WO2021187642A1 - 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 레이저 세정 장치 - Google Patents

원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 레이저 세정 장치 Download PDF

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WO2021187642A1
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laser
battery module
laser beam
laser cleaning
cleaning
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PCT/KR2020/003777
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이종명
이재원
최한섭
조상현
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주식회사 아이엠티
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a laser cleaning apparatus for effectively removing foreign substances present on a bonding surface to which a wire is to be bonded before a wire bonding operation for manufacturing a battery module including cylindrical battery cells.
  • a large-capacity battery is assembled into a module unit by collecting cells in units of cells, and then the modules are combined to form a pack and mounted.
  • batteries are divided into cylindrical, prismatic, and pouch types according to their shape.
  • cylindrical batteries are widely used as large-capacity batteries for automobiles.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a cylindrical battery cell 20 , a battery module 2 including cylindrical battery cells 20 , and a battery pack 1 .
  • a plurality of cuboidal battery modules 2 including a plurality of cylindrical battery cells 20 therein are gathered to form a battery pack 1 .
  • the cylindrical battery cell 20 has a (+) electrode portion formed in a circular shape in the center, that is, the positive electrode portion 21, and a (-) electrode portion formed over both the outer side of the battery, the case and the lower surface, that is, the negative electrode portion.
  • a high-capacity battery module 2 is provided for realization of a high-voltage and high-current high-capacity battery, and the high-capacity battery module 2 arranges a plurality of cylindrical battery cells 20 at regular intervals, and electrodes of the cylindrical battery cells 20 . It can be made by connecting the electrodes in series or in parallel.
  • an electrode terminal block is installed in a battery module, and resistance welding or laser welding is generally performed for bonding between the electrode part of the battery cell and the electrode terminal block.
  • the electrode of a cylindrical battery cell A bonding method by wire bonding is used for connection between the negative electrode and the electrode terminal block.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a battery module after the wire bonding operation is finished.
  • an electrode terminal block 2A is installed in the battery module for inter-electrode connection of the cylindrical battery cells 20, and a wire 2B formed of a material having good electrical conductivity such as copper, aluminum, etc. Wire bonding for connecting between the electrode part 21 or 22 of the cylindrical battery cell 20 and the electrode terminal block 2A is performed by using it.
  • the wire bonding method has the advantage of maintaining stable and uniform bonding characteristics over the entire battery area in that it is an individual point bonding method.
  • this risk is very large, and many safety devices are provided to prevent surges.
  • a surge occurs, a high voltage current flows along the electrode part and the electrode junction part.
  • the wire 2B acts as a fuse and is cut off. Even if one wire (2B) is broken, the parallel design is well done, so the battery capacity is not greatly affected.
  • the connection between electrodes by wire bonding method is increasingly used due to the safety advantage that it can solve the surge problem, which is the biggest risk factor of the battery.
  • the wire bonding method has a disadvantage in that the bonding strength is relatively small and sensitive compared to the conventional resistance welding and laser welding in which metal is melted and joined.
  • the bonding strength of the wire is greatly reduced, and there is a problem of non-uniform bonding strength.
  • the present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and in the manufacturing process of a battery module including cylindrical battery cells, a foreign material in a region where a wire is to be bonded for connection between electrodes of cylindrical battery cells is very quickly and effectively with a laser beam. To provide a removable, battery module laser cleaning device.
  • a battery module laser cleaning device for removing foreign substances present on the surface of a cylindrical battery cell and a battery module including the same, wherein the battery module laser cleaning device includes a laser generator oscillating a laser beam ;
  • the laser cleaning head includes a head housing and a position in the head housing and a laser beam collimator for collimating the laser beam dispersed from the end of the optical fiber into parallel light, and a high-speed galvano scanner for high-speed scanning the laser beam transmitted through the laser beam collimator with a mirror mounted on a scan motor; and a focusing lens for irradiating the laser beam scanned by the high-speed galvano scanner at a focal length to the corresponding surface of the battery module.
  • the laser cleaning head To protect the focus lens and the optical components before the focus lens, it further includes a protective window mounted in a section after the focus lens.
  • the focusing lens is preferably f-theta.
  • the battery module laser cleaning apparatus further includes a dust collecting means for removing dust generated during the laser cleaning operation, wherein the dust collecting means includes a dust collecting port installed near the cleaning area where the battery module is cleaned.
