Drying : 레이저 건조 개요

얇은 금속 포일 위에 도포된 활물질의 접합 상태는 리튬 이온 전지의 성능과 수명에 큰 영향을 끼칩니다. 집전체의 역할을 하는 금속 포일 위에 활물질이 균일하고 안정적으로 자리잡으려면 올바른 건조 기술이 적용되어야 합니다. 우수한 건조 품질을 구현하기 위한 방법으로 레이저가 주목 받고 있습니다. 레이저는 오늘날 많은 산업 분야에서 유연한 활용도와 높은 생산성이 검증되면서, 리튬 이온 건조에서도 기존 방식들의 문제점을 보완하는 선도 기술로 자리 잡고 있습니다.

글로벌 시장조사 업체 가트너에 따르면 지난해 전기차 운행 대수는 약 4,603만대로 집계되었으며 내년에는 8,514만대로 예상되고 있습니다. 기존 열건조 방식으로는 가파르게 성장하는 시장 수요를 충족시키기에는 역부족이기에, 많은 선도 기업들은 이미 레이저 건조 기술을 도입하여 미래 시장 경쟁에 대비하고 있습니다.

건조 공정에서의 레이저 도입은 기존의 열풍 대류, 램프 방식의 문제를 해결할 수 있는 솔루션입니다. 아래에서는 레이저가 어떻게 안정성과 효율성을 높였는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

불규칙한 품질 퀄리티 & 제어 불가능

자칫 큰 화재로 이어질 수 있는 이차전지는 반드시 모든 제조 공정에 대한 품질을 추적 및 통제할 수 있어야 합니다. 기존의 방식은 높은 열로 인해 실시간 모니터링에 제한이 있었으며 문제 발생 시 빠른 대응에 어려움이 존재했습니다. 반면 레이저 건조는 정밀한 전기적 제어로 미세 컨트롤이 가능할 뿐만 아니라 정교한 피드백 & 모니터링 환경을 구축할 있는 장점이 있습니다다.

리튬 이온 배터리는 금속 집전체 (알루미늄, 구리 포일)에 슬러리를 캐스팅하여 전극을 만듭니다. 슬러리는 이차전지의 전기 화학적인 특성이 결정되는 핵심으로서 활물질, 전도성 탄소 및 바인더 등 다양한 성분들이 합성되어 있습니다. 성분들 마다 반응하는 레이저 파장이 조금씩 다른데, 아래래 그림에서 보면 집전 금속은 낮은 파장에서 반응이 큰 반면, 수분과 CMC는 높은 파장에서의 반응이 큰 것을 알 수 있습니다.

때문에 오로지 “건조” 속도만을 높이기 위해 레이저 파장과 출력을 선택하다 레이어 간의 반응 속도 차이에 의해 구김이 발생되고 심한 경우 찢기고 탈각이 일어날 수 있습니다. 반복 TRY & ERROR 테스트를 통해 최적의 가공 파라미터를 찾아가는 것이 필요합니다.

설비로 인해 발생하는 낮은 효율성

기존 전극 건조 방식은 열 건조(HOT Furnace)로서 열풍 대류나 램프 방식이 많이 사용되었습니다. 하지만 비교적 많은 에너지를 사용, 많은 장비 풋프린트, 복잡한 유지 보수라는 명확한 단점이 존재해 기업의 입장에서는 높은 비용을 발생시키는 문제점로 이어졌습니다.

때문에 최근 IPG, Laserline, Trumpf 등 다수의 레이저 기업들이 독자적인 레이저 건조 솔루션을 출시해 리드타임과 TCO를 크게 줄여 에너지 효율성을 높이고 있습니다.

고속 건조

레이저는 매우 빠르게 열을 전달할 수 있어 건조 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있습니다. 기존의 열풍 대류나 적외선 방식에서는 수분을 증발시키는 데 시간이 걸리고, 전극 시트가 일정 온도에 도달해야 하는 과정에서 지연이 발생합니다. 반면 레이저는 정확하게 필요한 부분에 열을 집중시켜 빠르게 수분을 증발시킬 수 있습니다. 이러한 과정에서 에너지 손실을 최소화, 롤투롤 방식으로 작업 공간의 효율성을 높이고 있습니다

정밀한 열 제어

레이저는 고정밀 제어가 가능하여, 전극 시트의 두께와 물질 특성에 맞게 정확한 열을 가할 수 있습니다. 전극 표면에 국소적으로 열을 집중시키고, 그에 따라 균일한 건조가 가능해집니다. 이 점이 기존 건조 방식들과의 가장 큰 차별점입니다. 특히, 전극 시트의 두께가 불균일하거나 재료 특성이 다른 경우에도 레이저 건조는 매우 효율적입니다.

