KR102003737B1

KR102003737B1 - 각형 이차전지용 고속 스택 제조 장치

Info

Publication number: KR102003737B1
Application number: KR1020180018363A
Authority: KR
Inventors: 신혁; 홍남형; 염철원
Original assignee: 주식회사 이노메트리; 신혁
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-10-01

Abstract

본 발명은, 적층될 극판(1, 2)이 놓여지는 스택 베이스(41), 스택 베이스(41)상에 놓여진 극판을 고정시키기 위한 그리퍼(42a, 42b, 43a, 43b), 양극판(2)이 놓여지는 위치와 음극판(1)이 놓여지는 위치 사이에서 상기 스택 베이스(41)를 이동시키는 이동 수단을 구비한 적층 유닛(40)을 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스(41)를 U자형 궤적으로 이동시킬 수 있는 이차전지용 스택 제조 장치를 제공한다.

Description

각형 이차전지용 고속 스택 제조 장치{HIGH-SPEED STACK MANUFACTURING APPARATUS FOR PRISMATIC SECONDARY BATTERY}

본 발명은 각형 이차전지의 셀을 제조하는 장치에 관한 것으로, 상세하게는 분리막(separator) 위에 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 스택을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 화학전지는 양극판과 음극판의 전극 한 쌍과 전해질로 구성되어 있는 전지로서, 전극과 전해질을 구성하는 물질에 따라 저장할 수 있는 에너지의 양이 달라진다. 이러한 화학전지는 충전 반응이 매우 느려서 1회 방전 용도로만 쓰이는 일차전지와, 반복적인 충방전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분되는데, 최근 들어서는 충방전이 가능한 장점으로 인해 이차전지의 사용이 늘고 있다.

이차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있는데, 스마트폰과 같은 이동 통신 장치의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐아니라, 전기자동차의 에너지원으로도 주목받고 있다.

이러한 이차전지는 양극판, 분리막, 음극판이 순차적으로 적층되어 전해액에 담가진 형태로 이루어지는데, 이와 같은 이차전지의 내부 셀 스택을 제작하는 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

소형 이차전지의 경우 음극판과 양극판을 분리막 상에 배치하고 이를 말아서(winding) 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 제작하는 방식이 많이 사용되는 반면, 보다 많은 전기 용량을 가지는 중대형 이차전지의 경우에는 음극판과 양극판을 분리막과 적절한 순서로 적층(stacking)하여 제작하는 방식이 많이 사용된다. 특히, 적층 방식의 경우 주로 타발된 극판이 사용되므로, 극판의 엣지(edge)와 분리막 사이에 전해액이 스며들 수 있는 공간이 상대적으로 넓어서 전지의 성능이 우수하다.

적층 방식으로 이차전지 셀 스택을 제작하는 방법 중 널리 사용되는 지그재그(zigzag) 타입의 적층 방식에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 분리막(3)이 지그재그로 접힌 형태를 이루며 그 사이에 음극판(1)과 양극판(2)이 교번되어 삽입된 형태로 적층된다.

이러한 지그재그 타입의 적층 방법으로 최근에도 널리 사용되는 방식으로는 도 2에 도시된 바와 같이 스택 베이스(5)가 좌측의 음극판(1) 매거진과 우측의 양극판(2) 매거진 사이를 수평 이동하면서 적층하는 방식이 있다. 이 방식에 따르면 스택 베이스(5)가 음극판(1) 매거진쪽으로 이동될 때(도 2의 A), 음극판 매거진과 스택 베이스(5) 사이를 이동하는 음극판 로더(4a)가 음극판(1)을 분리막 위에 적층한다. 그런 다음, 스택 베이스(5)가 우측의 양극판(2) 매거진쪽으로 이동하고(도 2의 B), 양극판 로더(4b)가 마찬가지로 양극판(1)을 분리막(3) 위에 적층한다. 이러한 과정을 반복함으로써 음극판과 양극판 사이에 분리막이 지그재그로 접힌 형태의 셀 스택이 얻어진다.

이와 유사한 스택 베이스의 수평이동에 의한 적층 방식이 등록특허 제10-1140447호(2012.04.19 등록, 이하 '선행기술1'이라 함)에 개시되어 있다. 선행기술1에 따르면, 카트리지에 놓여있던 양극판과 음극판이 각각 이송 로봇에 의해 정렬 트레이로 이송되고, 정렬 트레이에서 정렬된 다음 적층 트레이로 이송된다. 상기 적층 트레이가 전술한 바와 같은 도 2에 도시된 방식으로 수평 이동함으로써 적층이 이루어진다.

등록특허 제10-1730469호(2017.04.20 등록, 이하 '선행기술2'라 함)는 음극판과 양극판이 교대로 놓여지는 틸팅 스테이지를 수평축을 중심으로 일정 각도로 왕복 회전 운동시키면서, 틸팅 스테이지 상에 연속적으로 공급되는 분리막에 음극판과 양극판을 교대로 적층하는 셀 스택 제조장치를 개시한다. 또한, 복수의 음극판 또는 양극판이 쌓여있는 카세트로부터 정렬 테이블로 극판을 이송하기 위해 다수의 링크부재로 구성된 극판 로딩 유닛을 이용하는 것을 개시한다.

