KR20200107280A - 리튬이차전지의 초음파 용접 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지의 초음파 용접 공정 최적화 방법에 관한 것으로, 구체적으로 리튬 이차전지의 전극 탭을 전극 리드에 초음파 용접하기 위한 공정 조건을 최적화하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 초음파 용접 공정 최적화 방법에 의하면 종래 방법 대비 피용접물의 용접 불량이 적게 나타나고 용접 강도도 우수하며, 최적의 초음파 용접 조건을 용이하게 도출할 수 있다.

Description

리튬이차전지의 초음파 용접 방법 및 그 장치 {Method for Optimizing Ultrasonic Welding Process of Lithium Secondary Battery and Apparatus Thereof}

본 발명은 리튬 이차전지의 초음파 용접 방법에 관한 것으로, 구체적으로 리튬 이차전지의 전극 탭을 전극 리드에 초음파 용접하기 위한 공정 조건을 최적화하는 방법에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 정도로, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지의 약 3배 용량을 가지며, 단위 중량 당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 셀 어셈블리와, 셀 어셈블리를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재 케이스를 구비한다.

리튬 이차 전지는 외장재 케이스의 형상에 따라, 셀 어셈블리가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 셀 어셈블리가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.

파우치형 이차 전지는 제조 비용이 저렴하고 에너지 밀도가 높으며 직렬 또는 병렬 연결을 통해 대용량의 전지 팩을 구성하기 용이하다는 장점이 있어서 최근 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 전력원으로 각광을 받고 있다.

이러한 파우치형 이차 전지는 판형으로 이루어진 전극 리드가 접속된 셀 어셈블리가 파우치 케이스에 전해액과 함께 밀봉된 구조를 가진다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 연결되거나, 이차 전지 상호 간을 전기적으로 연결하는데 사용된다. 구체적으로, 도 1과 같이 전극조립체(10), 전극 조립체로부터 연장되어 있는 복수의 전극 탭(20)들과, 전극 탭(20)들에 용접되어 결합된 전극 리드(30)와, 전극 조립체(10)를 수용하는 파우치 외장재(40)를 포함하여 구성된다.

한편, 전극 탭(20)과 전극 리드(30)를 용접할 때 사용되는 기법 중 초음파 용접은 열영향부(HAZ: Heat-affected zone)가 양호하고 얇은 금속박의 용접에 용이하다는 장점이 있다. 초음파 용접은 일반적으로 10000Hz 내지 75000Hz의 초음파 진동을 발생시키고, 금속 간에 초음파 진동을 국부적으로 적용시켜 피용접물의 용융 없이 용접시키는 고체 상태의 용접을 의미한다. 즉, 피용접물인 전극 탭(20)과 전극 리드(30)가 서로 접촉된 상태에서 초음파 용접기에 의해 초음파 진동이 가해지면, 전극 탭(20) 과 전극 리드(30)가 접촉한 면에서 진동과 함께 마찰열이 발생하면서, 전극 탭(20)과 전극 리드(30)가 서로 용융 없이 용접된다.

양극 탭과 양극 리드로 이루어진 양극 구조체는 주로 알루미늄이 사용되며, 음극 탭과 음극 리드로 이루어진 음극 구조체는 주로 구리 또는 니켈 도금된 구리가 사용되는데, 이와 같이 이원화된 소재로 인하여, 초음파 용접 공정의 조건도 달라지게 된다.

특히, 알루미늄으로 이루어진 양극 구조체의 경우 온도와 압력에 약하여 일부 과용접된 부위가 부분적으로 파단되어 용접 불량을 야기하기도 한다. 용접 부위의 전체적인 파단으로 이한 불량은 육안으로 확인할 수 있으나, 특정 포인트에서의 부분적인 용접 불량은 육안으로 확인이 매우 어렵다.

이와 관련하여, 초음파 용접 상태를 체크하는 방법으로서, 종래 기술에서는 피용접물 상에 감압지를 개재하여, 감압지의 색이 나타나는 포인트를 비전(vision) 검사함으로써, 피용접물의 용접 상태 및 불량 여부를 확인하였다.

