ACROFAN

제낙스(JENAX) 김창현 실장, "화재 위험 없는 차세대 리튬 이온 배터리 양산 선도"

기사입력 : 2020년 02월 20일 14시 47분
ACROFAN=류재용 | jaeyong.ryu@acrofan.com | SNS
- 지속된 연구개발로 ‘불타지 않는 배터리’ 제조 기술과 필수 소재 모두 장악
- 차원이 다른 플렉시블 배터리의 양산으로, 산업계 주요 플레이어로 도약
- 화재 걱정 없는 배터리 제조역량 확보로 스마트 기기와 전기차(EV), ESS 시장까지 정조준

리튬-이온 배터리는 IT 산업에서 필수적으로 요구되는 에너지의 고용량화, 경량화, 소형화 조건에 적합해 각종 전자기기와 인프라스트럭처에서 필수품으로 보급되어 쓰이고 있다. 지난 2017년 330억 달러(약 37조 원) 규모였던 글로벌 리튬-이온 배터리 시장은 연평균 25% 성장해 오는 2025년 1600억 달러(약 182조 원)까지 증가할 것으로 전망되는 등 차세대 에너지로 각광받고 있다.

리튬-이온 배터리 시장에는 크게 LCO(LiCoO2), LFP(Li- FePO4), 삼원계(NCA, NCM) 등 세 가지 제품군이 유통되고 있으며, 이들은 모두 양극재 소재를 기준으로 명칭이 붙여져 있다. 소재 중에서는 코발트처럼 희소 금속이어서 원가가 높아지는 경우나 철처럼 저렴하지만 성능이 낮아지는 경우와 같이 일장일단을 품게 되는 경우가 일반적이다.

산업계의 다양한 시도로 리튬-이온 배터리가 주류로 자리매김하고 있지만, 연이은 ESS(에너지 저장 장치) 배터리 화재사건으로 소비자 불안은 커지고 제품의 안전성 논란도 심화되고 있다. 배터리 업계에서는 불이 나지 않으면서 배터리로서 높은 성능을 갖춘 제품을 생산해 내는 것이 가장 큰 숙제다.

배터리 제조 전문 기업 제낙스(JENAX)는 자사만의 스테인리스 와이어 가공 역량을 바탕으로 배터리 안전성을 향상시킬 수 있는 해답을 제시해 업계 이목을 끌고 있다. 제낙스 김창현 신사업개발실장은 “메탈 파이버를 활용한 독점적인 배터리 제조 기술은 겔 전해질을 이용한 2차 전지는 물론 불연성 전해질을 사용하여 배터리의 성능과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 확신한다”며, “화재 위험성을 극복한 자사의 신제품들은 글로벌 시장에서 배터리가 쓰이는 모든 산업 분야 혁신의 중심이 될 것”이라고 자신했다.

▲ 제낙스(JENAX) 김창현 신사업개발실장

Q. 현재 배터리 시장의 기술적인 수준과 현황은 어떻습니까?

현재 기준으로 보면, 소형 원통형 셀 분야에서 기술이 가장 발달되어 있습니다. 가격이 싸고, 제품의 성능 편차가 최소화되어 있기 때문입니다. 이는 용량도 1~2Ah 수준이어서 화재가 났을 때 폭발 정도도 상대적으로 작고 진압이 쉽기도 합니다. 반면, 전기차나 ESS 등에 많이 사용하는 파우치 형은 20Ah 이상의 고용량이어서 화재가 발생하면 폭탄처럼 터지기 쉽습니다.

Q. 코스닥 상장은 스테인리스 와이어 사업으로 했는데, 신사업을 배터리로 선택한 계기는 무엇입니까?

지난 1991년, 스테인리스 와이어 사업을 시작했는데 이는 흔히 볼 수 있는 철사를 만드는 것과 비슷합니다. 와이어를 만들고 꼬아서 로프, 자동차용 와이어 부품, 스테인리스 용접봉 등을 시장으로 삼을 목적으로 회사가 설립되었습니다. 그러다 상장은 2002년도에 했습니다.