등록특허 제10-1806939호(2017.12.08 등록, 이하 '선행기술3'이라 함)는 2열로 배열된 양측 가이드 롤러들 사이를 통과하는 분리막의 양단을 히팅 집게로 집어 가열한 접힘선에 의하여 지그재그 형태로 접혀진 분리막을 형성한 후, 로터리 타입으로 회전하는 회전체에 분리막과 제1, 2 전극들을 함께 공급하여 분리막들 사이에 전극들이 끼워져 적층되는 시스템의 스택형 전극조립체의 제조방법을 개시한다.

선행기술3은 분리막들 사이에 극판들을 끼우는 과정의 전후로 극판들을 정렬하는 것이 곤란함은 물론 끼워진 전극이 회전체의 회전에 따라 오정렬될 개연성이 매우 높다. 이로 인해 전해액이 스며들 수 있는 공간이 불규칙적일 수 있고 상대적으로 좁은 구역이 생기기 쉽다. 따라서, 성능이 우수한 전지의 생산을 보장할 수 있는 방법으로 보기 어렵다.

상기 선행기술1 및 2는 극판 로딩 속도와 스택 베이스의 이동 속도에 있어서 다음과 같은 한계를 갖는다.

상기 선행기술1에서 극판을 카세트로부터 정렬 트레이로, 또한 정렬 트레이로부터 적층 트레이로 이송하는 이송 로봇은 극판을 전달한 후 이전 위치로 복귀해야 하므로 필연적으로 복귀 시간이 소요된다. 따라서, 그만큼 극판이 적층 트레이에 로딩되는 주기가 길어진다.

또한, 수평으로 이동하는 적층 트레이의 이동 속도는 '수평 이동'이라는 이동 방식의 특성으로 인해 제한을 받는다. 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 수평 이동하는 적층 트레이(또는 스택 베이스)의 이동 속도를 높일수록 스택 베이스 상에서 그리퍼에 의해 그립되어 있는 분리막 부분에 대한 손상이 커지게 된다. 그 이유는 스택 베이스가 두 위치 사이를 왕복하기 때문에 이동-정지-반대이동의 순으로 움직이게 되고, 속도가 높아질수록 가속에 의한 관성력이 커져서 정지시 그립된 분리막 부분에 가해지는 힘이 커지게 된다. 이는 분리막의 손상을 초래할 수 있으므로, 스택 베이스의 이동 속도가 일정한 속도 이하로 제한된다.

둘째, 스택 베이스의 수평 이동에 수반되는 분리막의 '되먹임 현상'을 보정하는데 소요되는 시간 때문에 이동 속도가 제한된다. 수평 이동하는 스택 베이스와 분리막의 전형적인 연결 구성을 도시한 도 3을 참고하면, 롤 형태로 감겨있는 분리막(3)이 릴 부재(6)와 가이드 롤러(7)를 거쳐 스택 베이스(5)까지 연장되어 있는데, 도면에서 우측에 위치한 스택 베이스가 가이드 롤러(7)의 아래를 지나 좌측으로 수평 이동할 때 분리막이 접히지 않도록 분리막의 팽팽한 상태가 유지되어야 한다. 이는 가압 롤러(8)에 의해 달성된다. 즉, 스택 베이스(5)가 좌측으로 이동함에 따라 가압 롤러(8)가 하강하면서 분리막의 팽팽함이 유지된다. 이때 가이드 롤러(7)를 지나서 아래쪽으로 스택 베이스까지 풀려있던 분리막의 부분(L)이 가이드 롤러(7)를 지나 위쪽으로 되먹임되는 것을 피할 수 없게 된다. 일반적으로 폴리머 소재인 분리막이 되먹임되는 경우, 롤 타입 화장지를 풀었다가 되감으면 들쭉날쭉하게 되는 것과 유사하게, 풀릴 때의 위치에서 벗어나기 쉽다. 이를 보정하기 위해서는 되먹임시 릴 부재(6)와 가이드 롤러(7)를 앞뒤로 이동시키야 한다. 이러한 보정 작업에 소요되는 시간으로 인해 스택 베이스(6)의 수평 이동 속도가 제한된다.

따라서, 장비의 성능면에서는 스택 베이스의 이동 속도를 더 높일 수 있음에도 불구하고, 특정 속도 이상으로 주행시킬 수 없게 된다.

선행기술2에서도 마찬가지로 극판 카세트로부터 정렬 테이블로 극판을 이송하는 링크형 로딩 유닛이 극판을 정렬 테이블로 이송한 후 카세트 위치로 복귀하는 시간이 필요하기 때문에, 그만큼 극판 로딩 속도가 느려진다. 또한, 틸팅 스테이지가 일정 각도로 왕복 회전할 때 그립된 분리막 부분의 손상을 방지하기 위한 속도의 한계와, 상술한 분리막의 되먹임 현상으로 인해 왕복 회전 속도가 제한될 수 있다.

