KR101270016B1 - 레이저를 이용한 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법 및 그에 따라 제조된 터미널 접합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 터미널 접합방법에 의해 형성된 원통형 울트라 캐패시터의 터미널 접합구조로서, 중심에 외부 터미널이 돌출 형성되고, 원형의 외주를 갖는 판상부재; 상기 판상부재에 포개어지도록 배치되고, 상기 판상부재와 가장자리선이 일치하는 원형의 외주를 갖는 판상의 내부 터미널; 및 상기 판상부재와 내부 터미널 간의 경계라인을 따라 원형으로 형성되어 상기 판상부재와 내부 터미널을 접합하는 레이저 용접부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 울트라 캐패시터의 터미널 접합구조를 개시한다.

Description

레이저를 이용한 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법 및 그에 따라 제조된 터미널 접합구조{METHOD FOR WELDING TERMINAL OF ULTRA-CAPACITOR USING LASER AND TERMINAL WELDING STRUCTURE BY USING THE SAME}

본 발명은 울트라 캐패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 터미널이 형성된 판상부재와 내부 터미널 간의 용접방식이 개선된 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법과 그에 따라 제조된 터미널 접합구조에 관한 것이다.

일반적으로 울트라 캐패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리우며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로서 높은 효율, 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 전기에너지 저장장치이다.

울트라 캐패시터는, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 애플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 빠른 충방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서 뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.

울트라 캐패시터는 소형화를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 이루어진 형태가 많이 이용되고 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 울트라 캐패시터는 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성된 베어셀이 담긴 내부 하우징(10)과, 내부 하우징(10)을 수용하는 금속 케이스(40)와, 금속 케이스(40)의 상부와 하부에 결합되어 각각 베어셀의 음극과 양극에 연결되는 내부 터미널(20,30)과, 금속 케이스(40)의 상단에 위치하는 음극측 외부 터미널(51)과, 금속 케이스(40)의 하단에 위치하는 양극측 외부 터미널(45)을 포함한다.

상기 원통형 울트라 캐패시터에 있어서, 음극측 내부 터미널(20)은 절연부재(60)에 의해 금속 케이스(40)에 대하여 절연되는 동시에 판상부재(50)의 중심에 위치하는 음극측 외부 터미널(51)에 전기적으로 연결되고, 양극측 내부 터미널(30)은 금속 케이스(40)와 전기적으로 연결된다.

통상적으로 음극측 내부 터미널(20)과 판상부재(50) 간의 결합과, 양극측 내부 터미널(30)과 금속 케이스(40) 간의 결합은 체결볼트(70)에 의해 이루어진다. 하지만, 이와 같이 체결볼트(70)를 사용하여 내,외부 터미널들 간을 결합하는 방식은 공정이 매우 번거로운 단점이 있다.

특히, 음극측 외부 터미널(51)은 중심에 전해질의 주입을 위한 통로와 안전변 등의 부품이 배치되는 특성상 체결볼트의 적용이 쉽지 않은 문제가 있다.

대안으로, 음극측 외부 터미널(51)이 위치하는 판상부재(50)와 그에 대응하는 음극측 내부 터미널(20)이 면접촉하는 부분을 열간압착하는 방식도 제안된 바 있으나, 이 방식은 용접 공정이 까다로울 뿐만 아니라 외부로부터 가해지는 진동에 취약하여 음극측 외부 터미널(51)과 음극측 내부 터미널(20)이 상호 쉽게 분리되어 접촉저항 특성이 저하되는 취약점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 외부 터미널과 내부 터미널 간의 접합력 및 접촉저항 특성을 향상시키기 위하여 외부 터미널과 내부 터미널 간의 접합부 가장자리에 대하여 정밀 용접을 수행할 수 있는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법과 그에 따라 제조된 터미널 접합구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 원통형 울트라 캐패시터의 외부 터미널-내부 터미널 간 접합부에 대한 인장강도의 조절이 용이하도록 정밀 용접을 수행할 수 있는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법과 그에 따라 제조된 터미널 접합구조를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 울트라 캐패시터의 케이스 내에 수용되는 내부 터미널과 상기 케이스의 바깥으로 노출되는 외부 터미널을 상호 접합하는 방법으로서, 외부 터미널이 형성된 판상부재와 판상의 내부 터미널을 포개어 피용접물을 준비하는 제1단계; 상기 피용접물에 형성되는 상기 판상부재와 내부 터미널 간의 경계라인에 대하여 레이저빔의 조사가 가능하도록 상기 피용접물을 레이저 용접기의 광출사부에 정렬시키는 제2단계; 및 상기 피용접물 및 광출사부 중 어느 하나를 다른 하나에 대하여 이동시키면서 상기 피용접물의 바깥 둘레를 따라 상기 경계라인을 레이저 용접하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법을 개시한다.

