KR20240024034A - 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지하도록 구성된 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 초음파 용접 장치는 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하고, 상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고, 상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.

Description

초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템{Ultrasonic welding device and ultrasonic welding system}

본 발명은 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지하도록 구성된 초음파 용접 장치 및 초음파 용접 시스템에 관한 것이다.

노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자전거(E-bike), 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 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 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

한편, 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적 연결시키기 위해서 단자와 용접에 의하여 결합된다.

이와 같은 용접에는 레이저 용접 및 초음파 용접 등의 방법이 사용되고 있다.

그 중 레이저 용접은 용접부에 레이저 빔을 조사하면, 레이저 빔의 에너지에 의하여 용접부가 용융되고, 이후 용융된 부분이 응고되면서 접합되는 방법이다.

한편, 초음파 용접은 용접부에 하중을 가하면서 초음파 진동을 부가하여 진동 마찰열을 발생시켜 접합하는 방법으로, 금속만 아니라 비금속을 비롯한 이종재료에까지 그 적용범위가 넓다. 이러한 초음파 용접을 위해 혼과 엔빌이 사용된다. 혼은 마찰력을 높이기 위해 피용접물을 향해 돌출된 복수개의 돌기를 포함하는 널링부를 포함한다.

그러나, 종래에는 널링부의 형상에 따라 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 문제를 해결할 수 있도록 구성된 초음파 용접 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명에 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치는, 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하고,

상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고,

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.

상기 복수개의 돌기는, 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다.

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향하는 방향으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성될 수 있다.

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사질 수 있다.

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 하기 수식 1을 만족할 수 있다.

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 제1 부재를 향해 돌출된 단부가 상기 제1 부재와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성될 수 있다.

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 돌출된 길이(m)에서 상기 일정 길이(l)를 뺀 값이 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같을 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 용접 시스템은, 전극 조립체; 전극 조립체의 일 측에 결합되는 집전체; 상기 집전체와 전기적으로 결합되는 단자; 및 상기 집전체와 상기 단자를 초음파 용접하는 초음파 용접 장치를 포함하고,

상기 초음파 용접 장치는, 상기 집전체를 향하여 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 포함하고,

상기 복수개의 돌기 각각은, 상기 집전체를 향해 돌출된 길이가 상기 집전체의 두께보다 크거나 같을 수 있다.

상기 전극 조립체는 중심 홀을 구비하고, 상기 집전체는 상기 중심 홀에 대응되는 위치에서 단자와 결합하는 제2 결합부를 포함할 수 있다.

상기 집전체는, 상기 전극 조립체와 결합하는 제1 결합부 및 적어도 일부가 상기 제1 결합부의 두께보다 얇게 형성된 제2 결합부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 피용접물의 표면에 연화가 발생하거나 피용접물이 휘는 것을 방지할 수 있다. 도 2를 다시 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다. 초음파 용접을 수행하기 위해서는 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재와 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시켜야 한다. 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재와 두께보다 작은 경우에는 일정 하중으로 가압하는 과정에서 복수개의 돌기 사이에서도 상부 부재가 맞닿게 된다. 따라서 피용접물의 표면의 원하지 않는 부분에도 연화가 발생하여 용접 강도에 영향을 미치게 되는 되지만, 본 발명처럼 복수개의 돌기가 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같은 경우는 이러한 문제를 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 복수개의 돌기의 배치를 변경할 수 있다. 돌출된 길이가 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 복수개의 돌기의 배치는 마찰력이 많이 필요한 경우에는 일정 각도를 크게 하고, 일정 간격을 작게 하여 널링부에 복수개의 돌기의 밀도를 높게하고, 마찰력이 적게 필요한 경우에는 일정 각도를 작게 하고, 일정 간격을 크게 하여 널링부에 복수개의 돌기의 밀도를 낮게할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 얇은 상부 부재를 용접하는 경우에 뾰족한 복수개의 돌기로 인하여 상부 부재가 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 돌출된 길이에서 일정 길이를 뺀 값이 피용접물 중 상부 부재의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 절단하는 일정 길이를 조절하여 복수개의 돌기가 상부 부재와 닿는 면적을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 피용접물을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치의 초음파 용접 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치에 포함되는 혼을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 제1 부재를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치에 포함되는 혼을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치 및 제1 부재를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 초음파 용접 장치에 의해 용접된 피용접물 중 상부 부재의 사진이다.
도 10은 일정 조건에서 초음파 용접한 후 각 조건별 용접부의 인장 강도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템에 포함되는 제1 집전체를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12의 C-C' 선을 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 해석되어야만 한다.