본 발명은 극판 카세트와 극판 정렬 위치 또는 스택 베이스 사이에서 왕복운동하는 로딩 기구들의 복귀 시간으로 인한 로딩 속도의 저하를 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 양극판 스택 위치와 음극판 스택 위치 사이에서 왕복운동하는 스택 베이스의 이동 속도가 분리막의 손상을 방지하기 위해 제한되는 것을 극복하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시양태에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치는, 지면에 수평인 축선을 중심으로 회전하는 회전체를 구비한 극판 로딩 유닛을 포함하고, 극판을 홀딩하기 위한 복수 개의 극판 홀딩 패널이 상기 회전체의 둘레를 따라 부착되고, 상기 회전체는 회전동작-정지동작-회전동작의 순으로 일방향으로 회전하되 상기 회전동작 1회당 180도 이하인 일정 각도만큼 회전하며, 상기 회전체의 상기 정지동작시 상기 극판 홀딩 패널에 대해 미리 정해진 작업 ― 이 작업은 상기 회전체 외부로부터 공급되는 극판을 수용하는 작업, 및 수용된 극판을 회전체 외부로 전달하는 작업을 포함함 ― 이 수행될 수 있고, 상기 작업 각각이 서로 상이한 위치에 있는 상기 극판 홀딩 패널에 대해 동시에 수행될 수 있다.

상기한 바와 같은 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시양태에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치는, 적층될 극판이 놓여지는 스택 베이스, 스택 베이스상에 놓여진 극판을 고정시키기 위한 그리퍼, 양극판이 놓여지는 위치와 음극판이 놓여지는 위치 사이에서 스택 베이스를 이동시키는 이동 수단을 구비한 적층 유닛을 포함하고, 상기 이동 수단은 상기 스택 베이스를 U자형 궤적 또는 하반원(lower half circle)형 궤적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치는 일방향으로 회전하는 회전체를 이용하여 극판 카세트로부터 극판 정렬 위치로 또는 스택 베이스로 극판을 이송하므로, 왕복 운동으로 인한 복귀시간을 요하지 않아, 보다 신속한 극판의 이동이 가능하다.

본 발명에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치는 양극판 스택 위치와 음극판 스택 위치 사이에서 스택 베이스를 U자형 궤적 또는 하반원형 궤적으로 이동시킴으로써, 그리퍼에 의한 분리막의 손상 우려가 없고 분리막이 되먹임되지 않아, 스택 베이스의 이동 속도를 장비 성능상 최대치까지 높일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치는 스택 적층 작업의 속도를 증대시키고, 작업 시간을 대폭 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 더 적은 수의 스택 제조 장치를 이용하여 동일한 생산성을 달성할 수 있으므로, 장치 구입 및 유지 비용이 절감되고 공간 효율을 높일 수 있다.

도 1은 지그재그 적층 방식으로 제조된 이차전지의 내부 셀 스택을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 종래의 지그재그 적층 방식의 개념도이다.
도 3은 종래의 지그재그 타입 스택 제조 장치의 측면도로서, 분리막이 스택 베이스에 공급되는 경로를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 스택 제조 장치의 측면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 스택 제조 장치의 평면도이다.
도 7형 도 4에 도시된 스택 제조 장치의 배면도이다.
도 8은 도 4에 도시된 스택 제조 장치의 정면도이다.
도 9는 도 4에 도시된 스택 제조 장치의 다른 방향 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 공급 유닛의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 로딩 유닛의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 로딩 유닛이 그 둘레를 따라 위치한 장치들과의 작업 상활을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 정렬 작업시 극판의 이동 경로를 나타낸 것이다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 극판 적층 유닛에서 스택 베이스의 이동 궤적을 나타낸 것이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 베이스가 좌측으로 이동하는 경로를, 도 15b는 우측으로 이동하는 경로를 도시한 개념도이다.
도 16에서 a는 종래기술에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 도시한 것이고, b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 도시한 개념도이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 각형 이차전지용 고속 스택 제조 장치의 실시예를 상세히 설명한다. 도 4의 전체 사시도에 대한 다른 방향 도면을 나타낸 도 5 내지 도 9에서는, 설명의 편의상 일부 구성요소가 제거되었을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 스택 제조 장치의 사시도이다. 설명의 편의상, 본 발명과 직접 관련성이 없는 구성요소들, 이를테면 스택 배출 유닛, 스택 랩핑(wrapping) 유닛, 또는 분리막 커팅 유닛 등은 도시하지 않았다.

도 4를 참조하면, 수직판(17) 앞쪽으로 음극판(1)과 양극판(2) 중 어느 한 종류의 극판을 위한 로딩 및 적층 구조가 배열되어 있고, 수직판(17) 뒤로는 나머지 종류의 극판을 위한 동일한 구조의 로딩 및 적층 구조가 배열되어 있으므로, 이들 중 한쪽에 대한 설명으로 나머지에 대한 설명을 대신한다.