상기 울트라 캐패시터의 케이스는 원통형 몸체를 가지며, 상기 외부 터미널이 형성된 판상부재와 상기 내부 터미널은 상기 케이스의 내주면에 대응하는 원형의 외주를 갖는 것이 바람직하다.

상기 외부 터미널은 원통형 울트라 캐패시터의 음극 터미널인 것이 바람직하다.

상기 제3단계에서는, 상기 광출사부에 대하여 상기 피용접물을 일정 속도로 회전시키면서 상기 피용접물의 바깥 둘레를 따라 다수의 레이저 용접점을 반복적으로 형성할 수 있다.

상기 레이저 용접부에 있어서 인접한 용접점들의 중심간 거리는 상기 용접점의 직경 이내인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저를 이용한 터미널 접합방법에 의해 형성된 원통형 울트라 캐패시터의 음극 터미널 접합구조로서, 중심에 음극 터미널이 돌출 형성되고, 원형의 외주를 갖는 판상부재; 상기 판상부재에 포개지도록 배치되고, 상기 판상부재와 가장자리선이 일치하는 원형의 외주를 갖는 판상의 내부 터미널; 및 상기 판상부재와 내부 터미널 사이에 형성되는 경계라인을 따라 원형으로 형성되어 상기 판상부재와 내부 터미널을 접합하는 레이저 용접부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 울트라 캐패시터의 음극 터미널 접합구조가 제공된다.

상기 레이저 용접부는 상기 판상부재와 내부 터미널 간의 접합부의 바깥 둘레를 따라 반복 형성된 다수의 레이저 용접점으로 이루어지고, 인접한 용접점들의 중심간 거리가 상기 용접점의 직경 이내인 것이 바람직하다.

본 발명을 적용할 경우 울트라 캐패시터의 외부 터미널과 내부 터미널 간의 결합 공정을 간소화할 수 있다.

또한, 외부 터미널이 형성된 판상부재 및 내부 터미널의 바깥 둘레를 따라 형성된 레이저 용접부에 의해 접합이 이루어지므로 강한 접합력을 얻을 수 있으며, 판상부재와 내부 터미널이 긴밀히 결합됨으로써 접촉저항 특성이 향상될 수 있다.

또한, 외부 터미널이 형성된 판상부재와 내부 터미널의 결합체의 바깥 둘레를 따라 형성되는 용접점의 크기, 피치 등을 정밀하게 조절하는 것이 가능하므로 접합부에 대한 인장강도의 조절이 용이한 장점이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 울트라 캐패시터의 구성을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라 캐패시터의 외관을 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 단면도,
도 4는 도 2에서 음극 터미널이 형성된 판상부재와 내부 터미널 간의 결합구조를 도시한 부분 확대 측면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 수행되는 터미널 접합 공정을 개략적으로 도시한 평면도,
도 6은 본 발명의 적용에 의해 외부 터미널에 내부 터미널이 레이저 용접된 결과를 보여주는 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따라 제공되는 원통형 울트라 캐패시터의 외관을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 원통형 울트라 캐패시터는 베어셀(미도시)과, 상기 베어셀의 음극과 양극에 각각 연결되는 내부 터미널(110,120)과, 상기 베어셀을 비롯하여 내부 터미널(110,120)을 수용하는 금속 케이스(130)와, 금속 케이스(130)의 하단과 상단에 구비된 양극측 외부 터미널(132) 및 음극측 외부 터미널(141)을 포함한다.

