KR102301294B1 - 파이버 펄스형 레이저를 이용하여 버(Burr)를 제거하는 과정을 포함하는 전지셀 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀을 제조하는 방법에 있어서, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염을 식각에 의해 제거하는 공정을 포함하고, 상기 제거 공정은 파이버 펄스(fiber pulse)형 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 전지셀을 제공한다.

Description

파이버 펄스형 레이저를 이용하여 버(Burr)를 제거하는 과정을 포함하는 전지셀 제조방법 {Process for Preparing Battery Cell Comprising Ablation Step of Burr Using Fiber Pulse Type Laser}

본 발명은 파이버 펄스형 레이저를 이용하여 버(Burr)를 제거하는 과정을 포함하는 전지셀 제조방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.

여기서, 상기 각형 전지셀의 일반적인 구조와 그 간략한 제조방법을 설명하기 위한 모식도가 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 각형 전지셀(10)은 일반적으로, 전극조립체(11)를 제조하여 이를 캔 본체(12) 내부에 삽입한 후, 전극조립체(11)의 상부에 절연판(14)을 개재하여 전극조립체(11)와 탑 캡(13)의 쇼트를 방지하고, 상기 캔 본체(12)의 상단 개구에 탑 캡(13)을 용접(빨간색으로 표시)에 의해 결합하여 제조한다. 도면에 도시하지 않았으나, 이후, 상기와 같이 용접이 완료되면 탑 캡에 형성된 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 주입구가 밀봉된다.

그러나, 이와 같이 용접에 의해 캔 본체와 탑 캡의 밀봉을 행하는 경우에는, 레이저 등의 용접시 경계면에 버(Burr)가 발생하여 두께가 상승하며, 이물이 생성되는 등의 오염이 발생할 수 있고, 이러한 현상 때문에 외관 및 디멘젼(dimension)이 불량하여 수용자의 요구에 불응하는 바, 불량으로 잡혀 생산 효율성이 매우 떨어지는 문제가 있었다.

이에, 상기 문제를 해결하고자 외관 불량 전지셀에 대해 수작업으로 연마하는 양품화 과정을 진행하였으나, 이는 작업자 간의 수작업 편차로 2차적인 외관 불균일 현상이 발생하는 등의 문제가 있었을 뿐 아니라, 모든 과정이 수작업으로 진행되어야 하므로 효율성이 매우 저하되는 문제가 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 레이저 용접시 발생하는 외관 불량을 해결할 수 있는 기술에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀을 제조하는 방법에 있어서, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염을 파이버 펄스(fiber pulse)형 레이저에 의해 미세하게 제거하는 경우, 용접면의 외관이 균일해지고, 자동화에 의해 제거 공정이 가능한 바, 작업간의 편차가 적을 뿐 아니라 공정 효율성이 높아짐을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염을 식각에 의해 제거하는 공정을 포함하고, 상기 제거 공정은 파이버 펄스(fiber pulse)형 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 금속 소재의 캔 케이스를 사용하여 전지셀을 제조하는 경우, 전극조립체를 수납하는 캔 본체와, 전극조립체의 전극 단자들과 전기적으로 연결되면서 캔 본체를 밀봉하기 위한 탑 캡을 용접함으로써 전지셀을 제조한다.

이때, 상기 용접에 있어서는 예를 들어, Nd:YAG 레이저, 또는 이산화탄소(CO₂) 레이저 등을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 레이저 용접 후의 용접 부위에는 용접시 녹았다가 굳어지는 현상에 의해 발생한 금속 돌출형 이물인 버(Burr)나, 높은 온도에 의해 발생하는 그을음과 같은 오염이 발생하고, 이는 외관 불량 등으로, 사용자들로부터의 불만이 높아, 이를 해결하기 위한 연구가 계속되어 왔다.

이에, 본 출원의 발명자들은 수많은 레이저들을 대상으로 다양한 조건 하에서 심도있는 연구를 거듭하였고, 그 결과, 상기 버 등을 제거하기 위해 특정 조건을 만족하는 파이버 펄스형 레이저를 사용하는 경우, 전지셀의 손상을 최소화하면서도 버(burr) 등을 보다 간단한 방법으로 제거할 수 있고, 각각의 전지셀들마다 발생하는 편차를 또한 줄일 수 있음을 밝혀내었다.

