WO2012077878A1 - 배터리 전극 용접용 지그, 용접 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

배터리 전극 용접용 지그로서, 지정된 폭을 가지며, 용접 대상물의 일측에 위치하여 용접 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는 제 1 가압수단 및 지정된 폭을 가지며, 용접 대상물의 타측에 위치하여 용접 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는 한 쌍의 제 2 가압수단을 포함하고, 한 쌍의 제 2 가압수단은 제 1 가압수단의 폭에 대응하는 거리만큼 서로 이격되어 배치되는 배터리 전극 용접용 지그와 용접 장치 및 방법을 제시한다.

Description

배터리 전극 용접용 지그, 용접 장치 및 방법

본 발명은 용접 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 전극 용접용 지그, 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.

이차 전지는 전동 카트, 전기 자동차 등에 이용되고 있으며, 전기 자동차의 보급과 더불어 그 수요가 날로 증가하고 있다.

이차 전지의 대표적인 예로 리튬 이차 전지를 들 수 있으며, 리튬 이차 전지는 액상형의 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분된다. 그리고, 리튬 폴리머 전지는 완전 고체형 리튬 폴리머 전지와, 겔형 고분자 폴리머 전지로 구분할 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지의 경우, 전해액을 수용할 수 있는 케이스, 예를 들어 금속 캔을 사용하기 때문에 부피가 크고 디자인이 제약되며, 폭발의 위험까지 안고 있다. 이에 따라, 최근에는 안전성 문제가 해소된 고분자 전해질을 이용한 리튬 폴리머 전지가 주로 사용되고 있는 실정이다.

리튬 폴리머 전지는 소형 전자 제품용 전지로부터, 자동차용 전력을 공급할 수 있는 대전력 전지로 발전해 왔다. 전기 자동차용 대전력 전지는 복수의 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성할 수 있다. 이를 위해 전극으로 사용되는 구리와 알루미늄 전극을 접합하거나, 복수의 전극 탭들을 버스바에 접합하여야 한다.

도 1은 일반적인 리튬 폴리머 전지의 개념도이다.

도 1에 도시한 것과 같이, 리튬 폴리머 전지의 단위 셀(10)은 판 형상으로 된 복수의 전극을 포함하며, 이러한 전극은 수 십장 이상까지 적층 가능하다. 판 형상의 전극은 구리 전극 탭(12) 및 알루미늄 전극 탭(14)이 교대로 적층된 구조를 가지며, 각 전극 사이에는 겔형 폴리머 또는 고상의 폴리머 전해질(16)이 채워진다. 그리고, 단위 셀(10)은 판 형상의 전극 및 폴리머 전해질(16)을 수용할 수 있도록 패키징된다.

한편, 단위 셀(10)을 구성하는 각 구리 전극 탭(12) 및 알루미늄 전극 탭(14)은 각각 전극리드와 접합되고, 전극리드는 패키지 외부로 돌출된다.

도 2는 전극 탭과 전극리드의 일반적인 접합 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시한 것과 같이, 전극 탭(12, 14)과 전극리드(18, 19)를 접합하기 위한 하나의 방법으로 레이저 용접 방법을 이용할 수 있다.

이를 위해, 전극 탭(12, 14)과 전극리드(18, 19)를 정렬하고, 상측 및 하측에서 전극 탭(12, 14)과 전극리드(18, 19)를 가압한 상태에서 용접이 이루어진다. 하지만, 가압 과정에서 전극 탭 사이에 간극이 존재할 수 있고, 이에 따라 열 전달이 원활하지 않아 용락, 기공, 언더컷 등 용접 불량이 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위해 용접 속도를 저속으로 제어하여 열이 전달되는 시간을 증가시키는 방안을 고려할 수 있으나, 이는 대량 생산 체제에 있어서 생산성 저하 및 가격 상승의 원인으로 작용할 수 있다.

레이저 용접에 의한 단점을 해소하기 위해 초음파 접합 방법이 고안되었다.

도 3은 전극 탭과 전극리드의 일반적인 접합 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에는 초음파를 이용하여 전극 탭과 전극리드를 접합하는 것을 도시하였다. 전극 탭과 전극리드를 가압한 상태에서 초음파를 발생시켜 상호 접합이 이루어지도록 한다.

