KR20170028148A - 셀 리드의 레이저 용접 장치 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

작업 시간을 줄일 수 있고 모델 변경에 유연하게 대처할 수 있는 셀 리드 레이저 용접 장치 및 용접 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 레이저를 출력하는 레이저 발생기; 셀 리드 연결 부위들이 나란히 배열되어 있는 이차 전지들의 적층체를 위치 고정하는 지지부재; 및 상기 레이저 발생기와 상기 적층체 사이에 배치되며 상기 레이저를 흡수하는 레이저 차단부와 상기 레이저를 통과시키는 레이저 투과부를 포함하는 마스크를 포함하여, 상기 레이저 투과부를 통과한 상기 레이저가 상기 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사되도록 하여 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 것이다.

Description

셀 리드의 레이저 용접 장치 및 용접 방법{Cell lead laser welding apparatus and method thereof}

본 발명은 이차 전지의 판상형 셀 리드들을 상호 용접하거나 셀 리드와 외부회로의 용접을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

현재 상용화된 이차 전지는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.

일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 내연 기관 및/또는 전기 모터를 이용해서 구동력을 확보하려는 전기 자동차에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 상기 전기 자동차에는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 내연 기관없이 전기 모터와 배터리로만 구동되는 순수 전기 자동차 등이 포함된다.

이차 전지가 이러한 전기 자동차에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결한 배터리 모듈을 구성하게 된다. 이 때, 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.

종래의 배터리 모듈은 이차 전지들을 전기적으로 연결시키기 위해 레이저 용접 방식을 채택하고 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 적층된 이차 전지(10)들은 그 양단으로 양극과 음극의 셀 리드(20)가 돌출되어 있고 이들 셀 리드(20)가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층된다. 적층된 이차 전지(10)들의 일측에서 최외각에 위치하는 셀 리드(20)들을 제외한 안쪽의 셀 리드(20)들은 절곡하여 서로 겹치게 한 후 절곡된 셀 리드(20) 부분들을 레이저 발생기(S)에서 출력되는 레이저(L)로 융착시킨다. 적층된 이차 전지(10)들의 타측에서는 셀 리드(20)들을 모두 절곡하여 서로 겹치게 절곡된 셀 리드(20) 부분들을 레이저 발생기(S)에서 출력되는 레이저(L)로 융착시킴으로써 전기적 연결을 완료한다.

그런데, 종래의 배터리 모듈에서는 셀 리드(20) 용접시 하나의 셀 리드 연결 부위(P)에 작은 스팟 사이즈의 레이저(L)를 조사하여 셀 리드(20)의 길이 방향을 따라 용접한 후, 이차 전지(10)들의 적층체 혹은 레이저 발생기(S) 자체를 옆으로(화살표 A) 이동시켜 다음 셀 리드 연결 부위를 용접하는 방식으로 하고 있다. 즉, 하나의 셀 리드 연결 부위(P)에 레이저(L)를 하나씩 조사하여 용접하는 1:1 방식이다.

이러한 경우, 이차 전지(10)의 개수가 많아지면 작업 시간이 그에 비례해 길어지게 된다. 예를 들어 도시한 바와 같이 이차 전지(10) 12개를 직렬 연결한다고 하면, 셀 리드 연결 부위(P)는 이차 전지(10)들의 적층체 앞에서 5개, 뒤로 6개가 되어 총 11개가 되고, 셀 리드 연결 부위(P)간 이동을 위한 이차 전지(10)들의 적층체 이송 횟수는 9번이 된다. 한 부위의 용접 적용 시간이 1초이고 셀 리드 연결 부위(P)간 이동을 위한 이차 전지(10)들의 적층체 이송 시간이 1초라고 하면, 총 작업 시간은 용접 적용 시간(1초) x 셀 리드 연결 부위(11개) + 이차 전지들의 적층체 이송 시간 (1초)x 이송 횟수(9번) = 20초가 되는 식이다. 그러므로, 종래에는 일일이 용접하는 작업 시간이 길어 매우 비능률적이다.

그리고, 이러한 1:1 레이저 용접 방법은 용접부인 셀 리드 연결 부위(P)의 좌표를 지정하여 용접을 진행하므로, 모델에 따른 좌표값을 지정하여 진행하기 때문에 모델에 따른 유연성이 좋지 않은 문제가 있다.

