KR20190109903A - 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법 - Google Patents

금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기밀성이 우수한 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법에 관한 것으로, 열전도플레이트와 냉각튜브를 준비하는 단계와, 상기 냉각튜브의 유입구와 유출구로부터 소정의 길이구간에 걸쳐 나머지 영역에 비해 더 거친 표면을 갖는 조면처리부를 생성하는 단계와, 상기 열전도플레이트와 상기 냉각튜브를 결합하여 인서트 사출을 통해 프레임을 성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF BATTERYCELL ASSEMBLY CASE USING METAL SURFACE TREATMENT}
본 발명은 2차 전지의 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속표면처리를 통해 기밀성과 결합성이 향상된 전지셀 어셈블리 케이스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전기자동차에 주로 사용되는 파우치 타입의 2차 전지셀은 양극판과 음극판 사이에 열이 발생되어, 전지셀에 의해 발생되는 열을 냉각시키기 위한 방열판이 설치된 프레임들 사이에 끼워져 배치된다.
이 프레임은 냉각수가 흐르는 냉각튜브와 방열판을 결합하고, 이를 다시 프레임에 끼워넣어 조립하고 있었기 때문에 생산성이 낮아 최근 인서트 사출에 의한 제조방법이 제시되고 있다.
그러나, 기존의 제조방법들은 이종소재 간의 결합력이 약하여 이 부분을 통해 냉각수가 누수될 수 있는 문제점이 잠재되어 있었다.
본 발명은 인서트 사출 시 기밀성을 높일 수 있는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법에 있어서, 열전도플레이트와 냉각튜브를 준비하는 단계와, 상기 냉각튜브의 유입구와 유출구로부터 소정의 길이구간에 걸쳐 나머지 영역에 비해 더 거친 표면을 갖는 조면처리부를 생성하는 단계와, 상기 열전도플레이트와 상기 냉각튜브를 결합하여 인서트 사출을 통해 프레임을 성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 조면처리부를 생성하는 단계는 에칭 표면처리에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에칭 표면처리는 이물질을 제거하는 사전준비단계와, HCl 15 내지 18wt%, FeCl3 15 내지 18wt%, 이온수 64 내지 70wt%의 혼합비율의 처리액에 30 내지 40℃의 온도에서 1 내지 5분간 에칭 처리하는 본처리단계와, 건조하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인서트 사출을 통해 프레임을 성형하는 단계는, 상기 냉각튜브의 온도를 상기 프레임을 성형하기 위한 수지의 온도보다 높게 유지시키는 가열단계를 더 포함하는 것이 이종 소재 간의 결합력을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
그리고, 상기 가열단계는 상기 냉각튜브에 고온의 유체를 통과시키는 것으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법에 의해 제조된 전지셀 어셈블리는 기밀성이 높다.
도 1은 본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법의 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 프레임을 나타내는 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 열전도플레이트와 냉각튜브를 나타내는 사시도,
도 4는 프레임이 적층되어 있는 모습을 나타내는 측단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 프레임(300)을 나타내는 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)를 나타내는 사시도이고, 도 4는 프레임(300)이 적층되어 있는 모습을 나타내는 측단면도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명으로 제조되는 전지셀 어셈블리 케이스는 자동차용 2차전지의 열 발생을 방지하는 부품으로 열전도플레이트(100)를 전지셀 사이에 끼워 전지셀에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 것이다. 전지셀들은 이러한 열전도플레이트(100)를 가지는 프레임(300) 사이에 복수 개 적층되어 하나의 모듈로 구성된다. 즉, 하나의 프레임(300)은 하나의 열전도플레이트(100)를 가지며 이러한 프레임(300)들이 복수 개 적층 된 사이에 복수 개의 전지셀들이 배치된다.
이러한 프레임(300)은 매니폴더부(310)를 갖는데 매니폴더부(310)는 판면을 기준으로 한쪽은 끼움홈(311)이 형성되고, 다른쪽은 끼움구(312)가 형성되어 여러장의 프레임(300)이 적층되었을 때 한쪽의 끼움구(312)가 다른쪽의 끼움홈(311)에 삽입되고 매니폴더부(310)는 하나의 냉각수(a) 유로를 형성하게 된다. 이때 끼움구(312)의 표면에는 패킹부재(313)가 삽입된다. 이러한 매니폴더부(310)는 프레임(300)의 일 측에 형성되며 이를 통해 열전도플레이트(100)의 테두리에 배치되는 냉각튜브(200)의 유입구(210)로 냉각수(a)가 유입되고, 냉각수(a)는 전지셀에 의해 발생된 열을 흡수한 후 유출구(220)를 통해 배출된다.