하지만, 초음파 접합 방식은 접합 대상이 2개일 경우에는 적합한 방법이 될 수 있으나, 3개 이상의 복수의 대상물을 접합할 경우에는 용접이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 전극 탭은 박막이기 때문에 초음파 접합 과정 중 전극 탭이 파손, 파열되는 등의 문제가 있다.

한편, 앞서 설명한 것과 같이 전기 자동차의 경우 대용량의 전력을 필요로 하며, 이를 위해, 완성된 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 용량을 증가시킨다.

일 예로, 패키지 외부로 돌출된 전극리드를 갖는 각각의 단위 셀들은 버스바에 직렬 또는 병렬 접합하여 대용량 전력을 공급할 수 있는 전지 모듈을 구성할 수 있다. 접속되는 단위 셀의 수가 많을수록 대전력을 얻을 수 있음은 물론인데, 이 때의 관건은 복수의 전극리드와 버스바를 접합하는 방식이라 할 수 있다.

도 4는 버스바의 일 예시도이다.

도시한 것과 같이, 버스바(20)는 전극리드와 접합되는 접합부(22) 및 버스바(20)에 용접되는 단위 전극을 외부와 전기적으로 연결하는 바디(24)를 포함한다.

도 5 및 도 6은 전극리드와 버스바의 연결 방식을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 5는 복수의 단위 셀을 버스바에 병렬 접속한 경우를 나타내고, 도 6은 복수의 단위 셀을 버스바에 직렬 접속한 경우를 나타낸다.

어떠한 방식으로 버스바에 전극리드를 접속하든지, 버스바와 전극리드가 간극 없이 밀착 상태를 유지하여야만 오류 없이 접합 공정을 수행할 수 있다.

도 7은 전극리드와 버스바의 접합 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 일반적인 전극 용접용 지그를 설명하기 위한 도면이다.

도 7에 도시한 것과 같이, 하나의 버스바(20)에 복수의 전극리드(18, 19)를 레이저 용접에 의해 접합할 수 있다. 이 때에는 도 8과 같은 지그가 사용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 일반적인 전극 용접용 지그는 제 1 가압 수단(30) 및 한 쌍의 제 2 가압 수단(32, 34)를 포함한다. 제 1 가압수단(30)은 용접 대상물, 예를 들어 전극 탭-전극리드, 또는 전극리드-버스바를 중심으로, 용접 대상물 하측에 위치하여 상측으로 대상물을 가압한다. 아울러, 제 2 가압수단(32, 34)은 대상물 상측의 제 1 가압수단(30) 두께 범위 내에 위치하여 하측으로 대상물을 가압한다.

일반적인 지그에서, 제 1 가압수단(30)은 대상물과의 접촉면이 평면 형상을 갖는다. 따라서 제 1 및 제 2 가압 수단(30, 32, 34)을 밀착시켜 가압하는 경우 상부 및 하부에 각각 2개의 작용점이 발생한다.

따라서, 용접 부위 즉, 제 2 가압 수단(32, 34) 사이의 레이저 빔 조사 부위에서 대상물이 상호 밀착되지 않고 간극(A)이 발생하게 된다. 이러한 간극(A)에 의해 레이저 빔이 반사되거나 열 손실이 발생하며, 최악의 경우 용접이 이루어지지 않는 상황이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 전극리드와 버스바를 초음파 접합을 통해 밀착시킨 상태에서 레이저를 이용하여 용접하는 2단계 프로세스가 최근 제안되었다. 하지만, 단위 셀은 그 크기가 작으며, 복수의 단위 셀을 접합하는 작업은 작업 반경이 좁은 곳에서 이루어진다. 따라서, 일정한 힘과 규모가 필요한 초음파 용접기를 제대로 구성하기 어려우며, 시스템 또한 복잡하여 생산속도와 비용을 증가시키는 단점을 안고 있다.

본 발명은 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바를 오류 없이 고속으로 접합할 수 있는 배터리 전극 용접용 지그를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바의 전기저항을 최소화할 수 있는 용접 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접용 지그는 배터리 전극 용접용 지그로서, 지정된 폭을 가지며, 용접 대상물의 일측에 위치하여 상기 용접 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는 제 1 가압수단; 및 지정된 폭을 가지며, 상기 용접 대상물의 타측에 위치하여 상기 용접 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는 한 쌍의 제 2 가압수단;을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 가압수단은 상기 제 1 가압수단의 폭에 대응하는 거리만큼 서로 이격되어 배치된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 장치는 알루미늄으로 이루어지는 제 1 대상물과, 구리로 이루어지는 제 2 대상물에 대한 용접 장치로서, 상기 제 1 대상물의 용융점보다 높고 상기 제 2 대상물의 용융점보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 출사하는 빔 조사기; 및 상기 빔 조사기에서 출사되는 레이저 빔을 집광하여 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위로 조사하는 광학계;를 포함한다.