이와 같이 기존의 레이저 용접 방법은 초기 용접 조건 수립에 따른 자원 및 용접 공정에 따른 작업 시간이 늘어나는 문제가 있고, 모델 변경에 유연하게 대처하기 어려운 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 작업 시간을 줄일 수 있고 모델 변경에 유연하게 대처할 수 있는 용접 장치 및 용접 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 레이저를 출력하는 레이저 발생기; 셀 리드 연결 부위들이 나란히 배열되어 있는 이차 전지들의 적층체를 위치 고정하는 지지부재; 및 상기 레이저 발생기와 상기 적층체 사이에 배치되며 상기 레이저를 흡수하는 레이저 차단부와 상기 레이저를 통과시키는 레이저 투과부를 포함하는 마스크를 포함하여, 상기 레이저 투과부를 통과한 상기 레이저가 상기 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사되도록 하여 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 것이다.

일 실시예에 있어서, 상기 이차 전지들 각각은 그 양단으로 양극과 음극의 판상형 셀 리드가 돌출되어 있고 상기 적층체에서 상기 이차 전지들은 상기 셀 리드가 이웃하는 이차 전지와는 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층되어 있으며, 상기 셀 리드 연결 부위들은 이웃하는 셀 리드들이 상호 중첩되도록 수직 절곡되어 있는 부위이다.

이 때, 상기 이차 전지들은 상기 지지부재에 대하여 세로 방향으로 세워져 적층됨으로써 상기 셀 리드 연결 부위들은 가로 방향을 따라 배열되며, 상기 레이저 발생기는 상기 레이저 발생기와 마주보고 있는 모든 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사될 수 있는 가로 길이를 가진 레이저를 출력하는 것일 수 있다. 바람직하기로, 상기 레이저 발생기는 모듈 타입의 반도체 레이저 다이오드를 이용하여 평판형 레이저를 출력한다. 그리고, 상기 레이저는 상기 세로 방향을 따라 상기 셀 리드 연결 부위들을 스캔하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 레이저 투과부는 상기 레이저 스캔 방향을 따라 길게 연장된 것일 수 있다. 상기 지지부재는 상기 스캔 방향으로 이동되는 것일 수 있다. 특히, 상기 지지부재는 상기 적층체를 고정하고 회전이 가능한 지지 가이드; 및 상기 지지 가이드의 높이를 조절하는 높이조절부재로 구성될 수 있다.

다른 예에서, 상기 레이저 발생기는 상기 레이저 발생기와 마주보고 있는 모든 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사될 수 있는 가로 길이 및 세로 길이를 가진 레이저를 출력한다.

상기 레이저 투과부는 상기 셀 리드 연결 부위들에 대응될 수 있다.

상기 레이저 차단부는 상기 레이저를 흡수할 수 있는 재질로 이루어지고 상기 레이저 투과부는 상기 레이저의 파장이 흡수 또는 반사되지 않고 통과하여 상기 셀 리드에 도달할 수 있는 재질로 구성하거나 개구부로 구성한다.

상기 레이저를 흡수할 수 있는 재질은 내열 수지, 레이저 완전 흡수의 차광창(laser shield plate)으로 사용되는 재질, 또는 금속일 수 있다.

상기 마스크는 상기 레이저 차단부를 구성하는 재질로 이루어진 판상 몸체를 가지고 상기 레이저 투과부는 개구부 혹은 레이저 투과 물질로 채워진 것일 수 있다. 이 때, 상기 마스크는 텅스텐, 탄탈, 크롬, 니켈, 또는 몰리브덴 등의 고융점 금속 또는 이들 원소를 함유하는 합금, 스테인리스 강, 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy)를 포함하는 저열팽창률의 금속을 상기 몸체 및 레이저 차단부로 포함하는 것이 바람직하다.

다른 예로, 상기 마스크는 상기 레이저를 흡수하거나 반사하지 않고 투과시키는 베이스 기판 상에 상기 레이저 차단부를 포함하며, 상기 레이저 차단부는 상기 베이스 기판의 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 중 하나 이상의 위에 위치하는 것일 수 있다.