  • the high-speed galvano scanner uses a 2D scanning method using two motors and two reflection mirrors.
  • the laser beam uses a fiber laser in the form of a pulse wave.
  • the battery module laser cleaning apparatus further includes a vision camera for locating the battery module and the battery cell.
  • the central axis of the vision camera and the central axis of the high-speed galvano scanner 230 are coaxial.
  • the battery module laser cleaning device the battery module is put into the cleaning area by the laser cleaning head, and after the laser cleaning is completed, the battery module is transferred to the area where the wire bonding process is performed. It further includes means.
  • a cleaning method using the above-described battery module laser cleaning apparatus wherein the cleaning method is a surface of an electrode portion of the battery cell or an electrode terminal surface connected to an electrode portion of the battery cell by a wire
  • a bonding area is determined in advance, and foreign substances present in the bonding area are removed with a laser beam irradiated to the bonding area through the laser generator, the optical fiber, the laser beam collimator, the high-speed galvano scanner, and the focus lens.
  • the battery module laser cleaning apparatus is applied to a cleaning process before wire bonding of a battery module including cylindrical battery cells, and can perform laser cleaning precisely and at high speed on the bonding surface requiring wire bonding in the battery module. Accordingly, it is possible to dramatically improve the adhesion of the wire after the wire bonding operation, which is a subsequent process.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a cylindrical battery cell, a battery module including cylindrical battery cells and a battery pack;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the battery module after the wire bonding operation is finished
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a battery module laser cleaning apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a cleaning area (bonding surface) in the battery module to be cleaned by the battery module laser cleaning apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a battery module laser cleaning apparatus according to the present invention
  • FIG. 4 is a view for explaining cleaning areas (bonding surfaces) in the battery module to be cleaned by the battery module laser cleaning apparatus according to the present invention.
  • the battery module laser cleaning apparatus is for cleaning the surface (hereinafter, referred to as "bonding surface") to which a wire is to be bonded in a battery module including cylindrical battery cells in advance with a laser beam.
  • a laser generator 130 that oscillates a laser beam
  • a laser cleaning head that receives a laser beam from the laser generator 130 through an optical fiber 300 and irradiates the laser beam on the bonding surface in the battery module ( 200) are included.
  • the battery module laser cleaning apparatus includes a power supply unit 110 for supplying power to the laser generator 130 and a controller 120 for controlling the laser generator 130 .
  • the laser generator 130 , the controller 120 , and the power supply unit 110 may be integrated into one main body 100 .
  • the wheels 102 are installed in the lower part of the main body 100 .
  • the laser cleaning head 200 is held by any holding means on site or lifted and held by an operator, but when it is necessary to transport the battery module cleaning device as a whole, the laser cleaning head 200 and the The optical fiber 300 may be moved together while being carried on the main body 100 .
  • the laser cleaning head 200 includes a head housing 210 , a laser beam collimator 220 built in the head housing 210 , a high-speed Galvano scanner 230 , and a focusing lens. (240).
  • the head housing 210 is formed to intersect the first part and the first part in which the laser beam collimator 220 is accommodated, and the high-speed galvano scanner 230 and the focus lens 240 are located. It can contain 2 parts.
  • the laser beam oscillated by the laser generator 130 is transmitted to the laser beam collimator 220 through an optical fiber 300 .
  • the laser beam collimator 220 is connected to the end of the optical fiber 300 and serves to collimate the laser beam dispersed from the end of the Guam fiber 300 into parallel light again.
  • the laser beam from the laser beam collimator 220 is transmitted to the high-speed galvano scanner 230 .
  • the high-speed galvano scanner 230 is configured to scan the laser beam transmitted through the laser beam collimator 220 left and right at high speed by a mirror mounted on a scan motor therein. Since the high-speed galvano scanner 230 performs 2D scanning using two scan motors and two mirrors, it is possible to quickly clean a large area without moving the laser cleaning head 200 .
  • the laser beam scanned in 2D through the high-speed galvano scanner 230 passes through the focusing lens 240 and is focused at a specific focal length d.
  • the f-theta lens has the advantage of uniform cleaning by maintaining a constant focal position in the 2D scanning area.