프레임(16) 상에 설치된 수직판(17)에 고정된 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 회전체(22)를 포함하는 극판 로딩 유닛(20)을 중심으로, 아래로는 극판 공급 유닛(10), 위로는 극판 정렬 유닛(30)이 설치되어 있고, 롤 형태의 분리막(3)이 걸려있는 측면쪽으로 스택 베이스 로더(55)와 적층 유닛(40)이 설치되어 있다. 회전체(22)는 그 회전축이 수직판(17)에 고정되어 있고, 수직판(17) 위로 고정되어 있는 수평판(18)에는 카메라(35)가 설치되고, 카메라(35)의 시야각을 방해하지 않도록 창(36)이 형성되어 있다. 수평판(18)에는 슬라이딩 기구(38) 및 불량 배출 트레이(37)가 부착되어 있다.

도 5를 참조하면, 프레임(16) 상에 카세트(11a, 11b)와 극판 로더(12)를 포함하는 극판 공급 유닛(10)이 배치되어 있다. 카세트(11a, 11b) 내에는 여러 매의 직사각형 형태로 타발된 극판(도시하지 않음)이 쌓여 있을 수 있고, 극판 로딩 유닛(10)의 작동 중에는 극판 로더(12) 아래에 카세트(11b)가 위치하게 된다.

회전체(22)의 둘레를 따라 극판 홀딩 패널(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)이 일정 간격으로 배치되어 있다. 도면부호 21a, 21b, 21c, 21d, 21e 및 21f는 특정 패널에 할당된 것이 아니라, 회전체(22)와의 상대 위치에 따라 할당된 것이다. 예를 들어, 회전체(22)의 최하단 위치에 있는 패널에는 21a가, 최상단 위치에 있는 패널에는 21d가 할당되었다. 극판 홀딩 패널의 개수는, 후술하는 바와 같이, 필요한 작업의 수 또는 기타 변수에 따라 선택될 수 있다.

도 5에서 패널(21c)에 대면하는 위치에 센서(19)가 설치되어 있다. 센서(19)는 수직판(17)에 부착될 수 있다. 센서(19)로는 이를테면 레이저 변위 센서를 이용하여, 극판 홀딩 패널(21c)이 한꺼번에 극판을 2매 이상 홀딩하고 있는지를 감지할 수 있다.

회전체(22)의 좌측으로 스택 베이스(41), 가이드 로드(49), 수평 이동 기구(50) 등을 포함하는 적층 유닛(40)이 배치되고, 스택 베이스(41) 위로 스택 베이스 로더(55)가 설치되어 있다. 스택 베이스 로더(55)의 한 단부에 극판 전달 패널(56)이 부착되고, 다른 단부에 위치한 회전축을 중심으로 스택 베이스 로더(55)가 회전할 수 있다. 스택 베이스 로더(55)는, 도 5에서와 같이, 극판 전달 패널(56)이 스택 베이스(41)와 대면하는 위치로부터 극판 홀딩 패널(21e)과 대면하는 위치까지 회전할 수 있다. 물론, 그 반대방향의 회전도 가능하다.

슬라이딩 기구(38)에 부착되어 있는 불량 배출 트레이(37)가 평상시에는 도 5에 도시된 위치에서 대기하다가, 불량 극판이 배출되어야 할 때 극판 정렬 패널(31b)과 정렬 베이스(34) 사이로 이동되고, 불량 극판을 수납후 다시 평상시 위치로 복귀할 수 있다.

도 6을 참조하면, 극판 정렬 패널(31a, 31b), 정렬 로더(32), 정렬 베이스(34) 등을 포함하는 극판 정렬 유닛(30)이 도시되어 있다. 앞서와 마찬가지로, 도면부호 31b는 극판 홀딩 패널(31d)과 대면하는 위치에 있는 정렬 패널을, 31a는 정렬 베이스(34)와 대면하는 위치에 있는 정렬 패널을 지시한다. 두 개의 극판 정렬 베이스(31a, 31b)는 정렬 로더(32)에 연결되어 있어서, 정렬 로더(32)의 180도 회전에 의해 서로 위치가 바뀌게 된다. 정렬 베이스(34) 위로 카메라(35, 도 8 및 도 12 참조)가 설치되어 있고, 카메라(35)에 의해 미정렬 극판의 정렬 상태가 확인될 수 있다. 카메라(35)는 X-Y-Z축 수동으로 조정 가능한 비전 카메라일 수 있다. 정렬 베이스(34)는 위치 보정이 가능한 XYθ 얼라인 테이블일 수 있고, 백라이드 조명이 적용될 수 있다. 또한, 정렬 베이스(34)는 그 위에 놓인 극판에 진공 흡착력을 가할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 카메라(35)가 정렬 베이스(34) 상의 극판의 모서리 위치를 검출함으로써 정렬이 이루어질 때까지 정렬 베이스(34)가 X-Y축 또는 X-Y-Z축으로 미세 이동할 수 있다. 카메라(35)는 극판의 모서리 상태로부터 극판의 불량 여부에 대한 다양한 정보를 획득할 수 있는데, 여기에는 모서리의 정렬여부 외에도 깨졌는지 여부, 들리거나 구겨졌는지 여부, 극판 탭(1a, 도 11 참조)의 유무 및 위치 등이 포함될 수 있다. 카메라(35)가 정렬 베이스(34)에 놓여있는 극판을 확인할 때 이들 사이에 극판 정렬 패널(31a)이 위치하고 있으므로, 카메라(35)가 극판의 모서리에 대한 시야를 확보할 수 있도록, 극판 정렬 패널(31a)은 패널(31a)에 홀딩된 극판(1)의 모서리들이 패널(31a)로부터 돌출되도록 하는 크기로 형성된다(도 13 참조).

