KR20220041543A - 휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 파우치형 전지케이스로 사용되는 라미네이트 시트를 직육면체 형태로 성형하는 펀치를 포함하는 장치에서 있어서, 상기 라미네이트 시트의 표면 손상을 최소화하기 위한 휘발성 윤활유를 상기 라미네이트 시트와 상기 펀치 사이에 공급하는 휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용하여 파우치형 전지케이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스의 제조 방법{Pouch-type battery case forming apparatus comprising volatile lubricant supply unit and method of manufacturing pouch-type battery case using the same}
본원발명은 휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 파우치형 전지케이스로 사용되는 라미네이트 시트를 직육면체 형태로 성형하는 펀치를 포함하는 장치에서 있어서, 상기 라미네이트 시트의 표면 손상을 최소화하기 위한 휘발성 윤활유를 상기 라미네이트 시트와 상기 펀치 사이에 공급하는 휘발성 윤활제 공급부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용하여 파우치형 전지케이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
모바일 기기와 전기 자동차 등의 에너지원으로 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대한 수요가 매우 높다.
리튬 이차전지는 형상에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 구분할 수 있다. 파우치형 전지는 높은 집적도로 적층될 수 있고, 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이하다는 장점이 있다. 파우치형 전지는 라미네이트 시트를 전지케이스로 이용하며, 이러한 라미네이트 시트에 형성된 수납부에 전극조립체와 전해액이 함께 내장된 구조로 이루어져 있다.
파우치형 전지의 수납부는 연성(軟性)의 라미네이트 시트를 고정시킨 상태에서, 펀치로 시트를 가압하는 딥 드로잉(deep-drawing) 방식에 의해 형성된다. 라미네이트 시트가 가지는 연성의 한계와 펀치의 가압 시 인가되는 마찰력으로 인하여 딥 드로잉에 의해 연신되는 과정에서 라미네이트 시트의 외면상에 핀홀(pin-hole) 또는 크랙(crack) 등의 외형 상 결함이 발생한다.
라미네이트 시트와 접촉하는 펀치 표면의 조도를 극단적으로 낮추더라도 계속적 작업에 의해서 마찰력 발생하고 이로 인해서 외형 상 결합이 계속 발생한다. 특히 라미네이트 시트의 두께를 얇게 구성하는 경우에는 시트의 성형성이 감소하여 외형의 결함이 빈번하게 발생하게 된다. 이러한 이유로 인해 전지케이스의 두께를 얇게 제조하여 전극조립체의 두께를 늘림으로써 대용량의 이차전지를 제조하는데 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 라미네이트 시트에 별도의 필름을 부가하거나 라미네이트 시트를 2회 이상의 펀칭을 하여 가공하는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특허문헌 1은 스테인리스 강박의 온간 가공 방법 및 온간 가공용 금형에 관한 것으로서, 두께가 300㎛이하인 오스테나이트계의 스테인리스 강박을 펀치에 대향하도록 배치하고, 펀치의 어깨부가 접촉하는 스테인리스 강박의 환상 영역을 30℃이하로 하는 동시에, 환상 영역의 외부 영역을 40℃이상 내지 100℃이하의 온도로 한 상태에서, 스테인리스 강박에 대해 드로잉 처리를 실시하는 방법이다.
특허문헌 1은 드로잉 처리를 위해서 가열하는 방법을 사용하고 있으나, 윤활유가 휘발성인지 여부에 대해서 기재하고 있지 않으며, 더욱이 윤활유의 제거 방법에 대해서는 아무런 기재가 없다. 파우치형 전지의 경우 라미네이트 시트에 전해액이 바로 접촉되므로 윤활유가 라미네이트 시트의 표면에 잔존할 경우 이차 전지의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
또한 특허문헌 1은 스테인리스를 가공하고 있는바, 금속 자체의 연성을 높이기 위해서 온도를 올릴 수 있으나, 본원발명에 따른 라미네이트 시트는 내외면에 부착된 수지층으로 인해서 온도를 상승할 수 없다는 문제점이 있다.
