KR20210147401A - Dry removal method for contaminants - Google Patents

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KR20210147401A
KR20210147401A KR1020200064584A KR20200064584A KR20210147401A KR 20210147401 A KR20210147401 A KR 20210147401A KR 1020200064584 A KR1020200064584 A KR 1020200064584A KR 20200064584 A KR20200064584 A KR 20200064584A KR 20210147401 A KR20210147401 A KR 20210147401A
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허은규
김태수
이문찬
안수준
채병준
설주영
김학균
박정호
한옥수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

An embodiment of the present invention relates to a dry type removal method for contaminants is a dry type removal method for contaminants for removing contaminants formed on one end of a battery in which a positive electrode cap portion and a negative electrode portion are located by using a laser. According to the present invention, the contaminants are removed by irradiating the laser toward one end of the battery, wherein the laser may be independently irradiated to each region by dividing the positive electrode cap region and the negative electrode region.

Description

오염물의 건식 제거 방법{DRY REMOVAL METHOD FOR CONTAMINANTS}DRY REMOVAL METHOD FOR CONTAMINANTS

본 발명은 레이저를 이용하여 기재에 형성된 오염물을 제거하기 위한 오염물의 건식 제거 방법에 관한 것이다The present invention relates to a method for dry removal of contaminants for removing contaminants formed on a substrate using a laser.

전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 충전이 가능한 이차 전지로 분류될 수 있다. The battery may be classified into a non-rechargeable primary battery and a rechargeable secondary battery.

이 중에서 이차전지는 과거에는 노트북, 캠코더 및 휴대폰과 같은 휴대용 정보 기기 또는 전동 기구와 같은 소형 제품에 주로 사용되었으나, 최근 기술 발전에 따라 전기 자동차의 모터 구동에 필요한 충전 가능한 전력 공급원으로 사용처가 확대되고 있다.Among them, secondary batteries were mainly used in portable information devices such as laptops, camcorders, and mobile phones in the past, or small products such as electric appliances, but with recent technological development, their use has expanded as a rechargeable power source required to drive a motor of an electric vehicle. have.

전기 자동차에 사용되는 이차전지의 경우, 대형의 파우치형 셀 또는 각형 셀을 이용한 전지 팩의 사용과 원통형 셀을 이용한 전지 팩를 이용하는 것으로 나눌 수 있다.A secondary battery used in an electric vehicle can be divided into a battery pack using a large pouch-type cell or a prismatic cell, and a battery pack using a cylindrical cell.

원통형 셀은 단위 셀의 용량이 작기 때문에, 상대적으로 많은 수의 단위 셀을 사용해야 하므로, 셀 사이의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 휫수가 증가하는 문제가 있고 용접 공정에서의 수율이 문제로 된다.Since the cylindrical cell has a small capacity of the unit cell, it is necessary to use a relatively large number of unit cells, so there is a problem in that the number of holes in the welding process for electrical connection between cells increases, and the yield in the welding process becomes a problem.

원통형 셀의 전기적 연결을 위한 방법으로서는 와이어 본딩(Wire Bonding)이 주로 이용되지만, 와이어 본딩의 품질이 원통형 셀의 표면 상태에 매우 민감하다는 문제점이 있다.Wire bonding is mainly used as a method for electrical connection of cylindrical cells, but there is a problem in that the quality of wire bonding is very sensitive to the surface state of the cylindrical cells.

와이어 본딩을 위해 셀 표면 상태를 양호하게 하기 위한 셀 표면의 오염물 제거에는 일반적으로 습식 세척 공정이 주로 이용되나, 이러한 습식 세척 공정을 이용할 경우 세척제에 의해 전지 셀의 추가적인 오염이나 부식에 의한 녹과 같은 산화물이 유발되는 문제가 있을 수 있다.For wire bonding, a wet cleaning process is generally used to remove contaminants from the cell surface to improve the cell surface condition. There can be problems with oxides being induced.

설령 세척에 의한 문제가 발생하지 않는다고 하여도, 이차 전지는 제조 및 보관 중에 여러가지 물리적 및/또는 화학적 오염에 노출된다. 이러한 오염은 전지의 성능을 저하시키는 것은 물론이고, 대용량의 전지를 형성하는 데 필요한 단위 셀간 와이어 본딩 공정의 품질을 저하시키는 요인이 된다.Even if there is no problem due to washing, the secondary battery is exposed to various physical and/or chemical contamination during manufacture and storage. Such contamination not only deteriorates the performance of the battery, but is also a factor in reducing the quality of the wire bonding process between unit cells required to form a large-capacity battery.

또한, 단일 이차 전지 셀은 제조 후에 복수 개가 패키지 상에 보관되는데, 패키지 상에 보관된 상태에서 오염이 발생할 경우, 오염물 제거를 위해 습식 세척 공정이 진행된다면, 전술한 바의 습식 세척 공정에 따른 부작용은 더욱 극대화될 수 있다.In addition, a plurality of single secondary battery cells are stored on a package after manufacturing. If contamination occurs while stored on the package, if a wet washing process is performed to remove contaminants, side effects of the wet washing process as described above can be further maximized.

