KR102252162B1 - Methode and Apparatus of pouch sealing using by laser and glass as light guide panel - Google Patents

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KR102252162B1 KR1020190154039A KR20190154039A KR102252162B1 KR 102252162 B1 KR102252162 B1 KR 102252162B1 KR 1020190154039 A KR1020190154039 A KR 1020190154039A KR 20190154039 A KR20190154039 A KR 20190154039A KR 102252162 B1 KR102252162 B1 KR 102252162B1
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Abstract

The present invention relates to a method and a device for sealing a pouch using laser light and a glass light guide plate, which have: a technical configuration having a relatively high light absorptivity of about 15% in the 808 nm wavelength band, although aluminum often used as a metal foil material in a pouch often used as an encapsulation material for a lithium secondary battery has a very low laser light absorption rate; condense a plurality of laser light sources so that a polymer resin for a skin can be transmitted through; directly heat the metal foil; and adhere the glass light guide plate with a pressure element.

Description

레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착방법과 장치{Methode and Apparatus of pouch sealing using by laser and glass as light guide panel}Method and Apparatus of pouch sealing using by laser and glass as light guide panel}

본 발명은 외피용 폴리머수지와 금속 포일, 내피용 폴리머수지 등으로 구성된 봉지 소재인 파우치를 접합하는 기술 분야이다. The present invention is a technical field in which a pouch, which is a sealing material composed of a polymer resin for an outer skin, a metal foil, and a polymer resin for an inner skin, is bonded.

본 발명은 외피용 폴리머수지를 투과하는 파장대의 레이저광을 유리 도광판으로 전송하여 파우치의 중간에 위치한 금속포일을 직접 가열하고 유리 도광판을 가압 소자로 사용하는 방식으로 열융착하는 방법 및 장치이며, 상세하게는 파우치의 금속포일 소재로 많이 사용하는 알루미늄은 대부분이 레이저광 흡수율이 아주 낮으나, 808nm 파장 주변 대역에서 약 15%의 상대적으로 높은 광흡수율을 가지는 기술적 특성을 이용하는 구성과 복수개의 레이저 광원을 집광시켜 외피용 폴리머수지를 투과하여 금속포일을 직접 가열하여 유리 도광판을 가압 융착시키는 레이저광과 유리 도광판을 이용한 파우치 융착방법과 장치에 관한 것이다. The present invention is a method and apparatus for thermally fusion by transmitting a laser light in a wavelength band that transmits a polymer resin for an outer skin to a glass light guide plate, directly heating a metal foil located in the middle of a pouch, and using a glass light guide plate as a pressure element. Most of the aluminum, which is often used as a metal foil material for pouches, has a very low laser light absorption rate, but a configuration using a technical characteristic having a relatively high light absorption rate of about 15% in the 808nm wavelength band and condensing a plurality of laser light sources. The present invention relates to a method and apparatus for welding a pouch using a laser light and a glass light guide plate that pressurizes and bonds a glass light guide plate by directly heating a metal foil through a polymer resin for an outer skin.

얇은 알루미늄 등 금속포일을 중심으로 외피와 내피용 등 여러 종류의 폴리머수지 층으로 구성된 파우치는 주로 봉지형태로 사용되는데 특히 리튬 2차전지의 포장봉지로 많이 사용된다(도 1 : 파우치형 리튬 2차전지의 사진과 도 2 : 2차 전지용 파우치의 단면 구조도).Pouches composed of various types of polymer resin layers, such as outer and inner skins, centered on metal foils such as thin aluminum, are mainly used in the form of bags, but are particularly widely used as packaging bags for lithium secondary batteries (Fig. 1: Pouch-type lithium secondary A photograph of the battery and Fig. 2: A cross-sectional structure diagram of a pouch for a secondary battery).

포장봉지 형태로 만들기 위하여서는 파우치를 접합하는 공정이 필수인데, 두장의 파우치 양면에서 가열된 금속판을 기계적으로 가압하여 열융착하는 방법이 가장 보편적인 방법이다(도 3 : 파우치의 열융착 방법 설명).In order to form a packaging bag, a process of bonding the pouch is essential, and the most common method is a method of mechanically pressing a heated metal plate from both sides of the two pouch to heat-sealing the pouch (Fig. 3: Description of the thermal bonding method of the pouch). .

파우치 내부 금속포일의 종류나 외피와 내피를 구성하는 폴리머수지들은 각각 용도에 맞는 특성을 가진 종류들로 구성되며, 내피용 폴리머수지는 외피용 폴리머수지보다 융점이 낮고 반드시 열가소성 수지를 사용하여야 열융착이 가능하다.The type of metal foil inside the pouch or the polymer resins that make up the outer and inner skins are composed of types with characteristics suitable for each purpose.The polymer resin for inner skin has a lower melting point than the polymer resin for outer skin, and a thermoplastic resin must be used for thermal fusion. This is possible.

이러한 가열된 금속판을 이용한 고전적인 열융착 공정의 열전달 경로를 살펴보면, 가장 고온인 가열된 금속판에서 다층의 외피용 폴리머수지와 금속포일을 거쳐 내피용 열가소성 수지에 이르게 되는데, 내피용 폴리머수지의 열융점 온도 이상으로 가열하여야 하고, 융착에 필요한 소정의 시간을 유지하여야 비로소 열융착이 완성된다(도 4 : 파우치의 열전달 경로).Looking at the heat transfer path of the classical thermal fusion process using such a heated metal plate, the heated metal plate at the highest temperature reaches the thermoplastic resin for the inner skin through the multi-layered polymer resin for the skin and the metal foil, which is the thermal melting point of the polymer resin for the inner skin. Heat must be heated above the temperature, and only when a predetermined time required for fusion is maintained to complete thermal fusion (Fig. 4: heat transfer path of the pouch).

이때 외피용 폴리머수지는 가급적 열변형이 적어야 하며 열융점 온도도 내피용 폴리머수지보다 높아야 한다.At this time, the polymer resin for the skin should have as little heat deformation as possible, and the temperature of the hot melting point should be higher than that of the polymer resin for the inner skin.

당초 사용 목적에 적합한 폴리머수지들도 이러한 열특성들을 만족해야 하므로 재료 선정의 폭이 제한되고, 반드시 외피에서 가열하여야 하므로 열융착에 소요되는 시간을 단축하는데 한계가 있고 신속하게 응고하기 위한 별도의 냉각 수단이 없는 문제점이 있다.Polymer resins suitable for the original purpose of use also have to satisfy these thermal characteristics, so the width of material selection is limited, and since it must be heated in the outer shell, there is a limit to shortening the time required for thermal fusion, and separate cooling for rapid solidification There is a problem with no means.

융착시간을 줄이기 위하여 가열대상인 금속판의 온도를 상승시키면 외피용 폴리머수지의 열변형이 먼저 일어나게 되어 가열대상 금속판의 온도상승은 제한적 일 수 밖에 없으므로 효율적인 가열을 이룰 수 없는 문제점이 있다.If the temperature of the metal plate to be heated is increased in order to reduce the fusion time, the thermal deformation of the polymer resin for the shell occurs first, so that the temperature increase of the metal plate to be heated is inevitably limited, so there is a problem that efficient heating cannot be achieved.