그러나, 상기한 방법은 감압지에 색차로만 나타난 결과를 육안으로 체크하여, 공정 조건을 임의로 조정해 보면서 Trial & Error 방식으로 최적값을 찾는 것이므로, 다양한 변수가 존재하는 초음파 공정 조건을 미세하게 조정하는 것은 불가능하다. 또한, 육안으로도 체크되지 않는 미용접 또는 과용접의 문제가 발생할 수 있으므로, 신뢰성이 높지 않다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제10-2012-0096621호(특허문헌 1) 및 한국공개특허 제10-2015-0033268호(특허문헌 2)에서는 상기 비전 체크에 의한 신뢰도를 높이기 위한 방법을 제시하고 있으나, 고난이도의 초음파 용접 공정에 있어서, 용접 조건을 정밀하게 최적화하기 위한 방법은 여전히 제시하지 못하고 있다.

한국공개특허 제10-2012-0096621호 한국공개특허 제10-2015-0033268호

본 발명은 감압지를 이용하여 비전 검사를 통해 육안으로 체크하였던 초음파 용접 상태를 데이터화하여, 초음파 공정 조건 설정을 정밀하게 조정이 가능하도록 하는 데 목적이 있다. 나아가 종래의 방법으로는 쉽게 파단이 발생하여 최적의 조건을 찾기 어려웠던 고난이도 초음파 용접의 경우에도, 보다 용이하게 최적화된 초음파 용접 조건 도출이 가능한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 초음파 용접 방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.

피용접물에 검사영역을 설정하는 단계(s1);

피용접물의 검사영역이 포함된 용접 부위에 초음파 용접을 수행하는 단계(s2);

상기 검사영역의 온도 및 표면 압력을 측정하는 단계(s3);

상기 s3 단계의 측정된 온도에서 피용접물의 항복응력을 계산하는 단계(s4);

상기 s3 단계의 측정된 표면 압력과 상기 s4 단계의 항복응력을 비교하여 용접 조건을 조정하는 단계(s5).

상기 과정을 거쳐 초음파 용접 조건을 최적화하여 용접 상태의 편차를 줄일 수 있으며, 용접 강도를 더욱 높이는 것도 가능하다.

상기 표면 압력은 용접기의 혼(horn)로부터 검사영역에 가해지는 압력으로서, 초음파 용접 시 피용접물의 항복응력보다 더 큰 압력이 가해지는 경우 피용접물이 변형되거나 파단되어 불량이 발생할 수 있다.

한편, 상기 s5 단계에서는 피용접물의 탄성계수를 항복응력 및 표면 압력과 함께 비교함으로써 용접 조건을 보다 세밀하게 조정할 수 있다.

이때, 상기 용접 조건은 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간에서 하나 또는 둘 이상을 조정하는 것으로써 그에 따라 용접 부위의 용접 상태가 달라지게 된다.

상기 용접 조건 중 초음파 진동수는 통상 10000 내지 75000Hz가 가능하나, 이차전지의 전극 탭 및 전극 리드의 초음파 용접을 하기에 적합한 진동수로서 15000 내지 40000Hz일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20000 내지 25000Hz일 수 있다. 진동수가 15000Hz 미만인 경우 용접이 되지 않거나, 용접이 되더라도 부분적으로만 용접이 되어 불량이 발생할 수 있다. 또한, 진동수가 40000Hz를 초과하는 경우에는 전극 탭과 같이 약한 강성의 소재를 용접할 시 쉽게 파단이 발생할 수 있다.

또한, 상기 용접 압력은 바람직하게는 100 내지 900kPa, 더욱 바람직하게는 300 내지 700kPa일 수 있다. 용접 압력은 혼(horn)이 피용접물에 가하는 압력으로서 100kPa 미만일 경우 피용접물에 진동이 충분히 전달되지 않아, 용접 면적이 줄어들거나 용접이 되지 않을 수 있다. 반면, 900kPa를 초과하는 경우 박막 형태의 이차전지용 전극 탭 용접 시 과용접 또는 파단 현상이 나타날 수 있다.

상기 용접 시간은 0.1초 내지 2초, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1초일 수 있다. 용접 시간이 0.1초 미만으로 지나치게 짧은 경우 용접이 되지 않을 수 있으며, 2초를 초과하는 경우 마찰열이 과하게 발생하며, 용접 편차가 커지거나 과용접이 발생할 수 있다.