이에 따라, 팩 제조를 위한 와이어 본딩 공정의 직전에 레이저를 이용하여 기재에 형성된 오염물을 제거할 수 있는 오염물의 건식 제거 방법의 도입이 필요한 실정이며, 이러한 건식 제거 방법 이용시 오염물 및 기재의 물성을 고려하고 또한 이차 전지 셀에 적용시 와이어 본딩이 정상적으로 수행될 수 있도록 하는 레이저 조건의 도출 또한 필요할 것이다.Accordingly, it is necessary to introduce a dry removal method of contaminants that can remove contaminants formed on the substrate using a laser immediately before the wire bonding process for manufacturing the pack. In addition, it will also be necessary to derive laser conditions for wire bonding to be normally performed when applied to secondary battery cells.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-mentioned background art is technical information that the inventor possessed for the derivation of the embodiments of the present invention or acquired in the process of derivation, and it cannot be said that it is necessarily known technology disclosed to the general public prior to the filing of the embodiments of the present invention. none.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 레이저를 이용하여 기재에 형성된 오염물을 제거하기 위한 오염물의 건식 제거 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a dry removal method of contaminants for removing contaminants formed on a substrate using a laser.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 하나의 관점에 따른 오염물의 건식 제거 방법은, 양극 캡부와 음극부가 위치한 전지의 일단부에 형성된 오염물을 레이저를 이용하여 제거하기 위한 오염물의 건식 제거 방법으로서, 상기 전지의 일단부를 향하여 상기 레이저를 조사하여 상기 오염물을 제거하되, 상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역을 구분하여 각 영역에 독립적으로 상기 레이저의 조사를 수행하는 것이다.The dry removal method of contaminants according to one aspect of the present invention is a dry removal method of contaminants for removing contaminants formed on one end of a battery in which a positive electrode cap part and a negative electrode part are located using a laser, wherein the The contaminants are removed by irradiating a laser, but the anode cap region and the cathode region are divided and the laser is irradiated to each region independently.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저 조사에 의해 제거되는 오염물에는 배터리 전해액, 산화막 또는 유기물이 포함되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the contaminants removed by the laser irradiation may include a battery electrolyte, an oxide film, or an organic material.

본 발명의 하나의 실시 양태로서,, 상기 레이저의 파장은 1000 내지 1100 nm 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the wavelength of the laser may be 1000 to 1100 nm.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저의 에너지 밀도는 10 내지 100 kJ/m2 일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the energy density of the laser may be 10 to 100 kJ/m 2 .

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저의 첨두 출력은 3 ~ 30 MW/㎠일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the peak output of the laser may be 3 ~ 30 MW/cm 2 .

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저의 M2 값은 2 ~ 50일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the M 2 value of the laser may be 2-50.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저의 초당 펄스 반복율은 10 ~ 1000 kHz일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pulse repetition rate per second of the laser may be 10 ~ 1000 kHz.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 레이저의 펄스 폭은 2 ~ 240 ns일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pulse width of the laser may be 2 ~ 240 ns.

본 발명의 전술한 하나의 관점에 따른 오염물의 건식 제거 방법의 부가의 특징으로서, 상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역이 분리되어 조사되는 레이저를 이용할 수 있다.As an additional feature of the method for dry removal of contaminants according to one aspect of the present invention, a laser in which the anode cap region and the cathode region are separately irradiated may be used.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 상기 전지는 상방이 개구된 패키지에 복수 개가 수용되어 제공되며, 레이저 장치와 동축 광학계를 포함하여 구성된 카메라를 이용하여 상기 각 전지를 구별할 수 있도록 비전 인식한 후, 상기 각 전지의 일단부를 향하여 독립적으로 상기 레이저를 조사할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a plurality of the batteries are accommodated in a package with an open top, and after vision recognition is performed to distinguish each battery using a camera configured including a laser device and a coaxial optical system. , it is possible to independently irradiate the laser toward one end of each battery.

이러한 실시 양태에서, 상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역에 조사되는 레이저의 구동 조건을 달리하는 것이 바람직하다.In this embodiment, it is preferable that the driving conditions of the laser irradiated to the anode cap region and the cathode region are different.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 레이저 조사 중에 상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역의 표면에 불활성 가스를 공급하는 기구 및 레이저 조사에 따라 발생하는 증기 상의 부산물을 흡인하는 기구가 마련될 수 있다.As an embodiment of the present invention, a mechanism for supplying an inert gas to the surfaces of the anode cap region and the cathode region during laser irradiation and a mechanism for sucking vapor phase byproducts generated by laser irradiation may be provided.