공개특허공보 제10-2014-0050293호Unexamined Patent Publication No. 10-2014-0050293

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 파우치의 외피용 폴리머수지는 투과하고 알루미늄 포일에서 광흡수율이 상대적으로 높은 파장대의 레이저광을 유리 도광판으로 전송하여 파우치의 중앙 금속포일을 직접 가열하고, 유리 도광판을 가압 소자로 사용함으로써 파우치의 가압 융착 특성을 개선하고 공정시간을 줄이는데 있다.The problem to be solved of the present invention is to directly heat the center metal foil of the pouch and press the glass light guide plate by transmitting the laser light of the wavelength band having a relatively high light absorption rate from the aluminum foil to the glass light guide plate by transmitting the polymer resin for the outer shell of the pouch. By using it as a device, it is to improve the pressure-fusing characteristics of the pouch and reduce the processing time.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 파우치의 금속포일 소재로 많이 사용하는 알루미늄이 대부분의 레이저광 흡수율이 아주 낮으나, 808nm 파장 주변 대역(800nm 내지 820nm사이의 파장 대역)에서 약 15%의 상대적으로 높은 흡수율을 가지는 다이오드 레이저를 사용하여 효율적으로 금속포일을 가열하여 가압 융착 시간을 줄이는데 있다. Another problem to be solved by the present invention is that aluminum, which is widely used as a metal foil material for a pouch, has a very low absorption rate of most of the laser light, but is relatively about 15% in the 808nm wavelength band (wavelength band between 800nm and 820nm). The purpose is to reduce the pressure and fusing time by efficiently heating the metal foil by using a diode laser having a high absorption rate.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 융착 시간을 줄이기 위하여, 파우치 투입 후, 파우치를 가압 융착하기 전 설정된 시간 동안 금속포일을 예열한 후 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 상부 및 하부 유리 도광판으로 가압 융착하는 파우치 융착방법과 장치를 제공하는데 있다.Another problem to be solved by the present invention is to reduce the fusing time, after inserting the pouch, preheating the metal foil for a set period of time before pressing and fusing the pouch, and then transmitting and heating the upper and lower glass light guide plates using laser light. It is to provide a method and apparatus for fusing a pouch by pressing and fusing the upper and lower glass light guide plates.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 레이저광의 시간적인 조절특성을 이용하여 파우치의 내피용 폴리머수지를 가열 융착시킨 다음에 레이저의 세기를 적절하게 조절하거나 오프(off)시키되, 가압용 유리 도광판은 가압상태로 유지하면서 융착된 수지를 빨리 경화되게 하여 융착특성을 개선시키며 융착시간을 단축시키는데 있다. Another problem to be solved of the present invention is to appropriately adjust or turn off the intensity of the laser after heating and fusing the polymer resin for the inner skin of the pouch using the temporal control characteristic of the laser light, but the pressure glass light guide plate is The purpose is to quickly cure the fused resin while maintaining it under pressure to improve fusion properties and shorten fusion time.

본 발명 과제의 해결 수단은 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치에 있어서, 파우치를 구성하는 금속포일을 가열하기 위한 레이저와, 가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 융착하기 위한 유리 도판관으로 구성된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.In the pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate, the solution of the present invention is a laser for heating a metal foil constituting a pouch, and a glass for fusing the resin for the inner skin of the pouch dissolved by the heated metal foil. It is to provide a pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate composed of a light guide tube.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로 유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성된 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.As a solution to another problem of the present invention, the glass light guide plate provides a pouch fusing device using a glass light guide plate made of a fused silica material having high transmittance of laser light, excellent abrasion resistance, and low expansion rate.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 레이저로 금속포일을 가열할 때, 가열시간을 단축하기 위하여 레이저광이 유리 도광판으로 전송된 후, 외피용 폴리머수지를 투과하여 금속포일을 직접 가열하도록 구성된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.In order to shorten the heating time when heating a metal foil with a laser, a solution to another problem of the present invention is a laser configured to directly heat the metal foil by transmitting the laser light to the glass light guide plate, and then transmitting the polymer resin for the skin. It is to provide a pouch fusing device using and a glass light guide plate.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로 금속포일의 재질은 알루미늄이고, 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 광 흡수율이 상대적으로 높은 800㎚ 내지 820㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성함으로써 금속포일의 가열시간을 단축시킬 수 있는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.As a solution to another problem of the present invention, the material of the metal foil is aluminum, and the wavelength of the laser light source is composed of a diode laser having a wavelength between 800 nm and 820 nm, which has a relatively high light absorption rate of the aluminum metal foil. It is to provide a pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate that can shorten the heating time of a metal foil.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로 레이저 출력은 파우치 열융착 효율을 향상시키고, 융착 공정의 시간을 단축하기 위하여 초기 소정기간 동안에 높게 입력하고, 후기 소정 기간동안에는 서서히 낮게 입력되도록 구성된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.As a solution to another problem of the present invention, the laser output is configured to be input high during the initial predetermined period in order to improve the pouch thermal fusing efficiency and shorten the time of the fusing process, and gradually low during the later predetermined period. It is to provide a pouch fusing device using.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 레이저는 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 출력 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 열분포 형상을 구현된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.As a solution to another problem of the present invention, the laser is composed of a plurality of diode laser arrays, and by controlling the output intensity of each diode laser differently in the plurality of diode laser arrays, a laser having a spatially different heat distribution shape and It is to provide a pouch fusing device using a glass light guide plate.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 레이저는 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로부터 발생한 레이저광을 집광하기 위한 원통형 렌즈의 광학계를 복수개의 다이오드 레이저 어레이와 유리 도광판 사이에 설치된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.As a solution to another problem of the present invention, the laser is composed of a plurality of diode laser arrays, and an optical system of a cylindrical lens for condensing laser light generated from the plurality of diode laser arrays is interposed between the plurality of diode laser arrays and the glass light guide plate. It is to provide a pouch fusing device using an installed laser and a glass light guide plate.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 융착 시간을 줄이기 위하여, 파우치 투입 후, 파우치를 가압 융착하기 전에 설정된 시간 동안 금속포일을 예열한 후 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 상부 및 하부 유리 도광판으로 가압 융착시키는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치를 제공하는데 있다.In order to reduce the fusing time of the present invention, the metal foil is preheated for a set period of time after the pouch is inserted and the pouch is press-fused, and then transmitted through the upper and lower glass light guide plates using laser light to heat the pouch. It is to provide a pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate that pressurizes the upper and lower glass light guide plates.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법에 있어서, 레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계와, 가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계를 포함하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법을 제공하는데 있다.In the pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate, a solution to another problem of the present invention includes the step of heating a metal foil by transmitting the laser light through the glass light guide plate, and for the inner skin of the pouch dissolved by the heated metal foil. It is to provide a pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate including the step of fusing a resin by pressing it with a glass light guide plate positioned at the upper and lower portions.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계에서, 금속포일의 재질은 알루미늄이고, 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 광 흡수율이 상대적으로 높은 800㎚ 내지 820㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성된 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법을 제공하는데 있다.In the step of heating the metal foil by transmitting the laser light through the glass light guide plate, the solution to another problem of the present invention is that the material of the metal foil is aluminum, and the wavelength of the laser light source is relatively light absorption rate of the aluminum metal foil. It is to provide a pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate composed of a diode laser having a high wavelength between 800 nm and 820 nm.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 상부와 하부에 위치한 유리 도광관으로 가압하여 융착하는 단계에서, 유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성된 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to solve the problem of the present invention in the step of pressing and fusing with glass light guides located at the top and bottom, the glass light guide plate is made of a fused silica material having high transmittance of laser light, excellent abrasion resistance, and low expansion rate. It is to provide a pouch fusion method using a light guide plate.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서, 레이저 광은 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 레이저 출력의 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 열구배 형상을 구현할 수 있는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법을 제공하는데 있다.The solution to another problem of the present invention is in the step of pressing and fusing with glass light guide plates located on the upper and lower sides, the laser light is composed of a plurality of diode laser arrays, and the laser output of each diode laser from the plurality of diode laser arrays. It is to provide a pouch fusion method using a laser and a glass light guide plate that can achieve spatially different thermal gradient shapes by controlling the intensity of the differently.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서는, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 금속포일을 가열하여 가압 융착한 상태에서 신속히 응고시켜 안정된 접착이 유지되도록 복수개의 다이오드 레이저 출력의 세기를 줄이거나 또는 오프하여 소정의 시간을 유지하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법을 제공하는데 있다.In the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom as a solution to another problem of the present invention, the metal foil is heated with a plurality of diode laser arrays to rapidly solidify in a press-fused state to maintain stable adhesion. It is to provide a pouch welding method using a laser and a glass light guide plate that maintains a predetermined time by reducing or turning off the intensity of two diode laser outputs.