  • a protection window (protection) in front of the focus lens 240 window) 250 is preferably installed.
  • the protection window 250 may be installed near the lower end of the second part of the head housing 210 .
  • the protection window 250 is a consumable item. It is preferable that the operator periodically cleans the surface of the protective window 250, which is a consumable, before the laser cleaning operation.
  • the battery module laser cleaning apparatus further includes a dust collecting means 400 to collect and remove fine dust generated in the cleaning area during the laser cleaning operation.
  • the dust generated during the laser cleaning operation is harmful to the human body and contaminates the optical parts around the cleaning area and in the laser cleaning head 200. Since the dust collecting means 400 collects and removes the dust in real time during the laser cleaning operation, such contamination can be prevented.
  • the dust collecting means 400 includes a dust collecting port 410 disposed near the cleaning area, a dust collecting hose 420 having one end connected to the dust collecting port 410 , and the dust collecting hose 420 . It includes a dust collector 430 to which the other end is connected. The dust generated during the laser cleaning operation is sucked through the dust collecting port 410 and finally collected in the dust collector 430 through the dust collecting hose 420 .
  • the laser generator 130 it is preferable to use a fiber laser that is easy to install and does not require special optical alignment because generation and transmission of a laser beam are integrated.
  • peak power must be high.
  • the diameter of the laser beam collimated through the laser beam collimator 220 is an important factor in determining the spot size of the focused laser beam. If the diameter is large, the spot size becomes small and damage to the base material occurs easily. If the diameter is too small, the spot size becomes large and the cleaning performance is deteriorated. Accordingly, the diameter of the collimated laser beam emitted through the laser beam collimator 220 is preferably between 3 and 10 mm.
  • the focal length d of the focal lens 240 mounted on the laser cleaning head 200 is preferably 150 mm or more and 600 mm or less. If the focal length (d) is too short (less than 150 mm), the spot size of the focused laser beam is too small, and the energy density is high, which may cause damage to the base material, and the optical parts may be damaged by dust generated during cleaning. can be easily contaminated. In addition, when the focal length d exceeds 600 mm and is too long, the spot size of the laser beam becomes excessively large, making it difficult to obtain sufficient laser intensity, making it difficult to perform an effective laser cleaning operation.
  • the maximum cleaning area is determined as an area in which the focus position is constantly maintained by the combination of the high-speed galvano scanner 230 and the focus lens 240 .
  • the scan field width w be at least 200 mm.
  • the battery module 2 requiring cleaning operation is automatically put into the cleaning area where the laser cleaning head 200 is installed using a transfer unit 700 such as a robot or a conveyor, and the laser cleaning operation is automatically performed after input.
  • a sensing unit for detecting the input is provided.
  • the controller operates the battery module laser cleaning device so that the laser beam is irradiated to the surface requiring cleaning of the battery module 2, that is, the bonding surface. to control
  • the cleaning operation is completed, it is preferable that the cleaned battery module 2 is automatically transferred to the subsequent wire bonding process by the transfer unit 700 .
  • FIG. 4 is a view for explaining cleaning areas in the battery module to be cleaned by the battery module laser cleaning apparatus according to the present invention.
  • a bonding area BA that requires actual laser cleaning among areas of the battery module 2 is a very small bonding area in which wire bonding is performed as indicated by a hatch. If this bonding area can be accurately recognized, cleaning can be performed at a very high speed.
  • the battery module laser cleaning apparatus accurately grasps a specific position inside the battery module 2 to accurately clean only a necessary area, the laser cleaning head 200 It further includes a vision camera 500 coupled to one side of the. At this time, when the central axis of the vision camera 500 is positioned to be coaxial with the central axis of the high-speed galvano scanner 230 , the position of the cylindrical battery cell 20 in the entire cleaning area can be confirmed at high speed.
  • the battery module laser cleaning apparatus according to the present invention can be applied to all sites of manufacturing a battery module equipped with cylindrical battery cells.

