전지소재 토종기업들, 국산화 넘어 글로벌 ‘출사표’

■ 우리나라 전지소재산업 현황과 전망

안희민 기자ahm@ekn.kr 2014.05.28

▲ LG화학은 일본의 전지재료 생산 기업인 우베막셀(Ube Maxell)과 독자개발한 SRS(안전성강화분리막) 관련 특허에 대해 유상 라이선스 계약을 체결했다. LG화학의 SRS2(안전성강화분리막) 기술은 배터리 핵심 소재인 분리막 원단에 세라믹을 코팅해 열적, 기계적 강도를 높여 내부단락을 방지하는 기술로 리튬이온배터리의 안전성을 결정짓는 핵심기술이다.

한국, 세계 최대 양극재 수요국 떠올라…한화케미칼·포스코 등 국산화 성공

음극재시장, 日 주도·中 급부상…GS칼텍스, 세계 2번째 소프트카본계 개발

우리나라는 리튬이온전지 최대 수출국이라는 명성에 걸맞게 4대 소재 산업도 급부상했다. 아직 국산화율이 25%에 불과하고 일본과 중국에 비해 원가경쟁력이 취약하기도 하지만 점차 세를 불리고 있다. 

◆양극재, 최대 수요국 부상…국산화 박차 
이미 2010년도에 우리나라는 세계최대 양극재 수요국으로 부상했다. 2009년 1만2156만톤에서 1만7277톤으로 5221톤 증가했다. 시장점유율도 3.8% 증가해 세계 최대 양극재 수요국이 될 전망이다. 

한화케미칼은 2011년 연 1000톤 규모의 리튬인산철(LFP) 양극재 생산에 착수했다. 울산2공장에서 약 20만대의 하이브리드차에 공급할 수 있는 양이다. 동시에 음극재 연구에도 착수했다. 전기분해 전문업체 엘라이저테크놀러지도 2011년 하수슬러지에서 인을 추출해 LFP를 생산했다. 

삼성정밀화학은 LFP를 2010년부터 연구개발하기 시작해 2012년 개발에 성공했다. 또 연속식 나노입자 합성 시스템을 개발해 저비용으로 고품질의 나노입자를 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 

포스코는 2011년 리튬티타네이트산화물(LTO) 나노튜브 기술을 미국에 특허등록했다. LTO 나노튜브는 기존 LTO 소재에 비해 50% 이상 향산된 240mAh/g의 에너지저장능력을 보유했다. LTO를 나노튜브 형태로 제조해 에너지 저장 용량을 늘리고 저가 공정을 통해 원가 절감을 실연했다. 

또 휘닉스소재와 손잡고 양극재를 2011년 개발했다. 휘닉스소재는 LCO, NCM, LMO를 개발했다. 양사는 자산 700억원 규모의 리튬이온전지소재 합작법인인 포스코ESM 2012년 2월 공식출범했다. 휘닉스소재는 지경부의 친환경 이차전지용 고안전성 저가형 니켈망간계 양극활물질 개발 수행기관으로 선정됐다. 리튬망간계열 양극재를 LG화학에 공급하기 시작했다.

LG화학은 2011년 리튬이차전지용 양극재 전구체로 IR52장영실상을 받았다. 기존 이차전지는 활물길 제조에 리튬 외 코발트 한가지만 사용했지만 LG화학은 니켈, 코발트, 망간 등 여러 가지 금속을 활용했다. 기존에 전구체는 100% 수입의존했지만 국내기술로 만들어 맞춤형 전구체를 제작과 대량생산이 가능하게 됐다. 또 캐나다 몬트리올에 위치한 독일 수드케미의 현지 양극재 생산공장에서 양사간 양극재 합작법인 설립을 위한 양해각서를 체결했다. 합작법인은 오창 LG,화학 공장부근에 연산 2500톤 규모의 리튬인산철 양극재 생산설비를 만들 계획이며 2014년말 양산 목표다. 