상기 마스크에서 상기 레이저 투과부의 폭은 상기 셀 리드의 폭 또는 원하는 용접폭이 되도록 하고, 상기 레이저 투과부의 길이는 상기 셀 리드의 길이 또는 원하는 용접길이가 되도록 할 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 상기 레이저 발생기와 마스크가 상기 적층체 양측에 위치하여, 일측 셀 리드 연결 부위와 타측 셀 리드 연결 부위에 대해 동시에 용접 작업을 수행한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 다수의 셀 리드 연결 부위들이 가로 방향을 따라 나란히 배열되도록 다수의 이차 전지들의 적층체를 준비하는 단계; 상기 셀 리드 연결 부위들을 적어도 상기 가로 방향을 따라 커버하는 레이저를 출력하되 마스크를 이용해 선택적으로 차단하여 상기 셀 리드 연결 부위들에 조사하는 단계; 및 상기 레이저를 상기 가로 방향에 수직인 세로 방향으로 스캔하면서 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 다른 레이저 용접 방법은, 다수의 셀 리드 연결 부위들이 가로 방향을 따라 나란히 배열되도록 다수의 이차 전지들의 적층체를 준비하는 단계; 및 상기 셀 리드 연결 부위들을 상기 가로 방향 및 세로 방향을 따라 커버하는 레이저를 출력하되 마스크를 이용해 선택적으로 차단하여 상기 셀 리드 연결 부위들에 조사하여 한번의 샷으로 상기 셀 리드 연결 부위들의 전체 용접 면적을 커버하도록 하여 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 셀 리드 연결 부위를 일일이 용접하는 것이 아니라 레이저 발생기와 마주보고 있는 면의 모든 셀 리드 연결 부위들을 동시에 작업하므로 시간이 단축되고 장치 부재들의 이동 및 제어도 복잡하지 않아 매우 능률적이다. 한쪽 면 또는 양쪽 면의 용접을 한 번에 실시할 수 있으므로 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 기존의 1:1 용접 방식에 비하여 이차 전지들간의 전기적 연결 작업 시간이 현저히 단축되는 것이다. 이에 따라 이차 전지 모듈 및 배터리 팩의 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 마스크만 교체하여도 여러 모델에 대해 적용할 수 있기 때문에 모델 변경의 유연성도 확보한다. 용접 부위의 좌표를 지정하는 종래의 방식은 초기 용접 조건 수립에 있어 제약이 따르지만, 본 발명에 따르면 모델별 마스크 교체를 통해 모델 변경에 유연하게 대처할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 용접 방식을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치 및 용접 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 레이저 용접 장치에 포함되는 마스크의 평면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 IV-IV' 단면에 해당한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 측면도이다.

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 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 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.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치 및 용접 방법을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 각각의 이차 전지(10)들은 그 양단으로 양극과 음극의 판상형 셀 리드(20)가 돌출되어 있고 이들 셀 리드(20)가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층되어 적층체를 구성한다. 하나의 예로, 도시한 적층체는 전체적으로 12개의 이차 전지(10)가 포함되어 있다. 셀 리드(20)는 수직 절곡되어서, 이웃하는 다른 이차 전지의 셀 리드(20)와 수직 절곡된 부분이 서로 중첩되어 셀 리드 연결 부위(P)를 형성한다.

보다 자세하게, 이차 전지(10) 각각은 두 개의 셀 리드(20)가 서로 대향하여 전지셀 본체의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조인 양방향 전지 구조로 이루어져 있다. 이러한 이차 전지(10) 적층 후 셀 리드(20)를 절곡한다. 이 때, 적층된 이차 전지(10)들의 일측에서 최외각에 위치하는 셀 리드(20)들을 제외한 안쪽의 셀 리드(20)들은 절곡하여 서로 겹치게 한다. 적층된 이차 전지(10)들의 타측에서는 셀 리드(20)들을 모두 절곡하여 서로 겹치게 한다. 그리고, 적층된 이차 전지(10)들의 일측에 위치하는 절곡된 셀 리드(20) 부분들을 레이저 발생기(SS)에서 출력되는 레이저(LL)로 동시에 융착시키고, 적층된 이차 전지(10)들의 타측에 위치하는 절곡된 셀 리드(20) 부분들도 레이저 발생기(SS)에서 출력되는 레이저(LL)로 동시에 융착시킴으로써 서로 전기적으로 연결시켜 모듈화한다.

이차 전지(10)들은 세로 방향으로 세워져 적층되어 있다. 셀 리드(20) 절곡시, 이차 전지(10)에서 어느 한쪽의 셀 리드(20)는 외측 방향으로 수직 절곡하고 다른 한쪽의 셀 리드(20)는 내측 방향으로 수직 절곡한다. 이에 따라, 레이저 용접에 의해 결합되어야 할 셀 리드 연결 부위(P)는 'ㄷ'자 모양으로 서로 다른 극성의 셀 리드(20)가 절곡되어 중첩되게 된다. 그리고, 셀 리드 연결 부위(P)들은 가로 방향을 따라 나란하게 배열되게 된다.

