리튬이온 배터리(LiB) 셀의 대량 생산 시 수행되는 양극 오버행 검사 및 분석 작업의 경우, 3D X-ray 스캐닝 및 컴퓨터 단층촬영(CT) 기술을 사용하면 짧은 검사 사이클이 요구되는 대량 생산 공정에서도 자동화된 방식으로 정확하고 일관되게 작업을 수행할 수 있습니다. 그래서 니콘 코퍼레이션의 산업용 계측 사업부는 인공 지능으로 구동되는 LiB.Overhang Analysis 소프트웨어를 개발하게 되었습니다(https://industry.nikon.com).
이 소프트웨어는 생산 수율을 크게 끌어올림으로써 시장의 높은 배터리 수요를 충족할 수 있고, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템, 그리고 배터리로 구동되는 각종 장비 분야에서 고액의 제품 보증 서비스 청구를 줄일 수 있습니다. LiB.Overhang Analysis의 목표는 더 많은 인라인 검사가 제조 공정의 초반에 이루어질 수 있도록 장려함으로써 제품 품질을 개선하는 것입니다. 니콘은 이렇게 새로운 분석 방식에 혁신적인 마이크로포커스 엑스선 발생장치, 회전 타겟 및 Half.Turn CT 기술이 결합되어 있는 토탈 솔루션을 제공합니다.
리튬이온 배터리의 양극은 리튬 석출 및 덴드라이트 형성을 막기 위해 음극보다 크게 만들기 때문에 해당 음극 영역과는 상응하지 않는 비활성 영역이 양극에 남아있게 되며, 이를 오버행 영역이라고 합니다. 양극과 음극의 치수는 항상 일정한 범위 내로 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 배터리 성능이 저하되고 심한 경우에는 자연 발화할 위험도 있습니다. 따라서 양극 오버행을 분석하는 작업의 중요성이 커집니다.
기존의 2D 방사선 검사 방식의 문제점은 분석의 속도는 빠르지만 충분히 정확하거나 반복 가능한 결과를 제공하지는 못한다는 것입니다. 특히 시트가 완벽히 평평하지 않은 경우에는 콘빔 방사선 사진 한 장만으로는 개별 레이어를 분간하기 매우 어렵습니다.
3D X-ray CT를 이용한 오버행 분석의 자동화는 비교적 최근에 보편화된 방식으로, 위의 모든 어려움을 한 번에 해결합니다. LiB.Overhang Analysis는 고속 스캐닝으로 얻은 3D 이미지 특유의 노이즈에 덜 민감하기 때문에 생산 라인의 빠른 속도에 충분히 대응할 수 있습니다.
니콘의 첨단 머신 러닝 AI 모델이 일반적인 노이즈나 스캔 아티팩트에 구애받지 않고 이전의 정보를 활용하여 양극 오버행 형상과 셀의 하자를 식별하고 분류해낼 수 있기 때문입니다. 기존의 분석 방법을 사용하여 이러한 스캔 데이터를 통한 양극 및 음극 층의 자동 분할을 시도할 경우, 처리가 제대로 되지 않고 잘못된 결과를 생성합니다. 더 높은 품질의 이미지를 얻어내려면 훨씬 장시간의 스캐닝이 필요하지만, 이 경우 품질 관리(QC) 생산성이 저하됩니다.
니콘이 자사의 XT H 시리즈 X-ray CT 시스템만을 위해 자체 개발한 LiB.Overhang Analysis 소프트웨어를 사용하면 공장의 인라인 또는 라인사이드에서 배터리 셀을 빠르고 정확하게, 안정적으로 스캔할 수 있습니다. 니콘의 엔지니어는 시스템의 검사 속도와 반복성을 최적화하기 위해 CT 스캐닝 매개변수와 LiB.Overhang Analysis의 설정을 모두 세부적으로 조정합니다.
니콘이 새로 개발한 소프트웨어는 양극/음극 스택의 각 레이어에 대한 양극 오버행을 자동으로 계산해주고, 단순한 합격/불합격 방식의 결과가 아닌 중요한 요소들의 측정값을 수치로 제공하므로 고객은 필요에 가장 적합한 통계를 활용할 수 있습니다. 두 방식 모두 어셈블리 문제를 조기에 감지하고 정량화할 수 있으므로, 데이터를 피드백하여 생산 공정을 최적화하고 처리량을 늘리며 폐기를 줄이는 것이 가능합니다. 검사 데이터를 제조실행시스템(MES) 데이터베이스에 보관할 경우 개별 셀 각각에 대한 완전한 추적이 가능해지며, 이는 Quality 4.0에도 부합합니다.
이 검사 소프트웨어의 성공에는 니콘의 다른 고유 기술들도 중요한 역할을 하며, 특히 고속 데이터 수집에 있어 필수적인 기능을 담당합니다. 한 가지는 강력한 니콘의 마이크로포커스 엑스선 발생장치의 투과 성능을 활용하는 방식입니다. 다른 한 가지는 고유한 Rotating.Target 2.0을 선택하는 방식으로서, 이는 텅스텐 표면의 작은 면적에 집중적으로 부딪히는 전자들이 생성한 열을 신속하게 분산시키기 위해 타겟을 회전함으로써 기존의 한계보다 높은 전력까지도 견딜 수 있게 해줍니다. 니콘의 Half.Turn CT 역시 배치할 경우, X-ray 사이클 동안 피검체 샘플을 360도 회전하는 대신에 180도 이상만 회전시켜도 동일한 품질의 이미지 데이터를 충분히 확보할 수 있어 검사 효율이 배가됩니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오.
니콘 메트롤로지 소개
니콘은 100년이 넘는 회사의 역사에 걸쳐 축적된 첨단 광전자 공학 및 정밀 분야의 기술력을 바탕으로 전 세계에 다양한 제품, 서비스 및 솔루션을 제공하고 있습니다. 또한 삶의 질 향상과 제조업 전반의 발전에 다양한 형태로 기여하는 새로운 가치를 지속적으로 창출해나가고 있습니다. 니콘의 산업용 계측 사업부(Industrial Metrology Business Unit, IMBU)는 맞춤화되고 비용 효율적일 뿐만 아니라 설치하는 순간부터 완벽하게 작동하는 통합되고 최적화된 초정밀 솔루션을 제공합니다. 디지털 솔루션 사업부(Digital Solutions Business Unit, DSBU)와 IMBU 간의 긴밀한 협력은 니콘이 최근에 이룩한 디지털 제조 혁신 성과로서, 양 사업부는 광범위한 재료에 대한 광학 기반의 적층 및 절삭 가공을 서브 미크론 표면 마감에 이르기까지 수행할 수 있는 다양한 제조 솔루션을 출시했습니다. www.industry.nikon.com
