전고체 배터리 그리고 " S라인 "

“‘전고체’ 한문이죠. 모든 게 고체다. 영어로도 그냥 그대로예요. ‘All Solid’ 모든 게 다 고체라는 얘기인데. 배터리에 들어 있는 여러 가지 소재 중에서 액체인 게 하나 있습니다.

그게 바로 전해질·전해액. 제가 전해액이 아니라 전해질로 부르는 이유는 고체 전해질로 부르거든요. 고체 전해액이 아니니까 물질이니까, 액보다는 질이 더 상위 개념이어서 제가 굳이 그냥 뭉뚱그려서 전해질로 부르는데.

그 전해질이 액체가 아니라 고체로 썼다는 게 보통 일반 사람들이 가장 많이 가지고 있는 인식입니다만 안에 조금만 뜯어보면 설계가 완전히 다릅니다.

여기서 설계라고 하면 우리가 배터리의 네 가지 핵심 소재라고 하죠.

양극재·음극재·분리막·전해질. 네 가지 요소가 지금 쓰고 있는 배터리랑 전부 달라요. 사실상 배터리라는 거는 동일하지만 안에 있는 구조가 완전히 다른 형태의 배터리다. 다른데 뭐가 다르냐, 그중 가장 큰 특징은 모든 것이 고체로 이루어져 있다.”

-액체가 아예 사용되지 않는다는 거죠?

“맞습니다. 고체로 이루어져 있다는 거죠. 그래서 전부 고체다. 그래서 전고체라는 말을 쓰는 거고요. 액체랑 고체랑 그렇게 별 차이가 있냐고 말씀을 하실 텐데. 지금 쓰고 있는 배터리의 전해질·전해액은 기본적으로 인화성 물질입니다. 불붙이면 그냥 확 타요.”

-전해액이 소재가 뭐죠?

“기본적으로 육불화인산리튬(LiPF6)이라고 하는 물질입니다. 육불화인산리튬인데 이게 가연성 물질이에요. 그런데다가 양극재 자체가 니켈, 금속이 굉장히 많이 들어가 있죠. 그리고 안에 음극의 집전체는 구리. 양극의 집전체는 알루미늄. 불붙으면 잘 타는 물질들로 이뤄져 있습니다.”

-발화점이 낮은 물질들이네요?

“불에 원동력을 불어넣는 게 바로 우리가 일반적으로 쓰고 있는 배터리들이 전부 화학 전지들이죠.

화학 에너지가 잔뜩, 전기를 화학에다가 다 담아놨으니까 그 에너지가 어디 갈 데가 없잖아요. 에너지가 갈 데가 없다는 거는 곧바로 외부로 열을 방출한다는 의미가 되는 거니까. 기본적으로 잘 타는 물질로 이루어져 있고. 그 안에 많은 에너지를 담고 있다 보니 화재가 발생할 수밖에 없게 되는 거죠.”

-그러면 전고체에는 어떤 물질이 쓰이는 거예요? 다 바뀐다고 했는데.

“모든 게 다 바뀌는데. 기본적으로 양극재는 거의 동일합니다. 양극재는 거의 니켈, 코발트, 알루미늄. 이런 것들이 기본적으로 그냥 그대로 쓰이고요. 음극재가 극적으로 바뀌어요. 보통 음극재는 흑연을 많이 쓰거든요. 연필 흑연 맞습니다.

흑연이 많이 쓰이는데 흑연에 약간의 실리콘을 한 5% 정도 첨가하죠. 그러니까 95% 흑연, 나머지 5%는 실리콘을 넣는 형태로 돼 있는데.

S라인 삼성 기준으로 보면 음극재를 전부 리튬메탈이라는 금속으로 바꾸게 됩니다. 싹 다 바꾸게 되고 그다음에 전해질 같은 경우에는 육불화인산리튬이 아니라 황화물계 물질을 쓰게 됩니다. 세 가지가 조합이 돼야 되는데. 세 가지가 다 어려워요.”

-어렵다는 거는 생산이 어렵다는 거예요?

“생산은 의외로 어렵지 않은데 너무 비싸요. 그러니까 최근에, S라인 얘기하다가 여기까지 흘러오게 됐는데

삼성SDI가 S라인을 작년에 공사를 시작해서 올해 완성한다고 얘기하고 또 2027년에 양산한다는 얘기를 당당하게 합니다.