다른 한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 방법은 알루미늄으로 이루어진 제 1 대상물과 구리로 이루어진 제 2 대상물에 대한 용접 방법으로서, 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물을 접촉시키는 단계; 상기 제 1 대상물의 용융점보다 높고 상기 제 2 대상물의 용융점보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 출사하는 단계; 및 상기 레이저 빔을 집광하여 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위로 조사하는 단계;를 포함한다.

본 발명에서는 용접 부위 중심의 하측에서 상측으로 제 1 가압장치를 가압하는 한편, 용접 부위 양측의 상측에서 하측으로 제 2 가압 장치를 가압하여 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바를 밀착시킨다. 따라서, 접합 대상물을 간극 없는 상태에서 레이저 용접할 수 있으므로 접합 공정을 고속으로 진행할 수 있다.

그리고, 접합 공정이 고속화됨에 따라 생산성이 향상됨은 물론 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바를 접합하는 데 있어서, 대상물의 접합 형상이 실질적으로 Y 형상을 갖도록 형상화한 상태에서 레이저 용접을 수행한다. 이때, 레이저 빔은 접합부의 측면으로 조사되며, 레이저 빔의 다중 반사 효과에 의해 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바가 접합되게 된다.

이러한 방식은 특히 알루미늄 소재와 구리 소재로 제작된 대상물들을 상호 접합하는 데 효과적이다. 대상물의 접합 형상이 실질적으로 Y 형상을 갖도록 형상화한 후, 구리의 용융점보다 낮고 알루미늄의 용융점보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 조사하면, 구리 소재의 접합 대상물이 고상을 유지한 상태에서 액화된 알루미늄이 구리 측으로 확산되어 두 대상물 간을 접촉시킴으로써 금속간 화합물의 발생을 억제할 수 있다.

더욱이, 대상물의 접합 형상이 Y 형상을 갖기 때문에 레이저 빔이 두 대상물 간에 다중 반사를 일으켜 레이저 빔이 오조사되거나 대상물이 오정렬된 경우에도 두 대상물을 접합시킬 수 있게 된다.

또한, 가압 수단에 의해 두 전극을 밀착시킨 상태에서 용접이 이루어지므로, 두 전극 간의 접촉 면적이 증가하고, 결과적으로 전기저항을 모재 수준으로 낮출 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 리튬 폴리머 전지의 개념도,

도 2는 전극 탭과 전극리드의 일반적인 접합 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면,

도 3은 전극 탭과 전극리드의 일반적인 접합 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면,

도 4는 버스바의 일 예시도,

도 5 및 도 6은 전극리드와 버스바의 연결 방식을 설명하기 위한 도면,

도 7은 전극리드와 버스바의 접합 개념을 설명하기 위한 도면,

도 8은 일반적인 전극 용접용 지그를 설명하기 위한 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접용 지그의 구성도,

도 10은 도 9에 도시한 지그의 가압 원리를 설명하기 위한 도면,

도 11은 도 9에 도시한 지그를 이용한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 도면,

도 12는 도 9에 도시한 배터리 전극 용접용 지그에서 제 1 가압수단의 다른 예시도,

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 장치의 구성도,

도 14는 도 13에 도시한 배터리 전극 용접 장치에 적용되는 대상물의 구조를 설명하기 위한 도면,

도 15는 본 발명에 적용되는 용접 대상물의 접합 구조를 설명하기 위한 예시도,

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에서, 대상물이란 배터리의 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바가 될 수 있다. 아울러, 전극리드에는 복수의 전극 탭이 접합될 수 있으며, 버스바에는 복수의 전극리드가 접합될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접용 지그의 구성도이다.

도 9에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전극 용접용 지그는 접합 대상물(100)의 하측에 위치하는 제 1 가압수단(210) 및 접합 대상물(100)의 상측에 위치하는 한 쌍의 제 2 가압수단(220, 230)을 포함한다.