창업 후 초창기에 시장에서 중국 업체들과의 경쟁 문제를 극복하고자 여러 가지 시도를 하였습니다. 스테인리스를 갖고 색깔을 입히는 일도 있었지요. 색깔을 입혀 볼까 해서 금색, 보라색, 백색 등 다양한 색깔을 입혔는데, 이게 쓰일 곳이 있을까 해서였습니다. 그러다 2000년도 초반에 나노 소재 붐이 일어났습니다. 이때, 와이어를 가늘게 뽑아 머리카락이나 실처럼 매우 가는 섬유형태의 메탈파이버 제조를 시도했습니다. 당시만 하더라도 전 세계적으로 벨기에와 일본, 두 곳의 업체만이 메탈 파이버 제조 기술을 보유하고 있었습니다.

통상 업계에서는 0.1mm, 0.05mm, 0.03mm 등 비교적 굵은 스테인리스 와이어를 많이 제조합니다. 그런데 굵기가 10 마이크로미터 이하로, 머리카락 굵기의 10분의 1수준으로 가늘게 뽑을 수 있는 기술은 전 세계적으로 두 군데 밖에 없었던 것입니다. 가늘게 뽑은 메탈 파이버를 이용하여 금속 필터를 만든 제품들이 100% 수입 판매되고 있을 때였고, 당시에는 가늘게 뽑으면 비싸게 팔 수 있겠다는 생각들이 있어서 그쪽 연구 개발을 꾸준히 이어왔습니다. 그렇게 연구된 메탈 파이버 기술은 지난 2010년도에 처음 국내에 발표되었고 약 8년 정도 걸렸습니다.

▲ 제낙스는 스텐리스 와이어 사업에서 시작된 기업으로, 관련 노하우가 새로운 성장 동력원을 찾은 셈이다.

Q. 소재 차원에서 갖고 있는 역량으로 새로운 사업을 시작한 셈인데, 제낙스를 새로운 사업으로 이끈 계기가 있다면 소개해 주십시오.

제낙스는 세계에서는 세 번째, 한국에서는 최초로 메탈 파이버를 생산했습니다. 2010년도에는 금속 필터를 만들어 쓰자는 시도를 했습니다. 스테인리스는 1000도, 1500도의 온도에서도 견딜 수 있기 때문에 태양광발전용 소재로 사용되는 폴리실리콘 제조공정에서 고온으로 불순물 제거하는 필터 용도로 사용될 수 있습니다. 여기에 적합했던 제품이 국내에는 없었고 전량 수입되어 사용되던 시기였습니다.

또한 스테인리스는 열에도 강하지만 부식이 잘 안되는 성질을 가지고 있습니다. 석유화학 공장에서는 다양한 화학약품들이 사용되기 때문에 부식이 발생될 가능성이 높아서 일반 필터가 아닌 메탈 파이버를 이용한 금속 필터를 사용합니다. 과거부터 벨기에산 제품들을 수입해 사용했기 때문에 여기에서 제낙스 제품들을 적용할 수 있겠다는 생각이 들었습니다.

스테인리스는 전기가 잘 통해서, 전도성이 필요한 섬유 옷을 제작하는데도 사용됩니다. 한국전력에서 전신주 작업하는 분들이 입는 제전복이 전부 수입인데, 여기에 쓰이는 산업용 섬유에 적용하면 좋겠다는 취지였습니다. 메탈 파이버는 천을 짜는 용도로도 쓸 수 있는데, 친숙한 사례라면 펜싱 경기 때 입는 옷이 대표적일 것입니다. 그리고 스테인리스는 열을 차단하는 특징도 있는데, 포항제철 용광로 앞에 있는 열 차단 커튼의 원 소재가 스테인리스 메탈 파이버를 활용한 것입니다.

메탈 파이버를 이용한 다양한 제품 출시를 위해서는 섬유업체와 제휴가 되어야 해서 코오롱, 웅진케미칼 등과 접촉하며 시제품을 하나씩 만들고 있던 차에, 이 제품을 2차 전지로도 쓸 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

2010년도 말에 김철환 박사님(현 카이트창업가재단 이사장)이 메탈 파이버 섬유 소재를 2차 전지의 전극 쪽에 적용해 충전 및 방전 속도를 개선하고 에너지 밀도를 높인 내용으로 특허출원을 했습니다. 김철한 박사님이 다양하게 전선 형태나 플렉시블 배터리로도 만들 수 있겠다는 아이디어가 갖고 소재를 구하는 찾다가 제낙스 발표를 보고 연락을 해 인연을 맺게 되었습니다.