본 발명은 리튬 2차 전지의 봉지소재로 사용되는 파우치의 외피용 폴리머수지를 투과하는 파장대의 레이저광을 퓨즈드 실리카 재질의 유리 도광판으로 전송하여 파우치의 중앙에 위치한 금속포일을 직접 가열하고 유리 도광판을 가압 소자로 사용함으로써 파우치 가압 융착 시간을 줄일 수 있는 상승된 효과가 있다.The present invention transmits the laser light of the wavelength band that transmits the polymer resin for the outer shell of the pouch used as an encapsulation material of a lithium secondary battery to a glass light guide plate made of fused silica to directly heat the metal foil located in the center of the pouch, and the glass light guide plate By using as a pressing element, there is an increased effect that can reduce the pouch pressing and fusing time.

또한, 본 발명은 파우치의 금속포일 소재로 많이 사용하는 알루미늄이 레이저광 흡수율이 아주 낮으나, 808nm 파장 주변 대역(800nm 내지 820nm사이의 파장 대역)에서 약 15%의 상대적으로 높은 흡수율을 가지는 다이오드 레이저를 사용하여 효율적으로 금속포일을 가열하여 가압 융착 시간을 줄일 수 있는 유리한 효과가 있다.In addition, the present invention provides a diode laser having a relatively high absorption rate of about 15% in a band around 808 nm wavelength (wavelength band between 800 nm and 820 nm), although aluminum, which is widely used as a metal foil material for pouch, has a very low laser light absorption rate. It has an advantageous effect of reducing the pressure welding time by efficiently heating the metal foil by using it.

본 발명의 또 다른 효과는 파우치 투입 후, 파우치를 가압 융착하기 전에 설정된 시간 동안 금속포일을 예열한 후, 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 상부 및 하부 유리 도광판으로 가압 융착함으로써 파우치 재질의 변형없이 가압 융착 시간을 줄일 수 있는 유리한 효과가 있다.Another effect of the present invention is that the metal foil is preheated for a set period of time after the pouch is inserted and the pouch is press-fused, and then pressurized to the upper and lower glass light guide plates while heating by transmitting and heating the upper and lower glass light guide plates using laser light. By doing so, there is an advantageous effect of reducing the pressure welding time without deformation of the pouch material.

본 발명의 또 다른 효과는 레이저광의 시간적인 조절특성을 이용하여 파우치의 내피용 폴리머수지가 융착된 다음에, 레이저의 세기를 적절하게 조절하거나 오프(off)시키되, 가압용 유리 도광판은 가압상태로 유지하면서 융착된 수지를 빨리 경화(응고)되게 하여 융착특성을 개선시키며 융착시간을 단축시키는 유리한 효과가 있다. Another effect of the present invention is that after the polymer resin for the inner skin of the pouch is fused using the temporal control characteristic of the laser light, the intensity of the laser is appropriately adjusted or turned off, but the pressure glass light guide plate is in a pressurized state. While maintaining, it has an advantageous effect of quickly curing (solidifying) the fused resin to improve fusion properties and shorten fusion time.

도 1은 2차 전지의 봉지용 파우치의 사진이다.
도 2은 2차 전지의 봉지용 파우치 구조도이다.
도 3는 통상적인 파우치 열융착 방법을 도시한 것이다.
도 4는 가열금속판 방식의 통상적인 파우치의 가압 열융착 때 열전달 경로를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 유리 도광판과 레이저 광을 이용한 파우치 융착 방법 구조도를 도시한 것이다.
도 6는 파장별 금속의 흡수율을 도시한 것이다.
도 7는 유리 종류별 물리적 특성을 나타낸 것이다.
도 8은 종래의 파우치 열융착 방법과 대비하여 본 발명에 따른 레이저와 유리도광판을 이용한 열융착 방법의 시간 특성을 도시한 것이다.
도 9은 복수개의 레이저 어레이를 제어하여 공간적인 형상을 구현하는 하나의 예이다.
1 is a photograph of a pouch for sealing a secondary battery.
2 is a structural diagram of a pouch for sealing a secondary battery.
3 shows a conventional pouch thermal welding method.
4 is a diagram showing a heat transfer path when a conventional pouch of a heated metal plate type is pressed and heat-sealed.
5 is a structural diagram of a pouch fusion method using a glass light guide plate and laser light according to the present invention.
6 shows the absorption rate of the metal for each wavelength.
7 shows the physical properties of each glass type.
Figure 8 shows the time characteristics of the thermal welding method using a laser and a glass light guide plate according to the present invention compared to the conventional pouch thermal welding method.
9 is an example of implementing a spatial shape by controlling a plurality of laser arrays.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다. Look at the specific content for carrying out the present invention.

본 발명은 파우치의 외피용 폴리머수지를 투과하는 파장대의 레이저광을 유리 도광판으로 전송하여 파우치의 중앙에 위치한 금속포일을 직접 가열하고, 유리 도광판을 가압 소자로 사용하는 방식의 열융착하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention is a method and apparatus for thermal welding in a method of directly heating a metal foil located in the center of the pouch by transmitting laser light in a wavelength band that transmits the polymer resin for the outer shell of a pouch to a glass light guide plate, and using the glass light guide plate as a pressing element. It is about.

얇은 알루미늄 등의 금속포일을 중심으로 외피와 내피용 등 여러 종류의 폴리머수지 층으로 구성되는 파우치는 주로 봉지형태로 사용되며, 특히 리튬 2차 전지의 포장봉지로 많이 사용된다.Pouches composed of various types of polymer resin layers, such as outer and inner layers, centered on a thin aluminum foil, are mainly used in the form of bags, and are especially used as packaging bags for lithium secondary batteries.

파우치 내의 금속포일의 종류나 외피와 내피를 구성하는 폴리머수지들은 각각 용도에 맞는 특성을 가진 종류들로 구성되며, 내피용 폴리머수지는 반드시 열가소성 수지를 사용하여야 가열에 의한 열융착이 가능하다.The types of metal foils in the pouch, or polymer resins that make up the outer and inner skins are composed of types with characteristics suitable for each purpose, and the polymer resin for inner skin must be made of a thermoplastic resin in order to be heat-sealed by heating.

종래 널리 사용된 가압 열융착 공정의 열전달 경로를 살펴보면, 가장 고온으로 가열된 금속판에서 다층의 외피용 폴리머수지와 금속포일을 거쳐 내피용 열가소성 수지에 열이 전달되는데, 내피용 폴리머수지의 열융점 온도 이상으로 가열하여야 하고, 가압 열융착에 필요한 소정의 시간을 유지하여야 비로소 파우치의 열융착이 완성된다.Looking at the heat transfer path of the conventionally widely used pressurized thermal fusion process, heat is transferred from the metal plate heated to the highest temperature to the thermoplastic resin for the inner skin through the multi-layered polymer resin for the skin and the metal foil. It must be heated above, and only when a predetermined time required for pressurized thermal bonding is maintained to complete the thermal bonding of the pouch.

이러한 종래기술들은 당초 사용 목적에 적합한 폴리머수지들의 열특성을 만족하여야 하므로 재료 선정의 폭이 제한되고, 반드시 외피에서 가열하는 구성이므로 열융착에 소요되는 시간을 단축하는데 한계가 있다.These prior art technologies have to satisfy the thermal characteristics of polymer resins suitable for the original purpose of use, so the width of material selection is limited, and since they are always heated in the outer shell, there is a limit to shortening the time required for thermal fusion.

또한, 종래기술의 경우에 가압 융착시간을 줄이기 위하여 가열대상인 금속판의 온도를 상승시키면, 외피용 폴리머수지의 열변형이 먼저 일어나게 되어 가열대상 금속판의 온도상승은 제한적일 수 밖에 없으므로 효율적인 가열을 이룰 수 없는 문제점이 있다.In addition, in the case of the prior art, if the temperature of the metal plate to be heated is increased to reduce the pressurization time, the heat deformation of the polymer resin for the shell occurs first, so that the temperature rise of the metal plate to be heated is limited, so efficient heating cannot be achieved. There is a problem.

