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마르포스의 전기 자동차 생산용 측정 솔루션 ② – 배터리 필름 분야

전기 자동차 배터리 측정을 위한 토탈 솔루션

EV용 다층 파우치 배터리 커버 및 극판, 분리막 필름류의 금속/비금속 공정 검사용 비접촉식 공초점 센서 및 간접계 센서

배터리 필름 두께 측정

롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 생산되는 전기 자동차 용 파우치형 배터리 하우징의 실링 부위에 있는 배터리 양극판(Anode), 음극판(Cathode) 및 분리막(Separator)의 필름 전체 두께를 비접촉식으로 측정할 필요가 있다. 이 경우 공초점(Confocal) 또는 간섭계(Interferometric) 기술중 측정될 필름의 특정 재질 및 특성에 따라 채택할 수 있다.

파우치 배터리 하우징의 실링 부에 있는 여러 위치에서 전체 두께 ‘T’를 비접촉식으로 측정해야 한다. 이때 각 위치 별 두께 ‘T’의 측정은 2개의 비접촉 Transducer T1, T2의 측정 값의 합을 환산하여 계산한다.
파우치 배터리 하우징의 실링 부에 있는 여러 위치에서 전체 두께 ‘T’를 비접촉식으로 측정해야 한다. 이때 각 위치 별 두께 ‘T’의 측정은 2개의 비접촉 Transducer T1, T2의 측정 값의 합을 환산하여 계산한다.

공초점(Confocal) 기술 솔루션

백색광을 투과하는 파우치 배터리 덮개 호일의 일부 플라스틱 층과 유사한 재질의 필름의 경우 공초점(Confocal) 프로브가 개별 층의 필름 두께를 측정할 수 있다. 0.4mm 측정 범위의 공초점 센서의 경우 약 0.055µm의 정밀도를 보장하며, 이 정밀도는 캘린더링(Calendering) 후 양극(+) 필름과 음극(-) 필름의 엄격한 두께 허용오차를 관리할 수 있다. 필름의 전체 두께를 측정하기 위해서는 2개의 프로브(Probe)가 필요하다.

공초점 기술을 이용한 비접촉 측정 장비인 마르포스의 Irix™를 이용한 다색광 공초점 측정의 원리. 아래 그림과 같이 배터리 파우치는 여러 개의 층을 가지고 있다. 바깥 플라스틱 층은 백색광이 투과될 수 있고, 안쪽 알루미늄 층은 백색광이 투과되지 않는다. 따라서, 두개의 반사되는 빔이 존재하게 되는데, 첫번째는 플라스틱 바깥 표면에서 센서까지, 두번째는 알루미늄 표면에서 센서까지 발생된다. 두 빔은 광센서로부터 두개 층 표면까지의 거리에 상응하는 두개의 다른 파장에서 최대 강도를 가질 것이다. 거리를 측정하려면 두 피크(Peak)는 쉽게 식별될 수 있도록 충분히 분리되고 해당 파형의 피크의 길이가 높아야 한다.
공초점 기술을 이용한 비접촉 측정 장비인 마르포스의 Irix™를 이용한 다색광 공초점 측정의 원리. 아래 그림과 같이 배터리 파우치는 여러 개의 층을 가지고 있다. 바깥 플라스틱 층은 백색광이 투과될 수 있고, 안쪽 알루미늄 층은 백색광이 투과되지 않는다. 따라서, 두개의 반사되는 빔이 존재하게 되는데, 첫번째는 플라스틱 바깥 표면에서 센서까지, 두번째는 알루미늄 표면에서 센서까지 발생된다. 두 빔은 광센서로부터 두개 층 표면까지의 거리에 상응하는 두개의 다른 파장에서 최대 강도를 가질 것이다. 거리를 측정하려면 두 피크(Peak)는 쉽게 식별될 수 있도록 충분히 분리되고 해당 파형의 피크의 길이가 높아야 한다.