본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 피용접물(A, B)을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 의 초음파 용접 과정을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)는 혼(5)을 포함한다.

혼(5)은 제1 부재(A)에 요철 형상을 만들 수 있다. 혼(5)은 제1 부재(A)에 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시킴으로써 제1 부재(A)와 제2 부재(B)를 초음파 용접할 수 있다. 혼(5)은 제1 부재(A)를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기(T)를 구비하는 널링부(N)를 포함할 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 제1 부재(A)에 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시킴으로써 제1 부재(A)와 제2 부재(B)를 초음파 용접할 수 있다. 다만, 본 발명에 제1 부재(A)와 제2 부재(B)만을 초음파 용접하는 것을 한정하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)는 2개 이상의 부재를 초음파 용접할 수도 있다.

복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이(m)가 제1 부재(A)의 두께(d)보다 크거나 같을 수 있다. 돌출된 길이(m)는 Z축의 음의 방향을 따라 혼(5)의 일면으로부터 돌출된 최단부까지의 수직 거리일 수 있다.

다만, 복수개의 돌기(T) 각각이 Z축 방향에 있어서 혼(5)의 일면으로부터 형성되기 시작하는 높이는 같고, Z축 음의 방향으로 돌출된 길이(m)가 각각 다르게 형성되는 경우에는 복수개의 돌기(T) 각각의 돌출된 길이(m)의 최대값이 제1 부재(A)의 두께(d)보다 크거나 같을 수 있다.

본 발명의 이러한 구조에 의하면, 피용접물 중 상부 부재(A)의 표면에 연화가 발생하거나 피용접물 중 상부 부재(A)가 휘는 것을 방지할 수 있다. 도 2를 다시 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다. 초음파 용접을 수행하기 위해서는 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)와 맞닿은 상태로 일정 하중으로 가압하고, 동시에 초음파를 인가시켜야 한다. 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 작은 경우에는 일정 하중으로 가압하는 과정에서 복수개의 돌기(T) 사이에서도 상부 부재가 맞닿게 된다. 따라서 피용접물의 상부 부재(A) 표면의 원하지 않는 부분에도 연화가 발생하여 용접 강도에 영향을 미치게 되는 되지만, 본 발명처럼 복수개의 돌기(T)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같은 경우는 이러한 문제를 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3)에 포함되는 혼(5)을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 제1 부재(A)를 나타낸 도면이다

도 3 및 도 4를 참조하면, 복수개의 돌기(T)는 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 인접하는 다른 돌기(T)와 X축 및 Y축을 따라 일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비될 수 있다. 복수개의 돌기(T)는 정사각형 형상일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T)는 도 3의 (a)처럼 인접하는 돌기(T)와 점 접촉하도록 구비되거나, 도 3의 (b)처럼 인접하는 돌기(T)와 선 접촉하도록 구비될 수 있다. 이 경우, 일정 간격(n)은 인접하는 돌기(T)의 Z축 음의 방향을 따라 돌출된 최단부 사이의 거리일 수 있다.

복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)를 향하는 방향(Z축 음의 방향)으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성될 수 있다. 복수개의 돌기(T) 각각은 다각뿔일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 정사각뿔일 수 있다.

복수개의 돌기(T) 각각은 제1 부재(A)에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사질 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각이 직사각뿔을 갖는 경우, 직사각뿔의 모서리가 XY평면에 대하여 갖는 각도가 일정 각도(θ) 일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 직사각뿔을 갖고, 그 모서리가 XY 평면에 대하여 갖는 각도가 45도일 수 있다.

복수개의 돌기(T) 각각의 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이는 수식 1을 만족할 수 있다.