상기와 같은 문제점으로 인하여 파우치 접합공정은 시간단축이 안 되는 병목 공정이다. 그 결과 생산 지연에 따른 생산 단가 상승을 유발시키는 원인이 된다. Due to the above problems, the pouch bonding process is a bottleneck process that does not shorten the time. As a result, it is the cause of production cost increase due to production delay.

본 발명은 2차전지의 봉지로 사용되는 파우치의 융착방법과 장치에 관한 것이다. 파우치는 2차전지 봉지 뿐만 아니라 식품포장 등에도 널리 사용된다. The present invention relates to a method and apparatus for fusing a pouch used as a sealing of a secondary battery. Pouches are widely used not only for rechargeable battery bags but also for food packaging.

2차 전지의 종류는 파우치형, 원통형 및 각형으로 나누어지는데 산업에서 가장 많은 물량이 파우치형 전지이다.Types of secondary batteries are divided into pouch-type, cylindrical, and square types, and the largest amount in the industry is pouch-type batteries.

본 발명은 앞서 기술한 종래기술의 문제점을 모두 해결한 것으로 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착방법과 장치에 관한 것이다. The present invention is directed to a pouch fusing method and apparatus using a laser and a glass light guide plate to solve all the problems of the prior art described above.

구체적인 실시 예를 살펴본다. It looks at a specific embodiment.

<실시 예><Example>

본 발명의 구체적인 실시 예를 도면, 다양한 이론적 설명 및 구성들에 기초하여 살펴본다.A specific embodiment of the present invention will be described on the basis of the drawings, various theoretical descriptions, and configurations.

본 발명의 명세서 상의 용어 중에서, 금속포일을 가열할 때 사용하는 '레이저'는 보다 구체적으로 '다이오드 레이저 어레이', '다이오드 레이저' 또는 '레이저' 등으로 용어의 길이를 단축하여 혼용 사용하며, 모두 금속포일을 가열하기 위한 '레이저 광원'을 지칭하는 것으로 동일 내지 실질적으로 동일한 의미이다.Among the terms in the specification of the present invention,'laser' used when heating a metal foil is more specifically'diode laser array','diode laser', or'laser', and the length of the term is shortened and used interchangeably. It refers to a'laser light source' for heating the metal foil and has the same to substantially the same meaning.

본 발명의 명세서 상에서 상부, 하부는 도면을 기준으로 기재한 것으로 다양한 변형이 가능하다. In the specification of the present invention, the upper and lower portions are described based on the drawings, and various modifications are possible.

파우치의 열융착은 가열과 동시에 가압을 하여야 하는 구조가 필요하며, 본 발명은 열융착시간을 단축하기 위하여 외피용 폴리머수지는 투과하는 파장의 레이저광을 이용하여 금속포일을 직접 가열하여 내피용 폴리머수지를 용해시켜서 압력을 가하여 융착시키는 것이다.The heat fusion of the pouch requires a structure to be pressed at the same time as heating, and in the present invention, in order to shorten the heat fusion time, the polymer resin for the skin directly heats the metal foil by using a laser light of a wavelength that transmits. By dissolving the resin and applying pressure, it is fused.

파우치의 금속포일 소재로 많이 사용하는 알루미늄은 일반적으로 레이저광 흡수율이 아주 낮으나, 808nm 파장 주변 대역(800nm 내지 820nm사이의 파장 대역)에서 약 15%의 상대적으로 높은 흡수율을 가진다.Aluminum, which is widely used as a metal foil material for pouch, generally has a very low absorption rate of laser light, but has a relatively high absorption rate of about 15% in the 808nm wavelength band (wavelength band between 800nm and 820nm).

도 6은 파장별 금속의 흡수율을 도시한 것이다.6 shows the absorption rate of metal by wavelength.

도 6에서 알 수 있듯이, 알루미늄(Al)은 808nm 파장 주변 대역에서 흡수율이 약 15% 로 다른 파장과 비교하여 상대적으로 높은 흡수율을 나타내고 있다. As can be seen from FIG. 6, aluminum (Al) has an absorption rate of about 15% in a band around the 808 nm wavelength, which shows a relatively high absorption rate compared to other wavelengths.

파우치는 일반적으로 두께가 100um 내외의 얇은 폴리머수지 층이므로 자체의 열용량은 그다지 크지 않아 레이저광으로도 고속의 열융착이 가능하다.The pouch is generally a thin polymer resin layer with a thickness of about 100 μm, so its own heat capacity is not very large, so high-speed thermal bonding is possible even with laser light.

808nm 사이의 파장 대역을 가진 레이저는 고출력 반도체 레이저로 적절한 광학계를 이용하여 유리 도광판의 입사면에 집광하면 효율적으로 금속포일의 가열이 가능하므로 내피용 폴리머수지를 용해시켜 접착시키는 열융착 광원으로 바람직하다. A laser with a wavelength band between 808nm is a high-power semiconductor laser, and it is preferable as a heat-fusion light source that melts and bonds the polymer resin for the inner skin because it can efficiently heat the metal foil by condensing it on the incident surface of the glass light guide plate using an appropriate optical system. .

파우치를 열융착하기 위한 충분한 세기의 레이저광은 가열 금속판에 비하여 장치가 다소 복잡하고 비용이 많이 소요되는 방법 또는 기술적 구성이나, 순간적인 온도구배를 구현할 수 있으며, 공간적으로도 온도 특성을 다르게 구현하는 것이 용이한 등의 상승된 효과가 있다.The laser light of sufficient intensity to heat-sealing the pouch is a method or technical configuration that requires a little more complexity and cost compared to the heated metal plate, but can implement an instantaneous temperature gradient, and also implements different temperature characteristics spatially. There are increased effects such as ease of use.

본 발명에 따른 레이저 광원을 사용한 파우치의 가압 열융착의 경우에 시간 및 공간의 온도특성을 제어하는 것이 용이하다.It is easy to control the temperature characteristics of time and space in the case of pressure heat fusion of a pouch using a laser light source according to the present invention.

알루미늄 포일을 사용하는 파우치의 열융착은 복수 개의 800nm 내지 820nm사이 파장 대역을 가진 다이오드 레이저 어레이를 사용하여 소정의 면적을 가진 유리 도광판면에 집광시켜 입사시킬 때 유리 도광판 측면을 전반사로 진행하면서 반대편에는 입사면 보다 균질한 광으로 출사된다.Thermal fusion of a pouch using aluminum foil is performed by using a plurality of diode laser arrays having a wavelength band between 800 nm and 820 nm to condense and incident on the surface of a glass light guide plate having a predetermined area, while proceeding with total reflection on the side of the glass light guide plate and on the other side. It emits light that is more homogeneous than the incident surface.

복수 개의 다이오드 레이저 어레이에서 출사되는 레이저광을 효율적으로 집광하기 위한 원통형 렌즈 어레이(cylindrical lens array)들로 구성된 광학장치(도 4의 광학장치)를 이용하여 복수개의 다이오드 레이저 출력을 금속포일의 설정된 면적에 집광시킬 수 있다. Using an optical device (optical device in Fig. 4) composed of cylindrical lens arrays for efficiently condensing laser light emitted from a plurality of diode laser arrays, the output of a plurality of diode lasers is converted to a set area of the metal foil. Can be condensed.

유리 도광판의 입사면과 출사면은 광학연마 되어 있고 입사면은 800nm 내지 820nm사이 파장 대역에서 광대역 무반사 코팅을 하여 광전송율을 높일 수 있도록 제작된다.The incident surface and the exit surface of the glass light guide plate are optically polished, and the incident surface is manufactured to increase the optical transmission rate by applying a broadband anti-reflective coating in the wavelength band between 800 nm and 820 nm.

유리 도광판의 재질은 광학적 특성, 기계적 특성 및 열특성 등을 고려하여 재질을 선정하여야 한다. The material of the glass light guide plate should be selected in consideration of optical properties, mechanical properties, and thermal properties.

