용접기술은 기계, 자동차, 조선, 건설, 전기, 전자 및 반도체 등 거의 모든 산업분야에서 핵심 생산기반기술이며, 제품의 품질, 생산성 및 제조원가에도 큰 영향을 미친다. 용접기술은 19C 중반부터 본격적으로 개발되기 시작하여 세계 2차대전을 거치면서 크게 발전하였지만 오늘날에도 그 중요성은 날로 커지고 있다.
본 연구의 주제가 되는 초음파 금속 용접(ultrasonic metal welding)은 고상용접법 중의 하나로 모재에 압력을 가하며 20kHz 이상의 고주파 진동을 주어 두 용접 재료의 접촉부에서 원자가 서로 확산하여 용접이 이루어지는데 이러한 특성으로 인하여 초음파 용접은 확산용접(diffusion welding)으로도 불린다.
초음파 금속 용접은 타 용접법으로는 접합하기 어려운 같은 금속이나 서로 다른 금속의 용접에도 널리 사용되는데 반도체, 미세회로, 전기 접점의 형성을 위한 생산기술로 각광받고 있을 뿐만 아니라 최근에는 자동차, 모바일 기기 및 우주항공산업 분야의 구조체 용접용으로도 널리 사용되고 있다.
초음파 금속 용접용 혼에서 초음파 진동의 형태는 종진동을 주로 사용하였지만 최근 비틀림과 결합된 종진동 모드의 혼이 순수한 종진동 모드의 혼에 비해 용접품질 측면에서 더 우수한 성능을 보이고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 종진동 모드(L 모드: longitudinal mode)를 갖는 혼은 길이 방향으로만 진동하나 종진동 및 비틀림 진동모드(L-T 모드: longitudinal-Torsional mode)를 갖는 혼은 길이 방향 및 비틀림 방향 모두에서 진동하는 복합진동모드 혼이다.
본 논문은 크게 2개의 주제로 구성되어 있다. 즉, L 모드 혼과 L-T 모드 혼을 이용한 초음파 금속 용접 시 용접성 비교와 LIB의 단자에 사용되는 박판 소재가 다층으로 구성될 때 다층 초음파 금속 용접 시의 용접강도를 규명하는 것이다.
첫째, 20kHz의 공진주파수를 갖는 L 모드 및 L-T 모드 초음파 혼을 사용하여 초음파 금속 용접 시 두 혼의 용접강도를 실험을 통하여 비교하였다. L 모드 혼은 상용 제품이며, L-T 모드 혼은 본 연구실에서 개발한 것으로 혼의 앞쪽 질량에 나선형 슬롯을 성형하여 제조한 것이다.
실험결과 L-T 모드 혼의 용접강도는 L 혼의 용접강도보다 전반적으로 높게 나타났으며 용접시간과 혼의 진동진폭이 증가함에 따라 용접강도도 증가하였다. 또한, 용접압력이 증가하면 용접강도가 감소하거나 큰 변화는 없었다. 특히, 용접압력이 높아질 경우 L-T 모드 혼의 용접강도는 오히려 낮아지는 것으로 나타났다.
두 번째 연구로는 다층 박판으로 구성되는 LIB의 단자 용접에 활용하기 위한 선행연구로, 두께 0.025mm의 음극판용 Cu 시트(sheet) 1장 또는 2장을 두께 0.1mm의 리더 탭용 Cu 판에 초음파 금속 용접할 때 용접에너지가 두 소재간의 용접 품질을 결정하는 용접강도에 미치는 영향을 규명하고자 하였다.
실험결과 용접시편에 대한 인장시험 결과 용접부의 분리는 크게 분리형태와 찢김 형태로 나타났다. 또한, 용접강도는 용접에너지와 비례하는 경향을 보이나 에너지가 6 Joule에서 최대로 나타났다. 8 Joule에서는 강도가 떨어졌는데 이는 과도 용접조건에 의하여 용접부가 큰 소성변형에 의한 크랙 등의 발생 때문이며, 용접부의 분리 시 찢김과도 관계가 있다고 판단한다. 또한, Cu 시트 3층의 경우 1층의 용접강도가 2층의 용접강도보다 크게 나타났는데 이는 용접에너지가 1층에서 크게 전달되고 아래층에서는 에너지 전달이 적기 때문이라 판단된다.