▲ 제낙스는 이상적인 산학협동 수행으로 한국 제조업의 이상적인 모델을 선보이고 있다.

Q. 전문가와의 협업에서 그 첫 발자국이 시작된 셈인데, 협력 당시에는 일들이 어떻게 흘러갔는지 궁금합니다.

김철환 박사님이 직접 제낙스에 메탈 파이버 소재를 구하기 위해 연락했고, 이후 소재를 받아서 테스트를 진행했습니다.

김철환 박사님이 전극 활물질을 메탈 파이버에 뿌려서 전극을 만들어서 평가를 했더니, 기존 알루미늄 포일 형태를 사용한 전지보다 용량이 더 크게 나오는 것을 확인했고 해당 소재를 안정적으로 공급해주기를 제안했습니다. 이때 제낙스에서 생산한 소재가 2차 전지에서도 쓰일 수 있다는 것을 처음 알게 된 것이죠. 제낙스의 메탈 파이버가 3차원 틀 안에 전극 물질을 넣어 전지 성능을 향상시키는데 쓰일 수 있다는 걸 알게 되면서부터 2차 전지가 핫이슈가 되었습니다.
당시 김철환 박사님은 전자 잉크 개발로 창업을 해, LG디스플레이에 매각 협상을 하는 중이었습니다. 섬유형태의 메탈파이버를 이용한 새로운 2차전지에 대한 아이디어로 전지를 만들면 2차전지에 혁신적인 성능 향상을 이룰 것으로 기대하고 이를 실현하고자 연구를 진행하게 된 것이었습니다.

김철환 박사님이 보유했던 원천 특허는 제낙스에 이전됩니다. 2010년 7월에서 10월에 3건의 특허가 출원이 되었습니다. 2011년 1월에 특허권 이전에 관한 양해각서를 체결하고 본 특허기술에 대한 사업화를 제낙스에서 진행하기로 하였습니다. 제낙스 사장님이 과감히 결단하고 신속하게 일사천리로 일이 진행되었습니다.

▲ 플렉시블 배터리는 우수한 성능과 안정성으로 다양한 형태로의 제품화가 기대된다.

Q. 실장님은 언제부터 제낙스 사업에 인연을 맺게 되었습니까? 제낙스에 오셔서 착수했던 연구와 업무들이 궁금합니다.

저는 2010년 12월 1일 자로 합류해서, 특허 검증 및 완성 작업 등에 책임자로 임했습니다. 메탈파이버를 이용하여 전지로 만들려면, 어떠한 형태로 구현하는 것이 좋은지 그 방법을 찾는 것이 중요한데, 이를 위한 연구를 먼저 시작했습니다.

한국에서 전지를 연구하기 위해서는 연구기반이 잘 갖추어져 있는 대덕연구단지에서 시작하는 것이 여러 가지 면에서 좋겠다고 생각했습니다. ETRI(한국전자통신연구원) 내에 전지 연구하는 팀이 있었고, 그 팀에 후배가 있어 도움을 받으면서 테스트를 진행하였습니다. 그 팀에서 개발한 기술도 한 건 기술이전하여 기술을 보완하기도 하였습니다.

처음 1년은 방향성을 잡는 기간이었기 때문에 진짜 전지로 구현을 하려면 어떤 방법을 해야 되는지와 메탈 파이버의 소재를 2차 전지로 활용하는 방법을 찾아야 되는 상황이었습니다. 양극 알루미늄, 음극 구리, 분리막, 활물질, 도전재 등을 섞어 구성했습니다.

전자는 집전체로, 리튬 이온은 분리막으로 이동합니다. 전지 성능은 리튬 이온과 전자가 얼마나 빠르게 이동하느냐가 관건입니다. 그 이동거리가 짧을수록, 좀 더 빠르게 이동할수록 전지의 성능은 향상됩니다. 전자들은 도전재를 거쳐서 가기 때문에 전극을 두껍게 만들면 성능이 떨어집니다. 일례로 30 나노 크기의 도전재 입자들을 거쳐서 50 마이크로 길이를 가자면 몇 번을 이동해야 될까요? 이 과정에서 전지 내의 저항이 상당히 높습니다.

