KR102155077B1 - 장 초점 심도의 집속 렌즈를 포함하는 레이저 용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 전지셀의 제조 공정 중에서 전극조립체의 음극 탭을 전지케이스의 하단에 용접하여 결합하는 레이저 용접 장치로서, 레이저 광을 출사하는 레이저 발진기; 상기 레이저 광을 평행광으로 만드는 콜리메이터(collimator); 상기 콜리메이터로부터 입사된 레이저 광을 초점 심도가 80 mm 이상이 되도록 음극 탭 및 전지케이스의 하단 내면의 접촉 부위인 용접부에 출사하는 집속 렌즈(focus lens); 및 전극조립체의 권취축을 따라 삽입되어 음극 탭을 전지케이스의 하단 내면에 밀착시키고, 상기 집속 렌즈를 경유하여 출사되는 레이저 광이 통과하는 중공 구조로 이루어진 밀착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치를 제공한다.

Description

장 초점 심도의 집속 렌즈를 포함하는 레이저 용접 장치 {Laser Welding Device Including Focus Lens Having Wide Depth of Focus}

본 발명은 장 초점 심도의 집속 렌즈를 포함하는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.

전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 전기소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

원통형 전지는 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤형 전극조립체를 원통형의 금속 캔으로 이루어진 전지 케이스에 내장하고, 전극조립체로부터 형성된 양극 탭 및 음극 탭을 각각 전지 케이스의 상단에 결합되는 캡 어셈블리와 전지 케이스의 하단에 연결하여 원통형 전지의 상단 및 하단에 각각 양극 단자 및 음극 단자를 형성한다.

상기 제조 과정 중, 음극 탭과 전지 케이스의 하단을 용접하여 결합하는 공정은 저항 용접에 의해 이루어 진다.

이와 관련하여, 도 1에는 종래의 원통형 전지의 제조 공정 중 전극조립체로부터 형성된 음극 탭을 전지케이스의 하단에 용접하여 결합하는 공정이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 저항 용접 장치(10)는 가압부(11), 상부 용접봉(12) 및 하부 용접봉(13)으로 이루어져 있다. 상부 용접봉(12)은 가압부(11)에 연결된 상태에서 전극조립체(20)의 권심(21)으로 삽입되어 전지 케이스(30)의 하단에 위치하는 음극 탭(도시하지 않음)을 가압하여 밀착시키고, 하부 용접봉(13)은 전지 케이스의(30)의 하단에 위치하여 접촉된다.

상부 용접봉(12), 음극 탭, 전지 케이스(30)의 하단 및 하부 용접봉(13)이 상호 밀착하여 접촉된 상태에서, 상부 용접봉(12) 및 하부 용접봉(13)에 전류가 인가되고 상부 용접봉(12) 및 하부 용접봉(13)으로부터 발생하는 저항 열에 의해 음극 탭 및 전지 케이스(30)의 하단에 용접되다.

그러나, 이와 같은 제조 공정은 음극 탭이 전지 케이스에 하단에 완전히 용접되지 않고 부분 용접되어 품질의 불균일을 유발하고, 용접봉들의 마모도가 높아 용접봉을 자주 교체해야 하므로 생산성이 저하되고 유지보수 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 상기의 문제점을 해결할 수 있는 용접 장치가 매우 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 용접 성능 및 품질의 균일성을 확보할 수 있고, 소모재의 교체 비용을 절감할 수 있으며, 제조 공정 시간을 감소시킬 수 있는 용접 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는,

원통형 전지셀의 제조 공정 중에서 전극조립체의 음극 탭을 전지케이스의 하단에 용접하여 결합하는 레이저 용접 장치로서,

레이저 광을 출사하는 레이저 발진기;

상기 레이저 광을 평행광으로 만드는 콜리메이터(collimator);

상기 콜리메이터로부터 입사된 레이저 광을 초점 심도가 80 mm 이상이 되도록 음극 탭 및 전지케이스의 하단 내면의 접촉 부위인 용접부에 출사하는 집속 렌즈(focus lens); 및

전극조립체의 권취축을 따라 삽입되어 음극 탭을 전지케이스의 하단 내면에 밀착시키고, 상기 집속 렌즈를 경유하여 출사되는 레이저 광이 통과하는 중공 구조로 이루어진 밀착 부재;

를 포함하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는, 초점 심도가 일정 수치를 상회하는 비교적 큰 크기의 초점 심도를 갖는 레이저 광에 의해 음극 탭을 전지케이스의 하단 내면에 용접하여 결합함으로써, 용접 성능 및 품질의 균일성을 확보할 수 있고, 종래의 저항 용접 공정에 비해 소모재의 교체 비용을 절감할 수 있으며 제조 공정 시간을 감소할 수 있다.