그런데 주변에서 보면 ‘전고체 배터리가 실제로 되는 거냐’ ‘도요타도 두 손 두 발 다 들었는데 2027년에 양산이 가능한 거냐’ 여러 가지 얘기들이 있습니다만, 양산이라는 게 단어가 굉장히 추상적일 수도 있어요. 시양산인지, 초도양산인지, 얼마만큼 어떻게 생산하겠다는 얘기인지.”

-우리가 양산이라면 대량 생산을 주로 얘기하잖아요?

“그래서 전통적으로 이걸 굉장히 많이 쓰는 업계가 보통 석유화학 업계에서는 상업 가동이라고 얘기하죠. 상업성이 있게 우리가 대량 양산을 한다는, 상업 가동이라는 말을 쓰는데. 이게 전자 산업으로 넘어오게 되면서 양산이라는 말을 그냥 막 쓴단 말이죠. 근데 그게 그냥 시양산인지, 초도양산인지 두루뭉실한데 삼성이 그것까지 얘기하지는 않았어요. 다만 분명한 건 지금 전고체 배터리를 만들 수는 있다는 겁니다.

문제는 그게 상업적으로 가치가 있냐는 게 문제가 있죠. 비싸죠. 제가 늘 말씀드리지만 배터리는 손으로 만들 수 있어요. 수작업으로 만들 수 있습니다. 근데 만드는 게 별 의미가 없죠. 그거 하루에 한 개 만들어서 어떻게 내다 팝니까. 의미가 없잖아요. 전고체 배터리는 지금도 만드는 게 가능합니다. 비용과 생산성을 무시한다면 그러니까 삼성이 예상하는 거는 2027년은 그걸 어느 정도 만족시킨다는 얘기인데.

아무튼 오늘 얘기하고 싶은 얘기는, S라인 얘기하다가 여기까지 왔는데. S라인에 얼마 전에 이재용 회장이 갔다 왔었죠. 그룹사 차원에서도 굉장히 관심이 많아요.

왜냐하면 이 전고체 배터리는 삼성SDI뿐만이 아니라 사실 삼성전자 종기원에서도 원천기술 개발을 오래전부터 하고 있었고.

그중에 리서치 센터 중 하나가 일본, 재팬 리서치 센터에서도, 일본이 화학이 워낙 원천기술을 많이 가지고 있으니까.

그래서 역사적으로 따지면 삼성SDI의 전고체 배터리는 거의 10년 이상의 역사를 가지고 있습니다.

그리고 원래 삼성SDI라는 회사는 지금은 대부분의 비즈니스가 배터리로 이루어져 있지만. 애당초의 목표는 토탈 에너지 회사였어요.

그러니까 수소 연료전지도 오래 전부터 NEC 수소 연료전지, 제품도 내놨습니다. 물을 넣으면 전기를 생산해서 노트북에 넣고 그래서 그런 수소 연료전지에 대한 원천기술도 가지고 있었던 게 삼성SDI였고. 다른 하나가 또 PDP 사업도 SDI가 했던 거였고. OLED도 SDI가 했던 거였고. 그다음에 배터리도 SDI가 했던 거였고. 거기에 전자재료 사업까지 토탈 에너지 기업을 목표로 삼았고 거기에 밑받침이 되는 전자재료를 뒤에 두겠다는 게 삼성SDI의 목표였는데

OLED는 삼성모바일디스플레이에서 삼성전자의 LCD 사업부가 합병하면서 삼성디스플레이가 됐고. 전자재료 중에 일부는 내다 팔고. 그다음에 제일모직에 있는 것도 또 가지고 들어오게 됐고. PDP는 잘 아시다시피 접어버렸고요. 그러다 보니까 남은 건 배터리밖에 없게 된 거죠. 수소 연료전지도 오랫동안 꾹꾹 안고 이거 언젠가는 터지겠지 했는데 정말 눈물을 머금고 접어버렸고요.

어쨌든 S라인이 상징성이 있어요. 파일럿 라인을 S라인이라는 이름을 붙이고 장비들을 셋업하고 있는 중입니다.

