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2017년 8월 석사학위 논문

측면 레이저 브레이징을 이용한 전지 용접 공법 연구

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

유 창 조

측면 레이저 브레이징을 이용한 전지 용접 공법 연구

Study on Battery welding Method using the side Laser brazing

2017년 08월 25일

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

유 창 조

측면 레이저 브레이징을 이용한 전지 용접 공법 연구

지도교수 주 성 민

이 논문을 공학석사학위신청 논문으로 제출함

2017년 4월

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

유 창 조

유창조의 석사학위 논문을 인준함

위원장 조선대학교 교 수 방 한 서 (인)

위 원 조선대학교 교 수 방 희 선 (인)

위 원 조선대학교 교 수 주 성 민 (인)

2017년 5월

조선대학교 대학원

목 차

List of Figures ··· Ⅲ List of Tables ··· Ⅴ Abstract ··· Ⅵ

1장. 서 론

1.1 연구배경 및 목적 ··· 1

1.2 연구동향 ··· 5

1.3 연구내용 ··· 7

2장. 이론적 배경 2.1 브레이징 기술 개요 ··· 8

2.2 활성금속 브레이징기술 ··· 8

2.3 아크 브레이징기술 ··· 9

2.4 무럭스 브레이징기술 ··· 12

2.5 저융점 브레이징재의 제조기술 ··· 15

2.6 대기합용 브레이징재의 제조기술 ··· 16

2.7 레이저 브레이징기술 ··· 17

2.8 레이저 용적 브레이징기술 ··· 19

3장.

실험 및 고찰

3.2 적층 효율개선과 용접품질 향상 위한 지그 제작 ··· 28

3.3 브레이징 공정기술 적용 및 개선 ··· 33

3.4 Beam scnner 제작 및 적용 실험 ··· 44

5장. 결 론 ··· 49

참고문헌 ··· 51

List of Figures

Fig 1.1 상단 극주 방식의 전지 ··· 3

Fig 1.2 HEV용 니켈/수소 전지 모듈 (6.5Ah /7.2V) ··· 3

Fig 1.3 상단 Tab 방식 전극 집전체 ··· 4

Fig 1.4 측면 Tab 방식 전극 집전체 ··· 4

Fig 1.5 상단과 측면방식 전지의 내부저항 비교 ··· 4

Fig 2.1 Schematic of laser MIG arc brazing-welding experimental system 11 Fig 2.2 Diagram of the optical set-up for laser brazing ··· 18

Fig 2.3 Schematic of the laser brazing approach ··· 21

Fig 2.4 Experimental setup of brazing ··· 21

Fig 3.1 일본제품의 용접부 종단면 ··· 23

Fig 3.2 극판부분 확대 사진··· 24

Fig 3.3 극주 표면 부분 확대 사진 ··· 24

Fig 3.4 극주부분 EPMA Mapping ··· 25

Fig 3.5 극판부분 EPMA Mapping ··· 25

Fig 3.6 용접부 횡단면 ··· 26

Fig 3.7 용접부 종단면 ··· 26

Fig 3.8 Micro-Hardness : Hv 115 ~ Hv 121 (300g. 10sec) ··· 27

Fig 3.9 시제품 외관 ··· 29

Fig 3.10 분리막 손상부위 ··· 30

Fig 3.11 손상부위 확대부분 ··· 31

Fig 3.12 집전판 정렬 지그··· 31

Fig 3.13 집전판 정렬 지그 모형··· 32

Fig 3.14 브레이징 재료별 젖음성 및 용융특성 평가··· 35

Fig 3.15 브레이징 단면··· 35

Fig 3.16 불완전한 브레이징 결과··· 36

Fig 3.17 고정 지그 제작··· 37

Fig 3.18 기존 극주 재료의 레이저빔 용접부 표면··· 37

Fig 3.19 냉연소재 레이저 용접부 표면 (우), (좌)··· 38

Fig 3.20 냉연소재 경도 분포··· 39

Fig 3.21 냉연소재 조직사진··· 40

Fig 3.22 시제품 제작용 지그와 레이저 헤드··· 41

Fig 3.23 최종 시제품 외관··· 42

Fig 3.24 브레이징부 횡단면··· 42

Fig 3.25 브레이징부 단면 사진··· 43

Fig 3.26 제작된 빔 스캐너··· 45

Fig 3.27 가열 온도 계측··· 45

Fig 3.28 레이저 스캐닝 브레이징 장치··· 46

Fig 3.29 BOP 테스트 결과··· 47

Fig 3.30 스캐닝 장치에 의한 브레이징 결과··· 48

List of Table

Table 3.1 극주 성분 분석시험과 결과 ··· 27 Table 3.2 냉연소재 성분 ··· 38

List of Table

Table 2.1 Polarity ··· 10

Table 3.1 Chemical composition of STS304 and SS400 ··· 13

Table 3.2 Mechanical properties of STS304 and SS400 ··· 13

Table 3.3 Specifications of 500LT ··· 16

Table 3.4 Welding wire specifications ··· 17

Table 3.5 TIG welding condition ··· 18

Table 4.1 Result of tensile test for STS304 ··· 23

Table 4.2 Result of tensile test for SS400 ··· 25

Table 4.3 Result of tensile test for STS304-SS400 ··· 27

Table 4.4 Mean value of tensile test ··· 28

ABSTRACT

Study on Battery welding Method using the side Laser brazing

Chang-jo Ryu

Advisor : Prof. Joo, Sung-min, Ph.D.

Department of Welding and Joining Science Engineering,

Graduate School of Chosun University

In order to put the development of Ni-MH secondary battery with long life and high capacity, It is necessary to study the improvement of hydrogen storage alloy which is a cathode material and the battery assembly and manufacturing technology. The reason why the Ni-HM secondary battery is not widely used is not necessarily the development technology of the negative electrode material but problem with assembly technology, the alloy melting process, the anode manufacturing technology, the capacity design of the anode and cathode, the safety valve design, the battery welding suitable for the mass production facility. To solve the problem, Initially plasma and TIG arc heat source was used, but laser welding, which is a high density heat source, was applied due to damage and deformation problems of the separation membrane. As a result of the prototype product, it was judged that the strength of the welded part was insufficient, and finally laser brazing process was applied to improve the bonding strength.

제 1 장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

산업용으로 사용되는 대용량, 초고율, 방전특성의 니켈 금속 수소화물 (Ni-MH) 2차 전지 관련 수요가 증가하고 있다. 부품 수요가들의 주요 요구사항인 유지보수 가 불필요하며 성능대비 소형 경량의 특성을 만족 하는 산업용 전지를 생산하기 위해서는 페이스트 전극 타입의 완전 밀 폐식 무보수 셀 제작 기술 확보가 요구된 다. 관련 연구를 진행함에 있어서 극주 (極柱)와 극판(極板) 간의 측면 용접을 구현 하는데 발생하는 문제들이 기술적 병목현상으로 대두 되고 있으나 지원기업 연구 소의 연구역량은 전기 화학 분야에 집중되어 있으므로 용접분야에서 야기되는 문 제를 해결할 기술적 성숙도가 부족한 상태이다. 따라서 용접공정과 관련하여 발생 된 문제들의 해소에 필요한 연구 장비와 인력 그리고 연구능력 제공 등을 통한 일 관된 기술 지원을 통해 상기의 애로사항을 해결할 필요가 있는 상태이다.

