탭 용접 공정 시리즈 3
배터리는 수많은 부품을 전기적으로 연결해 하나의 셀과 모듈로 완성하는데요. 이 연결을 책임지는 기술이 바로 용접입니다. 그런데 리튬이온 배터리는 미세한 용접 불량만으로도 폭발이나 발열, 누설, 조기 성능 저하 같은 위험으로 이어질 수 있습니다. 그만큼 용접부를 꼼꼼히 검사하는 일이 중요해지고 있습니다.
👉 배터리에서 용접은 어디에 쓰일까요?
배터리 용접은 크게 두 단계에서 등장합니다. 먼저 셀 조립 단계인데요. 캡(Cap)과 배터리 캔이 만나는 모서리를 붙이고 극 부분 즉 탭(Tab)을 단자에 연결하는 작업입니다.
특히 파우치 셀에서는 탭 용접이 핵심입니다. 양극과 음극 그리고 분리막을 차곡차곡 감은 젤리롤(Jelly Roll)을 만든 다음 여기서 빠져나온 여러 장의 극판을 한데 모아 탭에 붙입니다. 아래 그림처럼 젤리롤에서 나온 얇은 박(箔)들이 한 묶음으로 모여 탭과 접합되는 구조입니다.이때는 레이저보다 초음파 용접(Ultrasonic Welding)이 많이 쓰이는데요. 얇은 박을 열 손상 없이 한 번에 단단히 접합할 수 있기 때문입니다.
다음은 모듈과 팩 단계입니다. 여기서는 버스바(Busbar) 용접이 핵심입니다. 버스바는 여러 셀을 하나의 모듈로 묶어 전기를 모으고 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 통로 역할을 합니다. 그래서 용접 부위에 간극이나 누락된 부분이 있으면 전력이 새거나 에너지 전송 속도가 떨어질 수 있습니다. 연결 효율을 높이려면 용접 폭이 처음부터 끝까지 균일해야 합니다.
최근에는 레이저 용접이 대세로 자리 잡고 있습니다. 레이저 용접은 셀과 버스바를 결합할 때 높은 정밀도와 신뢰성을 제공하는 기반 기술이기 때문입니다. 비접촉 방식이라 마모가 없고 더 복잡한 고성능 설계도 가능해집니다.
👉 용접 품질은 어떤 기준으로 판단할까요?
좋은 용접이란 결국 '튼튼하고 균일하게 잘 붙었는가'로 정리할 수 있습니다. 아래 그림은 정상 용접과 대표적인 불량을 단면으로 비교한 것입니다.현장에서 보는 기준은 다음과 같습니다.
용입 깊이 (Penetration Depth): 용접이 얼마나 깊고 단단하게 침투했는지를 봅니다. 너무 얕으면 결합 강도가 부족하고 너무 깊으면 반대편 소재까지 손상시킬 수 있습니다. 센서 시스템으로 용접심의 품질을 모니터링하며 정밀한 용입 깊이를 확인합니다.
용접부 형상과 균일성: 용접 비드(Bead)의 폭과 높이가 일정해야 합니다. 슬래그(Slag) 같은 부산물도 고르게 분포되어야 합니다.
기밀성 (Sealing): 셀 내부로 수분이나 이물질이 들어가지 못하도록 빈틈 없이 밀봉되어야 합니다. 특히 캔과 캡을 잇는 용접에서 중요한 항목입니다.
조립 단차와 간극: 용접 전에 부품이 제대로 맞물렸는지도 기준이 됩니다. 셀과 커버의 간격 차가 0.5mm를 넘거나 높이 차가 1mm를 넘으면 용접 품질에 문제가 생길 수 있습니다.
👉 용접 검사 방법에는 어떤 것이 있을까요?
배터리는 한번 조립하면 분해하기 어렵습니다. 그래서 제품을 손상시키지 않고 들여다보는 비파괴 검사(NDT, Non-Destructive Testing)가 주로 쓰입니다. 대표적인 세 가지를 살펴보겠습니다.
광학·3D 검사 (Optical / 3D Inspection): 카메라와 레이저 변위 센서로 용접부 표면을 들여다보는 방식입니다. 용접되지 않은 부분이나 파손을 잡아내는 단계로 정확하게 접합됐는지 확인하는 필수 검사입니다. 속도가 빠르고 생산 라인에 바로 적용하기 좋습니다. 다만 표면 위주라 내부 결함은 보기 어렵습니다.
X-ray 검사: 방사선을 투과시켜 내부를 들여다봅니다. 2D 이미지를 빠르게 만들 수 있어 배터리 셀 검사와 납땜 품질 평가 등에 강점을 보입니다. 표면 아래 숨은 기공이나 미접합을 찾는 데 유용하죠.
CT 검사 (Computed Tomography): X-ray의 발전형입니다. 여러 각도에서 찍은 X-ray를 컴퓨터로 재구성해 3D 이미지를 만드는 기술입니다. 내부 구조를 입체로 분석할 수 있어 겹침이 많은 부품에 유리합니다. 대신 장비 비용이 높고 검사 시간이 길다는 단점이 있어 고부가가치 정밀 분석에 주로 쓰입니다.
왼쪽은 각형 셀의 적층 구조 오른쪽은 원통형 셀의 배열을 보여줍니다. (출처: 4NSI)
요즘은 검사 속도와 정확도를 동시에 잡기 위해 AI를 더하는 흐름도 뚜렷합니다. 3D X-ray CT에 머신러닝 AI를 결합하면 노이즈나 스캔 아티팩트에 영향을 덜 받으면서 결함을 식별하고 분류할 수 있습니다. 빠른 양산 라인 속도에도 대응이 가능해집니다.
출처: Cognex, Basler, Nikon, VEGARAY
마무리하며 용접은 배터리의 안전과 성능을 좌우하는 핵심 연결 기술입니다. 용입 깊이와 균일성 그리고 기밀성이 품질의 기준이 되고 이를 확인하기 위해 광학·X-ray·CT 같은 비파괴 검사가 단계별로 활용됩니다. ESS 시장이 빠르게 커지고 배터리 화재가 난제로 떠오르면서 검사 기술의 중요성은 더욱 높아지고 있는데요. 앞으로는 AI 기반 인라인 검사가 양산 품질을 끌어올리는 표준으로 자리 잡을 것으로 보입니다.
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