리튬이온 라인의 CCD 검사 시스템: 제로 결함 달성 - 지식

저자: Dany Huang, Ph.D.

TOB뉴에너지 대표이사 & R&D 리더

요약 및 주요 시사점

리튬 이온 제조에서 결함 제로는 라인 최종 단계에서 더 나은 검사를 한다고 달성되는 것이 아닙니다. 이는 0.1mm 해상도의 코팅 보이드, 0.05mm의 탭 접힘, 0.01mm의 용접 다공성을 감지하여 달성됩니다. 각 결함 클래스는 서로 다른 스테이션에서 다양한 광학, 조명 및 알고리즘을 요구합니다. 검사 시스템은 품질 게이트가 아닌 프로세스 도구입니다.
코팅 보이드 및 베어 포일: 스트로브 조명을 사용하여 최대 웹 속도로 실행되는 최소 결함 크기 0.1mm의 라인 스캔 카메라로 감지됩니다.
탭 접힘 및 정렬 불량: 탭 위치 센서에 의해 트리거되는 영역 또는 라인 스캔 시스템을 사용하여 0.05mm 해상도에서 감지됩니다.
용접 다공성 및 스패터: 단일 50μm 기공이 누출 경로를 형성할 수 있기 때문에 고배율 동축 이미징을 통해 0.01mm 규모로 감지됩니다.
정밀 사다리: 0.01mm에서 모든 것을 해결하는 카메라로 라인 속도가 느려집니다. 엔지니어링 작업은 각 스테이션의 해상도를 실제로 중요한 가장 작은 결함과 일치시키는 것입니다.

음극 코팅의 핀홀(직경 0.2mm), 노출된 알루미늄 반점이 감지되지 않은 채 젤리 롤에 도달합니다. 형성을 통과합니다. OCV 심사를 통과했습니다. 용량 등급을 통과합니다. 차량이나 컨테이너에 싣고 18개월이 지나면 그 구멍을 가지고 태어난 세포가 그 배낭을 더 이상 사용할 수 없게 됩니다. 무결점이란 라인을 멈추지 않고 웹 속도로 매 평방미터마다 코팅 스테이션에서 해당 구멍을 잡는 것을 의미합니다.

CCD 검사는 이러한 격차를 줄이는 분야입니다. 이는 가장 자주 잘못 지정되는 분야이기도 합니다. 엔지니어는 감당할 수 있는 최고 해상도의 카메라를 구입하고 문제가 해결되었다고 가정합니다. 대비가 없는 해상도는 쓸모가 없습니다. 적절한 조명이 없는 대비는 쓸모가 없습니다. 결함 분류 논리가 없으면 잘못된 거부가 너무 많이 발생하여 라인이 절반 속도로 실행됩니다. 엔지니어링 작업은 "최고의 카메라를 구입하는 것"이 아닙니다. 이는 각 스테이션의 각 결함 클래스에 감지 물리학을 일치시키는 것입니다.

결함 지도: 무엇을, 어디서, 어떤 규모로 감지할 것인가

서로 다른 결함은 서로 다른 스테이션에서 발생하며 각각 고유한 감지 접근 방식이 필요합니다. 아래 표는 일반적인 리튬 이온 전극 및 조립 라인에 대한 참조 맵입니다.

결함 클래스	출생일	탐지 대상 크기	스테이션/트리거	탐지 물리학
코팅 보이드/베어 포일	코팅 건조기 출구	0.1mm 이상	전체 웹 라인 스캔	대비: 금속 반사율 대 코팅 확산율
코팅 두께 스트라이프	코팅 다이	±1% 국부적 변동	전체 웹 라인 스캔 + 면적 게이지	그레이스케일 프로파일 + X선 교차 점검
엣지 코팅 버/오버행	슬리팅	0.3mm 이상	슬리터 출구, 웹 상단 + 하단	양면 라인 스캔, 에지 트리거
탭 접힘/손상	스태킹/권취	0.05mm 이상	포스트 스택, 탭 트리거	구조화된 조명 또는 고해상도 영역 스캔
탭 용접 다공성	탭 용접	0.01mm 이상(기공)	용접 스테이션, 동축	동축 이미징 + 백라이트
용접 스패터/입자	탭 및 캡 용접	0.05mm 이상	용접 출구	암시야 조명 + 라인 스캔
분리막 주름/찢김	스태킹/삽입	0.1mm 이상	포스트 스택	투과형 조명
캡 용접 이음매 결함	탑캡 용접	0.1mm 이상	용접 출구	동축 모니터링 + 구조광