그렇다고 전지 성능을 올리기 위해 전극을 50 마이크로 이하로 얇게 만들면 전지의 에너지 밀도가 떨어집니다. 전지의 에너지 밀도는 전극의 두께가 중요한데, 그동안은 전지의 성능 때문에 전극을 얇게 하고 분리막, 금속 포일 등 용량과 관련이 없는 부자재들을 많이 쓸 수밖에 없어서 전지의 에너지 밀도가 낮았던 것입니다.

그런데 전극을 두껍게 만들면서도 전자를 빠르게 이동시키고 전지의 성능을 유지할 수 있다면, 부자재를 적게 사용하게 되어 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 전기가 매우 잘 통하는 메탈 파이버를 활물질 사이의 구석구석으로 넣어 주고, 활물질에서 생산된 전자가 바로 옆의 메탈 파이버 길만 타면 빠르게 이동하게 되어 전극의 저항이 매우 낮아지는 효과를 나타내게 됩니다.

Q. 현장에서 얻은 아이디어를 실제로 어떻게 구현했습니까?

메탈 파이버는 솜뭉치 모양입니다. 양극 활물질을 잘 넣어서, 그렇게 전극을 양극과 음극으로 만들고, 분리막을 넣고, 전지 만들고 그래서 성능을 구현하는 것입니다. 이때 활물질을 잘 넣을 수 있는 방법이 무엇인가를 연구하며 시행착오도 있었습니다.

솜뭉치가 두꺼우면 리튬-이온의 이동거리가 매우 멀어져 전지의 성능이 안 좋습니다. 그래서 소재 차원에서 얇게 만들 수 있는 방법을 개발하기 위해 다양한 시도를 수행했습니다. 온도와 압력, 크기 등을 두루 실험해 보고, 건식으로 파우더만 뿌려서 만드는 것도 해 봤습니다. 그러다 습식법을 활용해서 솔벤트에 전극물질을 분산시켜 메탈 파이버에 적용하면 전극물질이 메탈 파이버에 고르게 분포되어 성능이 제대로 나오는 것을 찾게 되었고, 그때부터 일이 빨라졌습니다.

메탈파이버를 적용함으로써 전극 두께가 기존 시스템보다 2~3배 두꺼워져도 전지로서는 성능이 잘 구현되는 것을 확인하였습니다. 50 마이크론의 전극 두께가 100에서 150마이크론으로 두꺼워져도 되어도 성능이 잘 나오게 되는 것이죠. 그런데 되려 이것을 더 얇게 하면 어떨까 하는 고민을 했습니다. 솜뭉치를 얇게 만들려면, 짧은 메탈파이버 소재를 싹 뿌려 얇게 얹으면 되지 않을까 해서 솜뭉치를 키친믹서를 이용해서 갈아서 분말 형태의 파이버 소재를 만들어서 사용하는 시도도 했습니다. 그렇게 분말 형태의 파이버 소재를 확보했습니다. 이를 갖고 기존과 똑같은 전극의 두께로 만들어서 비교했더니, 충전 방전 속도가 굉장히 올라갔습니다.

기존에 나온 제품들은 충전 속도를 일반적으로 한 2시간 잡습니다. 전극을 얇게 하면서 분말 형태의 메탈파이버를 적용하였더니 12분 충전을 해도 전체의 70% 충전이 되는 현상을 발견했습니다. 1분만 충전을 해도 20~30% 충전이 되는 것을 알게 되었습니다. 비로소 메탈 파우더라는 소재를 개발하게 된 계기라 할 수 있는 순간이 온 것입니다.

▲ 기존 배터리들이 성능 저하 또는 화재 위협에 시도하지 못하는 제품화를 제낙스는 실현시켰다.

Q. 도약의 순간을 맞이한 셈인데, 이어진 일들이 궁금합니다.

바로 메탈 파우더를 대량 생산하는 방법을 찾게 되었습니다. 짧게 만들어서 에어레이드 방식으로 뿌려 보자는 아이디어를 시도했습니다. 활물질을 만들 때 용매에도 같이 넣어 분산 시키는 시도도 했습니다.