앞서 설명한 불량 배출 트레이(37)는 카메라(35)에 의한 불량 판정, 또는 전술한 센서(19)에 의해 감지된 2매 이상의 극판을 수납할 수 있도록, 필요한 시점에 슬라이딩-인 하도록 제어될 수 있다.

도 7을 참조하면, 극판 정렬 패널(31a, 31b)이 실린더(33a, 33b)에 의해 정렬 로더(32)와 연결되어 있어서 승강 가능하다.

도 8을 참조하면, 분리막(3) 롤과 적층 유닛(40)이 도시되어 있고, 적층 유닛(40)은 수평 이동 기구(50), 액추에이터(46), 액추에이터 로드(46a) 등을 포함한다.

도 9를 참조하면, 적층 유닛(40)이 보다 상세히 나타나 있는데, 스택 베이스(41), 그리퍼(42a, 42b, 43a, 43b), 모터(44) 등이 스택 베이스 홀딩 프레임(45)에 고정되어 있고, 그 아래로 액추에이터 로드(46a)와 가이드 로드(49)가 연결되어 있다. 액추에이터 로드(46a) 및 가이드 로드(49)는 수평 이동판(47)을 관통하여 상하로 이동가능하다. 따라서, 액추에이터(46)의 작동에 의해 액추에이터 로드(46a)가 상승 또는 하강할 수 있고, 이로 인해 스택 베이스 홀딩 프레임(45) 및 스택 베이스(41)가 상승 또는 하강의 수직 이동이 가능하다.

수평 이동판(47)은 수평 이동 기구(50)의 레일(51)을 따라 이동가능한 브라켓(48)에 고정되어 있다. 따라서, 수평 이동 기구(50)가 작동하면 수평 이동판(47)이 좌우로 이동될 수 있고, 이로 인해 스택 베이스(41)가 수평으로 이동될 수 있다.

이하에서는 이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 각형 이차전지용 스택 제조 장치의 작동에 대해 설명한다.

먼저, 도 10을 참고하여 스택 제조 장치로 극판이 공급되는 과정을 설명하면, 카세트(11a)가 A 방향으로 진입하여 카세트(11b)의 위치로 이동한 다음, 카세트(11b) 내에 수납되어 있던 극판들이 극판 홀딩 패널(21a)로 공급된다. 카세트(11b)가 비워지면 B 방향으로 카세트(11c)의 위치로 이동된 후 극판 공급 유닛(10)으로부터 배출되고, 대기중인 카세트(11a)가 카세트(11b)의 위치로 이동된다. 이러한, 카세트들의 이동은 카세트(11b) 내 극판이 소진되는지 여부를 감지하는 센서의 신호에 의해 자동으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 극판을 담은 카세트(11b)가 제공되면, 도 11에 도시된 바와 같이, 직교 로봇 형태의 극판 로더(12)가 하강함으로써 암(15)에 부착된 세장형 흡착 피커(14a, 14b, 14c, 14d)가 카세트(14d) 내의 극판 더미중 가장 윗면의 극판(1)을 진공 흡착한다. 이때 흡착 피커가 직사각형 극판의 모서리 근방을 흡착한다. 그런 다음, 극판 로더(12)가 상승을 시작하여, 빈상태, 즉 극판을 홀딩하지 않은 상태에 있던 극판 홀딩 패널(21a)이 극판을 흡착할 때까지 상승한다. 극판 홀딩 패널(도 11의 도면부호 21c 참조; 설명의 편의상 도면상에 극판(1)을 투명으로 처리하여 그 뒷면에 있는 패널이 표시되도록 하고 도면부호를 부여하였음. 이하 동일)을 보면, 패널(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)에 진공홀(23)이 형성되는데, 이 실시예에서는 아래 위로 3개씩 형성되어 있다. 진공홀(23)은 진공 제너레이터(25, 도 5 참조)와 연결됨으로써 패널(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)의 표면에 진공 흡착력을 발생시킬 수 있다. 진공홀(23)의 수는 가변적이며, 필요에 따라, 진공홀(23) 중 일부에만 진공이 발생하도록 조절하는 것도 가능하다. 패널(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f) 안쪽으로는 체결공(24)을 형성하여 회전체(22)와 체결될 수 있도록 하였다.