특허문헌 2는 압분 성형체의 성형 방법에 관한 것으로서, 다음 각 공정을 구비한다. 원료 분말을 준비하는 단계. 제1펀치의 외주면과 다이의 내주면 사이에 금형용 윤활제를 존재시키고, 이 상태로 이들 제1펀치와 다이를 상대적으로 이동시켜, 다이의 내주면에 금형용 윤활제를 도포하는 단계. 캐비티에 원료 분말을 충전하고, 그 원료 분말을 가압하여 압분 성형체를 성형하는 단계. 여기서, 도포 공정에서는 제1펀치에 형성된 공급구로부터 금형용 윤활제를 토출하고 제1펀치에 형성된 배출구로부터 그 토출된 금형용 윤활제를 회수하면서, 다이의 내주면에 금형용 윤활제를 도포한다.
특허문헌 2는 윤활제를 별도의 공급부를 통해서 공급하고 또한 이를 별도의 회수부를 통해서 회수하고 있다. 특허문헌 2는 가공하는 재료가 분말이므로 성형하는 과정에서 발생할 수 있는 분말 사이의 마찰력을 줄이기 위해서 어느 시간 이상 존재할 수 있는 윤활유가 반드시 필요하고 또한 이를 회수할 수 있는 수단이 마련되어야 한다. 특허문헌 2는 성형하는 재료가 분말이고 이는 본원발명에서 사용하는 라미네이트 시트와는 물리적인 특성이 매우 상이하다.
특허문헌 3은 압연 툴에 관한 것으로서, 원통형 틈새의 내부 측 방향 표면을 기계 가공하기 위한 특히, 활면-압연하기 위한 압연 툴에 관한 것이다. 특허문헌 3의 상기 압연 툴은 회전 구동 가능한 상기 압연 툴 내에 유지되고 상기 내부 측 방향 표면을 따라 상기 툴에 의해 취해질 수 있는 하나 이상의 압연 본체를 포함한다. 이러한 경우에 하나 이상의 상기 압연 본체는 상기 압연 툴의 반경 방향 틈새 내에 삽입되어 있고, 반경 방향 틈새를 따라 내부로부터 외부로 가압된 유체 하에 놓일 수 있다. 특허문헌 3에서는 유체로서 에어로졸을 사용한다. 특허문헌 3의 에어로졸은 가스와 혼합된 유체이고, 정압 베어링 및 윤활을 위해 작용한다. 이러한 에어로졸 형태의 윤활제는 사용하는 분야가 특수한바, 본원발명의 라미네이트 시트 성형 장치와는 관련성이 거의 없다.
특허문헌 4는 낮은 마찰성의 펀치 헤드를 구비한 전지케이스 성형 장치에 관한 것으로서, 전극조립체가 내장될 수 있는 전극조립체 수납부를 포함하는 전지케이스를 성형하는 장치이다. 특허문헌 4의 성형 장치는 전극조립체 수납부에 대응하는 크기를 가진 만입형 또는 관통형의 개방 홈이 형성되어 있고, 전지케이스 제조용 시트 모재가 상면에 위치하게 되는 다이; 상기 개방 홈에 대응하는 형상을 가진 펀치로서, 시트형 모재에 대한 딥 드로잉(deep drawing)을 위해 개방 홈의 상부에 위치하며, 하강시 개방 홈에 도입될 펀치 헤드(punch head)가 저 마찰력 계수(frictional coefficient)의 소재로 이루어진 펀치, 및 딥 드로잉을 위해 상기 시트형 모재의 양단을 다이에 가압 고정하는 홀더(holder)를 포함한다.
앞에서 설명한 바와 같이 소재의 강도가 높을 경우, 표면 조도를 낮춰 마찰력을 낮추더라도 계속적인 가공에 의해서 열이 발생하여 라미네이트 시트에 핀홀(pin-hole) 또는 크랙(crack) 등의 외형 상 결함이 발생한다. 특허문헌 4는 마찰력을 낮추고 펀치의 소재를 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)과 같은 수지를 사용하여, 딥드로잉시 수납부 코너에 주름 및 백화 현상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로서 본원발명에서 인식하는 문제점을 해결하지 못하고 있다.
