흡착하여 고정할 수 있도록 복수개의 진공홀이 형성되어 있다.

상기 틸팅테이블(310)은 수평한 회전축(331)을 중심으로 본체(10)에 대해 일정 각도 범위로 회전 운동하는 틸팅프레임(320) 상에 설치되어 틸팅프레임(320)과 함께 회전한다. 상기 틸팅프레임(320)의 양측면에는 2개의 회전축(331)이 지면(地面)에 대해 수평하게 설치되어 테이블 구동유닛을 구성하는 테이블 구동모터(332)에 의해 연직한 축에 대해 양방향으로 회전 운동한다.

상기 틸팅테이블(310)은 공압실린더나 모터-볼스크류 등으로 된 공지의 선형운동장치에 의해 틸팅프레임(320)에 대해 상하로 일정 거리 이동하는 'ㄷ'자형의 승강테이블(311)과, 상기 승강테이블(311)의 내측에 설치되는 고정테이블(312)로 구성된다. 이와 같이 틸팅테이블(310)이 승강테이블(311)과 고정테이블(312)로 구성되면 틸팅테이블(310) 상에서 적층된 양극판(1)과 음극판(2), 세퍼레이터(3)의 적층체를 언로딩부의 언로딩그립퍼(미도시)가 파지하여 이송할 때, 승강테이블(311)이 고정테이블(312)의 상측으로 일정 높이 승강하여 언로딩그립퍼가 적층체의 상측과 하측으로 진입하여 적층체의 상부면과 하부면을 확실하게 파지하여 이송할 수 있다.

상기 틸팅테이블(310)의 상부면 양측부에는 틸팅테이블(310) 상에 안착된 음극판(2)과 양극판(1) 및 세퍼레이터(3)의 가장자리 부분을 하측으로 가압하면서 고정하는 복수의 클램핑유닛이 구성된다. 이 실시예에서 상기 클램핑유닛은 상기 틸팅테이블(310)의 양측부에 서로 마주보게 배치되는 2개 1조씩으로 된 제1클램퍼(341) 및 제2클램퍼(342)로 구성된다. 상기 제1클램퍼(341) 및 제2클램퍼(342)는 볼스크류(343)와 서보모터(344)에 의해 틸팅테이블(310)에 대해 측방향으로 이동함과 더불어 공압실린더(345)에 의해 상하로 이동하면서 양극판(1)과 음극판(2)을 세퍼레이터(3) 위에 적층할 때 양극판(1)과 음극판(2) 및 세퍼레이터(3)의 양측 가장자리 부분을 교대로 하측으로 가압하여 지지한다.

상기 틸팅테이블(310)의 상측에는 틸팅테이블(310)의 상부면으로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급부(600)가 설치된다. 상기 세퍼레이터 공급부(600)는 기다란 필름으로 된 세퍼레이터(3)가 권취되어 있는 세퍼레이터릴(3a)이 회전가능하게 설치되는 제2언와인딩샤프트(610)와, 상기 틸팅테이블(310)의 중심부 상측에 배치되어 세퍼레이터릴(3a)에서 풀려져 나온 세퍼레이터(3)를 틸팅테이블(310)로 안내하는 한 쌍의 가이드(620)를 포함한다.

한 쌍의 가이드(620)는 틸팅테이블(310)의 바로 상측에서 틸팅테이블(310)의 회전 중심에 배치되어 세퍼레이터(3)를 잡아줌으로써 틸팅테이블(310)이 양방향으로 왕복 회전할 때 세퍼레이터(3)가 일정한 장력을 유지하면서 틸팅테이블(310) 상에 정확하게 적층될 수 있도록 하는 기능을 한다.

상기 양극전달유닛(400)은, 상기 제1얼라인테이블(140)의 상부와 틸팅테이블(310)의 상부 사이에서 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 회전하도록 설치된 회동블록(410)과, 상기 회동블록(410)에 대해 상하로 직선 운동하도록 설치되어 상기 제1얼라인테이블(140)에서 양극판(1)을 진공 흡착하여 틸팅테이블(310)에 내려놓는 기능을 수행하는 픽커(420)를 포함한다.