국내의 모든 전지제조사들은 아래 Fig. 1.1과 같은 상단 극주 방식을 채용하여 제품을 생산중이며 앞으로는 주력제품인 납축전지사업과 별도로 니켈 수소 자동차 전지 생산계획을 하고 있는 상태 이다. 기존의 국내 생산업체들과 고부가가치화 방 향으로 차별화를 위한 공정상으로는 상단 극주 방식을 탈피하여 전지효율을 극대 화 할 수 있는 극주-극판간 접합 방식인 측면 접합방법을 적용하기를 희망하고 있 으나 이를 실현하기 위한 노력에도 불구하고 가시적인 성과를 얻지 못하고 있으며 좀 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 상단방식 대비 측면방식의 전지성능 차이를 확인할 수 있도록 측면용접기술의 발전이 더욱 필요하다.

현재 이러한 방식의 양산제품은 세계적으로 Fig. 1.2와 같은 일본의 파나소닉 에 너지사의 제품이 유일하고 이 전지는 도요타 EV 의 하이브리드 자동차 프리우스에 탑재되고 있다.

상단방식은 저항용접이나 볼트체결 등 전극 형성방법이 다양하고 Tab 용접의 경 우 정밀용접이 필요하지 않다는 장점이 있으나, Fig. 1.3와 같이 전류 패스 가 길

어져 전극 하단 부 이용률이 저하되는 단점이 있다. 전지 크기가 커지게 되면 전극 의 하단부와 거리가 멀어져 이용률이 감소된다.

이와 달리 집전판과 전극을 바로 연결하게 되면 Fig. 1.4에서와 같이 다수의 fillet joint 전류 패스를 이용하여 통전되어 전극 이용률이 높아지고 충·방전 사이클 진행 시 누적되는 전극 피로도가 전극 전반부에 걸쳐 이루어짐으로써 전지의 life cycle 이 높아지는 큰 장점이 있으며 Bead size 및 용접라인의 수에 따라 집전판과의 전 류패스 크기 조절이 가능한 장점도 있다. 하지만 측면방식의 경우 상부 Tab방식과 동일 완성품의 부피를 지니는 제품구현을 위해 집전판과 Tab 부분의 폭이 협소해 져야 한다. 이 경우 전극주위의 가연성 분리막이 손상 될 우려가 있으므로 매우 정 밀한 접합기술을 요하게 되는 단점이 있고 현재로서는 일본제품의 접합공정은 공 개가 되지 않고 방문요청도 받아들여지지 않는 상태이므로 제품의 모재나 용접재 료의 종류, 접합프로세스와 조건 등에 대한 정보가 부족한 상태이다.

2차전지에서 사용되는 격리판은 가능한 두께를 감소하여야 하며 또한 격리판으 로 사용되는 재질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로서 발화점이 낮은 가연성 재 료이다. 더구나 양극과 음극의 활물질 충전량을 늘려 용적 당 용량증가를 기해야하 기 때문에 용접부와 격리판의 간격이 가능한 최소화 하는 방향으로 개발하여야 한 다. 현재 측면 용접 방식의 전지를 연구 개발하는 과정에서 가장 큰 애로사항은 용 접시 격리판의 파손으로 전지 단락이 발생하는 것이며 이와 같은 격리판 손상이 없는 접합 방식의 개발을 통해 전지의 기본적 품질확보 문제를 해결하는 것을 목 표로 하고 니켈 금속 수소화물의 극판 극주 측면 접합 요소 기술 지원과 시제품 제작을 통하여 측면접합 방식으로 제작된 시제품의 전지 특성을 평가하고자 한다.

Fig. 1.1 상단 극주 방식의 전지

Fig. 1.2 HEV용 니켈/수소 전지 모듈 (6.5Ah /7.2V)

Fig. 1.3 상단 Tab 방식 전극 집전체

Fig. 1.4 측면 Tab 방식 전극 집전체

Fig. 1.5 상단과 측면방식 전지의 내부저항 비교

1.2 연구동향

◎ 국외 현황

Ni-MH전지의 고성능화를 위한 음극용 수소저장합금의 개발 결과 현재 상용화되어 있는 합금들은 주로 일본에서 상용화된 LaNi5나 MmNi5 (Mm : misch metal)를 기본으로 하는 AB5계 합금과 미국의 OBC(Ovonic Battery Company)사에 의하여 개발된 C14 또는 C15 Laves 상을 주로 하는 AB2계 합금으로 나눌 수 있다.

대부분의 시장은 AB5합금 계열을 사용하는 일본의 Matsushita, Sanyo, Toshiba가 점유하고 있다.

자동차시장에서 일본 산요의 경우 포드자동차 이스케이프 모델과 파나소닉은 도 요타의 하이브리드 자동차에 니켈 수소 원통형과 각형 전지를 각각 공급하고 있다.

대용량 Ni-MH전지의 기술 개발은 전기자동차에 한하여 미국의 OBC, 홍콩의 GPI, 일본의 Panasonic EV Energy 등의 Battery Maker와 미국의 Big 3, 일본의 토요타 와 혼다, 국내의 현대자동차와 같은 자동차 Maker들에 의해 개발되어져 왔으나 현 재는 Panasonic EV Energy사만이 상용화하고 있으며, 최근 일본의 YUASA에서 증 률과 고율 타입의 AGV(무인 자동 운반차량)용 Ni-MH전지를 상용화되면서 산업용 으로 적극 적용하려 하고 있다. 대부분의 전지제조사들은 극주와 극판의 연결시 상 단 극주방식을 사용하고 있으며 일본의 Panasonic EV Energy사는 측면용접방식을 채택하고 있다.

◎ 국내 현황

소형 전자기기 전원용 Ni-MH전지는 1990년대 로케트전기에서 원통형 제품을 출시 하여 소량 생산하였으나 2000년대에 생산을 중단하였으며, LG화학 등에서 스마트 폰폰 용으로 소량생산을 시도하였으나 이후 4000mA급 이하의 소용량은 Li-ion전 지로 대체 되는 추세에서 국내 2차전지 업체들은 리튬 관련 연구 개발에 집중했 고 상대적으로 니켈 수소 전지에 대한 국내 연구 개발은 부진하여 기술적 공백기

상태에 처해있다.

로봇과 자동차 시장이 성장하면서 2차전지 시장에서 니켈 수소 전지 관련 수요 가 매년 증가하고 있으며 업계에서는 전기자동차와 수소연료전지차 등 친환경차 시장이 오는 2035년경에는 전체 자동차 시장의 10.5%(1332만4500대 수준)까지 차지할 것으로 내다보고 있다. 일부에서는 친환경차가 2020년에 이미 자동차 시장 점유율의 10%를 돌파할 것이라는 전망도 내놨다. 국내 주요 2차전지 업체들은 리 튬 계열 전지로 미래 시장을 대비하고 있어 정작 현재 수요가 급격하게 증가하고 있는 니켈 수소 전지에 대한 대응책이 없는 실정이다. 일본 전지업체들이 하이브리 드 자동차의 수요증가와 더불어 년 100만개 이상의 매출을 올리고 있지만 현재 국 내에서는 Ni-MH 전지의 양산체제를 갖추지 못하여 한국과 일본간 전지산업 경쟁 력에서 큰 차이를 보이며 판매 호기를 놓치고 있다.