라미네이트 시트는 오랫동안 파우치형 전지의 케이스로 사용되었으나, 이는 과거의 시장에 적합한 파우치형 전지를 제조하는데 적합한 기술이다. 최근의 시장 환경 변화에 따른 고용량 전지에 대비하면서도 불량률이 낮은 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스의 제조 방법은 여전히 제시되지 않고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2015-0060797호 (2015.06.03) '특허문헌 1' 대한민국 공개특허공보 제2014-0089377호 (2014.07.14) '특허문헌 2' 대한민국 공개특허공보 제2016-0032280호 (2016.03.23) '특허문헌 3' 대한민국 공개특허공보 제2018-0028194호 (2018.03.16) '특허문헌 4'
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파우치형 전지케이스를 성형함에 있어서,
1) 라미네이트 시트의 외면에서 발생할 수 있는 표면 손상을 최소화하고,
2) 얇은 라미네이트 시트를 성형함에 있어서, 핀홀(pin-hole) 또는 크랙(crack)을 방지하며,
3) 종래의 성형 장치 및 이를 이용한 방법을 크게 변형하지 않고,
4) 종래에 사용하는 라미네이트 시트를 그대로 사용하면서도,
5) 성형 이후에도 잔유물이 없는 효과적인 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본원발명은 전극조립체 수납부에 대응하는 크기를 가진 만입형 또는 관통형의 개방 홈이 형성되어 있고, 시트가 상면에 위치하게 되는 다이; 상기 개방 홈에 대응하는 형상을 가진 펀치로서 상기 시트에 대한 딥 드로잉(deep drawing)을 위해 개방 홈의 상부에 위치하며, 하강시 개방 홈에 도입될 펀치 헤드(punch head)를 포함하는 펀치; 딥 드로잉을 위해 상기 시트의 양단을 다이에 가압 고정하는 홀더(holder); 및 상기 펀치 헤드와 접하는 시트의 상면에 윤활제를 공급하는 윤활제 공급부;
를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치를 제공한다.
상기 파우치형 전지케이스 성형 장치는 상기 시트의 상면에 공급된 상기 윤활제를 회수하는 별도의 윤활제 회수부가 마련되지 않고, 상기 윤활제 공급부는 상기 윤활제를 상기 시트가 연신되는 부위에만 공급할 수 있다.
본원발명에 따른 무세정 윤활제 또는 휘발성 윤활제로서 성형에 의한 열이나 가공 후 방치시켰을 경우 상온의 온도에 의해서 휘발되는 윤활제이다. 본원발명에 다른 휘발성 윤활제는 별도의 탈지 공정을 필요로 하지 않는다. 윤활성을 높이기 위해서 극소량의 유성제를 배합하는 것도 가능하다. 본원발명에 따른 휘발성 윤활제는 송풍이나 온풍을 사용하여 더 빠르게 건조할 수 있다.
종래의 금속 프레스 가공에는 윤활제가 사용되고 있다. 본원발명에 따른 라미네이트 시트는 외주변이 수지층을 이루고 있기 때문에 종래의 금속 프레스 가공에는 윤활제, 특히 휘발성 윤활제를 사용할 경우 문제가 발생할 수 있다. 상기 휘발성 윤활제는 높은 휘발성으로 인해서 세정제와 유사한 성질을 띨 수 있으며, 수지층에 쉽게 침투하여 라미네이트 시트 표면에 얼룩을 만들어 내는 문제가 있다. 얼룩이 형성된 성형품은 불량으로 폐기된다.
따라서 사용한다면, 수치 층으로 침투가 되지 않는 윤활제를 사용해야 하나, 이 경우 휘발성이 낮아 가공 후 별도의 세척 과정이 필요하다.
본원발명은 이러한 휘발성 윤활제를 사용하여 성형할 때의 문제점을 인식하고 분사 노즐을 펀치와 매우 가깝게 배치하고 성형 직전에 휘발성 윤활제를 공급하고, 성형이 끝난 후에는 바로 송풍이나 온풍을 사용하여 빠르게 상기 휘발성 윤활제를 제거하는 파우치형 전지케이스 성형 장치를 제공한다.
이를 통해서 얼룩 등의 불량이 생기는 문제를 해소하고, 아울러 성형에서 발생할 수 있는 핀홀 또는 크랙 등의 손상을 방지할 수 있다.
본원발명에서 상기 시트는 라미네이트 시트를 포함한다. 상기 라미네이트 시트는 파우치형 전지에 사용될 수 있는 라미네이트 시트에는 모두 적용이 가능하다.
본원발명에 따른 라미네이트 시트는, 예를 들어 열융착성의 제1수지층, 물질 차단성의 금속층, 및 외층으로서의 제2수지층의 적층 구조이거나, 또는 열융착성의 수지층 및 물질 차단성의 금속층이 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 열융착성의 제1수지층은 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 소재로서, 예를 들어, 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 사용될 수 있다.
