KR20220034003A

KR20220034003A - 이차전지의 용접방법 및 용접장치, 그리고 이차전지 용접공정의 모니터링 방법과 장치

Info

Publication number: KR20220034003A
Application number: KR1020210119653A
Authority: KR
Inventors: 이진영; 이진수; 손부원
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2022-03-17

Abstract

본 발명은 하부캔의 내측으로 레이저를 조사할 수 있는 이차전지의 용접방법 및 용접장치 그리고, 용접이 이뤄지는 동안 용접상태를 확인할 수 있는 이차전지 용접공정의 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 용접장치는, 전극조립체의 센터홀로 레이저를 조사하여 전극탭을 하부캔에 용접하는 레이저조사장치 및 레이저 조사시 전극조립체를 보호하는 지그를 포함하여 구성되며,
본 발명에 따른 모니터링장치는 지그와 레이저조사장치를 포함하되, 상기 레이저조사장치는, 용접용레이저조사장치와 조명용레이저조사장치 및 이미지센서를 포함한다. 이때, 상기 용접용레이저와 조명용레이저는 센터홀의 상측에서 수직방향으로 조사된다.

Description

이차전지의 용접방법 및 용접장치, 그리고 이차전지 용접공정의 모니터링 방법과 장치{Welding method and welding apparatus for secondary battery, and monitoring method and monitoring apparatus for welding process of secondary battery}

본 발명은 이차전지의 용접방법 및 용접장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 레이저를 이용해 전극조립체의 전극탭을 하부캔에 용접하되, 레이저를 하부캔의 내측으로 조사하여 더 상세하게는 디포커싱(defocusing)이 이뤄지도록 조사하여 용접함으로써, 상기 하부캔의 외관 변형을 방지하고 용접강도 및 용접 효율성을 증대시킬 수 있는 이차전지의 용접방법과 용접장치, 그리고, 용접이 이뤄질 때 용접상태를 확인 및 모니터링할 수 있는 이차전지 용접공정의 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.

통상적으로 코인형 전지, 단추형 전지 등으로도 통용되는 버튼형 전지는 얇은 단추 또는 버튼 형상을 가지며, 리모컨, 시계, 장남감, 컴퓨터부품 등 여러 기기에서 널리 사용되고 있다.

이러한, 버튼형 전지는 주로 재충전이 불가능한 일차전지로 제조되었었으나, 최근 소형화기기의 개발에 맞춰 충방전이 가능한 이차전지로도 널리 제조되고 있다.

그리고, 버튼형 이차전지는 원통형 또는 파우치형 이차전지와 같이 케이스 내에 전극조립체와 전해질이 내장되어 반복적인 충방전이 가능한 구조를 갖는다.

특히, 버튼형 이차전지는 구조가 더 단순하고 캔의 높이가 훨씬 낮다는 차이는 있으나, 금속으로 제조된 캔 내부에 젤리롤형 전극조립체가 탑재된다는 점에서 원통형 이차전지와 구조적으로 유사하다.

한편, 버튼형 이차전지는 전극조립체가 상부캔과 하부캔이 결합되어 이뤄진 캔에 내장되는 형태로 제조된다.

상기 전극조립체는 분리막, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권심에서 권취되어 제조된다. 따라서, 상기 권심이 제거된 후 중심에 센터홀이 형성된 구조를 가지며, 상측과 하측 각각으로 전극탭이 돌출되도록 제조된다. 통상적으로 상기 전극탭이 하부캔에 안착되었을 때 상측에 위치하는 전극탭은 양극탭이고 하측에 위치하는 음극탭이다. 즉, 상기 상부캔과 하부캔은 전극조립체가 내장되면 결합되어 밀봉되되 서로 전기적으로 절연되어 상부캔은 양극탭과 연결되어 양극이되고 하부캔은 음극탭과 연결되어 음극이 된다.

한편, 종래의 버튼형 이차전지 조립공정에서 전극탭을 하부캔에 용접하는 모습이 나타난 도 1 에 나타난 바와 같이, 종래에 전극탭(2a) 중 음극탭의 용접은 센터홀(2b)에 음극탭이 위치하도록 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 탑재한 상태에서 상기 센터홀(2b)로 지그(1)를 하부캔(3)의 내부바닥면에 밀착시킨 후, 상기 하부캔(3)을 뒤집어 외부에서 레이저를 조사하여 용접이 이뤄졌다.

하지만, 이와 같이 외부에서 용접이 이뤄지는 방식은 상대적으로 음극탭 보다 두꺼운 하부캔(3)이 용융되어 접합이 이뤄지므로 하부캔(3)의 재질 및 두께에 따라 레이저 용접이 제한될 수 있으며, 상기 하부캔(3) 외부 표면에 용접 흔적이 남게 되므로 상품성을 저하시키는 문제가 있었다.

아울러, 용접이 이뤄지는 동안 정상적인 용접이 이뤄지고 있는지를 확인 및 모니터링할 필요가 있었다.

따라서, 본 발명은 하부캔의 내측으로 레이저를 조사하여 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결할 수 있는 이차전지의 용접방법 및 용접장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.

또한, 용접이 완료된 후 또는 용접이 이뤄지는 동안 용접상태를 확인할 수 있는 이차전지 용접공정의 모니터링 방법 및 장치를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극탭(특히, 양극탭과 음극탭 중 음극탭)을 하부캔의 바닥면에 용접하는 용접장치와 용접방법 그리고, 용접이 이뤄질 때 이를 모니터링 할 수 있는 이차전지 용접공정의 모니터링 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 용접장치는 하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접장치로써, 파이프모양을 가지며 상기 전극조립체의 센터홀로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부 및 상기 삽입부의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부를 구비하는 지그; 및 상기 삽입부의 홀(hole)로 레이저를 조사하는 레이저조사장치;를 포함하고, 센터홀 내에 전극탭에 놓이도록 상기 전극조립체가 하부캔에 안착된 상태에서, 상기 레이저가 상기 지그의 상기 삽입부의 홀을 통과하여 상기 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점으로 조사됨에 따라 용접이 이뤄지는 것을 특징으로 한다.

상기 하부캔은 하측은 내부바닥면에 의해 폐쇄되고 상측은 개구된 원통형 모양을 갖고, 상기 안착부는 하부캔에 탑재된 전극조립체의 센터홀로 삽입부가 결합되었을 때, 하부캔의 위로 안착될 수 있도록 상기 하부캔의 직경보다 더 큰 직경을 갖는다.

상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25 내지 1.5mm 범위로 형성된다.

더 상세하게는, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.53 내지 1.5mm 범위로 형성다.

그리고, 상기 하부캔은 높이(h)를 직경(d)으로 나눴을 때 값이, 0.35 내지 0.6 범위의 값을 갖도록 높이(h)와 직경(d)의 크기가 정해진다.

상기 삽입부의 길이방향을 따라 형성된 홀은 안착부가 형성된 쪽이 가장 큰 직경을 가지며 그 반대쪽으로 갈수로 직경이 점차적으로 작아지는 형상을 갖는다.

상기 안착부는 테두리 부분이 상대적으로 더 높게 형성되고 중심의 홀을 향하여 점차적으로 낮아지는 모양을 갖는다.

상기 안착부는 삽입부가 센터홀로 진입했을 때, 상기 하부캔의 상단이 끼워지도록 일측면에 파임홈이 형성된다.

상기 삽입부가 센터홀로 진입했을 때, 상기 삽입부는 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 밀착시킬 수 있는 길이를 갖는다.

상기 지그는 금속재로 제조되며, 상기 전극조립체와 마주하게되는 안착부의 하면 및 삽입부의 표면에는 전기를 절연하는 절연층이 코팅된다.

이때, 상기 절연층은 지그 보다 열전도성이 낮은 재질로 제조된다.

한편, 상기 레이저는 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 디포커싱(defocusing)된 상태로 조사될 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 용접방법은, 하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접방법으로써, 상기 전극조립체의 센터홀 내에 전극탭에 놓이도록 상기 하부캔에 전극조립체를 안착시키는 전극조립체안착단계; 원반모양의 안착부와 상기 안착부에서 수직으로 연장되며 파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 전극조립체 위로 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계; 및 상기 삽입부의 내측 홀로 레이저를 조사하여 상기 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 용접단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접단계에서 조사되는 레이저는 IR파장의 펄스 레이저이다.

상기 지그안착단계에서 상기 삽입부의 끝단은 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 밀착시킨다.

상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25mm ~ 1.5mm 범위, 더 상세하게는 0.53mm ~1.5mm 범위로 형성되고, 상기 용접단계에서 하부캔의 내부바닥면과 전극탭은 한 지점에서 용접부위가 형성되도록 용접이 이뤄진다.

상기 하부캔은 높이(h)를 직경(d)으로 나눴을 때 값이, 0.35 내지 0.6 범위의 값을 갖도록 높이(h)와 직경(d)의 크기가 정해진다.

