배터리 셀 생산 최적화의 핵심요소, 머신 비전 소프트웨어 ‘HALCON’ 및 ‘MERLIC’

스마트폰, 태블릿, 노트북 또는 전기 자동차를 막론하고 광범위한 응용 분야에 대한 배터리 수요가 전 세계적으로 급증하고 있다. Porsche Consulting의 연구에 따르면 글로벌 배터리 시장은 2030 년까지 5,500기가와트시 이상으로 성장해 향후 10년 동안 전체 시장은 10배 증가할 전망이다. 이에 따라 배터리 제조업체는 증가하는 배터리 수요를 빠르고 효율적으로, 그리고 매우 높은 품질로 생산해야 하는 과제에 직면해 있다. 그러나 부족한 자원, 공급 병목 현상, 숙련된 인력의 지속적인 부족은 상황을 더욱 어렵게 만들고 있다.

업계가 이러한 과제를 성공적으로 해결하려면 프로세스 체인을 구축해야 한다. 머신 비전은 이러한 맥락에서 핵심적인 역할을 한다. 예를 들어, 배터리 생산 체인에서 창출된 총 가치의 특히 높은 비중을 차지하는 생산 단계인 셀 생산에서 작업 흐름을 최적화한다. 머신 비전은 전극 생산 및 셀 조립에서 형성 및 노화에 이르기까지 배터리셀 생산의 모든 공정 단계에서 강점과 이점을 입증할 수 있다. 이 기술은 전체 워크플로우를 최적화하고 배터리 품질을 지속적으로 높은 수준으로 유지하며 불량품을 크게 줄이는 데 도움이 된다. 또한 머신 비전은 모든 업스트림 및 다운스트림 공정에서 귀중한 지원을 제공 한다. 이 기사에서는 배터리 제조업체가 머신 비전을 사용하여 어떻게 이점을 얻고 생산 공정을 보다 효율적으로 만들 수 있는지 알아보 기로 한다.

배터리 셀 생산의 개별 공정 단계
 

배터리 셀 생산은 전극 생산, 셀 조립, 형성 및 노화라는 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있는 매우 복잡한 공정이다. 일반적으로 파우치, 원형및 프리즘 셀의 세 가지 다른 배터리 유형이 사용된다.

전극 생산: 전극 제작은 배터리 셀 생산의 기초이다. 이 공정에는 주로 양극 및 음극 호일 생산이 포함된다. 시작 물질은 다양한 재료의 전극 현탁액(slurry)이 적용되는 구리 또는 알루미늄 호일이다. 코팅된 호일이 건조된 후 캘린더링 공정에서 압축한 다음 다시 감는다. 그런 다음 압축된 롤(mother coil)을 더 작은 전극 롤 (daughter coil)로 나누고 레이저 또는 전단 절단 공정을 사용하여 노치를 만들거나 전극 시트를 연속적인 웹에서 분리한 다. 전극 생산에서 개별 공정 단계는 해당 셀 유형과 크게 독립적이다.

셀 어셈블리: 셀 조립 중에 배터리는 유형에 따라 파우치, 원형 또는 프리즘형 셀로 조립된다. 결과적으로 특정 공정 단계는 각 배터리 유형에 맞게 조정된다. 파우치 및 프리즘형 셀을 생산할 때 진공 그리퍼는 최대 120개의 전극 호일을 쌓는다. 이는 양극, 음극 및 그 사이의 분리막으로 구성된다. 반면 원통형(원형) 셀은 다른 방식으로 조립된다. 이 경우 전극 및 분리막 스트립을 감아 젤리 롤(jelly roll)이라고 하는 것을 만든다. 감긴(파우치 셀의 경우 쌓인) 재료는 셀 하우징에 싸인다. 이 하우징의 대부분은 이후 용접되고 셀이 완전히 밀봉되기 전에 남은 개구 부를 통해 전해질 용액으로 채워진다.

형성 및 에이징: 세 번째이자 마지막 공정 단계인 형성 및 노화 단계에서는 셀을 충전, 방전하고 품질을 테스트한다. 목표는 셀의 성능과 서비스 수명을 극대화하는 것이다. 이를 위해 배터리는 펄스, OCV(개방 회로 전압), 용량, 누설 테스트 등 다양한 최종 라인 테스트를 거친다. 배터리 셀이 모든 테스트를 성공적으로 통과하고 요구되는 품질이 확인된 후에야 셀을 포장하여 고객에게 배송한다.

