[신제품 출시] EKO Instrument 신장 레오미터 FV-30

최신 Extensional Rheometer FV-30 이용한 배터리 전극 코팅 공정시의 신장 유변 특성 연구에 관한 자료 입니다. 

아래는 배터리 습식 제조 공정의 슬롯 다이 코팅 공정에 사용되는 슬러리 배합 최적화 및 코팅 공정 조건 최적화를 위한 FV-30 신장레오미터 활용 관련 자료 입니다.

건식 코팅(Dry Coating)과 반고체(Semi-solid) 배터리 공정의 경우 기존의 습식 공정과 달리 고농도, 고점도, 혹은 무용매 상태의 소재를 다루기 때문에 소재가 늘어날 때 저항하는 성질인 신장 유변학(Extensional Rheology) 특성이 공정 성패를 결정짓는 핵심 요소가 됩니다.

주요 응용 사례와 물리적 의미는 아래와 같습니다

1. 건식 코팅 공정 (Dry Coating)

건식 코팅은 바인더와 활물질을 용매 없이 혼합하여 피브릴화(Fibrillation) 시킨 후 전극 시트로 만드는 공정입니다.

PTFE 바인더의 피브릴화 제어: 건식 공정에서 주로 쓰이는 PTFE(테플론) 바인더는 강한 전단력(Shear)과 신장력(Extension)을 받을 때 미세한 섬유(Fibril) 형태로 변합니다. 이때 Extensional Viscosity(신장 점도)가 적절해야 바인더가 끊어지지 않고 그물망 구조를 형성해 활물질 입자들을 단단히 붙잡을 수 있습니다.

캘린더링(Calendaring) 공정의 안정성: 파우더 형태의 혼합물을 롤러 사이로 통과시켜 시트 형태로 늘릴 때, 소재가 늘어남에 따라 단단해지는 Strain Hardening 효과가 발생해야 합니다. 이 성질이 부족하면 시트가 롤러에서 나올 때 찢어지거나 두께가 불균일해지는 'Edge Tearing' 현상이 발생합니다.

2. 반고체 배터리 공정 (Semi-solid/Clay-like)

반고체 배터리는 활물질과 전해질이 섞인 '슬러리(Slurry)'라기보다 '점토(Clay)'에 가까운 고농도 서스펜션을 사용합니다.

다이(Die) 압출 및 적층 공정: 반고체 전극은 주로 압출(Extrusion) 방식으로 제조됩니다. 노즐을 통과할 때 급격한 유동 수축(Contraction)이 일어나며 신장 유동이 발생하는데, 이때 신장 점도가 너무 높으면 Melt Fracture(표면 거칠어짐) 현상이 생겨 전극 표면이 불량해집니다.

필라먼트 형성 및 액적 제어: 소재를 도포하고 노즐을 뗄 때, 소재가 실처럼 길게 늘어지는 'Stringiness' 현상은 신장 유변 특성에 좌우됩니다. 반고체 공정에서는 이 늘어짐을 최소화해야 인접한 셀과의 단락을 방지하고 정교한 패턴 형성이 가능합니다.

3. 공정 최적화를 위한 핵심 지표

왜 전단 유변학(Shear Rheology)만으로는 부족한가요?

일반적인 점도 측정(전단 유변학)은 층류 흐름에서의 저항만 측정합니다. 하지만 실제 배터리 공정의 Roll 압착, 노즐 통과, 코팅 헤드에서의 급격한 가속 구간에서는 소재가 단면적으로 늘어나는 힘을 훨씬 크게 받습니다. 따라서 신장 유변학을 통해 소재의 가공 한계치(Processability Window)를 정확히 파악하는 것이 수율 향상의 핵심입니다.