그러면 여기서 궁금해지잖아요. 장비는 누가 어떻게 공급하고 어떤 형태로 전고체 배터리가 만들어지게 될 것인지에 대한 부분들을 오늘 얘기하고자 하는 게 이 부분이었고요.

일단 기본적인 골자는 똑같습니다. 모든 배터리는 전부 양극과 음극이 존재하기 때문에 양극과 음극을 잘 만들어서 안에 소재를 집어넣고 이 소재를 포장해서 배터리를 만든다는 개념은 똑같아요.

제가 말씀드리면 일단 전극 쪽은 얼마 전에 SFA에 인수된 CIS가 일부 담당하고 있고요. 그다음에 노칭이 있습니다.

노칭은 뭐냐. 애플 아이폰을 쓰시면 노치 디스플레이라고 하잖아요. 그 노치가 어원이에요. 그럼 노칭은 이 노치를 만드는 과정을 얘기하겠죠.

노칭을 그럼 왜 하냐 양극하고 음극이 어떻게 돼 있습니까. 이렇게 튀어나와 있잖아요. 튀어나와 있으면 원래 이 모양이 이 모양이 아닐 거 아닙니까. 뭔가 사각형으로 돼 있는 거에서 잘라내서 이렇게 돌기 모양으로 나와 있는 거겠죠. 이걸 만들어주는 거를 노칭이라고 하고요.

노칭 공정은 유일에너테크가. 상장사죠.
이쪽에서 담당하고 있고

그다음에 전극을 만들어주게 되면 이 전극을 여러 장, 수십 장 정도 포갭니다. 포개고 이거를 우리가 패키징을 해주죠.

그 패키징이라는 게 파우치 필름에 넣으면 파우치형 배터리가 되는 거고, 네모한 사각형 금속 캔에 넣어주게 되면 각형 배터리가 되는 거고”

-원통도 되고.

“원통에 넣으려면 저희가 쌓은 다음에 돌돌 말아줘야겠죠. 그래서 그거를 말아주는 거를 우리가 와인딩, 와인딩을 해주는 장비를 권취기 와인더라고 부르게 되죠.

일단 방향성은 지금 만드는 S라인은 파우치형 배터리로 만들게 됩니다. 파우치형 배터리로 만들게 되고요.

다만 파우치형은 파일럿 라인에서만 만들게 되고 궁극적으로는 각형 배터리로 만들게 될 겁니다. 근데 이거는 약간 허들이 있을 거예요. 그건 제가 이따가 말씀드리고,

웰딩이라고 하는데 용접이 있거든요. 아까 수십 개, 수십 장이 쌓여 있는 전극을 양쪽에 용접해주는 장비는 하나기술이 담당했습니다.

그리고 이거를 파우치 필름에 넣어서 패키징을 해줘야 되거든요. 포장을 해주는 거죠. 포장을 해주는 것도 하나기술이 담당했는데. 전고체 배터리가 아까 말씀드렸지만 모든 게 전부 고체잖아요. 고체의 특징이 있습니다.”

-어떤 건가요?

“뭉치기가 힘들다는 거죠. 뭉치기가 힘듭니다.”

-기존의 배터리는 이렇게 교반기 같은 장비를 넣어서 믹싱을 하죠.

“믹싱이나 여러 가지 과정들을 거쳐서 슬러리, 습식이 있는 소재를 발라주고 이걸 안에 전해액을 넣고 리튬이온이라는 게 왔다 갔다 해야 되니까. 그냥 물통을 예를 들게요. 음료수를 액체 상태에서 쉽게 빨아먹잖아요. 고체 상태에서 그게 빨립니까? 안 빨릴 거 아닙니까. 여러 가지 소재들이 전부 고체로 돼 있는데 이거를 하나로 뭉쳐 줘야 되는 거예요. 뭉치려면 어떻게 뭉쳐야 되냐.”

-분말 형태로?

“아니죠. 힘을 엄청 세게 주는 거죠. 초고압으로 뭉치게 됩니다. 초고압 프레싱을 해줘야 돼요. 그럼 이게 압력이 얼마나 높냐 보통 전고체 배터리를 만들기 위한 압력이 보통 3000bar 정도 합니다. 3000bar 어마어마하게 높은 압력이죠.