1.3 연구내용

초기에는 플라즈마와 TIG의 아크열원으로 접근하였으나 분리 막 의 손상과 변형 문제가 발생하여 고밀도 열원인 레이저 용접을 적용하였고 시제품 결과 용접부의 강도가 부족하다고 판단되어 접합강도의 향상을 위해 최종적으로 레이저 브레이징 공정을 적용하였다. 측면용접방식의 니켈–금속수소화물 2차 전지의 집전체 제작에 필요한 요소기술 확보를 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 밴치마킹 대상 제 품 (일본 panasonic EV에너지사 제품)의 분석, 전극군을 효율적으로 적층하여 용 접품질 안정성을 도모할 수 있는 전용 지그 제작, 현재 국내수준인 상단 극주방식 보다 고효율 특성을 발현할 수 있는 극주–극판간 측면 용접기술을 개발하였다.

또한 레이저 간접 브레이징 공정 기술 적용 제안, 시제품 제작 및 프로세스 변수 도출을 통한 적정 접합조건 설정 (laser출력 laser defocusing정도, 용접속도, 브레 이징 페이스트 재료선정, 도포조건 등), 접합부 조직 관찰 등 접합부 건전성 평가, 격리판과 전극 활물질에 손상이 가지 않는 무스패터의 저입열 접합 프로세스 또한 도출 하였다.

제 2 장 이론적 배경

2.1 브레이징 기술 개요

브레이징은 모재의 용융점 이하의 저융점 용가재(삽입금속)을 용융시켜 접합하는 방법이고 통상 450℃이상의 융점을 갖는 용가재가 적용된다. 용가재가 융점에 달 할 때 액상의 용가재는 모세관 현상으로 접합부 사이에 스며들어 충진되며 냉각 후에 응고되어 접합이 완료되는 원리이다. 이때 가열된 브레이징 부위가 공기 중의 산소와 접촉하여 산화물이 생성되기 때문에 환원성분위기나 진공분위기를 유지하 여야 한다.

용접에 비하여 입열량이 적으므로 모재의 적은 열변형이나 낮은 잔류응력이 발생 하는 장점이 있으며 이용 열원에 따라 아래와 같은 방법들이 적용되고 있고 이들 은 공통적으로 건전한 브레이징 결과를 얻기 위한 적합한 조인트 설계, 모재의 세 척, 용가재의 적용, 제품의 조립, 브레이징열원 적용 및 세척의 단계를 거쳐 완성 된다.

2.2 활성금속 브레이징기술

세라믹부재와 금속부재의 접합방법으로서 통상 활성 금속 브레이징 공법이 이용 되고 있다. [1] 이 방법은, 세라믹 부재에 해서 활성원소를 브레이징 중에 첨가시 켜 그 브레이징재를 진공 중에서 가열함으로써 세라믹부재 표면에 반응층을 형성 시킨다. 이것에 의해 브레이징재의 젖음성과 밀착성의 향상을 목표로 한다. 예를 들면 세라믹스로서의 질화물을 사용하는 경우 반응층의 세라믹부재 측 제 1층에 TiN가 생성되고, 탄화물을 사용 하는 경우에는 TiC, 산화물로는 TiO가 형성된다.

또한 종래에 Cr, V, Mo와 같은 원소를 활성용가재 합첨 첨가물로 이용한 적은 있 지만, ⅣA족 원소의 소량첨가는 성공한 연구결과로 볼 수 있다. 활성금속 브레이징

에 사용되고 있는 브레이징합금은 Ag-Cu-Ti계, Cu-Ti계, Co-Ti계, Al-Ti계, Cu-Zr계, Zr-Ni계가 주류를 이루고 있으며, 최근에는 고온용 브레이징 합으로 연 구되고 있는 Ni-Cr, Pt, Pd, Au 및 Cu계 합 등이 있다. 이들 합은 를 들면, Ti 나 Zr, Nb, Hf, Ta 등과 같은 활성속이 첨가되어 있다. [2]

세라믹끼리, 세라믹과 금속과의 접합에 사용되는 활성금속 브레이징재로서 Ag-Cu합에 활성속성분인 Ti가 첨가된 Ag-Cu-Ti합금이 종래부터 잘 알려져 있 다. 이 활성금속 브레이징재의 문제는 가공성인데, 균열, 단선, 파단이 일어나기 쉽 다. 이것은 Ag-Cu-Ti합금에서는 주조응고 시에 Ag-Cu합금 소지 중에 50-100㎛

의 큰 Cu와 Ti의 금속간화합물이 석출되기 때문이다. Tanaka Kikinzoku Kogyo [3]에서는 Ag-Cu-Ti 합금에 Sn을 첨가하여 급 냉 응고시키지 않고 Ag합금소지에 석출하는 화합물의 입자직경을 제어하여 가공성을 개선한 브레이징재를 제시한다.

Ag-Cu-Ti-Sn합금 활성금속 브레이징재는 Ag합소지 중에 분산된 금속간 화합물의 미세화에 의해 가공성이 개선되고 경박단소한 치수에까지 소성가공이 가능하다.

또한 브레이징성(접합강도)도 충분히 갖추고 있어 종래의 Ag-Cu-Ti합 활성속 브레 이징재에 비해 동등 이상의 성능을 구비하고 있다.

활성 브레이징공정에서 마무리가공 시에 속 표면의 표 조도값은 1.5㎛ 이하가 바람직하고, 비속 표면은 0.8㎛ 이하로 추천되고 있다. 모든 공정은 불활성가스, 고진공 환원분기에서 가능하지만, 고진공환경은  × ^{ } 이하로 유지하는 것 이 바람직하다. [4]

2.3 아크 브레이징기술

현재 자동차 차체에는 일반강에서 1000MPa 첨단 고장력강까지 다양한 강종들이 적용되고 있고, DP강은 자동차 차체의 트크리드 사이드필러 등 미려한 외관이 필 요한 접합부에 적용된다. 고장력강판에 MIG와 TIG용접을 적용할 경우, 과도한 입 열로 인하여 모재가 변형되고, 용접열향부가 넓게 형성되어 내식성과 기계적 성질 을 해치기 때문에 이를 해결하기 위하여 조욱제 등[5]은 1000MPa급 DP강에 대하

여 Cu-5.3wt%Sn 삽입금속을 사용하여 아크 브레이징기술을 확립하였다. 아크용접 에서 용가재는 주로 동합와이어가 사용되고 있는데, Si와 Mn을 함유한 Cu-Si합과 Al을 함유한 Cu-Al합이 일반으로 사용되고 있다. Taiyo Nippon Sanso Corp.[6]

에서는 Cu를 주성분으로 하고 Al을 함유한 솔리드와이어를 사용하고, 펄스용접이 행과 단락용접이행을 주기적으로 행하고 실드가스로서 산소가스가 0.03-0.3 vol.%, 나머지는 아르곤(Ar) 혼합가스를 사용하여 가스실드 아크브레이징을 한다.

이 방법은 아크의 불안정현상을 개선하고 스패터의 발생을 감소시킬 수 있고, 비드 의 젖음성을 향상시키기 때문에 평탄한 비드를 얻을 수 있는 장점이 있다.

도금강판은 MIG/metal active gas용접으로 알려진 GMAW 사용하고 있는데 용접 을 적용하면서 여러 가지 어려움에 직면하고 있다. 초과된 아연 증발은 스패터의 발생, 기공의 형성, 불균일한 비드형상 등으로 인하여 용접품질을 악화시키고, 용 접 후 세정(cleaning) 비용을 증가되며 재작업을 유도하여 생산성이 낮아지며 내 부식성을 크게 악화시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 하여 가스메탈 아크 브레이 징(혹은 MIG이징)이 활발히 연구 개발되고 있다[7].