극판 홀딩 패널(21a)은 극판(1)에 비해 면적이 좁게, 특히 직사각형인 극판을 홀딩했을 때 극판의 모서리들이 패널(21a)로부터 돌출될 수 있도록 형성된다(도 11 참조). 이렇게 함으로써, 흡착 피커(14a, 14b, 14c, 14d)가 극판(1)을 흡착한 채로 상승할 때 극판 홀딩 패널(21a)에 의해 방해받지 않을 수 있다. 물론, 흡착 피커의 상승을 방해하지 않는다면 극판 홀딩 패널의 면적이 극판보다 더 클 수도 있을 것이고 다른 어떤 형상도 가능할 것이다. 극판 홀딩 패널(21a)이 극판(1)을 홀딩함으로써 1매의 극판 공급이 완료되고, 회전체(22)가 다시 회전한다.

회전체(22)의 회전 방식에 대해 설명하면, 회전체(22)는 회전동작-정지동작-회전동작의 순으로 간헐적이며 주기적으로 회전하는데, 일방향으로 회전하되 상기 회전동작 1회당 180도 이하인 일정 각도만큼 회전할 수 있다. 도 12를 참조하면, 모두 6개의 극판 홀딩 패널(21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)이 회전체(22)에 부착되어 있고 회전체(22)의 한바퀴는 6회의 회전동작으로 이루어진다. 즉, 1회의 회전동작은 회전체(22)를 60도 회전시킨다. 도 12는 회전체(22)의 한 정지동작을 포착한 것인데, 극판 홀딩 패널(21a)에는 앞서 설명한 극판 로딩 작업이 수행되고; 극판 홀딩 패널(21c)에는 센서(19), 예를 들어 레이저 변위 센서를 이용하여 패널(21c)이 극판을 2매 이상 홀딩하고 있는지에 대한 검사 작업이 수행되고; 극판 홀딩 패널(21d)에는 극판 정렬 작업이 수행되며; 극판 홀딩 패널(21e)에는 패널(21e)이 홀딩하고 있는 극판을 스택 베이스(41)로 전달하는 작업이 수행되고 있다. 이와 같이, 1회의 정지동작 동안 회전체(22)에 부착된 다수의 패널들에 대해 원하는 작업들이 동시에 수행될 수 있고, 이 작업들이 완료되면 후속적인 60도 회전동작이 이루어지고, 후속하는 극판에 대해 상기 작업들이 다시 수행된다. 즉, 미리 정해진 작업이 수행되는 위치는 고정된 채 회전체(22)의 회전에 의해 극판이 이동함으로써 하나의 극판에 대해 상술한 모든 작업이 수행될 수 있다. 이런 식으로, 극판 홀딩 패널(21a)에 공급된 극판(1)은 회전체(22)가 한 바퀴를 돌기 전에 원하는 작업들을 모두 거치고 스택 베이스(41)로 전달될 수 있다. 극판 홀딩 패널의 개수와 필요한 작업의 수에 따라, 패널이 특정 위치에 정지했을 때 무작업(operation-free) 상태에 있을 수 있고, 패널이 극판을 홀딩하지 않고 빈 상태에 있을 수도 있다. 이와 같이 극판의 전달과정이 일방향으로 연속적으로 이루어지므로 반대방향으로 복귀할 필요가 없기 때문에 극판 전달 시간을 절약할 수 있다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 화살표 (a) 방향으로 회전체(22)의 회전이 이루어지고, 회전체의 최상단에 위치한 극판에 대한 정렬 작업이 다음과 같이 수행된다.

먼저 회전체(22)의 최상단에 정지한 극판 홀딩 패드(21d)(도 12 참조)가 홀딩하고 있는 미정렬 극판을, 극판 정렬 패드(31b)가 흡착할 수 있도록 정렬 로더(32)의 실린더(33b)가 하강한다. 극판 정렬 패드(31b)가 극판을 흡착하면 실린더(33b)가 상승하고 정렬 로더(32)가 180도 회전(도 13의 화살표 (b1) 방향)한 후 실린더(33a)가 하강하여 정렬 베이스(34) 상에 미정렬 극판을 내려놓는다. 카메라(35)는 미정렬 극판의 모서리 위치 등을 검출하여 정렬 여부를 판정하고 정렬이 확인될 때까지 정렬 베이스(34)가 X-Y-Z축으로 미세 이동한다. 정렬 로더(32)와 극판 정렬 패드가 상기와 반대 순서로 작동함으로써 정렬된 극판이 극판 홀딩 패드(21d)로 되돌려지게 된다(도 13의 화살표 (b2) 방향). 도 13의 화살표 (b1)과 (b2)로 나타낸 작업들은 동시에 진행되므로, 극판 정렬 패드(31b)가 미정렬 극판을 흡착할 때 다른쪽 극판 정렬 패드(31a)는 이미 정렬된 극판을 흡착하고, 극판 정렬 패드(31a)가 미정렬 극판을 정렬 베이스(34)에 내려 놓을 때 다른 극판 정렬 패드(31b)는 정렬된 극판을 극판 홀딩 패드(21d) 상에 내려 놓는다.