일반적으로 파이버 레이저는 CO₂ 레이저 등에 비해 출력은 작으나 정밀한 가공작업을 수행할 수 있어 본 발명에 적합하다. 이때, 상기 파이버 레이저는 그 발진 방식에 따라 구분되는데, 여기서, 상기 발진방식은 광공진기의 증폭에 의해 직류에너지를 교류에너지로 변환하는 방식을 의미하며, 크게 연속(CW)형 동작 방식과 펄스(pulse)형 동작 방식으로 구분할 수 있다. 연속 동작 방식은 레이저 광이 일정한 세기로 지속적으로 동작하고, 펄스 동작 방식은 순간적으로만 레이저 빛이 발생하며 펄스의 폭과 반복율에 의해 주기적으로 동작한다.

본 발명에서는, 파이버 연속파(CW: Continuous Wave) 발진방식의 레이저와 비교하여, 파이버 펄스 발진방식의 레이저가 레이저에서 출력되는 에너지의 제어가 용이하여 버 등의 제거를 좀더 면밀히 수행할 수 있을 뿐 아니라, 전지셀의 손상도 덜하므로 상기 제거 공정에 가장 바람직하다는 사실을 확인할 수 있다.

또한, 상기 파이버 펄스형 레이저에서 출력되는 파장 범위는 상세하게는, 700 내지 1200 nm일 수 있다.

이는 상기 파장범위 내의 레이저가 가공 모재의 열손상을 최소화하고 버 등을 제거 작업에 용이하기 때문이다. 상기 범위를 벗어나 너무 짧은 파장 범위를 가지는 경우, 좀더 정밀한 작업은 가능하나, 고가이므로 비용적인 측면에서 손해가 있어 가성비가 좋지 않으며, 상기 범위를 벗어나 긴 경우에는 본 발명에 소망하는 정도의 정밀성을 얻을 수 없고, 버 등이 제거되지 못하고 남아있을 수 있는 바 바람직하지 않다.

이때, 상기 파이버 펄스형 레이저로 제거되는 용접시 발생하는 버의 두께는 5 내지 40 ㎛, 상세하게는 10 내지 30 ㎛ 일 수 있다.

상기 범위를 벗어나, 너무 얇게 제거되는 경우에는 버의 크기에 비해 작게 식각되어 완전히 버를 제거할 수 없어, 표면이 불규칙할 수 있으며, 제거되는 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 버와 함께 가공 모재 또한 손상될 수 있어, 바람직하지 않다.

상기 범위의 버를 제거하기 위해 사용되는 파이버 펄스형 레이저는, 제거하고자 하는 버의 상세한 두께에 따라 그 조건이 설정될 수 있다.

구체적으로, 소망하는 정도의 버의 식각을 위해서는, 레이저의 스폿(Spot) 사이즈, 스폿 중첩률, 펄스 반복율, 스폿 해칭 갭, 속도, 에너지, 출력, 펄스 폭, 등의 정밀한 제어가 필요하다.

먼저, 상기 제거공정에 사용되는 레이저의 스폿 사이즈는, 5 내지 30 ㎛, 상세하게는, 10 내지 30 ㎛, 더욱 상세하게는 10 내지 25 ㎛일 수 있다.

상기 스폿 사이즈는 앞서 설명한 종래의 Nd:YAG 레이저 장치의 최적 스폿 사이즈에 비해 50% 이상 작은 크기이므로, 버 등의 제거 작업의 정밀성을 높일 수 있고, 동일한 작업에 소요되는 장치 전력량을 크게 줄일 수 있다.

상기 범위를 벗어나, 레이저의 스폿 사이즈가 너무 작은 경우에는, 에너지 밀도가 너무 증가해 소망하지 않은 정도의 식각을 발생시켜 전지셀 모재에 손상을 입힐 수 있고, 사이즈가 너무 큰 경우에는, 출력 밀도가 낮아 식각이 이루어지지 않고, 오히려 용융이 발생하므로, 불규칙한 용융물이 융착되어 더욱 외관을 불량하게 하는 바, 상기 스폿 사이즈로 조절하는 것은 매우 중요하다.