본 발명의 하나의 관점 및 그 실시 양태에 따른 오염물의 건식 제거 방법에 따르면, 전지의 일단부에 형성된 오염물의 제거를 용이하게 하면서 기재 간 와이어 본딩이 정상적으로 이루어질 수 있도록 유도할 수 있다.According to the dry removal method of contaminants according to one aspect of the present invention and an embodiment thereof, it is possible to induce normal wire bonding between substrates while facilitating removal of contaminants formed at one end of the battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물의 건식 제거 방법이 적용될 수 있는 원통형 전지의 일단부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전지의 일단부를 평면 형태로 간략하게 도시한 도면이다.
도 3은 유기물로 오염된 전극 표면에 레이저를 조사하여 유기물을 제거하여 와이어 본딩이 가능한 상태로 한 사진이다.
도 4는 양극 영역과 음극 영역을 선택적으로 세정한 결과를 도여주는 사진으로서, 가스켓 손상을 예방하기 위해 음극 영역만 선택하여 녹을 제거한 상태를 보여준다.
도 5는 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따라 음극부에 와이어 본딩이 정상적으로 이루어지는 비율을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 6은 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따른 음극부의 SEM 사진(500 배율)을 나타낸 도면이다.
도 7은 복수의 전지가 패키지에 수용된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물의 건식 제거 방법에서 사용되는 레이저의 빔 품질을 나타내는 지표인 M2에 따른 특성 차이를 보여주는 그래프이다.
1 is a diagram schematically illustrating one end of a cylindrical battery to which the dry removal method of contaminants according to an embodiment of the present invention can be applied.
2 is a diagram schematically illustrating one end of a battery in a planar shape.
3 is a photograph showing a state in which wire bonding is possible by irradiating a laser on the surface of an electrode contaminated with an organic material to remove the organic material.
4 is a photograph showing the result of selectively cleaning the anode region and the cathode region, and shows a state in which rust is removed by selecting only the cathode region in order to prevent damage to the gasket.
5 is a diagram schematically showing a ratio in which wire bonding is normally performed on the cathode part according to the energy density of the irradiated laser.
6 is a view showing an SEM photograph (500 magnification) of the cathode part according to the energy density of the irradiated laser.
7 is a diagram schematically illustrating a state in which a plurality of batteries are accommodated in a package.
8 is a graph showing a characteristic difference according to M 2 , which is an index indicating a beam quality of a laser used in a method for dry removal of contaminants according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. On the other hand, the terms used herein are for the purpose of describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물의 건식 제거 방법이 적용될 수 있는 원통형 전지의 일단부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 전지의 일단부를 평면 형태로 간략하게 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing one end of a cylindrical battery to which the dry removal method of contaminants according to an embodiment of the present invention can be applied, and FIG. 2 is a schematic plan view of one end of the battery.

원통형 전지의 일단부(10)는 중앙부에 양극 캡부(11)가 배치되고, 테두리측에 음극부(12)가 배치되며, 양극 캡부(11)와 음극부(12) 사이에 개스킷(13)이 배치된다.One end 10 of the cylindrical battery has a positive electrode cap 11 disposed in the center, a negative electrode 12 disposed on the edge side, and a gasket 13 between the positive electrode cap 11 and the negative electrode 12 . are placed

본 발명의 일 실시에 따른 오염물의 건식 제거 방법은, 양극 캡부(11)와 음극부(12)가 위치한 전지의 일단부(10)에 형성된 오염물을 레이저를 이용하여 제거하기 위한 오염물의 건식 제거 방법으로서, 전지의 일단부(10)를 향하여 레이저를 조사하여 오염물을 제거하되, 양극 캡부 영역(A)과 음극부 영역(B)을 구분하여 각 영역에 독립적으로 레이저의 조사를 수행할 수 있다.In the method for dry removal of contaminants according to an embodiment of the present invention, a method for dry removal of contaminants by using a laser to remove contaminants formed on one end 10 of a battery in which the positive electrode cap portion 11 and the negative electrode portion 12 are located. As an example, the laser is irradiated toward one end 10 of the battery to remove contaminants, but the anode cap region (A) and the cathode region (B) can be divided to independently irradiate the laser to each region.

원통형 전지가 리튬 이온 이차 전지인 경우, 양극 캡부(11)는 예를 들어 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 또는 표면에 니켈(Ni)이 도금된 철(Fe)의 판재가 이용될 수 있으며, 음극부(12)는 예를 들어 표면에 니켈이 도금된 철의 판재 또는 스테인리스스틸 판재가 이용될 수 있는데, 소재는 이에 한정되지 아니한다. When the cylindrical battery is a lithium ion secondary battery, the positive electrode cap part 11 may be formed of, for example, aluminum (Al), an aluminum alloy, or an iron (Fe) plate material plated with nickel (Ni) on the surface, and the negative electrode part In (12), for example, an iron plate or stainless steel plate on which nickel is plated may be used, but the material is not limited thereto.

양극 캡부(11)와 음극부(12) 사이에 배치되는 개스킷(13)은 PBT (Poly Butylene Terephthalate) 또는 PP (PolyPropylene) 소재로 구성되어, 레이저에 의해 쉽게 손상될 수 있기 때문에 양극 캡부(11)와 음극부(12) 영역을 구분하여 독립적으로 레이저의 조사가 수행되도록 하여 개스킷(13)에 직접적으로 레이저가 도달하지 않도록 할 필요가 있다.The gasket 13 disposed between the anode cap part 11 and the cathode part 12 is made of a PBT (Poly Butylene Terephthalate) or PP (PolyPropylene) material and can be easily damaged by a laser. It is necessary to separate the region and the cathode portion 12 so that the laser irradiation is performed independently so that the laser does not directly reach the gasket 13 .

음극부(12)의 소재로 표면에 니켈 도금된 철의 판재가 이용되는 경우, 음극부(12)는 전해질(LiPF6) 내의 불소 성분에 의해 오염되어 NiOX, Ni(OH)2 또는 Fe2O3 등과 같은 산화물이 형성될 수 있다. 이러한 전극 표면의 오염은 제조 공정 중에 발생하거나 생산 후의 보관 환경에서 발생할 수 있다. When a plate of iron plated with nickel on the surface is used as the material of the negative electrode 12 , the negative electrode 12 is contaminated by the fluorine component in the electrolyte (LiPF 6 ) NiO X , Ni(OH) 2 Or Fe 2 Oxides such as O 3 may be formed. Such contamination of the electrode surface may occur during the manufacturing process or in the storage environment after production.