GMAW 브레이징 공정은 GMAW의 높은 용착(de- position) 속도와 브레이징 시 의 저온접합에 대한 장점을 공유하고 있다. 또한 낮은 용융을 지닌 용접재료를 사 용하기 때문에 높은 용접속도와 낮은 열입열량은 안정된 작업을 확보하고, 양호한 기계적 성질, 내 부식성 피로특성을 나타내어 자동차의 성능과 수명을 향상시킨다 [7].

Shome 등[7]은 아연 도금된 저탄소강과 고강도 DP590강에 대하여 Cu-Al계 (CuAl8) 용가와이어를 이용하여 MIG 브레이징을 하였다. 용가 와이어로 인하여 Cu기지에 분산된 Fe-rich 상은 강도와 경도를 확보하다.

기존의 레이저+MIG하이리드 용접에서는 높은 에너지 밀도의 레이저빔이 저주요 열원으로 작용하여 깊은 용입이 형성된다. 그러나 Qin 등[8]은 대형 스폿 레이 +MIG 아크 브레이징-용융 용접공정을 제시하다. 레이저는 선도하는 보조열원으로 아크를 안정화시키고 강을 예열할 목적으로 초점이탈(defocusing) 상태로 사용하 였고, MIG 아크는 주요 열원으로 사용하였다. 이 방법은 통상의 MIG 용접에 비해 서 공정안정성, 용접 외 품질 용접효율을 개선시킬 수 있었으며, 종래의 레이저

+MIG하이리드용에 비해서도 더 낮은 에너지비용을 가져왔다. 또한 수치 시뮬레이 션방법을 적용하여 용접 엣지조건을 예측할 수 있었고 용접품질을 제어할 수 있었 다. Meng 등[9]은 아연도강에 Al합의 접합에 하여 Fig. 2.1과 같은 방법을 사용 하여, 대형 스폿 레이저+ MIG 아크 브레이징-용융용접 열공정을 개발하다. 이때 강은 용융되지 않은 상태에서 Al합금이 완전히 용입 되었으며, 브레이징된 계면에 서 온도장은 불균일과 비대칭 분산이 이루어졌다. 또한 3D 유한요소 모델을 이용 하여 에너지 조건(레이저출력, 용접전류, 용접속도 등)을 정하였다.

알루미늄합금과 스테인리스강을 합하기 위하여 Zhang 등[10]은 보조 TIG 토치 를 주요 MIG 토치의 평행된 위치에 부착시켜, 강에 열을 가하게 하는 새로운 하이 브리드 용접기술을 제시한다. TIG 토치의 부착효과로 인하여 균열이 발생하기 쉬 운 취약한 Fe-Al 금속간화합물 층은 균일화 되고, 용융금속 내의 비철원자의 용해 도가 증가하였는데, 금속간화합물 내에 Cr과 Ni의 함량을 상승시켜 접합부 인장강 도를 96.7MPa에서 146.7MPa까지 증가시켰다.

Fig. 2.1 Schematic of laser + MIG arc brazing-welding experimental system

2.4 무플럭스 브레이징기술

최근 자동차의 경량화 촉진에 따라 자동차용 열교환기에도 재료의 박육 고강도 화가 추구되고 있다. 알루미늄 재료의 고강도화에는 알루미늄합금에 Mg첨가가 대 단히 효력이 있지만, 플럭스를 사용한 브레이징에서는 Mg와 플럭스가 반응하여 고 용융점의 MgF2를 생성시키기 때문에 브레이징 적용 시 접합 저해요인이 되다.

또한 재료 중의 Mg를 소비하기 때문에 Mg의 감소로 고강도화에 기여하지 않는다 는 문제점이 있다[9]. 플럭스와 진공설비를 필요로 하지 않고, 무플럭스에서의 브 레이징을 양호하게 하기 위하여 Mitusbishi Alu-minium Co.[9]에서는 브레이징 승온 시에 적어 도 450℃부터 용융 전까지의 온도범위에서 산소농도를 50ppm 이 하, 질소가스농도를 10vol.% 이하로 가열하여 플럭스를 사용하지 않고 Al-Si-Mg 계 브레이징재에 의해 알루미늄 합금재를 함유한 브레이징 대상물을 접합하는 방 법으로 종래의 무플럭스 방법에 비해 제조비용 상승을 적극 억제하고, 접합부의 신 뢰성을 비약적으로 향상시켰다.

브레이징을 제조하는 열교환기를 구성하는 알루미늄 재료는 심재인 알루미늄합 금판의 한쪽 면 또는 양면에 브레이징재 등을 클래드한 브레이징 시트가 사용되고 있다. 일반으로 브레이징시트의 심재합금으로서는 용융온도가 600℃ 이상의 알루 미늄합금이 사용되고, 클래딩 되는 브레이징재 합금으로서는 용융온도가 600℃ 이 하의 Al-Si계합금이 사용되고 있다. 이 브레이징시트에 의해 열교환기의 부재(탱 크, 튜, 핀)를 제조하여, 이것을 조합시켜 600℃전후의 온도로 가열함으로써 브레 이징시트의 브래이징재 부분만을 용융하여 타 부재와 브레이징된 열교환기를 제작 할 수 있다. 열교환기를 구성하는 다수의 부재를 한 번에 브레이징 할 수 있는 장 점 때문에 브레이징 시트는 열교환기용 재료로서 널리 이용 된다[11].

Kanto Yakin Kogyo Co.[11]는 알루미늄합의 심재와 심재의 한쪽 혹은 양쪽에 클래드된 알루미늄합의 브레이징재로 하고, 심재 및 브레이징재의 한쪽에 Mg을 함 유하는 알루미늄 브레이징시트로 하고, 아르곤가스함유 분위기의 플럭스를 사용하 지 않고 가열해서 브레이징하여, 보다 양호하고 안정된 브레이징성을 지니면서도 고가의 진공가열장치와 플럭스를 이용하지 않고 공업적으로 적용 가능한 브레이징

방법을 제공하였다.

알루미늄제 열교환기의 제조 시에 Sumitomo경금속 ㈜[12]에서는 브레이징가열 시에 플럭스를 도포하지 않고 알루미늄합금 브레이징 시트를 이용한 브레이징 클 래드 기술을 확립하였다. 알루미늄합금 심재의 한쪽 면 혹은 양면에 Al-Si계 알루 미늄합금 브레이징재를, 알루미늄합금의 중간재를 삽입하여 클래드로 하고, 심재가 0.1- 1.3%의 Mg를 함유한 알루미늄합금, 브레이징재를 Si 6-13%함유한 Al-Si계 알루미늄합금, 중간재가 Si 6% 미만을 함유한 알루미늄합금으로 선정하다.

Furukawa-Sky Aluminum Corp.[13]는 심재에 브레이징재(25-250㎛ 두께), 박 피재의 무플럭스 브레이징시트(5-30㎛ 두께)를 차례로 적층하는데, 심재는 브레이 징재보다 융점을 높게 하고, 브레이징재와 박피재와의 계면에 존재하는 산화물의 함유량을 0.1ppm 이하로 하여 균일한 브레이징성과 안정적인 접합을 가능하게 하 였다. 박피재의 재질로서는 Al-Si-Mg합금의 브레이징재의 용융개시온도(약 580℃) 와 비교해서 높은 용융개시온도를 가지는 순 Al계 합 는 Al-Mn 계 합금이 적당하 다.