패턴: 코팅 결함은 0.1mm, 탭 수준 결함은 0.05mm, 용접 다공성은 0.01mm에서 작동합니다. 결의안 사다리는 임의적이지 않습니다. 이는 고장 결과에 따른 것입니다. 0.1mm 베어 포일 지점은 리튬 도금을 가속화하는 국부적인 전류 밀도 스파이크입니다. 0.05mm 탭 균열이 개방 회로로 성장합니다. 캡 용접의 0.01mm 기공은 수년에 걸쳐 습기를 허용하는 누출 경로가 됩니다.

CCD Inspection Systems for lithium ion battery production lines

작업장 1: 코팅 및 건조 - 공극 및 베어 포일 잡기

코팅은 가장 높은 가치의 검사가 이루어지는 곳입니다. 왜냐하면 코팅된 웹은 공장에서 가장 큰 단일 재료 투자이기 때문입니다. 코팅 결함이 누락되면 전극 전체 영역이 스크랩으로 전환되거나 더 심각하게는 현장 고장으로 전환됩니다.

결함의 물리학.베어 포일은 코팅이 접착되지 않거나 증착되지 않은 영역입니다. 금속 표면은 정반사성이고 반사율이 높습니다. 코팅이 확산됩니다. 비스듬한 저각 조명의 라인 스캔 이미지에서 노출된 포일은 더 어두운 코팅에 대해 밝은 점으로 나타납니다. 동축 확산 조명에서는 대비가 뒤집히거나 사라집니다. 따라서 조명 선택은 카메라 해상도가 아닌 첫 번째 사양 결정입니다.

해상도 요구 사항.실제 감지 목표는 최소 0.1mm입니다. 전극은 최대 1,600mm의 웹 폭과 최대 80m/min의 속도로 코팅됩니다. 1,600mm에 걸쳐 0.1mm 해상도의 단일 라인 스캔 카메라에는 라인당 약 16,000픽셀이 필요합니다. 80m/min의 속도는 13kHz에 가까운 라인 속도입니다. 이러한 속도에서는 다중 카메라 또는 TDI(시간 지연 통합) 센서가 일반적입니다. 엔지니어링 거래는 카메라 수, 조명 전력 및 컴퓨팅 처리량 사이에서 이루어집니다.

허위 거부 관리.코팅 라인은 가장자리 비드, 코팅 중량 줄무늬 및 건조로 인한 간헐적인 광택 변화를 생성합니다. 알고리즘은 이를 결함이 아닌 프로세스 기능으로 분류해야 합니다. 그렇지 않으면 검사 시스템이 모든 릴의 절반을 거부합니다. 분류 모델은 특정 코팅 제제 및 건조 프로필에 따라 보정됩니다. NMC에서 훈련된 시스템은 재훈련 없이는 LFP로 전환되지 않습니다.

0.1mm 목표는 보수적이지 않습니다.0.1mm에서는 생산 속도에서 보이드가 감지됩니다. 더 작은 결함은 정지된 라인에서 감지할 수 있지만 20~80m/분에서 광학, 조명 및 계산 체인은 안정적으로 트리거하기 위해 결함 기능당 2~3픽셀을 해결해야 합니다. 0.1mm 미만에서는 신호 대 잡음비가 속도에서 실제 감지 수준보다 떨어집니다. X-Ray 면적 게이지가 평균 부하를 담당하고 CCD가 개별 결함을 처리하는 곳입니다.

스테이션 2: 탭 처리 - 접힌 부분과 정렬 불량 잡기

탭 접기는 침묵의 살인자입니다. 접힌 탭은 분리기 층 사이에 눌려진 전도성 금속의 이중층입니다. 적층, 삽입 및 심지어 형성에도 살아남을 수 있으며 사이클링 중에 국부적인 가열 지점을 생성합니다. 접힌 탭의 용접 품질은 용접 자체가 괜찮아 보이더라도 신뢰할 수 없습니다.