상기 용접단계에서 상기 레이저는 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 디포커싱(defocusing)된 상태로 조사된다.

이때, 상기 용접단계에서 레이저의 초점은 삽입부의 최상단과 최하단 내에서 3분의1이 되는 지점과 3분의 2가 되는 지점 사이에 형성된다. 그리고, 이 경우, 상기 용접단계에서 조사되는 레이저는 준연속파동레이저(quasi continuous wave laser), 펄스레이저(Pulse laser), 연속파변조(CW Modulation) 레이저 중 하나이다.

본 발명에 따른 용접공정의 모니터링장치는 하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치로써, 파이프모양을 가지며 상기 전극조립체의 센터홀로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부를 구비하는 지그 및 상기 삽입부의 홀(hole)로 레이저를 조사하는 레이저조사장치를 포함하고, 상기 레이저조사장치는, 센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체가 상기 하부캔 내에 안착된 상태에서 용접용레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접용레이저조사장치; 조명용레이저를 상기 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하는 조명용레이저조사장치; 및 반사된 조명용레이저를 수광하는 이미지센서;를 포함하고, 상기 용접용레이저와 조명용레이저는 센터홀의 상측에서 수직방향으로 조사되는 것을 특징으로 한다.

상기 용접용레이저는 제1다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈를 통과하고, 상기 조명용레이저는 제2다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈를 통과한다.

상기 제1다이크로익미러와 제2다이크로익미러 각각은 레이저의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키도록 셋팅되어, 상기 용접용레이저는 제1다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈로 조사되고, 조명용레이저는 제1다이크로익미러를 투과하여 포커싱렌즈로 조사된다.

용접지점에서 반사된 조명용레이저의 광원은 제1다이크로익미러를 투과한 후, 제2다이크로미러를 투과하여 이미지센서에 도달한다.

상기 용접용레이저조사장치는, 용접용레이저를 발광하는 용접용레이저발진기; 상기 용접용레이저발진기에서 발광된 용접용레이저가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제1광절연체; 상기 제1광절연체를 통과한 용접용레이저를 통과시켜 평행하게 만드는 제1콜리메이터;를 포함한다.

상기 조명용레이저조사장치는, 조명용레이저를 발광하는 조명용레이저발진기; 상기 조명용레이저발진기에서 발광된 조명용레이저가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제2광절연체; 상기 제2광절연체를 통과한 조명용레이저를 통과시켜 평행하게 만드는 제2콜리메이터;를 포함한다.

상기 조명용레이저는 상기 포커싱렌즈를 통과하며 삽입부의 홀의 내경보다 직경이 작게 형성된다.

상기 용접용레이저가 조사될 때는 조명용레이저의 조사는 중단되고 상기 조명용레이저가 조사될 때는 용접용레이저의 조사는 중단된다.

상기 지그는 삽입부의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부를 구비한다.

본 발명에 따른 용접공정의 모니터링방법은, 하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법으로써, 센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체를 상기 하부캔 내에 안착시키는 전극조립체안착단계; 파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 상기 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계; 용접용레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀(hole)로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접단계; 및 조명용레이저를 상기 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하고 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 센싱단계;를 포함하고, 상기 용접용레이저와 조명용레이저는 센터홀의 상측에서 수직방향으로 조사된다.

본 발명에서 제공되는 또 다른 이차전지 용접공정의 모니터링방법은, 하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법으로써, 센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체를 상기 하부캔 내에 안착시키는 전극조립체안착단계; 파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 상기 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계; 레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀(hole)로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접단계; 및 용접지점에서 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 센싱단계;를 포함하고, 상기 센싱단계에서는 레이저의 출력을 조절하여 삽입부의 홀로 조사하고 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 하부캔의 내측으로 레이저가 조사되어 전극탭(음극탭)의 용접이 이뤄지므로 하부캔에 용접 흔적을 남기지 않아 상품성을 향상시킬 수 있다.

상기 지그는 안착부가 하부캔의 위로 안착될 수 있으므로, 레이저의 안정적인 조사가 가능하며 용접시 발생하는 이물질이 전극조립체로 침투하는 문제 및 레이저 조사에 따른 열에 의해 발생할 수 있는 손상을 영향을 방지할 수 있다. 또한, 상기 안착부가 삽입부에 안착되면 삽입부의 움직임은 단속되므로 안정적인 용접이 가능하다. 더 상세하게는 본원의 지그는 안착부가 하부캔의 직경보다 더 크게 형성되어 스패터(spatter)에 의한 영향을 억제할 수 있다. 즉, 레이저 용접의 특성상 용접 중에는 스패터가 발생할 개연성이 크며, 이러한 스패터는 하부캔과 전극탭이 용융되어 금속 입자형태로 비산되는 것으로써 전극조립체 내부로 침투될 수 있다. 그리고, 이러한 금속입자는 전극조립체 내부에서 돌아다니다가 쇼트를 유발할 수도 있다. 본원의 지그는 이러한 금속입자의 침투를 방지하기 위해 제공된 것으로써, 안착부가 하부캔 보다 더 큰 직경을 가짐에 따라 금속입자의 침투를 효율적으로 방지할 수 있다.

본 발명에서는 용접이 이뤄지는 지점의 갯수에 따라 삽입부 홀의 내경이 달라질 수 있고 이에 따라 하부캔 내에서 전극조립체의 부피를 최대화시킬 수 있다.

가령, 용접지점이 한 개소일 때 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25 내지 1.5mm 범위로 제한되면 전극조립체의 부피는 하부캔 내부 용적의 100% 근방에 까지 증대될 수 있으므로 충방전용량을 증대시킬 수 있다. 반대로, 용접지점이 세 개소일 때, 상기 홀의 내경은 0.53 내지 1.5mm 범위로 제한되어 (전극조립체의 센터홀의 직경 증대에 따라) 전극조립체의 부피는 감소됨에 따라 전극조립체의 부피는 하부캔 내부 용적의 97% 까지 감소되나 용접강도를 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 제공되는 지그는 삽입부의 길이방향을 따라 형성된 홀이 안착부가 형성된 쪽이 가장 큰 직경을 가지며 그 반대쪽으로 갈수로 직경이 점차적으로 작아지는 형상을 갖도록 형성되어 용접되는 지점의 범위를 정교하게 한정할 수 있다.

그리고, 상기 지그는 안착부의 테두리 부분이 상대적으로 더 높게 형성되고 중심의 홀을 향하여 점차적으로 낮아지는 모양을 갖도록 형성되어 레이저 용접시 함께 제공되는 가스를 용이하게 배출할 수 있다.

아울러, 상기 지그는 삽입부가 센터홀로 진입했을 때, 안착부의 하면에 상기 하부캔 상단이 끼워지도록 일측면에 파임홈이 형성되어 지그가 고정된 상태로 안정적인 용접이 이뤄질 수 있다.

그리고, 안착부의 하면 및 삽입부의 표면에는 전기를 절연하는 절연층이 코팅되어 레이저 조사시 발생하는 열로부터 전극조립체를 보호할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 지그의 삽입부에 형성된 내부홀 내에서 초점이 형성되도록 디포커싱된 상태로 레이저가 조사되어 지그로 진입하는 레이저의 최대 내경을 줄일 수 있다. 이에 따라 지그 특히 삽입부의 직경을 줄일 수 있고 반대 급부로 전극조립체의 부피를 증가시켜(전극조립체의 센터홀의 내경을 줄여) 이차전지 용량을 증대시킬 수 있다. 또한, 레이저가 디포커싱된 상태로 조사됨에 따라 스패터의 발생을 더 효율적으로 억제하거나 최소화할 수 있다. 즉, 디포커싱을 통해 레이저가 도달하는 지점의 면적과 용접되는 지점의 온도를 조절할 수 있으므로, 초점의 높이를 조절하여 용접상황에 따라 스패터 발생을 억제 또는 최소화할 수 있다

본 발명에서 레이저의 디포커싱이 이뤄질 때, 초점은 삽입부의 최상단과 최하단 내에서 3분의1이 되는 지점과 3분의 2가 되는 지점 사이에 형성되어 레이저의 횡단면 직경을 최소화 할 수 있다.

본 발명에서는 전극탭의 용접이 이뤄질 때, 조명용레이저가 용접용레이저와 동일하게 수직방향으로 조사됨으로써 용접상태를 더 확실하게 확인 및 모니터링할 수 있다. 즉, 수직방향으로 조명용 레이저가 조사되므로 음영구역이 발생하지 않는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에서는 별도의 조명용레이저조사장치 없이도 용접용레이저조사장치의 출력조절을 통해 용접용레이저를 조명용레이저로 사용하여 용접장치를 더 컴팩트하게 제조할 수 있고 구조를 단순화 시킬 수 있다.

