LDB에서 나타나는 상은 4단계 상(phase)으로 분류되는데, 솔더 예비성형체는 노즐 안으로 유입되어 정의된 지속시간의 레이저펄스로 조사된다[27]. 예비성형체 는 액상선온도에서 가열되어 노즐습윤의 원인이 된다. 질소압력에 의해서 액상의 브레이징 용적은 노즐로 부터 분출된다. 용융된 브레이징 용적은 계속적으로 압전 세라믹과 구리와이어의 금속화로 습윤시켜 고정된 기기계인 접합을 하게 된다. 접 합에 영향을 주는 제조인자는 레이저출력, 펄스지속시간, 질소압력, 노즐사이의 거 리 및 기판의 금속화이다.
Stein 등[27]은 Cu89Sn11 비성형체를 이용한 LDB 기술을 검토하으며, 압세라 믹 액추에이터 모듈의 기기계식을 원활히 하기 위해서 기존의 WC/Co노즐과 비교
해서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 노즐재료와 형태를 조사하였다. 특히 접 합부 위치의 정확성, 접합부 높이 및 분리 시간에 미치는 노즐의 영향 을 평가하여 매우 긍정인 해결책을 찾아내었다.
Jeromen 등[28]은 Ni과 Ag15Cu80P5 합금호일을 사용하여 여러 두께로 레이저 용적발생법을 시도하였다. 이 방법은 특히 더 작은 용적의 발생 시에 유동성을 향 상시킬 수 있었으며, 열적 안정성을 가져다주었다.
레이저 용적 브레이징법[29]은 크게 와이어 브레이징과 구형(spherical)의 예비 성형체를 활용할 수 있다. 와이어 브레이징의 사용에서는 내구력이 있는 접속이 이 러한 방법으로 형성시킬 수 있지만, 하나의 용적을 만드는데 재생산성은 낮다. 용 적용융이 모든 방향에서 와이어의 끝부분에서 진동하기 때문에 표면에서 용적 위 치가 분산되는 경향이 있다. 더욱이 용적의 크기는 임의로 조절 할 수 없고, 1mm 이하라고 하는 낮은 제한을 받기 때문에 접합높이에 대한 요구를 만족시키기 힘들 다. 브레이징 용적의 대량작업에서는 세라믹부품에서 높은 열 응력을 받아 종종 모 듈 내에서 균열을 발생시키는 단점이 있다. 구형의 예비 성형체를 사용하는 경우, 세라믹복합재료의 모듈에 대한 손상을 방지하고, 브레이징 접속에 한 재생산성을 향상할 수 있다. 또한 브레이징 용적 의 양 뿐만 아니라 비행경로(flight path)도 조할 수 있다[29]. Fig. 2.3에서 보는 바와 같이, 비행경로는 노즐과 질소의 후압력 에 의해 조사되는데, 원하는 접촉점위에 브레이징 용적을 떨어뜨린다.
압전기부품을 경량 구조체 내에 통합시키는 경우, 기계인 진동에 대한 센싱 혹은 활성 감쇠(active damping)에 한 가능성을 높이거나 혹은 에너지 수확 (harvesting)에도 활용할 수 있다. 또한 압전기모듈은 600℃까지의 고온에 노출되 기 때문에 전기적 접촉부위가 고온하중에 견디기 해서는 최소한의 접합높이가 필 요하다. 그러나 다이캐스팅 동안의 높은 압력에 비해 200㎛ 이하의 매우 작은 접 합높이가 요구되고 있다[30].
Quentin 등[30]은 연속으로 대량의 브레이징 용적을 만들어내기 위하여 구형의 비성형체를 사용하였다. 예비성형체 직경을 노즐의 출구직경보다 크게 하여 노즐출 구를 막은 상태에서, 질소를 가압하여 브레이징 볼이 노즐로부터 분출되어 나오도 록 구성하였다.
Fig. 2.4와 같은 방법으로 단일 브레이징 구(sphere) (Cu89Sn11, d=600㎛)를 노 즐안으로 공급하고 노즐출구를 막고, 질소압력을 100-140 mbar로 가압하여 기판 을 완전히 가열하지 않아도 브레이징이 가능하도록 하였으며, 에지입력을 정확하게 조절하였다.
Fig. 2.3 Schematic of the laser brazing approach
Fig. 2.4 Experimental setup of brazing
3 장 실험 및 고찰
3.1 국외 선진 업체의 제품 분석
국내의 경우 니켈 금속수소화물 2차 전지의 형태가 모두 상단방식이고 국외의 경우 일본 Panasonic EV energy사의 제품이 유일하여 해당 제품을 입수하여 극주 와 극판을 분석하였다. Fig. 3.1은 일본제품의 용접 부 종단면을 나타낸다. 일본 제품의 경우 극주의 판 두께는 약 0.9 mm, 극판 두께 약 0.14 mm이고 분석결과 극주, 극판의 기지층의 주성분은 Fe 이고 여기에 Ni도금이 되어있는 형태이다.
Table 3.1은 극주 성분 분석시험과 결과를 알 수 있다.
극주에 대한 정량분석과 경도 측정 결과 Fig. 3.8에서 보듯이 Micro-Hardness : Hv 115 ~ Hv 121이었다. 이로부터 일본제품의 극주 부분은 이 소량 Ti 첨가된 극 저 탄소강으로서 냉연소재 DQ급 또는 DDQ급으로 사료된다. 또한 액상에서 고상 으로 냉각되면서 나타나는 표면의 비드 형상으로부터 추측되는 열원의 조사 양태 는 용접패널 전체 (14mm)에 대하여 열원이 동시에 조사된 후 냉각되었거나 고속 으로 열원이 이동하여 용접패널 전체가 동시에 조사되는 방식에 의한 것으로 판단 된다. 이때 사용된 열원은 두께가 0.9mm의 박판에 인접한 여러 줄의 용접라인이 있음에도 불구하고 제품에 용접 후 변형이 없는 것으로 보아 에너지밀도가 매우 높은 열원이 정밀한 용접지그와 조합되어 적용되었다고 판단된다. Fig. 3.2에서 극 주 표면 부분 확대 사진을 나타내었다.
접합방법은 극판의 끝단형태가가 용융되어 있지 않고 유지되고 있는 상태에서 접합 부 근방에 용가재로 보이는 재료가 관찰되는 것으로 미루어 극주와 극판간이 용융 용접이 아닌 브레이징으로 접합되었다고 판단되고, 이것을 확인하기 위해 그 림 Fig. 3.6과 Fig. 3.7에서 극주 상부로부터 극판을 둘러싸고 있는 부분, 즉 Fig.
3.4와 Fig. 3.5에서 나타내듯이 브레이징 용가재로 생각되는 부분에 대한 성분분석 결과(EPMA Area Map analysis) Fe가 없고 Ni성분이 전체에 걸쳐 검출되어 니켈계 브레이징 재료가 적용되었음을 알 수 있었다. Fig. 3.3은 극판부분을 확대한 사진이다.
Fig. 3.1 일본제품의 용접부 종단면
Fig. 3.2 극주 표면 부분 확대 사진 Fig. 3.3 극판부분 확대 사진
Fig. 3.4 극주부분 EPMA Mapping
Fig. 3.5 극판부분 EPMA Mapping
Fig. 3.6 용접부 횡단면
Fig. 3.7 용접부 종단면
Fig. 3.8 Micro-Hardness : Hv 115 ~ Hv 121 (300g. 10sec)
Table 3.1 극주 성분 분석시험과 결과