물리학.접힌 탭은 눈에 띄는 주름선이 있는 스택의 두 금속 표면을 나타냅니다. 감지는 두 가지 신호, 즉 기하학적 신호(탭이 예상보다 짧아 보이거나 프로필에 계단이 표시됨)와 시각적 신호(방향 조명 아래에서 주름이 고대비 선으로 나타남)에 의존합니다. 구조광 또는 고해상도 영역 스캔 이미징은 3D 변화를 포착합니다. 라인 스캔 시스템은 2D 주름을 포착합니다.

해상도 요구 사항.목표는 0.05mm입니다. 탭은 작기 때문에(일반적으로 너비 10~40mm) 과도한 카메라 수 없이도 카메라 시야가 좁고 해상도가 높아질 수 있습니다. 트리거는 스테이션의 탭 위치 센서에서 나옵니다. 카메라는 탭이 있는 경우에만 캡처합니다. 트리거 정확도가 중요합니다. 카메라가 2mm 일찍 또는 늦게 발사하면 탭이 프레임에 전혀 맞지 않을 수 있습니다.

일반적인 실패 모드.올바르게 지정되었지만 잘못 트리거된 비전 시스템입니다. 제품이 변경될 때마다 탭 트리거를 확인해야 하며, 첫 번째 기사의 실제 이미지를 기록하고 검토해야 합니다. 지난 달에 작동했던 시스템은 10분의 1밀리미터 정도의 고정 장치 드리프트 후에 조용히 탭을 놓칠 수 있습니다.

스테이션 3:레이저 용접- 솔기 부분의 0.01mm 기공 잡기

누락된 결함의 결과는 비밀봉 셀이기 때문에 용접 검사에는 전체 라인에서 가장 높은 해상도가 필요합니다. 각형 셀의 캡 용접은 대략 760mm의 연속 이음매입니다. 원통형 셀에서는 셀당 수십 개의 탭 용접이 이루어집니다. 예외 없이 각각을 검사해야 합니다.

물리학.용접 다공성은 반사 금속 필드에 작고 어두운 구덩이로 나타납니다. 스패터는 솔기 근처에 융기되거나 부착된 입자로 나타납니다. 둘 다 확산광에서는 대비가 낮고 암시야 또는 동축 조명에서는 고대비입니다. 최고의 용접 검사 시스템은 용접 풀의 동축 이미징과 완성된 심의 용접 후 암시야 이미징을 결합합니다.

해상도 요구 사항.다공성 검출을 위한 목표는 0.01mm-10μm입니다. 이는 전극 검사보다 10배 더 정밀하며 좁은 시야를 갖춘 고배율 광학 장치 또는 용접 헤드 내에서 동축 모니터링이 필요합니다. 0.01mm에서 시스템은 프레임당 훨씬 작은 영역을 검사하므로 용접이 이동하는 동안 용접 검사가 실행되고 별도의 컨베이어 인덱스가 아닌 용접 경로에 의해 트리거됩니다.

탐지 제한.어떤 비전 시스템도 표면 아래 다공성을 안정적으로 감지하지 못합니다. 완전히 닫힌 용접 이음매는 X선이나 CT에서만 볼 수 있는 내부 보이드를 숨길 수 있습니다. CCD 검사는 빠른 속도로 표면 파괴 및 표면 근처 결함을 포착하는 첫 번째 필터입니다. X선 또는 초음파 테스트는 나머지를 샘플링합니다. 무결함 전략은 100% 검사의 인라인 CCD와 프로세스 검증을 위한 샘플링 기반의 X-Ray 또는 CT를 결합합니다.

정밀 사다리: 중요한 결함에 대한 해결 방법 일치

가장 일반적인 사양 오류는 전체 라인에 대해 하나의 해상도를 선택하는 것입니다. 전극 검사에 적용된 0.01mm 시스템은 카메라 수와 컴퓨팅 부하를 4배로 늘리고 라인 속도를 절반으로 줄입니다. 용접 검사에 적용된 0.1mm 시스템은 중요한 모든 결함을 놓칩니다.