상기 피용접물은 구체적으로 구리 또는 알루미늄 소재일 수 있으며, 더욱 구체적으로 이차전지의 전극 리드 및/또는 전극 탭일 수 있다.

상기 온도 및 압력은 시트형 압력 센서 및 시트형 온도 센서를 피용접물 상에 배치하여 측정하는데, 시트형을 사용함으로써 박막 형태의 피용접물 상에 용이하게 적층하여 배치하는 것이 가능하다. 상기 온도 센서와 압력 센서의 적층 순서는 어느 것을 먼저하여도 무방하나, 피용접물의 온도를 보다 정확하게 측정하기 위하여, 피용접물 상에 배치하는 것이 바람직하며, 압력 센서는 혼(horn)으로부터 전달되는 압력을 정확하게 측정하기 위하여 온도 센서 상에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 검사 영역은 동일한 간격으로 이격되어 있는 둘 이상의 측정 포인트로 이루어질 수 있다. 상기 각각의 센서들은 다수의 포인트에서의 온도 및 압력을 각각 측정할 수 있으므로, 용접 부위의 면적 내 각 위치 별로 복수 개의 측정 포인트를 설정하는 경우 용접 상태를 더욱 세부적으로 판별할 수 있다.

구체적으로, 상기 용접 조건 조정은 상기 검사영역의 표면 압력이 상기 항복응력보다 작은 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 검사영역의 표면 압력은 혼(horn)으로부터 가해지는 힘에 의한 것으로, 항복응력보다 큰 경우 피용접물의 변형 및/또는 파단이 발생할 수 있으므로, 항복응력보다 작은 범위로 상기 조건들을 조정하는 것이 중요하다.

상기 최적화 방법을 수행하기 위한 초음파 용접 공정 최적화 장치는 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.

전극탭과 전극리드를 포함하는 이차전지;

혼(horn)과 앤빌(anvil)을 포함하며, 초음파를 이용하여 상기 전극탭과 전극 리드를 용접하는 초음파 용접기;

초음파 용접 시 용접 부위의 온도 및 압력을 측정하는 센서.

상기 초음파 용접기를 통해 상기 이차전지의 전극 탭과 전극 리드를 초음파 용접하도록 제어함과 동시에, 용접되는 부위의 온도와 압력을 측정하게 되며, 본 최적화 장치를 이용하여 측정한 결과를 토대로 상기한 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간 등 용접 조건을 조정하는 것이 가능하다.

또한, 상기 온도 및 압력을 측정하는 센서는 시트 형태로서 상기 전극 탭 및 전극 리드 상에 개재되는 것이 바람직하며, 센서의 적층 순서는 어느 것을 먼저 하여도 무방하나, 온도 센서, 압력 센서를 순차적으로 적층하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 초음파 용접 공정 조건 설정에 있어서, 초음파 용접 상태를 육안으로 확인하는 비전 검사를 통해 시행착오를 반복하며, 임의적으로 초음파 용접 공정 조건을 최적화하던 기존의 방법을 개선한 것이다. 본 발명에 의한 초음파 공정 조건 최적화 방법은 초음파 용접 시 피용접물의 온도 및 표면에 가해지는 압력, 항복응력 및 탄성계수 등 측정된 데이터를 기반으로 하여 초음파 공정 조건을 최적화하는 방법으로서, 본 발명의 최적화 방법에 따르면 피용접물의 물성 및 공정 조건의 각 데이터 모니터링을 통하여 종래 방법으로는 설정이 어려웠던 초음파 용접 조건도 용이하게 도출이 가능하다.

또한, 본 발명의 방법에 따라 공정 조건을 최적화하여 초음파 용접을 수행하는 경우 용접 불량이 현저히 감소되며, 피용접물의 용접 강도도 종래 방법 대비 높게 나타날 수 있다.