이와 같이 정렬된 극판은 회전체의 추가 회전에 따라 스택 베이스 로더(55)의 극판 전달 패널(56)과 대면하는 위치로 이동되고, 스택 베이스 로더(55)가 연장방향으로 수직 운동함에 의해 극판 전달 패널(56)로 전달된다. 다음으로, 스택 베이스 로더가 수축방향으로 수직 운동하고 다시 회전(화살표 (c)로 표시)하여 극판이 스택 베이스(41)로 로딩된다. 만약 스택 베이스 로더(55)의 길이를 극판을 넘겨받기에 최적으로 조절한다면 스택 베이스 로더(55)의 수직 운동이 최소화될 것이고 심지어 수직 운동이 필요하지 않을 수도 있을 것이다.

이후, 스택 베이스(41)는 다른 전극(2)의 적층을 위해 화살표 (d) 방향으로 이동한다.

이제, 스택 베이스(41)의 이동 방법에 관해 도 14a, 14b 및 14c를 이용하여 설명한다.

도 14a에는 스택 베이스(41)가 도면의 우측 상단에 있는데, 이는 양극판과 음극판 중 어느 한 극판이 분리막 위에 적층되는 위치를 포착한 것으로, 극판이 막 적층된 상태이다. 극판이 스택 베이스(41) 상에 놓이면 그리퍼(43a)가 해당 극판과 그 아래에 있는 분리막을 한꺼번에 그립하게 되는데, 이는 그리퍼(43a)가 후퇴-상승-전진-하강 하는 것에 의해 달성되고, 이때 반대편 그리퍼(42a)는 방금 적층된 극판의 아래에 위치하게 된다(도 15a 참조). 스택 베이스(41)의 수평 방향 이동을 위해서는 수평 이동 기구(50)가, 수직 방향 이동을 위해서는 엑추에이터(46)가 작동할 수 있으므로, 이들의 조합된 작동에 의해 스택 베이스(41)가 U자형 또는 하반원(lower half circle)형으로 표시된 화살표 방향으로 이동한다. 이들의 조합된 작동은 PC 제어 또는 PLC 제어를 이용하여 구현할 수 있다. 도 14b는 스택 베이스(41)가 좌측으로 그리고 하강한 상태를 나타낸 것이고, 도 14c는 후속하여 스택 베이스(41)가 더 좌측으로 그리고 상승한 상태를 나타낸 것이다. 이와 같은 방식으로, 극판 적층 유닛에서 스택 베이스(41)가 U자형 또는 하반원형 궤적으로 이동하게 된다.

도 14a부터 14c까지의 이동에 의해 분리막이 한겹 더 쌓이게 되며, 도 14c의 위치에 도달 후 두 종류의 극판 중 나머지 극판이 분리막 위에 적층되면 그리퍼(42a)가 해당 극판 및 그 아래의 분리막을 그립한 다음, 반대방향 즉, 도 14c에서 도 14b를 거쳐 도 14a의 상태로 U자형 또는 하반원형 궤적을 따라 이동한다.

도 15a 및 15b는 도 14a 내지 14c에 도시된 스택 베이스(41)의 이동을 개념도로 나타낸 것이다. 도 15a를 보면, 스택 베이스(41)가 우측에서 좌측으로 U자형 또는 하반원형 궤적으로 이동하는 과정들이 한 도면에 표시되어 있다. 여기서 중요한 점은, 이러한 하반원형 궤적의 이동 동안 분리막(3)이 되먹임되지 않는다는 것이다. 다시 말해, 가이드 롤러(7)들 중 하단에 위치한 롤러(이하, '엔드 롤러'라 함)로부터 그리퍼(43a)가 그립한 부분까지의 길이에 해당하는 분리막(3) 부분이 L1-L2-L3-L4로 갈수록 점차 증가하게 된다. 이와 같이 분리막이 역방향으로 감기지 않고 계속 풀리기만 하므로, 분리막이 풀리는 경로가 흔들리지 않고 일정하게 유지되어, 릴 부재(6)와 가이드 롤러(7)를 재정렬할 필요가 없다. 따라서, 재정렬을 기다릴 필요없이 스택 베이스(41)를 계속 이동시킬 수 있고, 그 이동 속도를 장비의 최대 성능까지 높일 수 있다.

이와 같은 스택 베이스의 반원형 또는 U자형 이동의 안정성을 더욱 높이기 위해 추가적인 구성을 부가할 수 있다. 예를 들어, 분리막의 장력을 일정하게 유지하기 위해 채용된 파우더 클러치(도시하지 않음)가 오작동할 경우, 분리막이 원하는 속도로 풀리지 않거나 심지어 역주행할 수 있다. 이를 포함하여 예기치 못한 오작동의 위험을 방지하기 위해, 또는 기타 요인에 의해 분리막의 진행이 원하는 바와 같이 이루어지지 않는 경우에 대비하여, 분리막의 진행 방향 및/또는 진행 속도를 감지하기 위한 센서(도시하지 않음)를 설치할 수 있다. 이와 같은 센서는 엔드 롤러 부근이나 기타 적절한 위치에 설치될 수 있을 것이다. 센서에 의한 감지 결과를 엑추에이터(46) 및 수평 이동 기구(50)의 작동을 제어하는 제어부에 피드백함으로써, 원하는 진행 방향과 진행 속도로 분리막이 진행하도록 제어 가능할 것이다. 센서 이외의 다른 방식으로도 분리막의 진행 상황을 모니터링할 수 있을 것인데, 예를 들어, 엔드 롤러를 포함한 가이드 롤러(7)나 별도의 롤러의 회전 방향과 속도를 감지하는 것에 의해서도 모니터링이 가능할 것이다. 이러한 모니티링 정보를 바탕으로 스택 베이스의 이동 속도 조절이 가능할 것이고, 이로 인해 분리막의 되먹임을 확실히 방지하고 분리막이 원하는 속도로 풀리게 할 수 있다.

