이차전지 전극 노칭 공정은 초박 폴리머 필름을 전단 가공해 전극 탭을 형성하는 공정으로, 필름 장력이 과도하면 파단이, 부족하면 노칭 정밀도 저하가 발생한다는 상충 조건에서 출발한다. 주식회사 테크아이의 등록특허 KR102002875B1(출원번호 KR1020170168069A, 출원일 2017-12-08, 등록·공개일 2019-07-23, 발명자 조은석)은 이 문제를 서보 드라이브 이중화와 간헐 피딩 캠 구조로 해결한 이차전지 전극 노칭 시스템이다(출처: Google Patents 공개 전문).
특허 청구항 매핑(Claim Chart)
| 청구항 구성요소(Claim 1) | 대상 설비 설계 관점 |
| 언와인더부 + 노칭 가공부 + 리와인더부 인라인 배치 | 표준 R2R 노칭 라인 구성과 동일 |
| 제1·2 필름 드라이브 수단(서보 대접 롤러 쌍) | 노칭 전후단 이중 서보 구동으로 투입량 기준값 설정 |
| 장력 조절수단(가이드 롤러+텐션 롤러+변위 센서) | 1차 기계적 완충, 2차 전자 보정의 이중 장력 제어 |
| 제1·2 피딩수단(캠+캠로드+LM가이드+피딩롤러) | 간헐 정지·이송 반복으로 연속 언와인딩 중 노칭 타발 구현 |
기구학적 분석
이 구조의 핵심은 텐션 롤러가 인장 스프링으로 지지되어 필름 압력에 따라 선형 승강하며 1차로 장력을 흡수하고, 변위가 기준값을 벗어나면 후단 서보 모터의 단위 시간당 회전각을 가감 보정하는 2차 전자제어가 겹쳐 있다는 점이다. 순수 기계식 댐퍼 방식보다 응답 지연을 줄이는 구조이며, 하중 전달 경로는 필름 장력 → 텐션 롤러 변위 → 센서 신호 → 서보 보정으로 이어지는 폐루프를 이룬다. 해당 특허의 패밀리를 인용한 후속 특허(유일에너테크 KR102667004B1, 해성디에스 KR102500839B1 등)가 릴투릴 면압 프레스·전극 생산 시스템으로 이어진 점도 이 텐션 제어 개념이 노칭 공정을 넘어 프레스 공정 전반에 적용되고 있음을 보여준다.
계산 검증(설계 예시, 가정값)
텐션 롤러를 지지하는 인장 스프링 상수를 $k = 0.5\text{ N/mm}$(가정값)라 하면, 필름 장력 변화 $\Delta F = 5\text{ N}$에 대한 텐션 롤러 변위는 다음과 같다.
$$x = \frac{\Delta F}{k} = \frac{5\text{ N}}{0.5\text{ N/mm}} = 10\text{ mm}$$
이 변위량이 곧 센서가 검출해야 하는 스트로크이며, 실무적으로는 고장력·저장력 한계 센서 간격을 이 변위값보다 여유 있게, 안전율 2.0 이상으로 설계해야 정상 범위 내 변위를 놓치지 않는다. 스프링 상수와 필름 파단 장력의 실제 값은 필름 소재별 인장시험을 통해 현장 계측 후 재확인 요망이다.
Shop-notes
대안 기구로 텐션 롤러 대신 로드셀을 필름 경로에 직접 삽입해 장력을 실시간 측정하는 방식을 검토할 수 있으나, 접촉 마찰과 추가 롤러 관성이 초박 필름 파단 리스크를 오히려 키울 수 있어 미채택했다. 가공성 주석: 캠 로드와 LM 가이드 블록의 축 정렬 공차가 어긋나면 피딩 롤러의 왕복 궤적이 비대칭이 되어 간헐 정지 구간에서 필름에 순간 충격 장력이 발생하므로, 조립 시 평행도 공차 관리가 가공 난이도의 핵심이다.
설계 반영 체크리스트
- 텐션 롤러 스프링 상수·변위 범위 재계산
- 센서 검출 구간(고·저장력 한계) 안전율 2.0 이상 확보
- 캠 로드-LM 가이드 평행도 공차 관리 기준 수립
- 필름 소재별 파단 장력 실측 데이터 확보(현장 계측)
한줄요약
노칭 장력 제어는 텐션 롤러의 기계적 완충과 서보의 전자 보정이 겹쳐야 파단과 이완을 동시에 잡는다.