도 1 은 종래의 버튼형 이차전지 조립공정에서 외부에서 레이저를 조사하여 전극탭을 하부캔에 용접하는 모습이 나타난 단면도.
도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 버튼형 이차전지 조립공정에서 하부캔의 내부로 레이저를 조사하여 전극탭(전극탭들 중 음극탭)을 하부캔에 용접하는 모습이 나타난 단면도.
도 3 은 하부캔, 전극조립체, 지그가 분해된 모습이 도시된 사시도.
도 4 는 상대적으로 더 큰 높이와 직경을 같는 원통형 전지의 캔들과 본 발명의 버튼형 전지의 하부캔이 투시된 모습으로써 1점용접시 요구되는 지그에 형성된 홀의 내경 및 복수의 점용접시 요구되는 지그에 형성된 홀의 내경을 표시한 도면.
도 5 는 전극탭에 레이저가 조사되는 모습을 확대하여 도시한 도면.
도 6 은 본 발명에 따른 지그의 여러 변형예들이 도시된 도면.
도 7 은 본 발명의 변형예가 적용된 지그의 종단면도.
도 8 은 본 발명의 제2실시예에 따른 버튼형 이차전지 조립공정에서 하부캔의 내부로 레이저를 조사하여 전극탭(전극탭들 중 음극탭)을 하부캔에 용접하는 모습 및 초점이 형성되는 모습이 나타난 도면,
도 9 는 제2실시예에 따른 버튼형 이차전지 조립공정에서 하부캔, 전극조립체, 지그가 분해된 모습이 도시된 도면.
도 10 은 전극조립체의 높이(h) 대비 레이저의 초점이 형성되는 높이(z)를 대략적으로 도시한 도면.
도 11 은 본 발명의 제3실시예에 따른 바람직한 실시예에 따른 이차전지 용접공정의 모니터링 장치의 구성이 단순화되어 도시된 도면.
도 12 는 도 11 의 도면에서 레이저의 반사 가능한 경로를 점선으로 추가하여 표시한 도면.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 하부캔(3)의 내측(전극조립체가 탑재되는 측)으로 레이저를 조사하여 하부캔 외관에 용접흔적을 남기지 않고 용접공정 효율성을 증대시킬 수 있는 이차전지의 용접방법 및 용접장치 그리고 이차전지의 용접공정이 이뤄질 때, 용접상태를 모니터링하는 방법과 장치에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.

제1실시예

이 실시예에서는 하부캔(3)의 내측으로 레이저를 조사하여 용접이 이뤄지는 용접방법과 용접장치를 제공한다.

본 발명에서 제공되는 용접방법은 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되면 상기 전극조립체(2)의 전극탭(2a)(여기에서 전극탭은 음극탭이다)을 상기 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 용접방법으로써, 전극조립체안착단계, 지그안착단계, 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 버튼형 이차전지 조립공정에서 하부캔(3)의 내부로 레이저를 조사하여 전극탭(2a)을 상기 하부캔(3)에 용접하는 모습이 나타난 단면도이고, 도 3 은 하부캔(3), 전극조립체(2), 지그(10)가 분해된 모습이 도시된 사시도이다.

상기 전극조립체안착단계에서는 전극조립체(2)가 하부캔(3) 내에 안착된다. 상기 전극조립체(2)는 종래의 구조와 같이, 분리막, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권심에서 권취되어 제조되어 상기 권심이 제거된 후 중심에 센터홀(2b)이 형성된 구조를 갖는다. 그리고, 상측과 하측 각각으로 전극탭들(상측으로는 양극탭, 하측으로는 음극탭)이 돌출되도록 제조된다.

따라서, 상기 전극조립체(2)는 하측에 위치한 음극탭이 하부캔(3)의 내부바닥면에 맞닿도록 하부캔(3)에 탑재된다. 상기 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 안착되었을 때 음극탭인 전극탭(2a)은 전극조립체(2)의 센터홀(2b) 내에 위치하도록 안착된다.

그리고, 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 안착된 상태에서 지그안착단계가 진행된다. 이 실시예에서 제공되는 지그(10)는 원반모양의 안착부(11)와 상기 안착부(11)의 중심에서 수직으로 연장되며 파이프모양을 갖는 삽입부(12)를 포함하여 구성되며 상기 삽입부(12)의 내부에서 길이방향을 따라 형성된 홀(13)은 안착부(11) 및 삽입부(12)를 관통하여 상하로 개통된 구조를 갖는다.

상기 지그(10)는 전극조립체(2) 위에서 아래로 안착되며 삽입부(12)는 전극조립체(2)의 센터홀(2b)로 진입한다. 상기 지그(10)의 안착부(11)는 하부캔(3)의 직경보다 더 큰 직경을 가지므로 하부캔(3)의 상단 위로 거치되고, 이때, 삽입부(12)의 끝단은 음극탭을 하부캔(3)의 내부바닥면에 밀착시킨다.

그리고, 상기 지그(10)가 하부캔(3)에 안착된 상태에서 상기 삽입부(12)의 내측으로 홀(13)을 통해 레이저를 조사하여 상기 전극탭을 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 용접단계가 이뤄진다.

이때 조사되는 레이저는IR파장의 펄스레이저일 수 있고 이때 IR파장은 (도 5에 도시된 모양을 가질 있도록) 1060nm ~ 1080nm 일 수 있고 바람직하게는 1070nm 일 수 있다.

도 4 는 상대적으로 더 큰 높이와 직경을 같는 원통형 전지의 캔들(도 4 에서 우측 한개를 제외한 좌측 두 개)과 본 발명의 버튼형 전지의 하부캔(3)이 투시된 모습으로써 1점용접시 요구되는 지그(10)에 형성된 홀(13)의 내경 및 복수의 점용접시 요구되는 지그에 형성된 홀(13)의 내경을 표시한 도면이다.

도 4 를 참조하면, 본 발명에서 조사되는 레이저는 초점에서 레이저의 횡단면 직경이 가장 작아지도록(초점에서 모아지도록) 조사되되, 상기 초점은 전극탭(음극탭)에 형성되도록 조사된다.

따라서, 전극탭에서 멀어질 수록 레이저의 횡단면 지름은 점차 증대된다. 예를 들어, 도 4 에서 1점 용접이 이뤄질 때, 동일한 규격의 레이저를 조사하는 경우, 65mm 의 높이를 갖는 원통형전지(18650 규격의 전지)와 70mm 의 높이를 갖는 원통형전지(21700 규격의 전지)의 캔들은 각각 3.25mm, 3.5mm 의 내경을 갖는 홀이 요구된다.

이때, 18650 규격의 전지 캔의 외경은 18mm 이고 21700 규격의 전지 캔의 외경은 21mm 이며 레이저가 통과하는 홀은 전극조립체의 센터홀(또는 지그가 삽입될 경우 지그에 형성된 홀의 내경)이 된다. 상기 센터홀은 제조방식의 한계 때문에 원통형 형태로 제조될 수 밖에 없으므로, 레이저 간섭을 피하기 위해 센터홀의 직경을 줄여 전극조립체의 용량을 증대시키는 것은 한계가 있다. 따라서, 18650 규격의 전지와 21700 규격의 전지 각각은, 레이저가 통과하는 센터홀의 부피만큼 부피가 줄어들어 센터홀이 형성되지 않았을 때의 부피 대비 각각 96.7%, 97.2% 로 최대부피의 크기가 제한된다.

반면에, 본원의 버튼형전지의 하부캔(3)은 높이(h)가 5mm 이고 직경(외경)(d)이 11mm 일 때, 레이저가 통과하는 홀(13)의 내경은 0.25mm ~ 1.5mm 가 요구된다. 이는, 지그 삽입부(12)의 내경의 크기가 0.25mm ~ 1.5mm 일 것이 요구된다는 것을 의미한다.

즉, 높이가 큰 캔을 용접시킬 때보다 본 발명에서는 하부캔의 높이를 낮춤으로써 요구되는 홀(13)의 내경을 대폭 축소할 수 있다. 따라서, 전극조립체(2)에 형성되는 센터홀(2b)의 내경은 감소될 수 있으므로 상기 전극조립체(2)는 센터홀(2b)이 형성되지 않았을 때의 부피 대비 98.1% ~ 99.9%의 부피까지 증대될 수 있다.

본 발명은 에너지를 만드는 부분의 부피가 98.1% ~99.9%의 부피까지 증대될 수 있는 지그 삽입부(12)의 내경의 크기를 만드는 것이 목적이므로 삽입부의 두께는 충분히 얇은 것으로 생각할 수 있다.

특히, 레이저 초점을 이동시켜 복수의 점 용접이 이뤄질 때는 전극조립체 센터홀은 더 큰 직경을 가져야 한다. 가령, 18650 규격의 전지와 21700 규격의 전지는 복수의 점 용접이 이뤄질 때, 홀의 내경은 3.25mm 에서 6.99mm 로 3.5mm 에서 7.53mm 로 각각 증대되어야 하며, 이 경우, 센터홀이 형성되지 않았을 때의 부피 대비 각각 84.9%, 87.1% 로 부피가 제한된다.