상기 범위의 스폿 사이즈를 가지는 경우에도, 일정한 범위의 스폿 중첩률을 가질 때, 바람직한 식각이 가능하고, 식각 정도는 스폿 중첩률에 영향을 받는다.

구체적으로, 상기 스폿 중첩률이 증가하는 경우, 식각 정도도 증가한다. 따라서, 상기 범위의 두께를 제거하기 위한 스폿 중첩률은, 하나의 스폿 사이즈를 기준으로 15 내지 85%, 상세하게는 30 내지 70%일 수 있다.

상기 스폿 중첩률은, 레이저의 진행방향에서 인접하는 스폿들 간의 중첩되는 정도를 의미한다.

상기 범위를 벗어나, 스폿 중첩률이 15%로 미만인 경우에는 표면 식각이 거의 일어나지 않고, 스폿 중첩률이 85%를 초과하는 경우에는 식각 정도가 너무 커서 모재의 손상이 발생할 수 있는 문제가 있는 바, 바람직하지 않다.

한편, 이러한 상기 스폿 중첩률은, 가공시 속도, 펄스 반복율 등에 영향을 받는 바, 이러한 요소들의 조절함으로써 스폿 중첩률을 상기 범위로 만족하게 하면 소망하는 정도의 식각이 가능하다.

구체적으로, 상기 속도가 증가되는 경우, 스폿 중첩률이 떨어지고, 펄스 반복율이 증가되는 경우, 스폿 중첩률 또한 증가하는 바, 이들을 같이 조절하여, 즉 같이 증가시키거나, 같이 감소시켜 스폿 중첩률을 조절할 수 있다.

따라서, 상기 요소들이 만족해야 하는 수치 범위가 한정되는 것은 아니다. 다만, 실제 사용되는 레이저의 출력, 가성비 측면 등을 고려하여 바람직한 범위가 정해질 수 있다.

구체적으로, 상기 레이저의 속도는 500 내지 10000 mm/sec, 상세하게는 1000 내지 10000 mm/sec일 수 있다.

상기 레이저 속도는 레이저의 주파수에 의해서 변할 수 있으나, 상기 범위를 벗어나, 너무 속도가 느린 경우에는 동일 중첩률을 기준으로 속도를 높이는 경우에 비해 생산성이 떨어지고, 가공 모재에 열손상의 우려가 있고, 너무 빠른 경우에는 펄스 반복율도 함께 증가시켜야 상기 스폿 중첩율을 가질 수 있는데, 펄스 반복율을 증가시키는 경우, 출력이 떨어지므로, 이러한 출력을 높게 하기 위한 레이저의 가격이 증가하여 가성비 측면에서 좋지 않고, 레이저의 가공 헤드의 정밀한 제어가 어려운 바, 바람직하지 않다.

또한, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 스폿 중첩률은 펄스 반복율에도 영향을 받고, 펄스 반복율이 증가할수록 함께 증가한다. 상기 속도가 일정속도를 만족할 때, 상기 스폿 중첩률을 만족하기 위한 펄스 반복율은, 20 내지 400 KHz, 상세하게는 30 내지 300 KHz일 수 있다.

상기 스폿 중첩률과 유사하게, 본원발명 레이저를 사용한 버의 식각 정도는 스폿 해칭 갭(hatching gap)에도 영향을 받는다.

구체적으로, 상기 스폿 해칭 갭은, 상기 스폿 중첩률과 동일하게, 하나의 스폿 사이즈를 기준으로 15 내지 85% 상세하게는 30 내지 70%일 수 있다.

상기 스폿 해칭 갭은 레이저의 진행방향이 변하는 지점에서 제 1 방향의 스폿의 중심과 제 2 방향의 스폿의 중심사이의 거리를 의미한다.

상기 범위를 벗어나, 스폿 해칭 갭이 15% 미만인 경우에는 중첩되는 부분이 많아지는 것이므로 식각 두께가 증가하여 금속 캔에 영향을 줄 수 있으며, 식각 표면도 거칠어지는 문제가 있고, 85%를 초과하는 경우, 중첩이 이루어지지 않아 식각이 거의 일어나지 않으며 불규칙한 식각으로 표면에 해칭 갭이 나타나는 바, 바람직하지 않다.