올바른 접근 방식은 정밀 사다리입니다.

역	결함 결과	가장 작은 관련 결함	지정된 해상도
코팅/건조	국부 전류 스파이크, 도금	0.1 mm	0.1 mm
슬리팅 엣지	버, 분리기 펑크	0.3 mm	0.2 mm
스태킹/권취	탭 접힘, 정렬 불량	0.05 mm	0.05 mm
탭 용접	개방 회로, 저항 드리프트	0.05mm 스패터; 0.01mm 다공성	용접 영역에서 0.01mm
캡 용접	수분 침투, 누출	0.01mm 기공	솔기에서 0.01mm
최종 조립 영상	외관상 및 중대한 결함	0.1 mm	0.1 mm

사다리는 엔지니어링 예산으로 적용됩니다. 용접 이음새에서 0.01mm, 코팅 스테이션에서 0.1mm를 해결하는 시스템은 적절한 가격에 적절한 위치에 적절한 카메라를 사용합니다. 또한 컴퓨팅 부하를 현실적인 한계 내로 유지합니다. 전체 웹 폭과 최대 속도의 0.01mm 시스템은 실제 처리 파이프라인이 사용할 수 있는 것보다 더 빠르게 데이터를 생성합니다.

A 대 B: 규칙 기반 비전 대 AI 분류

두 가지 알고리즘 철학이 배터리 검사를 지배합니다.

규칙 기반 검사고정된 임계값, 얼룩 분석 및 기하학적 측정을 사용합니다. 결정적이고 빠르며 검증하기 쉽습니다. 결함이 잘 정의되어 있고 결함 서명이 안정적인 경우에 탁월합니다. 구멍은 특정 영역의 어두운 영역입니다. 접힌 부분은 특정 길이 이상의 고대비 선입니다. 제품 코팅 질감, 조명 변동, 가장자리 모양의 자연스러운 변화로 인해 결함이 발생하는 경우 실패합니다.

AI 분류좋은 영역과 결함 있는 영역의 레이블이 지정된 이미지에 대해 훈련된 딥 러닝 모델을 사용합니다. 변형을 우아하게 처리하고 복잡한 결함 서명에 적응합니다. 훈련 데이터가 필요하고, 프로세스가 변경되면 계속해서 재훈련이 필요하며, 거부 문제가 제기되면 투명성이 떨어집니다.

요인	규칙 기반 비전	AI 분류
결정론	완전 결정론적	확률적
확인	똑바로	홀드아웃 테스트 세트가 필요합니다.
최적의 핏	보이드, 접힘, 전체 기하학	미묘한 질감, 복잡한 패턴
새로운 화학 적응	수동 임계값 조정 필요	재학습 데이터세트 필요
안정적인 프로세스의 잘못된 거부율	낮은	낮은
표류 과정에 대한 허위 거부율	급격히 상승	더욱 안정적

실용적인 대답은 하이브리드입니다. 즉, 결함 특징이 가변적인 감지 및 분류를 위한 AI입니다. 결정을 감사할 수 있어야 하는 측정 및 거부 규칙. 둘 다 동일한 라인 스캔 플랫폼에서 실행됩니다.

엔지니어링 통찰력:
모든 검사 시스템은 품질 게이트가 아닌 프로세스 도구입니다. 결함 맵은 결함이 발생한 스테이션으로 피드백되어야 합니다. 코팅 보이드 클러스터는 다이 심 또는 펌프 펄스를 추적합니다. 탭 접기 클러스터는 스태킹 가이드 정렬 불량을 추적합니다. 검사 데이터가 합격/불합격으로 중지되면 결함은 발견되지만 프로세스는 수정되지 않습니다. TOB New Energy는 결함 맵을 스테이션 매개변수와 통합하므로 라인 팀은 "1,342m의 결함"뿐만 아니라 "1,342m의 결함은 30초 전 0.2bar 펌프 압력 강하와 상관 관계가 있습니다."

무결점은 카메라 속성이 아닌 시스템 속성입니다.

CCD 시스템만으로는 결코 결함이 전혀 없습니다. 전체 체인은 네 부분으로 구성됩니다.

