KR20040089168A - 입열량을 낮춘 펄스형 레이저 용접기술을 이용한 배터리제조 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플래쉬 램프 등으로 여기되어 발생되고 석영의 광섬유로 전송된 발진파장이 1064nm인 펄스형 Nd:YAG 레이저광과 같은 펄스형 레이저를 이용하여 스테인리스 스틸이나 알루미늄 캔을 용접하여 전지를 제조하는 공정과 그 용접방법에 관한 것이다. 기존의 용접방법은 스테인리스 스틸 캔의 경우 텅스텐 아크용접(TIG용접)이나 연속발진형(CW) 레이저용접이 주로 사용되고 있으며 알루미늄 캔의 경우 펄스형 Nd:YAG 레이저가 주로 사용된다. 이러한 기존의 용접 방법은 용접시 많은 입열에너지가 투입되므로 용접할 때 캔 내부에 전해액을 주입하지 않고 고체 부속품만 장착한 상태에서 용접을 하게 된다. 즉, 내부에 전해액이 주입된 상태에서 과다한 입열에너지가 용접공정 중에 투입되면 전해액의 특성이 변화되거나 전해액이 끓어 올라 전지제조에서 필수적인 밀봉특성이 떨어지게 된다. 따라서 기존의 전지 제조공정은 캔 뚜껑에 전해액 주입구가 별도로 있어서 용접공정 후에 전해액을 주입하고 다시 이 주입구를 다른 용접 공정이나 접착제로 밀봉하여야 하는 복잡한 제조공정(도2)으로 제조된다. 적은 입열 에너지로도 빠른 용접이 가능하면 전해액을 고체 부속품과 같이 주입하여도 전해액의 특성 변화 없이 밀봉용접이 가능하므로 적은 입열 에너지로 빠른 밀봉용접을 하는 기술이 본 발명의 핵심이다. 본 발명은 스테인리스 스틸 캔 용접의 경우에는 광섬유로 전송된 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용하고, 알루미늄 캔 용접의 경우 808nm 파장의 다이오드레이저광과 펄스형 Nd:YAG 레이저 광을 혼합한 다파장 레이저광 용접기술(도4)을 사용하여 생산속도를 줄이지않고도 입열 에너지를 최소로 줄인 용접방법과, 이로 인하여 전해액을 고체 부속품과 같이 미리 주입시키고 한번의 용접공정으로 완전 밀봉용접을 구현하여(도3) 혁신적인 공정개선과 원가 절감을 시킬 수 있는 것에 관한 것이다.

Description

입열량을 낮춘 펄스형 레이저 용접기술을 이용한 배터리 제조 공정{A battery manufacturing process by pulsed laser welding technologies for the low heat input}

본 발명은 펄스형 Nd:YAG 레이저 광 또는 다파장레이저와 같은 레이저광의 고유 특성을 이용하여 개선된 전지 제조 공정과 그 용접 방법에 관한 것이다. 발진 파장이 1064nm인 Nd:YAG 레이저광과 808nm인 다이오드 레이저광은 석영으로 된 광섬유를 이용한 원거리 전송이 가능하여 로봇과 같은 장치에 연동되어 높은 자유도로 용접 작업을 할 수 있는 장점이 있으며, 그 이외에도 펄스형태의 레이저 광의 경우 높은 첨두출력의 영향으로 낮은 평균출력과 낮은 입열량으로 흡수율을 증가시킬 수 있는 장점(도6)과 808nm 파장의 다이오드 레이저광이 800nm 파장대역에서 알루미늄에 대한 높은 흡수율을 나타내는 특성(도4)으로 알루미늄 가공 적용이 용이한 장점이 있다. 이러한 레이저 광의 특성을 이용한 전지 제조 공정 및 용접 조립에 적용하는 기술적 방법이다.

