Blanking Process of Aluminum Thin Sheet for Lithium Ion Battery

리튬 이온전지용 알루미늄 박판의 블랭킹 공정에 관한 연구

Abstract

Lithium ion batteries are generally manufactured by laser and etching using aluminum thin sheet. These processes are relatively expensive and have low productivity. In this study, blanking process of aluminum thin sheet for lithium ion battery was employed to replace laser cutting and etching process, all to reduce the production cost and improve productivity. Mechanical properties for aluminum and coating were determined by experimental results and rule of mixture for FE analysis of blanking process. Normalized Cockcroft-Latham criteria was also applied to describe shear behavior and critical damage values were determined by comparison of analytical and experimental result. We performed FE analysis to investigate the effects of clearance and punch-die radius on sheared surface of aluminum thin sheet and to determine optimal process condition. We manufactured the die set using the determined optimal process and conducted an experiment to confirm the feasibility of blanking process. The sheared surface of manufactured product was observed by optical microscope. As a results, the proposed process conditions successfully achieved the dimensional requirement in production of lithium ion battery parts.

1. 서론

최근 온실가스 감축을 위한 환경 규제가 강화됨에 따라 신재생에너지, 전기자동차(HEV), 모바일 기기, 지능형 로봇 등의 친환경 산업들이 성장성 높은 산업으로 각광받으며 이차전지의 시장이 확대되고 있다[1,2]. 현재 이차전지의 개발 및 제조에 대한 관심은 높지만 대량생산 및 단가 저감을 위한 공정개발에 대한 연구는 미미한 실정이다[3~5].

이차전지의 주요부품인 전극판은 두께가 매우 얇은 박판이므로 정밀한 가공이 요구된다. 이에 따라 레이저 가공이나 에칭 등을 통해 진행되지만 열변형, 높은 설비 및 작업비용 등이 문제점으로 야기되며 특히 생산성에 낮은 단점이 있다. 이러한 문제점은 블랭킹(blanking) 공정을 통해 해결될 수 있지만블랭킹 공정으로 생산된 제품은 버(burr) 형성으로 인해 치수정밀도에 악영향을 미친다. 특히 전극 판의 경우 LCO(LiCoO₂)코팅이 포함된 알루미늄 박판이며, 마이크로 단위의 두께를 가지므로 더욱 정밀한 블랭킹 공정이 요구된다.

블랭킹 공정의 효과적인 모사와 설계를 위해 연성 파괴기준과 요소제거기법을 적용한 다양한 연구들이 수행되었으며[6~9], 특히 주요 공정변수인 클리어런스 및 펀치-다이 곡률반경의 영향에 관한 많은 연구들이 수행되었다[10~13]. 하지만 마이크로 단위 두께의 박판에 적용하기에는 한계가 있다. 이와 관련하여 초박판의 블랭킹 공정에 대한 몇몇 연구들이 진행 되었지만 대부분 단일소재의 블랭킹 공정으로 제한 되어있다[14,15].

본 연구에서는 리튬 이온전지용의 코팅된 알루미늄 박판에 블랭킹 공정을 효율적으로 적용하기 위한 금형 형상과 최적의 공정 조건을 선정하고자 한다. 이러한 연구를 통하여 높은 생산성과 금형의 수명을 확보할 수 있으며 버를 방지할 수 있는 전극 판의 제조공정을 개발하고자 한다. 이를 위해 코팅부 및 모재의 기계적 물성을 실험 및 이론적으로 도출하였고, 주요 공정변수에 따른 유한요소해석을 통해 최적 공정조건을 선정하였다. 이를 기반으로 금형을 제작하고 실험을 수행하였다.

2. 재료의 기계적 물성평가

전극판 블랭킹 공정의 유한요소해석을 수행하기에 앞서 코팅된 알루미늄 박판의 기계적 물성을 확보하기 위해 단축 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 1 ton 용량의 장비를 사용하였으며 소재의 두께 가약 100 µm 로 매우 얇기 때문에 정밀한 측정을 위해 100 N 용량의 로드셀(load cell)을 이용하였다. Fig. 1 과 같은 응력-변형률 선도가 도출되었으며, 연신율이 매우 낮고 취성 소재와 유사한 물성을 가지는 것을 확인하였다. 또한, 압연 공정을 거치며 소재의 심한 가공경화로 인해 소성구간이 불분명하게 나타나는 것으로 판단된다[16].

