전기차의 지속 가능한 발전을 위해서는 배터리 기술 분야의 품질 극대화가 필수불가결한 요소다. 배터리 제작시 가장 어려운 작업은 전극 생산과 더불어 두 전극을 분리하는 분리막 커팅 및 와인딩 작업이다. 쾰른(Cologne) 근방의 베르기슈란트(Bergische Land)지역에서는 이러한 작업을 위해 지멘스 솔루션을 활용하고 있다.

한국지멘스 제공

품질이 핵심이다
릴 커터와 와인더는 외양상으로는 단순해 보이지만 매우 복잡한 기계들이다. 자세히 들여다보면 마이크로미터 수준의 각종 기술이 정밀하게 적용돼 있다.

특히, 분리막 커팅과 와인딩에는 통합 솔루션이 요구된다. 비엘(Wiehl)에 위치한 캄프 슈나이드 운트 빅켈 테크닉(Kampf Schneid- und Wickeltechnik)은 바로 이러한 솔루션을 제공하는 우수한 기업이다.

1920년에 설립된 이 기업은 플라스틱 가공 산업을 비롯해 각종 부문에서 사용하는 기계 설비를 전문으로 생산하고 있다. 캄프(Kampf)의 마이크 크루거(Maik Krger) 제품관리 팀장은 “우리는 커팅하고 와인딩할 재료의 요건에 맞게 조정할 수 있는 일련의 설비들을 개발 및 제작한다”고 전했다. 와인딩 폭의 범위는 약 11m부터 0.25mm까지인데 두께가 1μm 미만의 민감한 제품까지도 모두 처리 가능하다. 현재 시점에서의 최고 와인딩 속도는 1,500m/min이지만 계속 높아지고 있는 추세다.

크루거 팀장은 “상당히 까다로운 리튬 이온 배터리 생산과 같은 새로운 비즈니스 분야에도 과감히 도전하고 있다”고 설명했다. 직원이 약 500명 정도 되는 이 기업은 글로벌 시장에서 가장 유명한 고품질 솔루션 전문 공급업체 중 한 곳이다.

정확한 와인딩 장력 필요
리튬이온 배터리의 경우, 두 전극이 얇은 전극판으로 구성돼 있다. 하나(음극)는 알루미늄으로, 다른 하나(양극)는 구리로 각각 만들어진다. 이런 박막을 코팅한 다음 압축(광택 처리)하는데, 보통 코팅을 약 50%로 압축하는 것이 관례다. 예를 들어, 음극의 코팅 재료(슬러리)는 리튬이온 인산으로, 양극은 흑연으로 돼있다.
실제 배터리 생산 공정 도중, 두 전극 사이에 코팅 두께가 8~40μm인 분리막을 넣는다. 해당 제품 관리자는 “이 분리막은 매우 상이한 특성을 지니고 있는 것이 특징이며 취급시 매우 민감한 것도 사실”이라고 말한다.

이러한 민감함을 처리하기 위해 박막의 주름이나 미세 입자가 초래하는 결함을 반드시 차단해야 하며, 분리막은 아주 미세한 이온 배출구가 있는 것이 특징이다. 와인딩 공정 도중에는 다공성이 유지돼야 하는데, 와인딩 장력이 매우 정확해야 하고 각 상황에 맞게 조절 가능해야 하기 때문이다. 일반 플라스틱 박막이나 유사한 소재와는 달리 분리막이 요구하는 와인딩 장력은 보통 10N/m 미만으로 상당히 낮다.

자동화 기술과 드라이브 기술의 상호작용 필요
이러한 금속 박막의 완벽한 취급뿐만 아니라 관련된 드라이브 및 제어 기술에서도 위에서 언급한 경험은 반드시 필요한 요소다. 캄프는 마이크로슬릿(Microslit) 기계를 사용하면서 지멘스의 Simatic S7-317 F 2DP를 통해 기계를 제어하고 있다. 이 제품의 뛰어난 성능 외에도 기계 제조업체들이 꼽는 또 한 가지 장점은 고장안전 제어 시스템에 안전 기술을 손쉽게 통합할 수 있다는 데에 있다. 크루거 팀장은 “이러한 기능은 통합 플랫폼에서 표준 자동화 및 안전 기술을 프로그래밍할 수 있는 큰 이점을 제공한다”고 말했다.

하이테크 박막의 특성에 따른 요건을 최적의 방식으로 충족하기 위해서는 자동화 기술과 드라이브 기술의 완벽한 상호작용이 반드시 필요하다. 배터리 분리막에서는 박막 미세 구멍 분포와 두께 허용공차의 불규칙성이 항상 문제가 되는데, 이 때문에 와인딩 공정에서 아무리 미세한 차이도 역학적으로 보정해야 한다. 이를 위해 기계의 각 롤러를 구동시키는 고속 드라이브 시스템을 사용할 수 있다.

고도의 역학적 드라이브 기술
통합 자동화(TIA)에는 데이터 통합 자동화와 드라이브 기술, 지멘스의 Simotics 1FK 및 1FT 서보 드라이브가 사용되는데, 이러한 드라이브는 필요한 속도로 정확히 조절할 수 있는 Sinamics S120 드라이브 시스템으로 제어한다.

보정해야 할 재료의 차이 외에도 언와인딩 공정 도중에는 토크 리플을 보정하는 과정이 반드시 필요하다. 그 단위는 밀리미터일 수도 있고 심지어 마이크로미터일 수도 있다. 와인딩 전문가는 “이 경우에도 최상의 와인딩 결과를 얻기 위해 기계 품질 및 구현 경험이 결정적인 요소가 된다”고 강조하면서, “배터리 기술이 최상의 품질 기준을 만족시킬 수 있을 때에야 비로소 배터리 저장 시스템이 만들어진다”고 말했다.