이러한 과정은 반대 과정으로 수행될 수 있는 바, 예를 들어, 셀 리드(20)들을 먼저 절곡하여 절곡한 상태로 이차 전지(10)들을 적층한 후에 해당 부위를 용접할 수도 있다.

한편, 여기에 도시한 이차 전지(10)들의 적층체는 도 1의 경우와 동일한 것을 예로 들었는데 그것과 다른 경우에도 본 발명을 적용할 수 있으며, 본 발명에 따른 용접 장치 및 용접 방법을 설명하는 데에 있어 작업 대상물의 한 예로서 제시하는 것이므로 본 발명이 이러한 이차 전지(10)들의 적층체의 구성에 한정되는 것은 아니라는 것을 잘 알 수 있을 것이다. 또한, 본 실시예에서는 이차 전지(10)들의 적층체에서 셀 리드(20)간을 용접하는 경우를 예로 들어 설명하지만 셀 리드(20)에 버스바를 함께 용접하는 경우나 셀 리드(20)와 외부 회로를 용접하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 당연하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치(100)는 레이저 발생기(SS), 마스크(M) 및 이차 전지(10)들의 적층체를 위치 고정하는 지지부재(40)를 포함한다. 도시하지는 않았지만, 레이저 용접 장치(100)는, 그 밖에, 레이저 발생기(SS)와 이차 전지(10)들의 적층체 사이에 마스크(M)를 배치하여 둘 수 있도록 마스크(M)를 지지하거나 이동시키거나 작업 대상물인 이차 전지들의 적층체 모델에 따라 다른 종류의 마스크를 교체하여 장착하도록 하는 부재를 더 포함할 수도 있다.

마스크(M)는 레이저 발생기(SS)와 이차 전지(10)들의 적층체 사이에 배치된다. 마스크(M)는 레이저 발생기(SS)로부터 출력되는 레이저(LL)를 선택적으로 차단 또는 반사하는 광 제어 수단이다. 마스크(M)는 이차 전지(10)들의 적층체로부터 소정 거리 격리된 상태에서 용접이 이루어질 수도 있고 밀착된 상태에서 용접이 이루어질 수도 있다. 반복된 사용에 의해 마스크(M)가 열화되는 경우에 이차 전지(10)들의 적층체에 영향을 미치지 못하도록, 그리고 적층체의 이송 등을 고려한다면, 되도록이면 마스크(M)와 적층체는 소정 거리 격리된 상태로 둠이 바람직하다.

레이저 발생기(SS)는 종래에 비하여 넓은 범위의 레이저(LL)를 출력한다. 예를 들어, 레이저(LL)는 레이저 발생기(SS)와 마주보는 위치에 있는 모든 셀 리드 연결 부위(P)들에 동시에 조사될 수 있도록, 레이저 발생기(SS)는 셀 리드 연결 부위(P)들에 동시에 조사될 수 정도의 긴 가로 길이를 가진 레이저(LL)를 출력하는 것이 바람직하다. 기존의 레이저 발생기(도 1의 S)가 점광원에 가까워 0.2 - 3.0mm 크기의 스팟 사이즈를 갖는 0차원 레이저(L)를 조사할 수 있던 것에 비해, 본 발명의 레이저 발생기(SS)는 1차원 선광원 혹은 도시한 바와 같이 2차원 면(평판형) 광원으로 구성하여 상에서 하 또는 하에서 상 방향으로의 스캔(적층체와 레이저를 상대 이동시키는 것에 의함)에 의해 넓은 면적을 커버하게 하거나, 셀 리드 연결 부위(P)들의 세로 길이 일부까지 커버할 수 있는 3차원 입체광원으로 구성하여 더 적은 횟수의 스캔에 의해, 혹은 셀 리드 연결 부위(P)들의 세로 길이 전부를 커버할 수 있도록 구성해 스캔없이 한번의 샷으로 셀 리드 연결 부위(P)들의 전체 용접 면적을 커버하도록 구성할 수도 있다.

이를 위해, 레이저 발생기(SS)로 모듈 타입의 반도체 레이저 다이오드를 이용하면 도시한 바와 같은 평판형 레이저(LL)를 발생시킬 수 있다. 대신 CO₂, Nd-YAG와 같은 일반 레이저 타입으로 레이저 발생기(SS)를 구성하더라도 광학적인 방법(공진 장치, 광 케이블, 광학 렌즈 등)을 이용하여 평판형 레이저(LL)를 발생시킬 수 있다. 그리고 이러한 평판형 레이저(LL)의 확장이 곧 3차원 입체광원이다.