상기 물질 차단성의 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시킬 수 있도록, 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.
상기 제2수지층은, 전지케이스의 외층을 형성하는 고분자 수지층으로서, 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가지도록 소정 이상의 인장 강도와 내후성이 요구되므로, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 연신 나일론 등이 사용될 수 있다.
상기 펀치 헤드 중 상기 시트와 접하는 부분은 적어도 저마찰력 계수(frictional coefficient)의 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 저마찰력 계수의 소재는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(PI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 펀치 헤드 중 상기 시트와 접하는 부분은 적어도 온도를 올리거나 내릴 수 있는 온도조절부를 포함할 수 있다. 온도를 올림으로써, 상기 시트의 연성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 딥 드로잉 가공 후에도 남아있는 윤활제를 빠르게 승화 또는 증발시킬 수 있다.
상기 윤활제 공급부는 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사할 수 있는 분사노즐을 포함할 수 있으며, 상기 분사노즐은 상기 홀더에 고정될 수 있다.
본원발명은 또한 상기 파우치형 전지케이스 성형 장치를 사용하는 파우치형 전지케이스 제조 방법에 있어서, (S1) 상기 다이와 상기 펀치 사이에 상기 시트를 배치하는 단계; (S2) 상기 펀치 헤드와 접촉하는 상기 시트 부분에 상기 윤활제를 도포하는 단계; 및 (S3) 상기 펀치를 이용하여 상기 시트를 상기 전지케이스로 성형하는 단계;를 포함하는 파우치형 전지케이스 제조 방법을 제공한다.
상기 윤활제는 상기 펀치 헤드의 표면과 상기 시트의 표면에 동시에 도포되며, 상기 (S2) 단계는 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사하는 방법으로 진행될 수 있다. 상기 홀더에 고정되는 분사노즐에서 상기 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사할 수 있다.
본원발명은 상기 라미네이트 시트의 상면에 성형용 필름부재를 부착하여 전지케이스를 성형한 후 상기 성형용 필름부재를 탈리하는 방법으로도 제공할 수 있다.
상기 성형용 필름부재는 기재 필름, 및 라미네이트 시트에 대한 탈리 가능한 상태의 부착을 위해 상기 기재 필름의 일면에 형성되어 있는 접착층을 포함하고 있을 수 있다. 이때 상기 기재 필름은 고분자 수지 필름, 또는 금속 필름, 또는 이들의 복합 필름으로 이루어진 것일 수 있다. 상기 성형용 필름부재는, 기재 필름과 접착층의 단층 구조, 또는 기재 필름과 접착층이 2 이상의 회수로 적층된 다층 구조로 이루어진 것일 수 있다. 상기 고분자 수지 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(PI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재를 포함하는 것일 수 있다. 상기 성형용 필름부재는 평면상으로 딥 드로잉 되는 성형 예정 부위를 커버하는 크기의 사각형 형상일 수 있다.
본원발명은 또한 상기 (S3) 단계가 라미네이트 시트를 펀치로 가압하여 제1깊이까지 연신시키는 과정; 및 상기 제1깊이까지 연신된 상태에서 제1깊이 대비 105% 내지 200% 인 제2깊이까지 추가로 가압하여 연신시키는 과정을 포함할 수 있다.
일반적인 라미네이트 시트는 그것의 두께를 두껍게 할 경우에 성형성이 증가하지만, 그 반대의 경우에는 성형성이 감소되는 성질을 가지고 있으므로, 시트의 성형성을 확보하는 동시에 전지케이스의 두께를 얇게 구성함이 어려운 문제점이 있다.
본원발명에 따른 전지케이스 제조 방법은, 휘발성 윤활제와 부가적으로 라미네이트 시트에 성형용 필름부재를 부착시킨 상태로 딥 드로잉 공정을 수행하여, 연신되는 부위에 과도하게 집중되는 응력을 분산시킴으로써, 외형의 결함을 최소화함과 동시에 시트의 성형성을 증가시킬 수 있다.
전극조립체 수납부가 형성된 이후에는, 시트에 부착되어 있던 필름부재를 탈리시켜 얇은 두께를 가지는 수납부를 형성할 수 있고, 이에 따라 하나의 전지셀이 수용할 수 있는 전극조립체의 개수를 늘릴 수 있게 되므로 높은 에너지 밀도를 갖는 이차전지를 위한 전지케이스를 제공할 수 있다.