하지만, 본원의 구조에서는 복수의 점 용접을 하더라도 홀의 직경은 하한이 0.25mm 에서 0.53mm 로 상승하며, 이 경우에도 센터홀이 형성되지 않았을 때의 부피 대비 98.1% 내지 99.7%의 부피를 확보할 수 있다.

이는, 전극탭에 레이저가 조사되는 모습을 확대하여 도시한 도 5 에 나타난 바와 같이, 레이저의 외각선이 곡선으로 조사되기 때문이다. 즉, 전극탭(2a)에 조사되는 레이저의 횡단면(Wo)은 일정높이(Z)까지는 그 횡단면(W)이 급격히 증가하지 않으나, 그 이상에서는 횡단면이 더 크게 형성되므로 레이저가 조사되는 홀의 직경은 캔 또는 하부캔(3)의 높이에 따라서 더 크게 증가되어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 전극조립체 및 지그의 손상이 없고 레이저의 간섭이 발생하지 않도록 지그(10)의 크기가 일정범위로 제한된다.

즉, 상기 용접단계에서 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)은 한 지점에서 용접부위가 형성되도록 용접이 이뤄질 때(1점 용접이 이뤄질 때), 상기 지그의 삽입부(12)가 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부(11)가 하부캔(3) 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀(13)의 내경은 0.25mm ~ 1.5mm 로 형성된다.

그리고, 상기 용접단계에서 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)은 세 지점에서 용접부위가 형성되도록 용접이 이뤄질 때(복수의 점 용접이 이뤄질 때), 상기 지그(10)의 삽입부(12)가 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부(11)가 하부캔(3) 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부(12)에 형성된 홀(13)의 내경은 0.53mm ~1.5mm 로 형성된다.

(하부캔의 직경이 11mm 이고 높이가 5mm 일 때, 1점 용접하는 경우)

삽입부 직경 (mm)	0.25	0.50	0.75	1.00	1.25	1.50	2.0
사용가능부피(%)	99.9	99.7	99.5	99.1	98.7	98.1	96.7

(하부캔의 직경이 11mm 이고 높이가 5mm 일 때, 복수의 점 용접하는 경우)

삽입부직경 (mm)	0.53	1.0	1.5	2.00	2.5
사용가능부피 (%)	99.7	99.1	98.1	96.7	94.8

위의 표1, 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 하부캔이 높이가 11mm 이고 높이가 5mm 일 때, 1점 용접이 이뤄지는 경우 삽입부(12)의 홀(13)의 내경은 최소 0.25mm 로 정해질 수 있다. 이 경우, 0.25mm 보다 더 작게되면 레이저와 지그(10) 사이에 간섭이 발생하여 용접이 불가능해질 수 있다. 따라서 1점 용접 시 사용 가능 부피의 최대 값은 직경이 0.25mm일 때 99.9%로 얻을 수 있다.

아울러, 복수의 점 용접이 이뤄지는 경우 삽입부(12)의 홀(13)의 내경은 최소 0.53mm 로 정해질 수 있다. 이 경우도, 0.53mm 보다 더 작게 되면 레이저와 지그(10) 사이에 간섭이 발생하여 용접이 불가능해질 수 있다. 따라서 복수의 점 용접 시 사용 가능 부피의 최대 값은 직경이 0.53mm일 때 99.7%로얻을 수 있다

한편, 버튼형 이차전지에서 현저히 차이가 발현되는 기준인 양산기준을 만족하기 위해선 하부캔(3) 내부의 사용가능부피는 최소 98% 이상이여야 한다.

1점 용접인 경우 위 표 1을 참조하면, 상기 홀(13)의 내경이 1.5mm 일 때 사용가능부피는 98.1% 이고, 이를 초과하면 98% 미만, 즉, 96.7%로으로 급격히 저하된다. 따라서, 본 발명에 따른 용접방법에서 삽입부에 형성된 홀의 내경은 1점 용접인 경우 0.25 내지 1.5 mm 범위로 한정되는 것이 필요하다.

그리고 복수의 점 용접인 경우에도 위 표 2를 참조하면, 상기 홀의 내경이 1.5mm 일 때 사용가능부피는 98.1% 이고, 이를 초과하면 98% 미만, 즉, 96.7%로으로 급격히 저하된다. 따라서, 본 발명에 따른 용접방법에서 삽입부에 형성된 홀의 내경은 복수의 점 용접인 경우 0.53 내지 1.5mm 범위로 제한되는 것이 필요하다.

한편, 본 발명에서 제공되는 하부캔은 높이(h)를 직경(d)으로 나눴을 때 값(즉, h/d)이, 0.35 내지 0.6 범위의 값을 갖도록 높이(h)와 직경(d)의 크기가 정해진다. 예를 들어 직경이 11mm 이고 높이가 5 일 때 상기 값은 0.45 이며 위의 범위를 만족한다. 이러한 비율 범위 값에서 가장 효율적인 전지가 구현될 수 있다.

아울러, 본 실시예에서는 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되면 상기 전극조립체(2)의 전극탭(2a)을 상기 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접장치를 추가적으로 제공한다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 용접장치는 지그(10), 레이저조사장치(20)를 포함한다.

상기 지그(10)는 파이프모양을 가지며 상기 전극조립체(2)의 센터홀(2b)로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부(12) 및 상기 삽입부(12)의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부(11)를 구비하며, 상기 안착부(11)는 하부캔(3) 보다 더 큰 직경을 가지며, 상기 삽입부(12)는 안착부(11)가 하부캔(3) 상단에 안착되었을 때, 전극조립체(2)의 센터홀(2b)에서 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면에 가압할 수 있는 길이를 갖는다, 또한 상기 삽입부(12) 내에 형성된 홀(13)은 안착부(11)를 관통하여 상하로 개통되도록 구성된다.

그리고, 상기 레이저조사장치(20)는 상기 삽입부(12)의 홀(13)로 레이저를 조사하도록 구성되되, 상기 전극탭(2a)에서 초점이 형성될 수 있도록 레이저를 조사한다.

따라서, 센터홀(2b) 내에 전극탭(2a)에 놓이도록 상기 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 안착된 상태에서, 상기 레이저가 상기 지그(10)의 상기 삽입부(12)를 통과하여 상기 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)의 접촉지점으로 조사됨에 따라 용접이 이뤄진다.

한편, 이 실시예에서, 상기 하부캔(3)은 하측은 내부바닥면에 의해 폐쇄되고 상측은 개구된 원통형 모양을 갖는다.

그리고, 위에서 설명한 바와 같이, 전극조립체(2)의 부피손실을 최대한 억제할 수 있도록, 이 실시예에 따른 지그(10)는 상기 지그(10)의 삽입부(12)가 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부(11)가 하부캔(3) 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25 내지 1.5mm 범위로 형성된다.

또는, 상기 지그(10)의 삽입부(12)가 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부(11)가 하부캔(3) 위로 안착될 때, 상기 삽입부(12)의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부(12)에 형성된 홀의 내경은 0.53 내지 1.5mm 범위로 형성된다(복수 개의 용접부위가 형성되는 경우).

아울러, 본 발명에 따른 지그(10)의 여러 변형예들이 도시된 도 6 에 나타난 바와 같이, 이 실시예에서 제공되는 지그(10)는 원통형 삽입부(12)의 상단에 원판형 안착부(11)가 결합된 일반적인 구조(a) 외에도 여러 추가적인 구조를 가질 수 있다.

즉, 상기 지그(10)는 삽입부(12)의 길이방향을 따라 형성된 홀(13)은 안착부(12)가 형성된 쪽이 가장 큰 직경을 가지며 그 반대쪽으로 갈수로 직경이 점차적으로 작아지는 형상(b)을 가질 수 있다.

그리고, 상기 안착부(11)는 테두리 부분이 상대적으로 더 높게 형성되고 중심의 홀(13)을 향하여 점차적으로 낮아지는 모양(c) 즉, 안착부(11)에 쐐기형 홈(14)이 형성된 모양을 가질 수 있다.

또한, 상기 안착부(11)는 삽입부(12)가 센터홀(2b)로 진입했을 때, 상기 하부캔(3)의 상단이 끼워지도록 일측면에 파임홈(15)이 형성 구조(d)를 가질 수 있다.

(b)와 같은 형상을 갖는 지그는 용접되는 지점의 범위를 정교하게 한정할 수 있고, (c)와 같은 구성을 갖는 지그는 레이저 용접시 함께 제공되는 가스의 흐름을 용이하게 할 수 있으며, (d)와 같은 구성을 갖는 지그는 하부캔(3)에 고정된 상태로 안정적인 용접이 이뤄질 수 있다.