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Abstract

원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위한 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 레이저빔을 발진하는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 레이저 발생기가 발진한 레이저빔을 광섬유(optical fiber)를 통해 전송받아 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 레이저 세정 헤드를 포함하며, 상기 레이저 세정 헤드는, 헤드 하우징과, 상기 헤드 하우징 내에 위치하며, 상기 광섬유의 끝단에서 분산되는 레이저빔을 평행광으로 조준시키는 레이저빔 조준기와, 상기 레이저빔 조준기를 거쳐 전송된 레이저빔을 스캔 모터에 장착된 미러로 고속 스캐닝하는 고속 갈바노 스캐너와, 상기 고속 갈바노 스캐너에서 스캐닝된 레이저빔을 초점거리에서 포커싱하여 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 초점렌즈를 포함한다.

Description

원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 레이저 세정 장치
본 발명은, 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 제작을 위한 와이어 본딩(wire bonding) 작업 전에, 와이어가 본딩될 본딩 표면에 존재하는 이물질을 효과적으로 제거하기 위한 레이저 세정 장치에 관한 것이다.
최근 배터리를 전원으로 사용하는 생활 가전 제품 및 산업 용품의 시장 확대로 배터리에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 자전거, 오토바이, 자동차 등과 같은 운송수단에 배터리 적용이 확대됨에 따라 대용량 배터리의 수요가 커지고 있다. 대용량 배터리는 셀(cell) 단위의 배터리를 모아 모듈(module) 단위로 만들고, 다시 모듈들을 결합해 팩(pack) 형태로 만들어져 장착된다. 셀 단위에서 배터리는 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉜다. 최근 전기 자동차의 수요가 폭등함에 따라 자동차용 대용량 배터리로 원통형 배터리가 널리 사용되고 있다.
도 1은 원통형 배터리 셀(20), 원통형 배터리 셀(20)들을 포함하는 배터리 모듈(2) 및 배터리 팩(1)의 개략도를 보여주고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 원통형 배터리 셀(20)들을 내부에 포함하는 복수개의 직육면체형 배터리 모듈(2)들이 모여 배터리 팩(1)을 구성한다. 또한, 원통형 배터리 셀(20)은 중앙에 원형으로 형성된 (+) 전극부, 즉, 양극부(21)와, 배터리 외곽과 케이스 그리고 하부면 모두에 걸쳐 형성된 (-) 전극부, 즉, 음극부(22)를 포함한다. 고전압 및 고전류의 대용량 배터리의 구현을 위해 고용량 배터리 모듈(2)이 제공되며, 고용량 배터리 모듈(2)은 복수개의 원통형 배터리 셀(20)들을 일정 간격으로 배열하고, 원통형 배터리 셀(20)들의 전극과 전극을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 만들어질 수 있다.
통상, 배터리 셀들을 연결하기 위해, 배터리 모듈 내에 전극 단자대가 설치되고, 배터리 셀의 전극부와 전극 단자대 사이의 접합을 위해 저항 용접 또는 레이저 용접이 수행되는 것이 일반적인데, 최근에는 원통형 배터리 셀의 전극부와 전극 단자대 사이의 연결을 위해 와이어 본딩에 의한 접합 방식이 이용되고 있다.
도 2는 와이어 본딩 작업이 끝난 후의 배터리 모듈을 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 배터리 셀(20)들의 전극간 연결을 위해 배터리 모듈 내에는 전극 단자대(2A)가 설치되고, 구리, 알루미늄 등과 같은 전기 전도성이 좋은 재료로 형성된 와이어(2B)를 이용하여 원통형 배터리 셀(20)의 전극부(21 또는 22)와 전극 단자대(2A) 사이를 연결하는 와이어 본딩(wire bonding)이 수행된다. 와이어 본딩 방식은, 기존 저항 및 레이저 용접 방식과 비교해, 개별 포인트(point) 접합이라는 점에서, 전체 배터리 영역에서 안정적이고 균일한 접합 특성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
배터리는 사용 중 과부하, 충격, 물리적 환경 변화 등에 따라 순간 서지(surge)가 발생할 경우 폭발과 화재의 위험이 발생한다. 특히 대용량 배터리의 경우 이러한 위험은 매우 커서 서지 방지를 위한 많은 안전장치를 구비하고 있다. 서지가 발생할 경우 고전압 전류는 전극부와 전극 접합부를 따라 흐르게 된다. 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극부들간 접합 연결을 와이어 본딩으로 할 경우, 서지가 발생할 때 와이어(2B)가 휴즈(fuse) 역할을 하여 끊어지게 된다. 와이어(2B) 하나가 끊어졌다고 해도 병렬 설계가 잘 되어 있어 배터리 용량에는 큰 영향을 미치지 않는다. 결과적으로 와이어 본딩 방식에 의한 전극부간 연결은 배터리의 가장 큰 위험 요소인 서지 문제를 해결할 수 있다는 안전적 장점으로 인해 그 사용이 점점 커지고 있다.