상기 콜리메이터는 상기 레이저 발진기로부터 조사된 레이저 광을 평행광으로 만들어 상기 집속 렌즈로 출사하는 구성으로서, 상기 초점 심도는 상기 콜리메이터의 특성에 따라 변화할 수 있다.

상기 집속 렌즈로 집속된 레이저 광은 초점 위치에서 가장 작은 직경을 갖고 초점에서 멀어질수록 직경이 증가한다. 상기 초점 심도는 초점 평면(본 발명의 용접부)의 전후로 레이저 광의 직경이 초점 직경에서 크게 벗어나지 않는 영역의 길이를 의미한다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 집속 렌즈의 초점 심도(L)는 하기 식 1로 산출 될 수 있다.

L =

(1)

여기서,

f = 초점 거리(집속 렌즈로부터 용접부까지의 거리),

λ = 레이저 광의 파장,

D = 입사 광의 직경(콜리메이터로부터 출사되어 집속 렌즈로 입사되는 레이저 광의 직경),

M = 광 품질 계수

를 의미한다.

상기 식1에서와 같이, 상기 초점 심도는 집속 렌즈로부터 용접부까지의 거리인 초점 거리 f와, 상기 콜리메이터로부터 출사되어 상기 집속 렌즈로 입사되는 입사 광의 직경 D에 의해 조정될 수 있다.

상기 식 1의 구체적인 예에서,

상기 초점 거리 f 는 300 mm 내지 1000 mm일 수 있고;

상기 레이저 광의 파장 λ 는 1030 nm 내지 1070 nm일 수 있으며;

상기 입사 광의 직경 D 는 2 mm 내지 5 mm일 수 있고;

상기 광 품질 계수 M 은 0.9 내지 1.3의 값으로 이루어져 있을 수 있다.

상기 입사 광의 직경 D는 상기 콜리메이터의 변위에 따라 조정될 수 있고, 그에 따라 초점 심도 및 초점 직경이 입사 광의 직경 D에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 콜리메이터는 상기 레이저 발진기에 연결된 광섬유의 단부에 형성되어 있는 레이저 쿼츠(Quartz)로부터 레이저 광이 입사될 수 있다. 상기 콜리메이터와 상기 레이저 쿼츠의 거리가 가까우면 입사 광의 직경 D는 작아질 수 있고, 상기 콜리메이터와 상기 레이저 쿼츠의 거리가 멀어지면 입사 광의 직경 D는 커질 수 있다.

따라서, 상기 콜리메이터와 상기 레이저 쿼츠의 거리가 가까워지면 입사 광의 직경 D가 작아지므로, 초점 심도 및 초점 직경이 커질 수 있고, 반대로, 상기 콜리메이터와 상기 레이저 쿼츠의 거리가 멀어지면 입사 광의 직경 D가 커질 수 있으므로, 초점 심도 및 초점 직경은 작아질 수 있다.

상기 콜리메이터의 변위를 조정하여 얻을 수 있는, 상기 집속 렌즈로부터 출사되는 레이저 광의 확산각이 최저가 되는 조건 값들로서, 상기 초점 거리 f 는, 360 mm 또는 440 mm 또는 540 mm 또는 640 mm일 수 있고, 상기 레이저 광의 파장 λ 는 1070 nm 일 수 있으며, 상기 광 품질 계수 M 은 1.1 의 값으로 이루어져 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 초점 심도의 크기는 상기 전극조립체의 높이보다 큰 값으로 이루어져 있을 수 있다. 상기 레이저 광은 상기 밀착 부재의 중공 구조를 따라 조사되어 상기 용접부에 도달하게 되는데, 상기 초점 심도가 상기 전극조립체의 높이보다 작은 값을 갖는 경우에는, 상기 레이저 광이 상기 용접부에 도달하기 이전에 직경이 확산되어 상기 전극조립체에 조사될 수 있고, 그에 따라 상기 전극조립체가 레이저 광에 의해 간섭 및 손상될 수있는 문제가 있을 수 있다.