Fig. 1 Results of tensile test for coated aluminum thin sheet

앞서 도출된 시험 결과는 코팅된 소재의 물성이기 때문에 정밀한 유한요소해석을 위해 코팅 부의 기계적 물성을 도출할 필요가 있다. 이에 따라 중첩의 원리(rule of mixture)를 이용하였으며, 본 연구에서 적용한 수식을 식(1)에 나타내었다.

\(\sigma_{\text {Coating }}=\frac{\sigma_{A l+\text { Coating }}-f \sigma_{A l}}{1-f}\)       (1)

여기서, σ_{𝐶𝑜𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔}은 코팅부의 유효응력, σ_{𝐴𝑙+𝐶𝑜𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔}은 코팅된 알루미늄 박판의 유효응력, σ_𝐴𝑙은 알루미늄 박판의 유효응력, 𝑓는 부피 분율을 나타내며, 소재의 폭이 일정하다고 가정하면 식(2)와 같이 두께 비율로 나타낼 수 있다.

\(f=\frac{t_{\Delta}}{t_{A l}+t_{\text {Coating }}}\)       (2)

알루미늄 모재의 두께와 전체 소재 두께 비율은 1:10으로 f는 0.1로 계산된다. 또한, 알루미늄 모재 부의 물성은 참고문헌의 알루미늄 포일 물성을 이용하였다[17]. 이후 식(1)을 통해 코팅부의 물성치를 도출할 수 있었으며 Fig. 2 와 같은 그래프를 얻을 수 있었다.

Fig. 2 Mechanical properties of coating calculated by rule of mixture

3. 블랭킹 공정의 유한요소해석 모델링

3.1 유한요소해석 모델

유한요소해석은 Deform-2D를 사용하여 강소성(rigid-plastic) 및 평면 변형률(plane-strain) 조건으로 수행하였으며, Fig. 3 과 같이 모델을 구성하였다. 중간 모재부와 상-하부 코팅부의 물성을 각각 부여하기 위해 Topology 기능을 적용하여 모재부와 코팅 부를 모델링하고 도출된 각각의 물성을 적용하였다[18]. 블랭킹 공정은 상온에서 진행되었으며 마찰 상수(m)는 0.12[19]를 적용하였다. 또한 전단 변형부의 메시(mesh)를 조밀하게 나누었으며 총 메시 수는 약 25, 000 개를 사용하였다. 블랭킹 공정에서 주요 공정변수들의 영향을 파악하기 위해 클리어런스 1 µm, 펀치와 다이의 곡률반경 0.5 µm를 기준 공정으로 설정하였으며, 세부 조건을 Table. 1 에 나타내었다.

Fig. 3 FE-Modeling for blanking process of aluminum thin sheet

Table. 1 Process conditions for FE analysis

3.2 임계손상치 결정

블랭킹 공정에서 소재의 파단을 효과적으로 모사하고 전단면의 형성과정을 조사하기 위해 실험적 접근 및 수치적 계산이 용이한 일반화된 Cockcroft-Latham의 연성파괴기준을 적용하였다[17].

\(\int_{0}^{\epsilon_{f}} \frac{\sigma^{*}}{\bar{\sigma}} d \varepsilon \approx C\)       (3)

여기서 \(𝜀_𝑓̅\)는 파단 시의 유효 변형률, 𝜎^∗는 최대 주 인장응력, \(^-𝜎\)는 유효응력, 𝜀̅는 유효 변형률, C 는 Cockcroft-Latham 상수이다. 임계손상치(CDV: critical damage value)가 파괴기준(C)에 도달하면 파괴된 것으로 판단할 수 있기에 블랭킹 공정에서 임계손상치의 결정은 필수적이며, 이를 도출하기 위해서는 유한요소해석과 전단실험을 병행해야 한다[20].

또한 연성파괴기준과 더불어 요소제거기법의 적용이 필요하며, 요소제거기법은 특정 요소의 변형이 파괴기준에 도달하면 이 요소를 제거한다[6]. 요소 제거기법을 적용하기 위해, 해석유형을 Element Deletion 으로 적용하였으며 유효한 수치를 가지는전단면 도출을 위해 Fracture elements 2를 사용하였다.