제 1 가압수단(210)은 지정된 폭을 갖도록 형성되며 상단 즉, 대상물(100)과의 접촉부가 평판형상 또는 엠보싱(Embossing) 형태를 갖는다. 그리고, 제 1 가압수단(210)은 그 세로축 중심이 대상물(100)의 접합부위와 일치하도록 배치된다.

제 1 가압수단(210)이 접촉되는 측 대상물(100)의 용접 부위, 예를 들어 전극리드 또는 버스바의 용접부위의 형상은 미리 굴곡진 형태로 성형될 수 있으며, 이 경우 제 1 가압수단(210)의 상면은 평판형상이 될 수 있다. 그렇지 않을 경우, 즉, 제 1 가압수단(210)이 접촉되는 측 대상물(100)의 용접부위의 형상이 직선형일 경우에는 제1 가압수단(210)의 상면을 엠보싱 형태로 제작하는 것이 바람직하다.

제 2 가압수단(220, 230)은 지정된 폭을 갖도록 형성되며 하단 즉, 대상물(100)과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 한 쌍의 제 2 가압수단(220, 230)은 각각 대상물(100)의 접합부위를 중심으로 양 종단에 배치되는데, 특히 제 1 가압수단(210)의 폭에 대응하는 거리만큼 서로 이격되도록 배치할 수 있다. 아울러, 제 2 가압수단(220, 230)의 폭은 제 1 가압수단(210) 폭의 1/2 정도로 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 용접용 지그는 제 1 가압수단에 의한 제 1 지지점, 상기 한 쌍의 제 2 가압수단에 의한 제 2 및 제 3 지지점을 이용한 3점 지지 지그인 배터리 전극 용접용 지그이다. 따라서, 제 2 가압수단(220, 230)에 의해 하측으로 각각 F의 힘으로 가압되고, 제 1 가압수단(210)에 의해 상측으로 2F의 힘으로 가압되어, 대상물(100)을 구성하는 판재들 사이의 간극이 최소화된다.

본 발명의 일 실시예에서, 제 1 가압수단(210)의 상단 중앙부에는 지정된 폭 및 깊이의 홈(212)이 구비될 수 있다.

홈(212)은 제 1 가압수단(210)을 상측으로 가압할 때 대상물(100)이 받는 작용점이 이동하지 않을 정도의 폭, 예를 들어 1~2mm의 폭으로 형성할 수 있다. 제 1 가압수단(210)이 홈(212)을 구비하는 경우 레이저 빔의 에너지가 높아 대상물(100)을 관통하여 조사된 경우에도 대상물(100)과 제 1 가압수단(210)이 용접되는 것을 방지할 수 있다.

도 10은 도 9에 도시한 지그의 가압 원리를 설명하기 위한 도면이다.

대상물(100)의 상하부에 제 1 및 제 2 가압수단(210, 220, 230)을 위치시키고 제 1 및 제 2 가압수단(210, 220, 230)을 대상물(100) 측으로 가압한다. 제 2 가압수단(220, 230)의 거리는 제 1 가압수단(210)의 폭과 같으므로, 제 1 가압수단(210)에 의해 대상물(100) 하측에 가해지는 힘(2F)에 의한 하나의 작용점, 제 2 가압수단(220, 230) 각각에 의해 대상물(100) 상측에 가해지는 힘(F)에 의한 두 개의 작용점이 발생한다.

따라서, 대상물(100)은 제 1 가압수단(210)의 중심부(B)에서 간극 없이 밀착되며, 이 위치에 레이저 빔을 조사하여 대상물(100)을 구성하는 판재들을 용접한다. 이때, 용접 횟수 즉, 용접 라인의 수는 한 줄 또는 복수 줄로 할 수 있다.

본 발명에 의한 용접용 지그를 이용하면, 현재의 2단계 프로세스(초음파 용접 후 레이저 용접)에 비해 시스템을 간단화할 수 있음은 물론, 용접 속도를 고속으로 할 수 있어 생산성 향상 및 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.

도 11은 도 9에 도시한 지그를 이용한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 11에는 도 9에 도시한 지그를 이용하여 복수의 단위 셀(10)에 구비된 전극리드(18, 19)를 버스바(20)에 접합하는 예를 도시하였다.

버스바(20) 상에 전극리드(18, 19)를 배치한 상태에서, 제 1 가압수단(210)을 상측으로 가압하는 한편 제 2 가압수단(220, 230)을 하측으로 가압, 제 1 가압수단(210)의 중심부에 레이저 빔을 조사한다.