따라서, 상기 초점 심도의 크기는 상기 전극조립체의 높이보다 큰 값으로 이루어짐으로써, 상기 레이저 광이 상기 용접부에 도달하기 이전에 직경이 확산되지 않아 상기 전극조립체에 조사 및 간섭되는 것을 방지할 수 있다.

상기 초점 심도는 전극조립체의 높이의 200 내지 300 %의 크기로 이루어질 수 있다. 이는 상기 용접부에 초점이 형성되는 것을 기준으로 하며, 초점 심도는 상기 초점의 전후 길이로 형성되므로, 상기 초점 심도의 1/2의 값이 전극조립체의 높이의 100%와 같거나 초과하는 값을 만족하여야 한다.

본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 초점 심도는 120 mm 내지 180 mm의 크기일 수 있다.

상기 용접부에서의 레이저 광의 초점 직경은 0.3 mm 내지 0.4 mm의 크기일 수 있다. 상기 레이저 광의 초점 직경에 따라, 상기 밀착 부재의 중공 구조의 크기가 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 용접 장치는, 상기 전지케이스에 전극조립체가 내장된 상태에서 상부가 개방된 상태로 용접이 수행될 수 있다.

상기 전극조립체는 젤리-롤(jell roll)형 전극조립체로 이루어져 있을 수 있다.

상기 전극조립체의 권취축에는 중공 구조의 권심이 삽입되어 있을 수 있다.

상기 권심의 구체적인 예로서, 상기 권심의 외경은 3.4 mm 내지 3.6 mm일 수 있고, 내경은 2.9 mm 내지 3.1 mm의 크기로 이루어져 있을 수 있다. 상기 권심의 내경은 상기 밀착 부재의 크기에 따라 조정될 수 있다.

상기 밀착 부재는 상기 권심의 중공부에 삽입되어, 상기 음극 탭을 상기 전지케이스의 하단에 밀착시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 밀착 부재는 중공 구조의 관으로 이루어져 있을 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 밀착 부재를 상기 권심의 중공부로 용이하게 삽입하기 위해, 상기 밀착 부재는 상단으로부터 하단으로 수평면 상 단면적이 감소하는 테이퍼(taper) 구조로 이루어져 있을 수 있다.

상기 밀착 부재의 구체적인 예로서, 상기 밀착 부재의 최상단의 외경은 2.6 mm 내지 2.8 mm일 수 있고, 최하단의 외경은 2.1 mm 내지 1.9 mm일 수 있으며, 내경은 1.5 mm 내지 1.7 mm의 크기로 이루어져 있을 수 있다. 상기 밀착 부재의 내경은 상기 용접부에서의 레이저 광의 초점 직경에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 레이저 광은 밀착 부재의 길이 방향을 따라 형성되어 있는 개구를 통해 전지케이스의 상부에서 하부로 용접부에 조사되는 구조일 수 있다.

본 발명의 또 하나의 실시예에서, 상기 레이저 광은 전지케이스의 하부로부터 용접부에 조사되는 구조일 수 있다. 즉, 상기 레이저 광이 상기 밀착 부재의 중공 구조를 거치지 않고, 상기 전지케이스의 하부로부터 상기 전지케이스의 하단에 조사되어 상기 전지케이스의 하단과 상기 용접부를 용접하여 결합하는 구조일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 레이저 용접 장치로 제조되는 전지셀을 제공한다.

상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있고, 구체적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것일 수 있다.

이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는, 초점 심도가 일정 수치를 상회하는 비교적 큰 크기의 초점 심도를 갖는 레이저 광에 의해 음극 탭을 전지케이스의 하단 내면에 용접하여 결합함으로써, 용접 성능 및 품질의 균일성을 확보할 수 있고, 종래의 저항 용접 공정에 비해 소모재의 교체 비용을 절감할 수 있으며 제조 공정 시간을 감소할 수 있다.

도 1은 종래의 원통형 전지의 제조 공정 중 전극조립체로부터 형성된 음극 탭을 전지케이스의 하단에 저항 용접하여 결합하는 공정에 대한 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 모식도이다;
도 3은 도 2의 레이저 용접 장치에 의해 장(Wide) 초점 심도의 레이저 광이 조사되어 용접되는 전지의 단면도이다;
도 4는 도 2의 레이저 용접 장치에 의해 단(Narrow) 초점 심도의 레이저 광이 조사되어 용접되는 전지의 단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 모식이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 레이저 용접 장치(100)는 레이저 발진기(110), 콜리메이터(120), 집속 렌즈(130) 및 밀착 부재(140)로 이루어져 있다.