발각각 결함 클래스에 대해 올바른 해상도와 대비를 제공합니다.
분류이는 실제 결함과 공정 변동을 분리하여 잘못된 거부율을 낮게 유지합니다.
행동이는 동일한 사이클 내의 라인에서 영향을 받은 셀 또는 전극 섹션을 거부합니다.
피드백결함 추세를 관리 차트의 업스트림 프로세스 매개변수에 연결합니다.

한 부분이라도 놓치면 아무도 사용하지 않는 데이터를 생성하는 카메라가 등장합니다. 검사 데이터가 프로세스에 대한 루프를 닫을 때만 투자 비용을 지불할 수 있습니다.

승인 테스트에 대한 최종 참고 사항입니다. 카메라 해상도와 프레임 속도는 필요하지만 조달에 충분하지는 않습니다. 사양에는 기능 시험이 필요합니다. 각 클래스 베어 포일 지점의 알려진 결함은 0.1mm, 탭 접힘은 0.05mm, 용접 기공은 알려진 위치에 심겨져 있으며 생산 속도에서 측정된 감지율입니다. 시험을 통과한 시스템은 데이터시트가 아니라 시스템입니다. 공유 데이터 아키텍처를 갖춘 단일 플랫폼의 코팅, 탭 및 용접 스테이션 등 전체 검사 범위는 보호하는 코팅 및 용접 스테이션과 함께 설계된 전극 및 용접 결함 감지용 배터리 CCD 검사 시스템을 통해 제공됩니다.

FAQ: 리튬 이온 라인의 CCD 검사

배터리 전극 검사에는 어떤 해상도가 필요합니까?
생산 속도에서 전체 너비 웹의 보이드 및 베어 포일 코팅에 대한 최소 결함 크기는 0.1mm입니다. 더 작은 특징은 정지된 웹에서 확인할 수 있지만 20-80m/min의 안정적인 감지에는 실제 목표로 0.1mm가 필요합니다.

용접 검사에 0.01mm 해상도가 필요한 이유는 무엇입니까?
캡이나 탭 용접의 0.1mm 미만 표면 파괴 기공이 셀 수명 동안 누출 경로가 되기 때문입니다. 50μm 기공은 외관상의 결함이 아닙니다. 이는 기밀 위험입니다. 이는 용접 검사를 전극 검사보다 훨씬 더 정밀하게 만듭니다.

CCD 검사가 헬륨 누출 테스트를 대체할 수 있습니까?
아니요. CCD는 표면이 부서지는 다공성, 스패터, 이음새 결함을 빠른 속도로 포착합니다. 완전히 밀폐된 표면 아래 보이드는 광학 검사에서는 보이지 않습니다. 두 가지 모두 보완적입니다. 100% 인라인 용접 검사를 위한 CCD, 100% 기밀성 검증을 위한 헬륨 누출 테스트, 표면 아래 공정 제어를 위한 X선 샘플링입니다.

배터리 비전 시스템에서 잘못된 거부가 가장 많이 발생하는 원인은 무엇입니까?
조명 불안정성 및 통제되지 않은 공정 변화 - 코팅 광택 변화, 건조 구역 이동 및 웹 플러터. 조명 아키텍처를 수정하고 공정을 안정화하면 카메라 해상도를 높이는 것보다 더 효과적으로 잘못된 거부를 줄일 수 있습니다.

검사 모델을 얼마나 자주 재교육해야 합니까?
제품이 변경될 때마다: 새로운 코팅 공식, 전극 형상 또는 용접 스택. 규칙 기반 임계값에는 재검증이 필요합니다. AI 모델에는 새로운 레이블이 지정된 데이터가 필요합니다. 검사 검증을 포함하는 전환 절차는 형식 변경 후 시스템이 자동으로 결함을 누락하는 것을 방지합니다.

전극 코팅, 탭 용접 및 셀 조립 라인에 대한 비전 검사 배포에서 TOB New Energy 프로세스 엔지니어링 그룹이 편집한 기술 참조입니다. 특정 전극 및 용접 형상에 대한 결함 등급 탐지 연구를 원하시면 LinkedIn에서 Dany Huang 박사와 연락하시거나 Xiamen 비전 연구소에 샘플 결함을 제출하십시오.