도 1은 일반적으로 사용되는 파우치형 리튬 이차전지의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 초음파 용접 공정 최적화 장치의 일 실시형태에 따른 각 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 초음파 용접 공정에 따라 초음파 용접 공정 최적화 장치의 혼(horn)이 전극 탭 및 전극 리드로 이루어진 전극 구조체를 용접하는 일 실시형태를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 초음파 용접 공정 최적화 장치의 일 실시 형태에 따른 혼(horn)의 세부 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 피용접물 검사영역에 복수의 측정 포인트를 설정한 일례를 도시한 것이다.
도 6는 기존 초음파 용접 상태 확인 방법에 따라 비전 검사에 사용된 감압지의 사진이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 양태에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 및 변형예가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 「연결」되어 있다고 할 때, 이는 「직접적으로 연결되어 있는 경우」뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 「전기적으로 연결」되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 “상에” 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 「약」, 「실질적으로」 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 「이들의 조합(들)」의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 피용접물의 일례로서, 전극 탭과 전극 리드 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지의 구조를 도시한 것이다. 파우치형 이차전지는 전극조립체(10), 전극 조립체로부터 연장되어 있는 복수의 전극 탭(20)들과, 전극 탭(20)들에 용접되어 결합된 전극 리드(30)와, 전극 조립체(10)를 수용하는 파우치 외장재(40)를 포함하여 구성되는데, 전극 탭(20)과 전극 리드(30)를 용접에 의해 전기적으로 연결되게 된다. 이때 열용접 또는 초음파 용접 기법이 사용될 수 있으나, 열용접은 내부 전극조립체에 영향을 줄 수 있는 단점이 있으며, 초음파 용접에 비하여 균일성이 떨어지므로 초음파 용접이 더욱 선호된다. 따라서, 본 발명은 전극 탭과 전극 리드의 용접과 같은 얇은 금속박 용접에 있어서, 측정 데이터에 기반한 초음파 용접 방법을 제공한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접 장치에 의해서 초음파 용접되는 이차 전지의 전극 구조체를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 용접 장치(100)는 초음파 발진기(110), 초음파 진동자(120), 부스터(booster)(130) 및 혼(horn)(140)을 포함한다.

상기 초음파 발진기(110)는 60Hz의 AC 전류를 20kHz 이상의 고주파 전류로 변환시켜 초음파 진동자(120)에게 공급하는 기능을 수행한다.

초음파 진동자(120)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 역할을 하며, 초음파 압전자라고 불리기도 한다. 즉, 초음파 발진기(110)에서 생성된 고주파 전류는 초음파 진동자(120)에 의해 초음파로 변환되고, 이렇게 변환된 초음파는 부스터(130)로 이동한다. 부스터(130)는 전달받은 초음파를 증폭시켜 혼(140)으로 전달한다.

혼(140)은 앤빌(anvil)(170) 상에 놓인 복수의 전극 탭들의 표면을 일정 하중으로 가압하고, 동시에 부스터(130)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극 탭들로 인가시킴으로써, 양극 탭들과 음극 탭으로 각각 이루어진 전극 탭(20)들을 각각 1차 용접한다. 또한, 혼(140)은 1차 용접 완료된 전극 탭(20)과 전극 리드가 서로 접촉된 상태에서, 전극 리드(30)의 표면을 일정 하중으로 가압하고 부스터(130)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극 리드(30)로 인가시킴으로써, 상기 전극 리드(30)와 전극 탭(20)을 각각 용접시킨다.

즉, 혼(140)은 전극 탭(20)과 접촉된 전극 리드(30)를 일정 압력으로 누르고 부스터(130)로부터 전달받은 증폭된 초음파를 전극용 리드(30)에 인가시키는 것이다. 이에 따라, 전극 탭(20)과 전극 리드(30)의 접촉 면에서 마찰열이 발생되고, 이 발생된 마찰열을 통해 전극 탭(20)과 전극 리드(30)가 서로 용접되면서 전기적으로 연결된다.

도 4는 상기 혼(140)의 일 실시형태로서 초음파 진동을 더욱 균일하게 전달하기 위한 구조로 이루어져 있다.

도 4를 참조하면, 혼(140)과 전극 리드(30) 및/또는 전극탭(20)으로 초음파 진동을 전달하는 복수의 접촉부재(141)를 포함할 수 있다.