전술한 것처럼 상기 음극공급부(210)와 음극절단부(220), 제2얼라인테이블(240), 제2비전검사부(250), 음극전달유닛(500)의 구성 및 동작은 상기 양극공급부(110)와 양극절단부(120), 제1얼라인테이블(140), 제1비전검사부(150), 양극전달유닛(400)의 구성 및 동작과 동일 또는 거의 유사하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 언로딩부는 상기 틸팅테이블(310) 상에서 적층이 완료된 양극판(1)과 음극판(2)과 세퍼레이터(3)의 적층체를 픽업하여 상기 음극공급부(210)의 일측에 마련되어 있는 테이프 자동 공급유닛으로 이송하여 적층체가 풀어지지 않도록 테이프를 자동으로 공급하여 부착시킨 후 적재하거나 외부로 이송한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 이차전지 셀 스택 제조 시스템은 다음과 같이 작동한다.

양극공급부(110)의 언와인딩샤프트(112)에 양극필름(1b)이 감겨진 양극릴(1a)이 회전 가능하게 장착되고, 음극공급부(210)에 음극필름(2b)이 감겨진 음극릴(2a)이 회전 가능하게 장착된 상태에서 시스템의 작동이 개시되면, 양극공급부(110)의 필름이송유닛에 의해 양극필름(1b)이 일정 피치로 이송된다. 이 때 전술한 것처럼 사행감지센서(114)가 양극필름(1b)의 사행을 감지하여 설치판(111)을 측방향으로 밀거나 당겨서 사행을 조정한다.

상기 양극공급부(110)에서 이송된 양극필름(1b)이 양극절단부(120)의 커팅스테이지(121) 상에 위치하면, 이송스테이지(123)의 제2흡착바아(124)가 제1흡착바아(122)의 사이사이로 삽입되고, 제1흡착바아(122) 및 제2흡착바아(124)의 진공홀(122a, 124a)을 통해 흡입력이 발생하여 양극필름(1b)이 고정된다.

이 상태에서 하부커터(125)가 상승하고 상부커터(126)가 하강하여 커팅스테이지(121) 상에 고정된 양극필름(1b)을 절단한다.

이와 같이 양극필름(1b)이 절단되면 제1흡착바아(122)의 흡입력이 해제되고, 이송스테이지(123)가 제1얼라인테이블(140) 쪽으로 수평 이동하게 된다. 이 때, 양극필름(1b)이 절단되어 만들어진 양극판(1)은 이송스테이지(123)의 제2흡착바아(124)에 흡착된 상태로 이송된다.

상기 이송스테이지(123)가 지정된 위치로 이동하면, 제1전극트랜스퍼(130)의 픽업헤드(132)가 하강하여 양극판(1)을 진공 흡착한 후 회동아암(131)이 회전하여 양극판(1)을 제1얼라인테이블(140)로 이송하여 안착시킨다.

양극판(1)이 제1얼라인테이블(140) 상에 안착되면, 제1비전검사부(150)의 비전카메라(151)가 양극판(1)을 촬영하여 양극판(1)의 영상을 취득한다. 이 때 셀 스택 제조 시스템의 컨트롤러는 취득된 양극판(1)의 영상에서 양극판의 모서리 부분의 위치를 판독하여 양극판(1)이 놓여진 정렬 위치를 검출하고, 정렬이 필요한 경우 X-Y-θ 구동기(142)를 구동하여 제1얼라인테이블(140)을 X-Y 방향으로 이동하거나 회전시켜 위치를 조정하여 양극판(1)의 위치를 정렬한다.

이어서 양극전달유닛(400)의 픽커(420)가 하강하여 제1얼라인테이블(140) 상에 정렬된 양극판(1)을 진공 흡착한 후 상승하고, 회동블록(410)이 정해진 각도만큼 틸팅테이블(310) 쪽으로 회전한다. 이 때 틸팅테이블(310)은 테이블 구동모터(332)에 의해 지면(地面)에 대해 연직한 축을 중심으로 양극전달유닛(400) 쪽으로 일정 각도로 회전한다.

