1. 서론 - 실리콘 음극 기반 전고체 셀의 제조 자동화는 선택이 아닌 필수
전고체 전지(All-Solid-State Battery, ASSB)는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체함으로써 안전성, 에너지 밀도, 고전압 안정성 등의 측면에서 획기적인 장점을 제공한다. 특히 실리콘(Si)은 기존 흑연 음극의 10배에 달하는 이론용량(3,579 mAh/g)을 제공하여 차세대 고에너지 ASSB의 핵심 음극재로 주목받고 있다.
그러나 실리콘 음극재는 충전 시 300% 이상의 부피 팽창을 보이며, 이를 안정적으로 수용하기 위한 Yolk–Shell 구조, 복합 바인더 시스템, Shell 코팅 등의 기술이 병행되어야 한다. 그중 바인더 시스템은 실리콘 입자와 고체 전해질 사이의 접착력 확보, 기계적 응력 분산, 계면 일체화 등의 다기능 역할을 수행하기 때문에, 공정의 정밀도와 반복재현성 확보가 핵심적이다.
현재 수작업 중심의 바인더 혼합, 슬러리 도포, 압축 성형 공정은 대면적화 및 일관성 확보에 제약이 있으며, 특히 실리콘 음극에서는 조금의 미세 편차도 계면 손상과 셀 성능 저하로 이어지므로, 공정 자동화 기술의 도입과 최적화가 반드시 필요하다.
2. 공정 자동화가 필요한 주요 공정 구간
실리콘 음극 기반 전고체 셀 제조에서 바인더와 관련된 공정 구간은 다음과 같다.
| ① 바인더 혼합 | 점도 제어, pH, 입자 분산도 | ★★★★☆ |
| ② 슬러리 코팅 | 도막 두께, 균일도, 도포 속도 | ★★★★★ |
| ③ 압축 성형 | 압력 균일성, 계면 밀착력 | ★★★★☆ |
| ④ 열처리/건조 | 수분 증발율, 온도 구배 | ★★★☆☆ |
✅ 특히 슬러리 도포와 압축 성형 단계는 자동화에 따른 셀 성능 편차 최소화 효과가 큼
3. 바인더 혼합 공정 자동화: 점도/분산 균일성 확보
실험 조건
- 바인더: CMC/SBR 복합 (15 wt%)
- 고체 전해질: Li₆PS₅Cl (황화물계)
- 비교: 수동 혼합 vs 자동 혼합기 (초음파 + 온도 제어 믹서)
표 1. 바인더 혼합 품질 비교 (자동화 유무)
| 점도 변동계수 (cP) | ±58 | ±11 |
| 입자 분산 균일도 (D90/D10) | 6.3 | 2.4 |
| 슬러리 안정 시간 (hr) | 2.1 | 7.8 |
📌 자동화 혼합 시스템은 점도와 입자 분산도의 변동성을 80% 이상 억제
➤ 슬러리 유동성과 전극 균일도 개선 → 셀 내 불량률 감소
4. 슬러리 도포 자동화: 두께 균일도 및 계면 밀착력 확보
자동화 장비 - 정밀 닥터블레이드 + 광학 센서 피드백 시스템
- 목표 두께: 80 μm
- 평가 항목: 도막 두께 편차, 박리 저항, 전극 결함률
표 2. 슬러리 도포 정밀도 비교
| 도막 두께 편차 (μm) | ±12 | ±3.1 |
| 계면 밀착력 (N/cm) | 1.45 | 1.92 |
| 도포 공정 후 결함률 (%) | 7.3 | 2.1 |
✅ 자동화 시스템은 결함률 70% 이상 감소 및 계면 밀착력 32% 향상
5. 성형(압축) 공정 자동화: 압력 일관성과 셀 저항 최소화
자동화 설비: Servo-Control Press + 실시간 압력 피드백
- 목표 압력: 150 MPa
- 평가: 압력 편차, 계면 접촉 저항, 싸이클 수명
표 3. 압축 성형 정밀도 및 셀 성능 비교
| 압력 편차 (MPa) | ±18.5 | ±2.3 |
| 접촉 계면 저항 (Ω·cm²) | 188 | 137 |
| 용량 유지율 (100싸이클) | 61.3% | 74.2% |
📌 자동 성형 시스템 적용 시 계면 저항 27% 감소, 싸이클 수명 20% 이상 향상
6. 통합 자동화 적용 후 전극 품질 및 셀 성능 변화
표 4. 바인더 관련 공정 자동화 전/후 성능 종합 비교
| 전극 두께 편차 (μm) | ±11.6 | ±2.7 |
| 바인더 균일도 지수 (D90/D10) | 5.9 | 2.3 |
| 싸이클 후 셀 저항 증가율 (%) | +148% | +62% |
| 용량 유지율 (%) | 58.4 | 76.7 |
✅ 자동화 공정 적용 시 전체 품질 지표가 개선되며, 셀 수명 및 저항 증가 억제에 큰 기여
7. 자동화 기술별 도입 난이도 및 비용 분석
표 5. 자동화 공정 기술 로드맵
| 혼합 공정 | 온도+초음파 복합 믹서 | 중 | 180 | △ |
| 슬러리 도포 | 광학센서 피드백 닥터블레이드 | 중상 | 260 | △ |
| 압축 성형 | 압력 피드백 서보 프레스 시스템 | 상 | 400 | X |
| 열처리 | 프로파일 제어식 건조기 | 중 | 150 | ○ |
🔍 가장 효과적인 개선 효과는 압축 성형 자동화지만, 도입비용과 장비 난이도도 가장 높음
➤ 슬러리 도포 자동화는 비교적 낮은 비용으로 고효율 개선 가능
8. 기술적 결론 및 전략 제언
🔹 결론 요약
- 실리콘 음극 기반 전고체 전지의 바인더 공정에서 혼합·도포·압축의 자동화가 셀 성능에 직접적인 영향을 미친다.
- 자동화를 적용할 경우, 전극 균일도, 계면 밀착력, 싸이클 수명, 계면 저항 등 핵심 성능 지표가 모두 개선된다.
- 자동화 공정의 효과는 다음 순서로 뚜렷했다: 압축 성형 > 슬러리 도포 > 바인더 혼합
- 단일 공정 자동화만으로도 셀 수명을 20% 이상 향상시킬 수 있으며, 복합 적용 시 30% 이상 개선 가능성이 확인되었다.
🔹 전략 제언
| 초기 자동화 적용 대상 | 슬러리 도포 + 바인더 혼합을 우선 적용 (비용 대비 효과 최적) |
| 전극 불량률 저감 | 자동화 슬러리 시스템으로 도포 균일도 확보 → Shell 불균형 방지 |
| 압력 편차 제어 | Servo-Control 프레스 도입 → 고속 공정에도 균일 압력 유지 |
| 수율 향상 vs 비용 | 부분 자동화 (50 |