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Posted on March 09, 2026
펄스 레이저 용접은 현재 고전압 전기차(EV) 배터리 조립을 위한 사실상 표준 공정으로 자리 잡았습니다. 그 주요 이유는 극도로 정밀하고, 속도가 빠르며, 열 발생량이 매우 적어 민감한 부품에 영향을 주지 않기 때문입니다. 저항 용접이나 초음파 용접과 같은 기존 기술에 비해 이 레이저는 에너지를 밀리초의 소수점 이하 단위까지 집중시킬 수 있습니다. 이로 인해 ±0.1mm 수준의 엄격한 용접 허용 오차를 충족하면서도 열 손상을 최소화할 수 있으며, 이는 전해질 열화나 배터리 팩 내 분리막 결함과 같은 문제를 고려할 때 매우 중요합니다. 주요 제조사들은 이 기술로 전환함으로써 사이클 타임을 최대 35%까지 단축시켰으며, 이는 전기차의 급증하는 생산 목표 달성에 실질적인 도움이 되고 있습니다. 그러나 구리(Copper)를 다루는 것은 여전히 상당한 어려움을 동반합니다. 구리는 빛과 열을 흡수하는 방식이 레이저 시스템과 잘 호환되지 않아, 에너지 흡수가 불균일하게 일어나 용접부에 미세한 구멍이나 균열이 생기기도 합니다. 이러한 결함은 일반 검사 과정에서는 거의 식별하기 어렵지만, 시간이 지나거나 충돌 시 진동 및 응력에 노출될 경우 점차 악화될 수 있습니다.
구리가 적외선을 약 90% 반사하고 열 전도성이 매우 뛰어나(약 400 W/mK) 많은 공정에 이상적이지만, 레이저를 이용해 부품을 접합하려 할 때는 문제를 일으킨다. 레이저가 구리 표면에 조사되면 반사로 인해 용접 풀(weld pool)의 안정성이 저해된다. 게다가 구리는 열을 지나치게 빠르게 방출하기 때문에 적절한 용융 영역(melt zone)이 형성되지 않아, 셀과 버스바(busbar)가 연결되는 부분에 약점 또는 간극이 생긴다. 이러한 은폐 결함은 수동 검사뿐 아니라 자동 검사에서도 쉽게 놓치기 쉬우나, 정상 작동 중 진동 등이 반복되면서 시간이 지남에 따라 전체 시스템의 강도를 점차 약화시킨다. 이 문제를 해결하기 위해 선도 제조업체들은 단순히 문제를 보완하는 수준을 넘어, 구리의 천연 특성상 발생하는 한계를 관리 가능한 요소로 전환할 수 있도록 특정 표면 질감 및 형상을 고려해 부품을 설계하고 있다. 이 접근법은 실제 공장에서 탁월한 성과를 거두었으며, 여러 생산 라인에서 실시된 현장 테스트 결과에 따르면 용접 불량률이 약 2/3 감소했다.
구리의 레이저 반사 경향은 제조업체들에게 오랫동안 주요 과제였으나, 새로운 버스바 설계가 특수한 표면 처리 기술을 통해 이 문제를 직접적으로 해결하고 있다. 핵심은 레이저 에칭 기술을 이용해 금속 표면에 미세한 텍스처를 형성하는 데 있다. 이러한 마이크로 패턴은 약 5~20마이크론 깊이로 형성되며, 실제 표면적을 증가시키는 동시에 입사하는 레이저 광 일부를 포획함으로써 작용한다. 시험 결과에 따르면, 이 방식은 레이저 흡수율을 최대 30~50%까지 향상시킬 수 있어 생산 효율 측면에서 상당한 차이를 만든다. 또 다른 핵심 단계는 가공 중 금속이 공기와 접촉할 때 발생하는 현상에서 비롯된다. 구리 표면에는 자연스럽게 얇은 구리 산화막이 형성되는데, 이 막은 적외선 흡수 성능을 향상시키는 역할을 하면서도 재료 자체의 전기 전도성에는 영향을 주지 않는다. 이 두 가지 접근법을 병행하면 용접 풀(weld pool)을 안정적으로 유지하고, 성가신 미세한 금속 튀김(spatter)을 줄이며, 열 변화에 민감하게 반응하는 고니켈 함량 소재와 같은 난이도 높은 재료를 다룰 때에도 일관된 용입 깊이(penetration depth)를 유지할 수 있다. 제조업체들은 실무 적용에서 얻은 탁월한 성과를 바탕으로 이러한 표면 처리 전략을 표준 사양에 점차 도입하기 시작하였다.
