SK이노베이션-SK온, 시뮬레이션 활용 배터리 코팅 균일도 11% 개선

배터리 품질 경쟁이 고도화되는 시대, 제조 공정의 작은 편차도 셀 성능과 안전성을 좌우하는 결정적 요소가 되고 있다. SK이노베이션과 SK온은 이러한 과제를 해결하기 위해 코팅 공정을 ‘실험 중심’에서 ‘시뮬레이션 중심’으로 전환했고, Siemens의 Simcenter STAR-CCM+를 통해 도포 흐름을 정밀하게 예측하며 공정 전반을 최적화하는 데 성공했다. 그 결과, 코팅 균일도를 11% 향상시키고 불량률을 절반 이상 줄였으며, 시운전 리드 타임까지 크게 단축하는 등 개발·제조·공급망을 아우르는 혁신을 이뤄냈다.

글 | Siemens Digital Industries Software





시뮬레이션 기반 코팅 공정 최적화
배터리 전극 제조에서 코팅 품질은 셀의 수명, 성능 그리고 안전성을 좌우하는 핵심 요소다. 특히 음극의 도포량이 일반적인 기준보다 부족할 경우, 리튬이온 흡수 능력이 저하돼 리튬 도금, 용량 저하, 셀 수명 단축 등의 문제가 발생한다. 이는 양·음극간 전기화학적 성능 불균형으로 이어져 전체 셀 성능에 부정적인 영향을 미친다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 사전 시뮬레이션을 통해 코팅 성능과 안정성을 예측하고, 최적의 설계를 도출하는 접근 방식이 필요했다.
SK이노베이션의 자회사인 SK온은 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 통한 새로운 접근 방식을 적용했다. 이는 바로 코팅 공정의 설계 변수와 운전 조건을 사전에 예측하고 최적화하는 방식이다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 이뤄진 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부다.
 

시뮬레이션을 통한 기재 도포 전 정밀한 유동 예측  
슬롯 다이 코터(Slot Die Coater)는 액체 또는 용융 재료를 기판 위에 균일하고 정밀하게 도포할 수 있는 장비다. 정밀한 유량 및 속도 제어를 통해 매우 얇은 코팅층을 구현할 수 있어, 배터리, 전자, 에너지, 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. SK온은 Simcenter STAR-CCM+로 슬롯 다이 코팅 공정 전반을 시뮬레이션해 코팅 재료가 매니폴드(manifold) 주입구를 통해 흐르는 과정부터 기재에 도포되는 순간까지의 유동 분포를 정밀하게 계산할 수 있었다.
SK온에서 실시한 시뮬레이션 결과, 코팅 폭 전반에 걸쳐 유량과 압력 분포의 편차가 3% 미만으로 유지되는 것으로 나타났다. 이로써 별도의 테스트 설계 절차 없이도 높은 수준의 코팅 균일성을 달성해 고품질의 코팅을 구현할 수 있게 됐다. 아울러, 입구 유동 조건만으로 전체 코팅 폭에 대한 도포 품질을 예측할 수 있는 정량적 모델을 개발했다. 이를 기반으로 시제품 없이도 공정 조건을 신뢰성 있게 설정할 수 있는 체계를 구현했다.



생산성 향상과 불량률 감소   
차량용 배터리 산업의 경우, 고속충전과 안정성 확보가 핵심 과제다. SK온은 Simcenter STAR- CCM+를 통해 슬롯 다이 코터의 형상을 변경한 시뮬레이션 결과를 기반으로 목표한 공정 조건에 보다 근접한 모델을 구축했다. 이후 이 설계를 양산 공정에 적용해 안정적인 장기 운전 가능성을 입증했다.
또한, 기존 슬롯 다이 제조사보다 더 우수한 해석 프로그램을 확보함으로써 현장에서 발생하는 문제를 판단하는 방식을 혁신했다. 단순히 계측기나 오감에 의존하던 방식에서 벗어나, 이론 기반의 분석 결과를 설계에 반영하고 문제를 사전에 예측하게 됐다. 이를 통해 반복 실험과 설계 변경에 따른 비용을 효과적으로 절감할 수 있게 됐다.


 
공정 및 데이터 공유 방식 개선 
기존의 코팅 공정은 조건 변경 시 시운전에 많은 시간이 소요되고, 문제가 발생할 경우 재가공이 불가피한 비효율적인 프로세스였다. 이런 문제를 해결하기 위해 SK온은 슬롯 다이 설계를 위한 분석 도구 개발 방안을 검토했고, SK이노베이션이 보유한 고성능 시뮬레이션 해석 프로그램이 효과적인 솔루션이라고 판단했다.
SK온의 공정 전문성과 SK이노베이션의 시뮬레이션 해석 역량을 접목해 양사는 Simcenter Star- CCM+를 도입하고, 공정 조건을 사전에 예측, 최적화할 수 있는 기반을 구축했다. 이를 통해 사전 점검 단계에서 잠재적인 문제를 조기에 식별하고 선제적으로 대응함으로써, 시행착오를 최소화할 수 있었다. 또한, 시뮬레이션 기반의 정량적 데이터를 확보함으로써 의사결정의 객관성과 신속성이 향상됐다. 더불어 설계 및 생산 부서와 협력사 간의 소통이 원활해져 재작업 소요 시간을 줄일 수 있었다.