퓨즈드 실리카(Fused silica) 계열의 유리가 가시광선-근적외선(600nm-1.5um 대역) 영역에서 광투과도가 우수하고, 내마모성이 우수하며, 특히 열팽창계수가 낮아 급격한 온도변화에도 손상이 없어 본 발명에 필요한 유리 도광판의 재질로 가장 바람직하다.Fused silica-based glass has excellent light transmittance in the visible-near-infrared (600nm-1.5um band) range, has excellent abrasion resistance, and has a low coefficient of thermal expansion, so it is not damaged even by rapid temperature changes. It is the most preferable material for the required glass light guide plate.

도 7는 유리 종류별 물리적 특성을 나타낸 것이다.7 shows the physical properties of each glass type.

도 7에 표시된 바와 같이, 퓨즈드 실리카(Fused silica) 계열의 유리는 B270 및 BK-7과 비교하여 내마모성이 우수하며, 특히 열팽창계수가 낮고, 광투과성 역시 96% 이상으로 우수하다. As shown in FIG. 7, the fused silica-based glass has excellent wear resistance compared to B270 and BK-7, in particular, has a low coefficient of thermal expansion, and has excellent light transmittance of 96% or more.

본 발명의 가장 상승된 효과는 종래의 가열된 금속판으로 파우치의 외피용 폴리머수지부터 가열하여 내피용 폴리머수지가 용융될 때까지 가열하는데 비하여 레이저광으로 금속포일을 직접 가열하여 내피용 수지를 용해시켜 가압 융착시키므로(외피용 폴리머수지는 투과) 파우치의 열융착 시간을 단축시킬 수 있으며, 공간적으로 광원인 복수개의 다이오드 레이저광 세기를 조절하여 두께나 형태가 서로 다른 구조의 파우치를 융착할 때 제품의 균질성을 높이고 불량을 줄일 수 있다. The most enhanced effect of the present invention is to dissolve the resin for the inner skin by directly heating the metal foil with laser light, compared to heating from the polymer resin for the outer skin of the pouch with a conventional heated metal plate until the polymer resin for the inner skin is melted. Because it is pressurized and bonded (the polymer resin for the skin is transparent), the heat bonding time of the pouch can be shortened, and the intensity of the plurality of diode laser light as a light source is spatially adjusted to It can increase homogeneity and reduce defects.

레이저광의 시간적인 조절특성을 이용하여 파우치의 내피용 폴리머수지가 용해된 다음에 레이저의 세기를 적절하게 조절하거나 오프(off)시키되, 가압용 유리 도광판을 가압상태로 유지하면서 용해된 수지를 빨리 경화되게 하여 융착특성을 개선시킴과 동시에 공정시간을 단축시킬 수 있다. Using the temporal control characteristic of the laser light, after the polymer resin for the inner skin of the pouch is dissolved, the intensity of the laser is appropriately adjusted or turned off, but the dissolved resin is quickly cured while maintaining the pressure glass light guide plate in a pressurized state. By doing so, it is possible to shorten the process time while improving the fusion properties.

종래에 사용된 가열금속판에서는 ms의 짧은 시간동안 온도변화를 시키는 것이 불가능하여 공정시간을 단축하는 것이 용이하지 않다.It is not easy to shorten the process time since it is impossible to change the temperature for a short time of ms in the conventionally used heating metal plate.

본 발명의 기술적 구성을 포함하고 있는 도 5를 구체적으로 살펴본다.5, which includes the technical configuration of the present invention, will be described in detail.

레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치의 열융착 장치는 상하(혹은 좌우) 2조로 구성되어 있다. 상부 다이오드 레이저 어레이(도5의 41)에서 출사된 레이저광(도5의 42)이 원통형 렌즈 어레이(cylindrical lens array) 들로 구성된 광학계(도5의 43)을 통과하여 유리 도광판(도5의 44)의 입사부에 집광되고, 유리 도광판 출사부는 열융착할 파우치들(도5의 45)의 상부와 하부 양쪽에서 소정의 힘과 간격으로 가압한다.The pouch thermal welding device using a laser and a glass light guide plate consists of two sets of top and bottom (or left and right). The laser light (42 in FIG. 5) emitted from the upper diode laser array (41 in FIG. 5) passes through an optical system (43 in FIG. 5) composed of cylindrical lens arrays and passes through the glass light guide plate (44 in FIG. 5). ), and the glass light guide plate exit portion is pressed at both the upper and lower portions of the pouches (45 in FIG. 5) to be heat-sealed with a predetermined force and interval.

상기 소정의 힘과 간격의 의미는 통상의 파우치를 제작할 때, 가압 융착 시 상부와 하부 유리 도광판이 서로 가압하는 압력의 정도와, 파우치를 가압하는 상부와 하부 유리 도광판사이의 간격을 의미한다. The meaning of the predetermined force and spacing means the degree of pressure that the upper and lower glass light guide plates press each other during press-fusing when manufacturing a conventional pouch, and the distance between the upper and lower glass light guide plates that press the pouch.

하부 파우치의 금속포일을 가열할 경우에도 앞서 도 5에 기초하여 살펴본 상부 파우치의 금속포일을 가열할 때와 동일하게 하부 다이오드 레이저 어레이 및 가압을 위한 유리 도광판으로 구성되어 있다.In the case of heating the metal foil of the lower pouch, it is composed of a lower diode laser array and a glass light guide plate for pressing in the same manner as when heating the metal foil of the upper pouch described above based on FIG. 5.

도 5에서와 같이, 본 발명은 다이오드 레이저의 전원장치(도5의 46), 다이오드 레이저의 냉각장치(도5의 47) 및 다이오드 레이저의 제어장치(도5의 48)를 포함하며, 이를 이용하여 소정의 시간동안 가압 열융착을 수행한다. As shown in Fig. 5, the present invention includes a diode laser power supply (46 in Fig. 5), a diode laser cooling unit (47 in Fig. 5), and a diode laser control unit (48 in Fig. 5), and uses the same. Thus, pressurized thermal fusion is performed for a predetermined period of time.

금속(알루미늄) 포일을 사용한 파우치는 파장 800nm 내지 820nm사이의 다이오드 레이저를 광원으로 사용하면 상대적으로 높은 광흡수 특성을 얻을 수 있다.A pouch using a metal (aluminum) foil can obtain relatively high light absorption characteristics when a diode laser having a wavelength of 800 nm to 820 nm is used as a light source.

즉, 이러한 파장을 가진 레이저 광원을 사용하여 금속포일을 직접 가열할 경우에, 파우치를 구성하는 금속(알루미늄) 포일의 가열하여 내피용 폴리머수지를 용해하는 시간을 단축하여 신속하게 내피용 수지를 가압 융착시켜 융착 공정을 신속하게 종료할 수 있다.That is, when the metal foil is directly heated using a laser light source having such a wavelength, the time to dissolve the polymer resin for the inner skin is shortened by heating the metal (aluminum) foil constituting the pouch, and the resin for the inner skin is quickly pressed. By fusing, the fusing process can be quickly terminated.

퓨즈드 실리카(Fused silica) 재질의 유리 도광판은 광학적 특성, 기계적 특성 및 열특성 등이 모두 우수한 장점이 있다.The glass light guide plate made of fused silica has excellent advantages in optical properties, mechanical properties, and thermal properties.

파우치를 구성하는 금속포일의 종류와 폴리머수지들의 특성을 고려하여 적절한 시간함수로 레이저광의 세기를 제어하며, 내피용 폴리머수지가 용융된 후에 레이저광 출력을 오프(off)시키거나 레이저광의 세기를 조절하면서, 유리 도광판은 가압상태로 유지할 경우에 내피용 폴리머수지의 응고(고체화)가 더 빨리 진행되어 접합 불량률을 감소시킬 수 있으며 전체적인 융착 공정시간을 단축시킬 수 있는 상승된 효과가 있다.The laser light intensity is controlled by an appropriate time function in consideration of the type of metal foil constituting the pouch and the characteristics of the polymer resins, and the laser light output is turned off or the laser light intensity is adjusted after the inner skin polymer resin is melted. In the meantime, when the glass light guide plate is kept under pressure, the solidification (solidification) of the inner skin polymer resin proceeds faster, reducing the bonding failure rate, and has an increased effect that can shorten the overall welding process time.