한편, 레이저의 조사 에너지는 크면 클수록 제거에는 용이하지만, 열손상과 제거해야 할 버의 두께 등을 고려할 때, 0.2 내지 1.0 mJ, 상세하게는 0.5 내지 0.9mJ일 수 있다.

상기 범위를 벗어나 0.2mJ 보다 작은 경우에는 버 등의 제거가 잘 이루어지지 않고, 0.9 mJ를 초과하는 경우에는 식각 두께가 증가하여 금속 캔에 영향을 줄 수 있는 바, 바람직하지 않다.

이러한 상기 레이저의 조사 에너지는 레이저의 출력과, 펄스 폭에 의해 정해지는 데, 조사 에너지는 출력이 증가할수록, 펄스 폭이 증가할수록 함께 높아진다.

따라서, 이 역시, 상기 요소들이 만족해야 하는 수치 범위가 한정되는 것은 아니다. 다만, 실제 사용되는 레이저의 출력, 가성비, 식각 정도 등을 고려하여 바람직한 범위가 정해질 수 있다.

출력을 높이는데는 레이저의 종류에 따라 한계가 있고, 출력이 높아진다하더라도, 동일 중첩률에서는 펄스 폭이 소정 값 이상 나타내지 못하는 경우에는 식각이 이루어지지 않으므로, 상기 범위의 에너지 값을 가지기 위한 펄스 폭의 조절이 중요하다.

여기서, 상기 바람직한 범위의 레이저의 펄스 폭은, 0.15 ns 내지 200 ns, 상세하게는 10 내지 200 ns일 수 있다.

상기 범위를 벗어나, 펄스 폭이 너무 작은 경우에는 미세한 표면만 가공이 일어나 레이저 조사를 다수회 수행해야 하므로 공정 효율성이 떨어지며, 가성비가 좋지 않고, 상기 범위를 벗어나, 펄스 폭이 너무 큰 경우에는 가공 모재와 주변 부품들의 열손상이 발생할 확률이 높은 바 바람직하지 않다.

이상에서 설명한 바와 같이, 상기 파이버 펄스형 레이저가 상기 조건들을 만족하는 경우, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 발생하는 버(burr) 및 오염(fume) 등이 효과적으로 제거하면서도 모재에는 손상을 입히지 않고 외관을 균일하게 만들 수 있으며, 개별 작업자들이 아닌 조건들을 조절하여 레이저로 상기 제거 공정을 수행함으로써 각 전지셀마다의 편차도 줄일 수 있어, 보다 신뢰성 있게 양품의 전지셀을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 이와 같이 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염 등의 이물이 제거되어 용접 부위의 표면이 균일해진 전지셀을 제공한다.

상기 전지셀의 구체적인 구성, 예를 들어, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체 및 이에 함침되는 전해액 등의 구성은 종래 개시된 내용을 모두 포함하는 바, 본 명세서에서는 이의 기술을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀의 제조방법은 파이버 펄스 레이저를 사용하여, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염을 제거함으로써, 용접면의 외관이 균일해지고, 자동화에 의해 제거 공정이 가능한 바, 작업간의 편차가 적으므로 불량률을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 공정 효율성이 높아지는 효과가 있다.

도 1은 종래 각형 전지셀의 제조방법을 나타낸 모식도이다;

이하, 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실험예 1>

바람직한 스폿 중첩률과 에너지 조건을 확인하기 위해 Al 플레이트에 IPG 200W 2mJ의 파이버 펄스 레이저(빔 직경 30㎛)의 스폿 중첩률 및 에너지 조건을 달리하여 식각 수준을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

고정조건		주파수 200kHz, 펄스폭 120ns, 해칭 갭 33.3%
에너지(mJ)		0.5	0.7	0.9
중첩율(%)	30	8.7	9.8	20.8
	50	8.8	19.7	30.8
	70	14	24.2	45.3

상기 표 1을 참조하면, 상기 범위 내의 에너지와 중첩율을 가질 때, 식각 정도가 40 ㎛ 이하로 수행될 수 있다.