그 분야의 종래기술 : 일반적 전지의 전해액으로 불산, 황산등과 같은 강산이 사용되며 재료 또한 산에 대한 반응성이 적으며, 내식성이 강한 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 합금 등이 주로 사용된다. 이러한 재료로 전지를 제조하는 공정에서 내부 부속물을 밀봉하기 위한 용접 공정이 필수적이며, 현재 스테인리스 스틸의 경우 텅스텐 아크 용접, CW 레이저 용접이 주로 이용되며, 알루미늄 재질의 전지의 경우 펄스형 레이저 용접이 사용된다. 알루미늄은 높은 반사율과 열전도도로 레이저 효율이 낮으며 이러한 이유로 충분한 용입 깊이와 용접부 건전성을 유지하기 위해 높은 에너지가 필요하게 된다. 또한 스테인리스 스틸 재질의 전지 제조 공정에 주로 이용되는 텅스텐 아크 용접과 CW 레이저 용접의 경우 연속적인 에너지의 공급으로 전지의 체적내 온도는 급증하게 된다. 이러한 과다한 입열에너지는 전해액의 특성을 변화시키며, 전해액의 끓음 현상을 야기시켜 밀봉 용접부에 균열 및 기공을 발생시켜 밀봉 특성을 부여하는데 치명적인 결함으로 작용한다. 이러한 문제점으로 전해액 주입구가 있는 뚜껑을 제작해 고체의 내부 부속만 충진하여 밀봉 용접을 실시하고, 그 후 주입구를 통해 전해액을 주입하며, 전해액 주입구를 접착제 또는 기타 용접법으로 밀봉하는 복잡한 공정으로 전지를 제조하고 있으며, 공정의 증가로 인한 제조 시간 증가와 시설비 및 유지 보수비 또한 높은 실정이다.

지구 환경에 대한 문제점이 심각하게 대두되고, 각종 전자장치의 휴대화로 경량화 기술의 발전과 함께 고효율의 전지 수요량이 증가하여 시장 성장폭이 급증하는 추세이다. 국내의 많은 기업들이 2차 전지 시장에 참여하고 있으며, 세계 시장 점유율 또한 증가하고 있다. 이러한 추세에 공정의 단순화를 통해 제조 시간의감소, 불량률의 감소, 제품의 신뢰도 상승, 제조 원가의 감소 등을 통한 기업의 경쟁력 확보가 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제이다.

도1. 기존의 전지 구성 부속과 조립도이며,

(가) 스테인리스 스틸 재질의 원형 전지의 부속도와

(나) 알루미늄 재질의 각형 전지의 부속도로

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.

1; 전극 2; 절연체

3; 전해액 주입구 4; 전지 뚜껑(battery cap)

5; 내부 부속물 6; 전지캔

7; 전극 8; 전해액 주입구

9; 전지 뚜껑 10; 내부 부속물

11; 전지캔

도2: 기존의 전지 제작 공정의 모식도이며,

(가) 스테인리스 스틸 재질의 원형 전지 제조 공정

(a) 전지 케이스 내에 고체 부속물 삽입

(b) 전해액 주입구와 전극이 있는 전지 밀봉단 삽입

(c) 텅스텐 아크 용접 또는 CW 레이저 용접을 적용하여 밀봉 용접

(d) 전해액 주입구를 통한 전해액 주입

(e) 주입구를 용접 또는 접착제를 이용한 밀봉

(f) 용접부 검사 및 제품 검사 후 출고

(나) 알루미늄 재질의 각형 전지 제조 공정.

(a) 전지 케이스 내에 고체 부속물 부착된 밀봉단 삽입

(b) 단일 파장 펄스형 레이저 용접을 적용하여 밀봉 용접

(c) 전해액 주입구를 통한 전해액 주입

(d) 주입구를 용접 또는 접착제를 이용한 밀봉

(e) 용접부 검사 및 제품 검사 후 출고

도3: 개발된 입열량을 낮춘 레이저 용접기술을 적용한 전지 제작 공정.

(가) 스테인리스 스틸 재질의 전지에 개발된 용접기술을 적용한 제작 공정.