◆양극재 전구체 개발 ‘스타트’ 
양극재 전구체는 국내에서는 유일하게 에코프로만 전구체를 양산공급해왔지만 코스모신소재, 대정이엠, 이엔에프테크놀로지 등 후발주자들이 가세했다. 양극재 전구체를 소성가공하면 양극재가 된다. 즉, 열을 가하기 전단계의 양극재가 양극재 전구체다.

코스모신소재는 2011년 이차전지용 양극활물질 증설 투자를 완료해 본격적인 판매에 돌입했다. 2010년 코스모그룹으로 편입되며 본격적으로 양극활물질 투자가 진행됐고 생산규모도 1200톤에서 2400톤으로 증가했다. 2011년에 이미 리튬니켈코발트망간(NCM) 전구체를 개발했다. 코스모신소재는 모기업 코스모화학이 공급하는 황산코발트로 LCO도 만든다. 양극활물질은 전년동기 대비 74% 성장했고 2013년 생산규모를 3600톤으로 확대했다.

이엠티는 2011년 충주에 리튬니켈코발트망간(NCM) 전구체 공장을 준공했다. NCM은 LCO보다 가격이 20%가량 저렴하다. 

삼성정밀화학과 토다공업이 50대50으로 합작한 STM이 2011년 울산시 울주군에 리튬이온 이차전지 활물질인 NMC를 연간2500톤 생산하는 공장을 건설했다.

에코프로는 2011년 오창에서 연산 5000톤 규모의 양극소재 생산설비를 증설하며 니켈계 양극재 분야 글로벌 1위 달성 사업전략을 발표했다. 양산능력은 양극활물질 월 40톤, 활물질용 전구체는 월 150톤이었으나 이번 증설로 각각 120톤, 240톤으로 증가됐다.

에코프로는 니켈계 양극재 분야에서는 양산능력 1위 규모이며 코발트계 양극재 등 전체를 통틀어서도 세계 1위인 벨기에의 유미코아와 2위 일본 니치아화학공업에 이어 3위다. 또 지식경제기술혁신사업인 kWh급 차세대 전력저장 소재 및 모듈 개발 과제의 세부과제 kWh급 이차전지 양극소재 개발 과제의 주관기관으로 선정됐다.

2013년말에는 美 3M과 비독점적 특허 라이선스 계약을 체결했다. 획득한 특허는 고온에서도 안정적인 충방전 성능을 지원하는 NCM 리튬이온전지용 양극활물질이다. 

일진머티리얼즈는 2013년 리튬망간계 양극화물질(LMO) 국산화에 성공했다.

◆음극재, 국산화 성공했지만 값싼 중국산 흑연에 ‘진땀’
음극재는 다양한 소재가 쓰이는 양극재와 달리 95%가 흑연계다. 나머지 5%는 실리콘계가 차지한다. 

최근 소프트카본과 하드카본이 대체제로 나타나기도했다. 흑연계 음극재 기업으로는 포스코캠텍이 대표적이고 GS칼텍스, 애경유화각 각각 소프트카본과 하드카본계 제품을 생산하고 있다. 
현재 리튬이차전지 음극재는 히타치케미칼, 일본카본, JFE, 미쓰비시케미컬 등 일본 기업이 주류를 차지한다. 중국기업인 BTR에너지가 천연흑연을 갖고 11% 정도 점유율을 차지한다.

도시바가 산화물복합계인 리튬티탄산화물(LTO)를 채용하기 시작했고 소니에서는 금속복합계인 Sn-Co-C 성분의 음극재를 일부 채택했다. 

GS칼텍스는 2011년말 구미에 연산 2000톤 규모의 음극재 공장을 설립했다. 일본 JX NOE(舊 신일본제철)과 함께 구미에 탄소소재공장을 완공했다. 합작회사 이름은 파워카본테크놀러지(PCT)다. 

활성탄은 리튬이온전지 음극재 원료기도 하지만 수퍼커패시터의 주재료다. 2011년 5월 착공된 이 공장은 세계 소요량의 약 10%에 해당하는 연산 2000톤 규모의 소프트카본계 음극재를 생산한다. GS칼텍스 기술연구소는 2010년 세계 두 번째로 소프트 카본계 음극재 자체개발했다. 