열교환기, 전자기기 냉각용의 구조체 등의 제조에 사용되고 있는 알루미늄합금 브레지징시트는 Al-Mn계 합으로 된 심재에 Al-Si계 합으로 된 브레이징재를 배열 한 클래드판이 있고, 브레이징재에 의해 접합부재의 접합이 된다. 여기에서 알루미 늄합금 브레이징시트를 적용한다. 브레이징 방법으로서는 질소 등이 비산화성가스 분위기로 중에서 플럭스를 사용하여 행하는 노코록쿠법이 현재 주류로 되어 있다.

이 방식에 의한 비 산화성가스분위기로는 진공로 등과 비교해서 연속식 생산설비 가 사용하기 쉽기 때문에 양산성이 우수한 점이 널리 사용되고 있는 이유이다 [13].

현재 승용차용 열교환기의 많은 부분은 Al-Mn계 심재에 Al-Si계 브레이징재를 클래드한 브레이징시트에 K-Al-F계 화합물로 된 불화물 플럭스, 즉 노코록쿠 (Nocorokku) 플럭스를 도포하고 불활성가스 분위기로에서 가열하여 접합한다. 그 러나 최근의 자동차부품의 전자화에 따라 일부의 열교환기에서는 브레이징 후 의 플럭스잔사가 표면 처리성을 저해하는 등의 문제가 발견되고 있으며, 고성능화를 위해서 냉매통로를 미세하게 한 열교환기에서는 플럭스잔사가 냉매통로를 폐쇄 하

여 열교환성능이 대폭적으로 저하하는 문제점이 발생 하고 있다[12].

노코록쿠법의 문제는 플럭스에 알루미늄표면의 산화피막을 파괴시킴으로써 브레 이징에 의한 접합을 가능 하게 하는 것이지만, 이 플럭스는 Mg와 반응하여 고융점 의 물질이 되어 그 효과를 상실할 가능성이 있다. 이 때문에 Mg를 첨가한 Al합의 브레이징에는 적당하지 않다는 문제가 있다. 또한 플럭스 및 그 도포공정에 비용이 높다는 점과, 처리 후의 접합부와 기타의 표면에 플럭스의 잔사가 존재한다는 문제 도 있다. 여기에 비산화성 가스분기로에서 플럭스를 사용하지 않고 브레이징합을 가능케 하는 무플럭스 브레이징 기술이 검토되고 있다. 향후 공업적 규모의 열간압 연기를 이용하여 무플럭스 브레이징용 박피의 브레이징시트를 제작하는 것을 검토 하고 있다[13].

Sumitomo경속(주)[14]는 플럭스와 유해원소(Be)를 사용하지 않고 값싸게 브레 이징시트를 제조하기 위해서 Mg 0.2-1.3wt.%함유한 알루미늄합금의 심재의 한쪽 면 혹은 양쪽면에 Si 6-13wt.%, Li 0.004-0.1%함유한 알루미늄합의 브레이징재를 클래드 하였으며, 자동차용 열교환기(라디에이터, 히터, 콘덴서, 증발기 등)의 브레 이징에 사용할 수 있는 알루미늄합금 브레이징 시트를 제공하다.

선 접촉을 기본으로 하는 브레이징기술은 브레이징가열 에 산화를 억제하기 위 해 기 혹은 불활성가스 분위기 중에서 플럭스를 사용하여 브레이징 하는 것 이 일 반이었다. 그러나 최근에는 박피재와 심재와의 간재로서 Al-Si계합 브레이징재를 클래드한 브레이징시트를 불활성가스에서 무플럭스 브레이징 하는 방법이 개발되 었다. 특히 차량적재용 IGBT 등의 발열을 면접촉으로 냉각하는 열교환시스템의 수 요가 높아져 알루미늄판재를 면끼리 접합기술이 더욱 필요하게 되었다[15].

Nippon경속(주)[15]은 알루미늄합금부재 사이에 Si 3-12wt.%, Mg 0.1-5.0wt.%

함유하고, 두께 15-200㎛의 브레이징재인 단층 브레이징시트를 면접촉시켜 불활성 가스분기에서 570℃ 이상으로 유지하고 0.6gf/mm2 이상의 면압으로 무플럭스로 알루미늄합금부재끼리 접합하여 낮은 제조비용으로 품질을 안정화 한 면브레이징 기술을 개발하였다.

Nippon경금속(주)[16]은 브레이징시트에 의해 알루미늄합부재와 동합금부재를 불활성가스분기 에서 무플럭스 면브레이징할 때에 금속간화합물(θ상) 층의 성장을

억제시켜 알루미늄합금부재와 동합금부재 간의 열전도율을 높이고, 브레이징강도 (전단력)이 우수한 면브레이징기술을 확립하였다. 면브레이징 방법은 불활성가스분 기 에서의 브레이징이 가능하고, 연속로에 의한 생산방식을 채용할 수 있기 때문에 배치로에 의한 진공이징에 비해서 생산효율이 높다. 또한 단층형 의 브레이징시트 를 사용하기 때문에 전체적으로 저비용화가 가능하다.

2.5 저융점 브레이징재의 제조기술

브레이징재는 지구환경보호, 특히 , 에너지 저감에 착안한 접합방법이 주목을 받 고 있다. Sn이 주요 금속인 경우에는 Cu6Sn5, Cu3Sn 등의 취약한 금속간화합물 (IMC)이 생성되면서 기계적 특성이 저하한다. Nihon Su- perior Co.[17]에서는 Sn-Cu합에 Ni를 0.1-2.0wt.% 첨가함으로써 화합물 에서 Cu3Sn IMC 등의 생성을 억제하여 500∼600℃에서 접합이 가능한 저융점 브레이징용가재(Sn-Cu-Ni)를 개 발하여 전자부품과 가스기구, 냉동기의 각종 열교환기 부품 및 배관 접합부의 신 뢰성을 향상시켰다.

Nihon Superior Co.[18]는 CuO 0.3∼41.4wt.%, Ni 0.04∼2wt.%로 하고, 나머 지는 Sn인 저융점 브레이징재를 개발 및 적용하였다. 여기에 Al을 미량 첨가함으 로써 Al이 핵이 되어 Cu6Sn5 IMC이 길게 나무형태로 성장 하려는 속도를 늦추면 서 유동성을 촉진시켰다. 또한 Ge 를 비롯하여 Zn, Sb, Bi, P, Se, Ga, Ag, In, Pd, Fe, Ti, Au, Co, Cr, Mo, Mn, V, Cs 등의 미량첨가는 유동성, 내산화성, 경도 등을 향상시키는데, 이에 대한 함유량도 저융점에 상당한 영향을 미친다.

Lee[19]에 의하면 A357(Al-7%Si) 용가재를 590~ 600℃로 가열한 후 반응고 상태에서 브레이징하여 반응고 성형법의 장점인 결함 감소와 접합강도를 향상시켰 다. 대기에서 플럭스를 사용하지 않은 상태에서 수행한 반응고 브레이징이 완전히 용융된 용가재를 사용하는 전통적인 브레이징보다 기공과 같은 내부결함이 발생할 확률은 크게 감소함을 알 수 있었다.

2.6 대기접합용 브레이징재의 제조기술

플럭스를 필요로 하지 않는 대기 브레이징 기술로서 반응성 대기브레이징법 (Reactive Air Brazing)을 사용 하는데, 반응성 대기브레이징법에서 접합온도를 낮 추 기 위하여 Ag계 브레이징재의 저융화점에 대한 각종 재료가 제안되고 있다 [20].