도 5에서, 도면 번호 50은 유리 도광판의 가압 및 위치제어장치를 나타낸 것이다. In FIG. 5, reference numeral 50 denotes a pressure and position control device for a glass light guide plate.

도 5에서, 도면 번호 44 및 54는 레이저광에 의하여 금속포일이 가열되어 용해된 폴리머수지를 가압 융착시키기 위한 상부 및 하부 유리 도광판(도5의 44, 54)를 나타낸 것이다.In FIG. 5, reference numerals 44 and 54 denote upper and lower glass light guide plates (44 and 54 in FIG. 5) for press-fusing the polymer resin melted by heating the metal foil by laser light.

다이오드 레이저에서 발생한 레이저광은 광학계(도5의 43)를 통과하면서 집광되어 유리 도광판을 투과하여 가열 대상인 금속포일을 직접 가열할 수 있도록 구성되어 있다. The laser light generated by the diode laser is condensed while passing through the optical system (43 in Fig. 5), and is configured to pass through the glass light guide plate to directly heat the metal foil to be heated.

도 5에서, 도면 번호 51은 외피용 폴리머수지이며, 도면 번호 52는 금속포일(알루미늄)이고, 도면 번호 53은 내피용 폴리머수지를 나타낸다.In Fig. 5, reference numeral 51 denotes a polymer resin for an outer skin, reference numeral 52 denotes a metal foil (aluminum), and reference numeral 53 denotes a polymer resin for an inner skin.

도 8은 종래의 파우치 열융착방법과 대비하여 본 발명에 따른 레이저광 열융착 방법의 시간 특성을 도시한 것이다.8 shows the temporal characteristics of the laser light thermal welding method according to the present invention compared to the conventional pouch thermal welding method.

도 8의 상부에 도시된 바와 같이, 종래(통상적인)의 가열된 금속판을 이용한 열융착 방법은 가열된 금속판으로 설정된 시간동안 가압을 수행하여야 함으로 응고를 위한 별도의 시간을 둘 수 없는 기술적 구성이다.As shown in the upper part of Fig. 8, the conventional (conventional) thermal fusion method using a heated metal plate is a technical configuration that does not allow a separate time for solidification because pressing must be performed for a set time with the heated metal plate. .

반면에, 본 발명에 따른 레이저광 열 융착 방법 및 장치를 이용할 경우에는 가압 융착하기 전에 예열을 위한 별도의 공정 또는 수단을 둘 수 있고, 레이저광을 이용하여 가열하면서 가압 융착을 수행하는 동안에도 레이저 출력의 세기를 동일하게 또는 시간에 따라 서로 다르게 제어하여 융착공정을 수행할 수 있으며, 응고를 위한 냉각공정을 별도로 둘 수 있다. On the other hand, in the case of using the laser light thermal welding method and apparatus according to the present invention, a separate process or means for preheating may be provided before pressure welding, and even during pressure welding while heating using laser light, the laser The fusion process can be performed by controlling the intensity of the output equally or differently according to time, and a cooling process for solidification can be provided separately.

응고공정 동안에는 다이오드 레이저 출력의 세기를 최대출력 대비하여 적게 또는 오프(off)한 후 설정된 시간동안 냉각시켜 신속하게 응고시킨다. During the solidification process, the intensity of the diode laser output is reduced or turned off compared to the maximum output, and then cooled for a set time to rapidly solidify.

도 8의 하부에 도시된 도면을 참조하면, 융착 시간을 줄이기 위하여, 파우치를 가압 융착하기 위하여 파우치(자재)를 투입한 후, 파우치를 가압 융착하기 전에 설정된 시간 동안 금속포일을 레이저광으로 예열한 후, 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 마주하도록 설치된 상부 및 하부 유리 도광판으로 상부 및 하부 파우치를 가압 융착하며, 마지막에 응고시키는 시간을 가지도록 구성하되, 가압 융착시키는 동안에 앞부분은 레이저 출력의 세기를 뒷부분 보다 높게 설정된 시간 동안 유지하며, 뒷부분은 레이저 출력의 세기를 서서히 낮아지도록 구성할 수 있다. Referring to the drawing shown in the lower part of FIG. 8, in order to reduce the fusing time, after inserting a pouch (material) to press fuse the pouch, the metal foil is preheated with laser light for a set period of time before pressing the pouch. Thereafter, the upper and lower pouch are press-fused with the upper and lower glass light guide plates installed to face each other while transmitting and heating the upper and lower glass light guide plates using laser light, and configured to have a time to solidify at the end. The front part maintains the intensity of the laser output for a set time higher than the back part, and the rear part can be configured to gradually decrease the intensity of the laser output.

본 발명과 같이 파우치의 가압 열융착을 수행할 경우에는 열융착을 위해 소요되는 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생산되는 제품의 품질을 균일하게 할 수 있고, 가열 과정에서의 재질의 변형을 방지하거나 최소화할 수 있는 유리한 효과가 있다. In the case of performing pressurized thermal bonding of the pouch as in the present invention, not only can the time required for thermal bonding be shortened, but also the quality of the produced product can be made uniform, and the deformation of the material during the heating process is prevented. It has a beneficial effect that can be minimized or minimized.

레이저는 복수개의 다이오드 레이저 어레이를 사용하게 되는데 각각의 출력세기를 제어하여 공간적으로 최적형상을 구현할 수 있는 장점이 있으며, 도 9는 이를 구체적으로 도시한 하나의 실시 예를 나타낸 것이다.The laser uses a plurality of diode laser arrays, and has the advantage of realizing an optimal shape spatially by controlling the output intensity of each, and FIG. 9 shows one embodiment specifically illustrating this.

도 9는 본 발명에 따른 복수개의 다이오드 레이저 어레이를 출력세기를 제어하여 공간적인 형상을 구현한 하나의 예를 나타낸 것이다. 9 shows an example of implementing a spatial shape by controlling the output intensity of a plurality of diode laser arrays according to the present invention.

도 9에서와 같이, 복수개의 다이오드 레이저(LD#1, LD#2, ㆍㆍㆍ LD#N)를 사용하여 가열 대상인 금속포일을 공간적(위치)으로 필요한 부분만을 가열할 수 있고, 각각의 공간에 서로 다른 출력세기로 가열할 수 있도록 조절할 수 있다. As shown in Fig. 9, by using a plurality of diode lasers (LD#1, LD#2, ㆍㆍㆍ LD#N), the metal foil to be heated can be heated spatially (position) and only the required part, each space It can be adjusted so that it can be heated with different power intensities.

보다 구체적으로, 도 9에서와 같이, 다이오드 레이저 어레이 중에서 LD#1 의 출력세기는 최대 출력의 50%로 제어하고, LD#2와 LD#3 등은 100%의 출력 세기로 제어하며, 마지막 다이오드 레이저(LD#N)의 출력세기는 최대 출력의 50%로 제어할 경우에 레이저 출력세기의 공간적 형상을 이차원적으로 나타내면 도 9의 하부와 같이 나타난다. More specifically, as shown in FIG. 9, the output strength of LD#1 in the diode laser array is controlled to 50% of the maximum output, and LD#2 and LD#3 are controlled to 100% of the output strength, and the last diode When the power intensity of the laser LD#N is controlled to 50% of the maximum power, the spatial shape of the laser power intensity is two-dimensionally represented as shown in the lower part of FIG. 9.

도 9에서, 복수개의 다이오드 레이저(LD#1, LD#2, LD#3ㆍㆍㆍ LD#N) 중에서 각각의 다이오드 레이저의 출력 세기는 각각의 다이오드 레이저에 공급되는 전류를 서로 다르게 및/또는 일부 동일하게 제어하여 서로 다르게 및/또는 일부 동일한 출력을 발생하도록 제어할 수 있다. 9, among a plurality of diode lasers (LD#1, LD#2, LD#3··· LD#N), the output intensity of each diode laser differs from the current supplied to each diode laser and/or It is possible to control to generate different and/or partially identical outputs by controlling some of the same.