상기 접촉부재(141)의 끝단은 소정의 면적으로 형성되고, 접촉부재(141)의 끝단 면적이 혼(140)의 가압면 밀도를 결정한다. 여기서, 혼(140)의 가압면 밀도는 전극 리드(30)를 가압하면서 초음파를 발신하는 혼(140)의 끝단 면적에 대한 밀도로서, 혼(140)의 하면의 단위 면적에 포함되는 접촉부재(141)의 끝단 면적을 의미한다.

상기 혼(140)에 형성된 접촉부재(141)의 끝단 면적은 서로 동일하되, 필요에 따라 다수의 접촉부재(141)가 밀집되어 형성될 수 있으며, 이에 따라 끝단 면적의 총합보다 크게 되어, 결과적으로 가압면 밀도를 높게 형성할 수 있다. 부연하면, 용접 강도를 높은 수준으로 향상시키기 위해서, 가압면 밀도를 높게 설정하는 것이 가능하다.

한편, 전극 탭 및 전극 리드 상에는 시트형 센서가 각각 적층될 수 있다. 구체적으로 압력 센서(150)와 온도 센서(160)가 적층될 수 있는데, 상기 압력 센서(150) 및 온도 센서(160)의 적층 순서는 어느 것이 먼저여도 무방하나, 전극 탭(20) 및/또는 전극 리드(30) 상에 먼저 피용접물의 온도 변화를 정확히 측정하기 위하여 온도 센서(160)를 적층한 후, 그 위에 압력 센서(150)를 적층하는 것이 혼(140)으로부터 받는 압력을 더욱 정확히 측정하기에 유리하므로 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 접촉부재(141)의 형상은 도 4에 핀(pin) 형상인 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 사각 기둥 형상, 삼각 기둥 형상, 테이퍼 형상, 반구 형상, 뿔 형상, 쐐기 형상 등과 같은 다양한 형상의 접촉부재가 채택되어 초음파 용접에 적용될 수 있음을 분명히 해 둔다.

한편, 본 발명은 초음파 용접 시 검사영역을 설정하고, 검사영역에서 온도 및 압력을 센서에 의해 측정하게 되는데, 이때 검사영역은 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 측정포인트를 포함할 수 있다. 측정 포인트는 가급적 균일한 간격으로 다수 형성할수록 용접 상태를 더욱 정밀하게 판별할 수 있게 된다.

이하 본 발명에 의한 초음파 용접 방법 및 이를 위한 장치를 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 초음파 용접 방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.

피용접물에 검사영역을 설정하는 단계(s1);

피용접물의 검사영역이 포함된 용접 부위에 초음파 용접을 수행하는 단계(s2);

상기 검사영역의 온도 및 표면 압력을 측정하는 단계(s3);

상기 s3 단계의 측정된 온도에서 피용접물의 항복응력을 계산하는 단계(s4);

상기 s3 단계의 측정된 표면 압력과 상기 s4 단계의 항복응력을 비교하여 용접 조건을 조정하는 단계(s5).

상기 과정을 거쳐 초음파 용접 조건을 최적화하여 용접 상태의 편차를 줄일 수 있으며, 용접 강도를 더욱 높이는 것도 가능하다.

상기 표면 압력은 용접기의 혼(horn)로부터 검사영역에 가해지는 압력으로서, 초음파 용접 시 피용접물의 항복응력보다 더 큰 압력이 가해지는 경우 피용접물이 변형되거나 파단되어 불량이 발생할 수 있다.

한편, 상기 s5 단계에서는 피용접물의 탄성계수를 항복응력 및 표면 압력과 함께 비교함으로써 용접 조건을 보다 세밀하게 조정할 수 있다. 구체적으로 항복응력에 따른 표면 압력을 조정함에 있어서, 탄성계수의 크기를 고려하여 그에 따라 조정하는 수치범위를 더욱 정밀하게 조정할 수 있다.

이때, 상기 용접 조건은 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간에서 하나 또는 둘 이상을 조정하는 것으로써 그에 따라 용접 부위의 용접 상태가 달라지게 된다.