대상물 즉, 전극리드(18, 19)와 버스바(20)의 상측에서 가해지는 힘(F+F)과 대상물의 하측에서 가해지는 힘(2F)이 평형을 이루어, 가압부위의 중심부측에 위치한 전극리드(18, 19)과 버스바(20)가 서로 간극 없이 밀착될 수 있으며, 이러한 상태에서 레이저 빔을 조사하게 되면 높은 열 전달률로 대상물을 접합할 수 있다.

도시하지 않았지만 복수의 전극 탭을 전극리드에 용접하는 경우에도 본 발명의 지그가 사용될 수 있음은 물론이다.

도 12는 도 9에 도시한 배터리 전극 용접용 지그에서 제 1 가압수단의 다른 예시도이다.

본 실시예에 의한 지그에 구비되는 제 1 가압수단(210)은 홈(212) 저부에 구비되는 광 센서(214)를 더 포함한다.

이 경우, 제 1 가압수단(210)은 구리를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 구리는 레이저 빔에 대한 반사도가 높다. 따라서, 대상물 상측에서 조사되는 레이저 빔이 대상물을 관통하여 제 1 가압수단(210)의 홈(212)에 도달한 후 반사현상을 일으켜 결국 광 센서(214)에 도달한다.

운용자는 광 센서(214)에 의해 대상물의 용접 여부를 확인할 수 있을 뿐 아니라 용접 품질을 제어하는 것도 가능하다.

이상에서 설명한 배터리 전극 용접용 지그는 통상의 배터리 전극 레이저 용접 장치에 모두 적용 가능하다. 배터리 전극 레이저 용접 장치가 어떠한 형태로 구성되든지, 본 발명에 의한 용접용 지그를 이용하여 대상물 즉, 전극 탭과 전극리드 또는 전극리드와 버스바를 가압하면 제 1 가압장치(210)의 중심부에서 대상물이 간극 없이 밀착되어 대상물을 고속으로 용접할 수 있게 된다.

한편, 용접 대상물의 한 측이 알루미늄 소재로 이루어지고 다른 한 측이 구리 소재로 이루어진 경우, 알루미늄과 구리의 용융점 차이를 응용하여 다음과 같은 레이저 가공 장치를 제안한다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 장치의 구성도이다.

도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 용접 장치(300)는 전체적인 동작을 제어하는 제어부(310), 광원(320)에서 출사되는 레이저 빔을 지정된 파워 및 크기로 출력하는 빔 조사기(330), 광학계(350)를 구동하는 모터(340), 빔 조사기(330)에서 출력되는 레이저 빔을 집광하여 용접 대상물의 접촉부위로 조사하는 광학계(350), 대상물의 접촉부위 외측에서 대상물이 밀착되도록 가압하는 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364) 및 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)를 직선운동시키는 가압부(360)를 포함한다.

광학계는 텔레센트릭(telecentric) 렌즈, 또는 에프-세타(f-theta) 렌즈를 이용하여 구성할 수 있으며, 모터(340)의 구동력에 의해 고속으로 왕복 운동하여 대상물의 접촉 부위에 레이저 빔이 조사될 수 있도록 한다.

제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)은 원통형상 또는 반원통형상으로 구성할 수 있으며, 그 길이는 대상물의 너비를 고려하여 결정할 수 있다. 아울러, 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)의 직경은 대상물의 접촉 면적을 고려하여 결정할 수 있다. 바람직하게는 대상물 간의 접촉 면적을 넓게 하여 전기저항을 낮출 수 있도록, 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)과 대상물과의 접촉 면적은 넓게 할수록 유리하다.

이러한 용접 장치(300)를 이용하여, 제어부(310)를 통해 가압부(360)를 구동한다. 가압부(360)는 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)을 직선운동시켜 용접하고자 하는 대상물을 외측으로부터 용접 부위 측으로 강하게 밀착시킨다.

이러한 상태에서, 광학계(350)에서 집광된 레이저 빔을 대상물의 접촉 부위로 조사한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저 빔은 접촉 부위의 중심부에 조사되고, 중심부를 벗어나 반사부(도 14의 414 또는 424)에 조사된 빔은 다중 반사 현상에 의해 대상물의 접합부위 내로 침투할 수 있다.