전지케이스로 성형하는 딥 드로잉에서는 라미네이트 시트 전반에 걸쳐 균일하게 연신이 진행되는 것은 아니고, 특정 부위만이 과도하게 연신된 형태로 수납부가 형성되며, 이러한 이유로 연신이 집중적으로 진행된 부위에는 상당한 크기의 응력이 작용하게 되어 크랙이나 핀홀 등의 결함이 생기게 된다. 본원발명은 해당 부위에 휘발성 윤활제를 도포함으로써, 해당 부위의 마찰력을 줄이고 해당 부위만이 과도하게 연신되는 것을 막을 수 있다.
한편 또한 해당 부위만이 과도하게 연신되는 것을 막기 위하여, 라미네이트 시트를 펀치로 가압하여 제1깊이까지 연신시키는 과정; 및 상기 제1깊이까지 연신된 상태에서 제1깊이 대비 105% 내지 200% 인 제2깊이까지 추가로 가압하여 연신시키는 과정으로 진행될 수 있다. 이때 바람직한 상기 제1깊이는 2㎜ 내지 10㎜ 일 수 있다.
본원발명은 또한 필름부재가 부착된 상태의 라미네이트 시트를 제공할 수 있다. 구체적으로, 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 딥 드로잉에 의해 형성하여 전지케이스를 제조하는 딥 드로잉용 라미네이트 시트는 열융착성의 제1수지층, 물질 차단성의 금속층, 및 외층으로서의 제2수지층이 접합된 적층 시트, 또는 열융착성의 수지층 및 물질 차단성의 금속층이 접합된 적층 시트를 포함하고 있고, 상기 적층 시트의 일면 또는 양면에 탈리 가능한 상태로 성형용 필름부재가 부착되어 있는 구조일 수 있다.
전지케이스는 그것의 용도 또는 목적에 맞추어 다양한 두께를 가지는 라미네이트 시트를 사용하게 된다. 예를 들어, 종래에 두께의 크기가 200㎛인 시트로부터 제조되었던 전지케이스는 그보다 얇은 두께를 가지면서 성형성이 증가된 시트로부터 제조가 가능한 바, 결과적으로 종래에 비해 얇은 두께의 수납부를 가지는 전지케이스를 제공할 수 있게 된다.
본원발명은 또한 상기 해결 수단 중 가능한 조합으로도 제공될 수 있다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파우치형 전지케이스를 성형함에 있어서,
1) 라미네이트 시트의 외면에서 발생할 수 있는 표면 손상을 최소화하고,
2) 얇은 라미네이트 시트를 성형함에 있어서, 핀홀(pin-hole) 또는 크랙(crack)을 방지하며,
3) 종래의 성형 장치 및 이를 이용한 방법을 크게 변형하지 않고,
4) 종래에 사용하는 라미네이트 시트를 그대로 사용하면서도,
5) 성형 이후에도 잔유물이 없는 효과적인 파우치형 전지케이스 성형 장치 및 이를 이용한 파우치형 전지케이스 제조 방법을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원발명에 따른 전지케이스 제조 방법은 라미네이트 시트에 휘발성 윤활제를 도포시킨 상태로 딥 드로잉 공정을 수행함으로써, 연신 부위에 과도하게 집중되는 응력을 분산시켜 시트의 수납부 성형성을 증가시킬 수 있고, 수납부가 형성된 이후에는 휘발성 윤활제를 승화 또는 증발시킴으로써, 외형의 결함이 최소화 되고, 두께가 감소된 전지케이스를 제공한다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지케이스 성형 장치의 평면 모식도이다;
도 2 내지 도 5는 본원발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하는 일련의 과정들을 나타낸 모식도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지케이스 성형 장치의 평면 모식도이다;
도 1을 참조하면, 본원발명의 일 실시예에 따른 성형 장치(10)는, 라미네이트 시트(1)에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 성형하는 장치로, 이를 위해 다이 어셈블리(20) 및 펀치(30)를 포함한다.
다이 어셈블리(20)는 라미네이트 시트(1)의 성형 예정 부위(1a)에 인접한 라미네이트 시트(1)의 외주부를 정위치 고정시키기 위한 구성으로 수납부에 대응되는 형상으로 형성되어 있는 만입부(22), 및 평면 상으로 만입부(22)의 양측에 위치하고 있고 그 상단에 라미네이트 시트(1)를 장착하는 외주벽(23)을 포함하고 있는 다이(21)와, 외주벽(23)의 상측부에 대응되는 위치에서 하향 가압하여 라미네이트 시트(1)의 외주부를 정위치 고정시키는 홀더(24)를 포함한다.