레이저 발진기(110)는 콜리메이터(120)로 레이저 광을 출사하고, 콜리메이터(120)는 레이저 발진기(110)로부터 입사된 레이저 광을 평행광으로 만들어 집속 렌즈(130)로 출사한다.

밀착 부재(140)는 원통형 전지(200)의 전극조립체(210)의 권취축(A)을 따라 화살표 방향으로 삽입되어 음극 탭(211)을 전지케이스(220)의 하단 내면에 밀착시키며, 길이 방향을 따라 개구(141)가 형성되어 있는 중공 구조의 관으로 이루어져 있다.

집속 렌즈(130)는 콜리메이터(120)로부터 입사된 레이저 광을 초점 심도가 80mm 이상이 되도록 음극 탭(211) 및 전지케이스(220)의 하단 내면의 접촉 부위인 용접부(230)에 레이저 광을 출사한다. 집속 렌즈(130)로부터 출사된 레이저 광은 밀착 부재(140)의 길이 방향을 따라 형성된 개구(141)를 통과하여 용접부(230)에 조사된다.

원통형 전지(200)는 전지케이스(220)에 전극조립체(210)가 내장된 상태에서 상부가 개방된 상태로 용접이 수행된다. 전극조립체(210)는 젤리-롤형 구조로 이루어져 있고, 전극조립체(210)의 권취축(A)에는 중공 구조의 권심(212)이 삽입되어 있다.

권심(212)의 외경(W1)은 3.6 mm의 크기로 이루어져 있고, 내경은(W2)은 2.9 mm의 크기로 이루어져 있다. 권심(212)의 내경(W2)은 밀착 부재(140)의 외경(W3)에 따라 조정될 수 있다.

밀착 부재(140)는 권심(212)의 중공 부위에 삽입되어 음극 탭(211)을 전지케이스(220)의 하단 내면에 밀착시킨다. 밀착 부재(140)는 상단으로부터 하단으로 수평면 상 단면적이 감소하는 테이퍼 구조로 이루어져 있다.

밀착 부재(140)의 최상단의 외경(W3)은 2.7 mm의 크기로 이루어져 있고, 최하단의 외경(W4)은 2.0 mm의 크기로 이루어져 있으며, 내경(W5)은 1.6 mm의 크기로 이루어져 있다. 밀착 부재(140)의 내경(W5)은 레이저 광의 초점 직경에 따라 조정될 수 있다.

레이저 광은 밀착 부재(140)의 길이 방향으로 따라 형성되어 있는 개구(141)를 통해 전지케이스(220)의 상부에서 하부로 용접부(230)에 조사된다.

도 3에는 도 2의 레이저 용접 장치에 의해 장(Wide) 초점 심도의 레이저 광이 조사되어 용접되는 전지의 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 2의 레이저 용접 장치에 의해 단(Narrow) 초점 심도의 레이저 광이 조사되어 용접되는 전지의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 도 2와 함께 참조하면, 초점 심도(L1)의 크기는 전극조립체(210)의 높이(H) 보다 크게 이루어져 있고, 전극조립체(210)의 높이(H)의 200%의 크기로 이루어져 있다.

용접부(230)에서의 레이저 광의 초점 직경(W6)은 0.5 mm의 크기로 이루어져 있다. 레이저 광은 초점 심도(L1)의 크기 범위 내에서 레이저 광의 직경(W6)은 0.6 mm의 크기를 초과하지 않는다. 따라서, 레이저 광은 밀착 부재(140)의 개구(141)를 통과하면서 별도의 접촉 없이 용접부(230)에 도달하므로, 전극조립체(210)에 간섭 및 손상을 유발하지 않는다.

초점 심도(L)는 식 1, L = 에 의해 산출된다. 초점 거리(f)는 300mm 내지 1000 mm의 크기로 이루어져 있고, 레이저 광의 파장(λ)은 1030 nm 내지 1070 nm의 크기로 이루어져 있으며, 콜리메이터(120)로부터 집속 렌즈(130)로 입사되는 레이저 광의 직경(D)은 2 mm 내지 5 mm 의 크기로 이루어져 있으며, 레이저 광의 광 품질 계수(M)는 039 내지 1.3의 크기로 이루어져 있다.