배터리 셀 생산의 특별한 과제
 

앞으로 몇 년 동안 고품질 배터리에 대한 시장 수요는 계속해서 빠른 속도로 증가할 것이다. 이는 Porsche Consulting의 최근 연구에서도 확인됐다. 배터리에 대한 증가하는 수요를 가능한 한 빨리 충족하기 위해 배터리 셀 제조업체는 생산 공정의 속도와 효율성을 높여야 한다. 그러나 필요한 생산 용량과 숙련된 노동력이 부족한 경우가 많다. 또한 일관되게 높은 품질을 보장하고 낭비를 줄이기 위해 공정 모든 단계에서 워크플로우가 최고 수준의 표준을 충족해야 한다. 또한 전체 공 정 체인에서 모든 구성 요소를 완벽하게 추적할 수 있어야 한다. 또한 제조업체는 수많은 정부 및 환경 규정을 준수해야 한다.

머신 비전으로 배터리 셀 생산 최적화
 

머신 비전은 배터리 셀 생산의 모든 단계를 최적화하고 가속화하여 생산 낭비를 줄이고 비용을 절감하는데 중요한 역할을 한다.

많은 이점을 제공하는 머신 비전

머신 비전 기술은 다양한 애플리케이션에서 프로세스를 크게 개선할 수 있는 많은 이점을 제공한다. 머신 비전은 물체를 정확하게 식별 하고 생각할 수 있는 모든 유형의 결함 및 이상을 안정적으로 감지할수 있다. 또한 정밀 측정 옵션을 사용하면 마이크로미터 범위에서도 필요한 치수를 일관되게 준수할 수 있어 높은 품질을 보장할 수 있다. 

머신 비전은 대용량의 디지털 이미지 데이터도 단 몇 밀리초 만에 처리하므로 처리량이 많은 고속 애플리케이션에 특히 적합하다. 또한 다른 식별 기술에 비해 머신 비전은 최고의 정확도, 신뢰성, 견고성을 제공하므로 전례 없는 감지율을 달성할 수 있다.

머신 비전은 수많은 이점으로 인해 배터리 셀 생산의 핵심 기술이다. 최고의 품질과 정밀도를 보장하여 배터리의 안전성, 성능 및 내구 성을 크게 향상시킨다. 더 빠르고 최적화된 워크플로우로 비용을 절감하고 부족한 자원을 더 효율적으로 사용하며 생산 낭비와 불량률을 최소화할 수 있다. 머신 비전은 공작물의 미세한 결함을 조기에 감지할 뿐만 아니라 완제품에 이르기까지 모든 구성 요소와 공정의 완벽한 추적성을 보장한다. 또한 이 기술은 모든 환경에서 신뢰할 수 있는 고속 연중무휴 생산 주기와 지속적인 인라인 검사를 가능하게 한다.

개별 프로세스의 실제 적용 단계

전극 생산: 전극 생산 중에 머신 비전을 사용하여 슬러리 코팅된 호일의 두께, 표면 품질, 접착 정도, 절단 모서리의 형상과 같은 다양한 공정 매개변수를 정확하게 모니터링하고 검사할 수 있다. 이 접근 방식을 사용하면 잠재적인 결함을 신속하게 발견하고 분류하여 영향을 받은 구성 요소를 다시 작업하거나 거부할 수 있다. 검사 프로세스는 슬러리 코팅이 고르고 완벽하게 적용되도록 보장한다. 중요한 매개변수 중 하나는 코팅의 두께로, 배터리 성능에 상당한 영향을 미칠수 있다. 셀 설계에 따라 5μm에서 25μm 사이에서 다르다. 이러한 이유로 프로세스의 초기 단계에서 편차를 감지하는 것이 중요하다. 머신 비전은 최대 1.5m의 코일 폭으로 분당 최대 80m의 매우 빠른 처리 주기를 따라잡아야 한다. 또 다른 과제는 코팅된 호일과 코팅되지 않은 호일이 겹치는 부분이다. 코팅 위치를 포함하여 각각의 가장자리를 정확하게 감지하여 측정하고 정렬할 수 있어야 하기 때문이다. 또한 이 기술은 코팅의 품질 결함도 감지해야 한다.

셀 어셈블리: 머신 비전은 셀 조립 중에도 중요한 공정 매개변수를 주시한다. 여기에는 전극과 분리막 호일의 정확한 위치 지정 및정렬과 스태킹 중의 부드러운 취급이 포함된다. 이는 특히 프리즘및 파우치 셀 생산에 적용된다. 여기서 스태킹 공정은 호일당 1초의 고속으로 실행된다. 사양에 따라 셀 스택은 최대 120개의 개별 층으로 구성되며 스태킹 정확도는 200μm~300μm이다. 스택에서 개별 호일을 고정밀로 배치하는 것은 최상의 품질과 가능한 가장 높은 배터리 성능을 보장하는 데 필수적이다. 결함을 방지하고 배터리의 품질을 보장하는 데 있어서 머신 비전은 전극 표면을 표적 방식으로 검사하고 절단 형상을 측정함으로써 핵심적인 역할을 한다. 이 공정은 손상된 전극 표면이나 부정확하게 배치된 양극 및 음극 시트와 같은 상상할 수 있는 모든 이상을 안정적으로 감지한다.