GS칼텍스에서 에너지부문이 독립한 GS에너지는 2013년 이차전지 음극재를 국산화했다. 소프트카본 계열 음극재롤 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션에 개별테스트를 마치고 공급한다. 기존 음극재와 달리 -40℃에서도 구동이 가능하고 가격역시 10%이상 저렴하다.

이번 국산화로 국내 전지3사는 소프트 카본 위주로 흑연과 적절히 배합해 전기창요 리튬이온 전지셀을 완성할 방침이다. 

포스코켐텍은 2011년 5월 충남 연기군에 3만3000㎡ 음극재 생산공장을 착공해 10월부터 양산에 돌입했다. 2015년까지 음극재 국산화율을 40%로 늘린다는 계획이다. 중국산 흑연광을 가공해 2011년 하반기부터 연간 2400톤의 이차전지 음극재를 생산할 계획이다.

LG화학도 음극재 생산을 위한 개발을 한창 진행 중이다.

제일모직은 2013년말 패션사업부 매각 대금을 포함한 1조8000억원을 소재사업에 투자하겠다고 밝혔다. 유기발광다이오드, 이차전지용 분리막, 편광필름 관련 투자로 투자시기는 유연하게 가져갈 계획이다. 

애경유화도 2010년 국내 최초, 세계에서 두 번째로 하드카본계 음극재 제조기술을 자체개발했다. 2012년 리튬이차전지 음극재 공장을 착공했다. 총 150억원이 투입되는 애경유화 음극활물질 공장은 전주과학산업연구단지내 5124㎡ 규모로 2012년 말 준공했다.

SK이노베이션은 애경유화와 손잡고 전기차용 배터리 음극재를 공동개발하고 있다. 리튬이온전지에서 음극재는 충전에 관계되는 부분으로 전기차가 요구하는 충전횟수가 약 1000회 정도이기 때문에 여기에 맞는 소재 개발이 관건이다. 

음극재 소재는 현재 카본계가 대세를 이루고 있는데 비카본계가 학계에서 연구되고 있다. SK이노베이션은 일본이 보유하고 있는 하드카본 기술을 애경유화와 공동으로 개발할 계획이다. 
예일전자는 실리콘계 음극활물질을 개발해 양산기술을 확보했다. 예일전자의 실리콘계 음극활물질은 초기 충전용량이 g당 1500mAh로 기존 탄소 음극활물질의 4배에 달한다.

◆국내업체들 전해액 생산공장 잇따라 건설 
리튬이온전지 전해액이 전체 매출 75.9%를 차지하는 리켐이 2011년 4월 증권신고서를 제출했다. 리튬이온전지의 활황에 따라 2010년에 220억원을 들여 충남 금산에 생산시설을 건립해 연간 1만톤 규모의 생산체제를 확보했다. 

후성은 2011년 최고급 전해질 LiPF6를 생산하는 국내 유일업체로 성장세를 구가했다. 2010년에 이미 86억원의 영업이익을 달성했다. 2011년에 울산공장에 454억원을 투자, 제조능력을 두배로 향상했다. 2012년 BASF, Arsenal과 함께 美오하이오주 클리블랜드에 기반을 둔 노볼라이트 테크놀로지를 인수한다고 발표했다. 

BASF는 노볼라이트를 인수하며 현재 노볼라이트와 국내 파트너 업체인은 후성과 합작관계를 유지할 계획이다. 후성-BASF합작사는 중국 난통 지역에서 리튬염(LiPF6) 추가 생산 공장을 건설했다. 

파낙스이텍은 2011년 160억원을 투자해 충남 논산 제2일반산업단지에 전해액 2공장을 설립했다. 파낙스이텍은 우베홍산, 미쯔비시 화학 등 일본 기업과 전해액 생산공급량 1, 2위를 다투고 있다. 삼성SDI 말레이시아 공장 등 국내외 고객에게 안정적으로 제품을 공급한다.

OCI머티리얼즈가 2011년 이차전지 전해질 사업에 진출했다. 경북 영주공장 부지에 290억원을 투입해 연산 300톤 규모의 전해질 리튬염 설비신설에 착수했다.