펀치(30)는 다이 어셈블리(20)에 의해 정위치 고정된 상태의 라미네이트 시트(1)의 성형 예정 부위(1a)를 가압하여 딥 드로잉 방식에 의해 라미네이트 시트(1)에 수납부의 형상을 성형하기 위한 구성이다. 이 때, 펀치(30) 중 하강시 개방 홈에 도입될 펀치 헤드(33)의 외주변들은 딥 드로잉에 의해 라미네이트 시트(1)가 연신되는 과정에서 라미네이트 시트(1)가 파손되지 않도록 라운드 형상으로 이루어져 있다. 상기 펀치 헤드(33)를 펀치로 부르는 경우도 있으나, 본원발명에서는 해당 부분을 펀치 헤드(33)로 나누고 이런 포함한 전체를 펀치(30)로 부른다.
라미네이트 시트(1)는 고정 다이(21)와 홀더(24) 사이에 위치하게 되는데, 보다 상세하게는, 라미네이트 시트(1)의 성형 예정 부위(1a)를 제외한 외주부가 고정 다이(21)의 외주벽(23)의 상단에 장착되고, 이에 대응되는 상측부에는 홀더(24)가 위치하고 있다. 또한 홀더(24)의 일측면에는 휘발성 윤활제를 공급할 수 있는 분사노즐(40)이 마련되어 있다.
상기 분사 노즐(40)은 상기 펀치 헤드(33)의 이동 부위와 겹치지 않으며, 바람직하게는 성형 예정 부위(1a), 더욱 바람직하게는 상기 펀치 헤드(33)가 라미네이트 시트(1)를 연신하는 부위에 휘발성 윤활제를 도포한다. 도 1에는 상기 분사 노즐(40)이 상기 홀더(24)의 일부 경사진 면에 고정되는 것으로 나타나 있으나, 이는 하나의 예시로서 분사 노즐(40)의 목적하는 라미네이트 시트(1)의 상면에 휘발성 윤활제를 도포하면서 상기 펀치 헤드(33)의 이동 경로에 간섭을 하지 않으면 어느 곳이든 가능하다.
도 1에는 분사 노즐(40)이 2개 표시되어 있으나, 이는 필요에 따라 증감이 가능하다.
상기 펀치 헤드(33) 중 상기 라미네이트 시트(1)와 접하는 부분은 적어도 온도를 올리거나 내릴 수 있는 온도조절부(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 온도를 올림으로써, 상기 시트의 연성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 딥 드로잉 가공 후에도 남아있는 윤활제를 빠르게 승화 또는 증발시킬 수 있다.
본원발명에 따른 성형 장치(100)는 휘발성 윤활제를 회수하기 위한 별도의 윤활제 회수부가 마련되지 않는다. 본원발명에 따른 휘발성 윤활제는 라미네이트 시트(1)에 도포 후 라미네이트 시트(1)가 딥 드로잉에 의해서 성형이 된 후 매우 빠르게 증발하기 때문에 별도의 윤활제 회수부가 필요치 않은 장점이 있다.
도 2 내지 도 5에는 본원발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 제조하는 일련의 과정들을 나타내는 모식도들이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 라미네이트 시트(1)의 하면은 다이 어셈블리(20)에 고정되어 있으며, 라미네이트 시트(1)의 상측에는 성형 예정 부위(1a)를 가압하기 위한 펀치(30)가 위치하고 있다.
도 1을 도 2와 함께 참조하면, 라미네이트 시트(1)의 하면이 고정 다이(21)의 외주벽(23) 상단에 장착된 상태에서 라미네이트 시트(1)의 상면이 홀더(24)에 의해 가압되어 정위치 고정된다. 라미네이트 시트(1)가 다이 어셈블리(20)에 의해 정위치 고정된 이후에는 수납부 형성을 위한 딥 드로잉 공정이 진행된다. 딥 드로잉 공정이 진행되기 전에 분사 노즐(40)을 통해서 휘발성 윤활제가 도포된다.