이와 같이 양극전달유닛(400)이 틸팅테이블(310) 쪽으로 일정 각도로 회전하고 틸팅테이블(310)은 양극전달유닛(400) 쪽으로 일정 각도로 회전하여 양극전달유닛(400)의 픽커(420)가 틸팅테이블(310)의 상부면과 일치하는 위치에 정렬되면, 픽커(420)가 하강하여 양극판(1)을 틸팅테이블(310) 상의 세퍼레이터(3) 위에 올려 놓는다(도 13a 참조).

이와 같이 본체(10)의 일측에서 양극공급부(110)와 양극절단부(120), 제1얼라인테이블(140), 제1비전검사부(150), 양극전달유닛(400)에 의해 양극필름(1b)의 이송 및 절단, 양극판(1)의 정렬 및 이송, 적층이 이루어지는 동안 본체(10)의 다른 일측에서는 음극공급부(210)와 음극절단부(220), 제2얼라인테이블(240), 제2비전검사부(250), 음극전달유닛(500)이 이와 동일한 과정으로 음극필름(2b)을 절단하여 음극판(2)을 틸팅테이블(310)로 전달하여 적층하게 된다.

즉 전극스택부(300)의 양측에서 각각 양극필름(1b) 및 음극필름(2b)이 일정 길이로 절단되어 양극판(1) 및 음극판(2)이 만들어지고, 양극판(1) 및 음극판(2)이 비전 검사를 통한 위치 정렬이 이루어진 후 도 13a 및 도 13b에 도시한 것과 같이 양극전달유닛(400) 및 음극전달유닛(500)의 회전 운동에 의해 틸팅테이블(310)로 교대로 전달되어 틸팅테이블(310) 상에 공급되는 세퍼레이터(3) 위에 순차적으로 적층되어 이차전지 셀이 만들어지는 것이다.

이 때 상기 틸팅테이블(310)은 지면에 대해 연직한 축을 중심으로 양방향으로 일정 각도로 회전 운동하면서 양극전달유닛(400) 및 음극전달유닛(500)으로부터 교대로 양극판(1)과 음극판(2)을 전달받는다.

이러한 본 발명에 따르면, 틸팅테이블(310)에 적층될 양극판(1)과 음극판(2)을 별도의 장비에서 절단한 후 매거진에 수납하지 않고, 양극필름(1b)과 음극필름(2b)이 권선된 릴에서 양극필름(1b)과 음극필름(2b)을 연속적으로 이송하면서 일정 크기의 양극판(1)과 음극판(2)으로 절단하고, 절단된 양극판(1)과 음극판(2)을 바로 틸팅테이블(310)로 공급하므로 제조 시간과 비용을 대폭 축소할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

T : 전극탭 1 : 양극판
1a: 양극릴 1b : 양극필름
2 : 음극판 2a : 음극릴
2b : 음극필름 10 : 본체
110 : 양극공급부 111 : 설치판
112 : 언와인딩샤프트 113 : 가이드롤
114 : 사행감지센서 120 : 양극절단부
121 : 커팅스테이지 122 : 제1흡착바아
123 : 이송스테이지 124 : 제2흡착바아
125 : 하부커터 126 : 상부커터
130 : 제1전극트랜스퍼 140 : 제1얼라인테이블
150 : 제1비전검사부 151 : 비전카메라
152 : 조명유닛 210 : 음극공급부
220 : 음극절단부 230 : 제2전극트랜스퍼
240 : 제2얼라인테이블 250 : 제2비전검사부
300 : 전극스택부 310 : 틸팅테이블
320 : 틸팅프레임 331 : 회전축
332 : 테이블 구동모터 400 : 양극전달유닛
410 : 회동블록 420 : 픽커
500 : 음극전달유닛 600 : 세퍼레이터 공급부
610 : 언와인딩샤프트 620 : 가이드

Claims (11)

