노칭 vs 레이저 커팅, 공정 선택 기준 비교

지난 시리즈 1편에서는 노칭 공정이 무엇인지, 왜 전극 제조에서 빠질 수 없는 공정인지를 살펴봤는데요. 간단히 복습하자면, 노칭(Notching) 은 전극 시트에서 탭(Tab) 부분을 정밀하게 잘라내는 공정입니다. 이 작업의 정밀도가 셀 조립 품질과 전기적 성능에 직접적인 영향을 미치죠.

그렇다면 이번 편에서 다룰 핵심 질문은 하나입니다.

"기계식 금형 방식과 레이저 방식, 어떤 것을 선택해야 하는가?"

현장에서도 자주 등장하는 질문입니다. 단순히 어떤 방식이 더 좋다는 답은 없습니다. 공정 단계, 소재, 설계 복잡도에 따라 최적의 선택이 달라지기 때문이죠. 지금부터 하나씩 짚어보겠습니다.

👉 두 방식의 기본 원리

먼저 각 방식이 어떻게 작동하는지부터 알아보겠습니다.

Mechanical Notching (기계식 노칭): 금형(Die)과 펀치(Punch)가 전극 시트를 위아래에서 눌러 물리적으로 타발하는 방식입니다. 마치 쿠키 커터로 반죽을 찍어내는 것과 비슷한 원리인데요. 금형의 형상 그대로 전극이 절단되기 때문에 동일한 형상을 빠르게 반복 생산하는 데 유리합니다.

Laser Cutting (레이저 커팅): 고출력 레이저 빔을 전극 표면에 집중시켜 소재를 녹이거나 기화시키는 방식입니다. 물리적인 접촉 없이 절단이 이루어지기 때문에 형상 변경이 자유롭습니다. 설계 데이터만 바꾸면 다른 형상을 바로 구현할 수 있죠.

출처: TRUMPF

주요 비교 항목 분석

두 방식의 차이를 항목별로 살펴보겠습니다.

정밀도 (Accuracy)

레이저 방식은 빔 직경을 수십 마이크로미터(μm) 수준으로 제어할 수 있어 정밀도가 높습니다. 기계식 방식도 금형 공차 관리가 잘 되면 충분한 정밀도를 확보할 수 있는데요. 다만 금형이 마모되기 시작하면 점진적으로 치수 편차가 생깁니다.

절단면 품질 — Burr와 HAZ

기계식 방식에서는 버(Burr) 가 발생하기 쉽습니다. 버란 절단면에 남는 미세한 금속 돌기인데, 셀 내부에 혼입되면 내부 단락(Internal Short)의 원인이 될 수 있어 엄격하게 관리해야 합니다.

레이저 방식은 버 발생이 거의 없는 대신 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone) 가 생깁니다. 레이저 에너지가 절단 부위 주변에 열을 가하면서 소재 특성이 일부 변하는 구간인데요. 레이저 파라미터(출력, 속도, 파장)를 잘 조정하면 HAZ를 최소화할 수 있습니다.

처리 속도 (Throughput)

동일 형상의 대량 생산에서는 기계식이 유리합니다. 타발 속도가 빠르고 연속 작업에 강하죠. 레이저 방식은 형상이 복잡하거나 소량 다품종일수록 강점이 두드러집니다.

유지보수 비용

기계식 방식은 금형 마모에 따른 정기 교체 비용이 발생합니다. 교체 주기는 소재와 생산량에 따라 다르지만 운영 비용에서 빠질 수 없는 항목입니다. 레이저 방식은 광원(레이저 소스) 수명이 길고 소모품이 상대적으로 적지만 초기 장비 도입 비용이 높은 편입니다.

소재 적용 범위

양극에 쓰이는 알루미늄박(Al foil) 과 음극에 쓰이는 구리박(Cu foil) 은 두께와 경도가 다릅니다. 레이저 방식은 소재가 바뀌어도 파라미터 조정만으로 대응이 가능합니다. 기계식 방식은 소재별로 금형을 따로 제작해야 하는 경우가 생기죠.

출처:From lab to manufacturing: Laser processes as enablers for industrial solid-state batteries

이 사진은 레이저로 절단된 리튬 금속 음극 단면의 전자현미경(REM) 이미지로, 레이저 공정을 통해 버(burr)가 거의 없는 균일한 절단면과 최소화된 열영향부, 그리고 반응성 금속의 기계적 변형이 없는 상태를 보여줍니다.

공정 선택 기준 — Lab, Pilot, 양산

같은 기술이라도 어느 단계에서 쓰느냐에 따라 최적 방식이 달라집니다.

Lab 단계: 소재 특성 평가나 셀 설계 검증이 주목적입니다. 노치 형상을 자주 바꾸고 빠르게 샘플을 제작해야 하죠. 이 단계에서는 레이저 방식이 유리합니다. 금형 제작 없이 설계 변경을 즉시 반영할 수 있기 때문입니다.

Pilot 단계: 반복 재현성을 검증하고 양산 전환을 준비하는 시기입니다. 셀 설계가 어느 정도 고정되기 시작하는 단계이기도 하죠. 레이저와 기계식을 혼용하거나 기계식으로의 전환 시점을 탐색하는 구간입니다.

양산 단계: 속도, 비용, 안정성 세 가지를 동시에 잡아야 합니다. 형상이 고정된 고속 대량 생산에서는 기계식 방식이 경쟁력이 있습니다. 다만 제품 라인업이 복잡하거나 형상 변경이 잦은 경우에는 Hybrid 구성 도 검토 대상이 됩니다.

출처: Fraunhofer

공정 품질에 영향을 주는 선택 요소

방식 선택에 영향을 주는 요소는 크게 세 가지입니다.

전극 소재 특성 양극재는 Al박 위에 활물질이 코팅된 구조입니다. 음극재는 Cu박 기반으로 소재 경도와 두께가 다릅니다. 소재 조합에 따라 절단면 품질과 버 발생 경향이 달라지기 때문에 소재 특성을 먼저 파악하는 것이 중요합니다.

셀 설계 복잡도 노치 형상이 단순한 직선 형태라면 기계식으로도 충분합니다. 반면 탭의 수가 많거나 곡선·복합 형상이 포함된 설계라면 레이저 방식의 자유도가 빛을 발합니다.

생산 수량 및 라인 구성 소량 다품종 생산이라면 레이저 방식의 빠른 셋업 전환이 유리합니다. 단일 형상의 대량 생산이라면 기계식의 높은 처리 속도와 낮은 변동 비용이 강점이 됩니다.