Jan 07,2026
각기 다른 배터리 셀 형식은 레이저 용접 시 특정한 접근 방식을 요구한다. 원통형 셀의 경우, 캔이 손상되지 않고 제대로 밀봉 상태를 유지하기 위해 과도한 열 왜곡 없이 빠른 원형 실링이 필요하다. 프리즘형 셀은 또 다른 도전 과제를 제시한다. 이들은 치수 안정성을 유지하고 휨 현상을 방지하기 위해 평면 부위에서 정밀한 이음매 용접이 필요하다. 알루미늄과 플라스틱 라미네이트 다중층으로 제작된 파우치 셀은 특히 까다롭다. 이는 포일이 분리되거나 실링이 파손되는 것을 막기 위해 용접 시 매우 낮은 열 입력이 요구되기 때문이다. 구리와 알루미늄 단자처럼 서로 다른 금속을 사용할 때는 각각의 열 전도율 차이가 크기 때문에 큰 문제가 발생한다. 구리는 알루미늄보다 약 70% 더 잘 전도하므로 불균일한 용융 풀, 스패터(splatter) 형성, 낮은 융합 품질 등의 다양한 문제가 발생할 수 있다. 최근 재료 과학 저널(Material Science Journal)에 발표된 연구에 따르면, 이러한 구리-알루미늄 용접에서 레이저 설정을 조정하면 스패터를 약 60%까지 줄일 수 있다. 즉, 제조업체가 이러한 다양한 배터리 형식을 효과적으로 처리하려면 조절 가능한 클램프, 실시간 이음매 추적 기능, 진동 빔(oscillating beams)과 같은 기능을 생산 장비에 갖추어야 한다.
99.5% 이상의 용접 일관성을 달성하기 위해서는 처리량과 내장된 품질 보증을 균형 있게 조절해야 합니다. 최신 레이저 용접 장비는 고해상도 비전 시스템과 자동 검사 프로토콜을 통합하여 분당 200회 이상의 검사에서 마이크론 수준의 결함까지 탐지할 수 있습니다. 실시간 모니터링은 다음의 세 가지 핵심 변수를 추적합니다.
최고의 시스템은 용접 중 초당 약 15개의 셀을 처리하면서도 위치 정확도를 0.1mm 이하로 유지할 수 있습니다. 이를 통해 로봇 물자 취급 장비와 작업할 때 1~5밀리초 간 동기화된 펄싱이 가능해져 실제 용접 이외의 작업에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다. 용접 품질이 나빠지면 고가의 재작업과 자재 낭비를 초래합니다. 산업계 통계에 따르면, 포넴(Ponemon)의 2023년 보고서에서 밝혔듯이 각 생산라인은 조기에 발견되지 않은 용접 문제로 인해 매년 약 74만 달러의 손실을 입고 있습니다. 높은 수율을 추구하는 제조 공정에서는 실시간 피드백을 단순히 체크리스트 항목 이상으로 보며, 전체 공정 제어 시스템의 핵심 요소로 인식하고 있습니다.
레이저 용접 장비를 선택할 때, 장비의 성능을 배터리 소재가 열과 금속 변화에 반응하는 방식에 맞추는 것이 매우 중요합니다. 구리는 약 398 W/mK의 매우 높은 열전도율을 가지며, 이는 열을 빠르게 방출한다는 의미입니다. 이러한 빠른 냉각은 용접 중 스패터(splatter) 문제를 일으키므로, 작업자는 펄스 설정에 특히 주의를 기울여야 합니다. 알루미늄은 235 W/mK의 열전도율로 그 정도가 다소 낮지만, 여전히 기공(porosity) 문제와 콜드 랩(cold lap) 발생을 막기 위해 에너지 입력을 철저히 관리해야 합니다. 최신 장비들은 적응형 펄스 조절(adaptive pulse shaping) 및 빔 진동(oscillation) 같은 현명한 기술을 통해 이러한 문제를 해결하고 있습니다. 2023년 IWS의 최근 연구들에 따르면, 이러한 방법들은 스패터를 거의 4분의 3 가량 줄이면서도 마이크론 수준에서 일관된 용접 품질을 유지할 수 있게 해줍니다. 강력한 용접이 분명 중요하지만, 동일하게 중요한 것은 접합부가 우수한 전기 전도성을 유지하는 것입니다. 결국, 누구도 배터리 모듈 내 전류 경로에서 저항이 생기를 원하지 않기 때문입니다.
구리와 알루미늄의 높은 열 전도율로 인해 급속 냉각이 발생하고 불안정한 용융 풀이 형성되어 일관되지 않은 융합과 스패터 배출이 초래된다. 효과적인 대책은 다음 세 가지 통합 기능에 의존한다.
이러한 기술들을 함께 적용하면 전극 오염을 줄이고, 공극 형성을 최소화하며, 강력한 전기적 연속성을 지원함으로써 셀 수준의 임피던스와 팩 수준의 열 관리에 직접적인 영향을 미친다.