한편, 이러한 산화물 및 오염물은 양극 캡부(11)에 전이되어 오염물을 형성할 수도 있다.Meanwhile, these oxides and contaminants may be transferred to the anode cap 11 to form contaminants.

본 발명의 실시예는, 이렇게 양극 캡부(11)와 음극부(12)에 형성된 오염물을 양극 캡부 영역(A)과 음극부 영역(B)을 구분하여 독립적으로 레이저의 조사를 수행함으로써, 오염물을 제거하도록 한다.In an embodiment of the present invention, the contaminants formed in the anode cap portion 11 and the cathode portion 12 are divided into the anode cap region (A) and the cathode region (B) and independently irradiated with a laser to remove the contaminants. have it removed.

레이저의 파장은 300 내지 2500 nm, 보다 바람직하게는 500 내지 1600 nm, 매우 바람직하게는 1000 내지 1100 nm에서 선택될 수 있다. 본 실시예에서는 산업계에서 대표적으로 이용되는 Fiber 펄스 레이저 (파장: 1064 nm)를 이용하였고, 이를 기준으로 설명하기로 한다.The wavelength of the laser may be selected from 300 to 2500 nm, more preferably from 500 to 1600 nm, very preferably from 1000 to 1100 nm. In this embodiment, a fiber pulse laser (wavelength: 1064 nm) typically used in the industry was used, and will be described based on this.

한편, 원통형 전지가 이차 전지인 경우, 대용량 이차 전지 세트를 구성하기 위해 단일 원통형 전지 간에 와이어 본딩(wire bonding)이 필요할 수 있는데, 이 때 레이저 조건에 따라 오염물의 제거 정도, 기재의 손상 정도, 기재 표면 거칠기 또는 산화물 형성 정도가 상이하게 되어 와이어 본딩 공정에도 영향을 줄 수 있다.On the other hand, when the cylindrical battery is a secondary battery, wire bonding may be required between single cylindrical batteries to form a large-capacity secondary battery set. The surface roughness or the degree of oxide formation may be different, which may affect the wire bonding process.

따라서, 전지 사이에 와이어 본딩이 정상적으로 이루어질 수 있는 레이저 조건의 도출이 필요하다.Therefore, it is necessary to derive laser conditions in which wire bonding between cells can be normally performed.

도 3의 (a)는 양극부 표면을 의도적으로 유기물로 오염시킨 샘플을 보여주는데, 이러한 오염된 표면에서는 와이어 본딩 공정이 수행될 수 없다.3A shows a sample in which the surface of the anode part is intentionally contaminated with an organic material, and the wire bonding process cannot be performed on the contaminated surface.

유기물 오염이 발생한 경우에는 “Laser Ablation”이라고 칭하는 방법에 의해 오염물을 직접적으로 기화시키기 때문에 레이저 조사를 통해 유기물을 제거한 후에 도 3의 (b)와 같이 정상적으로 와이어 본딩 공정이 수행될 수 있는 상태로 된다.In the case of organic contamination, since the contaminants are directly vaporized by a method called “Laser Ablation”, the wire bonding process can be normally performed as shown in FIG. .

도 4의 (a)는 음극부에 발생한 녹(Rust)로 인하여 외관 불량 및 와이어 본딩이 불가능하게 된 상태의 샘플을 보여준다. 이러한 표면 오염은 기존의 습식 세정 방식로는 재생이 불가능하다.Figure 4 (a) shows a sample in a state in which appearance defects and wire bonding became impossible due to rust generated in the negative electrode portion. Such surface contamination cannot be regenerated by the conventional wet cleaning method.

음극부 영역에 레이저 조사를 통해 개스킷의 손상을 방지하며 세정을 진행하여 도 4의 (b)에서 볼 수 있는 상태의 표면을 얻을 수 있고, 이를 통하여 외관이 양호하게 되고 표면이 정상적인 와이어 본딩 공정이 수행될 수 있는 상태로 회복된다.The surface of the state shown in Fig. 4(b) can be obtained by cleaning the cathode area by laser irradiation to prevent damage to the gasket, and through this, the appearance is good and the surface is normal in the wire bonding process. restored to a state in which it can be performed.

이와 같은 레이저 세정의 예로서, 세정 부위에 균일한 에너지로 레이저를 조사하기 위해 M2 값이 10 이하인 멀티모드 레이저를 사용하였다. As an example of such laser cleaning, a multimode laser having an M 2 value of 10 or less was used to irradiate the laser with uniform energy to the cleaning area.

M2 값이 증가하면 빔 초점 중심부에 집중되는 에너지가 더 넓은 면적에 균일하게 분포하는 특성을 갖게 된다. 도 8의 그래프는 이러한 특성을 보여준다When the value of M 2 is increased, the energy concentrated in the center of the beam focal point is uniformly distributed over a larger area. The graph of Figure 8 shows this characteristic.