베어셀은 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성되어 전기화학적 에너지 저장기능을 제공한다.

음극측 내부 터미널(110)과 양극측 내부 터미널(120)에는 각각 베어셀의 음극과 양극이 연결된다. 음극측 내부 터미널(110)과 양극측 내부 터미널(120)은 금속 케이스(130)의 내주면에 대응하는 원형의 외주면을 구비한 원형의 판상체 구조를 갖는다.

음극측 내부 터미널(110)은 절연부재(150)에 의해 금속 케이스(130)에 대하여 절연되는 동시에 판상부재(140)에 접촉되어 판상부재(140)의 중심에 마련된 음극측 외부 터미널(141)과 연결되고, 양극측 내부 터미널(120)은 금속 케이스(130)에 접촉되어 금속 케이스(130)의 하단 중심에 마련된 양극측 외부 터미널(132)과 연결된다.

금속 케이스(130)는 권취소자 형태로 가공된 후 내부 하우징(100)에 담긴 베어셀을 수용할 수 있는 내부공간이 형성된 원통형의 몸체를 갖는다. 바람직하게, 금속 케이스(130)는 알루미늄 원통 형태로 구성될 수 있다.

금속 케이스(130)에 있어서 측면부(131)로부터 일체로 연장된 하단부 중심에는 양극측 외부 터미널(132)이 하방으로 돌출되게 형성된다.

부가적으로, 양극측 외부 터미널(132)이 돌출된 쪽의 반대편 중심에는 동심확보용 돌출부(133)가 형성될 수 있다.

음극측 내부 터미널(110)에 가까운 금속 케이스(130)의 상단에는 내측으로 구부러진 형태의 커링 가공부(160)가 형성된다. 커링 가공부(160)의 커링 양 조절에 의해 음극측 내부 터미널(110) 부근의 금속 케이스(130) 측면부(131)는 내압성능이 용이하게 조절될 수 있다.

금속 케이스(130)에 음극측 내부 터미널(110)과 양극측 내부 터미널(120)을 고정하기 위하여 금속 케이스(130)의 측면부(131)에는 비딩(Beading) 가공부(135,136)가 부가될 수 있다.

본 발명에 있어서 음극측 외부 터미널(141)이 형성된 판상부재(140)와 그 하부에 위치하는 음극측 내부 터미널(110) 간의 결합은 레이저 용접에 의해 이루어진다. 도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 울트라 캐패시터의 음극 터미널 접합구조가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 음극측 외부 터미널(141)이 형성된 판상부재(140)와 판상의 음극측 내부 터미널(110)이 상하로 포개진 형태로 배치되고, 상기 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(110) 간 외부에 형성되는 경계라인에는 원형으로 레이저 용접부(170)가 마련된 결합 구조를 포함한다. 여기서, 상기 경계라인은 레이저 용접 대상이 되는 지점으로서, 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(141) 사이의 미세 간극과 그에 인접한 판상부재(140)의 원형 가장자리단 및 음극측 내부 터미널(141)의 원형 가장자리단을 포함하는 영역을 의미한다.

레이저 용접부(170)는 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(110) 간 경계라인을 따라 반복적으로 형성된 다수의 레이저 용접점에 의해 구성된다. 실질적으로 연속적인 형태의 용접 라인을 이루도록 다수의 레이저 용접점은 상호 중첩되게 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 인접한 용접점들의 중심간 거리(D)는 용접점의 직경 이내의 값을 가져야 한다.

도 5에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터미널 접합방법이 개략적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터미널 접합방법은 피용접물을 준비하는 공정과, 피용접물과 레이저 용접기 간을 정렬시키는 공정과, 피용접물의 바깥 둘레를 따라 레이저 용접을 수행하는 공정을 포함한다.

피용접물 준비 공정에서는 음극측 외부 터미널(141)이 형성된 판상부재(140)를 음극측 내부 터미널(110) 위에 포개어 적층 구조를 형성한다.

정렬 공정에서는 상기 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(141)이 포개어짐으로 인해 그 외부 둘레를 따라 원형으로 형성되는 경계라인에 대하여 레이저빔의 조사가 가능하도록 상기 피용접물의 측면부를 레이저 용접기의 광출사부(200)에 정렬시킨다.

