시뮬레이션을 활용해 배터리 코팅 균일도 11% 개선 및 불량률 50% 이상 감소

시뮬레이션 기반 코팅 공정 최적화

배터리 전극 제조에서 코팅 품질은 셀의 수명, 성능 그리고 안전성을 좌우하는 핵심 요소입니다. 특히 음극의 도포량이 일반적인 기준보다 부족할 경우, 리튬 이온 흡수 능력이 저하되어 리튬 도금, 용량 저하, 셀 수명 단축 등의 문제가 발생합니다. 이는 양·음극간 전기화학적 성능 불균형으로 이어져 전체 셀 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 사전 시뮬레이션을 통해 코팅 성능과 안정성을 예측하고, 최적의 설계를 도출하는 접근 방식이 필요했습니다.

SK 이노베이션의 자회사인 SK 온은 Siemens Digital Industries Software 의 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 통해 코팅 공정의 설계 변수와 운전 조건을 사전에 예측하고 최적화하는 새로운 접근 방식을 적용했습니다. Simcenter 는 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스로 이루어진 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

시뮬레이션을 통한 기재 도포 전 정밀한 유동 예측

Slot die coater 는 액체 또는 용융 재료를 기판 위에 균일하고 정밀하게 도포할 수 있는 장비입니다. 정밀한 유량 및 속도 제어를 통해 매우 얇은 코팅층을 구현할 수 있어, 배터리, 전자, 에너지, 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다. SK 온은 Simcenter STAR-CCM+로 Slot die coating 공정 전반을 시뮬레이션하여 코팅 재료가 manifold 주입구를 통해 흐르는 과정부터 기재에 도포되는 순간까지의 유동 분포를 정밀하게 계산할 수 있었습니다.

SK 온에서 실시한 시뮬레이션 결과, 코팅 폭 전반에 걸쳐 유량 및 압력 분포의 편차가 3% 미만으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 이로써 별도의 테스트 설계 절차 없이도 높은 수준의 코팅 균일성을 달성하여 고품질의 코팅을 구현할 수 있게 되었습니다.

아울러, 입구 유동 조건만으로 전체 코팅 폭에 대한 도포 품질을 예측할 수 있는 정량적 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 시제품 없이도 공정 조건을 신뢰성 있게 설정할 수 있는 체계를 구현했습니다.

생산성 향상 및 불량률 감소

차량용 배터리 산업의 경우, 고속 충전과 안정성 확보가 핵심 과제입니다. SK 온은 Simcenter STAR- CCM+를 통해 Slot Die Coater 의 형상을 변경한 시뮬레이션 결과를 기반으로 목표한 공정 조건에 보다 근접한 모델을 구축했습니다. 이후 이 설계를 양산 공정에 적용하여 안정적인 장기 운전 가능성을 입증했습니다.

또한, 기존 Slot Die 제조사보다 더 우수한 해석 프로그램을 확보함으로써, 현장에서 발생하는 문제를 단순히 계측기나 오감에 의존해 판단하던 방식에서 벗어나 이론 기반의 분석 결과를 설계에 반영하고 문제를 사전에 예측하게 되었습니다. 이를 통해 반복 실험과 설계 변경에 따른 비용을 효과적으로 절감할 수 있게 되었습니다.

공정 및 데이터 공유 방식 개선

기존의 코팅 공정은 조건 변경 시 시운전에 많은 시간이 소요되고, 문제가 발생할 경우 재가공이 불가피한 비효율적인 프로세스였습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 SK 온은 Slot Die 설계를 위한 분석 도구 개발 방안을 검토하던 중, SK 이노베이션이 보유한 고성능 시뮬레이션 해석 프로그램이 효과적인 솔루션이라고 판단했습니다.

SK 온의 공정 전문성과 SK 이노베이션의 시뮬레이션 해석 역량을 접목하여 양사는 Simcenter Star- CCM+를 도입하고 공정 조건을 사전에 예측 및 최적화할 수 있는 기반을 구축했습니다.

이를 통해 사전 점검 단계에서 잠재적인 문제를 조기에 식별하고 선제적으로 대응함으로써, 시행착오를 최소화할 수 있었습니다.

또한, 시뮬레이션 기반의 정량적 데이터를 확보함으로써 의사결정의 객관성과 신속성이 향상되었고, 설계 및 생산 부서와 협력사 간의 소통이 원활해져서 재작업 소요 시간을 줄일 수 있었습니다.