본 발명의 이러한 구조에 의하면, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 복수개의 돌기(T)의 배치를 변경할 수 있다. 돌출된 길이(m)가 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 복수개의 돌기(T)의 배치는 마찰력이 많이 필요한 경우에는 일정 각도(θ)를 크게 하고, 일정 간격(n)을 작게 하여 널링부(N)에 복수개의 돌기(T)의 밀도를 높게 하고, 마찰력이 적게 필요한 경우에는 일정 각도(θ)를 작게 하고, 일정 간격을 크게 하여 널링부(N)에 복수개의 돌기(T)의 밀도를 낮게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3)에 포함되는 혼(5)을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 용접 장치(3) 및 제1 부재(A)를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 복수개의 돌기(T)는 제1 부재(A)를 향해 돌출된 단부가 제1 부재(A)와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성될 수 있다. 일정 길이(l)는 Z축의 음의 방향을 따라 절단되어 형성된 평탄면으로부터 절단되기 전의 돌출된 최단부까지의 수직 거리일 수 있다.

복수개의 돌기(T) 각각은 다각뿔의 단부를 XY 평면과 평행한 면을 따라 일정 길이 절단하여 형성된 다각뿔대일 수 있다. 예를 들어, 복수개의 돌기(T) 각각은 직사각뿔대일 수 있다.

복수개의 돌기(T) 각각의 제1 부재(A)를 향해 돌출된 길이(m)에서 제1 부재(A)를 향해 돌출된 단부를 제1 부재(A)와 평행한 면을 따라 절단한 일정 길이(l)를 뺀 값은 제1 부재(A)의 두께보다 크거나 같을 수 있다. 이 경우에도 상기 수식 1을 만족할 수 있다.

본 발명의 이러한 구조에 의하면, 얇은 상부 부재(A)를 용접하는 경우에 뾰족한 복수개의 돌기(T)로 인하여 상부 부재(A)가 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 돌출된 길이(m)에서 일정 길이(l)를 뺀 값이 피용접물 중 상부 부재(A)의 두께보다 크거나 같다는 가정 하에, 초음파 용접에 필요한 마찰력에 따라 절단하는 일정 길이(l)를 조절하여 복수개의 돌기(T)가 상부 부재와 닿는 면적을 조절할 수 있다.

위에서 상술한 본 발명의 효과는 도 7 내지 도 9에 나타난다. 도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 의해 용접된 피용접물 중 상부 부재(A)의 사진이다.

도 7은 돌출된 길이(m)가 0.4mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다. 도 8은 돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다. 도 9는 돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 초음파 용접이 된 상부 부재(A)의 사진이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 상부 부재가 복수개의 돌기(T)와 맞닿는 부분 이외에 다른 부분에 연화가 발생하거나 주변부가 휜 모습을 발견할 수 없다.

도 10은 일정 조건에서 초음파 용접한 후 각 조건별 용접부의 인장 강도를 나타낸 그래프이다.

도 10에 도시된 그래프는 X축이 가압 시간(단위:초)을 의미하며, Y축이 가압력(단위:Mpa)을 의미하며, 각 조건별로 초음파 용접 이후 용접부의 인장 강도(단위:Kgf)에 따라 이를 등고선으로 나타낸 그래프이다.

도 10을 참고하면, 돌출된 길이(m)가 상부 부재의 두께보다 크게 설정된 조건에서 용접부의 인장 강도가 충분히 확보되었지만, 가압력 및 가압 시간에 따라 그렇지 않는 경우도 있었다. 용접부의 인장 강도가 충분히 확보됨에 대한 기준은 모재의 인장 강도 대비 대략 0.5 수준으로 한다. 도 10의 그래프에서는 상부 부재의 인장 강도인 31Kgf의 대략 0.5인 15.5Kgf를 그 기준으로 한다.

돌출된 길이(m)가 0.6mm, 일정 길이(l)가 0.07mm, 상부 부재의 두께가 0.3mm인 경우에 가압력이 0.15Mpa, 가압 시간이 0.07초 이하인 경우를 제외하고 용접부의 인장 강도가 가압력 및 가압 시간에 영향 받지 않고 높게 나왔다. 다른 조건의 경우 가압력 및 가압 시간의 광범위한 영역에서 용접부의 인장 강도가 충분히 확보되지 않는 것을 볼 수 있었다.