각각의 다이오드 레이저의 출력 세기는 최대 출력을 기준으로 필요에 따라 50%이하, 50%, 60%, 70% ㆍㆍㆍ 100%로 제어할 수도 있다. The output intensity of each diode laser can be controlled to 50% or less, 50%, 60%, 70% ㆍㆍㆍ 100% as needed based on the maximum power.

앞서 기술한 기술적 구성을 바탕으로 본 발명을 보호받기 위한 보호 범위를 살펴본다.Based on the above-described technical configuration, look at the scope of protection for protecting the present invention.

레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치에 있어서, 파우치를 구성하는 금속포일을 가열하기 위한 레이저와, 가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 융착하기 위한 유리 도광판으로 구성되어 있다. In the pouch fusing apparatus using a laser and a glass light guide plate, it is composed of a laser for heating a metal foil constituting a pouch, and a glass light guide plate for fusing resin for an inner skin of a pouch dissolved by the heated metal foil.

본 발명의 하나의 실시 예로 유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성된다.In one embodiment of the present invention, the glass light guide plate is made of a fused silica material having high transmittance of laser light, excellent wear resistance, and low expansion rate.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 레이저로 금속포일을 가열할 때, 레이저광이 유리 도광판을 투과한 후, 외피용 폴리머수지를 투과하여 금속포일을 직접 가열하도록 구성되어 있다. In another embodiment of the present invention, when heating the metal foil with a laser, the laser light passes through the glass light guide plate, and then the metal foil is directly heated by passing through the polymer resin for the skin.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예로 금속포일의 재질은 알루미늄이고, 신속한 금속포일의 가열을 위하여 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 열 흡수율이 상대적으로 높은 800 ㎚ 내지 820 ㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성된다. In another embodiment of the present invention, the material of the metal foil is aluminum, and for rapid heating of the metal foil, the wavelength of the laser light source is between 800 nm and 820 nm in which the heat absorption rate of the aluminum metal foil is relatively high. It consists of an excitation diode laser.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예로 레이저 출력은 파우치 가압 열융착 효율을 향상시키고 융착 공정의 시간을 단축하기 위하여 초기 소정기간 동안에 높게 입력하고, 후기 소정 기간동안에는 서서히 낮게 입력할 수 있는 기술적 구성이다. In another embodiment of the present invention, the laser output is a technical configuration that can be input high during the initial predetermined period in order to improve the pouch pressurization thermal welding efficiency and shorten the time of the fusing process, and gradually input low during the later predetermined period.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 레이저가 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 출력 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 융착의 형상을 구현하는 기술적 구성이다.Another embodiment of the present invention is a technical configuration in which the laser is composed of a plurality of diode laser arrays, and spatially different fusion shapes are implemented by differently controlling the output intensity of each diode laser in the plurality of diode laser arrays. to be.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 레이저가 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로부터 발생한 레이저광을 집광하기 위한 원통형 렌즈의 광학계를 복수개의 다이오드 레이저 어레이와 유리 도광판 사이에 설치되는 기술적 구성이다.Another embodiment of the present invention is that the laser consists of a plurality of diode laser arrays, and an optical system of a cylindrical lens for condensing laser light generated from the plurality of diode laser arrays is installed between the plurality of diode laser arrays and the glass light guide plate. It is a technical composition.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 융착 시간을 줄이기 위하여, 파우치 투입 후, 파우치를 가압 융착하기 전에 설정된 시간 동안 금속포일을 예열한 후 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 상부 및 하부 유리 도광판으로 가압 융착하는 기술적 구성이다.In another embodiment of the present invention, in order to reduce the fusion time, the metal foil is preheated for a set period of time after the pouch is inserted and the pouch is press-fused, and the upper and lower glass light guide plates are transmitted and heated using a laser light. It is a technical configuration that pressurizes the upper and lower glass light guide plates.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예로 유리 도광판의 입사면과 출사면은 광학연마 되고, 광전송 효율을 높이기 위하여 입사면은 800nm 내지 820nm사이 파장 대역에서 광대역 무반사 코팅을 하는 것이다. In another embodiment of the present invention, the incident surface and the exit surface of the glass light guide plate are optically polished, and the incident surface is subjected to a broadband anti-reflection coating in a wavelength band between 800 nm and 820 nm in order to increase light transmission efficiency.

다음은 본 발명에 따른 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법에 대하여 살펴본다. Next, a pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate according to the present invention will be described.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법에 있어서, 레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계와, 가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계를 포함한다. Another embodiment of the present invention is a pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate, wherein the laser light passes through the glass light guide plate to heat the metal foil, and the inner skin of the pouch dissolved by the heated metal foil And fusing the resin by pressing it with glass light guide plates positioned at the upper and lower portions.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계에서, 금속포일의 재질은 알루미늄이고, 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 열 흡수율이 상대적으로 높은 800 ㎚ 내지 820 ㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성된다.In another embodiment of the present invention, in the step of heating the metal foil by transmitting the laser light through the glass light guide plate, the material of the metal foil is aluminum, and the wavelength of the laser light source is that the heat absorption rate of the metal foil made of aluminum is relatively It consists of a diode laser with a wavelength between 800 nm and 820 nm as high.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서, 유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성된다.In another embodiment of the present invention, in the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom, the glass light guide plate is made of a fused silica material having high transmittance of laser light, excellent abrasion resistance, and low expansion rate.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서, 레이저 광은 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 레이저 출력의 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 융착의 형상을 구현하는 기술적 구성이다.In another embodiment of the present invention, in the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom, the laser light is composed of a plurality of diode laser arrays, and the laser output of each diode laser in the plurality of diode laser arrays. It is a technical configuration that realizes spatially different fusion shapes by controlling the intensity of the fusion differently.

본 발명의 또 다른 하나의 실시 예는 상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 금속포일을 가열하여 가압 융착한 상태에서 신속한 응고시켜 안정된 접착이 유지되도록 복수개의 다이오드 레이저 출력의 세기를 줄이거나 및/또는 오프하여 소정의 시간을 유지하는 것이다.In another embodiment of the present invention, in the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom, a plurality of diode laser arrays are used to heat a metal foil to rapidly solidify in a press-fused state to maintain stable adhesion. To maintain a predetermined time by reducing and/or turning off the intensity of the two diode laser outputs.

본 발명은 리튬2차전지의 봉지소재로 많이 사용되는 파우치에서 금속포일 소재로 많이 사용하는 알루미늄은 일반적인 레이저광 흡수율이 아주 낮으나, 808nm 파장 주변 대역에서 약 15%의 상대적으로 높은 광흡수율을 가지는 기술적 구성과 복수의 레이저 광원을 집광시켜 외피용 폴리머수지를 투과하여 금속포일을 직접 가열하여 유리 도광판을 가압 소자로 융착시키는 레이저광과 유리 도광판을 이용한 파우치 융착방법과 장치를 제공하여 가압 융착시간을 단축할 수 있는 유리한 효과가 있으므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다. In the present invention, aluminum, which is widely used as a metal foil material in a pouch that is widely used as a sealing material for lithium secondary batteries, has a very low general laser light absorption rate, but has a relatively high light absorption rate of about 15% in the 808nm wavelength band. Shortening the pressing time by providing a pouch welding method and device using a glass light guide plate and laser light that directly heats the metal foil by condensing a composition and a plurality of laser light sources to pass through the polymer resin for the skin to fuse the glass light guide plate with a pressure element. There is a beneficial effect that can be done, so the possibility of industrial use is very high.