기하학적 구조는 단순히 존재하는 것에서 그치지 않고, 용접 시뿐 아니라 제품의 전체 사용 기간 동안 열 및 기계적 하중을 어떻게 제어할지를 실제로 결정합니다. 홈은 정밀하게 정렬되어 레이저의 기준점 역할을 하며, 이를 통해 빔을 약 0.1mm의 정확도로 배치할 수 있습니다. 이는 각 배터리 팩 내 수천 개에 달하는 접합부에 일관된 에너지를 공급할 때 매우 중요합니다. 또한 용접 부위 근처에서 구리 두께가 특별히 증가한 영역들이 있는데, 이들은 열 싱크(heat sink)로서 작용하여 과도한 열을 흡수하고 방출함으로써 최고 온도를 약 15~20% 낮추어 인근 셀의 과열을 방지합니다. 부품 간 연결부에서는 약간 둥글게 처리된 엣지와 일부 유연성을 갖춘 접합부 설계를 채택하여, 최대 0.3mm까지 차이 나는 단자 높이를 보상할 수 있도록 했습니다. 이는 진동이나 온도 변화 시 일반적으로 발생하는 균열을 유발하는 응력 축적을 방지합니다. 이러한 모든 설계 개선 사항들은 대규모 양산 환경에서 후속 문제 해결 작업을 줄이는 데 큰 차이를 만듭니다.
레이저 용접에 적합한 올바른 버스바 설계는 단순히 더 나은 용접 품질을 넘어서 실질적인 투자 수익률(ROI) 향상을 가져옵니다. 과거에 구리 재질 버스바를 레이저 용접할 때는 기술자들이 지속적으로 공정 파라미터를 조정해야 했으며, 문제가 발생할 경우 수동 개입이 불가피했습니다. 그러나 이러한 신형 버스바 설계를 도입한 후에는 전체 공정이 훨씬 원활하게 자동 운영되며, 자동으로 높은 수율을 달성할 수 있게 되었습니다. 주요 제조 공장에서는 이 부품들이 시간 경과에 따라 에너지를 일관되게 흡수하고 형상을 안정적으로 유지함에 따라 라인 사이클 타임이 약 35% 감소하는 효과를 보고 있습니다. 이는 특히 24시간 가동되는 용접 작업에서 노동력 소요 시간과 전기 요금 모두에서 비용 절감으로 이어지며, 그 효과가 매우 두드러집니다. (자세한 내용은 2025년 산업 벤치마크 보고서 참조)
최근 EV 부품 분야의 주요 기업 중 한 곳이 최신 버스바 플랫폼을 위해 상당히 인상 깊은 기술을 출시했다. 이들은 설계 전반에 걸쳐 마이크로 텍스처 처리된 표면과 특수 열 싱크 영역을 추가했는데, 이로 인해 2024년 실시된 엄격한 가속 시험에서 용접 결함이 약 3분의 2 수준으로 감소했다. 재정적 영향도 상당했으며, 폐기 비용은 약 18% 줄었고 재작업 소요 시간은 약 30% 감소했다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 이러한 강화된 접합부가 열 폭주 발생 가능성을 낮춘다는 점이다. 그리고 우리가 모두 잘 아는 바와 같이, 열 폭주가 발생하면 어떤 결과가 초래되는지 알 수 있다. 폰에몬 연구소(Ponemon Institute)는 지난해 각 리콜 사고가 제조사에게 평균 약 74만 달러의 비용을 부과한다고 밝혔다. 따라서 자동차 제조사 및 배터리 팩 제조업체 입장에서는, 여기서 보이는 변화가 단순한 제조 공정의 미세한 개선이 아니다. 오히려 향후 보증 비용을 과도하게 부담하지 않으면서 더 오래 지속되는 제품을 구축하는 데 있어 진정한 게임 체인저를 의미한다.
펄스 레이저 용접은 정밀도, 속도, 그리고 최소한의 열 발생이라는 장점으로 인해 민감한 부품에 손상을 주지 않기 때문에 선호됩니다.
주요 도전 과제로는 동의 높은 반사율과 열 전도율이 있으며, 이는 용접 풀의 안정성에 영향을 미쳐 결함을 유발할 수 있습니다.
마이크로 텍스처는 표면적을 증가시키고 입사 레이저 광을 포획함으로써 흡수율을 30%에서 50%까지 향상시킵니다.
이러한 설계를 도입하면 공정 운영이 원활해지고, 양산률이 향상되며, 라인 사이클 타임이 약 35% 단축되어 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
결함률이 크게 감소하였으며, 일부 공급업체는 용접 불량률이 최대 62%까지 감소했다고 보고하였습니다.
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