[논문]이차전지 전극용 Al-Cu의 레이저 용접

황승준; 김태완; 전욱상; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.001

이차전지 전극용 Al-Cu의 레이저 용접
Al-Cu Electrode Laser Welding for Rechargeable Battery 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.1 - 6

황승준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 김태완 (서울시립대학교 신소재공학과) , 전욱상 (서울시립대학교 신소재공학과) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as electric vehicles and hybrid vehicles are widely used, the use of rechargeable batteries is increasing. Electric and hybrid cars are made up of hundreds to thousands of electric cells depending on the car model. And the assembly process of the cells and modules requires a variety of bonding process. Meanwhile, in order to connect several cells in series, Cu used as a cathode and Al of an anode must be bonded. In this paper, the characteristics of Al and Cu metals, laser types, characteristics and principles of welding lasers for welding of Cu and Al electrodes are introduced.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Composition of laser resonator.
그림 Fig. 2. Principle of population inversion.
그림 Fig. 3. Disk laser resonator.¹⁹⁾
그림 Fig. 4. Solid state laser active medium heat problem.
그림 Fig. 5. Cu upper front bead shapes.
그림 Fig. 6. Excited energy level of the CO₂ molecules.
표 Table 1. Specifications for 6000W CW Yb:YAG laser
표 Table 2. Specifications for 400 W pulse green laser
그림 Fig. 7. CO₂ laser resonator.
그림 Fig. 8. Diode laser.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Al-Cu의 특성, 일반적으로 Al-Cuelectrode를 용접할 때 쓰이는 레이저의 종류과 원리, 기술, 동향에 대해 기술하고자 한다.

가설 설정

¹⁵⁾ CO₂ 레이저는 4개의 에너지 준위를 이동하며 4번의 진동 단계를 거친다. CO₂ 레이저의 활성 매질(laser active medium)은 CO₂로만 구성된 것이 아니다. 이 활성 매질은 CO₂, He, N₂의 혼합물이다.
레이저의 에너지 준위가 낮은 상태가 되면 전자는 빠르게 기저 상태로 붕괴되어 열을 발산시킨다. Nd ion의 낮은 레이저 준위는 기저상태보다 상당히 높다. 그 결과 낮은 레이저 준위는 결정이 기저상태에 있을 때 밀도가 조밀하지 않아서 밀도 반전분포(population inversion)을 생성하기가 쉬워진다.
Al 합금을 용접할 때 많은 기공이 발생하는 특징이 있다. 만약 용접부에 기공이 균일하게 분산된다면 강도에 큰 영향을 주지 않는다. 그러나 기공이 집중되거나, 크기가 큰 기공이 발생하면 강도에 영향을 미친다.
최근 친환경 전기자동차와 하이브리드 자동차에 대한 관심이 커지며, 재충전이 가능한 리튬이온 등의 이차전지들의 수요가 증가하고 있다. 이차전지는 수백, 수천개의 셀로 구성되어 있으며, 이 셀을 직렬로 연결하기 위해 양극으로 사용되는 Al과 음극으로 사용되는 Cu의 접합 방법이 필수적이다. 본 논문에서는 Al, Cu의 특성과 용접성, 레이저의 원리와 역사 및 Al-Cu 디스크 레이저 용접을 다루었다.

제안 방법

이차전지는 수백, 수천개의 셀로 구성되어 있으며, 이 셀을 직렬로 연결하기 위해 양극으로 사용되는 Al과 음극으로 사용되는 Cu의 접합 방법이 필수적이다. 본 논문에서는 Al, Cu의 특성과 용접성, 레이저의 원리와 역사 및 Al-Cu 디스크 레이저 용접을 다루었다. 본 저자들은 0.