NHK Spring Co.[20]에서는 Ag의 융점 이하에서 용융할 수 있고 접합체의 고온 내구성의 향상을 기대할 수 있는 대기접합용 브레이징재 및 이를 이용한 집전재 료(current collector)를 제시하였다. Ag, Ge, B, Si 을 필수성분으로 함유하고, Ag 이외의 구성원소의 체 비의 합계가 50-90%로 설정하고, Ag 이외의 구성원소의 함 유량에 Si의 체적비는 22% 이상으로 설정하고, Ag 이외의 구성원소의 함유량 에 B의 체적비는 14% 이상으로 설정하였다.

대기 브레이징기술로서 통상 럭스브레이징법을 거론할 수 있는데, 모재의 접합면 에 플럭스를 도포하고, 플럭스에 의한 접합부에서의 환원분기를 얻음과 동시에 산 소진입을 차단함으로써 양호한 접합체를 얻는다. 예를 들면 브레이징재로서 Ag계 이징재인 BAg-8 을 사용하는 경우, BAg-5의 융인 780℃보다도 낮은 융점을 가지 는 플럭스를 이용하여, 브레이징재보다도 먼 플럭스를 용융시킨다. 이것에 의해서 접합면의 활성화 브레이징재의 산화방지를 함으로써 보다 양호한 접합체를 얻을 수 있다[1].

플럭스를 필요하지 않는 대기 브레이징기술에는 반응성 대기 브레이징법

(Reactive Air Brazing)을 이용하는 것을 고려해 볼 수 있다[1]. US 2003 / 0132270A1에 의하면 세라믹부재와 내열금속부재를 접합하는 경우, Ag에

CuO를 첨가한 Ag-Cu계 브레이징재를 이용한 반응성 대기브레이징법에 의해 대기 접합 시에 브레이징재의 주성분이 Ag 등의 귀속성분이므로 이 브레이징재에서는 플럭스가 불필요하게 되어 그 결과, 플럭스에 의한 문제를 해소할 수 있다. 또한 반응성 대기브레이징법에서의 접합온도를 낮추기 위해서 Ag계 브레이징재의 융화 를 도모하기 위한 여러 재료가 제안되고 있다. 예를 들면, 일본 특허 2008-202097호 공보에 의하면 Ag-Ge-Si계 합금이 브레이징재로 제안되고 있다.

NHK Spring Co.[1]에서는 Ag와 B를 필수성분으로 하고, Ag 50-92vol.%, B 8-50vol.%로 하는 대기 접합용 브레이징재를 개발하다. 여기에서 B는 300℃ 이상 에서 산화하는데, 산화물의 융도 비교 낮은 온 도(약 577℃)의 저융점재료이며, B 를 필수성분으로 함유함으로써 브레이징재의 융화를 도모할 수 있었다.

2.7 레이저 브레이징기술

Ungers 등[21]은 Fig. 2.2과 같은 방법으로 카메라를 기반으로 하는 공정조절 시스템을 제시하다. 공정 동안에 기계적 인자를 평가하기 위한 하드웨어기반의 알 고리즘은 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술에 의해 실행되었다. CMOS 카메라는 브레이징 레이저와 광학적인 경로를 통하여 공동 축으로 통합되어 있으 며, 하드웨어기반의 속도측정에 대한 정확성이 높은 것으로 평가되었다. 이로 인해 이징속도와 같은 기계적 인자의 관리뿐만 아니라 브레이징된 품질을 같은 시스템 으로 판단할 수 있는 장점이 있다[21].

Tang 등[22]은 알루미늄에 대하여 단일 빔과 이중 빔의 레이저 브레이징기술을 개발하였다. 통상의 AlSi12 용가 와이어와 비교하여 더욱 낮은 응고범위를 가진 AlZn13Si10Cu4 용가와이어를 사용한 결과, 매우 양호한 젖음성을 나타내었다. 한 AlSi12 와이어에 비해서 73% 이하의 더욱 낮은 입열량이 요구되었으며, 합부에도 높은 경도값 을 얻을 수 있었다. 특히 이 빔 기술은 합부 품질을 향상시키는데 높 은 가능성을 보여주었다.

구리계 용가와이어를 이용한 아연도강의 이 빔 브레이징은 우수한 접합품질과 높은 접합강도를 얻는데 효과인 공정이므로 자동차산업, 특히 루프와 세분화된 뒷 문(tailgate)과 같은 노출된 부분에 널리 응용 되고 있다. Heitmanek 등[23]에 의 해 제시된 레이저빔 브레이징기술은 용가재를 이용하여 레이저빔으로 2강 사이에 빈틈(gap)을 채우는 방법이다. 아연도금강판을 브레이징을 하기 위한 연결폭도 최 대 하중을 지탱할 수 있도록 최소의 연결 폭으로 구성되어야 하고, 빔 스캐닝에 대 한 작업공정(온도 포함)의 안정성과 표면품질의 향상에 대한 연구가 추진되어야 할

것이다.

Al과 강의 고온접합 시에 주요한 문제점은 TIG 혹은 MIG와 같은 공정에서 기계 적 성질을 해치는 취약한 금속간화합물 상의 형성이다. Mathieu 등[24]은 Al과 강 의 합 시에 85% Zn, 15% Al로 이루어진 용가와 이어를 이용하여 이 브레이징 기 술로 양호한 기계 품질특성을 보여주었다.

마그네슘합금과 철강 이종소재에 대하여 다이오드 레이저를 사용하여 브레이징 기술을 사용한 결과, 도금강판에 대한 용융필러와이어의 퍼짐성은 주석도강이나 니 켈도금강판에서보다 아연도금강판이 가장 양호하다는 결론을 얻었다[35]. 아연도 강판과 고강도강인 22MnB5 강을 접합하는데 있어서 Mittelstädt 등[25]은 2빔-레 이저 브레이징공정과 Cu계 용가재(CuSi3Mn1)를 이용하여 기존의 용공공정에 비 해서 입열량을 감소시켜 변형을 억제하고, 후공정을 간편화하고 접합부 인장강도를 확보할 수 있었다.

Fig. 2.2 Diagram of the optical set-up for laser brazing

2.8 레이저 용적 브레이징기술(LDB; Laser Droplet Brazing)

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

3.2 적층 효율개선과 용접품질 향상 위한 지그 제작

브레이징을 적용하기 전에 공수와 공정 관리가 부레이징의 경우와 비교하여 간 단한 극주와 극판간의 용융접합으로 제품 제작이 가능한지 여부에 대한 시제품 제 작을 시도하였다. 극주의 두께는 1.8 mm이고 고용량의 대형전지를 사용 하였다.

용융용접의 테스트를 위해 먼저 시편을 고정한 상태에서 플라즈마 용접과 용접을 실시하였다. TIG의 경우 입열량 과대로 심한변형이 발생하여 적용불가 판단을 하 였으며 플라즈마의 경우 용접 전류 90A~120A, 용접속도 0.7~1.2m/min, shielding gas 10~30 l/min, Pilot gas 3~8 l/min의 용접 조건이 비교적 양호한 접합 가능 조건이었으나 극주와 극판간의 접합여부와는 별도로 시종단부에 균열이 발생하고 변형문제가 심할 뿐 아니라 분리막이 복사열과 전도열에 의한 손상범위 가 광범위하여 적용 불가 판단을 내렸다.