이와 같이 레이저(LL)가 마주보는 위치에 있는 모든 셀 리드 연결 부위(P)들을 적어도 가로 방향에서는 커버할 수 있도록 출력되는 가운데, 레이저 발생기(SS)와 이차 전지(10)들의 적층체 사이에 위치하는 마스크(M)를 이용하여 필요한 부위, 즉 셀 리드 연결 부위(P)에만 레이저(LL)가 조사되게 한다.

도 3에 마스크(M)의 평면도를 도시하였다.

도 3을 참조하면, 마스크(M)는 레이저 차단부(50) 및 레이저 차단부(50)를 사이에 두고 상호 이격되는 레이저 투과부(60)를 포함한다. 즉, 마스크(M)는 적용되는 레이저(LL)를 흡수할 수 있는 재질로 이루어진 레이저 차단부(50)를 가진다. 이와 동시에, 셀 리드 연결 부위(P)에 해당하는 부분은 레이저(LL)가 흡수 또는 반사되지 않고 통과하여 셀 리드(20)에 도달할 수 있는 재질로 구성하거나 개구부(출사공)로 구성함으로써 레이저 투과부(60)를 가진다. 레이저 차단부(50)는 레이저 용접 시에 레이저(LL)가 셀 리드 연결 부위(P)가 아닌 타 부위에 조사되지 않도록 하는 것이다. 레이저 투과부(60)를 투과하여 셀 리드 연결 부위(P)에 도달한 레이저(LL)는 순간적으로 높은 온도에서 셀 리드(20) 용융을 일으켜 절곡되어 중첩되어 있는 셀 리드(20)들을 융착시킨다.

레이저(LL)를 흡수할 수 있는 재질은 예를 들어 레이저 발생기(SS)의 레이저 보호 하우징과 같은 내열 수지인 플라스틱 재질이거나, 레이저 완전 흡수의 차광창(laser shield plate)으로 사용되는 재질, 혹은 크롬과 같은 금속일 수 있다.

도 4 및 도 5는 이러한 마스크(M)의 구성을 더 상세히 설명하기 위한 도면으로서 도 3의 IV-IV' 단면에 해당한다.

먼저 도 4는 마스크(M)가 레이저 차단부(50)를 구성하는 재질로 이루어진 판상 몸체를 가지도록 하여 개구부 혹은 레이저 투과 물질로 채워진 레이저 투과부(60)를 추가 구성함으로써 제조한 예이다.

도 5는 석영 기판과 같은 투명한(여기서 투명이란, 레이저(LL)를 흡수하거나 반사하지 않고 투과시키는 것을 의미함) 베이스 기판(45) 상에 레이저 차단부(50)를 구성함으로써 제조한 예이다. 이 때, 레이저 차단부(50)는 베이스 기판(45)의 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 중 하나 이상의 위에 위치할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 면이 베이스 기판(45)의 상면이고 제2 면이 베이스 기판(45)의 하면이며 레이저 차단부(50)가 제1 면 위에만 위치하는 경우를 예로 들었다.

레이저 발생기(SS)로부터 출력되어 마스크(M)를 투과해 셀 리드 연결 부위(P)로 조사된 레이저(LL)가 셀 리드(20)로부터 반사되고 이 반사된 레이저가 다시 마스크(M)로부터 재반사되어 이차 전지(10)들의 적층체 상의 원치 않는 위치에 연속적으로 재조사되지 않도록 마스크(M)를 구성함이 바람직하다. 또한, 마스크(M)는 고출력 레이저의 반복적인 사용에 따른 내구성이 확보되어야 한다. 이러한 관점에서, 마스크(M)는 레이저(LL) 조사를 견딜 수 있으며 반사를 막을 수 있는 재료로 형성될 수 있고, 텅스텐, 탄탈, 크롬, 니켈, 또는 몰리브덴 등의 고융점 금속 또는 이들 원소를 함유하는 합금, 스테인리스 강, 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy) 등의 열에 의하여 쉽게 변형되지 않는 저열팽창률의 금속 재료를 몸체 및 레이저 차단부(50)로 포함하게 하는 도 4와 같은 구성으로 형성함이 가장 바람직하다. 한편, 본 실시예에서는 마스크(M)를 판형 부재로 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 마스크(M)는 다양한 형상으로 형성할 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하여, 마스크(M)에서 레이저 투과부(60)는 적용되는 이차 전지(10)들의 적층체 모델에 따라 달라지며, 본 실시예에서는 셀 리드 연결 부위(P)에 대응하는 위치 및 크기로 레이저 투과부(60)가 형성되도록 한다. 특히 레이저(LL)가 세로 방향을 따라 셀 리드 연결 부위(P)들을 스캔하는 구성일 때에 레이저 투과부(60)는 그 스캔 방향을 따라 길게 연장된 것이다.