도 7 은 본 발명의 변형예가 적용된 지그의 종단면도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 상기 지그(10)는 전극조립체(2)와 마주하게되는 안착부(11)의 하면 및 삽입부(12)의 표면에는 전기를 절연하는 절연층(16)이 코팅될 수 있다. 상기 절연층(16)은 지그(10) 보다 열전도성이 낮은 재질로 제조될 수 있다. 따라서, 용접에 의해 열이 발생할 때 전극조립체로 전달되는 열을 차단하여 전극조립체의 열해를 방지할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1실시예에서는 하부캔의 내측으로 레이저가 조사되어 전극탭(음극탭)의 용접이 이뤄지므로 하부캔(3)에 용접 흔적을 남기지 않아 상품성을 향상시킬 수 있다.

상기 지그(10)는 안착부(12)가 하부캔(3)의 위로 안착될 수 있으므로, 레이저의 안정적인 조사가 가능하며 용접시 발생하는 이물질이 전극조립체(2)로 침투하는 문제 및 레이저 조사에 따른 열에 의해 발생할 수 있는 손상을 영향을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 용접이 이뤄지는 지점의 갯수에 따라 삽입부(12) 홀(13)의 내경이 달라질 수 있고 이에 따라 하부캔(3) 내에서 전극조립체(2)의 부피를 최대화시킬 수 있다. 가령, 용접지점이 한 개소일 때 삽입부(12)에 형성된 홀(13)의 내경은 0.25 내지 1.5mm 이하로 제한되면 전극조립체(2)의 부피는 하부캔(3) 내부 용적의 100% 근방에 까지 증대될 수 있으므로 충방전용량을 증대시킬 수 있다. 반대로, 용접지점이 복수의 개소일 때, 상기 홀(13)의 내경은 0.53 내지 1.5mm 범위로 제한되어 (전극조립체의 센터홀의 직경 증대에 따라) 전극조립체의 부피는 감소됨에 따라 전극조립체의 부피는 하부캔 내부 용적의 97% 까지 감소되나 용접강도를 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 제공되는 지그(10)는 삽입부(12)의 길이방향을 따라 형성된 홀이 안착부가 형성된 쪽이 가장 큰 직경을 가지며 그 반대쪽으로 갈수로 직경이 점차적으로 작아지는 형상을 갖도록 형성되어 용접되는 지점의 범위를 정교하게 한정할 수 있다.

제2실시예

이 실시예에서는 하부캔(3)의 내측으로 디포커싱이 이뤄지도록 레이저를 조사하여 용접이 이뤄지는 용접방법 및 용접장치를 제공한다.

이 실시예에서 제공되는 용접방법은 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되면 상기 전극조립체(2)의 전극탭(2a)을 상기 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접방법으로써, 제1실시예와 마찬가지로 전극조립체안착단계, 지그안착단계 및 용접단계를 포함한다.

도 8 는 본 발명에 따른 버튼형 이차전지 조립공정에서 하부캔의 내부로 레이저를 조사하여 전극탭(전극탭들 중 음극탭)을 하부캔에 용접하는 모습 및 초점이 형성되는 모습이 나타난 도면이고, 도 9 은 하부캔, 전극조립체, 지그가 분해된 모습이 도시된 도면이며, 도 10 는 전극조립체의 높이(h) 대비 레이저의 초점이 형성되는 높이(z)를 대략적으로 도시한 도면이다.

첨부된 도면들을 참조하면, 상기 전극조립체안착단계와 지그안착단계는 제1실시예에 동일하게 이뤄진다.

즉, 전극조립체안착단계에서는 전극조립체(2)가 하부캔(3) 내에 안착되고, 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 안착된 상태에서 지그안착단계가 진행된다.

이 실시예에서 제공되는 지그(10) 또한 제1실시예와 동일 또는 유사한 구조를 갖는다. 즉, 원반모양의 안착부(11)와 상기 안착부(11)의 중심에서 수직으로 연장되며 파이프모양을 갖는 삽입부(12)를 포함하는 지그(10)가 제공된다. 이때, 상기 삽입부(12)의 내부에서 길이방향을 따라 형성된 삽입부(12)의 홀(13)은 안착부(11) 및 삽입부(12)를 관통하여 상하로 개통된 구조를 가지며, 이러한 지그(10)는 전극조립체 위로 삽입부(12)가 센터홀(2b)로 진입하도록 안착된다.

그리고, 상기 지그(10)의 삽입부(12)가 센터홀(2b)로 진입한 상태에서 상기 삽입부(12)의 내부홀(13)을 통해 레이저가 조사되어 상기 전극탭(2a)을 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 용접단계가 이뤄진다.

이때 조사되는 레이저는 빔이 끊김없이 지속적으로 발생되는 연속파 레이저 또는 발광자체가 짧은 시간 동안만 지속되는 펄스 레이저의 선택이 가능한 준연속파동레이저(quasi continuous wave laser), 펄스레이저(Pulse laser), 연속파변조(CW Modulation) 레이저 중 선택된 하나 일 수 있다.

이 중, 준연속파동레이저는 출력의 유연성 및 레이저 파장의 조절이 가능하여 전극탭(2a)과 하부캔(3) 사이의 용접에 이용될 수 있다. 그리고, 상기 용접단계(S30)에서 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)은 복수 개의 지점에서 개별적으로 용접이 이뤄질 수 있다.

한편, 이 실시예에서 제공되는 용접단계에서 상기 레이저는 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 디포커싱(defocusing)된 상태로 조사된다.

즉, 용접을 위해 조사되는 레이저는 발광지점에서 가장 큰 횡단면상의 직경을 갖고 초점에서 가장 작은 직경을 갖도록(초점에서 모아지도록) 조사되되, 상기 초점에서 모아진 후 점차적으로 직경이 증대되는 상태로 용접지점인 전극탭(2a)에 도달하도록 조사된다. 따라서, 레이저의 초점은 전극탭에 도달하기 전에 지그 내에서 형성되도록 디포커싱된 상태로 조사된다.

디포커싱(deforcusing)의 사전적 의미는 정확하게 초점이 맞지 않는 상태를 의미하고, '+' 디포커싱은 초점이 대상물 앞에 형성되는 상태 '-' 디포커싱은 초점이 대상물 뒤에 형성되는 상태를 의미한다. 따라서, 본 발명에서 레이저는 도 8, 9 에 나타난 바와 같이 '+' 디포커싱 상태로 조사가 이뤄진다.

이때, 레이저의 초점은 삽입부(12)의 최상단과 최하단 내에서 3분의1이 되는 지점과 3분의 2가 되는 지점 사이에 형성된다. 바람직하게는 삽입부(12)의 내부홀 중간이 되는 위치 즉, 도 10 에서 전극조립체의 높이가 h 일때 초점이 형성되는 지점의 높이를 z 라 하면 h=2z 가 되는 위치에서 초점이 형성되는 것이 바람직하다.(이때, 도 10 에 나타난 바와 같이 전극조립체는 안착부의 저면에 맞닿거나 근접하도록 높이가 h 로 형성되고, 안착부는 두께가 무시될 수 있을 정도로 충분히 얇은 것으로 간주된다).

그리고, z는 1/3h≤z≤2/3h 이 되는 범위에서 형성될 수 있다.

참고로 도 10 에 표시된 h 와 z 는 삽입부(12)의 높이와 전극조립체(2)의 높이가 동일한 경우인 것을 가정한 것이나, 삽입부(12)의 높이가 전극조립체(2)의 높이 보다 더 큰 경우라면 삽입부의 크기에 따라 초점이 형성되는 높이 z 는 더 증대될 수 있되, 초점의 높이가 전극조립체의 높이를 넘어선 안된다.

이와 같이, '+' 디포커싱 상태로 레이저가 조사되므로, 지그(10)로 진입하는 레이저의 횡단면 직경은 용접부위에 포커싱되는 경우 보다 더 작아질 수 있다. 즉, 용접부위에 포커싱이 된다면 간섭을 피하기 위해 삽입부(12) 내부홀(13)의 내경은 더 커져야하지만, '+' 디포커싱되어 초점이 z 만큼 위로 올라간 상태에서는 삽입부(12)로 진입하는 지점에서 레이저 횡단면 직경이 축소되어 삽입부(12) 내부홀(13)의 내경도 작아질 수 있고, 이에 따라 지그(10)의 크기도 작아질 수 있다. 도 9 에서 도시된 바와 같이, 초점으로 모아지는 레이저는 쐐기형 모양으로 조사되므로 전극탭(2a)에 초점이 형성되려면 레이저와의 간섭을 피하기 위해 지그 삽입부의 내부홀의 직경은 증가되어야 하고, 이러한 내부홀 직경의 증가에 따라 전극조립체(2)의 센터홀(2b)의 크기도 커져야 하므로 전극조립체(2)의 전체 용량은 제한될 수 있다.