그리고, 레이저 빔에 의해 대상물 접촉 부위의 온도가 기 설정된 온도까지 상승하면 가압부(360)에 의해 가압 상태에 있는 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)을 회전력에 의해 수직 상승시킨다. 이에 따라 용접하고자 하는 대상물에 대한 접촉 부위를 확대할 수 있다.

알루미늄 및 구리는 그 용융점이 매우 차이가 난다. 즉, 구리의 용융점은 1,083℃로 높은 반면 알루미늄의 용융점은 646℃로 상대적으로 낮다. 따라서, 구리는 용융되지 않고 알루미늄이 용융될 정도의 에너지와 시간으로 레이저 빔을 조사하면 액상으로 변환된 알루미늄이 고상을 유지하는 구리 측으로 확산되어 대상물이 상호 용접되게 된다. 즉, 구리가 고상을 유지하기 때문에 금속간 화합물이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 알루미늄과 구리와의 레이저 용접시 금속간 화합물은 알루미늄의 구성비가 높은 영역, 바람직하게는 구리 함유량이 분자 당량비로 30% 이하인 경우에는 생성되지 않는다. 따라서, 본 실시예에 의한 용접 장치는 알루미늄으로 이루어진 복수의 전극 탭과 구리로 이루어진 전극리드를 용접하거나, 알루미늄으로 이루어진 복수의 전극리드와 구리로 이루어진 버스바를 용접하는 경우 그 효율이 더욱 극대화된다.

한편, 대상물의 접촉부위 외측으로부터 내측으로 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)에 의해 강하게 밀착시키고, 레이저 빔이 조사되어 대상물의 온도, 바람직하게는 알루미늄으로 이루어진 대상물의 온도가 기 설정된 압접 온도까지 상승하면 가압수단(362, 364)을 회전시켜 상측으로 수직 이동시킨다. 따라서 레이저 빔이 오조사되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.

도 13에 도시한 용접 장치의 용접 효율을 더욱 향상시키기 위해 대상물 즉, 전극 탭과 전극리드, 또는 전극리드와 버스바의 접합 형상이 실질적으로 Y 형상을 갖도록 형상화하는 것이 바람직하다.

도 14는 도 13에 도시한 배터리 전극 용접 장치에 적용되는 대상물의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 14를 참조하면, 제 1 대상물(410) 및 제 2 대상물(420)은 접합 형상이 실질적으로 Y 형상을 갖는다. 여기에서, 제 1 대상물(410)은 전극 탭 또는 전극리드가 될 수 있고, 제 2 대상물(420)은 전극리드 또는 버스바가 될 수 있다.

제 1 대상물(410)은 전극 탭 또는 전극리드로부터 그 자체로 연장되는 리드부(412)와, 리드부(412)로부터 그 자체로 연장되어 지정된 각도(θ)로 휘어지도록 구성되는 반사부(414)를 포함한다. 유사하게, 제 2 대상물(420)은 전극리드 또는 버스바로부터 그 자체로 연장되는 리드부(422)와 리드부(422)로부터 그 자체로 연장되어 지정된 각도(θ)로 휘어지도록 구성되는 반사부(424)를 포함한다.

각각의 반사부(414, 424)는 휨 각도(θ)는 수직측에 대해 0°θ<90°, 바람직하게는 2°θ<45° 되도록 할 수 있다. 아울러, 접촉 부위의 반대측으로 지정된 길이(a; 0.2~5mm) 휘어지도록 형성할 수 있다.

제 1 대상물(410) 및 제 2 대상물(420)을 도 14와 같은 형상으로 구성하고, 도 13에 도시한 가압수단(362, 364)에 의해 각각의 리드부(412, 422)를 외측으로부터 접합부위측으로 가압한다.

이러한 상태에서, 구리의 용융점보다 낮고 알루미늄의 용융점보다 높은 에너지의 레이저 빔을 빔 조사기(330)를 통해 조사하고, 이를 광학계(350)에 의해 집광하여 두 대상물(410, 420)의 접촉 부위로 조사한다.

광학계(350)는 모터(340)의 구동에 의해 고속으로 왕복 운동하면서 대상물의 접촉 부위에 레이저 빔을 조사하게 되며, 이와 함께 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)이 대상물을 강하게 밀착시키고 있으므로, 금속간 화합물의 발생 없이 대상물을 강하게 용접할 수 있다. 아울러, 레이저 빔이 조사되어 대상물의 온도가 기 설정된 온도까지 상승하면 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)을 회전력에 의해 상승시킴으로써 두 대상물(410, 420)의 밀착 특성이 더욱 향상됨은 물론 접촉 면적을 더욱 확대할 수 있다.