1. 양극필름(1b)이 권선되어 있는 양극릴(1a)이 장착되는 양극공급부(110)와;
   상기 양극릴(1a)에서 풀려져서 이송되는 양극필름(1b)을 일정 크기의 양극판(1)으로 절단하는 양극절단부(120)와;
   음극필름(2b)이 권선되어 있는 음극릴(2a)이 장착되는 음극공급부(210)와;
   상기 음극릴(2a)에서 풀려져서 이송되는 음극필름(2b)을 일정 크기의 음극판(2)으로 절단하는 음극절단부(220)와;
   상기 양극절단부(120)와 음극절단부(220) 사이에 설치되어 지면(地面)에 대해 수평한 회전축(331)을 중심으로 하여 지면에 대해 연직한 축에 대해 양방향으로 일정한 각도로 왕복 회전하는 틸팅테이블(310)과, 상기 틸팅테이블(310)을 회전축(331)을 중심으로 왕복 회전시키는 테이블 구동유닛을 포함하는 전극스택부(300)와;
   상기 틸팅테이블(310)의 상측에서 틸팅테이블(310)로 세퍼레이터(3)를 연속적으로 공급하는 세퍼레이터 공급부(600)와;
   상기 양극절단부(120)와 전극스택부(300) 및 음극절단부(220)와 전극스택부(300) 사이에 각각 배치되어 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전 운동하면서 양극절단부(120)에서 절단된 양극판(1)과 음극절단부(220)에서 절단된 음극판(2)을 상기 틸팅테이블(310)로 교대로 전달하는 양극전달유닛(400) 및 음극전달유닛(500);
   을 포함하며,
   상기 양극절단부(120)는 양극필름(1b)이 안착되어 고정되는 커팅스테이지(121)와, 상기 커팅스테이지(121)의 일측에 수평 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에서 절단된 양극판(1)을 고정하여 지정된 위치로 이송하는 이송스테이지(123)와, 상기 커팅스테이지(121)의 하측 또는 상측에 상하로 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에 고정된 양극필름(1b)을 절단하는 커터(125, 126)를 포함하고,
   상기 커팅스테이지(121)의 일단부에 양극필름(1b)을 진공 흡착하는 진공홀(122a)이 형성되어 있는 복수의 제1흡착바아(122)가 일정 간격으로 배열되고, 상기 이송스테이지(123)의 일단부에 상기 복수의 제1흡착바아(122)의 사이사이로 삽입되면서 맞물리며 상기 양극필름(1b)을 진공 흡착하는 진공홀(124a)이 형성되어 있는 복수의 제2흡착바아(124)가 일정 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
2. 삭제
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4. 제1항에 있어서, 상기 음극절단부(220)는 음극필름(2b)이 안착되어 고정되는 커팅스테이지(121)와, 상기 커팅스테이지(121)의 일측에 수평 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에서 절단된 음극판(2)을 고정하여 지정된 위치로 이송하는 이송스테이지(123)와, 상기 커팅스테이지(121)의 하측 및 상측에 상하로 이동 가능하게 설치되어 커팅스테이지(121)에 고정된 음극필름(2b)을 절단하는 커터(125, 126)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 커팅스테이지(121)의 일단부에 음극필름(2b)을 진공 흡착하는 진공홀이 형성되어 있는 복수의 제1흡착바아가 일정 간격으로 배열되고, 상기 이송스테이지의 일단부에 상기 복수의 제1흡착바아의 사이사이로 삽입되면서 맞물리며 상기 음극필름(2b)을 진공 흡착하는 진공홀이 형성되어 있는 복수의 제2흡착바아가 일정 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 양극절단부(120)와 전극스택부(300) 사이 및 상기 양극절단부(120)와 전극스택부(300) 사이에 각각 배치되어 양극절단부(120)에서 절단된 양극판(1)과 음극절단부(220)에서 절단된 음극판(2)의 위치를 조정하는 제1얼라인테이블(140) 및 제2얼라인테이블(240)과, 상기 제1얼라인테이블(140) 및 제2얼라인테이블(240)에 놓여진 양극판(1) 및 음극판(2)을 각각 촬영하여 위치를 검출하는 제1비전검사부(150) 및 제2비전검사부(250)와, 상기 양극절단부(120)에서 양극판(1)을 픽업하여 제1얼라인테이블(140)로 이송하는 제1전극트랜스퍼(130)와, 상기 음극절단부(220)에서 음극판(2)을 픽업하여 제2얼라인테이블(240)로 이송하는 제2전극트랜스퍼(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 양극공급부(110)는, 