현대 모듈 제조에서 결합이 차지하는 결정적인 역할
자동차 산업에서 접착 접합 기술은 전면 유리, 다양한 실내 트림 부품, 전기 부품의 접합을 시작으로 점차 확산되고 있으며, 구조용 분야에서도 사용이 증가하고 있습니다. 또한 배터리 모듈 조립 과정에서도 광범위하게 활용되고 있습니다.
기계적 체결 부품을 대체하는 접착 접합은 설계 유연성을 높이고, 기계적 안정성을 강화하며, 진동과 충격의 영향을 완화할 수 있습니다.
접착은 구조용, 준구조용, 유연용, 감압용 등 다양한 응용 분야를 아우르며, 셀 간 접착, 버스바 보호, 열 관리 응용 분야 등에서 활용되고 있습니다.
배터리 본딩에 대한 주요 성능 요구 사항
접착 특성은 용도에 따라 달라집니다.
가혹한 환경 조건용 본드
지상형 에너지 저장 장치나 전기차 응용 분야를 막론하고, 배터리 모듈은 극심한 고온이나 저온에 노출될 수 있습니다. 자동차 산업의 경우, 설계 지침에 따라 -40°C에서 80°C 사이의 온도 범위가 규정되어 있으며, 이 범위 내에서 동결이나 과열을 최소화하기 위해 냉각 및 가열 시스템이 사용됩니다.
차량용 애플리케이션의 경우, 접합부는 진동에 노출되므로 사고 발생 시 파손을 방지할 수 있을 만큼 충분히 견고해야 합니다. 또한, 리드 접합의 경우 도로용 염분에 대한 내성을 갖추고, 팩 내부의 구성 요소에 대해 누출 방지 밀봉 기능을 제공해야 합니다.
세포 간 결합: 안정성, 지지력 및 안전성
셀 간 접합에 사용되는 접착제는 기계적 안정성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 배터리가 진동에 노출되는 자동차 응용 분야에서 그 중요성이 더욱 큽니다.
원통형 셀의 경우, 접착성 폴리우레탄 폼을 사용하면 모듈 내 개별 셀에 추가적인 지지력과 강성을 제공할 수 있습니다.
프리즘형 모듈 조립의 경우, 개별 셀을 모듈에 장착하기 전에 스택 형태로 접합할 수 있습니다.
파우치형 모듈의 경우, 충전/방전 주기 동안 셀이 팽창하고 수축할 때 유연성을 확보하기 위해 접착제에 어느 정도의 압축성이 필요합니다.
열 관리에서 본딩의 역할
미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면, 리튬이온 배터리는 15 °C에서 30 °C 사이에서 가장 효율적으로 작동하지만, 앞서 언급한 바와 같이 배터리 팩은 이 범위를 훨씬 벗어난 극한의 온도에 노출되기도 합니다.
파우치형 및 프리즘형 모듈의 경우, 일반적으로 질화붕소, 질화알루미늄 및 이와 유사한 열전도성 충전재를 함유한 접착제를 사용하여 냉각판에 접착할 수 있습니다. 이러한 접착제는 높은 열전도성을 제공할 뿐만 아니라 전기 절연 기능도 갖추고 있어 셀 간의 단락을 방지합니다.
원통형 셀의 경우, 시스템에 냉각을 제공하기 위해 원통형 셀 주위에 냉각 리본을 감을 수 있습니다.
강도, 강성 및 접합부에 가해지는 구조적 요구 사항
구조용 적용 분야의 경우, 접착을 통해 패키지에 사용되는 기계식 체결 부품의 수를 줄일 수 있으며, 제조업체는 이를 통해 생산 공정을 최적화할 수 있습니다. 이러한 용도에 사용되는 접착제는 가혹한 조건, 고온, 고습도 및 부식성 환경에서 성능을 발휘해야 하며, 특히 뚜껑 밀봉의 경우 오염 물질이 패키지 내부로 유입되는 것을 방지해야 합니다.
정밀 표면 전처리: 더 우수한 접착력을 위한 레이저 방식
레이저는 접착 접합을 위한 표면 처리에 이상적인 해결책이 될 수 있으며, 필요한 부분에만 표면 처리를 할 수 있게 해줍니다.