더욱이, 대상물(410, 420)이 도 14에 도시한 것과 같은 구조를 갖는 경우, 리드부(412, 422)의 길이만큼 대상물의 접촉 면적이 확보되므로 전기 저항을 최소화하면서도, 두 대상물(410, 420)을 강하게 접촉시킬 수 있다.

도 15는 본 발명에 적용되는 용접 대상물의 접합 구조를 설명하기 위한 예시도이다.

도 15에 도시한 것과 같이, 제 1 대상물(410)과 제 2 대상물(420)은 다양한 형태로 형상화될 수 있다. 제 1 및 제 2 대상물(410, 420)이 어떠한 형태를 갖든지, 그 접합부위는 실질적으로 Y 형상을 갖도록 한다. 그리고, 레이저 빔은 Y 형상으로 접합된 제 1 및 제 2 대상물(410, 420)의 상단부로부터 측면 조사되어 다중 반사 현상을 일으킨다.

결국, 레이저 빔이 다중 반사되어 리드부로 침투, 리드부에 의한 길이만큼 용접 면적을 확보할 수 있어 전기 저항이 최소화된다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 용접하고자 하는 한 쌍의 대상물(410, 420)을 정렬시켜 Y 형상으로 접촉되도록 하고, 제어부(310)를 통해 레이저 출력 에너지, 출력 시간 등을 포함하는 제어 파라미터를 설정한다(S10).

이후, 제어부(310)의 제어에 의해 가압부(360)를 구동하여(S20) 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)을 대상물(410, 420)의 접촉부위 측으로 압박한다.

이와 함께, 모터(340)를 구동하여 광학계(350)를 왕복 운동시키며(S30), 빔 조사기(330)를 통해 기 설정된 에너지의 레이저 빔을 광학계(350)로 조사한다(S40).

모터(340)에 의해 왕복운동하는 광학계(350)는 기 설정된 에너지의 레이저 빔을 기 설정된 시간 동안 대상물(410, 420)의 접촉 부위로 조사하게 되며, 이 때 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)이 대상물(410, 420)을 접촉 부위 측으로 압박하고 있으므로 리드부(412, 422)가 서로 강하게 접촉된 상태를 유지한다.

접촉 부위로 조사되는 레이저 빔은 대상물(410, 420) 사이에서 다중 반사 현상을 일으키면서 알루미늄을 용해시켜 구리 측으로 확산시키고, 이에 의해 대상물(410, 420)이 전기적으로 접속되게 된다.

결국, 대상물(410, 420)은 리드부(412, 422)의 길이에 해당하는 만큼 접촉 면적을 확보할 수 있어 전기 저항을 최소화할 수 있다. 나아가 구리를 용해시키지 않거나 용해 정보를 최소화하고 알루미늄만을 용해시켜 접촉이 이루어지도록 함으로써 금속간 화합물이 유발되지 않은 상태로 대상물을 우수한 접촉 특성으로 접속시킬 수 있다.

또한, 레이저 빔이 조사되어 대상물의 온도가 기 설정된 온도까지 상승하면 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)을 회전력에 의해 상승시키는 경우 대상물(410, 420)의 밀착 특성이 더욱 향상됨은 물론 접촉 면적을 더욱 확대할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 용접 장치(30)를 구성하는 광학계(350)의 헤드와 제 1 및 제 2 가압수단(362, 364)은 X, Y, Z축에서 동일한 좌표값으로 이동할 수 있도록 설계할 수 있다. 이 경우, 레이저 빔의 도달점과 용접해야할 대상물의 용접선은 항상 동일하게 제어될 수 있다. 따라서, 용접선 추적 장치 등이 불필요하므로 자동화 시스템 구축에 매우 유리하다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

1. 배터리 전극 용접용 지그로서,

   지정된 폭을 가지며, 용접 대상물의 일측에 위치하는 제 1 가압수단; 및

   지정된 폭을 가지며, 상기 용접 대상물의 타측에 위치하여 상기 용접 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는 한 쌍의 제 2 가압수단;