하지만. 와이어 본딩 방식은, 기존 금속과 금속을 녹여 접합하는 저항 용접 및 레이저 용접과 비교해, 접합력(bonding strength)이 상대적으로 작고 민감하다는 단점이 있다. 특히 와이어가 접합되는 전극부 또는 전극 단자대의 표면, 즉, 본딩 표면에 산화물, 부식물, 전해액, 기름 등과 같은 오염물질이 존재할 경우, 와이어의 접합 강도가 크게 떨어지고, 비균일한 접합강도를 보이는 문제점이 있다.
본 발명은, 종래 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 제작 공정에서, 원통형 배터리 셀들의 전극간 연결을 위해 와이어가 본딩될 부위의 이물을 레이저빔으로 매우 빠르고 효과적으로 제거할 수 있는, 배터리 모듈 레이저 세정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명의 일측면에 따라 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위한 배터리 모듈 레이저 세정 장치가 제공되며, 상기 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 레이저빔을 발진하는 레이저 발생기;
상기 레이저 발생기를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 레이저 발생기가 발진한 레이저빔을 광섬유(optical fiber)를 통해 전송받아 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 레이저 세정 헤드를 포함하며, 상기 레이저 세정 헤드는, 헤드 하우징과, 상기 헤드 하우징 내에 위치하며, 상기 광섬유의 끝단에서 분산되는 레이저빔을 평행광으로 조준시키는 레이저빔 조준기와, 상기 레이저빔 조준기를 거쳐 전송된 레이저빔을 스캔 모터에 장착된 미러로 고속 스캐닝하는 고속 갈바노 스캐너와, 상기 고속 갈바노 스캐너에서 스캐닝된 레이저빔을 초점거리에서 포커싱하여 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 초점렌즈를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 레이저 세정 헤드는. 상기 초점렌즈 및 상기 초점렌즈 이전의 광학부품들을 보호하도록, 상기 초점렌즈 이후 구간에 장착된 보호창을 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 초점렌즈는 f-theta인 것이 바람직하다.
일 실시예에 따라, 상기 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 레이저 세정 작업 중 발생하는 분진을 제거하기 위한 집진수단을 더 포함하며, 상기 집진수단은 상기 배터리 모듈이 세정되는 세정 영역 근처에 설치된 집진포트를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 고속 갈바노 스캐너는 2개의 모터와 2개의 반사미러를 사용하는 2D 스캐닝 방식을 사용한다.
일 실시예에 따라, 상기 레이저빔은 펄스파 형태의 파이버 레이저를 사용한다.
일 실시예에 따라, 상기 배터리 모듈 레이저 세정 장치는 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 셀의 위치를 파악하기 위한 비전 카메라를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 비젼 카메라의 중심축과 상기 고속 갈바노 스캐너(230)의 중심축이 동축을 이룬다.
일 실시예에 따라, 상기 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 상기 배터리 모듈을 상기 레이저 세정 헤드에 의한 세정 영역으로 투입하고, 레이저 세정 완료 후, 와이어 본딩 공정이 수행되는 영역으로 상기 배터리 모듈을 이송시키는 이송수단을 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 전술한 배터리 모듈 레이저 세정 장치를 이용한 세정 방법이 제공되며, 상기 세정 방법은 상기 배터리 셀의 전극부의 표면 또는 와이어에 의해 상기 배터리 셀의 전극부와 연결되는 전극 단자부 표면에 본딩 영역을 미리 정하고, 상기 레이저 발생기, 상기 광섬유, 상기 레이저빔 조준기, 상기 고속 갈바노 스캐너 및 상기 초점렌즈를 거쳐 상기 본딩 영역에 조사되는 레이저빔으로 상기 본딩 영역에 존재하는 이물을 제거한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 와이어 본딩 전 세정 공정에 적용되어, 배터리 모듈 내 와이어 본딩이 요구되는 본딩 표면에 대하여 정밀하게 그리고 고속으로 레이저 세정할 수 있으며, 이에 따라, 후속 공정인 와이어 본딩 작업 후 와이어의 접착력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 원통형 배터리 셀, 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩의 개략도이고,
도 2는 와이어 본딩 작업이 끝난 후의 배터리 모듈을 도시한 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치를 도시한 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치에 의해 세정되는 배터리 모듈 내 세정 영역(본딩 표면)을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치를 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치에 의해 세정되는 배터리 모듈 내 세정 영역(본딩 표면)들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치는, 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에서 와이어가 본딩될 표면(이하, "본딩 표면"이라 함)을 미리 레이저 빔으로 세정하기 위한 것으로서, 레이저빔을 발진하는 레이저 발생기(130)와, 광섬유(optical fiber)(300)를 통해 상기 레이저 발생기(130)로부터 레이저빔을 전송 받아 배터리 모듈 내 본딩 표면에 레이저빔을 조사하는 레이저 세정 헤드(200)를 포함한다.