이거를 그냥 상온에 노출돼 있는 상태에서 압력을 주게 되면 바스러질 거 아니에요. 찢어지고. 그래서 어떻게 압력을 주게 되냐면 WIP라고 약자인데 Warm Isostatic Press(WIP)라고 합니다. 쉽게 얘기하면은 물에다가 집어넣은, 수조에다가 파우치 이걸 넣어놓고 챔버를 닫고 이 안에서 수압으로 초고압을 해 주는 거예요.

꽉 쥐어주는 거죠. 큰 물통에 파우치 필름을 배터리 셀을 집어넣고 초고압으로 프레싱을 해주는 겁니다. 이게 3000bar 정도 하는데 전고체 배터리를 만들려면요. 삼성 S라인 같은 경우에는 목표가 5000bar입니다.

이 장비를 업체가 있는데 일신오토클레이브라는 업체가 담당하고 있는 걸로 저희가 파악했고요.

그다음에 초고압을 거쳐서 나온 셀을 똑같이 충·방전 과정을 거쳐줘야 되는데. 이쪽 충·방전기는 삼성의 오랜 파트너인 갑진이라는 회사가, 비상장사인데 갑진이라는 회사가 담당하게 됩니다.”


-그렇게까지 하면 전고체 배터리가 탄생이 되는 거죠?

“그렇죠. 그리고 여기 질문 중에 건식 코터라고 말씀하셨는데 아직까지는 건식이 아니에요. 목표는 건식으로 가게 될 겁니다. 건식으로 가게 되는데, 삼성에서 그래서 늘 강조하고 있는 부분이 있어요.

우리가 전고체 배터리 할 때 전에도 잠깐 말씀드렸는데 ‘전고체 배터리를 상용화하는 데가 있다더라’ 일본의 기사가 여럿 나왔죠. 그거는 옥사이드계, 산화물계 전고체 배터리고요.

저희가 말씀드리는 거는 전기차에 들어가는 황화물계 전고체 배터리입니다. 다릅니다. 다른 배터리고 그래서 삼성이 얘기하는 거는 중간에 전고체로 당장 가기가 힘드니까.

액체와 고체의 중간 상태가 있잖아요. 겔(Gel). 이거를 쓴 전고체 배터리도 있어요. 젤리처럼, 그다음에 음극 쪽만 리튬 메탈이나 다른 소재로 바꿔서 이거를 또 전고체 배터리라고 얘기하는 데도 있고요. 그러니까 정의가...”

-그게 리튬 메탈 전지 말씀하시는 거죠?

“리튬 메탈이라고 얘기할 때 대충 그냥, 전고체와 리튬 메탈의 직접적인 상관관계를 얘기하기가 어려운 거죠. 그래서 저희가 처음 말씀드렸을 때 여러 가지 소재가, 꼼꼼하게 따져봐야 될 부분이 있다고 말씀을 드렸던 거고요.

삼성이 발표하면서 재미있게 소구 포인트를 한 게 있어요. 그럼 전고체 배터리를 하면 뭐가 좋냐

당연히 쓰는 배터리보다 성능이 약 한 1.5~2배 정도. 같은 부피의 무게의 배터리라면 훨씬 더 많은 에너지를 담을 수가 있게 되는 거고 더 멀리 가는 거죠. 그리고 당연히 폭발의 위험성도 현저히 거의 없는 상태의 배터리를 만들 수 있는 거고.

하나 예를 들게요. 삼성이 발표한 내용인데 예를 들면 시중에서 팔고 있는 전기차 2개를 예를 들겠습니다. BMW i4, BMW의 중형 전기차죠. 이게 공차 중량이 삼성 배터리가 들어가 있는데 2.1톤이에요. 중형차인데.”

-배터리 무게 때문에?

“아니요. 차의 공차 중량이.”

-공차가요? 다른 거 다 없이?

“그냥 차 출고할 때, 자동차 공업 생산법에 의해서 공차 중량이 돼 있잖아요. 중형차가 2.1톤이에요. 쏘나타 몇 kg인지 아십까? 한 1.4~1.5톤 해요. 일반 내연기관차가. 엄청나게 무거운 거죠. 무거우면 뭐다? 연비가 떨어진다. 이게 리튬이온 배터리의 한계점이기도 한데 이거를 전고체 배터리를 쓰게 된다면 무게를 2톤 이하로 만들 수 있습니다. 보통 삼성이 발표한 거는 1.95톤”

-그러니까 액체보다 고체가 부피 질량이라고 해야 되나? 부피라고 해야 되나?