장섬유 형태의 메탈 파이버는 섬유산업 분야 파트너들을 통해서 부직포 형태로 고르게 다시 흡착하게 만드는 테스트를 시도했습니다. 지난 2011, 2012년에 유관 연구원에 연락해 장비를 활용해서 만들어 보았으면 좋겠다고 제안해 테스트를 시작했습니다.

메탈 파이버를 메탈 파우더로 균일하게 만드는 건 2011년 9월부터 2012년 하반기까지 수행된 연구를 통해 구현했습니다. 이 균일화 공정은 과정상의 품질 관리가 중요합니다. 2차전지에 접목하기 위해서는 이러한 구조를 안정적으로 정립시켜야만 가능합니다.

메탈 파이버를 2차전지로 쓰면 어떤 구조가 좋은 지를 확인하고, 전지 성능 평가를 했을 때에도 전지 성능이 어떻게 향상이 되는가를 연구해 확인했습니다.

Q. 현재 제낙스가 도달한 수준이 객관적으로 어느 정도 수준일까요?

차세대 스마트폰에 작아진 물리적인 크기라고 하더라도 줄어든 크기에 적정 용량의 배터리를 넣을 수 있게 됩니다. 또한 배터리와 충전 등 솔루션 업체에서 저전력으로 구동시키고 활용하는 역량도 확보할 수 있게 해줍니다. 관련 특허는 모두 자체적으로 출원해 확보해 나가고 있습니다.

제낙스 솔루션들은 고객이 원하는 바에 맞게 제품을 구현해서 제공합니다. 에너지 밀도든 고속 충전 및 방전이든 과거 방식으로는 얻을 수 없던 것을 새롭게 구현해냅니다.

Q. 플렉시블 배터리는 직접 양산해 판매한다는 발표를 봤습니다. 본 사업에 관련된 이야기가 궁금합니다.

지난 2013년 실험 결과, 메탈 파이버는 본래 천을 만드는 소재여서 물리적으로 구부리는 힘을 가해도 성능이 안정적으로 구현되었고, 포장지부터 부드럽게 만들어 실용화 수순을 밟게 되었습니다.

기본적으로 전극은 천 형태입니다. 우리가 어릴 때 놀다가 진흙이 옷에 묻으면 지워지지 않은 것처럼 같은 원리로 보면 됩니다. 메탈 파이버를 천 형태로 만들고 활물질을 넣으면 아무리 구부려도 입자들이 안 떨어집니다. 이것이 플렉시블 배터리의 기초가 되었습니다.

기존에는 포일에 활물질을 도포했기 때문에 힘을 가해 구부리면 떨어졌지만 메탈 파이버에 활물질을 바르면, 활물질과 도전성 입자들이 떨어지지 않습니다. 활물질이 잘 붙어 있도록 하는 것이 첫 번째 과제였는데, 이 부분에서 제낙스가 확보한 기술로 해답을 제시했습니다. 그 다음 단계는 포장재였습니다. 처음에는 알루미늄을 쓰는 재료 중 가장 부드러운 과자봉지로 실험해보았지만 과자봉지는 2차전지 용도로 만든 것이 아니라서 오래 버티지 못합니다. 알루미늄 파우치 업체 중에서 얇게 만드는 기술을 보유한 곳을 섭외해 2014년부터 테스트를 거친 뒤 상용화가 완료되었습니다.

▲ 기존 전자이동 형태로는 제품성 확장에 큰 벽이 도사리고 있었다.

▲ 메탈 파이버 적용으로 성능과 안전성 확보라는 두 마리 토끼를 잡았다.

Q. 플렉시블 배터리 비즈니스는 어떻게 전개하실 계획인지 궁금합니다.

사업 초기에는 메탈 파이버를 2차 전지 업체에 공급하는 쪽으로 생각을 했는데, 플렉시블 배터리가 나오면서 직접 사업을 하는 방향으로 대표님이 결정하셨습니다.