또한, 상기 배터리 모듈 레이저 세정 장치는 상기 레이저 발생기(130)에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 유닛(110)과 상기 레이저 발생기(130)를 제어하는 컨트롤러(120)를 포함한다. 상기 레이저 발생기(130), 상기 컨트롤러(120) 및 전력 공급 유닛(110)이 하나의 본체(100) 내에 통합될 수 있다. 상기 본체(100)를 현장에서 용이하게 이동시킬 수 있도록, 상기 본체(100)의 하부에는 바퀴(102)가 설치되는 것이 바람직하다.
세정 작업 중에는 레이저 세정 헤드(200)가 현장 내 임의의 유지 수단에 유지되거나 또는 작업자에 의해 들려 유지되지만, 배터리 모듈 세정 장치를 전체적으로 운반할 필요가 있는 경우에는, 상기 레이저 세정 헤드(200)와 상기 광섬유(300)가 상기 본체(100)에 실린 채 함께 이동될 수 있다.
한편, 상기 레이저 세정 헤드(200)는 헤드 하우징(210), 상기 헤드 하우징(210) 내에 내장된 레이저빔 조준기(laser beam collimator)(220), 고속 갈바노(Galvano) 스캐너(230) 및 초점렌즈(240)를 포함한다. 이때, 상기 헤드 하우징(210)은 레이저빔 조준기(220)가 수용되는 제1 파트와 상기 제1 파트와 교차하도록 형성되고 상기 고속 갈바노 스캐너(230) 및 상기 초점렌즈(240)가 위치하는 제2 파트를 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생기(130)에서 발진한 레이저빔은 광섬유(optical fiber)(300)를 통해 레이저빔 조준기(220)로 전송된다. 상기 레이저빔 조준기(220)는 상기 광섬유(300)의 끝단에 접속되어 상기 괌섬유(300)의 끝단에서 분산되는 레이저빔을 다시 평행광으로 조준(collimation)시키는 역할을 한다.
상기 레이저빔 조준기(220)에서 나온 레이저빔은 고속 갈바노 스캐너(230)로 전송된다. 상기 고속 갈바노 스캐너(230)는 상기 레이저빔 조준기(220)를 거쳐 전송된 레이저빔을 내부에 있는 스캔 모터에 장착된 미러에 의해 고속으로 좌우 스캐닝하도록 구성된다. 상기 고속 갈바노 스캐너(230)는, 2개의 스캔 모터와 2개의 미러를 이용하여 2D 스캐닝을 수행하므로, 레이저 세정 헤드(200)의 이동 없이 넓은 영역의 세정을 빠르게 수행할 수 있다.
상기 고속 갈바노 스캐너(230)를 통해 2D 스캐닝되는 레이저빔은 초점렌즈(240)를 거침으로써, 특정 초점거리(d)에서 포커싱이 된다. 이때 초점렌즈(240)로는 f-theta 렌즈를 사용되는 것이 바람직하다. f-theta 렌즈는 2D 스캐닝 영역에서 초점위치가 일정하게 유지되어 균일한 세정을 할 수 있다는 장점이 있다.