M2 값이 높은 멀티모드 레이저를 이용할 경우, 도 8에 도시한 바와 같이 빔 초점 크기 (beam spot size) 내에서 오염물 제거에 필요한 유효 에너지 면적 비율이 넓기 때문에 공정 성능 측면에서 유리하다. When a multimode laser having a high M 2 value is used, as shown in FIG. 8 , the effective energy area ratio required for contaminant removal within a beam spot size is wide, which is advantageous in terms of process performance.

또한, 빔 초점 크기 내에서 에너지 분포 균일성이 높아 표면 거칠기를 낮은 수준으로 유지하여 평탄한 표면을 형성하는 측면에서도 장점을 갖는다. M2 값의 조절은 본 발명의 하나의 실시예에서 사용하는 소재와 관련 시험의 구성에 의해 실험적으로 확인된 조건이므로 필수적인 것은 아니며, 공정의 목적에 따라 선택 및 조절될 수 있다.In addition, it has an advantage in terms of forming a flat surface by maintaining the surface roughness at a low level due to the high uniformity of energy distribution within the beam focal size. The control of the M 2 value is not essential because it is a condition experimentally confirmed by the material used in one embodiment of the present invention and the configuration of the related test, and may be selected and adjusted according to the purpose of the process.

레이저 파장이 1064 nm일 때, 원통형 전지에서 양극 캡부(11)에 이용되는 알루미늄의 레이저광 흡수율은 약 4%이고, 음극부(12)에 이용되는, 표면에 니켈 도금된 철 판재의 레이저광 흡수율은 약 25 ~ 50%일 수 있다.When the laser wavelength is 1064 nm, the laser light absorptivity of aluminum used for the anode cap 11 in the cylindrical battery is about 4%, and the laser light absorptivity of the iron plate with nickel plating on the surface used for the cathode 12 . may be about 25-50%.

음극부의 흡수율은 양극에 대비하여 상대적으로 높기 때문에 레이저 조사에 의한 온도 상승이 상대적으로 빠르다. 하기의 수학식 1과 2는 소재의 표면에 조사되는 레이저에 의해 발생하는 표면 온도 상승을 나타낸다.Since the absorption rate of the cathode part is relatively high compared to that of the anode, the temperature rise by laser irradiation is relatively fast. Equations 1 and 2 below represent the surface temperature rise caused by the laser irradiated to the surface of the material.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

수학식 1과 2에서, T는 표면의 온도, K는 열전도도, ρ는 밀도, Cυ는 열용량, τ는 펄스 폭, Ⅰ는 인텐시티를 나타낸다.In Equations 1 and 2, T is the surface temperature, K is the thermal conductivity, ρ is the density, Cυ is the heat capacity, τ is the pulse width, I is the intensity.

위 수학식들에 따르면, 소재 고유의 물성을 제외하고, 인텐시티와 펄스 폭은 레이저 공정 조건으로서 조절 가능한 변수이다.According to the above equations, except for the intrinsic properties of the material, the intensity and the pulse width are variables that can be adjusted as laser process conditions.

수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 표면 온도는 펄스 폭의 제곱근과 인텐시티에 비례한다. 레이저 인텐시티와 펄스 폭을 과도하게 증가시켜 표면 온도가 융점 부근으로 상승하면, 표면의 소재의 유동이 발생하여 표면에 요철이 증가하고 반응성이 높아져서 산화막을 형성하게 되어 와이어 본딩에서의 접합력을 크게 저하시킬 수 있다.As can be seen from Equation 2, the surface temperature is proportional to the square root of the pulse width and the intensity. If the surface temperature rises near the melting point by excessively increasing the laser intensity and pulse width, the flow of material on the surface occurs, increasing the surface irregularities and reactivity to form an oxide film, which greatly reduces the bonding strength in wire bonding. can

따라서, 소재에 발생할 수 있는 손상을 최소화하는 범위에서 오염물을 선택적으로 제거하기 위해서는 세정에 필요한 레이저 공정의 조건을 선택하는 것이 중요하다.Therefore, in order to selectively remove contaminants within the range of minimizing damage that may occur to the material, it is important to select the conditions of the laser process required for cleaning.

아래의 표 1은 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따라 양극 캡부에 와이어 본딩이 정상적으로 이루어지는 비율을 실험을 통해 정리한 것이고, 도 5는 이를 도식화하여 나타낸 도면이다.Table 1 below summarizes the ratio of wire bonding to the anode cap part normally according to the energy density of the irradiated laser through an experiment, and FIG. 5 is a schematic view showing this.

표 1에 결과를 나타낸 이어 본딩에서는 직경 500 ㎛인 알루미늄 와이어를 양극과 음극에 공통적으로 사용하였고 Ÿ‡지 본딩(Wedge Bonding) 방식을 이용하였으며 본딩 장치로서 'Digital K&S wedge Bonder'을 사용하였다. 테스트는 ASTM F459-13에 따라 '본딩 인장 시험(bond pull test)'를 수행하였다. 테스트 장비와 테스트 규격은 알려진 것이므로 설명을 생략한다. In the ear bonding shown in Table 1, an aluminum wire with a diameter of 500 μm was commonly used for the anode and the cathode, and the Ÿ‡ wedge bonding method was used, and a 'Digital K&S wedge Bonder' was used as a bonding device. The test was performed in accordance with ASTM F459-13 'bond pull test'. Since the test equipment and test specifications are known, their description is omitted.

