문제정의
건식전극 공정은 용제 없이 분체를 압연해 필름을 형성하는 방식이다. 나인테크가 국내 전고체 배터리 제조사의 실 양산라인에서 건식전극 공정 장비의 성능검증에 착수했다는 소식이 8월 확인됐다. 습식 슬러리 코팅은 용매 증발 건조 과정에서 필름 지지력을 확보하지만, 건식 압연은 초기 필름이 자립 지지력을 갖지 못한 상태로 다음 니프까지 이송돼야 한다는 기구적 모순을 안고 있다. 필름이 롤에서 이탈하지 않고 다음 압연 단계까지 밀착 이송되려면 어떤 조건을 만족해야 하는가.
기구학적 분석
다단 캘린더는 3롤 또는 6~7롤 구성의 수평 배열 압연 롤로 이뤄진다. 각 롤은 개별 서보모터로 구동되며, 하류 롤의 표면속도를 상류 롤보다 높게 설정한다. 속도차는 니프 통과 필름에 전단을 유발해 필름을 하류 롤 표면에 흡착시킨다. 이 흡착력이 유지되는 한 별도 아이들 롤 없이 필름이 롤을 따라 이송된다. 니프 간극과 롤 표면 온도는 개별 제어 대상이며, 최종 롤은 온도제어로 집전체 라미네이션을 보조한다.
계산 및 수식 검증
롤 표면속도는 $v_i = \omega_i \cdot r_i$ 로 정의한다. 여기서 $\omega_i$는 롤 각속도(rad/s), $r_i$는 롤 반경(mm)이다. 니프 통과 시 전단변형률은 $\dot{\gamma} = \dfrac{v_2 – v_1}{h}$ 로 근사한다. $h$는 니프 간극(mm)이다. 전단변형률이 과소하면 필름이 상류 롤에 잔류해 흡착 전환이 실패하고, 과대하면 필름 균열이 발생한다. 실제 $v_2/v_1$ 비율과 목표 전단변형률은 소재 점결력에 따라 달라지므로 현장 계측 후 재확인 요망이다.
니프 하중에 의한 롤 처짐은 단순보 모델로 $\delta = \dfrac{F L^3}{48EI}$ 로 근사한다. $F$는 니프 하중(N), $L$은 롤 유효길이(mm), $E$는 탄성계수(N/mm²), $I$는 단면 2차모멘트(mm⁴)이다. 처짐량 $\delta$는 필름 두께 설계공차 $\pm t_{tol}$(mm)의 절반 이하로 관리해야 폭 방향 두께 균일도가 확보된다. 처짐이 곧 필름 두께 편차로 직결된다는 뜻이다.
안전율은 이중으로 검증한다. 구조강성 안전율은 $SF_{static} = \sigma_{allow} / \sigma_{max} \geq 2$ 를 만족해야 하며, 연속 압연에 따른 반복하중은 별도로 $SF_{fatigue} = \sigma_{endurance} / \sigma_{max} \geq 2$ 를 만족해야 한다. 두 안전율 중 하나만 만족시키고 나머지를 생략하는 설계는 피로파단 위험을 내포한다.
실무적용(Shop-notes)
- 대안 기구로 벨트 지지형 스캐터 코팅 방식을 검토할 수 있다. 벨트가 분체를 지지한 채 니프에 진입시켜 필름 자립성 요구를 낮추지만, 벨트 트래킹 오차 관리와 벨트 표면 마모 교체 주기가 추가 관리항목으로 발생해 이번 검증 대상에서는 미채택했다.
- 가공성 주석: 롤 표면 경도 제어를 위한 크롬도금 또는 세라믹 코팅은 도금두께 편차가 곧 롤 진원도 오차로 전이되므로, 도금 후 연삭 공정에서 진원도 공차를 별도 관리해야 한다.
- 모터 용량과 롤 표면 경도 사양은 현장 계측 후 재확인 요망이다.
설계 반영 체크리스트
- 롤별 표면속도비 실측 및 전단변형률 산출
- 니프 하중 기준 롤 처짐량과 필름 두께공차 대조
- 정적 안전율과 피로 안전율 개별 산출 후 병기
- 롤 표면 코팅 후 진원도 재검사 항목 포함
한줄요약
건식전극 다단 캘린더는 롤 속도차로 필름 흡착 이송을 구현하되, 니프 처짐량을 두께공차 이내로 묶고 정적·피로 안전율을 이중으로 확인해야 한다.