양극필름(1b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동 가능하게 설치된 설치판(111)과, 상기 설치판(111)에 상기 양극릴(1a)이 회전 가능하게 장착되는 언와인딩샤프트(112)와, 상기 설치판(111)에 수평한 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 양극필름(1b)이 감기면서 안내되는 복수의 가이드롤(113)과, 상기 가이드롤(113)을 통과한 양극필름(1b)을 양극절단부(120) 쪽으로 일정 거리씩 수평 이송하는 필름이송유닛과, 상기 필름이송유닛과 가이드롤(113) 사이에 배치되어 가이드롤(113)을 통과한 양극필름(1b)이 진행방향에 대해 틀어진 정도를 감지하는 사행감지센서(114)와, 상기 사행감지센서(114)에 의해 감지되는 양극필름(1b)의 진행방향 오차에 따라 상기 설치판(111)을 양극필름(1b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동시켜 진행방향을 바로 잡는 설치판 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 음극공급부(210)는, 음극필름(2b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동 가능하게 설치된 설치판과, 상기 설치판에 상기 음극릴(2a)이 회전 가능하게 장착되는 언와인딩샤프트와, 상기 설치판에 수평한 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 음극필름(2b)이 감기면서 안내되는 복수의 가이드롤과, 상기 가이드롤을 통과한 음극필름(2b)을 음극절단부(220) 쪽으로 수평 이송하는 필름이송유닛과, 상기 필름이송유닛과 가이드롤 사이에 배치되어 가이드롤을 통과한 음극필름(2b)이 진행방향에 대해 틀어진 정도를 감지하는 사행감지센서와, 상기 사행감지센서에 의해 감지되는 음극필름(2b)의 진행방향 오차에 따라 상기 설치판을 음극필름(2b)의 진행 방향에 대해 직교하는 측방향으로 이동시켜 진행방향을 바로 잡는 설치판 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 필름이송유닛은, 양극필름(1b) 또는 음극필름(2b)의 상측 및 하측에 각각 배치되는 복수의 풀리(115a, 115b)와, 상기 풀리(115a, 115b)에 감겨져 회동하며 상기 양극필름(1b) 또는 음극필름(2b)의 상면과 하면에 각각 접촉하는 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b)와, 상기 상부 이송벨트(116a)에 감겨진 풀리(115a, 115b)와 하부 이송벨트(116b)가 감겨진 풀리(115a, 115b)를 회전시키는 모터(117a, 117b)와, 상기 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b)의 외측에 설치되어 상부 이송벨트(116a) 및 하부 이송벨트(116b) 사이로 이송되는 양극필름(1b) 또는 음극필름(2b)에 형성된 전극탭(T)의 수를 감지하여 상기 모터(117a, 117b)의 작동을 제어하는 이송량감지센서(119)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
10. 제6항에 있어서, 상기 양극전달유닛(400)은, 상기 제1얼라인테이블(140)의 상부와 틸팅테이블(310)의 상부 사이에서 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 회전하도록 설치된 회동블록(410)과, 상기 회동블록(410)에 대해 상하로 직선 운동하도록 설치되어 상기 제1얼라인테이블(140)에서 양극판(1)을 진공 흡착하여 틸팅테이블(310)에 내려놓는 기능을 수행하는 픽커(420)를 포함하며,
    상기 음극전달유닛(500)은 상기 제2얼라인테이블(240)의 상부와 틸팅테이블(310)의 상부 사이에서 지면(地面)에 대해 수평한 축을 중심으로 회전하도록 설치된 회동블록과, 상기 회동블록에 대해 상하로 직선 운동하도록 설치되어 상기 제2얼라인테이블(240)에서 음극판(2)을 진공 흡착하여 틸팅테이블(310)에 내려놓는 기능을 수행하는 픽커를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 틸팅테이블(310)은 선형운동장치에 의해 상하로 일정 거리 이동하는 'ㄷ'자형의 승강테이블(311)과, 상기 승강테이블(311)의 내측에 설치되는 고정테이블(312)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 셀 스택 제조 시스템.
    

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