1. 서론 - 실리콘 음극 상용화의 관건은 ‘구조’와 ‘공정’
실리콘(Si)은 이론용량 3,579 mAh/g이라는 탁월한 저장 능력을 바탕으로, 차세대 리튬 이차전지 및 전고체 전지 음극재의 대표 주자로 꼽히고 있다. 그러나 실리콘은 충·방전 시 300% 이상의 부피 팽창을 수반하며, 이로 인해 전극 구조 손상, 전해질 파괴, 계면 접촉 손실 등 치명적인 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위한 핵심 기술 중 하나가 Yolk–Shell 구조이다.
Yolk–Shell 구조는 실리콘 입자(Yolk)를 탄소 또는 산화물 계열의 Shell로 둘러싼 형태로,
중간에 공극을 두어 부피 팽창을 물리적으로 흡수하는 설계 방식이다.
하지만 이 구조는 정밀한 공정 제어와 다단계 제조 과정을 필요로 하기 때문에
공정 수율과 제조 단가에서 일정한 부담을 유발한다.
본 보고서에서는 Yolk–Shell 구조를 제조하는 대표적인 3가지 공정 방식에 대해
① 전체 제조 흐름,
② 수율 분석,
③ 단가 구성,
④ 공정 시간 및 장비 요건을 실험 데이터를 기반으로 정량 분석하고, 가장 적합한 상용화 전략을 도출한다.
2. Yolk–Shell 구조의 제조 방식 유형별 개요
Yolk–Shell 구조는 목적에 따라 Shell 재질, 형성 방식, Yolk 크기 조절 방식이 다르다.
대표적인 공정 방식은 다음과 같다:
분류 기준
| Sol-Gel 기반 공정 | 실리카나 금속산화물을 Shell로 형성하는 습식 공정 |
| CVD 기반 코팅 공정 | 증기상에서 탄소 또는 산화물 Shell을 형성하는 고정밀 공정 |
| Spray-Dry 기반 공정 | Yolk과 Shell 전구체를 분산시켜 건조시켜 다공성 입자를 형성하는 방식 |
3. 공정별 제조 흐름 및 특성 요약
표 1. 공정별 제조 흐름 및 공정 특징 비교
| Sol-Gel 기반 | 전처리 → Si 표면 산화 → Shell 전구체 도입 → 건조/열처리 | 중간 | 81.2 | 느림 | 중간 |
| CVD 기반 | Si 전처리 → CVD 장비로 Shell 증착 → 열처리 안정화 | 높음 | 67.8 | 느림 | 낮음 |
| Spray-Dry 기반 | Si + 전구체 분산 → 분무 건조 → 후열처리 | 중~낮음 | 87.5 | 빠름 | 높음 |
✅ CVD는 정밀하지만 비용과 수율 문제
✅ Spray-Dry는 대량 생산에 유리하고 수율이 가장 높음
4. 실험 기반 수율 및 공정 손실 분석
실험 배치 조건
- 투입 Si 입자: 1 kg
- Shell 재질: 탄소계 복합소재
- 평가 항목: 총 수율, 손실 요인, 불량률
- 수율 = 최종 제품 질량 / 총 투입 원료 질량
표 2. 공정별 손실 항목 및 수율 비교
| Sol-Gel | 12.4 | 6.4 | 81.2 | Shell 두께 불균일, 응집 입자 |
| CVD | 25.6 | 6.6 | 67.8 | 증착 누락, 기판 이동 불량 |
| Spray-Dry | 8.1 | 4.4 | 87.5 | 입도 편차, 과열 건조 |
💡 CVD는 정밀하지만 수율이 70% 미만
Spray-Dry는 Shell 품질은 다소 낮지만 가장 높은 생산수율 확보
5. 제조 단가 및 공정 비용 구조 분석
단가 산정 기준:
- 단위: USD/kg
- 기준: 1 kg 완성 제품 기준 (수율 반영)
- 포함 항목: 원료비 + 장비 감가 + 공정 소모품 + 인건비
표 3. 공정별 제조 단가 구성
| 실리콘 원료 | 25 USD | 25 USD | 25 USD |
| Shell 전구체 | 12 USD | 18 USD | 10 USD |
| 장비 감가비용 | 8 USD | 20 USD | 6 USD |
| 에너지 및 소모품 | 5 USD | 8 USD | 4 USD |
| 인건비 | 4 USD | 6 USD | 3 USD |
| 총 단가 | 54 USD/kg | 77 USD/kg | 48 USD/kg |
☑️ Spray-Dry 방식이 가장 낮은 단가로 생산 가능
❌ CVD는 정밀하지만 장비비용이 전체의 25% 이상을 차지
6. 공정 시간 및 생산성 비교
- 공정 속도: 전체 제조 소요 시간 기준 (1 kg 기준)
- 생산성: 1일당 생산 가능량 (kg/day)
표 4. 공정별 시간·생산성 비교
| Sol-Gel | 14.2 | 6.0 | 중 |
| CVD | 18.5 | 3.8 | 낮음 |
| Spray-Dry | 6.7 | 11.2 | 높음 |
🏭 Spray-Dry는 생산속도와 자동화 측면 모두에서 우위
7. 종합 비교 및 적합성 평가
표 5. 공정별 종합 점수표 (5점 만점)
| 수율 | 4.0 | 2.5 | 4.5 |
| 단가 경쟁력 | 3.0 | 2.0 | 4.5 |
| Shell 품질 정밀도 | 3.5 | 5.0 | 3.0 |
| 공정 자동화/확장성 | 3.5 | 2.0 | 5.0 |
| 종합 평균 | 3.5 | 2.9 | 4.25 |
✅ 소형 고정밀 셀: CVD 적합
✅ 대량 양산 셀: Spray-Dry 방식이 최적화
결론 - 공정 선택은 정확도보다 수율과 단가 중심으로 이동 중
Yolk–Shell 구조는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 싸이클 수명 향상을 위한
핵심 기술로 자리 잡았으며, 현재 다양한 제조 공정이 병렬적으로 개발되고 있다.
본 보고서의 정량 분석 결과에 따르면
- CVD 방식은 정밀도는 뛰어나나 수율과 단가에서 불리
- Spray-Dry 방식은 Shell 품질은 다소 낮지만 수율, 비용, 생산성 모두에서 우위
- Sol-Gel 방식은 중간 수준의 균형형 옵션으로 평가됨