비접촉식 공정

레이저 건조는 비접촉식 공정이기 때문에, 물리적인 마찰이나 마모가 없고, 전극 시트의 표면을 손상시킬 위험도 적습니다. 이는 민감한 전극 재료나 얇은 전극 시트를 다룰 때 큰 장점이 되며 결과적으로 불량률을 낮추는데 효과적입니다.

유해물질 발생 (NMP 등)

기존 습식 공정의 경우 유기 용매(NMP 등)를 제거하는 과정에서 오랜 시간 열을 가해 건조하는 방식을 사용해 잔류 물질 발생과 환경오염 문제를 일으키는 문제가 있었습니다. 반면 레이저 건조의 경우 고온에서 신속히 용매를 증발시켜 잔여물을 최소화 하고 공정 후 처리 과정에 대한 부담을 줄일 수 있습니다. 이러한 과정에서 작업 환경 개선과 작업자의 안전을 확보할 수 있게 되었습니다.

K2의 건조 솔루션

케이투 레이저 시스템은 확장 가능한 모듈러 구조의 건조 시스템을 구축하였습니다. 자유로운 배치와 영역 설정이 가능능하기 때문에, 코팅 가장자리와 중첩 영역을 균일하게 가공할 수 있습니다.

• 합리적인 광학 구성으로 최적의 Area Beam 품질 구현

• 도공 패턴 및 규격에 맞춰 Beam Scaling 설계

• 즉각적인 결함 탐지와 Close Loop 파라미터 조정을 위한 머신 비전 통합

• 레이저 구조화, 어블레이션 등 전후 공정과 연계 라인 구축

위에서 말씀드린 것과 같이 방출되는 빛의 파장에 따라 소재의 흡수율이 달라지기 때문에, 최적의 파장을 사용해야 에너지 변환 효율과 품질을 높일 수 있습니다. 적외선 램프는 열풍 건조보다 에너지 효율이 높지만, 첨가 성분에 따라 빛 흡수율이 달라져 안정화에 많은 시간이 소요됩니다. 당사는 기본적으로 1060nm 파장의 레이저를 사용하지만, 고객의 수요에 맞춰 다양한 파장에 대응 가능합니다.

980-1070nm	0.75-1.2um, 3um	12.24 cm
•Deep Penetration Depth •Non Drying Defects	•Shallow Penetration Depth •Drying Defects •Distance Sensative	•Nonuniform Drying •Safety

제안

레이저 건조는 이러한 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술로, 산업 현장에서 빠르게 채택되고 있습니다. 생산성과 품질 뿐만 아니라, 쾌적한 작업 환경을 만들고 친환경 산업 전환을 추구하는 제조 산업의 목표로 하는 그 장점이 부각되고 있습니다.

당사는 안정성이 검증된 Fiber Coupled Laser와 렌즈로 다중 어레이를 구성하고 스티어링 옵틱으로 필드를 형성합니다. 덕분에 아래의 그림과 같이 실제 가공부와 레이저 구동부를 이원화하여 효율적인 공간 배치와 운영이 가능합니다.

Enclosed Housing	Exhaust System
레이저와 챔버의 분리 구조로 안전하고 쾌적한 작업 환경을 만듭니다.	건조 라인의 배기 덕트에 직접 삽입할 수 있으므로 건조 과정에서 NMP를 감지하는 데 이상적입니다.

앞으로 리튬이온 전지의 수요가 더욱 증가함에 따라, 레이저 건조 기술은 효율적이고 스마트한 제조 공정을 구축하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 이 기술이 리튬이온 전지뿐만 아니라, 다른 산업 분야에서도 더 널리 적용될 가능성이 크다고 할 수 있습니다.

Why K2

K2 Laser System은 다년간의 R&D를 통해 독자적인 Beam Shaping (빔 조형, 빔 성형) 기술을 보유하고 있습니다. 대면적 가공 시, 작업 속도와 열 에너지 균일성이 좋지 않은 싱글 스팟 빔을 대체하여 “Line Beam” 및 “Area Beam”을 사용하면 더욱 효율적인 공정 수행이 가능합니다. 향후 레이저 건조 뿐만 아니라, Laser Assisted Bonding, Laser Mass Soldering, Material Surface Treatment에도 적용될 예정입니다.

Laser Assisted Bonding (LAB)	Laser Mass Soldering	Material Surface Treatment