본 실험은 표면에 니켈 도금된 철 기재의 판재로 구성된 음극부에 오염물을 형성한 복수의 샘플을 준비하였다. 음극부를 증류수로 10% 희석한 전해액에 전지의 상단부를 침지한 후에 건조시키후 수일간 상온에서 방치한 것이다. 실제의 전지에서는 전지 캔을 밀봉하는 과정에서 전해액의 미량 누출에 의해 샘플 상단부 표면이 오염될 가능성이 있으며, 본 실험은 그러한 상황을 구현하는 것이다.In this experiment, a plurality of samples were prepared in which contaminants were formed in the negative electrode part composed of an iron-based plate material plated with nickel on the surface. After immersing the upper end of the battery in an electrolyte diluted 10% with distilled water, the anode was dried and left at room temperature for several days. In an actual battery, there is a possibility that the surface of the upper end of the sample may be contaminated by a slight leakage of electrolyte during the sealing of the battery can, and this experiment is to implement such a situation.

복수의 샘플을 준비하고 준비된 샘플을 몇 개의 그룹으로 나누고 그룹마다 에너지 밀도를 달리하여 Fiber 펄스 레이저를 조사한 후 해당 음극부에 와이어 본딩을 시도한 후에 전술한 본딩 인장 시험을 실시하였다.After preparing a plurality of samples, dividing the prepared samples into several groups, irradiating a fiber pulse laser with different energy densities for each group, and then wire bonding to the corresponding cathode, the above-described bonding tensile test was performed.

본딩 인장 시험에서 용접부가 파손되지 않고 와이어가 파단된 것을 정상으로 판정하고 그 비율을 산출하였다. 레이저의 에너지 밀도가 0인 것은 레이저 조사가 이루어지지 않은 것이다.In the bonding tensile test, it was determined that the weld was not broken and the wire was broken, and the ratio was calculated. When the laser energy density is 0, laser irradiation is not performed.

양극 캡부에 와이어 본딩을 시도한 후 떨어지지 않고 와이어가 부착된 경우를 정상 와이어 본딩된 것으로 보고 그 비율을 산출하였다. 레이저의 에너지 밀도가 0인 것은 레이저를 조사하지 않은 상태의 샘플을 의미한다.A case in which the wire was attached without falling off after attempting wire bonding on the anode cap part was regarded as normal wire bonding and the ratio was calculated. When the laser energy density is 0, it means that the sample is not irradiated with a laser.

레이저의 에너지 밀도 (kJ/m2)Energy density of laser (kJ/m 2 ) 정상 와이어 본딩 비율 (%)Normal wire bonding rate (%) 00 00 7.27.2 00 15.315.3 87.587.5 23.323.3 100100 31.431.4 87.587.5 39.439.4 87.587.5 108.5108.5 5050

한편, 양극 캡부 또는 음극부에 레이저를 조사하는 공정에서는 레이저가 조사되는 표면에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 공급하여 불활성 분위기를 형성한다. On the other hand, in the process of irradiating the laser to the anode cap portion or the cathode portion, an inert atmosphere is formed by supplying an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) to the surface to which the laser is irradiated.

양극 캡부 또는 음극부를 이루는 금속 표면의 온도가 증가하면 반응성이 증가하여 산소와의 접촉에 의한 산화물 형성이 활발하게 된다. 따라서, 불활성 가스로 채워진 챔버 내부에서 공정을 진행하거나 레이저 조사가 이루어지는 표면에 노즐을 통하여 불활성 가스를 불어주는 기구를 마련한다.When the temperature of the metal surface constituting the anode cap portion or the cathode portion increases, the reactivity increases, so that oxide formation by contact with oxygen becomes active. Accordingly, a mechanism for blowing an inert gas through a nozzle to a surface on which a laser is irradiated or a process is performed inside a chamber filled with an inert gas is provided.

또한, 레이저 조사를 받은 표면의 오염물이 기화되어 미세한 입자를 포함하는 증기(fume, 흄)가 발생한다. 이러한 증기는 기재의 표면에 다시 흡착되어 오염물로 작용할 수 있고 작업자의 건강을 해칠 수 있다. In addition, contaminants on the surface subjected to laser irradiation are vaporized to generate a fume including fine particles. These vapors may be adsorbed back to the surface of the substrate and act as contaminants and may harm the health of the operator.

따라서, 이러한 증기를 포함한 레이저 공정에 따라 발생하는 부산물을 제거하도록 레이저가 조사되는 기재의 표면 주변에 흡입 기구가 마련된다.Accordingly, a suction mechanism is provided around the surface of the substrate to which the laser is irradiated so as to remove by-products generated according to the laser process including the vapor.

흡입 기구와 불활성 가스 공급 기구는 서로 별개로 마련될 수도 있고 하나의 유닛으로서 마련될 수도 있다.The suction mechanism and the inert gas supply mechanism may be provided separately from each other or may be provided as a single unit.

이러한 불활성 가스 공급 기구와 흡입 기구는 자체는 알려진 것이므로 그 구성과 작동에 대하여 이 명세서에서 구체적으로 설명하지 않고 도면에 도시하지 않는다.Since such an inert gas supply mechanism and a suction mechanism are known per se, their construction and operation are not specifically described in this specification and are not shown in the drawings.