초점렌즈(240)와 고속 갈바노 스캐너(230)의 내부 미러를 보호하기 위해, 초점렌즈(240) 이후, 즉, 레이저빔이 진행하는 방향으로 봤을 때 초점렌즈(240) 전방에 보호창(protection window)(250)이 설치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 상기 보호창(250)은 헤드 하우징(210)의 제2 파트 하단 부근에 설치될 수 있다. 이때, 상기 보호창(250)은 소모품인 것이 바람직하다. 작업자는 소모품인 상기 보호창(250)의 표면을 레이저 세정 작업 전에 주기적으로 클리닝 해주는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치는 레이저 세정 작업 중 세정 영역에서 발생한 미세 분진을 포집하여 제거하기 위해 집진수단(400)을 더 포함한다. 레이저 세정 작업 중 발생한 분진은 인체에 해롭고 세정 영역 주변 및 레이저 세정 헤드(200) 내 광학 부품을 오염시키는데, 상기 집진수단(400)은 레이저 세정 작업이 이루어지는 동안 분진을 실시간으로 포집하여 제거하므로 전술한 것과 같은 오염을 막을 수 있다. 본 실시예에서, 상기 집진수단(400)은 세정 영역 근처에 배치된 집진포트(410)와, 일단이 상기 집진포트(410)에 접속되는 집진호스(420)와, 상기 집진호스(420)의 타단이 접속되는 집진기(430)를 포함한다. 레이저 세정 작업 중 발생한 분진은 상기 집진포트(410)를 통해 흡입되어 상기 집진호스(420)를 거쳐 상기 집진기(430)에 최종적으로 포집된다.
한편, 상기 레이저 발생기(130)로는 레이저빔의 생성과 전송이 일체화되어 특별한 광학 정렬이 필요 없고 설치가 용이한 파이버 레이저(fiber laser)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 효과적인 레이저 세정을 위해서는 첨두 출력(peak power)이 높아야 하는데, 이를 위해, 펄스폭(pulse width)이 1μsec 이하이고, 펄스 에너지(pulse energy)가 0.1mJ 이상인 펄스파 레이저빔을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저빔 조준기(220)를 통해 조준되어 나온 레이저빔의 직경(diameter)은 포커싱 되는 레이저빔의 스폿 크기(spot size)를 결정하는 중요한 인자이다. 직경이 크면 스폿 크기가 작아져 모재 손상이 쉽게 발생하고, 너무 작으면 스폿 크기가 커져 세정 성능이 떨어진다. 따라서, 상기 레이저빔 조준기(220)를 통해 나온 조준 레이저빔의 직경은 3~10mm 사이가 바람직하다.
또한, 상기 레이저 세정 헤드(200)에 장착된 초점렌즈(240)의 초점길이(d)는 보통 150mm 이상 600mm 이하인 것이 바람직하다. 초점길이(d)가 150mm 미만으로 너무 짧을 경우, 포커싱 되는 레이저빔의 스폿 크기(spot size)가 너무 작아서, 에너지 밀도가 커서 모재의 손상을 가져올 수 있고, 세정 중 발생하는 분진에 의해 광학 부품이 쉽게 오염될 수 있다. 또한 초점길이(d)가 600mm를 초과하여, 너무 긴 경우는, 레이저빔의 스폿 크기가 과도하게 커져, 충분한 레이저 강도를 얻기 어려워 효과적인 레이저 세정 작업이 어려워진다.