◆분리막, 단순 직조에서 코팅, 신소재 적용까지 다양
분리막 시장은 2012년 1조2000억원 규모로 미국 셀가드가 24%를 점유하고 있고 일본 아사히, 미국 토넨, 한국 SK이노베이션, LG화학, 일본 우베 등이 각축을 벌이고 있다.

LG화학은 2011년 분리막을 세라믹으로 코팅해 합선 현상을 막고 폭발위험을 줄였다. 보통 폴리머 분리막은 구멍이 많아 사이로 리튬금속이 섞여 양극과 음극이 합선되는 현상이 잦아 폭발 위험성이 컸다. 

SK이노베이션은 2011년 폴리에틸렌(PE) 계열의 분리막을 만들어 국내 최초로 상용화에 성공했다. 충북 증평 산업단지에 분리막 공장을 설립했다. 2012년 준공한 분리막 6, 7호기 생산라인은 중대형 전지용 중심으로 연간 5760만㎡ 생산이 가능하다. 순수전기차 19만대에 공급할 수 있는 규모로 세계 3위 수준이다. 

웰크론은 2011년 인장강도가 우수한 멜트블로운 부직포에 관한 특허를 취득했다. 멜트브로운 공법은 고분자 복합소재를 녹여 고온고압의 바람을 이용해 나노섬유를 방사하는 방식이다. 

더블류스코프 일본법인이 2011년 도쿄증권거래소 마더스 시장에 상장했다. 더블류스코프는 삼성반도체 출신 최원근 사장이 2005년 설립했고 충북 오창에 공장이 있다. 2012년 5월 이차전지용 분리막 생산 능력확충을 위해 2015년까지 총 1000억원을 투자할 계획이라고 밝혔다. 

SYC는 한일산업기술협력재단의 지원으로 일본 퇴직 기술자를 기용해 이차전지 분리막에서 2012년 매출 226억원을 거뒀다. 

◆희유금속 확보 전쟁 
방계 사업도 커져갔다. 중국이 리튬 등 희토류를 자원무기화 가능성을 내비쳤고 아르헨티나는 카르텔화를 추진했다. 한편 염수에서 리튬을 추출하는 남미 기술효율은 30%에 그쳤다. 미국은 주석, 텅스텐, 금, 탄탈룸이 산출되는 아프리카 분쟁지역의 금수조치를 내리기도 했다.

포스코는 2011년 리튬 광석을 확보하고자 남미 자원개발을 시동 걸었다. 종합소재기업으로 변신을 위해 리튬 추출 기술개발과 리튬염호 확보에 주력했다.

광물자원공사와 함께 볼리비아 염수광산 리튬추출사업에도 참여했다. 칠레 리튬개발사업자인 Li3에너지와 리튬 관련 기술투자협력 양해각서를 교환했다.

또 아프리카에서 크롬, 텅스텐, 망간, 몰리브덴, 리튬 등 희귀금속 개발사업을 강화했다. 코스모화학도 황산코발트를 본격생산했다. 

2012년에는 볼리비아와 협의해 우유니 염호에 생산공장을 1∼2년내 설립하기로 결정했다.

세계최초로 염수에서 리튬, 유리세라믹, 알루미늄 등의 신소재 추출기술을 개발했다. 염수에 전기화학적 반응을 일으켜 리튬을 직접 추출하는 방식으로 자연 증발로 12개월 걸리던 것을 1개월 이내로 단축하고 리튬 회수율도 종전 50%에서 80%이상으로 증가했다.

또 국토해양부와 탄산리튬 상용플랜트 핵심공정과 상용화 연구를 담당할 해수리튬연구센터를 준공했다. 2014년까지 연간 10톤의 리튬을 추출할 수 있는 실증 플랜트를 구축하고 상용화할 수 있는 기술개발이 목표다. 

해상 리튬흡탈착 스테이션으로 바닷물에 미량으로 녹아 있는 리튬을 선택적으로 추출해 높은 순도의 리튬을 생산한다. 하루 1000톤 규모의 염수처리가 가능한 탄산리튬제조파일럿 플랜트도 준공했다. 회수율은 80% 수준이며 탄산리튬 생산 시간도 8시간이다.