따라서. 이 실시예에 따른 용접방법은 더 작은 크기의 전극조립체 용접도 가능하게 할 수 있고, 센터홀(2b)의 크기를 최소화하여 전극조립체(2)의 용량을 증대시킬 수 있다.

한편, 상기 지그(10)는 금속재로 제조되어 충분한 강성 및 내열성을 가지며 전극조립체(2)의 센터홀(2b)로 진입하는 삽입부(12)는 충분히 얇은 두께를 갖도록 제조될 수 있다.

아울러, 이 실시예에서는 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되면 상기 전극조립체(2)의 전극탭(2a)을 상기 하부캔(3)의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접장치를 추가적으로 제공한다.

상기 지그(10)는 파이프모양을 갖고 센터홀(2b)로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부(12)로만 형성될 수도 있고, 또는 파이프모양을 가지며 전극조립체(2)의 센터홀(2b)로 진입할 수 있는 직경을 갖는 상기 삽입부(12) 및 상기 삽입부(12)의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부(11)를 포함하도록 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 레이저조사장치(20)는 상기 삽입부(12)의 홀(13)로 레이저를 조사하도록 구성되되, 상기 지그(10)의 삽입부(12) 내에서 용접지점에 도달하기 전에 초점이 형성되도록 레이저를 조사한다.

즉, 센터홀(2b) 내에 전극탭(2a)이 놓이도록 상기 전극조립체(2)가 하부캔(3)에 안착된 상태에서, 상기 레이저가 상기 삽입부(12)의 내부홀(13)을 통과하여 상기 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)의 접촉지점으로 조사됨에 따라 용접이 이뤄지되, 상기 레이저조사장치(20)는 하부캔(3)의 내부바닥면과 전극탭(2a)의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 '+' 디포커싱된 상태로 레이저를 조사한다.

따라서, '+' 디포커싱이 이뤄지도록 상기 레이저조사장치(20)는 초점의 형성높이를 조절할 수 있게 상승하강이 가능한 활주장치(미도시)와 결합될 수 있다. 상기 활주장치는 초점의 위치조절을 위해 상기 레이저조사장치(20)를 상승하강시킬 수 있을 뿐만아니라 복수 개의 용접지점이 형성되도록 좌우 전후 방향으로으로도 활주시키게 구성될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 하부캔(3)의 내측에서 레이저를 조사하여 음극탭을 용접하므로 하부캔의 외부표면에 용접 흔적을 남기지 않아 상품성을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명에서는 지그의 삽입부(12)에 형성된 내부홀(13) 내에서 초점이 형성되도록 디포커싱된 상태로 레이저가 조사되어 지그로 진입하는 레이저의 최대 내경을 줄일 수 있다. 이에 따라 지그 특히 삽입부(12)의 직경을 줄일 수 있고 반대 급부로 전극조립체의 부피를 증가시켜(센터홀의 크기를 줄여) 이차전지 용량을 증대시킬 수 있다.

상기 안착부가 삽입부에 안착되면 삽입부의 움직임은 단속되므로 안정적인 용접이 가능하다.

본 발명에서 레이저의 디포커싱이 이뤄질 때, 초점은 (안착부가 충분히 얇은 것으로 가정할 수 있을 때) 삽입부의 최상단과 최하단 내에서 3분의1이 되는 지점과 3분의 2가 되는 지점 사이에 형성되어 레이저의 횡단면 직경을 최소화 할 수 있다.

제3실시예

이 실시예에서는 이차전지 용접공정의 모니터링 장치 및 방법을 제공한다.

도 11 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 용접공정의 모니터링 장치의 구성이 단순화되어 도시된 도면이며, 도 12 는 도 11 의 도면에서 레이저의 반사 가능한 경로를 점선으로 추가하여 표시한 도면이다. 다만, 도면의 선들이 중첩되는 것을 피하기 위하여 전극조립체(2)와 지그(10)는 도 11 과 12 에서 생략되고 하부캔(3)만 도시되었다.

도 11, 12 를 참조하면, 본 발명의 모니터링장치는, 이전 실시예들에서 설명된 지그(10) 및 상기 레이저조사장치(20)를 포함한다.

이때, 상기 지그(10)는 안착부(11)가 삭제된 구조 즉, 파이프모양을 가지며 상기 전극조립체의 센터홀로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부(12)만 구비하게 제공될 수도 있고, 상기 삽입부(12)와 안착부(11) 모두를 구비하도록 제공될 수 있다.

그리고, 이 실시예에서 상기 삽입부의 홀(hole)로 레이저를 조사하는 레이저조사장치(20)는, 용접용레이저조사장치(50), 조명용레이저조사장치(60), 이미지센서(40)를 포함하여 구성된다.

상기 모니터링장치로 용접과 모니터링이 진행될 때, 하부캔(3)에는 전극조립체(2)가 내장되고 전극탭(2a)은 하부캔(3)의 내측바닥면에 맞닿은 상태로 제공된다.

따라서, 상기 용접용레이저조사장치(50)는 센터홀(2b) 내에 전극탭(2a)이 놓이도록 전극조립체(2)가 상기 하부캔(3) 내에 안착된 상태에서 용접용레이저(Y)를 조사할 수 있다.

상기 용접용레이저조사장치(50)는 용접용레이저(Y)를 포커싱렌즈(30)를 통해 센터홀(2b) 내부로(더 정확하게는 지그 삽입부의 홀 내부로) 조사하여 전극탭(2a)과 하부캔(3)의 접촉지점을 용접한다.

상기 용접용레이저조사장치(50)는 용접용레이저(Y)를 발광하는 용접용레이저발진기(51), 상기 용접용레이저발진기(51)에서 발광된 용접용레이저(Y)가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제1광절연체(54), 상기 제1광절연체(54)를 통과한 용접용레이저(Y)를 통과시켜 평행하게 만드는 제1콜리메이터(52), 상기 제1콜리메이터(52)를 통과한 용접용레이저(Y)를 포커싱렌즈(30)로 반사시키는 제1다이크로익미러(53)를 포함한다.

상기 용접용레이저발진기(51)는 적정한 출력의 용접용레이저(Y)를 발광시키고, 발광된 용접용레이저(Y)는 제1광절연체(54)로 조사된다. 상기 제1광절연체(54)는 패러데이아이솔레이터(Faraday isolator)로써 한 방향으로만 레이저를 전송시키도록 구성된다.

즉, 상기 제1광절연체(54)는 상기 용접용레이저발진기(51)에서 발광된 용접용레이저(Y)가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 (제1다이크로익미러에 의해 일부가) 되돌아갈 때는 차단시킨다. 상기 패러데이아이솔레이터의 상세 내부 구조는 공지된 기술이므로 여기에서 상세한 설명은 생략된다.

상기 제1광절연체(54)를 통과한 용접레이저(Y)는 제1콜레메이터(52)로 조사된다. 상기 제1콜리메이터(52)는 용접용레이저(Y)의 직경이 일정하게 유지되도록 (방사형 방향으로의) 발산을 억제시키고 집속시켜 평행하게 만든다. 즉, 레이저는 발광시 발산하는 특징이 있으나 상기 제1콜레메이터(52)는 용접용레이저(Y)의 발산을 억제시킬 수 있도록 복수 개의 광학렌즈들의 조합을 통해 이러한 기능을 제공할 수 있다.

상기 제1콜리메이터(52)를 통과한 용접용레이저(Y)는 제1다이크로익미러(53)로 조사된다. 상기 제1다이크로익미러(53)는 레이저의 특성에 따라 일부는 반사시키고 일부는 투과시킬 수 있되, 상대적으로 높은 출력을 갖는 용접용레이저(Y)는 전체를 반사시키도록 제조된다.

상기 제1다이크로익미러(53)에서 반사된 용접용레이저(Y)는 용접지점을 향하여 조사되되, 조사되는 경로 중에 포커싱렌즈(30)를 통과하며 전극탭과 하측캔이 맞닿는 용접부위에 초점이 형성되도록 모아진 상태로 조사가 이뤄진다.

한편, 상대적으로 용접용레이저(Y) 보다 저출력으로 조사되는 조명용레이저(L)를 조사하는 상기 조명용레이저조사장치(60)도 상기 용접용레이저조사장치(50)와 유사한 구성을 갖도록 구성된다.

즉, 상기 조명용레이저조사장치(60)는 조명용레이저(L)를 발광하는 조명용레이저발진기(61), 상기 조명용레이저발진기(61)에서 발광된 조명용레이저(L)가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제2광절연체(64), 상기 제2광절연체(64)를 통과한 조명용레이저(L)를 통과시켜 평행하게 만드는 제2콜리메이터(62), 상기 제2콜리메이터(62)를 통과한 조명용레이저(Y)를 포커싱렌즈(30)로 반사시키되, 용접부위에서 반사된 조명용레이저(Y)는 투과되도록 상기 조명용레이저(Y)의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 제2다이크로익미러(63)를 포함한다.