까다로운 취급 방식을 고려한 동적 제어 기술
소비가전의 경우, 오랜 기간 동안 강력하고 콤팩트한 배터리 솔루션 효과를 활용해 왔지만 앞에서 언급한 두 가지 응용 분야에서는 아직도 효율적이고 경제적인 대용량 에너지 저장 솔루션이 필요한 실정이다.
이 부문에서는 대폭적인 생산비 절감이 결정적인 전제조건이기에 생산 공정의 최적화가 상당히 중요하다. 크루거 팀장은 “마이크로슬릿 기계를 이용해 고품질 대형 생산 설비를 만들고 있다”고 간략히 설명했다. 이 기업은 이미 최대 폭 4.60m까지의 분리막을 와인딩할 수 있으며, 언와인딩 공정에서는 원하는 폭의 박막을 커팅 및 와인딩할 수 있는 수준까지 가능하다. 생산을 마친 릴은 배터리 생산 공정에 적용해서 서로 분리 배치될 두 전극 사이에 위치하게 된다.

분리막은 미세 구멍이 있는 신축성 또는 비신축성 플라스틱 박막으로서 건식 또는 습식으로 생산하고 부직포로도 만들 수 있어 박막의 취급 방식이 상당히 까다롭고 다양하다. 따라서 자동화, 드라이브 및 센서 기술은 원하는 최종 결과물에 결정적인 영향을 미친다.

정확성을 극대화할 수 있도록 장력, 진동 제동, 릴 포지셔닝 등을 정밀하게 조율해야 하는데 사용 목적에 따라 기계는 언와인딩, 커팅, 와인딩과 같이 세 구역으로 나누어진다. 예를 들면, 1구역에서는 비교적 낮은 장력이 요구되지만 커팅 공정에서는 상당히 큰 장력이 필요하다. 결국 박막을 와인딩하려면 여러 제어 기술이 올바로 균형을 이루어야 한다. 또 드라이브 제어를 통해서 길이의 차이와 끝 부분의 과도확장을 보정할 수 있어야 한다.

자동화 및 안전 기술 위한 통합 플랫폼
모든 센서가 Simatic ET 200S 분산 I/O 스테이션을 통해 통합되는데, 기계 제어 시스템으로 신호를 전송하는 것은 Profibus를 통해 이뤄진다. 기계 제조업체들은 고장안전 제어 시스템을 가장 큰 장점으로 꼽는데 필요할 경우 표준 I/O 모듈과 고장안전 I/O 모듈을 한 스테이션에서 병용할 수 있기 때문이다. 이 제품 관리자는 “이 부분이 전체 솔루션을 지극히 투명하고 콤팩트하게 만들어준다”고 역설했다.

재현 가능한 고품질 생산 공정
생산 공정 후에도 분리막의 높은 품질이 유지돼야 하며 와인딩 공정을 거치며 손상돼서도 안 된다는 것이 결정적인 요소다. 리튬 이온 배터리용 분리막의 와인딩 및 커팅에 있어서 현재의 공정 진행 속도는 생산 공정의 상이한 조건에 따라 평균 50~200m/min 수준이다.

따라서 공정 최적화는 생산량에 아주 긍정적인 영향을 미칠 것이며, 최고 속도가 500m/분에 달해 미래의 기준에 부합하는 기계가 이미 개발됐다. 마이크 크루거는 “기계 제조업체로서 반드시 갖추어야 하는 것은 다름 아닌 빠르고 재현 가능한 고품질 생산 공정”이라고 설명했다.

이를 위해서는 기계학적 측면에서의 최고의 감도, 전기 공학적 측면에서의 높은 유연성과 역량, 그리고 수십 년 간의 경험이 필요하다. 이어서 그는 “배터리 생산 분야에서 장기적으로 성공을 거두려면 제품의 높은 품질은 필수 요소”라고 말했다.

배터리 생산 최적화를 통한 지원
수십 년 간 캄프 슈나이드 운트 빅켈 테크닉은 점점 더 까다로워지고 있는 응용 분야에서 요구하는 종합적인 솔루션을 쌓아왔고, 약 100년 동안 분리막과 같은 하이테크 박막의 커팅 및 와인딩용 기계를 개발하고 제작했다. 이러한 박막은 상당히 민감해서 취급 방식이 지극히 복잡하다.

이 기업은 글로벌 시장에 분리막에 최적화된 마이크로슬릿 제품군을 공급하고 있다. 크루거 팀장은 “배터리 기술은 현재 급격하게 변화하고 있으며 능동적으로 시장 상황에 대응하여 기계 제조업체로서 역할을 구체화해 나갈 것”이라고 말했다.

여기서 말하는 발전은 지멘스가 통합 자동화(TIA) 기술을 기반으로 제공하는 솔루션과 같은 최신 자동화 및 드라이브 솔루션의 응용 기술을 통해 실현할 수 있다. 우수한 품질과 높은 효율성을 자랑하는 에너지 저장 시스템의 제공 여부는 전기 구동 및 고정식 저장 시스템을 보다 넓은 시장에 공급하기 위한 대표적인 전제 조건이다.

예를 들면, 이런 에너지 저장 시스템은 회생 에너지 저장에 유리하다. 크루거 팀장은 “우리가 제조한 기계를 통해 배터리 생산 분야에서 품질과 효율성을 한층 더 최적화하는데 기여하고 싶다”고 말했다.

FA Journal 편집국 (fa@infothe.com)

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