도 3을 참조하면, 라미네이트 시트(1)에 수납부를 성형을 시작하기 전, 펀치(30)가 라미네이트 시트(1)의 상면에 접하고 있는 모습이 도시되어 있다. 이때 분사 노즐(40)은 펀치(30)이 이동 궤적과 간섭을 일으키지 않는다.
펀치(30)는 라미네이트 시트(1)의 상측에 위치한 상태에서 화살표 방향으로 직선 이동하여 펀치의 하단면이 성형 예정 부위(1a)의 상면에 접하게 된다.
다음으로 도 4를 참조하면, 라미네이트 시트(1)의 성형 예정 부위(1a)를 펀치로 가압하여 라미네이트 시트(1)에 수납부를 성형하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
펀치(30)가 라미네이트 시트(1)에 접한 상태에서 연속적으로 진행되는 공정 단계로, 화살표 방향으로 직선 이동하는 펀치는 라미네이트 시트(1)를 가압하여 라미네이트 시트(1)에 수납부를 성형한다.
구체적으로, 도 1 및 도 4를 함께 참조하면, 펀치(30)는 다이 어셈블리(20)에 의해 고정된 라미네이트 시트(1)에서, 성형 예정 부위(1a)를 만입부(22) 내면에 밀착될 때까지 가압하여 수납부를 성형한다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 수납부가 형성된 라미네이트 시트(1)가 최종적으로 제조된 모습이 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 분사 노즐(40)을 통해서 휘발성 윤활제를 도포하고 수납부를 형성하는 딥 드로잉 공정을 진행하여 라미네이트 시트(1)에서 외형의 결함을 최소화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 연신되는 라미네이트 시트(1)의 성형성을 증가시킬 수 있으며, 이로부터 제조되는 전지케이스의 두께를 감소시킬 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 본원발명에 따른 성형 장치
1 : 라미네이트 시트
1a : 성형 예정 부위
20 : 다이 어셈블리
21 : 다이
22 : 만입부
23 : 외주벽
24 : 홀더
30 : 펀치
33 : 펀치 헤드
40 : 분사 노즐

Claims (13)

  1. 전극조립체 수납부에 대응하는 크기를 가진 만입형 또는 관통형의 개방 홈이 형성되어 있고, 시트가 상면에 위치하게 되는 다이;
    상기 개방 홈에 대응하는 형상을 가진 펀치로서 상기 시트에 대한 딥 드로잉(deep drawing)을 위해 개방 홈의 상부에 위치하며, 하강시 개방 홈에 도입될 펀치 헤드(punch head)를 포함하는 펀치;
    딥 드로잉을 위해 상기 시트의 양단을 다이에 가압 고정하는 홀더(holder); 및
    상기 펀치 헤드와 접하는 시트의 상면에 윤활제를 공급하는 윤활제 공급부;
    를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 전지케이스 성형 장치는 상기 시트의 상면에 공급된 상기 윤활제를 회수하는별도의 윤활제 회수부가 마련되지 않은 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 윤활제 공급부는 상기 윤활제를 상기 시트가 연신되는 부위에만 공급하는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 윤활제는 휘발성 윤활제인 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시트는 라미네이트 시트를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펀치 헤드 중 상기 시트와 접하는 부분은 적어도 저마찰력 계수(frictional coefficient)의 소재로 이루어진 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 펀치 헤드 중 상기 시트와 접하는 부분은 적어도 온도를 올리거나 내릴 수 있는 온도조절부를 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 윤활제 공급부는 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사할 수 있는 분사노즐을 포함하는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분사노즐은 상기 홀더에 고정되는 파우치형 전지케이스 성형 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 전지케이스 성형 장치를 사용하는 파우치형 전지케이스 제조 방법에 있어서,
    (S1) 상기 다이와 상기 펀치 사이에 상기 시트를 배치하는 단계;
    (S2) 상기 펀치 헤드와 접촉하는 상기 시트 부분에 상기 윤활제를 도포하는 단계; 및
    (S3) 상기 펀치를 이용하여 상기 시트를 상기 전지케이스로 성형하는 단계;
    를 포함하는 파우치형 전지케이스 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 윤활제는 상기 펀치 헤드의 표면과 상기 시트의 표면에 동시에 도포되는 파우치형 전지케이스 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (S2) 단계는 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사하는 방법으로 진행되는 파우치형 전지케이스 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 홀더에 고정되는 분사노즐에서 상기 에어로졸(Aerosol) 상태의 윤활제를 분사하는 파우치형 전지케이스 제조 방법.
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