레이어

마르포스의 Irix™는 백색광이 투과되는 모든 재질의 거리 및 두께를 측정 할 수 있는 색수차 공초점 기술에 기반한 비접촉 센서 제품이다. 최대 5개 층의 두께를 동시에 측정할 수 있고, 컨트롤러는 측정 범위, 센서 사이즈 그리고 다양한 어플리케이션의 요구 사항에 부합하는 측정 사양에 따라 다양한 광학 프로브 제품군과 함께 사용될 수 있다.

간섭계 기술(Interferometric Technology)를 사용하는 솔루션
플라스틱 층이 백색광에 투과되지 않은 경우, 적외선 영역에서 작동하는 마르포스의 NCG(Non Contact Gauging) 간섭계 솔루션을 대체 솔루션으로 적용 가능하다. NCG는 기존에 반도체 웨이퍼 두께 측정기로 사용되던 측정기로, 반도체 장비 업체에 많이 사용되고 있는 마르포스 만 보유한 유일한 고유 기술이다.

NCG 간섭계 측정기
NCG 간섭계 측정기

NCG는 간섭계 기술을 기반으로 한 두께 측정기이다. 레이어에서 반사된 일정한 광파는 측정 대상물의 경계에서 구분되어 각 레이어의 두께를 측정한다. NCG는 다양한 종류의 부품인 배터리 필름, 유리, 플라스틱, 실리콘 웨이퍼 등의 두께를 측정하도록 설계되었다. 적외선 광원을 이용하여 불투명 물질도 측정할 수 있다.

측정 표면까지의 절대거리를 측정하기 위해 기준거리계가 내장된 간섭계 프로브(Probe)용 버전도 있다. 기준거리계가 내장된 간섭계 프로브에서 광시그널은 빔 스플리터로 인해 분리된다. 신호의 일부는 측정할 샘플에 부딪히고 굴절률 변화가 있는 모든 표면에서 프로브 쪽으로 반사된다. 신호의 다른 부분은 내장 기준 미러로 가서 또다시 반사된다. 마지막으로 이 두개의 광 신호는 빔 스플리터에서 재결합하여 간섭 패턴을 만들게 된다.

NCG 프로브 버전에 사용되는 마르포스의 광학 프로브는 열악한 환경에서도 최고의 성능을 얻을 수 있도록 설계되었다. 물이나 기타 물질이 있는 경우에도 사용할 수 있다.
NCG 프로브 버전에 사용되는 마르포스의 광학 프로브는 열악한 환경에서도 최고의 성능을 얻을 수 있도록 설계되었다. 물이나 기타 물질이 있는 경우에도 사용할 수 있다.

배터리 필름 폭 측정

롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 생산되는 파우치형 배터리 공정 중 슬리팅(Slitting) 공정 후 필름 끝단의 폭을 측정할 필요가 있다. 이를 위해서는 마르포스 Aeroel™의 레이저 마이크로미터(Laser micrometer)가 사용된다.

파우치형 배터리 공정 중 슬리팅(Slitting) 공정 후 필름 끝단의 폭을 측정할 필요가 있다.
파우치형 배터리 공정 중 슬리팅(Slitting) 공정 후 필름 끝단의 폭을 측정할 필요가 있다.

Aeroel™ XLS150 레이저 센서는 배터리 필름의 너비를 최대 148mm까지 매우 정확하게 측정할 수 있다. 대형 필름의 경우 두 개의 센서를 함께 사용 할수도 있다. 외부 장치 없이도 전자 장치에 직접 연결할 수 있는 지능형 센서로 인라인(In-line) 어플리케이션에 적합하다.

마르포스 Aeroel™ XLS150 레이저 센서
마르포스 Aeroel™ XLS150 레이저 센서
마르포스의 ‘전기 자동차 측정 솔루션’ 관련 기사 보기

① 배터리 셀, 팩 분야배터리 누설 측정을 위한 토탈 솔루션

② 배터리 필름 분야전기 자동차 배터리 측정을 위한 토탈 솔루션

③ 모터 분야: 전기 자동차 모터 측정을 위한 토탈 솔루션

④ 트랜스미션 분야: 전기 자동차 트랜스미션 측정을 위한 토탈 솔루션

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.