- 알루미늄이나 구리 표면의 산화물, 잔류 기계유, 그리고 자재 운송 및 취급 과정에서 쌓인 먼지와 이물질 등을 레이저로 세정합니다.
- 공작물 표면의 코팅, 도료 및 양극 산화 처리층을 레이저로 제거하여, 공작물의 모재와 직접 접합할 수 있게 합니다.
- 레이저 표면 구조 형성 또는 텍스처링
레이저는 다양한 유형의 부품에 대해 반복 가능한 텍스처링 결과를 얻는 데 이상적인 도구입니다. 빔 스캐닝 시스템을 활용하면 레이저를 정밀하게 프로그래밍하여 부품 표면에 미세 텍스처를 형성함으로써 표면적을 증가시킬 수 있습니다. 현재 사용되고 있는 다양한 접착제 및 충전재를 활용하면, 공작물의 습윤성을 극대화하도록 텍스처를 쉽게 조정할 수 있습니다.
배터리 제조의 경우, 레이저는 알루미늄, 구리, 코팅 소재 및 폴리머를 비롯한 다양한 소재에 적용 가능한 이상적인 비접촉 공정입니다. 확장성이 뛰어난 레이저 공정은 재현성이 매우 뛰어나며, 자동화된 생산 공정에 쉽게 통합될 수 있습니다.
레이저 표면 전처리가 기존 방식보다 뛰어난 이유
기계적 연마, 화학적 처리, 플라즈마 처리 등 다양한 공정이 있습니다.
- 기계적 연마 및 미디어 블라스팅
이러한 기술은 조작이 간편하지만, 연마재나 연마 도구가 마모됨에 따라 결과가 일관되지 않을 수 있습니다. - 화학 세정 및 에칭
은 특정 부품 유형의 내부 구조에 레이저가 접근할 수 있는 “시야”가 확보되지 않을 때 매우 효과적이며, 레이저에 비해 장점이 있습니다. 물론 이 방법의 단점은 환경 문제와 유해 폐기물 처리 비용인 반면, 레이저는 환경 친화적입니다. - 플라즈마 처리
는 본래 오염이 거의 없는 분야에서 효과적이며, 인라인 공정 장비에 비교적 쉽게 적용할 수 있습니다. 레이저 공정과 마찬가지로 환경 친화적이지만, 레이저의 유연성에 비하면 표면 구조 형성 능력은 제한적입니다.
레이저는 초기 비용이 더 높지만, 소모품이나 화학 약품이 필요 없이 정밀하고 재현성 높은 결과를 제공할 수 있으며, 처리해야 할 부위만을 선택적으로 세정, 활성화 또는 표면 가공할 수 있습니다. 레이저 기술의 유연성과 운영 비용 절감은 장비의 수명 주기 전반에 걸쳐 제조업체에 매력적인 투자 수익률을 제공합니다.
결론: 더 나은 결합을 통해 더 나은 배터리 개발하기
배터리 팩 제조 과정에서는 진동, 열 사이클, 고온 및 고습도를 견디면서도 최종 사용자에게 긴 수명을 제공할 수 있는 배터리를 생산하기 위해 접착제 사용에 점점 더 의존하고 있습니다.
제조 공정에 사용되는 다양한 접착제의 성능을 극대화하기 위해 표면을 전처리하는 데 레이저는 필수적입니다. 그 결과는 다음과 같습니다:
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- 전단 강도 및 인장 강도 향상
- 접착력이 강화되어 제품의 내구성이 향상되었습니다.
- 표면 질감을 접착제의 점도와 충전재의 특성에 더 잘 맞추는 것, 즉 더 다양한 소재에 걸쳐 습윤성을 향상시키는 것.
레이저 공정은 비접촉 방식이며, 재현성이 뛰어나고 대량 생산 라인에 쉽게 통합될 수 있기 때문에, 현대식 전기차 고정형 저장 시스템에서 사용되는 다양한 접합 응용 분야의 표면 전처리 방법으로 점점 더 선호되고 있습니다.
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