형성 및 에이징: 머신 비전은 형성 및 노화와 관련하여 유용한 서비스를 제공한다. 이 기술은 품질 검사 프로세스의 일부로서 결함이 있거나 변형되었거나 손상된 셀을 빠르게 분류할 수 있는 길을 열어준다. 이를 통해 배터리가 공장에서 출고되어 고객에게 배송되기 훨씬 전에 결함을 조기에 감지하고 수정할 수 있다. 배터리 셀에 대한 시각 검사 및 표면 측정은 포괄적인 최종 라인 테스 트의 일부로 수행된다. 머신 비전을 사용하여 셀을 거부해야 하는지 여부를 빠르게 결정할 수 있다. 예를 들어 셀이 변형되었거나 지정된 셀 직경에서 벗어나거나 움푹 들어간 부분, 균열 또는 긁힘과 같은 표면에 다른 손상이 있는 경우가 여기에 해당한다. 이프로세스는 반사성이 높은 표면에서도 읽을 수 없는 코드, 불순물 또는 이물질을 견고하게 감지할 수 있다. 형성 및 노화 프로세스의 일부로 머신 비전은 이러한 결함을 안정적으로 식별하는 데 도움이 되며 작고 매우 가변적인 결함의 경우에도 매우 빠르고 견고 하며 안정적으로 식별한다.

▲ (사진 왼쪽부터) 코팅 표면 검사 및 결함 분류 / 절단면 형상 검사 / 전극 탭 거리 측정

▲ (사진 왼쪽부터) 전극 표면 및 탭 검사, 절단 형상 측정 / 전극 시트 위치 감지 및 적층 정렬 / X-레이/CT 기반 전극층 측정

▲ (사진 왼쪽부터) 프리즘 셀의 표면 검사 / 파우치 셀의 결함 감지 / 외경 및 셀 치수 측정

배터리 셀 생산의 눈, MVTec HALCON 및 MERLIC
 

HALCON과 MERLIC은 광범위한 강력한 방법과 알고리즘을 갖추고 있다. MVTec의 두 가지 표준 소프트웨어 제품은 특정 적응 없이도 배터리 생산의 다양한 작업을 처리할 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 배터리 셀 생산의 전체 프로세스 체인을 최적화하여 효율성을 높일 수 있다.

이 소프트웨어는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 지속적인 개요를 유지하고 이러한 목적을 위한 포괄적인 강력한 기능 세트를 제공한다. 예를 들어, 저해상도 이미지에서도 슬러리 코팅된 영역을 높은 정확도로 식별할 수 있다. 정밀 마커를 인식하기 위한 정밀 알고리즘은 전극 시트가 밀리초 이내에 정확하게 배치되 도록 보장한다. 또한 표면 검사 기능은 고품질 결과를 보장한다. 이 프로세스를 통해 밝기가 약간만 달라도 코팅된 영역과 코팅되지 않은 영역 및 결함을 명확하게 구별할 수 있다. 모든 유형 또는 크기의 이상은 안정적으로 감지된다. 아주 작은 긁힘과 움푹 들어간 부분도 반사율이 높은 표면에서도 정확하게 식별하고 위치를 파악할 수 있다. 결함을 미리 알고 있든 없든 상관없다. 표준 소프 트웨어 제품은 공정 관련 변화에도 불구하고 용접 이음매를 빠르고 안정적으로 검사할 수도 있다.

HALCON과 MERLIC은 품질 보증을 지원할 뿐만 아니라 배터리 셀 생산의 최종 라인 테스트에 특히 중요한 안정적인 광학 문자 인식(OCR)도 지원한다. 이를 통해 반사율이 높은 표면이나 질감이 강한 배경과 같은 까다로운 조건에서도 우수한 결과를 얻을수 있다. 또한 소프트웨어는 모션 블러나 조명 조건의 변화에도 불구하고 바코드와 데이터 코드를 견고하게 읽을 수 있다. 마지막 으로 고정밀 에지 감지를 통해 여러 물체를 정확하게 측정할 수 있어 저해상도 카메라를 활용하여 비용을 절감할수 있다.

자료제공: MVTec(www.mvtec.com) 비즈니스 개발 관리자 Klaus Schrenker