상기 조명용레이저발진기(61)는 가급적 용접 품질에는 영향을 미치지 않되 이미지센서(40)에는 충분한 광량을 제공할 수 있는 출력을 갖을 정도로 조명용레이저(L)를 발광시키고, 발광된 조명용레이저(L)는 제2광절연체(64)로 조사된다.

상기 제2광절연체(64)는 제1광절연체(54)와 같이 패러데이아이솔레이터(Faraday isolator)로써 한 방향으로만 조명용레이저(L)를 전송시키도록 구성될 수 있다.

상기 제2광절연체(64)를 통과한 조명용레이저(L)는 제2콜레메이터(62)로 조사된다. 상기 제2콜리메이터(62)도 제1콜리메이터(52)와 같이 조명용레이저(L)의 직경이 일정하게 유지되도록 발산을 억제시키며 집속시켜 평행하게 만든다.

상기 제2콜리메이터(62)를 통과한 조명용레이저(L)는 제2다이크로익미러(63)로 조사된다. 상기 제2다이크로익미러(63)는 조명용레이저(L)의 일부는 반사시키고 일부는 투과시킬 수 있도록 구성된다.

상기 제2다이크로익미러(63)에서 반사된 조명용레이저(L)는 용접지점을 향하여 조사된다. 이때, 상기 제1다이크로익미러(53)는 조명용레이저(L) 전체 또는 거의 대부분을 투과시킨다. 상기 제1다이크로익미러(53)를 통과한 조명용레이저(L)는 포커싱렌즈(30)를 통과하며 용접부위에 도달한다. 이때, 포커싱렌즈(30)에 도달하기 전의 조명용레이저(L)는 센터홀의 내경보다 더 큰 직경을 가질 수도 있으나, 상기 포커싱렌즈(30)를 통과하면서 지그 삽입부의 홀의 내경보다 직경이 더 작게 형성된 상태로 용접부위에 도달한다. 그리고 용접부위에서 반사된 조명용레이저(L)는 상기 포커싱렌즈(30)를 통과하며 직경이 원래의 크기로 복원될 수 있다.

상기 용접부위에서 반사된 조명용레이저(L)는 포커싱렌즈(30), 제1다이크로익미러(53), 제2다이크로익미러(63)를 투과하여 이미지센서(40)에 도달할 수 있다. 이때, 용접부위에서 반사된 조명용레이저(L)의 광원은 반사되어 손실되는 양보다 이미지센서(40)로 투과되는 양이 증대되도록 포커싱렌즈(30), 제1다이크로익미러(53), 제2다이크로익미러(63)는 튜닝될 수 있다. 가령, 용접용레이저(Y)와 조명용레이저(L)는 출력 및/또는 파장 등과 같은 레이저의 특성이 다르므로, 용접용레이저(Y)가 출입할 때의 투과 및 반사율과 조명용레이저(L)가 출입할 때의 투과 및 반사율은 달라지도록 튜닝될 수 있다.

즉, 조명용레이저조사장치(60)에서 발광된 조명용레이저(L)는 용접용레이저조사장치(50)에 포함된 제1다이크로익미러(53) 및 포커싱렌즈(30)를 투과하여 이미지센서(40)로 반사되므로, 본 발명의 레이저조사장치(20)에서는 상기 용접용레이저(Y)와 조명용레이저(L)는 센터홀(2b)(더 정확히는 지그 삽입부의 홀)의 상측에서 수직방향으로 조사될 수 있다.

따라서, 본 발명의 장치에서 상기 제1다이크로익미러(53)는 용접용레이저(Y)는 전체 또는 대부분을 반사시키되 조명용레이저(L)는 전체 또는 대부분을 투과시키도록 셋팅되며, 상기 제2다이크로익미러(63)는 조명용레이저(L)의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키도록 구성되어 용접지점에서 반사된 조명용레이저(L)의 적어도 일부는 이미지센서(40)에 도달할 수 있다.

한편, 레이저의 출력이나 특성에 따라서 상기 조명용레이저(L)와 용접용레이저(Y)는 동시에 조사될 수도 있다. 하지만, 레이저들 간의 간섭을 피하기 위하여 상기 용접용레이저(Y)가 조사될 때는 조명용레이저(L)의 조사는 중단되고 상기 조명용레이저(L)가 조사될 때는 용접용레이저(Y)의 조사는 중단될 수 있다.

더 상세하게는, 조명용레이저(L)와 용접용레이저(Y)의 조사는 동시에 진행될 수도 있으나, 간섭의 영향을 피할 수 있도록 용접용레이저(Y)가 계속적으로 조사되되 일정주기를 두고 조명용레이저(L)가 조사되는 동안 용접용레이저(Y)의 조사가 중단될 수 있다.

아울러, 이 실시예에서는 이차전지 용접공정의 모니터링 방법을 추가로 제공한다.

이 실시예에 따른 모니터링방법은 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되면 상기 전극조립체(2)의 전극탭(2a)을 상기 하부캔(3)의 내측바닥면에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법으로써, 전극조립체안착단계, 지그안착단계, 용접단계, 센싱단계를 포함한다.

상기 전극조립체 안착단계에서는 센터홀(2b) 내에 전극탭(2a)이 놓이도록 전극조립체(2)가 상기 하부캔(3) 내에 안착이 이뤄진다. 즉, 도 11, 12 에 나타난 바와 같이, 전극조립체(2)가 윗쪽으로 노출도록 하부캔(3) 내에 전극조립체(2)가 안착되고, 이때, 전극조립체(2)의 전극탭(2a)과 하부캔(3)의 내부바닥면은 맞닿은 상태이며, 전극조립체(2)의 중앙에 형성된 센터홀(2b)에는 전극탭(2a)과 하부캔(3)이 맞닿은 지점이 윗쪽으로 노출된 상태이다.

전술한 바와 같이 하부캔(3)에 전극조립체(2)가 안착된 상태로 제공되면, 파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 상기 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계가 이뤄진 다음에 용접단계가 진행된다.

상기 용접단계에서는 삽입부의 홀 위에서 용접용레이저(Y)를 포커싱렌즈(30)를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하여 전극탭(2a)과 하부캔(3)의 접촉지점을 용접한다.

상기 용접단계에서 조사되는 용접용레이저(Y)는 포커싱렌즈(30)를 통해 용접지점에서 또는 용접지점에서 약간 위로(+ 디포커싱 상태) 초점이 맞춰지는 것이 바람직하다. 다만, 조사시 용접용레이저(Y)가 전극조립체(2)에 손상을 입히지 않도록 조사된다. 이때, 상기 전극조립체(2)를 용접용레이저(Y)로부터 보호하기 위해 위와 설명한 바와 같이, 상기 지그(10)는 삽입부(12)의 상단에 안착부(11)가 결합된 구조를 가질 수 있다.

그리고, 용접이 이뤄지는 동안에 또는 용접이 이뤄진 후에 용접상태를 확인하기 위하여 센싱단계가 이뤄진다. 상기 센싱단계에서는 조명용레이저(L)를 상기 포커싱렌즈(30)를 통해 센터홀(2b) 내부로 조사하고 반사된 조명용레이저(L)를 이미지센서(40)가 수광하여 광학적으로 용접품질을 확인할 수 있다.

상기 이미지센서(40)는 수광된 조명용레이저(L) 데이터를 연산 및 처리하여 용접부분의 정보를 이미지로 제공할 수 있으며, 제공된 이미지는 별도의 디스플레이 장치 또는 디지털 신호등으로 변환되어 생산공정을 전체적으로 제어하는 작업자 또는 중앙컴퓨터 등으로 송신할 수 있다.

이때, 센싱단계에서 조사되는 조명용레이저(L)는 전극조립체(2) 내측의 용접지점을 확인할 수 있도록 조명용레이저(L)는 상기 용접용레이저(Y)와 같이 센터홀(2b)의 상측에서 수직방향으로 조사된다.

한편, 본 발명의 모니터링방법은 조명용레이저조사장치(60) 없이 용접용레이저조사장치만(50)으로도 구현할 수 있다. 즉, 하부캔(3)에 센터홀(2b)이 형성된 전극조립체(2)가 안착되고 용접이 이뤄질 때 또는 용접이 완료된 후에, 상기 용접용레이저(Y)의 출력을 조명용레이저(L)의 출력에 맞게 낮추거나 변환시켜 조명용레이저(L)로 사용할 수 있다.