전지 사업은 종합 예술이어서, 소재 하나가 훌륭하다고 해서 2차 전지의 모든 문제점들을 해결할 수 있는 것은 아닙니다. 그럼에도, 대표님이 플렉시블 배터리는 우리가 직접 해야 될 사업이라고 강한 의지를 나타내셨고, 플렉시블 배터리 완제품을 직접 제조하는 사업을 진행하게 되었습니다.

제낙스는 독보적인 기술 역량을 확보한 메탈 파이버 소재를 활용해 EV, ESS, 플렉시블 배터리 분야에서 두루 기술력을 적용할 수 있습니다. 자체적으로는 플렉시블 배터리 사업을 시작하고, 소재 비즈니스는 궁극적으로 최종 전지 완제품까지도 해내겠다는 복안입니다.

▲ 제낙스 플렉시블 배터리는 휘어지는 형태로 제작되는 각종 전자기기에 이상적인 적용이 가능하다.

Q. 유연하게 구부릴 수 있는 것도 대단하지만, 망치로 돌로 내려찍어도 불이 안 나는 건 놀라운 일입니다. 여기에 기대가 크실 것 같습니다.

소비자들이 플렉시블 배터리를 사용할 때, 가장 우려하는 것은 외부 충격으로 인한 화재입니다. 배터리는 외부 충격과 같은 위험한 상황에도 불이 나지 않고, 터지지도 않도록 개발되는 것이 중요합니다. 못으로 찍어도, 물속에서도, 불까지 붙여도, 배터리에 불이 붙지 않는 기술을 제낙스가 구현했습니다. 전지 사업 전체에 걸쳐 보아도 이런 기술력이 중요한 포인트가 되었고, 기술에 기반한 퍼포먼스가 고객들에게 어필할 것이라 봅니다.

완제품 연구에서 쓰이는 활물질, 분리막, 전해질 등 모두 설계 단계에서 최적화를 시켜야 최종적으로 고객이 쓸 수 있는 제품이 됩니다. 셀 생산, 불량 이슈 점검 등 전체적인 부분을 살펴보아야 합니다. 2014년 초부터 여러 난제들이 있었지만, 제낙스 전사적 차원에서 지속적인 연구개발로 기술 혁신을 이뤘고 2015년부터는 플렉시블 배터리에 포커스를 맞춰 완제품 양산을 위한 연구에 몰입했습니다.

이렇게 완성된 제품은 ‘CES 2015’ 박람회에 참가해 전 세계에 공개했고 같은 해 1월 일본 웨어러블 박람회에서도 선보였습니다. 당시 팜플렛 수 천 부를 가지고 갔었는데, 조기 소진된 것은 물론, 현지 업체들의 열띤 반응으로 웨어러블 디바이스 시장에서 플렉시블 배터리가 갖는 잠재력과 시장성을 확인했습니다. 제품 실물을 보았던 해외 굴지의 기업들은 물론 국내 대기업, 중국 기업도 큰 관심을 보이고 있습니다. 이렇게 인연이 닿고 실무에 들어간 고객들을 대상으로 지원 사업을 수행하며 배터리 산업과 시장 성장에 동참하고 있습니다.



▲ 제낙스 플렉시블 배터리는 구겨지고 접혀도 작동되는 뛰어난 물성을 지니고 있다. 또한 화재 위험까지 덜어내어, 전기자동차 배터리와 ESS 시장에서의 활약도 기대된다.

한편, 지난 2020년 1월 29일 제낙스는 명성티엔에스에게 2차 전지 기술에 대한 특허 공동사용권을 허용하고, 명성티엔에스는 이에 대한 기술이전료를 지급한다고 발표했다. 양사는 중국 전기자동차 시장에 획기적인 방식의 LFP 2차전지 배터리 공급을 시작으로 글로벌 전기차 배터리 시장 진출에 박차를 가할 예정이다. 또한 차세대 2차 전지 기술 개발을 위한 양해각서를 체결하고 공동 연구에도 속도를 내고 있다.

Copyright ⓒ Acrofan All Right Reserved



[명칭] 아크로팬   [제호] 아크로팬(ACROFAN)    [발행인] 유재용    [편집인] 유재용    [청소년보호책임자] 권용만
Copyright © ACROFAN All Right Reserved