도 15a에서와 반대방향으로 스택 베이스(41)의 하반원형 궤적의 이동을 나타낸 도 15b에서도, 마찬가지로, 스택 베이스(41)의 이동중에 분리막(3)부분이 L1'-L2'-L3'-L4'로 점점 증가하게 된다.

도 16에서, (a)는 종래기술에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 도시한 것이고, (b)는 본 발명에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 순차적으로 대비하여 도시한 것이다. 본 발명에 따른 스택 베이스의 이동 경로를 나타낸 (b)를 보면, 단계(1)에서 단계(2)로 가면서 전극(1)이 적층되었고 그리퍼(43a)가 전극(1) 위로 올라와서 그립하였다. 이후, 단계(3)에서 단계(5)까지 스택 베이스(41)가 반원형 또는 U자형으로 이동하였고, 단계(6)에서 다른 전극(2)이 적층되고 그리퍼(42a)가 전극(2) 위로 올라와서 그립하였다.

이동경로 (b)를 종래기술에 따른 이동 경로인 (a)와 비교해 보면, 단계(3) 내지 단계(5)에서 이동 경로 (b)가 (a)에 비해 그리퍼(43a)에 의해 분리막(3)에 적은 힘이 가해진다는 것을 알 수 있다. 단계(4)를 비교해보면, 이동 경로 (a)에서는 가속방향(즉, 좌측)으로 그리퍼(43a)에 의한 힘이 전체적으로 분리막(3)에 전달되고 있는데 반해, 이동 경로 (b)에서는 가속방향(즉, 좌측 위)으로 그리퍼(43a)에 의한 힘이 부분적으로만 분리막(3)에 전달되고 있으며, 나아가, 단계(5)를 비교해보면, 이동 경로 (a)에서는 가속방향이 좌측이므로 그리퍼(43a)의 날부분이 분리막(3)의 좁은 영역에 힘을 가하게 되는 반면, 이동 경로 (b)에서는 가속방향이 위쪽이므로 그리퍼(43a)의 면부분이 분리막(3)의 상대적으로 넓은 영역에 힘을 가하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 스택 베이스의 반원형 또는 U자형 이동을 채용함에 의해 분리막(3)의 손상 위험이 현저히 낮아지게 된다.

이상과 같이, 본 발명의 스택 제조 장치에 따르면, 보다 신속한 극판의 이동이 가능하고, 극판의 적층 속도가 극대화될 수 있다. 이는 각형 이차전지의 제조분야에서 획기적인 생산성 향상을 가져올 수 있다.

이상에서, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지와 사상을 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 수정과 변형실시가 가능할 것이다.

10: 극판 공급유닛
20: 극판 로딩 유닛
21a~f: 극판 홀딩 패널
22: 회전체
30: 극판 정렬 유닛
40: 적층 유닛
41: 스택 베이스
55: 스택 베이스 로더

Claims

이차 전지용 스택 제조 장치에 있어서,
적층될 극판(1, 2)이 놓여지는 스택 베이스(41), 스택 베이스(41)상에 놓여진 극판을 고정시키기 위한 그리퍼(42a, 42b, 43a, 43b), 양극판(2)이 놓여지는 위치와 음극판(1)이 놓여지는 위치 사이에서 상기 스택 베이스(41)를 이동시키는 이동 수단을 구비한 적층 유닛(40)을 포함하고,
상기 이동 수단은 상기 스택 베이스(41)를 U자형 궤적으로 이동시킬 수 있는
이차전지용 스택 제조 장치.
이차전지용 스택 제조 장치에 있어서,
적층될 극판(1, 2)이 놓여지는 스택 베이스(41), 스택 베이스(41)상에 놓여진 극판을 고정시키기 위한 그리퍼(42a, 42b, 43a, 43b), 양극판(2)이 놓여지는 위치와 음극판(1)이 놓여지는 위치 사이에서 상기 스택 베이스(41)를 이동시키는 이동 수단을 구비한 적층 유닛(40)을 더 포함하고,
상기 이동 수단은 상기 스택 베이스(41)를 하반원(lower half circle)형 궤적으로 이동시킬 수 있는
이차전지용 스택 제조 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 이동 수단이 상기 스택 베이스(41)를 수직 이동시킬 수 있는 엑추에이터(46), 및 수평 이동시킬 수 있는 수평 이동 기구(50)를 포함하는
각형 이차전지용 스택 제조 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 이동 수단이 상기 스택 베이스(41)를 이동시키는 동안 분리막(3)의 되먹임이 일어나지 않는
각형 이차전지용 스택 제조 장치.