이 경우에는 별도의 조명용레이저조사장치(60)가 요구되지 않으며 용접용레이저조사장치(50) 하나로도 모니터링이 가능하다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 하부캔(3)의 내측에서 전극탭(2a)의 용접이 이뤄지므로 외관 품질을 향상시킬 수 있다. 그리고, 전극탭(2a)의 용접이 이뤄질 때, 조명용레이저(L)가 용접용레이저(Y)와 동일하게 수직방향으로 조사됨으로써 용접상태를 더 확실하게 확인 및 모니터링할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 별도의 조명용레이저조사장치(60) 없이도 용접용레이저조사장치(50)의 출력조절을 통해 용접용레이저(Y)를 조명용레이저(L)로 사용하여 용접장치를 더 컴팩트하게 제조할 수 있고 구조를 단순화 시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

2 : 전극조립체 3 : 하부캔
10 : 지그 11 : 안착부
12 : 삽입부 13 : 홀
20 : 레이저조사장치 30 : 포커싱렌즈
40 : 이미지센서 50 : 용접용레이저조사장치
51 : 용접용레이저발진기 52 : 제1콜리메이터
53 : 제1다이크로익미러 54 : 제1광절연체
60 : 조명용레이저조사장치 61 : 조명용레이저발진기
62 : 제2콜리메이터 63 : 제2다이크로익미러
64 : 제2광절연체

Claims

하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접장치로써,
파이프모양을 가지며 상기 전극조립체의 센터홀로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부 및 상기 삽입부의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부를 구비하는 지그; 및
상기 삽입부의 홀(hole)로 레이저를 조사하는 레이저조사장치;를 포함하고,
센터홀 내에 전극탭에 놓이도록 상기 전극조립체가 하부캔에 안착된 상태에서, 상기 레이저가 상기 지그의 상기 삽입부의 홀을 통과하여 상기 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점으로 조사됨에 따라 용접이 이뤄지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부캔은 하측은 내부바닥면에 의해 폐쇄되고 상측은 개구된 원통형 모양을 갖고,
상기 안착부는 하부캔에 탑재된 전극조립체의 센터홀로 삽입부가 결합되었을 때, 하부캔의 위로 안착될 수 있도록 상기 하부캔의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25 내지 1.5mm 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.53 내지 1.5mm 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 하부캔은 높이(h)를 직경(d)으로 나눴을 때 값이, 0.35 내지 0.6 범위의 값을 갖도록 높이(h)와 직경(d)의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 삽입부의 길이방향을 따라 형성된 홀은 안착부가 형성된 쪽이 가장 큰 직경을 가지며 그 반대쪽으로 갈수로 직경이 점차적으로 작아지는 형상을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 안착부는 테두리 부분이 상대적으로 더 높게 형성되고 중심의 홀을 향하여 점차적으로 낮아지는 모양을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 안착부는 삽입부가 센터홀로 진입했을 때, 상기 하부캔의 상단이 끼워지도록 일측면에 파임홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 삽입부가 센터홀로 진입했을 때, 상기 삽입부는 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 밀착시킬 수 있는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 2 항에 있어서,
상기 지그는 금속재로 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 10 항에 있어서,
상기 전극조립체와 마주하게되는 안착부의 하면 및 삽입부의 표면에는 전기를 절연하는 절연층이 코팅된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 11 항에 있어서,
상기 절연층은 지그 보다 열전도성이 낮은 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저는 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 디포커싱(defocusing)된 상태로 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접장치.
하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 이차전지의 용접방법으로써,
상기 전극조립체의 센터홀 내에 전극탭에 놓이도록 상기 하부캔에 전극조립체를 안착시키는 전극조립체안착단계;
원반모양의 안착부와 상기 안착부에서 수직으로 연장되며 파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 전극조립체 위로 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계; 및
상기 삽입부의 내측 홀로 레이저를 조사하여 상기 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 용접하는 용접단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 용접단계에서 조사되는 레이저는 IR파장의 펄스 레이저 인 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 지그안착단계에서 상기 삽입부의 끝단은 전극탭을 하부캔의 내부바닥면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.25mm ~ 1.5mm 범위로 형성되고,
상기 용접단계에서 하부캔의 내부바닥면과 전극탭은 한 지점에서 용접부위가 형성되도록 용접이 이뤄지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 지그의 삽입부가 전극탭을 하부캔의 내부바닥면으로 밀착시키며 안착부가 하부캔 위로 안착될 때, 상기 삽입부의 높이(h)는 5mm 이하이며 상기 삽입부에 형성된 홀의 내경은 0.53mm ~1.5mm 범위로 형성되고,
상기 용접단계에서 하부캔의 내부바닥면과 전극탭은 복수의 지점에서 용접부위가 형성되도록 용접이 이뤄지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 하부캔은 높이(h)를 직경(d)으로 나눴을 때 값이, 0.35 내지 0.6 범위의 값을 갖도록 높이(h)와 직경(d)의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 14 항에 있어서,
상기 용접단계에서 상기 레이저는 하부캔의 내부바닥면과 전극탭의 접촉지점에 도달하기 전에 초점이 형성된 디포커싱(defocusing)된 상태로 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 20 항에 있어서,
상기 용접단계에서 레이저의 초점은 삽입부의 최상단과 최하단 내에서 3분의1이 되는 지점과 3분의 2가 되는 지점 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
제 20 항에 있어서,
상기 용접단계에서 조사되는 레이저는 준연속파동레이저(quasi continuous wave laser), 펄스레이저(Pulse laser), 연속파변조(CW Modulation) 레이저 중 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지의 용접방법.
하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치로써,
파이프모양을 가지며 상기 전극조립체의 센터홀로 진입할 수 있는 직경을 갖는 삽입부를 구비하는 지그 및 상기 삽입부의 홀(hole)로 레이저를 조사하는 레이저조사장치를 포함하고,
상기 레이저조사장치는,
센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체가 상기 하부캔 내에 안착된 상태에서 용접용레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접용레이저조사장치;
조명용레이저를 상기 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하는 조명용레이저조사장치; 및
반사된 조명용레이저를 수광하는 이미지센서;를 포함하고,
상기 용접용레이저와 조명용레이저는 센터홀의 상측에서 수직방향으로 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 23 항에 있어서,
상기 용접용레이저는 제1다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈를 통과하고, 상기 조명용레이저는 제2다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈를 통과하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 24 항에 있어서,
상기 제1다이크로익미러와 제2다이크로익미러 각각은 레이저의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키도록 셋팅되어,
상기 용접용레이저는 제1다이크로익미러에서 반사되어 포커싱렌즈로 조사되고, 조명용레이저는 제1다이크로익미러를 투과하여 포커싱렌즈로 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 25 항에 있어서,
용접지점에서 반사된 조명용레이저의 광원은 제1다이크로익미러를 투과한 후, 제2다이크로미러를 투과하여 이미지센서에 도달하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 24 항에 있어서,
상기 용접용레이저조사장치는,
용접용레이저를 발광하는 용접용레이저발진기;
상기 용접용레이저발진기에서 발광된 용접용레이저가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제1광절연체;
상기 제1광절연체를 통과한 용접용레이저를 통과시켜 평행하게 만드는 제1콜리메이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 24 항에 있어서,
상기 조명용레이저조사장치는,
조명용레이저를 발광하는 조명용레이저발진기;
상기 조명용레이저발진기에서 발광된 조명용레이저가 진행방향으로 이동할 때는 통과시키고 되돌아갈 때는 차단시키는 제2광절연체;
상기 제2광절연체를 통과한 조명용레이저를 통과시켜 평행하게 만드는 제2콜리메이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 23 항에 있어서,
상기 조명용레이저는 상기 포커싱렌즈를 통과하며 삽입부의 홀의 내경보다 직경이 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 23 항에 있어서,
상기 용접용레이저가 조사될 때는 조명용레이저의 조사는 중단되고 상기 조명용레이저가 조사될 때는 용접용레이저의 조사는 중단되는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
제 23 항에 있어서,
상기 지그는 삽입부의 끝단에서 원반모양을 갖도록 직경이 확장된 안착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링장치.
하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법으로써,
센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체를 상기 하부캔 내에 안착시키는 전극조립체안착단계;
파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 상기 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계;
용접용레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀(hole)로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접단계; 및
조명용레이저를 상기 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀 내부로 조사하고 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 센싱단계;를 포함하고,
상기 용접용레이저와 조명용레이저는 센터홀의 상측에서 수직방향으로 조사되는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법.
하부캔에 센터홀이 형성된 전극조립체가 안착되면 상기 전극조립체의 전극탭을 상기 하부캔에 용접하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법으로써,
센터홀 내에 전극탭이 놓이도록 전극조립체를 상기 하부캔 내에 안착시키는 전극조립체안착단계;
파이프모양을 갖는 삽입부를 포함하는 지그를 상기 삽입부가 센터홀로 진입하도록 안착시키는 지그안착단계;
레이저를 포커싱렌즈를 통해 삽입부의 홀(hole)로 조사하여 전극탭과 하부캔의 접촉지점을 용접하는 용접단계; 및
용접지점에서 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 센싱단계;를 포함하고,
상기 센싱단계에서는 레이저의 출력을 조절하여 삽입부의 홀로 조사하고 반사된 레이저를 이미지센서가 수광하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용접공정의 모니터링방법.