또한, 도 3의 평면도에서 보는 바와 같이, 레이저 투과부(60)의 폭(w)은 셀 리드(20)의 폭 또는 원하는 용접폭이 되도록 하고, 레이저 투과부(60)의 길이(d)는 셀 리드(20)의 길이 또는 원하는 용접길이가 되도록 조절한다. 이와 같이 마스크(M)는 레이저(LL)를 차단하되 셀 리드 연결 부위(P)들은 레이저(LL)가 투과되도록 하여 레이저(LL)가 원하는 위치에 원하는 크기로 조사되도록 레이저(LL)를 디자인하는 역할을 한다.

지지부재(40)는 이차 전지(10)들의 적층체를 고정하고 회전이 가능한 지지 가이드, 이러한 지지 가이드의 높이를 조절하는 높이조절부재로 구성될 수 있다. 지지 가이드는 이차 전지(10)들의 적층체를 고정하여 정렬된 구조를 유지시키며, 높이조절부재는 셀 리드 연결 부위(P)를 상하방향으로 이동시키는 역할을 하므로, 높이조절부재를 통해 이차 전지(10)들의 적층체를 상에서 하 또는 하에서 상으로 움직이거나, 높이조절부재는 그대로 두고 레이저 발생기(SS)를 상에서 하 또는 하에서 상으로 움직임으로써, 레이저 발생기(SS)와 마주보는 쪽에 위치하는 모든 셀 리드 연결 부위(P)들은 동시에 같은 정도로, 그리고 상하 방향(화살표 B)을 따라 순차적인 용접이 가능하다. 즉, 지지부재(40)는 레이저(LL) 스캔 방향으로 이동될 수 있다.

이러한 레이저 용접 장치(100)를 이용한 용접 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다. 다수의 셀 리드 연결 부위(P)들이 가로 방향을 따라 나란히 배열되도록 다수의 이차 전지(10)들의 적층체를 도 2와 같이 준비하여 지지부재(40) 상에 위치 고정한 후, 레이저(LL)를 출력시킨다.

레이저(LL)는 셀 리드 연결 부위(P)들을 적어도 가로 방향을 따라 커버하는 것이므로 여러 개의 셀 리드 연결 부위(P)들에 레이저(LL)가 동시에 조사된다. 이 때, 마스크(M)를 이용해 셀 리드 연결 부위(P) 이외의 부분은 선택적으로 레이저(LL)를 차단하므로, 레이저(LL)는 셀 리드 연결 부위(P)들에 조사된다.

지지부재(40)의 높이조절부재를 조절하여 지지부재(40)를 위 또는 아래로 움직임으로써 레이저(LL)를 세로 방향으로 스캔하면, 레이저 용접 장치(100)와 마주보는 쪽의 셀 리드 연결 부위(P)들을 동시에 용접할 수 있다.

이와 같이 한쪽 면의 용접을 한 번에 실시한 후, 지지부재(40)의 지지 가이드를 회전시켜 반대쪽 면의 셀 리드 연결 부위(P)가 레이저 발생기(SS) 쪽으로 향하게 한 후 다시 위와 같은 한 번의 용접으로, 레이저 발생기(SS)와 마주보는 쪽에 위치하는 모든 셀 리드 연결 부위(P)들을 같은 정도로, 그리고 상하 방향을 따라 순차적으로 스캔하면서 동시에 용접할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치(100) 및 이를 이용한 용접 방법은 기존의 1:1 용접 방법과 비교시 1(레이저):다(셀 리드 연결 부위)이며, 한쪽 면의 용접을 한 번에 실시할 수 있으므로 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

도시한 바와 같이 이차 전지(10) 12개를 직렬 연결하는 경우를 도 1의 종래와 비교하여 보면, 한쪽 면의 셀 리드 연결 부위(P)들에 대한 용접 적용 시간을 1초, 한쪽 면의 용접을 실시한 후 반대쪽 면의 셀 리드 연결 부위를 작업 위치로 가져오는 데에 걸리는 시간을 1초라고 하는 경우에, 총 작업 시간은 용접 적용 시간(1초) x 용접 회수(앞, 뒤 각각 1회->총 2회) + 이차 전지들의 적층체 이송 시간(1초)x 이송 횟수(1번) = 3초가 된다. 따라서, 도 1에 예로 든 것과 같은 종래의 20초에 비하여 총 작업 시간을 85%나 단축시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 셀 리드 연결 부위(P)를 일일이 용접하는 것이 아니라 한쪽 면의 셀 리드 연결 부위(P)들을 동시에 작업하므로 시간이 단축되고 장치 부재들의 이동 및 제어도 복잡하지 않아 매우 능률적이다.