“더 적게 들어가고, 에너지는 더 기니까 공차 중량을 획기적으로도 줄일 수 있다고 얘기했고요. 또 메르세데스 벤츠의 EQE라는 자동차가 있습니다. E클래스의 전기차 버전이죠. 이거는 공차 중량이 더 많이 나가요. 무려 공차 중량이 2.35톤입니다. 이 차가 스펙을 줄여준다고 해도 어지간한 기계식 주차장에 못 들어간다는 얘기죠. 기계식 주차장은 2톤 이상의 차는 못 들어갑니다. 그러니까 이 차는 기계식 주차장에 넣을 수도 없고 2.35톤이면 말이죠. 무게가 어느 정도냐면 어지간한 대형 내연기관차 SUV를 능가해요. 무게가 어마어마하게 많이 나가는 건데. 벤츠 EQE에 전고체 배터리를 적용하게 된다면 삼성 측의 주장으로는 2.15톤. 보통 한 150~200kg 정도 무게를 줄일 수 있게 된다는 거죠. 물론 에너지 밀도가 높아진 것만큼 더 많은 주행 거리와 안정성을 높일 수 있게 되는 거고요.”

-중요한 건 가격일 거 아니에요?

“그 얘기가 다 빠져 있어요.”

-삼성 발표에는 빠져 있어요?

“발표에도 빠져 있고, 어느 자리에 어떻게 얘기하더라도 가격 얘기는 쏙 빠져 있는데. 물론 전고체 배터리가 나오더라도, 마치 아까 OLED 얘기하실 때 OLED TV의 시장 점유율이 어떻게 됩니까? 아직 두 자릿수가 아직 안 되죠.”

-아까 1%라고.

“삼성전자가 들어오면 좀 높아질... OLED TV 나온 지 몇 년 됐는지 기억하십니까? 10년 넘었습니다. 10년 넘었는데 아직도 점유율이 한 자릿수 초반대에 머물고 있거든요.”

-처음에 나왔을 때는 한 3000만원씩 했잖아요.

“LCD TV도 비싼 큰 거는 수억원 하긴 했지만. 어찌 됐든 여전히 전체 시장의 주류는 LCD죠. 저는 비유하자면 전고체 배터리도 그렇게 되지 않을까 예상해볼 수 있습니다.”

-저는 궁금한 게 전고체 배터리는 아까 말씀하신 대로 들어가는 소재 자체가 비싸잖아요? 이게 대량 생산된다고 하면 가격이 급격하게 낮아질 요인이 있나요?

“그게 관건인데 가능성이 높지 않아요. 이게 따져봐야 될 문제이기는 합니다만 배터리가 참 골치 아픈 게 뭐냐 하면 보통 반도체는 대량 생산, 웨이퍼에서 우리가 넷다이(Net Die)라고 하는데 똑같은 웨이퍼를 만들어도 수율에 따라서 남들이 50개 만들 때 우리는 100개 만든다. 그러면 그만큼의 마진을 더 많이 가져가니까 원가를 낮출 수 있으니까. 다른 메모리 플레이어들을 압도할 수 있거든요.

그래서 삼성전자가 치킨 게임이 가능했던 거였고요. 남들 손해 보고 팔 때 우리는 손해 안 보고 팔 수 있었거든요. 근데 배터리는 그게 안 돼요. 소재를 대량 생산한다는 게 굉장히 어려운 일인데다가. 또 우리 배터리에만 우리 제품에만 쓸 수 있잖아요. 또 원료 조달이, 리튬이온 배터리로 치면 외부 가격에 출렁이는 게 굉장히 많아요. 니켈 값이 올랐다. 리튬 값이 올랐다. 우리가 통제할 수 없는 가격이 너무 많습니다. 반도체 같은 경우에는 갑자기 오늘 100원 했던 장비값이 내일 200원이 되거나 이러지는 않잖아요.”

-소재 가격도 급등락하지 않죠.