Replace Part 기능으로 빠른 해석 수행     
Simcenter STAR-CCM+의 Replace Part 기능을 사용하면 CAD 모델 내 부품을 신속하게 교체할 수 있다. 이 기능을 통해 엔지니어들은 설계 변경 작업을 간소화하고 시뮬레이션 모델을 원활하게 업데이트할 수 있다.
SK이노베이션은 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 있었다. 이런 기능적 강점을 통해 작업 시간을 획기적으로 단축하면서 설계 검토와 조건 변경에 보다 유연하게 대응할 수 있는 기반을 제공했다.

 


공정 전반의 혁신 달성  
이번 성과는 SK이노베이션과 SK온에 있어서 단순한 시뮬레이션 툴의 도입을 넘어, 제품 개발과 제조, 공급망 관리에 이르는 공정 전반에서 실질적인 혁신을 이끌어낸 성공 사례다.
제품 개발 측면에서는, 시뮬레이션을 활용해 코터 구조를 최적화하고 실험 없이도 성능을 정밀하게 예측했다.

SK이노베이션의 김수정 프로페셔널 매니저는 “Simcenter STAR-CCM+는 기존 방식보다 훨씬 더 높은 정밀성과 신뢰성을 입증했다. Siemens 솔루션은 코팅 균일도를 기존 방식 대비 11% 이상 개선하는 데 중요한 역할을 한다”고 말했다.

또한 2건의 특허 출원을 통해 기술력을 입증할 수 있었다.
제조 과정 중에 공정 안정화에 소요되던 시간을 단축하고, 코팅 조건 변경에 신속하게 대응함으로써 시행착오를 최소화하고, 시운전 리드 타임을 3개월 이상 단축했다. 마지막으로 공급망 관리 측면에서는 품질 개선을 통해 불량률을 50% 이상 저감하고 생산성을 1.4% 이상 개선했다. 또한 파트너사의 요청에 대해 신속하게 대응함으로써 협업의 안정성과 신뢰성을 제고했다.
이런 변화로 SK온은 과거의 반복적인 시운전과 재작업 중심의 방식에 비교해, 명확한 시간 절감과 비용 효율성을 달성했다. 현재는 기존 협력업체에서 수행하기 어려운 수준의 고정밀 시뮬레이션 해석까지 자체적으로 수행할 수 있게 됐다. 자체 설계를 기반으로 장비를 설계, 제작해 이를 실제 생산 환경에 구현하는 것을 목표로 하고 있다.

SK온의 김주현 프로페셔널 매니저는 “Simcenter를 활용해 이전에는 현장에서만 가능할 것이라 예상했던 데이터 결과를 미리 예측하고 확보함으로써 배터리 기술의 전반적인 성장에 큰 도움이 됐다”고 말했다.



배터리 품질 개선과 경쟁력 강화   
Simcenter STAR-CCM+를 SK온의 공정에 도입해 유동 특성과 코팅 발림성의 균일도를 정확히 예측함으로써 상당한 이점을 거뒀다. Simcenter STAR- CCM+를 통해 기존 공정의 비효율성을 제거하고 설계 신뢰성과 품질 안전성을 개선했다.

SK온의 박지연 프로페셔널 매니저는 “Simcenter STAR-CCM+를 사용해 조건의 결과를 사전에 예측할 수 있게 됨으로써, 시간과 자원을 보다 효율적으로 활용할 수 있게 됐다”고 말했다.

이런 시뮬레이션 기반의 설계 최적화는 제조 단가 절감, 불량률 저감, 생산성 향상으로 이어졌으며, 궁극적으로 고객 만족도 제고와 시장 경쟁력 강화에 기여했다. 이번 협업을 통해 SK이노베이션은 시뮬레이션 해석 기술력을 고도화했고, SK온은 배터리 품질 개선이라는 실질적 성과를 확보했다. 이로써 양사 모두 기술 경쟁력 제고라는 공동의 성과를 이뤄냈다.
이런 성공을 토대로 SK이노베이션은 Simcenter STAR-CCM+를 다양한 SK 관계사의 제품 품질 향상과 공정 최적화를 주도하는 핵심 도구로 삼을 것이다. 이를 통해 지속적인 공동 개발 및 통합 운영 전략 수립의 기반을 마련할 계획이다.

 

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당면 과제 
- 배터리 전극 코팅 공정의 품질과 생산성 향상
- 문제 발생 시 정비 및 최적화 시간 단축
- 코팅 공정의 안정성 평가와 잠재적 문제 사전 검토
- 제조 비용 절감과 시장 경쟁력 강화

성공 요소
- 코팅 재료 흐름부터 도포까지 전 과정에 대한 정밀 분석 및 예측
- 설계 변수와 운전 조건의 사전 최적화를 통한 문제점 사전 해결

결과
- 코팅 균일도 11% 개선
- 특정 제품 불량률 50% 이상 감소
- 특정 라인 기준 생산성 1.4% 이상 향상
- 신규 특허 2건 등록 완료 
- 시운전 리드 타임 약 3개월 이상 단축
- 코팅 공정 안정성 사전 예측과 양산 운전 가능

AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)

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