(a) 전지 케이스 내부에 고체 부속물과 액체 전해질을 동시에 삽입

(b) 전극이 부착된 전지 뚜껑 삽입

(c) 펄스형 Nd:YAG 레이저와 같은 펄스형 레이저를 이용한 저입열 밀봉 용접

(d) 용접부 검사 및 제품 검사 후 출고

(나) 알루미늄 재질의 전지에 개발된 용접기술을 적용한 제작 공정.

(a) 전지 케이스 내부에 고체 부속물이 부착된 전지 뚜껑과 함께 액체 전해질을 동시에 삽입

(c) 재료 특성에 적합한 다파장 레이저를 이용한 저입열 밀봉 용접

도4: 다양한 금속 재료의 레이저광 파장대에 따른 에너지 흡수도.

도5: 재료의 온도에 따른 레이저광 흡수도.

도6: 펄스형 레이저의 출력 모식도.

도7: 파장대가 다른 레이저광을 혼합하여 다파장 레이저 형성의 광 경로 모식도.

전지는 재충전이 불가능한 1차 전지와 가능한 2차 전지로 분류되는데 소형 2차 전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 전기자동차 등 차세대 고부가가치 제품의 심장에 비유되며 세계적인 관심과 시장 참여가 활발히 이어지고 그 시장의 규모가 급증하고 있는 추세이다. 국내의 여러 기업들도 세계시장에 참여하여 기술력을 인정받고 있으며 세계 시장 점유율 또한 증가하는 추세이다. 일반적으로 전지 형태는 원형 또는 각형 캔 등의 그 특징에 따라 다양한 형상을 하며, 내부에 충진되는 강산의 영향으로 내식성이 강하며, 산에 대한 반응성이 미약한 스테인리스 스틸 또는 알루미늄과 그 합금이 주로 사용된다. 이와 같은 재질의 전지 케이스 내부에는 탄소와 리튬과 전해질 필름 등과 같은 고체의 부속과 황산 불산 등과 같은 전해액이 충진된다. 내부 부속물의 외부 유출을 막기 위해 부속물 충진 후 전지 뚜껑을 삽입해 밀봉 용접을 실시하게 되는데 전지 제조 공정에 많이 사용되는 용접기법은 텅스텐 아크 용접과 CW 레이저 용접, 펄스 레이저 용접 등과 같은 비교적 정밀 용접이 가능한 용접기법이 사용되고 있으며, 그중 가장 정밀하며 로봇과 같은 여러 장치와 연동되어 자동화 공정의 적용이 용이한 레이저 용접이 주로 사용되고 있다.

도2의 (가)와 같이 기존의 전지 제작 공정 중 스테인리스 스틸 재질인 전지를 제조할 경우 밀봉 용접 공정에 텅스텐 아크 용접과 CW 레이저 용접과 같이 연속적인 에너지의 공급으로 인해 전지의 한정된 체적 내에 계속적인 에너지 축적은 전지 온도를 급증하게 한다. 또한 도2의 (나)와 같이 알루미늄 재질의 전지를 제조할 경우 펄스형 Nd:YAG 레이저와 같이 펄스형 레이저를 사용하나 알루미늄의 재료학적 특성인 높은 반사도 및 열전도도로 인해 레이저광의 효율은 낮게 되며 충분한 용입깊이를 얻기 위해 더욱 높은 입열 에너지가 공급되어야 한다. 이러한 과다한 입열 에너지는 전해액의 특성 변화 및 전해액의 끓음 또는 기화 현상으로 인한 용접부의 기공, 균열과 같은 용접 결함을 야기시키며 제품의 건전성에 악영향을 미쳐 불량을 초래하게 된다. 이러한 스테인리스 스틸에서의 텅스텐 아크 용접, CW 레이저 용접과, 알루미늄 용접에서의 펄스형 레이저 용접기법은 도5와 같이 특정 온도 이상에서 에너지의 흡수가 증가되는 특성과 도4의 알루미늄 레이저 광 흡수율이 낮은 특성으로 입열량의 조절이 불가능하여 도2와 같은 전지 제조 공정이 필요하게 되었다.