구체적으로, 에너지 값이 0.5mJ이하이면서, 중첩율이 30% 이하로 떨어지는 경우에는 식각 정도가 더 떨어진다는 것을 알 수 있고, 에너지 값이 0.9 mJ이고, 중첩율이 70% 이상으로 모두 그 값을 넘는 경우에는 식각 두께가 45 ㎛를 가지는 것을 확인할 수 있는 바, 상기 에너지와 중첩율이 동시에 상기 범위 이상을 가지는 것은 바람직하지 않다.

<실험예 2>

중첩률에 따른 식각 수준을 확인하기 위해, IPG 200W 2mJ의 파이버 펄스 레이저(빔 직경 30㎛)의 가공 속도와 펄스 반복율을 조절하여 중첩률을 변경함으로써 식각 정도를 확인하였고, 이를 하기 표 2에 도시하였다.

주파수(kHz)	200	200	200	200	200	200	200	200
속도(m/s)	9	8	7	6	5	4	3	2
중첩률(%)	10	20	30	40	50	60	70	80
식각두께	-	약 10 ㎛	약 15 ㎛	약 18 ㎛	약 20 ㎛	약 25 ㎛	약 30 ㎛	약 35 ㎛

표 2를 참조하면, 다른 조건을 고정한 가운데서 레이저 속도와 펄스 반복율을 조절하여 중첩률을 변경함에 따른 결과를 볼 수 있다.

구체적으로 중첩률이 증가할수록 식각 두께도 함께 증가한다. 따라서, 중첩률이 10%, 또는 그 이하로 더 떨어지는 경우, 식각 정도 역시 감소하고, 식각이 거의 일어나지 않음을 확인할 수 있으며, 중첩률이 증가할수록 식각 두께도 증가하기 때문에 상기와 같은 증가율에서 85%를 초과하면 40 ㎛ 이상으로 식각됨을 예상할 수 있다.

<실험예 3>

해칭 갭에 따른 식각 수준을 확인하기 위해, IPG 20W 파이버 펄스 레이저(빔 직경 30㎛)를 출력 80%, 펄스 반복율 20kHz, 속도 500mm/s, 펄스폭 200ns의 조건으로 고정하고, 해칭 갭만을 조절하여 식각 정도를 확인하였고, 이를 하기 표 3에 도시하였다.

해칭 갭(%)	7	17	27	34	50	67	87
식각두께	50 ㎛ 이상	약 40 ㎛	약 30 ㎛	약 20 ㎛	약 15 ㎛	약 10 ㎛	-

표 4를 참조하면, 다른 조건을 고정한 가운데서 해칭 갭이 증가할수록 식각 정도가 감소하고, 따라서 해칭 갭이 너무 작으면 식각이 너무 많이 일어나고, 너무 갭이 너무 크면 식각이 거의 일어나지 않음을 확인할 수 있다.

이상 본 발명의 실험예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 전지셀을 제조하는 방법에 있어서, 금속으로 이루어진 캔 본체의 개방 상단부에 탑 캡을 결합시키기 위한 레이저 용접시 용접 부위에 발생한 버(burr) 및 오염을 식각에 의해 제거하는 공정을 포함하고, 상기 제거 공정은 파이버 펄스(fiber pulse)형 레이저에 의해 수행되고,
   상기 레이저의 펄스 폭은 0.15 내지 200 ns이고,
   상기 레이저의 펄스 반복율은 20 내지 400 kHz 이고,
   상기 레이저의 에너지는 0.5 내지 0.9 mJ이고,
   상기 레이저의 속도는 500 내지 10000 mm/sec이고,
   상기 레이저의 스폿(Spot) 사이즈는 5 내지 30 ㎛이고,
   상기 레이저의 스폿 중첩률(%)은 하나의 스폿 사이즈를 기준으로 15 내지 85%이며,
   상기 레이저의 스폿 해칭 갭(hatching gap)은 하나의 스폿 사이즈를 기준으로 15 내지 85%인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저의 파장 범위는 700 내지 1200 nm인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저에 의해 제거되는 버의 두께는 0.1 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
12. 삭제

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