본 연구에서는 전극판의 모재부 및 코팅부에 적용되는 물성이 다르기 때문에 각 소재에 다른 임계 손상치를 도출하였다. 알루미늄 모재부의 임계 손상치는 참고문헌을 이용하여 0.2를 적용하였으며[17], 코팅 부의 임계손상치는 유한요소해석과 전단실험의 결과를 비교함으로써 도출하였다. 비교 결과, 코팅부의임계손상치가 0.16 인 경우에 해석 및 실험결과가 유사함을 Fig. 4를 통해 확인하였으며 이를 코팅의 임계손상치로 선정하였다.

Fig. 4 Comparison of FE analysis and experiment to determine critical damage value for coating

4. 블랭킹 공정의 해석 결과

앞서 도출된 물성 및 Table. 1의 해석조건을 기반으로 공정변수에 따른 영향을 평가하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 블랭킹 공정에서 주요 공정변수인 클리어런스와 펀치 및 다이의 곡률반경의 변화에 따라 해석을 진행하였으며, 예측된 전단 면의 형상을 분석하였다.

4.1 클리어런스의 영향

전극판의 두께는 약 100 µm 로 정밀 전단 가공이 요구된다. 이에 따라 클리어런스를 전체 두께 대비 1%에서 7%, 즉 1 µm 부터 7 µm 까지의 낮은 수치의 범위에서 해석을 수행하였고, 펀치와 다이의 곡률반경은 0.5 µm 로 고정하였다.

클리어런스에 대한 유한요소해석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 클리어런스의 증가에 따라 펀치의 압입 깊이(punch penetration)가 증가하며 크랙 발생의 지연을 알 수 있었다. 또한 수행범위 내에서 두 가지의 메커니즘을 확인하였다. Fig. 5(a)와 같이 클리어런스 3 µm 까지는 펀치가 압입 됨에 따라 초기 크랙(crack initiation)이 나타나게 된 후, 다이에서 크랙이 발생하여 상-하부로부터 크랙 진전(crack propagation) 이되는 일반적인 전파양상이 나타난다. 한편 Fig. 5(b)에 나타난 클리어런스 4 µm 이상에서는 초기 크랙이 상기 결과와 동일하게 발생하지만 크랙 진전 중 아래쪽 코팅부 상단에서 새로운 크랙이 발생하며 진전 방향의 변화를 확인하였다. 이는 중간 모재 부인 알루미늄이 코팅부에 비해 강도가 크기 때문에 추가적인 균열이 발생하여 전파양상이 바뀌는 것으로 판단된다. 이와 같이 크랙 진전 방향이 달라진다면 단차의 발생으로 유효한 전단면을 얻을 수 없음을 확인하였다.

Fig. 5 Results of FE analysis for different clearances

최종 전단면 형상을 Fig. 6에 나타내었으며, 버의크기는 1 µm 이내로 허용범위를 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 클리어런스는 크랙 진전에 크게 영향을 미치며, 최대 3 µm 이내로 선정 시에 우수한 치수정밀도를 가지는 것으로 판단된다.

Fig. 6 Sheared surface for different clearances

4.2 펀치 및 다이 곡률반경의 영향

펀치 및 다이의 곡률반경에 대한 영향을 확인하기 위해 곡률반경을 0.5 µm 부터 2.5 µm 까지 증가시키며 유한요소해석을 수행하였고, 클리어런스는 1 µm 로 고정시켰다.

곡률반경에 따른 전단면의 형성 과정을 Fig. 7에 나타내었다. 곡률반경의 증가에 따라 펀치의 압입 깊이가 증가, 크랙 발생이 지연되며 3 가지의 메커니즘이 나타난다. 곡률반경 1 µm 까지의 경우, 펀치 쪽에서 초기 크랙이 발생하였고 이후 다이 쪽에서 크랙이 발생하였으며, 진전 방향에 따라 전단면이 형성되는 것을 Fig. 7(a)를 통해 확인하였다. 반면, 곡률반경 1.25 µm 부터 2 µm 까지의 경우, 펀치 선단부에서 초기 크랙 발생 후 하부 코팅부 상단에서 크랙이 먼저 발생하였다. 이후 크랙이 진전되며 다이 쪽에서 크랙이 발생하며 전파되는 것을 Fig. 7(b)를 통해 확인하였다. 한편, 곡률반경을 2.5 µm에서 진행하였을 경우, Fig. 7(c)의 결과로 초기 크랙의 발생 위치는 동일하지만 다이 쪽 균열없이 펀치부와 하부 코팅 부에서 발생한 크랙의 진전만으로 전단면이 형성되었다. 일반적인 전단가공에서 금형의 마모는 펀치 및 다이의 곡률반경 증가를 야기시키는 점을 고려해 볼 때 금형 마모로 인한 곡률반경의 증가는 최대 2.5 µm 이내로 관리되어야 함을 알 수 있다.