대상 데이터

Al-Cu 용접에 사용된 디스크 레이저의 레이저 매질은 Yb:YAG로 구성된 얇은 결정 디스크이다. 직경이 15 mm미만이고 두께는 200 µm이다.
펌핑에너지의 예시로는 램프(lamp)를 이용하거나, 방전에 의하여 자유전자에 에너지를 주어 원자에 충돌시켜 바닥상태에서 들뜬상태로 올리는 등의 다양한 펌핑 방식을 사용한다. CO₂레이저는 분자 기체 레이저이다. 레이저 발진 과정중에 분자는 4가지 진동 모드를 보이며, 그 진폭을 바닥 및 들뜬 상태로 사용하는 여러 가지 예가 있다.
본 저자 등은 [Table 1, 2]에 나타낸 6k W급 CW형 Yb:YAG laser와 평균출력 400 W의 Green laser를 이용해질소 가스 분위기에서 0.2 mm 두께의 Cu와 0.4 mm 두께의 Al을 용접하였다. 레이저 출력은 2 kW, 빔은 직경 100µm으로 진행하였다.
이종재료에 주로 사용되는 레이저는 IR 파장을 갖는 disk 레이저와 fiber 레이저이다. Disk 레이저는 용접 중 표면에 플라즈마가 생성된다.

이론/모형

본 저자 등은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 스캐너 타입의 헤드를 이용해 빔 오실레이션 공법을 적용하였다. 또한 키홀을 안정화하기 위해 듀얼빔 공법을 사용하였다.
그리고 표면상태(전해연마, 샌딩처리, 일반판)에 따라 용접 품질이 달라 재현성이 좋지 않은 특성을 가지고 있다. 본 저자 등은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 스캐너 타입의 헤드를 이용해 빔 오실레이션 공법을 적용하였다. 또한 키홀을 안정화하기 위해 듀얼빔 공법을 사용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 Al, Cu의 특성과 용접성, 레이저의 원리와 역사 및 Al-Cu 디스크 레이저 용접을 다루었다. 본 저자들은 0.2 mm 두께의 Cu와 0.4 mm 두께의 Al을 디스크 레이저를 이용해 용접하였고, 용접 에너지가 80%일 때 용접부 비드 형상이 양호한 것을 확인할 수 있었다. 향후 열손실 및 냉각기술 개선 연구 등을 진행한다면 전기자동차, 배터리 등의 친환경 산업에 기여할 수 있을 것이다.

후속연구

4 mm 두께의 Al을 디스크 레이저를 이용해 용접하였고, 용접 에너지가 80%일 때 용접부 비드 형상이 양호한 것을 확인할 수 있었다. 향후 열손실 및 냉각기술 개선 연구 등을 진행한다면 전기자동차, 배터리 등의 친환경 산업에 기여할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이차전지의 특징은?	최근 전기자동차와 하이브리드 자동차가 확대 보급되면서 이차전지의 활용이 증가하고 있다. 더욱이 2차전지는 사용 후 재충전이 가능하여 지속적으로 사용이 가능하다. 그래서 이차전지인 리튬이온 배터리 제조에 세계적으로 많은 R&D가 집중되고 있다.
	초음파 용접의 장점은 무엇인가?	고상 용접인 초음파 용접은 가장 보편적으로 사용된다.2) 초음파 용접의 장점은 값싼 설비 투자비와 이종재료 접합간 생성되는 금속간 화합물(Intermetallic compound)이 최소로 형성되는 것이다. 그러나 초음파 용접은 접합부의 소재변형과 접합 두께가 제한적이다.
	그린레이저가 주목되는 이유는?	3) 그린레이저는 구리에 대한 레이저 흡수율이 상온에서 40%정도 되기 때문에 열전도 용접과 키홀용접 모두 가능한 장점이 있다. 그리고 구리의 표면 상태(전해연마, 샌딩처리, 일반판)에 관계없이 모두 같은 조건으로 비슷한 용접품질이 나오며, 재현성이 높은 특성을 지닌다. 그래서 이차전지 용접에 많이 적용되고 있다.4)

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