   을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 가압수단은 상기 제 1 가압수단의 폭에 대응하는 거리만큼 서로 이격되어 배치되는 배터리 전극 용접용 지그.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가압수단은 상기 대상물과의 접촉부가 엠보싱 형태인 배터리 전극 용접용 지그.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가압수단은 상기 대상물과의 접촉부가 평판형상인 배터리 전극 용접용 지그.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 배터리 전극 용접용 지그는 상기 제 1 가압수단에 의한 제 1 지지점, 상기 한 쌍의 제 2 가압수단에 의한 제 2 및 제 3 지지점을 이용한 3점 지지 지그인 배터리 전극 용접용 지그.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가압수단은 상단 중앙부에는 지정된 폭 및 깊이로 형성되는 홈을 구비하는 배터리 전극 용접용 지그.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 가압수단은 상기 홈의 저부에 형성되는 광 센서를 더 포함하는 배터리 전극 용접용 지그.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가압수단은, 세로축 중심이 상기 용접 대상물의 용접부위와 일치하도록 배치되는 배터리 전극 용접용 지그.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 제 2 가압수단 각각의 폭은 상기 제 1 가압수단 폭의 1/2인 배터리 전극 용접용 지그.
9. 알루미늄으로 이루어지는 제 1 대상물과, 구리로 이루어지는 제 2 대상물에 대한 용접 장치로서,

   상기 제 1 대상물의 용융점보다 높고 상기 제 2 대상물의 용융점보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 출사하는 빔 조사기; 및

   상기 빔 조사기에서 출사되는 레이저 빔을 집광하여 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위로 조사하는 광학계;

   를 포함하는 배터리 전극의 용접 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물과 상기 제 2 대상물은 접합 형상이 실질적으로 Y 형상인 배터리 전극의 용접 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물은 종단에 상기 접촉부위의 반대측으로 지정된 각도 휘어진 반사부를 구비하는 배터리 전극의 용접 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 제 2 대상물은 종단에 상기 제 1 대상물의 반사부와 반대측으로 지정된 각도 휘어진 반사부를 구비하는 배터리 전극의 용접 장치.
13. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉부위 외측에 각각 위치되는 제 1 및 제 2 가압 수단; 및

    상기 제 1 및 제 2 가압 수단을 상기 접촉부위측으로 이동시키는 가압부;

    를 더 포함하는 배터리 전극의 용접 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 빔 조사기에서 출사되는 레이저 빔에 의해 상기 제 1 대상물의 온도가 기 설정된 온도까지 상승하는 경우, 상기 가압부가 상기 제 1 및 제 2 가압수단을 회전 상승시키는 배터리 전극의 용접 장치.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물과 상기 제 2 대상물은 접합 형상이 실질적으로 Y 형상인 배터리 전극의 용접 장치.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 광학계의 헤드, 상기 제 1 및 제 2 가압수단은 동일한 좌표값으로 이동하는 배터리 전극의 용접 장치.
17. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물은 적어도 하나의 전극 탭이고 상기 제 2 대상물은 전극리드인 배터리 전극의 용접 장치.
18. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물은 적어도 하나의 전극리드이고 상기 제 2 대상물은 버스바인 배터리 전극의 용접 장치,
19. 알루미늄으로 이루어진 제 1 대상물과 구리로 이루어진 제 2 대상물에 대한 용접 방법으로서,

    상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물을 접촉시키는 단계;

    상기 제 1 대상물의 용융점보다 높고 상기 제 2 대상물의 용융점보다 낮은 에너지의 레이저 빔을 출사하는 단계; 및

    상기 레이저 빔을 집광하여 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위로 조사하는 단계;

    를 포함하는 배터리 전극의 용접 방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 레이저 빔을 출사하기 전, 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위 외측에서 제 1 가압수단 및 제 2 가압수단을 통해 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물을 상기 접촉부위 측으로 밀착시키는 단계를 더 포함하는 배터리 전극의 용접 방법.
21. 제 20 항에 있어서,

    레이저 빔을 조사한 후 상기 제 1 대상물의 온도가 기 설정된 온도까지 상승하면, 상기 제 1 및 제 2 가압수단을 회전 상승시키는 단계를 더 포함하는 배터리 전극의 용접 방법.
22. 제 19 항에 있어서,

    상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물의 접촉 부위로 레이저 빔을 조사하는 단계는, 상기 레이저 빔이 상기 제 1 대상물 및 상기 제 2 대상물 상에서 다중 반사를 일으키는 단계인 배터리 전극의 용접 방법.

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