Fig. 7 Results of FE analysis for different punch and die radii

Fig. 8에 곡률반경에 따른 최종 전단면 형상 및 주요 치수들을 나타내었다. 모재부와 코팅부의 단차는 크게 나타나지 않았으나, 곡률반경의 증가에 따라 롤오버, 알루미늄 모재의 굽힘량 및 버의 크기는 증가하는 경향이 나타났다. 곡률반경이 1.25 µm 이하일 때, 버의 크기가 1 µm 이내로 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 곡률반경은 버의 크기에 크게 영향을 미치며, 1.25 µm 이내의 선정이 적절하다고 판단된다.

Fig. 8 Sheared surface for different punch and die radii

5. 블랭킹 공정 실험 및 평가

유한요소해석 결과를 토대로 금형을 제작하였으며 Fig. 9에 실험에 사용된 금형을 나타내었다. 유한요소해석에서 결정된 공정조건을 반영하여 금형에 적용된 클리어런스는 3 µm, 펀치와 다이의 곡률반경 은 1.25 µm로 진행하였다. 제작된 금형을 사용하여 리튬 이온전지용 알루미늄 박판의 블랭킹공정을 수행하였으며 제조된 제품의 형상을 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 9 Tool set for blanking process of coated aluminum thin sheet

Fig. 10 Result of blanking process for coated aluminum thin sheet

제품의 전단면을 관찰하기 위해 시료를 절단하였으며, Fig. 10에 절단 위치를 나타내었다. 소재가 고온 및 고압에 변형될 가능성이 있기에 냉간 마운팅(cold mounting)으로 시료를 고정하였다. 또한, 시료를경면으로 연마하였으며 현미경으로 블랭킹 공정을 통해 제작된 제품의 전단면을 확인하였다.

제품의 전단면 측정 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 코팅부는 취성 소재와 유사한 거동을 보이기 때문에 명확한 유효 전단면을 확인할 수 없었으며 대부분 파단면으로 해석결과들과 유사한 형상을 나타내었다. 또한, 모재부의 알루미늄은 해석에서 나타난 롤 오버 형상과 유사한 굽힘량이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 주요 치수인 버의 크기를 측정한 경우, 관찰되지 않거나 미소하게 발생하며 최대 1 µm 이내로 허용 범위를 만족하는 것으로 확인되었다.

Fig. 11 Sheared surfaces observed in product

6. 결론

본 논문에서는 리튬 이온전지의 전극판 제조를 위한 코팅된 알루미늄 박판의 블랭킹 공정 설계에 관한 연구를 수행하였다. 최적 공정조건을 도출하기 위하여 유한요소해석을 수행하였으며 금형 제작을 통해 검증 실험을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1) 알루미늄 모재와 코팅부에 대하여 기계적 물성 평가를 진행하였으며, 연성파괴이론과 요소 제거기법을 사용하여 전단 과정을 모사하였다. 모재 부의 임계 손상치는 0.2[17], 코팅부의 임계손상치는 0.16 으로 도출되었으며 유한요소해석에 적용하였다.

(2) 유한요소해석을 수행하여 주요 공정변수의 최적 조건을 도출하였다. 클리어런스는 크랙 발생 및 크랙 진전을 고려하였을 때 3 µm 이내의 범위로 선정해야 함을 확인하였다. 또한, 펀치 및 다이 곡률반경은 버의 크기 및 금형의 수명을 고려하였을 때 1.25 µm 이내의 범위로 선정해야 함을 확인하였다.

(3) 도출된 공정조건을 토대로 금형을 제작하여블랭킹 공정 실험을 수행하였다. 제작된 제품의 전단면 관찰결과, 버가 관찰되지 않거나 미소한 버가발생하는 것을 확인하였으며 전단면 형상이 허용범위 내에 있음을 확인하였다.

(4) 블랭킹 공정을 통한 전극판 제조 시, 레이저가공을 대체하여 더 높은 생산성과 우수한 치수정밀도의 전단면을 가지는 제품을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

후기

본 연구는 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2019R1A5A6099595).