단파장 적외선(SWIR) 이미징을 이용한 리튬 이온 배터리 검사
리튬 이온 배터리 기술이 모바일 전기화를 향한 경쟁에서 핵심적인 역할을 하는 만큼, 비용을 절감하고 에너지 밀도를 높이며 전반적인 안전성과 신뢰성을 개선하기 위해서는 향상된 검사 역량이 필요하다.
단파장 적외선(SWIR) 이미징은 이러한 요구를 해결하기 위해 리튬 이온 배터리 검사를 위한 새로운 기능을 구현하고 있다. 점점 더 까다로워지는 성능 및 품질 사양을 충족하기 위해 고해상 도, 넓은 시야각, 확장된 SWIR 카메라가 리튬 이온 배터리 검사의 중요한 과제를 어떻게 극복했는지 살펴보기로 한다.
리튬 이온 배터리
리튬 이온 배터리 셀은 다양한 모양과 크기로 제공되며, 그 핵심은 양극, 음극, 폴리머 분리막 층으로 구성된다. 전해질 용액이 함침되기 전에 셀에 말거나 쌓은 다음 최종 애플리케이션에 맞게 캡슐화된다. 조립 과정에서 머신 비전 시스템은 조립 공정의 다양한 측면을 측정하고 검사하는 데 사용된다. 대부분의 리튬이온 배터 리에 공통적으로 사용되는 폴리머 분리막 층의 흥미로운 특징 중하나는 광학 투명도가 SWIR 감지가 작동하도록 설계된 가시 스펙트럼을 훨씬 넘어서는 높은 파장에서 증가한다는 것이다.
Swir Vision System이 개발한 콜로이드 퀀텀닷(CQD) SWIR 센서는 특허받은 CQD 반도체 기술을 활용하여 세계 최고 해상 도, 풀 HD, SWIR 이미징 카메라를 구현하는 표준 CMOS 어레이를 활용한다. 해상도와 픽셀당 비용은 리튬 이온 배터리 제조업체가 필요한 픽셀당 해상도(즉, um/픽셀)를 유지하면서 광학 ROI 를 극대화하기 위해 고려해야 할 중요한 사항이다.
<그림1> 네 가지 전형적인 리튬 금속 배터리 제조 공정을 보여주는 모식도.
<그림2> 각 인터페이스 사이에 폴리머 분리막(녹색)이 있는 양극/음극(파란색 및 빨간색) 층이 번갈아 가며 있는 '적층형' 셀을 보여주는 일반적인 배터리 검사 설정. 입사된 SWIR 방사선이 샘플을 비추고 SWIR 이미지 센서로 다시 반사된 빛은 분리막이 덮고 있는 표면 아래 층에 대한 세부 정보를 제공한다.
<그림2>에서는 전면 조명 배터리 검사 시스템에 통합된 SWIR 카메라가 샘플에서 반사된 SWIR 광자를 캡처하여 향상된 수준의 표면 아래 디테일을 제공하는 것을 보여준다. Acuros CQD 고해 상도 SWIR 카메라를 사용하는 이 검사 설정의 유연성 덕분에 툴설계자는 특히 다음과 같은 주요 사양을 초과 달성할 수 있다.
1. 탐지 성능: 분리기 재료 레이어를 통해 가시성 향상
2. 열 관리: 시료 가열/냉각이 측정에 미치는 영향에 대해 고민할 필요가 없다.
3. 검사 처리량: 업계 표준 GigE 수집 표준에 따른 수집 속도
4. 총 시스템 비용: Full-HD 1920 x 1080 CQD SWIR 카메라를 사용하면 시스템당 더 적은 수의 카메라를 배치할 수 있다.
애플리케이션
• 에지 감지: SWIR 배터리 검사로 기존 솔루션을 개선할 수 있는 분야 중 하나는 배터리 용량(일반적으로 암페어 시간 단위로 측정)으로, 이는 조립 과정에서 전극이 겹치는 면적에 비례한다. 실화상 솔루션은 분리막 층 안테나를 투과하는 데 한계가 있기 때문에 전극의 기본 가장자리가 가려져 정확한 가장자리 식별및 정렬을 방해할 수 있다.
이러한 정렬 오차가 전체 전극과 각층 사이에서 어떻게 복합적으로 발생하는지 고려할 때, 100um 이하의 작은 정렬 오차도 의미 있는 영향을 미칠 수 있다. Swir Vision의 향상된 콘트라스트와 뛰어난 FOV는 층간 전극에 필요한 정렬 정확도를 제공하여 더 많은 에너지 저장 용량과 배터리 수명 연장으로 직결된다.