Replace Part 기능으로 빠른 해석 수행

Simcenter STAR-CCM+의 Replace Part 기능을 사용하면 CAD 모델 내 부품을 신속하게 교체할 수 있습니다. 이 기능을 통해 엔지니어들은 설계 변경 작업을 간소화하고 시뮬레이션 모델을 원활하게 업데이트할 수 있습니다.SK 이노베이션은 전처리부터 후처리까지 전 과정을 단일 플랫폼에서 지원하는 Simcenter STAR- CCM+ Replace Part 기능을 활용함으로써 전체 모델을 새로 구축하지 않고도 형상을 신속하게 교체하고 반복적인 해석 작업을 자동화할 수 있었습니다. 이러한 기능적 강점을 통해 작업 시간을.

획기적으로 단축하면서 설계 검토 및 조건 변경에 보다 유연하게 대응할 수 있는 기반을 제공했습니다.

공정 전반의 혁신 달성

이번 성과는 SK 이노베이션과 SK 온에 있어서 단순한 시뮬레이션 툴의 도입을 넘어, 제품 개발과 제조 및 공급망 관리에 이르는 공정 전반에서 실질적인 혁신을 이끌어낸 성공 사례입니다.

제품 개발 측면에서는, 시뮬레이션을 활용해 Coater 구조를 최적화하고 실험 없이도 성능을 정밀하게 예측했습니다.

“Simcenter STAR-CCM+는 기존 방식보다 훨씬 더 높은 정밀성과 신뢰성을 입증했습니다. Siemens

솔루션은 코팅 균일도를 기존 방식 대비 11% 이상 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.”

- 김수정
Professional Manager
SK 이노베이션

또한 2 건의 특허 출원을 통해 기술력을 입증할 수 있었습니다.

제조 과정 중에 공정 안정화에 소요되던 시간을 단축하고, 코팅 조건 변경에 신속하게 대응함으로 써 시행착오를 최소화하고, 시운전 리드 타임을 3 개월 이상 단축했습니다.

마지막으로 공급망 관리 측면에서는 품질 개선을 통해 불량률을 50% 이상 저감하고 생산성을 1.4% 이상 개선했습니다. 또한 파트너사의 요청에 대해 신속하게 대응함으로써 협업의 안정성과 신뢰성을 제고했습니다.

이러한 변화로 SK 온은 과거의 반복적인 시운전 및 재작업 중심의 방식에 비교해, 명확한 시간 절감과 비용 효율성을 달성했습니다.

현재는 기존 협력업체에서 수행하기 어려운 수준의 고정밀 시뮬레이션 해석까지 자체적으로 수행할 수 있게 되었으며, 자체 설계를 기반으로 장비를 설계 및 제작하여 이를 실제 생산 환경에 구현하는 것을 목표로 하고 있습니다.

“Simcenter 를 활용해 이전에는 현장에서만 가능할 것이라 예상했던 데이터 결과를 미리 예측하고 확보함으로써 배터리 기술의 전반적인 성장에 큰 도움이 되었습니다.”

- 김주현
professional Manager (Group leader)
SK 온

배터리 품질 개선과 경쟁력 강화

Simcenter STAR-CCM+를 SK 온의 공정에 도입해 유동 특성과 코팅 발림성의 균일도를 정확히 예측함으로써 상당한 이점을 거두었습니다. Simcenter STAR-CCM+를 통해 기존 공정의 비효율성을 제거하고 설계 신뢰성과 품질 안전성을 개선했습니다.

“Simcenter STAR-CCM+를 사용해 조건의 결과를 사전에 예측할 수 있게 됨으로써, 시간과 자원을 보다 효율적으로 활용할 수 있게 되었습니다.”

- 박지연
Professional Manager
SK 온

이러한 시뮬레이션 기반의 설계 최적화는 제조 단가 절감, 불량률 저감, 생산성 향상으로 이어졌으며, 궁극적으로 고객 만족도 제고와 시장 경쟁력 강화에 기여했습니다.

이번 협업을 통해 SK 이노베이션은 시뮬레이션 해석 기술력을 고도화했고, SK 온은 배터리 품질 개선이라는 실질적 성과를 확보함으로써, 양사 모두 기술 경쟁력 제고라는 공동의 성과를 이루어냈습니다.

이러한 성공을 토대로 SK 이노베이션은 Simcenter STAR-CCM+를 다양한 SK 관계사의 제품 품질 향상 및 공정 최적화를 주도하는 핵심 도구로 삼아 지속적인 공동 개발 및 통합 운영 전략 수립의 기반을 마련하고자 합니다.