상기 용접 조건 중 초음파 진동수는 바람직하게는 통상 10000 내지 75000Hz가 가능하나, 이차전지의 전극 탭 및 전극 리드의 초음파 용접을 하기에 적합한 진동수로서 15000 내지 40000Hz일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20000 내지 25000Hz일 수 있다. 진동수가 15000Hz 미만인 경우 용접이 되지 않거나, 용접이 되더라도 부분적으로만 용접이 되어 불량이 발생할 수 있다. 또한, 진동수가 40000Hz를 초과하는 경우에는 전극 탭과 같이 약한 강성의 소재를 용접할 시 쉽게 파단이 발생할 수 있다.

또한, 상기 용접 압력은 바람직하게는 100 내지 900kPa, 더욱 바람직하게는 300 내지 700kPa일 수 있다. 용접 압력은 혼(horn)이 피용접물에 가하는 압력으로서 100kPa 미만일 경우 피용접물에 진동이 충분히 전달되지 않아, 용접 면적이 줄어들거나 용접이 되지 않을 수 있다. 반면, 900kPa를 초과하는 경우 박막 형태의 이차전지용 전극 탭 용접 시 과용접 또는 파단 현상이 나타날 수 있다.

상기 용접 시간은 0.1초 내지 2초, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1초일 수 있다. 용접 시간이 0.1초 미만으로 지나치게 짧은 경우 용접이 되지 않을 수 있으며, 2초를 초과하는 경우 마찰열이 과하게 발생하며, 용접 편차가 커지거나 과용접이 발생할 수 있다.

상기 피용접물은 구체적으로 구리 또는 알루미늄 소재일 수 있으며, 구리는 도금된 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는 이차전지의 구조 상 얇은 박막으로 이루어진 구성인 전극 탭 및/또는 전극 리드일 수 있다.

상기 온도 및 압력은 시트형 압력 센서 및 시트형 온도 센서를 피용접물 상에 배치하여 측정하는데, 시트형을 사용함으로써 박막 형태의 피용접물 상에 용이하게 적층하여 배치하는 것이 가능하다. 상기 온도 센서와 압력 센서의 적층 순서는 어느 것을 먼저하여도 무방하나, 피용접물의 온도를 보다 정확하게 측정하기 위하여, 피용접물 상에 배치하는 것이 바람직하며, 압력 센서는 혼(horn)으로부터 전달되는 압력을 정확하게 측정하기 위하여 온도 센서 상에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 검사 영역은 동일한 간격으로 이격되어 있는 둘 이상의 측정 포인트로 이루어질 수 있다. 상기 각각의 센서들은 다수의 포인트에서의 온도 및 압력 측정이 가능하므로, 용접 부위의 면적 내 각 위치 별로 복수 개의 측정 포인트를 설정할 수 있으며, 설정된 측정 포인트의 수가 많을 수록 용접 상태를 더욱 세부적으로 분석할 수 있다.

구체적으로, 상기 용접 조건 조정은 상기 검사영역의 표면 압력이 상기 항복응력보다 작은 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 검사영역의 표면 압력은 혼(horn)으로부터 가해지는 힘에 의한 것으로, 항복응력보다 큰 경우 피용접물의 변형 및/또는 파단이 발생할 수 있으므로, 항복응력보다 작은 범위로 상기 조건들을 조정하는 것이 중요하다.

상기 최적화 방법을 수행하기 위한 초음파 용접 공정 최적화 장치는 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.

전극탭과 전극리드를 포함하는 이차전지;

혼(horn)과 앤빌(anvil)을 포함하며, 초음파를 이용하여 상기 전극탭과 전극 리드를 용접하는 초음파 용접기;

초음파 용접 시 용접 부위의 온도 및 압력을 측정하는 센서.

상기 초음파 용접기를 통해 상기 이차전지의 전극 탭과 전극 리드를 초음파 용접하도록 제어함과 동시에, 용접되는 부위의 온도와 압력을 측정하게 되며, 본 최적화 장치를 이용하여 측정한 결과를 토대로 상기한 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간 등 용접 조건을 조정하는 것이 가능하다.

예를 들어 초음파 진동수를 높이는 경우 진동에 의한 마찰열로 인한 온도 상승이 가파르게 되며, 용접 시간을 단축할 수 있다. 그러나, 이 경우 항복응력이 낮아지므로, 쉽게 변형이나 파단이 발생할 수 있는 문제가 있다.