이와 같은 프레임(300)은 인서트사출에 의해 성형된다. 프레임(300)의 내부에는 열전도플레이트(100)와 열전도플레이트(100)의 테두리를 따라 배치되는 냉각튜브(200)가 삽입되어 있다. 이러한 열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)는 금속재질을 가지고, 프레임(300)은 플라스틱 재질의 수지에 의해 성형되므로 이종소재 간의 인서트사출에 의해 프레임(300)과 열전도플레이트(100) 및 냉각튜브(200)의 접합부위의 결합력이 떨어질 수 있고, 이 부분에 미세한 공극이 발생할 수 있다. 특히, 냉각튜브(200)의 양단에 형성되는 냉각수(a)의 유입구(210)와 유출구(220)는 인서트 사출 시 수지에 의해 막힐 수 있기 때문에 냉각수(a)가 흐르는 매니폴더부(310) 내로 소정간격 돌출 되도록 형성된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 매니폴더부(310)를 흐르는 냉각수(a)는 냉각튜브(200)와 프레임(300)의 접합부위에 형성되는 리크부(b)를 통해 누수될 가능성이 있고, 이러한 누수는 전지셀 어셈블리 케이스 전체에 악 영향을 미치게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)를 준비하는 단계(S10)와, 조면처리부(211, 221)를 생성하는 단계(S20)와, 인서트 사출을 통해 프레임(300)을 성형하는 단계(S30)를 가진다.
열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)를 준비하는 단계(S10)는 각각 열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)를 성형하는 단계로 이루어지며, 열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)는 도 3에 도시되어 있다.
열전도플레이트(100)는 장방형의 열전도가 높고, 내식성이 높은 금속소재를 전지셀의 크기에 대응하도록 가공한 후 테두리를 따라 배치되는 냉각튜브(200)를 고정하기 위한 튜브끼움부(110)를 성형하는 단계를 통해 만들어진다. 냉각튜브(200)는 냉각수(a)의 유입과 유출의 구조를 효율화하기 위해 열전도플레이트(100)의 한쪽 변을 제외한 나머지 변에 배치된다. 열전도플레이트(100)는 이러한 냉각튜브(200)가 고정될 수 있도록 튜브끼움부(110)를 가진다. 튜브끼움부(110)는 냉각튜브(200)를 부분적으로 감쌀 수 있도록 냉각튜브(200)의 외경에 대응하는 형상을 가진다. 이러한 튜브끼움부(110)는 열전도플레이트(100)의 탄성력에 의해 냉각튜브(200)가 끼워진 후 파지할 수 있도록 형성된다.
냉각튜브(200)는 전지셀 어셈블리 케이스에 배치되는 전지셀의 발열량을 고려하여 이를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 냉각수(a)의 유량에 따른 내경을 가지며, 열전도성과 내식성이 우수한 금속소재의 튜브를 가공하여 만들어진다. 이러한 냉각튜브(200)의 가공은 열전도플레이트(100)의 변을 따라 배치될 수 있도록 열전도플레이트(100)의 외곽에 대응하여 "ㄷ"자 형상으로 벤딩하여 가공되며, 양단에 형성되는 유입구(210)와 유출구(220)는 절단에 따른 끝티(Burr)가 없도록 처리된다.
열전도플레이트(100)와 냉각튜브(200)가 준비되면, 다음으로 조면처리부(211, 221)를 생성하는 단계(S20)를 실시하게 된다.
조면처리부(211, 221)는 냉각튜브(200)에 형성되며, 특히, 냉각튜브(200)의 유입구(210)와 유출구(220)로부터 소정의 길이구간에 걸쳐 나머지 영역에 비해 더 거친 표면을 갖도록 형성된다. 이러한 조면처리부(211, 221)는 높은 표면 거칠기를 가질 수 있도록 하는 코팅, 기계가공과 같은 방법들 중에서 에칭에 의해 실시된다.
에칭 표면처리는 표면 거칠기를 높일 수 있으며, 기계 가공과정에서 발생하는 버(BURR)나 이물질 등을 효과적으로 제거할 수 있어 바람직하다. 이러한 에칭 표면처리는 사전준비단계와, 본처리단계와, 건조단계를 통해 이루어진다.
사전준비단계는 조면처리부(211, 221)가 형성되는 냉각튜브(200)의 표면에 유분이나 이물질을 제거하기 위한 단계와, 에칭 처리 전에 물로 세척하는 단계로 이루어진다.
사전준비단계가 끝나면 본처리단계가 수행된다. 본처리단계에서는 냉각튜브(200)의 조면처리부(211, 221)가 형성될 부분을 에칭을 위한 처리액에 1 내지 5분가량 침지시키는 것으로 이루어진다. 이때, 에칭을 위한 처리액은 HCl 15 내지 18wt%, FeCl3 15 내지 18wt%, 이온수 64 내지 70wt%의 혼합비율을 가지는 것이 바람직하며, HCl 16.5%, FeCl3 16.5%, 이온수 67%를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 처리액은 30 내지 40℃의 온도를 유지하게 하는 것이 조면처리부(211, 221)의 거칠기가 마이크로 또는 나노크기의 거칠기를 가져 조면처리부(211, 221)와 프레임(300) 간의 접합 인장강도가 10Mpa 이상 유지할 수 있다.