구리와 알루미늄을 용접하면 취성 금속간 화합물(IMC) 생성 및 열팽창 계수 불일치(구리: 17 × 10⁶/K; 알루미늄: 23 × 10⁶/K)로 인한 위험이 발생합니다. 제어되지 않은 IMC는 연성 저하 및 피로 파손 가속화를 유발합니다. 이러한 문제를 완화하기 위해서는 정밀한 제어가 핵심입니다.
이러한 제어 기능을 적용한 고급 레이저 용접기는 기존 방식 대비 15–30% 향상된 인장 강도를 달성하며(Jointing Tech Review 2023), 배터리 팩의 사이클 수명과 현장 신뢰성을 직접적으로 개선합니다.
정확한 결과를 얻으려면 단순히 사양상의 수치만 보는 것이 아니라 실제 산업 벤치마크와 핵심 스펙을 비교 검토하는 것이 중요합니다. 출력 수준 또한 매우 중요한 요소입니다. 1kW에서 5kW 사이의 최대 출력에 대해 이야기할 때, 이는 용입 깊이가 어느 정도로 이루어지는지와 어떤 가공 윈도우를 확보할 수 있는지를 결정짓습니다. 출력이 부족하면 내구성이 낮은 저품질 용접 이음부가 생성되며, 반대로 출력이 과도하면 소재가 타버리고 스패터나 다공성 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 펄스 에너지의 안정성이 ±3% 이내 또는 그보다 더 우수해야 하는 이유도 여기에 있습니다. 이 범위를 벗어나는 변동이 발생하면 키홀이 잘못 형성되어 미세한 공기 주머니가 생깁니다. 이러한 미세한 공극은 시간이 지남에 따라 부식을 가속화합니다. 전기차에 사용되는 원통형 배터리 셀의 경우, 일관된 펄스 안정성은 갭 없이 기밀성을 갖는 봉합을 만든다는 의미입니다. 대부분의 제조사들은 ISO 13919-1 표준에 따라 공극 비율을 체적 기준 0.2% 미만으로 맞추는 것을 목표로 하지만, 많은 기업들이 실사용 조건에서도 배터리 성능이 유지되도록 내부적으로 더욱 엄격한 사양을 적용하고 있습니다.
1~5kW 출력 범위의 레이저 용접기를 사용할 때, 다양한 재료를 적절히 처리하려면 출력에 대한 우수한 선형 제어가 필수적입니다. 이러한 장비는 두께가 0.1mm인 파우치 필름과 같은 얇은 소재에서부터 1.2mm 두께의 각형 버스바와 같은 두꺼운 부품까지 원활하게 조정해야 합니다. 열 해석 모델 결과에 따르면, 0.8mm 두께의 구리 탭을 용접할 때 약 3kW 정도가 가장 적절한 균형을 이룹니다. 이 수준의 출력은 완전한 관통 용접에 충분한 열을 제공하면서도 누구나 싫어하는 작은 스플래터(splatter) 발생을 피할 수 있습니다. 펄스 에너지를 약 반 퍼센트 이내로 안정적으로 유지할 수 있는 장비는 부품을 신속하게 적층할 때 훨씬 더 나은 결과를 산출합니다. 안정적인 키홀(keyhole) 형상 덕분에 미세 균열 발생이 줄어들어 전체 구조의 강도 저하를 방지할 수 있습니다. 특히 파우치 셀의 경우, 이러한 안정성을 유지하면 용접 후 누출률을 백만 분의 500 이하로 낮출 수 있으며, 이는 자동차 응용 분야에서 요구되는 엄격한 IATF 16949 표준을 실제로 만족시킵니다.
4 mm·mrad 미만의 빔 파라미터 곱(BPP)은 50마이크론 이하의 스팟 크기를 가능하게 하며, 이는 원치 않는 열 손상을 유발하지 않고 소형 각형 셀 탭이나 얇은 구리 시트를 용접할 때 매우 중요하다. 여기서 M² 계수도 중요한 역할을 한다. M² 값이 1.2 이하로 유지되면 레이저 빔의 확산이 적어 제조업체가 최대 5미터까지 이어지는 긴 생산 라인에서도 충분한 초점 깊이와 높은 출력 집중도를 유지할 수 있다. 이러한 광학적 정밀도 덕분에 조인트 간극이 10마이크론을 초과하는 것을 방지할 수 있으며, 알루미늄과 구리 부품 사이의 적절한 전기적 연결을 위해 필요한 15마이크рон 이하의 기준을 여유 있게 충족시킬 수 있다. 실제 데이터에 따르면 BPP가 0.5 mm·mrad를 초과할 경우 대규모 제조 공정에서 약 12%의 산출량 손실이 발생하는 경향이 있다. 따라서 빔 품질은 사양서 상의 단순한 항목이 아니라 공장 현장에서 작업을 정확히 수행하기 위한 근본적인 요소이다.
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