실리콘 이차전지용 고점도 슬러리의 코팅 균일성 확보 전략
1. 서론 – 실리콘 음극 슬러리의 도전 과제
실리콘 음극은 기존 흑연보다 약 10배 높은 이론용량을 지녀
에너지 밀도를 획기적으로 끌어올릴 수 있는 차세대 이차전지 소재다.
하지만 실리콘 입자의 높은 비표면적과 충·방전 시 급격한 팽창 특성은
슬러리 내에서 점도를 상승시키고, 코팅 균일성을 확보하는 데 큰 장애 요소로 작용한다.
일반적인 슬러리 점도는 1,000~2,000 cP 수준이지만,
실리콘 기반 전극은 5,000 cP를 초과하는 고점도 조건이 발생하며
롤코터, 슬롯다이와 같은 기존 공정에서 도포 불균일, 필름 두께 편차, 입자 침강 등의 문제가 발생할 수 있다.
이 글에서는 실리콘 음극 슬러리의 고점도 문제를 해결하기 위해
조성, 공정, 설비 관점에서 코팅 균일성을 확보할 수 있는 전략을
실험 데이터를 바탕으로 체계적으로 분석한다.
2. 고점도 슬러리의 물리적 특성 이해
▸ 실리콘 슬러리의 고점도 원인
- 나노 입자의 높은 응집력: 실리콘 표면 산화층과 수소 결합
- 비표면적 증가 → 바인더/용매 흡수 증가
- 고고형분 조성: 에너지 밀도 확보 위한 필연적 선택
- 불균일 분산: 입자-바인더 네트워크 형성 실패 시 급격한 응집
표 1. 실리콘 음극 슬러리와 흑연 슬러리 비교
| 고형분 (%) | 42 | 52 |
| 평균 점도 (cP) | 1,350 | 5,920 |
| 슬러리 안정성 | 높음 | 낮음 |
| 입자 재응집 현상 | 드묾 | 빈번함 |
| 도포 폭 일관성 (mm) | ±0.1 | ±0.6 |
3. 바인더 조성과 분산 전략
실리콘 슬러리에서 바인더는 단순한 점착제 역할을 넘어서
입자간 응집 억제, 유변학 제어, 도포 안정성 확보에 핵심 역할을 한다.
▸ 주요 바인더 종류 및 혼합 전략
| CMC | 점도 안정성, 친수성 유지 |
| PAA | 실리콘과의 수소결합 → 구조 강화 |
| SBR | 유연성 부여, 필름 박리 억제 |
| PVDF-HFP | 유기계 고분자 → 기계적 강도 확보 |
표 2. 바인더 조성별 점도 및 도포 특성
| CMC/PAA (1:1) | 5,620 | 보통 | 12.3 |
| CMC/SBR (2:1) | 4,980 | 양호 | 7.6 |
| CMC/PAA/SBR | 4,320 | 우수 | 3.1 |
| PVDF 단일 | 7,100 | 불균일 | 18.9 |
복합 바인더 조성이 슬러리 점도와 필름 안정성을 동시에 개선시키는 것으로 확인되었다.
4. 코팅 공정 최적화 매개변수
고점도 슬러리는 코팅 장비에서 공정 변수에 따라 큰 영향을 받는다.
특히 슬롯다이/롤코터 방식에서는 유속, 간극, 점도 균일도가 핵심이다.
표 3. 슬롯다이 공정 조건별 코팅 품질
| ① | 50 | 10 | 100 | 2 |
| ② | 50 | 5 | 80 | 4 |
| ③ | 100 | 5 | 80 | 5 |
코팅 균일도는 속도를 낮추고 간극을 줄이는 방식에서 가장 우수하였다.
또한 슬롯폭이 증가하면 압력 분포가 더 균일해져 도포 품질이 향상되었다.
5. 분산제와 용매의 선택
분산제와 용매는 실리콘 입자의 재응집을 억제하고
슬러리의 유동성 유지에 직접적인 영향을 준다.
▸ 일반적으로 사용하는 첨가제
- Triton X-100: 계면활성제, 재응집 억제
- PVP: 점도 조절 + 입자 표면 흡착
- NMP/IPA: 유기계 용매, 건조속도 제어
표 4. 첨가제 적용 효과 분석
| 없음 | 6,000 | 낮음 | 18.5 |
| PVP | 5,200 | 중간 | 11.7 |
| Triton + PVP | 4,380 | 우수 | 4.9 |
복합 첨가제 조합이 고점도 슬러리의 필름 결함률을 1/4 이하로 줄였음을 확인하였다.
6. 필름 두께 균일도 및 기공도 평가
슬러리 도포 후 필름 두께의 균일성과 기공도 분포는
이차전지 성능과 수명에 직접적인 영향을 준다.
표 5. 도포 필름 품질 지표 비교
| A | ±6.4 | 32.1 | 9.8 |
| B | ±3.1 | 29.5 | 4.2 |
| C | ±1.7 | 27.8 | 1.1 |
최적화된 복합 바인더 + 첨가제 조건에서 도포 두께와 기공도가 가장 안정적이었다.
이는 전극 내 리튬 이온 경로의 균일성 확보에 긍정적인 영향을 미친다.
7. 산업 적용을 위한 최적 조성 및 공정 요약
슬러리 설계 가이드 요약
| 바인더 조성 | CMC/PAA/SBR (1:1:1) |
| 분산제 | Triton X-100 + PVP |
| 고형분 농도 | 50~53 wt% |
| 도포 방식 | 슬롯다이, 간극 80μm 이하 설정 |
| 도포 속도 | 5 mm/s 이하 |
| 점도 기준 | 4,000~4,500 cP 유지 |
8. 결론 – 고점도 슬러리도 균일하게 만들 수 있다
고점도 슬러리는 실리콘 이차전지 상용화에서
가장 현실적이고 공정 중심적인 장애물 중 하나이다.
하지만 복합 바인더 조성 설계, 첨가제 활용, 공정 변수 제어를 통합적으로 고려하면
슬러리의 유동성 개선과 도포 균일성 확보가 가능하다.
이번 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다:
- 실리콘 음극 슬러리는 복합 바인더(CMC/PAA/SBR)가 응집을 줄이고 구조 안정성을 높인다.
- PVP와 Triton X-100의 조합은 고점도 문제를 해결하고 필름 결함률을 낮춘다.
- 도포 공정에서는 슬롯다이 방식, 저속 도포, 얇은 간극이 가장 효과적이다.
- 결과적으로, 슬러리 점도와 도포 균일성 간의 최적 균형은
고에너지 밀도 실리콘 이차전지 제조의 핵심 전략이다.