용접 시간의 경우 시간이 너무 짧으면 용접이 충분히 이루어지지 않을 수 있으나, 지나치게 장시간 용접을 진행하는 경우 피용접물이 온도가 과도하게 상승하여 변형으로 인해 용접 불량이 발생할 수 있다.

용접 압력의 경우, 압력이 높을수록 초음파 진동기로부터 발생한 진동을 혼(horn)을 통하여 전달하는 효율이 올라가지만, 피용접물의 항복응력을 초과하는 압력을 가하는 경우 변형 및 용접 불량이 발생할 수 있다.

따라서, 상기 3가지 조건들은 각각의 상호작용을 고려하여 조정할 필요가 있다. 이에 본 발명에서는 상기 조건들을 구체적인 데이터에 기반하여 최적화할 수 있는 용접 방법을 제공한다.

또한, 상기 온도 및 압력을 측정하는 센서는 상기 전극 탭 및 전극 리드 상에 개재되는 것이 바람직하며, 센서의 개재 순서는 어느 것을 먼저 하여도 무방하나, 앤빌을 기준으로 하여 먼저 온도 센서를 개재하고 그 위에 압력 센서를 개재하는 방법으로, 순차적으로 적층할 경우 더욱 바람직하다. 이때, 상기 온도 및 압력 센서는 시트 형태인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

실시예 1

도 2에 도시된 것과 같은 초음파 용접 공정 최적화 장치(100)에, 양극 탭 및 양극 리드의 소재인 알루미늄 박막을 2장 준비하여, 초음파 용접을 수행하였다. 사용한 알루미늄 박막의 두께는 각각 50㎛ 및 200㎛였다.

먼저 앤빌(170) 상에 상기 박막들을 겹치도록 하여 올려 놓았다. 그 다음, 겹쳐진 박막들 위에 시트형 온도센서(160) 및 압력센서(150)을 순차적으로 올려 놓았다.

온도 및 압력을 측정할 검사영역은 겹쳐진 박막들의 용접이 이루어지는 용접 면적을 기준으로 중앙에 설정하였다.

초음파 발진기(110)를 가동한 후 혼(140)으로 박막에 0.3초간 20000Hz의 진동을 가하여 초음파 용접을 수행하였다. 이때, 온도 센서 및 압력 센서를 이용하여 검사영역에서 혼(140)에 의해 가해진 표면 압력과 진동에 의한 마찰력에 의하여 상승한 최종 온도를 측정하였다.

실시예 2

음극 탭 및 음극 리드의 소재인 구리 박막을 50㎛인 것과 200㎛인 것을 각각 준비한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 초음파 용접을 수행한 후, 표면 압력 및 온도를 측정하였다.

한편, 상기 실시예 1, 2의 측정된 최고 온도 조건에서 ATM E8 규격의 인장시험 방법에 따라 실시예 1, 2와 동일한 피용접물(두께 50㎛)의 항복응력을 계산하였다. 항복응력은 소성변형을 발생시키지 않고 재료에 가해질 수 있는 최대 응력의 정도를 의미하며, 재료가 특정한 영구 변형을 나타낼때의 응력이며 탄성한계의 실제적인 근사값이다. 이는 Offset yield strength의 stress-strain 선도에서 측정된다. stress-strain 곡선에서의 교점(교선)에 대응하는 응력이고, 그것의 직선 구간이 특정 변형률로 offest되어 평행이동한 직선이다. 본 실시예에서는 금속에서의 통상적으로 실시되는 offset 0.2%에서 수행하였다. 한편, 추가로 상기 온도 조건의 탄성계수를 계산하여 상기 측정 결과와 함께 하기 표 1에 나타내었다.

