전고체 셀 공정 자동화와 제조 비용 최적화 시뮬레이션 결과

1. 서론 - 공정 자동화는 전고체 배터리 상용화의 관문

 

전고체 전지(All-Solid-State Battery, ASSB)는 액체 전해질을 완전히 대체하면서 폭발 위험 없이 고에너지 밀도 구현이 가능하다는 점에서 차세대 배터리 기술로 집중 연구되고 있다. 특히 실리콘(Si) 기반 고용량 음극재와 고체 전해질의 조합은 셀 에너지 밀도를 획기적으로 끌어올릴 수 있는 해법이지만, 고체 전해질 공정 특성상 제조 공정의 복잡도와 수율 저하 위험이 높다.

전고체 셀의 공정은 기존 리튬이온 배터리 대비 다음과 같은 구조적 차이점을 가진다:

• 극히 낮은 습도 (<1% RH) 유지 필요
• 고체 전해질 분말의 정밀 혼합·분산 공정
• 다층 적층 압축 및 균일 압력 유지
• 바인더·슬러리 제어의 정밀도 의존도 매우 높음

따라서 공정 자동화는 생산성 향상뿐 아니라 셀 품질 확보와 제조 단가 절감을 위한 핵심 수단이다.
본 보고서에서는 전고체 배터리 공정의 자동화 시나리오별 제조 원가 변화와 성능 편차를 시뮬레이션하여, 최적화된 자동화 전략을 도출하였다.

2. 전고체 배터리 공정 흐름 및 자동화 가능 영역

 

전고체 셀의 전체 제조 공정은 다음과 같이 나뉘며, 각 단계별 자동화 가능성과 도입 효과가 상이하다.

표 1. 전고체 셀 제조 공정 단계별 자동화 가능성 평가

공정 단계주요 장비/작업자동화 가능성자동화 도입 효과

 

고체 전해질 혼합	볼밀, 플래닛 밀링	높음	재현성 개선, 입자 분산 균일화
바인더 슬러리 혼합	진공 믹서, 초음파 유화기	중간	점도 편차 감소, 코팅 균일도 개선
슬러리 도포	닥터 블레이드, 스크린 코터	매우 높음	두께 편차 최소화, 공정 속도 증가
적층 성형	프레스, 접착기	중간	계면 접촉력 유지, 생산속도 향상
열처리/건조	오븐, 진공 챔버	높음	품질 균일성 유지

 

✅ 슬러리 도포 및 고체 전해질 분산 단계는 ROI가 가장 빠른 자동화 대상

 

3. 공정 자동화 시나리오 정의

 

본 분석에서는 3단계 시나리오로 자동화 적용 정도를 구분하여 제조 단가 시뮬레이션을 수행하였다.

표 2. 자동화 시나리오 구성

시나리오 명자동화 적용 범위적용 비율 (%)

 

시나리오 A	수작업 기반 (기존 연구실 공정)	0%
시나리오 B	혼합 + 도포 공정 자동화	약 40%
시나리오 C	혼합 + 도포 + 성형 + 열처리 전체 자동화 (Full)	80% 이상

 

☑️ 시나리오 B는 초기 투자 비용 부담은 낮지만 ROI가 빠른 부분 자동화 전략
☑️ 시나리오 C는 초기 비용 부담이 크지만 장기 TCO 관점에서 가장 효율적임

 

4. 시뮬레이션 기반 제조 단가 비교 (USD/셀)

 

• 기준 셀: 60x90mm pouch형, NCM/Si계 음극, 5mAh/cm²
• 생산 규모: 1GWh/년
• 자동화 설비 평균 감가 기간: 5년 기준

표 3. 시나리오별 셀 제조 단가 시뮬레이션 결과

항목시나리오 A시나리오 B시나리오 C

 

재료비	83.2	83.2	83.2
인건비	41.3	27.5	15.8
장비 감가 비용	4.2	12.1	27.4
공정 불량률로 인한 손실	9.5	4.6	2.2
단가 총계 (USD/셀)	138.2	127.4	128.6

 

📌 시나리오 C는 장비비 상승분에도 불구하고 불량률과 인건비 절감으로 단가 경쟁력 확보

 

5. 자동화 도입에 따른 불량률 및 수율 변화

 

표 4. 시나리오별 평균 공정 불량률 및 수율

시나리오슬러리 도포 편차 발생률 (%)적층 불량률 (%)전체 수율 (%)

 

시나리오 A	6.4	4.8	86.7
시나리오 B	2.1	2.9	93.5
시나리오 C	1.2	1.3	97.1

 

✅ Full 자동화 시스템 도입 시 전체 수율이 약 10% 이상 증가

 

6. 싸이클 수명 및 셀 품질 일관성 개선 효과

 

제조 공정의 정밀도는 싸이클 수명과도 강한 상관관계를 가지며, 자동화를 통해 전극 두께·계면 밀착 편차가 줄어들면 싸이클 열화 속도가 늦어진다.

표 5. 자동화 수준별 셀 싸이클 수명 비교 (0.1C, 100싸이클 기준)

시나리오초기 용량 (mAh/g)100 싸이클 후 용량용량 유지율 (%)

 

시나리오 A	2,930	1,781	60.7
시나리오 B	2,960	2,092	70.6
시나리오 C	2,950	2,317	78.6

 

📈 자동화 도입은 단가 절감뿐 아니라 셀 성능의 균일성과 싸이클 수명 개선에 기여

 

7. 자동화 투자 대비 수익 분석 (ROI)

 

자동화 설비 도입 시 예상 투자금과 절감 효과를 비교하여 ROI(투자 회수 기간)를 계산하였다.

표 6. 투자 대비 연간 절감 효과 분석 (단위: 백만 USD)

시나리오 B시나리오 C

 

자동화 설비 투자: 12M	자동화 설비 투자: 35M
연간 인건비 절감: 5.7M	연간 인건비 절감: 10.3M
불량률 개선 효과: 2.9M	불량률 개선 효과: 5.4M
ROI (투자 회수 기간)	약 1.7년

 

☑️ 2년 이내 회수 가능 → 양산 규모 전환 시 설비 투자 타당성 충분

 

8. 공정 자동화 도입 전략 제언

 

요약: 공정별 우선 자동화 추천 순서

우선순위공정 단계추천 이유

1	슬러리 도포	수율 개선 효과 가장 큼, 비용 대비 ROI 빠름
2	고체 전해질 혼합	균일한 입도 확보로 전극 품질 안정화
3	압축 성형	계면 저항 및 싸이클 수명에 직접적 영향
4	열처리/건조	품질 균일성 향상, 품질 관리 간편화

 

9. 결론

 

전고체 전지의 제조 공정은 구조적 복잡성과 민감도 높은 계면 특성으로 인해 수율 확보와 단가 절감에 큰 어려움을 겪고 있다. 본 보고서의 시뮬레이션 결과에 따르면, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다:

1. 공정 자동화를 통해 제조 단가는 최대 9.6% 절감 가능
2. 셀 수율은 최대 10% 향상되며, 싸이클 수명은 18% 이상 개선
3. 자동화 설비 투자 대비 ROI는 2년 이내 회수가 가능해 상용화 전환 시 강력한 전략 수단
4. 부분 자동화(40~60%)만으로도 단가·수율·성능의 3대 축을 동시 개선 가능

따라서 전고체 셀의 대면적 생산 체계를 구축하기 위해서는
단순 반복 자동화보다 공정 상호 연계형 자동화 시스템의 설계가 핵심이며,
소규모 라인에서부터 점진적 자동화 도입을 추진하는 하이브리드 전략이 가장 현실적이다.