본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)의 바람직한 실시예는 상기 돌출된 길이(m)가 상부 부재(A)의 두께의 대략 1.33배 이상, 대략 2배 이하인 경우일 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)의 바람직한 실시예는 상기 돌출된 길이(m)가 상부 부재(A)의 두께의 대략 1.5배 이상, 대략 1.8배 이하인 경우일 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)의 바람직한 실시예는 상기 일정 길이(l)가 돌출된 길이(m)의 대략 0.117 이상, 대략 0.175 이하인 경우일 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)의 바람직한 실시예는 상기 일정 길이(l)가 돌출된 길이(m)의 대략 0.13 이상, 대략 0.15 이하인 경우일 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템(1)을 나타낸 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 시스템(1)에 포함되는 제1 집전체를 나타내는 도면이다. 도 13은 도 12의 C-C' 선을 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템(1)은 전극 조립체(10), 집전체(30), 단자(40) 및 초음파 용접 장치(3)를 포함할 수 있다.

전극 조립체(10)는 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다. 제1 전극은 음극 또는 양극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당할 수 있다. 전극 조립체(10)는 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 즉, 본 발명에 적용되는 전극 조립체(10)는, 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)일 수 있다.

이러한 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)는, 대략 그 중심부에 형성되어 높이 방향(Z 축과 나란한 방향)을 따라 연장되는 중심 홀(C)을 구비할 수 있다.

제1 전극은 제1 전극판 및 제1 전극판의 적어도 일 면 상에 제1 전극 활물질이 도포되어 형성되는 제1 전극 활물질 층을 포함할 수 있다. 제2 전극은 제2 전극판 및 제2 전극판의 적어도 일 면 상에 제2 전극 활물질이 도포되어 형성되는 제2 활물질 층을 포함할 수 있다. 제1 전극은 전극판에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부(11)를 포함할 수 있다. 제 2 전극은 전극판에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부를 포함할 수 있다. 제1 무지부(11)의 적어도 일부는 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있고, 제2 무지부의 적어도 일부는 제2 전극 탭으로서 기능할 수 있다.

한편, 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 분절편은, 전극 조립체(10) 의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(30)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다.

집전체(30)는 전극 조립체(10)의 일 측에서 결합될 수 있다. 집전체(30)는 전극 조립체(10)와 결합되는 제1 결합부(31)와 후술할 단자(40)와 결합되는 제2 결합부(32)를 구비할 수 있다.

제1 결합부(31)는 전극 조립체(10)의 일 면 상에 배치될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 결합될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 레이저 용접에 의하여 결합될 수 있다. 제1 결합부(31)는 제1 무지부(11)와 레이저 용접되는 레이저 용접부(L)를 구비할 수 있다. 제1 결합부(31)는 복수개 구비될 수 있다.

제2 결합부(32)는 단자(40)와 결합될 수 있다. 제2 결합부(32)는 단자(40)와 초음파 용접에 의하여 결합될 수 있다. 제2 결합부(32)는 단자(40)와 결합되는 초음파 용접부(U)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 결합부(32)의 전체가 초음파 용접부(U)일 수 있으며, 제2 결합부(32)의 대략 중심 부분이 초음파 용접부(U)일 수도 있다.

제2 결합부(32)는 적어도 일부가 제1 결합부(31)의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 이처럼 상대적으로 얇은 두께를 갖는 두께 감소 영역은 초음파 용접부(U)를 포함할 수 있다. 상기 두께 감소 영역의 두께는 제1 결합부(31)의 두께의 대략 50%이상 90% 미만일 수 있다.

단자(40)는 단자 노출부(41) 및 단자 삽입부(42)를 포함한다. 단자 노출부(41)는 배터리 하우징의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(41)는, 하우징(20)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다.

단자 삽입부(42)는 집전체(30)의 제2 결합부(32)와 결합될 수 있다. 단자 삽입부(42)는 전극 조립체(10)의 중심 홀(C)에 대응되는 위치에서 집전체(30)와 초음파 용접되어 결합될 수 있다.

집전체(30)와 단자(40)는 레이저 용접에 비하여 설비가 저렴하고, 레이저 용접에 비하여 열변형이 적어 용접 후, 전기저항이 낮다는 장점을 가진 초음파 용접에 의하여 용접하는 것이 유리하다. 또한, 용접 공정에 있어서도 레이저 용접은 레이저 초점 확보를 위해서 중심 홀(C)의 사이즈를 일정 크기 이상 확보해야 하지만, 초음파 용접은 중심 홀(C)의 사이즈에 대응되는 혼(5)을 삽입하여 용접 공정을 수행할 수 있다.