“갑자기 급등하거나 갑자기 떨어지는 경우는 없습니다. 설사 올라가고 내려가고 이런 경우는 있을 수 있지만, 안에 들어가는 여러 가지 케미컬들이나 이런 것들도 한두 가지가 아니고요. 쓰인다고 하더라도 굉장히 극소량만 쓰이기 때문에 반도체에서의 원소재의 가격 변동성은 그렇게 크지 않은데 배터리는 소재 그 자체가 제품이어서 원가에 굉장히 많이 휘둘립니다.

이런 부분도 감안해 줘야 되고. 어찌 됐든 간단하게 정리해 드리면 S라인은 아까 말씀드린 기업들이 관여하고 있고. 삼성 S라인이 2027년도에 전고체 배터리를 양산한다고 하더라도 마치 OLED TV가 그랬던 것처럼 프리미엄 위주로, 삼성이 늘 그래왔던 건 프리미엄 전략이었죠. 그런 형태로 많이 흘러가지 않을까 예상할 수 있을 것 같습니다.”

-시장에 과거 우리가 휴대폰을 놓고 보면 아이폰처럼 이게 하나 딱 나와서, 시장 판도가 확 바뀌어버리는 그 정도는 아니라는 거죠?

“그렇죠. 여전히 전체 배터리의 주류는 리튬이온 배터리가 가지고 가게 될 거고요. 그중에서도 여전히 프리미엄 시장은 존재하기 때문에 다만 시장 업체들에서 예측하는 거는 2030년 이후, 더 길게는 2030년 중반대에, 아직 한참 멀었죠. 2027년도 올까 모르겠습니다만 앞으로 몇 년입니까. 만으로 5년 꽉 채워야 되는데. 약 한 10~15% 정도의 전기차 배터리 시장을 차지할 걸로 예상합니다.”

-생각보다 작지는 않네요.

“앞으로 10년 이후의 얘기니까. 두 자릿수 시장 점유율을 가져 가게 될지. 아까 OLED TV 자꾸 말씀드린 이유는 OLED TV 처음에 나왔을 때 비슷한 전망을 많이 했죠. 시장 침투력이 굉장히 빨라서 OLED TV의 전체 시장 점유율이 두 자릿수 이상 급격하게 올라갈 거라고 다... 미래는 알 수 없죠.”

-근데 제가 작년에 모빌리티 쪽 사람들 만나보니까 그 얘기는 하더라고요. 전고체 배터리를 자동차를 보면 할 이유가 없는 건데 UAM이나 이런 항공. 항공기 중에서도 국내 아주 짧은 거리를 다니는 이런 경우에는 무게가. 무게를 줄이면 몇 사람을 더 태울 수 있잖아요. 그렇기 때문에 여기에는 전고체 배터리가 충분히 들어갈 수 있다는 얘기하더라고요. 비싸도 승객을 몇 명 더 태운다고 하면 충분히 그만한 수지 타산이 남는다는 거죠. 그러니까 어떻게 보면 시장은 또 있을 것 같습니다.

“UAM 같은 경우는 이미 현대차에서도 공식적으로 개발하고 있고. 한화도 마찬가지고 여러 가지 기업들이 항공 분야에 뛰어들고 있는데. 제가 생각해도 전고체 배터리는 일부 프리미엄 전기차와 UAM 같은 항공 쪽에 우선적으로 쓰이고. 이후에 전기차 시장이 여전히 메인 스트림, 대중적인 제품은 그냥 쓰고 있는 리튬이온 배터리를 개량한 버전이 쓰이지 않을까. 이렇게 보고 있습니다.”

-근데 그분이 뒤에 또 하신 얘기가 있어요. 근데 UAM 시장이 한 2040년까지는 안 올 것 같습니다.

“배터리가 참 어려운 게 뭐냐 하면 보잉의 787이라는 비행기가 처음 나왔을 때 배터리가 그전에 항공기도 배터리를 쓰거든요. 그전에는 니켈 카드뮴 배터리를 썼는데. 문제의 787 항공기의 배터리로 리튬이온 배터리를 써서 초반에 불도 많이 났고. 고생을 많이 했거든요. 그만큼 리튬이온 배터리라는 거는 화재에 굉장히 취약하기 때문에 화재 위험이 거의 없는 전고체 배터리가 항공 분야에 먼저 쓰일 수 있는 것은 지극히 합당한 전망입니다.”

[영상] 이재용 회장이 살펴본 전고체 배터리 'S라인'...누가 어떻게 만드나 - 전자부품 전문 미디