도 6는 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 따른 음극부의 SEM 사진(30,000 배율)을 나타낸 도면이다.6 is a view showing an SEM photograph (30,000 magnification) of the cathode part according to the energy density of the irradiated laser.

도 6의 (a), (b), (c), (d), (e), (f)는 각각 레이저의 에너지 밀도가 kJ/m2 단위로, 7.2, 15.3, 23.3, 31.4, 39.4, 103.5인 경우를 보여준다.6 (a), (b), (c), (d), (e), (f) shows that the laser energy density is in kJ/m 2 units, 7.2, 15.3, 23.3, 31.4, 39.4, The case of 103.5 is shown.

레이저의 에너지 밀도가 7.2 kJ/m2 인 경우에는 오염물이 충분히 제거되지 않아 와이어 본딩이 정상적으로 수행되지 않으며, 레이저의 에너지 밀도가 108.5 kJ/m2 인 경우에는 표면에 도금된 니켈이 변형되어 거칠기(roughness)가 크게 증가하고 또한 산화물(oxide)층이 두꺼워져 와이어 본딩이 정상적으로 수행되지 않는 것으로 추정된다.If the energy density of the laser is 7.2 kJ / m 2 is not performed normally, the bonding wire contaminants are not sufficiently removed, and if the energy density of the laser is 108.5 kJ / m 2 has been transformed is plated nickel to the surface roughness ( It is estimated that the wire bonding is not normally performed because roughness is greatly increased and the oxide layer is thickened.

이러한 결과를 통하여, Fiber 펄스 레이저를 이용하는 경우, 오염물의 제거가 가능하면서 와이어 본딩이 정상적으로 수행되기 위한 레이저의 에너지 밀도는 10 내지 100 kJ/m2 인 것이 바람직하다는 점을 확인할 수 있다..Through these results, when using a fiber pulse laser, it can be confirmed that the energy density of the laser for normal wire bonding while removing contaminants is preferably 10 to 100 kJ/m 2 .

이러한 레이저의 에너지 밀도에 관한 범위를 기초로 레이저의 첨두 출력 (peak power)는 3 ~ 30 MW/㎠이고, 레이저의 빔 품질을 나타내는 M2 값은 2 내지 50 이고, 레이저의 초당 펄스 반복율은 10 내지 1000 kHz 인 것이 바람직하다는 점을 알 수 있었다.Based on the range regarding the energy density of the laser, the peak power of the laser is 3 to 30 MW/cm 2 , the M 2 value indicating the beam quality of the laser is 2 to 50, and the pulse repetition rate per second of the laser is 10 to 1000 kHz was found to be preferable.

도 7은 복수의 전지가 패키지에 수용된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.7 is a diagram schematically illustrating a state in which a plurality of batteries are accommodated in a package.

전지(30)는 상방이 개구된 패키지(P)에 복수 개가 수용되어 제공될 수 있다. 복수의 전지(30)는 패키지(P)에 수용된 채 보관되거나 수요처에 납품될 수 있으며, 필요에 따라 패키지(P)에 수용된 채 와이어 본딩이 수행될 수 있다.A plurality of batteries 30 may be accommodated in the package P having an open top. The plurality of batteries 30 may be stored while being accommodated in the package P or delivered to a customer, and wire bonding may be performed while being accommodated in the package P as needed.

보관 및 납품되는 동안 전지(30)의 일단부는 오염될 수 있는데, 오염물을 제거하기 위해 패키지(P)로부터 각 전지(30)를 빼내어 오염물 제거 공정을 거쳐야 한다면 공정 비용 및 시간 측면의 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 아울러, 오염물 제거 공정 후 다시 패키지(P)로 수용시키는 과정에서 재오염이 발생할 수 있는 문제 또한 있다.One end of the battery 30 may be contaminated during storage and delivery, and if each battery 30 has to be removed from the package P to undergo a contaminant removal process in order to remove the contaminants, the economic feasibility in terms of process cost and time is reduced. there is In addition, there is also a problem that re-contamination may occur in the process of accommodating the package P again after the contaminant removal process.

본 실시예서는, 레이저 장치와 동축 광학계를 포함하여 구성된 카메라(미도시)를 이용하여 각 전지를 구별할 수 있도록 비전 인식한 후, 각 전지(30)의 일단부를 향하여 독립적으로 레이저를 조사하는 것이 바람직하다. 이를 통해 패키지(P)로부터 각 전지(30)를 분리 배출하지 않고도 모든 전지(30)에 대해 오염물 제거 공정을 수행할 수 있게 된다.In this embodiment, after vision recognition so that each battery can be distinguished using a camera (not shown) configured including a laser device and a coaxial optical system, the laser is independently irradiated toward one end of each battery 30 desirable. Through this, it is possible to perform the contaminant removal process for all the cells 30 without separating and discharging each battery 30 from the package P.