이후 에너지 직접도가 매우 높은 레이저를 이용하여 용융용접 가능여부를 실험 하였으며 빔 출력 1,300 ~ 2,000kW, 용접속도 1.5 ~ 2.0 M/min, 차폐 가스량 20~30 l/min, beam의 용접 조건 범위에서 시험한 결과 변형이 저감되고 분리막의 손상이 없어 레이저 단독용접에 대한 시제품제작을 하였다. Fig. 3.9은 시제품의 외관사진이다. 레이저용접에 의한 시제품 제작 시 발생한 문제는 크게 분리 막 손 상의 문제와 강도의 문제 그리고 극주와 극판간의 정렬 오차의 문제로 볼 수 있다.

Fig. 3.10과 Fig. 3.11 에 분리막이 소상된 부위를 관찰할 수 있는데 전지의 경우 분리막의 손상이 전혀 없어 야 함에도 불구하고 부분적으로 손상된 부위가 발생하 였다. 이것은 레이저 용접시 발생하는 극판쪽의 스패터에 의한 것이 대부분이고 조 건에 따라 입열이 과대하게 입열된 복사열에 의한 손상도 발생하는 것을 반복실험 에서 확인하였다. 접합강도의 경우에도 충분하지 않다는 결론을 얻었다. 즉 이와 같은 극주와 극판의 fillet부위의 용융 용접 시 에는 접합부위 강도가 극판의 두께 에 비례하는 상태이고 극판이 0.02mm인 본 제품의 경우 단순히 극판위에 극주가 fillet 조인트로 용접되므로 0.02mm두께의 극판 모재 강도 이상의 접합강도는 기대 하기 힘들다. 또한 용접 시제품을 파단하여 관찰한 결과 파단면은 극판의 모재부위 또는 극주와 극판간의 용융선 근방에서 발생하는 경우가 대부분이었으며 길이방향

과 폭 방향의 정렬 상태에 따라 접합부위의 재현성에 큰 영향을 미치게 되어 레이 저 용접 시 엄격하게 정렬오차 관리를 하여야한다.

크기를 대폭 증가한 2차 시제품을 동일한 과정으로 레이저 용접한 결과 분리막 의 손상부위가 유사한 빈도로 발생하였으며 변형의 문제가 발생하였다. 용접이 진 행되나가면서 극주와 극판간의 정렬의 불완전 문제가 더욱 크게 발생하여 용접시 제품을 파단 결과 미 용접개소가 증가한 좋지 못한 결과를 보여 주고 있다.

이후 실험의 진행은 입열을 감소시켜 변형을 저감시키고 스패터에 의한 분리막 손상을 방지하기 위하여 브레이징을 적용하기로 하였으며 집전판의 정렬을 보다 효율 적으로 하기 위해 전용지그를 Fig. 3.12 및 Fig. 3.12 과 같이 제작하여 실험 을 진행하였다.

Fig. 3.9 시제품 외관

Fig. 3.10 분리막 손상부위

Fig. 3.11 손상부위 확대부분

Fig. 3.12 집전판 정렬 지그

Fig. 3.13 집전판 정렬 지그 모형

3.3 브레이징 공정기술 적용 및 개선

용융 용접방식으로 전지샘플을 제작한 결과 발생하는 문제점을 고찰하고 일본제 품의 용접 부 단면을 분석한 결과 브레이징으로 접근하는 것이 더욱 바람직하다는 결론을 내리고 브레이징으로 전지샘플을 제작하기 위한 실험을 진행하였다.

먼저 BNi계 재료 4종을 paste와 tape type으로 준비하여 정량을 극주판 도포하 여 Fig. 3.14와 같이 진공브레이징으로 젖음 특성과 용융 온도 등을 확인하였는데 적정 브레이징 조건에서는 모두 좋은 젖음 특성을 보여주었으나 적용하고자 하는 제품의 브레이징 조건과는 차이가 있었다. 즉 제품의 특성상 폴리프로필렌의 분리 막이 극판들을 감싸고 있는 형태이므로 브레이징 열원이 극주와 극판부위의 연결 부에만 국부적으로 적용되어야 하는 문제점이 있었고 또한 열원이 직접 재료에 조 사되지 못하는 형태라는 문제가 있었다. 즉 브레이징 재료가 극주와 극판사이에 도 포되어 있는 상태에서 극주와 외부, 다시 말해 브레이징 재료가 도포된 쪽의 이면 에서 입열되고 이것이 열전도에 의해서 브레이징 온도에 도달하게끔 하여야 하는 문제가 있다. 그러나 화염 브레이징과 달리 이와 같은 레이저열원으로부터의 간접 브레이징 적용 시 입열량과 브레이징 유지시간에 제한이 있으므로 실제상황에 맞 게 직접 극주와 극판을 조립한 상태의 시편을 준비하여 브레이징 실험을 진행하였 다.

실험 결과 tape type의 경우 열전도에 의한 브레이징 실험에서 fume발생이 심하 고 브레이징 부 표면이 대단히 거칠고 좋지 못할 뿐 아니라 부분적으로 브레이징 되지 않은 부위가 발견되어 이후 실험은 paste type의 재료로 진행하였다. 열전도 에 의한 레이저 브레이징시에 충분한 입열이 가해진 상태에서는 브레이징 재료가 Fig. 3.15과 같이 균일하고 충분히 용융되고 있으나 용접 시편들을 절단 후 마운팅 하여 단면 마크로 관찰을 하였을 때 그 편차가 심하다는 문제가 있었다.

이 문제는 크게 세 가지이다. 한 가지는 극주와 극판간의 정렬 편차에 비례하여 브레이징 결과에도 편차가 발생한다는 것이다. 두 번째 원인은 paste type의 경우 재료가 연속적인 하나의 solid가 아니라 적정 입도로 구성된 입자들이 flux와 혼합 된 것이므로 열전도가 부위에 따라 불균일하게 되는 원인으로 작용하며 마지막으

로 브레이징 재료에 열원이 직접 조사되어 용융된 것이 아니라 열전도에 의한 간 접적인 열 이동으로 재료를 용융시키는 방식이므로 레이저가 조사되면서 레이저 빔 전후방의 온도편차가 심하여 재료의 건조, 모재와 재료 자체의 팽창과 변형으로 인해 도포된 재료가 열이 전도되는 극판의 표면에서 박리되는 부분이 발생하여 이 것이 브레이징 결과에 큰 편차를 발생한다는 점이다. 더구나 상부에서 레이저가 조 사되는 경우에는 브레이징 재료가 박리되어 극판쪽으로 단락되어 버린다. 즉 열이 극주로 투입되고 다시 극주 두께를 통해 이면의 브레이징 재료로 직접적으로 전도 되지 못하기 때문에 Fig. 3.16과 같이 적절한 브레이징이 이루어지지 못하게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 지그를 Fig. 3.17와 같이 제작하여 레이저 빔이 도포된 재료의 하부에서 조사되도록 적용하여 편차를 줄일 수 있도록 개선하였다.