<그림3> 폴리머 분리막을 통해 본 리튬 이온 양극층의 실화상(왼쪽) 및 SWIR(오른 쪽) 이미지. 폴리머 분리막 소재는 SWIR 스펙트럼에서 투과율이 높기 때문에 왼쪽의 가시 이미지에서 감지된 희미한 그림자와 달리 오른쪽의 SWIR 이미지에서는 양극 가장자리가 선명하게 보인다.
<그림3>은 가시광선 이미지와 실화상 이미지를 비교한 것으 로, Acuros CQD SWIR 카메라를 통해 향상된 대비를 보여준다. 실제로 전극 층의 정렬은 폴리머 분리막 아래에 숨겨져 있는 이전에 배치된 전극 층을 정확하게 감지하는데 달려 있다. 이 기본 에지 전환의 대비를 높이면 에지 감지 알고리즘이 정밀하게 작동할 수 있다. 이러한 대비를 달성하는 것도 중요하지만, 풀 HD(2.1MP) 포맷으로 이를 구현하는 것은 Swir Vision System이 시장에 제공할 수 있는 기술이다.
• 파티클 검사: 입자 오염은 리튬 이온 배터리 제조업체가 직면한또 다른 과제이다. 전극-분리막 인터페이스 사이에 끼어 있는 미세 입자로 인해 배터리 화재 및 폭발 사고가 여러 차례 발생하여 주목을 받은 바 있다. 이러한 입자를 감지하지 못한 채 방치할 경우, 이러한 입자는 분리막을 통해 서서히 침투하여 결국 단락을 일으켜 열 폭주에 이어 연소를 일으킬 수 있다.
생산에서 입자 오염의 주요 원인 중 하나는 후속 롤링 또는 적층 공정 전에 양극 및 음극 전극 층을 크기에 맞게 절단해야 하는 전극 절단 단계에서 발생한다. 이 절단 공정에서 리튬, 탄소 및 기타 전극 코팅 재료 조각은 가장자리에서 박리되는 경향이 있다. 금속 부스러기 및 기타 공기 중 입자 또한 셀 신뢰성에 위험을 초래할수 있다. 이 예에서는 관심 있는 입자 크기(10um 이하)와 본질 적으로 배경에 의해 위장된다는 사실을 고려할 때 특히 감지하기 어려울 수 있는 리튬/탄소 입자에 초점을 맞출 것이다.
입자 오염을 감지하는 데 있어 SWIR 이미징의 효과를 입증하기 위해 나란히 비교했다. 비교를 위해 확장된 SWIR 카메라를 사용 하여 SWIR 스펙트럼에서 2um까지 광자를 캡처하여 분리기 투과율 프로파일을 최대한 활용했다.
<그림4> 절단 공정 중 전극 코팅에서 생성된 박리된 입자를 폴리머 분리막 오버레이가 없을 때(왼쪽)와 있을 때(오른쪽) 보이는 가시광선(위) 및 실화상(아래) 이미지. 가장 까다로운 검출 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 입자 크기는 50-100um 범위이며 해당 양극/음극 배경에 표시된다.
<그림4>는 오버레이 폴리머 분리막을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 획득한 가시광선 이미지와 eSWIR 이미지를 비교한 것이다. 가시 이미지(위)에서는 분리막이 카메라의 스펙트럼 반응에 대해 거의 불투명하기 때문에 입자가 감지되지 않는다.
eSWIR 이미지의 경우, 더 높은 파장의 광자가 분리막 층을 투과 하여 하위 층의 오염에 대한 세부 정보를 제공할 수 있다. 이 데모 에서 사용된 입자 크기는 50-100um 정도였다. SWIR Vision의 1920x1080 초점면 어레이 기술의 주요 이점 중 하나는 큰 이미징 FOV를 유지하면서 훨씬 작은 입자 크기까지도 감지할 수 있다는 점이다.
리튬 이온 배터리 검사는 모바일 전기화를 추진하는 과정에서 상당한 영향을 미칠 것으로 보인다. SWIR 이미지 센서는 한동안 사용되어 왔으며 많은 머신 비전 엔지니어들은 기존 InGaAs 이미지 센서의 장점과 한계에 대해 잘 알고 있다. 그러나 이제 Swir Vision System이 개척한 고해상도, 넓은 시야각, 확장된 SWIR, 낮은 총 시스템 비용의 CQD SWIR 센서는 리튬 이온 배터리 검사가 직면한 많은 주요 과제를 해결할 수 있는 독보적인 위치를 차지하고 있다.
자료제공: Swir Vision System(www.swirvisionsystems.com)