구분	소재	박막두께 (㎛)	용접시간 (초)	최고온도 (℃)	표면 압력 (kPa)	항복응력 (kPa)	탄성계수	평가
실시예 1	알루미늄	50	0.3	46	700	600	69	과용접
		200
실시예 2	구리	50	0.3	48	700	800	110	적합
		200

상기 표 1에 나타난 바와 같이 구리 박막을 용접한 실시예 2의 경우 용접 상태가 적합한 것으로 나타났으나, 알루미늄을 사용한 실시예 1의 경우 표면 압력이 항복응력보다 높아 과용접이 발생한 것을 알 수 있다. 따라서, 적합한 용접 상태를 얻기 위해서는 진동수를 낮추거나 용접시간을 단축하거나 인가하는 압력을 직접 낮추는 등 최적의 범위 내에서 용접 조건을 조정할 수 있다. 이때, 상기 탄성계수의 크기를 고려하여, 그에 따라 공정 조건을 변경 시 조정하는 수치 범위를 정할 수 있다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 알루미늄 박막 2장에 대하여 온도 센서와 압력 센서를 이용한 측정하는 것 대신 종래의 방법인 감압지를 이용하여 실험을 진행하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다. 본 비교예 1 실험의 경우 측정방법을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건으로 진행하였으므로, 실시예 1과 마찬가지로 과용접되었을 것이 예측되었다. 그러나 도 6에 나타난 바와 같이 감압지를 육안으로 관찰한 결과만으로는 과용접되었는지 여부를 판별할 수 없었다.

10 : 전극조립체
20: 전극 탭
30 : 전극 리드
40 : 파우치 외장재
100 : 초음파 용접 공정 최적화 장치
110 : 초음파 발진기
120 : 초음파 진동자
130 : 부스터
140 : 혼
141 : 접촉부재
150 : 압력 센서
160 : 온도 센서
170 : 앤빌

Claims (15)

1. 피용접물에 검사영역을 설정하는 단계(s1);
   피용접물의 검사영역이 포함된 용접 부위에 초음파 용접을 수행하는 단계(s2);
   상기 검사영역의 온도 및 표면 압력을 측정하는 단계(s3);
   상기 s3 단계의 측정된 온도에서 피용접물의 항복응력을 계산하는 단계(s4);
   상기 s3 단계의 측정된 표면 압력과 상기 s4 단계의 항복응력을 비교하여 용접 조건을 조정하는 단계(s5);를 포함하는 초음파 용접 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 표면 압력은 용접기의 혼(horn)으로부터 검사영역에 가해지는 압력인 것인 초음파 용접 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 s5 단계에서 피용접물의 탄성계수를 함께 비교하여 용접 조건을 조정하는 것인 초음파 용접 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 s5 단계의 용접 조건은 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간인 것인 초음파 용접 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 초음파 진동수는 15000 내지 40000Hz인 것인 초음파 용접 방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 용접 압력은 100 내지 900kPa인 것인 초음파 용접 방법
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 용접 시간은 0.1초 내지 2초인 것인 초음파 용접 방법
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 피용접물은 구리 또는 알루미늄 소재인 것인 초음파 용접 방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 피용접물은 전극 리드 또는 전극 탭인 것인 초음파 용접 방법.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 온도 및 압력은 시트형 센서를 검사영역 상에 배치하여 측정하는 것인 초음파 용접 방법.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 검사영역은 동일한 간격으로 이격되어 있는 둘 이상의 측정 포인트로 이루어진 것인 초음파 용접 방법.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 용접 조건 조정은 상기 검사영역의 표면 압력이 상기 항복응력보다 작게 나타나는 범위 내에서 이루어지는 것인 초음파 용접 방법.
    
13. 전극탭과 전극리드를 포함하는 이차전지;
    혼(horn)과 앤빌(anvil)을 포함하며, 초음파를 이용하여 상기 전극탭과 전극 리드를 용접하는 초음파 용접기;
    초음파 용접 시 피용접물의 온도 및 압력을 측정하는 센서;를 포함하며,
    상기 초음파 용접기로 이차전지의 전극 탭과 전극 리드를 피용접물로 하여 초음파 용접하도록 제어함과 동시에,
    피용접물의 온도 및 피용접물에 가해지는 압력을 측정하여 용접 조건을 조정하는 초음파 용접 장치.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 용접 조건은 초음파 진동수, 용접 압력 및 용접 시간인 것인 초음파 용접 장치.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 온도 및 압력을 측정하는 센서는 상기 피용접물 상에 개재되는 것인 초음파 용접 장치.

Images