레이저 용접 공정에서는 광출사부(200)에 대하여 피용접물을 일정 속도로 회전 이동시키면서 피용접물의 바깥 둘레를 따라 상기 경계라인을 레이저 용접함으로써 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(110)을 상호 접합한다. 이때, 레이저 용접은 피용접물의 바깥 둘레를 따라 다수의 레이저 용접점이 일정 피치로 상호 중첩되게 형성되도록 반복적으로 수행된다.

도 6은 본 발명의 적용에 의해 음극측 외부 터미널(141)이 형성된 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(110)이 접합된 결과를 보여주는 사진이다. 도면에 나타난 바와 같이 판상부재(140)와 음극측 내부 터미널(110) 사이의 경계라인에는 다수의 레이저 용접점이 중첩되게 형성되어 실질적으로 연속적인 라인 형태의 레이저 용접부(170)가 형성된다.

본 발명에 의하면 원통형 울트라 캐패시터의 외부 터미널과 내부 터미널 사이에 형성되는 레이저 용접부(170)에 의해 강한 접합력이 제공될 수 있으며, 외부 터미널과 내부 터미널이 상호 긴밀히 결합됨으로써 저항 특성이 개선될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 내부 하우징 110: 음극측 내부 터미널
120: 양극측 내부 터미널 130: 금속 케이스
131: 측면부 132: 양극측 외부 터미널
133: 동심확보용 돌출부 140: 판상부재
141: 음극측 외부 터미널 150: 절연부재
160: 커링 가공부 170: 레이저 용접부

Claims (7)

1. 울트라 캐패시터의 원통형 케이스 내에 수용되는 판상의 내부 터미널과 상기 케이스의 바깥으로 노출되는 외부 터미널을 상호 접합하는 방법에 있어서,
   상기 외부 터미널이 형성되는 판상부재와 상기 내부 터미널은 각각 상기 원통형 케이스의 내주면에 대응하는 원형의 외주를 가지는데, 상기 판상부재와 상기 내부 터미널을 포개어 원형의 경계라인이 형성되도록 피용접물을 준비하는 제1단계;
   상기 피용접물에 형성되는 상기 판상부재와 상기 내부 터미널 간의 원형의 경계라인에 대하여 레이저빔의 조사가 가능하도록 상기 피용접물을 레이저 용접기의 광출사부에 정렬시키는 제2단계; 및
   상기 피용접물 및 광출사부 중 어느 하나를 다른 하나에 대하여 회전시키면서 상기 피용접물의 바깥 둘레를 따라 상기 원형의 경계라인을 레이저 용접하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 외부 터미널은 원통형 울트라 캐패시터의 음극 터미널인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제3단계에서,
   상기 광출사부에 대하여 상기 피용접물을 일정 속도로 회전시키면서 상기 피용접물의 바깥 둘레를 따라 다수의 레이저 용접점을 반복적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법.
5. 제4항에 있어서,
   인접한 용접점들의 중심간 거리가 상기 용접점의 직경 이내인 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터의 터미널 접합방법.
6. 레이저를 이용한 터미널 접합방법에 의해 형성된 원통형 울트라 캐패시터의 터미널 접합구조로서,
   중심에 외부 터미널이 돌출 형성되고, 원형의 외주를 갖는 판상부재;
   상기 판상부재에 포개지도록 배치되어 상기 판상부재와 가장자리선이 일치하는 원형의 외주를 갖는 판상의 내부 터미널; 및
   상기 판상부재와 내부 터미널 사이에 형성되는 경계라인을 따라 원형으로 형성되어 상기 판상부재와 내부 터미널을 접합하는 레이저 용접부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 울트라 캐패시터의 터미널 접합구조.
7. 제6항에 있어서,
   상기 레이저 용접부는 상기 판상부재와 내부 터미널 간 경계라인을 따라 반복 형성된 다수의 레이저 용접점으로 이루어지고,
   인접한 용접점들의 중심간 거리가 상기 용접점의 직경 이내인 것을 특징으로 하는 원통형 울트라 캐패시터의 터미널 접합구조.

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