특허 WO2024090969A1은 건식 전극 제조 설비에서 캘린더링과 라미네이션 공정을 하나의 롤로 겸용하는 구조를 청구한다.
문제정의
출원인은 LG에너지솔루션이며 우선권일 2022-10-24, PCT 출원일 2023-10-24(출원번호 PCT/KR2023/016592), 공개일 2024-05-02이다(공개번호 WO2024090969A1, 원출원 KR20230078293A). 패밀리 출원은 EP4550431A4, US2026/0051472A1, CN119343780A, JP2025-523246A로 확인된다. Google Patents 표기상 법적 상태는 ‘Ceased’이나 이는 WO 단계가 각국 국내단계 진입으로 종료됐을 때 통상 나타나는 자동 표기이며 권리 소멸을 의미하는 법적 결론이 아니다. 기구적 모순은 다음과 같다. 롤 하나를 캘린더링과 라미네이션에 겸용하면 부품수는 줄지만 그 롤에 두 개의 하중전달경로가 동시에 수렴한다. 질문은 이것이다. 겸용 롤의 강성 설계는 어느 쪽 하중을 기준으로 잡아야 하는가.
기구학적 분석
청구항 구조상 라미네이션롤은 캘린더링장치의 최종 압연 유닛을 구성하는 한 쌍의 압연롤 중 하나와 대향 배치된다. 즉 이 롤은 전극시트 압연 반력과 집전체 합착 시 압착 반력을 동시에 받는 지점이다. 두 하중의 방향이 동일 축선상에서 겹치면 하중전달경로가 단순해지는 장점이 있으나, 두 공정의 온도 조건이 다를 경우 동일 롤이 열팽창 편차를 함께 감당해야 한다. 특허문헌에는 구체 온도 조건 수치가 없어 비공개로 처리한다.
계산 및 수식 검증
겸용 롤을 단순보로 근사하고 두 하중이 동일 스팬 중앙 부근에 겹친다고 가정하면 등가 선압은 다음과 같다.
$$w_{eq}=w_{cal}+w_{lam}$$
이전 캘린더링 계산 조건(스팬 $L=750$mm, 지름 $d=300$mm, $E=210{,}000$N/mm²)을 그대로 적용하고, 라미네이션 반력을 캘린더링 대비 30%로 가정하면(추정, 근거: 합착 공정은 통상 압연 공정보다 낮은 압착력을 쓴다는 업계 통념) $w_{eq}=40+12=52$N/mm이다.
$$\delta_{max}=\frac{5w_{eq}L^4}{384EI}\approx 2.56\times10^{-3}\text{mm}=2.56\mu m$$
이 값은 단일 기능 롤 처짐(1.97μm) 대비 약 30% 크다. 두 공정을 겸용하는 순간 동일 공차 기준(±2μm) 안에서는 이미 초과 상태라는 뜻이다. 안전율 이중검증이다. 강도 기준은 등가하중이 늘어도 항복강도 대비 안전율이 여전히 200배 이상으로 과설계 영역이다. 처짐 기준 안전율은 공차 2μm를 계산값 2.56μm로 나눈 약 0.78로 1 미만이다. 이 특허의 구조를 그대로 적용하면 처짐 기준에서 이미 공차를 벗어난다는 뜻이며, 실제 구현 시 크라운 가공량 재산정이나 재질 강성 보강이 필수로 수반돼야 한다.
실무적용 (Shop-notes)
겸용 롤 구조는 부품수 절감 효과가 있으나 처짐 기준 안전율이 1 미만이 되는 순간 그 절감 효과가 상쇄된다. 대안 기구로 캘린더링 롤과 라미네이션 롤을 분리하고 그 사이에 텐션 프리롤을 추가하는 2롤 분리 구조도 검토했으나 미채택한다. 사유는 다음과 같다. 본 특허 구조 대비 설비 길이가 늘어나고 장력 구간이 하나 더 생겨 사행(Web wandering) 제어 부담이 커진다. 겸용 구조 자체는 설계 의도상 합리적이나 처짐 보정 설계를 반드시 별도로 반영해야 한다. 가공성 주석이다. 텅스텐카바이드 슬리브로 강성을 보강할 경우 모재(강)와의 열팽창계수 차이로 소결·압입 공정에서 잔류응력이 발생할 수 있어, 슬리브 압입 후 저온 시효처리 공정을 도면에 별도 지정해야 한다. 본 분석은 공개 공보의 청구항 구조 해석이며 침해 여부를 판단하지 않는다. 실제 설계 반영 시 청구범위 전체 대비 회피설계 검토가 별도로 필요하다.
설계 반영 체크리스트
- 겸용 롤 등가 선압 재산정 여부
- 처짐 기준 안전율 1.0 이상 확보 여부
- 텅스텐카바이드 슬리브 잔류응력 처리 공정 반영 여부
- 특허 청구범위 대비 회피설계 검토 여부
한줄요약: 캘린더링·라미네이션 겸용 롤은 부품수는 줄이지만 하중전달경로가 겹쳐 처짐 기준 안전율이 1 미만으로 떨어질 수 있다.