도 2 및 도 3을 포함하는 도면들에서는 초점 거리(f)와 레이저 광의 직경(D)의 크기를 상대적으로 과장하여 작게 또는 크게 나타내었다.

도 4에는 도 2의 레이저 용접 장치에 의해 단(Narrow) 초점 심도의 레이저 광이 조사되어 용접되는 전지의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다;

도 4를 도 2와 함께 도 3과 비교하여 참조하면, 도 4의 레이저 광의 초점 심도(L2)는 도 3의 레이저 광의 초점 심도(L1)에 비해 작은 크기 범위로 형성되어 있다. 그에 따라, 레이저 광이 밀착 부재(140)의 개구(141)를 별도의 접촉 없이 통과하지 못하고 전극조립체(210)에 접촉하여 전극조립체(210)에 손상을 유발한다.

이 같은 구조를 제외한 나머지 구조는, 도 2 및 도 3의 레이저 용접 장치의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 5에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 모식도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 레이저 장치(300)는 레이저 광을 전지케이스(420)의 하부(421)로부터 용접부(430)에 조사하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 레이저 광이 밀착 부재(340)의 중공 구조를 거치지 않고, 전지케이스(420)의 하부(421)로부터 전지케이스(420)의 하단에 조사되어 전지케이스(420)의 하단과 용접부(430)를 용접하여 결합하는 구조로 이루어져 있다.

이 같은 구조를 제외한 나머지 구조는, 도 2 및 도 3의 레이저 용접 장치의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이상, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 바탕으로 본 발명을 설명하였지만, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

1. 원통형 전지셀의 제조 공정 중에서 젤리-롤(jell roll)형 전극조립체의 음극 탭을 전지케이스의 하단에 용접하여 결합하는 레이저 용접 장치로서,
   레이저 광을 출사하는 레이저 발진기;
   상기 레이저 광을 평행광으로 만드는 콜리메이터(collimator);
   상기 콜리메이터로부터 입사된 레이저 광을 초점 심도가 80 mm 이상이 되도록 음극 탭 및 전지케이스의 하단 내면의 접촉 부위인 용접부에 출사하는 집속 렌즈(focus lens); 및
   전극조립체의 권취축을 따라 삽입되어 음극 탭을 전지케이스의 하단 내면에 밀착시키고, 상기 집속 렌즈를 경유하여 출사되는 레이저 광이 통과하는 중공 구조로 이루어진 밀착 부재;
   를 포함하고,
   상기 집속 렌즈의 초점 심도(L)는 하기 식 1로 산출되고,
   하기 초점 거리 f 는 300 mm 내지 1000 mm이고;
   하기 레이저 광의 파장 λ 는 1030 nm 내지 1070 nm이며;
   하기 입사 광의 직경 D 는 2 mm 내지 5 mm이고;
   하기 광 품질 계수 M 은 0.9 내지 1.3;이고,
   상기 밀착 부재는 중공 구조의 관으로, 전극조립체 권심의 중공부에 삽입되고,
   상기 레이저 광은 밀착 부재의 길이 방향을 따라 형성되어 있는 개구를 통해 전지케이스의 상부에서 하부로 용접부에 조사되고,
   상기 초점 심도의 크기는 전극조립체의 높이의 200 내지 300%여서, 레이저 광이 상기 밀착 부재의 개구를 통과하면서, 전극조립체와 별도의 접촉 없이 용접부에 도달하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치:
   L =

   

   (1)
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6. 제 1 항에 있어서, 상기 초점 심도는 120 mm 내지 180 mm인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 용접부에서의 레이저 광의 초점 직경은 0.3 mm 내지 0.4 mm인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스에 전극조립체가 내장된 상태에서 상부가 개방된 상태로 용접이 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 권취축에는 중공 구조의 권심이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 권심의 외경은 3.4 mm 내지 3.6 mm이고, 내경은 2.9 mm 내지 3.1 mm인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
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14. 제 1 항에 있어서, 상기 밀착 부재는 상단으로부터 하단으로 수평면 상 단면적이 감소하는 테이퍼(taper) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 밀착 부재의 최상단의 외경은 2.6 mm 내지 2.8 mm이고, 최하단의 외경은 2.1 mm 내지 1.9 mm이며, 내경은 1.5 mm 내지 1.7 mm인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
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