HCl과 FeCl3의 경우 각각 15 wt% 미만으로 혼합 되면 적절한 표면 거칠기를 얻는 데 상당한 시간이 소모되고, 18wt%가 넘어가게 되면 처리액을 위한 비용의 증가와 함께, 에칭이 급격하게 일어날 수 있어 적절한 거칠기를 확보하기 위한 표면처리를 제어하기 어렵다.
또한 30℃ 미만의 온도에서는 에칭을 위한 시간이 오래 걸리고, 40℃ 초과의 온도에서는 에칭이 급격하게 일어나서 적당한 표면거칠기를 가질 수 없다.
이렇게 조면처리부(211, 221)를 생성하는 단계(S20)를 완료하게 되면, 인서트 사출을 통해 프레임(300)을 성형하는 단계(S30)를 통해 프레임(300)이 완성되며 이렇게 완성된 프레임(300)은 도 2에 도시되어 있다.
인서트 사출은 금형을 준비하는 단계와, 냉각튜브(200)가 끼워진 열전도플레이트(100)를 배치하는 단계와, 냉각튜브(200)를 가열하는 단계와, 수지를 공급하는 단계 및 수지를 냉각시켜 프레임(300)을 완성하는 단계로 이루어진다.
인서트 사출금형은 상부금형과 하부금형으로 나누어지고, 하부금형에는 냉각튜브(200)가 끼워진 열전도플레이트(100)를 지지하기 위한 지지수단이 설치된다. 또한, 하부금형과 상부금형의 일단에는 프레임(300)에 형성되는 매니폴더부(310)를 성형하기 위한 매니폴더부(310)금형이 설치되고, 이러한 매니폴더부(310)금형에는 매니폴더부(310)에 부분적으로 돌출되는 냉각튜브(200)의 유입구(210)와 유출구(220)를 파지하기 위한 파지금형부가 형성된다.
이렇게 금형이 준비되면, 작업자는 냉각튜브(200)가 끼워진 열전도플레이트(100)를 하부금형에 배치하게 된다. 이때, 열전도플레이트(100)는 지지수단 위에 배치되어 열전도플레이트(100)와 금형의 사이에 프레임(300)이 성형되기 위한 공간이 확보된다.
이렇게 열전도플레이트(100)가 배치되면, 냉각튜브(200)를 가열하는 단계를 실시하게 된다.
본 발명에 따른 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법은 인서트 사출에 의해 이종소재를 결합시키기 때문에 이종소재 간의 냉각속도차이로 인해 수지의 수축이 발생하게 되고, 수지는 뜨거운 쪽으로 수축하는 경향이 있기 때문에 통상적인 인서트 사출방법을 이용할 경우 냉각튜브(200)와 프레임(300) 간에 공극이 발생하게 된다. 즉, 냉각튜브(200)를 감싸며 주입되게 되는 수지의 경우 냉각튜브(200)가 금속재질이기 때문에 접촉부위가 급속도로 냉각되어 냉각튜브(200)의 표면으로부터 멀어지는 방향으로 수축하게 된다. 따라서, 냉각튜브(200)와 프레임(300)의 결합부위에 공극이 발생하게 되고, 특히 이 공극이 냉각튜브(200)의 유입구(210) 및 유출구(220)와 프레임(300)의 결합부위 중 매니폴더부(310) 내에 위치한 리크부(b)에 발생할 경우 공극을 통해 냉각수(a)가 누수되어 냉각튜브(200)를 따라 상승하여 전지셀 어셈블리 케이스 전체에 좋지 않은 영향을 끼치게 된다.
본 발명은 조면처리부(211, 221)를 통해 수지와 냉각튜브(200)간의 접촉면접을 넓혀 결합강도를 높이고 기밀을 향상시키고 있으며, 이에 더해 프레임(300)의 성형 시 냉각튜브(200)를 가열하여 수지의 냉각에 따른 수축으로 인한 공극을 최소화하고 냉각튜브(200)의 조면처리부(211, 221)와 프레임(300)의 결합력을 더욱 향상시키게 된다.