최대 세정 영역은 고속 갈바노 스캐너(230)와 초점렌즈(240)의 조합으로 초점위치가 일정하게 유지되는 영역으로 정해진다. 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈(2)의 전 표면을 빠른 시간에 세정하기 위해서는 스캔 필드 폭(w)을 최소 200mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
세정 작업이 필요한 배터리 모듈(2)은 상기 레이저 세정 헤드(200)가 설치된 세정 영역 내로 로봇 혹은 컨베이어와 같은 이송유닛(700)을 이용해 자동으로 투입되고, 투입 후 레이저 세정 작업이 자동으로 수행되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 투입을 감지하는 감지부가 제공되는 것이 바람직하다. 감지부에 의해 상기 배터리 모듈(2)이 정위치로 투입된 것이 감지되면, 컨트롤러는 배터리 모듈(2)의 세정이 필요한 표면, 즉, 본딩 표면에 레이저빔이 조사되도록, 배터리 모듈 레이저 세정 장치의 작동을 제어한다. 또한, 세정 작업이 완료되면, 세정을 마친 배터리 모듈(2)이 상기 이송유닛(700)에 의해, 후속 와이어 본딩 공정으로 자동으로 넘어가도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치에 의해 세정되는 배터리 모듈 내 세정 영역들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 함께 참조하면, 배터리 모듈(2)의 영역 중에서 실제 레이저 세정이 요구되는 본딩 영역(BA)은 해치로 표시된 것과 같이 와이어 본딩이 이루어지는 아주 작은 본딩 영역이다. 만약 이 본딩 영역을 정확히 인식할 수 있다면 아주 빠른 속도로 세정 작업을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치는 배터리 모듈(2) 내부의 특정 위치 상태를 정확히 파악하여 필요한 영역만을 정확히 세정할 수 있도록, 상기 레이저 세정 헤드(200)의 일측에 결합된 비젼 카메라(500)를 더 포함한다. 이때, 상기 비젼 카메라(500)의 중심축을 고속 갈바노 스캐너(230)의 중심축과 동축을 이루도록 위치시키면, 세정 영역 전체에서 원통형 배터리 셀(20)의 위치를 고속으로 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 레이저 세정 장치는 원통형 배터리 셀들이 구비된 배터리 모듈을 제조하는 모든 현장에 적용될 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일부 실시 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
110........................전력 공급 유닛
120........................컨트롤러
130........................레이저 발생기
200........................레이저 세정 헤드
220........................레이저빔 조준기
230........................고속 갈바노 스캐너
240........................초점렌즈
2..........................배터리 모듈
20.........................원통형 배터리 셀

Claims (10)

  1. 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위한 배터리 모듈 레이저 세정 장치로서,
    레이저빔을 발진하는 레이저 발생기;
    상기 레이저 발생기를 제어하는 컨트롤러; 및
    상기 레이저 발생기가 발진한 레이저빔을 광섬유(optical fiber)를 통해 전송받아 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 레이저 세정 헤드를 포함하며,
    상기 레이저 세정 헤드는,
    헤드 하우징과,
    상기 헤드 하우징 내에 위치하며, 상기 광섬유의 끝단에서 분산되는 레이저빔을 평행광으로 조준시키는 레이저빔 조준기와,
    상기 레이저빔 조준기를 거쳐 전송된 레이저빔을 스캔 모터에 장착된 미러로 고속 스캐닝하는 고속 갈바노 스캐너와,
    상기 고속 갈바노 스캐너에서 스캐닝된 레이저빔을 초점거리에서 포커싱하여 상기 배터리 모듈의 해당 표면에 조사하는 초점렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 세정 헤드는. 상기 초점렌즈 및 상기 초점렌즈 이전의 광학부품들을 보호하도록, 상기 초점렌즈 이후 구간에 장착된 보호창을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 초점렌즈는 f-theta인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 레이저 세정 작업 중 발생하는 분진을 제거하기 위한 집진수단을 더 포함하며, 상기 집진수단은 상기 배터리 모듈이 세정되는 세정 영역 근처에 설치된 집진포트를 포함하는 것 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 고속 갈바노 스캐너는 2개의 모터와 2개의 반사미러를 사용하는 2D 스캐닝 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저빔은 펄스파 형태의 파이버 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 셀의 위치를 파악하기 위한 비전 카메라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 비젼 카메라의 중심축과 상기 고속 갈바노 스캐너의 중심축이 동축을 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 모듈을 상기 레이저 세정 헤드에 의한 세정 영역으로 투입하고, 레이저 세정 완료 후, 와이어 본딩 공정이 수행되는 영역으로 상기 배터리 모듈을 이송시키는 이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 레이저 세정 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 배터리 모듈 레이저 세정 장치를 이용한 세정 방법으로서, 상기 배터리 셀의 전극부의 표면 또는 와이어에 의해 상기 배터리 셀의 전극부와 연결되는 전극 단자부 표면에 본딩 영역을 미리 정하고, 상기 레이저 발생기, 상기 광섬유, 상기 레이저빔 조준기, 상기 고속 갈바노 스캐너 및 상기 초점렌즈를 거쳐 상기 본딩 영역에 조사되는 레이저빔으로 상기 본딩 영역에 존재하는 이물을 제거하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
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