11; 외피용 폴리머수지 12; 금속포일
13; 내피용 폴리머수지 14; 열 융착 부위
21; 가압 22; 상부 가열금속판
23; 파우치 24; 열 융착 부위
25; 하부 가열금속판 25; 가압
31; 가압
32; 상부 가열금속판(하나의 예시220℃)
33; 외피용 폴리머수지(하나의 예시180℃)
34; 내피용 폴리머수지(하나의 예시150℃)
35; 하부 가열금속판 35; 가압
41; 다이오드 레이저 어레이 42; 레이저광
43; 광학계 44; 유리 도광판(상부)
45; 파우치 46; 다이오드 레이저 전원장치
47; 냉각장치 48; 제어장치
50; 유리 도광판의 가압 및 위치제어장치
51; 외피용 폴리머수지 52; 금속포일(알루미늄)
53; 내피용 폴리머수지 54; 유리 도광판(하부)
55; 레이저광 56; 광학계
11; Skin polymer resin 12; Metal foil
13; Inner skin polymer resin 14; Heat fusion site
21; Pressurization 22; Upper heating metal plate
23; Pouch 24; Heat fusion site
25; Lower heating metal plate 25; Pressure
31; Pressure
32; Upper heating metal plate (one example 220℃)
33; Polymer resin for outer skin (180℃ for one example)
34; Polymer resin for inner skin (one example 150℃)
35; Lower heating metal plate 35; Pressure
41; Diode laser array 42; Laser light
43; Optical system 44; Glass light guide plate (top)
45; Pouch 46; Diode laser power supply
47; Cooling device 48; Control device
50; Glass light guide plate pressure and position control device
51; Skin polymer resin 52; Metal foil (aluminum)
53; Inner skin polymer resin 54; Glass light guide plate (lower)
55; Laser light 56; Optical system

Claims (14)

레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치에 있어서,
파우치를 구성하는 금속포일을 가열하기 위한 레이저; 및
가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 융착하기 위한 유리 도광판을 포함하며,
상기 레이저는 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성되고,
복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 출력 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 융착의 형상을 구현함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
In the pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate,
A laser for heating the metal foil constituting the pouch; And
It includes a glass light guide plate for fusing the resin for the inner skin of the pouch dissolved by the heated metal foil,
The laser is composed of a plurality of diode laser arrays,
A pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate, characterized in that the output intensity of each diode laser is controlled differently in a plurality of diode laser arrays to realize spatially different fusion shapes.
제1항에 있어서,
유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method of claim 1,
A glass light guide plate is a pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate, characterized in that it is made of a fused silica material having high transmittance of laser light, excellent abrasion resistance, and low expansion rate.
제1항 또는 제2항에 있어서,
레이저로 금속포일을 가열할 때, 가열시간을 단축하기 위하여 레이저광이 유리 도광판을 투과한 후, 외피용 폴리머수지를 투과하여 금속포일을 직접 가열하도록 구성됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
When heating a metal foil with a laser, a pouch using a laser and a glass light guide plate, characterized in that the laser light passes through the glass light guide plate to shorten the heating time, and then directly heats the metal foil by passing through the polymer resin for the skin. Fusing device.
제1항 또는 제2항에 있어서,
금속포일의 재질은 알루미늄이고, 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 광 흡수율이 상대적으로 높은 800㎚ 내지 820㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
The material of the metal foil is aluminum, and the wavelength of the laser light source is a pouch using a laser and a glass light guide plate, characterized in that it is composed of a diode laser having a wavelength between 800 nm and 820 nm, which has a relatively high light absorption rate of the aluminum metal foil. Fusing device.
제1항 또는 제2항에 있어서,
레이저 출력은 파우치 열융착 효율을 향상시키고 융착 공정의 시간을 단축하기 위하여 초기 소정기간은 후기 소정기간보다 높게 입력하고, 후기 소정 기간은 초기 소정기간보다 서서히 낮게 입력함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
Laser and glass light guide plate, characterized in that the initial predetermined period is input higher than the later predetermined period and the later predetermined period is gradually lower than the initial predetermined period in order to improve the pouch thermal welding efficiency and shorten the time of the fusing process. Pouch fusing device using.
삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
레이저는 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성하며, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로부터 발생한 레이저광을 집광하기 위한 원통형 렌즈의 광학계를 복수개의 다이오드 레이저 어레이와 유리 도광판사이에 설치됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
The laser consists of a plurality of diode laser arrays, and an optical system of a cylindrical lens for condensing laser light generated from a plurality of diode laser arrays is installed between the plurality of diode laser arrays and the glass light guide plate. Pouch fusing device.
제1항 또는 제2항에 있어서,
융착 시간을 줄이기 위하여, 파우치 투입 후, 파우치를 가압 융착하기 전에 설정된 시간 동안 금속포일을 예열한 후 레이저광을 이용하여 상부 및 하부 유리 도광판을 투과시켜 가열하면서 상부 및 하부 유리 도광판으로 가압 융착함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
To reduce the fusing time, after inserting the pouch, preheating the metal foil for a set period of time before pressing fusing the pouch, passing through the upper and lower glass light guide plates using laser light, and heating the upper and lower glass light guide plates under pressure. Pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate, characterized in that.
제1항 또는 제2항에 있어서,
유리 도광판의 입사면과 출사면은 광학연마 되고, 광전송 효율을 높이기 위하여 입사면은 800nm 내지 820nm사이 파장 대역에서 광대역 무반사 코팅을 함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 장치.
The method according to claim 1 or 2,
A pouch fusing device using a laser and a glass light guide plate, characterized in that the incident surface and the exit surface of the glass light guide plate are optically polished, and the incident surface is coated with a broadband anti-reflection coating in a wavelength band between 800 nm and 820 nm in order to increase light transmission efficiency.
레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법에 있어서,
레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계; 및
가열된 금속포일에 의하여 용해된 파우치의 내피용 수지를 상부와 하부에 위치한 유리 도판관으로 가압하여 융착하는 단계를 포함하며,
상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서 레이저 광은 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 구성되고,
복수개의 다이오드 레이저 어레이에서 각각의 다이오드 레이저들의 레이저 출력의 세기를 다르게 제어하여 공간적으로 서로 다른 융착의 형상을 구현함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법.
In the pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate,
Heating the metal foil by transmitting the laser light through the glass light guide plate; And
Comprising the step of pressing and fusing the resin for the inner skin of the pouch dissolved by the heated metal foil with glass conduit tubes located at the upper and lower portions,
The laser light is composed of a plurality of diode laser arrays in the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom,
Pouch welding method using a laser and a glass light guide plate, characterized in that the intensity of laser output of each diode laser is controlled differently in a plurality of diode laser arrays to realize spatially different fusion shapes.
제10항에 있어서,
레이저광이 유리 도광판을 투과하여 금속포일을 가열하는 단계에서의 금속포일의 재질은 알루미늄이고, 레이저 광원의 파장은 알루미늄 재질의 금속포일의 열 흡수율이 상대적으로 높은 800㎚ 내지 820㎚ 사이의 파장을 가진 다이오드 레이저로 구성됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법.
The method of claim 10,
In the step of heating the metal foil by transmitting the laser light through the glass light guide plate, the material of the metal foil is aluminum, and the wavelength of the laser light source is between 800 nm and 820 nm, where the heat absorption rate of the aluminum metal foil is relatively high. Pouch welding method using a laser and a glass light guide plate, characterized in that it is composed of a diode laser excitation
제10항 또는 제11항에 있어서,
상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서의 유리 도광판은 레이저광의 투과율이 높고, 내마모성이 우수하며, 팽창율이 낮은 퓨즈드 실리카 재질로 구성됨을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법.
The method of claim 10 or 11,
In the step of fusing by pressing with glass light guide plates located at the top and bottom, the glass light guide plate is made of fused silica material with high transmittance of laser light, excellent abrasion resistance, and low expansion rate. Way.
삭제delete 제10항 또는 제11항에 있어서,
상부와 하부에 위치한 유리 도광판으로 가압하여 융착하는 단계에서는, 복수개의 다이오드 레이저 어레이로 금속포일을 가열하여 가압 융착한 상태에서 신속한 응고시켜 안정된 접착이 유지되도록 복수개의 다이오드 레이저 출력의 세기를 줄이거나 또는 오프하여 소정의 시간을 유지하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 레이저와 유리 도광판을 이용한 파우치 융착 방법.
The method of claim 10 or 11,
In the step of pressing and fusing with glass light guide plates located at the top and bottom, the intensity of the output of the plurality of diode lasers is reduced to maintain stable adhesion by heating the metal foil with a plurality of diode laser arrays and rapidly solidifying in a press-fused state, or A pouch fusing method using a laser and a glass light guide plate, further comprising the step of turning off and maintaining a predetermined time.
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