이러한 냉각튜브(200)를 가열하는 단계에서는 냉각튜브(200)를 주입되는 수지의 온도보다 높게 유지시켜 수지가 냉각될 때 냉각튜브(200) 방향으로 수축하게 하기 위한 것으로, 냉각튜브(200)를 수지의 온도보다 80 내지 100℃ 높게 가열하는 방법으로 수행될 수 있다. 이때, 냉각튜브(200)의 온도가 수지의 온도보다 80℃ 미만일 경우 수지의 수축이 냉각튜브(200)의 방향으로 충분히 발생하지 않고, 100℃를 초과할 경우 수지의 흐름성이 과도하게 높아져 프레임(300)의 형상에 변형이 생기거나, 수지자체의 변형이 생겨 원하는 물성치를 가질 수 없게 된다.
한편, 이러한 냉각튜브(200)를 가열하는 단계는 냉각튜브(200) 내에 유체를 주입하여 냉각튜브(200)가 일정온도를 유지하게 할 수 있다. 이 경우, 냉각튜브(200)의 유입구(210)와 유출구(220) 중 어느 하나에 고온의 액체나 가스를 주입하고 밀봉하거나 또는 지속적으로 고온의 유체가 냉각튜브(200)를 통해 유동하도록 할 수 있다. 만약, 고온의 유체를 주입할 경우에는 냉각튜브(200)를 파지하기 위한 파지금형부에 유체의 주입과 회수를 위한 노즐을 추가하여 인서트 사출과정에서도 지속적으로 고온의 유체가 냉각튜브(200) 내에서 유동 되도록 하여 이종 소재 간의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 유체의 온도는 수지의 온도보다 80 내지 100℃ 더 높도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 냉각튜브(200)를 가열하는 단계를 실시한 후 프레임(300)을 성형하기 위한 수지를 주입하게 된다. 수지는 전체적인 프레임(300)의 성형 오류와 수축을 최소화 하기 위한 위치로부터 주입될 수 있으나, 가능한 냉각튜브(200)의 유입구(210)와 유출구(220)의 주변부로부터 주입되는 것이 가열된 냉각튜브(200)를 따라 수지의 흐름을 원활하게 할 수 있어 바람직하다.
수지가 공급되면 전체적인 금형을 냉각시켜 프레임(300)을 완성하는 단계로 프레임(300)이 성형된다. 수지를 냉각시켜 프레임(300)을 완성하는 단계에서는 금형에 설치된 냉각수관에 프레임(300)을 최적으로 성형할 수 있는 온도와 유량에 따른 금형냉각수를 주입하여 수지를 굳게 하며, 이때, 만약 냉각튜브(200) 내에 고온의 유체가 들어 있을 경우 프레임(300)의 외표면이 금형냉각수에 의해 충분히 굳어진 후 냉각튜브(200) 내의 고온의 유체를 배출시키게 된다.
이러한 냉각튜브(200)에는 저온의 유체가 유동하도록 할 수 있는데, 고온의 유체를 배출시킨 후 다시 저온의 유체를 주입하여 프레임(300)이 굳는 속도를 증가시켜 전체적인 프레임(300)의 생산시간을 단축시킬 수도 있다.
100 열전도플레이트 110 튜브끼움부
200 냉각튜브 210 유입구
220 유출구 211, 221 조면처리부
300 프레임 310 매니폴더부
311 끼움홈 312 끼움구
313 패킹부재 a 냉각수
b 리크부

Claims (5)

  1. 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법법에 있어서,
    열전도플레이트와 냉각튜브를 준비하는 단계와,
    상기 냉각튜브의 유입구와 유출구로부터 소정의 길이구간에 걸쳐 나머지 영역에 비해 더 거친 표면을 갖는 조면처리부를 생성하는 단계와,
    상기 열전도플레이트와 상기 냉각튜브를 결합하여 인서트 사출을 통해 프레임을 성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조면처리부를 생성하는 단계는 에칭 표면처리에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 에칭 표면처리는 이물질을 제거하는 사전준비단계와, HCl 15 내지 18wt%, FeCl3 15 내지 18wt%, 이온수 64 내지 70wt%의 혼합비율의 처리액에 30 내지 40℃의 온도에서 1 내지 5분간 에칭 처리하는 본처리단계와, 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 인서트 사출을 통해 프레임을 성형하는 단계는, 상기 냉각튜브의 온도를 상기 프레임을 성형하기 위한 수지의 온도보다 높게 유지시키는 가열단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가열단계는 상기 냉각튜브에 고온의 유체를 통과시키는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속표면처리를 활용한 전지셀 어셈블리 케이스의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160031718A (ko) * 2014-09-15 2016-03-23 주식회사 엘지화학 냉매 유로의 절곡이 최소화된 냉각 구조를 포함하는 전지모듈
KR20160149604A (ko) * 2015-06-18 2016-12-28 주식회사 엘지화학 경량화를 위한 냉각 플레이트, 이를 포함하는 전지모듈 및 제조방법

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KR20160149604A (ko) * 2015-06-18 2016-12-28 주식회사 엘지화학 경량화를 위한 냉각 플레이트, 이를 포함하는 전지모듈 및 제조방법

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