2012년에는 LS니꼬동제련과 리튬이온전지 리사이클링 사업 분야에서 상호 협력하기로 했다. 

포스코는 리튬이온전지 리사이클링 원료를 안정적으로 조달하고 LS,니꼬동 제련은 리튬이온전지 리사이클링 기술과 사업모델을 공유한다. 2013년에는 1년 넘던 리튬추출시간을 1개월로 단축했다고 밝혔다. 기존 방식과 달리 화학반응에 의해 리튬을 추출하기 때문에 효율성이 증가된다. 리튬 회수율도 50%에서 80%로 높아져 경제성도 증가됐다.

포스코캠텍이 2011년 미쓰비시그룹과 손잡고 10만톤 규모의 침상코크스 공장을 2014년에 준공 목표로 발주했다. 포항과 광양제철소의 철강생산 공정에서 발생하는 연간 50만톤의 콜타르를 침상코크스로 제조하기 위한 원료로 활용한다.

침상코크스는 고온고압 열처리 공정을 통해 만든 바늘 모양의 코크스다. 반도체, 발광다이오드, 태양전지, 이차전지, 수퍼커패시터 전극재, 전극봉 등의 소재로 이용되고 있다.

코스모화학은 2011년 차세대 이차전지 양극활물질 기초소재인 황산코발트 양산체제에 돌입했다. 700억원을 들여 경북 울주군에 1000톤규모의 황산코발트 생산공장을 착공해 1년여 만에 준공했다. 

이 공장은 국내에서 유일하게 황산코발트 원광석을 가져와 초고순도의 황산코발트를 생산하는 라인이며 여기서 생산된 황산코발트는 계열사인 코스모신소재로 옮겨져 이차전지 핵심재료인 리튬코발트(LCO) 양극물질로 가공돼 삼성SDI와 LG화학에 납품된다.

◆전지박, 세계시장 석권  
TCC동양은 2009년 개발한 니켈도금강판이 삼성SDI와 LG화학의 품질승인을 얻어 성장했다. 열처리 니켈도금강판은 소형리튬이온 2차전지용 원통형 케이스다. TCC동양이 개발하기전 일본과 독일 등에서 전량 수입됐다. 2012년에는 포항공장의 니켈 연속열처리설비를 본격가동하기 시작했다. 

일진그룹의 계열사인 일진머티리얼즈는 2011년 전지박(elecfoil) 생산공장 투자협약을 전북 익산시와 체결했다. 일진머티리얼즈의 일반전지박 양산능력은 연간 3만6000톤으로 국내 시장 점유율 60%를 차지한다. 

전세계 시장에서는 미쓰이화학공업에 이어 2위다. 특수전지박은 삼성SDI와 LG화학 등 국내 50개 회사와 미국의 A123, 일본 산요 등에 납품하며 세계 1위를 기록한다. 익산시에 일렉포일, LED칩, 이차전부 부품 생산공장을 건립하며 초 1조원 투자를 약속했다.

일진머티리얼즈는 세계 전지용 전지박 시장에서 35.2%를 차지해 각각 20%인 후루가와와 LS를 제치고 1위를 차지했다. 

LS엠트론도 2011년 5월 전지박 사업에 2017년까지 1조원을 투자할 것이라고 말했다. 
2003년부터 전북 정읍 공장에서 연간 7000톤의 전지박을 생산 중이며 2010년 462억원을 투자해 생산효율을 2배로 향상시켰다. 2012년에는 전지박, 수퍼커패시터 소재로 글로벌 1위 달성을 선포했다. 2013년에는 종이두께 17분의 1 전지용 동박을 양산했다. 스마트폰 사용시간 연장과 스마트폰 경량화에 기여할 것으로 예측된다. LS엠트론은 동박시장에서 후루카와에 이어 2위로 2015년까지 연매출 3000억원으로 세계 1위를 목표로 한다.

GS그룹은 2011년 GS에너지를 설립해 이차전지와 폐기물의 에너지화를 추진했다.