도2의 (가)는 스테인리스 스틸 재질의 전지를 제조하는 공정을 모식화 한 것이다 (a)리튬, 탄소 덩어리와 같은 고체의 내부 부속을 삽입한 후 (b)전해액 주입구가 있는 전지 뚜껑을 덮고 (c)텅스텐 아크 용접 또는 CW 레이저 용접과 같은 방법으로 밀봉 용접을 실시한다. 이는 전해액이 없는 상태에서 밀봉 용접을 실시하여 용접성을 향상시키며, 전해액의 특성 변화를 방지하기 위해서이다. 그후 (d)주입구를 통해 황산과 같은 전해액을 주입하고 (e)주입이 완료되면 접착제 또는 다른 용접 기법을 이용해 주입구를 밀봉시킨다. 이러한 공정은 전지 제조 공정 중 가장 큰 불량요소인 밀봉 용접 상태를 전해액이 주입된 이후에 확인 할 수 있으며, (d)(e)와 같은 공정의 증가와 복잡화로 각 공정별 불량 요소는 증가하게 되며, 제조 시간의 증가, 시설비, 유지비의 증가로 제조 원가의 증가는 불가피해 진다.

본 발명은 펄스형 레이저의 특성을 이용하여 입열량을 낮춰 재질이 스테인리스 스틸인 전지의 밀봉용접부에 적용한 용접기술 및 공정으로 개발된 전지 제조 공정은 도3과 같다. 도3의 (가) (a)전해액과 고체 부속과 같은 모든 내부 부속을 동시에 충진한 후 (b)주입구가 없는 전지 뚜껑을 덮는다. 그 후 수 kW의 첨두출력의 영향으로 레이저 광의 흡수가 촉진되며 낮은 표면 온도에서 안정된 용접성을 유지할 수 있으며, 시간 함수적으로 레이저를 제어하여 레이저 조사로 인해 발생된 열이 냉각될 수 있는 시간적 여유를 부여해 입열량을 최소화하는 등의 펄스형 레이저 광 특성을 이용하여 전해액의 특성 변질 또는 용접부의 결함 발생 등을 최소화한 밀봉용접을 실시한다. 개선된 스테인리스 스틸 재질의 전지 제조 공정은 기존 공정의 도2 (가)(d)(e)의 공정을 제거하여 혁신적으로 공정을 단순화 하였으며, 이로 인해 전지 제조 시간의 단축과 시설비 및 유지보수비의 절감, 제조 단가의 절하로 가격 경쟁력을 증대시킬 수 있다.

위의 경우와 유사하게 알루미늄 재질의 전지 제조 공정에서 도2(나)의 (c)와 같이 밀봉 용접부를 형성하기 위해 펄스형 레이저를 이용해 왔다. 그러나 알루미늄은 높은 열확산도와 반사율을 갖는 재료학적 특성에 의해 1064nm의 Nd:YAG 레이저광과 같은 파장대역에서 충분한 용입깊이를 얻기 어려우며, 알루미늄의 높은 열팽창 수축률에 의해 기공, 균열과 같은 결함 발생이 빈번하여 밀봉단에 기밀성을 유지하지 못하는 불량을 초래하게 된다. 이러한 문제점에도 불구하고 요구되는 용입깊이를 얻기 위하여 입열 에너지를 증가시키게 되며, 과다한 입열 에너지로 인한전해액 특성의 변화와 밀봉 용접부의 불량과 같은 문제를 초래하게 된다. 그러나 이러한 문제점을 해결하며 공정의 단순화를 위해 개발된 공정이 도3의 (나)와 같다. 도3(나) 알루미늄 재질의 전지 제조 공정 중 밀봉용접 공정에 도7과 같은 방법으로 808nm의 발진 파장을 갖는 다이오드 레이저광과 1064nm의 펄스형 레이저광을 혼합한 다파장 레이저광을 적용하여 용접을 진행하였다. 알루미늄은 800nm 파장대역에서 높은 흡수율을 나타내는 특성이 있으며, 이 영역에서의 레이저광의 가공 효율이 가장 높다. 이러한 특성을 이용하여 저출력의 808nm의 다이오드 레이저광과 고출력의 1064nm의 펄스형 레이저를 혼합하여 다파장 레이저광을 형성시킨다. 이때 저출력의 다이오드 레이저광이 높은 알루미늄 재료 흡수율로 국부적인 재료 표면의 온도를 상승시키며, 이로 인해 펄스형 레이저의 알루미늄 흡수가 촉진되어 입열량을 낮춰도 용입깊이가 증가되며 용접성 및 가공 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 연속적으로 발진되는 다이오드 레이저광이 높은 응고 수축률에 의해 축적되는 용접부의 잔류응력을 제거하는 소둔 열처리 작용을 하여 균열과 같은 용접 결함의 발생을 감소시켜 안정적인 용접부를 형성시키는 작용을 한다. 이와같은 다파장 레이저광을 이용한 저입열 용접기술로 전해액이 충진된 상태에서 전해액의 특성 변화가 없으며, 알루미늄 용접성이 안정적이며 혁신적으로 개선된 밀봉 용접 공정이 가능하며, 알루미늄 재질의 전지 제조 공정의 단순화로 가격 및 품질의 경쟁력을 상승시키는 효과를 부여한다.