뿐만 아니라, 레이저 용접 장치(100)는 레이저 발생기(SS) 등은 그대로 두고 마스크(M)만 교체하여도 여러 모델에 대해 적용할 수 있어 모델 변경의 유연성도 확보한다.

레이저 발생기(SS)가 레이저 발생기(SS)와 마주보고 있는 모든 셀 리드 연결 부위(P)들에 동시에 조사될 수 있는 가로 길이 및 세로 길이를 가진 레이저(LL)를 출력하는 3차원 입체광원 구성일 경우에는 스캔하는 과정없이, 한번의 샷으로 모든 셀 리드 연결 부위(P)들을 동시에 용접할 수 있으므로 시간은 더욱 단축될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 이차 전지 12개 모듈 조립을 예시적으로 설명하였으나, 이에 국한하지 않고 8개, 16개 이상의 이상의 모듈 조립 및 판상형 전지가 아닌 다양한 다른 전지 구조에서도 기구적인 매커니즘을 동일하게 적용하여 응용할 수 있음은 자명한 일이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치 및 용접 방법을 나타내기 위해 도시한 레이저 용접 장치의 측면도이다.

도 6을 참조하면 레이저 용접 장치(110)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 레이저 발생기(SS)와 마스크(M)가 이차 전지(10) 앞 뒤로 양측에 위치하여, 일측 셀 리드 연결 부위와 타측 셀 리드 연결 부위에 대해 동시에 용접 작업을 수행하도록 구성한 것이다.

이와 같이 레이저 발생기(SS)와 마스크(M)를 적층된 이차 전지(10)들의 양측에 위치하도록 하면 일측 셀 리드 연결 부위와 타측 셀 리드 연결 부위에 대해 동시에 용접 작업을 수행함으로써, 용접 효율성을 극대화할 수 있고, 적층체의 회전이나 이송 등 작업이 필요없으므로 공정 불량율이 감소된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 용접 방법은 마스크를 이용한 레이저 용접 장치 및 용접 방법이다. 셀 리드 용접시 마스크를 이용하여 한 번에 용접할 수 있도록 한 것으로, 작업 시간 감소 및 모델 변경의 유연성 향상이 가능하다.

넓은 범위의 레이저를 조사하되 마스크를 이용하여 필요한 부위의 레이저만투과하게 하여 한쪽 면 혹은 양쪽 면의 용접을 한 번에 실시할 수 있다. 이에 따라, 기존의 1:1 용접 방법에 비해 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 마스크만 교체하면 여러 모델에 대해 적용할 수 있으므로 모델 변경의 유연성도 확보한 기술이다.

본 발명에서는 넓은 범위의 레이저를 통해 여러 부위를 커버하며, 레이저의 스캔 방향이 셀 리드의 길이 방향을 따른 동시 용접이다. 이에 비해 레이저를 셀 리드의 길이 방향을 따라 이동시켜 한 층의 용접을 끝낸 후에 레이저를 옆으로 이동시켜 다음 층의 용접을 하는 것은 여러 부위의 동시 용접이 아니다. 본 발명은 이와 같이 레이저를 이용하되 마스크를 투과시켜 여러 부위를 동시에 용접하는 기술이다.

본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 용접 방법은 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 사용되는 배터리 모듈의 양극, 음극 리드를 직렬 연결하는 배터리 모듈의 용접 시스템 및 방법으로 활용될 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

10 : 이차 전지
20 : 셀 리드
40 : 지지부재
45 : 베이스 기판
50 : 레이저 차단부
60 : 레이저 투과부
P : 셀 리드 연결 부위
SS : 레이저 발생기
LL : 레이저
M : 마스크
100, 110 : 레이저 용접 장치

Claims (19)