본 실시예서는, 전술한 카메라를 이용하여 각 전지(30) 별로 양극 캡부(11) 영역과 음극부(12) 영역을 구별하여 비전 인식한 후, 양극 캡부(11) 영역과 음극부(12) 영역에 조사되는 레이저의 구동 조건을 달리하는 것이 바람직하다. 여기서, 레이저의 구동 조건은 전술한 바에 따른 양극 캡부(11) 영역에 조사되는 레이저의 조사 조건 및 음극부(12) 영역에 조사되는 레이저의 조사 조건에 대응되는 조건을 의미한다.In this embodiment, after vision recognition is performed by distinguishing the positive electrode cap portion 11 region and the negative electrode portion 12 region for each battery 30 using the above-described camera, the positive electrode cap portion 11 region and the negative electrode portion 12 It is preferable to vary the driving conditions of the laser irradiated to the area. Here, the driving condition of the laser means a condition corresponding to the irradiation condition of the laser irradiated to the anode cap portion 11 region and the irradiation condition of the laser irradiated to the cathode portion 12 region as described above.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 카메라를 통해 양극 캡부 영역(A)와 음극부 영역(B)을 구별하여 비전 인식하여, 각 영역(A, B)을 구별하여 레이저의 구동 조건을 달리하여 레이저를 조사함으로써 각 영역에 최적화된 오염물의 제거 및 와이어 본딩 환경을 조성할 수 있고 또한 개스킷(C)의 손상을 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2 , the anode cap region (A) and the cathode region (B) are distinguished and vision recognized through a camera, and each region (A, B) is distinguished and laser By irradiating the laser under different driving conditions, it is possible to remove contaminants and create a wire bonding environment optimized for each area, and also to prevent damage to the gasket (C).

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above-mentioned preferred embodiments, various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the appended claims cover such modifications and variations as long as they fall within the gist of the present invention.

10 : 전지의 일단부 11 : 양극 캡부
12 : 음극부 13 : 개스킷
30 : 전지 A : 양극 캡부 영역
B : 음극부 영역 C : 개스킷
P : 패키지
10: one end of the battery 11: positive electrode cap portion
12: negative electrode 13: gasket
30: battery A: positive electrode cap region
B: cathode region C: gasket
P: package

Claims (12)

양극 캡부와 음극부가 위치한 전지의 일단부에 형성된 오염물을 레이저를 이용하여 제거하기 위한 오염물의 건식 제거 방법으로서,
상기 전지의 일단부를 향하여 상기 레이저를 조사하여 상기 오염물을 제거하되,
상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역을 구분하여 각 영역에 독립적으로 상기 레이저의 조사를 수행하는 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
A dry removal method of contaminants for removing contaminants formed on one end of a battery in which a positive electrode cap portion and a negative electrode portion are located using a laser, comprising:
Remove the contaminants by irradiating the laser toward one end of the battery,
The method for dry removal of contaminants by dividing the anode cap region and the cathode region to independently irradiate the laser to each region.
제1항에 있어서,
상기 레이저 조사에 의해 제거되는 오염물에는 배터리 전해액, 산화막 또는 유기물이 포함되는 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The contaminants removed by the laser irradiation include a battery electrolyte, an oxide film, or an organic material, a dry removal method of contaminants.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 파장은 1000 내지 1100 nm인 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The wavelength of the laser is 1000 to 1100 nm, the dry removal method of the contaminants.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 에너지 밀도는 10 ~ 100 kJ/m2 인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The energy density of the laser is 10 ~ 100 kJ / m 2 The dry removal method of the contaminants.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 첨두 출력은 3 ~ 30 MW/㎠이인 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The peak power of the laser is 3 to 30 MW/cm 2 of the method for dry removal of contaminants.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 M2 값은 2 ~ 50인 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The M 2 value of the laser is 2 to 50, the dry removal method of the contaminants.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 초당 펄스 반복율은 10 ~ 1000 kHz인 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The method of dry removal of contaminants, the pulse repetition rate per second of the laser is 10 ~ 1000 kHz.
제1항에 있어서,
상기 레이저의 펄스 폭은 2 ~ 240 ns인 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
The pulse width of the laser will be 2 ~ 240 ns, the dry removal method of the contaminants.
제1항에 있어서,
상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역이 분리되어 조사되는 레이저를 이용한 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
A method for dry removal of contaminants using a laser in which the anode cap region and the cathode region are separated and irradiated.
제1항에 있어서,
상기 전지는 상방이 개구된 패키지에 복수 개가 수용되어 제공되며,
레이저 장치와 동축 광학계를 포함하여 구성되는 카메라를 이용하여 각각의 상기 전지를 구별할 수 있도록 비전 인식한 후, 상기 전지 각각의 일단부를 향하여 독립적으로 상기 레이저를 조사하는 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
A plurality of the batteries are accommodated in a package with an open top,
After vision recognition so that each cell can be distinguished using a camera including a laser device and a coaxial optical system, the laser is independently irradiated toward one end of each cell, dry removal method of contaminants .
제10항에 있어서,
상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역에 조사되는 레이저의 구동 조건을 달리하는 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
11. The method of claim 10,
The dry removal method of contaminants by different driving conditions of the laser irradiated to the anode cap region and the cathode region.
제1항에 있어서,
레이저 조사 중에 상기 양극 캡부 영역과 상기 음극부 영역의 표면에 불활성 가스를 공급하는 기구 및 레이저 조사에 따라 발생하는 증기 상의 부산물을 흡인하는 기구가 마련되는 것인, 오염물의 건식 제거 방법.
According to claim 1,
A method for dry removal of contaminants, wherein a mechanism for supplying an inert gas to the surfaces of the anode cap region and the cathode region during laser irradiation and a mechanism for sucking vapor phase by-products generated by laser irradiation are provided.
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