스테인리스 스틸, 알루미늄 합금등의 재료를 이용하여 전지를 제조하는 공정과 기타 내부의 기밀성 및 밀봉성을 부여하기 위해 용접을 실시하는 경우, 재료의 특성에 적합한 용접 기법을 적용하며, 과다한 입열에너지에 의한 내부 충진 부속의 성질 변화가 없으며, 내부 충진 부속에 의한 밀봉 용접성 저하와 같은 기존의 문제점을 해결하여 최소화된 공정으로 제품의 제조 시간을 단축시키며 제조 원가의 저하와 경쟁력의 상승효과를 얻는 것과 이와 유사한 부속 또는 제품에 이를 응용하는 것에 해당한다.

Claims (4)

1. 전지 제조 공정에 있어서,

   전지 케이스 내부에 전해액과 고체 내부 부속을 동시 주입하는 방법과

   상기 전해액 주입구가 없는 전지 뚜껑을 설계 및 제작하여 입열량을 낮춘 레이저 용접 기법을 전지 제조 공정 중 밀봉 용접 공정에 적용하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전지 케이스 및 뚜껑의 재질을 스테인리스 스틸을 사용하고, 내부 부속물의 기밀성 유지를 위해 밀봉용접 공정을 실시하는 단계에서 용접 입열량을 낮추고, 용접성을 개선하기 위해 펄스형 레이저를 이용한 용접기술을 적용한 용접 공정 단계.
3. 제1항에 있어서,

   상기 재질이 전지 케이스 및 뚜껑의 재질을 알루미늄 및 그 합금을 사용하고 내부 부속물의 기밀성 유지를 위해 밀봉용접 공정을 실시하는 단계에서 발진파장이 808nm인 다이오드 레이저광과 펄스형 레이저광을 혼합하여 다파장 레이저광을 형성시켜 용접 입열량을 낮추고 용접성을 개선하기 위해

   상기 다파장 레이저광을 이용한 용접기법을 적용한 용접 공정 단계와

   상기 다이오드 레이저광이 알루미늄 및 알루미늄 합금의 전지 제조에서 펄스형 레이저광의 흡수 촉진 및 응력제거 열처리, 용접 결함 감소 등의 목적으로 이용하는 단계.
4. 내부의 부속의 특성을 유지시키며 제품의 기밀성을 부여할 목적으로 밀봉 용접 공정을 실시할 때

   상기 내부 부속의 특성 변화의 문제로 입열량을 낮춘 레이저 용접기술을 적용하는 단계와

   상기 스테인리스 스틸의 경우 입열량을 낮추며, 용접성을 개선할 목적으로 펄스형 레이저를 적용한 용접기술을 사용하는 단계와

   상기 알루미늄 재료의 경우 입열량을 낮추며 동시에 용접성 개선, 응력제거 열처리, 용접 가공 속도 증가와 같은 효과를 동시에 부여하기 위해 다파장 레이저를 적용하는 단계.