1. 레이저를 출력하는 레이저 발생기;
   셀 리드 연결 부위들이 나란히 배열되어 있는 이차 전지들의 적층체를 위치 고정하는 지지부재; 및
   상기 레이저 발생기와 상기 적층체 사이에 배치되며 상기 레이저를 흡수하는 레이저 차단부와 상기 레이저를 통과시키는 레이저 투과부를 포함하는 마스크를 포함하여,
   상기 레이저 투과부를 통과한 상기 레이저가 상기 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사되도록 하여 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 레이저 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지들 각각은 그 양단으로 양극과 음극의 판상형 셀 리드가 돌출되어 있고 상기 적층체에서 상기 이차 전지들은 상기 셀 리드가 이웃하는 이차 전지와는 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층되어 있으며, 상기 셀 리드 연결 부위들은 이웃하는 셀 리드들이 상호 중첩되도록 수직 절곡되어 있는 부위인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 이차 전지들은 상기 지지부재에 대하여 세로 방향으로 세워져 적층됨으로써 상기 셀 리드 연결 부위들은 가로 방향을 따라 배열되며, 상기 레이저 발생기는 상기 레이저 발생기와 마주보고 있는 모든 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사될 수 있는 가로 길이를 가진 레이저를 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 레이저 발생기는 모듈 타입의 반도체 레이저 다이오드를 이용하여 평판형 레이저를 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 레이저는 상기 세로 방향을 따라 상기 셀 리드 연결 부위들을 스캔하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 투과부는 상기 레이저 스캔 방향을 따라 길게 연장된 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 스캔 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 적층체를 고정하고 회전이 가능한 지지 가이드; 및
   상기 지지 가이드의 높이를 조절하는 높이조절부재로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
9. 제2항에 있어서, 상기 이차 전지들은 상기 지지부재에 대하여 세로 방향으로 세워져 적층됨으로써 상기 셀 리드 연결 부위들은 가로 방향을 따라 배열되며, 상기 레이저 발생기는 상기 레이저 발생기와 마주보고 있는 모든 셀 리드 연결 부위들에 동시에 조사될 수 있는 가로 길이 및 세로 길이를 가진 레이저를 출력하 는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 레이저 투과부는 상기 셀 리드 연결 부위들에 대응되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 레이저 차단부는 상기 레이저를 흡수할 수 있는 재질로 이루어지고 상기 레이저 투과부는 상기 레이저의 파장이 흡수 또는 반사되지 않고 통과하여 상기 셀 리드에 도달할 수 있는 재질로 구성하거나 개구부로 구성한 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 레이저를 흡수할 수 있는 재질은 내열 수지, 레이저 완전 흡수의 차광창(laser shield plate)으로 사용되는 재질, 또는 금속인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 레이저 차단부를 구성하는 재질로 이루어진 판상 몸체를 가지고 상기 레이저 투과부는 개구부 혹은 레이저 투과 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 마스크는 텅스텐, 탄탈, 크롬, 니켈, 또는 몰리브덴 등의 고융점 금속 또는 이들 원소를 함유하는 합금, 스테인리스 강, 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy)를 포함하는 저열팽창률의 금속을 상기 몸체 및 레이저 차단부로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 레이저를 흡수하거나 반사하지 않고 투과시키는 베이스 기판 상에 상기 레이저 차단부를 포함하며, 상기 레이저 차단부는 상기 베이스 기판의 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 중 하나 이상의 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 마스크에서 상기 레이저 투과부의 폭은 상기 셀 리드의 폭 또는 원하는 용접폭이 되도록 하고, 상기 레이저 투과부의 길이는 상기 셀 리드의 길이 또는 원하는 용접길이가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발생기와 마스크가 상기 적층체 양측에 위치하여, 일측 셀 리드 연결 부위와 타측 셀 리드 연결 부위에 대해 동시에 용접 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
18. 다수의 셀 리드 연결 부위들이 가로 방향을 따라 나란히 배열되도록 다수의 이차 전지들의 적층체를 준비하는 단계;
    상기 셀 리드 연결 부위들을 적어도 상기 가로 방향을 따라 커버하는 레이저를 출력하되 마스크를 이용해 선택적으로 차단하여 상기 셀 리드 연결 부위들에 조사하는 단계; 및
    상기 레이저를 상기 가로 방향에 수직인 세로 방향으로 스캔하면서 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 단계를 포함하는 레이저 용접 방법.
19. 다수의 셀 리드 연결 부위들이 가로 방향을 따라 나란히 배열되도록 다수의 이차 전지들의 적층체를 준비하는 단계; 및
    상기 셀 리드 연결 부위들을 상기 가로 방향 및 세로 방향을 따라 커버하는 레이저를 출력하되 마스크를 이용해 선택적으로 차단하여 상기 셀 리드 연결 부위들에 조사하여 한번의 샷으로 상기 셀 리드 연결 부위들의 전체 용접 면적을 커버하도록 하여 상기 셀 리드 연결 부위들을 동시에 용접하는 단계를 포함하는 레이저 용접 방법.

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