초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)와 단자(40)를 초음파 용접할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)를 가압하는 혼(5)을 포함할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 단자(40)를 지지하는 엔빌(7)을 포함할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)는 집전체(30)를 향하여 돌출된 각각의 길이가 집전체(30)의 두께와 같거나 더 큰 복수개의 돌기(T)를 구비할 수 있다. 집전체(30)의 두께는 집전체(30)에서 초음파 용접이 일어나는 부분에서의 두께를 의미할 수 있다. 즉, 집전체(30)의 제2 결합부(32)의 초음파 용접부(U)의 두께를 의미할 수 있다. 초음파 용접 장치(3)의 혼(5)은 전극 조립체(10)의 중심 홀(C)에 삽입되어 집전체(30)와 단자(40) 사이의 용접을 수행할 수 있다.

초음파 용접은 초음파 용접 장치(3)가 발생시키는 초음파 진동에 의하여 상부 부재와 하부 부재 사이에 진동 마찰열이 발생하여 용접이 된다. 따라서 제2 결합부(32)가 지나치게 두꺼울 경우, 초음파 용접 장치(3)에 의한 초음파 진동이 잘 전달되지 않아 용접 강도가 확보되지 않을 수 있다. 따라서 초음파 용접시 용접 강도 확보를 위해서는 제2 결합부(32)는 소정의 두께 이하이어야 한다.

따라서 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 초음파 용접 효율을 위하여 얇게 구성해야 하는 제2 결합부(32)와 단자(40)를 초음파 용접을 하게되면 제2 결합부(32)의 표면의 원하지 않는 부분에 연화가 발생하거나 주변부가 들뜨거나 찢어지는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 상술한 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(3)에 의하면 이러한 문제를 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

1 초음파 용접 시스템
3 초음파 용접 장치
5 혼
N 널링부
T 복수개의 돌기
7 엔빌
A 제1 부재
B 제2 부재
10 전극 조립체
11 제1 무지부
C 중심홀
30 집전체
31 제1 결합부
L 레이저 용접부
32 제2 결합부
U 초음파 용접부
40 단자
41 단자 노출부
42 단자 삽입부

Claims (10)

1. 제1 부재와 제2 부재를 초음파 용접하기 위하여 상기 제1 부재를 가압하는 혼을 포함하는 초음파 장치에 있어서,
   상기 혼은 상기 제1 부재에 요철 형상을 만들기 위하여 상기 제1 부재를 향해 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 구비하는 널링부를 포함하고,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기는,
   일정 간격(n)을 두고 규칙적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 제1 부재를 향하는 방향으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 제1 부재에 대하여 일정 각도(θ)를 갖도록 경사지는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 제1 부재를 향해 돌출된 길이(m)가 하기 수식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
   
6. 제4 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 제1 부재를 향해 돌출된 단부가 상기 제1 부재와 평행한 면을 따라 일정 길이(l) 절단되어 평탄면을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 돌출된 길이(m)에서 상기 일정 길이(l)를 뺀 값이 상기 제1 부재의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
8. 전극 조립체;
   전극 조립체의 일 측에 결합되는 집전체;
   상기 집전체와 전기적으로 결합되는 단자; 및
   상기 집전체와 상기 단자를 초음파 용접하는 초음파 용접 장치를 포함하는 초음파 용접 시스템에 있어서,
   상기 초음파 용접 장치는,
   상기 집전체를 향하여 돌출되도록 구성된 복수개의 돌기를 포함하고,
   상기 복수개의 돌기 각각은,
   상기 집전체를 향해 돌출된 길이가 상기 집전체의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 전극 조립체는 중심 홀을 구비하고,
   상기 집전체는 상기 중심 홀에 대응되는 위치에서 단자와 결합하는 제2 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 집전체는,
    상기 전극 조립체와 결합하는 제1 결합부 및 적어도 일부가 상기 제1 결합부의 두께보다 얇게 형성된 제2 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
    

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