여러가지의 브레이징 재료를 각각 실험에 적용하고 최종적으로 브레이징 적용 후 표면 상태와 작업성이 양호하여 BNi-6의 상용재료를 시제품 제작에 적용하였으나 재료의 박리문제와 열전도에 의한 브레이징 온도 유지시간 확보 등의 문제로 해당 재료의 적정 브레이징 조건보다 훨씬 상회하는 온도로 입열이 되어야 양호한 결과 를 도출 할 수 있었다. 이러한 조건에서 접합부상태는 양호하였으나 역시 과대한 입열량이 문제가 되었고 복사열에 의해 분리막이 손상되는 문제와 브레이징 진행 중에 박리된 재료가 공정 종류 후에도 상당부분 표면에 잔류하는 점이 여전히 문 제점으로 야기되어 최종적으로 Ag계 재료로 변경하고 도포량을 조절하여 브레이징 후에도 표면에 브레이징 paste가 잔류하지 않도록 공정을 개선하였다.

Fig. 3.14 브레이징 재료별 젖음성 및 용융특성 평가

Fig. 3.15 브레이징 단면

Fig. 3.16 불완전한 브레이징 결과

Fig. 3.17 고정 지그 제작

Fig. 3.18 기존 극주 재료의 레이저빔 용접부 표면

또한 사용 중인 기존의 극주재료에 레이저빔을 조사한 결과 표면에 humping과 porosity가 Fig. 3.18과 같이 다량 발생하여 이를 개선하고자 하였다. 기존재료의 성분분석을 수행한 결과 ss400의 열연재로 판단되며 이것을 DQ급의 냉연소재로 변경하였다. 이때 용접부 표면 상태는 Fig. 3.19과 같이 모든 용접 조건에서 기공 이나 기타 결함이 없는 양호한 결과를 보여주고 있으며 성분 분석결과는 Table 3.2 과 같다. 개선 극주 재료의 경도 측정결과 비커스 경도 110Hv 내외이며 Fig.

3.20는 경도시험 결과이며 3.21와 같이 조직은 등축성의 페라이트 단상 결정립이 며 평균결정립이 20㎛이다.

변경된 극주 재료를 입수하여 Fig. 3.22과 같이 레이저 상향 조사장치를 구성하 였으며 극주와 극판의 조립체가 고정된 레이저빔 헤드위에서 좌우로 이동하며 브 레이징이 완료되도록 하였다. 제작된 최종 시제품은 Fig. 3.23과 같고 용접선의 개 수가 좌우 각각 6줄, 4줄, 3줄인 전지 시제작품을 제작하여 이후에 전기 화학적인 전지 성능평가를 진행하여 상단방식대비 측면방식의 진지성능특성을 비교할 수 있 도록 전달하였다.

Fig. 3.19 냉연소재 레이저 용접부 표면 (우), (좌)

Al Si P Ti Cr Mn Co Ni Cu Nb Mo Sn C S

0.026 0.0066 0.014 0.017 0.019 0.090 0.0017 0.0076 0.013 0.01 0.0019 0.0011 0.0051 0.0085

Table 3.2 냉연소재 성분

Fig. 3.20 냉연소재 경도 분포

Fig. 3.21 냉연소재 조직사진

Fig. 3.22 시제품 제작용 지그와 레이저 헤드

Fig. 3.23 최종 시제품 외관

Fig. 3.24 브레이징부 횡단면

Fig. 3.25 브레이징부 단면 사진

브레이징이 종료된 샘플의 단면관찰 결과는 위 Fig. 3.24와 Fig. 3.25와 같고 브레 이징 페이스트의 도포량과 건조 상태, 극주군과 극판간의 정령상태에 따라 결과물 의 차이가 나타났으며 본 과제의 경우 브레이징 재료에 레이저가 직접 조사되는 형태가 아니라 열전도에 의해 재료를 용융시켜야 하므로 브레이징 품질이 공정조 건에 매우 민감하게 반응하고 극판정렬 및 극주와의 조립시 정렬 오차가 브레이징 품질에 매우 중요 한 영향을 미치고 있다.

3.4 Beam Scanner 제작 및 적용 실험

레이저 빔이 극주의 폭에 걸쳐 진행하면서 시단부와 종단부의 열 분포 차이가 발 생 하여 폭 전체에 걸쳐 고르지 못한 브레이징이 이루어지는 경우가 발생하여 이 에 대한 개선방안으로 폭 전체에 걸쳐 고에너지 빔이 동시에 조사될 수 있는 조건 에 가까운 환경을 만들어 보았다.

Fig. 3.26와 같이 1축 로봇시스템을 제작하였으며 시스템은 소정의 각도범위에서 99.5%이상 빔을 반사시킬 수 있는 스캐닝 미러와 모터, 미러의 동작 각도와 속도 를 조절할 수 있는 컨트롤러 등으로 구성하였다. 이러한 1축 스캐닝 장치에 의해 출력 2kw의 연속파 레이저는 극주판의 표면에서 고속으로 직선 왕복운동하게 되고 출력이 높고 미러의 왕복속도가 빠를수록 폭 전체에 대한 가열의 균일정도는 높아 지게 된다.

Fig. 3.27 과 같이 열전대를 이용하여 이러한 시스템에 의한 폭에 걸친 온도변화 를 계측한 결과 극주판의 한쪽 폭에서 다른 쪽 폭으로 이동하는 경우에서보다 브 레이징 온도가 충분히 유지되는 것을 확인할 수 있었으며 Fig. 3.28은 구성된 장치 에 의해 브레이징을 실시하는 모습을 보여주고 있다.

Fig. 3.26 제작된 빔 스캐너

Fig, 3.27 가열 온도 계측

Fig. 3.28 레이저 스캐닝 브레이징 장치

스캐닝 장치에 의해 레이저 빔이 좌우로 고속으로 이동하며 입력된 폭만큼 최대 출력으로 반복하여 극주 표면에 입사되며 이 시스템의 경우 입열량의 조절은 고정 된 스캐닝 폭과 스캐닝 속도에 대한 총 스캐닝 시간으로 조절이 된다.

Fig. 3.29과 같이 스캐닝 폭과 빔의 defocusing정도에 따라 폭의 끝단부와 중앙 부의 온도차를 인위적으로 유발시킬 수 있었으며 Fig. 3.30에서와 같이 재료에 대 한 직접 조사가 아닌 열전도에 의해서도 이면의 브레이징 재료가 도포된 상태 그 대로 균일 하게 유지되어 있는 모습을 보여주고 있다. 극주판에 대한 열탄소성 유 한요소해석과 열전대를 이용한 후 계측실험을 병행한 다음 변형이 없는 입열조건 을 도출하려고 시도 하였으나 2kw의 출력으로는 브레이징 온도에 도달하는 조건에 서는 극판군의 정렬에 지장을 줄 정도의 변형이 발생하였다.

이러한 시스템은 원리적으로 본 제품에 가장 적합한 방향이라고 생각은 되지만 시 험에 사용된 2kw의 레이저 출력으로는 조사 시간이 길어져 결과적으로 극주에 변형이 발생하는 문제가 발생하여 이러한 방식에 의한 샘플 제작은 하지 못하였고 단지 스캔 조사방식에 대한 가능성 확인을 하였다. 이와 같은 시스템에서는 출력이 극주판의 폭만큼 분산되므로 열 변형을 방지하기 위해 보다 짧은 시간동안의 조사 시간이 국부적으로 브레이징 온도에 도달한다. 결과적으로 매우 고출력의 빔 소스 가 요구되어짐으로 이를 위해 고에너지 빔 을 소화할 수 있는 미러나 조사장치가 필요하다고 생각된다.

Fig. 3.29 BOP 테스트 결과

Fig. 3.30 스캐닝 장치에 의한 브레이징 결과